FR3125198A1 - Circuit de refroidissement d’un convertisseur de tension, muni d’ailettes - Google Patents

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Abstract

La présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, le canal présentant au moins une portion dans laquelle deux zones distinctes de la surface interne sont reliées par au moins une ailette s'étendant dans cette portion du canal. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Circuit de refroidissement d’un convertisseur de tension, muni d’ailettes
La présente invention concerne le refroidissement de composants électroniques du moteur électrique d’un véhicule automobile, tels que les composants d’un convertisseur de tension.
Une machine électrique tournante comprend un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator bobiné fixe. Le bobinage statorique est connecté au convertisseur de tension. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit un champ magnétique au stator que le convertisseur de tension transforme en courant électrique afin d’alimenter les consommateurs électriques du véhicule et de recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et induit un champ magnétique entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique.
Le convertisseur de tension, logé dans un logement électronique, comporte un étage de puissance permettant de recevoir ou de fournir un signal électrique de puissance aux phases électriques du bobinage. L’étage de puissance comprend au moins un module de puissance comportant un terminal de puissance agencé pour être connecté électriquement à une sortie de phase pour former une connexion de phase. Le module de puissance forme un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée par les phases du stator en une tension continue et/ou, à l’inverse, pour transformer une tension continue en une tension alternative pour alimenter les phases du stator. Le convertisseur de tension comporte également un étage de commande comprenant un module de commande permettant le pilotage du ou des modules de puissance ainsi que de réguler, dans le cas d’un rotor bobiné, le courant injecté via le porte-balais au rotor et de faire l’interface avec un calculateur externe du véhicule.
Lors du fonctionnement de la machine, la température du module de puissance s’élève, la valeur de cette élévation de température étant liée au dimensionnement du module. L’augmentation excessive de température va créer des dommages importants au niveau des composants électroniques.
Pour limiter ces effets thermiques, il est connu d’utiliser un circuit de refroidissement du logement électronique. Le circuit de refroidissement est disposé avantageusement sous le module de puissance et comporte un canal dans lequel circule un fluide de refroidissement, le fluide entrant par une entrée dudit fluide et sortant par une sortie de fluide.
Le canal est délimité par une paroi dont une surface interne est au contact du fluide de refroidissement et une surface externe est au contact de l’électronique à refroidir. La paroi assure ainsi par conduction thermique le transfert des calories provenant de l’échauffement de l’électronique vers le fluide de refroidissement qui par sa circulation les évacue à l’extérieur du système.
Cependant l’efficacité de cet échange de calories à l’interface entre le fluide et la paroi peut être limité, pénalisant ainsi le refroidissement des composants électroniques, ces derniers n’étant ainsi pas refroidis de façon optimale.
La présente invention a donc pour objet de pallier cet inconvénient du dispositif de l’art antérieur en proposant un circuit de refroidissement plus efficace.
Pour cela la présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, le canal présentant au moins une portion dans laquelle deux zones distinctes de la surface interne sont reliées par au moins une ailette s'étendant dans cette portion du canal.
L’ailette est d’autant plus étendue que les zones qu’elle relie sont éloignées. La surface d’échange thermiques entre le fluide de refroidissement et la paroi du canal est ainsi augmentée par la surface additionnelle que créée l’ailette ainsi disposée dans l’écoulement du fluide de refroidissement. Le refroidissement en est ainsi plus efficace.
Selon un mode de réalisation de l’invention les deux zones distinctes sont opposées.
Selon un mode de réalisation de l’invention la portion comprend au moins deux ailettes, chaque ailette ayant un plan médian.
Selon un mode de réalisation de l’invention les plans médians des ailettes sont parallèles.
Selon un mode de réalisation de l’invention le canal s’étend selon un axe X, les plans médians des ailettes contenant chacun une droite parallèle à l’axe X.
Selon un mode de réalisation de l’invention au moins une ailette a une épaisseur définie selon une direction transverse au plan médian qui augmente le long de l’axe X entre un bord arrière de l’ailette et un bord avant de l’ailette.
Selon un mode de réalisation de l’invention le bord arrière et/ou le bord avant est arrondi.
Selon un mode de réalisation de l’invention un axe Z étant perpendiculaire à l’axe X, les plans médians des ailettes étant transverses à l’axe Z, deux plans adjacents sont séparés d’une distance mesurée selon l’axe Z comprise entre 1.5mm et 4.5mm et avantageusement de 3mm.
L’invention concerne également un convertisseur de tension comprenant un logement électronique contenant des composants électroniques, et muni d’un tel circuit de refroidissement.
L’invention concerne également le procédé de fabrication d’un tel circuit de refroidissement par fabrication additive. En effet une fabrication par moulage du canal de refroidissement nécessite de prévoir le démoulage. Les ailettes du canal de refroidissement ne peuvent donc pas être liées par leurs deux extrémités à la paroi interne du canal. En revanche la fabrication additive permet d’obtenir des ailettes selon l’objet de l‘invention. Une ailette au moins du circuit de refroidissement est obtenue par fabrication additive.
La est une représentation schématique d’un logement électronique avec circuit de refroidissement.
La est une vue de dessus d’un canal de refroidissement muni d’une ailette selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une portion de canal comprenant une ailette selon l’invention illustrant son plan médian.
La est une représentation schématique d’une portion de canal comprenant deux ailettes selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une vue en coupe transversale d’une ailette.
La est une vue en coupe d’une distribution simplifiée d’ailettes selon l’invention.
La est une représentation schématique du dispositif de fabrication additive.
Dans la suite de la description on considèrera un axe X pouvant être curviligne et des axes Y et Z perpendiculaires à X et sécants entre eux.
La illustre une partie d‘un convertisseur de tension 70 comportant un logement électronique 60 avec un circuit de refroidissement 500 selon l’invention.
Le logement électronique 60 comprend les éléments de commutation du module de puissance et les composants électroniques du module de commande permettant de commander les éléments de commutation.
Le circuit de refroidissement 500 est en contact avec le logement électronique 60, de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement des composants électroniques du module de puissance.
Le circuit de refroidissement 500 comprend un canal 5 formé dans le corps du circuit. Le circuit de refroidissement 500 comprend par exemple un canal circulaire. En variante, le circuit de refroidissement comprend un canal en forme de parallélépipède ou toutes formes compatibles avec le fonctionnement du circuit de refroidissement.
Le circuit de refroidissement est par exemple en aluminium, parcouru par un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est par exemple de l’eau ou un mélange eau-glycol.
Le canal 5 comprend au moins deux interfaces vers l’extérieur, le fluide entrant par une interface et sortant par l’autre, le canal s’étendant sensiblement tubulaire autour de l’axe X entre les deux interfaces. Le fluide s’écoule contre la surface interne 50 du canal.
En première approximation, dans le canal tubulaire selon l’axe X, l’écoulement du fluide se fait selon l’axe X, c’est à dire que le fluide s’écoule transversalement à un plan perpendiculaire à l’axe X illustré à la .
Dans la suite de la description on décrit une portion du canal 51 représentée à la dans laquelle s’étend au moins une ailette 1a entre deux zones distinctes 52, 53 de la surface interne 50 comme illustré à la . En particulier, l’ailette 1a s’étend dans le canal, le fluide s’écoulant autour de l’ailette 1a.
Ces deux zones distinctes 52, 53 sont avantageusement opposées. En considérant le cas simplifié d’une portion de canal 51 parallélépipédique s’étendant selon X et comprenant une paroi inférieure opposée à une paroi supérieure selon Y, et des parois latérales opposées selon Z, l’ailette s’étendra entre une zone de la paroi inférieure et une zone de la paroi supérieure. Une telle ailette s’étend donc en travers du canal, le fluide circulant autour de l’ailette avec une surface d’échange entre le fluide et l’ailette qui s’étend sur toute la hauteur de l’ailette entre les parois opposées du canal. L’ailette a avantageusement une dimension dans la direction Z très inférieure à la distance entre les parois latérales. L’ailette ne limite ainsi pas l’écoulement de fluide dans le canal.
L’ailette 1a s’étend avantageusement dans un plan d’extension, une épaisseur de l’ailette selon une direction transverse au plan d’extension étant inférieure aux dimensions de l’ailette dans le plan d’extension. Une épaisseur typique d’ailette pourra être de 2mm pour une ailette de 8mm de hauteur dans son plan d’extension.
L’ailette 1a s’étend avantageusement autour d’un plan médian Pa illustré à la . Un tel plan coupe l’ailette au milieu de son épaisseur de sorte que l’ailette est sensiblement symétrique par rapport à ce plan Pa.
L’ailette 1a est avantageusement positionnée dans l’écoulement du fluide pour limiter les pertes de charge. Ainsi le plan médian de l’ailette comprend une droite parallèle à l’axe X d’écoulement du fluide. Le plan médian de l’ailette s’étend dans ce cas simplifié dans le plan (X, Y), l’axe Z étant transverse au plan médian.
La portion 51 comprend avantageusement au moins deux ailettes 1a, 1b, comme illustré ayant respectivement des plans médians Pa, Pb. Les plans médians sont avantageusement parallèles.
Les deux ailettes 1a, 1b sont donc toutes les deux toute hauteur entre les parois supérieure et inférieure du canal et solidaires des parois opposées par les extrémités axiales inférieure et supérieure, pour augmenter la surface d’échange. L’ailette est par exemple venue de matière avec la paroi. Les ailettes 1a, 1b parallèles sont également dans l’écoulement du fluide de sorte à éviter la perte de charge.
Dans un mode avantageux de réalisation, dans un quelconque plan transverse à l’axe Y et coupant l’ailette 1a, la section de l’ailette 1a a une épaisseur transversalement au plan médian Pa qui augmente le long de l’axe X.
La section de l’ailette dans un de ces plans de coupe, illustrée à la s’étend en s’évasant selon X entre deux bords arrondis, le bord arrière 13 et le bord avant 14, le fluide s’écoulant au contact de l’ailette du bord arrière vers le bord avant. L’épaisseur de l’ailette entre les bords augmente de 0.2mm au niveau du bord arrière à 1.5mm au niveau du bord avant.
L’ailette 1a ainsi profilée permet de limiter la perte de charge tout en augmentant la surface d’échange du fluide refroidissement avec la surface du canal, l’ailette 1a augmentant la surface d’échange du canal.
La distance entre deux ailettes correspond à la plus petite distance entre les plans médians de deux ailettes directement adjacentes.
Dans le cas simplifié, en définissant la distance d1 comme la distance entre les plans médians de deux ailettes adjacentes selon l’axe Z, dans un plan de coupe quelconque perpendiculaire à l’axe Y, comme illustré à la , la distance d1 entre deux premières ailettes est avantageusement comprise entre 2mm et 4mm et plus particulièrement de l’ordre de 2.5mm pour un canal de hauteur h selon l’axe Z comprise entre 10mm et 20mm. La distance d1’ selon X entre deux premières ailettes 1 adjacentes selon X est avantageusement de l’ordre de 1mm à 2mm, notamment pour éviter que les lignes d’écoulement de fluide soient perturbées à proximité des bords des ailettes.
Un circuit de refroidissement comprenant de telles ailettes est obtenu par fabrication additive.
Dans une première alternative du procédé de fabrication du circuit de refroidissement 500, illustrée à la celui-ci est construit par fabrication additive. Le circuit de refroidissement est produit par l’ajout de couches successives, à partir d’un modèle numérique issu de la conception assistée par ordinateur, en utilisant un réservoir de poudre métallique 101 utilisé pour y puiser la matière à déposer.
Le procédé de fabrication additive du circuit de refroidissement comprend les étapes décrites ci-dessous.
Dans une chambre sous atmosphère contrôlée 110 (c’est-à-dire sous gaz neutre type Argon, ou pression et température sont également régulés)
- le rouleau racleur 102 dépose un lit de poudre de 60 micromètre dans le plateau de fabrication 103
- le laser 104 guidé par la tête galvanométrique 105 fusionne les grains là où la matière de la pièce souhaitée est requise
- le plateau du réservoir d’approvisionnement 106 monte de 60 micromètre
- le plateau de fabrication 103 descend de 60 micromètre
- le rouleau 102 dépose la couche de poudre suivante et ainsi suite
- une fois le circuit terminé, on retire le bac 107 contenant le circuit et la poudre,
- on dépoudre avec un pinceau, ou avec de l’air comprimé pour enlever environ 60 à 80% du volume qui constitue la poudre non fondue (qui peut être réutilisé 3 fois)
- et on garde les 10 % restant (environ) qui constituent le circuit terminé,
- puis à l’aide de traitements thermiques et de traitements de surface on finalise le circuit. Un traitement de détensionnement en four est souhaitable pour relâcher le niveau de contrainte à l'intérieur du circuit dues aux gradients thermique pendant le procédé.
Le procédé de dépoudrage impose l’angle supérieur à 10° entre les plans médians P1 et P2 et les distances minimales d1 et d2. Pour le dépoudrage, l’angle entre les plans médians sera même avantageusement supérieur à 20°.
Ce procédé de fabrication permet notamment de fabriquer un circuit de refroidissement muni d’ailettes étant solidaires du canal par leurs deux extrémités.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims (10)

  1. Circuit de refroidissement (500) pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement (5) dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal (5) comprenant une surface interne (50) en contact avec le fluide de refroidissement, le canal (5) présentant au moins une portion (51) dans laquelle deux zones distinctes (52, 53) de la surface interne sont reliées par au moins une ailette (1a) s'étendant dans cette portion du canal (51).
  2. Circuit de refroidissement selon la revendication 1 dans lequel les deux zones distinctes (52, 53) sont opposées.
  3. Circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel la portion (51) comprend au moins deux ailettes (1a, 1b), chaque ailette ayant un plan médian (Pa, Pb).
  4. Circuit de refroidissement selon la revendication 3 dans lequel les plans médians (Pa, Pb) des ailettes (1a, 1b) sont parallèles.
  5. Circuit de refroidissement selon la revendication 3 dans lequel le canal (5) s’étend selon un axe (X), les plans médians (Pa, Pb) des ailettes (1a, 1b) contenant chacun une droite parallèle à l’axe X.
  6. Circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel au moins une ailette (1a) a une épaisseur définie selon une direction transverse au plan médian (Pa) qui augmente le long de l’axe X entre un bord arrière (13) de l’ailette et un bord avant (14) de l’ailette.
  7. Circuit de refroidissement selon la revendication 6 dans lequel le bord arrière (13) et/ou le bord avant (14) est arrondi.
  8. Circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 3 à 7 dans lequel un axe (Z) étant perpendiculaire à l’axe (X), les plans médians (Pa, Pb) des ailettes étant transverses à l’axe Z, deux plans adjacents (Pa, Pb) sont séparés d’une distance mesurée selon l’axe Z comprise entre 1.5mm et 4.5mm et avantageusement de 3mm.
  9. Convertisseur de tension (70) comprenant un logement électronique (60) contenant des composants électroniques, et un circuit de refroidissement (500) du logement électronique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Procédé de fabrication d’un circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel au moins une ailette (1a) est obtenue par fabrication additive.
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