Support adapté pour recevoir un module électronique à circuit de refroidissement par liquide, et ensemble formé par support et modules.
DOMAINE DE L 'INVENTION
L'invention est relative au domaine de l'électronique, plus particulièrement à la construction de modules électroniques, notamment à la construction de modules électroniques bien adaptés aux véhicules automobiles.
ETAT DE LA TECHNIQUE
II se dessine à l'heure actuelle une tendance nette à utiliser des actuateurs électriques pour un nombre sans cesse plus grand de fonctions implantées dans les véhicules automobiles.
Cette tendance, déjà ancienne pour de nombreuses fonctions de confort ou pour des fonctions périphériques des moteurs à combustion interne ou des boîtes de vitesse, concerne maintenant de plus en plus des fonctions de base des véhicules, comme la suspension, la direction, les freins et la motorisation. Les progrès de l'électronique permettent en effet un pilotage toujours plus efficace de différentes fonctions. Il en résulte que la plupart des actuateurs des véhicules automobiles, sinon tous, seront dans le futur des organes électriques. Un avantage des actuateurs purement électriques est qu'ils se marient mieux que les actuateurs hydrauliques ou électro-hydrauliques avec un pilotage tenant compte de nombreux paramètres traités par calcul au moyen de logiciels sophistiqués.
Pour illustrer cette évolution dans le monde de l'automobile, citons par exemple les véhicules hybrides, en particulier les véhicules hybrides série dans lesquels, on le sait, la propulsion ne se fait que via un ou des moteurs électriques. Ces véhicules sont équipés
de dispositifs de génération d'énergie électrique comportant un moteur à combustion interne entraînant un alternateur, et de dispositifs de propulsion électrique des roues, bien souvent un moteur électrique par roue motrice.
D'autres exemples d'application récente d'actuateurs électriques sont donnés par les véhicules pourvus d'actionneurs électriques fonctionnant en parallèle d'un ressort pour assurer un contrôle actif de la suspension ainsi que des fonctions d' anti-roulis et d' antitangage du véhicule. Citons encore les systèmes de direction électrique permettant par exemple un braquage individualisé de chacune des quatre roues sans liaison mécanique entre le dispositif de commande à disposition du conducteur (volant par exemple) et la roue. Citons encore les systèmes de contrôle actif du roulis de l'habitacle et/ou du can'ossage des roues.
Certaines de ces fonctions, principalement la traction d'un véhicule, mettent en jeu des puissances considérables. Le pilotage électronique implique donc l'emploi de composants de puissances. Même si le rendement des différents éléments utilisés est bon, il y a quand même inéluctablement des pertes et toute perte énergétique provoque nécessairement, s'agissant d'organes de puissance, des dégagements de calories significatifs. On trouve par exemple dans les véhicules décrits ci-dessus des modules électroniques mettant en œuvre des puissances de l'ordre de quelques Kilowatts jusqu'à plusieurs dizaines de Kilowatts. C'est par exemple le cas des onduleurs destinés à piloter des moteurs électriques. C'est par exemple aussi le cas des modules électroniques destinés à la génération d'une alimentation stabilisée de puissance électrique. Ce sont dans tous les cas des convertisseurs de puissance dimensionnés pour gérer des puissances importantes.
Ces modules électroniques reçoivent en général en entrée des alimentations à des niveaux de tension élevés (pouvant atteindre plusieurs centaines de volts) et de courant élevés
(plusieurs centaines d'ampères). Ils génèrent en sortie à leur tour des niveaux de tension élevés (plusieurs centaines de volts) et de courant élevés (plusieurs centaines d'ampères),
par exemple destinés à alimenter des moteurs électriques de traction de type synchrone auto-pilotés à aimants permanents.
Ces convertisseurs de puissance comportent en général des composants électroniques de puissance, par exemple des transistors de type IGBT ou MOSFETS. Ces composants, dans leur fonctionnement, ont des pertes qui provoquent un échauffement. Même s'il est souhaitable de travailler avec des composants présentant le minimum de pertes (ce qui améliore le rendement des modules considérés), il faut être capable d'évacuer les calories inéluctablement dissipées. En outre, la recherche d'encombrements réduits est plus particulièrement désirable dans le cas d'une implantation de ces convertisseurs dans des véhicules. Ceci amène à préférer un mode de refroidissement par fluide liquide, par exemple un mélange d'eau et de glycol.
Se pose alors le problème de pouvoir installer et extraire du véhicule aussi rapidement que possible ces convertisseurs de puissance. En effet, les manipulations nécessaires pour brancher et débrancher de nombreux raccordements électriques et hydrauliques deviennent vite fastidieuses. En outre, ces opérations sont toujours sources potentielles d'erreurs, voire de casse, et donc dégradent par elles-mêmes la fiabilité. D'autre part, la rapidité de montage et d'intervention est importante, tant dans le cas de la construction des véhicules que dans le cas de leur maintenance.
Remarquons encore que, si le module électronique est incorporé à un circuit de refroidissement à fluide caloporteur liquide, le circuit comprend notamment une pompe de circulation du liquide. Le circuit de refroidissement est en général commun pour plusieurs modules électroniques. Les opérations de montage et démontage évoquées ci- dessus doivent prendre en compte le temps nécessaire à interrompre et à rétablir aussi le circuit de refroidissement.
Dans le domaine automobile, le brevet US 5,633,784 propose d'intégrer sur un même support les canalisations hydrauliques et les liaisons électriques nécessaires. Le
connecteur électrique proposé est d'une conception particulière offrant une seule voie de connexion électrique et est assez encombrant. Dans le domaine des appareils électriques, on connaît par le brevet US 6,616,469 un dispositif pour connecter hydrauliquement un circuit de refroidissement aménagé sur une carte électrique, les connexions hydrauliques étant pourvues de clapets auto-obturants. Aucune de ces solutions n'est pleinement satisfaisante car aucune ne permet, en un seul mouvement de rapprochement relatif, de réaliser tout à la fois les connexions hydrauliques et électriques de grande fiabilité notamment offrant une grande qualité des contacts électriques pour les signaux faibles, y compris après de nombreuses manœuvres, y compris lorsqu'il n'est pas possible d'assurer un pré-po sitionnement précis .
BRÈVE DESCRIPTION DE L 'INVENTION
L'objectif de l'invention est de proposer une solution facilitant le montage et le démontage de sous-ensembles comprenant des composants électroniques de puissance, bien adaptée pour former un équipement pour véhicule automobile, mais pouvant aussi trouver des applications pratiques dans des machines industrielles notamment.
L'invention concerne une conception d'ensemble pour un support d'un ou de plusieurs modules électroniques adaptés l'un à l'autre ou l'un aux autres.
L'invention propose un ensemble formé par au moins un module électronique et un support formant au moins une base sur laquelle le module électronique peut être emboîté de façon à positionner ledit au moins un module sur le support et établir des connections électriques nécessaires entre au moins une paire de connecteurs électriques l'un des connecteurs électriques étant monté sur le module et l'autre des connecteurs électriques étant monté sur le support, ledit au moins un module comportant un circuit pour fluide caloporteur, ledit circuit ayant une entrée et une sortie pour le fluide caloporteur, le support comportant au moins un orifice d'apport pour alimenter ledit au moins un module en fluide caloporteur et au moins un orifice de collecte pour recueillir le fluide
caloporteur, le support et le module comportant chacun au moins deux raccords hydrauliques pour assurer le raccordement du circuit aux orifices, l'ensemble étant caractérisé en ce que pour chaque paire de connecteurs électriques, l'un des connecteurs électriques est monté par des moyens de montage laissant le connecteur flottant dans le plan perpendiculaire au mouvement de rapprochement relatif entre module et base.
L'invention s'étend aussi au support en lui-même, formant au moins une base sur laquelle au moins un module électronique peut être emboîté de façon à positionner ledit au moins un module sur le support, le support comportant au moins une embase pour recevoir au moins un connecteur électrique destiné à assurer une connexion électrique vers ledit au moins un module, ladite embase définissant un plan de montage pour ledit connecteur électrique, le support comportant au moins un orifice d'apport pour alimenter ledit au moins un module en fluide caloporteur et au moins un orifice de collecte pour recueillir le fluide caloporteur, le support comportant au moins un raccord hydraulique sur chacune des orifices, chacun des raccords hydrauliques étant agencé de façon à ce que le raccordement hydraulique se fasse dans une direction sensiblement perpendiculaire audit plan de montage, caractérisé en ce que ledit au moins un connecteur électrique est monté par des moyens de montage laissant le connecteur flottant dans le plan de la base.
L'invention utilise des moyens de montage mécaniques de modules sur un support et un système de raccordements du module électronique par connecteurs électriques et hydrauliques, le tout requérant aussi peu de manipulations que possible. Notamment, l'invention dispense de devoir prépositionner module et support. La solution selon l'invention offre donc des modules électroniques enfichables, et immédiatement prêts à fonctionner, sans qu'il soit nécessaire de purger le circuit hydraulique.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
La suite de la description permet de bien faire comprendre tous les aspects de l'invention en s'appuyant sur les dessins joints.
La figure 1 est une perspective montrant un support et plusieurs modules électroniques, formant un ensemble selon l'invention ;
La figure 2 montre le même support selon l'invention, vu en perspective et débarrassé de tous les modules ; La figure 3 est une autre perspective montrant plus particulièrement la face d'un premier module selon l'invention destinée à coopérer avec le support visible aux figures 1 et 2 ;
La figure 4 est une autre perspective montrant plus particulièrement la face d'un deuxième module selon l'invention destinée à coopérer avec le même support ;
La figure 5 est une autre perspective montrant plus particulièrement la face d'un troisième module selon l'invention destinée à coopérer avec le même support ;
La figure 6 est une autre perspective montrant plus particulièrement la face d'un quatrième module selon l'invention destinée à coopérer avec le même support ;
Les figures 7 et 8 illustrent le montage d'un module particulier sur le support ;
La figure 9 est une perspective montrant les mêmes modules électroniques montés sur le même support, prêts à fonctionner.
DESCRIPTION DU MEILLEUR MODE DE REALISATION DE L 'INVENTION
A la figure 1, pour bien faire comprendre le montage, on voit un support S destiné à recevoir plusieurs modules électroniques tel que les modules Ml, M2, M3 et M4. Chaque module électronique est représenté éloigné du support S mais en regard chacun de la position qu'il occupera après montage. Le support S illustrant l'invention est conçu pour recevoir cinq modules, dont deux identiques. Il est conçu pour se loger en position
transversale par exemple derrière une banquette arrière dans une berline de tourisme, ou en position longitudinale dans une console centrale d'un véhicule de tourisme.
Passons tout d'abord à la description du support, pour laquelle le lecteur est renvoyé plus particulièrement à la figure 2. Le support S comporte une structure mécanique porteuse réalisée de façon monobloc, par exemple en tubes métalliques conformés et assemblés de façon appropriée. Le support S joue en même temps un rôle électrique en assurant la mise à la masse de tous les éléments.
La stmcture mécanique porteuse est essentiellement composée par des tubes sensiblement parallèles SI et S2. Ces tubes SI et S2 sont destinés à permettre la circulation d'un liquide caloporteur. Dans l'illustration, ces tubes SI et S2 ont l'allure générale d'une droite mais contiennent toutefois quelques coudes. Par sensiblement parallèles, on vise le développement des tubes dans l'espace, c'est à dire le tracé suivi par les tubes dans l'espace, mais on n'a pas voulu donner une importance quelconque à une allure qui serait strictement droite. L'allure générale est seulement dictée par le volume disponible pour l'installation du support et des modules, par exemple à l'intérieur du véhicule automobile pour une application de l'invention aux équipements électriques pour véhicules automobiles. L'allure générale n'est en aucune manière dictée par des considérations fonctionnelles propres aux modules ou au support. En revanche, les considérations fonctionnelles dictent qu'il y ait bien entendu aussi peu de perte de charge que possible à l'intérieur des tubes SI et S2, ce qui conduit à préférer les coudes de grand rayon aux coudes de petits rayons, ce qui conduit à n'admettre que des changements de direction formant un angle relatif aussi faible que possible, etc....
Les tubes SI et S2 sont reliés mécaniquement et sans communication hydraulique d'un tube à l'autre par des entretoises S3, de façon à ce que leur assemblage forme ainsi une pièce mécanique monobloc. La structure mécanique porteuse, c'est à dire le support S, comporte au moins un pied S 5 et typiquement au moins trois pieds S 5, par lesquels le support S est rendu solidaire de la caisse du véhicule.
Chacun des tubes SI et S2 forme de préférence une rampe commune SU et S12 à partir de laquelle le liquide caloporteur est distribué vers chaque base, pour être introduit en parallèle dans les différents modules électroniques Ml, M2, M3, M4, etc. ... A cette fin, chacun des tubes aboutit d'un seul côté à une extrémité formant orifice SI 11 et S121 respectivement, pour être branché sur le véhicule à une installation dans laquelle circule un liquide caloporteur. L'installation comporte, comme bien connu en soi, pompe, radiateur, éventuellement thermostat, canalisation, etc Au moins deux canalisations
SI 12 et S 122 par module électronique sont prévues et chacune est branchée (raccordement hydraulique) en dérivation sur un tube différent. Les canalisations SI 12 et S 122 font partie de la pièce mécanique monobloc.
Le support comporte au moins un orifice d'apport pour alimenter ledit au moins un module en fluide caloporteur et au moins un orifice de collecte pour recueillir le fluide caloporteur, les modules électroniques (Ml, M2, M3, M4) étant alimentés en fluide caloporteur en parallèle. Chaque orifice d'apport et chaque orifice de collecte de chaque canalisation SI 12, S122 aboutit respectivement à l'un des raccords hydrauliques SOI 1 et S012. Remarquons que certaines des entretoises S3 peuvent elles-mêmes être des tubes assurant le raccordement hydraulique entre l'un tube des SI ou S2 et les canalisations SI 12, respectivement S122 mais dans ce cas, bien entendu, l'entretoise ne débouche pas dans l'autre des tubes. Bien entendu, l'alimentation hydraulique en parallèles des modules n'est pas impérative, l'invention couvrant aussi bien un branchement en série des circuits hydrauliques internes aux modules électriques, ou certains d'entre eux au moins.
Etant donné le poids des modules électroniques, en général, la liaison de ceux-ci au support par les raccordements hydrauliques peut ne pas être suffisante pour assurer la stabilité mécanique. Dès lors, de préférence, on prévoit des dispositifs supplémentaires dédiés à la fixation mécanique. C'est ainsi que, de préférence, le support est pourvu d'au moins une patte S4 par module électronique (servant de liaison électrique à la masse),
ladite au moins une patte étant reliée mécaniquement et sans communication hydraulique à l'un ou l'autre des tubes SI, S2 ou aux deux. Cela permet de prévoir sur les modules des pions de guidage qui permettent d'aligner les raccordements hydrauliques et électriques avant que ces derniers n'entrent en contact l'un avec l'autre. Ceci aide à effectuer un bon prépositionnement de chaque module par rapport au support.
Le support comporte des éléments de connexion électrique. Sur le support, on voit un certain nombre de connecteurs électriques S 10, S20, S30, en pratique au moins un par module électronique. Ainsi, sur le support S, les connecteurs électriques, raccords hydrauliques et pattes de maintien mécanique constituent ensemble autant de base qu'il y a de module électronique à monter. A la figure 2, on a repéré les bases Bl, B2, B3 (deux bases B3), B4 destinées chacune à recevoir un module électronique tel que les modules Ml (figures 4, 7 et 8), M2 (figure 5), M3 (figure 3) et M4 (figure 6).
Les connecteurs électriques sont reliés mécaniquement à ladite structure mécanique porteuse réalisée de façon monobloc, pièce mécanique principale du support. A l'extrémité gauche de la figure 2, on voit deux des nombreuses embases S9 nécessaires au montage des connecteurs électriques. Les embases destinées à recevoir un connecteur définissent un plan de montage pour recevoir ledit connecteur électrique. En consultant la figure 1, on comprend que les connecteurs électriques S 10, S20, S30, ..., tout comme les raccords hydrauliques SOU et SOI 2 d'ailleurs, sont conçus et montés pour que tous les raccordements, aussi bien électriques qu'hydrauliques, se fassent par un mouvement orienté dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan de montage défini sur le support par les embases S9.
Dans le mode préféré de réalisation de l'invention choisi pour la présente illustration, chacun des connecteurs électriques S 10, S20, S30, permet d'acheminer l'ensemble des signaux électriques. Chaque connecteur électrique regroupe des connexions de puissance (alimentation principale du module, onduleur d'un module destiné à piloter un moteur électrique de traction, ...), ainsi que des connexions de mesure (position moteur,...). En
ce qui concerne les connexions de puissance, il existe donc pour le ou les connecteurs électriques concernés au moins un plot de contact à section de contact supérieure à 6 mm2 pour le passage de courants de forte intensité. Chaque connecteur est bien entendu relié à un faisceau électrique, non représenté pour ne pas surcharger les dessins, le ou les faisceaux électriques étant reliés par ailleurs aux actuateurs ou autres organes appropriés sur le véhicule, éventuellement via d'autres connecteurs.
L'un des connecteurs électriques de chaque paire de connecteurs électriques associés, par exemple les connecteurs électriques S 10, S20, S30, ... montés sur le support (mais l'inverse est bien entendu possible), est monté par des moyens de montage laissant le connecteur flottant dans le plan perpendiculaire au mouvement de rapprochement relatif entre module et base. Ceci aide à ce que les contacts électriques ne soient pas sollicités par des contraintes mécaniques parasites, provenant de défauts d'alignement, de tolérances de fabrications, etc
Avantageusement, chaque connecteur électrique S 10, S20, S30, ... comporte des guides S101, S201, S301, ... qui permettent d'aligner des tiges de guidage de chaque connecteur électrique S10, S20, S30, ... avec le connecteur électrique associé M10, M20, M30, M40 sur les modules (voir infra), avant que les contacts électriques mâles et femelles ne se rencontrent. Ceci garantit que le guidage n'est réalisé en aucun cas par les contacts électriques. Par cette mesure additionnelle, on augment la durée de vie des contacts et on peut éviter de les dimensionner mécaniquement pour ce genre de sollicitations.
Passons à la description des modules électroniques Ml (voir figure 4, 7 et 8), M2 (voir figure 4), M3 (voir figure 5), M4 (voir figure 6). Mêmes si leurs fonctions électriques peuvent être très différentes et donc leurs composants électroniques très différents, l'invention se rapporte aux aspects mécaniques de la connexion électrique et au refroidissement par liquide hydraulique, qui sont tous communs aux différents modules. Il suffit donc de décrire plus en détail un seul de ces modules, par exemple le module M3.
La figure 3 montre la face du module électronique M3 destinée à coopérer avec la base prévue sur le support S pour recevoir ce module électronique. De préférence, le ou lesdits modules et le support sont agencés pour établir des connections électriques et hydrauliques nécessaires par un seul mouvement de rapprochement relatif entre module et support. On voit plus particulièrement un connecteur électrique M30, ses tiges de guidage M301, un circuit MOI pour fluide caloporteur, deux raccords hydrauliques MOU et MO 12 pour assurer le raccordement du circuit MOI sur le support. Pour pouvoir extraire chacun des modules électroniques du véhicule sans purger le circuit de refroidissement, les raccords hydrauliques MOU (et SOU sur le support) et MO 12 (ainsi que SOI 2 sur le support) sont de préférence auto-obturants. Ainsi, chaque module électrique peut être préchargé en fluide de refroidissement et purgé à l'avance, les purgeurs éventuellement utiles pouvant même être extérieurs aux modules. Les modules peuvent être ainsi véritablement prêts à l'emploi.
De préférence, les raccords hydrauliques MOU (et SOI 1 sur le support) et MO 12 (ainsi que SOI 2 sur le support) sont agencés pour pouvoir être accouplés par le seul mouvement de rapprochement relatif entre module et support. Le module électronique M3 comporte un système de guidage mécanique représenté par les pions de centrage M34, qui ont aussi une fonction électrique, à savoir la mise à la masse.
Passons à la description du montage des modules électroniques sur le support.
Traitons d'abord le cas du module M3 (figure 3). La première étape consiste à insérer les pions M34 dans les pattes S4 du support S. En même temps, on insère les tiges de guidage M301 du connecteur électrique S30 dans les guides S301 du support S. Ensuite, par simple enfoncement du module M3 en direction du support S, on provoque les raccordements hydrauliques et les connexions électriques.
Avantageusement, on peut en outre prévoir au moins pour certains modules un mécanisme de rapprochement relatif d'un module vers le support. Le module Ml visible
à la figure 4 est adapté pour un tel mécanisme, qui dans ce cas particulier est partie intégrante du support S. Par exemple, le module Ml est équipé d'ergots Ml 15 agencés sur des piétements M14. Les ergots Ml 15 sont destinés à être insérés dans des lumières SI 15 prévues sur des flasques SI 16 rigidement liés au support S (voir figures 7 et 8). Quatre cames S7 rotatives sont montées sur les flasques SI 16. Une tête de commande S71 permet la rotation simultanée des quatre cames S7, qui entraînent les ergots Ml 15 vers le support, ce qui enfonce le module électronique Ml sur sa base Bl tout en provoquant la connexion électrique et le raccordement hydraulique.
De préférence, chaque module est immobilisé sur le support par un mécanisme de verrouillage approprié. Le mécanisme de rapprochement relatif décrit ci-dessus joue également ce rôle.
Bien entendu, cette disposition de construction peut s'appliquer à d'autres domaines que les véhicules, à savoir les trains, avions, ou machines industrielles, à tous les cas où l'on recherche un faible encombrement, où la quantité de calories à dissiper est importante, où l'on recherche une grande de rapidité de mise en place, de dépannage, etc.