WO2006010822A2 - Dispositifs de refroidissement perfectionnes pour applications diverses - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a major improvement made to cooling devices that operate by heat exchange between a hot liquid and a cold fluid.
  • the invention relates to chillers performing a heat exchange water / air and, secondarily, to those whose hot liquid is different from water and / or those whose cold fluid is different from the air.
  • Such cooling devices are associated with many organs to dissipate a specific heat flow which, for each member concerned, depends both on the total power implemented and the yield obtained.
  • the thermal flows involved in the chillers according to the invention are located in two very wide ranges of power and temperature.
  • the range of these powers ranges from about fifty watts to a hundred kilowatts.
  • its lower limit is at least ten degrees higher than the maximum temperature of the cold fluid readily available and its upper limit, determined by the temperature of change of state of the hot liquid, to a possible pressure of use.
  • Any cooling device associated with a member concerned, has a coupling surface adapted to marry, permanently or not, the heat dissipation surface of this body.
  • the surfaces in question are the two faces of walls with a closed cross section, such as those of the cylinders of a heat engine.
  • these surfaces are flat plates, small ( ⁇ 15 cm 2 ).
  • averages ⁇ 2 dm 2
  • high power or relatively large electronic equipment 5 to 20 dm 2
  • Any water / air heat exchange cooling device coupled to the heat dissipation surface of a given organ, comprises:
  • a boiler having an internal cavity, provided with two collectors, and a coupling surface, corresponding to said heat dissipation surface;
  • a finned radiator provided with two collectors; ducts for connecting together the collectors of the boiler and the radiator and thus constitute a sealed enclosure;
  • the radiator of such a cooling device As regards the radiator of such a cooling device, the requirement of having a high thermal conductance as well as a reduced frontal area and / or a limited volume is imposed on it in all cases.
  • the overall performance of such a cooler is stated by a single value, that of its total thermal resistance, which is expressed in degrees per Watt (° / W) or its inverse, the thermal conductance (in Watts per degree).
  • a heat exchanger water / air heat coupled to a microprocessor that must evacuate 100 Watts, while remaining at an average temperature of 60 ° C.
  • This cooler comprises a mini-boiler in which the water enters at 50 0 C, leaves at 60 ° C and circulates at 2.4 g / s.
  • the average temperature of the water in the mini boiler is 55 ° C and the difference between the average temperature of this water and that of the heat dissipation surface of the microprocessor is 5 ° C.
  • the thermal resistance of the mini-boiler coupled to this surface is 0.05 ° / W.
  • the air enters at 25 ° C in the radiator, leaves at 45 0 C and circulates at 5 g / s, while the average temperature of the water in the radiator is 55 ° C.
  • the difference between the average temperatures of the water and the air in the radiator is 20 ° C., which gives 0.20 ° / W for the thermal resistance of the radiator.
  • the total thermal resistance of the cooler device in question is 0.25 0 AV.
  • mini-boilers waterblock, English trade
  • pumps have some originality
  • the radiators are all of a standard type with full metal fins.
  • mini-boilers described are copper blocks, of a hundred cm 3 , machined to have an internal cavity provided with a generally welded metal cover and upstream and downstream connectors or collectors.
  • Such an internal cavity is constituted either by a single channel, sinuous or spiral, relatively wide, equipped with connections, or by a small number of relatively narrow parallel channels, provided with collectors.
  • Another example of a mini-micro-channel boiler is described in US Patent No. 5,263,251 of 1993.
  • It is constituted by a block, equipped with two inlet and outlet tubes, which is the result of the rolling of a stacking many copper sheets, one side of which is etched, to reveal a fine rectilinear or sinuous passage between two openings. After laminating of the stack of sheets thus etched, these openings constitute the welded edges of the two internal collectors micro-channel supply resulting from the crushing of the material delimiting these passages. The heat dissipation surface of the microprocessor to be cooled is applied to a side wall of the block thus formed. This results in significant thermal resistance for such a mini boiler.
  • the pumps used are generally pumps equipped with a brushless electric motor and a centrifugal turbine.
  • the hydraulic power of these pumps is relatively high in order to be able to generate, in a single-channel mini-boiler and in the associated full-fin radiator, a water circulation in turbulent flow, which increases strongly (up to 20 times) the apparent thermal conductivity of the water flowing in these two components.
  • a pump available on the market, which comprises a brushless electric motor 25 W, provided with a rotor consisting of a multipolar hemispherical magnet about 5 cm in diameter, integral with a turbine centrifugal, and which provides a hydraulic power of about 5 W, with a pressure of several hundred hectopascals.
  • these pumps are too bulky for a small computer and, moreover, they are relatively expensive.
  • thermal microprocessors usual, as being substantially uniform, thanks to the very good thermal conductivity of the dissipation plate, and generally between 5 and 15 W / cm 2 .
  • this working hypothesis is generally verified for medium-performance microprocessors, it is no longer the case for very high performance microprocessors, currently or soon available on the market.
  • These very high performance microprocessors in fact comprise, in the center of a usual heat dissipation plate of approximately 12 cm 2 , a small, very hot zone, generally rectangular, of approximately 1.5 cm 2 , through which the density of the heat flow, under extreme operating conditions, may be of the order of 140 W / cm 2 .
  • Another technique of water cooling microprocessors uses a mini-boiler, consisting of several hundred micro-channels, arranged in a multilayer silicon wafer.
  • a relatively powerful pump circulates water in laminar flow in these microchannels and turbulent flow in a standard finned radiator associated with a fan.
  • This technique has the advantage of being able to correctly cool the hottest points of the organ concerned. This is of great interest. But it is obviously too expensive for many common applications, especially for PCs for the general public.
  • Another microprocessor cooling technique makes use of one or more heat transfer tubes. These are copper tubes a few millimeters in diameter, provided throughout their length with an internal tubular wick.
  • a mechanical pump quickly circulates, in a closed circuit, water in turbulent flow in the internal cavity of the boiler arranged around the engine cylinders, then in the hoses and the radiator. It comprises a small number of parallel metal tubes, on which are slid and welded or crimped metal fins, perforated for this purpose. Between these fins circulates a current of air generated by a fan and / or the relative wind of the vehicle.
  • the flow of water may not be very turbulent and yet allow a good heat transfer, since the temperature difference is very important between the thermal dissipation surfaces of the engine and the coupling of the cooler.
  • the internal face of the walls of the cylinders, in contact with the very hot burnt gases present at the end of each expansion, is at a very high temperature (> 600 ° C), while the outer face of these walls, in contact with flowing water, is at the temperature of this water (80 ° C).
  • the thermal resistance of these walls is negligible, the water flowing in the boiler is subjected to all of this temperature difference. Under these conditions, the high thermal resistivity of a water in low turbulent flow, subjected to such a temperature difference, is a small obstacle to a fast and complete transfer of the thermal flow of the flue gases to the water current.
  • the average difference in temperature between the water flowing in the radiator tubes and the air current flowing through its fins being relatively low (60 ° C.)
  • the apparent thermal resistivity of this water be as small as possible so that the overall thermal conductance of this radiator is as large as possible, taking into account the value of this difference.
  • the hydraulic diameter and the number of radiator tubes can not be very large, the only parameter available to make the flow of water in these tubes highly turbulent is its circulation speed, which must therefore be relatively high. This results in a significant pressure drop in the radiator, which has the consequence of imposing on the pump a relatively high hydraulic power.
  • the current of air that sweeps the fins of the radiator can have only a limited fraction (about 30%) of the average temperature difference that it presents with the flow of water entering the radiator, to carry the heat flow to dissipate.
  • the pump circulates this water at 2400 g / s, at an initial temperature of about 80 ° C, in a standard radiator having 5 dm 3 of volume, 17 dm 2 of frontal surface (master-torque) and 10 m 2 of fins.
  • a standard radiator having 5 dm 3 of volume, 17 dm 2 of frontal surface (master-torque) and 10 m 2 of fins.
  • the water loses 3 ° C approximately air flow of 2 kg / s (1.65 m 3 / s), which penetrates to 10 m / s between these hot fins, increases its temperature by 15 ° C, which passes for example from 25 to 40 ° C.
  • the thermal resistance of this radiator with full metal fins is l, 8.10 ⁇ 3 ° / W and its volume conductance of 110 W / K.dm 3 .
  • the above considerations can be explained immediately by the thermal conductivity of the materials concerned. Copper has a thermal conductivity of 380 W / mK, aluminum 220 W / mK and water of 0.6 to at least 12 W / mK, for a flow from laminar to turbulent.
  • the thermal conductivity is particularly low: 0.22 W / mK
  • the heat capacity of water it is 4.18 kilojoules per kilogram and per degree, while that of dry air is 1 kJ / kg / K.
  • radiators with full metal fins associated with water / air heat exchanger chillers, intended for microprocessors and, more generally, any member provided with a plane heat dissipation surface.
  • the average residual temperature difference existing between the outer faces of the fins and the air current that scans them is the sole and only engine of the desired cooling. It is therefore imperative to increase it at best.
  • the first object of the invention is an improved, efficient, compact and inexpensive cooling device, which operates by heat exchange between a hot liquid and a cold fluid and which incorporates a finned radiator of a particular type, having a very low thermal resistance.
  • the second object of the invention is such an improved cooler, wherein water flows in laminar flow in the radiator.
  • the third object of the invention is such an improved cooler which incorporates an original mini-boiler, for body with flat heat dissipation surface, in which the water circulates in laminar flow in the mini-boiler and in the radiator.
  • the fourth object of the invention is such an improved cooler for very high performance microprocessors, comprising a suitable mini-boiler, provided with a heating plate having a particularly low thermal resistance.
  • the fifth object of the invention is such an improved cooler for very high performance microprocessors, comprising a suitable mini-pump, hydraulic power, pressure and flow, adapted to the limited needs of this cooler.
  • the sixth object of the invention is such an improved cooler for very high performance microprocessors, comprising an original component, formed by the combination of such a suitable mini-boiler and such a suitable mini-pump.
  • the seventh object of the invention is an efficient and inexpensive cooling device, for a heat engine or PEM type fuel cell, which comprises a finned radiator of particular type, in which the water circulates in laminar flow.
  • the eighth object of the invention is a complementary cooling device for a diesel engine, intended to cool its exhaust gases to allow them to be used in order to improve the operation of this engine.
  • an improved cooling device effective and inexpensive, operating by heat exchange between a hot liquid and a cold fluid, intended to be coupled to the heat dissipation surface of a given subject member, or coupled by construction at the same surface, said member having to dissipate a given heat flow, situated within certain power and temperature ranges, comprising:
  • a boiler adapted to said heat flow comprising an internal cavity, provided with two collectors, and a coupling surface corresponding to said heat dissipation surface;
  • a hot liquid, especially water, in this chamber means for circulating, in a closed circuit, this hot liquid in this chamber;
  • means for circulating this cold fluid, in particular air, between the fins of the radiator is characterized in that
  • said radiator is formed by one or more heat exchangers of a particular type, each consisting of a stack of hollow and thin fins connected to two transverse collectors.
  • An active heat exchange element TET is a one-piece piece, without assembly or welding, formed by a stack of pairs of elongated thin hollow plates, constituting communicating hollow fins, generally symmetrical, and if necessary oblique, provided with two transverse collectors , extended by two connection pipes. This element is manufactured as follows:
  • - (1) is carried out, by heat-blowing a suitable polymer or glass or hydroforming a metal of suitable nature and shape, a blank consisting of a stack of bellows generally biconvex, comparable to those of an accordion , having embossed walls and elongated central portions, provided with end connections, preferably with returnable surfaces, and two connecting pipes, centered on the stacking axes of the connectors;
  • this blank being at the appropriate temperature, applying an internal negative pressure and / or external compression forces, parallel to the axis of stacking of its bellows, until the compressed part thus produced becomes a stack pairs of hollow fins, communicating and generally symmetrical, where appropriate bistable and oblique, internal thickness and small spacing, substantially constant;
  • said means for circulating the hot liquid are adapted, on the one hand, to generate a laminar flow of this liquid in the hollow fins of the radiator as well as, where appropriate, in the internal cavity of the boiler and, secondly, to preferably circulate the liquid against the current of the cold fluid flowing between these fins.
  • the thickness of their walls is approximately between 0.5 and 1 mm, and that of their internal channel, approximately between 0.5 and 2 , 5 mm;
  • the thickness of their walls is approximately between 0.2 and 0.5 mm, and that of their internal channel, approximately between 0.5 and 1, 5 mm; - In all cases, the average gap between the fins is about 3 to 6 mm, when the cold fluid is air.
  • the nominal flow rate of the water (it corresponds to the thermal power to be dissipated) in these fins is made in laminar flow and yet the efficiency of the radiator is very high.
  • a flow is laminar when the number of Reynolds to be taken into account is low. And this number is proportional to the product of the hydraulic diameter of each of the hollow fins and the speed of circulation of the water flow concerned.
  • the first term is weak, since it is substantially equal to twice the average internal thickness of a fin, and the second is equal to it, since it is equal to the nominal flow of water, corresponding to the heat flow to be evacuated, divided by the section large total of the stack of fins.
  • the thermal resistivity to be taken into account is that of water without any corrective factor, but as the flowing water veins are thin, the total thermal conductance of the water stream is finally satisfactory. It is the same with the thermal conductance of the polymer walls of the fins which, too, have a high resistivity and a low thickness. Under these conditions, the temperature of the outer face of each fin is close to that of its internal face and it is the same at all levels, from its root to its end.
  • the water / air coupling, carried out through the walls of the hollow and thin fins of a monoblock radiator is improved by the embossing of the walls (intended to give them an appropriate stiffness) which locally introduces slight reliefs and therefore some eddies in the flow of air, which increases the apparent conductivity of this air.
  • the thermal / water heat exchanger cooling device of a heat engine is further characterized in that:
  • the radiator comprises a group of heat exchangers with hollow and thin fins, mounted in parallel;
  • This group of exchangers is supplied with water by a pump and air by a fan, so as to be traversed against the current by air and water.
  • the radiator is split and formed by two groups of heat exchangers, mounted on the right and left of the engine.
  • a cooler according to the invention for a motor vehicle engine equipped with a single or split radiator with hollow fins and thin, provides performance in various areas much higher than those provided by a cooler to standard radiator, associated with a motor of the same power. Indeed, in such a cooler, the master-torque of the radiator, the power of ventilation and water circulation, the weight and the price of all the components are greatly diminished, while the overall efficiency of the cooling is improved. It should be noted that all of the above-mentioned means and considerations apply without any noticeable change to the cooling of the bipolar plates of the PEM type fuel cells, which must operate at a temperature of approximately 85 ° C., with a yield approaching 50%. . When such a battery of a few tens of kilowatts must be installed on a motor vehicle, this implies the need for an effective cooler, compact and inexpensive, such as that according to the invention described above.
  • a complementary cooling device for a diesel engine intended to produce cooled flue gases, that can be used to improve the operation of this type of engine, is further characterized in that:
  • the boiler is a thin, hollow metal fin heat exchanger installed in a suitable chamber, arranged upstream of the usual expansion chamber of the exhaust gas exhaust pipe;
  • the radiator is formed by several heat exchangers hollow fins and thin, metal or glass, mounted in parallel;
  • a pump is adapted to circulate water in closed circuit and laminar flow in the sealed chamber formed by the boiler and the radiator;
  • a fan is adapted to circulate air between the hollow fins of the radiator, against the current of the water flowing in these fins.
  • the second heat exchanger fin and hollow fins no longer works as a radiator as in the previous case, but in boiler capturing the heat flow carried by the flue gases produced by the engine.
  • these very hot gases > 600 ° C.
  • these very hot gases are cooled under the same conditions as the engine cylinders and brought for example to 200 ° C. and then cooled again during their expansion before escaping.
  • an appropriate fraction of these highly cooled gases can be removed and mixed with the air injected into the cylinders to improve the operation of the diesel engine at these speeds and thus suppress the production of effluents.
  • Another diesel engine exhaust cooler is shown in European Patent Application No. 2002 195106, filed by the Japanese company Hino Motors.
  • This cooler comprises a heat absorber (not described), installed in a pipe for discharging a portion of the flue gases, connected by a heat transfer tube to a device (not described) for the radiation dissipation of this heat, installed near the end of the exhaust pipe. It constitutes the technological background of the complementary cooler according to the present invention. According to the characteristics of other applications of the invention, in a cooler with a heat exchange between a hot liquid and a cold fluid, for members with rectified plane heat dissipation surface,
  • the means for circulating the hot liquid, and in particular the water may be natural convection, when a suitable minimum vertical gap can be established between the upstream mouths of the mini-boiler and the radiator;
  • said minimum vertical deviation is defined by the fact that it is capable of generating, by thermo-siphon, a nominal flow rate of the hot liquid which, on the one hand, corresponds to the heat flow to be dissipated in the installed radiator, swept by the air flow available and which, on the other hand, maintains the maximum temperature of this liquid below a determined ceiling, specific to the body concerned;
  • the ducts of the internal cavity of the mini-boiler have, at nominal flow rate of the liquid, a low pressure drop, compatible with a sufficient minimum thermal conductance of this mini-boiler; - The upstream and downstream collectors of the mini-boiler and the connections connecting the latter to the radiator mouths have the lowest pressure drop possible;
  • the hot liquid can then circulate either by simple expansion or mainly by producing a diphasic mixture of liquid and vapor bubbles.
  • the appropriate minimum distance between the upstream mouths of the mini-boiler and the radiator is of the order of one decimetre
  • the hot liquid circulating by natural convection is water at atmospheric pressure.
  • a chiller operating by natural convection mainly due to a mixture of hot liquid and steam bubbles,
  • the appropriate minimum gap between the upstream mouths of the mini-boiler and the radiator is of the order of one centimeter
  • the hot liquid can undergo a change of liquid / vapor state, at a temperature at least a few degrees lower than the ceiling imposed on the member to be cooled;
  • said hot liquid is preferably water under low pressure or, if appropriate, a liquid having said state change property at atmospheric pressure.
  • the microprocessor heat dissipation plate a thin layer of high thermal conductivity paste, is applied to the rectified thermal dissipation plate, and then the ground thermal coupling surface of the mini-boiler.
  • this mini boiler has a high thermal conductance, which will further be subject to additional considerations.
  • the sealed chamber of the cooler contains a boiling liquid at a temperature a few degrees lower than the maximum temperature that can accept the microprocessor. Such a liquid operates at low pressure or at atmospheric pressure.
  • the first case it will preferably be water (under 300 hPa, water boils at 60 ° C) and in the second, ether (30 ° C), methanol (60 ° C) , or ethanol (78 ° C), for example.
  • a short vertical gap at least of the order of a centimeter, between the upstream mouths of the mini-boiler and the hollow fin radiator, allows, without using a pump, to perform a satisfactory flow dissipation.
  • high heat emitted through the small heat dissipation plate of a microprocessor. This, thanks to the circulation by natural draft of a two-phase heat transfer mixture, formed by a liquid and by bubbles of its vapor.
  • the latent heat of condensation released on this occasion is totally carried away by the air flow, thanks to the good thermal conductance of the thin stream of water circulating in the hollow fins of the radiator and the thinness of the walls of these fins.
  • the average temperature of the mixture of water and vapor bubbles is 15 to 20 ° C higher than that of the air entering between the fins of the radiator. and the average density of this mixture is increased by about 20%.
  • the air temperature has risen a lot and finally becomes only about ten degrees lower than the initial average temperature of the liquid-vapor mixture.
  • the boiler is a mini-boiler, perfectly suitable for its function, which includes a heating plate, metal with high thermal conductivity, and a rigid hose molded polymer;
  • the heating plate is provided with a corrugated external face for coupling, corresponding to said heat dissipation surface, and an initially flat internal face, the central part of which is hollowed out with parallel grooves of dimensions, pitch and number, determined by the density and intensity of the heat flux to be dissipated;
  • the hose incorporates two upstream and downstream collectors, opening on either side of a flat rectangular central zone of its inner face;
  • the heating plate is attached in a sealed manner to the inner face of the hose; said planar rectangular central zone of the hose is applied to the central part of the grooved internal face of the heating plate, so as to serve as a lid thereof and thus constitute the internal cavity of the mini-boiler and to disengage the mouths of this cavity.
  • the member concerned is a microprocessor with very high performance
  • the rectified heat dissipation plate has a small central zone very hot
  • the width of the grooves of the heating plate is as small as possible, less than 0.2 mm, their depth is, in decreasing function, about ten to fifteen times this width, and their pitch of about two times ; the grooved central portion of the internal face of the heating plate extends well beyond said small, very hot central zone of the microprocessor; the thickness of the heating plate is approximately twice the depth of the grooves;
  • a pump is used to circulate the hot liquid.
  • the member concerned is a microprocessor with high or medium performance
  • the rectified plate heat dissipation has a central zone a little warmer
  • the width of the grooves of the heating plate is between approximately 0.5 and 1.5 mm, their depth, in decreasing function, of approximately five to eight times their width, and their pitch of approximately twice; the grooved central portion of the internal face of the heating plate extends well beyond the warmer central zone of the microprocessor;
  • the thickness of the heating plate is about half the depth of the grooves
  • the collectors of the mini-boiler are in alignment with the grooves of the heating plate
  • thermosiphon can be used to circulate the hot liquid.
  • this cavity is formed of micro or mini-channels, with a hydraulic diameter corresponding to that imposed by the maximum local density of the heat flow to be dissipated and by its total intensity.
  • this hydraulic diameter is determined by the desired local nominal flow rate and the minimum required thermal conductance, which can be ensured just above said very hot or hot zone of the microprocessor.
  • the laminar flow produced in these mini or micro-channels is done with a very low pressure drop.
  • the grooves of the heating plate will be very fine and a pump will be used. When this intensity and density are lower, these same grooves will be wider and a thermosiphon can be used to circulate the hot liquid. In both cases, the thickness of the heating plate is determined, so that the effective diffusion of heat between the hot or hot central zone of the microprocessor dissipation plate and the entire surface of the microprocessor is properly ensured. the grooved central portion of the inner face of the heating plate.
  • the section of the upstream and downstream collectors of the mini-boiler and that of their mouths must be at least equal to the total section of its mini-channels, the connecting bends between the ends of the micro-channels and the collectors should be as open as possible and the axes of these two collectors will be located on the same line as the central groove or fin of the heating plate. This, to avoid the presence of restrictions and elbows generating pressure losses that limit the flow of water.
  • the axes of the upstream and downstream collectors of the mini-boiler will preferably be perpendicular to the grooves of the heating plate. Which in the case of a mini-boiler associated with a commercial pump can reduce its size.
  • a water / air heat exchanger cooling device for a microprocessor, comprising a hollow and thin finned radiator, a suitable mini-pump and a mini-boiler, is characterized in that:
  • this appropriate mini-pump comprises a brushless electric motor, provided with a rotor, in the form of a roller with a single diametrical magnetization, and a centrifugal turbine integral with this rotor;
  • the body of this mini-pump comprises a cylindrical cavity, provided with a tight cover
  • the rotor-turbine assembly is rotatably mounted on a pivoting shaft in two small bowls, arranged in the bottom of this cavity and in the inner face of the lid;
  • the turbine is constituted by radial blades erected in a ring on a disc; - A water inlet duct is arranged in the lid and opens in the center of this ring;
  • a water outlet opening is arranged in the wall of the cavity, at the blades of the turbine;
  • two diametrically opposed portions of the wall of said cavity are thin-walled cylinder portions and the stator poles of the electric motor match these wall portions;
  • the stator of the electric motor comprises a winding powered by an electronic circuit, adapted to start the engine and then rotate it to an appropriate speed. Thanks to these arrangements, it is possible to construct a suitable mini-pump, corresponding exactly to the very limited needs of a laminar flow water cooler, for a microprocessor. With a roller with a single diametrical magnetization, 3 cm diameter and 3 mm thick, the efficiency of such a brushless electric motor can approach 10% and the power consumption equal 2 W, safely.
  • the well known technologies of the different types of brushless electric motors which may be used in the context of the present invention, will not be recalled here.
  • the hydraulic power supplied can reach 100 mW (hydraulic pressure: 100 hPa, nominal flow rate of water 10 g / s) .
  • the hose of the appropriate mini-boiler and the body of the appropriate mini-pump, described above are the two juxtaposed parts of the same molded rigid polymer block, so that this mini-boiler and this mini-pump together constitute an original component, in which the input of the upstream collector of the mini-boiler and the water outlet of the mini-pump are combined, the upstream collector of the mini-pump and the downstream collector.
  • the mini-boiler are respectively the upstream and downstream collectors of this component and the latter two collectors are perpendicular to the grooves of the heating plate.
  • a new, space-saving, lightweight and inexpensive component is created which can easily fit into the cooler of a small, portable or desktop computer.
  • a component makes it possible to connect together the mini-pump and the mini-boiler, with a minimum risk of leaks and a minimum of pressure drops.
  • FIG. 1 is a sectional view along the longitudinal plane of symmetry CC (see Figure 2) of a water cooler for medium performance microprocessor, wherein the water circulates by thermosiphon;
  • - Figure 2 is a view along the section plane AA ', shown in Figure 1;
  • - Figure 3 is a view along the section plane BB ', shown in Figure 1;
  • FIG. 4 is a schematic view of an automobile diesel engine, equipped with a water cooler device according to the invention and a complementary device for cooling the flue gases;
  • FIG. 5 is a schematic view of a water cooler for a microprocessor
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view of an original component, comprising a mini-boiler and a mini-pump, of such a water cooler, for a very high performance microprocessor
  • - Figure 7 is a top view of this component.
  • a cooling device 10 is installed vertically. It is coupled and fixed, by any appropriate means, to a microprocessor 12, capable of generating a thermal power of 120 Watts. This heat flow must be discharged through a corrected square plate heat dissipation 14, 35 mm side (an average density of 10 W / cm), so that its average temperature remains below 70 ° C, for example .
  • the cooler 10 comprises a mini-boiler 16, a rigid hose 18, a radiator 20, an envelope 22 and a fan 24.
  • the mini-boiler 16 is formed by a copper heating plate 17 applied on the hose 18.
  • heating plate 17 to 10 mm in total thickness and it has an outer face of thermal coupling 26, square and rectified, 35 mm side, connected by two ramps to its fastening edges 28-30, 10 mm wide, as well as a thick bottom of 2 mm and side walls of 1 mm.
  • the inner face 31 of this heating plate 17 has eleven parallel grooves 32 ⁇ 11 , 1.5 mm wide, 40 mm long and 8 mm high, in their central part, and ten fins 34i.i 0 of 1 mm thick.
  • the ends of these fins 34 and these grooves 32 have profiles in arcs and the distance between their extreme edges is 60 mm.
  • the external coupling face 26 of the heating plate 17 matches the dissipation plate 14 of the microprocessor, through a thin layer of high thermal conductivity paste (not shown).
  • the edges 28-30 of the heating plate 17 are applied and fixed by screws, in a sealed manner (flexible seal) on the hose 18.
  • This hose 18 is rigid polymer and its central portion 36 has a hollow outer face and a rectangular internal face 35, 30 mm long and 27 mm wide, adapted to bear on the tops of the fins 34i -] 0 and the two lateral edges of the plate 17.
  • this inner face 35 of the hose 18 constitutes the lid of the central portions of the grooves 32i. ⁇ and delimits, just above the curved bottoms of these grooves, the substantially rectangular mouths, downstream 38 and upstream 40, of the mini-boiler 16.
  • the upstream collectors 42 and downstream 44 of the mini-boiler 16 are connected to these mouths.
  • the section of these mouthpieces is at least equal to the total section of the mini-channels, formed by these grooves and their cover, which together constitute the int cavity
  • the upstream manifold 42 is a short conduit 2.5 cm long, having a circular inlet mouth 50, connected to the downstream pipe 46 of the radiator 20, and a rectangular outlet mouth 40.
  • the collector 44 is a 7 cm long conduit, having a rectangular internal mouth 38, connected downstream of the grooves 32j.ii, and another circular external 52, connected to the upstream mouth 48 of the radiator 20.
  • the vertical distance between the axes of the upstream mouths 40 and 48 of the mini-boiler 16 and the radiator 20 is 12 cm.
  • the mini-boiler 16 and its two collectors 42-44 have the same plane of symmetry, which runs along the central groove 32 6 of the inner face 31 of the heating plate 17.
  • the collectors 42-44 are connected to the tubes 46- 48 of the radiator 20, by horizontal ducts as short as possible (not shown).
  • the upper end 53 of the hose 18 comprises a boss 57, provided with a small opening intended to allow the filling of the enclosure and then to be sealed.
  • the external mouths 50-52 of the collectors 42-44, their possible connection ducts and the tubes 46-48 of the radiator 20, are connected to each other by any appropriate means, in particular collars, collages or welds.
  • the radiator 20 is a one-piece heat exchange element with hollow fins and thin, high density polyethylene, optionally loaded with carbon. It is shown with eight pairs of hollow fins 56 separated by spaces 58. In fact, the radiator 20 comprises fifteen pairs of fins, to be able to easily evacuate 120 W. These fins represented oblique result from a reversal of one biconvex bellows flanks of the initial draft and in fig.3, they all have the appearance of a fish spine.
  • These fifteen pairs of fins have a total height of 17 cm, a gap of 12 cm between the axes of their tubings 46-48, a width of 5 cm and a total thickness of 9 cm, with a stacking pitch of 6 mm, walls of 0.5 mm on average, average internal thicknesses of 1 mm for the channels of the hollow fins and 4 mm for their separation spaces 58.
  • the volume of this radiator 20 is about 0.7 dm 3 . It will be noted that the polyethylene HD loaded with a suitable additive becomes, in the extruder used to manufacture the blank of this radiator, a particularly fluid paste which makes it possible to obtain a great fineness of walls.
  • the two hollow fins 56i -2 of a pair are connected to each other by a wafer of the central channel 60 of the monoblock element 20.
  • the ends of this central channel 60 constitute, for the fins 56, two transverse collectors 62-64, extended by tubings 46-48.
  • the sealed chamber in the form of a looped circuit, constituted by the mini-boiler 16, the conduits 42-44 of the hose 18 and the radiator 20, contains distilled water at atmospheric pressure. This water is introduced into this chamber through the opening of the boss 57, its final level corresponding approximately to the axis 49 of the upper pipe 48 connecting the radiator 20.
  • the envelope 22 may be formed by two shells, at the edges fixed to each other by any appropriate means (see the PCT application concerned). An opening is made in each of these shells, to allow passage and serve as a fixed support for the two connecting pipes 46-48 of the boiler 20.
  • the walls of the casing 22 are close to the ends of the hollow fins 56 of the radiator 20 and its mouths 66-67 are wide.
  • a crown 68 which serves to support the mounting arms (not shown) of the fan 24 equipped with a propeller 25.
  • This fan 24 is adapted to produce an air flow of at least 10 liters / second.
  • the effective heat exchange surface between the heat dissipation plate 14 of the microprocessor 12 and the water contained in the numerous channels 32 of this mini-heater 16 boiler 16 is in practice multiplied by six.
  • the heat flow to be dissipated 120 W
  • the difference between the average temperatures of the dissipation plate 14 and the water in the mini ⁇ boiler 16 is about 6 ° C, for the heating plate 17, a thermal resistance of 0.05 ° / W.
  • the expansion of the water due to its rise in temperature generates between the upstream mouths 40-48 of the mini-boiler 16 and the radiator 20, a natural convection push, which circulates the water with a flow rate a little less than 3 g / s, directly determined by the total pressure drop in the closed circuit of the cooling device 10. While passing through the radiator with hollow fins 20, the pressure drop of the water flow is limited to a few Pascals and its temperature passes from 60 to 50 ° C, which corresponds to the desired evacuation of the 120 W to be dissipated.
  • the ambient air flow enters at 35 ° C in the envelope 22 and it leaves at 45 ° C, which corresponds to an air flow of 12 g / s (or 10 liters per second). at 35 ° C) between the hollow fins of a radiator 20.
  • the water enters at 50 0 C in the boiler 16 and leaves at 60 ° C, which has the effect of maintaining the temperature of the upper edge of the plate heat dissipation 14 of the microprocessor 12 to a maximum value of 66 ° C, given the thermal resistance between the plate 14 and the water that must cool it.
  • the total thermal resistance of such a radiator 20, traversed countercurrently by water, at an average temperature of 55 ° C., and by air at an average temperature of 40 ° C., is 0.125 ° C. / W.
  • the total thermal resistance of the cooling device according to FIG. 1, in which the water circulates without a pump by natural convection alone, is therefore 0.175 ° / W.
  • the radiator 20 and its envelope 22, equipped with a fan 24-25 can be installed inside the apparatus and, in this case, the air enters there warm (40 °).
  • the air can be directly drawn outside the apparatus, at a temperature of 25 ° C for example, which decreases the total thermal resistance of the cooler without modification of the radiator 20.
  • Another variant consists in arranging the radiator 20 outside the appliance and installing it in a duct of appropriate height, operating in a chimney (> 15 cm).
  • the outside air enters from below and climbs by natural convection, assisted or not by a low power fan.
  • the air flow sweeping the fins is thus reduced, it will have to be compensated by an increase in the number and / or the length of fins of the radiator, in proportion to the factor of reduction of this flow.
  • Such an arrangement is suitable for economical cooling of high power electronic circuits.
  • the radiator 20 will be made of a metal or a suitable polymer, so as to be substantially more rigid than the thin-walled one described above. Water will be introduced, under vacuum of air or dilated at 100 ° C and atmospheric pressure, in the enclosure of the cooler 10, then the enclosure will be immediately sealed.
  • the flow of the water-bubble mixture produced can reach less than that of the liquid water previously obtained with a radiator having about 12 cm of difference between the axes of the upstream mouths 40-48.
  • the initial and final temperatures of the water and air specified above will hardly be modified for an identical heat flow.
  • the radiator 20 can be installed inside or outside the device.
  • a diesel engine 70 developing 30 kW of mechanical power is installed on a motor vehicle 72 and is equipped with a split cooling device, which comprises two identical sets 74 ab installed to the right and left of the engine. 70.
  • Each cooler 74 ab comprises a group 76 ab of five one-piece heat exchangers, with twelve pairs of hollow and thin polypropylene fins, mounted in parallel.
  • the fins of these exchangers have 1 mm internal thickness, 0.5 mm wall thickness, 3 mm gap and 15 cm depth and each exchanger has a front surface of 5 cm wide and 6 cm long .
  • the total frontal area of the ten heat exchangers is 6 dm 2 and their total volume is 9 dm 3 .
  • Each group 76 ab has upstream collectors 75 ab and downstream 77 ab and is fed by a pump 78 ab, connected to the two end branches 80 ab of the downstream hose of the engine 70.
  • the cooling water leaves at 80 ° C. the casing of the cylinders of the engine 70 and its flow rate is 1, 5 dm 3 / s.
  • a single pump can be installed upstream branches 80 ab.
  • the water takes one of the two branches 82 ab of the upstream hose of the engine 70, to return cooled to 75 ° C in the cylinder shell of the engine.
  • the boiler of a complementary cooler device 88 intended to cool the flue gases produced by the diesel engine 70 is constituted by a monobloc heat exchanger 90, with hollow and thin metal fins, of appropriate size and shape.
  • This boiler 90 is installed in a cooling chamber 92, inserted in the exhaust pipe 94 of the engine 70 and disposed upstream of the usual expansion chamber 96 included in such a pipe.
  • the boiler 90 is connected to a radiator 98 formed by a group of heat exchangers, with hollow and thin metallic fins, connected in parallel, downstream of a fan 100.
  • a pump 102 circulates water in overpressure in the enclosure formed by the boiler 90 and the radiator 98, co-current of the burnt gases leaving the engine 70 for the boiler 90 and against the current of the air blown by the fan 100 for the radiator 98.
  • downstream of the expansion chamber 96 is installed a bypass valve 104 with two outlets 106 and 108, the first to a conduit 110 returning to the diesel engine 70 and the second outward.
  • the bypass valve 104 operates in response to appropriate electrical control, adapted to direct a more or less significant fraction of the flue gas flow to one or the other of these two outputs 106-108.
  • This appropriate electrical control reaches the valve 104 via a link 112 and is developed by a digital calculation circuit 114, programmed for this purpose, which receives from the diesel engine 70, via a link 116, a signal representative of the engine speed. .
  • the window 118 symbolizes the openings for evacuating the air blown in the same direction by the fans 86 ab and 100 and then heated by the radiators 76 ab and 98.
  • the cooling device 74 ab equipped with a thin and hollow fin radiator according to the invention, associated with the motor 70 of a motor vehicle 72, makes it possible to obtain much more interesting results in all respects than with a cooling device equipped with a standard radiator with full metal fins.
  • a cooling device equipped with a standard radiator with full metal fins In the case of a motor with a heat engine (diesel or petrol), the water circulates in the casing of the engine cylinders, in a low turbulence flow sufficient to carry a heat flow at more than 600 ° C., substantially equal to the mechanical power generated. Then, it flows in laminar flow in the hollow fins of the split radiator 76 ab.
  • the average temperature of the water must be between 80 and 90 0 C, depending on the instantaneous power demand of the engine and the ambient air temperature.
  • the cooling device 74 ab according to the invention, the engine 70 of 30 kW, dissipates in the outside air a heat flow of the same value, with a water flow of 1.5 dm 3 / s and a permanent difference of 55 ° C between the average temperatures of the water and the air. This is achieved with a split radiator having the same total heat resistance of 1.8 ⁇ 10 -3 ° / W as with the full finned radiator referred to above, but with a total fin area reduced to 3.7 m 2.
  • radiator depending on the thermal power to be dissipated in an air at a given temperature. From the front surface thus determined for the radiator with hollow fins to be used, these numbers are deduced from the number and pitch of these fins and then from their width and their wall and internal channel thicknesses.
  • the dissipation of significant thermal flows (up to at least 100 kW) produced by the heat engines can be obtained by playing more or less on the total volume of the radiator and on the parameters relating to the fins, listed above. This will depend, in particular, on the maximum permissible frontal area, the hydraulic power of the pump, the aerodynamic power required at low speeds in climbs, or the maximum allowable increase in air temperature at the exit of the pump. radiator. Under these conditions, a cooling device according to the invention can be realized, so as to perfectly meet all the specifications decided by the design engineers of new motor vehicles. The cost of such a single or split radiator made of suitable polymer is significantly lower than that of an equivalent standard radiator.
  • the thickness of a radiator with hollow fins is several times that of a radiator with full fins, since it is determined by the length of these fins, this poses no particular problem since it has usually a large space behind the radiators. This justifies the small importance of the relative decrease in the volume conductance of the new radiator.
  • the suitable polymer to be used for manufacturing the radiator may be polypropylene or high density polyethylene, both inexpensive products. The use of a split radiator instead of just one is, for its part, justified by the fact that it provides a certain safety in case of accident and generally facilitates the optimal implementation of these annexes of the engine.
  • Such a stack comprises a stack of cells which are each formed by a proton-conducting polymer membrane (in particular that sold under the brand Nafion by Dupont de Nemours) and an oxidation catalyst film (platinum), sandwiched between two permeable electrodes. . Between two electrodes of opposite signs belonging to two neighboring cells, is disposed a bipolar plate, with high electrical and thermal conductivities, provided with grooved faces.
  • These grooves are conduits for supplying hydrogen to the anode of the membrane of a given cell, supplying air to the cathode of the membrane of a contiguous cell and evacuating the vapor from the cell. produced water.
  • their middle part is crossed by numerous parallel mini-channels, intended to be traversed by the cooling water of the cell.
  • they are often made of a good conductor material easy machining, graphite, for example.
  • the membrane operates at a maximum temperature between 80 and 85 ° C, with an average yield close to 50%. This again entails the obligation to have an acceptable efficient cooling device.
  • Each cell generates a voltage of about 0.8 volts and an electric power of at most 0.4 W / cm 2 , with a surface area of 25 dm 2 , a power of the order of one kilowatt. Under these conditions, the thermal flux density to be removed by the heat dissipation zone of each bipolar plate is about 0.4 W / cm 2 , which is very low.
  • the thermal resistance per square centimeter interposed between the faces of the membrane generating electricity and the water flowing through the mini cooling channels is relatively high. This is the consequence of inevitably weak thermal couplings that exist between the faces of this membrane, the permeable electrodes (fine grids) and the bipolar plates with grooved faces of each cell.
  • the thermal resistance of the mini-boiler, thus formed in the bipolar plate associated with the membrane generates whatever the surface of this plate a mean temperature difference of about 5 ° C, between the cathode of this membrane and the water flowing through the mini-cooling channels.
  • the maximum temperature of this water at the outlet of the mini-channels is at most 80 ° C.
  • a PEM type fuel cell 30 kW at 50 V, constitutes a block of about 40 dm 3 , formed by a stack of sixty four cells having faces of 4 x 3 dm 2 and a thickness of 5 mm.
  • the flow rate of the water must be 720 g / s.
  • an air flow of 0.75 kg / s which will heat up 40 0 C, during his crossing.
  • the air outlet temperature will be 65 ° C and the average temperature difference between water and air of 30 ° C.
  • the thermal resistance of the radiator should accordingly be 10 "3 o / W.
  • Such thermal resistance is obtained by means of two groups of heat exchangers with hollow fins three times larger than the two groups 76 ab, used for cooling a heat engine 70 of the same power.
  • the front surfaces of each group will be 9 dm 2 and the total surfaces of its fins 5.6 dm 2 . This is quite remarkable when compared to that of a single standard radiator with full fins (17 dm 2 ), commonly used to evacuate the heat flow of a 30 kW heat engine and, on the other hand, to that three times higher (51 dm 2 ) of the standard single radiator, which should be used to cool a 30 kW PEM cell.
  • the maximum ventilation power required (fan and relative wind), it will be about 1 kW, or 3% of the useful power.
  • the speed of the water in each is very low. This leads to its circulation in laminar flow in these mini-channels as well as in the hollow fins of the radiator.
  • the power of each of the two pumps will be relatively low (of the order of 5 W hydraulic or about 20 Watts mechanical), the total pressure drop in the mini-channels of the bipolar plates of the battery and in the hollow fins radiator each being at most twenty hectopascals.
  • the cooling device according to the invention associated with a fuel cell type PEM, installed on a motor vehicle can solve, under interesting technical and economic conditions, the problem posed by the dissipation of a very high heat flow, produced at low temperature and transferred to a circulating stream of water with a capped flow rate.
  • the heat exchangers 90 with hollow metal fins no longer function as radiators as in the previous case, but in a boiler that captures the heat flow carried by the engine's flue gases.
  • the concept implemented in the present case is in fact the symmetrical of that exploited in the previous case. With such metal heat exchangers, efficient, inexpensive and compact, such an installation becomes technically and economically feasible.
  • a heat exchanger with hollow and thin metal fins, can perfectly withstand the high temperature of the flue gases of the engine (> 600 ° C). These gases enter the exhaust pipe 94 and they can, initially, be cooled in the chamber 92 to a relatively low temperature, for example 200 ° C with water under pressure and the metal radiator 98. In the hollow fins of the boiler 90 and between these fins, the water and the flue gases circulate in the same direction and in the radiator 98, water and air circulate in countercurrent. This, to simplify the implementation of the components concerned. In a second step, these gases are expanded in the expansion chamber 96 and, during this operation, they are cooled again to a temperature significantly lower than that of the ambient air.
  • An appropriate fraction of these highly cooled burned gases is selected by the bypass valve 104 which operates under the action of a control signal developed by the calculation circuit 114, from a signal representative of the engine speed.
  • this fraction of cold burned gases returns to the diesel engine 70 to be mixed with the air injected into the cylinders.
  • the proportion of oxygen contained in the mixture can be easily brought, at low and medium engine speeds, to a sufficiently low value, which corresponds to stoichiometric proportions of diesel and oxygen-depleted air. This then prevents any production of highly polluting nitrogen oxides (NO x ) and allows, for the first time, to achieve in good conditions the wish long expressed by many engineers specialized in the diesel engine.
  • NO x highly polluting nitrogen oxides
  • a cooling device 110 with laminar flow water, for a microprocessor, comprises a radiator 112, with hollow and thin fins made of suitable polymer, polypropylene for example, provided with transverse collectors 113-115, directly connected to the collectors of an original component 114, formed by a mini ⁇ boiler 1 16 and a mini-pump 1 18.
  • the component 114 (shown transparent for the purposes of the description) comprises a molded rigid polymer block 120, of approximately rectangular shape of 80 ⁇ 40 mm 2 and 10 mm of average thickness.
  • This block 120 comprises the hose 119 of the mini-boiler 116 and the body 117 of the mini-pump 118, in which are arranged two cavities 122 and 124 respectively assigned to these bodies 118 and 116.
  • These cavities 122 and 124 are cylindrical and have respectively for diameters and depths 31 and 8 mm for the first and 30 and 2 mm for the second.
  • the cavity 122 is provided with a cover 126, adapted to be applied in a sealed manner on the block 120 and fixed to it, by means of four screws such as 128 and an O-ring (not shown).
  • a roller 130 In the cavity 122 of the body 117 is installed, with a small clearance, a roller 130, with a single diametrical magnetization, 30 mm in diameter and 3 mm thick, which constitutes the rotor of a brushless electric motor 132.
  • the upper face of this roller 130 is fixed a centrifugal turbine 134, molded polymer, comprising eight radial blades 136 of 10 mm long and 3 mm high, erected in a ring on a disc 138, glued on the roller 130.
  • roller 130 and the turbine 134 are integral with an axis 140, pivotally mounted between two cups 142-144, arranged in the bottom of the cavity 122 and in the inner face of the lid 126.
  • a flat duct 146 10 mm wide and 3 mm thick, connected to the upstream collector 148 of the composite device 114, which ends in a semicircle and opens above the clear center 150 of the centrifugal turbine 134.
  • the electric motor 132 comprises a stator 152, constituted by two pieces flat plates of soft iron 154 ab, L-shaped, engaged in a flattened winding 156.
  • the poles AB of the magnetic circuit 154 ab of the stator 152 have the shape of circular arcs of 90 °, which face two thin parts 121 90-124 of diametrically opposed diameters of the cylindrical wall of the cavity 122 enclosing the rotor 130. These two thin portions 121-123 constitute fractions of the air gaps of the magnetic circuit of the motor 132.
  • the winding 156 of the electric motor 132 is powered. by an electronic circuit 158, of known type, associated with a detector 160 of the angular position of the rotor 130.
  • the heating plate 162 of a mini-boiler 116 which plate is a copper disk 30 mm in diameter and 2 mm thick.
  • the outer face 161 of this disc is ground and the central portion of its inner face 163, hollow micro-grooves 164 of 0.1 mm wide, 0.2 mm pitch, separated by fins, 1 mm high. .
  • the portion 166 of the hose 119 is traversed by two oblique ducts 168-170, 2 mm thick and 20 mm wide, constituting the upstream and downstream collectors of the mini-boiler 116.
  • the conduit 168 communicates with the cavity 122, at the blades 136 of the turbine 134, then it opens at 169, above the last two millimeters of the upstream ends of the micro-grooves 164.
  • the conduit 170 begins in 171, above the last two millimeters of downstream ends of these micro-grooves 164, and it joins the downstream collector 174 of the composite device 114.
  • a rectangular planar face 176 which constitutes the cover of the central portion of micro-grooves 164 and transforms them into micro-channels forming the internal cavity of the mini-boiler 116.
  • the combination, in a single component, of the appropriate mini-pump and mini-boiler, according to the invention, is not the only way to use these two conjugated bodies of a water cooler in laminar flow.
  • the heating plate 162 and the mini-boiler 116 are both new industrial products which, a priori, can not be manufactured, and where appropriate marketed alone, only to be part of a water cooler in laminar flow, according to the invention. It is the same for the new component 1 14 comprising a mini-boiler 1 16 and a mini-pump 118.
  • a heating plate such a mini-boiler boiler and such a component form an integral part of the present invention.
  • the mini-pump 118 its possible uses can obviously overflow the field of cooling devices, by heat exchange between a hot liquid and a cold fluid, for which it was developed.
  • the invention is not limited to the case of motor vehicles equipped with these engines or of these batteries, since these engines and these batteries can obviously be used at fixed stations for all types of vehicles. kinds of applications.
  • the invention is not limited to heat exchanges water / air. Indeed, for the cooling of marine engines, it is common to use a suitable heat exchanger, to maintain the primary cooling water of the engine at about 80 ° C and to heat sea water which is pumped cold and then evacuated warm, safe and perfect efficiency.
  • the adaptation of a chiller according to the invention to the case of a marine engine is therefore simply to replace the fan adapted to blow air between the hollow fins of heat exchangers operating in a radiator, by a pump adapted to make circulate seawater in an envelope surrounding these exchangers.
  • a similar provision can be implemented to achieve a co-generation of electricity and hot water .
  • a cooling device for a heat engine is not limited to the use of water whose temperature range is between 60 and 90 ° C. Indeed, for very powerful heat engines (> 100 kW), the temperature of this water can be between 1 10 and 180 ° C with overpressures of 3 or 4 bars (case of engines of Formula 1).
  • the monobloc heat exchangers used will be made of metal or glass and adapted to the high pressures used. In this case, an efficient cooler will be necessary for the engine oil and the hot liquid will be this oil, the cold fluid is always air.
  • the improved cooling device can also relate to certain particular high-tech devices which, on the one hand, must operate at a determined setpoint temperature, of strongly negative value, and which, on the other hand, are subject to the disturbing action of any internal or external hot spring.
  • the "hot" liquid will be for example alcohol and the cold fluid, a gas or a liquid of the trade, whose temperature at its operating pressure is significantly lower than the set temperature of the organs concerned.

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Abstract

Refroidisseur (110) à eau en écoulement laminaire pour microprocesseur. Comprenant un radiateur monobloc (112), à ailettes creuses et minces, fabriqué par compression contrôlée des soufflets biconvexes d'une ébauche en polymère ou en verre, réalisée par thermosoufflage. Pour constituer un circuit fermé, rempli d'eau à pression atmosphérique, les collecteurs (113-115) de ce radiateur (112) sont reliés à ceux d'un composant original (114), formé par une mini-chaudière (116), pourvue d'une plaque de chauffe en cuivre, à face interne rainurée, et par une mini-pompe (118), à moteur électrique sans balai et turbine centrifuge, tous deux installés dans une durite rigide en polymère moulé, de petites dimensions.

Description

DISPOSITIFS DE REFROIDISSEMENT PERFECTIONNES POUR APPLICATIONS DIVERSES
L'invention concerne un perfectionnement majeur apporté aux dispositifs de refroidissement qui opèrent par échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid. A titre principal, l'invention se rapporte aux refroidisseurs réalisant un échange thermique eau/air et, à titre secondaire, à ceux dont le liquide chaud est différent de l'eau et/ou à ceux dont le fluide froid est différent de l'air. De tels dispositifs de refroidissement sont associés à de nombreux organes devant dissiper un flux thermique déterminé qui, pour chaque organe concerné, dépend à la fois de la puissance totale mise en œuvre et du rendement obtenu. En conséquence, les flux thermiques concernés par les refroidisseurs selon l'invention sont situés dans deux fourchettes très étendues de puissances et de températures. A titre indicatif, la fourchette de ces puissances s'étend d'une cinquantaine de watts à une centaine de kilowatts. Pour ce qui concerne la fourchette des températures, sa borne basse est au moins d'une dizaine de degrés supérieure à la température maximale du fluide froid aisément disponible et sa borne haute, déterminée par la température de changement d'état du liquide chaud, à une pression d'emploi possible.
Pour ce qui est de leur procédé de refroidissement, ces différents organes se différencient les uns des autres, davantage par la forme de leurs surfaces de dissipation thermique que par l'importance du flux de chaleur à évacuer. Tout dispositif de refroidissement, associé à un organe concerné, possède une surface de couplage adaptée à épouser, d'une manière permanente ou non, la surface de dissipation thermique de cet organe. Dans le premier cas, les surfaces en question sont les deux faces de parois à section droite fermée, telles que celles des cylindres d'un moteur thermique, Dans le second cas, ces surfaces sont des plaques planes, petites (< 15 cm2) pour un microprocesseur, moyennes (< 2 dm2) pour un équipement électronique de forte puissance ou relativement grandes (5 à 20 dm2) pour les plaques bipolaires des cellules des piles à combustible du type PEM (acronyme de Proton Exchange Membrane). Tout dispositif de refroidissement à échange thermique eau/air, couplé à la surface de dissipation thermique d'un organe donné, comprend :
- une chaudière comportant une cavité interne, pourvue de deux collecteurs, et une surface de couplage, correspondant à ladite surface de dissipation thermique ;
- un radiateur à ailettes, pourvu de deux collecteurs ; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de Ia chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche ;
- de l'eau dans cette enceinte ; - des moyens pour faire circuler, en circuit fermé, cette eau dans cette enceinte ;
- des moyens pour faire circuler de l'air entre les ailettes du radiateur.
Pour ce qui est du radiateur d'un tel dispositif de refroidissement, l'obligation de posséder une conductance thermique élevée ainsi qu'une surface frontale réduite et/ou un volume limité, s'impose à lui dans tous les cas. La performance globale d'un tel refroidisseur est énoncée par une valeur unique, celle de sa résistance thermique totale, laquelle est exprimée en degrés par Watt (°/W) ou par son inverse, la conductance thermique (en Watts par degré).
A titre d'exemple, on va présenter un refroidisseur à échange thermique eau/air, couplé à un microprocesseur qui doit évacuer 100 Watts, tout en restant à une température moyenne de 60°C. Ce refroidisseur comporte une mini-chaudière dans laquelle l'eau entre à 500C, sort à 60°C et y circule à 2,4 g/s. De la sorte, la température moyenne de l'eau dans la mini¬ chaudière est de 55°C et l'écart entre la température moyenne de cette eau et celle de la surface de dissipation thermique du microprocesseur est de 5°C. La résistance thermique de la mini-chaudière couplée à cette surface est de 0,05°/W. De son côté, l'air entre à 25°C dans le radiateur, en sort à 450C et y circule à 5 g/s, cependant que la température moyenne de l'eau dans le radiateur est de 55°C. L'écart entre les températures moyennes de l'eau et de l'air dans le radiateur est de 200C, ce qui donne 0,20°/W pour la résistance thermique du radiateur. La résistance thermique totale du dispositif refroidisseur en question est donc de 0,250AV. On va tout d'abord s'intéresser au refroidissement des microprocesseurs. Les techniques mises en œuvre à cet effet sont longuement décrites et commentées sur Internet. Les amateurs d'ordinateurs à performances poussées construisent eux-mêmes des refroidisseurs à eau relativement efficaces, à partir de composants disponibles sur le marché. Les commentaires sur ces refroidisseurs sans unité de conception sont cependant réservés, notamment pour ce qui concerne leur encombrement, leur coût et leur bruit dû à la pompe et au ventilateur utilisés.
Parmi les composants de ces dispositifs de refroidissement à eau pour microprocesseurs, seules les mini -chaudières (waterblock, en anglais du métier) et les pompes présentent quelque originalité, les radiateurs étant tous d'un type standard, à ailettes métalliques pleines. Plusieurs mini -chaudières décrites sont des blocs de cuivre, d'une centaine de cm3, usinés pour présenter une cavité interne pourvue d'un couvercle métallique généralement soudé et de raccords ou collecteurs amont et aval. Une telle cavité interne est constituée soit par un canal unique, sinueux ou spirale, relativement large, équipé de raccords, soit par un petit nombre de canaux parallèles relativement étroits, pourvus de collecteurs. Un autre exemple de mini¬ chaudière à micro-canaux est décrit dans le brevet US N° 5,263,251 de 1993. Elle est constituée par un bloc, équipé de deux tubes d'entrée et de sortie, qui est le résultat du laminage d'un empilement de nombreuses feuilles de cuivre, dont une face est gravée à l'eau forte, pour faire apparaître un fin passage rectiligne ou sinueux entre deux ouvertures. Après laminage de l'empilement de feuilles ainsi gravées, ces ouvertures constituent les tranches soudées des deux collecteurs internes d'alimentation des micro-canaux résultant de l'écrasement de la matière délimitant ces passages. La surface de dissipation thermique du microprocesseur à refroidir est appliquée sur une paroi latérale du bloc ainsi constitué. Ce qui entraîne une résistance thermique importante pour une telle mini-chaudière.
Quant aux pompes utilisées, ce sont généralement des pompes équipées d'un moteur électrique sans balais et d'une turbine centrifuge. La puissance hydraulique de ces pompes est relativement élevée afin de pouvoir engendrer, dans une mini-chaudière à canal unique et dans le radiateur à ailettes pleines associé, une circulation d'eau en écoulement turbulent, qui augmente fortement (jusqu'à 20 fois) la conductivité thermique apparente de l'eau circulant dans ces deux composants. Il en est notamment ainsi d'une pompe, disponible sur le marché, qui comprend un moteur électrique sans balais de 25 W, pourvu d'un rotor constitué par un aimant hémisphérique multipolaire d'environ 5 cm de diamètre, solidaire d'une turbine centrifuge, et qui fournit une puissance hydraulique d'à peu près 5 W, avec une pression de plusieurs centaines d'hectopascals. En outre, ces pompes sont trop encombrantes pour un ordinateur de petites dimensions et, de plus, elles sont relativement chères.
A ces commentaires concernant les mini-chaudières et les pompes disponibles sur le marché, il est maintenant nécessaire d'ajouter que, jusqu'à présent, pratiquement tous les constructeurs concernés ont considéré et traité la densité des flux de chaleur traversant la plaque de dissipation thermique des microprocesseurs usuels, comme étant sensiblement uniforme, grâce à la très bonne conductivité thermique de cette plaque de dissipation, et en général comprise entre 5 et 15 W/cm2. En fait, si cette hypothèse de travail est généralement vérifiée pour les microprocesseurs à performances moyennes, elle ne l'est plus du tout pour les microprocesseurs à très hautes performances, actuellement ou prochainement disponibles sur le marché. Ces microprocesseurs à très hautes performances comportent en effet, au centre d'une plaque usuelle de dissipation thermique d'environ 12 cm2, une petite zone très chaude, généralement rectangulaire, d'à peu près 1,5 cm2, à travers laquelle la densité du flux de chaleur, dans des conditions extrêmes de fonctionnement, peut être de l'ordre de 140 W/cm2.
Une autre technique de refroidissement à eau des microprocesseurs fait usage d'une mini-chaudière, constituée par plusieurs centaines de micro-canaux, aménagés dans une plaquette de silicium multicouche. Une pompe relativement puissante fait circuler de l'eau en écoulement laminaire dans ces micro-canaux puis en écoulement turbulent dans un radiateur à ailettes standard, associé à un ventilateur. Cette technique présente l'avantage de pouvoir refroidir correctement les points les plus chauds de l'organe concerné. Ce qui présente un grand intérêt. Mais elle est évidemment trop chère pour plusieurs applications courantes, notamment pour les PC destinés au grand public. Une autre technique de refroidissement de microprocesseurs fait usage d'un ou de plusieurs tubes de transfert de chaleur. Ce sont des tubes en cuivre de quelques millimètres de diamètre, pourvus sur toute leur longueur d'une mèche tubulaire interne. Ils contiennent un liquide et sa vapeur (notamment de l'eau à pression basse ou du fréon) et ils relient une mini- chaudière, solidaire de la plaque de dissipation thermique du microprocesseur, à un radiateur à ailettes métalliques pleines, balayées par un courant d'air produit par un ventilateur. Le liquide contenu dans la mini -chaudière s'évapore et la vapeur produite va se condenser dans le radiateur, cependant que sa chaleur latente est emportée par le courant d'air. Le liquide condensé produit à cette occasion est ramené par la mèche jusqu'à la mini-chaudière, autorisant ainsi le renouvellement du cycle de transfert de chaleur décrit. Cette technique est efficace mais chère et encombrante.
Une autre technique, semblable à la précédente, est utilisée pour le refroidissement simultané de plusieurs microprocesseurs. A titre d'exemples, les brevets US des sociétés japonaises Hitachi N° 4,502,286 de 1985 et Denso N° 6,005,772 de 1999 et 6,360,814 de 2002 décrivent plusieurs de ses nombreuses formes de réalisation. Dans ces refroidi sseurs, les bulles de vapeur engendrées dans le liquide contenu dans la chaudière s'échappent de ce liquide, pour former au-dessus de lui de la vapeur libre qui, par convection naturelle, peut monter dans les chambres de condensation de radiateurs à ailettes métalliques pleines, cependant que le liquide condensé retourne à la chaudière par gravité. On notera que ces dernières techniques, qui font appel à un circuit bouclé comportant : ébullition d'un liquide, production de vapeur libre, transport par convection naturelle de cette vapeur, condensation de cette vapeur dans un radiateur à ailettes balayées par un courant d'air et retour par gravité du liquide condensé, comportent plusieurs composants semblables à ceux du dispositif connu de refroidissement par échange thermique entre de l'eau circulant en circuit bouclé et de l'air, décrit plus haut. Mais ces techniques connues diffèrent dans leurs concepts, l'une utilise les changements alternatifs d'états d'un liquide et de sa vapeur et l'autre, le chauffage puis le refroidissement d'un liquide qui ne change pas d'état.
Dans le cas des moteurs à combustion interne, de nombreux perfectionnements ont été apportés à la technologie des radiateurs à ailettes métalliques pleines, mais le procédé de refroidissement utilisé est demeuré figé depuis de nombreuses décennies. Dans ce procédé, une pompe mécanique fait rapidement circuler, en circuit fermé, de l'eau en écoulement turbulent dans la cavité interne de la chaudière aménagée autour des cylindres du moteur, puis dans les durites et le radiateur. Celui-ci comprend un petit nombre de tubes métalliques parallèles, sur lesquels sont glissées puis soudées ou serties des ailettes métalliques, perforées à cet effet. Entre ces ailettes, circule un courant d'air engendré par un ventilateur et/ou le vent relatif du véhicule. Dans la chaudière du refroidisseur, l'écoulement de l'eau peut ne pas être très turbulent et cependant permettre un bon transfert de chaleur, puisque l'écart de température est très important entre les surfaces de dissipation thermique du moteur et celles de couplage du refroidisseur. En effet, la face interne des parois des cylindres, en contact avec les gaz brûlés très chauds présents à la fin de chaque détente, est à une température très élevée (> 600°C), cependant que la face externe de ces mêmes parois, en contact avec l'eau en écoulement, est à la température de cette eau (80°C). La résistance thermique de ces parois étant négligeable, l'eau en écoulement dans la chaudière est soumise à la totalité de cet écart de température. Dans ces conditions, la forte résistivité thermique d'une eau en écoulement peu turbulent, soumise à un tel écart de température, est un faible obstacle à un transfert rapide et complet du flux thermique des gaz brûlés au courant d'eau.
En revanche, l'écart moyen de température entre l'eau en écoulement dans les tubes du radiateur et le courant d'air qui balaie ses ailettes étant relativement faible (60°C), il est impératif que la résistivité thermique apparente de cette eau soit aussi faible que possible afin que la conductance thermique globale de ce radiateur soit aussi grande que possible, compte- tenu de la valeur de cet écart. Le diamètre hydraulique et le nombre de tubes du radiateur ne pouvant être très grands, le seul paramètre disponible pour rendre fortement turbulent l'écoulement de l'eau dans ces tubes est sa vitesse de circulation, laquelle se doit donc d'être relativement élevée. Ce qui entraîne une perte de charge importante dans le radiateur, qui a pour conséquence d'imposer à la pompe une puissance hydraulique relativement grande. Entre l'eau chaude, qui circule dans les tubes du radiateur, et les parois externes de ses ailettes, deux résistances thermiques importantes sont intercalées, qui réduisent considérablement l'écart moyen de température entre ces parois externes et le courant d'air qui les ventile. La première de ces résistances apparaît dans l'épaisseur même de l'eau, malgré une très forte augmentation de sa conductivité thermique apparente, due à son écoulement turbulent. La seconde de ces résistances apparaît entre les faces externes des parois des tubes du radiateur et la surface totale des ailettes fixées à ces parois. A cet égard, on notera que la température des ailettes diminue rapidement depuis leurs emplantures jusqu'à leurs extrémités, où elle devient proche de celle du courant d'air. Du fait de la mise en série de ces deux résistances thermiques, le courant d'air qui balaie les ailettes du radiateur ne peut disposer que d'une fraction limitée (30 % environ) de l'écart moyen de température qu'il présente avec le courant d'eau entrant dans le radiateur, pour emporter le flux thermique à dissiper.
A titre d'exemple illustrant la situation actuelle du radiateur à ailettes métalliques pleines d'un moteur thermique, pour constamment évacuer 30 kW thermiques, dans un dispositif de refroidissement à échange eau/air d'un moteur de même puissance, la pompe fait circuler cette eau à 2400 g/s, à une température initiale d'environ 80°C, dans un radiateur standard ayant 5 dm3 de volume, 17 dm2 de surface frontale (maître-couple) et 10 m2 d'ailettes. Au cours de la traversée de ce radiateur, l'eau perd 3°C environ cependant qu'un courant d'air de 2 kg/s (1,65 m3/s), qui pénètre à 10 m/s entre ces ailettes chaudes, augmente de 15°C sa température, qui passe par exemple de 25 à 40°C. La résistance thermique de ce radiateur à ailettes métalliques pleines est de l,8.10~3°/W et sa conductance volumique de 110 W/K.dm3. Les considérations ci-dessus s'expliquent immédiatement par la conductivité thermique des matériaux concernés. Le cuivre a une conductivité thermique de 380 W/m.K, l'aluminium 220 W/m.K et l'eau de 0,6 à au moins 12 W/m.K, pour un écoulement passant de laminaire à turbulent. Pour les polymères, dont il sera question ci-après, la conductivité thermique est particulièrement faible : 0,22 W/m.K. Quant à la capacité calorifique de l'eau, elle est de 4,18 kilojoules par kilogramme et par degré, cependant que celle de l'air sec est de 1 kJ/kg/K.
Ces mêmes considérations s'appliquent aux radiateurs à ailettes métalliques pleines, associés aux refroidisseurs à échange thermique eau/air, destinés aux microprocesseurs et, plus généralement, à tout organe pourvu d'une surface de dissipation thermique plane. Dans tous les cas, l'écart moyen résiduel de température existant entre les faces externes des ailettes et le courant d'air qui les balaie est le seul et unique moteur du refroidissement recherché. Il est donc impératif de le majorer au mieux.
Le premier objet de l'invention est un dispositif de refroidissement perfectionné, efficace, peu encombrant et bon marché, qui opère par échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid et qui incorpore un radiateur à ailettes d'un type particulier, présentant une très faible résistance thermique.
Le deuxième objet de l'invention est un tel refroidisseur perfectionné, dans lequel de l'eau circule en écoulement laminaire dans le radiateur.
Le troisième objet de l'invention est un tel refroidisseur perfectionné qui incorpore une mini-chaudière originale, pour organe à surface de dissipation thermique plane, dans lequel l'eau circule en écoulement laminaire dans la mini-chaudière et dans le radiateur.
Le quatrième objet de l'invention est un tel refroidisseur perfectionné pour microprocesseurs à très hautes performances, comportant une mini-chaudière appropriée, pourvue d'une plaque de chauffe présentant une résistance thermique particulièrement faible. Le cinquième objet de l'invention est un tel refroidisseur perfectionné pour microprocesseurs à très hautes performances, comportant une mini-pompe appropriée, à puissance hydraulique, pression et débit, adaptés aux besoins limités de ce refroidisseur.
Le sixième objet de l'invention est un tel refroidisseur perfectionné pour microprocesseurs à très hautes performances, comprenant un composant original, formé par la combinaison d'une telle mini-chaudière appropriée et d'une telle mini-pompe appropriée. Le septième objet de l'invention est un dispositif de refroidissement efficace et bon marché, pour moteur thermique ou pile à combustible de type PEM, qui comporte un radiateur à ailettes de type particulier, dans lequel l'eau circule en écoulement laminaire.
Le huitième objet de l'invention est un dispositif de refroidissement complémentaire pour moteur Diesel, destiné à refroidir ses gaz d'échappement afin de permettre de les utiliser en vue d'améliorer le fonctionnement de ce moteur.
Selon l'invention, un dispositif de refroidissement perfectionné, efficace et bon marché, opérant par échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid, destiné à être couplé à la surface de dissipation thermique d'un organe concerné donné, ou couplé par construction à cette même surface, ledit organe devant dissiper un flux de chaleur donné, situé dans des fourchettes déterminées de puissances et de températures, comprenant :
- une chaudière adaptée audit flux de chaleur, comportant une cavité interne, pourvue de deux collecteurs, et une surface de couplage correspondant à ladite surface de dissipation thermique ;
- un radiateur à ailettes, pourvu de deux collecteurs ;
- des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche ;
- un liquide chaud, notamment de l'eau, dans cette enceinte ; - des moyens pour faire circuler, en circuit fermé, ce liquide chaud dans cette enceinte ;
- des moyens pour faire circuler ce fluide froid, notamment de l'air, entre les ailettes du radiateur ; est caractérisé en ce que :
- ledit radiateur est formé par un ou plusieurs échangeurs thermiques d'un type particulier, chacun constitué par un empilement d'ailettes creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux.
Pour construire un tel échangeur thermique à ailettes creuses et minces, branchées sur deux collecteurs transversaux, deux techniques peuvent être utilisées. Elles concernent toutes deux un élément d'échange thermique de type particulier, remarquable en soi et par son procédé de fabrication.
La première technique est décrite dans la demande de brevet européen N° EP 1 122505 Al, publiée en août 2001, déposée par la société japonaise EBARA. Cet élément d'échange thermique a été développé pour constituer l'évaporateur et/ou le condenseur d'un appareil de réfrigération à absorption. Il est formé par un empilement de plaques creuses, réalisées à partir de deux feuilles métalliques superposées, dans lesquelles ont été préalablement pratiqués des creux et des bosses, régulièrement alternés, et deux ouvertures à rebords. Pour former une plaque creuse, deux feuilles métalliques ainsi bosselées et percées sont fixées l'une à l'autre par soudures de leurs bords extérieurs ainsi que des crêtes de leurs bossages et des rebords de leurs ouvertures. Deux plaques creuses contiguës sont fixées l'une à l'autre d'une manière semblable, afin d'aménager un espace inter-plaques et de réaliser deux collecteurs transversaux. La seconde technique est décrite dans la demande de brevet international PCT, déposée par TET, le titulaire de la présente demande de brevet, publiée en juillet 2004 sous le N° WO 2004/055462 Al . Un élément actif d'échange thermique TET est une pièce monobloc, sans assemblage ni soudure, formée par un empilement de paires de plaques creuses minces allongées, constituant des ailettes creuses communicantes, globalement symétriques, et le cas échéant obliques, pourvues de deux collecteurs transversaux, prolongés par deux tubulures de raccordement. Cet élément est fabriqué de la manière suivante :
- (1) on réalise, par thermosoufflage d'un polymère ou d'un verre adéquat ou hydroformage d'un métal de nature et de forme appropriées, une ébauche constituée par un empilement de soufflets globalement biconvexes, comparables à ceux d'un accordéon, ayant des parois gaufrées et des parties centrales allongées, pourvues de raccords d'extrémités, de préférence à surfaces retournables, et de deux tubulures de connexion, centrées sur les axes d'empilement des raccords ;
- (2) cette ébauche étant à température appropriée, on applique une dépression interne et/ou des forces de compression externes, parallèles à l'axe d'empilement de ses soufflets, jusqu'à ce que la pièce comprimée ainsi réalisée devienne un empilement de paires d'ailettes creuses, communicantes et globalement symétriques, le cas échéant bistables et obliques, à épaisseur interne et écartement faibles, sensiblement constants ;
- (3) on laisse refroidir la pièce monobloc ainsi réalisée, si nécessaire en la maintenant comprimée dans son état final. Ces deux types d'échangeur thermique conviennent a priori pour tout dispositif de refroidissement selon l'invention. Pour les organes de puissances petites ou moyennes, un élément unique sera suffisant, qui pourra comporter dix, vingt ou trente ailettes creuses EBARA ou paires d'ailettes creuses TET, ayant au plus 20 cm de long. Pour des puissances de plusieurs kilowatts, ces éléments seront utilisés en groupe (en parallèle et/ou en série), pour former des batteries, de plusieurs dizaines le cas échéant.
L'utilisation d'un élément métallique d'échange thermique EBARA est, en principe, tout à fait possible dans le cadre de la présente invention. En pratique cependant, la technique de fabrication complexe d'un tel élément et son risque élevé de fuites, dû au grand nombre de soudures étanches qu'il comporte, sont susceptibles d'entraîner des rebuts et des coûts élevés de fabrication ainsi que des remplacements, a priori inévitables en exploitation. Ce qui lui interdira d'être retenu pour toute application impliquant de très grandes séries à prix tendus. L'utilisation d'un élément d'échange thermique TET, généralement réalisé en polymère ou en verre et, dans certains cas particuliers en un métal adéquat, convient parfaitement, aussi bien pour des raisons techniques que pour des considérations économiques de fabrication et d'usage, à tout dispositif de refroidissement selon l'invention, opérant par échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid.
Selon l'invention, dans un tel dispositif de refroidissement, lesdits moyens pour faire circuler le liquide chaud sont adaptés, d'une part, à engendrer un écoulement laminaire de ce liquide dans les ailettes creuses du radiateur ainsi que, le cas échéant, dans la cavité interne de la chaudière et, d'autre part, à faire de préférence circuler ce liquide à contre-courant du fluide froid qui circule entre ces ailettes.
Selon des caractéristiques complémentaires d'un dispositif de refroidissement selon l'invention,
- dans le cas d'ailettes creuses en polymère ou en verre, l'épaisseur de leurs parois est à peu près comprise entre 0,5 et 1 mm, et celle de leur canal interne, à peu près comprise entre 0,5 et 2,5 mm ;
- dans le cas d'ailettes creuses en métal, l'épaisseur de leurs parois est à peu près comprise entre 0,2 et 0,5 mm, et celle de leur canal interne, à peu près comprise entre 0,5 et 1,5 mm ; - dans tous les cas, l'écart moyen entre les ailettes est d'environ 3 à 6 mm, lorsque le fluide froid est de l'air.
Grâce aux ailettes creuses et minces du radiateur d'un dispositif de refroidissement selon l'invention, le débit nominal de l'eau (il correspond à la puissance thermique à dissiper) dans ces ailettes est réalisé en écoulement laminaire et cependant l'efficacité du radiateur est très élevée. Ce double résultat, apparemment contradictoire au vu de ce qui a été dit plus haut, est tout d'abord pleinement justifié et ensuite il est avantageux à plusieurs titres. Un écoulement est laminaire lorsque le nombre de Reynolds à prendre en compte est faible. Et ce nombre est proportionnel au produit du diamètre hydraulique de chacune des ailettes creuses et de la vitesse de circulation du courant d'eau concerné. Le premier terme est faible, puisque sensiblement égal au double de l'épaisseur moyenne interne d'une ailette, et le second l'est également, puisque égal au débit nominal d'eau, correspondant au flux thermique à évacuer, divisé par la section totale importante de l'empilement d'ailettes. Dans ces conditions, la résistivité thermique à prendre en compte est celle de l'eau sans aucun facteur correctif, mais comme les veines d'eau en écoulement sont minces, la conductance thermique totale du courant d'eau est finalement satisfaisante. Il en est de même de la conductance thermique des parois en polymère des ailettes qui, elles aussi, ont une résistivité élevée et une épaisseur faible. Dans ces conditions, la température de la face externe de chaque ailette est proche de celle de sa face interne et elle est la même à tout niveau, depuis son emplanture jusqu'à son extrémité. Ce qui entraîne entre l'importante surface totale externe de ces ailettes et le courant d'air qui balaie cette surface, un écart de température moyen égal à environ 85 % de celui qui existe entre les courants d'eau et d'air aux deux entrées du radiateur. Si les ailettes avaient été en verre ou en métal, ce rapport aurait été de 90 ou 95 % environ. Cet écart moyen élevé de température étant le moteur de l'échange thermique à effectuer par la surface totale importante des ailettes creuses, l'efficacité du refroidisseur selon l'invention est particulièrement grande. Cela apparaît encore plus clairement, si on la compare à celle d'un radiateur standard ayant la même surface d'ailettes, dans lequel la température rapidement décroissante de ces ailettes pleines aboutit à un écart moyen de température ailettes/air, à peu près trois fois inférieur à celui que l'on obtient avec un radiateur à ailettes creuses. Aux considérations précédentes, il convient d'ajouter que le couplage eau/air, effectué à travers les parois des ailettes creuses et minces d'un radiateur monobloc est amélioré par le gaufrage des parois (destiné à leur donner une raideur appropriée) qui introduit localement de légers reliefs et donc quelques remous dans l'écoulement de l'air, ce qui augmente la conductivité apparente de cet air.
Quant aux différents avantages que procurent la simultanéité d'un écoulement laminaire du liquide chaud dans le radiateur et d'une efficacité élevée d'un refroidisseur perfectionné selon l'invention, ils apparaîtront en détail ci-après, au fur et à mesure de la présentation des différentes applications de l'invention.
Selon une première application particulière de l'invention, le dispositif de refroidissement à échange thermique eau/air d'un moteur thermique est en outre caractérisé en ce que :
- le radiateur comprend un groupe d'échangeurs thermiques à ailettes creuses et minces, montés en parallèle ;
- ce groupe d'échangeurs est alimenté en eau par une pompe et en air par un ventilateur, de manière à être traversé à contre-courant par l'air et par l'eau.
Selon une caractéristique complémentaire de la précédente, pour un moteur thermique installé sur un véhicule automobile, le radiateur est dédoublé et formé par deux groupes d'échangeurs thermiques, montés à droite et à gauche du moteur.
Grâce à ces dispositions, un refroidisseur selon l'invention pour moteur thermique de véhicule automobile, équipé d'un radiateur unique ou dédoublé à ailettes creuses et minces, permet d'obtenir des performances dans divers domaines très supérieures à celles que fournit un refroidisseur à radiateur standard, associé à un moteur de même puissance. En effet, dans un tel refroidisseur, le maître-couple du radiateur, les puissances de ventilation et de circulation d'eau, le poids et le prix de l'ensemble des composants sont fortement diminués, cependant que l'efficacité globale du refroidissement est améliorée. On notera que l'ensemble des moyens et des considérations qui précèdent s'applique sans changement notable au refroidissement des plaques bipolaires des piles à combustible de type PEM, qui doivent opérer à une température de 85°C environ, avec un rendement approchant 50 %. Lorsqu'une telle pile de quelques dizaines de kilowatts doit être installée sur un véhicule automobile, cela implique la nécessité d'un refroidisseur efficace, peu encombrant et bon marché, tel que celui selon l'invention décrit ci-dessus.
Selon une autre application particulière de l'invention, un dispositif de refroidissement complémentaire pour moteur Diesel, destiné à produire des gaz brûlés refroidis, utilisables pour améliorer le fonctionnement de ce type de moteur, est en outre caractérisé en ce que :
- la chaudière est un échangeur thermique à ailettes métalliques creuses et minces, installé dans une chambre appropriée, disposée en amont de la chambre usuelle de détente du tuyau d'échappement des gaz brûlés ;
- le radiateur est formé par plusieurs échangeurs thermiques à ailettes creuses et minces, en métal ou en verre, montés en parallèle ;
- une pompe est adaptée à faire circuler de l'eau en circuit fermé et en écoulement laminaire dans l'enceinte étanche formée par la chaudière et le radiateur ;
- un ventilateur est adapté à faire circuler de l'air entre les ailettes creuses du radiateur, à contre-courant de l'eau qui circule dans ces ailettes. Dans ce refroidisseur complémentaire pour moteur Diesel, le second échangeur thermique à ailettes creuses et minces ne fonctionne plus en radiateur comme dans le cas précédent, mais en chaudière captant le flux de chaleur véhiculé par les gaz brûlés produits par le moteur. Dans ces conditions, ces gaz très chauds (> 6000C) sont refroidis dans les mêmes conditions que les cylindres du moteur et amenés par exemple à 200°C puis refroidis à nouveau au cours de leur détente avant échappement. A bas et moyen régimes du moteur, une fraction appropriée de ces gaz fortement refroidis peut être prélevée puis mélangée à l'air injecté dans les cylindres, afin d'améliorer le fonctionnement du moteur Diesel à ces régimes et ainsi supprimer la production d'effluents polluant l'atmosphère. Un autre refroidisseur pour gaz d'échappement de moteur Diesel est présenté dans la demande de brevet européen N° 2002 195106, déposée par la société japonaise Hino Motors. Ce refroidisseur comprend un absorbeur de chaleur (non décrit), installé dans un tuyau d'évacuation d'une partie des gaz brûlés, relié par un tube de transfert de chaleur à un dispositif (non décrit) de dissipation par rayonnement de cette chaleur, installé près de l'extrémité du tuyau d'échappement des gaz. Il constitue l'arrière plan technologique du refroidisseur complémentaire selon la présente invention. Selon les caractéristiques d'autres applications de l'invention, dans un refroidisseur à échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid, pour organes à surface de dissipation thermique plane rectifiée,
- les moyens pour faire circuler le liquide chaud, et notamment l'eau, peuvent être la convection naturelle, lorsqu'un écart vertical minimal approprié, peut être établi entre les embouchures amont de la mini-chaudière et du radiateur ;
- ledit écart vertical minimal approprié est défini par le fait qu'il est susceptible d'engendrer par thermo-siphon un débit nominal du liquide chaud qui, d'une part, correspond au flux thermique à dissiper dans le radiateur installé, balayé par le courant d'air disponible et qui, d'autre part, maintient la température maximale de ce liquide en deçà d'un plafond déterminé, propre à l'organe concerné ;
- les conduits de la cavité interne de la mini-chaudière présentent, à débit nominal du liquide, une perte de charge faible, compatible avec une conductance thermique minimale suffisante de cette mini-chaudière ; - les collecteurs amont et aval de la mini-chaudière ainsi que les raccords reliant ces derniers aux embouchures du radiateur présentent des pertes de charge aussi faibles que possible ;
- le liquide chaud peut alors circuler soit par simple dilatation soit principalement par production d'un mélange diphasique de liquide et de bulles de vapeur.
Selon une caractéristique complémentaire de la précédente, dans un refroidisseur opérant par convection naturelle, due à une simple dilatation du liquide chaud,
- l'écart minimal approprié entre les embouchures amont de la mini-chaudière et du radiateur est de l'ordre du décimètre ;
- le liquide chaud circulant par convection naturelle est de l'eau à pression atmosphérique. Selon une variante de la caractéristique précédente, dans un refroidisseur opérant par convection naturelle, principalement due à un mélange de liquide chaud et de bulles de vapeur,
- l'écart minimal approprié entre les embouchures amont de la mini-chaudière et du radiateur est de l'ordre du centimètre ;
- le liquide chaud peut subir un changement d'état liquide/vapeur, à une température inférieure d'au moins quelques degrés au plafond imposé à l'organe à refroidir ;
- ledit liquide chaud est de préférence de l'eau sous basse pression ou, le cas échéant, un liquide présentant ladite propriété de changement d'état à pression atmosphérique.
Grâce à ces deux dernières possibilités, on dispose de toute une palette de moyens pour utiliser au mieux un dispositif de refroidissement perfectionné selon l'invention. Pour illustrer ce propos, on va commenter ce qui se passe, dans l'un et l'autre cas, avec un microprocesseur et un refroidisseur, selon l'invention, susceptible d'être installé de manière à présenter un écart vertical approprié entre les embouchures amont de sa mini-chaudière et de son radiateur. Pour ce faire, on s'appliquera tout d'abord à réaliser un refroidisseur présentant un minimum de sections constituant des zones de pertes de charge importantes (notamment cavité interne de la mini-chaudière, restrictions et coudes des conduits de liaison) qui limiteraient le débit d'eau à une valeur inférieure à sa valeur nominale. On applique sur la plaque rectifiée de dissipation thermique du microprocesseur, une mince couche de pâte à forte conductivité thermique, puis la surface rectifiée de couplage thermique de la mini-chaudière. Par nécessité, cette mini chaudière possède une conductance thermique élevée, qui fera plus loin l'objet de considérations complémentaires. Ensuite, on installe à la verticale la mini-chaudière et le radiateur choisi et l'on soumet ce dernier au courant d'air disponible. Tout d'abord, l'enceinte étanche du refroidisseur contient un liquide susceptible de bouillir, à une température inférieure de quelques degrés à la température maximale que peut accepter le microprocesseur. Un tel liquide opère à basse pression ou à pression atmosphérique. Dans le premier cas, ce sera de préférence de l'eau (sous 300 hPa, l'eau bout à 60°C) et, dans le second, de l'éther (30°C), du méthanol (60°C), ou de l'éthanol (78°C), par exemple. Dans ces conditions, un écart vertical court, au moins de l'ordre du centimètre, entre les embouchures amont de la mini-chaudière et du radiateur à ailettes creuses, permet, sans faire usage de pompe, d'effectuer une dissipation satisfaisante de flux de chaleur élevés, émis à travers la plaque de dissipation thermique de petites dimensions d'un microprocesseur. Cela, grâce à la circulation par tirage naturel d'un mélange caloporteur diphasique, formé par un liquide et par des bulles de sa vapeur. On notera que, en opposition à l'état libre de la vapeur produite dans les refroidisseurs connus visés ci-dessus, ces bulles de vapeur demeurent constamment prisonnières du liquide chaud. L'efficacité de cette disposition est due au coefficient de dilatation apparent exceptionnellement élevé que possède un tel mélange liquide-vapeur. Lorsque la température du liquide franchit son seuil d'ébullition et que le flux de chaleur se maintient ou augmente, des bulles de vapeur sont produites qui engendrent une augmentation de volume du mélange bien supérieure à la dilatation propre du liquide. La densité moyenne du mélange eau-bulles, contenu dans la mini-chaudière, peut alors tomber à 80 %, par exemple, de celle de l'eau liquide. Ces bulles de vapeur et les tranches de liquide qui les entourent subissent une poussée ascensionnelle considérable dans la mini-chaudière et dans son collecteur aval (environ 20 Pa/cm). Ce qui, par thermosiphon, les fait rapidement traverser la cavité interne de la mini-chaudière et son collecteur aval, pour aboutir à l'embouchure du collecteur amont du radiateur.
En traversant de haut en bas et à vitesse réduite les ailettes creuses et minces du radiateur, ces bulles de vapeur et ces tranches de liquide échangent de la chaleur avec le courant d'air, à travers les fines parois de ces ailettes. Ce courant d'air, à température initialement basse (25°C, par exemple) circule de bas en haut, le long des faces externes des parois des ailettes creuses du radiateur. En sortant du radiateur, à la fin de cet échange thermique à contre-courant, la plupart de ces bulles de vapeur ont disparu, dissoutes dans l'eau liquide, ou réduites en volume, du fait de la condensation d'une partie de la vapeur qui les constituait. De son côté, la chaleur latente de condensation libérée à cette occasion est totalement emportée par le courant d'air, grâce à la bonne conductance thermique du mince filet d'eau circulant dans les ailettes creuses du radiateur et à la minceur des parois de ces ailettes. A la sortie du radiateur et à l'entrée de la mini-chaudière, la température moyenne du mélange d'eau et de bulles de vapeur est supérieure de 15 à 20°C à celle de l'air qui pénètre entre les ailettes du radiateur, et la densité moyenne de ce mélange est augmentée de 20 % environ. En haut du dispositif refroidisseur, la température de l'air a beaucoup augmenté pour finalement devenir inférieure d'une dizaine de degrés seulement à la température moyenne initiale du mélange liquide-vapeur. On notera que si la circulation de l'air entre les ailettes du radiateur était inversée (de haut en bas au lieu de bas en haut), les échanges thermiques se feraient à co-courants. Ce qui demeure intéressant, du fait de l'augmentation des échanges thermiques alors effectués dans la partie amont du radiateur. Si dans un tel refroidisseur court, installé à la verticale, on remplace le liquide à basse température d'ébullition, par de l'eau sous pression atmosphérique de gaz incondensable, stable bien au-delà du plafond de température imposé, la dilatation que subit cette eau, en réponse à un flux de chaleur donné, engendre un débit circulant par tirage naturel beaucoup plus faible. Ce qui entraîne une diminution importante et finalement une amplitude insuffisante du flux thermique échangé entre l'eau et l'air, à travers la paroi du radiateur. En conséquence, avec de l'eau sous pression atmosphérique de gaz incondensable, un écart vertical plus important (au moins de l'ordre du décimètre) est nécessaire, entre les embouchures amont de la mini-chaudière et du radiateur. Dans ces conditions, par un effet de cheminée, le tirage est augmenté et le débit d'eau circulant par thermosiphon prend alors une valeur suffisante pour que l'amplitude des échanges thermiques effectués redevienne tout à fait conforme à ce que l'on recherche.
En outre, pour le refroidissement de différents types d'organes, installés dans un appareil quelconque, si l'on utilise une chaudière et un radiateur appropriés, aux embouchures amont suffisamment écartées l'une de l'autre le long de la verticale, il est possible d'en faire un système sans pièce mobile. En effet, en installant à la verticale, la chaudière à l'intérieur de l'appareil et le radiateur à l'extérieur, le cas échéant, à la base d'une cheminée de hauteur appropriée, lorsque la puissance thermique à dissiper est de quelques kilowatts, la circulation d'eau (ou d'un mélange eau-bulles) dans les ailettes creuses ainsi que la circulation d'air entre ces ailettes pourront, dans certains cas, se faire seulement par convection naturelle, pour l'eau et pour l'air. Un ventilateur de puissance réduite pourra, le cas échéant, assurer le complément de débit d'air nécessaire, en cas de forte température ambiante par exemple. Des échanges thermiques tout à fait satisfaisants peuvent alors être obtenus entre l'eau et l'air. Ce qui diminue notablement le coût de l'installation.
Lorsque la mini-chaudière et le radiateur d'un refroidisseur selon l'invention ne peuvent être installés à la verticale dans l'appareil incorporant l'organe à refroidir, une pompe est alors nécessaire pour faire circuler le liquide de refroidissement, comme cela se fait avec les radiateurs standards à ailettes pleines. Mais la puissance de pompage sera alors bien inférieure. Et malgré la nécessité d'une telle pompe, il n'en demeure pas moins, comme on le verra ci-après pour les microprocesseurs installés dans un ordinateur de petites dimensions, portable ou de bureau, que dans de nombreux domaines l'encombrement réduit, la grande efficacité, la longévité et le faible coût d'un radiateur à ailettes creuses et minces en polymère, permettent d'en faire un usage intéressant à bien des égards.
Selon une autre caractéristique de l'invention, dans un dispositif de refroidissement à échange thermique entre un liquide chaud et de l'air, pour organes à surface de dissipation thermique, plane et rectifiée ; - la chaudière est une mini-chaudière, parfaitement appropriée à sa fonction, qui comporte une plaque de chauffe, en métal à haute conductivité thermique, et une durite rigide en polymère moulé ;
- la plaque de chauffe est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage, correspondant à ladite surface de dissipation thermique, et d'une face interne initialement plane, dont la partie centrale est creusée de rainures parallèles, de dimensions, pas et nombre, déterminés par la densité et l'intensité du flux thermique à dissiper ;
- la durite incorpore deux collecteurs amont et aval, débouchant de part et d'autre d'une zone centrale rectangulaire plane de sa face interne ;
- la plaque de chauffe est fixée d'une manière étanche à la face interne de la durite ; - ladite zone centrale rectangulaire plane de la durite est appliquée sur la partie centrale de la face interne rainurée de la plaque de chauffe, de manière à lui servir de couvercle et ainsi constituer la cavité interne de la mini-chaudière et dégager les embouchures de cette cavité.
Selon des caractéristiques complémentaires des précédentes, l'organe concerné étant un microprocesseur à très hautes performances, dont la plaque rectifiée de dissipation thermique comporte une petite zone centrale très chaude,
- la largeur des rainures de la plaque de chauffe est aussi petite que possible, soit moins de 0,2 mm environ, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ dix à quinze fois cette largeur, et leur pas d'environ deux fois ; - la partie centrale rainurée de la face interne de la plaque de chauffe déborde largement ladite petite zone centrale très chaude du microprocesseur ; - l'épaisseur de la plaque de chauffe est d'environ deux fois la profondeur des rainures ;
- une pompe est utilisée pour faire circuler le liquide chaud.
Selon une variante des caractéristiques précédentes, l'organe concerné étant un microprocesseur à performances hautes ou moyennes, dont la plaque rectifiée de dissipation thermique comporte une zone centrale un peu plus chaude,
- la largeur des rainures de la plaque de chauffe est comprise entre environ 0,5 et 1,5 mm, leur profondeur, en fonction décroissante, d'environ cinq à huit fois leur largeur, et leur pas d'environ deux fois ; - la partie centrale rainurée de la face interne de la plaque de chauffe déborde largement ladite zone centrale plus chaude du microprocesseur ;
- l'épaisseur de la plaque de chauffe est d'environ la moitié de la profondeur des rainures ;
- les collecteurs de la mini-chaudière sont dans l'alignement des rainures de la plaque de chauffe ;
- un thermosiphon peut être utilisé pour faire circuler le liquide chaud.
Grâce à ces dispositions, en jouant sur la géométrie et le pas des rainures de la plaque de chauffe, il est aisé de réaliser, entre le couvercle, constitué par la zone centrale de la face interne de la durite, et le fond des rainures de la face interne de la plaque de chauffe, une cavité interne de mini-chaudière efficace, correspondant aux besoins du refroidissement envisagé. A cet effet, cette cavité est formée de micro ou mini-canaux, à diamètre hydraulique correspondant à celui imposé par la densité locale maximale du flux thermique à dissiper et par son intensité totale. En d'autres termes, ce diamètre hydraulique est déterminé par le débit nominal local recherché et par la conductance thermique minimale nécessaire, susceptible d'être assurée juste au-dessus de ladite zone très chaude ou plus chaude du microprocesseur. En outre, l'écoulement laminaire réalisé dans ces mini ou micro-canaux se fait avec une perte de charge très faible.
Lorsque l'intensité du flux thermique à dissiper, à travers la petite zone très chaude de la surface de dissipation du microprocesseur, est supérieure à environ 150 W et sa densité à environ 100 W/cm2, les rainures de la plaque de chauffe seront très fines et une pompe sera utilisée. Lorsque cette intensité et cette densité sont plus faibles, ces mêmes rainures seront plus larges et un thermosiphon pourra être utilisé pour faire circuler le liquide chaud. Dans les deux cas, l'épaisseur de la plaque de chauffe est déterminée, pour que soit correctement assurée une diffusion efficace de la chaleur entre la zone centrale très chaude ou plus chaude de la plaque de dissipation du microprocesseur et la totalité de la surface de la partie centrale rainurée de la face interne de la plaque de chauffe. Pour assurer une circulation optimale par thermosiphon du liquide chaud ou d'un mélange liquide-bulles de vapeur, dans un tel refroidisseur, la section des collecteurs amont et aval de la mini-chaudière et celle de leurs embouchures devront être au moins égales à la section totale de ses mini-canaux, les coudes de liaison entre les extrémités des micro-canaux et les collecteurs devront être aussi ouverts que possible et les axes de ces deux collecteurs seront situés sur la même ligne que la rainure ou l'ailette centrale de la plaque de chauffe. Cela, pour éviter la présence de restrictions et de coudes générateurs de pertes de charge qui limiteraient le débit de l'eau. En revanche, lorsque la circulation du liquide chaud doit être faite par pompe, les axes des collecteurs amont et aval de la mini-chaudière seront de préférence perpendiculaires aux rainures de la plaque de chauffe. Ce qui dans le cas d'une mini-chaudière associée à une pompe du commerce permet d'en diminuer l'encombrement.
Selon l'invention, un dispositif de refroidissement à échange thermique eau/air, pour microprocesseur, comportant un radiateur à ailettes creuse et minces, une mini-pompe appropriée et une mini-chaudière, est caractérisé en ce que :
- cette mini-pompe appropriée comporte un moteur électrique sans balais, pourvu d'un rotor, en forme de galet à aimantation diamétrale unique, et une turbine centrifuge solidaire de ce rotor ;
- le corps de cette mini-pompe comporte une cavité cylindrique, pourvue d'un couvercle étanche ;
- l'ensemble rotor-turbine est enfermé avec un faible jeu dans cette cavité ;
- l'ensemble rotor- turbine est monté tournant sur un arbre pivotant dans deux petites cuvettes, aménagées dans le fond de cette cavité et dans la face interne de ce couvercle ;
- la turbine est constituée par des pales radiales dressées en couronne sur un disque ; - un conduit d'arrivée d'eau est aménagé dans le couvercle et débouche au centre de cette couronne ;
- une ouverture de sortie d'eau est aménagée dans la paroi de la cavité, au niveau des pales de la turbine ;
- deux parties, diamétralement opposées de la paroi de ladite cavité, sont des portions de cylindre à paroi mince et les pôles du stator du moteur électrique épousent ces parties de paroi ;
- le stator du moteur électrique comporte un bobinage alimenté par un circuit électronique, adapté à faire démarrer le moteur puis à le faire tourner jusqu'à une vitesse appropriée. Grâce à ces dispositions, il est possible de construire une mini-pompe appropriée, correspondant exactement aux besoins très limités d'un refroidisseur à eau en écoulement laminaire, pour microprocesseur. Avec un galet à aimantation diamétrale unique, de 3 cm de diamètre et 3 mm d'épaisseur, le rendement d'un tel moteur électrique sans balais peut approcher 10 % et la puissance consommée égaler 2 W, en toute sécurité. Les technologies bien connues des différents types de moteurs électriques sans balais, susceptibles d'être utilisés dans le cadre de la présente invention, ne seront pas rappelées ici. Avec une turbine à huit pales radiales de 1 cm de long et 3 mm de haut, tournant à 50 tours par seconde, la puissance hydraulique fournie peut atteindre 100 mW (pression hydraulique : 100 hPa, débit nominal d'eau 10 g/s).
Selon l'invention, la durite de la mini-chaudière appropriée et le corps de Ia mini-pompe appropriée, décrites ci-dessus, sont les deux parties juxtaposées d'un même bloc en polymère rigide moulé, de sorte que cette mini-chaudière et cette mini-pompe constituent ensemble un composant original, dans lequel l'entrée du collecteur amont de la mini-chaudière et la sortie d'eau de la mini-pompe sont confondues, le collecteur amont de la mini-pompe et le collecteur aval de la mini-chaudière sont respectivement les collecteurs amont et aval de ce composant et ces deux derniers collecteurs sont perpendiculaires aux rainures de la plaque de chauffe.
Grâce à ces dispositions, un composant nouveau peu encombrant, léger et bon marché, est créé, qui peut aisément trouver sa place dans le refroidisseur d'un ordinateur de petites dimensions, portable ou de bureau. En plus de ces avantages, un tel composant permet de connecter ensemble la mini-pompe et la mini-chaudière, avec un minimum de risque de fuites et un minimum de pertes de charge.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'une manière plus précise de la description qui va suivre de dispositifs refroidisseurs pour différents types d'organes concernés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe selon le plan de symétrie longitudinal CC (voir fig. 2) d'un refroidisseur à eau pour microprocesseur à moyennes performances, dans lequel l'eau circule par thermosiphon ;
- la figure 2 est une vue selon le plan de coupe AA', représenté à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue selon le plan de coupe BB', représenté à la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue schématique d'un moteur Diesel d'automobile, équipé d'un dispositif refroidisseur à eau selon l'invention et d'un dispositif complémentaire de refroidissement des gaz brûlés ;
- la figure 5 est une vue schématique d'un refroidisseur à eau pour microprocesseur ; - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un composant original, comprenant une mini-chaudière et une mini-pompe, d'un tel refroidisseur à eau, pour microprocesseur à très hautes performances ; - la figure 7 est une vue de dessus de ce composant.
Selon les trois premières figures, un dispositif de refroidissement 10, selon l'invention, est installé à la verticale. Il est couplé et fixé, par tout moyen approprié, à un microprocesseur 12, susceptible d'engendrer une puissance thermique de 120 Watts. Ce flux de chaleur doit être évacué à travers une plaque rectifiée carrée 14 de dissipation thermique, de 35 mm de côté (soit une densité moyenne de 10 W/cm ), de manière que sa température moyenne demeure inférieure à 70°C, par exemple. Le refroidisseur 10 comprend une mini -chaudière 16, une durite rigide 18, un radiateur 20, une enveloppe 22 et un ventilateur 24. La mini-chaudière 16 est formée par une plaque de chauffe en cuivre 17, appliquée sur la durite 18. Cette plaque de chauffe 17 a 10 mm d'épaisseur totale et elle possède une face externe de couplage thermique 26, carrée et rectifiée, de 35 mm de côté, reliée par deux rampes à ses bords de fixation 28-30, larges de 10 mm, ainsi qu'un fond épais de 2 mm et des parois latérales de 1 mm. La face interne 31 de cette plaque de chauffe 17 comporte onze rainures parallèles 32^11, de 1,5 mm de large, de 40 mm de long et de 8 mm de haut, dans leur partie centrale, ainsi que dix ailettes 34i.i0 de 1 mm d'épaisseur. Les extrémités de ces ailettes 34 et de ces rainures 32 ont des profils en arcs de cercle et la distance entre leurs bords extrêmes est de 60 mm. La face externe de couplage 26, de la plaque de chauffe 17, épouse la plaque de dissipation 14 du microprocesseur, au travers d'une fine couche de pâte à haute conductivité thermique (non représentée). Les bords 28-30 de la plaque de chauffe 17 sont appliqués et fixés par vis, d'une manière étanche (joint souple) sur la durite 18. Cette durite 18 est en polymère rigide et sa partie centrale 36 comporte une face externe en creux et une face interne rectangulaire 35, de 30 mm de long et de 27 mm de large, adaptée à prendre appui sur les sommets des ailettes 34i-]0 et des deux bords latéraux de la plaque 17. De la sorte, cette face interne 35 de la durite 18 constitue le couvercle des parties centrales des rainures 32i.π et délimite, juste au-dessus des fonds courbes de ces rainures, les embouchures sensiblement rectangulaires, aval 38 et amont 40, de la mini-chaudière 16. A ces embouchures sont reliés les collecteurs amont 42 et aval 44 de la mini-chaudière 16, par ailleurs aménagés dans la durite 18. La section de ces embouchures est au moins égale à la section totale des mini-canaux, formés par ces rainures et leur couvercle, qui ensemble constituent la cavité interne de la mini-chaudière 16. Le collecteur amont 42 est un conduit court de 2,5 cm de long, ayant une embouchure d'entrée circulaire 50, reliée à la tubulure aval 46 du radiateur 20, et une embouchure de sortie rectangulaire 40 qui constitue l'embouchure amont des rainures 32].π. De même, le collecteur 44 est un conduit long de 7 cm, ayant une embouchure interne rectangulaire 38, reliée à l'aval des rainures 32j.i i, et une autre externe circulaire 52, reliée à l'embouchure amont 48 du radiateur 20. L'écart vertical entre les axes des embouchures amont 40 et 48 de la mini-chaudière 16 et du radiateur 20 est de 12 cm. La mini-chaudière 16 et ses deux collecteurs 42-44 possèdent un même plan de symétrie, qui traverse en long la rainure centrale 326 de la face interne 31 de la plaque de chauffe 17. Les collecteurs 42-44 sont reliés aux tubulures 46-48 du radiateur 20, par des conduits horizontaux aussi courts que possible (non représentés). L'extrémité supérieure 53 de la durite 18 comporte un bossage 57, pourvu d'une petite ouverture destinée à permettre le remplissage de l'enceinte et à être ensuite scellée. Les embouchures externes 50-52 des collecteurs 42-44, leurs conduits de liaison éventuels et les tubulures 46-48 du radiateur 20, sont reliés les uns aux autres par tous moyens appropriés, notamment colliers, collages ou soudures.
Le radiateur 20 est un élément monobloc d'échange thermique à ailettes creuses et minces, en polyéthylène à haute densité, éventuellement chargé en carbone. Il est représenté avec huit paires d'ailettes creuses 56 séparées par des espaces 58. En fait, le radiateur 20 comprend quinze paires d'ailettes, pour pouvoir aisément évacuer 120 W. Ces ailettes représentées obliques résultent d'un retournement de l'un des flancs des soufflets biconvexes de l'ébauche initiale et sur la fig.3, elles ont ensemble l'aspect d'une colonne vertébrale de poisson. Ces quinze paires d'ailettes ont une hauteur totale de 17 cm, un écart de 12 cm entre les axes de leurs tubulures 46-48, une largeur de 5 cm et une épaisseur totale de 9 cm, avec un pas d'empilement de 6 mm, des parois de 0,5 mm en moyenne, des épaisseurs internes moyennes de 1 mm pour les canaux des ailettes creuses et de 4 mm pour leurs espaces de séparation 58. Le volume de ce radiateur 20 est d'environ 0,7 dm3. On notera que le polyéthylène HD chargé par un additif approprié devient, dans l'extrudeuse utilisée pour fabriquer l'ébauche de ce radiateur, une pâte particulièrement fluide qui permet d'obtenir une grande finesse de parois. Les deux ailettes creuses 56i-2 d'une paire sont reliées l'une à l'autre par une tranche du canal central 60 de l'élément monobloc 20. Les extrémités de ce canal central 60 constituent pour les ailettes 56, deux collecteurs transversaux 62-64, prolongés par les tubulures 46-48.
L'enceinte étanche en forme de circuit bouclé, constituée par la mini-chaudière 16, les conduits 42-44 de la durite 18 et le radiateur 20, contient de l'eau distillée à pression atmosphérique. Cette eau est introduite dans cette enceinte à travers l'ouverture du bossage 57, son niveau final correspondant à peu près à l'axe 49 de la tubulure haute 48 de raccordement du radiateur 20.
L'enveloppe 22 peut être formée par deux coquilles, aux bords fixés l'un à l'autre par tout moyen approprié (voir la demande PCT concernée). Une ouverture est pratiquée dans chacune de ces coquilles, pour laisser passage et servir d'appui fixe aux deux tubulures de raccordement 46-48 de la chaudière 20. Les parois de l'enveloppe 22 sont proches des extrémités des ailettes creuses 56 du radiateur 20 et ses embouchures 66-67 sont larges. A l'extrémité de l'embouchure basse 66 de cette enveloppe 22, est installée une couronne 68 qui sert d'appui aux bras de fixation (non représentés) du ventilateur 24 équipé d'une hélice 25. Ce ventilateur 24 est adapté à produire un débit d'air d'au moins 10 litres/seconde.
Grâce aux ailettes de répartition thermique de la plaque de chauffe 17 de la mini¬ chaudière 16, la surface effective d'échange thermique entre la plaque de dissipation thermique 14 du microprocesseur 12 et l'eau contenue dans les nombreux canaux 32 de cette mini-chaudière 16, est en pratique multipliée par six. Dans ces conditions, la flux de chaleur à dissiper (120 W), qui engendre une densité moyenne de 10 W/cm2 sur la face de couplage 26 de la chaudière 20, se traduit pour les canaux 32 remplis d'eau, par une densité moyenne de 1,7 W/cm2, causée par les ailettes 34, le fond et les parois de la mini-chaudière 16. L'écart entre les températures moyennes de la plaque de dissipation 14 et de l'eau dans la mini¬ chaudière 16 est d'environ 6°C, soit pour la plaque de chauffe 17, une résistance thermique de 0,05°/W. La dilatation de l'eau consécutive à son élévation de température engendre entre les embouchures amont 40-48 de la mini-chaudière 16 et du radiateur 20, une poussée par convection naturelle, qui fait circuler l'eau avec un débit un peu inférieur à 3 g/s, directement déterminé par le total des pertes de charge dans le circuit fermé du dispositif refroidisseur 10. En traversant le radiateur à ailettes creuses 20, la perte de charge du courant d'eau se limite à quelques Pascals et sa température passe de 60 à 50°C, ce qui correspond à l'évacuation recherchée des 120 W à dissiper. De son côté, le courant d'air ambiant entre à 35°C dans l'enveloppe 22 et il en sort à 45°C, ce qui correspond à un débit d'air de 12 g/s (ou de 10 litres par seconde à 35°C) entre les ailettes creuses d'un radiateur 20. L'eau entre à 500C dans la chaudière 16 et en sort à 60°C, ce qui a pour effet de maintenir la température du bord supérieur de la plaque de dissipation thermique 14 du microprocesseur 12 à une valeur maximale de 66°C, compte-tenu de la résistance thermique existant entre cette plaque 14 et l'eau qui doit la refroidir. La résistance thermique totale d'un tel radiateur 20, traversé à contre-courant par de l'eau, à une température moyenne de 55°C, et par de l'air, à 40°C de température moyenne, est de 0,125°/W. La résistance thermique totale du dispositif refroidisseur selon la figure 1, dans lequel l'eau circule sans pompe par la seule convection naturelle, est donc de 0,175°/W. Le radiateur 20 et son enveloppe 22, équipée d'un ventilateur 24-25, peuvent être installés à l'intérieur de l'appareil et, dans ce cas, l'air y entre tiède (40°). A titre de variante intéressante, l'air peut être directement puisé à l'extérieur de l'appareil, à une température de 25°C par exemple, ce qui diminue la résistance thermique totale du refroidisseur sans modification du radiateur 20. Une autre variante consiste à disposer le radiateur 20 à l'extérieur de l'appareil et à l'installer dans une gaine de hauteur appropriée, opérant en cheminée (> 15 cm). Dans ce cas, l'air extérieur y entre par le bas et y monte par convection naturelle, assistée ou non par un ventilateur de faible puissance. Lorsque le débit d'air balayant les ailettes est ainsi réduit, il devra être compensé par une augmentation du nombre et/ou de la longueur d'ailettes du radiateur, proportionnellement au facteur de réduction de ce débit. Un tel arrangement convient au refroidissement économique de circuits électroniques de forte puissance.
Au cas où, pour une raison d'encombrement maximal autorisé dans un appareil de petites dimensions, l'écart entre les embouchures amont 40-48 de la mini-chaudière 16 et du radiateur 20 serait limité à 5 cm par exemple, le débit par thermosiphon d'eau à pression atmosphérique, dans le circuit fermé du refroidisseur, ne serait pas suffisant pour évacuer le flux de chaleur concerné. Pour résoudre ce problème, le radiateur 20 sera réalisé en un métal ou en un polymère approprié, de façon à être notablement plus rigide que celui à parois fines décrit plus haut. De l'eau sera introduite, sous vide d'air ou dilatée à 100°C et pression atmosphérique, dans l'enceinte du refroidisseur 10, puis l'enceinte sera immédiatement scellée. De la sorte, des bulles de vapeur apparaîtront dans cette eau passée à température réduite et pression basse, dès qu'un flux de chaleur pénétrera dans la mini-chaudière 16. Dans ces conditions, le débit du mélange eau-bulles produit peut atteindre au moins celui de l'eau liquide précédemment obtenu avec un radiateur ayant environ 12 cm d'écart entre les axes des embouchures amont 40-48. Dans ce cas, les températures initiales et finales de l'eau et de l'air précisées plus haut ne seront guère modifiées pour un flux thermique identique. Comme dans le cas précédent, le radiateur 20 peut être installé à l'intérieur ou à l'extérieur de l'appareil.
Selon la figure 4, un moteur Diesel 70 développant 30 kW de puissance mécanique, est installé sur un véhicule automobile 72 et est équipé d'un dispositif de refroidissement dédoublé, qui comprend deux ensembles identiques 74 a-b, installés à droite et à gauche du moteur 70. Chaque refroidisseur 74 a-b comprend un groupe 76 a-b de cinq échangeurs thermiques monoblocs, à douze paires d'ailettes creuses et minces en polypropylène, montés en parallèle. Les ailettes de ces échangeurs ont 1 mm d'épaisseur interne, 0,5 mm d'épaisseur de paroi, 3 mm d'écart et 15 cm de profondeur et chaque échangeur a une surface frontale de 5 cm de large et 6 cm de long. La surface frontale totale des dix échangeurs est de 6 dm2 et leur volume total de 9 dm3. Chaque groupe 76 a-b possède des collecteurs amont 75 a-b et aval 77 a-b et il est alimenté par une pompe 78 a-b, connectée aux deux branches terminales 80 a-b de la durite aval du moteur 70. L'eau de refroidissement sort à 80°C de l'enveloppe des cylindres du moteur 70 et son débit est de 1 ,5 dm3/s. A titre de variante, une seule pompe peut être installée en amont des branches 80 a-b. A la sortie des échangeurs 76 a-b, l'eau emprunte l'une des deux branches 82 a-b de la durite amont du moteur 70, pour retourner refroidie à 75°C dans l'enveloppe des cylindres du moteur. En arrière de deux prises d'air 84 a-b, aménagées à l'avant du véhicule 72, et devant chacun des groupes 76 a-b d' échangeurs thermiques du radiateur dédoublé, est installé un ventilateur 86 a-b. L'air est soufflé dans les espaces inter-ailettes des échangeurs, à contre-courant de l'eau qui circule dans ces ailettes creuses. Selon l'autre partie de la figure 4, la chaudière d'un dispositif refroidisseur complémentaire 88, destiné à refroidir les gaz brûlés produits par le moteur Diesel 70, est constituée par un échangeur thermique monobloc 90, à ailettes métalliques creuses et minces, de dimensions et de forme appropriées. Cette chaudière 90 est installée dans une chambre de refroidissement 92, insérée dans le tuyau d'échappement 94 du moteur 70 et disposée en amont de la chambre de détente usuelle 96 comprise dans un tel tuyau. La chaudière 90 est reliée à un radiateur 98 formé par un groupe d'échangeurs thermiques, à ailettes métalliques creuses et minces, montés en parallèle, à l'aval d'un ventilateur 100. Une pompe 102 fait circuler de l'eau en surpression, dans l'enceinte formée par la chaudière 90 et le radiateur 98, à co-courant des gaz brûlés sortant du moteur 70 pour la chaudière 90 et à contre-courant de l'air soufflé par le ventilateur 100 pour le radiateur 98. En aval de la chambre de détente 96, est installée une vanne de dérivation 104 à deux sorties 106 et 108, la première vers un conduit 110 retournant au moteur Diesel 70 et la seconde vers l'extérieur. La vanne de dérivation 104 opère en réponse à une commande électrique appropriée, adaptée à lui faire diriger une fraction plus ou moins importante du débit de gaz brûlés vers l'une ou l'autre de ces deux sorties 106-108. Cette commande électrique appropriée parvient à la vanne 104 par une liaison 112 et elle est élaborée par un circuit de calcul numérique 114, programmé à cet effet, qui reçoit du moteur Diesel 70, par une liaison 116, un signal représentatif du régime de ce moteur. La fenêtre 118 symbolise les ouvertures d'évacuation de l'air soufflé dans la même direction par les ventilateurs 86 a-b et 100 puis réchauffé par les radiateurs 76 a-b et 98.
Les flux thermiques emportés par les deux débits d'eau de refroidissement des cylindres du moteur Diesel 70 et de ses gaz brûlés étant du même ordre de grandeur que la puissance mécanique du moteur (30 kW, dans l'exemple), les échangeurs thermiques monoblocs constituant la chaudière 98 et le radiateur 90 du dispositif refroidisseur complémentaire du moteur 70 ont des résistances thermiques sensiblement égales au résultat de la mise en parallèle de celles des radiateurs 76 a-b du dispositif refroidisseur dédoublé 74 a-b de ce moteur 70.
Grâce à ces dispositions, le dispositif refroidisseur 74 a-b, équipé d'un radiateur à ailettes creuses et minces selon l'invention, associé au moteur 70 d'un véhicule automobile 72, permet d'obtenir des résultats beaucoup plus intéressants à tous égards qu'avec un dispositif refroidisseur équipé d'un radiateur standard à ailettes métalliques pleines. Dans le cas d'un véhicule à moteur thermique (Diesel ou essence), l'eau circule dans l'enveloppe des cylindres du moteur, en un écoulement peu turbulent suffisant pour emporter un flux thermique à plus de 600°C, sensiblement égal à la puissance mécanique engendrée. Ensuite, elle circule en écoulement laminaire dans les ailettes creuses du radiateur dédoublé 76 a-b. La température moyenne de l'eau doit être située entre 80 et 900C, en fonction de la puissance instantanée demandée au moteur et de la température de l'air ambiant. Pour ce faire, le dispositif refroidisseur 74 a-b, selon l'invention, du moteur 70 de 30 kW, dissipe dans l'air extérieur un flux thermique de même valeur, avec un débit d'eau de 1,5 dm3/s et un écart permanent de 55°C entre les températures moyennes de l'eau et l'air. Cela est obtenu, avec un radiateur dédoublé ayant la même résistance thermique totale de l,8.10"3 °/W qu'avec le radiateur à ailettes pleines visé plus haut, mais avec une surface totale d'ailettes réduite à 3,7 m2 (au lieu de 10), une surface frontale ramenée à 6 dm2 (au lieu de 17), un volume total augmenté à 9 dm3 (au lieu de 5), un débit d'air limité à 1275 g/s (au lieu de 2000), une puissance aérodynamique de 2,3 kW et une conductance volumique du radiateur de 61 W/K.dm3 (au lieu de 110). Quant à l'augmentation de la température de l'air, au cours de sa traversée des radiateurs 76 a-b, elle est de 23,3°C (au lieu de 15°C) et la diminution de celle de l'eau de 4,8°C (au lieu de 3°C).
En effet, pour une même puissance thermique dissipée dans l'air et une conductance volumique diminuée de 45 %, sa surface frontale (maître-couple) est réduite environ d'un facteur trois, si l'on conserve à peu près le débit d'air qui traversait précédemment le radiateur standard. En pratique, on fixe les valeurs du débit d'air et de la chute de pression dans le radiateur, en fonction de la vitesse maximale du courant d'air (vent relatif du véhicule et/ou ventilateur) et on en déduit les spécifications du radiateur, en fonction de la puissance thermique à dissiper dans un air à température donnée. A partir de la surface frontale ainsi déterminée pour le radiateur à ailettes creuses à utiliser, on déduit de ces spécifications le nombre et le pas de ces ailettes puis leur largeur et leurs épaisseurs de paroi et de canal interne. Dans ces conditions, la dissipation de flux thermiques importants (jusqu'à au moins 100 kW) produits par les moteurs thermiques peut être obtenue, en jouant en plus ou en moins sur le volume total du radiateur et sur les paramètres afférents aux ailettes, énumérés ci- dessus. Cela se fera en fonction notamment de la surface frontale maximale acceptable, de la puissance hydraulique de la pompe, de la puissance aérodynamique nécessaire à basse vitesse dans les montées ou de l'augmentation maximale tolérée de la température de l'air à la sortie du radiateur. Dans ces conditions, un dispositif refroidisseur selon l'invention peut être réalisé, de manière à pouvoir parfaitement satisfaire l'ensemble des spécifications décidées par les ingénieurs concepteurs de nouveaux véhicules automobiles. Le coût d'un tel radiateur unique ou dédoublé, réalisé en polymère adéquat est notablement plus faible que celui d'un radiateur standard équivalent. En outre, bien que l'épaisseur d'un radiateur à ailettes creuses soit plusieurs fois celle d'un radiateur à ailettes pleines, puisqu'elle est déterminée par la longueur de ces ailettes, cela ne pose aucun problème particulier puisque l'on dispose généralement d'une place importante à l'arrière des radiateurs. Cela justifie le peu d'importance de la diminution relative de la conductance volumique du nouveau radiateur. Par ailleurs, comme la température maximale de l'eau de refroidissement d'un moteur thermique de véhicule automobile usuel est située entre 80 et 90°C, le polymère adéquat à utiliser pour la fabrication du radiateur pourra être du polypropylène ou du polyéthylène à haute densité, tous deux des produits bon marché. L'emploi d'un radiateur dédoublé au lieu d'un seul est, quant à lui, justifié par le fait que cela apporte une certaine sécurité en cas d'accident et facilite en général la mise en place optimale de ces annexes du moteur. Dans les radiateurs à ailettes creuses des dispositifs refroidisseurs 74 a-b, les courants d'air et d'eau circulent en sens inverses le long des ailettes, ce qui augmente leur couplage thermique, si on le compare à ce que donnent les courants croisés que l'on a dans les radiateurs standards à ailettes pleines. A ces résultats thermiques, il faut ajouter une très forte diminution de la perte de charge du courant d'eau dans les radiateurs à ailettes creuses qui, dans le cas de l'exemple, devient inférieure à une centaine de Pascals. Ce qui permet de diminuer notablement la puissance totale des pompes 78 a-b. Tout cela démontre l'intérêt multiple, technique et économique, de deux radiateurs à ailettes creuses et minces, réalisés en un polymère adéquat bon marché, dans un dispositif refroidisseur à échange thermique eau/air, pour tout moteur thermique de véhicule automobile. L'ensemble des considérations précédentes peut être aisément transposé au cas des véhicules automobiles mus par un moteur électrique, alimenté par une pile à combustible de type PEM. Une telle pile comprend un empilement de cellules qui sont chacune formées par une membrane polymère conductrice de protons (notamment celle vendue sous la marque Nafion par Dupont de Nemours) et un film catalyseur d'oxydation (platine), pris en sandwich entre deux électrodes perméables. Entre deux électrodes de signes opposés appartenant à deux cellules voisines, est disposée une plaque bipolaire, à hautes conductivités électrique et thermique, pourvue de faces rainurées. Ces rainures constituent des conduits destinés à assurer l'alimentation en hydrogène de l'anode de la membrane d'une cellule donnée, l'alimentation en air de la cathode de la membrane d'une cellule contiguë et l'évacuation de la vapeur d'eau produite. Dans certaines formes de réalisation de ces plaques bipolaires, leur partie médiane est traversée par de nombreux mini-canaux parallèles, destinés à être parcourus par l'eau de refroidissement de la cellule. A cet effet, elles sont souvent réalisées en un matériau bon conducteur à usinage aisé, du graphite, par exemple. La membrane fonctionne à une température maximale comprise entre 80 et 85°C, avec un rendement moyen proche de 50 %. Cela entraîne à nouveau l'obligation de disposer d'un dispositif de refroidissement efficace acceptable. Chaque cellule engendre une tension d'environ 0,8 volt et une puissance électrique d'au plus 0,4 W/cm2, soit avec une surface de 25 dm2, une puissance de l'ordre du kilowatt. Dans ces conditions, la densité de flux thermique à évacuer par la zone de dissipation thermique de chaque plaque bipolaire est d'environ 0,4 W/cm2, ce qui est très faible.
En revanche, la résistance thermique par centimètre carré, intercalée entre les faces de la membrane génératrice d'électricité et l'eau qui parcourt les mini-canaux de refroidissement, est relativement élevée. Cela est la conséquence des couplages thermiques inévitablement faibles qui existent entre les faces de cette membrane, les électrodes perméables (grilles fines) et les plaques bipolaires à faces rainurées de chaque cellule. La résistance thermique de la mini-chaudière, ainsi constituée dans la plaque bipolaire associée à la membrane, engendre quelle que soit la surface de cette plaque un écart moyen de température d'environ 5°C, entre la cathode de cette membrane et l'eau qui circule dans les mini-canaux de refroidissement. La température maximale de cette eau à la sortie des mini-canaux est au plus de 800C.
A titre d'exemple, une pile à combustible de type PEM, de 30 kW sous 50 V, constitue un bloc d'environ 40 dm3, formé par un empilement de soixante quatre cellules ayant des faces de 4 x 3 dm2 et une épaisseur de 5 mm. Pour évacuer 30 kW, avec un accroissement de température de 100C, le débit de l'eau doit être de 720 g/s. Pour évacuer ces 30 kW, emportés par ce débit d'eau, dans un radiateur à ailettes creuses où il perd 10°C, il faut par exemple, un courant d'air de 0,75 kg/s qui s'échauffera de 40 0C, au cours de sa traversée. Avec un air ambiant à 25°C, la température de sortie de l'air sera de 65°C et l'écart moyen de température entre l'eau et l'air de 300C. La résistance thermique du radiateur devra en conséquence être de 10"3 o/W.
Une telle résistance thermique est obtenue au moyen de deux groupes d'échangeurs thermiques à ailettes creuses trois fois plus importants que les deux groupes 76 a-b, utilisés pour le refroidissement d'un moteur thermique 70 de même puissance. Les surfaces frontales de chaque groupe seront donc de 9 dm2 et les surfaces totales de ses ailettes de 5,6 dm2. Ce qui est tout à fait remarquable si on les compare, d'une part, à celle d'un radiateur standard unique à ailettes pleines (17 dm2), couramment utilisé pour évacuer le flux de chaleur d'un moteur thermique de 30 kW et, d'autre part, à celle trois fois supérieure (51 dm2) du radiateur standard unique, qu'il faudrait utiliser pour refroidir une pile PEM de 30 kW. Une telle augmentation de surface découle des conditions de puissance hydraulique plafonnée, qu'il faudrait imposer à l'eau circulant dans les fragiles mini-canaux de refroidissement des cellules et, en conséquence, de la vitesse et la pression limitées qui en résultent pour cette même eau circulant dans un radiateur standard.
Quant à la puissance maximale de ventilation nécessaire (ventilateur et vent relatif), elle sera d'environ 1 kW, soit 3 % de la puissance utile. Par ailleurs, avec un débit total d'eau de 0,72 dm3/s dans les centaines de mini-canaux de refroidissement de cette pile, la vitesse de l'eau dans chacun est très faible. Ce qui entraîne sa circulation en écoulement laminaire dans ces mini-canaux tout comme dans les ailettes creuses du radiateur. En conséquence la puissance de chacune des deux pompes sera relativement faible (de l'ordre de 5 W hydrauliques soit une vingtaine de Watts mécaniques), les pertes de charge totales dans les mini-canaux des plaques bipolaires de la pile et dans les ailettes creuses du radiateur étant chacune au plus d'une vingtaine d'hectopascals. Le dispositif de refroidissement selon l'invention associé à une pile à combustible de type PEM, installée sur un véhicule automobile, permet de résoudre, dans des conditions techniques et économiques intéressantes, le problème posé par la dissipation d'un flux de chaleur très élevé, produit à basse température et transféré à un courant d'eau circulant avec un débit plafonné. Dans le système refroidisseur complémentaire 88 associé au moteur Diesel 70, les échangeurs thermiques 90 à ailettes métalliques creuses fonctionnent non plus en radiateur comme dans le cas précédent, mais en chaudière captant le flux de chaleur véhiculé par les gaz brûlés du moteur. Le concept mis en œuvre dans le cas présent est en fait le symétrique de celui exploité dans le cas précédent. Avec de tels échangeurs thermiques en métal, efficaces, bon marché et peu encombrants, une telle installation devient techniquement et économiquement possible. Un échangeur thermique, à ailettes métalliques creuses et minces, peut parfaitement supporter la haute température des gaz brûlés du moteur (> 600°C). Ces gaz pénètrent dans la tubulure d'échappement 94 et ils peuvent, dans un premier temps, être refroidis dans la chambre 92 jusqu'à une température relativement basse, par exemple de 200°C avec de l'eau en surpression et le radiateur métallique 98. Dans les ailettes creuses de la chaudière 90 et entre ces ailettes, l'eau et les gaz brûlés circulent dans le même sens et dans le radiateur 98, l'eau et l'air circulent à contre-courant. Cela, pour simplifier la mise en place des composants concernés. Dans un deuxième temps, ces gaz sont détendus dans la chambre de détente 96 et, au cours de cette opération, ils sont refroidis à nouveau jusqu'à une température notablement inférieure à celle de l'air ambiant. Une fraction appropriée de ces gaz brûlés fortement refroidis est sélectionnée par la vanne de dérivation 104 qui opère sous l'action d'un signal de commande élaboré par le circuit de calcul 114, à partir d'un signal représentatif du régime du moteur. Par le conduit 110, cette fraction de gaz brûlés froids retourne au moteur Diesel 70 pour y être mélangée à l'air injecté dans les cylindres. Dans ces conditions, la proportion d'oxygène que contient le mélange peut être aisément amenée, à bas et moyen régimes du moteur, à une valeur suffisamment faible, qui correspond à des proportions stoechiométriques de gazole et d'air appauvri en oxygène. Ce qui empêche alors toute production d'oxydes d'azote (NOx) hautement polluants et permet, pour la première fois, de réaliser dans de bonnes conditions le souhait exprimé depuis longtemps par de nombreux ingénieurs spécialistes du moteur Diesel.
Selon la figure 5, un dispositif de refroidissement 110, à eau en écoulement laminaire, pour microprocesseur, comprend un radiateur 112, à ailettes creuses et minces en polymère adéquat, du polypropylène par exemple, pourvu de collecteurs transversaux 113-115, directement raccordés aux collecteurs d'un composant original 114, formé par une mini¬ chaudière 1 16 et une mini -pompe 1 18. Selon les figures 6 et 7, le composant 114 (représenté transparent pour les besoins de la description) comporte un bloc 120 en polymère rigide moulé, de forme à peu près rectangulaire de 80 x 40 mm2 et de 10 mm d'épaisseur moyenne. Ce bloc 120 comprend la durite 119 de la mini-chaudière 116 et le corps 117 de la mini-pompe 118, dans lesquels sont aménagées deux cavités 122 et 124, respectivement affectées à ces organes 118 et 116. Ces cavités 122 et 124 sont cylindriques et ont respectivement pour diamètres et profondeurs 31 et 8 mm pour la première et 30 et 2 mm pour la seconde.
La cavité 122 est pourvue d'un couvercle 126, adapté à être appliqué d'une manière étanche sur le bloc 120 et fixé à lui, au moyen de quatre vis telles 128 et d'un joint torique (non représenté). Dans la cavité 122 du corps 117 est installé, avec un faible jeu, un galet 130, à aimantation diamétrale unique, de 30 mm de diamètre et 3 mm d'épaisseur, qui constitue le rotor d'un moteur électrique sans balais 132. Sur la face supérieure de ce galet 130 est fixée une turbine centrifuge 134, en polymère moulé, comprenant huit pales radiales 136 de 10 mm de long et de 3 mm de haut, dressées en couronne sur un disque 138, collé sur le galet 130. Le galet 130 et la turbine 134 sont solidaires d'un axe 140, monté pivotant entre deux coupelles 142-144, aménagées dans le fond de la cavité 122 et dans la face interne du couvercle 126. Dans le couvercle 126, est aménagé un conduit plat 146, de 10 mm de large et de 3 mm d'épaisseur, relié au collecteur amont 148 du dispositif composite 114, qui se termine en demi-cercle et débouche au-dessus du centre dégagé 150 de la turbine centrifuge 134. Le moteur électrique 132 comporte un stator 152, constitué par deux pièces plates en fer doux 154 a-b, en forme de L, engagées dans un bobinage aplati 156. Les pôles A-B du circuit magnétique 154 a-b du stator 152 ont la forme d'arcs de cercle de 90°, qui font face à deux parties minces 121-123 de 90°, diamétralement opposées, de la paroi cylindrique de la cavité 122 enfermant le rotor 130. Ces deux parties minces 121-123 constituent des fractions des entrefers du circuit magnétique du moteur 132. Le bobinage 156 du moteur électrique 132 est alimenté par un circuit électronique 158, de type connu, associé à un détecteur 160 de la position angulaire du rotor 130.
Dans la cavité 124 de la durite 119 est insérée en force la plaque de chauffe 162 d'une mini-chaudière 116, laquelle plaque est un disque de cuivre de 30 mm de diamètre et 2 mm d'épaisseur. La face externe 161 de ce disque est rectifiée et la partie centrale de sa face interne 163, creusée des micro-rainures 164 de 0,1 mm de large, au pas de 0,2 mm, séparés par des ailettes, hautes de 1 mm. La partie 166 de la durite 119 est traversée par deux conduits obliques plats 168-170, de 2 mm d'épaisseur et de 20 mm de large, constituant les collecteurs amont et aval de la mini-chaudière 116. Par une ouverture allongée 172, le conduit 168 communique avec la cavité 122, au niveau des pales 136 de la turbine 134, puis il débouche en 169, au-dessus des deux derniers millimètres des extrémités amont des micro-rainures 164. De son côté, le conduit 170 débute en 171, au-dessus des deux derniers millimètres des extrémités aval de ces micro-rainures 164, et il rejoint le collecteur aval 174 du dispositif composite 114. Entre les deux débouchés 169-171 des conduits 168-170, apparaît une face plane rectangulaire 176, qui constitue le couvercle de la partie centrale des micro-rainures 164 et les transforme ainsi en micro-canaux formant la cavité interne de la mini-chaudière 116. Grâce à ces dispositions, on réalise un refroidisseur à eau pour microprocesseurs à très hautes performances, dont l'encombrement et l'efficacité en autorisent l'emploi dans les ordinateurs de petites dimensions. On notera en effet que, si les dimensions du nouveau composant formé par la combinaison d'une mini-pompe et d'une mini-chaudière appropriées sont faibles par construction, celles du radiateur à ailettes creuses et minces qui doit lui être associé peuvent l'être également. La résistance thermique d'un tel radiateur dépendant de la surface totale, de l'épaisseur interne et de la conductivité thermique de ses ailettes, il est possible d'obtenir la surface totale recherchée en en diminuant la largeur (jusqu'à 10 mm, par exemple), et en en augmentant le nombre.
La forme en disque, donnée à la plaque de chauffe 162 de la mini-chaudière 116, représentée aux figures 6-7, n'est bien entendu pas la seule possible. En effet, toute autre forme, rectangulaire ou carrée, de cette plaque de chauffe, peut convenir, dès lors qu'elle peut suffisamment déborder celle de la zone très chaude de la surface de dissipation thermique des microprocesseurs concernés et être parfaitement insérée d'une manière étanche dans la cavité qui lui est destinée, aménagée dans la durite 119. La combinaison, en un composant unique, de la mini-pompe et de la mini-chaudière appropriées, selon l'invention, n'est pas la seule manière d'utiliser ces deux organes conjugués d'un refroidisseur à eau en écoulement laminaire. En effet, il est possible d'associer chacun d'eux à un dispositif du commerce ayant la fonction complémentaire, dès lors que ce dispositif répond à des spécifications minimales déterminées. Dans un tel cas, pour une mini-chaudière 116, ses collecteurs amont et aval ne seront plus les conduits obliques 168-170, mais deux conduits perpendiculaires aux rainures de la plaque de chauffe qui déboucheront directement au-dessus des extrémités de ces rainures. Ces deux nouveaux collecteurs réduiront l'encombrement de toute mini-chaudière 116 selon l'invention, destinée à être associée à une mini-pompe du commerce et ils joueront le même rôle géométrique que les collecteurs amont et aval 148 et 174 du dispositif composite 114. Une solution semblable sera adoptée pour une mini-pompe 118 utilisée avec une mini-chaudière appropriée du commerce.
On notera que la plaque de chauffe 162 et la mini -chaudière 116 constituent l'une et l'autre des produits industriels nouveaux qui, a priori, ne peuvent être fabriqués, et le cas échéant commercialisés seuls, que pour faire partie d'un refroidisseur à eau en écoulement laminaire, selon l'invention. Il en est de même du composant nouveau 1 14 comprenant une mini-chaudière 1 16 et une mini-pompe 118. Une telle plaque de chauffe, une telle mini- chaudière et un tel composant font partie intégrante de la présente invention. Quant à la mini¬ pompe 118, ses utilisations possibles peuvent à l'évidence déborder le domaine des dispositifs de refroidissement, par échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid, pour lequel elle a été développée. Pour les moteurs thermiques et les piles à combustible de type PEM, l'invention n'est pas limitée au cas des véhicules automobiles équipés de ces moteurs ou de ces piles, puisque ces moteurs et ces piles peuvent évidemment être utilisés à poste fixe pour toutes sortes d'applications.
De plus, dans le cas des moteurs thermiques et des piles à combustible de type PEM, l'invention n'est pas limitée à des échanges thermiques eau/air. En effet, pour le refroidissement des moteurs marins, il est courant d'utiliser un échangeur thermique approprié, pour maintenir l'eau primaire de refroidissement du moteur à environ 80°C et réchauffer de l'eau de mer qui est pompée froide et ensuite évacuée tiède, en toute sécurité et parfaite efficacité. L'adaptation d'un refroidisseur selon l'invention au cas d'un moteur marin consiste donc à simplement remplacer le ventilateur adapté à souffler de l'air entre les ailettes creuses d'échangeurs thermiques opérant en radiateur, par une pompe adaptée à faire circuler de l'eau de mer dans une enveloppe entourant ces échangeurs. Dans le cas du moteur thermique d'une petite centrale électrique ou d'une pile à combustible de type PEM en poste fixe, une disposition semblable pourra être mise en œuvre afin de réaliser une co-génération d'électricité et d'eau chaude sanitaire.
Un dispositif de refroidissement pour moteur thermique, selon l'invention, n'est pas limité à l'emploi d'eau dont la plage de température est comprise entre 60 et 900C. En effet, pour des moteurs thermiques très puissants (> 100 kW), la température de cette eau peut être située entre 1 10 et 180°C avec des surpressions de 3 ou 4 bars (cas des moteurs de Formule 1). Les échangeurs thermiques monoblocs utilisés seront en métal ou en verre et adaptés aux pressions élevées mises en œuvre. Dans ce même cas, un refroidisseur efficace sera nécessaire pour l'huile du moteur et le liquide chaud sera alors cette huile, le fluide froid étant toujours de l'air.
Le dispositif de refroidissement perfectionné selon l'invention peut également concerner certains organes particuliers de haute technologie qui, d'une part, doivent fonctionner à une température de consigne déterminée, de valeur fortement négative, et qui, d'autre part, sont soumis à l'action perturbatrice d'une source chaude interne ou externe quelconque. Dans ce cas, le liquide « chaud » sera par exemple de l'alcool et le fluide froid, un gaz ou un liquide du commerce, dont la température à sa pression d'emploi est notablement inférieure à la température de consigne des organes concernés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de refroidissement (10, 74 ou 110), à échange thermique entre un liquide chaud et un fluide froid, destiné à être couplé à la surface de dissipation thermique d'un organe donné ou couplé par construction à cette surface, ledit organe devant dissiper un flux de chaleur donné, situé dans des fourchettes déterminées de puissances et de températures, comprenant : - une chaudière (70-90 ou 16-116), adaptée audit flux de chaleur, comportant une cavité interne, pourvue de deux collecteurs, et une surface de couplage correspondant à ladite surface de dissipation thermique ;
- un radiateur à ailettes (76-98 ou 20-112), adapté audit flux de chaleur, pourvu de deux collecteurs ; - des conduits pour raccorder ensemble les collecteurs de la chaudière et du radiateur et ainsi constituer une enceinte étanche ;
- un liquide chaud, notamment de l'eau, dans cette enceinte ;
- des moyens pour faire circuler, en circuit fermé, ce liquide chaud dans cette enceinte ; - des moyens pour faire circuler le fluide froid, notamment de l'air, entre les ailettes du radiateur ; caractérisé en ce que :
- ledit radiateur (20, 76, 98 ou 1 12) est formé par un ou plusieurs échangeurs thermiques d'un type particulier, chacun constitué par un empilement d'ailettes creuses et minces (56), branchées sur deux collecteurs transversaux (62-64, 75-77 ou 113-115).
2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire circuler le liquide chaud sont adaptés :
- à engendrer un écoulement laminaire de ce liquide dans les ailettes creuses et minces du radiateur (20, 76, 98 ou 1 12) ainsi que, le cas échéant, dans la cavité interne de la chaudière (16-1 16) ;
- et, de préférence, à faire circuler ce liquide à contre-courant du fluide froid qui circule entre ces ailettes.
3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit radiateur à ailettes creuses (56) étant constitué par un ou plusieurs éléments monoblocs, réalisés en polymère ou en verre, adaptés à supporter la température et la pression maximales du liquide chaud, l'épaisseur moyenne des parois de ces ailettes est sensiblement comprise entre 0,5 et 1 mm, celle de leur canal interne sensiblement comprise entre 0,5 et 2,5 mm et l'écart moyen entre ces ailettes de 3 à 6 mm, lorsque le fluide froid est de l'air.
4. Dispositif de refroidissement, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit radiateur à ailettes creuses (56) étant métallique et adapté à supporter la température et la pression maximales du liquide chaud, l'épaisseur moyenne des parois de ces ailettes est sensiblement comprise entre 0,2 et 0,5 mm, celle de leur canal interne, sensiblement comprise entre 0,5 et 1,5 mm et l'écart moyen entre ces ailettes de 3 à 6 mm, lorsque le fluide froid est de l'air.
5. Dispositif de refroidissement (74), selon la revendication 1, pour moteur thermique (70), caractérisé en ce que :
- le radiateur (76) comprend plusieurs échangeurs thermiques à ailettes creuses et minces, montés en parallèle ;
- une pompe (78) fait circuler de l'eau en écoulement laminaire dans les ailettes creuses du radiateur (76) ;
- un ventilateur (86), disposé en aval d'une entrée d'air (84), fait circuler de l'air entre ces ailettes creuses, à contre-courant de l'eau circulant à l'intérieur.
6. Dispositif de refroidissement (74), selon la revendication 1, pour pile à combustible de type PEM, constituée par un empilement de cellules équipées de plaques bipolaires, dont les parties médianes sont traversées par des mini-canaux de refroidissement, caractérisé en ce que : - le radiateur (76) comprend plusieurs échangeurs thermiques à ailettes creuses et minces, montés en parallèle ;
- une pompe (78) fait circuler de l'eau en écoulement laminaire, dans les ailettes creuses du radiateur (76) et dans les mini-canaux de refroidissement des cellules ;
- un ventilateur (86), disposé en aval d'une entrée d'air (84), fait circuler de l'air entre ces ailettes creuses, à contre-courant de l'eau circulant à l'intérieur.
7. Dispositif de refroidissement (74), selon la revendication 5 ou 6, pour moteur thermique (70) ou pile à combustible de type PEM, installé sur un véhicule automobile (72), caractérisé en ce que le radiateur (76), la pompe (78), le ventilateur (86) et l'entrée d'air (84) sont dédoublés pour former deux ensembles (74 a-b) respectivement installés à droite et à gauche du moteur (70) ou de la pile.
8. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, pour moteur thermique ou pile PEM, caractérisé en ce que :
- le fluide froid est de l'eau
- le radiateur à ailettes creuses (20) est entouré d'une enveloppe (22) ; - une pompe est adaptée à faire circuler cette eau dans cette enveloppe, à contre- courant du liquide chaud circulant dans ces ailettes ;
- dans le cas d'un moteur marin, le fluide froid est de l'eau de mer ;
- dans le cas d'un moteur thermique d'une petite centrale électrique ou d'une pile PEM installée à poste fixe, le fluide froid est de l'eau douce, de manière à réaliser une co- génération d'électricité et d'eau chaude sanitaire.
9. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, destiné à constituer un refroidisseur complémentaire pour moteur Diesel, en vue de produire des gaz brûlés refroidis, utilisables pour améliorer le fonctionnement de ce type de moteur, caractérisé en ce que : - la chaudière (90) est constituée par un ou plusieurs échangeurs thermiques à ailettes métalliques creuses et minces, installés dans une chambre appropriée (92), disposée en amont de la chambre de détente usuelle (96) du tuyau d'échappement (94) des gaz brûlés ;
- le radiateur (98) est formé par plusieurs échangeurs thermiques à ailettes creuses et minces, montés en parallèle ; - une pompe (102) est adaptée à faire circuler de l'eau en circuit fermé et en écoulement laminaire dans l'enceinte étanche formée par la chaudière (90) et le radiateur (98) ;
- un ventilateur (100) est adapté à faire circuler de l'air entre les ailettes creuses du radiateur (98), à contre-courant de l'eau qui circule dans ces ailettes.
10. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 1, pour organes à surface de dissipation thermique plane rectifiée, caractérisé en ce que :
- les moyens pour faire circuler le liquide chaud devant être constitués par la seule convection naturelle, la chaudière (16) et le radiateur (20) sont installés de façon que les courants de liquide chaud qui les traversent soient sensiblement verticaux ; - les embouchures amont (40 et 52) de la chaudière (16) et du radiateur (20), sont séparées par un écart minimal, susceptible d'engendrer un débit nominal de liquide chaud, correspondant à la fois au flux thermique à dissiper dans le radiateur (20), ventilé par le courant d'air disponible (24), et au maintien de la température maximale de ce liquide en deçà d'un plafond déterminé, propre à l'organe concerné ; - les conduits comprenant la cavité interne (32M I) de la chaudière (16), ses collecteurs amont et aval (42-44) ainsi que les raccords reliant ces derniers aux embouchures (50-52) du radiateur (20) présentent des pertes de charge aussi faibles que possible, compatibles avec une conductance thermique minimale suffisante de la chaudière (16) ;
- le liquide chaud peut circuler soit par simple dilatation soit principalement par production d'un mélange de liquide et de bulles de vapeur.
11. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'écart minimal entre les embouchures amont (50-52) de la mini-chaudière (16) et du radiateur (20) étant de l'ordre du décimètre, le liquide chaud circulant par convection naturelle est de l'eau à pression atmosphérique.
12. Dispositif de refroidissement (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'écart minimal entre les embouchures amont (40-52) de la chaudière (16) et du radiateur (20) étant de l'ordre du centimètre, le liquide chaud, notamment de l'eau à basse pression, peut subir un changement d'état liquide/vapeur, à une température au moins de quelques degrés inférieure au plafond imposé à l'organe (12) à refroidir, de manière qu'un mélange diphasique de liquide et de bulles de vapeur prisonnières du liquide puisse se constituer et circuler en circuit fermé par simple convection naturelle, dans l'enceinte formée par la chaudière et le radiateur.
13. Dispositif de refroidissement (10 ou 1 10) selon la revendication 1, 2 ou 3, pour organes (12) à surface de dissipation thermique, plane et rectifiée (14), caractérisé en ce que :
- la chaudière est une mini-chaudière (16 ou 1 16) appropriée à sa fonction, qui comporte une plaque de chauffe (17 ou 162), en métal à haute conductivité thermique, et une durite rigide (18 ou 119) en polymère moulé ; - la plaque de chauffe (17 ou 162) est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage (26 ou 161), correspondant à ladite surface de dissipation thermique (14), et d'une face interne initialement plane (31 ou 163), dont la partie centrale est creusée de rainures parallèles (32) -10 ou 164), de dimensions, pas et nombre, déterminés par la densité et l'intensité du flux thermique à dissiper ; - la durite (18 ou 1 19) incorpore deux collecteurs amont et aval (42-44 ou 168-
170), débouchant de part et d'autre d'une zone centrale rectangulaire plane (35 ou 176) de sa face interne ;
- la plaque de chauffe (17 ou 162) est fixée d'une manière étanche à la face interne de la durite (18 ou 1 19) ; - ladite zone centrale rectangulaire plane (35 ou 176) de la face interne de la durite (18 ou 1 19) est appliquée sur la partie rainurée (32]_io ou 164) de la face interne (31 ou 163) de la plaque de chauffe (17 ou 162), de manière à lui servir de couvercle partiel et ainsi constituer la cavité interne de la mini-chaudière (16 ou 116) et dégager les embouchures amont (40 ou 169) et aval (38 ou 170), de cette cavité interne.
14. Dispositif de refroidissement (10), selon une combinaison des revendications 10 et 13, pour microprocesseur (12) à hautes ou moyennes performances, dont la plaque rectifiée de dissipation thermique (14) comporte une petite zone centrale un peu plus chaude, caractérisé en ce que :
- la largeur des rainures (32i_io) de la plaque de chauffe (17) est comprise entre environ 0,5 et 1,5 mm, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ cinq à huit fois leur largeur et leur pas de deux fois ;
- la partie centrale rainurée (32 MO) de la face interne (31) de la plaque de chauffe (17) déborde largement ladite zone centrale plus chaude du microprocesseur (12) ;
- l'épaisseur de la plaque de chauffe (17) est d'environ la moitié de la profondeur des rainures (32].io) ; - les collecteurs (42-44) de la mini-chaudière (16) sont dans l'alignement des rainures (32n) de la plaque de chauffe (17).
- un thermosiphon peut être utilisé pour faire circuler le liquide chaud.
15. Dispositif de refroidissement (10), selon l'une des revendications 11, 12 ou 14, caractérisé en ce que le radiateur (20) est installé dans une gaine (22) opérant en cheminée, de manière que de l'air, de préférence directement puisé à l'extérieur, puisse y circuler par convection naturelle.
16. Dispositif de refroidissement (110) selon la revendication 13, pour microprocesseur à très hautes performances, dont la plaque rectifiée de dissipation thermique comporte une petite zone centrale très chaude, caractérisé en ce que :
- la largeur des rainures (164) de la plaque de chauffe (162) est aussi petite que possible, soit moins de 0,2 mm environ, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ dix à quinze fois cette largeur et leur pas d'environ deux fois ; - la partie centrale rainurée (164) de la face interne (163) de la plaque de chauffe
(162) déborde largement ladite petite zone centrale très chaude du microprocesseur ;
- la plaque de chauffe (162) de la mini-chaudière appropriée (118) est insérée et fixée d'une manière étanche dans une cavité (124), pratiquée dans la durite (119) ;
- l'épaisseur de la plaque de chauffe (162) est d'environ deux fois la profondeur des rainures (164) ;
- une pompe (118) est utilisée pour faire circuler le liquide chaud.
17. Dispositif de refroidissement (110) selon la revendication 1, 2 ou 3, pour microprocesseur à hautes ou très hautes performances, comportant une mini-chaudière (116) et une mini-pompe (118), appropriée à sa fonction, caractérisé en ce que :
- cette mini-pompe (118) comporte un moteur électrique sans balais (132), pourvu d'un rotor (130), en forme de galet à aimantation diamétrale unique, et une turbine centrifuge (134), solidaire de ce rotor (130) ;
- le corps (117) de cette mini-pompe (118) est en polymère moulé rigide et il comporte une cavité cylindrique (122), pourvue d'un couvercle étanche (126) ;
- l'ensemble rotor-turbine (130-134) est enfermé avec un faible jeu dans cette cavité (122) ;
- l'ensemble rotor-turbine (130-134) est monté tournant sur un arbre (140), pivotant dans deux petites cuvettes (142-144), aménagées dans le fond de cette cavité (122) et dans la face interne de ce couvercle (126) ;
- la turbine (134) est constituée par des pales (136), dressées en couronne sur un disque (138) ;
- un conduit (146) d'arrivée d'eau, aménagé dans le couvercle (126), est relié au collecteur amont (148) de la mini -pompe (116) et débouche au centre (150) de cette couronne ;
- une ouverture (172) de sortie d'eau est aménagée dans la paroi de la cavité (122), au niveau des pales (136) de la turbine (134) ; - deux parties, diamétralement opposées (121-123) de la paroi de la cavité (122), sont des portions de cylindre à paroi mince et les pôles (A-B) du stator (152) du moteur électrique (132) épousent ces parties de paroi (121-123) ;
- le stator (152) du moteur électrique (132) comporte un bobinage (154), alimenté par un circuit électronique (158), adapté à faire démarrer le moteur (132) puis à le faire tourner jusqu'à une vitesse appropriée.
18. Dispositif de refroidissement pour microprocesseurs, selon les revendications 16 et 17, caractérisé en ce que la durite (119) de la mini-chaudière (116) et le corps (117) de la mini -pompe (118) constituent les deux parties juxtaposées d'un même bloc (120), en polymère moulé rigide, dans lequel l'entrée du collecteur amont (168) de la mini-chaudière (116) et la sortie d'eau (172) de la mini-pompe (118) sont confondues, le collecteur amont (148) de la mini-pompe (118) et le collecteur aval (174) de la mini-chaudière (1 16), étant respectivement les collecteurs amont et aval d'un composant original (1 14), lesquels collecteurs sont perpendiculaires aux rainures de la plaque de chauffe (162) de la mini- chaudière (118).
19. Mini-chaudière (16 ou 116) pour dispositif de refroidissement (10 ou 110) selon la revendication 13, caractérisée en ce que :
- elle comporte une plaque de chauffe (17 ou 162), en métal à haute conductivité thermique, et une durite rigide (18 ou 119) en polymère moulé ; - la plaque de chauffe (17 ou 162) est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage (26 ou 161), correspondant à la surface de dissipation thermique (14) de l'organe à refroidir, et d'une face interne initialement plane (31 ou 163), dont la partie centrale est creusée de rainures parallèles (32i-io ou 164), de dimensions, pas et nombre, déterminés par la densité et l'intensité du flux thermique à dissiper ; - la durite (18 ou 119) incorpore deux collecteurs amont et aval (42-44 ou 168-
170), débouchant de part et d'autre d'une zone centrale rectangulaire plane (35 ou 176) de sa face interne ;
- la plaque de chauffe (17 ou 162) est fixée d'une manière étanche à la face interne de la durite (18 ou 119) ; - ladite zone centrale rectangulaire plane (35 ou 176) de la face interne de la durite (18 ou 119) est appliquée sur la partie rainurée (32 MO OU 164) de la face interne (31 ou 163) de la plaque de chauffe (17 ou 162), de manière à lui servir de couvercle partiel et ainsi constituer la cavité interne de la mini-chaudière (16 ou 116) et dégager les embouchures amont (40 ou 169) et aval (38 ou 170), de cette cavité interne.
20. Plaque de chauffe (17), pour mini-chaudière selon la revendication 19, d'un refroidisseur (10) de microprocesseurs à performances moyennes ou élevées, comportant une petite zone centrale plus chaude dans leur surface de dissipation thermique, caractérisée en ce que :
- elle est réalisée en métal à haute conductivité thermique et est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage (26), correspondant à ladite surface de dissipation thermique (14), et d'une face interne initialement plane (31), dont la partie centrale est creusée de rainures parallèles (32i.π) ;
- la largeur de ces rainures (32M i) est comprise entre environ 0,5 et 1,5 mm, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ cinq à huit fois leur largeur et leur pas de deux fois ;
- la partie centrale rainurée (32i.π) de la face interne (31) de la plaque de chauffe (17) déborde largement ladite zone centrale plus chaude du microprocesseur (12) ;
- l'épaisseur de la plaque de chauffe (17) est d'environ la moitié de la profondeur des rainures (32i_i i).
21. Plaque de chauffe (162), pour mini-chaudière, selon la revendication 19, d'un refroidisseur (110) de microprocesseurs à hautes et très hautes performances, comportant une petite zone centrale très chaude dans leur surface de dissipation thermique, caractérisée en ce que :
- elle est réalisée en métal à haute conductivité thermique et est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage (161), correspondant à ladite surface de dissipation thermique (14), et d'une face interne initialement plane (163), dont Ia partie centrale est creusée de rainures parallèles (164) ;
- la largeur des rainures (164) de la plaque de chauffe (162) est aussi petite que possible, soit moins de 0,2 mm environ, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ dix à quinze fois cette largeur et leur pas d'environ deux fois ;
- la partie centrale rainurée (164) de la face interne (163) de la plaque de chauffe (162) déborde largement ladite petite zone centrale très chaude des microprocesseurs ;
- l'épaisseur de la plaque de chauffe (162) est d'environ deux fois la profondeur des rainures (164).
22. Mini-pompe (1 18), notamment pour dispositif de refroidissement (110), selon la revendication 16, caractérisée en ce que :
- elle comporte un moteur électrique sans balais (132), pourvu d'un rotor (130), en forme de galet à aimantation diamétrale unique, et une turbine centrifuge (134), solidaire de ce rotor (130) ;
- le corps (117) de cette mini-pompe (118) est en polymère moulé rigide et il comporte une cavité cylindrique (122), pourvue d'un couvercle étanche (126) ;
- l'ensemble rotor-turbine (130-134) est enfermé avec un faible jeu dans cette cavité (122) ; - l'ensemble rotor-turbine (130-134) est monté tournant sur un arbre (140), pivotant dans deux petites cuvettes (142-144), aménagées dans le fond de cette cavité (122) et dans la face interne de ce couvercle (126) ;
- la turbine (134) est constituée par des pales (136), dressées en couronne sur un disque (138) ; - un conduit (146) d'arrivée d'eau, aménagé dans le couvercle (126), est relié au collecteur amont (148) de la mini-pompe (116) et débouche au centre (150) de cette couronne ;
- une ouverture (172) de sortie d'eau est aménagée dans la paroi de la cavité (122), au niveau des pales (136) de la turbine (134) ;
- deux parties, diamétralement opposées (121-123) de la paroi de la cavité (122), sont des portions de cylindre à paroi mince et les pôles (A-B) du stator (152) du moteur électrique (132) épousent ces parties de paroi (121-123) ; - le stator (152) du moteur électrique (132) comporte un bobinage (154), alimenté par un circuit électronique (158), adapté à faire démarrer le moteur (132) puis à le faire tourner jusqu'à une vitesse appropriée.
23. Composant (114), formé par la combinaison d'une mini-chaudière (116) et une mini -pompe (118), destiné à être incorporé à un dispositif de refroidissement (110), selon la revendication 16, pour microprocesseurs à hautes et très hautes performances, dont la surface plane rectifiée de dissipation thermique (14) comprend une petite zone centrale très chaude, caractérisée en ce que : - la mini-chaudière (110) comporte une plaque de chauffe (162), en métal à haute conductivité thermique, et une durite rigide (119) en polymère moulé ;
- la plaque de chauffe (162) est pourvue d'une face externe rectifiée de couplage (161), correspondant à ladite surface de dissipation thermique (14), et d'une face interne initialement plane (163), dont la partie centrale est creusée de rainures parallèles (164) ; - la largeur des rainures (164) de la plaque de chauffe (162) est aussi petite que possible, soit moins de 0,2 mm environ, leur profondeur est, en fonction décroissante, d'environ dix à quinze fois cette largeur et leur pas d'environ deux fois ;
- la partie centrale rainurée (164) de la face interne (163) de la plaque de chauffe (162) déborde largement ladite petite zone centrale très chaude des microprocesseurs ; - l'épaisseur de la plaque de chauffe (162) est d'environ deux fois la profondeur des rainures (164) ;
- la durite (119) incorpore deux collecteurs amont et aval (168-170), débouchant de part et d'autre d'une zone centrale rectangulaire plane (176) de sa face interne ;
- la plaque de chauffe (162) est fixée d'une manière étanche à la face interne de la durite (119) ;
- ladite zone centrale rectangulaire plane (176) de la face interne de la durite (119) est appliquée sur la partie rainurée (164) de la face interne (163) de la plaque de chauffe (162), de manière à lui servir de couvercle partiel et ainsi constituer la cavité interne de la mini-chaudière (116) et dégager les embouchures amont (169) et aval (170), de cette cavité interne ;
- la mini-pompe (118) comporte un moteur électrique sans balais (132), pourvu d'un rotor (130), en forme de galet à aimantation diamétrale unique, et une turbine centrifuge (134), solidaire de ce rotor (130) ;
- le corps (117) de cette mini-pompe (118) est en polymère moulé rigide et il comporte une cavité cylindrique (122), pourvue d'un couvercle étanche (126) ;
- l'ensemble rotor-turbine (130-134) est enfermé avec un faible jeu dans cette cavité (122) ; - l'ensemble rotor-turbine (130-134) est monté tournant sur un arbre (140), pivotant dans deux petites cuvettes (142-144), aménagées dans le fond de cette cavité (122) et dans la face interne de ce couvercle (126) ;
- la turbine (134) est constituée par des pales (136), dressées en couronne sur un disque (138) ;
- un conduit (146) d'arrivée d'eau, aménagé dans le couvercle (126), est relié au collecteur amont (148) de la mini-pompe (116) et débouche au centre (150) de cette couronne ;
- une ouverture (172) de sortie d'eau est aménagée dans la paroi de la cavité (122), au niveau des pales (136) de la turbine (134) ; - deux parties, diamétralement opposées (121-123) de la paroi de la cavité (122), sont des portions de cylindre à paroi mince et les pôles (A-B) du stator (152) du moteur électrique (132) épousent ces parties de paroi (121-123) ;
- le stator (152) du moteur électrique (132) comporte un bobinage (154), alimenté par un circuit électronique (158), adapté à faire démarrer le moteur (132) puis à le faire tourner jusqu'à une vitesse appropriée ;
- la durite (119) de la mini-chaudière (116) et le corps (117) de la mini-pompe (118) constituent les deux parties juxtaposées d'un même bloc (120), en polymère moulé rigide, dans lequel l'entrée du collecteur amont (168) de la mini-chaudière (116) et la sortie d'eau (172) de la mini-pompe (118) sont confondues, le collecteur amont (148) de la mini- pompe (118) et le collecteur aval (174) de la mini-chaudière (116), étant respectivement les collecteurs amont et aval du composant (114), lesquels collecteurs sont perpendiculaires aux rainures de la plaque de chauffe (162) de la mini-chaudière (118).
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