WO2016059048A1 - Insert structuré permettant d'améliorer l'isotropie thermique à coeur et aux interfaces de pièces en materiaux composites - Google Patents

Insert structuré permettant d'améliorer l'isotropie thermique à coeur et aux interfaces de pièces en materiaux composites Download PDF

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WO2016059048A1
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heat
conductive base
composite material
thermal
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Audric SAILLARD
Bruno Thomas
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Airbus Group Sas
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    • Y02T50/40—Weight reduction

Definitions

  • the invention relates to the general field of structures made of composite material.
  • the low thermal conductivity of most polymer matrix composite materials is a limiting aspect in the production of certain structural parts. Indeed, this low conductivity can prevent the propagation of a heat flux applied locally to the structure in question and therefore its dissipation throughout the volume, and its propagation to dissipating elements contiguous to the structure. This local confinement of the energy flow can cause local damage to the structure subjected to this flow.
  • the low thermal conductivity of the composite materials originates from the fact that a composite is a non-homogeneous and anisotropic material typically consisting of superimposed folds of long reinforcing fibers or of continuous elements, possibly thermally conductive, oriented mainly in the plane of the piece, these folds being impregnated with a resin matrix, very weakly conductive, which tends to isolate the fibers between them and the fiber planes of each other, so that the thermal conduction in the material is limited.
  • the composite thus produced is insufficiently conductive in the direction of the thickness, that is to say from one conductive plane to the other, which can generate a high thermal resistance, especially at interfaces between structures or interfaces with heat sources.
  • organic matrix composite materials are not used in the production of parts or structural elements that may have to dissipate heat, because the majority of fibrous reinforcements used do not allow thermal conduction. sufficient in the plan.
  • a known solution is to perform a seam of copper son in the thickness of a composite material part, so as to ensure a certain conduction in the thickness through the latter.
  • the thermal continuity between two neighboring rooms can then be ensured by means of a suitable continuity means, such as an adhesive film or a thermal conductive paste film.
  • a suitable continuity means such as an adhesive film or a thermal conductive paste film.
  • An object of the invention is to provide a solution for ensuring in the direction of the thickness of a composite material part a path of satisfactory thermal energy between two parts from the interface zone between these two parts and the flat conductive elements arranged in each of the rooms.
  • the subject of the invention is a device for improving the conduction of a heat flux on the surface and inside of a composite material wall comprising thermal conducting elements arranged in directions parallel to the surface of the the wall, the device being configured to be mounted on said wall.
  • the device according to the invention comprises a conductive base of the heat, from a surface of which extend extensions, or inserts, thermal conductors, forming claws or pins, distributed on the surface of the conductive base and stretching in a direction not included in the plane of the conductive base; these inserts being configured to be able to penetrate into the wall so as to bring the conductive base in contact with the outer surface of the wall.
  • the face of the conductive base in contact with the wall has a relief adapted to the relief of the wall at the contact zone.
  • Each insert is furthermore of sufficient length to pass at least partially through the thickness of the wall in question so as to come into contact with the various thermal conducting elements in order to form heat conducting paths connecting the different thermal conducting elements to each other and the various conducting elements at the conductive base of the heat; the geometry and the dimensions of an insert being defined so as to promote heat transfer by thermal conduction between the insert and the conductive elements while allowing the insert to penetrate the thickness of the wall by limiting the damage and displacement of reinforcements and other potentially constitutive elements of the wall.
  • the device according to the invention may have different complementary characteristics that can be considered separately or in combination.
  • the conductive base of the heat is dimensioned so as to constitute, when the device is mounted on the wall, an interface zone between the outer face of the wall and the outer face of an element against which she is placed.
  • the conductive base of the heat is a metal plate or a thermally conductive material whose thickness is substantially less than the thickness of the wall on which the device is mounted.
  • the device according to the invention is constituted by a shaped metal plate in which are partially cut out shapes, said shapes having an uncut side at which they remain attached to the plate. Said forms are folded square with respect to the metal plate along the uncut side.
  • the metal plate thus formed constitutes the conductive base and the folded forms are flat tips connected by their base to the conductive base, these points forming the inserts.
  • the device according to the invention consists of a metal plate or of a thermally conductive material forming the conductive base on which are fixed projections in the form of points of constant or decreasing section starting from the base, oriented along a direction not included in the plane of the metal plate forming the conductive base of heat, said extensions forming the inserts of the device.
  • the conductive base of the heat being a metal plate
  • the extensions are metal extensions fixed to the surface of the conductive base by friction welding.
  • the invention also relates to a method for implementing the device according to any one of the preceding claims on a wall of composite material, characterized in that the inserts of said device are inserted through the different layers of the preform constituting the composite material until the conductive base of the heat is in contact with the outer surface of the preform, the insertion being performed before hardening of the impregnating matrix of the composite material.
  • the inserts of the device are inserted in a dry preform, the impregnation of the preform by the resin constituting the composite material being made after installation of the device.
  • the inserts of the device are inserted into a preform pre-impregnated by the resin constituting the composite material.
  • the invention also relates to a housing in which all or part of the walls are made of composite material comprising thermal conducting elements arranged in the directions parallel to a surface of the wall, the housing comprising a source of heat inside said housing, the housing being, after assembly, in contact by at least one side of a wall of composite material of the housing, with an element capable of conducting heat.
  • the housing of the invention comprises at least one device, such as the device previously exposed, mounted on the at least one face of the wall of composite material intended to be in contact with the element capable of conducting heat so as to transmit the heat from the housing to this element.
  • the inner heat source of the housing is formed primarily by electronic components.
  • the main function of the device according to the invention is to allow the introduction of heat-conducting channels dimensioned so as to allow the transfer of energy in thermal form in the thickness of a wall of composite material since (or to) a thermal interfacing zone with a neighboring wall, said zone being disposed at the surface of the wall, and the thermal conducting elements forming reinforcement layers of the material, elements arranged in the thickness of the wall and oriented mainly according to planes parallel to the surface of the wall.
  • the establishment of heat conducting channels ensures continuity in the flow of thermal flows in the same wall and between two adjacent walls.
  • the device according to the invention consists of an element made of a good thermal conductive material and having a specially defined three-dimensional structure to be able to produce conductive heat bonds in the thickness of the composite material structure to which it is integrated, in order to connect together the elements forming the different conductive planes constituting the structure (folds of fibers, grids ).
  • thermal conductor is to be considered in relation to, for example by an order of magnitude greater, the thermal conduction capabilities of the composite materials considered in a sense of the thickness of the walls, that is to say substantially perpendicular to the plane of the surface of the wall.
  • the device according to the invention 11 is presented as a conductive base 12 of heat, from which emerge thermal conductive extensions 13, or inserts, of length and geometry data, arranged perpendicularly in the plane of the conductive base 12 or at least whose orientation is not included in the plane of the conductive base 12.
  • the device is intended to be mounted on the surface of a wall 14, the wall of a piece of composite material for example, marrying at least partially the surface of the wall, at an interface zone in which the wall 14 comes into contact with another wall. It is mounted in such a way that the conductive base 12 of the heat is preferably in a plane substantially parallel to the conduction planes defined by the structure of the wall 14, so that the inserts 13 pass through these different planes and form pathways. of thermal conduction between these.
  • the position and the arrangement of the extensions 13 on the surface of the conductive base 12 of the heat are a function of the piece of composite material for which it is intended as well as the desired thermal conductor paths between this piece and a contiguous piece 21, between which the device is placed, as shown in Figure 2.
  • the inserts 13 may be evenly distributed on the surface of the conductive base 12 of the heat, as illustrated in FIG. 1, so as to constitute thermal conduction paths in the thickness direction regularly distributed over the interior of the wall 14 in the zone of this wall lying opposite the device 11.
  • the inserts 13 may be non-uniformly distributed on the surface of the conductive base 12 of the heat, so as to form in the wall 14 of the zones containing a variable density of thermal conduction pathways.
  • a non-uniform distribution makes it possible to promote locally the conduction of heat in the case where the energy to be transferred is produced more particularly at a given zone of the wall 14 or of the contiguous piece 21.
  • the device 11 according to the invention is made of a heat conducting material providing thermal conduction in all directions, preferably of metal. Its structure is also defined to ensure maximum thermal conduction for a minimum mass. This is why the adopted structure is preferably a perforated structure such as that illustrated in FIG.
  • the dimensions of the device 11 according to the invention are determined, as a function of the dimensions of the wall 14 of composite material to which it is attached, so as to ensure good thermal conduction in the thickness while promoting a good distribution of heat throughout the volume of the wall to facilitate the transfer of heat energy at the interface between said wall and the wall of a neighboring room.
  • the lengths of the inserts 13 are determined, as illustrated in FIG. 2, so as to pass at least partially through the thickness of the wall 14 considered in order to come into contact with the various layers of conductive thermal elements (15) constituting the wall 14 and establish a conduction of heat through the entire thickness of the wall 14.
  • the surface of the conductive base 12 is in particular determined as a function of the surface of the contact zone between the wall 14 of the composite material part considered and the wall of the part 21 which is contiguous thereto.
  • the inserts 13 have a general shape making it possible to have at the level of the zone traversed a maximum contact area with the conductive planes 15, while causing, through their crossing, only minimal alteration. integrity and positioning of the reinforcing fibers of the wall 14.
  • the shape of the inserts 13 is also dependent on the way in which the device 11 according to the invention is made. Indeed, the device according to the invention can be realized in different ways.
  • the device according to the invention can be, for example, advantageously made simple, as illustrated in FIG. 1, by shaping a thin plate of thermal conducting material, preferably a sheet of metal.
  • thin plate is meant here a plate of thickness substantially less than the thickness of the wall 14 on which the device 11 is mounted, for example of the order of a millimeter.
  • a trimming of zones of determined shape triangle-shaped for example, arranged along parallel rows, the clipping being performed only on two sides.
  • Each of the cut-out areas is then bent square along the third side of the triangle, remaining attached to the shaped plate, so as to form an element having the shape of a flat triangular claw oriented in a direction perpendicular to the plane of the leaf.
  • the device then has a shape similar to that of a claw plate such as those used for the assembly of frames in particular.
  • the device according to the invention is then advantageously made by cutting and folding without additional assembly operation.
  • the cutting can, in turn, be carried out by any suitable means known, for example by laser cutting, etching or electrochemical, micromachining or punching by means of a cutting press for example.
  • the device according to the invention can be made, for example, from a sheet of solid metal or openwork, on which it is fixed extensions, metal or for the least good thermal conductors, shaped tips perpendicular to the plane of the sheet, said tips having a constant or decreasing section from the base, tips having for example a cylindrical or conical shape, at least towards their free ends.
  • the assembly of the points on the metal sheet can be achieved by any known technique, for example by soldering, friction welding or bonding by means of a thermal conductive adhesive.
  • a device having the appearance of a spiked or spiked plate is then obtained.
  • Such an embodiment makes it possible to produce inserts 13 having a contact surface that is generally larger than planar inserts.
  • the device according to the invention can also be produced directly by machining a block of material or by an additive manufacturing process, 3D printing, or "Additive Layer Manufacturing" according to the English name, such as modeling by deposit of melting material or FDM (Fuse Deposition Modeling according to the English name), the laser selective frittaqe (a laser agglomerates a layer of powder), by deposition of filaments of molten material or by melting on a bed of powder.
  • FDM Flash Deposition Modeling according to the English name
  • the laser selective frittaqe a laser agglomerates a layer of powder
  • the conductive base 12 appears to be substantially flat.
  • the faces of the conductive base 12 have a relief adapted for one of them to the relief of the outer surface of the wall 14 on which the device 11 is mounted and for the other to the relief of the external surface of the element 21 with which the wall 14 comes into contact, this configuration to maintain a cohesion of the assembled parts and maximize the contact surfaces to promote the performance of heat exchange by the heat conductive base.
  • the device 11 according to the invention on the wall considered, it can be performed in different ways depending on how the wall 14 is made. Preferably, however, it is progressively carried out in a dry or pre-impregnated composite preform that is little or not compacted, the preform consisting of the various layers of reinforcing material constituting the composite material used for producing the wall 14.
  • This operation consists essentially of inserting the inserts 13 into the thickness of the preform. It can be operated using a vibratory means, so as to facilitate the penetration of the inserts 13 of the device into the preform while minimizing the damage to the fibers constituting the layers 15 of the preform.
  • the implementation can thus, for example, be carried out by positioning one or more devices 11 at the bottom of a mold, in which the plies constituting the composite material are deposited, plated and compacted as and when necessary.
  • the resin is then introduced by injection or infusion. This setting up is however carried out before curing (polymerization) of the matrix constituting the material, the mechanical strength of the assembly being ensured by the polymerization operation of the resin which finalizes the composite material.
  • the device 11 according to the invention can be integrated in the preform before the installation of the latter in the mold.
  • the device 11 according to the invention has several advantages:
  • the conductive base 12 of the heat forming the base of the device constitutes a thermal conductor network on the surface of the wall 14 for a better distribution of heat flows and thus a more effective interfacing between the source or the heat sink, which can it is the wall of a room adjacent to the room in question, and the elements 13 penetrating the wall 14.
  • the multiplicity of the inserts 13 penetrating into the wall 14 makes it possible to better distribute or collect heat by multiplying the surfaces. of exchange with the thermal conducting elements of the composite located in the thickness of the wall 14.
  • the overall resistance to the passage of a flow of heat at the junction between the wall 14 of the composite material part considered and a contiguous wall can thus be considerably reduced, which, for example, limits the risk of damage to the room by an excessive increase ve of the temperature in localized areas.
  • the highly modular nature of the device 11 according to the invention in particular from the point of view of the overall geometry, the dimensions, the thickness of the base 12 or the density of inserts 13 and their geometry makes it possible to optimize the overweight occasioned by the installation of the device on the wall considered and therefore the increase in weight of the wall.
  • the device according to the invention thus proves to be particularly useful, by its modular nature, for making housings 31 for electronic components, having a mass less than the aluminum traditionally used, while retaining mechanical properties and satisfactory thermal conduction properties.
  • the interface between the housing 31 and a neighboring element 32 is provided at two faces of the housing 31 which are in contact with the element 32 by setting place two separate devices according to the invention 33 and 34 which ensure efficient transmission of heat from the housing 31 to the element 32.
  • the device according to the invention also makes it possible, advantageously in the context of more complex structures, to use parts of primary or secondary structure, made of composite incorporating elements that are sufficiently thermal conductors in the plane, to constitute heat dissipation elements. .

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif (11) pour améliorer la conduction d'un flux d'énergie thermique à la surface et à l'intérieur d'une paroi (14) en matériau composite comportant des éléments conducteurs (15) thermiques disposés dans les directions parallèles à la surface de la paroi (14), le dispositif (11) étant configuré pour être monté sur ladite paroi (14). Le dispositif comporte une base conductrice de chaleur épousant au moins partiellement la surface de la paroi (14) au niveau de la zone d'implantation du dispositif sur ladite paroi, ainsi qu'un ensemble d'éléments pénétrant (13) ou inserts, fixés perpendiculairement sur la base conductrice de chaleur, destinés à être insérés dans l'épaisseur de la paroi (14) de telle façon qu'après insertion complète, la face de la base conductrice (12) portant les inserts (13) soit en contact avec la face externe de la paroi (14). Les caractéristiques dimensionnelles et géométriques de la base conductrice (12) et des inserts (13) permettent de constituer des voies de conduction de chaleur s'étendant dans l'épaisseur de la paroi (14) depuis la base conductrice (12).

Description

Insert structuré permettant d'améliorer l'isotropie thermique à cœur et aux interfaces de pièces en matériaux composites
L'invention se rapporte au domaine général des structures en matériau composite.
Elle concerne plus particulièrement les problématiques de conduction thermique au sein des structures en matériau composite et plus encore à l'interface entre des structures voisines
Les matériaux composites sont couramment utilisés aujourd'hui car ils permettent de fabriquer des pièces plus légères que celles réalisées en métal tout en conservant les performances mécaniques désirées.
Cependant, la faible conductivité thermique de la plupart des matériaux composites à matrices polymères constitue un aspect limitant dans le cadre de la réalisation de certaines pièces structurales. En effet cette faible conductivité peut empêcher la propagation d'un flux de chaleur appliqué localement à la structure considérée et par suite sa dissipation dans tout le volume, et sa propagation vers des éléments dissipateurs accolés à la structure. Ce confinement local du flux d'énergie peut entraîner un endommagement local de la structure soumise à ce flux.
La faible conductivité thermique des matériaux composite tire son origine du fait qu'un composite est un matériau non homogène et anisotrope typiquement constitué de plis superposés de fibres de renfort longues ou d'éléments continus, éventuellement thermiquement conducteurs, orientés majoritairement dans le plan de la pièce, ces plis étant imprégnés d'une matrice en résine, très faiblement conductrice, qui tend à isoler les fibres entre elles et les plans de fibres les uns des autres, de sorte que la conduction thermique dans le matériau est limitée. De manière connue, il est possible d'obtenir une conductivité dans le plan de la pièce par l'utilisation de fibres conductrices (par exemple des fibres en carbone PITCH ou des fils de cuivre) ou par la mise en place de plis conducteurs (par exemple en métal expansé ou en grillage métallique) insérés entre deux plis de fibres ou disposés à la surface du matériau composite. Cependant, le composite ainsi réalisé reste insuffisamment conducteur dans le sens de l'épaisseur, c'est-à-dire d'un plan conducteur à l'autre, ce qui peut engendrer une forte résistance thermique, notamment aux interfaces entre structures ou aux interfaces avec des sources de chaleur.
Aujourd'hui, les matériaux composites à matrice organique ne sont pas utilisés dans le cadre de la réalisation de pièces ou d'éléments structurels susceptible de devoir dissiper de la chaleur, du fait que la majorité des renforts fibreux utilisés ne permettent pas une conduction thermique suffisante dans le plan.
Une solution connue consiste à réaliser une couture de fils de cuivre dans l'épaisseur d'une pièce en matériau composite, de façon à assurer une certaine conduction dans l'épaisseur à travers cette dernière. La continuité thermique entre deux pièces voisines peut alors être assurée grâce à un moyen de mise en continuité adapté, tel qu'un film de colle ou un film de pâte conductrice thermique. Une telle solution est notamment décrite dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2964341 -A1 et intitulée "Procédé de réalisation d'une pièce électriquement et ou thermiquement conductrice en matériau composite et pièce obtenue".
Un but de l'invention est de proposer une solution permettant d'assurer dans le sens de l'épaisseur d'une pièce en matériau composite un chemin conducteur d'énergie thermique satisfaisant entre deux pièces depuis la zone d'interface entre ces deux pièces et les éléments conducteurs plans disposés dans chacune des pièces. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif pour améliorer la conduction d'un flux de chaleur à la surface et à l'intérieur d'une paroi en matériau composite comportant des éléments conducteurs thermiques agencés dans les directions parallèles à la surface de la paroi, le dispositif étant configuré pour être monté sur ladite paroi. Le dispositif selon l'invention comporte une base conductrice de la chaleur, depuis une surface de laquelle s'étirent des prolongements, ou inserts, conducteurs thermiques, formant des griffes ou des picots, répartis sur la surface de la base conductrice et s'étirant suivant une direction non incluse dans le plan de la base conductrice; ces inserts étant configurés pour pouvoir pénétrer dans la paroi de façon à amener la base conductrice au contact de la surface externe de la paroi. La face de la base conductrice en contact avec la paroi présente un relief adapté au relief de la paroi au niveau de la zone de contact. Chaque insert a en outre une longueur suffisante pour traverser au moins partiellement l'épaisseur de la paroi considérée de façon à entrer en contact avec les différents éléments conducteurs thermiques pour former des voies conductrices de chaleur reliant les différents éléments conducteurs thermiques entre eux et les différents éléments conducteurs à la base conductrice de la chaleur; la géométrie et les dimensions d'un insert étant définies de façon à favoriser le transfert de chaleur par conduction thermique entre l'insert et les éléments conducteurs tout en permettant à l'insert de pénétrer dans l'épaisseur de la paroi en limitant l'endommagement et le déplacement des renforts et autres éléments potentiellement constitutifs de la paroi.
Selon différentes dispositions le dispositif selon l'invention peut présenter différentes caractéristiques complémentaires pouvant être considérées séparément ou en combinaison. Ainsi: Selon une caractéristique, la base conductrice de la chaleur est dimensionnée de façon à constituer, lorsque le dispositif est monté sur la paroi, une zone d'interface entre la face externe de la paroi et la face externe d'un élément contre lequel elle est placée. Selon une autre caractéristique, la base conductrice de la chaleur est une plaque métallique ou en matériau conducteur thermique dont l'épaisseur est sensiblement inférieure à l'épaisseur de la paroi sur laquelle le dispositif est monté.
Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention est constitué par une plaque métallique façonnée dans laquelle sont partiellement détourées des formes, lesdites formes présentant un côté non découpé au niveau duquel elles restent attachées à la plaque. Lesdites formes sont repliées à l'équerre par rapport à la plaque métallique le long du côté non découpé. La plaque métallique ainsi façonnée constitue la base conductrice et les formes repliées constituent des pointes plates reliées par leur base à la base conductrice, ces pointes formant les inserts. Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention est constitué par une plaque métallique ou en matériau conducteur thermique formant la base conductrice sur laquelle sont fixés des prolongements en forme de pointes de section constante ou décroissante à partir de la base, orientés suivant une direction non incluse dans le plan de la plaque métallique formant la base conductrice de la chaleur, lesdits prolongements formant les inserts du dispositif.
Selon une autre caractéristique, la base conductrice de la chaleur étant une plaque métallique, les prolongements sont des prolongements métalliques fixés à la surface de la base conductrice par soudage par friction.
L'invention a également pour objet un procédé pour mettre en œuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes sur une paroi en matériau composite, caractérisé en ce que les inserts dudit dispositif sont insérés au travers des différentes couches de la préforme constituant le matériau composite jusqu'à ce que la base conductrice de la chaleur soit en contact avec la surface externe de la préforme, l'insertion étant réalisée avant durcissement de la matrice d'imprégnation du matériau composite. Selon une caractéristique du procédé, les inserts du dispositif sont insérés dans une préforme sèche, l'imprégnation de la préforme par la résine constituant le matériau composite étant réalisée après mise en place du dispositif.
Selon une autre caractéristique du procédé, les inserts du dispositif sont insérés dans une préforme pré-imprégnée par la résine constituant le matériau composite. L'invention concerne également un boîtier dont tout ou partie des parois sont réalisées en matériau composite comportant des éléments conducteurs thermiques agencés dans les directions parallèles à une surface de la paroi, le boîtier comportant une source de chaleur intérieure audit boîtier, le boîtier étant, après assemblage, en contact par au moins une face d'une paroi en matériau composite du boîtier, avec un élément capable de conduire la chaleur. Le boîtier de l'invention comporte au moins un dispositif, tel que le dispositif exposé précédemment, monté sur l'au moins une face de la paroi en matériau composite destinée à être en contact avec l'élément capable de conduire la chaleur de sorte à transmettre la chaleur du boîtier vers cet élément.
Dans une forme de réalisation, la source de chaleur intérieure au boîtier est formée principalement par des composants électroniques.
Il est ainsi obtenu un boîtier d'équipement dont les parois sont en matériau composite, léger et résistant, adapté pour évacuer la chaleur produite par l'équipement.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent:
- la figurel , l'illustration d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention;
- la figure 2, l'illustration du principe de mise en place du dispositif selon l'invention.
- la figure 3, une illustration mettant en évidence le caractère modulaire du dispositif selon l'invention.
Le dispositif selon l'invention a pour fonction principale de permettre la mise en place de voies conductrices de la chaleur, dimensionnées de façon à permettre le transfert d'énergie sous forme thermique dans l'épaisseur d'une paroi en matériau composite depuis (ou vers) une zone d'interfaçage thermique avec une paroi voisine, ladite zone étant disposée à la surface de la paroi, et les éléments conducteurs thermiques formant des couches de renfort du matériau, éléments disposés dans l'épaisseur de la paroi et orientés principalement selon des plans parallèles à la surface de la paroi. La mise en place de voies conductrices de la chaleur permet d'assurer une continuité dans la circulation des flux thermiques dans une même paroi et entre deux parois contigues.
Le dispositif selon l'invention consiste en un élément réalisé en matériau bon conducteur thermique et présentant une structure à trois dimensions spécialement définie pour pouvoir réaliser des liaisons conductrices de la chaleur dans l'épaisseur de la structure en matériau composite à laquelle il est intégré, de façon à relier entre eux les éléments formant les différents plans conducteurs constituant la structure (plis de fibres, grillages ...).
Il est à noter ici que dans la suite du texte la notion de bon conducteur thermique est à considérer par rapport, par exemple d'un ordre de grandeur supérieur, aux capacités de conduction thermique des matériaux composites considérés dans un sens de l'épaisseur des parois, c'est-à-dire sensiblement perpendiculairement au plan de la surface de la paroi.
Comme l'illustre l'exemple de réalisation de la figure 1 , le dispositif selon l'invention 11 se présente comme une base conductrice 12 de la chaleur, d'où émergent des prolongements conducteurs 13 thermique, ou inserts, de longueur et de géométrie données, disposés perpendiculairement au plan de la base conductrice 12 ou du moins dont l'orientation n'est pas incluse dans le plan de la base conductrice 12.
Le dispositif est destiné à être monté à la surface d'une paroi 14, la paroi d'une pièce en matériau composite par exemple, en épousant au moins partiellement la surface de la paroi, au niveau d'une zone d'interfaçage dans laquelle la paroi 14 rentre en contact avec une autre paroi. Elle est montée de telle façon que la base conductrice 12 de la chaleur se trouve préférentiellement dans un plan sensiblement parallèle aux plans de conduction définis par la structure de la paroi 14, de telle sorte que les inserts 13 traversent ces différents plans et forment des voies de conduction thermique entre ces derniers.
Selon l'invention, la position et l'agencement des prolongements 13 sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur sont fonction de la pièce en matériau composite à laquelle il est destiné ainsi que des chemins conducteurs thermiques désirés entre cette pièce et une pièce contiguë 21 , entre lesquelles le dispositif est placé, comme illustré par la figure 2.
Selon les cas, les inserts 13 peuvent être répartis uniformément sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur, comme illustré par la figure 1 , de façon à constituer des voies de conduction thermique dans le sens de l'épaisseur régulièrement réparties à l'intérieur de la paroi 14 dans la zone de cette paroi se trouvant en regard du dispositif 11 .
Alternativement, les inserts 13 peuvent être répartis de manière non uniforme sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur, de façon à constituer dans la paroi 14 des zones contenant une densité variable de voies de conduction thermique. Une répartition non uniforme permet en particulier de favoriser localement la conduction de chaleur dans le cas où l'énergie à transférer se trouve produite plus particulièrement au niveau d'une zone donnée de la paroi 14 ou de la pièce contiguë 21 . Contrairement à la pièce 14 sur laquelle il est destiné à être monté, le dispositif 11 selon l'invention est réalisé dans un matériau conducteur de la chaleur assurant une conduction thermique dans toutes les directions, en métal préférentiellement. Sa structure est par ailleurs définie de façon à assurer une conduction thermique maximale pour une masse minimale. C'est pourquoi la structure adoptée est préférentiellement une structure ajourée telle que celle illustrée par la figure 1 .
Les dimensions du dispositif 11 selon l'invention sont déterminées, en fonctions des dimensions de la paroi 14 en matériau composite à laquelle il est attaché, de façon à assurer une bonne conduction thermique dans l'épaisseur tout en favorisant une bonne répartition de la chaleur dans tout le volume de la paroi afin de faciliter le transfert d'énergie thermique au niveau de l'interface entre ladite paroi et la paroi d'une pièce voisine.
En particulier les longueurs des inserts 13 sont déterminées, comme l'illustre la figure 2, de façon à traverser au moins partiellement l'épaisseur de la paroi 14 considérée pour entrer en contact avec les différentes couches d'éléments conducteurs (15) thermiques constituant la paroi 14 et établir une conduction de la chaleur à travers toute l'épaisseur de la paroi 14.
De même, la surface de la base conductrice 12 est en particulier déterminée en fonction de la surface de la zone de contact entre la paroi 14 de la pièce en matériau composite considérée et la paroi de la pièce 21 qui lui est contiguë.
Du point de vue géométrique, les inserts 13 présentent une forme générale permettant de disposer au niveau de la zone traversée d'une surface de contact maximale avec les plans conducteurs 15, tout en n'occasionnant, par leur traversée, qu'une altération minimale de l'intégrité et du positionnement des fibres de renfort de la paroi 14.
Cependant la forme des inserts 13 est également dépendante de la façon dont le dispositif 11 selon l'invention est réalisé. En effet, le dispositif selon l'invention peut être réalisé de différentes façons.
Le dispositif selon l'invention peut être, par exemple, réalisé de manière avantageusement simple, comme illustré par la figure 1 , par façonnage d'une plaque mince de matériau conducteur thermique, une feuille de métal préférentiellement. Par plaque mince on entend ici une plaque d'épaisseur sensiblement inférieure à l'épaisseur de la paroi 14 sur laquelle le dispositif 11 est monté, par exemple de l'ordre du millimètre.
Dans ce cas, on réalise un détourage de zones de forme déterminée, en forme de triangle par exemple, disposées le long de rangées parallèles, le détourage étant réalisé seulement sur deux côtés. Chacune des zones détourées est ensuite pliée à l'équerre le long du troisième côté du triangle, resté attaché à la plaque façonnée, de façon à former un élément ayant la forme d'une griffe triangulaire plate orientée dans une direction perpendiculaire au plan de la feuille.
Le dispositif a alors une forme similaire à celle d'une plaque à griffes telle que celles utilisées pour l'assemblage de charpentes notamment.
Le dispositif selon l'invention est alors avantageusement réalisé par découpe et pliage sans opération complémentaire d'assemblage. La découpe peut, quant à elle, être réalisée par tout moyen approprié connu, par exemple par découpe laser, attaque chimique ou électrochimique, microusinage ou par poinçonnage au moyen d'une presse à découper par exemple.
Alternativement le dispositif selon l'invention peut être réalisé, par exemple, à partir d'une feuille de métal pleine ou ajourée, sur laquelle on vient fixer des prolongements, en métal ou pour le moins bon conducteurs thermiques, en forme de pointes perpendiculairement au plan de la feuille, lesdites pointes ayant une section constante ou décroissante à partir de la base, des pointes ayant par exemple une forme cylindrique ou conique, au moins vers leurs extrémités libres. L'assemblage des pointes sur la feuille de métal peut être réalisé par toute technique connue, par exemple par brasage, soudage par friction ou collage au moyen d'une colle conductrice thermique.
On obtient alors une un dispositif ayant l'aspect d'une plaque à pointes ou à picots. Un tel mode de réalisation permet de produire des inserts 13 ayant une surface de contact généralement plus importante que des inserts plans.
Alternativement encore, le dispositif selon l'invention peut encore être réalisé directement par usinage d'un bloc de matériau ou par un procédé de fabrication additive, d'impression 3D, ou "Additive Layer Manufacturing" selon la dénomination anglo-saxonne, tel que le modelage par dépôt de matière en fusion ou FDM (Fuse Déposition Modeling selon la dénomination anglo-saxonne), le frittaqe sélectif par laser (un laser agglomère une couche de poudre), par dépôt de filaments de matière en fusion ou encore par fusion sur lit de poudre.
Il est à noter que dans l'exemple de réalisation illustré par les figures 1 et 2, la base conductrice 12 apparaît comme sensiblement plane. Cependant, de manière plus générale les faces de la base conductrice 12 présentent un relief adapté pour l'une d'elle au relief de la surface externe de la paroi 14 sur laquelle le dispositif 11 est monté et pour l'autre au relief de la surface externe de l'élément 21 avec lequel la paroi 14 entre en contact, cette configuration permettant de maintenir une cohésion des pièces assemblées et de maximiser les surfaces de contact pour favoriser la performance des échanges thermiques par la base conductrice de la chaleur.
En ce qui concerne la mise en place du dispositif 11 selon l'invention sur la paroi considérée, celle-ci peut être réalisée de différentes façons suivant la façon dont la paroi 14 est réalisée. De préférence, elle est cependant réalisée de manière progressive dans une préforme composite sèche ou pré-imprégnée peu ou pas compactée, la préforme étant constituée des différentes couches de matériau de renfort constituant le matériau composite utilisé pour réaliser la paroi 14.
Cette opération consiste essentiellement en l'insertion des inserts 13 dans l'épaisseur de la préforme. Elle peut être opérée à l'aide d'un moyen vibratoire, de façon à faciliter la pénétration des inserts 13 du dispositif dans la préforme tout en limitant au mieux l'endommagement des fibres constituant les couches 15 de la préforme.
La mise en place peut ainsi, par exemple, être réalisée en positionnant un ou plusieurs dispositifs 11 au fond d'un moule, dans lequel les plis constituant le matériau composite sont déposés, plaqués et compactés au fur et à mesure si nécessaire. Dans le cas d'une préforme sèche, la résine est ensuite introduite par injection ou infusion. Cette mise en place est toutefois réalisée avant durcissement (polymérisation) de la matrice constituant le matériau, la tenue mécanique de l'ensemble étant assurée par l'opération de polymérisation de la résine qui finalise le matériau composite.
Selon une variante opératoire, le dispositif 11 selon l'invention peut être intégré dans la préforme avant l'installation de cette dernière dans le moule.
Ainsi qu'il ressort de la description précédente, le dispositif 11 selon l'invention présente plusieurs avantages :
- La base conductrice 12 de la chaleur formant la base du dispositif constitue un réseau conducteur thermique à la surface de la paroi 14 permettant une meilleure distribution des flux de chaleur et donc un interfaçage plus efficace entre la source ou le puits de chaleur, qui peut être la paroi d'une pièce contiguë à la pièce considérée, et les éléments 13 pénétrants dans la paroi 14. D'autre part, la multiplicité des inserts 13 pénétrant dans la paroi 14 permet de mieux distribuer ou collecter la chaleur en multipliant les surfaces d'échange avec les éléments conducteurs thermiques du composite localisés dans l'épaisseur de la paroi 14. De la sorte, avantageusement, la résistance globale au passage d'un flux de chaleur à la jonction entre la paroi 14 de la pièce en matériau composite considérée et une paroi contiguë peut ainsi être considérablement réduite, ce qui, par exemple, limite les risques d'endommagement de la pièce par une augmentation excessive de la température dans des zones localisées.
- De plus, le caractère fortement modulable du dispositif 11 selon l'invention, en particulier du point de vue de la géométrie d'ensemble, des dimensions, de l'épaisseur de la base 12 ou de la densité d'inserts 13 et de leur géométrie, permet d'optimiser le surpoids occasionné par la mise en place du dispositif sur la paroi considérée et donc l'accroissement de poids de la paroi. Comme l'illustre la figure 3, le dispositif selon l'invention s'avère ainsi particulièrement utile, de par son caractère modulaire, pour réaliser des boîtiers 31 pour composants électroniques, présentant une masse inférieure à l'aluminium traditionnellement utilisé, tout en conservant des propriétés mécaniques et des propriétés de conduction thermique satisfaisantes. Dans l'exemple de la figure 3, l'interface entre le boîtier 31 et un élément voisin 32, un autre boîtier par exemple, est assuré au niveau de deux faces du boîtier 31 qui sont en contact avec l'élément 32 par la mise en place de deux dispositifs selon l'invention distincts 33 et 34 qui assurent une transmission efficace de la chaleur du boîtier 31 à l'élément 32.
On assure ainsi une bonne conduction thermique permettant de propager efficacement cette chaleur vers des éléments 32 capables d'en assurer la dissipation (radiateurs par exemple) ce qui est souvent nécessaire pour éviter des surchauffes locales susceptibles d'altérer le fonctionnement des composants contenus dans le boîtier 31 .
Le dispositif selon l'invention permet également, de manière avantageuse dans le cadre de structures plus complexes, d'utiliser des pièces de structure primaire ou secondaire, en composite intégrant des éléments suffisamment conducteurs thermiques dans le plan, pour constituer des éléments de dissipation thermique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (11 ) pour améliorer la conduction d'un de chaleur à la surface et à l'intérieur d'une paroi (14) en matériau composite comportant des éléments conducteurs (15) thermiques agencés dans les directions parallèles à une surface de la paroi (14), le dispositif (11 ) étant configuré pour être monté sur ladite paroi (14), caractérisé en ce qu'il comporte une base conductrice (12) de chaleur, depuis une surface de laquelle s'étirent des prolongements (13), ou inserts, conducteurs thermiques, formant des griffes ou des picots, répartis sur la surface de la base conductrice (14) de chaleur et s'étirant suivant une direction non incluse dans le plan de la base conductrice; configurés pour pouvoir pénétrer dans la paroi (14) de façon à amener la base conductrice (12) de chaleur au contact d'une surface externe de la paroi (14), une face de la base conductrice (12) en contact avec la paroi (14) ayant un relief adapté au relief de la paroi au niveau de la zone de contact; chaque insert (13) ayant une longueur suffisante pour traverser au moins partiellement l'épaisseur de la paroi (14) considérée de façon à entrer en contact avec les différents éléments conducteurs (15) thermiques pour former des voies conductrices de chaleur reliant les différents éléments conducteurs (15) thermiques entre eux et lesdits différents éléments conducteurs thermiques à la base conductrice (12); la géométrie et les dimensions d'un insert (13) étant définies de façon à favoriser le transfert de chaleur par conduction thermique entre l'insert et les éléments conducteurs (15) thermiques tout en permettant à l'insert (13) de pénétrer dans l'épaisseur de la paroi (14) en limitant l'endommagement et le déplacement des renforts et autres éléments potentiellement constitutifs de la paroi.
2. Dispositif (11 ) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la base conductrice (12) de chaleur est dimensionnée de façon à constituer, lorsque le dispositif est monté sur la paroi (14), une zone d'interface entre la face externe de la paroi (14) et la face externe d'un élément (21 ) contre lequel elle est placée.
3. Dispositif (11 ) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la base conductrice (12) de chaleur est une plaque métallique ou en matériau conducteur thermique dont l'épaisseur est sensiblement inférieure à l'épaisseur de la paroi (14) sur laquelle le dispositif (11 ) est monté.
4. Dispositif (11 ) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué par une plaque métallique façonnée dans laquelle sont partiellement détourées des formes, lesdites formes présentant un côté non découpé au niveau duquel elles restent attachées à la plaque, lesdites formes étant repliées à l'équerre par rapport à la plaque métallique, le long du côté non découpé, la plaque métallique ainsi façonnée constituant la base conductrice (12) de chaleur et les formes repliées constituant des pointes plates reliées par leur base à la base conductrice, ces pointes formant les inserts (13).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué par une plaque métallique ou en matériau conducteur formant la base conductrice (12) de chaleur sur laquelle sont fixés des prolongements en forme de pointes de section constante ou décroissante à partir de la base, orientés suivant une direction non incluse dans le plan de la plaque métallique formant la base conductrice, lesdits prolongements formant les inserts (13) du dispositif.
6. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la base conductrice (12) de chaleur étant une plaque métallique les prolongements sont des prolongements métalliques fixés à la surface de la base conductrice par soudage par friction.
7. Procédé pour mettre en œuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes sur une paroi (14) en matériau composite, caractérisé en ce que les inserts (13) dudit dispositif sont insérés au travers des différentes couches (15) de la préforme constituant le matériau composite jusqu'à ce que la base conductrice (12) de chaleur soit en contact avec la surface externe de la préforme, l'insertion étant réalisée avant durcissement de la matrice d'imprégnation du matériau composite.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les inserts (13) du dispositif sont insérés dans une préforme sèche, l'imprégnation de la préforme par la résine constituant le matériau composite étant réalisée après mise en place du dispositif.
9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les inserts (13) du dispositif sont insérés dans une préforme préimprégnée par la résine constituant le matériau composite.
10. Boîtier (31 ) dont tout ou partie des parois sont réalisées en matériau composite comportant des éléments conducteurs (15) thermiques agencés dans les directions parallèles à une surface de la paroi (14), ledit boîtier comportant une source de chaleur intérieure audit boîtier, ledit boîtier étant, après assemblage, en contact par au moins une face d'une paroi en matériau composite dudit boîtier avec un élément (32) capable de conduire la chaleur, caractérisé en ce que le dit boîtier comporte au moins un dispositif (11 ), conforme à l'une des revendications 1 à 6, monté sur l'au moins une face de la paroi en matériau composite destinée à être en contact avec l'élément 32) capable de conduire la chaleur de sorte à transmettre la chaleur du boîtier (31 ) vers ledit élément (32).
1 1 . Boîtier suivant la revendication 10 dans lequel une source de chaleur intérieure est formée principalement par des composants électroniques.
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