WO2021181021A1 - Dispositif de transfert de calories - Google Patents

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WO2021181021A1
WO2021181021A1 PCT/FR2021/050302 FR2021050302W WO2021181021A1 WO 2021181021 A1 WO2021181021 A1 WO 2021181021A1 FR 2021050302 W FR2021050302 W FR 2021050302W WO 2021181021 A1 WO2021181021 A1 WO 2021181021A1
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duct
plate
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longitudinal direction
face
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Toni Youssef
Stéphane Joseph AZZOPARDI
Jean-Christophe Riou
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Safran
Safran Electronics & Defense
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    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates

Definitions

  • This document relates to a device for transferring calories from a thermally conductive plate capable of capturing calories from an area placed on one side of the plate.
  • This type of device can be used for electronic components, power electronic modules, or mechanical systems.
  • Electronic components, power electronic modules or certain mechanical systems include heat sources within them that need to be cooled so as not to damage the equipment and allow good operating efficiency.
  • This type of problem is all the more present in the aeronautical field but is not limited to this field. It is in fact all the more significant in the aeronautical field as the latter presents drastic thermal, mass and volume constraints.
  • Said electronic power modules are, for example, integrated into converters necessary for the electrification of propulsion and non-propulsion systems on board aircraft in order to convert the electrical energy from the main network in various forms, whether in AC / DC, DC / AC, AC / AC or even DC / DC.
  • a power electronic module 2 comprises, as illustrated in Figure 1, several elements and first and foremost, a heat source produced by means of a power semiconductor component 4. Wiring, preferably a wire 6 , ensures the electrical connections between the different parts of the power semiconductor component. This power semiconductor component is then transferred to a substrate 8 and, more precisely, to a first metallic interconnection interface 10 of said substrate 8.
  • This substrate 8 is manufactured using various techniques such as so-called “Direct Bonded Copper” (DBC), “Active Metal Brazing” (AMB) or “Direct Bonded Aluminum” (DBA) methods.
  • such a substrate 8 generally consists of an electrically insulating ceramic 12 between two metallic elements 14 and 16, each of them making it possible to create a first metallic interconnection interface 10 and a second metallic interconnection interface 11.
  • Said substrate 8 thus makes it possible to make the interconnections between, on the one hand, said power semiconductor components 4 and the external circuit by means of a first metallic interconnection interface 10 belonging to the first metallic element 14, and on the other hand, a soldered joint 18 thanks to a second metallic interconnection interface 11 belonging to the second metallic element 16.
  • external connectors also called connectors 20 are attached by solders 19 on the first metallic interconnection interface 11 of the first metallic element of said substrate. These external connectors 20 thus ensure electrical contacts with the external electrical circuits.
  • said brazed joint 18, connected to the second metal interconnection interface 11, allows the substrate 8 to be transferred onto a sole 22, thus producing a third interconnection interface 24.
  • the sole 22 has the role of spreading the thickness. heat flow and ensure a mechanical connection with the cooling system.
  • This sole is, for example, made of copper Cu, aluminum Al, or aluminum composite - silicon carbide AlSiC.
  • the thermal resistance of contact between said sole 22 and the cooling system is reduced in order to ensure better evacuation of the thermal flux by virtue of a thermal interface material, be it, for example, thermal grease, an elastomeric film or even a phase change material.
  • a plastic box 26, for example is used in order to mechanically protect part of the power electronic module 2.
  • a metal box 26 can also be used in order to serve as a diffusion barrier and to protect it. electromagnetic shielding.
  • the vacuum in the box is filled with an insulator, for example of the silicone gel type, encapsulating all of the constituents located inside the box.
  • cooling devices or in other words heat transfer, are used to improve heat conduction through contact with the heat source.
  • the optimization of this type of device is made by increasing the exchange surface with a cooler fluid, for example a liquid or air.
  • a ventilation system (hydraulic pump or electric fan) is used to evacuate the calories by forcing convection.
  • This type of system consists of heat pipe systems. The heat is thus taken from the heat source and is returned to the ends of the heat pipes. Said heat pipe passes through a finned radiator which in turn is ventilated by an electric fan.
  • An electronic power module which comprises a device for transferring calories having the shape of a fractal. Said device is designed on the face of the system to be cooled. The desired effect is to increase the heat exchange coefficient in order to increase the exchange surface with the air.
  • the present document aims to remedy these drawbacks in a simple, reliable and inexpensive manner.
  • a calorie transfer device comprising a thermally conductive plate capable of capturing the calories from a zone placed on a first side of the plate, at least one fin placed on a second side of said plate opposite to the first. side and comprising a duct extending in a longitudinal direction between a first end connected to said plate and a second end opposite to the first end and which opens out, said duct being connected to at least one Venturi effect neck for supplying d cooling air in the duct, said Venturi effect neck being formed in the vicinity of the first end of said duct and of said plate.
  • the device allows for increased heat transfer, i.e. heat transfer from the first side of the plate area compared to a prior art device.
  • the shape of the fin with a duct connected to a Venturi-effect neck makes it possible to draw cold air into the duct. More particularly, this results from the combination of three physical effects within the fin according to the present document, namely the fact that the hot air tends to rise and that this rise of hot air induces a suction of cold air. replacement by the neck and that finally the shaped neck to allow the generation of a Venturi effect accelerates the air entering the duct.
  • this device facilitates the entry of cold air through said Venturi neck and the discharge of hot air through the top of the second end of said duct. This phenomenon is made even easier by the fact that hot air, of lower density than cold air, rises.
  • the term "in the vicinity" indicates that the neck is formed in such a way as to allow the circulation of cool air and its supply in the duct near the hot plate.
  • said fin may comprise at least a first wall element extending laterally from said duct and along the latter.
  • a first wall element performs a similar function of conduction of heat from the plate into the duct and into the first wall element connected to it.
  • the presence of at least one wall element further improves the heat transfer from the air from the duct to the outside by thermal conduction.
  • each first wall element can extend to the second end of said duct.
  • Each first wall element may include a first face forming with a second face facing said Venturi effect neck.
  • the end of the first face of the first wall member is used to form part of the Venturi neck.
  • At least a second wall element can be formed in contact with the plate and carrying said second face.
  • a second wall element is added which can further improve the heat condition of the plate to the exterior.
  • Compactness is improved by the integration of the Venturi effect neck between the first wall element and the second wall element.
  • the wall element may be annular and surround the duct around the longitudinal axis.
  • Each first wall element may be associated with a separate second wall element extending laterally from the duct, each second wall element comprising said second face.
  • the fin comprises a plurality of first wall elements and second wall elements, each first wall element being associated with a second wall element.
  • the first wall elements and the second wall elements can be evenly distributed around the longitudinal axis of the duct.
  • the duct may have the shape of a cylinder which may be straight, that is to say having a base with a closed contour and the guidelines of which are parallel to each other and perpendicular to the base.
  • the directrix of the cylinder is perpendicular to the plate.
  • the longest length inside the duct in a direction perpendicular to the longitudinal direction may be between 5 and 20 mm, preferably in the order of 20 mm.
  • Said Venturi-effect neck may open out at an orifice of the duct, this orifice having a length in the longitudinal direction which is between 0.1 and 1.5 mm, and a width in a perpendicular direction of between 0.1 and 1 mm.
  • the angle between said first face and said second face measured in this plane is between 0 and 45 °.
  • the dimension of the second wall element in the longitudinal direction can be strictly greater than 0 and less than or equal to 0.05 mm.
  • the dimension of the first wall element in a direction perpendicular to the longitudinal direction is between 3 mm and 10 mm.
  • the dimension of the second element in a direction perpendicular to the longitudinal direction may be between 3 mm and 10 mm.
  • the dimension of the duct in the longitudinal direction may be between 10 and 30 mm.
  • Said fin has at least one lamella projecting inside the duct.
  • Said fin may comprise a plurality of annular rows of lamellae spaced longitudinally from one another.
  • the presence of one or more lamellae creates turbulence in the hot air rising from the first end of the duct to the second emerging end thereof, thus promoting convection.
  • each annular row may extend radially and may be evenly distributed around the longitudinal axis.
  • the device may include a plurality of fins of the aforementioned type. These fins can be distributed on the second side of the plate, that is to say on a second face opposite to the first face arranged in the first zone.
  • Said plate may comprise a metallized ceramic substrate.
  • This document also relates to an assembly comprising a device as described above, in which an electronic power module is applied to said first side of said plate.
  • the plate comprising a first face and a second face, the first face receives the electronic power module which will dissipate heat in operation and the second face of the plate will allow the heat generated to be transferred to the outside by means of of the features of this document.
  • the document also relates to a method of installing a device described above, in which said device is oriented so that said second end of said duct faces upwards.
  • the duct is oriented vertically with the second end oriented upward.
  • FIG. 1 is a power electronic module according to the prior art
  • FIG. 2 is an embodiment of a calorie transfer device according to the invention.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the embodiment illustrated in Figure 2,
  • FIG. 4 is a top view of the embodiment illustrated in Figure 2,
  • FIG. 5 is a second embodiment of a calorie transfer device according to the invention.
  • FIG. 6 is a third embodiment of a calorie transfer device according to the invention, Detailed description of the invention
  • This document describes a device for transferring calories from a thermally conductive plate capable of capturing the calories from an area placed on one side of said plate.
  • This type of device can be used, for example, for electronic components, power electronic modules, or mechanical systems but is not limited only to this type of systems.
  • This document finds particular application in the field of aeronautics where the thermal, mass and volume constraints are important. However, this is not limited to this single area and can just as well be used in other areas such as automotive, data center and wind, rail, surface buildings and sub sailors.
  • Said device for transferring calories from at least one heat source is based on three physical phenomena.
  • the first is a physical observation which is that hot air tends to rise upwards because it has a lower density than cold air.
  • cold air at 10 ° C has a density of 1.247 kg / m 3 while at 85 ° C, the density of said hot air has a density of 0.986 kg / m 3 .
  • the second physical phenomenon can be illustrated by the phenomenon occurring, for example, in a chimney. In fact, in a chimney, the thermodynamic movement of hot air, specified previously, leads to replacing the hot air which rises in the chimney duct by cold air coming in this particular case from the room in which said chimney is located. This therefore generates a convection movement.
  • a first embodiment consists of a device for transferring calories 28 from a thermally conductive plate 30 capable of capturing the calories from a zone placed on a first side 32 of the plate 30.
  • said device comprising at least one fin 35 placed on a second side 34 of said plate 30 opposite to the first side 32 and comprising a duct 36 extending in a longitudinal direction L between a first end 38 connected to said plate 30 and a second end 40 opposite to the first end 38 and which opens out, said duct 36 being connected to at least one Venturi-effect neck 42 for supplying cooling air into duct 36, said neck 42 being formed in the vicinity of the first end 40 of said conduit 36 and of said plate 30.
  • said calorie transfer device 28 comprises a fin 35 which is extruded onto a duct 36 which conveys hot air therein from at least one zone placed on the first side of the plate. Said at least one zone placed on the first side 32 of the plate 30 can be electrically and / or thermally isolated from said heat transfer device 28 by adding an insulating material.
  • This fin is placed on a metallized ceramic substrate like those, for example, used for power electronic modules.
  • the substrate employed is a DBA substrate which has an area of 40 x 40 mm 2 and consists of at least 3 layers: 0.4 mm aluminum, 1 mm aluminum composite and 0.4 mm aluminum.
  • the fin has at least four first wall elements 44 extending laterally from said duct 36, along the latter and regularly distributed around the longitudinal direction. Said first wall elements extend to the second end of said duct. Each of these first wall elements comprises a first face 46 forming with a second face 50 opposite said Venturi effect neck.
  • Said device comprises four second wall elements 48 formed in contact with plate 30 and carrying said second face 50.
  • Each first wall element 44 is associated with a separate second wall element 48 extending laterally from the duct, each second element wall comprising a second face.
  • the first four wall elements 44 associated with the four second wall elements 48 are in contact with colder air from the external environment.
  • This cold air may for example come from ambient air or from at least one fan far from or near said device.
  • a fan is placed with a flow rate of 0.01 m 3 / s and is placed 1 m from the heat transfer device. In other words, this means that said zone 33 placed on the first side 32 of said plate receives a loss of 10 W.
  • the dimensioning of the geometry of said fin has been optimized thanks in particular to thermodynamic models so as to obtain the dimensioning such that said heat transfer device is the most efficient and therefore best reduces the temperature near the heat source.
  • the dimension of the duct in the longitudinal direction is between 10 and 30 mm, for example 20 mm and the greatest length inside the duct in a direction perpendicular to the longitudinal direction is between 5 and 20, for example 20 mm.
  • Said duct has the shape of a straight cylinder with a hexagonal base.
  • the dimension of the first and of the second wall element in a direction perpendicular to the longitudinal direction is respectively between 3 and 10 mm, for example 3.5 mm.
  • a parametric study of the shape of said Venturi effect neck was carried out and made it possible to determine the most efficient dimensioning.
  • said Venturi-effect neck opening at the level of an orifice 43 of the duct 36, this orifice having a length in the longitudinal direction which is between 0.1 and 1.5 mm, for example 0.1 mm, and a length in the longitudinal direction.
  • width in a perpendicular direction between 0.1 and 1mm, for example 1mm.
  • the longitudinal direction and the perpendicular direction belong to the same plane perpendicular to the incoming air flow.
  • a plane containing the longitudinal direction and passing through said first face and said second face, the angle between said first face and said second face measured in this plane is between 0 ° and 45 °, for example between 20 ° and 45 °.
  • the dimension of said second wall element in the longitudinal direction is strictly greater than 0 and less than or equal to 0.05 mm.
  • the maximum temperature measured in the power electronic module is 148 ° C.
  • the temperature is lowered to 85.6 ° C.
  • said calorie transfer device may comprise a plurality of fins 35 of the aforementioned type as illustrated in Figure 5.
  • said fins 35 are regularly spaced but may also not be. .
  • the temperature is lowered to 82.86 ° C.
  • the heat transfer device differs from that described in Figures 2, 3 and 4 in that said fin 35 comprises eight lamellae 52 projecting inside the duct. 36. These blades 52 disturb the flow of a cooling fluid circulating inside said duct 36, creating a non-laminar flow in the duct 36.
  • This fin 35 has seven annular rows of blades spaced apart longitudinally from one another. These slats 52 extend radially and are regularly distributed around the longitudinal axis L.
  • the number of lamellae 52 and annular rows 54 is not limiting and said calorie transfer device may comprise at least one lamella 52 and at least one annular row 54 but may also comprise a plurality of lamellae and annular rows 54.
  • said calorie transfer device may comprise a plurality of fins 35.
  • the duct may also have the shape of a right cylinder or of a right cylinder with a circular base.
  • the number of first wall element 44 and second wall element 48 of said fin is not limiting and fin 35 may comprise a first wall element 44 alone or a plurality of first wall elements 44 or a first wall element 44 associated with a second wall element 48 or a plurality of first wall elements 44 associated with a plurality of second wall elements 48.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de transfert de calories (2) depuis une plaque (30) thermiquement conductrice apte à capter les calories d'une zone placée d'un premier côté (32) de la plaque, ledit dispositif comprenant au moins une ailette (35) placée d'un deuxième côté (34) de ladite plaque (30) opposé au premier côté (32) et comportant un conduit (36) s'étendant selon une direction longitudinale (L) entre une première extrémité (38) reliée à ladite plaque et une seconde extrémité (40) opposée à la première extrémité et qui est débouchante, ledit conduit (36) étant relié à au moins un col à effet Venturi (42) d'amenée d'air de refroidissement dans le conduit, ledit col (42) étant formé au voisinage de la première extrémité dudit conduit et de ladite plaque (30).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif de transfert de calories
Domaine technique de l’invention
Le présent document concerne un dispositif de transfert de calories depuis une plaque thermiquement conductrice apte à capter les calories d’une zone placée d’un côté de la plaque. Ce type de dispositif peut être employé pour des composants électroniques, des modules électroniques de puissance, ou des systèmes mécaniques.
Etat de la technique antérieure
Les composants électroniques, les modules électroniques de puissance ou certains systèmes mécaniques comprennent en leur sein des sources de chaleur qu’il est nécessaire de refroidir pour ne pas détériorer le matériel et permettre une bonne efficacité de fonctionnement. Ce type de problématique est d’autant plus présente dans le domaine aéronautique mais ne se limite pas à ce domaine. Il est en effet d’autant plus prégnant dans le domaine aéronautique que ce dernier présente des contraintes thermiques, de masse et de volume drastiques. Lesdits modules électroniques de puissance sont, par exemple, intégrés dans des convertisseurs nécessaires pour l’électrification des systèmes propulsifs et non propulsifs à bord des aéronefs afin de convertir l’énergie électrique du réseau principal sous diverses formes que ce soit en AC/DC, DC/AC, AC/AC ou encore DC/DC.
Les matériaux et la façon dont est constituée un module électronique de puissance 2 est connu et sera ainsi décrit plus en détail, bien que le refroidissement nécessaire à son fonctionnement ne se limite pas uniquement à ce type de système. Un module électronique de puissance 2 comprend, comme illustré en Figure 1 , plusieurs éléments et en tout premier lieu, une source de chaleur réalisée par le biais d’un composant à semi-conducteur de puissance 4. Un câblage, de préférence un fil 6, assure les connections électriques entre les différentes parties du composant à semi-conducteur de puissance. Ce composant à semi-conducteur de puissance est, ensuite, reporté sur un substrat 8 et, plus précisément, à une première interface d’interconnexion métallique 10 dudit substrat 8. Ce substrat 8 est fabriqué à l’aide de différentes techniques telles que les méthodes dites « Direct Bonded Copper » (DBC), « Active Métal Brazing » (AMB) ou « Direct Bonded Aluminium » (DBA). Ainsi, un tel substrat 8 est généralement constitué d’une céramique 12 isolante électrique entre deux éléments métalliques 14 et 16, chacun d’entre eux permettant de créer une première interface d’interconnexions métallique 10 et une seconde interface d’interconnexion métallique 11. Ledit substrat 8 permet ainsi de réaliser les interconnexions entre, d’une part, lesdits composants à semi-conducteurs de puissance 4 et le circuit extérieur par le biais d’une première interface d’interconnexion métallique 10 appartenant au premier élément métallique 14, et d’autre part, un joint brasé 18 grâce à une seconde interface d’interconnexion métallique 11 appartenant au second élément métallique 16. Pour être plus précis concernant l’interconnexion avec le circuit extérieur, des connectiques externes, appelées aussi connecteurs 20, sont attachées par des brasures 19 sur la première interface d’interconnexion métallique 11 du premier élément métallique dudit substrat. Ces connecteurs externes 20 assurent ainsi les contacts électriques avec les circuits électriques extérieurs. En outre, ledit joint brasé 18, connecté à la seconde interface d’interconnexion métallique 11 , permet de reporter le substrat 8 sur une semelle 22, réalisant ainsi une troisième interface d’interconnexion 24. La semelle 22 a pour rôle d’étaler le flux thermique et d’assurer une connexion mécanique avec le système de refroidissement. Cette semelle est, par exemple, réalisée en cuivre Cu, en Aluminium Al, ou en composite aluminium - carbure de silicium AlSiC. La résistance thermique de contact entre ladite semelle 22 et le système de refroidissement est réduite afin d’assurer une meilleure évacuation du flux thermique grâce à un matériau d’interface thermique que ce soit, par exemple, de la graisse thermique, un film élastomère ou même un matériau à changement de phases. Enfin, un boitier en plastique 26, par exemple, est utilisé afin de protéger mécaniquement une partie du module électronique de puissance 2. Alternativement au boitier en plastique 26, un boitier métallique 26 peut également être employé afin de servir de barrière de diffusion et de blindage électromagnétique. Le vide dans le boitier est rempli par un isolant, par exemple de type gel silicone, encapsulant l’ensemble des constituants se trouvant à l’intérieur du boitier.
De façon générale, des dispositifs de refroidissement, ou en d’autres termes de transferts de calories, sont employés pour améliorer la conduction thermique grâce à un contact avec la source de chaleur. L’optimisation de ce type de dispositif est faite en augmentant la surface d’échange avec un fluide plus froid, par exemple un liquide ou de l’air.
Plus communément, un système de ventilation (pompe hydraulique ou ventilateur électrique) est utilisé pour évacuer les calories en forçant la convection. Ce type de système est constitué de systèmes à caloduc. La chaleur est ainsi prélevée depuis la source de chaleur et est ramenée vers les extrémités des caloducs. Ledit caloduc traverse un radiateur à ailettes qui est à son tour ventilé par un ventilateur électrique.
Il est connu un module électronique de puissance qui comprend un dispositif de transferts de calories ayant une forme de fractale. Ledit dispositif est conçu sur la face du système à refroidir. L’effet recherché est d’augmenter le coefficient d’échange thermique afin d’augmenter la surface d’échange avec l’air.
Il est également connu des dispositifs de transferts de calories d’une source chaude constitués de micro canaux pouvant également former une ailette attachée sur la semelle du module électronique de puissance et dont les micro canaux sont orientés parallèlement à ladite semelle. Cependant, la complexité de la géométrie et la multitude de systèmes employés tels que les ailettes, les canaux/caloduc, ventilateur, etc. rendent le système onéreux.
Le présent document vise à remédier à ces inconvénients, de manière simple, fiable et peu onéreuse.
Présentation de l’invention
Il est ainsi proposé un dispositif de transfert de calories comprenant une plaque thermiquement conductrice apte à capter les calories d’une zone placée d’un premier côté de la plaque, au moins une ailette placée d’un deuxième côté de ladite plaque opposé au premier côté et comportant un conduit s’étendant selon une direction longitudinale entre une première extrémité reliée à ladite plaque et une seconde extrémité opposée à la première extrémité et qui est débouchante, ledit conduit étant relié à au moins un col à effet Venturi d’amenée d’air de refroidissement dans le conduit, ledit col à effet Venturi étant formé au voisinage de la première extrémité dudit conduit et de ladite plaque.
Le dispositif permet d’augmenter le transfert de calories, c’est-à-dire le transfert de chaleur provenant du premier côté de la zone de la plaque par rapport à un dispositif de la technique antérieure. En particulier, la conformation de l’ailette avec un conduit relié à un col à effet Venturi permet de réaliser une aspiration d’air froid dans le conduit. Plus particulièrement, cela résulte de la combinaison de trois effets physiques au sein de l’ailette selon le présent document, à savoir le fait que l’air chaud tend à monter et que cette montée d’air chaud induit une aspiration d’air froid de remplacement par le col et qu’enfin le col conformé pour permettre la génération d’un effet Venturi réalise une accélération de l’air en entrée du conduit.
En réalisant ledit dispositif de la sorte, la géométrie de ce dispositif facilite l’entrée de l’air froid par ledit col à effet Venturi et l’évacuation de l’air chaud par le haut de la seconde extrémité dudit conduit. Ce phénomène est d’autant plus facilité par le fait que l’air chaud, de masse volumique plus faible que l’air froid, monte.
Une explication plus détaillée de ces principes est donnée dans la description détaillée.
Par rapport à l’art antérieur, Il permet de réduire l’utilisation de ventilateurs qui augmentent le coût et l’encombrement d’un tel dispositif. En effet, il n’est plus nécessaire d’employé un système de ventilation électrique ou hydraulique à proximité comme c’est notamment le cas dans l’art antérieur. De ce fait, une autorégulation s’opère et les calories sont évacuées rapidement et efficacement.
Le terme « au voisinage » indique que le col est formé de manière à permettre une circulation d’air frais et son amenée dans le conduit à proximité de la plaque chaude.
Ainsi, l’efficacité de transfert thermique du dispositif à compacité équivalente est améliorée par rapport à la technique antérieure du fait de l’intégration d’une ailette conformée spécifiquement comme indiquée ci-dessus. Selon une autre caractéristique, ladite ailette peut comporter au moins un premier élément de paroi s’étendant latéralement depuis ledit conduit et le long de celui-ci. Un tel premier élément de paroi réalise une fonction similaire de conduction de chaleur depuis la plaque dans le conduit et dans le premier élément de paroi qui y est relié. La présence d’au moins un élément de paroi permet encore d’améliorer le transfert de chaleur de l’air du conduit vers l’extérieur par conduction thermique.
Dans une réalisation particulière, chaque premier élément de paroi peut s’étendre jusqu’à la seconde extrémité dudit conduit.
Chaque premier élément de paroi peut comprendre une première face formant avec une seconde face en vis-à-vis ledit col à effet Venturi. Ainsi, on utilise l’extrémité de la première face du premier élément de paroi pour former une partie du col à effet Venturi.
Au moins un second élément de paroi peut être formé au contact de la plaque et portant ladite seconde face. Ainsi, on ajoute un second élément de paroi qui peut encore améliorer la condition de chaleur de la plaque vers l’extérieur. La compacité est améliorée par l’intégration du col à effet Venturi entre le premier élément de paroi et le second élément de paroi. On comprend que l’élément de paroi peut être annulaire et entourer le conduit autour de l’axe longitudinal.
Chaque premier élément de paroi peut être associé à un second élément de paroi distinct s’étendant latéralement depuis le conduit, chaque second élément de paroi comprenant ladite seconde face. Dans cette configuration, l’ailette comprend une pluralité de premiers éléments de paroi et de seconds éléments de paroi, chaque premier élément de paroi étant associé à un second élément de paroi. Les premiers éléments de paroi et les seconds éléments de paroi peuvent être régulièrement répartis autour de l’axe longitudinal du conduit.
Le conduit peut présenter la forme d’un cylindre qui peut être droit, c’est-à-dire ayant une base à contour fermé et dont les directrices sont parallèles les unes aux autres et perpendiculaires à la base. De préférence, la directrice du cylindre est perpendiculaire à la plaque.
La plus grande longueur à l’intérieur du conduit dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale peut être comprise entre 5 et 20 mm, de préférence de l’ordre de 20 mm. Ledit col à effet Venturi peut déboucher au niveau d’un orifice du conduit, cet orifice ayant une longueur selon la direction longitudinale qui est comprise entre 0,1 et 1 ,5 mm, et une largeur dans une direction perpendiculaire comprise entre 0,1 et 1 mm.
Dans un plan contenant la direction longitudinale et passant par ladite première face et ladite seconde face, l’angle entre ladite première face et ladite seconde face mesurée dans ce plan est comprise entre 0 et 45°.
La dimension du second élément de paroi selon la direction longitudinale peut être strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 0,05 mm. La dimension du premier élément de paroi selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale est comprise entre 3 mm et 10 mm.
La dimension du second élément selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale peut être comprise entre 3 mm et 10 mm.
La dimension du conduit selon la direction longitudinale peut être comprise entre 10 et 30 mm. Ladite ailette comporte au moins une lamelle s’étendant en saillie à l’intérieur du conduit. Ladite ailette peut comporter une pluralité de rangées annulaires de lamelles espacées longitudinalement les unes des autres.
La présence d’une ou plusieurs lamelles permet de créer des turbulences dans l’air chaud remontant depuis la première extrémité du conduit vers la seconde extrémité débouchante de celui-ci, favorisant ainsi la convection.
Les lamelles de chaque rangée annulaire peuvent s’étendre radialement et peuvent être régulièrement réparties autour de l’axe longitudinal.
Le dispositif peut comprendre une pluralité d’ailettes du type précité. Ces ailettes peuvent être réparties du second côté de la plaque, c’est-à-dire sur une seconde face opposée à la première face agencée dans la première zone.
Ladite plaque peut comprendre un substrat céramique métallisé.
Le présent document concerne également un ensemble comprenant un dispositif tel que décrit ci-dessus, dans lequel un module électronique de puissance est appliqué sur ledit premier côté de ladite plaque. Ainsi, la plaque comprenant une première face et une seconde face, la première face reçoit le module électronique de puissance qui va dissiper de la chaleur en fonctionnement et la seconde face de la plaque va permettre de transfert la chaleur générer vers l’extérieur au moyen des dispositifs du présent document.
Le document concerne aussi un procédé d’installation d’un dispositif décrit précédemment, dans lequel ledit dispositif est orienté de manière à ce que ladite seconde extrémité dudit conduit soit orientée vers le haut. De préférence, le conduit est orienté verticalement avec la seconde extrémité orientée vers le haut.
Brève description des figures
[Fig. 1] est un module électronique de puissance selon l’art antérieur,
[Fig. 2] est un mode de réalisation d’un dispositif de transfert de calories selon l’invention,
[Fig. 3] est une vue agrandie du mode de réalisation illustrée en Figure 2,
[Fig. 4] est une vue de dessus du mode de réalisation illustrée en Figure 2,
[Fig. 5] est un second mode de réalisation d’un dispositif de transfert de calories selon l’invention,
[Fig. 6] est un troisième mode de réalisation d’un dispositif de transfert de calories selon l’invention, Description détaillée de l’invention
Le présent document décrit un dispositif de transfert de calories depuis une plaque thermiquement conductrice apte à capter les calories d’une zone placée d’un côté de ladite plaque. Ce type de dispositif peut être employé, par exemple, pour des composants électroniques, des modules électroniques de puissance, ou des systèmes mécaniques mais n’est pas limité uniquement à ce type de systèmes. Le présent document trouve une application particulière dans le domaine de l’aéronautique où les contraintes thermiques, de masse et de volume sont importantes. Cependant, cela n’est pas limité à ce seul domaine et peut tout aussi bien être utilisé dans d’autres domaines tels que l’automobile, les centres de données et l’éolien, le ferroviaire, les bâtiments de surface et les sous-marins.
Ledit dispositif de transfert de calories depuis au moins une source de chaleur repose sur trois phénomènes physiques. Le premier est un constat physique qui est que l’air chaud a tendance à monter vers le haut car il a une masse volumique plus faible que l’air froid. A titre d’exemple, l’air froid à 10°C a une masse volumique de 1 ,247 kg/m3 alors qu’à 85°C, la masse volumique dudit air chaud a une masse volumique de 0,986 kg/m3. Le deuxième phénomène physique peut être illustré par le phénomène intervenant, par exemple, dans une cheminée. En effet, dans une cheminée le mouvement thermodynamique de l’air chaud, précisé précédemment, amène à remplacer l’air chaud qui remonte dans le conduit de cheminée par un airfroid venant dans ce cas particulier de la pièce dans laquelle se situe ladite cheminée. Cela génère dès lors un mouvement de convection. Le dernier phénomène physique est celui découvert par le physicien italien Giovanni Battista Venturi, s’appuyant sur le théorème de Bernouilli. Venturi a mis en évidence que lorsque le débit d’un fluide est constant et que le diamètre du contenant dudit fluide diminue, alors la vitesse du fluide augmente. De plus, la pression dans le contenant avant la restriction est plus faible qu’au niveau de la restriction : il y a formation d’une dépression. En effet, dans ce type de configuration, il y a égalité entre l’énergie par unité de volume avant la restriction et l’énergie par unité de volume juste après la restriction de diamètre du contenant. L’équation régissant ce phénomène est alors :
1 . 1 - Pi + 2 p vï + pghl = p2 + 2 P v2 + P3h 2
Avec dans la zone avant la restriction, Pi la pression dans le contenant avant la restriction, le terme ^-pvi2 correspondant à l’énergie cinétique par unité de volume dont p désigne la masse volumique du fluide et vi désigne la vitesse dudit fluide, et le terme pghi correspond à l’énergie potentielle par unité de volume avec g, l’accélération de la pesanteur et h la hauteur. De façon analogue, les termes à droite de l’équation désignant l’énergie par unité de volume après la restriction désignent les mêmes notions. Un premier mode de réalisation, illustré en Figures 2, 3 et 4, consiste en un dispositif de transfert de calories 28 depuis une plaque thermiquement conductrice 30 apte à capter les calories d’une zone placée d’un premier côté 32 de la plaque 30, ledit dispositif comprenant au moins une ailette 35 placée d’un deuxième côté 34 de ladite plaque 30 opposé au premier côté 32 et comportant un conduit 36 s’étendant selon une direction longitudinale L entre une première extrémité 38 reliée à ladite plaque 30 et une seconde extrémité 40 opposée à la première extrémité 38 et qui est débouchante, ledit conduit 36 étant relié à au moins un col à effet Venturi 42 d’amenée d’air de refroidissement dans le conduit 36, ledit col 42 étant formé au voisinage de la première extrémité 40 dudit conduit 36 et de ladite plaque 30.
Ainsi, ledit dispositif de transfert de calories 28 comprend une ailette 35 qui est extrudée sur un conduit 36 qui véhicule en son sein un air chaud issu d’au moins une zone placée du premier côté de la plaque. Ladite au moins une zone placée du premier côté 32 de la plaque 30 peut être isolée électriquement et/ou thermiquement dudit dispositif de transfert de calories 28 en ajoutant un matériau isolant.
Cette ailette est placée sur un substrat céramique métallisé comme ceux, par exemple, utilisés pour les modules électroniques de puissance. Dans ce mode de réalisation, le substrat employé est un substrat DBA qui a une surface de 40 x 40 mm2 et est constitué d’au moins 3 couches : 0,4 mm d’aluminium, 1 mm en composite aluminium et 0,4 mm d’aluminium. L’ailette comporte au moins quatre premiers éléments de paroi 44 s’étendant latéralement depuis ledit conduit 36, le long de celui-ci et régulièrement répartis autour de la direction longitudinale. Lesdits premiers éléments de paroi s’étendent jusqu’à la seconde extrémité dudit conduit. Chacun de ces premiers éléments de paroi comprend une première face 46 formant avec une seconde face 50 en vis-à-vis ledit col à effet Venturi.
Ledit dispositif comprend quatre seconds éléments de paroi 48 formés au contact de la plaque 30 et portant ladite seconde face 50. Chaque premier élément de paroi 44 est associé à un second élément de paroi 48 distinct s’étendant latéralement depuis le conduit, chaque second élément de paroi comprenant une seconde face.
Les quatre premiers éléments de paroi 44 associés aux quatre seconds éléments de paroi 48 sont au contact avec un air plus froid issu de l’environnement extérieur. Cet air froid peut être issu par exemple de l’air ambiant ou venant d’au moins un ventilateur lointain ou proche dudit dispositif. Un ventilateur est placé avec un débit de 0,01 m3/s et est disposé à 1 m du dispositif de transfert de calories. En d’autre termes, cela signifie que ladite zone 33 placée du premier côté 32 de ladite plaque reçoit une perte de 10 W.
Le dimensionnement de la géométrie de ladite ailette a été optimisé grâce notamment à des modélisations thermodynamiques de sorte à obtenir le dimensionnement tel que ledit dispositif de transfert de calories soit le plus efficace et donc réduise au mieux la température à proximité de la source de chaleur. Ainsi, la dimension du conduit selon la direction longitudinale est comprise entre 10 et 30 mm, par exemple 20 mm et la plus grande longueur à l’intérieur du conduit dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale est comprise entre 5 et 20, par exemple 20 mm. Ledit conduit présente la forme d’un cylindre droit avec une base hexagonale.
La dimension du premier et du second élément de paroi selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale est comprise respectivement entre 3 et 10 mm, par exemple 3,5mm. Une étude paramétrique de la forme dudit col à effet Venturi a été effectuée et a permis de déterminer le dimensionnement le plus performant. Ainsi, ledit col à effet Venturi débouchant au niveau d’un orifice 43 du conduit 36, cet orifice ayant une longueur selon la direction longitudinale qui est comprise entre 0,1 et 1 ,5 mm, par exemple 0,1 mm, et une largeur dans une direction perpendiculaire comprise entre 0,1 et 1mm, par exemple 1 mm. La direction longitudinale et la direction perpendiculaire appartiennent à un même plan perpendiculaire au flux d’air entrant. En outre, un plan contenant la direction longitudinale et passant par ladite première face et ladite seconde face, l’angle entre ladite première face et ladite seconde face mesurée dans ce plan est comprise entre 0° et 45°, par exemple entre 20° et 45°. La dimension dudit second élément de paroi selon la direction longitudinale est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 0,05mm.
En l’absence de dispositif de transfert de calories, la température maximale mesurée dans le module électronique de puissance est de 148°C. De façon avantageuse, grâce audit dispositif de transfert de calories comprenant une ailette, la température est abaissée à 85,6°C.
Selon un autre mode de réalisation, ledit dispositif de transfert de calories peut comprendre une pluralité d’ailettes 35 du type précité comme illustré en Figure 5. Selon ce mode de réalisation, lesdites ailettes 35 sont régulièrement espacées mais peuvent aussi ne pas l’être. Dans ce cas, grâce à cet agencement, la température est abaissée à 82,86°C.
Selon un autre mode de réalisation illustré en Figure 6, le dispositif de transfert de calories se différencie de celui décrit en Figures 2, 3 et 4 en ce que ladite ailette 35 comporte huit lamelles 52 s’étendant en saillie à l’intérieur du conduit 36. Ces lamelles 52 perturbent l’écoulement d’un fluide de refroidissement circulant à l’intérieur dudit conduit 36, créant un flux non laminaire dans le conduit 36. Cette ailette 35 comporte sept rangées annulaires de lamelles espacées longitudinalement les unes des autres. Ces lamelles 52 s’étendent radialement et sont régulièrement réparties autour de l’axe longitudinal L.
Le nombre de lamelles 52 et de rangées annulaires 54 n’est pas limitatif et ledit dispositif de transfert de calories peut comprendre au moins une lamelle 52 et au moins une rangée annulaire 54 mais peut aussi comprendre une pluralité de lamelles et de rangées annulaires 54. Enfin, ledit dispositif de transfert de calories peut comprendre une pluralité d’ailettes 35. Selon un autre mode de réalisation, le conduit peut aussi présenter la forme d’un cylindre droit ou d’un cylindre droit à base circulaire. Le nombre de premier élément de paroi 44 et second élément de paroi 48 de ladite ailette n’est pas limitatif et l’ailette 35 peut comprendre un premier élément de paroi 44 seul ou une pluralité de premiers éléments de paroi 44 ou un premier élément de paroi 44 associé à un second élément de paroi 48 ou une pluralité de premiers éléments de paroi 44 associés à une pluralité de second élément de paroi 48.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de transfert de calories (2) comprenant une plaque (30) thermiquement conductrice apte à capter les calories d’une zone placée d’un premier côté (32) de la plaque (30), au moins une ailette (35) placée d’un deuxième côté (34) de ladite plaque (30) opposé au premier côté (32) et comportant un conduit (36) s’étendant selon une direction longitudinale (L) entre une première extrémité (38) reliée à ladite plaque et une seconde extrémité (40) opposée à la première extrémité et qui est débouchante, ledit conduit (36) étant relié à au moins un col à effet Venturi (42) d’amenée d’air de refroidissement dans le conduit, ledit col à effet Venturi (42) étant formé au voisinage de la première extrémité dudit conduit et de ladite plaque.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel ladite ailette (35) comporte au moins un premier élément de paroi (44) s’étendant latéralement depuis ledit conduit (36) et le long de celui-ci.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel chaque premier élément de paroi (44) s’étend jusqu’à la seconde extrémité dudit conduit (36).
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel chaque premier élément de paroi (44) comprend une première face (46) formant avec une seconde face (50) en vis-à-vis ledit col à effet Venturi (42).
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel au moins un second élément de paroi (48) est formé au contact de la plaque et portant ladite seconde face (50).
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque premier élément de paroi (44) est associé à un second élément de paroi (48) distinct s’étendant latéralement depuis le conduit (36), chaque second élément de paroi (48) comprenant ladite seconde face (50).
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ailette (35) comprend une pluralité de premiers éléments de paroi (44), de préférence quatre, régulièrement répartis autour de la direction longitudinale (L).
8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conduit (36) présente la forme d’un cylindre droit.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la plus grande longueur à l’intérieur du conduit (36) dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale (L) est comprise entre 5 et 20 mm, de préférence de l’ordre de 20 mm.
10. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit col à effet Venturi (42) débouche au niveau d’un orifice (43) du conduit (36), cet orifice (43) ayant une longueur selon la direction longitudinale (L) qui est comprise entre 0,1 et 1 ,5 mm, et une largeur dans une direction perpendiculaire comprise entre 0,1 et 1 mm.
11. Dispositif selon l’une des revendications 4 à 10 et la revendication 3, dans lequel, dans un plan contenant la direction longitudinale (L) et passant par ladite première face (46) et ladite seconde face (50), l’angle entre ladite première face (46) et ladite seconde face (50) mesurée dans ce plan est comprise entre 0 et 45°.
12. Dispositif selon l’une des revendications précédentes et la revendication 5, dans lequel la dimension du second élément de paroi (48) selon la direction longitudinale (L) est strictement supérieure à 0 et inférieure ou égale à 0,05 mm.
13. Dispositif selon l’une des revendications précédentes et la revendication 5, dans lequel la dimension du premier élément de paroi (44) selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale (L) est comprise entre 3 mm et 10 mm.
14. Dispositif selon l’une des revendications 5 à 13, dans lequel la dimension du second élément de paroi (48) selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale est comprise entre 3 mm et 10 mm.
15. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la dimension du conduit (36) selon la direction longitudinale (L) est comprise entre 10 et 30 mm.
16. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite ailette (35) comporte au moins une lamelle (52) s’étendant en saillie à l’intérieur du conduit (36).
17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel ladite ailette (35) comporte une pluralité de rangées annulaires de lamelles (52) espacées longitudinalement les unes des autres.
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel lesdites lamelles (52) de chaque rangée annulaire s’étendent radialement et sont régulièrement réparties autour de l’axe longitudinal.
19. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, comprenant une pluralité d’ailettes (35).
20. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite plaque (30) comprend un substrat céramique métallisé.
21. Ensemble comprenant un dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un module électronique de puissance (2) est appliqué sur ledit premier côté de ladite plaque (30).
22. Procédé d’installation d’un dispositif selon l’un des revendications 1 à 20, dans lequel ledit dispositif est orienté de manière à ce que ladite seconde extrémité (40) dudit conduit (36) soit vers le haut.
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