WO2023046734A1 - Ensemble électronique comportant un élément de refroidissement - Google Patents

Ensemble électronique comportant un élément de refroidissement Download PDF

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    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids

Definitions

  • the present invention relates to the cooling of the electronic assembly of an electrical machine of a motor vehicle, and for example a rotating electrical machine.
  • the invention finds applications in the field of rotating electrical machines such as generators, alternators, alternator-starters, whose voltages are between 10 and 60V, and for example are equal to or greater than 48V.
  • the electronic assembly arranged in an electronic housing, comprises at least one electronic module whose temperature rises during its operation, the value of the rise in this temperature being linked to the dimensioning of the electronic module.
  • the increase in temperature will cause significant damage to the electronic module itself and to the other elements of the electronic assembly.
  • the cooling circuit generally made of aluminium, is placed under the electronic module.
  • a problem with this type of cooling circuit comes from the fact that the heat exchange between the aluminum and the cooling fluid is not sufficient to obtain effective cooling of the power modules. Indeed, since aluminum is not sufficiently conductive, the temperature of the cooling fluid is heterogeneous along the cooling circuit. This left hot spots under the electronic modules.
  • the object of the present invention is therefore to overcome one or more of the drawbacks of the devices of the prior art by proposing an improved cooling system by limiting the hot spots, which consequently limits the damage due to thermal effects by lowering the temperature.
  • the present invention proposes an electronic assembly comprising an electronic housing in which are arranged at least one electronic module and a cooling element arranged under the electronic module, the cooling element being arranged between the electronic module and a support surface of the electronic housing.
  • the cooling element is thus arranged so as to allow the cooling of the electronic components and more particularly of the electronic module.
  • the cooling element is formed by at least one heat-conducting metal plate.
  • the conductivity of the metal plate is greater than or equal to 150 w/m.k.
  • the conductivity of the metal plate is greater than or equal to 200 w/m.k.
  • the cooling element has a thickness of between 2 and 5 mm.
  • the cooling element is fixed to the support and to the electronic module with a thermal glue or an equivalent.
  • the thickness of the thermal adhesive is between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • the cooling element is an anodized aluminum metal plate.
  • the invention also relates to a machine assembly comprising an electric machine and an electronic assembly according to the invention.
  • the invention also relates to the use of the assembly according to the invention in a motor vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a cross-sectional view of an electronic housing with cooling system according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a cross-sectional view of an electronic housing with cooling system according to another embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a cross-sectional view of an electronic housing with cooling system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a cross-sectional view of an electronic housing with cooling system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a cross-sectional view of an electronic housing with cooling system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 1 illustrates an electronic assembly 100 comprising an electronic housing 20 with a cooling element 10, and an electronic module 1, for an electric machine.
  • the electric machine is for example a rotating electric machine.
  • the rotating electrical machine is of the generator, alternator, alternator-starter type, the voltages of which are between 10 and 60V, and for example are equal to or greater than 48V.
  • the electronic housing 20 comprises at least one electronic module 1.
  • the electronic module 1 is a power module 1.
  • a power module 1 is an electronic module containing semiconductor chips (for example so-called power transistors), designed to produce energy conversion circuits, such as those for example of a switching cell, an inverter or even a bridge rectifier.
  • semiconductor chips for example so-called power transistors
  • the electronics housing 20 comprises power electronics components.
  • the electronic housing 20 comprises components of the control electronics.
  • the cooling element 10 is arranged under the electronic module 1 and on a support surface 2 of the electronic housing 20 . More specifically, the cooling element 10 is arranged between the electronic module 1 and the support surface 2 of the electronic housing 20 . The cooling element 10 is thus arranged so as to allow the cooling of the electronic components and more particularly of the electronic module 1.
  • the cooling element 10 is formed by at least one heat-conducting metal plate 10 .
  • the conductivity of the metal plate 10 is greater than or equal to 150 w/m.k.
  • the conductivity of the metal plate 10 is greater than or equal to 200 w/m.k.
  • the conductivity of the metal plate 10 is equal to 200 w/m.k.
  • the plate thus makes it possible to have greater conductivity allowing better heat exchange and making it possible to avoid hot spots.
  • the metal plate 10 has a thickness of between 2 and 5 mm.
  • the metal plate 10 has a thickness equal to 4 mm.
  • the metal plaquelO is fixed to the support 2 and to the electronic module 1 with an adhesive heater or equivalent, shown [Fig. 2],
  • the thickness of 3 thermal glue is between 0.1mm and 0.5mm.
  • the thickness of the thermal adhesive is equal to 0.3 mm.
  • the metal plate 10 is arranged in at least one housing 4 formed at the level of the surface 2 of the support.
  • the cooling element 10 is thus arranged in the thickness of the wall 61 of the electronic housing 20, forming the surface 2 of the support.
  • Such an arrangement allows a reduction in the size in the electronic housing by reducing the total thickness of the layers formed by the plate 10 and the electronic module 1, and the thermal glue 3.
  • the electronic assembly 100 comprises at least one plate 10 under each electronic module 1, illustrated [Fig. 4],
  • the electronic assembly 100 comprises more than one plate 10 under each electronic module, illustrated [Fig. 5]
  • the electronic assembly 100 comprises a plate 10 common to several electronic modules 1, that is to say arranged under several electronic module 1.
  • the cooling element 10 is a heat dissipation element formed by at least one anodized heat-conducting metal plate 10 . More specifically, the plate 10 is electrically insulated, and its thermal conductivity is greater than that of the cooling circuit 6.
  • Such a plate allows better heat dissipation.
  • the plate is made of anodized aluminum. According to one embodiment of the invention, the plate is entirely anodized on all its faces. Total anodizing of the plate, ie on both sides, provides a double insulation barrier, and avoids any contact between the power module and the cooling circuit.
  • the plate is made of anodized 6060 aluminum.
  • Aluminum 6060 is composed of Si 0.30-0.60, Fe 0.10-0.30, Cu 0.1 max, Mn 0.1 max, Mg 0.35-0.60, Cr 0.05 max, Zn 0.15 max, Ti 0.10 max, Al the rest.
  • the electronic assembly 100 also comprises a cooling system 60 comprising a cooling circuit 6 arranged under the support surface 2 so as to allow the electronic components and more particularly the electronic module 10 to be cooled.
  • the cooling circuit 60 is formed by a channel 62 formed in the body 61 of the circuit 6. According to one embodiment of the invention, the cooling circuit 60 is formed by a circular channel 62 or in the form of a parallelepiped or any shape compatible with the operation of the cooling circuit 6.
  • the cooling circuit 60 is made of aluminum.
  • the cooling circuit 60 is traversed by a cooling fluid, and for example water or a water-glycol mixture.
  • the cooling circuit 60 comprises on its internal surface primary protrusions 64 and/or secondary turbulent protrusions 65, also called pins.
  • the internal surface is defined by the surface of the circuit 60 in contact with the cooling fluid.
  • the cooling circuit 60 is closed by a cover 66.
  • the primary and secondary protuberances are thus arranged so as to force the water to turbulate and make it possible to detach the cooling fluid from the internal surface. This increases the heat exchange.
  • the invention also relates to a machine assembly comprising an electric machine and an electronic assembly (100) according to the invention.
  • the invention also relates to the use of the assembly 100 according to the invention in a thermal, electric or hybrid vehicle.

Abstract

La présente invention concerne un ensemble (100) électronique comportant un logement (20) électronique dans lequel sont disposés au moins un module (1) électronique et un élément (10) de refroidissement disposé sous le module (1) électronique, caractérisé en ce que l'élément (10) de refroidissement est disposé entre le module (1) électronique et une surface support (2) du logement (20) électronique.

Description

Description
Titre de l'invention : Ensemble électronique comportant un élément de refroidissement La présente invention concerne le refroidissement de l'ensemble électronique d'une machine électrique d'un véhicule automobile, et par exemple une machine électrique tournante.
Plus particulièrement, l'invention trouve des applications dans le domaine des machines électriques tournantes telles que les générateurs, alternateurs, les alterno-démarreurs, dont les tensions sont comprises entre 10 et 60V, et par exemple sont égales ou supérieures à 48V.
L'ensemble électronique, disposé dans un logement électronique, comporte au moins un module électronique dont la température s'élève lors de son fonctionnement, la valeur de l'élévation de cette température étant liée au dimensionnement du module électronique.
L'augmentation de température va créer des dommages importants au niveau du module électronique lui-même et au niveau des autres éléments de l'ensemble électronique.
Pour limiter ces effets thermiques, il est connu d'utiliser un circuit de refroidissement du logement électronique. Le circuit de refroidissement, en général en aluminium, est disposé sous le module électronique.
Un problème avec ce type de circuit de refroidissement provient du fait que l'échange thermique entre l'aluminium et le fluide de refroidissement n'est pas suffisant pour obtenir un refroidissement efficace des modules de puissance. En effet, l'aluminium n'étant pas suffisamment conducteur, la température du fluide de refroidissement est hétérogène le long du circuit de refroidissement. Il est reste ainsi des points chauds sous les modules électroniques.
La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un système de refroidissement amélioré en limitant les points chauds, qui par conséquent limite les dommages dus aux effets thermiques en abaissant la température.
Pour cela la présente invention propose un ensemble électronique comportant un logement électronique dans lequel sont disposés au moins un module électronique et un élément de refroidissement disposé sous le module électronique, l'élément de refroidissement étant disposé entre le module électronique et une surface support du logement électronique.
L'élément de refroidissement est ainsi disposé de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement du module électronique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément de refroidissement est formé par au moins une plaque métallique conductrice de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la conductivité de la plaque métallique est supérieure ou égale à 150 w/m.k.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la conductivité de la plaque métallique est supérieure ou égale à 200 w/m.k.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément de refroidissement a une épaisseur comprise entre 2 et 5 mm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément de refroidissement est fixé au support et au module électronique avec une colle thermique ou un équivalent.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur de la colle thermique est comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément de refroidissement est une plaque métallique en aluminium anodisé.
L'invention concerne également un ensemble machine comprenant une machine électrique et un ensemble électronique selon l'invention.
L'invention concerne également l'utilisation de l'ensemble selon l'invention dans un véhicule automobile.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées, données à titre d'exemple et dans lesquelles:
- la [Fig. 1] est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale d'un logement électronique avec système de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention, - la [Fig. 2] est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale d'un logement électronique avec système de refroidissement selon un autre mode de réalisation de l'invention,
- la [Fig. 3] est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale d'un logement électronique avec système de refroidissement selon un autre mode de réalisation de l'invention,
- la [Fig. 4] est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale d'un logement électronique avec système de refroidissement selon un autre mode de réalisation de l'invention,
- la [Fig. 5] est une représentation schématique d'une vue en coupe transversale d'un logement électronique avec système de refroidissement selon un autre mode de réalisation de l'invention.
La [Fig. 1] illustre un ensemble 100 électronique comportant un logement 20 électronique avec un élément 10 de refroidissement, et un module 1 électronique, pour machine électrique.
La machine électrique est par exemple une machine électrique tournante. Par exemple, la machine électrique tournantes est du type générateur, alternateur, alterno- démarreurs, dont les tensions sont comprises entre 10 et 60V, et par exemple sont égales ou supérieures à 48V.
Le logement 20 électronique comprend au moins un module 1 électronique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le module 1 électronique est un module 1 de puissance.
Dans le cadre de l'invention, un module 1 de puissance est un module électronique contenant des puces semi-conductrices (par exemple des transistors dit de puissance), conçu pour réaliser des circuits de conversion d'énergie, comme ceux par exemple d'une cellule de commutation, d'un onduleur ou encore d'un pont redresseur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le logement 20 électronique comprend des composants de l'électronique de puissance. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le logement 20 électronique comprend des composants de l'électronique de commande. Dans le cadre de l'invention l'élément 10 de refroidissement est disposé sous le module 1 électronique et sur une surface support 2 du logement 20 électronique. Plus précisément, l'élément 10 de refroidissement est disposé entre le module 1 électronique et la surface support 2, du logement 20 électronique. L'élément 10 de refroidissement est ainsi disposé de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement du module 1 électronique.
Dans le cadre de l'invention, l'élément 10 de refroidissement est formé par au moins une plaque 10 métallique conductrice de chaleur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la conductivité de la plaque 10 métallique est supérieure ou égale à 150 w/m.k.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la conductivité de la plaque 10 métallique est supérieure ou égale à 200 w/m.k.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la conductivité de la plaque 10 métallique est égale à 200 w/m.k. La plaque permet ainsi d'avoir une plus grande conductivité permettant un meilleur échange de chaleur et permettant d'éviter les points chauds Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaque 10 métallique a une épaisseur comprise entre 2 et 5 mm.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaque 10 métallique a une épaisseur égale à 4 mm.
Plus la plaque est épaisse, plus la conductivité est augmentée. Une telle épaisseur permet ainsi un compromis entre la conductivité et l'encombrement de la plaque. De cette façon, la plaque permet d'avoir une plus grande surface d'échange et d'éviter les points chauds Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaquelO métallique est fixée au support 2 et au module 1 électronique avec une colle thermique ou un équivalent, illustré [Fig. 2], L'épaisseur de la colle 3 thermique est comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'épaisseur de la colle thermique est égale à 0,3 mm.
Selon un mode de réalisation de l'invention illustré [Fig. 3], la plaque 10 métallique est disposée dans au moins un logement 4 formé au niveau de la surface 2 du support. L'élément 10 de refroidissement est ainsi disposé dans l'épaisseur de la paroi 61, du logement 20 électronique, formant la surface 2 du support. Un tel agencement permet une diminution de l'encombrement dans le logement électronique en diminuant l'épaisseur totale des couches formées par la plaque 10 et le module 1 électronique, et la colle 3 thermique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble 100 électronique comporte au moins une plaque 10 sous chaque module 1 électronique, illustré [Fig. 4],
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble 100 électronique comporte plus d'une plaque 10 sous chaque modulel électronique., illustré [Fig. 5]
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ensemble 100 électronique comporte une plaque 10 commune à plusieurs modules 1 électronique, c'est-à-dire disposée sous plusieurs module 1 électronique.
Dans le cadre de l'invention, l'élément 10 de refroidissement est un élément de dissipation thermique formé par au moins une plaque 10 métallique conductrice de chaleur anodisée. Plus précisément la plaque 10 est isolée électriquement, et sa conductivité thermique est supérieure à celle du circuit 6 de refroidissement.
Une telle plaque permet une meilleure dissipation thermique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaque est en aluminium anodisé. Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaque est entièrement anodisée, sur toutes ses faces. L'anodisation totale de la plaque, c'est-à-dire sur ses deux faces, permet d'avoir une double barrière d'isolation, et d'éviter tout contact entre le module de puissance et le circuit de refroidissement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la plaque est en aluminium 6060 anodisé. L'aluminium 6060 est composé de Si 0,30-0,60, Fe 0,10-0,30, Cu 0,1 max, Mn 0,1 max, Mg 0,35-0,60, Cr 0,05 max, Zn 0,15 max, Ti 0,10 max, Al le reste.
Dans le cadre de l'invention, l'ensemble 100 électronique comporte également un système 60 de refroidissement comportant un circuit 6 de refroidissement disposé sous la surface 2 de support de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement du module 10 électronique.
Le circuit 60 de refroidissement est formé par un canal 62 formé dans le corps 61 du circuit 6. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit 60 de refroidissement est formé par un canal 62 circulaire ou en forme de parallélépipède ou toutes formes compatibles avec le fonctionnement du circuit 6 de refroidissement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit 60 de refroidissement est en aluminium.
Le circuit 60 de refroidissement est parcouru par un fluide de refroidissement, et par exemple de l'eau ou un mélange eau-glycol.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit 60 de refroidissement comporte sur sa surface interne des excroissances 64 primaires et/ou des excroissances turbulatrices 65 secondaire, également appelés picots. La surface interne est définie par la surface du circuit 60 en contact avec le fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit 60 de refroidissement est fermé par un capot 66.
Les excroissances primaires et secondaires sont ainsi disposées de façon à de forcer l'eau à turbuler et permettent de décoller le fluide de refroidissement de la surface interne. Cela augmente l'échange thermique.
L'invention concerne également un ensemble machine comprenant une machine électrique et un ensemble (100) électronique selon l'invention.
L'invention concerne également l'utilisation de l'ensemble 100 selon l'invention dans un véhicule thermique, électrique ou hybride.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims

7 Revendications
1. Ensemble (100) électronique comportant un logement (20) électronique dans lequel sont disposés au moins un module (1) électronique et un élément (10) de refroidissement disposé sous le module (1) électronique, caractérisé en ce que l'élément (10) de refroidissement est disposé entre le module (1) électronique et une surface support (2) du logement (20) électronique.
2. Ensemble (100) électronique selon la revendication 1, dans lequel l'élément (10) de refroidissement est formé par au moins une plaque (10) métallique conductrice de chaleur.
3. Ensemble (100) électronique selon la revendication 2, dans lequel la conductivité de la plaque (10) métallique est supérieure ou égale à 150 w/m.k.
4. Ensemble (100) électronique selon une des revendications 1 ou 3, dans lequel la l'élément (10) de refroidissement est une plaque métallique en aluminium anodisé.
5. Ensemble (100) électronique selon une des revendications 1 à 4, dans lequel l'élément (10) de refroidissement a une épaisseur comprise entre 2 et 5 mm.
6. Ensemble (100) électronique selon une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément (10) de refroidissement est fixé au support (2) et au module (1) électronique avec une colle thermique (3) ou un équivalent.
7. Ensemble (100) électronique selon la revendication 6, dans lequel l'épaisseur de la colle (3) thermique est comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm.
8. Ensemble machine comprenant une machine électrique et un ensemble (100) électronique selon une des revendications 1 à 7.
9. Utilisation de l'ensemble (100) selon une des revendications 1 à 7 dans un véhicule automobile.
PCT/EP2022/076192 2021-09-27 2022-09-21 Ensemble électronique comportant un élément de refroidissement WO2023046734A1 (fr)

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