Brevet FR2012949A1 — publié le 19700327

L'invention concerne un nouveau système de refroidissement à immersion et, plus particulièrement, un système de refroidissement à immersion qui permet une plus grande souplesse dans le groupement des composants électroniques à refroidir. 5 Avec les capacités de miniaturisation procurées par la découverte de com posants électroniques à état solide, de nombreux nouveaux moyens de dissipation de la chaleur émise par les composants à état solide ont été recherchés. Les moyens standards par convection d'air forcé ont atteint leurs limites d'utilisation car la quantité d'air nécessaire pour refroidir efficacement les compo-10 sants, introduit un problème de bruit et, sans quelques techniques auxiliaires, ne peut pas maintenir chacun des nombreux composants à température de fonctionnement. En conséquence, spécialement en rapport avec les dispositifs de traitement à grande échelle, ds nombreuses combinaisons de dispositifs de refroidissement mixtes, air-liquide, ont été mises au point. L'un des plus récents 15 systèmes étudiés est le système de refroidissement par immersion, où la rangée de composants à refroidir est immergée dans un récipient de liquide de refroidissement. Les liquides utilisés sont des composés de fluor et de carbone qui ont un bas point d'ébullition. Ces liquides sont diélectriques et permettent des pointB d'ébullition à des températures relativement basses. Le mode d'ébul-20 lition et par conséquent le transfert de chaleur dépend du flux de chaleur de l'interface existant entre le composant à refroidir et le liquide de refroidissement. Pour un petit flux de chaleur qui est au-dessous du point d'ébullition du liquide, la convexion naturelle se produira. Lorsque le flux de chaleur croit au-delà du point d'ébullition du liquide, une ébullition par germes 25 se produira. L'ébullition à noyau amène l'évaporation du fluide immédiatement adjacent au composant chaud. Alors que les bulles de vapeur se forment et croissent sur la surface chauffée, elles entraînent des courants de microcon-vexion intenses. Ainsi, l'ébullition par germes donne jour à une augmentation de la convexion à l'intérieur du liquide et, en conséquence, améliore le trans-30 fert de chaleur entre la surface chaude et le liquide. Lorsque la température ou le flux de chaleur augmente, l'ébullition par germes s'intensifie jusqu'au point où le nombre de bulles est tel que ces dernières commencent i fusionner, cas où le transfert de chaleur par évaporation est prédominant. Ces modes d'ébullition ou de transferts de chaleur se sont révélés être très efficaces. Ce-35 pendant, on rencontre des problèmes dans la mise en service et le groupage des composants qui sont refroidis par utilisation de ces techniques. Il est à remarquer que les composants à refroidir dans un système â refroidissement du type par immersion ne sont pas tout de suite prêts pour leur mise en service. Soit que l'on doive vidanger le réservoir contenant le liquida 40 dans lesquels les composants sont immergés soit que l'assemblage complet des 69 20453 2 2012949 composants doit être débranché puis retiré du liquide de refroidissement. La mise en service est de plus compliquée par le fait que las liquides de refroidissement sont très volatiles et sont facilement contaminés. Par exemple, cas liquides à bas point d*ébullitipn absorbent facilement l'air, et par conséquent, 5 doivent être dégazés avant toute mise en marche initiale ou après toute exposition ultérieure à l'air. Il est à remarquer aussi que le conditionnement des composants donnant de la chaleur est quelque peu limité puisque les composants doivent tous être immergés dans un réservoir important de liquide à bas point d'ébulition. 10 Le principal objet de la présente invention est de fournir un système de refroidissement du type par immersion qui permet une plus grande souplesse de conditionnement. Un autre objet de la présente invention est de fournir un nouveau système de refroidissement dans lequel les modules Individuels peuvent âtre mis en ser-15 vice sans affecter la marche des autres modules du système ou contaminer le liquide de refroidissement. En résumé, un nouveau système de refroidissement par immersion pour les composants conditionnés en module comprend un récipient commun contenant un liquide à bas point d'ébullition. On relie au réservoir commun plusieurs unités 20 modulaires, chacune contenant une chambre de refroidissement individuelles et ce, au moyen de conduits d'entrée et de sortie. Les chambres de refroidissement individuelles et les conduites d'entrée sont disposées en fonction du réservoir commun, de telle sorte que le liquide coule du réservoir par un conduit d'entrée dans les chambres de refroidissement indivlduellss en utilisant la force de 25 gravité. Le conduit de sortie fournit le chemin de passage des gaz et le chemin d'expansion du liquide pour les chambres de refroidissement respectives. Les composants donnant de la chaleur sont localisés dans chacune des chambres de refroidissement en contact* pour l'échange de chaleur, avec le liquide è bas point d'ébullition afin d'obtenir un refroidissement. On fournit un échan-30 geur de chaleur associé à chacune des chambres individuelles de refroidissement pour éliminer la chaleur du liquide à bas point d'ébullition afin d'obtenir un refroidissement suffisant pour maintenir les dits composants électroniques substantiellement à une températuds prédéterminée. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention 35 rassortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence au* dessins annexés à ce texte, et qui représentent un mode de réalisation préféré-de celle-ci. La figure 1 est une vue schématique partielle et en perspective du système de refroidissement par immersion pour les composants conditionnés modulai-rement selon la présente invention. 40 La figure 2.est une vue en coupe verticale agrandie prise selon l'axa 2 69 20453 3 20T2949 de la figure 1. En se référant à la figure 1, on peut voir un récipient ou réservoir 11 qui contient un liquide ds refroidissement 13. Le récipient 11 est un réservoir hermétique, dont le contenu sst maintenu sous une pression essentiellement cons-5 tante fournie par l'alimentation de gaz comprimé 15. Le gaz comprimé est relié au récipient au moyen d'un conduit 17 contenant une valve 19. A l'intérieur ds la chambre, un dispositif détecteur de pression 21 commande la valve 19 par les connexions de retour 20 Ainsi, le récipient est un récipient isobare ou à pression constante. Le liquide 13 contenu à l'intérieur du récipient 11 est 10 un liquide à bas point d'ébullition tel qu'un composé ds fluor et de carbohe. Ces liquides sont diélectriques et ont un bas point d'ébullition aux environs de la pression atmosphérique. On maintient la basse pression dans le récipient 11 afin d'en maintenir le point d'ébulition à une température fixe puisqu'une modification dans la pression affecte la température à laquelle se produit 1'-15 ébullition. Le liquide 13 est facilement contaminé spécialement par l'air. En conséquence, il est nécessaire de purger l'excès d'air absorbé par ledit liquide 13 avant usage. On accomplit cela par un serpentin de chauffage 22 qui est immergé dans le liquide situé à l'intérieur du récipient 11. L'élévation de la température du liquide 13 au moyen du serpentin de chauffage 22 réduit la solu-20 bilité de l'air dans le liquide, et en conséquence, l'excès d'air contenu dans le liquide est purgé. Une soupape de décompression 24 est localisée au sommet du récipient 11 afin que l'air purgé du liquide 13 puisse s'en aller du récipient hermétique . Ces soupapes sont bien connues et permettent à l'air ou à un gaz le passage dans une seule direction. Une fois que l'excès d'air est pur-25 gé du liquide 13, on peut appliquer le gaz de la source de gaz comprimé pour établir la basse pression prédéterminée pour le système. On fournit aussi une valve manuelle 26 sur le sommet du récipient 11 pour réduire la pression au-dessous de celle que l'on peut obtenir avec la soupape automatique pour le cas où il serait nécessaire de dépressuriser le système. Le récipient 11 est relié 30 par des paires de conduits 26, 32 à plusieurs unités modulaires 30. Chacun des conduits 28, 32 contient un dispositif à valve 29 pour arrêter l'écoulement du liquide 13 entre le récipient 11 et les unités modulaires 30. Le conduit 28 est relié entre le fond du récipient 11 et le fond de l'unité modulaire 30. On montre un autre conduit 32 relié entre le sorrmet de chacune des unités modu-35 lalres et la sommet du récipient 11. On réalise la connexion avec le récipient 11 de préférence au-dessus du niveau du liquide. Ce conduit sert comme ligne de ventilation pour l'unité modulaire de telle sorte qu'il puisse se remplir de liquide provenant du récipient 11 au moyen du conduit d'entrée 28 et que l'air qui y est contenu puisse être ventilé par le conduit de sortie 32. La 40 dernière aération, naturellement, est fournie par la soupape de décompression 69 20453 4 2012949 24 du récipient 11. Ainsi, on peut voir que le récipient 11 est commun à chacune des unités modulaires 30 et fournit un nombre de services à chacune. Par exemple, le récipient 11 fournit le liquide pour chacune des unités modulaires. Il est aussi utilisé comme un réservoir d'expansion pour chacune des unités. 5 Dans le cas où il y aurait une petite fuite quelque part dans le système, la perte de liquide serait compensée par le réservoir de liquide contenu dans le récipient 11, ainsi, le contenu liquide des unités modulaires est maintenu constant. Comme on l'a déjà mentionné, la pression maintenue dans le récipient 11 établit la pression du système entier. Le dégazage obtenu par le moyen de chauf-10 fage 22 et la soupape de décompression 24 au sommet du récipient 11 fournit aussi le dégazage pour les nombreuses unités modulaires 30. Il est à remarquer que les liaisons individuelles de chacune des unités modulaires 30 au récipient 11 fournissent un moyen de mise en service individuel de chacune des unités modulaires sans interruption de la marche des autres unités modulaires du sys-15 tème. Cela nécessite principalement la fermeture des valves du conduit d'entrée 28 et du conduit de sortie 32 reliant l'unité modulaire au récipient 11. Une fois que ces valves sont fermées, l'unité modulaire peut être âtée et dépannée, etc... sans interruption de la marche des autres unités modulaires. On doit noter, que le récipient 11 est localisé par rapport aux unités modulaires 30 20 afin de fournir une alimentation du liquide 13 par gravité. Par conséquent, on évite un dispositif de pompage pour le liquide. Les unités modulaires 30 peuvent être localisées selon plusieurs arrangements différents autres que cslui montré dans la figure 1. Ainsi, le système permet une souplesse considérable dans le conditionnement des unités modulaires. L'ensenfcle bi-dimentionnel impor-25 tant des unités modulaires 30, comme on le montre dans la figure 1, permet une accéssion facile à chacune des unités modulaires et est probablement l'arrangar ment de conditionnement le plus simple. Les unités modulaires 30 contiennent un panneau 40 sur lequel sont montés les composants 41 à refroidir. Les composants 41 sont montés en un arrangement 30 vertical bi-dimentionnel de colonne et de ligne. Il est important durant la marche que les composants soient maintenus en colonnes verticales pour obtenir le refroidissement le plus efficace. Le panneau 40 forme une paroi de l'unité modulaire 30 et porte le composant sur sa face interne. Le côté extérieur du panneau 40 contient le câblage et les moyens de connexion pour les composants 35 41 montés sur le panneau. Chacune des unités modulaires 30 comporte une chambre 42 dans laquelle les conduits 28, 32 sont reliés directement. Ainsi, la chambre 42 est remplie avec le liquide à bas point d'ébullition fourni par le récipient 11. La chambre 42 est limitée par le panneau 40, déjà décrit une paroi parallèle opposée 45 et les parois de sommet et de fond 46 et 47 respectivement. 40 L'échangeur de chaleur 44 se trouve à l'intérieur de la chambre 42 de chacune 69 20453 5 2012949 des unités modulaires» L'échangeur de chaleur 44 est fait d'un matériau non conducteur de chaleur pour conduire la chaleur du liquide à bas point d'ébullition dans lequel il est immergé dans chaque chambre 42. L'échangeur de chaleur 44 contient aussi ailettes élettes 50 se prolongeant de sa surface vers les 5 composants 41 è refroidir. Ces ailettes 50 fournissent une plus grande surface de contact avec le liquide à bas point d'ébullition et améliore ainsi le transfert de chaleur entréeux. La chaleur est éliminée de l'échangeur de chaleur 44 au moyen d'eau refroidie 52 qui est fournie par une alimentation séparée, □n fait circuler l'eau dans l'échangeur de chaleur 44 pour éliminer la chaleur 10 qui y est absorbée. Comme on le montre, l'entrée et la sortie d'eau de l'échangeur de chaleur traversent les parois 45 de la chambre d'unité modulaire 42. □n ne représente pas le moyen de circulation d'eau puisqu'il n'appartient pas à l'invention et consiste essentiellement en une pompe et en des moyens d'échan ges de chaleur tel qu'un refroidiaseur d'eau. 15 On peut voir dans la figure 2, que les ailettes 50 de l'échangeur de cha leur 44 sont très proches des composants électroniques 41 à refroidir. Les ailettes 50, au moyen de l'eau circulant à travers l'échangeur de chaleur 44, sont maintenues à une température sous-refroidie, c'est à dire à une température inférieure à la température de saturation du liquida à bas point d'ébulli-20 tion. Alors que la température des composants électroniques 41 augmente, le liquide à bas point d'ébullition adjacent à la surface la plus chaude des composants est chauffé et il se produit des courants de convexion à l'intérieur du liquide à bas point d'ébullition. Lorsque la température de surface des composants électroniques dépasse la température de saturation du liquide â bas 25 point d'ébullition, il se produit une ébullition par germe à la surface. Cette ébullltion consiste en bulles de vapeur se formant dans le liquide à la surface chaude. L'ébullition par germe à la surface entraîne des courants de micro-convexion qui augmentent la suppression de chaleur de la surface chaude des composants. Les bulles d'ébullition de germe s'élèvent et sont essentiellement 30 arrêtées par les déflecteurs 54 qui se trouvent au-dessus de chaque composant électronique 41. Les déflecteurs 54 sont disposés pour dévier les bulles d'âbul lition de germe dans les zones à ailettes adjacentes de l'échangeur de chaleur 44. Les bulles de vapeur se condensent lors du contact avec les ailettes plus froides 50 de l'échangeur de chaleur 44. La condensation des bulles produit 35 une agitation du liquide qui entraîne des courants de convexion qui fournissent un bon échange de chaleur entre le liquide à bas point d'ébullition et l'échangeur de chaleur. Naturellement, un peu de chaleur est transportée par la vapeur des bulles d'ébulition elle-même qui est transférée aux ailettes 50 de l'échangeur de chaleur 44 lors de leur condensation. Les déflecteurs 54 psu-40 vent être faits de tout matériau approprié tel que le plastique et sont dispo- 69 20453 6 2012949 ses salon un angle tel que les bulles soient déviées dans la zone d'ailette souhaités* Las déflecteurs 54 ont un avantage supplémentaire par le fait qu'ils évitant ®ux bulles de s'élever le long ds la surface des composants situés au-dessus où allés formeraient uns barrière de vapeur qui interférerait avec le 5 transfert ds chaleur entre cas composants et le liquide à bas point d'ébullition» Lss composants 41 fournissant ds la chaleur sont maintenus à une température substantiellsmsnt uniforme» Lorsque la température de quelques composants augmente au-dessus de la température de saturation du liquide à bas point d'é-bullition, l'ébullition par germes sa produit et maintient la température du 10 composant à une température substantiellement fixe. Lorsque la température du composant augmentes l'ébullition par germes augmenta proportionnellement fournissant ainsi un rafroidissament eddionnal nécessaire» Naturellement, si la température du ssmpossnt continus è augmenter, l'âhulition par germes ae poursuit mais la transfert de chaleur par êvaporetion devient plus Importante et 15 éventuellernsnt préds^ine» Evsntuellamsnt, le flux de.chaleur atteint un maximum et uns augmentation ultérieure ds la température entraîne une diminution du taux/Si ciallur» Le système décrit psut fournir un refroidissement par un dispositif du type à irrrosrsion qui permet un conditionnement plus souple et un entretien individuel des unités sans interruption de la marche du reste du sys-20 tème» Bicin qua l'on ait décrit dans es qui précède et représenté sur les dessins las caractéristiques principales ds l'invention appliquées à un mode dé réalisation préféré d@ GSlla-ei, il sst évident qus l'homme ds l'art peut y apporter toutes modifications de forme su de détails qu'il juge utiles-sans pour autant 25 sortir du cadre de ladite invention» BAD ORIGINAL^ 69 20453 7 2012949 REVENDICATIONS 1.- Dispositif de refroidissement par immersion pour des composants groupés en modules caractérisé en ce qu'il comprend: 5 - un récipient qui contient un liquide à bas point d'ébullition - plusieurs unités modulaires, chacune contenant une chambre individuelle de refroidissement - plusieurs conduites d'entrée,chacune d'elles reliant une chambre de refroidissement au récipient commun 10 - plusieurs conduites de sortie, chacune d'elles reliant une chambre de refroidissement au récipient commun, les dites chambres individuelles de refroidissement et les conduites d'entrée étant placées par rapport au récipient commun de telle sorte que le liquide s'écoule, depuis le récipient commun jusqu'aux chambres de refroidissement par l'intermédiaire des conduites d'entrée, 15 en utilisant la force de gravité, les conduites de sortie fournissant un chemin de passage des gaz et un chemin d'expansion du liquide par les chambres individuelles de refroidissement. - des composants qui engendrent de la chaleur, situés dans chacune des chambres de refroidissement et qui sont en contact, pour l'échange de chaleur, avec 20 le liquide à bas point d'ébullition afin d'obtenir un refroidissement -un échangeur de chaleur associé à chacune des oharabres individuelles de refroidissement pour éliminer la chaleur du liquide à bas point d'ébullition afin d'obtenir un refroidissement suffisant pour maintenir les composants à une température prédéterminée 25 2«- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le récipient commun comporte une valve unidirectionnelle d'aération et un dispositif de dégazage, ce dernier renfermant un élément de chauffage situé dans le liquide à bas point d'ébullition de telle sorte que le gaz puisse Stre purgé de ce liquide en éle- 30 vant la température dudit liquide, le gaz s'échappant du récipient par l'intermédiaire de la valve d'aération. 3.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le récipient commun est hermétiquement clos et une pression constante y est maintenue . 35 4.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les composants qui engendrent de la chaleur sont disposés selon un réseau bidimentionnel vertical dans chacune des chambres de refroidissement, ledit échangeur de chaleur étant parallèle au réseau vertical de composants, et les composants et l'échangeur 40 de chaleur étant séparés par le liquide à bas point de fusion dans chacune des 69 20453 8 2012949 chambres ds refroidissement. 5.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le point d'ébullition du liquida à bas point d'ébullition est maintenu suffisamment bas pour fournir 5 des bulles d'ébullition sur la surface exposée des dits composants lorsque leur température dépasse la température prédéterminée. 6.- Dispositif selon la revendication 5 dans lequel des éléments pour dévier les bulles d'ébullition sont situés au-dessus de chacun des composants 10 dans le réseau de telle sorte que les bulles s'élevant à partir des composants soient déviées vers l'échangeur de chaleur associé. 7.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'échangeur de chaleur est une chambre relativement plate située dans chacune des chambres de refroi-15 dissement, les parois de cette chambre échangeur de chaleur étant en contact avec ls liquida è bas ppint d'ébullition et comportant une circulation de fluide de refroidissement pour évacuer la chaleur reçue du liquide à bas point d'ébullition. 20 8.- Dispositif selon la revendication 7 dans lequel les parois de l'échan geur de chaleur qui font face aux composants possèdent des ailettes afin de présenter une surface plus importante pour condenser plus rapidement les bulles de l'ébullition déviées st pour accélérer le refroidissement du liquide à bas point da fusion. 25 9»- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les conduites d'entrée et les conduites de sortie, reliant chacune des chambres individuelles de refroidissement at le récipient commun, contiennent des valves qui interrompent l'écoulement du liquide à bas point d'ébullition de telle sorte que des unités 30 modulaires puissent être soustraites du dispositif de refroidissement par immersion sans affecter le refroidissement des autres unités modulaires.