Brevet FR2002153A1 — publié le 19691017

i 2002153 • La présente, invention concerne un dispositif d'échange thermique pour des composants électroniques et, plus, particulièrement, un récipient étanche dans lequel les composants électroniques sont refroidis par vaporisation d'un liquide échangeur 5 de chaleur contenu dans ce récipient. La présente invention se propose de réaliser une enceinte pour refroidir des composants électroniques par la vapeur, comprenant un récipient étanche, ians lequel sont logés des composants électroniques qui sont immergés dans un liquide échangeur de chaleur pour évacuer la 10 chaleur et stabiliser la température. On connaît différents moyens pour refroidir les composants électroniques par la vapeur dans un récipient étanche, le refroidissement étant effectué en faisant bouillir un liquide échangeur de chaleur en contact avec les composants et en 25 condensant les vapeurs sur les surfaces d'échange thermique du récipient. Un tel dispositif comporte une chambre de dilatation séparée pour condenser les vapeurs de façon à ne pas augmenter la pression dans le fluide de refroidissement. Dans an autre dispositif, le cycle d'échange thermique s'effectue entièrement 20 dans un récipient étanche, partiellement rempli d'un liquide réfrigérant, la vapeur se condensant sur les parois du récipient situées au-dessus du niveau du liquide afin de maintenir une température de fonctionnement contrôlée pour les composants électroniques . Les caractéristiques de refroidissement du dispo-25 sitif précédent sont déterminées par le volume du récipient et la surface de condensation qui, à son tour, détermine la pression sous laquelle fonctionne le dispositif de refroidisseiaent. On peut augmenter la surface de refroidissement de ce récipient en utilisant des ailettes. 30 Dans les dispositifs antérieurs, aucune disposition n'est prise pour maintenir le contact entre les composants électroniques et le milieu liquide échangeur de chaleur si le récipient est monté sur une base mobile. Si la quantité de chaleur évacuée n'est pas constante, les composants seront surchauffés. 35 Pour une évacuation optimale de chaleur, il est aussi nécessaire que les composants électroniques générateurs de chaleur soient disposés dans le milieu liquide de façon que la chaleur soit évacuée par le liquide au lieu que ce soit les moyens de support qui absorbent la chaleur. Il est aussi souhaitable de brancher 40 les composants électroniques enfermés dans le récipient pour 69 03422 2 2002153 gagner de la place et réduire les dimensions de l'enceinte autant qu'il est possible. La présente invention sera mieux comprise par la description suivante d'une forme de réalisation.particulière, 5 donnée à titre d'exemple, et représentée au dessin annexé, dans lequel : La figure 1 est une vue extérieure d'une enceinte suivant lâ présente'invention, une partie de la paroi avant étant supprimée pour en montrer l'intérieur. 10 La figure 2 représente une forme de réalisation préférée des moyens de support, décrits dans la figure 1, pour les composants électriques générateurs de chaleur. La figure 3 est une autre forme de réalisation de l'enceinte suivant l'invention. 15 La présente invention concerne une enceinte pour des composants électroniques qui comporte un récipient étanche possédant des surfaces d'échange thermique sur les parois extérieures et contenant plusieurs composants électroniques générateurs de chaleur immergés dans un liquide échangeur de chaleur 20 et susceptible de se vaporiser, remplissant partiellement ce récipient. D'autres composants électroniques dégageant moins de chaleur sont disposés dans ce récipient et sont au moins partiellement situés au-dessus du niveau de liquide, ces composants étant espacés pour servir de diviseurs pour ce liquide 25 lorsque tout l'ensemble est incliné.. Les composants électroniques immergés sont suspendus à un organe de support de sorte que le liquide échangeur de chaleur est en contact direct avec la majeure partie des surfaces extérieures de ces composants. Cet organe de support peut être fabriqué à partir d'un 30 matériau conducteur pour servir de conducteur commun pour tous les composants électriques suspendus. Puisque cet organe de support ne sert pas d'absorbeur de chaleur, il n'est pas nécessaire de tenir compte de ses caractéristiques d'échange thermique, ët il peut être muni de moyens servant à protéger les composants 35 fragiles contre les vibrations et les chocs. De la même façon, les conducteurs électriques provenant de ces composants peuvent être reliés à l'organe de support sans tenir compte du transfert de chaleur. Les composants électriques suspendus dans l'espace libre 40 et situés au moins partiellement au-dessus du niveau du liquide, 69 03422 3 2002153 sont espacés des parois du récipient de façon à délimiter des passages relativement étroits. Le liquide circule dans ces passages étroits lorsque l'enceinte est inclinée afin de maintenir un transfert de chaleur optimal vers les parois du récipient. Le 5 volume intérieur du récipient sera choisi de façon à être suffisamment important pour que les composants puissent être suspendus, au-dessus du niveau du liquide de la façon décrite ci-dessus. Le niveau du liquide est suffisant pour permettre l'inclinaison de l'enceinte contenant les composants électroniques sans exposer 10 aucun des composants électroniques totalement submergés, et la quantité utilisée pour le volume particulier d'un récipient est telle que ce liquide bout à une température inférieure à la température qui provoquerait un claquage de ces composants. En cloisonnant l'espace libre restant dans le récipient, au-dessus 15 du liquide échangeur thermique, avec des composants électroniques dégageant une chaleur plus faible, on peut utiliser l'ensemble dans différentes dispositions spatiales sans interrompre le trajet de transfert de chaleur par le liquide. Le rassemblement des composants électroniques dégageant moins de chaleur dans des 20 compartiments étanches permet de mieux diviser l'espace libre déterminant le volume qui est occupé. Un tel rassemblement facilite aussi la réparation et le remplacement des composants électroniques. Puisque les composants électroniques principaux sont 25 totalement submergés dans le liquide échangeur de chaleur, il devient nécessaire de choisir des liquides qui ont des propriétés diélectriques. Heureusement, on dispose de nombreux liquides diélectriques possédant des points d'ébullition stables pour des pressions de fonctionnement très importantes dans le récipient et 30 à une température inférieure à la température de claquage des composants électroniques. Il est aussi essentiel que le liquide échangeur de chaleur choisi ne corrode pas ou ne réagisse pas chimiquement de façon importante avec les composants électroniques submergés, et il est souhaitable de choisir un liquide qui n'est 35 pas inflammable et qui n'est pas toxique. Les réfrigérants liquides, par exemple les hydrocarbones fluorés et les chlorures de méthylène, sont les fluides échangeurs de chaleur préférés du point de vue des caractéristiques d'échange thermique et satisfont à tous les autres critères mentionnés ci-dessus . De nombreux 40 autres liquides convenables peuvent être choisis suivant le 69 (33422 4 2002153 domaine de température de fonctionnement de l'ensemble et, si l'ensemble doit fonctionner dans un véhicule, il devient nécessaire de tenir compte du point de congélation du liquide choisi. 5 Les composants électroniques principaux sont éloignés de l'organe de support pour faciliter l'évacuation de chaleur dans le liquide en ébullition. Dans la forme de réalisation préférée de l'organe de support, représentée dans là figure 2, les composants électroniques sont suspendus dans le liquide par 10 l'intermédiaire de moyens de fixation situés au-dessous de cet organe. Grâce à l'écartement de l'organe de suspension, le liquide échangeur de chaleur est en contact avec toutes les surfaces extérieures des composants, et les bulles formées lorsque le liquide bout ne se trouvent pas emprisonnéesi Si les 15 bulles ne s'échappent pas, il apparaît des points chauds' qui peuvent entraîner un claquage électrique ou mécanique des composants électroniques adjacents . Pour maintenir un trajet de transfert de chaleur dans le liquide pour les composants submergés, on utilise plusieurs organes de support convenablement 20 espacés dans le récipient. Cette façon de disposer les composants principaux facilite aussi la réparation et l'entretien de tout l'ensemble. On a trouvé que lorsque les composants principaux générateurs de chaleur sont des transistors de puissance, une diminution importante de la résistance thermique apparaît 25 lorsque la dissipation de puissance augmente. Dans la figure 1, une enceinte 2 possède des parois extérieures comportant des surfaces d'échange thermique 3, 4, 5 et 6. L'organe de base 8 de cette enceinte est destiné à être monté, par des moyens classiques, sur une base mobile (non 30 représentée) de façon que l'ensemble soit vertical. La forme de réalisation particulière représentée, est conçue pour être orientée horizontalement par rapport au plan de la terre bien qie, comme ôn le verra dans une autre forme de réalisation, l'ensemble peut être conçu pour être monté dans d'autres plans 35 spatiaux. Cette enceinte a la forme d'un récipient possédant un couvercle 7 formé de plusieurs plaques parallèles pour permettre d'enlever séparément les couvercles 7a et 7b. Un bloc de composants électroniques 10 est suspendu au couvercle de l'enceinte pour délimiter un passage étroit avec les parois 40 intérieures . Le démontage du couvercle 7a permet d'accéder aux 69 03422 5 2002153 composants électroniques logés dans le bloc 10. De la même façon, un second bloc de composants électroniques 11 est suspendu dans l'enceinte et éloigné du premier bloc pour diviser une nouvelle fois la cavité interne. Le couvercle 7b permet d'accéder 5 séparément à ce second bloc de composants . La partie inférieure de l'intérieur du récipient est remplie d'un liquide 12 échangeur de chaleur, un espace libre 13 étant ménagé pour les vapeurs liquides . Les composants électroniques principaux sont suspendus dans le liquide par l'intermédiaire d'organes de montage 14. 10 Lors du fonctionnement, la chaleur fournie par les composants électroniques principaux entraîne l'ébullition du liquide, les vapeurs du liquide occupant un espace libre laissé dans la cavité interne. Ces vapeurs du liquide se condensent sur les parois intérieures de l'enceinte pour former des gouttelettes 15 qui glissent le long des parois et rejoignent la masse liquide. On obtient ainsi un cycle d'échange thermique continu qui ne nécessite pas de régulation extérieure. La chaleur est aussi évacuée par conduction à travers le liquide maintenu en contact physique avec les composants électroniques principaux. Cette 20 double action d'évacuation de la chaleur permet de miniaturiser l'enceinte d'une façon plus importante que celle qui serait obtenue par une autre méthode. La figure 2 représente une forme de réalisation préférée d'un organe de support 14 pour suspendre les composants élec-25 troniques principaux dans le récipient. Cet organe est constitué d'un corps allongé 15 possédant des perçages 16 laissant le passage à des goujons filetés 17. Ces goujons s'étendent suffisamment bas en dessous du corps de l'organe de support pour que le liquide fasse contact avec toutes les parois des composants 30 électroniques suspendus . Une ouverture taraudée 18 est ménagée dans chacun des composants électroniques 19 pour permettre de les suspendre aux goujons. Les connexions électriques vers ces composants peuvent être réalisées en choisissant des matériaux conducteurs pour les goujons et pour le corps 14 si une applica-35 tion particulière exige une borne électrique commune. Par exemple, un circuit de transistors de puissance en parallèle peut être conçu de façon qu'une des électrodes de chacun des composants soit reliée électriquement à l'organe 14, un ensemble de conducteurs électriques séparés étant utilisé pour effectuer le 40 branchement commun des autres électrodes . Puisque les 69 03422 6 2002153 caractéristiques thermiques de l'organe de support ne sont pas utilisées pour évacuer la chaleur, il est aussi possible d'utiliser des techniques optimales pour protéger les composants suspendus des chocs mécaniques et des vibrations. Par conséquent, on 5 peut utiliser des matériaux élastomères comme montures anti-choc pour les conducteurs fragiles des composants, sans diminuer l'évacuation de chaleur. La figure 3 est une vue extérieure d'une autre forme de réalisation de l'enceinte suivant la présente invention. 10 Pour faciliter la compréhension, les éléments identiques sont désignés par les mêmes références que dans la figure 1. Par conséquent, l'enceinte 2 se présente sous la forme d'un récipient étanche possédant des parois latérales comportant des surfaces d'échange thermique 4 et 5, un couvercle 7 et une base 8. Un 15 bloc de composants électroniques 10 est suspendu à l'intérieur de ce récipient dans l'espace libre 13 situé au-dessus du niveau du liquide 12 échangeur de chaleur. Ce bloc de composants électroniques délimite un passage étroit avec les parois intérieures du récipient pour permettre l'évacuation de chaleur par 20 un trajet de fluide lorsque l'enceinte est inclinée. Un organe de support 14, destiné aux composants électroniques principaux, est aussi disposé au voisinage d'une paroi du récipient et recouvert par le liquide échangeur thermique. L'évacuation de chaleur à partir de cette enceinte, s'effectue de la même manière 25 que celle qui a été décrite ci-dessus pour la forme de réalisation de la figure l. La localisation des composants électroniques principaux le long d'une paroi latérale de l'enceinte permet de les enlever pour une réparation ou un remplacement sans déplacer les autres éléments électroniques . 30 On notera que pour certaines applications pour lesquelles cette enceinte est exposée à des chocs mécaniques importants, par exemple dans un véhicule, on peut protéger les composants fragiles en utilisant des techniques d'amortissement connues . 69 03422 7 2002153 - REVENDICATIONS - 1. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques, caractérisée par le fait qu'elle comporte un récipient étanche possédant des surfaces d'échange thermique sur les parois extérieures et contenant plusieurs composants électro- 5 niques principaux générateurs de chaleur, immergés dans un liquide échangeur de chaleur remplissant partiellement le récipient, et susceptible de se vaporiser, d'autres composants électroniques dégageant une chaleur plus faible disposés dans le récipient de façon à se trouver au moins partiellement au-dessus du niveau du 10 liquide échangeur de chaleur, ces composants étant espacés pour servir de cloisonnements pour le liquide lorsque le récipient est incliné, et un organe de support destiné aux composants principaux et permettant le contact direct du liquide échangeur de chaleur avec toutes les surfaces dissipant de la chaleur de 15 chaque composant. 2. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 1, caractérisée par le fait que les composants électroniques dégageant une chaleur plus faible sont enfermés dans une enveloppe étanche. 20 3. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 1 ou 2, caractérisée par le fait que l'organe de support, destiné aux composants électroniques principaux, est électriquement conducteur, ces composants étant reliés électriquement à ce support. 25 4. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 3, caractérisée par le fait que les surfaces d'échange thermique sont des ailettes de refroidissement. 5. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 3, caractérisée par le fait que le liquide 30 échangeur de chaleur est un liquide diélectrique possédant un point d'ébullition inférieur à la température à laquelle les composants électroniques enfermés peuvent être endommagés . 6. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 3, caractérisée par le fait que le 35 récipient étanche comporte des parois latérales comprenant les surfaces d'échange thermique qui s'étendent verticalement à partir d'une base et que les composants électroniques principaux sont disposés au voisinage de cette base. 69 03422 8 200-2153- 7. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 3, caractérisée par le fait que le récipient étanche possède des parois latérales comprenant les surfaces d'échange thermique qui s'étendent verticalement à 5 partir d'une base, et que les composants électroniques principaux sont disposés au voisinage d'une paroi latérale. 8. Enceinte de refroidissement pour composants électroniques suivant 6 ou 7, caractérisée par le fait que les composants électroniques principaux sont suspendus à partir 10 de l'organe de support par l'intermédiaire de moyens de fixation qui les éloignent du corps de cet organe, ces composants électroniques étant interconnectés électriquement par un ensemble de conducteurs électriques «