Brevet FR2071964A1 — publié le 19710924

La présente invention concerne un système de refroidissement destiné à un ensemble de traitement de données et concerne plus particulièrement un système perfectionné pour refroidir des composants électroniques assemblés sous forme de modules. 5 Au fur et à mesure que les techniques de miniaturisation des composants électroniques ont progressé un des facteurs limitant la dimension a été le refroidissement. Au fur et à mesure que la dimension des composants est rédui* te, la surface de dissipation de la chaleur est aussi réduite. En conséquence, il s'est avéré nécessaire d'élaborer de nouvelles techniques, pour refroidir 10 les composants miniaturisés. Récemment, on a cherché à réaliser des systèmes de refroidissement du type par immersion dans lesquels l'ensemble de composants à refroidir est plongé dans un réservoir de liquide réfrigérant. Les liquidés utilisés sont les nouveaux liquides diélectriques composés fluorés de carbone qui ont un point d'ébullition bas. Ces liquides donnent divers modes de refroi» 15 dissement à des températures relativement basses. Les modes de refroidissement et en conséquence le transfert de la chaleur dépendent du flux de chaleur à l'interface entre le composant à refroidir et le liquide réfrigérant. Pour un flux de chaleur qui produit une température inférieure au point d'ébullition du liquide, une convection naturelle prend naissance. Quand le flux 20 de chaleur fait augmenter la température au-delà du point d'ébullition du liquide, une ébullition dite de nucléation a lieu. Cette ébullition provoque la vaporisation du liquide immédiatement adjacent aux composants chauds. Comme les bulles de vapeur se forment et croissent sur la surface chauffée, elles provoquent des courants de micro**convection intenses. Ainsi, l'ébulli* 25 tion de nucléation provoque une augmentation du refroidissement par convection à l'intérieur du liquide et en conséquence, augmente le transfert de chaleur entre la surface chaude et le liquide. Quand le flux de chaleur augmente, 1'ébullition de nucléation augmente jusqu'à un point où les bulles commencent à se combiner et le transfert de chaleur par vaporisation prédomine. Le trans-30 fert de chaleur par ébullition de nucléation s'est avéré très satisfaisant. Cependant, il se pose des problèmes pour utiliser et assembler des composants qui sont refroidis en utilisant cette technique. Dans une demande de brBvet n° 70323B8 déposée par la demanderesse en France le 1er Septembre 1970 est décrit un système de refroidissement dans 35 laquelle la circulation du liquide réfrigérant est induite thermiquement ce qui permet d'obtenir une régulation du refroidissement dans des composants électroniques assemblés sous forme de modules. La régulation est réalisée par le flux à deux phases qui se produit dans la ligne de retour allant des modules au réservoir de fluide réfrigérant placé au»dessus. Ce flux est cons» 40 titué de bulles de vapeur et de liquide réfrigérant. Lorsqu'il pénétre dans 70 40279 2 2071964 le récipient, les vapeurs viennent en contact avec un condenseur et le fluide tombe dans le fluide contenu dans le récipient. Le refroidissement réalisé par ce système auto-régulé à deux phases s'est avéré très satisfaisante pour les systèmes dB puissance basse ou moyenne. Cependant, il faut un système 5 de refroidissement plus efficace pour les applications aux puissances élevées où une quantité de chaleur bien plus grande est engendrée. Les deux caractéristiques principales qui, limitent l'efficacité d'un tel système de refroidissement sont la limitation de la circulation à travers les enceintes de refroidissement du module et les contre-pressions engendrées dans les enceintes 10 contenant les modules provoquées par le fluide réfrigérant dans les conduits conduisant les diverses enceintes au réservoir de liquide placé au-dessus. A cause de l'emplacement vertical d'un module particulier dans l'ensemble, la contre-pression différera. En conséquence, le principal objet de la présente invention est de réa* 15 User un système de refroidissement plus efficace permettant de traiter les flux de chaleur élevés engendrés dans les ensembles de traitement de données aux puissances élevées. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un système de refroidissement perfectionné par liquide qui fournit une contre-pression 20 minimale et égale, à chaque module à refroidir. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un système de refroidissement à liquidB perfectionné qui comporte des moyens de condensation supplémentaires pour les vapeurs. Un autrëjet de la présente invention est de réaliser un système de refroi-25 dissement perfectionné qui permet de réaliser un refroidissement pendant un temps prédéterminé après une panne dans la circulation. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un système de refroidissement perfectionné dans lequel tout le transfert du liquide dans le sens vertical est réalisé au moyen d'éléments verticaux du bSti. 30 En résumé, l'invention concerne un système de refroidissement perfection né à liquide pour un ensemble de traitement de données dans lequel plusieurs modules de composants électroniques à refroidir sont placés dans des enceintes dans lesquelles circule un liquide réfrigérant alimenté par gravité à partir d'un réservoir tampon placé au sommet du système de refroidissement. Une 35 colonne de séparation de phase est utilisée, cette colonne étant connectée à la sortie de chacune des enceintes contenant les modules par des conduits de longueur égale. Les composants à l'intérieur des modules provoquent une ébullition de nucléation à l'intérieur du liquide réfrigérant. Les bulles de vapeur et le liquide réfrigérant passent par le conduit et pénétrent dans 40 la colonne de séparation de phases où les bulles de vapeur s'élèvent et le 70 40279 3 2071964 liquide tombe. Un condensateur est placé au-dessus de la colonne de séparation de phase pour condenser les bulles de vapeur. La vapeur condensée et le liquide dans la colonne de séparation de phase sont ramenés au système de circulation. Un moyen de refroidissement est placé dans le système de circulation 5 pour ramener le fluide réfrigérant à une température inférieure au point d'ébullition. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention rassortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 10 La figure 1 représente un schéma d'un système de refroidissement pour un ensemble de traitement de données. La figure 1a représente une partie d'une unité de cartes de circuits sur laquelle sont montés des modules de composants électroniques destinés à être refroidis. 15 Sur la figure 1 sont représentées plusieurs unités de cartes de circuits 10 contenant chacune plusieurs modules de composants électroniques 12 à refroidir. Les modules 12 sont montés à l'arrière d'une carte de circuit imprimé 14. Les modules 12 sont introduits dans unB enceinte de refroidissement 16 qui entoure la carte de circuit 14. Chacun des modules de composants électroni-20 ques 12 comprend des blocs semiconducteurs 18 montés sur un plot 20 situé dans une enceinte de petit volume 22. Un certain nombre de ces blocs et plots 20 sont introduits dans l'une des chambres 22 et forme le module de composants électroniques 12. L'enceinte 22 a une entrée inférieure 24 et une sortie supérieure 26 de sorte que le liquide réfrigérant peut circuler à travers 25 elle. Plusieurs de ces modules 12 sont représentés sur la figure 1a. Les dispositifs semiconducteurs 18 lorsqu'ils fonctionnent engendrent de la chaleur qui est amenée au plot 20 où se produit une ébullition de nucléation. Les bulles s'élèvent et passent dans l'ouverture 26 de l'enceinte 22 et vont dans l'enceinte 16 plus grande contenant la carte de circuit. Au fur et à 30 mesure que le flux de chaleur engendré par le dispositif semiconducteur 18 augmente, 1'ébullition de nucléation tend à augmenter à l'intérieur de limites déterminées et de ce fait augmente le refroidissement. Chaque enceinte 16 a une sortie 28 au voisinage du sommet relié au conduit 30 qui connecte l'enceinte 16 à une colonne de séparation de phases 32. L'enceinte 16 comporte aussi 35 une ouverture d'entrée 34 au voisinage du bas permettant de faire la liaison par l'intermédiaire d'un conduit 36 à une colonne d'entrée 38. La colonne d'entrée 38 est constituée par une colonne à l'intérieur d'un élément vertical du bâti de l'ensemble de traitement de données. La colonne d'entrée 38 est connectée au voisinage de son sommet à un réservoir tampon 40 qui est placé 40 dans le système de circulation. Le système de circulation comprend une pompe 70 40279 4 2071964 42 placés dans le réservoir inférieur -44 du liquide réfrigérant. Le liquide est pompé à partir du réservoir 44 et amené au réservoir 40 par l'intermédiaire d'un système de refroidissement 46 où il est refroidi à une température prédéterminée inférieure à son point d'ébullition. Le liquide réfrigérant 5 après avoir passé dans l'élément 46 monte dans un conduit 40 formé dans un autre élément vertical du bSti de l'ensemble de traitement de données. Le liquide circule depuis le haut de l'élément 48 et va au réservoir 40 par l'intermédiaire d'un conduit 50. Le liquide à cause de son poids passe par l'ouverture 52 et le conduit 54 placé au bas du réservoir 40 et ainsi va 10 dans la colonne d'entrée 38. Au fur et à mesure que la colonne d'entrée 38 se remplie de liquide, le liquide passe de la colonne 38 par l'intermédiaire d'un moyen de connexion d'entrée 36 et va aux enceintes 16. Le liquide réfrigérant peut être entraîné par l'ouverture de la soupage 77 au bas de la colonne d'entrée 38 pour aller au réservoir 44. Ce réservoir 44 a un volume suf-15 fisant pour contenir tout le fluide réfrigérant dans le système. Ainsi, si le système réfrigérant entier est au repos, le réservoir 44 sera pratiquement plein. Les différences dans les positions verticales des enceintes 16 par rapport au réservoir tampon 40 à partir duquel le fluide réfrigérant est obtenu engendrent une différence de la pression du liquide à l'intérieur 20 de chacune des enceintes 16. Afin de maintenir les pressions égales, à l'intérieur de chacune des enceintes 16, quelque soit leur position verticale, un orifice 56 est placé dans chacune des lignes d'entrées 36 allant aux enceintes 16. Ces orifices 56 ont des ouvertures de plus en plus petites au fur et à mesure que l'on se déplace vers le bas dans la colonne verticale. Ensuite, 25 par un réglage uniforme correcte des ouvertures 56, la pression de liquide à l'intérieur de chacune des enceintes 16 est rendue pratiquement constante. Les connexions 30 entre l'ouverture de sortie 28 de chaque enceinte 16 et la colonne de séparation de phase 32 sont d'égales longueurs. Le flux à deux phases passe à l'intérieur de ce conduit 30 quand le liquide réfrigérant 30 et les bulles de vapeur provenant de l'enceinte 16, circulent à travers lui. Lorsque le flux à deux phases sort du conduit 30, et va à l'intérieur de la colonne de séparation de phase 32, les bulles de vapeur s'élèvent dans la colonne et le liquide réfrigérant tombe à l'intérieur de la colonne et va au réservoir inférieur 44 placé en dessous de la colonne 32. On se rendra 35 compte que la colonne de séparation de phase 32 fournit une contre-pression basse aux ensembles 16. La seule contre-pression est due à la chute de pression faible du fluide à l'intérieur de la connexion 30 entre l'enceinte 16 et la colonne de séparation de phase 32. Si toutes ces connexions 30 sont d'égales longueurs et assez courtes, les contre-pressions sont maintenues égales et 40 faibles. De même, la colonne de séparation de phase 32, fait partie d'un 70 40279 5 2071964 élément de bSti vertical ou peut Être constituée par le bâti vertical lui-mfime. Les bulles provenant du haut de la colonne de séparation dé phase 32 viennent en contact avec un condenseur 60 où les vapeurs se condensent. Le condenseur 60 est constitué d'un certain nombre d'ailettes 62 qui sont main» 5 tenues à une température basse grâce à un liquide réfrigérant qui circule à travers elles. Ce liquide secondaire est obtenu à partir d'une source auxi-liaire non représentée et passe dans l'élément de refroidissement 46 et il est ensuite pompé et amené par le conduit 64 au condenseur 60. Les vapeurs condensées provenant du condenseur 60 tombent goutte à goutte dans le bas 10 du récipient 66 dans lequel est placé le condenseur 60 et circulent ainsi dans une colonne de trop plein 66 qui est placée à l'intérieur du mSme élément du bâti vertical que la colonne de séparation de phase 32. C'est-à-dire, la colonne de trop plein 68 comporte une paroi commune 70 avec 1a. colonne de séparation de phase 32 à l'intérieur du bSti vertical. De même, l'autre 15 paroi 72 de la colonne 68 est commune avec la colonne d'entrée 38. Le système de circulation est réalisé pour qu'il y est une circulation plus importante que si on n'utilisait que l'alimentation par gravité à partir du bas du réservoir 40. Ainsi, le réservoir 40 qui est ouvert tend à déborder continuellement et le liquide débordant est rassemblé dans l'enceinte 60 dans laquelle est 20 placé le réservoir 40. Ce liquide débordant passe dans la colonne 68 avec la vapeur condensée et va au réservoir inférieur 44. Ce liquide réfrigérant débordant refroidit la paroi commune 70 partagée avec la colonne de séparation de phase 32. Ainsi, la paroi 70 sert d'échangeur de chaleur ou de condenseur pour les bulles de vapeur qui circulent à l'intérieur. Des ailettes 74 peuvent 25 Stre placées le long de la paroi 70 et peuvent dépasser dans la colonne de séparation de phase 32 pour améliorer la condensation des bulles de vapeur. Le liquide dans la colonne 68 va aussi dans le réservoir inférieur. 11 se mélange dans ce réservoir avec le liquide qui a été chauffé par la circulation à travers les modules. Le liquide réfrigérant provenant de la colonne de 30 débordement refroidit le liquide dans le réservoir inférieur, ce qui réduit la possiblité de cavitation dans la pompe qui est plongée dans le liquide dans le réservoir inférieur. Le réservoir 40 a un volume suffisant pour fournir le flux de liquide réfrigérant pendant un temps prédéterminé quand le réservoir tampon 40 se 35 vide, lorsqu'il y a une panne dans le système de circulation. Ce temps, par exemple de 30 secondes sera suffisant pour passer à une pompe auxiliaire (non représentée). Un ventilateur 76 se présentant sous la forme d'une lame entraînée par un moteur est placé au-dessus du condenseur. Le ventilateur 76 régie la tur-40 bulence à la surface du condenseur 60 et améliore la condensation en réalisant 70 40279 6 2071964 une circulation importante de sorte que les bulles de vapeur viennent en contact avec les ailettes de refroidissement 62. Un dessicateur 78 est connecté à l'enceinte supérieure 66 contenant le réservoir 40. Cette unité contr&le l'air ambiant à l'intérieur de l'enceinte au fur et à mesure que le fluide 5 réfrigérant et les vapeurs tendent à provoquer la saturation de l'air ambiant et peuvent poser des problèmes en se condensant sur les éléments du bâti etc... Il est évident que le système de refroidissement n'est pas limité à une colonne d'unités de cartes de circuit 10 à refroidir, mais peut s'appliquer 10 à un certain nombre de colonnes d'unités de cartes de circuit connectées d'une façon analogue à celle représentée sur la figure 1. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut 15 y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 40279 7 2071964 REVENDICATIONS 1.- Système de refroidissement par liquide dBStiné à un ensemble de traitement de données du genre comprenant: plusieurs modules de composants électroniques à refroidir, 5 plusieurs enceintes danschaane desqielfes . est placé un des modules de composants électroniques, un système pour faire circuler un liquide réfrigérant, essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte: un réservoir tampon placé au sommet du système de refroidissement cons-10 tituant une source d'alimentation par gravité du liquide réfrigérant, un moyen de connexion d'entrée reliant chacune des enceintes au réservoir tampon, les différentes enceintes étant placées en-dessous du réservoir tampon de sorte que le liquide circule dans ses enceintes à cause de sa gravité, une colonne de séparation de phase, 15 plusieurs conduits de sortie ayant tous la mSme longueur, chacun reliant une des enceintes à la colonne de séparation de phase, de sorte que le flux à deux phases constituées des bulles de vapeur et du liquide réfrigérant est amené à ladite colonne, dans laquelle les bulles de vapeur s'élèvent et le liquide tombe, 20 un condenseur placé au-dessus de la colonne de séparation de phase per mettant au bulles de vapeur de se condenser, le liquide dans la colonne et les vapeurs condensées entrant de nouveau dans le système de circulation, un moyen de refroidissement placé dans le système de circulation pour ramener le fluide réfrigérant à une température inférieure au point d'ébulli-25 tion. 2.- Système de refroidissement à liquide selon la revendication 1 caractérisé en ce que une colonne de trop plein est placée à cûté de la colonne de séparation de phase et permet de recueillir le liquide réfrigérant débordant du réservoir tampon dans le système de circulation, cette colonne constituant 30 un moyen d'échange de la chaleur avec la colonne de séparation de phase, 3.- Système de refroidissement à liquide selon la revendication A caractérisé en ce que le moyen de connexion d'entrée reliant chacune des enceintes au réservoir tampon comprend une colonns d'Entrée verticale dont l'extrémité supérieure est connectée au réservoir tampon et comprend un conduit reliant 35 chacune des sncsintss à la colonne d'entrée verticale de sorte que dans chacune de ces snceintes passe le liquide réfrigérant entraîné par son poids. 70 40279 8 2071964 4.- Système de refroidissement à liquide selon les revendications/3 caractérisé en ce qu'un élément vertical du bâti de l'ensemble de traitement de données comprend la colonne de séparation de phase, la colonne de trop plein et la colonne d'entrée. 5 5.- Système de refroidissement à liquide selon la revendication a caractérisé en ce que la colonne de séparation des phases et la colonne de trop plein sont séparées par une paroi commune formée d'un matériau bon conducteur de la chaleur. 6.- Système de refroidissement à liquide selon la revendication 4 caractéri» 10 se en ce que des ailettes sont fixées à la paroi commune et sont placées dans la colonne de séparation de phases et servent de moyen de condensation auxiliaire pour la vapeur montante. 7.- Système de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de circulation du liquide réfrigérant comprend un élément 15 du bâti vertical creux Bt une pompe qui pompe le liquide réfrigérant à travers l'élément du bâti creux pour l'envoyer au réservoir tampon ouvert. 8.- Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de condensation placé au sommet de la colonne de flux â deux phases comprend un élément du bâti vertical creux à travers lequel est pompé le liquide refroidi.