Brevet FR2335050A1 — publié le 19770708

La présente invention concerne un refroidisseur à liquide pour un composant électrique, dans lequel un matériau isolant électrique et bon conducteur de la chaleur est utilise pour la séparation du potentiel électrique du liquide réfrigérant d'un autre potentiel du composant Lorsque le refroidissement par convection ne convient plus, par suite d'une évacuation de chaleur insuffisante ou d'un encombrement excessif, le refroidissement par liquide ou vaporisation est utilisable pour des composants électriques à dissipation de chaleur élevée. Le refroidissement par vaporisation utilise des liquides inertes, dans lesquels les composants à refroidir sont immergés, à l'intérieur d'un réservoir étanche. Le dégagement de chaleur vaporise le liquide inerte à une température déterminée et soutire ainsi de la chaleur aux composants. Les vapeurs se condensent dans un échangeur de chaleur. Il est avantageux de pouvoir monter les composants avec un faible écartement, en vue d'un bon refroidissement. L'échangeur de chaleur assurant la condensation des vapeurs présente toutefois de grandes dimensions, Des pertes électriques supplémentaires se produisent en outre, car les composants sont en contact avec le liquide inerte. Pour le refroidissement par liquide, comme dans tout mode de refroidissement, les composants électriques sont généralement fixés sur des corps métalliques, assurant une liaison thermoconductrice entre la source de chaleur et le fluide réfrigérant. Ces corps métalliques présentent toutefois naturellement aussi une conduction électrique, ce qui est un inconvénient quand la source de chaleur est portée à un potentiel électrique différent de celui du réfrigérant. Les radiateurs doivent alors être séparés entre eux ou du reste du circuit de refroidissement par des tubes ou flexibles isolants. Le réfrigérant ne doit en outre pas être conducteur d'électricité. De l'eau distillée et désionisée se prête par exemple à cet usage. Dans un montage redresseur à semiconducteurs connu, deux éléments redresseurs sont fixés sur un radiateur comportant une ouverture traversante pour la circulation d'un liquide réfrigérant et couplés électriqÜe- ment pour former un montage redresseur. Ce montage est caractérisé en ce que le radiateur est constitué par un corps métallique de base plat et par un couvercle en matériau isolant bon conducteur de la chaleur; un de ces deux éléments comporte sur la face en regard de l'autre des aménagements pour une cavité formée par les deux éléments et servant de canal de refroidissement, ainsi que des tubulures pour le raccordement de canalisations de liquide réfrigérant; une partie au moins de la surface du couvercle, située à faible distance du canal de refroidissement, comporte une couche métallique intermédiaire divisée, se prêtant a la fixation d'éléments redresseurs; les éléments redresseurs non enrobés sont fixes chacun sur une couche intermédiaire métallique par leur pastille de redressement et leur sortie supérieure est connectée à un conducteur fixé sur la couche métallique intermédiaire voisine; et l'ensemble cons titué par le radiateur, les éléments redresseurs et les tronçons conducteurs est enrobé dans une masse isolante (demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le no 23 37 694). Un tel montage ne permet qu une mauvaise utilisation de l'espace, qui pourrait toutefois être améliorée en munissant le couvercle de canaux de refroidissement de forme complexe, mais la fabrication serait alors difficile. Le rapport du refroidissement å l'encombrement demeure néanmoins relativement faible. Un autre inconvénient réside dans la nécessité de métalliser certaines parties des composants, ce qui accroit les coûts de production. Les composants doivent enfin présenter des parois suffisamment épaisses pour supporter les pressions d'application s exerçant entre le corps métallique de base et le couvercle et nécessaires pour assurer l'étanchéité du canal de refroidissement.Il en résulte un accroissement inutile de la capacité thermique et une réduction de la transmission ther mique entre les composants électriques a refroidir et le liquide réfrigérant. On connaît par ailleurs un redresseur à semiconducteurs de puissance élevée, comportant des cellules de redressement couplées en série et en parallèle, et caractérisé en ce que chaque couplage en série comprend deux ou plusieurs cellules redresseuses et un fusible; et seuls les composants situés aux extrémités de chaque couplage en série sont reliés à des barres refroidies par eau et assurant le couplage en parallèle, tandis que la connexion des composants de chaque couplage en série est assurée par des colliers isolés entre eux, montés sur des tubes parcourus par de l'eau, avec interposition de minces couches isolantes (brevet de la République fédérale d'Allemagne n0 1 208 008). Cet appareil pose le dilemne suivant : les minces couches isolantes réduisent l'isolation électrique entre les cellules redresseuses et le liquide réfrigérant ou, quand leur épaisseur augmente, diminuent notablement l'évacuation de chaleur. Dans le cas de l'appareil connu, on a adopté plusieurs circuits du liquide réfrigérant, isolés électriquement (pour les composants d'un montage), chaque circuit étant dimensionne pour la rigidité électrique correspondant à une partie des tensions observées; cette solution aboutit de nouveau à l'inconvénient precedem- ment décrit : les circuits d'eau de refroidissement doivent être relies par des canalisations isolantes et le liquide réfrigérant utilisé doit etre isolant. L'invention a pour objet un refroidisseur à liquide pour composants électriques, dans lequel le liquide réfrigérant employé ne doit pas nécessairement être isolant et permettant d'obtenir néanmoins une rigidité électrique élevée, tout en assurant un bon refroidissement sous un encombrement réduit.ta constitution mécanique doit etre simple et le refroidisseur facile à produire. Il convient entre de supprimer au maximum des joints d'étanchéité supplémentaires sur les flexibles isolants reliant des tubes conducteurs, parcourus par le liquide réfrigérant. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, des pièces métalliques sont fixées sur une paroi réalisée dans le matériau étanche au liquide réfrigérant, afin d'établir le contact thermique avec les composants. Dans le refroidisseur selon l'invention, un réservoir ou tronçon de tube réalisé dans le matériau bon conducteur de la chaleur fait ainsi partie du réseau de circulation du liquide, ce qui permet de racçourcir à l'extrême le trajet du flux calorique entre les composants électriques et le liquide réfrigérant. La résistance thermique est par suite très faible sur ce trajet, d'autant plus que les matériaux bons conducteurs de la chaleur considérés ici sont ceux ayant une conductibilité thermique inférieure à 1/10 de celle de l'aluminium pur.Le refroidisseur selon l'invention aboutit en outre à une importante simplification constructive, qui peut autre renforcée quand la paroi est autoportante. Une nouvelle simplification constructive peut être obtenue en montant sur un tube ou réservoir de liquide réfrigérant un collier, dont une moiti# au moins est réalisée dans un matériau bon conducteur de la chaleur, est en contact avec le matériau précité et porte un composant. L'autre demi-collier peut etre réalisé dans un matériau isolant ou, comme le premier, dans un matériau bon conducteur de la chaleur, en contact avec le matériau de la paroi du liquide réfrigérant. Dans ce dernier cas, le second demi-collier peut porter un autre composant au moins. La fixation d'un ou plusieurs composants sur un collier peut s'effectuer par vissage dans un trou fileté de ce dernier. Le meilleur matériau pour la paroi étanche au liquide est une céramique d'oxyde métallique, et notamment la céramique d'alumine KER 710 selon la norme DIN 40685. On obtient ainsi un très bon refroidissement, des dimensions réduites par rapport à celle du refroidissement par convection et une très bonne isolation électrique entre la source de chaleur et le liquide réfrigérant. Le tube de liquide réfrigérant autoportant est en outre simultanément le support et l'isolateur électrique des sources de chaleur portées a des potentiels électriques différents. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est la vue en perspective d'un refroidisseur selon l'inven tisons la figure 2 est le plan a échelle réduite du refroidisseur de la figure I; la figure 3 est la vue en perspective d'un autre refroidisseur préférentiel; et les figures 4 et 5 représentent des coupes de détail. Les pièces semblables portent les mêmes repères sur les figures. Le refroidisseur selon figure 1 est utilisable par exemple pour un redresseur haute tension de 30 000 V, dissipant 10 000 W. La tension inverse élevée est obtenue par le couplage en série d'environ 120 diodes ayant chacune une tension inverse de 400 V. Les diodes sont toujours montées en parallèle deux par deux, du fait de l'intensité élevée. Un équipement additionnel des diodes est prévu pour assurer une répartition régulière de la tension. La figure 1 ne représente qu'une partie de ces diodes et par suite du refroidisseur. Chacune des diodes représentées constitue un des composants électriques 1 refroidis par liquide, comportant chacun un embout fileté et un six pans. Chaque embout fileté est vissé dans un trou taraudé correspondant des demi-colliers métalliques 2 et 3.Les colliers, dont le diamètre intérieur présente des tolérances serrées, sont assemblés a l'aide de vis 4 et entourent un tube 5 en céramique d'alumine, destiné a la circulation du liquide réfrigérant et dont la surface est rectifiée a des tolérances serrées. Les demicolliers 2, 3 sont isolés par rapport aux demi-colliers 6, 7, eux-memes isolés des demi-colliers 8, 9 par leur montage sur le tube 5 avec un certain écartement. L'équipement additionnel précité 10 comprend des résistances et des condensateurs. Le tube 5 est parcouru par de liteau dans le sens de la flèche 11. Dans le modèle le plus économique, la paroi interne du tube 5 peut ètre lisse. Des nervures longitudinales ou d'autres modifications de la forme circulaire permettent toutefois d'accroitre l'action de refroidissement pour des dimensions données. La figure 2 représente l'essentiel de la figure 1, sous forme d'un plan. Elle illustre le court trajet du flux calorifique entre les demicolliers 2, 3 et le liquide réfrigérant circulant dans le tube 5. Dans l'exemple de réalisation selon figure 3, d'autres composants lS, à savoir les résistances de l'équipement additionnel (10 sur la figure t), ne sont plus disposés en porte-à-faux sur le collier, mais enfichés dans des alésages de ce dernier, par suite de leur dissipation élevée. La figure 4 est la coupe du détail correspondant, indiqué par la flèche 16. Afin d'éviter des courts-circuits, un tube souple 17 en silicone à paroi mince est glissé sur le composant 15, qui est enduit avec une pâte thermoconductrice 18 (à base de silicone), puis introduit dans l'alésage. Ainsi logée dans les demi-colliers 2, 3, la résistance (composant 15) admet une charge quintuple de celle admissible dans le cas du montage en porte-a-faux. La figure 5 est la coupe d'un détail indiqué par la flèche 29 et illustrant le logement partiel du composant 1 dans un trou taraudé. Lorsque la paroi étanche, isolante mais bonne conductrice de la chaleur est réalisée sous forme d'un tube, comme l'indiquent les figures, un élément facile à produire réalise toutes les conditions permettant de résoudre le problème de refroidissement de composants électriques, et notamment d'éléments à semiconducteurs : isolation électrique, bonne dissipation thermique, élément autoportant utilisable comme support des éléments a refroidir (colliers), étanchéité a un coût minimal. il est en outre possible de monter les composants sur des colliérs présentant le grand avantage de pouvoir etre fixé sur le tube avec des moyens simples. Les surfaces des colliers venant en contact avec le tube sont réalisables avec des dimensions très précises, de sorte que la transmission de chaleur des colliers dans le tube est extrèmement bonne. Par rapport au refroidissement par vaporisation d'un liquide inerte, le refroidisseur selon l'invention présente l'avantage suivant : les composants formant les sources de chaleur sont très accessibles et facilement interchangeables. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Refroidisseur à liquide pour composants électriques, utilisant un matériau isolant et bon conducteur de la chaleur pour séparer le potentiel électrique du liquide réfrigérant des autres potentiels des composants, et caractérisé en ce que des pièces métalliques (demi-colliers) sont fixés sur une paroi (tube de circulation du liquide réfrigérant) réalisée dans le matériau séparateur,- afin d'établir le contact thermique avec les composants. 2. Refroidisseur selon revendication t, caractérisé en ce que la paroi (tube de circulation du liquide réfrigérant) est autoportante. 3. Refroidisseur selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qutun tube ou réservoir de liquide réfrigérant, formé par la paroi, est entouré par un collier, dont une moitié au moins est réalisée dans un métal bon conducteur de la chaleur, en contact avec le matériau sépa.- rateur et portant un composant. 4. Refroidisseur selon revendication 3, caractérisé en ce que le second demi-collier est isolé électriquement. 5. Refroidisseur selon revendication 3, caractérisé en ce que le second demi-collier est également réalisé dans un métal bon conducteur de la chaleur, en contact avec le matériau séparateur. 6. Refroidisseur selon revendication 5, caractérisé en ce que le second demi-collier porte un autre composant. 7. Refroidisseur selon une quelconque des revendications 3 à 6, caracté- risé en ce que le collier comporte un évidement ou un trou, contenant un composant recouvert par un tube souple en silicone, conducteur de la chaleur mais isolant électrique. 8. Refroidisseur selon revendication 7, caractérisé par une pâte thermoconductrice, disposée entre le composant et la paroi du trou. 9. Refroidisseur selon une quelconque des revendications 1 à 8, carac térisé par l'emploi d'une céramique d'alumine comme matériau séparateur.