Brevet FR2363890A1 — publié le 19780331

L'invention se rapporte à un radiateur à circulation de liquide, en particulier d'huile de refroidissement d'un composant à semi-conducteurs de puissance en contact thermique électrique sous pression avec son fond, ainsi qu'à un procédé de réalisation de ce radiateur. Ce type de radiateur trouve une application aux composants à semi-conducteurs de puissance de type à disques scelles et dont la dissipation de puissance est de l'ordre de quelques centaines de watts ou davantage et dont la chaleur est évacuée par deux entés. Des radiateurs balayés par un liquide sont reliés à cette fin de manière généralement bien connue au moyen d'un dispositif de fixation aux deux surfaces principales du composant en disque et peuvent éventuellement être assemblés en empilements et/ou être raccordés par un profilé porteur dans lequel circule le liquide. Les composants à semi-conducteurs de puissance ainsi refroidis sont utilisables dans des redresseurs statiques de transmission de courant continu haute tension ou dans les locomotives électriques ainsi que dans d'autres domaines d'application. On sait que les composants à semi-conducteurs soumis à de fortes charges en courant dans les circuits électroniques de puissance exigent des radiateurs pour l'évacuation de la dissipation d'énergie. Leur structure propre et leur conformation ne leur permettent pas d'assumer à eux seuls cette fonction. La dissipation admissible d'énergie se compose du quotient du gradient de température et de la résistance thermique. Le gradient de température provient de la différence de la température admissible des cristaux du composant à semiconducteurs et de la température maximale de refroidissement. La résistance thermique résulte du semi-conducteur lui-m#me, de la transmission entre ce dernier et le radiateur et finalement de ce radiateur lui-même (F.Korb, "Thermisches Verhalten von Leistungshalbleitern" (caractéristiques thermiques des semi-conducteurs de puissance), n0 spécial de la revue "Industrie-Elektrik + Elektronik", 20 ème année, fascicules 19 et 21, 1975 = publication BBC DIA 60037 D). Les deux premiers termes de la somme de l'inertie thermique d'ensemble étant spécifiques du composant, il n'est possible d'élever la dissipation d'énergie et donc l'intensité que par diminution de la résistance ou de l'inertie du refroidissement. La résistance ou l'inertie thermique d'un radiateur se compose de la résistivité thermique et de la résistance de contact, cette dernière étant fonction des conditions du transfert de chaleur au fluide de refroidissement. La résistance de contact est inversement proportionnelle au produit de la surface qui abandonne la chaleur par le coefficient de conductibilité thermique. Lorsque ce coefficient est fixé par la vitesse de circulation du fluide de refroidissement et par la structure de surface, il faut augmenter la surface qui abandonne la chaleur pour faire diminuer la résistance de contact. Il en résulte toutefois que l'inertie thermique d'ensemble augmente. La conséquence pour les radiateurs métalliques à circulation d'air est une loi de croissance du poids ou du volume selon laquelle ltexposant de la capacité est supérieur à 3. La résistivité thermique est améliorée dans les procédés connus de refroidissement à l'aide de tubes calorifiques (F. Korb, voir citation ci-dessus ; M. Groll et B. Zimmermann, "Wàrme- und Stoffübertragung" (transfert thermique et de matière), volume 4 (1971), pages 39 à-47) par utilisation de vapeur d'eau pour le transport de la chaleur sur un certain trajet. Un radiateur à air est monté à l'extrémité fermée du tube calorifique. Le produit de condensation est recyclé par des canaux capillaires, des réseaux ou des voies principales. Lorsque la dissipation d'énergie est de l'ordre de 800 W -composants en disques à évacuation de la chaleur par deux côtés-, il est possible ainsi de réduire le poids et le volume à environ 40 % d'un radiateur classique d'aluminium. Lorsqu'il faut réduire le poids et le volume, il faut donc que l'agent de transport de chaleur utilisé soit de la vapeur d'eau ou un liquide en circulation continue. Le coefficient de conductibilité thermique des liquides étant considérablement meilleur que celui de l'air, il est possible de réduire ainsi notablement les surfaces abandonnant la chaleur et donc de réduire fortement les trajets de transfert de chaleur. L'eau est le fluide qui a le coefficient de conductivité thermique le plus avantageux pour un refroidissement à circulation continue, ce coefficient étant plus de mille fois supérieur à celui de l'air aux mômes vitesses de circulation et mêmes températures. Mais l'eau n'est pas toujours utilisable selon les conditions d'exploi tation, par exemple en cas de fonctionnement intermittant, en cas de risque de gel et lorsqu'il n'existe aucune possibilité de chauffage et de plus elle exige de longues canalisations hydrauliques de jonction pour l'établissement d'un niveau correspondant d'isolation ainsi qu'un échangeur d'ions pour son maintien. Dans ces cas, l'huile pour transformateur est avantageuse, car il s'agit d'un agent réfrigérant et isolant et qui- a donné de bons résultats en électrotechnique. Mais le coefficient de conductivité thermique de l'huile pour transformateur n'est qu'environ 70 fois meilleur que celui de l'air, c1est-à-dire qu'il est environ 17 fois moins bon que celui de 11 eau. L'invention a donc pour objet un radiateur structuré de manière à garantir un rapport comparable et acceptable entre la conduction de chaleur et son propre poids ou son propre volume même lorsque l'agent réfrigérant utilisé a un moins bon coefficient de conductivité thermique que celui de l'eau. Selon une particularité essentielle de l'invention, le radiateur comporte intérieurement, sur le trajet de circulation du liquide de refroidissement, des ergots qui sont venus de matière avec ses parois extrêmes et qui sont orientés perpendiculairement à ces dernières. Les ergots ont de préférence une section carrée et sont disposés de manière qu'une diagonale soit transversale à la direction de la circulation. Par ailleurs, le radiateur comporte de préférence des barrières diamétralement opposées qui rétrécissent la section de circulation approximativement à mi-chemin du trajet. Un radiateur ainsi conformé a une capacité d'évacuation de chaleur qui est avantageusement bien supérieure à celle des radiateurs classiques. La disposition des ergots en diagonale transversalement à la direction de circulation provoque des tourbillonnements qui améliorent le coefficient de conductivité thermique. Les barrières disposées perpendiculairement par rapport à la direction de circulation élèvent la vitesse de cette dernière dans le milieu du radiateur en améliorant encore le coefficient de conductivité thermique. Le fait que les ergots viennent de matière avec les parois extrêmes du radiateur améliore aussi ce coefficient. Le fait que les ergots vont d'une surface extrême à l'autre du radiateur en améliore de plus la stabilité en permettant de conférer une très faible épaisseur à ces parois de manière que les trajets de transfert de chaleur soient courts. Lorsque le radiateur est en deux moitiés reliées de manière étanche, les ergots de chacune de ces moitiés sont réalisés de manière à prendre appui les uns sur les autres. Les ergots offrent par ailleurs l'avantage considérable de créer des surfaces relativement grandes d'abandon de chaleur sur lesquels l'énergie est transportée par la voie la plus courte. L'inconvénient du coefficient de conductivité thermique qui est prédéterminé par l'huile pour transformateur et qui est moins bon que celui de l'eau devient donc admissible en raison de la faible résistance thermique ainsi obtenue. La structure de surface provoque une turbulence, comme mentionné plus haut, de la circulation qui, sinon, est laminaire et donc l'abandon de chaleur par les parois extrêmes du radiateur et par les ergots au liquide de refroidissement est amélioré. Il faut bien entendu faire en sorte de ne pas accroître l'énergie hydraulique dans les mêmes proportions que dans le cas où le môme effet serait obtenu uniquement par élévation de la vitesse de circulation. Le radiateur peut non seulement être réalisé en deux moitiés identiques, mais aussi être en une pièce avec les ergots ou être en trois pièces constituées d'un tronçon de tube et de deux plateaux supportant les ergots. Au moins une tôle perforée,dont le contour extérieur correspond au bord interne du radiateur,est de préférence emboitée sur les ergots. La ou les tôles peuvent autre retenues sur les ergots par ajustement serré ou peuvent ôtre brasées sur les ergots. Le transfert thermique du radiateur est ainsi encore amélioré d'environ 20 % ; en effet, l'inertie thermique du radiateur est inversement proportionnelle au coefficient de conductivité thermique et à la dimension des surfaces qui abandonnent la chaleur. L'invention se rapporte par ailleurs à un procédé rationnel de fabrication en série de radiateurs. Un procédé avantageux, conforme à l'invention, de réalisation de radiateurs consiste à réaliser un moule perdu,ayant la forme extérieure du radîateur,en deux parties similaires collées l'une à l'autre avec interposition d'un noyau qui correspond au volume interne du radiateur, à surmouler ce moule, puis à l'éliminer par calcination et à couler du métal liquide dans la cavité subsistante. Ce procédé de moulage de précision permet de réaliser le radiateur en une pièce et sans brasure. Il est généralement bien connu d'utiliser des "moules perdus" en moulage de précision. Ceux-ci correspondent au positif et sont en matière plastique. Après surmoulage, la matière plastique est éliminée par calcination et du métal liquide est introduit dans la cavité ainsi obtenue. Nais les ergots confèrent une structuration fine des surfaces internes du radiateur. Il n'est donc pas possible de comprimer le moule de sable dans la cavité après l'avoir introduit ou il n'est pas possible de le comprimer suffisamment. Par contre, le procédé de l'invention permet aussi de réaliser des noyaux à structuration fine qui ont une résistance suffisante à la pression du métal (évent) et peuvent être éliminés par lavage sans difficulté après solidification du métal. Une variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention qui est utilisable dans certaines applications, par exemple pour la production de petites séries de radiateurs, consiste à relier par brasage un tronçon de tube et deux plateaux comportant des réseaux d'ergots réalisés par usinage à enlèvement de copeaux. Une autre variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention consiste à relier par brasage des surfaces de contact des ergots de deux demi-radiateurs réalisés par matriçage à la presse ou par forgeage. Dans le mode de réalisation par forgeage en matrice, il est possible d'emboîter de manière simple les tôles mentionnées sur les ergots avant de réunir les deux demi-radiateurs par brasage. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est une coupe transversale d'un radiateur selon l'invention, selon la ligne A - A de la figure 2 la figure 2 est une coupe selon la ligne B - B de la figure 1 ; et la figure 3 représente un ergot sur lequel des tôles sont enfilées. Le radiateur de l'exemple représenté de réalisation est en deux moitiés 1 qui consistent en pièces embouties à la presse. Ces deux moitiés sont reliées par brasage de leurs surfaces de contact qui sont parallèles à la surface de leurs fonds 2 et situées le long de la ligne de coupe B - B. Les composants à semi-conducteurs 4 (éléments individuels en disque) sont appliqués sur les surfaces extrêmes 3 du radiateur avec lequel un dispositif de fixation non représenté les met en contact thermique et/ou électrique. En variante de réalisation de cette technique à empilement, un unique composant de puissance à semi-conducteurs peut aussi comporter deux radiateurs sur ses deux surfaces principales. Les demi-radiateurs 1 comportent des parois extrêmes 5 et des ergots de section carrée 6. Le radiateur comporte sur le bord 10 un orifice d'admission 7 et un orifice d'évacuation 8 du liquide de refroidissement, de préférence d'huile. pour transformateur 11, comme montré sur la figure 2. Deux lignes de circulation en tirets indiquent la présence d'huile et des flèches 12 en indiquent le sens de la circulation. La figure 2 représente en traits mixtes des tôles 13 qui sont enfilées par des perforations 14 sur les ergots 6 (voir figure 3). Les tôles 13 comportent un bord extérieur qui épouse le contour du bord interne de l'enveloppe 10 du radiateur. Par ailleurs, le radiateur peut compor ter approximativement à mi-chemin deux barrières 15 qui sont diamétralement opposées et qui rétrécissent la section de la circulation. Dans ce cas, les tôles 13 épousent aussi le contour interne du radiateur. Le mode de fonctionnement de ce dernier va être décrit. La chaleur passe des composants à semi-conducteurs 4 par les surfaces extrêmes 3 dans les surfaces extrêmes 5 et les ergots carrés 6. La surface de ces éléments évacue cette chaleur à l'huile 11 en circulation. La direction de circulation 12 est calculée de manière que les déviations et les élargissements de section provoquent des tourbillonnements. L'axe allant de l'orifice d'entrée 7 à l'orifice de sortie 8 est placé à cette fin sur une ligne passant par la diagonale des ergots de la rangée médiane. Les barrières diamétralement opposées 15, qui sont perpendiculaires à l'axe de la circulation, ont le même but et sont destinées à élever la vitesse de circulation au milieu du radiateur, à l'emplacement du maximum de la densité de puissance, et donc à améliorer le coefficient de conductivité thermique. La multiplicité des ergots 6, la disposition à l'alignement des ergots 6 des deux demi-radiateurs 1 et leur brasage résultent en un radiateur dont les surfaces extrêmes 3 sont résistantes à la compressio#n et donc dont les parois extrêmes 5 peuvent être très minces et donc conférer une très faible longueur aux trajets de transmission de la chaleur. La présence des ergots augmente considérablement la surface, comme mentionné précédemment, et la perte résultante de la section de transmission de chaleur est notablement surcompensée. Dans le cas d'un radiateur qui se compose comme décrit plus haut de deux parties réalisées par usinage à enlèvement de copeaux, deux plateaux 5 comportant des ergots 6 et qui constituent des structures similaires à pointes se placent des deux côtés dans l'enveloppe ou le tronçon de tube 10 qui a dans ce cas la même hauteur que le radiateur lui-même, puis l'assemblage est réalisé par brasage sous pression d'une part des ergots 6 les uns avec les autres et d'autre part des plateaux 5 avec le bord correspondant du tronçon de tube 10. Dans le mode de réalisation dans lequel les demiradiateurs sont réalisés par forgeage en matrice, les tôles 13 sont enfilées sur les ergots 6 avant le brasage. Pour pouvoir placer les tôles 13 sur les ergots 6, elles comportent des perforations carrées 14 dont la section de l'ouverture est légèrement plus petite que la section des ergots. Un outil convenable emboîte les tôles 13 sur les ergots 6 en établissant le contact mécanique entre eux. Comme mentionné précédemment, il est aussi possible de solidariser les ergots et les tôles par brasage. Il est aussi possible de prévoir des cloisons additionnelles dans les radiateurs en une pièce réalisés par moulage de précision, ces cloisons augmentant la surface tout en autorisant la circulation du liquide de refroidissement. Lorsque le liquide de refroidissement utilisé est de l'huile pour transformateur, un radiateur qui a par ailleurs des caractéristiques comparables n'a que la moitié de l'inertie thermique d'un radiateur classique à l'huile. Un radiateur selon l'invention, permettant d'atteindre une inertie thermique de 0,03 K/w, se classe dans la catégorie des radiateurs à eau ; il ne soulève toutefois pas les problèmes mentionnés en préambule#qui affectent ces derniers. REVENDICATIONS 1. Radiateur de refroidissement par circulation de liquide, en particulier d'huile, d'un composant à semi-conducteurs de puissance qui est en contact électrique et/ou thermique sous pression avec l'une de ses parois extrêmes, caractérisé en ce que son volume interne comporte sur le trajet de circulation du liquide de refroidissement des ergots(6) qui sont venus de matière avec ses parois extrêmes (5) et qui sont orientés perpendiculairement à ces dernières. 2. Radiateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ergots (6) ont une section carrée et sont disposés de manière qu'une de leurs diagonales soit transversale à la direction de circulation et/ou des barrières (15) de rétrécissement de la circulation sont diamétralement opposées à l'intérieur du radiateur sensiblement à michemin sur le trajet de circulation du liquide. 3. Radiateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est en deux moitiés identiques reliées de manière étanche et les ergots (6) des deux moitiés du radiateur prennent appui les uns sur les autres. 4. Radiateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,caractérisé en ce qu'il, est en une pièce avec les ergots (6). 5. Radiateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,caractérisé en ce qu'il est en trois parties consistant en un tronçon de tube (10) et en deux plateaux (5) qui comportent les ergots (6). 6. Radiateur selon l'une quelconque des revendications 1 à, 5, caractérisé en ce qu'au moins une tôle (13) perforée (perforations 14), dont le bord extérieur correspond au bord interne du radiateur, est enfilée sur les ergots (6). 7. Radiateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les tôles (13) sont fixées sur les ergots (6) par ajustement serré. 8. Radiateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la ou les tôles (13) sont brasées sur les ergots (6). 9. Procédé de réalisation diun radiateur à circulation de liquide de refroidissement d'un composant à semi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, carae- térisé en ce qu'il consiste å réaliser un moule perdu qui a la forme extérieure du radiateur et qui est en deux parties collées l'une à l'autre avec interposition d'un noyau qui correspond au volume interne du radiateur, à surmouler ce moule,puis à ltéliminer par calcination et à couler du métal liquide dans la cavité résultante. 10. Procédé de réalisation d'un radiateur en trois parties de refroidissement par circulation de liquide d'un composant à semi-conducteurs selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à relier par brasage un tronçon de tube à deux plateaux comportant des réseaux d'ergots réalisés par usinage à enlèvement de copeaux. 11. Procédé de réalisation d'un radiateur en deux moitiés selon la revendication ), caractérisé en ce qu'il consiste à relier par brasage par leurs surfaces de contact deux demi-radiateurs réalisés avec leurs ergots par emboutissage à la presse ou par forgeage.