Brevet FR2533364A1 — publié le 19840323

DISPOSITIF DE REPARTITION DE LA CHALEUR POUR COMPOSANTS ELECTRONIQUES DU TYPE COMPORTANT AU MOINS UN ELEMENT CHAUD ET UN ELEMENT FROID TELS QUE LES TUBES A ONDES PROGRESSIVES ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif de répartition de la chaleur pour composants électroniques du type comportant au moins un élément chaud et un élément froid, le composant étant monté sur un bati-support refroidi par un dispositif de refroidissement ou radiateur. Comme composants électroniques du type ci-dessus, on connait en particulier des tubes hyperfréquences tels que les tubes à ondes progressives (T.O.P. en abrégé) et les klystrons. En conséquence, bien que la présente invention soit décrite en se référant à un tube à ondes progressives, il est évident pour l'homme de l'art qu'elle peut aussi s'appliquer à tous composants électroniques présentant les caractéristiques définies ci-dessus. Le fonctionnement des tubes à ondes progressives est basé sur un échange d'énergie entre un faisceau d'électrons émis par un canon constituant l'élément froid et une onde électromagnétique hyperfréquence. Le collecteur de ces tubes qui constitue en fait l'élément chaud reçoit donc aux pertes et à la fraction d'énergie transmise à l'onde hyperfréquence près, toute l'énergie du faisceau électronique et la dissipe sous forme de chaleur. Ainsi 80 à 85 % de la puissance thermique du tube doivent être dissipés au niveau du collecteur, les autres parties du tube à savoir le canon à électrons et la ligne à retard ne dégageant que 15 à 20 % de la puissance thermique. Les tubes à ondes progressives sont en général montés sur un bati-support métallique comportant une semelle et l'énergie dissipée par les trois parties du tube est evacuée par conduction vers la semelle du bati-support. Du fait de la répartition de la puissance thermique, la partie de la semelle se trouvant sensiblement sous le collecteur reçoit donc la majeure partie de l'énergie calorifique à évacuer; or les puissances différentes des trois parties ne se répartissent sur toute la surface de dissipation du tube que par conduction dans la semelle, ce qui donne naissance à un gradient thermique longitudinal difficile à uniformiser par le système de refroidissement.Il en résulte donc une mauvaise efficacité de fonctionnement de ce système de refroidissement qui doit en général être surdimensionné au niveau du collecteur, ainsi que des niveaux de températures élevés sur le collecteur qui limitent souvent l'utilisation du tube à des conditions climatiques favorables. Pour résoudre ce problème, diverses solutions ont été proposées, en particulier pour les tubes de forte puissance dans lesquels l'écart de température entre le collecteur et la semelle est important. Ainsi, on a proposé de refroidir le tube par convection forcée en utilisant des radiateurs présentant une plus grande densité d'ailettes sous le collecteur que sous les autres parties du tube. Toutefois, avec ce type de radiateur, on observe des pertes de charge importantes en particulier au niveau de la densification du nombre d'ailettes, ce qui réduit l'efficacité du dispositif de refroidissement. On a aussi proposé, pour refroidir le tube, d'utiliser une plaque froide à circulation de fluide. Dans ce cas, cependant, il faut prévoir un système de circulation du fluide, ce qui accroit dans des proportions importantes les dimensions et le poids de l'ensemble. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant un dispositif de répartition de la chaleur qui permet de diminuer les niveaux de température sur le collecteur ou élément chaud et d'augmenter le rendement global tout en réduisant l'encombrement et le poids du système de refroidissement ou radiateur. La présente invention a pour objet un dispositif de répartition de la chaleur pour composants électroniques du type comportant au moins un élément chaud et un élément froid montés sur un batisupport susceptible de dissiper par conduction l'énergie dégagée par les éléments, ledit bati étant refroidi par un dispositif de refroidissement ou radiateur caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un tube répartiteur de chaleur positionné entre le composant et le dispositif de refroidissement, le tube répartiteur de chaleur s'étendant dans le sens élément chaud vers élément froid. Le tube répartiteur de chaleur est, de manière générale, constitué par un tube métallique fermé étanche au vide contenant un fluide caloporteur qui se vaporise au niveau de sa partie en contact avec - une zone chaude, absorbant la chaleur dissipée par cette zone, et se condense au niveau de sa partie en contact avec une zone froide, libérant la chaleur précédemment emmagasinée. En général, le dispositif comporte aussi des. moyens pour ramener le fluide en phase liquide vers la première partie du tube.Du fait du transfert thermique réalisé par le tube répartiteur de chaleur entre une zone chaude et une zone froide on obtient, dans le cas de la présente invention, une répartition homogène de la chaleur à évacuer par le dispositif de refroidissement sur toute la surface du bati-support en contact avec ledit dispositif de refroidissement. En conséquence, il n'est plus nécessaire de surdimensionner le dispositif de refroidissement au niveau de l'élément chaud. Conformément à la présente invention, le positionnement des tubes répartiteurs de chaleur entre le composant électronique et le dispositif de refroidissement peut être réalisé de différentes manières. Ainsi, les tubes répartiteurs de chaleur peuvent être positionnés dans la semelle du bati-support, dans la partie supérieure du dispositif de refroidissement en contact avec la semelle du batisupport ou dans une semelle rapportée entre la semelle du batisupport et le dispositif de refroidissement. Dans ce cas, ils peuvent être formés par un ensemble de tubes répartiteurs de chaleur principaux interconnectés par des tubes répartiteurs de chaleur secondaires, selon une structure en treillis. Cette structure évite l'asséchement des tubes répartiteurs de chaleur et assure une meilleure répartition du fluide échangeur. Selon un mode de réalisation préférentiel, les tubes répar titeurs de chaleur sont montés dans des évidements prévus dans la partie du bati supportant l'élément chaud et s'étendent sur toute la semelle jusqu'a la partie du bati supportant l'élément froid, le contact thermique entre le bati et le tube répartiteur de chaleur étant réalisé par soudure ou similaire. La présente invention concerne aussi un procédé de réalisation du dispositif de répartition de la chaleur. Conformément audit procédé, le ou les tubes répartiteurs de chaleur sont usinés directement dans le bloc métallique constituant la semelle du batisupport, la semelle rapportée ou la partie supérieure du dispositif de refroidissement. Dans ce cas, on diminue la résistance thermique entre l'élément chaud et le tube répartiteur de chaleur en diminuant le nombre d'interfaces, ce qui entraine une diminution des niveaux de températures sous élément chaud. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention r apparaitront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un tube à ondes progressives utilisé avec le dispositif de répartition de la chaleur de la présente invention; la la figure 2 est une vue de face schématique d'un tube à ondes progressives monté sur son bati-support et comportant un dispositif de répartition de la chaleur conforme à la présente invention; - la figure 3 est une vue en coupe par III-III de figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe par IV-IV de figure 2; - les figures 5a à 5c représentent respectivement : la figure Sa une vue de face schématique d'un tube à ondes progressives semblable à celle de figure 2, la figure -5b les variations de température en fonction de la position le long de la semelle du bati-support du T.O.P. sans dispositif de répartition de la chaleur, la figure 5c les variations de température en fonction de la position le long de la semelle du bati-support du T.O.P. dans le cas où on utilise un dispositif de répartition de la chaleur conforme à la présente invention; - les figures 6 à 8 représentent schématiquement différents modes de réalisation du dispositif de répartition de la chaleur conforme à la présente invention. Dans les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments ou des éléments similaires. La présente invention est décrite ci-après en se référant à un tube à ondes progressives, mais il est évident pour l'homme de l'art que l'invention ne s'applique pas uniquement aux tubes à ondes progressives mais à tous composants électroniques du type comportant un élément chaud et un élément froid montés sur un batisupport et qui présentent de ce fait une répartition non uniforme de la puissance thermique au niveau de la semelle du bati-support. On décrira tout d'abord avec référence à la figure 1, un exemple de structure d'un tube à ondes progressives utilisé avec le dispositif de répartition de la chaleur de la présente invention. Sur cette figure, on distingue le canon à électrons désigné globalement par la référence 1, composé de la cathode et de deux électrodes de commande et d'accélération du faisceau d'électrons 2 limité aux deux traits visibles sur la figure, parallèles à l'axe XX', le long duquel celuiti se propage vers le collecteur 3 par lequel il est capté. La référence 4 représente la ligne à retard, en forme d'hélice et les références 5 et 6 les moyens de couplage à l'entrée et à la sortie du tube pour l'onde hyperfréquence. La référence 7 désigne le dispositif de focalisation.Le fonctionnement d'un tel dispositif est le suivant : la vitesse des électrons du faisceau 2 est modulée périodiquement par le champ lié à l'onde se propageant le long de la ligne 4 ; sous l'influence de cette modulation de vitesse, les électrons sont groupés en paquets et il se produit un transfert d'énergie des paquets d'électrons vers l'onde se propageant sur la ligne, à condition que soit satisfaite une condition d'égalité entre la vitesse des électrons et l'une des vitesse de phase de l'onde parcourant la ligne. Le faisceau d'électrons est capté en sortie par le collecteur qui reçoit donc aux pertes et à la fraction d'énergie transmise à l'onde près, toute l'énergie du faisceau électronique. Ainsi, dans le tube ci-dessus, 80 à 85 % de la puissance thermique du tube doit être dissipée au niveau du collecteur. Comme représenté sur les figures 2 à 4, le tube à ondes progressives est monté sur un bati-support désigné dans son ensemble par la référence 9 recouvert par un capot 14. Le bati-support 9 est réalisé en un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et il comporte une partie 10 supportant le collecteur 3 et une partie 11 supportant le canon 1, ces deux parties étant montées sur une semelle 12. D'autre part, la ligne à retard est supportée par des lamelles 13 en cuivre par exemple réparties sur toute la longueur de ladite ligne et fixée sur la semelle 12 du bati-support 9. Le batisupport étant réalisé en un matériau bon conducteur de la chaleur, la puissance thermique dissipée par le tube est évacuée par conduction vers la semelle 12.Toutefois, étant donné les répartitions de cette puissance thermique, sa majeure partie est évacuée sur environ 20 % de la longueur de la semelle 12, ce qui nécessite en général un surdimensionnement du dispositif de refroidissement 47 prévu en dessous de la semelle 12. Aussi, conformément à la présente invention, on prévoit entre le tube et le dispositif de refroidissement, un dispositif de répartition de la chaleur. Ce dispositif de répartition de la chaleur est constitué par deux tubes répartiteurs de chaleur 15 et 16 qui, conformément au mode de réalisation des figures 2 à 4, sont montés dans des évidements 10' formés dans les parties supports 10 et 11 au-dessus de la semelle 12 et s'étendent sur la semelle 12. Le contact thermique est obtenu en soudant le tube répartiteur de chaleur sur la semelle 12. Le tube répartiteur de chaleur est constitué principalement par un tube étanche au vide, fermé aux deux extrémités et dont la paroi interne est tapissée d'au moins une couche d'un système capillaire qui peut être constitué par exemple par une mèche en coton, en fibres artificielles, en verre, en métal ou similaire. A l'intérieur du tube est introduit un fluide volatil à la température de fonctionnement et bon conducteur de la chaleur, en quantité suffisante pour saturer le système capillaire avec un léger excès. Le fluide utilisé peut être, par exemple, de l'eau, de l'ammoniac, de l'alcool méthylique, etc... La chaleur dissipée au niveau du collecteur vaporise le fluide caloporteur. La vapeur passe de la partie se trouvant sous le collecteur vers les parties se trouvant sous la ligne à retard et le canon où elle est récupérée sous forme de chaleur de condensation. La vapeur condensée reflue vers la partie se trouvant sous le collecteur sous l'action des forces dé gravité ou des forces capillaires. On notera que le but principal du système capillaire est de perm#ettre au tube répartiteur de chaleur de fonctionner dans le sens de la gravité, contre la gravité, horizontalement ou en accélération. Ainsi, par suite du mode de fonctionnement des tubes répar titeurs de chaleur, on obtient une répartition plus homogène de la température sur toute la semelle 12 du bati-suppport. Ceci est mis en évidence par les courbes des figures 5b et 5c qui représentent les variations de la température en fonction de la position le long de la semelle 12. La figure 5b concerne le cas d'un tube à ondes progressives sans dispositif de répartition de la chaleur tandis que la figure 5c concerne le cas dlun tube à ondes progressives comportant un dispositif de répartition de la chaleur conforme à la présente invention. Pour mieux déterminer -la position le long de la semelle 12, on a aussi représenté sur la figure Sa, un tube à ondes progressives sur son bati-support. De plus, la courbe C1 représente l'évolution de la température sous la semelle du bati-support du tube tandis que la courbe C2 représente l'évolution de la température-de l'air au niveau du radiateur, Gl@i représentant la température de l'air à l'entrée du radiateur et 92 la température de l'air à la sortie du radiateur.D'après les courbes, on voit que, dans le cas d'un tube à ondes progressives sans dispositif de répartition de la chaleur, la température est importante dans la partie de la semelle se trouvant sous le collecteur avec une chute de température brutale au début de la ligne à retard pour devenir sensiblement constante sur tout le reste de la semelle, tandis que dans le cas d'un tube à ondes progressives comportant un dispositif de répartition de la chaleur, la t#empérature sous la semelle au niveau du collecteur est plus faible puis décroît sensiblement linéairement avec une pente très faible. On obtient donc une répartition de la chaleur dégagée au niveau du collecteur sur toute la surface de la semelle qui peut être refroidie facilement avec un dispositif de refroidissement relativement petit. On décrira maintenant un procédé préférentiel de réalisation des tubes répartiteurs de chaleur dans le cas où ceuxci sont positionnés soit dans la semelle 12 du bati-support, soit dans la partie supérieure 17' du dispositif de refroidissement 17 en contact avec la semelle du bati-support soit dans une semelle 18 rapportée entre la semelle du bati-support et le dispositif de refroidissement comme représenté sur les figures 6 et 7. Les différentes parties cidessus étant constituées par un bloc métallique de préférence en alliage léger, on perce un nombre de trous correspondant au nombre de tubes 15 à réaliser Le nombre de trous ainsi que le diamètre des trous sont déterminés en fonction du flux thermique maximal à transporter.Ainsi dans les figures 6 et 7, on a représenté à titre d'exemple un dispositif de répartition de la chaleur à quatre tubes répartiteurs de chaleur. Dans chaque tubulure ainsi formée, on place une mêche 15' constituant le système capillaire qui permet au fluide de revenir vers la zone chaude quelle que soit la position de la semelle. Les tubulures sont ensuite fermées a une extrémité par une soudure tandis que l'autre extrémité est munie d'un queusot de pompage pour mettre les tubulures sous vide. Une fois les tubulures mises sous vide soit individuellement soit toutes ensembles, on étuve puis on introduit le fluide caloporteur et on scelle de manière étanche en pincant le queusot et en le soudant. On prévoit de plus une protection des queusots de pompage afin d'éviter leurs ouvertures par chocs ou similaire. On décrira avec référence à la figure 8, un perfectionnement au procédé décrit ci-dessus. Dans le mode de réalisation représenté, les trois tubulures 15-1, 15-2, 15-3 constituant les tubes répartiteurs de chaleur sont interconnectées par des tubulures 19-1, 19-2, 19-3 formant des tubes répartiteurs de chaleur transversaux. Du fait de l'interconnexion réalisée entre les tubes répartiteurs de chaleur, il est possible de mettre sous vide et de remplir en une fois l'ensemble desdits tubes répartiteurs de chaleur. En conséquence, les deux tubulures 15-1 et 15-2 sont fermées à leurs deux extrémités soit par des bouchons soit par des soudures 20 et la tubulure 15-3 présente a une extrémité un queusot de pompage 21 tandis que son autre extrémité est fermée par soudure ou par un bouchon. D'autre part, les tubulures secondaires 19-1, 19-2, 19-3 sont constituées par des tubes borgnes ouverts à une seule extrémité. La mise sous vide et le remplissage de cet ensemble s'effectue de la même manière que précédem ment. Avec cette structure, aucune tubulure ne peut se trouver asséchée car elles sont toutes interconnectées. D'autre partS on obtient une meilleure répartition de fluide échangeur et une meilleure évacuation de la chaleur en créant des échangeurs transversaux. REVENDICATIONS 1. Un dispositif de répartition de la chaleur pour composants électroniques du type comportant au moins un élément chaud (3) et un élément froid (1, 4, 7) montés sur un bati-support (9) susceptible de dissiper par conduction l'énergie dégagée par les éléments, ledit bati étant refroidi par un dispositif de refroidissement ou radiateur (17) caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins un tube répartiteur de chaleur (15, 16) positionné entre le composant et le dispositif de refroidissement, le tube répartiteur de chaleur s'étendant dans le sens élément chaud vers élément froid. 2. Un dispositif de répartition de la chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tubes répartiteurs de chaleur (15) sont positionnés dans la semelle (12) du bati-support (9). 3. Un dispositif de répartition de la chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tubes répartiteurs de chaleur (15) sont positionnés dans la partie supérieure (17') du dispositif de refroidissement (17) en contact avec la semelle (12) du bati-support. 4. Un dispositif de répartition de la chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tubes répartiteurs de chaleur (15) sont positionnés dans une semelle (18) rapportée entre la semelle (12) du bati-support et le dispositif de refroidissement (17). 5. Un dispositif de répartition de la chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est constitué par un ensemble de tubes répartiteurs de chaleur principaux (15 - 1, 15 - 2, 15 - 3) interconnectés par des tubes répartiteurs de chaleur secondaires (19 - 1, 19 - 2, 19 - 3) selon une structure en treillis. 6. Un dispositif de répartition de la chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tubes répartiteurs de chaleur (15, 16) sont montés dans des évidements (10') prévus dans la partie (10) du bati supportant l'élément chaud et s'étendent sur toute la semelle (12) jusqu'à la partie (11) du bati supportant l'élément froid, le contact thermique entre le bati et le tube répartiteur de chaleur étant réalisé par soudure. 7. Un procédé de réalisation du dispositif de répartition de la chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le tube constituant l'enveloppe externe du tube répartiteur de chaleur est usiné directement dans le bloc métallique dans lequel est positionné le tube répartiteur de chaleur. 8. Un procédé de réalisation selon la revendication 7 carac térisé en ce que, dans le cas de plusieurs tubes répartiteurs de chaleur, lès tubes répartiteurs de chaleur (15-1, 15-2, 15-3) sont interconnectés par un réseau de tubes répartiteurs de chaleur transversaux (19-1, 19-2, 19-3).