Brevet FR2628193A1 — publié le 19890908

(6 RÉPUBLIQUE FRAN AISE N de publication: 2 628 193 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉ=TÉ INDUSTRIELLE ^ DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national: 88 02850 PARIS ( Int Cl': F 25 B 1/00, 39/02//H 05 K 7/20. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 7 mars 1988. ( Demandeur(s): COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRI- CITE, Société Anonyme. - FR. () Priorité: ( Inventeur(s): Jean Jacquelin; André Coquelin. ( Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rns Titulaire(s): ( Mandataire(s): Danièle Laroche, Sospi. ( Dispositif pour le refroidissement des composants électroniques de puissance. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un spositif de refroidissement de composants électroniques de puissance basé sur le principe général de la convection forcée - t i_. biphasique, aboutissant à de bonnes performances tout en 3 présentant d'importantes simplifications technologiques par e rapport aux installations connues. 2, Les composants sont fixés sur une pluralité de plaques supports 10 percées de canaux pour la circulation d'un fluide q réfrigérant. 1 La présente invention concerne un dispositif pour le refroidis- sement des composants électroniques de puissance. Dans de nombreux équipements comportant des composants électroniques de puissance, le refroidissement est assuré par convection forcée d'air: les thyristors, par exemple, sont montés sur des radiateurs de dimension convenable placés dans des canalisations d'air mis en circulation par des ventilateurs. Cette méthode de refroidissement simple et robuste est toutefois concurrencée par des procédés plus performants. En effet, le refroidis- sement par air est encombrant. De plus, le développement de thyristors de plus en plus puissants entraîne un besoin accru de performance du système de refroidissement associé. Des procédés plus efficaces et plus compacts ont été développés. Ils utilisent, au lieu de l'air, des fluides daloporteurs liquides. Actuellement, l'un des fluides caloporteur le plus généralement utilisé est le 1,1,2-Trichloro-l,2,2-Trifluoro-éthane, connu sous les noms commerciaux de "Flugène 113" ou "Fréon 113" (F113), etc... Le choix d'un fluide caloporteur dans ce domaine d'utilisations résulte de la considération des propriétés thermodynamiques, physico- chimiques, électriques, etc... En effet, il est nécessaire qu'un tel fluide de refroidissement satisfasse à de nombreux critères: caractéristiques thermodynamiques et thermiques appropriées, - isolation électrique sous hautes tensions, - stabilité chimique, - non-corrosion vis-à-vis des matériaux en contact avec lui, - absence de toxicité, ininflammabilité et absence de risques en cas d'incident, - disponibilité sur le marché, - coût faible. D'autres produits que le F113 sont proposés, produits qui offrent des avantages importants à certains points de vue: stabilité chimique supérieure, risques réduits etc... toutefois, leur coût trop élevé restreint leurs possibilités d'utilisations industrielles. Citons par exemple les fluoro-carbones de formule F-(CF2)n-F, très stables car -2composés uniquement de carbone et dé fluor, commercialisés par 3M sous le nom de "Fluorinert". Les divers procédés de refroidissement connus utilisant un liquide caloporteur sont schématiquement, le système dit "en convection forcée monophasique", le système dit "pool ebullition" et le système dit "en convection forcée biphasique". Dans le système de refroidissement dit en "convection forcée monophasique", le liquide froid circule, grâce à une ou plusieurs pompes, dans des plaques métalliques comportant de multiples canaux dans leur épaisseur. Les thyristors à refroidir sont fixés sur ces plaques. Un exemple d'un tel système est décrit dans l'article "Freon Forced Convection cooling of High Power Semiconductors Equipments", par M. Boin, M. Vignier, J.P. Kruch, CGGE-Alsthom (EPE, Grenoble, 1987). Pour certaines applications requérant des performances encore plus élevées, d'autres procédés encore plus performants ont été développés. On est alors amené à utiliser non seulement la capacité thermique du liquide, mais sa chaleur de vaporisation. Les dispositions sont alors prises pour que le liquide soit mis en ébullition au contact des surfaces à refroidir. L'ébullition est un procédé très performant mais qui présente des difficultés de mise en oeuvre, dont les plus importantes sont: Lorsqu'un certain seuil est dépassé, il se produit un phénomène dit "caléfaction", se traduisant par une perte brusque de la majorité de l'échange thermique, d'o il résulte une destruction par surchauffe. - Il se présente généralement une grande difficulté pour obtenir une répartition assez homogène de l'ébullition sur toutes les surfaces à refroidir, en particulier lorsque fonctionnent simultanément de nombreux composants séparés par des tuyauteries, situés à des hauteurs différentes etc..., ce qui est le cas des équipements comportant des dizaines, voir des centaines de thyristors de puissance. Ces difficultés ont été bien surmontées dans les équipements utilisant le procédé dit "pool-ebullition". Les thyristors à refroidir sont entièrement immergés dans un bain de liquide. Leur refroidissement se fait alors par ébullition dite "naturelle" ou "libre", c'est-à-dire sans canalisation des mouvements de fluide, donc avec perte de charge absolument minimum. Ce procédé est couramment appliqué dans divers équipements de faibles ou moyenne puissance, convertisseurs, 3- alimentations de moteurs, etc... (quelques kW à MW; quelques kV à dizaines de kV). Un exemple est illustré dans l'article "Immersed cooling application to power supplies for poloidal field of tore supra", par M. Frouin, J.C. Guimaud, P. Merlino, CGEE Alsthom, (EPE Grenoble 1987). Toutefois le procédé dit "pool ebullition" n'est pas applicable dans le cas des équipements T.H.T. (stations de plusieurs centaines de MW, tensions de plusieurs centaines de kV). En effet, il est impensable de placer ces très grands équipements dans des piscines de liquide. Il faut, pour ces applications, revenir à la conception indiquée précédemment, c'est-à-dire une multitude de plaques refroidies, sur lesquelles sont fixés les thyristors. La circulation du liquide doit 8tre assurée par une ou des pompes, avec un système élaboré de tuyauteries. Cherchant à accroître l'efficacité du refroidissement par rapport à la convection forcée monophasique, on produit de l'ébullition dans les canaux que comportent ces plaques. Le procédé est alors dit "ébullition en convection forcée" ou "convection forcée biphasique", décrit dans l'article "Evolution de la conception des équipements M.T., H.T. et T.H.T. à semi-conducteurs", par M. Boin, CGEE-Alsthom (S.E.E. "L'électronique de puissance du futur" 5-6 juin 1985, Grenoble,). Ce procédé de refroidissement par convection forcée biphasique, c'est-à-dire avec ébullition, est de mise en oeuvre difficile lorsque l'on doit assurer une homogénéité de refroidissement sur de multiples éléments. En effet l'ébullition est très sensible aux conditions de pressions locales. Si à un endroit la pression est un peu trop forte, l'ébullition locale est fortement ralentie, et l'échange thermique à cet endroit diminue beaucoup. Si au contraire la pression est localement un peu trop faible, l'ébullition excessive en résultant peut faire passer le seuil de caléfaction, ce qui est le phénomène le plus redouté. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un dispositif de refroidissement basé sur le principe général de la convection forcée biphasique, aboutissant à de bonnes performances tout en présentant d'importantes simplifications technologiques par rapport aux installations connues. La présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement de composants électroniques de puissance, du genre "à convection forcée - 4 biphasique" dans lequel lesdits composants sont fixés sur une pluralité de plaques-supports percées de canaux pour la circulation d'un fluide réfrigérant, caractérisé par le fait que lesdites plaques sont disposées verticale- ment c8te à c8te en lignes sensiblement horizontales, et sur plusieurs étages, qu'elles sont percées chacune d'un canal cylindrique d'axe vertical alimenté en liquide à sa partie supérieure de manière tangentielle par un injecteur susceptible de réaliser dans ledit canal un écoulement de type "vortex", ce canal communiquant à sa partie inférieure avec une tuyauterie de recueil de vapeur inclinée vers le bas, le circuit de circulation de fluide comportant en outre un tuyau sensiblement vertical o débouchent toutes les tuyauteries de recueil de vapeur, ledit tuyau aboutissant dans un condenseur, suivi d'une pompe et d'un tuyau sensiblement vertical d'alimentation en liquide auxquels sont reliés tous les injecteurs. De préférence l'ensemble des tuyauteries du circuit destinées à la circulation de la vapeur est du type pour "gaz basse pression"; par ailleurs l'ensemble des tuyaux et conduites permettant la circulation du liquide est réalisé en tube de faible section de type "moyenne pression". D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais non limitatif. Dans le dessin annexé: - La figure 1 est une vue d'ensemble très schématique d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. - La figure 2 est une vue schématique coupée d'une plaque support de composant appartenant au dispositif de la figure 1. - La figure 3 est une vue en coupe plus détaillée d'une plaque conforme au schéma de la figure 2. - La figure 4 est une vue de dessus d'un injecteur fixé sur la plaque de la figure 3. Dans la figure 1 on voit un schéma d'un dispositif selon l'invention. Des plaques métalliques verticales 10 destinées à servir de supports à des thyristors de puissance sont arrangées en ligne suivant plusieurs étages 1, 2, 3... Une plaque 10 appartenant à l'étage 1, visible dans le schéma de la 2628 1 93 figure 2, comporte un canal central vertical cylindrique 6, d'axe 9. Ce canal 6 dit "canal d'ébullition" ou "bouilleur" communique à sa partie supérieure avec une tubulure 5 disposée horizontalement pour l'injection de liquide sous pression; à sa partie inférieure 13, il débouche dans une tuyauterie 11 inclinée vers le bas. L'ensemble des tubulures 5 est relié à des conduites 12, 22, 32 elles-mêmes reliés à un tuyau commun d'alimentation en liquide 44. L'ensemble des tuyauteries 11, 21, 31 aboutit à un tuyau commun 40 collecteur de gaz. Ce dernier o circule le gaz dans le sens de la flèche 45 aboutit dans un condenseur 41 dont la sortie est connectée à une pompe 42 mettant en circulation le liquide verticalement dans le sens de la flèche 46 dans le tuyau 44. Un vase d'expansion 43 est disposé entre le condenseur et la pompe. L'injection du liquide sous pression dans chaque tubulure 5 est tangentielle de manière que l'écoulement dans le canal 6 soit de type "vortex" ou "cyclone". Les conditions d'obtention d'un tel écoulement sont décrites dans l'article "Critical Heat Flux Enhancement Using Local Tangential Flow Injection" par J. Weede, V.K. Dhir - Nucl.Tech/Fus., V4, pages 483-488 (1983). Les figures 3 et 4 montrent un exemple d'injecteur 50 en forme de rondelle rainurée, fixé par l'intermédiaire d'un support 55 à la partie supérieure du canal central 6 de la plaque 10. Le diamètre du canal central est 20 mm et les sections des orifices d'injection de liquide 52 et 53 sont de 0,35 mm2; la plaque 10 présente une largeur de 100 mm, une hauteur de 120 mm et une épaisseur de 40 mm. L'alimentation en liquide sous pression se fait au niveau de l'orifice 56 et on a référencé 57 la partie inférieure du canal raccordée à une tuyauterie d'évacuation de gaz. Dans le cas o l'on utilise comme fluide du F113, on choisit une injection avec un débit de 20cm3/s sous 10 bar à 350C; la pression du gaz est d'environ 1 bar absolu et la température est de 45 C. Dans ces conditions, on réalise un écoulement de type "Vortex" qui se caractérise notamment par l'existence de forces permettant une séparation efficace entre le gaz 8 et le liquide 7 (voir figure 2). Le liquide 7 est plaqué contre la paroi du canal 6, le gaz provenant de l'ébullitjon migre rapidement vers le centre, d'o il peut s'évacuer -6- facilement vers l'orifice de sortie 13 (flèche 8) sans être gêné par le liquide 7. Autrement dit, la séparation efficace liquide/gaz, réalisée grâce au vortex dans chaque canal d'ébullition, permet d'éviter les écoulements mixtes, c'est-à-dire d'éviter les mélanges liquide et gaz, dans les tuyauteries 11, 21, 31 jusqu'au condenseur 41. Les surplus éventuels de liquide ruissellent sur la paroi des tuyaux et le gaz circule au centre. L'écoulement vortex n'existe que dans les canaux d'ébullition 6. En sortie, le mouvement centrifuge s'affaiblit rapidement et le liquide résiduel coule par gravité sur la paroi des tuyaux. Ce régime a plusieurs avantages. D'une part les fluctuations de pression sont très réduites, ce qui concourt à la stabilité spontanée de la pression dans les zones d'ébullition. D'autre part les pertes de charge sont très inférieures à un écoulement o le liquide est mêlé au gaz et occupe tout le volume des tuyauteries. De plus, grâce à ce mode d'écoulement, le liquide est presque totalement utilisé et transformé en gaz; un surplus de 20% ou moins est nécessaire, alors que dans les procédés connus on fait circuler 2 à 5 fois plus de liquide que le débit théorique nécessaire à l'ébullition. Par conséquent, pour la même puissance de refroidissement on utilisera un débit 2 à 4 fois plus faible que celui existant dans les autres dispositifs "à convection forcée biphasique", et plusieurs dizaines de fois plus faible que celui existant dans les dispositifs "à convection forcée" monophasique. Dans l'exemple décrit, pour une plaque 10 selon la figure 3, la puissance thermique de refroidissement est de 3 kW, la température de la plaque 10 est de l'ordre de 80 C et sa résistance thermique est de 0,015 C/W. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, l'arrangement des canaux 6 est tel que le liquide entre en haut et le gaz sort en bas. Toutes les tuyauteries 11, 21, 31, 40 allant de ces canaux 6 jusqu'au condenseur 41 sont en pente ou verticales, sans nulle part de remontée. Grâce à cette disposition, il ne peut y avoir de poche de liquide. Aucun tronçon de tuyauterie ne peut se remplir de liquide, en particulier à l'arrêt ou à faible régime. Le volume de liquide dans toute la partie entre les bouilleurs 6 et le condenseur 41 est donc - 7 - absolument minimum. De plus, cette quantité de liquide résiduel minimum est peu sujette à variation de volume selon les régimes de fonctionnement. Ceci simplifie notablement les problèmes de compensation de volume, par rapport aux systèmes connus comportant un écoulement biphasique proprement dit, c'est-à-dire les systèmes o d'importantes quantités de liquide, quantités d'ailleurs fort sujettes à variations, circulent mêlées au gaz. Le réseau collecteur de vapeur, constitué par les tuyauteries 11, 21, 31, 40 sont du type tuyauteries pour "gaz basse pression", c'est-à- dire supportant une pression voisine de la pression atmosphérique. Les très faibles pertes de charges, comparées à celles d'une circulation biphasique, font que tous les bouilleurs 6 sont pratiquement à la même pression, en particulier quelles que soient leurs altitudes. Ceci entraîne une importante simplification dans les régulations et la suppression des réglages d'équilibrages entre bouilleurs. De plus, il y a beaucoup moins de précautions à respecter pour le montage de ce de canalisations. Les pertes de charges "singulières", dûes aux coudes, aux raccordements, etc... ayant une influence plus secondaire qu'auparavant, ces accessoires sont moins coûteux et peuvent être assemblés par du personnel moins qualifié. Pour un coût inférieur, on peut même utiliser des tuyaux de plus grand diamètre, de façon à rendre le système encore plus spontanément homogène en pression, donc spontanément auto-régulateur, et de façon à ce que le coût des pièces, tuyaux, coudes, raccords, etc... et le coût de leur montage soient réduits grâce à une plus grande simplicité de formes. Par ailleurs, le réseau constitué par le tuyau 44 et les conduits 12, 22, 32, et permettant la circulation du liquide, est réalisé en tube de faible section, et de type "moyennes pressions". Il est en effet caractéristique de ce système d'utiliser une pression de liquide largement plus forte que celle du gaz. Par exemple, la pression de liquide peut être de l'ordre de 10 bar ou un peu plus. Il est possible d'utiliser une pression beaucoup plus élevée sans augmentation du coût pour deux raisons: le débit étant plusieurs fois plus faible comme il l'a été indiqué précédemment, la puissance nécessaire de la pompe n'est pas plus élevée, donc la pompe n'est pas plus coûteuse, ni en prix d'achat, ni en consommation électrique en fonctionnement. La grande marge entre la pression du liquide et la - 8 - pression d'ébullition rend négligeable les pertes de charges dans le circuit d'alimentation des bouilleurs 6. Comme le débit est faible, on peut utiliser des tuyauteries de section très réduite, par exemple de l'ordre de 2 à 5 mm2 par bouilleur de 3 kW. Cette disposition d'alimentation en liquide sous pression relativement élevée, nécessaire à l'injection pour former l'écoulement vortex dans les bouilleurs 6, apporte en outre un avantage important: la répartition du débit total en autant de débits partiels que de bouilleurs résulte de la perte de charge de l'injection de chaque bouilleur. L'influence des pertes de charges dans tout le réseau de tuyauteries amont est alors secondaire, ce qui n'était pas le cas dans l'état de l'art antérieur. Il est infiniment plus facile de fabriquer des injecteurs de bouilleurs de caractéristique reproductible que de bien répartir des débits dans tout un réseau comportant des tubes de longueurs différentes, des coudes, des pipes de distributions, des étages à différentes pressions statiques, etc. , ce qui inévitablement nécessitait d'ajouter des réglages et des régulations dans l'état de..DTD: l'art antérieur. Ceci concourt comme les caractéristiques précédentes à simplifier l'engeenering du système et à réduire au minimum le volume nécessaire de liquide dans l'installation. En résumé, l'économie de liquide d e à la réduction de la section des tuyauteries de liquide est d'un facteur 5 à 10 par rapport aux installations antérieures; et l'économie de liquide pour la part biphasique de l'installation est d'un facteur 3 à 5. La réduction globale de ce fluide est donc de l'ordre de 3 à 5, ce qui est extrêmement important car cela permet d'utiliser, pour le même coQt, des fluides plus coûteux que le F113, de façon à bénéficier d'avantages supplémentaires, tels que par exemple meilleure stabilité chimique à long terme et réduction des risques pour l'environnement. Il est important de remarquer également que les plaques 10 à écoulement VORTEX ont une structure simplifiée par rapport aux plaques antérieures comportant de multiples canaux. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. -- 9 3- REVENDICATIONS 1/ Dispositif de refroidissement de composants électroniques de puissance, du genre "à convection forcée biphasique" dans lequel lesdits composants sont fixés sur une pluralité de plaques-supports percées de canaux pour la circulation d'un fluide réfrigérant, caractérisé par le fait que lesdites plaques sont disposées verticale- ment côte à côte en lignes sensiblement horizontales, et sur plusieurs étages, qu'elles sont percées chacune d'un canal cylindrique d'axe vertical alimenté en liquide à sa partie supérieure de manière tangentielle par un injecteur susceptible de réaliser dans ledit canal un écoulement de type "vortex", ce canal communiquant à sa partie inférieure avec une tuyauterie de recueil de vapeur inclinée vers le bas, le circuit de circulation de fluide comportant en outre un tuyau sensiblement vertical o débouchent toutes les tuyauteries de recueil de vapeur, ledit tuyau aboutissant dans un condenseur, suivi d'une pompe et d'un tuyau sensiblement vertical d'alimentation enliquide auxquels sont reliés tous les injecteurs. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensemble des tuyauteries du circuit destinées à la circulation de la vapeur est du type pour "gaz basse pression". 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'ensemble des tuyaux et conduites permettant la circulation du liquide est réalisé en tube de faible section de type "moyenne pression". ' 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le -fait que ledit injecteur fixé à la partie supérieure dudit canal est formé d'une rondelle métallique avec un trou central et des orifices d'injection latérale communiquant avec ledit trou et présentant une section de l'ordre du mm2. 1/2 FIG.1 r5 -o....E _ 13 6,.J 2/2 FIG.3 56 551 /6I, FIG. 4 57'51 FI..4('I