Brevet FR2646500A1 — publié le 19901102

Procédé de refroidissement de composants électriques, dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et application aux composants embarqués dans un véhicule La présente invention concerne un procédé de refroidissement de composants électriques, un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et une application aux composants embarqués dans un véhicule. Des composants électriques, notamment des composants électroniques tels que diodes, transistors, triacs, thyristors, résistances, sont employés dans des équipements qui véhiculent des puissances importantes. Ces composants sont généralement fixés sur un bloc support. De tels équipements, même s'ils travaillent avec un bon rendement, transforment une partie de l'énergie électrique qui leur est fournie'en énergie thermique qu'il convient d'évacuer pour maintenir une température des composants compatibles avec leurs fonctionnements. On connait plusieurs systèmes qui dans certains cas, permettent effectivement de refroidir de tels composants: - échangeurs directs passifs (radiateurs), - circulation de fluide caloporteur avec ou sans changement de phase, - caloducs. De tels systèmes ont été décrits, notamment dans les documents EP-A-0184146, US-A-3989099, EP-A-0047655. Les systèmes sont essentiel- lement passifs, c'est-à-dire que la température diminue régulièrement de la source chaude, le composant en l'occurrence, à la source froide ou milieu extérieur d'échange thermique (souvent un radiateur). Si ce milieu extérieur a une température largement variable ou, si, a fortiori il a une température plus élevée que celle à laquelle les composants électriques peuvent fonctionner, de tels systèmes ne donnent pas satisfaction. La présente invention a pour but de définir un procédé et un dispositif de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques qui ne présentent pas les inconvénients de l'art antérieur et qui sont efficaces quelle que soit la valeur - 2 - de la température extérieure. Elle propose également une application de ce procédé aux composants embarqués dans un véhicule. Le procédé de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques de la présente invention comprenant l'évacuation des calories produites par ces composants vers un milieu extérieur par l'intermédiaire d'une ou plusieurs boucles thermiques fonctionnant par circulation d'un fluide caloporteur entre des échangeurs se caractérise en ce qu'il comprend les étapes intermédiaires suivantes: - transfert des calories produites par ces composants électriques de manière directe ou indirecte au fluide caloporteur d'une machine frigorique, - transfert des calories précédemment cédées au fluide caloporteur, au milieu extérieur dont la température est susceptible d'être supérieure ou égale à la température de fonctionnement de ces composants électriques. Dans une forme de l'invention, le procédé de refroidissement se caractérise en ce qu'il comprend les opérations intermédiaires suivantes: - transfert des calories produites par ces composants électriques au fluide caloporteur d'une première boucle thermique, passive, pourvue d'une pompe de circulation, - transfert des calories du fluide caloporteur de cette boucle thermique au fluide caloporteur de la machine frigorifique par l'intermédiaire d'un échangeur commun, - transfert des calories du fluide caloporteur de cette machine frigorifique au milieu extérieur dont la température est susceptible d'être supérieure ou égale à la température de fonctionnement de ces composants électriques. Dans une autre forme de l'invention, le procédé de refroidissement se caractérise en ce qu'il comprend les étapes intermédiaires suivantes: transfert des calories produites par ces composants électriques directement par l'intermédiaire du bloc support au fluide caloporteur de la machine frigorifique, - transfert des calories précédemment cédées à ce fluide caloporteur, -3- au milieu extérieur dont la température est susceptible d'être supérieure ou égale à la température de fonctionnement de ces composants électriques. Dans une troisième forme de l'invention, le procédé de refroidis- sement se caractérise en ce qu'il comprend l'opération suivante: - transfert des calories du fluide caloporteur de la machine frigorifi- que au liquide de refroidissement d'un moteur à combustion interne. L'invention a également pour objet des dispositifs pour la mise en oeuvre des diverses variantes du procédé de l'invention. L'invention s'applique en particulier au refroidissement de composants électriques qui sont embarqués dans un véhicule automobile. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant exposés de façon plus détaillée dans la description d'exemples de réalisation donnés à titre non limitatif en se référant au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un diagramme d'une machine frigorifique de type connu, - la figure 2 est un schéma d'un dispositif de refroidissement de composants électriques selon l'invention, - la figure 3 est un schéma d'un autre dispositif de refroidissement de composants électriques selon l'invention, - la figure 4 est un schéma d'un troisième dispositif de refroidissement de composants électriques selon l'invention. Les éléments communs aux différentes figures ont reçu les mêmes références. On rappellera brièvement le fonctionnement d'une machine frigorifique connue schématisée dans la figure 1 et décrite notamment dans l'ouvrage "Réfrigération Industrielle de M.Conan-Eyrolles" qui peut être utilisée dans le cadre de l'invention, étant entendu que tout autre machine assurant la même fonction peut également convenir. Cette machine est constituée d'un évaporateur 1 en contact thermique direct ou indirect avec l'élément 2 à refroidir, d'un compresseur 3, d'un condenseur 4 en contact thermique avec un milieu extérieur 5 pour lui céder des calories, d'un détendeur 6, tous ces sous-ensembles étant réunis par des canalisations 7 o circule un fluide frigorigène. Le cycle de fonctionnement d'une telle machine à compression de vapeur est le suivant: - évaporation du fluide dans un premier échangeur thermique 1 à température T1 par acquisition de calories en provenance de l'élément 2 à refroidir, - compression de cette vapeur entraînant son échauffement à une température T2 - refroidissement et condensation de cette vapeur dans un deuxième échangeur thermique 4 en cédant des calories au milieu extérieur 5, - sous-refroidissement en phase liquide à la température T3, - détente de ce liquide grâce au détendeur 6 avec refroidissement et retour à l'évaporateur 1. Dans le cadre de l'invention,.T1 est la température de fonction- nement des composants électriques qui est inférieure à T3 température que l'on peut assimiler à celle de ce que l'on est convenu d'appeler le milieu extérieur, T3 étant inférieure à T2. On décrira maintenant plus spécifiquement le procédé de refroidis- sement de composants électriques selon l'invention. Il est bien évident que la présente description concerne également les dispositifs permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Dans la présente invention, le procédé de refroidissement de composants électriques fait appel à un cycle thermodynamique tel que celui de la machine frigorifique décrite ci-dessus. Une opération commune aux différentes variantes consiste à refroidir un élément 2 qui est, soit un fluide caloporteur transportant des calories générées par ces composants électriques, soit ces composants électriques eux-mêmes o leurs blocs supports. Dans une première forme de l'invention représentée dans la figure 2, le procédé de refroidissement fait appel à deux boucles thermiques: une boucle frigorifique 8 et un circuit secondaire 9. Le procédé comprend, notamment, les opérations suivantes: - transfert des calories des composants électriques 11 ou de leurs blocs supports au fluide du circuit secondaire 9 au sein de l'échan- geur 10, - circulation du fluide du circuit secondaire 9 avec la pompe de -5- circulation 13, - transfert des calories du fluide du circuit secondaire 9 au fluide frigorigène de la boucle frigorifique 8 au sein d'un échangeur 12 commun aux deux boucles thermiques, échangeur qui comprend l'évaporateur de cette boucle frigorifique, - transfert des calories du fluide frigorigène de la boucle frigorifi- que 8 au milieu extérieur 5 au sein de l'échangeur 14 qui comprend le condenseur de cette boucle frigorifique. Ce procédé permet bien de refroidir les composants électriques ou leurs blocs supports en cédant les calories qu'ils génèrent à un milieu extérieur d'une température plus élevée. Dans une autre forme de l'invention représentée dans la figure 3, le procédé de refroidissement fait appel à une seule boucle thermique qui est une boucle frigorifique. Il comprend notamment les opérations suivantes: transfert des calories des composants électriques 11 ou de leurs blocs supports avec le fluide calorigène de la boucle frigorifique au sein de l'échangeur 17 qui constitue l'évaporateur de cette boucle frigorifique, transfert des calories du fluide frigorigène de la boucle frigorifique au milieu extérieur 21 au sein de l'échangeur 14 qui comprend le condenseur de cette boucle frigorifique. L'avantage de cette variante réside dans l'utilisation d'une seule boucle thermique. Le dispositif correspondant est donc plus simple à mettre en oeuvre car il comprend moins d'éléments. Dans une troisième forme de l'invention représentée dans la figure 4, les considérations précédentes s'appliquent. De plus, le transfert des calories du fluide frigorigène de la boucle frigori- fique s'effectue au sein d'un échangeur 25 o le milieu extérieur est le liquide de refroidissement d'un moteur à combustion interne qui circule au sein de cet échangeur grâce à deux accès 27, 28. Pour prendre un exemple concret, les composants électriques fonctionnent à une température de l'ordre de 50 C alors que le liquide de refroidissement peut voir sa température monter jusqu'à 100, 1100C. -.6 - L'invention, dans une forme d'application du procédé permet, en faisant appel notamment à un cycle frigorifique, le refroidissement de composants électroniques embarqués dans un véhicule automobile. Il est bien évident que les descriptions qui précédent sont données à titre d'exemple. D'autres variantes peuvent être envisagées sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. - 7 - REVENDICATIONS 1/ Procédé de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, comprenant l'évacuation des calories produites par lesdits composants (2) vers un milieu extérieur (5) par l'intermédiaire d'une ou plusieurs boucles thermiques fonctionnant par circulation d'un fluide caloporteur entre des échangeurs, caracté- risé en ce qu'il comprend les étapes intermédiaires suivantes: - transfert des calories produites par lesdits composants électriques, de manière directe ou indirecte, au fluide caloporteur d'une machine frigorifique, transfert des calories précédemment cédées audit fluide caloporteur, audit milieu extérieur (5) dont la température peut ainsi être supérieure ou égale à la température de fonctionnement desdits composants électriques. 2/ Procédé de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes intermédiaires suivantes: - transfert des calories produites par lesdits composants électriques (11) au fluide caloporteur d'une première boucle thermique (9), passive, pourvue d'une pompe de circulation (13), - transfert des calories du fluide caloporteur de ladite première boucle thermique au fluide caloporteur de ladite machine frigorifique (8) par l'intermédiaire d'un échangeur commun (12), transfert des calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique audit milieu extérieur (5) dont la température est susceptible d'être supérieure ou égale à la température de fonctionnement desdits composants électriques. 3/ Procédé de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes intermédiaires suivantes: - transfert des calories produites par lesdits composants électriques (11) directement par l'intermédiaire du bloc support au fluide caloporteur de ladite machine frigorifique, - transfert des calories précédemment cédées audit fluide caloporteur, audit milieu extérieur (5) dont la température peut ainsi -8 - être supérieure ou égale à la température de fonctionnement desdits composants électriques. 4/ Procédé de refroidissement de composants électriques notamment de composants électroniques, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une étape dudit procédé consiste à transférer les calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique au liquide de refroidissement d'un moteur à combustion interne. / Dispositif de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, comprenant les moyens d'avacuer des calories produites par lesdits composants électriques (2) vers un milieu extérieur (5) par l'intermédiaire d'une ou plusieurs boucles d'échange thermique fonctionnant par circulation d'un fluide caloporteur entre des échangeurs, caractérisé en ce qu'il est opéra- tionnel même si la température dudit milieu extérieur (5) est supérieure ou égale à celle que peuvent supporter lesdits composants électriques en fonctionnement, lesdits moyens comprenant notamment: - un premier échangeur thermique (10, 17) qui transfère lesdites calories provenant directement ou indirectement desdits composants électriques (11) au fluide caloporteur d'une machine frigorifique, - un deuxième échangeur thermique (14) dont la température peut ainsi être supérieure ou égale à la température de fonctionnement desdits composants électriques, qui transfère les calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique audit milieu extérieur. 6/ Dispositif de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend notamment les moyens suivants: - un premier échangeur thermique (10) qui transfère lesdites calories provenant desdits composants électriques (11) ou de leur support au fluide caloporteur d'une première boucle thermique (9), passive, - un deuxième échangeur thermique (12) qui transfère les calories du fluide caloporteur de ladite première boucle thermique au fluide caloporteur d'une machine frigorifique (8), un troisième échangeur thermique (14) dont la température peut ainsi être supérieure ou égale à la température de fonction -9- nement desdits composants électriques-qui transfère les calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique audit milieu extérieur. 7/ Dispositif de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques, selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend notamment les moyens suivants: - un premier échangeur thermique (17) qui transfère directement lesdites calories provenant desdits composants électriques (11) au fluide caloporteur d'une machine frigorifique, - un deuxième échangeur thermique dont la température est susceptible d'être supérieure ou égale à la température de fonctionnement desdits composants électriques qui tansfère les calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique audit milieu extérieur. 8/ Dispositif de refroidissement de composants électriques, notamment de composants électroniques (21), selon l'une quelconque des revendica- tions 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, notamment, le moyen de transférer les calories du fluide caloporteur de ladite machine frigorifique au liquide de refroidissement (27, 28) d'un moteur à combustion interne, ledit liquide de refroidissement étant ledit milieu extérieur. 9/. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle assure le refroidissement de composants électriques, notamment électroniques, embarqués dans un véhicule automobile.