Brevet FR2681757A1 — publié le 19930326

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement pour composants électriques comportant au moins une cavité plate parcourue par du liquide ainsi que des raccords d'entrée et de sortie. D'après le document DE-A-39 08 996, un corps de refroidissement, parcouru par liquide, pour composants semiconducteurs, contient des canaux de refroidissement qui s'étendent en forme de méandres depuis un raccord d'entrée jusqu'à un raccord de sortie Le corps de re- froidissement a la forme d'un parallélépipède et est constitué d'une matière plastique ou de céramique Malgré le profil en forme de méandres des canaux de refroidis- sement, la surface en contact avec le liquide de refroi- dissement est limitée et également les matériaux proposés ( matière plastique ou céramique) permettent seulement une évacuation limitée de la chaleur. D'après le document DE-A-39 37 130, il est cornu un dispositif de refroidissement servant à refroi- dir des composants électriques, et dans lequel un boîtier intérieur de refroidissement en métal est pourvu d'un grand nombre de canaux parallèles de fluide, qui s'éten- dent entre une entrée d'agent de refroidissement et une sortie d'agent de refroidissement Le boîtier inté- rieur de refroidissement est disposé, avec interposition d'une enveloppe isolante, dans un boîtier extérieur sur la surface duquel les composants électriques seront disposés en vue d'une évacuation de la chaleur Dans le boîtier de refroidissement connu, évidemment la surface sollicitée par le fluide de refroidissement est plus grande que dans les canaux en forme de méandres; cet avantage est cependant compensé au moins partiellement par la couche isolante prévue entre le boîtier intérieur et le boîtier extérieur Pour des raisons concernant les techniques de fabrication, les nervures existant entre les canaux doivent avoir une épaisseur déterminée et en outre, pour un nombre croissant de nervures, la surface de la section de passage de l'eau de refroidisse- ment diminue, ce qui a pour conséquence une augmentation de la baisse de pression. D'après le document DE-A-35 04 207, il est connu un échangeur de chaleur air/air pour des coffrets électroniques, o il est prévu, pour créer une surface de transmission de chaleur aussi grande que possible, un profil superficiel avec plis, qui est sollicité par le courant d'air de refroidissement. L'objet de la présente invention est de créer un dispositif de refroidissement pour composants électri- ques du type défini dans le premier paragraphe de telle sorte qu'il ait une structure simple et un grand pouvoir de transmission de chaleur Ce problème est résolu, pour un dispositif de refroidissement du type précité, en ce que la cavité est formée entre deux composants sensiblement en forme de plaques, dont au moins un premier composant est constitué d'un métal de préférence un alliage de métal léger et en ce que dans la cavité est disposé un élément d'insertion ayant à peu près la forme d'une bande ondulée. Les avantages essentiels du dispositif de refroidissement conforme à l'invention consistent notam- ment en ce que celui-ci se compose de parties de forme simple et faciles à fabriquer et que, pour une grande surface de transmission de chaleur, il se produit une perte de pression relativement faible dans le dispositif de refroidissement. Selon une autre particularité avantageuse de l'invention, l'élément d'insertion comporte, perpen- diculairement à la direction de passage d'écoulement, un grand nombre d'ondulations qui sont orientées dans la direction de passage de l'écoulement seulement sur une partie de la longueur de la cavité et plusieurs rangées de telles ondulations sont disposées l'une après l'autre, la rangée respectivement suivante étant disposée avec un décalage latéral par rapport à la rangée précé- dente. Par ce moyen, il se produit, sans utilisation additionnelle de matière et tout en maintenant la libre section de passage pour le liquide de refroidissement, une mise en turbulence intensive du liquide de refroidis- sement Ces turbulences empêchent des écoulements lami- naires et assurent une transmission efficace de chaleur du composant métallique au liquide de refroidissement. Pour augmenter la transmission de chaleur du composant métallique à l'élément d'insertion, il est avantageux que les ondulations aient une forme à peu près rectangu- laire ou trapézoïdale Ainsi la surface d'application de l'élément d'insertion contre le composant métallique est augmentée Pour une exploitation optimale de la surface disponible dans la cavité, il est en outre proposé que les rangées d'ondulations se suivent directement sans espacement. Il est en outre avantageux que l'élément d'in- sertion soit d'une seule pièce et se compose d'une tôle d'aluminium, qui est en bonne liaison de transmission de chaleur avec le composant métallique La tôle d'alu- minium a avantageusement une épaisseur d'environ 0,15 mm et la longueur partielle est comprise entre 2 et 5 mm. Ces moyens aux dimensions font en sorte que la baisse de pression soit maintenue extrêmement faible et qu'il existe un grand nombre de zones de tourbillonnement pour la production de turbulences Pour une bonne exploi- tation de la cavité disponible, l'élément d'insertion doit S ' étendre sur plus de 90 % de la surf ace de la cavité Conformément à une première variante de réalisa- tion, la cavité est créée par un évidement formé dans un des composants et l'autre composant est agencé sous forme d'une plaque plane qui recouvre l'évidement. Pour une normalisation des composants, une seconde varian- te de réalisation est conçue de telle sorte que les deux composants aient une épaisseur à peu près identique et que chacun de ces composants comporte un évidement, les deux évidements formant ensemble la cavité La profon- deur des deux évidements associés correspond alors à la hauteur de l'élément d'insertion L'assemblage ou la liaison des pièces peut être réalisé de différentes manières A cet égard, on considère comme une solution avantageuse que les deux composants soient constitués du même matériau et soient liés à l'aide du matériau aussi bien sur leurs bords qu'avec l'élément d'insertion. Pour des dispositifs de refroidissement dans lesquels le second composant ne doit pas être formé d'un métal ou bien lorsque pour des raisons quelconques un matériau métallique ne convient pas, il est considéré comme judi- cieux de disposer entre les composants, le long du bord entourant la cavité, un moyen d'étanchéité et de relier les deux composants mécaniquement l'un avec l'autre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de refroidissement relié mécaniquement; la Figure 2 est une vue en coupe faite suivant la ligne II-II de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en coupe faite suivant la ligne III-III de la Figure 2; la Figure 4 est une variante de réalisation de la Figure 1, avec liaison des composants par le matériau; et les Figures 5 à 7 représentent différentes formes d'ondu- lations de l'élément d'insertion. La Figure 1 représente une vue en coupe longi- tudinale d'un dispositif de refroidissement 10, qui a une forme de parallélépipède plat et qui se compose dans l'essentiel de deux composants 11 et 12 en forme de plaques Aussi bien le premier composant 11 que le second composant 12 sont constitués de matériaux métalli- ques Le premier composant 11 est pourvu d'un évidement 18 qui délimite, entre le premier composant 11 et le second composant 12 qui est agencé sous forme d'une plaque plane une cavité 14 dans laquelle est disposé un élément d'insertion 13 constitué par une bande métalli- que ondulée L'élément d'insertion 13 est soudé sur le premier composant 11 Le long du bord de la cavité 14, il est prévu entre le premier composant 11 et le second composant 12 un joint d'étanchéité 15 qui assure l'étanchéité vers l'extérieur de la cavité 14 parcourue par du liquide Le premier composant 11 est pourvu de trous filetés 16 qui servent à recevoir des vis 17 à l'aide desquelles le second composant 12 est fixé mécani- quement sur le premier composant 11 Les flèches Q indi- quent l'action de la chaleur sur le dispositif de refroi- dissement 10, cette chaleur étant produite par des compo- sants électriques fixés sur la surface du dispositif de refroidissement 10. Sur la Figure 2, on a mis en évidence l'étendue superficielle de l'évidement 18 existant dans le premier composant 11 du dispositif de refroidissement 10, les raccords pour un conduit de fluide de refroidissement étant disposés sur les côtés étroits correspondants du premier composant 11 La référence numérique 22 désigne un raccord d'entrée et la référence numérique 23 un raccord de sortie Dans la cavité formée par l'évidement 18 est disposé l'élément d'insertion 13 qui est constitué d'une tôle métallique ondulée 25 Les ondulations sont orientées transversalement à la direction de passage du fluide de refroidissement, auquel cas en considérant la direction de l'écoulement cette disposition des ondulations est prévue seulement sur une partie S de la longueur totale 1 de la cavité 14 Du fait que la longueur partielle S par rangée 20, 21 est relativement petite par rapport à la longueur 1, la tôle métallique ondulée 25 comporte un grand nombre de rangées 20, 21, mais cependant des rangées respectivement successives sont décalées latéralement entre elles L'élément d'in- sertion 13 est espacé respectivement d'une distance a par rapport aux bords frontaux de l'évidement 18, et qui sert à répartir avantageusement le liquide de refroidissement sur toute la largeur de l'évidement 18. La Figure 3 est une vue en coupe f aite suivant la ligne III-III de la Figure 2 On se rend compte nette- ment à cet égard que l'élément d'insertion 13 situé dans l'évidement 18 du premier composant 11 comporte une ondulation orientée perpendiculairement à la direction de passage de l'écoulement, cette ondulation ayant une forme rectangulaire. Sur la Figure 4 est représentée une autre forme de réalisation d'un dispositif de refroidissement , qui se compose d'un premier composant 31, comportant un évidement 33 s'étendant approximativement sur toute la longueur, et d'un second composant constitué par une plaque plane 32 L 1 'évidement 33 forme entre le premier composant 31 et la plaque plane 32 une cavité 34 dans laquelle est situé l'élément d'insertion 13, qui s'étend approximativement sur toute la longueur de la cavité 34 Dans la cavité 34 débouche, sur un côté du premier composant 31, un raccord d'entrée 35 et il est prévu à l'autre extrémité de la cavité 34, dans le premier composant 31, un raccord de sortie 36 Les composants 31 et 32 ainsi que l'élément d'insertion 13 sont formés d'aluminium et sont soudés entre eux sur leurs surfaces d'application respectives. Sur la Figure 5 est représentée à échelle agrandie une vue en coupe de l' élément d'insertion 13 considéré dans la direction d'écoulement du fluide de refroidissement L'élément d'insertion se compose d'une tôle métallique ondulée 25, les ondulations compor- tant des flancs 26 approximativement verticaux et des sommets 27 plans Les ondulations représentées par des hachures correspondent à la première rangée 20 d'ondula- tions, la rangée suivante 21 d'ondulations étant disposée avec un décalage latéral par rapport à la rangée 20, ce qui est représenté par les flancs 26 * et les sommets 27 * profilés d'une manière identique. La Figure 6 représente une vue en coupe à échelle agrandie d'une autre forme de réalisation de l'élément d'insertion 13, qui comporte dans ce cas des flancs disposés en forme de V et des sommets en forme de coupole On n'a pas fait intervenir dans ce cas le décalage latéral, ou bien la disposition de différen- tes rangées d'ondulations. La Figure 7 représente un élément d'insertion 13 de profil analogue à celui de la Figure 5, qui se compose également d'une tôle métallique 25 A la différen- ce de la Figure 5, la forme des ondulations est cependant trapézoïdale, c'est-à-dire qu'il est prévu entre des sommets plans 27 les flancs disposés en oblique 26. REVENDICATIONS 1 Dispositif de refroidissement pour composants électriques comportant au moins une cavité plate parcou- rue par du liquide ainsi que des raccords d'entrée et de sortie, caractérisé en ce que la cavité ( 14, 34) est formée entre deux composants ( 11, 12; 31, 32) sen- siblement en forme de plaques, dont au moins un premier composant ( 11, 31) est constitué d'un métal de préfé- rence un alliage de métal léger et en ce que dans la cavité ( 14, 34) est disposé un élément d'insertion ( 13) ayant à peu près la forme d'une bande ondulée. 2 Dispositif de refroidissement selon la reverin- dication 1, caractérisé en ce que l'élément d'insertion ( 13) comporte, perpendiculairement à la direction de passage d ' écoulement, un grand nombre d ' ondulations qui sont orientées dans la direction de passage de l'écou- lement seulement sur une partie (s) de la longueur ( 1) de la cavité ( 14, 34) et plusieurs rangées ( 20, 21) de telles ondulations sont disposées l'une après l'autre, la rangée respectivement suivante ( 21) étant disposée avec un décalage latéral par rapport à la rangée précé- dente ( 20). 3 Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les ondula- tions ont à peu près une forme rectangulaire ou une forme trapézoïdale. 4 Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que les rangées ( 20, 21) d'ondulations sont disposées en se suivant directement sans espacement. Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément d'insertion ( 13) est d'une seule pièce et se compose d'une tôle d'aluminium ( 25), qui est en bonne liaison conductrice de la chaleur avec le composant métallique ( 11 il, 31). 6 Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 5, caractérisé en ce que la tôle d'aluminium ( 25) a une épaisseur d'environ 0,15 mm. 7 Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la longueur partielle (s) s' élève à environ 2 mm à 5 mm. 8 Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l' élément d'insertion ( 13) s'étend sur plus de 90 % de la surface de la cavité ( 14, 34). 9 Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la cavité ( 14, 34) est créée par un évidement ( 18, 33) prévu dans le premier composant ( 11, 31) et le second composant ( 12, 32) est une plaque plane qui recouvre l'évidement ( 18, 33). Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux composants ont à peu près la même épaisseur et chacun de ces composants comporte un évidement, ces évidements formant ensemble la cavité précitée. 11 Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que les deux composants ( 31, 32) sont constitués du même matériau et sont reliés par combinaison de matériau sur leurs bords ainsi qu'avec l'élément d'insertion ( 13). 12 Dispositif de refroidissement selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu un moyen d'étanchéité ( 15) entre les composants ( 11, 12), le long du bord entourant la cavité ( 14), et les deux composants ( 11, 12) sont reliés mécaniquement l'un avec l'autre.