Brevet FR2703443A1 — publié le 19941007

Cette invention concerne la dissipation de l'énergie thermique engendrée par des dispositifs électroniques Elle concerne plus particulièrement un appareil miniaturisé à puits de chaleur pour dissiper l'énergie thermique engendrée par d'importants dispositifs semiconducteurs et similaires, dans l'environnement qui les entoure, et des procédés d'utilisation de ces appareils. De nombreux dispositifs électroniques utilisés dans des systèmes électriques tels que des commandes de puissance, des commandes de traction, des commandes de moteur à vitesse variable, des microprocesseurs et similaires, engendrent de la chaleur au cours de leur fonctionnement, cette chaleur devant être dissipée afin d'éviter l'endommagement du dispositif électronique. Quelques-uns de ces dispositifs sont limités en ce qui concerne la manipulation de la puissance, ces limites étant largement déterminées par leur capacité d'éliminer la chaleur engendrée intérieurement, et donc à éviter des dégradations ou des pannes thermiques générales ou localisées dans ces dispositifs Des appareils pour éliminer et dissiper cette énergie thermique en excès (généralement appelés "puits de chaleur") sont donc nécessaires au fonctionnement de ces systèmes. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 4 884 331 de Hinshaw décrit des puits de chaleur qui ont été utilisés avec succès pour des blocs de dispositifs semiconducteurs relativement petits Ces puits de chaleur sont en général très petits et sont principalement destinés aux applications d'ordinateurs. Des ventilateurs ont été utilisés en conjonction avec de tels puits de chaleur pour former des modules miniatures de refroidissement thermique Il s'est avéré que ces petits modules de refroidissement thermique présentaient des valeurs d'impédance thermique dans une plage d'environ 10 C/W De tels modules, cependant, sont beaucoup trop limités pour être utilisés dans d'importantes commandes de puissance et similaires Des systèmes importants tels que des commandes de traction, des commandes de moteur à vitesse variable et similaires utilisent des dispositifs semiconducteurs à puissance élevée tels que des transitors bipolaires à grille isolée ou des dispositifs similaires, et nécessitent un appareil de dissipation de la chaleur qui présente des valeurs de l'impédance thermique inférieures à environ 0,30 C/W afin d'obtenir une dissipation acceptable de l'énergie dans un système de commande de dimensions raisonnables Pour obtenir de telles valeurs de l'impédance thermique, des unités de refroidissement à refroidissement forcé telles que celles distribuées par "Alutronic, 5884 Halver, Auf der Lobke 9-11, Postfach 12 03 ", en Allemagne, ont été utilisées de manière extensive Un appareil similaire est produit par "Aavid Engineering, Inc of Laconia, New Hampshire" Un tel appareil de l'art antérieur comporte en général plusieurs ailettes fines et parallèles, reliées longitudinalement dans un boîtier rectangulaire Le boîtier peut également comporter une chambre de compression pour réduire l'air dans la section de l'ailette afin d'obtenir un écoulement uniforme de l'air à travers les ailettes Cependant, afin d'obtenir une structure de refroidissement qui présente une valeur d'impédance thermique sensiblement inférieure à 10 C/W, ces dispositifs nécessitent un puits de chaleur de volume extrêmement important Par exemple, un refroidisseur à convection forcée classique, pour un transistor bipolaire à grille isolée et similaire, est l 'appareil du imodèle LK 40-200 Q vendu par Alutronic Cet appareil présente une valeur d'impédance thermique d'environ 0,0440 C /W mais occupe un volume d'environ trois mille trois zent soixante quinze ( 3375) centimètres cubes. En tant qu'applications de lourds systèmes de commande de puissance nominale et des extensions de ceux-ci, il est souhaitable que l'espace nécessité par les systèmes qui refroidissent les dispositifs de puissance soit réduit Malheureusement, la valeur la plus faible du rendement de volume (déterminée en multipliant l'impédance thermique par le volume et exprimée par Ra V) pour un appareil de refroidissement par air forcé n'a jusqu'à présent pas été inférieur à environ 60 C 16,38 cm 3/W. on a à présent découvert que les puits de chaleur à refroidissement forcé réalisés conformément à l'invention peuvent atteindre des valeurs du rendement de volume sensiblement inférieures à 60 C 16,38 cm 3/W. Un tel appareil à puits de chaleur est produit en créant une embase conductrice thermiquement qui a une face adaptée pour être reliée en communication thermique avec le dispositif à refroidir, et qui possède plusieurs broches sensiblement parallèles s'étendant d'une face à l'autre La surface des broches doit être suffisante pour obtenir une impédance thermique sensiblement inférieure à environ 10 C/W (de préférence inférieure à environ 0,30 C/W) et est refroidie par de l'air forcé, sensiblement axialement par rapport aux broches et vers l'embase Lorsque les broches sont convenablement espacées, les dimensions de l'espace occupé par le corps à puits de chaleur et les broches sont réduites suffisamment pour former un corps à puits de chaleur ayant une valeur d'impédance thermique (R,) inférieure à environ 0,30 C/W et une valeur de rendement de volume (Ro V) inférieure à environ 60 C 16,38 cm 3/W. Conformément à la présente invention, des puits de chaleur pour éliminer et dissiper la chaleur à partir d'importants dispositifs électroniques sont prévus, qui comportent un corps à puits de chaleur à mettre en contact avec un bloc de dispositif électronique Le corps à puits de chaleur comporte des broches parallèles faisant saillie vers l'extérieur depuis le corps, avec les broches séparées par des sillons qui se coupent Un ventilateur rotatif est monté pour souffler l'air à travers les sillons entre les broches et vers l'embase La dissipation thermique de l'énergie est si efficace que l'impédance thermique du puits de chaleur est sensiblement inférieure à 1 OC/W en utilisant des ensembles à puits de chaleur qui ont un volume total inférieur au tiers de celui utilisé normalement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée suivante prise en connexion avec les revendications et les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue éclatée de l'appareil à puits de chaleur conforme au mode de réalisation actuellement préféré de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de dessus d'un mode préféré de réalisation d'un corps à puits de chaleur conforme à la présente invention; la figure 3 est une vue en élévation latérale du corps à puits de chaleur de la figure 2; la figure 4 est une vue découpée d'une fente pour vis dans le corps à puits de chaleur du mode de réalisation actuellement préféré de l'invention; et la figure 5 est une représentation graphique de valeurs comparatives de Ro V pour l'appareil commercial de l'art antérieur, et pour un appareil d'essai réalisé conformément à l'invention. L'appareil à puits de chaleur conforme au mode de réalisation actuellement préféré de l'invention est représenté sur la figure 1 Dans un but de clarté de l'illustration, des numéros de référence identiques désignent des éléments similaires ou correspondants dans les diverses vues du dessin Le mode de réalisation illustré comporte un corps 10 à puits de chaleur et un ventilateur rotatif 11 représenté en perspective avec plusieurs dispositifs électroniques tels que des transistors 13 bipolaires à grille isolée. on reconnaîtra que le bloc transistor bipolaire à grille isolée est utilisé ici principalement dans un but illustratif du type général des dispositifs électroniques qui nécessitent des puits de chaleur hautement efficaces pour fonctionner correctement. Divers autres dispositifs tels que des transistors de puissance et similaires ont des caractéristiques similaires et tirent également avantage de l'invention. Comme représenté sur les figures 1-3, le corps 10 à puits de chaleur comprend une embase 12 avec un nombre prédéterminé de broches parallèles 14 faisant saillie vers l'extérieur depuis la surface supérieure de l'embase 12 Le corps 10 à puits de chaleur est de préférence réalisé en un matériau ayant un coefficient de conductivité thermique relativement élevé tel que de l'aluminium, des alliages d'aluminium, du cuivre, des alliages de cuivre ou similaires Les broches 14 sont séparées par des sillons 16 longitudinaux et parallèles et par des sillons 18 latéraux et parallèles se coupant mutuellement Les broches 14 font saillie vers l'extérieur dtune distance ou hauteur prédéterminée p depuis la surface supérieure de l'embase 12 et font un angle prédéterminé avec l'embase 12 Dans les modes de réalisation préférés, l'angle prédéterminé est d'approximativement quatre-vingt dix degrés Les sillons longitudinaux 16 ont une largeur prédéterminée f et les sillons latéraux 18 ont une largeur prédéterminée f' mesurées entre des broches parallèles adjacentes 14 Ces largeurs, f et f', peuvent être identiques ou différentes Comme on pourra le constater, la profondeur des sillons 16 et 18 est égale à la hauteur p des broches 14. Le corps 10 à puits de chaleur peut être fabriqué selon divers procédés Par exemple, le corps 10 peut être formé par un procédé d'extrusion dans lequel l'embase est formée par des ailettes parallèles s'étendant dans la direction longitudinale, et séparées par des sillons longitudinaux 16 Le corps 10 peut alors être scié en simples passes ou scié par blocs le long de la direction latérale du corps 10, pour former plusieurs sillons 18 latéraux laissant des broches 14 espacées et parallèles entre les sillons 16 et 18 Dans ce mode de réalisation, la hauteur p des broches est déterminée par les limites de la formation des ailettes et des sillons du procédé d'extrusion. Dans un autre procédé, il est prévu un bloc du matériau préféré pour le corps 10 à puits de chaleur, et le nombre de sillons longitudinaux 16 et de sillons latéraux 18 nécessaires, de largeurs souhaitées f et f', sont formés par sciage ou usinage en simples passes ou en sciant par blocs Lorsqu'elles sont formées par usinage ou par sciage, les broches ont une hauteur qui n'est pas limitée par un procédé d'extrusion Quel que soit le procédé de fabrication, le corps 10 à puits de -7 chaleur peut &tra ancd-sê =u trat de houte auzre façon, pour la protection conitre 1 a corrosion et pour améliorer ses caractéristiques de d- ssipation de chaleur. La configuration du corps à puits de chaleur en six parties soumises à des essais, est résumée dans le tableau 1. TABLEAU 1 Essai n Largeur Longueur Hauteur Diamètre du (cm) (cm) (cm) ventilateur (cm) EX-2451 12,06 12,31 4,44 1 ',43 EX-2452 12,06 18,11 4,4 11,43 EX-2453 12,06 24,38 4,44 11,43 EX-2461 17,65 17,62 4,44 14,60 EX-2462 17,65 26,31 4, 44 14,60 EX-246335,30 16,31 14,50 * EX-2463 I 35,30 26,31; 4,44 14,50 * 0 * comporte deux ventilateurs montés c 3 ze-a-ccte. Six modes de réalisation ex rimentaux de l'invention ont été fabriquês à des fins d'essais Dans le premier mode de réalisation de l'invention (identifié par EX-2451 dans le tableau 1), la longueur de la base 12 du corps 10 est de 4,83 mouces ( 12,3 cm' dans la direction longitudinale et de 4,75 pouces ( 12,06 cm) dans la direction latérale Dans le second mode de réalisation (EX-2452), la longueur de la base 12 du corps 10 est de 7,13 pouces ( 13811 cm) dans la direction longitudinale et de 4,75 pouces ( 12,06 cm, dans la direction latérale Dans le tro s:eme mode de réalisation (EX-2453), la longueur de la base 12 du corps 10 est de 9,60 pouces ( 24,38 cm) dans la direction longitudinale et de 4,73 pouce 3 ( 12,C O cm) dans la direction latérale Dans chacun de ces trois modes de réalisation, la hauteur p des broches 14 est de 1,1 pouces ( 2,79 cm), la largeur f des sillons longitudinaux 16 est de 0,30 pouce ( 0,77 cm) et la largeur f' des sillons latéraux 18 est de 0,10 pouce ( 0,24 cm). Dans le quatrième mode de réalisation de la présente invention (EX-2461), la longueur de la base 12 du corps 10 est de 6,94 pouices ( 17,62 cm) dans la direction longitudinale et de 6,95 pouces ( 17,65 cm) dans la direction latérale Dans le cinquième mode de réalisation (EX-2462) la longueur de la base 12 du corps 10 est de 10,36 pouces ( 26,31 cm) dans la direction longitudinale et de 6,95 pouces ( 17,65 cm) dans la direction latérale Dans le sixième mode de réalisation (EX-2463) la longueur de la base 12 est de ,36 pouces ( 26,31 cm) dans la direction longitudinale et de 13,90 pouces ( 35,30 cm) dans la direction latérale Dans chacun des quatrième, cinquième et sixième modes de réalisation, la hauteur p des broches 14 est de 1,1 pouces ( 2,79 cm), la largeur f des sillons longitudinaux 16 est de 0,28 pouce ( 0,72 cm) et la largeur f' des sillons latéraux 18 est de 0,10 pouce ( 0,24 cm). Si l'on se réfère à nouveau à la figure 1, le ventilateur rotatif 11 est monté pour obtenir un écoulement d'air à travers les sillons 16 et 18 du corps 10 à puits de chaleur Le ventilateur rotatif 11 est disposé avec sa surface soufflante 20 montée pour un refroidissement incident du corps à puits de chaleur Pour le refroidissement incident, le ventilateur il est monté pour diriger l'air sensiblement vers l'embase ou la surface du corps à puits de chaleur, à partir de laquelle les broches font saillie Dans le mode de réalisation représenté, le ventilateur rotatif 11 est fixé mécaniquement au corps à puits de chaleur par des vis 23 et est aligné pour délivrer de l'air axialement par rapport aux broches 14 disposées au centre de la face du corps à puits de chaleur, qui est opposée à la surface de fixation 21. De cette manière, l'air de refroidissement vient frapper toutes les surfaces des broches 14 et est dirigé vers l'extérieur à travers les sillons 16 et 18. Cependant, on reconnaîtra facilement que d'autres agencements de ventilateur peuvent être utilisés. si l'on se réfère aux figures 2 et 3, les broches 14 dans les deux rangées les plus extérieures, le long de l'axe longitudinal de l'embase 12, comportent des filetages formant des fentes 22 pour vis Les fentes 22 pour vis sont représentées agrandies dans la vue découpée de la portion A de la figure 4 Dans le mode de réalisation illustré, le ventilateur rotatif Il est monté à l'extrémité extérieure des broches 14, avec des boulons ou des vis 23 traversant les quatre coins du boîtier du ventilateur rotatif 11, et vissés dans les fentes 22 pour vis Divers autres moyens peuvent être utilisés pour monter le ventilateur sur le corps à puits de chaleur En fait, le ventilateur 12 peut être espacé des extrémités des broches 14, mais supporté tout près de celles- ci, en fixant le ventilateur à une autre structure de support, sans s'écarter des principes de l'invention. Le tableau 2 donne une comparaison entre les six dispositifs décrits ci-dessus et les dispositifs commerciaux de l'art antérieur Comme représenté sur le tableau 2 et la figure 5, l'appareil à puits de chaleur réalisé conformément à la présente invention, non seulement présente des valeurs d'impédance thermique qui sont considérablement inférieures à un appareil classique, mais l'enveloppe physique plus petite du dispositif permet une valeur de rendement du volume (ROV) considérablement lnférieure à celle obtenue dans li'art antérieur. TABLEAU 2 Point de donnée Alutronic L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 L 6 Aavid Partie d'essai V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 Modèle LK 10 -100 j LK 20-200 A LK 3 -200 A: LK 4 -200 Q LK 6 -200 R LK 6 -500 R i :EX-2451 EX-2452 EX-2453 EX-2461 EX-2462 EX-2463 Ro o C/W 0,13 0,07 0,07 i 0,044 0,025 0,0064 0,08 0,06 0,028 0,025 0,024 0,111 0,084 0,075 0,046 0,032 0,020 Volum E Ro V cm 3 o C 16,38 cm 3/W 4324, 253,89 227,68 276,82 149,05 ,52 101,55 311,22 258,80 378,77 384,93 412,77 72,07 81,9 96,64 63,88 67,15 83,53 Dans le tableau 2, les caractéristiques des six ( 6) produits réalisés par Alutronic et des cinq ( 5) produits réalisés par Aavid sont comparés aux six ( 6) dispositifs expérimentaux du tableau 1 Les valeurs Ro V : i i i 1 i sont représentées graphiquement sur la figure 5 On reconnaîtra immédiatement que tous les dispositifs expérimentaux présentent des valeurs RV inférieures à C 16,38 cm 3/W, tandis qu'aucun des dispositifs de l'art antérieur ne présente de valeur de Ro V inférieure à 6 C 16,38 cmu 3/W En outre, il faut noter que les chiffres de volumes représentés sur le tableau 2 concernent uniquement le corps à puits de chaleur et ne concernent pas le volume occupé par le ventilateur. Conformément à l'invention, le ventilateur est de préférence un ventilateur rotatif plat qui dirige de l'air vers le puits de chaleur pour un refroidissement incident Ainsi, le ventilateur 11 occupe beaucoup moins d'espace que les ventilateurs importants à cage d'écureuil couramment utilisés dans les appareils de l'art antérieur En outre, le refroidissement incident, en dirigeant de l'air sur les broches 14, coupe les couches limites, et permet un transfert plus efficace de l'énergie thermique depuis les broches vers l'air de refroidissement. Comme illustré sur la figure 1, plusieurs dispositifs électroniques tels que les transistors bipolaires à grille isolée 13 peuvent être fixés à la surface 21 de l'embase 12 opposée aux broches 14 Les dispositifs peuvent être fixés à la surface du corps 10 à puits de chaleur par tout procédé classique tel que des vis, des boulons ou des matières adhésives Selon une variante, des fentes ou des trous peuvent être formés dans la surface 21 pour monter le bloc du dispositif, ou bien le bloc 13 du dispositif peut simplement être maintenu en place. Comme représenté sur la figure 3, un corps 10 à puits de chaleur est prévu avec des sillons 26 de montage, pour fixer l'appareil à puits de chaleur à une armoire ou similaire Dans le mode de réalisation représenté, les sillons de montage 26 ont la forme d'une croix pour recevoir une protubérance, également en forme de croix, dans une armoire ou similaire, lorsque le corps 10 à puits de chaleur est glissé dans l'armoire Diverses autres techniques de support peuvent être utilisées. Bien que des modes de réalisation particuliers de la présente invention aient été décrits et illustrés ici, on doit reconnaître que des modifications et des variations peuvent aisément être apportées par le spécialiste de la technique considérée sans s'écarter de l'esprit et du but de l'invention Par conséquent, les revendications sont sensées couvrir de telles modifications et équivalences. REVENDICATIONS 1 Appareil à puits de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend: (a> un corps ( 10) conducteur thermiquement comprenant une embase ( 12) ayant une face adaptée pour la fixation à un bloc de dispositif électronique; et (b) une pluralité de broches ( 14) sensiblement parallèles faisant saillie depuis ladite embase ( 12) présentant une surface suffisante pour obtenir une impédance thermique inférieure à environ O,3 C/W; ledit corps ( 10) et lesdites broches ( 14) ayant des dimensions maximum définissant un volume qu produit une valeur de rendement de volume inférieure à environ C 16,38 cm 3/W ( 6 o C pouce 3 /W). 2 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites broches ( 14) sont alignées selon des rangées parallèles et séparées par deux séries de sillons qui se coupent ( 16, 18). 3 Appareil à puits de chaleur selon 1 revendication 2, caractérisé en ce que lesdits sillons ( 16, 18) se coupent approximativement à 90 . 4 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qua la plupart desdites broches ( 14) sont sensiblement parallèles et ont une extrémité reliée à ladite embase ( 12) et l'extrémité opposée se trouvant dans un plan décalé par 3 rapport à ladite embase ( 12). Appareil à puits de chaleur selon la revendication 4 et caractérisé en ce qu'il comprend un ventilateur ( 11) pour envoyer de l'air vers l'embase ( 12) dans une direction sensiblement normale audit plan décalé par rapport à ladite embase. 6 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps ( 10) et lesdites broches ( 14 > forment un corps unitaire. 7 Appareil à puits de chaleur pour la fixation à un bloc de dispositif électronique caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un corps ( 10) à puits de chaleur à fixer en contact avec un bloc de dispositif électronique, ledit corps ( 10) à puits de chaleur comprenant une embase ( 12) ayant une surface inférieure et une surface supérieure, ledit corps ( 10) à puits de chaleur comprenant en outre des broches parallèles ( 14) faisant saillie vers l'extérieur depuis ladite surface supérieure de ladite embase, lesdites broches ( 14) étant séparées par deux séries de sillons ( 16, 18) qui se coupent; et (b) un ventilateur ( 13) monté à l'extrémité extérieure desdites broches ( 14) pour envoyer l'air à travers lesdits sillons ( 16, 18) vers ladite embase ( 12), la surface dudit corps ( 10) à puits de chaleur étant suffisamment importante pour produire une impédance thermique sensiblement inférieure à 10 C/W sous refroidissement incident par le ventilateur ( 11). 8 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit ventilateur ( 11) est un ventilateur rotatif définissant une surface soufflante ( 20) qui correspond approximativement à la surface de ladite surface inférieure de ladite embase ( 12). 9 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un transistor ( 13) bipolaire à grille isolée, fixé à ladite surface inférieure. Appare il à puits de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit puits de chaleur présente une impédance thermique inférieure à environ 0,30 C/W. Il Appareil à puits de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite embase ( 12) comporte un moyen pour monter ledit appareil à puits de chaleur sur une structure de support. 12 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit moyen de montage comporte des sillons ( 26) en forme de croix adaptés pour recevoir une protubérance correspondante en forme de croix dans une armoire. 13 Appareil à puits de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les sillons les plus extérieurs, dans ledit corps à puits de chaleur, comportent des fentes ( 22) pour vis, alignées avec des trous dans le boîtier supportant ledit ventilateur rotatif ( 11) et des boulons ( 23) s'étendant à travers lesdits trous dans lesdites fentes ( 22) pour vis, afin de fixer ledit corps à puits de chaleur ( 10) audit ventilateur ( 11). 14 Ensemble à dissipation de chaleur caractérisé en ce qu'il comporte: (a) un puits de chaleur comprenant: (i) un corps ( 10) conducteur thermiquement comprenant une embase ( 12) ayant une face ( 21) adaptée pour la fixation à un bloc de dispositif électronique; et (ii) une pluralité de broches ( 14) sensiblement parallèles s'étendant depuis ladite embase ( 12) présentant une surface suffisante pour obtenir une impédance thermique inférieure à environ 0,30 C/W; ledit corps ( 10) et lesdites broches ( 14) ayant des dimensions maximum définissant un volume qui produit une valeur de rendement de volume inférieure à environ C 16,38 cm 3/W; (b) un bloc de dispositif électronique en communication thermique avec ladite face ( 21) adaptée pour la fixation; et (c) un ventilateur ( 11) adapté pour souffler de l'air entre lesdites broches ( 14) en direction de l'embase ( 12) à partir de laquelle les broches ( 14) font saillie. Procédé pour dissiper de la chaleir à partir d'un bloc de dispositif électronique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: (a) fixation d'un bloc de dispositif électronique adjacent à un corps ( 10) conducteur thermiquement et en communication thermique avec celui-ci, ayant une embase ( 12) et une pluralité de broches ( 14) sensiblement parallèles faisant saillie depuis ladite embase ( 12) présentant une surface suffisante pour obtenir une impédance thermique inférieure à environ 0,30 C/W et ayant des dimensions maximum définissant un volume qui permet une valeur de rendement de volume inférieure à environ 60 C pouce 3/W; et (b) projection d'air vers ladite embase ( 12) dans une direction sensiblement parallèle aux broches ( 14) faisant saillie depuis ladite embase ( 12).