Brevet FR2707383A1 — publié le 19950113

DISPOSITIF AMELIORANT LE CONTACT THERMIQUE ET/OU ELECTRIQUE ENTRE DES SURFACES EN REGARD La présente invention se rapporte à un dispositif améliorant le contact thermique etlou électrique entre des surfaces en regard. Dans certains domaines, en particulier dans celui des appareillages électroniques, on utilise des structures mécaniques pour supporter un grand nombre de boîtiers amovibles qui doivent être groupés en un ensemble à haute densité pour assurer une fonction commune. Les éléments que renferment ces boîtiers dissipent souvent une grande énergie thermique que chaque boîtier est chargé d'évacuer. Chaque boîtier pris séparément peut être en mesure d'évacuer l'énergie thermique produite par les composants qu'il renferme, si on le ventile ou si on le place dans un écoulement de liquide caloporteur. Par contre, lorsque l'on groupe de façon dense un grand nombre de tels boîtiers dans une structure porteuse, et que ces boîtiers doivent être amovibles (par exemple pour le réglage, l'entretien ou la réparation des composants qu'ils renferment), les moyens connus n'offrent que des solutions peu satisfaisantes. Par exemple dans le cas d'une antenne à balayage électronique comportant un grand nombre de modules actifs dans un faible volume, on a affaire à un ensemble de modules de mêmes dimensions, généralement parallélépipédiques ou cylindriques, disposés côte à côte, leurs faces antérieures étant coplanaires et définissant la surface d'émission de l'antenne. Le contour de cette surface est souvent circulaire ou carré. La structure porteuse a une forme générale cylindrique à section circulaire ou carrée selon la forme de la surface d'émission de l'antenne. Ce cylindre est fermé par deux plaques parallèles percées de trous en correspondance dans lesquels sont fixés des tubes dont la section a les mêmes dimensions que la section droite des boîtiers. Un fluide caloporteur circule dans le volume ainsi délimité dans la structure porteuse. Le principal inconvénient de ce type de structure réside dans la qualité des contacts thermiques entre les boîtiers et le circuit de refroidissement de la structure. La présente invention a pour objet un dispositif qui permette d'améliorer le contact thermique etlou électrique, en particulier entre des dispositifs que l'on doit pouvoir désassembler sans les endommager, même lorsque l'on y a difficilement accès, et que ces dispositifs sont assemblés sans jeu, et risquent d'être bloqués mutuellement au cours de leur fonctionnement par suite de dilatations thermiques, ce dispositif permettant dans le cas d'un contact thermique, d'améliorer ce contact entre un dispositif donnant lieu à un dégagement thermique important et un dispositif de refroidissement, sans nécessiter de fixation entre les surfaces de refroidissement et le dispositif à refroidir, permettant de réaliser un dispositif de refroidissement le plus simple possible, et permettant un démontage facile du dispositif à refroidir. La présente invention a plus particulièrement pour objet une structure porteuse pour modules nécessitant un refroidissement, cette structure comportant des moyens assurant un bon contact thermique et, le cas échéant, un bon contact électrique, avec ces modules, tout en rendant facile le montage et le démontage de ces modules, cette structure étant facile à réaliser, rigide, résistant bien aux efforts mécaniques, en particulier aux vibrations, et acceptant des pressions élevées (10 bars ou plus) du liquide réfrigérant, le cas échéant, sans nécessiter de régulateur de pression, les modules pouvant avoir une grande diversité de formes. Le dispositif conforme à l'invention améliorant le contact thermique et/ou électrique entre au moins une première et au moins une deuxième surfaces en regard, est caractérisé par ie fait qu'il comporte au moins une pièce en alliage à mémoire de forme associée à au moins l'une des surfaces, cette pièce n'exerçant pratiquement aucune contrainte sur lesdites surfaces pour une première forme mémorisée de l'alliage, et exerçant une contrainte sur au moins une desdites premières surfaces pour l'appliquer contre au moins une desdites secondes surfaces, pour une seconde forme mémorisée de l'alliage. Dans le cas où le dispositif de refroidissement est une structure porteuse, du type à alvéoles de formes et de dimensions correspondant à celles des boîtiers qu'ils sont destinés à recevoir, les faces externes de ces alvéoles étant, le cas échéant, en contact avec un fluide réfrigérant, la pièce en alliage à mémoire de forme est constituée soit par les alvéoles euxmêmes, soit par les boîtiers, soit par une pièce intermédiaire disposée entre chaque boîtier et son alvéole, cette pièce intermédiaire pouvant être associée à des ressorts en alliage à mémoire de forme, soit par des ressorts. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs de modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'une structure porteuse à alvéoles à section circulaire, selon l'art antérieur; - la figure 2 est une vue simplifiée en perspective d'un module à section circulaire muni d'éléments d'interface conformes à l'invention; - la figure 3 est une vue partielle frontale explicative d'une structure conforme à l'invention montrant, de façon théorique, le fonctionnement des éléments de la figure 2; - la figure 4 est une vue simplifiée en coupe d'un module à section rectangulaire, muni d'éléments d'interface conformes à l'invention; -la figure 5 est une vue simplifiée en coupe d'une variante, conforme à l'invention, du dispositif de la figure 4; - la figure 6 est une vue partielle en coupe d'une structure de support, dont les alvéoles sont munis d'interfaces conformes à l'invention; et -la figure 7 est une vue partielle en coupe d'une structure similaire à celle de la figure 6, montrant des détails du circuit de circulation de fluide de refroidissement. L'invention est décrite ci-dessous en référence à des modules électroniques, en particulier à des modules faisant partie d'une antenne à balayage électronique, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à une telle application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour assurer le refroidissement de modules autres que des modules électroniques, et de façon générale, pour assurer le refroidissement de dispositifs très divers, en particulier de ceux qui doivent être amovibles et sur lesquels il est difficile de fixer des radiateurs de refroidissement, par exemple des cartes de circuits imprimés. Le refroidissement peut être assuré par circulation d'air (par convection ou par circulation forcée), ou par circulation d'un fluide approprié. II est également bien entendu que le nombre des éléments à refroidir peut varier dans de grandes proportions: soit un seul élément, soit plusieurs, même en grand nombre, et lorsqu'il y en a plusieurs, ceux-ci peuvent être groupés ou non, et peuvent avoir des formes diverses au sein d'un même groupe. On a représenté en figure 1 une antenne 1 à balayage électronique ayant une forme générale de cylindre à section par exemple circulaire. La structure porteuse de cette antenne 1 comporte essentiellement une plaque antérieure 2 et une plaque postérieure 3, circulaires toutes deux et reliées à leur périphérie par un tube 4. On perce dans les plaques 2 et 3 des trous en vis-à-vis, ayant une forme circulaire (appropriée à la forme des modules électroniques utilisés, décrits cidessous), et on les relie par des tubes métalliques de même section, pour former des alvéoles 5 sensiblement parallèles entre eux et à l'axe du tube 4. Le tube 4 comporte à sa partie supérieure un embout tubulaire 6, et à sa partie inférieure un embout tubulaire 7, ces deux embouts étant reliés à un circuit (non représenté) de circulation de fluide réfrigérant. Des modules électroniques 8 à enveloppe métallique sont logés dans les alvéoles 5 parallèles entre eux et à l'axe du tube 4. Ainsi, on fait circuler le fluide à l'intérieur du volume délimité par les plaques 2, 3, le tube 4 et les alvéoles 5. Ce fluide vient refroidir les alvéoles 5, et par conséquent les modules 8 qui sont en contact étroit avec les alvéoles 5. Comme précisé ci-dessus, un tel dispositif assure le refroidissement correct des modules, s'il existe un bon contact mécanique entre l'enveloppe des modules et les parois internes des alvéoles. Cependant, ce bon contact mécanique rend très difficile l'extraction des modules de leurs alvéoles après une première période de fonctionnement des modules. On a représenté en figures 2 et 3 un mode de réalisation de l'invention convenant plus particulièrement pour des modules à section circulaire ou sensiblement circulaire (elliptique, oblongue ...). Ces modules sont par exemple insérés dans des alvéoles tels que les alvéoles 5 de la structure porteuse 1 de la figure 1. Selon ce mode de réalisation I'enveloppe tubulaire 9 des modules 10 comporte une fente longitudinale 11. La fente 11 est rectiligne dans le cas présent, mais ne l'est pas nécessairement. L'épaisseur de la fente 11 peut être très faible (quelques dixièmes de millimètre par exemple), et elle est obturée par un joint d'étanchéité élastique 12, par exemple en matériau siliconé. A l'intérieur de l'enveloppe 9, on dispose plusieurs anneaux 13 en alliage à mémoire de forme. Ces anneaux peuvent avoir une forme correspondant à la forme de la section de l'enveloppe 9 (circulaire par exemple) ou une forme approchante (polygonale par exemple). Les anneaux 13 peuvent être fixés sur la face intérieure de l'enveloppe 9 ou être simplement maintenus en place par des éléments contenus dans l'enveloppe, en contact avec la face intérieure de l'enveloppe 9 ou à faible distance de celle-ci. Lorsqu'il y a plusieurs anneaux 13, ils sont, de préférence, régulièrement espacés. De nombreuses études ont été menées dans le monde sur la réalisation d'alliages à mémoire de forme (voir en particulier les articles "Shape Memory Alloys: materials in action" et "General discussion: the use of Shape Memory Actuators" de l'Université catholique de Louvain). Les matériaux principalement utilisés sont de type NiTi ou des alliages de Cuivre de type Cu-Al-Ni ou Cu-Al-Zn et l'effet mémoire est basé sur une transition de type martensitique-austénitique obtenue en faisant varier la température de l'alliage étudié associé à un changement de forme de l'alliage. La plage de température varie d'un type d'alliage à l'autre et est généralement située entre -100 et +200"C environ. Deux types d'effet mémoire sont à distinguer: L'effet mémoire simple sens et l'effet mémoire double sens. L'effet mémoire double sens correspond au passage réversible d'une forme haute température à une forme basse température par un simple changement de température. La réalisation de ressorts, de fils, de plaques en alliages à mémoire de forme a trouvé de nombreuses applications dans tous les domaines allant de la chirurgie dentaire à l'automobile en passant par les appareils ménagers (les applications potentielles identifiées sont regroupées dans l'article de M. Van Humbeek: "From a seed to a need: thetgrowth of shape memory applications in Europe"). Quelques études, en particulier au Japon et aux Etats-Unis, ont été dédiées à l'utilisation des alliages à mémoire de forme pour la réalisation d'interconnexions de puces électroniques (Raychem Corporation: "Shape Memory effect alloys as an interconnection technology for IC packages an PC boards") ou de boîtiers de composants électroniques type PGA (Pin Grid Array - Japonais). L'enveloppe 9 a une section de dimensions telles que lorsque la fente 11 a sa largeur minimale (état que l'on appelle ici "état de repos" du module), on peut l'introduire facilement dans l'alvéole correspondant. Dans cet état (figure 3, schéma de gauche), les anneaux 13 sont dans un état, que l'on appelle ici "état contracté", pour lequel leur section a des dimensions minimales. Cet état contracté correspond à l'une des deux formes mémorisées lors de l'apprentissage du matériau AMF constituant les anneaux 13. Cette forme correspond par exemple à une température du matériau inférieure à sa température de transition, cette température de transition est choisie inférieure à la plage de température de fonctionnement des modules en question. A l'état dit "de travail" des modules, lorsqu'ils sont mis en place dans leurs alvéoles respectifs, ils sont naturellement portés à une température qui fait franchir au matériau AMF des anneaux 13 sa température de transition (cette élévation de température est due à la température ambiante et à l'échauffement provoqué par le fonctionnement des circuits des modules). Ce matériau prend alors sa deuxième forme mémorisée qui correspond à l'état dit "dilaté" des anneaux 13 (figure 3, schéma de droite). Dans cet état, la section des anneaux 13 augmente, et ils exercent une pression sur l'enveloppe 9. Cette pression applique fermement l'enveloppe contre la paroi de l'alvéole dans lequel est disposé le module, ce qui établit un bon contact thermique entre l'enveloppe 9 et l'alvéole. Cette dilatation de l'enveloppe 14 est rendue possible grâce à la fente 11. Bien entendu, cette dilatation est limitée, afin que le joint 12 disposé dans cette fente puisse assurer la bonne étanchéité du module. II est également bien entendu que dans le module les éléments à forte dissipation thermique sont en bon contact thermique avec l'enveloppe 9 et que les variations de dimension de section de cette enveloppe n'affectent pratiquement pas la qualité de ce contact thermique. II est également bien entendu que le bon contact thermique n'est pas le seul effet physique obtenu grâce aux éléments en AMF, et que l'on obtient également, outre le bon contact mécanique, un bon contact électrique, ce qui est valable pour tous les autres modes de réalisation décrits ci-dessous. On a représenté en figure 4 un mode de réalisation de l'invention convenant plus particulièrement à des modules dont le boîtier a une section de forme rectangulaire ou polygonale. Le boîtier du module 14 de la figure 4 est formé de deux demi-coquilles 15, 16 sur chacune desquelles, ou sur l'une desquelles, sont fixés les circuits 17, 18 électriques et électroniques du module. Ces demi-coquilles sont presque en contact mutuel avant l'insertion du module dans son alvéole et les dimensions de ces demi-coquilles sont telles que le module peut être facilement inséré dans son alvéole. L'interstice longitudinal 19 qui les sépare est rempli d'un produit d'étanchéité élastique 20, par exemple en matériau siliconé. A l'intérieur du boîtier 15,16, on dispose des ressorts 21 en AMF. Les ressorts 21 peuvent avoir des formes diverses: forme hélicoïdale, en forme de lames courbes (en "S" ou en "C" par exemple), ou toute autre forme pouvant faire effet de ressort. Le nombre de ces ressorts est fonction des dimensions du boîtier, de la place disponible à l'intérieur de ce boîtier et des caractéristiques des ressorts utilisés. A l'état "contracté" de ces ressorts (pour lequel ils ont leur longueur apprise minimale) I'interstice 19 et de largeur minimale, alors qu'à leur état "dilaté" (correspondant à leur deuxième forme apprise), les demi-coquilles 15, 16 sont fermement appliquées contre les parois correspondantes de l'alvéole en question, ce qui établit un bon contact thermique entre le boîtier 15, 16 et l'alvéole correspondant, et par voie de conséquence, une bonne réfrigération des circuits 17, 18. On a représenté en figure 5 une variante du dispositif représenté en figure 4. Cette -variante convient à des boîtiers à section de forme quelconque (rectangulaire, polygonale, circulaire ...), et permet d'éviter de pratiquer des fentes dans le boîtier de chaque module. On fixe sur l'une des faces extérieures du boîtier 22 de chaque module des éléments 23 en AMF. Dans le cas présent, ces éléments sont des ressorts hélicoïdaux, mais il est bien entendu qu'ils peuvent se présenter sous de nombreuses autres formes, par exemple sous forme de plaques ondulées, de coussins, .. Selon le mode de réalisation des figures 6 et 7, I'interface en AMF est au moins l'une des parois de chaque alvéole de la structure porteuse. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas de modules à section rectangulaire ou polygonale. Dans le cas représenté sur le dessin, les parois inférieure 24 et supérieure 25 de l'alvéole 26 sont en AMF. Pour l'une des formes mémorisées de l'AMF, les parois 24 et 25 sont planes (dans le cas présent cette forme est mémorisée pour une température des parois inférieure à la température de transition du matériau en AMF des parois, la température de transition étant inférieure à la plage de températures d'utilisation des alvéoles). Dans ces conditions, il est facile d'introduire chaque module 27 dans son alvéole (figure 7), les dimensions (dans le cas présent, la hauteur) de la section des modules étant légèrement inférieures aux dimensions de la section intérieure des alvéoles. L'autre forme mémorisée de l'AMF (pour des températures supérieures à sa température de transition) est une forme bombée vers l'intérieur de l'alvéole (représentée en traits interrompus en figure 6). Cette forme est telle qu'en l'absence de module dans l'alvéole, au moins une partie de la section intérieure de l'alvéole a des dimensions légèrement inférieures à celles de la section du module. Ainsi, lorsque le module est en place dans l'alvéole, et que la température des parois de l'alvéole remonte au-dessus de ladite température de transition, ce module est fortement maintenu dans l'alvéole. Bien entendu, la pression alors exercée par les parois en AMF de l'alvéole sur le module est suffisamment importante pour le maintenir fermement en place pour assurer un bon contact thermique et, le cas échéant pour permettre aux modules de résister aux vibrations, sans être trop importante afin de ne pas endommager les modules. Pour retirer chaque module, il suffit de réfrigérer les alvéoles en-dessous de ladite température de transition. Cette réfrigération peut être faite par tout moyen approprié: en plaçant toute la structure dans une armoire réfrigérante, en faisant circuler dans le circuit de refroidissement de la structure un fluide porté à très basse température, etc... Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, applicable en particulier aux structures à alvéoles pour un grand nombre de modules dissipant une grande quantité de chaleur, et afin d'éviter des gradients de température dans le fluide réfrigérant (coolanol par exemple) circulant dans la structure, on force la circulation de ce fluide dans la direction longitudinale des modules, de l'avant vers l'arrière ou inversement, le sens dépendant de la partie (antérieure ou postérieure) des modules s'échauffant le plus. A cet effet, on dispose à l'intérieur de la structure des plaques déflectrices 28, 29 parallèlement aux faces antérieure et postérieure de la structure. Ces plaques sont percées de trous correspondant aux différents alvéoles, dont les dimensions sont supérieures à celles de la section extérieure des alvéoles, afin de laisser un passage suffisant pour le fluide réfrigérant autour des faces extérieures des alvéoles. Ces trous peuvent être centrés par rapport aux alvéoles, ou bien être décentrés de façon à avantager la circulation du fluide le long d'une face déterminée des alvéoles, par exemple leur face supérieure, qui est généralement la plus chaude. Les plaques 28, 29 sont fixées par exemple au tube 30 formant la paroi extérieure de la structure, près des plaques 31, 32 formant les faces antérieure et postérieure de la structure. Les embouts d'arrivée (33) et de sortie (34) de fluide réfrigérant sont fixés au tube 30, près des faces 31 et 32. Bien entendu, le nombre de plaques déflectrices peut être supérieur à deux ou même égal à 1 (près de l'arrivée de fluide). Dans le cas présent, le fluide réfrigérant arrive près de la plaque postérieure 32, et se répartit entre tous les trous percés dans la plaque 29. Ainsi, ce fluide refroidit en parallèle tous les alvéoles1 d'arrière en avant, et par conséquent tous les modules, qui sont en très bon contact thermique avec les parois de leurs alvéoles respectifs. Ce contact thermique est obtenu grâce au matériau AMF des parois des alvéoles qui exerçe une contrainte sur les boîtiers des modules. On suppose dans ce cas que le plus fort dégagement thermique des modules se produit à leur partie postérieure. Bien entendu, si ce plus fort dégagement se produisait à leur partie antérieure, il faudrait inverser les arrivée et sortie de fluide réfrigérant. II est également bien entendu que si ce plus fort dégagement thermique se produisait dans la partie centrale des modules, il faudrait prévoir une arrivée de fluide réfrigérant vers le milieu du tube 30, une sortie à l'avant et une autre à l'arrière, et disposer une plaque déflectrice de chaque côté de l'arrivée de fluide, afin de le canaliser à la fois vers l'avant et vers l'arrière de la structure, le long des alvéoles L'invention a été décrite ci-dessus en vue d'utiliser un bon contact mécanique pour assurer un bon contact thermique1 mais il est bien entendu que le bon contact mécanique, facilement supprimable sans nécessiter d'accès aux surfaces en contact, peut être utilisé pour lui-même (par exemple pour fixer des pièces difficilement accessibles, pour bloquer dans une certaine position des tiroirs à glissières ...) ou pour assurer un bon contact électrique (par exemple contact de masse entre un boîtier et la structure qui la renferme, ou entre des parties mâles et femelles de connecteurs difficilement accessibles et/ou fragiles, ...). REVENDICATIONS 1. Dispositif améliorant le contact thermique et/ou électrique entre au moins une première et au moins une deuxième surfaceszen regard, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une pièce en alliage à mémoire de forme (13, 21, 23, 24-25) associée à au moins l'une des surfaces (9, 15-16, 22, 24-25), cette pièce n'exerçant pratiquement aucune contrainte sur lesdites surfaces pour une première forme mémorisée de l'alliage, et exerçant une contrainte sur au moins une desdites premières surfaces pour l'appliquer contre au moins une desdites secondes surfaces, pour une seconde forme mémorisée de l'alliage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les premières surfaces sont des surfaces extérieures d'un boîtier (10, 14), et que les secondes surfaces sont les faces intérieures d'un alvéole (5) dans lequel doit être inséré le boîtier. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le boîtier comporte au moins une fente longitudinale (11, 19), et que ce boîtier renferme au moins une pièce (13, 21) en alliage à mémoire de forme. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la(les) pièce(s) en alliage à mémoire de forme est(sont) annulaire(s) (13). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la(les) pièce(s) en alliage à mémoire de forme a(ont) une forme faisant ressort. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la(les) pièce(s) en alliage à mémoire de forme constitue au moins l'une des parois de l'alvéole (24, 25). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les premières surfaces sont les surfaces latérales extérieures de modules (27) groupés dans une structure porteuse (1), et que les secondes surfaces sont les surfaces intérieures d'alvéoles (5) destinés à recevoir les modules. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la structure porteuse est cylindrique, et est reliée à un dispositif de circulation de fluide réfrigérant, que les alvéoles sont sensiblement parallèles entre eux et à l'axe du cylindre, et que la structure comporte des moyens déflecteurs (28, 29) faisant circuler le fluide réfrigérant le long des faces externes des alvéoles.