Brevet FR2751739A1 — publié le 19980130

DISPOSITIF DE VISUALISATION POUR LE CONTROLE THERMIQUE DE DISSIPATEURS A EFFET CALODUC. La présente invention concerne le contrôle des dissipateurs thermiques à effet caloduc, utilisés notamment pour le refroidissement des composants électroniques de puissance. En particulier, dans le domaine de la traction électrique, notamment ferroviaire, les besoins de conversion et de contrôle de l'énergie électrique sont particulièrement nombreux en raison de la variété des récepteurs à alimenter. En outre, la diversité des sources d'énergie électrique, notamment sur les différents réseaux européens a conduit à multiplier les adaptations du matériel roulant en bicourant, tricourant et en quadricourant. L'augmentation des puissances utilisées, en particulier dans le domaine de la traction ferroviaire, et l'utilisation de composants électroniques de puissance de plus en plus performants, tel que diodes, thyristors, et plus récemment GTO, ont accentué le problème de l'évacuation thermique des pertes calorifiques engendrées par le fonctionnement des composants électroniques. Or, la seule source froide utilisable sur du matériel embarqué est constituée par l'air extérieur, celui-ci entraînant des effets indésirables comme l'encrassement du matériel. Pour supprimer cet inconvénient, on sépare la fonction électronique dans des coffrets étanches, de la fonction de refroidissement dans des gaines ventilées, grâce à un dissipateur à effet caloduc, dit "tube à chaleur". On sait qu'un tel dissipateur met en oeuvre, dans un cycle de refroidissement fermé, le changement de phase d'un fluide caloporteur sous vide, tel que de l'eau ou du méthanol, ou encore des composés fluorocarbonés. A cet effet, il comprend trois parties, à savoir: - une section évaporateur, dans laquelle le fluide est vaporisé par l'apport thermique de la source à refroidir (le composant électronique par exemple), - une section condenseur dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide caloporteur est évacuée vers un fluide ambiant (dans le cas présent l'air), et - des tubes caloducs assurant le transfert du fluide caloporteur vaporisé de l'éva porateur vers le condenseur, ainsi que le retour du fluide condensé dans l'éva porateur. Les tubes caloducs sont disposés verticalement de manière à ce que le fluide caloporteur échauffé ou vaporisé remonte naturellement vers le condenseur placé à l'extrémité supérieure des tubes, et à ce que le fluide condensé descende par gravité vers l'évaporateur. Sachant qu'un composant mal refroidi a une durée de vie limitée et peut entraîner des pannes importantes, notamment lorsqu'il intervient au niveau des motrices d'une locomotive, il est indispensable d'effectuer des essais pour vérifier que le dissipateur est conforme aux spécifications. Ainsi, avant son montage sur matériel roulant, chaque dissipateur est testé sur une plate forme d'essai, les tests consistant notamment à faire fonctionner le dissipateur en simulant les conditions extrêmes de son utilisation, et on mesure la température au niveau du condenseur. Or, il s'avère que cette mesure de température est difficile à effectuer pour plusieurs raisons: - la place disponible pour effectuer la prise de température est réduite, - cette mesure étant effectuée par un thermocouple placé en contact avec chaque tube caloduc, il se pose le problème du contact de celui-ci soit à l'extrémité peu accessible du tube, soit sur la circonférence de ce dernier, ce qui engendre une mesure aléatoire, - cette mesure est très longue à effectuer car il est nécessaire d'effectuer de nombreux contrôles (jusqu'à 350 mesures). La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. A cet effet, elle propose un dispositif pour le contrôle thermique d'un dissipateur à effet caloduc du type décrit ci-avant. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une cavité de retenue placée au niveau du condenseur, cette cavité présentant une ouverture dans sa partie supérieure et renfermant une brasure choisie de manière à présenter une température de fusion légèrement supérieure à la gamme de température d'utilisation du dissipateur. Grâce à cette disposition, il est possible de voir immédiatement par l'ouverture de la cavité si la température de fusion de la brasure est dépassée ou non, sachant que la brasure devient brillante à l'état liquide. Par ailleurs, la température de fusion de la brasure est parfaitement connue, ce qui évite d'avoir à étalonner des instruments de mesure. L'invention permet ainsi de détecter une température anormale grâce à un moyen peu coûteux, ne nécessitant aucune connexion électrique. Comme chaque tube caloduc est équipé du dispositif selon l'invention, la localisation d'un éventuel tube défaillant est immédiate. Il est à noter qu'en utilisation normale du dissipateur, la brasure reste à l'état solide. La brasure ne risque donc pas de couler sur le condenseur. Par ailleurs, la brasure peut être choisie en fonction du type de test à réaliser, et en particulier, du seuil de température à surveiller. Avantageusement, la brasure choisie est une brasure eutectique, de manière à ne pas présenter une phase intermédiaire entre les phases liquides et solides. Selon une particularité de l'invention, la cavité est formée dans le bouchon étanche de fermeture de l'extrémité supérieure du tube caloduc. Un mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 et 2 représentent schématiquement en vue de face et de profil un dissipateur thermique à effet caloduc; La figure 3 montre en coupe l'extrémité supérieure d'un tube calo duc du dissipateur représenté sur les figures 1 et 2, muni du dispo sitif selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent un dissipateur thermique à effet caloduc comprenant: - un évaporateur 1 constitué d'un bloc en aluminium ou en cuivre, par exemple de forme parallélépipédique, sur lequel est monté le composant électronique à refroidir et qui assure l'alimentation électrique de celui-ci, - une partie constituée par des tubes caloducs 3 indépendants, disposés vertica lement, dont le nombre dépend des caractéristiques thermiques du dissipateur, ces tubes étant généralement en cuivre, et assurant chacun la conduction d'un fluide caloporteur sous vide pour les dissipateurs isolés, et - un condenseur 2 constitué d'une batterie d'ailettes 4 parallèles, en cuivre ou en aluminium, par exemple de forme rectangulaire, qui sont traversées perpendi culairement par les portions supérieures des tubes caloducs 3 et fixées sur ces dernières, le condenseur 2 pouvant fonctionner en convection forcée ou natu relle. L'évaporateur 1 comprend une face frontale munie d'un alésage central 8 prévu pour maintenir le composant à refroidir, et une face latérale comportant des alésages 5 dans lesquels sont engagées de manière étanche les portions inférieures des tubes caloducs 3. Les tubes caloducs 3 peuvent comporter une isolation en céramique brasée sur la surface extérieure de la section de tube intermédiaire entre l'évaporateur 1 et le condenseur 2. Le dissipateur qui vient d'être décrit fonctionne de la manière suivante. En l'absence de source de chaleur, il s'établit à l'intérieur des tubes caloducs 3 un équilibre entre la phase vapeur et la phase liquide du fluide caloporteur sous vide. Lorsque que le bloc évaporateur 1 s'échauffe par la chaleur dégagée par le composant électronique à refroidir, le fluide caloporteur se trouvant dans l'évapo- rateur 1 se vaporise et remonte vers le condenseur 2, tandis que le fluide caloporteur en phase liquide descend par gravité dans l'évaporateur 1. Un tel dissipateur est destiné à être utilisé en couple avec un autre dissipateur identique, le composant électronique à refroidir étant enfermé sous pression élevée entre les deux blocs évaporateurs respectifs des deux dissipateurs qui assurent en même temps la connexion électrique avec les pôles du composant. Plusieurs dissipateurs peuvent également être montés en série par groupes de 3 à 5 pièces suivant la fonction de l'équipement électronique à refroidir (ponts, hacheurs, convertisseurs, onduleurs, ...). Tel que représenté sur la figure 3, l'extrémité supérieure des tubes caloducs 3 est fermée de manière étanche par un bouchon 1 1 en cuivre brasé comprenant une cavité centrale 15 munie d'un orifice central permettant le remplissage du tube 3 par le fluide caloporteur et la réalisation du vide dans le tube, cet orifice étant ensuite obturé soit par une goupille en cuivre 12, soit par une vis. La cavité centrale 15 est destinée à recevoir une pastille de brasure 14, par exemple de 10 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur, qui recouvre toute la surface du fond de la cavité 15. La cavité 15 est fermée par un capuchon 10, par exemple en matière plastique, qui s'engage sur l'extrémité du tube 3, et qui est collé sur celle-ci, par exemple à l'aide de résine époxy. Le capuchon 10 présente sur sa face supérieure une ouverture centrale 13 qui peut être fermée par une fenêtre transparente laissant apparaître l'état solide ou liquide de la pastille de brasure 14, sachant que celle-ci est brillante à l'état liquide. L'ouverture centrale 13 peut également rester libre pour le passage d'un bâtonnet de verre permettant d'apprécier mécaniquement l'état de la pastille de brasure 14. La pastille de brasure 14 est de préférence un alliage eutectique choisi de manière à présenter une température de fusion prédéterminée qui correspond à la plage de température de fonctionnement du dissipateur thermique. Ainsi, par exemple, si l'on souhaite une température de fusion de 58"C, il suffit de prendre un alliage constitué de 49% de bismuth, 21% d'indium, 18% de plomb et 12% d'étain. Pour réaliser le test thermique d'un dissipateur du type décrit ci-avant, conçu pour une évacuation nominale de chaleur de 700 W produite par un composant ayant un diamètre de 48 mm de diamètre de contact, avec de l'air de refroidissement à 25"C se déplaçant à 4 m/s, on applique sur le bloc évaporateur 1 une charge thermique de 700 W (350 W par face). On ventile le condenseur 2 avec de l'air à 25"C ayant une vitesse de seulment lm/s, pour. obtenir normalement une température au niveau du condenseur de l'ordre de 60 à 65"C, au lieu de 50 à 55"C lorsque l'air se déplace à 4 m/s, ce qui doit provoquer la fusion de la pastille de brasure à température de fusion de 58"C. Dans le cas d'un dissipateur défaillant, ou d'un tube défaillant résultant par exemple d'une faite du fluide caloporteur, la température au niveau du condenseur 2 ne dépasse pas 40 à 45"C, ce qui ne provoque pas la fusion de la pastille de brasure. Une simple observation de la pastille de brasure 14 à travers la fenêtre 13 permet donc de tester le bon fonctionnement du dissipateur. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le contrôle thermique d'un dissipateur à effet caloduc du type comprenant: - une section évaporateur (1), dans laquelle un fluide caloporteur est vaporisé par l'apport thermique de la source à refroidir, - une section condenseur (2) dans laquelle la chaleur véhiculée par le fluide caloporteur est évacuée vers un fluide ambiant, et - au moins un tube caloduc (3) assurant le transfert du fluide caloporteur vaporisé de l'évaporateur (1) vers le condenseur (2), ainsi que le retour du fluide condensé dans l'évaporateur (1), caractérisé en ce qu'il comprend une cavité de retenue (15) placée au niveau du condenseur (2), cette cavité présentant une ouverture dans sa partie supérieure et renfermant une pastille de brasure (14) choisie de manière à présenter une température de fusion légèrement supérieure à la gamme de température d'utilisation du dissipateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube caloduc (3) est placé verticalement, les transferts du fluide caloporteur étant assurés par gravité entre l'évaporateur (1) connecté à la partie inférieure du tube (3), et le condenseur (2) connecté à la partie supérieure de ce dernier, la cavité (15) étant formée dans un bouchon (11) fermant l'extré- mité supérieure du tube (3). 3. Dispositif selon la revendicationl ou 2, caractérisé en ce que la pastille de brasure (14) est formée dans un alliage eutectique dont la température de fusion est légèrement supérieure à la température maximale de fonctionnement normal du condenseur (2). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (15) est fermée par un capuchon (10) présentant une ouverture (13) en regard de la pastille de brasure (14), permettant d'apprécier l'état solide ou liquide de la pastille. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture (13) est fermée par une fenêtre transparente permettant de visualiser l'état solide ou liquide de la pastille (14). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dissipateur comprend plusieurs tubes caloporteurs (3) indépendants, placés verticalement, renfermant du fluide caloporteur et assurant le transfert thermique entre le l'évaporateur (1) et le condenseur (2), l'extrémité supérieure de chaque tube (3) étant fermée par un bouchon (11) muni d'une cavité renfermant une pastille de brasure (14).