Brevet FR2763204A1 — publié le 19981113

L'invention a trait à un échangeur de chaleur pour composants électroniques et appareillages électrotechniques. Les échangeurs de ce type peuvent être utilisés notamment dans des ensembles de puissance afin de refroidir les composants grâce à la circulation d'un fluide caloporteur tel que de l'eau. Un ensemble de puissance comprend un nombre variable de composants électriques ou électroniques, de sorte que plusieurs échangeurs de chaleur individuels doivent le plus souvent être prévus au voisinage d'un tel ensemble. Ces échangeurs individuels doivent être respectivement alimentés en fluide caloporteur, de sorte qu'un réseau doit être créé entre ceux-ci. Ce réseau est réalisé à l'aide de tronçons de tubes, d'embouts, de coudes et de raccords qui induisent des pertes de charge non négligeables et des risques de fuites préjudiciables au bon fonctionnement des composants électriques. En outre, ces assemblages de tuyaux et d'échangeurs de chaleur individuels doivent être supportés par un cadre, ce qui majore d'autant le prix de revient global de l'installation. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un échangeur de chaleur pour composants électroniques et appareillages électrotechniques apte à refroidir plusieurs composants ou appareils sans nécessiter l'utilisation d'une tuyauterie complexe ou susceptible de perturber le fonctionnement des appareils électriques. Dans cet esprit, l'invention concerne un échangeur de chaleur pour composants électroniques et appareillages électrotechniques, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque munie d'une pluralité de canaux et d'empreintes de réception d'empilement de flasques ajourés, lesdits canaux mettant en communication fluidique lesdites empreintes. Grâce à l'invention, plusieurs empilements de flasques ajourés, tels que, par exemple, ceux connus de EP-Al-0 611 235, peuvent être logés dans les empreintes d'une plaque de façon à refroidir différents composants ou appareillages disposés en regard de ces empreintes. Les empilements de flasques peuvent être ceux utilisés pour des échangeurs individuels, de sorte que des économies d'échelle peuvent être réalisées. Selon un premier aspect avantageux de l'invention, l'une au moins des empreintes est apte à recevoir plusieurs empilements de flasques ajourés disposés côte à côte. Cet aspect de l'invention permet de refroidir une grande surface en utilisant des empilements de flasques standard dont le prix de revient est relativement faible. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les empreintes ont pour dimensions internes des multiples de dimensions de flasques ajourés utilisés dans des échangeurs de chaleur individuels. Cet aspect de l'invention permet d'obtenir une grande standardisation des flasques utilisés. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les flasques sont réalisés à partir d'une armature en alliage à base d'aluminium revêtue de deux couches d'un alliage d'aluminium et de magnésium. Cette structure des flasques de l'invention permet d'obtenir un brasage de ceux-ci, une fois empilés dans les empreintes de la plaque. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les flasques sont empilés dans les empreintes sur une hauteur légèrement supérieure à la profondeur des empreintes. Cet aspect de l'invention permet de garantir que les flasques, une fois brasés, rempliront complètement l'empreinte même si le brasage résulte dans une légère diminution de leur épaisseur. Selon un autre aspect avantageux de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend un couvercle brasé sous vide sur la plaque. Ce couvercle est destiné à rendre étanche les canaux de circulation de fluide caloporteur et les empreintes par rapport à l'extérieur. Dans ce cas, et selon un autre aspect avantageux de l'invention, on peut prévoir que l'échangeur comprend une feuille de brasure disposée entre le couvercle et la plaque. En particulier, cette feuille de brasure peut être réalisée à partir d'une armature en alliage à base d'aluminium revêtue de deux couches d'un alliage d'aluminium et de magnésium. Dans tous les cas, on peut prévoir que les flaques, le couvercle et/ou la feuille disposée entre le couvercle et la plaque sont brasés sous vide à une température voisine de 6000C. Selon un autre aspect de l'invention, l'échangeur de chaleur comprend des moyens de fixation, sur la plaque ou le couvercle, de composants électroniques ou d'appareillages électrotechniques. Cet aspect de l'invention permet de solidariser facilement les composants électroniques ou les appareillages électrotechniques devant être refroidis et l'échangeur de chaleur suivant l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un échangeur de chaleur conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un ensemble électronique de puissance incorporant un échangeur de chaleur conforme à l'invention - la figure 2 est une coupe verticale dans le plan II-II à la figure 1 - la figure 3 est une coupe horizontale selon le plan III-III à la figure 2 - la figure 4 est une vue en perspective d'un empilement de flasques utilisé avec l'échangeur de l'invention et - la figure 5 est une vue à plus grande échelle du détail V de la figure 4. Un circuit IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) représenté à la figure 1 comprend des éléments de puissance 1, 1' et 1" pilotés par un circuit de commande 2, ainsi qu'une plaque porte-fusible 3. Les éléments du circuit IGBT sont disposés au contact d'un échangeur de chaleur 4, de forme globalement paralélipipédique, et comprenant une plaque de base 5 et un couvercle 6. Conformément à l'invention et comme il apparaît plus clairement à la figure 3, la plaque 5 est munie de plusieurs canaux 7 et d'empreintes 8, 9 et 10 destinées à recevoir des empilements de flasques ajourés. Les empilements de flasques ajourés sont prévus pour définir entre eux des chicanes imposant un trajet de circulation à un fluide caloporteur pénétrant dans les canaux 7 par un orifice d'entrée 11 et en ressortant par un orifice de sortie 12. Ainsi, la plaque 5 est une pièce unique qui peut être substituée aux multiples tuyaux, raccords et coudes utilisés dans les dispositifs de l'art antérieur en coopération avec un cadre. Cette plaque peut être usinée sur une machine à commande numérique en fonction des paramètres d'un fichier informatique édité à partir des données spécifiques de l'ensemble de puissance auquel doit être couplé l'échangeur de chaleur suivant l'invention. En d'autres termes, il suffit de définir informatiquement l'emplacement des empilements de flasques destinés au refroidissement de composants électroniques et de programmer un centre d'usinage pour réaliser, en une opération, la plaque 5 dans laquelle il suffit ensuite de déposer des empilements de flasques. On note que les empreintes 8, 9 et 10 peuvent avoir des formes différentes. Par exemple, l'empreinte 8 a une forme sensiblement rectangulaire et est destinée à recevoir un empilement 13 de flasques également sensiblement rectangulaires dont les dimensions sont à peu près égales aux dimensions de l'empreinte 8. L'empreinte 9 a une surface environ 4 fois supérieure à l'empreinte 8, car elle est apte à recevoir quatre empilements 13 de flasques globalement rectangulaires disposés côte à côte. Cette empreinte 9 est deux fois plus large et deux fois plus longue que les empilements 13, de telle sorte que les quatre empilements peuvent y être logés sans difficulté. L'empreinte 10 est, quant à elle, cylindrique à section circulaire de façon à recevoir un empilement 14 de flasques en forme de disque, par exemple du type décrit dans EP-A1-0 611 235. La géométrie des empreintes 8, 9 et 10 est définie en fonction des dimensions transversales des éléments de puissance 1, 1' et 1". Comme il apparaît plus clairement aux figures 4 et 5, les flasques formant les empilements 13, 14 sont au nombre de douze, chaque flasque 15 étant percé d'ajours 16 permettant la circulation du fluide caloporteur. Chaque flasque 15 est réalisé à partir d'une armature 17 en alliage à base d'alumi nium et notamment d'alliage Al Mnl Cu identifié sous la référence 3003 par la norme AFNOR A 02-104. Les deux faces supérieure et inférieure de l'armature 17 sont respectivement revêtues d'une couche d'un alliage d'aluminium et de magnésium, par exemple de l'alliage portant la référence 4004 dans la norme précitée. Cette construction des flasques 15 permet. d'envisager leur brasage sous vide, c'est-à-dire à une pression de l'ordre de 10-4 à 10-5 atmosphères, au cours du procédé d'assemblage de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention. En effet, la température de fusion de l'alliage 4004 est de l'ordre de 5700C alors que la température de fusion de l'alliage 3003 est de l'ordre de 6400C, de sorte qu'un brasage des flasques 15 constituant l'empilement 13 peut être obtenu en chauffant cet empilement à une température voisine de 6000C. Ce brasage est effectué sous vide pour éviter tout risque d'oxydation et en profitant, dans la mesure du possible, de l'effet Getter correspondant à la création d'un vide plus poussé du fait de la vaporisation du magnésium à une température voisine de 5600C. Au cours du brasage des couches 18, les flasques 15 ont tendance à s'écraser, de sorte que pour remplir efficacement les empreintes 8, 9 et 10 après brasage, on empile les flasques 15 dans ces empreintes sur une hauteur légèrement supérieure à la profondeur des empreintes. Ainsi, une fois brasés, les empilages 13 et 14 ont une hauteur sensiblement égale à la profondeur des empreintes. En pratique, on choisit de réaliser un empilement 13 ou 14 dont la hauteur avant brasage est supérieure à la profondeur des empreintes 8, 9 et 10 de 1 à 5%. Le couvercle 6 est également fixé sur la plaque 5 par brasage. Pour ce faire, une feuille de brasure 19 est intercalée entre le couvercle 6 et la plaque 5 et est destinée à fondre partiellement en étant portée à une température prédéterminée. On peut en particulier choisir, pour la feuille de brasure 19, une structure équivalente à celle des flasques 15, c'est-à-dire une armature en alliage à base d'aluminium, par exemple du type 3003, revêtue de couches d'un alliage d'aluminium et de magnésium, par exemple du type 4004. Comme précédemment, le brasage de la feuille 19 sur la plaque 5 et de la feuille 19 sur le couvercle 6 peut être réalisé sous vide en portant l'ensemble de l'échangeur de chaleur à une température voisine de 6000C. Le montage de l'échangeur de chaleur conforme à l'invention peut être réalisé de la façon suivante On installe des empilements 13 ou 14 de flasques ajourés dans les empreintes 8, 9 et 10 sur une hauteur légèrement supérieure à la profondeur des empreintes, on dépose la feuille 19 sur la plaque 5, puis on installe le couvercle 6 sur la feuille 19. On peut avantageusement comprimer l'ensemble ainsi réalisé au moyen de noix de serrage. On porte alors l'ensemble ainsi réalisé à une température de l'ordre de 6000C sous vide. On maintient l'ensemble ainsi formé à la température adéquate pendant une durée dépendant des dimensions et de la masse de cet ensemble, de sorte que le brasage est effectué. Lorsqu'il est extrait du four, l'échangeur de chaleur constitue un ensemble monobloc et étanche prêt à fonctionner. Selon une variante de réalisation non représentée de l'invention, le couvercle 6 est revêtu sur sa face inférieure d'une couche d'alliage à base d'aluminium et de magnésium, ce qui permet de se dispenser de la feuille 19 dans la mesure où le brasage du couvercle 6 sur la plaque 5 peut avoir lieu directement en portant l'ensemble formé de la plaque 5 et du couvercle 6 à une température voisine de 6000C. L'invention permet également de prévoir, dans la plaque 5, des groupes de canaux parallèles 20 et 21 servant à créer un écoulement calibré du liquide caloporteur. Ces écoulements 20 et 21 peuvent être classiquement utilisés pour le refroidissement du circuit de commande 2, qui comprend par exemple des résistances et des capacités dont la température doit généralement être maintenue inférieure à 700C ou les fusibles portés par la plaque 3 dont la température ne doit pas être trop importante. L'invention permet donc de refroidir, grâce au même fluide caloporteur, à la fois les éléments de puissance 1, 1' et 1" grâce aux empilements 13 et 14 de flasques ajourés 15 et les systèmes de contrôle 2 et 3 grâce à un écoulement calibré de ce même fluide. Selon un aspect avantageux de l'invention, des perçages 8a, 9a et 10a taraudés sont respectivement répartis autour des empreintes 8, 9 et 10 de façon à permettre la fixation des éléments de puissance 1, 1' et 1" sur la plaque 5 à travers le couvercle 6 qui est pourvu de perçages correspondants. Des perçages 20a et 21a sont également prévus au voisinage des groupes de canaux 20 et 21. Ces perçages 8a, 9a, 10a, 20a et 21a permettent de prévoir une fixation efficace des composants électroniques et des appareillages électrotechniques sans ajout d'un cadre, ce qui simplifie l'échangeur de chaleur de linven- tion par rapport aux systèmes connus de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur pour composants électroniques et appareillages électrotechniques (1, 1', 1", 2, 3) caractérisé en ce qu'il comprend une plaque (5) munie d'une pluralité de canaux (7) et d'empreintes (8, 9, 10) de réception d'empilements (13, 14) de flasques ajourés (15), lesdits canaux mettant en communication fluidique lesdites empreintes. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une (9) au moins desdites empreintes est apte à recevoir plusieurs empilements (13) de flasques ajourés (15) disposés côte à côte. 3. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites empreintes (8, 9, 10) ont pour dimensions internes des multiples des dimensions de flasques ajourés (15) utilisés dans des échangeurs de chaleur individuels. 4. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits flasques (15) sont réalisés à partir d'une armature (17) en alliage à base d'aluminium revêtue de deux couches (18) d'alliage d'aluminium et de magnésium. 5. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits flaques (15) sont empilés dans lesdites empreintes sur une hauteur légèrement supérieure à la profondeur desdites empreintes. 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un couvercle (6) brasé sous vide sur ladite plaque (5). 7. Echangeur de chaleur suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une feuille de brasure (19) disposée entre ledit couvercle (6) et ladite plaque (5). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite feuille de brasure (19) est réalisée à partir d'une armature en alliage à base d'aluminium revêtue de deux couches d'un alliage d'aluminium et de magnésium. 9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4, 6 ou 8, caractérisé en ce que lesdits flasques (15), ledit couvercle (6) et/ou ladite feuille (19) sont brasés sous vide à une température voisine de 6000C. 10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications, précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation (8a, 9a, 10a, 20a, 21a) de composants électriques ou d'appareillage électrotechniques (1, 1', 1", 2, 3) sur ladite plaque ou ledit couvercle.