Brevet FR2764473A1 — publié le 19981211

TIROIR ÉLECTRONIQUE COMPORTANT UN DISPOSITIF AMÉLIORÉ D'ÉVACUATION DE CHALEUR L'invention se rapporte à un tiroir électronique comportant un dispositif amélioré de dissipation thermique. Les utilisations des tiroirs électroniques sont multiples. Une application consiste par exemple à les utiliser pour réaliser des liaisons téléphoniques par voie Hertzienne en milieu rural dans le cadre de la téléphonie mobile. Ce type de liaisons permet ainsi d'éviter la pose coûteuse de câbles pour relier deux points isolés et/ou difficiles d'accès. De tels tiroirs électroniques permettent de réaliser entre 2 et 16 liaisons téléphoniques à 2 Mégabits. Bien sûr, l'application citée n'est qu'un exemple, les tiroirs électroniques sont en effet destinés à de multiples usages qui dépendent notamment de la nature des cartes électroniques qu'ils renferment. Un tiroir électronique comporte en général plusieurs cartes électroniques spécifiques qui sont reliées, par l'intermédiaire de broches de connexion, d'une part à des modules électroniques connexes et d'autre part à des modules électroniques extérieurs eux-mêmes reliés à une antenne extérieure afin de pouvoir émettre et/ou recevoir des informations par l'intermédiaire d'ondes Hertziennes par exemple. Chaque carte supporte des éléments tels que des circuits intégrés par exemple qui présentent l'inconvénient de chauffer. Pour permettre un bon fonctionnement des cartes électroniques contenues dans le tiroir, il est donc nécessaire de pouvoir dissiper cette chaleur émise par les éléments chauffant et de l'évacuer vers l'extérieur. Une solution connue consiste à placer un ventilateur à l'intérieur du tiroir électronique. Cependant cette solution n'est pas envisageable car la présence d'un ventilateur implique des opérations de maintenance très fréquentes, notamment pour nettoyer ou changer les filtres du ventilateur. Or, les tiroirs électroniques sont destinés à être distribués en grandes quantités et à être installés dans des lieux isolés et parfois difficiles d'accès. Il est donc impossible d'envisager de réaliser des opérations de maintenance très fréquentes. De plus, l'ajout d'un tel ventilateur entraîne une diminution significative du temps moyen de bon fonctionnement MTBF du tiroir qui chute par exemple de 8 ans à 2 ans environ. Cette solution n'est donc pas concevable. Actuellement, les éléments chauffant sont thermiquement reliés à des dissipateurs thermiques du commerce. Ces dissipateurs sont alors placés de préférence soit sur les bords des cartes électroniques soit sur un bord latéral du tiroir dans lequel les cartes électroniques sont insérées. De ce fait la dissipation thermique est améliorée. Les cartes électroniques doivent en plus être placées dans le tiroir, le long de glissières, de telle sorte qu'elles soient suffisamment espacées les unes des autres pour qu'une convection naturelle puisse se produire. L'espacement entre les cartes peut être de l'ordre de 10 centimètres. De plus, le tiroir est nécessairement aéré, au moyen de petites ouvertures pratiquées dans ses parois, afin de permettre l'évacuation de la chaleur vers l'extérieur par une ventilation naturelle. Par ailleurs, lorsque plusieurs tiroirs électroniques sont placés dans une baie d'intégration, ils doivent nécessairement être suffisamment espacés les uns des autres pour permettre l'évacuation, par convection et ventilation naturelle, de la chaleur interne à travers leurs ouvertures. Cet espacement entre les tiroirs est typiquement compris entre 20 et 40 centimètres environ. Les tiroirs actuels sont donc très encombrants, puisqu'ils présentent une épaisseur généralement supérieure à 8 cm, et ils entraînent une perte de place dans les baies d'intégration puisqu'ils ne peuvent être empilés les uns sur les autres. En outre, la contrainte de placement des éléments chauffants sur les bords est quelquefois difficilement compatible avec l'architecture d'une carte électronique à réaliser. Un but de l'invention consiste donc à réaliser un tiroir moins encombrant que les tiroirs utilisés jusqu'à présent, c'est à dire un tiroir "plat" d'épaisseur typiquement inférieure à 10cm. La réalisation d'un tel tiroir plat consiste à placer les cartes électroniques horizontalement, sous forme de couches, chaque couche comprenant une ou plusieurs cartes disposées côte à côte. L'espacement entre deux couches est très court. Il est de préférence de l'ordre de 2 cm. Cependant, le fait que les cartes électroniques soient très rapprochées les unes des autres empêche toute convection naturelle de se produire. Par conséquent, la réalisation de tiroirs électroniques d'épaisseur réduite ne permet pas d'obtenir une bonne dissipation thermique de la chaleur émise par les composants, si bien que le temps moyen de bon fonctionnement est, dans ce cas aussi, considérablement amoindri. La présente invention permet de résoudre ce problème de dissipation puisqu'elle propose un tiroir électronique d'épaisseur réduite, comportant une âme centrale apte à drainer, par conduction thermique, la chaleur émise par les éléments chauffant situés sur les cartes électroniques. L'invention se rapporte plus particulièrement à un tiroir électronique comportant deux bords latéraux et au moins deux cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il comprend une âme centrale massive en métal disposée parallèlement au plan du tiroir en position intermédiaire entre deux couches de carte(s) électronique(s), de manière à drainer de la chaleur, par conduction thermique, vers au moins un radiateur latéral formant un desdits bords latéraux du tiroir. Le tiroir selon l'invention présente alors un encombrement très restreint et une épaisseur faible, typiquement inférieure à 10 cm. L'âme centrale, formant un drain thermique, permet non seulement d'améliorer la dissipation thermique du tiroir, par un effet de conduction thermique vers les radiateurs latéraux, mais aussi d'assurer une bonne tenue mécanique du tiroir puisque les cartes électroniques et des capots inférieur et supérieur, destinés à refermer le tiroir, sont directement fixés sur ce drain thermique. De plus, les capots inférieur et supérieur du tiroir selon l'invention ne comportent pas nécessairement d'ouvertures puisque la chaleur est dissipée latéralement vers l'extérieur par un phénomène de conduction thermique et non plus par un phénomène de convection associé à une ventilation naturelle. Lorsqu'ils ne comportent pas d'ouvertures, les capots du tiroir permettent d'assurer une protection hermétique contre les agressions externes. En outre, la chaleur n'étant plus évacuée vers l'extérieur par une ventilation naturelle, plusieurs tiroirs selon l'invention peuvent être empilés les uns sur les autres dans une baie d'intégration, ce qui entraîne un gain de place. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description donnée à titre d'exemple illustratif mais non limitatif et faite en référence aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue éclatée d'un tiroir électronique selon l'invention, - la figure 2, une vue en perspective d'une âme centrale apte à être disposée à l'intérieur du tiroir électronique de la figure 1, - la figure 3, une vue en perspective d'une âme centrale selon une variante de réalisation, - la figure 4, une vue en perspective d'une âme centrale selon une autre variante de réalisation. Un tiroir électronique selon l'invention est désigné par la référence générale 1000 sur la figure 1. Dans l'exemple représenté sur cette figure, le tiroir électronique est destiné à être utilisé dans le cadre d'installations de téléphonie mobile, mais bien sûr l'invention ne se limite pas à une cette application. Il comprend quatre cartes électroniques : une carte multiplexeur 110 apte à fournir 16 liaisons à 2 Mégabits à partir de 4 liaisons à 2 Mégabits, une carte convertisseur d'alimentation 120, une carte modem 210, et une carte réseau 220 assurant la gestion de l'organisation des informations contenues dans les différentes cartes. Ces cartes électroniques sont représentées de manière schématique sur la figure 1, par des rectangles dépourvus de composants électroniques. Bien sûr le nombre de cartes électroniques et leur nature peuvent être différents selon l'application à laquelle est destinée le tiroir électronique. Le tiroir électronique 1000 comporte en outre une âme centrale massive référencée 500 sur la figure 1. Cette âme centrale 500, ou drain thermique, est disposée parallèlement au plan P du tiroir et en position intermédiaire entre deux couches 100 et 200 de cartes électroniques. En effet, elle est disposée au dessus d'une couche 100 comprenant la carte multiplexeur 110 et la carte convertisseur 120, et au dessous d'une couche 200 comprenant la carte modem 210 et la carte réseau 220. Cette âme centrale 500 est de préférence réalisée en métal pour assurer une conduction thermique de la chaleur émise par les éléments chauffant, situés sur les cartes électroniques, vers au moins un radiateur latéral 511, 521 formant lui-même un des bords latéraux du tiroir. Les radiateurs latéraux 511 et 521 présentent une surface de contact avec l'extérieur et assurent donc une évacuation de la chaleur vers l'extérieur. La distance entre les deux radiateurs latéraux 511, 521 définit la largeur 1 du tiroir selon l'invention. Cette largeur est de l'ordre de 48 cm. L'épaisseur de ces radiateurs définit l'épaisseur, ou encore la hauteur, du tiroir. Cette épaisseur est de l'ordre de 4,4 cm. Enfin, la longueur de ces radiateurs définit la profondeur p, du tiroir. Cette profondeur est de l'ordre de 24 cm. Au moins deux rails 530 sont prévus en surépaisseur, sur les bords longitudinaux d'au moins une des faces inférieure et/ou supérieure du drain 500. Le drain de la figure 1 comporte quatre rails 530. Au moins un de ces rails 530 est destiné à adhérer contre au moins une piste pratiquée sur une face d'une carte électronique, de manière à établir un contact thermique et à pomper de la chaleur accumulée sur cette carte. Une piste 111 est représentée sur la carte multiplexeur 110 de la figure 1. Lorsqu'un seul rail 530 permet d'établir un contact thermique avec une carte électronique, le deuxième rail assure le maintient des cartes électroniques dans un plan horizontal, parallèle au plan P du tiroir. Dans une variante de réalisation, on peut envisager de placer, sur au moins un rail 530, une mousse conductrice thermique mais isolante électriquement. Ainsi, la mousse permet à la fois de pomper la chaleur accumulée sur la carte électronique et de protéger cette carte électronique contre des courants parasites par exemple, susceptibles d'engendrer des défauts de fonctionnement voire même des court-circuits. Le drain thermique 500 du tiroir 1000 selon l'invention comporte par ailleurs plusieurs trous filetés 570 destinés à recevoir des vis pour permettre la fixation des différentes cartes électroniques 110, 120, 210, 210 sur ce drain. D'autres trous filetés 580 sont en outre prévus sur les parois supérieures et inférieures des radiateurs latéraux 511 et 521 pour permettre de fixer, par vissage, respectivement un capot supérieur 700 et un capot inférieur 800. Ainsi, une deuxième fonction de l'âme centrale 500 du tiroir consiste à assurer le maintient des cartes électroniques 110, 120, 210, 220 et des capots inférieur 800 et supérieur 700 du tiroir 1000. L'âme centrale 500 constitue par conséquent l'ossature du tiroir électronique. Les capots inférieur 800 et supérieur 700 sont de préférence respectivement munis de un ou plusieurs raidisseurs 810, 710 destinés à renforcer leur tenue mécanique. De manière avantageuse ces capots permettent en outre de protéger les cartes électroniques contre des agressions externes telles que la pluie ou des radiations électromagnétiques par exemple. Dans une variante de réalisation, on peut éventuellement prévoir de réaliser quelques ouvertures sur les capots 700, 800 pour permettre une légère dissipation par convection et ventilation naturelle même si celle-ci reste très faible. La face avant 600 du tiroir 1000 comporte une carte d'interconnexion constituée de plusieurs prises. Certaines prises sont prévues pour connecter des câbles coaxiaux et d'autres prises se présentent sous la forme de connecteurs enfichables. Un autre connecteur 610 spécifique est en outre prévu connecter une antenne extérieure. Toutes les prises de la face avant 600 sont reliées à la carte multiplexeur 110 de manière à connecter cette dernière à des modules électroniques extérieurs. L'antenne extérieure, quant à elle, est reliée aux modules extérieurs qui sont eux-mêmes reliés à la carte modem 210 par l'intermédiaire du connecteur 610. La carte multiplexeur 110 est d'autre part reliée aux autres cartes électroniques 120, 210, 220 pour dialoguer avec elles. Bien sûr, dans une variante, on pourrait installer une carte mère sur la face avant 600 du tiroir afin d'interconnecter toutes les cartes électroniques 110, 120, 210, 220 et de relier cette carte mère à des modules électroniques extérieurs par l'intermédiaire de bornes de connexion extérieures. La figure 2 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'âme centrale 500 du tiroir électronique selon l'invention. Les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments que sur la figure 1. Le drain thermique 500 comporte deux parties respectivement dénommées "partie convertisseur" 520 et "partie trame" 510. La partie convertisseur 520 est plus large que la partie trame 510. Cette partie convertisseur 520 est destinée à recouvrir la carte convertisseur 120 de la figure 1. La partie trame 510, quant à elle, est placée en position intermédiaire entre les deux couches de cartes électroniques puisqu'elle recouvre la carte multiplexeur 110 d'une part et supporte les cartes modem 210 et réseau 220 d'autre part. De manière avantageuse, la partie trame 510 permet une dissipation de chaleur par un effet de conduction thermique. Pour cela, le drain 500 présente un accroissement linéique de la masse de métal quant on le parcourt d'une position médiane vers un premier radiateur latéral 511. Cet accroissement de la masse de métal permet notamment de créer un gradient de conduction thermique entre le premier radiateur latéral 511 et l'interface située entre la partie trame 510 et la partie convertisseur 520. Un tel gradient de conduction thermique permet de provoquer un drainage de la chaleur vers les parties les plus froides. Dans le cas présent, le drainage s'effectue vers le radiateur latéral 511 de manière à ce que la chaleur puisse ensuite être évacuée vers l'extérieur. Pour cela, la quantité de métal doit donc être plus importante à proximité du radiateur 511. En effet, plus la masse de métal est importante, plus la conduction thermique devient importante. Ainsi, la partie trame 510 de l'âme centrale 500 permet de réaliser un drainage de la chaleur émise par les éléments chauffant des cartes multiplexeurs 110, modem 210 et réseau 220, vers le premier radiateur latéral 511. Pour réaliser cet accroissement de la masse de métal, un évidement 550 globalement triangulaire est pratiqué dans la partie trame 510, tel que représenté sur la figure 2. Cet évidement est réalisé de telle sorte que la pointe du triangle est orientée vers le premier radiateur latéral 511. L'évidement étant moins large à la pointe du triangle, la quantité de métal est donc plus importante dans la portion située à proximité du radiateur 511. Dans une variante de réalisation représentée sur les figures 1 et 3, cet évidement 550 peut aussi bien se présenter sous une forme sensiblement rectangulaire. Dans ce cas, l'évidement comporte au moins un décrochement 551 de manière à ce qu'il présente au moins une portion rétrécie 552 du côté du premier radiateur latéral 511. Ainsi, l'extrémité 552 de l'évidement 550 située à proximité du premier radiateur latéral 511 présente une largeur 11 inférieure à la largeur 12 de l'extrémité opposée située à proximité de l'interface entre les parties trame 510 et convertisseur 520. Le fait de réaliser un évidement 550 dans l'âme centrale 500 est avantageux. En effet, cet évidement permet de réduire les quantités de métal utilisé et par conséquent de réduire non seulement le prix de revient mais aussi le poids du tiroir électronique dans lequel l'âme 500 est insérée. D'autre part, l'absence d'évidement ne permet pas de créer un gradient de conduction thermique suffisant si bien que le drainage de la chaleur est moins efficace et se fait indépendamment vers les deux radiateurs latéraux. Dans une variante de réalisation, il est également possible d'envisager que l'accroissement de la masse de métal se traduise par une augmentation de l'épaisseur de la partie trame 510 du drain thermique 500, la portion 553 la plus épaisse étant située à proximité du premier radiateur latéral 511. Dans ce cas, il est préférable que la partie trame 510 du drain 500 comporte également un évidement pour les raisons de coût et de poids qui ont été expliquées précédemment. Cet évidement est sensiblement rectangulaire. Cette variante de réalisation est représentée sur la vue en perspective de la figure 4. La partie convertisseur 520, quant à elle, comporte trois branches 522, 523, 524 reliées à la partie supérieure d'un deuxième radiateur latéral 521. La dissipation de la chaleur émise par les composants électroniques de la carte convertisseur située au dessous de cette partie convertisseur 520 est réalisée de manière classique, en reliant les composants électroniques émetteurs de chaleur à la paroi interne du deuxième radiateur latéral 521 par l'intermédiaire d'une pièce métallique non représentée sur les figures 1 à 4. Par conséquent, tandis que la première partie trame 510 effectue un drainage thermique vers un premier radiateur latéral 511 pour permettre l'évacuation de la chaleur selon une première direction, la deuxième partie convertisseur 520, sans âme centrale massive, permet une évacuation de la chaleur vers un deuxième radiateur latéral 521 selon une direction opposée à la première. De préférence, les parties non évidées de l'âme centrale 500 se superposent aux éléments chauffant des cartes électroniques afin d'optimiser l'effet de conduction thermique. Le drain 500 et les radiateurs latéraux 511, 521 sont réalisés en une seule pièce de fonderie, par moulage. Le métal dans lequel est réalisé le drain thermique 500 doit être un bon conducteur thermique. Ainsi, le drain peut être réalisé en cuivre, en bronze ou en aluminium par exemple. Cependant, le cuivre se moule difficilement, il est fragile puisqu'il se tord facilement et il est coûteux. De même, le bronze est un matériau très cher. En conséquence le métal préféré pour réaliser le drain 500 est l'aluminium. L'aluminium est fondu et placé dans un moule. Cependant, ce métal est connu pour subir un rétreint lors de son refroidissement. En conséquence, les dimensions du moule sont calculées de manière à ce que le drain thermique fini présente les dimensions désirées. Le moule présente ainsi des dimensions supérieures de 4 mm à celles du drain 500 fini. Lorsque le drain en aluminium est refroidit et démoulé, il est ensuite redressé au moyen d'un outil tel qu'un marteau par exemple. Dans une variante de réalisation, lorsque la fabrication est réalisée à grande vitesse, on peut envisager de faire deux pièces différentes séparément: d'une part la partie centrale du drain 500, c'est à dire les parties trame 510 et convertisseur 520, et d'autre part la partie latérale du drain, c'est à dire les radiateurs latéraux 511, 521 qui sont identiques. Par ailleurs, la planéité des surfaces des rails et des parois internes des radiateurs latéraux est rectifiée, au moyen d'une meule ou d'une fraiseuse par exemple, de manière à réaliser de bons contacts avec respectivement les pistes des cartes électroniques et les pièces métalliques prévues pour raccorder les éléments chauffant de la carte convertisseur au radiateur latéral 521. Des rainures 590 sont prévues sur les parois inférieures et supérieures des deux radiateurs latéraux 511, 521. Ces rainures sont destinées à permettre le coulissement des capots respectivement inférieur et supérieur du tiroir, lesquels sont ensuite fixés par vissage aux radiateurs 511, 521. L'épaisseur des radiateurs latéraux, c'est à dire l'épaisseur du tiroir électronique selon l'invention, est inférieure à 10 cm. Elle est en général au moins égale à 44 mm et l'espacement entre les deux couches de cartes électroniques est compris entre 15 et 20 mm. Le tiroir selon l'invention qui vient d'être décrit permet de dissiper des puissances de l'ordre de 15 à 20 Watts, c'est à dire des élévations de température comprises entre 15 et 200C par rapport à la température normale de fonctionnement qui est de l'ordre de 55"C. En revanche, dans les cas où la puissance augmente et atteint une valeur de l'ordre de 30 Watts, du fait de l'utilisation d'un nombre plus important d'éléments chauffant sur les cartes électroniques par exemple, il devient nécessaire d'augmenter l'épaisseur du tiroir de manière à ce que la chaleur se répartisse dans un plus grand volume. Cette épaisseur est alors multipliée par n, n étant un entier supérieur ou égal à 2. De plus, dans ce cas les radiateurs latéraux sont plus épais et présentent par conséquent une surface de contact avec l'extérieur plus importante, si bien qu'ils permettent d'assurer une meilleure évacuation de la chaleur vers l'extérieur. REVENDICATIONS 1. Tiroir électronique (1000) comportant deux bords latéraux et au moins deux cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il comprend une âme centrale (500) massive en métal disposée parallèlement au plan (P) du tiroir (1000) en position intermédiaire entre deux couches (100, 200) de carte(s) électronique(s) (110, 120, 210, 220), de manière à drainer de la chaleur, par conduction thermique, vers au moins un radiateur latéral (511, 521) formant un desdits bords latéraux du tiroir. 2. Tiroir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme centrale (500) présente un accroissement linéique de la masse de métal quand on la parcourt d'une position médiane vers un premier radiateur latéral (511) de manière à créer un gradient de conduction thermique. 3. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce l'âme centrale (500) présente un évidement (550) globalement triangulaire, la pointe du triangle étant orientée vers un premier radiateur latéral (511). 4. Tiroir selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évidement (550) comporte au moins un décrochement (551) de manière à ce qu'il présente au moins une portion rétrécie (552) du côté du premier radiateur latéral (511). 5. Tiroir électronique selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que les parties non évidées de l'âme centrale (500) se superposent à des éléments chauffant des cartes électroniques. 6. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'âme centrale (500) varie et en ce que la portion (553) la plus épaisse est située à proximité du premier radiateur latéral (511). 7. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il présente deux parties: une première partie (510) apte à drainer de la chaleur vers le premier radiateur latéral (511) selon une première direction; et une deuxième partie (520), sans âme centrale massive, apte à évacuer de la chaleur vers un deuxième radiateur latéral (521) selon une direction opposée à la première. 8. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce l'âme centrale (500) et le ou les deux radiateurs latéraux (511, 521) sont réalisés en aluminium et forment une seule pièce de fonderie 9. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'âme centrale (500) présente au moins deux rails (530) en surépaisseur, l'un au moins de ces rails étant en contact avec une piste (111) prévue sur une carte électronique (110) de manière à évacuer de la chaleur accumulée sur ladite carte électronique. 10. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une mousse thermiquement conductrice et électriquement isolante est fixée sur au moins un rail (530). 11. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'âme centrale (500) comporte plusieurs trous filetés (570, 580) destinés à permettre la fixation, par vissage, des cartes électroniques (110, 120, 210, 220) d'une part et de deux capots inférieur (800) et supérieur (700) destinés à fermer le tiroir d'autre part. 12. Tiroir selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une face avant (600) sur laquelle sont prévues des prises permettant de connecter les cartes électroniques (110, 120, 210, 220) à des modules électroniques extérieurs.