Brevet FR2818789A1 — publié le 20020628

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT L'invention se rapporte à un dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique. L'invention trouve une utilité particulière dans le refroidissement de composants électroniques tels que par exemple des tubes hyperfréquences. Un tube comporte notamment une anode qui tend à se réchauffer lorsqu'elle reçoit des électrons émis par une cathode appartenant également au tube. Cette anode peut être cylindrique et pour la refroidir, il est connu de disposer autour de l'anode, à l'extérieur de la zone sous vide où circulent les électrons, des ailettes entre lesquelles circule un fluide comme par exemple de l'air dont la circulation peut être forcée au moyen d'un ventilateur. Autour d'un élément cylindrique à refroidir, les ailettes sont généralement radiales et le fluide qui circule entre elles a une vitesse d'autant plus grande que l'on s'éloigne de l'élément cylindrique car moins freiné par des obstacles que forment les ailettes. Or, c'est au voisinage de l'élément cylindrique que la température des ailettes est la plus élevée et c'est dans cette zone que la vitesse du fluide est la plus faible, ce qui réduit l'efficacité du refroidissement. L'invention a pour but d'augmenter l'efficacité du refroidissement d'un élément cylindrique au moyen d'ailettes entre lesquelles circule un fluide. Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique comportant des ailettes radiales entre lesquelles circule un fluide destiné au refroidissement des ailettes par convection, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étages d'ailettes, étages disposés radialement l'un par rapport à l'autre. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente un dispositif comportant deux étages d'ailettes. Au centre de la figure 1, un élément cylindrique 1 est l'élément qu'il faut refroidir. Dans cet exemple de réalisation, la section de l'élément cylindrique 1 est circulaire d'axe 2. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à un élément cylindrique 1 de section circulaire. L'invention peut être mise en oeuvre pour tout type de section. Un premier étage d'ailettes 3, disposées radialement, est fixé à l'élément cylindrique 1. Chaque ailette 3 est formée d'une tôle rectangulaire dont la tranche est visible sur la figure. Les ailettes 3 sont espacées régulièrement les unes des autres avec un premier pas angulaire a1 autour de l'axe 2. Sur la figure 1, à titre d'exemple, 34 ailettes 3 forment le premier étage. Les ailettes 3 sont fixées sur un premier côté à l'élément cylindrique 1 et sur un second côté, opposé au premier côté, à la face intérieure d'une chemise intermédiaire 4, par exemple cylindrique, dont l'axe est sensiblement confondu avec l'axe 2 de l'élément cylindrique 1. La chemise intermédiaire 4 a pour fonction de transmettre la chaleur entre le premier étage d'ailettes 3 et un second étage d'ailettes 5 fixées radialement sur la face extérieure de la chemise intermédiaire 4. La chemise intermédiaire 4 a également pour fonction de maintenir mécaniquement les ailettes 3 et 5 entre elles. Les ailettes 5, sont comme les ailettes 3, par exemple formées d'une tôle rectangulaire. Les ailettes 5 sont fixées sur un premier côté à la face extérieure de la chemise intermédiaire 4. Les ailettes 3 sont espacées régulièrement les unes des autres avec un second pas angulaire a. 2. Avantageusement, le pas angulaire a1 est supérieur au pas angulaire a2 afin de réduire la perte de charge dans le premier étage d'ailettes 3. Dans l'exemple représenté, 100 ailettes 5 forment le second étage. Une chemise extérieure 6 maintient un second côté des ailettes 5, second côté opposé au premier côté. Avantageusement, les ailettes 3 et 5 sont fixées à chacune des chemises 4 et 6 par brasage, ce qui assure une bonne conduction thermique entre ailettes 3 ou 5 et chemise 4 ou 6. Pour mieux comprendre l'invention, prenons l'exemple d'un flux thermique W provenant de l'intérieur de l'élément cylindrique 1 et évacué par le dispositif au moyen d'air dont la circulation est forcée. On a donc : Avec p : masse volumique de l'air ; Qv : débit volumique de l'air ; Cp : capacité calorique de l'air ; Ts : température de l'air en sortie des ailettes ; Te : température de l'air à l'entrée des ailettes. Les caractéristiques de l'air p, Cp, sont définies à la température moyenne de l'air Tm = (Ts + Te)/2. Au niveau des ailettes, l'échange thermique par convection forcée peut se modéliser de la façon suivante : Wi= hi. Si. (Tpi-Tmi) (2) W2=h2. S2. (Tp2-Tm2) (3) avec Si et S2 : surface cumulée de l'ensemble des ailettes respectivement du premier et du second étage d'ailettes ; Tpi : température de la base des ailettes 3 au niveau de leur fixation à l'élément cylindrique 1 ; Tp2 : température de la base des ailettes 5 au niveau de leur fixation à la chemise intermédiaire 4 ; h1 : coefficient d'échange des ailettes 3 ; h2 : coefficient d'échange des ailettes 5. On a constaté que h1 et h2 dépendent surtout de la vitesse de l'air circulant entre les ailettes. hi et h2 croissent sensiblement avec la vitesse de l'air élevée à une puissance comprise entre 0,5 et 0,8. Par ailleurs, les pertes de charges que l'air subit en traversant les ailettes croissent sensiblement avec le carré de la vitesse de l'air. En diminuant la surface Si ou 82 des ailettes, on réduit les pertes de charges, ce qui augmente la vitesse de l'air ainsi que le coefficient d'échange h1 ou h2. En conservant un seul étage d'ailettes comme dans l'art antérieur, en appliquant la formule (2), on constate que, si on souhaite augmenter le coefficient d'échange, il est nécessaire de réduire le nombre d'ailettes pour en réduire la surface. En optimisant les deux paramètres Si et hi, on peut augmenter le flux thermique W, dans une faible proportion. Par contre, en utilisant deux étages d'ailettes, seule la surface Si d'ailette est réduite sur l'étage intérieur. La surface totale des ailettes, c'est- à-dire des deux étages, Si + S2, n'est donc que peu réduite. Par contre, le coefficient d'échange h1 croît fortement. En effet, en utilisant un seul étage d'ailettes, les pertes de charges sont essentiellement dues au fait que les ailettes sont très proches les unes des autres au voisinage de l'élément cylindrique 1. En utilisant deux étages d'ailettes 3 et 5, on réduit de façon importante les pertes de charges. L'invention permet donc d'augmenter fortement le flux thermique total W, + W2. Avantageusement, les différentes ailettes sont sensiblement planes et disposées sensiblement radialement par rapport à l'élément cylindrique 1. Cela permet dans un volume donné pour le dispositif d'utiliser des ailettes les plus courtes possibles ce qui améliore le transit du flux thermique pour conduction à l'intérieur des ailettes. Une optimisation permet de définir plus précisément les ailettes (épaisseur, largeur, nombre) pour chacun des étages. Cette optimisation peut être réalisée de façon empirique ou à l'aide d'outil de simulation thermique. On constate notamment qu'une augmentation d'épaisseur d'ailettes réduit la résistance thermique de conduction à l'intérieur de ces ailettes. Par contre, cette augmentation d'épaisseur réduit la section de passage de l'air et augmente donc les pertes de charges. La réduction de la résistance thermique tend à augmenter le flux thermique conduit à l'intérieur des ailettes alors que l'augmentation des pertes de charges tend à réduire le flux thermique transmis à l'air par convection. Ces deux paramètres étant contradictoires, lors de l'optimisation, on cherchera donc à déterminer la meilleure épaisseur d'ailette pour obtenir le flux thermique le plus important possible. Avantageusement les ailettes 3 et 5 sont réalisées dans un matériau contenant majoritairement du cuivre, ce qui assure une bonne transmission d'un flux thermique dans les ailettes par conduction. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'un élément cylindrique (1) comportant des ailettes radiales entre lesquelles circule un fluide destiné au refroidissement des ailettes par convection, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étages d'ailettes (3,5), étages disposés radialement l'un par rapport à l'autre. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un étage intérieur a un pas angulaire (a1) entre ailettes (3) supérieur au pas angulaire (a2) d'ailettes (5) d'un étage extérieur. 3. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étages d'ailettes (3,5) sont séparés par une chemise intermédiaire (4) à laquelle les ailettes (3,5) sont fixées. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un côté des ailettes (5) de l'étage extérieur, côté opposé au côté fixé à la chemise intermédiaire (4), est fixé à une chemise extérieure (6). 5. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les ailettes sont fixées à la chemise (4,6) par brasage. 6. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (3,5) sont sensiblement planes. 7. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (3,5) des différents étages sont disposées sensiblement radialement par rapport à l'élément cylindrique (1). 8. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes (3, 5) sont réalisées dans un alliage comportant majoritairement du cuivre. 9. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la convection est forcée.