Brevet FR2860947A1 — publié le 20050415

La présente invention est relative au problème posé par le refroidissement de circuits imprimés comportant des composants électroniques de tailles diverses dont certains présentent une forte dissipation thermique. Elle est en particulier destinée aux cartes électroniques montées en rack, de format "Double Europe" par exemple. Le dispositif selon l'invention peut notamment être employé pour le refroidissement de circuits imprimés simples ou bien pour le refroidissement de structure plus complexes, comportant par exemple un circuit imprimé "mère" équipé d'un circuit imprimé "fille", les deux circuits étant reliés l'un à l'autre par des connecteurs implantés au milieu des composants. L'utilisation de cartes électroniques montées en rack pose traditionnellement le problème de l'évacuation des calories dégagées durant le fonctionnement. Ce problème est généralement résolu par l'instauration d'une circulation d'air forcée réalisée à l'aide d'un système de ventilation souvent intégré au rack. Cette ventilation forcée fait en général circuler de l'air ambiant au travers des espaces libres existant entre les cartes électroniques montées dans le rack. Le passage de l'air ambiant, à la température du local dans lequel se situe le rack, réalise par convection l'emport des calories dégagé et évite donc un échauffement excessif des cartes. Le procédé peut en outre être amélioré si on fait circuler un air rafraîchi au lieu de l'air ambiant. Cette solution présente l'avantage d'être simple à mettre en oeuvre. Elle n'impose en particulier aucune contrainte de conception pour les cartes électroniques installées dans le rack et ne nécessite aucune adaptation. Elle présente en outre l'avantage de ne pas compliquer les opérations de montage démontage des cartes dans le rack. L'évacuation des calories au moyen d'une circulation d'air montre cependant ses limites sitôt que le nombre de cartes électroniques inséré dans le rack devient tel que les espaces libres entre cartes n'autorisent qu'une faible circulation d'air. Le problème se trouve encore accentué si certaines des cartes électroniques comportent des composants de hauteurs différentes et des composants à forte dissipation thermique. Dans ce cas on peut assister à l'apparition sur la surface des cartes, de zones "chaudes" où la circulation d'air est localement insuffisante pour évacuer les calories et éviter un échauffement excessif des composants. L'échauffement excessif peut en particulier être la cause de pannes intermittentes difficiles à identifier, ce qui diminue fortement la fiabilité de l'équipement en cause. Une autre solution au problème posé par l'évacuation des calories, notamment dans le cas de l'utilisation de cartes comportant des composants à forte dissipation thermique, consiste dans la mise en place sur les cartes à forte dissipation d'une structure métallique formant un drain thermique, appliquée de manière adéquate sur la surface de la carte électronique. La face de cette structure qui se trouve en contact avec la carte présente généralement un relief correspondant le plus possible à l'empreinte de la carte équipée de ses composants. Ce relief permet d'assurer au mieux le contact du drain thermique avec les composants à forte dissipation. Le contact est ensuite achevé par application sur les zones de contact d'un matériau thermo-conducteur de structure généralement pâteuse. La carte électronique et le drain thermique sont assemblés mécaniquement de préférence de manière amovible, l'ensemble étant monté solidairement dans le rack. Des procédés de réalisation de drains thermiques sont notamment décrits par la déposante dans les brevets français FR 92 06041 et FR 95 01972. L'emport des calories dissipées par les composants est ainsi réalisé par conduction, le drain thermique étant lui-même refroidi selon les cas par convection, conduction thermique sur son pourtour, ou encore, si la dissipation thermique est importante, par circulation d'un fluide de refroidissement dans son épaisseur. L'utilisation d'un drain thermique tel que décrit précédemment présente plusieurs inconvénients. Un tel drain thermique présente l'inconvénient d'être spécifique à la carte dont il épouse le relief: toute modification d'implantation de la carte entraîne une modification correspondante du drain thermique. Un autre inconvénient tient à la nécessité de réaliser un contact étroit entre le drain et la surface des composants à refroidir. La nécessité d'un contact étroit oblige à une réalisation mécanique précise du drain thermique, notamment en ce qui concerne la forme du relief correspondant à l'empreinte de la carte. Une telle réalisation nécessite généralement un usinage dont le coût peut alourdir de manière significative le prix de revient de la carte électronique équipée d'un drain thermique. En outre, la nécessité de fixer mécaniquement le drain à la carte pour assurer un contact satisfaisant rend fastidieuses les opérations de maintenance de la carte électronique. En effet, le remplacement d'un composant implique le démontage du drain thermique puis le nettoyage de la carte afin d'enlever le matériau thermo-conducteur. Enfin, le refroidissement réalisé par un tel drain est conditionné par la résistance thermique du matériau constituant le drain c'est à dire sa capacité à diffuser la chaleur depuis les zones chaudes en contact avec les faces des composants à forte dissipation thermique, vers les zones d'échange de température. Dans le cas d'un drain refroidi par une circulation de fluide par exemple, le refroidissement d'un composant à forte dissipation sera réalisé par échange indirect de chaleur entre ce composant et le fluide au travers de la résistance thermique constituée par l'épaisseur de la paroi du drain. Pour pallier tous les inconvénients cités et assurer un refroidissement satisfaisant, le dispositif selon l'invention présente une structure comportant au moins: Une paroi rigide, de préférence sensiblement plane, permettant notamment une insertion facile du dispositif dans un rack équipé de cartes 20 électroniques, Une paroi souple et mince, à l'élasticité contrôlée, ayant une forme voisine de celle de la paroi rigide, de faible résistivité thermique, dont les bords adhèrent aux bords de la paroi rigide de façon à créer un espace d'échange thermique étanche dont le volume peut varier, Des moyens comportant des canalisations permettant de faire pénétrer et de diffuser un fluide refroidisseur dans l'espace d'échange thermique. Le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'être simple à réaliser. Sa fabrication ne nécessite en particulier pas d'usinage. Le contact avec la surface de la carte à refroidir est réalisé par le remplissage de l'espace d'échange par le fluide de refroidissement. Le dispositif présente donc également l'avantage de pouvoir être utilisé pour différents modèles de cartes électroniques. De plus, la mise en contact du dispositif et de la carte est réalisée par pression et ne nécessite avantageusement aucun assemblage mécanique entre la carte à refroidir et le dispositif. L'échange thermique est réalisé par la circulation du fluide qui assure l'évacuation des calories échangées par les surfaces chaudes de la carte et le fluide au travers de la paroi souple. L'échange thermique ainsi réalisé présente l'avantage de permettre un refroidissement uniforme de la surface de la carte. Les canalisations sont équipées d'embouts auto-obturants qui permettent avantageusement de déconnecter de façon rapide et simple, sans perte de 10 fluide, le dispositif selon l'invention du circuit principal de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au travers de la description qui suit. Cette description est illustrée par les figures 1 à 8 qu représentent: - La figure 1, une représentation schématique de principe du dispositif selon l'invention vu dans son ensemble. - La figure 2, une représentation schématique du dispositif selon l'invention suivant une coupe transversale. - La figure 3, l'illustration d'un premier exemple de réalisation des moyens permettant la diffusion du fluide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique, - La figure 4, l'illustration d'un autre exemple de réalisation desdits moyens. - La figure 5, l'illustration d'une variante de réalisation de la paroi souple du dispositif selon l'invention. - La figure 6, l'illustration d'une variante du dispositif selon l'invention applicable au refroidissement d'une carte imprimée mère équipée d'une carte fille. La figure 1 présente une vue schématique d'ensemble du dispositif selon l'invention. Le dispositif comporte principalement trois éléments, une paroi rigide 11, une paroi souple 12 ainsi que deux canalisations d'entrée 13 et de sortie 14 réalisant un ajutage qui assure la diffusion du fluide dans l'espace d'échange thermique délimité par la paroi rigide et la paroi souple. Ces canalisations sont équipées d'embouts auto-obturants 15 permettant un raccord facile et rapide à un circuit de refroidissement. L'ensemble ainsi constitué forme une poche semi rigide qui présente des propriétés avantageuses. Contrairement à une poche totalement souple, la présence de la paroi rigide 11 permet notamment au dispositif de garder une forme définie même lorsque aucun fluide ne circule et d'assurer une mise en place dans un rack ainsi qu'une extraction, plus faciles que pour une poche souple. Le dispositif peut ainsi être inséré dans un rack, dans l'espace ménagé entre deux cartes électroniques par exemple. De même la paroi souple rend le volume de la poche variable en fonction de la pression du fluide refroidisseur qui y circule. Lorsque le dispositif est placé dans son rack, le gonflement de la poche assure à lui seul sa mise en contact avec la carte électronique placée au voisinage de sa paroi souple. La figure 1 représente le dispositif seul, rempli de fluide refroidisseur. La paroi souple 12 y apparaît donc comme une surface unie et uniformément bombée, les embouts auto-obturants empêchant avantageusement l'écoulement du fluide hors du dispositif. La figure 2 représente une vue de face du dispositif 21 lorsqu'il se trouve au contact d'une carte électronique 23. Cette figure illustre ce qui se passe lorsque le dispositif est en fonctionnement dans un rack. Le passage du fluide de refroidissement qui s'effectue sous une certaine pression entraîne une augmentation du volume de l'espace d'échange thermique 22 qui se traduit par une déformation de la paroi souple 12. Celle- ci vient épouser le relief de la carte électronique 23 et assure le contact étroit du dispositif avec les surfaces de tous les composants présents sur la carte, quelles que soient leurs épaisseurs respectives. La paroi souple vient se plaquer sur la surface des composants à refroidir et amène le liquide de refroidissement au plus près des zones à forte dissipation. L'échange de chaleur entre les composants et le fluide de refroidissement se fait au travers de la paroi souple 12, dont la faible épaisseur favorise avantageusement cet échange. Le dispositif selon l'invention assure ainsi un refroidissement efficace et uniforme de l'ensemble de la carte électronique 23. Du fait de la souplesse de la paroi 12 qui peut épouser divers reliefs, le dispositif selon l'invention présente l'avantage de ne pas être spécifique d'une carte électronique particulière. Un même dispositif peut être utilisé de manière polyvalente avec des types de carte différents ayant des implantations différentes et comportant des composants de hauteurs variées. Avantageusement la paroi mobile est réalisée dans un matériau à bonne conduction thermique. Le montage en rack du dispositif selon l'invention peut être réalisé de différente façon suivant que le circuit assurant la circulation et le o refroidissement du fluide est ou non intégré au rack. Si tel est le cas, le fond du rack peut lui-même être équipé d'embases auto-obturantes destinées à recevoir les embouts 15 qui équipe les canalisations 13 et 14. De cette façon, la mise en place du dispositif est réalisée par enfichage à un emplacement prévu à cet effet, l'enfoncement du dispositif dans le rack assurant le raccordement des embouts et des embases et donc le raccordement du dispositif au circuit de circulation de fluide. Si tel n'est pas le cas, le dispositif peut être inséré dans le rack de telle façon que les embouts auto-obturants soient dirigés vers l'avant du rack et raccordés à un circuit de circulation indépendant du rack. Dans tous les cas de montage, l'utilisation du dispositif met en particulier en oeuvre une opération préliminaire de mise en place et une opération finale de purge. La mise en place du dispositif dans le rack, à proximité de la carte à refroidir, s'effectue de préférence alors qu'il est vide de tout fluide. De la sorte il occupe un volume minimum. L'utilisation s'effectue en faisant circuler le fluide, ce qui augment le volume de l'espace d'échange 22 délimité par la paroi fixe et la paroi mobile 12 qui vient se plaquer sur la carte électronique. En circulant dans l'espace 22, le fluide passe au voisinage immédiat des composants à forte dissipation thermique et réalise l'emport des calories, assurant ainsi le refroidissement. Le retrait du dispositif hors du rack, après utilisation par exemple ou encore pour procéder à la dépose de la carte électronique en contact avec le dispositif, s'effectue après avoir purgé le dispositif du fluide qu'il contient, cette purge pouvant être réalisée par aspiration du fluide par le circuit de circulation. L'espace 22 occupe alors de nouveau un volume minimum et le dispositif n'entrant plus en contact avec la carte électronique 23, il peut être extrait du rack après avoir déconnecté les embouts auto-obturants. Dans le cas particulier où, pour une raison donnée, le dispositif selon l'invention se trouve mécaniquement lié à la carte électronique dont il assure le refroidissement, la mise en oeuvre se trouve simplifiée. Dans ce cas particulier on est conduit à insérer dans le rack puis à extraire du rack l'ensemble carte électronique dispositif de refroidissement simultanément. L'opération de vidange n'est alors pas nécessaire. Pour obtenir un refroidissement uniformément efficace de toute la surface de la carte électronique, la circulation de fluide doit s'effectuer de manière réellement uniforme dans tout l'espace d'échange 22 délimité par la paroi rigide et la paroi souple. A cet effet, le dispositif selon l'invention comporte des moyens qui assurent la diffusion du fluide de manière uniforme dans l'espace 22. Les figures 3 et 4 illustrent deux exemples possibles de réalisation de ces moyens. La figure 3 illustre un premier exemple simple de réalisation. Dans cet exemple les tubes 13 et 14, de section carrée ou ronde par exemple, sont percés à intervalle régulier d'orifices ouverts vers l'intérieur de l'espace d'échange 22. Le fluide pénétrant dans le dispositif par le tube 13 est diffusé dans l'espace d'échange 22 par les orifices 31, uniformément sur la longueur d'un des bords délimitant cet espace. En traversant l'espace d'échange il passe au contact des surfaces chaudes de la carte électronique ou s'opère l'échange thermique, puis ressort réchauffé de l'espace d'échange au travers des orifices 32 du tube 14. Un tel mode de réalisation présente l'avantage d'être simple à réaliser. L'ajutage est réalisé simplement à partir des tubes 13 et 14 qui ont été perforés et qui peuvent par ailleurs être rendus mécaniquement solidaires de la paroi fixe 11. La dispersion du fluide au travers de la surface à refroidir s'effectue de manière tangentielle, d'un bord vers l'autre de la carte. La figure 4 illustre un deuxième exemple de réalisation de moyens 35 permettant une diffusion uniforme du fluide de refroidissement. Dans cet exemple la diffusion du fluide est réalisée au travers de la paroi rigide. Le fluide entre dans le dispositif selon l'invention par la canalisation 41 qui le dirige dans l'espace ménagé dans l'épaisseur de la paroi rigide dont la face interne 43 est percé d'orifices 44 de manière régulière, qui assure la diffusion du fluide dans l'espace d'échange 22 délimité par la paroi rigide et par la paroi souple, non représentée ici. La canalisation 42 assure la circulation du fluide vers l'extérieur du dispositif. Cette canalisation, similaire à la canalisation 14 de l'exemple de la figure 3, se présente comme un tube percé d'orifices régulièrement répartis sur sa longueur. Les moyens décrits dans ce deuxième exemple sont d'une structure plus complexe que ceux décrits dans l'exemple précédent. Cette forme de réalisation nécessite notamment la réalisation d'une paroi rigide creuse dont une face est percée d'orifice, plus complexe à réaliser qu'une simple paroi. Cependant ces moyens assurent une diffusion du fluide uniforme dans tout le volume de l'espace d'échange. La diffusion est réalisée perpendiculairement à la surface de la carte électronique, permettant ainsi l'arrivée de fluide rafraîchi uniformément sur toute la surface. L'échange thermique entre le fluide et les composants de la carte est ainsi réalisé de façon très homogène. Les figures 1 à 4 illustrent la description du dispositif selon l'invention dans sa forme de base, destinée notamment à être utilisée pour le refroidissement de cartes électroniques montées dans un rack. Comme cela est expliqué dans ce qui précède, le dispositif est implanté dans le rack à la manière d'une carte électronique, à proximité de la carte à refroidir. Sous l'effet de la circulation du fluide sous une pression contrôlée, l'espace d'échange constitué par la paroi rigide et la paroi souple augmente de volume de sorte que la paroi souple vient épouser le relief de la carte. Le contact ainsi établi permet un échange de chaleur entre le fluide et les surfaces de la carte dissipatrice de calories. Ce dispositif présente l'avantage d'être d'une structure simple et d'un usage polyvalent, le même dispositif pouvant être utilisé pour refroidir des cartes électroniques comportant des composants différents et ayant des implantations différentes. Les figures suivantes présentent quant à elles certaines variantes de réalisation permettant en particulier d'adapter le dispositif selon l'invention à 35 des contraintes particulières. La figure 5 illustre un mode de réalisation particulier pour lequel la surface de la paroi souple 51 n'est plus uniforme mais présente des déformations 52-53, de hauteurs variables, qui permettent à cette surface de s'ajuster plus facilement au relief de la carte électronique à refroidir. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté aux cartes équipées de composants dont les hauteurs sont très sensiblement différentes. En effet, pour que la paroi souple d'un dispositif plus standard, tel que décrit précédemment, épouse correctement le relief de telles cartes on est contraint d'augmenter sensiblement la pression du fluide de refroidissement ce qui n'est pas toujours possible ou souhaitable. La présence de zones en relief sur la surface de la paroi souple permet avantageusement de résoudre ce problème. Ces déformations pré-moulées dans la paroi souple du dispositif ont pour conséquence de le personnaliser, le moulage de la paroi souple étant destiné à adapter le dispositif à une carte ou un type de cartes particulier. En revanche à la différence d'un drain thermique métallique, le moulage ne demande aucune précision de réalisation particulière, l'ajustement à la surface en contact étant réalisé par le remplissage de l'espace d'échange 22 par le fluide sous une légère pression. Cette variante de réalisation du dispositif selon l'invention, facile à réaliser, constitue dons une alternative avantageuse à l'utilisation d'un drain thermique métallique. La figure 6 illustre une autre variante de réalisation 63 du dispositif selon l'invention destinée au refroidissement d'une carte électronique 61 équipée d'une carte fille 62. A cet effet la paroi rigide 65 et la paroi souple 64 sont percées d'une lumière permettant de laisser passer la connectique inter-cartes 66, à la manière d'une bouée de sauvetage. Le dispositif comporte en outre une deuxième poche constituée par la face libre de la paroi rigide 65 et une deuxième paroi souple 67 adaptée à la taille et au relief de la carte fille. Ainsi, pour peu que les faces sur lesquelles sont implantés les composants soient en vis à vis, il est avantageusement possible de refroidir l'ensemble de la carte électronique avec un seul dispositif. Cette dernière variante de réalisation peut bien entendu être étendue au 35 refroidissement simultané de deux cartes électroniques indépendantes par un seul dispositif selon l'invention. Le dispositif comporte alors deux parois souples, chacune adhérant par les bords à une des faces de la paroi rigide. L'ensemble forme ainsi deux poches semi-rigides. Le dispositif ainsi réalisé présente l'avantage de ne comporter qu'un seul circuit de diffusion du fluide de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement de cartes électroniques montées en rack, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: - une paroi rigide (11, 63) sensiblement plane, - une paroi souple (12, 64) à l'élasticité contrôlée adhérant par ses bord à une de faces de la paroi rigide et constituant avec la paroi rigide, un espace d'échange thermique (22) de volume variable, - des moyens (13, 14) permettant la circulation et la diffusion d'un fluide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique, lesdits moyens comportant des embouts auto-obturants (15) facilitant le montage et le démontage du dispositif, la circulation du fluide sous une pression contrôlée dans l'espace d'échange thermique faisant augmenter le volume dudit espace de façon de sorte que la paroi souple vienne épouser le relief de la carte à refroidir, l'échange thermique entre la carte électronique et le fluide de refroidissement étant ainsi réalisé sur toute la surface de la carte. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi souple (51) comporte des parties préformées en relief (52, 53) permettant d'améliorer en fonctionnement le contact de ladite paroi souple avec la surface d'une carte électronique comportant des composants de tailles sensiblement différentes. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est adapté au refroidissement d'une carte électronique équipée d'une carte fille, l'espace d'échange thermique présentant au moins une lumière permettant le passage des éléments de connectique inter-cartes, le dispositif comportant une deuxième paroi souple (67) qui forme avec la face libre de la paroi rigide un deuxième espace d'échange thermique 3o destiné à refroidir la carte fille. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la diffusion du fluide de refroidissement dans l'espace d'échange thermique s'effectue d'un bord de l'espace d'échange vers le bord opposé au moyen de tuyaux présentant des perforations (31, 32) régulièrement espacées sur leur longueur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la diffusion du fluide dans l'espace d'échange thermique s'effectue de manière uniforme dans tout l'espace, le fluide cheminant dans un espace ménagé dans la paroi rigide et pénétrant dans l'espace d'échange par des orifices (44) régulièrement pratiqués sur la face de la paroi rigide délimitant l'espace d'échange.