Brevet FR2862179A3 — publié le 20050513

FR 2862179 A3 20050513 FR 0313147 A 20031107 2862179 1 La présente invention concerne un radiateur céramique à structure poreuse ayant la fonction d'accroître la surface de contact entre le radiateur et l'air de manière à augmenter son effet de dissipation thermique. Depuis des années récentes, l'unité centrale de l'ordinateur dispose d'une exécution à une grande vitesse et produit facilement la chaleur; le radiateur connu est monté sur l'unité centrale pour évacuer la chaleur produite par cette dernière. Comme le montre la figure 1, le radiateur connu comprend généralement une plaque de dissipation thermique(A) avec des ailettes de dissipation thermique(C), une couche de conduction thermique(F) située au-dessous de la plaque précédente(A) et au-dessus de l'unité centrale(B), un ventilateur(D) installé sur la plaque de dissipation thermique(A) et enfin, entre cette plaque ci-devant(A) et le ventilateur(D), des moyens destinés à produire la convection d'air par laquelle la chaleur absorbée par les ailettes de dissipation thermique(C) est évacuée afin de faire baisser la température de l'unité centrale(B). Quoique les ailettes de dissipation thermique(C) du radiateur connu soient en cuivre ou aluminium apte à la conduction thermique ou à la dissipation thermique, leurs effets n'arrivent pas à correspondre aux besoins du développement de grande vitesse et haute puissance. De plus, les ailettes de dissipation thermique(C) sont encombrantes, pour certains ordinateurs qui disposent d'un volume limité, comme les ordinateurs portables qui doivent avoir d'autres structures de dissipation thermique, par exemple des tubes de pâte thermique, pour arriver à dissiper la chaleur. La présente invention vise donc à proposer un radiateur céramique à structure poreuse, qui se compose essentiellement d'une couche de dissipation thermique(2), d'une couche de conduction thermique(1) et d'un ventilateur(4) ; la couche de dissipation thermique(2) utilise le principe de la transformation de phase liquide de la chimie microscopique pour créer une sorte de poudre céramique à structure micro-cellulaire grâce à la dispersion inégale de la pâte crémeuse, puis la poudre céramique à structure micro-cellulaire est combinée avec une sorte de poudre de secondaire-micromètre et agglomérée en formant une structure poreuse à cristaux creux. De cette façon, la force mécanique de la couche de dissipation thermique(2) est plus grande. La poudre céramique à structure micro-cellulaire combinée avec la poudre de secondaire- micromètre peut aussi être faite par la mise à feu de biscuit. De cette façon, la force mécanique de la couche de dissipation thermique(2) est plus faible. Le radiateur céramique possède une couche de conduction thermique(1) se trouvant au contact avec la source thermique, la chaleur en est absorbée par la couche de conduction thermique(1), puis est dissipée au moyen de la structure poreuse à cristaux creux de la couche de dissipation thermique(2), et enfin y est monté un ventilateur(4) offrant les conditions de convection forcée de manière à augmenter l'effet de la dissipation thermique du radiateur. La porosité de la couche de dissipation thermique est de 5 à 40% et son diamètre de poudre est entre 0,09 et 0,30 m. La description qui suit se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une coupe de la plaque métallique du radiateur connu; - la Figure 2 est un graphe figurant la transformation de phase liquide liquide de la présente invention; - la Figure 3 montre une simulation de dispersion égale de particules; - la Figure 4 montre une simulation de dispersion inégale de particules; - la Figure 5 est un schéma figurant le principe de la conduction thermique par médiateur; la Figure 6 est un graphe (tracé par THERMOTRACKER; axe vertical - température C, axe horizontal - temps mn.) figurant les rapports entre le temps et températures fixés d'après la figure 5 1; la Figure 7 est un graphe (fait selon les données de l'analyseur de diamètre HORIBA LA-920) figurant les rapports entre le diamètre de particule et temps nécessaire au broyage d'après la figure 6 1; lo la Figure 8 est une coupe du radiateur céramique à structure poreuse de la présente invention; la Figure 9 est une coupe d'un exemple de l'assemblage des couches de conduction thermique et de dissipation thermique de la présente invention; la Figure 10 est une coupe d'un autre exemple de l'assemblage des couches de conduction thermique et de dissipation thermique de la présente invention; la Figure 11 est une coupe d'un autre exemple de l'assemblage des couches de conduction thermique et de dissipation thermique de la présente invention; la Figure 12 est une coupe figurant le module d'essai du radiateur. Les principes mis en oeuvre dans la présente invention sont décrits 25 ciaprès: 1. la chimie microscopique: La présente invention utilise deux solvants toluène et alcool que contient la pâte organique pour le mélange avec l'agglomérant polimérique hydrophile. Dans ce mélange, l'alcool est totalement mélangé avec l'eau (hydrophile), cependant le toluène et le radical fonctionnel hydrophile se repoussent; par conséquent, le mélange peut être remué afin de former une pâte crémeuse (voir la figure 2), ensuite, la poudre céramique est collée à la pâte crémeuse. Comme le montrent les figures 3-1 et 3-2, dans la pâte crémeuse, les particules ayant un plus grand diamètre s'assemblent immédiatement par les forces de Van Der Waals, mais les particules ayant un plus petit diamètre remplissent la périphérie des particules ayant un plus grand diamètre; en même temps, l'agglomérant polimérique et la matière inorganique créent une liaison covalent stable. Ainsi, après que la céramique a été agglomérée, un espace naturel et uni est fabriqué en formant une structure poreuse. 2. la théorie physique: Pour arriver à un résultat de la structure poreuse, il faut un mélange de poudre céramique avec particles de différents diamètres. La présente invention utilise la poudre ayant les particles de petit diamètre(de secondaire-micromètre, environ 0,13 pm), et la poudre est agglomérée en formant une céramique avec structure poreuse de façon à obtenir le meilleur effet de dissipation thermique. En plus, il est nécessaire de contrôler les conditions d'élévation des températures pendant l'agglomération afin d'avoir les meilleures porosité et force mécanique. En général, plus le diamètre des particles est grand, plus la porosité est grande après l'agglomération, et la force mécanique de la matière diminue relativement. 3. la théorie de la transmission thermique physique: La transmission thermique physique comprend trois catégories: la conduction, la convection et la radiation. En général, l'énergie que la radiation peut transmettre est trop petite, donc elle n'est pas prise en considération. Ainsi dans la fabrication du radiateur, seules la conduction et la convection sont prises en considération. Comme le montre la figure 4, pour l'appareil de dissipation thermique de l'ordinateur, l'importance de la transmission thermique consiste à transmettre l'énergie thermique à la surface de l'objet de dissipation thermique. Mais pour abaisser la température, la convection thermique est la plus importante, car l'énergie thermique est emportée par l'effet de la convection d'air. Ce qui influence le plus la convection thermique, c'est la surface de dissipation thermique. La formule de la convection thermique est Q = h x A x DT (Q est l'énergie, h est le coefficient de la convection thermique, A est la surface, ^T est la différence de température). La formule de la transmission thermique est Q = K x A x ^T _ ^X (Q est l'énergie, K est le coefficient de la transmission thermique, A est la surface, ^T est la différence de température, ^X est l'épaisseur du médiateur). La méthode pour fabriquer la matière de la structure poreuse de la présente invention comprend les étapes suivantes: 1. La préparation de la pâte: prendre une proportion appropriée de la matière céramique (dont les éléments essentiels sont TiO2, BaO, SrO, AI203, ZrO, AIN, SiC) deux solvants organiques alcool et toluène et un dispersant ( dont la meilleure viscosité est entre 5 10 cp), bien mélanger et pour arriver à une dispersion égale, broyer le mélange à l'aide des boulets à broyage (par exemple, ceux en AI203) de manière à obtenir les particules de secondaire-micromètre. 2. La préparation de l'agglomérant: prendre une bonne proportion de l'eau et l'alcool polyvinylique(PVA) et bien mélanger. 3. L'ajout de l'agglomérant: mélanger la pâte et l'agglomérant précédents et remuer vigoureusement jusqu'à ce que le mélange devienne une pâte crémeuse. 4. Le séchage: faire sécher la pâte crémeuse pour qu'elle devienne solide, c'est-à-dire qu'elle se transforme en une matière à stucture poreuse. La méthode pour fabriquer la couche de dissipation thermique à structure poreuse de la présente invention comprend les étapes suivantes: 1. La granulation: broyer la matière à stucture poreuse dans un mortier, puis la mettre dans une installation spéciale et la mettre en forme d'une couche de dissipation ayant la forme prédéterminée par pression. 2. L'agglomération: agglomérer la couche de dissipation thermique précédente en un espace naturel et uni de manière à former une couche de dissipation thermique de structure poreuse à cristaux creux. 3. L'application de la surface de la couche de conduction thermique: unir la couche de dissipation thermique de structure poreuse à cristaux creux et la surface de la couche de 2862179 conduction thermique à l'aide de la résine époxy. Comme le montre la figure 8, le radiateur céramique à structure poreuse fabriqué d'après ce qui est mentionné se compose essentiellement d'une couche de dissipation thermique(2), d'une couche de conduction thermique(1) et d'un ventilateur(4) ; la couche de dissipation thermique(2) utilise le principe de la transformation de phase liquide de la chimie microscopique pour créer une sorte de poudre céramique à structure micro-cellulaire grâce à la dispersion inégale de la pâte crémeuse, puis la poudre céramique à structure micro-cellulaire est combinée avec une sorte de poudre de secondaire-micromètre et agglomérée en formant une structure poreuse à cristaux creux. De cette façon, la force mécanique de la couche de dissipation thermique(2) est plus grande. En variante, la poudre céramique à structure micro-cellulaire combinée avec la poudre de secondaire-micromètre peut être faite par la mise à feu de biscuit. De cette façon, la force mécanique de la couche de dissipation thermique(2) est plus faible. Le radiateur céramique possède une couche de conduction thermique(1) se trouvant au contact avec la source thermique - c'est-à-dire l'unité centrale(5), la chaleur en est absorbée par la couche de conduction thermique(1), puis est dissipée au moyen de la structure poreuse à cristaux creux de la couche de dissipation thermique(2), et enfin y est monté un ventilateur(4) offrant les conditions de convection forcée de manière à augmenter l'effet de la dissipation thermique du radiateur. De préférence, la couche de conduction thermique(1) est faite d'une plaque de cuivre dont le coefficient de conduction thermique K est égal à 380 W/mK. Si l'on utilise des matières de grand coefficient de conduction thermique (comme l'argent, ou le diamant etc.), cela pourra apporter plus d'aide à la capacité de dissipation thermique, mais il faut avoir assez de volume unitaire pour absorber l'énergie thermique instantanée produite lors du démarrage de l'unité centrale. Comme le montre la figure 9, les couches de conduction thermique(1) et de dissipation thermique(2) de la présente invention sont unises par une couche de résine époxy(6). Comme le montre la figure 10, les couches de conduction 5 thermique(1) et de dissipation thermique(2) sont unies par des bâcles(7) - un autre exemple de la présente invention. Comme le montre la figure 11, les couches de conduction thermique(1) et de dissipation thermique(2) sont unies par des io bâcles à ventilateur(8) que le ventilateur(4) possède - un autre exemple de la présente invention. Un exemple de la méthode pour fabriquer la présente invention est expliqué ci-après: 1. La préparation de la pâte: prendre 137,87g de la matière céramique de AI203, 25,06g d'alcool, 37,06g de toluène et 2,76g d'un dispersant (tel que BYK-111, 2,0% du poids de la matière céramique) dont la viscosité est entre 5 10 cp, bien mélanger et pour arriver à une dispersion égale. Puis remuer et broyer le mélange à l'aide des boulets à broyage (f = 3mm: 10mm: 30mm = 5: 3: 2 et le diamètre de la poudre est entre 0,09 et 0,03 m) à une faible vitesse de rotation et pendant 12 heures. 2. La préparation de l'agglomérant: prendre 0,4g d'alcool polyvinylique(PVA), y ajouter 9,6g d'eau et bien mélanger(PVA = 4%). 3. Le mélange de la pâte et de l'agglomérant préparés: mélanger 5g de la pâte et 5g de l'agglomérant (PVA=4%) précédentes et remuer vigoureusement jusqu'à ce que le mélange devienne une pâte crémeuse. 4. Le séchage: faire sécher la pâte crémeuse pour qu'elle devienne solide. 5. La granulation: broyer la matière solide précédente, puis mettre la poudre fine obtenue par le broyage dans une installation spéciale et la mettre en forme d'une couche de dissipation ayant la forme prédéterminée par pression. 6. L'agglomération: agglomérer avec la hausse de température en trois étapes la couche de dissipation thermique précédente en un espace naturel et uni de manière à former une couche de dissipation thermique de structure poreuse à cristaux creux. 7. L'application de la surface de la couche de conduction thermique: unir la couche de dissipation thermique de structure poreuse à cristaux creux et la surface de la couche de conduction thermique (3 mm de cuivre) à l'aide de la résine époxy et faire sécher à une température de 150 C pendant 2 minutes. Le radiateur céramique de la présente invention faite d'après le 10 processus ci-mentionné est mis à l'essai par la méthode suivante: Le module à l'essai comprend quatre points de mesure des températures X, Y, T et Z(X est la température tout près de l'unité centrale, Y est la température de la couche de dissipation thermique, T est la température ambiante, Z est la température de l'admission d'air). La source thermique utilise l'unité centrale de Intel pentium 4, 1,8 GHz; le ventilateur utilise celui de Intel A65061-002, DC12V, 0,16A, 4600rpm; et l'appareil enregisteur de température utilise celui de THERMOTRACKER, PRO-1000. Comme ce que montre la figure 12, les courbes des quatre points de mesure des températures X, Y, T et Z sont enregistrées. La longueur et la largeur de la matière sont 70x70 mm et le coût de la matière est calculé est ci-après: le prix de l'aluminium est 87 NT dollars(dollars taiwanais)/kg x le poids utilisé ; le prix du cuivre est 98 NT dollars(dollars taiwanais)/kg x le poids utilisé ; le prix de MPC(céramique micro-poreuse) est 25 NT dollars(dollars taiwanais)/kg x le poids utilisé ; le prix de la résine époxy est 100 NT dollars(dollars taiwanais)/kg x le poids utilisé. Après la comparaison des coûts précités, le coût de la matière et le poids du radiateur de la présente invention sont beaucoup meilleurs que ceux du radiateur connu d'aluminium fait par pression. Par comparaison, l'aluminium a un coefficient plus petit si bien que la capacité de conduction thermique de l'axe Z est plus sérieusement interrompu par la céramique poreuse et que cela a provoqué un grand changement de température au début de l'essai; donc, l'aluminium n'est pas apte pour le démarrage de 2862179 l'unité centrale. La courbe de la température mise en hausse du radiateur est figurée, la température au point de mesure X est seulement 43 C au démarrage de l'unité centrale, et n'a que 47 C après un moment d'opération; donc, la plaque de dissipation thermique à structure poreuse peut améliorer l'efficacité insatifaisante des ailettes de dissipation thermique en aluminium, en plus, le processus de sa fabrication est plus simple et le coût de production est moins élevé. Tableau figurant les étapes d'élévation de la température de la présente invention Etapes de la hausse de température 1 2 3 4 5 6 7 8 Température 150 250 250 550 550 800 1040 1040 Temps fixés 30 60 120 90 120 120 120 180 Tableau figurant les rapports entre le diamètre de particule et temps nécessaire au brovaae selon la présente invention Temps (hr) diamètre ( m) viscosité (cp) 12rpm dispersant (BYK- 111) 0.491 53.5 1.2% 7.5 0.189 26.6 1.2% 0.132 10 2.0% 12.5 0.125 8.6 2.0% 17.5 0.09 7.9 2.0% Tableau figurant les calculs des matières, tailles de la plaque de dissipation thermique 15 et leur coût de production Plaque Plaque Plaque Plaque Ailettes de de d'aluminium d'aluminium traditionnelles cuivre cuivre en aluminium Epaisseur de la 2.0 3.0 3.0 4.0 matière métallique (mm) Epaisseur de MPC 1.8 1.8 1.8 1.8 (mm) Epaisseur totale 3.8 4.8 4.8 5.8 Epaisseur la (mm) plus petite 40 Poids de la matière 86 132 39 52.5 métallique (g) Poids de MPC (g) 16.7 16.7 17.3 17.1 Poids de la résine 1.3 1.3 1.3 1.3 epoxy (g) Poids total (g) 104 150 57.6 70.9 Poids le plus petit 300 Comparaison du coût 8.97 13.48 3.95 5.12 26.1 de production de l'ensemble des matières (NTD) Proportion des 65.6% 48.4% 84.8% 80.3% Valeur matières comparative économisées (%) originale lo REVENDICATIONS 1. Radiateur céramique à structure poreuse, comprenant une couche de dissipation thermique(2), une couche de conduction thermique(1) et un ventilateur(4), caractérisé en ce que la couche de dissipation thermique(2) possède une structure de ceramique poreuse à cristaux creux, que sa porosité est de 5 à 40 %, que son diamètre de poudre est entre 0, 09 et 0,30 pm, que le radiateur céramique à structure poreuse possède au io moins une couche de conduction thermique(1) se trouvant au contact avec la source thermique, la chaleur en est absorbée par la couche de conduction thermique(1), puis est dissipée au moyen de la structure de ceramique poreuse à cristaux creux de la couche de dissipation thermique(2), et enfin y est monté un ventilateur(4) offrant les conditions de convection forcée de manière à augmenter l'effet de la dissipation thermique du radiateur. 2. Radiateur céramique à structure poreuse, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de conduction thermique(1) et la couche de dissipation thermique(2) sont jointes par une couche de résine époxy (6). 3. Radiateur céramique à structure poreuse, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de conduction thermique(1) et la couche de dissipation thermique(2) sont encore liées par des bâcles(7). 4. Radiateur céramique à structure poreuse, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ventilateur(4) possède des bâcles à ventilateur(8) pour unir la couche de conduction thermique(1), la couche de dissipation thermique(2) et le ventilateur(4) en un ensemble.