Brevet FR2907634A1 — publié le 20080425

BOITIER ELECTRONIQUE A CARTES ELECTRONIQUES COMPORTANT DES CALODUCS. Le domaine de l'invention est celui de l'évacuation de la chaleur des cartes électroniques en fonctionnement et plus spécifiquement des dispositifs électroniques comportant au moins un caloduc. Les composants des cartes électroniques dissipent une quantité importante de chaleur, provoquant une augmentation significative de la température des composants et des circuits électroniques associés. Cette élévation de température peut atteindre plusieurs dizaines de degrés. Elle est d'autant plus significative que, pour certaines applications professionnelles, les cartes électroniques sont situées dans un environnement déjà placé à température élevée. C'est le cas pour certaines applications aéronautiques ou de défense. Or, les caractéristiques, la fiabilité et la durée de vie d'un grand nombre de composants électroniques dépendent de façon très importante de la température. Il est donc vital pour la sûreté de fonctionnement d'un dispositif électronique que la chaleur soit contrôlée et évacuée dans de bonnes conditions. On sait que le transfert de chaleur peut se produire par : • Rayonnement thermique. Un corps chaud émet naturellement un rayonnement thermique. Cette émission est insuffisante pour permettre une évacuation efficace de la chaleur ; • Convection thermique. Lorsque le corps chaud est en contact avec des fluides gazeux ou liquides en mouvement, une partie de l'énergie thermique est transférée au fluide. Pour que la convection soit efficace, il est préférable que la circulation du fluide soit forcée de façon à optimiser l'échange thermique. Par conséquent, il faut nécessairement des moyens de pompage et d'évacuation du fluide. Par exemple, lorsque le fluide est un gaz, on provoque une ventilation forcée au moyens de ventilateurs ; 25 30 2907634 2 • Conduction thermique : elle a lieu entre deux corps à des températures différentes, reliées entre eux par une substance solide, liquide ou gazeuse, dans laquelle l'énergie thermique se propage grâce à des chocs non 5 élastiques entre les molécules. L'évacuation de la chaleur par conduction thermique est préférée lorsque, pour des problèmes de poids, d'encombrement, d'étanchéité et de coût, on ne dispose pas de la possibilité d'utiliser la convection thermique qui 10 nécessite des moyens particuliers d'extraction et d'évacuation de la chaleur. C'est le mode d'évacuation retenu pour un certain nombre de calculateurs électroniques et notamment de calculateurs embarqués sur aéronefs. Pour évacuer la chaleur, on peut utiliser des caloducs. Un caloduc est un système fermé qui permet, en profitant des changements de phase 15 d'un fluide caloporteur, de prélever de la chaleur à un endroit et de la redistribuer à un autre. Son fonctionnement est schématisé sur la figure 1. On enferme un liquide dans un tube 10 composé de trois parties : l'évaporateur 11 qui assure le prélèvement de la chaleur, le condenseur 12 qui assure sa redistribution et la zone adiabatique 13 qui assure le transfert 20 de la chaleur de l'évaporateur 11 vers le condenseur 12. La quantité de liquide introduit est telle que le liquide est en équilibre avec sa phase vapeur de façon que des variations thermiques modérées assurent le changement d'état liquide-vapeur. Au niveau de l'évaporateur 11, le liquide va prendre sa forme gazeuse et aller vers le condenseur 12 où il va se reliquéfier. II va alors être ramené vers l'évaporateur grâce à un réseau capillaire 14 contenu dans la zone adiabatique. Sur la figure 1, les flèches blanches indiquent la circulation du fluide caloporteur lorsqu'il est sous forme liquide et les flèches grises indiquent la circulation du fluide caloporteur lorsqu'il est sous forme gazeuse. Grâce au réseau capillaire 14, le caloduc 10 peut fonctionner dans toutes les positions. La conductivité thermique du caloduc est assurée par le gaz en mouvement et est très supérieure à celle des matériaux conducteurs de la chaleur comme le cuivre par exemple. Il existe différentes formes de caloducs qui peuvent être réalisés sous forme de tubes, de plaques, de nappes, .... 2907634 3 Il existe différentes possibilités d'implantation de caloducs dans un boîtier électronique. Elles sont illustrées sur les figures 2, 3 et 4. Sur ces figures, on a adopté les conventions suivantes par souci de clarté : • Le composant électronique 1 à refroidir est représenté par un rectangle noir ; • La carte électronique 2 qui porte ce composant 1 est représentée par un rectangle comportant un premier motif en pointillés ; • Le boîtier électronique 3 qui porte la carte électronique 2 est représenté par un contour en double trait ; • Les pièces 4 qui assurent la jonction thermique entre le caloduc 10 et les autres pièces comportent un second motif en pointillés. 15 Dans un premier mode de réalisation illustré en figure 2, la partie évaporateur du caloduc 10 est disposée sur le composant électronique 1 à refroidir. Généralement, la fixation du caloduc 10 sur le composant 1 est assurée au moyen d'une pièce de transfert 4 dans laquelle vient se fixer la partie évaporateur du caloduc 10. Cette pièce de transfert 4 est fixée sur le 20 composant au moyen d'une pâte thermique conductrice de la chaleur. La forme de la pièce de transfert est adaptée à la taille du composant pour assurer un transfert thermique optimal. La partie condenseur du caloduc 10 est reliée à un ventilateur 5 symbolisé par un rectangle barré sur la figure 2. Ce ventilateur 5 se trouve à l'arrière du boîtier électronique. L'inconvénient 25 principal de cette solution est qu'elle nécessite un ventilateur, ce qui va nécessairement induire des problèmes de réalisation, de poids, d'encombrement, d'étanchéité du boîtier et de coût de réalisation. Dans un second mode de réalisation illustré en figure 3 qui représente une vue de face et une vue de côté d'un boîtier électronique, la 30 partie condenseur du caloduc 10 est reliée à un drain 6 ou à un radiateur thermique au moyen d'une pièce d'adaptation 4. Dans ce cas, le ventilateur n'est plus nécessaire mais le système dissipatif évacue les calories dans une ambiante élevée. En conséquence, pour assurer une certaine efficacité, le drain 6 est nécessairement de surface importante. Pour éviter un encombrement trop important, il est possible de monter le drain en 5 10 2907634 4 mezzanine au dessus de la carte au moyen comme on peut le voir sur la figure 3 de colonettes 7. Cependant, l'encombrement reste conséquent et bien entendu, la dissipation est limitée à la simple convection du drain ou du radiateur. 5 Dans un troisième mode de réalisation illustré en figure 4, la partie condenseur du caloduc 10 est reliée au boîtier électronique 3 au moyen d'une pièce d'adaptation 8. Cette dernière solution présente les avantages de ne nécessiter ni ventilateur ni drain thermique. D'autre part, le boîtier électronique est généralement réalisé dans un matériau bon conducteur de 10 la chaleur et présente une surface de dissipation importante. Cependant ce montage est nécessairement complexe dans la mesure où la pièce d'adaptation doit être positionnée et fixée sur le boîtier, ce qui ne facilite ni les opérations de montage, ni les opérations de démontage de la carte électronique 2. D'autre part, dans la mesure où le caloduc 10 est bridé à la 15 fois sur la carte électronique 2 et sur le boîtier 3, ce montage est plus sensible aux environnements vibratoires tels qu'on peut les trouver lorsque le boîtier électronique est placé dans un aéronef. Le dispositif selon l'invention permet de pallier les différents 20 inconvénients de ces modes de réalisation. Plus précisément, l'invention a pour objet un boîtier électronique comprenant au moins : • une structure mécanique comportant au moins un logement, 25 • une carte électronique et • des moyens de fixation mécanique de la carte électronique dans le logement de ladite structure, la carte électronique comportant au moins un composant électronique et un dispositif à haute conductibilité thermique comportant deux 30 extrémités, la première extrémité étant en contact thermique avec ledit composant électronique, caractérisé en ce que la seconde extrémité du dispositif à haute conductibilité thermique est disposée mécaniquement de façon à assurer un bon contact thermique avec les parois du logement de la structure. 2907634 5 Avantageusement, la carte électronique comporte une pièce d'interface située entre les parois du logement et la seconde extrémité du dispositif à haute conductibilité thermique. Avantageusement, le logement de la structure a la forme d'une 5 rainure droite à section en U. Avantageusement, les moyens de fixation mécanique de la carte électronique sont des dispositifs de maintien à cale, encore appelés cardlock retainers ou wedge-lock retainers . Avantageusement, le dispositif à haute conductibilité thermique 10 est un caloduc comprenant une partie évaporateur et une partie condenseur, la première extrémité correspondant à la partie évaporateur et la seconde extrémité correspondant à la partie condenseur dudit caloduc. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : • La figure 1 représente le principe de fonctionnement d'un caloduc ; • Les figures 2, 3 et 4 représentent trois modes d'implantation 20 différents de caloducs sur des cartes électroniques selon l'art antérieur ; • La figure 5 représente une vue en coupe d'un boîtier électronique comportant une implantation de caloduc selon l'invention ; • La figure 6 représente le principe de montage de dispositifs de maintien de cartes électroniques comportant des cales. 25 L'invention repose sur les deux constatations suivantes : • Le dispositif à haute conductibilité thermique permettant l'évacuation de la chaleur dissipée par le ou les composants électroniques de la carte doit être solidaire de celle-ci de façon à permettre un montage et un 30 démontage aisé ; • Ce dispositif doit être relié au boîtier électronique de façon à permettre une évacuation efficace de la chaleur. Pour répondre à ces contraintes, les dispositifs à haute 35 conductibilité thermique selon l'invention sont d'une part solidaires de la carte 2907634 6 électronique et d'autre part sont disposés de telle sorte qu'une de leur extrémité soit située dans le logement de la structure qui assure le maintien de la carte électronique dans son boîtier. 5 A titre d'exemple non limitatif, la figure 5 représente une vue en coupe d'un boîtier électronique comportant une implantation de dispositif à haute conductibilité thermique selon l'invention. Sur la figure 5, seules les parties du boîtier comportant le logement de la carte électronique sont représentées. 10 Dans le cas de la figure 5, le dispositif à haute conductibilité thermique est un caloduc 10. Bien entendu, d'autres dispositifs à haute conductibilité pourraient être mis en place. La carte électronique 2 comporte au moins un composant 1 chaud que l'on cherche à refroidir. 15 La partie évaporateur du caloduc 10 est disposée sur ce composant électronique 1. Eventuellement, pour assurer une meilleure conduction thermique, la fixation du caloduc sur le composant peut être assurée au moyen d'une pièce de transfert 24 dans laquelle vient se fixer la partie évaporateur du caloduc 10. Cette pièce de transfert 24 est fixée sur le 20 composant au moyen d'une pâte thermique conductrice de la chaleur. Le boîtier électronique 3 comporte une structure mécanique généralement bonne conductrice de la chaleur. Cette structure mécanique comporte au moins un logement 30 dans lequel vient se loger la carte électronique 2. Des moyens de fixation mécanique 9 assurent le maintien de 25 la carte électronique 2 dans son logement 30. La partie condenseur du caloduc 10 est disposée de façon à assurer un bon contact thermique avec les parois du logement 30 de la structure. Là encore, comme on peut le voir sur la figure 5, une pièce d'interface 34 située entre les parois du logement 30 et la seconde extrémité 30 du caloduc 10 permet d'améliorer la conductibilité thermique. Généralement, les cartes électroniques sont glissées dans des logements en forme de rainure droite à section en U. Dans ce cas, les moyens de fixation mécaniques peuvent être des dispositifs de maintien à cale, plus connus sous les marques card-lok retainers commercialisée 35 par la société Calmark ou wedge-lock retainers commercialisée par la 2907634 7 société Birtcher. Le principe de fonctionnement de ces dispositifs à cale est représenté sur les figures 6a et 6b. Chaque cale 9 comporte essentiellement plusieurs cales 92 ayant des formes trapézoïdales disposées tête-bêche de façon à former une cale unique en forme de parallélépipède allongé et une 5 vis centrale 91 qui traverse l'ensemble des cales 92 de façon à les maintenir ensemble. Le fonctionnement est simple. Lorsque la vis 91 n'est pas serrée, l'ensemble des cales 92 a une épaisseur Emin comme montré sur la figure 6a. Lorsque la vis 91 est serrée, les cales 92 s'écartent et l'ensemble des cales a une épaisseur apparente Emax comme montré sur la figure 6b, Emin étant 10 inférieure à Emax. Ainsi, lorque l'on glisse une de ces cales 9 dans le logement de la structure, entre le caloduc 10 de la carte électronique 2 et les parois du logement 30, en serrant la vis 91, on vient plaquer la carte électronique et le caloduc contre les parois du logement. Lorsque le caloduc a la forme d'un tube, il est possible de couder 15 le tube de façon que la partie coudée épouse la rainure. On augmente ainsi la surface d'échanges thermiques entre le caloduc et le boîtier électronique. II faut également noter que cette implantation du caloduc permet de laisser libre la plus grande surface d'implantation de composants électroniques sur la carte. 20 Enfin, dans cette disposition, le caloduc a également une fonction de raidisseur mécanique de la carte électronique. REVENDICATIONS 1. Boîtier électronique (3) comprenant au moins : • une structure mécanique comportant au moins un logement (30), • une carte électronique (2) et • des moyens de fixation mécanique (9) de la carte électronique (2) dans le logement de ladite structure, la carte électronique comportant au moins un composant électronique (1) et un dispositif à haute conductibilité thermique (10) solidaire de la carte électronique (2) et comportant deux extrémités, la première extrémité étant en contact thermique avec ledit composant électronique, caractérisé en ce que la seconde extrémité du dispositif à haute conductibilité thermique est disposée mécaniquement de façon à assurer un bon contact thermique avec les parois du logement (30) de la structure. 2. Boîtier électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la carte électronique (2) comporte une pièce d'interface (34) située entre les parois du logement et la seconde extrémité du dispositif à haute conductibilité thermique. 3. Boîtier électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le logement de la structure a la forme d'une rainure droite à section en U. 4. Boîtier électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de fixation mécanique (9) de la carte électronique sont des dispositifs de maintien à cale, encore appelés card-Iok retainers ou wedge-lock retainers , chaque cale comportant essentiellement plusieurs cales (92) ayant des formes trapézoïdales disposées tête-bêche de façon à former une cale unique en forme de parallélépipède allongé et une vis centrale (91) qui traverse l'ensemble des cales (92) de façon à les maintenir ensemble. 2907634 9 5. Boîtier électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à haute conductibilité thermique est un caloduc comprenant une partie évaporateur et une partie condenseur, la première extrémité 5 correspondant à la partie évaporateur et la seconde extrémité correspondant à la partie condenseur dudit caloduc.