Brevet FR2935775A1 — publié le 20100312

La présente invention concerne un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide, et en particulier un dispositif dissipateur de chaleur qui est applicable à un dispositif électronique et qui est conçu de manière à générer par convection la circulation répétée d'un fluide emprisonné afin d'accomplir la dissipation de chaleur. Les éléments d'éclairage classiques basés sur une diode électroluminescente (ci-après DEL) sont largement utilisés dans des applications faisant appel à des dispositifs lumineux ou à des dispositifs d'éclairage peu consommateur d'énergie. Un défi majeur des dispositifs lumineux ou des dispositifs d'éclairage à DEL est la dissipation de chaleur. Dans un environnement ordinaire, la température d'une DEL émettant de la lumière à l'intérieur de l'enveloppe de la DEL est d'environ 4°C à 50°C. Toutefois, dans les applications d'éclairage haute puissance, la température interne de l'enveloppe de la DEL peut monter jusqu'à 100 °C à 120°C. A moins de pouvoir dissiper la chaleur correctement, la température d'une jonction de l'élément à DEL est donc susceptible de devenir très élevée. La figure 1 des dessins annexés illustre la courbe de distribution de température autour de la jonction d'une DEL émettant de la lumière. Dans la figure 1, l'abscisse R de la courbe de distribution de la température F représente le rayon d'une zone de distribution de la chaleur autour de la jonction de la DEL, et l'ordonnée T indique la température. Pour caractériser la courbe, on connaît la formule suivante: Tjonction = Rxejonction-ambiantexW+Tambiante En d'autres termes, comme l'indique la figure 1 et comme cela ressort de la formule ci-dessus, si la température de la jonction d'une DEL reste élevée de façon continue, la durée de vie de la DEL peut en être raccourcie. Les modules de dissipation de chaleur classiques pour diodes électroluminescentes, tels que les modules dissipateurs de chaleur à ailettes, ont une performance médiocre et dissipent la chaleur de manière non uniforme. En d'autres termes, ces modules de dissipation de chaleur classiques utilisent les ailettes pour rayonner la chaleur au voisinage et, théoriquement, la température et l'énergie thermique dissipées sont élevées au voisinage de la source de chaleur. L'air environnant est alors chauffé jusqu'à une température élevée, faisant bouger les molécules d'air plus vite, réduisant ainsi la performance des ailettes qui sont au voisinage de la source de chaleur en termes de dissipation de chaleur. Même si le module dissipateur de chaleur est pourvu d'un nombre suffisant d'ailettes, qui est calculé sur la base de théories connues, la dissipation de la chaleur générée par la DEL obtenue par un tel mécanisme doit être assistée par la turbulence de l'air causée par un ventilateur. Etant donné que le ventilateur consomme de l'énergie, ce qui n'est pas considéré comme favorable à l'environnement, et qu'une panne du ventilateur est toujours possible, l'utilisation d'un ventilateur afin d'aider à la dissipation de chaleur n'est pas une bonne solution. De plus, la disposition d'un ventilateur rend le module dissipateur de chaleur encombrant, ce qui n'est pas avantageux pour des applications de dispositifs lumineux. Des techniques connues, telles que celle de la publication de brevet taiwanais N° I299081, enseignent l'amélioration de la performance de dissipation de chaleur par l'emploi de déflecteurs et d'éléments d'interférence internes. Toutefois, ces techniques connues n'aident pas à dissiper la chaleur. De plus, un puits thermique et un ventilateur doivent être disposés à une extrémité éloignée afin de réaliser une seconde dissipation de chaleur. A l'évidence, cette technique connue est de structure compliquée et d'un coût élevé, et souffre encore de problèmes de pannes du ventilateur et de la pompe, de sorte qu'elle n'est donc pas applicable à un dispositif lumineux à base de DEL de petite taille. Les techniques actuelles reposent exclusivement sur des ailettes de rayonnement de la chaleur et/ou sur un ventilateur dissipateur de chaleur encombrant afin de réaliser les opérations de dissipation de chaleur. Elles sont structurellement inaptes de transporter la chaleur à distance d'un point chaud, et souffrent également d'une médiocre performance de dissipation de chaleur et d'un mauvais fonctionnement ou d'une panne du ventilateur dissipateur de chaleur. Pour surmonter les problèmes et les inconvénients du module dissipateur de chaleur classique, la présente invention propose un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide, lequel comprend un module dissipateur de chaleur, au moins deux déflecteurs et un fluide dissipateur de chaleur. Le module dissipateur de chaleur forme au moins un espace récepteur interne et comporte une surface externe à laquelle est fixé au moins un élément émetteur de lumière. Les déflecteurs sont disposés dans l'espace récepteur afin de diviser l'espace récepteur en une pluralité de canaux de convection qui sont en communication fluidique les uns avec les autres. Le fluide dissipateur de chaleur est confiné dans l'espace récepteur du module dissipateur de chaleur afin de subir une convection lorsqu'il est chauffé par une source de chaleur ponctuelle formée à une jonction entre le module dissipateur de chaleur et l'élément émetteur de lumière, de manière à s'écouler d'abord dans le canal de convection opposé à la jonction entre l'élément émetteur de lumière et le module dissipateur de chaleur, et à s'écouler ensuite le long des autres canaux de convection afin de convoyer l'énergie thermique depuis la source de chaleur ponctuelle jusqu'à des extrémités distantes opposées du module dissipateur de chaleur en vue de sa dissipation dans l'environnement. Le fluide dissipateur de chaleur dont la température a diminué circule ensuite dans les canaux de convection pour revenir vers la source de chaleur ponctuelle à la jonction entre l'élément émetteur de lumière et le module dissipateur de chaleur afin de générer une circulation répétée causée par la convection de la chaleur à l'intérieur de l'espace clos destiné à dissiper la chaleur. L'efficacité du dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide de la présente invention résulte de ce que la circulation active du fluide en vue de réaliser la dissipation de la chaleur est induite à l'intérieur du module dissipateur de chaleur par les canaux de convection formés à l'intérieur du module dissipateur de chaleur de manière à ce que l'énergie thermique plus intense produite à la jonction entre l'élément émetteur de lumière et le module dissipateur de chaleur puisse être transportée de façon efficace et efficiente vers les extrémités distantes opposées du module dissipateur de chaleur, ce qui améliore remarquablement le rendement de dissipation de la chaleur produite par l'élément émetteur de lumière, et ce sans avoir à prévoir un quelconque dispositif supplémentaire, en particulier des ventilateurs ou des pompes de dissipation de chaleur. Ceci contribue donc à allonger la durée de vie de l'élément dissipateur de chaleur, et facilite en outre les applications des éléments émetteurs de lumière dans l'industrie de l'éclairage. La présente invention apparaîtra plus clairement à la lumière de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de celle-ci, en se référant aux figures des dessins annexés, parmi lesquels : -la figure 1 illustre une courbe de distribution de température autour de la jonction avec une diode électroluminescente classique ; -la figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide agencé selon un premier mode de réalisation de la présente invention ; -la figure 3 est une vue en perspective illustrant la disposition des déflecteurs à l'intérieur d'un module dissipateur de chaleur du dispositif dissipateur de chaleur de la figure 2 ; -la figure 4 est une vue en coupe transversale du dispositif dissipateur de chaleur de la figure 2 ; -la figure 5 est une vue en coupe transversale analogue à celle de la figure 4, mais illustrant le flux du fluide dissipateur de chaleur à l'intérieur du module dissipateur de chaleur du dispositif dissipateur de chaleur de la présente invention ; -la figure 6 illustre une courbe de distribution de température du dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide de la présente invention en rapport avec un élément émetteur de lumière ; -la figure 7 illustre des courbes de dissipation de 30 chaleur établies à partir des résultats d'essais comparatifs du dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide de la présente invention, et d'un module dissipateur de chaleur classique en rapport avec un élément émetteur de lumière ; -la figure 8 est une vue en coupe transversale illustrant un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide agencé selon un second mode de réalisation de la présente invention ; et -la figure 9 est une vue schématique illustrant un 10 dispositif dissipateur de chaleur agencé selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. En se référant aux figures des dessins et en particulier aux figures 2 à 4, qui illustrent un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 15 agencé selon un premier mode de réalisation de la présente invention, généralement désigné par le numéro de référence 100, le dispositif dissipateur de chaleur 100 de la présente invention comprend un module dissipateur de chaleur 10 formant à l'intérieur de celui-ci au moins 20 un espace récepteur 11 et ayant une pluralité d'ailettes de rayonnement thermique 12 sur une surface extérieure de celui-ci. La surface extérieure du module dissipateur de chaleur est agencée pour recevoir au moins un élément émetteur de lumière 200 qui est monté dessus (ici trois 25 éléments). L'élément émetteur de lumière 200 n'est pas limité à un type spécifique, dont un exemple est une puce ou une pièce moulée à diode électroluminescente, et d'autres éléments émetteurs de lumière, tels qu'un élément émetteur de lumière infrarouge, rentrent 30 également dans le cadre de la présente invention. L'élément émetteur de lumière 200 et le module dissipateur de chaleur 10 forment une jonction entre eux, ce qui constitue une source de chaleur ponctuelle. Les ailettes 12 fonctionnent de manière à augmenter la superficie disponible pour la dissipation de la chaleur. La surface extérieure du module dissipateur de chaleur 10 présente en outre et au moins une ouverture 13, qui est obturée par un panneau de fermeture 131. Au moins deux déflecteurs 20 sont agencés à l'intérieur de l'espace récepteur 11 afin de diviser l'espace récepteur 11 en une pluralité de canaux de convection 111, 112, 113, 114, 115, le canal de convection central 111 étant disposé de manière à correspondre exactement à la source de chaleur ponctuelle située au fond du module, et chaque déflecteur 20 comportant une extrémité formant au moins une section de guidage 21, de sorte que les canaux de convection 111 à 115 définissent collectivement un passage central et des passages latéraux gauches et droits qui sont en communication fluidique les uns avec les autres. L'espace récepteur il est rempli avec un fluide dissipateur de chaleur 30 par l'ouverture 13 du module dissipateur de chaleur qui est ensuite obturée par le panneau de fermeture 131, emprisonnant ainsi le fluide dissipateur de chaleur 30 à l'intérieur de l'espace récepteur 11. Le fluide dissipateur de chaleur 30 n'est pas limité à un type ou une composition spécifique quelconque. Une huile de refroidissement fluorée est prise comme exemple dans le présent mode de réalisation, mais d'autres fluides dissipateurs de chaleur ayant des caractéristiques similaires rentrent également dans le cadre de la présente invention. Le procédé de remplissage du fluide dissipateur de chaleur 30 dans l'espace récepteur 11 du module dissipateur de chaleur 10 n'est pas en outre limité au remplissage par l'ouverture 13, et d'autres procédés, tels que le perçage d'un orifice dans une surface extérieure du module dissipateur de chaleur 10 dans le but de remplir l'espace récepteur de fluide dissipateur de chaleur 30, et puis l'obturation de l'orifice, qui offrent un effet équivalent ou similaire, peuvent également être adoptés et rentrent également dans le cadre de la présente invention. En se référant maintenant à la figure 5, qui illustre le fonctionnement du dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 100 selon la présente invention, lorsque les éléments émetteurs de lumière 200 sont alimentés en énergie de façon à émettre de la lumière, la jonction entre les éléments émetteurs de lumière 200 et le module dissipateur de chaleur 10 est chauffée, formant ainsi une source de chaleur ponctuelle. L'énergie thermique qui chauffe la jonction est transférée dans le fluide dissipateur de chaleur 30 contenu dans l'espace récepteur 11, provoquant la convection du fluide dissipateur de chaleur 30, ce qui entraîne l'écoulement du fluide dissipateur de chaleur 30 vers le haut le long du canal de convection 111, avec un guidage par les sections de guidage 21 formées aux extrémités internes des déflecteurs 20, puis se divise pour s'écouler dans des directions opposées par les canaux de convection 112, 114. Le flux latéral du fluide dissipateur de chaleur 30 dans le canal de convection 112 s'écoule ensuite vers le bas par le canal de convection 113 à une extrémité distante du déflecteur associé 20 pour finalement revenir dans le canal de convection 111. De même, le flux latéral du fluide dissipateur de chaleur 30 dans le canal de convection 114 s'écoule ensuite vers le bas par le canal de convection 115 à une extrémité distante du déflecteur associé 20 pour finalement revenir dans le canal de convection 111. Les sens de circulation du fluide dissipateur de chaleur 30 à l'intérieur de l'espace récepteur 11 sont indiqués par les flèches illustrées sur la figure 5, et de cette façon, on comprend que la température élevée de la source de chaleur ponctuelle à la jonction entre le module dissipateur de chaleur 10 et les éléments émetteurs de lumière 200 est efficacement transportée vers les extrémités opposées du module dissipateur de chaleur 10 pour une dissipation supplémentaire, et que la température de l'élément émetteur de lumière 200 est dès lors rapidement réduite et contrôlée de façon stable. En se référant maintenant à la figure 6, on distingue une courbe montrant la distribution de température sous dissipation de chaleur et l'augmentation de la température produite par le dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 100 de la présente invention appliqué à une source de chaleur ponctuelle de l'élément émetteur de lumière 200. Pour la courbe de distribution de chaleur de la source de chaleur ponctuelle de la figure 6, l'abscisse R1 représente le rayon d'une zone de distribution de chaleur autour de l'élément émetteur de lumière 200, et l'ordonnée Ti représente la température. Comme on peut le voir sur la figure 6, la courbe de distribution de chaleur notée F1, présente une valeur sensiblement constante, ce qui signifie que la source de chaleur ponctuelle à la jonction entre l'élément émetteur de lumière 200 et le module dissipateur de chaleur 10 peut être efficacement transportée vers les extrémités distantes des côtés gauche et droit afin d'abaisser la température au centre de l'élément émetteur de lumière 200. En se référant maintenant à la figure 7, on distingue des courbes établies d'après les résultats d'un test comparatif de dissipation de chaleur réalisé sur le dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 100 selon la présente invention, et sur un module dissipateur de chaleur classique en relation avec un élément émetteur de lumière 200. L'abscisse S indique le temps en minutes, alors que l'ordonnée T2 indique la température en °C. La courbe de température TF1 correspond à la température de dissipation de chaleur du dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 100 de la présente invention, et la courbe de température TF2 correspond à la température de dissipation de chaleur d'un module dissipateur de chaleur classique à ailettes. Les essais de dissipation de chaleur ont été réalisés dans les conditions d'une température ambiante de 27°C, d'une tension et d'un courant appliqués à l'élément émetteur de lumière 200 de respectivement 4,1 V et 1500 mA, le fluide dissipateur de chaleur 30 étant une huile de refroidissement à base de fluor. On constate que la courbe de température TF1 selon la présente invention se stabilise finalement autour de 60°C, c'est-à-dire à un niveau de température beaucoup plus bas que la courbe TF2 du module dissipateur de chaleur classique, lequel s'élève jusqu'à une température de 100°C. La conclusion évidente que l'on peut en tirer est que le dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide 100 de la présente invention améliore notablement le rendement de dissipation de la chaleur produite par l'élément émetteur de lumière 200. En se référant maintenant à la figure 8, qui illustre un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, également désigné 100 pour des raisons de simplicité, le module dissipateur de chaleur 10 présente au moins une partie creuse 14 sur une de ses surfaces externes. La partie creuse 14 comporte un fond auquel est fixé au moins un élément émetteur de lumière 200 (en l'espèce trois éléments). De cette façon, la partie creuse 14 fournit une source de chaleur ponctuelle de superficie accrue à la jonction de celle-ci avec l'élément émetteur de lumière 200, ce qui permet d'améliorer encore la performance de dissipation de chaleur réalisée par la circulation du fluide dissipateur de chaleur 30 dans les canaux de convection 111 à 115, et sert également de réflecteur ou de capot possédant une paroi latérale divergente qui guide la projection de la lumière émise par l'élément émetteur de lumière 200. La figure 9 illustre un dispositif dissipateur de chaleur à convection de fluide selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, qui est applicable à des agencements similaires à ceux du deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 8. Le module dissipateur de chaleur 10 du troisième mode de réalisation est d'une configuration différente en coupe transversale, avec une forme en V et non une forme rectiligne comme précédemment, tout en assurant efficacement la même dissipation de chaleur basée sur la circulation d'un fluide interne en rapport avec l'élément émetteur de lumière 200. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à ses modes de réalisation préférés, il sera évident pour le spécialiste de la technique que diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de la présente invention, dont il est entendu qu'il est seulement défini par les revendications annexées.30 REVENDICATIONS1. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide, comprenant : un module dissipateur de chaleur (10), qui forme au moins un espace récepteur interne (11), et comporte une surface externe à laquelle est fixé au moins un élément émetteur de lumière (200) ; au moins deux déflecteurs (20), qui sont disposés dans l'espace récepteur (11) afin de diviser l'espace récepteur en une pluralité de canaux de convection qui sont en communication fluidique les uns avec les autres ; et un fluide dissipateur de chaleur (30), lequel est confiné dans l'espace récepteur du module dissipateur de chaleur afin de subir la convection lorsqu'il est chauffé par une source de chaleur ponctuelle formée à la jonction entre le module dissipateur de chaleur et l'élément émetteur de lumière, de manière à induire des flux circulants dans les canaux de convection afin de transporter l'énergie thermique depuis la source de chaleur ponctuelle vers les extrémités distantes opposées du module dissipateur de chaleur. 2. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel le module dissipateur de chaleur (10) comporte une surface externe présentant une pluralité d'ailettes (12) de rayonnement thermique. 3. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à 30 convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel le module dissipateur de chaleur (10) comporte une surface externe présentant une ouverture (13). 4. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 3, dans lequel l'ouverture (13) est obturée par un panneau de fermeture (131). 5. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel l'élément émetteur de lumière (200) fixé à la surface externe du module dissipateur de chaleur (10) comprend une puce à diode électroluminescente. 10 6. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel l'élément émetteur de lumière (200) fixé à la surface externe du module dissipateur de chaleur (10) comprend un élément émetteur de lumière infrarouge. 15 7. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel le module dissipateur de chaleur (10) comporte une surface externe présentant au moins une partie creuse (14) destinée à recevoir au moins un élément émetteur de 20 lumière (200). 8. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel chaque déflecteur (20) comporte une extrémité formant au moins une section de guidage (21). 25 9. Dispositif dissipateur de chaleur (100) à convection de fluide selon la revendication 1, dans lequel le fluide dissipateur de chaleur (30) comprend une huile de refroidissement contenant du fluor.