Brevet FR2952377A1 — publié le 20110513

La présente invention concerne les dispositifs d'amélioration et d'augmentation de la conductance thermique des contacts entre deux surfaces et concerne en particulier un dispositif de contact pour améliorer la dissipation thermique des appareils générateurs de chaleur. Le milieu industriel est souvent confronté à la dissipation de la chaleur générée par certains appareils. Ainsi, dans le domaine de l'électrotechnique de puissance, les appareils tels que les redresseurs, hacheurs, variateurs, cuves d'électrolyse ou les fours électriques sont soumis à des courants de haute intensité qui génèrent des températures élevées. Le bon fonctionnement de ces appareils étant directement lié à leur température, il est impératif de les refroidir intensément. En effet, la surchauffe d'un seul composant d'un appareil peut entraîner la destruction de tout l'appareil. C'est pourquoi ces appareils sont généralement fixés sur des radiateurs de dissipation thermique. Les dispositifs de dissipation thermique tels que les radiateurs sont reliés à l'appareil générateur de chaleur à travers des surfaces de contacts dont la conductance thermique n'est en général pas très élevée du fait que la déformation des surfaces en contact au cours du temps diminue les aires de ces surfaces réellement en contact. En outre, l'oxydation ou l'encrassement des surfaces en contact diminue fortement la capacité d'échange thermique. En outre, cette dégradation des surfaces en contact induit en retour une augmentation des températures ce qui accélère la dégradation des surfaces en contact. De façon à remédier à la dégradation des contacts, il est nécessaire de les démonter afin de pratiquer un re-surfaçage des zones en contact. Les outils employés pour ces ro- surfaçages sont en général des disqueuses rotatives. Elles dégradent la planéité totale des surfaces en contact ce qui a pour conséquence de limiter les zones et les points de contact. Les zones de contact étant réduites, les contacts subissent alors des contraintes thermiques concentrées sur ces zones et leur dégradation est encore plus rapide. Poür retrouver les surfaces de contact d'origine, le démontage total est nécessaire afin de ré-usiner sur machine les surfaces de contact des appareils de dissipation thermique. Mais cette opération est lourde et coûteuse. Afin de compenser les défauts géométriques des surfaces de contact dégradées, il existe des graisses de contact thermique pour l'amélioration de la conductance thermique. Mais les produits performants sont très coûteux et ils doivent être appliqués en couches très minces pour être efficaces. Ceci rend difficile leur application et leur dosage sur les surfaces de contact. En outre, es produits ont une tendance naturelle à être expulsés de l'assemblage sous pression pour les températures élevées. Le problème posé par la dissipation thermique se pose également dans le domaine électronique où le courant électrique est de faible intensité. En effet, avec la miniaturisation de plus en plus poussée, il est de plus en plus difficile de dissiper la chaleur générée par les composants électroniques tels que les diodes, transistors, résistances ou condensateurs qui occupent des surfaces de plus en plus petites, la quantité de chaleur à dissiper étant. faible en valeur absolue mais importante relativement à la surface disponible. En outre, les composants électroniques de puissance perdent beaucoup de capacité avec l'augmentation de température et sont détruits à des températures relativement basses (environ 180°C) par rapport aux températures des circuits. La dégradation de ces composants peut entraîner des accidents industriels graves et de longues immobilisations. Il existe des systèmes de refroidissement par air forcé ou par liquide circulant dans les circuits, mais l'interface entre le composant électronique et le circuit présente une résistance thermique élevée préjudiciable au bon refroidissement du composant. C'est pourquoi le but principal de l'invention est de fournir un dispositif de contact pour améliorer la conductance thermique des contacts entre un appareil générateur de chaleur et un dispositif de dissipateur thermique. L'objet, de l'invention est donc un dispositif de contact adapté pour améliorer la conductance thermique entre un appareil générateur de chaleur et un dispositif de dissipation thermique comprenant essentiellement un élément conducteur thermique intercalaire disposé entre une surface de contact de l'appareil générateur de chaleur et une surface de contact du dispositif de dissipation thermique, l'élément conducteur thermique intercalaire étant constitué d' une mousse conductrice de la chaleur composée d'un ou plusieurs matériaux, afin de réduire la résistance thermique entre les surface de contact de l'appareil générateur de chaleur et du dispositif de dissipation thermique. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : La figure 1 représente de façon schématique un appareil générateur de chaleur et un dispositif de dissipation thermique en contact par l'intermédiaire d'un dispositif de contact selon l'invention ; et la figure 2 représente de façon schématique un dispositif 25 de contact selon l'invention comportant un joint d'étanchéité périphérique. La figure 1 illustre schématiquement une ensemble constitué d'un appareil générateur de chaleur 12, un dispositif de dissipation thermique 14 et un dispositif de 30 contact selon l'invention formé par un élément conducteur thermique intercalaire 10 disposé entre une surface de contact de l'appareil générateur de chaleur 12 et une surface de contact du dispositif de dissipation thermique 14. La chaleur générée par l'appareil 12 peut être produite 35 par toute source de production de chaleur, que ce soit par combustion, par réaction chimique ou par effet joule dans les appareils électriques. Le dispositif de dissipation thermique 14 est un dispositif comprenant une grande surface en contact avec l'air pour obtenir une dissipation maximale des calories. Cette surface est obtenue généralement au moyen d'ailettes 16 illustrées sur la figure 1 L'élément conducteur intercalaire 10 utilisé dans le dispositif selon l'invention est une plaque de mousse conductrice de la chaleur constituée d'un ou plusieurs matériaux. Ainsi, l'élément peut avoir une structure de mousse en matière plastique telle que du polyuréthane sur laquelle on a effectué un dépôt d'un ou plusieurs métaux qui vient recouvrir les surfaces des alvéoles de la mousse. L'idéal est que les atomes de métal recouvrent toutes les surfaces des alvéoles de la mousse. Par exemple, on peut améliorer la conductance thermique d'une mousse d'un premier métal tel que le cuivre par la dépose d'un second métal tel que le nickel ou l'argent à la surface du premier métal. L'obtention de ]a plaque de mousse peut se faire par électrolyse. Dans ce cas, la plaque de mousse de matière plastique est rendue électriquement conductrice et est utilisée comme cathode dans un bain électrolytique, ce qui permet de recouvrir toutes les surfaces des alvéoles de la mousse par une couche d'un ou plusieurs métaux. Une deuxième méthode d'obtention de la plaque de mousse métallique consiste à déposer un ou des métaux par la technique du dépôt sous vide. Mais la meilleure méthode consiste en une première étape d'activation de la mousse par dépôt chimique d'une faible couche métallique suivie d'une seconde étape d'électrolyse pendant laquelle la couche métallique d'épaisseur adéquate est déposée par électrolyse. Bien que la plaque de mousse obtenue selon l'une des méthodes mentionnées ci-dessus peut être utilisée comme élément_ conducteur thermique intercalaire, il peut, être judicieux d'utiliser une plaque ne comportant pas de matière plastique telle que du polyuréthane, mais seulement la mousse composée exclusivement de métal ou de métaux. Pour ce faire, on se débarrasse du squelette de polyuréthane, par exemple par brûlage dans un four. Le polyuréthane brûle et disparaît, ne laissant qu'une plaque de mousse constituée entièrement de métal (ou de métaux). Bien que tout métal peut être utilisé pour constituer la plaque, les métaux qui donnent les meilleurs résultats pour l'amélioration de la conductance thermique de contact sont les métaux les plus conducteurs de la chaleur tels que le nickel, l'argent ou le cuivre, ces métaux pouvant être utilisés seuls ou en combinaison, le nickel étant utilisé de préférence. Bien que la mousse à base de métaux soit utilisée de préférence pour la mise en oeuvre de l'invention, tout autre mousse conductrice composée d'un ou plusieurs matériaux pourrait être utilisée. On peut par exemple utiliser une mousse de graphite. La conductance thermique d' une telle mousse peut être améliorée en incorporant des particules de métal, par exemple de l'argent, dans les alvéoles de la mousse. Selon une variante de réalisation, la mousse conductrice de la chaleur composant l'élément conducteur thermique intercalaire peut être partiellement ou complètement imprégnée (chargée) d'un produit décapant ou inhibant la corrosion, adapté aux matériaux des surfaces de contact, par exemple de la soude pour l'aluminium ou de l'acide pour le cuivre. Selon une autre variante de réalisation, la mousse composant l'élément conducteur thermique intercalaire peut être imprégnée (chargée) par de la graisse, par exemple de la vaseline de façon à augmenter la conductance thermique de la mousse. Cette graisse peut incorporer des produits d'antioxydation et des particules métalliques de quelques microns augmentant la performance et la durée de vie du contact thermique. Les particules peuvent être des particules d'argent, d'or ou tout autre métal bon conducteur de la chaleur. Dans les deux variantes mentionnées ci-dessus, la charge de la mousse remplit complètement les alvéoles de la mousse, ce qui empêche la pénétration de polluants ou d'agents susceptibles d'oxyder ou de dégrader les surfaces. A noter que la charge peut être adaptée exactement aux matériaux des surfaces de contact en présence. Si deux matériaux différents sont en contact, par exemple de l'aluminium et du cuivre, la mousse chargée doit être adaptée pour assurer leur protection galvanique et éviter les phénomènes d'électrolyse. En outre, des charges différentes peuvent être appliquées sur chaque côté de la mousse afin de les adapter exactement aux matériaux en présence. De préférence, l'élément conducteur thermique intercalaire selon .1' invention est de la taille des surfaces de contact de l'appareil générateur de chaleur 12 et du dispositif de dissipation thermique 14. Tl.. est comprimé entre les deux surfaces au moyen de vis et écrous de serrage situés â. la périphérie des surfaces en contact ou au centre des surfaces, auquel cas, la vis traverse l'élément intercalaire. Comme illustré sur la figure 2, l'élément conducteur thermique intercalaire comporte de préférence un joint d'étanchéité périphérique 20. Ce joint d'étanchéité périphérique peut être réalisé de différentes façons. Il peut être imprégné dans la mousse ou bien réalisé par la dépose d'un produit d'étanchéité de type élastomère sur la périphérie. Mais il est également possible de réaliser le joint en repliant les bords de la plaque de mousse au moins une fois sur elle-même ou bien en roulant les bords de la plaque de mousse. Le joints d'étanchéité périphérique 20 permet de réduire la pénétration d'agents extérieurs dégradants en créant une barrière étanche à la périphérie du contact. En effet:, et en particulier dans le cas des cuves d'électrolyse chlore soude, les agents dégradants sont généralement des liquides tels que de la soude ou de l'eau de lavage ou bien tout autre produit polluant transporté par l'eau. En résumé, en utilisant une plaque de mousse conductrice de la chaleur comprimée entre les deux surfaces en contact, le dispositif de contact selon l'invention assure une multitude de contacts indépendamment de la géométrie des surfaces et améliore énormément la conductance thermique. En conséquence, la dégradation de l'état de surface de contact est nettement ralentie grâce à la diminution des températures engendrées entre les surfaces de contact de l'appareil générateur de chaleur et du dispositif de dissipation thermique. REVENDICATIONS1. Dispositif de contact adapté pour améliorer la conductance thermique entre un appareil générateur de chaleur (12) et un dispositif de dissipation thermique (14) comprenant essentiellement un élément conducteur thermique intercalaire (10) disposé entre une surface de contact dudit appareil générateur de chaleur et une surface de contact dudit dispositif de dissipation thermique Ledit dispositif de contact étant caractérisé en ce que ledit élément conducteur thermique intercalaire est constitué d'une mousse conductrice de la chaleur composée d'un ou plusieurs matériaux, afin de réduire la résistance thermique entre lesdites surface de contact. 2. Dispositif de contact selon la revendication 1, dans lequel ledit élément conducteur thermique intercalaire (10) est constitué d'une mousse métallique comprenant au moins un métal. 3. Dispositif de contact selon la revendication 2, dans lequel ladite mousse comprend un squelette en matière plastique telle que du polyuréthane dont les surfaces des alvéoles sont recouvertes par un ou plusieurs métaux. 4. Dispositif de contact selon la revendication 3, dans lequel ledit squelette en matière plastique a été retiré, ladite mousse étant composée exclusivement d'un ou plusieurs métaux. 5. Dispositif de contact selon la revendication 2, 3 ou 4, dans lequel ladite mousse métallique comprend un ou plusieurs métaux choisis dans le groupe comprenant le cuivre, 35 l'argent et le nickel. 6. Dispositif de contact selon la revendication 5, dans lequel ladite mousse métallique comprend seulement du nickel. 7. Dispositif de contact selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la mousse conductrice de la chaleur est imprégnée par de la graisse, telle que de la vaseline, de façon à augmenter la conductance thermique de ladite mousse, ladite graisse remplissant les alvéoles de ladite mousse. 8. Dispositif de contact selon la revendication 7, dans lequel ladite graisse incorpore des produits d'anti-oxydation et des particules métalliques de quelques microns de façon à augmenter la performance et la durée de vie du dispositif de contact. 9. Dispositif de contact selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la mousse conductrice de la chaleur est imprégnée d'un produit décapant ou d'un produit inhibant la corrosion, ledit produit étant adapté aux matériaux desdites surfaces de contact. 10. Dispositif de contact selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément conducteur thermique intercalaire (10) comporte un joint d'étanchéité périphérique (20) permettant de réduire la pénétration d'agents extérieurs dégradants en créant une barrière étanche à la périphérie dudit élément intercalaire. 11. Dispositif de contact selon la revendication 10, dans lequel ledit joint d'étanchéité périphérique est formé par le repli des bords dudit élément conducteur thermique intercalaire (10).