Brevet FR2984072A1 — publié le 20130614

Système de régulation thermique d'un ensemble de composants électroniques ou de récupération de l'énergie thermique dissipée par un ensemble de composants électroniques L'invention concerne un système de régulation thermique de circuits imprimés et plus particulièrement un système de régulation thermique et de récupération d'énergie thermique comprenant au moins un élément Peltier. Une carte imprimée est formée d'au moins un circuit imprimé comprenant des composants électroniques. Au démarrage, certains composants électroniques sensibles nécessitent d'être chauffés jusqu'à une certaine température. Lors de son fonctionnement, d'autres composants électroniques génèrent de la chaleur qu'il est nécessaire d'évacuer hors de l'équipement électronique. Dans le cas de cartes imprimées d'alimentation, par exemple, il est intéressant de récupérer l'énergie thermique, dissipée par les composants électroniques, et de la convertir en énergie électrique afin d'améliorer le rendement de conversion. Il est connu d'associer au moins un élément Peltier à un composant électronique pour réguler une température ou récupérer une énergie thermique dissipée par un composant électronique. Un élément Peltier se présente sous la forme d'une succession de jonctions P-N montées en séries et brasées entre deux plaques de céramiques, l'une froide et l'autre chaude. Le document WO 2009/152887 est une demande de brevet internationale. Il décrit l'utilisation d'un élément Peltier pour réguler une température d'un composant ou pour récupérer une énergie thermique dissipée par un composant électronique. Afin d'assurer les fonctions de refroidissement, de chauffage d'un composant électronique ou de récupération de l'énergie thermique dissipée par un composant électronique à l'aide d'un élément Peltier le montage consiste à placer ledit élément sur la partie supérieure du composant considéré. Lorsque le chauffage d'un composant avant le démarrage est nécessaire, on associe un élément Peltier au composant électronique, en mettant la face chaude de l'élément Peltier en contact avec ledit composant. Dans le cas où il est nécessaire de refroidir un composant électronique, on associe alors un élément Peltier, en mettant la face froide de l'élément Peltier en contact avec ledit composant. S'il est nécessaire de récupérer l'énergie thermique dissipée, on associe un élément Peltier en mettant la face chaude de l'élément Peltier en contact avec ledit composant. Le flux de chaleur qui circule à l'intérieur de l'élément Peltier génère une tension électrique. Selon le document cité, l'élément Peltier comprend une alimentation électrique dont la puissance dépend de l'énergie maximale dissipée, récupérée ou apportée. Un inconvénient du mode de réalisation, proposé par le document WO 2009/152887, est qu'il nécessite d'associer un élément Peltier à chacun des composants électroniques, il ne peut être utilisé dans le cas où le dégagement de chaleur provient d'un grand nombre de composants électroniques, générant peu d'énergie thermique individuellement, sur un circuit imprimé. Un but de l'invention est de réguler thermiquement un circuit imprimé 15 comprenant plusieurs composants électroniques ou de récupérer l'énergie thermique dissipée par plusieurs composants électroniques. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un système de régulation thermique de circuits imprimés caractérisé en ce qu'il comprend un premier ensemble d'au moins un élément Peltier, pour une régulation thermique d'un 20 second ensemble d'au moins un composant électronique ou pour une récupération d'énergie thermique dissipée par ledit deuxième ensemble, au moins un élément Peltier du premier ensemble étant couplé à des premiers moyens de drain thermique couplés à au moins un composant électronique du second ensemble, et des deuxièmes moyens de drain thermique 25 permettant de dissiper l'énergie thermique dégagée par au moins un élément Peltier du premier ensemble. L'association d'au moins un élément Peltier à plusieurs composants électroniques rend possible la régulation thermique ou la récupération de l'énergie thermique de composants électroniques échangeant peu d'énergie 30 thermique lorsqu'ils sont considérés individuellement, par exemple. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par des dessins annexés sur lesquels : 35 - la figure 1 représente un système de régulation thermique ou de récupération d'énergie thermique dissipée dans un mode de fonctionnement de chauffage de composants électroniques, selon un aspect de l'invention. la figure 2 représente un système de régulation thermique ou de 40 récupération d'énergie thermique dissipée dans un mode de fonctionnement de refroidissement de composants électroniques, selon un aspect de l'invention. la figure 3 représente un système de régulation thermique ou de récupération d'énergie thermique dissipée dans un mode de fonctionnement de récupération de l'énergie thermique dissipée par des composants électroniques pour la convertir en énergie électrique, selon un aspect de l'invention. Par exemple, un circuit imprimé Cl comprenant au moins deux composants électroniques Cl, C2 à chauffer à partir d'un élément Peltier P couplés à un premier drain thermique D1 reliant les composants électroniques et à un deuxième drain thermique D2 couplé à un système de refroidissement, non représenté sur les figures 1, 2 et 3. Sur la figure 1, l'élément Peltier P ainsi que son système d'alimentation électrique, non représenté sur la figure, sont fixés sur le même circuit imprimé Cl que les composants électroniques C1, C2 à chauffer. Avantageusement, l'élément Peltier P comprend un matériau innovant à base de Bi2Te3, de ZnxSnyOz ou de RxCo4Sb12 déposé sous forme de nanocouches, ce qui permet de multiplier par plus de deux le coefficient de performance (COP) de ce type d'élément Peltier P par rapport à un élément Peltier P classique. La puissance que doit fournir l'alimentation de l'élément Peltier P dépend de l'énergie thermique moyenne récupérée par les composants électroniques C1, C2 et non pas de l'énergie maximale nécessaire à l'un des 25 composants électronique C1, C2. Afin d'éviter le transfert de chaleur de l'élément Peltier P vers les composants électroniques C1, C2 fixés sur le même circuit imprimé Cl que l'élément Peltier P, le circuit imprimé Cl comprend une zone Znc, comprise entre l'élément Peltier P et le reste du circuit imprimé Cl, comprenant un 30 matériau isolant thermique, avantageusement un polymère époxyde de conductivité thermique de 0,3 W.rn-1.K-1. En d'autres termes, l'élément Peltier P est isolé thermiquement du reste de la carte imprimée Cl. Un premier moyen de drain thermique Dl relie les composants C1, C2 à chauffer à la face chaude Fc de l'élément Peltier P afin de récupérer de 35 l'énergie thermique au niveau de l'élément Peltier P et de la transmettre vers les composants C1, C2 à chauffer. Le premier moyen de drain thermique Dl peut comprendre des matériaux très bons conducteurs thermiques, tel que l'aluminium, le graphite ou le diamant. Le premier moyen de drain thermique D1 peut être avantageusement un système diphasique, par exemple de type caloduc ou diffuseur thermique. Un système de vias thermiques V permet de transférer la chaleur dissipée par l'élément Peltier P du côté haut vers le côté bas du circuit imprimé Cl. Les vias thermiques V peuvent être des inserts de cuivre ou des micro-vias. Un second moyen de drain thermique D2 relie le côté bas du circuit imprimé Cl à un système de refroidissement, non visible sur la figure 1, permettant d'évacuer l'énergie thermique dissipée par l'élément Peltier P. Avantageusement, le second moyen de drain thermique D2 peut être un système diphasique, ce qui permet de dissiper de fortes densités de flux thermique qui peuvent être rencontrées dans le cas de l'utilisation d'élément Peltier P à base de matériaux innovants, cités précédemment. L'élément Peltier ainsi que les composants électroniques peuvent être brasés, soudés ou fixés à partir de matériaux d'interfaces Mint. Lesdits matériaux d'interfaces Mint sont placés au niveau de toutes les interfaces permettant l'échange de chaleur, par exemple, entre un composant électronique et le premier moyen de drain thermique D1 ou entre l'élément Peltier P et les premier et deuxième moyens de drain thermique D1 et D2, afin de limiter les résistances thermiques de contact. Ce mode de réalisation de système de régulation thermique ou de récupération d'énergie électrique utilisé dans un mode de chauffage permet de chauffer uniquement des composants sensibles au démarrage à froid, par exemple, et non pas l'ensemble du circuit imprimé comme c'est le cas avec un système de résistances chauffantes. De plus, l'utilisation du système de régulation thermique ou de récupération d'énergie thermique utilisé dans son mode chauffage a un meilleur rendement que l'utilisation de résistances chauffantes ce qui permet une consommation d'énergie moindre, un dimensionnement de l'alimentation électrique plus faible ce qui permet un gain de place. Le système de régulation thermique ou de récupération d'énergie électrique utilisé dans un mode de refroidissement des composants électroniques, représenté sur la figure 2, est utilisé dans une configuration similaire. Le courant électrique est orienté de manière à mettre en contact la face froide Ff de l'élément Peltier avec le premier moyen de drain thermique D1, en l'occurrence la face froide Ff et la face chaude Fc sont inversées par rapport au cas de la figure 1. Le second moyen de drain thermique D2, avantageusement un système diphasique, permet d'évacuer la chaleur dissipée par l'élément Peltier à une distance éloignée des composants Cl, C2 et ainsi d'éviter l'échauffement indirect des composants électroniques. Le système de régulation thermique ou de récupération d'énergie électrique utilisé dans un mode de récupération de la chaleur dégagée par des composants électroniques, représenté sur la figure 3, est utilisé dans une configuration similaire. Le courant électrique est orienté de manière à mettre en contact la 10 face chaude Fc de l'élément Peltier P avec le premier moyen de drain thermique D1, en l'occurrence la face froide Ff et la face chaude Fc sont placées de manière identique au cas de la figure 1. Le second moyen de drain thermique D2, avantageusement un système diphasique, permet d'évacuer la chaleur dissipée par l'élément 15 Peltier à une distance éloignée des composants Cl, C2 et ainsi d'éviter l'échauffement indirect des composants électroniques. La chaleur qui transite au niveau de l'élément Peltier permet de générer une tension électrique qui peut être utilisée pour l'alimentation électrique d'un composant électronique C3, pouvant être monté sur le même 20 circuit imprimé, pour améliorer le rendement global ou pour assurer une alimentation partielle de secours lors d'une coupure en profitant de l'inertie thermique élevée, quelques minutes environ, de la carte imprimée. 25 REVENDICATIONS1. Système de régulation thermique de circuits imprimés caractérisé en ce qu'il comprend un premier ensemble d'au moins un élément Peltier, pour une régulation thermique d'un second ensemble d'au moins un composant électronique ou pour une récupération d'énergie thermique dissipée par ledit deuxième ensemble, au moins un élément Peltier du premier ensemble étant couplé à des premiers moyens de drain thermique couplés à au moins un composant électronique du second ensemble, et des deuxièmes moyens de drain thermique permettant de dissiper l'énergie thermique dégagée par au moins un élément Peltier du premier ensemble. 15 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le premier ensemble comprend un unique élément Peltier. 3. Système selon les revendications 1 ou 2, dans lequel ledit élément Peltier 20 est fixé sur le même circuit imprimé que lesdits composants. 4. Système selon les revendications 1 ou 2 dans lequel ledit élément Peltier comprend une alimentation électrique dont la puissance dépend d'une énergie thermique moyenne apportée, dissipée par lesdits composants 25 du second ensemble. 5. système selon les revendications 1 ou 2 dans lequel ledit élément Peltier permettant la conversion d'une énergie thermique moyenne dissipée par le second ensemble en une énergie électrique, est adapté pour être 30 utilisée pour l'alimentation électrique d'autres composants électroniques du circuit imprimé. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, comprend au moins 35 un élément Peltier fixé sur un circuit imprimé et isolé thermiquement des composants électroniques du second ensemble fixés sur ce même circuit imprimé pour ne pas leur transférer de chaleur.