Brevet FR3122965A1 — publié le 20221118

La présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, avec : une portion principale s’étendant selon un axe longitudinal et dans laquelle circule le fluide, une première et une deuxième interface raccordant la portion principale avec l’extérieur, l’une au moins de la première interface et de la deuxième interface s’étendant transversalement par rapport à la portion principale, et prenant naissance sur cette portion principale à distance d’une extrémité longitudinale de cette portion principale, le canal comprenant un muret disposé dans la portion principale du canal et s’étendant en oblique par rapport à un plan dans lequel est définie la section de passage de ladite interface de manière à ce que la projection dans ce plan du muret recouvre en tout ou partie cette section de passage, le muret étant disposé dans la portion principale du canal de sorte à empêcher au moins une partie du fluide de s’écouler directement entre la première interface et la deuxième interface. Figure pour l’abrégé : Fig. 1a Circuit de refroidissement d’un convertisseur de tension, muni d’un muret La présente invention concerne le refroidissement de composants électroniques du moteur électrique d’un véhicule automobile, tels que les composants d’un convertisseur de tension. Une machine électrique tournante comprend un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator bobiné fixe. Le bobinage statorique est connecté au convertisseur de tension. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit un champ magnétique au stator que le convertisseur de tension transforme en courant électrique afin d’alimenter les consommateurs électriques du véhicule et de recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et induit un champ magnétique entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique. Le convertisseur de tension, logé dans un logement électronique, comporte un étage de puissance permettant de recevoir ou de fournir un signal électrique de puissance aux phases électriques du bobinage. L’étage de puissance comprend au moins un module de puissance comportant un terminal de puissance agencé pour être connecté électriquement à une sortie de phase pour former une connexion de phase. Le module de puissance forme un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée par les phases du stator en une tension continue et/ou, à l’inverse, pour transformer une tension continue en une tension alternative pour alimenter les phases du stator. Le convertisseur de tension comporte également un étage de commande comprenant un module de commande permettant notamment de réguler la tension injectée via le porte-balais au rotor et de faire l’interface avec un calculateur externe du véhicule. Lors du fonctionnement de la machine, la température du module de puissance s’élève, la valeur de cette élévation de cette température étant liée au dimensionnement du module. L’augmentation de température va créer des dommages importants au niveau des composants électroniques. Pour limiter ces effets thermiques, il est connu d’utiliser un circuit de refroidissement du logement électronique. Le circuit de refroidissement est disposé avantageusement sous le module de puissance et comporte un canal s’étendant entre deux extrémités et dans lequel circule un fluide de refroidissement, le fluide entrant par une entrée dudit fluide et sortant par une sortie de fluide. Un problème avec ce type de circuit de refroidissement est la présence de points chauds, c’est-à-dire de régions du canal dans lesquelles, du fait d’un brassage et donc d’une homogénéisation insuffisante du fluide de refroidissement dans le canal, les composants électroniques ne sont pas refroidis de façon optimale. La présente invention a donc pour objet de pallier cet inconvénient du dispositif de l’art antérieur en proposant un circuit de refroidissement comprenant un muret disposé dans le canal de refroidissement de sorte à contraindre le fluide à s’écouler sur toute la longueur du canal, jusqu’au extrémités de celui-ci, de manière à homogénéiser le refroidissement et à éviter l’apparition de points chauds. Pour cela la présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, avec : une portion principale s’étendant selon un axe longitudinal et dans laquelle circule le fluide, une première et une deuxième interface raccordant la portion principale avec l’extérieur, l’une au moins de la première interface et de la deuxième interface s’étendant transversalement par rapport à la portion principale, et prenant naissance sur cette portion principale à distance d’une extrémité longitudinale de cette portion principale, le canal comprenant un muret disposé dans la portion principale du canal et s’étendant en oblique par rapport à un plan dans lequel est définie la section de passage de ladite interface de manière à ce que la projection dans ce plan du muret recouvre en tout ou partie cette section de passage, le muret étant disposé dans la portion principale du canal de sorte à empêcher au moins une partie du fluide de s’écouler directement entre la première interface et la deuxième interface. Ce muret contraint l’écoulement du fluide vers les extrémités du canal au-delà des interfaces d’entrée et de sortie de fluide, ce qui induit un meilleur brassage du fluide permettant un refroidissement amélioré du convertisseur de tension. Selon un mode de réalisation de l’invention, la portion principale du canal (20) est délimitée par une paroi, et dans lequel le muret (1) est réalisé d’une seule pièce avec cette paroi. Ceci améliore la robustesse du circuit. Selon un mode de réalisation de l’invention, le muret comprend au moins une ouverture traversante. Ceci évite une perte de charge trop importante. Selon un mode de réalisation de l’invention, le muret obture moins de la moitié d’une section du canal dans la portion principale, cette section étant perpendiculaire à l’axe longitudinal de cette portion principale. Selon un mode de réalisation, le muret présente une dimension mesurée le long de l’axe perpendiculaire au plan de la section de passage de ladite interface, la dimension étant comprise entre [30% ; 75%] de la dimension correspondante de la portion principale du canal. L’invention concerne également un convertisseur de tension comprenant un logement électronique contenant des composants électroniques, et muni d’un tel circuit de refroidissement. L’invention concerne également le procédé de fabrication d’un tel circuit de refroidissement par fabrication additive. En effet, contrairement au moulage qui permet, pour des raisons d’axe de démoulage, de ne prévoir dans le canal que des murets perpendiculaires à la surface dont ils s’étendent, la fabrication additive permet d’obtenir un muret d’inclinaison oblique dans le canal du circuit de refroidissement, selon l’objet de l‘invention. Le muret, au moins, est obtenu par fabrication additive. Selon un mode de réalisation, le circuit de refroidissement est obtenu par fabrication additive. En variante, le circuit de refroidissement comprend une partie supérieure et une partie inférieure, le muret étant obtenu par fabrication additive sur la partie supérieure du circuit, les deux parties étant ensuite assemblées. Les [Fig. 1a, 1b] sont des représentations schématiques de vues en coupe transversale d’un logement électronique avec circuit de refroidissement selon l'invention pour différentes directions d’écoulement du fluide de refroidissement, avec un muret selon un premier mode de réalisation. La est une représentation schématique d’une vue en coupe transversale d’un logement électronique avec circuit de refroidissement, avec un muret selon un second mode de réalisation. La est une représentation schématique d’une vue en coupe transversale d’un logement électronique avec circuit de refroidissement, avec un muret selon un troisième mode de réalisation. La est une représentation schématique d’une vue en coupe transversale d’un logement électronique avec circuit de refroidissement muni d’un un muret, illustrant les caractéristiques géométriques. La est une représentation schématique du dispositif de fabrication additive. La [Fig. 5b] est une représentation schématique d’un circuit de refroidissement après fabrication additive du muret avant assemblage des parois supérieure et inférieure. La illustre une partie d‘un convertisseur de tension 50 comportant un logement électronique 60 avec un circuit de refroidissement 10 selon l’invention. Le logement électronique 60 comprend les éléments de commutation du module de puissance et les composants électronique du module de commande permettant de commander les éléments de commutation. Le circuit de refroidissement 10 est en contact avec le logement électronique 60, de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement des composant électroniques du module de puissance. Le circuit de refroidissement 10 comprend un canal 2 formé dans le corps du circuit. Le circuit de refroidissement 10 comprend par exemple un canal circulaire. En variante, le circuit de refroidissement comprend un canal en forme de parallélépipède ou toutes formes compatibles avec le fonctionnement du circuit de refroidissement. Le circuit de refroidissement est par exemple en aluminium, parcouru par un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est par exemple de l’eau ou un mélange eau-glycol. Le canal 2 comprend avantageusement deux interfaces 31, 32 vers l’extérieur, le fluide entrant par la première interface 31 formant l’entrée de fluide et sortant par la deuxième interface 32 formant la sortie de fluide. De façon générale, le canal 2 s’étend de façon sensiblement tubulaire entre deux extrémités 201 et 202, illustrées respectivement aux et . Dans la suite de la description on décrira le cas d’un canal à section rectangulaire, comprenant une surface interne 200, illustrée à la [Fig. 5b] contre laquelle s’écoule le fluide. La surface interne comprend celle d’une paroi supérieure du canal 3 comprenant au moins l’une des deux interfaces et perpendiculaire à un axe X, et celle d’une paroi inférieure du canal 4 également perpendiculaire à l’axe X. La surface interne comprend également celle de deux parois latérales du canal 5 rejoignant les parois supérieure 3 et inférieure 4. Dans la suite de la description on considèrera l’invention dans le cas bidimensionnel dans le plan (X, Y), l’axe Y étant la direction perpendiculaire à l’axe X selon laquelle s’étend le canal. La direction axiale est la direction selon X et la direction longitudinale est la direction selon l’axe Y (qui peut être éventuellement courbe). En effet, l’écoulement éventuel entre les parois latérales 5 et le muret 1 (qui sera brièvement décrit par la suite) ne participe pas à l’invention. On pourra noter que l’invention ne se limitant pas à un canal à section rectangulaire, pour d’autres formes de la section du canal, telle que circulaire par exemple, on pourra également définir, à proximité d’une des interfaces, dans un repère orthonormé X, Y, une paroi supérieure comprenant l’interface, une paroi inférieure opposée à la paroi supérieure par rapport à un plan perpendiculaire à l’axe X et des parois latérales, reliant les parois supérieure et inférieure, le canal s’étendant selon l’axe Y. On définit une portion principale 20, d’où s’étendent transversalement les interfaces d’entrée 31 et de sortie 32 de fluide. On définit deux portions d’extrémité 21, 22 respectivement entre la portion principale et les extrémités longitudinales du canal 201, 202 respectivement. Au moins un muret 1 est disposé dans la portion principale du canal, à proximité d’une des interfaces 31 ou 32. Dans la suite de la description on considère le cas où l’interface de fluide 31, 32 est telle que le plan P dans lequel est définie la section de passage S de l’interface est confondu avec la paroi supérieure du canal 3, le fluide s’écoulant perpendiculairement à la paroi supérieure 3, à travers la section de passage S de l’interface. Le muret 1 est disposé dans le canal 2 de sorte à contraindre au moins une partie du fluide à le contourner pour s’écouler dans la portion d’extrémité 21, 22, lors de l’écoulement de l’entrée de fluide 31 vers la portion principale 20 du canal, ou de l’écoulement de la portion principale 20 du canal vers la sortie de fluide 32. Pour cela le muret 1 s’étend en oblique dans le canal 2 par rapport à la section de passage de l’interface S. Dans le cas de cette configuration d’interface, le muret s’étend donc en oblique par rapport à la direction d’écoulement du fluide dans la portion principale du canal 2, c’est-à-dire en oblique par rapport à l’axe Y. Le muret et l’axe Y font donc un angle aigu dans le plan X, Y. En référence à la le muret 1 s’étend « en oblique » entre une extrémité axialement supérieure 13 et une extrémité axialement inférieure 14. De façon générale quel que soit le mode de réalisation, en entend par « en oblique », que le muret s’étend entre une extrémité supérieure, et une extrémité axialement inférieure par rapport à l’extrémité supérieure. Quel que soit le mode de réalisation, l’extrémité supérieure 13 du muret est avantageusement longitudinalement (selon la direction Y) dans la portion principale 20 du canal, à proximité de l’interface 31. L’extrémité inférieure 14 du muret est avantageusement longitudinalement (selon la direction Y) dans la portion d’extrémité 21 de l’interface 31. La projection du muret sur le plan P dans lequel est définie la section de passage S, c’est-à-dire sur la paroi supérieure 3 recouvre au moins partiellement la section de passage S. Cependant cette partie doit être au moins de l’ordre de 80%. En projection sur la paroi supérieure, le muret 1 s’étend donc longitudinalement (selon Y) en regard de l’interface 31. En considérant l’extension longitudinale selon Y de la projection du muret 1 sur la paroi supérieure 3, par rapport à l’extension longitudinale de la section de passage S, les bénéfices de l’invention seront obtenus dans la cas où l’extension longitudinale de la projection du muret sur la paroi supérieure vaut environ 80% de l’extension longitudinale de la section de passage S. Dans un mode préféré de réalisation, le muret 1 s’étend depuis la paroi supérieure 3, d’où s’étend également l’interface correspondante. Le muret 1 est par exemple venu de matière avec la surface interne 200 de la paroi supérieure 3, l’interface s’étendant depuis la paroi supérieure 3 vers l’extérieur du canal 20. En variante il y a un jeu axial entre la paroi supérieure 3 et l’extrémité supérieure du muret 13, de sorte qu’il y a un écoulement faible qui se fait directement entre les interface 31, 32. Un écoulement direct est un écoulement selon le trajet le plus court entre les interfaces d’entrée 31 et de sortie 32 de fluide. Un muret présentant un jeu axial entre son extrémité supérieure 13 et la paroi supérieure 3 est alors nécessairement solidaire de la surface interne du canal 200 au niveau d’une paroi latérale 5, comme ce sera décrit par la suite. Le muret ainsi disposé contraint au moins une partie du fluide à s’écouler entre la surface interne au niveau de la paroi inférieure 4 dite fond et le muret 1. La paroi inférieure 4 de fond, est avantageusement en contact avec le logement électronique. Dans le cas où l’interface 32 est une sortie de fluide, comme illustré à la , le fluide s’écoule de la portion principale 20 vers la portion d’extrémité 22, pour contourner le muret 1 avant de ressortir par l’interface 32. Dans le cas où l’interface 31 est une entrée de fluide, comme illustré à la , le fluide contraint par le muret 1 s’écoule vers la portion d’extrémité 21 avant de s’écouler entre le fond 4 et le muret 1 vers la portion principale 20. Le muret 1 s’étend également entre les parois latérales 5. Dans une variante du mode de réalisation, le muret 1 venu de matière avec la surface interne de la paroi supérieure du canal 3, est également solidaire de la surface interne du canal de l’une au moins des parois latérales 5, de sorte à améliorer la robustesse du muret. On considère dans le premier mode de réalisation illustré à la le cas d’un muret plan. Dans un autre mode de réalisation illustré à la , le muret 1 est incurvé de sorte que l’écoulement vers la portion d’extrémité 22 est davantage favorisé. Les extrémités axialement supérieure 13 et axialement inférieure 14 du muret sont telles que le plan P1 comprenant ces extrémités est oblique par rapport à la direction Y d’écoulement du fluide, le muret faisant saillie concave (illustré) ou alternativement convexe par rapport à ce plan P1. Dans un autre mode de réalisation illustré à la , le muret 1 comprend une partie oblique 101, qui se prolonge en une partie 102 sensiblement parallèle au fond du canal 4. La partie oblique 101 s’étend avantageusement au moins en partie dans la portion principale 20 du canal pour limiter l’écoulement direct entre les interfaces 31, 32 et pour contraindre une partie de l’écoulement à se faire sur le fond du canal 4, et la partie parallèle au fond 102 s’étend longitudinalement (selon Y) en regard de l’interface 32, avantageusement longitudinalement au-delà de l’interface, c’est-à-dire que la projection de la partie parallèle du muret 102 couvre au moins toute la section S de l’interface 32, selon Y. En réduisant ainsi la section d’écoulement du fluide à un canal compris entre le fond 4 et la partie du muret 102, l’écoulement est contraint à s’écouler davantage dans la portion d’extrémité 22. La section d’écoulement du fluide est avantageusement sensiblement entre le muret et le fond 4 et entre le muret et l’extrémité 21 ou 22, la section constante permettant de minimiser la perte de charge. Dans le plan (X, Y), la hauteur axiale du muret h illustrée à la est la hauteur entre l’extrémité inférieure 14 et l’extrémité supérieure 13. Le muret 1 obture le canal 2 axialement sur la hauteur h. Cette hauteur est mesurée selon l’axe X perpendiculaire au plan P dans lequel est définie la section de passage S. Une hauteur H selon l’axe X sépare axialement les parois supérieure et inférieure, la hauteur axiale H étant la hauteur axiale, prise longitudinalement au niveau de l’extrémité inférieure 14. Quelle que soit la géométrie du muret 1 et la géométrie du canal 2, l’effet de l’invention est obtenu lorsque, la hauteur axiale h du muret est avantageusement comprise entre 30% et 75% de la hauteur H. Dans l’exemple d’un canal à section rectangulaire, et en considérant que le muret 1 est au contact des deux parois latérales 5, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de fuites entre le muret 1 et les parois latérales 5, les parois latérales 5 étant séparées d’une distance d selon une direction perpendiculaire aux axes X et Y, le muret 1 obture le canal sur une surface h*d. La section du canal γ perpendiculairement à la direction d’extension longitudinale du canal Y, notamment dans un plan coupant le muret, est H*d. La surface d’obturation du canal est avantageusement moins de la moitié de la surface γ pour limiter notamment la perte de charges. Les dimensions typiques du canal seront H compris entre 6mm et 14mm et avantageusement de l’ordre de 8mm et h compris entre 4.5mm et 10.5mm et avantageusement de l’ordre de 6mm. La dimension d est avantageusement compris entre 8mm et 18mm. Le muret 1 peut éventuellement comprendre des ouvertures traversantes 100 (non illustrées), de sorte qu’une partie de l’écoulement traverse le muret 1. La perte de charges due au muret est ainsi limitée. Une ouverture unique aura avantageusement un diamètre de l’ordre de 40% de la valeur de d. Une pluralité d’ouvertures nécessitera de les faire de plus petits diamètres. L’ouverture aura la dimension adaptée en fonction des dimensions et épaisseur du muret pour éviter de le fragiliser le muret. Dans une première alternative du procédé de fabrication du circuit de refroidissement 10, illustrée à la celui-ci est construit par fabrication additive. Le circuit de refroidissement 10 est produit par l’ajout de couches successives, à partir d’un modèle numérique issu de la conception assistée par ordinateur, en utilisant un réservoir de poudre métallique 101 utilisé pour y puiser la matière à déposer. Le procédé de fabrication additive du circuit de refroidissement est illustré à la . Il comprend les étapes décrites ci-dessous. Dans une chambre sous atmosphère contrôlée 110 (c’est-à-dire sous gaz neutre type Argon) - le rouleau racleur 102 dépose un lit de poudre de 60 micron dans le plateau de fabrication 103 - le laser 104 guidé par la tête galvanométrique 105 fusionne les grains là où la matière de la pièce souhaitée est requise - le plateau du réservoir d’approvisionnement 106 monte de 60 micron - le plateau de fabrication 103 descend de 60 micron - le rouleau 102 dépose la couche de poudre suivante et ainsi suite - une fois le circuit terminé, on retire le bac 107 contenant le circuit et la poudre, - on dépoudre avec un pinceau, ou avec de l’air comprimé pour enlever environ 90 % du volume qui constitue la poudre non fondue (qui peut être réutilisé 3 fois) - et on garde les 10 % restant (environ) qui constituent le circuit terminé, - puis à l’aide de traitements thermiques et de traitements de surface on finalise le circuit. Un traitement de détensionnement en four est systématique pour relâcher le niveau de contrainte à l'intérieur du circuit dues aux gradients thermique pendant le procédé. En variante le circuit de refroidissement 10, illustré à la [Fig. 5b] est formé de deux parties 11, 12 dont l’une comprend le fond 4 et les parois latérales 5 et l’autre comprend la paroi supérieure 3 par exemple. Le muret est fabriqué par fabrication additive sur la paroi supérieure 3 puis les deux parties 11, 12 sont assemblées par exemple par soudure pour des raisons d’étanchéité. Le muret 1 a avantageusement une épaisseur de 1 à 2 mm d’Aluminium. La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. Circuit de refroidissement (10) pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement (2) dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, avec : - une portion principale (20) s’étendant selon un axe longitudinal et dans laquelle circule le fluide, - une première et une deuxième interface (31, 32) raccordant la portion principale (20) avec l’extérieur, l’une au moins de la première interface (31) et de la deuxième interface (32) s’étendant transversalement par rapport à la portion principale (20), et prenant naissance sur cette portion principale (20) à distance d’une extrémité longitudinale (201, 202) de cette portion principale, le canal (2) comprenant un muret (1) disposé dans la portion principale du canal et s’étendant en oblique par rapport à un plan (P) dans lequel est définie la section de passage (S) de ladite interface de manière à ce que la projection dans ce plan (P) du muret (1) recouvre en tout ou partie cette section de passage (S), le muret (1) étant disposé dans la portion principale du canal (2) de sorte à empêcher au moins une partie du fluide de s’écouler directement entre la première interface (31) et la deuxième interface (32). Circuit de refroidissement (10) selon la revendication 1 dans lequel la portion principale du canal (20) est délimitée par une paroi, et dans lequel le muret (1) est réalisé d’une seule pièce avec cette paroi. Circuit de refroidissement (10) selon l’une des revendications précédentes dans lequel le muret (1) comprend au moins une ouverture traversante (100). Circuit de refroidissement (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le muret (1) obture moins de la moitié d’une section du canal (γ) dans la portion principale (20), cette section (γ) étant perpendiculaire à l’axe longitudinal de cette portion principale (20). Circuit de refroidissement (10) selon la revendication 4, dans lequel le muret (1) présente une dimension (h) mesurée le long de l’axe perpendiculaire au plan de la section de passage (S) de ladite interface, la dimension (h) étant comprise entre [30% ; 75%] de la dimension correspondante (H) de la portion principale du canal (20). Convertisseur de tension (50) comprenant un logement électronique (60) contenant des composants électroniques, et un circuit de refroidissement (10) du logement électronique (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 Procédé de fabrication d’un circuit de refroidissement (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel le muret (1), au moins, est obtenu par fabrication additive. Procédé de fabrication d’un convertisseur de tension (50) selon la revendication 7, dans lequel le circuit de refroidissement (10) est obtenu par fabrication additive. Procédé de fabrication d’un convertisseur de tension (50) selon la revendication 7, dans lequel le circuit de refroidissement (10) comprend une partie supérieure (11) et une partie inférieure (12), le muret (1) étant obtenu par fabrication additive sur la partie supérieure (11) du circuit, les deux parties (11, 12) étant ensuite assemblées.