Brevet FR3122803A1 — publié le 20221111

L'invention porte sur un boîtier (10) comportant: - au moins une paroi composite (12) comportant des fibres de carbone (15) tissées ou tressées recouvertes par une résine (16) thermoplastique ou thermodurcissable, - une carte électronique (18) portant des composants électroniques (19), et - un dispositif de transfert de chaleur (24) ayant au moins une portion disposée en regard d'un composant électronique (19) à refroidir de la carte électronique (18), ledit dispositif de transfert de chaleur (24) étant inséré à l'intérieur de la paroi composite (12), - le dispositif de transfert de chaleur (24) comportant au moins un conduit de refroidissement (25) contenant un fluide de refroidissement. Figure 3 BOITIER COMPORTANT UNE PAROI COMPOSITE INTEGRANT AU MOINS UN CONDUIT DE REFROIDISSEMENT La présente invention porte sur un boîtier comportant une paroi composite intégrant au moins un conduit de refroidissement. Dans le domaine de l’aéronautique, les boîtiers électroniques embarqués sont soumis à des environnements sévères dans lesquels les composants électroniques dissipent des calories dans un espace réduit du fait des contraintes d'encombrement. Les températures environnantes très élevées peuvent aller de 80°C (valeur typique) jusqu'à 180°C. Le document FR3091140 enseigne la réalisation d'un dispositif de transfert de chaleur comportant des inserts métalliques disposés à l'intérieur d'une paroi composite permettant un fort gain de masse. La conductibilité d'un tel dispositif demeure toutefois limitée même avec des fibres de carbone à forte conductivité thermique. En effet, des prototypes et des essais thermiques ont montré que ce dispositif est suffisant pour faire fonctionner des cartes électroniques portant des composants ne dissipant pas plus de 5 W. Toutefois, le matériau composite muni d'inserts métalliques locaux ne permet pas de refroidir des micro-processeurs dissipant des puissances importantes notamment supérieures à 7W. L'invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un boîtier comportant: - au moins une paroi composite comportant des fibres de carbone tissées ou tressées recouvertes par une résine thermoplastique ou thermodurcissable, - une carte électronique portant des composants électroniques, et - un dispositif de transfert de chaleur ayant au moins une portion disposée en regard d'un composant électronique à refroidir de la carte électronique, ledit dispositif de transfert de chaleur étant inséré à l'intérieur de la paroi composite, - le dispositif de transfert de chaleur comportant au moins un conduit de refroidissement contenant un fluide de refroidissement. L'invention permet ainsi, en intégrant un conduit contenant un fluide de refroidissement dans une paroi composite du boîtier, de réaliser un dispositif de refroidissement compact de masse réduite ayant une forte conductivité thermique. L'invention permet ainsi de refroidir des zones très chaudes de la carte électronique sur laquelle sont montés des micro-processeurs pouvant dissiper des puissances supérieures à 7W sur des surfaces réduites, notamment de l'ordre de 15 mm 2 . L'invention permet également de protéger le ou les conduits de refroidissement de l'ensemble des agressions extérieures, en particulier d'un risque d’usure par humidité ainsi que de tout risque de casse dus aux vibrations sévères auxquelles sont soumis les composants électroniques. L'invention permet en outre de faciliter un montage des cartes électroniques dans le boîtier électronique en évitant d'avoir à réaliser une opération supplémentaire de positionnement du ou des conduits de refroidissement. Selon une réalisation de l'invention, le conduit de refroidissement affleure avec une surface extérieure de la paroi composite tout en étant protégé par de la résine. Selon une réalisation de l'invention, une interface thermique compressible est disposée entre le composant électronique à refroidir et la paroi composite dans laquelle est inséré le conduit de refroidissement. Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de transfert de chaleur comporte une boucle diphasique munie d'au moins un conduit de refroidissement contenant un fluide de refroidissement à l'état vapeur dans une zone d'évaporation et à l'état liquide dans une zone de condensation. Selon une réalisation de l'invention, la boucle diphasique comporte au moins un caloduc ayant une extrémité chaude située à proximité du composant électronique à refroidir et une extrémité froide située à proximité d'un bord du boîtier à l'extérieur de la paroi composite. Selon une réalisation de l'invention, la boucle diphasique est une boucle diphasique à pompage capillaire, notamment de type CPL pour "Capillary Pumpep Loop" en anglais, ou LHP pour "Loop Heat Pipe" en anglais. Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de transfert de chaleur comporte une plaque, dite "plaque froide", réalisée dans un matériau conducteur de chaleur, dans laquelle est ménagé au moins un conduit de circulation d'un fluide de refroidissement en phase liquide. Selon une réalisation de l'invention, le conduit de la plaque froide est destiné à être connecté à un circuit de fluide disponible d'un avion, tel qu'un circuit de carburant. Selon une réalisation de l'invention, le dispositif de transfert de chaleur comporte un insert réalisé dans un matériau métallique comportant au moins un perçage formant le conduit de refroidissement. Selon une réalisation de l'invention, l'insert comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement s'étendant vers l'extérieur dudit boîtier. Selon une réalisation de l'invention, la carte électronique est montée sur un support solidaire de la paroi composite de telle façon que la carte électronique est surélevée par rapport à la paroi composite. Selon une réalisation de l'invention, le support comporte au moins un perçage formant un conduit de passage d'un fluide de refroidissement. Selon une réalisation de l'invention, les fibres de carbone présentent une conductibilité thermique comprise entre 300W/m/K et 800W/m/K. L'invention concerne en outre un procédé de réalisation d'un boîtier de refroidissement thermique comportant : - une étape de réalisation d'une préforme fibreuse sèche comportant des fibres de carbone, - une étape d'insertion d'un conduit de refroidissement à l'intérieur de la préforme fibreuse, et - une étape d’injection de résine à l'intérieur d'un moule dans lequel sont disposés la préforme fibreuse et le conduit de refroidissement. Selon une mise en œuvre de l'invention, la préforme fibreuse étant obtenue par empilement de plis de fibres de carbone, le conduit de refroidissement est disposé entre deux plis de la préforme fibreuse, notamment entre un avant dernier pli de l'empilement et un dernier pli de l'empilement. La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentées à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles: La est une vue en perspective d'un boîtier composite à conduit de refroidissement intégré selon l'invention; La est une vue en perspective d'un boîtier composite à conduit de refroidissement intégré selon l'invention sans la carte électronique; La est une vue en coupe transversale partielle d'un boîtier composite selon l'invention illustrant un premier mode de réalisation de conduits de refroidissement; La est une vue en perspective d'un circuit de refroidissement de type "plaque froide" pouvant être intégré dans le boîtier composite selon la présente invention; Les figures 5a, 5b, 5c sont des vues en coupe d'un boîtier composite selon l'invention illustrant un deuxième mode de réalisation de conduits de refroidissement; Les figures 6a et 6b sont des vues en coupe partielle d'un boîtier composite selon l'invention illustrant un troisième mode de réalisation de conduits de refroidissement; Les figures 7a et 7b illustrent les différentes étapes de fabrication d'un boîtier composite à conduit de refroidissement intégré selon l'invention. Il est à noter que les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation présentent les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. La montre un boîtier 10 comportant une structure 11 ayant une paroi composite de base 12 et des parois composites latérales 13 issues de la paroi 12. Une paroi composite 12, 13 comporte des fibres de carbone 15 tissées ou tressées recouvertes par une résine 16 thermoplastique ou thermodurcissable, tel que cela est montré sur la . Une carte électronique 18 visible sur les figures 1 et 3 portant des composants électroniques 19 est montée sur un support 20 lié mécaniquement à la paroi 12 (cf. ). A cet effet, la carte électronique 18 pourra être fixée sur le support 20 au moyen d'organes de fixation 22, tels que des vis de fixation, ou d'une glissière de verrouillage, ou de tout autre moyen de fixation adapté à l'application. La carte électronique 18 est ainsi surélevée par rapport à la paroi composite 12. Un composant électronique 19 à refroidir est porté par une face de la carte électronique 18 située du côté de la paroi composite 12. La paroi composite de base 12, les parois latérales 13, ainsi que la carte électronique 18 forment ainsi un boîtier. Le boîtier est fermé par un couvercle (non représenté). Un dispositif de transfert de chaleur 24 comporte au moins un conduit de refroidissement 25 contenant un fluide de refroidissement. Le conduit de refroidissement 25 est inséré à l'intérieur de la paroi composite 12. Au moins une portion du conduit de refroidissement 25 est disposée en regard du composant électronique 19. Avantageusement, on prévoit plusieurs conduits de refroidissement 25 disposés à l'intérieur de la paroi composite 12. Le nombre de conduits de refroidissement 25 est toutefois réduit, notamment inférieur ou égal à 5, afin de limiter la masse de l'ensemble. Les fibres de carbone 15 à forte conductibilité thermique disposées autour des conduits de refroidissement 25 assurent l’homogénéité de la température du boîtier 10 vers une température la plus faible possible. Les fibres de carbone 15 présentent avantageusement une conductibilité thermique comprise entre 300W/m/K et 800W/m/K. Un tel niveau de conductivité thermique permet de disposer de fibres manipulables, sans être trop cassantes. Ce type de fibres permet ainsi de réaliser des formes incurvées quelconques ayant des rayons de courbure pouvant épouser les formes arrondies des conduits de refroidissement 25. De préférence, les conduits de refroidissement 25 affleurent avec une surface extérieure de la paroi composite 12 tout en étant protégés par de la résine 16. Cela permet d'éviter tout risque de corrosion galvanique entre le matériau d'un conduit 25 et les fibres de carbone 15. Comme on peut le voir sur la , une interface thermique 28 compressible est disposée entre le composant électronique 19 à refroidir et la paroi composite 12 dans laquelle est inséré le conduit de refroidissement 25. L'interface thermique 28 compressible permet de combler le jeu et les aspérités de surface tout en diminuant une résistance thermique de contact induite. L'interface thermique 28 présente une conductivité thermique plus grande que l'air, par exemple comprise entre 2 W/m/K et 10 W/m/K. L'interface thermique 28 pourra prendre la forme d'un gel thermique ou d'un matelas thermique ou d’une feuille thermique ou d'un matériau à changement de phase. Avantageusement, le dispositif de transfert de chaleur 24 prend la forme d'une boucle diphasique. Comme on peut le voir sur la , un conduit de refroidissement 25 pourra alors constituer un caloduc ayant une extrémité chaude 30 située à proximité du composant électronique 19 à refroidir et une extrémité froide 31 située à proximité d'un bord du boîtier 10 à l'extérieur de la paroi composite 12. L'extrémité chaude 30 correspond ainsi à une zone d'évaporation du fluide de refroidissement qui pourra extraire des calories du composant électronique 19 à refroidir tandis que l'extrémité froide 31 correspond à une zone de condensation du fluide de refroidissement qui pourra céder les calories emmagasinées à l'environnement extérieur. La phase liquide et la phase vapeur du fluide d'un caloduc se situent dans un même conduit. Le caloduc pourra prendre la forme d'un micro-caloduc ou d'un caloduc pulsé. D'autres types de boucles diphasiques sont envisageables, comme par exemple une boucle diphasique à pompage capillaire de type CPL pour "Capillary Pumpep Loop" en anglais, ou LHP pour "Loop Heat Pipe" en anglais. Dans ce cas, le conduit liquide et le conduit vapeur sont séparés l'un de l'autre. Un système de pompage passif permet d'activer le système. Les conduits de refroidissement 25 sont avantageusement réalisés en cuivre ou dans tout autre matériau adapté à l'application. Du fait de l'intégration des conduits à l'intérieur de la paroi composite 12, il est possible d'utiliser des fluides autres que l’eau, notamment des fluides à base d’alcool, dans la mesure où une boucle diphasique ne risque pas, en cas de casse, de dégager de produit inflammable interdit dans les composants électroniques situés dans des zones sensibles d'un moteur d'avion. Dans le mode de réalisation de la , le dispositif de transfert de chaleur 24 inséré dans la paroi composite 12 comporte une plaque 32, dite "plaque froide", réalisée dans un matériau conducteur de chaleur dans laquelle est ménagé au moins un conduit 25 de circulation d'un fluide de refroidissement en phase liquide. Le conduit 25 décrit un circuit ouvert ayant une entrée 34 et une sortie 35 de liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement pourra ainsi évacuer des calories de composants électroniques 19 lors de sa circulation entre l'entrée 34 et la sortie 35. La température du liquide en sortie de la plaque froide 32 dépend de son débit à l'intérieur de la plaque 32. Afin d'optimiser le refroidissement, le conduit 25 pourra présenter une forme en serpentin. Avantageusement, le liquide de refroidissement provient d'un circuit de fluide disponible sur un moteur d’avion, tel qu'un circuit de carburant. A cet effet, le conduit 25 de la plaque froide 32 est destiné à être connecté au circuit de fluide. Une fois que le fluide ressort de la plaque froide 32, il continue de jouer son rôle au niveau du moteur. En variante, on pourra utiliser notamment de l'eau ou de l'huile ou tout autre liquide de refroidissement adapté à l'application ayant une forte conductivité thermique. Alternativement, il est possible de créer un circuit de refroidissement fermé à l'aide d'un système de pompage (non représenté) assurant la circulation du liquide entre l'entrée 34 et la sortie 35 de liquide de refroidissement. Les conduits de refroidissement 25 des figures 2 et 3 sont des conduits rapportés en forme de profilé. Les conduits de refroidissement 25 pourront présenter une forme cylindrique. Une section des conduits de refroidissement 25 pourra être ronde, carrée, rectangulaire, ou rectangulaire à bords arrondis, ou toute forme adaptée à l'application. Dans le mode de réalisation des figures 5a, 5b, et 5c, le dispositif de transfert de chaleur 24 comporte au moins un insert 38 réalisé dans un matériau métallique comportant une pluralité de perçages 40 formant les conduits de refroidissement 25. Le dimensionnement des perçages 40 dépend de l’efficacité thermique souhaitée et de la perte de charge à ne pas dépasser. L'insert 38 pourra être réalisé en fabrication additive métallique. Comme on peut le voir sur les figures 6a et 6b, l'insert 38 pourra comporter une pluralité d'ailettes de refroidissement 41 s'étendant vers l'extérieur dudit boîtier 10. Comme cela est visible sur les figures 5c et 6a, le support 20 pourra comporter des perçages 43 formant des conduits de passage d'un fluide de refroidissement. Ces conduits pourront former une boucle diphasique ou un circuit de refroidissement dans lequel circule un liquide de refroidissement. Autrement dit, en plus de sa fonction de maintien de la carte électronique 18, le support 20 réalisé dans un matériau métallique pourra participer activement au refroidissement des composants 19. Le support 20 pourra comporter plusieurs portions allongées de façon à s'étendre au moins en partie suivant un pourtour de la carte électronique 18 (cf. ). Le support 20 pourra être inséré au moins en partie à l'intérieur de la paroi composite 12. On décrit ci-après, en référence avec les figures 7a et 7b, un procédé de réalisation d'un boîtier 10 de refroidissement thermique. Ce procédé comporte une étape de réalisation d'une préforme fibreuse 44 sèche ainsi qu'une étape d'insertion d'un ou plusieurs conduits de refroidissement 25 à l'intérieur de la préforme fibreuse 44, tel que montré sur la . Le conduit 25 pourra être un conduit rapporté comme cela est représenté sur la ou un conduit formé à l'intérieur d'un insert 38 disposé à l'intérieur de la préforme fibreuse 44. Le procédé comporte également une étape d’injection de résine 16 à l'intérieur d'un moule dans lequel sont disposés la préforme fibreuse 44 et le conduit de refroidissement 25, tel que montré sur la . La préforme fibreuse 44 étant obtenue par empilement d'une succession de plis 45 de fibres de carbone 15, un conduit de refroidissement 25 est disposé entre deux plis 45 de la préforme fibreuse 44, notamment entre un avant dernier pli de l'empilement et un dernier pli de l'empilement. Le boîtier 10 pourra être obtenu par un procédé de type RTM (pour "Resin Transfer Molding" en anglais) ou par infusion et autoclave. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En outre, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association. Boîtier (10) comportant: - au moins une paroi composite (12) comportant des fibres de carbone (15) tissées ou tressées recouvertes par une résine (16) thermoplastique ou thermodurcissable, - une carte électronique (18) portant des composants électroniques (19), et - un dispositif de transfert de chaleur (24) ayant au moins une portion disposée en regard d'un composant électronique (19) à refroidir de la carte électronique (18), ledit dispositif de transfert de chaleur (24) étant inséré à l'intérieur de la paroi composite (12), caractérisé en ce que le dispositif de transfert de chaleur (24) comporte au moins un conduit de refroidissement (25) contenant un fluide de refroidissement. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de refroidissement (25) affleure avec une surface extérieure de la paroi composite (12) tout en étant protégé par de la résine (16). Boîtier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une interface thermique (28) compressible est disposée entre le composant électronique (19) à refroidir et la paroi composite (12) dans laquelle est inséré le conduit de refroidissement (25). Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de transfert de chaleur (24) comporte une boucle diphasique munie d'au moins un conduit de refroidissement (25) contenant un fluide de refroidissement à l'état vapeur dans une zone d'évaporation et à l'état liquide dans une zone de condensation. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la boucle diphasique comporte au moins un caloduc ayant une extrémité chaude (30) située à proximité du composant électronique (19) à refroidir et une extrémité froide (31) située à proximité d'un bord du boîtier (10) à l'extérieur de la paroi composite (12). Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la boucle diphasique est une boucle diphasique à pompage capillaire. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de transfert de chaleur (24) comporte une plaque (32), dite "plaque froide", réalisée dans un matériau conducteur de chaleur dans laquelle est ménagé au moins un conduit (25) de circulation d'un fluide de refroidissement en phase liquide. Boîtier selon la revendication 7, caractérisé en ce que le conduit (25) de la plaque froide (32) est destiné à être connecté à un circuit de fluide disponible d'un avion, tel qu'un circuit de carburant. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de transfert de chaleur (24) comporte un insert (38) réalisé dans un matériau métallique comportant au moins un perçage (40) formant le conduit de refroidissement (25). Boîtier selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'insert (38) comporte une pluralité d'ailettes de refroidissement (41) s'étendant vers l'extérieur dudit boîtier (10). Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la carte électronique (18) est montée sur un support (20) solidaire de la paroi composite (12) de telle façon que la carte électronique (18) est surélevée par rapport à la paroi composite (12). Boîtier selon la revendication 11, caractérisé en ce que le support (20) comporte au moins un perçage (43) formant un conduit de passage d'un fluide de refroidissement. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les fibres de carbone (15) présentent une conductibilité thermique comprise entre 300 W/mK à 800W/m/K. Procédé de réalisation d'un boîtier (10) de refroidissement thermique caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de réalisation d'une préforme fibreuse (44) sèche comportant des fibres de carbone, - une étape d'insertion d'un conduit de refroidissement (25) à l'intérieur de la préforme fibreuse (44), et - une étape d’injection de résine (16) à l'intérieur d'un moule dans lequel sont disposés la préforme fibreuse (44) et le conduit de refroidissement (25). Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la préforme fibreuse (44) étant obtenue par empilement de plis (45) de fibres de carbone (15), le conduit de refroidissement (25) est disposé entre deux plis (45) de la préforme fibreuse (44), notamment entre un avant dernier pli (45) de l'empilement et un dernier pli (45) de l'empilement.