Brevet FR3125116A1 — publié le 20230113

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, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, et au moins un élément s’étendant en saillie depuis la surface interne, ledit élément définissant une première ailette et au moins une deuxième ailette coupant la première ailette. Figure pour l’abrégé : Fig.3 Circuit de refroidissement d’un convertisseur de tension, muni d’ailettes 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 le pilotage du ou des modules de puissance ainsi que de réguler, dans le cas d’un rotor bobiné, - le courant injecté 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 excessive 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 dans lequel circule un fluide de refroidissement, le fluide entrant par une entrée dudit fluide et sortant par une sortie de fluide. Le canal est délimité par une paroi dont une surface interne est au contact du fluide de refroidissement et une surface externe est au contact de l’électronique à refroidir. La paroi assure ainsi par conduction thermique le transfert des calories provenant de l’échauffement de l’électronique vers le fluide de refroidissement qui par sa circulation les évacue à l’extérieur du système. Cependant l’efficacité de cet échange de calories à l’interface entre le fluide et la paroi peut être limité, pénalisant ainsi le refroidissement des composants électroniques, ces derniers n’étant ainsi 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 plus efficace. 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, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, et au moins un élément s’étendant en saillie depuis la surface interne, ledit élément définissant une première ailette et au moins une deuxième ailette coupant la première ailette. Les première et deuxième ailettes augmentent la surface d’échange thermiques entre le fluide de refroidissement et la paroi du canal. Le refroidissement est ainsi amélioré. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première ailette comprend un plan médian et la deuxième ailette comprend un plan médian, les plans médians formant un angle aigu supérieur à 10° autour d’une droite d’intersection entre lesdits deux plans. Il s’agit de la limite angulaire pour permettre le dépoudrage. Selon un mode de réalisation, le canal s'étend selon un axe X dans un repère X, Y, Z, la droite d’intersection entre lesdits deux plans s’étendant selon l’axe X, les axes Y et Z étant perpendiculaires à l’axe X et sécants entre eux, le plan médian de la première ailette s’étendant dans le plan X, Y et le plan médian de la deuxième ailette s’étendant dans le plan X, Z. Les ailettes ainsi disposées dans l’écoulement permettent un meilleur compromis entre l’augmentation de la surface d’échange et la limitation de la perte de charge. Selon un mode de réalisation, les axes Y et Z sont perpendiculaires entre eux, le plan médian de la première ailette étant transverse à l’axe Z et le plan médian de la deuxième ailette étant transverse à l’axe Y. Une telle configuration permet de minimiser la perte de charges. Selon un mode de réalisation, au moins une des ailettes a une épaisseur définie selon une direction transverse au plan médian, qui augmente le long de l’axe X entre un bord arrière de l’ailette et un bord avant de l’ailette. Selon un mode de réalisation, l’extrémité arrière et/ou l’extrémité avant est arrondie. Selon un mode de réalisation, la première ailette s’étend selon l’axe Y entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, les extrémités supérieure et inférieure de la première ailette étant solidaires de la surface interne du canal. Une telle configuration permet d’augmenter au maximum la surface d’échange. Selon un mode de réalisation, l’élément comprend deux deuxième ailettes, la distance d2 entre les deux deuxièmes ailettes étant comprise entre 1.5mm et 4.5mm et étant avantageusement de 3mm. 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, pour des raisons d’axe de démoulage à respecter, le moulage ne permet de prévoir dans le canal que des ailettes parallèles les unes aux autres et perpendiculaires à la surface interne dont ils s’étendent. En revanche la fabrication additive permet d’obtenir des éléments s’étendant depuis la surface interne du canal, formés d’ailettes qui se coupent, selon l’objet de l‘invention. Ces éléments, au moins, sont obtenus par fabrication additive. En variante, le circuit de refroidissement est obtenu entièrement par fabrication additive. La est une représentation schématique d’un logement électronique avec circuit de refroidissement. La est une vue de dessus d’un canal de refroidissement muni d’éléments selon l’invention. La est une représentation schématique d’une portion de canal comprenant des éléments selon l’invention illustrant les plans médians des ailettes. La est une représentation schématique d’une portion de canal comprenant des éléments selon l’invention illustrant le repère X, Y, Z. La est une représentation schématique d’une vue en coupe transversale d’une première ailette. La est une représentation schématique d’un élément du canal dont la première ailette s’étend jusqu’à la paroi du canal par ses deux extrémités. La est une vue en coupe d’une distribution simplifiée de premières ailettes selon l’invention. La est une représentation schématique du dispositif de fabrication additive. Dans la suite de la description on considèrera un axe X pouvant être curviligne et des axes Y et Z perpendiculaires à X et sécants entre eux. La illustre une partie d‘un convertisseur de tension 70 comportant un logement électronique 60 avec un circuit de refroidissement 500 selon l’invention. Le logement électronique 60 comprend les éléments de commutation du module de puissance et les composants électroniques du module de commande permettant de commander les éléments de commutation. Le circuit de refroidissement 500 est en contact avec le logement électronique 60, de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement des composants électroniques du module de puissance. Le circuit de refroidissement 500 comprend un canal 5 formé dans le corps du circuit. Le circuit de refroidissement 500 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 5 comprend au moins deux interfaces vers l’extérieur, le fluide entrant par une interface et sortant par l’autre, le canal s’étendant sensiblement tubulaire autour de l’axe X entre les deux interfaces, comme illustré à la . La paroi 502 du canal comprend une surface interne 50 contre laquelle s’écoule le fluide. En première approximation, dans le canal tubulaire selon l’axe X, l’écoulement du fluide se fait selon l’axe X, c’est à dire que le fluide s’écoule transversalement à un plan perpendiculaire à l’axe X. Dans la suite de la description on décrit un élément 3 illustré à la qui s’étend en saillie depuis la surface interne du canal 50. L’élément 3 comprend une première ailette 1 qui s’étend en saillie depuis la surface interne du canal et une deuxième ailette 2 qui coupe la première ailette 1. Chaque ailette de l’élément 3 s’étend avantageusement dans un plan d’extension, une épaisseur de l’ailette selon une direction transverse au plan d’extension étant inférieure aux dimensions de l’ailette dans le plan d’extension. Une épaisseur typique d’ailette pourra être de 2mm pour une ailette de 8mm de hauteur dans son plan d’extension. L’ailette s’étend avantageusement autour d’un plan médian illustré à la . Un tel plan coupe l’ailette au milieu de son épaisseur de sorte que l’ailette est sensiblement symétrique par rapport à ce plan (P). Les plans médians P1 de la première ailette et P2 de la deuxième ailette se coupent selon une droite s’étendant avantageusement selon l’axe X d’écoulement du fluide de refroidissement, c’est-à-dire que les ailettes s’étendent dans l’écoulement du fluide dans le canal. La perte de charge est ainsi minimisée. Les plans médians forment un angle aigu supérieur à 10° autour de l’axe X, de manière à faciliter l’étape de dépoudrage qui sera décrite ensuite dans le procédé de fabrication additive du circuit de refroidissement. Avantageusement les plans médians sont transverses, c’est-à-dire qu’ils forment un angle droit autour de l’axe X. La première et la deuxième ailette d’un élément ont avantageusement la même extension selon l’axe X. En considérant le repère X, Y, Z défini précédemment, le plan médian de la première ailette P1 s’étend ainsi dans le plan X, Y et le plan médian de la deuxième ailette P2 s’étend dans le plan X, Z, comme illustré à la . L’axe Y s’étend avantageusement perpendiculairement à la surface interne du canal, come illustré à la . La première ailette est ainsi transverse à la surface du canal. L’axe Y sécant à l’axe Z est avantageusement perpendiculaire à l’axe Z, les plans médians des premières et deuxième ailette étant ainsi perpendiculaires l’un à l’autre. Nous décrirons ici une géométrie de la première ailette de plan médian P1 selon (X, Y). La description se transposera sans difficulté à la deuxième ailette de plan médian P2 selon (X, Z). Dans un mode avantageux de réalisation, dans un quelconque plan transverse à l’axe Y et coupant la première ailette, la section de l’ailette a une épaisseure transversalement au plan médian P1 qui augmente le long de l’axe X. La section de l’ailette dans un de ces plans de coupe, illustrée à la s’étend en s’évasant selon X entre deux bords arrondis, le bord arrière 13 et le bord avant 14, le fluide s’écoulant au contact de l’ailette du bord arrière vers le bord avant. L’épaisseur de l’ailette entre les bords augmente de 0.2mm au niveau du bord arrière à 1.5mm au niveau du bord avant. L’ailette ainsi profilée permet de limiter la perte de charge tout en augmentant la surface d’échange du fluide refroidissement avec la surface du canal, les ailettes augmentant la surface interne d’échange du canal. L’ailette s’étend notamment selon Y entre une extrémité axiale inférieure 10 et une extrémité axiale supérieure 11. Dans un mode avantageux de réalisation, la première ailette est solidaire de la paroi du canal par ses extrémités axiales supérieure et inférieure comme illustré à la . Une telle hauteur d’ailette qu’il est possible d’obtenir par fabrication additive, permet d’augmenter autant que possible la surface d’échange du liquide dans le canal pour améliorer le refroidissement. En variante, un élément peut avantageusement comprendre plusieurs deuxièmes ailettes 2, 2’ coupants la première ailette 1 comme illustré à la . Le plan médian de la deuxième ailette P2’ comprend également l’axe X. Les plans médians des deux deuxièmes ailettes 2, 2’ peuvent par exemple être parallèles. En variante les plans médians des deuxièmes ailettes P2 et P2’ sont sécants. L’angle entre le plan médian P1 et le plan médian P2’ est également un angle aigu compris entre 10° et 90°. La distance d2 entre deux deuxième ailettes d’un élément 3 illustrée à la est définie comme étant la distance entre les droites d’intersection des plans médians P2 et P2’ avec le plan médian P1 d’un même élément. La distance d2 est comprise entre 1.5mm et 4.5mm et est avantageusement de l’ordre de 3mm, pour un canal de hauteur H selon l’axe Y compris entre 6mm et 12mm. Considérons le cas simplifié illustré à la d’un canal comprenant une pluralité d’éléments 3 identiques s’étendant d’une surface plane de la surface interne du canal 50. Dans ce cas simplifié, les premières ailettes 1 s’étendent notamment perpendiculairement à la surface et parallèlement les unes aux autres et sont alignées selon les axes X et Z comme illustré à la . Une telle simplification ne limite pas le caractère général des revendications et de la description qui couvrent également le cas où la surface interne du canal n’est pas plane dans le cas d’un canal à section circulaire, et le cas où bien que la surface d’où s’étendent les éléments soient planes, les premières ailettes et les deuxièmes ailettes respectivement de deux éléments ne sont pas parallèles et éventuellement où les éléments 3 sont différents les uns des autres. La description du cas simple pourra se transposer sans difficultés à ces autres cas. L’invention vise notamment à augmenter autant que possible le nombre d’ailettes pour augmenter la surface d’échange tout en limitant la perte de charge pour l’écoulement du fluide de refroidissement dans le canal. L’invention vise en particulier des distributions d’ailettes régulières pour limiter la perte de charge. Ainsi dans le cas simplifié illustré à la , en définissant la distance d1 comme la distance entre les plans adjacents de deux premières ailettes adjacentes selon l’axe Z, dans un plan de coupe quelconque perpendiculaire à l’axe Y, comme illustré à la , la distance d1 entre deux premières ailettes est avantageusement comprise entre 2mm et 4mm et plus particulièrement de l’ordre de 2.5mm pour un canal de hauteur h selon l’axe Z comprise entre 10mm et 20mm. La distance d1’ selon X entre deux premières ailettes 1 adjacentes selon X est avantageusement de l’ordre de 1mm à 2mm, notamment pour éviter que les lignes d’écoulement de fluide soient perturbées à proximité des bords des ailettes. Dans une première alternative du procédé de fabrication du circuit de refroidissement 500, illustrée à la celui-ci est construit par fabrication additive. Le circuit de refroidissement 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, ou pression et température sont également régulés) - le rouleau racleur 102 dépose un lit de poudre de 60 micromètre 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 micromètre - le plateau de fabrication 103 descend de 60 micromètre - 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 60 à 80% 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 souhaitable pour relâcher le niveau de contrainte à l'intérieur du circuit dues aux gradients thermique pendant le procédé. Le procédé de dépoudrage impose l’angle supérieur à 10° entre les plans médians P1 et P2 et les distances minimales d1 et d2. Pour le dépoudrage, l’angle entre les plans médians sera même avantageusement supérieur à 20°. Ce procédé de fabrication permet notamment de fabriquer un circuit de refroidissement muni de premières ailettes étant solidaires du canal par leurs deux extrémités et d’ailettes qui se croisent selon l’invention. En variante non illustrée le circuit de refroidissement 500 est formé de deux parties complémentaires, les éléments 3 étant fabriqués par fabrication additive sur une première partie formant par exemple le fond du canal, une deuxième partie étant ensuite assemblée à la première partie pour former le circuit. 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 pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement (5) dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal (5) comprenant une surface interne (50) en contact avec le fluide de refroidissement, et au moins un élément (3) s’étendant en saillie depuis la surface interne (50), ledit élément définissant une première ailette (1) et au moins une deuxième ailette (2) coupant la première ailette (1). Circuit de refroidissement selon la revendication 1 dans lequel la première ailette (1) comprend un plan médian (P1) et la deuxième ailette (2) comprend un plan médian (P2), les plans médians (P1) et (P2) formant un angle aigu supérieur à 10° autour d’une droite d’intersection (I) entre lesdits deux plans. Circuit de refroidissement selon la revendication 2 dans lequel le canal (5) s'étend selon un axe X dans un repère (X, Y, Z), la droite d’intersection (I) entre lesdits deux plans s’étendant selon l’axe X, les axes Y et Z étant perpendiculaires à l’axe X et sécants entre eux, le plan médian (P1) de la première ailette s’étendant dans le plan (X, Y) et le plan médian (P2) de la deuxième ailette s’étendant dans le plan (X, Z). Circuit de refroidissement selon la revendication 3 dans lequel les axes Y et Z sont perpendiculaires entre eux, le plan médian (P1) de la première ailette étant transverse à l’axe Z et le plan médian (P2) de la deuxième ailette étant transverse à l’axe Y. Circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 3 et 4 dans lequel au moins une des ailettes (1,2) a une épaisseur définie selon une direction transverse au plan médian (P1, P2), qui augmente le long de l’axe X entre un bord arrière de l’ailette (13) et un bord avant de l’ailette (14). Circuit de refroidissement selon la revendication 5 dans lequel l’extrémité arrière (13) et/ou l’extrémité avant (14) est arrondie. Circuit de refroidissement selon l’une des revendications 3 à 6 dans lequel la première ailette (1) s’étend selon l’axe Y entre une extrémité supérieure (11) et une extrémité inférieure (10), les extrémités supérieure (11) et inférieure (10) de la première ailette (1) étant solidaires de la surface interne du canal (50). Circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’élément (3) comprend deux deuxième ailettes (2, 2’), la distance d2 entre les deux deuxièmes ailettes (2, 2’) étant comprise entre 1.5mm et 4.5mm et étant avantageusement de 3mm. Convertisseur de tension (70) comprenant un logement électronique (60) contenant des composants électroniques, et un circuit de refroidissement (500) du logement électronique (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de fabrication d’un circuit de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel au moins les éléments (3) sont obtenus par fabrication additive. Procédé de fabrication d’un circuit de refroidissement selon la revendication 10 entièrement obtenu par fabrication additive.