Brevet FR3145256A1 — publié le 20240726

Système de refroidissement (10) d’un composant comprenant : - un canal de refroidissement (12) comprenant une paroi dite inférieure (20), - une structure de refroidissement (22) comprenant une pile (24) de couches (26) empilées les unes sur les autres, dans laquelle chaque couche (26) comprend des cellules présentant chacune au moins une ouverture en communication avec une cellule d’une autre couche (26), lesdites cellules ayant une portion en forme de méandre, dans laquelle les couches (26) sont destinées à être empilées entre une plaque d’interface (28) avec le composant, dite plaque d’interface, et la paroi inférieure (20) du canal de refroidissement (12), le système de refroidissement (10) comprenant en outre un moyen de rappel élastique (30) configuré pour exercer une pression entre la paroi inférieure (20) du canal de refroidissement (12) et la pile (24) de couches (26). Figure pour l’abrégé : figure 2 Système de refroidissement d’un composant comprenant un canal de refroidissement et une structure de refroidissement L’invention concerne un système de refroidissement, en particulier pour un module de puissance, lequel peut être compris dans un convertisseur de courant électrique tel qu’un onduleur. L’invention est en particulier applicable dans un véhicule automobile. On connaît déjà dans l'état la technique un module de puissance qui est refroidi directement. Ce module de puissance comprend une plaque à partir de laquelle se projettent des tiges en cuivre. Les tiges sont insérées par une ouverture dans une enceinte à trajet de flux pour un fluide de refroidissement, de manière que le fluide de refroidissement circulant dans l’enceinte à trajet de flux vienne au contact des tiges. Pour améliorer le transfert de chaleur, le déposant a proposé, dans la demande internationale WO 2022/248427, une structure de refroidissement comprenant plusieurs couches empilées les unes sur les autres. Chaque couche comprend des cellules présentant au moins deux ouvertures dont au moins une est en communication avec une cellule d’une autre couche. Ainsi le fluide de refroidissement circule au sein d’une cellule et entre deux cellules de couches différentes. Chaque cellule a une portion en forme de méandre afin de bloquer un trajet direct du fluide entre les deux ouvertures. Cette structure de refroidissement, dans laquelle on crée des turbulences dans le fluide de refroidissement, améliore le transfert de chaleur entre la paroi des cellules et le fluide de refroidissement. Dans cette structure de refroidissement, il est nécessaire de relier les couches entre elles afin d’améliorer la conductivité thermique. Ainsi, on évite que du fluide de refroidissement, ou des bulles d’air, s’immisce entre les couches, empêchant le contact entre les couches, donc réduisant leur efficacité dans le refroidissement du module de puissance. Par ailleurs, le liquide de refroidissement entre les couches, ainsi que les bulles d’air, constituerait un isolant thermique. On pourrait envisager de relier entre elles les différentes couches par brasage. Cependant cette façon de relier les couches entre elles serait onéreuse. L'invention a notamment pour but de fournir un système de refroidissement comprenant une structure de refroidissement dans laquelle la liaison des couches entre elles est moins onéreuse. Par conséquent la structure de refroidissement et le système de refroidissement ont un coût de fabrication plus bas. A cet effet l’invention a pour objet un système de refroidissement d’un composant comprenant : - un canal de refroidissement comprenant une paroi dite inférieure, - une structure de refroidissement comprenant une pile de couches empilées les unes sur les autres, dans laquelle chaque couche comprend des cellules présentant chacune au moins une ouverture en communication avec une cellule d’une autre couche, lesdites cellules ayant une portion en forme de méandre, dans laquelle les couches sont destinées à être empilées entre une plaque d’interface avec le composant, dite plaque d’interface, et la paroi inférieure du canal de refroidissement. Le système de refroidissement comprend en outre un moyen de rappel élastique configuré pour exercer une pression entre la paroi inférieure du canal de refroidissement et la pile de couches. En exerçant une pression entre la paroi inférieure et la pile de couches, on exerce une pression à la fois entre la pile de couches et la plaque d’interface et entre les différentes couches. Ainsi on resserre les couches entre elles, et la pile de couches avec la plaque d’interface. On empêche ainsi l’installation de bulles d’air et de liquide de refroidissement entre les différentes couches, améliorant alors la conductivité thermique au sein de la structure de refroidissement, donc son efficacité. Ainsi il n’est pas nécessaire, pour relier les couches entre elles, de procéder à un brasage entre les différentes couches adjacentes. La structure de refroidissement est facile à fabriquer et présente un coût de fabrication faible. Il en est de même pour le système de refroidissement. On comprend que lorsque la structure de refroidissement est montée au contact du composant à refroidir, les couches sont alors empilées et plaquées contre la plaque d’interface, grâce au moyen de rappel élastique qui peut prendre appui contre la paroi inférieure pour exercer sa force de rappel contre une couche d’extrémité de la pile, dite couche inférieure, laquelle transmet cette force aux autres couches jusqu’à une couche dite supérieure, disposée à l’extrémité opposée de la pile par rapport à la couche inférieure et recouverte par la plaque d’interface. On entend par « canal de refroidissement », une structure configurée pour guider un fluide de refroidissement. Le canal de refroidissement comprend une cavité avec une entrée générale de fluide de refroidissement et au moins une sortie générale de fluide de refroidissement. On comprend que la cavité est délimitée, au moins partiellement, par la paroi inférieure et la couche supérieure, le fluide de refroidissement circulant entre les deux. On comprend qu’« une portion en forme de méandre » est une portion comprenant au moins un changement de direction dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement, de préférence une courbure. On entend par courbure une seule ou plusieurs courbes. On entend par « une pile de couches » au moins deux couches superposées, par exemple au moins trois couches. Dans un mode de réalisation, chaque cellule présente deux ouvertures et les cellules ont une portion en forme de méandre de manière à bloquer un trajet direct d’un fluide de refroidissement entre les deux ouvertures. Dans un autre mode de réalisation, les cellules dans deux couches différentes ont des ouvertures disposées différemment. Ainsi, le fluide crée de la turbulence lorsqu’il passe d’une couche à une autre. La plaque d’interface peut faire partie de la structure de refroidissement. Elle peut également faire partie du composant. La plaque d’interface et la paroi inférieure peuvent assurer l’étanchéité de la structure de refroidissement. La paroi inférieure, comme la plaque d’interface, est de préférence à base d’un matériau conducteur thermique par exemple un métal ou un aluminium. Grace à l’invention il est ainsi possible de mixer les matières de manière à apporter un gain en coût et/ou performance. Le moyen de rappel peut être intégré dans la paroi inférieure, c’est-à-dire constituer une seule et même pièce avec la paroi inférieure, ou constituer au moins une pièce distincte de la paroi inférieure. En général, le fluide de refroidissement est un liquide de refroidissement, par exemple de l’huile, de l’eau ou un mélange d’eau et de glycol, il peut aussi être un mélange liquide-gaz tel qu’un réfrigérant biphasé. Par exemple, le fluide de refroidissement peut entrer dans le canal de refroidissement à une de ses extrémités et ressortir à son extrémité opposée. Le système de refroidissement peut permettre de refroidir plusieurs composants tels que les corps principaux des modules de puissance, par exemple trois composants adjacents. De préférence, chaque couche comprend des cellules présentant chacune au moins une ouverture en communication avec une cellule d’une couche adjacente. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du système de refroidissement, prises seules ou en combinaison : - Le moyen de rappel est constitué d’au moins une pièce, et cette pièce est rapportée entre la paroi inférieure et à la pile de couches. Le moyen de rappel peut ainsi être fabriqué dans un matériau différent du matériau de la paroi inférieure et de la pile de couches, présentant les caractéristiques de flexibilité convenant à cette utilisation. Par ailleurs, il n’est ainsi pas nécessaire de développer un canal de refroidissement spécifiquement pour ce système de refroidissement. Par exemple, le canal de refroidissement peut être une enceinte de refroidissement comportant une cavité qui était prévue pour une plaque avec tiges de cuivre. Les couches s’étendraient ainsi dans la cavité, à la place des tiges de cuivre. - Le moyen de rappel est configuré pour appuyer en plusieurs points de la pile de couches. En répartissant les points d’appui, on obtient un appui homogène, ce qui permet d’optimiser le contact entre les différentes couches. - Le moyen de rappel peut être un ressort à lame ondulée. Ces ressorts présentent l’avantage d’être faciles à monter et d’assurer une bonne répartition des appuis. - La paroi inférieure comprend sur sa surface orientée vers la pile de couches un épaulement périphérique, et le ressort à lame ondulée est configuré pour appuyer en plusieurs points de l’épaulement périphérique. Les points d’appui sont ainsi répartis en périphérie de la paroi inférieure. On comprend que la lame ondulée est façonnée pour suivre la forme de l’épaulement périphérique. L’épaulement périphérique peut avoir la forme d’un rectangle avec un évidement central. Dans cette configuration, le ressort à lame ondulée a substantiellement la forme d’un rectangle avec un évidement central, dans laquelle les deux extrémités longitudinales de la lame ne sont pas nécessairement jointives. - Les couches ont des dimensions supérieures à celles du contour extérieur de l’épaulement périphérique. On comprend ainsi que les points d’appui sont répartis en périphérie des couches mais qu’ils sont néanmoins entourés par une zone des couches qui est située encore plus en périphérie que les points d’appui. On entend par « dimensions des couches » leur longueur et leur largeur, et non leur épaisseur. En d’autres termes, les couches recouvrent intégralement l’épaulement périphérique et s’étendent au-delà de cet épaulement. - Le moyen de rappel est précontraint à l’intérieur de la paroi inférieur. L’invention a également pour objet un module de puissance comprenant : - un corps principal, et - un système de refroidissement tel que définit ci-avant, fixé au corps principal. Le corps principal peut comprendre une embase, qui constitue la plaque d’interface, contre laquelle la structure de refroidissement est plaquée et de préférence fixée. Le module de puissance peut comprendre des commutateurs commandés, par exemple des commutateurs semiconducteurs commandés, comme des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor ou MOSFETs (Sic)). Le module de puissance peut être configuré pour convertir un courant continu appliqué à son entrée en un courant alternatif disponible à sa sortie, en contrôlant les commutateurs commandés, d’une façon connue de l’homme du métier. Le courant alternatif peut être un courant multiphasé, par exemple un courant triphasé. Le module de puissance peut comprendre deux systèmes de refroidissement selon l’invention, en particulier un système fixé sur une face du corps principal du module de puissance et l’autre fixé sur la face opposée du corps principal. L’invention a aussi pour objet un convertisseur de courant électrique, en particulier onduleur, comprenant un module de puissance tel que définit ci-avant. Le convertisseur de courant électrique peut être un onduleur. L’onduleur peut être configuré pour convertir un courant continu en un courant alternatif au moyen du module de puissance ou de plusieurs modules de puissance. L’onduleur peut comprendre un condensateur de liaison de courant continu pour lisser le courant continu appliqué à l’onduleur. L’invention a encore pour objet un module d’entraînement électrique comprenant un convertisseur de courant électrique tel que définit ci-avant et un moteur électrique contrôlé par le convertisseur de courant électrique. L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant un module d’entraînement électrique tel que définit ci-avant, par exemple configuré pour contrôler au moins une roue du véhicule automobile. L’invention a aussi pour objet un procédé d’assemblage d’un système de refroidissement tel que définit ci-avant, comprenant les étapes suivantes : - on assemble la paroi inférieure du canal de refroidissement et le moyen de rappel élastique, et - on empile les couches entre le moyen de rappel élastique et une plaque d’interface. L’assemblage de la paroi inférieure et du moyen de rappel élastique peut être effectué au moment de leur fabrication, la paroi inférieure et le moyen de rappel élastique pouvant ne constituer qu’une seule et même pièce. Le moyen de rappel élastique peut être précontraint. Le procédé peut en outre comprendre une étape de fixation de la paroi inférieure avec la plaque d’interface. Cette fixation peut être effectuée par soudage par friction. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : est une vue schématique en coupe d’un système de refroidissement d’un composant de l’état de la technique ; est une vue schématique en coupe d’un système de refroidissement d’un composant selon l’invention ; est une vue en perspective du système de refroidissement de la . Description détaillée On a représenté sur la un système de refroidissement de l’état de la technique pour un composant non représenté. Le système de refroidissement est désigné par la référence générale 10. Le système de refroidissement 10 permet de refroidir un module de puissance, non représenté, lequel peut être compris dans un convertisseur de courant électrique tel qu’un onduleur. Le système de refroidissement 10 est plus particulièrement utilisable dans un véhicule automobile. Le système de refroidissement 10 comprend un canal de refroidissement 12. Le canal de refroidissement est une structure pour guider un fluide de refroidissement. En général, le fluide de refroidissement est un liquide de refroidissement, par exemple de l’eau ou un mélange d’eau et de glycol, il peut aussi être un mélange liquide-gaz tel qu’un réfrigérant biphasé. Le canal de refroidissement 12 comprend une cavité 14 et une entrée générale 16 de fluide de refroidissement ainsi qu’au moins une sortie générale 18 de fluide de refroidissement. Le canal de refroidissement 12 comprend une paroi inférieure 20, qui délimite en partie la cavité 14. Le système de refroidissement 10 comprend également une structure de refroidissement 22, qui comprend une pile 24 de couches 26 empilées les unes sur les autres. Une pile de couches comprend au moins deux couches superposées. Chaque couche 26 comprend des cellules, non représentées, et chaque cellule présente au moins une ouverture en communication avec une cellule d’une autre couche 26. Les cellules ont une portion en forme de méandre, c’est-à-dire une portion comprenant au moins un changement de direction dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement. Le changement de direction est par exemple une courbure. Les couches 26 sont destinées à être empilées entre une plaque d’interface avec le composant, dite plaque d’interface 28, et la paroi inférieure 20 du canal de refroidissement 12. Dans le système de refroidissement de la , la plaque d’interface 28 fait partie de la structure de refroidissement 22. Elle pourrait également faire partie du composant à refroidir. Dans ce système de refroidissement de l’état de la technique, les couches sont reliées entre elles, par exemple par brasage, afin d’améliorer la conductivité thermique. On a représenté sur les figures 2 et 3 un système de refroidissement selon l’invention. Dans ces figures 2 et 3, les éléments analogues à ceux de la sont désignés par des références identiques. Sur la , le système de refroidissement 10 selon l’invention est représenté avec un élément supplémentaire. L’élément 30 symbolise un élément de rappel élastique 30, dont un exemple est représenté sur la . Le moyen de rappel élastique 30 est configuré pour exercer une pression entre la paroi inférieure 20 du canal de refroidissement 12 et la pile 24 de couches 26. Dans l’exemple représenté sur la , le moyen de rappel 30 constitue une pièce distincte de la paroi inférieure 20. Il est rapporté entre la paroi inférieure 20 et la pile 24 de couches 26. Il pourrait également être intégré dans la paroi inférieure 20. Dans cet exemple, il s’agit d’un ressort à lame ondulée. Ce ressort 30 à lame ondulée permet d’assurer une bonne répartition des appuis. Il est configuré pour appuyer en plusieurs points de la pile 24 de couches 26. Dans l’exemple de la , la paroi inférieure 20 du canal de refroidissement 12 comprend une surface 32 orientée vers la pile 24 de couches 26. Sur cette surface 32, la paroi inférieure 20 comprend un épaulement périphérique 34 visible sur la partie droite de la figure. L’épaulement n’est pas visible sur la partie gauche car il est percé par une entrée 35 de fluide de refroidissement. Le ressort 30 à lame ondulée est configuré pour appuyer en plusieurs points de l’épaulement périphérique 34. Comme on le voit sur la , le ressort 30 à lame ondulée peut avoir substantiellement la forme d’un rectangle avec un évidement central. La lame ondulée 30 est façonnée pour suivre l’épaulement périphérique 34 qui dans cet exemple a la forme d’un rectangle avec un évidement central. Dans l’exemple représenté, la lame 30 comporte deux extrémités longitudinales qui ne sont pas jointives. La lame pourrait également avoir la forme d’un rectangle fermé. Dans cet exemple, les couches 26 ont des dimensions supérieures à celles du contour extérieur 36 de l’épaulement périphérique 34. On entend par « dimensions des couches » leur longueur et leur largeur, et non leur épaisseur. On comprend ainsi que les points d’appui sont répartis en périphérie des couches 26 mais qu’ils sont néanmoins entourés par une zone des couches 26 qui est située encore plus en périphérie que les points d’appui. Les couches 26 recouvrent intégralement l’épaulement périphérique 34 et s’étendent au-delà de cet épaulement. Dans l’exemple de la , le moyen de rappel 30 est précontraint à l’intérieur de la paroi inférieure 20. L’assemblage de la paroi inférieure 20 et du moyen de rappel élastique 30 peut être effectué au moment de leur fabrication, la paroi inférieure 20 et le moyen de rappel élastique 30 pouvant ne constituer qu’une seule et même pièce Pour assembler le système de refroidissement 10, on assemble la paroi inférieure 20 du canal de refroidissement 12 et le moyen de rappel élastique 30, et on empile les couches 26 entre le moyen de rappel élastique 30 et la plaque d’interface 28. L’assemblage de la paroi inférieure 20 à la plaque d’interface 28 peut être effectué par soudage par friction. Dans cet exemple, le soudage par friction est continu sur toute la surface formant la jonction entre la plaque d’interface 28 et la paroi inférieure 20. Le système de refroidissement 10 peut équiper un module de puissance qui comprend un corps principal non représenté. Dans le module de puissance, le système de refroidissement 10 est fixé au corps principal. Le corps principal du module de puissance peut comprendre une embase, qui constitue la plaque d’interface 28, contre laquelle la structure de refroidissement 22 est plaquée et de préférence fixée. Le module de puissance peut comprendre des commutateurs commandés, par exemple des commutateurs semiconducteurs commandés, comme des transistors bipolaires à porte isolée (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor ou MOSFETs (SiC)). Le module de puissance peut être configuré pour convertir un courant continu appliqué à son entrée en un courant alternatif disponible à sa sortie, en contrôlant les commutateurs commandés, d’une façon connue de l’homme du métier. Le courant alternatif peut être un courant multiphasé, par exemple un courant triphasé. Le module de puissance peut comprendre deux systèmes de refroidissement 10, en particulier un système 10 fixé sur une face du corps principal du module de puissance et l’autre 10 fixé sur la face opposée du corps principal. Le module de puissance peut être compris dans un convertisseur de courant électrique. Le convertisseur de courant électrique peut être un onduleur. L’onduleur peut être configuré pour convertir un courant continu en un courant alternatif au moyen du module de puissance ou de plusieurs modules de puissance. L’onduleur peut comprendre un condensateur de liaison de courant continu pour lisser le courant continu appliqué à l’onduleur. Le convertisseur de courant électrique peut faire partie d’un module d’entraînement électrique, lequel comprend également un moteur électrique contrôlé par le convertisseur de courant électrique. Le module d’entraînement électrique peut équiper un véhicule automobile, dans lequel il est par exemple configuré pour contrôler au moins une roue du véhicule automobile. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation présenté et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier. Liste de références 10 : système de refroidissement d’un composant 12 : canal de refroidissement 14 : cavité du canal de refroidissement 16 : entrée générale de fluide de refroidissement 18 : sortie générale de fluide de refroidissement 20 : paroi inférieure du canal de refroidissement 22 : structure de refroidissement 24 : pile de couches 26 : couche 28 : plaque d’interface 30 : moyen de rappel élastique 32 : surface de la paroi inférieure orientée vers la pile de couches 34 : épaulement périphérique de la surface de la paroi inférieure orientée vers la pile de couches 35 : entrée de fluide de refroidissement 36 : contour extérieur de l’épaulement périphérique Système de refroidissement (10) d’un composant comprenant : - un canal de refroidissement (12) comprenant une paroi dite inférieure (20), - une structure de refroidissement (22) comprenant une pile (24) de couches (26) empilées les unes sur les autres, dans laquelle chaque couche (26) comprend des cellules présentant chacune au moins une ouverture en communication avec une cellule d’une autre couche (26), lesdites cellules ayant une portion en forme de méandre, dans laquelle les couches (26) sont destinées à être empilées entre une plaque d’interface (28) avec le composant, dite plaque d’interface, et la paroi inférieure (20) du canal de refroidissement (12), le système de refroidissement (10) comprenant en outre un moyen de rappel élastique (30) configuré pour exercer une pression entre la paroi inférieure (20) du canal de refroidissement (12) et la pile (24) de couches (26). Système de refroidissement (10) d’un composant selon la revendication 1, dans lequel le moyen de rappel (30) est constitué d’au moins une pièce, et cette pièce est rapportée entre la paroi inférieure (20) et à la pile (24) de couches (26). Système de refroidissement (10) d’un composant selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de rappel (30) est configuré pour appuyer en plusieurs points de la pile (24) de couches (26). Système de refroidissement (10) d’un composant selon la revendication précédente, dans lequel le moyen de rappel (30) est un ressort à lame ondulée. Système de refroidissement (10) d’un composant selon la revendication précédente, dans lequel la paroi inférieure (20) comprend sur sa surface (32) orientée vers la pile (24) de couches (26) un épaulement périphérique (34), et le ressort à lame ondulée (30) est configuré pour appuyer en plusieurs points de l’épaulement périphérique (34). Système de refroidissement (10) d’un composant selon la revendication précédente, dans lequel les couches (26) ont des dimensions supérieures à celles du contour extérieur (36) de l’épaulement périphérique (34). Système de refroidissement (10) d’un composant selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel le moyen de rappel (30) est précontraint à l’intérieur de la paroi inférieure (20). Module de puissance comprenant : - un corps principal, et - un système de refroidissement (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, fixé au corps principal. Convertisseur de courant électrique, en particulier onduleur, comprenant un module de puissance selon la revendication 8. Procédé d’assemblage d’un système de refroidissement (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : - on assemble la paroi inférieure (20) du canal de refroidissement (12) et le moyen de rappel élastique (30), et - on empile les couches (26) entre le moyen de rappel élastique (30) et une plaque d’interface (28).