Brevet FR3152700A1 — publié le 20250307

La présente invention concerne un procédé et un équipement de refroidissement de composant électronique par immersion dans un liquide diélectrique contenu dans une chambre (1) caractérisé en ce que l’on accouple thermiquement ledit composant électronique (11) avec un dissipateur thermique (16) présentant des ailettes (17) disposées dans des plans verticaux, l’ensemble étant plongé dans ledit liquide diélectrique, et en ce que l’on procède en outre une injection de bulles depuis la partie inférieure de ladite chambre en direction dudit dissipateur thermique (16). Figure de l’abrégé : figure 2 Refroidissement de systèmes électroniques en immersion par injection contrôlée de bulles d'air Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine du refroidissement de circuits électroniques à l’aide d’un liquide de refroidissement (en anglais « immersion cooling »). Le refroidissement des systèmes informatiques tend à devenir une problématique de premier plan pour de nombreuses applications dans les télécommunications, la gestion des données ou encore dans la sécurité informatique. En effet, les densités de puissance à dissiper augmentent du fait de la miniaturisation des composants informatiques et de l’augmentation de la puissance de calcul. D’autre part, la limite de température acceptable pour une puce de processeur informatique reste constante, aux environs de 85°C. Le refroidissement classique par circulation d’air arrive donc à ses limites pour de nombreuses applications demandant des ressources importantes et par conséquent, nécessite une charge électrique élevée dédiée au refroidissement. Le refroidissement par immersion dans un liquide diélectrique constitue une alternative au refroidissement par air, plus coûteuse mais plus efficace. Le développement d'un fluide électriquement non conducteur ou diélectrique permet l'utilisation d'un refroidissement par immersion dans lequel des composants informatiques et d'autres composants électroniques peuvent être immergés afin de transférer la chaleur directement du composant au liquide. Le refroidissement par immersion peut être utilisé pour réduire l’énergie totale nécessaire au refroidissement des composants informatiques et peut également réduire la quantité d’espace et d’équipement nécessaire à un refroidissement adéquat. Le refroidissement par immersion consiste à immerger tous les composants informatiques (Carte mère, carte graphique, processeur, RAM etc.) dans un fluide diélectrique, c’est-à-dire isolant électriquement. Cette technologie permet un meilleur refroidissement des composants que le refroidissement par air du fait de la plus grande capacité calorifique des liquides. Les densités de flux évacuées sont de l’ordre de 20 à 50 fois plus importantes que par un refroidissement à air classique. En revanche, ces fluides sont visqueux et dans une optique de réduction de consommation énergétique des systèmes de refroidissement, la puissance liée à la mise en mouvement du fluide doit être la plus faible possible Etat de la technique Le refroidissement par immersion pour des systèmes électriques est connu depuis près de 150 ans. En effet, à la fin du XIXe siècle, les premiers transformateurs électriques ont été immergés dans de l’huile pour les refroidir. L’intérêt général du refroidissement par immersion pour les systèmes informatiques s’est développé au milieu des années 2000 lorsque la chaleur dissipée par les processeurs informatiques a approché 1 kW/m 2 . Il existe, à l’heure actuelle, deux technologies de refroidissement par immersion : avec ou sans changement de phase. Dans le premier cas, le fluide diélectrique reste à l’état liquide tandis que dans le second, le liquide dont la température d’ébullition est faible (entre 40 et 70°C) s’évapore puis est condensé afin de former un cycle. Le refroidissement par immersion sans changement de phase est limité à des coefficients d’échange convectif de l’ordre de 2 kW/m 2 .K alors que le changement de phase permet un meilleur refroidissement mais peut mener à des instabilités hydrodynamiques. D’autre part, les fluides utilisés dans ce dernier cas sont des composés per- et polyfluoroalkylées dont l’utilisation risque d’être fortement limitée à l’horizon 2025 après le dépôt d’une proposition de restriction par l’agence européenne des produits chimiques. Le refroidissement par liquide diélectrique, également appelé refroidissement par liquide, repose généralement sur la circulation d'un liquide diélectrique à travers un système de refroidissement pour dissiper la chaleur des composants électroniques. Dans les systèmes de refroidissement par liquide diélectrique, la chaleur est transférée du composant électronique vers le liquide diélectrique par convection, puis dissipée vers l'extérieur du système à l'aide d'un radiateur et d'un ventilateur. Ce processus se déroule généralement sans l'ajout de bulles d'air. Cependant, il est important de noter que le refroidissement par liquide diélectrique offre déjà une efficacité supérieure par rapport au refroidissement par air traditionnel dans les systèmes électroniques. Il utilise généralement des solutions telles que des radiateurs et des pompes pour assurer une dissipation efficace de la chaleur, ce qui peut mener dans certains cas à une surconsommation électrique. La demande de brevet US20220151097A1 de la société GREEN REVOLUTION COOLING propose une unité de distribution de liquide de refroidissement, un collecteur de fluide de refroidissement, une conduite d'alimentation et de retour, et une ou plusieurs grilles de refroidissement par immersion. L'unité de distribution de liquide de refroidissement peut être configurée pour ajuster une température et pomper un fluide utilisé comme fluide de refroidissement. Le collecteur de fluide de refroidissement peut redistribuer le fluide. Les grilles de refroidissement par immersion peuvent être disposées entre l'unité de distribution de liquide de refroidissement et le collecteur de fluide de refroidissement. Chaque grille de refroidissement par immersion peut être couplée au collecteur de fluide de refroidissement par l'intermédiaire d'un conduit d'entrée pour recevoir le fluide provenant du collecteur de fluide de refroidissement et d'un conduit de sortie pour renvoyer le fluide au collecteur de fluide de refroidissement. Le brevet européen EP2430893B1 de la société Iceotope décrit un module de refroidissement comprenant un boîtier, un dispositif de transfert de chaleur doté d'une surface de conduction, le boîtier et la surface de conduction définissant ensemble un volume dans lequel un premier liquide de refroidissement peut être placé, le dispositif de transfert de chaleur définissant en outre un canal destiné à recevoir un second liquide de refroidissement, la surface de conduction séparant le volume et le canal pour permettre la conduction de la chaleur entre le volume et le canal à travers la surface de conduction ; et des composants électroniques situés dans le volume. Au moins une partie de la surface de conduction ou du boîtier est conformée à la forme des composants électroniques. On connaît dans l’état de la technique de multiples solutions de refroidissement de composants électronique par immersion dans un liquide diélectrique en circulation. Le brevet US6992888B1 décrit un module de refroidissement formé par une plaque froide sur laquelle sont montés des semi-conducteurs et fermée par un couvercle pour former une chambre. Le refroidissement des semi-conducteurs est assurée par un liquide diélectrique, par exemple un mélange de fluorocarbures de différents points d'ébullition, circulant dans la chambre. Le liquide a un point d'ébullition légèrement inférieur aux températures des points "chauds", afin de former de petites bulles pendant le fonctionnement, ce qui améliore le flux de convection. Ce document précise que l'ajustement du point d'ébullition du liquide thermo-conducteur occupant la cavité de refroidissement présente l'avantage de produire des bulles qui "agite" le liquide et génère un mouvement de convection du liquide des points chauds vers les surfaces de la plaque froide exposées au liquide. Ce mouvement de convection s'ajoute au mouvement de chaleur fourni par le liquide diélectrique. Le liquide diélectrique utilise la formation de petites bulles pour améliorer la convection afin d'améliorer le transfert de chaleur par rapport à celui fourni par la conduction thermique du liquide pris seul. La demande de brevet WO2020100816A1 décrit un autre exemple de dispositif de refroidissement de circuits électroniques plongés dans un liquide de refroidissement, avec un corps tubulaire poreux d'émission de bulles immergé dans le liquide de refroidissement. Les composants sont montés dans la chambre pour être baignés par le liquide de refroidissement. Un mécanisme de décharge de gaz dans un liquide, par exemple une structure alimenté par une pompe est connectée à un corps tubulaire ou un corps poreux ayant de petits trous pour former des bulles. L'action des bulles entraîne une circulation du fluide dans la chambre, ce qui permet de faire circuler le fluide autour des composants électroniques et autour de la chambre. Les ailettes de refroidissement montées à l'extérieur de la chambre dissipent la chaleur générée par les composants. Les tubes de guidage des bulles guident les bulles vers le haut, et le fluide confiné dans les tubes entre les bulles est déplacé (poussé) vers le haut. La demande de brevet US20120247737A1 décrit une chambre de refroidissement pour composants électroniques formé par une chambre conductrice contenant un fluide à faible point d'ébullition. Le brevet US4050507A décrit un autre exemple de transfert de chaleur à partir des parois d'une unité électronique telle qu'une puce ou une plaquette semi-conductrice en déterminant les caractéristiques de transfert de chaleur requises des unités ; percer des trous d'une taille et d'un emplacement prédéterminés dans les parois de l'unité avec un faisceau à haute énergie conformément aux caractéristiques de transfert de chaleur requises de l'unité ; immerger l'unité dans un réfrigérant diélectrique approprié de sorte que l'ébullition nucléée commence approximativement à la température de paroi souhaitée pour obtenir le transfert de chaleur requis à partir de l'unité, fournissant ainsi une température de paroi uniforme. Un autre aspect est l'inclusion d'un moyen de chauffage situé au niveau ou à proximité du fond de la paroi de transfert de chaleur de sorte que la génération de bulles puisse y être démarrée, lesquelles bulles lavent le liquide des trous forés en aval ou des sites de nucléation naturels, démarrant ainsi ébullition nucléée lorsque la température requise est atteinte. Inconvénients de l’art antérieur La plupart des solutions de l’art antérieur prévoit la formation de bulles par vaporisation locale du liquide de refroidissement, ce qui n’est pas satisfaisant car induit des points chauds locaux. La demande WO2020100816A1 propose une solution de refroidissement de systèmes informatiques (Calculateurs, Serveurs) par immersion liquide avec injection d’air par un bulleur. Les bulles se déplacent verticalement dans le liquide de refroidissement, de manière erratique et n’interagisse qu’exceptionnellement avec les surfaces du circuit électronique plongé dans le liquide diélectrique de refroidissement. Solution apportée par l’invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale, un procédé de refroidissement de composant électronique par immersion dans un liquide diélectrique contenu dans une chambre caractérisé en ce que l’on accouple thermiquement ledit composant électronique avec un dissipateur thermique présentant des ailettes disposées dans des plans verticaux, l’ensemble étant plongé dans ledit liquide diélectrique, et en ce que l’on procède en outre une injection de bulles depuis la partie inférieure de ladite chambre en direction dudit dissipateur thermique . De préférence, on commande la génération de bulles de manière intermittente. Avantageusement, le cycle d’injection des bulles alterne des séquences d’injection de bulles pendant N secondes et des périodes d’arrêt de l’injection de bulles pendant PxN secondes, N étant compris entre 0,3 et 0,8 et P étant compris entre 2 et 6. L’invention concerne aussi un équipement de refroidissement de composant électronique par immersion dans un liquide diélectrique contenu dans une chambre, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dissipateur thermique lié thermiquement audit composant électronique plongé dans le liquide diélectrique, ledit dissipateur thermique présentant des ailettes disposés dans des plans verticaux, et en ce que et ladite chambre présente un fond muni d’au moins un bulleur dans la partie inférieure de ladite chambre, à la verticale dudit dissipateur thermique. De préférence, ledit bulleur est alimenté par une pompe commandée pour un fonctionnement séquentiel. Selon une variante, l’équipement selon l’invention comprend un circuit de refroidissement du liquide diélectrique comprenant : un premier échangeur liquide-liquide plongé dans la chambre et dans le liquide diélectrique contenu dans cette chambre un échangeur thermique, dans l’exemple décrit un échangeur eau-air une pompe de circulation, assurant la circulation d’un liquide caloporteur dans ce circuit de refroidissement. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : FIG. 1 la FIG. 1 représente une vue schématique de face d’une variante de réalisation FIG. 2 la FIG. 2 représente une vue schématique de haut d’une variante de réalisation FIG. 3 la FIG. 3 représente la courbe d’évolution temporelle d'injection des bulles d'air pendant 30s FIG. 4 la FIG. 4 représente la courbe d’évolution temporelle de la température du processeur avec et sans injection de bulles d'air FIG. 5 la FIG. 5 représente la courbe d’évolution temporelle du coefficient d'échange convectif entre le processeur et le fluide Principe général de l’invention La description qui suit illustre un exemple non limitatif de système de refroidissement des systèmes informatiques (calculateurs, Serveurs) par immersion liquide avec injection d’air. Cet objectif s’inscrit notamment dans l’objectif de réduction de la consommation électrique dédiée au refroidissement des composants informatiques dans les entreprises. L’invention concerne principalement le mode d’injection des bulles, qui ne résulte pas, de vaporisation de la phase liquide au contact de points chauds comme dans l’art antérieur, mais de l’injection de bulles d’air dans le fond de la chambre d’immersion des composants électroniques dans le liquide diélectrique, de préférence à la verticale d’ailettes de refroidissement associés thermiquement aux circuits électroniques, et de préférence avec une libération séquentielle de bulles. En associant le circuit électronique à un dissipateur thermique, l’ensemble étant plongé dans le liquide diélectrique, on améliore significativement l’effet des bulles qui viennent casser la formation de la couche limite thermique améliorant ainsi l’efficacité des échanges thermiques avec le fluide diélectrique. Description d’un exemple d’architecture Les figures 1 et 2 représentent des vues respectivement de face et de dessus d’un équipement de refroidissement de circuits électroniques selon l’invention. Il comprend une chambre (10) associée optionnellement à un circuit de refroidissement du liquide diélectrique comprenant : un premier échangeur liquide-liquide (15) plongé dans la chambre (10) et dans le liquide diélectrique contenu dans cette chambre (10) un échangeur thermique (20), dans l’exemple décrit un échangeur eau-air une pompe de circulation (25), assurant la circulation d’un liquide caloporteur dans ce circuit de refroidissement. La chambre (10) est constituée par une cuve contenant un liquide diélectrique (2) ainsi que le premier échangeur thermique liquide-liquide (15). Le ou les composants électroniques (11) sont associés à un dissipateur thermique (16) formé dans l’exemple décrit par des ailettes verticales (17) prolongeant une base (12) associée thermiquement au composant électronique (11), par exemple via une pâte thermique. Le ou les composants électroniques (11) et le dissipateur thermique (16) sont plongés dans le liquide diélectrique (2). Le liquide diélectrique (2) est un fluide thermiquement conducteur, mais électriquement sensiblement non conducteur ou sensiblement diélectrique. Il est nécessaire pour le fluide d’immersion d’avoir deux propriétés physiques bien spécifiques : Le fluide doit être diélectrique sur la plage de tension d’utilisation des composants qui y seront plongés, c’est-à-dire qu’il doit être isolant afin d’empêcher les courts-circuits. Le fluide doit avoir des propriétés thermo-physiques adaptés pour être un bon fluide caloporteur (grande capacité thermique, bonne conductivité thermique…). Des exemples de tels fluides comprennent l’eau déminéralisée, les fluides fluorocarbonés et les huiles minérales ou synthétiques, et plus particulièrement des fluides techniques du type EC-110 TM d’EngineeredFluids ou SHELL™ S3X ou S5X, bien que l’invention décrite ne soit limitée à aucun fluide diélectrique particulier. A titre d’exemple, les propriétés thermophysiques du fluide EC-110 TM à 20°C sont les suivantes : Pour éviter d’utiliser des fluides diélectriques nocifs tels que les liquides fluorocarbonés, l’invention vise à améliorer l’efficacité du refroidissement par la formation de bulles injectées depuis le fond (12) pour circuler verticalement à la surface du dissipateur thermique (16) afin de perturber la formation de la couche limite thermique par des turbulences produites à proximité des surfaces d’échange thermique. Suivant la nature et surtout la viscosité du liquide diélectrique, la cuve comprend une pompe de circulation injectant le liquide diélectrique par des buses disposées sur le fond (12), préférentiellement en dessous des points d’injection des bulles. Par exemple, le liquide diélectrique (2) est injecté par le fond (12) présentant une ou plusieurs entrées (13) d’un diamètre d’environ 4 mm, avec une vitesse d’environ 5 cm/s. L’injection de bulles se fait par une entrée (13) de 2mm avec une vitesse de 1m/s pendant 0.5s toutes les 2s, selon une séquence illustrée par la FIG. 3 . La vitesse du liquide à l’entrée du domaine est de 5cm/s tandis que de l’air est injecté périodiquement avec une vitesse de 1m/s. La température des deux fluides est de 300K. L’injection de bulles de gaz est faite par un bulleur (18) alimenté par un compresseur d’air. Le bulleur (18) est constitué par exemple par des barreaux poreux ou des membranes percées assurant la formation des bulles en paroi d’un écoulement cisaillé. Séquençage de l’injection de bulles La FIG. 3 montre l’évolution temporelle de la valeur moyenne de la température du processeur. Sans injection de bulles d’air (courbe 5), on observe tout d’abord un léger refroidissement puis une montée en température jusqu’à atteindre 54°C environ tandis que la présence d’air (courbe 6) permet un refroidissement rapide de 10°C en 15s puis plus lent atteignant 13°C au bout de 30s. Le faible refroidissement observé initialement sans injection est probablement dû à l’établissement de la couche limite thermique. En effet, dans les premiers instants le processeur chaud est en contact direct avec le liquide plus froid ce qui créé un flux thermique important quittant le CPU et qui n’est pas compensé par la génération de chaleur de ce dernier. En revanche, à mesure que le fluide s’échauffe et que la couche limite thermique s’établit, le transfert de chaleur entre le processeur et le fluide diminue et devient plus faible que la génération de chaleur interne et donc le CPU s’échauffe. Pour s’en assurer, le coefficient d’échange convectif, défini par l’équation 1 est représenté en fonction du temps sur la FIG. 4 . (1) où , T CPU et T f représentent respectivement la densité de flux de chaleur à la surface du processeur, la température de surface du processeur et la température moyenne du fluide. Sans injection, la courbe du coefficient d’échange convectif est caractéristique de l’établissement de la couche limite thermique autour du processeur pour atteindre une valeur de 30W/m²K environ au bout de 30s. En revanche, avec injection de bulles, d’importantes fluctuations sont notées mais surtout, il est clairement visible que la couche limite thermique n’a pas le temps de s’établir et est constamment détruite. Par conséquent, le coefficient d’échange convectif moyen stagne autour de 400W/m²K environ, soit un gain d’un facteur 13 par rapport au refroidissement sans injection. L’injection séquentielle de bulles permet de générer de la turbulence et d’empêcher la formation de la couche limite thermique autour du processeur. Ainsi le refroidissement de ce dernier est bien meilleur. Procédé de refroidissement de composant électronique par immersion dans un liquide diélectrique contenu dans une chambre (1) caractérisé en ce que l’on accouple thermiquement ledit composant électronique (11) avec un dissipateur thermique (16) présentant des ailettes (17) disposées dans des plans verticaux, l’ensemble étant plongé dans ledit liquide diélectrique, et en ce que l’on procède en outre une injection de bulles depuis la partie inférieure de ladite chambre en direction dudit dissipateur thermique (16). Procédé de refroidissement de composant électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’on commande la génération de bulles de manière intermittente. Procédé de refroidissement de composant électronique selon la revendication 2 caractérisé en ce que le cycle d’injection des bulles alterne des séquences d’injection de bulles pendant N secondes et des périodes d’arrêt de l’injection de bulles pendant PxN secondes, N étant compris entre 0,3 et 0,8 et P étant compris entre 2 et 6. Équipement de refroidissement de composant électronique par immersion dans un liquide diélectrique contenu dans une chambre, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dissipateur thermique (16) lié thermiquement audit composant électronique plongé dans le liquide diélectrique, ledit dissipateur thermique (16) présentant des ailettes (17) disposés dans des plans verticaux, et en ce que et ladite chambre (1) présente un fond muni d’au moins un bulleur (18) dans la partie inférieure de ladite chambre, à la verticale dudit dissipateur thermique (16). Équipement de refroidissement de composant électronique selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit bulleur (18) est alimenté par une pompe commandée pour un fonctionnement séquentiel. Équipement de refroidissement de composant électronique selon la revendication 4 caractérisé en ce qu’il comprend un circuit de refroidissement du liquide diélectrique comprenant : un premier échangeur liquide-liquide (15) plongé dans la chambre (10) et dans le liquide diélectrique contenu dans cette chambre (10) un échangeur thermique (20), une pompe de circulation (25), assurant la circulation d’un liquide caloporteur dans ce circuit de refroidissement.