REFROIDISSEMENT DE COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES ET/OU ÉLECTRIQUES PAR CALODUC PULSÉ ET ÉLÉMENT DE CONDUCTION THERMIQUE

Description

Domaine technique de l'invention

[0001] L'invention concerne un système de refroidissement pour un dispositif comprenant des composants électroniques et/ou électriques à refroidir, le système comprenant un caloduc oscillant comprenant un tube dans lequel un fluide caloporteur circule de manière puisée, le tube étant enroulé de sorte à former un serpentin.

[0002] L'invention a pour objet également un dispositif comprenant des composants électroniques et/ou électriques à refroidir et au moins un tel système de refroidissement.

État de la technique

[0003] Il a déjà été imaginé, à l'image des solutions décrites dans les documents US7926982, US20090147522 et US20090194254, de refroidir des composants électroniques de type diodes électroluminescentes par l'utilisation d'un système de refroidissement incluant au moins un caloduc dont au moins une partie froide est en échange thermique avec une source froide par convection. Ils mettent en oeuvre un moyen d'échange thermique par convection avec la source froide, transmettant les calories captées par au moins un tube de conduction thermique les transmettant latéralement vers une pluralité de radiateurs de refroidissement en convection thermique avec l'air. La source froide nécessite malheureusement l'utilisation d'une convection forcée. D'autre part, le sens de circulation du caloduc est important. Il en résulte une difficulté de mise en oeuvre d'industrialisation en grande série. Des systèmes de refroidissement comportant des caloducs sont également connus des documents US 2008/0117637 A1, WO 2010/055542 A2, EP 2444770 A1, GB 2250087 A et US 6026890 A. Tous ces systèmes sont complexes et coûteux à réaliser et à assembler. De plus, l'utilisation de thermosiphons diphasiques conduit à un fonctionnement très dégradé, voire inexistant, lorsque la source chaude en échange thermique avec la partie chaude des caloducs est située plus haut que la source froide.

[0004] Il est également connu d'utiliser des caloducs avec une structure capillaire qui peuvent dans une certaine mesure fonctionner dans une configuration où la source chaude est plus haute que la source froide. Néanmoins, cette solution nécessite des structures capillaires coûteuses et présente des performances intrinsèquement limitées par le capillaire.

Objet de l'invention

[0005] Le but de la présente invention est de proposer un système de refroidissement qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.

[0006] Notamment, un objet de l'invention est de fournir un tel système de refroidissement qui soit peu coûteux à réaliser et à assembler, simple, ayant de bonnes performances, et ce indépendamment des positions relatives occupées par les sources chaude et froide qui sont en échange thermique avec le système de refroidissement.

[0007] Ces objets peuvent être atteints par tout ou partie des revendications annexées, en particulier par un système de refroidissement pour un dispositif comportant des composants électroniques et/ou électriques à refroidir, le système comprenant un caloduc oscillant ayant un tube dans lequel un fluide caloporteur circule de manière puisée, le tube étant enroulé de sorte à former un serpentin, et au moins un élément de conduction thermique en contact avec les composants et en contact avec une surface principale du serpentin, l'élément de conduction thermique étant en contact sur une partie de ladite surface principale de sorte que le caloduc oscillant a au moins une partie chaude d'évaporation du fluide caloporteur située au niveau de la zone de contact entre le serpentin et l'élément de conduction thermique et servant à évacuer de la chaleur depuis les composants et au moins une partie froide de condensation du fluide caloporteur située en dehors de la zone de contact entre le serpentin et l'élément de conduction thermique et servant à dissiper la chaleur absorbée par le caloduc oscillant, chaque partie froide du caloduc oscillant étant en contact thermique par convection naturelle ou forcée avec de l'air et le caloduc oscillant évacue les calories précédemment captées depuis les composants par le biais dudit contact thermique et le tube est un tube extrudé multiport délimitant des canaux parallèles.

Description sommaire des dessins

[0008] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :

• les figures 1 et 2 sont des vues en perspective d'un premier exemple de système de refroidissement selon l'invention,
• la figure 3 est une vue de détails du tube multiport utilisé dans les figures 1 et 2,
• les figures 4 et 5 sont des vues en perspective, respectivement à l'état assemblé et en éclaté, d'un deuxième exemple de système de refroidissement selon l'invention,
• les figures 6 à 8 représentent en perspective trois modes de réalisation envisageables pour l'aménagement des parties froides du caloduc oscillant,
• les figures 9 et 10 représentent un troisième exemple de système de refroidissement selon l'invention, respectivement en perspective et en vue de dessous,
• les figures 11 et 12 représentent un quatrième exemple de système de refroidissement selon l'invention, respectivement en perspective et en vue de dessous,
• les figures 13 à 15 représentent en perspective respectivement des cinquième, sixième et septième exemples de systèmes de refroidissement selon l'invention,
• et les figures 16 à 20 illustrent cinq modes de réalisation possibles pour l'organisation du tube enroulé en serpentin.

Description de modes préférentiels de l'invention

[0009] En référence aux figures 1 à 20, un système de refroidissement 10 pour un dispositif comprenant lui-même des composants électroniques et/ou électriques 100 à refroidir, comprend un caloduc oscillant 11 comportant un tube dans lequel un fluide caloporteur caloporteur par exemple de l'acétone à 50 % du volume intérieur total du tube) circule de manière puisée. Le tube est enroulé de sorte à former un serpentin 12. Ce type caloporteur oscillant 11 est aussi connu sous la dénomination de « caloduc puisé » ou sous l'acronyme « PHP » pour « pulsating heat pipe » en terminologie anglaise.

[0010] Dans le caloduc oscillant 11, le tube est partiellement rempli de fluide caloporteur, notamment de nature caloporteur, qui prend naturellement la forme d'une succession de bulles de vapeur et de bouchons de liquide. Cette séparation de phases résulte principalement des forces de tension superficielle. Lorsque le caloduc oscillant 11 est chauffé dans une partie chaude et refroidi dans une partie froide, les écarts de température résultants génèrent des fluctuations de pression à la fois temporelles et spatiales, elles-mêmes associées à la génération et à la croissance de bulles de vapeur dans l'évaporateur et à leur implosion dans le condenseur. Ces fluctuations agissent comme un système de pompage permettant de transporter le liquide et les bulles de vapeur entre les parties chaudes et froides.

[0011] Les composants 100 sont notamment choisis parmi au moins un circuit électronique, un composant électronique de puissance de type thyristor ou un transistor bipolaire à grille isolée, un dispositif d'éclairage comprenant des diodes électroluminescentes de puissance, un dispositif photovoltaïque, une batterie, une pile à combustible ou tout autre système de puissance.

[0012] Pour faciliter la compréhension de la suite de la description, un repère orthonormé est associé au caloduc oscillant 11 avec une direction longitudinale X, une direction latérale Y perpendiculaire à la direction X et une direction verticale Z perpendiculaire au plan défini par les directions X et Y.

[0013] Le système de refroidissement 10 comprend également au moins un élément de conduction thermique 13 en contact avec les composants 100 et en contact avec une surface principale 12a du serpentin 12.

[0014] Ainsi, le dispositif en tant que tel comprend les composants électroniques et/ou électriques 100 à refroidir et au moins un tel système de refroidissement 10 assurant le refroidissement de ces composants 100 qui sont alors en contact avec l'élément de conduction thermique 13, ce dernier étant en contact avec la surface principale 12a du serpentin 12.

[0015] Dans l'exemple illustré aux figures 4 et 5, les composants 100 comprennent par exemple un circuit imprimé électronique 101 de type « MPCB » (pour « Métal Printed Circuit Board » en terminologie anglosaxonne) équipé de diodes électroluminescentes 102, un dispositif collimateur 103 et un capot 104. Sur la figure 2, seuls le circuit 101 et les diodes 102 sont représentées.

[0016] L'élément de conduction thermique 13 est préférentiellement constitué par au moins une platine ou embase fixée sur la surface principale 12a du serpentin 12 et sur laquelle les composants 100 sont fixés. Ainsi, la platine est fixée à la surface principale 12a par brasage, soudure, collage, ou tout moyen équivalent et adapté à la fonction recherchée. Le circuit 101 est fixé à la platine par exemple par l'intermédiaire de vis de fixation. Un matériau d'interface thermique (graisse thermique, polymère conducteur thermique ou toute solution équivalente) peut être interposé entre la platine et le circuit 101.

[0017] Préférentiellement, chaque platine est formée dans un matériau présentant une conductivité thermique supérieure à 150 W·m^-1·K^-1. La platine est avantageusement métallique : elle peut être constituée préférentiellement d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium ou de cuivre.

[0018] Ainsi, le premier exemple selon les figures 1 à 3, le deuxième exemple selon les figures 4 et 5, le troisième exemple selon les figures 9 et 10, le cinquième exemple selon la figure 13 et le sixième exemple selon la figure 14 correspondent à un système de refroidissement 10 dans lequel une seule platine métallique est en contact de la surface principale 12a du serpentin 12, dans une zone unique particulière de celle-ci. Le quatrième exemple selon les figures 11 et 12 et le septième exemple selon la figure 15 correspondent à un système de refroidissement 10 dans lequel plusieurs platines sont en contact de la surface principale 12a du serpentin 12, dans différentes zones de celle-ci.

[0019] Préférentiellement et de la manière illustrée dans tous les exemples de système 10, le tube est enroulé dans un plan principal de sorte à former un serpentin 12 de forme plane. Le plan principal est orienté selon les directions longitudinale X et latérale Y de sorte que tout vecteur normal à ce plan est parallèle à la direction verticale Z. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le tube comporte deux surfaces principales 12a et 12b opposées, qui sont des surfaces extérieures du tube et formant la tranche du tube caloduc. Chacune des deux surfaces principales 12a et 12b est avantageusement plane et orientée dans le plan principal formé selon les directions X et Y. Ces deux surfaces sont reliées entre elles par une surface latérale définissant l'épaisseur dudit tube. Parmi les deux surfaces principales 12a et 12b, on définit une surface principale inférieure 12a dont une partie est destinée à être en contact avec l'élément de conduction thermique 13 et une surface principale supérieure 12b. L'élément de conduction thermique pourrait être en contact avec la surface principale supérieure 12b.

[0020] Dans l'exemple illustré, du côté opposé à l'élément de conduction thermique 13 suivant la direction Z, le serpentin 12 comprend donc la surface principale supérieure 12b, qui est également plane et orientée dans un plan (X, Y). L'épaisseur du serpentin 12 correspond au décalage suivant la direction Z entre les surfaces principales 12a et 12b.

[0021] Il est possible d'utiliser un tube de toute nature permettant une circulation pulsée du fluide caloporteur, par exemple selon le document CN10818999. Mais contrairement à ce document où l'apport de chaleur et le refroidissement du caloduc oscillant sont réalisés respectivement aux deux extrémités du serpentin grâce à un échange convectif avec des gaz chauds et froids, la solution décrite ici prévoit une conduction thermique avec la source chaude à refroidir, au niveau d'une surface principale du tube.

[0022] Il reste toutefois envisageable que le tube soit enroulé de sorte à former un serpentin 12 de forme gauche.

[0023] La platine présente notamment des dimensions nettement supérieures dans les directions X et Y que suivant la direction Z. Elle est par exemple de forme parallélépipédique. Elle comprend deux faces opposées suivant la direction Z respectivement en contact mécanique avec la surface principale 12a du serpentin 12 et avec les composants 100, ici le circuit 101.

[0024] Ainsi, il ressort de ce qui précède que la zone de la surface principale 12a du serpentin 12 en contact avec l'élément de conduction thermique 13 est plane (préférentiellement même dans le cas d'un serpentin de forme gauche) et parallèle à au moins un plan dans lequel le fluide caloporteur circule à l'intérieur du tube. En effet, il sera détaillé plus loin que le tube est constitué par un tube extrudé multiport délimitant des canaux 14 (figure 3) parallèles entre eux, dans chacun desquels circule de manière pulsée une fraction de la quantité totale de fluide caloporteur circulant dans le tube. L'enroulement du tube est réalisé de sorte que chaque canal 14 s'étend dans un plan (X, Y) de sorte que la fraction de fluide caloporteur qui y circule s'écoule dans un plan (X, Y). Ces plans d'écoulement sont tous parallèles et décalés deux à deux, notamment selon la direction Z. La zone de la surface principale 12a du serpentin 12 en contact avec l'élément de conduction thermique 13 est parallèle à ces plans dans lesquels les fractions de fluide caloporteur circulent séparément.

[0025] Le tube extrudé multiport est notamment organisé de sorte que les canaux 14 sont tous décalés deux à deux selon une même direction, notamment selon la direction Z. Le tube présente alors la forme générale d'un ruban et les canaux 14 sont répartis suivant la largeur de ce ruban. La largeur de ce ruban est dirigée selon la direction Z. Suivant sa longueur, le ruban est enroulé dans le plan principal précédemment mentionné afin de constituer le serpentin 12. Tous les canaux 14 sont parallèles et empilés suivant la direction Z.

[0026] En référence aux figures 16 et 17, les canaux 14 peuvent être indépendants les uns des autres et ne pas communiquer entre eux de manière fluidique concernant le fluide caloporteur. La figure 16 correspond à un mode de réalisation dans lequel chaque canal 14 présente la forme d'une boucle ouverte. Ainsi, chaque canal 14 constitue un caloduc oscillant individuel formant une boucle ouverte. Alternativement, le mode de réalisation selon la figure 17 prévoit que chaque canal 14 présente la forme d'une boucle fermée. Ainsi, chaque canal 14 constitue un caloduc oscillant individuel formant une boucle fermée.

[0027] En référence aux figures 18 à 20, plusieurs des canaux 14, voire l'ensemble des canaux 14 délimités par le tube multiport, sont interconnectés entre eux, notamment à leurs extrémités, de sorte à former un conduit en forme de serpentin enroulé dans une direction perpendiculaire à la surface principale 12a, c'est-à-dire dans la direction Z dans l'exemple illustré. La figure 18 correspond à un mode de réalisation dans lequel ce conduit présente la forme d'une boucle ouverte tandis que le mode de réalisation selon la figure 19 prévoit que ce conduit présente la forme d'une boucle fermée.

[0028] Enfin, le mode de réalisation de la figure 20 prévoit qu'au niveau des deux extrémités du tube multiport, tous les canaux 14 soient reliés entre eux par un collecteur commun 16 à l'ensemble des canaux. Il est possible de prévoir que seule l'une des extrémités du tube multiport soit équipée d'un tel collecteur 16. Le collecteur commun 16 est destiné à permettre une mise en parallèle de tous les canaux.

[0029] De manière générale, la sélection et la mise en oeuvre d'un mode de réalisation choisi parmi ceux des figures 16 à 20 dépendent de la conception de bouchons d'extrémité destinés à être aboutés aux extrémités du tube de sorte à arranger les canaux 14 de la manière recherchée en fonction du mode de réalisation sélectionné.

[0030] Lorsque le serpentin 12 est de forme avantageusement plane pour des raisons de facilité d'enroulement et d'encombrement, il est préférentiellement conformé de sorte à être parmi l'un des types suivants : à spires parallèles, à spires en spirale carrée, à spires en spirale circulaire.

[0031] Ainsi, le premier exemple selon les figures 1 à 3, le deuxième exemple selon les figures 4 et 5, le cinquième exemple selon la figure 13, le sixième exemple selon la figure 14 et le septième exemple selon la figure 15 correspondent à un système de refroidissement 10 dans lequel le serpentin 12 est conformé de sorte à présenter des spires parallèles entre elles, par exemple selon la direction longitudinale X.

[0032] Le troisième exemple selon les figures 9 et 10 correspond à un système de refroidissement 10 dans lequel le serpentin 12 est conformé de sorte à présenter des spires en spirale carrée. Un avantage de cette configuration est le fait de pouvoir ménager un espacement entre les spires ayant une valeur plus faible que dans la configuration à spires parallèles. Ceci permet d'éviter des rayons de courbure trop faibles sur le tube multiport, ce qui nuit aux performances du caloduc oscillant 11. Par ailleurs, l'espacement entre les spires étant plus réduit, il est possible d'obtenir un ensemble plus compact car plus de surface est développée pour la convection avec l'air. Il existe une valeur minimale de l'espacement entre les spires, connue de l'homme du Métier, en dessous de laquelle il convient toutefois de ne pas descendre afin de ne pas freiner la convection naturelle. De plus, le volume au centre de la spirale peut servir à loger l'électronique de commande des diodes 102.

[0033] Enfin, le quatrième exemple selon les figures 11 et 12 correspond à un système de refroidissement 10 dans lequel le serpentin 12 est conformé de sorte à présenter des spires en spirales circulaire. Il présente les mêmes avantages que l'exemple à spires en spirale carrée. Par ailleurs, le rayon de courbure du tube multiport étant encore augmenté, les performances sont améliorées par rapport à l'exemple à spires en spirale carrée.

[0034] L'organisation des spires au sein du serpentin 12 peut toutefois être quelconque de sorte que les exemples illustrés ne sont en aucun cas limitatifs du champ d'application de la solution.

[0035] Il est rappelé que l'élément de conduction thermique 13 est constitué notamment par une ou plusieurs platines. De manière générale, par ces dispositions, l'élément de conduction thermique 13 est en contact via ladite au moins une platine sur une partie uniquement de la surface principale 12a de sorte que le caloduc oscillant 11 présente :

• au moins une partie chaude d'évaporation du fluide caloporteur située au niveau de la zone de contact entre le serpentin 12 et l'élément de conduction thermique 13 et servant à évacuer de la chaleur depuis les composants,
• et au moins une partie froide de condensation du fluide caloporteur située en dehors de la zone de contact entre le serpentin 12 et l'élément de conduction thermique 13 et servant à dissiper la chaleur absorbée par le caloduc oscillant 11.

[0036] En particulier, le caloduc oscillant 11 comprend une partie chaude au niveau de chaque platine en contact avec la surface principale 12. La partie chaude correspond, au niveau de chaque platine, à la surface de serpentin 12 délimitée dans le plan (X, Y) par le contour de la surface de contact entre ladite platine et la surface principale 12a. Chaque partie froide est par contre formée en dehors des zones de contact entre la(les) platine(s) et la surface principale 12a. En fonction de l'organisation du serpentin 12, du nombre et de la position de chaque platine, le caloduc oscillant 11 peut comporter une ou plusieurs parties froides.

[0037] Ainsi, le premier exemple selon les figures 1 à 3, le deuxième exemple selon les figures 4 et 5, le troisième exemple selon les figures 9 et 10 et le sixième exemple selon la figure 14 correspondent chacun à un système de refroidissement 10 dans lequel le caloduc oscillant 11 comprend une unique partie chaude (au niveau de la surface de contact entre l'unique platine et la surface principale 12a) située dans une zone centrale du serpentin 12 selon la direction X et deux parties froides situées dans des zones latérales du serpentin 12 décalées entre elles selon la direction X et disposées de part et d'autre de la partie chaude selon cette direction X. Chaque partie chaude et froide s'étend sur toute la largeur du caloduc oscillant 11 suivant la direction latérale Y. Toutefois, il pourrait être envisagé par exemple que la partie chaude ne soit disposée que sur une partie de la largeur du caloduc suivant la direction latérale Y. De chaque côté de la partie chaude centrale, le caloduc oscillant 11 forme des boucles qui sont en convection naturelle dans l'air de sorte à constituer les deux parties froides.

[0038] Le quatrième exemple selon les figures 11 et 12 correspond à un système de refroidissement 10 dans lequel le caloduc oscillant 11 comprend quatre parties chaudes (au niveau de la surface de contact entre les quatre platines et la surface principale 12a) réparties angulairement dans le plan (X, Y) autour de la spirale circulaire et quatre parties froides délimitées deux à deux par les parties chaudes. Il va de soi que le nombre de platines peut être différent de quatre.

[0039] Le cinquième exemple selon la figure 13 correspond à un système de refroidissement 10 dans lequel le caloduc oscillant 11 comprend une unique partie chaude (au niveau de la surface de contact entre l'unique platine et la surface principale 12a) située dans une zone latérale du serpentin 12 selon la direction X et une seule partie froide située dans l'autre zone latérale du serpentin 12 selon la direction X. Chaque partie chaude et froide s'étend sur toute la largeur du caloduc oscillant 11 suivant la direction latérale Y. Toutefois, il pourrait être envisagé par exemple que la partie chaude ne soit disposée que sur une partie de la largeur du caloduc oscillant 11 suivant la direction latérale Y.

[0040] Le septième exemple selon la figure 15 correspond à un système de refroidissement 10 dans lequel le caloduc oscillant 11 comprend trois parties chaudes (au niveau de la surface de contact entre les trois platines constitutives de l'élément de conduction thermique 13 et la surface principale 12a). Les trois parties chaudes s'étendent sur toute la largeur du caloduc oscillant 11 suivant la direction latérale Y. Les trois platines sont écartées l'une de l'autre selon la direction X de sorte à délimiter deux parties froides. De chaque côté latéral du caloduc oscillant suivant la direction X, les deux platines sont distantes des bords latéraux du serpentin 12 de sorte à délimiter deux parties froides supplémentaires. Ainsi, le caloduc oscillant 11 comprend une alternance de quatre parties froides et de trois parties chaudes. Il va de soi que le nombre de platines peut être différent de trois.

[0041] Dans tous les exemples de système 10, chaque partie froide du caloduc oscillant 11 est en contact thermique par convection naturelle ou forcée avec de l'air. C'est par ce biais que le caloduc oscillant 11 évacue les calories précédemment captées depuis les composants 100. Le système de refroidissement 10 peut comporter un dispositif de mise en mouvement de l'air, tel qu'un ventilateur non représenté.

[0042] En référence aux figures 7 et 8, le système 10 peut facultativement comprendre des ailettes d'échange thermique 15 agencées entre les spires du serpentin 12 de sorte à les relier deux à deux. De telles ailettes d'échange thermique 15 peuvent être agencées au moins au niveau de ladite au moins une partie froide, voire éventuellement au niveau de ladite au moins une partie chaude. Elles sont par exemple formées en aluminium. La figure 6 représente le cas où de telles ailettes d'échange thermique 15 sont absentes entre les spires du serpentin 12.

[0043] Ces ailettes d'échange thermique 15, fixées aux parois externes du tube entre deux spires adjacentes, permettent d'augmenter la surface d'échange en convection naturelle ou forcée de chaque partie froide munie de telles ailettes. Elles peuvent être en accordéon et fixées entre les spires du serpentin 12 de la manière représentée sur les figures 7 et 8. Elles peuvent être rectangulaires, triangulaires ou tout autre forme connue et adaptée.

[0044] Les ailettes d'échange thermique 15 peuvent être corruguées, perforées, décalées, à persiennes.... De manière plus générale, elles peuvent présenter tout autre moyen permettant d'améliorer le coefficient d'échange thermique avec l'air afin d'augmenter le transfert de chaleur en convection naturelle ou forcée.

[0045] En outre, l'utilisation d'ailettes 15 permet d'augmenter la compacité du système de refroidissement en augmentant la surface d'échange avec l'air.

[0046] La solution décrite précédemment présente l'avantage d'être peu coûteuse à réaliser et à assembler, d'être simple tout en présentant de bonnes performances, et ce indépendamment des positions relatives occupées par les sources chaude et froide qui sont en échange thermique avec le système de refroidissement 10. Autrement dit, le système de refroidissement 10 décrit précédemment présente de bonnes performances quelle que soit l'orientation spatiale du caloduc oscillant 11 (auquel le repère (X, Y, Z) est lié) dans un repère absolu. Ainsi, par exemple, les performances de refroidissement sont très bonnes même dans le cas illustré sur les figures 2 et 4 où les composants 100 à refroidir, constitutif de la source chaude en couplage thermique avec la partie chaude du caloduc pulsé, est disposée spatialement dans un repère absolu au-dessus des parties froides du caloduc pulsé qui sont en couplage thermique avec l'air par convection naturelle ou forcée.

[0047] De manière générale, cette solution présente au moins l'avantage de diminuer la résistance thermique dans les parties chaude et froide, de ne pas nécessiter d'assemblage complexe et d'être simple à mettre en oeuvre et à réaliser, de présenter de très bonnes performances thermiques et de bénéficier d'une surface d'échange élevée entre les canaux du serpentin et l'air par convection naturelle ou forcée, de nécessiter peu de matière et d'être peu onéreux.

[0048] Un exemple d'application est détaillé ci-dessous pour le refroidissement d'un luminaire comprenant 25 diodes électroluminescentes 102. Chaque composant alimenté sous un courant de 700mA dissipe une puissance thermique de 1,5 W pour un flux lumineux d'environ 220 lumens. Pour l'ensemble des 25 diodes 102, la puissance thermique à dissiper est donc de 37,5 W pour une puissance lumineuse de 5500 lumens.

[0049] Dans cet exemple, il sera pertinent de choisir un système de refroidissement 10 présentant les paramètres suivants :

• nombre de spires : compris entre 2 et 20, ,
• fluide caloporteur : acétone, méthanol, ammoniac, n-heptane, tétrafluoroéthane, fluorocarbones,
• épaisseur des ailettes 15 : comprise entre 0,1 et 0,3 mm,
• diamètre interne des canaux 14 : compris entre 0,5 et 4 mm,
• hauteur du tube multiport : comprise entre 10 et 100 mm,
• espace entre les spires du serpentin 12 : compris entre 2 et 30 mm,
• espace entre les ailettes 15 : compris entre 1 et 15 mm.

[0050] La platine a une dimension de 40 à 90 mm suivant les axes X et Y (largeur et longueur) et de 2 à 10 mm suivant l'axe Z (épaisseur). La longueur de chaque partie froide du tube est comprise entre 20 et 200 mm et la largeur de chaque partie froide du tube est comprise entre 40 et 200mm.

[0051] La mise en oeuvre du dispositif peut prévoir les étapes suivantes :

• extrusion du tube multiport,
• fabrication du serpentin 12,
• fabrication de la platine métallique,
• fabrication des bouchons d'extrémité à mettre en place aux extrémités du tube multiport,
• assemblage des composants 100,
• brasage de l'ensemble,
• remplissage du caloduc oscillant 11 avec le fluide caloporteur,
• mise en place des diodes 102 sur le circuit 101,
• mise en place du dispositif collimateur 103,
• fixation du circuit 102 équipé des diodes 102 et du dispositif collimateur 103 sur la platine, par exemple grâce à des vis de fixation.

[0052] Des modélisations ont montré qu'il pouvait être intéressant de prévoir que la quantité totale de fluide caloporteur circulant dans le tube puisse ne circuler que dans au moins un desdits canaux 14, de préférence situé du côté de l'élément de conduction thermique.

[0053] Alternativement, le tube peut ne comprendre qu'un seul canal, de préférence enroulé de manière plane dans le plan X, Y, disposé du côté de l'élément de conduction thermique. Le tube est éventuellement rigidifié par une âme de rigidification, notamment une âme pleine dirigée selon Z du côté opposé à l'élément de conduction thermique par rapport à l'unique canal.

Revendications

1. Système de refroidissement (10) pour un dispositif comportant des composants électroniques et/ou électriques (100) à refroidir, le système (10) comprenant un caloduc oscillant (11) ayant un tube dans lequel un fluide caloporteur circule de manière puisée, le tube étant enroulé de sorte à former un serpentin (12), et au moins un élément de conduction thermique (13) en contact avec les composants (100) et en contact avec une surface principale (12a) du serpentin (12), l'élément de conduction thermique (13) étant en contact sur une partie de ladite surface principale (12a) de sorte que le caloduc oscillant (11) a au moins une partie chaude d'évaporation du fluide caloporteur située au niveau de la zone de contact entre le serpentin (12) et l'élément de conduction thermique (13) et servant à évacuer de la chaleur depuis les composants (100) et au moins une partie froide de condensation du fluide caloporteur située en dehors de la zone de contact entre le serpentin (12) et l'élément de conduction thermique (13) et servant à dissiper la chaleur absorbée par le caloduc oscillant (11), caractérisé en ce que chaque partie froide du caloduc oscillant (11) est en contact thermique par convection naturelle ou forcée avec de l'air et le caloduc oscillant (11) évacue les calories précédemment captées depuis les composants (100) par le biais dudit contact thermique et en ce que le tube est un tube extrudé multiport délimitant des canaux (14) parallèles.

2. Système de refroidissement (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de ladite surface principale (12a) du serpentin (12) en contact avec l'élément de conduction thermique (13) est plane et parallèle à au moins un plan dans lequel le fluide caloporteur circule.

3. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube est enroulé dans un plan principal (X, Y) de sorte à former un serpentin (12) plan et en ce que ladite surface principale (12a) du serpentin (12) est plane et parallèle audit plan principal.

4. Système de refroidissement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les canaux (14) sont répartis selon une direction (Z) perpendiculaire au plan principal (X, Y).

5. Système de refroidissement (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube présente la forme générale d'un ruban enroulé dans un plan principal (X, Y) pour former un serpentin (12), les canaux (14) étant placés du côté de l'élément de conduction thermique et/ou répartis suivant la largeur de ce ruban, selon une direction (Z) perpendiculaire au plan principal (X, Y).

6. Système de refroidissement (10) selon la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que le serpentin (12) plan est conformé de sorte à être parmi l'un des types suivants : à spires parallèles, à spires en spirale carrée, à spires en spirale circulaire.

7. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de conduction thermique (13) est constitué par au moins une platine fixée sur ladite surface principale (12a) du serpentin (12) et sur laquelle les composants (100) sont fixés.

8. Système de refroidissement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la platine est formée dans un matériau présentant une conductivité thermique supérieure à 150 W·m^-1·K^-1.

9. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le caloduc oscillant (11) comprend une partie chaude située dans une zone centrale du serpentin (12) et deux parties froides situées dans des zones latérales du serpentin (12) et disposées de part et d'autre de la partie chaude.

10. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes d'échange thermique (15) entre les spires du serpentin (12) au moins au niveau de ladite au moins une partie froide.

11. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une fraction de la quantité totale de fluide caloporteur circulant dans le tube circule dans chacun desdits canaux (14).

12. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la quantité totale de fluide caloporteur circulant dans le tube circule dans au moins un desdits canaux (14), de préférence situé du côté de l'élément de conduction thermique.

13. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les canaux (14) sont indépendants les uns des autres et ne communiquent pas entre eux de manière fluidique.

14. Système de refroidissement (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque canal (14) s'étend dans un plan parallèle à un plan principal (X, Y).

15. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que plusieurs desdits canaux (14) sont interconnectés entre eux, notamment à leurs extrémités, de sorte à former un conduit en forme de serpentin enroulé dans une direction (Z) perpendiculaire à ladite surface principale (12a).

16. Système de refroidissement (10) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs, voire l'ensemble, des canaux (14) délimités par le tube multiport sont interconnectés entre eux, notamment à leurs extrémités, de sorte à former un conduit, de préférence enroulé de manière plane, disposé du côté de l'élément de conduction thermique, et éventuellement rigidifié par une âme de rigidification.

17. Dispositif comprenant des composants électroniques et/ou électriques (100) à refroidir et au moins un système de refroidissement (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes refroidissant lesdits composants (100) en contact avec l'élément de conduction thermique (13) en contact avec la surface principale (12a) du serpentin (12).

18. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les composants (100) sont choisis parmi au moins un circuit électronique, un composant électronique de puissance de type thyristor ou un transistor bipolaire à grille isolée, un dispositif d'éclairage comprenant des diodes électroluminescentes de puissance, un dispositif photovoltaïque, une batterie, une pile à combustible.

Ansprüche

1. Kühlsystem (10) für eine Vorrichtung, die zu kühlende elektronische und/oder elektrische Komponenten (100) aufweist, wobei das System (10) ein pulsierendes Wärmerohr (11), das ein Rohr aufweist, in welchem ein Wärmeübertragungsfluid pulsierend zirkuliert, wobei das Rohr so gewunden ist, dass es eine Rohrschlange (12) bildet, und wenigstens ein Wärmeleitungselement (13), das mit den Komponenten (100) in Kontakt steht und mit einer Hauptfläche (12a) der Rohrschlange (12) in Kontakt steht, umfasst, wobei das Wärmeleitungselement (13) auf einem Teil der Hauptfläche (12a) in Kontakt steht, und zwar derart, dass das pulsierende Wärmerohr (11) wenigstens einen heißen Teil der Verdampfung des Wärmeübertragungsfluids aufweist, der sich am Kontaktbereich zwischen der Rohrschlange (12) und dem Wärmeleitungselement (13) befindet und dazu dient, Wärme von den Komponenten (100) abzuführen, und wenigstens einen kalten Teil der Kondensation des Wärmeübertragungsfluids, der sich außerhalb des Kontaktbereichs zwischen der Rohrschlange (12) und dem Wärmeleitungselement (13) befindet und dazu dient, die von dem pulsierenden Wärmerohr (11) absorbierte Wärme abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass jeder kalte Teil des pulsierenden Wärmerohres (11) durch natürliche oder erzwungene Konvektion mit Luft in thermischem Kontakt steht und das pulsierende Wärmerohr (11) die Wärme, die es zuvor von den Komponenten (100) aufgenommen hat, über diesen thermischen Kontakt abführt, und dadurch, dass das Rohr ein extrudiertes Rohr mit mehreren Öffnungen ist, die parallele Kanäle (14) begrenzen.

2. Kühlsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Hauptfläche (12a) der Rohrschlange (12), der mit dem Wärmeleitungselement (13) in Kontakt steht, eben und parallel zu wenigstens einer Ebene ist, in welcher das Wärmeübertragungsfluid zirkuliert.

3. Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in einer Hauptebene (X, Y) gewunden ist, und zwar derart, dass es eine ebene Rohrschlange (12) bildet, und dadurch, dass die Hauptfläche (12a) der Rohrschlange (12) eben und parallel zu der Hauptebene ist.

4. Kühlsystem (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (14) in einer Richtung (Z) verteilt sind, die zu der Hauptebene (X, Y) senkrecht ist.

5. Kühlsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr die allgemeine Form eines Bandes aufweist, das in einer Hauptebene (X, Y) gewunden ist, um eine Rohrschlange (12) zu bilden, wobei die Kanäle (14) auf der Seite des Wärmeleitungselements angeordnet sind und/oder entlang der Breite dieses Bandes in einer Richtung (Z) verteilt sind, die zu der Hauptebene (X, Y) senkrecht ist.

6. Kühlsystem (10) nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Rohrschlange (12) so geformt ist, dass sie von einem der folgenden Typen ist: mit parallelen Windungen, mit eine viereckige Spirale bildenden Windungen, mit eine kreisförmige Spirale bildenden Windungen.

7. Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitungselement (13) aus wenigstens einer Platine besteht, die auf der Hauptfläche (12a) der Rohrschlange (12) befestigt ist und auf der die Komponenten (100) befestigt sind.

8. Kühlsystem (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine aus einem Material ausgebildet ist, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher als 150 W·m^-1·K^-1 ist.

9. Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulsierende Wärmerohr (11) einen heißen Teil, der sich in einem mittleren Bereich der Rohrschlange (12) befindet, und zwei kalte Teile, die sich in seitlichen Bereichen der Rohrschlange (12) befinden und beiderseits des heißen Teils angeordnet sind, umfasst.

10. Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens an dem wenigstens einen kalten Teil Wärmetauschrippen (15) zwischen den Windungen der Rohrschlange (12) umfasst.

11. Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Kanäle (14) ein Bruchteil der Gesamtmenge des in dem Rohr zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids zirkuliert.

12. Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des in dem Rohr zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids in wenigstens einem der Kanäle (14), der sich vorzugsweise auf der Seite des Wärmeleitungselements befindet, zirkuliert.

13. Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (14) voneinander unabhängig sind und nicht miteinander in Fluidverbindung stehen.

14. Kühlsystem (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeder Kanal (14) in einer Ebene erstreckt, die zu einer Hauptebene (X, Y) parallel ist.

15. Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Kanäle (14) miteinander verbunden sind, insbesondere an ihren Enden, derart, dass sie eine schlangenförmige Leitung bilden, die in einer zu der Hauptfläche (12a) senkrechten Richtung (Z) gewunden ist.

16. Kühlsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder sogar sämtliche Kanäle (14), die von dem Rohr mit mehreren Öffnungen begrenzt werden, miteinander verbunden sind, insbesondere an ihren Enden, derart, dass sie eine Leitung bilden, die vorzugsweise eben gewunden ist, auf der Seite des Wärmeleitungselements angeordnet ist und eventuell durch einen Versteifungssteg versteift ist.

17. Vorrichtung, welche zu kühlende elektronische und/oder elektrische Komponenten (100) und wenigstens ein Kühlsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, das die Komponenten (100) kühlt, die mit dem Wärmeleitungselement (13) in Kontakt stehen, das mit der Hauptfläche (12a) der Rohrschlange (12) in Kontakt steht.

18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (100) aus wenigstens einer elektronischen Schaltung, einem elektronischen Leistungsbauelement von der Art eines Thyristors oder eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode, einer Beleuchtungsvorrichtung, die Leistungsleuchtdioden umfasst, einer photovoltaischen Vorrichtung, einer Batterie, einer Brennstoffzelle ausgewählt sind.

Claims

1. Cooling system (10) for a device comprising electronic and/or electrical components (100) that are to be cooled, the system (10) comprising an oscillating heat pipe (11) having a tube in which a heat-transfer fluid circulates in a pulsed manner, the tube being wound into a serpentine coil (12), and at least one heat-conduction element (13) in contact with the components (100) and in contact with a main surface (12a) of the serpentine coil (12), the heat-conduction element (13) being in contact with part of the said main surface (12a) so that the oscillating heat pipe (11) has at least one hot part for evaporating the heat-transfer fluid, situated at the level of the region of contact between the serpentine coil (12) and the heat-conduction element (13) and serving to remove heat from the components (100), and at least one cold part for condensing the heat-transfer fluid, situated outside of the region of contact between the serpentine coil (12) and the heat-conduction element (13) and serving to dissipate the heat absorbed by the oscillating heat pipe (11), characterized in that each cold part of the oscillating heat pipe (11) is in thermal contact by natural or forced convection with air and the oscillating heat pipe (11) removes the heat energy previously picked up from the components (100) via the said thermal contact, and in that the tube is a multi-port extruded tube delimiting parallel ducts (14) .

2. Cooling system (10) according to Claim 1, characterized in that the region of the said main surface (12a) of the serpentine coil (12) in contact with the heat-conduction element (13) is planar and parallel at least to a plane in which the heat-transfer fluid circulates.

3. Cooling system (10) according to one of Claims 1 and 2, characterized in that the tube is wound in a main plane (X, Y) so as to form a flat serpentine coil (12) and in that the said main surface (12a) of the serpentine coil (12) is planar and parallel to the said main plane.

4. Cooling system (10) according to the preceding claim, characterized in that the ducts (14) are distributed in a direction (Z) perpendicular to the main plane (X, Y).

5. Cooling system (10) according to Claim 1, characterized in that the tube has the overall shape of a tape wound in a main plane (X, Y) to form a serpentine coil (12), the ducts (14) being placed on the side of the heat-conduction element and/or distributed across the width of this tape, in a direction (Z) perpendicular to the main plane (X, Y).

6. Cooling system (10) according to Claim 3 or 5, characterized in that the flat serpentine coil (12) is configured in such a way as to be one of the types having: parallel coils, square-spiral coils, circular-spiral coils.

7. Cooling system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat-conduction element (13) is made up of at least one plate attached to the said main surface (12a) of the serpentine coil (12) and to which the components (100) are attached.

8. Cooling system (10) according to the preceding claim, characterized in that the plate is made from a material exhibiting a thermal conductivity higher than 150 W·m^-1·K^-1.

9. Cooling system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillating heat pipe (11) comprises a hot part situated in a central region of the serpentine coil (12) and two cold parts situated in lateral regions of the serpentine coil (12) and positioned one on each side of the hot part.

10. Cooling system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises heat-exchange fins (15) between the coils of the serpentine coil (12), at least in the region of the said at least one cold part.

11. Cooling system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a fraction of the total quantity of heat-transfer fluid circulating through the tube circulates through each of the said ducts (14).

12. Cooling system (10) according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the total quantity of heat-transfer fluid circulating through the tube circulates through at least one of the said ducts (14), preferably situated on the same side as the heat-conduction element.

13. Cooling system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the ducts (14) are independent of one another and do not fluidically communicate with one another.

14. Cooling system (10) according to the preceding claim, characterized in that each duct (14) extends in a plane parallel to a main plane (X, Y).

15. Cooling system (10) according to one of Claims 1 to 12, characterized in that several of the said ducts (14) are interconnected, notably at their ends, so as to form a conduit in the form of a serpentine coil wound in a direction (Z) perpendicular to the said main surface (12a).

16. Cooling system (10) according to one of Claims 1 to 8, characterized in that several, if not all, of the ducts (14) delimited by the multiport tube are interconnected, notably at their ends, so as to form a conduit, preferably wound in a planar manner, arranged on the same side as the heat-conduction element and possibly stiffened by a stiffening web.

17. Device comprising electronic and/or electrical components (100) that are to be cooled and at least one cooling system (10) according to any one of the preceding claims cooling the said components (100) in contact with the heat-conduction element (13) in contact with the main surface (12a) of the serpentine coil (12).

18. Device according to the preceding claim, characterized in that the components (100) are chosen from at least one electronic circuit, a power electronic component of thyristor type, or an insulated gate bipolar transistor, a lighting device comprising power light-emitting diodes, a photovoltaic device, a battery, a fuel cell.

Dessins