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WO 2006/035134 PCT/FR2005/002311
MATERIAU COMPOSITE UTILISE POUR LA FABRICATION D'AILETTES
D'ECHANGEURS THERMIQUES A HAUTE CONDUCTIVITE THERMIQUE
DOMAINE TECHNIQUE
---L-=invention--conc-er-ne -la-fabrication-des--échangeur-s---thermiques--qui-
-permettent
de dissiper la chaleur provenant d'une source de chaleur. Elle concerne plus
particulièrement la fabrication d'éléments de forme plane dissipant
efficacement la chaleur par conduction dans leur plan, par exemple les
1o ailettes de refroidissement des radiateurs pour composants électroniques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un des principaux problèmes rencontrés pour le développement de
composants électroniques est l'augmentation des pertes thermiques due à
l'accroissement continu des fréquences de travail et/ou à l'augmentation des
puissances- lorsqu'il s'agit de générateurs- de puissance. Ces pertes peuvent
engendrer des élévations de température importantes des composants, qui
peuvent provoquer la dégradation, voire la destruction des dits composants.
Pour combattre ce phénomène il est devenu indispensable d'ajouter aux
composants des dispositifs de dissipation de chaleur, les radiateurs, dont le
rôle
est d'absorber la chaleur émise par le composant et de la dissiper, via une
grande surface d'échange, dans leur environnement, le plus souvent l'air
ambiant.
Pour des raisons pratiques et économiques, un grand nombre de ces radiateurs
sont du type échangeur thermique à ailettes, le plus souvent réalisés avec des
métaux bons conducteurs de la chaleur comme l'aluminium ou le cuivre. Ces
radiateurs dissipent la chaleur émise par les composants dans l'air qui les
3o entoure. Ils comprennent une base ou un support dont une face est destinée
à
être mise en contact avec une source de chaleur, par exemple un composant
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électronique, et des ailettes reliées à ladite base et disposées de telle
sorte
qu"elles présentent une surface d'échange importante avec le milieu
environnant. Leurs performances dépendent en premier lieu de la surface
d'échange entre l'air ambiant et les ailettes et de leur aptitude à transférer
un
flux de chaleur aussi grand que possible entre la base et l'ailette, jusqu'à
son
extrémité. _L'a lette doit_en_ conséquen_ c-e_présenter--_une_-b-
onne__conductivité
thermique au moins dans la direction de sa grande dimension, ou mieux, dans
toutes les directions du plan de l'ailette. Une modélisation du fonctionnement
thermique des ailettes, montre qu'à géométrie identique, l'efficacité d'une
io ailette est proportionnelle à la racine carrée de la conductivité thermique
du
matériau constitutif de l'ailette, mesurée dans le plan de l'ailette. Ainsi à
géométrie égale, une ailette en cuivre (conductivité thermique de l'ordre de
380 Wm-1K-') peut avoir une efficacité environ 37% supérieure à celle d'une
ailette en aluminium (conductivité thermique de l'ordre de 200 Wm-IK-1).
L'aluminium reste cependant le matériau de choix en raison de son prix moins
élevé que celui du cuivre, de sa légèreté et de la facilité de sa mise en
oeuvre
(contrairement.. aux profilés, en alliages de cuivre, le profilés- en
aluminium-
extrudés à chaud peuvent présenter toutes les formes possibles, en particulier
des sections à contours concaves). Le cuivre est employé dans les applications
les plus exigeantes en terme de quantité d'énergie à dissiper.
Pour pallier les limitations propres à chacun de ces deux matériaux, de
nombreuses autres solutions de matériaux d'ailettes ont été suggérées,
testées,
voire même commercialisées, poursuivant toutes les mêmes objectifs :
- une conductivité thermique élevée dans le plan des ailettes (recherche de
performance);
- une faible densité (recherche de légèreté);
- un faible coût.
Parmi ces tentatives et développements on peut citer :
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- l'étude d'un échangeur à ailettes à base de graphite anisotrope, à forte
conductivité thermique dans un plan, présentée par Martin R. Vogel en 1994 à
la 10ème conférence IEEE SEMI-THERM (" Thermal Performance of Air-Cooled
Hybrid Heat Sinks for a Low Velocity Environment ", SEMI-THERM X., Proceedings
s of 1994 IEEE/CPMT 1Oth, pp. 17-22)
1a demande_ de___brevet 2004/_0000391_, --qui-décrit _les._ principes
..poursuivis
pour l'élaboration et l'utilisation de feuilles en graphite expansé recomprimé
de
haute densité (d > 1,7 g/cm3) (le terme "densité" est utilisé dans la présente
demande dans son acception courante au sein de la profession, c'est-à-dire
1o qu'il a le sens anglo-saxon d'une masse volumique). Ces feuilles sont
renforcées
par une matrice de résine thermodurcissable, et empilées de telle sorte que
l'on
obtient une structure multicouche de faible densité (1,9 g/cm3 maxi) avec une
conductivité thermique dans le plan des ailettes comparable à celle du cuivre
pur (400 Wm-1K-l). Le graphite expansé recomprimé présente ainsi des
15 propriétés thermiques particulièrement bien adaptées aux parties planes
d'échangeurs thermiques telles que des ailettes. La structure dense et rigide
de
ces ailettes-, est en partie. composée- d'un. matériau thermoplastique (de
préférence une résine époxy durcie par traitement à chaud), introduit pour
assurer une liaison entre les couches de graphite expansé recomprimé
20 empilées les unes sur les autres et pour conférer à l'ensemble des
propriétés
mécaniques bien plus élevées que celles de feuilles de graphite expansé
recomprimé sans additifs. Cette solution particulièrement intéressante
introduit
cependant plusieurs limitations :
a) la température de fonctionnement doit être limitée: les résines
25 thermoplastiques les plus courantes se dégradent rapidement si elles sont
exposées de façon prolongée à des températures supérieures à 120 C. Pour
des services à des températures supérieures, il faut faire appel à des résines
complexes qui restent des produits chers.
b) la température atteinte en cours de fabrication doit également être
limitée:
30 on ne peut donc pas recourir, pour réaliser la liaison des ailettes sur
leur
support, à un procédé qui ferait appel à de hautes températures, comme
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un brasage par exemple. Ce genre de procédé conduirait à la destruction
du matériau constitutif des ailettes, par dégradation de la résine de renfort.
c) la conductivité thermique globale, donc la performance de refroidissement
de l'ailette, est limitée: le volume occupé par la résine représente une
s portion non nulle du volume total (au moins quelques pourcents). Les
conductivités thermiques des résines thermodurcissables --sont- nettement -
plus
faibles, au moins dans un rapport 50, que celle des cristaux de graphite qui
composent le graphite expansé recomprimé. Ainsi le volume occupé par la
résine ne contribue pratiquement pas à la conductivité de l'ensemble.
1o d) l'ailette réalisée avec une telle structure multicouche est peu
déformable et
assez fragile: les résines thermodurcissables, introduites en faibles
quantités
pour ne pas dégrader trop les performances thermiques sont également des
matériaux fragiles. La combinaison d'un faible taux de résine et de la
fragilité
inhérentes de ces résines, conduit à un produit peu déformable et fragile
15 e) enfin, d'un point de vue économique, les procédés de fabrication restent
relativement coûteux en raison de la nécessité d'une opération de pressage
à. chaud réalisée pour- obtenir. une. densification satisfaisante- du graphite
expansé recomprimé et simultanément une réticulation de la résine qui rend
le produit rigide. Ce procédé exige des presses de grande puissance qui
20 vont travailler avec des cycles lents et produire par batch des
quantités
limitées de pièces.
PROBLEME POSE
25 La demanderesse a cherché à réaliser des ailettes d'échangeur thermique peu
coûteuses, légères, peu fragiles, utilisables dans un large domaine de
température - compatible avec les conditions de fonctionnement du produit à
refroidir -, susceptibles d'être montées sur le support du radiateur par
brasage
ou serrage en force et enfin offrant une performance de refroidissement au
30 moins aussi bonne que la structure multicouche en graphite expansé
recomprimé imprégnée de résine décrite plus haut.
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4a
L'invention a pour objet un matériau multicouche à base de graphite expansé
renforcé par un métal comprenant au moins une couche interne en graphite
expansé
recomprimé et deux couches externes métalliques, le graphite expansé
recomprimé
ayant une densité supérieure à 1,6 g/cm3, dans lequel chaque couche externe
métallique a une épaisseur inférieure au dixième de l'épaisseur totale de la
structure
multicouche.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un matériau
multicouche à base de graphite expansé renforcé par un métal comprenant au
moins
une couche interne en graphite expansé recomprimé et deux couches externes
1o métalliques, dans lequel on colamine une feuille en graphite expansé
recomprimé de
densité inférieure à 1, 2 g/cm3, intercalée entre deux feuilles métalliques,
puis on
comprime la structure composite ainsi colaminée, la réduction de l'épaisseur
totale
étant définie de telle sorte que la couche interne en graphite expansé
recomprimé
atteigne une densité supérieure à 1,6 g/cm3.
L'invention a également pour objet un produit plat constitué en un matériau
multicouche, comprenant au moins une couche interne en graphite expansé
recomprimé et deux couches externes métalliques, le graphite expansé
recomprimé
ayant une densité supérieure à 1,6 g/cm3, et dans lequel chaque couche externe
métallique a une épaisseur inférieure au dixième de l'épaisseur totale du
produit.
L'invention a également pour objet une ailette de refroidisseur réalisée par
découpe du produit plat tel que défini ici-haut et ici-bas.
L'invention a également pour objet une ailette de refroidisseur, constituée en
un
matériau multicouche, comprenant au moins une couche interne en graphite
expansé
recomprimé et deux couches externes métalliques, recouvrant les faces et au
moins
deux tranches de l'ailette.
L'invention a également pour objet un procédé pour fabriquer l'ailette telle
que
définie ici-haut et ici-bas déduit du procédé selon tel que défini ici-haut et
ici-bas et
dans lequel les feuilles métalliques sont initialement coupées suivant des
dimensions
plus larges que la feuille en graphite expansé recomprimé qu'elles vont
recouvrir,
dans lequel on colamine la feuille en graphite expansé recomprimé de densité
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inférieure à 1,2 g/cm3, intercalée entre les feuilles métalliques, un bord de
chacune
des feuilles débordant de chacune des tranches opposées de la feuille de
graphite et
dans lequel on replie les bords sur les tranches de façon à les recouvrir puis
dans
lequel on réalise la compression finale.
L'invention a également pour objet un refroidisseur à ailettes étant muni des
ailettes telles que définies ici-haut et ici-bas.
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OBJET DE L'INVENTION
Un premier objet selon l'invention est un matériau multicouche à base de
s graphite expansé renforcé par un métal comprenant au moins une couche
interne en graphite expansé recomprimé et deux-couches externes .métalliq.ues
qui présentent une épaisseur faible par rapport à la structure multicouche.
Typiquement l'épaisseur de chacune de ces couches métalliques est inférieure
au dixième de l'épaisseur totale de ladite structure multicouche. En effet,
selon
wo l'invention, l'essentiel de l'évacuation de chaleur est assuré par le
graphite
expansé recomprimé, qui est protégé mécaniquement par les couches
externes métalliques. Celles-ci peuvent être en n'importe quel métal ou
alliage
métallique, soit des métaux très bons conducteurs de la chaleur tels que le
cuivre ou l'aluminium ou leurs alliages respectifs, soit des métaux présentant
de
15 très bonnes caractéristiques mécaniques et pouvant de ce fait se présenter
sous de forme de peaux de très faible épaisseur, la faible épaisseur
compensant leur moindre, conductivité thermique..
On connaît l'intérêt du graphite expansé recomprimé. Il s'agit de particules
de
20 graphite expansé qui sont mélangées puis comprimées en absence de liant
carboné pour obtenir des structures solides dont les densités sont typiquement
comprises entre environ 80 kg/m3 et 2300 kg/m3. Il existe plusieurs moyens
pour
obtenir des particules de graphite expansé. Ils sont par exemple décrits dans
US
3 404 061 (broyage, attaque des espaces entre plans réticulaires hexagonaux
25 par agent oxydant ou halogéné, imprégnation d'eau, mise à une température
supérieure à 100 C). Ensuite, ces particules sont réunies puis soumises à
compression. Lorsque la compression permet d'atteindre une densité comprise
entre environ 400 kg/m3 et environ 1300 kg/m3, le graphite expansé
recomprimé présente des caractéristiques élastiques intéressantes et prend le
3o nom usuel de "graphite souple". Dans le cadre de l'invention, le graphite
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expansé recomprimé de la couche interne est comprimé jusqu'à une densité
supérieure à celle du graphite souple classique.
On a remarqué en effet que plus la compression exercée sur les particules de
graphite expansé est importante,, plus la structure obtenue est dense, plus
elle
__a__ tendance_._.. à-.__pr_ése.nter____cer_taines._...._propri_étés
____physiques ___ anisotropes,-
notamment les conductivités électrique et thermique. Fortement comprimé, un
tel matériau perd ses propriétés isolantes et acquiert même de bonnes
propriétés conductrices de la chaleur dans le plan perpendiculaire à la
io direction de compression. Ainsi, un graphite expansé recomprimé présentant
une densité supérieure à 1,7 g/cm3 présente dans le plan perpendiculaire à la
compression un coefficient de conductivité thermique voisin de 400 Wm-1K-1,
supérieur à celui du cuivre pur. De préférence, pour obtenir de bonnes
propriétés conductrices de la chaleur dans son plan, le matériau multicouche
1s selon l'invention comprend au moins une couche en graphite expansé
recomprimé de densité supérieure à 1,6 g/cm3, de préférence encore
supérieure à 1,7 g/cm3._
Typiquement, pour une structure de 1,5 mm d'épaisseur, les couches
20 métalliques externes ont une épaisseur inférieure à 150 pm, soit le dixième
de
l'épaisseur totale de la structure. Des couches externes en acier peuvent
avoir
une épaisseur nettement plus faible, typiquement 20 pm. Bien évidemment, les
couches externes peuvent être constituées d'un même métal ou alliage ou, au
contraire, être chacune en un métal différent.
Les couches métalliques externes confèrent à l'ensemble de la structure une
bonne tenue mécanique et une certaine déformabilité. De plus, elles
protègent la couche de graphite expansé recomprimé contre l'abrasion ou les
chocs mécaniques. La couche interne en graphite expansé recomprimé
confère à l'ensemble de la structure une très bonne conductivité thermique
dans le plan des couches et une faible densité moyenne.
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La structure selon l'invention comprend une structure interne protégée par les
couches externes métalliques. Ladite structure interne peut ne comprendre
que ladite couche en graphite expansé recomprimé ou être elle-même
s multicouche, comme dans US 2004/0000391. Lorsqu'une une couche
métalliaue externe est adjacente à une couche en __graph_ite_. expansé
recomprimé, la liaison entre ladite couche métallique externe et ladite couche
en graphite expansé recomprimé qui lui est adjacente est assurée par un
adhésif ou, de préférence, par ancrage mécanique, ce dernier permettant un
io meilleur transfert thermique entre les couches et n'exposant pas la
structure
finale à une limitation de température d'emploi.
De préférence, lorsque la structure interne est elle-même multicouche, elle
comporte deux couches externes en graphite expansé recomprimé, de façon
15 à ce que chaque couche externe métallique soit adjacente et ancrée
mécaniquement auxdites couches externes en graphite expansé recomprimé
de la structure interne multicouche.....
Selon une modalité préférée de l'invention, les couches métalliques sont
20 adjacentes à une couche interne unique en graphite expansé recomprimé.
Elles sont situées de part et d'autre de cette couche unique et liées avec
ladite
couche interne par ancrage mécanique. De la sorte, que la structure interne
soit mono-couche ou multi-couche, chaque couche métallique externe est
adjacente à une couche en graphite expansé recomprimé, la liaison entre
25 ladite couche métallique externe et ladite couche en graphite expansé
recomprimé qui lui est adjacente étant assurée par ancrage mécanique.
L'ancrage mécanique est assuré par le fait que chaque couche métallique est
munie de reliefs, ou picots, régulièrement répartis et orientés vers la couche
de
graphite. Dans le domaine géométrique qui nous intéresse, la densité de ces
3o picots doit typiquement être supérieure à 25 par dm2 et leur hauteur doit
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représenter plus de 15% de l'épaisseur finale de la couche de graphite expansé
recomprimé.
Pour obtenir ces picots, on peut par exemple perforer la feuille métallique:
s chaque perforation est réalisée du même côté de ladite feuille métallique de
telle sorte aue la paroi au voisinage de l'orifice perforé est--- déform--e----
,e-t
présente la forme d'une excroissance en relief par rapport à la dite feuille
métallique avec une hauteur suffisante pour réaliser ledit ancrage mécanique.
Le picot peut résulter du poinçonnement partiel de la couche métallique, la
io partie partiellement poinçonnée étant ensuite pliée suivant la partie non
poinçonnée faisant office de charnière. Le picot peut également résulter d'une
perforation complète de la feuille, la paroi autour de l'orifice perforé étant
déformée et présentant la forme d'une excroissance sensiblement
axisymétrique.
On peut quantifier ces caractéristiques par une densité de perforations
(nombre de_.perforations/dm2), par une taille de perforation (mm2), par une,
hauteur des picots métalliques débouchants résultant de la perforation,
directement proportionnelle à la taille des perforations, par le pourcentage
de
la surface totale occupée par les perforations. Dans le domaine géométrique
qui nous intéresse, la perforation des couches métalliques doit être réalisée
de
telle sorte que l'on obtienne typiquement au moins 25 perforations par dm2, la
surface de ces perforations représentant au moins 3%, de préférence au moins
5%, de la surface totale de la couche métallique, avec des picots de hauteur
au moins égale à 15% de l'épaisseur de la couche de graphite expansé
recomprimé. De préférence, chacune de ces perforations a une surface
comprise entre 0,2 mm2 et 16 mm2.
Un tel réseau de picots assure non seulement un bon ancrage mécanique
3o entre la couche métallique et la couche en graphite expansé mais permet
également de réaliser en grande cadence ladite structure, la compression des
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particules de graphite - jusqu'à l'obtention d'une densité supérieure ou égale
à
1,6 g/cm3 - pouvant être réalisée après mise en place de la couche de
graphite expansé entre les deux parois métalliques, sans avoir recours à un
moule.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un matériau
multicouche à base de graphite expansé renforcé par un métal comprenant
au moins une couche interne en graphite expansé recomprimé et deux
couches externes métalliques caractérisé en ce qu'on colamine une feuille en
io graphite expansé recomprimé de densité inférieure à 1,2 g/cm3, typiquement
une feuille de graphite souple de densité comprise entre 0,8 et 1, 2 g/cm3,
intercalée entre deux feuilles métalliques, puis en ce qu'on comprime, par
exemple par compression ou par laminage, la structure composite ainsi
colaminée, la réduction des épaisseurs étant définie de telle sorte que ladite
1s couche interne en graphite expansé recomprimé atteigne une densité
supérieure à 1,6 g/cm3, de préférence supérieure à 1,7 g/cm3.
Les feuilles métalliques utilisées peuvent être réalisées en tout type de
métal.
Elles sont de préférence très fines, d'épaisseur typiquement inférieure à 150
pm.
20 Le métal constituant ces couches externes est de préférence l'aluminium (ou
un alliage d'aluminium) ou le cuivre (ou un alliage de cuivre), en raison de
leur
bonne conductivité thermique. Dans ce cas, les feuilles peuvent avoir une
épaisseur comprise entre 50 et 100 microns, ce qui laisse le maximum de
volume à l'âme en graphite expansé recomprimé qui est le matériau de plus
25 grande conductivité thermique dans l'ensemble. Des feuilles d'acier peuvent
aussi convenir, leur faible conductivité thermique étant partiellement
compensée par une haute résistance mécanique qui permet de travailler avec
de faibles épaisseur, 20 microns par exemple. Bien évidemment, les couches
externes peuvent être constituées d'un même métal ou alliage ou, au
30 contraire, être chacune en un métal différent.
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La feuille de graphite expansé recomprimé utilisée peut être une feuille en
graphite souple obtenue suivant l'art antérieur connu, par exemple le procédé
décrit dans US 3 404 061. Typiquement, on utilise des feuilles d'épaisseur
comprise entre 1 et 5 mm d'épaisseur, avec des densités inférieures à
1,2 g/cm3, typiquement comprises entre 0,8 g/cm3 et 1,2 g/cm3.
On place la feuille de graphite souple entre deux feuilles métalliques. Par
une
opération de colaminage, on lie ladite feuille de graphite souple aux dites
feuilles métalliques. Au cours du colaminage, il n'y a pas à proprement parler
io de déformation plastique des feuilles mais mise en contact sur toute leur
surface commune. La liaison peut être réalisée en introduisant des couches
adhésives intercalaires - typiquement à base de résine phénolique, époxy,
polyimide, acrylique ou polyurétane - ou encore, de préférence, en utilisant
des feuilles métalliques munies de picots, lesdits picots étant orientés vers
la
couche en graphite souple.
Avantageusement, les, feuilles -métalliques sont- préalablement perforées de.
telle sorte que chaque perforation soit associée à un picot qui s'ancre dans
la
feuille de graphite souple lorsque l'ensemble passe dans l'entrefer du
laminoir.
Une fois les trois feuilles colaminées, on obtient un produit composite
métal/graphite souple/métal avec une âme en graphite souple ancrée dans
les feuilles perforées. A ce stade, la feuille de graphite souple n'a toujours
pas
été comprimée fortement, et sa densité est toujours dans la fourchette
0,8 g/cm3 - 1,2 g/cm3, valeurs pour lesquelles la conductivité thermique dans
le
plan est encore limitée (de l'ordre de 100 à 140 Wm-1K-1).
Les produits après colaminage sont ensuite comprimés pour densifier la feuille
de graphite souple. La réduction de l'épaisseur totale du produit colaminé est
définie de telle sorte que la couche interne en graphite expansé recomprimé
3o atteigne une densité supérieure à 1,6 g/cm3, valeur à partir de laquelle on
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peut obtenir une conductivité thermique comparable ou supérieure à celle du
cuivre. De préférence, la densité visée sera supérieure à 1,7 g/cm3.
La demanderesse a observé que la présence de picots facilitait l'opération de
compression finale. Elle a en effet établi que certaines géométries de picots
conduisaient à_un-.--ancrage ..de-la -feuille_de_graphite--.souple--dans--les-
feuilles-
métalliques suffisant pour permettre d'obtenir le produit final soit en
faisant
passer la structure colaminée entre des laminoirs, soit en la comprimant entre
deux plaques planes, sans avoir recours à un moule. Si on essaie de comprimer
io un empilement de deux feuilles métalliques lisses encadrant une feuille de
graphite souple, la feuille de graphite souple commence par se comprimer,
puis à partir d'une densité proche de 1,5 g/cm3, elle se met à fluer
perpendiculairement à la direction de compression, de telle sorte qu'il est
impossible de faire croître la densité. L'épaisseur de la feuille de graphite
souple
continue à décroître mais sa surface augmente. Un moule de forme est alors
nécessaire pour confiner le graphite souple et forcer sa densification.
L'ancrage sur les picots, qui- élimine ce problème de fluage, amène une
grande économie dans les procédés de fabrication, en permettant un travail
en continu dans un train de laminoirs, ou un pressage sans avoir recours à des
moules de forme.
Ainsi, grâce à la présence de picots, on peut recourir à un procédé continu
tel
que le laminage capable de conduire à des densités de graphite expansé
recomprimé élevées, typiquement 1,75 g/cm3, et ceci représente est un atout
économique très important.
Pour obtenir ces picots, on peut par exemple perforer la feuille métallique:
chaque perforation est réalisée du même côté de ladite feuille métallique de
telle sorte que la paroi au voisinage de l'orifice perforé est déformée et
présente la forme d'une excroissance en relief par rapport à la dite feuille
métallique avec une hauteur suffisante pour réaliser ledit ancrage mécanique.
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Le picot peut résulter du poinçonnement partiel de la couche métallique, la
partie partiellement poinçonnée étant ensuite pliée suivant la partie non
poinçonnée faisant office de charnière. Le picot peut également résulter d'une
perforation complète de la feuille, la paroi autour de l'orifice perforé étant
déformée et présentant la forme d'une excroissance sensiblement
axisymétrique. Cette dernière forme de picot estpréférée car
les_creux_etvides__
créés par l'ancrage des picots dans la couche de graphite souple lors du
colaminage sont plus facilement et rapidement remplis par fluage au cours de
la compression finale.
La demanderesse a établi d'une part que les perforations devaient être
nombreuses, régulièrement distribuées sur les feuilles métalliques et d'une
taille
suffisante pour que le graphite souple flue et occupe le vide laissé par la
perforation, d'autre part que la taille des picots métalliques associés aux
perforations devait être suffisante pour permette un ancrage efficace du
graphite souple sur le feuillard, et ceci en fonction de l'épaisseur finale de
l'ailette. Il a été observé que plus on.visait une épaisseur importante pour
l'âme
en graphite expansé recomprimé, plus la surface de la perforation devait
s'accroître pour limiter le fluage en compression du graphite souple. Ainsi,
la
surface de ces perforations doit représenter au moins 3%, de préférence au
moins 5%, de la surface totale de la couche métallique et la hauteur des
picots
doit être au moins égale à 15% de l'épaisseur de la couche de graphite
expansé recomprimé. De préférence, chacune de ces perforations a une
surface comprise entre 0,2 mm2 et 16 mm2. Lorsque la surface totale de ces
perforations représente une proportion importante de la surface totale de la
couche métallique, typiquement 50 %, et en particulier lorsque la
densification
de la couche de graphite est réalisée par laminage, il convient d'augmenter
l'épaisseur des couches métalliques externes pour améliorer la tenue
mécanique de l'ensemble.
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Un autre objet selon l'invention est un produit plat, tel qu'une plaque ou une
bande, caractérisé en ce qu'il est constitué en un matériau multicouche,
comprenant au moins une couche interne en graphite expansé recomprimé et
deux couches externes métalliques. De préférence, le graphite expansé
s recomprimé a une densité supérieure à 1,6 g/cm3, ou mieux encore supérieure
à 1,7 g/cm3. Les couches métalliques__ peuvent être en tout__.type _de_métal.
Typiquement, ce produit présente une épaisseur globale comprise entre 1 et
mm, avec des feuilles métalliques externes de préférence très fines,
d'épaisseur typiquement inférieure à 150 pm, par exemple comprise entre 50 et
100 microns pour une feuille en aluminium (ou alliage d'aluminium) ou en
cuivre
(ou alliage de cuivre). Des feuilles d'acier peuvent aussi convenir, leur
faible
conductivité thermique étant partiellement compensée par une haute
résistance mécanique qui permet de travailler avec une faible épaisseur, 20
microns par exemple.
De préférence les couches externes métalliques sont munies de picots
régulièrement, répartis et- orientés vers la- couche de. graphite expansé-
recomprimé. Les picots peuvent être associés à des perforations. Il s'agit par
exemple de plaques de grandes dimensions, typiquement 1 m*1 m dans
lesquelles on peut découper des ailettes de refroidissement suivant les formes
voulues. Il peut s'agir également de bandes étroites continues découpées pour
faire des ailettes de longueur désirée.
Un autre objet selon l'invention est un élément de dispositif dissipateur de
chaleur, tel qu'une ailette de radiateur, réalisé avec la structure selon
l'invention. Il peut être découpé dans une plaque telle que celle décrite ci-
dessus ou encore être réalisé de telle sorte que l'ensemble de l'ailette,
tranches
comprises, est recouvert d'une couche métallique.
Il est en effet possible de masquer les tranches perpendiculaires au plan du
matériau, qui peuvent s'avérer des point fragiles. La solution préférée pour
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arriver à ce résultat est un colaminage d'une bande de graphite souple
intercalée entre des feuilles métalliques de largeur supérieure, un bord de
chacune desdites feuilles débordant de chacune des tranches opposées de la
feuille de graphite, de telle sorte que l'on obtient des bords de métal
débordant de la bande de graphite souple après l'opération de colaminage.
Ces bords sont ensuite repliés de façon àrecouvrirles
trançhes,_.._p_ujs_._on_..
pratique l'opération de compression. Deux tranches sont ainsi couvertes.
La couverture des 4 tranches est possible suivant le même principe, à la
1o différence près qu'il faut remplacer les opérations de colaminage et de
laminage par des compressions sous presse, réalisées ailette par ailette.
L'ailette selon l'invention apporte de nombreux avantages à la fois techniques
et économiques:
- elle a une très grande conductivité dans la direction de son plan. Par
exemple un composite réalisé avec deux peaux en aluminium épaisses de
100 microns et une âme de graphite expansé_recomprimé ayant une densité
de 1,85 g/cm3, présente une conductivité thermique de 430 Wm-1 K-1 dans le
plan des ailettes, supérieure à celle qu'auraient eu des ailettes en cuivre
massif;
- elle est légère. Par exemple la densité apparente de l'ailette citée ci-
dessus,
dont l'épaisseur totale est de 1,5 mm (0,2 mm d'aluminium et 1,3 mm de
graphite expansé recomprimé) est de 1,96, ce qui en fait une solution 28% plus
légère que ne l'aurait été une ailette en aluminium massif (à conductivité
deux
fois plus faible), ou 4 fois plus légère qu'une ailette en cuivre massive, de
conductivité à peu près équivalente;
- elle ne contient aucun composant qui se dégrade thermiquement, jusqu'à
ce que soit atteinte la température de fusion du métal utilisé pour les faces
métalliques. Dans un des cas les plus défavorables (faces en aluminium), il
faudrait atteindre 660 C, température en dehors du domaine de travail d'un
composant électronique. Cette absence de limite en température autorise des
techniques de brasure, voire de soudure, pour lier les ailettes à leur
support;
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- les faces externes de l'ailette sont des feuilles métalliques, résistantes à
l'abrasion et au choc, surtout si on les compare avec les produits
essentiellement à base de graphite expansé recomprimé, par exemple ceux
décrits dans US 2004/0000391;
s - l'âme en graphite expansé recomprimé de haute densité confère au
--produit une capacité àêtre comprimé sans casser, ce au!-perm-at--par-exemp-1-
e.
un montage dans un support par introduction en force ou pincement dans une
rainure. C'est encore un avantage important par rapport au matériau décrit
dans US 2004/0000391, trop cassant pour tolérer ce type de montage.
wo - les renforts extérieurs ancrés dans le graphite expansé recomprimé
procurent une raideur suffisante à l'assemblage pour permettre son utilisation
en tant qu'ailette dans les systèmes de refroidissement, ceci sans avoir
recours
à une imprégnation de résine qui durcirait à coeur et fragiliserait le
graphite
expansé recomprimé.
15 - le produit peut être fabriqué en grande quantité par des procédés
continus,
essentiellement une suite d'opérations de laminage et de colaminage, ce qui
donne accès.. à, des... coûts- de_.-, revient ...significativement.,. plus
.faibles,_
comparativement à un procédé de pressage à chaud.
- les surfaces externes sont en métal et se prêtent de ce fait à des
opérations
20 de liaison par brasage si l'on cherche à lier les ailettes à des supports
métalliques. Ces liaisons par brasage assurent une qualité de transfert
thermique sans équivalent entre le support métallique à refroidir et les
ailettes
chargées de la dissipation de la chaleur dans l'air.
25 Un autre objet selon l'invention est un dispositif dissipateur de chaleur,
tel qu'un
radiateur, caractérisé en ce qu'il comprend des ailettes selon l'invention.
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DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
FIGURES
La figure 1 présente en coupe une plaque avec structure multicouche selon
l'invention.
La figure_ 2 montre deux étapes de réalisation d'une ailette selon-rinvention,
dont les tranches sont recouvertes également d'une couche métallique
externe.
1o EXEMPLE 1 - Fabrication d'une plaque multicouche selon l'invention (Figure
1).
On produit en continu une feuille de graphite souple suivant l'art antérieur
connu (par exemple US 3 404 061). Typiquement on cherche à obtenir une
feuilles d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm d'épaisseur, dont la densité est
proche de 1.
Par une opération de colaminage on lie ensuite cette feuille de graphite
souple.à des feuilles métalliques minces préalablement perforées de telle
sorte
que chaque perforation soit entourée d'un picot qui s'ancre dans la feuille de
graphite souple lors du passage dans le laminoir.
Une fois les trois feuilles colaminées, on obtient un produit composite
métal/graphite souple/métal avec une âme en graphite souple ancrée dans
les feuilles perforées. A ce stade, la feuille de graphite souple n'a toujours
pas
été comprimée fortement, et sa densité est toujours dans la fourchette 0,8 -
1,2 g/cm3, valeurs pour lesquelles la conductivité thermique dans le plan est
encore limitée (de l'ordre de 150 à 250 Wm-1K-').
Le produit après colaminage est ensuite comprimé pour densifier la feuille de
graphite souple jusqu'à ce qu'elle atteigne une densité supérieure à 1,7
g/cm3,
valeur à partir de laquelle on peut obtenir une conductivité thermique
supérieure à celle du cuivre (au delà de 380 Wm-'K-l).
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La figure 1 illustre en coupe la plaque (1) ainsi obtenue présentant une
structure multicouche avec une couche interne (10) en graphite expansé
recomprimé de densité 1,85 g/cm3, enserrée entre deux couches externes
s métalliques (20) munies de picots (21) associés à des perforations (22)
régulièrement réparties (277 par dm?)_ La conductivité thermique_de la__couche
interne en graphite expansé recomprimé est de 430 Wm-1K-1.
La plaque composite (1) est de grande dimensions (1 m x 1 m ). On peut y
io découper des ailettes suivant les formes désirées.
Exemple 2: Matériaux typiques réalisés suivant l'invention et modes de
réalisation :
Le tableau I liste, suivant leurs modes de réalisation, les propriétés de
quatre
is structures selon l'invention, en comparaison avec des produits en métal
massif.
Ces chiffres montrent que les ailettes selon l'invention rivalisent sans mal
avec
des ailettes en cuivre massif en terme de performance thermique, et sont plus
légères que celles en aluminium massif.
A B C D AI Cu
Epaisseur initiale de la feuille de graphite souple (mm) 2.5 2.5 2.5 5 - -
Densité initiale de la feuille de graphite souple 1 1 1 1 - -
Nature des feuilles métalliques aluminium aluminium cuivre aluminium AI Cu
Epaisseur des feuilles métalliques (microns) 100 100 100 100 1500 1500
Taille des perforations 2.25 mm2 2.25 mm2 2.25 mm2 4 mm2 - -
Densité des perforations 277 I dm2 277 I dm2 2771 dm2 277 / dm2 - -
Fraction de la surface perforée 6.25 % 6.25 % 6.25 % 11% - -
Hauteur des picots avant colaminage 0.40 mm 0.40 mm 0.40 mm 0.70 mm - -
Densité du graphite souple après le colaminage de liaison 1.1 1.12 1.1 1.15 - -
Presse entre Presse entre Presse entre
Méthode de compression après colaminage plans Laminage plans plans - -
Densité finale de la feuille de graphite souple 1.85 1.75 1.85 1.90 - -
Epaisseur totale du produit (mm) 1.55 1.63 1.55 2.83 1.5 1.5
Densité apparente du produit 1.96 1.86 2.6 1.96 2.7 8
Conductivité thermique mesurée dans le plan du matériau
(W/m.K) 430 370 450 457 210 380
20 Tableau 1
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Exemple 3: Procédé de fabrication d'ailettes selon l'invention, dont les
tranches
sont recouvertes de couches métalliques externes (Figures 2a et 2b)
On peut masquer les tranches perpendiculaires au plan de l'ailette, qui sont
_-souvent-- _des__ point__.fragiles. Dans_._ce_- but,-_on_colamine. __une_ -
bande __de
graphite souple avec des feuilles métalliques (25, 27) de largeur supérieure
et
décalées de telle sorte que leurs bords respectifs (26, 28) débordent chacun
d'une des tranches opposées (12, 13) de la bande de graphite après
io l'opération de colaminage. Ces bords sont ensuite repliés (29, 30) sur les
tranches de façon à les recouvrir. Enfin, on pratique l'opération de
compression. On peut voir en figure 2 la tranche gauche (12) et la tranche
droite (13) ainsi couvertes.
ms On peut également recouvrir les deux autres tranches (face et arrière) en
plus
des tranches gauche et droite en suivant le même principe, à la différence
près qu'il faut remplacer les opérations de colaminage et de laminage par des
compressions sous presse, réalisées ailette par ailette.
