WO2019115963A1 - Système de refroidissement liquide pour carte électronique constituée d'une plaque froide et de dissipateurs thermiques reliés en liaisons souples avec ladite plaque froide - Google Patents

Système de refroidissement liquide pour carte électronique constituée d'une plaque froide et de dissipateurs thermiques reliés en liaisons souples avec ladite plaque froide Download PDF

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WO2019115963A1
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cold plate
cooling system
liquid cooling
connector
fins
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Marc RAETH
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Bull SAS
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Bull SAS
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    • H05K7/20409—Outer radiating structures on heat dissipating housings, e.g. fins integrated with the housing

Definitions

  • the present invention relates to a liquid cooling system of an electronic card comprising at least one calculation processor.
  • Server compute blades typically have electronic boards that emit heat and must be cooled. Initially, these electronic boards were cooled by air. However, in the case of rack-mountable servers, airflow is not sufficient to cool the electronic boards.
  • the applicant has also developed a mixed cooling system 1 (illustrated in FIG. 3) in which the electronic boards 2 are cooled by means of a cold plate 11 made of aluminum in which a heat transfer liquid circulates, the cold plate 11 being interfaced with all the low and medium electronic components to be cooled, that is to say all the components of an electronic card 3 excluding the high electronic components (typically the processors and the strips memories).
  • the processors 23 (not visible in Figure 3) are the most constraining components to cool (because they must remain accessible) and also the most dissipative. They can not be interfaced with the cold plate 11 directly. In order to ensure thermal contact with the processors 23, each of them is interfaced with an intermediate heat sink 16 to heat pipes 160 (shown in Figure 2).
  • Heat Spreader CPU 16-phase phase-shift heat sink 16
  • the part of the heat pipes 160 in contact with the copper slab which interfaces the processor 23 constitutes the evaporator 162, while that in contact with the interface with the cold plate 11 constitutes the condenser 163.
  • This solution is described in more detail in the European patent applications EP 2770809 and EP 2770810 belonging to the Applicant.
  • thermal limits specific to heat pipes the flow inside a heat pipe is two-phase and is governed by five limits in terms of flow, viscosity, boiling, entrainment, capillarity) which depend on the dimensions of the heat pipes and the power to be evacuated.
  • thermal contacts must be provided between the cold plate and the heat sink on the one hand, and between the heat sink and the processor. These thermal contacts are in the current solution set up by the applicant guaranteed by the use of conductive grease, having the disadvantage of generating a high temperature gradient.
  • a cooling system for an electronic card which is entirely liquid, comprising a cold plate supplied with heat transfer fluid via a water path internal to the cold plate, and a plurality of heat sinks connected in flexible connections with the internal water path to the cold plate.
  • These flexible links form a flexible network coupled to the network of rigid channels of the cold plate supplied with heat transfer fluid (typically brine), thus allowing the supply of heat transfer fluid heat sinks.
  • This network will have to be coupled to the cold plate system allowing the cooling of the rest of the electronic card.
  • the coolant must be brought closer to the heat source.
  • the Applicant has specifically developed a single-phase heat sink comprising a cooling block of thermally conductive material that can be supplied with heat transfer fluid.
  • the heat source that constitutes the processor will be directly interfaced with this cooling block (also referred to in the examples by the term in English "waterblock”) supplied with heat transfer fluid taken from the cold plate.
  • This cooling block also referred to in the examples by the term in English "waterblock" supplied with heat transfer fluid taken from the cold plate.
  • the present invention therefore relates to a liquid cooling system of an electronic card comprising a support, a plurality of electronic components fixed on said support decomposing into low and medium electronic components and high electronic components (preferably processors), said system comprising:
  • a cold plate having external dimensions substantially equal to those of said support of the electronic card so that it covers the entire support and said low and medium electronic components, said cold plate being a plate made of a conductive thermal material and comprising a primary cooling circuit with main channels (preferably rigid) inside which circulates a coolant, the supply of coolant in said cold plate being performed via an input connector and the output of said fluid coolant out of the cold plate being via an output connector,
  • a plurality of heat sinks each comprising a main heat exchange zone adapted to bear against a high electronic component, said liquid cooling system being characterized in that it further comprises a secondary circuit of flexible secondary channels connected to the primary channels of the primary circuit by bent connectors fixed in said cold plate (for example by screwing into the cold plate), and
  • heat sinks (12) are monophasic heat sinks which each comprise:
  • a cooling block of thermally conductive material (typically aluminum or aluminum alloy) comprising a lower part constituting the main heat exchange zone, an intermediate portion said distribution and an upper portion connected to the cold plate,
  • cooling block further comprises:
  • ⁇ a through slot located in the middle part to distribute homogeneously the flow of said heat transfer fluid from the upper part in the form of a jet centered towards a support plate situated in the main heat exchange zone and comprising a hollow central part with a zone provided with fins or spikes for generating the turbulence in the flow regime of said heat transfer fluid and a zone peripheral to said zone provided with fins or spikes for collecting the coolant and directing it towards said outlet connector.
  • the cooling system according to the invention thus makes it possible to guarantee the cooling of all the components of the electronic card, and this by liquid way whatever the nature of the electronic components: the low and medium components by the cold plate and the so-called components such as processors and memory modules by single-phase heat sinks with cooling block.
  • low and medium electronic components is meant, within the meaning of the present invention, any component of the electronic card having a height less than a threshold height, below which it can be cooled by the cold plate cooling circuit.
  • the low and medium electronic components it is generally a power supply or a voltage regulator.
  • high electronic components is meant in the sense of the present invention, any component of the electronic card that is not cooled by the cooling circuit cold plate because they must remain accessible without disassembly of the cold plate.
  • electronic components requiring fast maintenance such as processors or memory modules.
  • the cooling system according to the invention because of its structure with cooling blocks connected in flexible connections with the cooling circuit of the cold plate allows great flexibility for dismantling processors and guarantees reliable connections after a large number of disassembly operation cycles. A tightness at 10 bar is guaranteed by the cooling system according to the invention, including after several disassembly operations.
  • the cooling system according to the invention because of its structure with cooling blocks connected in flexible connections with the cooling circuit of the cold plate, allows the implantation of a plurality of heat sinks in series or in parallel, for example six in number.
  • the heat sink of the cooling system according to the invention must also comply with a congestion constraint defined by the size of the processors and by the available space on the cold plates to judiciously distribute the cooling fluid.
  • the heat sink of the cooling system according to the invention also makes it possible to meet production constraints in large series, because of its simplicity of manufacture and assembly by flexible connections with the cold plate.
  • the intermediate portion of the cooling block has a slot.
  • the heat transfer fluid when it arrives in the cooling block, passes through a fine thin slot or blade, which allows its equitable distribution in the exchange surface through the fins.
  • the shape of this distributor and its distance from the fins are studied so as to obtain the largest possible Reynolds number in the space available.
  • it will be chosen to orient the slot of the intermediate portion of the cooling block perpendicular to the direction of the fins, so as to maximize the coefficient of exchange between the fluid and the solid surface of the fins.
  • the intermediate portion of the block of cooling may consist of a distribution plate in which is made the through slot.
  • the distribution plate may be in the form of substantially a rectangular parallelepiped whose one side is provided with a step fitting into the part of the peripheral zone of the zone of Primary heat exchange is located under the input connector without covering the portion of the peripheral area under said output connector.
  • the fin plates of the cooling block will be used, and preferably straight fins.
  • the straight fins may have a thickness of 0.2 mm and be spaced from each other by a distance of 0.4 mm.
  • the gap between two fins is preferably 0.2 mm as well.
  • fins makes it possible on the one hand to increase the exchange surface, and on the other hand to increase the turbulence of the flow in order to improve the heat exchange coefficient.
  • the straight vanes make it possible to create a jet flow (known by the name in English "liquid-jet") and to obtain turbulent flow regimes even with very low velocities and pressure losses.
  • the liquid cooling system according to the invention therefore makes it possible to combine a high exchange surface and an optimized convective coefficient in the center of the processor by virtue of its jet stream. It also makes it possible to obtain a reduction in the hydraulic diameter and the passage sections, which offers a greater speed to the fluid and thus the convective exchanges are improved. This type of flow also makes it possible to center the peak of the convective heat transfer in contrast to the longitudinal flows, which do not optimize the exchange to the nearest processor.
  • FIG. 1 shows a mixed cooling system of a dual processor electronic card of the prior art
  • FIG. 2 a two-phase heat sink of an electronic card cooling system known from the prior art and belonging to the Applicant
  • FIG. 3 shows the known cooling system of the prior art integrating the heat sink illustrated in FIG. 2
  • Figure 4 is a schematic representation of the liquid cooling system according to the invention, showing the distribution of the coolant in the flexible secondary channels through the heat sinks;
  • FIG. 5 is a photograph showing, in a liquid cooling system according to the invention comprising a plurality of these cooling blocks, the kinematics of rotation of one of these blocks with respect to a channel of the secondary cooling circuit;
  • FIG. 6 is a diagrammatic exploded view of an embodiment of a heat sink that can be used in a liquid cooling system according to the invention.
  • FIG. 7 is a photograph showing the complete assembly of the liquid cooling system according to the invention on three electronic boards each comprising a processor;
  • FIG. 8 shows the result of a numerical simulation of the evolution of the pressure drop in the circuit of primary cooling of the cold plate, forming part of a liquid cooling system according to the invention with 3 cooling blocks;
  • FIG. 9 is a schematic representation of the simplified hydraulic model of the liquid cooling system according to the invention corresponding to that for which the numerical simulation illustrated in FIG.
  • FIG. 10 shows the result of a numerical simulation of the evolution of the velocity field in the primary cooling circuit of the cold plate, forming part of a liquid cooling system according to the invention corresponding to that of FIGS.
  • FIG. 11 shows the result of a numerical simulation of the heating of the heat transfer fluid in the primary cooling circuit of the cold plate, forming part of a liquid cooling system according to the invention corresponding to that of FIGS. 9, 10 and 11; this figure also shows the heating of the fluid in the pipes representative of the cooling block;
  • Figure 12 shows the result of the temperature field of the cold plate (view from below, that is to say on the side of the electronic card).
  • FIGS. 4 to 8 are described in greater detail in the part of the description which follows, relating to the description a detailed description of an embodiment of the liquid cooling system according to the invention.
  • FIG. 4 diagrammatically represents an embodiment of a liquid cooling system 1 according to the invention comprising three heat sinks 12.
  • FIG. 4 more particularly shows the distribution of the coolant 112 in a secondary network of flexible secondary channels 1111 through heat sinks 12.
  • the complete assembly of the liquid cooling system 1 according to the invention on an electronic card 2 comprising three processors 23 (visible in FIG. 5) is shown in the photograph of FIG. 8.
  • the electronic card 2 comprises, in addition to the processors 23, a plurality of low and medium electronic components 21, 22 (visible by transparency in FIG. 5) fixed on a support 21.
  • FIG. 8 shows that the liquid cooling system according to the invention comprises on the one hand a cold plate 11 having external dimensions substantially equal to those of said support of the electronic card 2 so that it covers the entire support 21 and low and medium electronic components 22 attached thereto, and on the other hand three heat sinks 12 each comprising a main heat exchange zone 121 (visible in FIG. 6) adapted to bear against a processor 23.
  • the cold plate 11 may advantageously be a plate made of a conductive thermal material such as aluminum. It comprises a primary circuit 110 for cooling 110 (visible in the simulation of FIG. 9) with main channels 1101 inside which circulates a coolant 112 such as brine.
  • the supply of heat transfer fluid 112 in the cold plate 11 is carried out via an inlet connector 113 and the outlet of the coolant 112 out of the cold plate 11 is via an outlet connector 114.
  • FIG. 5 also shows how the liquid cooling system 1 according to the invention is associated with the primary cooling circuit 110 of the cold plate, thanks to monophasic heat sinks 12 (also visible in FIG. 4) and a secondary circuit 111 flexible secondary channels 1111 connected to the main channels 1101 of the primary circuit 111 by elbow connectors 1112 screwed into the cold plate 11.
  • the heat sinks 12 are monophasic heat sinks which each include (see also FIG. 4):
  • an inlet channel 3 and an outlet channel 4 which are connected on the one hand to the upper part 123 of the cooling block 120 via, respectively, an input connector 5 and an output connector 6, and on the other hand to a flexible secondary channel 1111 of the secondary circuit 111 via an elbow connector 1223, 1224.
  • the structure of the heat sink of the cooling system according to the invention is such that the cooling block is supplied by the coolant 112 flowing in said cold plate 11.
  • FIG 5 clearly shows that these elbow connectors 1223, 1224 allow the rotation of the input and output channels 3, 4 relative to the flexible secondary channel 1111 to which they are connected.
  • Figure 6 is a schematic exploded view of an embodiment of a heat sink 12 for use in a liquid cooling system 1 according to the invention.
  • the heat sink usable in the context of the invention comprises a cooling block 120 of heat-conducting material comprising a lower portion constituting a main heat exchange zone 121, an intermediate portion 122 said distribution and an upper portion 123 connected to the cold plate 11.
  • a through slot 8 is located in the intermediate portion 122 to distribute homogeneously the flow of the coolant 112 from the upper portion 123 in the form of a jet centered on a support plate 9 located in the main heat exchange zone 121.
  • This support plate 9 and having a hollow central portion 91 with an area provided with fins 910 to generate turbulence in the flow regime of said coolant 112 and a peripheral zone 911 to the zone equipped with fins 910 to collect the coolant 112 and direct it towards said connector output 6.
  • the processors With the liquid cooling system according to the invention 1, the processors will be 10 ° C warmer than if one used the known cooling system of the prior art shown in Figure 3 (heat pipe system: see also Figure 2) Heat pipes. Thanks to the liquid cooling system according to the invention, it is therefore possible to cool more powerful processors.
  • Blade inlet flow rate 3 l / min (5.10 -5 m 3 / s);
  • Load loss targets for balancing blades 70kPa Input-output AT target on the blade: about 7 ° C
  • EXAMPLE 1 Hydraulic simulation of the cooling system according to the invention with 3 cooling blocks (as represented in FIGS. 4 to 7).
  • the target of pressure drops for balancing blades is 70kPa.
  • the calculated value of the overall pressure drop of the cold plate is of the order of 75 Kpa, which is close to the target value.
  • FIG. 11 shows the result of a numerical simulation of the heat transfer fluid heating in the primary cooling circuit of the cold plate
  • FIG. 14 shows the result of the temperature field of the cold plate (seen from below). Sources of heat are applied directly to the cold plate at the location of the medium and low components. The result of the simulation gives a plate temperature at the interface with each of the components (medium and low).
  • the input of the cold plate is at 44 ° C since it is an input data of the calculation (limit condition).
  • the output is around 52 ° C.

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Abstract

La présente invention concerne un système de refroidissement liquide (1) pour carte électronique (3) constituée d'une plaque froide (11) et de dissipateurs thermiques (12) reliés en liaisons souples avec ladite plaque froide (11).

Description

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT LIQUIDE POUR CARTE ELECTRONIQUE CONSTITUEE D'UNE PLAQUE FROIDE ET DE DISSIPATEURS THERMIQUES
RELIES EN LIAISONS SOUPLES AVEC LADITE PLAQUE FROIDE
La présente invention concerne un système de refroidissement liquide d'une carte électronique comprenant au moins un processeur de calcul.
Les lames de calcul pour serveur comportent généralement des cartes électroniques qui dégagent de la chaleur et doivent donc être refroidies. Initialement, ces cartes électroniques étaient refroidies par de l'air. Toutefois, dans le cas de serveurs montables sur bâti, la circulation d'air n'est pas suffisante pour refroidir les cartes électroniques.
Pour résoudre ce problème, des systèmes de refroidissement fluidiques ont été développés.
Parmi les solutions connues de refroidissement de cartes électroniques, la société IBM a mis au point un système de refroidissement mixte l' de cartes électroniques 2 double processeurs pour supercalculateur, qui est représenté sur la figure 1. Un tel système comporte des tuyaux en cuivre 11' contenant un liquide caloporteur formant une boucle liquide. Toutefois, la rigidité des tuyaux en cuivre 11' ne permet pas le démontage rapide d'un unique processeur. En outre, la boucle liquide assure le refroidissement des processeurs uniquement. Le reste de la puissance dissipée est refroidie par convection dans l'air, ce qui n'est pas optimal pour l'efficacité énergétique (PUE, acronyme désignant en anglais « Power Usage Effectiveness ») du supercalculateur.
D' autres fabricants de cartes électroniques proposent des systèmes de refroidissement liquides dédiés uniquement aux processeurs. Ces derniers intègrent un dissipateur thermique, une pompe intégrée et un échangeur pour extraire les calories. Bien entendu, de tels dispositifs ne sont pas compatibles à des systèmes de plus grande échelle comme les supercalculateurs pour raison d'encombrement.
Le demandeur a mis au point, par ailleurs, un système de refroidissement 1 mixte (illustré sur la figure 3) dans lequel les cartes électroniques 2 sont refroidies par l'intermédiaire d'une plaque froide 11 en aluminium dans laquelle circule un liquide caloporteur, la plaque froide 11 étant interfacée avec tous les composants électroniques bas et moyens à refroidir, c'est-à-dire l'ensemble des composants d'une carte électronique 3 à l'exclusion des composants électroniques hauts (typiquement les processeurs et les barrettes mémoires) . Les processeurs 23 (non visibles sur la figure 3) sont les composants les plus contraignants à refroidir (car ils doivent rester accessibles) et aussi les plus dissipatifs. Ils ne peuvent pas être interfacés avec la plaque froide 11 directement. Afin d'assurer le contact thermique avec les processeurs 23, chacun d'eux est interfacé avec un dissipateur thermique intermédiaire 16 à caloducs 160 (illustré sur la figure 2) . Il s'agit d'un dissipateur thermique 16 diphasique à changement de phase (généralement désigné en anglais par les termes « Heat Spreader CPU ») , qui conduit la chaleur des processeurs 23 vers la plaque froide 11. La partie des caloducs 160 en contact avec la dalle en cuivre qui interface le processeur 23 constitue l ' évaporateur 162, tandis que celle en contact avec l'interface avec la plaque froide 11 constitue le condenseur 163. Cette solution est décrite de manière plus détaillée dans les demandes de brevet européen EP 2770809 et EP 2770810 appartenant au Demandeur.
Cette solution de refroidissement des processeurs à l'aide de caloducs présente également des inconvénients, et en particulier :
• des limites thermiques spécifiques aux caloducs : l'écoulement à l'intérieur d'un caloduc est diphasique et est régi par cinq limites en termes d'écoulement, de viscosité, d'ébullition, d'entrainement, de capillarité) qui dépendent des dimensions des caloducs et de la puissance à évacuer.
• des limites mécaniques : l'augmentation du nombre de caloducs entraine une augmentation de la rigidité de l'ensemble. Or, afin de compenser les écarts de tolérances il est indispensable que le dissipateur se déforme suffisamment .
• un nombre élevé d' interfaces thermiques amovibles : des contacts thermiques doivent être assurés entre la plaque froide et le dissipateur thermique d'une part, et entre le dissipateur thermique et le processeur. Ces contacts thermiques sont dans la solution actuelle mise en place par le demandeur garantis par l'utilisation de graisse conductrice, présentant l'inconvénient de générer un gradient de température élevé.
• la complexité et le coût de la solution globale : les surfaces d'échanges solide/fluide sont actuellement au niveau de la plaque froide. La complexité de celle-ci au niveau des dissipateurs thermiques augmente considérablement les usinages dans la plaque froide et ainsi le coût de fabrication.
Pour résoudre les défauts et inconvénients susmentionnés, le déposant a donc mis au point un système de refroidissement pour une carte électronique qui est entièrement liquide, comprenant une plaque froide alimentée en fluide caloporteur via un chemin d'eau interne à la plaque froide, et une pluralité de dissipateurs thermiques reliés en liaisons souples avec le chemin d'eau interne à la plaque froide. Ces liaisons souples forment un réseau flexible couplé au réseau de canaux rigides de la plaque froide alimenté en fluide caloporteur (typiquement de l'eau glycolée) , permettant ainsi l'alimentation en fluide caloporteur des dissipateurs thermiques. Ce réseau devra être couplé au système de plaque froide permettant le refroidissement du reste de la carte électronique. Pour optimiser au maximum le refroidissement du processeur, le liquide caloporteur doit être amené au plus proche de la source de chaleur. A cette fin, le Demandeur a mis spécifiquement au point un dissipateur thermique monophasique comportant un bloc de refroidissement en matériau thermoconducteur pouvant être alimenté en fluide caloporteur. La source de chaleur que constitue le processeur sera donc directement interfacée avec ce bloc de refroidissement (également désigné dans les exemples par le terme en anglais « waterblock ») alimenté en fluide caloporteur prélevé de la plaque froide. Un tel système de refroidissement intégré répond aux contraintes d'efficacité thermiques, de compacité mécanique et de maintenabilité nécessaire pour ce type de matériel informatique haute performance .
Plus particulièrement, la présente invention a donc pour objet un système de refroidissement liquide d'une carte électronique comprenant un support, une pluralité de composants électroniques fixés sur ledit support se décomposant en composants électroniques bas et moyens et en composants électroniques hauts (de préférence des processeurs) , ledit système comprenant :
• une plaque froide présentant des dimensions extérieures sensiblement égales à celles dudit support de la carte électronique de sorte qu'elle recouvre l'intégralité du support et lesdits composants électroniques bas et moyens, ladite plaque froide étant une plaque réalisée en un matériau thermique conducteur et comprenant un circuit primaire de refroidissement avec des canaux principaux (de préférence rigides) à l'intérieur desquels circule un fluide caloporteur, l'alimentation en fluide caloporteur dans ladite plaque froide étant réalisée via un connecteur d'entrée et la sortie dudit fluide caloporteur hors de la plaque froide se faisant via un connecteur de sortie,
• une pluralité de dissipateurs thermiques comprenant chacun une zone d'échange thermique principale apte à venir en appui contre un composant électronique haut, ledit système de refroidissement liquide étant caractérisé en ce qu' il comporte en outre un circuit secondaire de canaux secondaires flexibles connectés aux canaux principaux du circuit primaire par des connecteurs coudés fixés dans ladite plaque froide (par exemple par vissage dans la plaque froide) , et
en ce que lesdits dissipateurs thermiques (12) sont des dissipateurs thermiques monophasiques qui comprennent chacun :
■ un bloc de refroidissement en matériau thermoconducteur (typiquement en aluminium ou alliage d' aluminium) comprenant une partie inférieure constituant la zone d'échange thermique principale, une partie intermédiaire dite de répartition et une partie supérieure connectée à la plaque froide,
■ un canal d'entrée et un canal de sortie qui sont connectés d'une part à la partie supérieure dudit bloc de refroidissement par l'intermédiaire respectivement d'un connecteur d'entrée et d'un connecteur de sortie, et d'autre part à un canal secondaire flexible du circuit secondaire via un connecteur coudé, de sorte que ledit bloc de refroidissement est alimenté par ledit fluide caloporteur circulant dans ladite plaque froide, lesdits connecteurs coudés étant aptes à permettre la rotation desdits canaux d'entrée et de sortie par rapport audit canal secondaire flexible auquel ils sont connectés, et
en ce que ledit bloc de refroidissement comprend en outre:
■ une fente traversante située dans la partie intermédiaire pour répartir de manière homogène l'écoulement dudit fluide caloporteur en provenance de la partie supérieure sous forme de jet centré vers ■ une plaque support située dans la zone d'échange thermique principale et comportant une partie centrale creuse avec une zone munie d'ailettes ou de picots pour générer de la turbulence dans le régime d'écoulement dudit fluide caloporteur et une zone périphérique à ladite zone munie d'ailettes ou de picots pour recueillir le fluide caloporteur et le diriger vers ledit connecteur de sortie.
Le système de refroidissement selon l'invention permet ainsi de garantir le refroidissement de tous les composants de la carte électronique, et ce par voie liquide quelle que soit la nature des composants électroniques : les composants bas et moyens par la plaque froide et les composants dits hauts tels que les processeurs et les barrettes mémoires par les dissipateurs thermiques monophasiques à bloc de refroidissement.
Par composants électroniques bas et moyens, on entend, au sens de la présente invention, tout composant de la carte électronique présentant une hauteur inférieure à une hauteur seuil, au-dessous de laquelle il peut être refroidi par le circuit de refroidissement la plaque froide. Pour ce qui concerne les composants électroniques bas et moyens, il s'agit en général d'alimentation ou de régulateur de tension.
Par composants électroniques hauts, on entend, au sens de la présente invention, tout composant de la carte électronique qui n'est pas refroidi par le circuit de refroidissement la plaque froide car ils doivent rester accessibles sans démontage de la plaque froide. Il s'agit de composants électroniques nécessitant une maintenance rapide comme les processeurs ou les barrettes mémoires.
Le système de refroidissement selon l'invention, en raison de sa structure avec blocs de refroidissement reliés en liaisons souples avec le circuit de refroidissement de la plaque froide permet une grande flexibilité pour le démontage des processeurs et garantit une fiabilité des connexions après un grand nombre de cycles d'opération de démontage. Une étanchéité à 10 bars est garantie par le système de refroidissement selon l'invention, y compris après plusieurs opération de démontage.
Le système de refroidissement selon l'invention, en raison de sa structure avec blocs de refroidissement reliés en liaisons souples avec le circuit de refroidissement de la plaque froide, permet l'implantation d'une pluralité de dissipateurs de chaleur en série ou en parallèle, par exemple au nombre de six.
Le dissipateur thermique du système de refroidissement selon l'invention doit d'ailleurs lui-même respecter une contrainte d'encombrement défini par la taille des processeurs et par la place disponible sur les plaques froides pour répartir judicieusement le fluide de refroidissement.
Le dissipateur thermique du système de refroidissement selon l'invention permet en outre de répondre à des contraintes de fabrication en grande série, en raison de sa simplicité de fabrication et d'assemblage par liaisons souples avec la plaque froide .
La partie intermédiaire du bloc de refroidissement comporte une fente. Dans cette configuration, le fluide caloporteur, lorsqu'il arrive dans le bloc de refroidissement, traverse une fine fente très fine ou lame, qui permet sa répartition équitable dans la surface d'échange au travers des ailettes. La forme de ce répartiteur et sa distance par rapport aux ailettes sont étudiés de manière à obtenir un nombre de Reynolds le plus grand possible dans l'encombrement disponible.
De préférence, on choisira d'orienter la fente de la partie intermédiaire du bloc de refroidissement perpendiculairement à la direction des ailettes, de manière à maximiser le coefficient d'échange entre le fluide et la surface solide des ailettes.
Selon un mode de réalisation avantageux du bloc de refroidissement, la partie intermédiaire du bloc de refroidissement peut être constituée d'une plaque de répartition dans laquelle est pratiquée la fente traversante.
Dans un tel mode de réalisation, la plaque de répartition peut se présenter sous la forme sensiblement d'un parallélépipède rectangle dont l'un des côtés est muni d'une marche s'emboitant dans la partie de la zone périphérique de la zone d'échange thermique principale est située sous le connecteur d'entrée sans recouvrir la partie de la zone périphérique sous ledit connecteur de sortie.
Selon un mode de réalisation avantageux du bloc de refroidissement, on utilisera pour la plaque support du bloc de refroidissement des ailettes, et de préférence des ailettes droites. Dans ce cas, les ailettes droites peuvent présenter une épaisseur de 0,2 mm et être espacées les unes des autres d'une distance de 0,4 mm. L'écart entre 2 ailettes est de préférence de 0,2 mm également.
L'utilisation d'ailettes permet d'une part d'augmenter la surface d'échange, et d'autre part d'augmenter la turbulence de l'écoulement pour améliorer le coefficient d'échange thermique.
Les ailettes droites permettent de créer un écoulement par jet (connu sous la dénomination en anglais « liquid-jet ») et d'obtenir des régimes d'écoulements turbulents même avec des vitesses et des pertes de pression très faibles.
Le système de refroidissement liquide selon l'invention permet donc de combiner une surface d'échange élevée et un coefficient convectif optimisé au centre du processeur grâce à son écoulement par jet centré. Il permet en outre d'obtenir une réduction du diamètre hydraulique et des sections de passage, ce qui offre une plus grande vitesse au fluide et ainsi les échanges convectifs sont améliorés. Ce type d'écoulement permet aussi de centrer le pic du transfert de chaleur convectif contrairement aux écoulements longitudinaux, qui n'optimisent pas l'échange au plus proche du processeur. D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront des exemples ci-après qui va suivre, donnés à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures annexées :
la figure 1 montre un système de refroidissement mixte d'une carte électronique double processeur de l'art antérieur ;
la figure 2 un dissipateur thermique diphasique d'un système de refroidissement de carte électronique connu de l'art antérieur et appartenant au Demandeur, la figure 3 montre le système de refroidissement connu de l'art antérieur intégrant le dissipateur thermique illustré sur la figure 2,
la figure 4 est une représentation schématique du système de refroidissement liquide selon l'invention, montrant la répartition du fluide caloporteur dans les canaux secondaires flexibles au travers des dissipateurs thermiques ;
la figure 5 est une photographie montrant, dans un système de refroidissement liquide selon l'invention comportant une pluralité de ces blocs de refroidissement, la cinématique de rotation de l'un de ces blocs par rapport à un canal du circuit secondaire de refroidissement
la figure 6 est une vue éclatée schématique d'un mode de réalisation d'un dissipateur thermique utilisable dans un système de refroidissement liquide selon l'invention ;
la figure 7 est une photographie montrant le montage complet du système de refroidissement liquide selon l'invention sur trois cartes électroniques comportant chacune un processeur ;
La figure 8 montre le résultat d'une simulation numérique de l'évolution de la perte de charge dans le circuit de refroidissement primaire de la plaque froide, faisant partie d'un système de refroidissement liquide selon l'invention à 3 blocs de refroidissement ;
la figure 9 est une représentation schématique du modèle hydraulique simplifié du système de refroidissement liquide selon l'invention correspondant à celui pour lequel la simulation numérique illustrée sur la figure
9 a été réalisée ;
La figure 10 montre le résultat d'une simulation numérique de l'évolution du champ de vitesses dans le circuit de refroidissement primaire de la plaque froide, faisant partie d'un système de refroidissement liquide selon l'invention correspondant à celui des figures 9 et
10 ;
La figure 11 montre le résultat d'une simulation numérique de l ' échauffement du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement primaire de la plaque froide, faisant partie d'un système de refroidissement liquide selon l'invention correspondant à celui des figures 9, 10 et 11 ; dans cette figure on observe également 1 ' échauffement du fluide dans les tuyaux représentatif du bloc de refroidissement ;
La figure 12 montre le résultat du champ de températures de la plaque froide (vue de dessous, c'est-à-dire du côté de la carte électronique) .
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés sur ces figures par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures.
Les figures 1 à 3 sont décrites plus en détail au niveau de la partie de la description qui précède, relative à la description des solutions connues de l'art antérieur.
Les figures 4 à 8 sont décrites plus en détail au niveau de la partie de la description qui suit, relative à la description détaillée d'un mode de réalisation du système de refroidissement liquide selon l'invention.
Les figures 9 à 14 sont décrites plus en détail au niveau des exemples qui suivent, qui illustrent l'invention sans en limiter la portée.
DESCRIPTION D ' UN MODE DE REALISATION
La figure 4 représente schématiquement un mode de réalisation d'un système de refroidissement liquide 1 selon l'invention comportant trois dissipateurs thermiques 12. La figure 4 montre plus particulièrement distribution du fluide caloporteur 112 dans un réseau secondaire de canaux secondaires flexibles 1111 au travers des dissipateurs thermiques 12.
Le montage complet du système de refroidissement liquide 1 selon l'invention sur une carte électronique 2 comportant trois processeurs 23 (visibles sur la figure 5) est montré sur la photographie de la figure 8. La carte électronique 2 comprend, outre les processeurs 23, une pluralité de composants électroniques bas et moyens 21, 22 (visibles par transparence sur la figure 5) fixés sur un support 21.
La figure 8 montre que le système de refroidissement liquide selon l'invention comprend d'une part une plaque froide 11 présentant des dimensions extérieures sensiblement égales à celles dudit support de la carte électronique 2 de sorte qu'elle recouvre l'intégralité du support 21 et des composants électroniques bas et moyens 22 qui y sont fixés, et d'autre part trois dissipateurs thermiques 12 comprenant chacun une zone d'échange thermique principale 121 (visible sur la figure 6) apte à venir en appui contre un processeur 23.
La plaque froide 11 peut être avantageusement une plaque réalisée en un matériau thermique conducteur tel que l'aluminium. Elle comprend un circuit primaire 110 de refroidissement 110 (visible sur la simulation de la figure 9) avec des canaux principaux 1101 à l'intérieur desquels circule un fluide caloporteur 112 tel que de l'eau glycolée. L'alimentation en fluide caloporteur 112 dans la plaque froide 11 est réalisée via un connecteur d'entrée 113 et la sortie du fluide caloporteur 112 hors de la plaque froide 11 se faisant via un connecteur de sortie 114.
La figure 5 montre par ailleurs comment le système de refroidissement liquide 1 selon l'invention est associé au circuit primaire de refroidissement 110 de la plaque froide, grâce à des dissipateurs thermiques monophasiques 12 (visibles également sur la figure 4) et un circuit secondaire 111 de canaux secondaires flexibles 1111 connectés aux canaux principaux 1101 du circuit primaire 111 par des connecteurs coudés 1112 vissés dans la plaque froide 11.
Les dissipateurs thermiques 12 sont des dissipateurs thermiques monophasiques qui comprennent chacun (voir également la figure 4) :
■ un bloc de refroidissement 120 en matériau thermoconducteur
■ un canal d'entrée 3 et un canal de sortie 4 qui sont connectés d'une part à la partie supérieure 123 dudit bloc de refroidissement 120 par l'intermédiaire respectivement d'un connecteur d'entrée 5 et d'un connecteur de sortie 6, et d'autre part à un canal secondaire flexible 1111 du circuit secondaire 111 via un connecteur coudé 1223, 1224.
La structure du dissipateur thermique du système de refroidissement selon l'invention est donc telle que le bloc de refroidissement est alimenté par le fluide caloporteur 112 circulant dans ladite plaque froide 11.
La figure 5 montre clairement que ces connecteurs coudés 1223, 1224 permettent la rotation des canaux d'entrée et de sortie 3, 4 par rapport au canal secondaire flexible 1111 auquel ils sont connectés. La figure 6 est une vue éclatée schématique d'un mode de réalisation d'un dissipateur thermique 12 utilisable dans un système de refroidissement liquide 1 selon l'invention. Cette figure montre que le dissipateur thermique utilisable dans le cadre de l'invention comprend un bloc de refroidissement 120 en matériau thermoconducteur comprenant une partie inférieure constituant une zone d'échange thermique principale 121, une partie intermédiaire 122 dite de répartition et une partie supérieure 123 connectée à la plaque froide 11. Une fente traversante 8 est située dans la partie intermédiaire 122 pour répartir de manière homogène l'écoulement du fluide caloporteur 112 en provenance de la partie supérieure 123 sous forme de jet centré vers une plaque support 9 située dans la zone d'échange thermique principale 121. Cette plaque support 9 et comportant une partie centrale creuse 91 avec une zone munie d'ailettes 910 pour générer de la turbulence dans le régime d'écoulement dudit fluide caloporteur 112 et une zone périphérique 911 à la zone munie d'ailettes 910 pour recueillir le fluide caloporteur 112 et le diriger vers ledit connecteur de sortie 6.
Grâce au système de refroidissement liquide selon l'invention 1, les processeurs seront 10°C moins chauds que si l'on utilisait le système de refroidissement connu de l'art antérieur représenté sur la figure 3 (système à caloducs : voir également la figure 2) à caloducs. Grâce au système de refroidissement liquide selon l'invention, il est donc possible de refroidir des processeurs plus puissants.
EXEMPLES
On simule le comportement hydraulique du système de refroidissement liquide selon l'invention (à trois processeurs ) tel que représenté sur les figures 4 à 8. CONDITIONS DE CALCUL
Les conditions de calculs sont les suivantes :
• Modèle simulant la conduction et la convection avec le fluide caloporteur, la convection naturelle et le rayonnement avec l'air ambiant autour de la plaque froide étant négligés ;
• Débit entrée de lame = 3 1/min (5.10-5 m3/s) ;
• Température du fluide caloporteur en entrée de lame =
44 °C ;
• Fluide caloporteur utilisé : PEG MB633 (mélange eau +
PEG)
Cibles de perte de charges pour équilibrage des lames : 70kPa Cible de ATentrée-sortie sur la lame : environ 7°C
EXEMPLE 1 : simulation hydraulique du système de refroidissement selon l'invention à 3 blocs de refroidissement (tel que représenté sur les figures 4 à 7) .
Le résultat de la simulation numérique de l'évolution de la perte de charge dans le circuit de refroidissement primaire de la plaque froide est montré sur la figure 8. Un travail d'optimisation a permis d'atteindre la cible de 70 kPa environ de pertes de charges dans la plaque froide à 31/min (comme le montre la figure 8 et l'échelle) .
La cible de pertes de charges pour l'équilibrage de lames est de 70kPa. La valeur calculée de la perte de charge globale de la plaque froide est de l'ordre de 75Kpa, ce qui est proche de la valeur cible. EXEMPLE 2 : simulation thermique du système de refroidissement selon l'invention à 3 blocs de refroidissement (tel que représenté sur les figures 4 à 7) .
La figure 11 montre le résultat d'une simulation numérique de l ' échauffement du fluide caloporteur dans le circuit de refroidissement primaire de la plaque froide, et la figure 14 montre le résultat du champ de températures de la plaque froide (vue de dessous) . Des sources de chaleurs sont appliquées directement sur la plaque froide à l'emplacement des composants moyens et bas. Le résultat de la simulation donne une température de plaque à l'interface avec chacun des composants (moyens et bas) .
On observe un échauffement du fluide à l'intérieur de la plaque froide, l'entrée de la plaque froide est bien à 44°C puisque c'est une donnée d'entrée du calcul (condition limite) . La sortie est aux alentours de 52°C. On a donc un gradient de température entre l'entrée et la sortie du fluide de 8°C environ.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de refroidissement liquide (1) d'une carte électronique (2) comprenant un support (21), une pluralité de composants électroniques (21, 22) fixés sur ledit support (21) se décomposant en composants électroniques bas et moyens (22) et en composants électroniques hauts (23), ledit système (1) comprenant :
• une plaque froide (11) présentant des dimensions extérieures sensiblement égales à celles dudit support (21) de la carte électronique (2) de sorte qu'elle recouvre l'intégralité du support (21) et lesdits composants électroniques bas et moyens (22), ladite plaque froide (11) étant une plaque réalisée en un matériau thermique conducteur et comprenant un circuit primaire de refroidissement (110) avec des canaux principaux (1101) à l'intérieur desquels circule un fluide caloporteur (112), l'alimentation en fluide caloporteur (112) dans ladite plaque froide (11) étant réalisée via un connecteur d'entrée (113) et la sortie dudit fluide caloporteur (112) hors de la plaque froide (11) se faisant via un connecteur de sortie (114),
• une pluralité de dissipateurs thermiques (12) comprenant chacun une zone d'échange thermique principale (121) apte à venir en appui contre un composant électronique haut (23) ,
ledit système de refroidissement liquide (1) étant caractérisé en ce qu' il comporte en outre un circuit secondaire (111) de canaux secondaires flexibles (1111) connectés au canaux principaux (1101) du circuit primaire (111) par des connecteurs coudés (1112) fixés dans ladite plaque froide (11), et
en ce que lesdits dissipateurs thermiques (12) sont des dissipateurs thermiques monophasiques qui comprennent chacun : ■ un bloc de refroidissement (120) en matériau thermoconducteur comprenant une partie inférieure constituant la zone d'échange thermique principale (121), une partie intermédiaire (122) dite de répartition et une partie supérieure (123) connectée à la plaque froide (11),
■ un canal d'entrée (3) et un canal de sortie (4) qui sont connectés d'une part à la partie supérieure (123) dudit bloc de refroidissement (120) par l'intermédiaire respectivement d'un connecteur d'entrée (5) et d'un connecteur de sortie (6), et d'autre part à un canal secondaire flexible (1111) du circuit secondaire (111) via un connecteur coudé (1223, 1224), de sorte que ledit bloc de refroidissement (120) est alimenté par ledit fluide caloporteur (112) circulant dans ladite plaque froide (11), lesdits connecteurs coudés (1223, 1224) étant aptes à permettre la rotation desdits canaux d'entrée et de sortie (3, 4) par rapport audit canal secondaire flexible (1111) auquel ils sont connectés, et en ce que le bloc de refroidissement (120) comprend en outre :
■ une fente traversante (8) située dans la partie intermédiaire (122) pour répartir de manière homogène l'écoulement dudit fluide caloporteur (112) en provenance de la partie supérieure (123) sous forme de jet centré vers
■ une plaque support (9) située dans la zone d'échange thermique principale (121) et comportant une partie centrale creuse (91) avec une zone munie d'ailettes (910) ou de picots pour générer de la turbulence dans le régime d'écoulement dudit fluide caloporteur (112) et une zone périphérique (911) à ladite zone munie d'ailettes (910) ou de picots pour recueillir le fluide caloporteur (112) et le diriger vers ledit connecteur de sortie ( 6) .
2. Système de refroidissement liquide (1) selon la revendication 1, selon lequel les ailettes (910) sont des ailettes droites.
3. Système de refroidissement liquide (1) selon la revendication 2, selon lequel les ailettes (910) présentent une épaisseur de 0,2 mm et sont espacées les unes des autres d'une distance de 0,4 mm.
4. Système de refroidissement liquide (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, selon lequel l'orientation de ladite fente (8) est perpendiculaire à la direction des ailettes (910) .
5. Système de refroidissement liquide (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, selon lequel la partie intermédiaire (122) est constituée d'une plaque de répartition (7) dans laquelle est pratiquée la fente traversante (8) .
6. Système de refroidissement liquide (1) selon la revendication 5, selon lequel ladite plaque de répartition (7) se présente sous la forme sensiblement d'un parallélépipède rectangle dont l'un des côtés est muni d'une marche (71) s'emboitant dans la partie de la zone périphérique (911) de la zone d'échange thermique principale (121) située sous ledit connecteur d'entrée (5), sans recouvrir la partie de la zone périphérique (911) située sous ledit connecteur de sortie (6).
7. Système de refroidissement liquide (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel composants électroniques hauts (23) sont des processeurs.
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