FR3035203A1 - Dispositif de dissipation de chaleur pour module optique a haut rendement thermique - Google Patents

Dispositif de dissipation de chaleur pour module optique a haut rendement thermique Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de dissipation de chaleur 1 destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile. Le dispositif comporte : - un premier élément 2 comportant une pluralité d'ailettes 3 et réalisé, par un procédé d'extrusion, en un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique ; - au moins un second élément 4 réalisé en une matière thermoplastique, comportant au moins un moyen de fixation 5 du dispositif sur le module optique, le second élément 4 étant rapporté sur le premier élément 2 par surmoulage.

Description

Dispositif de dissipation de chaleur pour module optique à haut rendement thermique La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'éclairage pour véhicule 5 automobile notamment, et relèvent notamment des projecteurs équipant de tels véhicules. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un dispositif de dissipation de chaleur destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile. Ce dispositif est plus précisément du type dissipateur de chaleur à ailettes. Un tel dispositif permet de 10 dissiper la chaleur produite par une source lumineuse du module optique, à partir d'une convection obtenue par déplacement ascendant naturel de l'air chaud au regard de la gravité le long des ailettes. Les projecteurs automobiles sont généralement composés d'un boîtier qui est fermé par une paroi transparente à travers laquelle émergent un ou plusieurs faisceaux 15 lumineux. Ce boîtier loge au moins un module optique, comprenant principalement une source lumineuse et un système optique apte à modifier au moins un paramètre de la lumière générée par la source lumineuse pour l'émission du faisceau lumineux par le module optique. Le système optique comprend des composants optiques qui sont par exemple constitués d'un réflecteur, d'une lentille, d'un élément diffusant ou d'un 20 collimateur, voire tout autre organe apte à modifier au moins l'un des paramètres de la lumière générée par la source lumineuse, tel que sa réflexion moyenne et/ou sa direction. L'évolution des techniques tend à favoriser l'utilisation de sources lumineuses constituées d'au moins une DEL (Diode Electroluminescente), en raison de leur faible 25 consommation en énergie et de la qualité de l'éclairage obtenu. Les DEL ne rayonnent pas de manière omnidirectionnelle mais de manière plus directive que les autres sources lumineuses. Le faible encombrement des DEL et leur rayonnement lumineux directif permettent de réduire l'encombrement et de simplifier la structure du module optique, avec pour avantage de faciliter leur intégration à l'intérieur du boîtier. Le 30 système optique associé aux DEL permet de renvoyer la lumière directement émise par la DEL suivant une direction générale d'émergence de la lumière hors du module optique, qui correspond notamment à celle d'émission du faisceau lumineux par le projecteur. Cependant en cours de fonctionnement, les DEL produisent de la chaleur qui est 35 nuisible à leur fonctionnement, car plus une DEL monte en température, plus son flux lumineux diminue. Il est connu de munir les DEL d'un dissipateur de chaleur, avantageusement muni d' 3035203 2 ailettes, agencé en radiateur à ailettes ou organe analogue. Un tel dissipateur de chaleur est notamment organisé en support de la DEL installée sur une carte électronique de commande, et comporte une pluralité d'ailettes globalement planes. Ce dissipateur permet de conduire la chaleur dissipée par la source lumineuse aux ailettes du dissipateur. Ces ailettes permettent d'optimiser l'échange thermique qui a lieu entre leur surface et l'air, qui se réchauffe ainsi au contact des ailettes. Une première difficulté à surmonter est de trouver un compromis entre l'optimisation de la surface d'échange thermique offerte par les ailettes et l'encombrement global du module optique équipé des moyens nécessaires à son refroidissement. Il est aussi à prendre en compte que l'agencement des moyens de refroidissement des DEL est dépendant de la chaleur qu'elles génèrent selon leur puissance de fonctionnement, mais aussi de l'encombrement. Pour optimiser la surface d'échange thermique offerte par les ailettes, il est connu de réaliser le dispositif de dissipation de chaleur en matériau métallique. L'utilisation d'un tel matériau implique des procédés de fabrication particuliers tels que le moulage par injection ou le pliage de feuillard... et peuvent nécessites l'assemblage de nombreuses pièces. Une autre difficulté est d'intégrer un tel dispositif dans des formes diverses et complexes à l'intérieur du module optique. En particulier, il s'agit d'obtenir, de façon 20 simple et industrielle, les formes souhaitées pour s'adapter aux formes du module optique et pour porter des fonctions telles que les fonctions de fixation au module. Pour remédier à ce problème d'encombrement et d'intégration des ailettes réalisées en matériau métallique, il est habituellement proposé de réaliser le dispositif de dissipation de chaleur par moulage par injection (die-casting) de matériau métallique. 25 Cependant, un tel procédé de fabrication, s'il offre de la liberté dans la réalisation de forme variées et complexes, implique une contrainte sur la matière utilisée du fait d'une perte de performance thermique de la matière moulée par rapport au matériau brut, et donc limite le choix de matière ayant une forte capacité d'échange thermique. Les matériaux métalliques restent les meilleurs matériaux pour optimiser les échanges 30 thermiques entre le dispositif et l'air. Par ailleurs, les contraintes liées au démoulage ne permettent pas de réaliser un ensemble d'ailettes ayant une surface d'échange parfaitement optimisée. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un dissipateur de chaleur destiné à équiper au moins un module optique que comporte un dispositif 35 d'éclairage et/ou de signalisation pour véhicule automobile, de conception simple, avec un encombrement limité, et avec des performances de refroidissement efficace. L'invention y parvient en ce que le dispositif de dissipation de chaleur est réalisé en 3035203 3 deux parties rapportées par surmoulage : l'une portant les ailettes pour le refroidissement, réalisée par extrusion en matériau métallique, l'autre portant des moyens de fixations, réalisée en matière thermoplastique pour être surmoulée sur la première partie. 5 Ainsi, l'objet de l'invention concerne un dispositif de dissipation de chaleur destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile. Le dispositif comporte : - un premier élément comportant une pluralité d'ailettes et réalisé, par un procédé d'extrusion, en un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique ; 10 - au moins un second élément réalisé en une matière thermoplastique, comportant au moins un moyen de fixation du dispositif sur le module optique, le second élément étant rapporté sur le premier élément par surmoulage. Le dispositif de dissipation de chaleur comporte ainsi deux éléments réalisés en une matière chacun et selon un procédé en relation avec sa fonction au sein du dispositif. 15 Du fait de la réalisation en extrusion du matériau métallique du premier élément, les échanges thermiques entre le dispositif et l'air environnant sont ainsi optimisés et grandement améliorés par rapport à leur réalisation en moulage par injection, tout en permettant une intégration facilitée dans tout type de module optique, grâce au surmoulage du premier élément par le second élément.
Par ailleurs, le procédé de surmoulage permet une fabrication simple et rapide, la réalisation du second élément se faisant en même temps qu'il est rapporté sur le premier élément. De façon avantageuse, le matériau métallique est choisi dans le groupe comprenant : aluminium, magnésium, cuivre, et un alliage d'au moins un de ces matériaux. Préférentiellement, le matériau métallique est de l'aluminium. Par rapport à un radiateur réalisé en aluminium moulé, un radiateur en aluminium extrudé présente une conductivité thermique de l'ordre du double. Selon un mode de réalisation préféré, la matière thermoplastique est thermiquement conductrice.
Le dispositif selon l'invention comporte alors un double avantage par rapport aux dispositifs connus : il possède une performance thermique encore accrue combinée à une facilité d'usinage du dispositif complet. Cette matière thermoplastique peut alors comporter une résine thermoplastique choisie dans le groupe comprenant : polyamide, polyéthylène. Elle peut également comporter des charges choisies seules ou en combinaison dans le groupe comprenant : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de carbone.
3035203 4 L'invention concerne également un module optique de véhicule automobile, comportant au moins un dispositif de dissipation de chaleur selon l'invention. Le module comporte préférentiellement au moins une source lumineuse comprenant au moins une diode électroluminescente.
5 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de dissipation de chaleur destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile. Le procédé comporte les étapes suivantes: - on réalise un premier élément comportant une pluralité d'ailettes, au moyen d'un procédé d'extrusion à partir d'un matériau métallique sélectionné pour sa capacité 10 d'échange thermique ; - on réalise un surmoulage sur le premier élément d'au moins un second élément en une matière thermoplastique, le second élément comportant au moins un moyen de fixation du dispositif sur le module optique. Avantageusement, on utilise un matériau métallique choisi dans le groupe 15 comprenant : aluminium, magnésium, cuivre, et un alliage d'au moins un de ces matériaux. Selon un mode de réalisation préféré, on utilise une matière thermoplastique thermiquement conductrice. On peut par exemple utiliser une matière thermoplastique comprenant une résine 20 thermoplastique choisie dans le groupe comprenant : polyamide, polyéthylène, polyéthylène téréphtalate, polybutylène téréphtalate, polyphtalamide, poly(acide acrylique). Et on peut utiliser une matière thermoplastique comprenant des charges choisies seules ou en combinaison dans le groupe comprenant : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de carbone, cuivre et alliage de cuivre 25 (laiton). L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : La figure 1 illustre un exemple de réalisation du dispositif de dissipation de chaleur 30 selon l'invention, vu en trois dimensions. La figure 2 illustre une coupe transverse du dispositif de la figure 1. On se réfère maintenant à la figure 1 qui illustre un exemple de réalisation du dispositif de dissipation de chaleur 1 selon l'invention.
35 Le dispositif de dissipation de chaleur 1 comporte : - un premier élément 2 comportant une pluralité d'ailettes 3 et réalisé, par un procédé d'extrusion, en un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange 3035203 5 thermique ; - au moins un second élément 4 réalisé en une matière thermoplastique, comportant au moins un moyen de fixation 5 du dispositif 1 sur le module optique, le second élément 4 étant rapporté sur le premier élément 2 par surmoulage.
5 Le premier élément 2 a pour fonction principal de dissiper la chaleur produite par une source lumineuse, telle qu'une diode électroluminescente DEL. Il comporte à cet effet une pluralité d'ailettes 3 portées par une base. Les ailettes permettent de dissiper la chaleur produite par la source lumineuse du module optique, 10 à partir d'une convection obtenue par déplacement ascendant naturel de l'air chaud au regard de la gravité le long des ailettes. Ainsi, plus les ailettes 3 sont fines, plus le premier élément 2 peut comporter d'ailettes 3, et donc, plus sa surface d'échange avec l'air est importante, permettant d'optimiser l'échange thermique qui a lieu entre leur surface et l'air, qui se réchauffe 15 ainsi au contact des ailettes. Le premier élément 2 est réalisé par un procédé d'extrusion, car un tel procédé permet de produire des ailettes très fines, maximisant ainsi la surface d'échange entre le premier élément 2 et l'air. Un tel procédé d'extrusion est un procédé au cours duquel un matériau compressé est contraint de traverser une filière ayant la section de la pièce 20 à obtenir. On forme ainsi en continu le premier élément 2. Selon l'exemple illustré sur la figure 1, la section de la filière correspond à la forme du premier élément 2 représenté sur la figure 2. La chaleur issue d'une source lumineuse, et récupérée par le premier élément 2, est transmise vers les ailettes 3 pour qu'ait lieu l'échange thermique.
25 A cet effet, le premier élément 2 est réalisé en un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique, c'est-à-dire sa capacité à transférer la chaleur acquise vers un autre milieu ici l'air. On utilise ainsi de préférence l'un des matériaux métalliques suivants pour fabriquer le premier élément 2 : aluminium, magnésium, cuivre, et un alliage d'au moins un de 30 ces matériaux. Le premier élément 2, échangeur de chaleur, est destiné à être fixé sur un module optique. A cet effet, le dispositif 1 comporte un second élément 4 comportant au moins un moyen de fixation 5 du dispositif 1 sur le module optique.
35 Selon l'exemple de la figure 1, le dispositif comporte cinq moyens de fixations 5 constitués chacun d'un orifice, apte à recevoir un système tel qu'un rivet, une vis, ... Selon un autre exemple de réalisation, les moyens de fixations 5 sont des moyens 3035203 6 d'encliquetage par exemple. Pour réaliser ce second élément 4 on utilise une matière thermoplastique. En effet, cette matière permet de fabriquer des pièces par moulage, et permet de créer finement des pièces de formes complexes.
5 Pour rapporter ce second élément 4 sur le premier élément 2, on surmoule le second élément 4 sur le premier élément 2. Ceci permet en plus de fabriquer le second élément 4 en même temps que l'on rapporte cet élément 4 sur le premier élément 2. On peut par exemple placer le premier élément 2 dans l'empreinte d'un moule de compression, puis positionner de la matière thermoplastique dans l'empreinte. On 10 ferme le moule, et l'on applique une pression pour faire fluer la matière de façon à ce qu'elle prenne la forme de l'empreinte tout en surmoulant le premier élément 2. On peut également, placer le premier élément 2 dans l'empreinte d'un moule d'injection. Puis, on ferme le moule, et l'on injecte la matière thermoplastique de façon à ce qu'elle prenne la forme de l'empreinte tout en surmoulant le premier élément 2.
15 Le résultat d'un tel surmoulage est illustré sur la figure 2. Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, le premier élément 2 comporte des extensions latérales, s'étendant perpendiculairement aux ailettes depuis la base supportant ces dernières. Ces extensions permettent de favoriser le maintien des éléments 2, 4 ainsi surmoulés.
20 Ces extensions permettent par ailleurs de laisser libre tout le reste du premier élément 2 de façon à ce qu'il remplisse parfaitement sa fonction d'échangeur thermique avec l'air, et sa fonction de dissipation de chaleur. Selon un mode de réalisation préféré, la matière thermoplastique utilisée est 25 thermiquement conductrice, de façon à améliorer les performances thermiques du dispositif de dissipation de chaleur 1, faisant de ce dispositif un dispositif à haut rendement thermique. Ce dispositif 1 comporte alors un double avantage par rapport aux dispositifs connus : il possède une performance thermique accrue combinée à une facilité 30 d'usinage du dispositif complet. L'homme du métier connaît des matières thermoplastiques thermiquement conductrices. Dans le cadre de l'invention, on choisit de préférence une matière thermoplastique dont la conductivité thermique est supérieure à 10 VV.m-1.K-1. On appelle conductivité 35 thermique, l'énergie quantité de chaleur transférée par unité de surface et de temps sous un gradient de température de 1 kelvin par mètre. On peut utiliser une matière thermoplastique comprenant une résine thermoplastique 3035203 7 et des charges dont la nature, la forme et la taille sont choisies pour augmenter la conductivité thermique de la résine seule. On peut utiliser une résine thermoplastique choisie dans le groupe comprenant : polyamide, polyéthylène, polyéthylène téréphtalate, polybutylène téréphtalate, 5 polyphtalamide, poly(acide acrylique) . On peut utiliser des charges choisies dans le groupe comprenant : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de carbone, cuivre et alliage de cuivre (laiton). On peut par exemple utiliser les matières thermoplastiques thermiquement 10 conductrices suivantes : - Une composition telle que décrite dans le document US902283. Une telle composition comprend une matrice de polyamide et du sulfure de zinc dispersé dans la matrice. - Une composition telle que décrite dans le document W00196458. Une telle 15 composition comprend une matrice contenant des particules dont la forme et la taille sont choisies pour obtenir une conductivité thermique à faible taux de remplissage. - Une composition telle que décrite dans le document US6162849. Une telle composition comprend un polymère thermoplastique, au moins 60% en poids d'un 20 mélange de poudres de nitrure de bore ayant une taille moyenne d'au moins 50 microns; et un agent de couplage. Une telle composition a une conductivité thermique supérieure à 15 VV.m-1.K-1. - Une composition telle que décrite dans le document US8685534. Une telle composition comprend une matrice en résine et une charge à conductivité 25 thermique élevée. La charge à conductivité thermique élevée forme un composite organique-inorganique en continuité avec la matrice, et les charges ont un rapport d'aspect compris entre 3 et 100. Les charges sont sensiblement uniformément réparties dans la matrice, et sont alignés essentiellement dans la même direction. - Une composition telle que décrite dans le document US821662. Une telle 30 composition comprend une matrice de résine hautement structurée, et des charges de haute conductivité thermique. Les charges à haute conductivité thermique ont une longueur de 1 à 1000 nm, et ont un rapport d'aspect compris entre 3 et 100. - Une composition telle que décrite dans le document KR101139412. Une telle composition comprend 30 à 80% en poids de résine thermoplastique; 10 à 60% en 35 poids d'un mélange contenant des charges isolantes de forme sphérique et en plaque; et 10 à 50% en poids de fibres inorganiques.
3035203 8 Le dispositif de dissipation de chaleur 1 selon l'invention est destiné à équiper au moins un module optique de projecteur de véhicule automobile. L'invention concerne également un module optique de véhicule automobile, comportant au moins un dispositif de dissipation de chaleur 1 selon l'invention.
5 Ce module optique peut comporter également au moins une source lumineuse comprenant au moins une diode électroluminescente DEL. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de dissipation de chaleur 1 selon l'invention. Ce procédé comporte les étapes suivantes: 10 - on réalise un premier élément 2 comportant une pluralité d'ailettes 3, au moyen d'un procédé d'extrusion à partir d'un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique ; - on réalise un surmoulage sur le premier élément d'au moins un second élément 4 en une matière thermoplastique, le second élément 4 comportant au moins un moyen 15 de fixation 5 du dispositif 1 sur le module optique. Selon un mode de réalisation préféré, on utilise une matière thermoplastique thermiquement conductrice. Par exemple, on peut utiliser une matière thermoplastique thermiquement 20 conductrice comprenant une résine thermoplastique choisie dans le groupe : polyamide, polyéthylène, polyéthylène téréphtalate, polybutylène téréphtalate, polyphtalamide, poly(acide acrylique) . On peut associer à cette résine des charges choisies seules ou en combinaison dans le groupe : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de 25 carbone, cuivre et alliage de cuivre (laiton).

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de dissipation de chaleur (1) destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte : un premier élément (2) comportant une pluralité d'ailettes (3) et réalisé, par un procédé d'extrusion, en un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique ; au moins un second élément (4) réalisé en une matière thermoplastique, comportant au moins un moyen de fixation (5) du dispositif sur le module optique, le second élément (4) étant rapporté sur le premier élément (2) par surmoulage. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau métallique est choisi dans le groupe comprenant : aluminium, magnésium, cuivre, et un alliage d'au moins un de ces matériaux. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la matière thermoplastique est thermiquement conductrice. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la matière thermoplastique thermiquement conductrice comporte une résine thermoplastique choisie dans le groupe comprenant : polyamide, polyéthylène, polyéthylène téréphtalate, polybutylène téréphtalate, polyphtalamide, poly(acide acrylique). Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la matière thermoplastique thermiquement conductrice comporte des charges choisies seules ou en combinaison dans le groupe comprenant : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de carbone, cuivre et alliage de cuivre (laiton). Module optique de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de dissipation de chaleur (1) selon l'une des revendications précédentes. Module optique selon la revendication 6, comportant au moins une source lumineuse comprenant au moins une diode électroluminescente (DEL). 3035203 10 8. Procédé de fabrication d'un dispositif de dissipation de chaleur (1) destiné à équiper au moins un module optique de véhicule automobile, caractérisé en ce que l'on réalise les étapes suivantes: - on réalise un premier élément (2) comportant une pluralité d'ailettes (3), au moyen d'un procédé d'extrusion à partir d'un matériau métallique sélectionné pour sa capacité d'échange thermique ; on réalise un surmoulage sur le premier élément (2) d'au moins un second élément (4) en une matière thermoplastique, le second élément (4) comportant au moins un moyen de fixation (5) du dispositif (1) sur le module optique. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on utilise un matériau métallique choisi dans le groupe comprenant : aluminium, magnésium, cuivre, et un alliage d'au moins un de ces matériaux. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel on utilise une matière thermoplastique thermiquement conductrice. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel on utilise une matière thermoplastique thermiquement conductrice comprenant une résine thermoplastique choisie dans le groupe comprenant : polyamide, polyéthylène. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on utilise une matière thermoplastique thermiquement conductrice comprenant des charges choisies seules ou en combinaison dans le groupe comprenant : nano particules, sulfure de zinc, nitrure de bore, particules à base de carbone, cuivre et alliage de cuivre (laiton).30
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