L'invention se rapporte au domaine général des structures en matériau composite.

Elle concerne plus particulièrement les problématiques de conduction thermique au sein des structures en matériau composite et plus encore à l'interface entre des structures voisines

Les matériaux composites sont couramment utilisés aujourd'hui car ils permettent de fabriquer des pièces plus légères que celles réalisées en métal tout en conservant les performances mécaniques désirées.

Cependant, la faible conductivité thermique de la plupart des matériaux composites à matrices polymères constitue un aspect limitant dans le cadre de la réalisation de certaines pièces structurales. En effet cette faible conductivité peut empêcher la propagation d'un flux de chaleur appliqué localement à la structure considérée et par suite sa dissipation dans tout le volume, et sa propagation vers des éléments dissipateurs accolés à la structure. Ce confinement local du flux d'énergie peut entraîner un endommagement local de la structure soumise à ce flux.

La faible conductivité thermique des matériaux composite tire son origine du fait qu'un composite est un matériau non homogène et anisotrope typiquement constitué de plis superposés de fibres de renfort longues ou d'éléments continus, éventuellement thermiquement conducteurs, orientés majoritairement dans le plan de la pièce, ces plis étant imprégnés d'une matrice en résine, très faiblement conductrice, qui tend à isoler les fibres entre elles et les plans de fibres les uns des autres, de sorte que la conduction thermique dans le matériau est limitée. De manière connue, il est possible d'obtenir une conductivité dans le plan de la pièce par l'utilisation de fibres conductrices (par exemple des fibres en carbone PITCH ou des fils de cuivre) ou par la mise en place de plis conducteurs (par exemple en métal expansé ou en grillage métallique) insérés entre deux plis de fibres ou disposés à la surface du matériau composite. Cependant, le composite ainsi réalisé reste insuffisamment conducteur dans le sens de l'épaisseur, c'est-à-dire d'un plan conducteur à l'autre, ce qui peut engendrer une forte résistance thermique, notamment aux interfaces entre structures ou aux interfaces avec des sources de chaleur.

Aujourd'hui, les matériaux composites à matrice organique ne sont pas utilisés dans le cadre de la réalisation de pièces ou d'éléments structurels susceptible de devoir dissiper de la chaleur, du fait que la majorité des renforts fibreux utilisés ne permettent pas une conduction thermique suffisante dans le plan.

Une solution connue consiste à réaliser une couture de fils de cuivre dans l'épaisseur d'une pièce en matériau composite, de façon à assurer une certaine conduction dans l'épaisseur à travers cette dernière. La continuité thermique entre deux pièces voisines peut alors être assurée grâce à un moyen de mise en continuité adapté, tel qu'un film de colle ou un film de pâte conductrice thermique. Une telle solution est notamment décrite dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2964341 -A1 et intitulée "Procédé de réalisation d'une pièce électriquement et ou thermiquement conductrice en matériau composite et pièce obtenue".

Un but de l'invention est de proposer une solution permettant d'assurer dans le sens de l'épaisseur d'une pièce en matériau composite un chemin conducteur d'énergie thermique satisfaisant entre deux pièces depuis la zone d'interface entre ces deux pièces et les éléments conducteurs plans disposés dans chacune des pièces. A cet effet l'invention a pour objet un dispositif pour améliorer la conduction d'un flux de chaleur à la surface et à l'intérieur d'une paroi en matériau composite comportant des éléments conducteurs thermiques agencés dans les directions parallèles à la surface de la paroi, le dispositif étant configuré pour être monté sur ladite paroi. Le dispositif selon l'invention comporte une base conductrice de la chaleur, depuis une surface de laquelle s'étirent des prolongements, ou inserts, conducteurs thermiques, formant des griffes ou des picots, répartis sur la surface de la base conductrice et s'étirant suivant une direction non incluse dans le plan de la base conductrice; ces inserts étant configurés pour pouvoir pénétrer dans la paroi de façon à amener la base conductrice au contact de la surface externe de la paroi. La face de la base conductrice en contact avec la paroi présente un relief adapté au relief de la paroi au niveau de la zone de contact. Chaque insert a en outre une longueur suffisante pour traverser au moins partiellement l'épaisseur de la paroi considérée de façon à entrer en contact avec les différents éléments conducteurs thermiques pour former des voies conductrices de chaleur reliant les différents éléments conducteurs thermiques entre eux et les différents éléments conducteurs à la base conductrice de la chaleur; la géométrie et les dimensions d'un insert étant définies de façon à favoriser le transfert de chaleur par conduction thermique entre l'insert et les éléments conducteurs tout en permettant à l'insert de pénétrer dans l'épaisseur de la paroi en limitant l'endommagement et le déplacement des renforts et autres éléments potentiellement constitutifs de la paroi.

Selon différentes dispositions le dispositif selon l'invention peut présenter différentes caractéristiques complémentaires pouvant être considérées séparément ou en combinaison. Ainsi: Selon une caractéristique, la base conductrice de la chaleur est dimensionnée de façon à constituer, lorsque le dispositif est monté sur la paroi, une zone d'interface entre la face externe de la paroi et la face externe d'un élément contre lequel elle est placée. Selon une autre caractéristique, la base conductrice de la chaleur est une plaque métallique ou en matériau conducteur thermique dont l'épaisseur est sensiblement inférieure à l'épaisseur de la paroi sur laquelle le dispositif est monté.

Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention est constitué par une plaque métallique façonnée dans laquelle sont partiellement détourées des formes, lesdites formes présentant un côté non découpé au niveau duquel elles restent attachées à la plaque. Lesdites formes sont repliées à l'équerre par rapport à la plaque métallique le long du côté non découpé. La plaque métallique ainsi façonnée constitue la base conductrice et les formes repliées constituent des pointes plates reliées par leur base à la base conductrice, ces pointes formant les inserts. Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention est constitué par une plaque métallique ou en matériau conducteur thermique formant la base conductrice sur laquelle sont fixés des prolongements en forme de pointes de section constante ou décroissante à partir de la base, orientés suivant une direction non incluse dans le plan de la plaque métallique formant la base conductrice de la chaleur, lesdits prolongements formant les inserts du dispositif.

Selon une autre caractéristique, la base conductrice de la chaleur étant une plaque métallique, les prolongements sont des prolongements métalliques fixés à la surface de la base conductrice par soudage par friction.

L'invention a également pour objet un procédé pour mettre en œuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes sur une paroi en matériau composite, caractérisé en ce que les inserts dudit dispositif sont insérés au travers des différentes couches de la préforme constituant le matériau composite jusqu'à ce que la base conductrice de la chaleur soit en contact avec la surface externe de la préforme, l'insertion étant réalisée avant durcissement de la matrice d'imprégnation du matériau composite. Selon une caractéristique du procédé, les inserts du dispositif sont insérés dans une préforme sèche, l'imprégnation de la préforme par la résine constituant le matériau composite étant réalisée après mise en place du dispositif.

Selon une autre caractéristique du procédé, les inserts du dispositif sont insérés dans une préforme pré-imprégnée par la résine constituant le matériau composite. L'invention concerne également un boîtier dont tout ou partie des parois sont réalisées en matériau composite comportant des éléments conducteurs thermiques agencés dans les directions parallèles à une surface de la paroi, le boîtier comportant une source de chaleur intérieure audit boîtier, le boîtier étant, après assemblage, en contact par au moins une face d'une paroi en matériau composite du boîtier, avec un élément capable de conduire la chaleur. Le boîtier de l'invention comporte au moins un dispositif, tel que le dispositif exposé précédemment, monté sur l'au moins une face de la paroi en matériau composite destinée à être en contact avec l'élément capable de conduire la chaleur de sorte à transmettre la chaleur du boîtier vers cet élément.

Dans une forme de réalisation, la source de chaleur intérieure au boîtier est formée principalement par des composants électroniques.

Il est ainsi obtenu un boîtier d'équipement dont les parois sont en matériau composite, léger et résistant, adapté pour évacuer la chaleur produite par l'équipement.

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui s'appuie sur les figures annexées qui présentent:

- la figurel , l'illustration d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention;

- la figure 2, l'illustration du principe de mise en place du dispositif selon l'invention.

- la figure 3, une illustration mettant en évidence le caractère modulaire du dispositif selon l'invention.

Le dispositif selon l'invention a pour fonction principale de permettre la mise en place de voies conductrices de la chaleur, dimensionnées de façon à permettre le transfert d'énergie sous forme thermique dans l'épaisseur d'une paroi en matériau composite depuis (ou vers) une zone d'interfaçage thermique avec une paroi voisine, ladite zone étant disposée à la surface de la paroi, et les éléments conducteurs thermiques formant des couches de renfort du matériau, éléments disposés dans l'épaisseur de la paroi et orientés principalement selon des plans parallèles à la surface de la paroi. La mise en place de voies conductrices de la chaleur permet d'assurer une continuité dans la circulation des flux thermiques dans une même paroi et entre deux parois contigues.

Le dispositif selon l'invention consiste en un élément réalisé en matériau bon conducteur thermique et présentant une structure à trois dimensions spécialement définie pour pouvoir réaliser des liaisons conductrices de la chaleur dans l'épaisseur de la structure en matériau composite à laquelle il est intégré, de façon à relier entre eux les éléments formant les différents plans conducteurs constituant la structure (plis de fibres, grillages ...).

Il est à noter ici que dans la suite du texte la notion de bon conducteur thermique est à considérer par rapport, par exemple d'un ordre de grandeur supérieur, aux capacités de conduction thermique des matériaux composites considérés dans un sens de l'épaisseur des parois, c'est-à-dire sensiblement perpendiculairement au plan de la surface de la paroi.

Comme l'illustre l'exemple de réalisation de la figure 1 , le dispositif selon l'invention 11 se présente comme une base conductrice 12 de la chaleur, d'où émergent des prolongements conducteurs 13 thermique, ou inserts, de longueur et de géométrie données, disposés perpendiculairement au plan de la base conductrice 12 ou du moins dont l'orientation n'est pas incluse dans le plan de la base conductrice 12.

Le dispositif est destiné à être monté à la surface d'une paroi 14, la paroi d'une pièce en matériau composite par exemple, en épousant au moins partiellement la surface de la paroi, au niveau d'une zone d'interfaçage dans laquelle la paroi 14 rentre en contact avec une autre paroi. Elle est montée de telle façon que la base conductrice 12 de la chaleur se trouve préférentiellement dans un plan sensiblement parallèle aux plans de conduction définis par la structure de la paroi 14, de telle sorte que les inserts 13 traversent ces différents plans et forment des voies de conduction thermique entre ces derniers.

Selon l'invention, la position et l'agencement des prolongements 13 sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur sont fonction de la pièce en matériau composite à laquelle il est destiné ainsi que des chemins conducteurs thermiques désirés entre cette pièce et une pièce contiguë 21 , entre lesquelles le dispositif est placé, comme illustré par la figure 2.

Selon les cas, les inserts 13 peuvent être répartis uniformément sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur, comme illustré par la figure 1 , de façon à constituer des voies de conduction thermique dans le sens de l'épaisseur régulièrement réparties à l'intérieur de la paroi 14 dans la zone de cette paroi se trouvant en regard du dispositif 11 .

Alternativement, les inserts 13 peuvent être répartis de manière non uniforme sur la surface de la base conductrice 12 de la chaleur, de façon à constituer dans la paroi 14 des zones contenant une densité variable de voies de conduction thermique. Une répartition non uniforme permet en particulier de favoriser localement la conduction de chaleur dans le cas où l'énergie à transférer se trouve produite plus particulièrement au niveau d'une zone donnée de la paroi 14 ou de la pièce contiguë 21 . Contrairement à la pièce 14 sur laquelle il est destiné à être monté, le dispositif 11 selon l'invention est réalisé dans un matériau conducteur de la chaleur assurant une conduction thermique dans toutes les directions, en métal préférentiellement. Sa structure est par ailleurs définie de façon à assurer une conduction thermique maximale pour une masse minimale. C'est pourquoi la structure adoptée est préférentiellement une structure ajourée telle que celle illustrée par la figure 1 .

Les dimensions du dispositif 11 selon l'invention sont déterminées, en fonctions des dimensions de la paroi 14 en matériau composite à laquelle il est attaché, de façon à assurer une bonne conduction thermique dans l'épaisseur tout en favorisant une bonne répartition de la chaleur dans tout le volume de la paroi afin de faciliter le transfert d'énergie thermique au niveau de l'interface entre ladite paroi et la paroi d'une pièce voisine.

En particulier les longueurs des inserts 13 sont déterminées, comme l'illustre la figure 2, de façon à traverser au moins partiellement l'épaisseur de la paroi 14 considérée pour entrer en contact avec les différentes couches d'éléments conducteurs (15) thermiques constituant la paroi 14 et établir une conduction de la chaleur à travers toute l'épaisseur de la paroi 14.

De même, la surface de la base conductrice 12 est en particulier déterminée en fonction de la surface de la zone de contact entre la paroi 14 de la pièce en matériau composite considérée et la paroi de la pièce 21 qui lui est contiguë.

Du point de vue géométrique, les inserts 13 présentent une forme générale permettant de disposer au niveau de la zone traversée d'une surface de contact maximale avec les plans conducteurs 15, tout en n'occasionnant, par leur traversée, qu'une altération minimale de l'intégrité et du positionnement des fibres de renfort de la paroi 14.

Cependant la forme des inserts 13 est également dépendante de la façon dont le dispositif 11 selon l'invention est réalisé. En effet, le dispositif selon l'invention peut être réalisé de différentes façons.

Le dispositif selon l'invention peut être, par exemple, réalisé de manière avantageusement simple, comme illustré par la figure 1 , par façonnage d'une plaque mince de matériau conducteur thermique, une feuille de métal préférentiellement. Par plaque mince on entend ici une plaque d'épaisseur sensiblement inférieure à l'épaisseur de la paroi 14 sur laquelle le dispositif 11 est monté, par exemple de l'ordre du millimètre.

Dans ce cas, on réalise un détourage de zones de forme déterminée, en forme de triangle par exemple, disposées le long de rangées parallèles, le détourage étant réalisé seulement sur deux côtés. Chacune des zones détourées est ensuite pliée à l'équerre le long du troisième côté du triangle, resté attaché à la plaque façonnée, de façon à former un élément ayant la forme d'une griffe triangulaire plate orientée dans une direction perpendiculaire au plan de la feuille.

Le dispositif a alors une forme similaire à celle d'une plaque à griffes telle que celles utilisées pour l'assemblage de charpentes notamment.

Le dispositif selon l'invention est alors avantageusement réalisé par découpe et pliage sans opération complémentaire d'assemblage. La découpe peut, quant à elle, être réalisée par tout moyen approprié connu, par exemple par découpe laser, attaque chimique ou électrochimique, microusinage ou par poinçonnage au moyen d'une presse à découper par exemple.

Alternativement le dispositif selon l'invention peut être réalisé, par exemple, à partir d'une feuille de métal pleine ou ajourée, sur laquelle on vient fixer des prolongements, en métal ou pour le moins bon conducteurs thermiques, en forme de pointes perpendiculairement au plan de la feuille, lesdites pointes ayant une section constante ou décroissante à partir de la base, des pointes ayant par exemple une forme cylindrique ou conique, au moins vers leurs extrémités libres. L'assemblage des pointes sur la feuille de métal peut être réalisé par toute technique connue, par exemple par brasage, soudage par friction ou collage au moyen d'une colle conductrice thermique.

On obtient alors une un dispositif ayant l'aspect d'une plaque à pointes ou à picots. Un tel mode de réalisation permet de produire des inserts 13 ayant une surface de contact généralement plus importante que des inserts plans.

Alternativement encore, le dispositif selon l'invention peut encore être réalisé directement par usinage d'un bloc de matériau ou par un procédé de fabrication additive, d'impression 3D, ou "Additive Layer Manufacturing" selon la dénomination anglo-saxonne, tel que le modelage par dépôt de matière en fusion ou FDM (Fuse Déposition Modeling selon la dénomination anglo-saxonne), le frittaqe sélectif par laser (un laser agglomère une couche de poudre), par dépôt de filaments de matière en fusion ou encore par fusion sur lit de poudre.

Il est à noter que dans l'exemple de réalisation illustré par les figures 1 et 2, la base conductrice 12 apparaît comme sensiblement plane. Cependant, de manière plus générale les faces de la base conductrice 12 présentent un relief adapté pour l'une d'elle au relief de la surface externe de la paroi 14 sur laquelle le dispositif 11 est monté et pour l'autre au relief de la surface externe de l'élément 21 avec lequel la paroi 14 entre en contact, cette configuration permettant de maintenir une cohésion des pièces assemblées et de maximiser les surfaces de contact pour favoriser la performance des échanges thermiques par la base conductrice de la chaleur.

En ce qui concerne la mise en place du dispositif 11 selon l'invention sur la paroi considérée, celle-ci peut être réalisée de différentes façons suivant la façon dont la paroi 14 est réalisée. De préférence, elle est cependant réalisée de manière progressive dans une préforme composite sèche ou pré-imprégnée peu ou pas compactée, la préforme étant constituée des différentes couches de matériau de renfort constituant le matériau composite utilisé pour réaliser la paroi 14.

Cette opération consiste essentiellement en l'insertion des inserts 13 dans l'épaisseur de la préforme. Elle peut être opérée à l'aide d'un moyen vibratoire, de façon à faciliter la pénétration des inserts 13 du dispositif dans la préforme tout en limitant au mieux l'endommagement des fibres constituant les couches 15 de la préforme.

La mise en place peut ainsi, par exemple, être réalisée en positionnant un ou plusieurs dispositifs 11 au fond d'un moule, dans lequel les plis constituant le matériau composite sont déposés, plaqués et compactés au fur et à mesure si nécessaire. Dans le cas d'une préforme sèche, la résine est ensuite introduite par injection ou infusion. Cette mise en place est toutefois réalisée avant durcissement (polymérisation) de la matrice constituant le matériau, la tenue mécanique de l'ensemble étant assurée par l'opération de polymérisation de la résine qui finalise le matériau composite.

Selon une variante opératoire, le dispositif 11 selon l'invention peut être intégré dans la préforme avant l'installation de cette dernière dans le moule.

Ainsi qu'il ressort de la description précédente, le dispositif 11 selon l'invention présente plusieurs avantages :

- La base conductrice 12 de la chaleur formant la base du dispositif constitue un réseau conducteur thermique à la surface de la paroi 14 permettant une meilleure distribution des flux de chaleur et donc un interfaçage plus efficace entre la source ou le puits de chaleur, qui peut être la paroi d'une pièce contiguë à la pièce considérée, et les éléments 13 pénétrants dans la paroi 14. D'autre part, la multiplicité des inserts 13 pénétrant dans la paroi 14 permet de mieux distribuer ou collecter la chaleur en multipliant les surfaces d'échange avec les éléments conducteurs thermiques du composite localisés dans l'épaisseur de la paroi 14. De la sorte, avantageusement, la résistance globale au passage d'un flux de chaleur à la jonction entre la paroi 14 de la pièce en matériau composite considérée et une paroi contiguë peut ainsi être considérablement réduite, ce qui, par exemple, limite les risques d'endommagement de la pièce par une augmentation excessive de la température dans des zones localisées.

- De plus, le caractère fortement modulable du dispositif 11 selon l'invention, en particulier du point de vue de la géométrie d'ensemble, des dimensions, de l'épaisseur de la base 12 ou de la densité d'inserts 13 et de leur géométrie, permet d'optimiser le surpoids occasionné par la mise en place du dispositif sur la paroi considérée et donc l'accroissement de poids de la paroi. Comme l'illustre la figure 3, le dispositif selon l'invention s'avère ainsi particulièrement utile, de par son caractère modulaire, pour réaliser des boîtiers 31 pour composants électroniques, présentant une masse inférieure à l'aluminium traditionnellement utilisé, tout en conservant des propriétés mécaniques et des propriétés de conduction thermique satisfaisantes. Dans l'exemple de la figure 3, l'interface entre le boîtier 31 et un élément voisin 32, un autre boîtier par exemple, est assuré au niveau de deux faces du boîtier 31 qui sont en contact avec l'élément 32 par la mise en place de deux dispositifs selon l'invention distincts 33 et 34 qui assurent une transmission efficace de la chaleur du boîtier 31 à l'élément 32.

On assure ainsi une bonne conduction thermique permettant de propager efficacement cette chaleur vers des éléments 32 capables d'en assurer la dissipation (radiateurs par exemple) ce qui est souvent nécessaire pour éviter des surchauffes locales susceptibles d'altérer le fonctionnement des composants contenus dans le boîtier 31 .

Le dispositif selon l'invention permet également, de manière avantageuse dans le cadre de structures plus complexes, d'utiliser des pièces de structure primaire ou secondaire, en composite intégrant des éléments suffisamment conducteurs thermiques dans le plan, pour constituer des éléments de dissipation thermique.