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Mort aux idées préconçues sur le watercooling ! - Page 1/6

Rédigé par David D. - 09/05/2003
Catégorie : Watercooling



 
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L'aluminium dissipe mieux la chaleur dans l'air que le cuivre ?

On entend souvent dire que l'aluminium aurait comme propriété de mieux dissiper la chaleur dans l'air que le cuivre tout ça parce qu'un morceau d'aluminium se refroidit plus vite qu'un morceau de cuivre. Cette perception est réelle, mais la conclusion qui en est tirée est fausse. Revenons d'abord aux caractéristiques physiques intrinsèques du cuivre et de l'aluminium.

Propriétés physiques des matériaux (à 25 °C)
-Aluminium purCuivre pur
Masse volumique (kg/m3), notée Rho27028933
Conductivité thermique (W/m·K), notée k216401
Capacité thermique massique (J/kg·K), notée Cp903385

La conductivité thermique est la capacité d'un métal à transmettre la chaleur par conduction dans toutes les directions (mode de transfert dans les solides), plus celle-ci est élevée et mieux c'est dans notre cas. Le Cp est la capacité d'un volume de matière à emmagasiner une certaine énergie thermique au sein du volume pour une augmentation donnée de sa température. A masse égale, l'aluminium peut donc emmagasiner plus d'énergie que le cuivre (903 J/kg·K contre 385 J/kg·K), mais il ne faut pas oublier que 1 kg d'aluminium et 1 kg de cuivre n'occupent pas du tout le même volume puisque le cuivre est 3,3 fois plus dense que l'aluminium. La perception observée du refroidissement plus rapide vient de ce fait puisque le volume de l'objet va intervenir.

Si l'on raisonne pour une géométrie donnée, donc à volume égal, l'énergie emmagasinée dans chacun des volumes se calcule de la façon suivante.

Energie emmagasinée entre 2 états = Cp x Rho x Volume x Différence de température entre les deux états

Calculons l'énergie emmagasinée pour un même volume et une même différence de température. On fait le rapport des deux énergies, donc le volume et la différence de température s'annulent, il reste donc Ecuivre/Ealuminium = 385x8933/903x2702 = 1,4. Cela signifie que pour une différence de température et un volume donnés, le cuivre permet d'emmagasiner 1,4 fois plus d'énergie que l'aluminium. C'est cela qui donne une fausse impression sur le pouvoir de dissipation de l'aluminium par rapport au cuivre. Puisque l'aluminium contient moins d'énergie, il va forcément se refroidir plus rapidement à conditions extérieures égales. Ca n'en fait pas pour autant un matériau plus efficace en dissipation !

En fait, cette capacité à emmagasiner la chaleur ne nous intéresse pas puisque l'efficacité d'un radiateur ou d'un waterblock se mesure à l'équilibre thermique. C'est-à-dire qu'au bout d'une période d'activité, la distribution de température n'évolue plus dans le matériau, tout devient figé. La capacité thermique massique influence en partie la manière dont les matériaux réagissent à une sollicitation extérieure, par exemple à l'admission de puissance dans un radiateur lors du passage à pleine charge, ce qui ne nous importe pas trop finalement. Ce qui compte, c'est la température finale et pas le stockage d'énergie qui se fait pendant la montée en température.

Cette différence énergétique explique donc une partie de cette fausse perception en faveur de l'aluminium. Pour compléter ceci, on peut parler du phénomène qui intervient dans la transfert de chaleur avec l'air avec la convection (mode de transfert de l'énergie thermique d'un solide à un fluide notamment). C'est cette convection qui est responsable de l'évacuation de la chaleur en dehors du radiateur ou du waterblock. On définit la manière dont l'énergie est transférée de la plaque au fluide par l'équation ci-dessous.

Q = h x S x (T°milieu - T°surface)
  • Q = puissance transférée du solide vers le fluide en W
  • S = surface mouillée du système étudié en m2
  • h = coefficient d'échange convectif en W/m2·K

On remarque tout de suite que plus la différence de température entre le fluide et le solide est importante, plus l'échange thermique entre les deux est important. Le terme le plus intéressant est h. Il représente la "force" avec laquelle le fluide absorbe la chaleur localement à la surface de la plaque. En effet, ce h varie en chaque point de la surface, car c'est l'écoulement en ce point qui déterminera sa valeur notamment. On peut néanmoins utiliser un h moyen sur toute une surface étendue suivant certains critères. Ce coefficient h est influencé par des propriétés physiques du fluide et de la nature de l'écoulement. Le but est évidemment d'obtenir un h très élevé pour avoir un transfert thermique le plus efficace possible. L'ordre de grandeur pour h est de 500 à 100 000 W/m2·K pour l'eau en convection forcée suivant la façon de l'injecter dans le waterblock. En convection forcée avec de l'air, h est bien plus petit du fait des propriétés physiques peu élevées de l'air et il varie de 100 à 500 W/m2·K environ.

On voit donc que le transfert convectif n'est nullement influencé par la nature du métal sur lequel l'écoulement évolue. Si l'on disposait de deux plaques de même géométrie, l'une en cuivre et l'autre en aluminium (ou n'importe quel matériau), soumises à une même distribution de température en leur sein et un écoulement similaire, la façon dont la chaleur est transférée d'un milieu à un autre serait exactement la même.

On peut alors se demander pourquoi 2 radiateurs identiques, l'un en aluminium et l'autre en cuivre, soumis au même flux d'air vont donner deux températures différentes alors qu'on vient de dire le contraire. C'est simple, car il a bien été précisé "soumis à une même distribution de température" précédemment, or la différence observée vient du fait que cette répartition à l'intérieur des 2 radiateurs est différente en réalité. L'aluminium ayant une conductivité thermique faible en comparaison du cuivre, la chaleur va mettre plus de temps pour parcourir une certaine distance. Ceci a pour effet de créer une zone chaude plus intense au niveau du contact avec le processeur. Le cuivre, conduisant mieux la chaleur, permet d'avoir un meilleur étalement de celle-ci dans tout le radiateur. Cela permet d'assurer une plus grande homogénéité de température sur toute la surface et donc facilite l'enlèvement de la chaleur par le fluide si le coefficient h n'est pas très élevé, ce qui est le cas en refroidissement par air.

L'exemple ci-dessous est une étude 2D d'une plaque de largeur 50 mm soumise au chauffage d'un processeur de largeur 10 mm par le dessous. La surface supérieure est refroidie par un écoulement générique où l'on impose un h constant sur toute la surface (T° milieu = 300 K = 26,85 °C), les conditions extérieures sont donc identiques entre l'aluminium et le cuivre, seul le matériau change.

Visualisation de la répartition des températures au sein d'une plaque d'aluminium et de cuivre

Cela illustre parfaitement la zone chaude que l'on peut observer au dessus du core puisque la chaleur ne diffuse pas assez rapidement dans le cas de la plaque d'aluminium, le processeur est donc plus chaud au final. Concernant cette meilleure homogénéité, s'il y avait des ailettes sur le dessus, chacune d'elles serait plus efficace sur la plaque de cuivre, car quasiment toutes soumises à une même température à leur base, ou tout du moins plus que dans le cas de l'aluminium suivant les allures ci-dessous.

Meilleure homogénéité sur le dessus de la plaque de cuivre

Pour le cas d'un radiateur tout simple en aluminium, on aura en plus :

  • les ailettes centrales juste au dessus du core surchauffées et mal ventilées, ce qui est le cas de beaucoup de radiateurs, car elles sont situées dans la "zone morte" sous le moteur du ventilateur
  • les ailettes extérieures peu chauffées et donc ne dissipant qu'une faible partie de la puissance, alors que c'est là où le flux d'air est important
La surface de contact core/plaque est plus chaude lorsqu'il s'agit d'aluminium

Si un processeur dissipe 70 W et qu'on prend un radiateur en cuivre ou en aluminium, à l'équilibre les 2 dissipent la même chose ! Les 70 W seront intégralement évacués par le flux d'air (on néglige les pertes par conduction vers la carte mère). Ce qui rentre dans un système est égal à ce qui en sort (principe de conservation de l'énergie). Dire qu'un radiateur en cuivre dissipe plus qu'un radiateur en aluminium est faux, il est simplement plus efficace, car il assure une meilleure répartition de la température en son sein et notamment au contact avec le processeur. Puissance et température sont 2 choses bien distinctes.

On utilise généralement une base en cuivre avec des ailettes en aluminium pour des raisons de coût de fabrication, car extruder de l'aluminium c'est facile contrairement au cuivre. La masse est aussi un facteur important, car le socket et le processeur ont une certaine résistante mécanique. Il ne faudrait pas casser les pattes de fixation à cause d'un radiateur trop lourd par exemple. Pour un même design, un radiateur tout cuivre sera plus performant qu'un radiateur aluminium ou aluminium/cuivre quoi qu'il arrive puisque la conductivité plus importante du cuivre est bénéfique à plusieurs niveaux : celui de l'étalement de puissance et le fait que ça augmente l'efficacité des ailettes en conduisant très vite la chaleur sur toute leur surface (ailettes fines). L'homogénéité de température dans les ailettes est l'une des clés d'un radiateur performant.

L'insert en cuivre permet une distribution plus homogène de la chaleur aux ailettes grâce à une plus grande vitesse de conduction
 
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