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Mort aux idées préconçues sur le watercooling ! - Page 3/6

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



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Le débit dans un waterblock doit être faible pour qu'il soit efficace ?

Voilà encore une idée reçue qui fait son chemin et qui est fausse. Ici, on ne considèrera que le waterblock isolé du reste du circuit. Ceci sera valable quel que soit le waterblock utilisé et on utilise des données de Bill Adams sur des tests de performances de divers blocs commerciaux pour le montrer.

Un waterblock se caractérise par sa résistance thermique Rth, appelée couramment C/W, en rapport à son unité qui s'exprime en °C/W. Elle ne varie pas avec la puissance à dissiper, un bloc qui dissipe bien à basse puissance dissipera bien à haute puissance.

Shéma de montage et prise de mesures (site de BillA)

Cette résistance thermique varie uniquement avec le débit qui créé une certaine forme d'écoulement interne. Pour mesurer celle-ci, 10 tests avec montages/démontages sont nécessaires pour analyser de manière statistique les variances de la pose de la pâte thermique (+/-1 °C à 70 W réels) et de la force de serrage qui est contrôlée. Voici quelques courbes de C/W de quelques grands blocs connus :

On remarque que toutes les courbes ont globalement la même forme : elles diminuent toutes et la pente devient faible quand le débit augmente. Pour être performant et assurer des bonnes températures pour le processeur, le C/W doit être le plus petit possible. Le meilleur bloc actuel est le LRWW développé par un australien du nom de Cathar.

La façon d'interpréter cette résistance thermique est très simple. Prenons un processeur qui dissipe 100W réels, le LRWW, une eau à l'entrée du waterblock à 25 °C et un débit dans le circuit de 200 L/h par exemple, cela nous donne d'après la courbe un C/W de 0.195. Le core du processeur sera donc à 0.195*100 W = 19.5 °C au dessus de la température de l'eau entrante soit 25+19.5 = 44.5 °C. Nous aurions pris un Innovatek REV3 le core serait à 25+0.235*100 = 48.5 °C. Attention, une partie du C/W obtenu provient du banc de test lui-même qu'il faudrait retrancher à la température calculée...

Le critère de performance d'un waterblock dépend donc du débit qui le traverse. Un classement n'est possible que lorsque l'on maîtrise tous les paramètres et qu'on utilise une même valeur de référence à savoir un même débit. En effet, si l'on regarde les courbes on constate que l'allure est la même mais certains waterblocks sont beaucoup plus réceptifs à l'augmentation du débit et leur courbe s'effondre très vite (Atlantis), alors que d'autres tels que le REV3 est moins sensible et a une courbe beaucoup plus plate. Ces différences d'inclinaisons font que les courbes se croisent, il se peut alors qu'un waterblock A pour un débit X soit meilleur qu'un waterblock B à ce débit X mais que le waterblock B soit meilleur que le waterblock A à un débit Y (croisement du REV3 et DTek vers les 170 L/h par exemple). Bien sûr, il faut relativiser en fonction de la puissance à dissiper car le gain entre 2 blocs très proches n'est pas forcément visible. Selon la puissance à dissiper le gain se chiffre à 1 ou 2°C maximum !

Pourquoi la courbe a-t-elle cette allure ? Dans le domaine des écoulements on distingue 2 grands types d'écoulement : le laminaire et le turbulent. Pour qu'un échange thermique soit efficace il faut se placer dans un écoulement turbulent (tourbillons qui brassent l'eau dans le bloc). C'est pour cela que dans les débits faibles, le C/W devient très grand car on rentre dans un domaine laminaire à très peu turbulent ce qui est plus mauvais pour échanger efficacement la chaleur. Avec les faibles vitesses de déplacement on a ce qu'on appelle une couche limite, sorte de "pellicule d'eau" d'une certaine épaisseur, qui grossit et dans laquelle l'eau s'écoule lentement. Cette sous-couche laminaire qui grossit devient une résistance thermique importante qui vient isoler la paroi de l'eau qui circule et empêche donc le bon déroulement de l'échange thermique. Cette couche limite existe toujours quel que soit l'écoulement !

Cette couche limite fait en sorte que la chaleur ne se transmet quasiment plus par convection mais par conduction (on considère l'eau comme un solide dans la couche limite) or l'eau est un très mauvais conducteur de chaleur (0.6 W/m.K à comparer au 400 W/m.K du cuivre). En rentrant dans un écoulement plus turbulent, le brassage intense qui va s'opérer va venir "broyer" cette couche et la rendre beaucoup plus fine, ceci occasionne un meilleur transfert thermique et les performances du bloc grimpent. Cette amélioration se traduit par un coefficient h (présenté précédemment) bien meilleur sur la surface mouillée du waterblock. On remarque aussi que plus l'on débite plus la valeur du C/W diminue doucement car l'écoulement est déjà bien turbulent, donc efficace, et ajouter de la turbulence en plus ne permet plus d'améliorer énormément les performances (suivant la forme du maze). Donc plus on débite dans le waterblock plus celui-ci se révèlera performant ! La mesure du gain obtenu en température est par contre plus difficile à appréhender puisque ce gain est proportionnel à la puissance à dissiper. Le graphe suivant montre le gain envisageable en fonction du débit pour le bloc TC-4 :

On remarque que plus la puissance à dissiper est importante plus le gain en augmentant le débit est intéressant : pour 40 W réels on ne gagne que 1.8 °C en prenant les 2 débits extrêmes alors que pour 100 W on gagne 4.5 °C, ce qui est loin d'être négligeable quand on travaille à haute puissance pour gagner en stabilité par exemple. Chaque waterblock aura bien sûr ses propres gains... Augmenter le débit dans un REV3 n'apportera pas grand chose au vue de sa courbe C/W.

Une chose intéressante pour finir est le fait qu'un waterblock génère sa propre puissance thermique lors du passage d'un fluide à cause des pertes de charges (résistance par frottements qui s'oppose au débit). Ces pertes de charges ne sont ni plus ni moins que des frottements dans le fluide et sur les parois et que ce passe-t-il par exemple quand vous vous frottez les mains ? Oui, ça chauffe car une partie de l'énergie mécanique du mouvement des mains se dégrade en chaleur. Il se passe la même chose avec un fluide qui traverse un waterblock.

Plus la courbe de perte de charge est plate moins le bloc résiste à l'avancement du fluide. Elle se mesure en mètre de colonne d'eau (mCE) sachant que 10.2 mCE vaut 1 bar. Le LRWW est ici le plus restrictif à cause de sa buse mais cela ne veut pas dire qu'il est mauvais loin de là ! D'ailleurs c'est l'un des meilleur car les pertes de charges sont utilisées à bon escient pour construire un écoulement intéressant. La courbe de pompe de la EHEIM 1048 a été mise sur le graphe pour avoir un ordre d'idée sur le débit obtenu avec chaque bloc isolément. On regarde l'intersection entre la courbe d'un bloc et la courbe de pompe et cela nous donne le débit que la pompe peut faire passer dans ce bloc avec la pression associée à mettre en jeu, par exemple 5.5 L/min avec le LRWW. Si on ajoute le reste du circuit, le débit va diminuer car on additionne chaque courbe de chaque élément (tuyau, raccords, radiateur, etc..) à la courbe du bloc ce qui rends la courbe du circuit global beaucoup plus raide et donc l'intersection avec la pompe se décale vers la gauche du graphe.

La puissance qui sera générée au travers du bloc, et plus globalement dans tout le circuit, car lui aussi résiste au débit, existe toujours. Ce travail des forces de frottements Qf est calculé de la manière suivante :

Qf = Rho x g x débit volumique x perte de charge
  • Rho = densité du liquide, soit 998 kg/m3 pour l'eau
  • g = accélération de pesanteur, soit 9.81 m/s2
  • débit volumique = débit en m3/s
  • perte de charge = différence de pression statique donnée en mCE (mètre de colonne d'eau)

On calcule ça pour chaque bloc connaissant ses pertes de charge associées en fonction du débit :

Par exemple, un REV3 dans lequel on ferait passer 8 L/min d'eau créerait 1.6 W de chaleur dans l'eau lors de sa traversée. Néanmoins pour faire passer 8 L/min dans le REV3, et donc tout le circuit, y faut une grosse pompe capable de pousser fort, ce qui n'est pas le cas des EHEIM et consorts. La E1048 donnera à peine 6.5 L/min (390 L/h) au REV3 tout seul et donc encore moins dans le circuit entier... Dans un circuit classique avec un débit de 240 L/h effectifs et une perte de charge totale de 1.2 m (intersection "virtuelle" avec la pompe), le circuit créé spontanément 998*9.81*(0.24/3600)*1.2 = 0.78 W qui viennent s'ajouter à ce que dissipe le processeur et autres chipsets. Dans notre cas on n'en tient pas compte car c'est négligeable, les débits permettant de générer des grosses puissances de frottement ne sont pas atteignables avec nos pompes. L'intérêt d'un très haut débit serait nul car si l'on génère beaucoup de puissance en plus, le reste aura du mal à suivre, la pompe sera nettement plus puissante donc dégagera elle aussi beaucoup plus de chaleur et l'efficacité du système s'effondrera, on tourne en rond au final...

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