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Mort aux idées préconçues sur le watercooling ! - Page 4/6

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



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Un volume d'eau important donne de meilleures températures ?

Cette question peut avoir plus ou moins 2 réponses en fait. On va prendre un réservoir étanche fabriqué en plexi qui contient 15 L d'eau, le reste du circuit est composé d'un radiateur ventilé et d'un waterblock CPU.

On peut considérer, dans un premier temps, le réservoir comme étant isolé parfaitement de l'environnement extérieur puisque le plexi est un isolant (conductivité thermique = 0.2 W/m.K) dans ce cas on a aucune perte de chaleur par convection naturelle avec l'extérieur. La température d'équilibre du système serait exactement la même que dans un circuit identique contenant 2 L d'eau. Ce très grand volume d'eau procurera simplement une plus grande inertie thermique au système, c'est à dire que pour atteindre sa température finale d'équilibre (processeur tournant en full load pendant une longue durée), le circuit va mettre beaucoup plus de temps pour y arriver puisqu'il faut chauffer tout le volume d'eau (et inversement pour la refroidir).

Pour être plus pointilleux, car le plexi est loin d'être un isolant parfait, on va calculer la déperdition de chaleur occasionnée pour avoir un ordre d'idée des pertes dues à la surface du réservoir en contact avec l'air ambiant. On va utiliser l'équation de Fourier pour calculer les pertes par conduction dans le réservoir et l'équation de convection citée plus haut pour avoir les pertes par convection naturelle (pas de ventilateur).

Les données du problème seront les suivantes :

  • 15 L d'eau à l'équilibre à 25 °C constant répartis de manière uniforme dans le réservoir
  • air ambiant autour du réservoir à 20 °C (donc un delta air/eau de 5 °C ce qui est courant dans un bon circuit)
  • réservoir en plexi d'épaisseur 5 mm avec conductivité thermique de 0.2 W/m·K
  • coefficient de convection h pris égal à 5 W/m2.K (valeur typique en convection naturelle dans l'air)

Ce problème présente 1 seule inconnue qu'il faut déterminer, à savoir la température de la paroi externe du réservoir, qui n'est pas égale à la température de l'air de 20 °C !

  • Etape 1: On calcule d'abord la surface du réservoir. Il contient 15 L soit 15000 cm3 donc le coté du cube vaut racine cubique(15000) = 24.66 cm. La surface externe totale composée de 6 carrés vaut donc 6*24.662 = 3648.7 cm2.
  • Etape 2: On cherche la puissance transmise par conduction à travers le plexi. Fourier nous dit que P = k*(A/L)*(Tc-Tf) avec k la conductivité thermique du plexi, A l'aire totale, L l'épaisseur du matériau, Tc la température de la face "chaude" et Tf la température de la face "froide". En remplaçant les variables connues et inconnues avec les bonnes unités, on obtient l'équation suivante : P = 0.2*(0.36487/0.005)*(25-T°paroi)
  • Etape 3: On cherche la puissance transmise par convection dans le milieu environnant. On a vu qu'elle se calcule sous la forme Q = H*S*(T°paroi-T°ambiant) donc de même on remplace les variables pour obtenir : Q = 5*0.36487*(T°paroi-20°)
  • Etape 4: On applique la conservation de l'énergie sur notre système ce qui nous donne P = Q. On se retrouve avec 2 équations à 1 inconnue commune ce qui nous permet de connaître T°paroi très facilement. On résout et on trouve T°paroi = 24.44 °C
  • Etape 5: Connaissant T°paroi on peut enfin connaître la puissance dissipée par le réservoir en convection naturelle. On utilise au choix l'une des 2 équations ce qui nous donne Q = 8.1 W

Le réservoir participe donc à la dissipation de la chaleur, de manière totalement passive, à hauteur de 8.1 W ce qui n'est pas beaucoup. Prenons d'autres exemples suivant la fabrication du réservoir et la température d'équilibre de l'eau :

Réservoir - Air ambient 20 °CPuissance dissipée par convection naturelle
10 mm plexi - eau à 25 °C7.3 W
10 mm plexi - eau à 30 °C14.6 W
4 mm cuivre - eau à 25 °C9.1 W
4 mm cuivre - eau à 30 °C18.2 W

Changer le matériau par du cuivre ne change quasiment pas la puissance dissipée, le facteur limitant est la convection naturelle et le h associé très petit qui ne permet pas un grand dégagement de puissance dans l'environnement. Il ne faut donc pas espérer des miracles avec un réservoir même en cuivre. De plus ici toutes les surfaces participent de manière égale à la dissipation, ce qui n'est pas le cas du fond du réservoir s'il est posé sur quelque chose. Le h n'est pas identique sur une face verticale ou une face horizontale, etc. Au final on se retrouve en général avec bien moins de puissance réelle dissipée.

Si l'on veut donc avoir un système le plus passif possible, il faut augmenter le volume d'eau pour accroître la surface d'échange avec l'extérieur ou alors créer un réservoir de 15 L très plat qui offrira une surface à l'air libre plus grande que le cube pris dans l'exemple. Donc la réponse à cette question est donc plutôt OUI dans l'absolu puisqu'il y a de toute façon des pertes de chaleur mais cela dépend du volume d'eau engagé... Les gains engendrés pour cet exemple seront à peine de l'ordre de 1 °C en moins sur la température de l'eau de toute façon avec une puissance à dissiper de l'ordre de 100 W réels. Un bon radiateur bien ventilé sera toujours bien plus efficace !

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