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Elements de conception pour waterblocks - Page 10/13

Rédigé par David D. - 22/08/2003
Catégorie : Watercooling



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Résistance de convection (suite)

Pour éviter cette perte d'efficacité en dehors de la zone de stagnation, on va utiliser des grilles de jets comme le bloc Cascade de Cathar à droite. Il s'agit simplement de créer plusieurs jets plus petits les uns à coté des autres répartis uniformément suivant une grille. Ces multiples jets permettent de couvrir une surface bien plus grande et d'assurer un refroidissement plus homogène. Il y a des conditions d'espacement entre les trous à respecter car les jets vont interférer entre eux au moment de l'impact quand l'eau est éjectée radialement sur la base. Ces interactions provoquent l'apparition d'autres zones secondaires de turbulence mais peuvent, si les jets sont trop proches, se gêner mutuellement en les déviant et faire baisser l'efficacité de l'ensemble (cross-flow). Tout ceci peut être calculé en fonction du diamètre des jets mais ca reste très complexe.

La manière d'aligner les injecteurs sur la grille influence également l'efficacité du refroidissement. On peut les aligner sur une grille suivant des lignes horizontales, suivant des grilles "nid d'abeilles" ou autre... Le "nid d'abeilles" (répartition hexagonale) est la meilleure solution d'après les études menées sur les impacts : chaque jet est à égale distance de ses voisins et la zone à refroidir est mieux couverte. La forme des injecteurs doit également, si possible, être adaptée pour réduire au maximum les pertes de charges. Il existe plusieurs formes d'injecteur dont certaines avec des profils particuliers typés elliptiques qui possèdent des pertes de charge très faibles. Il faut évidemment pouvoir les usiner facilement donc on optera pour un chanfrein à 45° et pourquoi pas étager avec un chanfrein à 118° (tête de foret) pour se rapprocher de la forme de droite :

L'injecteur doit aussi avoir une certaine longueur pour que le jet puisse se développer correctement et rester sous la forme d'un jet bien cohérent et droit à sa sortie. Si la longueur est trop faible le jet va diverger très vite et éclater à sa sortie et si la longueur est trop grande on augmente les pertes de charges inutilement. Des tubes au lieu de simples trous dans une plaque peuvent être nécessaires suivant la configuration d'impact que l'on choisira, à l'exemple du Cascade qui vient impacter dans des trous pour garder une base rigide (cliquez pour agrandir) :

Pour éviter les collisions entre les jets, des études ont montré qu'impacter dans un trou procure en général un h plus élevé (20%) puisque les jets ne se gênent plus (études Ekkad et al.). Bref, on a un tas de possibilités d'impact : il faut veiller à choisir le bon diamètre d'injecteur, le bon nombre d'injecteurs, leur répartition, leur éloignement par rapport à la base, etc. Pour un nombre donné de trous il existe un compromis meilleur que tous les autres niveau diamètre et répartition, il reste à le trouver... Si l'on utilise trop de trous la vitesse des jets va diminuer et on risque de s'éloigner de la configuration optimale. Si on en utilise pas assez, la vitesse des jets augmente mais on couvrira moins de surface et on augmente les pertes de charges donc le débit s'écroule encore plus. Voici l'exemple d'une visualisation expérimentale, tirée d'une étude sur les impacts d'une grille de jets d'air, où l'on étudie l'importance de la hauteur des injecteurs par rapport à la plaque (le fameux Z/D) :

Dans ce test utilisant de l'air, la configuration optimale apparaît être Z/D = 3. Le Nu, appelé nombre de Nusselt, reflète l'épaisseur de la CL et par conséquent la grandeur de h, plus Nu est grand et plus h est grand. Evidemment tout ça ne peut pas se faire de tête, il faut simuler pour avoir une idée sur le sens d'évolution, se renseigner sur des études sur l'impact de jet pour obtenir de précieuses informations sur les ratios géométriques idéaux. Si l'on a de quoi se payer et faire plusieurs prototypes, on peut évaluer le gain de performances en testant chaque combinaison mais il vaut mieux pour cela avoir accès à un banc d'essais comme BillA pour apprécier réellement l'optimisation ou non. Le montage sur une carte mère entraîne trop d'inconnues et d'erreurs de mesures pour voir si tel ou tel design engendre un gain bénéfique ou non.

Ce genre de blocs peut assez vite donner de mauvais résultats à cause de la relative complexité de mise en place des jets. Plusieurs prototypes faits par des forumers se révèlent être parfois décevants... Mais si au contraire le bloc est bien conçu, les performances seront de haut niveau !

Résumé :

  • Plus l'écoulement a de la vitesse près de la paroi plus le transfert thermique est efficace.
  • Il faut le plus de surface mouillée possible sans pour autant faire des mazes tortueux (sauf si design personnel) qui vont réduire le débit admissible. Mais attention, un bloc ayant beaucoup de surface n'est pas forcément bon si l'écoulement qui y passe n'est pas adapté au design.
  • Les blocs à écoulement "basique" nécessitent pour la plupart une base d'une épaisseur raisonnable, entre 4 et 7 mm suivant le design et le débit pour étaler la chaleur au maximum face à un écoulement pas très "réceptif" dirons nous.
  • La section de passage peut être égale ou non à la section du tuyau, cela dépend du design. Si l'on fait une section plus grande on ralentit le flux d'eau donc moins bonne résistance de convection à priori, si on la réduit trop on va faire grimper les pertes de charges sans que cela n'améliore vraiment le h à la paroi. Il y a une section idéale qui donne le h maximum pour des pertes de charges acceptables.
  • Eviter d'avoir des surfaces planes mais plutôt rugueuses ou accidentées pour éviter que la couche limite ne se développe tranquillement, cela favorisera l'apparition de turbulence.
  • Les blocs à impact de jet permettent de réduire l'épaisseur de la base du fait du h élevé qu'ils procurent mais il faut faire attention à garder une rigidité suffisante, sinon le bloc va plier lors du serrage et ne plus être en contact avec le core avec les conséquences qu'on imagine.
  • Différentes techniques de jet existent mais les grilles de jet sont les plus prometteuses au niveau couverture de la surface à refroidir. En utilisant cette technique on pourrait refroidir directement le core sans avoir besoin de bloc, autrement dit du "direct die" mais c'est beaucoup plus complexe et dangereux à mettre en place.
  • Le débit c'est bien, la vitesse c'est mieux.
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