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Les waterblocks à microstructures - Page 12/13

Rédigé par David D. - 24/12/2003
Catégorie : Watercooling



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Cas particulier du diphasique

Il convient quand même de distinguer 2 cas différents sur l'utilisation des microstructures suivant que l'on est en écoulement monophasique ou diphasique. Si l'on conçoit un échangeur qui n'utilise pas une ébullition partielle du fluide, la réduction du débit entraînera, à partir d'un certain seuil, une baisse de performances comme expliqué précédemment. Par contre, si l'on utilise un fluide qui bout à 35 °C par exemple, vous êtes quasiment assuré d'avoir une température de fluide proche de 35 °C puisqu'il commencera à bouillir si l'on dépasse cette valeur, occasionnant de gros transferts énergétiques. Lorsque vous faites bouillir de l'eau dans une casserole à l'air libre et à pression atmosphérique normale, celle-ci ne dépassera jamais les 100 °C quoique vous fassiez, car un changement d'état s'opère à température constante. C'est pour cela que les échangeurs diphasiques pourront se permettre d'avoir des débits ridiculement faibles, inférieurs à 10mL/min, car le fluide possède une sorte de "limite haute de température". Le transfert de chaleur du à l'ébullition va compenser sans difficultés le faible débit, tant qu'on ne tourne pas "à sec", car c'est beaucoup plus puissant thermiquement mais bien plus complexe à élaborer.

Exemple

On va calculer le volume de fluide nécessaire pour dissiper 150 W réels dans un échangeur diphasique. On utilisera de l'eau dont on fixe la température d'ébullition à 33 °C en abaissant la pression dans le circuit fermé à 0.05 bar. On supposera que l'eau est déjà à 33 °C dans le système pour ne pas s'occuper de l'énergie à fournir pour la réchauffer, on regarde uniquement le changement d'état.

L'eau a une chaleur latente de vaporisation de 2423 kJ/kg à 0.05 bar, c'est à dire que pour faire évaporer entièrement 1 kg d'eau par ébullition il faut lui fournir 2423 kJ, ce qui est considérable. On prendra 1 kg d'eau = 1 L pour simplifier et on sait que 1 W = 1 J/s donc les 150 W à dissiper représente 150J/s à transférer. Tout cela nous donne un débit d'eau de : 150 / 2423000 = 6.19E-5 L/s soit 3.71 mL/min ou bien encore 0.223 L/h. Bilan, il ne faut qu'un volume d'eau ridicule pour absorber ces 150 W par ébullition à 33 °C, le potentiel est énorme en terme de dissipation thermique.

Un des moyens utilisant l'ébullition dans des microstructures est basé sur ce qu'on appelle les thermosiphons diphasiques. Le principe utilisé est pratiquement le même que celui des caloducs. Le thermosiphon, constitué d'une enceinte hermétique qui contient le liquide (en équilibre avec sa phase vapeur), ne possède pas de pompe. Il est uniquement constitué d'un échangeur et d'un condenseur à ailettes. La vapeur, créée dans la structure de l'échangeur, va naturellement se déplacer dans le tube qui la conduit au condenseur où la pression locale y est moins importante du fait d'une température moindre. Là, elle condense en cédant sa chaleur à l'air par l'intermédiaire des ailettes et par gravité le liquide coule à nouveau vers la chambre d'évaporation pour continuer le cycle... Ci-dessous, un prototype de thermosiphon testé lors d'une démonstration pour Hewlett Packard et Intel en Mai 2001 :

Ce thermosiphon fonctionnait avec de l'eau déminéralisée dans un circuit dépressurisé pour lui permettre de bouillir à "basse température". Utilisé sur un Pentium4 1.5 GHz (70-80 W en pointe) d'un HP Vectra, ce premier prototype s'est révélé être au niveau d'un radiateur classique. A pleine charge, les mesures par thermocouples donnaient 56 °C maxi pour 23 °C ambiant avec seulement 8 cfm pour ventiler le condenseur. Le thermosiphon peut même tourner en passif puisque le système s'autorégule en quelque sorte. Tant que la vapeur n'est pas liquéfiée, elle n'entre pas en contact avec l'échangeur qui est noyé (8 cm3 d'eau). Le point faible est le condenseur qui n'est pas suffisamment performant et l'on comprends pourquoi en voyant sa structure... Ce genre d'applications intéressent les fabricants de serveurs car on peut s'affranchir des limites physiques des caloducs qui perdent en efficacité s'ils deviennent longs (limite sonique, d'entraînement, visqueuse, capillaire et d'ébullition). On peut ainsi déporter toutes les lignes vapeur vers un condenseur unique pour gagner en place par exemple. La seule contrainte est de respecter le sens de la gravité car il n'y a pas d'action capillaire le long des parois pour ramener le liquide comme dans un heat-pipe.

On peut se demander à ce moment là pourquoi ne pas diminuer encore plus la pression pour bouillir à 20 °C par exemple. Oui mais non ! Imaginons que la température ambiante soit de 30 °C à présent, le liquide va devoir bouillir car on dépasse son point d'ébullition. Or en s'évaporant, la quantité de vapeur augmente, donc la pression interne grimpe ce qui décale la température d'ébullition (à la hausse) jusqu'à retrouver un équilibre thermodynamique entre les 2 phases. Si la température ambiante augmente encore, tout le liquide pourrait se vaporiser si la pression le permet, sans jamais pouvoir se re-liquéfier. Les performances chuteraient puisque le thermosiphon tournerait à sec. Exactement comme pour un heat-pipe soumis à trop de puissance d'un seul coup, tout le liquide va se vaporiser et la température à sa base grimpe en flèche car il n'y a plus de liquide disponible. Le choix de la pression initiale à une température donnée est donc capital en fonction de l'environnement ! Le contrôle de l'ébullition est aussi un élément crucial dans la performance du système, il ne suffit pas de faire un échangeur n'importe comment...

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