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Les waterblocks à microstructures - Page 5/13

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



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Surface de contact fluide/échangeur

Réduire la taille des ailettes ou des canaux, dans un volume donné, pour un échangeur de chaleur permet d'augmenter de manière spectaculaire le rapport surface/volume de celui-ci. On peut prendre un exemple connu qui concerne notre échangeur gazeux le plus précieux, à savoir nos poumons. Malgré leurs faibles volumes, ils offrent à l'air inspiré une surface de contact avec les vaisseaux sanguins tout simplement énorme, de l'ordre de 100 m2 ! La taille minuscule des nombreuses ramifications permet d'avoir une structure dédiée aux échanges gazeux extrêmement compacte et performante.

Dans certain cas, cela montre l'intérêt qu'il y a à réduire les échangeurs pour optimiser les transferts thermiques (automobile, turbine, microélectronique). On arrive aujourd'hui à obtenir des densités de l'ordre de 500 cm2/cm3, c'est à dire qu'un cube de 1 cm de coté a une surface de contact interne de 500 cm2 grâce à sa porosité ! Avec ce genre de structure, le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) arrive en pratique à échanger 20 kW de chaleur entre 2 fluides passant dans ce cube sans que celui-ci n'en souffre. Remarquez bien qu'on ne parle pas de températures pour l'instant... L'échangeur suffit à maintenir le dispositif en état de fonctionnement "normal" dans un espace très restreint. On ne lui demande rien de plus, même si la température de l'échangeur est de 100 °C durant le transfert. C'est une comparaison globale avec d'autres systèmes plus conventionnels qu'il faut effectuer en termes d'encombrement, d'énergie à fournir à la pompe, de coût, de fabrication, etc. La température finale n'est pas l'unique paramètre à prendre en compte dans le cas présent.

Exemple

Calculons la surface mouillée pour voir son évolution en fonction de la taille des canaux pour un waterblock simple constitué d'ailettes droites. La largeur totale des canaux sera prise égale à 20 mm, leur longueur à 20 mm également et leur hauteur à 4 mm. On fait varier la largeur des canaux que l'on usine puis on calcule le nombre de canaux pour chaque largeur, pour enfin tracer la surface totale offerte par les ailettes :

Plus on diminue la largeur des canaux plus la surface offerte au fluide augmente rapidement. On comprend aisément qu'on peut obtenir des surfaces très élevées dans un tout petit espace juste au dessus de la source de chaleur. Attention, plus la largeur des canaux diminue, plus la perte de charge associée va devenir importante. Il y a donc un compromis à trouver en fonction de la pompe.

Une surface en contact avec le fluide la plus grande possible est donc recommandée si l'on souhaite transférer de la puissance d'un milieu à un autre. Tout comme les radiateurs ventilés, qui ont vu leur surface augmenter énormément ces derniers temps, les échangeurs liquides répondent strictement à la même règle. C'est toujours de la convection, seules les propriétés physiques du fluide changent. Dans le cas de l'air, la surface des radiateurs peut être plus de 3000 fois supérieur à la surface du core car l'air n'est pas un fluide très "performant" en thermique. Les fabricants de serveurs compacts ne veulent absolument pas de monstres pareils, qui ne rentreraient d'ailleurs même pas les racks prévus à cet effet. Leur utilisation par des particuliers commencent à poser problème également, car ils ont besoin d'un débit d'air de plus en plus grand et leur poids élevé ne les rend pas très sécurisants pour des sockets en plastique ou des cores fragiles.

D'après certaines études, l'aircooling va de toute façon arrêter d'évoluer car cette voie pose de plus en plus de soucis, malgré les avancées phénoménales qu'il a connu depuis ses débuts. On ne pensait même pas, il y a quelques années, pouvoir dissiper autant en aircooling, c'est dire... Certes, on pourra grappiller quelques pourcent d'efficacité mais il ne faut pas s'attendre à une révolution, la surface ne peut pas augmenter indéfiniment... Il y a néanmoins quelques techniques qui permettraient d'augmenter l'efficacité des radiateurs comme les Thermabases (chambre vapeur en guise de base) mais ça n'est même pas utilisé, sauf par Thermacore ! A la place, ils préfèrent mettre des petites lumières sur les radiateurs, c'est beau la technique... Il faut donc passer à autre chose ou alors s'acheter un ventilateur Tornado qui va débiter sérieusement mais dans 70 dB de bruit !

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