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Rédigé par David D. - 26/05/2004
Catégorie : Phase-Change



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Principe et intérêt du changement de phase

Un système de refroidissement par changement de phase fonctionne comme un watercooling à un détail près : dans le watercooling classique le fluide n'entre pas en ébullition. Le principe de fonctionnement est toujours le même : prendre la chaleur dissipée par le processeur, puis l'emmener le plus loin et le plus efficacement possible pour la rejeter au final dans l'atmosphère. Dans le cas du changement de phase, le moyen de transport est donc un fluide qui sera très froid en arrivant dans un échangeur posé sur le processeur, appelé évaporateur. C'est à l'intérieur de celui-ci que le fluide va se mettre à bouillir quand les conditions de température et de pression seront réunies. Il se passe la même chose dans un frigo où on obtient -18 °C dans le compartiment congélateur, car l'évaporateur (long tuyau) est simplement noyé dans les parois.

En effet, l'un des moyens les plus efficaces d'absorber une grosse quantité de l'énergie, c'est de jouer avec les états thermodynamiques (gaz, liquide, solide) d'un fluide en faisant varier sa pression et sa température. Le fait de passer d'un état à un autre permet un transfert thermique très élevé à la paroi où il se produit, dans un sens ou dans l'autre suivant la transformation. Pour comprendre la différence avec le watercooling, il faut introduire deux grandeurs physiques propres à chaque fluide : la chaleur latente et la chaleur sensible. Dans un watercooling c'est la chaleur sensible qui est utilisée alors que dans un refroidissement par changement de phase c'est plutôt la chaleur latente qui sera prise en compte. La différence entre les deux est décrite avec l'exemple ci-dessous pour révéler tout l'intérêt offert par une ébullition.

Exemple

On va considérer le liquide comme étant de l'eau, mais c'est valable pour n'importe lequel. La chaleur sensible de l'eau vaut 4180 J/kg·°C à 25 °C, c'est à dire que pour augmenter la température de 1 kg d'eau de 1 °C, il faut lui fournir 4180 J d'énergie. La chaleur latente de vaporisation de l'eau vaut 2 258 000 J/kg à 1 bar, c'est à dire que pour transformer entièrement 1 kg d'eau à 100 °C en vapeur à 100 °C, il faut lui fournir 2 258 000 J, soit 540 fois plus d'énergie que pour la faire grimper de 1 °C. Si l'on choisit un fluide frigorigène comme le R134a, on a une chaleur sensible à 25 °C qui vaut 1460 J/kg·°C et une chaleur latente de vaporisation à 1 bar qui vaut 210 000 J/kg (10 fois moins que l'eau), l'ébullition se faisant cette fois à -26 °C.

Un fluide peut donc encaisser beaucoup plus de chaleur en se vaporisant, car il faut plus d'énergie pour briser les liaisons interatomiques, plutôt qu'en chauffant régulièrement comme dans un watercooling. De plus, l'absorption de chaleur lors d'une ébullition se fait à température constante. L'eau dans une casserole bout à 100 °C au niveau de la mer et ne dépassera jamais ce point durant toute la transformation même si on chauffe très fort. Si un fluide qui bout à -30 °C entre dans un évaporateur chauffé, celui-ci va donc rester en moyenne à -30 °C, en supposant que la pression reste à 1 bar, tout en se vaporisant grâce à la chaleur absorbée sur les parois. Attention, ça ne signifie pas du tout que les parois de l'évaporateur vont aussi être à -30 °C, les 2 températures seront bien différentes.

Dans l'évaporateur, la température des parois sera toujours supérieure à la température d'ébullition du fluide à cause du phénoméne de surchauffe notamment. Le fluide va toujours bouillir, mais à des intensités différentes suivant la puissance dissipée par le processeur. Si vous avez déjà vu un conteneur d'azote liquide, que l'on peut comparer à un évaporateur déjà rempli, c'est la même chose. L'isolation du conteneur étant extrêmement bien faite, le LN2 reste liquide à une température de -196 °C dans la bouteille pendant des semaines entières s'il le faut. Il ne perdra qu'une fraction de sa masse par évaporation, car l'isolation n'est pas parfaite. La moindre perturbation thermique sur les parois ou dans le conteneur va se traduire par une ébullition de plus en plus violente, au fur et à mesure que la puissance injectée augmente, pour rétablir au plus vite l'équilibre thermique.

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