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Vapochill LightSpeed - Page 11/15

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



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Températures des vapeurs

Passons maintenant à la température du retour des vapeurs, sensiblement égale à la température d'ébullition, pour comprendre pourquoi les performances s'effondrent à haute puissance.

En Idle, la température d'ébullition est très proche de sa valeur à 1 bar (-47 °C), on a peu d'ébullition, car pas beaucoup de chaleur introduite et peu de vapeur à évacuer par le compresseur qui gère sans peine. Au fur et à mesure qu'on pousse le niveau de puissance en Idle et encore plus en Full, on observe que la température d'ébullition grimpe vite. L'ébullition plus soutenue produit un volume de gaz beaucoup plus grand et le compresseur a plus de mal à l'évacuer rapidement. Comme les volumes internes de l'évaporateur et de la ligne de succion sont petits, la pression entre l'évaporateur et le compresseur augmente rapidement à cause du volume de vapeur produit. Ceci a pour conséquence de décaler la température d'ébullition à la hausse.

Stephen a fait des mesures de cette hausse de pression dans l'évaporateur de son système home-made au R404a, qui a nettement plus de volume et une cylindrée de compresseur deux fois plus importante, et malgré tout il a 0,2 bar de plus à haute puissance dissipée (passe de 0,8 à 1 bar). Cela se traduit au final par un décalage de la température d'ébullition de l'ordre de 7 °C en plus pour lui. Dans le cas du LightSpeed et à la vue de la température de retour, on doit grimper un peu plus que ça. Les raisons invoquées par Asetek sont l'introduction d'une plus grande quantité de gaz frigorigène pour pouvoir tenir une charge plus importante (240 W au lieu de 200 W chez Nventiv), mais au prix d'une pression un peu plus élevée. Cette charge plus importante en gaz permettra de maintenir un gros processeur à basse température quand un MACHII se sera effondré.

Le choix de la charge en gaz est assez difficile à faire pour être optimal. D'un côté, si on souhaite avoir une très basse pression dans l'évaporateur, ça signifie que le compresseur va déplacer une masse de réfrigérant plus faible par unité de temps et donc il perd en capacité. De l'autre, on diminue la température d'ébullition grâce à cette pression très réduite donc on gagne en performance. Il reste donc à savoir si on gagne plus qu'on ne perd et c'est là tout l'enjeu de l'optimisation. Voilà donc l'une des raisons qui fait chuter l'efficacité d'un système à compresseur quand on lui demande d'absorber plus de puissance. Il faudrait une grosse cylindrée pour maintenir une pression basse dans l'évaporateur malgré les vapeurs créées, mais c'est nettement plus gros et gourmands en énergie.

On arrive à l'une des pièces maîtresses du circuit qu'est l'évaporateur. On relève l'écart entre le CPU et la température du fluide en ébullition, ce qui permet d'avoir une idée sur l'efficacité du transfert entre le processeur et l'évaporateur.

L'écart en Full à toutes les puissances est relativement constant autour de 29-32 °C contrairement à du watercooling ou de l'aircooling où cet écart grandit assez vite pour la simple raison que les waterblocks et les ventirads ont une résistance thermique Rth qui ne varie pas en fonction de la puissance, mais de l'écoulement. On rappelle que l'écart de température engendré par un waterblock ou un ventirad vaut Rth x puissance dissipée. Si la puissance à dissiper augmente, l'écart entre le système refroidisseur et le processeur augmente aussi. L'écart obtenu avec le LS est presque constant, mais la température du processeur augmente quand même puisque la température du fluide se décale.

L'écart total est la somme de plusieurs écarts engendrés à chaque interface de contact et dans chaque pièce se trouvant entre la sonde de température dans le die et le fluide frigorigène. Il y donc les écarts dus aux joints de pâte thermique, à l'IHS et à l'évaporateur. Les deux premiers écarts ne vont faire qu'augmenter lors de la montée en puissance à cause de leurs Rth fixes. Cela signifie que l'évaporateur voit son efficacité s'améliorer légèrement au fur et à mesure pour compenser l'augmentation des deux autres écarts, afin de garder une différence de température CPU-vapeur presque constante.

L'écart obtenu dépendra directement de la géométrie interne de l'évaporateur et de sa capacité à assurer une ébullition la plus efficace possible. L'évaporateur est ici un facteur limitant qui engendre l'un des plus gros écarts de température. L'évaporateur ne sera jamais à la température du liquide en ébullition, car il y a un phénomène de surchauffe qui se produit entre la paroi et le fluide. La paroi doit être plus chaude que la température d'ébullition du fluide pour que la naissance des bulles soit déclenchée correctement. Cette surchauffe va varier suivant les propriétés du fluide et suivant la nature de la surface sur laquelle vont se former les bulles. Tout comme pour un waterblock, un maximum de surface est préférable pour augmenter l'efficacité en ayant une ébullition soutenue et répartie. Une bonne ébullition permettra de rapprocher la température des parois de la température d'ébullition, ce qui mène à une température de processeur moins élevée.

Il existe des surfaces accélératrices d'ébullition souvent utilisées dans les échangeurs industriels et qui sont en fait des surfaces pleines de petites cavités. Tous ces défauts de surface seront autant de sites propices à la naissance des bulles, ce qui améliore le phénomène de changement d'état. Une surface très lisse et sans défaut est la pire chose à avoir pour un évaporateur, car elle entraîne irrémédiablement une surchauffe plus importante (plus d'énergie pour déclencher une bulle). Ci-dessous, l'exemple tiré d'une étude avec deux tubes chauffés dans les mêmes conditions et plongés dans du propane liquide pour voir l'impact de la surface sur la qualité de l'ébullition. L'ébullition du tube optimisé est meilleure, entrainant des températures moindres pour le tube, alors que la puissance dissipée est la même.

Pour donner un exemple concret, si on suppose un flux de chaleur de chauffage de 110 kW/m2 obtenu sur la base de l'évaporateur (100 W dissipés sur 9 cm2 après l'étalement par l'IHS) en ayant une base lisse noyée par du propane qui bout à -10 °C, la surchauffe vaudrait déjà 12 °C. Autrement dit, malgré le fait d'avoir du propane à -10 °C qui arrive dans l'évaporateur, la température de surface interne à l'endroit du chauffage ne sera qu'à 2 °C, ce qui se répercute dans toute la chaîne de contact jusqu'au processeur. La surface optimisée permettrait de réduire cette surchauffe à 8 °C, soit 4 °C de moins pour la paroi sans rien avoir fait d'extraordinaire. Si l'on fabrique un évaporateur, il faut donc veiller à avoir une surface interne la plus rugueuse possible avec plein de petits défauts.

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