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 donc peu de vapeur à évacuer par le compresseur qui gère sans peine. Puis au fur et à mesure qu'on pousse le niveau de puissance en Idle et encore plus en Full, on remarque que la température d'ébullition grimpe très vite. L'ébullition plus violente produit en fait un volume de gaz beaucoup plus grand que le compresseur a du mal à évacuer rapidement du fait d'une cylindrée relativement faible (7.95 cm³). Comme les volumes internes de l'évaporateur et de la ligne de succion (~4 mm interne) sont très petits, la pression entre l'évaporateur et le compresseur augmente très vite à cause du volume de vapeur produite. Tout ceci décale bien évidemment la température d'ébullition à la hausse...
Zytrahus 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 2 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 important 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 bien plus que ça (difficile d'avoir une valeur sans manomètre) ce qui nous fait perdre plus de 15 °C sur la température d'ébullition. Les raisons invoquées par Asetek sont dues au fait qu'ils ont décidé de mettre plus de gaz pour pouvoir tenir une charge plus importante (ils tablent sur 240 W au lieu de 200 W chez Nventiv) mais au prix d'une pression plus élevée évidemment. Cette charge plus importante en gaz permettra de maintenir un très gros processeur à basse température quand un MACHII se sera littéralement effondré car il tournera avec beaucoup moins de liquide disponible (graphe Asetek du dessus).
Le choix de la charge en gaz est assez difficile à faire pour être optimal car beaucoup de choses interférent les unes dans les autres. 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 y gagne en performances. Il reste donc à savoir si on gagne plus qu'on ne perd et c'est là tout l'enjeu d'une optimisation. Il y a aussi le fait que si on change la basse pression, la haute pression va également bouger car le compresseur garde un certain rapport entre les 2 donc ça devient très compliqué à gérer et tout est affaire de compromis comme d'habitude ! 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 monstrueux 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 core et l'évaporateur tout comme on mesure l'efficacité d'un waterblock entre la température du CPU et celle de l'eau qui le traverse. Rappelez vous que la température d'ébullition est la moyenne à 1 °C près car il y a une petite oscillation :
Chose remarquable, 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 en fonction de l'écoulement. On rappelle que l'écart de température engendré par un waterblock, un ventirad ou un joint de pâte thermique est défini par Ecart de T° = Rth*puissance dissipée avec Rth fixée. Donc si la puissance à dissiper augmente votre écart entre le système refroidisseur et le core va augmenter tout seul. Attention, l'écart obtenu avec le LS est presque constant mais la température du processeur augmente quand même car la température du fluide se décale ! Le transfert thermique que l'on obtient n'est pas pour autant bon à basse puissance car à 3.4 GHz pour 1.4 V et en watercooling on arrive à 15 °C environ sur la même plateforme mais on arrive déjà à 20 °C d'écart à 3.4 GHz pour 1.71 V. Plusieurs choses vont intervenir dans ce transfert avec l'évaporateur et on va les développer.
Tout d'abord, 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 core et le fluide qui bout. Il y donc les joints de pâte thermique, l'IHS et l'évaporateur en lui-même. Les 2 premiers écarts nommés ne vont faire qu'augmenter lors de la montée en puissance à cause de leur Rth fixe (équation du dessus). Cela signifie que l'évaporateur va voir son efficacité grandir au fur et à mesure pour que sa Rth diminue légèrement, ou reste stable suivant l'augmentation des 2 autres, afin de garder l'écart global mesuré presque constant. La circulation du fluide dans l'évaporateur est quasiment nulle car on a un débit ridicule, il n'y a pas de brassage ni de turbulence. Le liquide ne fait que bouillir sur place, c'est ce qu'on appelle du pool boiling, autrement dit une ébullition dans du liquide stagnant. Ce n'est pas ce qu'il y a de plus performant contrairement à une ébullition qui se produirait dans un écoulement, comme par exemple l'impact d'un jet qui rentrerait en ébullition au contact de la paroi. On cumule alors les 2 avantages pour absorber des densités de puissances phénoménales ! Il y a aussi le fait que les propriétés thermiques des liquides réfrigérants sont très loin des valeurs de l'eau, qui reste le meilleur caloporteur pur existant pour nous au dessus de 0 °C malheureusement sinon c'est ce fluide qu'on emploierait dans tous les systèmes frigorifiques.
A petite puissance dissipée, l'ébullition est très faible donc c'est presque comme si vous posiez un simple bloc rempli d'eau (ou autre) sur votre CPU pour refroidir. Les performances vont être médiocres car il n'y a pas d'écoulement donc pas de convection forcée. Le transfert va se faire par conduction entre la paroi et l'eau, or l'eau est un très bon isolant thermique en face du cuivre ! Essayez en arrêtant la pompe de votre watercooling vous comprendrez... L'ébullition ne se déroule donc pas de manière optimale mais elle absorbe quand même ! A haute puissance dissipée, l'ébullition va être plus violente ce qui entraîne un bien meilleur coefficient d'échange thermique à la paroi et booste l'efficacité globale de l'évaporateur.
L'écart obtenu à l'évaporateur dépendra donc directement de son design interne et de sa capacité à assurer une ébullition la plus "puissante" possible. Certains vont se dire que ça ne sert pas à grand chose car le liquide est très froid et qu'on ne gagnera pas beaucoup mais rien n'est moins sûr. L'évaporateur est ici un facteur limitant qui engendre l'un des plus gros écart de température donc il peut être réduit et optimisé. L'évaporateur ne sera jamais à la température d'ébullition car le liquide très proche des parois sera plus chaud (comme dans une casserole) et va même dépasser son point d'ébullition sans bouillir, c'est ce qu'on appelle la surchauffe. Celle-ci va varier suivant certaines propriétés du fluide et suivant la surface sur laquelle vont se former les bulles (jamais au hasard). Ici le design de l'évaporateur doit être assez simple mais Asetek ne veut pas donner de détails dessus. Tout comme dans un waterblock, un maximum de surface est préférable pour augmenter l'efficacité en ayant une ébullition plus soutenue et répartie. Une bonne ébullition permettra de rapprocher la température des parois internes soumises au chauffage de la température de vaporisation et donc d'avoir une surface en contact avec le processeur plus froide.
Il existe des surfaces "accélératrices d'ébullition" souvent utilisées dans les échangeurs industriels et qui sont en fait des surfaces microstructurées avec des toutes petites cavités. Tous ces défauts seront autant de sites propices à la naissance des bulles et amplifieront le phénomène de changement d'état. Une surface très lisse et sans défauts est ce qu'il y a de pire au niveau ébullition car elle entraîne une surchauffe plus importante, il faut plus d'énergie pour déclencher une bulle. Ci-dessous, l'exemple tiré d'une étude scientifique avec 2 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. Devinez quelle situation engendre le meilleur transfert thermique :
Pour donner une exemple concret, et d'après cette étude, 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 des parois à l'endroit du chauffage ne pourra être qu'à 2 °C, ce qui se répercute dans toute la chaîne de contact jusqu'au core. Leur surface optimisée permettrait de réduire cette surchauffe à 8 °C soit déjà 4 °C de moins pour la paroi sans rien avoir fait d'extraordinaire. Ce genre d'amélioration est apparemment beaucoup plus efficace pour les petits flux de chaleur que pour les gros. En effet, si on dissipe beaucoup de puissance sur une petite surface, l'ébullition est tellement violente qu'il est difficile de vraiment l'améliorer. Il y a aussi le fait que si on veut dissiper beaucoup de puissance, la surface optimisée peut être trop lente à éjecter les millions de bulles qui se forment dans les micro cavités et qui empêchent le transfert thermique de se réaliser correctement à cause du film gazeux à la paroi qui va agir comme une couche isolante. Il faudrait voir un grand nombre d'études sur ce phénomène complexe et faire des tests poussés pour sortir un évaporateur efficace. On peut aussi polir l'IHS et la base de l'évaporateur pour améliorer le contact et gagner quelques précieux degrés sans se ruiner. Tout est améliorable puisque les règles sont rigoureusement identiques à celles du watercooling.
News
