Petits rappels sur la technologie

Un caloduc est un tube clos, généralement dépressurisé, dont la paroi interne est recouverte d'une structure métallique poreuse dans notre cas (il existe de très nombreuses variantes). Celle-ci est saturée d'une très faible quantité de liquide, typiquement de l'eau pure ou du méthanol pour les plages de fonctionnement qui nous intéresse directement. On peut utiliser quasiment ce que l'on veut comme intermédiaire de transport : ça va de l'hélium liquide/gazeux à l'argent liquide/gazeux suivant la température de fonctionnement du système (de -270 °C à +2300 °C).

Ici, le liquide présent dans la colonne est simplement de l'eau pure capable de bouillir à basse température du fait d'une pression interne très faible. La plage de fonctionnement de la colonne est de l'ordre de 0 à 200 °C environ, le tout dans un équilibre liquide-vapeur permanent. Les colonnes TTIC sont d'ailleurs toutes éprouvées dans une étuve à 250 °C pour s'assurer qu'elles soient étanches à 100 % malgré l'augmentation de la pression interne. Voici la vue en coupe de la structure d'un caloduc avec la paroi externe et la structure poreuse à l'intérieur (typiquement de la poudre de cuivre agglomérée) :

Quand une portion du tube est chauffée, il se passe alors les choses suivantes :

1 - le liquide de la zone chauffée s'évapore et peut absorber beaucoup d'énergie grâce à une chaleur latente très élevée
2 - la vapeur produite se déplace alors quasiment à la vitesse du son (limite) vers les zones plus froides
3 - cette vapeur se refroidit au contact des parois et condense en libérant l'énergie qu'elle a transportée
4 - les condensats sont alors ramenés vers la section chaude par l'action capillaire de la paroi et le cycle recommence...

Un caloduc est un dispositif passif qui ne dissipe rien. Ce n'est qu'un conduit à sens unique pour déplacer très vite de l'énergie d'un point à un autre, vers un endroit plus propice où la transférer efficacement à l'air ambiant. Il faut donc refroidir correctement la partie condenseur sinon un caloduc ne sert strictement à rien ! Il fonctionne dès lors qu'une très petite différence de température entre les 2 extrémités se manifeste. Celle-ci engendre une différence de pression interne le long du tube avec une pression maximale dans la section d'évaporation (la vapeur se crée) et minimale dans la section condenseur (la vapeur disparaît). C'est uniquement ce différentiel de pression qui permet un déplacement ultra rapide de la vapeur d'un bout à l'autre, exactement comme un courant d'air. Quelques schémas pour mieux comprendre :

Vu de l'extérieur, on peut alors définir une conductivité thermique apparente comme s'il s'agissait d'un barreau de métal pur. Grâce au transport de vapeur, cette conductivité est de très loin supérieure à n'importe quel matériau et, en tout cas, des dizaines ou des centaines de fois plus grande que les 400 W/m.K du cuivre par exemple.

L'énergie ne disparaissant pas, la partie condenseur demande une surface de refroidissement aussi grande qu'un ventirad classique dépourvu de caloduc, on n'a fait que transférer l'énergie un peu plus loin. L'intérêt de ce déplacement, c'est qu'il se fait à température constante lors du changement d'état du fluide, même avec des flux thermiques importants, ce qui en fait un moyen très efficace ayant une faible résistance thermique.

Paramètres physiques

Supposons qu'un processeur dissipe 100 W, puissance qui sera intégralement absorbée et transférée par le caloduc. Cela représente 100 J/s (joules par seconde), et sachant que la chaleur latente d'évaporation de l'eau à 35 °C vaut 2420 J/g (énergie qu'il faut fournir à 1 gramme d'eau pour le passer de l'état liquide à l'état vapeur à 35 °C), le caloduc devra transformer 100/2420 = 0.041 grammes d'eau liquide en vapeur par seconde (on simplifie un peu). Toute la force d'un caloduc, et d'un changement d'état plus globalement, se trouve là : une faible masse d'eau nécessite une grosse quantité d'énergie pour passer intégralement de l'état liquide à l'état gazeux (la rupture des liaisons hydrogène est énergivore). Le fait que le fluide soit contenu dans une structure métallique poreuse est aussi bénéfique car on dispose d'une très grande surface de contact à l'évaporation, ce qui permet d'encaisser des densités de puissance élevées (50-250 W/cm²) sans souci.

Plus un caloduc sera gros, plus il pourra transférer de puissance sans craindre de tourner à sec (dry-out). Cette zone d'assèchement, c'est à dire quand tout le liquide se retrouve sous forme vapeur ou qu'un manque se fait sentir à la base, est à bannir impérativement car le caloduc ne sert alors plus à rien ! Il possède une limite de puissance admissible suivant les conditions de son refroidissement. On peut comparer un caloduc à un pont entre la base et les ailettes par exemple. Si on injecte trop de puissance, on va devoir vaporiser plus de fluide qu'il n'en revient du condenseur car le retour des condensats prend un certain temps (pertes de charge). Le pont se brise alors et la base se retrouve complètement isolée des ailettes comme si elles n'existaient plus. La puissance ne cessant pas d'arriver sans pouvoir être dissipée correctement, la température de la base grimpera en flèche jusqu'à la rupture ou la mise en sécurité...

On comprend donc l'un des intérêts à multiplier le nombre de caloducs sur les ventirads. Au début de leur utilisation, les fabricants en mettaient 2 en général, tandis qu'aujourd'hui il n'est pas rare d'en avoir 6 ou plus ! En effet, un seul caloduc de 6 mm pour un processeur serait bien trop juste à la vue des puissances dissipées actuelles. Une colonne de 25.4 mm de diamètre peut se permettre de rester seule puisqu'elle encaisse une puissance nettement plus importante sans aucun problème. En faisant des recherches, on peut compiler quelques données pour avoir une idée des capacités de transfert. Ci-dessous, figure quelques ordres de grandeurs sur les puissances transférables pour des caloducs en fonction de leur diamètre (d'autres facteurs interviennent) :

TTIC a confirmé, d'après leurs essais à haute puissance, qu'une colonne pouvait encaisser près de 150 à 200 W, si elle est refroidit correctement. Selon eux, la quantité d'eau dans chaque colonne est la même quelle que soit la taille de celle-ci. Seule la différence de volume et de surface interne influenceront la performance, et notamment, sur la valeur de la pression et l'efficacité de la condensation.

Notons que l'orientation du caloduc peut intervenir sensiblement sur sa capacité de transfert. Un caloduc vertical est aidé par la gravité pour faire revenir les condensats vers la base et il donne donc la pleine mesure de ses possibilités. La mise à l'horizontale annule l'effet de la gravité et le caloduc perd peut-être entre 5 et 20 % de sa capacité maximale (très dépendant de la structure interne). La mise tête en bas est la solution la plus défavorable car les condensats doivent remonter uniquement grâce à la capillarité dans la paroi ou la mèche centrale et contre la gravité, ce qui réduit encore un peu plus sa capacité maximale.

L'intérêt d'une colonne peut se comprendre également du point de vue de la surface de contact. Une unique colonne de 150 mm de hauteur et de 25.4 mm de diamètre possède une surface externe de 120 cm². Un caloduc classique de 6 mm de diamètre et de 150 mm de long en possède une de 28 cm². Il faut donc au moins 4 caloducs de 6 mm pour atteindre la même surface de contact avec les ailettes. Il se pose ensuite le problème de la répartition sur l'ailette et là des petits heatpipes plus nombreux et disséminés seront logiquement meilleurs pour utiliser toute la surface d'une ailette de manière plus homogène. Les assemblages avec une colonne unique sont en fait facilement réalisables (on emboîte les ailettes en les poussant dessus) et c'est pour cela qu'on les retrouve dans les ventirads de certaines marques.