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Nanofluides, l'efficacité à la hausse - Page 7/8

Rédigé par David D. - 14/11/2008
Catégorie : Watercooling



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Que donne un nanofluide dans une application réelle ?

Utilisation d'un nanofluide par le CEA

Il y a peu d'études appliquées à des cas réels et encore moins pour du watercooling de processeur. Celle du CEA est donc la bienvenue en apportant une démonstration concrète, même si elle est assez succincte puisque ce n'est pas le point principal de ce genre de travail. L'un des points abordés par cette étude consistait à montrer le plus grand pouvoir de refroidissement d'un nanofluide utilisé dans un watercooling classique pour PC de marque Swiftech. La comparaison a été réalisée entre un mélange classique d'eau + agent anticorrosion et un nanofluide.

Ce nanofluide est composé d'eau et de nanoparticules de dioxyde de silicium SiO2 (silice) d'un diamètre moyen de 22 nm et d'allure sphérique. De plus, il est transparent et bleuté, non conducteur électrique et produit à bas coût. Il a donc apparemment toutes les qualités pour plaire... Plusieurs nanofluides ont été testés dans les circuits, la difficulté étant de trouver le meilleur compromis entre l'amélioration de la conductivité thermique, l'augmentation de la viscosité, la stabilité dans le temps et l'aspect plus ou moins agressif.

Les deux machines identiques et non overclockées pour les différents tests sont les suivantes :

  • processeur Intel Pentium D960 3.6 GHz
  • waterblock Swiftech Apogee
  • pompe Swiftech MCP350
  • radiateur Swiftech MCR 120 QP + ventilateur 120 mm
  • débitmètre Innovatek FlowMeter Pro (étalonné)

Les tests à pleine charge ont été réalisés sous CPU Stress MT, le waterblock absorbant réellement ~72 W (mesurés par calorimétrie). Les relevés de température du CPU ont été enregistrés par SpeedFan. Les comparaisons se font à circuit imposé (Figure 36).

Fig. 36 : Machine de test sans l'instrumentation et le waterblock Apogee utilisé

Le circuit de watercooling a été instrumenté avec des thermocouples en entrée et sortie du waterblock, ainsi que pour la température de l'air ambiant pour le radiateur ventilé. Les deux machines sont comparées et les résultats sont croisés afin d'avoir une concordance à moins de 2 % d'erreur sur la puissance dissipée et environ 0,5 °C sur le processeur. Autrement dit, la validité des résultats présentés dans le tableau est correcte.

Performances comparées à pleine charge avec un circuit Swiftech H2O-120 Premium (T°air = 22 °C)
-Eau + inhibiteurNanofluide CEARemarques
Débit125 L/h110 L/hLa viscosité plus importante du nanofluide pénalise un peu le débit.
Il est aussi relativement faible à cause du débitmètre assez restrictif.
cpu41 °C38 °CLe nanofluide permet un meilleur échange paroi-fluide malgré le plus faible débit.
Le gain est de 19 % sur la résistance thermique globale.

Le gain observé de 3±1 °C à pleine charge est substantiel vu la puissance dissipée moyenne de ~72 W. Avec des CPU ou GPU fortement overclockés et plus gourmands, du genre QuadCore dissipant plus de 150 W à pleine charge, la différence d'efficacité sera encore plus marquée. On peut probablement estimer à 6 °C de mieux environ pour 200 W ou encore 0,03 °C/W si l'on parle de manière générale. On fait coup double, car on améliore non seulement l'échange thermique dans le waterblock, mais aussi dans le radiateur ventilé (même si le transfert ailettes-air est le plus pénalisant). C'est une amélioration potentiellement intéressante en changeant juste le fluide pour un nanofluide.

Ça demanderait bien sûr des tests approfondis avec diverses conditions de débit ou de puissance, mais le principal est là : ce nanofluide montre une supériorité par rapport à l'eau. Néanmoins, tous les nanofluides ne donneront pas de résultats forcément intéressants, car si c'est pour gagner 0,5 °C aux 100 W avec un nanofluide à 50 euros le litre par exemple, ça n'en vaut pas la peine ! Suivant leur nature et leur concentration, on peut obtenir des choses très différentes, voire même aucune amélioration visible.

Par ailleurs, il est probable que le gain apporté soit moins prononcé à haut débit qu'à bas débit. Avec un petit débit, la conduction prend une part plus active dans le transfert thermique du fait d'une turbulence moindre près des parois. Les divers phénomènes d'amélioration permis par les nanoparticules peuvent alors se révéler moins efficaces au sein du nanofluide avec un débit élevé. À vérifier donc sur une large plage de débits lors d'autres tests...

Et la stabilité dans tout ça ? Après des semaines d'essais, il n'a pas été observé de dégradation du fluide ni du circuit de watercooling ou d'effets indésirables quelconques. La sédimentation ne s'est pas produite, les nanoparticules sont bien restées en suspension vu leurs dimensions. Le fait d'avoir des remous dans tout le circuit évite que cela ne se produise de toute façon, même après une période d'arrêt. Rien n'a également été observé à propos de la corrosion (le SiO2 est neutre ici) et de l'abrasion des surfaces, le point critique étant une usure accélérée du guidage du rotor de la pompe ou de ses aubages (grande vitesse d'écoulement).

Au final, le nanofluide testé semble être adapté à notre usage et ne présente visiblement pas d'inconvénient.

Autres tests avec un nanofluide à base d'alumine

Une autre publication (Cong Tam Nguyen et al.) a également étudié le comportement d'un nanofluide dans des applications de watercooling pour processeur. Les essais ont été réalisés à 100 W sur un die simulé avec un nanofluide aqueux d'alumine à diverses concentrations (1, 3,1 et 6,8 %) et pour deux diamètres de nanoparticules (36 et 47 nm). Le waterblock provenait aussi de chez Swiftech, un modèle MCW6000 indémontable avec une grille de grands picots ronds en cuivre à l'intérieur (Figure 37).

Fig. 37 : Banc de test avec un waterblock Swiftech MCW6000

Les résultats obtenus montrent encore une fois une amélioration de l'efficacité thermique. Là aussi, c'est entre 3 et 4 °C de mieux pour 100 W dissipés par rapport à l'eau distillée sur toute la plage de débits testés (60 à 250 L/h environ). On constate que plus cette concentration augmente, plus l'efficacité de la convection dans le waterblock est élevée (Figure 38). Même avec seulement 1 % de nanoparticules, c'est environ 2 °C de mieux. Notons que ces essais sont réalisés à débit imposé et ne tiennent donc pas compte de la légère augmentation de viscosité du nanofluide.

Fig. 38 : Le nanofluide se montre meilleur une fois de plus

Connaissant les températures, le débit et la surface interne du waterblock, on peut calculer un coefficient d'échange convectif moyen. Avec un nanofluide à 6,8 %, les auteurs de cette étude ont trouvé environ 825 W/m2·K, c'est près de 40 % de mieux par rapport à l'eau distillée (580 W/m2·K). Pour obtenir une telle augmentation avec de l'eau pure, il faudrait un débit très important fourni par une grosse pompe et ce n'est d'ailleurs pas certain qu'on y arrive vu que le gain s'amenuise de plus en plus avec le débit... D'après ces résultats graphiques, on peut percevoir le ralentissement du gain sur h lorsque le débit augmente. Ca ne varie pas linéairement comme on l'a expliqué auparavant et il est un peu dommage que les tests n'aient pas été poussés jusqu'à 500 L/h pour avoir une vision plus nette de cette partie.

Il a aussi été montré que les nanoparticules de 36 nm donnent un meilleur résultat que celles de 47 nm à concentration égale. Le coefficient d'échange est alors meilleur d'environ 4 % supplémentaires, ce qui est toujours bon à prendre. Les raisons principales de cette amélioration résultent notamment de la plus grande surface de contact entre les nanoparticules et l'eau, menant à un meilleur échange interne.

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