Pourquoi watercooler au fait? – Page 1

Les fabricants de composants électroniques ont longtemps favorisé le refroidissement de ceux-ci avec des moyens à air plutôt qu’avec du liquide. L’avantage du refroidissement par air c’est sa facilité de mise en place. Les raisons de ce choix sont simples à comprendre : le refroidissement liquide peut endommager les composants si une fuite venait à se déclarer dans le système, eau et électricité ne faisant pas bon ménage… Ça nécessite également une installation en plus pour contrôler et faire circuler le fluide de refroidissement, ce qui pose des problèmes d’encombrement et rend plus complexe le système.

Malgré l’énorme marché couvert par le refroidissement à air, cela ne suffira pas pour les applications futures qui dégageront encore plus de puissance sur des surfaces toujours plus petites. La puissance surfacique devient si grande qu’un radiateur traditionnel ne suffit plus et il faut pourtant les refroidir correctement sous peine de destruction.

Refroidissement par air

Les premiers appareillages électroniques étaient simplement refroidis par convection naturelle (aucun système de mise en mouvement de l’air) et par convection forcée (ventilateur dans un boîtier par exemple), cela suffisait amplement. Ces techniques sont ensuite devenues un peu insuffisantes, le radiateur est alors né pour venir augmenter artificiellement la surface de contact avec l’air et ainsi améliorer l’échange thermique avec l’ambiant, ce qui a pour conséquence d’abaisser la température du composant qui dissipe de la puissance. Si ce n’est pas encore suffisant, un ventilateur apposé sur le radiateur permet une convection forcée efficace pour accroître l’efficacité globale. Ces différents systèmes ne nécessitent donc pas de systèmes externes pour fonctionner contrairement au refroidissement liquide.

Pendant que la puissance se nivelle plus ou moins, la densité de puissance (en W/mm2) ne cesse de croître, car les composants actuels gaspillent énormément d’énergie sous forme de chaleur. Par conséquent, les radiateurs refroidis par air doivent avoir plus de surface pour transférer une puissance supérieure et garder à une température acceptable un module semi-conducteur par exemple. Bien que les méthodes de fabrication innovatrices augmentent la surface sans augmenter sensiblement le volume du radiateur, ceux-ci devront finalement devenir de plus en plus grands quand même au fur et à mesure que la puissance à dissiper va grimper. De plus, pour refroidir un radiateur à haute densité, le ventilateur doit être assez puissant en générant une pression statique suffisante afin de lutter contre des pertes de charge nettement plus élevées :

En plus de tout cela, le ventilateur nécessite d’avoir des entrées d’air optimisées pour ne pas avoir, par exemple, à brasser de l’air chaud sur le rad ce qui est totalement inutile. Le refroidissement à air nécessite des aménagements dans le boîtier tant au niveau de la place qu’occupe le radiateur qu’au niveau des arrivées d’air, et surtout du refoulement de l’air chaud à l’extérieur (on le voit suffisamment avec les boîtiers pour PC).

Refroidissement liquide

Le refroidissement liquide efface presque tous les inconvénients du refroidissement par air. Il permet de dissiper nettement plus de puissance avec un débit de fluide bien plus faible, de maintenir une meilleure uniformité de température sur une surface et de générer moins de bruit en général.

Les propriétés physiques des fluides de refroidissement sont la base même de l’évacuation de la chaleur dans un refroidissement par convection. En raison de sa faible densité, l’air a une capacité réduite pour emmagasiner la chaleur par unité de masse (chaleur spécifique). En comparaison, l’eau est environ 1000 fois plus dense et est capable d’emmagasiner une quantité considérable de chaleur par unité de masse. La densité d’un fluide de refroidissement et sa chaleur spécifique conditionnent sa capacité à emmagasiner la chaleur d’un bloc chauffé par un composant. Le détail des propriétés physiques principales de l’air et de l’eau peut être trouvé dans le tableau ci-dessous.

On peut à présent comparer les capacités d’évacuation de puissance en utilisant l’équation thermique suivante :

Les calculs suivants montrent la différence de débit qu’il faut injecter dans un circuit pour absorber 1000 W avec une élévation de la température entre l’entrée et la sortie définie à 10 °C pour chaque fluide :

• Air : Débit = 1000 W / (1060 J/kg·K x 1,2 kg/m3 x 10 °C) ce qui nous donne un débit de 0,079 m3/s soit 79 L/s
• Eau : Débit = 1000 W / (4217 J/kg·K x 998 kg/m3 x 10 °C) ce qui nous donne un débit de 0,000 024 m3/s soit 0,024 L/s

L’air doit avoir un débit de 284 400 L/h pour évacuer 1000 W de puissance avec une élévation de température maximale de 10 °C afin d’avoir un refroidissement suffisant. Inversement, l’eau n’a besoin seulement que d’un débit de 86,4 L/h afin d’absorber la même quantité de chaleur avec la même élévation de la température. Je crois que tout est dit en voyant cette comparaison, l’eau est largement gagnante.

Comparaison des surfaces de refroidissement

La surface exposée au courant d’air détermine la puissance que l’on peut évacuer. L’équation de base suivante de la dissipation par convection nous montre que la surface d’échange et la quantité de la chaleur à évacuer sont liées :

• Q : Puissance évacuée en W
• h : Coefficient de transfert convectif
• A : Surface d’échange (m2)
• Dt : Différence de température entre le fluide et la surface (°C)

Un coefficient de transfert thermique typique pour le refroidissement par air forcé vaut h_air = 50 W/m2·K, et un coefficient typique pour un débit d’eau est de h_eau = 5000 W/m2·K. On impose un Dt de 10 °C et 1000 W de puissance pour faire la comparaison. Puisque le liquide a un coefficient de transfert bien plus élevé, la surface d’échange nécessaire pour assurer la dissipation thermique diminue de manière significative. En reprenant l’exemple utilisé ci-dessus, les équations suivantes s’appliquent de cette manière :

• Pour l’air : Surface = Q / (h_air x Dt) = 1000 / (20 x 10) = 2 m2
• Pour l’eau : Surface = Q / (h_eau x Dt) = 1000 / (5000 x 10) = 0,02 m2

La surface exigée avec le refroidissement par eau est des centaines de fois plus petite que celle exigée avec le refroidissement par air. L’effet immédiat de cette différence concernant la surface de refroidissement est la réduction du volume global de l’échangeur (volume divisé par plusieurs centaines de fois). Et tout cela pour des performances similaires, encore une fois le refroidissement liquide est gagnant.

Comparaison des nuisances sonores des 2 méthodes

Afin de réaliser un transfert thermique significatif avec la convection forcée à air, la vitesse du flux d’air près des ailettes du radiateur doit être suffisante pour favoriser un régime d’écoulement turbulent. Les vitesses d’air pour refroidir les composants de haute puissance dépassent typiquement 2 à 5 m/s entre les ailettes d’un radiateur. Le flux d’air à cette vitesse produit du bruit à partir de 2 sources : le moteur du ventilateur et le frottement de l’air se déplaçant entre les ailettes. Et comme les dispositifs dégagent de plus en plus de puissance cela impose des ventilateurs plus puissants et donc le bruit généré devient insupportable au bout d’un moment.

L’électronique refroidie par un liquide engendre des nuisances sonores moindres. La pompe de circulation qui fournit le débit nécessaire est plus petite qu’un ventilateur à performances voulues équivalentes. Le liquide qui circule dans des canaux du waterblock a en général une vitesse de 1 à 3 m/s et il est complètement confiné dans ce bloc, donc pas de bruit de frottement. Pour les applications industrielles, l’armoire de refroidissement contenant la pompe de circulation, l’échangeur de chaleur avec l’air (et oui il faut bien refroidir l’eau…) et le ventilateur peut être éloignée et laisser la zone proche du système qui chauffe très silencieuse.

Pour les processeurs qui sont watercoolés, c’est exactement la même chose. Certaines personnes déportent l’armoire (la watercase) un peu en retrait de la tour du PC qui ne contient que l’échangeur posé sur le processeur, tandis que d’autres intègrent le tout dans la tour du PC avec une pompe inaudible (~300 à 1000 L/h), un radiateur relativement petit et un ventilateur silencieux de grand diamètre (120 mm) destiné au renouvellement de l’air entre les ailettes.

Conclusions

On voit donc que le refroidissement par air ne peut rivaliser en aucune manière avec le refroidissement par eau sans y mettre de très gros moyens pour arriver à des performances similaires. Le refroidissement liquide est donc une solution qui permettra de refroidir plus efficacement les processeurs et autres composants qui dégagent énormément de chaleur à des coûts moindres. Il suffit de concevoir le système liquide de telle manière à éviter tout risque de fuite en étudiant au mieux les écoulements et les contraintes thermiques pour faire un système optimisé, donc peu coûteux en énergie et peu bruyant par la même occasion.