Voila, rien que pour vous chers lecteurs l'intégralité de mon TIPE 2005 consacré au refroidissement d'un microprocesseur par machine frigorifique, autrement dit un DoD
Introduction :
La loi empirique de Moore a établit en 1965 une évolution du nombre de transistors dans les microprocesseurs. Or, multiplication du nombre de transistors et chaleur dégagée vont de paire, c’est donc pour cela que depuis les premiers microprocesseurs,
les systèmes de refroidissement ne cessent de devenir de plus en plus imposants.
C’est alors dans cette course à la fréquence et à la performance que s’inscrit mon système de refroidissement par machine frigorifique.
Le choix du système frigorifique dans le refroidissement d’un microprocesseur Le dégagement de chaleur du microprocesseur ou pourquoi un processeur chauffe-t-il ? Comme tout composant électronique, le processeur est soumis à l’effet Joule qui s’exprime comme ceci :
P=RI² ou P=UI Pour un processeur qui en est fait un semi-conducteur, puisque composé essentiellement de silicium, la puissance dissipée peut s’écrire sous la forme (avec C : constante propre à chaque famille de processeur, F : fréquence du processeur et U : tension imposée) :
P=CFU² En outre, il chauffe du fait de son imperfection : des résistances et des capacitances parasites provoquent des pertes par effet joule lors du passage d'un courant, mais il existe aussi des courants de fuites du fait de l’isolation électrique imparfaite.
Des millions de transistors animés d'une haute fréquence provoquent donc beaucoup de pertes.
Ces pertes par effet Joule font alors considérablement chauffer ce microprocesseur qui, pour un fonctionnement nominal, ne supporte uniquement des températures comprises entre - 200°C et 90°C. Au-delà de 90°C, les couches qui le composent s’endommagent et le rendent hors-service.
Comparatif de plusieurs systèmes de refroidissement
Traditionnellement, dans le refroidissement d’un processeur, on utilise ce qu’on l’on appelle des ventirads, autrement dit un radiateur à ailettes (en cuivre ou en aluminium) surmonté d’un ventilateur.
Parfois certains « bidouilleurs confirmés » utilisent un « watercooling » - refroidissement par eau - qui peut se faire grâce à des échangeurs (encore une fois soit en cuivre, soit en aluminium), placés sur les différents composants de l’ordinateur à refroidir.
Ces solutions sont relativement peu coûteuses et leur rapport encombrement/performances est idéal pour des machines classiques.
Il y a néanmoins une limite à la taille du radiateur : au delà d'une certaine valeur, l'efficacité n'augmente plus. Ceci étant dû au fait que les calories doivent se propager par conduction sur toute la surface du radiateur, et cette propagation est limitée.
La dissipation est proportionnelle à la différence de température qui existe entre le radiateur et le milieu ambiant.
On caractérise le pouvoir de dissipation d'un montage thermique par l'élévation de sa température par rapport au milieu ambiant et ceci pour une puissance dissipée égale à 1W : c'est la résistance thermique de l'élément :
R=(Th - Ti)/PCette relation est connue sous le nom de loi d'Ohm thermique.
La dissipation reste donc limitée, et ne se contentera, dans le cas idéal, que d’abaisser la température du composant que l’on veut refroidir à la température ambiante, ce qui n’est pas intéressant en été, par exemple.
Dans notre cas, où l’on recherche le maximum de performances, le rapport encombrement/performances n’est pas notre souci. En effet, en réalisant un tel système, l’encombrement est nécessairement important du fait de la présence d’un compresseur.
Comparé à un refroidissement classique énoncé ci-dessus, ce système ne se contente pas simplement d’évacuer la chaleur dégagée par le processeur pour le ramener à la température ambiante. Il permet en revanche « d’apporter du froid ». Ce terme s’avère être un abus de langage puisqu’en réalité on ne crée pas de froid, on déplace simplement de la chaleur.
Le processeur, étant plus froid que les conditions normales d’utilisation (qui approchent les 40°C), se révèle beaucoup plus docile à l’overclocking.
L’overclocking
L’overclocking, ou ‘ surfréquençage ’ en français consiste à augmenter la fréquence d’un semi-conducteur (comme un microprocesseur, mais pas nécessairement …), en dépassant les fréquences indiquées par celles du constructeur, dans le but d’augmenter les performances de la machine.
Or, lors de l’opération, les semi-conducteurs chauffent plus qu’à la fréquence d’origine (cette attitude est normale puisque la fréquence d’un semi-conducteur est proportionnelle à la quantité de chaleur qu’il dégage) ce qui limite fréquemment tout overclocking.
Température et montée en fréquence
La montée en température d'un processeur provoque plus de pertes de données comparé à une utilisation normale.
Cela s'explique par l'augmentation du mouvement brownien des molécules du microprocesseur, qui empêche la bonne circulation des électrons dans le semi-conducteur. Ce qui va donc influer sur la stabilité du processeur.
On peut donc en déduire que chaleur et overclocking ne font pas bon ménage. En effet, lors de l'overclocking, on augmente souvent le voltage afin de pouvoir monter encore plus en fréquence. Mais l'augmentation de voltage s'accompagne inéluctablement d'une augmentation de température. C'est donc dans le cas de gros overclocking que ce système est bien adapté.
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La réalisation du « direct-on-die » Descriptif technique
Voici une liste du matériel utilisé lors de la réalisation du projet :
- un compresseur L’unité Hermétique - Tecumseh d’une puissance de ¼ CV
- un condenseur Zern-R-Fin-Cu 2003 (qui est un radiateur de watercooling théoriquement)
- un déshydrateur Little Giant
- un évaporateur en cuivre avec base usinée, réalisée à la machine à commande numérique
- du capillaire 2/8 mm en cuivre d’une longueur d’environ 1.50 m
- un raccord de chaudière en acier inox tressé muni d’embouts et de joints adaptés, le tout soudé grâce à des embouts à souder
- une valve schrader soudée sur le compresseur, pour permettre le remplissage et l’accès à la pression
- des tuyaux en cuivre raccordant le tout
- un ventilateur papst de 120 mm fonctionnant en 220 V
Notons que toutes les soudures sont des brasures à l’argent, étant donné les fortes pressions dans le système, la soudure classique à l’étain étant trop peu résistante.
Pour braser le tout, j’ai utilisé un chalumeau « crocodile » et du propane avec des baguettes d’argent à 6%, faute de chalumeau oxy-acétylène. Il s’est pourtant avéré que les baguettes d’argent fondaient relativement vite.
Pour détecter les fuites, j’ai utilisé du « détect-fuites » Delmo, ce qui m’a permis de voir que le condenseur récupéré à la décharge était troué.
En ce qui concerne l’évaporateur, la base usinée permet de garder le fluide froid plus longtemps dans l’évaporateur. L’échange thermique est, de ce fait plus long, l’efficacité plus grande, tandis que le débit de fluide circulant dans l’évaporateur reste satisfaisant.
- Pour les photos, je vous renvoie au trombinoscope à la fin du topic des éléments utilisés pour la réalisation du système -
Quelques petits ennuis lors de la réalisation…
Le condenseur que j’avais acheté à la décharge s’est avéré, après vérification au détecte-fuites particulièrement troué. C’est pour cela que mon choix s’est orienté vers le Zern, qui est un radiateur de watercooling à l’origine.
Enfin, il s’est avéré que mon premier évaporateur était hors d’usage après test du fait de sa base trop mince (elle ne résistait pas à la pression).
Eléments principaux d’un cycle à compression de vapeur :Un cycle à compression de vapeur comprend essentiellement :
Un évaporateur dans lequel le fluide frigorigène se vaporise en enlevant une certaine quantité de chaleur aux milieux extérieurs, dans notre cas, il s’agit d’enlever une maximum de chaleur au processeur par l’intermédiaire de l’évaporateur.
Un compresseur mécanique qui aspire les vapeurs formées dans l’évaporateur, les comprime et les refoule à une pression supérieure en direction du capillaire. Le compresseur absorbe de l’énergie mécanique, qui provient d’une puissance électrique préalablement transformée par un moteur électrique qui se trouve dans le compresseur. Dans notre cas, il comprime le fluide dans le cylindre.
Un condenseur dans lequel le fluide frigorigène se condense en cédant une certaine quantité de chaleur au milieu extérieur, qui est ici pour nous l’air. Pour garantir un bon échange thermique, on utilise un condenseur à tubes ronds et à ailettes intégralement en cuivre, le tout muni d’un ventilateur de 120mm en 220V.
Les différentes étapes du fonctionnement de la machine frigorifique
Vaporisation du fluide : elle se fait à température et pression constante avec absorption d’une quantité de chaleur, ce qui constitue une production de froid.
Compression adiabatique de la vapeur : elle absorbe un certain travail fourni par une source d’énergie extérieure, qui est ici le moteur électrique du compresseur.
Condensation du fluide : elle s’opère dans le condenseur, à pression et température constante.
Détente adiabatique du fluide : Le fluide est liquéfié dans un détenteur ou lors du passage à travers un capillaire.
Description du fluide frigorigène employé : le propaneLe propane, ou R290, est un fluide frigorigène qui fait partie d’un groupe d’autres fluides (le groupe 3) dont les caractéristiques dominantes sont l’inflammabilité et le pouvoir explosif. Ces fluides ne sont pas, de façon générale, toxiques, il s’agit essentiellement du groupe des hydrocarbures.
Son appellation R290 exprime qu’il possède (3-1)=2 atomes de carbone, (8+1)=9 atomes d’hydrogène et 0 atome de fluor.
Caractéristiques :
Propane : R290
Masse molaire : 44.06 g.mol-1
Température d’ébullition (à 1.013 bar) : - 42.3°C
Pouvoir réfrigérant : 281.09 kJ.kg-1
Le propane est un fluide peu cher et très facile à trouver qui plus est, assez performant pour la machine. En contrepartie, sa tendance explosive impose un remplissage opéré avec beaucoup de précautions, notamment dans un endroit très aéré - le remplissage s’est fait dans un garage aéré, en plein courant d’air -.
Sur le diagramme ci-dessous, j’ai représenté le cycle de ma machine.
Explication du diagramme :
La partie AB correspond à la compression.
La partie BC est en fait le passage donc le condenseur (on y abaisse la température). Cette transformation est isochore. A la sortie du condenseur, le fluide est désormais liquide.
La partie CD correspond au passage du fluide dans le capillaire, cela abaisse donc sa pression et sa température.
La partie DA est le passage dans l’évaporateur, où le fluide s’évapore et absorbe l’énergie dissipée par le processeur.
Pour conclure :
Ce système m’a finalement permis d’atteindre une fréquence de 3.2 Ghz avec un simple AMD Athlon 64 3000+, cadencé à 1.8 Ghz à l’origine. L’efficacité d’un tel système n’est donc plus à redémontrer et on peut même songer à un avenir proche où tous les PC en seraient équipés. En revanche, on peut se demander si cette solution est réellement envisageable. En effet, outre ses performances incomparables, l’encombrement reste un défaut majeur en ce qui concerne sa viabilité, tout du moins pour les utilisateurs lambda.
Il faut alors s’interroger sur ce dont chacun a besoin réellement et s’orienter vers des produits adaptés, simple refroidissement par air pour certains, refroidissement par système frigo pour d’autres plus acharnés …
Et maintenant les photos
Rappel : Ici figureront les projets complets et les réalisations personnelles du type Direct on Die (DoD) en cours de fabrication ou fonctionnelles. Pensez sécurité avant toute chose. Veillez à vous munir de lunettes de protection lors des brasures par exemple, de travailler dans un lieu adapté, etc. Pas de chalumeau sur un système qui contient déjà du gaz !