Les waterblocks à microstructures – Page 6

L’autre point fort des microcanaux est l’obtention d’un coefficient d’échange convectif, noté h, qui peut être très élevé. Ce h représente la « force » avec laquelle la puissance est transmise de la paroi au fluide. Un petit h (1 à 100 W/m2.K) signifie qu’elle est transmise d’une façon « non performante » et que la température des parois devra augmenter pour compenser cette faiblesse. C’est le cas dans la convection naturelle sur un radiateur passif, où le h est très petit et le radiateur très chaud. Un grand h (10 000-100 000 W/m2.K) signifie au contraire que le transfert est très efficace. C’est le cas près du point d’impact d’un jet d’eau rapide, sur une surface où la turbulence permet un fort mélange ou à l’endroit de la formation d’une bulle de vapeur lors d’un changement de phase. Voici quelques ordres de grandeurs des valeurs que peut prendre h dans différentes conditions :

En reprenant l’équation de convection donnée au dessus, on va résumer les 2 possibilités concernant h pour voir sur quoi il peut influencer. La puissance à dissiper Q est constante, la surface mouillée S est constante aussi et la température T°fluide ne change pas. Il faut donc que l’égalité de l’équation de convection soit maintenue et on remarque que seule la température de la paroi peut varier pour compenser :

Donc plus h est grand plus la surface des canaux sera froide et se rapprochera de la température du fluide, que l’on ne pourra jamais atteindre à cause de la couche limite. Un échangeur de chaleur sera donc d’autant plus performant que h est grand.

Mais à la vue de ce qu’on vient de dire, un bloc à microcanaux n’a ni impact de jet, ni débit conséquent, ni turbulence forte donc comment peut on obtenir un h élevé dans ces structures ? Sachant de plus, que l’écoulement est généralement laminaire dans les canaux alors qu’on sait que la turbulence favorise toujours les transferts de chaleur par convection ! Et bien en fait, dans le domaine des écoulements laminaires, une chose diffère légèrement… Les développeurs de ces microcanaux ont montré que h variait d’une manière inversement proportionnelle au diamètre du canal lorsque l’écoulement était purement laminaire. Autrement dit, plus le canal est fin, plus le coefficient d’échange h est grand, mais plus les pertes de charges deviennent élevées. Il ne va donc dépendre que du diamètre de la conduite comme montré sur ce graphique (échelle logarithmique) :

Tant que l’écoulement sera laminaire, une augmentation du débit n’influencera pas h et ne changera donc pas la « force de transmission » de la puissance thermique au fluide. Attention, je n’ai pas dit qu’amener plus de débit ne changera pas la performance globale du bloc ! En effet, suivant le débit injecté, la différence de température entre l’entrée et la sortie du bloc va varier. Si le débit est faible, la différence de température entrée/sortie sera grande et inversement. On pourra calculer cette différence car c’est une simple égalité thermodynamique qui traduit la conservation énergétique suivante : ce que le processeur perds en puissance est intégralement gagné par le fluide, peu importe le bloc (on négligera les pertes secondaires dans le socket et dans l’air).

On sait que h reflète en quelque sorte l’épaisseur de cette couche limite, et que plus elle est fine, plus h est élevé. Si l’on diminue donc la taille des canaux, on diminue par la même occasion l’épaisseur de cette couche limite puisqu’elle est confinée dans le canal, et par conséquent h augmente, ça n’est pas plus compliqué… Contrairement aux waterblocks classiques à « gros » canaux, dont l’écoulement doit être turbulent pour être performant, le laminaire n’est pas trop un problème dans les microcanaux, même si un écoulement turbulent serait encore mieux ! Il est de toute façon très difficile d’être turbulent dans des canaux aussi fins, car cela nécessiterait une très grande vitesse d’écoulement, et donc un débit soutenu, qu’il n’est possible d’atteindre qu’avec une pompe délivrant une très grosse pression !

Une grosse pompe d’aquarium du style EHEIM 1250 (1200 L/h maxi et 2 mCE maxi) est donc purement inutile avec les microstructures, puisque ce genre de pompes ne possède pas une pression élevée en sortie (0.2 bar maxi inatteignable). Elles sont juste conçues pour faire du refoulement à grand débit dans un aquarium au travers d’un tuyau (+ filtre ?), donc des pertes de charges faibles qui n’imposent pas d’avoir une pression élevée. Avec des microcanaux, la pompe travaillerait très loin de son point optimal, vibrerait sûrement, consommerait du courant pour pas grand chose, chaufferait l’eau d’autant plus et prendrait une place importante. Une petite pompe de 300 à 600 L/h maxi serait bien mieux adaptée pour faire le même travail en éliminant tous les inconvénients cités. Dans le cas d’un circuit avec plusieurs blocs du type Atotech, la meilleure solution en général est de les mettre en parallèle, comme la firme Icebear le fait dans les serveurs qu’elle équipe. Cela soulagera la pompe par une réduction des pertes de charges au niveau des blocs et le débit global va grimper sans que le débit dans chaque branche ne soit vraiment altéré. C’est à voir en fonction du système entier évidemment, il n’y a pas de recette miracle…