Le refroidissement liquide


Hardware / mercredi, octobre 24th, 2018

Refroidissement liquide 

Comme nous l’avons vu précédemment, les dissipateurs permettent de diffuser la chaleur émise par différents composants comme le processeur, pour lui permettre de travailler plus efficacement. Cependant ils atteignent rapidement leurs limites d’autant que les ordinateurs produisent de plus en plus de chaleur. On réfléchit donc pour les systèmes de demain, à intégrer de nouveaux modules tels que ceux à refroidissement liquide. 

Jusqu’à présent plutôt réservé aux gamers ou aux adeptes de la personnalisation, les refroidissements liquides, font leur apparition. Dans la course à la puissance des processeurs, on était limité par la chaleur émise, préjudiciable à leur longévité. C’est pourquoi les refroidissement liquides à nanoparticules font leur apparition. 

Rôle des nanoparticules 

Comme nous l’avons vu dans l’article consacré aux dissipateurs, les nanoparticules à structure monocristalline, permettent d’augmenter l’échange thermique tant entre elles qu’avec le fluide qui les transporte. 

Les premières expérimentations sur le refroidissement liquide à l’aide de nanoparticules dépasse les espérances tirées du  modèle théorique proposé par  Maxwell sur les suspensions très diluées (fraction volumique <1%) . Cependant si on est capable de caractériser le transport de chaleur dans un fluide homogène, il en va tout autrement dans un fluide chargé de nanoparticules. Un grand nombre de lois physiques entrant en ligne de compte. L’étude des nanoparticules est complexe parce qu’on ne peut déduire leur comportement de celui de structures macroscopiques. Cependant on sait qu’un nano-fluide présente d’importantes potentialités en terme d’échanges thermiques 1

Les nanoparticules augmentent la conductivité thermique du liquide

Bien que soumise à un grand nombre de paramètres dont : la composition du liquide, le matériau de base des nanoparticules, leur taille, forme, et concentration ainsi que la température et le pH ; on est certain que la présence de nanoparticules améliore la conductivité thermique du liquide. Mais toutes les nanoparticules ne présentent pas le même profil et tous les liquides n’ont pas les mêmes qualités. L’avantage cependant de l’utilisation des nanoparticules dans un fluide caloporteur est de perturber ou de détruire la couche limite thermique. L’ajout d’ailettes qui a montré dans un dissipateur qu’elles étaient en mesure de créer des turbulences peut être appliquée au contenant du nanofluide. Ainsi l’ajout de rainures ou ou d’obstacles va créer des turbulences dans le liquide. L’augmentation de la surface d’échanges va intensifier le transfert de chaleur, d’autant que l’on est contraint de limiter l’apport des nanoparticules à 5% du volume pour éviter l’augmentation de la viscosité du mélange. Et plus le mélange a une viscosité élevée plus on augmente corrélativement les pertes de charge. Ce qui présente une contre performance par rapport à l’effet recherché. 

Mais les échangeurs à nanofluides ne sont pas les seuls qui peuvent être utilisés dans un refroidisseur liquide, on peut envisager l’utilisation d’une plaque froide. 

Typologie des plaques froides

On sait par expérience que l’utilisation d’une plaque froide peut présenter une variante du refroidissement liquide. On peut considérer différents types de plaques froides : 

    • plaque froide dans laquelle circule l’eau en tant que liquide caloporteur : utilisable tant que le gradient de température entre la température haute et la température basse est limité ;
  • plaque froide à métal liquide : permet de dissiper jusqu’à 200W/cm² avec un débit de 0.3l/min. 

Le problème essentiel lié aux plaques froides est à la fois leur coût et leurs dimensions. Peu de chance d’en trouver une, à moins de la fabriquer qui fasse sur le plus petit côté moins de 12 cm. Or elles servent généralement pour le refroidissement d’un processeur, et risque de par leur taille de reposer sur d’autres composants. Second problème leur coût : pour les plus petites d’entre elles et non désignés à la demande il faut compter environ 80€, et il n’est pas sûr que vous puissiez en acheter à l’unité. 

Alors il existe des méthodes alternatives, certaines pourront vous sembler exotiques, mais elles fonctionnent néanmoins. 

Les méthodes de refroidissement liquide alternatives

Comme on cherche toujours à améliorer à la fois le rendement des matériels et à prolonger leur durée de vie, car la chaleur est le premier problème des pannes de composants dans 55% des cas, on tente de trouver des solutions alternatives. 

Refroidissement liquide proprement dit

Pas question bien sûr de plonger votre ordinateur ou même un composant dans l’eau, mais l refroidir à l’eau peut sembler être une solution. 

1 le Water-Cooling : refroidissement à eau

L’eau présente une bien meilleure conductivité thermique que l’air, on cherche donc à l’utiliser pour refroidir un système. Il faut pour le réaliser une pompe ayant un débit suffisant, de l’eau additionnée ou pas mais plutôt déminéralisée. Des radiateurs avec au moins une entrée et une sortie chacun. Les radiateurs seront préférentiellement en cuivre afin d’augmenter l’échange thermique par rapport à l’aluminium. Ils devront soit comporter de larges rainures avec le moins d’irrégularité possible ce qui nécessitera d’avoir un débit élevé. Soit au contraire être composés de très nombreux fins canaux qui compenseront le débit élevé par une surface d’échange plus élevée.

L’eau se charge avec la chaleur dégagée par les composants, et tourne généralement en circuit fermé. Il faut donc prévoir un système permettant l’échange thermique entre l’eau et l’air et si possible à l’extérieur du système, pour que celui-ci puisse avoir une efficacité maximale. Généralement la température du système étant plus élevée que l’air ambiant, un échange interne ne permettrait pas une diminution suffisante de la température de l’eau, qui reviendrait au composants à refroidir avec un température plus élevée. Le gradient de température ne serait donc pas suffisant pour refroidir totalement le système. 

L’utilisation de l’eau déminéralisée se justifie car elle présente l’avantage de réduire le couple Rédox, risquant de se former en présence de cuivre. Cependant le système n’est pas exempt de risque. Il doit être absolument étanche, vérifié régulièrement., et on doit préférer les liquides ne favorisant pas le développement microbien. L’augmentation de la température du liquide en circulation risquant de les favoriser.

2 Oil-Cooling : refroidissement à huile

Aussi étrange et exotique que ce refroidissement puisse paraître, c’est sans doute celui qui requiert le moins de manipulations une fois mis en place. Les inconvénients du watercooling n’existant pas. Voyons les pré-requis. Il s’agit d’une huile minérale uniquement. Ensuite vous ne pourrez pas y plonger votre disque dur conventionnel sauf si c’est un SSD, l’huile si elle s’infiltrait dans le disque lui même ne permettrait de lire à la vitesse requise, pas plus que votre lecteur de DVD. En revanche pour le reste pas de problème. La méthode la plus simple pour utiliser le refroidissement à l’huile est de procéder de la manière suivante. 

D’abord nettoyer consciencieusement tous les éléments. Démonter l’alimentation dont vous retirerez le(s) ventilateur(s) devenu(s) inutile(s), aspirez totalement pour qu’il ne subsiste aucune poussière. Retirez tous autocollants que vous  trouverez. Effectuez un montage de tous les composants sans le boitier et vérifiez d’abord le fonctionnement du système. Selon ce qui vous semblera le plus simple choisissez un aquarium en verre ou en plastique compatible avec votre huile. Faites très attention aux collages (donc aux éventuelles fuites), tous les matériaux  doivent être compatibles avec l’huile utilisée. Fixez votre carte mère sur une plaque de plastique ou de polycarbonate. Si les dimensions de votre contenant le permettent vous pouvez y adjoindre l’alimentation. Préférez de le placer plutôt vers le haut, car il vous faudra brancher le câble secteur. 

Une fois tout votre montage effectué vous n’aurez plus qu’à utiliser en plus une pompe d’aquarium avec un débit de l’ordre de 1800L/h. Ce débit se justifie par la viscosité de l’huile qui risque de ralentir le débit. Celle-ci aura pour rôle de brasser l’huile afin d’obtenir une température la plus homogène possible. Évidemment pour  un effet de lumière agréable vous pouvez ajouter quelques LED qui viendront illuminer l’ensemble. Il ne vous restera plus qu’à fixer votre montage à l’intérieur de votre aquarium, et à verser l’huile jusqu’à ce qu’elle recouvre tous les composants y compris l’alimentation. 

Quels avantages peut on retirer ? D’abord le refroidissement liquide à base d’huile va limiter voire supprimer toutes les vibrations. Ensuite tous les composants baignant dans le liquide vont être de la même façon refroidis et pas uniquement le processeur, la carte graphique ou les Mosfets. Le dégagement de chaleur étant plus limité par le milieu, la consommation électrique va baisser. 

Refroidissement liquide à changement de phase

1 Le changement de phase
2 Système à refroidisseur d’eau
3 Systèmes à multiples changement de phases

Refroidissement par effet Peltier

Conclusion 

1 Parmi les phénomènes susceptibles d’expliquer le potentiel thermique d’un nano-fluide on trouve : le mouvement brownien des nanoparticules, l’ordonnancement des atomes du liquide à leur surface, les effets des regroupements,  la nature balistique de la conduction de chaleur.

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