Dissipateur de chaleur
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Sans doute n’avez vous jamais vu le dissipateur de chaleur que comme un simple morceau de métal, sans vraie valeur, parfois en aluminium ou en cuivre.
Mais vous ne vous êtes jamais vraiment posé la question de son rôle, de son mode de son fonctionnement et de ses caractéristiques propres.
Le dissipateur apparait souvent comme sans réelle valeur ni marchande ni même comme caractéristique essentielle de fonctionnement.
Sans dissipateur votre ordinateur n’aurait sûrement pas les mêmes caractéristiques, et il y a fort à parier que vous auriez déjà souvent changé de processeur notamment. Comment fonctionne-il.
Principes de fonctionnement d’un dissipateur
Le dissipateur est placé sur une surface chaude telle qu’un processeur, un chipset, un Mosfet et a vocation comme son nom l’indique à dissiper c’est à dire à diffuser la chaleur.
Cette dernière peut être transférée selon trois modes différents :
- la conductivité
- la radiation
- la convection
La conduction se produit quand deux objets solides ayant des températures différentes sont en contact. La chaleur se traduit au niveau moléculaire par une excitation dont le degré varie avec le niveau de température.
L’objet le plus chaud transfère au plus froid sa chaleur, c’est à dire que les molécules du plus chaud transfèrent une partie de leur énergie au plus froid.
La conductivité thermique est une des caractéristique principales des métaux ferreux ou non.
Ainsi le transfert au niveau moléculaire se traduit par une élévation de la température dans le dissipateur et par un abaissement corrélatif dans le processeur, le chipset, le mosfet etc…
Conductivité thermique et électrique vont ensemble. Ainsi l’aluminium et le cuivre ont une excellente conductivité tant thermique qu’électrique.
Raison pour laquelle ce sont généralement ces deux types de matériaux qui sont utilisés pour les dissipateurs. Plus la conductivité thermique du métal est élevée, meilleure est la dissipation. La conductivité thermique est notée K ou k.
Liste des conductivités thermiques et électriques par métal.
1 Aluminium
L’aluminium est le matériau le plus couramment utilisé dans les dissipateurs. Il a une conductivité de de 235 Watts par Kelvin par mètre : 235W/mK. L’aluminium présente un double avantage d’abord son poids. Celui-ci ne rajoute que peu de poids à l’élément sur lequel il est fixé et n’augmente donc que très peu le facteur de stress lié.
C’est important car l’élément sur lequel il est fixé doit pouvoir s’accommoder de ce poids ajouté. Ensuite l’aluminium est peu cher tant sa production que dans la vente. Si vous avez le choix préférez un aluminium de type 6061 ou 6063a.
Cependant la diffusion de la chaleur et donc son pouvoir de conductivité est bien faible en comparaison du cuivre.
2 Cuivre
Le cuivre dispose d’une conductivité thermique de 400W/mK, bien supérieure à celle de l’aluminium. Il est beaucoup plus lourd que l’aluminium mais également beaucoup plus cher.
Le rapport de prix de l’un à l’autre est d’environ 1 à 6. Cependant sa conductivité étant comme on l’a vu beaucoup plus élevée, pour une diminution équivalente de température dans le même espace temps nous pourrions avoir un dissipateur 1.7 fois plus petit en cuivre qu’en aluminium.
Ainsi si le gain de place est nécessaire, il faudra préférer le cuivre à l’aluminium. La conductivité propre à chaque matériau va de fait permettre au cuivre de diffuser presque deux fois plus de chaleur que l’aluminium.
Une solution non métallique existe
Et si vous avez le choix entre un dissipateur aluminium et un dissipateur céramique choisissez le second. En effet la céramique à une résistance thermique de ~10°C/W, tandis que l’aluminium est à ~25°C/W.
Signification pour 1 Watt dissipé, la température de la céramique s’élève de 10°C tandis que celle de l’aluminium s’élève de 25°C. Il convient cependant de mesurer ce qui est comparable et donc cette mesure est effectuée pour un volume de dissipateur identique. Ce qui se résume par « toutes choses étant égales par ailleurs ».
Attention cependant c’est un matériau fragile sensible aux chocs.
Échange de chaleur
Mais la mise en contact pure et simple des deux matériaux l’un émettant la chaleur, l’autre la dissipant ne va pas suffire à ce que l’échange se passe correctement.
Vous avez sans doute souvent remarqué la présence d’une pâte thermique ou d’un composant plastique souple intercalé entre le dissipateur et l’élément produisant de la chaleur. En effet tant le dissipateur que le producteur de chaleur n’ont pas une surface de contact rigoureusement plane et polie.
Or il faut pour l’efficience même du dissipateur que celui-ci épouse au maximum la surface du diffuseur. L’adjonction de pâte thermique permet de pallier les déficiences des deux matériaux devant entrer en contact et permet un transfert de chaleur aussi efficace que possible.
Cependant le simple ajout d’un morceau d’aluminium ou de cuivre juste disposé sur le diffuseur de chaleur ne saurait suffire. Il convient d’étudier l’aérodynamisme du dissipateur.
Aérodynamisme du dissipateur
Cela peut paraitre assez incongru de parler d’aérodynamisme d’un dissipateur, autant on l’imagine bien pour une voiture, autant on peut ne pas immédiatement percevoir l’importance dans un transfert de chaleur.
Pourtant un dissipateur doit être désigné de telle sorte qu’il dissipe le plus efficacement et le plus rapidement possible la chaleur.
Selon le mode de diffusion de la chaleur on utilisera des dissipateurs différents.
Ainsi si un ventilateur se trouve au dessus du dissipateur on pourra en utiliser un présentant de fines ailettes peu espacées. En revanche en l’absence de ventilateur et suivant la quantité de chaleur à dissiper on préfèrera un dissipateur ayant à la fois des ailettes moins fines et plus espacées.
L’espacement entre les ailettes a une grande importance. La chaleur rayonne autour de l’ailette.
Ainsi les performances du dissipateur sont linéairement proportionnelles à sa largeur dans la direction perpendiculaire au flux et à peu près proportionnelles à la racine carrée de la longueur des ailettes dans la direction parallèle au flux.
Si le choix se présente d’augmenter la taille d’un dissipateur, choisissez d’augmenter sa largeur plutôt que sa longueur.
Tout comme la forme des ailettes leur couleur présente une importance. Il est plus efficient d’utiliser un matériau de couleur anodisée ou noire que le matériau lui même.
Du dissipateur au caloduc
Chaque dissipateur est désigné pour un usage différent. Ainsi ajouter un ventilateur à un dissipateur qui n’en utilise pas, n’augmentera pas obligatoirement la dissipation.
En revanche l’utilisation de caloducs peut influer en raison de leur conductivité thermique très élevée. Les caloducs contiennent un liquide réfrigérant.
Ce liquide présente la propriété de pouvoir se transformer rapidement en gaz sous l’effet de la chaleur. Or on sait que les gaz ont la propriété de transférer efficacement la chaleur.
Mais pour que celle-ci se diffuse il faut à l’extrémité du caloduc utiliser un dissipateur qui va permettre au gaz de redevenir liquide.
La transformation du gaz en liquide transfère la chaleur vers le dissipateur. Le principe du caloduc est bien plus efficient qu’un simple dissipateur en cuivre, en revanche il ne diminuera pas la chaleur de l’élément considéré en dessous de la température de l’ambiance globale.
Typologie des caloducs
Il faut prendre en considération divers facteurs.
Tout d’abord pour que le caloduc fonctionne efficacement il faut qu’il soit scellé hermétiquement.
Ensuite il doit contenir un fluide qui permette de remplir une fonction de transfert de chaleur selon le gradient considéré.
En effet rien ne servirait d’utiliser un fluide qui nécessiterait une température supérieure à 100°C pour se transformer en gaz, car il y a peu de chances de rencontrer souvent ce type de problématique dans l’électronique.
Si l’eau bout effectivement à 100°C c’est uniquement à une pression normale.
Donc si on change la pression qui s’exerce sur le fluide à l’intérieur du caloduc on peut modifier son comportement à la température extérieure, et le faire réagir à une température inférieure.
Par ailleurs on peut également choisir un fluide dont la température d’ébullition est plus faible, car on cherche à dissiper efficacement la chaleur générée.
Pour les usages courants de l’électronique on rencontre assez fréquemment les fluides suivants :
- Eau distillée + acétone
- Eau distillée + méthanol
- Eau distillée + éthanol
- Eau distillée + toluène
Évidemment, la disposition du caloduc revêt une importance capitale. Il doit être disposé de manière verticale.
Mais afin de s’affranchir plus ou moins de cette orientation qui nécessite que l’on utilise la gravité pour permettre au liquide de revenir au lieu de production de la chaleur, on agit également sur la capillarité.
L’intérieur du caloduc est rempli avec une sorte de mèche. Quoique la capillarité interne du caloduc aide, le meilleur fonctionnement est atteint lorsque celui ci est orienté verticalement.
La limite de l’efficacité des caloducs est atteinte quand la totalité du liquide interne s’est gazéifié du fait d’une source de chaleur continue trop importante.
De ce fait le caloduc ne joue plus du tout son rôle, et la dissipation de la chaleur ne se produit plus.
Cas d’utilisation des caloducs
Il existe majoritairement deux cas dans lesquels l’utilisation des caloducs est efficiente.
Tout d’abord quand l’espace est contraint. Ce qui est le cas pour les ordinateurs portables, ou les consoles de jeu.
Ensuite pour augmenter l’échange thermique des dissipateurs. Cependant on est rapidement limité en terme de dissipation de chaleur.
On retient d’ailleurs qu’actuellement ce qui pose le plus de problème dans la conception de nouveaux processeurs est justement la capacité dont on dispose pour dissiper la chaleur qui en émane.
Dans la plupart des systèmes électroniques actuels au moins 50% de l’énergie consommée est dissipée en chaleur.
Alors on réfléchit à d’autres modèles de dissipateurs, c’est ainsi que l’on pense au « watercooling » le refroidissement à eau liquide.
Principe de fonctionnement du watercooling
On a compris que l’utilisation d’un simple dissipateur quand bien même couplé à un ventilateur, voire celle de caloducs ne suffit plus à dissiper la totalité de la chaleur dégagée.
Or la chaleur est justement le principal facteur de défaillance des composants électroniques. Il faut donc pour pouvoir améliorer le rendement du système faire appel au refroidissement liquide.
Mais attention pas n’importe lequel, ni n’importe comment.
On connait le principe d’écoulement des fluides, et on sait qu’à proximité immédiate du bord, la vitesse d’écoulement est réduite.
Quand vous regardez une rivière, vous constatez qu’au milieu, l’eau s’écoule avec une certaine vitesse, et que celle-ci semble beaucoup plus lente au bord. Et c’est vrai!
Écoulement
Partant de ce constat on ne peut donc pour un refroidissement liquide simplement laisser le liquide s’écouler.
On doit créer des turbulences forcées pour amener le liquide à se mouvoir différemment.
Et pour que l’échange soit le plus productif possible, c’est à dire qu’il transfère un maximum d’énergie du point chaud vers un point plus froid, il faut lui impulser une certaine vitesse.
Il a été constaté que l’absence de turbulence dans le liquide amenait l’eau s’écoulant le long des parois a une température plus élevée qu’au centre du flux.
Les turbulences du liquide
L’intervention d’une turbulence, considérée comme une agitation du milieu permet une meilleure homogénéité de la chaleur dans le fluide considéré.
Il faut donc que le fluide s’écoule à une certaine vitesse et qu’il soit agité.
Mais si on utilise de l’eau ou quelque mélange que ce soit cité plus haut, on remarque que l’échange thermique plafonne à une certaine valeur quand bien on augmente considérablement le débit.
Par ailleurs les inconvénients liés à cette augmentation deviennent sensibles : augmentation de la consommation, bruit, dimensionnement etc…
On réfléchit donc à de nouvelles approches en modifiant l’élément contenu dans le fluide.
Si effectivement l’eau additionnée d’un quelconque mélange ne peut convenir, en serait il de même en ajoutant à celle ci des nanoparticules métalliques.
Le choix des nanoparticules
Le choix peut paraitre assez étrange, je vous l’accorde. Pourtant la démarche est très sérieuse.
Si on utilisait des éléments métalliques sous une forme différente, on risquerait d’avoir rapidement une sédimentation, donc des dépôts de matière qui s’opposeraient à l’écoulement du fluide.
Mais pourquoi nanoparticules ?
En fait le raisonnement est assez simple. Une nanoparticule est schématiquement composée d’un mono-cristal.
Le terme de cristal doit être compris comme ayant une géométrie spatiale quasi parfaite.
Or l’utilisation du même matériau sous une forme différente du mono-cristal ne permet pas de maintenir ce principe de géométrie spatiale. Par ailleurs dans un mono-cristal la surface d’échange est supérieure que dans un cristal.
On privilégiera donc les nanoparticules. Plus la taille de celles-ci diminuera plus on obtiendra de surfaces d’échange entre elles mêmes et avec le fluide.
La concentration des nanoparticules variera selon les besoins de 0.1% à 20% de la masse volumique. Par ailleurs eu égard à la structure même de la nanoparticule, et en cela elle diffère profondément des dissipateurs, on peut utiliser n’importe quel matériau. Dans pratiquement d’ailleurs n’importe quel fluide.
Je vous invite donc à découvrir les dissipateurs de demain dans l’article suivant.