Ventilateurs : 2 types, dimensionnement, fonctionnement

Ventilateurs : 2 types, dimensionnement, fonctionnement

Ventilateurs : le besoin de réduction de la chaleur

Comme nous l’avons précédemment vu dans différents articles, tous les systèmes informatiques chauffent.  Le besoin de dissiper la chaleur devient crucial afin de permettre aux systèmes de fonctionner longtemps. Indépendamment ou concomitamment avec d’autres méthodes de réduction de la chaleur, les ventilateurs s’imposent en informatique.

Que ce soit dans les portables, les PC, les serveurs, les cartes graphiques, les processeurs, leur fonctionnement nécessite la plupart du temps des ventilateurs. De très nombreux problèmes sont corrélés à l’utilisation de ventilateurs, mais peu d’études scientifiques ont été menées.

Cet article évoluera  au fil du temps, en fonction tant des études qui pourraient être faites, que de nos propres recherches. Pour une étude comparée du bruit des ventilateurs. Pour une étude des différents types de ventilateurs.

Les types de ventilateur et leur usage

Si vous examinez tous les systèmes informatiques dont vous pouvez disposez, vous ne verrez jamais que deux types de ventilateurs. Le premier type est axial, le second est centrifuge.

La première question à se poser est donc qu’est ce qui caractérise l’utilisation de l’un par rapport à l’autre.

Le ventilateur axial à pour fonction de faire entrer ou d’extraire l’air dans l’axe de son installation. De fait une représentation simpliste serait celle d’un tuyau qui conduit l’air d’une entrée à une sortie.

Le ventilateur centrifuge fait ressortir l’air à angle (généralement) de 90° par rapport à celui de son introduction.

Usage des ventilateurs par type

Chacun des deux types de ventilateurs a son usage propre.

Le ventilateur axial sert aux boitiers et à la partie supérieure du dissipateur de chaleur du processeur.

Le ventilateur tangentiel est plutôt utilisé pour les cartes graphiques et les portables. Leur type d’utilisation est fonction de leur emplacement.

Un ventilateur centrifuge peut avoir une épaisseur de quelques millimètres. Ce qui lui permet de se trouver installé dans un portable très fin.

Alors que le ventilateur axial doit être considéré dans sa hauteur ce qui de fait le réserve aux PC et serveurs. Quoique l’on puisse en trouver également dans des serveurs lames d’une hauteur de 1U. 

Dissipation de la chaleur selon le type de ventilateurs

Les ventilateurs axiaux

Chaque ventilateur a son usage propre. Tout ventilateur doit être monté différemment selon à quoi il sert. Chaque ventilateur a des caractéristiques et dimensions qui doivent être respectées, pour une efficience maximale. Ainsi pour des ventilateurs axiaux, montés dans un PC ou un serveur, on choisit de préférence ceux de plus grande taille.

Tout obéit à une logique. Plus grande est la taille de vos ventilateurs, moins ils auront besoin de tourner vite. Que ce soit pour introduire ou extraire de l’air. Si vous pouvez choisir, préférez ceux dont l’extrémité de la pale n’est pas tangente au bord extérieur. Mais où quelques millimètres sont libres.

Voici les explications.

Un ventilateur qui tourne moins vite, consomme moins, et surtout fait moins de bruit. Plus la vitesse de rotation est élevée et le bord de la pale proche du bord plus vous risquez une oscillation de l’axe. Cette dernière risque à terme d’entrainer un déséquilibre, et une ou plusieurs pales frotteront contre le bord extérieur. Ce frottement induira un bruit et une diminution de l’efficacité. 

Pour une efficacité maximale on va chercher à optimiser l’emplacement des ventilateurs dans un PC. 

Optimisation de l’emplacement des ventilateurs axiaux. 

On n’a pas toujours le choix de l’emplacement des ventilateurs dans un boitier. Mais supposons que vous l’ayez, ou que vous souhaitiez le faire. Deux types de positions différentes entrent en ligne de compte selon que vous introduisez ou extrayez de l’air. Pour l’introduction d’air la meilleure solution serait de le faire par le dessous pour le premier et sur la face avant pour le second. Pour l’extraction de l’air un sur le dessus et un sur la face arrière.

Même si vous pouvez les monter en nombre impair, à savoir 3 pour l’extraction et 2 pour l’introduction par exemple. Il y a assez peu de chances que vous arriviez à établir une pression négative dans votre boitier.

En effet les entrées d’air sont très nombreuses, et le boitier loin d’être étanche. 

Le choix de l’emplacement des ventilateurs obéit à des règles sur l’écoulement des fluides. Cependant il est  inutile d’introduire des notions de mécanique des fluides étant donné que les scientifiques n’ont actuellement que peu de certitudes. Les approximations sont très grandes, et l’étude d’un quelconque modèle ne pourrait qu’être empirique. 

Les éléments du problème des ventilateurs axiaux

Cependant plusieurs considérations sont à prendre en compte. Le profil de la pale et son orientation. L’angle du bord d’attaque et la largeur de la pale. Le nombre de pales et leur recouvrement partiel. Le type moteur d’entrainement. La technologie et les matériaux employés pour constituer les pales et la carcasse. 

Les questions sont donc très nombreuses, en revanche les solutions apportées par les fournisseurs le sont beaucoup moins. Il faudra choisir de privilégier soit le coût soit la durabilité. 

Pour ce qui est la longueur, largeur, recouvrement des pales, pour plus de renseignements je vous suggère de vous reporter aux pages 18 & 19 du  mémoire sur l’ Identification des paramètres d’amélioration des performances d’un ventilateur axial

Même si le mémoire en référence traite des problèmes d’un ventilateur pour une mine, les problématiques sont identiques (toutes choses étant égales par ailleurs).

On peut extrapoler  la résolution des équations vers des généralités propres à convenir pour des ventilateurs axiaux d’ordinateur. 

Résolution du problème 

On en retient notamment les éléments suivants : 

  1. Pour l’hélice : la courbure des pales, leur nombre, et le diamètre du moyeu supportant les pales,
  2. Pour le guidage du flux d’air : ajout d’un cône à l’arrière du moteur, ajout d’une forme arrondie sur l’avant du moteur au niveau de l’axe de rotation, ajout d’un quadrillage à l’arrière pour guider le flux d’air. Un exemple parfait est la turbine du moteur d’un avion

S’il y a peu de chances de pouvoir agir sur l’hélice, à moins de designer complètement les ventilateurs et d’être en mesure d’en fabriquer à la demande. En revanche on peut agir sur le guidage du flux d’air. En effet il n’y a rien d’extraordinairement compliqué à ajouter les 3 éléments à un quelconque ventilateur que l’on possède déjà. 

Pourtant l’action sur l’hélice serait grandement utile. Mais il faudrait obtenir une rotation des pales autour de leur axe asservie à la vitesse de rotation des ventilateurs. Jusqu’à pouvoir obtenir le profil parfait opposant le moins de résistance possible au flux d’air tout en ayant l’efficacité optimale. 

Pour la courbure des pales il faudrait être en mesure de déterminer de façon identique leur efficience optimale. En se posant la question d’une torsion de celles-ci autour d’un axe longitudinal pour augmenter la portance. 

On observe une similitude avec la portance des ailes d’un oiseau en vol. On chercherait une solution optimale déduite de ces observations. 

Étant donné que la résolution de ces problèmes de turbulence et de flux laminaire d’air, ne sont pas primordiales pour un PC. On considère cette évolution comme amenant un gain dont la limite tend vers zéro, alors que la limite de son coût (en regard du prix actuel des ventilateurs) tend vers + l’infini. 

Cependant les portables étant de plus en plus fins, et le besoin de dissipation augmentant avec le confinement, des études devraient commencer à apparaitre d’ici 5 ans environ.

Réflexions liées à l’optimisation des ventilateurs axiaux

Voici plusieurs pistes de réflexion, à vous de choisir celle qui sera la plus efficiente en fonction de la configuration propre de votre PC.

Il est difficile de déterminer le type le plus efficient pour chacun. En effet on ne connait pas la température interne du boitier, ni celle de chacun des composants. Pas plus que celle de l’air ambiant, ni son taux d’humidité.

Mais on sait que l’optimum serait de placer au moins un ventilateur à la base et en face avant pour l’introduction. Et au moins un en haut et en face arrière pour l’extraction. Plus la taille des ventilateurs sera importante moins on aura besoin d’une vitesse de rotation élevée. 

Plusieurs ventilateurs en bas et autant en haut seraient ils  plus efficients ? 

On peut aussi choisir de rester dans la configuration de départ et ajouter un ventilateur interne pivotant afin de brasser l’air interne. Ce qui amènerait une homogénéisation de la température . 

On pourrait placer des déflecteurs à l’arrière des ventilateurs afin de guider les flux d’air sortants. Voire même introduire une lame dans le déflecteur, celle-ci étant mue par un moteur afin d’assurer une répartition de l’air dans tout le boitier. 

Mais si on place des déflecteurs sur l’arrière des ventilateurs pourquoi ne pas s’orienter vers des ventilateurs centrifuges ? 

Les ventilateurs centrifuges

Jusqu’à présent les ventilateurs centrifuges (parfois appelés cage à écureuil) étaient essentiellement utilisés dans les portables et les cartes graphiques du fait de leur encombrement minimal. 

Distinction principales des ventilateurs axiaux et centrifuges

Les pales d’un ventilateur centrifuge sont montées sur l’axe du moteur ; comme pour un ventilateur axial ; mais celui ci occupe toute la largeur du ventilateur. Le profil des pales du ventilateur centrifuge sont montées perpendiculairement à l’axe ou orientées dans le sens du flux. 

Il y a des cas où la pale est orientée dans le sens inverse de celui de la rotation, mais leur efficacité est très limitée. Mais surtout les ventilateurs centrifuges disposent d’un déflecteur qui guide le flux sortant. 

Cependant leur efficacité est moindre, comparée aux ventilateurs axiaux. 

Enfin le rapport de moyeu c’est à dire le rapport entre le diamètre du moyeu de l’hélice et et le diamètre de l’hélice est de 1 pour les ventilateurs centrifuge.

De fait leur rendement maximum ne dépasse pas les 85%. Par ailleurs même s’ils servent à diffuser l’air, le risque d’encrassement est bien supérieur aux ventilateurs axiaux.

Il faut donc soit les démonter fréquemment, soit leur adjoindre un filtre en entrée. 

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