Tous types de réfrigération

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Dans le monde de l'informatique, contrôler la température d'un ordinateur est crucial pour garantir des performances optimales et prolonger la durée de vie de ses composants. L'une des préoccupations les plus courantes est Refroidissement du PC, car une chaleur excessive peut entraîner des problèmes tels que la détérioration des circuits, une baisse des performances et même un risque de panne catastrophique. Dans cet article, nous explorerons les différents types de refroidissement disponibles pour les ordinateurs personnels, des systèmes à air traditionnels aux solutions de refroidissement liquide avancées. Nous découvrirons leurs caractéristiques, leurs avantages et les points clés à prendre en compte pour vous aider à choisir la meilleure option pour vos besoins et à maintenir votre PC au frais, même dans les situations les plus exigeantes.

Types d'échange de température

Plusieurs types d'échange de température qui surviennent dans différents contextes. Voici quelques-uns des principaux :

1. ConduiteLe transfert de chaleur est le processus de transfert de chaleur par collision de particules dans un solide ou entre des solides en contact direct. L'énergie thermique se propage d'une zone de température élevée vers une zone de température plus basse.
2. ConvectionTransfert thermique : désigne le transfert de chaleur résultant du mouvement d'un fluide, qu'il soit liquide ou gazeux. Le fluide chaud se déplace et transporte de l'énergie thermique, tandis que le fluide plus froid prend sa place. Cela permet un transfert thermique efficace.
3. radiation: Elle ne nécessite pas de milieu matériel pour se propager. L'énergie thermique est transmise par des ondes électromagnétiques, comme le rayonnement infrarouge. Un exemple courant est le réchauffement du Soleil, qui transmet sa chaleur à la Terre par rayonnement.
4. Évaporation: se produit lorsqu'un liquide absorbe la chaleur de son environnement et se transforme en vapeur. En s'évaporant, le liquide retire de l'énergie thermique de son environnement, ce qui entraîne une baisse de sa température.

Ce ne sont là que quelques exemples des types d'échange thermique les plus courants. Il est important de noter que, dans de nombreux cas, une combinaison de ces mécanismes se produit dans des situations de transfert thermique plus complexes. Ceci est essentiel pour une compréhension approfondie des types de réfrigération suivants.

Types de réfrigération

Pour en savoir plus sur tous les types de refroidissement pour ordinateurs et éléments électroniques qui existent actuellement, nous allons faire ce résumé. classés par groupes:

Refroidissement à l'air

Lorsque vous traitez avec refroidissement par air Nous faisons référence à ceux qui n'utilisent pas de liquide pour effectuer l'échange de température. Parmi ces types, on trouve :

Sans aucun dispositif de refroidissement

Dans ce cas, les appareils électroniques ou les puces n’ont pas aucun type de système de refroidissement. Ils utiliseront simplement la surface de l'appareil pour diffuser la chaleur générée et la refroidir par convection de l'air ambiant. Ce type de refroidissement est choisi pour de nombreux appareils qui ne chauffent pas trop ou sont moins sensibles à la chaleur que d'autres.

Il est également possible que les mêmes soient utilisés bornes ou connexions au PCB que la chaleur puisse les traverser et se dissiper. De plus, certains boîtiers 2.5D ou 3D actuellement fabriqués intègrent d'autres systèmes de refroidissement qui pourraient être inclus dans cette section, bien que plus avancés, comme le microbumping ou les interposeurs organiques remplis de verre pour améliorer la dissipation à l'intérieur du boîtier.

Passif

Pour améliorer ce qui précède, bien que basés sur les mêmes principes de transfert de chaleur, des éléments passifs sont ajoutés ici, tels qu'un dissipateur de chaleur, également appelé refroidissement sans ventilateur. Ces systèmes sont courants dans certaines puces de contrôleur, chipsets, transistors MOSFET, VRM, etc.

Ils sont généralement fabriqués en aluminium (plus léger et moins cher, mais moins bonne conductivité thermique), coppermade (plus denses, plus chers et avec une meilleure conductivité thermique), ou des alliages (assez populaires parmi les solutions commerciales), bien qu'il existe certaines solutions qui utilisent d'autres métaux nobles tels que l'or (généralement utilisé uniquement dans les bains, avec des noyaux en aluminium ou en cuivre), le graphite, le Carbal (20% aluminium + 80% carbone), etc.

Parmi certains d'entre eux matériaux avec la meilleure conductivité pour les dissipateurs thermiques nous avons :

1. Métaux:Ce sont de bons conducteurs thermiques grâce à leur structure cristalline et à la liberté de mouvement des électrons. Parmi les meilleurs conducteurs thermiques, on trouve le cuivre, l'argent et l'aluminium.
   • Cuivre (Cu)C'est l'un des meilleurs conducteurs thermiques parmi les métaux couramment utilisés. Il est largement utilisé dans les applications nécessitant un transfert de chaleur efficace, comme les câbles électriques, les conduites d'eau et les composants électroniques.
   • Argent (Ag): Il possède la conductivité thermique la plus élevée de tous les métaux, ce qui en fait un excellent conducteur thermique. Cependant, en raison de son coût élevé, son utilisation est limitée à des applications spécifiques nécessitant une efficacité thermique exceptionnelle, telles que les applications scientifiques et de haute technologie.
   • Aluminium (Al)Le cuivre est un autre métal largement utilisé, doté d'une conductivité thermique relativement élevée. Bien que sa conductivité thermique soit inférieure à celle du cuivre et de l'argent, sa faible densité et son faible coût le rendent populaire dans les applications de transfert de chaleur, telles que les dissipateurs thermiques et les radiateurs.
   • Or (Au)Il est reconnu pour son excellente conductivité électrique, mais aussi pour sa bonne conductivité thermique. Bien que son utilisation dans les applications de transfert de chaleur soit moins courante en raison de son coût élevé, il est utilisé dans les applications exigeant une fiabilité et une stabilité thermique élevées.
2. GraphiteCette forme de carbone possède une structure en couches qui permet une conductivité thermique élevée dans le plan des couches. Cela en fait un excellent conducteur thermique, notamment perpendiculairement aux couches.
3. Diamant: C'est un autre excellent conducteur thermique grâce à la forte liaison covalente entre ses atomes de carbone. Cette structure permet un transfert de chaleur rapide et efficace.
4. Céramiques techniquesCertaines céramiques techniques, comme le nitrure d'aluminium et le nitrure de bore, présentent une conductivité thermique élevée. Ces matériaux sont utilisés dans les applications à haute température nécessitant une dissipation thermique efficace.

Il est vrai que des matériaux comme le graphite, le diamant ou la céramique ne sont généralement pas utilisés pour la fabrication de dissipateurs thermiques en raison de leur coût élevé ou d'autres problèmes techniques. Cependant, ils servent de base aux pâtes thermiques.

Actif

Dans le cas de l' refroidissement actifDans ce cas, un dissipateur thermique similaire à la méthode précédente est utilisé, mais l'efficacité du refroidissement est améliorée par l'ajout d'un ventilateur qui génère des courants d'air pour évacuer la chaleur plus rapidement. Autrement dit, l'air accélère le transfert de chaleur par convection en évacuant l'air chaud autour des ailettes du dissipateur thermique et en laissant passer de l'air plus frais entre elles. De plus, pour ce type de refroidissement, il est important de noter que les types de ventilateurs suivants peuvent être montés sur le dissipateur thermique :

• axial:Ces ventilateurs sont couramment utilisés, entre autres, pour les processeurs et projettent de l'air sur le dissipateur thermique. Ils comportent généralement moins de pales, bien que leur diamètre soit plus grand. Cependant, leur pression d'air n'est pas excessivement élevée.
• Radial (soufflante):On les retrouve sur de nombreux GPU, par exemple. Contrairement aux modèles ouverts, ils utilisent un boîtier pour canaliser l'air traversant le radiateur. Ils comportent un plus grand nombre de pales et exploitent l'effet centrifuge. Cela les rend plus complexes et plus bruyants, mais ils augmentent la pression d'air.

Réfrigération liquide

En plus du refroidissement par air, nous avons également la réfrigération líquida, dans lequel nous pouvons également faire la distinction entre passif et actif :

Passif

La refroidissement passif Il repose sur un dissipateur thermique intégrant des caloducs, des tubes en cuivre ou en aluminium. Ces caloducs contiennent un fluide en phase liquide à basse pression qui se transforme en vapeur lorsqu'il absorbe de la chaleur, puis remonte vers la zone la plus froide pour se condenser à nouveau et relancer le cycle. Les caloducs sont généralement à double tube : le tube extérieur transporte le liquide froid et le tube intérieur laisse passer la vapeur. On utilise des liquides tels que l'eau, l'alcool ou le fréon, qui, sous basse pression, s'évaporent à basse température. Ce type de refroidissement est particulièrement utile pour les appareils portables ou lorsqu'un refroidissement par air amélioré est nécessaire sans qu'un système de refroidissement liquide actif ne soit nécessaire.

Ces caloducs Ils sont essentiellement composés de:

• Tube scellé : Un caloduc est un tube hermétique, généralement en cuivre ou en aluminium, de forme cylindrique ou aplatie. Sa structure interne est hautement conductrice de la chaleur.
• Fluide de travailÀ l'intérieur du tube caloduc scellé se trouve un fluide de travail, généralement de l'eau ou un autre liquide à haute conductivité thermique. Ce fluide est soigneusement sélectionné pour exploiter ses propriétés d'évaporation et de condensation.
• Mèche ou capillaritéÀ l'intérieur du tube scellé se trouve une mèche, ou capillaire, qui occupe une partie de l'espace vide. La mèche facilite le transport du liquide de travail de la zone de condensation vers la zone d'évaporation par capillarité. De plus, elle facilite le retour du liquide condensé vers la zone d'évaporation.

Ces tubes sont généralement en cuivre. Ils sont toujours équipés d'un dissipateur thermique.

Actif

La refroidissement liquide actif Pour les PC, le refroidissement liquide est un système qui utilise un liquide, généralement de l'eau, pour dissiper la chaleur générée par les composants internes de l'ordinateur, tels que le processeur et la carte graphique. Contrairement au refroidissement par air, qui utilise des ventilateurs pour extraire la chaleur, le refroidissement liquide actif utilise un circuit fermé de tubes et de blocs qui transportent le liquide de refroidissement.

Les parties principales d'un système de refroidissement liquide actif pour PC sont les suivants :

1. BloquerIl s'agit d'une pièce placée directement sur le processeur pour transférer la chaleur générée. Elle possède généralement une base en cuivre ou en aluminium en contact direct avec la surface du processeur.
2. Bomba: Il s'agit du cœur du système de refroidissement liquide et de sa fonction de circulation du liquide de refroidissement dans les tubes et les blocs. La pompe peut être intégrée au bloc d'eau ou séparée en tant qu'unité autonome.
3. RadiateurIl s'agit d'un composant responsable de la dissipation de la chaleur du liquide de refroidissement. Il est constitué d'une série d'ailettes métalliques (généralement en aluminium) en contact avec l'air ambiant. Le radiateur est placé stratégiquement à l'intérieur du boîtier du PC pour permettre la dissipation de la chaleur.
4. Ventilateur(s)Le radiateur est équipé d'un ou plusieurs ventilateurs qui extraient la chaleur du radiateur en forçant le flux d'air à travers les ailettes. Ces ventilateurs peuvent être contrôlés automatiquement par la température ou réglés manuellement par l'utilisateur.
5. Tubos:Ce sont des conduites flexibles qui acheminent le liquide de refroidissement du bloc d'eau vers le radiateur et vice versa. Elles sont généralement fabriquées dans des matériaux durables et flexibles, comme le caoutchouc ou le nylon, pour une installation facile.
6. Gisement ou réservoirCertains systèmes de refroidissement liquide actif comprennent un réservoir supplémentaire pour stocker le liquide de refroidissement et assurer un approvisionnement constant. Ce réservoir peut être doté d'un niveau visible permettant de vérifier le niveau du liquide de refroidissement.

Ce sont les éléments fondamentaux d'un système de refroidissement liquide actif pour PC, bien qu'ils puissent varier en fonction de la conception et des besoins spécifiques du système de refroidissement.

D’autre part, il convient également de noter qu’ils peuvent avoir différents liquides de refroidissementcomme:

1. Eau distillée + colorantsEau distillée : un liquide de refroidissement de base largement utilisé dans les systèmes de refroidissement liquide. Peu coûteuse, elle possède une bonne capacité de transfert thermique. Cependant, il est important de noter que l'eau distillée peut être conductrice d'électricité et provoquer de la corrosion si elle n'est pas utilisée correctement avec les composants appropriés.
2. GlycolsLes glycols, tels que l'éthylène glycol et le propylène glycol, sont souvent utilisés comme additifs dans l'eau distillée pour améliorer les propriétés du liquide de refroidissement. Ces additifs contribuent à prévenir la prolifération d'algues, à protéger contre la corrosion et à abaisser le point de congélation du liquide. Les glycols sont particulièrement utiles dans les systèmes nécessitant une protection contre les températures extrêmes.
3. Liquides de refroidissement à base de particulesCertains liquides de refroidissement utilisent des particules solides, comme la céramique ou les nanofluides, pour améliorer le transfert de chaleur. Ces particules en suspension dans le liquide de refroidissement peuvent augmenter la capacité de dissipation thermique et améliorer l'efficacité du système. Les liquides de refroidissement à base de particules sont utilisés dans les applications hautes performances nécessitant un refroidissement plus efficace.
4. Liquides de refroidissement biodégradables: Conçus pour être plus respectueux de l'environnement, ces fluides sont formulés avec des composants organiques qui se décomposent naturellement sans causer de dommages environnementaux significatifs. Ils constituent un choix privilégié pour les systèmes où la durabilité et la réduction de l'impact environnemental sont des considérations importantes.

Il est important de garder à l'esprit que le choix du liquide de refroidissement dépend de plusieurs facteurs, notamment l'application spécifique, les composants du système de refroidissement, les performances souhaitées et les considérations environnementales. Il est conseillé de consulter les recommandations du fabricant et de suivre les consignes d'utilisation du liquide de refroidissement dans votre système de refroidissement liquide.

Solutions hybrides

Bien sûr, il peut aussi y avoir solutions hybrides qui combinent certains des éléments ci-dessus. Par exemple :

• Refroidissement actif par air + refroidissement passif par liquideCe sont des systèmes très courants, notamment pour les processeurs. Il s'agit essentiellement de dissipateurs thermiques avec caloducs et ventilateur. Ils existent en différents types, selon la forme des caloducs : en C, en U ou à profil bas.
• Refroidissement passif par air + refroidissement passif par liquide:Il s'agit essentiellement de dissipateurs thermiques qui ont été optimisés pour améliorer leurs performances en ajoutant des caloducs.

Autres types de réfrigération

On peut aussi trouver autres formes de réfrigération Un peu moins populaire, plus exotique, mais tout aussi intéressant. Par exemple :

Cryogenisation

La cryogénie Elle n'est pas couramment utilisée comme méthode de refroidissement pour les ordinateurs pour plusieurs raisons pratiques et techniques. La cryogénie consiste à refroidir les composants électroniques à des températures extrêmement basses, généralement inférieures au point d'ébullition de l'azote liquide (-196 °C), voire inférieures.

Bien que la cryogénie puisse réaliser un refroidissement important et permettre des overclocking extrême, pour l'informatique quantique, etc., mais cela présente des défis et des risques importants :

1. Manipulation et sécurité : L'utilisation de cryogènes tels que l'azote liquide ou l'hélium liquide nécessite une manipulation et un stockage spécifiques en raison des basses températures et des risques associés. Un équipement et des techniques appropriés sont nécessaires pour éviter les blessures et les dommages aux composants.
2. Coût:L’utilisation continue de cryogènes pour refroidir un ordinateur serait extrêmement coûteuse, car une quantité considérable de cryogène serait nécessaire pour maintenir les composants à des températures cryogéniques pendant des périodes prolongées.
3. Condensation et humidité : Lors du refroidissement des composants à des températures aussi basses, il existe un risque de condensation d'humidité sur les circuits et les composants, ce qui peut entraîner des dommages irréparables ou une défaillance du système.
4. Fragilité des composants:À des températures cryogéniques, de nombreux matériaux deviennent cassants et fragiles, augmentant le risque d'endommager les composants pendant le processus de refroidissement ou de manipulation.

En bref, bien que la cryogénie puisse être utilisée expérimentalement dans certains cas d’overclocking extrême ou de recherche spécialisée, elle ne constitue ni une option pratique ni sûre pour le refroidissement quotidien.

TEC ou RTE (effet Peltier)

La Refroidissement thermoélectrique (TEC) ou effet Peltier, est une méthode de refroidissement basée sur le principe de l'effet Peltier. Cet effet se produit lorsqu'un courant électrique traverse la jonction de deux matériaux conducteurs différents, généralement des semi-conducteurs, créant un transfert de chaleur.

Est basé sur le propriété thermoélectrique de certains matériauxAinsi, en appliquant un courant électrique aux deux matériaux de la plaque Peltier, un côté refroidit tandis que l'autre chauffe. Autrement dit, un transfert de chaleur se produit d'un côté froid (où le refroidissement est souhaité) vers un côté chaud (où la chaleur est dissipée). Cela permet de refroidir un objet ou de maintenir une température constante à un système.

Le processus de refroidissement thermoélectrique a quelques avantages, comme l'absence de pièces mobiles, ce qui le rend silencieux et sans vibrations. C'est également une méthode compacte et polyvalente, applicable aux petits espaces. Cependant, le refroidissement thermoélectrique présente une efficacité énergétique limitée par rapport aux autres méthodes de refroidissement, ce qui le rend moins efficace pour dissiper de grandes quantités de chaleur.

Le refroidissement thermoélectrique est utilisé dans les applications où un contrôle précis de la température est requis dans les appareils électroniques, les petits systèmes de réfrigération, les refroidisseurs de boissons portables et autres appareils de refroidissement de petite taille.

Changement de phase

Systèmes de refroidissement par changement de phase Ils constituent un choix inhabituel pour le refroidissement. Ces systèmes utilisent un compresseur similaire à celui des climatiseurs de fenêtre pour convertir un mélange gazeux en liquide. Le liquide est dirigé vers un évaporateur, généralement situé directement sur l'élément générateur de chaleur. Dans l'évaporateur, le liquide redevient gazeux et absorbe ainsi la chaleur.

Les refroidisseurs à changement de phase sont capables d’atteindre des températures extrêmement basses, parfois même jusqu'à -150°C, et sont principalement utilisés par les passionnés d'overclocking. Cependant, ces systèmes présentent certaines limitations qui les rendent moins adaptés aux utilisateurs grand public. Leur installation est complexe et nécessite des dispositifs supplémentaires ainsi qu'une isolation adéquate pour éviter la formation de condensation dans les tuyaux. De plus, si le système n'est pas correctement conçu, il existe un risque de gel des composants dû à un refroidissement excessif, comme illustré sur l'image. Ils génèrent également du bruit, car ce sont de petits refroidisseurs fonctionnant à l'intérieur de l'ordinateur.

Échographie

(voir plus dans cet article où nous en parlons)

Par immersion

La refroidissement par immersion Le refroidissement par immersion est une technique innovante qui consiste à immerger complètement les composants d'un PC, tels que la carte mère, la carte graphique et le processeur, dans un liquide diélectrique spécialisé. Contrairement aux systèmes de refroidissement conventionnels, qui utilisent des dissipateurs thermiques et des ventilateurs, le refroidissement par immersion permet un transfert thermique plus efficace en éliminant le recours à l'air comme fluide de refroidissement.

Dans cette méthode, les composants Ils sont immergés dans un liquide non conducteur, généralement de l'huile minérale ou un fluide diélectrique, qui possède une grande capacité à absorber et à dissiper la chaleur générée par les composants électroniques. Le liquide agit comme une couche protectrice autour des composants et évacue directement la chaleur, éliminant ainsi le recours à des ventilateurs bruyants et à des dissipateurs thermiques encombrants.

Bien sûr, ce liquide a une capacité thermique élevée Pour assurer une dissipation thermique efficace. Parmi les options courantes, on trouve les huiles minérales modifiées, les fluides fluorés ou les hydrocarbures fluorés. Ces fluides sont conçus pour être sûrs et stables dans les environnements à haute température, garantissant un fonctionnement fiable et une dissipation thermique efficace pour maintenir les composants du PC dans des plages de température optimales.

Refroidissement par immersion offre des avantages Comme un refroidissement plus efficace, un système moins bruyant et la possibilité d'un overclocking plus agressif, cette technologie présente également des défis en termes de maintenance, de coût et d'encombrement.