Bon je sais que plus il est gros et moche moins mon CPU chauffe, mais dis moi tu pourrais me dire un peu mieux comment ça marche… Et bien dans ce coin tech sur les ventirads nous allons vous l’expliquer.
Pour commencer le ventirad permet de faciliter l’échange thermique entre le processeur et l’air ambiant. Comme un radiateur dans votre maison fournit de la chaleur prises aux tuyaux d’eau chaude pour réchauffer une pièce, celui-ci va « prendre la chaleur » du processeur pour le refroidir (et dans une moindre mesure réchauffer vos genoux), mais il se passe quoi exactement ? Telle est la question. On a vu précédemment que la pâte thermique permet aussi d’améliorer le transfert de chaleur https://www.portables4gamers.com/coin-tech-la-pate-thermique-ca-sert-a-quoi-dit/ mais là ce ne sont pas toujours les mêmes phénomènes physiques qui sont mis en jeu.
NB : je ne présente que des formules simplifiées qui informent sur certaines notions, pour ceux qui voudraient un cours de transfert de chaleur très complet je vous renvoie ici http://www.thermique55.com/principal/thermique.pdf
Reprenons notre schéma moche fait sous paint de l’article précédent :
Le radiateur se situe au dessus du processeur, le relativement bon contact entre les deux étant permis par une pâte thermique de bonne qualité bien étalée. Que va donc faire la chaleur au sein de ce radiateur à ailettes ? Et bien trois phénomènes physiques seront mis en jeu : conduction, convection et rayonnement.
Tout d’abord la conduction que nous avons vue dans l’article précédent. Le radiateur est fait dans un bon conducteur : cuivre ou aluminium. Leur conductivité thermique est très élevée, c’est pour cette raison que l’on choisit ces métaux. Dans le radiateur le transfert de chaleur par conduction se fait très bien. Il se fait d’autant mieux que le nombre de caloducs qui va permettre « d’emmener » la chaleur vers les ailettes (que nous verrons ultérieurement) est important. Tout comme pour la pâte thermique la surface de contact en cuivre ainsi que les caloducs (aussi appelés thermosiphon) ont pour but de permettre un bon transfert conductif, mais cette fois ci non pas vers le radiateur mais vers le véritable lieu d’échange de la chaleur entre l’intérieur du boitier et le métal constituant ce radiateur : les fameuses ailettes.
Le caloduc n »est cependant pas contrairement à ce que l’on pourrait penser un tube en cuivre plein, en fait il est creux et il contient une petite quantité de fluide qui se trouvant dans le « vide » va se vaporiser très facilement lorsque la température augmente et permet donc d’absorber par ce changement d’état une quantité importante de chaleur (on parle en thermodynamique de chaleur latente de changement d’état), puis arrivé en haut du caloduc ce liquide va se reliquéfieret « larguer » cette chaleur latente (par condensation)… Voilà maintenant vous savez pourquoi il est facile de tordre connement un caloduc en forçant car à l’intérieur c’est creux.
Observons la photo d’un radiateur à ailettes tout d’abord pour mieux comprendre qui elles sont :
Ces ailettes de refroidissement ce sont ces petits morceaux de métal très fins et allongés que vous pouvez voir au milieu du refroidisseur. En métal, fin et très allongé, comme de petites ailes tu veux dire ? Bah ouais d’où le nom ailettes c’est aussi simple que ça. Mais pourquoi donc des ailettes ?
On l’a vu les ailettes sont en métal très bon conducteur thermique donc la conduction se fait très bien dans ces ailettes. Mais le but de ces ailettes c’est surtout d’évacuer la chaleur vers l’extérieur (l’intérieur du boitier). Et une ailette c’est une très grande surface extrêmement fine… Ca sent la convection à plein nez ça non ?
Schématisons un peu vous allez comprendre (un autre schéma moche fait sous paint trop ienb) :
Notre ailette est donc en contact avec un caloduc (une paroi pour simplifier) à la température Tp à sa base et se trouve entourée d’un fluide (ici l’air) à une température Ta. Le transfert au niveau de l’ailette se fait donc par conduction : qui amène la chaleur dans toute l’ailette mais aussi par convection c’est un dire un mode de transfert qui implique un déplacement de matière dans le milieu dans notre cas l’air (ou « l’eau » pour un watercooling pour ceux qui chipotent).
Vous allez me dire, pourquoi une ailette c’est si cool pour transférer de la chaleur par convection ? Bah attends je vais expliquer. Tout d’abord on va s’amuser à écrire une petite formule… Non lecteur ne part pas s’il te plait c’est pas trop dur.
Alors pour un écoulement, ici d’air, à la température Ta autour d’une surface S, ici l’ailette, à la température uniforme Tp (la température n’est pas uniforme dans l’ailette, elle est plus élevée au contact de la paroi qu’à son extrémité mais passons) on a l’expression du flux de chaleur par convection :
Avec h le coefficient d’échange convectif en Watt par mètre carré par Kelvin (W.m^-2.K^-1).
On remarque trois choses en lisant cette formule :
1) plus la surface fluide/métal est importante plus le transfert par convection est important d’où l’utilisation d’ailette qui permettent une grande surface de contact air métal
2) plus la température de l’air à l’intérieur du boitier est basse meilleur sera le transfert par convection d’où l’intérêt de garder une température basse dans le boitier et d’avoir des ventilateurs qui évacuent l’air chaud et en font entrer du frais. Cela explique aussi pourquoi quand il fait plus chaud, le processeur est plus chaud.
3) Plus le coefficient d’échange convectif h est grand meilleur sera le transfert de chaleur, mais comment jouer sur ce coefficient h ?
C’est là qu’intervient le venti, de ventirad, car il n’est pas là que pour amener de l’air frais. En effet le ventilateur surplombant le radiateur va changer la donne. Sans ventilateur la convection est dite naturelle, alors qu’avec un ventilateur elle est dite forcée car provoquée artificiellement par ce même ventilateur. Et le coefficient h il change pas mal.
Si la convection est naturelle pour l’air on a h autour de 5W.m^-2.K^-1
Si la convection est forcée pour l’air on a h autour de 50W.m^-2.K^-1
Ce ne sont que des ordres de grandeur indicatifs, de très nombreux paramètres font bouger ces valeurs en particulier la géométrie du système (forme et nombre d’ailettes), la nature de l’écoulement (laminaire ou turbulent) mais aussi la vitesse de l’écoulement fluide (plus elle est grande plus h est grand), on comprend mieux alors pourquoi un ventilateur qui a un plus gros débit d’air est plus efficace… Idem si le radiateur est poussiéreux l’air passe très mal et donc, c’est la catastrophe ça chauffe plus.
Digressons un peu, pour l’eau en convection naturelle h est de l’ordre de 500W.m^-2.K^-1, encore plus en convection forcée pas besoin de faire un dessin pour comprendre pourquoi le watercooling c’est le bien.
Mais dis voir mon grand tu nous avais pas parlé de transfert par rayonnement aussi ? Et bien j’y viens. Comme vous avez pu le constater en été sur les plages bondées du Sud (et parfois en Bretagne parait-il) le soleil il chauffe bien. Eh oui la chaleur elle se transmet aussi par rayonnement. Et là vous me répondrez « mais enfin un ventirad c’est pas une étoile !!! » et vous n’avez pas tort mais ça rayonne, comme vous, comme moi.Intéressons nous en particulier au cas du corps dit corps noir. C’est un corps qui absorbe absolument tout le rayonnement incident sans en réfléchir ni en transmettre quelque soient les longueurs d’onde et les directions de propagation (c’est un objet théorique). Mais ce corps noir rayonne car il se trouve à une température non nulle, et ce rayonnement suit deux lois. Attention deux nouvelles formules arrivent.
Pour commencer la loi de déplacement de Wien qui nous dit que le maximum d’émittivité (le maximum de puissance émise) a lieu à une longueur d’onde donné, avec T la température du corps et lambda la longueur d’onde :
Bon en soit ça ne nous avance pas à grand-chose ici mais cela explique pourquoi le soleil est jaune (T=6000K), pourquoi le corps humain rayonne dans l’infrarouge (T= 310K) et avoir la réponse à cette question c’est quand même sympa. On se cultive sur P4G, je vais demander une subvention à Filipetti tiens je pourrais payer un graphiste pour les schémas.
Revenons à nos moutons (noirs) et attaquons nous à la vraie loi qui nous intéresse ici la loi de Stefan-Boltzmann. Qui nous dit que la puissance totale rayonnée par unité de surface M (en W.m^-2 pour ceux qui dorment) est proportionnelle à la température T en Kelvins à la puissance 4… Donc autant vous dire qu’un objet chaud (comme un feu) il en rayonne de la chaleur. Soit la formule suivante :
(Boltzmann a d’ailleurs assez mal vécu qu’on remette en cause ses travaux et s’est suicidé avant même que Planck démontre qu’il avait raison c’est triste)
Où sigma (oui la lettre bizarre c’est sigma) est une constante égale à :
Mais un corps réel n’est pas un corps noir, la plupart du temps on modélise plutôt un objet réel comme un corps gris et on multiplie ce résultat par un coefficient compris entre 0 et 1. Donc plus un corps se rapproche d’un corps noir plus il va rayonner et plus il semble intéressant à utiliser pour refroidir un composant ? Oui et non car si les ailettes se font face et sont en influence totale (en gros tout ce qui est rayonné par l’une est absorbé par l’autre ailette en face) ce qui est le cas sur bon nombre de ventirad de PC ça ne change pas grand-chose. Mais si ce n’est pas le cas c’est Jackpot.
C’est pour ça d’ailleurs que les composants électroniques sont refroidis par des radiateurs en aluminium anodisé noir la plupart du temps, car plus efficaces. Un radiateur noir n’est pas noir que par pur design la plupart du temps mais aussi parce qu’un tel traitement peut aider à améliorer le refroidissement.
Un ventirad est donc un système relativement simple sur le principe, mais dans sa globalité complexe sur le plan physique (ici je ne présente qu’une extrême simplification de l’ailette, un radiateur en possède des dizaines). Il doit allier plusieurs qualités : être fait dans un métal bon conducteur thermique qui ne coûte pas un bras (pas bien compliqué c’est cuivre ou aluminium), permettre une bonne convection (là c’est bien plus compliqué, on peut jouer sur le nombre d’ailettes, leur espacement, leur taille…etc) et rayonner le maximum vers l’extérieur du rad (là encore pas simple). L’objectif final étant que globalement le ventirad refroidisse le mieux possible.
J’espère que ce coin tech vous a plu, il y a un peu plus de formules qu’à l’accoutumé, mais je pense que cette fois ci toute la physique de base qui explique le fonctionnement d’un ventirad a été présentée. Pour les puristes je n’ai délibérément pas présenté la notion de résistance thermique pour ne pas augmenter trop le nombre de formules. Mon objectif était de présenter les différents phénomènes utiles au refroidissement, faire du qualitatif pas forcément du quantitatif.
Dans le prochain coin tech… Peut être quelque chose d’un peu plus terre à terre qui sait ?
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