1.2 Refroidissement par convection naturelle et
forcée
1.2.1 Introduction
Dans le marché de l'électronique, les
consommateurs ont tendance à chercher des appareils de plus en plus
miniaturisés, ce qui oblige les fabricants à condenser les puces
électroniques et à augmenter leur fréquence interne.
Actuellement (2009) on arrive au nano technologie avec des transistors de
dimensions de l'ordre de 10-9 m [2]. La miniaturisation des puces
électroniques et l'augmentation de leur fréquence interne
incitent les fabricants à produire des circuits électroniques
réduits et à réduire la taille du système de
refroidissement. A cet effet, des problèmes liés à la
surchauffe des appareils électroniques sont survenus. Ce nouveau
paramètre, s'il est mal contrôlé, peut réduire
considérablement la durée de vie des composants
électroniques et réduire leur commercialisation. La
température maximale admissible par la majorité des composants
électroniques doit être inférieure à 75 °C - 80
°C [3]. Le défi consiste à bien dimensionner les puits de
chaleur afin d'éviter la surchauffe des composants électroniques.
La concurrence, de plus en plus croissante, entre les divers constructeurs du
matériel électronique, doit être accompagnée par des
stratégies de dissipation
de chaleur plus efficaces. Il s'agit en fait d'un des
principaux obstacles à surmonter afin d'augmenter la puissance des
ordinateurs et de l'électronique en général. Pour sa
simplicité, le mode de refroidissement couramment utilisé est la
convection (naturelle ou forcée) à l'air ambiant. Dans ce sens,
plusieurs initiatives de recherche ont été entreprises afin de
mettre en place des techniques de refroidissement plus efficaces permettant de
mieux dissiper la chaleur provenant des circuits électroniques. L'air
est le fluide préféré pour refroidir les circuits
électroniques suite à la facilité de sa mise en oeuvre et
à son faible coût. Toutefois, ses propriétés thermo
physiques font de lui un mauvais refroidisseur convectif. En effet, sa
conductivité thermique relativement faible (kair = 0,026W/m K) et son
nombre de Prandtl, (Pr = 0,7), entraînent un faible coefficient
d'échange par convection. La haute résistance thermique de l'air
et le besoin d'évacuer d'énormes quantités de chaleur ont
incité les chercheurs à repenser les techniques de
refroidissement afin d'intensifier le transfert de chaleur. Le flux de chaleur
évacué par la source de chaleur est donné par la loi de
refroidissement de Newton:
q = hc S (Tdissipateur - Tair) (1.4)
Ainsi, dans les puits de chaleur à base d'air,
l'amélioration d'échange de chaleur est assurée par
l'augmentation du coefficient de transfert de chaleur par convection,
hc, et de la surface d'échange de chaleur, S.
L'augmentation de la surface d'échange, S, est assurée par
l'introduction d'ailettes à la surface des composants
électroniques. Le coefficient d'échange par convection,
hc, est intensifié par l'augmentation du débit d'air
et la réduction de l'espace inter- ailettes. L'utilisation des jets
à grande vitesse sur les bouts d'ailette en direction de la base du
puits de chaleur, peut, aussi, augmenter notablement le coefficient de
transfert de chaleur mais il doit être testé in situ [3,4].
Toutefois, il faut noter que la réduction de l'espace
d'écoulement, résultant de l'ajout des ailettes, implique une
augmentation du poids de l'équipement et engendre des bruits acoustiques
[4,5].
Beaucoup de chercheurs ont contribué par leurs efforts
pour étudier les caractéristiques des écoulements à
flux convectif naturel ou forcé sur les blocs chauffants (sources de
chaleur). Les principaux axes de ces travaux portent sur l'estimation du
transfert thermique en convection naturelle et forcée, cette
dernière s'est avérée plus intéressante du fait
qu'elle offre une vaste marge de paramètres à varier, parmi ces
paramètres il y a le régime d'écoulement et la
configuration géométrique. L'analyse des travaux de recherche
relatifs au refroidissement des composants électroniques par convection
naturelle ou forcée permet de constater que les composants
électroniques sont généralement simulés par des
rectangles solides incrustés (surfacique) ou protubérants
(volumiques) montés sur l'une des parois de la cavité confinant
le fluide caloporteur. Aussi, dans ces études, il a été
démontré que la conductivité thermique du substrat, sur
lequel sont greffées les sources de chaleur, joue un rôle
important sur l'efficacité de refroidissement par convection naturelle
ou forcée à l'air ambiant. Dans les deux sections suivantes on va
exposer quelques travaux relatifs au refroidissement des sources de chaleur par
convection naturelle et forcée.
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