Guide du refroidissement électronique pour une performance optimale des appareils

Introduction

En raison des progrès rapides de l'électronique, la gestion thermique est essentielle pour assurer des performances optimales et la longévité des produits. La gestion de la chaleur dans le corps d'une personne permet de s'assurer que toute performance est optimale lorsqu'elle dure, et d'éviter tout effet qu'une chaleur excessive pourrait causer. Avec ce guide, le lecteur fera une excursion virtuelle dans le domaine du refroidissement électronique ᅳ où sa signification, ses principes, les technologies existantes et les conseils d'utilisation visant à un fonctionnement efficace des appareils seront abordés.

Selon l'étude menée par le National Renewable Energy Laboratory, chaque augmentation de 10 °C de la température peut entraîner une réduction de 50 % de la durée de vie des composants électroniques. C'est pour cette raison que tout utilisateur d'appareils électroniques et les personnes qui travaillent avec eux doivent comprendre la nécessité et la valeur du refroidissement électronique. Les stratégies de gestion thermique optimales amélioreront considérablement l'efficacité et le degré de fiabilité des appareils, garantissant ainsi leur haut niveau de fonctionnement et de durabilité.

Qu'est-ce que le refroidissement électronique ?

Le refroidissement électronique est défini comme l'élimination de la chaleur des composants électroniques au-delà de leurs températures de fonctionnement sûres. Cette exposition à la chaleur est due au flux de chaleur qui traverse ou quitte l'appareil et qui doit être contrôlé pour maintenir son efficacité énergétique et éviter les interférences destructrices.

Le refroidissement électronique introduit un certain nombre d'autres méthodes de transfert de chaleur et de solutions de conception afin de garantir le fonctionnement fiable et efficace des équipements électroniques, même dans un environnement complexe. Pour ce faire, il fournit un moyen de contenir l'excès de chaleur afin de permettre aux appareils de remplir efficacement leurs fonctions, augmentant ainsi leur durabilité et réduisant les risques de rupture.

L'impact de la chaleur sur les performances et la durée de vie des produits électroniques

La chaleur est le pire ennemi des appareils électroniques. Pendant leur fonctionnement, les composants électroniques s'échauffent en raison des courants qui les traversent et d'autres effets parasites tels que la résistance électrique, de sorte qu'à chaque état de fonctionnement correspond un boa de chaleur. Cependant, une accumulation excessive de chaleur, due en l'occurrence à l'absence de dispositifs efficaces d'échange de chaleur, est susceptible d'entraîner de nombreux problèmes, tels que

Réduction des performances : Une chaleur excessive peut conduire les appareils à réduire leur taux de performance afin d'éviter les dommages causés par la surchauffe. Cela se traduit par une vitesse de traitement réduite, une faible efficacité énergétique et de faibles performances globales.

Durée de vie réduite : L'exposition accrue à la chaleur pendant la durée de conception augmente le risque de défaillance des pièces électroniques, ce qui entraîne leur détérioration précoce et donc une réduction de leur durée de vie. Des composants supplémentaires sont ajoutés en volume à l'appareil et s'usent rapidement en raison de l'absence de processus de refroidissement efficaces, ce qui réduit la durée de vie du précieux équipement électronique.

Défauts de fonctionnalité : Un excès de chaleur peut rendre certaines pièces moins performantes, voire totalement défaillantes, ce qui entraîne une panne du système, une perte de données ou d'autres problèmes de fiabilité. C'est la raison pour laquelle les systèmes d'évacuation de la chaleur ou les systèmes d'échange de chaleur entre les milieux doivent être conçus de manière adéquate afin d'éviter les pannes et les dysfonctionnements de l'équipement électronique qui peuvent être coûteux à réparer.

refroidisseur à soufflerie pour l'électronique

Principes fondamentaux du refroidissement électronique

Pour refroidir correctement un appareil électronique, il faut comprendre les principes de base du transfert de chaleur et de la gestion thermique. Examinons quelques-uns de ces concepts fondamentaux :

Les bases du transfert de chaleur

Trois mécanismes de transfert de chaleur sont évidents : La conduction, la convection et le rayonnement. En se concentrant sur le refroidissement électronique, il est clair que la conduction et la convection sont les aspects les plus importants de la gestion de l'énergie thermique.

La conduction concerne la transmission de la chaleur par contact direct entre les substances. En électronique, par exemple, les composants chauds transfèrent la chaleur aux dissipateurs thermiques ou à d'autres matériaux d'interface thermique. Pour une gestion efficace de la chaleur, les composants des dissipateurs de chaleur passifs doivent optimiser les matériaux à conductivité thermique et électrique élevée. Si la conduction est meilleure, l'énergie thermique sera évacuée plus rapidement, ce qui réduira les risques de surchauffe.

La convection, en revanche, est une méthode de transfert de chaleur dans laquelle un flux de fluides ou de gaz est déplacé afin d'effectuer un transfert de chaleur. La convection, telle qu'elle est appliquée au refroidissement des appareils électroniques, peut être induite par des ventilateurs ou d'autres systèmes de refroidissement actifs. Ainsi, ces circuits peuvent faire circuler des liquides ou des liquides de refroidissement de l'air qui contribuent à atténuer la chaleur des composants, augmentant ainsi la capacité de refroidissement. Par exemple, certains systèmes de refroidissement à haute performance utilisent un refroidissement liquide, car les liquides de refroidissement ont une capacité d'élimination de la chaleur bien supérieure à celle de l'air.

Thermodynamique et efficacité du refroidissement

Il ne fait aucun doute que la thermodynamique est essentielle pour comprendre et améliorer l'efficacité du refroidissement de l'électronique. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'énergie thermique circule toujours spontanément de la zone chaude vers la zone froide. C'est le principe qui sous-tend la plupart des techniques de refroidissement.

Un certain nombre de critères déterminent l'efficacité d'un système de refroidissement électronique, pour n'en citer que quelques-uns : le différentiel de température atteint entre les parties chaudes du système et le fluide de refroidissement utilisé, les matériaux employés et leur conductivité thermique, ainsi que les types de mécanismes de transfert de chaleur utilisés. L'effet de refroidissement est beaucoup plus important lorsque la différence de température est plus grande et les matériaux plus efficaces utilisés dans la transmission de l'énergie thermique permettent d'évacuer plus facilement et plus rapidement la chaleur du système, ce qui donne de meilleurs résultats dans l'ensemble.

Technologies de refroidissement électronique courantes

Il existe plusieurs méthodes de refroidissement de l'électronique, chacune présentant des avantages et des inconvénients. Dans cette section, nous nous concentrerons sur quelques-unes des méthodes les plus courantes :

Refroidissement de l'air

Le refroidissement par air est la méthode la plus simple et la plus générale de refroidissement électronique. Elle tend à utiliser des ventilateurs ou des dispositifs de refroidissement, tels que des souffleries, qui soufflent sur les surfaces des composants chauffés avec l'intention de produire de l'air chaud. Le refroidissement par air est relativement facile, bon marché et efficace pour un certain nombre d'applications.

Le refroidissement par air présente toutefois quelques inconvénients. Le plus important est probablement le bruit, qui est particulièrement perceptible lorsque des ventilateurs à grande vitesse et à refroidissement multiple sont incorporés dans des systèmes de refroidissement électronique relativement performants. Ce n'est pas très agréable dans les bureaux ou les home cinémas où l'on préfère des niveaux de bruit plus faibles.

ventilateur de refroidissement électronique

Refroidissement par liquide

Le refroidissement par liquide implique l'application d'un liquide de refroidissement autour ou sous forme liquide afin d'absorber la chaleur des composants électroniques chauds. Les systèmes de refroidissement liquide classiques comprennent une pompe, un échangeur de chaleur et un système de tubes ou de canaux à travers lesquels le liquide de refroidissement est pompé.

Parmi les méthodes de refroidissement, le refroidissement par liquide offre à l'utilisateur plusieurs avantages par rapport au refroidissement par air. Ses performances résultent d'une plus grande capacité de refroidissement, d'une conductivité thermique plus élevée et de la possibilité de se concentrer sur des points chauds particuliers de l'appareil électronique. Il s'agit d'une méthode efficace pour des applications améliorées telles que les centres de données, les PC de jeu et l'électronique de puissance.

Néanmoins, la mise en place des systèmes de refroidissement par liquide est plutôt complexe, coûteuse et nécessite beaucoup d'entretien par rapport aux systèmes de refroidissement par air. Ils présentent également l'inconvénient des fuites des tuyaux de liquide, qui peuvent endommager certaines parties des composants électroniques utilisés.

Refroidissement électronique par liquide

Refroidissement thermoélectrique

Il s'agit d'une technologie de refroidissement à l'état solide dans laquelle l'effet de dissipation thermique est obtenu grâce à un courant électrique qui traverse un refroidisseur thermoélectrique qui chauffe un côté et condense l'autre côté. Lorsque le courant traverse le module, l'une de ses faces (la face froide) absorbe de la chaleur tandis que la face chaude dissipe de la chaleur.

Néanmoins, le refroidissement thermoélectrique offre à l'utilisateur certains points de différenciation particuliers par rapport aux autres méthodes disponibles sur le marché, notamment une gestion précise de la température au degré requis, une petite taille et même des températures de refroidissement inférieures aux conditions ambiantes. Le refroidissement thermoélectrique est surtout utilisé dans les cas où un refroidissement ciblé est nécessaire, par exemple dans les petits appareils électroniques, les capteurs et les appareils médicaux.

Néanmoins, l'efficacité du refroidissement thermoélectrique est assez faible par rapport à d'autres techniques de refroidissement et son fonctionnement nécessite une grande quantité d'énergie électrique. En outre, il est également limité à la quantité de chaleur qui peut être éliminée efficacement.

Facteurs affectant les performances de refroidissement

Les performances et l'efficacité d'un système de refroidissement électronique peuvent être affectées par plusieurs facteurs. Il est important de comprendre ces facteurs afin d'élaborer les stratégies de refroidissement les plus appropriées :

Température ambiante

L'un des facteurs les plus importants dans le refroidissement électronique est la température ambiante ou la température de la pièce où se trouve l'appareil. L'effet de la chaleur, la conduction, le transfert de chaleur et l'élimination de la chaleur des composants électroniques sont d'autant plus difficiles que la chaleur est piégée dans la pièce. Les stratégies de refroidissement mises en œuvre peuvent être plus puissantes car l'environnement dans lequel certains appareils sont déployés a une température plus élevée que la normale, et davantage de chaleur doit être évacuée pour que l'appareil fonctionne efficacement.

Conductivité thermique des matériaux

Les matériaux utilisés pour la construction des gadgets électroniques et de leurs systèmes de refroidissement respectifs déterminent le taux de transfert de chaleur ainsi que le taux de perte de chaleur. En général, les matériaux métalliques qui ont une conductivité thermique élevée, comme le cuivre et l'aluminium, sont utilisés principalement dans les dissipateurs de chaleur et autres composants de refroidissement pour dissiper rapidement la chaleur.

Dans un autre cas, le refroidissement peut être inhibé par des matériaux à faible conductivité thermique comme l'air ou certains plastiques qui constituent des barrières thermiques, rendant ainsi le transfert de chaleur impossible.

Production et dissipation de chaleur

La chaleur générée par les composants électroniques et le taux d'épuisement de la chaleur sont des paramètres importants pour comprendre la capacité de refroidissement requise. Les processeurs et les cartes graphiques sont des appareils de grande puissance qui produisent beaucoup de chaleur et doivent donc être dotés de mécanismes d'évacuation de la chaleur.

Le dispositif électronique dans son assemblage peut également contribuer à la dissipation de la chaleur. Il existe de nombreux aspects tels que la disposition des composants, les voies de circulation de l'air, les composants de refroidissement et un grand nombre d'entre eux dispersés sur une petite surface.

Facteur	Description	Impact sur les performances de refroidissement
Température ambiante	La température de l'environnement autour de l'appareil affecte l'efficacité du transfert de chaleur.	Des températures ambiantes plus élevées réduisent l'efficacité du refroidissement, ce qui nécessite des systèmes de refroidissement plus puissants.
Conductivité thermique des matériaux	La capacité des matériaux à conduire la chaleur influe sur la rapidité avec laquelle la chaleur est dissipée par les composants.	Les matériaux à forte conductivité thermique, tels que le cuivre, améliorent la dissipation de la chaleur et les performances.
Production et dissipation de chaleur	La chaleur totale produite par les composants et la capacité du système à la dissiper.	Une mauvaise dissipation de la chaleur peut provoquer une surchauffe des composants, entraînant une défaillance du système ou une réduction de sa durée de vie.
Disposition du système et flux d'air	La disposition des composants et des voies de circulation d'air à l'intérieur de l'appareil.	Une mauvaise disposition et un blocage des flux d'air entraînent un refroidissement inefficace, tandis que des conceptions optimisées améliorent les performances.

Comment choisir la méthode de refroidissement idéale pour votre conception électronique ?

Les équipements électroniques bien conçus génèrent beaucoup de chaleur. C'est dans les petits appareils que cette chaleur dépasse une certaine limite, d'où l'importance du refroidissement des composants électroniques. Les facteurs disponibles sont les suivants : les exigences technologiques de l'application, la densité de puissance de l'électronique, les facteurs environnementaux et les limites dimensionnelles. Ces facteurs sont les suivants :

Densité de puissance : Pour les appareils dont les caractéristiques de puissance sont faibles, le refroidissement peut être passif en utilisant des dissipateurs thermiques ou la convection naturelle. Mais lorsque la densité de puissance augmente, le refroidissement actif à l'aide de ventilateurs ou de systèmes de refroidissement liquide est rapidement adopté.

Contraintes d'espace : Les méthodes de refroidissement à adopter dépendent de l'espace disponible dans l'appareil électronique. Les petits appareils nécessiteront des dissipateurs de chaleur à profil bas ou, si un ventilateur est utilisé, des ventilateurs compacts, tandis que les grands systèmes pourront être équipés de dispositifs de refroidissement plus importants.

Environnement de travail : Lors du choix d'une méthode de refroidissement, il convient de tenir compte de facteurs tels que la température ambiante, l'humidité et d'autres facteurs environnementaux. Les conditions de travail poussiéreuses, humides ou chaudes peuvent nécessiter des solutions de refroidissement performantes qui sont également scellées ou renforcées pour éviter l'usure.

Fiabilité et maintenance : Examiner les facteurs de fiabilité et de maintenance associés aux différentes méthodes de refroidissement. Par exemple, la performance de ces systèmes suite à un effort de dissipation de la chaleur. Les systèmes de refroidissement par air poussiéreux peuvent nécessiter un nettoyage de temps à autre, tandis que les systèmes dans lesquels des fluides sont utilisés pour le refroidissement peuvent nécessiter des caractéristiques telles que le remplacement et la vérification des fuites de fluide de temps à autre.

Coût et complexité : Vous devez également tenir compte des différences de coût et de complexité liées à l'application et à l'entretien des différents systèmes de refroidissement. Bien que d'autres systèmes, tels que les systèmes de refroidissement par liquide, puissent être plus performants que les systèmes de refroidissement par air, ils sont plus difficiles et plus coûteux à déployer et à entretenir que les systèmes de refroidissement par air, plus faciles et moins coûteux.

ventilateurs de refroidissement thermique

Ventilateurs de refroidissement dans le refroidissement électronique

Dans presque tous les schémas de gestion thermique, les ventilateurs de refroidissement sont utilisés pour transférer activement la chaleur en induisant un flux d'air hors des composants. Voyons quels sont les types de ventilateurs d'amélioration et leur utilité dans le contrôle thermique de l'électronique :

Types de ventilateurs de refroidissement (axiaux, centrifuges, CC sans balais)

Il existe différents types de ventilateurs de refroidissement généralement utilisés dans les gadgets électroniques :

Ventilateur axial : Les ventilateurs les plus courants sont dotés de pales en rotation autour d'un moyeu dont le mouvement pousse un flux donné récolté dans la direction axiale. Ils sont bon marché et plutôt simples, mais ils ont trouvé de nombreuses applications dans les systèmes informatiques, les serveurs et d'autres appareils électroniques.

Ventilateurs centrifuges : Classés dans la catégorie des ventilateurs, ils sont constitués d'une roue qui tourne en aspirant l'air dans une direction et en rejetant l'air dans une autre direction à un angle de 90 degrés. Ces ventilateurs conviennent aux applications à forte pression statique, comme la réduction du flux d'air dans les espaces confinés remplis d'appareils électroniques.

Ventilateurs à courant continu sans balais : Également appelés BLDC, ces ventilateurs fonctionnent à l'aide d'un moteur dépourvu de poils et de roulements en bronze, ce qui augmente les performances, la fiabilité et la durée de vie des ventilateurs. En outre, ils permettent un contrôle précis de la vitesse et sont particulièrement adaptés aux systèmes de refroidissement électroniques modernes.

Le rôle des ventilateurs de refroidissement dans le refroidissement électronique

L'utilisation de ventilateurs de refroidissement est essentielle pour un refroidissement efficace des équipements électroniques. Ces ventilateurs contribuent à la convection forcée, qui améliore le refroidissement par convection des pièces importantes en évacuant la chaleur.

Comme les ventilateurs de refroidissement aspirent continuellement de l'air frais et expulsent de l'air chaud, ils favorisent un différentiel de température pour faciliter le transfert de chaleur vers l'extérieur des pièces électroniques. Cela permet d'éviter les emballements, de garantir des températures uniformes pour le fonctionnement de l'appareil et, d'une manière générale, de permettre un fonctionnement efficace de l'appareil.

Les ventilateurs de refroidissement peuvent également être adaptés par des processus ultérieurs, tels que la fabrication, afin d'assurer une protection supplémentaire contre l'eau, la poussière et même le brouillard salin. Il s'agit de ventilateurs de refroidissement conçus pour être utilisés dans des conditions où l'équipement électronique est soumis à des conditions météorologiques défavorables, à la poussière et à d'autres facteurs.

Le positionnement des ventilateurs de refroidissement par rapport à la carte et aux composants de l'appareil électronique peut permettre de couvrir les points chauds localisés ou de concevoir un schéma de circulation de l'air qui améliore le refroidissement. Dans la plupart des cas, il n'est pas rare de trouver plusieurs ventilateurs en conjonction avec d'autres composants de transfert de chaleur tels que des dissipateurs thermiques, des tuyaux de chaleur et bien d'autres encore, dans le but de fournir un système de refroidissement électronique.

Conclusion

Le refroidissement électronique est un aspect essentiel pour garantir des performances, une fiabilité et une longévité optimales des appareils. Grâce à l'analyse thermodynamique, à la connaissance des méthodes de refroidissement courantes, à la prise en compte des facteurs de performance globale et à leur application dans la conception raisonnable et/ou la sélection des systèmes de refroidissement électronique, les concepteurs et les utilisateurs seront bien placés.

Quelle que soit la méthode choisie, refroidissement par air ou autre, l'objectif reste le même : dissiper efficacement la chaleur et contrôler les températures de fonctionnement de vos composants et systèmes électroniques. Cette stratégie de refroidissement utilise efficacement les stocks de chaleur et évite l'augmentation des températures de tous les composants du système au-delà des limites acceptables afin d'éviter la surchauffe, c'est-à-dire l'endommagement de ces composants.

Étant donné que les systèmes électroniques de puissance sont de plus en plus conçus pour offrir davantage de puissance et de fonctionnalités, les technologies de gestion thermique telles que les dissipateurs de chaleur sont appelées à prendre de l'importance. Il y a une recherche constante de nouvelles idées concernant le processus de refroidissement et de nouvelles façons d'évacuer la chaleur qui seraient en accord avec les appareils les plus récents. Les technologies de refroidissement se développeront au fur et à mesure que vous connaîtrez les nouvelles choses dans ces questions de refroidissement qui ne changent pas avec le temps des conseils pour assurer que vos gadgets électroniques seront cool, efficace et fiable pendant de nombreuses années.

FAQs :

Comment choisir la bonne solution de refroidissement pour mon application ?

Le choix d'une solution de refroidissement électronique adaptée à une application particulière dépend d'une série de facteurs de conception tels que la densité de puissance des composants et leur volume disponible, l'environnement dans lequel ils vont fonctionner, leurs exigences en matière de fiabilité et leurs coûts. Par exemple, il faut d'abord rechercher le domaine d'application particulier que l'on souhaite refroidir, puis rechercher les méthodes applicables et les recommander en fonction de leur efficacité, de leur facilité d'utilisation et de leur praticité.

Vérifiez la chaleur prévue qui doit être générée et la température qui doit être maintenue, ainsi que toute limitation concernant la zone disponible ou l'environnement. Demandez l'avis d'un ingénieur spécialisé dans le refroidissement ou consultez les lignes directrices générales ou les normes industrielles en matière de systèmes de refroidissement.

Gardez à l'esprit que, dans de tels scénarios, il peut s'agir d'une, de deux ou de toutes les techniques de classification de refroidissement possibles qui sont incorporées dans les artères. N'hésitez pas à essayer différentes dispositions et configurations, ou à demander de l'aide pour obtenir le refroidissement le plus efficace et le plus rentable pour la tâche particulière que vous effectuez.

Quelles sont les erreurs les plus courantes à éviter lors de la conception d'un système de refroidissement électronique ?

Certaines erreurs courantes doivent être évitées lors de la conception d'un système de refroidissement électronique : Conception du système sans une compréhension claire des besoins de refroidissement : Le problème essentiel est que les concepteurs n'évaluent pas les capacités de production ou de dissipation de chaleur de certains composants électroniques. Là encore, le concepteur doit tester et choisir les paramètres, faute de quoi, dans certains systèmes de refroidissement, les composants surchaufferont.

Ignorer les flux d'air et résistance thermique: Le contrôle des températures, même en cas d'utilisation de refroidisseurs, est l'élément le plus crucial de la conception. Lors de la conception, assurez-vous qu'il y a suffisamment de chemins pour les conduits et qu'il n'y a pas d'obstructions ou de restrictions qui augmenteraient les fuites ou la résistance au flux de chaleur. En outre, évaluez la résistance thermique stratégique aux jonctions des composants et des dispositifs de dissipation de la chaleur, tels que les matériaux d'interface thermique et les dissipateurs de chaleur.

Mauvaise prise en compte des conditions d'exploitation : Les conditions de fonctionnement peuvent jouer un rôle majeur dans l'efficacité du refroidissement. Les conditions telles que la température ambiante, l'humidité, la poussière ou les vibrations influencent toutes le choix et la conception des solutions de refroidissement. Ignorer ces conditions peut conduire à un refroidissement inefficace, voire à une défaillance des composants avant le moment opportun.

Se concentrer uniquement sur le refroidissement actif : Il prend également en compte la question du refroidissement dans la conception du poids et propose des systèmes de refroidissement actifs, tels que des ventilateurs et des systèmes de refroidissement liquide, qui constituent une option intéressante. L'utilisation de tubes thermiques et la conception adéquate des composants permettent d'améliorer les systèmes de refroidissement supplémentaires et leur efficacité.

Sans tenir compte de la maintenance et de la fiabilité : Il ne faut pas oublier que tous les systèmes de refroidissement électroniques ont besoin d'être entretenus régulièrement. Dans le cas présent, cet entretien consiste à changer et à nettoyer les filtres et les fluides utilisés pour le refroidissement. L'absence d'un tel entretien peut réduire l'efficacité du refroidissement et, plus encore, compromettre la fiabilité du système.

En gardant à l'esprit les rappels mentionnés et en essayant de les éviter, vous pourrez créer des chimies qui satisferont mieux aux exigences thermiques, ce qui permettra à l'avenir d'évaluer la fiabilité et la durabilité des systèmes de refroidissement électroniques intelligents.