Comment fonctionne un refroidisseur liquide pour processeur ? Guide du débutant

Pour comprendre le fonctionnement du refroidissement liquide dans un processeur, prenons l'exemple du refroidissement du moteur d'une voiture. Les liquides ont une chaleur massique plus élevée, ce qui signifie qu'ils évacuent mieux la chaleur que l'air. La voiture utilise l'eau pour capter la chaleur du moteur et la restituer à l'air libre via un radiateur. Les refroidisseurs liquides pour processeur fonctionnent de la même manière.

Chaque processeur, en tant que composant électronique, génère de la chaleur. Cette chaleur est absorbée par un bloc d'eau dans lequel circule un liquide de refroidissement. Ce liquide est pompé du bloc d'eau vers le radiateur, comme dans une voiture. Le radiateur a pour fonction d'extraire la chaleur du liquide circulant à l'intérieur et de la transférer vers ses ailettes. Un ventilateur fait ensuite circuler l'air frais sur ces ailettes. Cette configuration, illustrée sur l'image, est particulièrement remarquable car le refroidissement liquide a permis d'optimiser l'évacuation de la chaleur des processeurs modernes à TDP élevé, overclockés et générant une chaleur importante.

Comprendre la chaleur du processeur : l'importance du refroidissement

L'électricité est le flux d'électrons à travers un conducteur. Lorsqu'elle traverse un conducteur, l'électricité génère de la chaleur en raison de la résistance qu'elle oppose au flux d'électrons. De même, lorsqu'elle traverse le processeur, l'électricité génère également de la chaleur.

Un microprocesseur, ou CPU, est composé de milliards de transistors. Chaque fois qu'un CPU est utilisé, il utilise ces transistors dans une logique de calcul. Ces transistors se chargent et se déchargent, produisant une résistance électrique qui affecte le flux d'électrons et génère de la chaleur. Les opérations plus intensives sur le CPU, comme les jeux ou le rendu vidéo, génèrent davantage de chaleur et nécessitent un système de refroidissement pour ces charges de travail exigeantes.

Dans de tels cas, un système de refroidissement liquide en boucle fermée est préférable pour maintenir la température du processeur dans les limites. Sinon, le processeur subira un ralentissement thermique, ce qui affectera ses performances. Dans certains cas, un refroidissement très insuffisant peut même endommager le processeur ou d'autres composants internes, comme la RAM et le GPU.

Composants clés d'un système de refroidissement liquide

Les composants de base des composants liquides comprennent

• Bloc d'eau
• La pompe
• Le radiateur
• Tubes, réservoir et liquide de refroidissement

Le bloc d'eau

C'est le cœur du système de refroidissement liquide qui extrait la chaleur du processeur. Les waterblocks haut de gamme sont fabriqués en cuivre sans oxygène, à haute conductivité thermique. Si le waterblock est utilisé avec des pièces en aluminium, il est nickelé (la base du waterblock est généralement nickelée pour éviter l'oxydation).

Ces blocs présentent des micro-canaux de 0,5 à 1 mm à leur base, permettant au liquide de circuler et d'absorber la chaleur générée par le processeur. Afin de minimiser l'entrefer entre le bloc et le processeur, une pâte thermique présentant une conductivité thermique supérieure à 8-12 W/mK est utilisée. Pour accroître la conductivité, l'entrefer entre le waterblock et le processeur est réduit à 0,1 mm, grâce à un mécanisme de fixation robuste. L'efficacité thermique du système de refroidissement dépend largement du flux et de la conception du réseau d'ailettes. Lorsque le liquide pénètre dans le bloc, il déclenche un refroidissement par convection avec un coefficient de transfert thermique de 500 à 5 000 W/m².

La pompe

La pompe du système de refroidissement fait circuler le liquide de refroidissement dans le bloc d'eau et le radiateur, lui fournissant la pression nécessaire pour vaincre la résistance des tubes. Sans un débit adéquat, même le système le plus performant ne fonctionnerait pas correctement. Dans la plupart des systèmes de refroidissement, ces pompes fonctionnent sur 12 volts à 2 000-4 000 tr/min, fournissant un débit et une hauteur manométrique suffisants pour assurer le refroidissement. Dans les systèmes de refroidissement modernes pour processeurs, ces pompes sont fabriquées avec précision pour réduire le bruit et les vibrations, et leurs roulements en céramique assurent un fonctionnement sans frottement. Leur vitesse peut être modifiée en fonction de la charge thermique.

Le radiateur

La chaleur absorbée par le liquide du processeur est rejetée dans l'atmosphère grâce à un radiateur équipé d'un ventilateur. Les radiateurs sont constitués d'un noyau en aluminium, d'ailettes et de canaux de refroidissement en cuivre. Ces ailettes assurent un meilleur transfert thermique par conduction, avec un rendement de 0,8 à 0,9. L'espacement des ailettes est un facteur essentiel. Une densité d'ailettes par pouce (FPI) élevée augmente la surface effective. Cependant, un débit d'air plus important est nécessaire en raison de la résistance accrue à l'air.

Un FPI plus faible réduit la résistance au flux d'air, mais diminue également la surface effective. En général, le liquide du processeur a une température supérieure de 10 à 20 °C à celle de l'air ambiant. Il pénètre dans le radiateur, où il transfère la chaleur aux ailettes. Un ventilateur (1 000 à 2 000 tr/min) assure ensuite le flux d'air pour évacuer la chaleur des ailettes.

Tubes, réservoir et liquide de refroidissement

Dans un système liquide, les tubes assurent le transfert du liquide d'un composant à l'autre. Fabriqués en PVC de 10 mm de diamètre intérieur et 13 mm de diamètre extérieur, ils sont également dotés d'un support tressé pour éviter toute déformation et tout éclatement dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Les tubes ne doivent pas présenter de coudes prononcés, car cela augmenterait la résistance à l'écoulement et réduirait les performances globales.

Un réservoir gère le volume d'air et de fluide. Fabriqué en PVC, il permet le remplissage en liquide et l'évacuation des bulles d'air vers l' atmosphère. Dans certains cas, le réservoir fait partie intégrante de la pompe, notamment dans les systèmes tout-en-un (AIO). Le plus souvent, le liquide qu'il contient est composé d'eau distillée et de 30 % de glycol. Des biocides sont également ajoutés pour prévenir la prolifération bactérienne, et du glycol est ajouté pour abaisser le point de congélation jusqu'à -10 °C. Le liquide de refroidissement a pour fonction de capter la chaleur du processeur et de la restituer dans le radiateur.

Le cycle de refroidissement

Production de chaleur

En fonctionnement, notamment lors de tâches intenses comme les jeux, le rendu vidéo ou tout autre travail graphique ou informatique, le processeur génère plus de 300 watts de chaleur. Cette chaleur provient du transistor intégré au processeur et se propage jusqu'au dissipateur thermique intégré, où un bloc d'eau est installé pour absorber la chaleur du processeur grâce au liquide qui circule à l'intérieur. Cette chaleur est évacuée par conduction, car le bloc d'eau est à une température plus élevée que le liquide.

Absorption

Le liquide contenu dans le waterblock absorbe la chaleur générée par le processeur en circulant dans les canaux. En circulant à travers le bloc, le liquide assure une turbulence et une conduction thermique optimales. Lorsque le liquide s'écoule du waterblock, sa température augmente.

Circulation

Une pompe est installée dans le système de refroidissement liquide pour que le processeur refoule le liquide chaud, garantissant ainsi que la température ne dépasse pas une limite spécifique. La pompe fournit un débit constant de liquide du waterblock au radiateur, maintenant ainsi le processeur au frais et performant. Dans un système moderne, les pompes sont choisies pour leur très faible bruit et l'usure minimale des composants, grâce à leur débit élevé.

Dissipation

Le liquide chauffé pénètre finalement dans le radiateur, où il est refroidi par l'air d'un ventilateur intégré. Les radiateurs sont en aluminium avec des ailettes en cuivre. Ces ailettes augmentent la surface de contact lorsque le ventilateur souffle de l'air, les refroidissant ainsi. Le refroidissement de ces ailettes refroidit également le liquide de refroidissement circulant dans les tubes.

Retour

Le liquide retourne ensuite au bloc d'eau après avoir été refroidi par le radiateur. Un autre équipement, appelé réservoir, est installé dans le système de refroidissement liquide. Il permet le retour de l'eau en cas d'excès et facilite le remplissage du système lorsque le niveau de liquide diminue.

Des innovations techniques qui rendent le refroidissement liquide fascinant

Grâce aux progrès technologiques, nous disposons de processeurs haute vitesse de 7 nm qui produisent davantage de chaleur. Pour y remédier, nous utilisons un système de refroidissement liquide, car le refroidissement par air est insuffisant pour les processeurs qui génèrent une chaleur élevée. L'ingénierie fait actuellement évoluer le système de refroidissement liquide et son procédé de fabrication.

Aujourd'hui, les blocs d'eau sont fabriqués avec un passage étroit de 0,2 mm pour l'écoulement du liquide, ce qui crée des turbulences et augmente le transfert de chaleur jusqu'à 50 %. Les liquides modernes sont également équipés d'un régulateur PID qui surveille et régule la température à 2 °C près de la consigne, en faisant varier la vitesse du ventilateur et de la pompe, et assure une surveillance de la température en temps réel. De plus, les liquides injectés d'oxyde de cuivre sont testés pour augmenter la conductivité thermique, ce qui montre une performance supérieure de 20 %.

Attendez, ce n'est pas tout ! Le refroidissement liquide évolue constamment grâce à l'ingénierie utilisant des simulations CFD pour optimiser la construction des ailettes, la vitesse d'écoulement, la turbulence, le refroidissement et la conception thermique. Si cette évolution technologique se poursuit, nous pourrions disposer d'un système de refroidissement utilisant un changement de phase du liquide à l'interface chaude pour refroidir le processeur, lequel se condenserait ensuite au niveau du radiateur.

Conseils d'installation et d'entretien

L'installation du liquide requiert des compétences expertes, car elle implique des composants très sensibles, notamment de l'eau, qui peut endommager le processeur en cas de fuite. Avant de commencer l'installation, nettoyez tous les éléments et appliquez de la pâte thermique sur le processeur. Montez le waterblock et serrez les vis avec un couple de serrage régulier, compris entre 0,6 et 1 Nm. Notez que les vis doivent être serrées en croix. Le tuyau d'écoulement du liquide est également un élément important. Lors de l'installation, assurez-vous que le tuyau est acheminé conformément au manuel et que chaque flexible est fixé avec un collier de serrage. Avant de commencer, assurez-vous que le système est correctement amorcé et qu'il ne contient pas d'air.

Pour l'entretien, pensez à demander conseil à un expert ou à le confier à un professionnel. Parmi nos conseils, citons l'utilisation d'un outil réactif aux UV qui brille sous l'effet d'une lumière UV pour détecter les fuites, et des cycles de purge annuels ou selon les besoins, qui élimineront 95 % de l'air et amélioreront l'efficacité. Veillez également à rincer le système une fois par an avec une solution vinaigrée. Faites circuler la solution pendant 30 minutes pour dissoudre le tartre à l'intérieur des tubes et des composants, puis rincez.

Avantages par rapport au refroidissement par air traditionnel

La chaleur spécifique de l'eau est bien supérieure à celle de l'air, ce qui confère naturellement un avantage aux systèmes de refroidissement liquide. En cas de charge soutenue sur un processeur, le refroidissement liquide maintient la température 40 % inférieure à celle d'un système à air. Les systèmes liquides offrent un meilleur refroidissement et sont plus silencieux : les pompes sont moins bruyantes, l'eau agit comme un amortisseur naturel et les ventilateurs des radiateurs sont plus silencieux. Les systèmes de refroidissement liquide sont plus compacts et s'intègrent facilement dans un ordinateur ITX compact, ce qui le rend plus attrayant et esthétique.

Conclusion

La thermodynamique et l'ingénierie ont révolutionné le refroidissement liquide, offrant de meilleures performances CPU grâce à des circuits d'écoulement usinés avec précision. Des schémas d'écoulement stables utilisant des pompes et des radiateurs performants, utilisés par les opérateurs pour chauffer l'environnement, en font une solution de refroidissement fiable pour les ordinateurs modernes à haute puissance. Offrant une meilleure conductivité thermique, un design plus élégant, une esthétique améliorée et un fonctionnement plus silencieux, ils constituent un choix supérieur aux solutions de refroidissement par air et font de la gestion thermique un art.

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