2. Présentation

Comment chauffe un composant électronique?

Lorsqu'un composant électronique est parcouru par un courant électrique créé par des porteurs de charges, ces derniers interagissent avec les atomes du composant, ce qui induit une résistance au déplacement. Ainsi, pour contrer cette résistance, il faut fournir une puissance suffisante qui est ensuite dissipée sous forme de chaleur lors des interactions entre atomes : c'est l'effet Joule. Cette chaleur doit être évacuée par des méthodes industrielles telles que présentées dans la prochaine section, sous peine de fonte du composant.

Loi de Joule pour un conducteur ohmique

 

Quelles sont les différentes façons de refroidir un composant électronique?

On trouve dans l'industrie trois façons de refroidir les composants électroniques : le refroidissement par liquide, par air ou par convection naturelle.

 

1. Refroidissement par liquide

  • le caloduc

Un caloduc (heat pipe) est un conducteur thermique, bien plus efficace que les métaux, servant à transporter la chaleur d'une source chaude vers une source froide, par le principe de changement de phase d'un fluide caloporteur.

Le principe du caloduc est basé sur la circulation d'un liquide en équilibre avec sa vapeur entre une région chauffée, l'évaporateur, et une région refroidie, le condenseur, le tout en l'absence d'air. Alors que la vapeur se déplace grâce à la différence de pression entre l'évaporateur et le condenseur, le condensat retourne alors vers l'évaporateur sous l'effet de forces. La circulation de ce liquide est induite soit par effet de la gravitation, soit par effet capillaire. Ainsi, selon ces effets, on distingue deux types de caloducs : les thermosiphons diphasiques et les caloducs capillaires.

Le caloduc est un dispositif statique permettant le transfert de flux thermiques très élevés avec un faible gradient thermique. Dès lors, il peut être très utilisé pour le refroidisssement de microprocesseurs d'ordinateurs ou dans le domaine spatial, où existent d'importants flux thermiques à évacuer pour éviter l'altération du satellite. En effet, le contrôle thermique des composants dans ce domaine a été une des premières applications des caloducs qui sont très efficaces et souples dans la gestion thermique.

 

  • la boucle fluide diphasique à pompage mécanique

Ce système est composé d'un ou plusieurs évaporateurs et condenseurs ainsi que d'une pompe permettant la circulation du liquide. Les composants électroniques à refroidir sont placés à proximité de l'évaporateur de la boucle puis le liquide saturé issu de la pompe soutire de la chaleur aux composants. Le liquide devient donc vapeur à partir de la température de saturation, ce qui augmente d'autant plus l'efficacité des transferts thermiques. La vapeur arrive ensuite au condenseur par le biais de la pompe, ce qui permet la liquéfaction de celle-ci.

 

  • la boucle fluide monophasique à pompage mécanique

La boucle fluide monophasique utilise la chaleur du fluide caloporteur. Ce dernier absorbe la puissance dissipée par les équipements puis la rejette en se refroidissant dans un radiateur sans changer de phase. Le fluide est mis en mouvement par un système de pompage mécanique mais qui peut présenter l'inconvénient d'une durée de vie courte, peu souhaitable lors d'une mission satellitaire.

 

  • la boucle fluide diphasique à pompage capillaire

Tel le caloduc, ce type passif de boucle fluide utilise les propriétés de changement de phase d'un fluide caloporteur, mais permet le transport de chaleur sur une plus grande distance pouvant aller jusqu'à une dizaine de mètres. Le fluide est mis en mouvement grâce aux forces capillaires s'exerçant au sein d'un milieu poreux. Il existe deux catégories de boucles fluides diphasiques à pompage capillaire : les CPL (Capillary Pumped Loop) et les LHP (Loop Heat Pipe).

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Le comparatif des technologies de transport de chaleur ci-dessous permet de voir les performances des caloducs par rapport aux boucles fluides.

Classical fluid loops : boucles fluides classiques

Macro heat pipes : macro-caloducs

Known mini fluid loops : boucles fluides miniatures

Mini-heat pipes : caloducs miniatures

 

Comparatif des performances des boucles fluides par rapport aux caloducs - source EADS Astrium

 

2. Refroidissement par air

L'avantage du refroidissement de composants par un débit d'air incident par rapport aux caloducs est sa facilité de mise en place, sa fiabilité ainsi que son faible coût. En effet, le refroidissement par liquide peut endommager les composants si une fuite venait à se déclarer dans le système. De plus, une installation en plus pour contrôler et faire circuler le fluide de refroidissement est nécessaire, ce qui pose des problèmes d'encombrement. Le refroidissement par air est généralement mis en place avec un ventilateur.

 

3. Refroidissement par convection naturelle

L'étude du refroidissement par air, c'est-à-dire par convection forcée, étant déjà un cas référencé, Epsilon nous a plutôt proposé de traiter le refroidissement des composants par convection naturelle, beaucoup plus difficile à mettre en oeuvre. La convection naturelle est bien moins efficace que la convection forcée mais un avantage réside dans l'économie de moyens de refroidissement.