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Opération 31 : Refroidissement diphasique de composants électroniques et amélioration du transfert thermique par traitement de surface

Auteurs : Nadia Caney

Aujourd’hui, les équipements électroniques ont besoin de dissiper des densités de chaleur supérieures à 100 W/cm2. Les méthodes de refroidissement ont utilisé pendant longtemps de l’air en convection naturelle ou forcée et ont dû évoluer vers des techniques utilisant un liquide monophasique (via des plaques froides) ou diphasique. Cependant, dissiper de tels flux implique d’utiliser des dissipateurs plus grands que la plaque des composants ce qui génère des points chauds et une répartition non uniforme du flux de chaleur. Pour ces raisons, plusieurs alternatives ont été développées pour créer un système intégré à la source chaude afin d’éliminer la chaleur de façon uniforme comme les caloducs, les micro-canaux, le spray cooling et les échangeurs de chaleur à plaque et ailettes…Outre ces aspects physiques, le refroidissement des calculateurs à forte puissance devient également un enjeu économique puisque la consommation énergétique des Data Center aux États-Unis a été estimée à plus de 100 milliards de kWh en 2011, soit un coût annuel de plus de 7 milliards de dollars américains auquel s’ajoute également le coût lié à la mise en place la taxe carbone.
Une méthode simple de refroidissement est de plonger directement les composants dans un liquide. Ainsi, la chaleur est directement enlevée de la surface des composants. Le liquide peut rester monophasique ou peut changer de phase. Dans ce dernier cas, le processus est appelé ébullition nucléée ou ébullition en vase (pool boiling). L’avantage de ce procédé est d’augmenter les coefficients d’échange de chaleur grâce au changement de phase du fluide, d’avoir une température de surface uniforme, de supprimer les résistances d’interface et de réduire les puissances de pompage.

La figure jointe est une photo d’une section d’essais en spray cooling qui va être testée au LEGI sur un sujet d’étude en collaboration avec le CEA Grenoble.