Les technologies de refroidissement pour la protection des systèmes électriques et électroniques
L'efficacité des systèmes énergétiques est désormais un enjeu majeur de développement durable. Elle suppose, d’une part, l’amélioration des performances de chacun de leurs composants mais aussi l’optimisation des systèmes complets. Les refroidisseurs y contribuent fortement.
Tout dispositif électrique ou électronique en marche engendre des pertes d'énergie qui se manifestent par la production de chaleur. Cette chaleur doit être évacuée pour éviter la surchauffe des composants et prévenir de leur éventuelle détérioration prématurée. C’est le rôle du refroidisseur.
Son principe de fonctionnement repose sur un ensemble d’échanges thermiques avec le composant avec lequel il est mécaniquement en contact. Ces échanges utilisent les principes généraux de la thermique, à savoir principalement :
- La conduction à travers les éléments métalliques du dissipateur,
- La convection entre le refroidisseur et le fluide qui le traverse (air , eau,…).
Refroidissement par air, par eau ou diphasique, trois technologies répondant à tous besoins industriels
1- Le refroidissement à air (ou air cooling) : c’est le système le plus simple à mettre en place, qui utilise l'air atmosphérique pour évacuer la chaleur. L’adjonction d’un système de ventilation au dissipateur peut améliorer la convection (et donc l’évacuation de la chaleur) grâce à l’accélération du flux d’air sur le refroidisseur. La convection sera alors qualifiée de forcée, par opposition à la convection naturelle.
2 - Le refroidissement diphasique (ou par caloduc) : un caloduc se présente sous la forme d’une enceinte hermétique qui renferme un fluide (généralement de l’eau ou du méthanol). L’extrémité basse du caloduc située près de l’élément à refroidir est appelée «évaporateur». Lors de la phase de démarrage de l’équipement électrique, le liquide présent dans le bloc évaporateur chauffe et se vaporise en emmagasinant de l'énergie provenant de la chaleur émise par cet élément. Ce gaz se diffuse à l’intérieur de tubes en cuivre hermétiques et migre alors vers la partie supérieure du caloduc appelée «condenseur» où des ailettes en aluminium sont serties sur les tubes en cuivre. Au contact de l’air soufflé par convection naturelle ou forcée à travers les ailettes, le gaz présent dans les tubes en cuivre se refroidit puis se condense en cédant son énergie à l’air ambiant sous forme de chaleur pour redevenir à nouveau liquide. Le liquide retourne alors dans la partie évaporateur du caloduc en utilisant le principe de la gravité.
Le système caloduc offre des performances de refroidissement supérieures à celles du refroidissement à air et des avantages tels que : l’augmentation des surfaces d’échanges, une meilleure compacité des systèmes complets ainsi que la possibilité de séparer la source de chaleur induite par les composants électroniques de la partie condenseur ou la chaleur est évacuée.
3 - Le refroidissement à eau (ou watercooling) : avec cette technologie, c’est la circulation de l’eau, dans l’ensemble du dispositif de refroidissement (plaques froides + boucle de refroidissement associée) qui va permettre le transfert thermique. Les calories dissipées par le système électronique sont transportées vers un échangeur Air/Eau à l’aide d’une pompe hydraulique intégrée à la boucle de refroidissement.
Les caractéristiques physiques de l’eau assurent des performances thermiques très importantes par rapport à un système de refroidissement direct à air. Cette technologie de refroidissement est utilisée pour dissiper la chaleur d’équipements électroniques de très forte puissance (centaines de KW à plusieurs MW). C’est le dispositif qui possède les plus hautes performances mais qui nécessite une fiabilité sans faille (étanchéité, robustesse, résistance à la corrosion) du fait de la cohabitation de l’eau et de l’électricité.
Le choix de la solution de refroidissement dépendra des problématiques industrielles (gain de place, amélioration du rendement, qualité de l’alimentation électrique…) et bien sûr des performances de refroidissement attendues. Carbone Lorraine est présent sur les trois technologies.