Les systèmes embarqués deviennent de plus en plus complexes, traitant et analysant un nombre croissant de capteurs et de signaux. Le résultat de cette hausse de calcul est souvent une charge thermique électronique plus importante et plus concentrée.
Concevoir un système de refroidissement liquide pour la gestion thermique d'un système haute performance
La chaleur excessive compromettant la fiabilité des systèmes, le refroidissement par air n'est plus adapté à certaines applications. De nombreux ingénieurs se tournent vers le refroidissement liquide pour éliminer la chaleur.
Les complexités de la conception d'un système de refroidissement liquide peuvent être intimidantes pour ceux qui ne sont pas familiers avec cet ensemble de technologies. Although selecting thermal components for a liquid cooling loop is relatively straightforward, there are other considerations or nuances that can be overlooked. Il s'agit notamment de la compatibilité des matériaux, de la prévention de la corrosion, du contrôle de la condensation, de la position de la boucle de refroidissement liquide, de l'utilisation de pièces standard par rapport aux pièces sur mesure, des joints, des raccords, des connecteurs, ainsi que de l'entretien et de la maintenance.
Une boucle de refroidissement liquide se compose généralement d'une plaque de refroidissement liquide, d'une pompe, d'un échangeur de chaleur et de tuyaux ou de flexibles (figure 1). La carte génère de la chaleur résiduelle, qui est transférée de la carte à la plaque thermoconductrice, puis au liquide de refroidissement qui circule dans la plaque froide. En général, le trajet du fluide correspond aux points chauds de la carte. Le liquide de refroidissement chauffé est ensuite pompé à travers l'échangeur de chaleur, où la chaleur est transférée du liquide de refroidissement à l'air ambiant ou, dans le cas d'un échangeur de chaleur liquide-liquide, à un autre liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement refroidi circule ensuite dans des tuyaux ou des flexibles pour revenir à la plaque froide, complétant ainsi la boucle de refroidissement. En fonctionnement normal, le liquide de refroidissement circule en permanence dans la boucle de refroidissement liquide pour maintenir la carte froide.
Compatibilité des matériaux
Étant donné que tous les matériaux et le fluide de la boucle de refroidissement liquide doivent fonctionner ensemble tel un seul système, ils doivent être compatibles les uns avec les autres et doivent être sélectionnés conjointement. Le cuivre convient à la plupart des applications, car il possède une excellente conductivité thermique, tout en étant compatible avec la plupart des fluides non corrosifs. L'aluminium est compatible avec les fluides tels que les solutions à base de polyalphaoléfine (PAO), d'huile, d'éthylène glycol et eau (EGW), ainsi que le Fluorinert™, un fluide perfluorocarboné inerte et électriquement isolant, fabriqué par 3M et utilisé dans de nombreuses applications de refroidissement de circuits électroniques. L'acier inoxydable est compatible avec la plupart des fluides, y compris les fluides corrosifs comme l'eau déionisée. Plusieurs fluides différents sont compatibles avec divers matériaux standard de plaques de refroidissement et d'échangeurs de chaleur (figure 2).
Figure 2: Les différents fluides sont compatibles avec une variété de matériaux standard pour les plaques de refroidissement et les échangeurs de chaleur.
La plupart des liquides de refroidissement nécessitent également un petit pourcentage d'additifs pour inhiber la corrosion et lubrifier la pompe. Il est cependant important de noter que les inhibiteurs de corrosion peuvent être rendus inefficaces par des matériaux incompatibles dans un autre point du système, ce qui doit également être évalué. Les biocides, les algicides et les ajustements de pH peuvent également être utiles à l'entretien de votre système, selon le liquide de refroidissement choisi.
| Compatibilité des matériaux et des fluides caloporteurs | Eau | EGW | Eau diéonisée | Huile | Fluides diélectriques (ex. Fluorinert™) | Polyalphaoléfine (PAO) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tubes en cuivre | X | X | ||||
| Tubes en acier inoxydable | X | X | X | |||
| Tube plat ou plaque et ailettes d'aluminium | X | X | X | X | ||
| Cuivre plat, cuivre gravé ou cuivre brasé | X | X | X | X | X | |
| Usinage | X |
Prévention de la corrosion
La corrosion peut causer des problèmes de deux manières différentes. Non seulement le matériau peut se corroder, ce qui entraîne des fuites, mais le matériau corrodé peut se déposer ailleurs dans le système et bloquer les passages de fluide ou les filtres. Cela peut engendrer une baisse de pression qui entraîne une réduction du débit du liquide de refroidissement. En outre, si le dépôt se produit sur des surfaces actives de transfert de chaleur, la résistance thermique supplémentaire causée par l'encrassement peut faire augmenter les températures.
La corrosion galvanique et l'érosion-corrosion doivent être minimisées dans la boucle de refroidissement liquide. La corrosion galvanique se produit lorsque des métaux dissemblables sont en contact électrique l'un avec l'autre en présence d'un électrolyte tel qu'un liquide conducteur. La plupart des liquides de refroidissement à base d'eau sont électrolytiques à un certain degré. Pour éviter la corrosion galvanique, il faut soit concevoir la boucle avec des matériaux similaires dans l'ensemble du système, idéalement avec un seul métal, soit utiliser un fluide non-conducteur. Il faut prendre en compte le potentiel galvanique de tous les matériaux du système. Cela inclut non seulement les composants thermiques primaires, mais aussi tous les connecteurs, les raccords, les vannes et les jonctions présents sur le trajet du fluide.
L'érosion-corrosion est l'accélération de la vitesse de corrosion du métal due au mouvement relatif d'un fluide et d'une surface métallique. On la trouve le plus souvent dans les coudes et les flexions de tuyaux, les rétrécissements de tubes et autres structures qui modifient la direction ou la vitesse de l'écoulement. L'érosion-corrosion est plus répandue dans les alliages tendres, comme le cuivre et l'aluminium.
Parmi les méthodes permettant de minimiser l'érosion-corrosion, citons la possibilité d'élargir l'angle des coudes, de modifier le diamètre des tuyaux progressivement plutôt que brusquement, et d'améliorer les lignes d'écoulement à l'intérieur des tuyaux en les ébavurant, c'est-à-dire en aplanissant les irrégularités. D'autres méthodes consistent à réduire la quantité d'oxygène dissous, à modifier le pH et à remplacer le matériau du tuyau par un autre métal ou alliage. Consultez nos notes d'application « Erosion-corrosion dans les systèmes de refroidissement » et « Éviter la corrosion galvanique » pour plus d'informations sur la corrosion.
Conception d'une boucle de refroidissement liquide et de condensation
En plus de minimiser la corrosion, il est important de minimiser ou d'empêcher la condensation. L'un des risques de l'utilisation de réfrigérants à des températures inférieures à la température ambiante est la formation de condensation sur les surfaces froides. Cette condensation peut s'égoutter sur les appareils électroniques ou s'accumuler dans le fond du système et provoquer de la corrosion. Pour éviter la condensation, la température des surfaces peut être maintenue au-dessus du point de rosée ambiant, soit en isolant ces surfaces, soit en utilisant des températures de fluide plus élevées. Boyd propose une variété de matériaux isolants comme la mousse SOLIMIDE® pour maintenir la température des lignes et éviter la condensation et tout dommage potentiel.
Dans une boucle de refroidissement liquide correctement conçue et entretenue, les fuites sont très peu probables. Cependant, pour minimiser l'effet de toute fuite potentielle, le réservoir et la boucle de liquide peuvent être situés en dessous des composants électroniques qui seraient court-circuités si le liquide de refroidissement ou le condensat venait à s'égoutter ou être pulvérisé sur eux. Parmi les autres options, certaines consistent à installer un bouclier liquide ou une barrière sur les parties à haute tension du système électrique.
Lors de la conception de la boucle de refroidissement liquide, il est également possible d'utiliser des pièces standard ou sur mesure. Chaque solution présente des avantages et des inconvénients. Les pièces standard sont facilement disponibles s'il est nécessaire d'en remplacer une. Les pièces sur mesure, quant à elles, sont optimisées en fonction de la taille, des performances et des exigences de l'application. Toutefois, les délais d'exécution sont plus longs et le coût peut être plus élevé.
Joints, raccords et connecteurs
The number of joints in the cold plate or heat exchanger is important. Plus il y a plus de joints à braser, plus le risque de fuites est élevé. Il est important de s'assurer que le fabricant est hautement qualifié en matière de brasage, qu'il dispose de procédures de test appropriées et qu'il élimine tout point de brasage inutile dans un composant sur mesure.
Pour éviter les fuites, il faut choisir les bons raccords et les utiliser correctement. Pour un joint sans fuite, un raccord de tube à bourrelet s'accouple à un tuyau fixé par un collier. Les tuyauteries rigides sont généralement préférables aux tuyaux plus souples, mais ces derniers peuvent être utilisés dans des environnements où les systèmes sont exposés à des chocs ou à des vibrations. Une unité avec un raccord de tube droit peut être soudée au sein du système ou utilisée avec un raccord autobloquant et sans couple. Avec un coupleur rapide qui n'est pas anti-goutte, vous devez vous attendre à une goutte occasionnelle de liquide lorsque vous connectez ou déconnectez les raccords. Pour plus d'informations, veuillez consulter notre note d'application sur le « Choix d'un coupleur à déconnexion rapide ».
Une autre option consiste à utiliser des raccords à joints toriques fabriqués selon les spécifications des matériaux de la Société des ingénieurs de l'automobile (SAE, Society of Automotive Engineers) ou selon des spécifications militaires. Ces raccords sont disponibles dans différents matériaux et tailles et assurent un joint fiable et étanche. La gamme de joints toriques de Boyd, ainsi que son expertise, peuvent vous aider à vous assurer que vous sélectionnez rapidement le bon matériau, les bonnes certifications et la bonne taille pour aider à prévenir les fuites dans votre système.
Entretien et maintenance
Bien que l'entretien et la maintenance puissent être la dernière chose à laquelle les ingénieurs pensent lorsqu'ils conçoivent une boucle de refroidissement liquide, le fait d'inclure cette considération dans le processus de conception permettra de réduire les problèmes sur le long terme. Il faut se poser différentes questions.
Par exemple :
- La pompe aura-t-elle besoin d'être lubrifiée avant sa fin de vie et son remplacement, ou le liquide de refroidissement va-t-il remplir cette fonction ?
- Le réservoir de liquide devra-t-il être rempli ?
- Quels composants peuvent être remplacés sur le terrain ?
- Quel est le calendrier d'entretien ?
- Quelle est la durée de vie requise pour la pompe ?
- Si le remplacement de la pompe est nécessaire, comment charger le système et le remettre en marche ?
D'autres questions portent sur ce que l'utilisateur doit faire pour que le système fonctionne à nouveau.
- Est-ce que cela nécessite de retirer l'électronique et la plaque de refroidissement, ou seulement l'électronique, et ces deux parties peuvent-elles être facilement retirées et remplacées en insérant simplement une nouvelle pièce ?
- Si la plaque froide est remplacée, sera-t-elle expédiée avec le liquide de refroidissement ?
- L'équipementier expédie-t-il le système, ou l'unité remplaçable, sur site et rempli de fluide ?
- Si c'est le cas, la congélation du fluide est à éviter, comme dans les soutes d'avions qui peuvent être très froides.
Ces questions doivent être prises en compte par les membres des équipes de conception, d'exploitation et d'entretien. La participation à la prise de décision de toutes les personnes concernées permettra de garantir le bon déroulement des opérations à l'avenir.
La compatibilité des matériaux, la prévention de la corrosion, le contrôle de la condensation, la position de la boucle de refroidissement liquide, les pièces standard ou les pièces sur mesure, les joints, les raccords, les connecteurs, les tuyaux et les exigences d'entretien et de maintenance doivent tous être pris en compte lors de la conception d'une boucle de refroidissement liquide modifiée, standard ou sur mesure. Lorsqu'il est correctement intégré dans un système, le refroidissement liquide offre une élimination de la chaleur très efficace et à faible risque. Aujourd'hui, des dizaines de milliers de plaques de refroidissement et d'échangeurs de chaleur font partie des systèmes électroniques de refroidissement liquide dans certaines des applications les plus exigeantes et les plus performantes.
Rédigé par Richard Goldman et Tracey Barber
Article original publié dans le magazine RTC, Juillet 2006
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