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Le dissipateur rotatif sans ventilateur : vos questions ont été répondues par l’inventeur – High-teK.ca

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Après avoir couvert le échangeur de chaleur sans ventilateur, résistant à la poussière et aux détritus la semaine dernière, nous avons été submergés de questions sur la nouvelle technologie. Comment ça marche? Utilise-t-il vraiment une fine couche d’air pour transférer la chaleur – et si oui, comment cela peut-il être meilleur que le cuivre ou la graisse thermique ? Est-il vraiment immunisé contre la poussière, ou êtes-vous simplement hyperbolique ? Êtes-vous sûr qu’il peut réellement économiser 7 % de la consommation annuelle d’électricité aux États-Unis ?

Heureusement (et plutôt héroïquement) Jeff Koplow, l’inventeur de l’échangeur de chaleur à roulement à air, a rassemblé presque chacune de vos questions et a envoyé ses réponses par e-mail à ExtrêmeTech. Autant dire que l’e-mail qu’il a envoyé était volumineux ; 3 500 mots de large. Nous n’allons pas coller l’intégralité de l’échange ici sur le site Web – au lieu de cela, nous avons fait de notre mieux pour presser vos questions et ses réponses dans un format facilement lisible. Lisez la suite pour savoir si le dissipateur thermique rotatif sans ventilateur est vraiment aussi génial qu’il y paraît.

Question : L’échangeur de chaleur à coussin d’air est-il réellement à l’abri de la poussière et des détritus ?

Jeff Kolow : Je ne voulais pas dire qu’il n’y a littéralement pas d’encrassement par la poussière ; une certaine accumulation de poussière devient finalement visible à l’œil nu sur le bord d’attaque des pales. Le fait est que l’encrassement par la poussière est tellement réduit que nous sommes incapables de détecter toute dégradation des performances de refroidissement en faisant fonctionner l’appareil dans un environnement relativement sale sur une période de temps prolongée. Ainsi, à toutes fins utiles, le problème de l’encrassement par la poussière a été retiré de la table. En revanche, avec les refroidisseurs de CPU conventionnels, toute la surface de l’échangeur de chaleur finit par être ensevelie sous la poussière. Je suppose qu’il existe certaines applications dans lesquelles les ordinateurs fonctionnent dans des environnements extrêmement poussiéreux qui pourraient être trop pour la turbine du dissipateur de chaleur. C’est du bon sens. En essayant de trouver un moyen de contourner le problème de longue date de l’encrassement par la poussière du refroidisseur de processeur, je pensais en termes d’environnements résidentiels et commerciaux où se trouvent la grande majorité des PC.

Q : Une roue métallique lourde est sûrement dangereuse ?

JK : Tout appareil du monde réel comprendrait un écran, une grille ou une autre forme de boîtier de protection. De telles mesures de protection sont largement utilisées sur les ventilateurs conventionnels. Nous avons photographié notre appareil sans boîtier afin qu’il soit plus facile pour les gens de voir à quoi il ressemble. Cela dit, rien ne se passe lorsque vous placez votre doigt en contact avec la turbine rotative du dissipateur de chaleur. Si vous avez envie de passer votre main le long d’une palissade. Ce ne serait pas le cas si les ailerons utilisaient une géométrie balayée vers l’avant plutôt que vers l’arrière.

Q : Pourquoi la turbine du dissipateur thermique est-elle si silencieuse ?

JK : Cela revient à dire que vous avez beaucoup plus de flexibilité en ce qui concerne la géométrie des pales qu’avec un ventilateur. Cela signifie que vous êtes libre de concevoir la géométrie des pales pour diviser et rejoindre en douceur le champ d’écoulement à l’entrée et à la sortie de la turbine ; l’architecture de l’appareil vous permet de découpler les contraintes d’ingénierie d’un débit d’air adéquat et d’un faible bruit. Je regrette que nous n’ayons pas encore effectué de mesures en dBA. Cela s’avère difficile lorsque les niveaux sonores sont extrêmement faibles à cause du bruit de fond. On m’a dit que Sandia avait une chambre anéchoïque que nous pourrions utiliser. Cela n’a pas été notre priorité absolue car nous ne rencontrons pas de problèmes de bruit, mais ces mesures seront effectuées.

Q : Les petites particules obstruent-elles la région de l’entrefer et, si c’est le cas, encrassent-elles inévitablement l’interface du coussin d’air ?

JK : Non, pour deux raisons :

La première raison est que la direction du flux d’air à la périphérie de la turbine rotative du dissipateur de chaleur est radialement vers l’extérieur. La poussière et les autres particules sont donc dirigées loin de l’entrefer. C’est le seul point d’entrée possible dans l’entrefer, car dans les versions ultérieures de l’appareil, nous avons enfermé le rotor du moteur sans balais pour empêcher la pénétration de poussière et d’autres corps étrangers dans la région d’admission du flux. Évidemment, les particules de diamètre> 0,001 ″ ne peuvent pas pénétrer dans la région de l’entrefer car elles ne rentrent pas.

La deuxième raison pour laquelle nous ne voyons jamais de poussière s’accumuler dans l’entrefer est que si une particule devait pénétrer dans l’entrefer, elle serait balayée vers l’extérieur par la force centrifuge (pour un observateur dans le cadre rotatif). La raison en est qu’une particule de toute taille appréciable ne peut pas simplement se déposer et se mettre à l’aise sur la plaque de base fixe. La vitesse tangentielle du flux d’air dans la zone d’espace est nulle uniquement à la surface de la plaque de base. Une particule reposant sur la plaque de base fait saillie dans la région de débit non nul et est ainsi entraînée dans la direction tangentielle. Parce que ces particules sont plus denses que l’air ambiant, elles subissent une force centrifuge beaucoup plus grande que l’air ambiant et sont ainsi projetées vers l’extérieur et expulsées.

Q : Le « mur de briques thermiques » est à 4 GHz, et non à 3 GHz…

JK : Ce que je veux dire, c’est que si vous introduisez une amélioration drastique de la technologie de gestion thermique, quel que soit le nombre de murs en briques thermiques, cela augmente beaucoup plus. En faisant des recherches sur cette question, je suis arrivé à la conclusion que 3 GHz est typique des machines haut de gamme commercialisées en masse, telles que celles utilisées dans le secteur commercial et résidentiel. Je travaille pour le ministère de l’Énergie, donc mon intérêt pour les machines commercialisées en masse reflète un intérêt pour l’impact plus large que cette nouvelle technologie pourrait avoir. Je ne voulais pas ignorer les personnes qui se situent à l’extrémité supérieure du spectre des performances. Je pense que la technologie des échangeurs de chaleur à palier à air leur sera également utile.

Q : La résistance à la propagation thermique sera très élevée avec une plaque de base solide et une source de chaleur intense comme un processeur…

JK : Comme pour les autres refroidisseurs de CPU, vous résolvez ce problème en incorporant un caloduc. La plaque de base de notre appareil version 3 a un caloduc planaire intégré.

Q : Pourquoi le livre blanc n’incluait-il pas de test A/B réel pour montrer les performances relatives du nouvel échangeur de chaleur à palier à air ?

JK : Nous sommes en train de monter une telle démo. Il faut garder à l’esprit que le but de ces expériences de preuve de concept était de tester l’hypothèse selon laquelle les différents schémas de transfert de chaleur utilisés dans cette nouvelle architecture de dispositif devraient être capables de fournir des performances considérablement améliorées. Les preuves appuient fortement cette conclusion, mais le reconnaître nécessite une certaine réflexion car nous ne parlons pas encore d’une technologie mature ou d’un prototype prêt à l’emploi.

Q : Comment avez-vous calculé que les États-Unis utiliseraient 7 % d’électricité en moins si nous utilisions l’échangeur de chaleur à roulement à air ?

JK : La grande majorité des économies d’énergie proviendrait d’applications telles que la climatisation et la réfrigération, et non du refroidissement de l’électronique. Mais de telles applications dans le secteur de l’énergie ne se concrétiseront que si la technologie des échangeurs de chaleur à palier à air se prête à une mise à l’échelle de la taille. Nous sommes en train d’évaluer cette question. Il y a des références dans le livre blanc sur l’origine des chiffres de la consommation d’électricité. Nous avons récemment augmenté notre estimation des économies d’énergie potentielles de 5 % à 7 % en raison des progrès que nous avons réalisés en laboratoire. 7% ne semble pas beaucoup, jusqu’à ce que vous considériez que la facture d’électricité annuelle pour l’ensemble des États-Unis est d’environ 250 milliards de dollars par an. La quantité d’électricité économisée dépendra également de la mesure dans laquelle la technologie des échangeurs de chaleur à palier à air peut aider à résoudre le problème de gestion thermique des LED dans l’éclairage à semi-conducteurs. Dans une ampoule LED typique, les LED pourraient être beaucoup plus lumineuses si vous pouviez les garder au frais. Aussi efficaces que soient les LED, généralement 80% de l’énergie électrique qu’elles utilisent est convertie en chaleur à l’intérieur de la matrice LED.

Q : Je ne suis pas sûr de l’utilité de l’entrefer de 0,001 pouce dans un produit fabriqué en série…

JK : C’est certainement compréhensible, et c’était l’une des premières choses que nous avons étudiées. Après tout, si l’exigence d’un petit entrefer exclut la possibilité d’une fabrication à faible coût, d’une fiabilité, etc., je serais le premier à convenir que tout cela est un exercice inutile. Le rapport de fin de projet explique pourquoi ce n’est pas le cas. En gros, cela se résume à trois choses :

a) 0,001″ sonne comme un très petit nombre. Sauf si vous avez de l’expérience avec Usinage CNC et d’autres techniques de fabrication modernes, il serait raisonnable de supposer que les tolérances requises pour la planéité et la qualité de surface sont un facteur décisif. Cela s’avère faux. En pratique, obtenir une planéité et une qualité de surface suffisantes (sur une fraiseuse CNC par exemple) est assez simple.

b) L’autre point est que la distance d’entrefer n’est pas maintenue en maintenant des tolérances mécaniques serrées. Il y a une rétroaction négative dans les paliers à air qui fournit un effet stabilisateur passif. Par exemple, imaginez que j’ai appuyé sur le coussin d’air, de sorte que la distance de l’entrefer a été réduite de 10 %, puis que je l’ai relâché. Plus la distance de l’écart est petite, plus la pression générée par le palier à air est élevée (ceci s’applique aux paliers à gaz hydrostatiques et hydrodynamiques). Cela augmente la force ascendante agissant sur la turbine du dissipateur de chaleur, qui agit pour la ramener à sa hauteur d’origine. Le palier à air se comporte essentiellement comme un ressort de compression très fin et très rigide.

c) Ce dernier point peut sembler contre-intuitif, mais en effet les paliers à air sont extrêmement rigides mécaniquement, robustes et fiables. Ceci est également discuté dans le rapport. En bref, la constante de ressort effective (changement de force par unité de changement de longueur), k, est donnée par k = dF/dh, la première dérivée de la force (F) par rapport à la hauteur (h). La force est simplement la pression (P) multipliée par la surface (A), donc pour la rigidité du ressort de compression, nous avons k = A (dP/dh). Il s’avère que dP/dh est un très grand nombre ; la pression dans la région de l’entrefer est très sensible à une variation de la distance de l’entrefer. C’est par exemple pourquoi une rondelle de hockey sur air qui flotte à 0,001″ au-dessus de la surface d’une table de hockey sur air reviendra de manière très reproductible à une « altitude » de 0,001″ si vous la retirez de la table puis la remettez sur la table. Et si nous augmentons la température de la pièce dans laquelle se trouve la table de hockey sur air, elle se dilate légèrement, augmentant la hauteur de la surface de la table de hockey sur air par rapport au sol sur lequel elle est assise. Mais cela ne modifie pas la distance de l’écart ; la rondelle de hockey sur air accompagne simplement le trajet et reste séparée de 0,001 pouce de la surface de la table de hockey sur air.

Q : Et un tel appareil peut être fabriqué à un prix assez bas pour le marché de masse ?

JK : Nous convergeons vers le forgeage à froid comme la meilleure voie vers une fabrication à faible coût. Nous comprenons que si nous ne pouvons pas réduire les coûts, cette technologie d’échangeur de chaleur à palier à air aura peu d’impact.

Lisez la suite pour plus de détails techniques sur le dissipateur thermique sans ventilateur.

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