Refroidissement à air forcé par ventilateurs : injecter ou extraire de l'air ?

Bien que les concepteurs préfèrent généralement utiliser le refroidissement par convection naturelle non forcé, de nombreux circuits imprimés, châssis, systèmes et installations ne peuvent pas être refroidis correctement par le flux d'air qu'offre cette approche simple. Il est plus courant d'avoir besoin d'un ou de plusieurs ventilateurs pour forcer l'air (à un volume et à une vitesse connus) dans le boîtier ou le châssis afin d'obtenir la décharge thermique nécessaire pour les composants et systèmes chauds.

Les notes d'application pratiques, claires et de qualité ne manquent pas sur la façon de calculer le flux d'air nécessaire pour maintenir la chaleur et la température dans la limite autorisée, et sur la façon de dimensionner le ou les ventilateurs pour fournir ce flux d'air (références 1 à 3). La décision ne se limite pas au volume et au débit d'air nécessaires. Il s'agit également de savoir s'il faut utiliser un seul ventilateur de plus grande capacité, comme le CFM-4010V-070-273 de CUI Devices, une unité de 40 mm × 40 mm et de 8 pieds cubes par minute (CFM) (Figure 1, à gauche), ou plutôt deux ventilateurs de plus faible capacité ayant le même format physique et un aspect similaire, mais chacun doté d'environ la moitié de la capacité CFM (4,22 CFM), comme le CFM-4010C-050-195 de CUI Devices (Figure 1, à droite).

Figure 1 : Ces deux ventilateurs ont les mêmes dimensions rectangulaires et le même aspect général, mais celui de gauche fournit 8 CFM, tandis que celui de droite, plus fin, fournit environ 4,22 CFM. (Source de l'image : CUI Devices)

Les ventilateurs plus petits peuvent être utilisés en parallèle (côte à côte) pour augmenter le volume d'air ou dans une chaîne en série (l'un après l'autre) pour augmenter la pression. Le volume et la pression sont liés, car la pression d'air pousse l'air de refroidissement, au volume requis, dans l'impédance du trajet du flux d'air.

Pression positive ou négative ?

Une question évidente se pose : pour avoir le meilleur trajet de flux d'air possible, est-il préférable d'utiliser le ventilateur pour injecter de l'air frais dans l'unité (pression positive) ou de placer le ventilateur du côté de la sortie pour extraire l'air chaud de l'unité (pression négative) (Figure 2) ?

Figure 2 : En théorie, la meilleure trajectoire du flux d'air devrait aller de l'avant vers l'arrière et du bas vers le haut, mais de nombreuses conceptions et installations réelles ne permettent pas une telle simplicité. (Source de l'image : voltcave.com)

Cela semble être une question assez simple qui devrait avoir une réponse simple. Le schéma du flux d'air devrait être le même, peu importe l'approche choisie. En d'autres termes, pourriez-vous dire quelle disposition a été utilisée simplement en regardant une photo du flux d'air prise en utilisant une traînée de fumée ?

Toutefois, comme pour la plupart des problèmes d'ingénierie, il s'avère qu'il n'y a pas de réponse simple à cette modeste question. Au contraire, il existe deux réponses assez contradictoires :

1. Cela n'a pas vraiment d'importance
2. Cela dépend des circonstances et des spécificités de l'application

Suivez les joueurs

J'ai fait quelques recherches sur le refroidissement à air forcé par ventilateurs et, étonnamment, je n'ai rien trouvé d'utile dans les revues universitaires officielles ni même dans les articles et projets d'étudiants moins officiels. Ce que j'ai trouvé, c'est que de nombreux joueurs et adeptes du surcadençage de PC (et ils sont nombreux) ont étudié la question (voir les références 4 à 13).

Ce n'est pas surprenant, étant donné que ces passionnés ont tendance à en demander beaucoup à leurs systèmes en termes de fréquence d'horloge, ce qui entraîne des contraintes thermiques accrues (nous ne tiendrons pas compte de leur utilisation du refroidissement par liquide). Leurs rapports et blogs vont des approximations avancées aux tests réels, et leurs systèmes présentent certaines caractéristiques intéressantes :

• Il s'agit souvent d'unités autonomes fabriquées de manière artisanale, plutôt que montées dans un rack ou une armoire fermée.
• Ils n'attachent pas autant d'importance au coût que les systèmes traditionnels dont les volumes de production sont plus élevés.
• Ils sont entretenus avec soin (« choyés »).
• Ils offrent de multiples positions autour de leur châssis pour que les ventilateurs soient placés à la fois au niveau de l'entrée et de la sortie, ce qui permet d'injecter de l'air ou d'en extraire là où ils estiment que c'est le plus nécessaire (Figure 3).

Figure 3 : Un PC de jeu dissipe de grandes quantités de puissance, ce qui nécessite un refroidissement important. Il est généralement équipé de plusieurs ventilateurs situés en périphérie pour maximiser et diriger le flux d'air, certains ventilateurs injectant de l'air tandis que d'autres l'extraient. (Source de l'image : Appuals.com)

En revanche, de nombreuses unités commerciales à production standard sont souvent limitées à des ventilateurs situés d'un seul côté ou de deux côtés opposés, et sont montées en rack ou placées dans une armoire fermée.

Différences entre injection et extraction d'air

Pourquoi la différence entre injection et extraction d'air est-elle importante ? Ce n'est pas seulement en raison du trajet ou de l'efficacité du flux d'air, mais surtout pour l'aspect très pratique de l'accumulation de poussière au niveau du filtre à poussières et des pales du ventilateur. En fonction de la disposition physique du ventilateur et du trajet du flux d'air, lorsque l'air est injecté par un ventilateur à l'avant, la poussière s'accumule en grande partie sur la grille du filtre et dans une moindre mesure sur les pales. Cela entraîne une réduction du flux d'air de quelques points de pourcentage en cas de légère accumulation de poussière sur les bords des pales, ou une réduction à deux chiffres si la grille se retrouve bouchée. Heureusement, la grille est relativement facile à retirer et à nettoyer dans la plupart des conceptions.

En revanche, si le ventilateur se trouve au niveau de la sortie et qu'il extrait l'air, la poussière risque davantage de s'accumuler sur les composants internes puisqu'il n'y a pas de filtre du côté de l'entrée. Cette accumulation forme une couverture isolante sur les composants et augmente l'impédance thermique entre les composants et l'air qui passe, ce qui réduit l'efficacité du refroidissement du flux d'air. La situation est d'autant plus complexe qu'un boîtier d'ordinateur ou un châssis de produit typique présente généralement de nombreuses petites ouvertures, fentes et fissures par lesquelles le ventilateur peut aspirer de la poussière.

Certains joueurs qui préfèrent avoir un ventilateur en sortie pour extraire l'air ont essayé de résoudre le problème de la poussière en ajoutant des filtres autour du boîtier du PC là où pénètre l'air, mais les nombreuses petites ouvertures dans le boîtier ont rendu cette solution inefficace. Autre inquiétude : extraire l'air au lieu de l'injecter peut créer des « zones de vide » localisées derrière certains composants plus volumineux, réduisant ainsi le refroidissement à ces endroits.

En revanche, si le ventilateur injecte de l'air après l'avoir filtré, les composants internes resteront propres. D'un autre côté, le ventilateur ajoute une charge thermique supplémentaire aux composants s'il injecte de l'air, mais n'en ajoute pas si l'air est extrait. Bienvenue dans un monde de confusion et de contre-indications !

J'ai ensuite pensé : pourquoi ne pas simplement modéliser l'injection/l'extraction du flux d'air en utilisant la sophistication de l'un des nombreux outils disponibles pour la modélisation de la mécanique des fluides numérique (CFD) (Figure 4) ?

Figure 4 : La modélisation CFD peut analyser en détail le flux d'air et la température qui en résulte, mais ne semble pas aborder la question de l'injection/l'extraction. (Source de l'image : SEACAD Technologies)

Cela semble assez logique, mais en examinant plusieurs dizaines d'analyses pertinentes, je n'ai trouvé personne qui l'avait fait et publié ses résultats. Même les fournisseurs d'applications de refroidissement et de modélisation thermique n'avaient rien à proposer sur le sujet, ce qui m'a semblé assez étonnant.

La question de l'injection/l'extraction et mes recherches ultérieures en quête de réponses m'ont conduit à trois conclusions :

• Tout d'abord, il faut faire ce qui est le plus logique du point de vue du placement physique en ce qui concerne l'injection ou l'extraction, à moins d'avoir des preuves solides en faveur d'une approche plutôt que de l'autre, car il n'existe pas de réponse générale définitive.

• Ensuite, il peut s'avérer utile de rechercher des subventions pour étudier le problème : il doit bien y avoir quelqu'un, quelque part, qui soutiendrait de telles études. Il pourrait s'agir d'un fournisseur d'outils CFD pour la modélisation thermique, d'un fournisseur de ventilateurs ou peut-être du ministère de la Défense (le refroidissement est un problème très important pour l'armée).

• Enfin, pensez à faire ce que de nombreux joueurs font, c'est-à-dire installer des ventilateurs aux deux extrémités du flux d'air si possible : un pour injecter de l'air et l'autre pour l'extraire. Ainsi, vous ne vous demanderez pas si vous avez fait le bon choix et vous augmenterez le flux d'air et son refroidissement en même temps. Et vous n'avez pas à vous soucier du bruit supplémentaire : le bruit total de deux ventilateurs n'est pas perçu comme deux fois plus fort que le bruit d'un seul ventilateur, car l'augmentation n'est que de 3 décibels (dB), ce qui est à peine perceptible. C'est une solution gagnant-gagnant à bien des égards.

Conclusion

Les ventilateurs sont nécessaires dans de nombreuses conceptions pour forcer un flux d'air de refroidissement plus important que ce que la convection naturelle seule peut fournir. Outre le dimensionnement d'un ou de plusieurs ventilateurs pour assurer un flux d'air suffisant, il faut également se poser la question de leur emplacement. Enfin, la question de savoir s'il faut utiliser un ou plusieurs ventilateurs pour injecter de l'air dans un châssis ou sur un circuit imprimé plutôt que de l'extraire reste une question compliquée, avec des compromis et un certain manque de clarté.

Contenu connexe

Paramètres importants pour optimiser le fonctionnement des ventilateurs CC

https://www.digikey.fr/fr/articles/important-parameters-for-optimizing-dc-fan-operation

Article sur la sélection d'un ventilateur

https://www.digikey.fr/fr/articles/selecting-a-fan

Comparaison des ventilateurs axiaux et des ventilateurs centrifuges

https://www.digikey.fr/fr/articles/comparing-axial-fans-and-centrifugal-fans

Introduction à la gestion thermique

https://www.digikey.fr/fr/articles/an-introduction-to-thermal-management

Principes de base de la sélection et de l'utilisation des dissipateurs thermiques

https://www.digikey.fr/fr/articles/how-to-stay-cool-the-basics-of-heat-sink-selection

Références

1. CUI Devices, Important Considerations When Selecting a Fan for Forced Air Cooling
2. CUI Devices, Thermal Management with Fans – There's More to Consider Than You Might Think
3. CUI Devices, Understanding Airflow Fundamentals for Proper Dc Fan Selection
4. Kitguru, Fan config: Does it matter? Testing push vs pull vs push/pull
5. Overclock.net, Push or pull air across radiator fins?
6. Tom's Hardware, Liquid cooling - should it pull the air INTO the case or push out?
7. Tech Radar, PC cooling mythbusting with Corsair's fan and PC case experts
8. Ars Technica, Push vs pull cooling
9. How-to Geek, How to Manage Your PC's Fans for Optimal Airflow and Cooling
10. Smart Buyer, PC Cooling: How to Set up Computer Case Fans
11. Quora, Does the fan direction for the CPU cooling make a difference?
12. Otosection, Computer Case Airflow What Is Positive And Negative Pressure
13. Appuals, How to Optimize and Maintain Positive Airflow in Your Gaming PC