Les Caloducs ( heatpipes) sont utilisés dans bien des domaines, il y a un domaine où les performances informatiques sont importantes et la compacité est la règle.
il s’agit de PC portables pour les Gamers. Les PC portables puissants ont toujours existé dans le monde professionnel pour travailler sur de larges fichiers et ou encore de la CAO DAO, mais ce qui change ici, c’est la sollicitation. en effet , un PC professionnel avec de la DAO CAO va être sollicité par moment, pour l’ouverture, le « meschage » d’une pièce en vue de son analyse, un rendu. mais on est tres souvent avec une charge de calcul et seulement ensuite un rendu. on peut donc gérer la chaleur, le PC qui rame en affichage sur une Analyse de dynamique des fluides CFD nous l’avons tous connu.
pour les Gamers, la problématique est différente : il faut que le calcul (moteur du jeu) soit performant, il faut que le rendu en full HD soit sans latence et il faut garder une communication Audio, voire vidéo pour enregistrer une session de gaming ou la partager en livesharing. tout ceci sans lag, sans freeze, et sans reboot à cause de la chaleur.
voici un exemple de ce qu’un industriel (ici l’exemple c’est MSi)
Avec un processeur Intel Series: Coffee Lake-H Intel Core i9-8950HK qui chauffe à au moins 45 watt et qui va cramer ou se mettre en sécurité si on dépasse 100°C Tj et tout ceci avec une sacrée densité 42mm x 28mm ! c’est aussi chaud qu’une ampoule de phare de voiture comme un code Européen (vous ne tenez pas l’ampoule 3 secondes sans vous bruler)
Après vous avez les cartes vidéos, les différents éléments de RAM et entrées sorties, tout ceci pour une consommation électrique de 380 watt à pleine charge. ( 380/45 = 8.4 phares de voitures…) ça vous donne une idée et la justification du très beau design fait par Msi dans la photo ci dessus.
Cet exemple pour illustrer que les caloducs ont leurs places dans différents systèmes industriels, ils sont toujours performants, fiables et customisables à volonté pour vos demandes Aéronautiques, Spatiales, Industrielle ou encore militaires.
Les consoles Sony Playstation sont parmi les plus performantes du marchés avec un excellent rendu pour les joueurs. les autres fabricants font des machines équivalentes, ici on va regarder l’inflation de la demande d’énergie et donc du management thermique de ces consoles.
Toute machine a un rendement, le plus simple c’est de prendre comme exemple une ampoule électrique avec un filament (une bonne vieille lampe à visser ou baïonnette).
si on achète une ampoule de 100 watts : seulement 8 watt vont être transformés en lumière visible, 73 watts en infrarouge (attention ça chauffe en rayonnant), et 19 watts en chaleur sur le verre et la douille, le rendement n’est donc pas terrible => 8 watt de lumière pour 100 watt usés => rendement 8%
Si on prend un transformateur de PC de bonne qualité de 100 watt nominal, 95% de l’énergie va être transformée pour être utilisée dans le PC. soit 5 watts seulement de perte en chaleur. ici on est bien.
Pour les processeurs, surtout pour des applications propriétaires comme une console, difficile d’avoir l’information, seuls les fabricants comme Intel ou AMD donnent leur enveloppe thermique, ou TDP (pour (en) Thermal Design Power), du semi-conducteur, exprimée en watts (W), c’est le transfert thermique vers l’extérieur, pour dimensionner les caloducs, les plaques froides liquides ou les ventilateurs. On regarde déjà combien la console peut consommer électriquement au maximum et on a ainsi une idée.
PS5
PS4 Pro
PS4
PS3
PS2
Puissance maxi absorbée par l’alimentation
350W
Max 310W
Max 250W
Max 380W
~50W
performance
10.3 TFlops
4.2 TFlops
1.8 TFlops
0.23 TFlops
0.006 TFlops
Dimensions
390x104x260 mm
295×55×327 mm
275x53x305 mm
325x98x274 mm
79x302x182 mm
Poids
4.5 kg
3.3 kg
2.8 kg
5 kg
2.2 kg
on voit que l’alimentation est devenue énorme pour suivre avec les performances. le système de refroidissement devra être capable de retirer au moins 100 watts de chaleur (estimation) pour 350 consommés au max.
à titre de comparaison, le processeur Intel Core i5-10600K f avec 6-core 12-thread a un TDP de 125 Watt, ici on a mieux, des SSD, des procs graphiques… les ventilos vont bien tourner…. encore faut il collecter la chaleur correctement à cœur et l’évacuer avec des caloducs de qualité.
Pour passer du processeur au dissipateur, Sony a fait le choix d’utiliser une variante de galinstan, c’est un alliage eutectique de gallium (Ga), d’indium (In) et d’étain (Sn) qui a a particularité d’avoir un point de fusion à -19°C… en termes clairs, cet alliage de métaux est liquide !
Avantage : un super contact entre le processeur et le dissipateur avec une conductivité thermique de 16 w/mK au moins environ suivant la recette.
Inconvénient : c’est liquide donc ça peut couler…. et comme c’est conducteur électriquement, si ça coule sur de électronique, c’est court circuit assuré… il faut donc bien jointoyer la zone pour éviter les fuites et surtout tenir dans la durée les cycles chaud froid. Pensez au Mercure, ce produit justement remplace le mercure dans les thermomètres ^^.
Au démontage effectué par l’Ingénieur de chez Sony, on voit tout de suite la qualité et la finition de cet assemblage de caloduc et ailette brasée (brazed fins zipper). on voit en haut à gauche les résidus et la zone de « mouillage » de ce fameux métal liquide. vu la puissance de la machine, un bout cuivré et des ailettes ne vont pas suffire à garantir un faible DeltaT (comment s’assurer que quand je souffle dans les ailettes du coin à gauche, j’enlève bien de la chaleur émise par le processeur qui se trouve en haut à gauche )
En retournant l’assemblage, on voit maintenant que la semelle cuivrée va collecter la chaleur des différents composants annexes, mais surtout que 4 gros caloducs en 6.35mm ou 8 mm vont être là pour collecter la chaleur et l’envoyer dans les ailettes pour soufflage. ce design est excellent thermiquement, mais ne convient pas aux environnement poussiéreux (table basse de salon, sous la télé…. il faudra prévoir un coup de bombe à air régulièrement pour eviter d’entendre les ventilateurs à pleins régimes et eviter un plantage sur une température de jonction Tj trop élevée)
on a donc de l’autre coté aussi 6 caloducs brasés (j’espère) ou collés à l’époxy (moins bien) pour la zone d’évaporateur. on notera que la pièce de liaison est un peu courte. peut être un problème de place, on voit que l’on transmet la chaleur que sur une petite partie, on pourrait avoir la pièce en aluminium 8 mm plus longue sur la droite pour améliorer l’évaporation et ainsi augmenter l’inertie thermique durant les phase de jeu qui demande du calcul.
par expérience, on est contre les caloducs aplatis, car la performance est moindre, en effet on passe plus de chose dans un tube rond qu’un tube pincé. on voit ici que l’aplatit (Performance degradation of flattened heat pipes) est vraiment très faible, le caloduc du bas est collé ou brasé sur toute la semaine pour isothermaliser un maximum et donc opérer comme une chambre de vapeur dans la limite de ses capacités.
on peut noter la semelle cuivre , pour commander beaucoup de systemes en Asie avec des semelles « cuivres », beaucoup sont en fait en aluminium revêtu d’un traitement de surface effet cuivre.
Le cuivre c’est lourd et cher mais ça conduit la chaleur à 380 W/mK alors que l’aluminium classique 6061 conduit la chaleur à 180 W/mK mais c’est léger et beaucoup moins cher. on voit sur la droite le poinçonnage avec un taraudage qui ne nous dit pas si on visse dans du cuivre ou de l’aluminium. on notera que les ailettes sont au dessus d’un vide, il y a peut être une astuce dans le cheminement des caloducs…
En tout cas c’est un très beau projet de Sony, les performances seront surement au rendez vous.
on n’aborde pas la partie ventilateur, le soufflage est certes important, mais la collecte de la chaleur aux CPUs l’est encore plus, si vous avez une bonne collecte des calories au niveau composants, il sera facile de les souffler au niveau équipement ou au niveau système.
nous travaillons dans le domaine Space, Aerospace et power electronic ou encore power HPC et nous sommes à votre service en BtoB pour vous aider en phase de design pour toute prescription et spécification.
Développement & Fabrication chez Aavid Thermacore Europe
Aavid Thermacore Europe, entreprise basée au Royaume-Uni, est leader dans la conception et la fabrication européenne de K-Core APG technologie de refroidissement par conduction.
La technologie utilisée est l’encapsulation de graphite recuit pour diffuser la chaleur des cartes électronique de puissance dans les domaines suivants : Aéronautique, Spatial, Militaire et application commerciales. Le graphite pyrolytique est inséré dans un matériau “parent”, le plus souvent de l’aluminium, mais il est aussi possible de l’encapsuler dans des alliages de cuivre, fibre de carbone, kapton ou encore du magnésium.
Le Composite K-Core APG ainsi réalisé peut être 3 à 4 fois plus conducteur thermiquement que l’aluminium qui aura servi à l’encapsuler.
Aavid Thermacore Europe a été récemment impliqué dans le programme de l’Agence Spatiale Européenne « ESA Artes 14 NeoSAT Technology, K-Core Transfer & Development Programme »
De Janvier 2015 à Octobre 2016, en coopération avec Airbus Defence & Space & Thales Alenia Space, Aavid Thermacore Europe a développé un radiateur spatial pour la prochaine génération de satellites. Ce projet a permis l’investissement dans l’outil de fabrication en Europe ainsi que le transfert technologique depuis Aavid Thermacore Inc USA vers Aavid Thermacore Europe UK
Figure 1: de gauche à droite; radiateur spatial NeoSAT K-Core APG; pièce de structure & conduction Solar Orbiter EUI , éléments de conduction METIS
Un autre exemple concret de l’implication d’Aavid Thermacore Europe dans les projets de l’Agence Spatiale Européenne ESA, c’est la fourniture du K-Core APG pour les charges utiles de 3 différents équipements dans le satellite d’observation du Soleil « Solar Orbiter »dont la mise en orbite est prévue pour 2018.
Le premier équipement est l’Extrême Ultraviolet Imager (EUI), le second est le Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) où un radiateur en K-Core APG a été développé pour remplacer la pièce de structure qui était en aluminium monolithique. L’utilisation du Kcore a réduit la masse et a amélioré significativement la performance de l’instrument grâce à la dissipation thermique.
La troisième est le Multi Elément Télescope for Imaging and Spectrosopy (METIS) où des pièces de structures en K-core APG ont été fabriquées et connectées avec des straps flexibles thermiques au Stood Off Radiator Assembly (SORA).
Figure 2: gauche à droite (haut); radiateurs Solar Orbiter K-Core APG SPICE & EUI Stood off Radiator Assemblies (SORA). (bas); Pièces de structures en K-core APG Solar Orbiter METIS.
La figure 3 présente le matériau anisotrope K-Core APG avec une conductivité dans le plan de 1700 W/m-K (à température ambiante), soit l’équivalent de plus de 4 fois la conductivité du cuivre (400W/m-K). Le fait que la diffusion chaleur se fasse dans la direction horizontale permet de sélectionner cette technologie quand l’espace et la profondeur sont limités. La conductivité perpendiculaire étant d’environ 12 W/m-K. Cette très faible conductivité est compensée dès la conception par l’ajout de vias thermiques comme présenté à la figure 3 ainsi qu’au matériau de base servant à l’encapsulation (aluminium ou cuivre)
Figure 3 – Matériau APG Aavid Thermacore® Europe
A partir de ces propriétés, le K-Core APG est adapté pour la conception et la fabrication de dissipateurs. L’aluminium ou le cuivre comme matériau d’encapsulation permettent de faire des variantes avec des ailettes de refroidissement. Dans ce cas les ailettes aluminium seront moins chères et plus légères que les ailettes en cuivres pour relever les challenges de vos projets.
Le matériau K-Core APG est un composite avancé de pyrocarbone et d’un matériau “parent”, la combinaison des deux améliore significativement la dissipation thermique. La couche de graphite n’est jamais utilisée seule, mais toujours encapsulé pour éviter l’oxydation dans un matériau tels que le cuivre, la fibre de carbone, le Kapton ou encore le magnésium, en fonction du cahier des charges mécanique de l’application. Le K-Core APG est découplé de l’encapsulation (pas de collage).
Le K-Core APG présente des arguments techniques pour être la solution idéale en aéronautique et spatial. Les points clés et les bénéfices sont les suivants :
Le K-Core est plus léger que la plupart des matériaux d’encapsulation et permet d’avoir un gain direct de 5% de masse minimum par rapport à un drain aluminium traditionnel.
Bien qu’avec des performances thermiques supérieures, le K-Core permet à l’Ingénieur d’utiliser cette solution en lieu et place sans changer le design mécanique. Cette conduction thermique améliorée rend possible la réduction de masse ou encore l’augmentation de la puissance (W) électronique ou de la densité de composants.
C’est une solution totalement passive et la dissipation n’est aucunement impactée par la gravité ou les accélérations.
Les pics de température des semi-conducteurs sont significativement réduits (voir figure 7), il y a un réel impact au niveau de la conductivité thermique.
La plage de fonctionnement en température est très large : -123°C (150k) to +125°c (398k) (voir Figure 5)
L’usinage de l’encapsulant est possible de même que les traitements de surfaces.
Montage direct sur semi-conducteur possible, gestion de la dilatation (CTE- matched).
Encapsulation totalement hermétique, durcie et résistante aux agressions et dommages.
Flexibilité dans la conception en fonction des besoins du Client (voir Figure 6)
Figure 5 – Conductivité thermique dans le plan
Figure 6 – exemple de configuration du K-Core APG
Aavid Thermacore Europe a livré le K-Core APG dans une grande variété d’applications critiques pour l’aéronautique civile et militaire. Aavid Thermacore travaille aussi sur les facteurs de formes COTS (Commercial Off-The-Shelf). Ces plaques froides répondent aussi aux dernières évolutions du VME64x/VPX en option par rapport aux drains aluminium.
Figure 7 – Plaque froide 6U K-Core Aluminium
Aluminium de base (Température de surface Max– 115°C)
K-Core APG (Température de surface Max – 97 °C)
Figure 8 – Plaque froide Aluminium versus Plaque froide 6U K-Core. Le Mappage de la CFD montre que la température de surface a été réduite de 18°C par rapport à un drain en aluminium classique.
Figure 9 – Photos de la ligne de fabrication K-Core chez Aavid Thermacore Europe Ltd (UK)
Figure 10 – Etapes de Fabrication du K-Core APG chez Aavid Thermacore Europe Ltd (UK)
Press releaseFactory : Aavid Tdhermacore Europe Ltd
Unit 12 Wansbeck Business Park, Ashington, Northumberland, United Kingdom, NE63 8QW
1 Octobre 2018 : Devis prix présentation techniques : contactez votre représentant en France – Suisse – Belgique ou directement à l’usine Anglaise :Adresse usine : Unit 12/Wansbeck Business Park/Rotary Parkway, Ashington NE63 8QW, Royaume-Uni / +44 1670 859500
Email France Belgique Suisse : Contact af-ingenierie.fr (formulaire antispam ci dessous)
Get Better Thermal Performance — Keep Electronics Cooler with Thermal Spreaders
Protect sensitive electronics from temperature fluctuations with heat spreading solutions from k Technology, Aavid Thermacore’s Division for advanced solid conduction systems.
k Technology k-Core thermal spreaders effectively extract heat from a surface opposite to an area of concentrated heat load. The resulting thermal spreading effect dissipates heat quickly and significantly reduces both peak temperatures and temperature change (∆T) compared with traditional aluminium designs. The result is increased chip life and potentially higher-power operation.
k Technology k-Core® thermal spreaders also can offer a low coefficient of thermal expansion, making a high-resistance interface between chip and spreader unnecessary.
graphite pyrolytique
Compare the temperature change using a conventional aluminium heat spreader with that of a k-Core thermal solution.
Thermacore Europe
Thermal management challenge? Take the first step towards the solution for you.
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Thermacore Europe Attended toIndustry Space Days (ISD) wich are organised by ESA to bring together the main European players in the space sector. Their main purpose is to increase the involvement of SMEs in space activities and to foster cross-fertilisation between the different actors in the entire space sector.
KCore cooling and copper water heatpipe samples where shown to various customer and end-user.
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La gestion thermique est le processus de sélection d’un composé thermoconducteur à un ou plusieurs composants sur des circuits imprimés dans les modules de composants électroniques. Le composé thermoconducteur permet d’évacuer la chaleur du circuit imprimé et donc d’augmenter la durée de vie du module de commande. L’interface thermique peut etre aidé avec des caloducs, des plaques froides liquides ou encore des dissipateurs à ailettes.
La proposition de solutions économiques, rapides, pérennes dans le temps est un défi que nous relevons tous les jours.
Une offre pragmatique, compétitive en prix, indépendante de toute marge commerciale, uniquement basée sur le délai de livraison et la technicité du produit
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