En utilisant une technologie assez voisine de celle de votre réfrigérateur, les ingénieurs emploient des thermopompes, des dissipateurs de chaleur et des caloducs pour refroidir les points chauds qui menacent le fonctionnement de toutes sortes d'appareils, depuis les satellites jusqu'aux smartphones.
À mesure que la technologie progresse, la gestion thermique devient de plus en plus importante. Dans le cas de nombreuses applications, un simple dissipateur de chaleur et un ventilateur peuvent suffire, mais pour les applications dans lesquelles des composants ont une charge de travail élevée et génèrent beaucoup de chaleur, d'autres mesures sont nécessaires. De plus, peu de fonctions sont plus importantes pour les appareils électroniques modernes que l'économie d'énergie ; ceci est vrai qu'il s'agisse d'appareils mobiles dépendant de piles à charge limitée ou de pièces de sondes spatiales. Bien que cela semble à première vue contraire à la logique, les systèmes de ce type peuvent réduire substantiellement la charge de refroidissement du ventilateur sans ajouter de poids au système et ils permettent d'économiser la grande quantité d'énergie de la pile qui serait autrement absorbée par le refroidissement.
Vous-êtes vous déjà frictionné une épaule douloureuse à l'alcool en ressentant un effet de refroidissement instantané ? Cet effet est dû à la température superficielle de la peau, qui chauffe l'alcool liquide et le convertit en gaz ; l'évaporation évacue la chaleur de la peau quand le gaz se dissipe dans l'air. De même, de nombreux types d'articles de toilette sont offerts en bombes de gaz sous pression que le consommateur vaporise sur son corps, ressentant une sensation de refroidissement. Ceci résulte de la chute de pression soudaine du gaz. Ce sont là les principes de base qui sous-tendent le fonctionnement des thermopompes et de la réfrigération.
Le fonctionnement d'un réfrigérateur
Figure 1 : Modèle de réfrigération de base. (Source : Charchitecture)
L'illustration ci-dessus représente un circuit fermé partant de la pompe de compresseur et traversant le condensateur, la soupape de détente et l'évaporateur avant de revenir à la pompe de compresseur. La pompe tire du gaz de l'évaporateur et l'envoie dans le condensateur, qui est la pièce externe d'un réfrigérateur dégageant une certaine chaleur. Cette chaleur est produite par la condensation du gaz en liquide à pression élevée. La soupape de détente laisse le liquide haute pression pénétrer lentement dans l'évaporateur ; ce dernier est une zone de basse pression du fait de l'action du compresseur, qui a tiré du gaz de l'évaporateur pour l'envoyer dans le condensateur. Du fait de la basse pression dans l'évaporateur, le liquide se vaporise, créant l'effet refroidissant. Pour terminer, le compresseur évacue le gaz de l'évaporateur, y abaissant la pression, et le processus se poursuit.
Le fonctionnement d'un caloduc
Les caloducs fonctionnent de manière un peu différente, la principale différence étant qu'il n'exigent pas de pompe. De ce fait, ils sont commodes pour les applications avares en énergie telles que les appareils électroniques mobiles. En vérité, cette idée n'est pas particulièrement nouvelle puisqu'elle correspond à une technologie bien établie pour les ordinateurs portables.
Figure 2 : Diagramme d'un caloduc. (Source : eTray News)
Au niveau du processeur, ou de toute autre pièce protégée contre la surchauffe, le liquide contenu dans le caloduc est chauffé jusqu'à vaporisation et absorbe l'excédent de chaleur du processeur, comme l'indiquent les flèches rouges dans la partie gauche du diagramme. La vapeur chauffée circule jusqu'à l'autre extrémité du tuyau étanche à l'air, qui peut toucher un dissipateur de chaleur ou être exposé à l'air libre. Son fonctionnement peut ou non être appuyé par un ventilateur. Quel que soit le cas, il transfère sa chaleur, comme indiqué par le deuxième groupe de flèches rouges, et le gaz est reconverti en liquide.
Le liquide doit maintenant être renvoyé vers la zone du dissipateur de chaleur en contact avec le processeur. Ceci est accompli au moyen d'un réseau de tubes très fins appelés capillaires. Par un phénomène appelé « capillarité » en sciences physiques, le liquide est aspiré dans les capillaires et franchit, même contre la gravité, une certaine distance calculée. Le système est conçu de telle manière que l'action capillaire soit suffisante pour que le liquide retourne au processeur et le cycle se poursuit.
Votre tablette contient maintenant un caloduc intégré
Le système de caloduc du Surface Pro IV de Microsoft.
Figure 3 : Le système interne de caloduc du Surface Pro IV de Microsoft. (Source : Sean Org, Windows Central)
Dans ce cas, le liquide est de l'eau. La chaleur du processeur transforme l'eau en vapeur que le tuyau transmet à la béquille de l'appareil et au ventilateur, où la vapeur se condense et l'eau redevient liquide. À cause du circuit de caloduc, le ventilateur n'a que rarement besoin de fonctionner.
Caloducs pour engin spatial
Les systèmes de contrôle thermique des engins spatiaux doivent remplir une double mission. Comme dans les appareils électroniques terrestres, certains éléments doivent être refroidis mais en plus, du fait du froid extrême, d'autres parties de l'engin doivent être chauffés. Ceci présente des possibilités -- et des difficultés -- uniques.
L'une des difficultés tient à l'exigence de systèmes à double boucle. La première boucle est semblable au système décrit précédemment ; elle couvre tous les éléments de l'engin spatial dont on sait qu'ils génèrent une chaleur excessive. À un point d'échange central, deux tâches doivent être accomplies. L'une consiste à transférer la chaleur excessive à la deuxième boucle, qui achemine la chaleur jusqu'aux parties exposées au froid du vide spatial et nécessitant un apport de chaleur pour fonctionner correctement. L'autre consiste à dissiper dans le vide spatial la chaleur qui n'est pas utilisée pour le chauffage.
La sécurité des astronautes, qui seront présents dans les zones générant une chaleur excessive, constitue un facteur important de ces types de système. La première boucle doit employer un liquide de transport de la chaleur non toxique afin de garantir la sécurité de l'équipage en cas de fuite. Cette boucle fonctionnant par capillarité peut être très semblable, au niveau fondamental, aux systèmes décrits pour les appareils électroniques terrestres.
Lorsque des systèmes de ce type deviennent une possibilité viable du fait de la topologie d'un engin spatial, les concepteurs disposent d'un avantage unique. Des économies d'énergie énormes peuvent être réalisées en utilisant la chaleur excessive déjà générée afin de chauffer les zones qui en ont besoin au lieu d'employer la seule autre solution, qui est d'utiliser l'énergie limitée du système pour générer cette chaleur. Ainsi, l'énergie qui serait consommée par le chauffage peut être consacrée à un plus grand nombre d'instruments et de fonctionnalités embarquées, ce qui rend possible des missions spatiales plus productives et profite à tous.
