A - Introduction :
Si vous êtes un invétéré overclockeur à l?affût des records vous le savez déjà, il n?y a pas de prouesses sans bon refroidissement du processeur graphique, du chipset de votre carte mère, de vos disques durs mais aussi bien sur de votre processeur. Dans ce contexte et uniquement dans celui-ci un dispositif de refroidissement actif tel un thermocouple de type Peltier est à envisager. A l?aide d?une plaque Peltier on fait allégrement descendre la température du CPU en dessous de 0° Celsius ce qui permet de sérieux overclockings.
B - Histoire :
L?effet Peltier est un phénomène thermoélectrique découvert par un horloger français en 1834, consistant en un transfert de chaleur entre une jonction d?un circuit, constitué de deux conducteurs différents, vers une autre jonction de ce même circuit alors qu?il est parcouru par un courant électrique continu. Selon le sens du courant, la jonction à laquelle on enlève de la chaleur est la source froide et celle qui en reçoit est la source chaude : on obtient une pompe à chaleur thermoélectrique. L?exploitation de cet effet ne pourra avoir lieu qu?à partir des années trente avec la découverte des matériaux semi-conducteurs. Actuellement utilisé dans le refroidissement des processeurs et des diodes lasers, le champ d?application de cet effet s?élargi avec la réalisation prévisible dans une dizaine d?années de cellules Peltier sous forme de films qui deviendront compétitives avec les actuels dispositifs réfrigérants reposant sur la compression.
C - Comment ça marche ?
Le refroidissement thermoélectrique, ou effet Peltier peut être décrit comme une méthode de transfert d?énergie à travers un dispositif semi-conducteur. Pour comprendre la méthode de refroidissement il est tout d?abord nécessaire de savoir comment le refroidissement thermoélectrique diffère des procédés de réfrigération conventionnelle. Comme la réfrigération, les phénomènes thermoélectriques obéissent aux lois de la thermodynamique, seul le système de refroidissement diffère.
Dans un système conventionnel de réfrigération, les pièces actives sont l?évaporateur, le condensateur et le compresseur. La surface d?évaporation est le lieu ou le liquide réfrigérant se change en vapeur et par la même en changeant d?état absorbe pour se faire de la chaleur. Le compresseur fait circuler le réfrigérant et applique de la pression sur les vapeurs. Le condensateur aide à libérer la chaleur absorbée vers l?air ambiant et transforme le réfrigérant sous pression de sa phase vapeur en phase liquide. Dans la réfrigération thermoélectrique rien d?essentiel n?est modifié. Le réfrigérant dans ses deux phases liquide et gazeuse est remplacé par deux conducteurs asymétriques. La jonction froide (surface de l?évaporateur) devient froide parce qu?il y a absorption d?énergie par les électrons lorsqu?ils passent d?un semi conducteur vers un autre, à la place de l?absorption d?énergie par le réfrigérant quand il change de l?état liquide vers l?état de vapeur. Le compresseur est remplacé par la source de courant électrique continu, qui pompe les électrons d?un semi conducteur vers un autre. Un radiateur (avec ventilateur) remplace le condensateur, éliminant la chaleur accumulée par le système.
La différence entre les deux méthodes de réfrigération est que le système thermoélectrique refroidit sans l?usage de dispositifs mécaniques (en dehors d?un ventilateur) et sans liquide réfrigérant.
Définition : un matériel thermoélectrique est un dispositif semi-conducteur avec des composants asymétriques connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle, ainsi les deux jonctions sont crées.
Les matériaux semi-conducteurs sont de type N et P et sont ainsi nommés parce qu?ils ont, soit plus d?électrons que nécessaire (Négatif) pour compléter une structure moléculaire parfaite ou soit pas assez d?électrons pour une structure moléculaire complète (Positif). Les électrons en excès du matériel de type N et les « trous » laissés dans le matériel de type P sont appelés « carriers » et ils sont les agents qui transportent l?énergie thermique de la jonction froide vers la jonction chaude.
La chaleur absorbée par la jonction froide est pompée vers la jonction chaude à un débit proportionnel au courant traversant les matériaux et au nombre de couples. De bons matériaux semi-conducteurs thermoélectriques comme le Bismuth Telluride favorisent le déplacement des « carriers » et ont des « carriers » avec une grande capacité de transport de la chaleur.
Le radiateur : celui-ci, dont les capacités de transfert de chaleur sont renforcées par de bons ventilateurs est un élément essentiel d?un bon système thermoélectrique.
Ainsi l?efficacité d?un dispositif Peltier repose sur trois paramètres : le courant d?alimentation, le nombre de couples semi-conducteurs (certains en ont 128 voir plus) et le dispositif d?évacuation de chaleur sur la jonction chaude.
L?efficacité d?un dispositif Peltier peut être renforcé soit par le branchement en série de deux (ou plus) plaques, soit par l?empilement de deux (voir plus) plaques en parallèle.
La partie supérieure du diagramme illustre la température à l?état d?équilibre depuis la face de charge (load) jusqu?à l?air ambiant. Sur ce graphique de température, la quantité de chaleur qui doit être rejetée par le radiateur vers l?air ambiant peut être exprimée ainsi :
Qs = Qc+Qi+Ql
Qs= chaleur rejetée
Qc= chaleur provenant de la charge (processeur)
Qi= effet joule généré par la plaque Peltier
Ql= chaleur ambiante
Si le radiateur n?est pas capable de rejeter la charge totale de chaleur générée par le système (Qs), la température de tout le système augmente et donc la température de la jonction froide augmente. Si le courrant électrique du couple thermoélectrique est augmenté pour maintenir la température de la charge, le COP (Coefficient de Performance) tends à décroître. Ainsi un bon dispositif radiateur-ventilateur contribue à améliorer le COP.
Le COP se définit comme le rapport Qc/Qi. Une plaque efficace est donc un dispositif susceptible d?éliminer la plus grande quantité de chaleur pour la plus faible puissance électrique nécessaire.
L?énergie peut être transférée vers ou depuis le système thermoélectrique par trois voies : conduction, convection et radiation. Les valeurs de Qc et Ql peuvent facilement être estimées ; leur somme additionnée à la puissance chargeant la plaque Peltier nous donnent Qs la quantité de chaleur qui doit être éliminée de la jonction chaude par le dispositif radiateur-ventilateur.
D - Mise en ?uvre d?une plaque Peltier :
Quelle quantité de chaleur pompe une plaque ?
La plus grande quantité de chaleur pompée par un dispositif est de l?ordre de 125 W. Le plus souvent la quantité de chaleur extraite est de l?ordre de 60-80 Watts. Pour extraire plus de chaleur vous pouvez disposer les plaques en sandwich. Un processeur Pentium III overclocké peut dégager jusqu?à 30 Watts de chaleur.
Ainsi je peux utiliser plus qu?une plaque ?
Bien sur, ils peuvent être utilisé face contre face pour augmenter la quantité de chaleur extraite. Lorsqu?ils sont montés empilés on parle de dispositif en cascade. Lorsque le différentiel de température souhaité, entre la face chaude et la face froide, est de 60° Celsius une plaque unique suffit. En pratique pour refroidir un Celeron ou un PII/PIII deux plaques montées en parallèle (et non empilés) sont souhaitable pour des raisons mécaniques (cf infra).
Durée de vie d?un Peltier ?
Les constructeurs revendiquent une durée de l?ordre de 200 000 heures. En clair vous changerez plusieurs fois de processeurs avant d?être lâché par votre Peltier. Méfiez vous pendant l?installation de la relative fragilité mécanique des plaques de céramique qui recouvrent les thermocouples de la plaque Peltier. Un élément du dispositif est plus fragile, c?est les ventilateurs de votre radiateur, et si vous êtes un overclockeur exigeant ce dont je ne doutes pas vous disposerez d?un capteur thermique externe ou utiliserez une carte mère affichant la température du processeur en permanence (comme l?Asus P3B-F).
Efficacité :
Un bon dispositif Peltier (plaque Peltier, ventilateur-radiateur) refroidit de façon très significative beaucoup plus qu?un dispositif associant seulement ventilateur-radiateur. Outre la chaleur du processeur, le dispositif évacue la chaleur générée par la plaque Peltier.
Dangers d?un Peltier :
Surchauffe : les éléments Peltier sont toujours à monter entre le processeur et un ensemble radiateur-ventilateur. Si un des ventilateur vient à défaillir la situation devient alors plus dangereuse qu?avec un refroidissement conventionnel du fait de la chaleur générée par le Peltier?votre processeur risque de griller. Pour éviter cet accident fâcheux assurez vous qu?aucun câble ne gêne le fonctionnement des ventilateurs , abaissez de façon logicielle la température du CPU (par exemple avec CPUIDLE) et monitorez autant se faire que peu la température du processeur.
problèmes électriques : le Peltier nécessite une assez grande puissance d?alimentation de l?ordre de 80 Watts soit par exemple 6 ampères sous 16 Volts en courant continu, soit si vous utilisez deux éléments en parallèle de l?ordre de 150 Watts. Beaucoup d?alimentation de PC ne suivront pas au démarrage des disques durs. Une solution économique consiste à utiliser une vieille alimentation de PC (100-200 Frs)placée en dehors du PC ou si vous êtes plus riche l?idéal est une alimentation réglable à découpage parfaitement régulée comme celles utilisées par les radio-amateurs (1000 à 2000 Frs).
Que se passe-t-il si vous inversez la polarité d?alimentation du Peltier ? la face froide réchauffera et la face chaude refroidira?donc attention pendant l?installation
condensation d?eau : c?est un réel problème si vous travaillez dans une pièce chaude et humide. Quand votre processeur devient très froid (dans le secondes suivant le démarrage) alors la température devient beaucoup plus basse que celle de la pièce et ceci peut entraîner une condensation d?eau sur le processeur ou son socle. Les bons éléments Peltiers contournent le problème car ils ne démarrent que lorsque le processeur atteint une certaine température.
Quand exactement la condensation survient ? Il existe trois facteurs déterminants :
? la température ambiante
? l?humidité de l?air
- la température de l?objet refroidit (CPU)
Ainsi comme vous le devinez vous devez améliorer la ventilation de votre boîtier avec un ventilateur soufflant vers l?intérieur et un autre en extrusion à l?arrière créant un flux d?air frais.
Considérez ce problème de condensation mais ne le surestimez pas ; un court circuit causé par la condensation est très improbable d?autant que l?eau condensée ne contenant pas d?ions ne conduit pas bien l?électricité.
L?élément Peltier doit avoir la bonne taille : trop grand il refroidit la pièce et la condensation peut se former, trop petit le refroidissement sera inapproprié.
Quelles sont les caractéristiques techniques d?un élément Peltier ?
Qmax c?est la capacité maximale d?extraction de chaleur (Watts)
Delta T max est la différence de température maximale (en l?absence de charge thermique) observée entre la face froide et la face chaude exprimée en degrés Celsius.
I max intensité maximale du courant d?alimentation en Ampères
V max la tension maximale du courant en Volts
Les cotes mécaniques comme l?épaisseur, largeur, longueur.
Par exemple voici les caractéristiques d?un élément Peltier CHILLS (commercialisé par la société DTK) :
Qmax 60W, Delta T : 69°C, Imax 6,1 A, Vmax 15,9 V, épaisseur en mm 3,2, carré de 40 mm de coté.
Le dispositif radiateur-ventilateur :
Toute plaque Peltier doit impérativement être placée entre le processeur et un radiateur surdimensionné dotés de ventilateurs. Ce dispositif est en contact de la plaque chaude du Peltier.
Un des dispositifs les plus efficace du marché est l?Alfa 125 produit Japonais maintenant importé dans divers pays du monde. Le gros radiateur se trouve ventilé en aspiration sur le coté par deux gros ventilos soufflant face à la carte mère et non face au CPU (Prix entre 200 et 300 Frs selon le modèle).
Pour être efficace un radiateur doit opposer une faible résistance thermique et pour diminuer celle-ci de moitié ceci nécessite une augmentation de 400 % de sa surface d?échange, ce qui explique les dimensions imposantes du dispositif alfa 125 (certaines cartes mères comme des Asus ou MSI se trouvent de ce fait dépossédées du premier port de SDRAM).
La température observée sur le radiateur bien ventilé est de l?ordre de 10° C au dessus de la température ambiante du fait de la chaleur générée par le Peltier.
Installation du module Peltier :
Si vous n?êtes pas bricoleur je vous conseille d?acheter un dispositif pré monté intégrant un Peltier et un ensemble ventilateur-radiateur.
Idéalement la plaque Peltier doit être comprimée entre une « plaque froide » et le radiateur. En effet la plaque Peltier par elle même est un peu fragile mécaniquement et risque d?être déformée lors de l?assujettissement étroit au processeur. Les deux surfaces en contact avec le Peltier (plaque et radiateur) doivent être propres, parfaitement planes et installées parallèlement.
voila si la y en a ki pige pas!
Comme vous le remarquez si dessus il vous faut couper une « plaque froide ». Celle-ci peut-être en cuivre ( alors d?une épaisseur minimum de 4 mmm) ou d?aluminium (alors d?une épaisseur minimum de 6 mm) afin d?obtenir une bonne rigidité du système. Il n?est pas excessif de polir par exemple avec du papier de verre le surfaces en contact avec le Peltier.
L?interposition d?une fiche couche de pâte thermique permettra une parfaite dispersion thermique. Afin d?optimiser le montage commencez par visser au centre puis en périphérie. Si vous utilisez deux plaques Peltier en parallèle ( nécessaire pour un celeron ou un PII/PIII en emballage SECC) comme sur le schéma sus jacent, il ne faut pas séparer les éléments Peltier de plus de 15 mm afin d?obtenir une parfaite répartition thermique sur la plaque froide.
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c aussi mon intuition...