Les radiateurs (heat sinks) expliqués : comment ils protègent vos appareils de la surchauffe

Vous n'avez pas besoin d'être diplômé du MIT pour savoir que les appareils électroniques et les machines génèrent de la chaleur lorsqu'ils fonctionnent. Sans surveillance, cette situation peut rapidement mener à la surchauffe de l'appareil, causant un dysfonctionnement. Ensuite, à moins de réagir assez vite, ce dysfonctionnement peut mener à des dommages permanents.

Pour prévenir la surchauffe, la plupart des appareils intègrent des radiateurs (heat sinks), des composants responsables de la gestion thermique dans l'appareil. Ils fonctionnent en dissipant la chaleur des zones vitales de la machine ou de l'appareil, comme l'unité centrale de traitement (CPU), le gardant au frais et fonctionnel.

Fait intéressant, bien qu'ils jouent un rôle crucial pour maintenir vos appareils électroniques en bon fonctionnement, les radiateurs sont souvent négligés, probablement en raison de leur taille plutôt petite. Si vous souhaitez en apprendre davantage sur ces composants miraculeux, ce guide vous fournira toutes les informations essentielles pour comprendre ce que sont les radiateurs et comment ils fonctionnent.

Plongeons directement dans le sujet (jeu de mots intentionnel).

Qu'est-ce qu'un radiateur (heat sink) ?

Commençons par expliquer plus en détail ce qu'est un radiateur. En termes simples, c'est un composant qui fonctionne comme un échangeur de chaleur passif, régulant la température d'un dispositif mécanique ou électronique.

Il fait cela en augmentant la surface de travail du dispositif, transférant la chaleur d'un composant générateur de chaleur vers un fluide à basse température. Ainsi, la chaleur se dissipe loin du dispositif, assurant son fonctionnement sans surchauffe.

Grâce à leurs fantastiques propriétés de refroidissement, les radiateurs sont utilisés dans de nombreuses industries, y compris l'usinage CNC. Typiquement, ils sont utilisés pour refroidir les composants informatiques — généralement un CPU et GPU — et les transistors de puissance ou lasers.

Comment sont construits les radiateurs ?

Le besoin d'une surface plus grande affecte significativement la construction des radiateurs. Un radiateur typique consiste en une base connectée à des ailettes (fins) ou broches (pins) très étroites. Ainsi, les radiateurs peuvent intégrer autant de surface que possible dans un volume spécifique.

Cependant, la taille et la forme des ailettes varient entre les différents radiateurs. De plus, elles ont un impact significatif sur la performance du radiateur. On peut distinguer :

• Radiateurs à broches (Pin-fin heat sinks). De tels radiateurs ont des broches s'étendant de leur base. Ils offrent la plus grande surface parmi les différents types de radiateurs et fonctionnent mieux dans les cas de faible flux d'air. Les broches ont généralement une forme cylindrique, elliptique ou carrée.
• Radiateurs à ailettes planes (Plate-fin heat sinks). Un radiateur à ailettes planes a des ailettes rectangulaires qui s'étendent de sa base. De tels radiateurs sont plus courants que les systèmes à broches et fonctionnent mieux avec un flux d'air unidirectionnel.
• Radiateurs à ailettes évasées (Flared-fin heat sinks). Les systèmes à ailettes évasées sont une variation des radiateurs à ailettes planes. Ils ont une disposition d'ailettes évasées (d'où le nom) qui diminue la résistance au flux.

Certains radiateurs ont aussi des ventilateurs et soufflantes attachés. Ce sont des radiateurs actifs. Nous en parlerons plus loin dans l'article.

Comment fonctionne un radiateur ?

Les radiateurs utilisent un conducteur thermique qui éloigne la chaleur de la source de chaleur et l'attire vers sa surface, qui entre alors en contact avec l'air de refroidissement ou le fluide. Le processus complet implique quatre étapes de base :

1. La source génère de la chaleur. La source peut être tout système qui crée de la chaleur en fonctionnant et nécessite un refroidissement pour un fonctionnement correct. Cela peut être un système mécanique, électrique, chimique, nucléaire, solaire ou de friction.
2. La chaleur s'éloigne de la source par conduction naturelle. La chaleur se déplace dans le radiateur et loin de la source. Ce processus est directement associé à la conductivité thermique du matériau du radiateur. C'est la raison pour laquelle des matériaux comme l'aluminium ou le cuivre sont souvent utilisés pour construire les radiateurs. Ils ont des propriétés de conductivité thermique élevées.
3. La chaleur est distribuée à travers le radiateur. La chaleur voyage alors à travers le radiateur, passant d'un environnement à haute température à un environnement à basse température. Ce que cela signifie pour le radiateur, c'est que son profil thermique ne sera pas constant. Par conséquent, les radiateurs sont généralement plus chauds vers la source et plus froids vers leurs extrémités.
4. Le radiateur évacue la chaleur. L'étape finale implique le déplacement de la chaleur loin du radiateur. Elle repose fortement sur le gradient de température du radiateur et son fluide de refroidissement (généralement de l'air ou un fluide électriquement conducteur). Le fluide passe sur la surface du radiateur et enlève la chaleur dans l'environnement environnant par diffusion thermique et convection. Ce qu'il est important de noter ici, c'est que si la température environnante n'est pas plus froide que le radiateur, le radiateur n'évacuera pas la chaleur.

Les différents types de radiateurs

En parlant de radiateurs, on différencie trois types de base — passifs, actifs et hybrides. Plus de détails ci-dessous.

Radiateurs passifs

Les radiateurs passifs reposent sur la convection naturelle. Cela signifie que seule la flottabilité de l'air chaud génère un flux d'air à travers la surface du radiateur. De ce fait, les radiateurs passifs ne nécessitent pas d'alimentation secondaire ou de systèmes de contrôle pour évacuer la chaleur. D'un autre côté, ils ne sont pas aussi efficaces et performants pour transférer la chaleur d'un système que les radiateurs actifs.

Radiateurs actifs

Contrairement aux radiateurs passifs, les radiateurs actifs ne reposent pas seulement sur la convection naturelle. Ils utilisent de l'air forcé pour augmenter le flux de fluide à travers la zone chauffée. Ils font cela en utilisant un ventilateur, une soufflante, ou un mouvement de l'objet entier.

Un exemple typique de fonctionnement d'un radiateur actif est le ventilateur de votre PC qui s'allume quand votre ordinateur commence à chauffer. Le ventilateur force l'air à circuler à travers le radiateur, permettant à l'air non chauffé de passer sur sa surface. De ce fait, le gradient thermique total à travers le système de radiateur augmente, enlevant plus de chaleur du dispositif.

Radiateurs hybrides

Comme le nom l'indique, les radiateurs hybrides combinent les propriétés des systèmes de radiateurs passifs et actifs. Fait intéressant, les systèmes hybrides ne sont pas aussi populaires que les radiateurs passifs ou actifs. Ils reposent aussi souvent sur des systèmes de contrôle dédiés pour refroidir le dispositif en fonction d'exigences de température spécifiques.

Quand le système fonctionne à des niveaux de température plus bas, la source d'air forcé (un ventilateur ou une soufflante) reste inactive, refroidissant le système passivement. Le système actif commence à fonctionner seulement quand le dispositif commence à atteindre des températures plus élevées, augmentant la capacité de refroidissement du radiateur dans le processus.

Quels matériaux sont utilisés pour fabriquer les radiateurs ?

Comme dit, le matériau du radiateur doit fournir une conductivité thermique naturelle. C'est pourquoi les radiateurs sont généralement produits en utilisant soit de l'aluminium, soit du cuivre, le matériau étant déterminé par l'application, l'intensité de chaleur, la méthode de production et le budget.

• Aluminium. Typiquement, les fabricants de radiateurs utilisent l'aluminium 1050, 6060, 6061 ou 6063. Le premier est très conducteur thermiquement mais manque de résistance, tandis que les trois autres sont moins conducteurs mais offrent de meilleures propriétés mécaniques. Côté rentabilité, les radiateurs les plus abordables sont produits en alliage d'aluminium.
• Cuivre. Le cuivre offre une excellente conductivité thermique. En effet, il est deux fois plus conducteur que l'aluminium. De plus, il est résistant à la corrosion, antimicrobien, et offre d'autres propriétés désirables. C'est pourquoi les radiateurs en cuivre sont considérés comme haut de gamme, étant plus chers que les radiateurs en aluminium et généralement plus difficiles à fabriquer.

Comment sont fabriqués les radiateurs ?

La fabrication des radiateurs implique plusieurs procédés et technologies de production, tels que l'extrusion d'aluminium, le moulage sous pression, ou le fraisage CNC. Ils sont généralement fabriqués en utilisant :

• Fraisage. Le fraisage est le procédé soustractif de découpe de matière à partir d'une pièce brute. C'est aussi une façon abordable de produire des radiateurs plus rapidement.
• Extrusion. C'est le processus de forcer des billettes de métal chaud à travers une matrice en acier. L'extrusion est la méthode la plus courante pour fabriquer des radiateurs, car elle est considérée comme rapide, efficace, et donc plus économique.
• Moulage (Casting). Le moulage implique de verser du métal fondu dans un moule, et est une autre façon populaire de fabriquer des radiateurs en cuivre et aluminium. De tels radiateurs ont un niveau de complexité plus élevé et offrent des propriétés mécaniques améliorées.
• Écorçage (Skiving). Aussi appelé scarfing, l'écorçage est un processus de découpe de matériau en tranches. L'écorçage est généralement utilisé pour produire des radiateurs à ailettes planes et évasées, offrant des ailettes plus fines et un placement plus précis.
• Impression 3D. Les radiateurs imprimés en 3D sont devenus une alternative viable à leurs homologues produits traditionnellement. La raison principale est l'avancement récent de la fabrication additive de cuivre, qui a rendu l'impression 3D plus abordable pour la fabrication de radiateurs.

Quels facteurs affectent la performance des radiateurs ?

Plusieurs facteurs peuvent affecter la performance d'un radiateur et sa capacité à dissiper efficacement la chaleur d'un composant particulier (ex: CPU ou GPU). Ces variables sont :

• La taille du radiateur,
• La conductivité thermique du matériau du radiateur (aluminium vs cuivre),
• La forme, le volume et la disposition des ailettes,
• Le débit d'air,
• La taille des canaux entre les ailettes.

La performance peut aussi dépendre du type de radiateur. Les radiateurs actifs sont considérés comme plus efficaces, c'est pourquoi ils sont généralement utilisés dans les appareils nécessitant un refroidissement plus rapide.

Points clés à retenir

Espérons qu'après avoir lu notre guide, vous avez une meilleure compréhension de l'importance des radiateurs et de leur fonctionnement. Ils peuvent être petits en taille, mais leur impact sur la performance d'un dispositif électrique ou mécanique est incroyable, les empêchant de surchauffer et assurant qu'ils performent au plus haut niveau possible.