Le refroidissement par liquide et l’impératif de compatibilité chimique

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Les densités de puissance dans les sous-systèmes électroniques continuent d’augmenter, ce qui entraîne une demande de puissance de refroidissement plus extrême - une puissance de refroidissement telle que celle disponible avec le refroidissement liquide. Aujourd’hui plus que jamais, pour optimiser l’efficacité, la durabilité et la fiabilité de la gestion thermique, les concepteurs de systèmes utilisant le refroidissement par liquide explorent des combinaisons innovantes de matériaux de composants, notamment des thermoplastiques avancés, des élastomères spécialisés, des alliages métalliques et des fluides d’ingénierie.

Qu’il s’agisse de concevoir un système de refroidissement en boucle fermée, par immersion monophasique, par immersion biphasique ou directement sur la puce, la compatibilité des matériaux des composants est essentielle à la performance. Ce guide technique fournit des conseils généraux sur le choix des bons ingrédients pour votre solution de refroidissement par liquide.

Penser de manière holistique lors de la sélection des composants

Une variété de sous-systèmes et de composants constituent l’architecture qui est essentielle au bon fonctionnement et à la fiabilité de tout système de refroidissement.

Chaque composant du système a un potentiel d’interaction avec les autres matériaux constitutifs. Par conséquent, les interactions et les dépendances des matériaux justifient une analyse détaillée lors de la conception et de la spécification.

Les liquides de refroidissement présentent un intérêt particulier, non seulement en tant que canal principal de transfert thermique, mais aussi parce qu’ils sont en contact avec tous les matériaux en contact avec le liquide dans un système de refroidissement particulier et surtout qu’ils « connectent » tous les composants. Certains liquides peuvent favoriser la corrosion ou l’encrassement biologique en présence de certains matériaux, créant ainsi un potentiel d’impédance ou de défaillance du système de refroidissement. Il est donc essentiel de comprendre ce que sont tous ces matériaux et les interactions qu’ils peuvent avoir. Plus précisément, lors de l’évaluation de la compatibilité chimique, de la perméation potentielle ou des pertes par diffusion, il convient d’identifier les points de connexion critiques notamment les jonctions de tubes, les orifices de collecteurs et les raccords rapides - et d’évaluer chacun d’entre eux en fonction des risques pour la fiabilité et les performances.

Dans l’ensemble, lorsqu’il s’agit de la sélection des matériaux, il faut penser de manière holistique. Prendre en compte tous les composants du système et considérer les effets potentiels de l’environnement, du liquide de travail, de la température, de la pression et de la charge mécanique, qui pourraient avoir un impact négatif sur les performances.

Dans ce guide technique, nous examinerons les liquides de refroidissement couramment utilisés dans les applications de refroidissement par liquide et donnerons un aperçu des matériaux de construction. Enfin, nous donnerons des indications sur la compatibilité potentielle de ces liquides et matériaux lorsqu’ils sont utilisés ensemble.

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Exploiter les alternatives aux liquides de refroidissement classiques

De toute évidence, le choix d’un liquide de refroidissement est un point central lors de la conception d’un système de refroidissement par liquide. Du point de vue de la compatibilité, il est important de reconnaître que le liquide relie pratiquement tous les composants lorsqu’il circule dans le système de refroidissement par liquide. Consultez le tableau pour un bref aperçu d’un certain nombre de liquides généralement utilisés dans le refroidissement de l’électronique.

Commencez par examiner les températures de fonctionnement et de stockage. Identifiez les liquides ayant des propriétés appropriées à votre environnement d’application, comme un point d’ébullition qui satisfait la charge thermique et l’efficacité thermique nécessaires sans dépasser le flux de chaleur critique. Vérifiez les caractéristiques des basses températures pendant le stockage et l’expédition, les expositions environnementales, en particulier avec les diélectriques techniques tels que les produits chimiques fluorés et les réfrigérants. Il est souvent nécessaire de comprendre l’impact environnemental du fluide tout au long de son cycle de vie - comment il est fabriqué, l’impact potentiel de sa lixiviation dans l’installation ou l’atmosphère pendant son utilisation, et les exigences de récupération du fluide en fin de vie.

Liquides de refroidissement

LIQUIDES DE REFROIDISSEMENT - Fluides couramment utilisés dans les applications électroniques de refroidissement.
Eau	Excellent transfert de chaleur, faible viscosité, ininflammable et faible coût. Plage de fonctionnement relativement étroite et sensible au gel ou à l’ébullition. Sensible à l’encrassement biologique qui inhibe le transfert de chaleur. Peut contenir des impuretés ayant des effets corrosifs potentiels ; la déionisation peut fonctionner au début, bien que les impuretés puissent être extraites des surfaces mouillées avec le temps.
Éthylèneglycol (EG)	Contrôle la croissance biologique, diminue le point de congélation et augmente le point d’ébullition lorsqu’il est utilisé en solution avec de l’eau, allant de 10 % à 90 % d’EG. Coût inférieur par rapport aux réfrigérants ou aux diélectriques. L’eau dans la solution peut toujours favoriser la corrosion, dégradant le liquide de refroidissement au fil du temps. Hautement toxique, nécessite une manipulation prudente.
Propylène glycol (PG)	Contrôle la croissance biologique lorsqu’il est utilisé en solution avec de l’eau, allant de 10 à 90 % PG. Coût inférieur par rapport aux réfrigérants ou aux diélectriques. Conductivité thermique plus faible et viscosité plus élevée que l’EG. L’eau dans la solution peut toujours favoriser la corrosion, dégradant le liquide de refroidissement au fil du temps. Faible toxicité pour une manipulation et une élimination plus faciles.
Huile minérale	Sans odeur, non toxique et chimiquement inerte. Aucune évaporation ou volatilité. Permet les applications d’immersion. Incompatibilité potentielle avec le cuivre ou certains élastomères.
Réfrigérants	Légers avec d’excellentes propriétés de transfert thermique. Incompatibles avec certains plastiques et élastomères. Coût plus élevé que l’eau, l’EG, le PG ou l’huile minérale. Les exemples incluent R-1234yf et R-1336.
Diélectriques	Fluides techniques non conducteurs qui permettent l’immersion totale de l’électronique dans des applications monophasées, biphasées et directement sur puce. Points d’ébullition bas. Stabilité chimique élevée. Coût plus élevé. Incompatibilité potentielle avec les thermoplastiques ou les élastomères fortement plastifiés.

Lors de la sélection des fluides, il faut tenir compte de l’appauvrissement de la couche d’ozone et du potentiel de réchauffement global, notamment en ce qui concerne les réfrigérants et les diélectriques. Depuis une dizaine d’années, les directives de l’Organisation Mondiale de la Santé mettent de plus en plus l’accent sur ces paramètres, ce qui a incité à développer des alternatives plus écologiques, telles que 3M Novec™, le réfrigérant HFE, et les réfrigérants hydrofluoro-oléfines de quatrième génération plus respectueuse de l’environnement comme le R-1234 ou le R-1336.

En plus de la stabilité thermique et des compatibilités chimiques, il faut tenir compte de la toxicité, de l’inflammabilité, des exigences de propreté, de l’impact environnemental et du coût du liquide de refroidissement. Et bien sûr, lorsque vous comparez les types de liquides de refroidissement et les options, assurez-vous de prendre en compte tous les matériaux avec lesquels le liquide peut entrer en contact dans l’ensemble du système.

Dimensionnement des matériaux de construction

Les composants des systèmes de refroidissement électroniques sont, en général, composés de trois types de polymères plastiques de base, thermoplastiques techniques et élastomères - et de quatre types d’alliages métalliques - aluminium, laiton, cuivre et acier inoxydable. Le tableau du guide technique fournit une comparaison de haut niveau des matériaux de construction des composants des systèmes de refroidissement par liquide.

Résistance des polymères

Limites des polymères

Élastomères

Les élastomères peuvent être conçus pour répondre à un large éventail d’exigences de performance. Les élastomères sont des polymères qui ont la propriété de la viscoélasticité - ils sont caoutchouteux et flexibles - et sont principalement utilisés dans les composants pour le transport des fluides, tels que les tubulures et les tuyaux, ainsi que dans les composants d’étanchéité tels que les joints toriques et les joints d’étanchéité. Pour comprendre comment les élastomères ont tendance à se comporter, nous pouvons examiner leur fabrication.

La vulcanisation, ou le processus de durcissement, crée des liaisons transversales permanentes dans les longues chaînes de polymères des élastomères. Ces chaînes garantissent que lorsque les contraintes sont appliquées ou non, le composant élastomère reviendra à sa position initiale. Dans le cas d’un joint torique et d’un raccord rapide, par exemple, un élastomère conservera son étanchéité.

À un niveau élevé, la spécification des élastomères pour une application de refroidissement par liquide, nécessite une analyse et une évaluation détaillées avec le liquide de refroidissement sélectionné afin de garantir la compatibilité et la fiabilité à long terme. A fin de discussions, les catégories courantes de matériaux que l’on peut voir dans ces applications…

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......ont été identifiées comme le nitrile hydrogéné, l’éthylène-propylène ou EPDM, et le chloroprène. Le HNBR possède une grande résistance chimique, d’excellentes propriétés mécaniques, notamment la résistance à la traction, à la déchirure dans une large gamme de températures et peut être mélangé pour obtenir une excellente résistance aux applications à haute pression. L’EPDM possède d’excellentes caractéristiques de résistance à l’eau chaude et à la vapeur. Cependant, sa résistance aux hydrocarbures étant plus faible, il n’est pas vraiment adapté à une application de type réfrigérant.

Le chloroprène, communément appelé néoprène, est très résistant à de nombreux chlorofluorocarbures ou CFC, qui sont utilisés comme réfrigérants. Il est peu coûteux, mais présente une résistance chimique modérée et une résistance limitée à la température.

Certains éléments supplémentaires à prendre en compte lors de la spécification des élastomères sont la dureté, la résistance thermique ou la robustesse en cas d’expositions continues et intermittentes, et certainement la composition en lien direct avec la compatibilité chimique.

Alliages métalliques

Ainsi : Compatibilité chimique

Avec une compréhension fondamentale des fluides, plastiques et métaux qui pourraient être utilisés dans une application de refroidissement par liquide donnée, nous pouvons évaluer l’éventuelle compatibilité chimique des composants du système, en fonction de leur composition, pour assurer un fonctionnement fiable à long terme.

Alors que les polymères et les métaux peuvent être efficaces dans n’importe quelle combinaison lorsqu’ils sont correctement spécifiés, il est essentiel de distinguer…

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