Le concept des microcanaux n'est pas nouveau puisqu'il a été introduit vers 1980 par les chercheurs Tuckerman et Pease. Pour démontrer le potentiel de refroidissement de ces structures, ils ont fabriqué un échangeur de 1 x 1cm² en silicium, composé de canaux et d'ailettes de 0.05mm de largeur pour une hauteur de 0.3mm, soit 50 canaux en tout. En utilisant de l'eau comme fluide caloporteur, cet échangeur était capable de dissiper 790W/cm² (8 fois plus que nos processeurs actuels) en ayant un écart maximal de température de 71°C au niveau du composant chauffant par rapport à la température de l'eau. Compte tenu du faible débitLa bande passante telle qu’utilisée lorsque l’on parle de réseau définit la quantité d’informations numériques que le réseau permet de faire transiter... employé de 500mL/min soit 30L/h cela représente un petit exploit. La perte de charge de l'échangeur à ce débit valait 2.14bar soit 22.1mCE ce qui est considérable mais normal quand on voit dans quoi le fluide doit passer. La résistance thermique de cet échangeur est donc de 0.089°C/W, c'est à dire que pour 100W à dissiper, un coreUnité principale de calcul dans un processeur. Les principaux processeurs actuels regroupent désormais deux ou même quatre unités gravées dans la même... de 1cm² ne verra sa température grimper que de 8.9°C au dessus de la température du fluide, de quoi faire littéralement pâlir de jalousie les énormes blocs actuels ! Il s'en suivra des tas d'études théoriques, expérimentales et de simulations numériques pour essayer de définir des méthodes d'optimisation des designsDesign est un terme qui désigne indifféremment la manière dont est réalisée une carte électronique et l’aspect visuel des périphériques. En ce qui con... suivant l'application à laquelle ils sont destinés (nombre de canaux, largeur, hauteur, débit, pertes de charges, résistance thermique globale, trajet de l'écoulement, etc.). Ils ont alors montré qu'on pouvait réduire la taille des échangeurs à de très petites échelles en ayant le même niveau de performances, et même bien supérieures, que les systèmes classiques.

La dissipationQuantité de chaleur produite par un composant qui doit être évacuée pour permettre son fonctionnement normal. Les transistors, quand ils sont sollicit... des processeurs dernière génération est d'environ 100W/cm². Celle des diodes laser à haute puissance ou des gros transistorsComposant électronique de la catégorie des semi-conducteurs qui joue un rôle fondamental dans les circuits logiques ou l’amplification et qui est à la... atteint facilement 500W/cm² et les nouvelles générations d'appareils à rayonnement X vont atteindre 2000W/cm² ! Pour que ces appareils fonctionnent correctement et ne soient pas détruits par la chaleur qu'ils génèrent, il est impératif d'évacuer la puissance thermique très efficacement pour maintenir une température de fonctionnement inférieure à 100°C généralement. Cela nécessite des systèmes de refroidissement adaptés à ces flux de chaleur très intenses, ce que les microstructures seront en mesure d'apporter, puisqu'elles vont créer un environnement très favorable au transfert de la puissance vers le fluide.

Les échangeurs à microcanaux/microstructures constituent donc une méthode innovante pour le transfert de grosses puissances thermiques issues de petites surfaces vers un fluide caloporteur. L'échangeur est couramment fabriqué dans un matériau à haute conductivité thermique comme l'aluminium, le cuivreMétal utilisé en électronique pour le câblage, la connectique et les systèmes de refroidissement. Le cuivre est un métal qui est doté d’une excellente... ou le silicium dans lequel on vient creuser des canaux. Ces canaux sont réalisés par micro-usinage et autres techniques complexes de microfabrication tel que l'ablation laser, le plasmaLa technologie Plasma se base sur la création de lumière par du phosphore excité par une décharge de plasma entre deux plaques de verre. Les écrans pl..., l'épitaxie, la gravure chimique, l'érosion, le dépôt de vapeur, etc... Ils ont des dimensions de passage qui varient de 1mm à 0.001mm dans lesquels circulera un fluide chargé d'évacuer la puissance absorbée vers un radiateur ou un condenseur. Ces échangeurs combinent à la fois une énorme surface d'échange par rapport à leurs dimensions générales (ratio surface/volume important), un très grand coefficient d'échange convectif, un faible encombrement, une faible masse et enfin un faible besoin en débit (de quelques mL/min à 1L/min en général). Toutes ses caractéristiques attrayantes les rendent donc tout à fait adaptés pour être intégrés facilement et refroidir efficacement les processeurs, les lasers, les gros électro-aimants, etc.

Les différentes microstructures sont classées par ordre de grandeur du diamètre D des canaux :

Canaux conventionnels	D>3mm
Mini-canaux	3mm>= D >0.2mm
Microcanaux	0.2mm>= D >0.01mm
Canaux transitionnels	0.01mm>= D >0.0001mm
Nano-canaux moléculaires	0.0001mm>= D

Voici ci-dessous, quelques exemples de microstructures, prises au microscope électronique, pour montrer la diversité qui existe. Cela illustre assez bien la difficulté d'étudier et de concevoir de si petits systèmes (1µm = 0.001mm) :

L'intérêt principal de ces nouveaux échangeurs est donc de disposer d'une très grande surface mouillée juste au dessus de la zone de chauffage, bien plus que dans n'importe quel waterblockPartie dans un système de watercooling qui est en contact avec le composant à refroidir et qui est l’équivalent du radiateur ou du ventirad sur les sy... traditionnel. Plus besoin d'avoir des blocs de grandes dimensions pour étaler la puissance sur une plus grande surface, ce qui entraîne évidemment une augmentation de la résistance thermique du bloc, car la chaleur doit traverser beaucoup de matière. On obtient le genre d'échangeur présenté ci-dessous (surface d'ailettes d'environ 100cm²) :

Mini-échangeur avec canaux de ~0.2mm de largeur (PNNL 1994) - Cliquez pour agrandir

Un autre atout, est le fait que ces échangeurs pourront travailler aussi bien en écoulement monophasique (1 seule phase), c'est à dire soit 100% liquide soit 100% gazeux, qu'en diphasique (2 phases), c'est à dire liquide + vapeur en même temps. Dans l'écoulement diphasique, on viendra décupler la puissance de refroidissement de l'échangeur en utilisant l'ébullition d'un fluide (changement d'état) qui s'accompagne de gros transferts d'énergie. On verra tout cela dans la suite de l'article.