Les ventilateurs - Refroidissement des circuits électroniques

Le problème
Débit d'air nécessaire à la ventilation
Impédance du dispositif
Exemple
Quelques conseils et remarques
Bruit des ventilateurs Compléments

Le problème

Dès qu'un composant électronique est traversé par un courant électrique, il a tendance à produire de la chaleur (pertes par effet Joule). Cette chaleur n'est généralement pas perceptible avec des composants qui sont traversés par de faibles courants, mais elle est nettement perceptible avec des composants où circulent plusieurs ampères ; il suffit d'approcher la main d'un régulateur d'alimentation, d'un ampli BF fonctionnant à forte puissance ou d'un microprocesseur en pleine activité pour constater que « c'est chaud ».
Dans tous les dispositifs mécaniques en mouvement, il existe des frottements et ceux-ci produisent aussi de la chaleur : en hiver, on se réchauffe en se frottant les mains. Il en va de même, par exemple, pour les disques durs qu'on trouve sur les micro-ordinateurs.

Tant que la chaleur est évacuée au moins aussi vite qu'elle est produite, il n'y a généralement aucun problème particulier : le système atteint une température d'équilibre et y reste.
Mais si l'évacuation de chaleur se fait moins vite que sa production, le système électronique et/ou mécanique va s'échauffer de plus en plus et cela peut conduire à sa destruction (par déformation voire fusion pour les éléments mécaniques, par emballement thermique pour les semiconducteurs).
Il faut donc veiller à ce que le système ne dépasse pas une certaine température.
Laquelle ? Celle de l'élément dont la température maximum de fonctionnement est la plus basse.

La page sur les radiateurs montre qu'on peut aider un composant particulier(régulateur, transistor de puissance, ...) à évacuer vers l'air ambiant la chaleur qu'il produit, mais :

C'est pourquoi dans certains cas on ne peut pas se contenter d'une évacuation de chaleur par convection naturelle, même avec l'adjonction de radiateurs (appelés aussi dissipateurs). On a alors recours à une ventilation forcée, notamment au moyen d'un ou plusieurs ventilateurs.

Le principe de fonctionnement d'un ventilateur peut être décrit simplement :

  1. Il pousse l'air chaud hors du coffret et le remplace par de l'air froid qu'il aspire l'extérieur du coffret.
  2. Cet air froid est réchauffé par le système qui se trouve à l'intérieur du coffret
  3. Le ventilateur pousse cet air chaud hors du coffret et le remplace par de l'air froid qu'il aspire l'extérieur du coffret.
  4. et ainsi de suite ...

Mais quel ventilateur choisir ?
Comme on va le voir, certains critères peuvent être déterminés par le calcul, mais il faudra faire appel à l'expérimentation (ou à des mesures si on en a les moyens) pour trouver le ventilateur optimal.

Débit d'air nécessaire à la ventilation

On imagine bien que la quantité de chaleur produite par le système va jouer un rôle dans le choix du ventilateur : nous avons tous refroidit un aliment liquide (café, soupe, ...) en soufflant dessus pour le ramener à une température acceptable : plus le liquide est chaud au départ, plus il va falloir dépenser d'énergie à souffler pour le refroidir.
Dans notre cas, on exprimera cette quantité de chaleur en watts dissipés : il faudra additionner les watts dissipés de tous les éléments chauffants du système.
A noter qu'il pourra être nécessaire de faire des estimations pour certains d'entre eux si le fabricant ne fournit pas cette caractéristique.

Puisque le but de la ventilation est de ne pas dépasser une certaine température dans le coffret, cette limite va intervenir.
Mais supposons qu'on veuille limiter la température à l'intérieur du coffret à 50°C, par exemple : on imagine bien que cela sera plus difficile si le système se trouve dans un appartement surchauffé que s'il est dans une chambre froide : l'« effort » à fournir dans le premier cas sera plus important.
C'est pourquoi on s'intéressera à la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret . On exprime celle-ci en °C (degrés Celcius).

Si on reprend la description simplifiée du fonctionnement d'un ventilateur indiquée plus haut, on voit bien que celui-ci doit « prendre de vitesse » la production de chaleur afin que l'air froid amené de l'extérieur n'ait pas le temps de trop s'échauffer.
Intuitivement, on se rend bien compte que le débit d'air (appelé aussi déplacement d'air ) imposé par le ventilateur va être déterminant.
Et c'est bien une caractéristique essentielle d'un ventilateur. On exprime cette caractéristique en m 3 /mn (mètre-cube par minute) ou en CFM (ft 3 /mn = Cubic Feet per Minute).

On peut aussi se rendre compte intuitivement que :

Après l'intuition, passons au calcul. L'équation de base de transfert de chaleur est la suivante :

P = Cp x M x ΔT
Avec :
P = puissance dissipée dans le coffret
Cp  = capacité calorifique de l'air
ΔT = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret
M = masse d'air déplacé

Nous n'allons pas utiliser directement cette équation, mais elle permet de remarquer que ce n'est pas le volume de l'air déplacé qui intervient, mais sa masse (ce qui a une importance si on est à un niveau élevé au-dessus du niveau de la mer). Il en va de même lorsqu'on fait le plein de sa voiture : bien qu'on paie le carburant au volume, c'est la masse achetée qui donne le pouvoir énergétique (d'où l'intérêt de faire le plein au petit matin en été ...).

Si on remarque que :

M (masse d'air déplacé) = Q (débit) x ρ(densité de l'air)

et si on prend les caractéristiques de l'air (capacité calorifique et densité) au niveau de la mer, on obtient les formules pratiques :

Qm = 0,05 x P       Qcfm = 3,16 x P
              ΔT C                         ΔT F

avec :


Qm = débit d'air nécessaire(en m 3 /mn)
P = puissance dissipée dans le coffret (W)
ΔT C = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret (°C)
Qcfm = débit d'air nécessaire(en CFM)
ΔT F = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret (°F)

Vous remarquerez qu'on définit ci-dessus le débit d'air nécessaire et non le débit du ventilateur.
Nous allons voir que le débit du ventilateur doit être sensiblement plus important que le débit d'air dont on a besoin.

Impédance du dispositif

Essayez de refroidir votre café en soufflant dessus à travers un linge épais et vous aurez compris la notion d'impédance du système : il ne s'agit bien sûr pas de l'impédance électrique mais de la résistance au passage de l'air .
Cette résistance est provoquée par tout ce qui contrecarre le passage de l'air : câbles, nappes, cartes électroniques, turbulences provoquées par la forme du coffret, ...
Courbe de Pression statique du système en fonction du débit d'air
Cette résistance s'exprime par la différence de pression entre l'air entrant dans le coffret et l'air sortant ; on l'appelle parfois pression statique .
Cette résistance n'est pas constante ; elle augmente avec le débit du ventilateur (en gros, comme son carré), ainsi que le montre la figure ci-contre
Courbe de débit du ventilateur en fonction de la pression statique
Voici maintenant ci-contre la courbe caractéristique d'un ventilateur, telle qu'on peut la trouver dans le catalogue d'un fabricant.
Il s'agit là d'un ventilateur dont le débit « de vente » est de 100 CFM, mais on voit que c'est un débit à l'air libre, sans le moindre obstacle : dès que la pression statique augmente, le débit réel diminue : à une pression statique de 2 mm d'eau, le débit n'est plus que de 40 CFM !
Intersection des courbes de débit/pression pour le système et le ventilateur
Et si maintenant, nous mettons le ventilateur précédent dans le système plus haut, voici ce que nous obtenons :
un équilibre où la pression statique est d'environ 1,7 mm d'eau et un débit d'air réel de 50 CFM (soit la moitié du débit « de vente » du ventilateur)

La question logique maintenant est : comment obtenir la courbe d'impédance du système dans lequel je veux installer un ventilateur ?
Grosse déception ! Il faut pour cela un matériel dont ne dispose pas le particulier et de plus, cela prend beaucoup de temps.
C'est pourquoi on peut utiliser quelques « recettes de cuisine » (issues d'observations, tout de même ; en l'occurrence, celles des ingénieurs de NMB) :

Exemple

Nous avons un montage en coffret dont la dissipation thermique totale est de 170 W.
Dans la pièce où il est installé, la température en hiver est de 18°C, mais en été celà peut monter à 30°C.
D'après les caractéristiques des composants du montage on ne veut pas dépasser une température de 40°C à l'intérieur du coffret.
Le coffret est relativement « aéré ».

Pour déterminer le débit d'air nécessaire, il suffit d'appliquer la formule vue plus haut :

Qm = 0,05 x 170 = 0,85 m 3 /mn ou 0,85 x 60 = 51 m 3 /h
          (40 - 30)

Comme il s'agit d'un coffret relativement aéré, nous considérerons (arbitrairement) que nous sommes assez proches d'un coffret vide, et que le débit d'air est réduit de 25 %.
Le débit à l'air libre du ventilateur devra donc être de :

Q =   51   = 68 m 3 /h
       0,75

Le ventilateur ci-dessous, faisant partie du catalogue de Papst, peut a priori convenir à notre besoin, puisque son débit à l'air libre est de 69 m3 / h.
On voit que le débit de 51 m 3/h (qui correspond à une pression statique d'environ 12 Pa) se trouve dans la plage de fonctionnement recommandée, donc ce ventilateur convient à notre application.
On remarquera que :

Fiche de caractéristiques du ventilateur Papst 8412N

Quelques conseils et remarques

Choix du ventilateur

Le premier critère de choix pour un ventilateur est bien sur son débit d'air qu'il faudra évaluer ; il vaut mieux être généreux si cela est possible (encombrement) et surtout si l'impédance du système est vouée à augmenter (par exemple s'il s'agit d'un micro-ordinateur où on est susceptible de rajouter des éléments). On n'oubliera pas non plus que la température extérieure peut varier entre l'été et l'hiver.

Il est préférable de choisir un ventilateur alimenté en courant continu lorsque le choix existe.
Autrefois, ceux-ci étaient nettement plus coûteux à caractéristiques équivalentes que les ventilateurs alimentés en alternatif, ce qui n'est plus le cas. De plus, un ventilateur alimenté en courant continu consomme moins, émet moins de parasites et a généralement une durée de vie plus importante.
Si on a le choix, il vaut mieux prendre un ventilateur alimenté en 24V qu'en 12V, car la dissipation en sera réduite.

Il faut autant que possible faire fonctionner un ventilateur dans les conditions recommandées par le fabricant, en particulier en ce qui concerne la pression statique et la température (on estime qu'une augmentation de la température de 10°C diminue la durée de vie d'environ 20.000 heures).

Si vous prévoyez de faire fonctionner le ventilateur à température normele (40°C max), il vaut mieux prendre un modèle à paliers lisses plutôt qu'à roulement à billes : il sera probablement moins bruyant et sa durée de vie sera équivalente. A plus haute température, le modèle à roulement à billes aura une durée de vie plus importante.

Pour minimiser le bruit, à débit équivalent il est préférable de choisir un ventilateur de grande taille, sans oublier toutefois que qu'il faudra laisser suffisamment d'espace autour. On pourra aussi prendre un ventilateur permettant un débit très supérieur à celui nécessaire et réduire sa tension d'alimentation (voir le chapitre Comment minimiser le bruit ).

Montage du ventilateur et agencement du coffret

Pour réduire le débit d'air nécessaire et le bruit, le moyen le plus efficace (et de très loin !) est de très bien dégager l'entrée d'air et, dans une moindre mesure, la sortie d'air ; il faut donc éviter toute obstruction à ces endroits. On laissera un volume totalement dégagé autour du ventilateur.

Toujours pour limiter le débit d'air nécessaire et le bruit, on essaiera d'agencer les éléments du coffret pour limiter la résistance au passage de l'air et les turbulences : des essais pourront être nécessaires.

Pour diminuer le bruit, il pourra être intéressant de fixer le ventilateur avec des supports souples plutôt que des vis.

Mais dans tous les cas, aussi bien pour le débit d'air que pour le bruit, le mieux est de faire en sorte qu'on ait le minimum de chaleur à dissiper !

Bruit des ventilateurs

L'un des principaux inconvénients du ventilateur est qu'il produit du bruit.
Le premier paragraphe ci-dessous n'est pas absolument indispensable pour comprendre la suite, mais y jeter un petit coup d'oeil peut tout de même vous aider.

Notions sur les chiffres du bruit (dB PWL, dB SPL, dBA)

Le bruit est une notion très subjective : on pourrait le définir comme étant un son indésirable. Tel son paraîtra supportable (voire agréable) à telle personne et insupportable à une autre.
En la matière, la seule chose qu'on sache mesurer est le niveau sonore.

Les chiffres utilisés pour exprimer un niveau sonore s'appuient sur 2 observations :

Le dB n'a pas d'unité : il exprime toujours un rapport entre 2 valeurs de même nature, un peu comme le pourcentage.
A l'origine, le dB a servi à exprimer un rapport de puissances (en watts), selon la formule :

dB = 10 x log 10 ( P 1 )
                          P 0

Par exemple, entre une puissance de 100 W et une puissance de 50 W, on a un écart d'environ 3 dB

Mais le dB sert aussi (entre autre) à exprimer un rapport de tensions (en volts) ou de pressions acoustiques (en pascals, par exemple). Dans ce cas, on peut montrer mathématiquement que pour que les dB soient cohérents il faut utiliser la formule :

dB = 20 x log 10 ( U 1 )
                          U 0

Par exemple, entre une tension de 100 V et une tension de 50 V, on a un écart d'environ 6 dB.

Puisque le dB exprime toujours un rapport, il ne veut rien dire seul : c'est comme si vous disiez « Le prix du pain au chocolat est 130 % », cela n'aurait pas de sens. Par contre, si vous dites « Le prix du pain au chocolat est 130 % du prix de la baguette » cela a un sens ; et pour peu que vous connaissez le prix de la baguette, vous pourrez même déterminer le prix du pain au chocolat.

Donc dans une fiche de caractéristiques si on indiquait que le niveau de bruit est de 32 dB, cela n'aurait aucun sens.
Par contre, si on indique que le niveau de bruit est de 32 dB SPL(Sound Pressure Level), on se réfère à une norme qui indique notamment qu'on est en train de comparer des pressions acoustiques, que la référence (c'est à dire 0 dB) est de 20µPa et que la mesure s'effectue à 1 mètre de la source de bruit.
On pourrait tout à fait en déduire la pression acoustique en résolvant l'équation :

32 = 20 x log 10 ( Pression ) (en µPa)
                             20

ce qui donne environ 0,8 Pa

Le dBA (Acoustique) mesure aussi un rapport de pressions acoustiques, mais là on partage le spectre audible en plusieurs bandes de fréquences, on y mesure la pression sonore et on effectue une moyenne pondérée par la sensibilité de l'oreille humaine.
Disons que le dBA rend compte du fait que l'oreille est plus sensible à certaines fréquences qu'à d'autres.

Le dB PWL(PoWer Level) mesure un rapport de puissances acoustiques efficaces (et non de pressions) avec une référence à 1pW (1 pico-watt) ; l'intérêt du dB PWL est qu'il ne tient compte que de la source sonore (le ventilateur dans notre cas), contrairement au dB SPL.

Il existe bien d'autres dB, mais qui ne sont pas utilisés dans les caractéristiques des ventilateurs.

Ce qu'il faut savoir pour utiliser les chiffres du bruit

L'oreille humaine commence à percevoir une différence de niveau sonore à partir de 3 dB environ ; donc si 2 ventilateurs n'ont qu'un écart de 1 dB, la différence de bruit sera imperceptible.

Un écart de 10 dB donne une impression de doublement du niveau sonore.

Le dBA ou le dB SPL permettent de comparer le niveau de bruit de différents ventilateurs, mais la mesure s'effectue dans des conditions précises qui ne sont pas celles de son utilisation.
A titre d'exemple, la fiche du ventilateur Papst reproduite plus haut indique 32dBA, qui est une mesure se faisant à l'air libre.
Mais à côté on trouve 4,7 bels soit 47 dB. Le fabricant indique qu'il s'agit là d'un niveau de bruit mesuré lorsque le ventilateur est monté et utilisé dans sa plage de fonctionnement recommandée. Il y a quand même une différence de 15 dB, ce qui donne une impression de plus qu'un doublement du niveau sonore !
Et si on fait fonctionner le ventilateur hors de la plage de fonctionnement recommandée, le bruit s'agravera.
On n'a pas toujours ce second chiffre ...

Comment minimiser le bruit

Réduire l'impédance du système

Réseau de courbes... ou plus simplement : faciliter au maximum le passage de l'air.
On a vu plus haut que dans un coffret presque vide, l'impédance du système réduit le débit d'environ 20 % alors que dans un coffret très touffu elle le réduit d'au moins 60 %. Si une forte proportion du débit potentiel du ventilateur est utilisée pour compenser l'impédance du système, il faudra un ventilateur plus gros, tournant plus vite et donc produisant plus de bruit.

Bien sûr, ranger convenablement les câbles et nappes peut améliorer les choses, mais le plus grand gain (ou perte) s'obtient à proximité des endroits où l'air entre et sort du coffret (60 à 80 % de l'impédance totale).
Des obstructions au niveau de l'arrivée d'air (où se trouve le ventilateur) peuvent créer une augmentation du niveau de bruit pouvant atteindre 10 dB ! Les effets sont moindres sur la sortie d'air, mais non négligeables.

Le réseau de courbes ci-contre indique pour différents débits la surface dégagée autour du ventilateur (incluant le ventilateur lui-même) et à la sortie de l'air et l'augmentation de pression statique qui en résulte.

Papst indique une règle simple : laisser dégagée la surface du ventilateur augmentée de chaque côté de l'épaisseur du ventilateur.

Utiliser un ventilateur ayant une plus faible vitesse

Généralement, plusieurs modèles de ventilateur permettent d'obtenir le débit d'air souhaité.
Si nous reprenons l'exemple traité plus haut, voici ci-dessous un rappel des caractéristiques du modèle choisi et en-dessous celles d'un autre modèle qui pourrait aussi convenir. Mais le second est plus volumineux : 119 x 119 x 32 mm au lieu de 80 x 80 x 25 mm pour le premier.

Comparaison caractéristiques 8412N et 4312MV

On peut remarquer que le niveau de bruit est sensiblement inférieur pour le second (10 dB de moins) et qu'il tourne moins vite, les deux caractéristiques étant liées.
Plus un ventilateur tourne vite, plus il fait de bruit.

On peut même calculer l'augmentation de niveau sonore en fonction du rapport des vitesses :

dB 1 = dB 2 + 50 log 10 ( V 1 ), avec V 1 , V 2 en tours/mn
                                V 2

Pour obtenir un débit d'air donné, on a le choix entre de grandes pales et une vitesse de rotation limitée ou de petites pales mais une vitesse de rotation plus élevée.
Donc, si à débit identique on peut caser un grand ventilateur, on gagnera en silence. Une diminution de la vitesse de 20 % fait gagner environ 5 dB.

On peut aussi utiliser un ventilateur surdimensionné (en débit) et le faire tourner plus lentement ; voici les relations à utiliser :

Bruit : dB 1 = dB 2 + 50 log 10 ( V 1 )
                                    V 2
Débit : Q 1 = Q 2 x ( V 1 )
                   V 2
Pression statique : S 1 = S 2 x ( V 1 ) 2
                   V 2
Puissance consommée : P 1 = P 2 x ( V 1 ) 3
                  V 2
Forme de la courbe (droite) Tension/VitesseL'ennnui, c'est qu'il nous manque une relation entre la tension appliquée au ventilateur et sa vitesse de rotation.

Cette relation est linéaire, comme l'indique la courbe ci-contre, mais elle dépend des caractéristiques du ventilateur : il faut donc soit l'obtenir auprès du fabricant, soit opérer la mesure en 2 points les plus éloignés possibles (à tension min et max spécifiées, par exemple)

Montage souple sur le coffret

Parfois, il est souhaitable d'éviter la transmission des vibrations du ventilateur au coffret ; ceci est particulièrement le cas avec de faibles débits (0,5 m 3 /h ou moins) où les vibrations transmises au coffret sont la principale source de bruit.
Il faut utiliser des supports souples pour fixer le ventilateur au coffret, tels que des supports en cahoutchouc.

Autres améliorations possibles

Pour un même modèle de ventilateur, il existe parfois une version à palier lisse et une version à roulement à billes : la version à palier lisse peut être moins bruyante, mais jamais l'inverse.
A basse température la durée de vie des 2 versions est généralement équivalente, mais à haute température la version à roulement à billes a une meilleure longévité.

On peut aussi essayer divers agencements des composants dans le coffret, lorsque cela est possible, mais il n'existe pas de règle générale : seuls des essais permettront éventuellement de trouver une disposition optimale (qui minimise les turbulences).

Compléments

Utilisation de ventilateurs en série ou en parallèle

Comparaison débit/pression pour des ventilateurs en série et en parallèleIl peut parfois être intéressant de combiner 2 ventilateurs en parallèle ou en série pour augmenter le flux d'air, sans trop perturber l'agencement à l'intérieur du coffret.

Le montage en parallèle ne double le débit d'air ... qu'à l'air libre, ce qui est sans intérêt dans notre cas. Comme on le voit sur le graphique, plus la pression statique est faible et plus le gain de débit est important.


Un montage en parallèle est donc intéressant dans un système à faible impédance , proche de l'air libre.

Le montage en série permet d'avoir un débit plus important à une pression statique donnée, mais là non plus elle n'est pas doublée. Comme on le voit sur le graphique, plus la pression statique est élevée et plus le gain de débit est important.
Un montage en série est donc intéressant dans un système à forte impédance.

Lorsqu'on met en série ou en parallèle plus de 2 ventilateurs, certaines zones de la courbe de performance globale sont instables (et imprévisibles) et certaines combinaisons sont à éviter. Seule l'expérimentation peut indiquer si la solution est correcte ou non.

Influence de l'altitude

Nous avons donné au début la relation permettant de calculer le débit d'air nécessaire :


Qm = 0,05 x P
        ΔT C
mais il s'agit là d'une relation simplifiée ; la relation complète serait :
Qm =         P        
     Cp x ρ x ΔT C
avec :
Qm = débit d'air nécessaire(en m 3 /mn)
P = puissance dissipée dans le coffret (W)
ΔT C = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret (°C)
Cp = capacité calorifique de l'air
ρ = densité de l'air (en kg/m 3 )

ΔT F = différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du coffret (°F)

C'est en effet la masse de l'air qui intervient et non son volume ; pour simplifier, nous avions pris le niveau de la mer comme référence, ce qui convient aussi à basse altitude (vu le niveau de précision que nous avons), mais si le matériel en question doit être utilisé en haute altitude, il nous faut tenir compte du fait que l'air est moins dense.

Si nous mettons en constante la capacité calorifique de l'air, nous obtenons : Altitude (m) ρ(kg/m 3 )
Qm = 0,06 x P Niveau de la mer 1,19
ρ x ΔT C 1500 1,06
Il nous suffit de tenir compte de la densité de l'air :

On voit qu'à 6000 m d'altitude il faudra quasiment doubler le débit d'air par rapport à celui du niveau de la mer.

3000 0,904
4500 0,771
6000 0,.652
7500 0,549
9000 0,458
10500 0,379

Conversions d'unités

Débit

1 m 3 /mn = 35,31 CFM
1 CFM = 2,831 x 10 -2 m 3 /mn

Pression statique

1 Pa = 1,0197 x 10 -1 mm H 2 O
1 Pa = 4,017 x 10 -3 inch H 2 O
1 Pa = 1 x 10 -5 ba

Liens vers des fabricants

Voici quelques URL de fabricants de ventilateurs distribuées en France, où on pourra trouver notamment les caractéristiques des produits :

Adda Gamme de produits assez standard
Comair Rotron Large gamme de produits.. Le site comporte des informations techniques très complètes
Micronel Plutôt orienté vers les ventilateurs de petite taille
NMB Une gamme de produits assez réduite. Des informations techniques pratiques sur le site
Papst Fabricant réputé pour la qualité de ses produits, avec une large gamme, bien distribué en France.
Sunon Des ventilateurs qu'on trouve souvent dans les PC. Des informations techniques sur le site
Ziehl-Abegg Une gamme de produits relativement réduite, mais convenant aux utilisations courantes

Dernière mise à jour de cette page : 18/5/2009