Ou comment dimensionner le refroidissement de son boitier. Quand il s’agit de choisir un ventilateur, de nos jours, on a le choix, de taille, de marque, design, RGB ou pas. Mais on oublie qu’avant tout, on parle d’aérodynamique appliquée, et, aussi cruel que cela soit, la physique ne laisse pas de place aux promesses douteuses du marketing.
La partie théorique
D’abord, il faut accepter quelque chose de fondamental, la vitesse de rotation ne fait pas tout. Les deux métriques les plus importantes qualifiant un ventilateur sont le débit d’air (généralement en CFM) et la pression statique (mmH₂O). Les deux étant interdépendantes et variable en fonction de la vitesse de rotation du ventilateur. Les caractéristiques techniques nous annoncent deux points opposés sur une courbe : le débit max (en flux libre) et une pression statique max (à débit quasi nul). Dans la vraie vie, il fonctionnera quelque part entre les deux, et de manière plus ou moins optimale selon la restriction en face de lui.
Il est libre…
Le flux libre, c’est un ventilateur posé sur un bureau, donc sans filtre, sans mesh, sans radiateur à travers. Ce qui compte, c’est le volume d’air qu’il peut déplacer au maximum. La pression statique importe peu, parce qu’il n’y a pas de résistance à faire passer l’air d’un côté à l’autre du ventilateur. Un ventilateur optimisé “airflow” et plutôt reconnaissable à de grandes pâles, presque sans angle.
N’est pas mesh qui veut
Dès que le ventilateur est contre un mesh (grillage de boîtier) cela crée résistance au flux d’air (et une perte de charge de ventilation), logiquement, augmenter la densité du grillage augmente la résistance au flux de l’air. La pression statique devient plus importante que le CFM théorique, du moins c’est la position sur la courbe pression/débit dans la restriction réelle. Ce n’est pas la valeur max qui compte, mais la capacité à maintenir du débit sous restriction.
Finalement, que l’on cherche à aspirer ou pousser de l’air à travers un mesh, physiquement, ça ne changera quasiment rien. Car la résistance est la même. La seule chose qui change véritablement, c’est la gestion des turbulences à haute vitesse lorsque côté aspiration, on est très proche du grillage.
Il y a des mesh, comme des filtres qui sont plus denses que d’autres. Voici quelques exemples de mesh et filtres.
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Solide comme un rad’
Un radiateur, c’est un empilement d’ailettes fines, c’est une vraie barrière pire que le mesh, pire qu’un filtre. L’air doit pousser fort pour se frayer un chemin et lutter contre l’inertie du métal chaud. C’est là que l’on voit des ventilateurs optimisés pour pression statique, avec des pales plus fermées, généralement avec angle plus prononcé et souvent un régime plus faible (pour favoriser le couple). On note également que le cadre à tendance à se refermer sur les pales, pour laisser d’une part le moins d’espace possible, et d’autre part pour faire converger l’air.
En théorie, là encore, que l’on soit en aspiration ou en poussée d’air, les différences sont minimes et surtout liées aux turbulences.
La physique ne ment pas
Parlons ventilateurs
En physique aucun avantage ne vient sans un inconvénient. Il existe plusieurs types d’épaisseurs, les Slim 15mm, Standard à 25 mm et les versions épaisses jusqu’à 38 mm. Quelques règles simples, plus c’est épais : plus la pale peut avoir une profondeur importante, ce qui permet au ventilateur de maintenir la pression, car le flux est plus stable. Par contre, la pression, c’est de l’énergie. L’énergie indirectement, ça fait du bruit… parce que pour créer cette pression, les pâles ont un design plus agressif.
Comme tout élément mécanique, un ventilateur à une courbe d’efficacité, un rapport débit/bruit est optimal, en général l’optimal se trouve sur une plage 40-70 % de la vitesse max. Au-delà, le bruit augmente plus vite que le gain thermique. Ce qui vient contredire le “Plus vite = mieux refroidi” plus vite c’est surtout plus de bruit et à garder pour un boost de frais épisodique.
Par ailleurs, si le radiateur est saturé thermiquement ou que le boîtier est une bulle d’air chaud, peu importe le flux d’air, on ne gagnera rien à faire passer plus d’air. On pourrait se poser la question sur une ventirad tour, entre mettre 1 bon ventilateur ou d’en mettre 2 moyens de part et d’autre. C’est une réponse de surface d’échange et de pression cumulée. Mettre deux ventilateurs en série d’un radiateur augmente la pression statique du couple et le débit total. Par contre, le gain n’est pas monumental, et suit la loi des rendements décroissants, les performances ne s’ajoutent pas, le gain est autour des 20%. Par contre, à deux, ils tourneront moins et feront moins de bruit donc l’un dans l’autre il y a un avantage.
Troll : le volume est inutile comme la pression
Quand on parle de boitier ou que l’on design un airflow, on a tendance à dire qu’un boitier plus petit correspond à une chauffe plus concentrée et qu’il faut équilibrer les flux d’air. Alors spoiler c’est faux ou du moins pas aussi simple que ça. Le volume ne détermine pas la température d’équilibre, mais il conditionne la difficulté du flux.
L’équilibre
L’équilibre est quelque chose de flatteur pourtant, il n’y a aucun mal à bien déséquilibrer. Un déséquilibre positif modéré dans un boitier (plus d’air qui entre que ce que l’on fait sortir) est positif pour la poussière par exemple. L’effet inverse se produit lorsque la pression est négative dans le boitier, tout ce qui peut rentrer va être aspiré… Pourtant, trop d’air qui entre n’est pas bon, car faute de pouvoir l’extraire assez rapidement l’air va stagner et être recyclé par les composants qui vont le chauffer petit à petit, c’est le bain thermique.
Le volume
Maintenant vient le sujet du volume… Théoriquement, on peut relier puissance thermique (exprimée en Watts), le débit d’air (en CFM) et utiliser le ratio des deux pour quantifier l’élévation de température du volume d’air. Mais attention : le volume en litres n’est pas la variable d’ajustement, car le pouvoir de dissipation thermique de l’air est constant et ne varie pas selon le volume d’air. Le volume d’air du boîtier joue surtout sur l’inertie thermique, il impacte le temps de montée en température du boitier, mais pas la température finale.
Le rapport Watts par Litre permet de comparer la densité thermique, par contre, il ne permet pas de définir à lui seul la quantité de ventilation nécessaire pour dissiper la chaleur. Même si, communément, pour viser environ +8-10°C d’élévation interne par rapport à l’air ambiant, on considère qu’il faut 0,2 CFM par W.
L’exemple
La formule théorique dit que CFM ≈ 1,76 × P / ΔT où P est la puissance à dissiper et ΔT est l’écart entre l’air du boitier et l’air ambiant. Si l’on veut maintenir ΔT au niveau de l’air ambiant, c’est physiquement impossible ou alors avec une valeur CFM énorme ou une puissance nulle (au choix). Par contre, avoir un air dans le boitier autour de 10º plus chaud que la pièce est quelque chose de plus raisonnable et facile à obtenir selon la puissance.
Pour aller plus loin dans l’exemple avec un CPU à 55W un GPU à 125W avec des radiateurs classique (le ΔT d’un dissipateur moyen est de 40º) il faudrait 40 CFM pour avoir un air ambiant à 20º et un ΔT boitier à 10º. Le ΔT de l’air se cumulant, pour maintenir un CPU/GPU sous les 70º il faut maintenir l’air du boitier à 30º. Soit air ambiant 20º + ΔT boitier 10º + ΔT radiateur 40º. Pour garder cette température, il faut 1,76 × 180 / 8≈ 40 CFM. C’est à peu de chose près un bon 92mm qui tourne à fond en entrée et en sortie du boitier.
Ainsi, les CFM ou mmH₂O séparément ne sont primordiaux, parce que deux ventilateurs annoncés à 2.5 mmH₂O peuvent se comporter très différemment à 800 RPM (qui fait tourner à fond ?). C’est la courbe pression / débit en condition réelle qui prévaut, par ailleurs, ces mesures de laboratoires ne tiennent pas compte d’un mesh, l’aspiration des ventilateurs CPU/GPU et la recirculation de l’air dans le boitier qui n’est jamais hermétique.
On peut exagérer les pertes d’efficacité à 40% car on ne fera pas tourner les ventilateurs à 100%. Les 40 CFM théorique de l’exemple seront équivalent à deux 140mm 80 CFM que l’on ferait tourner à 50% de leur vitesse max.
Pour résumer
On peut raisonner de manière simplifiée, en flux libre ou avec des panneaux perforés, on privilégie un ventilateur avec un débit élevé. Lorsque l’on ajoute des filtres ou que le radiateur se densifie, on va basculer sur un ventilateur proposant une pression statique plus élevée. Certains modèles haut de gamme font les deux. Ensuite, il faut mieux maintenir une rotation constante moyenne que faire le yoyo dans les vitesses. Enfin, l’air chaud s’échappant mécaniquement partout où il peut, il vaut mieux avoir un peu plus d’air frais qui entre que d’air chaud que l’on aide à sortir.
Et si l’article n’aide pas à choisir un ventilateur, hé bien, c’est volontaire, car chaque cas est différent. On ne refroidit pas un CPU, on transporte de l’énergie qu’il dissipe à l’extérieur. Les ventilateurs ne refroidissent rien, ils accélèrent le transport d’enthalpie (énergie thermique contenue dans l’air). Quand on comprend ça, on arrête de chercher “le meilleur ventilateur” et on commence à dimensionner un système.
Par contre, les ventilateurs premium existent et sont effectivement plus performants en tout point de vue. Maintenant, un NF-14 à 30€ seul dans le boitier fera moins bien que trois Pure Wings 3 (à 10€ pièce) correctement disposés.