Distintos Tipos de Refrigeración para tu pc

por admin » Mar Abr 27, 2010 8:19 pm

Introducción

La siempre creciente industria de la computación está en una búsqueda continua de nuevas

formas para enfriar microprocesadores. Desde ventiladores gigantes hasta nitrógeno
líquido, la industria y los entusiastas se esfuerzan continuamente para conseguir mejores y
más silenciosos y confiables métodos de enfriamiento. Este artículo terminará examinando
un nuevo concepto para refrigeración de microprocesadores basados en un antiguo
fenómeno físico llamado descarga de corona (corona discharge).

Métodos para enfriar los componentes de una computadora

Variadas técnicas son usadas en la actualidad para refrigerar componentes electrónicos,

como lo son los microprocesadores, que fácilmente pueden alcanzar temperaturas tan altas
que provoquen daño permanente si no son mantenidos a una temperatura adecuada de
forma apropiada.

1.Refrigeración por Aire

La refrigeración pasiva es probablemente el método más antiguo y común para enfriar no

sólo componentes electrónicos sino cualquier cosa. Así como dicen las abuelitas: “tomar el
fresco”, la idea es que ocurra intercambio de calor entre el aire a temperatura ambiente y el
elemento a enfriar, a temperatura mayor. El sistema es tan común que no es en modo
alguno invención del hombre y la misma naturaleza lo emplea profusamente: miren por
ejemplo a los elefantes que usan sus enormes orejas para mantenerse frescos, y no porque
las usen de abanico sino porque éstas están llenas de capilares y el aire fresco enfría la
sangre que por ellos circula.

El ejemplo de los elefantes se aplica, entonces, a las técnicas para enfriar componentes
electrónicos, y la idea es básicamente la misma: incrementar la superficie de contacto con
el aire para maximizar el calor que éste es capaz de retirar. Justamente con el objeto de
maximizar la superficie de contacto, los disipadores o en inglés heatsinks consisten en
cientos de aletas delgadas. Mientras más aletas, más disipación. Mientras más delgadas,
mejor todavía.

1.1 Refrigeración Pasiva por Aire

Las principales ventajas de la disipación pasiva son su inherente simplicidad (pues se trata
básicamente de un gran pedazo de metal), su durabilidad (pues carece de piezas móviles) y
su bajo costo. Además de lo anterior, no producen ruido. La mayor desventaja de la
disipación pasiva es su habilidad limitada para dispersar grandes cantidades de calor
rápidamente. Los disipadores (heatsinks) modernos son incapaces de refrigerar
efectivamente CPUs de gama alta, sin mencionar GPUs de la misma categoría sin ayuda de
un ventilador.

Los disipadores (heatsinks) modernos son usualmente fabricados en cobre o aluminio,

materiales que son excelentes conductores de calor y que son relativamente baratos de
producir. En particular, el cobre es bastante más caro que el aluminio por lo que los
disipadores de cobre se consideran el formato premium mientras que los de aluminio son lo
estándar. Sin embargo, si de verdad quisiéramos conductores premium podríamos usar
plata para este fin, puesto que su conductividad térmica es mayor todavía. Por eso, aunque
el cobre es sustancialmente más caro que el aluminio, es válido decir que ambos son
materiales baratos… sólo piensen en la alternativa.

1.2 Refrigeración Activa por Aire

La refrigeración activa por aire es, en palabras sencillas, tomar un sistema pasivo y
adicionar un elemento que acelere el flujo de aire a través de las aletas del heatsink. Este
elemento es usualmente un ventilador aunque se han visto variantes en las que se utiliza
una especie de turbina.
En la refrigeración pasiva tiende a suceder que el aire que rodea al disipador se calienta, y
su capacidad de evacuar calor del disipador disminuye. Aunque por convección natural este
aire caliente se mueve, es mucho más eficiente incorporar un mecanismo para forzar un
flujo de aire fresco a través de las aletas del disipador, y es exactamente lo que se logra con
la refrigeración activa.

Aunque la refrigeración activa por aire no es mucho más cara que la pasiva, la solución
tiene desventajas significativas. Por ejemplo, al tener partes móviles es susceptible de
averiarse, pudiendo ocasionar daños irreparables en el sistema si es que esta avería no se
detecta a tiempo (en otras palabras, si un sistema pensado para ser enfriado activamente
queda en estado pasivo por mucho tiempo). En segundo lugar, aunque este aspecto ha
mejorado mucho todos los ventiladores hacen ruido. Algunos son más silenciosos que
otros, pero siempre serán más ruidosos que los cero decibeles que produce una solución
pasiva.

1.3 Lectura Opcional… ¿Por qué son útiles los disipadores?

Es bastante obvio que mientras más superficie tenga un heatsink mejor será su disipación,
pero también es cierto que en cualquier ciclo todo intermediario, por perfecto que sea, es un
estorbo. Es igual que cuando vas añadiendo cables entre un equipo de música y los
parlantes: mientras más cables, más se deteriora la señal, y esto ocurre por simple entropía
aunque uses cables de oro. Entonces, cuál es el beneficio de usar un disipador? Por qué no
sería mejor dejar que el componente electrónico se entendiera directamente con el aire?
Esto es porque además de la superficie en este fenómeno interviene una propiedad llamada
conductividad térmica, la capacidad de un material de canalizar el calor.
Hagamos el siguiente ejercicio. Supongamos que tenemos un CPU cuyo núcleo está a la
intemperie y tiene una superficie de 1 cm2 (0.0001 m2) y que por otro lado tenemos un
disipador de cobre que en su base tiene una superficie de 1 cm2 y que gracias al uso de
cientos de aletas minúsculas ofrece al aire una superficie de contacto de 1000 cm2 (0.1 m2)

La Ley de Fourier indica que el flujo de calor es directamente proporcional a la superficie

de contacto y a la constante de conductividad térmica, por lo que si hacemos un
“coeficiente conjunto” definido como el producto de superficie por conductividad,
tendremos un indicador comparativo de la capacidad de transferir calor.

Considerando que la conductividad térmica del aire es algo así como 0.02
W/m2 ·°K y la del cobre es de 380 W/m2 ·°K, la capacidad del CPU “pelado” de transmitir
calor al aire tiene un coeficiente conjunto de

0.0001 m2 x 0.02 W/m2 ·°K = 0.000002 W/°K

mientras que la capacidad de transmitir calor del CPU al disipador es de:

0.0001 m2 x 380 W/m2 ·°K = 0.038 W/°K

a su vez, la capacidad del disipador de transmitir calor al aire es de

0.1 m2 x 0.02 W/m2 ·°K = 0.002 W/°K

Evidentemente, el cuello de botella está en la interfaz cobre-aire y no en el contacto CPU-

cobre, pero lo importante es que, aunque el paso de calor del CPU al disipador no es
perfecto por ejemplo porque el contacto entre las superficies es irregular, y aunque en la
segunda mitad de la cadena el cobre igual tendrá que lidiar con la baja conductividad del
aire, la capacidad de evacuar calor usando al disipador como intermediario es 1000 veces
mayor que la del CPU pelado. En otras palabras, no importa tanto que un disipador no sea
el conductor perfecto: es la mejor manera de aumentar la superficie de intercambio de
calor.

2.Refrigeración líquida (más conocida como Watercooling)

Un método más complejo y menos común es la refrigeración por agua. El agua tiene un
calor específico más alto y una mejor conductividad térmica que el aire, gracias a lo cual
puede transferir calor más eficientemente y a mayores distancias que el gas. Bombeando
agua alrededor de un procesador es posible remover grandes cantidades de calor de éste en
poco tiempo, para luego ser disipado por un radiador ubicado en algún lugar dentro (o
fuera) del computador. La principal ventaja de la refrigeración líquida, es su habilidad para
enfriar incluso los componentes más calientes de un computador.
Todo lo bueno del watercooling tiene, sin embargo, un precio; la refrigeración por agua es
cara, compleja e incluso peligrosa en manos sin experiencia (Puesto que el agua y los
componentes electrónicos no son buena pareja). Aunque usualmente menos ruidosos que
los basados en refrigeración por aire, los sistemas de refrigeración por agua tienen partes
móviles y en consecuencia se sabe eventualmente pueden sufrir problemas de confiabilidad.
Sin embargo, una avería en un sistema de Watercooling (por ejemplo, si deja de funcionar
la bomba) no es tan grave como en el caso de la refrigeración por aire, puesto que la inercia
térmica del fluído es bastante alta e incluso encontrándose estático no será fácil para el
CPU calentarlo a niveles peligrosos.

2.1 Refrigeración Líquida por Inmersión

Una variación extraña de este mecanismo de refrigeración es la inmersión líquida, en la que

un computador es totalmente sumergido en un líquido de conductividad eléctrica muy baja,
como el aceite mineral. El computador se mantiene enfriado por el intercambio de calor
entre sus partes, el líquido refrigerante y el aire del ambiente. Este método no es práctico
para la mayoría de los usuarios por razones obvias.
Pese a que este método tiene un enfoque bastante simple (llene un acuario de aceite mineral
y luego ponga su PC adentro) también tiene sus desventajas. Para empezar, debe ser
bastante desagradable el intercambio de piezas para upgrade.

2.2 Refrigeración por Metal Líquido

Aunque su principio es completamente distinto al watercooling, de alguna manera este

sistema está emparentado. Se trata de un invento mostrado por nanoCoolers, compañía
basada en Austin, Texas, que hace algunos años desarrolló un sistema de enfriamiento
basado en un metal líquido con una conductividad térmica mayor que la del agua,
constituido principalmente por Galio e Indio.
A diferencia del agua, este compuesto puede ser bombeado electromagnéticamente,
eliminando la necesidad de una bomba mecánica. A pesar de su naturaleza innovadora, el
metal líquido de nanoCoolers nunca alcanzó una etapa comercial.

Una explicación bastante extensa y en español puede encontrarse en Hardcore Modding.

3. Refrigeración Termoeléctrica (TEC)

En 1834 un frances llamado Juan Peltier (no es chiste, la traducción al español de Jean
Peltier), descubrio que aplicando una diferencia electrica en 2 metales o semiconductores
(de tipo p y n) unidas entre sí, se generaba una diferencia de temperaturas entre las uniones
de estos. La figura de abajo muestra que las uniones p-n tienden a calentarse y las n-p a
enfriarse.
El concepto rudimentario de Peltier fué paulatinamente perfecciónado para que fuera un
solo bloque con las uniones semiconductoras, (que generalmente son en base a Seleniuro de
Antimonio y Telururo de bismuto) conectadas por pistas de cobre y dispuestas de tal
manera , que transportara el calor desde una de sus caras hacia la otra, haciendo del
mecanimo una “bomba de calor” ya que es capaz de extraer el calor de una determinada
superficie y llevarlo hacia su otra cara para disiparlo.

Una de las tantas gracias de estos sistemas de refrigeración que se ocupan en todo ámbito
(generalmente industrial), es que son bastante versátiles, basta con invertir la polaridad para
invertir el efecto (cambiar el lado que se calienta por el frío y viceversa), la potencia con
que enfría es fácilmente modificable dependiendo del voltaje que se le aplique y es bastante
amable con el medio ambiente ya que no necesita de gases nocivos como los usados en los
refrigeradores industriales para realizar su labor.

El uso de refrigeración termoeléctrica por lo general se circunscribe al ámbito industrial,

pero tanto los fanáticos como algunos fabricantes han desarrollado productos que
incorporan el elemento Peltier como método para enfriar el procesador de un PC. Estas
soluciones, que de por sí involucran un fuerte aumento del consumo eléctrico (toda vez que
un peltier es bastante demandante de potencia) no pueden operar por sí solas, pues se hace
neces
ario un sistema que sea capaz de retirar calor de la cara caliente del Peltier.

Este sistema complementario suele ser de enfriamiento por aire o por agua. En el primero
de los casos el concepto se denomina Air Chiller y hay productos comerciales como el
Titan Amanda que lo implementan. El segundo caso se denomina Water Chiller, es bastante
más efectivo (por la mejor capacidad del agua de retirar calor de la cara caliente) y también
hay productos, como el Coolit Freezone, que implementan el sistema.

4. Refrigeración por Heatpipes

Un heatpipe es una máquina térmica que funciona mediante un fenómeno llamado
“convección natural”. Este fenómeno, derivado de la expansión volumétrica de los fluídos,
causa que al calentarse los fluídos tiendan a hacerse menos densos, y viceversa. En un
mismo recipiente, el calentamiento de la base producirá la subida del fluído caliente de
abajo y la bajada del fluído aún frío de la parte superior, produciéndose una circulación.

El sistema de heatpipes que se utiliza en los coolers de CPU es un ciclo cerrado en donde
un fluído similar al que recorre nuestros refrigeradores se calienta en la base, en contacto
con el CPU, se evapora, sube por una tubería hasta el disipador, se condensa y baja como
líquido a la base nuevamente.

El transporte de calor que se logra mediante el uso de heatpipes es muy superior al que
alcanza un disipador de metal tradicional, por delgadas o numerosas que sean sus aletas.
Sin embargo, sería poco ambicioso dejar que los heatpipes hicieran todo el trabajo, por lo
que los productos comerciales que han incorporado el elemento heatpipe complementan su
alta capacidad de transporte de calor con voluminosos panales de aluminio o cobre (en
buenas cuentas, un heatsink) y ventiladores que muefen bastante caudal de aire.
5.Cambio de Fase

Los sistemas de enfriamiento por cambio de fase se basan en la misma máquina térmica
que opera en todo refrigerador. Aunque los sistemas han cambiado mucho desde los
primeros refrigeradores -empezando por el abandono de los gases que eran dañinos para el
medio ambiente- el principio es el mismo: utilizar a nuestro favor la ley de los gases
perfectos y las propiedades termodinámicas de un gas para instigarlo a tomar o ceder calor
del o al medio ambiente en distintos puntos del ciclo.
El cambio de fase es el método de enfriamiento preferido en refrigeradores comerciales y
algunos sistemas de aire acondicionado, pero en el campo de la computación se ve muy
poco. En un primer acercamiento algunos técnicos en refrigeración aficionados al overclock
implementaron máquinas artesanales para aplicar refrigeración por cambio de fase al PC,
pero en los últimos años se viene viendo de forma cada vez más frecuente la aparición de
sistemas comerciales, más compactos, estilizados y -por supuesto- caros.
Los overclockeros extremos no miran con muy buenos ojos estas soluciones comerciales
principalmente por dos razones. Primero, las necesidades de enfriamiento de cada
plataforma son distintas, y aunque es improbable que el PC vaya a calentarse utilizando un
sistema de cambio de fase, sí puede darse que la solución comercial sea insuficiente para
llegar a temperaturas extremadamente bajas. En segundo lugar, hoy por hoy el ciclo clásico
que se ilustra en el esquema ha sido refinado y paulatinamente reemplazado por circuitos en
cascada, en donde hay varios ciclos de refrigeración por cambio de fase y cada uno enfría al
siguiente.

5.1 Cambio de fase por vibración

El Vibration Induced Droplet Atomization (VIDA) es un sistema experimental que

probablemente nunca se utilizará comercialmente pero por lo ingenioso que resulta vale la
pena mencionarlo. En rigor, dudé mucho si ubicarlo como un subconjunto de los sistemas
de cambio de fase porque el principio de su funcionamiento no se basa en el ciclo térmico
que inventó Carnot, pero de todos modos el fenómeno físico mediante el cual se retira calor
es en buenas cuentas un cambio de fase.

El VIDA opera de la siguiente manera: atomizando un fluido que puede ser simplemente
agua, y sometiéndolo a una intensa vibración, se logra que éste pase al estado gaseoso a
temperatura ambiente. Al evaporarse, el agua (o el líquido que se utilice) toma una gran
cantidad de calor del medio circundante. En otras palabras, una gótula de agua lo
suficientemente pequeña y convenientemente zangoloteada se convertirá en vapor
espontáneamente, y si logras que ello ocurra en contacto con la superficie deseada, el agua
retirará de ella una gran cantidad de calor.

6.Criogenia

Incluso más raro que la refrigeración por cambio de fase es aquella basada en la criogenia,
que utiliza nitrógeno líquido o hielo seco (dióxido de carbono sólido). Estos materiales son
usados a temperaturas extremadamente bajas (el nitrógeno líquido ebulle a los -196ºC y el
hielo seco lo hace a -78ºC) directamente sobre el procesador para mantenerlo frío. Sin
embargo, después que el líquido refrigerante se haya evaporado por completo debe ser
reemplazado. Daño al procesador a lo largo del tiempo producto de los frecuentes cambios
de temperatura es uno de los motivos por los que la criogenia sólo es utilizada en casos
extremos de overclocking y sólo por cortos periodos de tiempo.
Propulsión de aire electrostático y el efecto de descarga corona

Un nuevo tipo de tecnología de refrigeración ultra-delgada y silenciosa para procesadores

está siendo desarrollada por Tecnologías Avanzadas Kronos en colaboración con Intel y la
Universidad de Washington. En dos años, esta nueva tecnología podría reemplazar las
actuales técnicas de enfriamiento por ventiladores en notebooks y otros dispositivos
portátiles, volviéndolos más confiables y mucho más silenciosos.

La tecnología de refrigeración que está siendo desarrollada por Kronos emplea un

dispositivo llamado “bomba de viento iónico” (ionic wind pump), un acelerador de fluidos
electrostáticos cuyo principio básico de operación es la descarga por efecto corona. Este
fenómeno ocurre cuando el potencial de un conductor cargado alcanza una magnitud tal
que sobrepasa la rigidez dieléctrica del fluído que lo rodea (por ejemplo aire) este aire, que
en otras circunstancias es un excelente aislante, se ioniza y los iones son atraídos y
repelidos por el conductor a gran velocidad, produciéndose una descarga eléctrica que
exhibe penachos o chispas azules o púrpura, y que a su vez moviliza el fluido. La descarga
por efecto corona es similar a lo que ocurre con la caída de un rayo, salvo porque en ese
caso no hay un conductor propiamente tal, la diferencia de potencial eléctrico es tan enorme
que los rayos son capaces de atravesar fácilmente 5 kilómetros de aire, que por lo general
es uno de los mejores aislantes que existen.
El principio de la propulsión de aire iónico con partículas cargadas por el efecto corona se
conoce casi desde el momento en que se descubrió la electricidad. Una de las primeras
referencias a la detección de movimiento de aire cerca de un tubo cargado apareció hace
unos 300 años en un libro de Francis Hauksbee y muchos pioneros de la electricidad,
incluyendo a Newton, Faraday y Maxwell, estudiaron este fenómeno. En los tiempos
modernos la descarga corona se utilizó de variadas maneras y se aplicó en la industria de la
fotocopia, en algunos sistemas de aire acondicionado, en lásers de nitrógeno y más
notoriamente en ionizadores de aire. Kronos, que desarrolla filtros de aire de alta eficiencia
basados en el efecto corona, intentó adaptar la tecnología a la refrigeración de
microprocesadores. Con la ayuda de N. E. Jewell-Larsen, C.P. Hsu y A. V. Mamishev del
Departamento de Ingeniería Eléctrica (Department of Electrical Engineering) en la
Universidad de Washington (Washington University) e Intel, crearon varios prototipos
funcionales de un disipador (cooler) de CPU basado en el efecto corona, que puede enfriar
efectiva y silenciosamente una CPU moderna.

El disipador de efecto corona desarrollado por Kronos trabaja de la siguiente manera: Un

campo eléctrico de gran magnitud es creado en la punta del cátodo, que se coloca en un
lado de la CPU. El alto potencial de energía causa que las moléculas de oxígeno y
nitrógeno en el aire se ionicen (con carga positiva) y creen una corona (un halo de
partículas cargadas). Al colocar un ánodo unido a tierra en el lado opuesto de la CPU se
hace que los iones cargados en la corona aceleren hacia el ánodo, chocando con moléculas
neutras de aire en el camino. Durante estas colisiones, se transfiere moméntum desde el gas
ionizado a las moléculas de gas neutras, resultando en un movimiento de aire hacia el
ánodo.

Las ventajas de los disipadores (coolers) basados en el efecto de descarga corona son
obvias: no tienen partes móviles, lo que elimina ciertos problemas de confiabilidad, puede
refrigerar efectivamente incluso los procesadores más avanzados y demandantes y opera
con un nivel de ruido de prácticamente cero con un consumo moderado de energía.