Métodos para enfriar los componentes de un ordenador
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
El sistema VIDA fué planteado por primera vez en marzo del 2005
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.
Claramente cada método de refrigeración tiene ventajas y desventajas. Algunos son caros y bulliciosos, otros no lo suficientemente poderosos, algunos requieren de instalaciones complejas e incluso existen aquellos que pueden dañar el procesador. Buscando crear un disipador (cooler) barato, silencioso y altamente confiable capaz de disipar efectivamente el calor de incluso los procesadores más demandantes de gama alta, Tecnologías Avanzadas Kronos (Kronos Advanced Technologies) dominó un principio físico antiguo conocido como el efecto de descarga corona.
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.
