Métodos para enfriar los componentes de un computadorVariadas 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.
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.
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.
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.
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 necesario un sistema que sea capaz de retirar calor de la cara caliente del Peltier.
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 necesario un sistema que sea capaz de retirar calor de la cara caliente del Peltier.
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.
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.
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.
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.
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.
VENTAJAS Y DESVANTAJAS
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.
