Refrigeración de la computadora - Computer cooling
Se requiere enfriamiento de la computadora para eliminar el calor residual producido por los componentes de la computadora , para mantener los componentes dentro de los límites de temperatura de funcionamiento permitidos . Los componentes que son susceptibles a un mal funcionamiento temporal o una falla permanente si se sobrecalientan incluyen circuitos integrados como unidades de procesamiento central (CPU), conjuntos de chips , tarjetas gráficas y unidades de disco duro .
Los componentes a menudo están diseñados para generar la menor cantidad de calor posible, y las computadoras y los sistemas operativos pueden diseñarse para reducir el consumo de energía y el consiguiente calentamiento de acuerdo con la carga de trabajo, pero aún se puede producir más calor del que se puede eliminar sin prestar atención al enfriamiento. El uso de disipadores de calor refrigerados por flujo de aire reduce el aumento de temperatura producido por una determinada cantidad de calor. La atención a los patrones de flujo de aire puede prevenir el desarrollo de puntos calientes. Los ventiladores de computadora se utilizan ampliamente junto con los ventiladores de disipador de calor para reducir la temperatura al expulsar activamente el aire caliente. También existen técnicas de enfriamiento más exóticas, como el enfriamiento por líquido . Todos los procesadores de hoy en día están diseñados para cortar o reducir su voltaje o velocidad de reloj si la temperatura interna del procesador excede un límite especificado. Esto se conoce generalmente como regulación térmica, en el caso de reducción de la velocidad del reloj o apagado térmico en el caso de un apagado completo del dispositivo o sistema.
El enfriamiento puede estar diseñado para reducir la temperatura ambiente dentro de la caja de una computadora, como expulsando aire caliente, o para enfriar un solo componente o un área pequeña (enfriamiento puntual). Los componentes comúnmente enfriados individualmente incluyen la CPU, la unidad de procesamiento de gráficos (GPU) y el puente norte .
Generadores de calor no deseado
Los circuitos integrados (por ejemplo, CPU y GPU) son los principales generadores de calor en las computadoras modernas. La generación de calor se puede reducir mediante un diseño eficiente y la selección de parámetros operativos como el voltaje y la frecuencia, pero en última instancia, el rendimiento aceptable a menudo solo se puede lograr gestionando una generación de calor significativa.
En funcionamiento, la temperatura de los componentes de una computadora aumentará hasta que el calor transferido al entorno sea igual al calor producido por el componente, es decir, cuando se alcance el equilibrio térmico . Para un funcionamiento confiable, la temperatura nunca debe exceder un valor máximo permitido especificado único para cada componente. Para los semiconductores, es fundamental la temperatura instantánea de la unión , en lugar de la carcasa de los componentes, el disipador de calor o la temperatura ambiente.
El enfriamiento puede verse afectado por:
- El polvo actúa como aislante térmico e impide el flujo de aire, lo que reduce el rendimiento del ventilador y del disipador de calor.
- Un flujo de aire deficiente, incluida la turbulencia debido a la fricción contra los componentes que obstaculizan, como los cables de cinta , o la orientación incorrecta de los ventiladores, puede reducir la cantidad de aire que fluye a través de una caja e incluso crear remolinos localizados de aire caliente en la caja. En algunos casos de equipos con mal diseño térmico, el aire de enfriamiento puede fluir fácilmente a través de los orificios de "enfriamiento" antes de pasar sobre los componentes calientes; el enfriamiento en tales casos a menudo se puede mejorar bloqueando los orificios seleccionados.
- Mala transferencia de calor debido a un contacto térmico deficiente entre los componentes a enfriar y los dispositivos de enfriamiento. Esto se puede mejorar mediante el uso de compuestos térmicos para nivelar las imperfecciones de la superficie, o incluso mediante lapeado .
Prevención de daños
Debido a que las altas temperaturas pueden reducir significativamente la vida útil o causar daños permanentes a los componentes, y la salida de calor de los componentes a veces puede exceder la capacidad de enfriamiento de la computadora, los fabricantes a menudo toman precauciones adicionales para garantizar que las temperaturas permanezcan dentro de límites seguros. Una computadora con sensores térmicos integrados en la CPU, la placa base, el chipset o la GPU puede apagarse cuando se detectan altas temperaturas para evitar daños permanentes, aunque esto puede no garantizar completamente un funcionamiento seguro a largo plazo. Antes de que un componente sobrecalentado llegue a este punto, se puede "estrangular" hasta que las temperaturas caigan por debajo de un punto seguro mediante la tecnología de escalado de frecuencia dinámica . El estrangulamiento reduce la frecuencia de funcionamiento y el voltaje de un circuito integrado o desactiva las características no esenciales del chip para reducir la producción de calor, a menudo a costa de un rendimiento leve o significativamente reducido. Para computadoras de escritorio y portátiles, la limitación a menudo se controla a nivel de BIOS . El estrangulamiento también se usa comúnmente para administrar las temperaturas en teléfonos inteligentes y tabletas, donde los componentes están empaquetados muy juntos con poco o ningún enfriamiento activo, y con calor adicional transferido de la mano del usuario.
Mainframes y supercomputadoras
A medida que las computadoras electrónicas se volvieron más grandes y complejas, el enfriamiento de los componentes activos se convirtió en un factor crítico para un funcionamiento confiable. Las primeras computadoras de tubo de vacío, con gabinetes relativamente grandes, podían depender de la circulación de aire natural o forzada para enfriar. Sin embargo, los dispositivos de estado sólido estaban empaquetados de manera mucho más densa y tenían temperaturas de funcionamiento permisibles más bajas.
A partir de 1965, IBM y otros fabricantes de computadoras mainframe patrocinaron una investigación intensiva sobre la física del enfriamiento de circuitos integrados densamente empaquetados. Se diseñaron e investigaron muchos sistemas de enfriamiento de aire y líquido, utilizando métodos como la convección natural y forzada, el impacto directo de aire, la inmersión directa en líquido y la convección forzada, la ebullición en la piscina, las películas descendentes, la ebullición por flujo y el impacto por chorro de líquido. Se utilizó el análisis matemático para predecir los aumentos de temperatura de los componentes para cada posible geometría del sistema de enfriamiento.
IBM desarrolló tres generaciones del módulo de conducción térmica (TCM) que utilizaba una placa fría enfriada por agua en contacto térmico directo con paquetes de circuitos integrados. Cada paquete tenía una clavija termoconductora presionada sobre él, chips rodeados de gas helio y clavijas conductoras de calor. El diseño podría eliminar hasta 27 vatios de un chip y hasta 2000 vatios por módulo, mientras mantiene temperaturas del paquete del chip de alrededor de 50 ° C (122 ° F). Los sistemas que utilizan TCM fueron la familia 3081 (1980), ES / 3090 (1984) y algunos modelos del ES / 9000 (1990). En el procesador IBM 3081, los TCM permitían hasta 2700 vatios en una sola placa de circuito impreso mientras mantenían la temperatura del chip a 69 ° C (156 ° F). Los módulos de conducción térmica que utilizan refrigeración por agua también se utilizaron en sistemas mainframe fabricados por otras empresas, incluidas Mitsubishi y Fujitsu.
La supercomputadora Cray-1 diseñada en 1976 tenía un sistema de enfriamiento distintivo. La máquina tenía sólo 77 pulgadas (2000 mm) de altura y 56+1 ⁄ 2 pulgadas (1440 mm) de diámetro y consumieron hasta 115 kilovatios; esto es comparable al consumo de energía promedio de unas pocas docenas de hogares occidentales o un automóvil de tamaño mediano. Los circuitos integrados utilizados en la máquina eran los más rápidos disponibles en ese momento, utilizando lógica de emisor acoplado ; sin embargo, la velocidad estuvo acompañada de un alto consumo de energía en comparación con los dispositivos CMOS posteriores.
La eliminación de calor fue fundamental. El refrigerante se hizo circular a través de tuberías incrustadas en barras de enfriamiento verticales en doce secciones columnares de la máquina. Cada uno de los 1662 módulos de circuito impreso de la máquina tenía un núcleo de cobre y estaba sujeto a la barra de enfriamiento. El sistema fue diseñado para mantener las cajas de los circuitos integrados a no más de 54 ° C (129 ° F), con refrigerante circulando a 21 ° C (70 ° F). El rechazo de calor final se realizó a través de un condensador enfriado por agua. Las tuberías, los intercambiadores de calor y las bombas para el sistema de enfriamiento se colocaron en un banco tapizado alrededor del exterior de la base de la computadora. Aproximadamente el 20 por ciento del peso de la máquina en funcionamiento era refrigerante.
En el Cray-2 posterior, con sus módulos más densamente empaquetados, Seymour Cray tuvo problemas para enfriar eficazmente la máquina utilizando la técnica de conducción de metal con refrigeración mecánica, por lo que cambió al enfriamiento por inmersión en líquido. Este método implicó llenar el chasis del Cray-2 con un líquido llamado Fluorinert . Fluorinert, como su nombre lo indica, es un líquido inerte que no interfiere con el funcionamiento de los componentes electrónicos. A medida que los componentes alcanzaban la temperatura de funcionamiento, el calor se disipaba en el Fluorinert, que se bombeaba fuera de la máquina a un intercambiador de calor de agua fría.
El rendimiento por vatio de los sistemas modernos ha mejorado enormemente; Se pueden realizar muchos más cálculos con un consumo de energía dado de lo que era posible con los circuitos integrados de los años ochenta y noventa. Los proyectos recientes de supercomputadoras, como Blue Gene, se basan en la refrigeración por aire, lo que reduce el coste, la complejidad y el tamaño de los sistemas en comparación con la refrigeración líquida.
Aire acondicionado
Aficionados
Los ventiladores se utilizan cuando la convección natural es insuficiente para eliminar el calor. Los ventiladores pueden instalarse en la carcasa de la computadora o conectarse a CPU, GPU, conjuntos de chips, unidades de fuente de alimentación (PSU), discos duros o como tarjetas conectadas a una ranura de expansión. Los tamaños de ventiladores comunes incluyen 40, 60, 80, 92, 120 y 140 mm. Los ventiladores de 200, 230, 250 y 300 mm se utilizan a veces en ordenadores personales de alto rendimiento.
Rendimiento de ventiladores en chasis
Una computadora tiene cierta resistencia al aire que fluye a través del chasis y los componentes. Esta es la suma de todos los impedimentos más pequeños para el flujo de aire, como las aberturas de entrada y salida, los filtros de aire, el chasis interno y los componentes electrónicos. Los ventiladores son bombas de aire simples que proporcionan presión al aire del lado de entrada en relación con el lado de salida. Esa diferencia de presión mueve el aire a través del chasis, y el aire fluye hacia áreas de menor presión.
Los ventiladores generalmente tienen dos especificaciones publicadas: flujo de aire libre y presión diferencial máxima. El flujo de aire libre es la cantidad de aire que moverá un ventilador sin contrapresión. La presión diferencial máxima es la cantidad de presión que puede generar un ventilador cuando está completamente bloqueado. Entre estos dos extremos hay una serie de medidas correspondientes de flujo versus presión que generalmente se presenta como un gráfico. Cada modelo de ventilador tendrá una curva única, como las curvas discontinuas de la ilustración adyacente.
Instalación en paralelo frente a la serie
Los ventiladores se pueden instalar en paralelo, en serie o una combinación de ambos. La instalación paralela serían ventiladores montados uno al lado del otro. La instalación en serie sería un segundo ventilador en línea con otro ventilador, como un ventilador de entrada y un ventilador de extracción. Para simplificar la discusión, se asume que los ventiladores son el mismo modelo.
Los ventiladores paralelos proporcionarán el doble de flujo de aire libre, pero sin presión de conducción adicional. La instalación en serie, por otro lado, duplicará la presión estática disponible pero no aumentará la tasa de flujo de aire libre. La ilustración adyacente muestra un solo ventilador versus dos ventiladores en paralelo con una presión máxima de 0.15 pulgadas (3.8 mm) de agua y una tasa de flujo duplicada de aproximadamente 72 pies cúbicos por minuto (2.0 m 3 / min).
Tenga en cuenta que el flujo de aire cambia como la raíz cuadrada de la presión. Por lo tanto, duplicar la presión solo aumentará el flujo 1,41 ( √ 2 ) veces, no el doble de lo que se podría suponer. Otra forma de ver esto es que la presión debe aumentar en un factor de cuatro para duplicar el caudal.
Para determinar la tasa de flujo a través de un chasis, la curva de impedancia del chasis se puede medir imponiendo una presión arbitraria en la entrada del chasis y midiendo el flujo a través del chasis. Esto requiere un equipo bastante sofisticado. Con la curva de impedancia del chasis (representada por las líneas sólidas rojas y negras en la curva adyacente) determinada, el flujo real a través del chasis generado por una configuración de ventilador particular se muestra gráficamente donde la curva de impedancia del chasis cruza la curva del ventilador. La pendiente de la curva de impedancia del chasis es una función de raíz cuadrada, donde duplicar el caudal requiere cuatro veces la presión diferencial.
En este ejemplo en particular, agregar un segundo ventilador proporcionó una mejora marginal con el flujo para ambas configuraciones de aproximadamente 27 a 28 pies cúbicos por minuto (0,76 a 0,79 m 3 / min). Si bien no se muestra en la gráfica, un segundo ventilador en serie proporcionaría un rendimiento ligeramente mejor que la instalación en paralelo.
Temperatura frente al caudal
La ecuación para el flujo de aire requerido a través de un chasis es
dónde
CFM = Cubic Feet per Minute (0.028 m3/min) Q = Heat Transferred (kW) Cp = Specific Heat of Air r = Density DT = Change in Temperature (in °F)
Una regla práctica conservadora simple para los requisitos de flujo de enfriamiento, descontando efectos como la pérdida de calor a través de las paredes del chasis y el flujo laminar versus turbulento, y teniendo en cuenta las constantes de calor y densidad específicos al nivel del mar es:
Por ejemplo, un chasis típico con 500 vatios de carga, temperatura interna máxima de 130 ° F (54 ° C) en un entorno de 100 ° F (38 ° C), es decir, una diferencia de 30 ° F (17 ° C):
Este sería el flujo real a través del chasis y no la clasificación de aire libre del ventilador. También debe tenerse en cuenta que "Q", el calor transferido, es una función de la eficiencia de transferencia de calor de un enfriador de CPU o GPU al flujo de aire.
Bomba piezoeléctrica
Un "chorro de enfriamiento piezoeléctrico dual", patentado por GE , utiliza vibraciones para bombear aire a través del dispositivo. El dispositivo inicial tiene tres milímetros de espesor y consta de dos discos de níquel que están conectados a cada lado a una astilla de cerámica piezoeléctrica. Una corriente alterna que pasa a través del componente cerámico hace que se expanda y contraiga hasta 150 veces por segundo, de modo que los discos de níquel actúen como un fuelle. Contraídos, los bordes de los discos se juntan y aspiran aire caliente. La expansión une los discos de níquel, expulsando el aire a alta velocidad.
El dispositivo no tiene rodamientos y no requiere motor. Es más delgado y consume menos energía que los ventiladores típicos. El chorro puede mover la misma cantidad de aire que un ventilador de enfriamiento el doble de su tamaño mientras consume la mitad de electricidad y a un costo menor.
Refrigeración pasiva
El enfriamiento pasivo del disipador de calor implica unir un bloque de metal mecanizado o extruido a la pieza que necesita enfriamiento. Puede usarse un adhesivo térmico. Más comúnmente para la CPU de una computadora personal, una abrazadera sostiene el disipador de calor directamente sobre el chip, con una grasa térmica o una almohadilla térmica esparcida entre ellos. Este bloque tiene aletas y aristas para aumentar su superficie. La conductividad térmica del metal es mucho mejor que la del aire e irradia calor mejor que el componente que protege (generalmente un circuito integrado o CPU). Los disipadores de calor de aluminio refrigerados por ventilador eran originalmente la norma para las computadoras de escritorio, pero hoy en día muchos disipadores de calor tienen placas base de cobre o están completamente hechos de cobre.
La acumulación de polvo entre las aletas metálicas de un disipador térmico reduce gradualmente la eficiencia, pero se puede contrarrestar con un plumero de gas al eliminar el polvo junto con cualquier otro material sobrante no deseado.
Los disipadores de calor pasivos se encuentran comúnmente en CPU más antiguas, partes que no se calientan mucho (como el chipset) y computadoras de bajo consumo.
Por lo general, se adjunta un disipador de calor al esparcidor de calor integrado (IHS), esencialmente una placa grande y plana unida a la CPU, con una capa de pasta de conducción en el medio. Esto disipa o esparce el calor localmente. A diferencia de un disipador de calor, un esparcidor está destinado a redistribuir el calor, no a eliminarlo. Además, el IHS protege la frágil CPU.
El enfriamiento pasivo no implica ruido de ventilador ya que las fuerzas de convección mueven el aire sobre el disipador de calor.
Otras tecnicas
Refrigeración por inmersión líquida
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Otra tendencia creciente debido a la creciente densidad de calor de las computadoras, GPU, FPGA y ASIC es sumergir toda la computadora o seleccionar componentes en un líquido conductor térmico, pero no eléctrico . Aunque rara vez se usa para enfriar computadoras personales, la inmersión en líquido es un método rutinario para enfriar grandes componentes de distribución de energía, como transformadores . También se está volviendo popular entre los centros de datos. Es posible que las computadoras personales enfriadas de esta manera no requieran ventiladores ni bombas, y pueden enfriarse exclusivamente mediante intercambio de calor pasivo entre el hardware de la computadora y el gabinete en el que se colocan. Sin embargo, es posible que se necesite un intercambiador de calor (es decir, núcleo calefactor o radiador) , y la tubería también debe colocarse correctamente.
El refrigerante utilizado debe tener una conductividad eléctrica suficientemente baja para no interferir con el funcionamiento normal de la computadora. Si el líquido es algo conductor de electricidad, puede causar cortocircuitos eléctricos entre componentes o trazas y dañarlos permanentemente. Por estas razones, se prefiere que el líquido sea un aislante ( dieléctrico ) y no conduzca la electricidad.
Existe una amplia variedad de líquidos para este propósito, incluidos aceites para transformadores , refrigerantes dieléctricos sintéticos monofásicos y bifásicos como 3M Fluorinert o 3M Novec. Los aceites no utilizados , incluidos los de cocina, de motor y de silicona , se han utilizado con éxito para enfriar computadoras personales.
Algunos fluidos utilizados en el enfriamiento por inmersión, especialmente los materiales a base de hidrocarburos como los aceites minerales, los aceites de cocina y los ésteres orgánicos, pueden degradar algunos materiales comunes utilizados en las computadoras, como cauchos, cloruro de polivinilo (PVC) y grasas térmicas . Por lo tanto, es fundamental revisar la compatibilidad del material de dichos fluidos antes de su uso. Se ha descubierto que el aceite mineral en particular tiene efectos negativos sobre el PVC y el aislamiento de cables a base de caucho. Se ha informado que las pastas térmicas que se usan para transferir calor a los disipadores de calor de los procesadores y tarjetas gráficas se disuelven en algunos líquidos, sin embargo, con un impacto insignificante en el enfriamiento, a menos que los componentes se hayan quitado y operado en el aire.
La evaporación, especialmente para los refrigerantes bifásicos, puede plantear un problema, y el líquido puede requerir que se rellene o selle con regularidad dentro de la carcasa de la computadora. La refrigeración por inmersión puede permitir valores de PUE extremadamente bajos de 1,05, frente a los 1,35 de la refrigeración por aire, y permite hasta 100 KW de potencia informática (disipación de calor, TDP) por rack de 19 pulgadas , a diferencia de la refrigeración por aire, que normalmente maneja hasta 23 KW.
Reducción de calor residual
Cuando no se requieren computadoras potentes con muchas funciones, se pueden utilizar computadoras menos potentes o con menos funciones. A partir de 2011, una placa base VIA EPIA con CPU normalmente disipa aproximadamente 25 vatios de calor, mientras que una placa base Pentium 4 y una CPU más capaces normalmente disipa alrededor de 140 vatios. Las computadoras se pueden alimentar con corriente continua desde una unidad de fuente de alimentación externa que no genera calor dentro de la carcasa de la computadora. El reemplazo de las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) por pantallas de cristal líquido (LCD) de pantalla delgada más eficientes a principios del siglo XXI ha reducido significativamente el consumo de energía.
Disipadores de calor
Un componente puede instalarse en buen contacto térmico con un disipador de calor, un dispositivo pasivo de gran capacidad térmica y con una gran superficie en relación con su volumen. Los disipadores de calor suelen estar hechos de un metal con alta conductividad térmica , como el aluminio o el cobre, e incorporan aletas para aumentar la superficie. El calor de un componente relativamente pequeño se transfiere al disipador de calor más grande; la temperatura de equilibrio del componente más el disipador de calor es mucho más baja que la del componente solo. El calor se aleja del disipador de calor mediante un flujo de aire convectivo o forzado por un ventilador. El enfriamiento por ventilador se usa a menudo para enfriar procesadores y tarjetas gráficas que consumen cantidades significativas de energía eléctrica. En una computadora, un componente generador de calor típico se puede fabricar con una superficie plana. Un bloque de metal con una superficie plana correspondiente y una construcción con aletas, a veces con un ventilador adjunto, se sujeta al componente. Para llenar los espacios de aire de mala conducción debido a superficies imperfectamente planas y lisas, se puede colocar una capa delgada de grasa térmica , una almohadilla térmica o adhesivo térmico entre el componente y el disipador de calor.
El calor se elimina del disipador de calor por convección , hasta cierto punto por radiación y posiblemente por conducción si el disipador de calor está en contacto térmico con, por ejemplo, la carcasa metálica. Los disipadores de calor de aluminio refrigerados por ventilador de bajo costo se utilizan a menudo en computadoras de escritorio estándar. Los disipadores de calor con placas base de cobre , o de cobre, tienen mejores características térmicas que los de aluminio. Un disipador de calor de cobre es más efectivo que una unidad de aluminio del mismo tamaño, lo que es relevante en lo que respecta a los componentes de alto consumo de energía utilizados en las computadoras de alto rendimiento.
Los disipadores de calor pasivos se encuentran comúnmente en: CPU más antiguas, partes que no disipan mucha energía, como el conjunto de chips, computadoras con procesadores de bajo consumo y equipos donde el funcionamiento silencioso es crítico y el ruido del ventilador inaceptable.
Por lo general, un disipador de calor se sujeta al esparcidor de calor integrado (IHS), una placa de metal plana del tamaño del paquete de la CPU que forma parte del conjunto de la CPU y distribuye el calor localmente. Se coloca una fina capa de compuesto térmico entre ellos para compensar las imperfecciones de la superficie. El propósito principal del esparcidor es redistribuir el calor. Las aletas del disipador de calor mejoran su eficiencia.
Varias marcas de DDR2, DDR3, DDR4 y los próximos módulos de memoria DRAM DDR5 están equipados con un disipador de calor con aletas enganchado en el borde superior del módulo. La misma técnica se usa para las tarjetas de video que usan un disipador de calor pasivo con aletas en la GPU.
El polvo tiende a acumularse en las grietas de los disipadores de calor con aletas, particularmente con el alto flujo de aire producido por los ventiladores. Esto mantiene el aire alejado del componente caliente, reduciendo la efectividad del enfriamiento; sin embargo, quitar el polvo restaura la eficacia.
Refrigeración Peltier (termoeléctrica)
Las uniones Peltier son generalmente solo alrededor del 10-15% más eficientes que el refrigerador ideal ( ciclo de Carnot ), en comparación con el 40-60% logrado por los sistemas de ciclo de compresión convencionales ( sistemas de Rankine inverso que usan compresión / expansión). Debido a esta menor eficiencia, el enfriamiento termoeléctrico generalmente solo se usa en entornos donde la naturaleza del estado sólido (sin partes móviles , bajo mantenimiento, tamaño compacto e insensibilidad a la orientación) supera la eficiencia pura.
Los TEC modernos utilizan varias unidades apiladas, cada una compuesta por docenas o cientos de termopares colocados uno al lado del otro, lo que permite una cantidad sustancial de transferencia de calor . Una combinación de bismuto y telurio se usa más comúnmente para los termopares.
Como bombas de calor activas que consumen energía, las TEC pueden producir temperaturas por debajo de la ambiente, lo que es imposible con disipadores de calor pasivos, refrigeración líquida enfriada por radiador y HSF de tubería de calor. Sin embargo, mientras se bombea calor, un módulo Peltier normalmente consumirá más energía eléctrica que la cantidad de calor que se bombea.
También es posible utilizar un elemento Peltier junto con un refrigerante de alta presión (enfriamiento de dos fases) para enfriar la CPU.
Refrigeración líquida
La refrigeración líquida es un método muy eficaz para eliminar el exceso de calor, y el fluido de transferencia de calor más común en las PC de escritorio es el agua (destilada). Las ventajas de la refrigeración por agua sobre la refrigeración por aire incluyen la mayor capacidad calorífica específica del agua y la conductividad térmica .
El principio utilizado en un sistema de refrigeración líquida típico (activo) para computadoras es idéntico al utilizado en el motor de combustión interna de un automóvil , con el agua circulando por una bomba de agua a través de un bloque de agua montado en la CPU (y a veces componentes adicionales como GPU y northbridge) y a un intercambiador de calor , generalmente un radiador . El propio radiador suele enfriarse adicionalmente mediante un ventilador . Además de un ventilador, posiblemente también se podría enfriar por otros medios, como un enfriador Peltier (aunque los elementos Peltier se colocan con mayor frecuencia directamente en la parte superior del hardware que se va a enfriar, y el refrigerante se usa para conducir el calor lejos del calor lado del elemento Peltier). Un depósito de refrigerante a menudo también está conectado al sistema.
Además de los sistemas de refrigeración por líquido activo, a veces también se utilizan sistemas de refrigeración por líquido pasivo. Estos sistemas a menudo descartan un ventilador o una bomba de agua, por lo que teóricamente aumentan la confiabilidad del sistema y / o lo hacen más silencioso que los sistemas activos. Sin embargo, las desventajas de estos sistemas son que son mucho menos eficientes para eliminar el calor y, por lo tanto, también necesitan tener mucho más refrigerante y, por lo tanto, un depósito de refrigerante mucho más grande, lo que le da al refrigerante más tiempo para enfriarse.
Los líquidos permiten la transferencia de más calor de las piezas que se enfrían que el aire, lo que hace que la refrigeración líquida sea adecuada para overclocking y aplicaciones informáticas de alto rendimiento. En comparación con la refrigeración por aire, la refrigeración líquida también se ve menos influenciada por la temperatura ambiente. El nivel de ruido comparativamente bajo de la refrigeración líquida se compara favorablemente con el de la refrigeración por aire, que puede volverse bastante ruidoso.
Las desventajas de la refrigeración líquida incluyen la complejidad y la posibilidad de una fuga de refrigerante. Las fugas de agua (o, lo que es más importante, cualquier aditivo en el agua) pueden dañar cualquier componente electrónico con el que entre en contacto, y la necesidad de probar y reparar las fugas hace que las instalaciones sean más complejas y menos confiables. (Cabe destacar que la primera gran incursión en el campo de los ordenadores personales en líquido enfriado para uso general, las versiones de gama alta de Manzana 's Power Mac G5 , fue finalmente condenado por una propensión a las fugas de refrigerante.) Un disipador de calor refrigerado por aire es En general, es mucho más sencillo de construir, instalar y mantener que una solución de refrigeración por agua, aunque también se pueden encontrar kits de refrigeración por agua específicos para CPU, que pueden ser tan fáciles de instalar como un enfriador de aire. Sin embargo, estos no se limitan a las CPU, y también es posible la refrigeración líquida de las tarjetas GPU.
Si bien originalmente se limitaba a las computadoras mainframe , la refrigeración líquida se ha convertido en una práctica asociada en gran medida con el overclocking en forma de kits fabricados o en forma de configuraciones de bricolaje ensambladas a partir de piezas reunidas individualmente. En los últimos años, se ha visto un aumento en la popularidad de la refrigeración líquida en computadoras de escritorio preensambladas de rendimiento moderado a alto. Los sistemas sellados ("circuito cerrado") que incorporan un pequeño radiador, ventilador y bloque de agua precargados simplifican la instalación y el mantenimiento de la refrigeración por agua a un coste reducido en la eficacia de refrigeración en comparación con configuraciones más grandes y complejas. La refrigeración líquida se combina típicamente con refrigeración por aire, utilizando refrigeración líquida para los componentes más calientes, como CPU o GPU, al tiempo que conserva la refrigeración por aire más simple y barata para los componentes menos exigentes.
El sistema IBM Aquasar utiliza refrigeración por agua caliente para lograr la eficiencia energética, y el agua también se utiliza para calentar edificios.
Desde 2011, la eficacia de la refrigeración por agua ha impulsado una serie de soluciones de refrigeración por agua todo en uno (AIO). Las soluciones AIO dan como resultado una unidad mucho más sencilla de instalar y la mayoría de las unidades han sido revisadas positivamente por los sitios de revisión.
Tubos de calor y cámaras de vapor
Un tubo de calor es un tubo hueco que contiene un líquido de transferencia de calor. El líquido absorbe calor y se evapora en un extremo de la tubería. El vapor viaja al otro extremo (más frío) del tubo, donde se condensa y cede su calor latente . El líquido regresa al extremo caliente del tubo por gravedad o acción capilar y repite el ciclo. Los tubos de calor tienen una conductividad térmica efectiva mucho más alta que los materiales sólidos. Para su uso en computadoras, el disipador de calor de la CPU está conectado a un disipador de calor de radiador más grande. Ambos disipadores de calor son huecos, al igual que la unión entre ellos, creando un gran tubo de calor que transfiere el calor de la CPU al radiador, que luego se enfría mediante algún método convencional. Este método es caro y generalmente se usa cuando el espacio es reducido, como en PC y portátiles de factor de forma pequeño, o donde no se puede tolerar el ruido de los ventiladores, como en la producción de audio. Debido a la eficiencia de este método de enfriamiento, muchas CPU y GPU de escritorio, así como conjuntos de chips de alta gama, utilizan tubos de calor y cámaras de vapor además de enfriamiento activo basado en ventiladores y disipadores de calor pasivos para permanecer dentro de temperaturas de funcionamiento seguras. Una cámara de vapor funciona con los mismos principios que una tubería de calor, pero adopta la forma de una losa o lámina en lugar de una tubería. Los tubos de calor pueden colocarse verticalmente en la parte superior y formar parte de cámaras de vapor. Las cámaras de vapor también se pueden usar en teléfonos inteligentes de alta gama .
Movimiento de aire electrostático y enfriamiento por efecto de descarga de corona.
La tecnología de enfriamiento que están desarrollando Kronos y Thorn Micro Technologies emplea un dispositivo llamado bomba de viento iónico (también conocida como acelerador de fluido electrostático). El principio de funcionamiento básico de una bomba de viento iónica es la descarga de corona , una descarga eléctrica cerca de un conductor cargado causada por la ionización del aire circundante.
El enfriador de descarga de corona desarrollado por Kronos funciona de la siguiente manera: Se crea un campo eléctrico alto en la punta del cátodo, que se coloca en un lado de la CPU. El potencial de alta energía hace que las moléculas de oxígeno y nitrógeno en el aire se ionicen (cargadas positivamente) y creen una corona (un halo de partículas cargadas). La colocación de un ánodo conectado a tierra en el extremo opuesto de la CPU hace que los iones cargados en la corona se aceleren hacia el ánodo, chocando con moléculas de aire neutrales en el camino. Durante estas colisiones, el impulso se transfiere del gas ionizado a las moléculas de aire neutras, lo que resulta en el movimiento del gas hacia el ánodo.
Las ventajas del enfriador de corona son su falta de partes móviles, lo que elimina ciertos problemas de confiabilidad y opera con un nivel de ruido casi nulo y un consumo de energía moderado.
Enfriamiento suave
El enfriamiento suave es la práctica de utilizar software para aprovechar las tecnologías de ahorro de energía de la CPU para minimizar el uso de energía. Esto se hace usando las instrucciones de detención para apagar o poner en estado de espera las subpartes de la CPU que no se están utilizando o mediante un subclocking de la CPU. Si bien resulta en velocidades totales más bajas, esto puede ser muy útil si se hace overclocking de una CPU para mejorar la experiencia del usuario en lugar de aumentar la potencia de procesamiento en bruto, ya que puede evitar la necesidad de un enfriamiento más ruidoso. Al contrario de lo que sugiere el término, no es una forma de enfriamiento sino de reducir la creación de calor.
Undervolting
La subtensión es una práctica de ejecutar la CPU o cualquier otro componente con voltajes por debajo de las especificaciones del dispositivo. Un componente con subvoltaje consume menos energía y por lo tanto produce menos calor. La capacidad para hacer esto varía según el fabricante, la línea de productos e incluso las diferentes series de producción del mismo producto (así como la de otros componentes del sistema), pero los procesadores a menudo se especifican para usar voltajes más altos de lo estrictamente necesario. Esta tolerancia asegura que el procesador tendrá una mayor probabilidad de funcionar correctamente en condiciones subóptimas, como una placa base de menor calidad o bajos voltajes de la fuente de alimentación. Por debajo de cierto límite, el procesador no funcionará correctamente, aunque una tensión demasiado baja no suele provocar daños permanentes en el hardware (a diferencia de la sobretensión).
La subtensión se usa para sistemas silenciosos , ya que se necesita menos enfriamiento debido a la reducción de la producción de calor, lo que permite omitir ventiladores ruidosos. También se utiliza cuando se debe maximizar la vida útil de la carga de la batería.
Chip integrado
Todas las técnicas de enfriamiento convencionales unen su componente de "enfriamiento" al exterior del paquete del chip de computadora. Esta técnica de "fijación" siempre presentará cierta resistencia térmica, reduciendo su efectividad. El calor se puede eliminar de manera más eficiente y rápida enfriando directamente los puntos calientes locales del chip, dentro del paquete. En estas ubicaciones, puede producirse una disipación de energía de más de 300 W / cm 2 (la CPU típica es inferior a 100 W / cm 2 ), aunque se espera que los sistemas futuros superen los 1000 W / cm 2 . Esta forma de enfriamiento local es esencial para desarrollar chips de alta densidad de potencia. Esta ideología ha llevado a la investigación de la integración de elementos de refrigeración en el chip de la computadora. Actualmente existen dos técnicas: disipadores de calor de microcanales y enfriamiento por impacto de chorro.
En los disipadores de calor de microcanales, los canales se fabrican en el chip de silicio (CPU) y se bombea refrigerante a través de ellos. Los canales están diseñados con una superficie muy grande, lo que da como resultado grandes transferencias de calor. Se ha informado una disipación de calor de 3000 W / cm 2 con esta técnica. La disipación de calor se puede aumentar aún más si se aplica enfriamiento de flujo de dos fases. Desafortunadamente, el sistema requiere grandes caídas de presión, debido a los canales pequeños, y el flujo de calor es menor con los refrigerantes dieléctricos utilizados en la refrigeración electrónica.
Otra técnica de enfriamiento de viruta local es el enfriamiento por impacto de chorro. En esta técnica, se hace fluir un refrigerante a través de un pequeño orificio para formar un chorro. El chorro se dirige hacia la superficie del chip de la CPU y puede eliminar eficazmente grandes flujos de calor. Se ha informado de una disipación de calor de más de 1000 W / cm 2 . El sistema se puede operar a una presión más baja en comparación con el método de microcanales. La transferencia de calor se puede aumentar aún más utilizando enfriamiento de flujo de dos fases e integrando canales de flujo de retorno (híbrido entre disipadores de calor de microcanal y enfriamiento por impacto de chorro).
Refrigeración por cambio de fase
El enfriamiento por cambio de fase es una forma extremadamente eficaz de enfriar el procesador. Un enfriador de cambio de fase de compresión de vapor es una unidad que generalmente se encuentra debajo de la PC, con un tubo que conduce al procesador. Dentro de la unidad hay un compresor del mismo tipo que en un acondicionador de aire . El compresor comprime un gas (o mezcla de gases) que proviene del evaporador (enfriador de CPU que se analiza a continuación). Luego, el vapor de alta presión muy caliente se empuja hacia el condensador (dispositivo de disipación de calor) donde se condensa de un gas caliente a un líquido, generalmente subenfriado a la salida del condensador y luego el líquido se alimenta a un dispositivo de expansión (restricción en el sistema) para provocar una caída de presión y vaporizar el fluido (hacer que alcance una presión en la que pueda hervir a la temperatura deseada); el dispositivo de expansión utilizado puede ser un simple tubo capilar a una válvula de expansión térmica más elaborada. El líquido se evapora (cambio de fase), absorbiendo el calor del procesador a medida que extrae energía extra de su entorno para adaptarse a este cambio (ver calor latente ). La evaporación puede producir temperaturas que alcanzan alrededor de −15 a −150 ° C (5 a −238 ° F). El líquido fluye hacia el evaporador que enfría la CPU y se convierte en vapor a baja presión. Al final del evaporador, este gas fluye hacia el compresor y el ciclo comienza de nuevo. De esta manera, el procesador se puede enfriar a temperaturas que oscilan entre −15 y −150 ° C (5 a −238 ° F), dependiendo de la carga, potencia del procesador, el sistema de refrigeración (ver refrigeración ) y la mezcla de gases utilizada. . Este tipo de sistema adolece de una serie de problemas (costo, peso, tamaño, vibración, mantenimiento, costo de la electricidad, ruido, necesidad de una torre de computadora especializada) pero, principalmente, uno debe preocuparse por el punto de rocío y el aislamiento adecuado de todas las superficies subambientales que deben hacerse (las tuberías sudarán y gotearán agua sobre los componentes electrónicos sensibles).
Alternativamente, se está desarrollando una nueva generación de sistema de enfriamiento, insertando una bomba en el circuito del termosifón . Esto agrega otro grado de flexibilidad para el ingeniero de diseño, ya que ahora el calor puede transportarse de manera efectiva lejos de la fuente de calor y recuperarse o disiparse al ambiente. La temperatura de la unión se puede ajustar ajustando la presión del sistema; una presión más alta equivale a temperaturas de saturación de fluido más altas. Esto permite condensadores más pequeños, ventiladores más pequeños y / o la disipación efectiva del calor en un ambiente de alta temperatura ambiente. Estos sistemas son, en esencia, el paradigma de enfriamiento de fluidos de próxima generación, ya que son aproximadamente 10 veces más eficientes que el agua monofásica. Dado que el sistema utiliza un dieléctrico como medio de transporte de calor, las fugas no causan una falla catastrófica del sistema eléctrico.
Este tipo de enfriamiento se considera una forma más extrema de enfriar los componentes, ya que las unidades son relativamente caras en comparación con el escritorio promedio. También generan una cantidad significativa de ruido, ya que esencialmente son refrigeradores; sin embargo, la elección del compresor y el sistema de refrigeración por aire es el principal determinante de esto, lo que permite flexibilidad para la reducción del ruido en función de las piezas elegidas.
Un "termosifón" se refiere tradicionalmente a un sistema cerrado que consta de varias tuberías y / o cámaras, con una cámara más grande que contiene un pequeño depósito de líquido (a menudo tiene un punto de ebullición justo por encima de la temperatura ambiente, pero no necesariamente). La cámara más grande está lo más cerca de la fuente de calor y está diseñada para conducir tanto calor de ella al líquido como sea posible, por ejemplo, una placa fría de CPU con la cámara en su interior llena con el líquido. Una o más tuberías se extienden hacia arriba en algún tipo de radiador o área de disipación de calor similar, y todo esto está configurado de manera que la CPU calienta el depósito y el líquido que contiene, que comienza a hervir, y el vapor viaja por los tubos hacia el interior. el radiador / área de disipación de calor y luego, después de condensarse, gotea hacia el depósito o corre por los lados del tubo. Esto no requiere partes móviles y es algo similar a una bomba de calor, excepto que no se usa la acción capilar, lo que la hace potencialmente mejor en algún sentido (quizás lo más importante, mejor porque es mucho más fácil de construir y mucho más personalizable para Los casos de uso específicos y el flujo de refrigerante / vapor se pueden organizar en una variedad mucho más amplia de posiciones y distancias, y tienen una masa térmica mucho mayor y una capacidad máxima en comparación con los tubos de calor que están limitados por la cantidad de refrigerante presente y la velocidad y el flujo. tasa de refrigerante que la acción capilar puede lograr con la mecha utilizada, a menudo polvo de cobre sinterizado en las paredes del tubo, que tienen un caudal y una capacidad limitados).
Nitrógeno líquido
Dado que el nitrógeno líquido hierve a -196 ° C (-320,8 ° F), muy por debajo del punto de congelación del agua, es valioso como refrigerante extremo para sesiones cortas de overclocking.
En una instalación típica de refrigeración con nitrógeno líquido, se monta un tubo de cobre o aluminio en la parte superior del procesador o la tarjeta gráfica. Una vez que el sistema ha sido fuertemente aislado contra la condensación, el nitrógeno líquido se vierte en la tubería, lo que da como resultado temperaturas muy por debajo de -100 ° C (-148 ° F).
Los dispositivos de evaporación que van desde disipadores de calor cortados con tuberías conectadas a contenedores de cobre molidos personalizados se utilizan para contener el nitrógeno y evitar grandes cambios de temperatura. Sin embargo, después de que el nitrógeno se evapora, debe rellenarse. En el ámbito de las computadoras personales, este método de enfriamiento rara vez se usa en contextos que no sean las pruebas de overclocking y los intentos de establecimiento de registros, ya que la CPU generalmente caducará en un período de tiempo relativamente corto debido al estrés de temperatura causado por cambios en el sistema interno. temperatura.
Aunque el nitrógeno líquido no es inflamable, puede condensar oxígeno directamente del aire. Las mezclas de oxígeno líquido y materiales inflamables pueden ser peligrosamente explosivas .
El enfriamiento con nitrógeno líquido, generalmente, solo se usa para la evaluación comparativa del procesador, debido al hecho de que el uso continuo puede causar daños permanentes a una o más partes de la computadora y, si se maneja de manera descuidada, incluso puede dañar al usuario, causando congelación .
Helio liquido
El helio líquido , más frío que el nitrógeno líquido, también se ha utilizado para enfriar. El helio líquido hierve a −269 ° C (−452,20 ° F), y se han medido temperaturas que van desde −230 a −240 ° C (−382,0 a −400,0 ° F) desde el disipador de calor. Sin embargo, el helio líquido es más caro y más difícil de almacenar y usar que el nitrógeno líquido. Además, las temperaturas extremadamente bajas pueden hacer que los circuitos integrados dejen de funcionar. Los semiconductores a base de silicio, por ejemplo, se congelarán a alrededor de -233 ° C (-387,4 ° F).
Mejoramiento
El enfriamiento se puede mejorar mediante varias técnicas que pueden implicar gastos o esfuerzos adicionales. Estas técnicas se utilizan a menudo, en particular, por aquellos que ejecutan partes de su computadora (como la CPU y la GPU) a voltajes y frecuencias más altos que los especificados por el fabricante ( overclocking ), lo que aumenta la generación de calor.
La instalación de un sistema de refrigeración que no sea de stock y de mayor rendimiento también puede considerarse modificación . Muchos overclockers simplemente compran combinaciones de ventilador y disipador de calor más eficientes y, a menudo, más caras, mientras que otros recurren a formas más exóticas de enfriamiento de computadoras, como enfriamiento por líquido, bombas de calor de efecto Peltier, tubo de calor o enfriamiento por cambio de fase.
También hay algunas prácticas relacionadas que tienen un impacto positivo en la reducción de la temperatura del sistema:
Compuestos termoconductores
A menudo llamado Material de interfaz térmica (TIM) (por ejemplo, Intel).
Las superficies perfectamente planas en contacto proporcionan un enfriamiento óptimo, pero la planitud perfecta y la ausencia de espacios de aire microscópicos no es prácticamente posible, particularmente en equipos producidos en serie . Una capa muy fina de compuesto térmico , que es mucho más conductivo térmicamente que el aire, aunque mucho menos que el metal, puede mejorar el contacto térmico y el enfriamiento al llenar los espacios de aire. Si solo se usa una pequeña cantidad de compuesto suficiente para llenar los huecos, se obtendrá la mejor reducción de temperatura.
Existe un gran debate sobre los méritos de los compuestos, y los overclockers suelen considerar que algunos compuestos son superiores a otros. La consideración principal es usar la cantidad mínima de compuesto térmico requerida para nivelar las superficies, ya que la conductividad térmica del compuesto es típicamente de 1/3 a 1/400 la del metal, aunque mucho mejor que el aire. La conductividad del compuesto del disipador de calor varía de aproximadamente 0,5 a 80 W / mK (ver artículos); la del aluminio es aproximadamente 200, la del aire aproximadamente 0,02. También se utilizan almohadillas conductoras de calor , a menudo instaladas por los fabricantes en los disipadores de calor. Son menos efectivos que el compuesto térmico aplicado correctamente, pero más fáciles de aplicar y, si se fijan al disipador de calor, los usuarios que desconocen la importancia de un buen contacto térmico no pueden omitirlos ni reemplazarlos por una capa gruesa e ineficaz de compuesto.
A diferencia de algunas técnicas discutidas aquí, el uso de compuesto térmico o acolchado es casi universal cuando se disipa una cantidad significativa de calor.
Lapeado del disipador de calor
Los disipadores de calor y las bases de los disipadores de calor de CPU producidos en serie nunca son perfectamente planos o lisos; si estas superficies se colocan en el mejor contacto posible, habrá espacios de aire que reducen la conducción de calor. Esto se puede mitigar fácilmente con el uso de compuesto térmico, pero para obtener los mejores resultados posibles, las superficies deben ser lo más planas posible. Esto se puede lograr mediante un laborioso proceso conocido como lapeado , que puede reducir la temperatura de la CPU normalmente en 2 ° C (4 ° F).
Cables redondeados
La mayoría de las PC más antiguas utilizan cables planos para conectar unidades de almacenamiento ( IDE o SCSI ). Estos grandes cables planos impiden en gran medida el flujo de aire al provocar arrastre y turbulencia. Los overclockers y modders a menudo los reemplazan con cables redondeados, con los cables conductores agrupados firmemente para reducir el área de superficie. Teóricamente, los hilos paralelos de conductores en un cable plano sirven para reducir la diafonía (conductores portadores de señales que inducen señales en conductores cercanos), pero no hay evidencia empírica de que los cables redondeados reduzcan el rendimiento. Esto puede deberse a que la longitud del cable es lo suficientemente corta como para que el efecto de la diafonía sea insignificante. Los problemas suelen surgir cuando el cable no está protegido electromagnéticamente y la longitud es considerable, lo que ocurre con mayor frecuencia con cables de red más antiguos.
Estos cables de computadora se pueden atar con cables al chasis u otros cables para aumentar aún más el flujo de aire.
Este es un problema menor con las computadoras nuevas que usan ATA serie, que tiene un cable mucho más estrecho.
Flujo de aire
Cuanto más frío sea el medio refrigerante (el aire), más eficaz será el enfriamiento . La temperatura del aire de refrigeración se puede mejorar con estas pautas:
- Suministre aire frío a los componentes calientes lo más directamente posible. Algunos ejemplos son los tubos de respiración y los túneles que alimentan el aire exterior directa y exclusivamente al enfriador de la CPU o GPU. Por ejemplo, el diseño de la carcasa BTX prescribe un túnel de aire de la CPU.
- Expulse el aire caliente lo más directamente posible. Algunos ejemplos son: Las fuentes de alimentación convencionales de PC ( ATX ) expulsan el aire caliente por la parte posterior de la carcasa. Muchos diseños de tarjetas gráficas de doble ranura soplan aire caliente a través de la tapa de la ranura adyacente. También hay algunos refrigeradores del mercado de accesorios que hacen esto. Algunos diseños de refrigeración de CPU soplan el aire caliente directamente hacia la parte posterior de la carcasa, donde puede ser expulsado por un ventilador de carcasa.
- El aire que ya se ha utilizado para enfriar un componente no debe reutilizarse para enfriar un componente diferente (esto se deriva de los elementos anteriores). El diseño de la caja BTX viola esta regla, ya que utiliza el escape del enfriador de la CPU para enfriar el chipset y, a menudo, la tarjeta gráfica. Uno puede encontrar carcasas ATX antiguas o de muy bajo presupuesto que cuentan con un soporte de fuente de alimentación en la parte superior. Sin embargo, la mayoría de las cajas ATX modernas tienen un soporte de fuente de alimentación en la parte inferior de la caja con una ventilación de aire filtrado directamente debajo de la fuente de alimentación.
- Prefiera el aire de admisión frío, evite inhalar el aire de escape (aire exterior por encima o cerca de los escapes). Por ejemplo, un conducto de aire de refrigeración de la CPU en la parte posterior de la carcasa de una torre inhalaría aire caliente del escape de una tarjeta gráfica. Mover todos los escapes a un lado de la caja, convencionalmente la parte posterior / superior, ayuda a mantener fresco el aire de admisión.
- Esconder los cables detrás de la bandeja de la placa base o simplemente colocar una brida y guardar los cables para proporcionar un flujo de aire sin obstáculos.
Menos ventiladores, pero ubicados estratégicamente, mejorarán el flujo de aire internamente dentro de la PC y, por lo tanto, reducirán la temperatura interna general de la carcasa en relación con las condiciones ambientales. El uso de ventiladores más grandes también mejora la eficiencia y reduce la cantidad de calor residual junto con la cantidad de ruido generado por los ventiladores mientras están en funcionamiento.
Hay poco acuerdo sobre la efectividad de las diferentes configuraciones de colocación de ventiladores, y se han realizado pocas pruebas sistemáticas. Para una caja rectangular de PC (ATX), se ha encontrado que un ventilador en la parte delantera con un ventilador en la parte trasera y uno en la parte superior es una configuración adecuada. Sin embargo, las pautas de enfriamiento del sistema de AMD (algo desactualizadas) señalan que "Un ventilador de enfriamiento frontal no parece ser esencial. De hecho, en algunas situaciones extremas, las pruebas mostraron que estos ventiladores recirculaban aire caliente en lugar de introducir aire frío". Es posible que los ventiladores de los paneles laterales tengan un efecto perjudicial similar, posiblemente al interrumpir el flujo de aire normal a través de la caja. Sin embargo, esto no está confirmado y probablemente varía con la configuración.
Presión del aire
En términos generales, la presión positiva significa que la entrada al gabinete es más fuerte que el escape del gabinete. Esta configuración hace que la presión dentro de la carcasa sea mayor que en su entorno. La presión negativa significa que el escape es más fuerte que la admisión. Esto da como resultado que la presión del aire interno sea más baja que en el medio ambiente. Ambas configuraciones tienen ventajas e inconvenientes, siendo la presión positiva la más popular de las dos configuraciones. La presión negativa da como resultado que la carcasa extraiga aire a través de los orificios y las rejillas de ventilación separadas de los ventiladores, ya que los gases internos intentarán alcanzar una presión de equilibrio con el medio ambiente. En consecuencia, esto da como resultado que el polvo ingrese a la computadora en todos los lugares. La presión positiva en combinación con la entrada filtrada resuelve este problema, ya que el aire solo se inclinará para salir a través de estos orificios y rejillas de ventilación para alcanzar un equilibrio con su entorno. Entonces, el polvo no puede ingresar a la carcasa, excepto a través de los ventiladores de admisión, que deben poseer filtros de polvo.
Tipos de computadora
Escritorios
Las computadoras de escritorio generalmente usan uno o más ventiladores para enfriar. Si bien casi todas las fuentes de alimentación de escritorio tienen al menos un ventilador incorporado, las fuentes de alimentación nunca deben extraer aire caliente del interior de la carcasa, ya que esto da como resultado temperaturas de funcionamiento de la PSU más altas que disminuyen la eficiencia energética, la confiabilidad y la capacidad general de la PSU para proporcionar una alimentación constante. suministro de energía a los componentes internos de la computadora. Por esta razón, todos los gabinetes ATX modernos (con algunas excepciones que se encuentran en gabinetes de presupuesto ultra bajo) cuentan con un soporte de fuente de alimentación en la parte inferior, con una entrada de aire de PSU dedicada (a menudo con su propio filtro) debajo de la ubicación de montaje, lo que permite que el Fuente de alimentación para extraer aire frío de debajo de la carcasa.
La mayoría de los fabricantes recomiendan traer aire fresco por la parte inferior frontal de la carcasa y expulsar aire caliente por la parte superior trasera. Si se instalan ventiladores para forzar el aire en la caja de manera más efectiva de lo que se quita, la presión en el interior se vuelve más alta que en el exterior, lo que se denomina flujo de aire "positivo" (el caso opuesto se denomina flujo de aire "negativo"). Cabe señalar que la presión interna positiva solo evita la acumulación de polvo en la carcasa si las tomas de aire están equipadas con filtros de polvo. Una caja con presión interna negativa sufrirá una mayor tasa de acumulación de polvo incluso si se filtran las entradas, ya que la presión negativa atraerá el polvo a través de cualquier abertura disponible en la caja.
El flujo de aire dentro de la carcasa de escritorio típica no suele ser lo suficientemente fuerte para un disipador de calor pasivo de la CPU. La mayoría de los disipadores de calor de escritorio están activos, incluidos uno o varios ventiladores o sopladores conectados directamente.
Servidores
Refrigeradores de servidor
Cada servidor puede tener un sistema de refrigeración interno independiente; Los ventiladores de enfriamiento del servidor en gabinetes (1 U ) generalmente se ubican en el medio del gabinete, entre los discos duros en la parte delantera y los disipadores de calor pasivos de la CPU en la parte posterior. Los gabinetes más grandes (más altos) también tienen extractores de aire, y desde aproximadamente 4U pueden tener disipadores de calor activos. Las fuentes de alimentación generalmente tienen sus propios extractores de aire orientados hacia atrás.
Neveras de rack
El gabinete en rack es un gabinete típico para servidores montados horizontalmente. Normalmente, el aire se aspira en la parte delantera del bastidor y se expulsa en la parte trasera. Cada gabinete puede tener opciones de enfriamiento adicionales; por ejemplo, pueden tener un módulo acoplable de enfriamiento de acoplamiento cerrado o integrarse con elementos del gabinete (como puertas de enfriamiento en el rack de servidores iDataPlex ).
Otra forma de acomodar una gran cantidad de sistemas en un espacio pequeño es utilizar un chasis de cuchillas , orientado verticalmente en lugar de horizontalmente, para facilitar la convección . El aire calentado por los componentes calientes tiende a subir, creando un flujo de aire natural a lo largo de los tableros ( efecto pila ), enfriándolos. Algunos fabricantes aprovechan este efecto.
Refrigeración del centro de datos
Debido a que los centros de datos generalmente contienen una gran cantidad de computadoras y otros dispositivos de disipación de energía, corren el riesgo de sobrecalentamiento del equipo; Se utilizan extensos sistemas HVAC para evitar esto. A menudo, se utiliza un piso elevado para que el área debajo del piso se pueda usar como una cámara de aire grande para el cableado de energía y aire refrigerado.
La refrigeración líquida de contacto directo ha resultado ser más eficiente que las opciones de refrigeración por aire, lo que resulta en una huella más pequeña, menores requisitos de capital y menores costos operativos que la refrigeración por aire. Utiliza líquido tibio en lugar de aire para alejar el calor de los componentes más calientes. Las ganancias de eficiencia energética de la refrigeración líquida también están impulsando su adopción.
Laptops
Las computadoras portátiles presentan un diseño de flujo de aire mecánico difícil, una disipación de energía y un desafío de enfriamiento. Las limitaciones específicas de las computadoras portátiles incluyen: el dispositivo en su conjunto debe ser lo más liviano posible; el factor de forma debe basarse en la distribución estándar del teclado; los usuarios están muy cerca, por lo que el ruido debe mantenerse al mínimo y la temperatura exterior de la carcasa debe mantenerse lo suficientemente baja como para usarla en un regazo. El enfriamiento generalmente usa enfriamiento por aire forzado, pero los tubos de calor y el uso del chasis o carcasa de metal como disipador térmico pasivo también son comunes. Las soluciones para reducir el calor incluyen el uso de procesadores ARM o Intel Atom de menor consumo de energía .
Dispositivos móviles
Los dispositivos móviles generalmente no tienen sistemas de enfriamiento discretos, ya que los chips de CPU y GPU móviles están diseñados para una máxima eficiencia energética debido a las limitaciones de la batería del dispositivo. Algunos dispositivos de mayor rendimiento pueden incluir un esparcidor de calor que ayuda a transferir el calor a la carcasa externa de un teléfono o tableta.
Ver también
- Disipación de energía de la CPU
- Potencia de diseño térmico
- Gestión térmica de dispositivos y sistemas electrónicos
Referencias
enlaces externos
- Reglas generales del enfriador de CPU
- Solicitud de patente de enfriamiento por inmersión
- Enfriamiento por inmersión para bricolaje (pecera + aceite mineral) Foro de Gametrailers.com - Videos [1] . [2] , [3] .
- "La nueva forma de Microsoft de enfriar sus centros de datos: Tíralos al mar" .