Sistemas de enfriamiento de computadoras: pasivo, activo, líquido, freón, enfriador de agua, evaporación abierta, cascada, enfriamiento Peltier

Durante el funcionamiento de la computadora, algunos de sus componentes se calientan mucho, y si el calor generado no se elimina lo suficientemente rápido, la computadora simplemente no podrá funcionar debido a la violación de las características normales de sus principales componentes semiconductores.

Eliminar el calor de las partes calefactoras de la computadora es la tarea más importante que resuelve el sistema de enfriamiento de la computadora, que es un conjunto de herramientas especializadas que funcionan de manera continua, sistemática y armoniosa durante todo el tiempo que la computadora se usa activamente.

Durante la operación del sistema de enfriamiento de la computadora, se utiliza el calor generado por el paso de las corrientes operativas a través de los elementos clave de la computadora, especialmente a través de los elementos de su unidad de sistema.La cantidad de calor generado en este caso depende de los recursos de cómputo de la computadora y su carga actual en relación con todos los recursos disponibles para la máquina.

En cualquier caso, el calor se recupera en la atmósfera. En el enfriamiento pasivo, el calor se elimina de las partes calentadas a través de un radiador directamente al aire circundante por convección convencional y radiación infrarroja. En la refrigeración activa, además de la convección y la radiación infrarroja, se utiliza el soplado con ventilador, que aumenta la intensidad de la convección (esta solución se denomina «cooler»).

También existen sistemas de refrigeración líquida en los que el calor se transfiere primero a través de un portador de calor y luego se utiliza de nuevo en la atmósfera. Hay sistemas evaporativos abiertos donde el calor se elimina debido a la transición de fase del refrigerante.

Entonces, de acuerdo con el principio de eliminar el calor de las partes calefactoras de la computadora, existen sistemas de enfriamiento: enfriamiento por aire, enfriamiento por líquido, freón, evaporación abierta y combinado (basado en elementos Peltier y enfriadores de agua).

Sistema de enfriamiento de aire pasivo

Los equipos que no están cargados de calor no requieren ningún sistema de refrigeración especial. Los equipos sin carga térmica son aquellos en los que el flujo de calor por centímetro cuadrado de la superficie calentada (densidad de flujo de calor) no supera los 0,5 mW. En estas condiciones, el sobrecalentamiento de la superficie calentada con respecto al aire circundante no será superior a 0,5 °C, siendo el máximo habitual para tal caso +60 °C.

Pero si los parámetros térmicos de los componentes en el modo normal de su funcionamiento superan estos valores (manteniendo la generación de calor, sin embargo, relativamente baja), solo se instalan radiadores en dichos componentes, es decir, dispositivos para la eliminación pasiva de calor. , los llamados sistemas de refrigeración pasiva.

Cuando la potencia del chip es baja, o cuando los requisitos de capacidad informática del sistema son constantemente limitados, por regla general, solo un disipador de calor es suficiente, incluso sin ventilador. El radiador se selecciona individualmente en cada caso.

Básicamente, el sistema de enfriamiento pasivo funciona de la siguiente manera: el calor se transfiere directamente desde el componente de calentamiento (chip) al disipador de calor debido a la conductividad térmica del material o con la ayuda de tubos de calor (termosifón o cámara de evaporación son diferentes fundamental soluciones con tubos de calor).

La función del radiador es irradiar calor al espacio circundante a través de la radiación infrarroja y transferir calor simplemente a través de la conductividad térmica del aire circundante, lo que contribuye a que se produzcan corrientes de convección natural. Para irradiar calor sobre toda el área del radiador de la manera más intensa posible, la superficie del radiador se vuelve negra.

Especialmente hoy (en varios equipos, incluidas las computadoras), el sistema de enfriamiento pasivo está muy extendido. Este sistema es muy flexible, ya que los radiadores se pueden montar fácilmente en la mayoría de los componentes que consumen mucho calor. Cuanto mayor sea el área efectiva de disipación de calor del radiador, más eficiente será la refrigeración.

Los factores importantes que afectan la eficiencia de enfriamiento son la velocidad del flujo de aire que pasa a través del disipador de calor y la temperatura (especialmente la diferencia de temperatura con el ambiente).

Mucha gente sabe que antes de montar un disipador de calor en un componente, es necesario aplicar pasta térmica (por ejemplo, KPT-8) a las superficies de contacto. Esto se hace para aumentar la conductividad térmica en el espacio entre los componentes.

Inicialmente, el problema es que las superficies del radiador y el componente en el que está instalado, después de la producción en fábrica y el pulido, todavía tienen una rugosidad del orden de 10 micras, e incluso después del pulido, quedan unas 5 micras de rugosidad. Estas irregularidades impiden que las superficies de conexión se presionen entre sí lo más estrechamente posible sin que quede un espacio, lo que da como resultado un espacio de aire con baja conductividad térmica.

Los disipadores de calor con el mayor tamaño y área activa generalmente se montan en CPU y GPU. Si es necesario ensamblar una computadora silenciosa, entonces, dada la baja velocidad de paso del aire, se necesitan radiadores especiales muy grandes, caracterizados por una mayor eficiencia de disipación de calor.

Sistema de enfriamiento de aire activo

Para mejorar la refrigeración, para que el flujo de aire a través del radiador sea más intenso, se utilizan adicionalmente ventiladores. Un radiador equipado con un ventilador se llama enfriador. Los enfriadores están instalados en los procesadores gráficos y centrales de la computadora. Si no es posible instalar un disipador de calor en algunos de los componentes, como un disco duro, o no se recomienda, entonces se usa un ventilador simple sin disipador de calor.Eso es suficiente.

Sistema de refrigeración líquida

El sistema de refrigeración líquida funciona según el principio de transferir calor del componente enfriado al radiador con la ayuda de un fluido de trabajo que circula en el sistema. Dicho líquido suele ser agua destilada con aditivos bactericidas y antigalvánicos o anticongelante, aceite, otros líquidos especiales y, en algunos casos, metal líquido.

Dicho sistema incluye necesariamente: una bomba para hacer circular el fluido y un radiador (bloque de agua, cabeza de enfriamiento) para quitar el calor del elemento calefactor y transferirlo al fluido de trabajo. A continuación, el calor se disipa mediante un disipador (sistema activo o pasivo).

Además, el sistema de refrigeración líquida tiene un depósito de fluido de trabajo, que compensa su expansión térmica y aumenta la inercia térmica del sistema. El tanque es conveniente para llenar y también es conveniente drenar el fluido de trabajo a través de él. En tal sistema, se requieren las mangueras y tuberías necesarias. Un sensor de flujo de líquido puede estar disponible opcionalmente.

El fluido de trabajo tiene una capacidad calorífica suficientemente alta para proporcionar una alta eficiencia de enfriamiento a baja velocidad de circulación y alta conductividad térmica, lo que minimiza la diferencia de temperatura entre la superficie de evaporación y la pared de la tubería.

Sistema de enfriamiento de freón

El overclocking extremo del procesador requiere una temperatura negativa del elemento enfriado durante su funcionamiento continuo. Para ello se requieren instalaciones de freón. Estos sistemas son unidades de refrigeración en las que el evaporador se monta directamente sobre el componente del que se debe eliminar el calor a un ritmo muy elevado.

Las desventajas del sistema de freón, además de su complejidad, son: la necesidad de aislamiento térmico, la lucha obligatoria con el condensado, la dificultad para enfriar varios componentes al mismo tiempo, el alto consumo de energía y el alto precio.

Enfriador de agua

Waterchiller es un sistema de refrigeración que combina una unidad de freón y refrigeración líquida. Aquí, el anticongelante que circula en el sistema se enfría aún más en un intercambiador de calor utilizando un bloque de freón.

En un sistema de este tipo, se obtiene una temperatura negativa con la ayuda de una unidad de freón y el líquido puede enfriar simultáneamente varios componentes. Un sistema de enfriamiento de freón convencional no permite esto. Las desventajas de un enfriador de agua son la necesidad de aislamiento térmico de todo el sistema, así como la complejidad y el alto costo.

Sistema de enfriamiento evaporativo abierto

Los sistemas abiertos de refrigeración por vapor utilizan un fluido de trabajo: un refrigerante como helio, nitrógeno líquido o hielo seco. El fluido de trabajo se evapora en un vaso abierto, que se monta directamente sobre el elemento calefactor, que debe enfriarse muy rápidamente.

Este método pertenece a los aficionados y lo utilizan principalmente los aficionados que necesitan un overclocking extremo ("overclocking") del equipo disponible. Con este método, puede obtener la temperatura más baja, pero el vaso con el refrigerante deberá reponerse regularmente, es decir, el sistema tiene un límite de tiempo y requiere atención constante.

Sistema de refrigeración en cascada

Un sistema de enfriamiento en cascada significa la inclusión secuencial simultánea de dos o más freones. Para lograr temperaturas más bajas, se utiliza freón con un punto de ebullición reducido.Si la máquina de freón es de una sola etapa, es necesario aumentar la presión de trabajo con compresores potentes.

Pero hay una alternativa: enfriar el radiador de un bloque de freón con otro bloque similar. Por lo tanto, la presión operativa en el sistema se puede reducir y ya no se requiere alta potencia de los compresores, se pueden usar compresores convencionales. El sistema en cascada, a pesar de su complejidad, permite alcanzar una temperatura más baja que con una instalación de freón convencional, y en comparación con un sistema de evaporación abierto, dicha instalación puede trabajar de forma continua.

Sistema de refrigeración Peltier

En el sistema de enfriamiento con un elemento Peltier se monta con su lado frío sobre la superficie a enfriar, mientras que el lado caliente del elemento requiere un enfriamiento intensivo de otro sistema durante su funcionamiento. El sistema es relativamente compacto.