Inicialmente todos los disipadores eran similares, pequeños, algunos con ventilador y de la misma forma: cuadrados. Con el paso del tiempo y sobretodo a partir de la era P4, empezaron a aparecer disipadores de mil y una formas, incluida la refrigeración líquida.
Hoy intentaré explicar un poco el funcionamiento de un disipador y como aprovechar mejor sus posibilidades. No entraremos en este artículo en la refrigeración líquida. Si aparece mucha gente interesada en este tema, más adelante podría realizar un artículo sobre ello.
Lo primero es diferenciar entre conducción y convección. Conducción se refiere al flujo de energía calorífica que circula por un sólido del extremo más caliente al más frió. La convección es el flujo de energía calorífica que se transmite entre un sólido y un fluido (por ejemplo aire o agua).
No os asustéis, los siguientes párrafos pueden resultar algo espesos, pero al final aplicaremos todos los conceptos a un ejemplo práctico, más entendible.
Conducción
LEY DE FOURIER:
Así a primera vista asusta. No entraremos en detalles muy técnicos. Está compuesta por:
q[W]= Energía por unidad de tiempo que atraviesa en forma de calor una sección transversal a la dirección de transmisión.
A[m2]= Área de la sección transversal
dT/dx[ºC/m]= gradiente o diferencia de temperaturas en la dirección OX.
k[W/mºC]= Conductividad térmica característica de cada material.
Digamos que q depende directamente de la sección del sólido que atraviesa, de la diferencia de temperaturas entre los extremos y de las propiedades del material (Como muchos sabréis, el cobre es mejor conductor que el aluminio). El signo negativo se debe a que el flujo de calor es siempre de la temperatura mayor a la menor, de forma espontánea.
Simplificando el caso a un bloque cúbico de un material concreto, como la sección A es constante (Cte), la k es una constante propia del material y su longitud también es constante, reducimos la expresión quedando de esta manera:
De modo que a mayor diferencia de temperaturas, mayor flujo de calor.
Convección
LEY DE NEWTON:
Donde:
q[W]= Energía que por unidad de tiempo y en forma de calor se transmite por convección.
A[m2]= Área en contacto con el fluido.
Ts[ºC]= Temperatura en la superficie del sólido.
T∞[ºC]= Temperatura del fluido en puntos alejados de la superficie.
hc[W/m2·ºC]= Coeficiente medio de convección.
En este caso ya no tenemos tantas constantes. A es constante, pero hc y la diferencia de temperaturas (∆T) varían. El coeficiente hc varía dependiendo de su posición, la velocidad del fluido y de su temperatura. Concretamente, a mayor velocidad del fluido, mayor hc.
Solo hemos rozado el concepto de convección pero creo que es suficiente para lo que queremos explicar.
Disipador
Nos basaremos en el disipador de la foto para la explicación:
En este ejemplo tenemos un flujo de calor por conducción de la parte más baja del disipador (contacto con la CPU) hasta los extremos. Este flujo viaja tanto hacia arriba como hacia los lados (imaginaros una sección del disipador, me es imposible cortarlo).
Sobre el disipador hay montado un ventilador que hace circular un caudal Q. En las paredes de cada aleta se produce un flujo de energía por convección del disipador hacia el aire.
De momento tenemos que, a mayor sección de las aletas, mayor conducción del disipador y suponiendo el hc constante, a mayor superficie en contacto con el aire, mayor convección. Sabemos también que a mayor diferencia de temperaturas entre la zona en contacto con la CPU y el extremo del disipador, tendremos mayor conducción aunque si la temperatura de la CPU aumenta demasiado podría quemarse, de modo que no nos interesa aumentar esta diferencia de temperaturas.
Por lo contrario, a mayor diferencia de temperaturas entre disipador y medio ambiente, mayor convección. El hecho de añadir un ventilador hace que el hc aumente considerablemente y así conseguir una mayor convección de calor.
Como la conducción es más o menos constante dentro del disipador, vamos a jugar con la convección:
donde:
x[cm]= distancia desde la superficie de la CPU
Td[ºC]= temperatura del disipador a lo largo de x
Ta[ºC]= temperatura del aire a lo largo de x
En la mayoría de disipadores de PC el ventilador se encuentra en la parte superior lanzando el aire hacia abajo, de modo que el aire empieza a calentarse desde arriba y cuando llega a la parte más caliente del disipador, ya acumula parte de calor absorbido durante su trayecto.
Al empezar a calentarse el aire arriba, la ∆T al llegar abajo no es muy grande, donde el disipador está más caliente. Lo ideal sería hacer circular el aire en sentido contrario, es decir, que el ventilador aspirara.
Con este supuesto, en la parte de abajo donde la temperatura es mayor, hay un mayor ∆T entre disipador y aire, de modo que la convección es mucho mayor que en el caso anterior y en consecuencia conseguimos una mayor refrigeración. Esto implica que al reducirse la temperatura abajo, el disipador tiene que conducir menos calor porque ya ha sido "expulsado" por convección, y de este modo queda "vació" para poder conducir más q en caso que fuese necesario.
¿El problema? pues que el ventilador lanza el aire a su salida de una forma más o menos lineal, pero el aire que absorbe por detrás entra por los laterales, y no conseguiríamos hacer pasar el aire por la parte más baja.
Si os fijáis, Apple nunca ha montado un ventilador sobre el disipador, lo ha montado a un lado haciendo pasar el aire horizontalmente, de modo que el aire frió entra en contacto con la parte más caliente y consigue una mayor convección. Pero con el disipador que hemos tomado como ejemplo no podemos, porque es cilíndrico.
En este caso lo solucionaremos con el concepto de caudal (Q).
donde:
v[m/s]= velocidad media del aire
S[m2]= sección de paso
Q[m3/s]= volumen de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo
Cada ventilador tiene su Q específico a un voltaje concreto. Sabemos que a mayor v, mayor hc. Como Q es constante, si disminuye S, aumenta v.
Si reducimos el área perimetral (S) por donde entra el aire, conseguiremos una mayor convección con el mismo caudal que proporciona el ventilador, porque el aire que ahora entra por una sección menor, lo hace a una mayor velocidad.
No hará falta poner un ventilador de mayor caudal (y en consecuencia de mayor ruido), al reducir el área perimetral S de entrada generamos un flujo que viaja a través de todo el disipador, entrando por la parte más caliente de este y con una velocidad mucho mayor.
Resumiendo:
En el primer caso, v2 es menor que v1. Esto implica que el hc será menor que en el segundo caso, donde v1≈v2 y en consecuencia, como la velocidad de entrada ha aumentado, obtenemos un hc mayor, y como estamos forzando al aire a pasar por la zona más caliente cuando este está a temperatura ambiente, obtenemos una diferencia de temperaturas mayor que en el primer caso. Con todo esto conseguimos un mayor flujo de calor por convección del disipador al aire. Conseguimos una mejor refrigeración.
Ya veis, con un disipador de 12€, de los más sencillos, hemos conseguido mejorar sus prestaciones simplemente girando el ventilador y tapando parte de su área perimetral.
Si, lo se, es complicado, pero es así como Apple estudia sus sistemas de refrigeración, pero os aseguro que ellos entran mucho más en detalles, como lo hace cualquier empresa especializada en sistemas de refrigeración. Os podéis dar cuenta que la mayoría de disipadores de PC tradicionales, los baratos, no se han diseñado preocupándose por estos factores.
Un saludo y espero que os sirva de ayuda.
Muy buena lección de termodinámica. Falta mencionar el calor que absorbe el propio disipador por radiación del medio. Este es poco, pero para evitarlo muchos disipadores van pintados de negro, consiguiendo el denominado "cuerpo negro".
ResponderEliminarDado que S1·V1=S2·V2, al variar S2, V2=S1/S2·V2 con lo que aumentas la velocidad, pero no aumentas el caudal, dado que has reducido la sección, el caudal (m3/min) se mantiene constante. Lo que ocurre es que al circular el aire más rápido la cantidad de calor disipado por convección es un poco mayor.
Una buena pasta térmica entre el procesador (CPU o GPU, pues también sirve todo esto para los procesadores e las gráficas, que ya superan los 500 Mhz) y el disipador contribuye a una mejor transferencia por conducción. Hay varios tipos, de Thermal Sylicon (que algunos traducen mal por silicona térmica), y una normal desempeña muy bien su función ya que las posibles mejoras de las de mayor calidad son insignificantes (aún menos que pintar de negro el disipador).
Otra cosa es utilizar un disipador de cobre, estos tienen una mejor conducción que el aluminio, pero son mucho más caros por lo que los fabricantes optan por aleaciones de cobre (los latones, los cuproníqueles, ...) o aluminios a los que se le agregan impurezas para mejorar sus capacidades térmicas.
Lo que se menciona en el artículo de un disipador con el ventilador a través es para mi la mejor forma de disipar un equipo. Es la que tengo en mi Mac, y la que puse a mi PC. De esta forma se puede añadir un segundo ventilador en la salida, y trabajando ambos a las mismas revoluciones, se pueden incluso reducir estas ya que la velocidad del flujo de aire es mucho mayor, por lo que al reducir las revoluciones, reduciremos considerablemente el ruido, simplemente sacrificando un poco en la velocidad.
A lo que últimamente se tiende en los refrigeradores de PCs es a utilizar disipadores de aletas con tubos de gas (nunca dicen cuál es), de forma que el gas se calienta en la parte inferior y al subir es enfriado por el flujo transversal que pasa por las paletas y los tubos. De esta forma se consiguen temperaturas bajas en los equipos. Por poner un ejemplo, tengo un Silent Tower Thermaltake con dos ventiladores en serie, uno a cada lado, con un ruido de 21 db y una temperatura del Procesador AMD 64 Atlhon 3200+ de 29 ºC durante el juego.
Montando dos ventiladores en serie no aumenta el caudal Q, para conseguir esto tendrías que montar dos ventiladores en paralelo, y no hablo de voltaje, sinó de la situación de estos. Por ejemplo, en los PowerMac G5 los ventiladores de detrás están montados en paralelo, y a la entrada, si es monoprocesador, solo tiene un veltilador. La ventaja de montar 2 ventiladores en serie es que creas un circuito de aire, evitas que el aire se disperse.
ResponderEliminarLa pasta térmica, com bién dices, puede mejorar mucho la refrigeracion. Como las superficies en contacto albergan microhuecos de aire, el calor tendria qeu fluir por convección a trabés de estos huecos, y como el calor fluye más rápido por conducción que por convección, esta pasta ocupa estos espacios microscópicos consiguiendo una conducción entre CPU y disipador. Estas pastas térmicas llevan partículas de plata u otros materiales. Cabe recordar qeu el exceso de pasta térmica puede afectar a la refrigeración. Recomiendan aplicar una cantidad similar al tamaño de un grano de arroz y extenderla por toda la superficie.
ResponderEliminarDije que dos ventiladores repercuten sobre la velocidad, no sobre el caudal, pues se sigue manteniendo la relación S1·V1=S2·V2, y teniendo en cuenta de que el flujo es laminar (aunque realmente esto no es siempre es así, hay zonas de flujo turbulento), pues sólo se consigue aumentar la velocidad y mejorar la convección.
ResponderEliminarLo de la pasta térmica es cierto, la película que mejora la trasferencia por conducción, si es demasiado gorda, se convierte en una resistencia a la transmisión.
Otra cosa que no mencioné es que hay que conseguir que entre en el equipo aire limpio, esto es, aire del exterior. Pues sino se está recirculando el aire del interior. Y no se consigue una buena refrigeración. para ello no está de más instalar un extractor de aire, que no es más que un compresor radial, y en que no se cumple la conservación del caudal, dado que el flujo de salida es turbulento, y aumentando la velocidad aumenta el caudal. Estos son los que Apple pone en los iMac, PowerBook, y creo que también en los mac Mini, dado que ocupan poco espacio, y tienen un caudal muy superior a los compresores axiales (los ventiladores).
Por ello es mejor poner un extractor de aire que un par de ventiladores introduciendo aire o sacándolo, pues el extractor crea un vacío en la caja que hace que el aire del exterior a mayor presión se introduzca por donde pueda. En cambio los ventiladores, para introducir aire tienen que andar desplazando el aire que ya hay en el interior de la caja, por lo que el refresco del aire es mucho más lento,. Todo esto suponiendo que ambos tienen el mismo caudal.
Hay un un libro, aunque puede resultar demasiado técnico, en el que se habla muy bien sobre el tema de la refrigeración, se llama "Fundamentos de Tranferencia de Calor", de F. Incropera - D. Dewitt. Es el libro por excelencia que se utiliza en las ingenierías.
Si, conozco ese libro, soy Inteniero Industrial, me lo he tenido que merendar más de una vez :P. Lo que dices del ventilador que montando dos en serie consigues más velocidad, revisalo. La fórmula de caudal es Q=v·S , la Sección es la misma, y el caudal es constante, puesto que montando dos ventiladores enserie consigues más altura geométrica, pero no más caudal, de modo que si Q es constante y la sección de salida es constante, la velocidad no aumenta, pero como decias, al bajar la velocidad reduces el ruido, y montando dos ventiladores consigues una altura geométrica mayor demodo que el aire no "pierde fuerza" por el camino, se crea un circuito de aire. Esto se produce porque el aire no va canalizado por un tubo, cuando ha pasado el ventilador, el aire tiende a dispersarse. Montar varios en serie consigues que no se disperse por el hecho de ir a poca velocidad.
ResponderEliminarEsos extractores que mencionas son bombas centrífugas. Crean un ligero vacio, pero para conseguir un vacio notable se requeririan compresores volumétricos, pero estos tiene menos caudal. Un ventilador de aspas no se diferencía mucho de un extractor centrífugo, sólo que el centrífugo alcanza caudales mucho mayores. Ambos, si tapas la entrada o la salida, siguen girando y no hay riesgo de quemarse. Un volumétrico, si tapas alguan de las dos entradas mientras funciona, se quema. Lo mejor es tener el ordeandor ventilado tal y como lo hacia apple en los ultimos G4 y como lo hace en los PMG5. Crear un tunel de aire donde el aire entra frio y sale caliente por detrás sin acumularse dentro de la torre. El hecho de montar varios ventiladores en serie permite reducir la velocidad de giro de estos. Si montaran simplemente un ventilador a la entrada tendría que estar simepre a altas revoluciones para poder sacar el aire por la parte de atrás.
Encantado de poder hablar con alguien que sabe del tema :P. ¿Te apetece colaborar en un artículo de regrigeración líquida? Yo puedo hacer un esquema más teórico como aquí y luego podrías añadir tu experiencia.
De acuerdo, yo es que estoy en 4º de Ingeniería Naval y nos machacan un poco sobre el tema de refrigeración. Y como no, dada mi afición por los ordenadores, que hasta los monto, he aplicado mis conocimientos a ellos. Ya tienes mi correo
ResponderEliminarEduard Ros me ha gustado tu explicación!! genial!! :)
ResponderEliminarExcelente el post... todo el contenido quedó muy claro a pesar de que no sé nada sobre el tema. Sin embargo, tengo una duda con relación a mi tarjeta de video ( XFX Geforce 6200 ). Ella posee un disipador de más o menos 0.8 x 0.4 cm; el cooler más pequeño que he conseguido es de 0.8 x 0.8 cm (Sé que hay micro coolers pero no he podido dar con ellos y nadie me ha sabido decir en mi ciudad), es decir, que la mitad del area del cooler queda a la deriva, a diferencia del cooler del ejemplo que se amolda perfectamente. Mi pregunta es ¿Sí coloco ese cooler dejando la mitad del area afuera, afecta de alguna manera el flujo de aire al disipador? y si es así ¿Hay alguna solución o lo único es poner un par de ventiladores pequeños en serie? Gracias.
ResponderEliminarSe que el post es muy viejo, pero si alguien me pudiera resolver esa duda se lo agradecería mucho ^^
Hola.
ResponderEliminarYo he montado muchas veces ventiladores mayores y refrigera sin problemas, solo la parte de superficie que ocupa el disipador se aprovecha, y el resto de aire se "pierde".
Siempre puedes entretenerte con cartulina a condicir ese aire que se escapa hacia el disipador,
Y ventiladores "raros" puedes encontrarlos en ebay, realizando una búsqueda en Todo el mundo.
Suerte y ya me contarás.
Hola.
ResponderEliminarEhmmm... gracias por el concejo, decidí hacerlo todo... y pues por el lado de la temperatura, bien... el everest marca 40º - 43º.
Aún así tengo problemas con ella aunque ya le haya verificado de todo... y bueno... que decepción por ese lado, pero igual algo se aprendió.
Muchas gracias por la ayuda ^^