Al món de la informàtica, mantenir la temperatura d'un ordinador sota control és crucial per garantir un rendiment òptim i perllongar la vida útil dels components. Una de les preocupacions més comunes és la refrigeració del PC, ja que un excés de calor pot provocar problemes com el deteriorament dels circuits, la disminució del rendiment i fins i tot el risc de fallades catastròfiques. En aquest article, explorarem els diferents tipus de refrigeració disponibles per als ordinadors personals, des dels sistemes d'aire tradicionals fins a les avançades solucions de refrigeració líquida. Descobrirem les seves característiques, avantatges i consideracions clau per ajudar-te a triar lopció més adequada per a les teves necessitats i mantenir el teu PC funcionant a baixa temperatura, fins i tot en les situacions més exigents.
Tipus dintercanvi de temperatura
hi ha diversos tipus dintercanvi de temperatura que ocorren en diferents contextos. A continuació, et presento alguns dels principals:
- Conducció: és el procés de transferència de calor a través de la col·lisió de partícules en un sòlid o entre sòlids en contacte directe. L'energia tèrmica es propaga des d'una regió de més temperatura cap a una regió de menys temperatura.
- convecció: es refereix a la transferència de calor que passa a causa del moviment d'un fluid, ja sigui líquid o gas. El fluid calent es desplaça i porta l'energia tèrmica, mentre que el fluid més fred ocupa el seu lloc. Això permet una transferència eficient de calor.
- radiació: no requereix un mitjà material per propagar-se. L'energia tèrmica es transmet a través d'ones electromagnètiques, com ara la radiació infraroja. Un exemple comú és l´escalfament del Sol, que transmet calor a la Terra a través de la radiació.
- evaporació: ocorre quan un líquid absorbeix calor del seu entorn i es transforma en vapor. En evaporar-se, el líquid retira energia tèrmica de l'entorn circumdant, cosa que provoca una disminució de la temperatura.
Aquests són només alguns exemples dels tipus dintercanvi de temperatura més comuns. És important tenir en compte que en molts casos passa una combinació d'aquests mecanismes en situacions de transferència de calor més complexes. Això és important per comprendre bé els següents tipus de refrigeració.
Tipus de refrigeració
Per conèixer tots els tipus de refrigeració per a ordinadors i elements electrònics que existeixen actualment, farem aquest resum classificat per grups:
Refrigeració per aire
Quan es tracta de refrigeració per aire ens referim a aquelles que no fan servir líquid per fer l'intercanvi de temperatura. Dins aquest tipus tenim:
Sense cap dispositiu de refrigeració
En aquest cas, els dispositius electrònics o xips no tenen cap mena de sistema de refrigeració. Només faran servir la pròpia superfície del dispositiu per fer que la calor generada s'irradiï i per convecció de l'aire que l'envolta es refredi. Aquest tipus de refrigeració és l'escollit per a multitud de dispositius que no s'escalfen massa o la calor no els afecta tant com els altres.
També és possible que es facin servir els mateixos terminals o connexions a la PCB que la calor pugui passar a través seu i dissipar-se. A més, en alguns dels empaquetats 2.5D o 3D que s'estan fabricant ara, també s'estan implementant altres sistemes de refrigeració que es podrien englobar en aquest apartat, encara que siguin més avançades, com els microbumping o interposers orgànics farcits de vidre per millorar la dissipació al paquet.
passiva
Per millorar això, encara que basat en els mateixos principis de transferència de calor, aquí s'hi afegeixen elements passius com pot ser un dissipador o heatsink, és a dir, el que s'anomena també fanless o refrigeració sense ventiladors. Solen ser freqüents en certs xips controladors, xipsets, transistors MOSFETs, VRMs, etc.
En general, són dalumini (més lleugers i barats, però pitjor conductivitat tèrmica), de coure (més densos, cars i millor conductivitat tèrmica), o aliatges (prou populars entre les solucions comercials), encara que hi ha algunes solucions que usen altres metalls nobles com l'or (se solen emprar només en banys, amb nuclis d'alumini o coure), grafit, carbal (alumini 20% + carboni 80%), etc.
Entre alguns de els materials amb millor conductivitat per a dissipadors tenim:
- metalls: són bons conductors tèrmics a causa de l'estructura de la seva xarxa cristal·lina i la capacitat dels electrons per moure's lliurement. Alguns dels millors conductors tèrmics són el coure, la plata i l'alumini.
- Coure (Cu): és un dels millors conductors tèrmics entre els metalls comunament utilitzats. És àmpliament utilitzat en aplicacions on es requereix una transferència eficient de calor, com ara cables elèctrics, canonades d'aigua i components electrònics.
- Plata (Ag): té la major conductivitat tèrmica entre tots els metalls, cosa que la converteix en un excel·lent conductor tèrmic. Tot i això, a causa del seu alt cost, el seu ús es limita a aplicacions específiques que requereixen una eficiència tèrmica excepcional, com en aplicacions científiques i d'alta tecnologia.
- Alumini (Al): és un altre metall àmpliament utilitzat amb una conductivitat tèrmica força alta. Encara que la seva conductivitat tèrmica és inferior a la del coure i la plata, la seva baixa densitat i cost el fan popular en aplicacions de transferència de calor, com ara dissipadors de calor i radiadors.
- Or (Au): és conegut per la seva excel·lent conductivitat elèctrica, però també posseeix una bona conductivitat tèrmica. Encara que el seu ús en aplicacions de transferència de calor és menys comú a causa del seu alt cost, s'utilitza en aplicacions on cal una alta fiabilitat i estabilitat tèrmica.
- grafit: aquesta forma de carboni té una estructura en capes que permet una alta conductivitat tèrmica al pla de les capes. Això ho converteix en un excel·lent conductor tèrmic, especialment en direcció perpendicular a les capes.
- diamant: és un altre excel·lent conductor tèrmic a causa de la forta unió covalent entre els seus àtoms de carboni. Aquesta estructura permet una transferència de calor ràpida i eficient.
- Ceràmiques tècniques: algunes ceràmiques tècniques, com el nitrur d'alumini i el nitrur de bor, exhibeixen una alta conductivitat tèrmica. Aquests materials s'utilitzen en aplicacions d'alta temperatura on cal una dissipació eficient de la calor.
És cert que materials com el grafit, el diamant o les ceràmiques no solen fer-se servir per fabricar dissipadors pel seu alt cost, o per altres problemes tècnics. Però sí que es fan servir com a base per a les pastes tèrmiques.
Activa
En el cas de la refrigeració activa, sutilitza un dissipador de calor similar al mètode anterior, però es millora leficiència de refredament en afegir un ventilador que genera corrents daire per expulsar la calor de manera més ràpida. En altres paraules, l'aire accelerarà el procés de transferència de calor per convecció en remoure l'aire calent al voltant de les aletes del dissipador i permetre que hi ingressi aire més fred. A més, en considerar aquest tipus de refrigeració, cal tenir en compte que podem trobar els següents tipus de ventilador col·locat sobre el dissipador:
- Axial: se solen usar per a la CPU, entre d'altres, i projecten l'aire sobre el dissipador. Solen tenir menys aspes, encara que el seu diàmetre és més gran. No obstant això, la pressió d'aire no és gaire elevada.
- Radial (blower): els pots veure a moltes GPUs, per exemple. Fan servir una carcassa, davant dels models open-air, per canalitzar l'aire que passa a través del radiador. Inclouen més aspes i es basen en l'efecte centrífug. Això els fa més complexos i sorollosos però augmenten la pressió de l'aire.
refrigeració líquida
A més de la refrigeració per aire, també tenim la refrigeració líquida, en la qual també podem diferenciar entre passiva i activa:
passiva
La refrigeració passiva es basa en un dissipador de calor a què se li han incorporat heatpipes, que són tubs de coure o alumini. Aquests heatpipes contenen un fluid en fase líquida a baixa pressió que es converteix en vapor quan absorbeix calor, pujant cap a la zona més freda per condensar-se novament i reiniciar el cicle. En general, els heatpipes són de doble tub on el tub exterior transporta el líquid fred i el tub interior permet el pas del vapor. S'utilitzen líquids com aigua, alcohols o freó, els quals, en estar a baixa pressió, s'evaporen a temperatures més baixes. Aquest tipus de refrigeració és especialment útil en dispositius portàtils o en situacions on cal millorar la refrigeració per aire sense l'opció d'instal·lar un sistema de refrigeració líquida activa.
Aquests tubs de calor es componen bàsicament de:
- Tub segellat: l'heatpipe consisteix en un tub hermèticament segellat, generalment fet de coure o alumini, que té una forma cilíndrica o aplanada. Aquest tub té una estructura interna altament conductora de calor.
- Líquid de treball: a l'interior del tub segellat de l'heatpipe hi ha un líquid de treball, que sol ser aigua o un altre líquid amb propietats d'alta conductivitat tèrmica. El líquid de treball és seleccionat acuradament per aprofitar-ne les característiques d'evaporació i condensació.
- Metxa o capil·laritat: dins del tub segellat, hi ha una metxa o estructura capil·lar que ocupa part de l'espai buit. La metxa ajuda a transportar el líquid de treball des de la zona de condensació a la zona d'evaporació a través de la capil·laritat. A més, la metxa facilita la tornada del líquid condensat cap a la zona d'evaporació.
Generalment, aquests tubs solen fabricar-se en coure. A més, sempre acompanyen un dissipador.
Activa
La refrigeració líquida activa per a PC és un sistema de refredament que utilitza líquid, generalment aigua, per dissipar la calor generada pels components interns de l'ordinador, com ara el processador i la targeta gràfica. A diferència de la refrigeració per aire, que utilitza ventiladors per extreure la calor, la refrigeració líquida activa utilitza un circuit tancat de tubs i blocs que transporten el líquid refrigerant.
Les parts principals d'un sistema de refrigeració líquida activa per a PC són les següents:
- Bloc: és una peça que es col·loca directament sobre el processador per transferir la calor generada. Acostuma a tenir una base de coure o alumini que està en contacte directe amb la superfície del processador.
- bomba: és el cor del sistema de refrigeració líquida i s'encarrega de moure el líquid refrigerant a través dels tubs i blocs. La bomba pot ser integrada al bloc d'aigua o estar separada com una unitat independent.
- radiador: és un component que s'encarrega de dissipar la calor del líquid refrigerant. Consisteix en una sèrie d´aletes de metall (generalment alumini) que estan en contacte amb l´aire ambient. El radiador es col·loca en una ubicació estratègica dins del xassís del PC per permetre lexpulsió de la calor.
- Ventilador(ca): el radiador està equipat amb un o diversos ventiladors que s'encarreguen d'extreure la calor del radiador en forçar el flux d'aire a través de les aletes. Aquests ventiladors poden ser controlats automàticament per la temperatura o ajustats manualment per l'usuari.
- Tubs: són conductes flexibles que transporten el líquid refrigerant des del bloc d'aigua cap al radiador i viceversa. Solen estar fabricats de materials resistents i flexibles, com el cautxú o el niló, per facilitar la instal·lació.
- Dipòsit o reservori: alguns sistemes de refrigeració líquida activa inclouen un dipòsit addicional per emmagatzemar el líquid refrigerant i assegurar un subministrament constant. Aquest dipòsit pot tenir un nivell visible per verificar-ne el nivell de líquid.
Aquestes són les parts fonamentals dun sistema de refrigeració líquida activa per a PC, encara que poden variar segons el disseny i les necessitats específiques del sistema de refredament.
D'altra banda, també cal destacar que poden tenir diferents líquids refrigerants, Com:
- Aigua destil·lada+tints: un líquid refrigerant bàsic i àmpliament utilitzat en els sistemes de refrigeració líquida. És econòmica i té una bona capacitat de transferència de calor. Tot i això, és important tenir en compte que l'aigua destil·lada pot ser conductora d'electricitat i pot causar corrosió si no s'utilitza correctament amb els components adequats.
- Glicols: els glicols, com l'etilenglicol i el propilenglicol, s'utilitzen sovint com a additius a l'aigua destil·lada per millorar les propietats del líquid refrigerant. Aquests additius ajuden a prevenir la formació d'algues, protegeixen contra la corrosió i redueixen el punt de congelació del líquid. Els glicols són especialment útils en sistemes on es requereix protecció contra temperatures extremes.
- Líquids refrigerants a base de partícules: alguns líquids refrigerants utilitzen partícules sòlides, com ceràmiques o nanofluids, per millorar la transferència de calor. Aquestes partícules suspeses al líquid refrigerant poden augmentar la capacitat de dissipació de calor i millorar l'eficiència del sistema. Els líquids refrigerants a base de partícules són utilitzats en aplicacions d'alt rendiment on cal una refrigeració més eficient.
- Líquids refrigerants biodegradables: estan dissenyats per ser més respectuosos amb el medi ambient. Aquests líquids estan formulats amb components orgànics que es descomponen de manera natural sense causar danys significatius al medi ambient. Són una opció preferida en sistemes on la sostenibilitat i la reducció dimpacte ambiental són consideracions importants.
És important tenir en compte que lelecció del líquid refrigerant dependrà de diversos factors, com laplicació específica, els components del sistema de refrigeració, el rendiment desitjat i les consideracions ambientals. És recomanable consultar les recomanacions del fabricant i seguir les pautes adequades per a l'ús del líquid refrigerant al sistema de refrigeració líquida.
Solucions híbrides
Per descomptat, també poden existir solucions híbrides que barregen alguna de les anteriors. Per exemple:
- Refrigeració activa per aire + refrigeració passiva líquida: són sistemes molt freqüents, especialment per a la CPU. Bàsicament són dissipadors amb heatpipes i un ventilador. Els pots trobar de diversos tipus, segons la forma dels tubs, com els C, U, o els de baix perfil.
- Refrigeració passiva per aire + refrigeració passiva líquida: bàsicament són dissipadors que s'han optimitzat per millorar-ne el rendiment gràcies a afegir alguns heatpipes.
Altres tipus de refrigeració
També podem trobar altres formes de refrigeració una mica menys populars, més exòtiques, però que també són interessants. Per exemple:
Criogenització
La criogenització no s'utilitza comunament com a mètode de refrigeració per a ordinadors a causa de diverses raons pràctiques i tècniques. La criogenització implica refredar els components electrònics a temperatures extremadament baixes, generalment per sota del punt d'ebullició del nitrogen líquid (-196 °C) o fins i tot més fred.
Encara que la criogenització pot aconseguir una refrigeració significativa i permetre un potencial de overclocking extrem, per a computació quàntica, etc., però presenta desafiaments i riscos significatius:
- Maneig i seguretat: l'ús de criògens com el nitrogen líquid o l'heli líquid requereix un maneig i un emmagatzematge especialitzat a causa de les baixes temperatures i els riscos associats. És necessari comptar amb equips i tècniques adequades per evitar lesions personals i danys als components.
- cost: l'ús continu de criògens per refrigerar un ordinador seria prohibitivament costós, ja que es necessitaria una quantitat considerable de criogen per mantenir els components a temperatures criogèniques durant períodes perllongats.
- Condensació i humitat: en refredar els components a temperatures tan baixes, hi ha el risc de condensació d'humitat als circuits i components, cosa que pot provocar danys irreparables o falles al sistema.
- Fragilitat dels components: a temperatures criogèniques, molts materials es tornen fràgils i trencadissos, la qual cosa augmenta el risc de danyar els components durant el procés de refredament o manipulació.
En resum, encara que la criogenització pot ser utilitzada experimentalment en certs casos d'overclocking extrem o investigació especialitzada, no és una opció pràctica ni segura per a la refrigeració quotidiana.
TEC o RTE (Efecte Peltier)
La Refrigeració per Termoelèctric (RTE), també coneguda com Thermoelectric Cooling (TEC) o efecte Peltier, és un mètode de refrigeració que es basa en el principi de l'efecte Peltier. Aquest efecte es produeix quan un corrent elèctric travessa una unió de dos materials conductors diferents, generalment semiconductors, creant una transferència de calor.
Es basa en la propietat termoelèctrica de certs materials, de manera que aplicant un corrent elèctric als dos materials de la placa Peltier, un costat es refreda mentre un altre s'escalfa. És a dir, es produeix una transferència de calor des d'una banda freda (on es vol la refrigeració) a una banda calenta (on es dissipa la calor). Això permet refredar un objecte o mantenir una temperatura constant a un sistema.
El procés de refrigeració per termoelèctric té alguns avantatges, com l'absència de parts mòbils, cosa que ho fa silenciós i lliure de vibracions. A més, és un mètode compacte i versàtil que es pot aplicar en espais reduïts. No obstant això, la refrigeració termoelèctrica té una eficiència energètica limitada en comparació amb altres mètodes de refrigeració, cosa que la fa menys eficient en la dissipació de grans quantitats de calor.
La refrigeració per termoelèctric s'utilitza en aplicacions on es requereix un control precís de la temperatura en dispositius electrònics, petits sistemes de refrigeració, refredadors de begudes portàtils i altres dispositius de refrigeració de mida reduïda.
Canvi de fase
Els sistemes de refredament per canvi de fase són una opció poc comú per a la refrigeració. Aquests sistemes utilitzen un compressor similar al que es troba als condicionadors daire de finestra per convertir una barreja de gas en líquid. El líquid es dirigeix a un evaporador, que generalment està ubicat directament al component que genera calor. A l'evaporador, el líquid torna a convertir-se en gas, absorbint la calor en el procés.
Els refredadors de canvi de fase són capaços d'assolir temperatures extremadament baixes, de vegades fins i tot fins a -150°C, i són utilitzats principalment per entusiastes de l'overclocking. Aquests sistemes, però, tenen algunes limitacions que els fan menys adequats per a usuaris comuns. Requereixen una instal·lació complicada i necessiten dispositius addicionals i un aïllament adequat per evitar la formació de condensació a les canonades. A més, si el sistema no està dissenyat correctament, hi ha el risc que els components es congelin a causa de l'excés de refredament, com es mostra a la imatge. També generen soroll, ja que essencialment són petits refrigeradors que funcionen dins de lordinador.
ultrasons
(veure més en aquest article en què en parlem)
Per immersió
La refrigeració per immersió per a ordinadors és una tècnica innovadora que implica submergir completament els components del PC, com la placa base, la targeta gràfica i el processador, en un líquid dielèctric especialitzat. A diferència dels sistemes de refrigeració convencionals, que utilitzen dissipadors de calor i ventiladors, la refrigeració per immersió permet una transferència de calor més eficient en eliminar la necessitat d'aire com a mitjà de refredament.
En aquest mètode, els components se submergeixen en un líquid no conductiu, generalment oli mineral o fluid dielèctric, que té una alta capacitat per absorbir i dissipar la calor generada pels components electrònics. El líquid actua com una capa protectora al voltant dels components i n'extreu la calor directament, eliminant així la necessitat de ventiladors sorollosos i dissipadors de calor voluminosos.
Per descomptat, aquest líquid tenir una alta capacitat tèrmica per garantir una dissipació eficient de la calor. Algunes opcions comunes inclouen olis minerals modificats, líquids fluorats o hidrocarburs fluorats. Aquests líquids estan dissenyats per ser segurs i estables en entorns dalta temperatura, assegurant una operació fiable i una dissipació de calor efectiva per mantenir els components del PC en rangs de temperatura òptims.
La refrigeració per immersió ofereix beneficis com una refrigeració més eficient, menor soroll del sistema i la possibilitat de overclocking més agressiu. Tot i això, també presenta desafiaments en termes de manteniment, costos i requisits d'espai.