Todos los tipos de refrigeración

Actualizado a: 16 de abril de 2024

En el mundo de la informática, mantener la temperatura de un ordenador bajo control es crucial para garantizar un rendimiento óptimo y prolongar la vida útil de los componentes. Una de las preocupaciones más comunes es la refrigeración del PC, ya que un exceso de calor puede provocar problemas como el deterioro de los circuitos, la disminución del rendimiento e incluso el riesgo de fallos catastróficos. En este artículo, exploraremos los diferentes tipos de refrigeración disponibles para los ordenadores personales, desde los tradicionales sistemas de aire hasta las avanzadas soluciones de refrigeración líquida. Descubriremos sus características, ventajas y consideraciones clave para ayudarte a elegir la opción más adecuada para tus necesidades y mantener tu PC funcionando a baja temperatura, incluso en las situaciones más exigentes.

Tipos de intercambio de temperatura

Existen varios tipos de intercambio de temperatura que ocurren en diferentes contextos. A continuación, te presento algunos de los principales:

1. Conducción: es el proceso de transferencia de calor a través de la colisión de partículas en un sólido o entre sólidos en contacto directo. La energía térmica se propaga desde una región de mayor temperatura hacia una región de menor temperatura.
2. Convección: se refiere a la transferencia de calor que ocurre debido al movimiento de un fluido, ya sea líquido o gas. El fluido caliente se desplaza y lleva consigo la energía térmica, mientras que el fluido más frío ocupa su lugar. Esto permite una transferencia eficiente de calor.
3. Radiación: no requiere de un medio material para propagarse. La energía térmica se transmite a través de ondas electromagnéticas, como la radiación infrarroja. Un ejemplo común es el calentamiento del Sol, que transmite calor a la Tierra a través de la radiación.
4. Evaporación: ocurre cuando un líquido absorbe calor de su entorno y se transforma en vapor. Al evaporarse, el líquido retira energía térmica del entorno circundante, lo que provoca una disminución de la temperatura.

Estos son solo algunos ejemplos de los tipos de intercambio de temperatura más comunes. Es importante tener en cuenta que en muchos casos ocurre una combinación de estos mecanismos en situaciones de transferencia de calor más complejas. Esto es importante para comprender bien los siguientes tipos de refrigeración.

Tipos de refrigeración

Para conocer todos los tipos de refrigeración para ordenadores y elementos electrónicos que existen actualmente, vamos a hacer este resumen clasificado por grupos:

Refrigeración por aire

Cuando se trata de refrigeración por aire nos referimos a aquellas que no emplean líquido para realizar el intercambio de temperatura. Dentro de este tipo tenemos:

Sin ningún dispositivo de refrigeración

En este caso, los dispositivos electrónicos o chips no tienen ningún tipo de sistema de refrigeración. Tan solo usarán la propia superficie del dispositivo para hacer que el calor generado se irradie y por convección del aire que lo rodea se enfríe. Este tipo de refrigeración es el elegido para multitud de dispositivos que no se calientan demasiado o el calor no les afecta tanto como a otros.

También es posible que se usen los mismos terminales o conexiones a la PCB que el calor pueda pasar a través de ellos y disiparse. Además, en algunos de los empaquetados 2.5D o 3D que se están fabricando ahora, también se están implementado otros sistemas de refrigeración que se podrían englobar en este apartado, aunque sean más avanzadas, como los microbumping o interposers orgánicos rellenos de vidrio para mejorar la disipación en el paquete.

Pasiva

Para mejorar lo anterior, aunque basado en los mismos principios de transferencia de calor, aquí se agregan elementos pasivos como puede ser un disipador o heatsink, es decir, lo que se denomina también fanless o refrigeración sin ventiladores. Suelen ser frecuentes en ciertos chips controladores, chipsets, transistores MOSFETs, VRMs, etc.

Por lo general, son de aluminio (más ligeros y baratos, pero peor conductividad térmica), de cobre (más densos, caros y mejor conductividad térmica), o aleaciones (bastante populares entre las soluciones comerciales), aunque existen algunas soluciones que usan otros metales nobles como el oro (se suelen emplear solo en baños, con núcleos de aluminio o cobre), grafito, Carbal (aluminio 20% + carbono 80%), etc.

Entre algunos de los materiales con mejor conductividad para disipadores tenemos:

1. Metales: son buenos conductores térmicos debido a la estructura de su red cristalina y la capacidad de los electrones para moverse libremente. Algunos de los mejores conductores térmicos son el cobre, la plata y el aluminio.
   • Cobre (Cu): es uno de los mejores conductores térmicos entre los metales comúnmente utilizados. Es ampliamente utilizado en aplicaciones donde se requiere una transferencia eficiente de calor, como cables eléctricos, tuberías de agua y componentes electrónicos.
   • Plata (Ag): tiene la mayor conductividad térmica entre todos los metales, lo que la convierte en un excelente conductor térmico. Sin embargo, debido a su alto costo, su uso se limita a aplicaciones específicas que requieren una eficiencia térmica excepcional, como en aplicaciones científicas y de alta tecnología.
   • Aluminio (Al): es otro metal ampliamente utilizado con una conductividad térmica bastante alta. Aunque su conductividad térmica es inferior a la del cobre y la plata, su baja densidad y costo lo hacen popular en aplicaciones de transferencia de calor, como disipadores de calor y radiadores.
   • Oro (Au): es conocido por su excelente conductividad eléctrica, pero también posee una buena conductividad térmica. Aunque su uso en aplicaciones de transferencia de calor es menos común debido a su alto costo, se utiliza en aplicaciones donde se requiere una alta fiabilidad y estabilidad térmica.
2. Grafito: esta forma de carbono tiene una estructura en capas que permite una alta conductividad térmica en el plano de las capas. Esto lo convierte en un excelente conductor térmico, especialmente en dirección perpendicular a las capas.
3. Diamante: es otro excelente conductor térmico debido a la fuerte unión covalente entre sus átomos de carbono. Esta estructura permite una transferencia de calor rápida y eficiente.
4. Cerámicas técnicas: algunas cerámicas técnicas, como el nitruro de aluminio y el nitruro de boro, exhiben una alta conductividad térmica. Estos materiales se utilizan en aplicaciones de alta temperatura donde se requiere una disipación eficiente del calor.

Es cierto que materiales como el grafito, el diamante o las cerámicas no suelen emplearse para fabricar disipadores por su alto coste, o por otros problemas técnicos. Pero sí que se emplean como base para las pastas térmicas.

Activa

En el caso de la refrigeración activa, se utiliza un disipador de calor similar al método anterior, pero se mejora la eficiencia de enfriamiento al agregar un ventilador que genera corrientes de aire para expulsar el calor de manera más rápida. En otras palabras, el aire acelerará el proceso de transferencia de calor por convección al remover el aire caliente alrededor de las aletas del disipador y permitir que ingrese aire más frío entre ellas. Además, al considerar este tipo de refrigeración, se deben tener en cuenta que podemos encontrar los siguientes tipos de ventilador colocado sobre el disipador:

• Axial: se suelen usar para la CPU, entre otros, y proyectan el aire sobre el disipador. Suelen tener un menor número de aspas, aunque su diámetro es mayor. No obstante, su presión de aire no es demasiado elevada.
• Radial (blower): los puedes ver en muchas GPUs, por ejemplo. Emplean una carcasa, frente a los modelos open-air, para canalizar el aire que pasa a través del radiador. Incluyen mayor número de aspas y se basan en el efecto centrífugo. Esto los hace más complejos y ruidosos, pero aumentan la presión del aire.

Refrigeración líquida

Además de la refrigeración por aire, también tenemos la refrigeración líquida, en la cual también podemos diferenciar entre pasiva y activa:

Pasiva

La refrigeración pasiva se basa en un disipador de calor al que se le han incorporado heatpipes, que son tubos de cobre o aluminio. Estos heatpipes contienen un fluido en fase líquida a baja presión que se convierte en vapor cuando absorbe calor, ascendiendo hacia la zona más fría para condensarse nuevamente y reiniciar el ciclo. Por lo general, los heatpipes son de doble tubo, donde el tubo exterior transporta el líquido frío y el tubo interior permite el paso del vapor. Se utilizan líquidos como agua, alcoholes o freón, los cuales, al estar a baja presión, se evaporan a temperaturas más bajas. Este tipo de refrigeración es especialmente útil en dispositivos portátiles o en situaciones donde se requiere mejorar la refrigeración por aire sin la opción de instalar un sistema de refrigeración líquida activa.

Estos tubos de calor se componen básicamente de:

• Tubo sellado: el heatpipe consiste en un tubo herméticamente sellado, generalmente hecho de cobre o aluminio, que tiene una forma cilíndrica o aplanada. Este tubo tiene una estructura interna altamente conductora de calor.
• Líquido de trabajo: en el interior del tubo sellado del heatpipe se encuentra un líquido de trabajo, que suele ser agua u otro líquido con propiedades de alta conductividad térmica. El líquido de trabajo es seleccionado cuidadosamente para aprovechar sus características de evaporación y condensación.
• Mecha o capilaridad: dentro del tubo sellado, se encuentra una mecha o estructura capilar que ocupa parte del espacio vacío. La mecha ayuda a transportar el líquido de trabajo desde la zona de condensación hacia la zona de evaporación a través de la capilaridad. Además, la mecha facilita el retorno del líquido condensado hacia la zona de evaporación.

Generalmente, estos tubos suelen fabricarse en cobre. Además, siempre acompañan a un disipador.

Activa

La refrigeración líquida activa para PC es un sistema de enfriamiento que utiliza líquido, generalmente agua, para disipar el calor generado por los componentes internos del ordenador, como el procesador y la tarjeta gráfica. A diferencia de la refrigeración por aire, que utiliza ventiladores para extraer el calor, la refrigeración líquida activa utiliza un circuito cerrado de tubos y bloques que transportan el líquido refrigerante.

Las partes principales de un sistema de refrigeración líquida activa para PC son las siguientes:

1. Bloque: es una pieza que se coloca directamente sobre el procesador para transferir el calor generado. Suele tener una base de cobre o aluminio que está en contacto directo con la superficie del procesador.
2. Bomba: es el corazón del sistema de refrigeración líquida y se encarga de mover el líquido refrigerante a través de los tubos y bloques. La bomba puede ser integrada en el bloque de agua o estar separada como una unidad independiente.
3. Radiador: es un componente que se encarga de disipar el calor del líquido refrigerante. Consiste en una serie de aletas de metal (generalmente aluminio) que están en contacto con el aire ambiente. El radiador se coloca en una ubicación estratégica dentro del chasis del PC para permitir la expulsión del calor.
4. Ventilador(es): el radiador está equipado con uno o varios ventiladores que se encargan de extraer el calor del radiador al forzar el flujo de aire a través de las aletas. Estos ventiladores pueden ser controlados automáticamente por la temperatura o manualmente ajustados por el usuario.
5. Tubos: son conductos flexibles que transportan el líquido refrigerante desde el bloque de agua hacia el radiador y viceversa. Suelen estar fabricados de materiales resistentes y flexibles, como el caucho o el nylon, para facilitar la instalación.
6. Depósito o reservorio: algunos sistemas de refrigeración líquida activa incluyen un depósito adicional para almacenar el líquido refrigerante y asegurar un suministro constante. Este depósito puede tener un nivel visible para verificar el nivel de líquido.

Estas son las partes fundamentales de un sistema de refrigeración líquida activa para PC, aunque pueden variar según el diseño y las necesidades específicas del sistema de enfriamiento.

Por otro lado, también hay que destacar que pueden tener diferentes líquidos refrigerantes, como:

1. Agua destilada+tintes: un líquido refrigerante básico y ampliamente utilizado en los sistemas de refrigeración líquida. Es económica y tiene una buena capacidad de transferencia de calor. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el agua destilada puede ser conductora de electricidad y puede causar corrosión si no se utiliza correctamente con los componentes adecuados.
2. Glicoles: los glicoles, como el etilenglicol y el propilenglicol, se utilizan a menudo como aditivos en el agua destilada para mejorar las propiedades del líquido refrigerante. Estos aditivos ayudan a prevenir la formación de algas, protegen contra la corrosión y reducen el punto de congelación del líquido. Los glicoles son especialmente útiles en sistemas donde se requiere protección contra temperaturas extremas.
3. Líquidos refrigerantes a base de partículas: algunos líquidos refrigerantes utilizan partículas sólidas, como cerámicas o nanofluidos, para mejorar la transferencia de calor. Estas partículas suspendidas en el líquido refrigerante pueden aumentar la capacidad de disipación de calor y mejorar la eficiencia del sistema. Los líquidos refrigerantes a base de partículas son utilizados en aplicaciones de alto rendimiento donde se requiere una refrigeración más eficiente.
4. Líquidos refrigerantes biodegradables: están diseñados para ser más respetuosos con el medio ambiente. Estos líquidos están formulados con componentes orgánicos que se descomponen de manera natural sin causar daños significativos al medio ambiente. Son una opción preferida en sistemas donde la sostenibilidad y la reducción de impacto ambiental son consideraciones importantes.

Es importante tener en cuenta que la elección del líquido refrigerante dependerá de varios factores, como la aplicación específica, los componentes del sistema de refrigeración, el rendimiento deseado y las consideraciones ambientales. Es recomendable consultar las recomendaciones del fabricante y seguir las pautas adecuadas para el uso del líquido refrigerante en su sistema de refrigeración líquida.

Soluciones híbridas

Por supuesto, también pueden existir soluciones híbridas que mezclan alguna de las anteriores. Por ejemplo:

• Refrigeración activa por aire + refrigeración pasiva líquida: son sistemas muy frecuentes, especialmente para la CPU. Básicamente son disipadores con heatpipes y un ventilador. Puedes encontrarlos de varios tipos, según la forma de los tubos, como los C, U, o los de bajo perfil.
• Refrigeración pasiva por aire + refrigeración pasiva líquida: básicamente son disipadores que se han optimizado para mejorar su rendimiento gracias a agregar algunos heatpipes.

Otros tipos de refrigeración

También podemos encontrar otras formas de refrigeración algo menos populares, más exóticas, pero que también son interesantes. Por ejemplo:

Criogenización

La criogenización no se utiliza comúnmente como método de refrigeración para computadoras debido a varias razones prácticas y técnicas. La criogenización implica enfriar los componentes electrónicos a temperaturas extremadamente bajas, generalmente por debajo del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C) o incluso más frío.

Aunque la criogenización puede lograr una refrigeración significativa y permitir un potencial de overclocking extremo, para computación cuántica, etc., Pero presenta desafíos y riesgos significativos:

1. Manejo y seguridad: el uso de criógenos como el nitrógeno líquido o el helio líquido requiere un manejo y almacenamiento especializado debido a las bajas temperaturas y los riesgos asociados. Es necesario contar con equipos y técnicas adecuadas para evitar lesiones personales y daños a los componentes.
2. Costo: el uso continuo de criógenos para refrigerar una computadora sería prohibitivamente costoso, ya que se necesitaría una cantidad considerable de criógeno para mantener los componentes a temperaturas criogénicas durante períodos prolongados.
3. Condensación y humedad: al enfriar los componentes a temperaturas tan bajas, existe el riesgo de condensación de humedad en los circuitos y componentes, lo que puede provocar daños irreparables o fallas en el sistema.
4. Fragilidad de los componentes: a temperaturas criogénicas, muchos materiales se vuelven frágiles y quebradizos, lo que aumenta el riesgo de dañar los componentes durante el proceso de enfriamiento o manipulación.

En resumen, aunque la criogenización puede ser utilizada experimentalmente en ciertos casos de overclocking extremo o investigación especializada, no es una opción práctica ni segura para la refrigeración cotidiana.

TEC o RTE (Efecto Peltier)

La Refrigeración por Termoeléctrico (RTE), también conocida como Thermoelectric Cooling (TEC) o efecto Peltier, es un método de refrigeración que se basa en el principio del efecto Peltier. Este efecto se produce cuando una corriente eléctrica atraviesa una unión de dos materiales conductores diferentes, generalmente semiconductores, creando una transferencia de calor.

Se basa en la propiedad termoeléctrica de ciertos materiales, por lo que aplicando una corriente eléctrica a los dos materiales de la placa Peltier, un lado se enfría mientras otro se calienta. Es decir, se produce una transferencia de calor desde un lado frío (donde se desea la refrigeración) a un lado caliente (donde se disipa el calor). Esto permite enfriar un objeto o mantener una temperatura constante en un sistema.

El proceso de refrigeración por termoeléctrico tiene algunas ventajas, como la ausencia de partes móviles, lo que lo hace silencioso y libre de vibraciones. Además, es un método compacto y versátil que puede aplicarse en espacios reducidos. Sin embargo, la refrigeración termoeléctrica tiene una eficiencia energética limitada en comparación con otros métodos de refrigeración, lo que la hace menos eficiente en la disipación de grandes cantidades de calor.

La refrigeración por termoeléctrico se utiliza en aplicaciones donde se requiere un control preciso de la temperatura en dispositivos electrónicos, pequeños sistemas de refrigeración, enfriadores de bebidas portátiles y otros dispositivos de refrigeración de tamaño reducido.

Cambio de fase

Los sistemas de enfriamiento por cambio de fase son una opción poco común para la refrigeración. Estos sistemas utilizan un compresor similar al que se encuentra en los acondicionadores de aire de ventana para convertir una mezcla de gas en líquido. El líquido se dirige a un evaporador, que generalmente está ubicado directamente en el componente que genera calor. En el evaporador, el líquido vuelve a convertirse en gas, absorbiendo el calor en el proceso.

Los enfriadores de cambio de fase son capaces de alcanzar temperaturas extremadamente bajas, a veces incluso hasta -150°C, y son utilizados principalmente por entusiastas del overclocking. Sin embargo, estos sistemas tienen algunas limitaciones que los hacen menos adecuados para usuarios comunes. Requieren una instalación complicada y necesitan dispositivos adicionales y un aislamiento adecuado para evitar la formación de condensación en las tuberías. Además, si el sistema no está diseñado correctamente, existe el riesgo de que los componentes se congelen debido al exceso de enfriamiento, como se muestra en la imagen. También generan ruido, ya que esencialmente son pequeños refrigeradores que funcionan dentro de la computadora.

Ultrasonidos

(ver más en este artículo en el que te hablamos de ello)

Por inmersión

La refrigeración por inmersión para computadoras es una técnica innovadora que implica sumergir completamente los componentes del PC, como la placa base, la tarjeta gráfica y el procesador, en un líquido dieléctrico especializado. A diferencia de los sistemas de refrigeración convencionales, que utilizan disipadores de calor y ventiladores, la refrigeración por inmersión permite una transferencia de calor más eficiente al eliminar la necesidad de aire como medio de enfriamiento.

En este método, los componentes se sumergen en un líquido no conductivo, generalmente aceite mineral o fluido dieléctrico, que tiene una alta capacidad para absorber y disipar el calor generado por los componentes electrónicos. El líquido actúa como una capa protectora alrededor de los componentes y extrae el calor directamente de ellos, eliminando así la necesidad de ventiladores ruidosos y disipadores de calor voluminosos.

Por supuesto, este líquido tener una alta capacidad térmica para garantizar una disipación eficiente del calor. Algunas opciones comunes incluyen aceites minerales modificados, líquidos fluorados o hidrocarburos fluorados. Estos líquidos están diseñados para ser seguros y estables en entornos de alta temperatura, asegurando una operación confiable y una disipación de calor efectiva para mantener los componentes del PC en rangos de temperatura óptimos.

La refrigeración por inmersión ofrece beneficios como una refrigeración más eficiente, menor ruido del sistema y la posibilidad de overclocking más agresivo. Sin embargo, también presenta desafíos en términos de mantenimiento, costos y requisitos de espacio.