Refrigeración

La temperatura como problema en los PC actuales

Cuando en 1981 IBM diseñó el primer PC, el calor no era un problema crítico, pero con la aparición de los XT, y la integración de los primeros discos duros comenzó a ser necesario un sistema de refrigeración. Por una parte, el mayor consumo de potencia hacía necesario refrigerar la fuente de alimentación y, por otra, aquellos discos MFM generaban una elevada temperatura durante su funcionamiento. Sin embargo, un ventilador en la fuente de alimentación fue suficiente para resolverlo.

En la actualidad son varios los componentes que generan elevadas cantidades de calor que hay que evacuar adecuadamente, en ocasiones, con métodos específicos.

Generación del calor.

El calor se puede generar de diversas formas, pero en una computadora se reducen básicamente a dos: calor por rozamiento y calor en los semiconductores. También hay una pequeña parte de calor que se produce en los cables y componentes pasivos, pero es despreciable frente a los items anteriores.

El calor por rozamiento se produce únicamente en los componentes con partes móviles, es decir, en los medios de almacenamiento masivo. De ellos, los discos duros son los que más calor generan. Desde aquellos discos MFM que comentábamos al principio, apenas había vuelto a ser problemático el calor por rozamiento; sin embargo, la aparición de discos de alta velocidad de giro (7.000 a 10.000 r.p.m.) ha puesto de manifiesto la necesidad de una atención especial. También los CD’s (reproductores y grabadoras) generan una buena cantidad de calor, pero éste es debido más al láser que al rozamiento de las partes móviles. En cualquier caso, la temperatura que alcanzan es muy inferior a la de los discos duros más problemáticos y, cuando es necesario, suelen llevar desde un pequeño ventilador integrado a bahías refrigeradoras o bases autoadhesivas refrigerantes.

Por otra parte, el calor producido en los semiconductores comenzó a hacerse notar con los 486. Estos fueron los primeros microprocesadores en los que se aconsejaba el uso de un disipador y un ventilador que mantuviesen una temperatura adecuada. En los procesadores actuales estos medios de enfriamiento se han vuelto absolutamente imprescindibles, además, de haber incrementado notablemente su potencia refrigeradora. Pero no son los microprocesadores los únicos semiconductores que generan calor. Ya en los XT, los transistores de la fuente de alimentación se calentaban notablemente, y de ahí que las fuentes utilicen un ventilador. También algunas placas como tarjetas de sonido, de vídeo o controladoras SCSI alcanzan elevadas temperaturas, debido a la creciente potencia de sus componentes.

Problemas de un calentamiento excesivo

Todos estos productores de calor no serían ningún problema de no ser porque el funcionamiento de los semiconductores está íntimamente ligado con la temperatura. Cuando ésta se eleva por encima de determinados límites, su comportamiento deja de seguir el patrón para el que fueron diseñados y los fallos comienzan a sucederse (como por ejemplo cuelgues, errores en dispositivos de hardware y ralentización del funcionamiento del sistema – principalmente por el elevado calor del disco rígido y microprocesador). Si la elevación de temperatura es pequeña, cuando ésta vuelva a sus niveles normales, el semiconductor volverá a funcionar correctamente. Si la elevación es demasiada, el daño será irreversible y el componente se habrá quemado.

Transmisión del calor

Pero el calor no sólo afecta al componente que lo genera, sino a todos los circundantes. Por lo tanto, se hace imprescindible evacuarlo correctamente y, para ello, nada mejor que conocer los mecanismos de transmisión del calor.

El calor se transmite por tres mecanismos que siempre aparecen combinados: conducción, convección y radiación. Sin embargo, uno de ellos será dominante sobre los demás, debiéndose prestar, por ende, mayor atención, pues será el que nos permita evacuar la mayor cantidad de calor. Cual será el dominante en cada caso depende de las condiciones de la fuente de calor y de su entorno.

Conducción

La conducción es el método más directo de transmisión del calor. Se produce cuando dos partes de un cuerpo, o dos cuerpos en contacto directo, se encuentran a distinta temperatura. Entonces el calor pasa de la parte más caliente a la más fría, hasta que la temperatura se hace homogénea.
Para aumentar la transmisión de calor por conducción se puede aumentar la superficie de contacto entre la parte fría y la caliente, o elevar la diferencia de temperaturas entre estas.

Convección

La transmisión por convección se da en líquidos y gases. Para el caso que nos interesa, en el aire. Se produce por ser menos denso el aire caliente que el frío y, por lo tanto, más ligero. Por ello, el aire caliente tiende a subir, siendo reemplazado por aire frío en las zonas inferiores.
El mecanismo anterior se denomina convección natural, y es valido para evacuar pequeñas cantidades de calor. Para mejorar el rendimiento se suele utilizar la convección forzada, que consiste en acelerar el movimiento natural del aire por medio de un ventilador. Para que el ventilador no se oponga al mecanismo natural de convección, es importante que impulse el aire caliente de abajo hacia arriba, o el aire frío desde arriba hacia abajo como veremos más adelante.

Radiación

En este mecanismo, el calor se transmite en forma de radiación electromagnética y, por tanto, a la velocidad de la luz. Cuanto mayor sea la superficie y la temperatura de un objeto, mayor será el calor que desprenda por radiación. Además, también está influido por el color del objeto, siendo los colores oscuros y mates los más propicios para la evacuación del calor por radiación.

Como refrigerar propiamente una máquina

Ahora que ya sabemos donde se produce el calor y cómo se transmite, veamos cómo podemos eliminar el que se produce en los componentes de una PC.

En primer lugar se debe tener en cuenta el fenómeno de la convección natural. Como hemos dicho, el aire caliente tiende a subir, por lo que los elementos generadores de calor se deben colocar lo más alto posible dentro del interior del gabinete. De este modo se evitará el calentamiento innecesario de todos los demás componentes y al estar más cerca del ventilador de extracción, se eliminará el calor producido por estos más rápidamente.

Los elementos a los que hay que prestar más atención son la fuente de alimentación y el disco rígido. El procesador genera mucho calor, pero está sometido al diseño del motherboard, por lo que no se dispone de ninguna libertad a la hora de situarlo. También hay que cuidar la posición de las tarjetas que sean especialmente cálidas, reservando para ellas las ranuras superiores del gabinete.

Pero la convección que se da en un gabinete es forzada, pues todas las fuentes de alimentación disponen de un ventilador que mueve gran parte del total del aire de todo el gabinete. Si el ventilador extrae el aire debe estar situado arriba, de modo que saque aire caliente. En el caso de algunas fuentes, el ventilador introduce aire frío del exterior, por lo que, idealmente, debería colocarse en la parte inferior. Esto contradice las indicaciones anteriores, pues la propia fuente de alimentación ya estaría calentando el aire de todo el gabinete. Por este motivo es más aconsejable una fuente colocada arriba, cuyo ventilador saque aire caliente. Esto implica una condición que se debe imponer al elegir el gabinete, al que se le deben exigir unas condiciones de eficiencia, además de las habituales de robustez y estética. Alternativamente se puede dar vuelta el ventilador de la fuente, pero es preferible comprar una fuente cuyo ventilador haya sido diseñado para extraer el calor.

Para que el mecanismo de convección forzada funcione a la perfección, deben existir ranuras de entrada de aire en el extremo opuesto a la salida, de modo que la corriente pueda recorrer todo el interior del gabinete. Además, debería mantenerse el gabinete cerrado con sus tapas, pues en otro caso la corriente se dispersaría, perdiendo su eficacia.

Además del ventilador de la fuente de alimentación, puede ser conveniente añadir algún otro ventilador que refuerce la refrigeración, especialmente si se prevé el uso de componentes que generen mucho calor. Dichos ventiladores pueden colocarse directamente en la carcasa, de modo que refrigeren todos los componentes, o en el interior, dedicados a uno en exclusiva. Es el caso de los ventiladores de las CPU, que se encargan de separar el calor rápidamente del microprocesador para que, luego, sea evacuado al exterior.

También es conveniente este sistema con los discos duros de alta velocidad. Los actuales modelos de motherboard disponen de conectores específicos para conectar, al menos, el ventilador microprocesador. En algunos casos encontramos hasta tres conectores para ventiladores, cuya velocidad puede estar controlada por sensores de temperatura presentes en la propia placa base, de modo que cada ventilador funcione al ritmo mínimo imprescindible para mantener una temperatura adecuada (Precision Cooling en placas Intel y QFan en placas ASUS por ejemplo). De este modo se consigue reducir el consumo, pero sobre todo, el ruido que producirían varios ventiladores funcionando a plena potencia de forma permanente.

Para los componentes que más se calientan es insuficiente la evacuación de calor por convección, por lo que hay que recurrir a la conducción. Para ello se instalan disipadores de aluminio (excelente conductor de calor) en contacto directo con el elemento caliente. Estos disipadores deben mantener el contacto en la mayor superficie posible, de modo que se aumente la transferencia de calor. Es por ello que hay que evitar usar pegamentos sobre los CPU, así como de disipadores arañados o curvados en su cara de contacto.

Cuando sobre el procesador se coloca la típica etiqueta de garantía, por fina que sea ésta, se está limitando el contacto a la zona donde se encuentra adherida y, además, hay que tener en cuenta que el papel y el adhesivo de la etiqueta son aislantes del calor, por lo que la función del disipador se ve drásticamente reducida o incluso anulada. Para mejorar el contacto se puede utilizar grasa siliconada. Esta grasa es una pasta altamente conductora del calor que, aplicada entre el disipador y el elemento a refrigerar, rellena cualquier irregularidad de las superficies, e incrementa el rendimiento al aumentar la superficie útil de contacto.

El calor se transfiere al disipador por conducción, pero éste debe evacuarse al aire del entorno por otros mecanismos, principalmente por convección. Para ello, los disipadores se diseñan con numerosas aletas y estrías que incrementan la superficie de contacto con el aire. A mayor superficie, mayor eficacia. Además, como todos los cuerpos calientes, se emite energía por radiación. Para optimizar este proceso, el disipador debe estar pintado de negro mate, resultando mucho menos eficaces los modelos dorados que proliferan últimamente. En cualquier caso, si hay que elegir entre un gran disipador dorado o uno negro de menor tamaño, nos inclinaremos por el dorado, pues los efectos de la transmisión por radiación son mínimos si los comparamos con los obtenidos por una mayor superficie que mejore la convección. Para facilitar el proceso de convección se puede aumentar la diferencia de temperaturas entre la parte fría y la caliente. Así pues, si enfriamos el disipador con un ventilador colocado directamente sobre él, se habrá elevado mucho el rendimiento.

Aunque la disipación por conducción suele usarse sólo en los semiconductores, también puede ser conveniente usarla en otros componentes. En concreto, algunos fabricantes de discos duros recomiendan su empleo en los modelos más rápidos, aunque suele ser posible reemplazarlo por una generosa corriente de aire

Corrientes de aire dentro del gabinete

A continuación veremos unos esquemas sobre cómo deberíamos crear corrientes de aire dentro del gabinete para refrigerar mejor la máquina. Para esto usaremos ventiladores de 80×80 mm o de 92×92 mm. No es estrictamente necesario comprarlos en casas de computación, dado que se pueden conseguir en negocios especializados en refrigeración. Hay de dos tipos, a buje y a rulemán. Los primeros al tener un menor rozamiento giran considerablemente más rápido, pero también son más caros.

Los métodos más comunes de colocación de forma incorrecta de ventilador son los siguientes:


En este caso el problema que tenemos es que los ventiladores trabajan uno contra el otro. Muy probablemente lograremos que en vez de bajar la temperatura, ésta suba.

En este caso, tendremos el problema que el circuito de aire que se genera es muy corto. El aire que mete el ventilador trasero, lo saca el de la fuente. El ventilador delantero se encuentra prácticamente de adorno.

Una correcta colocación sería la siguiente, en la que se busca generar una corriente que recorra el gabinete:

También en caso de ser insuficiente esta disposición de ventiladores, se puede colocar un ventilador en la cola de la fuente que tire aire hacia dentro de la fuente, reforzando la salida de aire por la fuente.

Refrigeración del microprocesador

Bueno, la refrigeración del microprocesador no es una ciencia. Mientras más grande el disipador y más grande el ventilador, mejor.

Hoy en día se consiguen coolers para micro que vienen equipados con dos y hasta tres ventiladores. Lo que buscan hacer estos ventiladores es acelerar el caudal de aire que recibe el disipador, logrando un mayor enfriamiento.

Es muy importante que la grasa siliconada que se coloca entre el micro y el disipador esté puesta correctamente. Para ver cómo se debe hacer esto, referirse al tutorial de armado de una PC.

También, hoy día, no es raro ver equipos de refrigeración por agua. Estos equipos funcionan básicamente como el radiador de un auto. Se coloca un pequeño tanque plano sobre el microprocesador (así como se coloca un disipador) al que se conectan dos mangueras. Una bomba empuja agua fria (agua destilada con un concentrado enfriador) a través de una manguera hacia el procesador y por la otra manguera retorna el agua ya caliente (algunos sistemas hasta traen dos bombas, una de ida y otra de vuelta) a un pequeño radiador que suele tener 2 o 3 ventiladores de 80x80mm que enfrían el agua.

En la siguiente imagen vemos un equipo Exos de doble bomba y 3 ventiladores:

Así se ve el tanque que se monta sobre el micro:

Nótense los conectores para las mangueras de entrada y salida.

Métodos especiales de refrigeración

Hasta aquí los métodos convencionales de evacuación del calor. Existen aún dos procedimientos que cabría denominar de refrigeración, pues su objetivo no es sacar el exceso de calor, sino producir temperaturas incluso inferiores a la ambiental. Hay que advertir que son métodos poco habituales, pues su costo es elevado y, generalmente, no es necesario producir temperaturas tan bajas. Se trata más bien de técnicas experimentales que, quizás en un futuro, sea necesario aplicar.

El primero de estos procedimientos son las células Peltier. Se trata de unas placas de dimensiones aproximadas a las de un procesador y un espesor similar, formadas por pequeños bloques de silicio entre dos frágiles láminas cerámicas. Cuando se aplica una tensión continua (12 v.), uno de los lados se calienta, mientras que el otro se enfría, pudiendo llegar fácilmente a temperaturas de -25ºC. Estas células mantienen un salto térmico entre ambas caras de unos 70ºC, por lo que enfriando el lado caliente se consigue menor temperatura en el lado frío. Aunque la temperatura que se puede conseguir es muy baja, se trata de un método muy poco eficaz para evacuar el calor. A pesar de poder conseguir -25ºC en vacío, esta temperatura se elevará a varios grados sobre cero en el momento en que se ponga en contacto con la CPU, produciendo un elevado calor en la cara opuesta. Para mejorar el rendimiento se pueden colocar varias placas asociadas, pero esto dispara el costo y el consumo. Hay que tener en cuenta que cada una de estas placas consume en torno de los 50 a 60 Watts, y su precio ronda los 40 dólares.

El segundo método es el mismo en que se basa cualquier frigorífico o sistema de aire acondicionado. Se trata de instalar un compresor, un circuito de freón y un evaporador, de modo que se consiguen temperaturas de hasta -40ºC y, en este caso, una buena eliminación del calor. Se trata de un método drástico e incómodo que, por el momento, no tiene ninguna aplicación realmente práctica. Precisa de un aporte de potencia extra de nada menos que 120 W, lo que puede ser más que la necesaria para la PC e incluso para un gabinete especial que pueda alojar los nuevos componentes. Sin embargo, este desarrollo de la empresa KryoTech (www.kryotech.com) permite elevar la velocidad de funcionamiento de los procesadores hasta límites insospechados. Concretamente se ha conseguido hacer funcionar un Pentium II de 266 MHz a 400 MHz o un Athlon de 600 MHz a 767 MHz. Esto hace pensar que pueda llegar a ser la solución que se adopte en el futuro para refrigerar los nuevos procesadores, cuya velocidad se está viendo limitada, en algunos casos, por los problemas de refrigeración que plantean.

Temperaturas máximas operativas de un procesador

Las temperaturas máximas operativas de los procesadores actuales más comunes rondan los siguientes valores:

CPU’s AMD Athlon y Duron
Socket A (Athlon, Duron) hasta 1GHz 90°C
Socket A (Athlon “Thunderbird”) 1.1GHz o más 95°C
Socket A (Athlon XP, Sempron) 1.33GHz o más 90°C
Socket A (Athlon MP) 1.33GHz o más 95°C
All Slot A (Athlon clasico, Athlon Thunderbird) 70°C

CPU’s AMD serie K6
Todos los K6 (166-300MHz) y la mayoría de los K6-2/K6-III 70°C
K6-2/K6-III, con el modelo terminando en X (ej. K6-2-450AFX) 65°C
K6-2-400AFQ (bastante raro) 60°C
K6-2+, K6-III+, y la mayoría de los móbiles K6/K6-2 85°C
móbiles K6/K6-2 con el modelo terminando en K (ej. mobile K6-2-P-400AFK) 80°C

Intel Pentium 4 (Willamette/Northwood)
La temperatura máxima depende mayormente del modelo y la velocidad del reloj, pero no se da un patrón fácilmente identificable. Consulte las especificaciones técnicas de Intel para un modelo en particular.
(Mínima: P4 Northwood (“A”) 1.5GHz con 66°C, Máxima: P4 Willamette 1.8GHz con 78°C. 66°C – 78°C

Intel Pentium III
Pentium III Socket 370 500-866MHz,
Pentium III Slot 1 (primera generación, OLGA) 550-600MHz,
Pentium III Slot 1 (“Coppermine”) 500-866MHz 80-85°C dependiendo del modelo
Pentium III Socket 370 y Slot 1, 933MHz 75°C
Pentium III Slot 1 933MHz 60°C
Pentium III Slot 1 1GHz 70°C para versiones más nuevas
60°C para la versión más vieja
Pentium III Slot 1 1.13GHz (primera versión) 62°C

Intel Pentium II
Pentium II (1era generacion, “Klamath”) 72°-75°C dependiendo de los Mhz.
Pentium II (2a generacion, 2.0V core), 266-333MHz 65°C
Pentium II (350-400MHz) 75°C
Pentium II (450MHz) 70°C

Intel Celeron / Celeron
Celeron 266-433MHz 85°C ( temperatura máxima del estuche del CPU)
Celeron 466-533MHz (0.25µ) 70°C ( temperatura máxima del estuche del CPU)
Celeron 533-600MHz (“Coppermine) 90°C
Celeron 633 y 667MHz 82°C
Celeron 700MHz y myores 80°C

Las temperaturas del Celeron y del Pentium III son las máximas de la juntura térmica del CPU excepto en los casos explicitados.
Las temperaturas de los Pentium II son las máximas de la placa de transferencia térmica (sobre la cual se apoya el disipador).