Tortugahard :: Ver tema

Loquillo · Registrado: 19 Nov 2005 Mensajes: 225

Lo que pego a continuación, es el original de la nota que salió en Power Users 25, a pesar de tener su permiso para reusarlo y que no es el número que está actualmente en la calle, me resistía a hacerlo, ya que pensaba y pienso hacer algo más técnico para poner el la sección guías, pero releyéndolo, me encuentro con que no sabría que partes modificarle, agregarle o incluso quitarle, para que sea más útil.
Si quieren aportar ideas se los agradezco porque modificar por modificar no tiene mucho sentido me parece.
Gracias.

A continuación la pegatina Wink

BÁSES DE LA REFRIGERACIÓN APLICADA
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN POR AIRE

Con frecuencia, se pierden de vista los fundamentos teóricos que sustentan y hacen posible todo sistema de refrigeración.
Trataremos de abordar el tema de la forma más simple posible, haciendo hincapié en las causas que pueden generar la diferencia entre un buen y un mal sistema.

Sin duda alguna, la teoría de las leyes físicas, puede ser algo muy aburrido si no se lo toma con una finalidad práctica. Tal vez ese sea el motivo por el cual generalmente intentamos saltearlas y pasar directamente a lo “divertido”, sin embargo, una correcta comprensión de lo que estamos haciendo, nos puede ahorrar muchos dolores de cabeza y seguramente podamos obtener con mayor facilidad lo que realmente buscamos, mantener nuestro sistema lo mas frío posible.

LOS PRINCIPIOS
En la naturaleza las cosas tienden a buscar su propio equilibrio, así como una pelota que se encuentra en la cima de una montaña intentará deslizarse hasta la base, cualquier cuerpo que se encuentre a una temperatura distinta a la del medio que lo rodea, buscará igualarla.
La transmisión del calor se rige por tres principios básicos perfectamente diferenciados entre si: Conducción, convección y radiación.

CONDUCCIÓN
Imaginemos que tenemos dos varillas con las mismas dimensiones, pero de materiales distintos. Si tomamos ambas varillas, que se encuentran inicialmente a la misma temperatura y las calentamos por uno de sus extremos, mientras medimos la temperatura en el extremo opuesto, notaremos que la temperatura de una de ellas aumenta más rápidamente que en la otra. Esto se debe a las características del material y existe un índice que nos indica esa propiedad en particular, es el llamado coeficiente de conductividad térmico.
Nos encontraremos con materiales que poseen los más diversos coeficientes de conductividad, por lo general los metales son buenos conductores, representado por un valor alto, mientras que los gases son exactamente lo contrario.
Como ya muchos se habrán dado cuenta, cuanto mayor sea el coeficiente de conducción, más eficiente será ese material para retirar calor desde un punto determinado hacia otro más frío. Es por ese motivo que nos encontramos siempre con los mismos metales en aplicaciones de refrigeración.
A modo de orientación podemos ver los valores de algunos de los metales más conocidos:
Plata: 418.7
Cobre: 389.6
Aluminio: 209.3
Latón: 85.5
Acero: 45
Plomo: 34.6
Mercurio: 29.1

Aquí es donde empiezan a intervenir los mismos factores que en cualquier otro elemento de producción masiva, siendo la relación costo-beneficio la mas importante de todas, ya que si así no lo fuera, todos los disipadores se construirían con plata, cosa que sabemos que no se cumple salvo en contadísimos casos. La conductividad en la plata y el cobre son muy similares por lo que no se justifica semejante gasto.
Entre el cobre y el aluminio el salto en la conductividad si es mucho más significativa (casi el doble) pero al igual que antes la gran diferencia en precio entre ambos metales, sin mencionar las facilidades tecnológicas de fabricación que presenta el aluminio, hace que nos encontremos con dos líneas de disipadores. Sin tener en cuenta otros factores de diseño, en términos generales podemos decir que un disipador de cobre será más eficiente y costoso que uno de iguales características pero construido en aluminio

CONVECCIÓN
El calor que un cuerpo cualquiera intercambia con un fluido con el que tiene contacto directo es lo que se entiende por convección.
En este caso las leyes que definen la transferencia de calor son muchísimo más complejas que aquellas que definen la conducción, pero por ahora con comprender el efecto, será suficiente, ya veremos esto con mayor profundidad en próximas notas.
El intercambio de calor se produce al poner en contacto con una superficie caliente moléculas de gas a menor temperatura, las que al calentarse serán reemplazadas por otras frías y así sucesivamente. De esta manera el enfriamiento se produce gracias al movimiento del gas.
Como ya dijimos los gases son muy malos conductores del calor por conducción, tanto que pueden ser considerados como “aislantes”, (el coeficiente de conducción del aire es 0.026) por lo que no debemos confundir la transmisión del calor en un gas por conducción con la que se produce por convección. En el primer caso si lográramos mantener al gas totalmente inmóvil no se produciría prácticamente ningún enfriamiento,
Esto último es muy difícil de lograr, debido a que todos los elementos al calentarse, como es sabido, cambian su volumen, de esta manera al aumentar el volumen manteniendo su peso, la densidad del gas disminuye, motivo por el cual y gracias a la acción de la gravedad asciende.
Es de esta manera que podemos llegar a una separación entre dos tipos de convección. Cuando no existe ningún medio externo que obligue al fluido a desplazarse, estamos en presencia de lo que se denomina “convección natural”, producida únicamente por el efecto que acabamos de mencionar.
En aquellos casos que disponemos de algún medio que obliga a circular el fluido, por ejemplo un ventilador, nos encontramos con un caso de “convección forzada”. Esta puede ser muchísimo más poderosa que la convección natural ya que no será necesario esperar a que el fluido cambie de densidad para que deje su espacio disponible a moléculas frías sino que será constantemente removido y reemplazado gracias a la acción de un elemento externo
Así como en la conducción existe un coeficiente que determina el comportamiento de un material en convección nos encontramos con un conjunto de coeficientes, que dependen del fluido en particular (densidad, viscosidad, conductividad térmica, calor específico, etc.), de las condiciones de flujo, esto es, si es convección natural o forzada, velocidades de los fluidos, tamaño, forma y disposición de las superficies entre otros.
Los más fáciles de modificar son la superficie de intercambio y la velocidad del fluido.

RADIACIÓN
Ya vimos, en los dos casos anteriores, que era necesario un medio para transferir el calor. En la radiación esto no es así, ya que la misma se produce aún en el vacío absoluto. Todos los cuerpos emiten radiaciones electromagnéticas. Las radiaciones térmicas dependen fundamentalmente del estado de energía, o, para ser más claros, temperatura absoluta y de la superficie de dicho cuerpo. Estas radiaciones se desplazan a la velocidad de la luz y son por ejemplo las que nos llegan desde el sol, por mencionar el ejemplo más común de todos.
Si bien la radiación es independiente de la temperatura de los demás cuerpos que lo rodean, es también cierto que esos mismos cuerpos emiten radiación, que será absorbida por nuestro objeto (el disipador) lo que depende fundamentalmente del tipo de superficie, por lo que en nuestro campo de aplicación en particular, podemos despreciar los efectos de la radiación en el enfriamiento.

RESUMEN
La conducción se produce en el interior de todo elemento, transfiriéndose el calor desde una molécula a la que tiene al lado y así sucesivamente. Los metales por su estructura molecular son los mejores conductores del calor.
La convección se lleva a cabo gracias al movimiento de los fluidos, los que transportan el calor que tienen consigo, cuanto más rápido sea ese movimiento y mayor sea la superficie de intercambio, más rápidamente se realizará la transferencia.
Podemos despreciar la transmisión por radiación mientras que por el contrario debemos hacer que la conducción y la convección sean lo más eficientes posible

EL EJEMPLO CONTRARIO
Vamos a ver un caso exactamente contrario a lo que necesitamos en el enfriamiento de nuestra PC, ese es el de un termo, en el cual lo que queremos es mantener “indefinidamente” la temperatura en el interior.
Para lograr eso deberemos eliminar o al menos desminuir los tres medios por los que se transmite el calor.
Necesitaremos dos paredes que encierren perfectamente al elemento en cuestión, de un material con un muy bajo coeficiente de conducción, separadas por una distancia determinada entre la cual haremos vacío, además le daremos un tratamiento a esas superficies para que reflejen las radiaciones.
Cuando el calor quiera “escapar” creará radiaciones, pero como las superficies las reflejan, volverán al elemento quedando allí atrapadas.
Intentará pasar por conducción, pero al no haber ningún elemento entre las dos paredes no tendrá por donde hacerlo, y con la convección le sucederá exactamente lo mismo. Por lo que quedará allí retenido no teniendo un medio por donde salir.
¿De que nos sirve pensar en el caso opuesto? Es simple estos efectos son los mismos que nos generan problemas a diario en la refrigeración de nuestros equipos, obviamente que no a tal extremo, pero el concepto es idéntico. Si algunos factores se oponen al enfriamiento, debemos localizarlos y eliminarlos o reducirlos lo máximo que sea posible.

SELECCIÓN DEL COOLER ADECUADO
El tipo más conocido de cooler es el que está formado por dos piezas básicas: un disipador y un ventilador. Ambos factores son de igual importancia y deben guardar una estrecha relación entre si. Veamos que función debe cumplir cada uno de ellos.
Para empezar, el disipador. Este debe ser construido de manera que pueda maximizar los efectos de la conducción y la convección.
Para lo primero bastará que el material del mismo tenga el mejor coeficiente de conducción posible, preferentemente de cobre o aluminio en su defecto.
Para la convección se deben tener en cuenta otros factores, no basta con aumentar despreocupadamente la superficie, por más grande que esta sea, si el aire no tiene una vía adecuada por donde circular, no podrá llevarse consigo el calor del disipador, una “trama” mas cerrada en el disipador requiere de mayor esfuerzo para mover el aire a través de el. También se debe considerar la distancia que existe entre el punto de contacto con el procesador y el extremo más alejado del disipador. Para entender el por qué de esto, pensemos en el ejemplo de la varilla calentada en uno de sus extremos, si sobre la misma hacemos circular una corriente de aire, de manera que la enfríe constantemente, tendremos una distribución de temperaturas en la varilla, desde un máximo en la punta que calentamos hasta un mínimo en algún punto de su longitud, en el cual iguala la temperatura del aire, toda la longitud de la varilla que se encuentre más allá de ese punto, no aporta nada a la refrigeración pero si a la dificultad de avance del aire, por lo que pasa rápidamente a ser contraproducente en lugar de beneficioso.
En definitiva lo que debemos buscar es un equilibrio entre la superficie y la geometría del disipador.
El ventilador, más allá de sus características constructivas, las que influyen entre otras cosas en su durabilidad, nivel de ruido, etc. Deberá ser capaz de hacer circular el aire a través de todo el disipador en una cantidad suficiente como para mantener la temperatura dentro de valores aceptables. Los dos datos que nos dan una idea de esa capacidad son el caudal y la presión de aire que es capaz de generar.
Decimos que ambas partes deben estar relacionadas ya que si el disipador cuenta con una gran cantidad de aletas por ejemplo, cosa muy habitual para aumentar la sección de intercambio, la distancia entre dicha aletas será muy chica, lo que hará necesaria una mayor presión del aire para que pueda atravesarlas sin que su avance se frene.
Además un mayor caudal de aire hará que más moléculas de aire frió entren en contacto con la superficie en la misma cantidad de tiempo. Lo que ya sabemos, mejora el intercambio por convección.

MONTAJE BÁSICO
Ya a esta altura podemos interpretar más fácilmente como lograr una adecuada refrigeración de nuestros componentes. Y buscar, cuando algo está funcionando mal, las posibles causas de ello.
Lo que sigue es algo de aplicación universal, que sirve para cualquier tipo de refrigeración, no importa la forma o características del cooler.

El contacto entre el componente a enfriar y el enfriador debe ser lo más perfecto posible, el calor pasará de uno al otro por contacto directo entre las superficies, es decir que en el micro, el calor se desplaza hacia su propia superficie por conductividad, de la misma manera que en el disipador. En un caso totalmente ideal, si el contacto entre ambos fuera perfecto, la temperatura de ambas caras sería idéntica, pero en la práctica nos encontramos con algunos problemas, para empezar, ninguna superficie es perfectamente plana, por más que nos lo parezca a simple vista, siempre existen pequeñas imperfecciones, como rayones, curvaturas, etc, esas imperfecciones generan lo que se llaman “valles y crestas”. Como esto ocurre en ambas caras, tanto del procesador como del disipador, al colocarlas enfrentadas, quedarán espacios vacíos entre ambas, que estarán ocupados por aire, la cual, como ya vimos, en lo que a conducción se refiere, puede ser considerado un aislante térmico.
Este primer inconveniente es el más sencillo de solucionar, bastará con aplicar una capa de pasta conductora en ambas superficies antes de enfrentarlas, de esta manera el aire será desplazado por la pasta, que está especialmente diseñada para esta función y tiene una gran conductividad.
Cuando nos encontramos con superficies de mediana a baja calidad, podremos incluso ver que la terminación no es lo que debería ser, en cuyo caso es recomendable hacer un trabajo de “lapeado” para darle la terminación adecuada.
Además de esto no es raro encontrarnos con problemas por mal asentado del disipador, debemos prestar mucha atención en este punto, ya sea por alguna partícula extraña o por un error en el proceso de montaje. No es raro encontrar, por ejemplo, etiquetas en la cara de algunos de los dos elementos, cualquier elemento o sustancia que se encuentre en estas zonas debe ser removido con sumo cuidado, hasta una pequeña capa de grasitud puede afectar el rendimiento, es por eso que una limpieza hecha a conciencia es siempre recomendable. Una posición incorrecta o un ajuste defectuoso de las sujeciones produce el mismo efecto, por este motivo siempre deben seguirse las instrucciones del fabricante.

LA TEMPERATURA DEL SISTEMA
Por lo general se descuida la refrigeración global del sistema, centrándose únicamente en el procesador y tal vez algún otro componente más.
La temperatura dentro del gabinete es tan importante como la del mismo procesador.
Por más eficiente que sea un cooler, si el aire que es usado para enfriarlo está a una elevada temperatura, su eficacia se verá rápidamente afectada.
Uno de los tantos factores que intervienen en la convección es la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y el fluido, esto se denomina comúnmente ”Delta T”, y cuanto más elevado sea, más calor podrá intercambiar el cuerpo por unidad de tiempo.
Ahora, deberemos prestar atención a que la temperatura dentro del gabinete sea lo más cercana posible a la temperatura ambiente, si no es así entonces tenemos mucho por mejorar.
Como ya sabemos el aire caliente asciende debido a su menor densidad, eso es algo para tener en cuenta y usar a nuestro favor. Deberemos colocar extractores en los puntos más elevados, de esta manera, evitaremos que se acumule el calor en estos lugares.
Además es conveniente que la entrada de aire, preferentemente también con ventiladores, se haga en los lugares más bajos, creando de esta manera una corriente de aire en el interior, gracias a la acción de los ventiladores y ayudada por el mismo aire que al calentarse busca su salida hacia arriba.

COMPONENTES A TENER EN CUENTA
El flujo de aire dentro del gabinete debe ser aprovechado para enfriar la mayor cantidad posible de dispositivos ya que todos ellos, en mayor o menor medida, generan calor. Si el aire está estancado dentro del case, llegaremos a un punto en el que la temperatura hará imposible el normal funcionamiento y pudiendo generar, muy probablemente, daños en el hardware.
Ya hablamos del cooler del microprocesador. Ese mismo principio se aplica para todos los demás elementos. Nombraremos los más importantes.
En el motherboard, tenemos diferentes puntos que requieren atención, los chipsets son los mas importantes, seguidos de los mosfets encargados de controlar los voltajes. Para los chipsets, por lo general, los motherboard actuales ya incluyen una solución térmica, pero como en todos los casos puede ser mejorada, con coolers de mejor calidad. Para los mosfets, solo los motherboars más exigentes incluyen disipadores, lo cual no quita que nosotros se los podamos agregar según nuestras necesidades. Esto será muy útil en caso que usemos el equipo overclockeado y muy exigido en su trabajo. Cosa que no es habitual, motivo por el cual estos no se incluyen en el común de los casos.
Los discos rígidos son sensibles (como cualquier elemento electrónico) a las altas temperaturas. Afortunadamente, no es muy complicado lo que debemos hacer para solucionarlo: con una corriente de aire fresco que circule constantemente alrededor el mismo suele ser más que suficiente.
Las memorias suelen incluir, en sus gamas medias y altas, disipadores de calor. Estos, salvo condiciones muy extremas, alcanzan como para mantener los elementos dentro de un rango aceptable de trabajo.
Las placas de video son otro punto de vital importancia. Podemos considerarlas como otra computadora dentro de nuestra computadora, ya que tienen un chip y memorias. Los mismos procedimientos que aplicamos antes en el procesador y las memorias del sistema deberemos respetarlos aquí, teniendo en cuenta además que las placas modernas generan una enorme cantidad de calor y trabajan a temperaturas que usualmente serían críticas para un procesador y memorias normales.
Para concluir, repetimos que es de vital importancia una adecuada circulación de aire dentro del gabinete, ya que sin ella cualquier cosa que hagamos será totalmente inútil.

SOBRE LA SUPERFICIE DE CONTACTO Y LAS PASTAS TÉRMICAS
Ya sabemos que el contacto entre la superficie del procesador y la del disipador dista mucho de ser perfecto, esto genera lo que se conoce como resistencia de contacto, si ampliáramos suficientemente la superficie veríamos muchas imperfecciones, estas mismas quedarán ocupadas por un fluido. La resistencia de contacto depende de:
- La rugosidad y planitud de las superficies
- La fuerza que mantiene unidas las dos superficies
- El tipo de fluido que llena los huecos que se producen entre ambas.
Sobre este último punto podemos hacer algo, reemplazando el aire por algún elemento con alta conductividad térmica. Existen en el mercado una gran cantidad de productos que ofrecen rendimientos muy disímiles, aunque la gran mayoría cumple con su cometido.
Las más económicas son las grasas siliconadas, la relación costo - rendimiento es inmejorable y son más que suficientes para la mayoría de los casos.
Existen también grasas especiales formuladas en base a Plata, que por su enorme poder de conducción, son de un rendimiento muy superior a las anteriores. También existen pastas que juntan una gran conductividad térmica con características eléctricamente aislantes, las que pueden ser necesarias en algunas aplicaciones. Recientemente, por ejemplo han aparecido algunas basadas en metales líquidos, las que dicen poseer un rendimiento muy superior a las anteriores, lamentablemente aún no hemos tenido oportunidad de probarlas y experimentar con ellas.
Una cosa muy importante a tener en cuenta, es la cantidad de pasta que se coloca entre los dos elementos, una cantidad exagerada puede ser tan contraproducente como la ausencia de la misma, ya que si bien su conductividad es mucho mayor que la del aire, también es menor que a mayoría de los disipadores, por lo que cuanto más alejamos este último de la superficie del procesador, más difícil será que llegue el calor hasta el.
_________________

www.tortugahard.com