Con la revolución del MHz llegó el calentamiento global de los ordenadores. Aunque Apple optó por el ancho de banda de los G4 frente a los GHz del P4 y los K7, con el tiempo también sufrieron los estragos del calor, sobretodo cuando se vió obligada a vender PowerMacs G4 Dual a 1.42GHz utilizando procesadores a 1GHz. Apple también overclockeó.
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:
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:
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.
eq5
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.
dis
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).
caudal
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.