¿Cómo funciona un sistema de refrigeración líquida para CPU? Guía para principiantes
Para comprender cómo funciona la refrigeración líquida en una CPU, considere cómo se enfría el motor de un coche. Los líquidos tienen un calor específico más alto, lo que significa que pueden disipar el calor mejor que el aire. El coche utiliza agua para absorber el calor del motor y liberarlo al aire mediante un radiador. Los refrigeradores líquidos de CPU funcionan de la misma manera.
Cada CPU genera calor, ya que es un componente electrónico. Este calor es absorbido por un bloque de agua por donde circula refrigerante líquido. Este líquido se bombea desde el bloque de agua hasta el radiador, de forma similar a como funciona en los coches. La función del radiador es extraer el calor del líquido que fluye en su interior y transferirlo a sus aletas. Un ventilador impulsa el aire frío sobre ellas. Esta configuración, como se muestra en la imagen, es especialmente destacable porque la refrigeración líquida ha mejorado la eficiencia de la disipación de calor de las CPU modernas con TDP elevados, overclockeadas y que generan un calor considerable.
Comprender el calor de la CPU: por qué es importante la refrigeración
La electricidad es el flujo de electrones a través de un conductor. Cuando la electricidad pasa por cualquier conductor, genera calor debido a la resistencia al flujo de electrones. De igual manera, cuando la electricidad pasa por la CPU, también genera calor.
Un microprocesador o CPU está compuesto por miles de millones de transistores. Al usar una CPU, esta utiliza estos transistores en su lógica computacional. Estos transistores se cargan y descargan, generando una resistencia eléctrica que afecta el flujo de electrones y genera calor. Las operaciones más intensas en la CPU, como los juegos o el renderizado de vídeo, generan más calor y requieren un sistema de refrigeración para cargas de trabajo tan exigentes.
En estos casos, se prefiere un sistema de refrigeración líquida de circuito cerrado para la CPU para mantener la temperatura dentro de los límites establecidos. De lo contrario, la CPU experimentará estrangulamiento térmico, lo que afectará su rendimiento. En algunos casos, una refrigeración deficiente puede incluso dañar la CPU u otros componentes internos, como la RAM y la GPU.
Componentes clave de un sistema de refrigeración líquida
Los componentes básicos de los componentes líquidos incluyen
- Bloque de agua
- La bomba
- El radiador
- Tubería, depósito y refrigerante
El bloque de agua
Es el corazón del sistema de refrigeración líquida que extrae el calor de la CPU. El tipo más premium de bloque de agua está hecho de cobre libre de oxígeno, que posee una alta conductividad térmica. Si el bloque de agua se utiliza con piezas de aluminio, estos bloques están niquelados (generalmente la base del bloque está niquelada para evitar la oxidación).
Estos bloques cuentan con microcanales de 0,5 a 1 mm en su base, lo que permite que el líquido fluya y absorba el calor generado por la CPU. Para minimizar el espacio de aire entre el bloque y la CPU, se utiliza una pasta térmica con una conductividad térmica superior a 8-12 W/mK. Para aumentar la conductividad, el espacio entre el bloque de agua y la CPU se minimiza a 0,1 mm, gracias a un robusto mecanismo de montaje. La eficiencia térmica del sistema de refrigeración depende en gran medida del flujo y del diseño del conjunto de aletas. Cuando el líquido entra en el bloque, este inicia un enfriamiento convectivo con un coeficiente de transferencia de calor de 500-5000 W/m².
La bomba
La bomba del sistema de refrigeración hace que el refrigerante fluya a través del bloque de agua y el radiador, proporcionando la presión necesaria para superar la resistencia de las tuberías. Sin un flujo adecuado, incluso el sistema más eficiente no funcionaría correctamente. En la mayoría de los sistemas de refrigeración, estas bombas funcionan con 12 voltios a 2000-4000 rpm, proporcionando un caudal de 0,5-1 l/min y una presión de carga suficiente para la refrigeración. En los sistemas de refrigeración modernos para CPU, estas bombas se fabrican con precisión para reducir el ruido y las vibraciones, y se combinan con rodamientos cerámicos para un funcionamiento sin fricción. Estas bombas pueden ajustar su velocidad según la carga térmica.
El radiador
El calor extraído de la CPU por el líquido se disipa a la atmósfera mediante un dispositivo llamado radiador y un ventilador montado en él. Los radiadores están fabricados con un núcleo de aluminio con aletas de cobre y canales de refrigeración. Las aletas se utilizan para mejorar la transferencia de calor por conducción, con una eficiencia de 0,8-0,9. La separación entre aletas es un factor muy importante. Si la densidad de aletas (FPI) es alta, el área efectiva aumentará. Sin embargo, se requiere un mayor flujo de aire debido a la mayor resistencia al flujo de aire.
Un FPI más bajo reduce la resistencia al flujo de aire, pero también disminuye la superficie efectiva. Normalmente, el líquido de la CPU tiene una temperatura entre 10 y 20 °C superior a la del aire ambiente. Entra en el radiador, donde transfiere calor a las aletas. Un ventilador (1000-2000 rpm) proporciona flujo de aire para disipar el calor de las aletas.
Tubería, depósito y refrigerante
Las tuberías de un sistema de líquido proporcionan una vía para la transferencia del líquido de un componente a otro. Están hechas de PVC con un diámetro interior de 10 mm y un diámetro exterior de 13 mm. Además, cuentan con un soporte trenzado para evitar deformaciones y roturas en condiciones de trabajo extremas. Las tuberías no deben presentar curvas pronunciadas, ya que esto aumentará la resistencia al flujo y reducirá el rendimiento general.
Un depósito gestiona el volumen de aire y fluido. Está hecho de PVC y proporciona un mecanismo para llenarse de líquido y expulsar las burbujas de aire a la atmósfera. En algunos casos, el depósito forma parte integral de la bomba, especialmente en un sistema AIO (todo en uno). En la mayoría de los casos, el líquido en su interior es agua destilada y glicol al 30 %. También se añaden biocidas para prevenir el crecimiento bacteriano y glicol para reducir el punto de congelación hasta -10 °C. La función del refrigerante es absorber el calor de la CPU y liberarlo en el radiador.
El ciclo de enfriamiento
Generación de calor
Durante su funcionamiento, especialmente al realizar tareas intensas como juegos, renderizado de vídeo o cualquier trabajo gráfico o computacional, la CPU genera más de 300 vatios de calor. Esta generación de calor comienza en el transistor integrado en la CPU y finalmente se desplaza al disipador de calor integrado, donde se instala un bloque de agua para absorber el calor de la CPU mediante el líquido que fluye en su interior. Un proceso de conducción elimina este calor porque el bloque de agua está a mayor temperatura que el líquido.
Absorción
El líquido dentro del bloque de agua absorbe el calor generado por la CPU al fluir por los canales internos. Al fluir por el bloque, el líquido garantiza que la turbulencia y la conducción del calor estén diseñadas para maximizar la eficiencia en términos de conductividad térmica. Cuando el líquido sale del bloque de agua, su temperatura aumenta.
Circulación
Se instala una bomba en el sistema de refrigeración líquida de la CPU para transmitir el líquido caliente, garantizando que la temperatura no supere un límite específico. La bomba proporciona un flujo constante de líquido desde el bloque de agua hasta el radiador, manteniendo la CPU refrigerada y realizando sus tareas eficazmente. En un sistema moderno, las bombas se seleccionan por su bajo nivel de ruido y el mínimo desgaste de los componentes gracias a su alto caudal.
Disipación
El líquido calentado finalmente entra al radiador, donde se enfría mediante el aire de un ventilador instalado en él. Los radiadores están hechos de aluminio con aletas de cobre. Estas aletas aumentan la superficie a medida que el ventilador sopla aire, enfriándolos. Al enfriarse estas aletas, se enfría el refrigerante que pasa por los tubos.
Devolver
El líquido regresa al bloque de agua tras ser enfriado por el radiador. Otro equipo, conocido como depósito, está instalado en el sistema de refrigeración líquida. Este permite el retorno del agua si hay un exceso y ayuda a rellenar el sistema cuando el nivel de líquido disminuye.
Innovaciones de ingeniería que hacen que la refrigeración líquida sea fascinante
Con el avance de la tecnología, contamos con CPU de alta velocidad de 7 nm que generan más calor. Para solucionar esto, utilizamos un sistema de refrigeración líquida, ya que la refrigeración por aire es insuficiente para las CPU que generan mucho calor. La ingeniería está evolucionando el sistema de refrigeración líquida y su proceso de fabricación.
Actualmente, los bloques de agua se fabrican con un paso estrecho de 0,2 mm para el flujo de líquido, lo que crea turbulencia y aumenta la transferencia de calor hasta en un 50 %. Los líquidos modernos también incorporan un controlador PID que monitoriza y controla la temperatura con un margen de 2 °C respecto al punto de ajuste, variando la velocidad del ventilador y la bomba, y proporciona monitorización de la temperatura en tiempo real. Además, se prueban líquidos inyectados con óxido de cobre para aumentar la conductividad térmica, lo que demuestra un rendimiento un 20 % superior.
¡Aún hay más! La refrigeración líquida evoluciona constantemente gracias a la ingeniería que utiliza simulaciones CFD para optimizar la construcción de las aletas, la velocidad del flujo, la turbulencia, la refrigeración y el diseño térmico. Si esta tecnología continúa mejorando, podríamos tener un sistema de refrigeración que utilice un cambio de fase del líquido en la interfaz caliente para enfriar la CPU, que luego se condensaría en el radiador.
Consejos de instalación y mantenimiento
La instalación de líquido requiere experiencia, ya que involucra componentes muy sensibles, como el agua, que puede dañar la CPU si se filtra. Antes de comenzar la instalación, limpie todos los elementos y aplique pasta térmica a la CPU. Monte el bloque de agua y apriete los tornillos con un par de apriete uniforme, que puede variar entre 0,6 y 1 Nm. Tenga en cuenta que los tornillos deben apretarse en cruz. La tubería por donde fluirá el líquido también es un componente importante. Al instalarla, asegúrese de que la tubería esté colocada según el manual y de que cada manguera esté sujeta con una abrazadera. Antes de comenzar, asegúrese de que el sistema esté correctamente purgado y de que no haya aire atrapado.
Para el mantenimiento, considere buscar la ayuda de un experto o encargarle el trabajo. Algunos consejos que podemos compartir incluyen el uso de una matriz reactiva a los rayos UV que brilla bajo la luz ultravioleta para detectar fugas, y realizar ciclos de purga anualmente o según sea necesario, lo que eliminará el 95 % del aire para mejorar la eficiencia. Además, asegúrese de purgar el sistema anualmente con una solución de vinagre. Haga circular la solución durante 30 minutos para disolver las incrustaciones dentro de los tubos y componentes, y luego enjuáguelo.
Ventajas sobre la refrigeración por aire tradicional
El calor específico del agua es mucho mejor que el del aire, lo que naturalmente mejora el sistema de refrigeración líquida. Si se aplica una carga sostenida a una CPU, la refrigeración líquida mantendrá la temperatura un 40 % más baja que si la misma CPU se refrigera con un sistema de aire. Los sistemas líquidos proporcionan una mejor refrigeración y son más silenciosos porque las bombas producen menos ruido, el agua actúa como un amortiguador natural del ruido y los ventiladores de los radiadores son más silenciosos. Los sistemas de refrigeración líquida son más pequeños y se pueden ajustar fácilmente en un ordenador compacto con configuración ITX, lo que le da un aspecto atractivo y una mejor estética.
Conclusión
La termodinámica y la ingeniería han transformado la refrigeración líquida, ofreciendo un mejor rendimiento de la CPU con rutas de flujo mecanizadas con precisión. Patrones de flujo constantes que utilizan bombas y radiadores eficientes que los comerciantes utilizan para calentar el entorno, lo convierten en una solución de refrigeración fiable para los ordenadores modernos de alta computación. Ofrecen una mejor conductividad térmica, un diseño más elegante, una estética mejorada y un funcionamiento más silencioso, lo que los convierte en una opción superior a las soluciones de refrigeración por aire y convierte la gestión del calor en un arte.
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