UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA
Sistema de Refrigeración líquida para PC Mantenimiento de computadoras INTEGRANTES: - Raúl Cruz Huacac - Paolo Villanueva Vásquez - Maria Perea Lipe - Hugo Flores Cervantes - Ana Lucía Portocarrero - Giordhano Valdez Linares
DOCENTE: Ing. Oscar Vera Ramírez
ILO, 14 de junio de 2013
INGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA
ÍNDICE
RESUMEN………………………………………………………………………………………………………………2 INTRODUCCION .............................................................................................................................................3 TEORIA………………………………………………………………………………………………………………….4 Sistema de refrigeración para PC………………………………………… PC……………………………………………………………… …………………………….…………… ……….……………44 Los componentes que consta una refrigeración líquida…………………………………………………………...4 íquida…………………………………………………………...4 El bloque………………………………………………………………………………………………………4 El radiador………………………………………………………………………………….…………………5 Depósitos y fillpor ts…………………………………………………………………………………………..5 ts…………………………………………………………………………………………..5 La bomba………………………………………………………………………………………………………6 Los diferentes métodos de refrigeración ……………………………………………………………………………..6 La refrigeración por aire “activa”……………………………………………...…………………… “activa”……………………………………………...……………………………..6 ………..6 La refrigeración por aire “pasiva”………………………………………… “pasiva”……………………………………………………………… …………………………..……..7 ……..……..7 Refrigeración líquida (Water Cooling)………………………………… Cooling)………………………………………………………… ……………………………………8 ……………8 Refrigeración líquida (pasiva)………………………….…………………… (pasiva)………………………….………………………………………… ……………………99 Refrigeración líquida (activa)……………………………………………… (activa)…………………………………………………………………… ……………………..9 ..9 Refrigeración líquida por inmersión……………………………………………………………………….10 inmersión……………………………………………………………………….10 Refrigeración por metal liquido…………………………………………… liquido………………………………………………………………………… ……………………………….11 ….11 11 Refrigeración Termoeléctrica (TEC)………… (TEC)…………………………………… ……………………………………..…………… …………..…………………….. ………..11 Refrigeración por Heatpipes……………… Heatpipes……………………………………… ………………………………………………… …………………………..……………12 ..……………12 Dinámica del funcionamiento funcionamiento de la refrigeración líquida en computadores……………..……… comput adores……………..………..…………….13 ..…………….13 Los diferentes elementos a refrigerar en el PC………………………………… PC…………………………………………….………………… ………….………………………15 ……15 La tarjeta gráfica………………………………………… gráfica……………………………………………………………… ……………………… …..…………………………15 ..…………………………15 El procesador…………………… procesador……………………………………… …………………………………………… …………………………… …..…………………….……16 ..…………………….……16 El Northbridge, Southbridge……………………………………… Southbridge………………………………………………………………… ………………………………………..16 ……………..16 Los mosfet………………………………………………………………………….. mosfet…………………………………………………………………………..………………………..17 ………………………..17 El disco duro……………………………………… duro……………………………………………………………… ………………………… …..……………………………..17 ..……………………………..17 Refrigeración del Chipset………………………………………………... ...………………………………18 ...………………………………18 Refrigeración de la memoria RAM ………………………………..………………………………………18 Refrigeración de la caja……………………………………………………………………………………..19 Fuente de alimentación y caja (Gabinete)……………………………………….………………… (Gabinete)……………………………………….………………………………….19 ……………….19 METODO EXPERIMENTAL ………………………………………………………………….……..………………..20 Montaje del sistema de refrigeración alternativo………………………...……..………………………..20 alternativo………………………...……..………………………..20 RESULTADOS …………………………………………………………………………………………………………26 DISCUSION………………………………………………………………………… .………………………..………..28 CONCLUSIONES ………………………………………………………………… .…………………….…………….28 …………………………………………………………………..…………………………………….2 …………………………………….299 BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………
1
ÍNDICE
RESUMEN………………………………………………………………………………………………………………2 INTRODUCCION .............................................................................................................................................3 TEORIA………………………………………………………………………………………………………………….4 Sistema de refrigeración para PC………………………………………… PC……………………………………………………………… …………………………….…………… ……….……………44 Los componentes que consta una refrigeración líquida…………………………………………………………...4 íquida…………………………………………………………...4 El bloque………………………………………………………………………………………………………4 El radiador………………………………………………………………………………….…………………5 Depósitos y fillpor ts…………………………………………………………………………………………..5 ts…………………………………………………………………………………………..5 La bomba………………………………………………………………………………………………………6 Los diferentes métodos de refrigeración ……………………………………………………………………………..6 La refrigeración por aire “activa”……………………………………………...…………………… “activa”……………………………………………...……………………………..6 ………..6 La refrigeración por aire “pasiva”………………………………………… “pasiva”……………………………………………………………… …………………………..……..7 ……..……..7 Refrigeración líquida (Water Cooling)………………………………… Cooling)………………………………………………………… ……………………………………8 ……………8 Refrigeración líquida (pasiva)………………………….…………………… (pasiva)………………………….………………………………………… ……………………99 Refrigeración líquida (activa)……………………………………………… (activa)…………………………………………………………………… ……………………..9 ..9 Refrigeración líquida por inmersión……………………………………………………………………….10 inmersión……………………………………………………………………….10 Refrigeración por metal liquido…………………………………………… liquido………………………………………………………………………… ……………………………….11 ….11 11 Refrigeración Termoeléctrica (TEC)………… (TEC)…………………………………… ……………………………………..…………… …………..…………………….. ………..11 Refrigeración por Heatpipes……………… Heatpipes……………………………………… ………………………………………………… …………………………..……………12 ..……………12 Dinámica del funcionamiento funcionamiento de la refrigeración líquida en computadores……………..……… comput adores……………..………..…………….13 ..…………….13 Los diferentes elementos a refrigerar en el PC………………………………… PC…………………………………………….………………… ………….………………………15 ……15 La tarjeta gráfica………………………………………… gráfica……………………………………………………………… ……………………… …..…………………………15 ..…………………………15 El procesador…………………… procesador……………………………………… …………………………………………… …………………………… …..…………………….……16 ..…………………….……16 El Northbridge, Southbridge……………………………………… Southbridge………………………………………………………………… ………………………………………..16 ……………..16 Los mosfet………………………………………………………………………….. mosfet…………………………………………………………………………..………………………..17 ………………………..17 El disco duro……………………………………… duro……………………………………………………………… ………………………… …..……………………………..17 ..……………………………..17 Refrigeración del Chipset………………………………………………... ...………………………………18 ...………………………………18 Refrigeración de la memoria RAM ………………………………..………………………………………18 Refrigeración de la caja……………………………………………………………………………………..19 Fuente de alimentación y caja (Gabinete)……………………………………….………………… (Gabinete)……………………………………….………………………………….19 ……………….19 METODO EXPERIMENTAL ………………………………………………………………….……..………………..20 Montaje del sistema de refrigeración alternativo………………………...……..………………………..20 alternativo………………………...……..………………………..20 RESULTADOS …………………………………………………………………………………………………………26 DISCUSION………………………………………………………………………… .………………………..………..28 CONCLUSIONES ………………………………………………………………… .…………………….…………….28 …………………………………………………………………..…………………………………….2 …………………………………….299 BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………
1
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es desarrollar un sistema de refrigeración alternativo en base a agua como una alternativa a la refrigeración convencional, que supla los requerimientos de calor y que disminuya (o en su defecto mantenga constante) los niveles de ruido del computador consecuencia del overclock (aumento de la velocidad del procesador) Cuando un usuario avanzado de PC intenta mejorar aspectos como la estabilidad y rendimiento de su computador, se enfrenta a un gran problema: el calor para el cual no está diseñado el sistema de refrigeración convencional. Una alternativa es la refrigeración líquida, la cual consiste de una serie de bloques huecos de un metal buen conductor el cual entra en contacto por medio de una de sus caras con el elemento a refrigerar y que en su interior transporta agua o una solución de agua y refrigerante, impulsada por una bomba y que es refrigerada en un “radiador “radiador ”, todo estratégicamente ubicados en la caja de la CPU
2
INTRODUCCION Como es de conocimiento general, los requerimientos del campo de la computación, exigen día a día una capacidad en las maquinas más alta a la actual, un uso constante y confiable. Desde el punto de vista del hardware donde los componentes de u computador están en constante uso, se presenta el problema del sobrecalentamiento, actualmente mitigado con refrigeración basada en bancos de aletas y ventiladores; sin embargo este sistema no satisface por completo las nuevas exigencias del medio, ya que actualmente se desarrollan procesadores con mayor velocidad y capacidad de procesamiento de datos que generen más calor; las tarjetas de video poseen un microprocesador el cual requiere de refrigeración, los discos duros con mayor capacidad de almacenamiento de datos giran a mayores revoluciones generando calor y a su vez requieren refrigeración más eficiente, como estos elementos existen otros con las misas necesidades; los adelantos tecnológicos existen nuevos sistemas de refrigeración. Los computadores son imprescindibles hoy en día, en todas las esferas de la sociedad; desde el manejo de datos hasta la producción de televisión pasando por el análisis de ingeniería, encontramos la necesidad de la maquinas con un mayor poder de cálculo, capacidad de trabajo y por ende: procesadores, discos duros, tarjetas madres trabajando a mayores frecuencias (mayores velocidades) y como consecuencia aumentando los niveles de calor generado. Es en este punto donde entra la refrigeración líquida como una alternativa a los sistemas de refrigeración convencionales en base de aletas.
3
1. TEORIA 1.1 Sistema de refrigeración para PC La refrigeración del PC es muy importante, ya sea en el caso de un PC portátil o de sobremesa. Si pensamos hacerle overclocking, o queremos un equipo más silencioso, o cuando el sistema de refrigeración de origen ya no nos satisface, entonces es el momento de cambiar los ventiladores y disipadores, de acuerdo a nuestro presupuesto y a nuestras expectativas. Existen muchas opciones, pero los productos más caros no son necesariamente los mejores. Por lo tanto en este artículo veremos los diferentes sistemas de refrigeración y su interés. Hay que considerar que el microprocesador no es la única fuente de calor dentro de nuestro PC, ni tan siquiera la que más temperatura produce. Prácticamente todos los elementos (chipset, memorias, disco duro, unidades ópticas y por supuesto la fuente de alimentación) son fuentes de calor, siendo el calor producido directamente proporcional al rendimiento de estos elementos (a mayor rendimiento, mayor temperatura). Pues bien, disponemos de una importante cantidad de elementos para disipar esta temperatura. Los llamados disipadores.
1.2 Los componentes que consta una refrigeración liquida Antes de seguir avanzando en el tema es necesario que conozcamos de qué consta un sistema de refrigeración líquido. Por tanto a continuación citaremos los componentes describiendo la función de cada uno de ellos.
1.2.1
El bloque Es una pieza hueca, generalmente de cobre, con un circuito tallado en su interior. Este circuito tiene una entrada y salida de agua a través de unos racores. su función es intercambiar el calor disipado por el micro a través del cobre con el agua que circula por él. El agua al pasar por el bloque arrastra el calor del cobre al chocar con él, y se lo lleva. En general nos hemos referido al procesador por ser generalmente la pieza que mas comúnmente refrigeramos, pero actualmente tenemos bloques para casi cualquier elemento del PC: VGA, chipset, memorias, discos duros, mosfets, etc.
Figura 01: Bloques para PC
4
1.2.2
El radiador Para que el sistema pueda reutilizar esta agua antes deberemos volver a enfriarla y para ello entra en acción el radiador. El agua pasa a través de él y este disipa el calor a través de sus aletas. En este punto la refrigeración puede ser o bien activa (si el radiador se ayuda de ventiladores para enfriar) mucho mejor, o bien pasiva en caso de no utilizarlos. Los radiadores pueden dar más o menos rendimiento dependiendo de su construcción o su naturaleza, pueden ser más o menos restrictivos al igual que los bloques (en esto influye su construcción) pero aparte de esto podemos encontrar generalmente tres tipos de radiadores: simples, dobles o triples, dependiendo de su longitud.
Figura 02: Radiador
1.2.3
Depósitos y fillports El depósito no es obligatorio en una refrigeración líquida, aunque si recomendable. Aparte de ser mucho más fácil el llenado del circuito a través de él, hace que sea más sencilla la purga del mismo, que consiste en sacar todas las burbujas para ganar en rendimiento y evitar molestos ruidos en nuestro circuito. Algunos en vez de optar por el depósito lo que utilizan es un fillport, que es un pequeño tapón a través del cual llenan el circuito con lo cual consiguen ahorrarse el espacio que ocupa el depósito.
Figura 03: Depósitos y fillports
5
1.2.4
La bomba Su función es mover el agua a través del circuito. No todas las bombas son iguales, la cantidad de litros que muevan por hora o la presión son aspectos muy importantes que afectaran al rendimiento. Las bombas pueden ir en el circuito de dos formas distintas, bien en línea suministrando el agua que les llega por su entrada o sumergidas en un deposito y tomándola de ahí para hacerla fluir por su salida
Figura 04: Formas de bombas para el sistema
1.3 Los diferentes métodos de refrigeración 1.3.1
La refrigeración por aire “activa” Un sistema de refrigeración por aire activa está compuesto de:
Un disipador Un ventilador
En este sistema de refrigeración, el ventilador situado sobre el disipador evacuará el calor transmitido por el disipador y lo expulsará. El disipador consta de conductos con alta conductividad térmica (o Heatpipes). También existen disipadores que emplean un metal liquido (al interior de los heatpipes), el cual es movido por una bomba electromagnética y ofrece un buen rendimiento pero a un precio aun elevado. La única compañía que fabrica estos productos es Danamics.
Figura 05: Disipador
6
1.3.2
La refrigeración por aire “pasiva” El sistema de refrigeración por aire “pasiva” únicamente está compuesto de un disipador, idéntico al que acabamos de ver. La ventaja de este sistema es que es totalmente silencioso. Solo consta de un cooler o radiador que permite la transferencia térmica entre el dispositivo a enfriar con el medio ambiente. Por convección natural este aire caliente se mueve por ser más liviano permitiendo un flujo de aire.
Figura 06: Radiador Ventajas: No produce ruido. Su durabilidad debido a que no posee mecanismos móviles. Desventajas: Como su transferencia es pasiva no puede dispersar grandes cantidades de calor por lo que no es recomendado para sistemas de gama alta.
7
1.3.3
Refrigeración líquida ( Water Cooling) Un sistema más complejo es la refrigeración por agua. El agua tiene un calor específico más alto y una mejor conductividad térmica que el aire, gracias a lo cual puede transferir calor más eficientemente. Bombeando agua alrededor de una CPU y/o GPU es posible remover grandes cantidades de calor poco tiempo, para luego ser disipado por un radiador ubicado en algún lugar dentro (o fuera) del computador. La principal ventaja de la refrigeración líquida, es su habilidad para enfriar incluso los componentes más calientes de un computador. La refrigeración por agua es cara, compleja e incluso perjudicial en manos sin experiencia ya que el agua puede dañar los componentes electrónicos. Menos ruidosos que los basados en refrigeración por aire, los sistemas de refrigeración por agua tienen partes móviles y en consecuencia se sabe eventualmente pueden sufrir problemas de confiabilidad. Una avería en un sistema de Watercooling (la bomba dejo de funcionar) no es tan grave como en el caso de la refrigeración por aire ya que la inercia térmica del fluido es bastante alta, incluso encontrándose estático no será fácil para el CPU calentarlo a niveles dañinos antes de darse cuenta de este problema.
Figura 07: Sistema de refrigeración liquida
Todo sistema de refrigeración líquida debe contar con seis componentes mínimos para su funcionamiento estos deben ser:
El depósito de agua. El circuito de agua. La bomba de agua. El radiador. Los ventiladores. Los bloques enfriadores de cada componente.
8
El agua que está almacenada en el bloque es movida por la bomba que da presión para que pueda pasar por todo el circuito, cuando al agua pasa por el radiador, (bloque con ventiladores) esta es enfriada gracias a los ventiladores que hacen fluir el aire a través de él, una vez enfriada el agua esta se dirige al bloque situado en cada componente para enfriarlo y repetir de nuevo el proceso. La refrigeración líquida suele ser un circuito cerrado, donde el agua es calentada por los componentes y enfriada por el radiador continuamente.
Figura 08: Refrigeración líquida con circuito cerrado
1.3.3.1 La refrigeración líquida “pasiva” La refrigeración líquida (o watercooling) pasiva utiliza la conductividad natural del material de que están hechos los disipadores (que reciben el agua que ha sido calentado por los diferentes componentes en el circuito del watercooling). Que yo conozca el único fabricante de watercooling pasivo es Zalman. La ventaja de este sistema es que es silencioso. El ruido podría ser causado por la bomba, pero los fabricantes teniendo en cuenta esto fabrican bombas silenciosas.
1.3.3.2 La refrigeración líquida “activa” La refrigeración líquida “activa” es construida del mismo modo que la anterior, pero el calor almacenado por el disipador es expulsado directamente por los ventiladores situados sobre estos disipadores permitiendo alcanzar un delta muy cercano a cero (delta °C= temperatura del componente – temperatura ambiente). Este sistema es muy utilizado para el overclocking cuando se desea alcanzar
9
mayores rendimientos y puede hacerse silencioso eligiendo correctamente los componentes. Existen dos sistemas, el sistema de altas perdidas de carga y el de bajas perdidas de carga. Se recomienda para un sistema del primer tipo (los waterblock son los que determinarán si el sistema es del primer tipo o del segundo) una bomba que posea una columna de agua elevada (a qué altura puede hacer subir el liquido la bomba) y para un sistema del segundo tipo una bomba con un caudal elevado. En los dos casos de preferencia utilizar un líquido llamado “dieléctrico” (de conductividad nula) como el Feser F1 para evitar, en caso de fuga, dañar los componentes.
Figura 09: Bloque para refrigeración líquida activa
1.3.4
Refrigeración Líquida por inmersión: Una variación extraña de refrigeración líquida es la inmersión líquida, en la que un computador es totalmente sumergido en un líquido de conductividad eléctrica muy baja, como el aceite mineral. El computador se mantiene enfriado por el intercambio de calor entre sus partes, el líquido refrigerante y el aire del ambiente. Este método no es práctico para la mayoría de los usuarios por razones obvias. Pese a que este método tiene un enfoque bastante simple (llene un acuario de aceite mineral y luego ponga su PC adentro) también tiene sus desventajas. Para empezar, debe ser bastante desagradable el intercambio de piezas para upgrade.
Figura 10: Sistema de refrigeración líquida por inmersión 10
1.3.5
Refrigeración por metal liquido: Aunque su principio es completamente distinto al watercooling, de alguna manera este sistema está emparentado. Se trata de un invento mostrado por nanoCoolers, compañía basada en Austin, Texas, que hace algunos años desarrolló un sistema de enfriamiento basado en un metal líquido con una conductividad térmica mayor que la del agua, constituido principalmente por Galio e indio. A diferencia del agua, este compuesto puede ser bombeado electromagnéticamente, eliminando la necesidad de una bomba mecánica. A pesar de su naturaleza innovadora, el metal líquido de nanoCoolers nunca alcanzó una etapa comercial.
Figura 11: Partes de metal líquido de nanoCoolers
1.3.6
Refrigeración Termoeléctrica (TEC): En 1834 el francés llamado Juan Peltier descubrio que aplicando unas diferencias eléctricas en 2 metales o semiconductores (de tipo p y n) unidas entre sí, se generaba una diferencia de temperaturas entre las uniones de estos. El concepto rudimentario de Peltier fué perfecciónado para que fuera un solo bloque con las uniones semiconductoras, (que generalmente son en base a Seleniuro de Antimonio y Telururo de bismuto) conectadas por pistas de cobre y dispuestas de tal manera que transportara el calor desde una de sus caras hacia la otra, haciendo del mecanimo una "bomba de calor" ya que es capaz de extraer el calor de una determinada superficie y llevarlo hacia su otra cara para disiparlo. Una de las tantas gracias de estos sistemas de refrigeración es que son bastante versátiles, basta con invertir la polaridad para invertir el efecto (cambiar el lado que se calienta por el frío y viceversa), la potencia con que enfría es fácilmente modificable dependiendo del voltaje que se le aplique y es bastante amable con el medio ambiente ya que no necesita de gases nocivos como los usados en los refrigeradores industriales para realizar su labor. Estas soluciones, que de por sí involucran un fuerte aumento del consumo eléctrico (toda vez que un peltier es bastante demandante de potencia) no pueden operar por sí solas, pues se hace necesario un sistema que sea capaz de retirar calor de la cara caliente del Peltier.
11
Este sistema complementario suele ser de enfriamiento por aire o por agua. En el primero de los casos el concepto se denomina Air Chiller y hay productos comerciales como el Titan Amanda que lo implementan. El segundo caso se denomina Water Chiller, es bastante más efectivo (por la mejor capacidad del agua de retirar calor de la cara caliente) y también hay productos, como el Coolit Freezone, que implementan el sistema.
Figura 12: Coolit Freezone
1.3.7
Refrigeración por Heatpipes Un heatpipe es una máquina térmica que funciona mediante un fenómeno llamado "convección natural". Este fenómeno, derivado de la expansión volumétrica de los fluidos, causa que al calentarse los fluidos tiendan a hacerse menos densos, y viceversa. En un mismo recipiente, el calentamiento de la base producirá la subida del fluido caliente de abajo y la bajada del fluido aún frío de la parte superior, produciéndose una circulación. El sistema de heatpipes que se utiliza en los coolers de CPU es un ciclo cerrado en donde un fluido similar al que recorre nuestros refrigeradores se calienta en la base, en contacto con el CPU, se evapora, sube por una tubería hasta el disipador, se condensa y baja como líquido a la base nuevamente. El transporte de calor que se logra mediante el uso de heatpipes es muy superior al que alcanza un disipador de metal tradicional, por delgadas o numerosas que sean sus aletas. Sin embargo, sería poco ambicioso dejar que los heatpipes hicieran todo el trabajo, por lo que los productos comerciales que han incorporado el elemento heatpipe complementan su alta capacidad de transporte de calor con voluminosos panales de aluminio o cobre (en buenas cuentas, un heatsink) y ventiladores que mueven bastante caudal de aire.
12
Figura 13: Esquemas para sistema de refrigeración heatpipes
1.4 Dinámica del funcionamiento de la refrigeración líquida en computadores La dinámica de funcionamiento del sistema es bastante sencilla, este es un sistema cerrado que utilizando un refrigerante en este caso y que aprovecha la alta conductividad térmica del cobre para retirar el calor de desecho de los elementos significativos que conforman el computados (chip del procesador, chip de la board, y chip de la tarjeta de video), para luego retirarlo de la CPU al ambiente por medio de un intercambiador de calor de tubos aleteados de esta forma se mantienen las temperaturas de operación optima para cada elemento del computador.
13
Figura 14. Esquema de funcionamiento de la refrigeración liquida El refrigerante (agua) fluye por las mangueras que comunican al sistema y transmiten el fluido, en esta parte el flujo presenta algunas pérdidas debidas a rozamiento, y por el choque del agua con las superficies internas de los bloques. El refrigerante pasa a través de los bloques intercambiadores de calor en donde toman el calor que estos están conduciendo y el cual proviene de los elementos generadores de calor, procesador, chip set de la board, y el chip de tarjeta de video, como vemos son tres bloques intercambiadores de calor y aunque cada uno tiene la misma función, las condiciones de trabajo cambian debido a las temperaturas de operación de cada elemento, el procesador trabaja con una temperatura de T [ºC] en condiciones normales y disipa un calor de Q [W], parte de este calor es absorbido por el refrigerante (agua) el cual se desplaza por el sistema con un caudal de V y una altura de H producido por la bomba, después de que pasa por este bloque del chip set de la board el cual opera a una temperatura de T [ºC] y disipa un calor de Q[W] en esta parte el agua incrementa un poco mas su temperatura debido a la transferencia del calor de este bloque al agua, sin embargo de ahí el agua pasa por el tercer y último bloque el de chip de la tarjeta de video, este opera a una temperatura de T [ºC] en condiciones normales y disipa un calor de Q [W] según indicaciones del fabricante. Una vez el agua sale de este bloque pasa por el depósito donde reposa por un momento para luego de regresar a la bomba, la cual la impulsa al sistema para pasar por el intercambiador de calor de tubos aleteados (radiador) el cual presenta una convección forzada producida por un ventilador en este elemento de calor ganado por el agua es trasmitido al medio, y así se cumple el ciclo que empieza de nuevo.
14
1.5 Los diferentes elementos a refrigerar en el PC
El PC posee diversos componentes que soportan temperaturas más o menos elevadas y por lo tanto necesitan ser refrigeradas.
1.5.1
La tarjeta gráfica La tarjeta gráfica es un componente esencial del PC y necesita una buena ventilación. En primer lugar veamos los sistemas de ventilación que vienen de fábrica. Hay dos sistemas: la ventilación “pasiva” (sin ventilador) y la “activa” (con ventilador). Los sistemas pasivos son muy utilizados con las tarjetas gráficas de entrada de gama. Por lo general están constituidos de un pequeño disipador de plástico que permite ser integrado en las micro carcasas o en un media center. También podemos encontrarlos con algunas tarjetas de gama alta. Sin embrago, el sistema allí es mucho más sofisticado. Por lo general, los heatpipes salen del GPU y van detrás de la tarjeta a fin de disipar el calor mediante la circulación del aire presente dentro de la carcasa. En el caso de que la carcasa no esté lo suficientemente ventilada, la temperatura del GPU puede aumentar y habrán problemas en el PC se apagará si las opciones de seguridad relativas a la temperatura están activadas y podría quemarse si estas opciones de seguridad están desactivadas. Los sistemas “activos” son los más utilizados y cubren todas las gamas. Todos están compuestos de un disipador sobre el que es fijado un ventilador. Por lo tanto, la eficiencia dependerá de algunos criterios:
El diámetro del ventilador La velocidad de rotación El diseño Los materiales utilizados en el disipador El tamaño del disipador El diámetro del ventilador, asociado a su velocidad de rotación (y el diseño de las paletas) determinará el flujo de aire que es capaz de generar. El tipo de material de que esta hecho el disipador determinará su eficiencia (esto será detallado más adelante) y el tamaño del disipador determinará la superficie de disipación; a mayor superficie la temperatura será más baja con la condición de tener un buen ventilador.
Figura 15: Tarjeta grafica 15
1.5.2
El procesador El [procesador], también llamado CPU (Central Processing Unit) es un componente indispensable para el funcionamiento del PC. Por lo que es necesario refrigerarlo. Los ventiladores que vienen de fábrica con Intel y AMD por lo general no son los mejores cuando se desea un equipo silencioso o hacer overclocking. Por lo tanto habrá que cambiarlos por otros y evidentemente existen diferentes sistemas:
El watercooling La refrigeración pasiva La refrigeración activa Para el watercooling, aquí también habrá que tener en cuenta que es costoso. Será necesario un waterblock de calidad para evitar que el flujo de agua se frene o simplemente para obtener un buen rendimiento. El sistema de refrigeración pasiva, completamente silencioso ya que no utiliza ventilador, es recomendado cuando se quiere tener un equipo silencioso, de preferencia en una carcasa un poco grande (18 cms mínimo) y bien ventilada. La elección es un poco difícil ya que existen una gran variedad. Algunos excelentes sistemas fabricados por [ Thermalright], [ Noctua] o [ Scythe] (por no citar a todos) serán suficientes en este sistema. Pero cuidado! Antes de comprar, es necesario leer los test de los disipadores sin ventilador y averiguar acerca de la compatibilidad con el socket. Además si la carcasa es lo suficientemente grande y si la placa base es compatible. Habrá que estar atentos los primeros días con este tipo de sistema. Este sistema no es recomendado pare el overclocking, para esto ve el sistema activo. En cuanto al sistema activo, es posible utilizar uno y también tener un equipo silencioso. En este caso deberemos prestar atención a los decibeles (<20 decibeles para no escuchar ruido). Este sistema también será del agrado de los que piensan hacer overclocking, ya que con el sistema apropiado, es posible aumentar bastante la frecuencia del procesador. Para el overclocking se recomienda tener una carcasa de gran tamaño para colocar los disipadores. Por lo general, los radiadores que son buenos en el sistema pasivo trabajarán bien una vez que se les agregue uno o varios ventiladores. Aquí también existen diferentes marcas: Tuniq, Noctua, Thermalright, etc. Antes de comprar habrá que tener en cuenta el socket del procesador, el espacio disponible en la placa base y el tamaño de la carcasa.
1.5.3
El Northbridge, Southbridge Por lo general la refrigeración del NorthBridge y del Southbridge se hace por medio de dos sistemas (pasivos):
Un disipador de gama baja de aluminio Un circuito de disipadores unidos por medio de heatpipes 16
Si uno no es apasionado del overclocking, entonces no necesitará cambiar este sistema, más aun cuando un cambio del los heatpipes requiere cambiar el disipador del NorthBridge, del Southbridge y de los mosfet. Pero si deseas hacer overclocking, la temperatura del NorthBridge es muy importante. Todos los sistemas actuales (y de buen rendimiento) son pasivos, pero a veces se recomienda agregar un ventilador. Los disipadores más potentes tienen la forma de una torre por lo que habrá que tomarlo en cuenta en el caso de que tengamos un Crossfire o un SLI: el disipador podría molestar. La otra solución, menos costosa, se presenta bajo la forma de un pequeño disipador de cobre y es una buena alternativa al sistema de gama baja de aluminio. Sin embargo, habrá que verificar la lista de placas base compatibles en el sitio del fabricante del disipador Northbridge/SouthBridge.
Figura 16: Refrigeración del NorthBridge y del Southbridge
1.5.4
Los mosfet Los mosfet, situados cerca del socket del procesador son semiconductores que a veces pueden inflarse, e incluso explotar, cuando se sobrecalientan demasiado. Esto sucede por lo general cuando se ha hecho overclocking sin tomar precauciones, por lo que es imprescindible colocar (si no lo hubiera) o cambiar el sistema de disipación cuando se desea hacer overclocking o cuando se cambia el disipador del Northbridge y estos dos componentes están unidos por un heatpipe. También los mosfet pueden ser integrados a un circuito de watercooling.
1.5.5
El disco duro Algunos discos duros tienen tendencia a recalentar mucho. Por lo tanto es posible integrarlos a un circuito de watercooling, poner el disco duro en un sistema pasivo compuesto de un disipador plano y de heatpipes para disipar el calor, o también un sistema pasivo con ventiladores para permitir una difusión más rápida y eficaz del calor, o poner sobre el disco simplemente un sistema compuesto de varios ventiladores. Una vez este sistema integrado, los discos ocuparán más espacio y algunos pueden no caber en las habituales bahías de 3.5 pulgadas, por lo que será necesario colocarlos en la parte superior de la carcasa, en una bahía de 5.25 pulgadas.
17
1.5.6
Refrigeración del Chipset Los chipset de las placas base suelen incorporar una refrigeración pasiva, algunas más completas con sistemas heat pipe y otras más simples como un sencillo disipador de aluminio. Si queremos mejorar el sistema de refrigeración del chipset debemos de mejorar la refrigeración pasiva, o bien, incluir un ventilador a la refrigeración pasiva con la que contamos.
Figura 17: Refrigeración de chipset
1.5.7
Refrigeración de la memoria RAM También podemos encontrar este tipo de disipadotes para refrigerar los módulos de memoria RAM, aunque muchos, no consideran las memorias como punto caliente, estas necesitan mantener una temperatura para un correcto funcionamiento y no reducir su vida útil. El modelo que les mostramos a continuación corresponde al fabricante Xilence su aspecto futurista nos muestra sus dos tubos de calor que mejora la resistencia térmica un 38,6%, su peso es de 0.2kg y su precio ronda los 25 € aprox.
Figura 18: Refrigeración de memoria RAM 18
1.5.8
Refrigeración de la caja Debemos de mantener la caja correctamente refrigerada, ya que si el aire que circula por su interior es caliente, de poco nos servirá tener grandes disipadores y ventiladores. Una caja bien refrigerada mete aire de fuera hacia su interior por su parte inferior, y extrae el aire caliente de su interior por la parte superior de la caja. De esta manera conseguiremos aprovechar de manera óptima el flujo de aire que circula por la caja, ya que el aire caliente tiende a subir y el aire frio tiende a permanecer en el inferior de la caja. El aire frio que entra va calentándose y subiendo hasta que es expulsado. Existen diferentes modelos de ventiladores para mantener el flujo de aire de nuestra caja, debemos saber que cuanto más diámetro tenga el ventilador mayor será el flujo de aire y menor será el ruido que emita. Será cuestión de mirar que modelos se ajustan mejor a nuestras necesidades de ruido, precio, tamaño y diseño.
1.6 Fuente de alimentación y caja (Gabinete) Una parte muy importante que atañe a la refrigeración es la fuente de alimentación. La fuente de alimentación es un gran generador de temperatura, no solo por las temperaturas que alcanza sino por el tamaño que tienen. Es fundamental para un buen funcionamiento del ordenador que esté perfectamente refrigerada, ya que además cada vez son más potentes y por lo tanto general más calor. También es muy importante la refrigeración de la caja en sí, ya que de poco nos va a servir un buen sistema de disipadores si después no evacuamos el calor generado del interior de la caja. Para ello disponemos de una muy amplia gama de ventiladores. Los hay di diferentes tamaños (8, 9 y 12 cms.), con velocidad variable, con luz, etc.
Figura 19: Ventiladores
19
2. METODO EXPERIMENTAL 2.1. Montaje del sistema de refrigeración alternativo El montaje del sistema alternativo se detalla a continuación de manera grafica. 1) Para este montaje se ha escogido un kit de la marca taiwanesa, aunque los componentes básicos necesarios y los pasos a dar serán similares con sistemas de cualquier otro fabricante. Es aconsejable, sin embargo, no mezcla componentes de distintos fabricantes, ya que eso podría dificultar el ensamblaje de los componentes.
Figura 20: Componentes básicos
2) El kit se compone de tres tubos de goma con espiral de metal interior (para que no se aplasten o se doblen y el flujo de agua se mantenga), cinta selladora de teflón, destornillador plano y de estrella intercambiable, dos tiras grandes de forro autoadhesivo, grasa térmica, adaptador para Pentium 4 y procesador clásico de tipo Socket 7, bloque de agua y depósito especial con termómetro.
Figura 21: Tubos de goma
3) Será necesario adquirir por separado el radiador/ventilador, fabricado con una estructura interna especial y hecho de zinc, aluminio y cobre; y la bomba de agua, especialmente fabricada para su colocación en el interior del depósito. El radiador necesita un mínimo de medio litro de agua para funcionar correctamente, siendo el circuito de agua de abajo arriba y el flujo de aire de dentro afuera. Para mayor conocer con mayor detalle sobre el radiador ver el anexo (características y precios aproximados)
20
Figura 22: radiador
4) Es importante realizar el siguiente montaje fuera de la caja del ordenador. Una vez se ha comprobado su buen funcionamiento e impermeabilidad, puede procederse a colocar los elementos en su lugar definitivo. Lo primero será montar la bomba en el interior del depósito. Aunque la bomba lleva un cañete plástico para asegurar su compatibilidad con sistemas de terceros, el depósito del kit Senfu permite, gracias a un tubo de goma interior, conectarla directamente a la salida de agua.
Figura 23: Montaje de la bomba en el interior de depósito
5) Para sellar completamente el depósito será necesario enrollar un trozo de forro autoadhesivo alrededor del cable de alimentación en el punto donde coincide con la abertura de salida, utilizando tanta cinta de teflón como sea necesario. Una vez realizada esta operación, se procederá a cerrar el depósito con los ocho tornillos de la caja.
Figura 24: cubrimiento completo del depósito
21
6) Se procede ahora a la conexión de uno de los tubos de goma a la salida de agua del depósito. No es necesario que el alambre se introduzca en los agujeros, simplemente basta con meter previamente la rosca en el tubo, deslizar el tubo en el caño del depósito, aplicar teflón, tanto como fuera necesario, y finalmente enroscar la rosca para dar un correcto acabado al montaje.
Figura 25: conexión de tubos de goma a la salida de agua del depósito
7) Para enfriar el agua del circuito antes de que entre en el bloque, se utilizará un radiador refrigerado por aire especialmente diseñado para tal fin. El radiador de Senfu está pensado para colocarse en el interior de la caja del ordenador, como se desprende del tipo de cables de alimentación que incorpora (con adaptadores para tomas de tres y cuatro pines), pero podría conectarse exteriormente utilizando un transformador del voltaje adecuado. También puede darse salida a los tubos y cables eléctricos a través de una de las ranuras PCI libres en la caja del ordenador.
Figura 26: El radiador Senfu
8) Tras atornillar las roscas en los pequeños tubos de entrada y salida de agua con el objetivo de agrandar su diámetro, se coloca el tubo de salida del bloque de agua a una de las bocas del radiador, sellándolo con cinta y con una cincha de plástico (incluida en el paquete) para que el sistema sea más seguro. Tras enfriarse en el radiador, el agua saldrá por el otro extremo, al que se acoplará el segundo de los tubos.
22
Figura 27: Tubos de entradas y salidas
9) El tubo de salida del agua del radiador se lleva a una de las entradas del bloque de agua, realizando su unión y sellado de la misma forma que se ha explicado anteriormente. Se ha completado la misión de llevar el agua hasta el bloque que irá sobre el procesador.
Figura 28: Entradas de bloque de agua.
10) Después de enfriar el procesador, el agua caliente sale por el último de los tubos, que se habrá de montar en el otro extremo del bloque.
Figura 29: Bloque extremo
23
11) El agua volverá al depósito por el tubo que se acoplará a la entrada libre del depósito de agua. El montaje exterior ha finalizado. Se procederá entonces a llenar el depósito por el tapón de rosca practicado en la parte superior y, tras cerrarlo, se desatornillará la pequeña válvula de aire para liberar la presión del aire del recipiente cerrado.
Figura 30: Llenado de depósito
12) Tras probarse durante el tiempo suficiente la estanqueidad del circuito, se puede ya proceder a colocar el bloque de agua en su lugar sobre el procesador. No hay que olvidar antes aplicar una buena cantidad de grasa térmica sobre la superficie del chip. En un Pentium 4, se colocan las barras base en los agujeros practicados en el soporte plástico del ventilador.
Figura 31: Colocación el bloque de agua en su lugar sobre el procesador
13) La posición correcta del bloque con respecto al procesador está marcada sobre el mismo bloque, marca que debe coincidir con el tornillo de la barra superior que se coloca entre las guías de plástico. Entonces se procederá a fijar la barra superior atornillando el tornillo central a la parte superior del bloque y las barras laterales a las barras inferiores, ya colocadas sobre el soporte del ventilador.
24
Figura 32: Atornillamiento en la barra superior del bloque
14) Hay que mantener en todo momento la temperatura por debajo del máximo marcado en el termómetro del depósito. Si la temperatura subiera por encima de esa marca, ello significaría que el procesador se está calentando demasiado y que el agua no llega lo suficientemente fría hasta él, con lo cual habría que aplicar mayor potencia de bombeo y/o añadir un radiador suplementario al circuito.
Figura 33: Termómetro del depósito
Nota importante Antes de encender el ordenador, debe hacerse funcionar el sistema durante unos minutos. Al principio los conductos del sistema de refrigeración estarán vacíos, de manera que si se conecta el PC, el procesador empezará a funcionar sin refrigeración alguna. En algunos procesadores, especialmente si se les ha efectuado un overclocking , esta situación hará que se quemen en pocos segundos. Por eso, antes de arrancar el PC debe encenderse la bomba de agua, vigilando los tubos de goma hasta que estén completamente llenos. Golpearlos suavemente facilitará su llenado así como la eliminación de burbujas de aire de su interior.
25
3. RESULTADOS RESULTADOS TESTEO DE LA TARJETA DE VIDEO El intento de “overclockear” la tarjeta de video con la refrigeración convencional no tuvo éxito, cualquier alteración que se realiza en las características de fabrica de la tarjeta en pro de un incremento del rendimiento de la misma torna a la tarjeta inestable debido al incremento del calor a disipar como consecuencia del aumento de la frecuencia de la GPU de la tarjeta (pequeño procesador que se encarga de manipular los gráficos). En la figura 35 se muestra el resultado del benchmarking realizado con 3D Mark como viene de fabrica (GPU a 250 MHz y RAM a 330 MHz). Al implementar la refrigeración líquida y un software especial que permite manipular la frecuencia de la GPU y la RAM interna en pequeños incrementos hasta alcanzar una frecuencia de la GPU de 331 MHz y en la RAM de 350 MHz que comparados con 250 MHz y 330 MHz para la GPU y la RAM respectivamente sin ovrclocking esto en ultimas significa un rango de overclocking de 32% y un incremento en el rendimiento más o menos en igual magnitud ya que aumentamos directamente la capacidad de procesamiento de la tarjeta. La figura Y muestra las características de la tarjeta bajo condiciones máximo overclocking con refrigeración líquida.
Figura 34: tarjeta de video con overclocking y refrigeración liquida Por último, sometemos la tarjeta a la prueba de rendimiento con el 3D Mark de los cual obtenemos como resultado que le rendimiento global en el rendimiento de la tarjeta de video (ponderando los desempeños de la GPU y la RAM) es de aproximadamente 29%. Cabe recordar que la única forma de alcanzar este incremento en el rendimiento en la tarjeta grafica fue la implementación de la refrigeración líquida, con la refrigeración convencional no es posible variar los parámetros de rendimiento de la tarjeta como para obtener una variación perceptible en este.
26
Figura 35: Resultado 3D Mark máximo overclocking y refrigeración liquida Por último se realiza una tabla a manera de resumen de los principales parámetros computacionales y físicos en todos los estados en los que se trabajo el computador con los sistemas de refrigeración. TABLA 01: Comparacion de sistema convencional y sistema alternativo
ESTADO SIN OVERCLOCKING RC* OVERCLOCKING @1723 MHz RC OVERCLOCKING @2380 MHz RL** TARJETA DE VIDEO (RC) TARJETA DE VIDEO (RL)
INCREMENTO EN EL RENDIMIENTO (%) 0
TEMPERATURAS
CALOR DE DESECHO
CAPACIDAD DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
BOARD=41ºC PROC=36ºC
BOARD=14 w PROC=28 W
BOARD=20 W PROC=34 W
BOARD=50ºC PROC=45ºC BOARD=43ºC PROC=38.5ºC
BOARD=16 w PROC=32 W BOARD=30 w PROC=70 W
BOARD=20 W PROC=34 W BOARD=114 w PROC=281 W
GPU=38ºC
GPU=15 W
GPU=20 W
0
GPU=40ºC
GPU=30 W
GPU=71 W
29
8 47.25
*REFRIGERACION CONVENCIONAL **REFRIGERACION LIQUIDA
27
4. DISCUSION La refrigeración de equipos informáticos, dispositivos y componentes, lleva siendo una importante característica desde tiempo atrás, y con el aumento de la potencia de los ordenadores, cada vez es algo que más personas se tienen que plantear. Ante los aumentos de temperatura, y con el objetivo de evitar los problemas que pueden producir los calores excesivos en los equipos, la refrigeración es un paso a tener en cuenta. Pero y aunque lo más obvio es recurrir a dispositivos, coolers y placas de refrigeración profesionales, como las fabricadas por Scythe, Arctic Cooling y Coolermaster, hay otras personas que optan por métodos caseros rudimentarios. Y como es de imaginar, los resultados no son siempre positivos, existiendo curiosidades y consecuencias que merece la pena conocer. A continuación nos muestras algunas ventajas y desventajas con el sistema de refrigeración líquida en PC (agua, aceite o líquido enfriador).
Ventajas y desventajas Este tipo de método para enfriar computadoras ofrece muchas ventajas y desventajas que se muestra los siguientes:
Ventajas:
Mayor eficiencia que un equipo de enfriamiento por aire (ventiladores y dispersores), los líquidos trasportan de mejor manera el calor y mantiene mas frio el equipo. Reducción del ruido, el equipo al ser enfriado por líquido evita el uso de los ventiladores lo que se traduce como menor cantidad de sonido ya que se evitan las vibraciones y el movimiento de los ventiladores. Mayor poder de procesamiento, el tener mayor eficiencia de dispersión del calor permite usar procesadores de mayores capacidades ya que el calor no será un problema con este tipo de refrigeración.
Desventajas:
El precio, los sistemas de enfriamiento líquido son más caros que los de aire ya que se deben de hacer varias modificaciones al equipo y a la caja que son mucho más costosos. Pocas opciones comerciales, los sistemas de refrigeración líquida son todavía poco comercializados por lo que se encuentran pocos equipos con esta opción de refrigeración. Peligros, el contar con uno de estos sistemas conlleva a tener más factores de riegos para el equipo ya que si se rompe algún tubo o existe alguna filtración a los equipos electrónicos del equipo este sufrirá un corto circuito lo cual es muy peligroso.
5. CONCLUSIONES La temperatura de operación del sistema se pueden disminuir algunos grados al aumentar el tamaño del radiador, pero esto incrementaría al costo además del espacio que este ocupa en el sistema, siendo este último variable crítica de diseño. Esta disminución neta de la temperatura no implica una variación perceptible en el rendimiento o la estabilidad del computador, por esta razón no se justifica llevar a cabo esta alteración en el radiador. La refrigeración líquida en los ordenadores PC se está haciendo una práctica más popular, éste método de enfriamiento consiste en enfriar y dispersar el calor que genera el ordenador mediante medios líquidos de dispersión en vez del sistema tradicional aire (ventiladores). 28
