Articulo de referencia

Refrigeración de ordenadores

Un disipador de calor con aletas y ventilador acoplado a una CPU , con un disipador de calor pasivo más pequeño sin ventilador al fondo. Un disipador de calor de 3 ventiladores ...

Un disipador de calor con aletas y ventilador acoplado a una CPU , con un disipador de calor pasivo más pequeño sin ventilador al fondo.
Un disipador de calor de 3 ventiladores montado en una tarjeta de video para maximizar la eficiencia de refrigeración de la GPU y los componentes circundantes.
Fuente de alimentación conmutada del ordenador Commodore 128DCR , con un ventilador de refrigeración de 60 mm instalado por el usuario  . Se utilizan perfiles verticales de aluminio como disipadores de calor.

La refrigeración de los ordenadores es necesaria para eliminar el calor residual generado por el hardware y mantener los componentes dentro de los límites de temperatura de funcionamiento permitidos . Entre los componentes susceptibles a sufrir fallos temporales o permanentes por sobrecalentamiento se incluyen los circuitos integrados, como las unidades centrales de procesamiento (CPU), los chipsets , las tarjetas gráficas , los discos duros y las unidades de estado sólido (SSD).

Los componentes suelen diseñarse para generar el menor calor posible, y los ordenadores y sistemas operativos pueden diseñarse para reducir el consumo de energía y el consiguiente calentamiento en función de la carga de trabajo, pero aun así puede producirse más calor del que se puede eliminar sin prestar atención a la refrigeración. El uso de disipadores de calor refrigerados por flujo de aire reduce el aumento de temperatura producido por una cantidad determinada de calor. Prestar atención a los patrones de flujo de aire puede prevenir la formación de puntos calientes. Los ventiladores de ordenador se utilizan ampliamente junto con los ventiladores del disipador de calor para reducir la temperatura mediante la extracción activa del aire caliente. También existen otras técnicas de refrigeración, como la refrigeración líquida .

Todos los procesadores modernos están diseñados para desconectar o reducir su voltaje o velocidad de reloj si la temperatura interna del procesador supera un límite especificado. Esto se conoce generalmente como limitación térmica cuando se reduce la velocidad de reloj, o apagado térmico cuando se produce un apagado completo del dispositivo o sistema.

La refrigeración puede diseñarse para reducir la temperatura ambiente dentro de la carcasa de un ordenador, por ejemplo, extrayendo el aire caliente, o para enfriar un único componente o una zona pequeña (refrigeración puntual). Los componentes que suelen refrigerarse individualmente incluyen la CPU, la unidad de procesamiento gráfico (GPU) y el puente norte .

Generadores de calor no deseado

Los circuitos integrados (por ejemplo, la CPU y la GPU) son los principales generadores de calor en los ordenadores modernos. La generación de calor puede reducirse mediante un diseño eficiente y la selección de parámetros de funcionamiento como el voltaje y la frecuencia, pero, en última instancia, un rendimiento aceptable a menudo solo se puede lograr controlando la importante generación de calor.

La acumulación de polvo en el disipador de calor de la CPU de este portátil tras tres años de uso ha provocado que el portátil sea inutilizable debido a los frecuentes apagones por sobrecalentamiento.

Durante su funcionamiento, la temperatura de los componentes de un ordenador aumentará hasta que el calor transferido al entorno sea igual al calor producido por el componente; es decir, hasta que se alcance el equilibrio térmico . Para un funcionamiento fiable, la temperatura nunca debe superar un valor máximo admisible específico para cada componente. En el caso de los semiconductores, la temperatura instantánea de la unión , y no la de la carcasa, el disipador de calor o la temperatura ambiente, es fundamental.

La refrigeración puede verse afectada por:

  • El polvo actúa como aislante térmico e impide el flujo de aire, reduciendo así el rendimiento del disipador de calor y del ventilador.
  • Un flujo de aire deficiente, incluyendo turbulencias debido a la fricción con componentes que lo obstruyen, como cables planos , o una orientación incorrecta de los ventiladores, puede reducir la cantidad de aire que circula por la carcasa e incluso crear remolinos localizados de aire caliente en su interior. En algunos casos de equipos con un diseño térmico deficiente, el aire de refrigeración puede escaparse fácilmente por los orificios de ventilación antes de pasar por los componentes calientes; en estos casos, la refrigeración suele mejorarse bloqueando ciertos orificios.
  • La deficiente transferencia de calor se debe al mal contacto térmico entre los componentes a enfriar y los dispositivos de refrigeración. Esto se puede mejorar mediante el uso de compuestos térmicos para nivelar las imperfecciones de la superficie, o incluso mediante el pulido .

Prevención de daños

Dado que las altas temperaturas pueden reducir significativamente la vida útil de los componentes o causar daños permanentes, y que la emisión de calor de estos a veces puede superar la capacidad de refrigeración del ordenador, los fabricantes suelen tomar precauciones adicionales para garantizar que las temperaturas se mantengan dentro de límites seguros. Un ordenador con sensores térmicos integrados en la CPU, la placa base, el chipset o la GPU puede apagarse automáticamente al detectar altas temperaturas para evitar daños permanentes, aunque esto no garantiza por completo un funcionamiento seguro a largo plazo.

Antes de que un componente sobrecalentado alcance este punto, puede ser "limitado" hasta que las temperaturas bajen de un nivel seguro mediante la tecnología de escalado dinámico de frecuencia . La limitación de velocidad reduce la frecuencia y el voltaje de funcionamiento de un circuito integrado o desactiva funciones no esenciales del chip para reducir la generación de calor, a menudo a costa de una ligera o significativa disminución del rendimiento. En ordenadores de sobremesa y portátiles, la limitación de velocidad suele controlarse a nivel de la BIOS . También se utiliza comúnmente para gestionar las temperaturas en smartphones y tabletas, donde los componentes están muy juntos con poca o ninguna refrigeración activa, y con el calor adicional que se transfiere desde la mano del usuario. [ 1 ]

El usuario también puede realizar varias tareas para prevenir daños. Puede inspeccionar visualmente el disipador y los ventiladores de la caja. Si alguno no gira correctamente, es probable que deba reemplazarse. El usuario también debe limpiar los ventiladores a fondo, ya que el polvo y la suciedad pueden aumentar la temperatura ambiente de la caja y afectar el rendimiento de los ventiladores. La mejor manera de hacerlo es con aire comprimido en un espacio abierto. Otra técnica preventiva para evitar daños es reemplazar la pasta térmica regularmente. [ 2 ]

Ordenadores centrales y superordenadores

A medida que las computadoras electrónicas se volvieron más grandes y complejas, la refrigeración de los componentes activos se convirtió en un factor crítico para su funcionamiento fiable. Las primeras computadoras de tubos de vacío, con gabinetes relativamente grandes, podían depender de la circulación de aire natural o forzada para la refrigeración. Sin embargo, los dispositivos de estado sólido se empaquetaban con mucha mayor densidad y tenían temperaturas de funcionamiento admisibles más bajas.

A partir de 1965, IBM y otros fabricantes de ordenadores centrales patrocinaron una intensa investigación sobre la física de la refrigeración de circuitos integrados densamente empaquetados. Se diseñaron e investigaron numerosos sistemas de refrigeración por aire y líquido, utilizando métodos como la convección natural y forzada , el impacto directo de aire, la inmersión directa en líquido y la convección forzada, la ebullición en piscina, las películas descendentes, la ebullición en flujo y el impacto de chorros de líquido. Se empleó el análisis matemático para predecir los aumentos de temperatura de los componentes para cada posible geometría del sistema de refrigeración. [ 3 ]

IBM desarrolló tres generaciones del Módulo de Conducción Térmica (TCM) que utilizaba una placa fría refrigerada por agua en contacto térmico directo con los paquetes de circuitos integrados. Cada paquete tenía un pin conductor térmico presionado sobre él, y gas helio rodeaba los chips y los pines conductores de calor. El diseño podía eliminar hasta 27 vatios de un chip y hasta 2000 vatios por módulo, manteniendo temperaturas del paquete de chips de alrededor de 50 °C (122 °F) . Los sistemas que utilizaban TCM eran la familia 3081 (1980), ES/3090 (1984) y algunos modelos del ES/9000 (1990). [ 3 ] En el procesador IBM 3081, los TCM permitían hasta 2700 vatios en una sola placa de circuito impreso manteniendo la temperatura del chip a 69 °C (156 °F) . [ 4 ] Los módulos de conducción térmica con refrigeración por agua también se utilizaron en sistemas mainframe fabricados por otras empresas, incluidas Mitsubishi y Fujitsu.    

La supercomputadora Cray-1, diseñada en 1976 , contaba con un sistema de refrigeración distintivo. La máquina medía tan solo 2000 mm de altura y 1440 mm de diámetro , y consumía hasta 115 kilovatios; esto es comparable al consumo energético promedio de varias docenas de hogares occidentales o un automóvil de tamaño mediano. Los circuitos integrados utilizados en la máquina eran los más rápidos disponibles en ese momento, gracias a la lógica de acoplamiento por emisor ; sin embargo, esta velocidad conllevaba un alto consumo de energía en comparación con los dispositivos CMOS posteriores .  

La disipación del calor era fundamental. El refrigerante circulaba a través de tuberías integradas en barras de refrigeración verticales en doce secciones columnares de la máquina. Cada uno de los 1662 módulos de circuitos impresos de la máquina tenía un núcleo de cobre y estaba sujeto a la barra de refrigeración. El sistema estaba diseñado para mantener las carcasas de los circuitos integrados a no más de 54 °C (129 °F) , con el refrigerante circulando a 21 °C (70 °F) . La disipación final del calor se realizaba mediante un condensador refrigerado por agua. [ 5 ] Las tuberías, los intercambiadores de calor y las bombas del sistema de refrigeración estaban dispuestos en un banco tapizado alrededor de la base del ordenador. Aproximadamente el 20 % del peso de la máquina en funcionamiento correspondía al refrigerante. [ 6 ]    

En el Cray-2 posterior, con sus módulos más densamente empaquetados, Seymour Cray tuvo problemas para enfriar la máquina eficazmente utilizando la técnica de conducción metálica con refrigeración mecánica, por lo que optó por la refrigeración por inmersión líquida. Este método consistía en llenar el chasis del Cray-2 con un líquido llamado Fluorinert . Fluorinert, como su nombre indica, es un líquido inerte que no interfiere con el funcionamiento de los componentes electrónicos. A medida que los componentes alcanzaban la temperatura de funcionamiento, el calor se disipaba en el Fluorinert, que se bombeaba fuera de la máquina hacia un intercambiador de calor de agua fría . [ 7 ]

El rendimiento por vatio de los sistemas modernos ha mejorado enormemente; se pueden realizar muchos más cálculos con un consumo de energía determinado que con los circuitos integrados de las décadas de 1980 y 1990. Los proyectos recientes de supercomputadoras, como Blue Gene , utilizan refrigeración por aire, lo que reduce el costo, la complejidad y el tamaño de los sistemas en comparación con la refrigeración líquida.

Refrigeración por aire

Disipadores de calor

Disipador de calor pasivo en un chipset
Disipador de calor activo con ventilador y tubos de calor.

Un componente puede colocarse en buen contacto térmico con un disipador de calor, un dispositivo pasivo con gran capacidad térmica y una gran superficie en relación con su volumen. Los disipadores de calor suelen estar hechos de un metal con alta conductividad térmica, como aluminio o cobre, [ 8 ] e incorporan aletas para aumentar la superficie. El calor de un componente relativamente pequeño se transfiere al disipador de calor más grande; la temperatura de equilibrio del componente más el disipador es mucho menor que la del componente solo. El calor se disipa del disipador mediante flujo de aire convectivo o forzado por ventilador. La refrigeración por ventilador se utiliza a menudo para enfriar procesadores y tarjetas gráficas que consumen cantidades significativas de energía eléctrica. En un ordenador, un componente típico generador de calor puede fabricarse con una superficie plana. Un bloque de metal con una superficie plana correspondiente y una construcción con aletas, a veces con un ventilador incorporado, se sujeta al componente. Para rellenar los huecos de aire de baja conductividad debido a superficies imperfectamente planas y lisas, se puede colocar una fina capa de grasa térmica , una almohadilla térmica o un adhesivo térmico entre el componente y el disipador.

El calor se disipa del disipador por convección , en cierta medida por radiación y, posiblemente, por conducción si el disipador está en contacto térmico con, por ejemplo, la carcasa metálica. En los ordenadores de sobremesa estándar se suelen utilizar disipadores de aluminio económicos con ventilador . Los disipadores con base de cobre , o fabricados en cobre, presentan mejores características térmicas que los de aluminio. Un disipador de cobre es más eficaz que uno de aluminio del mismo tamaño, lo cual es relevante en lo que respecta a los componentes de alto consumo energético utilizados en ordenadores de alto rendimiento.

Los disipadores de calor pasivos se encuentran habitualmente en CPU antiguas, componentes que no disipan mucha potencia (como el chipset), ordenadores con procesadores de baja potencia y equipos donde el funcionamiento silencioso es fundamental y el ruido del ventilador es inaceptable.

Normalmente, el disipador de calor se fija al IHS ( Iestador de Discos Integrado ), una placa metálica plana del tamaño del encapsulado de la CPU que forma parte del conjunto de la CPU y distribuye el calor localmente. Se coloca una fina capa de pasta térmica entre ambos para compensar las imperfecciones de la superficie. La función principal del IHS es redistribuir el calor. Las aletas del disipador mejoran su eficiencia.

Módulos de memoria equipados con un disipador de calor con aletas

Varias marcas de módulos de memoria DRAM DDR2, DDR3, DDR4 y DDR5 incorporan un disipador de calor con aletas fijado al borde superior del módulo. Esta misma técnica se utiliza en las tarjetas gráficas que emplean un disipador de calor pasivo con aletas en la GPU.

Las unidades SSD M.2 de gama alta pueden generar bastante calor, por lo que es posible que se vendan con un disipador de calor incluido, o bien que el usuario instale un disipador de calor de terceros durante la instalación.

Los disipadores de calor de aluminio con ventilador eran originalmente la norma para los ordenadores de sobremesa, pero hoy en día muchos disipadores de calor incorporan una placa base de cobre, un círculo base de cobre o están fabricados completamente de cobre.

El polvo tiende a acumularse en las ranuras de los disipadores de calor con aletas, especialmente con el alto flujo de aire que generan los ventiladores. Esto aleja el aire del componente caliente, reduciendo la eficacia de la refrigeración; sin embargo, al eliminar el polvo se restablece dicha eficacia.

Refrigeración por aire pasiva

Placa base de un ordenador NeXTcube (1990) con microprocesador Motorola 68040 de 32 bits , que funcionaba a 25 MHz . En el borde inferior de la imagen, a la izquierda del centro, se puede apreciar el disipador de calor montado directamente sobre la CPU. No disponía de ventilador propio. El único otro circuito integrado con disipador de calor es el RAMDAC (a la derecha de la CPU).

La refrigeración pasiva mediante disipadores consiste en fijar un bloque de metal mecanizado o extruido a la pieza que necesita refrigeración. Se puede utilizar un adhesivo térmico. En el caso de la CPU de un ordenador personal , lo más habitual es que una abrazadera sujete el disipador directamente sobre el chip, con una capa de pasta térmica o una almohadilla térmica entre ambos. Este bloque cuenta con aletas y nervaduras para aumentar su superficie. La conductividad térmica del metal es mucho mayor que la del aire, y disipa el calor mejor que el componente que protege (normalmente un circuito integrado o una CPU).

La acumulación de polvo entre las aletas metálicas de un disipador de calor reduce gradualmente su eficiencia, pero esto se puede contrarrestar con un soplador de aire comprimido que elimina el polvo junto con cualquier otro material sobrante no deseado.

Los disipadores de calor pasivos se encuentran comúnmente en CPU antiguas, componentes que no se calientan mucho (como el chipset), ordenadores de bajo consumo y dispositivos integrados. Muchos smartphones utilizan únicamente refrigeración pasiva.

Normalmente, un disipador de calor se acopla al difusor de calor integrado (IHS), que consiste básicamente en una placa plana y grande fijada a la CPU, con una capa de pasta térmica conductora entre ambas. Esto disipa o distribuye el calor localmente. A diferencia de un disipador, un difusor tiene como objetivo redistribuir el calor, no eliminarlo. Además, el IHS protege la frágil CPU.

La refrigeración pasiva no genera ruido de ventilador, ya que la convección mueve el aire sobre el disipador de calor.

Refrigeración activa por aire

Aficionados

Los ventiladores se utilizan cuando la convección natural no es suficiente para disipar el calor. Pueden estar instalados en la carcasa del ordenador o conectados a la CPU, la GPU, los chipsets, las fuentes de alimentación (PSU), los discos duros o como tarjetas enchufadas a una ranura de expansión. Los tamaños más comunes son 40, 60, 80, 92, 120 y 140 mm. En ordenadores personales de alto rendimiento, a veces se utilizan ventiladores  de 200, 230, 250 y 300 mm. 

Rendimiento de los ventiladores en el chasis
Curvas de impedancia típicas del ventilador y del chasis

Un ordenador presenta cierta resistencia al flujo de aire a través del chasis y sus componentes. Esta resistencia se debe a la suma de todos los pequeños obstáculos al flujo de aire, como las entradas y salidas de aire, los filtros de aire, el chasis interno y los componentes electrónicos. Los ventiladores son bombas de aire sencillas que proporcionan presión al aire de entrada en relación con el de salida. Esta diferencia de presión mueve el aire a través del chasis, dirigiéndolo hacia las zonas de menor presión.

Los ventiladores suelen tener dos especificaciones publicadas: caudal de aire libre y presión diferencial máxima. El caudal de aire libre es la cantidad de aire que un ventilador mueve sin contrapresión. La presión diferencial máxima es la presión que un ventilador puede generar cuando está completamente bloqueado. Entre estos dos extremos se encuentra una serie de mediciones correspondientes de caudal frente a presión, que generalmente se presentan en un gráfico. Cada modelo de ventilador tendrá una curva única, como las curvas punteadas en la ilustración adjunta. [ 9 ]

Instalación en paralelo versus en serie

Los ventiladores se pueden instalar en paralelo, en serie o combinando ambas opciones. La instalación en paralelo consiste en colocar los ventiladores uno al lado del otro. La instalación en serie consiste en colocar un segundo ventilador junto a otro, como un ventilador de entrada y uno de salida. Para simplificar la explicación, se asume que los ventiladores son del mismo modelo.

Los ventiladores en paralelo proporcionan el doble de flujo de aire libre, pero sin presión motriz adicional. La instalación en serie, por otro lado, duplica la presión estática disponible, pero no aumenta el caudal de aire libre. La ilustración adjunta muestra un solo ventilador frente a dos ventiladores en paralelo con una presión máxima de 0,15 pulgadas (3,8 mm) de agua y un caudal duplicado de aproximadamente 72 pies cúbicos por minuto (2,0 / min) .  

Cabe destacar que el caudal de aire varía con la raíz cuadrada de la presión. Por lo tanto, duplicar la presión solo incrementará el caudal 1,41 ( √2 ) veces, no el doble como podría suponerse. Dicho de otro modo , la presión debe cuadruplicarse para duplicar el caudal.

Para determinar el caudal a través de un chasis, se puede medir la curva de impedancia del chasis aplicando una presión arbitraria en la entrada y midiendo el flujo a través del mismo. Esto requiere un equipo bastante sofisticado. Una vez determinada la curva de impedancia del chasis (representada por las líneas rojas y negras continuas en la curva adyacente), se muestra gráficamente el flujo real a través del chasis generado por una configuración de ventilador específica en el punto donde la curva de impedancia del chasis se cruza con la curva del ventilador. La pendiente de la curva de impedancia del chasis es una función de raíz cuadrada, donde duplicar el caudal requiere cuadruplicar la presión diferencial.

En este ejemplo concreto, la adición de un segundo ventilador proporcionó una mejora marginal , con un caudal aproximado de 27–28 pies cúbicos por minuto (0,76–0,79 /min) para ambas configuraciones . Si bien no se muestra en el gráfico, un segundo ventilador en serie ofrecería un rendimiento ligeramente superior al de la instalación en paralelo. 

Temperatura frente al caudal

La ecuación para el flujo de aire requerido a través de un chasis es:

CFM=PAGdopag×r×dT{\displaystyle {\text{CFM}}={\frac {P}{Cp\times r\times dT}}}

dónde

  • CFM{\displaystyle {\text{CFM}}}= Pies cúbicos por minuto ( 0,028 / min ) 
  • PAG{\displaystyle P}= Calor transferido ( kW )
  • dopag{\displaystyle Cp}= Calor específico del aire
  • r{\displaystyle r}= Densidad
  • dT{\displaystyle dT}= Cambio de temperatura (en °F)

Una regla práctica sencilla y conservadora para los requisitos de flujo de refrigeración, que no tiene en cuenta efectos como la pérdida de calor a través de las paredes del chasis y el flujo laminar frente al turbulento, y que considera las constantes de calor específico y densidad a nivel del mar, es la siguiente:

CFM=3.16×PAGaumento de temperatura permitido enF{\displaystyle {\text{CFM}}={\frac {3.16\times P}{{\text{aumento de temperatura permitido en}}^{\circ }F}}}
CFM=1,76×PAGaumento de temperatura permitido endo{\displaystyle {\text{CFM}}={\frac {1,76\times P}{{\text{aumento de temperatura permitido en}}^{\circ }C}}}

Por ejemplo, un chasis típico con una carga de 500 vatios, una temperatura interna máxima de 130 °F (54 °C) en un entorno de 100 °F (38 °C) , es decir, una diferencia de 30 °F (17 °C) :      

CFM=3.16×500 W(130100)=53{\displaystyle {\text{CFM}}={\frac {3.16\times 500\ {\text{W}}}{(130-100)}}=53}

Esto se refiere al flujo real a través del chasis y no al caudal de aire libre del ventilador. Cabe destacar también que "Q", el calor transferido, depende de la eficiencia de transferencia de calor del disipador de la CPU o la GPU al flujo de aire.

Bomba piezoeléctrica

Un sistema de refrigeración piezoeléctrico dual, patentado por GE , utiliza vibraciones para bombear aire a través del dispositivo. El prototipo tiene tres milímetros de grosor y consta de dos discos de níquel conectados a un pequeño bloque de cerámica piezoeléctrica. Una corriente alterna que atraviesa el componente cerámico provoca su expansión y contracción hasta 150 veces por segundo, de modo que los discos de níquel actúan como un fuelle. Al contraerse, los bordes de los discos se separan y aspiran el aire caliente. Al expandirse, los discos de níquel se juntan, expulsando el aire a alta velocidad.

El dispositivo no tiene rodamientos ni requiere motor. Es más delgado y consume menos energía que los ventiladores convencionales. El chorro puede mover la misma cantidad de aire que un ventilador de refrigeración del doble de su tamaño, consumiendo la mitad de electricidad y a un menor costo. [ 10 ]

Bomba de viento iónica

La tecnología de refrigeración que están desarrollando Kronos y Thorn Micro Technologies emplea un dispositivo llamado bomba de viento iónica (también conocida como acelerador de fluidos electrostático). El principio de funcionamiento básico de una bomba de viento iónica es la descarga de corona , una descarga eléctrica cerca de un conductor cargado causada por la ionización del aire circundante.

El enfriador de descarga de corona desarrollado por Kronos funciona de la siguiente manera: se crea un campo eléctrico intenso en la punta del cátodo, que se ubica en un lado de la CPU. El alto potencial energético provoca la ionización (carga positiva) de las moléculas de oxígeno y nitrógeno presentes en el aire, creando una corona (un halo de partículas cargadas). Al colocar un ánodo conectado a tierra en el extremo opuesto de la CPU, los iones cargados de la corona se aceleran hacia el ánodo, colisionando con las moléculas de aire neutras en su trayectoria. Durante estas colisiones, el momento se transfiere del gas ionizado a las moléculas de aire neutras, lo que resulta en el movimiento del gas hacia el ánodo.

Las ventajas del enfriador basado en corona son la ausencia de partes móviles, lo que elimina ciertos problemas de fiabilidad, y su funcionamiento con un nivel de ruido casi nulo y un consumo de energía moderado. [ 11 ]

Otras técnicas

Métodos de conducción de calor

Tubos de calor y cámaras de vapor

Una tarjeta gráfica con un diseño de disipador de calor sin ventilador mediante tubos de calor.

Un tubo de calor es un tubo hueco que contiene un líquido de transferencia de calor. El líquido absorbe calor y se evapora en un extremo del tubo. El vapor se desplaza hacia el otro extremo (más frío), donde se condensa, liberando su calor latente . El líquido regresa al extremo caliente del tubo por gravedad o capilaridad y repite el ciclo. Los tubos de calor tienen una conductividad térmica efectiva mucho mayor que los materiales sólidos. En ordenadores, el disipador de calor de la CPU se conecta a un radiador de mayor tamaño. Ambos disipadores son huecos, al igual que la conexión entre ellos, creando un único tubo de calor que transfiere el calor de la CPU al radiador, que luego se enfría mediante algún método convencional. Este método se suele utilizar cuando el espacio es limitado, como en ordenadores de sobremesa y portátiles compactos, o cuando no se tolera el ruido del ventilador, como en la producción de audio. Debido a la eficiencia de este método de refrigeración, muchas CPU y GPU de escritorio, así como chipsets de gama alta, utilizan tubos de calor o cámaras de vapor, además de la refrigeración activa por ventilador y los disipadores pasivos, para mantener temperaturas de funcionamiento seguras. Una cámara de vapor funciona con los mismos principios que un tubo de calor, pero tiene forma de placa o lámina en lugar de tubo. Los tubos de calor pueden colocarse verticalmente en la parte superior y formar parte de las cámaras de vapor. Las cámaras de vapor también se utilizan en teléfonos inteligentes de gama alta .

Refrigeración líquida

Una unidad de refrigeración todo en uno (AIO), instalada en una caja
Configuración de refrigeración líquida casera  que muestra una bomba de 12 V, un bloque de agua para la CPU y la aplicación típica de una línea en T.
Esquema de un sistema de refrigeración líquida estándar para PC.

La refrigeración líquida es un método muy eficaz para disipar el calor excesivo. El fluido de transferencia de calor más común en ordenadores de sobremesa es el agua destilada con aditivos. Entre las ventajas de la refrigeración líquida sobre la refrigeración por aire se incluyen la mayor capacidad calorífica específica y la conductividad térmica del agua . La refrigeración líquida se suele combinar con la refrigeración por aire, utilizando la refrigeración líquida para los componentes que generan más calor y manteniendo la refrigeración por aire, más sencilla y económica, para los componentes que requieren menos refrigeración.

El principio utilizado en un sistema típico de refrigeración líquida activa para ordenadores es idéntico al utilizado en el motor de combustión interna de un automóvil , donde el agua circula mediante una bomba a través de un bloque de agua montado en la CPU (y a veces en componentes adicionales como la GPU, la RAM o el chipset) [ 12 ] [ 13 ] y sale hacia un intercambiador de calor , normalmente un radiador . El radiador suele enfriarse adicionalmente mediante un ventilador . [ 12 ] Además de un ventilador, también podría enfriarse por otros medios, como un enfriador Peltier (aunque los elementos Peltier se colocan con mayor frecuencia directamente sobre el hardware que se va a enfriar, y el refrigerante se utiliza para conducir el calor lejos del lado caliente del elemento Peltier). [ 14 ] [ 15 ] A menudo también se conecta un depósito de refrigerante al sistema. [ 16 ]

Además de los sistemas de refrigeración líquida activa, también se utilizan a veces sistemas de refrigeración líquida pasiva. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] Estos sistemas suelen prescindir de un ventilador o una bomba de agua, lo que teóricamente aumenta su fiabilidad y los hace más silenciosos que los sistemas activos. Las desventajas de estos sistemas son que son mucho menos eficientes en la disipación del calor y, por lo tanto, necesitan mucho más refrigerante —y un depósito proporcionalmente mayor— para que tenga tiempo de enfriarse.

Los líquidos permiten una mayor transferencia de calor de las piezas que se enfrían que el aire, lo que hace que la refrigeración líquida sea adecuada para aplicaciones informáticas de alto rendimiento. [ 22 ] En comparación con la refrigeración por aire, la refrigeración líquida también se ve menos afectada por la temperatura ambiente. [ 23 ] La refrigeración líquida permite una mayor flexibilidad en la ubicación del radiador, lo que facilita la optimización de la refrigeración dentro de una carcasa y la expulsión del aire caliente, en comparación con los enfriadores de aire. Si bien la refrigeración líquida reduce los niveles de ruido gracias a un mejor rendimiento de refrigeración y, por lo tanto, a velocidades de ventilador más bajas, las bombas utilizadas para hacer circular el líquido suelen funcionar a altas RPM y pueden ser ruidosas.

Las desventajas de la refrigeración líquida incluyen la complejidad y el potencial de fugas de refrigerante. El agua que se filtra (y cualquier aditivo en ella) puede dañar los componentes electrónicos con los que entra en contacto, y la necesidad de probar y reparar fugas hace que las instalaciones sean más complejas y menos fiables. [ 24 ] (La primera incursión importante en el campo de las computadoras personales refrigeradas por líquido para uso general, las versiones de gama alta del Power Mac G5 de Apple , finalmente estuvo condenada por una propensión a las fugas de refrigerante. [ 25 ] ) Un disipador de calor refrigerado por aire es generalmente mucho más sencillo de construir, instalar y mantener que una solución de refrigeración por agua, [ 26 ] aunque los kits AIO simplifican la instalación.

Aunque originalmente se limitaba a los ordenadores centrales , la refrigeración líquida se ha convertido en una práctica asociada principalmente al overclocking, ya sea mediante kits todo en uno (AIO) fabricados o configuraciones de bricolaje ensambladas a partir de piezas individuales. [ 27 ] Tras la invención del refrigerador líquido de circuito cerrado (AIO) por Asetek , [ 28 ] en la década de 2010 se observó un aumento en la popularidad de la refrigeración líquida en ordenadores de sobremesa preensamblados de rendimiento moderado a alto. [ 29 ] Los sistemas de circuito cerrado sellados que incorporan un radiador prellenado, uno o más ventiladores y un bloque de agua con bomba simplifican la instalación y el mantenimiento de la refrigeración líquida a un ligero coste en la eficacia de refrigeración en comparación con configuraciones más grandes y complejas.

Se han demostrado otros usos del calor transportado por la refrigeración líquida. El sistema IBM Aquasar utiliza refrigeración por agua caliente para lograr eficiencia energética , y el agua también se utiliza para calentar edificios. [ 30 ] [ 31 ]

Termosifón bombeado

Como alternativa, se está desarrollando un nuevo tipo de sistema de refrigeración que incorpora una bomba en el circuito de termosifón . ​​Esto aporta mayor flexibilidad al ingeniero de diseño, ya que el calor puede transportarse eficazmente desde la fuente de calor y recuperarse o disiparse al ambiente. La temperatura de la unión se puede ajustar modificando la presión del sistema; a mayor presión, mayor temperatura de saturación del fluido. Esto permite utilizar condensadores y ventiladores más pequeños, así como una disipación de calor más eficiente en entornos con altas temperaturas ambiente. Estos sistemas representan, en esencia, la próxima generación de refrigeración por fluidos, ya que son aproximadamente diez veces más eficientes que la refrigeración por agua monofásica. Dado que el sistema utiliza un dieléctrico como medio de transporte de calor, las fugas no provocan un fallo catastrófico del sistema eléctrico.

Un "termosifón" se refiere tradicionalmente a un sistema cerrado compuesto por varias tuberías o cámaras, con una cámara más grande que contiene un pequeño depósito de líquido (a menudo con un punto de ebullición ligeramente superior a la temperatura ambiente, aunque no necesariamente). La cámara más grande se encuentra lo más cerca posible de la fuente de calor y está diseñada para transferir la mayor cantidad de calor posible al líquido; por ejemplo, una placa fría de la CPU con la cámara interior llena de líquido. Una o más tuberías se extienden hacia arriba hasta un radiador o área de disipación de calor similar. Todo está configurado de tal manera que la CPU calienta el depósito y el líquido que contiene, el cual comienza a hervir. El vapor asciende por las tuberías hasta el radiador o área de disipación de calor y, tras condensarse, gotea de nuevo al depósito o se desliza por las paredes de la tubería. Esto no requiere piezas móviles y es algo similar a una bomba de calor, excepto que no se utiliza la acción capilar, lo que lo hace potencialmente mejor en cierto sentido (quizás lo más importante es que es mucho más fácil de construir y mucho más personalizable para casos de uso específicos, y el flujo de refrigerante/vapor se puede organizar en una variedad mucho más amplia de posiciones y distancias, y tiene una masa térmica y una capacidad máxima mucho mayores en comparación con los tubos de calor, que están limitados por la cantidad de refrigerante presente y la velocidad y el caudal de refrigerante que la acción capilar puede lograr con la mecha utilizada, a menudo polvo de cobre sinterizado en las paredes del tubo, que tienen un caudal y una capacidad limitados).

Integrado en el chip

Las técnicas de refrigeración convencionales fijan su componente de refrigeración al exterior del encapsulado del chip. Esta fijación siempre presenta cierta resistencia térmica, lo que reduce su eficacia. El calor se puede eliminar de forma más eficiente y rápida enfriando directamente los puntos calientes del chip, dentro del encapsulado. En estas zonas, puede producirse una disipación de potencia superior a 300  W/cm² ( la de una CPU típica es inferior a 100  W/cm² ) , aunque se prevé que los sistemas futuros superen los 1000  W/cm² . [ 32 ] Esta forma de refrigeración localizada es esencial para el desarrollo de chips de alta densidad de potencia. Esta idea ha impulsado la investigación de la integración de elementos de refrigeración en el propio chip. Actualmente existen dos técnicas: disipadores de calor de microcanales y refrigeración por impacto de chorro.

En los disipadores de calor de microcanales, se fabrican canales en el chip de silicio (CPU) y se bombea refrigerante a través de ellos. Los canales están diseñados con una superficie muy grande, lo que resulta en una gran transferencia de calor. Se ha reportado una disipación de calor de 3000  W/cm² con esta técnica. [ 33 ] La disipación de calor puede incrementarse aún más si se aplica refrigeración por flujo bifásico. Desafortunadamente, el sistema requiere grandes caídas de presión, debido a los pequeños canales, y el flujo de calor es menor con los refrigerantes dieléctricos utilizados en la refrigeración electrónica.

Otra técnica de refrigeración local del chip es la refrigeración por impacto de chorro. En esta técnica, un refrigerante fluye a través de un pequeño orificio para formar un chorro. El chorro se dirige hacia la superficie del chip de la CPU y puede eliminar eficazmente grandes flujos de calor. Se ha informado de una disipación de calor superior a 1000  W/cm² . [ 34 ] El sistema puede funcionar a menor presión en comparación con el método de microcanales. La transferencia de calor puede incrementarse aún más mediante la refrigeración por flujo bifásico y la integración de canales de retorno (un sistema híbrido entre disipadores de calor de microcanales y refrigeración por impacto de chorro).

Objetivos de conducción de calor

Nitrógeno líquido

Se puede utilizar nitrógeno líquido para enfriar componentes sometidos a overclocking.

Dado que el nitrógeno líquido hierve a -196 °C (-320,8 °F) , muy por debajo del punto de congelación del agua, resulta valioso como refrigerante extremo para sesiones cortas de overclocking.  

En una instalación típica de refrigeración por nitrógeno líquido, se monta un tubo de cobre o aluminio sobre el procesador o la tarjeta gráfica. Después de aislar el sistema considerablemente para evitar la condensación, se vierte el nitrógeno líquido en el tubo, lo que da como resultado temperaturas muy inferiores a -100 °C (-148 °F) .  

Los dispositivos de evaporación, que van desde disipadores de calor con tubos conectados hasta contenedores de cobre mecanizados a medida, se utilizan para contener el nitrógeno y evitar grandes cambios de temperatura. Sin embargo, una vez que el nitrógeno se evapora, es necesario rellenarlo. En el ámbito de los ordenadores personales, este método de refrigeración rara vez se utiliza fuera de las pruebas de overclocking y los intentos de batir récords, ya que la CPU suele averiarse en un periodo de tiempo relativamente corto debido al estrés térmico provocado por los cambios en la temperatura interna.

Aunque el nitrógeno líquido no es inflamable, puede condensar el oxígeno directamente del aire. Las mezclas de oxígeno líquido y materiales inflamables pueden ser peligrosamente explosivas .

La refrigeración con nitrógeno líquido generalmente solo se utiliza para realizar pruebas de rendimiento de procesadores, debido a que su uso continuo puede causar daños permanentes a una o más partes del ordenador y, si se manipula de forma descuidada, incluso puede perjudicar al usuario, provocando congelación .

helio líquido

El helio líquido , más frío que el nitrógeno líquido, también se ha utilizado para la refrigeración. El helio líquido hierve a −269 °C (−452,20 °F) , y se han medido temperaturas que oscilan entre −230 y −240 °C (−382,0 y −400,0 °F) en el disipador de calor. [ 35 ] Sin embargo, el helio líquido es más caro y más difícil de almacenar y usar que el nitrógeno líquido. Además, las temperaturas extremadamente bajas pueden provocar que los circuitos integrados dejen de funcionar. Los semiconductores basados ​​en silicio, por ejemplo, se congelan a unos −233 °C (−387,4 °F) . [ 36 ]      

Torre de evaporación

Comúnmente conocido como enfriamiento por bong o caldera, debido a su apariencia externa. El agua se atomiza y se sopla a través de un disipador de calor con un ventilador. La niebla aumenta la superficie del agua, lo que la enfría. Se puede añadir hielo para temperaturas más bajas. [ 37 ] [ 38 ]

Refrigeración

Refrigeración Peltier (termoeléctrica)
Configuración estándar de refrigeración Peltier para PC

Las uniones Peltier generalmente solo alcanzan una eficiencia de entre el 10 % y el 15 % en comparación con el refrigerador ideal ( ciclo de Carnot ), frente al 40 %-60 % que logran los sistemas de ciclo de compresión convencionales (sistemas Rankine inversos que utilizan compresión/expansión). [ 39 ] Debido a esta menor eficiencia, la refrigeración termoeléctrica generalmente solo se utiliza en entornos donde la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles , bajo mantenimiento, tamaño compacto e insensibilidad a la orientación) supera la eficiencia pura.

Los sistemas termoeléctricos modernos utilizan varias unidades apiladas, cada una compuesta por docenas o cientos de termopares dispuestos uno junto al otro, lo que permite una transferencia de calor considerable. Para los termopares se suele utilizar una combinación de bismuto y telurio .

Como bombas de calor activas que consumen energía, los módulos termoeléctricos (TEC) pueden generar temperaturas inferiores a la ambiente, algo imposible con disipadores de calor pasivos, refrigeración líquida por radiadores y disipadores de calor con tubos de calor. Sin embargo, al bombear calor, un módulo Peltier suele consumir más energía eléctrica que la cantidad de calor que bombea.

También es posible utilizar un elemento Peltier junto con un refrigerante de alta presión (refrigeración de dos fases) para enfriar la CPU. [ 40 ] [ 41 ]

Compresión de vapor

La refrigeración por cambio de fase es una forma extremadamente eficaz de enfriar el procesador. Un enfriador de cambio de fase por compresión de vapor es una unidad que normalmente se ubica debajo del PC, con un tubo que conduce al procesador. Dentro de la unidad hay un compresor del mismo tipo que el de un aire acondicionado . El compresor comprime un gas (o mezcla de gases) que proviene del evaporador (enfriador de CPU que se describe más adelante). Luego, el vapor a alta presión y muy caliente se impulsa hacia el condensador (dispositivo de disipación de calor) donde se condensa de gas caliente a líquido, generalmente subenfriado a la salida del condensador. Posteriormente, el líquido se alimenta a un dispositivo de expansión (restricción en el sistema) para provocar una caída de presión y vaporizar el fluido (hacer que alcance una presión en la que pueda hervir a la temperatura deseada); el dispositivo de expansión utilizado puede ser un simple tubo capilar o una válvula de expansión térmica más elaborada. El líquido se evapora (cambia de fase), absorbiendo el calor del procesador a medida que extrae energía adicional de su entorno para adaptarse a este cambio (véase calor latente ). La evaporación puede producir temperaturas que alcanzan entre -15 y -150 °C (5 y -238 °F) . El líquido fluye hacia el evaporador, enfriando la CPU, y se convierte en vapor a baja presión. Al final del evaporador, este gas fluye hacia el compresor y el ciclo comienza de nuevo. De esta manera, el procesador puede enfriarse a temperaturas que van desde -15 hasta -150 °C (5 y -238 °F) , dependiendo de la carga, la potencia del procesador, el sistema de refrigeración (ver refrigeración ) y la mezcla de gases utilizada. Este tipo de sistema presenta varios problemas (costo, peso, tamaño, vibración, mantenimiento, costo de la electricidad, ruido, necesidad de una torre de computadora especializada), pero, principalmente, se debe tener en cuenta el punto de rocío y el aislamiento adecuado de todas las superficies que se encuentran por debajo de la temperatura ambiente (las tuberías se condensarán, goteando agua sobre los componentes electrónicos sensibles).    

Este tipo de refrigeración se considera una solución más extrema para enfriar componentes, ya que las unidades son relativamente caras en comparación con una computadora de escritorio promedio. Además, generan bastante ruido, puesto que funcionan como refrigeradores; sin embargo, la elección del compresor y del sistema de refrigeración por aire es el factor determinante, lo que permite cierta flexibilidad para reducir el ruido según los componentes seleccionados.

Ambos

Refrigeración por inmersión líquida

Un ordenador sumergido en aceite mineral

Otra tendencia creciente debido a la creciente densidad de calor de las computadoras, GPU, FPGA y ASIC es sumergir la computadora completa o componentes seleccionados en un líquido conductor térmico, pero no eléctrico . Aunque raramente se usa para la refrigeración de computadoras personales, [ 42 ] la inmersión en líquido es un método rutinario para refrigerar grandes componentes de distribución de energía, como transformadores . También se está popularizando en los centros de datos. [ 43 ] [ 44 ] Las computadoras personales refrigeradas de esta manera pueden no requerir ventiladores ni bombas, y pueden refrigerarse exclusivamente mediante intercambio de calor pasivo entre el hardware de la computadora y la carcasa en la que se encuentra. [ 44 ] [ 45 ] Sin embargo, aún podría ser necesario un intercambiador de calor (es decir, un núcleo calefactor o radiador), y las tuberías también deben colocarse correctamente. [ 46 ]

El refrigerante utilizado debe tener una conductividad eléctrica suficientemente baja para no interferir con el funcionamiento normal del ordenador. Si el líquido es ligeramente conductor, puede provocar cortocircuitos entre componentes o pistas y dañarlos permanentemente. [ 47 ] Por estas razones, se prefiere que el líquido sea un aislante ( dieléctrico ) y no conduzca electricidad.

Existe una amplia variedad de líquidos para este fin, incluidos aceites para transformadores , refrigerantes dieléctricos sintéticos monofásicos y bifásicos como 3M Fluorinert o 3M Novec. También se han utilizado con éxito aceites no específicos, como aceites de cocina, de motor y de silicona , para refrigerar ordenadores personales.

Algunos fluidos utilizados en la refrigeración por inmersión, especialmente los materiales a base de hidrocarburos como aceites minerales, aceites de cocina y ésteres orgánicos, pueden degradar algunos materiales comunes utilizados en computadoras, como caucho, cloruro de polivinilo (PVC) y grasas térmicas . Por lo tanto, es fundamental revisar la compatibilidad de los materiales de dichos fluidos antes de su uso. Se ha descubierto que el aceite mineral, en particular, tiene efectos negativos sobre el aislamiento de cables a base de PVC y caucho. [ 48 ] Se ha informado que las pastas térmicas utilizadas para transferir calor a los disipadores de calor desde procesadores y tarjetas gráficas se disuelven en algunos líquidos, aunque con un impacto insignificante en la refrigeración, a menos que los componentes se retiren y se operen al aire. [ 49 ]

La evaporación, especialmente para refrigerantes bifásicos, puede plantear un problema, [ 50 ] y el líquido puede requerir ser rellenado regularmente o sellado dentro de la carcasa del ordenador. La refrigeración por inmersión permite valores PUE extremadamente bajos de 1,05, frente a los 1,35 de la refrigeración por aire, y permite hasta 100  kW de potencia de cálculo (disipación de calor, TDP) por rack de 19 pulgadas , en comparación con la refrigeración por aire, que normalmente maneja hasta 23  kW. [ 51 ]

Otro

reducción del calor residual

Selección de piezas

Cuando no se requieren computadoras potentes con muchas funciones, se pueden utilizar computadoras menos potentes o con menos funciones. A partir de 2011Una placa base VIA EPIA con CPU disipa normalmente unos 25  vatios de calor, mientras que una placa base y CPU Pentium 4 más potentes disipan alrededor de 140  vatios. Los ordenadores pueden alimentarse con corriente continua desde una fuente de alimentación externa que no genera calor dentro de la carcasa. La sustitución de las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) por pantallas de cristal líquido (LCD) más eficientes y de pantalla delgada a principios del siglo XXI ha reducido significativamente el consumo de energía.

Refrigeración suave

La refrigeración suave consiste en utilizar software para aprovechar las tecnologías de ahorro de energía de la CPU y minimizar su consumo. Esto se logra mediante instrucciones de parada para apagar o poner en modo de espera los subcomponentes de la CPU que no se utilizan, o bien reduciendo su frecuencia. Si bien esto resulta en velocidades totales más bajas, puede ser muy útil al overclockear una CPU para mejorar la experiencia del usuario en lugar de aumentar la potencia de procesamiento bruta, ya que puede evitar la necesidad de una refrigeración más ruidosa. Contrariamente a lo que sugiere el término, no se trata de una forma de refrigeración, sino de reducir la generación de calor.

Subtensión

El undervolting consiste en hacer funcionar la CPU o cualquier otro componente con voltajes inferiores a las especificaciones del dispositivo. Un componente con undervolting consume menos energía y, por lo tanto, genera menos calor. La capacidad de realizar esta operación varía según el fabricante, la línea de productos e incluso las distintas series de producción del mismo producto (así como la de otros componentes del sistema), pero los procesadores suelen estar diseñados para funcionar con voltajes superiores a los estrictamente necesarios. Esta tolerancia garantiza que el procesador tenga mayores probabilidades de funcionar correctamente en condiciones subóptimas, como una placa base de baja calidad o voltajes de alimentación bajos. Por debajo de cierto límite, el procesador no funcionará correctamente, aunque un undervolting excesivo no suele provocar daños permanentes en el hardware (a diferencia del overvolting).

La reducción de voltaje se utiliza para sistemas silenciosos , ya que se necesita menos refrigeración debido a la disminución de la producción de calor, lo que permite prescindir de ventiladores ruidosos. También se utiliza cuando se debe maximizar la duración de la batería.

Mejoramiento

La refrigeración puede mejorarse mediante diversas técnicas, que pueden implicar gastos o esfuerzos adicionales. Estas técnicas suelen ser utilizadas, en particular, por quienes hacen funcionar componentes de su ordenador (como la CPU y la GPU) a voltajes y frecuencias superiores a las especificadas por el fabricante ( overclocking ), lo que aumenta la generación de calor.

La instalación de sistemas de refrigeración de alto rendimiento, que no vienen de serie, también puede considerarse una modificación . Muchos entusiastas del overclocking simplemente compran combinaciones de ventiladores y disipadores más eficientes y, a menudo, más caras, mientras que otros recurren a métodos de refrigeración más sofisticados, como la refrigeración líquida, las bombas de calor con efecto Peltier, los tubos de calor o la refrigeración por cambio de fase.

También existen algunas prácticas relacionadas que tienen un impacto positivo en la reducción de las temperaturas del sistema:

Compuestos conductores del calor

A menudo se le denomina material de interfaz térmica (TIM). [ 52 ]

La pasta térmica se usa comúnmente para mejorar la conductividad térmica desde la CPU, la GPU o cualquier componente que genere calor hasta el disipador. (En sentido contrario a las agujas del reloj desde la parte superior izquierda: Arctic MX-2, Arctic MX-4, Tuniq TX-4, Antec Formula 7, Noctua NT-H1).

Las superficies perfectamente planas en contacto proporcionan una refrigeración óptima, pero lograr una planitud perfecta y la ausencia de microespacios de aire no es prácticamente posible, sobre todo en equipos de producción en serie . Una capa muy fina de compuesto térmico , que es mucho más conductor del calor que el aire, aunque mucho menos que el metal, puede mejorar el contacto térmico y la refrigeración al rellenar los espacios de aire. Si se utiliza una pequeña cantidad de compuesto, la justa para rellenar dichos espacios, se obtendrá la mejor reducción de temperatura.

Existe un amplio debate sobre las ventajas de los compuestos térmicos, y los entusiastas del overclocking suelen considerar que algunos son superiores a otros. La principal consideración es utilizar la cantidad mínima de compuesto térmico necesaria para uniformizar las superficies, ya que la conductividad térmica del compuesto suele ser de 1/3 a 1/400 de la del metal, aunque mucho mejor que la del aire. La conductividad del compuesto para disipadores de calor varía entre aproximadamente 0,5 y 80 W/mK [ 53 ] (véanse los artículos); la del aluminio es de aproximadamente 200, y la del aire de aproximadamente 0,02. También se utilizan almohadillas conductoras de calor , a menudo instaladas por los fabricantes en los disipadores. Son menos eficaces que el compuesto térmico aplicado correctamente, pero más sencillas de aplicar y, si se fijan al disipador, los usuarios que desconozcan la importancia de un buen contacto térmico no pueden omitirlas ni sustituirlas por una capa gruesa e ineficaz de compuesto.

A diferencia de algunas de las técnicas aquí comentadas, el uso de compuestos térmicos o material aislante es prácticamente universal a la hora de disipar cantidades significativas de calor.

Laminado del disipador de calor

Los disipadores de calor y las bases de los disipadores de CPU fabricados en serie nunca son perfectamente planos ni lisos; si estas superficies se colocan en el mejor contacto posible, habrá espacios de aire que reducen la conducción del calor. Esto se puede mitigar fácilmente con el uso de pasta térmica, pero para obtener los mejores resultados, las superficies deben ser lo más planas posible. Esto se puede lograr mediante un proceso laborioso conocido como pulido , que puede reducir la temperatura de la CPU en aproximadamente 2 °C (4 °F) . [ 54 ]  

Cables redondeados

La mayoría de los ordenadores antiguos utilizan cables planos para conectar las unidades de almacenamiento ( IDE o SCSI ). Estos cables planos de gran tamaño dificultan considerablemente el flujo de aire al generar resistencia y turbulencias. Los entusiastas del overclocking y los modders suelen sustituirlos por cables redondos, con los hilos conductores agrupados firmemente para reducir la superficie. En teoría, los hilos conductores paralelos de un cable plano sirven para reducir la diafonía (la transmisión de señales entre conductores cercanos), pero no existe evidencia empírica de que los cables redondos reduzcan el rendimiento. Esto puede deberse a que la longitud del cable es lo suficientemente corta como para que el efecto de la diafonía sea insignificante. Los problemas suelen surgir cuando el cable no está protegido electromagnéticamente y su longitud es considerable, algo más frecuente en los cables de red antiguos.

Estos cables de computadora se pueden sujetar con bridas al chasis o a otros cables para aumentar aún más el flujo de aire.

Esto supone un problema menor en los ordenadores que utilizan Serial ATA , cuyo cable es mucho más delgado. Los ordenadores más modernos mejoran aún más esta situación gracias al uso común de fuentes de alimentación modulares con cables extraíbles y carcasas con zonas de gestión de cables detrás de la placa base, lo que deja la parte frontal de la carcasa libre para el cableado.

flujo de aire

Cuanto más frío esté el medio de enfriamiento (el aire), más eficaz será el enfriamiento . La temperatura del aire de enfriamiento se puede mejorar siguiendo estas pautas:

  • Suministre aire frío a los componentes calientes de la forma más directa posible. Algunos ejemplos son los conductos y túneles de aire que dirigen aire exterior de forma directa y exclusiva al disipador de la CPU o la GPU. Por ejemplo, el diseño de la caja BTX incluye un túnel de aire para la CPU.
  • Expulsa el aire caliente de la forma más directa posible. Algunos ejemplos son: las fuentes de alimentación convencionales para PC ( ATX ) expulsan el aire caliente por la parte posterior de la carcasa. Muchos diseños de tarjetas gráficas de doble ranura expulsan el aire caliente a través de la tapa de la ranura adyacente. Algunos disipadores de terceros también hacen esto. Algunos sistemas de refrigeración de CPU dirigen el aire caliente directamente hacia la parte posterior de la carcasa, donde puede ser expulsado por un ventilador.
  • El aire que ya se ha utilizado para refrigerar un componente no debe reutilizarse para refrigerar otro componente (esto se deduce de los puntos anteriores). El diseño de la caja BTX incumple esta regla, ya que utiliza el aire de escape del disipador de la CPU para refrigerar el chipset y, a menudo, la tarjeta gráfica. Es posible encontrar cajas ATX antiguas o de muy bajo presupuesto que incluyen un soporte para la fuente de alimentación en la parte superior. Sin embargo, la mayoría de las cajas ATX modernas tienen un soporte para la fuente de alimentación en la parte inferior, con una rejilla de ventilación con filtro justo debajo de la fuente.
  • Es preferible que entre aire frío y se evite inhalar aire de escape (aire exterior situado por encima o cerca de las salidas de ventilación). Por ejemplo, un conducto de refrigeración de la CPU en la parte posterior de una caja de torre inhalaría aire caliente procedente de la salida de la tarjeta gráfica. Trasladar todas las salidas de ventilación a un lateral de la caja, generalmente a la parte trasera o superior, ayuda a mantener frío el aire de entrada.
  • Ocultar los cables detrás de la bandeja de la placa base, o simplemente usar bridas para cables y acomodarlos, ayuda a proporcionar un flujo de aire sin obstáculos.

Colocar menos ventiladores estratégicamente mejorará el flujo de aire dentro del PC y, por lo tanto, reducirá la temperatura interna general de la carcasa en relación con las condiciones ambientales. El uso de ventiladores más grandes también mejora la eficiencia y reduce la cantidad de calor residual, así como el ruido que generan durante su funcionamiento.

Existe poco consenso sobre la efectividad de las distintas configuraciones de colocación de ventiladores, y se han realizado pocas pruebas sistemáticas. Para una caja de PC rectangular (ATX), se ha encontrado que una configuración adecuada consiste en un ventilador en la parte frontal, uno en la parte trasera y otro en la parte superior. Sin embargo, las directrices de refrigeración del sistema de AMD (algo desactualizadas) señalan que «un ventilador de refrigeración frontal no parece ser esencial. De hecho, en algunas situaciones extremas, las pruebas demostraron que estos ventiladores recirculaban aire caliente en lugar de introducir aire frío». [ 55 ] Es posible que los ventiladores en los paneles laterales tengan un efecto perjudicial similar, posiblemente al interrumpir el flujo de aire normal a través de la caja. Sin embargo, esto no está confirmado y probablemente varía según la configuración.

Presión atmosférica

1) Presión negativa 2) Presión positiva  

En términos generales, la presión positiva significa que la entrada de aire a la carcasa es mayor que la salida de aire. Esta configuración resulta en una presión interna mayor que la del exterior. La presión negativa significa que la salida de aire es mayor que la entrada. Esto resulta en una presión interna menor que la del exterior. Ambas configuraciones tienen ventajas e inconvenientes, siendo la presión positiva la más popular. La presión negativa hace que la carcasa aspire aire a través de orificios y rejillas de ventilación independientes de los ventiladores, ya que los gases internos intentarán alcanzar una presión de equilibrio con el exterior. En consecuencia, esto provoca que entre polvo en el ordenador por todas partes. La presión positiva, combinada con una entrada de aire filtrada, soluciona este problema, ya que el aire tenderá a salir únicamente a través de estos orificios y rejillas de ventilación para alcanzar el equilibrio con el exterior. De esta forma, el polvo no puede entrar en la carcasa excepto a través de los ventiladores de entrada, que deben contar con filtros de polvo.

Tipos de computadoras

Escritorios

Ilustración del flujo de aire de refrigeración en una carcasa de ordenador durante el proceso de refrigeración.

Los ordenadores de sobremesa suelen utilizar uno o más ventiladores para la refrigeración. Si bien casi todas las fuentes de alimentación de sobremesa incorporan al menos un ventilador, estas nunca deben aspirar aire caliente del interior de la carcasa, ya que esto provoca un aumento de la temperatura de funcionamiento de la fuente, lo que reduce su eficiencia energética, su fiabilidad y su capacidad general para suministrar energía de forma constante a los componentes internos del ordenador. Por este motivo, todas las carcasas ATX modernas (con algunas excepciones en carcasas de muy bajo coste) incluyen un soporte para la fuente de alimentación en la parte inferior, con una entrada de aire dedicada (a menudo con su propio filtro) debajo del soporte, lo que permite que la fuente de alimentación aspire aire frío desde la parte inferior de la carcasa.

La mayoría de los fabricantes recomiendan introducir aire fresco por la parte inferior frontal de la caja y expulsar el aire caliente por la parte superior trasera . Si se instalan ventiladores para forzar la entrada de aire a la caja de forma más eficaz de la que se extrae, la presión interna se vuelve mayor que la externa, lo que se denomina flujo de aire "positivo" (el caso opuesto se denomina flujo de aire "negativo"). Cabe destacar que la presión interna positiva solo evita la acumulación de polvo en la caja si las entradas de aire están equipadas con filtros de polvo. [ 56 ] Una caja con presión interna negativa sufrirá una mayor acumulación de polvo incluso si las entradas están filtradas, ya que la presión negativa aspirará el polvo a través de cualquier abertura disponible en la caja.

El flujo de aire dentro de una carcasa de ordenador de sobremesa típica no suele ser lo suficientemente fuerte para un disipador de CPU pasivo. La mayoría de los disipadores de sobremesa son activos, e incluyen uno o incluso varios ventiladores o sopladores conectados directamente.

Servidores

Un servidor con siete ventiladores en el centro del chasis, entre las unidades de disco a la derecha y la placa base principal a la izquierda.
Vista de cerca de los ventiladores del servidor. En este servidor, son intercambiables en caliente.

refrigeradores para servidores

Cada servidor puede tener un sistema de refrigeración interno independiente. Los ventiladores de refrigeración de los servidores en gabinetes de 1U suelen ubicarse en el centro del gabinete, entre los discos duros en la parte frontal y los disipadores de calor pasivos de la CPU en la parte posterior. Los gabinetes más grandes (altos) también cuentan con ventiladores de extracción, y a partir de aproximadamente 4U pueden tener disipadores de calor activos. Las fuentes de alimentación generalmente tienen sus propios ventiladores de extracción orientados hacia atrás.

Refrigeradores montados en rack

El rack es un gabinete típico para servidores montados horizontalmente. El aire generalmente entra por la parte frontal del rack y sale por la parte posterior. Cada gabinete puede tener opciones de refrigeración adicionales; por ejemplo, pueden incluir un módulo de refrigeración acoplable o estar integrados con los elementos del gabinete (como las puertas de refrigeración en el rack de servidores iDataPlex ).

Otra forma de alojar un gran número de sistemas en un espacio reducido es utilizar chasis de placas , orientados verticalmente en lugar de horizontalmente, para facilitar la convección . El aire calentado por los componentes calientes tiende a ascender, creando un flujo de aire natural a lo largo de las placas ( efecto chimenea ), enfriándolas. Algunos fabricantes aprovechan este efecto. [ 57 ] [ 58 ]

Refrigeración de centros de datos

Debido a que los centros de datos suelen contener una gran cantidad de computadoras y otros dispositivos que disipan energía, existe el riesgo de sobrecalentamiento de los equipos; para evitarlo, se utilizan sistemas HVAC extensos . A menudo se utiliza un piso elevado para que el área debajo del piso pueda usarse como un gran plenum para el aire enfriado de un CRAC (Acondicionador de Aire para Salas de Computadoras) o un CRAH (Manejador de Aire para Salas de Computadoras) [ 59 ] y el cableado de alimentación. También puede haber un plenum hecho con un falso techo. [ 59 ] En los centros de datos también se utilizan sistemas de contención de pasillo caliente o de pasillo frío para mejorar la eficiencia de la refrigeración. [ 60 ] Como alternativa, se pueden usar pisos de losa, similares a los pisos convencionales, y conductos aéreos para la refrigeración. [ 61 ] [ 62 ]

La refrigeración líquida por contacto directo ha demostrado ser más eficiente que las opciones de refrigeración por aire, lo que resulta en un menor tamaño, menores requisitos de capital y menores costos operativos que la refrigeración por aire. Utiliza líquido caliente en lugar de aire para disipar el calor de los componentes más calientes. Las ganancias en eficiencia energética de la refrigeración líquida también están impulsando su adopción. [ 63 ] [ 64 ] También se han propuesto para su uso en centros de datos la refrigeración por inmersión/cuba abierta de una y dos fases y la refrigeración directa al chip de una y dos fases [ 65 ] así como la refrigeración por inmersión confinada a las blades de servidor individuales [ 66 ] [ 67 ] . [ 68 ] [ 69 ] También se puede utilizar la refrigeración en fila, [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] la refrigeración de rack, [ 73 ] [ 74 ] los intercambiadores de calor de la puerta trasera, [ 75 ] la refrigeración de la parte superior del rack que coloca los intercambiadores de calor encima del rack, [ 76 ] [ 77 ] la refrigeración superior sobre los pasillos [ 78 ] [ 79 ] o las paredes de ventiladores/paredes térmicas en un centro de datos [ 80 ] [ 81 ] . La refrigeración líquida directa (DLC) con placas frías para enfriar chips en servidores se puede utilizar debido a las mayores capacidades de eliminación de calor de estos sistemas. [ 65 ] Estos sistemas pueden enfriar algunos o todos los componentes de un servidor, utilizando tubos de goma o cobre respectivamente. [ 82 ] [ 74 ] [ 83 ] Los intercambiadores de calor de la puerta trasera se usaban tradicionalmente para enfriar altas densidades de calor en centros de datos, pero no tuvieron una adopción generalizada. [ 84 ] Se pueden enfriar con refrigerante [ 85 ] o agua fría. [ 86 ] Los que se enfrían con agua fría pueden ser activos, que tienen ventiladores, [ 87 ] [ 88 ] o pasivos, que no tienen ventiladores. [ 89 ]Los intercambiadores de calor líquido-aire (radiadores) se pueden usar para enfriar servidores refrigerados con refrigeración líquida directa al chip, con el fin de evitar la instalación de tuberías de agua en la instalación. Estos intercambiadores de calor se pueden instalar por separado de los racks o como una puerta trasera en un rack. [ 90 ] [ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]

portátiles

Los portátiles presentan un desafío complejo en cuanto al diseño del flujo de aire mecánico, la disipación de potencia y la refrigeración. Las limitaciones específicas de los portátiles incluyen: el dispositivo en su conjunto debe ser lo más ligero posible; el factor de forma debe basarse en la distribución estándar del teclado; los usuarios están muy cerca, por lo que el ruido debe minimizarse, y la temperatura exterior de la carcasa debe mantenerse lo suficientemente baja como para poder usarlo sobre las piernas. La refrigeración generalmente utiliza aire forzado, pero también son comunes los tubos de calor y el uso del chasis o la carcasa metálica como disipador pasivo. Las soluciones para reducir el calor incluyen el uso de procesadores ARM o Intel Atom de menor consumo energético .

dispositivos móviles

Los dispositivos móviles, como teléfonos y tabletas, suelen utilizar refrigeración pasiva, ya que los chips de CPU y GPU están diseñados para ofrecer la máxima eficiencia energética debido a las limitaciones de la batería. Algunos dispositivos de alto rendimiento pueden incluir un disipador de calor que ayuda a transferir el calor a la carcasa externa del teléfono o la tableta.

Véase también

Referencias

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  8. La conductividad térmica y la capacidad calorífica de la plata son mejores que las del cobre, que a su vez son mejores que las del aluminio (véase la lista de conductividades térmicas ). Por consiguiente, desde un punto de vista puramente técnico, la plata maciza (el baño de plata es innecesario) es mejor que el cobre, que a su vez es mejor que el aluminio, para disipadores de calor y también para cacerolas. El coste, por supuesto, descarta la plata, aunque los aficionados han utilizado disipadores de calor de plata y se utilizan cacerolas de plata para cocinar cuando el coste no es un problema. Archivado el 16 de julio de 2015 en la Wayback Machine.
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