Actualizado a: 16 de abril de 2024
Los disipadores con heatpipes están muy extendidos en los sistemas de refrigeración actual, tanto en los de refrigeración líquida pasiva como en los híbridos de refrigeración de aire activa. Sin embargo, aún son unos desconocidos para muchos. Aquí te comentaremos todo lo que debes saber de estos tubos y que te servirán a la hora de elegir un disipador adecuado para tu CPU.
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¿Qué es la refrigeración líquida pasiva?
Existen varios tipos de refrigeración diferentes. Por un lado tenemos la refrigeración por aire, que se puede dividir en pasiva (cuando solo hay un disipador de calor) o en activa (cuando existe un ventilador que ayuda a mejorar el rendimiento del disipador).
Con la refrigeración líquida tenemos algo similar. En este caso también podríamos distinguir entre la refrigeración líquida pasiva y la refrigeración líquida activa:
- Pasiva: en este caso no tenemos sistemas de bombeo, tan solo unas tuberías cerradas con un líquido refrigerante en su interior a muy baja presión, lo que hace que se evapore a temperaturas más bajas para realizar el ciclo de enfriado como te explicaremos más adelante. No obstante, estos sistemas se pueden combinar con disipadores de calor convencionales y ventiladores, lo cual no implica que sea activa, en todo caso sería un híbrido entre una refrigeración activa por aire y una pasiva líquida.
- Activa: como puedes imaginar, es aquella en la que interviene una bomba para hacer circular el fluido líquido y también un radiador como intercambiador de calor para enfriar dicho líquido.
No obstante, existen otros métodos de refrigeración, aunque suelen ser más exóticos o destinados a casos particulares como el overclocking, centros de datos etc. Me estoy refiriendo a los sistemas de refrigeración por inmersión, los que usan gases líquidos como el nitrógeno, etc.
¿Que es un heatpipe?
Un heatpipe, o tubo de calor, es un dispositivo de transferencia de calor de dos fases con una conductividad térmica efectiva muy alta. Es un tubo hermético al vacío que consta de una envoltura, un fluido de trabajo y una estructura que más adelante analizaremos. De esta forma, el líquido a baja presión puede evaporarse al contacto con el foco de calor para reducir la temperatura y luego condensarse y volver a precipitarse para iniciar otro ciclo.
Utilizados correctamente y en las condiciones adecuadas, los heatpipes mejoran drásticamente el rendimiento del disipador de calor. Y es que la conductividad térmica que se consigue en estos tubos e generalmente entre 10 y 100 veces superior a la del cobre sólido. Por tanto, se pueden combinar tubos cortos con disipadores sólidos para conseguir sistemas de refrigeración superiores. Podrían reducir la temperatura en torno a 4-9ºC.
Para que puedan funcionar, estos tubos tienen una cámara llamada evaporador donde está el líquido refrigerante a baja presión, donde entra en contacto con la fuente de calor. Por otro lado tenemos el condensador, que es la zona donde se condensa el vapor en líquido para comenzar nuevamente el ciclo, al ser un tubo cerrado.
En algunos de estos heatpipes tenemos una doble estructura que actúa como doble cámara, para así conducir el vapor caliente hacia arriba por una de estas cámaras y devolver el líquido refrigerante precipitado por otra.
A lo largo de este artículo verás términos como el heatpipe o la heatpipe, puedes usar el que prefieras, ya que se puede traducir como tubo de calor o tubería de calor…
Especificaciones y tolerancias de las tuberías de calor
Debes conocer algunos detalles sobre estos heatpipes de los disipadores:
- En teoría, los límites teóricos de temperatura de funcionamiento es de 0 a 250ºC.
- En la práctica no empiezan a funcionar hasta los 20ºC aproximadamente.
- Por debajo de los 0ºC el líquido interno se congela, aunque no causa daños debido a la expansión, ya que es muy pequeña cantidad de líquido. Por ejemplo, en un tubo de 6mm de diámetro y 150 mm de longitud, suele haber 1 cc de líquido.
- La vida útil típica es de al menos 20 años, y pueden sufrir miles de ciclos de congelación y descongelación sin sufrir daños estructurales.
- Si se produce un fallo en el tubo es más que probable que sea debido a procesos de fabricación deficientes o condiciones de exposición extremas que corroen o dañan físicamente el tubo. De hecho, estos tubos son sometidos a diversas pruebas de fuga y resistencia durante la manufactura.
- Son estructuras escalables, ya que se pueden agregar tantos como se necesiten para mejorar la disipación de calor. Solo los limita la cantidad de espacio disponible.
Rendimiento de la tubería de calor
La capacidad de carga del heatpipe (Qmax) es una medida de la cantidad de calor en vatios que puede gestionar el dispositivo. Esta cifra podría variar en función del tipo de estructura interna que tengan estos tubos, como veremos más adelante.
Debes saber que existe una calculadora de heatpipes en línea de la web de Celsia. Esta web proporciona información de rendimiento basada en dos diseños de mecha: estándar y rendimiento. Con ella podrás hacerte una idea de la capacidad que tiene un disipador concreto a la hora de elegir el correcto.
Por ejemplo, si entras en esta web con la calculadora de tubos de calor y usas los siguientes datos:
- Longitud del tubo de calor: 200 mm
- Longitud del evaporador: 25 mm
- Longitud del condensador: 75 mm
- Tipo de mecha: Estándar
- Temperatura de funcionamiento: 60 o C
El primer gráfico muestra la capacidad de carga de la heatpipe (Qmax) frente al ángulo de operación. A +90 grados, el evaporador está directamente debajo del condensador, a –90 ocurre lo contrario:
La capacidad de transporte de la tubería de calor se reduce cuando se requiere que trabaje contra la gravedad.
La tabla siguiente que aparecería en la calculadora tienen que ver con la variación de temperatura (delta-T) de un extremo del tubo de calor al otro. Esta medida no es la longitud real sino la longitud efectiva, que es la distancia del tubo de calor desde el punto medio del evaporador hasta el punto medio del condensador.
Para calcular la resistencia térmica de la heatpipe, tan solo tienes que dividir el delta-T por la entrada de energía. Eligiendo un tubo de calor de 8 mm con una potencia de entrada de 40 o C, la resistencia térmica es de 4,3/40 = 0,11 o C/W.
Diseño de la heatpipe
Debes saber que antes de integrar las heatpipes en el disipador de calor, los ingenieros tienen que realizar varias comprobaciones secundarias para saber qué número y qué tipo de tubo elegir para que sea el adecuado. Esto te lo voy a detallar en los siguientes apartados:
Aplanando el tubo
Por lo general, los tubos de cobre sinterizado se pueden aplanar hasta un máximo de entre el 30 % y el 65 % de su diámetro original. Sin embargo, la capacidad de carga del tubo de calor a menudo se ve afectada negativamente. La siguiente tabla muestra el Q máx. para los tamaños de tubos más comunes, que son redondos y aplanados. Por ejemplo, un tubo de 3 mm aplanado a 2 mm tendrá una capacidad de transporte de calor un 30 % menor, aunque el tubo se haya aplanado solo un 33 %. Comparando eso con un tubo de calor de 6 mm aplanado a 2 mm. Su Q max se reduce un 13% aunque es un 66% más plano.
En este caso, te preguntarás ¿Por qué aplanar los tubos de calor más pequeños tiene un efecto más negativo en Q max ? Pues bien, existen dos límites de rendimiento de las heatpipes importantes para las aplicaciones: el límite de mecha y el límite de vapor.
- Límite de la mecha: es la capacidad de la mecha para transportar agua desde el condensador hasta el evaporador. Como se mencionó, la porosidad y el grosor de la mecha se pueden modificarse para aplicaciones específicas, lo que permite cambios en Q max y/o la capacidad de trabajar contra la gravedad.
- Límite de vapor: para una aplicación en particular depende de la cantidad de espacio disponible para que el vapor se mueva del evaporador al condensador. Es el más bajo de estos dos límites, para tuberías de calor que han sido diseñadas para cumplir con los requisitos de la aplicación, el que determina Q máx .
El gráfico anterior ilustra esta dinámica. El tubo redondo de 3 mm (líneas azul y naranja) tiene límites de vapor y mecha que son casi idénticos. Al aplanarlo a 2 mm, el límite de vapor se encuentra por debajo del límite de la mecha. Para un tubo de calor redondo de 6 mm, hay mucho límite de exceso de vapor, por lo que el Q máximo no disminuirá hasta que el tubo se reduzca considerablemente.
Tubos de calor doblados
Ademas de aplanarlo, también se puede doblar el tubo o heatpipe, lo que afectará nuevamente a la capacidad máxima de manejar el calor de estos dispositivos. Y por eso también hay que tener en cuenta estos puntos:
- El radio de curvatura mínimo es tres veces el diámetro de la tubería.
- Cada curva de 45º reducirá Q max en un 2,5 %.
Recubrimiento de tubería de calor
Los heatpipes se diseñan para protegerse contra la corrosión en situaciones en las que las piezas están expuestas al medioambiente. También se puede hacer puramente por razones estéticas.
Para los heatpipes destinados a disipadores de CPU existen dos diseños que son los más utilizados por los fabricantes de estos elementos: cámaras de vapor y tubos capilares tradicionales. Precisamente el segundo es el más empleado de todos.
Para comprender esto, hay que decir que el heatpipe contiene una cantidad muy pequeña de refrigerante o líquido (normalmente una mezcla de amonio y etanol o agua destilada) que sufre cambios de fase química: este es el catalizador para bajar las temperaturas. El evaporador (región de la superficie de la CPU) evapora el líquido, donde viaja en forma gaseosa hacia el condensador. Luego, el condensador condensa el gas nuevamente a su forma líquida, donde viaja a través de una tubería ranurada, sinterizada, de malla metálica o compuesta como resultado de la acción capilar.
El diseño de la mecha acanalada está acanalado limpiamente en el interior del tubo, mientras que el diseño sinterizado tiene un aspecto más espumoso y poroso. Los diseños de malla metálica son más comunes entre los disipadores de calor de consumo y se asemejan vagamente al patrón tejido de una canasta.
No obstante, esos no son todos los diseños existentes, existen otros, aunque no tan extendidos. Por ejemplo, Zalman utiliza un cuarto diseño, tubos de calor compuestos, que mezclan polvo de cobre dentro del tubo para ayudar en la transferencia térmica (el vapor viaja más rápido).
Los heatpipes compuestos y sinterizados tienen un coste de producción mucho más alto que los tubos ranurados; en cuanto a lo que hace mejor la disipación de calor, realmente se trata de pruebas de productos individuales, indica que los heatpipes compuestos y sinterizados son preferibles, aunque raros.
Los tubos de calor conectados directamente a la superficie de la CPU la enfriarán de manera más eficiente durante un corto período de tiempo (aprox. 1h). Pero, a medida que aumenta el calor y el tiempo avanza, eso tiende a igualarse; los heatpipes de contacto directo no suelen ser notablemente más efectivos que las placas base pulidas cuando se trata de enfriamiento duradero. Sin embargo, lo que se nota es una base de cobre frente a una de aluminio.
Los cambios de vapor son un poco diferentes y no son tan comunes, pero vale la pena mencionarlos rápidamente: las cámaras de vapor se utilizan para la absorción de calor de las unidades de procesamiento; una cámara de vapor ayuda a distribuir este calor adicional de manera más uniforme a través de las aletas dentro del disipador de calor (en lugar de favorecer las aletas que se encuentran muy cerca del punto de acceso).
Modelado del heatpipe
Cuando se trabaja en un programa CFD como FloTherm o se desarrolla un modelo de Excel, llega un punto en el que necesitas que otras variables o constantes intervengan, como es el caso de la conductividad térmica efectiva de la tubería de calor. Usando la calculadora online para heatpipes te mostramos aquí una tabla donde puedes ver esto en diferentes casos de diseño:
Al principio del ciclo de modelado, hay una forma bastante buena de hacer trampa si no tienes acceso a esta calculadora. Simplemente multiplica la entrada de energía en cada tubería por una estimación de su resistencia térmica; esto le dará la delta-T estimada de la tubería. Para heatpipe de 3-8 mm, use 0,1 o C/W o 0,075 o C/W para los más grandes. Usa una cifra de conductividad térmica (comenzando por 4000 W/mK y se va aumentando) hasta que el delta-T modelado sea igual al detla-T calculado aproximadamente.
Cómo elegir los heatpipes correctos
Cuando se trata de elegir el disipador correcto con el número adecuado de heatpipes, entonces deberías atender a estos puntos:
Posición de los tubos
Existen algunas pautas interesantes que deberías conocer a la hora de elegir el mejor disipador con heatpipes. Una de ellas es que siempre te tienes que asegurar que los tubos están colocados lo más en el centro posible, es decir, más cerca a la fuente de calor. De este modo, podrán estar en contacto directo con la fuente de calor, ayudando a bajar la temperatura de forma más eficiente.
Aplanado/diámetro
Si vas a elegir entre un disipador con tubos aplanados o redondos, deberías saber que mientras los redondos pueden ser suficientes con un diámetro inferior, en el caso de los aplanados deberían ser un poco mayores para conseguir iguales resultados. Por ejemplo, 3 tubos redondos de 6 mm de diámetro podrían equivaler a 2 tubos aplanados de 8 mm.
Carga
También deberías asegurarte de que soporta una carga de temperatura de unos 70W. Esto no es algo que suelan indicar los fabricantes de soluciones de refrigeración, pero con los datos que te hemos dado anteriormente, podrías calcularlo.
Por ejemplo, siguiendo con el ejemplo anterior, 3 tubos de 6 mm de diámetro podrían transportar 38W cada uno, lo que hace un total de 114W, mientras que los 2 tubos planos de 8 mm pueden transportar un total de 104W.
Interfaz heatpipe-fuente de calor (evaporador)
Como habrás visto en el mercado, hay dos métodos frecuentes para conectar los tubos en el evaporador:
- Indirecto: es el método más rentable de acoplar tubos de calor a una fuente de calor suele ser a través de una placa base. Esto se puede hacer con una placa de aluminio o de cobre (que se muestra a la izquierda). Además de las ventajas de costes, este método también permite que el calor se distribuya de manera más uniforme a cada tubería de calor en situaciones en las que la fuente de calor es mucho más pequeña que el área de contacto de la heatpipe.
- Directo: generalmente se reserva para situaciones en las que la placa base y la capa TIM adicional asociada deben quitarse por razones de rendimiento. Esto tiene implicaciones económicas, ya que es necesario mecanizar la cara de los tubos de calor para realizar la conexión térmica necesaria con la fuente de calor.
Interfaz entre el tubo de calor y la pila de aletas o disipador (condensador)
El último paso es integrar adecuadamente las tuberías en la parte del condensador del disipador de calor. En una situación en la que se utilizan tubos de calor para difundir el calor a un disipador de calor local (imagen de abajo a la izquierda), los tubos de calor aplanados se sueldan a la base del disipador de calor.
Cuando se transfiere calor a un condensador remoto, existen dos configuraciones comunes de montaje de tubos de calor. El primero es idéntico al método anterior. Es decir, los tubos de calor aplanados se sueldan a una base plana o los tubos de calor redondos se sueldan a una base ranurada. Si la pila de aletas es grande, será necesario distribuir el calor de manera más uniforme pasando los tubos de calor por el centro de la pila de aletas, como se ve en la imagen de arriba a la derecha.
Más
Para terminar, no olvides que esto es solo en cuanto a los heatpipes, pero que luego tienes que recordar y aplicar todo lo que implica elegir un sistema de refrigeración activa por aire. Y la combinación de ambos, tendrá el resultado de su capacidad de disipación para la CPU.
No obstante, si ves todo esto muy complicado, ten en cuenta que los fabricantes de sistemas de refrigeración te especifican para qué procesadores podría ser adecuado su producto… Sin embargo, para casos donde quieres un mayor grado de personalización, o para realizar overclocking, etc., quizás sí que te interese conocer todo eso.
¡Cuidado!
Por algunos medios de Internet, muy importantes de hecho, se ha extendido la idea de que es posible elegir el disipador adecuado para una CPU haciendo una simple resta o suma, pero esto no es así, todo depende de muchos otros factores como has podido ver en este tutorial.
En ese medio importante del mundo del hardware aseguran que:
- Para un uso menos intensivo, tan solo hay que restarle 1 al número de la gama del procesador. Por ejemplo, si usas un Intel Core i7, 7-1=6. Pues deberías elegir un sistema de refrigeración para tu CPU con 5 heatpipes.
- Para un uso intensivo, sería lo contrario, sumar 1. Por ejemplo, si tienes un AMD Ryzen 9, sería 9+1=10, por lo que deberías instalar un disipador con 10 heatpipes.
Pero repito, esto no es un método acertado para elegir un disipador, y si el disipador que compras con este método es suficiente para tu CPU, será de pura casualidad. Ten en cuenta que cada generación tiene su TDP diferente, y que hay casos particulares como los 3D packaging que necesitan algo más de refrigeración para mantener temperaturas más bajas, etc. Por tanto, lo de sumar y restar no es apropiado en absoluto.
