SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LÍQUIDA PARA ...

SISTEMA DE REFRIGERACIÓN LÍQUIDA PARA
MICROPROCESADORES, Mod. PIC12L
LA TEMPERATURA COMO PROBLEMA EN LOS PC ACTUALES
Cuando en 1981 IBM diseñó el primer PC, el calor no era un problema crítico, pero con
la aparición de los XT, y la integración de los primeros discos duros comenzó a ser necesario
un sistema de refrigeración. Por una parte, el mayor consumo de potencia hacía necesario
refrigerar la fuente de alimentación y, por otra, aquellos discos MFM generaban una elevada
temperatura durante su funcionamiento. Sin embargo, un ventilador en la fuente de
alimentación fue suficiente para resolverlo.
En la actualidad son varios los componentes que generan elevadas cantidades de calor
que hay que evacuar adecuadamente, en ocasiones, con métodos específicos.
En este informe se presenta un proyecto para la refrigeración de Microprocesadores de
alto rendimiento. Debido al intenso calor que se genera en el interior de un Microchip, por lo
que se hace imprescindible una adecuada refrigeración. Este diseño puede refrigerar una torre
con dos Microprocesadores Pentium IV a 3 Ghs o equivalente, que generan aproximadamente
100W de calor cada uno, además de otras placas auxiliares como por ejemplo la VGA o el
Chipset de la Placa base, discos duros, etc.

Este equipo se basa en la refrigeración de un líquido mediante células Peltier que hace
circular el líquido por unos colectores adheridos a los elementos a refrigerar.
Todo el sistema está controlado por un Microprocesador, que permite el control de la
temperatura del sistema en todo momento, esta temperatura es programable por el usuario y
presentada por un display de 2x16 caracteres, ubicado en una bahía de 5”1/4 del frontal de la
torre, además se visualiza las temperaturas en tiempo real a que está trabajando el, (o los)
Microprocesadores, así como la temperatura del liquido refrigerante.
En este próximo capitulo se presentan los conceptos básicos y la necesidad de una
óptima refrigeración para conseguir un máximo rendimiento.
PRINCIPIO DE LOS REFRIGERADORES MEDIANTE CÉLULAS DE PELTIER
Una propiedad termodinámica descubierta en 1834 por Jean Peltier, consiste en utilizar
como bomba de calor una corriente eléctrica que atraviesa dos semiconductores diferentes
conectados entre sí. o lo que es lo mismo, utilizar una corriente eléctrica para transferir el
calor de un extremo de un semiconductor, (tipo-n), a otro y viceversa, (tipo-p), y por tanto
poder enfriar en un extremo a base de calentar en el otro.
LA TEORIA ES LA SIGUIENTE
Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes
cuyas uniones están a la misma temperatura, se absorbe calor en una unión y se desprende en
la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que
absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º

El calor (Q), transferido es proporcional a una coeficiente, (Kab), característico de la
pareja de semiconductores, y de la intensidad (I),de la corriente eléctrica y el tiempo (t) de
funcionamiento Q = Kab I t
La razón de este efecto termodinámico, está en que los conductores intentan volver al
equilibrio electrónico que existía antes del paso de la corriente, por lo que en un punto los
electrones tratan de ganar energía tomándola del material de la soldadura, mientras que en el
otro expulsan el exceso. Es un efecto inverso al efecto Seebeck, donde se genera una corriente
eléctrica a partir de un diferencial de temperaturas.
En el efecto Peltier al paso de la corriente se absorbe la energía de un conector y se
desprende en el otro. Si invertimos la polaridad, también cambia la dirección de la
transferencia y donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo
desprenderá.
Normalmente el principio utilizado en neveras y refrigeradores se basa en el Ciclo de
Carnot, mediante el que se traslada la energía calorífica de una cámara de refrigeración al
exterior, utilizando un circuito cerrado con un gas, que eleve su temperatura a base de
comprimirlo en el exterior de la cámara, haciendo posible disipar el calor al ambiente exterior.
Mientras que una vez enfriado, el gas comprimido se le retorna a una cámara de expansión
situada en el interior de la zona de refrigeración, y al bajar su temperatura, roba energía
calorífica de la cámara, enfriándola.
Ambos sistemas, el basado en el efecto Peltier y en el Ciclo de Carnot, consiguen el
mismo resultado por medios diferentes, enfriar en un punto y disipar el calor en otro. El
módulo Peltier es una bomba de calor estática, si gas ni partes móviles, entre la zona fría y la
caliente solo están los semiconductor, no existe el complejo circuito cerrado refrigerador, con
un sistema de compresión del fluido refrigerante. Físicamente un módulo Peltier son bloques
de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, por tanto a
primera vista, los aparatos refrigeradores basados en el efecto Peltier parecen más sencillos y
silenciosos que los segundos, que son a la fuerza mecánicamente más complejos.
En la realidad, los aparatos basados en el Ciclo de Carnot demostraron ser más eficaces
a la hora de disipar grandes cantidades de energía, por ello la inmensa mayoría de los
elementos refrigeradores de neveras, acondicionadores y deshumidificadores, existentes en el
mercado, llevan asociado un compresor, fuente inevitable de ruidos y vibraciones. Lo que lleva
en consecuencia a que en estos aparatos, una de las características que más eleva el precio de
los modelos, sea precisamente el menor ruido producido.
Otros aparatos que comienzan también a utilizar el efecto Peltier para refrigerar son los
refrigeradores de los procesadores de PC, pues al añadir añaden el efecto Peltier a los
disipadores estáticos, aumentan mucho su rendimiento, aunque con ello se penaliza el
consumo eléctrico, algo de poca importancia en servidores y ordenadores de sobremesa, pero
muy crítico en los ordenadores portátiles que dependen de una batería.
CONCEPTOS BÁSICOS DE APLICACIÓN
La refrigeración de los microprocesadores ha cobrado desde hace un tiempo vital
importancia, ya que siempre ha estado unida a la vida y rendimiento del procesador y todos
los fabricantes sin excepciones recomiendan o exigen el uso de un disipador en sus
procesadores.
En el caso del overclocking el calor es su principal enemigo, y si forzamos un
procesador, éste como es obvio, generará mas calor. El método de refrigeración por medio de
un líquido es el más adecuado además de ser más efectivo y... menos peligroso.
Vamos a explicar cual es el proceso de selección de un procesador.Intel, Amd y todos
los fabricantes no fabrican los procesadores para tal o cual velocidad, los fabrican todos igual,
utilizando el mismo proceso, posteriormente antes de marcarlos los someten a una prueba de
rendimiento a la máxima velocidad; por ejemplo un PENTIUM II le prueban a 450 Mhz que es
su máxima velocidad y si pasa el test (funcionamiento estable y temperatura sobre todo) lo
marcan a 450Mhz y si no lo pasa, vuelve a repetir el test a la velocidad inmediatamente
inferior, en este caso 400 Mhz...y así sucesivamente, cuando pasa el test a la velocidad que
sea, entonces lo marcan a esa velocidad. Dichos tests son muy estrictos y en cuando un
procesador supera por 1 grado la temperatura máxima establecida en estos test, para esa

velocidad, es rechazado, aunque funcione perfectamente a esa velocidad y pasa a ser marcado
con la velocidad inmediatamente inferior. De esto se deduce que la mayoría de los
procesadores marcados para una velocidad funcionan perfectamente con otra superior o muy
superior, y su calentamiento será totalmente razonable, siempre que lo refrigeremos
convenientemente.
Esto es verdad a medias, tenga en cuenta que, si un procesador ha pasado el test de
400 Mhz holgadamente, funcionará mucho mejor a 450 Mhz que uno que lo haya pasado "por
los pelos", no todos los procesadores marcados con una misma frecuencia son iguales, algunos
se les podrá forzar mucho, a otros menos y algunos nada.
¿CÓMO REFRIGERAMOS UN PROCESADOR ?
La manera mas habitual es con un disipador, existen otros mecanismos, pero son más
costosos y más complicados de llevar a cabo.
Existen tres tipos de refrigeraciones: pasiva, activa y por software.
La pasiva consiste en aplicar un disipador sin nada mas y la activa si aplicamos "algo
más" como un ventilador para mejorar el flujo de aire a través del disipador o una célula de
refrigeración peltier o agua... etc. La de software consiste en unos programas como waterfall,
rain, cpuidle, etc.., que activan los modos de ahorro de energía del procesador y éste entra
más o menos en "letargo", aprovechando momentos en los que el procesador está
desahogado, éste consume menos energía y obviamente se calienta mucho menos. Dichos
programas son muy efectivos (bajan 10 a 15: la temperatura del micro), y no le restan
rendimiento.

Funcionan solo bajo DOS,WINDOWS 3.1,WINDOWS 95 Y 98 (linux y nt ya lo tienen de
serie y no hacen falta).
LAS CÉLULAS PELTIER
Existen hace mas de 150 años, y se basan en semiconductores que al ser atravesados
por una corriente eléctrica transmiten el calor de una parte del semiconductor a otra.
Este sistema además de disipar "ENFRIA", posee 2 caras una fría y otra caliente, la fría
ha de pegarse contra el procesador para que absorba su calor y lo transmita a la cara caliente
y a esta ultima es la que disipa el calor generado y lo transmite al exterior mediante una
adecuada evacuación.
Detalle de una célula Peltier típica de 115W, con unas medidas de 40x40x5mm
VENTAJAS Y PRESTACIONES DE ESTE DISEÑO
Este sistema utiliza tres células de Peltier, así como tres fuentes de alimentación de 15v
regulables independientes y un depósito de líquido común.
Las células que utilizamos tienen una potencia real de apróx. 115W, el sistema está
diseñado para ubicar 3 células de este tipo, esto nos proporciona por una parte la ventaja de
una gran potencia de frío y por otra la posibilidad de fabricar tres modelos, 115, 230 y 345W,
con el mismo sistema dependiendo de las necesidades del mercado.
Todo el sistema está controlado por un procesador y se presenta su estado mediante
una pantalla LCD ubicada en el frontal del PC. Todo este sistema de refrigeración está ubicado
en una caja de plástico inyectado, dando una gran robustez al equipo. El acceso al equipo
electrónico se puede hacer por los laterales y el acceso al depósito de líquido refrigerante,
fuentes de alimentación, etc por la parte inferior de la caja.
Esta caja dispone en su parte posterior de las tomas pertinentes del líquido
refrigerante, el cable de alimentación de RED y el cable de control de todo el sistema, además
de una pequeña toma para el líquido refrigerante que permite conectar un pequeño depósito
de expansión que va colocado en la parte alta del exterior del PC.
El sistema está controlado por una placa electrónica que incorpora un Microprocesador
para el control de todos los parámetros que intervienen.
Por otra parte el equipo utiliza una bomba de bajo ruido y elevado rendimiento,
especialmente diseñada para este tipo de equipos, que requieren un alto compromiso de

durabilidad y fiabilidad, la bomba está dentro de la caja principal, junto al depósito del líquido
refrigerante.
Detalle de la Bomba
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL EQUIPO
- Caudal de líquido de 14 litros/minuto.
- 3 Células Peltier de 15V/125W.
- Tensión de alimentación 220Vac.
- Control de temperatura programable.
- Presentación de datos mediante display LCD de 2x16 caracteres.
- Posibilidad de programación de la temperatura de trabajo.
- Lectura de la temperatura de los dos micros por separado, en caso de ser un
equipo Dual.
- Posibilidad de una tercera lectura de temperatura para refrigeración de placas
auxiliares, VGA, discos duros, etc.
- 3 fuentes de Alimentación de 15VDC/160W, regulables.
- El equipo solo se pone en marcha si las temperaturas de los Micros lo requieren.
- La evacuación del calor se hace a través de la caja mediante un ventilador.
TEMPERATURAS MÁXIMAS OPERATIVAS DE UN PROCESADOR
Las temperaturas máximas operativas de los procesadores actuales más comunes
rondan los siguientes valores:
CPU’s AMD Athlon y Duron
Socket A (Athlon, Duron) hasta 1GHz 90°C
Socket A (Athlon "Thunderbird") 1.1GHz o más 95°C
Socket A (Athlon XP, Sempron) 1.33GHz o más 90°C
Socket A (Athlon MP) 1.33GHz o más 95°C
All Slot A (Athlon clásico, Athlon Thunderbird) 70°C
CPU’s AMD serie K6
Todos los K6 (166-300MHz) y la mayoría de los K6-2/K6-III 70°C
K6-2/K6-III, con el modelo terminando en X (ej. K6-2-450AFX) 65°C
K6-2-400AFQ (bastante raro) 60°C
K6-2+, K6-III+, y la mayoría de los móviles K6/K6-2 85°C
móviles K6/K6-2 con el modelo terminando en K (ej. móvil K6-2-P-400AFK) 80°C
Intel Pentium 4 (Willamette/Northwood)
La temperatura máxima depende mayormente del modelo y la velocidad del reloj, pero
no se da un patrón fácilmente identificable. Consulte las especificaciones técnicas de Intel para
un modelo en particular.

(Mínima: P4 Northwood ("A") 1.5GHz con 66°C, Máxima: P4 Willamette 1.8GHz con 78°C.
66°C - 78°C
Intel Pentium III
Pentium III Socket 370 500-866MHz,
Pentium III Slot 1 (primera generación, OLGA) 550-600MHz,
Pentium III Slot 1 ("Coppermine") 500-866MHz 80-85°C dependiendo del modelo
Pentium III Socket 370 y Slot 1, 933MHz 75°C
Pentium III Slot 1 933MHz 60°C
Pentium III Slot 1 1GHz 70°C para versiones más nuevas
60°C para la versión más vieja
Pentium III Slot 1 1.13GHz (primera versión) 62°C
Intel Pentium II
Pentium II (1era generación, "Klamath") 72°-75°C dependiendo de los Mhz.
Pentium II (2a generación, 2.0V core), 266-333MHz 65°C
Pentium II (350-400MHz) 75°C
Pentium II (450MHz) 70°C
Intel Celeron / Celeron
Celeron 266-433MHz 85°C ( temperatura máxima del estuche del CPU)
Celeron 466-533MHz (0.25µ) 70°C ( temperatura máxima del estuche del CPU)
Celeron 533-600MHz ("Coppermine) 90°C
Celeron 633 y 667MHz 82°C
Celeron 700MHz y mayores 80°C
Las temperaturas del Celeron y del Pentium III son las máximas de la juntura térmica del CPU
excepto en los casos explicitados.
Las temperaturas de los Pentium II son las máximas de la placa de transferencia térmica
(sobre la cual se apoya el disipador).
OTROS ACCESORIOS QUE SE PUEDEN REFRIGERAR:
Además de los Microprocesadores de un PC, también se pueden refrigerar para
optimizar el rendimiento, otros “chips” ubicados en otras placas, como por ejemplo la VGA, el
Chipset de la Placa Base, discos duros, etc.
Pensando en todo esto se ha desarrollado este enfriador y se le ha dotado de la
potencia necesaria de frío para poder dar estas prestaciones.
Las tres imágenes que se presentan pueden ser tres ejemplos de refrigeradores líquidos
que se adhieren al Microprocesador. Algunos de estos se elementos se fabrican por firmas
especializadas.
Estos ejemplos forman parte de un amplio abanico de posibilidades para refrigerar el
Microprocesador, tarjetas VGA, discos duros, etc..

Coletor para la distribución de varios circuitos de líquido refrigerante.
Otros elementos específicos como por ejemplo la refrigeración de una tarjeta VGA, el
Chipset de la placa Base, etc. Las fotografías mostradas debajo de estas líneas corresponden a
tarjetas VGA.

Detalle de una placa VGA con la refrigeración del Micro y el Chipset, con configuraciones
diferentes.

En estas dos fotografías se ve claramente los dos tubos por donde entra y sale el líquido
refrigerante y se distribuye por los diferentes elementos a refrigerar de la placa.
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