PC Cooling Pt. 2: Estratégias passivas de dissipação de calor

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Como foi referido no artigo anterior, a geração de calor em componentes eletrónicos é um fator inevitável mas que pode ser compensada por um bom sistema de remoção de calor dos componentes. Neste artigo vamos abordar as estratégias passivas, que tal como o nome indica, são estratégias que não requerem o fornecimento de energia mas fazem uso de fenómenos naturais de transferência de calor.

Alhetas – Fundamentos e características

De todos os sistemas passivos os mais comuns são sem dúvida as alhetas. Estas podem vir na mais variável forma e com os mais variados materiais (dentro de algumas restrições como é óbvio), mas partem todas do mesmo princípio: transferência de calor por condução ao longo da alheta.

heat_sink_aluminum_profileExemplos de alhetas evidenciando a sua elevada área superficial

Vamos então entrar um pouco mais em detalhe neste mecanismo de transferência de calor. A condução de calor ocorre sempre que haja um gradiente de temperatura num meio contínuo ou entre dois meios contínuos em contacto, sendo que este mecanismo geralmente está associado (ou tem maior impacto) em meios em que há uma mobilidade atómica e/ou molecular dos seus constituintes bastante reduzida, tal como se verifica em sólidos ou fluidos não-Newtonianos, no entanto também ocorre em gases e líquidos. Considerando que a transferência de calor ocorre através da interação das várias partículas em contacto, o calor trocado vai depender da geometria do material (espessura (L) e área superficial (A)), das propriedades do material (condutividade térmica (k)) e da diferença de temperatura entre o meio (ΔT) (equação 1).

Q (fluxo de calor)=k.A.ΔT/L                                            (equação 1)

Analisando a equação 1, podemos maximizar o fluxo de calor escolhendo um material de elevada condutividade, aumentando a área de contacto ou o diferencial de temperatura, ou diminuindo a espessura do meio.

No caso de arrefecimento de componentes eletrónicos, existem algumas limitações na maximização. Para começar, se a espessura do material for muito baixa isso implica normalmente que a massa do equipamento também é baixa, logo a quantidade de energia total que necessita de receber para que a sua temperatura aumente será menor, mas se a sua espessura for muito elevada será criada uma maior resistência térmica. Assim torna-se necessário proceder a uma solução de compromisso equilibrada entre peso e espessura. Quanto à condutividade do material também não há muito a fazer. Considerando que normalmente este tipo de equipamentos requer uma quantidade significativa de material a ser usado, é necessário uma vez mais haver um compromisso entre desempenho térmico e custo associado, sendo que normalmente se opta por metais comuns (normalmente alumínio) com menor condutividade em detrimento de materiais mais caros mas com maiores condutividades térmicas. Em relação ao diferencial de temperatura também não há muito a fazer já que das duas uma, ou se deixa o componente aquecer ou então arrefece-se a temperatura do meio envolvente, sendo que nenhuma das hipóteses é propriamente aconselhável e/ou cómoda. Resta apenas a manipulação da área superficial, sendo esse parâmetro largamente explorado na construção de alhetas tal como se pode verificar na figura seguinte.

Este género de equipamento é normalmente aplicado em contacto direto com a fonte de calor (processadores, memórias…), e para maximizar a superfície de contato e transferência de calor é usado um composto viscoso mas com uma elevada capacidade de condução térmica, a chamada pasta térmica. Embora seja apenas aplicada uma pequena quantidade de pasta em relação ao componente em si, esta tem um papel fundamental em promover a transferência já que “corrige” alguma deficiência estrutural dos componentes evitando que haja ar ou zonas que não estejam em contacto entre superfícies.

Estratégias para complementar as alhetas

Apesar das suas boas propriedades de condução térmica, as alhetas, dependendo da situação, podem não ser capazes de efetivamente remover o calor de determinado componente sem que se tenha de usar materiais mais eficientes mas extremamente mais caros (cobre, ouro, prata, diamante ou até o célebre grafeno) ou modificar as condições de operação. Por essa razão se tenta complementar o funcionamento das alhetas com outros sistemas, ativos ou passivos, de dissipação de calor.

Ventoinhas

A integração de ventoinhas numa alheta, e embora as ventoinhas pertençam à categoria de arrefecimento ativo, é sem dúvida a estratégia mais comum, barata e prática de se efetuar. O fundamento é simples: para evitar que o ar em contacto com as alhetas esteja estagnado (ou pelo menos com pouca movimentação) e que acaba por estar a uma temperatura mais elevada que o meio envolvente, são colocadas ventoinhas que criam um fluxo de ar direcionado à alheta e que melhora a transferência de calor. Este fenómeno e estratégia serão abordados em detalhe na próxima parte deste artigo.

Heat Pipes e Vapor Chambers

Um heat pipe é normalmente um tubo de cobre selado com pressões internas significativamente inferiores à pressão atmosférica dentro do qual circula um fluido em constante mudança de fase (líquido-vapor). Esta mudança de fase ocorre quando num extremo do tubo lhe é fornecido calor, sendo que o vapor devido às suas propriedades se desloca para o outro extremo do tubo onde condensa e volta ao ponto original (podem consultar aqui alguns tipos de fluidos usados e a sua gama de aplicabilidade).

aAlheta com heat pipes de cobre. Fonte: David Reay

Ao fazer uso da mudança de fase, o calor trocado está associado à entalpia de vaporização ( e consequentemente da entalpia de condensação) sendo capaz de transferir mais calor do que num processo em que apenas haja aquecimento dos materiais. Devido aos seus fundamentos de funcionamento, os heat pipes apresentam como vantagens o facto de apresentarem maior fluxo de calor por unidade de massa e/ou volume ocupado, serem leves e poderem ser aplicados em qualquer orientação inclusive de “pernas para o ar”.

No entanto há algumas limitações associadas a este tipo de tecnologia. Para começar, apenas são capazes de transferir calor numa direção, e devido à sua estrutura normalmente cilíndrica, a área de contacto com uma superfície plana é normalmente muito menor do que a área superficial do tubo. Para combater esta última limitação são implementadas algumas medidas adicionais:

  • Achatamento parcial do tubo para aumentar o rácio entre área de contacto e área superficial;
  • Acoplamento com alhetas (a estratégia que mais interessa nos sistemas de dissipação passiva)
  • Acoplamento com Vapor Chambers (estratégia mais eficiente mas também mais dispendiosa)

Este último ponto remete-nos então para o uso de Vapor Chambers.

A tecnologia de Vapor Chambers foi apresentada pela Sapphire em 2007 para a sua linha de placas gráficas HD3870, tendo sido apelidada de Sapphire Vapor-X Technology . A nível de funcionamento, os Vapor Chambers baseiam-se nos mesmos princípios dos heat pipes, no entanto apresentam uma geometria plana suportada por pequenos “alicerces” internos para evitar a implosão do material.

vapor1Ilustração do princípio de funcionamento de um vapor chamber. Fonte: Cooler Master

No entanto há umas diferenças sublimes entre eles tornando os Vapor Chambers mais atrativos: devido ao seu design, o fluxo de calor não é unidirecional, dissipando calor de uma forma mais eficiente podendo chegar aos 700W/cm2, podem ser usados em condições mais severas, e não estão limitados nas dimensões a tomar (desde milímetros de espessura até vários decímetros). No entanto o custo associado pode chegar a ser ordens de grandeza superior a heat pipes e alhetas, razão pela qual normalmente só são usados em componentes Premium, em sistemas de elevada importância ou em situações onde a aplicabilidade de outras soluções é limitada.

Se quiseres ficar a saber um pouco mais acerca destas tecnologias podes consultar um livro de David Reay et al.

A integração de todas estas tecnologias permite obter um equipamento de dissipação de calor mais eficiente, a um preço acessível e que normalmente apresenta um tempo de vida consideravelmente elevado.

Image1Exemplos da integração de vários sistemas passivos e ativos em alhetas. Há esquerda temos o cooler de processador CoolerMaster V8 GTS e à direita o sistema ACX desenvolvido pela EVGA. Cortesia: Cooler Master e EVGA.

No próximo artigo será abordada a primeira vertente da dissipação de calor ativa, nomeadamente ao nível do arrefecimento com ar e liquídos.

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