Los heatpipes son uno de los elementos más habituales de los sistemas de refrigeración de ordenadores, portátiles, tarjetas gráficas y otros dispositivos electrónicos. Aunque a simple vista parecen simples tubos metálicos, en su interior se produce un proceso que permite transportar grandes cantidades de calor de un punto a otro de forma pasiva.
Su funcionamiento se basa en un ciclo de evaporación y condensación de un líquido situado en el interior del tubo. Gracias a este sistema, un heatpipe puede trasladar el calor desde un componente caliente hasta una zona donde resulta más fácil disiparlo.
¿Qué es un heatpipe?
Un heatpipe, también llamado tubo de calor, es un dispositivo cerrado diseñado para transportar energía térmica entre dos puntos.
Normalmente está formado por un tubo metálico hermético que contiene una pequeña cantidad de fluido de trabajo y una estructura interna porosa conocida como mecha o wick. En los sistemas electrónicos es habitual encontrar tubos de cobre con agua como fluido de trabajo.
Lo interesante es que no necesita una bomba ni un motor para mover el líquido. El propio cambio de fase del fluido y la acción capilar de la estructura interna permiten mantener el ciclo.
Por eso los heatpipes se consideran sistemas de refrigeración pasivos y sin piezas móviles.
¿Cómo funciona un heatpipe?
Su funcionamiento puede parecer complicado, pero se entiende fácilmente si seguimos el recorrido del calor.
El líquido absorbe el calor
Uno de los extremos del heatpipe está situado sobre la zona caliente. En un portátil, por ejemplo, puede estar conectado mediante una placa metálica al procesador.
Cuando el componente aumenta de temperatura, el calor pasa al heatpipe y provoca que el líquido situado en esa zona se evapore.
El vapor transporta el calor
Al convertirse en vapor, el fluido se desplaza hacia la parte más fría del tubo.
Durante este proceso transporta consigo una gran cantidad de energía térmica. La diferencia de temperatura y presión entre las zonas caliente y fría favorece el desplazamiento del vapor hacia el condensador.
El vapor se condensa
Cuando el vapor llega a la zona fría, entra en contacto con las paredes del heatpipe y vuelve a convertirse en líquido.
Al hacerlo, libera el calor que había absorbido anteriormente.
Esta zona suele estar conectada a un disipador de aluminio o cobre, que aumenta la superficie disponible para expulsar el calor al aire.
El líquido vuelve al punto caliente
Una vez condensado, el líquido tiene que regresar a la zona donde comenzó el ciclo.
Para conseguirlo, el interior del heatpipe incorpora una estructura capilar que puede estar fabricada mediante materiales porosos, mallas o pequeños canales.
La acción capilar hace que el líquido pueda desplazarse nuevamente hacia la zona caliente, incluso cuando el ordenador está colocado en una posición en la que la gravedad no ayudaría.
El proceso vuelve a comenzar y continúa mientras exista una diferencia de temperatura entre ambos extremos.
¿Qué hay dentro de un heatpipe?
Aunque desde fuera parezca un tubo metálico vacío, contiene varios elementos importantes.
Tubo exterior
Es la estructura que contiene el fluido y mantiene el sistema sellado. En aplicaciones electrónicas es habitual utilizar cobre debido a sus buenas propiedades térmicas.
Fluido de trabajo
En los heatpipes destinados a electrónica se utilizan diferentes líquidos dependiendo del rango de temperaturas y del diseño. El agua es uno de los fluidos habituales en aplicaciones electrónicas.
Mecha o wick
Es una estructura interna que permite transportar el líquido mediante capilaridad.
Puede utilizar diferentes diseños, como polvo metálico sinterizado, mallas o canales internos. La elección influye directamente en el rendimiento del heatpipe.
¿Para qué sirven los heatpipes en un PC?
En un ordenador, los heatpipes tienen principalmente la función de transportar el calor desde un componente hasta un disipador.
Esto resulta especialmente útil porque no siempre es posible colocar un gran disipador directamente encima del componente que genera calor.
Por ejemplo, en un portátil el procesador puede estar situado en una zona relativamente pequeña de la placa base. Un heatpipe puede recoger el calor en esa zona y trasladarlo hasta un disipador situado cerca de una rejilla de ventilación.
El ventilador se encarga posteriormente de hacer pasar aire por las aletas del disipador y expulsar el calor del equipo.
Heatpipes en los portátiles
Los portátiles son uno de los dispositivos donde más claramente se aprecia la utilidad de esta tecnología.
El espacio disponible en un portátil es muy reducido y los fabricantes necesitan transportar el calor desde componentes como la CPU y la GPU hasta zonas donde pueda disiparse.
Por ello, es habitual encontrar uno o varios heatpipes conectando los chips con un conjunto de aletas y ventiladores.
Las investigaciones actuales continúan estudiando los heatpipes como solución para la refrigeración de equipos electrónicos cada vez más compactos y con mayores densidades de potencia.
Heatpipes en tarjetas gráficas
Las tarjetas gráficas también pueden utilizar heatpipes.
En algunos disipadores, varios tubos de calor están colocados directamente sobre la zona que entra en contacto con la GPU. Los tubos trasladan la energía térmica hacia diferentes partes del bloque de refrigeración.
De esta forma se puede distribuir el calor por una superficie mayor antes de que los ventiladores expulsen el aire caliente.
La cantidad, diámetro y diseño de los heatpipes varía dependiendo del sistema de refrigeración y de la potencia térmica que tenga que gestionar.
¿Un heatpipe enfría por sí solo?
No exactamente.
Un heatpipe transporta calor, pero no hace desaparecer la energía térmica.
Su función consiste en llevar el calor desde una zona hasta otra donde pueda ser disipado de manera más eficaz.
Por ejemplo:
CPU → heatpipe → disipador → ventilador → aire
El heatpipe facilita enormemente el traslado de la energía térmica, mientras que el disipador y el flujo de aire son los encargados de expulsarla finalmente al entorno.
De hecho, un heatpipe no puede enfriar un componente por debajo de la temperatura ambiente por sí mismo. Su función es transferir calor hacia una zona más adecuada para su disipación.
¿Son mejores los heatpipes que el cobre?
Un heatpipe no funciona simplemente como una barra de cobre.
Su ventaja procede del cambio de fase del líquido que contiene en su interior. La evaporación y posterior condensación permiten transportar grandes cantidades de energía térmica con una diferencia de temperatura relativamente pequeña.
Por este motivo, la conductividad térmica efectiva de un heatpipe puede ser muy superior a la del cobre sólido. Algunas configuraciones pueden alcanzar valores de conductividad térmica efectiva de miles o incluso decenas de miles de W/m·K, aunque el rendimiento real depende del diseño, longitud, diámetro, fluido y condiciones de funcionamiento.
¿Los heatpipes se pueden romper?
Sí, aunque normalmente están diseñados para funcionar durante largos periodos sin mantenimiento.
El sistema está sellado y contiene una cantidad determinada de fluido. Si el tubo sufre una perforación importante, puede perderse el fluido y el heatpipe dejaría de funcionar correctamente.
También existen límites de funcionamiento relacionados con la cantidad de calor que puede transportar, el diseño de la mecha, la orientación y las condiciones de funcionamiento.
Por eso no conviene doblar o perforar deliberadamente los tubos de calor de un disipador.
¿Dónde más se utilizan los heatpipes?
Aunque son muy conocidos en informática, sus aplicaciones van mucho más allá de los ordenadores.
Los heatpipes pueden encontrarse en:
- Portátiles.
- Ordenadores de sobremesa.
- Tarjetas gráficas.
- Smartphones.
- Tablets.
- Servidores.
- Sistemas de telecomunicaciones.
- Electrónica de potencia.
- Sistemas de refrigeración espacial.
- Equipos industriales.
Su combinación de alta capacidad de transferencia térmica, ausencia de piezas móviles y tamaño reducido los hace especialmente interesantes cuando hay poco espacio disponible.
Heatpipes: una tecnología sencilla pero muy eficaz
Los heatpipes son un ejemplo de cómo un principio físico relativamente sencillo puede solucionar un problema muy importante en la tecnología moderna.
En su interior, un líquido se evapora al recibir calor, el vapor se desplaza hacia una zona más fría, se condensa y libera la energía térmica. Después, el líquido vuelve al punto caliente mediante capilaridad y el ciclo comienza de nuevo.
Gracias a este proceso, los fabricantes pueden transportar rápidamente el calor desde procesadores, GPU y otros componentes hasta grandes disipadores.
Por eso, aunque un heatpipe pueda parecer simplemente un tubo de cobre, en realidad es una pieza fundamental de muchos sistemas de refrigeración modernos.
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