Como funcionam os tubos de calor nos nossos computadores e sistemas

Os tubos de calor nos nossos computadores e sistemas

Tubos de calor (heat pipes) vem sendo usados em eletrônica, particularmente em computadores, para aumentar a durabilidade de componentes. A cada ano o mercado de dissipadores aumenta a oferta desses componentes, com design cada vez mais sofisticado, enquanto os fabricantes de componentes prometem mais eficiência com menos calor a ser dissipado.

 

No lançamento dos processadores AMD Ryzen 3 os representantes da empresa asseguraram alta performance dos novos chips, mas com TDP (Thermal Design Power) baixo. Isto, na prática, significa aumento de processamento sem aumento de calor a ser dissipado.

De fato, a introdução de CPUs cada vez mais poderosas, seja Intel ou AMD, passou a demandar sistemas de refrigeração cada vez mais sofisticados, como, por exemplo, os chamados “coolers” (“resfriadores” ou dissipadores) líquidos.

A melhoria de desempenho das novas CPUs, com TDP menor, traz de volta os sistemas de refrigeração parcialmente passivos, com a ajuda de tubos de calor (“heat pipes”), desta vez com mais eficiência e relação custo benefício garantida.

Em um cooler deste tipo, o design inclui uma chapa de contato com a CPU, geralmente de cobre, pela qual passam os tubos de calor, e estes acoplados em uma série de barbatanas (“fins”) suspensas, as quais são resfriadas por um simples ventilador.

 

 

Eu me vi às voltas com algo desse tipo quando precisei consertar o computador desktop do meu filho, e resolvi substituir o cooler de fábrica de um processador AMD FX-8350 por outro tipo.

Eu usei este excelente processador por muitos anos com um avantajado resfriamento líquido Corsair modelo H100, no qual eu ainda fiz algumas modificações de alimentação elétrica. Mas, para instalar este cooler líquido eu precisei remontar tudo em um gabinete mais amplo.

O meu filho, que detesta gabinete grande, teve esta CPU resfriada pelo dissipador de fábrica, no lugar do H100. Funciona, mas com uma ventoinha pequena, a rotação da mesma era maior, provocando um barulho pelo menos para mim indesejável.

Existem pilhas de coolers com ventoinha no mercado. Eu escolhi o modelo Verkho 4 da Aerocool (figura acima), pelo seguinte e importante motivo: a espessura das barbatanas, junto com a ventoinha, é de apenas 73 mm, o que permite a montagem da peça sem impedir o acesso aos slots do banco de memória, e de tabela cabe em um gabinete menor.

Notem que este modelo segue a mesma rotina de design dos similares de outras marcas: os tubos de calor passam dentro da chapa de contato com a superfície da CPU, 4 no total, e depois passam pelas barbatanas, mudando de formato achatado para redondo. As barbatanas são arrefecidas por uma ventoinha de 120 mm, que empurra o ar fresco para dentro delas, e que depois é expulso para fora do gabinete por uma ventoinha traseira.

Neste tipo de design dois detalhes são importantes na hora da escolha: o número de tubos de calor (“heat pipes”) e o tamanho da ventoinha. No cooler original da CPU a ventoinha é inacreditavelmente menor, e assim era preciso mais potência para arrefecer uma dada quantidade de calor.

Com uma ventoinha maior, o esforço para arrefecer o mesmo calor é menor, resultando em um número de rotações por minuto inferior, na prática, mais arrefecimento com menos barulho. Por outro lado, quanto maior for a superfície de troca de calor mais eficiente será o sistema, portanto quanto maior for o número de tubos melhor.

Como funciona

Os tubos de calor são uma invenção engenhosa. As primeiras experimentações com esses tubos começaram ainda no século 19, e sofreu modificações ao longo do século seguinte. Em 1963, George Grover procedeu a uma série extensa de combinações de materiais de tubos e líquidos arrefecedores. Foi ele quem batizou essas peças de “heat pipes”, as quais eram montadas sempre com o objetivo de melhorar sistemas eficientes de troca de calor, que é, em última análise, o mesmo objetivo nas aplicações de arrefecimento de componentes eletrônicos.

Ao final da década de 1960 os tubos de calor encontraram aplicações em naves espaciais e aeronaves em geral. Um artigo do Scientific American desta época já revela a estrutura dos tubos que iria ser a definitiva:

 

Essencialmente, o tubo de calor (“heat pipe”) consiste de um tubo metálico selado, geralmente de cobre ou alumínio, chamado de envelope, dotado de uma mecha (condutor) no seu revestimento, por onde flui um líquido. O conteúdo líquido interno (água, metanol, etc.) se evapora com o aumento de calor, e depois flui para uma seção do tubo mais fria, quando então se condensa, expulsando o calor adquirido no primeiro estágio. Esse ciclo de troca de calor se repete indefinidamente e é bastante rápido.

Tomando o cooler passivo para CPU mostrado acima como exemplo, o sistema de arrefecimento funciona da seguinte maneira:

A placa (chapa) que fica em contato com a CPU (poderia ser qualquer outro chip) recebe pasta térmica ao longo da sua superfície, com o objetivo de não só repassar calor como também preencher pequenas irregularidades na superfície da placa ou do chip. Notem que é importante a escolha da pasta térmica, porque embora as tradicionais, usadas em dissipadores convencionais, funcionem razoavelmente, as melhores pastas transmitem calor em qualquer faixa de temperatura.

Quando o usuário liga o computador a CPU esquenta rapidamente e se o arrefecimento de calor falhar ela se desliga automaticamente, para evitar queimar. Se não, o calor gerado por ela passa integralmente para a placa de contato e para os tubos de calor nela contidos. Os tubos podem até não estar em contato direto com a superfície da CPU, mas no caso exposto acima eles estão e isto é muito bom, porque o contato para a troca de calor passa a ser direto.

A caloria que chega aos tubos provoca a evaporação imediata do conteúdo líquido, como explicado acima. Consequentemente, a superfície da CPU esfria, mas não por muito tempo. O calor “roubado” da superfície da CPU começa um ciclo de evaporação e condensação do líquido dos tubos, mas só isso não basta, porque o calor gerado pela CPU é muito intenso.

Barbatanas

Para solucionar este empecilho os fabricantes de coolers colocam os tubos em contato com uma série de pequenas placas de alumínio, chamadas, para efeito prático, de barbatanas (“fins”, no original em inglês), que se aquecem em contato com os tubos.

Para resfria-las, uma ventoinha é posicionada na superfície das barbatanas, empurrando o ar para dentro do conjunto barbatanas-tubos. A maioria dos coolers deste tipo admite que o usuário coloque outra ventoinha no outro lado das barbatanas, fazendo um movimento “push-pull” (“empurra-puxa”) do ar que passa por ali. Com isso, a ventoinha original empurra o ar enquanto a outra retira o ar e o expulsa para o ambiente.

Vários modelos de cooler já vêm com a segunda ventoinha disponível para montagem. Se esta segunda ventoinha não estiver presente o ar que sai das barbatanas deve ser aspirado para fora do gabinete, com a ajuda de uma ventoinha posicionada na sua parte traseira ou superior, dependendo de como o cooler é instalado.

É importante ligar a fiação da ventoinha de um cooler deste tipo direto no header da CPU, geralmente rotulado na placa-mãe com o nome de CPU_FAN. Este header, obrigatoriamente de 4 pinos, é controlado pelo firmware da placa mãe. Se o sensor da placa mãe detectar aumento de temperatura na CPU a ventoinha do cooler aumenta automaticamente de rotação, e vice-versa. É importante também manter todo o gabinete limpo, de modo a evitar obstrução da passagem de ar frio do ambiente por dentro dele.

Um aspecto fundamental, parcialmente comentado no início deste texto, se refere ao TDP da CPU. Ele se refere ao máximo de dissipação de calor, quando a CPU entra em sobrecarga máxima de trabalho. Se o usuário fizer “overclock”, que é o aumento forçado do batimento do chip, acima do valor do TDP, ele será obrigado a usar um sistema de arrefecimento superior ao permitido, caso contrário a CPU pode queimar.

As aplicações de tubos de calor costumam passar transparentes para a maioria dos usuários, particularmente aqueles que em sua maioria, não se interessam por detalhes de hardware.

Quando bem aplicados, os tubos de calor prolongam significativamente a vida dos equipamentos. Neste aspecto, os fabricantes de CPUs, Intel e AMD, vem fazendo um grande esforço no sentido de diminuir os valores de TDP, sem degradar a performance dos chips, e isto por si só simplifica o arrefecimento e aumenta o rendimento de trabalho no computador como um todo.

Avanço

É quase impossível para quem não passou por problemas de resfriamento nas placas mães entender o avanço que a adoção de tubos de calor proporcionou. Décadas atrás eu tive uma placa Asus inutilizada, por conta de um chipset resfriado por uma ventoinha de má qualidade.

Na época, a Asus não tinha presença no Brasil e era difícil importar uma peça dessas, que necessitava de um encaixe específico na placa mãe. Essa ventoinha começou a falhar fazendo um barulho estranho, provocado pelo emperramento dos rolamentos, até falhar totalmente e impedindo o computador de funcionar.

De lá para cá o arrefecimento de calor nos chipsets melhorou significativamente e os tubos de calor contribuíram muito para isso. Além disso, os rolamentos das ventoinhas atingiram um grau de sofisticação, que as permite rodar a vida inteira e mais três meses.

Até hoje, eu acho fascinante observar o design de dissipadores e ventoinhas afins, sem falar no resfriamento com líquido, que eu uso até hoje. Nestes últimos, um radiador faz o papel das barbatanas, esfriando o líquido e expulsando o ar quente para fora do gabinete.

Em última análise, é o aumento da confiabilidade de placas bem resfriadas que nos motiva a escolher componentes, com o benefício da paz de espírito provocado pela sensação de que o trabalho em andamento não corre risco de ser perdido! Outrolado_

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Paulo Roberto Elias é professor e pesquisador em ciências da saúde, Mestre em Ciência (M.Sc.) pelo Departamento de Bioquímica, do Instituto de Química da UFRJ, e Ph.D. em Bioquímica, pela Cardiff University, no Reino Unido.

4 comentários sobre “Os tubos de calor nos nossos computadores e sistemas

  1. Olá Paulo. Sabe nas minhas incursões em montar PC’s (a décadas atrás), me deparei várias vezes com o tema dessa matéria, e nunca conseguia acertar de 1ª, pois o processo de resfriamento “eficaz” de uma unidade CPU é algo que demanda estudo e principalmente conhecimento em dissipação térmica em componentes eletrônicos. As soluções oferecidas pelo comércio, nem sempre são as ideais para o funcionamento “uniforme” de um processador. Pois existe um importante fator chamado “temperatura de trabalho” e como conseguir atingir isso de um dissipador, sem estar em um laboratório de ensaio apropriado ? Vejo esse desenho das aletas, como as que conseguem o melhor resultado para controlar a temperatura. Mas as várias empresas do ramo fornecem vários modelos para um mesmo tipo de soquete, e é aí que a dúvida permanece sobre qual comprar, e qual seria o modelo de melhor atuação. Seria isso Paulo um abraço.

    • Oi, Rogério, isso que você descreve está correto, mas é possível usar como guia as especificações das faixas de TDP compatíveis, como publicadas pelos fabricantes de dissipadores.

      Coolers com arrefecimento líquido, na minha opinião, são preferíveis, se o gabinete permitir uma instalação limpa.

  2. Olá “xará…” Parabéns pelo Tutorial, muito bom mesmo!!! Sou um entusiasta, e curioso, tenho um problema, sei como resolver, porém, não possuo equipamentos “ferramentas de precisão” para executar o serviço, vou explicar meu problema. Montei um PC Game, com uma MOBO Asus H310 8/9 Geração., equipei com uma CPU Core i5 8500 de com 6 Núcleos, está tudo funcionando perfeitamente, inclusive a MOBO está na garantia, entretanto, a minha placa de Vídeo, uma GTX 960 de 4Gb, aquece demais, chegando ao limite de 80ºC, então tive uma ideia, implantar uma chapa de cobre de 1,5mm sobre o dissipador de alumínio, abaixo do Chip, que é original Nvídia., aí vem os detalhes importantes, a levar em consideração, 1- preciso de uma fresa, para fazer o “vazado” onde embutirei a placa de cobre, a espessura do dissipador, é de +ou- 3/16″ tem exatamente 5,5mm., um pouco mais de 3/16″ dará para fazer sem problemas, só que tem outro porém, não sei se apenas essa chapa de cobre, irá resolver o problema, então pensei, posso fazer dois furos “em diagonal” passando por debaixo da placa, em 90º, e nas extremidades de ambos, conecto tubos de cobre, apenas para ter uma conexão, para embutir mangueira, que através de uma mini bomba d’agua, conectada a um recipiente com água, fará circular internamente no dissipador, com os dois coolers que uso abaixo dele, que implantei justamente devido a esse problema, dará mais um reforço no resfriamento de Chip., o grande problema é que a espessura do dissipador, menos o que desbastarei para implantar a chapa de cobre, diminuirá para apenas 4mm, e levando em consideração que terei de deixar uma pequena camada, que seja minúscula, entre os furos, a chapa de cobre e a parte inferior do dissipador, para evita vazamento, teria que fazer esses furos, com no máximo 2mm, deixando 1mm para cada extremidade do furo., se tivesse como passar o tubo de cobre pelos furos, mesmo que encostasse na placa de cobre, seria tranquilo, mas não tem como, pois não tem como fazer “curvado” só poderei colocar os tubos nas extremidades dos furos, para ter conexões para as mangueiras… e ai, será que esse furo com 2mm, o fluxo de água circulando, adiantaria alguma coisa?? Obrigado meu amigo!!

    • Caro Paulo,

      Eu não sou técnico desta área, e sim hobista como você, construindo computadores pessoais para o meu uso e ocasionalmente para os amigos, portanto encare meus comentários apenas como uma opinião pessoal.

      Se uma placa de vídeo esquenta demais é preciso primeiro saber a causa, porém nunca esquecendo que cada chipset tem uma faixa específica de temperatura de trabalho. Se o limite desta faixa estiver sendo respeitado o arrefecimento de um sistema de resfriamento não será necessário.

      A arquitetura moderna dos computadores já de muito tempo conjuga a capacidade de trabalho entre a CPU e GPU, dividindo tarefas, de acordo com o programa que está rodando. No seu caso, os jogos tendem a forçar muito a GPU, daí o calor na placa gráfica, mas acho que você sabe disso. Agora, note que se o computador não trava, não há porque você se preocupar com isso. O importante, e aí eu falo por experiência própria, é garantir a baixa temperatura da CPU quando ela é estressada. A solução seria sistema com água ou até mesmo com ventilador, depende muito da CPU.

      É muito difícil, creio eu, avaliar resultados sem antes experimentar, por isso eu não me atrevo a opinar se o que você quer fazer pode dar resultado.

      Outra possibilidade é verificar se a GPU está com a pasta térmica em ordem e/ou consultar o fabricante da placa gráfica se, em um caso como o seu (temperatura elevada), o problema pode estar ocorrendo devido a alguma falha de construção. Eu digo isso, porque no passado remoto, na minha GeForce GTX 1080 SC da EVGA eles constataram que a falha na dissipação era devida a uma falha de montagem e do firmware com erro, e no final trocaram a minha placa por uma nova, já sem este tipo de problema. Teoricamente, uma placa gráfica nem precisaria de ajuda extra, sob qualquer carga. Tanto assim, que em muitos modelos, as ventoinhas só rodam se a GPU aumentar a sua carga de trabalho.

      Sinceramente, eu não sei se o que eu disse acima poderá lhe ajudar. Leve em conta que o gabinete onde estes componentes estão instalados poderá também contribuir para o calor das peças como um todo.

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