¿Qué es una cámara de vapor? ¿Cómo funciona? ¿Cuáles son sus ventajas?

Rubén Castro, 12 julio 2021

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¿Qué es una cámara de vapor?

Una cámara de vapor es un sistema de refrigeración que funciona mediante el cambio de fase de un compuesto dentro de un volumen cerrado.

Como ya sabrás, el cambio de fase es un sistema muy eficaz de transferencia de calor ya que requiere mucha energía (y dicha energía es disipada del componente caliente que se quiere refrigerar).

La electrónica y el calor

Uno de los principales enemigos de los componentes electrónicos es el calor. El calor hace que los chips puedan estropearse rápidamente y también deterioran el rendimiento a largo plazo. Por eso muchos sistemas, como los procesadores o las tarjetas gráficas, cuentan con sistemas para minimizar las temperaturas como el thermal throttling o estrangulamiento. Lo malo es que el thermal throttling funciona limitando el rendimiento para que se genere menos calor y las temperaturas se mantengan controladas.

Si no podemos disminuir el calor producido por el chip, lo que podemos hacer es disiparlo mejor. La mayoría de procesadores necesitan utilizar disipadores de aluminio o de cobre que se colocan sobre el chip para transferir el calor al aire.

Aletas es un conjunto de aletas metálicas que están diseñadas para maximizar la superficie. El aire que es empujado por un ventilador tiene entonces una gran superficie de la que puede absorber el calor de manera más eficiente.

Un paso más allá en complejidad, que los disipadores, encontramos los sistemas de cámara de vapor.

¿Cómo funciona una cámara de vapor?

Un sistema de cámara de vapor consiste es una placa de cobre hueca y sellada al vacío. El punto de la cámara de vapor que está conectado a la fuente de calor, como una GPU, se llama evaporador. Cuando el evaporador se calienta, el líquido de la mecha se evapora y se convierte en gas.

El gas caliente se expande para llenar el interior de la cámara y, una vez que llega a una superficie más fría, el gas se condensa de nuevo. El líquido condensado se devuelve al evaporador a través de la mecha, para continuar el ciclo.

La mecha de una cámara de vapor actúa exactamente igual que la mecha de una vela: atrae el líquido hacia la fuente de calor.

A veces, la cámara de vapor puede tener aletas directamente en su superficie para ofrecer la máxima superficie posible para la refrigeración a través del flujo de aire.

¿Por qué son tan eficaces las cámaras de vapor?

Aunque los metales, como el cobre, son buenos conductores del calor, no son el método más eficaz ya que se puede transferir una gran cantidad de energía térmica a cualquier material que pase por un cambio de fase. Un cambio de fase es una transición de una forma de materia a otra, por ejemplo, de líquido a gas, o de gas a líquido.

El proceso de evaporación del líquido en la cámara de vapor a un gas transfiere una gran cantidad de energía térmica al gas. Cuando el gas se condensa de nuevo, esta energía térmica se transfiere eficazmente al condensador.

Algunos disipadores, incluso, cuentan con tubos de calor o heatpipes. Los tubos de calor funcionan de forma similar, con un proceso de cambio de fase. Sin embargo, los tubos de calor sólo pueden transferir realmente el calor de un extremo a otro del tubo, mientras que una cámara de vapor distribuye activamente ese calor por una amplia superficie. Esta diferencia en la superficie del extremo/lado de enfriamiento significa que las cámaras de vapor son más eficientes para transferir el calor a pilas de aletas más grandes, simplemente porque puede estar en contacto directo con más aletas que un tubo de calor.

Una cámara de vapor es un tubo de calor plano, que puede propagar el calor en dos dimensiones.

Ventajas de las cámaras de vapor

  • Excelente dispersión del calor: una de las ventajas de las cámaras de vapor es que pueden utilizarse como transformadores de flujo de calor, enfriando un flujo de calor elevado procedente de un chip electrónico o de un diodo láser, y transformándolo en un flujo de calor más bajo que pueda ser eliminado por convección natural o forzada.
  • Las cámaras de vapor son prácticamente isotérmicas.
  • Pueden ser utilizadas para enfriar múltiples componentes.
  • Son muy delgadas. Desde 3 mm.
  • Tienen una baja resistencia térmica.

Desventajas de las cámaras de vapor

  • Las cámaras de vapor tienen un coste más elevado en comparación con otros sistemas de disipación
  • No pueden utilizarse como elementos estructurales.
  • La temperatura máxima es de 105°C para las cámaras de vapor estándar, ya que las placas frontales tienden a doblarse cuando la presión del agua es superior a la atmosférica. Esta temperatura puede aumentarse a 150°C con diseños especiales de cámaras de vapor.
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