Kühlung
Über die Notwendigkeit der Kühlung im Zusammenhang mit modernen Computersystemen und was dabei zu beachten ist.
von Andreas Lenz
Inhalt
- Vorwort
- Wieso ist Kühlung nötig?
- Kühlkörper
- Wärmeleitmedien
- Lüfter
- Alternativen und Zukunftsaussichten
- Links zum Thema
1. Vorwort
Mit diesem Text will ich einige grundlegende Dinge bezüglich der Kühlung moderner Computersysteme erläutern. Verfasst habe ich den Text im Frühjahr/Sommer 2003 im Rahmen meiner Umschulung zum Fachinformatiker, mit einigen nachträglichen Ergänzungen und Änderungen. Ich habe versucht den Themenbereich "Kühlung" möglichst umfassend anzusprechen. Aufgrund des begrenzten Zeitrahmens bewegen sich die folgenden Abhandlungen allerdings leider relativ an der Oberfläche des Themas, zu den meisten Unterpunkten ließe sich noch wesentlich mehr schreiben. Ich hoffe jedoch dem Leser einen nicht allzu lückenhaften Eindruck dieses interessanten Themas vermitteln zu können.
2. Wieso ist Kühlung nötig?
Das optimale elektrische Bauteil existiert nur in der Theorie. An allen in der Praxis vorhandenen elektronischen Bauteilen geht elektrische Leistung "verloren". Diese Verlustleistung wird in Wärme umgesetzt. Dies gilt auch für Prozessoren. Aufgrund ihrer extrem hohen Integration und unglaublich schnellen Schaltgeschwindigkeiten haben moderne Prozessoren eine Leistungsaufnahme von 70 Watt und mehr. Von dieser Leistung geht der bei weitem größte Teil als Verlustwärme verloren, nur ein Bruchteil wird in Form elektrischer Energie als Ausgangssignal ausgegeben. Auf ihre sehr geringe Oberflächengröße bezogen hat eine CPU daher eine Wärmeabgabe die in etwa dem Zehnfachen einer durchschnittlichen Herdplatte entspricht.
Prozessoren bestehen aus Halbleiterelementen und sind als solche empfindlich gegen hohe Temperaturen. Je nach Bauform des Halbleiters treten bei Temperaturen im Bereich von ca. 100-200°C irreparable Schäden auf (Verlust der Dotierung). Bei modernen Prozessoren liegt die zulässige Höchsttemperatur aufgrund der hohen Integration jedoch erheblich niedriger (bei um die 70°C). Diese Temperatur würde innerhalb von Sekundenbruchteilen nach dem Einschalten erreicht da die geringe Masse des Halbleiterkörpers nicht sehr viel Wärmeenergie aufnehmen kann, was eine augenblickliche Zerstörung der CPU zur Folge hätte. Um dies zu vermeiden muss die Verlustwärme abgeführt werden, die CPUs muss ausreichend gekühlt werden. Es müssen jedoch nicht gleich Hardwareschäden auftreten. Im Grenzbereich kann es auch zu Fehlern in der Informationsverarbeitung kommen. Das Resultat können dann Programmabstürze, Systemabstürze oder fehlerhafte Daten sein.
Um dies zu verhindern und den Benutzer rechtzeitig zu warnen wenn die CPU überhitzt verfügen CPUs und Mainboards über verschiedene Schutzmechanismen. So haben CPUs neuerer Bauart beispielsweise einen Temperatursensor eingebaut der die aktuelle Temperatur des Prozessorkerns an das Mainboard weiterleitet welches bei Überschreiten einer Warnschwelle durch Pieptöne aus dem PC-Speaker Alarm schlägt oder auch gleich den Rechner komplett abschaltet. Weiterhin kann die aktuelle Temperatur mit entsprechender Software ausgelesen und angezeigt werden.
Man sollte immer darauf achten dass die gemessene Temperatur der CPU deutlich unter dem spezifizieren Maximalwert bleibt. Nur so kann man sicher stellen dass sogenannte Hotspotst (örtliche sehr starke Erhitzung im CPU-Kern) kein Problem darstellen. Hotspots treten bei allen modernen CPUs auf und können selbst durch in der CPU integrierte Temperaturfühler nicht gemessen werden. Viele Hersteller addieren deshalb von vorneherein auf den tatsächlich gemessenen Wert einen großzügigen Aufschlag um zusätzliche Sicherheit zu schaffen.
Durch Hitze zerstörte Prozessoren. Von links: AMD Athlon (Ober- und Unterseite), Intel Celeron
Leistungsaufnahme verschiedener Prozessortypen und Generationen im Vergleich (Beispiele)
| Intel | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Prozessortyp | Taktrate | VCore | Verbrauch Durchschnitt | Verbrauch Maximum | Maximal-Temperatur |
| Pentium II Klamath | 300 MHz | 2,8 V | 28 W | 43 W | 72 °C |
| Pentium 3E Coppermine | 600 MHz | 1,65 V | 12 W | 17,6 W | 85 °C |
| Pentium 4 Williamette | 1300 MHz | 1,7 V | 48,9 W | 65,2 W | 69 °C |
| Pentium 4 Northwood HT | 3066 MHz | 1,525 V | 81,8 W | ??? | 69 °C |
Von links: Intel Pentium II, Intel Pentium 3, Intel Pentium IV, nicht Maßstabsgetreu
| AMD | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Prozessortyp | Taktrate | VCore | Verbrauch Durchschnitt | Verbrauch Maximum | Maximal-Temperatur |
| K6-2 Chompers AFR | 300 MHz | 2,2 V | 10,35 W | 17,2 W | 70 °C |
| K7 Athlon Pluto | 600 MHz | 1,6 V | 45 W | 50 W | 70 °C |
| Athlon Thunderbird | 1400 MHz | 1,75 V | 65 W | 72 W | 95 °C |
| AthlonXP Thoroughbred 681 | 2167 MHz | 1,65 V | 62 W | 68,3 W | 85 °C |
Von links: AMD K6-2, AMD Athlon Classic (Slot-A), AMD Athlon Thunderbird (Sockel-A), nicht Maßstabsgetreu
Exkurs: Übertakten
Eine gängige Praxis unter Hardware-Bastlern ist es die Leistungsfähigkeit eines Computers dadurch zu steigern dass die Taktrate der CPU über den vom Hersteller spezifizierten Wert angehoben wird. Hierbei kann es hilfreich sein die Versorgungsspannung der CPU (VCore) ebenfalls über ihren Standardwert hinaus anzuheben. Die Vorgehensweise hierzu unterscheidet sich zwischen den einzelnen CPU- und Mainboardtypen und reicht von einfachen Einstellungen im BIOS bis zu komplexen Lötarbeiten auf dem Mainboard.
Das Risiko beim Übertakten liegt darin dass die CPU mehr Leistung benötigt. Die Verlustleistung steigt proportional zur Taktrate und annähernd quadratisch zur VCore an (eine Verdoppelung der Taktrate hat eine Verdoppelung der Verlustleistung zur Folge, eine Verdoppelung der VCore jedoch eine Vervierfachung der Verlustleistung). Daher muss hier auf die Kühlung besonders viel Wert gelegt werden da sonst die Gefahr von Instabilitäten oder Hardwareschäden besteht.
Mittlerweile ist daraus ein eigener Markt entstanden. Unzählige Web-Shops vertreiben teilweise ausschließlich Komponenten zur Kühlung.
3. Kühlung: Die Theorie
Im Prinzip ist der Vorgang der Kühlung mit einem elektrischen Stromkreis vergleichbar: Damit ein Strom fließen kann muss eine elektrische Spannung vorhanden sein, also eine Differenz zwischen zwei unterschiedlich hohen Ladungen. Bei der Kühlung verhält sich das genau so: Damit ein Transfer von thermischer Energie stattfinden kann muss eine Temperaturdifferenz vorhanden sein, ein Körper muss weniger warm sein als ein anderer.
Wie wir oben erfahren haben ist die CPU eine Wärmequelle von nicht unerheblicher Leistung. Sie würde sich also theoretisch immer weiter aufheizen wenn die Wärmeenergie nicht abgeführt wird. Bringen wir einen kühleren Gegenstand (den Kühlkörper) in Kontakt mit der Wärmequelle fließt Wärmeenergie von der Wärmequelle in den Kühlkörper ab - die "Wärmepotentiale" beginnen sich auszugleichen. Dadurch wird die Wärmequelle gekühlt, während sich der Kühlkörper erwärmt.
Wie gut dieser Wärmetransfer vonstatten geht hängt von mehreren Faktoren ab: Zum einen spielt die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Kühlkörper eine große Rolle. Je größer diese Differenz desto mehr Wärmeenergie kann ausgetauscht werden. Weiterhin ist der thermische Widerstand zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper entscheidend. Wenn der Widerstand gering ist wird der Wärmetransfer logischer weise weniger stark gehemmt und die Kühlwirkung ist besser. Diesen Zusammenhang kann man mit dem Ohmschen Gesetz vergleichen: Je höher die Spannung desto mehr Strom fließt, wenn der Widerstand gleich bleibt bzw. je geringer der Widerstand desto mehr Strom fließt bei gleichbleibender Spannung.
Fazit: Will man eine Wärmequelle möglichst effektiv kühlen muss man dafür sorgen dass der Kühlkörper nicht zu warm wird und das der thermische Kontakt zwischen Wärmequelle und Kühlkörper möglichst gut ist.
Analogie zwischen dem elektrischen Stromkreis und dem Transfer von Wärmeenergie
4. Kühlkörper
Kühlkörper haben die Aufgabe die Wärmeenergie der CPU möglichst schnell aufzunehmen und abzuführen. Hierzu ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit wichtig, weshalb die meisten Kühlkörper aus Aluminium hergestellt werden. Dieses Metall ist sehr leicht, einfach zu bearbeiten, relativ unanfällig gegen Oxidation und verfügt über eine sehr gute spezifische Wärmeleitfähigkeit. Für leistungsfähigere Kühlkörper wird oft Kupfer eingesetzt da es eine noch wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium hat. Allerdings ist es auch teurer und schwerer. Sehr selten wird auch Silber verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit liegt hierbei nur geringfügig über der von Kupfer, der Nachteil liegt aber auf der Hand (Preis). Als Kompromiss zwischen den verschiedenen Vor- und Nachteilen sind Kombinationen der verschiedenen Metalle üblich, z.B. ein Kupferkern mit Aluminium-Lamellen oder ein Aluminium Kühlkörper mit einer Bodenplatte aus Silber.
Damit der Kühlkörper seine Aufgabe effektiv erfüllen kann muss er die von der CPU übernommene Wärmeenergie natürlich ebenfalls wieder abgeben und zwar an die Umgebungsluft. Je größer die Menge an Luft ist, die mit dem Kühlkörper in Kontakt kommt, desto mehr Wärme kann abgegeben werden. Daher verfügen Kühlkörper über Rippen, Finnen, Fächer oder Stifte welche seine Oberfläche um ein vielfaches erhöhen, die Bauform des Kühlkörpers jedoch kompakt halten (je größer die Oberfläche desto mehr Wärme kann abgegeben werden).
Die Kühlleistung eines Kühlkörpers wird in Form des Wärmewiderstandes angegeben (Rth in K/W (Kelvin durch Watt) oder °C/W). Dieser ist abhängig vom verwendeten Material, der Materialstärke und der Oberfläche des Kühlkörpers. Bei der Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers kann man diesen Wärmewiderstand als Berechnungsgrundlage verwenden.
Wärmewiderstand = (zulässige Maximaltemperatur - Umgebungstemperatur) / abzuführende Leistung
Ein Beispiel:
Eine CPU mit einer maximalen Verlustleistung von 50 Watt soll auf einer maximalen Temperatur von 70°C gehalten werden. Wir nehmen die Temperatur der im Gehäuseinneren zur Kühlung zur Verfügung stehenden Luft mit 40°C an. Der Kühlkörper muss also so dimensioniert werden dass er eine Temperaturdifferenz von maximal 30 °C ermöglicht. Dazu rechnet man: 30 geteilt durch 50 ergibt 0,6. Der Kühlkörper darf also einen Wärmewiderstand von maximal etwa 0,6 K/W haben.
Da der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers vom Hersteller aber leider oft nicht angegeben wird muss man bei der Auswahl eines Kühlkörpers meist mit schwammigen Werbeversprechen wie "geeignet bis 2 GHz" vorlieb nehmen.
Spezifische Wärmeleitfähigkeit verschiedener Metalle
| Metall | Wärmeleitfähigkeit * |
|---|---|
| Blei | 34,8 W/mK |
| Stahl | 40-60 W/mK |
| Eisen | 74 W/mK |
| Messing | 111 W/mK |
| Aluminium | 220 W/mK |
| Gold | 312 W/mK |
| Kupfer | 384 W/mK |
| Silber | 407 W/mK |
| * W/mK = Watt geteilt durch Meter mal Kelvin | |
Von links: Kühlkörper aus Aluminium, Kupfer, Kupferboden mit Alustiften
Montage
Bei der Befestigung des Kühlkörpers ist darauf zu achten dass der Kühlkörper flach auf dem Prozessorkern aufliegt und nicht verkantet wird. Die verschiedenen Haltemechanismen üben einen nicht zu unterschätzenden Anpressdruck aus, was bei einer unsachgemäßen Montage bei CPUs mit offenliegendem Kern (vgl. Abbildung AMD Athlon) leicht dazu führen kann dass Ecken vom Prozessorkern abbrechen und die CPU zerstört wird. Viele CPUs verfügen daher über eine direkt auf den Prozessorkern aufgeklebte Metallplatte, den sogenannten Heatspreader, der den Prozessorkern schützt (vgl. Abbildung Intel Pentium 4). Außerdem währe bei einem nicht sauber aufliegenden Kühlkörper kein guter thermischer Transfer gewährleistet was zur Überhitzung der CPU führen kann.
AMD spezifiziert das zulässige Gewicht für den Sockel-A der derzeit aktuellen Athlon-CPU mit maximal 300 Gramm. Viele gängige Kühler überschreiten dieses Gewicht jedoch teilweise nicht unerheblich. Will man einen mit einem solchen Kühler ausgestatteten Rechner transportieren ist Vorsicht geboten da Erschütterungen unter Unständen zum Abreißen des Kühlers führen können. Gegebenenfalls sollte man den Kühler zum Transport demontieren.
Von links: Durch unsachgemäße Montage zerstörte Athlon-CPU, Sockel-A "Nasenhalterung", P4 Retention-Modul
4. Wärmeleitmedien
Damit die Wärmeenergie möglichst schnell von der CPU in den Kühlkörper abfließen kann muss ein guter Kontakt zwischen Prozessoroberfläche und Kühlkörperunterseite sichergestellt sein. Die Hersteller bringen jedoch oft direkt auf den Prozessorkern bzw. den Heatspreader Aufdrucke oder Gravuren auf, mit Herstellercodes, Seriennummern, etc. Weiterhin sind die Kontaktflächen bei herkömmlichen Kühlkörpern selten auf Hochglanz poliert sondern haben leichte Rillen vom Herstellungsprozess. Diese mikroskopischen Unebenheiten verhindern dass die Oberflächen einen 100%igen Kontakt zu einander herstellen können. Es bleibt immer ein kleiner Luftspalt zurück. Da Luft allerdings ein denkbar guter Wärme-Isolator ist (vergleiche z.B. Styropoor) muss dieser Spalt mit einem besser leitenden Medium aufgefüllt werden. Hierzu werden Wärmeleitpasten, Wärmeleitkleber und Wärmeleitpads verwendet. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe liegt zwar immer noch weit unter der von Metallen, sie ist jedoch weit besser als die Leitfähigkeit von Luft.
Sowohl Wärmeleitpaste wie auch Kleber und Pads können immer nur einmal verwendet werden. Wenn man den Kühlkörper abnimmt muss anschließend ein neues Wärmeleitmedium aufgebracht werden. Außerdem sollte man stets die zusätzlichen Eigenschaften der eingesetzten Stoffe bedenken: So können z.B. manche hochwertige Wärmeleitpasten auf Silberbasis eine nicht zu unterschätzende elektrische Leitfähigkeit aufweisen und bei übermäßiger Dosierung zu Kurzschlüssen führen kann.
Spezifische Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Materialien
| Material | Wärmeleitfähigkeit |
|---|---|
| Luft | 0,025 W/mK |
| Wärmeleitpaste | bis zu 9 W/mK |
| Aluminium | 220 W/mK |
| Kupfer | 384 W/mK |
Von links: Oberfläche des CPU-Kerns einer Athlon-CPU, Unterseite eines Kühlkörpers
Wärmeleitpaste
Wärmeleitpaste (oder kurz WLP) besteht aus einem Gemisch aus einem synthetischen Öl und hochfeinen Partikeln einer Substanz mit guten Wärmeleitfähigkeiten. Bei Standardpasten (weiße Farbe) ist dies in der Regel Silikon, es wird aber auch Silberoxid, Aluminium und Keramik eingesetzt. Beim Auftragen von WLP ist es wichtig dass die Oberflächen frei von Fett, Staub und sonstigen Verschmutzungen sind. Die Paste sollte dann in einer durchgehenden Schicht so dünn wie möglich aufgetragen werden (weniger ist hier mehr!).
Wärmeleitpaste
Wärmeleitkleber
Mit Wärmeleitklebern (WLK) werden Kühlkörper befestigt wenn keine anderen Montagemöglichkeiten (Schrauben, Halteklammern, etc.) vorhanden sind. Meist sind dies Zweikomponentenkleber auf Epoxyd-Basis mit einer hohen Hitzefestigkeit und guter Wärmeleiteigenschaft. Bei der CPU-Kühlung werden sie heute kaum noch eingesetzt da die Kühlkörper zu groß und schwer sind und die Auflagefläche zu klein um sie noch ankleben zu können. Sie finden Verwendung bei der Montage von Kühlern auf Chipsätzen, Grafikprozessoren und Speicherbausteinen. Wärmeleitkleber erfüllen nebenbei die gleiche Aufgabe wie Wärmeleitpaste und könnte auch statt dessen eingesetzt werden. Der Nachteil ist dass mit WLK hergestellte Verbindungen oft nur schwer wieder lösbar sind, soll der Kühlkörper demontiert werden.
Von links: Zweikomponenten-Wärmeleitkleber, Aufgeklebte Kühlkörper
Wärmeleitpads
Wärmeleitpads haben das Aussehen von einem kleinen, dünnen Rechteck aus Knetgummi das auf der Unterseite des Kühlkörpers aufgebracht ist. Bei der Montage wird der Prozessorkern in das Pad gedrückt und es ergibt sich der selbe Effekt wie bei der Verwendung von Wärmeleitpaste. Pads haben oft eine etwas geringere Wärmeleitfähigkeit und eine größere Schichtdicke als WLP, sie sind aber einfacher in der Handhabung. Oft sind Pads im Lieferzustand durch eine Folie geschützt, welche vor der Montage entfernt werden muss. Viele Hersteller statten ihre Kühlkörper fabrikmäßig mit Wärmeleitpads aus.
Kühlkörper-Unterseite mit Wärmeleitpad
5. Lüfter
Ein Kühlkörper kann nur dann Wärme an die Umgebungsluft abgeben wenn die Luft weniger warm ist als der Kühlkörper. Da sich die Luft am Kühlkörper natürlich erwärmt muss dafür gesorgt werden dass dem Kühlkörper kontinuierlich frische, kühlere Luft zugeführt wird. Bei geringeren Leistungen oder sehr groß dimensionierten Kühlkörpern genügt hierzu die natürliche Konvektion (warme Luft steigt nach oben). In den beengten Platzverhältnissen in einem PC-Gehäuse und bei den hohen Leistungen die hier abgeführt werden müssen reicht die Konvektion alleine jedoch nicht mehr aus. Moderne CPU-Kühlkörper werden daher fast immer mit einem Lüfter bestückt der den Kühlkörper zwangsbelüftet.
Von einem anderen Standpunkt aus betrachtet könnte man diesen Vorgang auch folgendermaßen beschreiben: Wie weiter oben erwähnt verhält sich die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers proportional zu seiner Oberfläche. D.h. man kann die Kühlleistung eines Kühlkörpers dadurch steigern dass man ihn mit mehr Luft in Kontakt bringt. Durch einen Lüfter wird die Oberfläche eines Kühlkörpers also gewissermaßen "künstlich vergrößert".
Je nach Einsatzzweck werden verschieden leistungsfähige Lüfter verwendet. Der Volumenstrom (die Menge der beförderten Luft) und damit die Leistungsfähigkeit eines Lüfters hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab: Der Größe des Lüfters sowie der Drehzahl. Wiederum aufgrund der beengenden Platzverhältnisse in einem PC-Gehäuse können nur Lüfter bis zu einer bestimmten Größe eingesetzt werden. Daher muss um einen höheren Volumenstrom zu erreichen die Drehzahl des Lüfters erhöht werden. Eine hohe Drehzahl resultiert jedoch immer auch in einer höheren Lautstärke. Außerdem ergibt eine höhere Drehzahl ein Geräusch mit höherer Frequenz, was im allgemeinen als unangenehmer empfunden wird als tiefere Frequenzen. Grundsätzlich kann man also sagen dass ein größerer Lüfter einem kleineren im Verhältnis Volumenstrom / Lautstärke immer überlegen ist. Der Faktor Lautstärke sollte bei der Auswahl eines Lüfters nicht außeracht gelassen werden. Welche Lautstärke der Mensch als unangenehm empfindet ist jedoch individuell stark unterschiedlich und hängt auch von verschiedenen anderen Umständen wie der Frequenz und dem Umgebungsgeräusch ab. In einer Fabrikhalle mit computergestützten Fertigungsanlagen muss natürlich weniger auf die Lautstärke der Lüfter geachtet werden als beispielsweise in einem Tonstudio.
In einem PC werden fast ausschließlich Axiallüfter für 12 Volt Gleichspannung verwendet da diese einfach einzusetzen sind und diese Spannung von jedem PC-Netzteil geliefert wird. Seltener werden auch Radiallüfter verwendet, die den Axiallüftern vom Wirkungsgrad her eigentlich überlegen sind, jedoch etwas komplizierter in der Anwendung.
Luftstrom im Gehäuse
Nicht nur die CPU erzeugt in einem Rechner mit aktueller Hardware eine große Hitze, auch schnell drehende Festplatten, leistungsfähige Grafikkarten, Chipsätze, Arbeitsspeicher und einige weitere Komponenten dürfen als Wärmequellen nicht vernachlässigt werden. Sie alle tragen zur Erwärmung des Gehäuseinneren bei. Um eine ausreichende Kühlung sicher zu stellen sollte die Temperatur der Luft im Gehäuseinneren aber nicht über 40°C ansteigen. Es muss also für einen Austausch mit dem Gehäuseäußeren gesorgt werden. Die auf den Komponenten teilweise vorhandenen Lüfter "verquirlen" jedoch lediglich die Luft im Gehäuseinneren. Außerdem muss ein Gehäuse aus verschiedenen Gründen (Abschirmung, Schutzbestimmungen, etc.) möglichst geschlossen sein und darf keine großen Öffnungen aufweisen. Daher verwendet man auch hier Lüfter. Standardmäßig verfügt jeder moderne PC über einen Lüfter im Netzteil, der warme Luft aus dem Inneren des PCs nach draußen befördert. Viele PC-Gehäuse bieten zusätzlich dazu Einbaumöglichkeiten mit vorgestanzten Lüftergittern etc. damit man die Gehäusebelüftung bei Bedarf durch die Installation weiterer Lüfter verbessern kann. Hierbei sollte man zwei Regeln beherzigen:
- "Luftzufluß = Luftabfluß": Wenn Luft aus dem Gehäuse heraus geblasen wird muss die gleiche Menge an Luft an anderer Stelle in das Gehäuse nachströmen können (Axial-Lüfter sind nicht in der Lage einen echten Druck bzw. Unterdruck aufzubauen). Normale Gehäuse sind allerdings bei weitem nicht luftdicht so dass genügend Öffnungen vorhanden sind durch die dieser Ausgleich vonstatten gehen kann. Bei einer sehr intensiven Belüftung durch viele Lüfter sollte man aber auch einige der Lüfter in das Gehäuse blasen lassen und nicht alle hinaus.
Unter Umständen kann es auch bei einer weniger starken Belüftung hilfreich sein an einer bestimmten Stelle definiert Luft ins Gehäuseinnere zu blasen, z.B. um einen "thermischen Kurzschluss" zu vermeiden (wenn ein ausblasender Lüfter direkt neben einer Öffnung wie einem unbestückten Lüftergitter eingebaut ist kann die gerade erst ausgeblasene Luft zurück ins Gehäuse strömen und wird wieder ausgeblasen...). - "Warme Luft steigt nach oben": Fast alle PC-Gehäuse in Tower-Form haben im unteren Frontbereich eine Öffnung durch die eine Belüftung stattfinden kann. Weitere Öffnungen sind meist im mittleren und oberen Bereich der Rückwand (unten ist kein Platz da dort die Erweiterungssteckplätze und Anschlüsse des Mainboards sind). Es ist also wenig sinnvoll einen vorne unten montierten Lüfter aus dem Gehäuse heraus blasen zu lassen und hinten oben ins Gehäuse hinein. Die Lüfter würden so dem natürlichen Bestreben der Luft nach oben zu steigen entgegenarbeiten was eine Verminderung des Luftstromes zur Folge hätte.
Beispiele verschiedener Axiallüfter im Vergleich
| Abmessungen in mm (LxBxH) | Vlumenstrom in m³/h | Leistung in Watt | Drehzahl in U/min | Lautstärke in db(A) | Verwendung |
|---|---|---|---|---|---|
| 119x119x25 | 94 | 1,25 | 1600 | 26 | Gehäuse |
| 92x92x25 | 94 | 2,5 | 3000 | 36 | Netzteil, Gehäuse |
| 80x80x25 | 58 | 1,3 | 2600 | 27 | Netzteil, Gehäuse, CPU |
| 79 | 2,2 | 3600 | 37 | ||
| 60x60x25 | 42 | 1,6 | 5100 | 35 | CPU, Gehäuse |
| 50x50x10 | 20 | 1,0 | 5000 | 30 | GPU, Chipsatz |
Von links: Axial-Lüfter, Kühlkörper mit Lüfter, Radial-Lüfter, Gehäuse mit mehreren Lüftern
6. Alternativen und Zukunftsaussichten
Es ist ohne weiteres möglich Computer mit weniger Verlustleistung herzustellen, wie Laptops beweisen. Da dies jedoch mit einem erhöhten finanziellen Aufwand verbunden ist und der Kunde sich in der Regel mehr für die Rechenleistung interessiert als für die elektrische Leistung ist die Industrie wenig bestrebt diese Kenntnisse im Bereich des Desktop-PCs umzusetzen. Es werden zwar Techniken entwickelt wie der Leistungshunger von CPUs herabgesetzt werden kann, jedoch hauptsächlich um dadurch die Taktraten weiter in die Höhe treiben zu können ohne das die Verlustleistung in Dimensionen steigt die mit herkömmlichen Mitteln nicht mehr zu bewältigen sind. Die derzeitigen Top-Modelle der großen CPU-Hersteller Intel und AMD befinden sich bereits an der Grenze dessen was mit vernünftigem Aufwand und akzeptabler Lautstärke mit einer herkömmlichen Luftkühlung abgeführt werden kann.
Neben dem klassischen Kühlkörper/Lüfter-Modell gibt es natürlich zahlreiche weitere, oftmals wesentlich leistungsfähigere Techniken die zur Kühlung in einem PC eingesetzt werden können. Diese sind jedoch oft experimenteller Natur und teilweise nur mit hohem technischen und finanziellem Aufwand realisierbar und spielen daher für den Massenmarkt keine oder nur eine untergeordnete Rolle weshalb sie hier nicht angesprochen werden.
Einige andere Techniken sind jedoch vielversprechend und werden vermutlich in Zukunft vermehrt Einfluss auf den Massenmarkt haben wie zum Beispiel Heatpipes und Wasserkühlungen.
Sowohl Heatpipes wie auch Wasserkühlung eignen sich um je nach Anspruch entweder eine äußerst leistungsfähige oder aber eine sehr geräuscharme Kühlung zu ermöglichen. Mit einem durchdachten Design lässt sich z.B. ein leistungsstarker PC komplett passiv, d.h. ohne den Einsatz von Lüftern, und somit geräuschlos kühlen wie z.B. der "Future Client" der Firma Signum Data zeigt. Derzeit sind solche Geräte noch sehr teuer doch da immer mehr auf Ergonomie am Arbeitsplatz geachtet wird werden solche Geräte in Zukunft einen größeren Markt haben. Trotz ihrer zahlreichen Vorteile ist nicht zu erwarten dass Wasserkühlungen die Luftkühlung auf dem Massenmarkt in absehbarer Zeit ersetzen werden, auf dem Servermarkt sind Wasserkühlkonzepte jedoch bereits kein Novum mehr.
Future Client von Signum Data
Heatpipes
Bei einer Heatpipe handelt es sich um eine mechanische Wärmepumpe. In einer geschlossenen Röhre befindet sich eine spezielle Flüssigkeit mit sehr niedriger Siedetemperatur. Bei Erwärmung an einem Ende der Röhre verdampft die Flüssigkeit und steigt zum anderen Ende der Röhre auf. Dort kondensiert sie und fließt dann zurück zum anderen Ende, wo sie wieder verdampft usf... Durch diesen kontinuierlich ablaufenden Vorgang können große Mengen Wärmeenergie vom einen Ende der Heatpipe zum anderen transportiert werden. Faszinierender weise funktioniert dies sogar in anderen Einbaulagen als der vertikalen und auch bei gebogenen Röhren da hier Kapillarkräfte wirken und nicht Konvektion.
Heatpipes sind in der Wärmeleitfähigkeit herkömmlichen Kühlkörpern überlegen, kommen ohne diese jedoch nicht aus. Die Wärme wird lediglich schnell von einem Ende zum anderen transportiert, muss aber noch immer an die Umgebungsluft abgegeben werden wozu nach wie vor ein Kühlkörper benötigt wird. Eingesetzt werden Heatpipes um an schwer zugänglichen Stellen eine Kühlung zu ermöglichen bzw. um die Wärme an einen Ort leiten an dem sie besser abgeführt werden kann wie z.B. zur Gehäuseaußenseite. Der Hauptnachteil an Heatpipes liegt in ihrem im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern recht hohen Preis, der aufwändigeren Installation und der geringen Flexibilität.
Von links: CPU-Kühlung über Heatpipe, Grafikkartenkühlung mit Heatpipe
Wasserkühlung
Die Bezeichnung Wasserkühlung ist irreführend, die Wärme wird nämlich auch hierbei an die Luft abgegeben, lediglich über den Zwischenschritt des Kühlwassers. Hierbei wird Wasser in einem Kreislauf durch verschiedene auf Wärmequellen montierte Kühlkörper gepumpt wo es Wärmeenergie aufnimmt, sowie durch einen Radiator (Wärmetauscher) wo es die Energie an die Umgebungsluft abgibt. Die hohe Kühlwirkung einer Wasserkühlung ergibt sich durch die hohe Wärmekapazität von Wasser. D.h. Wasser kann innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes sehr viel Wärmeenergie aufnehmen. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist sehr gering, was jedoch keine Rolle spielt da es ja keine Wärme weiterleiten muss. Vielmehr wird die Weiterleitung der Wärme dadurch bewerkstelligt dass das erwärmte Wasser bewegt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil dass man die Wärmeenergie auch ohne weiteres über längere Strecken transportieren kann. So kann man z.B. einen Schlauch aus dem Gehäuse heraus führen und dort den Radiator aufstellen. Auf diese Weise wir die Wärme vollständig aus dem Gehäuse heraus transportiert. Außerdem ist man nicht länger an die beengenden Platzverhältnisse des PC-Gehäuses gebunden und kann einen Radiator mit sehr großer Oberfläche verwenden was die Kühlleistung erheblich verbessert.
Sowohl der technische wie auch der finanzielle Aufwand sind bei einer Wasserkühlung wesentlich höher als bei einer herkömmlichen Luftkühlung. Früher wurden Wasserkühlungen ausschließlich von Bastlern eingesetzt. Viele der benötigten Komponenten mussten selbst hergestellt werden was entsprechende Kenntnisse und Werkzeuge voraussetzt. In letzter Zeit entstehen aber immer mehr Firmen die Wasserkühlsysteme professionell herstellen und vertreiben. Immer mehr renommierte Händler nehmen Wasserkühlungen in ihr Sortiment auf.
Spezifische Wärmekapazität verschiedener Materialien
| Material | Wärmekapazität |
|---|---|
| Luft | 1 kJ/kgK |
| Aluminium | 0,9 kJ/kgK |
| Kupfer | 0,4 kJ/kgK |
| Wasser | 4,2 kJ/kgK |
Die Wärmekapazität gibt an wie viel Energie notwendig ist um einen Körper um ein Grad zu erwärmen (Kilojoule geteilt durch Kilogramm mal Kelvin).
Wasserkühlung
7. Links zum Thema
FAQ der de.comp.hardware.cpu+mainboard Hierarchie
FAQ der de.sci.elektronik
ATX Motherboard Specifications (englisch)
AMD Athlon XP Produkt Details
AMD Thermal, Mechanical, and Chassis Cooling Design Guide (englisch)
AMD Socket A Processor Installation Guide (englisch)
Intel Pentium 4 Product Details (englisch)
Intel Desktop Boards System Airflow Requirements (englisch)
Homepage von Henrik Reimers
