geniale Wasserkühlung - ausführlicher Bericht

Peltier-Kühlung, Wärmetausch von Wasser an einer Wasserkühlung
(letzter Stand: 08.07.2004 )

Erfahrungsbericht / Anleitung zum Bau eines Wärmetauschers mit Peltier-Elementen zur Wasserkühlung an aktueller Hardware (3000 MHz und darüber)

Für diejenigen die mich noch nicht kennen, zunächst ein Hinweis. Da ich in diesem Artikel immer wieder Bezug auf den Artikel vom Bau der Wasserkühlung nehme, bitte ich darum, auch den Bericht über den Bau der Wasserkühlung zu lesen. Gegebenenfalls oder bei Bedarf bitte auch den Artikel über die Zusammenhänge „Wasserkühlung und Gehäusebelüftung" lesen. Hier gibt es die Bilder der Peltier-Wasserkühlung als Galerie (Achtung, relativ große Datei, da viele Bilder!)

Es war im Mai 2003, angeregt durch die vielen E-Mails, die ich zum Thema Wasserkühlung bekam, wollte ich wissen, ob es möglich sei, mit Peltier-Elementen den Wärmetausch des Wassers vorzunehmen. Eigentlich bin ich ein Gegner dieser Methode, weil ich nicht einsehen will, weitere Energie zu verheizen, um die vorhandene zu zerstören. Anfangs dachte ich, es würde ein leichtes sein, die folgenden Zeilen zeigen aber, dass es so gut wie unmöglich ist, mit einem aktuellen oder einen übertakteten Prozessor den Wärmetausch des Wassers mit einer Peltierkühlung vorzunehmen - zumindest mit den Vorstellungen, welche allgemein in der Szene vorherrschen.

Ein Auszug aus einer E-Mail eines Users zu diesem Thema :
"Die Chemikerseite ist sehr interessant, vor allem, da ich auch ein paar Infos zu den Peltier-Elementen finden konnte. Ich habe da eine fixe Idee, ob man nicht ein bis auf die Wasserpumpe 'passives' (soll heißen keine Lüfter) System bauen könnte. Was ich noch in nächster Zeit klären müsste, wäre die Größe der Kühlkörper. Die Idee ist, dass die Abwärme durch die Peltier dem Kühlwasser aktiv entzogen wird. Wie der Außensitzende (zugegeben recht große) Kühlkörper damit durch Konvektion fertig wird, ist dann für den Prozessor nicht mehr relevant. Die mit Gewalt in den Kühlkörper gepumpte Wärme hält das DT zur Umgebung hoch, was für die Konvektion und Abstrahlung ja nur von Vorteil wäre. " Anmerkung dazu: Das ist natürlich alles graue Theorie und wegen der Wärmestrahlung funktioniert das ganze nicht, er wollte zwar etwas bauen, doch gesehen habe ich bis heute nichts.

Ein weiterer Gedanke war, dass es mit so einer einfachen Konstruktion für die technisch weniger Versierten einfacher wäre, so einen Wärmetauscher nachzubauen. Meine bisherige Wasserkühlung war ja schon leise, jedoch nahm ich mir vor, (sofern es machbar wäre) diesen Wärmetauscher flüsterleise zu bekommen. Als weiteren Vorteil sehe ich, dass man fast nicht mehr von der Raumtemperatur abhängig ist und man in der meisten Zeit des Jahres um die 18°C Wassertemperatur fahren könnte .

Durch die vielen Fragen der User, die ich zum Thema Wasserkühlung beantwortet habe, ist viel neues Wissen dazu gekommen. Ich habe jetzt ein wesentlich größeres Wissen als vor zwei Jahren beim Bau der ersten Wasserkühlung. Deshalb dachte ich, mit meinem Wissen und meiner Einrichtung würde die Konstruktion und der Bau eines Peltierwärmetauschers kein Problem darstellen. Dachte ich!!!

Doch weit gefehlt, als ich die ersten Versuche machte, zeigte sich sofort, dass dieses Vorhaben alles andere als leicht werden würde und dass es wesentlich einfacher ist, einen Luftwärmetauscher zu bauen. Anfangs dachte ich (wie der User oben) man nimmt einen Kupferblock, montiert 2 oder 3 Peltier-Elemente mit je 40-80 Watt darauf und kühlt die Warmseite mit einem großen Passiv-Kühlkörper.

Jedoch stellte sich sofort heraus, dass passives kühlen durch Konvektion wegen zu geringer Leistung nicht möglich ist, außerdem beeinflusst die Strahlungswärme des großen Kühlkörpers, den man dazu braucht, die Kaltseite des Peltier-Elements sehr stark. Die rückwärtige Wärmestrahlung trifft natürlich auf die Kupferplatte des Wärmetauschers, somit wird der Kaltseite des Peltier-Elements Wärme zugeführt. Ich benutzte bei den ersten Versuchen einen Alu-Kühlkörper mit den Abmessungen 200x150x40 mm, also einen Riesen, ein 40 Watt Peltier-Element brachte diesen Riesen in kürzester Zeit auf 70°C und darüber. Aufgrund dieser Tatsachen sah ich die Passivkühlung als unbrauchbar an. Des weiteren zeigte sich sofort, dass es wegen der Kondensatbildung nicht möglich ist, ohne Temperaturregelung zu arbeiten.

Also begann ich eine neue Methode zu durchdenken. Versuche mit einem Verax P16 Cu Kühlkörper zeigten, dass die Kühlung der Warmseite des Peltier-Elementes nur aktiv und mit kleinen Kühlkörpern machbar ist. Nun begann ich, einen Kupferblock mit den Abmessungen 120x120x20 mm zu bearbeiten. Diesen Block wollte ich an einem aus PVC gefertigten Wasserbehälter montieren und auf der Innenseite direkt mit dem Wasser kontaktieren, zusätzlich wollte ich 3 Bohrungen im Cu-Block anbringen, die vom zurückkommenden Wasser durchflossen werden.

Als der Cu-Block plan und alle Seiten gefräst waren, begann ich wieder mit Tests und Messungen. Ich hatte zu diesem Zeitpunkt ein 40 Watt Peltier-Element. Dieses 40 Watt Element kühlte den 120x120x20 mm großen Cu-Block in ca. einer halben Stunde von 28°C auf 15°C herab. So dachte ich, dass dieser Cu-Block eine brauchbare Leistung liefert und bestellte noch ein 80 Watt Element, um den Unterschied zu sehen. Was ich allerdings zu diesem Zeitpunkt nicht in meine Überlegungen einbezog, war die Tatsache dass mein Cu-Block in seiner Umgebung nur mit Luft kontaktiert wurde. Ich dachte nicht im geringsten daran, dass es in einer Umgebung mit Wasser wesentlich anders sein könnte.

Um zu sehen, wie das ganze mit Wasser funktioniert, baute ich ein Provisorium an meiner Wasserkühlung. An einen offenen Behälter baute ich eine Pumpe und stellte den CU-Block samt Peltier-Element und Kühlkörper auf Stelzen ins Wasser, das Wasser hatte ca. 27°C. Jetzt kam der große Moment wo sich herausstellen sollte, was die Peltier Methode wert ist. Ich füllte 2 Liter Wasser in den Behälter und schaltete das Provisorium ein. Sofort kam die große Ernüchterung, denn die Kälte des Peltier-Elementes wurde augenblicklich vom warmen Wasser umspülten Cu-Block platt gemacht und die Kaltseite des Peltier-Elements einschließlich des riesigen Cu-Blocks waren sofort so warm wie das Wasser und die Wassertemperatur stieg stetig. Die CPU war dabei ohne Last - also im Leerlauf - jedoch übertaktet von 2,4 GHz auf 2.915 MHz.

Nicht die kleinste Kühlleistung war damit zu hohlen. Zu jenem Zeitpunkt betrug die Wassertemperatur und die Raumtemperatur ca. 28°C. Um sicher zu gehen, dass nicht der große und schwere Cu-Block die Ursache hierfür war, probierte ich es mit einem ganz kleinen 50x50x5 mm Cu-Block. Doch am Ergebnis änderte dies nichts; ich konnte im Moment nicht begreifen, dass das herunterkühlen eines so mächtigen Kupferblockes in einer Umgebung mit Luft so einfach war und bei Kontaktierung mit Wasser das Peltier-Element nicht die geringste Chance hatte, etwas auszurichten.

Dieses war eine solche Enttäuschung, dass ich sofort beschloss, das noch am Anfang stehende Projekt - welches bislang noch keine großen Kosten verursacht hatte - wieder aufzugeben. Und so kam es, ich sagte meinen Freunden und Kollegen es habe keinen Sinn, eine vernünftige Wasserkühlung ist mit Peltier-Elementen nicht zu machen, jedenfalls nicht mit diesen Methoden. Der einzige Trost, den ich hatte war der, dass mein Luft-Wärmetauscher eine enorme Leistung hat, von der Peltier-Idee war ich sehr enttäuscht.

Die im Wasser gespeicherte Wärme ist so mächtig, dass die Kälte des Peltier-Elements nicht den Hauch einer Chance hat, auch nur das geringste auszurichten. Die Kälte wird einfach in einem Augenblick platt gemacht, so als wäre sie nur virtuell. Das dieses in einer Umgebung mit Luft so gut funktionierte (immerhin war das ja ein riesiger Cu-Block und der Raum 28°C warm und ich kühlte diesen mächtigen Cu-Block bis auf 10°C herunter), hängt damit zusammen, dass Luft einen wesentlich schlechteren Wärmeleitfaktor als Wasser hat. Dies brachte mich zu der Erkenntnis, das es so gut wie unmöglich ist, Wasser mit Peltier-Elementen zu kühlen (jedoch nur fast unmöglich), wie sich später noch zeigen sollte.

Hier einmal verschiedene Wärmeleitfaktoren in W/mK, die bei der Wasserkühlung eine Rolle spielen können.
Silber hat den besten Wärmeleitfaktor, dieser liegt bei 410 W/mK
Kupfer kommt gleich hinter Silber, dieser liegt bei 393 W/mK
Gold kommt nach Kupfer, dieser liegt bei 310 W/mK
Alu (rein) kommt nach Gold, dieser liegt bei 221 W/mK
Wasser hat einen sehr schlechten Wärmeleitfaktor, dieser liegt bei 0,6 W/mK
Luft hat einen noch viel schlechteren, dieser liegt bei 0,003 W/mK
Man höre und staune, Wasser gehört wie die Luft zu den Wärmeisolatoren

Der Wärmeleitfaktor von Wasser (0,6 W/mK) ist zwar 220 mal höher als der von Luft (0,003 W/mK), doch der Wärmeleitfaktor von Kupfer (393 W/mK) ist 660 mal höher als der von Wasser (0,6 W/mK).

Es folgten ein paar Tage tiefster Enttäuschung über diesen Misserfolg, doch dann begann ich wieder mit neuen Überlegungen. Dabei kam ich zur Überzeugung, es müsste doch möglich sein mit mehreren kleinen Wärmetauschern und wenig Wasserdurchfluss etwas zu machen. So beschloss ich, erst einmal neue Temperaturmessgeräte zu kaufen, um genauste Messungen machen und um Tendenzen sehen zu können.

Bei Conrad Elektronik kaufte ich zwei Präzisions-Sekundenthermometer mit Digital abgespeicherter Kennlinie, dazu noch ein Sekundenthermometer mit 4 Fühlereingängen und 10 Fühler mit 0,3 sek. Ansprechzeit. Mit diesen Geräten war ich jetzt in der Lage, insgesamt 6 Temperaturen parallel zu messen und zu kontrollieren.

Der eine oder andere wird jetzt sagen: "Der spinnt, so viel Geld auszugeben", doch es wird jedem, der diesen Artikel zu Ende liest, klar werden, dass ich ohne genaueste im Zehntelbereich liegende Messwerte beim Testen keine Chance auf Erfolg gehabt hatte. Würde es am Ende doch noch ein Erfolg werden, ist dies natürlich auch meiner Disziplin und Ausdauer zu verdanken.

Es ist wirklich enorm schwierig, mit Peltier Wasser zu kühlen, es ist wie ein Teufelskreis, denn es muss alles perfekt stimmen um damit etwas zu erreichen. Es kommt wirklich darauf an, jedes Zehntelgrad rauszuholen, denn nur so hat man am Ende genügend Zehntel zusammen, um kühlen zu können. Weil beim Peltier warm und kalt so eng beieinander liegen (nur 3-4 mm) kommt es auf kleinste Details an, die Wärmestrahlung vom Kühlkörper muss gedämmt werden, der Lüfter darf nicht in den Kühlkörper hineinblasen, sondern er muss die Luft rausziehen. Außerdem darf der eigentliche Wärmetauscher eine gewisse Masse nicht über- oder unterschreiten, die Durchflussgeschwindigkeit darf nicht zu hoch oder zu niedrig sein. Es gibt eine Fülle von Kleinigkeiten, die maßgeblich daran beteiligt sind, ob die Kühlung ein Erfolg wird oder nicht. Deswegen scheiterten wohl schon viele vor mir an dieser Technik (auch aus diesem Grund habe ich diesen Artikel im Internet öffentlich für jeden zugänglich gemacht).

Meine neuen Überlegungen waren dahingehend, einen kleinen Cu-Block als Tauscher mit 3 mm Bohrungen zu versehen, um eine möglichst kleine Masse und eine kleine Wassermenge zu haben. Nur so könnte man der mächtigen im Wasser gespeicherten Energie Herr werden. Sollte diese Idee Erfolg versprechen, wollte ich 2 oder 3 solcher Teile hydraulisch parallel oder hintereinander schalten, um genügend Durchfluss bzw. Kälte zu erhalten. Die tiefste Wassertemperatur, die ich erreichen wollte, legte ich auf 17-18°C fes. Weiter hinunter wollte ich wegen des Kondensatproblems nicht. Diesen Wärmetauscher wollte ich über einen Bypass an der vorhandenen Pumpe als Sekundärkreislauf betreiben.

Des weiteren war mir jetzt auch bewusst, dass ich die Wassertemperatur nicht nur regeln musste, ich müsste auch über einen Vorwahlschalter mindestens 3 Temperaturen vorwählen (z.B. 18°C, 21°C, 24°C) können. Da die Kondensatbildung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchte steht, könnte ich dann mit zunehmender Luftfeuchte und Temperatur die Wassertemperatur in Stufen höher fahren, um Kondensatbildung an der CPU zu vermeiden.

Zu diesem Zeitpunkt wusste ich auch, es würde, so wie ich es machen wollte, eine teure Angelegenheit werden, da ich dazu voraussichtlich 3 Tauschereinheiten brauchen würde. Also alles mal drei, das heißt im Klartext 3 Peltier-Elmente, 3 Kühler für die Warmseite und weil ich noch verschiedene Temperaturen messen und anzeigen wollte, kämen noch die Elektronikbauteile, das Gehäuse und sonstige Teile hinzu. Es ist natürlich eine Sache der Ansprüche, die man an eine solche Kühlung stellt. Wenn am Ende die Leistung, die ich mir vorstellte, erzielt würde, würde ich Ratschläge geben können, wie es mit weniger Ansprüchen billiger wird.

Die nächste Hürde war die eigentliche Temperaturregelung - sofern ich es überhaupt schaffte mit Peltier die erforderliche Leistung zu erzielen. Peltier-Elemente sind eigentlich sehr gut über die Spannung zu regeln, doch diese Möglichkeit erschien mir nicht machbar - weil mein Elektronikwissen nicht so weit reicht, und ich niemanden habe, der mir solch eine Schaltung (Phasenanschnitt oder ähnliches) entwickeln könnte. Deshalb entschloss ich mich, es mit einer einfachen elektronischen Regelung zu machen, einfach mit einer Ein- und Aus-Regelung. Als weiteres wollte ich eine Temperaturanzeige von Wassertemperatur, Raumtemperatur, Peltiertemperatur und eine Anzeige über LED der vorgewählten Wassertemperatur in meine Planungen einbeziehen. Falls es mir gelingen sollte, die ausreichende Leistung zu erzielen, musste ich mich auf ein Gehäuse und die Gehäusegröße und ein Netzteil, welches 15-20 A leisten konnte, festlegen. Deswegen kaufte ich bei Conrad Elektronik zunächst verschiedene Bauteile und Bausätze, um zu testen, ob diese dafür brauchbar sind.

Jetzt ging ich daran, meine neue Idee zu testen. Als erstes nahm ich einen (von früheren Experimenten mit Luftkühler) noch vorhandenen Cu-Block. Dieser hatte die Abmessungen 50x50x5 mm. Auf den Cu-Block lötete ich ein Cu-Rohr (4x1 mm) in Form eines U´s. Die kleine Wasserpumpe Eheim-1046 wurde mit Siliconschläuchen mit 3 mm Innendurchmesser an dieses Provisorium gehängt. Die Fließgeschwindigkeit des Wassers konnte ich mit einer Parallelschraubzwinge variieren. Als Kühlkörper der Warmseite des Peltier wurde der Verax P16Cu-Lüfter auserkoren, denn mit diesem Kühlkörper hatte ich die besten Erfahrungen im Luftkühlerbereich. Den Original Verax Lüfter habe ich demontiert (denn der ist zwar leise, bringt aber zu wenig Leistung) und durch den fast unhörbaren Papst 4812 N/2 GML-Lüfter ersetzt. Dieser Lüfter hat bei einem Volumenstrom von 45 m³/h einen Geräuschpegel von nur 19 dB(A).

Schon der erste Test verlief positiv, das Wasser kam zwei Zehntelgrad kälter aus diesem einfachen Tauscher. Nun folgte eine sehr lange und sehr mühsame Testreihe, wo alles bis ins kleinste Detail optimiert und getestet werden musste. Parallel zu den Tests ging ich jetzt auch daran, mit meinem CAD-Programm Zeichnungen zu erstellen, denn mir war jetzt endgültig klar, dass der Bau eines Peltiertauschers wesentlich komplizierter als mein Luftwärmetauscher werden würde. Außerdem wollte ich dieses alles mit Zeichnungen dokumentieren.

Dies ist das Ergebnis der CAD-Planung: Ein Tauscherelement mit den Abmessungen 58x58x6 mm mit 6 Wasserbohrungen mit je 3 mm Durchmesser und einer Bohrung für einen Temperatursensor. Wer jetzt glaubt, das war’s schon, hat verloren, denn eine immense Arbeit und eine Unmenge an Stunden mit Tests und Änderungen kamen jetzt auf mich zu.

Bild 1 Tauscherelement 6 Bohrungen hintereinander Bild 2 je drei Bohrungen parallel

Bild 3 drei Tauscherelemente hydraulisch hintereinander geschaltet

Peltier Tauscher 1 Peltier Tauscher 2 Peltier Tauscher 3

Peltier Wärmetauscherelement aus Cu, Abmessungen 58x58x6 mm. Der Wassereintritt ist links unten, der Wasseraustritt rechts unten. Von da geht es weiter zum nächsten Tauscherelement. Es sind 3 Elemente hintereinander geschaltet, das zweite Element wird mit dem kühleren Wasser vom ersten versorgt, das dritte Element wird mit dem noch kühleren Wasser vom zweiten versorgt, so dass am Ausgang des dritten Elementes das Wasser wesentlich kälter sein wird als am Ausgang des ersten Elementes.

Bei 30°C Wassertemperatur und 150 cm³/min Durchfluss kommt das Wasser 2,5°C kälter aus dem Tauscher. Je kälter das Wasser ist, welches man kühlen will, um so kleiner wird der Temperaturunterschied. Sobald die Wassertemperatur auf ca. 22°C ist kommt das austretende Wasser nur noch um 1,9°C kälter aus dem Tauscher, unter 20°C Wassertemperatur ist das austretende Wasser nur noch 1,6°C kälter als das angesaugte Wasser, das geht dann so weiter. Diese Messungen wurden bei 150 cm³ Durchfluss per Minute gemacht. Die Kühlkörpertemperatur war während dieser Versuche bei 46°C. Fazit: kälteres Wasser ist schwieriger zu kühlen.

Weil ich zu diesem Zeitpunkt noch nicht wusste, ob das verwendete Peltierelement die Kühlung schaffte bekam der erste originale Tauscher nur 3 Bohrungen. Versuche und Temperaturmessungen zeigten, dass das Peltier-Element mit diesem Tauscher noch Reserven hatte. Deshalb sollte dann das endgültige Teil wie in der CAD Zeichnung (siehe Bild 1) entstehen. Dabei ließ ich zunächst die Option offen, die sechs Bohrungen hintereinander zu schalten oder jeweils drei Bohrungen wie in Bild 2 parallel zu schalten. (deswegen ist die untere waagrechte Bohrung in Bild 1 und 2 zweigeteilt).

Fließgeschwindigkeit bei 300 cm³/min. im Tauscher mit 3 mm Bohrungen seriell (siehe Bild 1) = 720 mm/sek.
Fließgeschwindigkeit bei 300 cm³/min. im Tauscher mit drei 3 mm Bohrungen parallel (siehe Bild 2) = 235 mm/sek.

Der Vorteil der parallelen Methode ist, dass sich durch das Parallelschalten von je drei Bohrungen die Fließgeschwindigkeit im Tauscher bei 300 cm³ Durchfluss von 720 mm/sek. auf 235 mm/sek reduziert . Durch die langsamere Fließgeschwindigkeit ist das Wasser länger im Tauscher und kann somit stärker abkühlen. Des weiteren würde bei gleicher Pumpenleistung der Durchfluss von 300cm³ auf 450 cm³/min. erhöht. Damit wäre bei 3 parallel geschalteten Wärmetauschern ein Gesamtvolumen von 1350 cm³/min. Durchfluss erreichbar, dabei würde die Fließgeschwindigkeit im Tauscher immer noch bei 235 mm/sek. bleiben.

Bei der parallelen Konstruktion würden aus technischen Gründen die Wasseranschlüsse wie im Bild 2 zu sehen von hinten kommen. Diese zweite parallele Variante wollte ich erst dann ausprobieren, wenn ich sicher war, dass es einen Sinn hatte, weiter zu machen. Um diese Variante auszuprobieren, bräuchte ich nur die zwei Kunststoffteile oben in der Mitte und das untere links und rechts aus den Bohrungen entfernen. Damit würde ich diese geringere Fließgeschwindigkeit bei gleichzeitig höherem Durchfluss erreichen.

Da ich mir jetzt ziemlich sicher war, dass diese Idee am Ende mit einem Erfolg enden würde, befasste ich mich jetzt schon mit sämtlichen Materialien, die dazu notwendig wären, auch die für die Elektronik. Weil ich mir jetzt auch sicher war, dass das ganze ohne Temperaturregelung nicht machbar ist, mussten dafür auch komplizierte Platinenlayouts gezeichnet und hergestellt werden. Die vorangegangenen Tests der elektronischen Komponenten waren auch positiv, so dass ich jetzt auch das Material bestellen konnte. Während dieser Phase erstellte ich auch eine Tabelle, um den Taupunkt im Zusammenhang zwischen Luftfeuchte und Umgebungstemperatur zu sehen.

Nun kam wieder eine Phase, wo ich am PC mit CAD arbeitete, die gesamten feinmechanischen Zeichnungen wurden fertig gestellt und vier Platinenlayouts für das Positiv-Verfahren wurden erstellt. Die Bestückungspläne für die Layouts wurden gezeichnet, elektronisches Material wurde festgelegt, in einer Excel-Datei gelistet und zum Teil schon bestellt.

Des weiteren hatte ich ein in der Höhe verstellbares und in alle Richtungen schwenkbares Stativ für meine Web-Camera hergestellt, um den Fortschritt zu dokumentieren. Dann hatte ich noch alle bis dahin fertigen Teile fotografiert, beschriftet und fürs Internet aufbereitet in einem Ordner gespeichert. Weil der Peltier-Wärmetauscher wesentlich komplizierter und sensibler ist als der Luftwärmetauscher, wollte ich dieses Mal alles noch besser dokumentieren. Ich wollte, dass auch andere Menschen eine reelle Chance haben, diesen Peltier-Wärmetauscher nachzubauen (jetzt, wo die sehr sensible Konstruktion fertig ist, sollte es relativ einfach sein - sofern man die Möglichkeiten des drehens und fräsens hat - dieses nachzubauen).

Nun begann ich mit den Fräs- und Bohrarbeiten der Originalteile. Da ich zwei bis drei solcher Teile parallel oder seriell zusammenschalten wollte, fertigte ich 4 Stück so vor, dass alle Fräsarbeiten und Zentrierbohrungen fertig waren. Weiter wurden 4 Kunststoffteile aus PVC gefertigt, welche die Cu-Tauscherelemente aufnehmen konnten. Diese Teile waren gleichzeitig ein Teil der Isoliermaßnamen die unbedingt und auch an anderen Stellen sein müssen, um überhaupt eine Leistung zu bekommen.

Als nächstes wurde ein Element gebohrt, um ein Originalteil zum Testen zu haben. Die 6 Bohrungen wurden zunächst hintereinander geschaltet. Damit begannen jetzt neue Tests und Versuche. Diese Versuche waren Erfolg versprechend, so dass ich beschloss, mit dieser Konstruktion weiter zu machen.

Natürlich war dieses Teil wesentlich besser in der Kälteleistung als mein erstes und zweites Versuchsteil. Auch zeigte sich anhand der Messungen, dass es genau die richtige Masse und die richtige Menge an Bohrungen hatte. Danach folgte eine endlose Reihe von Tests und Änderungen, um dieses Teil zu optimieren. Damit verbrachte ich während eines Zeitraumes von 4 Monaten über hundert Stunden. Alle Tests wurden genau dokumentiert, sie waren alle im Temperaturbereich von 30°C rückwärts bis 10°C, und von 20°C rückwärts bis 5°C, und noch darunter. Einmal vergaß ich beim Abschalten der Pumpe den Wärmetauscher mit abzuschalten, als ich ihn nach ca. 5 Minuten wieder in Betrieb nehmen wollte, war er eingefroren. -6,5°C zeigte das Messgerät.

Es kamen dabei auch erstaunliche Dinge ans Licht, die mir so mancher nicht glauben wird; es sind aber Tatsachen, einen Irrtum kann ich ausschließen. So wird z.B. mit steigender Wassertemperatur die Kälteleistung immer besser, das kommt uns beim Übertakten der CPU natürlich entgegen. Das hängt nach meinen Erfahrungen mit folgendem zusammen: Je näher man der Temperatur der Warmseite kommt, um so kleiner wird das Delta T zwischen Kühlkörpertemperatur und Wärmetauschertemperatur, somit kann dann die Strahlungswärme nicht mehr soviel ausrichten. Deswegen muss auch alles so gut wie irgend möglich gegen Strahlungswärme isoliert und gedämmt werden. Ein weiteres Phänomen: Es kommt z.B. bei 30°C Wassertemperatur und einer Durchflussgeschwindigkeit von 300 cm ³/min. das Wasser mit 28,5°C vom Wärmetauscher zurück, also 1,5°C Unterschied. Bei 20° Wassertemperatur kommt es mit 18,8°C zurück also mit nur 1,2°C Unterschied. Bei 15°C Wassertemperatur kommt es mit 14,3°C zurück, also nur noch mit 0,7°C Unterschied. Eine weitere Besonderheit ist die Tatsache, dass das Peltier-Element, um eine Wassermenge von 500 cm³ um 10°C abzukühlen die Zeit x brauchte, um die doppelte Menge also 1000 cm³ um 10°C abzukühlen, jedoch nicht die doppelte Zeit benötigte. Dieses letzte Phänomen hat mich sehr lange beschäftigt, denn ich musste mich ja irgendwann auf die Wassermenge und die Größe des Wassertanks festlegen, den ich an diesem Wärmetauschersystem verwenden wollte.

Ein weiteres Phänomen ist das Verhalten des Peltiers bei Spannungsänderungen und die Wärmeleistung in Watt am Peltierelement. Aus Experimenten mit 40 Watt, 80 Watt und 120 Watt Peltierelementen ging hervor, das das 80 Watt Element die beste Leistung erbrachte. Die Peltierelemente, die ich verwende, sind für 15,1 Volt spezifiziert, allerdings stellte sich im Experiment heraus, dass die beste Leistung mit 12 Volt erzielt wird. Nach meinen Erfahrungen hängen diese beiden Ungereimtheiten wiederum mit der Strahlungswärme zusammen, deswegen gib es auch keine stärkeren Peltier-Elemente als 120-130 Watt.

Peltier-Element 80 Watt, Spannung 15,1 Volt, die Wärmeleistung ist mit 79,1 Watt angegeben, bei 12 Volt (11,8 V) ist die beste Leistung, die Stromaufnahme bei 12 Volt ist 5,2 A, nach dem Ohmschen Gesetz ist P = U x I also 11,8 x 5,2 = 61,36 Watt Wärmeleistung. Bei 15 Volt steigt die Stromaufnahme auf 5,7 A, 15 x 5,7 = 85,5 Watt, jedoch nimmt die Kälteleistung ab. Dieses Phänomen hängt damit zusammen, dass die Warm- und Kaltseite sehr eng beieinander liegen (nur ca. 3-4 mm) und dabei die Strahlungswärme der Warmseite eine erhebliche Rolle spielt.

Bisher waren alle Tests ohne Erwärmung des Wassers durch die CPU gemacht, es wurde lediglich das Wasser ab 30°C und ab 20°C über 30 Minuten heruntergekühlt, jede Minute wurden folgende Temperaturwerte dokumentiert: Wassertemperatur, Kühlkörpertemperatur, Wärmetauschertemperatur, Raumtemperatur und die Wasseraustrittstemperatur.

Um Aufschluss darüber zu bekommen, ob es bei Wärmezufuhr durch die CPU ein Erfolg werden könnte, mussten Tests am Rechner gemacht werden. Dazu musste ich mein Wasserkühlgerät umändern, es wurde der Wärmetauscher hydraulisch vom System getrennt, die Wassermenge wurde von 5 Liter auf 1 Liter reduziert. Dann wurde der provisorische Peltier-Wärmetauscher daneben gestellt und hydraulisch an einem Bypass der Pumpe - den ich schon hatte - angeschlossen.

Bei diesen Tests kam wiederum erstaunliches ans Licht: Was ich zuvor nicht wusste, weil ich es nicht getestet hatte war die Tatsache, dass mit einem Liter 20°C warmem Wassers und 100% CPU Last ohne Wärmetauscher die Wassertemperatur um 1°C per Minute anstieg. Darüber war ich erst einmal sehr erstaunt. Ein weiteres Mal wusste ich, wie stark mein Luftwärmetauscher tatsächlich ist.

Es wurde jetzt über 10 Minuten ohne Kühlung gemessen und dokumentiert, um zu sehen ob sich die Temperatur jede Minute um 1°C auch über eine längere Zeit erhöht. Anschließend wurde der selbe Vorgang mit Kühlung durch den einen Peltier Wärmetauscher mit 300 cm³ Wasserdurchfluss gemacht. Endlich kam das lange ersehnte Erfolgserlebnis, es zeigte sich, dass jetzt die Temperatur bei gleichen Bedingungen sich nur noch um 0,5°C statt 1°C erhöhte. Nun wusste ich, dass sich die vielen Stunden gelohnt hatten. Da der eine Peltier-Tauscher 0,5°C der Wärme vernichtet, konnte ich mit den vorgesehenen 3 Peltier-Systemen problemlos und mit gewaltiger Reserve das Wasser kühlen.

Bei diesen Versuchen am PC tauchte durch Zufall ein weiteres Phänomen auf, mit dem ich nicht rechnete. Als ich nämlich die Temperaturen mit dem Messgerät messen und mit einer Software aufzeichnen wollte, ging die Anzeige des Messgeräts (sobald ich das Buskabel an den Rechner anschloss) von +24°C auf -158°C. Ein Anruf beim Support von Conrad-Electronic brachte kein Licht ins Dunkel. Somit beschloss ich, selbst auf die Suche nach der Ursache zu gehen. Das Messgerät schloss ich als Fehlerquelle aus (obwohl man mir beim Support sagte, dass das Messgerät defekt sei). So probierte ich es mit anderen Fühlern, probierte dieses und jenes. Immer wenn ich dann den Fühler aus dem Wasser nahm, war die Anzeige wieder richtig. Aha, dachte ich, da ist eine Spannung im Wasser, die das Ergebnis verfälscht. Eine folgende Spannungsmessung bestätigte meinen Verdacht, eine Weitere Messung im Ohmbereich zeigte bei 50 mm Elektrodenabstand einen Widerstand von 50 Kilo Ohm. Destilliertes Wasser ist doch nicht leitend, oder? Alle Artikel im Internet, selbst von so renommierten Testern wie THG sagen aus, dass destilliertes Wasser nicht leitend ist; ein großer Irrtum, wie ich meine. 50 Kilo Ohm können von mir jedenfalls nicht als nicht leitend bezeichnet werden, denn wenn dieses Wasser auf die Platine an die richtige Stelle kommt, ist es jedenfalls vorbei. Um nun zu klären, ob es Unterschiede zwischen destilliertem Wasser und demineralisiertem Wasser gibt und ob dieses Wasser wirklich nicht leitend ist, bemühte ich einen Physiker, den ich durch E-Mails im Zusammenhang mit meiner Wasserkühlung kennen gelernt hatte. Seine Aussage dazu lautete, dass es schon einen Unterschied zwischen destilliertem und demineralisiertem Wasser gibt, dass dieser jedoch in diesem Zusammenhang keine Rolle spielen würde. Destilliertes Wasser aus der Apotheke sollte zusätzlich noch keimfrei sein. Des weiteren sagte er, im Gegensatz zu den Aussagen aller anderen, dass es nicht leitendes Wasser nicht gibt. Diese Tatsache ist sehr wichtig für alle, die mit Wasserkühlung etwas zu tun haben.

Aufgrund der vorangegangenen Tests hatte ich beim Testsystem die Durchflussmenge auf 300 cm³ festgelegt. Da ich davon ausging, dass ich noch bessere Werte bekomme und noch mehr Durchfluss erreichen werde, wenn ich im Wärmetauscher die parallele Methode wähle, könnte das ein Super-System werden, was auch noch mit weit höherem CPU Takt betrieben werden könnte. Es ist wirklich eine Sache der zehntel, jedes zehntel das man durch irgendwelche Änderungen gewinnt, ist ein Erfolg. Als ich begann, hielt ich es für unmöglich, dass daraus etwas werden würde. Auch berichteten mir andere, die ich im Zusammenhang mit der Wasserkühlung kennen lernte, dass es sich nicht lohnen würde, mit Peltier etwas zu machen. Alles, was mir diese aufgrund ihrer Erfahrungen sagen konnten oder gesehen hatten, war negativ.

Auf drei kleine Wärmetauscher hatte ich mich schon ganz am Anfang festgelegt, nun war nur noch die Frage, ob ich die drei Wärmetauscher hydraulisch hintereinander oder parallel schalten sollte. Ich legte mich jetzt auf die parallele Schaltung fest, weil sich die Durchflussmenge dabei verdreifacht. Denn auch mit einer noch stärkeren Pumpe kann man bei einer hintereinander geschalteten Schaltung nicht mehr Wasser durch die kleinen 3 mm Bohrungen bekommen. Das hat jetzt nichts mit der Hydraulik im Inneren des einzelnen Tauschers zu tun. Um diese Frage zu klären, änderte ich jetzt den Tauscher so ab, dass je 3 Bohrungen im Tauscher parallel zusammengeschaltet waren.

Tests der parallel zusammengeschalteten Tauscher am 26.10.03 zeigten, dass mit je drei Bohrungen im Tauscher die Leistung im Bezug auf Kühlung sowie auch die Durchflussmenge noch besser werden sollte. So wie ich es in meinen Überlegungen gesehen hatte, kam es auch, der Durchfluss erhöhte sich unter gleichen Voraussetzungen von 300 cm³ auf 450 cm³. Trotz höherem Durchfluss erhöhte sich auch die Kühlleistung, unter gleichen Voraussetzungen wie bei früheren Tests war das Wasser nach gleicher Zeit um 3°C kälter. Jetzt war ich sicher, dass die Leistung mehr als ausreichend sei, mindestens einer von den drei Tauscherblöcken war bei der jetzigen Konstruktion trotz Übertaktung von 2,4 GHz auf knapp 3,0 GHz als Reserve vorhanden. Somit konnte jetzt der Bau beginnen bzw. weitergehen.

Durch die Möglichkeit der Temperaturvorwahl 18°C, 21°C, 24°C kann die Wassertemperatur den äußeren Bedingungen angepasst werden, diese Temperaturen können auch individuell am Zehngangpoti verändert werden. Diejenigen, die das Kondensat an der CPU nicht stört, könnten auch unter 18°C Wassertemperatur fahren. Aber Vorsicht ist geboten, das Kondensat ist zwar als destilliertes Wasser anzusehen, jedoch ist destilliertes Wasser keinesfalls nicht leitend!

Die gesamte Elektronik besteht aus Bausätzen der Firma Conrad und kann direkt bei Conrad Elektronik bestellt werden. Das gesamte Elektronikmaterial plus das weitere Material ist mit Preisen und Bestellnummern hier gelistet. Die mechanischen Zeichnungen so wie die Zeichnungen zum belichten der Platinen könnten bei mir zu einem geringen Unkostenbeitrag bezogen werden.

Bei den vielen Vorteilen ist natürlich auch ein Nachteil, dass die Teile in der hier vorgestellten Variante relativ teuer sind. Wenn man jedoch auf den Komfort verzichtet, wird es erheblich billiger. Das einzige was an Technik sein muss, ist die Temperaturregelung des Wassers, alles andere könnte man weglassen. Wer es ganz billig haben will, könnte es mit nur einem Peltier Element machen, dann bräuchte man auch keine Temperaturregelung, da man damit sowieso nicht in den Taupunktbereich kommt.

Das Tauscherelement wurde am 06.11.03 noch ein letztes Mal geändert und noch einmal getestet. Es wurden folgende Änderungen durchgeführt:

1.
Die aus 1 mm schwarzem Hartpapier bestehende Isolierplatte wurde silbern lackiert.

2.
Die am Verax Kühlkörper am Boden befindliche Kupferplatte von 78x65 mm wurde auf 57x57 mm verkleinert, um einen größeren Abstand zwischen Isolierplatte und der Oberseite des Wärmetauscherelementes zu haben.

3.
Am Foxconn- Rahmen wurde oben und unten der Steg abgefräst, um eine Luftzirkulation zu erhalten. Diese Maßnamen wurden gemacht, um die Strahlungswärme im Zwischenraum der Kühlkörperunterseite und der Oberseite des Tauscherelements geringer zu halten.

Ob diese Änderung etwas positives oder negatives gebracht hatte, musste nun als nächstes überprüft werden. Bisher war die Temperatur im besagten Zwischenraum bei ca. 38°C. Zu meinem Erstaunen hatte das Verkleinern des Kupferbodens und das Abfräsen des Steges zwar die Temperatur im Zwischenraum von 38°C auf 25°C verringert, aber ansonsten hatte die Änderung nur negative Auswirkungen. Die Wassertemperatur war nach Zeit x 1,3°C höher als vor der Änderung. Dieses ist ein sehr gutes Beispiel was zeigt, wie wichtig der hohe Wärmeleitfaktor von Cu ist. Dieser Kühlkörper war jetzt natürlich nicht mehr zu gebrauchen, aber so ist das halt, wenn man solche Experimente macht, da muss man dann solche Sachen in Kauf nehmen, 80 Euro kostete dieser Kühlkörper. Dieses Beispiel zeigt auch sehr deutlich, wie empfindlich und sensibel das ganze System ist. Eine unscheinbare Kleinigkeit geändert und schon funktioniert das ganze System nicht mehr. Ich möchte an dieser Stelle an alle, die das nachbauen wollen, eine Warnung richten. Es soll niemand glauben, dass mit anderem (billigen) Material oder Kühlkörper das gleiche Ergebnis erzielt werden würde. Um überhaupt Erfolg zu haben, sind die besten Materialien und äußerste Präzision erforderlich.

Also kaufte ich noch mal einen Verax Kühler. Dieses Mal hatte ich den Kupferboden nur ca. 1 mm tief auf 57x57 mm bearbeitet, so dass ein Luftspalt von ca. einem Millimeter zwischen Isolierplatte und Kühlkörperboden bestand. Diese Änderung brachte zusammen mit der Lackierung der Isolierplatte und dem Abfräsen des Steges dann den gewünschten Effekt, niedere Temperatur im Zwischenraum (25 statt 38°C°C) und eine Leistungsverbesserung der Kühlleistung. Es wurde nun noch getestet, ob mit Wärmeleitpaste (Arctic silver) eine bessere Leistung erzielt würde. Auch diese Änderung brachte eine Verbesserung, der Wärmetauscher wurde 4 Zehntelgrad kälter als ohne Leitpaste.

Am 10.12.03 hatte ich das mechanische Teil so gut wie fertig. Nun begannen Tests am Rechner. Dabei stellte ich ein weiteres Mal fest, dass die Theorie halt doch gewaltig von der Praxis abweicht , das Teil brachte die erwartete Leistung noch nicht. Bei einer Übertaktung von 2,4 GHz auf 2.915 MHz ging es zwar ganz gut, die Temperaturen gingen rückwärts bis unter 15° C, nur bei Volllast (100% Auslastung) ging die Wassertemperatur schon noch so auf 23° C hoch.

Die drei Wärmetauscher waren jetzt parallel geschaltet, ich wollte sie in den nächsten Tagen hintereinander schalten. Die Hintereinanderschaltung bringt auf Grund der Tatsache, dass die Durchflussmenge natürlich kleiner wird, so gut wie nichts. Die Wassertemperatur, die vom Tauscher zurückkommt, ist zwar bei 20°C um 2,1°C kälter, jedoch die Durchflussleistung nur etwa 450 cm³ per Minute. Der Bereich, der die CPU angeht, hat eine Durchflussleistung von 2400 cm³ per Minute, die Temperatur erhöht sich bei 100% Last um 0,6° C beim Durchfließen des Kühlkörpers. Somit brauche ich die selbe Leistung am Peltier-Tauscher, das heißt, ich brauche die gleiche oder höhere Durchflussmenge mit 0,6°C am Peltier-Tauscher. Diese hatte ich bis jetzt noch nicht erreicht.

Nach dem Abschalten eines Peltiers im Leerlauf - übertaktet von 2,4 GHz auf 2.915 MHz - benötigte der Peltier- Tauscher zum Herunterkühlen um 0,5° C ( von 18,5°C auf 18°C) 1 Minute 50 Sekunden, dagegen dauerte die Erwärmung um 0,5° C ( von 18° C auf 18,5° C) 9 Minuten. Der Wasserdurchfluss war jetzt bei 1800 cm³ per Minute, die Peltier- Tauscher waren jetzt parallel geschaltet. Im Bereich der CPU lag der Wasserdurchfluss bei 2400 cm³ per Minute.

Inzwischen war der 15.01.2004. Ich hatte jetzt weitgehend die Leistung, die ich brauchte. Durch kleine Änderungen an den Wasserleitungen (größer von 6 mm auf 8 mm) und Änderungen am Kühlkörper ( ich konnte jetzt 2 Tauscher-Einheiten abschalten, denn es geht bei 20°C Raumtemperatur mit zwei Tauschern) blieben die Einheiten ohne Last immer noch unter 17°C. Ich hatte die tiefste Temperatur auf 17°C eingestellt, die zweite auf 20°C, die dritte Regelung auf 23° C. Jetzt musste nur noch die Elektronik fertig werden.

Am 09.02.2004 war der Peltier- Wärmetauscher soweit fertig, die Leistung war genial. Ich hatte in der Zwischenzeit noch einen neuen Wasserkühlkörper hergestellt, der wesentlich besser als der alte war, er ist wie die Peltier- Tauscher nach dem gleichen Prinzip - nur mit 2 Ebenen übereinander und mit etwas größeren Bohrungen. Mit meiner Pumpe gehen 2000 cm³/min durch dieses Teil, er lässt die Kühlkörpertemperatur bei 100 % Volllast nur 2° C über die der Wassertemperatur steigen.

Der bisherige Kühlkörper war in diesem Bereich 6° C über der Wassertemperatur, die Temperaturregelung ist so eingestellt, dass die Kühlung bei 16,6° C ausgeschaltet und wieder bei 17° C eingeschaltet wird. Der Rechner ist natürlich übertaktet von 2,4 GHz auf 2.915 MHz und es ist nur ein Peltier als Grundlast im Betrieb, die beiden anderen laufen über die Temperaturregelung. Bei normalem Betrieb schaltet das Gerät ca. pro Minute einmal ein oder aus.

Das Gerät arbeitet einwandfrei, im Normalbetrieb beträgt die Temperatur trotz dieser hohen Übertaktung zwischen 16,6° C und 17,0° C. Nur im Lastbetrieb ( bei 100 % Volllast) geht die Temperatur etwas höher, bei 24° C Raumtemperatur ist sie derzeit nach einer halben Stunde mit 100 % Last auf 18,5° C, die CPU- Temperatur beträgt dabei 27° C. Im Normalbetrieb bei 17°C Wassertemperatur beträgt die CPU- Temperatur 21° C. Die Kühlkörpertemperatur liegt im Normalbetrieb zwischen 17,2° C und 17,6° C also ca. 6 Zehntel über der Wassertemperatur, im 100 % Lastbetrieb ist sie dann ca. 2° C höher als die Wassertemperatur.

Die Schaltungen von Conrad arbeiten sehr genau, mit meinem Referenzthermometer ist die Temperatur von 15° C bis 35° C auf ein Zehntel genau einstellbar, das ist der Bereich den ich brauche. Auch die Temperaturregelung und das Zeitrelais für die Lüfter sind sehr gut. Ich betreibe die Lüfter verkehrt herum, das heißt ich ziehe die Luft aus den Kühlkörpern heraus anstatt diese anzublasen, dadurch wird die Leistung wesentlich besser. Das ist übrigens bei der CPU mit Luftkühler genau gleich, beim herausziehen der Luft wird die Leistung wesentlich besser, warum alle Hersteller die Lüfter in die Kühler hineinblasen lassen ist mir ein Rätsel, vermutlich hat das noch keiner ausprobiert.

Am 16.02.2004 hatte ich den Kühlkörper noch einmal optimiert bzw. einen neuen gebaut, habe jetzt 3 Ebenen übereinander. Es sind jetzt wie beim Peltier-Wärmetauscher mit 4 mm Bohrungen jeweils 4 Bohrungen parallel geschaltet. Der Kühlkörper ist aus Cu und hat die Abmessungen 59x59x32 mm ( L x B x H). Das ist der beste Kühlkörper, den ich je gebaut habe. Mit diesem Kühlkörper habe ich das erreicht, was ich wollte! Die Temperatur ist in jeder Phase (Normallast und Volllast) so gut wie gleich der Wassertemperatur, bei 100 % Last liegt diese nur 0,1° C - 0,2° C über der Wassertemperatur. Das ist jetzt das non plus Ultra an Wasserkühlung, besser geht es nicht, sie ist genial, flüsterleise, sieht gut aus und hat eine super Leistung.

Fazit : Es ist nun fast ein Jahr her, als ich mit dem Bau der Peltier-Kühlung begann, doch der Aufwand hat sich gelohnt. Es sind zwar mehrere hundert Stunden Arbeit und viel Geld dabei drauf gegangen, doch jetzt habe ich das, was ich wollte. Allerdings muss ich auch feststellen, dass für Otto Normalverbraucher die Luftkühlung immer noch die beste Lösung darstellt, besonders, wenn man einen Verax P16 Cu Kühlkörper benützt und ihn mit einem Papst- Lüfter bestückt. Ich habe damit die besten Erfahrungen gemacht, habe vieles getestet und gemessen. Selbst bei einer Übertaktung um 10-15 % geht es sehr gut mit dieser Kombination. Der Verax- Lüfter ist zwar fast unhörbar, aber die Luftleistung bleibt weit hinter einem Papst-Lüfter zurück. Ich will niemanden entmudigen, aber wie gesagt, es ist wirklich sehr schwierig, solch einen Wärmetauscher in Eigenarbeit herzustellen. Es kommt auf kleinste Details an und ob es letztendlich gelingt, hängt von vielen Faktoren ab, aber der Wille und die Energie eines Jeden sind die entscheidenden Faktoren, die das ganze gelingen oder scheitern lassen. Erst wenn viele kleine Details zu einem ganzen zusammengefügt werden, kann sich Erfolg einstellen.

Bedanken möchte ich mich bei meiner Frau, die mir so viel Zeit lies dieses Projekt zu verwirklichen und bei unserem Sohn, der dies auf seiner Homepage veröffentlicht.

© Reinhard Koch, 26.02.2004
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