Zusammenhänge
der Gehäusebelüftung mit Luft, Wasser, Peltierkühlung
(letzter Stand: 27.05.2003
)
Bei der
Beantwortung der vielen Zuschriften und Anfragen zum Thema Wasserkühlung,
taucht im weiteren
Es soll keine wissenschaftliche Abhandlung sein (dazu wäre ich sowieso nicht in der Lage), sondern eine Hilfe für die vielen User, die viel Geld für irgendwelche Kühlmethoden ausgeben, und sich wundern dass das Erhoffte nicht eintritt. Diese Erkenntnisse beruhen auf jahrelangen Messungen, intensiven Beobachtungen von verschiedensten Werten und Temperaturen, und natürlich der Erfahrung die ich aus der Tätigkeit als Servicetechniker im Heizungs-Lüftungsbereich habe.
Meine Wasserkühlung läuft erfolgreich übertaktet von 2,4 auf 3,0 GHz seit etwa einem Jahr. Eigentlich ist es müßig, zum jetzigen Zeitpunkt überhaupt noch über Wasserkühlungen zu diskutieren. Vielmehr sollten wir über Kühlmethoden nachdenken, die das gesamte PC System kühlen können, denn die CPU ist längst nicht mehr der einzige Wärmeerzeuger, moderne GPU (Grafikprozessoren), die Festplatten plus die vielen anderen Chips, Kondensatoren, geben mittlerweile zusammen mehr Wärme ab als die CPU.
Die
Industrie streut uns Sand in die Augen, findet immer wieder neue Wege uns von
neuen, besseren Kühlmethoden zu überzeugen. Die Wirklichkeit sieht leider düster
aus, denn bei den Heizleistungen, die aktuelle Hardware heute hat, können wir,
wenn wir uns nicht dem unerträglichen und auf Dauer schädigenden Lärm
aussetzten wollen, - so traurig das ist -, nur noch mit Kälteaggregaten kühlen.
Mir persönlich widerstrebt es zwar, für die PC-Kühlung ein Kälteaggregat
einzusetzen, allerdings werden die Leistungen schnell weiter in die Höhe gehen und
somit auch die Verlustleistung. Mittlerweile bin ich zu der Überzeugung
gekommen, dass die Kühlungen mit Kälteaggregat - wie sie etwa die Firma
Kyrotech (nur nicht in der jetzigen Ausführung) herstellt - die Zukunft sind.
Die neueste Variante der Kühlung, welche uns die Hersteller demnächst anbieten werden, sind die so genannten Peltierkühler, damit jedoch verschlimmert sich die Situation drastisch. Um mit Peltier 70 Watt (CPU) kühlen zu können, müssen ca. 100-150 Watt weiterer Heizleistung eingesetzt werden, was die Temperaturen im Innenraum drastisch erhöhen wird. Wir können nun sagen, wir nehmen eine Wasserkühlung und kühlen das Wasser außerhalb des Gehäuses mit Peltierelementen, doch am Ende steht eine höhere Raumtemperatur, da wir bei Luft, Wasser, Peltier, genauso von der Raumtemperatur abhängig sind. Die Folge ist eine höhere Gehäuseinnentemperatur, in der weiteren Folge eine höhere Temperatur aller anderen Bauteile. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass wir die größten Wärmeerzeuger wie CPU und GPU, mit Wasser und Peltiers kühlen, und den Wärmetausch außerhalb vornehmen, ist meiner Meinung nach trotzdem eine Belüftung des Gehäuses notwendig, weil immer noch genug kleine Wärmeerzeuger vorhanden sind, die in der Masse wieder einen großen ergeben.
Außerdem bekommen wir mit Peltier Probleme mit Kondensat, was zwar bei außenliegender Wasserkühlung nicht so schlimm wäre, aber wir haben ja nicht nur CPU und GPU, sondern Festplatten und viele andere Chips (die immer mehr werden) die ja auch noch gewaltig Wärme erzeugen. Wenn wir so weitermachen, können wir eines Tages mit dieser Abwärme einen Raum bei 15°C minus Außentemperatur auf 20°C heizen, denn die 200 Watt die wir zur Zeit haben, reichen schon aus, um bei Normraumhöhe 3 m² bei 15°C minus auf 22°C zu heizen.
Nun zum Testaufbau. Nehmen wir an, wir haben einen geschlossenen, auf 20°C klimatisierten Raum, mit 20 m² Fläche und 2,5 m Höhe, in diesen Raum stellen wir verschiedene Metall- und Kunststoffteile, einen Teil auf den Boden, andere auf einen Tisch, nach einer gewissen Zeit haben diese Teile egal wie warm oder kalt sie vorher waren, 20°C angenommen. Wenn wir die 20°C im Raum durch eine Klimaanlage halten, wird alles die 20°C beibehalten, solange bis wir die Temperatur am Thermostat ändern. Im Raum ist natürlich eine Temperaturschichtung, am Boden ist die Temperatur etwas niedriger als an der Decke, weil die wärmere Luft nach oben steigt. Deshalb werden die Teile die unten stehen, eine etwas geringere Temperatur haben als jene die auf dem Tisch stehen. Aus obigem Beispiel lernen wir, dass alle nicht aktiven Teile, die in einem Raum stehen, immer die Temperatur der sie umgebenden Luft annehmen.
Jetzt stellen wir uns den Raum vor, den wir (ohne Klimaanlage) für unseren PC zu Verfügung haben, nehmen wir an, er hat genau dieselbe Größe wie unser klimatisierter Raum. Zuerst stellen wir den PC nur hinein ohne ihn einzuschalten. Wie wir aus obigem Beispiel sehen, nehmen jetzt alle Komponenten, Gehäuse, Board, und alle darin befindlichen Teile die Raumtemperatur an. Wir nehmen als momentane Raumtemperatur 20°C an, nach einer gewissen Zeit haben alle Komponenten diese 20°C angenommen.
Wir haben jetzt eine Situation, wo in einem großen Raum ein weiterer kleiner Raum, nämlich unser PC steht, diesen Raum (PC) können wir mit der Verlustleistung der in ihm befindlichen Komponenten heizen (wenn wir ihn einschalten). Wir haben als erstes einen PC ohne aktive Gehäusebelüftung, nur die Netzteillüfter transportieren etwas Wärme heraus. Dabei ist es völlig egal, ob wir eine übertaktete oder nicht übertaktete CPU haben, denn eine um 13% übertaktete CPU wurde bei meinen Tests mit Luftkühlung nur um 3°C wärmer.
Jetzt schalten wir den PC und den Monitor ein. Da unser PC mit aktueller Hardware bestückt ist z.B. P4 2,4 kommt eine Verlustleistung (Heizleistung) von gut 150 Watt zusammen, der Monitor hat auch noch ca. 150 Watt Stromaufnahme, davon setzt er bestimmt auch 50 Watt in Wärme um, zusammen haben wir jetzt eine Heizleistung von ca. 200 Watt. Der Monitor gibt seine Verlustleistung direkt an die Raumtemperatur ab, die deswegen auch zu steigen beginnt. Der PC gibt seine Verlustleistung an die Luft in seinem eigenen kleinen Raum (Gehäuse) ab, da wir ja keine Belüftung des Gehäuses haben, außer ein paar kleinen Bohrungen an der Front und evtl. ein paar kleinen Schlitzen hinten. Deswegen werden die Netzteillüfter und der CPU-Lüfter ziemlich im leeren drehen, und weil wir keine offenen Ansaugflächen für CPU-Lüfter und Netzteil haben, werden wir kaum etwas heraustransportieren.
Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir die Raumluft durch die Abwärme des Monitors schon etwas angehoben, alle Komponenten im Gehäuse einschließlich des Gehäuses werden jetzt wärmer, in der Folge steigt - da wir die warme Luft ja nicht heraustransportieren - die Innenraumtemperatur; daraus folgert eine weitere Erhöhung der Innentemperatur, irgendwann ist dann auch der Zeitpunkt gekommen, wo die Bleche und das Board so warm sind, dass sie ihrerseits wie ein Wärmespeicher wirken. Weil die Luft immer wärmer wird, ist die weitere Folge, dass alle Bauteile im Gehäuse noch wärmer werden, da sie ja eine konstante Heizleistung haben und mit zunehmender Zeit von immer wärmerer Luft umgeben sind. Dieser Prozess (nennen wir ihn Kettenreaktion) wiederholt sich solange, bis die Heizleistung der im kleinen Raum (PC) befindlichen Komponenten am Ende ist und die Luft nicht mehr weiter erwärmen kann. Denken wir immer daran, dass alle Teile, auch das Board, und Gehäuseteile die Innenraumtemperatur annehmen und somit als Wärmespeicher fungieren. Das Gehäuse gibt zwar etwas Wärme nach außen ab, da die Außenflächen lackiert sind und somit als Isolator wirken, ist damit aber nicht viel zu erreichen.
Jetzt können wir viele physikalische Logiken vergessen, denn die Praxisergebnisse würden so manchen Physiker überraschen. Weil unser PC-Gehäuse ein kleiner Raum in einem großen Raum ist, und nur wenig Luftvolumen hat, können die in ihm befindlichen Heizungen ihre Wärme nur an dieses kleine Luftvolumen abgeben. Die Folge: Die Luft einschließlich aller darin befindlichen Komponenten werden immer wärmer, das geht wie gesagt solange weiter, bis die Heizleistung der Komponenten die Temperatur nicht mehr höher bekommt. Deshalb kommt der Innenraum eines nicht belüfteten PCs innerhalb einer Stunde von 20°C auf 35-40°C. Wir könnten jetzt auf alle Chips wie RAM und Nordbrücke und auf viele andere warme Teile Kühlkörper aufkleben, dazu einen besseren CPU-Kühler, es würde nichts nützen, da die Heizleistung der Chips konstant bleibt, jedoch die sie umgebende Luft immer wärmer wird. Damit können wir das Prinzip sogar umkehren, ja wir können es sogar soweit bringen, dass die heiße Luft im Gehäuse einen Chip über den Kühlkörper stärker aufheizt als er es mit seinem eigenen Heizwert könnte.
Das oben
festgestellte zeigt uns, dass unser kleiner Raum (PC), mit Heizung im Raum, ohne
aktive Belüftung nicht auskommen kann, weil unser kleiner Raum (PC), nur ein
Luftvolumen von 0,05 Kubikmeter und eine Heizleistung von 150 Watt hat, im
Gegensatz zu unserem großen Raum, der ein Luftvolumen von 50 Kubikmeter hat,
(das ist das Tausendfache). Die Luft unseres großen Raumes kann sich im
Gegensatz zu unserem kleinen Raum (PC), an 20 m² Boden, 20 m² Decke, 45 m² Wände,
also insgesamt 85 m² abkühlen, dem kleinen Raum (PC) hingegen stehen nicht mal
ganz 1 m² zur Verfügung. Dies zeigt, warum wir unser PC-Gehäuse belüften müssen,
wir müssen die warme Luft in den großen Raum transportieren, damit sie sich
dort abkühlen kann. Natürlich wird das unsere Raumtemperatur auch erhöhen,
jedoch lange nicht in dem Maße wie in unserem kleinen Raum.
An diesen Tatsachen ändert auch eine Wasserkühlung nicht viel, schon gar nicht, wenn sie innerhalb des Gehäuses ist. Selbst wenn sie außerhalb des Gehäuses ist, ändert sich daran nur wenig, denn die anderen Komponenten im PC haben zusammen mindestens die gleiche Heizleistung wie die CPU.
Machen wir noch einen weiteren Versuch. Stellen wir einen PC ohne Gehäusebelüftung mit außenliegender Wasserkühlung in diesen Raum. Wir nehmen den Kühlkörper von der CPU ab, lassen ihn im Gehäuse verbunden mit den Schläuchen liegen, setzen einen Luftkühler auf die CPU und starten den PC. Innerhalb kurzer Zeit können wir beobachten, dass unser Kühlwasser - ohne dass dieser auf der CPU sitzt - immer wärmer wird. Das geht etwa solange, bis das Kühlwasser ca. 3-5°C über der Raumtemperatur liegt, erst dann ist der Temperaturunterschied groß genug, dass die Lüfter des Wärmetauschers das Wasser etwas kühlen können.
Dieses Beispiel verdeutlicht, wie das Prinzip sich umkehrt, aus kühlen wird heizen, wenn wir, wie mein Freund Hans, bei 20°C Raumtemperatur, 38°C Gehäusetemperatur haben, werden wir auf alle Fälle das Wasser über den Zusammenhang Innentemperatur - Kühlkörper (vor allem wenn der Kühler aus Kupfer besteht) mit Leichtigkeit auf über 35°C aufheizen, und das ohne Mithilfe der CPU. Genau wegen dieses Effektes brauchen wir selbst bei außenliegender Wasserkühlung eine perfekte Gehäusebelüftung. Ein Vergleich der Werte meines Freundes zeigt dies eindeutig. Wir haben gleiche Gehäuse, gleiche Prozessoren, an meinem Gehäuse ist die Belüftung optimiert, das Gehäuse meines Freundes nicht, dazu kommt noch, dass er seinen PC in einem nach vorne offenen Schrankfach stehen hat. Bei 20°C Raumtemperatur habe ich 22°C Gehäuseinnentemperatur und 28°C CPU-Temperatur, er hat bei 20° Raumtemperatur 38°C Gehäuseinnentemperatur und 42°C CPU Temperatur. Damit haben wir die CPU-Temperatur über die hohe Gehäuseinnentemperatur um 14°C angehoben. Diese Messungen sind mit Intel CPU P4 2,4 und Intel-Kühler gemacht.
Der nächste Versuch mit einem PC, der eine gute aktive Belüftung hat, bringt Licht ins Dunkel. Wir nehmen jetzt ein gutes Alu-Gehäuse und sorgen mit Lüftern vorne, hinten und oben und mit genügend freier Ansaugfläche an den einblasenden Lüftern für eine optimale Belüftung des Gehäuses. Auf Grund dessen, dass Alu einen guten Wärmeleitfaktor hat und im Inneren nicht lackiert ist, wirkt das ganze Gehäuse als großer Kühlkörper, der den größten Teil seiner Wärme auch wieder nach innen abstrahlt. Die 2 bis 4 Festplatten bleiben schon ohne die vorderen Lüfter fast kalt, denn da sie ihre Wärme an die großen Alubleche abgeben, wird sich auf Grund der Masse die Temperatur nur wenig erhöhen; die wenige Wärme wird durch die Lüfter abtransportiert. Jetzt sind wir, weil wir die warme Luft in den großen Raum transportieren, fast nur noch von der Raumtemperatur abhängig, denn wir haben eine Gehäuseinnentemperatur die nur ca. 2-3°C über der Raumtemperatur liegt.
Die Raumtemperatur hat auf Grund der oben erwähnten Fläche von 85 m² eine viel bessere Möglichkeit, sich abzukühlen, trotzdem wird sie um ca. 4°C von 20°C auf 24°C steigen, damit haben wir im Gehäuse eine Temperatur von ca. 26 °C. Ob wir diese Kühlung mit Wasser oder Luftkühlung vornehmen, ist völlig egal, denn wir geben die gesamte Wärme an die Raumtemperatur, auch diese der Wasserkühlung. Weil die Heizleistung der Komponenten im PC nicht in der Lage ist, die Raumtemperatur noch mehr in die Höhe zu bringen, haben wir den Effekt der immer höher werdenden Temperaturen im Inneren des Gehäuses (aufschaukeln) behoben.
Der ein oder andere wird jetzt sagen, wir haben doch einen CPU-Lüfter, der transportiert doch die heiße Luft auch in einem nicht belüfteten Gehäuse aus dem kleinen in den großen Raum; dazu kann ich nur folgendes sagen: „Nehmen wir mal ein Rauchröhrchen, wie man sie zum Testen an Industrie-Lüftungen verwendet und füllen damit das Gehäuse. Wir werden staunen, wo der Rauch hingeht und was die Lüfter z. B. des Netzteiles machen.“
In diesem Zusammenhang möchte ich ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit nennen: Ein Gehäuse mit vorne 2 Lüftern, einem Lüfter hinten und einem Lüfter oben, alle haben die Größe von 80x80 mm, alle 4 Lüfter arbeiten mit der gleichen Leistung. Die vorderen blasen die Luft in das Innere, der hintere und der obere ziehen die Luft raus. Ein Lüfter auf der CPU hat ebenfalls die gleiche Leistung. Im Netzteil ist ein 92x92 mm und ein 80x80 mm Lüfter temperaturgeregelt, die beide nach außen blasen. Wenn ich nun sage, dass am Netzteillüfter der nach außen bläst, die Luft reingesaugt wird, selbst dann, wenn ich ein Seitenteil abnehme, werden mich alle für verrückt erklären. Das jedoch sind Tatsachen, die mit Rauch sichtbar werden.
An obigem Beispiel sehen wir, dass in diesem Bereich nichts aufeinander abgestimmt ist. Die Industrie baut Gehäuse, Netzteile, CPU, GPU-Kühler, die überhaupt nicht zusammenpassen. Solange wir diese Teile trotzdem kaufen, werden keinerlei Verbesserungen gemacht, selbst wenn der Absatz nicht mehr stimmt ändert man daran nichts, sondern bringt einfach einen neuen Typ auf den Markt und gaukelt uns vor, dass alles jetzt viel besser ist.
Bevor wir uns mit irgendeiner Kühlmethode befassen, ist eine komplette Analyse der Temperaturen notwendig. Die einfachste Methode, die Temperaturen seiner Hardware zu überprüfen ist folgende:
Moderne
Boards geben uns die Möglichkeit, über eine Diode auf dem Board sowie an einer
weiteren Meßstelle wo wir noch eine zweite Temperaturdiode anschließen können,
die Temperaturen zu messen. Die CPU-Temperatur kann über die Diode in der CPU
ausgelesen werden, somit können wir 3 Temperaturen mit einer Software wie z.B.
MBM 5 auslesen und auch noch protokollieren. Wir können somit die CPU, die
Innenraumtemperatur und z. B. noch die Kühlkörpertemperatur
oder Grafikkartentemperatur gleichzeitig anzeigen. Wer das einmal macht,
wird sofort sehen, dass der Anstieg der Raumtemperatur um 1°C einen Anstieg der
Gehäuseinnentemperatur um 1°C zur Folge hat, in der weiteren Folge steigt die
CPU-Temperatur auch um 1°C an.
Gerade die in jüngster Vergangenheit von mir gemachten Tests an P4 2,4 GHz mit Luftkühlern in einem gut belüfteten Gehäuse zeigen dieses eindeutig, auch wird dabei sehr deutlich, dass ein Verax Alukühlkörper bestückt mit jeweils anderen (auch leisen) Lüftern in der Lage ist, die CPU auf Werte zwischen 52°C und 37°C zu bringen. 15°C sind enorme Unterschiede, selbst ein kaum hörbarer Papst 8412 N/2GM Lüfter bringt eine CPU-Temperatur, welche 9°C unter der des montierten Originallüfters liegt. Des weiteren zeigen diese Tests, dass eine Erhöhung des Taktes von 2,4 auf 2,7 GHz nur 3°C mehr Temperatur an der CPU zur Folge hat. Einen weiteren Beweis liefern uns diese Tests, denn sie zeigen, dass das Design eines Luftkühlkörpers fast keine Rolle spielt, sondern der Lüfter hat das sagen, bei Wasserkühlung kann ich noch nicht genau sagen ob das Design des Kühlkörpers eine Rolle spielt.
Wenn es nach meinen Vorstellungen ginge, müsste der Innenraum des PC mit Kompressorkühlung auf ca. + 10-15°C gekühlt werden. Damit wären wir alle Sorgen der Wärme und Geräuschentwicklung los, bräuchten nur noch einen Lüfter (den am Kälteaggregat), und den könnte man bei diesem kleinen Raum der gekühlt werden muss, auch leise bekommen. Die CPU und die Netzteile könnten dann ohne Lüfter auskommen. Natürlich heizen wir mit der Abwärme der Kompressorkühlung unseren Raum auch auf, doch das wäre nur im Sommer ein kleines Problem, jedoch viel mehr als wir es jetzt bereits tun, würde es auch nicht werden.
Fazit:
In der momentanen Situation kommen wir ohne eine gute aktive Gehäusebelüftung
nicht aus, egal ob wir CPU, GPU mit Wasser oder Luft kühlen, selbst wenn wir
den Wärmetausch des Wassers außerhalb des PC-Gehäuses vornehmen. Die
Chiphersteller finden zwar immer bessere Methoden, die Verlustleistung zu
verringern, doch parallel dazu
gehen die Leistungen (Takt usw.) in die Höhe, und schon ist der Vorteil wieder
dahin. Mit jeder neuen Generation entsteht dann halt doch wieder mehr Wärme.
Dazu kommt noch, dass immer mehr neue Standards noch mehr Chips erfordern, die
dann auch wieder weitere Wärme erzeugen. Wer diese Entwicklung nicht sieht, ist
blind. Wenn das, was zu erwarten ist, bei diesem Rennen welches sich die
CPU-Hersteller liefern, so weitergeht, brauchen wir in weniger als 2 Jahren
wirklich Kompressorkühlungen.
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©
Reinhard Koch im Mai 2003