PC-Wasserkühlung

Grundidee und Ziel

Die PC-Wasserkühlung ist ein Verfahren zur Wärmeableitung in Computern. Elektrische Energie wird in den Bauteilen teilweise in Wärme umgewandelt. Wegen der steigenden Leistungsdichte moderner Computer reicht die Abgabe an die Umgebungsluft durch natürliche Konvektion meist nicht mehr aus. Deshalb werden Kühlkörper und häufig zusätzlich Ventilatoren eingesetzt.

Wasserkühlungen sollen die Wärme besonders stark erhitzter Halbleiter, vor allem von Hauptprozessoren (CPU) und Grafikprozessoren (GPU), effizient und möglichst leise abführen. Sie werden außerdem verwendet, um Computer über die offiziellen Spezifikationen hinaus zu übertakten. Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität und kann deshalb Wärme von kleinflächigen Wärmequellen gut aufnehmen. Der Wärmefluss vom Halbleiter zur wirksamen Oberfläche wird jedoch durch die Wärmeleitfähigkeit der dazwischenliegenden Materialien begrenzt. Dieser thermische Widerstand kann beispielsweise durch Wärmeleitpaste nur teilweise verringert werden.

Im Hobbybereich werden meist CPU und GPU wassergekühlt. Andere Wärmequellen benötigen weiterhin Umluft oder einen aktiven Luftaustausch im Gehäuse. Deshalb können zusätzliche Komponenten in den Wasserkreislauf aufgenommen werden; außerdem muss die Gehäuseluft häufig weiterhin umgewälzt oder ausgetauscht werden. In professionellen Kühlsystemen für Schaltschränke kommen auch Luft-Wasser-Wärmetauscher zum Einsatz.

Kreislauf und Kühlprinzipien

Eine übliche Wasserkühlung arbeitet als geschlossener Kreislauf. Die Pumpe bewegt das Wasser durch die Kühlkörper. Dort nimmt das Wasser Wärme aus den Bauteilen auf und transportiert sie zum Radiator. Der Radiator gibt die Wärme an die Umgebungsluft ab. Die Komponenten werden hydraulisch in Reihe geschaltet, also hintereinander gekoppelt, damit alle Kühlkörper vom Wasser durchströmt werden.

Die Rückkühlung kann aktiv oder passiv erfolgen. Bei aktiver Kühlung erzeugt ein Lüfter einen Luftstrom durch den Wasser-Luft-Wärmeübertrager. Manche Systeme ergänzen die Wasser-Luft-Kühlung durch einen thermoelektrischen Kühler, eine sogenannte Peltierkühlung. Bei passiver Kühlung wird der Radiator nur durch natürliche Konvektion der Luft gekühlt. Er muss deshalb größer sein als ein aktiv gekühlter Radiator, um die gleiche Kühlleistung zu erreichen. Auch mehrere Meter lange Schläuche oder Metallrohre sind möglich. Bei geeigneter Leitungsführung kann natürliche Konvektion im Kühlwasser eine Pumpe überflüssig machen.

Für die im Artikel genannte, nicht ausreichend belegte Beispielrechnung sollen 500 Watt bei 2 Meter Steighöhe, 5 Meter Rohrgesamtlänge und 15 K Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur durch ein Rohr mit mindestens 25 mm Innendurchmesser abgeführt werden. Das Kühlwasser kann außerdem mit einer Kältemaschine, also einem Kompressor wie in Kühl- oder Gefrierschränken, rückgekühlt werden.

Aufbau und Bauformen

Eine klassische PC-Wasserkühlung besteht aus mehreren aufeinander abgestimmten Teilen: Kühlkörper für CPU, teilweise GPU und weitere Komponenten, Pumpe, Ausgleichsbehälter, Radiator, bei aktiver Kühlung Lüfter sowie Schläuche und Anschlüsse. Zum Zubehör gehören unter anderem Montageschrauben, Knickschutzfedern, Kühlwasserthermometer, Durchflussanzeiger und Kühlwasserzusätze gegen Korrosion und Algenbildung.

Weitere mögliche Kühlstellen sind Northbridge, Southbridge, Festplatten, Netzteil, Arbeitsspeicher und Spannungswandler. Die klassische Anlage wird im Rechner nach Maß eingebaut. Dafür muss unter Umständen das Motherboard ausgebaut werden, um die Halterung des Kühlers anzubringen. Falls im Gehäuse kein ausreichender Platz vorhanden ist, müssen Ein- und Auslässe für den Radiator geschaffen werden.

Bei integrierten oder kompakten Systemen sind Pumpe, Radiator mit Lüfter und Ausgleichsbehälter in einem Gehäuse zusammengefasst. Im Computer müssen dann hauptsächlich die Kühler montiert und mit Schläuchen angeschlossen werden. Manche dieser Systeme passen in zwei bis drei 5,25-Zoll-Laufwerksschächte. Ihre verhältnismäßig kleinen Lüfter müssen sich schnell drehen und sind daher oft deutlich hörbar. Die Kühlleistung erreicht nicht die einer klassisch aufgebauten Wasserkühlung, reicht laut Artikel aber für handelsübliche PCs aus. Externe Systeme können größer gebaut und besonders einfach montiert werden. Wasserkühlungskomponenten gibt es auch für Mini-PCs.

Komponenten im Detail

Ein CPU-Wasserkühler besteht typischerweise aus einem Metallblock, der mit Wärmeleitpaste auf der CPU sitzt. Ein Beispiel verwendet gut wärmeleitfähiges Kupfer, eine mäandernde Fräsung als Wasserkanal, eine Nut mit umlaufendem O-Ring zur Abdichtung und einen Acryl-Deckel mit Anschlüssen für Zu- und Abführung des Wassers. Klammern befestigen die Einheit am Motherboard.

Kühlkörper arbeiten nach dem Wärmeübertragerprinzip und bestehen meist aus Aluminium oder Kupfer; sie können vernickelt, versilbert oder vergoldet sein. Massives Silber besitzt unter den genannten Metallen die höchste Wärmeleitfähigkeit, ist aber teuer und korrodiert beziehungsweise läuft leicht an. Moderne Kühler nutzen feine Kanäle, Nadeln oder Wabenstrukturen. Dadurch vergrößern sich Wasseroberfläche und Strömungsgeschwindigkeit, sodass eine turbulente Strömung und ein besserer Wärmeübergang entstehen. Gleichzeitig steigt der Druckverlust. Für Grafikkarten gibt es Kühler nur für die GPU sowie Komplettkühler für GPU, Arbeitsspeicher und Spannungswandler. Bei reinen GPU-Kühlern kann der fehlende Luftstrom über andere Bauteile die Lebensdauer der Grafikkarte verringern. Kühler für Chipsatz, Festplatten und andere Komponenten sind wegen ihrer geringeren Abwärme meist einfach aufgebaut, damit sie den Durchfluss wenig bremsen.

Bei Pumpen zählen sowohl die Fördermenge in Litern pro Stunde als auch die maximale Förderhöhe in Metern Wassersäule (mWS). Die Pumpe muss den Druckverlust des gesamten Kreislaufs überwinden. Dieser hängt unter anderem von Schlauchdurchmessern, Winkeln sowie dem Aufbau von Kühlkörpern und Radiator ab. Der Druckabfall wird in bar oder mWS angegeben; 10,19 mWS entsprechen 1 bar. Höhenunterschiede eines gefüllten Systems mit Zu- und Ablauf auf gleichem Niveau sind für die Umwälzung nicht entscheidend. Früher wurden dauerbetriebsfähige Aquarienpumpen verwendet, zunächst mit eigener 230-V-Versorgung. Heute gibt es netzteilabhängige Steuerungen sowie direkt am Netzteil oder Mainboard anschließbare 12-V-Pumpen.

Der Ausgleichsbehälter nimmt die temperaturbedingte Ausdehnung des Kühlmediums auf und erleichtert Befüllen und Entlüften. Er besteht meist aus Plexiglas oder Aluminium. Bei manchen Bauformen sitzt die Pumpe direkt im Ausgleichsbehälter. Der Radiator besteht gewöhnlich aus einer Kupferrohrschlange mit dünnen Metalllamellen oder aus feinen Wasserkanälen mit Metallstegen. Die zweite Bauart besitzt eine größere Kühloberfläche und ist leistungsfähiger, aber teurer. Seine Größe richtet sich nach der maximalen Wärmeabgabe aller zu kühlenden Komponenten, gemessen in Watt. Aktive Radiatoren sind häufig für 120-mm- oder 140-mm-Lüfter ausgelegt; erhältlich sind Modelle für 1 bis 18 Lüfter.

Schläuche, Anschlüsse und Kühlmittel

Schlauch und Anschluss müssen zusammenpassen. Maße werden je nach System als Steckdurchmesser mal Wanddicke angegeben. Beim ESV-System (Einschraubverschraubung) wird der Schlauch aufgesteckt und durch eine Überwurfmutter gehalten. Häufig werden etwa 1 mm Wanddicke und Schläuche aus Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. Tygon-Schläuche sind durch besondere Weichmacher elastischer und biegsamer. Der Mindestverlegeradius beträgt je nach Schlauch etwa 40 bis 60 mm.

Bei Steckverbinder-Systemen, etwa Festo Quick-Star oder dem konstruktiv äquivalenten Legris-System, wird ein meist aus Polyurethan (PUR) bestehender, dickwandiger Schlauch eingesteckt, durch Metallklammern gehalten und mit einem Gummiring abgedichtet. Diese Schläuche benötigen meist Verlegeradien von 60 bis 80 mm. Unterschreitungen, schräger Sitz oder ein oval verformter Schlauch können Leckagen verursachen. Die Schläuche müssen möglichst gerade abgeschnitten werden. Konische R-Gewinde mit Teflon-Dichtung eignen sich nicht für direkte Verschraubungen mit Kunststoff oder Plexiglas; zylindrische G-Gewinde mit Gummidichtung sind dort problemlos einsetzbar.

Beim ESV-Beispiel G 1/4 Zoll – 8×1 hat der Schlauch 8 mm Innendurchmesser und 10 mm Außendurchmesser. Die Bezeichnung 8/6 oder 8×1 kann dagegen einen Schlauch mit 8 mm Außendurchmesser und 6 mm Innendurchmesser meinen. Ohne Kennzeichnung des Bezugsdurchmessers besteht Verwechslungsgefahr. Bei Tüllen wird beispielsweise ein Dichtlippen-Außendurchmesser von 14 mm angegeben; der Schlauch kann dann etwa 12 mm Innendurchmesser haben.

Kühlwasserzusätze schützen vor biologischer Aktivität und Korrosion und schmieren zusätzlich die Pumpe. Automobil-Frostschutzmittel wie Glysantin werden häufig verwendet; ohne notwendige Frostschutzwirkung ist ein Mischverhältnis von etwa 1:10 üblich. Im PC-Kreislauf herrschen bei 30 °C bis 40 °C günstige Bedingungen für Bakterienwachstum, weshalb weitere antibiologische Zusätze nötig sein können. Farbzusätze haben nur einen optischen Zweck. Lebensmittelfarbe ist nicht langzeitstabil; UV-reaktive Farben benötigen Schwarzlicht und UV-beständige Schläuche. Farbzusätze können Kühlleistung vermindern sowie Dichtungen, Pumpenlager und Kühler angreifen.

Einbau, Geschichte und Grenzen

Beim Einbau ist die Position des Radiators entscheidend. Passive Radiatoren werden wegen ihrer Größe und des Prinzips außerhalb des Gehäuses angebracht. Aktive Radiatoren können an Rückwand, Seite, Front oder Boden sitzen. Ein zu kleines Gehäuse kann den Einbau eines Dual- oder Triple-Radiators verhindern; bei einer externen Halterung bleibt die Gehäusewahl weniger eingeschränkt. Bei Front-, Boden- oder Seiteneinbau kann eine zusätzliche Gehäuseentlüftung an Rückwand oder Deckel erforderlich sein. Für Gehäuse ohne Platz für einen 120-mm-Radiator gibt es auch 80 mm breite Wärmeübertrager.

Nach dem Einbau wird das System befüllt und entlüftet, meist mit destilliertem oder demineralisiertem Wasser und einem Anti-Algen-Zusatz. Häufig wird empfohlen, die Anlage zunächst außerhalb des Rechners aufzubauen, zu füllen und auf Dichtheit zu prüfen. Ein Test mit laufender Pumpe und stromlosem Rechner kann Leckstellen sichtbar machen und beim Entlüften helfen. Beim Befüllen und Entlüften kann Flüssigkeit austreten. Ein Umbau lässt in der Regel die Herstellergarantie erlöschen; auch die gesetzliche Gewährleistung kann erschwert werden, wenn der Händler den Mangel auf den Umbau zurückführt.

Im privaten Bereich begannen Wasserkühlungen um das Jahr 2000 mit wenigen Enthusiasten, die übertakten oder laute CPU-Lüfter ersetzen wollten. Kühlkörper wurden selbst gefertigt, und zunächst dienten Aquarienpumpen zur Förderung. 2003 kam mit dem Power Mac G5 der erste Desktop-Rechner mit serienmäßiger Wasserkühlung auf den Markt; Wärmetauscher, Radiator und Pumpe stammten von Delphi Automotive. Später entstanden aus selbst gebauten Autokühlern, Heizkörpern, Radiatoren und Plexiglasbehältern marktübliche Komponenten und Komplettsets.

Kleine integrierte Einheiten, etwa für AMD-Athlon-Prozessoren, enthalten Pumpe, Kühlblock und Lüfter in einem gemeinsamen Aufbau. Bei ihnen kann unklar sein, wann Kühlmittel ergänzt werden muss. Fällt der Umlauf aus, kann die Prozessorhitze den Kunststoff beschädigen. Laut Artikel sind solche Einheiten weder leistungsfähiger noch leiser als gute konventionelle Luftkühler oder Wasserkühlungen aus Einzelkomponenten. Außerdem bleibt die Prozessorabwärme im PC-Gehäuse und muss weiterhin anderweitig abgeführt werden.