Kühlungsprinzipien

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Seite noch in der Mache -Fuchks

Inhaltsverzeichnis

Allgemeine Erläuterungen

[Die Maximaltemperatur der Oberfläche des Dies ist vom Prozessorhersteller in seinen Specs angegeben (sollte irgendwo auch schnell über ne Suchmaschine zu finden sein). Das ist eine Seite, die andere ist wie stellt man das fest? Die aktuellen Boards werten den internen Temperatursensor der CPU nicht mehr aus (soweit mein Kenntnisstand), sondern verwenden ihn nur um die CPU vor einem Tod durch Betrieb ohne Kühlkörper (und nicht wie irrtümlich angenommen bei allgemeiner Übertemperatur - das sind zwei verschiedene Dinge siehe auch THG Video vor Jahren dazu). Die Monitoring-CPU-Temperatur wird bei den aktuellen Boards über einen Temp-Fühler im Sockel errechnet und entspricht mitnichten der Die-Oberflächentemperatur. Selbst wenn man noch ein Board aus der Generation besitzt, die den internen Temperatursensor auswerten, gibt es da immer noch eine nicht unerhebliche Toleranz des Sensors und die Diskrepanz zwischen Oberflächen- und Kerntemperatur, der Sensor zeigt eine lokale Kerntemperatur an, also nur genau den Bereich, wo der Sensor sitzt. Soweit die graue Theorie. In der Praxis stellt sich das aber nicht so kritisch dar, da die CPUs ja nicht an der absoluten Grenze selektiert werden, bedeutet, da ist noch Toleranz, deswegen ja auch bei vielen CPUs die recht ordentlichen Overclocking-Möglichkeiten. Ich hab die Werte nicht mehr ganz im Kopf, aber die geringsten Werte für die maximale Oberflächentemperatur lagen glaube mal bei 60°C für hochgezüchtete CPU-Serien - sprich für die schnellsten einer Generation. Mein passiver HTPC erreicht unter ungünstigsten Bedingungen (Volllast, Raumtemp 26°C, eingezwängt im Rack auf dem eingeschalteten AV-Receiver) etwa 60°C CPU-Temp laut Monitoring und läuft dabei laut Prime95 mindestens einen Tag stabil. Die Gehäusetemp bei den Bedingungen liegt um 50°C, die HDD bei 55°C (interner Fühler ist nicht das Kriterium, es gilt die Gehäuseaussentemperatur der HDD für durchschnittliche Lebensdauerberechnungen siehe auch Artikel in einer C't). Diese Werte sind insgesamt als Kritisch zu bewerten, wegen der erwähnten Lebensdauer der Kondensatoren, die bei 50°C nur ein paar tausend Stunden Lebenserwartung haben (sehr grob 5000 - je nach Typ und tatsächliche Innentemperatur des Kondensators). Nach meiner Einschätzung sollte die CPU-Temperatur die 60°C nicht oft überschreiten, denn die Lebensdauer verkürzt sich durch die thermische Belastung und zusätzlich begünstigt durch Elektromigration (Materialbeförderung durch Elektronen) auch arg. Mittlerweile wird glaube bei den CPUs gar keine maximale Oberflächentemperatur mehr angegeben, sondern indirekt über die TDP (Thermal Design Power) festgelegt.]

Aktiv

Luft

Mittels Lüfter erzeugter Luftstrom kühlt die Komponenten. Hier gibt es zahlreiche Möglichkeiten, wie man die Luft durch das Gehäuse und über die Komponenten führen kann. Prinzipiell kann man Lüfter saugend oder blasend montieren, saugend bedeutet die Luft wird über die Komponenten angesaugt, bei blasender Montage wird der austretende Luftstrom des Lüfters auf die Komponenten geleitet. Es gibt Axial- (gängig zwischen 40x40 bis 120x120) und Radiallüfter (wie z.B. beim Coolermaster Aero), damit wird gekennzeichnet, wie die Luft angesaugt wird.

Gehäuse

Das Gehäuse ist optisch das wichtigste, aber auch kühltechnisch das beschränkenste Element eines HTPCs. Hier ist es wichtig einen Kompromiss zwischen Aussehen und Kühlbarkeit zu finden, denn: Was nützt es einem, wenn das Gehäuse schön aussieht, aber nur mit kleinen, lauten Lüftern kühl zu halten ist. Das Problem bei HTPC-Gehäusen ist oftmals, dass sie bauartbedingt nur Platz für kleine Lüfter bieten. Diese müssen sehr schnell drehen, um genug Luft zu fördern. Dadurch werden sie laut. Da hilft es auch fast nichts, teure Markenprodukte zu nehmen.

Ein zweiter wichtiger Punkt ist, dass an den „richtigen“ Stellen Luft in das Gehäuse einströmen muss. So entsteht im Idealfall im Gehäuse ein Luftstrom, der alle Relevanten Komponenten kühlt. Hier ist die Formel leider nicht ganz so einfach, wie bei Tower-Gehäusen, bei denen „vorne, unten rein, hinten, oben raus“ gilt. Trotzdem bleibt gleich, dass Festplatte, Grafikkarte, Northbridge, CPU und Netzteil kühl gehalten werden müssen.

Einige Gehäuse bieten die Möglichkeit die Geschwindigkeit der Gehäuselüfter über Software zu steuern. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass während der Arbeit/beim DVD-schauen aufheulende Lüfter störender sind, als ein zeitweise lauteres aber kontinuierliches Lüftergeräusch. Die Steurung ist auch über einen einfache Poti-Schaltung möglich. Hierzu gibt es passende Module, welche in den Diskettenplatz eingeschoben werden. Damit kann man an warmen Sommertagen oder beim ausführen rechenintensiver Arbeit, den perfekten Kompromiss zwischen Kühlleistung und Wohlbehagen einstellen. Man kann Lüfter auch dauerhaft zurück regeln, falls keine hohe Kühlleistung benötigt wird.

Netzteil:

Die meistunterschätzte und am liebsten vergessene Komponente bei der Auswahl eines neuen Systems ist zweifellos das Netzteil. Dabei ist es eine der wichtigsten, wenn nicht sogar die wichtigste Komponente im PC. Das liegt an mehreren Punkten:

Ausgehend von einem ATX-Netzteil, dass einem 12cm Lüfter Platz bietet, so kann das Netzteil bzw. der 12cm Lüfter den größten Teil der Kühlung der Meisten Komponeten übernehmen. Zum einen sorgt der ausblasende Lüfter dafür, dass kühle Luft in das Gehäuse kommt und zwar im Idealfall nur an den dafür vorgesehenen Stellen. So können Festplatte, Northbridge und Netzteil durch einen großen, leisen, langsam drehenden Lüfter gekühlt werden.

Bei der Auswahl des Netzteils ist also einiges zu beachten: Bietet mein Gehäuse Platz für große Lüfter? Wenn nein, sollte man ein Netzteil mit 12cm Lüfter nehmen.

Gerne meint man ein passives Netzteil wäre Grundlage für ein leises HTPC-System, aus genannten Gründen ist das oft nicht so. Trotzdem kann auch ein passives Netzteil sinnvoll sein. Nämlich dann, wenn das Gehäuse es erlaubt, 12cm Lüfter zu verwenden, bzw. wenn man es dementsprechend modifiziert hat.

Allen Netzteilen ist aber ein Punkt gemein: Sie sollten möglichst effizient arbeiten. Das bedeutet, dass möglichst viel von dem Strom, der aus der Steckdose gezogen wird, möglichst wenig in Wärme umwandelt werden sollte. Zum einen, weil es umweltfreundlich ist und die Stromrechnung schont, zum anderen weil weniger Hitze weniger Kühlaufwand bedeutet.

Motherboard:

Früher völlig unproblematisch, hat sich mittlerweile ein weiteres Bauteil zu den Heizern und somit zu den schwer kühlbaren Elementen gesellt: Die Northbridge. Diese sitzt fast immer in der Nähe des CPU Sockels und der Grafikkarte und wird heute (April 2008) bei den meisten Mainboards von einem kleinen Kühlkörper passiv gekühlt. Einige, vor allem ältere Mainboards, behelfen sich mit winzigen Lüftern, die rasend schnell drehen, schnell kaputt gehen und – das schlimmste daran – sehr laut sind. Neuerdings gibt es immer mehr Boards mit aufwendigen Heatpipe-Lösungen, um den Lüfter einzusparen – eine positive Entwicklung, da ein kleiner Kühlkörper in einem wenig durchlüfteten, kleinen HTPC sehr heiß werden kann und die Lebenszeit des Chips verringert. Zudem entfällt der störende Lärm eines weiteren Lüfters. Bei einem Chipsatz, der nicht zu heiß wird (vorzugsweise kein Nforce4) reicht der vom Netzteil- oder Gehäuselüfter erzeugte Luftstrom, um die Northbridge ausreichend zu kühlen. Bei wärmeren Chipsätzen kann ein Heatpipe-Towerkühler Abhilfe schaffen. Man sollte aber auf die Kompatibilität zu anderen Komponenten und auf den verfügbaren Platz achten.

CPU:

Die Komponente, die die meisten wohl mit Kühlung verbinden, dürfte der Prozessor sein. Zurecht, denn dass CPUs aufwändige Kühler benötigen ist schon lange der Fall, im Gegensatz zu Grafikkarten oder Chipsatz. Allerdings gibt es deswegen für CPUs auch die meisten verschiedenen Kühllösungen für verschiedene Zwecke.

Die Wärmeentwicklung von CPUs ist extrem unterschiedlich. Während manche quasi gar nicht leise kühlbar sind, ist dies bei anderen ohne Probleme möglich. Die hat nicht immer nur mit dem Alter zu tun. Es lässt sich also nicht pauschal sagen, dass ältere CPUs immer leichter zu kühlen seien, als neuere. Ein sehr gutes Beispiel hierfür stellen die aktuellen Intel CPUs dar: Während die letzte Generation (Netburst Pentium) extrem heiß wurde und kaum leise zu kontrollieren war, hat sich bei den neueren Core2Duo CPUs einiges gebessert. Man sollte also darauf achten keine CPU zu kaufen, die es einem von Haus aus durch eine hohe Verlustleistung schwer macht.

Beim Kühler lässt sich vieles auf die einfache Formel „size matters“ reduzieren. Das gilt sowohl für den Kühlkörper, als auch für den Lüfter. Je voluminöser der Kühlkörper ist, bzw. je mehr Oberfläche er bietet, desto weniger ist dieser auf einen Luftzug angewiesen. Da aber in HTPC-Gehäusen meist beengte Platzverhältnisse herrschen, kann man normalerweise nicht auf die Potentesten (größten) Kühler am Markt zurückgreifen. Somit ist es meist fast unmöglich die CPU passiv zu kühlen. Damit es trotzdem leise zugeht, muss der Lüfter wiederum möglichst groß sein, um mit wenig U/min trotzdem einen ausreichenden Luftzug zu bewirken. Auch hier gilt allerdings, dass die 12cm Lüfter meistens nicht passen und man zu kleineren gezwungen wird. Einige Lüfter werden jedoch mit einem Adapter versehen, mit dem sich der 120mm Lüfter auf einen für 80mm ausgelegten Kühlkörper montieren lässt. Ein 120mm Lüfter ist dann natürlich mit einem nicht unerheblichen Platzaufwand verbunden.

Bei der Bauart der CPU-Kühler kann man grundsätzlich zwei Varianten unterscheiden: Zum einen die sog. konventionellen Kühler, zum anderen Towerkühler. Beide Bauarten haben Vor- und Nachteile. Die konventionellen Kühler sorgen Bauartbedingt für eine Kühlung der Komponenten um den CPU-Sockel herum. Zudem bieten manche Modelle die Möglichkeit selbst in einem HTPC einen 12cm Lüfter zu benutzen. Allerdings haben sie den Nachteil dass sie es fast unmöglich machen einen ordentlichen Luftstrom durch das Gehäuse zu generieren. Deswegen werden sie auch Luftverwirbeler genannt. Towerkühler dagegen haben den großen Vorteil, dass sie für einen geregelten Luftstrom sehr förderlich sein können und somit zur Kühlung anderer Komponenten beitragen können, sowie weniger Lärm erzeugen und die CPU durch den verbesserten Lufttransport effizienter kühlen. Allerdings ist es bei diesen Kühlern fast unmöglich 12cm Lüfter zu benutzen, außer man hat ein sehr großes Gehäuse.

Ein weiterer Aspekt bei der CPU-Kühlung kann die passende Software sein. Es ist möglich die Kernspannung und die Taktrate von modernen CPUs dynamisch im laufenden Betrieb anzupassen, wodurch bis zu 80% Energie und damit auch Wärme gespart wird. Bekannt ist dies von AMD durch das sog. Cool & Quiet. Der Vorteil von anderen Software-Lösungen ist das deutliche Absenken der Kernspannung, wodurch die CPU weniger warm und somit viel leichter kühlbar wird. Diese Möglichkeit wird oft unterschätzt, ist aber sehr wirksam. Zudem spart man auch noch Strom.

Grafik:

Nicht nur CPUs, auch Grafikkarten haben eine enorme Hitzeentwicklung. Dadurch werden sie immer schwieriger leise kühlbar. Gerade die leistungsstarken Spielekarten sind deshalb oft unerträglich laut. Besonders die Karten von ATI waren in den letzten Generationen ein Paradebeispiel für diesen Trend, während Nvidia mit der Geforce 7 Reihe kühltechnisch ein großer Wurf gelungen. Selbst die Karten der oberen Mittelklasse dieser Serie sind passiv und somit lautlos kühlbar. Zahlreiche Hersteller haben passiv gekühlte Varianten im Angebot, auf die man zurückgreifen kann. In der ct 4/2007 hat ein ausführlicher Test ergeben, dass Kühllösungen mit einem massiven Rippenkühler wirkungsvoller sind, als aufwendige Lamellen/Heatpipe-Konstruktionen.

Wer seine Grafikkarte nachträglich leise oder gar passiv kühlen möchte findet dazu für alle Modelle sehr brauchbare Produkte von beQuiet, Thermalright oder Zalman. Bei einer solchen Modifikation verfällt leider häufig die Garantie. Wer eine alte Graphikkarte besitzt, die noch mit einem schlechten Mini-Lüfter gekühlt wird, kann sich auch eine neuere, passiv gekühlte Karte kaufen, welche dann meistens auch mit für HTPCs sinnvollen Technologien wie HDCP ("HD Ready") ausgestattet ist. Bei einem Verzicht auf spieletaugliche 3D-Leistung, ist eine solche Graphikkarte (Radeon HD 3400 Serie, Geforce 8300/8400 Serie) schon um die 30€ zu haben. Hier sollte man natürlich auf die Kompatibilität mit dem Mainboard achten, da diese neuen Karten meist PCI-E benötigen.

Wenn man nicht auf große Grafikleistung angewiesen ist und ein neues Mainboard kauft, empfiehlt sich eine onboard Grafiklösung. Sowohl ATI, als auch Nvidia haben hier sehr brauchbare Lösungen im Angebot. So kann man sich einfach um das Kühlen einer Grafikkarte drücken und spart obendrein noch Geld.

Festplatte:

Bei jeder Hardware ist ein Ausfall aufgrund von hohen Temperaturen ärgerlich, am ärgerlichsten wohl aber bei einer Festplatte, da hier nicht nur die Hardware, sondern im Zweifelsfall auch die persönlichen und archivierten Daten zerstört werden. Deshalb sollte man auch bei der Festplatte auf ordentliche Temperaturen achten. Meistens reicht es völlig aus, die Festplatte in der Nähe einer Gehäuseöffnung zu platzieren, sodass sie von der einströmenden Luft profitieren kann. Eine aktive Belüftung ist nicht notwendig, bzw. kann sogar schädlich sein.

Lesetipps:

http://www.silenthardware.de

http://www.fan-x.de/

http://www.dirkvader.de/

http://www.silenthardware.de/forum/

Wasser

Bei CPU, Grafikkarte und Northbridge macht eine Wasserkühlung Sinn, die anderen Komponenten können entweder passiv oder aktiv gekühlt sein

Passiv

Komplett passiv mittels natürlicher Konvektion an großen Kühlkörpern gekühltes System, extrem aufwendig und sehr schwierig bei leistungsstarken Systemen zu realisieren. Hush bietet z.B. Komplettsysteme an, die passiv gekühlt sind.

direkte Kopplung

Über Aluminium- oder Kupferschienen wird die Wärme der Komponenten an die Kühlkörper angebunden und dort abgeführt.

Heatpipe

Über ein Heatpipesystem an die Kühlkörper angebunden. Heatpipes müssen für die Leistung ausgelegt sein und sie benötigen immer eine Temperaturdifferenz zwischen den Enden, um zu arbeiten.

Mischformen

Semipassiv

Arbeitet so lange passiv, bis eine bestimmte Temperatur überschritten wird und kühlt dann aktiv solange, bis eine bestimmte Temperatur unterschritten ist. Wird zur Zeit nur bei einigen Semipassiven Netzteilen angewendet.