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Die Wasserkühlung - Was gibt es zu beachten?

28.04.2014 | 10:28 Uhr |

Eine Wasserkühlung hält CPU und Grafikkarten mit hoher Abwärme nahezu lautlos auf angemessenen Temperaturen, die auch beim Übertakten aktuller High-End-Prozessoren einen stabilen Betrieb ermöglichen.

Der Wirkungsgrad von X86-CPUs ist gering, die als Hitze abgegebene Verlustleistung dagegen enorm: Bis zu 84 Watt setzt ein Intel Core i7 4770 (Haswell) in thermische Energie um. Bei AMD liegen die vergleichbaren FX-Prozessoren (Bulldozer und Piledriver) im gleichen Bereich der Verlustleistung beziehungsweise tendenziell sogar höher. Wohin mit der Abwärme?

Effiziente Kühlung: Wasser ist besser

Bei konventionellen Kühlungen erhitzt der Prozessor über die Chip-Abdeckung einen ausreichend dimensionierten Kühlkörper mit großer Oberfläche in der Form von Kühlrippen. Über diese bläst ein Ventilator einen Luftstrom, um die Wärme möglichst schnell abzuführen. Luft ist in alltäglichen Umgebungen unbegrenzt vorhanden und lässt sich mittels Ventilator unkompliziert zuführen und abtransportieren. Das sind auch schon alle Vorteile einer Luftkühlung. Zu den Nachteilen: Luft hat eine geringe Wärmekapazität, also die Möglichkeit, thermische Energie zu speichern, und ist ein noch schlechterer Wärmeleiter. Alle das macht sich mit lauten Lüftern bemerkbar, die bei Prozessorlast hörbar aufdrehen.

Wasser ist dagegen als Kühlmittel ideal und in einem geschlossenen Kreislauf zudem auch für elektronische Bauteile sicher. Es hat die höchste bekannte Wärmekapazität, kann also mehr thermische Energie aufnehmen als die gleiche Menge irgend eines anderen Stoffs. Um einen Liter Wasser um ein Grad zu erwärmen, sind 4180 Joule nötig. Um die gleiche Energie mit Luft aufzunehmen, sind schon 1,18 Kubikmeter Raumluft nötig, die ein Ventilator erst mal herbeischaffen muss.

Die Vor- und Nachteile von Wasserkühlungen

Moderne Prozessoren: Wasserkühlung noch zeitgemäß?

Die erste Überlegung ist natürlich, ob eine aufwendige, teure Wasserkühlung bei modernen CPUs noch zeitgemäß ist, zumal Intel und AMD die Leistungsaufnahme ihrer Prozessoren im Normal- und Idle-Betrieb in den vergangenen vier Jahren erheblich senken konnten. Jedoch werden auch die CPUs aktueller Generationen unter längerer voller Auslastung sehr heiß. In manchen Fällen sogar zu heiß.

Das Die, also der nackte Halbleiter-Chip, wird in seiner Fläche kleiner. Das führt dazu, dass die Abwärme einer kleineren Fläche um so effektiver abgeführt werden muss. Klappt das nicht, dann neigen auch moderne CPUs zur Überhitzung, was beispielsweise bei den auf Leistung getrimmten Intel-Prozessoren der Haswell-Serie zu Hitzestaus unter dem Heatspreader führt.

Effizient lassen sich die Prozessoren dieser Mikroarchitektur mit Luftkühlung nur mit niedriger Spannung und Taktrate betreiben, für Übertaktung gibt es bei der herkömmlichen Kühlmethode keinen Spielraum mehr nach oben. In diesem Fall sind Wasserkühlungen unschlagbar, zumal in einen leistungsfähigen Kühlkreislauf auch noch weitere Systemkomponenten wie Grafikkarte(n) mit eigenem Kühlkörper aufgenommen werden können. Und schließlich ist eine Wasserkühlung auch die ideale Lösung für beinahe lautlose High-End- PCs, die mit wenigen Lüftern auskommen sollen und trotzdem stabil und dauerhaft unter voller Auslastung arbeitet können.

Blick ins Innere: Auch handliche Midi-Tower bieten noch genügend Platz für die Komponenten einer Wasserkühlung. Das größte Teil, der Wärmetauscher, wird außen an der Gehäuserückseite (hier nicht sichtbar) angebracht.
Vergrößern Blick ins Innere: Auch handliche Midi-Tower bieten noch genügend Platz für die Komponenten einer Wasserkühlung. Das größte Teil, der Wärmetauscher, wird außen an der Gehäuserückseite (hier nicht sichtbar) angebracht.

Überblick: Aufbau einer Wasserkühlung

Die Zweckgemeinschaft von Wasser und Elektronik mag nicht einleuchtend erscheinen. Schließlich fördert Wasserdampf die Oxidation metallischer Oberflächen und führt in großen Mengen sogar zur Kondensation.

Zwei Dinge, die man im Computergehäuse nicht brauchen kann. In Frage kommen für Wasserkühlungen deshalb nur bewährte Einzelkomponenten, die mittels stabilen PVC-Schläuchen über verschraubte Fittings – und nicht etwa mittels Aufsteck-Tüllen – miteinander verbunden sind. Ein sachgemäßer Aufbau hält jahrelang dicht und kommt mit einem Minimum an Wartung aus. Auf abenteuerliche Bastellösungen sollte man bei Wasserkühlsystemen lieber verzichten. Von fertig konfigurierten und befüllten Minikühlsystemen für die CPU raten wir ab, da diese keinen wirklichen Vorteil gegenüber einem guten CPU-Kühlkörper mit Ventilator bringen.

Obwohl schon Einsteigersets um 200 Euro eine weit bessere Kühlleistung bringen als eine Luftkühlung, ist für das Resultat die Qualität der eingesetzten Komponenten genauso von Bedeutung wie ein gelungener Einbau des Kühlkreislaufs in den PC. Schon bei einem Einbau sollten sie noch Spielraum für nachträgliche Änderungen lassen. Montieren Sie bist auf den CPU-Kühlkörper noch nichts fest, und führen Sie noch keine irreversiblen Modifikationen am Gehäuse durch. Am Anfang ist ein loser Aufbau mit großzügig langen Schlauchverbindungen leichter zu optimieren. Knicke in Schlauchleitungen, Winkelstücke und zu geringe Radien bei der Schlauchführung sind der Kühlleistung generell abträglich, da sie den Durchflusswiderstand erhöhen.

Flache Sache: Kühlkörper für Wasserkühlungen sind deutlich kleiner als Luftkühler. Hier der EK-Supremacy Copper des slowenischen Herstellers EKWB, noch ohne Schlauchanschlüsse.
Vergrößern Flache Sache: Kühlkörper für Wasserkühlungen sind deutlich kleiner als Luftkühler. Hier der EK-Supremacy Copper des slowenischen Herstellers EKWB, noch ohne Schlauchanschlüsse.

Der Kühlkörper: Abkühlung für Hitzköpfe

Ein wasserführender Prozessorkühler ist kleiner als luftgekühlte, schließlich sind keine großflächigen Kühlrippen gefragt. Im Aufbau gleichen sich alle Kühlkörper: In einen massiver Metallblock, meist Kupfer oder Nickel, ist ein serpentinenförmiger Kanal gefräst, ein aufgeschraubter Deckel aus Kunststoff oder Metall schließt den Kühlkörper wasserdicht ab. Der Prozessorkühler wird stabil mit einer Rückenplatte auf der Hauptplatine verschraubt, wozu immer die Demontage des PCs nötig ist. Teurer ist nicht immer besser: Es gibt überdesignte Kühlkörper mit Kapillaren, die um die 90 Euro kosten, aber wegen zu geringem Durchfluss eine schlechtere Kühlleistung bringen als einfache Kühlkörper. Ein Kühlkörper sollte immer Halterungen für mehrere Sockel bieten, am besten ohne Aufpreis.

Konvektor zur passiven Kühlung: Dieses System mit einem Intel Core i7 2600K (nicht übertaktet) wird allein von einem passiven Wärmetauscher an der Gehäuseseite auf Temperatur gehalten.
Vergrößern Konvektor zur passiven Kühlung: Dieses System mit einem Intel Core i7 2600K (nicht übertaktet) wird allein von einem passiven Wärmetauscher an der Gehäuseseite auf Temperatur gehalten.

Wärmetauscher: Aktiv oder passiv

Aufgenommene thermische Energie transportiert das erwärmte Wasser zum Wärmetauscher, der viel Wärme an die Umgebung abgeben soll. Der Wärmetauscher liegt deshalb gut belüftet außerhalb des Gehäuses und nicht im warmen Luftstrom des Netzteils. Über den Wärmetauscher, der die Form eines Radiators mit langsam drehenden Ventilatoren haben kann oder auch ein groß dimensionierter, passiver Konvektor ist, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Wassertemperatur und Umgebungstemperatur ein. Generell sind passive Konvektoren teurer und größer als aktive Radiatoren mit Ventilator, dafür aber auch absolut lautlos.

Nicht nur für die Aquaristik geeignet: 220-V-Kreiselpumpen wie diese Eheim 1046 sind mit ihrer Pumpleistung und Leistungsaufnahme um 10 Watt ideal für Wasserkühlungen und laufen beinahe geräuschlos.
Vergrößern Nicht nur für die Aquaristik geeignet: 220-V-Kreiselpumpen wie diese Eheim 1046 sind mit ihrer Pumpleistung und Leistungsaufnahme um 10 Watt ideal für Wasserkühlungen und laufen beinahe geräuschlos.

Pumpe: Bringt Bewegung in den Kühlkreislauf

Bestens geeignet sind Keramik-Kreiselpumpen aus dem Aquaristik-Bereich, auch wenn diese vergleichsweise groß sind. Sie sind dem jahrelangen Dauerbetrieb gewachsen und laufen mit kaum wahrnehmbarer Lautstärke. Die Pumpenleistung liegt bei den üblichen Modellen wie dem Eheim 1046 bei rund 600 Liter- Stunden Pumpenleistung bei 10 Watt Leistungsaufnahme. Aquariumspumpen für 220 Volt bringen ihr eigenes Stromkabel ohne Netzschalter oder Netzteil mit.

Tipp: Es empfiehlt sich, den gesamten PC mit Pumpe über eine Steckerleiste ein- und auszuschalten, dann kommt es nicht vor, dass die Pumpe beim Rechnerstart versehentlich mal ausgeschaltet bleibt. Als Isolation gegen Vibrationen der Pumpe im Computergehäuse reicht eine dünne Lage Schaumstoff als Auflagefläche. Fest montiert werden muss eine Pumpe im Gehäuse nicht.

Ausgleichsbehälter: Das Reservoir wird an die Pumpe montiert und mach nicht nur das Befüllen einfach, sondern auch das Entlüften. Unvermeidliche Luftbläschen verlassen so selbständig wieder den Kühlkreislauf.
Vergrößern Ausgleichsbehälter: Das Reservoir wird an die Pumpe montiert und mach nicht nur das Befüllen einfach, sondern auch das Entlüften. Unvermeidliche Luftbläschen verlassen so selbständig wieder den Kühlkreislauf.

Ausgleichsbehälter: Zum Befüllen und Entlüften

Ein Ausgleichsbehälter wird direkt vor das Saugstück der Pumpe montiert und ist damit eine Unterbrechung im Kühlkreislauf, die als Wasser-Reservoir zum Befüllen und zum Entlüften dient. Ein direkt an der Pumpe anliegender Ausgleichsbehälter hat den Vorteil, dass er wegen seiner Reservoir-Wirkung nicht der höchste Punkt der Wasserkühlung sein muss: Auf der einen Seite kommt das gepumpte Wasser an und wird unterhalb des Wasserspiegels wieder von der Pumpe angesaugt. Dies erleichtert die Befüllung und Entlüftung ungemein. Denn anfangs wird die Pumpe immer auch Luft mit ansaugen, die aus dem Kühlsystem wieder heraus transportiert werden muss. Dies dauert je nach Länge der Schlauchleitungen zwischen 20 und 40 Minuten. Das Wasser transportiert die Luftbläschen zum Ausgleichsbehälter, wo sie an die Wasseroberfläche steigen und den Kreislauf so selbständig verlassen.

Tipp: Befüllen Sie das Kühlsystem immer bei ausgeschaltetem Rechner – nur die Pumpe muss dazu laufen.

Nur wenig Korrosion: Ein aufgeschraubter CPU-Kühlkörper, der sieben Jahre im Dauereinsatz war. Additive im destillierten Wasser reduzieren die Lösung von Metallionen in die Kühlflüssigkeit.
Vergrößern Nur wenig Korrosion: Ein aufgeschraubter CPU-Kühlkörper, der sieben Jahre im Dauereinsatz war. Additive im destillierten Wasser reduzieren die Lösung von Metallionen in die Kühlflüssigkeit.

Kühlflüssigkeit: Destilliertes Wasser plus Additive

Für den Großrechner Cray 2 von 1985 entwickelte 3M eine spezielle isolierende Kühlflüssigkeit, die elektronische Bauteile im direkten Kontakt umspülte. Bei geschlossenen Wasserkühlungen für den PC genügt aber destilliertes Wasser aus dem Baumarkt. Leitungswasser ist aufgrund des Kalkgehalts und der Mikroorganismen ungeeignet.

Mikroorganismen wie etwa Schleimalgen, die sich als weiße Fäden in den Schläuchen einer Wasserkühlung zeigen, können aber auch bei destilliertem Wasser nach einigen Wochen auftreten, da das Befüllen natürlich keine völlig sterile Angelegenheit ist. Dagegen hilft schon ein Spritzer Haushaltsalkohol. Wer spezielle Additive aus dem Fachhandel einsetzt, etwa Innovatek Protekt, hält nicht nur Mikroorganismen fern, sondern vermindert auch die Korrosion der Metalloberflächen in den Kühlkörpern. Es lösen sich einige Ionen in die Kühlflüssigkeit, mit Additiven entsteht aber eine stabile Mischung, und eine weitere Korrosion findet nicht statt. Additive sind bei Verschlucken gesundheitsschädlich, und eine gewisse Sorgfalt beim Umgang damit ist angebracht.

Tipp: Überprüfen Sie am Ausgleichsbehälter den Stand der Kühlflüssigkeit alle zwei bis drei Monate – und zwar bei eingeschalteter Pumpe, da sich nur dann der reale Füllstand zeigt. Auch bei völlig dichten Wasserkühlungen diffundiert mit der Zeit eine kleine Menge der Kühlflüssigkeit in die Umgebungsluft, und es ist hin und wieder ein Nachfüllen von wenigen Millilitern nötig.

Besondere Flüssigkeitszusätze können vor Rost schützen und die Wärmeleitfähigkeit verbaessern.
Vergrößern Besondere Flüssigkeitszusätze können vor Rost schützen und die Wärmeleitfähigkeit verbaessern.

Tipp - Welche Additive ins Wasser?

Bei Additiven für Wasserkühlungen sind nicht nur die chemischen Eigenschaften wichtig, sondern auch die Umweltverträglichkeit. Geeignet ist Ethylenglykol (Trivialname: Glykol), ein zweiwertiger Alkohol mit der chemischen Bezeichnung 1,2-Ethandiol. Es wirkt als Korrosionsschutz und hat eine di-elektrische Wirkung, die den Wärmetransport verbessert. Glykole sind gesundheitsschädlich und dürfen nicht verschluckt oder eingeatmet werden, auch wenn sie einmal in den 80er- Jahren in gepanschten Wein aus Österreich verwendet wurden. Für den (sparsamen) Zusatz in Kühlmitteln für den PC ist Glykol aber zulässig.

Andere, weit schädlichere und ungeeignete Kühlmittel und Zusätze gibt es im Versandhandel leider zuhauf. Produkte für den Automobilbereich sind unpassend, da sie für einen viel höheren Temperaturbereich geschaffen sind. Farbstoffe als Additive sind auch oft mehr als ungesund und sollten weggelassen werden. Wenn die Produktbeschreibung keine Substanzen nennt, dann fordern Sie beim Verkäufer einfach ein Sicherheitsdatenblatt an, das er nach EU-Richtlinie 91/155/EG bereitstellen muss. Kann gar kein Datenblatt geliefert werden, dann hat der Verkäufer oft keine Ahnung von seinem Produkt und dürfte es in der EU eigentlich auch gar nicht anbieten. In diesem Fall sollten Sie lieber die Finger von dem Produkt lassen.

Halterungen: Gute Kühlkörper verfügen immer über mehrere Halterungen und Einbaurahmen, die auf verschiedene Sockel passen, um auch eine PC-Aufrüstung mitzumachen.
Vergrößern Halterungen: Gute Kühlkörper verfügen immer über mehrere Halterungen und Einbaurahmen, die auf verschiedene Sockel passen, um auch eine PC-Aufrüstung mitzumachen.

Richtig dicht: Schläuche und Verbindungen

Alle Komponenten der Wasserkühlung sind durch Schläuche aus PVC oder Silikon miteinander verbunden. Silikon ist weicher als PVC und lässt beim Verlegen kleinere Radien zu, knickt aber auch leichter, was den Durchfluss bremst. Enge Radien sind aber in jedem Fall besser als Winkelstücke.

Je nach Hersteller und Kühlsystem kommen Schläuche mit Innendurchmesser zwischen 5 mm und 10 mm zum Einsatz. Die verschiedenen Herstellersysteme sind deshalb nicht alle zueinander kompatibel, was sich aber mit passenden, separat erhältlichen Fittings (verschraubte Schlauchanschlüsse) ändern lässt. Bei einigen Kühlkörpern sind Fittings sowieso nicht inklusive. Wichtig ist darauf zu achten, dass keine einfachen Tüllen zum Aufstecken verwendet werden, da diese nicht dicht genug sind und bei der Montage außerdem zu umständlich sind. Da eine Wasserkühlung für den PC nicht mit Überdruck arbeitet und auch im Kreislauf keine Druckunterschiede bestehen, ist ein spontanes Abfallen oder gar Platzen der Schläuche ausgeschlossen. Solange die Schläuche und Verbindungen physikalisch unbeschädigt sind, halten sie auch dicht.

Tipp: Bestens bewährt haben sich PVC-Schläuche mit 10 mm Außendurchmesser und 8 mm Innendurchmesser aus dem Baumarkt, wo es diese als Meterware gibt. PVC-Schläuche lassen sich mit etwas Kraftaufwand auch noch ohne zu reißen gut über Anschlüsse dehnen, die einige Millimeter breiter sind.

Weitere Kühlkörper: Grafik, Chipsatz, Festplatten

Eine leistungsfähige Wasserkühlung kann auch nachträglich noch durch weitere Kühlkörper ergänzt werden. Besonders Grafikkarten sind ein optimaler Kandidat dafür, da hier auf kleinem Raum viel Abwärme der GPU abgeführt werden muss. Generell sind Grafikkühler, die nicht nur die GPU abdecken, sondern auch die DRAM-Chips, besser geeignet, aber auch deutlich teurer. Kühlkörper gibt es zudem auch für Mainboard-Chipsätze, Festplatten und für Spannungsregler der Hauptplatine. Behalten Sie aber aber nach jeder Modifikation die Temperatursensoren über das Bios beziehungsweise über das UEFI im Blick, ob die Kühlleistung des Systems noch für den Dauerbetrieb unter gnadenlos hoher Last ausreicht.

Tipp: Gute Kühlkörper verfügen immer über mehrere Halterungen und Einbaurahmen für verschiedene Sockel, um auch Aufrüstungen mitzumachen und damit über Jahre verwendbar zu bleiben.

Die Gesamtkosten für eine Wasserkühlung im Überblick.
Vergrößern Die Gesamtkosten für eine Wasserkühlung im Überblick.

Kosten kalkulieren - Die Einzelkomponenten

Wenn man nicht gerade den Großteil der Komponenten einer Flüssigkeitskühlung gebraucht erhält, ist diese Art der Prozessorkühlung die teuerste Methode. Es lohnt sich jedoch, wenn die Wasserkühlung über mehrere Jahre in Betrieb bleibt und mehrere Prozessorsprünge mitmacht. Qualitativ gute CPU-Kühlkörper für Wasserkühlungen lassen sich üblicherweise mit beliegenden Einbaurahmen leicht auf neuere und andere Prozessorsockel montieren, ohne dass dabei anderweitige Änderungen am Aufbau des Kühlkreislaufs anfallen.

Trotzdem sind die Anschaffungskosten nicht ohne und liegen rund um den Faktor zehn höher als bei den herkömmlichen lauten Luftkühlungen. Die rechts unten stehende Kalkulation mit bewährten, empfehlenswerten Komponenten verschiedener Hersteller kommt auf fast 300 Euro.

Bezugsquellen: Empfehlenswerte und dabei nicht überteuerte Kühlkörper aller Art hat EK WB im Sortiment. Radiatoren und passive Konvektoren bis hin zu Komplettsets sind bei http://www.alphacool.com zu finden. Für Kleinteile wie Fittings aller Art und Zubehör wie Ausgleichsbehälter ist der Online-Shop von Innovatek eine gute Quelle. Achten Sie bei der Kombination von Teilen verschiedener Hersteller auf passende Fittings (Schlauchanschlüsse).

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