Kühlung: Wie geht eigentlich Wasserkühlung?
Dieser Sommer hat nicht nur uns zum Schwitzen gebracht, auch der ein oder andere Computer hatte seine Mühe mit den teilweise rekordhohen Temperaturen. Wasserkühlung wird hierbei häufig als Abhilfe gesehen. Wir sehen uns einmal an, was man dafür benötigt und welche Tücken es dabei geben kann.
Der grundsätzliche Aufbau einer Wasserkühlung ist denkbar einfach. Anstelle eines großen Luftkühlers wird ein geschlossener Kühler montiert, durch den Wasser fließt. Zudem gibt es eine Pumpe, die das Wasser durchgehend in Bewegung hält. Die dritte Komponente ist ein Radiator, der die Wärme wieder an die Umgebung abgibt. Meist sind auf diesem ein oder mehrere Lüfter montiert, um dies entsprechend zu unterstützen.
Der geschlossene Kühler wird Wasserblock oder kurz Block genannt. Je nach Preisklasse und Art der Wasserkühlung ist dieser aus Kupfer oder Aluminium. Innen sind kleine, feine Vertiefungen in den Boden geschnitten, durch die das Wasser fließt, das die Wärme aufnimmt und abtransportiert. Eine spezielle Konstruktion sorgt bei hochwertigen Kühlern dafür, dass das Wasser durch diese Vertiefungen fließen muss und nicht einfach daran vorbeifließt. Das verbessert die Wärmeübertragung deutlich.
In der Anfangszeit wurde Technik aus dem Aquarium eingesetzt
Als Pumpe hat man in den Anfangsjahren von Wasserkühlungen für Computer oft Pumpen aus dem Aquariumsbedarf verwendet. Von der deutschen Firma Eheim gibt es heute noch Modelle, die je nach Auslegung und Zubehör für beide Bereiche verwendet werden. Der Normalfall sind jedoch längst spezialisierte Pumpen wie etwa die Modelle Laing DDC oder D5 sowie hierzu mechanisch kompatible Modelle.
Da die verwendeten sogenannten Kreiselpumpen im trockenen Zustand kein Wasser ansaugen können und außerdem auf das Wasser zur eigenen Kühlung und Schmierung angewiesen sind, wird ein Ausgleichsbehälter im Kreislauf eingebaut, so dass die Pumpe zu jeder Zeit nur Wasser ansaugt. Das verhindert zudem Geräusche, die entstehen würden, wenn beispielsweise Luftblasen im Kreislauf bewegt werden. Häufig werden Pumpe und Ausgleichsbehälter in einer Einheit kombiniert.
Bei den Radiatoren kommt es in erster Linie auf die Fläche an. Zwischen den Kanälen, durch die innen das Wasser fließt, wird eine dichte Struktur aus Aluminiumlamellen per Lüfter mit Luft durchströmt, die so die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Ist der Radiator dicker oder der Abstand der Lamellen kleiner, vergrößert sich die Kühlleistung, aber der Lüfter muss auch stärker arbeiten. Gängige Werte liegen zwischen 16 und 22 FPI (Fins per Inch/Finnen pro Zoll).
Radiatorgrößen orientieren sich an den in Computern üblichen 120-Millimeter-Lüftern, seltener an 140-Millimeter-Lüftern. Dazwischen gibt es selbstverständlich Sondergrößen, am häufigsten sind aber die erstgenannten anzutreffen. Pro Komponente empfiehlt sich grob 240 mm Radiatorfläche für einen guten Kompromiss aus Leistung und Lautstärke. Je höher die zur Verfügung stehende Fläche, desto weniger müssen die Lüfter für die gleiche Kühlleistung arbeiten.
Kompaktwasserkühlung oder Custom-Loop
In Gaming-Computern und Workstations sieht man häufiger die sogenannten AiO-Kühler (All-in-One Liquid-Cooler). Das Prinzip ist das Gleiche wie das anfangs beschriebene, allerdings in einer vollständig geschlossenen und kompakten Bauweise verpackt. Die Pumpe wird hier in den meisten Fällen in den Kühlblock integriert, während der Ausgleichsbehälter Teil des Radiators ist. Der Großteil dieser Kühler ist mit Ausnahme weniger Modelle nicht erweiterbar und kann nicht geöffnet werden, es muss also zum Beispiel kein Wasser eingefüllt oder nachgefüllt werden.
Solche Kühler werden von vielen Herstellen für den Einsatz auf CPUs angeboten. Aufgrund des hohen Montageaufwands sind sie allgemein bei Grafikkarten seltener anzutreffen. Hier sind Wasserkühlblöcke für den Eigenbau die Norm. Viele Grafikkartenhersteller bieten jedoch mindestens ein Modell an, das einen solchen Kühler bereits ab Werk verbaut hat.
Doch wie viel bringt Wasserkühlung eigentlich? Ein wichtiger Faktor dabei ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers. Diese ist bei den kleineren Pumpen einer Kompaktwasserkühlung (AiO) geringer. Hier können Modelle mit 360-Millimeter-Radiator unter gleichen Bedingungen zwar besser abschneiden als gute Luftkühler, der Abstand ist jedoch nicht besonders groß.
Unabhängig von der Konfiguration gute Kühlleistungen
Vorteile bieten sie dennoch, da ein Luftkühler meistens im Gehäuse auch die warme Abluft der anderen Komponenten, allen voran der Grafikkarte, ansaugt und somit die Kühlleistung verschlechtert. Den Radiator einer Wasserkühlung kann man dabei so verbauen, dass von außen Frischluft angesaugt und dieses Problem entsprechend vermieden wird.
Bei einer sogenannten Custom-Loop, einer eigens zusammengestellten Wasserkühlung aus Einzelkomponenten mit einer großen und leistungsfähigen Pumpe, ist die Fließgeschwindigkeit hoch genug, um teils deutliche Temperaturverbesserungen zu erzielen. 15 bis 25 °C gegenüber einem durchschnittlichen Luftkühler sind hier machbar. Die Grafikkarte wird dabei, sofern es einen passenden Wasserblock dafür gibt, in den Kreislauf integriert und gemeinsam mit dem Prozessor gekühlt - eine entsprechend ausreichende Radiatorfläche vorausgesetzt.
Die Anordnung der Komponenten spielt wegen der hohen Fließgeschwindigkeit praktisch keine Rolle. Die Temperatur ist an allen Punkten im Kreislauf nur minimal unterschiedlich. Man konfiguriert das System so, wie es sich am besten bauen lässt und natürlich auch so, dass es hübsch anzusehen ist.
Zur Verbindung der Komponenten wird meistens ein Schlauch aus PVC mit 10 Millimeter Innendurchmesser verwendet. Andere Maße gibt es, 10/13 mm oder 10/16 mm (Innen/Außendurchmesser) sind jedoch am geläufigsten. Der Vorteil der Schläuche ist zudem eine gewisse Flexibilität. Aufbau und Wartung des Systems sind dadurch einfacher.
Optik oder pure Zweckmäßigkeit
Wenn auf die Optik besonderen Wert gelegt wird, können auch Rohre aus PETG, Acryl oder selten Glas verwendet werden. Durch die geraden Rohre in Verbindung mit rechten Winkeln lässt sich so eine besonders aufgeräumte Optik realisieren. Hier muss jedoch millimetergenau gemessen werden und Komponenten lassen sich ohne Entfernen der Rohe nicht mehr verschieben oder gar ausbauen. In jedem Fall muss die Kühlflüssigkeit dann abgelassen und später neu befüllt werden.
Es hängt vom Einzelfall ab, wie viel höher der Aufwand dabei ist. Die Rohre müssen unter Hitze in Form gebogen werden, was Einiges an Übung und passendes Werkzeug verlangt. Selbst bei kleinen Änderungen der Komponenten muss meistens das ganze System entleert, gegebenenfalls ein neues passendes Rohr gefertigt und alles wieder neu befüllt werden. Änderungen an einem Kreislauf mit Schläuchen sind von einem geübten Anwender merklich schneller umsetzbar.
Risiken gibt es vor allem zwei: das Wasser selbst und eine ausgefallene Pumpe. Mit den heute üblichen Anschlüssen und Komponenten ist ein plötzliches Leck im Kreislauf nicht sehr häufig. Wenn man sichergehen möchte, kann man vor dem ersten Befüllen mit Wasser auch mit einem Druckprüfer mit Druckluft testen, ob auch wirklich alles dicht ist.
Ein tückischer Fehler mit Langzeitfolgen
Als Kühlmittel werden in den allermeisten Fällen destilliertes Wasser oder eine ebenfalls nicht elektrisch leitende Kühlmischung verwendet. Schäden durch kurzen Kontakt mit Wasser beim Befüllen sind dadurch eher selten. Natürlich sollten Komponenten dennoch getrocknet und vorerst nicht eingeschaltet werden, wenn Wasser ausgetreten ist.
Als tückischer erweist sich eine ausgefallene Pumpe nach mehreren Monaten oder Jahren Betrieb. Ohne eine Lüftersteuerung vom Mainboard oder eine extra für Wasserkühlungen ausgelegte Steuerung wie beispielsweise der Aquaero vom deutschen Hersteller Aquacomputer fällt diese kaum auf. Pumpen sind meist so leise, dass eine ausgefallene Pumpe erst dann auffällt, wenn der Computer bereits überhitzt ist und sich im besten Fall abschaltet - oder wenn er nicht mehr richtig arbeitet.
Die hohen Temperaturen für Prozessor oder Grafikkarten können zumindest bei übertakteten Systemen auch Schäden nach sich ziehen, meistens funktionieren hier jedoch die Notsysteme gut und schalten den Computer ab. Warum dies passiert, ist für einen unbedarften Anwender aber oft unklar. Weitere Versuche sind häufig die Folge, wodurch die Gefahr für Schäden weiter steigt.
Da die hohen Temperaturen in diesem Fall die Dichtungen der Kühlblöcke und die PVC-Schläuche beschädigen, ist ein undichter Kreislauf eine mögliche Spätfolge. Ist der Fehler also identifiziert und die Pumpe getauscht oder repariert, sollten die Dichtungen und Schläuche in der Nähe der warmen Komponenten auf sichtbare Veränderungen und Verformungen überprüft werden, bevor der Computer wieder in Betrieb genommen wird.
Fazit
Bestenfalls sind Temperaturverbesserungen von über 20 °C möglich. Bei genug Radiatorfläche ist dies sogar bei einer geringeren Lautstärke möglich und mit Beleuchtung, farbigen Flüssigkeiten und hübschen Hard-Tubes sieht es auch noch gut aus. In heißen Dachgeschosszimmern mit leistungsfähigen Komponenten gibt es sicherlich gute Argumente für eine Wasserkühlung.
Dem stehen ein hoher Aufwand beim Aufbau einer Custom-Wasserkühlung und ein Faktor, den wir bisher nicht angesprochen haben, entgegen: Wasserkühlungen sind teuer. Für alle Komponenten einer Wasserkühlung sind schnell 400 bis 600 Euro ausgegeben und vierstellige Beträge für größere Kreisläufe sind nicht unüblich. Auch eine 240- bis 360-Millimeter-Kompaktwasserkühlung kostet gerne mal 200 Euro, beziehungsweise einen entsprechenden Aufpreis bei einer damit ausgestatteten Grafikkarte.
Es ist also am Ende auch eine finanzielle Entscheidung, ob man nicht versucht, mit groß dimensionierten Luftkühlern in einem gut belüfteten Gehäuse den Aufwand und die Kosten insgesamt geringer zu halten - sofern man nicht das absolute Maximum an Leistung zu jeder Zeit abrufen können muss. Denn der messbare Leistungsvorteil durch höheren (Boost-)Takt der Hardware beträgt bestenfalls wenige Prozent. Außer an besonders heißen Tagen liegt der Vorteil jedoch fast ausschließlich in der geringeren Geräuschentwicklung sowie der Optik.