Thermosiphon Kühlung: Zweiphasen-Kühler könnte Wasserkühler ersetzen
Noctua hat auf der Computex 2025 einen Zweiphasen-Flüssigkeitskühler ausgestellt, der uns bereits aus dem letzten Jahr bekannt ist. Anders als zuvor ist der Prototyp dieses Jahr aber voll funktionsfähig und soll unter idealen Laborbedingungen bereits die Leistung einer Kompaktwasserkühlung mit gleicher Radiatorfläche erreichen. Nun gilt es, dies auch unter Praxisbedingungen zu erzielen.
Das Grundprinzip ist ein Thermosiphon, auch Schwerkraftumlauf genannt. Dabei wird eine Flüssigkeit mit einem passenden Siedepunkt verwendet, die an der heißen Oberfläche im Kühler zu kochen beginnt und dabei gasförmig wird. Bei diesem Phasenwechsel wird Energie aufgenommen, die durch das gasförmige Kühlmittel zum Radiator transportiert wird.
Das Kühlmittel wird dort mithilfe von Lüftern und engen Kühllamellen abgekühlt und verflüssigt sich dabei wieder. Anschließend fließt es durch Schwerkraft zurück zum Kühler, wo der Kreislauf erneut beginnt. Der Vorteil dabei ist, dass keine Pumpe benötigt wird. Damit fällt ein Verschleißteil weg, das zudem Strom benötigt und Geräusche sowie Vibrationen verursacht.
Prozessoren verhalten sich nicht wie Heizplatten
In der Entwicklungsphase wurden zunächst Heizplatten, auch Dummy-Loads genannt, verwendet. Die Wärmeabgabe kann damit genau gesteuert werden und ist reproduzierbar. In diesem Szenario bringt der Kühler bereits die von Noctua erwartete Kühlleistung. Allerdings wird dies dadurch begünstigt, dass Heizplatten die Wärme gleichmäßig über die gesamte Fläche abgeben.
Prozessoren haben hingegen Hotspots, die deutlich kleiner sind. Die Wärme entsteht nur in sehr kleinen Teilbereichen. Auch auf der Oberseite des IHS (Integrated Heatspreader), der dem Namen nach die Wärme verteilen soll, gibt es daher weiterhin Hotspots. Die Flüssigkeit überschreitet daher an diesen Stellen ihren CHF-Punkt (Critical Heat Flux), ab dem durch zu starke Bläschenbildung nicht genügen Kühlmittel nachfließen kann.
Der Weg zum fertigen Kühler
Der Kühlerboden muss deshalb so angepasst werden, dass die Wärme so gut wie möglich auf die zur Verfügung stehende Fläche verteilt wird. Das Risiko, dass die CHF-Temperatur lokal erreicht wird und dadurch die Kühlleistung sinkt, soll so verringert werden.
Auch die Binnenstruktur wird für den Phasenwechsel-Kühler verändert. Die Gasbläschen sollen dadurch effizienter abgeleitet werden, während zeitgleich flüssiges Kühlmittel nachfließt. Herkömmliche Strukturen für Wasserkühler erwiesen sich in der Erprobung als unzureichend.
Gute Fortschritte, aber noch kein Release-Datum
Zuletzt optimierten die Ingenieure den Rückfluss des Kühlmittels, um durch Kanäle und spezielle Oberflächenstrukturen dafür zu sorgen, dass die Flüssigkeit effizienter zu den heißesten Bereichen des Kühlers fließen kann.
Aufgrund der Herausforderungen nennt Noctua weiterhin kein Datum, zu dem der Kühler auf den Markt kommen wird. Am Ende soll ein Kühler stehen, der die Vorteile einer Kompaktwasserkühlung mit der Zuverlässigkeit von Luftkühlern kombiniert.