mini|350px|Probeaufbau einer Wasserkühlung (Thermaltake) in einem Rechner mit AMD-Prozessor. Links unten Pumpe; darüber CPU-Kupferkühler, oben Radiator mit Lüfter, 120 mm Durchmesser, rechts davon Ausgleichsbehälter
Die PC-Wasserkühlung ist eine fortschrittliche und effiziente Methode zur Wärmeableitung, die in modernen Computern Anwendung findet.
Sie dient dazu, die durch elektrische Energie, die in Wärme umgewandelt wird, entstehende Hitze abzuleiten. Mit der zunehmenden Leistungsdichte heutiger Computer und der damit einhergehenden Erwärmung der einzelnen Komponenten hat die Notwendigkeit für effektive Kühlmethoden zugenommen. Im Gegensatz zu früheren Zeiten, als die Umgebungsluft und natürliche Konvektion ausreichten, um die geringe spezifische Verlustleistung ohne zusätzliche Kühlkörper abzuführen, sind heute bei den meisten PCs Kühlkörper im Einsatz. Bei aktiv gekühlten Systemen unterstützen zusätzlich Ventilatoren die Wärmeableitung. In diesem Kontext bietet die Wasserkühlung einen entscheidenden Vorteil in Bezug auf Leistung und Effizienz.
Ziel Das Hauptziel der PC-Wasserkühlung besteht darin, die durch Betrieb erzeugte Wärme – insbesondere von stark aufheizenden Halbleitern wie Hauptprozessoren und Grafikprozessoren – effizient und leise abzuleiten. Ein weiterer Einsatzbereich der Wasserkühlung ist die Leistungssteigerung durch Übertakten des Rechners über den offiziellen Spezifikationen.
Neben der verbesserten Wärmeabfuhr bietet die Wasserkühlung oft den Vorteil, leiser als eine Luftkühlung zu sein. Das Kühlmedium Wasser besitzt eine hohe Wärmekapazität, was die Wärmeaufnahme von kleinflächigen Wärmequellen, wie sie in Computern häufig vorkommen, begünstigt. Allerdings wird der Wärmefluss zwischen dem Halbleiter und der für die Wärmeübertragung wirksamen Oberfläche durch die Wärmeleitfähigkeit der dazwischenliegenden Materialien begrenzt. Dieser thermische Widerstand lässt sich nur teilweise reduzieren, zum Beispiel durch den Einsatz von Wärmeleitpaste.
Im Hobbybereich wird die Wasserkühlung häufig nur für Haupt- und Grafikprozessor verwendet. Andere Wärmequellen im Computer erfordern jedoch eine Kühlung durch Umluft oder aktiven Luftaustausch im Gehäuse. Daher ist es oft notwendig, entweder weitere Komponenten in das Wasserkühlsystem zu integrieren und/oder die Luft im Gehäuse weiterhin umzuwälzen oder auszutauschen. In professionellen Kühlsystemen für Schaltschränke werden auch Luft-Wasser-Wärmetauscher eingesetzt.
Geschichte Angefangen hat das Kühlen von PCs mit Wasser im privaten Bereich mit einigen wenigen Enthusiasten, die um das Jahr 2000 ihre Computer so weit wie möglich übertakten wollten oder nach Ersatz für die konventionellen CPU-Lüfter suchten, die damals wegen der steigenden Verlustleistung der CPUs immer leistungsstärker und dadurch lauter wurden. Zudem kamen auch im privaten Bereich Dual-CPU-Boards in Mode, wie sie zuvor nur bei Servern verwendet wurden. Auf diesen Hauptplatinen mussten damit zwei CPU-Kühler mit Lüfter verbaut werden, was die Lautstärke weiter erhöhte.
Die Kühlkörper wurden auch selbst gefertigt und das Wasser wurde anfangs mit Aquariumpumpen gefördert.
2003 wurde mit dem Power Mac G5 der erste Desktop-Rechner mit serienmäßiger Wasserkühlung auf dem Markt eingeführt. Hier stammte das System aus Wärmetauscher, Radiator und Pumpe von der Firma Delphi Automotive.
Üblich waren auch selbst gebaute Radiatoren und Ausgleichsbehälter aus Plexiglas. Zur Rückkühlung (Wärmetauscher gegen die Raumluft) wurden zum Beispiel Autokühler oder Heizkörper eingesetzt.
Später reagierten u. a. Hersteller von Pumpen und Wasser-Luft-Wärmetauschern auf den Bedarf, und es entstand ein Markt für Komponenten und Komplettsets.
Kühlprinzipien Die Rückkühlung des Kühlwassers kann aktiv oder passiv erfolgen.
Bei aktiver Kühlung wird durch einen Lüfter ein Luftstrom durch einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager erzeugt.
Bei manchen Kühlern wird zusätzlich zur Wasser-Luft-Kühlung ein thermoelektrischer Kühler verwendet (Peltierkühlung).
mini|Variante eines passiven Kühlkörpers für einen wassergekühlten Prozessor
Bei passiver Kühlung ist der Wasser-Luft-Wärmetauscher als sogenannter Radiator ausgebildet und wird nur durch die natürliche Konvektion der Luft gekühlt. Ein solcher Radiator ist größer als ein aktiv gekühlter, um die gleiche Kühlleistung zu erreichen. Auch mehrere Meter lange Schläuche oder Metallrohre sind gebräuchlich. Mit geeigneter Leitungsführung kann natürliche Konvektion im Kühlwasser erreicht werden und es kann auf eine Umwälzpumpe verzichtet werden. Um beispielsweise 500 Watt Leistung abzuführen, wird bei 2 Meter Steighöhe und 5 Meter Rohrgesamtlänge sowie 15 K Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur ein Rohr-Innendurchmesser von mindestens 25 mm notwendig.
Das Kühlwasser kann auch mit einer Kältemaschine (Kompressor wie in Kühl-/Gefrierschränken) rückgekühlt werden.
Aufbau Eine aktuell übliche PC-Wasserkühlung besteht aus
Kühlkörper (mindestens für Hauptprozessor (CPU), teilweise auch für die Grafikkarte (GPU) und weitere Komponenten, wie Northbridge, Southbridge, Festplatten, Netzteil, Arbeitsspeicher und Spannungswandler) Pumpe (z. T. Spezialanfertigungen basierend auf Aquarienpumpen) Ausgleichsbehälter (um temperaturbedingte Ausdehnung des Kühlmediums zu ermöglichen, sowie zum Befüllen und Entlüften) Radiator (Wärmeüberträger für die Rückkühlung) Lüfter (bei aktiver Kühlung) Schläuche („Verrohrung“) Zubehör wie Montageschrauben und Schlauchanschlüsse Knickschutzfedern (manchmal sinnvoll) Kühlwasserthermometer, Durchflussanzeiger usw. Kühlwasserzusatz (Korrosionsschutz und Verhinderung von Algenbildung)
Die „klassische“ Wasserkühlung wird aus den oben genannten Bestandteilen vor Ort „nach Maß“ in den Rechner eingebaut. Das erfordert z. T. einigen Aufwand, zum Beispiel muss unter Umständen die Hauptplatine (Motherboard) ausgebaut werden, um die Halteschrauben für den Kühler anbringen zu können, und im Gehäuse müssen geeignete Ein- und Auslässe für den Radiator eingebracht werden sofern das Gehäuse nicht genügend Platz für einen Radiator bietet.
Arbeitsweise Das Wasser im Kühlkreislauf wird von der Pumpe bewegt. In den Kühlkörpern nimmt es die Wärme der zu kühlenden Bauteile auf und transportiert sie zum Radiator, wo die Kühlwasserwärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Alle Komponenten werden hydraulisch in Reihe geschaltet (hintereinander gekoppelt), um einen gleichmäßigen Durchfluss durch alle Kühlkörper sicherzustellen.
Inzwischen gibt es auch Systeme, bei denen Pumpe, Radiator mit Lüfter und Ausgleichsbehälter in einem Gehäuse zusammengefasst sind und nur noch die Kühler im Computer montiert und mit Schläuchen mit dem Kühlsystem verbunden werden müssen. Teilweise sind diese Systeme so klein gebaut, dass sie in zwei bis drei 5,25″-Laufwerksschächten Platz finden. Speziell diese kompakten Systeme weisen als Nachteil die verhältnismäßig kleinen Lüfter auf, die sich zudem schnell drehen müssen und eine entsprechende Geräuschkulisse erzeugen. Auch die Kühlleistung kommt nicht an die einer klassisch aufgebauten Wasserkühlung heran, ist jedoch für handelsübliche PC-Systeme ausreichend. Extern aufgestellte Systeme können größer gebaut werden und sind am einfachsten zu montieren.
Apple verbaute in seinen Power Mac G5 die erste massenfertigungstaugliche Wasserkühlung für den PC-Bereich, und inzwischen gibt es auch die erste TÜV-geprüfte Wasserkühlung für AMD/Intel-PCs. Es gibt außerdem seit einiger Zeit Wasserkühlungs-Komponenten, die klein genug für den Einbau in einen Mini-PC sind.
Problematik Bei einem Umbau ist zu beachten, dass die Garantie des Herstellers in der Regel erlischt. Die Inanspruchnahme der gesetzlichen Gewährleistung kann erschwert sein, da der Händler behaupten wird, der Mangel sei durch den Umbau entstanden. Daher wird ein solcher Umbau oft zur Ablehnung von Ansprüchen führen, weshalb nur der Weg zu Gericht bleibt.
Komponenten im Detail Das Bild zeigt eine solche CPU-Wasserkühl-Einheit. Das zentrale Element ist der Metallblock, der mit einer Wärmeleitpaste auf der CPU sitzt. Das Material ist in diesem Fall hervorragend wärmeleitfähiges Kupfer, mit einer mäandernden Fräsung für den Wasserkanal, mit einer Nut für den umlaufenden O-Ring zur Abdichtung. Weiter der Acryl-Deckel mit den Anschlüssen für die Schläuche zur Wasser-Zu- und Abführung, und mit den Klammern zur Befestigung der Einheit auf der Hauptplatine.
Kühlkörper mini|Wasserkühlkörper für CPU und GPU mini|links|CPU-Wasserkühler mit Wasser-Düsen-Prinzip der Firma alphacool
Die Kühlkörper funktionieren nach dem Wärmeübertragerprinzip. Diese werden aus Aluminium oder aus Kupfer gefertigt und gelegentlich vernickelt, versilbert oder sogar vergoldet. Es gibt auch Kühlkörper aus massivem Silber, welches die höchste Wärmeleitfähigkeit der genannten Metalle besitzt, jedoch sehr teuer ist und leicht korrodiert bzw. anläuft.
Während die ersten Kühlkörper im Inneren einfach ein simples Rohr, evtl. in U-Form, enthielten, wurde der Aufbau der Kühlkörper mit der Zeit immer ausgefeilter, um eine möglichst große Wärmeübergangsfläche zum durchfließenden Wasser zu bieten. Lange Zeit galten sog. Kernkühler, welche aus einem gedrehten, zylindrischen Kupferkern und einer Hülle (meist aus Aluminium, Delrin oder Plexiglas) bestanden, als die leistungsstärksten Kühler. Da diese aber sehr aufwendig zu fertigen und dementsprechend teuer waren, fanden sie nur wenig Anklang.
Inzwischen gibt es Systeme mit feinen Kanälen, Nadeln oder sogar einer Wabenstruktur (Düsenkühler). Somit wird die Wasseroberfläche und Strömungsgeschwindigkeit an dieser Stelle um ein Vielfaches erhöht, so dass sicher turbulente Strömung erreicht wird. Dies gewährleistet einen erhöhten Wärmeübergang bei gleichzeitig höherem Druckverlust in der Anlage.
Um Korrosion zu vermeiden, welche den Wärmeübergang herabsetzt, wird dem Kühlmedium ein antikorrosives Mittel zugesetzt, handelsübliche Mittel aus dem Kfz-Bereich sind absolut ausreichend. Die Kühlkörper sind dem jeweiligen Prozessor, seinem Befestigungssystem und dem Schlauchsystem innerhalb des Kühlsystems angepasst.
Da mit der Weiterentwicklung von Grafikchips eine steigende Abwärme einhergeht, spielen Wasser-Kühlkörper für Grafikkarten eine immer größere Rolle. Hierbei kann man grundsätzlich zwischen Kühlern, die nur für den Grafikchip (GPU) gedacht sind, und sogenannten Komplettkühlern, die sowohl die GPU als auch den Arbeitsspeicher sowie die Spannungswandler der Grafikkarte kühlen, unterscheiden. Bei den Kühlern, die nur den Grafikchip kühlen, besteht jedoch die Gefahr, dass sich durch das Wegfallen des Luftstroms über andere Bauteile der Grafikkarte des originalen Lüfters die Lebensdauer der Grafikkarte verringert. Eine Montage eines Wasserkühlers auf Grafikkarten ist darüber hinaus oftmals mit Garantieverlust verbunden.
Bei der Kühlung sonstiger Komponenten (Chipsatz, Festplatten etc.) werden die Kühler aufgrund der verhältnismäßig geringen Abwärme einfach gehalten, sodass diese den Durchfluss nicht unnötig bremsen.
Mittlerweile gibt es auch Kühlkörper für Spielekonsolen.
Pumpe mini|Pumpe und Ausgleichsbehälter