Anfänger Guide Wasserkühlung

Inhaltsverzeichnis:

1. Was ist der Sinn einer Wasserkühlung und wie funktioniert sie?

2. Kühler

3. Pumpe und Ausgleichsbehälter

4. Radiator

5. Schläuche und Anschlüsse

6. Sonstiges

Was ist der Sinn einer Wasserkühlung und wie funktioniert sie?

Leistungsfähige, moderne Chips setzen Elektrizität in Rechenoperationen um. Als Abfallprodukt entsteht hierbei Wärme. Bei den extrem winzigen Strukturen heutiger CPUs (Central Processing Unit, Prozessor) und GPUs (Graphics Processing Unit, Grafikkartenchip) ist dies eine recht erhebliche Hitze, die auf sehr kleiner Fläche abgegeben werden muss. Hierfür benutzt man klassischerweise sowohl auf Grafikkarte als auch Prozessor Kühlkörper, die Lamellenpakete auf Heatpipes stapeln, über die ein Lüfter dann Luft bewegt. Die Hitze geht also von den Lamellen in die Umgebungsluft über. Moderne PCs sitzen für gewöhnlich in verschlossenen Cases, so dass sich für Luftkühlung zwei grundsätzliche Probleme ergeben: erstens ist die Größe der Kühlkörper durch das Platzangebot des Cases und benachbarte Komponenten begrenzt. Und zweitens ist die Hitze, nachdem sie von den Lamellen in die Luft übergegangen ist, ja immer noch in dem abgeschlossenen Case, wo sie weiterhin alle Komponenten wärmt, und muss dann erst durch weitere Lüfter  heraus transportiert werden. Und genau an diesen beiden Punkten setzt eine Wasserkühlung an.

Die Grundfunktion einer Wasserkühlung ist es, Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe räumlich zu trennen. Denn der Name „Wasser-Kühlung“ ist eigentlich irreführend: das Wasser selbst kühlt nicht – es transportiert. Das Wasser nimmt in einem Kühlkörper, der auf der wärmeerzeugenden Komponente angebracht ist, die Wärme auf. Damit es nicht einfach immer wärmer wird und irgendwann anfängt zu kochen, wird es durch eine Pumpe weiter transportiert zu einem Wärmetauscher (Radiator). Dieser Radiator kann grundsätzlich frei platziert werden, so dass optimale Wärmeabgabe erfolgen kann: innerhalb des Gehäuses im Deckel oder der Front, oder sogar außerhalb des Gehäuses! In dem Radiator strömt das Wasser durch Kanäle, auf dene Lamellen montiert sind, die die Oberfläche massiv vergrößern. Auf dem Radiator sind wiederum ganz normale Lüfter montiert, die möglichst kühle Frischluft über die Lamellen pusten und so die Wärmeenergie in die Umgebungsluft abgeben. Abschließend wird das kühle Wasser wieder zurück zum Kühler geführt, wo es erneut Wärme vom Prozessor aufnimmt – der Kreislauf ist geschlossen. Hieraus ergeben sich damit die notwendigen Komponenten einer WaKü:

Der Kühler überträgt die Hitze von der Wärmequelle auf das Wasser, die Pumpe transportiert das Wasser weiter, und im Radiator wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben.  

Kühler

Theoretisch gibt es für so gut wie alle aktiven Komponenten eines PCs einen Kühler: CPU, GPU, Spannungsversorgung des Mainboards, Chipsets, RAM, ja sogar Festplatten. Wirklich effizient ist aber für die meisten Anwender vor allem die Kühlung von Grafikkarte und Prozessor.  

CPU Kühler

Bei CPU Kühlern gibt es wenig zu beachten. Ausgehend vom CPU Hersteller und dem Mainboard Sockel lässt sich schnell herausfinden, welche mechanische Haltevorrichtung benötigt wird. In der Kühlleistung gliedern sich unsere Heatkiller IV Kühler in PRO und BASIC Versionen. Die BASIC Versionen haben 49 Kühlfinnen in der Bodenplatte, die PRO Versionen 78. Durch die bis zu 0,2mm dünnen Kanäle muss das Wasser strömen. Je mehr Kühlfinnen, desto größer wird die Gesamtoberfläche, auf der das Wasser das Kupfer berührt, und desto mehr Wärmeenergie kann in der gleichen Zeit übertragen werden. Andererseits bieten feinere und komplexere Strukturen natürlich mehr Widerstand, wodurch die Durchflussrate verringert wird. Die BASIC Versionen sind dank der einfacheren Struktur die günstigen Einsteigermodelle, die aufwendigeren PRO Versionen bieten die kompromisslos beste Leistung.
Die Wahl des Deckels (Plexi, Acetal, blankes Kupfer oder vernickeltes Kupfer) ist eine rein ästhetische Entscheidung und hat keinerlei Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Kühlers.  

Grafikkarten Kühler

Die Wahl des richtigen Grafikkartenkühlers ist etwas komplizierter. Grundsätzlich muss man wissen, dass AMD und Nvidia für jede neue Karte ein Referenzmodell fertigen. Auf Grundlage dieses Referenzlayouts dürfen dann die Boardpartner (Asus, Evga, Sapphire, XFX etc.) ihre Produkte fertigen und anbieten. Daher sind unsere Kühler für diese Referenzlayouts ausgelegt und nur zu diesen kompatibel.
Darüber hinaus dürfen die Boardpartner aber auch eigene Varianten der Karten bauen, bekannte Reihen dieser sogenannten „custom layouts“ sind zum Beispiel Asus Strix, Evga FTW oder Gigabyte Aorus. Diese gehen mit massiven Änderungen am Platinen-Layout einher und sind daher meist nicht mit unseren Kühlern kompatibel. Daher muss man als allerersten Schritt anhand unserer Kompatibilitätsliste überprüfen, welches Layout die eigene Karte hat, und ob es hierfür kompatible Kühler gibt. Bei Neuanschaffungen lohnt es sich, diese Frage bereits vor Kauf der Grafikkarte zu beachten. Die meisten Custom Layouts bieten hauptsächlich bessere Kühllösungen und dadurch leicht verbesserte Taktraten – darauf kann man natürlich, wenn man ohnehin eine Wasserkühlung einbauen möchte, getrost verzichten und sich dadurch die oft saftigen Aufpreise für die custom Karten sparen. Auch die besseren Taktraten kann man nach Installation des Wasserkühlers in den diversen Software Tools der Grafikkarten Hersteller selbst erreichen. So ist oft der Kauf einer Referenzkarte plus eines Wasserkühlers günstiger, als die mit OC oder „Gaming“ beworbenen custom Karten zu kaufen.
Unsere Grafikkartenkühler sind grundsätzlich sogenannte „Fullcover“ – Kühler. Dies bedeutet, dass alle wärmeabgebenden Komponenten aktiv von Wasser überflossen und somit gekühlt werden: der Chip selbst (GPU, Graphics Processing Unit), die Speicherblöcke (RAM) sowie die Spannungsversorgung (VRM, Voltage Regulation Module). Hierzu ist keinerlei Einstellung durch den Anwender nötig. Der Weg des Wassers wird von uns in der Entwicklung bereits so ausgelegt, dass alle diese Komponenten optimal gekühlt werden.  

Spannungswandler Kühler

Die Consumer CPUs der letzten Jahre waren ziemlich effizient. Folglich waren die Spannungswandler der Mainboards, die die Stromversorgung der CPU sicherstellen, nur wenig gefordert, produzierten wenig Abwärme, und wurden daher von den Mainboard Herstellern mit immer einfacheren Kühllösungen versehen. Seit 2017 geht dieser Trend wieder in die Gegenrichtung: die CPUs werden wieder stromhungriger, die Spannungswandler haben deutlich mehr Arbeit, und geraten durch die oft unterdimensionierten Kühllösungen an ihr thermisches Limit, wodurch der Prozessortakt verringert wird. Um dauerhaft hohe Übertaktungsraten laufen lassen zu können, wird daher die Kühlung der Spannungswandler wieder attraktiver.
Wir bieten hierzu zwei Varianten an: die MB-X Kühler sind jeweils auf bestimmte High End Motherboards maßgefertigt und daher nur mit diesen kompatibel. Aufschluss gibt auch hier eine Kompatibilitätsliste. Die SW-X Kühler sind hingegen ein modulares System, das auf nahezu jedes Motherboard angepasst werden kann.
 

Pumpe und Ausgleichsbehälter

In modernen Wasserkühlungssystemen haben sich drei Pumpen etabliert: Eheim 1046 – Versionen, Xylem (ehemals Laing) DDC oder D5 Pumpen. Die Eheims sind für heutige Systeme, die oft auch auf Optik Wert legen, weniger gut geeignet, da sie recht klobig wirken. Sie sind zwar sehr leise, bieten aber weniger Druck und Durchfluss als die beiden Laing Pumpen. Die DDC ist die kleinste der drei und bietet sehr viel Druck, aber weniger Durchfluss. Damit ist sie für Systeme mit sehr hohem Durchflusswiderstand gut geeignet, wie sie durch viele enge Kühler, Kupplungen, Winkel oder ähnliches entstehen können. Die D5 ist der Allrounder: leise, dabei leistungsstark, bei sehr hohem Durchfluss. Für die meisten Einsteigersysteme (CPU, 1-2 GPUs, 1-2 Radiatoren) ist eine D5 die beste Wahl.
Die Pumpe selbst ist nur die reine Pumpenmechanik. Um sie betreiben zu können benötigt man noch einen Deckel. Um das System zu befüllen benötigt man schließlich noch einen Ausgleichsbehälter. Hier kann sich die Luft aus dem System sammeln, und für kleine Druckausgleiche ist er auch perfekt geeignet. Wir bieten sowohl standalone Ausgleichsbehälter, bei denen man die Pumpe an einem anderen Ort im Gehäuse montiert, als auch Kombi-Lösungen: in diesen kann man eine DDC oder D5 Pumpe direkt integriert verbauen. So spart man sich Anschlüsse, Schlauchstrecken, den Pumpendeckel, und zusätzliche Befestigungspunkte.
 

Radiator

Der Radiator ist die Komponente, in der die Wärme, die im Kühlblock ins Wasser übergegangen ist, an die Umgebungsluft abgegeben wird. Es handelt sich im Prinzip um ein Lamellenpaket, durch das das Wasser geleitet wird. Dort geht die Wärme in die Lamellen über, über die Lüfter kühle Frischluft blasen und die Wärme so abtransportieren. Es gibt Radiatoren zur internen sowie zur externen Montage.  

Interne Radiatoren

Diese werden im Inneren des Gehäuses verbaut. Damit hängt die Größe, Anzahl und Positionierung natürlich von den Lüfterplätzen des verwendeten Cases ab. Es gibt Radiatoren für 120mm und für 140mm Lüfter. Sie werden, je nach Anzahl der Lüfter, benannt: Ein Radiator für 2 140mm Lüfter ist ein 280er, ein Radiator für 3 120mm Lüfter ein 360er.
Intern verbaute Radiatoren haben das gleiche Grundproblem, das auch Luftkühler haben: sie befinden sich in einem abgeschlossenen Kasten. Daher muss die Anzahl, Anordnung und Orientierung der Radiatorenlüfter und eventueller zusätzlicher Gehäuselüfter gut geplant werden. Einerseits sollen die Radiatoren immer mit möglichst kühler Umgebungsluft durchströmt werden, andererseits muss man natürlich verhindern, dass es im Gehäuseinneren zu Wärmestau kommt. 

Externe Radiatoren

Radiatoren, die außerhalb des Gehäuses aufgebaut sind, haben immer Zugang zu kühler Frischluft. Außerdem wird die Wärme direkt in der Umgebungsluft verteilt, es kommt zu keinem Wärmestau. Darüber hinaus kann die Größe frei gewählt werden, da sie nicht durch vorhandene Gegebenheiten des Cases beschränkt ist. Hierdurch kann man auch sehr große Radiatoren aus unserer MO-RA3 Serie wählen, welche oft schon allein durch die bereitgestellte Fläche ausreichen, um die meisten Systeme im Desktop-Betrieb nahezu ohne Lüfterbewegung zu kühlen.  

Benötigte Radiatorenfläche und erwartbare Kühlleistung

Erst aus dem Zusammenwirken aller Komponenten ergibt sich die schlussendliche Kühlleistung und damit die Temperaturen der gekühlten Komponenten. Hierbei stehen einige Faktoren in gegenseitiger Abhängigkeit. Die Kühler haben einen ziemlich fixierten Leistungscharakter: es gibt einen festen Wärmedurchgangswert, wie viel Wärme der Kühler in das Wasser abgeben kann. Ein höherer Durchfluss kann diesen Wert noch marginal verbessern, aber der Leistungsgewinn ist vernachlässigbar im Vergleich zu dem möglichen Leistungsgewinn durch Radiatoren und Lüfter.
Radiatorfläche, Lüftergeschwindigkeit und Wassertemperatur stehen in direkter Abhängigkeit zueinander und bedingen einander. Es bleibt also jedem Anwender selbst überlassen, wo genau er sein System zwischen den Koordinaten Geräuschentwicklung und Kühlleistung verorten möchte. Geringere Lüftergeschwindigkeit oder geringere Radiatorenfläche führen zu höherer Wassertemperatur. Wer also wenig Radiatorenfläche verbauen kann (oder will), muss höhere Lüfterdrehzahlen und damit ein höheres Geräuschlevel in Kauf nehmen. Wer nur langsam drehende Lüfter haben will, um einen möglichst leisen Computer zu haben, muss für mehr Radiatorenfläche sorgen. Es gibt hierzu in der amerikanischen und der europäischen Szene unterschiedliche Faustformeln:

  • In Amerika werden gerne Lüfter mit 1800 – 2500 rpm (rotation per minute, Umdrehung pro Minute) eingesetzt. Dementsprechend wird empfohlen, einen 120er Lüfterplatz pro verbautem Kühler zu planen, plus einen 120er Reserve. So entstehen sehr schlanke Systeme, die mit nur einem 360er Radiator CPU und GPU kühlen.
  • In Europa und insbesondere Deutschland liegt der Fokus deutlich stärker auf Geräuschentwicklung, hier werden gerne Lüfter mit 800 – 1400 rpm verwendet. So gilt eher die Faustformel, einen 120er Lüfterplatz pro 75 - 100W Leistungsaufnahme zu planen. Für einen klassischen CPU und GPU Kreislauf werden also eher zwei 240er oder mehr empfohlen.
     

Schläuche und Anschlüsse

Die drei Kernelemente Kühler – Pumpe/AGB – Radiator müssen nun miteinander verbunden werden. Für Einsteiger empfiehlt sich die Verwendung von flexiblen Schläuchen, geschickte Heimwerker und Bastelfreunde können auch zu starren Rohren greifen. Beide Lösungen werden durch Anschlüsse mit den Komponenten dicht und sicher verbunden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Anschlüsse genau der Größe des verwendeten Schlauches bzw. Rohrs entsprechen. Diese Anschlüsse werden einfach in die entsprechenden Ports der Kühlkomponenten eingeschraubt und sind mit entsprechenden Dichtungsringen versehen. Industrieweit hat sich mittlerweile sowohl für die Ports als auch die Anschlüsse der Standard G1/4‘‘ durchgesetzt, so dass alle Anschlüsse von allen Herstellern in alle Komponenten eingeschraubt werden können.
Bei Schläuchen wird der Innen- sowie Außendurchmesser angegeben. 13/10er Schlauch hat also einen Außendurchmesser von 13mm bei einem Innendurchmesser von 10mm. Die zweite heutzutage gängige Größe ist 16/10. Durch die dickere Wand ist dieser Schlauch etwas steifer. Dadurch ist er einerseits etwas schwieriger zu verlegen, andererseits erlaubt es das stabilere Material, engere Radien als mit 13/10 zu verlegen, ohne dass der Schlauch knickt (und damit den Kreislauf versperrt). Schläuche gibt es in vielen verschiedenen Varianten: transparent, in diversen Farben, UV-aktiv, schwarz opak.
Rohre (Hardtubes) und ihre Anschlüsse werden nur nach dem Rohraussendurchmesser benannt. Die gängigsten Größen sind 12mm und 16mm. Während man bei flexiblen Schläuchen durchaus Anschlüsse mit metrischen Angaben und Schläuche mit zölligen Angaben mischen kann (ein ID 3/8‘‘ OD ½‘‘ Anschluss wird auch mit einem 13/10 Schlauch dichten und umgekehrt), so sollte man dies bei Hardtubes vermeiden. Die Toleranzen sind deutlich geringer, wer metrische Rohre nutzt, sollte auch metrische Hardtube-Anschlüsse nehmen und umgekehrt.

Die Erfahrung zeigt, dass es sich immer lohnt, einige zusätzliche Anschlüsse zu kaufen: 90° und 45° Winkelstücke können in manchen Situationen das Verschlauchen extrem vereinfachen (oder überhaupt erst möglich machen). Daher ist eine gern genutzte Faustformel, so viele gerade Anschlüsse zu kaufen, wie man für alle Komponenten braucht (zwei pro Komponente), und dann noch zusätzlich ein bis zwei 90° und 45° Winkelstücke.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass man sich das Leben langfristig bedeutend einfacher macht, wenn man bereits bei Planung und Einbau daran denkt, wie man das Wasser wieder aus dem System bekommt: man kann einen ungenutzten Anschluss am Grafikkartenkühler nutzen, oder setzt mittels T-Stück Adapter (vorzugsweise am tiefsten Punkt des Kreislaufs) einen Ablasshahn an, mit dem man für eventuelle spätere Umbauarbeiten das Wasser schnell, einfach und sicher aus dem System bekommt.
 

Sonstiges

Materialkunde

In einer Wasserkühlung kommen sehr viele unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Unsere Kühler sind alle aus hochreinem Elektrolyt Kupfer gefertigt. Manche sind noch zusätzlich mit einer Nickelschicht von einigen Mikrometern Dicke beschichtet. Anschlüsse und Radiatoren Vorkammern sind häufig aus Messing (teilweise auch vernickelt), Abdeckungen und ähnliches sind aus Edelstahl, Deckel sind aus Acryl (PLEXIGLAS® GS) oder einem Industriekunstoff (POM). Bei all diesen Materialien achten wir peinlich genau darauf, dass sie zueinander kompatibel sind, denn es gibt eine große Gefahr für einen Wasserkühlungskreislauf: Korrosion.
Jeder Wasserkühlungskreislauf bildet, chemisch betrachtet, ein galvanisches Element: wenn unterschiedliche Metalle durch ein Elektrolyt miteinander verbunden werden, dann gleichen sich deren elektrische Potentiale aus. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass man genau darauf achten muss, dass man nur Materialien in seinem Kreislauf hat, deren elektrische Potentiale möglichst nah beieinander sind. Dies ist bei allen von Watercool verwendeten Materialien gegeben!
Die größte Gefahr, die in üblichen Kreisläufen vorkommt, geht von Aluminium aus, denn Aluminium hat einen sehr hohen Potentialunterschied, insbesondere zu Kupfer. Wenn also Aluminiumkomponenten in einen Kupferkreislauf eingebracht werden, führt dies dazu, dass das Aluminium korrodiert und Schaden nimmt. Dies kann soweit führen, dass die Aluminiumkomponenten stellenweise komplett zersetzt werden und es zu Lecks kommen kann! 

Wasser und Zusätze

Zur Befüllung des Kreislaufs sollte man nur destilliertes Wasser nehmen. Normales Leitungswasser kann durch Kalk und ähnliche Spurenelemente zu Problemen im Kreislauf führen. Außerdem können mit dem Leitungswasser Schwebteilchen und Mikroorganismen eingeschleppt werden.
Es gibt von vielen Drittanbietern unterschiedlichste Zusätze für Wasserkühlungen: Farbstoffe, Korrosionsschutz und Biozide (Algen-und Mikroorganismenvernichtungsmittel) sind die häufigsten. Grundsätzlich ist auf die jeweilige Packungsbeilage zu achten, Manche Zusätze darf man auf gar keinen Fall miteinander kombinieren, manche können mit bestimmten Schlaucharten zu unerwünschten Effekten (Eintrübung des Schlauchs) führen, manche muss man mit destilliertem Wasser in bestimmten Verhältnissen mischen, manche ausschließlich unverdünnt verwenden.
Wir empfehlen, eine einfache Form von Korrosionsschutz zu verwenden. So kann man sicher sein, seine Heatkiller noch 5 oder 10 Jahre lang einsetzen zu können. Wir raten hingegen von zusätzlichen Bioziden ab: Kupfer, das in vielen Komponenten verwendet wird, wirkt bereits von selbst biozid. Die meisten Korrosionsschutzmittel wirken nebenbei biozid. In Kreisläufen ohne direkte Sonneneinstrahlung und Nahrungsgrundlage kann es gar nicht erst zu Wachstum kommen. Und viertens schädigen einige beliebte Algenschutzmittel, die auf Silberionenbasis arbeiten, nickelbeschichtete Kühlkörper.  
Wer einen farbigen Kreislauf möchte, kann entweder transparente Schläuche nutzen und sein Wasser einfärben (wie erwähnt, auf die Kompatibilitäten der sonstigen Zusätze achten), oder direkt farbige Schläuche verwenden.
 

Installationsanordnung und Reihenfolge

Zur Reihenfolge der Komponenten innerhalb des Kreislaufs gibt es nur eine grundlegende Regel zu beachten: die Pumpe muss im Kreislauf nach dem Ausgleichsbehälter und physikalisch unter ihm angeordnet werden. Alle derzeit verwendeten Pumpen sind reine Druckförderpumpen, sie können Wasser nicht ansaugen. Bei der ersten Befüllung muss das Wasser also alleine durch die Schwerkraft vom Ausgleichsbehälter bis zur Pumpe fließen, erst ab dort wird es dann durch die Kraft der Pumpe durch den Rest des Kreislaufs gefördert.
Die Anordnuung aller anderer Komponenten ist frei und kann so gewählt werden, dass die Schlauchwege möglichst kurz und elegant sind. Es ist auch nicht notwendig, zwischen zwei heizenden Komponenten erst einen Radiator einzubinden. Da der Kreislauf geschlossen ist und das Wasser sehr schnell durch alle Komponenten bewegt wird, ist der Temperaturunterschied innerhalb des Kreislaufes im einstelligen Bereich. Man kann also völlig ohne Bedenken beispielsweise von Grafikkarte direkt in CPU verschlauchen, ohne dass man die CPU-Temperatur dadurch nennenswert beeinflußt.

 

Bei Rückfragen oder für eine individuelle Beratung könnt ihr euch gerne in unserem Forum melden. Für Anmerkungen, Kritik oder Vorschläge bin ich in diesem Thread dankbar. Für den direkten Kontakt bin ich unter Jakob@watercool.de erreichbar.

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