Liebe Mitstreiter,
laßt mich vorausschicken, daß ich mich mit Computern seit 1969 ernsthaft befasse und seit 1974 professionell mit dieser Materie umgehe.
Da ich dieses Forum zum ersten Mal besuche, möchte ich Euch als Einstand einen meiner vielen Aufsätze in gekürzter Form zusenden. Er behandelt die Luftkühlung von Prozessoren und schildert Euch hoffentlich die wesentlichen Zusammenhänge, ohne gleich tief in die Differentialgleichungen abzudriften. Diesen artikel zu schreiben veranlaßte mich der Eindruck, daß psychologisch geschulte Geschäftemacher den Usern das Geld aus der Tasche ziehen - für eine "kühle" Illusion.
Mit wenig Begeisterung betrachte ich seit Jahren eine Entwicklung, wie klevere Geschäftsleute den Usern das Geld aus der Tasche ziehen und sich "kühle" Illusionen damit bezahlen lassen. So, wie es bei eienem guten Essen gilt: "Das Auge
ißt mit.", so heißt es bei PC-Kühlelementen: "Das Auge kühlt mit." "Blaue Beleuchtung kühlt besser als rote."
Einer umfangreichen Untersuchung zufolge stellt sich nämlich heraus, daß etwa 95 Prozent der CPU-Kühler mit Luft-Medium einen Wirkungsgrad besitzen, der entweder dem Intel-Standard entspricht oder geringer ist als letzterer. Um die Differenz zwischen fehlender Leistung und der Intel-Referenz auszugleichen, wird in der Regel ein künstlerisches Design erfunden, das zumindest den User glauben läßt, was die Technik nicht halten kann. Der Wirkungsgrad von CPU-Luftkühlern hat dann, wenn er sich vor allem optisch zeigen soll, nur einen esoterischen Charakter.
Reproduzierbare Messungen gibt es nur zufällig. In den "Fachkreisen" und Foren werden fast immer die Temperaturen falsch gemessen. Denn maßgeblich für den Wirkungsgrad eines Luftkühlers ist allein die Differenz zwischen der aktuellen Gehäuse-Innenlufttemperatur und der direkt am Prozessor gemessenen. Meist wird nur die Temperatur in der Nähe der CPU gelistet. Diese allein sagt über die Qualität des Kühlkörpers jedoch nichts aus.
Oft sind die NTC-Widerstände für die Lüfter-Drehzahlregelung an der falschen Stelle montiert, aus kostengründen z.B. zwischen den Kühlrippen. Die Fühler gehören stattdessen in eine Bohrung in der Kühler-Bodenplatte unmittelbar über der CPU, und zwar wärmeleitend vergossen.
Der größte vermittelte Irrtum besteht darin, daß regelmäßig sugeriert wird: "Je größer die Kühlermasse, umso besser die Kühlung." In Wirklichkeit spielt die Masse eines Kühlers keinerlei Rolle. Die folgende Zusammenfassung gibt Aufschluß darüber:
Es wird nur die mit einem Lüfter mechanisch erzwungene Konvektion betrachtet, denn bei freier Konvektion werden die Grenzschichten leicht anders definiert. (Grenzschichten sind die Schichten des Wärmeübergangs von einem Wärmeleiter zum anderen.)
Die entlang des Kühlkörpers streichende Luft verhält sich folgendermaßen:
Direkt am Kühlkörper ist die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Viskosität der Luft theoretisch gleich Null. Sie steigt jedoch mit zunehmender Entfernung vom Kühlkörper bis zu der vom Ventilator erzeugten Geschwindigkeit an.
Der Bereich vom Kühlkörper bis zur maximalen Strömungsgeschwindigkeit wird Strömungs- oder hydrodynamische Grenzschicht genannt (delta s). Je weiter die Luft vom Kühlkörper entfernt ist, desto geringer wird die Luft vom Kühlkörper erwärmt.
Der Bereich, in dem die Lufttemperatur zu fallen beginnt, nennt sich thermische Grenzschicht oder Temperaturgrenzschicht (delta t).
Nur innerhalb der Temperaturgrenzschicht findet effektive Wärmeleitung statt. Für den Wärmeübergangskoeffizienten alpha gilt:
alpha = thermische Leitfähigkeit der Luft / Dicke der thermischen Grenzschicht
Daraus läßt sich der Wärmeübergangswiderstand lambda berechnen, es gilt:
lambda =1 / alpha * a [a = wärmeabgebende effektive Oberfläche des Kühlkörpers]
Wie aus dem mathematischen Zusammenhang ersichtlich hängt der Wärmeübergangswiderstand lambda nicht vom Material des Kühlkörpers ab. Es ist daher für die Effektivität der Wärmeabgabe an die Luft ausschließlich die Größe der Kühlkörperfläche verantwortlich. Das Material des Kühlkörpers spielt erst dann wieder eine Rolle, wenn seine Oberfläche und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft so groß gewählt werden, daß der Kühlkörper aufgrund seiner begrenzten inneren Wärmeleitfähigkeit nicht mehr genügend Wärme nachliefern kann.
TempDifferenz1 = Temperatur Prozessor - Temperatur Kühlkörper
TempDifferenz2 = Temperatur Kühlkörper - Temperatur der Kühlluft
Erwärmung = Aufnahmekoeffizient * TempDifferenz1 - Abgabekoeffizient * TempDifferenz2
Wenn der Kühler erwärmt wird, steigt Tempdifferenz2, womit auch die Wärmeabgabe steigt. Den weitaus größten Einfluß auf das Emissionsverhältnis (bei gleichbleibenden Temperaturen) hat jedoch die Oberflächenbeschaffenheit (oxidiert, eloxiert, beschichtet). Schwarz eloxierte Oberflächen sind geben mehr Wärme an die Luft weiter als blanke Metalle. Jede Beschichtung mit meßbarer Schichtdicke vermindert die Wärmeabgabe erheblich.
Für Kühlkörper werden im wesentlichen Aluminium und Kupfer als Material verwendet. Die materialbedingte
Wärmeleitfähigkeit omega von Aluminium und Kupfer ist nahezu identisch:
Cu, poliert bei 20°C: omega = 0,030
Cu, schwarz oxidiert bei 20°C: omega = 0,78
Al, poliert bei 23°C: omega = 0,052
Al, schwarz eloxiert bei 20°C: omega = 0,2...0,8
Lacke bei 20°C: omega = 0,85...0,95
Die Wärmespeicherfähigkeit der verschiedenen Materialien hängt von deren spezifischen Gewichten ab und kann für das Gesamtkühlergebnis nachteilig sein. Kupfer hat eine wesentlich höhere Speicherfähigkeit als Aluminium. Kühlkörper sollen aber keine Wärme speichern, sondern sie möglichst schnell an die Außenluft abgeben. Dafür sind
Aluminium und Kupfer nach obigen Berechnungen beide bestens geeignet. Der Wärmeübergang von Aluminium auf die Umgebungsluft ist sogar ein wenig besser als bei Kupfer. Kupfer leitet Wärme dagegen etwas besser als Alu, so daß es als Kontaktfläche mit der CPU zum gleichmäßigen Verteilen der Wärme vorzuziehen ist. Die Meßergebnisse in der Praxis sind jedoch kaum mit der Theorie reproduzierbar, weil Aluminium und Kupfer sich in den Grenzschichten nahezu gleich verhalten.
Wichtig und signifikant ist jedoch die richtige Dimensionierung der Kühlkörperfläche, die tatsächlich Wärme an die Luft abgeben kann. Stellt man sich einen senkrechtstehenden, 50 cm langen Kühlkörper mit einem Querschnitt von 5 cm x 5 cm vor, wird dieser im praktischen Einsatz versagen, weil die Wärme von unten nach oben vom Prozessor nachgeführt wird und innerhalb des wärmeleitenden Materials garnicht so schnell weitergeleitet wird, wie sie von der CPU kommt. Es kommt zum Hitzestau und Ausfall der CPU. Würde derselbe Kühlkörper horizontal mittig auf der CPU aufliegen, wäre der Wirkungsgrad etwa doppelt so groß, weil sich die Wärme in zwei Richtungen verteilen kann. Dennoch würde dieser Kühlkörper völlig falsch dimensioniert sein, weil auch bei ihm an beiden Enden kaum noch Wärme ankommen würde. Wie bereits oben erwähnt, muß die Wärme möglichst unmittelbar und komplett in direkter Nähe zur CPU an die Luft abgegeben werden. Dies kann nur dann geschehen, wenn die Verteilung von der kleinen wärmeabgebenden Fläche der CPU auf kürzestem Wege in eine große Fläche transformiert wird, die die Wärme an die Luft weitergeben kann. Ein Jeder kann sich nun vorstellen, welche Wirkungsgrade die riesigen Altäre besitzen, die manche Computerfreaks durch die Sichtfenster in ihren Gehäusen mit
Stolz zur Betrachtung freigeben.
Wird ein Rechner mit einem massiven Kupferkühler ausgestattet, ist die Wärmespeicherfähigkeit wesentlich größer als bei Alu. Das heißt, daß der Prozessor noch recht lange nach dem Abschalten des PC's passiv heiß gehalten wird. Es kann in Grenzfällen sogar zu einem ungesunden Wärmerückstau und Temperaturspitzen kommen, wenn der Kühlkörper heiß ist und nach dem Abschalten des Rechners noch Restwärme von der CPU abgegeben wird, die aber nicht so schnell vom Kühlkörper abgebaut werden kann. So entstehen ggf. Temperaturen in der abgeschalteten CPU, die höher sind als im Betrieb.
Da moderne Prozessoren nur eine minimale Kontaktfläche mit dem Kühlkörper besitzen, kommt es immer darauf an, die Wärme so schnell wie möglich abzuleiten. Dazu sind Gebilde wie 'Heatpipes' aus Vollkupfer nicht geeignet, weil sie die Wärme zunächst zum eigentlichen Kühlelement umleiten müssen und dadurch der Weg und somit die Zeit künstlich verlängert wird.
Die Reaktion des Kühlkörpers auf Temperaturspitzen wird somit wesentlich träger. Solche Kühlelemente entbehren jeder technischen Begründung und haben nur eine designtechnische oder optisch-esoterische Wirkung Die Wärme muß stets im so nahe wie möglich von der CPU abgenommen werden.
Am kritischsten ist die Übergangsschicht zwischen Kühlkörper und Kühler sowie diejenige zwischen Kühleroberfläche und der umgebenden Luft. Keine Wärmeleitpaste ist so gut wie ein direkter Kontakt zwischen zwei ebenen Oberflächen. Leider ist keine Oberfläche eben, um vollflächigen Kontakt zu gewährleisten. Man braucht also Wärmeleitpaste als Füllmaterial, um die Lücken zu schließen. Idealerweise werden damit nur die Lücken gefüllt, nicht die Flächen mit direktem Kontakt.
So kann bei zu dickem Auftragen der Füllung der Wärmeübergangswiderstand Lambda höher sein als ohne Wärmeleitpaste. Die Konsistenz der mitgelieferten Pasten ist meist viel zu hoch, als daß ein ausreichend dünner Film manuell aufgetragen werden könnte. Das ebenflächige Abziehen der mit Wärmeleitpaste bestrichenen Oberflächen mit einer Ziehklinge ist dringend zu empfehlen. Sowohl die Kontaktfläche des Kühlkörpers als auch die des Prozessors müssen auf diese Weise behandelt werden.
Norbert
laßt mich vorausschicken, daß ich mich mit Computern seit 1969 ernsthaft befasse und seit 1974 professionell mit dieser Materie umgehe.
Da ich dieses Forum zum ersten Mal besuche, möchte ich Euch als Einstand einen meiner vielen Aufsätze in gekürzter Form zusenden. Er behandelt die Luftkühlung von Prozessoren und schildert Euch hoffentlich die wesentlichen Zusammenhänge, ohne gleich tief in die Differentialgleichungen abzudriften. Diesen artikel zu schreiben veranlaßte mich der Eindruck, daß psychologisch geschulte Geschäftemacher den Usern das Geld aus der Tasche ziehen - für eine "kühle" Illusion.
Mit wenig Begeisterung betrachte ich seit Jahren eine Entwicklung, wie klevere Geschäftsleute den Usern das Geld aus der Tasche ziehen und sich "kühle" Illusionen damit bezahlen lassen. So, wie es bei eienem guten Essen gilt: "Das Auge
ißt mit.", so heißt es bei PC-Kühlelementen: "Das Auge kühlt mit." "Blaue Beleuchtung kühlt besser als rote."
Einer umfangreichen Untersuchung zufolge stellt sich nämlich heraus, daß etwa 95 Prozent der CPU-Kühler mit Luft-Medium einen Wirkungsgrad besitzen, der entweder dem Intel-Standard entspricht oder geringer ist als letzterer. Um die Differenz zwischen fehlender Leistung und der Intel-Referenz auszugleichen, wird in der Regel ein künstlerisches Design erfunden, das zumindest den User glauben läßt, was die Technik nicht halten kann. Der Wirkungsgrad von CPU-Luftkühlern hat dann, wenn er sich vor allem optisch zeigen soll, nur einen esoterischen Charakter.
Reproduzierbare Messungen gibt es nur zufällig. In den "Fachkreisen" und Foren werden fast immer die Temperaturen falsch gemessen. Denn maßgeblich für den Wirkungsgrad eines Luftkühlers ist allein die Differenz zwischen der aktuellen Gehäuse-Innenlufttemperatur und der direkt am Prozessor gemessenen. Meist wird nur die Temperatur in der Nähe der CPU gelistet. Diese allein sagt über die Qualität des Kühlkörpers jedoch nichts aus.
Oft sind die NTC-Widerstände für die Lüfter-Drehzahlregelung an der falschen Stelle montiert, aus kostengründen z.B. zwischen den Kühlrippen. Die Fühler gehören stattdessen in eine Bohrung in der Kühler-Bodenplatte unmittelbar über der CPU, und zwar wärmeleitend vergossen.
Der größte vermittelte Irrtum besteht darin, daß regelmäßig sugeriert wird: "Je größer die Kühlermasse, umso besser die Kühlung." In Wirklichkeit spielt die Masse eines Kühlers keinerlei Rolle. Die folgende Zusammenfassung gibt Aufschluß darüber:
Es wird nur die mit einem Lüfter mechanisch erzwungene Konvektion betrachtet, denn bei freier Konvektion werden die Grenzschichten leicht anders definiert. (Grenzschichten sind die Schichten des Wärmeübergangs von einem Wärmeleiter zum anderen.)
Die entlang des Kühlkörpers streichende Luft verhält sich folgendermaßen:
Direkt am Kühlkörper ist die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Viskosität der Luft theoretisch gleich Null. Sie steigt jedoch mit zunehmender Entfernung vom Kühlkörper bis zu der vom Ventilator erzeugten Geschwindigkeit an.
Der Bereich vom Kühlkörper bis zur maximalen Strömungsgeschwindigkeit wird Strömungs- oder hydrodynamische Grenzschicht genannt (delta s). Je weiter die Luft vom Kühlkörper entfernt ist, desto geringer wird die Luft vom Kühlkörper erwärmt.
Der Bereich, in dem die Lufttemperatur zu fallen beginnt, nennt sich thermische Grenzschicht oder Temperaturgrenzschicht (delta t).
Nur innerhalb der Temperaturgrenzschicht findet effektive Wärmeleitung statt. Für den Wärmeübergangskoeffizienten alpha gilt:
alpha = thermische Leitfähigkeit der Luft / Dicke der thermischen Grenzschicht
Daraus läßt sich der Wärmeübergangswiderstand lambda berechnen, es gilt:
lambda =1 / alpha * a [a = wärmeabgebende effektive Oberfläche des Kühlkörpers]
Wie aus dem mathematischen Zusammenhang ersichtlich hängt der Wärmeübergangswiderstand lambda nicht vom Material des Kühlkörpers ab. Es ist daher für die Effektivität der Wärmeabgabe an die Luft ausschließlich die Größe der Kühlkörperfläche verantwortlich. Das Material des Kühlkörpers spielt erst dann wieder eine Rolle, wenn seine Oberfläche und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft so groß gewählt werden, daß der Kühlkörper aufgrund seiner begrenzten inneren Wärmeleitfähigkeit nicht mehr genügend Wärme nachliefern kann.
TempDifferenz1 = Temperatur Prozessor - Temperatur Kühlkörper
TempDifferenz2 = Temperatur Kühlkörper - Temperatur der Kühlluft
Erwärmung = Aufnahmekoeffizient * TempDifferenz1 - Abgabekoeffizient * TempDifferenz2
Wenn der Kühler erwärmt wird, steigt Tempdifferenz2, womit auch die Wärmeabgabe steigt. Den weitaus größten Einfluß auf das Emissionsverhältnis (bei gleichbleibenden Temperaturen) hat jedoch die Oberflächenbeschaffenheit (oxidiert, eloxiert, beschichtet). Schwarz eloxierte Oberflächen sind geben mehr Wärme an die Luft weiter als blanke Metalle. Jede Beschichtung mit meßbarer Schichtdicke vermindert die Wärmeabgabe erheblich.
Für Kühlkörper werden im wesentlichen Aluminium und Kupfer als Material verwendet. Die materialbedingte
Wärmeleitfähigkeit omega von Aluminium und Kupfer ist nahezu identisch:
Cu, poliert bei 20°C: omega = 0,030
Cu, schwarz oxidiert bei 20°C: omega = 0,78
Al, poliert bei 23°C: omega = 0,052
Al, schwarz eloxiert bei 20°C: omega = 0,2...0,8
Lacke bei 20°C: omega = 0,85...0,95
Die Wärmespeicherfähigkeit der verschiedenen Materialien hängt von deren spezifischen Gewichten ab und kann für das Gesamtkühlergebnis nachteilig sein. Kupfer hat eine wesentlich höhere Speicherfähigkeit als Aluminium. Kühlkörper sollen aber keine Wärme speichern, sondern sie möglichst schnell an die Außenluft abgeben. Dafür sind
Aluminium und Kupfer nach obigen Berechnungen beide bestens geeignet. Der Wärmeübergang von Aluminium auf die Umgebungsluft ist sogar ein wenig besser als bei Kupfer. Kupfer leitet Wärme dagegen etwas besser als Alu, so daß es als Kontaktfläche mit der CPU zum gleichmäßigen Verteilen der Wärme vorzuziehen ist. Die Meßergebnisse in der Praxis sind jedoch kaum mit der Theorie reproduzierbar, weil Aluminium und Kupfer sich in den Grenzschichten nahezu gleich verhalten.
Wichtig und signifikant ist jedoch die richtige Dimensionierung der Kühlkörperfläche, die tatsächlich Wärme an die Luft abgeben kann. Stellt man sich einen senkrechtstehenden, 50 cm langen Kühlkörper mit einem Querschnitt von 5 cm x 5 cm vor, wird dieser im praktischen Einsatz versagen, weil die Wärme von unten nach oben vom Prozessor nachgeführt wird und innerhalb des wärmeleitenden Materials garnicht so schnell weitergeleitet wird, wie sie von der CPU kommt. Es kommt zum Hitzestau und Ausfall der CPU. Würde derselbe Kühlkörper horizontal mittig auf der CPU aufliegen, wäre der Wirkungsgrad etwa doppelt so groß, weil sich die Wärme in zwei Richtungen verteilen kann. Dennoch würde dieser Kühlkörper völlig falsch dimensioniert sein, weil auch bei ihm an beiden Enden kaum noch Wärme ankommen würde. Wie bereits oben erwähnt, muß die Wärme möglichst unmittelbar und komplett in direkter Nähe zur CPU an die Luft abgegeben werden. Dies kann nur dann geschehen, wenn die Verteilung von der kleinen wärmeabgebenden Fläche der CPU auf kürzestem Wege in eine große Fläche transformiert wird, die die Wärme an die Luft weitergeben kann. Ein Jeder kann sich nun vorstellen, welche Wirkungsgrade die riesigen Altäre besitzen, die manche Computerfreaks durch die Sichtfenster in ihren Gehäusen mit
Stolz zur Betrachtung freigeben.
Wird ein Rechner mit einem massiven Kupferkühler ausgestattet, ist die Wärmespeicherfähigkeit wesentlich größer als bei Alu. Das heißt, daß der Prozessor noch recht lange nach dem Abschalten des PC's passiv heiß gehalten wird. Es kann in Grenzfällen sogar zu einem ungesunden Wärmerückstau und Temperaturspitzen kommen, wenn der Kühlkörper heiß ist und nach dem Abschalten des Rechners noch Restwärme von der CPU abgegeben wird, die aber nicht so schnell vom Kühlkörper abgebaut werden kann. So entstehen ggf. Temperaturen in der abgeschalteten CPU, die höher sind als im Betrieb.
Da moderne Prozessoren nur eine minimale Kontaktfläche mit dem Kühlkörper besitzen, kommt es immer darauf an, die Wärme so schnell wie möglich abzuleiten. Dazu sind Gebilde wie 'Heatpipes' aus Vollkupfer nicht geeignet, weil sie die Wärme zunächst zum eigentlichen Kühlelement umleiten müssen und dadurch der Weg und somit die Zeit künstlich verlängert wird.
Die Reaktion des Kühlkörpers auf Temperaturspitzen wird somit wesentlich träger. Solche Kühlelemente entbehren jeder technischen Begründung und haben nur eine designtechnische oder optisch-esoterische Wirkung Die Wärme muß stets im so nahe wie möglich von der CPU abgenommen werden.
Am kritischsten ist die Übergangsschicht zwischen Kühlkörper und Kühler sowie diejenige zwischen Kühleroberfläche und der umgebenden Luft. Keine Wärmeleitpaste ist so gut wie ein direkter Kontakt zwischen zwei ebenen Oberflächen. Leider ist keine Oberfläche eben, um vollflächigen Kontakt zu gewährleisten. Man braucht also Wärmeleitpaste als Füllmaterial, um die Lücken zu schließen. Idealerweise werden damit nur die Lücken gefüllt, nicht die Flächen mit direktem Kontakt.
So kann bei zu dickem Auftragen der Füllung der Wärmeübergangswiderstand Lambda höher sein als ohne Wärmeleitpaste. Die Konsistenz der mitgelieferten Pasten ist meist viel zu hoch, als daß ein ausreichend dünner Film manuell aufgetragen werden könnte. Das ebenflächige Abziehen der mit Wärmeleitpaste bestrichenen Oberflächen mit einer Ziehklinge ist dringend zu empfehlen. Sowohl die Kontaktfläche des Kühlkörpers als auch die des Prozessors müssen auf diese Weise behandelt werden.
Norbert
