Wie funktioniert ein CPU-Flüssigkeitskühler? Ein Leitfaden für Anfänger

Um zu verstehen, wie die Flüssigkeitskühlung in einer CPU funktioniert, vergleichen Sie die Kühlung eines Automotors. Flüssigkeiten haben eine höhere spezifische Wärmekapazität, was bedeutet, dass sie Wärme besser abführen können als Luft. Im Auto wird Wasser verwendet, um die Wärme vom Motor aufzunehmen und über einen Kühler an die Luft abzugeben. CPU-Flüssigkeitskühler funktionieren auf die gleiche Weise.

Jede CPU erzeugt als elektronisches Bauteil Wärme. Diese wird von einem Wasserblock aufgenommen, in dem flüssiges Kühlmittel zirkuliert. Diese Flüssigkeit wird vom Wasserblock zum Kühler gepumpt, ähnlich wie im Auto. Der Kühler entzieht der darin fließenden Flüssigkeit Wärme und leitet sie an die Lamellen des Kühlers weiter. Ein Lüfter strömt dann kühle Luft über die Lamellen. Dieser Aufbau, wie im Bild dargestellt, ist besonders bemerkenswert, da die Flüssigkeitskühlung die Wärmeabfuhr moderner CPUs mit hoher TDP, die übertaktet sind und viel Wärme erzeugen, effizienter gemacht hat.

CPU-Wärme verstehen : Warum Kühlung wichtig ist

Elektrizität ist der Fluss von Elektronen durch einen Leiter. Wenn Elektrizität durch einen Leiter fließt, erzeugt sie aufgrund des Widerstands gegen den Elektronenfluss Wärme. Auch wenn Elektrizität durch die CPU fließt, entsteht Wärme.

Ein Mikroprozessor (CPU) besteht aus Milliarden von Transistoren. Bei jeder CPU werden diese Transistoren in der Rechenlogik eingesetzt. Diese Transistoren laden und entladen sich und erzeugen einen elektrischen Widerstand, der den Elektronenfluss beeinflusst und Wärme erzeugt. CPU-intensivere Vorgänge wie Gaming oder Video-Rendering erzeugen mehr Wärme und erfordern ein Kühlsystem für diese anspruchsvollen Aufgaben.

In solchen Fällen ist ein geschlossenes CPU-Flüssigkeitssystem vorzuziehen, um die Temperatur in Grenzen zu halten. Andernfalls beginnt die CPU mit thermischer Drosselung, was ihre Leistung beeinträchtigt. In einigen Fällen kann eine sehr schlechte Kühlung sogar die CPU oder andere interne Komponenten wie RAM und GPU beschädigen.

Schlüsselkomponenten eines Flüssigkeitskühlsystems

Zu den Grundbestandteilen flüssiger Komponenten zählen

• Wasserblock
• Die Pumpe
• Der Heizkörper
• Schläuche, Behälter und Kühlmittel

Der Wasserblock

Er ist das Herzstück des Flüssigkeitskühlsystems und leitet die Wärme von der CPU ab. Hochwertige Wasserblöcke bestehen aus sauerstofffreiem Kupfer mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Bei Wasserblöcken mit Aluminiumteilen werden diese vernickelt (meistens ist die Basis des Wasserblocks vernickelt, um Oxidation zu vermeiden).

Diese Blöcke verfügen in ihrer Basis über 0,5 bis 1 mm große Mikrokanäle, die den Flüssigkeitsfluss ermöglichen und die von der CPU erzeugte Wärme absorbieren. Um den Luftspalt zwischen Block und CPU zu minimieren, wird eine Wärmeleitpaste mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 8–12 W/mK verwendet. Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, wird der Spalt zwischen Wasserblock und CPU auf 0,1 mm minimiert, was durch einen robusten Montagemechanismus für den Wasserblock ermöglicht wird. Die thermische Effizienz des Kühlsystems hängt maßgeblich vom Durchfluss und der Konstruktion der Lamellen ab. Wenn Flüssigkeit in den Block eindringt, beginnt eine konvektive Kühlung mit einem Wärmeübergangskoeffizienten von 500–5000 W/m².

Die Pumpe

Die Pumpe im Kühlsystem lässt das Kühlmittel durch den Wasserblock und den Radiator fließen und erzeugt dabei den nötigen Druck, um den Widerstand der Schläuche zu überwinden. Ohne einen ausreichenden Durchfluss würde selbst das effizienteste System nicht richtig funktionieren. In den meisten Kühlsystemen arbeiten diese Pumpen mit 12 Volt bei 2000–4000 U/min und liefern einen ausreichenden Durchfluss von 0,5–1 l/min und eine ausreichende Förderhöhe für die Kühlung. In modernen Kühlsystemen für CPUs werden diese Pumpen präzise gefertigt, um geräusch- und vibrationsarm zu sein. Keramiklager sorgen für einen reibungslosen Betrieb. Diese Pumpen können ihre Geschwindigkeit je nach Wärmebelastung anpassen.

Der Heizkörper

Die von der Flüssigkeit der CPU aufgenommene Wärme wird mithilfe eines sogenannten Radiators und eines daran montierten Lüfters an die Umgebung abgegeben. Radiatoren bestehen aus einem Aluminiumkern mit Kupferlamellen und Kühlmittelkanälen. Die Lamellen sorgen für eine bessere Wärmeleitung mit einem Wirkungsgrad von 0,8–0,9. Der Lamellenabstand ist ein sehr wichtiger Faktor. Eine hohe Lamellendichte (FPI, Fins per Inch) vergrößert die effektive Fläche. Aufgrund des erhöhten Luftwiderstands ist jedoch ein höherer Luftstrom erforderlich.

Ein niedrigerer FPI verringert den Luftwiderstand, verringert aber auch die effektive Oberfläche. Die Flüssigkeit aus der CPU hat typischerweise eine um 10–20 °C höhere Temperatur als die Umgebungsluft. Sie gelangt in den Kühler und überträgt dort die Wärme an die Lamellen. Ein Lüfter (1000–2000 U/min) sorgt dann für einen Luftstrom, der die Wärme von den Lamellen abführt.

Schläuche, Behälter und Kühlmittel

Schläuche in Flüssigkeitssystemen ermöglichen den Flüssigkeitstransport von einer Komponente zur anderen. Sie bestehen aus PVC mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einem Außendurchmesser von 13 mm. Sie sind zusätzlich mit einer geflochtenen Stütze ausgestattet, um Verformungen und Platzen unter extremen Betriebsbedingungen zu vermeiden. Schläuche dürfen keine scharfen Biegungen aufweisen, da dies den Strömungswiderstand erhöht und die Gesamtleistung beeinträchtigt.

Ein Ausgleichsbehälter dient zur Regulierung des Luft- und Flüssigkeitsvolumens. Er besteht aus PVC und dient zum Befüllen mit Flüssigkeit und zum Ablassen von Luftblasen . In manchen Fällen ist der Ausgleichsbehälter integraler Bestandteil der Pumpe, insbesondere bei einem AIO-System (All-in-One). Die Flüssigkeit im Behälter besteht meist aus destilliertem Wasser und 30 % Glykol. Zusätzlich werden Biozide hinzugefügt, um Bakterienwachstum zu verhindern, und Glykol senkt den Gefrierpunkt auf bis zu -10 °C. Das Kühlmittel nimmt die Wärme von der CPU auf und gibt sie an den Kühler ab.

Der Kühlzyklus

Wärmeerzeugung

Während des Betriebs, insbesondere bei anspruchsvollen Aufgaben wie Spielen, Video-Rendering oder anderen grafischen oder rechenintensiven Aufgaben, erzeugt die CPU Wärme von über 300 Watt. Diese Wärmeentwicklung beginnt am integrierten Transistor der CPU und gelangt schließlich zum integrierten Kühlkörper. Dort ist ein Wasserblock installiert, der die Wärme mithilfe einer darin fließenden Flüssigkeit von der CPU ableitet. Ein Wärmeleitungsprozess führt diese Wärme ab, da der Wasserblock eine höhere Temperatur als die Flüssigkeit hat.

Absorption

Die Flüssigkeit im Wasserblock absorbiert die von der CPU erzeugte Wärme, während sie durch die Kanäle im Wasserblock fließt. Beim Durchströmen des Blocks sorgt die Flüssigkeit für Turbulenzen und Wärmeleitung, um eine maximale Effizienz hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Wenn die Flüssigkeit aus dem Wasserblock fließt, ist ihre Temperatur gestiegen.

Verkehr

Im Flüssigkeitskühlsystem ist eine Pumpe für die CPU installiert, die die erwärmte Flüssigkeit transportiert und sicherstellt, dass die Temperatur einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Die Pumpe sorgt für einen konstanten Flüssigkeitsfluss vom Wasserblock zum Radiator, wodurch die CPU kühl bleibt und ihre Aufgaben effektiv erfüllen kann. In modernen Systemen werden Pumpen aufgrund ihrer geringen Geräuschentwicklung und ihres geringen Verschleißes der Komponenten dank ihrer hohen Durchflussrate ausgewählt.

Dissipation

Die erhitzte Flüssigkeit gelangt schließlich in den Kühler, wo sie durch die Luft eines im Kühler eingebauten Lüfters gekühlt wird. Kühler bestehen aus Aluminium mit Kupferlamellen. Diese Lamellen vergrößern die Oberfläche, wenn der Lüfter Luft bläst, und kühlen sie dabei ab. Wenn diese Lamellen gekühlt werden, wird auch das Kühlmittel gekühlt, das durch die Rohre fließt.

Zurückkehren

Die Flüssigkeit fließt anschließend nach der Kühlung durch den Radiator in den Wasserblock zurück. Ein weiteres Bauteil, der sogenannte Ausgleichsbehälter, ist im Flüssigkeitskühlsystem verbaut. Er ermöglicht den Rücklauf von Wasser bei Überschuss und hilft dem System, sich bei sinkendem Flüssigkeitsstand wieder aufzufüllen.

Technische Innovationen, die die Flüssigkeitskühlung faszinierend machen

Mit dem technologischen Fortschritt verfügen wir über Hochgeschwindigkeits-CPUs mit 7 nm, die mehr Wärme erzeugen. Um dies zu beheben, verwenden wir ein Flüssigkeitskühlsystem, da Luftkühlung für CPUs mit hoher Wärmeentwicklung nicht ausreicht. Die Technik entwickelt derzeit das Flüssigkeitskühlsystem und seinen Herstellungsprozess weiter.

Heutzutage werden Wasserblöcke mit einem 0,2 mm engen Durchgang für den Flüssigkeitsfluss hergestellt. Dies erzeugt Turbulenzen und erhöht die Wärmeübertragung um bis zu 50 %. Moderne Flüssigkeiten verfügen zudem über einen PID-Regler, der die Temperatur mit einer Genauigkeit von 2 °C vom Sollwert überwacht und regelt, wobei die Lüfter- und Pumpendrehzahl variiert wird. Zudem ermöglicht er eine Echtzeit-Temperaturüberwachung. Zusätzlich werden mit Kupferoxid angereicherte Flüssigkeiten getestet, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Dies zeigt eine um 20 % bessere Leistung.

Aber das ist noch nicht alles! Die Flüssigkeitskühlung entwickelt sich kontinuierlich weiter. Mithilfe von CFD-Simulationen werden Lamellenkonstruktion, Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzen, Kühlung und thermisches Design optimiert. Wenn diese Technologieentwicklung weiter voranschreitet, könnten wir ein Kühlsystem entwickeln, das einen Phasenwechsel der Flüssigkeit an der heißen Schnittstelle zur Kühlung der CPU nutzt, die dann am Kühler kondensiert.

Tipps zur Installation und Wartung

Die Installation der Flüssigkeit erfordert Fachkenntnisse, da sehr empfindliche Komponenten wie Wasser beteiligt sind, das bei austretendem Wasser die CPU beschädigen kann. Reinigen Sie vor Beginn der Installation alle Elemente und tragen Sie Wärmeleitpaste auf die CPU auf. Montieren Sie den Wasserblock und ziehen Sie die Schrauben mit einem gleichmäßigen Drehmoment von 0,6–1 Nm fest. Beachten Sie, dass die Schrauben über Kreuz angezogen werden müssen. Auch die Schläuche, durch die die Flüssigkeit fließt, sind ein wichtiges Bauteil. Achten Sie bei der Installation darauf, dass die Schläuche gemäß der Anleitung verlegt und jeder Schlauch mit einer Schelle befestigt wird. Stellen Sie vor Beginn sicher, dass das System ausreichend befüllt ist und keine Lufteinschlüsse aufweist.

Lassen Sie sich bei der Wartung von einem Experten beraten oder lassen Sie die Arbeiten von einem Experten durchführen. Wir geben Ihnen Tipps zum Einsatz einer UV-reaktiven Düse, die unter UV-Licht leuchtet, um Leckagen zu erkennen. Führen Sie jährlich oder nach Bedarf Spülzyklen durch, um 95 % der Luft zu entfernen und so die Effizienz zu verbessern. Spülen Sie das System außerdem jährlich mit einer Essiglösung. Lassen Sie die Lösung 30 Minuten lang zirkulieren, um Ablagerungen in den Rohren und Komponenten zu lösen, und spülen Sie sie anschließend aus.

Vorteile gegenüber herkömmlicher Luftkühlung

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist deutlich höher als die von Luft, was Flüssigkeitskühlungen natürlich einen Vorteil verschafft. Bei anhaltender Belastung einer CPU hält eine Flüssigkeitskühlung die Temperatur um 40 % niedriger als bei einer luftgekühlten CPU. Flüssigkeitssysteme bieten eine bessere Kühlung und sind leiser, da Pumpen weniger Lärm erzeugen, Wasser als natürlicher Geräuschdämpfer wirkt und die Lüfter in Radiatoren leiser sind. Flüssigkeitskühlungssysteme sind kleiner und lassen sich problemlos in kompakte ITX-Computer integrieren, wodurch der Computer optisch ansprechender wird.

Abschluss

Thermodynamik und Technik haben die Flüssigkeitskühlung revolutioniert und sorgen mit präzise gefertigten Strömungswegen für eine bessere CPU-Leistung. Gleichmäßige Strömungsmuster mit Pumpen und effizienten Radiatoren, die die Umgebung erwärmen, machen sie zu einer zuverlässigen Kühllösung für moderne Hochleistungsrechner. Sie bieten eine bessere Wärmeleitfähigkeit, ein schlankeres Design, eine verbesserte Ästhetik und einen leiseren Betrieb. Damit sind sie der Luftkühlung überlegen und machen das Wärmemanagement zu einer Kunst.

Eine praktische Einführung in CPU-Flüssigkeitskühler finden Sie auf der ESGAMING-Seite zu Flüssigkeitskühlern . Dort finden Sie Kühler in verschiedenen Ausführungen und Kapazitäten aus hochwertigsten Materialien.