Wasserkühlung – wenn die Luftkühlung nicht mehr reicht

Computer werden immer schneller, leistungsstärker und intelligenter – benötigen auf der Kehrseite jedoch auch einiges an Energie. Ein Großteil der elektrischen Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die von den Hardwarekomponenten abgeführt werden muss, damit diese ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten können. Während die meisten aktuell betriebenen PC-Systeme auf eine Luftkühlung setzen, schwören einige PC-Begeisterte auf Wasserkühlungssysteme. Was eine Wasserkühlung von einem Luftkühler unterscheidet, für wen eine Wasserkühlung geeignet ist und was man dabei beachten sollte, erklären wir in diesem Blogbeitrag.

Luftkühlung vs. Wasserkühlung – Was ist der Unterschied?

An dieser Stelle beschreiben wir die Funktionsweisen von Luft- und Wasserkühlung am Beispiel der Prozessorkühlung. Prinzipiell können Aufbau und Funktionsweise der Kühlerlösungen allerdings auch auf Grafikkarten übertragen werden.

Funktionsweise eines Luftkühlers

Ein handelsüblicher Luftkühler für Prozessoren besteht aus drei Hauptkomponenten: einer Kontaktplatte, einem Kühlkörper und mindestens einem Lüfter. Die meist aus vernickeltem Kupfer bestehende Kontaktplatte des Kühlers wird direkt auf dem Heatspreader der CPU montiert und handfest mit dem Mainboard verschraubt bzw. auf das Mainboard geklipst, um einen möglichst hohen Anpressdruck und damit eine gute Wärmeübertragung zu erreichen. Um leichte Unebenheiten in den Oberflächen von Heatspreader der CPU und Kontaktplatte des Luftkühlers auszugleichen, wird dazwischen in der Regel eine hauchdünne Schicht Wärmeleitpaste aufgetragen.

Die Kontaktplatte moderner Luftkühler ist mit mehreren Wärmerohren (engl. „heat pipes“) durchzogen, die die Wärmeenergie in den Kühlkörper befördern. Die Wärmerohre beinhalten ein flüssiges und gasförmiges Transportmedium, das die Wärmeenergie mithilfe von mit Phasenübergängen verbundener Konvektion in den Kühlkörper transportiert. Der Kühlkörper selbst ist meist aus Aluminium gefertigt und weist eine große Anzahl an Kühlrippen bzw. Kühlfinnen auf, um eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft zu bieten. Um die Wärmeabfuhr noch weiter zu verbessern, ist an gängigen Luftkühlern ein Lüfter montiert, der frische und kühle Luft durch den Kühlkörper führt. Meistens ist der Lüfter an der (gemessen an der Luftströmungsrichtung) vorderen Seite des Kühlkörpers montiert und drückt somit die Luft durch den Kühlkörper („Push“-Betrieb). Bei besonders leistungsfähigen Luftkühlern wird manchmal noch ein zusätzlicher Lüfter an der Rückseite angebracht, der die Luft durch den Kühlkörper hindurchzieht („Pull“-Betrieb). Es gibt auch Luftkühler ohne direkt am Kühlkörper montierte Lüfter (sogenannte „Passivkühler“), die allerdings einen gewissen Luftstrom durch Gehäuselüfter voraussetzen, um die Wärmeenergie aus dem PC-Gehäuse zu befördern.

Funktionsweise einer Wasserkühlung

Zunächst einmal sollte festgehalten werden, dass der Name „Wasserkühlung“ physikalisch betrachtet eigentlich etwas irreführend ist, denn im Endeffekt wird wie bei der Luftkühlung der Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgegeben. Allerdings wird bei einer Wasserkühlung die Wärme nicht mithilfe von Wärmerohren, sondern durch Wasser bzw. einem flüssigen Kühlflüssigkeitsgemisch von der Wärmequelle abgeleitet. Analog zum Luftkühler wird auf der CPU ein Kontaktkörper aufgebracht, die von Kühlflüssigkeit durchströmt wird und die Wärmeenergie auf das flüssige Transportmedium überträgt. Das Wasser wird daraufhin durch Schläuche oder Rohre zu einem Radiator transportiert, der wie der Kühlkörper beim Luftkühler dafür zuständig ist, die Wärmeenergie mithilfe einer großen Anzahl an Kühlfinnen an die Umgebungsluft abzugeben. Prinzipiell gilt: Je größer die Kühlfläche und je dicker der Radiator, desto größer ist auch die Kühlleistung. Am Radiator werden je nach Größe ein oder mehrere Lüfter montiert, die die Luftzirkulation und damit auch die Wärmeabfuhr verbessern. Üblicherweise werden die Lüfter im Push-Betrieb betrieben, bei besonders dicken Radiatoren wird dagegen gern auf einen Push-Pull-Betrieb gesetzt, da lediglich auf einer Seite montierte Lüfter nicht ausreichend statischen Druck entwickeln, um die Luft durch die dichten Kühlfinnen des dicken Radiators zu drücken. Hat das Wasser den Radiator durchströmt und dabei seine Wärmeenergie abgegeben, gelangt es wieder zurück zum Kontaktkörper, sodass der Kreislauf geschlossen ist. Damit das Wasser stets im Kreislauf zirkuliert, wird eine elektrische Pumpe in den Kreislauf eingebunden. Darüber hinaus befindet sich üblicherweise ein Ausgleichsbehälter im Kühlkreislauf, der verhindert, dass durch Temperatur- und damit auch Volumenschwankungen des Wassers Undichtigkeiten entstehen. Als Nebeneffekt erleichtert der Ausgleichsbehälter auch das Befüllen des Wasserkühlungssystems.

Wann macht eine Wasserkühlung Sinn?

Im Vergleich zu einem Luftkühler ist eine Wasserkühlung deutlich komplexer aufgebaut, sodass es hauptsächlich von der verbauten Hardware und den eigenen Anforderungen an das PC-System abhängt, ob eine Wasserkühlung tatsächlich Sinn macht.

Größeres Leistungspotenzial

Der größte Vorteil einer Wasserkühlung ist das im Vergleich zum Luftkühler größere Kühlleistungspotenzial. Während ein Luftkühler üblicherweise auf den fest installierten Kühlkörper beschränkt ist, kann eine Wasserkühlung mehrere Radiatoren umfassen. Einige PC-Gehäuse erlauben eine Radiatormontage in Front und Heck sowie im Boden und im Deckel, sodass ausreichend Platz zur Verfügung steht. Mehr Radiatoren bedeutet mehr Oberfläche zur Wärmeabfuhr und damit bessere Kühlleistung. Somit können besonders leistungsfähige Prozessoren und Grafikkarten mit einer hohen Abwärme trotzdem ihre volle Leistung entfalten, ohne Gefahr zu laufen, aufgrund von zu hohen Temperaturen heruntertakten zu müssen.

Leiserer Betrieb

Einher mit dem größeren Leistungspotenzial geht eine deutlich geringere Geräuschentwicklung, vor allem bei leistungsstarken Grafikkarten und Prozessoren. Unter Last müssen Luftkühler die kleinere Oberfläche des Kühlkörpers durch einen größeren Luftdurchsatz in Relation zur Oberfläche kompensieren. Hierfür ist eine hohe Lüfterdrehzahl erforderlich, die sich jenseits der 1.000 Umdrehungen pro Minute akustisch deutlich bemerkbar macht. Bei Wasserkühlungssystemen können die Lüfter aufgrund der größeren Oberfläche mit geringerer Drehzahl betrieben werden, um die gleiche Menge an Luft durch die Radiatoren zu befördern. Allerdings sollte hierbei auch erwähnt werden, dass im Ruhezustand (beispielsweise im normalen Desktop- bzw. Officebetrieb) ein luftgekühltes System leiser sein kann als ein wassergekühltes PC-Setup. Dies liegt vor allem daran, dass im Officebetrieb kaum Wärmeverlustleistung anfällt und auch ein Luftkühler mit geringer Drehzahl die Abwärme problemlos abführen kann. Bei einer Wasserkühlung muss die Wasserpumpe allerdings auch bei geringer Last einen gewissen Durchfluss erzielen, sodass durch die laufende Wasserpumpe ebenfalls Geräusche entstehen können.

Lösung für besonders kompakte PC-Systeme

Ein weiterer Anwendungsfall für Wasserkühlungen kommt bei der Nutzung besonders kompakter PC-Gehäuse zustande. In solchen Gehäusen ist der Platz für die Hardware oftmals sehr begrenzt, sodass man auch bei der Kühllösung die Platzverhältnisse sehr genau im Auge behalten muss. Vor allem in Gehäusen mit Zweikammerdesign liegt die maximal erlaubte Kühlerhöhe nicht selten unter 100 Millimetern, während leistungsstarke Luftkühler meistens über 160 mm hoch sind. In diesem Fall bietet sich eine Wasserkühlung mit flachem Kontaktflächenkörper und Radiatoren im Boden oder im Deckel an. Alternativ kann man auch über eine Wasserkühlung mit externem Radiator nachdenken.

Optischer Leckerbissen

Nicht zuletzt ist eine Wasserkühlung auch etwas fürs Auge. Vor allem in Gehäusen mit Seitenfenster und Beleuchtung kommt eine sauber und ordentlich verbaute Wasserkühlung sehr gut zur Geltung. Ob Schläuche oder Hard-Tubing mit Acryl- oder Glasrohren, großer oder kleiner Ausgleichsbehälter, farbige Fittings zur Montage der Schläuche oder Tubes – der optischen Gestaltung sind keine Grenzen gesetzt, solange ausreichend Platz im Gehäuse und Geld im Portemonnaie vorhanden sind.

Verschiedene Wasserkühlungskonzepte

All-in-One-Wasserkühlung

Der einfachste Einstieg in die Welt der Wasserkühlungen ist ein in sich geschlossenes, vorkonfiguriertes System, bestehend aus einem Radiator mit einem oder mehreren Lüftern, einer Pumpen-Kontaktkörper-Ausgleichsbehälter-Kombination, entsprechenden elektrischen Anschlüssen und flexibler Verschlauchung. Solche Systeme werden All-in-One-Wasserkühlung genannt und sind bereits vom Hersteller mit Kühlflüssigkeit befüllt, sodass sie direkt aus der Verpackung in den PC eingebaut werden kann. Die meisten dieser All-in-One-Wasserkühlungen sind für Prozessorkühlung ausgelegt, es gibt jedoch auch Systeme zur Umrüstung luftgekühlter Grafikkarten. Zwar muss man sich über Leckagen keine Sorgen machen, allerdings diffundiert über die Zeit hinweg trotzdem ein wenig Kühlflüssigkeit durch die Schläuche hindurch, weshalb einige Hersteller das Nachfüllen von Kühlflüssigkeit ermöglichen.

Custom-Wasserkühlung

Reicht eine All-in-One-Lösung nicht aus (sei es aus optischen oder leistungstechnischen Gründen), so ist eine individuelle Wasserkühlung (auch oftmals als „Custom“-Wasserkühlung bezeichnet) der richtige Ansatz. Bei einer Custom-Wasserkühlung werden die einzelnen Komponenten separat gekauft und individuell für das System zusammengebaut. Gängige Wasserkühlungssysteme bestehen mindestens aus einem Radiator mit einer entsprechenden Anzahl an Lüftern, Wasserpumpe, Ausgleichsbehälter, Kontaktplatte, Fittings, Kühlflüssigkeit und Schläuchen bzw. Rohren. Darüber hinaus können verschiedene Sensoren wie Temperatursensoren und Durchflusssensoren und Controller zur Regelung der Wasserpumpe und der Lüfter verbaut werden.

Tipps und Tricks: Darauf sollte man achten

Kupfer und Aluminium nicht mischen

Bei der Wahl der Komponenten, hauptsächlich der Radiatoren und der Kontaktkörper, sollte man darauf achten, Aluminium- und Kupfer-Komponenten nicht zu mischen. Während die Kontaktkörper meistens aus Kupfer gefertigt sind, bestehen vor allem günstige Radiatoren oftmals aus Aluminium. Aufgrund chemischer Prozesse zwischen den beiden unterschiedlich edlen Metallen kann es zu Ablösungen von Aluminiumpartikeln kommen, die sich innerhalb des Kreislaufs festsetzen und ihn somit verstopfen können.

Radiatorfläche richtig auslegen

Generell gilt bei Radiatorfläche: Je mehr, desto besser. Je größer die Radiatorfläche, desto mehr Oberfläche wird zur Wärmeabfuhr geboten. Die Fläche der Radiatoren wird meistens als eine Summe der darauf zu verbauenden Lüfterdurchmesser angegeben. Die gängigsten Radiatorengrößen sind:

• 120 (1x 120mm Lüfter)
• 140 (1x 140mm Lüfter)
• 240 (2x 120mm Lüfter)
• 280 (2x 140mm Lüfter)
• 360 (3x 120mm Lüfter)
• 420 (3x 140mm Lüfter)
• 480 (4x 120mm Lüfter)
• 560 (4x 140mm Lüfter)

Allerdings hat man selten unbegrenzt Platz im PC-Gehäuse, weshalb man basierend auf der verbauten Hardware zumindest eine grobe Schätzung der benötigten Radiatorfläche vornehmen sollte. Als Faustformel gilt, dass man pro 100 Watt Wärmeverlustleistung mindestens die Radiatorfläche eines 120er Radiators einplanen sollte. Für einen wirklich leisen Betrieb auch unter Last wird die Hälfte der Leistung, also 50 Watt je 120er Radiator angenommen.

Außen- und Innendurchmesser der Schläuche und Rohre beachten

Je nach Geschmack und Anwendungsfall gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Schläuche und Rohre mit unterschiedlichen Innen- und Außendurchmessern. Sehr dünne Schläuche beginnen bereits bei 3mm Innen- und 5mm Außendurchmesser, deutlich geläufiger sind allerdings Schläuche und Rohre mit 10 bis 13mm Innen- und 12 bis 19mm Außendurchmesser. Diese Werte sollte man beim Kauf der Fittings, also der Anschlussstücke zwischen Schlauch und anderen Komponenten, genau beachten, um Leckagen zu vermeiden.

Montage der Pumpe

Sowohl die mechanische Montage als auch die Orientierung innerhalb des PC-Gehäuses sollte gut durchdacht sein. Generell sollte die Pumpe an einem möglichst weit unten gelegenen Punkt innerhalb des Gehäuses montiert werden. Dies hat den Hintergrund, dass Wasser der Schwerkraft folgend von sich aus nach unten fließt und die Pumpe daher nicht trockenlaufen kann, selbst wenn das Wasservolumen innerhalb des Kreislaufs durch Diffusion abnimmt. Eine trockenlaufende Pumpe könnte dagegen zu einem Defekt und somit zum Ausfall des kompletten Wasserkühlsystems führen. Außerdem sollte die Pumpe nicht starr, sondern möglichst gedämpft mit dem Gehäuse verbunden sein, damit sich die Schwingungen der Pumpe nicht auf das Gehäuse übertragen und zu unangenehmen Vibrationen führt.

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