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N bisserl Physik zur (Wasser-) Kühlung

jaypeck / 6 Antworten / Baumansicht Nickles

Wasser hat eine Wärmekapazität von 4,18 kJ/(Liter*Grad
Celsius). Toleriert man eine Erwärmung von 18 Grad kaltem
Leitungswasser auf 20 Grad, dann muß man ca. 2,4 cm3
Wasser pro Sekunde über den Chip führen, wenn wir von
einer Verlustleistung von ca. 20 Watt ausgehen.
(Bei mehr Leistung entsprechend skalieren)
Dann muß eine Pumpe 9 Liter pro Stunde fördern, runden wir
das mal auf, dann ist man mit 10 Litern/Stunde mit einer
kleinen Aquariumspumpe gut bedient.
Oder man schließt den Kühlschlauch schlicht an einem
Wasserhahn an und dreht den so weit auf, daß ein 0,5 Liter
Bierglas in 3 Minuten aufgefüllt wird. Mehr hat wenig
Sinn, weil dann das Nadelöhr, durch das die Wärme
"hindurch" muß, der Wärmeübergang, sprich das Chip-Gehäuse
und die Kühlkörperstruktur, ist.
Hier ist auch ein Fehler, den man in vielen Bauanleitungen
finden kann. Auch wenn man 100 Liter/ Minute durchrauschen
läßt, wird der Chip selbst nicht nennenswer kälter,
weil sich eben eine gewisse Temperaturdifferenz zwischen
Chipoberfläche und Wasseroberfläche aufbauen muß (typ.
hat der Chip wohl dann so ca. 30 Grad ?), damit ein
Wärmetransport in Gang kommt. Am besten hat man hierfür
einen Kupferblock, in den mäanderförmig viele enge
Windungen möglichst tief eingefräst werden (Ideal wäre es,
wenn man das Wasser direkt über den Chip leiten könnte ...
aber das geht wohl eher nicht...).
Um "Hot Spots" auf der Chipoberfläche und
Störstellendiffusion zu vermeiden, hilft nur, den Chip
selbst noch kälter zu kriegen. Das schafft man nur, wenn
die Oberfläche aktiv unter Raumtemperatur gekühlt wird bzw.
der Abstand zwischen Kühlmedium und Chip verringert.
Beliebig hochtakten kann man aber auch hier nicht,
weil dann irgendwann kapazitives Übersprechen und
elektrische Durchbrüche dem Chip den Garaus machen.
So, genug geklugscheissert, erstmal.
Beantworte gerne weitere Fragen. (Bin Physiker).
Gruß Jay (jaypeck)

Antwort:
Hi Jay,
ist ja ganz nett der kleine Ausflug in die Füssik. Aber dann bitte auch die komplette Show. Wir haben es bei der Wasserkühlung mit einem Wärmeübergang durch Konvektion zu tun. Ein Wärmeübergang 1 zu 1 wie Du ihn beschrieben hast mit den 10l/h funktioniert nicht. Das System verhält sich schon ein bischen anders.
Das Wasser direkt über die CPU zu leiten ist auch nicht gerade der Renner. Funktioniert zwar, ein guter Kühler bringt aber bessere Ergebnissse. Habe das schon ausprobiert. Conrad-Modulgehäuse 522376 passt genau auf die CPU. Ein bischen Epoxydkleber und fertig ist die Laube.
Man muß schon ein wenig auf die Variablen, die den Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion bestimmen, achten. Den größten Einfluß hat die Strömungsgeschwindigkeit. Diese ist abhängig von Strömungsquerschnitt und Volumenstrom. Da die Kanäle einen bestimmten Mindestquerschnitt haben müssen, sonst wird der Reibungsverlust zu hoch, hilft hier nur mehr Wasser.
Oder im konkreten Fall meines besten Kühlers:
Rth = 0,12 bei 4l/Min
Rth = 0,08 bei 8l/Min
Eine aktive Kühlung durch Peltier-Elemente ist nur dann von Nutzen wenn man in den Tiefkühlbereich will um den Moore-Effekt zu nutzen. Hotspots sind bei Wasserkühlung und ca. 30 Grad CPU-Temperatur kein Thema.
Hans
(Hans)

Antwort:
Sehr gut. Dies ist ein Punkt, den ich möglicherweise nicht vollständig
in Betracht gezogen habe. Meine Kanäle sind sehr eng gefräst und das
Wasser bewegt sich daher recht schnell. Dafür brauche ich dann einen
höheren Druck. Ich lasse da eh mehr Wasser durchlaufen.
Denkbar sind auch andere Kühlflüssigkeiten geringerer
Viskosität, im geschlossenen Kreislauf.
Wie hast Du Dein Rth bestimmt ? Welche CPU kühlst Du und was hast
Du "rausgeholt" ? Wenn man das Wasser direkt über die CPU leitet, was ich
bisher nicht richtig ins Auge gefaßt hatte, sollte dies aber doch am besten
funktionieren ? Man müßte das Wasser wohl nur gut über der CPU verwirbeln.
Mit Peltiers kommt man ohnehin nicht in den Bereich des Moore Effekts, da müßte
man schon noch stärker kühlen. Und ich bin mir nicht sicher, ob das überhaupt
funktioniert, ode

Hans jaypeck

„N bisserl Physik zur (Wasser-) Kühlung“

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Hi Jay,
ist ja ganz nett der kleine Ausflug in die Füssik. Aber dann bitte auch die komplette Show. Wir haben es bei der Wasserkühlung mit einem Wärmeübergang durch Konvektion zu tun. Ein Wärmeübergang 1 zu 1 wie Du ihn beschrieben hast mit den 10l/h funktioniert nicht. Das System verhält sich schon ein bischen anders.
Das Wasser direkt über die CPU zu leiten ist auch nicht gerade der Renner. Funktioniert zwar, ein guter Kühler bringt aber bessere Ergebnissse. Habe das schon ausprobiert. Conrad-Modulgehäuse 522376 passt genau auf die CPU. Ein bischen Epoxydkleber und fertig ist die Laube.
Man muß schon ein wenig auf die Variablen, die den Wärmeübergangskoeffizienten durch Konvektion bestimmen, achten. Den größten Einfluß hat die Strömungsgeschwindigkeit. Diese ist abhängig von Strömungsquerschnitt und Volumenstrom. Da die Kanäle einen bestimmten Mindestquerschnitt haben müssen, sonst wird der Reibungsverlust zu hoch, hilft hier nur mehr Wasser.
Oder im konkreten Fall meines besten Kühlers:
Rth = 0,12 bei 4l/Min
Rth = 0,08 bei 8l/Min
Eine aktive Kühlung durch Peltier-Elemente ist nur dann von Nutzen wenn man in den Tiefkühlbereich will um den Moore-Effekt zu nutzen. Hotspots sind bei Wasserkühlung und ca. 30 Grad CPU-Temperatur kein Thema.
Hans
(Hans)

jaypeck Hans

„N bisserl Physik zur (Wasser-) Kühlung“

Optionen

Sehr gut. Dies ist ein Punkt, den ich möglicherweise nicht vollständig
in Betracht gezogen habe. Meine Kanäle sind sehr eng gefräst und das
Wasser bewegt sich daher recht schnell. Dafür brauche ich dann einen
höheren Druck. Ich lasse da eh mehr Wasser durchlaufen.
Denkbar sind auch andere Kühlflüssigkeiten geringerer
Viskosität, im geschlossenen Kreislauf.
Wie hast Du Dein Rth bestimmt ? Welche CPU kühlst Du und was hast
Du "rausgeholt" ? Wenn man das Wasser direkt über die CPU leitet, was ich
bisher nicht richtig ins Auge gefaßt hatte, sollte dies aber doch am besten
funktionieren ? Man müßte das Wasser wohl nur gut über der CPU verwirbeln.
Mit Peltiers kommt man ohnehin nicht in den Bereich des Moore Effekts, da müßte
man schon noch stärker kühlen. Und ich bin mir nicht sicher, ob das überhaupt
funktioniert, oder ob man da nicht eigens dafür entworfene Schaltelemente
braucht.
Das mit den Hot Spots ist meiner Information nach aber schon ein Thema. Wenn
an einer kleinen Stelle im Chip die Temperatur "blitzartig" steigt, etwa
weil eine Serie gleichartiger Ops ausgeführt wird, so kann diese Wärme nur
dann effizient schnell genug abgeführt werden, wenn das benachbarte
Chipmaterial schon sehr kalt ist.
Momentan wird bei uns ein stärkerer Kühler gebaut, welcher den Chip unter
0 Grad C kühlen soll. Es soll versucht werden, in die 800 MHz Region
vorzustoßen. Mal sehen ob es klappt.
Die Systeme von Kryotech funktionieren doch ähnlich (PII 800),
wobei diese mit einer Kompressorkühlung arbeiten.
Gruß Jay
(jaypeck)

andy jaypeck

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Ist das alles ein blödsinniges gequatsche. Theorie und Praxis weichen oft voneinander ab. Erstens, alles CPUs haben unterschiedliche Wärmewerte so das man nicht verallgemeinern kann.
Fakt ist, wenn ich meine Pumpe abschalte braucht die CPU unter Vollast 6 minuten um sich von 33 auf 45 Grad zu erwärmen, Im Wasserkühler ist vielleicht ein kleines Schnapsglas voll Wasser. Also braucht der Schlauch nicht so dick zu sein wie hier beschrieben und die ganze Theorie ist nur was für Aktenfreaks und nicht für Bastler.
(Andy)

Hans andy

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Hi Andy,
so so, ein paar Bleche auf einen Kühlkörper kleben, ne Homepage und schon sind wir Experte.
Bring erstmal einen Thermofühler auf der Rückseite der CPU an damit Du wirklich Fakten hast. Nach 45 Sekunden ohne Kühlung und Blick auf das Thermometer wirst Du einen Adrenalinstoss bekommen.
Hans
(Hans)

sTauB andy

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Dass Theorie bei der Physik von der Praxis abweicht ist eigentlich dadurch zu erklären, dass du nicht alles berücksichtigst und es auch gewisse Messfehler gibt.
Ausserdem kommt die Theorie der Phyisk aus der Praxis und nicht umgekehrt, somit ist es nicht allzu dämlich erstmal zu rechnen ob sich die vorgestellte Kühlung rentiert oder nicht.
mfg Michael Bartsch
(sTauB)

WaterAndy jaypeck

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Ich habe auf der Rückseite meiner CPU (Celeron300@450Mhz) eine Temperaturfühler von einem digitalem Thermometer angebracht. Die hier gemessenen Werte unterscheiden sich nur um 2 Grad von dem des Mainboarfühlers. Ich bin zwar kein Experte, aber ich habe meine Erfahrungen gesammelt und zig Messungen durchgeführt.
Alles was ich z.B. auf meiner Homepage beschreibe beruht auf Fakten und nicht auf theoretischem Gelaber. Mag ja sein das bei anderen die Temperatur höher geht, vielleicht bei denen die nen AMD haben oder einen Cyrix, aber ich habe ja auch geschrieben das die Meßwerte von eine Celi 450 2,2V stammen.
Wenn du mir nicht glaubst, kannst du mich gern besuchen kommen und ich führe dir das mal in der Praxis vor :-)
(WaterAndy)