Die CPU-Kühlung

Der aktuelle Zustand (Maßnahme 4b):

Bild 11: fertig montierter ZALMAN CNPS 6500B-Cu

 

Nachdem ich mich nun endlich nach einem Jahr vom Zwang befreit habe, alles unbedingt in einem Mini-Tower unterbringen zu müssen, war nach der Auslagerung des Netzteils mehr als ausreichend Platz für einen in Masse und Fläche vielversprechenden CPU-Kühlkörper, den ZALMAN CNPS 6500B-Cu. (62,95 € + 4,99 € Versand)

Folgende Eckdaten lassen hoffen:

Masse: 900 Gramm (Die Masse ist in etwa proportional zum “Wärmespeichervermögen“, also folglich zur Zeit die es braucht, um die Kühlkörpertemperatur zu ändern.)
Fläche:
0,32 Quadratmeter auf 52 Rippen! (Nur über die Fläche kann Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden).
Material: 730 Gramm Kupfer, als
hervorragender Wärmeleiter bekannt, plus 170 Gramm Aluminium als Einfassung.
Kontaktfläche zur CPU: geschliffen oder mit dem Fräser geschlichtet zur Erzielung einer möglichst
ebenen Fläche

Als Wärmeleitpaste habe ich eine sehr sorgfältig mit einer Kunststoffkarte hauchdünn aufgetragene Schicht “Arctic Silver“ benutzt. Der Film war gerade so dünn, dass eine zusammenhängende Schicht entstand. Hier sind zwar einige Versuche nötig, aber jede Nachlässigkeit oder Bequemlichkeit (z.B. zu dicke Schicht) wird ganz sicher die Freude unnötig trüben. “Arctic Silver“ ist  gnadenlos teuer (9,95 € für eine kleine Spritze, angeblich ausreichend für bis zu 17 Anwendungen), hat aber einen deutlichen Vorsprung in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit gegenüber Standard-Produkten.

Die Luftzufuhr erfolgt über einen 92 mm-Lüfter mit über ein Potentiometer vorwählbarer Festdrehzahl von 1.450 U/min. (Offiziell sind 1.600 U/min. als Minimum angegeben, ich nehme an, dass ich durch Fertigungstoleranzen weiter herunter regeln kann.) Fairerweise muss ich darauf hinweisen, dass durch den Ausbau des Netzteils ein mehr als großzügiger Lufteinlass an der Rückseite des Gehäuses entstanden ist, die Warmluft wird wegen des fehlenden rechten Seitendeckels sofort aus dem Gehäuse geblasen. Der Lüfter ist dabei nicht am Kühlkörper befestigt, sondern über einen beiliegenden Blechausleger (recht variabel) über dem Kühlkörper zu positionieren.

Um es nicht zu spannend zu machen: Dieser Kühlkörper ist ganz nach meinem Geschmack, im Normalbetrieb braucht es nach dem Einschalten ganze 30 Minuten, um die CPU-Kerntemperatur auf 34°C zu bringen. Mehr als 41°C habe ich nach etwa 2 Wochen Einsatz noch nicht gesehen, hierzu waren aber auch einige 10-Minuten-Sequenzen mit CPU-Volllast nötig. Der Kühlkörper reagiert extrem träge, positiver Nebeneffekt: eine Beschädigung der CPU ist so nahezu ausgeschlossen, eine Warnung kommt auf jeden Fall rechtzeitig über das BIOS. Übrigens: Ein zweistündiger lüfterloser Betrieb führte zu einem stabilen Endwert von 67°C im CPU-Kern. Ein vertretbarer Wert, ich werde aber dennoch auf dieses extreme Mittel verzichten.

Anmerkung: in einer ersten unfreiwilligen Versuchsphase lief der 92 mm-Lüfter bereits über dem originalen Kühlkörper. Unfreiwillig deshalb, da der Kunststoffrahmen zur Kühlkörperbefestigung auf dem Motherboard nicht der Norm entsprach, hier musste ich erst einen FOXCONN-Sockel beschaffen (4,50 € + 5,- € Versand).

Obwohl der originale Aluminiumkühlkörper von COOLERMASTER nur ein Viertel der Masse sowie der Fläche des ZALMAN-Modells aufweist
und obendrein an der Kontaktfläche zur CPU deutliche (langwellige) Unebenheiten aufweist, gab es zu keiner Zeit thermische Probleme. Ich hatte allerdings auch hier den Originalkühlkörper abgenommen und sehr sorgfältig mit einer hauchdünnen gleichmäßigen Schicht Standard-Wärmeleitpaste wieder aufgebracht. Die ursprüngliche Schicht Wärmeleitpaste schien mir im Originalzustand doch sehr dick und ungleichmäßig. Die CPU-Kerntemperatur betrug danach im Leerlauf 39°C, bei hoher Auslastung waren 50°C relativ schnell erreicht. Insgesamt ist das schon recht ordentlich, aber nicht zu vergleichen mit den Werten des ZALMAN-Konzepts

Bewertung der Maßnahme 4b:

++

Kurz gesagt: Das Konzept begeistert in thermischer ebenso wie in akustischer Hinsicht. Weitere prinzipielle Verbesserungen werde ich hier nicht mehr vornehmen.


Wie alles begann (nicht mehr aktuell, nur noch zur Information und zum Verständnis):

Maßnahme 4

Ziel: Niedrighalten der CPU-Lüfterdrehzahl: Planung und Einbau einer Außenluftzuführung zur Verbesserung der Leistung der Prozessorkühlung bei gleichzeitiger mechanischer Entkopplung des Lüfters.

Bewertung der Maßnahme 4:

o

In der ersten Baustufe noch Entwicklung von Störgeräuschen durch das starke Krümmen und somit Verfestigen des oberen Flexrohres. Schwingungen der Luftsäule und des Lüftermotors werden so übertragen. Der Austausch des oberen Bogens gegen ein PVC-Rohr wurde deshalb durchgeführt (Installationsmaterial: 90° Bogen; D=50 mm, Preis: 0,85 €). Unterhalb der Krümmung wurde der dann Lüfter wieder über ein kurzes gerades Stück Flexrohr angeflanscht, um die geplante Entkoppelung letztlich dennoch zu realisieren. Die Lüfterdrehzahl ist erfreulich niedrig und auch nicht mehr wesentlich ansteigend im Leerlaufbetrieb der CPU. Achtung: Die Lüfterdrehzahl kann üblicherweise nur in 255 Schritten gemessen werden, für meinen Fall bedeutet dies eine Anzeige ab 1328 Umdrehungen pro Minute (Die tatsächliche Drehzahl liegt wahrscheinlich beim doppelten Wert, Hintergründe dazu hier ). Unterhalb dieser Drehzahl erfolgt die Anzeige 0, dies führt in der Einschaltphase zu einem Alarm (BIOS und MBM). Nach etwa 3 Minuten läuft der Lüfter nur noch oberhalb der Mindestdrehzahl. (Die Luft unmittelbar über dem CPU-Kühlkörper, über dem der Temperatursensor angebracht ist, ist nun leicht erwärmt.) Ich habe mich entschlossen, beide Drehzahlüberwachungen abzuschalten, im Falle des Lüfterausfalls bin ich somit ausschließlich auf die CPU-Temperaturüberwachung angewiesen.

Ausgangszustand:

Wie auf Bild 01 ersichtlich, ist die Lage des Netzteils nicht ideal für eine wirkungsvolle Luftumwälzung. Es ist lediglich 40 mm vom Kühlkörper entfernt bei fast vollständiger Überdeckung in der Draufsicht. Im Originalzustand bei einer Lüfterhöhe von 15 mm verbleibt also ein Luftspalt von 25 mm auf der Saugseite des Lüfters. Über die Qualität der üblicherweise verwendeten Lüfter bei relativ preiswerten PC-Komplettangeboten soll hier nicht näher eingegangen werden, es finden sich hierzu viele Hinweise im Internet (sprich: www). Zum Einsatz kommt jedenfalls statt der Serienlösung ein temperaturgeregelter kugelgelagerter 60 mm-Lüfter der Firma "smartcooler" (Typ: LFM1560MV, Preis: 22,50 € + 4,- € Versand). Bei einer Lüfterhöhe von jetzt 25 mm verbleiben demnach lediglich 15 mm Luftspalt auf der Saugseite. Bereits nach 20 Minuten Leerlauf des PCs dreht der Lüfter im oberen Drehzahlbereich, kann also sein Potenzial zur Geräuschminderung nicht wirklich entfalten. Das Prinzip der Umwälzung der warmen Luft im Gehäuse stellt ohnehin nur eine aus Kostengründen gewählte Notlösung dar, technisch sinnvoll ist die aktive Zufuhr von stets kühlerer Außenluft auf direktem Wege an die wichtigste Stelle, dem Prozessorkühlkörper. Bisher strömt Außenluft relativ unkontrolliert an mehreren Stellen des Gehäuses nach und zwar nur in dem Maße, wie durch den (bereits im Originalzustand temperaturgeregelten) 80-mm-Netzteillüfter Luft von innen nach außen gefördert wird.

 

Bild 01: Lage der CPU sowie der Festplatte im "Silentdrive"-Gehäuse (schwarz) im unteren 5 1/4"-Schacht

 

 

Bild 02: CAD-Entwurf der Luftführung

 

 

Bild 03: gefertigte Bauteile (Preis des Halbzeugs für den Aluminium-Luftkanal v. Fa. alfer: 19,95 € für 1000 mm Rechteckrohr, Ankauf der nach eigenen Angaben vorgedrehten Flanschteile aus Aluminium (AlCuMgPb): 20,- €, Flexrohr mit Innendurchmesser 50 mm war vorhanden - Schätzpreis 5,- € im Automobilzubehörhandel)

 

 

Bild 04: Herstellen eines kreisförmigen Ausschnitts als Luftdurchtritt sowie erweiterte Aussparung des Netzteilausschnittes.

 

1. Tipp: Ausdrucken eines Aufklebers mit der Ausschnittkontur und den Bohrungspositionen. Somit kann ein erstaunlich gleichmäßiger, also runder Ausschnitt mit einer Feile im letzten Arbeitsgang erzielt werden. Bitte verwenden Sie für die Vorarbeiten und für Durchgangsbohrungen spezielle Blechbohrer bzw. Stufenbohrer oder Schälaufbohrer. Zumindest erstere sind nicht teuer, erparen einem aber das bei dünnen Blechen übliche Verhaken bei Spiralbohrern und hinterlassen überdies saubere Ränder. 2. Tipp: Entfernen Sie vor spanenden Bearbeitungen an Stahlblechen neben dem gesamten Innenleben des Rechners auch den eingebauten Lautsprecher. Unterlassen Sie dies, müssen Sie ihn spätestens zum Entfernen der staubfeinen Feilspäne vom Magneten ohnehin ausbauen. Entfernen Sie auch alle Laufwerke, die Schwingungen denen sie ansonsten beim Sägen oder Feilen ausgesetzt wären, sind ein unnötiges Risiko.

 

 

Bild 05: Vorbereitung der Verlängerung der elektrischen Zuleitung des Temperatursensors am Lüfter. Die SMD-Technik erfordert eine bleistiftspitze Lötspitze.

 

 

Bild 06: Aufbau des Aluminium-Luftkanals auf den Prozessorkühlkörper. Der Temperatursensor für den Lüfter wird in diesem Arbeitsschritt ebenfalls über dem Kühlkörper fixiert, die Anschlussleitung für den Temperatursensor ist zum leichtern Auf- und Abbau mit einer Steckverbindung versehen.

 

Bild 07: Fertiggestellter Einbau der Luftführung. Das PVC-Rohr reicht fast bis an den Flansch des Lüfters, es ist lediglich weit mit dem Flexrohr aus der ersten Baustufe überzogen. Das untere Flexrohr ist mit vielen Kabelbindern ringförmig versteift worden und neigt so kaum noch zu Schwingungen.

Allgemein bleibt festzustellen, dass der Einsatz von längeren Flexrohrabschnitten direkt an Lüftern akustisch kaum beherrschbar ist, die Schwingungen des Motors, die Unwucht der Lüfterschaufeln durch Staub oder Fertigungstoleranzen sowie die Schwingungen der Luftsäule finden hier einen lauten Nährboden.

Ergebnis und Ausblick für diesen Schritt:

Ein wichtiger Schritt zum akustisch unauffälligen PC wurde vollzogen, als Arbeitsgerät kann der Rechner im Gegensatz zum Originalzustand nun ohne Bedenken direkt neben dem Monitor auf dem Schreibtisch stehen. Der Einsatz als Abspielgerät beispielsweise für (leise gespielte) MP3-Dateien im Wohnzimmer ist bei freier Aufstellung allerdings noch nicht zu empfehlen. Hierzu ist es nötig, das Gerät einzuhausen oder in einen speziellen Schrank zu stellen. Die Be- und Entlüftung an der Rückseite des Rechners ist dabei unbedingt sicher zu stellen, die Voraussetzungen dafür sind mit Schritt 4 geschaffen worden.

Es wird nicht empfohlen, einen Rechner mit undefinierter Luftzufuhr zu kapseln!

Der Rechner ist im vorgestellten Zustand voll einsatztauglich. Die CPU-Kerntemperatur steigt auch bei 1-stündiger Vollauslastung nicht über 60°C. Die Abkühlgeschwindigkeit nach Absenken der Auslastung auf "Leerlaufbetrieb" (Internet, MP3 hören, Office, ...) beträgt ca. 5 Minuten um auf den stabilen Wert von 38°C zu gelangen. Für die Zukunft bleibt allerdings zu hoffen, dass Prozessoren (CPU und Grafikkarte) mit erheblich weniger Leistungsaufnahme entwickelt werden, die sogar den Einsatz passiver Kühler wieder zulassen.


 

Der nächste Schritt - Das VERAX-Konzept (Maßnahme 4a):

Nochmaliges Absenken der CPU-Lüfterdrehzahl durch Erweiterung der Außenluftzuführung von Maßnahme 4, hervorgerufen durch Erhöhung des Lüfterdurchmessers von 60 mm auf 80 mm.

Bewertung der Maßnahme 4a:

+

Nach ersten Versuchen zeigte sich, dass der VERAX-Lüfter tatsächlich in der Grund- oder besser gesagt Einschaltdrehzahl von etwa 900 bis 1.300 U/min (abhängig von der Ansauglufttemperatur) kaum wahrnehmbar ist, jedoch der Luftdurchsatz auch sehr dürftig ausfällt. Bei höheren Drehzahlen wird auch dieser Lüfter vernehmlich, vorteilhaft ist jedoch generell das "sanfte" Klangbild.

Bei meinem Versuchsaufbau ergibt sich die Möglichkeit, für jeden Anwendungfall die bestmögliche Kombination von Startdrehzahl und Ansprechen auf CPU-Erwärmung heraus zu finden.

Möglich wird dies durch ein parallel zum Thermofühler angeschlossenes und aus dem Rechnergehäuse herausgeführtes Potentiometer, hierdurch ist die Grunddrehzahl des Lüfters stufenlos einstellbar.

Im praktischen Alltagsbetrieb bedeutet dies: Startdrehzahl bei 1.800 U/min, 2.500 U/min bei vollständig erwärmtem System und ggf. 3.500 U/min bei Volllastbetrieb. Positiv hervor zu heben ist der sehr dynamisch ansprechende Thermofühler, hier kann durch den Abstand zum CPU-Kühlkörper feinfühlig das Ansprechverhalten variiert werden.

Für den Einsatz als MP3-Player kommen andere Parameter zum Einsatz. Diese werden dann über einen Umschalter schnell und einfach realisiert. Hier wird die maximale Drehzahl des Lüfters so weit begrenzt, dass sein Geräusch keine Störquelle darstellt und die Erwärmung der CPU in einem vertretbaren Rahmen bleibt. Möglich ist diese Vorgehensweise dadurch, dass im MP3-Player-Betrieb keine plötzlichen und lang andauernden Volllastserien einsetzen, so dass auf eine entsprechende Reserve durch "Überlüftung" (wie im Alltagsbetrieb) bewusst verzichtet wird.


Daten und Messwerte:

nach 5 Stunden ununterbrochenem MP3-Abspieleinsatz haben sich folgende Werte stabilisiert:
(Temperatur der angesaugten Luft     =    22 °C)

CPU-Kerntemperatur

= 46 °C

Maximale Drehzahl des Lüfters

= 1.500 U/min

Temperatur der ausgeblasenen Luft 

= 29 °C

 


 

 

Fazit: Das Ziel eines leisen MP3-Players ist praktisch realisiert, für den Alltagsbetrieb wird eine gute Kühlung per Umschalter sicher gestellt, hier ist der Rechner nach wie vor etwas lauter.

Bild 08: CAD-Entwurf der 2. Luftführung

 


Bild 09: praktische Ausführung einer Luftumlenkung


 

Bild 10: fertiger Einbau der Luftführung

 

(Weiter mit der Tour: Grafikkarte )

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