Wissen: Luftkühlung im Detail

Stechpalme

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Im Zuge der kommenden Tests im Bereich CPU Luftkühlung wollen wir hier einen einführenden kleinen Technik-Artikel für unsere Leser erstellen, der die wichtigen Punkte und Unterschiede von Kühlerkonstruktionen erläutern soll. Dazu gehören die wesentlichen Punkte zur Funktionsweise der Kühler, eine Erläuterung der Materialien und natürlich zu unserer kommenden Testmethodik. Wir werden einen Blick darauf werfen was einen guten passiv Kühler ausmacht, welche Konstruktion besser für einen Hochleistungskühler ist und auch abseits des üblichen einen kleinen Blick auf Radiallüfter und Peltier-Elemente werfen. Auch die Funktionsweise von Heatpipes und die Vor- wie auch Nachteile der Direct-Touch-Technik wird Thema dieses Artikels sein.

Um auch Laien einen Einstieg zu ermöglichen, werden wir uns nicht zu sehr in technische Details flüchten und möglichst behutsam an das Thema heran schreiten, schließlich liegt der letzte Kühler-Artikel auf Planet 3DNow! 7 Jahre zurück! Denn am Ende werden wir festhalten, dass ein Kühler weitaus komplexer ist, als ihn auf kleine Details zu begrenzen. Thermodynamik ist ein sehr schwieriges Thema, welches zu vielen Faktoren unterliegt, um simple Schwarz-Weiß-Aussagen treffen zu können. Ich hoffe dass unsere Leser Spaß an diesem Artikel haben und sich, wie ich, auf die kommenden Tests freuen werden.

[BREAK=Materialien]

Bevor wir uns in die Details eines Kühlers stürzen, werden wir uns mit den Materialien beschäftigen. Derzeit sind nur zwei Materialien relevant, Kupfer und Aluminium. Kupfer ist teuer und sehr schwer, bietet aber die bessere Kühlleistung, während Aluminium deutlich leichter, leichter zu verarbeiten und kostengünstiger ist. Daher beschränken sich die Hersteller oft darauf Heatpipes und den Kühlerboden aus Kupfer zu fertigen und belassen den restlichen Kühler bei Aluminium. Einige Kühlerhersteller verzichten hingegen bei manchen ihrer Produkte komplett auf Kupfer. Nur wo liegen jetzt die genauen Unterschiede? Beginnen wir bei den physikalischen Grundwerten beider Materialien.

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Es gibt zwei relevante Eigenschaften, die wir näher betrachten wollen. Einmal die Wärmeleitfähigkeit, welcher der Formel W/(m • K) unterliegt und die spezifische Wärmekapazität, welche mit der Formel J/(kg • K) berechnet wird. Die Wärmeleitfähigkeit erklärt sich wie folgt: Watt geteilt durch Kelvin mal Meter. Vereinfacht ausgedrückt, die abgegebene Wärme in Watt gemessen, welche in der Temperatureinheit Kelvin pro Meter transportiert werden kann. Oder noch simpler, desto höher der Wert, desto besser leitet das Material Wärme von Punkt A zu Punkt B. Dementsprechend wird auch die Hitze von einem anderen Körper schneller abtransportiert. Natürlich ist der Vorgang eigentlich viel komplexer, denn es kommt beim Abtransport der Wärme auch auf das Wärme abgebende Material an, also wie gut dieses Wärme abgeben kann. Nur werden wir das hier nicht weiter vertiefen, da es zu stark in den Themenbereich Thermodynamik und Material-Physik greift, welches wir unseren Lesern nicht zumuten möchten und für das eigentliche Thema "Kühlung von CPUs" auch nicht relevant ist.

Die Wärmekapazität kann man sich grob als ein Glas Wasser vorstellen mit einem Strohhalm darin. Ein weiteres Gefäß schüttet Wasser in das Glas. Hierbei soll das Glas das Material darstellen, das Wasser die aufgenommene Hitze. Der separate Behälter soll die Hitzequelle darstellen und der Strohhalm die Wärmeabgabe. Wird hier das Wasser nicht mindestens so schnell abgeführt wie Wasser hinzukommt, ist das Glas voll. Es kann also kein Wasser mehr aufnehmen. Bei der Wärmekapazität ist es ähnlich. Wird die Hitze nicht schnell abgeleitet, kommt es zu einem Rückstau und das Material kann Wärme nicht mehr abtransportieren; die Temperaturen steigen. Zugegeben, ein Kühlblock kann natürlich nicht überlaufen, allerdings ist eine hohe Wärmekapazität ein Vorteil, da auf geringerem Raum mehr Hitze aufgenommen werden kann, die man am Ende an die Kühllamellen, oder auch Finnen genannt, abgeben kann. Nur müssen diese auch genug Frischluft haben um die Hitze wieder abzuführen. Und wie sehen die Werte nun aus?

Kupfer |
Spezifische Wärmekapazität |385 J/(kg • K)|
Wärmeleitfähigkeit| 401 W/(m • K)||


Aluminium |
Spezifische Wärmekapazität |897 J/(kg • K)|
Wärmeleitfähigkeit| 235 W/(m • K)||

Auf den ersten Blick leitet Kupfer Wärme um fast 59% besser ab als Aluminium während Aluminium eine deutlich höhere Wärmekapazität hat. Nur darf man hier das Gewicht nicht außer Auge lassen. Bei gleichem Körper hat Kupfer ein deutlich höheres Gewicht und bietet demnach eine nahezu identische Wärmekapazität. Allerdings bleibt die Wärmeleitfähigkeit immer die Selbe. Die gute Wärmeleitfähigkeit sorgt auch dafür, dass sich Hitze deutlich besser im Körper verteilt. Daher werden oft und gerne Kupferböden verwendet, doch dazu später genaueres. Insgesamt hat also Kupfer die deutlich besseren Kühleigenschaften, bringt aber immer noch den gravierenden Nachteil, dass es eben teuer und vor allem sehr schwer ist.

Man liest in Foren immer wieder die Behauptung, dass Aluminium besser wieder abkühlt als Kupfer und demnach für passive Kühler Aluminium besser wäre. Begründet wird dies meist mit dem Argument, dass reine Kupferkühler mit schwächer werdendem Luftdurchsatz des Lüfters, also wenn man diesen stark drosselt, prozentual die Temperaturen schneller steigen als bei einem Aluminium-Kühler. Das ist auch soweit richtig, nur wird hier immer übersehen, dass der Kupferkühler trotzdem insgesamt immer kühler bleibt, identische Körper vorausgesetzt. Aber warum steigt denn nun die Wärme prozentual stärker bei Kupferkühlern an? Es ist ganz einfach. Der Kupferkühler gibt die Wärme schneller an die Umgebung ab, was die Umgebungstemperatur des Kühlers erhöht und rückwirkend die Kühlleistung verschlechtert, wenn die warme Luft nicht durch einen Lüfter abtransportiert wird. Der Aluminium-Kühler gibt hier Wärme langsamer wieder ab, heizt die Luft um ihn herum also weniger stark auf und bleibt bei der Kühlung kontinuierlicher. Der Kupferkühler braucht also in der Regel einen stärkeren Lüfter um seine bessere Effizienz wirklich aus zuspielen. Man müsste also die ursprüngliche Aussage umformulieren. Der Kupferkühler kühlt nicht schlechter mit geringerer Lüfterleistung, sondern seine Leistungsfähigkeit steigt progressiver mit stärkeren Lüftern an.

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Das Fazit ist nach diesen Betrachtungen dasselbe wie anfangs: Kupfer ist und bleibt in allen Lagen besser, ist aber nicht immer die sinnvollste Lösung. Wer passive Kühler bevorzugt wird bei gleichem Körperaufbau mit Kupfer kaum besser fahren als mit einem Aluminium-Kühler. Wer allerdings einen absoluten Hochleistungskühler haben möchte, sollte eher zu einem reinen Kupferkühler greifen. Hier kommt aber wiederum der Faktor Gewicht ins Spiel. Dieses ist schlichtweg sehr hoch. Einen Aluminium-Kühler kann man größer gestalten und die Nachteile von Aluminium gegenüber Kupfer wieder aufwiegen. Ein gutes Beispiel stellt hier ein Vergleich zwischen dem Thermalright Ultra-120 Cooper und dem Thermalright IFX-14 dar. Während der Thermalright IFX-14 mit lediglich 790 g hervorragende Kühlleistungen erzielt und völlig aus Aluminium besteht, kommt der reine Kupferkühler Thermalright Ultra-120 Cooper mit stolzen 1900 g daher, bleibt aber in der Kühlleistung hinter dem Thermalright IFX-14 etwas zurück. Das liegt schlichtweg an der deutlich größeren Kühlfläche des IFX.

Das Fazit im Bereich Materialien gewinnt niemand. Beide Materialien haben ihre Vor- und Nachteile. Weshalb wir ja sehr oft hybride Kühler finden in Form von Kupferböden und Kupfer Heatpipes. Damit versucht man die Vorteile von Kupfer mit Aluminium zu verbinden. Der Umstand, dass Kupfer widerstandsfähiger ist gegenüber Deformationen, war zu Zeiten der CPUs ohne Heatspreader ebenfalls ein Argument pro Kupfer, hat aber heute, wo praktisch jede CPU einen großflächigen "Deckel" besitzt, der keine Spuren an der Kühlerunterseite hinterlässt, keine Relevanz mehr.

[BREAK=Kühlerboden und Wärmeleitpaste]

Der Boden jedes Kühlers ist die Kontaktfläche zur CPU und damit zur Hitzequelle. Doch dazwischen sollte sich immer Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads befinden. Letzteres ist nur eine vereinfachte Form von Wärmeleitpaste zur einfacheren Montage. Wärmleitpaste wird meist in Spritzen geliefert, jedoch kann als Beigabe zu CPU-Kühlern die Wärmeleitpaste auch in kleinen Tüten verpackt sein. Wärmeleitpads befinden sich in der Regel direkt am Kühlerboden. Wärmeleitpaste wird benötigt um den Kontakt zwischen CPU und Kühler zu verbessern, denn weder ein Kühlerboden noch der Heatspreader einer CPU sind völlig plan, sondern besitzen immer feine Unregelmäßigkeiten, die einen luftdichten Zusammenschluss verhindern. Dieser ist aber zwingend notwendig damit die Wärme bestmöglich abgeleitet werden kann. Denn Luft ist ein extrem schlechter Wärmeleiter.

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Aber zurück zum Kühlerboden. Kupfer oder Aluminium, plan oder gewölbt oder doch Direct-Touch? Beginnen wir mit der Form des Bodens. Einige Hersteller liefern heute noch Kühler aus, die einen gewölbten anstatt üblicherweise planen Boden aus. Während alle extremen Übertakter auf geschliffene und absolut blanke und plane Böden schwören, sagen einige Hersteller klar, dass man die Böden nicht glätten sollte. Die Gründe für die gewölbten Böden sind nicht direkt bekannt und stützen sich immer noch auf reine Mutmaßungen. Dazu zählt die Tatsache, dass ältere Intel-CPUs oft einen gebogenen Heatspreader hatten und der gewölbte Kühlerboden dem entgegenwirken soll. Nur ob diese Vermutung zutrifft ist und bleibt fraglich. Tatsache ist aber auch, dass die Kühlleistung trotz gewölbter Böden hervorragend sein kann und meist auch ist. Trotzdem, schleift man die gewölbten Böden glatt, steigt die Kühlleistung merklich. Laien sollten hier aber erst an günstigen Kühlern ihre Schleifkenntnisse erlernen bevor sie sich an teure Kühler wagen, denn ganz so einfach wie es nicht selten propagiert wird ist es nicht. Oft wird der Boden schief geschliffen und der Anpressdruck des Kühlers ist nicht mehr optimal.

Kupfer oder Aluminium, diese Frage stellt sich auch hier. Kupferböden bringen einen klaren Vorteil mit sich. Da Kupfer, wie wir wissen, eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt, verteilt sich die Wärme schneller und Effektiver im gesamten Boden wodurch dann der weitere Aluminium-Aufbau die Wärme auf einer größeren Fläche abgreifen und ableiten kann. Man muss sich hier vor Augen halten, dass der eigentliche CPU-Kern knapp Fingernagel groß ist und daher unter dem großen Heatspreader, welcher den CPU-Kern vor dem massiven Druck des Kühlers schützen soll, nur ein kleiner Bereich tatsächlich Hitze entwickelt. Man hat also einen winzigen Hotspot, der seine Wärme an einen riesigen Kühler weiter geben soll. Der Kupferkühler kann die Wärme von diesem Hotspot auf eine größere Fläche schneller verteilen als ein Aluminium Boden. Die Kühlleistung steigt also. Trotzdem verwenden viele Hersteller immer noch reine Aluminium-Böden. Würde man diese Top-Kühler mit Kupferböden ausstatten, wäre die Kühlleistung besser.

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Die neueste Variante von Kühlerböden ist die Direct-Touch-Technik, welche erstmals von Xigmatec in den Mainstream-Bereich eingeführt wurde. Hier werden die Heatpipes direkt auf den Kühler gepresst anstatt, wie sonst üblich, einen separaten Boden zu verwenden, auf dem die Heatpipes aufliegen. Dadurch soll die Hitze direkt in die Kühllamellen geleitet werden ohne dass man eine Zwischenbrücke, einen normalen Boden, benötigt. Die Idee ist gut, nur leidet immer noch die Umsetzung der Technik. Tatsache ist, dass die Direct-Touch-Technik einen Recht unebenen Boden mit sich bringt da mehrere Heatpipes verwendet werden müssen. Zwischen den einzelnen Heatpipes gibt es kleine Spalten, wenn auch bei aktuellen Kühlern mit dieser Technik sehr winzige Spalten, sind sie durchaus vorhanden und mindern die eigentlich sehr hohe Effizienz des direkten Wärmetransportes durch die Heatpipes, welche wir später behandeln werden. Trotzdem, eine recht neue Technik, die sich langfristig sicherlich weiter durchsetzen wird.

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[BREAK=Heatpipes]

Heatpipes sind mittlerweile aus der Kühlerwelt nicht mehr weg zu denken. Sie leiten die Wärme deutlich schneller ab als es andere Materialien tun könnten. Sie sind höchst effizient und können in viele Formen gebracht werden. Die Funktion einer Heatpipe ist jedoch etwas komplexer als dessen unscheinbare Gestalt verrät. Grob betrachtet ist jede einzelne Heatpipe eine in sich geschlossene Miniwasserkühlung. Denn anders als allgemein behauptet befindet sich in einer Heatpipe kein spezielles Gas. Diese sind in der Regel zu 90% mit Wasser gefüllt, während die restlichen 10% aus anderen Flüssigkeiten und speziellen Kühlmitteln bestehen, die von Hersteller zu Hersteller schwanken können. Das Gas entsteht jedoch durch den enormen Unterdruck, der so hoch ist, dass die Flüssigkeit bei Zimmertemperatur den Aggregatzustand verändert. Die Menge der Flüssigkeiten ist jedoch gering, es ist also keine Menge welche die gesamte Heatpipe füllt.

Das Funktionsprinzip ist ähnlich einer Wasserkühlung. Am Boden, wo die Hitze am größten ist, steigt das Gas nach oben, wo es die Wärme an die Kühllamellen abgibt. An der kühlen Seite wirkt durch die innen angebrachten Kapillargefäße der kapillare Effekt, das Gas fließt an den Außenseiten wieder zurück. Es findet also eine Umwälzung statt, die ohne Pumpe auskommt. Um das Beispiel mit der Wasserkühlung wieder aufzugreifen und es bildlich zu erklären: das Wasser ist das Gas, der Radiator stellt die Kühllamellen dar, die Pumpe den Kapillareffekt. Und das alles eben im Miniaturformat auf engstem Raum. Sicher, eine sehr grobe Darstellung, aber für Laien sicherlich verständlicher.

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Oft wird mit möglichst dicken Heatpipes geworben und propagiert, dass diese deutlich effizienter sind. Das stimmt nur bedingt. Je dicker eine Heatpipe ist, desto höher ist deren Leistung. Jedoch verbraucht diese wiederum viel Raum, was die Anzahl der Heatpipes wiederum verringert. Ein Kühler mit 4 dicken Heatpipes kühlt nicht unbedingt besser als ein Kühler mit 6 dünneren Heatpipes. Ist die Anzahl identisch, kommt es wiederum drauf an wie diese angebracht sind. Einige Kühler stapeln ihre Heatpipes übereinander. Hier sollte jedem klar sein, dass die oberen Heatpipes deutlich weniger Wärme abtransportieren können, da weniger Wärme zu ihnen aufsteigt; diese wird ja schließlich schon von den unteren größtenteils abgeführt. Benötigen also 4 dicke Heatpipes den gesamten Boden und es liegen 2 dicke oben auf, ist die Kühlleistung nicht zwingend besser als mit 6 dünneren Heatpipes welche direkt am Boden angebracht sind. Auch kommt es darauf an wo und wie die Heatpipes geführt werden. Oft quetschen Hersteller die Heatpipes blockweise zusammen so dass diese sehr dicht beieinander in die Kühllamellen laufen. Das ist ineffektiv. Die ideale Lösung ist eine Führung, welche alle Heatpipes auf eine möglichst große Fläche verteilen, damit diese ihren eigenen Bereich besitzen, in dem sie die Wärme an die Kühllamellen abführen können.

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[BREAK=Kühllamellen]

Kommen wir zu den Kühllamellen, welche am Ende die Aufgabe haben die aufgenommene Wärme wieder abzuführen. Die Wichtigkeit dürfte jedem klar sein: je größer die Oberfläche der Lamellen, desto größer die Wärmeabgabe und desto kühler die CPU. So zumindest die Grundaussage. Denn jeder, der in Physik ein wenig aufgepasst hat, weiß, dass eine große Fläche Wärme besser abgibt, als ein Körper mit gleicher Masse als kompakter Körper. Gibt es hier große Unterschiede, sind dünnere Lamellen besser als dicke und wie groß sollten die Abstände dieser sein?

Fangen wir mit der Dicke der Lamellen an. Im Grunde sollten diese so dünn wie möglich sein damit man möglichst viele Lamellen auf engen Raum zusammen bekommt, wodurch aber auch ein sehr geringer Lamellenabstand zustande kommt. So erreicht man eine große Kühlfläche die scheinbar dickeren Lamellen überlegen ist. Das stimmt aber so nicht. Man muss hier beachten dass die Lamellen üblicherweise an den Heatpipes anliegen, also auch genug Fläche besitzen müssen, um die Wärme von diesen aufzunehmen. Sind sie zu dünn, ist die Wärmeaufnahme geringer, da die Kontaktfläche geringer ist, die Wärmeabgabe aber größer, da ja insgesamt mehr Fläche zur Verfügung steht. Das wird aber kompensiert durch die Menge der Lamellen. Bei dickeren Lamellen ist es genau umgekehrt. Sie können besser Wärme aufnehmen, geben diese aber schlechter wieder ab. Eine optimale Lamellendicke gibt es aber trotzdem nicht, da es auch auf den kompletten Kühleraufbau ankommt. Allerdings ist hier auch die Anzahl der Heatpipes relevant. Gibt es viele und sind diese gleichmäßig verteilt, kann auch mehr Wärme schneller an die Kühllamellen abgegeben werden, womit man dem Problem feiner Lamellen entgegenwirken kann.

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Die Abstände der Lamellen entscheiden in der Regel, ob ein Kühler gute passive oder eher bessere aktive Kühleigenschaften hat. Leider geht der heutige Trend eher in die Richtung Hochleistungskühler welche möglichst viele Lamellen besitzen und diese dementsprechend nahe beieinander liegen. Dies erfordert aber einen starken Lüfter welcher genügend Luft zwischen die Lamellen durchdrücken kann. Ist dieser zu schwach, fällt die Kühlleistung dramatisch, da die heiße Luft zwischen den Lamellen steht. Allerdings steigt die Kühlleistung solcher Kühler progressiv mit stärkeren Lüftern an. Ein Kühler, welcher große Lamellenabstände besitzt, hat bessere passive Kühleigenschaften. Er bleibt also bei langsam drehenden Lüftern unter Umständen deutlich kühler als ein Kühler mit engen Lamellenabständen. Allerdings steigt dessen Kühlleistung auch nur noch geringfügig mit stärkeren Lüftern.

[BREAK=Lüfter, die Technik und Variationen]

Lüfter gibt es in allerlei Größen, Formen mit unterschiedlichen Lagern, Umdrehungen und Anschlüssen. Auch die Unterschiede zwischen Radial- und Axiallüfter werden wir erläutern. Wie man sieht, es gibt viel zu beachten.
Axiallüfter sind mit Abstand die am weitesten verbreiteten Lüfter und haben einen recht simplen Aufbau. Eine Achse in der Mitte mit Luftschaufeln kreisförmig um diesen Mittelpunkt herum. Die Luft wird auf der einen Seite angesaugt und linear zur anderen Seite heraus beschleunigt. Der Vorteil ist der einfache Aufbau und die hohe Effizienz des Luftdurchflusses. Nachteil ist der tote Winkel unter der Achse und die Verwirbelungen die ebenfalls an der Achse entstehen können und so für ein geräuschvolles Rauschen sorgen können.

Die Alternative stellen grade bei Grafikkarten, die Radiallüfter dar. Diese saugen von oben die Luft an und geben sie zur Seite wieder ab. Der Motor muss hierbei nicht zwingend in der Mitte liegen sondern kann auch unter oder an der Seite des Lüfters platziert sein, je nach Anforderung an das Kühlsystem. Die Vorteile sind die geringen Verwirbelungen und dass kein toter Winkel vorhanden ist. Allerdings sind Lüfter im Radialaufbau recht ineffizient. Um hohe Luftdurchsätze zu erreichen müssen diese Kühler geradezu riesig sein oder sehr hohe Drehzahlen mit sich bringen was üblicherweise einen negativen Einfluss auf die Lautstärke hat.

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Derzeit gibt es bei den CPU-Lüftern 4 interessante Größen. Den Anfang machen die 80 mm Lüfter, welche allerdings eher der aussterbende Art angehören und bestenfalls noch auf billigen Kühlern zu finden sind. Häufiger findet man die 92 mm Lüfter während 120 mm Lüfter mittlerweile den Standard darstellen und aktuell nur noch von den eher selteneren 140 mm Lüftern überflügelt werden. So gering eigentlich die optischen Unterschiede der einzelnen Stufen sind, desto ausgeprägter ist der Einfluss der Größe auf den Luftdurchsatz bei gleicher Drehzahl und Beschaffenheit. Nimmt man ansonsten identische Lüfter und steigert die Größe, erhöht sich der Luftdurchsatz nach folgendem Schema.

Lüftergrößen und Luftdurchsatz im Vergleich |
| 80mm | 92mm | 120mm
92mm|+17% |-|-|
120mm|+57%|+34%|-|
140mm|+100%|+71%|+27%|

Ein größerer Lüfter kann also mit deutlich geringerer Drehzahl genauso viel Luft fördern wie ein kleiner sich schnell drehender Lüfter was den Vorteil hat, dass dieser leiser betrieben werden kann. Oder man kann eben bei gleicher Drehzahl deutlich mehr Luft fördern als mit einem kleinen Lüfter.

Einen Nachteil haben große Lüfter allerdings. Möchte man möglichst leise kühlen, also bei einem hohen Luftdurchsatz eine möglichst geringe Drehzahl erreichen, bekommt man ein Problem mit dem Luftdruck der aufgebaut wird. Denn der gleiche Luftdurchsatz auf breiter Fläche erzeugt einen geringeren und langsameren Luftstrom als ein kleiner Kühler mit höherer Drehzahl. Deshalb trifft die Aussage nicht zu, dass ein größerer Lüfter mit gleichem Luftdurchsatz auch gleich gut kühlt. Hier muss vorausgesetzt sein das der Kühler auch direkt für solch einen Lüfter ausgelegt ist und die Lamellenabstände nicht zu gering sind. Denn sind die Lamellenabstände sehr gering, reicht der erzeugte Luftdruck im schlimmsten Fall nicht aus um alle Bereiche des Kühlers zu erreichen und zu kühlen.

Bei der Gestaltung der Lauflager tun sich mittlerweile große Unterschiede auf. Neben den üblichen Gleitlagern gibt es eine Fülle eigener Variationen verschiedener Hersteller. Twisterlager, Sony Fluid Dynamic Bearing, SSO-Bearing, Nano Tec Lager, Hydro Lager und vieles mehr. Im Grunde verstecken sich hinter den ausgefallenen Namen einige einfache Grundprinzipien wie Doppelkugellager, magnetische Lagerung, Flüssig-Lager. Nur dass jeder Hersteller eine Kleinigkeit hinzufügt oder ändert und dies dann unter einem völlig eigenen Markennamen mit womöglich sogar eigenem Patent vermarktet. Hier sollte man sich insgesamt nicht verrückt machen, denn es kommt alleine auf die Qualität der Verarbeitung an wie lange ein Lager hält oder wie leise es ist. Ein einfaches Kugellager kann weitaus leiser sein und eine höhere Lebensdauer haben als ein aufwendiges Flüssiglager. Die Ausnahme bilden die magnetisch gelagerten Lager, welche keine mechanische Reibung besitzen und dadurch geräuschlos funktionieren. Allerdings können diese wiederum zu Vibrationen neigen falls die Lüfterblätter nicht perfekt ausgewuchtet sind. Hier heißt es zurück lehnen und und in Bezug auf die Lautstärke unsere kommenden Tests genauestens studieren.

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Die Anschlussarten von CPU-Lüftern ist derzeit auf zwei Hauptmöglichkeiten beschränkt: mit PWM als 4-poliger Stecker oder ohne PWM als 3-poliger Anschluss. Mainboards bieten in der Regel eine Temperatur geregelte Lüftersteuerung an, die zwei Funktionsweisen unterliegt. Die übliche Variante ist die Drosselung der Spannung welche das Board dem angeschlossenen Lüfter zur Verfügung stellt. Diese kann von 5 V bis maximal 12 V schwanken. Da aber unterschiedliche Lüfter mit sehr niedrigen Spannungen nicht optimal funktionieren und weil diese Art der Drosselung auch etwas mehr Aufwand für die Boardhersteller bedeutet, geht man mittlerweile zu einer einfacheren Methode über, der PWM Steuerung. PWM heißt ausgeschrieben, Pulsweitenmodulation und versorgt den Lüfter immer mit der vollen Spannung, diese jedoch pulsartig, also immer in kurzen Zeitabständen. Um das zu verstehen sollte man sich ein Wasserrad vorstellen auf dessen Blätter man stoßweise Wasserstrahlen schießt. Desto größer die Abstände der Wasserstrahlen ist, desto langsamer dreht das Rad, steigert man den Takt, dreht sich das Rad schneller. Das ist die Funktionsweise der PWM-Steuerung. Leider gehen immer mehr Mainboard Hersteller dazu über 3-polige Lüfter nicht mehr zu regeln und ausschließlich auf das PWM-System zurück zu greifen, was zur Folge hat, dass Anwender ältere Lüfter gegebenenfalls tauschen müssen wenn sie die Lüftersteuerung nutzen wollen.

[BREAK=Lüfteraufbauten und Boxed Kühler]

Die bekanntesten und relevantesten Aufbau-Arten sind die Turmkühler und die Top-Blow-Kühler. Turmkühler stellen derzeit die leistungsstärksten Kühler dar. Man kann hier recht große Lüfter anbringen ohne dass der Kühler eine zu große Grundfläche benötigt und eine sehr große Kühlfläche erreichen, da man die Lamellen ganz simpel schichten kann. Der Nachteil ist allerdings, dass die ATX-Spezifikation erwartet, dass der CPU-Kühler die umliegenden Bauteile mit kühlt. Darunter fallen vor allem die Spannungswandler auf dem Mainboard. Allerdings haben die Mainboardhersteller schon lange den Trend zu Turmkühlern erkannt und kühlen diese mittlerweile extra mit oft komplexen passiven Kühlkörpern, deren Kühllamellen oft so gelegt sind das diese in den Luftstrom eines Towerkühlers reichen. Nachteil von Towerkühlern ist deren Bauhöhe, die etwa in Desktop-Gehäuse oft keinen Platz finden. Hier kommen die üblichen Top-Blow-Kühler zum Zuge, welche die Luft von oben auf die CPU blasen. Hierdurch wird erreicht, dass auch die umliegenden Bauteile im Luftstrom liegen da dieser sich in der Regel kreisförmig ausbreitet, oft jedoch - aufgrund der senkrechten Kühllamellen - nur in zwei Richtungen liegt. Vorteil ist hier die geringe Bauhöhe, der Nachteil jedoch die üblicherweise geringere Kühlfläche. Jedoch bieten einige Hersteller derart massive Top-Blow-Kühler an, dass diese an die Leistung sehr guter Towerkühler heranreicht. Allerdings bringen Top-Blow-Kühler einen anderen Nachteil mit sich, denn üblicherweise funktioniert die Gehäusekühlung nach dem Prinzip: „Vorne rein, hinten raus“. Jedoch verwirbelt ein Top-Blow-Kühler diesen Luftstrom am Ende in dem er die fließende Luft plötzlich in die Richtung des Mainboards drückt um die Warmluft dann zur Seite verwirbelt.

Das Fazit hier ist recht einfach. Auf die Kühlung der umliegenden Bauteile kann mittlerweile meist verzichtet werden, da wie angesprochen, die Mainboard Hersteller auf die Verbreitung der Towerkühler reagiert haben. Towerkühler bieten insgesamt die bessere Kühlleistung während Top-Blow-Kühler nur noch im Low Cost Segment zu finden sind oder eben für PCs mit kleinen Gehäusen gedacht sind wie zum Beispiel HTPCs.

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Boxed Kühler

Oft wird gesagt, dass Boxed Kühler nicht ausreichend sind, um die entsprechende CPU zu kühlen. Dies ist schlichtweg falsch. Es dürfte klar sein, dass sich kein Hersteller erlauben kann ihre CPUs mit Kühlern auszuliefern, die nicht ausreichend stark sind. Natürlich darf man von einem Boxed Kühler keine Wunder erwarten. Ihre einzige Aufgabe ist die ausreichende Kühlung bei spezifizierter Betriebsart der CPU. Aspekte wie Lautstärke oder Übertaktungspotential stehen hier nicht auf der Entwicklungsliste.

Ein Problem sind häufig triviale Aussagen von Nutzern, die bezeugen das ihr Boxed Kühler leise ist, während der nächste behauptet sie wären grundsätzlich laut. Hier muss stark differenziert werden. Gerade die Intel Boxed Kühler werden von mehreren Herstellern gefertigt und es finden sich teils sehr unterschiedliche Lüfter auf den Kühlkörpern wieder. Es kann durchaus sein, dass man ein Modell mit einem langsam drehenden Lüfter erwischt der die CPU knapp unter der üblichen kritischen Grenze von 60° hält und dabei recht leise zu Werke geht, während ein anderes Modell einen schnell drehenden Lüfter verwendet, der besser kühlt aber deutlich zu hören ist, wobei hier auch die Lagergeräusche oft sehr unterschiedlich laut ausfallen und selbst eine Drosselung kaum Abhilfe schafft. Bei AMD sind die Unterschiede kaum vorhanden, jedoch liefert AMD für die einzelnen CPUs völlig unterschiedliche Modelle, manche mit, manche ohne Heatpipe. Eine pauschale Aussage kann man hier nicht treffen. Auch was die Kühlreserven betrifft, sind diese sehr schwankend. In der Regel kann man moderat übertakten, das heißt, keine Spannungserhöhung beim Übertakten. Die reine Erhöhung der Taktraten steigert die Wärmeabgabe nur marginal und sollte jeder Boxed Kühler durch höhere Drehzahl abfangen können. Eine Garantie gibt es jedoch nicht und der Bastler ist angehalten die Temperaturen stets im Auge zu behalten. Daher gilt: wer einen leisen Kühler verwenden möchte, sollte trotz allem ein separates Modell dazu kaufen. Wem die Lautstärke relativ egal ist, auch nicht groß übertakten möchte, kann es mit dem Boxed Kühler ruhig versuchen und vielleicht sogar Glück haben.

Man sollte sich aber auch vor Augen halten, dass für unterschiedliche CPUs völlig unterschiedliche Boxed Kühler mit geliefert werden können. Nimmt man AMD als Beispiel, liefern diese bei einem X4 940 einen recht guten Boxed Kühler mit Heatpipes und Kupferbodenplatte aus, während bei einem kleinen X4 810 ein simpler kleiner Alublock mit geliefert wird. Ausschlaggebend, welches Modell AMD beilegt, ist hier in erster Linie die TDP-Klasse. Hier die Boxed Kühler eines kleinen Modells auf ein größeres und stärkeres CPU-Modell zu verbauen, ist nicht zu empfehlen.

[BREAK=Peltier-Element, der Sonderfall]

Peltier-Elemente sind bei Kühlern im PC-Bereich ein Sonderfall und eher selten anzutreffen. Trotzdem werfen wir einen kurzen Blick auf die Technik, auch um zu erläutern warum diese Technik sich bisher und wahrscheinlich auch in Zukunft nur schwer oder gar nicht durchsetzen wird. Denn neben einem sehr großen Vorteil, stehen auch zwei gravierende Nachteile im Raum.

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Die Funktionsweise kann man ausschweifend oder auch kurz erklären. Da eine ausführliche Erklärung sehr kompliziert ist, beschränken wir uns auf eine eher einfachere Erläuterung die jeder verstehen dürfte. Die eine Seite des Peltier-Elementes nimmt Wärme auf und gibt sie auf der anderen Seite wieder ab. Dies geschieht durch die Verwendung von Gleichstrom zwischen zwei Keramikplatten. Allerdings ist der Energiebedarf zum Kühlen enorm. Die grobe Grundregel für den Energiebedarf stellt +50% des angegebenen TDP-Wertes dar. Also eine CPU mit einer TDP von 100 W erfordert, dass ein Peltier-Element selbst 150 W zur Kühlung benötigt. Trotzdem, die Kühlleistung kann enorm sein wenn bestimmte Faktoren eingehalten werden.

Ein weiterer Punkt und Nachteil der Peltier-Elemente ist die Tatsache, dass sie trotzdem einen sehr starken Kühler oben auf benötigen. Denn die Hitze wird 1:1 an den oberen Teil abgeführt. Der verwendete Kühlkörper muss die Wärme also ebenso schnell weiter und abführen wie das Peltier-Element die Wärme von der CPU aufnimmt. Dass dies nicht so einfach ist, sollte jedem klar sein. Im schlimmsten Fall kann es sogar passieren, dass man die CPU erhitzt statt zu kühlen. Dieser Effekt tritt auf wenn der verwendete Kühlkörper die Wärme eben nicht schnell genug ableiten kann. Denn die Verlustleistung der benötigten Energie, welche zur Kühlung verwendet wird, muss ja ebenso abgeführt werden.

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Wie man sieht, auch wenn Peltier-Elemente auf den ersten Blick als optimale Wärmeabführkörper wirken, so aufwendig muss die Konstruktion des ganzen Kühlers sein. Ein Grund warum viele Kühlerhersteller speziell bei der Kühlung von PC-Bauteilen Abstand nehmen, zumal zusätzlich noch ein hoher Energiebedarf von Nöten ist.

[BREAK=Unsere Testmethode und Begriffserklärung]

In den kommenden Tests werden wir viele Punkte beachten und Kühler auch auf verschiedene Eigenschaften testen. Das Testsystem wird ein offenes sein, da die Kühleigenschaften diverser Gehäuse recht unterschiedlich ausfallen und man hier schwerer Vergleiche ziehen kann. Es kommt natürlich auch dem Tester zu Gute an einem offenen System zu testen, was den Zeitaufwand für so einen Test erheblich mindern kann. Wir haben uns weiterhin entschieden zwei CPU-Typen zum Testen zu verwenden, eine mit einer hohen und eine mit einer niedrigen TDP. So auch die passiven Möglichkeiten der Kühler auszuloten und zeigen, dass eine CPU mit niedriger TDP nicht unbedingt einen Hochleistungskühler benötigt um leise und gut gekühlt zu werden.

Die Temperatur werden wir klassisch mit dem Programm Core Temp auslesen. Da sich unser Testsystem für alle folgenden Tests, in Bezug auf die verwendeten CPUs und des Mainboards, nicht ändern werden, sind die Werte miteinander vergleichbar. Dabei werden wir darauf achten CPU-Typen zu wählen, welche verlässliche Werte liefern, da einige CPU-Typen bekanntermaßen keine korrekten Werte liefern. Wir werden den Delta-Wert messen, also die Differenz der gemessene Temperatur zur Raumtemperatur die immer ein wenig schwanken kann. So erreichen wir Werte, die auch mit späteren Tests direkt vergleichbar sind. Die Temperatur wird in Grad Celsius wiedergegeben da die Angaben in Kelvin für viele ungewohnt und weniger schlüssig sind, obwohl diese Einheit für Temperatur-Unterschiede eigentlich die messtechnisch korrekte wäre.

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Die Lautstärke werden wir in der Maßeinheit dB messen und als groben Richtwert zusätzlich einen Sone-Wert. Tatsache ist leider, dass ein gutes Messgerät für die Einheit Sone, unser Budget schlichtweg völlig sprengen würde. Eine direkte Umrechnung von dB in Sone ist leider auch nicht möglich, da Sone stark vom Frequenzbereich abhängig ist, daher werden die Sone Werte nur als grobe Richtlinie herhalten müssen. Wir werden aber auch immer die subjektive Lautstärke mit an geben und sie in grobe Richtlinien packen, denn letztendlich empfindet jeder die Lautstärke anders.

Der qualitative Eindruck des Kühlers wird auch eine große Rolle spielen und wir werden zerpflücken wie gut die Verarbeitung ist. Hierbei wird berücksichtigt wie gut und stabil die Halterung ist, ob diese auch mehr als einen Einbau übersteht, wie die Verarbeitung der Kühllamellen in Bezug auf den Kontakt zu den Heatpipes ist und vieles mehr. Ein Augenmerk landet auch auf dem Platz welchen der Kühler benötigt. Hierbei werden wir direkt ausmessen wie weit der Kühler über den reinen Sockel hinaus reicht und in welcher Höhe er zum Bord steht. Damit kann jeder für sich an seinem Board ausmessen ob es gegebenenfalls Probleme auf seinem Board geben könnte. Wir werden auch grundlegend die mitgelieferte Wärmeleitpaste verwenden denn man kann nicht erwarten, dass jeder Kunde sich diese separat kauft.

Wir werden insgesamt auch viele Feinheiten betrachten, wie verhält sich das Board bei der Montage, wird da etwas verzogen, sitzt alles so wie es sein soll. Gibt es irgendwelche Probleme, Auffälligkeiten, wie sehen die genauen technischen Daten aus, ist das Lüftergeräusch schleifend oder ein rauschen und vieles mehr. Wir hoffen damit ein breites Spektrum an Wünschen abdecken zu können.

Es ist erstaunlich wie weitläufig das Thema Luftkühler für CPUs sein kann und man könnte in allen Bereichen noch weitaus tiefer ins Detail gehen. Thermodynamik, Materialien, Körperbeschaffenheit und vieles mehr fließt in die endgültige Leistung eines Kühlers mit ein. Wir wissen nun, dass einzelne Komponenten eines Kühlers nicht alleine über die Leistungsfähigkeit entscheiden, sondern die Summe seiner ganzen Teile. Nicht ein Kriterium entscheidet, sondern alle zusammen. Wir wissen worauf man bei einem Kühler achten sollte wenn dieser möglichst leistungsstark sein soll mit einem starken Lüfter oder wo unser Augenmerk liegen sollte wenn der Kühler mit einem langsam drehenden Lüfter betrieben werden soll. Aber über die endgültige Leistung kann man erst nach einem umfangreichen Test schließen, der schon in den Startlöchern stehen.

Viel Spaß beim Lesen der kommenden Artikel.

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