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  • Wasser im HTPC... - Seite 1/5

    ...oder die Frage: "Welche Wasserkühlung darf es sein?". Vorbei sind die Zeiten, in denen Wasserkühlungen auf Grund ihres experimentellen Entwicklungsstadiums vorrangig von PC-Hobbyschraubern und Modding-Enthusiasten verbaut wurden. Rund um das Thema "PC-Wasserkühlung" hat sich in den letzten Jahren ein sehr umfangreicher Markt gebildet, wobei einzelne Komponenten sowie diverse Komplettsets immer einfacher zu handhaben sind und mittlerweile auch von weniger bewanderten PC-Schraubern problemfrei verbaut werden können.

    Aus eben jenen Gründen haben wir uns dazu entschlossen, unserem HTPC eine Wasserkühlung zu spendieren. Auf welches Produkt unsere Wahl letztendlich gefallen ist, welche Faktoren dabei eine Rolle spielten und was es allgemein mit dem nassen Element in einer elektrischen Umgebung auf sich hat, möchten wir im folgenden Artikel z.T. ansatzweise versuchen zu klären.

    Theorie

    Zunächst möchten wir auf einige physikalische Grundlagen der Wasserkühlung eingehen, können doch die spezifischen Daten von Wasser und Luft unterschiedlicher nicht sein. Das fängt mit dem Aggregatszustand der beiden Stoffe bei Raumtemperatur an - in Abhängigkeit der Temperatur ist es auch möglich, dass Wasser gasförmig ist und die in der Luft gelösten Gase flüssig sind - und setzt sich über deren Dichte fort. Während Wasser bei Raumtemperatur also flüssig und Luft gasförmig ist, verhält es sich mit der jeweiligen Dichte des Stoffes folgendermaßen:

  • Wasser (ideal*; destilliert): 1000kg m-3
  • Luft (ideal; trocken): 1,29kg m-3


  • * gedachte, ideale Bedingungen für:
  • Wasser: 4°C (größte Dichte); Normdruck (1013,25hPa), luftfrei
  • Gase: 0°C, Normdruck


  • Diagramm Dichte


    Auf Grundlage dieser Werte lässt sich schon erahnen, welcher der beiden Stoffe Wärme besser aufnehmen, transportieren und im Rahmen von Wasserkühlungen ungünstigerweise auch speichern kann --> Wasser. Dies spiegelt sich in der Wärmeleitfähigkeit beider Stoffe ebenfalls wieder:

  • Wasser (ideal): 0,6W m-1 K-1
  • Luft (ideal): 0,02W m-1 K-1


  • Diagramm Wärmeleitfähigkeit


    Ähnliches gilt dann auch für die elektrische Leitfähigkeit von Luft und Wasser. In Anbetracht der Tatsache, dass normales Leitungswasser noch als guter elektrischer Leiter fungieren kann, sieht es bei destilliertem (entsalztem) Wasser und Luft schon wesentlich anders aus:

  • Leitungswasser (ideal): 0,5S/m
  • destilliertes Wasser (ideal): 5 x 10-6S/m = 0,000005S/m
  • Luft: < 10-10S/m oder < 0,0000000001S/m


  • Je größer die Säule im Diagramm, desto schlechter die Leitfähigkeit:

    Diagramm elektrische Leitfähigkeit


    Luft disqualifiziert sich also in diesem Zusammenhang als elektrischer Leiter. Um einem Aufschrei unter Meteorologen und Physikern vorzubeugen, gilt diese Aussage für Luft nur im Rahmen dieses Artikels, da Luft ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzt um z. B. bei einem Gewitter elektrische Energie sehr effektvoll zu leiten.

    Gleiches gilt für das destillierte Wasser, das auch nur sehr bedingt als Isolator anzusehen ist. Die in Wasserkühlungskreisläufen zum Einsatz kommenden Metalle bzw. deren Oberflächen sind oftmals nicht als sauber anzusehen. Dadurch werden beim befüllen des Kreislaufs diverse Partikel und schmutzteilchen gelöst, die die Leitfähigkeit des Wassers drastisch ansteigen lassen. Ebenso verhält es sich mit Wasserzusätzen, die zum Teil leider unabdingbar sind, also deren Verwendung Pflicht ist. Auch sie führen schnell zu einem drastischen Anstieg der Leitfähigkeit, wie sich in einem Artikel bei Meisterkühler.de nachlesen lässt.

    Anmerkung des Verfassers: Auch wenn die Zahlenwerte mit Sicherheit nicht lügen, kann ich eine solche enorme Leitfähigkeit von dem bei mir zum Einsatz kommenden Wassergemisch (dest. Wasser + Innovaprotect) anhand der Praxis (undichter CPU-Kühler setzte Grafikkarte unter Wasser) nicht bestätigen. Das System funktionierte auch unter Einfluss von Nässe problemfrei, wurde jedoch schnellstmöglich abgeschaltet. Dennoch sollte man beim Aufbau der Wasserkühlung äußerst gewissenhaft arbeiten, da die getroffene Aussage keinen Anspruch auf Allgemeingültigkeit erhebt und Wasser wesentlich mehr Schaden als bloß einen feuchten Rechner anrichten kann!

    ...und Praxis

    Was bedeuten nun aber dieses ganzen theoretischen Zahlenangaben für die Praxis? Sicherlich ist anzunehmen, dass Wasser auf Grund seiner 775 mal größeren Dichte und seiner 30 mal höheren Wärmeleitfähigkeit das bessere Medium für eine effektive PC-Kühlung darstellt. Und tatsächlich werden viele Nutzer von Wasserkühlungen bestätigen können, dass dem so ist. Aber war da nicht noch der wesentliche Mehraufwand für den Betrieb einer Wasserkühlung?
    In der Tat! Während man bei einer gewöhnlichen Lüftkühlung mit einem CPU-Kühler hinkommt, benötigt man bei einer Wasserkühlung Radiator (plus Lüfter), Pumpe (plus Ausgleichsbehälter) und einen CPU-Kühlkörper - ein deutlicher Mehraufwand von mindestens 300% also.

    Luftkühlung Wasserkühlung
    Bestandteile CPU-Luftkühlung
    =
    Bestandteile CPU-Wasserkühlung Bestandteile CPU-Wasserkühlung Bestandteile CPU-Wasserkühlung


    Aber war auch hier nicht noch etwas in Sachen höherer Kühlleistung? Na klar, wie schon an den obigen Werten versucht darzustellen, ist Wasser das wesentlich effektivere Kühlmedium. wie auch bei Luftkühlern muss das Wasser die die aufgenommene Wärme wieder an die Umgebungsluft abgeben, um ein dauerhaft stabiles Wärmeaufnahmepotenzial zu gewährleisten. Zu diesem Zweck benötigt man Radiatoren, um dem aufgewärmten Wasser die Energie zu entziehen und an die Umgebung abzugeben. Das die Radiatoren dabei im Regelfall wesentlich größer ausfallen als Luftkühler, hängt damit zusammen, dass Wasser vergleichsweise wesentlich mehr Energie transportieren kann als Luft und daher auch größerer Flächen bedarf, um die gesammelte Energie wieder an die Luft abzugeben. Daher gilt auch, je größer die Kühlfläche des Radiators, desto höher sein Wirkungsgrad. All diese Faktoren führen nun dazu, dass das obige Gleichnis seine Bedeutung verliert.

    Pro Wasserkühlung:
  • höhere Kühlleistung
  • leisere Kühlung möglich (bis hin zu lautlos)
  • effektive Kühlung auch bei hohen Umgebungstemperaturen
  • durch geringere Temperaturen stabilerer Betrieb
  • hoher Moddingsfaktor
  • hohes Overclocking-Potenzial


  • Kontra Wasserkühlung:
  • höherer Aufwand als bei Luftkühlung
  • Wasser ist elektrisch leitfähig
  • Wasserkühlung bringt hohes Eigengewicht mit sich


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