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Theorie

Waermeleitung, Konvektion und Waermestrahlung

Unter Waermeleitung versteht man die Bewegung von Waermeenergie in einem Festkoerper oder einer ruhenden Fluessigkeit aufgrund eines Temperaturunterschiedes. Die Waerme fliesst dabei immer vom Ort hoeherer Temperatur zum Ort niedrigerer Temperatur. Die Waerme selbst wird dabei in Form von kinetischer Energie der einzelnen Atome bzw. Molekuele des Waermeleiters durch Stoesse untereinander uebertragen. Im allgemeinen sind gute elektrische Leiter (also etwa Metalle) auch gute Waermeleiter, da hier die freien Elektronen auch an der Waermeleitung teilnehmen koennen. Innerhalb von Feststoffen findet nur Waermeleitung selbst statt, innerhalb von Fluessigkeiten eine Mischung aus Waermeleitung und Konvektion, also der freien Bewegung der Fluessigkeitsteilchen. Heisse Feststoffe, Fluessigkeiten und Gase koennen auch Waerme durch Waermestrahlung an die Umgebung abgeben. Diese liegt im Bereich des Infraroten Lichtes.

In einer Wasserkuehlung spielt die Waermestrahlung jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Von der CPU wird die Waerme ueber Waermeleitung durch den Kuehlkoerper ins Wasser transportiert, von dort wird sie per (kuenstlich angetriebener) Konvektion des Wassers in den Radiator geleitet, dort wird sie wiederum per Waermeleitung durch die Lamellen in die Luft transportiert und von dort per Konvektion abgeleitet. Daher sollte das Material der Kuehlkoerper bzw. des Radiators eine hohe Waermeleitfaehigkeit besitzen.

Kleine Materialienkunde

Haeufig verwendete Metalle fuer Kuehkloerper sind Kupfer und Aluminium, seltener werden auch Messing und Silber verwendet.

Aluminium

Aluminium ist ein eher weiches und sehr leichtes Metall. Mit einer Waermeleitfaehigkeit von 237 Watt/(Meter*Kelvin) gehoert es zu den sehr gut waermeleitenden Stoffen. Es ist sehr leicht bearbeitbar und eignet sich daher gut fuer den Selbstbau von Kuehlkoerpern.


Kupfer

Kupfer hat mit 404 Watt/(Meter*Kelvin) eine fast doppelt so hohe Waermeleitfaehigkeit wie Aluminium, ist jedoch auch ein wenig schwerer. Kupfer ist damit ein idealer Kompromiss aus Waermeleitfaehigkeit und Preis.

Silber

Silber hat von allen Metallen mit 429 Watt/(Meter*Kelvin) die hoechste Waermeleitfaehigkeit, was es zum idealen Kandidaten fuer die Konstruktion von Kuehlkoerpern macht. Jedoch steht hier der doch sehr hohe Preis im Weg, fuer einen Silber-Kuehlkoerper muss man schon mit einigen Hundert Euro rechnen.


Weitere Metalle

Weiter Anwendung finden Messing (eine Legierung aus Kupfer und Zink) beispielsweise fuer Deckel von Kuehlkoerpern, die fuer die Waermeableitung nahezu keine Rolle spielen. Gelegentlich findet man auch Radiatoren aus Stahl oder Messing, welche jedoch etwas schlechtere Waermeleiteigenschaften (ca. 120 Watt/(Meter*Kelvin) beim Messing und ca. 50 Watt/(Meter*Kelvin) bei Stahl) als Kupfer und Aluminium haben, aber beispielsweise wesentlich stabiler sind als Aluminium.

Auch Anwendung findet Chrom, welches jedoch nur optischen Zwecken dient.

Wasser

Wichtigsterer Bestandteil der Wasserkuehlung ist ganz klar das Wasser selbst. Wichtig bei der Fluessigkeit, die in der Wasserkuehlung ist, dass sie moeglichst schnell viel Waerme aufnehmen koennen muss, ohne dass die Temperatur dabei weit steigt. Ein Mass fuer diese Eigenschaft nennt sich Waermekapazitaet. Wasser ist hier der ideale Kandidat, da es von allen fluessigen Stoffen die hoechste Waermekapazitaet besitzt.

Die Waermeleitfaehigkeit des Stoffes, der in der Wasserkuehlung zirkuliert, ist dagegen unwichtig. Quecksilber kann beispielsweise Waerme wesentlich besser leiten als Wasser, hat jedoch eine sehr niedrige Aufnahmefaehigkeit von Waerme, ist somit eher schlecht geeignet fuer eine Wasserkuehlung (mal ganz abgesehen von seinen toxischen Eigenschaften).

Auch Wasserzusaetze, wie etwa Korrosionsschutz oder UV-Leuchtmittel, senken die Waermekapazitaet leicht und wirken sich damit negativ auf die Leistugsfaehigkeit der Kuehlung aus.

Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, destilliertes Wasser zu verwenden, wenn man einigermassen weiches Leitungswasser hat. Kalkablagerungen im System wuerden nur auftreten, wenn man sehr haeufig das Wasser wechselt. In einer Fuellung in der Groessenordnung von 1-3 Litern ist nicht die noetige Menge an Kalk enthalten, um die Kuehlkoerper beispielsweise zuzusetzen.

Auch weit verbreitet ist der Irrtum, dass auslaufendes Wasser, wenn es sich um destilliertes Wasser handelt, keinen Schaden an der Hardware anrichten kann, da es nicht leitfaehig ist. Im destillierten Wasser loesen sich sofort bei Kontakt mit Metallen geladene Ionen, die das Wasser leitfaehig machen. Desweiteren finden sich auf Bauteilen ueblicherweise geringe Mengen Schmutz und Staub, die das Wasser ebenso leitfaehig machen.

Materialmixe und Wasserzusaetze

Verwendet man verschiedene Materialien, beispielsweise Kupfer und Aluminium, in der Kuehlung, die mit dem Wasser in Verbindung kommen, sollte ein Korrosionsschutz verwendet werden, selbst, wenn man destilliertes Wasser verwendet. Anderenfalls kann es dazu kommen, dass vom unedleren Metall Ionen abgeloest werden, die dem edleren angelagert werden. Somit loest sich der unedlere Kuehlkoerper langsam auf, und der edlere setzt sich langsam mit einer Schicht unedlen Metalls zu. Somit sollte bei der Zusammenstellung der Wasserkuehlung darauf geachtet werden, immer die gleichen Materialien zu verwenden, oder einen leistungsfaehigen Korrosionsschutz einzusetzen.

Laminare und turbulente Stroemungen

Laminare Stroemung

Die laminare Stroemung (von lat. lamina - die Platte) ist die Bewegung von Fluessigkeiten, bei der keine Turbulenzen wie Verwirbelungen oder Querstroemungen auftreten. Die Fluessigkeit stroemt in Schichten, die sich nicht vermischen. Durch Adhaesion bleiben einzelne Wassermolekuele an der Kuehlkoerperwand haengen. An diese haengen sich weitere Wassermolekuele, die sich nur ab und zu vom Wasserstrom ein kleines Stueckchen mitreissen lassen. An diesen langsamen Wassermolekuelen haengen wiederum andere Wassermolekuele. Je weiter weg man also von der Kuehlkoerperwand kommt, desto schneller ist die Stroemung. Da sich die anhaftenden, langsamen Schichten bei einer laminaren Stroemung nicht mit den schnellen Schichten vermischen, muss die Waerme erst aus dem Kuehlkoerper durch die langsamen Schichten hindurch in die schnelleren Schichten, um abtransportiert werden zu koennen. Der Bereich, in dem sich das Wasser nicht oder nur sehr langsam bewegt, wird Grenzschicht genannt. Wasser hat aber leider die Eigenschaft, Waerme sehr schlecht zu leiten. Daher ist mit laminaren Stroemungen eine eher schlechte Kuehlleistung zu erreichen. Durch Einschraenkung des Fliessquerschnittes laesst sich die Grenzschicht verkleinern, wenn gleichzeitig die Fliessgeschwindigkeit beibehalten werden kann - es sollte klar ersichtlich sein, dass in einem Rohr die Grenzschicht nie groesser als der Radius des Rohres sein kann. Daher: kleinerer Rohrradius, duennere Grenzschicht.

Turbulente Stroemung

Die turbulente Stroemung (von lat. turbulentus - unruhig; zu lat. turba - laermende Unordnung, Gewuehl, Gedraenge) ist die Bewegung von Fluessigkeiten, bei der Verwirbelungen auf allen Groeßenskalen auftreten. Diese Stroemungsform ist gekennzeichnet durch meist dreidimensionale, scheinbar zufaellige, instationaere Bewegungen der Wassermolekuele. Durch diese staendige Vermischung wird also die Grenzschicht sehr klein, der Waermeabtransport kann schnell und effizient vonstatten gehen.

Ziel sollte also sein, die Grenzschicht moeglichst klein zu machen. Es gibt 2 Moeglichkeiten, das zu bewerkstelligen: man engt den Fliessquerschnitt ein, oder man sorgt fuer Turbulenz. Verschiedene Kuehlkoerpertypen machen sich eine der beiden Techniken zu Nutze.
Eine Dritte Moeglichkeit, moeglichst schnell moeglichst viel Waerme aus dem Kuehlkoerper ins Wasser zu bekommen, waere, die Oberflaeche, an der die Waerme ins Wasser abgegeben werden kann, zu vergroessern.

Verschiedene Kuehlkoerpertypen nutzen eine oder mehrere dieser 3 Moeglichkeiten des guten Waermeabtransportes. Gleitschichtkuehler und Mikrostrukturkuehler schraenken beispielsweise den Fliessquerschnitt ein, Duesenkuehler sorgen fuer turbulente Verwirbelungen und Kernkuehler und Kanalkuehler versuchen eine moeglichst grosse Oberflaeche zu bieten. Auf die verschiedenen Arten der Kuehler und ihre Vor- und Nachteile soll im Folgenden genauer eingegangen werden.