Durchfluss: Viel hilft viel oder doch nicht?

1. Grundlagen

Um überhaupt eine Antwort zu bekommen, muss man wissen, was da überhaupt passiert. Es ist im Grunde ganz einfach: Treffen zwei Stoffe mit unterschiedlichen Temperaturen aufeinander, fließt Wärme vom kalten zum warmen Stoff. Dabei ist es erstmal egal, welche Stoffe das sind, der Grundsatz bleibt der gleiche. Wenn die Wärme von warm zu kalt fließt, wird warm kälter und kalt wärmer, bis sich beide Werte unendlich nahe angeglichen haben. Wie schnell das passiert und um wie viel sich eine bestimmte Menge eines Stoffes erwärmen muss, damit eine bestimmte Menge des anderen Stoffes sich so und so weit erwärmt, hängt von den Materialien ab. Nun ist der Teil in der Wasserkühlung recht schnell erledigt. Kupfer für Blöcke und Radiatoren, Wasser als Transportmittel, damit wäre das soweit geklärt. Natürlich kommen da gewisse andere Faktoren hinein wie Vernickelungen bei Kühlern und Zusatzstoffe in den Flüssigkeiten, das ändert aber nichts an den Grundlagen, sondern nur geringfügig etwas an den Materialkonstanten. Für die reine Betrachtung des Durchflusses ist das also irrelevant und es wäre ziemlich verwirrend, das auch noch einzubeziehen, daher lasse ich das außen vor. Nur so viel: Die Nickelschicht ist so dünn, dass sie kaum einen Unterschied macht und die Konzentration der Zusatzstoffe in der Flüssigkeit ist ebenfalls sehr niedrig, sodass es keine allzu großen Veränderungen bei der Wärmekapazität gibt. Außerdem skaliert der Wärmeabtransport ohnehin nicht so gut mit der Wärmekapazität.

Damit habe ich auch gleich schon einen Aspekt vorweggenommen, die Wärmekapazität. Der anderen Aspekt wäre Turbulenz. Diese beiden Aspekte sind die Grundlagen, auf denen sich anhand des Durchflusses überhaupt etwas tut.


1.1. Wärmekapazität

Die Wärmekapazität ist die Grundlage einer jeden Wasserkühlung. Die Idee hinter der ganzen Sache ist schließlich, dass Wärme von den heißen Komponenten zu den kühleren Radiatoren gefördert wird. Weil Wasser abseits geringer Effekte aufgrund unterschiedlicher Dichte je nach Temperatur nicht selbstständig fließt, wird dazu eine Pumpe (oder mehrere) verwendet. Und schon hat sich die Frage aufgetan, wie viel Durchfluss man nun braucht. Es ist klar, dass man welchen braucht, sonst würde das ganze Konzept nicht funktionieren, fraglich ist nur, wie viel.


Grundsätzlich kann man es einfach rechnen. Alles, was an Wärme in der Hardware produziert wird, landet im Wasser und von da aus in den Radiatoren. Da das Wasser erwärmt und wieder abgekühlt wird, haben wir Temperaturunterschiede im Kreislauf. Übrigens wird in einem eingependelten Kreislauf genau die Menge an Abwärme, die vom Wasser aufgenommen wird, in den Radiatoren wieder abgeführt. Wenn das Wasser also durch die Hardware 5K wärmer wird, wird es in den Radiatoren genau diese 5K kälter, aber das sei nur nice to know.

Es wird jetzt aber spezifischer. Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität, sprich, einen Wert, der angibt, wie viel Wärmeenergie nötig ist, um eine bestimmte Menge Wasser um eine bestimmte Temperatur wärmer werden zu lassen; dieser Wert ist bei Wasser ziemlich hoch. Wäre er es nicht, würden wir oder spätestens die Ingenieure bei Maschinenbau ziemlich sicher etwas anderes als Kühlflüssigkeit verwenden. Der Wert für Wasser beträgt 4,18 J/(g*K), als Variable abgekürzt im Folgenden nur noch c. Damit kann man bestimmen, wie sehr sich das Wasser denn aufwärmt. Denn man muss bedenken: Noch ist keine zeitliche Komponente in der Gleichung. Fügen wir diese ein, kommen wir auf W = c*(g/s)*K; umgestellt K = W/(c*(g/s)). Damit kann man dann auch gut arbeiten. Es bedeutet schlicht, dass die Temperaturdifferenz abhängig von der Wärmemenge und dem Massestrom ist. Ganz recht, Massestrom. Das braucht uns allerdings nicht groß zu behelligen, auch dafür gibt es Umrechnungsfaktoren. So muss man nur von g/s in l/h umrechnen. Ein l sind ein dm³, bei der üblichen Dichte von Wasser also ein kg. Schnell von kg auf g und von h auf s umgerechnet, hat man einen Faktor von 3,6. So hat man beispielsweise bei 120 l/h einen Massestrom von 33,3 g/s, was jeder gerne mit dem Taschenrechner nachprüfen kann.


War doch jetzt gar nicht so kompliziert, oder?

Kommt mehr Leistung bei gleichem Durchfluss rein, steigt die Temperaturdifferenz, bei weniger Leistung sinkt sie. Ähnlich verhält es sich bei dem Durchfluss. Bei gleicher Leistung und mehr Durchfluss sinkt die Temperaturdifferenz, bei weniger Durchfluss steigt sie. Ist doch eigentlich ganz einfach.


1.2. Turbulenz

Nun habe ich ja von zwei Aspekten geredet, und der zweite war die Turbulenz. Jetzt wird es viel theoretischer als in 1.1., denn Turbulenz ist nun mal eine Sache, die ziemlich nervig zu rechnen ist und nur im direkten Kühlervergleich wirklich durchzurechnen Sinn macht. Wer also kein Industrieingenieur bei einem Kühlerhersteller oder wirklich sehr fähiger Tester ist, muss sich mit der genauen Mathematik nicht befassen. Da ich zu keiner der beiden Gruppen gehöre, erspare ich mir auch die Mathematik und erkläre nur die Grundlagen, ohne groß zu rechnen.


Grundsätzlich ist zwischen zwei Arten an Strömungen zu unterscheiden, der turbulenten und der laminaren. Der Unterschied dazwischen ist, dass es bei der turbulenten Strömung Verwirbelungen gibt, bei der laminaren nicht (idealisiert). Dazu kommt eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, vor allem in der Mitte der Leitung zu strömen und an den Rändern sich wenig bis gar nicht zu bewegen. Es bildet sich also ein Sperrschicht zwischen dem Hauptwasserstrom und der Oberfläche des Rohrs oder wodurch auch immer die Flüssigkeit gerade fließt.

Das lässt sich übrigens in der freien Natur an jedem Fluss oder Bach beobachten. Wirft man ein Holzstückchen mitten rein, fließt es schnell mit der Strömung, wirft man es ganz nah ans Ufer, bewegt sich nichts oder nur sehr wenig, wenn nicht gerade die Hauptströmung die Uferböschung aushöhlt.

Nun, der Punkt ist nun, dass Wasser prinzipiell ruhig durch Schläuche und Rohre strömt und sich nicht groß verwirbelt. Schön für den Kreislauf, so wird kaum Widerstand auch auf weiten Strecken erzeugt und der Durchfluss kaum beeinflusst, da quasi kein Gegendruck entsteht. Im Kühler ist das aber denkbar ungünstig. Bei einer laminaren Strömung, wie z.B. auf einem Kühler, welcher nur eine Metallplatte mit Deckel und zwei Anschlüssen ist, fließt das Wasser einfach durch. Wo liegt das Problem?

Nun, Wasser ist nicht gerade ein guter Wärmeleiter. Ein guter Wärmeträger, ja, aber kein guter Wärmeleiter. Die Sperrschicht am Rand, nämlich am Übergang zwischen Wasser und Kühler, erwärmt sich durch das wärmere Metall des Kühlers, kann die Wärme aber nur schlecht weiterleiten. Dadurch wird das Wasser direkt am Metall und natürlich auch das Metall recht warm, diese Mehrtemperatur zieht sich durch bis zur Wärmequelle in den Tiefen des Chips. Der Trick ist nun also, die Sperrschicht zu überwinden, und genau dafür ist die Turbulenz da. Aufgrund gewisser Gründe, die ich wie angekündigt außen vor lasse (der Interessent darf nach Reynolds und der Reynolds-Zahl googeln), wird die Strömung im Wasser ab einem gewissem Durchfluss in einem engen Kanal turbulent. Die Turbulenz ist umso stärker, je stärker der Durchfluss ist und je enger der Kanal, ebenso übrigens auch der dadurch erzeugte Gegendruck.

Das Schöne an der Turbulenz ist, dadurch werden lokal viele Verwirbelungen erzeugt, diese durchbrechen aufgrund ihres Druckes die Sperrschicht und das kalte Wasser landet direkt am Metall des Kühlers und wird durch die Verwirbelungen auch sofort wieder abtransportiert, anstatt dass die ganze Zeit das Wasser die Wärme zum fleißenden Kühlwasser leitet. Je höher der Durchfluss, desto schneller wird dann das Wasser direkt vom Metall wieder abtransportiert und desto ausführlicher wird die Sperrschicht durchbrochen.


Im Idealfall bei unendlichem Durchfluss befindet sich permanent kaltes Wasser an der Oberfläche und wird auch sofort weitertransportiert, um durch frisches kaltes Wasser ersetzt zu werden, wodurch die Oberfläche nahezu Wassertemperatur hat und nur der Wärmestrom von den einzelnen Transistoren zur Kühleroberfläche limitiert. In der Praxis kann man sich dem nur annähern. Zur Optimierung werden daher Kühlfinnen in den Kühler gefräst und eine Jetplate verbaut, um zum einen die Turbulenz zu gewährleisten und zum anderen eine möglichst große Fläche zum Wärmeübergang bereitzustellen.



2. Die technische Praxis

So viel zur Theorie, kommen wir zur Praxis. Da wirken viele Wärmeübergänge und Ströme zusammen, sodass es recht schnell ziemlich kompliziert wird.


2.1. Der Kühler

Fangen wir klein an: Bei einem einzigen Kühler.

Wasser strömt ein, wird erwärmt und strömt wieder raus. Fertig....würde ich gerne sagen, wenn es denn so einfach wäre. Dazu zeige ich mal 2 verschiedene Kennlinien zur Durchflussskalierung verschiedener Kühler.

(Quelle)

Das ist ein gängiger GPU-Fullcoverblock. Deutlich zu sehen ist, wie der Block im unteren Bereich gut auf Durchfluss anspricht, aber darauffolgend immer weniger Mehrwert zeigt. So ist für eine Verbesserung ein immer größerer Aufwand nötig, der schließlich auch immer weniger bringt. Selbst mit Aufwand ohne Ende und 1000 l/h wird man es höchstwahrscheinlich nicht unter 10K Differenz zwischen GPU und Wasser schaffen, darunter ist allerdings durchaus eine Verbesserung zu erkennen.

(Quelle)

Und hier ein CPU-Kühler. Man sieht deutlich, dass der Vorteil durch mehr Durchfluss nur gering ist und man machen kann was man will, man wird nicht mal in die Nähe der 25K Differenz von Wasser und CPU kommen.


Woran liegt das? Nun, zum einen an der Wärmeleitung zwischen den Transistoren im Chip und der Oberfläche des Metalls. Daran kann man nicht unbedingt was ändern, auch wenn es mit Köpfen, DIrect Die und dem Schleifen des Dies genug Möglichkeiten gibt, die Wärmeleitung zu verbessern. Außerdem hat es etwas mit den Kühlfinnen selbst zu tun. Im CPU-Kühler kann man sehr schmale und sehr viel Kühlfinnen verwenden, im GPU-Fullcoverkühler lässt sich das fertigungstechnisch nicht gut umsetzen bzw. es würde viel teurer werden, was sich (noch) nicht lohnt, daher hat man weniger und größere Finnen, wodurch der Kühler bei niedrigem Durchfluss nicht so gut eine turbulente Strömung erzeugt. Die kleinere Oberfläche spielt auch noch mit hinein, sodass schlussendlich der GPU-Kühler auf den ersten Blick besser auf den Durchfluss anspringt, in Wahrheit aber nur schlechter gebaut ist.

Einen weiteren Aspekt muss man auch berücksichtigen: Die Erwärmung des Wassers im Kühler. Wenn man kurz paar Zahlen durchrechnet, kommt man bei 50 l/h Stunde und 300W auf ca. 5K höhere Temperaturen als am Eingang des Kühlers, bei 120 l/h nur auf ca. 2K (die Zahlen werde ich als Beispiele öfter verwenden).

Dies zieht sich durch den ganzen Kühler. So nimmt das Wasser bei seinem ganzen Weg durch den Kühler Wärme auf, nach dem halbem Weg durch den Kühler bzw. die Kühlstruktur hat es also die Hälfte an Wärmeenergie aufgenommen und sich um die Hälfte des Wertes erwärmt, um den es sich insgesamt erwärmen wird. Sprich, bei 50 l/h ist das Wasser nach der halben Struktur 2,5K wärmer, bei 120 l/h nur 1K! Dadurch wird der gesamte restliche Teil des Kühlers und damit des darunterliegenden Chips mit dem wärmerem Wasser gekühlt. Bezieht man dies in die obigen Grafiken mit ein, merkt man, dass ein gewisser Teil der Temperaturverbesserung daher kommt und die eigentliche Verbesserung aufgrund der Turbulenz gerade beim CPU-Kühler wirklich nicht so groß ist. Und genau das wäre die Überleitung zum nächsten Absatz, wenn ich nicht noch eine Kleinigkeit zu erwähnen hätte.

Der Bereich unter der Jetplate ist immer der Bereich mit der stärksten Turbulenz, während diese zu den Enden der Struktur abnimmt. Das liegt daran, dass dort das Wasser nicht nur durch die engen Kanäle der Struktur gepresst wird, sondern auch durch die Jetplate und zudem noch seitlich abgelenkt wird, man hat also eindeutig stärkere Turbulenz in diesem Bereich. Das ist der Grund, warum eine Verschiebung der Jetplate bzw. des ganzen Kühlers eine lokale Temperaturverbesserung bringt.


2.2. Seriell und parallel

Wie gerade ausgeführt, erwärmt sich das Wasser beim Durchfluss durch einen Kühler und kommt wärmer raus. Das findet über den ganzen Kreislauf statt. Um von klein nach groß zu gehen, bleiben wir erst mal im Fullcover-Kühler, welcher (idealisiert) eine Baugruppe nach der anderen abdeckt, sprich im Falle der Grafikkarte zuerst die GPU, dann den VRAM und schließlich die Spannungswandler. So fließt das erwärmte Wasser von der GPU zum VRAM, erwärmt sich dort weiter und nimmt schließlich noch die Abwärme der Spannungswandler auf. Gehen wir von 300W nur für die GPU aus, so hat man bei 50 l/h nach der GPU bereits erwähnte 5K mehr, welche der VRAM unabhängig irgendwelcher Durchflussskalierung des Kühlerbereichs über sich grundsätzlich mehr hat. Für die Spannungswandler kommt dann noch die Abwärme des VRAMs dazu, sodass diese dann mit vielleicht 6K wärmerem Wasser versorgt werden und schließlich meinetwegen 7K wärmeres Wasser den Kühler verlässt. bei 120 l/h erhält der VRAM aber nur 2K wärmeres Wasser und gibt auch allenfalls 2,5K wärmeres Wasser an die Spannungswandler ab, sodass das ausströmende Wasser vielleicht 3K wärmer ist. Dazu kommt dann noch die Durchflussskalierung, welche durch die einfach Struktur der Kühlbereiche für VRAM und Spannungswandler ziemlich gut ist. Ein Blick auf die Sekundärkomponenten kann also bei gleich bleibender Eingangs-Wassertemperatur durchaus interessante Ergebnisse aufzeigen, gerade, wenn diese eine verhältnismäßig hohe Leistungsaufnahme haben.


Bedeutender sind allerdings mehrere Komponenten in Reihe, sprich seriell. Man muss bedenken, dass das ausströmende Wasser abhängig vom Durchfluss unterschiedlich viel wärmer ist als das einströmende. So wird die CPU nach einer 300W-Grafikkarte bei 50 l/h mit 5K wärmerem Wasser versorgt, bei 120 l/h eben nur mit 2K wärmerem Wasser. Das wird man dann unabhängig irgendwelcher Durchflussskalierung des Kühlers an der Temperatur sehen. Was bei einem solchem Aufbau noch nicht so schlimm ist, wird in Extremfällen relevant. Betreibt man mehrere stromhungrige Grafikkarten vor der CPU (mein eigenes System lässt grüßen), so wird diese bei sehr niedrigem Durchfluss mit deutlich wärmerem Wasser gekühlt. Bei nur 30 l/h beträgt die Temperaturdifferenz bei 300W ganze 8K, falls man wie im genannten Extremfall gerne 600W hätte, wären es volle 16K, um mit 900W zu eskalieren (solche Systeme gibt es), wäre man bei 30 l/h bei 24K Unterschied zwischen vor den Komponenten und hinter den Komponenten. Ein erheblicher Unterschied, bei dem man definitiv mehr Durchfluss haben sollte. Zum Glück für die meisten Nutzer hat das übliche wassergekühlte Gamingsystem bei weitem nicht eine solch hohe Abwärme und der Durchfluss ist auch höher. Das wäre nun der serielle Aufbau.


Kommen wir zum parallelen. Natürlich kann man mehrere Kühler parallel verbauen, gerade bei Multi-GPU-Systemen mit mehreren baugleichen Karten ist das beliebt. Der parallele Aufbau bietet durchaus seine Vorteile, aber auch seine Nachteile. So wird im Optimalfall der Durchfluss aufgeteilt, sodass jede der (angenommen zwei) Grafikkarten den halben Durchfluss erhält. Dadurch sind die Turbulenzen geringer und der Gesamtdurchfluss durch beide Kühler mag etwas höher sein als bei einem seriellen Aufbau, aber die Temperaturen sind trotzdem nicht besser. Die Austritts-Wassertemperatur mag vielleicht noch geringfügig besser sein, aber das war es auch. Wirft man einen Blick auf die Grafik zur Durchflussskalierung beim Grafikkartenwasserkühler, sieht man, dass der geringere lokale Durchfluss für deutlich schlechtere Temperaturen sorgt als durch gleich kaltes Kühlwasser im Vergleich zur als zweites durchflossenen Grafikkarte im seriellen Aufbau. Ähnlich verhält es sich bei unterschiedlichen Komponenten im seriellen Aufbau. Hier kann es sogar zu echten Problemen beim Durchfluss kommen. Nicht jeder Kühler ist gleich und es gibt welche mit mehr und mit weniger Widerstand. So hat man in dem Kühler mit wenig Widerstand einen großen Teil des Durchflusses, im restriktiveren Kühler jedoch fehlt dieser Durchfluss. Da die Durchflussskalierung nicht unbedingt hoch sein muss, kann man das je nach Aufbau machen, besser ist aber der serielle Aufbau.


2.3. Der ganze Kreislauf

Bis jetzt ging es ja nur um einzelne Kühler und deren Verhalten bzw. um mehrere Kühler im Verbund. Damit allein kommt man allerdings nicht weit, für den vollständigen Kreislauf braucht man auch Radiatoren und weitere Komponenten.

Zu letzteren eine kleine Anmerkung: Da gibt es nicht wirklich was an Durchflussskalierung zu sagen, lediglich für die Schläuche gilt, dass sie nicht zu eng für den Durchfluss sein sollten. Da gibt es online Rechner zu, aber allgemein kann man sagen, dass es bis 100 l/h recht egal ist, wie groß der Durchmesser ist und man bis ~300 l/h problemlos mit 10mm Innendurchmesser zurechtkommt.

Bei Radiatoren ist es nun auch so, dass sie auf Durchfluss ansprechen. So führen die Radiatoren die angesprochenen, beispielhaften 300W wieder an die Luft ab, bei 50 l/h wird das Wasser dabei um 5K kälter, bei 120 l/h nur um 2K. Jetzt denkt man sich, wozu dann mehr Durchfluss und was schwätzt der hier, dass so viel Durchfluss so toll wäre, wenn das austretende Wasser bei niedrigerem Durchfluss viel kälter ist?

Nun, das ist es nicht, jedenfalls nicht sehr. Man muss daran denken, dass das Wasser vorher um genau die Wärme wärmer wurde, die jetzt wieder weg ist. Man hat mit weniger Durchfluss schlicht mehr Unterschiede im Kreislauf, so ist man bei dem Beispiel mit 50 l/h und 300W am kältesten Punkt 2,5K unter, am wärmsten 2,5K über der Durchschnittstemperatur, bei 120 l/h wäre es nur jeweils 1K.

Dazu kommt, dass auch Radiatoren in ihrer Wärmeabfuhr auf Durchfluss ansprechen. So kann ein Radiator bei höherem Durchfluss und gleicher Wärmemenge einen geringeren Unterschied zwischen Wasser und Luft erreichen als bei niedrigerem, sodass die Durchschnittstemperatur niedriger als bei wenig Durchfluss ausfällt. Je nach Größe und Aufbau des Kreislaufs sowie der integrierten Komponenten kann es zwar vorkommen, dass eine Komponente (in der Regel die erste nach einem ganzen Schwung Radiatorfläche) bei niedrigerem Durchfluss kälter als bei höherem ist, das geschieht aber zulasten der anderen Komponenten und muss auch nicht auftreten. In der Praxis lassen sich durch mehr Durchfluss oft mehrere K an Temperatur rausholen, je nach Art der Kühler und der durchschnittlichen Temperaturdifferenz des Wassers zur Luft.




3. Die wirkliche Praxis

Das war ja jetzt alles schön und gut, aber braucht man den ganzen Ärger mit den ganzen Zahlen wirklich?


3.1. Der normale Kreislauf

Die meisten Wasserkühlungen liegen so im Bereich 10-25K Differenz zwischen Wasser und Luft bei 300-500W Abwärme. Da speilt Durchfluss natürlich eine Rolle, durchaus. Besagte mehrere K sind kein leeres Versprechen, gerade bei der Grafikkarte. Dazu müssen aber zum einen die Kühler mitspielen, zum anderen muss die Pumpe überhaupt so viel schaffen. Um viel Durchfluss zu erreichen, ist schließlich ein gewisser Druck nötig, den nicht jede Pumpe erreicht. Da lohnt es sich in der Regel mehr, einfach das Geld für eine weitere oder eine stärkere Pumpe in Radiatorfläche zu stecken, da man so einen besseren Mehrwert erreicht.

Es macht natürlich etwas aus, wie viel Durchfluss man hat, aber auf die niedrige einstellige Zahl kann man durchaus verzichten, man wird damit nur geringfügig besser übertakten, die Hardware wird weder signifikant länger leben noch weniger verbrauchen, aber man kann sich störende Pumpengeräusche sparen. In diesem Fall kann man den Durchfluss sogar sehr weit abfallen lassen, da selbst 10 l/h noch ausreichen, um Wärme wegzuschaffen und die Hardware vor dem Hitzetod zu bewahren, gleichzeitig sind die Leistungseinbußen nicht so groß.

Die mythischen 60 l/h haben daher als Richtwert durchaus ihre Bedeutung. In diesem Bereich hat man in der Regel das Optimum aus Kühlleistung und Pumpenlautstärke, Abweichungen sind aber auch nicht problematisch. Hier ist man selbst als Nutzer gefragt und was man bei der eigenen Wasserkühlung lieber haben will. Es gibt da keine feste Grenze und die Änderungen sind komplett dynamisch.


3.2. Enthusiasmus, Extremismus oder auch Wahnsinn

Neben den normalen Kreisläufen gibt es dann noch die nicht gerade normalen, wo 1kW Abwärme und der Drang nach den besten Temperaturen, die man mit Wasser erreichen kann, aufeinander treffen oder man versucht, das überhaupt gekühlt zu bekommen. Wie bereits vorhin erwähnt, kann bei niedrigem Durchfluss der Temperaturunterschied im Kreislauf wirklich hoch werden und für den Temperaturenthusiasten sind selbst 5K bei 1kW zu viel, ganz abgesehen davon, dass die Temperaturdifferenz zwischen Hardware und Wasser nicht gering genug sein kann. Da kann dann, und das kann man ja für sich nachrechnen, der Benefit durch viel Durchfluss den Aufwand wert sein, sofern man auch über die entsprechende Radiatorfläche verfügt, um die Abwärme überhaupt loszuwerden.

Das resultiert dann in gewaltigen Kreisläufen mit vielen Radiatoren und mehreren Pumpen sowie erheblichen Kosten, aber was tut man nicht alles für sein Hobby?


So, ich hoffe, ihr hattet Spaß beim lesen8)

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