Wasserk├╝hlung PC

Veröffentlicht von Joe-C (jch) am Jun 19 2015
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Einleitung

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Mein PC sollte eine Wasserkühlung erhalten, da er vorher nicht ganz unwesentliche Hitzeprobleme hatte und ich eine leichtere Reinigung erreichen wollte.
Natürlich kann man auch immer wieder die Lüfter und Kühlrippen säubern, allerdings ist das mit entsprechendem Aufwand verbunden und im Hinblick auf ESD auch eine unnötige Gefahr.

Mein Ziel war es, das PC Gehäuse so abzudichten, dass die Luft möglichst nur intern zirkuliert. Das ist mir letztendlich nicht gelungen, da ich weder Finanziell noch vom Aufwand her so weit gehen wollte. Aber der Luftaustausch ist zumindest sehr stark reduziert im Gegensatz zu vorher.

Der Grundaufbau der Kühlung sollte so erfolgen, dass die Wärmeabgabe außerhalb des PCs in einem eigenen, einfach erreichbaren Bereich stattfindet. Dadurch sollte eine einfache Reinigung ohne Gefährdung der Elektronik erreicht werden.

Umbau

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Vom Zustand vorher habe ich keine Bilder, wäre auch nicht viel Besonderes drauf zu sehen. Da Wasserkühlungen durchaus ihren Preis haben, hab ich gebrauchte Sets gesucht und erworben, woraus ich mehrere Komponenten kombiniert habe. Es gibt neben den Schläuchen für den Wassertransport einige Baugruppentypen, die für die Wakü von Interesse sind:
Pumpe
Das Wasser muss in Bewegung gebracht werden, um ein Wärmetransport vollziehen zu können. Dafür gibt es diverse Pumpen, die unterschiedlich arbeiten aber im Grunde dasselbe Ziel haben, von irgendwo wird Wasser angesaugt und irgendwo wird es mit gewissem Druck wieder raus befördert.
Bei mir ist es eine EHEIM HPPS Plus Pumpe mit Ausgleichsbehälter (Beschreibung unten). Die wird mit 12V betrieben (durch ein eigenes Netzteil, was auch 2 Lüfter mit versorgt).
Ausgleichsbehälter
Es gibt welche die offen sind, aber die meisten sind mit einem abdichtenden Deckel versehen. Auf diese Weise hat man einen geschlossenen Wasserkreislauf und das Wasser verdunstet nicht einfach (durch die Diffusion bei den Schläuchen geht mit der Zeit dennoch Wasser verloren, sodass man hin und wieder was nachschütten muss). In einem geschlossenen System muss aber auch ein kleines Luftpolster sein. Wenn das Wasser sich erwärmt, dehnt es sich aus, was wiederrum den Wasserdruck erhöht. Wird der Wasserdruck zu stark, könnten sich Schläuche lösen und wenn dann Wasser austritt... ist das aus verschiedenen Gründen sehr unvorteilhaft.
Dafür gibt es die Ausgleichsbehälter. Diese haben einen gewissen Wasserstand und ein Luftpolster, um den Wasserdruck bei Erwärmung gewissermaßen "abzufedern", da sich Luft recht leicht komprimieren lässt. Ich hab auch schon Bilder gesehen, wo manche Luftballons als Ausgleichsbehälter nehmen (wobei diese dann nur den Luftanteil beinhalten).
Radiator
Radiatoren sind im Grunde durchflossene Bereiche, mit besonders großer Oberfläche, für einen möglichst hohen Temperaturaustausch.
Dafür wird in den meisten Fällen eine Art Zickzack-förmiges Metallroh mit dünnen Metallblechen versehen (Kühlrippen, oder auch Lamellen genannt).
Für gewöhnlich, wird auf der einen Seite das warme Wasser zugeführt, welches den Radiator erwärmt. Durch einen Lüfter und den Luftstrom durch den Radiator, wird dieser von seiner Umgebung gekühlt, sodass das austretende Wasser entsprechend abgekühlt den Radiator verlässt.
Bei mir sind 3 Radiatoren im Einsatz, davon 2 Extern.
Kühlkörper
Ist ein Metallobjekt, durch das das Wasser meist im Zickzack durch geleitet wird, um dort über eine große Oberfläche die Wärme des zu kühlenden Objektes aufzunehmen. Aus sicht des Wassers macht der Kühlkörper das Gegenteil des Radiators... der Kühlkörper erwärmt das Wasser und kühlt damit das entsprechend verbundene Objekt. CPU kühler sind Standard... zusätzlich gibt es noch welche für Ram, die Spannungsregler (MOSFET Kühler), die Grafikkarte und Festplatten.

Kühlungsreihenfolge

Man kann die Komponenten in der Reihenfolge ihrer zu erwartenden Erwärmung anschließen. Dabei gibt es 2 Philosophien:

  1. Zuerst die höchste Wärmequelle (z.B. CPU) und dann die niedrigeren (z.B. Ram und Festplatte). Dadurch wird die beste Kühlleistung der stärksten Wärmequelle zugeordnet und die folgenden Objekte werden mehr oder weniger von der ersten Quelle mit gewärmt. Dafür kann das erwärmte Wasser auf der Strecke aber auch wieder etwas Wärme abgeben.
  2. Zuerst die niedrigen und dann mit leicht erwärmten Wasser in die höhere Wärmequelle, die dadurch zwar nicht mehr ganz so gut gekühlt wird, aber dafür kommt das Wasser so warm wie möglich raus und kann so auch mehr wieder an die Umgebung abgeben. Auf diese Weise haben die Komponenten mit geringerer Erwärmung auch nur eine leicht erhöhte Temperatur.

Ich hab mich für die zweite Herangehensweise entschlossen.


 Aufbau

Aufbau

Hier ist der schematische Aufbau meiner Wasserkühlung zu sehen.
Startet man bei der Pumpe, ergibt sich folgender Kreislauf:

1. Das Wasser wird in den PC, auf einen Radiator im inneren des PC Gehäuses geleitet. Dieser Radiator wird wie ein Kühler benutzt... das frische Wasser kühlt den Radiator, der mit einem Lüfter die Innenluft des PCs herab kühlt. Der Luftstrom wird auf die Grafikkarte geleitet, da die bei Belastung sich auf dieser Platinenseite erwärmt.
2. Vom Radiator geht’s in die Noth-Bridge, ein Chipsatz, der vorher von einem großen Passivkühlkörper bestückt war. Ein Spannungsregler mit besonders hoher Eigenerwärmung wird nun hier mit gekühlt. Der Passivkühlkörper ist immer noch drauf, aber eigentlich eher, um den Wasserkühler an seiner Position zu halten.
3. jetzt geht es auf die CPU und die erste große Wärmequelle. Vom CPU Kühler geht es wieder raus aus dem PC auf den ersten und größten Radiator außerhalb.
4. der Ausgang des Radiators führt das Wasser (entsprechend abgekühlt) wieder in den PC, wo er als erstes auf die South-Bridge trifft. Dieser Chip hatte vorher keinen Kühlkörper. Ich empfand die Eigenerwärmung aber als hoch genug und da ich noch einen kleineren Kühlkörper hatte, landete er hier drauf.
5. danach geht es auf den Grafikkarten Kühlkörper. Graka Kühler sind meistens Speziell auf die Kartentypen angepasst, je nachdem, wie halt die Bauteile verteilt sind. Da meine ersten Sucherfolge nach einem Kühlkörper für meine Graka nicht wirklich viel brachten, hab ich einfach nach einer guten Grafikkarte mit Wasserkühlung gesucht, da gab es dann schon erheblich mehr Auswahl. Außerdem ist ein Upgrade auch nicht schlecht.
6. Von der Graka erwärmt fließt das Wasser nun wieder raus aus den PC in den zweiten Außenradiator. Beide Radiatoren stehen übereinander und sollen später noch ein Gehäuse aus meinem 3D-Drucker bekommen.
Geplant ist eine Art Pyramide, auf der ganz oben ein Lüfter sitzt, der die warme Luft nach oben raus bläst.
7. Aus dem 2ten Radiator kommt das gekühlte Wasser nun wieder in den Ausgleichsbehälter, welcher an der Pumpe steckt.

Somit schließt sich der Wasserkreislauf.

 

Nachbesserung

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Nach einiger Zeit zeigte sich, dass ich nicht alle der gebrauchten Komponenten hätte nutzen sollen.
Bei dem einen Set, waren Federn benutzt worden, um von innen als Knickschutz zu wirken. Kein schlechter Gedanke, wenn man teilweise Silikonleitungen nimmt, die gern mal knicken und so den Wasserfluss blockieren.

Scheinbar hat der Vorbesitzer aber kein Destilliertes Wasser, sondern irgendeins der speziellen Kühlfluids benutzt. Die gibt’s ja mit verschiedenen Eigenschaften... leuchten bei UV Licht, Antialgen, Rostfrei. Ich hab mich für Destilliertes Wasser entschlossen, da es einfach verfügbar und billig ist. Leider hatten die Federn aber Stück für Stück angefangen zu rosten, weshalb ich mit der Zeit eine Braunfärbung des Wassers sehen konnte. Das ist ungünstigerweise recht spät aufgefallen, da ich zuvor größtenteils schwarze Sillikonleitungen verbaut hatte.

Daher wurde noch einmal umgebaut, außerdem war inzwischen mein Durchflussensor aus Fernost angekommen, den ich ebenfalls integrieren wollte. Da der Ausgleichsbehälter dunkelblau Transparent ist, war der Wasserfluss nicht so leicht erkennbar.

Nachdem alles nochmal ordentlich durchspült wurde, um möglichst allen Rost raus zu bekommen, hab ich den Durchlaufsensor mit installiert.

Bilder

Bild 1
Hier der Innenraum des PCs nach dem Wechsel der Schläuche (Silikon schwarz -> PVC transparent). Inzwischen auch mit neuem Netzteil.
Bild 2
Hier noch ein paar Wärmebilder, die die Zwischenstufen und ihre Auswirkungen zeigen. Die meisten Bilder sind in den Temperaturbereich 70°C -20°C gesetzt worden, damit die Farbverläufe einheitlich die Temperaturen anzeigen.
Nochmal zur Info: blankes Metall ist in der Thermografie wie ein Spiegel, daher sind bei diesen Metallflächen (Kühlkörper, Radiatorgehäuse) Spieglungen und nicht die richtigen Temperaturen zu sehen.
Bild 3
Hier ist der neue Wasserbehälter, die Radiatorpyramide und die Eheim Pumpe mit Ausgleichsbehälter zu sehen. Der Durchflussensor führt momentan noch auf einen provisorischen Filter, um die letzten Rostreste aufzufangen. Die Pyramide ist sehr einfach zu reinigen.. man nimmt das Oberteil ab und dann steht nur noch der untere Radiator da. So kann man die Kühlrippen einfach mit dem Staubsauger säubern. Im Oberteil ist dann der zweite Radiator, an den man von innen ran kommt.
So kann man auch gleich den Lüfter Festhalten, damit er durch den Staubsauger-Sog nicht so viel Energie induziert, das er was zerschießt. Da er extern parallel zur Pumpe betrieben wird, wäre hier die Gefahr wohl gering. Aber wenn man Lüfter im PC aussaugt, sollte man darauf achten, dass diese sich nicht plötzlich zu schnell drehen und da Energie einspeisen, wo keine eingespeist werden sollte.
Oben links ist das Design am PC zu sehen (rote Blöcke sind Radiatoren und der Lüfter). Die 4 Einzelteile haben jeweils den Bauraum des Druckers fast vollständig ausgefüllt (der hintere Teil musste sogar schräg gestellt werden).
Eine Mischung aus Druckresten und Aceton wurde als Kleber benutzt... wobei es fast schon als Schweißen bezeichnet werden könnte.
Vielleicht dichte ich die Ränder an den Radiatoren und den Wasserschläuchen noch ab, damit der Luftstrom wirklich nur Durch die Radiatoren geht.
Das Ganze funktioniert jedenfalls schon recht zufriedenstellend.
Bild 4
Hier die kleine Anzeigebox für den Wasserdurchfluss des Systems. Verwendet wurde ein STM32 Mini Board und ein 1.8" TFT Display (über SPI betrieben).
Der Mikrocontroller hat noch eine Menge freier Pins und wird später vielleicht auch um Temperatursensoren erweitert.
Das Gehäuse ist nur ein vorläufiger Testdruck... das bleibt jedenfalls nicht so.

Durchflussmessung

Der Sensor ist im Grunde relative simpel. Ein Magnetring ist an ein Schaufelrad aus Plastik befestigt und dreht sich entsprechend dem vorbeifließenden Wasser (dieser innere Bereich des Sensors ist abgedichtet). Daneben ist eine kleine Platine mit einem Hallsensor befestigt. Der Sensor schaltet je nach Position des Magnetfeldes des Rings, die Ausgangsspannung.
Der Sensor hat 3 Anschlüsse... 2 für Energieversorgung und einer, für das Ausgangssignal. Betrieben mit 5V ist eine vollständige Umdrehung ungefähr ein Takt am Ausgang.

Zur Auswertung hab ich 2 Wege in Betracht gezogen

  • Takte pro Zeiteinheit (je höher der Wert, desto mehr Wasser fließt durch den Sensor)
    Einfach innerhalb einer gewissen Zeit (z.B. 5 Sek) die Takte zählen und schon hat man einen Messwert. Diese Methode ist einfach, liefert nach einer bestimmten Zeit immer das Ergebnis und ist genauer, je schneller die Takte erfasst werden. Da hier die Takte aber langsam kommen, ist diese Methode eher weniger geeignet.
  • Zeit zwischen den Takten (je geringer der Wert, desto mehr Wasser fließt durch den Sensor)
    Hier wird in festgelegten Abständen gezählt (z.B. alle 10mS), sobald der nächste Takt kommt wird der Zähl wert als Messwert erfasst. Diese Methode führt allerdings sehr asynchron zu Messwerten... und wenn kein Takt kommt, gibt es so auch keinen Messwert.

Ich hab den Mikrocontroller so eingestellt, dass ein Flankenwechsel als Interrupt registriert ist.
Der Systemtimer erhöht regelmäßig den Zählwert, bis sich das Schaufelrad weit genug gedreht hat, um den Ausgang umzuschalten. So gibt es letztendlich 2 Messwerte pro Umdrehung des Schaufelrads. Zum zählen wird eine 16Bit Variable benutzt, der Messwert könnte also 0-65535 betragen. Bei mir kann er nur von 0 bis 10000 gehen... was folgenden Grund hat:
Bei 10000 wird der Messwert übergeben und der Zähler zurückgesetzt. Der Systemtimer erhöht den Zählwert jede mS um 1... wenn also innerhalb 10 Sec. kein Takt vom Sensor kommt, ist an diesem Messwert ein Stillstand des Schaufelrads erkennbar.
Momentan wird der Messwert auf einem Display angezeigt und bei gewissen Durchflussgrenzen ändert sich die Hintergrundfarbe. Keine ordentliche Darstellung, aber sie erfüllt fürs erste ihren Zweck.

Da der Wasserfluss mir etwas zu gering war, hab ich testweise eine 2te Pumpe eingebaut, diesmal aber eine Aquarium Tauchpumpe.
Die Durchflussmenge hat sich zwar nicht verdoppelt, aber doch beträchtlich erhöht. Inzwischen ist auch das Gehäuse für die Pyramide fertig. Die Einzelteile haben fast den gesamten Bauraum meines Druckers beansprucht. Da die Pyramide nicht unbedingt ästhetische Zwecke erfüllen musste, hab ich mein Resteplastik in blau und rot benutzt.

Der Kreislauf hat sich auch etwas geändert... die Eheim Pumpe mit dem AB ist jetzt am Ausgang des Radiators 1, während die Tauchpumpe in einem größeren Wasserbehälter nun in den PC pumpt. Aktuell ist es noch offen am Wasserbehälter, aber ich werde in absehbarer Zeit das noch ändern.




Zuletzt geändert am: Jun 20 2015 um 4:36 PM

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