Wenn der Luft die Puste ausgeht: Flüssigkeitskühlung

Hochleistungsprozessoren Wenn der Luft die Puste ausgeht: Flüssigkeitskühlung

19.03.2008Autor / Redakteur: Wolfgang Laufer, Ellen-Christine Reiff / Ines Stotz

Hochleistungsprozessoren lassen sich konventionell, also mit Luft, kaum mehr kühlen. Entsprechende Konstruktionen sind sehr aufwändig, teuer und laut. Eine neue Methode der Flüssigkeitskühlung bietet jetzt wesentlich effizientere Möglichkeiten, die Abwärme schnell und obendrein auch noch leise vom Prozessor abzuführen.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

FAULHABER Antriebssysteme

PEAK-System Technik GmbH

ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG

Flüssigkeitskühlung von elektrischen oder elektronischen Geräten und Bauteilen ist eigentlich nichts Neues. Bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die Endstufen von Hochleistungssendern mit Wasser gekühlt. Moderne halbleiterbestückte Sender haben zwar heute keine Wasserkühlung mehr; sie wird aber immer noch eingesetzt für Stromrichter in Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstromübertragung. Auch in modernen Personal Computern hat die Flüssigkeitskühlung vor einigen Jahren Einzug gehalten. Installations- und Wartungsaufwand machten entsprechende Lösungen für die Praxis trotz guter Kühlleistungen jedoch häufig uninteressant. Das hat sich nun geändert. Mit dem AquaCube hat der Motoren- und Lüfterspezialist ebm-papst St.Georgen ein neues Kühlsystem für Hochleistungscomputer und Server-Systeme entwickelt, das nicht nur durch Funktionalität, sondern auch durch Langlebigkeit und Zuverlässigkeit überzeugt. Das einbaufreundliche System wurde speziell für den Einsatz als OEM-Komponente entwickelt und kann sich durch seinen modularen Aufbau gut an unterschiedliche Applikationsanforderungen anpassen.

Der Wärmeaufnehmer: optimierte Geometrie und Strömungsmechanik

Prinzipiell besteht das System aus drei Modulen: dem LiquidCoolingCube, der neben dem Wärmetauscher auch eine neue (patentierte) Pumpen- und Lüftereinheit enthält, den Kühlmittelleitungen und dem eigentlichen Wärmeaufnehmer, der direkt auf dem Prozessor installiert wird. Eine ausgefeilte Geometrie und optimierte Strömungsmechanik sorgen hier für eine ausgesprochen gute Wärmeübertragung vom Prozessor auf das Kühlmittel. Die dünne Kühlplatte aus reinem Kupfer sitzt direkt über dem Prozessor. Auf der Flüssigkeitsseite ähnelt die Platte einem „Kühligel“. Ein „Stachelfeld“ vergrößert die Oberfläche und verbessert den Wärmeübergang. Durch die Anordnung der „Stacheln“ und des Düsenfelds, das die Kühlflüssigkeit zielgerichtet in das Feld einbringt, werden genau definierte Turbulenzen erzeugt. Dadurch verbessert sich die Anströmung der Zapfen enorm. Auch die Gestaltung der Abdeckung unterstützt diesen Effekt. Die wichtigste Voraussetzung für einen effektiven Wärmeabtransport ist damit geschaffen.
Die Werte, die sich durch diesen Aufbau für den Wärmewiderstand des Aufnehmers ergeben, sind beeindruckend. Sie werden mit 0,06 K/W angegeben. Das führt zu einem Wärmewiderstand des Gesamtsystems von etwa 0,12 K/W. Zum Vergleich: bei handelsüblichen Kühlkörpern, die für Prozessoren erhältlich sind, liegen typische Werte zwischen 1,5 und 2,0 K/W. Mit zusätzlichem Lüfter verbessert sich die Leistung auf ca. das 2,5- bis 3-Fache. Der Wärmewiderstand sinkt also auf etwa 0,5 bis 0,8 K/W, ist aber damit noch immer deutlich schlechter als bei der beschriebenen Flüssigkeitskühlung. Gleichzeitig ist die Montage des Wärmeaufnehmers einfach und praxisgerecht. Er lässt sich mit Hilfe seiner Befestigungsplatte auf allen aktuellen und auch zukünftigen CPUs besser montieren. Bei Bedarf ist die Befestigungsplatte zudem modifizierbar, kann also auch an spezielle Anforderungen angepasst werden.

Mehrschicht-Kühlmittelleitungen: wichtiger Beitrag zur Wartungsfreiheit

Auch in den Leitungen, die das Kühlmittel vom Wärmeaufnehmer zum Wärmetauscher hin und wieder zurück transportieren steckt eine gehörige Portion Know-how. Statt der früher üblichen einwandigen Schläuche verwendet man hier Mehrschicht-Leitungen. Das hat gleich mehrere Vorteile:
Die Schläuche sind absolut dicht, und zwar in beiden Richtungen. Die Kühlflüssigkeit bleibt also praktisch unter allen Bedingungen im System. Auch über sehr lange Betriebszeiten und bei sommerlichen Temperaturen kann nichts unauffällig verdampfen und die im Kühlsystem kreisende Flüssigkeitsmenge reduzieren. Andersherum kann aber auch von außen nichts eindringen, was für die Praxis mindestens ebenso wichtig ist. Gasbläschen im Kühlmittelkreislauf, die sich sonst ansammeln könnten, würden allmählich die Kühlleistung verschlechtern. Da das Material der Kühlmittelleitungen trotz seiner Widerstandsfähigkeit vergleichsweise kleine Biegeradien zulässt, kann sich das Kühlsystem gut an die jeweiligen Anwendungsgegebenheiten anpassen.

Lüfter-Pumpeneinheit: Durchdachte Konstruktion verhindert Leckage-Gefahr

Das Herzstück des Kühlsystems ist der LiquidCoolingCube, der in sehr kompakter Form alle Komponenten zusammenfasst, die zum Transport der Kühlflüssigkeit und zum Abführen der Wärme des Prozessors notwendig sind. Durchdachte Konstruktionsdetails sorgen hier für hohe Funktionalität: Während bei konventionellen Pumpen beispielsweise die Antriebswelle durch Dichtringe abgedichtet werden muss, gibt es bei dieser Lösung keine durch das Gehäuse geführten Wellen. Eines der größten Leckagerisiken bei Flüssigkühlsystemen ist damit beseitigt.

Es gibt keine durch das Gehäuse geführten Wellen. Eines der größten Leckagerisiken bei Flüssigkühlsystemen ist damit beseitigt. Der kugelgelagerte Antrieb des Lüfters wird gleichzeitig zum Antreiben der Pumpe genutzt. Beide Systeme sind über eine Magnetkupplung miteinander verbunden. (Archiv: Vogel Business Media)

Bei dem patentierten Konzept der Flüssigkeitskühlung wird außerdem der kugelgelagerte Läufer des Lüfters gleichzeitig zum Antreiben der Pumpe genutzt. Beide Systeme sind über eine Magnetkupplung miteinander verbunden, bleiben also trotzdem hermetisch voneinander getrennt. Der Rotor der Pumpe läuft in Lagern aus Hochleistungskeramik, die hydrodynamisch vom Kühlmittel geschmiert werden. Auch der Lüfter, der letztendlich die Wärme abtransportiert hat Einiges zu bieten. Sein aerodynamisches Verhalten wurde speziell auf den Einsatzfall abgestimmt; das Lüfterrad mit der bewährten ebm-papst Winglet-Technologie überzeugt durch sein besonders leises Laufverhalten. Gleichzeitig ist die Luftleistung so groß, dass man in vielen Anwendungen auf einen zusätzlichen PC-Gehäuselüfter verzichten kann. Der Lüfter ist zudem über eine PWM-Schnittstelle regelbar; d.h. ein temperaturangepasster, lastabhängiger Betrieb des Kühlsystems ist möglich.

Skalierbar, zuverlässig und einfach zu installieren

Durch die hohe Kühlleistung des Systems lassen sich an einer Lüfter-Pumpeneinheit bei Bedarf auch mehrere Wärmeaufnehmer anschließen, z.B. für eine weitere CPU und/oder Prozessoren der Grafikkarte. Für OEM-Anwender erschließen sich dadurch interessante Möglichkeiten. Denn sie bekommen auch in solchen Fällen das fertig konfektionierte System komplett befüllt und einbaufertig geliefert. Auf hohe Qualität kann man sich dabei verlassen. Vor der Auslieferung wird jedes einzelne Flüssigkühlsystem elektronisch und mechanisch auf Herz und Nieren geprüft. Ein Leckagetest mit Helium in der Endabnahme beispielsweise ist obligatorisch.

Erst wenn alle Testreihen erfolgreich abgeschlossen sind, wird das fertige Kühlsystem verpackt und ausgeliefert. Durch das leistungsfähige, wartungsfreie und langlebige System der neuesten Generation werden sich der Flüssigkeitskühlung in Hochleistungs-Computern viele Anwendungsbereiche erschließen. Immer dann, wenn die konventionelle Luftkühlung an ihre Grenzen stößt, bietet sie sich als praxisgerechte Alternative an.

Wolfgang Laufer, Entwicklungsingenieur bei ebm-papst St. Georgen und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee

(ID:244421)