Prozessorkühler

waermeleitpad01.jpg]] Prozessorkuehler Sockel 775 heatpipe.jpg mit Heatpipe im Vergleich mit einem Kühler für den Sockel 7]] Prozessorkuehler kupfer 1HE.jpg

Als Prozessorkühler werden Kühlkörper bezeichnet, die auf die speziellen Anforderungen bei der Kühlung von Mikroprozessoren ausgelegt sind. Meist sind es Kühler-Lüfterkombinationen, verbreitet sind auch rein passive Kühlkörper und Wasserkühler.

Aufgabe

Mikroprozessoren erzeugen im Betrieb, wie alle Halbleiter, Abwärme. Um eine Überhitzung zu verhindern, die zu Fehlfunktionen oder zur Zerstörung der Bauelemente führen kann, reicht die natürliche Wärmeabstrahlung bei modernen Prozessoren für Personal Computer nicht aus. Um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, muss die Abwärme möglichst schnell vom Prozessorkern abgeführt und die wärmeabgebende Oberfläche vergrößert werden. Dies geschieht mit Kühlkörpern, die meist aus Aluminium, in einigen Fällen auch vollständig aus Kupfer gefertigt werden, und in der Regel zusätzlich auf dem Kühlkörper angebrachten Lüftern. Wenn ein Kühlkörper aus Aluminium und Kupfer besteht, spricht man von einem Hybrid-Kühler.

Besonderheiten

Prozessorkühler unterscheiden sich in einigen Details von anderen Kühlkörpern und müssen einige besondere, teils widersprüchliche Anforderungen erfüllen.

Sie müssen sowohl mechanisch als auch in der Leistungsfähigkeit stets auf den jeweiligen Prozessor- bzw. Sockeltyp angepasst sein. Nahezu jede neue Prozessorgeneration erfordert neue und wegen der steigenden Verlustleistungen leistungsfähigere Kühler.
Die direkte Montage am Prozessorsockel oder auf der Hauptplatine erzwingt aus Gründen der mechanischen Stabilität eine Beschränkung des Gewichts. Die Hersteller geben bei modernen Systemen dafür Höchstwerte an.
Die Kühlwirkung kann durch den Einsatz von Lüftern wesentlich verbessert werden, jedoch steigt dadurch die Belästigung durch Lärm. Während dies in Serverräumen meist nicht stört, ist bei Arbeitsplatzsystemen auf die Einhaltungen von Arbeitsschutzrichtlinien zu achten und es sind möglichst leise Systeme anzustreben.
Im Gegensatz zu Leistungshalbleitern mit ihren meist großen Kontaktflächen fällt die Abwärme bei Prozessoren auf einer sehr kleinen Fläche an, so dass dem Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühler große Aufmerksamkeit entgegengebracht werden muss. Moderne CPUs und Grafikprozessoren erreichen Verlustleistungen von teilweise weit über 100 Watt auf einer Fläche, die kleiner als ein Fingernagel sein kann. Zum Vergleich: Die 18-cm-Kochplatte eines üblichen Elektroherds erreicht gerade einmal sieben bis zehn W/cm².

Kühlungstypen

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen,

1. Luftkühlungen

1.1 passiv: Die Abwärme wird durch über (meist) Heatpipes, abgeleitet und dann an die Umgebungsluft (des Gehäuseinneren) abgegeben.

1.2 aktiv: Der Kühlungsvorgang wird durch den Einsatz von Lüftern beschleunigt.

2. Wasserkühlung

Wasserkühlungen basieren darauf die Abwärme mithilfe des Wassers vom CPU weg zu bringen und das erhitzte Wasser darauf zu kühlen. (Die besseren Eigentschaften des Wassers als Kühlmittel werden hier genutzt)

2.1 offener Kreislauf: Als Wärmeaustauscher wird hier ein 'offenes' Gefäß (Eimer, Badewanne, Regentonne) entsprechender Größe genutzt. Das Wasser wird durch die Verdunstungsenergie wieder herabgekühlt.

2.2 aktiv: Ein (mit Lüftern gekühlter) Radiator führt durch die Oberflächenvergrößerung die entsprechende Abwärme ab.

2.3 passiv: entsprechend 2.2 ohne Lüfter

2.4 'Bongkühlung' Der Verdunstungseffekt aus 2.1 wird durch eine Bongkonstruktion immens vergrößert.

3. Kompresskühlung

Kompressionskältemaschine

Der Verdampfer liegt entweder direkt auf der CPU auf oder kühlt ein Kältemittel (z. B. Wasser oder andere Flüssigkeiten mit niedrigerem Schmelzpunkt).

4. Peltier

Peltier-Element

Welche durch den extrem schlechten Wirkungsgrad und der damit verbundenen Abwärme, aus der Mode gekommen ist.

Alternativen

Eine neue Generation von Prozessorkühlern arbeitet mit Heatpipes. Heatpipes sind, vereinfacht, dünne Rohre, meistens aus Kupfer, in denen eine spezielle Flüssigkeit oder ein Gas ist, welches die Wärme im Vergleich zu Metall erheblich schneller weiterleitet. Dieses Transportmedium tauscht dann die Wärme mit den Kühlrippen, die keine direkte Verbindung zum Prozessor haben müssen, aus und kann so wieder neue Wärme aufnehmen. Diese Kühler sind meistens größer als ihre Vorgänger, kommen unter Umständen ohne Lüfter aus und arbeiten dann auch völlig geräuschlos. Übliche Gehäuse für Personal Computer sind für diese Art Kühler jedoch meist nicht optimal ausgelegt, da sich die Wärme zu sehr staut, weshalb meist doch zusätzliche Lüfter eingesetzt werden, die jedoch relativ langsam und damit leise rotieren können.

Ein weiterer Weg sind Kühler, die aus Aluminium und Kupfer bestehen, so genannte Hybrid-Kühlkörper, die jedoch meistens einen herkömmlichen Lüfter besitzen. Hierbei werden die Vorteile beider Metalle optimal ausgenutzt: Kupfer leitet die Hitze schnell vom CPU-Kern (Die) weg, das Aluminium spart gegenüber Vollkupferkühlkörpern Kosten und vor allem Gewicht.

Lüfterlärm

Die Lüfter von Prozessorkühlern sind oft sehr laut. Große Kühler mit Lüftern mit einer relativ geringen Drehzahl (wesentlich unter 3000 U/min) sind meistens recht leistungstark und relativ leise, aber relativ teuer. Die Grafikkartenhersteller verbauen aus Platzmangel nur kleine Lüfter mit entsprechend hoher Drehzahl, um die gleiche Kühlleistung zu erreichen wie ein größerer Lüfter. Je schneller das Lüfterrad rotiert, desto lauter und penetranter wirkt dieser Lärm auf das menschliche Ohr. ES gibt noch die möglichkeit mit Sensoren an den Lüftern oder den Betrieb auf 7V zu betreiben, um die Lautstärke zu mindern. Dabei muss aber die Temperatur im Auge behalten werden. Alternativ gibt es auch passive Kühler. Bei Sapphire Grafikkarten heißt dies dann "Ultimat Edition".

Siehe auch

Hauptprozessor – Kühlung
SpeedFan – freies Mess- und Regelprogramm, u. a. für CPU-Lüfter