Prozessorkühler

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.

Hybridkühler mit Kupferkern und Wärmeleitpad

Zwei Vollkupferkühler

Eine durch Überhitzung geschmolzene VIA-CPU

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

Semi passive Luftkühlung.

Komponenten eines Kühlers mit Montagematerial für unterschiedliche Prozessorsockeltypen

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen

1. Luftkühlung
   1. passiv: Die Abwärme wird über Kühlkörper an die Umgebungsluft abgegeben. Bei höheren Leistungen wird sie über Wärmerohre geleitet und dann an die Umgebungsluft (des Gehäuseinneren) abgegeben.
   2. aktiv: Die meistverbreitete Kühlungsmöglichkeit nutzt die erzwungene Konvektion. Dabei wird den Kühlrippen oder Nadeln ein Druckgradient mit Hilfe eines Lüfters aufgeprägt. Dadurch erhöht sich der Wärmeübergang zur Luft maßgeblich. Die angesaugte Luft sollte deshalb nicht dem Abluftstrom entnommen wird, wie es bei der CPU-Kühlung üblich ist. Auch die aus dem Netzteil austretende Heißluft sollte nicht durch die gleich darunter liegenden Lüftungslöcher in das Gehäuse (und zur CPU) gezogen werden.
   3. semi passiv: Im (1HE) Rack-Serverbereich weit verbreitete Kühlungsmöglichkeit, die ebenfalls die erzwungene Konvektion nutzt. Jedoch ist hier kein Lüfter auf dem Kühlkörper montiert. Stattdessen befindet sich vor der Systemplatine eine „Wand“ aus 40-mm-Lüftern mit sehr hoher Leistung, die so die Abwärme durch das Belüftungsgitter der Rückwand drücken. Hierzu sind die zu kühlenden Elemente (z. B. Speicherriegel) parallel zum Luftstrom angebracht.
2. Wasserkühlung (siehe auch PC-Wasserkühlung)
   Wasserkühlungen basieren darauf, die Dissipationsenergie der Prozessoren an einen Wassermassenstrom abzugeben. Durch die hohe Wärmekapazität des Wassers arbeitet sie sehr träge.
   1. offener Kreislauf: Als Wärmeüberträger wird hier ein „offenes“ Gefäß (Eimer, Badewanne, Regentonne) entsprechender Größe genutzt. Zum einen gibt das Fluid durch freie Konvektion an der Körperwand und zum anderen durch Verdunstung Wärme ab.
   2. aktiv: Der mit Lüftern erzeugte Luftstrom führt die Wärme über die größeren Oberflächen des Radiators ab.
   3. passiv: entsprechend 2.2 ohne Lüfter
3. Kühlung mit flüssigem Stickstoff
   Eine in der Computer-Tuning-Szene angewandte Möglichkeit, welche den niedrigen Siedepunkt von Stickstoff (–195,80 °C) ausnutzt, um extrem übertaktete CPUs effektiv zu kühlen, was mit Luft- oder Wasserkühlung bei diesen CPU-Temperaturen nicht mehr möglich wäre. Da eine Wasserkühlung aber in den allermeisten Fällen zur CPU-Kühlung ausreicht und eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff teuer und nicht ohne weiteres dauerhaft möglich ist, wird sie nur zu experimentellen Zwecken (Rekordversuche) genutzt. Kühlungen mit flüssigem Stickstoff sind daher auch nicht kommerziell erhältlich, sie müssen selbst gebaut werden.
4. Kompressionskühlung, Kompressionskältemaschine
   Der Verdampfer liegt entweder direkt auf der CPU auf oder kühlt ein Kältemittel (z. B. Wasser oder andere Flüssigkeiten mit niedrigerem Siedepunkt).
5. Peltier, Peltier-Element
   Ist durch den schlechten Wirkungsgrad und der damit verbundenen zusätzlichen Abwärme aus der Mode gekommen.
6. Trockeneiskühlung, Trockeneis
   Funktioniert prinzipiell wie die Stickstoffkühlung, nur dass Trockeneis als kühlendes Medium eingesetzt wird.

Alternativen

Prozessorkühler für Sockel 775 mit Wärmerohr im Vergleich mit einem Kühler für den Sockel 7

Eine neue Generation von Prozessorkühlern arbeitet mit Wärmerohren (engl: Heatpipes). Wärmerohre sind – vereinfacht ausgedrückt – dünne Rohre, meistens aus Kupfer, in denen sich ein Transportmedium (eine spezielle Flüssigkeit oder ein Gas) befindet, welches, im Gegensatz zu Metall, die Wärme nicht durch Leitung, sondern durch Konvektion transportiert. Dieses Transportmedium gibt dann die Wärme an die Kühlrippen ab, die keine direkte Verbindung zum Prozessor haben müssen. Danach gelangt das abgekühlte Transportmedium zurück zum Prozessor und kann dort 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 noch ein zusätzlicher Lüfter eingesetzt werden sollte.

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 aktiven Prozessorkühlern verursachen im Betrieb Lärm. Übliche Größen zur Beurteilung des Lärms sind die Lautheit, der Schalldruckpegel oder der Schalleistungspegel. Die Lautheit wird üblicherweise in Sone angegeben. Schalldruckpegel und Schalleistungspegel werden üblicherweise in Dezibel (dB(A)) oder Bel angegeben.

Passive Prozessorkühler arbeiten geräuschlos, da keine bewegten Teile vorhanden sind. Sie können nur dort zum Einsatz kommen, wo Prozessoren so wenig Leistung in Wärme umsetzen, dass eine passive Kühlung ausreicht.

Die meisten heute üblichen Prozessoren benötigen eine aktive Kühlung. Je nach Größe des verwendeten Kühlkörpers variiert die Kühlleistung. Ebenso hängt die Kühlleistung auch mit dem Volumenstrom der über den Kühler geblasenen Luft zusammen.

Große Lüfter, die auf großen Kühlern zum Einsatz kommen, erzeugen den benötigten Volumenstrom bei kleineren Drehzahlen als kleine Lüfter, die auf kleineren Kühlern zum Einsatz kommen. Diese großen, langsam drehenden Lüfter erzeugen hörbar weniger Lärm als kleine, schnell drehende Lüfter.

Lüfterlose Grafikkartenkühlung mit Wärmerohren

Grafikkartenhersteller verbauen aus Platzmangel oft nur kleine Lüfter mit entsprechend hoher Drehzahl. Es zeichnet sich aber auch hier ein Trend zu großflächigen Kühlkörpern ab, die dann passiv gekühlt sind oder Lüfter mit größeren Durchmessern verwenden.

Zur Reduktion der Lautstärke von Lüftern kann man diese oft mit reduzierter Spannung (z. B. 7 Volt statt 12 Volt) betreiben. Auch aktive Lüftersteuerungen können zu diesem Zweck zum Einsatz gelangen, u. a. mittels Pulsweitenmodulation (4-polige Stecker). Dabei muss man aber beachten, dass die derart reduzierte Kühlleistung noch ausreicht, um die Temperatur in einem erwünschten Bereich zu halten.

Da Bürolärm als Stressfaktor und auch gesundheitsgefährdend gilt, dürfen z. B. in Österreich nach gesetzlichen Vorschriften bei einfacher Arbeit 70 dB(A) und bei hauptsächlich geistiger Arbeit 50 dB(A) nicht überschritten werden.

Siehe auch

• Hauptprozessor – Kühlung
• Notebook-Kühler
• SpeedFan – freies Mess- und Regelprogramm, u. a. für CPU-Lüfter
• Online-Entwurf von Axialventilatoren: Berechnungsapplikation zur Dimensionierung von axialen Ventilatoren und CPU-Lüftern