Leiser PC durch wassergekühltes Netzteil

Auf dieser Seite berichte ich von meinen Erfahrungen beim Versuch, einen möglichst leisen PC aufzubauen. Und zwar durch Umrüstung des Netzteils auf Wasserkühlung. Um es vorweg zu nehmen: durch ein wassergekühltes Netzteil kann man die Hauptlärmquelle eines PC eliminieren und tatsächlich zu einem recht leisen Computer kommen. Der handwerkliche und zeitliche Aufwand dafür ist jedoch beträchtlich und wer nicht über einige Erfahrung in Elektronik-Arbeiten verfügt, sollte wegen der Gefahren für sich und seinen Computer die Finger davon lassen.

Die meisten Komponenten eines PCs gibt es inzwischen in recht leisen Ausführungen. Hardware-Tests, die neben der Funktionalität auch die Geräuschemission messen und bewerten (z.B. in der c't), helfen, in dem großen Angebot an Festplatten, Laufwerken und CPU-Lüftern die stillen Vertreter zu finden.
Leider bildet gerade die Komponente, die in der Regel die Hauptlärmquelle darstellt, eine Ausnahme: das Netzteil, bzw. dessen Lüfter. Da dieser nicht nur die Stromversorgung selbst kühlen muß, sondern auch für die Frischluftzufuhr im PC-Gehäuse und damit letztlich auch für die CPU-Kühlung verantwortlich ist, ist er üblicherweise recht großzügig dimensioniert und entsprechend laut. Extra leise Netzteile gibt es zwar auf dem Markt, aber sie sind extrem teuer. Das Gleiche gilt für leise Komplett-PCs.

Um dieses Geld zu sparen und aus bastlerischem Ehrgeiz beschloß ich auszuprobieren, was sich durch Umrüstung eines handelsüblichen 'Billig'-Netzteils auf passive Wasserkühlung an Lärmreduzierung erreichen läßt. Mit passiv ist hier gemeint, daß das Wasser nicht durch einen Lüfter sondern durch bloße Konvektionskühlung, also lautlos, zurückgekühlt wird.

Bei allen anderen Komponenten des Rechners habe ich die leisesten Modelle eingesetzt, die derzeit (Sommer 2002) erhältlich sind. So verwende ich einen Verax-Kühler für den Athlon XP 1700 Prozessor und ein Mainboard ohne Northbridge-Lüfter. Da ich kein Fan von Computerspiele spielen bin, brauche ich glücklicherweise auch keine High-End-Grafikkarte, die ja heute nicht mehr ohne eigenen Prozessorlüfter auskommen.

Umbau des Netzteils

Wenn man ein PC-Netzteil öffnet, erkennt man die Bauteile, die einer Wasserkühlung bedürfen daran, daß sie auf Kühlkörpern montiert sind. Es sind die Transistoren, mit denen die Induktivitäten geschaltet werden, um die Netzspannung auf die vom PC benötigten 5V und 12V herunter zu transformieren.

An dieser Stelle nochmal die Warnung vor Eingriffen in das Netzteil. In einem Schaltnetzteil gibt es keinen Netztransformator, d.h. viele Teile der Elektronik liegen auf Netzspannung.

Die Kühlkörper bestehen aus Aluminum, das sich für eine Wasserkühlung nicht eignet. Das liegt zum einen daran, dass es sich nur schwer löten läßt und zum anderen daran, dass man es in einem Wasserkreislauf aus Gründen der Korrosion nicht zusammen mit Kupfer einsetzen sollte. Die Aluminium-Kühlkörper wurden daher durch solche aus Kupfer ersetzt, die ich aus einem 3mm starken Blech ausgeschnitten habe.

Bild 1: die zwei Aluminium-Kühlkörper des Netzteils werden durch Kupferausführungen ersetzt.

Auf diese habe ich jeweils ein U-förmig gebogenes Kupferrohr mit 4mm Außen- und 3mm Innendurchmesser gelötet, durch die später das Kühlwasser fließt. Die Rohre sind untereinander und mit den anderen Komponenten des Kühlsystems durch Silikonschläuche verbunden, die mit Kabelbindern gesichert sind.

Bild 2: Die Kühlschlangen bestehen aus einem aufgelöteten U-förmigen Kupferrohr.

Da Kupfer erheblich schwerer ist als Aluminium, muß man die Kühlkörper mechanisch stabil mit der Leiterplatte verbinden. Andernfalls riskiert man, daß bei einem Transport des Rechners die Kühlkörper samt Transistoren abreißen.

Da der Netzteillüfter, wie bereits erwähnt, auch für die Luftumwälzung im PC-Gehäuse verantwortlich ist, darf man ihn nicht völlig still legen. Ich habe stattdessen den Temperaturfühler der Temperaturkontrolle abgeklemmt, so dass der Lüfter permanent mit Minimaldrehzahl läuft.

Der Rückkühler - Berechnung der Kühlleistung

Der Wasser-Rückkühler sollte ohne zusätzlichen Lüfter auskommen. Daher galt es zunächst herauszufinden, welche Kühlleistung sich mit einem passiven Kühler überhaupt erreichen läßt. Kühlkörper geben Wärmeenergie auf zwei Wegen ab: durch Konvektion, d.h. durch Abgabe der Energie an die vorbeiströmende Umgebungsluft, und durch Strahlung. Die Wärmeabgabe einer senkrechten Fläche durch Konvektion findet man in physikalischen Handbüchern oder im Internet. Sie beträgt

Darin ist F die Fläche in qm und dT die Temperaturdifferenz zwischen der Fläche und der Umgebungsluft. Das heißt, eine Fläche von einem Quadratmeter, die 1 Grad wärmer ist als ihre Umgebung, gibt eine Leistung von 10W ab.

Die Formel für die Wärmestrahlung findet man in jedem Physiklehrbuch:

Die Kühlkörper- und die Umgebungstemperatur sind hier als absolute Temperaturen in Kelvin einzusetzen. Die Größe e ist der Emissionsgrad der Oberfläche, der je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit zwischen 0 und 1 liegt. Für matt schwarz lackierte Flächen kann man mit e=0.9 rechnen. Für den Temperaturbereich um 50°C, der hier von Interesse ist, kann man die Formel linearisieren und erhält:



In Summe ergibt das also eine Kühlleistung von etwa 16W pro Quadratmeter Kühlfläche und Grad Temperaturdifferenz.

Der Kühler sollte auf die Seitenwand des PC montiert werden und war daher in seinen Abmessungen auf maximal 40cm x 40cm begrenzt. Für die Konvektionskühlung sind beide Seiten wirksam, für die Wärmeabgabe durch Strahlung aber nur die äußere, da die innere sich zu dicht an der annähernd gleich warmen PC-Wand befindet. Für die angestrebte Kühlfläche addieren sich die abgegebenen Leistungen daher zu etwa 2W/°C. Bei einer Wassertemperatur von 50°C und einer Umgebungstemperatur von 20°C werden also 60W abgegeben. Das reicht aus, um ein 250W-Netzteil mit einem Wirkungsgrad von 75% (ein typischer Wert für ein Allerwelts-Netzteil) auch unter Vollast zu kühlen.

Würde man gleichzeitig noch einen Prozessor mit 60W Verlustleistung in den Kühlkreislauf einbinden, würde die Wassertemperatur auf 80°C steigen. Wegen des unvermeidlichen thermischen Übergangswiderstandes zwischen Prozessorchip und Kühler läge die Chiptemperatur noch deutlich darüber und damit in einem nicht mehr zulässigen Bereich. Für die gleichzeitige Kühlung von Netzteil und Prozessor reicht ein Rückkühler dieser Größe also nicht aus.

Der Aufbau des Rückkühlers

Der Kühler besteht aus einem Kupferrohr mit aufgelötetem Kupferblech. Das Rohr hat einen Außendurchmesser von 6mm und einen Innendurchmesser von 4mm, die Gesamtlänge beträgt etwa 1.5m. Das Blech ist 0.5mm dick, was eine homogene Temperaturverteilung über die gesamte Fläche garantiert.

Bild 3: der Rückkühler vor dem Lackieren, nicht schön aber wirkungsvoll. (weitere Bilder: von schräg vorn, von vorn)

Am höchsten Punkt des Wasserkreislaufs ist ein kleiner Ausgleichsbehälter angebracht, der das Erstbefüllen des Systems und das alle paar Wochen erforderliche Nachfüllen vereinfacht. Der Verschluß ist nicht völlig luftdicht, so dass das Kühlsystem nicht unter Druck steht.

Bild 4: Ausgleichsbehälter zum Befüllen des Systems

Die Pumpe

Als Pumpe kommt die in der Wasserkühlszene beliebte und bewährte Eheim 1046 zum Einsatz. Ich habe sie auf dem Bodenblech des PC-Gehäuses platziert. Sie muß mechanisch entkoppelt eingebaut werden, damit sich ihre Vibrationen nicht auf das Gehäuse übertragen. Wenn man das beachtet, ist sie im Betrieb nahezu unhörbar.
Die Netzspannung bezieht die Pumpe direkt aus dem Netzteil, so daß es unmöglich ist, den Rechner versehentlich mit nicht eingeschalteter Pumpe zu betreiben.

Bild 5: schwingungsentkoppelter Einbau der Pumpe mittels Silikonstreifen

Ergebnis und weitere Maßnahmen

Nach der Inbetriebnahme des Systems ergab sich folgendes (akustische) Bild: die Pumpe ist, wenn das System luftfrei ist, was einige Stunden dauern kann, bei geschlossenem PC-Gehäuse so gut wie nicht zu hören. Das gilt ebenso für den Verax-Lüfter der CPU. Das noch verbleibende Geräusch setzt sich aus dem Rauschen des mit Minimaldrehzal laufenden Netzteillüfters, dem Laufgeräusch der Festplatte und einem undefinierbaren Summen aus dem Netzteil zusammen.

Das Summen des Netzteils war subjektiv der störendste Anteil. Die Ursache sind vermutlich durch die Schaltvorgänge erzeugte Schwingungen der Induktivitäten und Übertrager, die sich auf die Gehäusebleche übertragen. Ich habe das Netzteilgehäuse daher an allen zugänglichen Flächen mit selbstklebenden Dämmmatten aus Bitumen beklebt, die als Teil von Geräuschdämmungssets für PCs erhältlich sind (z.B. bei Conrad Electronic). Das Summen wurde dadurch merklich leiser.

Links

c't - Artikel:
Ruhig gestellt - Der Weg zum leisen PC
Leiser rechnen - So baut man einen leisen PC

Anbieter von Komponenten zu den Themen Wasserkühlung und Leiser PC:
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26.11.2002