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Einsteiger-Tutorial: PC-Luftkühlung richtig planen und zusammenbauen

Über den Kamineffekt schrieben wir schon im ersten Teil. Allerdings reicht dieser Luftstrom allein nicht aus, und man muss bei sehr viel produzierter Abwärme zusätzlich am Luftstrom arbeiten. Hierfür setzt man sogenannte Gehäuselüfter ein, die sich wiederum durch sehr viele Merkmale unterscheiden können. Vor allem die richtige Auswahl und Bemessung der Lüfter entscheidet später über Kühlleistung und Schallkulisse. Auch wenn Luftdurchsatz und entstehende Geräusche im direkten Zusammenhang stehen – es gibt einige Regeln, um möglichst viel Durchsatz bei möglichst geringer Lärmentwicklung zu erreichen. Doch dazu etwas später mehr.

Groß oder klein?

Die Größe des zu verwendenden Lüfters ist natürlich fast immer vom Gehäuse und den darin befindlichen Bohrungen vorgegeben. Für derartige Lüfter gibt es deshalb gebräuchliche Standardgrößen. Uns interessieren hierbei lediglich die Größen von 60, 80, 92, 120 und 140mm, größere Lüfter sind in der Regel bereits in den Gehäusen fest verbaut. Natürlich ist ein Lüfter in erster Linie da, um mittels eines Lüfterrades ähnlich wie ein Flugzeugpropeller einen Luftstrom zu erzeugen. Die Logik dabei führt an dieser Stelle bereits zu zwei Schlussfolgerungen: je schneller sich ein Kühler dreht und je größer er ist, um so mehr Luft kann befördert werden – wobei wiederum unangenehme und störende Geräusche entstehen können.

Verallgemeinernd kann man jedoch sagen: um so langsamer ein Lüfter dreht, um so leiser ist er. Den entstehenden Leistungsverlust kompensiert man dann durch die Größe. Kernaussage: ein großer, langsam drehender Lüfter ist einem kleineren, schnell drehenden Lüfter jederzeit vorzuziehen. Deshalb liegen die gebräuchlichen Lüftergrößen aktueller Gehäuse bei 120mm und neuerdings auch bei 140mm. Kleinere 80mm-Lüfter sollten schon aus Gründen der Geräuschentwicklung möglichst vermieden werden. Auch darauf ist also beim Neukauf eines Gehäuses zu achten. Wir werden im Kapitel zu den Lüfterempfehlungen jedoch auch einen preisgünstigen 80mm-Lüfter vorstellen, der zumindest für Nachrüster eine Entlastung für die Ohren bieten könnte.

Lüfteranschluss und Regelung

Die Lüfter können geregelt oder ungeregelt ausgelegt sein. Man erkennt die Möglichkeiten einer eventuellen Regelung bereits an den jeweiligen Lüftersteckern. Wir gehen später noch genauer auf die Spannungen und Möglichkeiten einer Umbelegung ein, um auch die Drehzahlen mit einfachen Mitteln zu beeinflussen. Generell gilt jedoch, dass alle Gehäuselüfter mit 12 Volt Anschlussspannung betrieben werden. Diese wird entweder vom Mainboard oder dem Netzteil direkt bereit gestellt. Sogenannte Powerlüfter mit mehr als 2 Watt Leistung sollten immer direkt vom Netzteil gespeist werden.

Hier werden die großen Molex-Stecker verwendet, bei denen von den eigentlichen 4 Polen nur 2 Pole belegt sind: Masse und 12 Volt. Die kleineren, sogenannten “Lüfter-Stecker” sind ebenfalls eigentlich Molex-Stecker, jedoch in kleinerer Ausführung (Namensgeber ist hierbei ebenfalls die Firma Molex, die quasi einen Standard für solche Stecker schuf). Diese kleineren Stecker sind für den Anschluss am Mainboard oder Lüftersteuerungen gedacht.

Die kleinen Stecker enthalten in der 3-poligen Ausführung noch die Rückgabe des sogenannten Tachosignals, um die Drehzahl auslesen zu können. 2- und 3-polig angeschlossene Lüfter können nur über die Änderung der Spannung geregelt werden. 4-polige Lüfter finden vor allem bei CPU-Kühlern Verwendung, hier kann die Drehzahl von außen mit Hilfe der sogenannten PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuert werden (z.B. temperaturabhängig).

Was ist eigentlich der Durchsatz?

Einfache Antwort: die Menge an Luft, die in einer bestimmten Zeit durch den betreffenden Lüfter befördert werden kann. Somit ist diese Angabe für uns ein sehr wichtiges Merkmal. Leider werden für diese Angabe verschiedene Einheiten genutzt, was vor allem Laien durchaus verwirren kann. Im Englischen (und den meisten Herstellerangaben) nutzt man eher die Angabe in cfm (cubic foot per minute), während im deutschen Handel überwiegend m³/h (Kubikmeter pro Stunde) genutzt wird. Damit ist das Durcheinander geradezu komplett. Wir wollen jetzt nicht mit dem kompletten Rechenweg langweilen, sondern dem Leser eine einfache Vergleichs- und Umrechnungshilfe bieten. Hier also die vereinfachte Umrechnungstabelle:

AusgangsgrößeUmrechnungsfaktorZielgröße
1 m³/hx 0.588670.58867 cfm
1 cfm/ 0.588671.69874 m³/h

Rechenbeispiel:

Passend zum Sommer kaufen wir in einem deutschen Elektromarkt einen Tischventilator mit einem Durchsatz von 840 m³/h. Wie lautet der gleichbedeutende Wert beim US-amerikanischen Hersteller in cfm? Wir rechnen folgerichtig: 840 x 0.58867 =494.4828. Gratulation! Wir sehen also, dass es im Prinzip gar nicht so schwer ist

Wie entstehen Lüftergeräusche und was ist das eigentlich?

Geräusche sind meist ein buntes Frequenzgemisch und somit eigentlich sehr schwer genau zu definieren. Wenn man die technischen Daten der Lüfter betrachtet, wird der sogenannte Schallpegel des Lüfters im Betrieb in dB (Dezibel) bzw. dB(A) oder in Sone (Lautheit) angegeben. Nachteil dieser Werte: man weiß immer noch nicht, wie sich ein solcher Lüfter im Betrieb wirklich anhört. Ob und wie man ein Geräusch als störend empfindet, entscheiden viele Faktoren. Leichtes Rauschen, brummiger Motor, Lagergeräusche?  Ein Lüfter mit einem niedriger angegebenen Schallpegel kann also in einigen Fällen durchaus unangenehmer in Erscheinung treten, als der vermeintlich “lautere”.

Hier rauscht es sicher gewaltig! Vor allem die Rotorblätter (Schaufeln) eines Lüfters tragen zur Geräuschkulisse bei. An den Blattkanten entstehen je nach Qualität der Ausführung und Drehzahl mehr oder weniger ausgeprägte Abrissgeräusche. Außerdem wirken Oberfläche, Stellung der Blätter (Steilheit) und deren Anzahl auf den Schallpegel aktiv ein. Gewellte Blattkanten und Blattformen, Golfball-Design und andere Gimmicks sollen bei einigen Herstellern zu geringerer Geräuschentwicklung beitragen. Außerdem können Luftschwingungen durch zu nahe an Gitterabdeckungen und Blenden drehende Propeller entstehen, man erhält dann den sogenannten “Sireneneffekt”.

Gleit- oder Kugellager. Oder was sonst?

Zusätzliche Geräusche können vom Antrieb kommen und sind vor allem bei niedrigeren Drehzahlen oft störend, weil “brummig”. Schleifende oder klackernde Lagergeräusche lassen sich ebenfalls nicht so einfach in Zahlen fassen, wirken allerdings ebenfalls vordergründig störend. Kugellager (ball bearing) laufen etwas leichter als Gleitlager (sleeve bearing) und besitzen in der Regel in Abhängigkeit der Schmierung/Lagerung eine recht brauchbare Lebensdauer. Werden diese Lüfter jedoch in billigen Ausführungen mit nur einem einzelnen Kugellager versehen, dann entstehen bedingt durch die Rotationsbewegung und durch die Luftverwirbelungen zusätzlich ungewollte Querkräfte, die einen Verschleiß Fördern und zum gefürchteten “Klackern” führen.

Öffnen wir mal einen Lüfter und sehen ein typisches, sehr einfaches Gleitlager. Nicht sonderlich leise, aber im Notfall sogar noch reparabel.

Typisches einfaches Gleitlager. Nicht sonderlich leise, aber im Notfall reparabel.

Doppelt kugelgelagerte Lüfter kennen dieses Problem nicht. Gleitlager sind allerdings meist sogar etwas leiser und in der Ausführung als Keramiklager besitzen sie zudem auch noch die größte Lebensdauer, denn Keramik besitzt bei entsprechender Oberflächengüte den mit Abstand geringsten Reibungswiderstand. Generell sollte man jedoch gute kugelgelagerte Lüfter denen mit einfachem Gleitlager vorziehen, wobei man mit doppelt kugelgelagerten Lüftern den besten Kompromiss aus Lautstärke und Haltbarkeit erhält. Der Rest ist wie immer so reine Glaubenssache, denn bei hochqualitativen Ausführungen verwischen die Grenzen. Wir sehen nun einen zwerlegten Lüfter mit Kugellager. Läuft sich dieses fest, ist der Lüfter ein Fall für die Tonne.

Lüfter mit Kugellager. Läuft sich dieses fest, ist der Lüfter ein Fall für die Tonne.

Wir wollen an dieser jedoch keinen Fachvortrag für Aerodynamik und Maschinenbau halten. Außerdem gibt es noch weitere Lager-Arten, die sich marketingwirksam durch die Folien der Hersteller treiben lassen. Vom Grundprinzip her sind sie aber ähnlich, auch wenn dann noch z.B. diverse Flüssigkeiten zum Einsatz kommen.  Egal also, ob flüssigkeitsgelagert oder sonstige “Erfindungen” beworben werden, oftmals sind am Ende die besten Lösungen nicht die teuersten und aufwändigsten. Der resultierende Durchsatz befindet im Verhältnis zur Lautstärke und dem Klangeindruck also über die Qualität des Produktes. Je geringer letztere Werte bei möglichst hohem Durchsatz sind, desto geeigneter wird das Produkt für unseren Einsatz sein.

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Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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