Kühlung Testberichte Wasserkühlung

Volumenstrom, Druckverlust und Kühlleistung am Beispiel eines CPU- und GPU-Wasserblocks | Praxiswissen

Ich möchte das Ganze nicht zu theoretisch aufbauen, habe aber beschlossen, aufgrund der positiven Resonanz zum letzten Artikel “Aqua Computer Durchflussmesser “High-Flow” im Labortest – Was kann ein Flow-Meter für 40 Euro?” nahtlos an diesem ersten Aufbau anzusetzen, das alles noch einmal etwas zu verfeinern und für den normalen Laboralltag mit den Tests von Wasserkühlungs-Komponenten nutzbar zu machen. Ich werden dabei aber die staubtrockene Theorie so kurz und allgemeinverständlich wie möglich halten und mich stattdessen auf praktische Beispiele konzentrieren, die jeder so oder so ähnlich ja auch in der eigenen Wasserkühlung wiederfindet.

Was mich aber brennend interessiert, sind die Druckverluste, die durch die großen Komponenten wie CPU-Kühler oder GPU-Wasserblock entstehen und die sich quasi aufaddieren, solange all diese Komponenten seriell, also in Reihe verschlaucht wurden. Weitere Druckverluste durch Turbulenzen, Biegungen, Verbindungen, Winkel usw. will ich an dieser Stelle einmal vernachlässigen, denn ich verwende für den Bypass B und die angeschlossene Komponente exakt die gleichen Schlauchlängen und Schnellverbinder bzw. Compressions, so dass man bei einem GPU Block effektiv wirklich nur die Differenz von Kühlblock und Terminal  erhält.

Testsystem und Testbedingungen

Das Kernstück des Messaufbaus sind eine potente Pumpe, die bis zu 200 l/h liefern kann, ein großer Ausgleichsbehälter im Kompressorkühler und ein externer mit zusammen fast 10 Litern Volumen (hier habe ich die Wassermenge wieder etwas reduziert), sowie der Kompressorkühler selbst, dessen Hysterese so eingestellt wurde, dass die Temperatur im Vorlauf bis zu 1000 Watt zugeführter Abwärme zwischen 19.5 und 20,5 °C gehalten werden kann. Geringere Abweichungen sind nicht machbar, allerdings lässt sich die Temperatur im Vorlauf ja messen und somit auch ein mögliches Delta zur Korrektur der gesammelten Messwerte über einen einheitlichen Zeitstempel verwenden. Zum Einsatz kommt sauber destilliertes Wasser, mehr nicht. Jegliche Schwebeteilchen würden die Messung nur verfälschen.

Um Schwankungen des Volumenstroms (“Durchflussmenge”)  im Bereich der Pumpe zu vermeiden, lasse ich diese ungeregelt bei maximaler Leistung laufen und regle stattdessen den Volumenstrom mit Hilfe des Bypasses A herunter. Dort kommt ein recht gut dosierbarer Kugelhahn zum Einsatz, der bereits recht grob den Volumenstrom im großen Kreislauf durch den “Kurzschluss” über den Bypass A abzusenken hilft. Dadurch teilen sich die Volumenströme auf den großen und kleinen Kreislauf auf, so dass die Pumpe selbst keinen signifikanten Gegendruck bekommt, der seinerseits dann die Drehzahl herunterdrücken könnte.

Um hier eine erste Referenzmessung vornehmen zu können, wird zunächst der Bypass B über den 2-Wege-Umschalter aktiviert. Mit dem recht präzisen Druckregelventil im Rücklauf des großen Kreislaufs, das auf eine große Untersetzung durch ein Schraubgewinde setzt, kann ich dessen Volumenstrom nun relativ genau und vor allem auch konstant und ohne große Schwankungen einstellen.  Selbst bei größeren Volumenströmen um die 3 l/m (also 180 l/h) beträgt die gemessene Schwankung nur maximal 0,01 l/m.

Wer sich fragt, warum ich das Ventil nicht im Vorlauf positioniert habe, dem kann man eine relativ einfache Antwort geben. Für den Volumenstrom als solchen ist die Position im Kreislauf eher unwichtig, allerdings entstehen am Ventil Turbolenzen, die man vor einem Einlauf möglichst vermeiden möchte. Außerdem lässt sich so auch das Anstauen von Luftbläschen vor den zu testenden Komponenten fast komplett ausschließen. Der ganze Aufbau liegt übrigens eben eben und bis auf die Komponenten ist die Verschlauchung weitgehend symmetrisch gestaltet.

Zur Ermittlung des Volumenstromes setze ich somit auf einen fest definierten Messaufbau, der zwischenzeitlich auch nicht “auseinandergepflückt” wird. Das Herzstück ist ein spezieller, hochpräziser Ultraschall-Durchflussmesser in Form des Keyence FD-Q10C. Dieser anklemmbare Durchflussmesser arbeitet völlig berührungsfrei und beeinflusst auch den Durchfluss im Kreislauf nicht. Die Genauigkeit übertrifft die der mechanischen Lösungen bei weitem, so dass man hier nach dem Kalibrieren einen echten Referenzwert für den Momentanvolumenstrom erhält.

Gespeist wird das Ganze über ein spezielles 4-Pin M12-Kabel aus einem externen Netzteil. Um dem verwendeten Rohr-Teilstück unter der Klemme exakt gerecht zu werden, habe ich die montierten Komponenten noch einmal in einem befreundeten Labor in Serienschaltung zu einem geeichten Gerät abgleichen lassen (M 1). Gemessen wird der Momentanvolumenstrom generell in Litern pro Minute (l/m), nicht pro Stunde. Das Gerät bietet neben der Grenzwertermittlung auch Differenzmessungen und einen frei definierbaren Nullpunkt an.

So gerüstet, kann man nun eine oder meinetwegen auch mehrere Komponenten im Messkreislauf bewerten und hat für die mehrfache Wertermittlung stets auch die Möglichkeit, in Echtzeit zwischen diesem Kreislauf und dem Bypass B umzuschalten, um eine mögliche Drift des Volumenstroms zu erkennen und gegebenenfalls etwas nachzuregeln. Wie sich das Ganze dann in der Praxis anlässt und was man dadurch an Erkenntnissen gewinnen kann, das zeigen die Messergebnisse auf der zweiten Seite.

Cooling System

ComponentDescription
Pump and CoolerAlphacool Chiller Eiszeit 2000
Flowmax. 200 l/h
Flow ControlBypass
Pressure Control Valves
Flow MeterKeyence FD-Q10C
Ultrasonic Flow Meter
Quick ConnectorsAlphacool Eiszapfen
Volume Flow20 to 200 l/h
Water Temperature20 °C (+/- 0.5 °C)
Other ComponentsTemperature Sensors
VGA Test Bench
CPU Test bench

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About the author

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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