Gefrierschrank-PC: «Wir wollen die CPU auf konstant 20 Grad Celsius kühlen»

Im Dezember 2019 baue ich für Kollege Simon Balissat einen wassergekühlten PC. Das Spezielle an dem Teil: Ich verwende Kupferrohre statt Kunststoffrohre. Ein paar Tage später habe ich eine Mail von Bernhard Vetsch im Posteingang. Er ist Kältetechnikentwickler und Chief Technology Officer bei ThermodynamX. Er muss wissen, wie man Kühlsysteme verbaut und gibt mir konstruktives Feedback zu meiner Vorgehensweise. Aber viel wichtiger: Er macht mir einen Vorschlag, den ich als PC-Fan nicht ausschlagen kann. Er will eine Kompressionskälteanlage für eine CPU bauen.

Hi Bernhard. Erstmal: Was ist eine Kompressionskälteanalge überhaupt?
Bei einer Kompressionskältemaschine durchläuft ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf verschiedene Aggregatzustände. Das zunächst gasförmige Kältemittel wird in einem Kompressor verdichtet. Dabei wird es stark erwärmt und geht in einen Wärmeübertrager, wo es die Wärme abgibt und sich dabei verflüssigt. Der Kompressor zwingt die Flüssigkeit durch eine Verengung im Kältekreis – durch die Druckveränderung kühlt das Kältemittel stark ab. Von hier aus geht es weiter in einen zweiten Wärmeübertrager, wo das Kältemittel Wärme aufnimmt und verdampft. Es wird also wieder gasförmig und kann wieder in den Kompressor gelangen. Dieser hält den Prozess aufrecht. Die Wärmeaufnahme im zweiten Wärmeübertrager verstehen wir als Kühlleistung. Es handelt sich also in diesem Fall um eine aktive Kühlung.

So eine Anlage wollt ihr bei ThermodynamX jetzt in einen PC bauen. Wodurch unterscheidet sich das Projekt von deiner alltäglichen Arbeit?
Bei unserer Arbeit setzen wir uns grösstenteils damit auseinander, etwas auf eine bestimmte Temperatur zu kühlen. So soll es konserviert werden oder einen Prozess ermöglichen.

Was ist bei der CPU anders?
Die Wärmeentwicklung schränkt die Leistungsfähigkeit und Nutzbarkeit ein. Dort geht es also um eine Wärmeabfuhr, damit der Prozessor leistungsstark und zuverlässig arbeiten kann. Je mehr Wärme abgeführt wird, desto mehr Leistung lässt sich rausholen. Damit haben wir uns bis jetzt noch nicht auseinandergesetzt.

Inwiefern fliessen PC-Wasserkühlungen in eure Überlegungen ein?
Eine PC-Wasserkühlung hat ähnliche Komponenten verbaut wie eine Kompressionskältemaschine: Ein Radiator, der die Wärme an die Umgebungsluft abgibt, eine Wärmekopplung zur CPU, welche die Abwärme der CPU aufnimmt und eine Pumpe, die den Kreislauf in Gang hält.

Kannst du also PC-Wasserkühlungskomponenten verwenden?
Aufgrund des Arbeitsdrucks bei den Kältemitteln ist man bei speziellen Wasserkühlungskomponenten für den PC eingeschränkt. Also etwa dem Kühlelement auf der CPU oder dem Radiator. Dann habe ich erfahren, dass bei speziellen Wasserkühlungskomponenten maximal acht bar beim Radiator zugelassen sind. Bei CPU-Kühlkörpern meist sogar nur zwei bar. Deshalb habe ich aber von dieser Idee abgelassen. So sind wir bei der Wahl des Kältemittels nicht eingeschränkt.

Welches Kältemittel kommt in Frage?
Erst habe ich an Isobutan gedacht. Der Arbeitsdruck dieses natürlichen Kältemittels ist relativ gering, liegt aber immer noch im Bereich von fünf bar Überdruck. Die Kühlleistung ist jedoch eingeschränkt. Bei Propan sind die Drücke etwa 2,5-mal höher als bei Isobutan. Zudem ist es leistungsfähiger und die benötigten Komponenten wie der Kompressor sind aufgrund der höheren Drücke kleiner. Also bietet sich dieses Kältemittel für ein kompaktes, leistungsstarkes System am ehesten an.

Inwiefern ist die Kompressionskälteanlage effizienter als eine klassische Wasserkühlung?
Bei der Wasserkühlung kühlt das Wasser im Kreislauf die CPU und erwärmt sich dabei. Das erwärmte Wasser wird im Radiator auf die Umgebungstemperatur zurückgekühlt. Das Kühlwasser der CPU kann also nicht kälter als die Umgebungstemperatur sein. Das begrenzt die Kühlleistung.

Es gibt ja auch bei PC spezielle Kühlungen wie beispielsweise die Peltier-Kühlung? Wodurch unterscheidet sich die geplante Kühlung von dieser?
Peltier ist eine thermoelektrische Kühlung. Bekanntester Anwendungszweck ist wohl in thermoelektrischen Kühlboxen. Indem eine Spannung an ein Element gegeben wird, wird eine Seite des Elements kälter und die andere heisser als seine Umgebung. Die kalte Seite wird an die CPU gekoppelt. Die Wärme auf der anderen Seite muss abgeführt werden, etwa durch Kühlrippen und Lüfter. Die Wärmeaufnahme und -abfuhr über so eine kleine Fläche wie bei einer CPU ist schwierig. Es stellen sich grosse Temperaturdifferenzen ein und dadurch degradiert das Peltier-Element schnell in seiner Leistungsfähigkeit.

Das heisst?
Es funktioniert gut, um kleine Temperaturdifferenzen im Bereich von 15 Grad Kelvin aufrechtzuerhalten. Wir wollen aber versuchen, eine CPU unter Last auf zirka 20 Grad Celsius zu kühlen, anstelle von 90°C bei gängigen Kühlsystemen. Dafür setzen wir auf ein Kältemittel, das sich bis auf zu -40 Grad Celsius kühlen lässt. Ein Kältekreis ist leistungsfähiger und effizienter im Kühlen als ein Peltier-Element. Dafür ist das Peltier-Element wesentlich kompakter.

Gekühlt werden soll ein Threadripper 3970X auf einem Asus-Mainboard in einem Define 7 Gehäuse von Fractal Design. Das System steht seit Kurzem bei euch. Was war dein Gedanke als du es gesehen hast?
Die Grösse hat mich überrascht, es hat mehr Platz als angenommen. Die grösste Kühlkomponente wird der Kompressor sein. Unser Anspruch ist es, dass er im Gehäuse Platz hat, ohne dieses zu modifizieren.

Also sollte genug Platz vorhanden sein?
Ja, er sollte ausreichen. Zurzeit machen wir uns mehr Sorgen um das Kondensat, das beim aktiven Kühlen mit der Kompressionskälteanlage im Bereich der CPU entsteht. Hier müssen wir aufpassen, dass es nicht an die elektronischen Komponenten gelangt. Eventuell müssen wir das Gehäuse anders ausrichten und beim Mainboard, wie die extremen Overclocker, mit Flüssiggummi Plasti Dip arbeiten. Die schmieren das Mainboard damit ein, um die Komponenten vor dem Kondensat zu schützen.

Woran seid ihr aktuell dran?
Wir haben festgestellt, dass wir aufgrund der Drücke grösstenteils nicht auf bestehende PC-Wasserkühlungskomponenten setzen können. Beim Radiator haben wir uns nach einer Recherche für einen aus der Kältetechnik entschieden und so dimensioniert, dass er gerade so ins Gehäuse passt. Bei der CPU teilen wir es auf: Die CPU-Kontaktplatte nehmen wir von einer bestehenden Wasserkühlungskomponente. Die Deckplatte aus Acrylglas entfernen wir und lassen eine neue aus Edelstahl fertigen. So sollte alles dem hohen Druck von Propan standhalten.

Könnte die Verwendung der CPU-Kontaktplatte auch zu Problemen führen?
Das ist durchaus möglich. Die Kontaktplatte ist sehr fein ausgearbeitet, mit vielen Durchflusskanälen, die auf Wasser als Kühlmittel ausgelegt sind. Da steckt viel Entwicklungsarbeit drin. Jetzt stellt sich die Frage, wie gut das Kältemittel in die Kanäle eindringen kann. Das Kältemittel allein sollte kein Problem sein. Aber bei der Kompressionskälteanlage fliesst auch immer etwas Öl mit. Wir hoffen, dass sich dieses nicht in den Kanälen ablagert und dadurch die Kühlleistung schmälert. Auch die Strömungsverteilung wurde auf Wasser optimiert. Da wir die Acrylglaskomponente durch Edelstahl ersetzen, werden wir nicht sehen, wie es sich beim Kältemittel verhält.

Wo siehst du sonst noch Stolpersteine?
Für uns ist diese Anwendung Neuland mit einigen Unbekannten. Wir müssen uns herantasten. Bei der Erstauslegung versuchen wir immer ein System zu schaffen, das auf möglichst viel Unvorhergesehenes reagieren kann. Dazu gehört in diesem Fall unter anderem einen drehzahlvariablen Kompressor einzusetzen. So können wir schnell Anpassungen machen.

Inwiefern?
Der Radiator ist aufgrund der engen Platzverhältnisse im Gehäuse eher klein. Eventuell wird er zum Flaschenhals bei der Wärmeabfuhr. Das müssten wir mit dem drehzahlvariablen Kompressor ausgleichen. Wie der Name sagt, lässt sich bei dem die Drehzahl und damit die Kühlleistung variieren.

Und sonst?
Die Regulierung ist sicher ein Thema. Wir wissen nicht gut genug, wie sich die CPU unter Last verhält. Was passiert, wenn die CPU und der Kältekreislauf voll drehen und die CPU dann von einer Sekunde auf die andere in den Leerlauf geht? Es braucht also plötzlich weniger Kühlleistung. Wie schnell muss der Kältekreislauf darauf reagieren? Wenn er zu langsam reagiert, besteht die Gefahr eines Flüssigkeitsschlags im Kompressor.

Was heisst das?
Bei einem Flüssigkeitsschlag kriegt der Kompressor das Kältemittel nicht nur als Gas zugeführt, sondern auch mit Flüssigkeitstropfen, die sich nicht komprimieren lassen. Die können den Kompressor beschädigen.

Was sind jetzt die nächsten Schritte?
Alle Kältetechnikkomponenten sind bestellt. Sobald die da sind, bauen wir das ganze System auf. Womöglich erstmal ausserhalb des Gehäuses und abseits der PC-Komponenten für einen Test. Falls was nicht klappt, wollen wir die Komponenten nicht beschädigen. Ausserdem beschäftigen wir uns aktuell mit der Drehzahlregelung und entsprechenden Messtechniken dafür.