Chiller im PC

[MayhemAUT]

Liebe PCGH-X Community.

Nach langem Überlegen und vielen Ideen, habe ich mich nun doch dazu entschlossen einen Chiller für/in meinen PC zu bauen der meine momentane KoKü ersetzten soll.
Das Hauptproblem an einer konventionellen KoKü für einen PC ist, dass sie entweder immer an ist, oder weil es (bis auf die Kühlkörper) kein Medium gibt welches die Kälte speichert, nach nur wenigen Minuten (5-10) wieder anlaufen muss. Das wirkt sich sehr negativ auf die Lebensdauer eines Verdichters aus.

Vorteile vom Chiller sind u.a.:

• Es kann an mehreren Orten bei starken Lastwechsel gleichzeitig sehr gut gekühlt werden.
• Einfacheres anbringen der Kühlkörper an PC Hardware, da im Wasserkreislauf kein Druck herrscht (~20mbar ist kein Druck) und flexible Schläuche verwendet werden können.
• Es reicht ein einziger Temperaturfühler für die gesamte Steuerung.

Nachteil wäre, das ich zusätzlich einen Flüssigkeitstank >4 Liter mit integriertem Wärmetauscher (Verdampfer im Tank) im PC Gehäuse Platz finden muss.
Die Pumpen sind mittlerweile so klein geworden, das ich mir hier keine Sorgen machen muss.

Herz der Anlage wird mein Hitachi Highly BSA645(1) der mit R134a etwa 0,7kW Kälteleistung hat. Als Kältemittel würde ich weiterhin zu R404a tendieren wodurch die Anlage >0,7kW Kälteleistung bekommt.
Die Verflüssiger(2) werde ich aus alten Klimageräten heraus.- zuschneiden, reinigen und ans PC Gehäuse angepasst zusammenlöten.
Der/die Ausgleichsbehälter(3) sollte mehrere Liter Kühlflüssigkeit bei einer Temperatur von -20°C bis 0°C (Verdichter aus/an) fassen können.

Gekühlt wird dadurch (in dieser Reihenfolge):
Spannungswandler(4) - CPU(5) - Grafikkarte(6) - Grafikkarte(7)

Die Hardware wird wie bei der KoKü zentimeterdick mit Armaflexpaltten isoliert.

An meiner momentanen PC Hardware und Gehäuse werde ich auch einiges erneuern (CPU, Motherboard, RAM).
Werde mir nachdem ich die ersten Test abgewartet habe einen
Haswell Extreme 5960X 8-Core Prozessor zulegen der im 3. Quartal erscheint (genug Zeit um den Chiller zu bauen).
Das dafür benötigte Sockel 2011-3 Motherboard soll das ASUS ROG Rampage V Black Edition samt neuem DDR4 RAM werden.
DDR4 soll weniger Spannung (1.35v?!) benötigen. Deshalb gehe ich stark davon aus diesen nicht kühlen zu müssen.
Als Gehäuse könnte ich mir das Corsair Carbide Air 540 (Weiß) sehr gut vorstellen.

Einige Bilder zum Aufbau:

 

[S754]

Gute Idee!

 

[442]

Heilige Sch****, da bleib ich dran

 

[n3rd]

Hört sich gut an und viel Spaß beim Basteln!

Also aus eigener Erfahrung (und einem Beitrag von 8hauer) brauchen die RAM's nicht gekühlt zu werden!

 

[MayhemAUT]

Also aus eigener Erfahrung (und einem Beitrag von 8hauer) brauchen die RAM's nicht gekühlt zu werden!

Danke für die Rückmeldung. Es ist ja noch leicht den RAM in den Kreislauf einzubinden, aber diesen zu isolieren. NIE WIEDER
RAM Kühler Eingebau (Kostenpunkt samt Verdampferblock der oben drauf geschraubt wird: 12€):

 

[Superwip]

Interessant...

Was willst du für eine Kühlflüssigkeit nutzen und welche Temperaturen sollen im Kreislauf erreicht werden?

Wie wird die Wärme vom Verdichter abgeführt?

Lautstärke?

 

[MayhemAUT]

Was willst du für eine Kühlflüssigkeit nutzen und welche Temperaturen sollen im Kreislauf erreicht werden?

Z.b. Ethanol. Zwischen -20°C (Aus) bis 0°C (An). Diese Temperaturen sind vorerst nur Richtwerte auf die ich das System auslegen werde. Im Betrieb muss ich nur die Formel in meinem Mikrocontroller ändern um die Temperaturen anzupassen.

Wie wird die Wärme vom Verdichter abgeführt?

Verstehe die Frage nicht ganz.
Genau so wie in einer Klimaanlage.

Lautstärke?

Kühlschrank

 

[General Quicksilver]

Tolle Idee!

Bei deiner Auslegung musst du aber auch bedenken, dass wenn du entsprechende Hardware als Unterbau verwendest dein Chiller eventuell mit 700 W Kälteleistung etwas unterdimensioniert ist, da die von dir benannte CPU wohl bei (hoffentlich) erreichbaren Taktraten wohl alleine mehr als 200W in das System einbringen könnte. (Ich gehe davon aus, dass die CPU ihre TDP fast komplett ausschöpfen wird, und in Verbindung mit dem relativ geringem Standarttakt + entsprechend geringer Spannung entsprechend viel Luft zum Übertakten bleibt.) Und eine solche CPU sollte auch dann eine entsprechende GPU zur Seite gestellt bekommen, de wohl weitere 300W ins Sytem pumpen dürfte. Wenn du 2 leistungsstarke GPUs verbauen willst, bist du vermutlich jenseits der 500W was die einbringen können, womit du bereits bei den 700W wärst. Beim Übertakten der GPUs könnte es dann schon in Extremsituationen etwas eng werden. Im Normalbetrieb könnte es schon reichen, aber es könnte gerade bei längerer Belastung etwas knapp werden.

 

[Superwip]

Z.b. Ethanol. Zwischen -20°C (Aus) bis 0°C (An). Diese Temperaturen sind vorerst nur Richtwerte auf die ich das System auslegen werde. Im Betrieb muss ich nur die Formel in meinem Mikrocontroller ändern um die Temperaturen anzupassen.

Ethanol ist sicher keine schlechte Wahl könnte aber mit Gummidichtungen problematisch werden.

Eine Möglichkeit ist vielleicht auch eine Wasser-Ammoniak Lösung welche eine höhere Wärmekapazität besitzt.

Das niedrige angepeilte Temperaturniveau bedingt zwar natürlich einige Probleme (insbesondere Kondensation) eröffnet aber auch einige schöne Möglichkeiten, du kannst etwa Behälter mit Wasser bzw. einer Salzlösung im AGB versenken das dann Gefriert und beim schmelzen (Schmelzpunkt durch Salzgehalt zwischen ~0 und ~-20°C einstellbar) durch die Schmelzwärme temperaturstabilisierend wirkt.

Verstehe die Frage nicht ganz.
Genau so wie in einer Klimaanlage.

Führst du die Wärme direkt an einen Radiator ab? Wo, wie groß? Oder gar an einen Wasserkreislauf?

 

[Patrickclouds]

ich würde ganz normalen Frostschutz aus dem KFZ dem Wasser beimischen. Das macht in Autos keine Probleme, dann sollte es auch in der Wakü auf lange Sicht laufen.

Der Verdichter hat in folgendem Betriebspunkt 692 Watt Kälteleistung: R134a, to= +7,2°C, tc= +54,4°C, Umgebungstemperatur= 35°C,
Flüssigkeitstemperatur= 43,9°C, Sauggastemperatur= 35°C

Bei R404A als Kältemittel dürfte es bei 1,0kW bis 1,1kW liegen wenn man mit der Verflüssigungstemperatur etwas runter geht. Allerdings bei 7,2°C Verdampfungstemperatur.
Verdampfungstemperatur=! Wassertemperatur
denn das Kältemittel wird beim aufnehmen der Energie aus dem Wasser überhitzt. Daher wird die Wassertemperatur zwischen Verdampfungstemperatur und der Überhitzungstemperatur am Verdampferausgang liegen.

 

[Superwip]

KFZ (Scheibenreiniger) Frostschutz ist auch meist nur eine Mischung von Alkoholen (meist Glycol und/oder Ethanol) und anderen, in diesem Fall jedoch nutzlosen, Inhaltsstoffen. Üblicherweise erreicht man nur bei einer hoch konzentrierten Mischung den hier geforderten Temperaturbereich.

In dem geforderten Temperaturbereich dürfte Ammoniak/Wasser die beste (leistungsfähigste) Lösung sein wobei Ammoniak natürlich giftig ist und stinkt sodass der Kreislauf hermetisch abgedichtet werden müsste. Mit 25% Ammoniak erreicht man bereits einen Gefrierpunkt von etwa -35°C, die spezifische Wärmekapazität ist ähnlich gut wie jene von reinem Wasser. Ethanol ist hier eine wesentlich einfachere Alternative wobei auch hier beachtete werden muss das insbesondere Gummidichtungen vom Ethanol angegriffen werden können.

 

[Patrickclouds]

nur Frostschutz keinen Scheibenreiniger. Also G12 usw.

Ammoniak ist giftig lass die Finger davon. Außerdem ist es nicht verträglich mit Kupferkühlern

 

[Superwip]

Das G12 ist Glykol mit unnötigem Korrosionsschutz...

Bei so tiefen Temperaturen würde ich eher andere alternativen wählen, die Wärmekapazität von diesem Gemisch ist auch nicht mehr viel besser als die von Ethanol und es wird dann schon recht zähflüssig.

 

[Patrickclouds]

bei der Abwärme der CPU und zwei Grafikkarten kommt er eh nicht unter 0°C

 

[Superwip]

Kommt auf die Anwendung an... im Leerlauf sicher.

 

[Patrickclouds]

Das Thermostat muss einen Ein- und Ausschaltpunkt haben. Dieser richtet sich ausschließlich nach der Temperatur und nicht nach der Last der Hardware.

Und das Thermostat muss so eingestellt werden, dass es auch bei Volllast des Rechners irgendwann die Kühlung abschaltet, sonst kann er auch gleich im Dauerbetrieb so kalt wie möglich fahren.


zum Thema:
Ich verstehe den Sinn aber noch nicht so ganz warum du weg von Kokü willst. Als Hauptproblem kritisierst du den Dauerbetrieb der Kokü, schreibst aber dann, dass du den Verdichter für 5-10 Minuten auslassen konntest.
Bei welcher Last kannst du die Kokü abschalten? Wenn ich bei meinem Lasttester auf den massiven 10mm starken Kupferblock 200Watt Last draufgebe ist der innerhalb viel kürzerer Zeit wieder warm.
Von welchem Temperaturanstieg redest du, bitte mal genaue Zahlen: Abwärme, Anfangstemperatur, Endtemperatur und Zeitspanne. Wenn möglich noch Masse des Kühlkörpers.

Bei großer Last wir auch dein Chiller kaum zum Stillstand kommen. Daher ist Langlebigkeit vom Verdichter kein Argument.

Schau dir mal meine Messreihen zur Laufzeit und Stillstandszeit eines Chillers an: http://extreme.pcgameshardware.de/e...ller-fuer-den-bereich-ohne-kondenswasser.html
Du wirst wahrscheinlich höchstens beim Leerlauf des Computers die Kühlung abschalten können. Unter Last kannst du fast mit Dauerbetrieb rechnen.
bei 500 Watt (exakt sind es 558,66Watt) Last dauert es gerade einmal 11 Minuten bis sich 11l Wasser um 8K erwärmt haben.
Q=m * c * deltaT
Q in [kJ/s]= kW
m= Masse in [kg]
c= spez. Wärmekapazität von Wasser = 4,19 kJ/(kg * K)
deltaT= Temperaturdifferenz in [K]

hast du bspw. 4kg Wasser im Kreislauf dass sich in 10 Minuten um 8K erwärmt beträgt der Wärmeeintrag der Computer Hardware:
Q= 4kg/600sek * 4,19 kJ/(kg*K) * 8K = 0,22346kW

Ob du jetzt mit Liter oder kg rechnest bleibt sich bei einer Dichte nahe von 1 egal.


Mein Tipp:
Alle Daten zu deinem jetzigen Kokü-Setup offen legen. Drücke, Temperaturen und Probleme bevor du evtl. die gleichen Fehler wieder machst

 

[MayhemAUT]

Im Normalbetrieb könnte es schon reichen, aber es könnte gerade bei längerer Belastung etwas knapp werden.

Wie ich es schon angekündigt und Patrickclouds beschrieben hat, werde ich das Kältemittel R404a anstelle der R134a benutzen. Die Kälteleistung des Verdichters nimmt deshalb auch auf >1kW zu. Das ist unter Volllast keine -20°C erreichen kann ist eine andere Geschichte.
Im Idle bzw. Internet surfen, YouTube, etc. sollte der (ich werde noch einen 2. Ausgleichsbehälter einbauen Gesamt: >6,5 Liter) Tankinhalt für eine länger Zeit ausreichen um alle Komponenten zu kühlen.
Erst wenn eine Temperatur von 0°C überschritten wird schaltet sich der Verdichter ein und kühlt die Kühlflüssigkeit (Ethanol oder einfaches Frostschutzmittel) wieder auf ~ -20°C.

Das System umfasst 2x GTX 780 mit verändertem Bios und einer max. TDP von 285 Watt = 570 Watt
und einem Haswell Extreme 5960X der hoffentlich gut zu Übertakten ist und geschätzt 200 Watt Abwärme erzeugt.
Zusammen sind das 770 Watt. Falls also der PC einige Zeit so viel Wärme erzeugt, steigt die Kühlflüssigkeitstemperatur auf >7°C.
Ich werde den PC sicherlich sehr lange testen, aber wie oft benutzt man Programme oder Spiele die sowohl CPU als auch Grafikkarte zu 100% auslasten?
Das schafft man nur mit dem Intel ETU/Prime95 + Furmark gleichzeitig.
Jeder CPU Benchmark wird weniger als 250 Watt an Wärme erzeugen und bei Grafikkarten Benchmarks bzw. BF4, Crysis 3, usw. wird die CPU nicht zu 100% ausgelastet sein!
Wenn ich allerdings einen Rollkolben Verdichter der max. 24cm hoch ist und einen Durchmesser (ohne Standfüße) < 11,5cm hat, werde ich diesen einbauen. Mit dem 2. Ausgleichsbehälter passt nichts mehr in das Gehäuse hinen!

Die Leistung, Temperatur und dadurch theoretische Übertaktbarkeit brauche ich in Wirklichkeit nicht. Ich habe nur sehr großes Interesse und verdammt viel Spaß beim Planen und Bauen.
Außerdem kann man eine interne KoKü / Chiller nur haben wenn man sie entweder selber baut oder extrem viel Geld dafür bezahlt.
Der Grund warum ich weg von einer reinen KoKü will ist ganz einfach. Mein PC läuft 95% der Zeit mit <60 Watt. Der Verdichter saugt aber min. 250 Watt aus der Steckdose.
Habe einige Monate überlegt wie ich das am besten lösen kann und hatte auch reichlich Ideen. U.a. der Einbau eines Frequenzumrichters für einphasige Wechselstrom Kondensatormotoren.
Habe im www.extremecooling.de Forum sehr viel erfragt und bin zum Schluss gekommen das es den Aufwand nicht wert ist.
Bis jetzt war ich auch gegen einen Chiller, weil ich zusätzlich zu den Komponenten einer KoKü eine Pumpe und Ausgleichsbehälter benötige. Diesen Platz hätte ich bei einer reinen KoKü Lösung durch einen Frequenzumrichter bzw. Magnetventile auch gebraucht.

Bei großer Last wir auch dein Chiller kaum zum Stillstand kommen.

Ich finde es sogar sinnvoller, wenn sich bei hoher Last der Verdichter nicht abschaltet, da er sich ansonsten nach ~1 bis 2 Minuten wieder einschalten muss!?
Der Tankinhalt in beiden Ausgleichsbehältern beträgt genau 6,5 Liter. Da habe ich auch schon mit ein berechnet, dass ich diese 2cm dick isoliere.

Alle Daten zu deinem jetzigen Kokü-Setup offen legen. Drücke, Temperaturen und Probleme bevor du evtl. die gleichen Fehler wieder machst.

Das werde ich zu einem anderen Zeitpunkt zusammen mit allen Bildern usw. zu meinem KoKü Artikel ergänzen.
Bei meinem momentanen KoKü-System zieht der PC 730 Watt aus der Steckdose (hier muss man die Lüfter, Festplatten, usw. natürlich noch abziehen).
Nach etwa 10 Minuten Volllast habe ich eine Saugdruck von 2,0 Bar was bei R134a eine Verdampfungstemperatur von 0°C entspricht. Die Temperaturfühler auf den Kühlkörper variieren zwischen 5°C und 7°C und die Kerntemperaturen pendeln sich auf CPU 31°C und GPU 24°C ein. Der Hochdruck steigt dabei auf 19 Bar an. Im neuen Gehäuse werde ich durch andere Lüfter und einer größeren Verflüssiger Oberfläche dem höheren Drücken von R404a entgegenwirken. Schließlich strebe ich keine 30 Bar auf der Hochdruckseite an!

hast du bspw. 4kg Wasser im Kreislauf dass sich in 10 Minuten um 8K erwärmt beträgt der Wärmeeintrag der Computer Hardware:
Q= 4kg/600sek * 4,19 kJ/(kg*K) * 8K = 0,22346kW

Ob du jetzt mit Liter oder kg rechnest bleibt sich bei einer Dichte nahe von 1 egal.

Wenn ich nach dieser Formel gehe, einen 6 Liter Vorrat an Wasser habe der zwischen -20°C und 0°C pendelt, der PC im Idle 70 Watt Wärme erzeugt und der Verdichter ~1000 Watt Kälteleistung hat, dann ergeben sich folgende Werte:
Um das Wasser von 0°C auf -20°C zu kühlen benötigt der 1kW Verdichter 9,01 Minuten (70 Watt Idle abgezogen).
Wenn das Wasser -20°C erreicht hat dauert es 119 Minuten = 2 Stunden!! bis das Wasser wieder 0°C erreicht hat.
Das kann nicht stimmen?!

 

[Superwip]

Ich bin jedenfalls ebenfalls der Meinung das ein Tieftemperatur-Chiller gegenüber einer klassischen KoKü viele Vorteile hat, damit angefangen das es einfacher möglich ist mehrere Komponenten zu kühlen.

Wenn man von 5dm³ Eis ausgeht kannst du durch dessen Schmelzwärme im AGB etwa 1650kJ Kälte puffern und den Kreislauf damit auf oder unter 0°C stabilisieren. Das reicht theoretisch für mehr als eine halbe Stunde Vollast. Längerer Vollastbetrieb ist in der Spielepraxis aber sowieso unrealisitisch, hier hat man kurze Lastspitzen und im Schnitt wohl je nach Spiel oft weniger als 50% Last.

Du könntest den Chiller einfach so steuern das er wenn die Temperatur im Kreislauf den Schmelzpunkt des Eises um einen gewissen Wert überschritten hat anfängt zu arbeiten und aufhört wenn der Schmelzpunkt um einen gewissen Wert unterschritten wurde. Die Steuerung des Motors mit einem Frequenzumrichter wäre aber sicher kein Fehler.

 

[Patrickclouds]

Ob er für Eisspeicher genug Platz hat?
Dann müsste er in den Ausgleichsbehälter zwei GROßE Wärmetauscher reinwickeln. Einen für den Verdampfer und einen wo der Computer Wakü Kreislauf durchfließt. Normales Kupferrohr ist da sicher nicht ideal, sondern man müsste Edelstahlwellrohr oder geripptes Kupferrohr nehmen, damit man auf eine große Oberfläche kommt.
Für Eisspeicher gibt es dann einfache Eisspeicherregler, die erkennen ob das Wasser noch Leitfähig ist, oder ob durch das Eis die Leitfähigkeit unterbrochen ist.

@ Mayhem
dein Verdichter hat wie oben geschrieben bei einer Verdampfunsgtemperatur von +7°C eine Kälteleistung von ca. 1050 Watt.
Daher stimmt deine Rechnung von 0 bis -20°C nicht, denn du müsstest so bei min. -25°C verdampfen. Und da hat dein Verdichter mit R404A höchstens noch 300 Watt Kälteleistung.
bei t0 von -5°C hast du ca. 700Watt

Edit:
Beim Eisspeicher ist dann noch die Frage ob man überhaupt etwas gewinnt. Denn das runterkühlen dauert deutlich länger

 

[Superwip]

In Spielen hat man es mit einer ziemlich stark schwankenden Last zu tun. Eisspeicher können hier sehr hilfreich beim stabilisieren der Temperatur sein. Das runterkühlen nach dem Einsschalten dauert natürlich länger, die Frage ist wie schlimm das am Ende ist. Ist der Kreislauf sehr gut isoliert kann man eventuell auch überlegen den Kreislauf auch bei ausgeschaltetem PC weiter zu kühlen.