Wie stark muss eine Pumpe sein?

"Ist diese Pumpe auch stark genug?" fragt fast jeder bei der Zusammenstellung einer Wasserkühlung. Die Antworten bestehen meist aus Vorurteilen und Faustregeln, deren Ursprung niemand kennt. Zeit für einen objektiven Test, wieviel Kühlkörper eine typische Pumpe tatsächlich bewältigen kann.

Wer vor der Hitzewelle nicht ins kühle Nass der nächstgelegenen Badestelle flüchtet, sondern fleißig weiter spielt, denkt oftmals darüber nach, stattdessen seiner Hardware eine feuchte Abkühlung zu spendieren. Jedes Jahr im Hochsommer bitten zahlreiche neue Wasserkühlungsinteressenten in den einschlägigen Foren um Hilfe bei der Zusammenstellung eines modularen Kreislaufes. Während hierbei meist zahlreiche Tests für Radiatoren und Kühler zu Rate gezogen werden, gehen die Empfehlungen zur Pumpenleistung fast immer auf subjektive Schätzungen zurück. Erfahrungswerte mit tatsächlich zu schwachen Pumpen fehlen dagegen und so florieren Mythen über die tatsächlichen Mindestanforderungen. Zeit für einen Test.

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Wasserkühlungs-Mythos im Video: Wie stark sollte die Pumpe sein?

Mythos Pumpleistung: Worum geht es?      

Um die Bedeutung der Frage zu verstehen, muss man Vor- und Nachteile einer höheren Pumpleistung betrachten. Letztere sind offensichtlich: Eine stärkere Pumpe ist in der Regel teurer, voluminöser und/oder vor allem deutlich lauter, als ein schwächeres Modell. Die Vorteile sind weniger offensichtlich, denn die Pumpe selbst trägt nicht zur Wärmeabgabe an die Umgebung bei; auch "Wasserbewegung" ist kein Selbstzweck.

Vielmehr geht es beim Durchfluss zum einen um den Wärmetransport im Kreislauf. Fließt das Wasser schneller, verteilt sich die in einem bestimmten Zeitraum anfallende Wärme auf eine größere Menge durchströmendes Wasser und diese heizt sich weniger stark auf. Umgekehrt hat das schnell strömende Wasser später im Radiator auch weniger Zeit, sich abzukühlen, so dass Durchschnittstemperatur und Kühlleistung nicht beeinflusst werden. Die Temperaturdifferenz zwischen kältestem und wärmsten Punkt im Kreislauf sinkt aber, was später bei der Interpretation von Testergebnissen eine Rolle spielen wird.

Mythos Pumpenleistung: Exkurs in Hydrodynamik      

In Kühlkörpern strebt man deswegen eine turbulente Strömung an, deren Verwirbelungen die Schichtung aufbrechen. Die Mittel hierzu sind vielfältig und umfassen zum Beispiel verschiedene "Düsen"-Strukturen und speziell geformte Kühlkanäle. Allen Methoden sind aber zwei Dinge gemeinsam: Sie erreichen mehr Bewegung im Wasser und sie erhöhen den Widerstand des Kühlers. Genau diese beiden Parameter, Wasserdurchsatz und der zu überwindende Widerstand, definieren auch die Leistungsanforderungen an beziehungsweise die Leistung einer Pumpe.

Mythos Pumpenleistung: Herstellerangaben verstehen      

Mythos Pumpenleistung: Die Praxis      

Was kann man nun in der Realität an der Pumpenkennline ablesen (wenn der Hersteller denn eine angibt)? Meist gar nichts. Denn nicht nur der gelieferte Durchfluss hängt vom Druckaufbau ab, den die Pumpe erbringen soll. Auch der Gegendruck des Kreislaufes, den sie damit überwinden soll, ist vom Durchfluss abhängig - schneller fließendes Wasser erzeugt eben mehr Reibung, ganz langsam fließendes so gut wie keine. (Wer es nicht glaubt, sticht mit einer dünnen Nadel ein Loch in einen gefüllten Pappbecher. Obwohl die Öffnung viel enger ist als ein Wasserkühler, läuft der Becher langsam aus - ganz ohne Pumpe.)

Beide Relationen sind zudem nicht linear und interagieren gegenläufig. Ein höherer Widerstand und damit Gegendruck senkt den Durchfluss, dadurch sinkt aber wiederum der Gegendruck. Das System pendelt sich auf einem niedrigeren Wert ein - aber nicht so niedrig, wie man nach einfachen Überschlagsrechnungen annehmen würde. Um das zu verdeutlichen und zu überprüfen, haben wir den Praxistest gemacht.

Mythos Pumpenleistung: Der Testaufbau      

Der Einsatz realer Kühlkörper anstelle beispielsweise eines Absperrhahns zur Erzeugung von Widerstand stellt einen Praxisbezug unserer Messungen her. Die Kühleranzahl macht ihn wieder zunichte ;-) Quelle: PC Games HardwareHerzstück des Kreislaufes ist eine Aquastream XT. Die beliebte Pumpe betreiben wir mit 50 Hz (3000 U/min), der niedrigsten wählbaren Einstellung. Damit entspricht die Leistung derjenigen des Eheim-1046-Basismodells und kann auf andere Produkte übertragen werden; die Lautheit bleibt auf einem sehr niedrigen Wert. Wo, wenn nicht in Ultra-Silent-Konfigurationen läuft man Gefahr, zu wenig Leistung zu haben?

Zur Messung der Kühlleistung ergänzen wir den Kreislauf um eine wassergekühlte Radeon R9 290 (ausgelastet mittels Furmark) und der 150-W-TDP-CPU aus unserem Luftkühler-Testsystem (Xeon E5-2687W, 7 von 8 Sandy-Bridge-Kernen mit Core Damage ausgelastet), den wir ebenfalls mit einem Wasserkühler versehen. Abgegeben wird die Wärme von einem 3×120-mm-Radiator, uns interessiert aber vor allem die Leistung der Kühlkörper und der Pumpe: Wird die Kühlleistung bei sinkendem Durchfluss erhalten bleiben? Wie kommt die Pumpe mit zusätzlichem Widerstand klar?

Um Letzteres zu testen, reduzieren wir den Durchfluss nicht über eine Steuerung der Pumpe oder über künstliche Beschränkungen, sondern über zusätzliche Kühlkörper. Durch die Einbindung von zwei weiteren Grafikkartenkühlern simulieren wir den Widerstand eines Triple-GPU-Systems; da wir aber weiterhin nur eine Karte tatsächlich betreiben, sind die Temperaturmessungen direkt vergleichbar. Mit diesem High-End-System ist aber noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht, zusätzlich simulieren wir den hypothetischen Extrem-Fall mit bis zu neun CPU- und GPU-Kühlkörpern im Kreislauf. Wie die Silent-Pumpe damit wohl zurechtkommt?

Mythos Pumpenleistung: Die Ergebnisse      

Die klare Antwort: Ausreichend. Das liegt weniger daran, dass sich Pumpen nicht an zusätzlichen Kühlern im Kreislauf stören würden, im Gegenteil. Ausgehend von 73 l/h senken zwei zusätzliche GPU-Kühler den Durchfluss deutlich auf 55 l/h. Weitere Strömungshindernisse wirken sich zwar weniger stark aus, da der zusätzliche Anstieg relativ zum schon vorhandenen Widerstand nicht mehr so groß ausfällt. In unserem Extrem-Szenario verbleiben trotzdem nur 35 l/h - nicht einmal die Hälfte des Ausgangsszenarios und deutlich weniger als die 60 l/h Minimalempfehlung, die in vielen Foren kursiert.

Trotzdem genügt diese Pumpenleistung, denn die Kühlkörper reagieren kaum auf den gesenkten Durchfluss. Auf der CPU messen wir ein Kelvin höhere Temperaturen im Szenario mit vier statt zwei Kühlkörpern im Kreislauf, auf der GPU in beiden Fällen die gleiche Temperatur. Selbst in unserem Extremfall steigt der Wert für die CPU-Wasserdifferenztemperatur nur um 2,7 K, der für die GPU sinkt gar um 0,1 K. Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich mit der oben erwähnten Temperaturverteilung im Kreislauf erklären: Im Extremszenario liegt die Temperatur des Wassers, das in den Grafikkartenkühler fließt, 3,7 K unter der durchschnittlichen Wassertemperatur, im Szenario mit zwei Kühlern beträgt die Abweichung nur 2,2 K. Der CPU-Kühler leidet bei geringem Durchfluss dagegen unter dem stärker vorgewärmten Wasser aus dem GPU-Kühler, was den Verlust an Kühlleistung betont. Eine grobe Korrektur auf Grundlage der erzeugten Wärme ergibt 0,4 K Kühlleistungsverlust am CPU-Kühler und 0,1 K Verlust auf der GPU, wenn sich vier statt zwei Kühler im Kreislauf befinden.

wakü-durchfluss-analyse

• Kühlleistung

• Durchfluss

Szenario Differenztemperaturen mit Aquastream XT bei 50 Hz

• 0 von 3 Produkten sichtbar

Kreislauf mit 9 Kühlkörpern

Kreislauf mit 4 Kühlkörpern

Kreislauf mit 2 Kühlkörpern

Name

(Differenztemperatur Wasser-GPU [Kelvin])

(Differenztemperatur Wasser-CPU [Kelvin])

(Temperaturdifferenz im Kreislauf [Kelvin])

Mythos Pumpenleistung: Fazit      

Die Temperaturunterschiede zeigen es deutlich: Pumpen- und Kühlleistung korrelieren nur theoretisch. In der Praxis sind selbst Ultra-Silent-Pumpen so stark, dass man vier PCs mit einer Pumpe kühlen könnte. "Zur Sicherheit ein Bisschen mehr" ist beim Pumpenkauf also eine überflüssige Vorsichtsmaßnahme, Besitzer von Hochleistungsmodellen können die oft vorhandenen Regelmöglichkeiten getrost für eine Absenkung der Lautstärke nutzen.

Eine detailliertere Betrachtung der Kühler-Pumpen-Interaktion mit weiteren Szenarien und einer detaillierten Analyse der einhergehende Förderhöhen/-drücke finden Sie in der kommenden PCGH 09/2015 (EVT 5.8.), ausführliche Informationen zu Wasserkühlern, Radiatoren und Pumpen in unserem aktuellen Sonderheft Wasserkühlung.

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