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Low Noise (PC, Lüfter, CPU-Kühler)

Wichtige Grundlagen für ausreichende Kühlung bei Reduktion der Geräuschentwicklung

Bitte zuerst lesen: Allgemeine Hinweise zur Geräuschentwicklung bei Lüftern nebst Aufklärung eines weit verbreiteten Irrtums finden Sie auf der Seite Lüfterqualität.

Dieser Text ist urheberrechtlich geschützt.
Wiedergabe, auch auszugsweise, nur mit schriftlicher Genehmigung.

1. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Was sind die Geräuschquellen im PC ?


2. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Warum müssen PCs gekühlt werden ?


3. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Wie funktioniert “Kühlung” im PC ?


4. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Kann man denn nicht einfach auf Lüfter verzichten ...


4 a) Peltier-Elemente
4 b) Heatpipes
4 c) Wasserkühlung
4 d) Passivkühlung

5. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Ist komplette Geräuschdämmung die Lösung ?


6. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Und nun ?


7. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Wenig bekannte Tatsachen


7 a) Verteilung der Luftleistung auf mehrere Lüfter
7 b) Lüfter unbedingt parallel betreiben statt seriell
7 c) Warmluftkurzschlüsse
7 d) Thermoregelung

8. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Empfehlungen


8 a) Anforderungsprofil
8 b) Verzicht auf unnötige Wärmequellen
8 c) Gehäuseauswahl
8 d) Netzteilauswahl
8 e) Laufwerke
8 f) Kühlung


1. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Was sind die Geräuschquellen im PC ?



Die Geräuschkulisse eines PCs wird durch bewegliche Teile verursacht. Bei diesen beweglichen Teilen handelt es sich normalerweise um Lüfter und Laufwerke. Diese können neben “direkten” auch “indirekte” Geräusche verursachen, indem sie andere Teile (z. B. Gehäuse oder Gehäuseteile) in Schwingungen versetzen.

Lüfter finden in erster Linie als Bestandteil von CPU-Kühlern, Netzteilen, Grafik- und Festplattenkühlern Verwendung, außerdem als Gehäuselüfter.
 
Eher zu Unrecht sind sie die “Buhmänner”, wenn es um Low Noise geht - das eigentliche Problem ist nämlich meist eine unter thermischen Gesichtspunkten unzureichende Konstruktion des Gesamtsystems, die im Vergleich zu einer thermisch optimalen Konstruktion unnötig starke (und damit laute) Lüfter erfordert.

Die großen PC-Hersteller machen mit leistungsstarken Low-Noise-PCs schließlich vor, daß es geht. Selbstverständlich haben diese andere Möglichkeiten als kleine Hersteller und Selbstbauer - dennoch lassen sich Methoden aufzeigen, mit denen auch abseits der Großserienfertigung leise PCs mit Luftkühlung konstruiert werden können.

2. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Warum müssen PCs gekühlt werden ?



Die in PCs verwendeten Komponenten erzeugen Wärme und verfügen jeweils über spezifische maximal erlaubte Betriebstemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen, da die Komponenten sonst nicht fehlerfrei arbeiten können.

Bei Überschreitung der erlaubten Maximaltemperatur können Komponenten darüberhinaus dauerhaft zerstört werden.

Daher muß durch Kühlung sichergestellt werden, daß die maximal erlaubten Betriebstemperaturen der Komponenten nicht überschritten werden.

3. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Wie funktioniert “Kühlung” im PC ?



Kühlung im PC basiert auf der Verwendung eines Kühlmediums (z. B. Luft), das kälter ist als der zu kühlende Gegenstand und somit die abzugebende Wärme aufnehmen kann.

Leistungsstarke Komponenten aktueller PCs erzeugen in erheblichem Umfang Wärme, die allerdings nicht nur aus dem Bereich der erzeugenden Komponente selbst, sondern auch aus dem zur Kühlung verwendeten Medium (z. B. Luft) abgeführt werden muß, da sich das Medium durch die permanente Zufuhr von Wärme aufheizt und ab einer bestimmten Temperatur nicht mehr kälter als die maximal erlaubte Temperatur des zu kühlenden Gegenstands ist bzw. nicht mehr in der Lage ist, diesen hinreichend zu kühlen.

In PCs wird das Kühlmedium Luft üblicherweise nicht selbst gekühlt, sondern einfach gegen Raumluft ausgetauscht (Stichwort Durchlüftung des PCs).

Die durch derartige Kühlung erreichte Betriebstemperatur der Komponenten hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a.:
a) Oberfläche des zu kühlenden Gegenstands (darum werden Kühlkörper verwendet, sie vergrößern diese Oberfläche),
b) Luftmenge pro Zeiteinheit (mehr Luft führt mehr Wärme ab),
c) Temperatur des Kühlmediums (Temperatursenkung des Kühlmediums um 1°C senkt die Temperatur des zu kühlenden Gegenstands ebenfalls um 1°C).

4. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Kann man denn nicht einfach auf Lüfter verzichten ...



... und (häufig gestellte Frage !) zur Geräuschreduzierung stattdessen “mit Peltierelementen, Heatpipes oder Wasser” kühlen ?

Nö. Kann man eher nicht. Jedenfalls nicht “stattdessen”.

Die Fragestellung geht - bezogen auf normale PCs mit normalen Gehäusen - aus einfachen physikalischen Gründen am Problem vorbei.

Alle drei Vorschläge lassen die Wärme schließlich nicht verschwinden, sondern verlagern Sie nur an einen anderen Ort. Und wenn dieser Ort noch im Inneren des PCs liegt, braucht man meist große Kühlkörper und - Sie ahnen es schon - Lüfter, um die erwärmte Luft aus dem PC zu befördern ...

a) Ein Peltier-Element erzeugt - salopp formuliert - auf einer Seite Kälte und auf der anderen Wärme. Die Problemverlagerung entspricht sozusagen dem Abstand der beiden Seiten (dieser beträgt normalerweise einige Millimeter).

Und wenn die warme Seite nicht gekühlt wird, wird’s nix mit der Kälte auf der anderen Seite ...

Anzumerken ist außerdem, daß ein Peltier-Element zwei unschöne Nachteile hat - hohen Stromverbrauch und das erhebliche Risiko von Kondenswasserbildung mit im PC-Bereich potentiell hohen Folgeschäden.

b) Heatpipes verlagern die Wärme immerhin über eine größere Distanz. Für die Verlagerung innerhalb des PCs gilt obiger Kommentar. Es gibt allerdings interessante Ansätze für lüfterlose PCs auf der Basis von Heatpipes und als Kühlkörper geformten PC-Seitenteilen.

Entsprechende Lösungen, die in der Fachpresse begutachtet wurden, wiesen unserer Meinung jedoch gravierende Nachteile auf:

b1) Lösungen im Low-Performance-Bereich haben zwar unter Kühlungsaspekten funktioniert.

Allerdings lassen sich derart leistungsschwache Systeme lüfterbasiert völlig problemlos mit kaum hörbaren Ultralangsamdrehern kühlen - zu erheblich niedrigeren Kosten. Die Heatpipe-Lösung bietet hier unter Geräuschaspekten keinen großen Vorteil, unter Kostenaspekten jedoch deutliche Nachteile gegenüber einer guten Lüfter-Lösung.

b2) Uns durch die Fachpresse bekannte Lösungen mit höherem Performanceanspruch haben unter Kühlaspekten nicht befriedigend funktioniert.

c) Für Wasserkühlung gelten die bisherigen Ausführungen ebenfalls. Zwar sind die für die Kühlung relevanten “technischen Daten” von Wasser besser als die von Luft, aber es bleibt (von Bastellösungen mit einem Wassereimer unter dem Tisch heutzutage oder Wasseranschlüssen für PCs in ferner Zukunft abgesehen) die Aufgabenstellung, die Wärme über die Luft aus dem PC zu bekommen.

Angemerkt sei noch, daß Wasserkühlung (anders als Peltier-Elemente und Heatpipes) wie Luftkühlung auch auf beweglichen Teilen beruht.

d) Bleibt außerdem noch die “Passivkühlung” zu erwähnen, die im Zeitalter der 70-Watt-Prozessoren unter Berücksichtigung der maximal erlaubten Kühlerabmessungen und -gewichte nicht mehr machbar ist.
In einem Luftstrom plazierte Kühlkörper fallen hier nicht unter den Begriff “Passivkühlung”.

5. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Ist komplette Geräuschdämmung die Lösung ?



Wenn Sie durch eine Zimmerwand zwischen Ihnen und dem PC erreicht wird: Ja. Allerdings ist das Einlegen von CDs dann etwas umständlicher.

Ansonsten ist die komplette Dämmung des PCs zwar hilfreich, aber auch mit Nachteilen verbunden, weil Sie sich thermisch normalerweise negativ auswirkt. Dies führt dann häufig dazu, daß im Inneren des PCs stärkere Lüfter eingesetzt werden müssen, die sich wiederum akustisch auswirken.

6. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Und nun ?



Eins vorweg: Es geht. Mit unterschiedlichem Aufwand (je nach Anspruch an PC-Leistung und Akustik) lassen sich luftgekühlte Systeme bauen, die durchaus das Attribut Low-Noise verdienen.

Wichtig: Wir weisen ausdrücklich darauf hin, daß für das Funktionieren eines Systems und die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen (CE, Brandschutz, ...) der jeweilige Assemblierer verantwortlich ist. Wir übernehmen diesbezüglich keinerlei Haftung.

Allen, die erst noch Assemblierer werden wollen, wird mit Nachdruck empfohlen, sachkundige Fachleute mit eventuellen Modifikationen zu betrauen.

Wir geben hier keine “Bauanleitung mit Komponentenliste”, sondern Grundlageninformationen, mit denen Sie eine solche Liste selbst erstellen und gegebenenfalls Standardprodukte gemäß Ihren Bedürfnissen modifizieren bzw. modifizieren lassen können.

7. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Wenig bekannte Tatsachen



a) Die Aussage “kein Lüfter ist bestimmt leiser als ein Lüfter” ist offensichtlich richtig, aber in Sachen Kühlung nicht hilfreich (s. o.).

Ebenfalls richtig und dabei noch hilfreich ist dagegen die Aussage “zwei Lüfter können leiser sein als ein Lüfter”.

Konkret: Wenn man die Luftleistung eines Lüfters A auf zwei Lüfter B verteilt, die beide die gleiche Bauform wie A haben, dann sind diese beiden Lüfter B zusammen leiser als Lüfter A !

b) Es ist unter dem Aspekt der Fördermenge nicht sinnvoll, Lüfter hintereinander (“in Serie geschaltet”) zu betreiben.

Stattdessen sollen Lüfter parallel geschaltet werden.

Konkret: Lassen Sie nicht einen Lüfter ins Gehäuse hinein- und einen hinausblasen, sondern beide hinein oder beide hinaus !

c) Ein ganz großes Problem sind Warmluftkurzschlüsse.

Diese sind eine unerwünschte Wiederverwendung von bereits bei der Kühlung erwärmter Luft und überwiegend im Bereich des CPU-Kühlers anzutreffen, der in vielen Systemen regelrecht “im eigenen Saft steht”.

Dieser unerwünschte Effekt läßt sich durch bessere Gehäusedurchlüftung erheblich verringern - komplette Abhilfe schafft nur die mechanische Trennung der Luftströme.

Angemerkt sei noch, daß das wahre Ausmaß von Warmluftkurzschlüssen trotz Messung der Lufttemperatur häufig nicht erkannt wird, weil die Messung mittig über dem Lüfter des CPU-Kühlers erfolgt, während in thermisch “mindestens brauchbar” konstruierten Systemen Warmluftkurzschlüsse eher im Randbereich dieses Lüfters auftreten.

d) Nicht wirklich unbekannt ist die Tatsache, daß thermogeregelte Lüfter bei höheren Temperaturen zur Erhöhung der Luftfördermenge schneller drehen und dabei mehr Geräusch verursachen.

Allerdings bleibt häufig unbeachtet, daß die Verwendung geregelter Lüfter nicht von der Verpflichtung zu thermisch sinnvollem Systemdesign befreit.

Die Folge der Mißachtung selbst einfachster Grundsätze ist regelmäßig stärkere Geräuschentwicklung durch höhere Drehzahlen.

In diesem Zusammenhang muß noch erwähnt werden, daß bei schnellen Temperaturveränderungen die Geräuschveränderungen eines temperaturgeregelten Lüfters unter Umständen erheblich störender sein können als ein etwas lauteres konstantes Geräusch eines ungeregelten Lüfters.

Dies gilt insbesondere vor dem Hintergrund, daß gerade im PC-Bereich thermogeregelte Lüfter mit steilen Kennlinien (große Drehzahlveränderung pro Temperaturveränderung) unter thermischen Aspekten durchaus sinnvoll sein können.

8. Low Noise (leise Lüfter & CPU-Kühler) - Empfehlungen



a) Erstellen Sie ein erstes Anforderungsprofil für den gewünschten Rechner(-typ).

Berücksichtigen Sie dabei, daß sich die Eigenschaften Rechnerleistung, Rechnerlautstärke und Aufwand für Geräuschreduzierung gegenseitig beeinflussen.

Konkret: Sie können maximal zwei der drei Eigenschaften festsetzen. Wenn die sich ergebende dritte Eigenschaft nicht im gewünschten Bereich liegt, müssen Sie die beiden ersten überdenken !

Beispiel 1:
Wenn Sie den stärkstmöglichen Rechner bei kleinstmöglicher Lautstärke benötigen, dann wird der für die Geräuschreduktion benötigte Aufwand sehr hoch ausfallen.

Beispiel 2:
Wenn Sie bei geringem Aufwand für die Lärmreduzierung einen besonders leisen PC konstruieren möchten, müssen Sie Abstriche bei der Rechnerleistung hinnehmen.

Beispiel 3:
Wenn Sie eine bestimmte Rechnerleistung festlegen und den Aufwand für die Low-Noise-Maßnahmen deckeln, handeln Sie sich ein bestimmtes Geräuschniveau ein.

b) Verzichten Sie unbedingt auf unnötig starke Wärmequellen.

In normalen Büro-PCs reichen einfachere Grafikkarten als in Spiele-PCs. Und niemand braucht (Stand Juni 2003) eine CPU mit 3 GHz für einen Arbeitsplatz-PC, an dem ausschließlich Textverarbeitung und eMail-Kommunikation praktiziert werden.

Wenn es das Anforderungsprofil zuläßt, wählen Sie insbesondere Prozessor und Grafikkarte nach thermischen Kriterien. Dies kann Low-Noise-Maßnahmen erheblich vereinfachen.

c) Beachten Sie bei der Gehäuseauswahl folgende Kriterien:

c1) Verwenden Sie Gehäuse, die an der Rückwand (im Bereich der CPU, unter dem Netzteil) Platz für mindestens zwei Gehäuselüfter (80x80x25 mm oder größer) bieten.

Die Vorteile solcher Gehäuse können vor dem Hintergrund der unter 7 a) und 7 b) beschriebenen Tatsachen gar nicht genug betont werden.

c2) Die Gestaltung der Luftlöcher soll den Luftfluß möglichst wenig behindern. Vergleichen Sie den Luftfluß bei frei blasenden und installierten Lüftern.

c3) Verwenden Sie Gehäuse, bei denen die mit Gehäuselüftern erzielte Durchlüftung zwangsläufig die kritischen Punkte (insbesondere den CPU-Bereich) erfaßt.

Ideal sind Gehäuse, die nur im unteren (Tower) bzw. linken (Desktop) Bereich der Vorderseite Einlaßöffnungen haben.

Zu vermeiden
sind Gehäuseöffnungen oder -perforationen, die eine Durchlüftung an kritischen Punkten vorbei begünstigen.

Von großem Nachteil sind Öffnungen in der Nähe der Gehäuselüfter, da diese zusätzlich noch zu Warmluftkurzschlüssen bei der Durchlüftung selbst führen können.

c4) In CPU-Nähe sollten sich keine Hindernisse befinden.

Netzteil, Laufwerkskäfige, Streben zur Stabilisierung des Gehäuses, Kabel und dergleichen sollten den Luftstrom zum CPU-Kühler möglichst nicht behindern. Gleiches gilt für den Luftstrom, der vom Kühler wegführt (!).

c5) Größer ist meist besser. Vermeiden Sie nach Möglichkeit schmale bzw. flache Gehäuse.

d) Beachten Sie bei der Netzteilauswahl folgende Kriterien:

d1) Verwenden Sie Netzteile mit nur einem Lüfter.

Verwenden Sie Netzteile mit zwei Lüftern nur, wenn diese gemäß Punkt 7 b) angeordnet sind.

d2) Verwenden Sie Netzteile, die Ihre Abluft nach draußen befördern (nicht in den PC !).

d3) Prüfen Sie unter Beachtung von Punkt 7 d) die Möglichkeit, ein Netzteil mit thermogeregeltem Lüfter zu verwenden.

Für Netzteile mit leisen Lüftern mit fester Drehzahl werden wegen der potentiell höheren Netzteilinnentemperaturen teurere Komponenten mit höheren thermischen Spezifikationen benötigt.

Derartige Netzteile bleiben dann allerdings auch bei höheren Temperaturen leise.

e) Laufwerke

Wir selbst haben mit Standardfestplatten sehr unterschiedliche Erfahrungen gemacht. Laut Aussage etlicher Kunden sollen sehr leise und trotzdem schnelle Festplatten mittlerweile jedoch generell gut verfügbar sein.

Wenn es nicht auf höchste Performance ankommt, gibt es noch den “Geheimtipp” Notebookfestplatte - in einem  Low-Noise-PC des Verfassers verrichtet eine solche auch ohne jegliche Entkopplung oder Dämmung fast unhörbar Ihren Dienst.

Der Verfasser ist kein Laufwerksspezialist, zu diesem Thema sollten Sie sich daher in jedem Fall noch zusätzlich informieren (Fachpresse, Lieferanten, Internet).

f) Kühlung

f1) Wenn Sie es noch nicht unter 8 a) festgelegt haben:
Definieren Sie den “worst case” für die Bedingungen, unter denen der PC eingesetzt werden darf.

Dazu zählen insbesondere die maximale Raumtemperatur, eine Referenz-Software nebst Angabe von CPU-Auslastung und Betriebssystem und klare Hinweise zur Plazierung des PCs (“Keine Gegenstände vor den PC stellen, Mindestabstand Gehäuserückseite zur Wand, nicht in der Nähe der Heizung, keine direkte Sonneneinstrahlung, ...”).

f2) Sie haben mindestens zwei anständige Digitalthermometer mit ebenso anständigen speziellen Luftfühlern ? Prima. Wenn nicht - kaufen.

PC-Konstruktion ohne vernünftige Temperaturmessungen ist wie Autofahren ohne Tacho.

Und Messungen der Lufttemperatur über den Boardfühler sind keine vernünftigen Temperaturmessungen im Sinne dieser Definition. Wirklich nicht.

f3) Verwenden Sie an der Gehäuserückseite (unter dem Netzteil) zwei absaugende Gehäuselüfter.

Als “Ausgangspunkt” für unsere eigenen Tests haben sich besonders leise Modelle mit etwa 1200 U/min bestens bewährt (z. B.
COOLIBRI Premium 99-8025-LNL1 oder COOLIBRI Blue Label 99-8025-4S3).

Es sollte in jedem Fall eine Feinabstimmung bezüglich des CPU-Kühlers erfolgen. Wenn durch zu schwache Gehäuselüfter die Durchlüftung nicht optimal ist, muß ein stärkerer CPU-Kühler gewählt werden. Unter dem Strich bleibt dann häufig ein unerwünschter Zuwachs beim Gesamtgeräusch übrig.

Auch das Netzteil bedankt sich, wenn die zu kühleren Zeiten zwar zulässigerweise ihm aufgehalste, aber doch irgendwie nicht zu seinen Kernkompetenzen zählende Aufgabe der PC-Entlüftung anderweitig erledigt wird. Und es revanchiert sich mit geringerer Geräuschkulisse und / oder längerer Lebensdauer.

f4) Verwenden Sie einen (mechanisch passenden) besonders leisen CPU-Kühler, dessen Kühlkörper thermisch eher zum großen Bruder der verwendeten CPU passen würde.

Ihre CPU ist der große Bruder ? Tja, dann stehen Sie möglicherweise vor einer Herausforderung und haben jetzt hoffentlich trotzdem eine grobe Vorstellung von dem Kühler, den Sie suchen ...


Überraschenderweise ist - bei Verzicht auf eine Grafikkarte mit aktivem Kühler - für normale Office-PCs häufig bereits hier mit relativ einfachen Mitteln das Ziel erreicht:

Der Anwender nimmt seinen Rechner akustisch kaum noch wahr und freut sich über seinen Low-Noise-PC.

Weitergehende Maßnahmen für leistungsstärkere PCs oder besonders geräuschempfindliche Anwender folgen in den nächsten Abschnitten.

(wird fortgesetzt)

 

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Copyright © 2003 Klaus Mattner
Wiedergabe (auch auszugsweise) nur mit schriftlicher Genehmigung


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