Phase Change Cooling Prinzip


Published by Marc Büchel on 15.08.04

Mittlerweile hat sich Overclocking (Übertakten) zu einem richtigen Volkssport entwickelt. Seit dem Jahre 1997 beliefern zudem Firmen wie Asetek, Kryotech und mittlerweile ehemals Nventiv diese kleine Community mit Kompressorkühlsystemen, welche den Phase-Change-Cooling Effekt nutzen, welchen wir euch an dieser Stelle erklären.

Funktionsweise eines Phase-Change-Cooling Systems

Mittlerweile hat sich Overclocking (Übertakten) zu einem richtigen Volkssport entwickelt. Seit dem Jahre 1997 beliefern zudem Firmen wie Asetek, Kryotech und mittlerweile ehemals Nventiv diese kleine Community mit Kompressorkühlsystemen, welche den Phase-Change-Cooling Effekt nutzen, welchen wir euch an dieser Stelle erklären.

Prinzip

Das Prinzip entspricht grundlegend demjenigen eines Kühlschranks, wobei dieses wiederum auf fundamentalen Naturvorgängen basiert. Ausgenutzt wird dabei der Effekt, dass beim Verdampfen einer Flüssigkeit ihrer Umgebung Wärme entzogen wird, was heisst das die Temperatur der unmittelbaren Umgebung in Richtung der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit absinkt, die Temperatur derjenigen aber konstant bleibt. Presst man nun den Dampf einer Flüssigkeit wieder zusammen (Komprimierungs-Verfahren), so wird die Temperatur steigen. Diese Wärme kann der komprimierte und erhitzte Dampf an seine Umgebung abgeben und anschliessend in den flüssigen Zustand übergehen.
Phase-Change Cooling-Systeme vereinigen nun die beschriebenen Prozesse in einem geschlossenen Kreislauf. Die dabei verwendete Flüssigkeit wird als Kälte- oder Kühlmittel bezeichnet. Dies rührt daher, dass sie dem zu kühlenden Element, in unserem Falle einer CPU, Wärme entzieht und diese an einer anderen Stelle des Kühlkreislaufs wieder abgibt. Als Kältemittel wird beispielsweise bei der VapoChill LS R404a verwendet, welches einen Siedepunkt von -47°C aufweist und somit etwas leistungsfähiger ist als das in den Vorgängern verwendete R134a, welches einen Siedepunkt von -26.5°C hat.

Kompressionsverfahren

1. Das flüssige Kältemittel gelangt in einen Verdampfer, welcher sich am zu kühlenden Ort befindet. An dieser Stelle verdampft das Kältemittel und die dazu benötigte Wärme – die Verdampfungswärme – wird in unserem Fall der CPU entzogen. Während dieses Vorgangs steigt die Temperatur des Kältemittels nicht an. Die entzogene Wärmemenge wird lediglich für Änderung des Aggregatszustandes – flüssig --> gasförmig benötigt.
2. Der Kompressor (Verdichter) saugt das dampfförmige Kältemittel aus dem Verdampfer an, um es in den Kondensator (Verflüssiger) zu befördern.
3. Der Kondesator stellt in unserem Fall ein kleiner Radiator (Wärmetauscher) mit vielen feinen Kühllamellen dar, welcher zusätzlich noch mit einem Ventilator versehen ist. Da das Kältemittel nicht aus dem Kondensator nicht entweichen kann wird es durch dünne Kapillarrohre gepresst. Dabei gerät es unter hohen Druck und erhitzt sich. Die Kondensatorwände besitzen nun eine niedrigere Temperatur als der durch die Kompression erhitzte Dampf. Diese, beim Abkühlen des Gases freiwerdende Wärmemenge wird nun an die Umgebung abgegeben, wobei der Kondensator – in unserem Fall kleine Radiator – erwärmt wird. Als Folge davon kondensiert das Kältemittel an den Wänden der Kapillarrohre.
4. Anschliessend verlässt das nun flüssige Kältemittel das Kapillarrohr (die Drosselstelle) und erfährt infolge einer Querschnittserweiterung des Rohres schlagartig eine Temperaturabnahme, wobei es nun bei niedrigerem Druck in den Verdampfer gelangt. Bei diesen geringen Druckverhältnissen, welche vom Kompressor verursacht werden, verdampft das Kältemittel erneut und der Kreislauf beginnt von neuem.


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