Wasserkühlung-Maturaprojekt

Nachdem meine Schulkarriere dieses Jahr mit dem Abschluss in der HTL-Donaustadt endete, habe ich mit zwei Schulkollegen ein Maturaprojekt mit Wasserkühlungs-Bezug auf die Beine gestellt. Seit November 2006 konnte man hier im o.v.e.r.clockers.at Forum den Fortschritt im Wak-Projekt-Tagebuch mitverfolgen und vor kurzem wurde die Diplomarbeit fertig gestellt.

In Zusammenarbeit mit den Firmen Zern und Watercool.at konnten wir dieses interessante Projekt verwirklichen und wollen nun allen Interessierten Einblick gewähren.

Die Idee

Da ich selbst seit vielen Jahren eine Wasserkühlung im Einsatz habe, überlegte ich mir, wie man diese verbessern könnte. Natürlich durften die Anforderungen nicht unsere Möglichkeiten überschreiten, dennoch sollte es ein sinnvolles Projekt werden, welches eventuelle Benutzer (und natürlich nicht zuletzt die Lehrer) interessieren sollte.

Ich kam auf die Idee, eine Art Warnsystem für PC-Wasserkühlungen zu entwickeln, um den Besitzer vor Schäden bewahren zu können. Das Prinzip sollte sich aber nicht nur auf PC-Besitzer fixieren, sondern auch im größeren Stil (z.B. Rechenzentren) einsetzbar sein. Grob formuliert:

"...Das Gerät, soll einen (PC-)Kühlkreislauf regeln und überwachen. Falls Wasser aus dem Kreislauf austritt, erfolgt eine Notabschaltung (Vorbeugung von Kurzschlüssen). Der Füllstand, die Fließgeschwindigkeit und die Temperatur der Kühlflüssigkeit werden gemessen/überwacht...."

Mit dieser Idee, kontaktierte ich den einzigen Wasserkühlungskomponenten-Hersteller in Österreich, Zern und einen der bekanntesten Wasserkühlungs-Shops in Österreich, Watercool.at. Diese waren sofort von der Idee überzeugt und unterstützten uns mit Hardware und Know-How. Von Zern bekamen wir ihren Demo-Rechner mit eingebauter Wasserkühlung geliehen und von Watercool.at Komponenten, wie z.B. einen passenden Ausgleichsbehälter.

Der Demo-PC

Den Demo-PC von Zern haben wahrscheinlich schon einige auf LAN-Partys in ganz Österreich gesehen. Darin verbaut ist eine komplette Wasserkühlung, die neben der CPU auch die GPU und Northbridge kühlt. Die Kühler sind alle aus Kupfer, da es eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium bietet.

Hier ein paar Bilder des Systems, wie wir es erhalten haben:

Das Pflichtenheft

Das Gerät, soll einen (PC-)Kühlkreislauf regeln und überwachen. Falls Wasser aus dem Kreislauf austritt, erfolgt eine Notabschaltung (Vorbeugung von Kurzschlüssen). Der Füllstand, die Fließgeschwindigkeit und die Temperatur der Kühlflüssigkeit werden gemessen/überwacht.

Das Prinzip eines PC-Kühlwasserkreislaufs:

Eine Pumpe fördert destilliertes Wasser über einen speziellen CPU-Kühlkörper, um die Abwärme des Prozessors aufzunehmen. Ein Radiator kühlt die erwärmte Flüssigkeit mit Hilfe eines Lüfters wieder herab und der Füllstandsbehälter (Ausgleichsbehälter) sorgt für die Entlüftung des Kreislaufs. Die Vorteile einer Wasserkühlung im Gegensatz zu einer Luftkühlung, sind eine wesentlich höhere Effizienz und geringere Geräuschentwicklung. Die Effizienz ist höher, da Wasser eine 25x bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft bietet.

Die Geräuschentwicklung ist wesentlich geringer, da die einzige Lärmquelle der Lüfter auf dem Radiator ist. Da dieser wesentlich größer als ein durchschnittlicher CPU-Kühler ausfällt, kann er mit geringerer Drehzahl mehr Luft fördern als ein kleiner Lüfter. Die Pumpe ist so gut wie geräuschlos. Wasserkühlungen werden (wegen ihrer Effizienz) auch gerne in Rechenzentren eingesetzt. Hersteller nutzen auf diesem Gebiet schon länger die Vorteile von Wasserkühlkreisläufen.

Bei einem Standard-Kühlwasserkreislauf in einem PC, fördert die Pumpe destilliertes Wasser durch die verschiedenen Kühler, welche die abgegebene Wärme der Prozessoren (CPU, GPU, Northbridge, etc.) an die Kühlflüssigkeit weitergeben. Ein Radiator kühlt diese Flüssigkeit wieder herunter.

Im Gegensatz zu einem Standard-Kühlwasserkreislauf, überwacht das Produkt den Kühlkreislauf mittels Sensoren.

• Temperatursensor
• Durchflusssensor
• Füllstandssensor

Die Spezifikationen

• Überhitzungsschutz:
  Über einen Temperatursensor wird die aktuelle Temperatur der Kühlflüssigkeit überwacht. Falls diese einen vorher eingestellten Wert überschreitet, wird der PC heruntergefahren.
• Stillstandskontrolle:
  Über einen Durchflusssensor wird die ununterbrochene Bewegung im Kühlkreislauf sichergestellt. Falls der Sensor Stillstand meldet, wird der PC-abgeschaltet.
• Füllstandüberwachung:
  Im Ausgleichsbehälter wird der aktuelle Wasserstand kontrolliert. Falls dieser unter ein gewisses Niveau fällt, ertönt ein akustisches Warn-Signal. Falls der Wasserstand stark abnimmt (Leck im Kreislauf), wird der PC abgeschaltet.
• USB Interface:
  Die Kommunikation zwischen einem PC und dem Gerät ist mittels USB gewährleistet. Somit kann die aktuelle Kühlmitteltemperatur ausgelesen werden. Falls die Pumpe ausfällt, der Wasserstand zu niedrig ist oder die Kühlmitteltemperatur zu hoch ist, kann der PC über das Betriebssystem heruntergefahren werden.
• Temperaturanzeige:
  Diese Anzeige befindet sich auf der Blende eines 5.25“ PC slot (cd-rom). Mittels dieser Anzeige kann die Kühlmittel –Temperatur angezeigt werden.
• Gehäuse: 5.25“ Slot (CD-Rom Gehäuseschacht im PC)
• Versorgung: 5 Volt (über PC-Netzteil)

Die Wasserkühlungs-Komponenten 1

Unsere PC-Wasserkühlung von der Firma Zern besteht aus einem CPU-Kühler, einem Northbridge-Kühler, einem GPU-Kühler (Grafikkarten-Prozessor), einer Eheim Pumpe, einem Coolplex Ausgleichsbehälter und einem Zern Radiator.

Ausgleichsbehälter:

Der Original-Ausgleichsbehälter war für unsere Anforderungen zu klein und wurde durch einen größeren ersetzt. Hier ein Bild des Ausgleichsbehälters, wo Temperatursensor und Schwimmersensor keinen Platz gehabt hätten. Stattdessen wurde ein größerer Ausgleichsbehälter (Länge 250mm) von der Firma Coolplex genommen. Dieser besteht aus einem dicken Plexiglas-Rohr und zwei Kunststoff-Verschlüssen.

Am oberen Kunststoff-Verschluss wurde eine Halterung für den Schwimmersensor gefräst und am unteren Verschluss wurde eine Einkerbung für den Temperatursensor eingearbeitet, sowie Löcher für die Kabel der Sensoren gebohrt. Auf diesem Bild sieht man die Fräsung in der der dahinter liegende Schwimmersensor eingepasst wurde. Dieser wurde mit 2-Komponenten-Kleber Luftdicht verschlossen.
Auf diesem Bild sieht man den fertigen Ausgleichsbehälter, mit den eingebauten Sensoren. Oben der Schwimmersensor und unten der Temperatur-Sensor. Nach mehreren Testläufen mit dem Temperatursensor haben wir bemerkt, dass wir diesen direkt in den Kühlkreislauf integrieren mussten und nicht einfach an einem der Ausgleichsbehälter-Ausgänge anschließen konnten. Somit war die Temperatur-Aufnahme wesentlich effizienter bzw. schneller. Die Kühlflüssigkeit wurde mit einem gelblichen UV-Mittel versetzt, damit man eventuell auftretende Lecks schneller entdecken konnte.

Die Wasserkühlungs-Komponenten 2

Pumpe:

Bei der Pumpe handelt es sich um eine 230 Volt Aquarium-Pumpe vom Hersteller Eheim. Diese bietet mit einem Keramik-Lauflager eine besonders lange Lebensdauer und ist auch für eine durchgehende Einsatzdauer geeignet. Die Pumpleistung ist mit 600 Litern pro Stunde mehr als ausreichend, da eine höhere Pumpleistung die Temperaturen nicht merkbar verbessert. Da das Wasser die Temperatur der Komponenten aufnehmen muss, ist es nicht effizient das Wasser besonders schnell vorbei zu führen, da es sich dabei weniger erwärmen kann.

CPU-Kühler:

Der CPU-Kühler vom Hersteller Zern ist aus Kupfer gefertigt und besitzt einen Deckel aus Plexiglas. Kupfer bietet eine bessere Wärmeleitfähigkeit als zum Beispiel Aluminium und die Oberfläche des Kühlers wurde für eine besonders effiziente Wärmeabgabe an das vorbeifließende Wasser designed. Der Kühler wird mit vier Schrauben direkt am Motherboard befestigt und zwischen Prozessor und Kühler befindet sich Wärmeleitpaste, für einen besseren Kontakt (minimale Unebenheiten werden ausgeglichen).

GPU-Kühler:

Der GPU (Graphics Processing Unit) Kühler besteht ebenfalls aus Kupfer, besitzt aber einen Deckel aus Kunststoff. Dieser wird mit zwei Schrauben an der Grafikkarte befestigt und kann eventuell auch mit Wärmeleitkleber befestigt werden. Heutige Grafikkarten erreichen enorme Wärmeabgaben und bedürfen, ähnlich wie heutige CPUs, ebenfalls einer effizienten Kühlung.

Northbridge-Kühler:

Die Northbridge befindet sich direkt auf den Motherboards und synchronisiert den Datentransfer zwischen CPU, Arbeitsspeicher und Steckkarten. Da diese heutzutage meistens nach einer aktiven Kühlung verlangen, wurde dieser Chip ebenfalls in den Kühlkreislauf eingebunden. Auf dem unteren Bild sieht man ebenfalls die besondere Oberfläche, um eine gute Wärmeabgabe an das Kühlmittel zu gewährleisten.

Die Sensoren

In diesem Projekt sind drei Sensoren im Einsatz, welche den Wasserkühlkreislauf ständig überwachen.

Durchfluss-Sensor:

Der Durchflusssensor im „In-Line“ Bauprinzip befindet sich direkt hinter der Pumpe und misst, ob sich die Kühlflüssigkeit im Kreislauf bewegt. Falls die Flüssigkeit nicht mehr im Kreislauf zirkuliert, schließt der Kontakt und das Projekt bemerkt diesen Stillstand.

Temperatur-Sensor:

Der Temperatur-Sensor ist ein NTC Widerstandsthermometer, welcher in einem speziellen PC-Wasserkühlungs-Gehäuse verbaut worden ist. Auf Anfrage beim Hersteller haben wir erfahren, dass die Messgenauigkeit bei unserem Temperaturbereichen (ca. 20-100 °C) bei +/- 2°C liegt.

Schwimmer-Sensor:

Der Schwimmersensor den wir in Einsatz haben, hat eine Gesamtlänge von 150mm und agiert auch als Schalter. Dieser ist im Ausgleichsbehälter des Kühlwasserkreislaufs verbaut und misst den Wasserstand. Falls der Wasserstand rapide absinkt (Leck im Kreislauf), schließt der Kontakt und das Projekt reagiert auf diesen Zustand.

Wasserkühlungen in der Industrie

Kühlwasserkreisläufe sind heutzutage für Heimanwender und professionelle Einsätze interessanter den je zuvor. Die Wärmeabgabe von PC-Komponenten nimmt rasant zu und somit werden effizientere Kühlungsmöglichkeiten gesucht. Kühlungen mit Wasserkreisläufen haben hier den entscheidenden Vorteil, dass sie wesentlich effizienter sind und dabei sogar noch wesentlich leiser arbeiten, als Luftkühlungen.

Beispiele:

Die Firma Knürr stellt 19 Zoll Server-Schränke mit eingebauter Wasserkühlung her, die eine Kühlleistung von bis zu 35 Kilowatt erreichen.

„…Das überzeugend technische Konzept des CoolTherm®. Geschlossener Luftkreislauf mit V35-Luft/Wasser Wärmetauscher. Die Abwärme wird daher nicht – wie üblich – belastend an den IT-Raum abgegeben. Der Anschluss erfolgt montagefreundlich an einen Gebäude- bzw. eigenen Kaltwassersatz. Die Bedienung und der Service gestalten sich problemlos….“

Die Firma Rittal stellt ebenfalls wassergekühlte Serverschrank-Lösungen her.

„…Von der passiven Luftklimatisierung bis zur aktiven Flüssigkeitskühlung von Hochleistungs-CPUs bietet Rittal alle Komponenten und Systeme. Sie werden genau nach Ihrem Bedarf und Ihrem Anwendungsspektrum ausgelegt. Softwaregestützte Planung und Bedarfsberechnung sowie modulare, rackkompatible Technik minimieren die Investitionskosten und bieten durch hohe Flexibilität eine besondere Zukunftssicherheit…“

Intel, der größte Chip-Hersteller der Welt, arbeitet auch an einem Wasserkühlungs-Standard für seine Prozessoren.

„…Speziell für die wegen ihres enormen Stromverbrauchs gescholtenen "Extreme Editions" der Pentium-Prozessoren hat Intel ein Referenz-Design für eine einfache, aber effektive Wasserkühlung entwickelt. Es soll besonders zuverlässig und sehr preisgünstig sein…“

Die Bauteile

Unser Projekt wurde mittels SMD-Technik gefertigt. SMD – Englisch: surface-mounted device, Deutsch: oberflächenmontierbares Bauteil Bauelemente wie z. B. Widerstände oder Kondensatoren haben im Gegensatz zur Durchsteckmontage keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen, direkt auf eine Leiterplatte gelötet. Diese Technik wird Oberflächenmontagetechnik (engl. surface-mounting technology SMT) genannt.

Vorteile:

• Kleinere Bauteilabmessungen
• Es müssen keine Löcher in die Leiterkarte gebohrt werden
• Einfache und sehr schnelle Bestückung
• Bauteile können auf beiden Seiten der Leiterkarte auch direkt "untereinander" bestückt werden
• Durch den Wegfall der Anschlussdrähte reduziert sich das Gewicht von Bauelementen und in Folge das der SMD-Baugruppen erheblich

Nachteile:

• Es sind spezielle Geräte für die Bestückung erforderlich.
• Höhere statische Empfindlichkeit vor und während der Verarbeitung
• SMD-Bauteile können durch mechanische Belastung eher abgelöst bzw. vorgeschädigt oder beschädigt werden als bedrahtete Bauteile
• Reparatur bzw. Austausch von defekten Bauteilen nur sehr schwer oder gar nicht möglich

LCD:

Als LCD (Liquid crystal display), haben wir ein TM162IBC6 von der Firma Tianma Microelectronics in Verwendung. Man kann es mit nur +5V betreiben, es verfügt über zwei Zeilen und 16 Zeichen pro Zeile. Am Display werden die aktuelle CPU-Temperatur und der System-Status angezeigt. Zusätzlich verfügt das Display auch über ein Backlight, um das Ablesen zu erleichtern.

Summer:

Um den Anwender auch akustisch warnen zu können, wurde ein EMS-06L Summer von EKULT eingebaut. Er kann von 0 bis 9 Volt angesteuert werden und erreicht eine maximale Lautstärke von 80 Dezibel. Der Summer wird direkt vom PIC (Ausgang) angesteuert.

OPV:

Bei unserem Operationsverstärker handelt es sich um einen LMV722, welcher Rail-to-Rail fähig ist. Dies war wegen der 5V Versorgungsspannung des PC-Netzteils wichtig. Rail-to-Rail Verstärker sind Verstärker, bei denen die Gleichtaktaussteuerung nicht nur bis zur negativen Betriebsspannung möglich ist, sondern auch bis zur positiven Betriebsspannung.

USB-Chip:

Bei unserem USB-Chip handelt es sich um einen FT232BM von der Firma FTDI. Dieser Chip wurde auch in SMD-Bauform in die Schaltung integriert und macht die Kommunikation zwischen PC und Projekt möglich. Beim Anstecken an den USB-Port, erkennt der Rechner den Chip automatisch und behandelt ihn, wie eine zusätzliche serielle Schnittstelle.

PIC-Prozessor:

In diesem Projekt wird der Mikrokontroller PIC 18F2220 von der Firma Microchip verwendet. Der Controller stammt aus der Familie der 8-Bit Kontroller, mit 28 Pins. Der PIC verfügt über die, für dieses Projekt notwendigen Ressourcen, wie zum Beispiel:

28-Pin High-Performance, Enhanced Flash MCUs mit 10-bit A/D und NanoWatt Technologie, In Curcuit Programmier Pins

Die Schaltung

Die Schaltung wurde in EAGLE erstellt und kann grob in drei Sektionen unterteilt werden. Das Herzstück der ganzen Schaltung bildet der Mikroprozessor (PIC 18F2220). Am Mikroprozessor angeschlossen, sind die OPV-Schaltung und die USB-Schaltung. Die Sensoren (Wasserstand, Durchflusssensor) sind direkt an den PIC Eingängen angeschlossen.

USB-Schaltung:

Herzstück der USB-Schaltung, ist der FT232BM der Firma FTDI. Zwei Aktivitäts-LEDs informieren den Benutzer über Datentransfer und ein 6 Megaherz Oszillator wird für den Betrieb benötigt.

OPV-Schaltung:

Die OPV-Schaltung dient zur Linearisierung der Temperaturkurve, des NTC Temperatursensors. Der Sensor (welcher im Ausgleichsbehälter des Kühlwasserkreislaufs befestigt ist), wird am Eingang des OPVs angeschlossen. Versorgt wird der OPV mit +5V (Rail-to-Rail) und über zwei Potentiometer ist die OPV-Verstärkung und OFF-Set adjustierbar. Der OPV-Ausgang führt danach direkt zu einem Eingang am Mikroprozessor.

PIC-Schaltung:

Der 18F2220 der Firma Microchip, benötigt einen 3.686 Hz Oszillator, für den Betrieb. Ein RJ12-Stecker ist für die Programmierung vorhanden und sechs Anschlüsse werden für die Ansteuerung des LCDs benötigt. Der PIC wird mit +5V versorgt und die restlichen Sensoren sind direkt an den Eingängen angeschlossen.

Die Platine

Auf der Unterseite erkennt man die SMD-Bauteile und auf der Oberseite RJ12-Stecker (PIC-Programmierung), USB-Stecker (Kommunikation zwischen Projekt und PC), PIC-Sockel, Potentiometer (LCD-Kontrast, OPV-Offset, OPV-Verstärkung) und die Anschlüsse für die Sensoren.

Das Projekt wurde in einem Festplatten-Einbaurahmen fixiert und zwei 5.25“ Blenden wurden für das LCD bearbeitet. Die Platine ist mit drei Schrauben an einer Kunststoffplatte fixiert.

Die Messungen

Temperatur-Messung:

Um die genauen Werte des NTC Widerstandes heraus zu finden, wurde eine Temperatur-Messung durchgeführt. Bei diesem Messaufbau wurde mit einem Multimeter der Widerstandswert erfasst. Mittels „Benchmark“ Programmen, wurde die CPU und GPU voll belastet, um die Wärmeabgabe an die Kühlflüssigkeit zu maximieren. Auf den Bildern erkennt man den Messwert und die Benchmark-Programme. Durch diese Messung konnten wir eine Tabelle und ein Diagramm für die Temperaturkurve erstellen. Da die Wasserkühlung für die verwendeten PC-Komponenten überdimensioniert war, konnten wir trotz Abstellen des Radiator-Lüfters, keine höhere CPU-Temperatur als 45°C erreichen.

Da nun die Widerstandswerte bei den Temperaturen bekannt waren, schlossen wir an unserer OPV-Schaltung einen Schiebwiderstand an und simulierten einen Temperaturanstieg von Raumtemperatur, bis zu unserer Maximaltemperatur von 45°C.

OPV-Messung:

Durch diese Messungen kannten wir die Ausgangsspannung des OPVs bzw. die Eingangsspannung an unserem PIC-Prozessor. Mittels PIC-Software wurde nun auf die jeweilige Spannung (ergo CPU-Temperatur) dementsprechend reagiert.

Die Software

PIC-Programmierung (Assembler):

Die Programmierung des Projekts, wurde mittels der maschinennahen Programmiersprache Assembler realisiert. Das Erlernen der Programmiersprache ist zwar relativ aufwändig, ermöglicht aber ein schnelleres und durchschaubareres Programm.

PC-Programmierung (Visual-Basic):

Die Programmierung am PC, wurde mittels Visual Basic realisiert. Da diese Programmiersprache objekt- und ereignisorientiert ist, eignete sie sich besonders für diese Aufgabe.

Ende

Leider wurden wir nicht ganz fertig mit unserem Projekt, aber im Großen und Ganzen sind wir doch sehr zufrieden damit. Es war sehr interessant solch ein Projekt nahezu komplett autonom heranwachsen zu sehen und die (zahlreichen) Hindernisse zu meistern. Das Projekt kann eigenständig aus der Wassertemperatur die CPU-Temperatur errechnen und am LCD anzeigen. Falls die Temperatur stark ansteigt, es ein Leck gibt oder die Pumpe ausfällt, wird eine Warnung am LCD angezeigt und ein Warnton alarmiert den Benutzer.

Auch das PC-Programm funktioniert, der PC kann also damit heruntergefahren werden. Leider reichte die Zeit nicht, um die Kommunikation zwischen Projekt und PC zu verwirklichen. Prinzipiell sollte der Code funktionieren, aber durch ein defektes (Schul-)Netzteil wurde unser USB-Chip in den letzten Wochen zerstört.

Dennoch bekamen wir auf dieses Projekt (Labor während der Schulzeit & Projekt-Dokumentation & Projekt-Präsentation) ein "Gut".

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