[1]Mythos signifikante Verbesserung der Kühler durch Oberflächenaufrauhung

[Duke711]

[1]Mythos signifikante Verbesserung der Kühler durch Oberflächenaufrauhung

Eine sehr häufig vertretene Meinung ist:

Man könnte durch eine schlechtere Oberflächengüte beim Kanalfräsen der Wasserkühler eine signifikante Verbesserung der Kühlleistung für geringere Temperaturdifferenzen erzielen. Außerdem würden sich dann angeblich physikalisch sehr komplexe Strömungen ergeben, die man mathematisch nicht mehr geschlossen über eine numerische Annäherung lösen könnte.


Die Kühler werden häufig als Mikrokanalkühler mit einen rechteckigen Querschnitt gefertig. Mit einer horizontalen oder vertikalen Parallel-Anströmung:


http://extreme.pcgameshardware.de/a...r-durch-oberflaechenaufrauhung-waterblock.jpg von EKWB

In diesen Beispiel mit einem sehr guten Seitenverhältnis von 0,13333 (7,5). Das Verhältnis zwischen Kanalhöhe und Kanalbreite.
Es gibt andere Beispiele wie z.B. dem Heatkiller IV, mit einen Seitenverhältnis von 1. Auf den Einfluss des Seitenverhältnisses wird später darauf eingegangen.

Ein wichtiger Aspekt zur Beurteilung des Leistungsvermögens der Kühler ist der Wärmeübergangskoeffizient zwischen Fluid und Körper dieser leitet sich aus der Nusseltzahl ab. Wie man hier schön erkennen kann, ist die Nusseltzahl proportional zur Reynolds-Zahl:

http://extreme.pcgameshardware.de/a...hler-durch-oberflaechenaufrauhung-nusselt.jpg

Also kann man eine signifikante Leistungssteigerung durch eine höhere Strömungsgeschwindigskeit errreichen.


Zurück zur Oberflächengüte.

Üblich zu erzielende Oberflächengüten beim Fräsen.
Da die Kanäle mit einen Schaftfräser < d 0,8 mm gefertigt werden, kann man natürlich nicht beliebig den Vorschub erhöhen ohne dabei den Fräser zu zerstören. Desweiteren nimmt die Rauhigkeit mit dem Fräserdurchmesser ab, oberes Beispiel gilt für einen Fräserdurchmesser > 5 mm. Mit einen schnellen Vorschub wären bei einem Fräserdruchmesser < d 0,8 mm Oberflächenrauhigkeiten von ~ 25 um noch zu realisieren.

Betrachten wir nun den expliziten Einfluss der Rauhigkeit:

http://extreme.pcgameshardware.de/a...r-durch-oberflaechenaufrauhung-rauhigkeit.jpg

In der Grafik sehen wir nun zum einen die Rauhigkeit der Prüflinge, sowie eine ein Diagramm des Druckverlustbeiwertes zu realtiven Rauhigkeitsverhältnis (ks) zum Flächenbreite und ein zweites Diagramm zu Beurteilung des Kühlleistung anhand der Nusseltzahl. Wie man schön erkennen kann, hat der Prüfling 1 mit der deutlich höheren Rauhigkeit keine signifikant höhere Kühlleistung.
Die Rauhigkeit ist um den Faktor ~ 400% gestiegen. Der Nusseltzahl aber nur um ~ 200 // 40%. Im Gegensatz steigt die Nusseltzahl proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit an.

Die Oberflächenaufrauhung führt also nicht zu einer signifikaten Leistungssteigerung. Viel wichtiger ist aber das Seitenverhältnis. Schlechte Kühler kann man also sehr schnell an diesen ausmerzen, je näher sich diese einem Quadrat (Seitenverhältnis 1) annähern:

http://extreme.pcgameshardware.de/a...-oberflaechenaufrauhung-seitenverhaeltnis.jpg


Zum vorläufigen Abschluss:

Auf eine detaillierte Erläuterung der Strömungsformen werde ich zum späteren Zeitpunkt eingehen. Aber an alle Zweifler, die es als unmöglich ansehen Strömungsvorgänge in Wasserkühler mit einer guten Genauigkeit mathematisch zu beschreiben, ein kleiner Vorgeschmack von Vergleichsberechnungen und Vergleichen:

1982

http://extreme.pcgameshardware.de/a...hler-durch-oberflaechenaufrauhung-mch1984.jpg

http://extreme.pcgameshardware.de/a...-kuehler-durch-oberflaechenaufrauhung-mch.jpg

Kinetische Energie:

http://extreme.pcgameshardware.de/a...-kuehler-durch-oberflaechenaufrauhung-kne.jpg

 

[VJoe2max]

AW: [1]Mythos signifikante Verbesserung der Kühler durch Oberflächenaufrauhung

Kühlstrukturen - insbesondere recht feine, wie sie heute fast bei allen CPU und GPU-Kühlern zum Einsatz kommen, werden in kommerziell gefertigten Kühlern nicht mit filigranen Schaftfräsern hergestellt, sondern mit kleinen Kreissägeblättern. Die Strukturbreiten liegen im Übrigen schon seit vielen Jahren deutlich unter 0,8mm und sind wir bei vielen Kühlern heute eher im Bereich von 0,3mm und noch feiner. Das ist wirtschaftlich nur mit Sägeblättern zu machen. Bereits vor über zehn Jahren gab es schon Kühlstrukturen in CPU-Kühlern (GPU-Kühler waren damals in der Regel noch deutlich gröbere Strukturen), deren Strukturbeite deutlich unter 0,8mm lag und auch die waren bereits gesägt.
Die Kreissägeblätter kommen meistens als Paket mit mehreren Blättern und präzise dimensionierten Passscheiben dazwischen in einer gemeinsamen Sägeblattaufnahme zum Einsatz. So können feine Lamellen-Strukturen ja nach Maschine in einem Rutsch produziert werden. Auch Kreuz-Sägungen (siehe AC Kryos Baureihe) sind möglich, aber hier limitiert das Material noch ein wenig mehr als bei Lamellen, was die Strukturbreiten angeht, wenn man effiziente Aspektverhältnisse der Lamellen bzw. Pins einhalten will. Mit hochpräzisen Bearbeitungszentren kann man aber selbst Kreuzsägungen recht fein gestalten (gibt da auch noch paar handwerkliche Tricks, die dich ausnutzen lassen - siehe ebenfalls Kryos Bodenplatten).
Zur Sägemethode kann ich übrigens aus eigener Erfahrung auch Hobby-Kühlerbastlern nur raten, wenn man einigermaßen performante Strukturen erzeugen will. So kann man auch mit Hobby-Equipment noch in vertretbarer Zeit relativ feine Kühlstrukturen erreichen. Mit Einzelsägeblättern und ohne effektive Maßnahmen zur Spanabfuhr per Flutkühlung oder Minimalmengenschmierung mit hohem Luftdruck ist aber auch das recht langwierig. Bei mehrfach-Aufnahmen muss das Werkzeug-Paket gut zentriert und absolut parallel laufen, sonnst kommt es zu verbogenen Lamellen. Bezüglich Oberflächenrauheit, kann man bei diesem Verfahren allenfalls ein minimale langwellige Struktuierung am Grund der Sägenuten einstellen, aber das ist unter dem Aspekt Rauheiten eigentlich nicht relevant.

Im AIO-Bereich kommt im kommerziellen Bereich btw auch noch skived-Fin-Verfahren für feine Lamellenstrukturen mit meist viel zu großem Aspektverhältnis zwischen Lamellenhöhe und Basisfläche zum Einsatz. Ohne Nachbearbeitung sind damit aber keine geringen Restbodenstärken und damit insgesamt, trotz der feinen Lamellen, keine besonders performanten Kühler machbar - Sichtwort: absoluter Wärmewiederstand der Bodenplatte. Zudem droht hier ohne Annihilierung der Eigenspannungen bei nachträglichem Abdünnen der Bodenplatte der Verzug derselbigen.

Was den Einfluss der Rauheitwerte auf den Wärmeübergang angeht gibt es im Übrigen sicher auch für viele User bedeutend anschaulichere Betrachtungsweisen als den Weg über die allseits beliebten dimensionslosen Strömungskennzahlen von Reynolds, Prandtl und Nusselt . Kurz gefasst, spielt die Rauheit der überströmten Oberfläche hinsichtlich des Wärmeübergangs dann keine Rolle mehr, wenn die Oberfläche "hydraulisch glatt" ist. Dies ist der Fall wenn die Dicke der laminaren Grenzsicht das maximale Rauheitsmaß übertrifft. Das heißt in den Rauheitstälern sind die Wassermoelküle näherungsweise unbeweglich und die Spitzen ragen an keiner Stelle in die Kernströmung. Für den Wärmeaustausch mit der laminaren Kernströmung haben solche Rauigkeiten daher keinen Einfluss. Für die Kernströmung ist es eigentlich genauso als wäre die Wandung tatsächlich glatt. Zumindest für diejenigen die sich ein Strömungsprofil in einem duchströmten Querschnitt vorstellen können, könnte das ein anschaulicherer Ansatz als der mathematisch formulierte funktionale Zusammenhang sein. Da die Grenzschichtdicke aber natürlich von der Strömungsgeschwindigkeit im durchströmten Querschnitt abhängt (und damit von der Re-Zahl, wenn man sie denn anführen will), kann die Oberflächenrauheit bei besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten dennoch eine gewisse Rolle für die Effektivität des Wärmeübergangs spielen. Im dem Parameterfeld was wir bezüglich Strukturbreiten und pumpenseitig zur Verfügung stehenden Druckdifferenzen in PC-Wasserkühlern vorfinden, müsste man im Verhältnis zu den Dimensionen der Kühlstrukturen allerdings schon flächendeckend ziemliche Macken in die Oberflächen schlagen, um aus den als hydraulisch glatt anzusehenden Rauheitswerten heraus zu kommen, und das ist auch fertigungstechnisch zumindest mit spanenden Verfahren meist alles andere als gewollt und sinnvoll.

Aber wenn man mal von der in der Regel wirklich vernachlässigbaren Größenordnung bezüglich der Gesamteffizienz absieht, kann es nichts desto trotz vorkommen, dass je nach Konstruktion eines Kühlers tatsächlich Bereiche der Strömung gibt, die von erhöhter Rauheit in Bezug auf die Kühlleistung profitieren. Das betrifft vor allem Umlenkungsbereiche (z. B. unter Düsen welcher Form auch immer), in denen sich sog. Staupunkte bzw. Staulininen ergeben unter denen die Grenzschicht aufgrund senkrecht zur Oberfläche gerichteter Strömungsvektoren komplett aufgelöst wird. Die allenfalls zu ahnenden und schon immer meist im Rauschen der Messungenauigkeit untergehenden Effekte, die man früher z. B. durch Aufrauung mittels Sand- oder Glasperlenstrahlen zu erreichen versuchte, dürften aber bei den heutigen Strukturbreiten zum Einen wirklich nicht mehr relevant sein, und zum Anderen ist das fertigungstechnisch nicht mehr umsetzbar - dazu sind die feinen Strukturen inzwischen mechanisch einfach zu labil. Dazu kommt, dass minimale positive Effekte, welche durch Rauheiten größer als hydraulisch glatte Rauheiten zumindest postulierbar sind, durch erhöhte Reibungszahlen mehr oder minder kompensiert werden - wenn nicht überkompensiert. Das kann man nun zwar theoretisch versuchen zu berechnen bzw. zu simulieren, aber spätestens hier versagen die geschlossenen Lösungen, sofern man nicht mit Anpassungsparametern aus Versuchsreihen arbeitet. Da geht´s einfach in Bereiche in denen man zwar andere als die üblichen Modelle auf Basis der aus Experimenten angefitteten Funktionen ansetzen könnte, aber mit den üblichen Mitteln kommt man da auch mit viel Aufwand nicht wirklich weiter. Da es, wie die Praxis zeigt, wesentlich wirkungsvollere Maßnahmen gibt die Effektivität von Kühlern zu verbessern, und es sich bei Rauheits-Effekten i. d. R. allenfalls um Größenordnungen dreht, die man auch in der experimentellen Sichtweise imho zu Recht als vernachlässigbar bezeichnen würde, würde einen das auch nicht weiterbringen wenn´s einfach zu simulieren wäre.

An anderen Stellen als der Kühlstruktur haben Rauheits-beeinflussende Verfahren wie die Nachbehandlung durch das Strahlen mit feinen Glasperlen aber durchaus ihre Berechtigung. Nicht wegen irgendwelcher Performance-Effekte, sondern zur sog. Oberflächenverdichtung und Homogenisierung bzw. zur Beseitigung von Fräsmarken, was wiederum ein verbessertes Verhalten bezüglich Korrosion mit sich bringen kann und darüber hinaus zu einer gleichmäßigeren Optik führt, die die Werkstücke hochwertiger erscheinen lassen kann. Das kann dann wieder verkaufsfördernd sein, wenn man kommerzieller Hersteller ist. Polierte Oberflächen schauen aber auch gut aus .

Die grundlegenden Erkenntnisse was die Bewertung von Rauigkeiten in Kühlstrukturen und auch was effektive und weniger effektive Aspektverhältnisse von Lamellen oder Pins innerhalb von Kühlstrukturen angeht, die du hier aus der Theorie abgleitet hast, kann man sich übrigens auch sehr gut in der Praxis erarbeiten . Wenn man selber mal paar Kühler gebaut und einigermaßen ordentlich getestet hat, bekommt man sogar regelrecht ein Gespür dafür, welche Aspektverhältnisse noch hilfreich sind und welche bereits nicht mehr. Ebenso zeigt sich schnell, dass man außer mehr oder weniger nützlichen Nebeneffekten nichts von künstlich hergestellten Rauheiten zu erwarten hat. Jedenfalls lassen sich Kühlstrukturen so mit etwas Erfahrung schon nach dem Augenschein performancemäßig oft recht gut einordnen - zumindest wenn man einen Vergleichsmaßstab für die Abmessungen hat (Normteilgeometrien wie Gewinde in direkter Umgebung z. B.). Nur als Tipp - falls dir die Theorie mal kein Spaß mehr machen sollte und du mal in die Praxis des Wakü-Baus reinschnuppern willst, da kommt man all den Erkenntnissen, die sich aus den Zusammenhängen, welche die alten Herren der Strömungslehre vor über hundert Jahren zu Papier gebracht haben, auch ganz ohne große Zahlenwerke und Simulationsansätze auf die Schliche. Aber das kann natürlich jeder nach seiner Fasson handhaben.
Die Theorie zu kennen ist freilich keinesfalls unnütz in dem Zusammenhang. Um recht effektive Kühler zu konstruieren braucht man sie aber nicht zwingend. Mit Theorie und Praxis, ausgewogen abgeschmeckt, gelingen Kühlerbau-Rezepte aber meiner Erfahrung nach am besten. Einzig die Fertigungs-Möglichkeiten können einen da als Hobby-Bastler etwas einbremsen.

^ Nur um den Spieß aus dem anderen Thread mal ein wenig umzudrehen. Hier bist du derjenige der den wissenschaftlichen Überbau liefert, welcher auf den ein oder anderen vllt. ein bisschen wie mit Kanonen auf Spatzen geschossen wirken mag . Aber sei´s drum - es schadet nicht diese Punkte mal alle kurz und bündig zusammenzufassen - zumal Viele keinen Zugang zu den richtige Quellen haben bzw. nicht wissen was sie suchen müssen.