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  • Top-Blower- gegen Tower-CPU-Kühler: Auswirkung auf die Temperatur von Mainboard-Spannungswandlern

    CPU-Kühler beeinflussen nicht nur die Temperatur des Prozessors, auch andere Mainboardkomponenten profitieren vom Luftstrom. Wie wirken sich hier verschiedene Bauformen aus? PCGH hat weit verbreiteten Vorurteilen auf den Zahn gefühlt - mit überraschenden Ergebnissen.

    "Nimm einen Top-Down-Kühler, sonst werden die Spannungswandler sehr warm!" So oder so ähnlich steht es in unzähligen Forenbeiträgen, oft mit einem Verweis auf Boxed-Kühler, deren Top-Blower-Design maßgebend für Mainboardhersteller sein soll. Tatsächlich gibt es bei der Interaktion zwischen CPU- und Mainboardkühlung aber viel mehr zu beachten, als nur die Ausrichtung des Lüfters über dem Prozessor - Zeit nachzumessen.

    11:56
    Top-Blower gegen Tower: Spannungswandlerkühlung im Video

    Top-Blower gegen Tower: Die Vorurteile

          

    Grundannahme vieler Nutzer und Ausgangspunkt für diesen Artikel ist ein offensichtlicher Unterschied zwischen Tower-Kühlern und klassischen Top-Blowern. Während erstere einen Luftstrom parallel zum Mainboard erzeugen, der seinen Anfang einige Zentimeter darüber nimmt, blasen letztere direkt auf die Hauptplatine, wo sich die Luft dann in alle Richtungen ausbreitet. Da moderne Mainboards auf aktive Kühlung verzichten und Gehäuselüfter meist höher angebracht sind, ist dies der einzige Luftstrom, der onboard-Komponenten im CPU-Umfeld kühlen kann - und bei Tower-Kühlern entfällt dieser Effekt, so die landläufige Meinung. Insbesondere wenn sich der Mainboard-Hersteller am Boxed-Kühler orientiert, wäre dies ein Problem, denn sowohl Intel als auch AMD setzten fast durchgängig auf Top-Blower-Modelle.

    Top-Blower gegen Tower: Das ist zu kühlen

          

    Kritische Komponente sind dabei klar die CPU-Spannungswandler auf dem Mainboard. Diese Step-Down-Schaltungen reduzieren die vom Netzteil kommenden 12 Volt auf die gewünschte Versorgungsspannung des Prozessors und arbeiten dabei, wie alle elektrischen Bauteile, mit einer beschränkten Effizienz. Genaue Messungen sind sehr aufwendig, typischerweise ist aber von einem um 15 bis 30 Prozent größeren Stromfluss zu den Wandlern als von diesen zur CPU die Rede - der Rest wird an den Spannungswandlern in Wärme umgewandelt. Im Falle des PCGH-Kühlertestsystemes mit seinem 150-W-TDP-Xeon muss der Spannungswandlerkühler also rund 30 Watt abführen. Wie gut er das in verschiedenen Szenarien macht, haben wir mit zwei Temperatursensoren unter dem Kühler, zwischen den MOSFETs der Spannungswandlung ermittelt.

    Top-Blower gegen Tower: Die CPU-Kühler

          

    Als Beispiel-Kühler nutzen wir Thermalrights Macho Direct und Enermax' ETS-T40F-RF als Vertreter der Tower-Modelle sowie Noctuas NH-C14S und Be Quiets Shadow Rock LP auf Seiten der Top-Blower. Mit Ausnahme von letzterem handelt es sich um 140-mm-Modelle, so dass ein einheitlicher Referenzlüfter und damit -luftstrom genutzt werden kann. Um einen großen Bereich an Lüfterstärke und (-lautheit) abzudecken, messen wir zusätzlich mit Serienlüfter und jeweils bei drei bis vier Drehzahlsettings zwischen 50 und 100 Prozent der Maximaldrezahl. In Anbetracht der vielen Werte und zur besseren Vergleichbarkeit geben wir die Messergebnisse nicht als Balkendiagramm an, sondern tragen die erreichte Spannungswandlertemperatur, normiert auf 20 °C Umgebungstemperatur, gegenüber der Lautheit auf. Je mehr Luft ein Kühler bewegt, desto bessere Temperaturen sollte er schließlich erreichen.

    Das GA-X97-UD7 des PCGH-Kühlerteststandes richtet sich zwar an Extremübertakter, aufgrund des Sockel-2011-Quad-Channel-Speicherinterfaces hat es dennoch nur wenig Platz für die Kühlung der stark belasteten Spannungswandler. Das GA-X97-UD7 des PCGH-Kühlerteststandes richtet sich zwar an Extremübertakter, aufgrund des Sockel-2011-Quad-Channel-Speicherinterfaces hat es dennoch nur wenig Platz für die Kühlung der stark belasteten Spannungswandler. Quelle: PC Games Hardware

    Top-Blower gegen Tower: Die Messergebnisse

          

    Das Ergebnis unserer Messungen ist eindeutig: Bei vergleichbarem Lufstrom respektive Lüfterlärm sorgen die Tower-Kühler wider erwarten für bessere Spannungswandlertemperaturen, obwohl sie weniger Luft in Richtung der Spannungswandler befördern. Besonders deutlich ist dies beim Macho Direct, der in allen Szenarien den Spitzenplatz einnimmt; aber auch der ETS-T40F-RF erzielt mit dem Referenzlüfter gute Werte. Bei Einsatz des Serienlüfters fällt er zwar knapp hinter die Top-Blower von Noctua und Be Quiet zurück - allerdings sind die Lüfter dieser beiden Marken auch für ihre Silent-Qualiäten bekannt. Mit diesem Leisetreter-Bonus sollten NH-C14S und Shadow Rock LP also bei gleicher Lautheit tendentiell besser abschneiden, stattdessen belegen sie durchgängig die hinteren Plätze, was sich im Falle des NH-C14S auch nicht durch die Lüftergröße erklären lässt. Was ist passiert?

    Top-Blower gegen Tower: Das Problem der Top-Blower

          

    Eine zweite Messung gibt Hinweise. Montieren wir den Lüfter des NH-C14S unter dem sehr hochliegenden Kühlkörper, verändert sich das Bild deutlich. Der so geschaffene "Bottom-Up"-Kühler muss sich bei maximaler Lüfterdrehzahl dem normalen Top-Down-Aufbau knapp geschlagen geben, dessen gerichteter, stark verwirbelte Luftstrom in blasendem Betrieb prinzipiell einen besseren Wärmeübergang bei gleicher Lüfterstärke ermöglicht. Senken wir die Drehzahl, kehrt sich das Leistungsverhältnis aber um. Trotz des Effizienz-Nachteils sorgt der NH-C14S mit nach oben gerichtetem Lüfter für deutlich bessere Spannungswandlertemperaturen und dringt mühelos in den Leistungsbereich der Tower-Kühler vor.

    Grund hierfür ist die gerne vergessene Temperatur der Top-Blower-Abluft, die die gesamte CPU-Abwärme aufgenommen hat. Bei hohem Luftdurchsatz (zum Beispiel auch bei Boxed-Kühlern) ist dies kein Problem; über ein großes Luftvolumen verteilt sorgt die Abwärme kaum für höhere Temperaturen. Reduziert man aber die Lüfterdrehzahl (und -lautheit), strömt die Luft langsamer und wird wärmer. Für die CPU-Temperatur ist dies bei einem großen Kühler wie dem NH-C14S kein Problem, aber die Spannungswandler werden vom Top-Blower nun mit Warmluft umblasen. Bei Einsatz eines Tower-Kühlers oder unserer Bottom-Up-Modifikation verschwindet die warme Abluft dagegen nach hinten beziehungsweise oben.

    Kein Luftzug am Mainboard? Von wegen, rund um das Lamellenpaket gibt es bei vielen Tower-Kühlern einen kühlen Nebenstrom. Kein Luftzug am Mainboard? Von wegen, rund um das Lamellenpaket gibt es bei vielen Tower-Kühlern einen kühlen Nebenstrom. Quelle: PC Games Hardware

    Top-Blower gegen Tower: Der Bonus der Tower-Kühler

          

    Die hohen Temperaturen trotz Top-Blower sind erklärt, aber wieso kühlen die Tower-Modelle so gut? Keine Luftbewegung führt schließlich zum Wärmestau und dieser zu noch höheren Temperaturen als warme, bewegte Luft. Ein einfacher Blick auf einen Tower-Kühler verrät aber, dass schon die Grundannahme der stehenden Luft im Spannungswandler-Umfeld falsch war. Tower-Kühler sind an den Seiten typischerweise offen, außerdem ragt zumindest bei 140-mm-Modellen meist der Lüfter bis unter das eigentliche Lamellenpaket. An diesen Stellen entweicht ein Teil der geförderten Luft und kann die Umgebung kühlen. Dieser Anteil ist zwar geringer, als bei Top-Blowern, im Gegenzug ist die Luft aber gar nicht oder nur wenig von der CPU vorgewärmt. Im Zusammenspiel aller Faktoren ist dies auf unserem Testsystem offensichtlich der beste Kompromiss.

    Top-Blower gegen Tower: Das Fazit

          

    Je nach System sollte man aber weitere Faktoren berücksichtigen, insbesondere die Gehäuse Be- bezeihungsweise -entlüftung. Hier kann auch ein Top-Blower mit reinspielen, wenn er nämlich direkten Kontakt zu einer Öffnung im flachen oder schmalen Gehäuse hat. Umgekehrt müssen Tower-Kühler in flachen HTPCs oft mit sehr kleinen Lüftern auskommmen und bewegen dann ganz andere Luftmengen, als konkurrierende Top-Blower. Im Zweifelsfall hilft nur ausprobieren. Zwei Dinge lassen sich nach unseren Messungen aber allgemein sagen: Bei typischen Aufbauten mit reichlich Platz nach oben und einem Luftstrom von vorne nach hinten (in unserem Fall durch einen 330-U/min-180-mm-Lüfter simuliert) können Tower-Kühler sogar die bessere Wahl für die Spannungswandler sein. Und bei angemessen dimensionierten Spannungswandlerkühlern droht so oder so keine Gefahr - wir haben maximal 70 °C gemessen, die Bauteile sind aber oft für über 100 °C ausgelegt und halten diese auf Grafikkarten auch nachweislich für längere Zeit aus.

    Einen vollständigen CPU-Kühlertest mit den hier genutzten und weiteren Kühlern planen wir übrigens für die PCGH 04/2016 (ab 2. März bei jedem gutem Zeitschriftenhändler).

    Wissenswert: Mehr Informationen zum Thema finden Sie in:
    Mainboard-Kaufberatung 2016: Gaming-Boards für Sockel 1151, 2011-v3 und mehr [November]
      • Von Noxxphox PCGHX-HWbot-Member (m/w)
        na das ist dochmal nen echt geiles special
        das mit der aufgewärmten luft die auf die spawas kommt diese sich etwas erwärmen habe ich agrnicht dran gedacht...
        na dann können wir für die amd board die topblower empfehlungen aufhören zu geben
      • Von Rolk Lötkolbengott/-göttin
        Ich habe den Test nur überflogen, aber ich bin der Meinung man hätte nicht nur Towerkühler mit "überstehenden" Lüftern für den Test nutzen dürfen. Seht euch solche Kühler mit 140er Lüfter die 120er Bohrungen haben an, es ist doch klar das sie einen Luftzug produzieren der auch über die Spawas streicht und diese kühlt. Bei Towerkühlern wo der Lüfter komplett auf dem CPU-Kühlkörper aufliegt dürften die Spawatemperaturen deutlich schlechter ausfallen.
      • Von FormatC Freizeitschrauber(in)
        Zitat von Brehministrator
        Das ist sicher korrekt. Da muss man aber dazu sagen, dass sowohl Spulen als auch Solid-Elektrolytkondensatoren auf Dauer auch bei 150°C keinen Schaden nehmen Bevor bei einer SMD-Power-Induktivität der Lack auf dem Kupferdraht flüssig wird, müssen da noch ganz andere Bedingungen herrschen. Und so ein All-Solid-ElKo ist im Prinzip komplett aus Keramikmaterial, dem kann das auch nix anhaben.
        Ganz anders sähe die Sache natürlich aus, wenn irgendwo in der Umgebung noch Aluminium-Elkos mit Flüssig-Elektrolyt verbaut sind (zu erkennen an ihrer zylindrischen Form). Die altern ab einer gewissen Temperatur überproportional schnell (weil sie ja Flüssigkeit enthalten), und würden bei 150°C wohl nur wenige Tage durchhalten...
        Ich verweise da immer gern auf meinen Launchartikel zum Haswell-E, den ich hier aus verständlichen Gründen nicht verlinke. ich habe dort ein IR-Video als Zeitraffer gemacht, das die Wärmedurchdringung des Mainboards zeigt. Die Hitze von den VRM wanderte bis unter den Sockel und hat die CPU noch von von unten her ordentlich aufgeheizt. Das finde ich nicht wirklich prall.
      • Von fiiizzy Schraubenverwechsler(in)
        Zitat von GEChun
        Wie ist das eigentlich bei Wakü?
        Reicht ne gute Gehäuse Lüftung auch für relativ geregelte Temperaturen bei den Spannungswandlern aus?
        Pauschal kann man nicht sagen, kommt auf das Board an. Ich behaupte dass es zB auf meinem nicht ausreichen würde.
      • Von GEChun Freizeitschrauber(in)
        Wie ist das eigentlich bei Wakü?
        Reicht ne gute Gehäuse Lüftung auch für relativ geregelte Temperaturen bei den Spannungswandlern aus?
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Top-Blower- gegen Tower-CPU-Kühler: Auswirkung auf die Temperatur von Mainboard-Spannungswandlern
CPU-Kühler beeinflussen nicht nur die Temperatur des Prozessors, auch andere Mainboardkomponenten profitieren vom Luftstrom. Wie wirken sich hier verschiedene Bauformen aus? PCGH hat weit verbreiteten Vorurteilen auf den Zahn gefühlt - mit überraschenden Ergebnissen.
http://www.pcgameshardware.de/Mainboard-Hardware-154107/Specials/Mainboard-Spannungswandler-zu-heiss-Kuehler-1185586/
14.02.2016
http://www.pcgameshardware.de/screenshots/medium/2016/02/Detail_Asrock_Spannungswandler126Grad_Graka106-pcgh_b2teaser_169.jpg
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