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Mein neuer Computer

GTX-260 wassergekühlt: Klingt einfach, ist aber anspruchsvoll!

(Hier geht's zu Teil 1, Teil 2 und Teil 3)

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Das Resultat vieler Stunden Arbeit

Abb. 1: Das Resultat vieler Stunden Arbeit

Der grosse Fehler

Im Rahmen meines neuen, wassergekühlten Computers (dazu folgt ein späterer Bastel- bericht), sollte eine nVidia GTX-260 (55 nm, 216 SP) in den Wasserkreislauf eingefügt werden. Die günstigste Grafikkarte gab's von Gainward mit der Bezeichnung Gainward GTX-260 GS 896MB DDR3, 216SP, 55nm. Peinlich genau achtete ich darauf, dass es sich um die neue Version mit 216 Streaming- prozessoren und in 55 nm gefertigt handelt. Den schönsten Kühler, und ebenfalls sehr preiswert, gibt's von Aquacomputer mit der Bezeichnung Aquacomputer aquagraFX 260GTX 55nm (G200b) G1/4". Ebenfalls eine Version für 216 SP und 55 nm.

Die schöne Grafikkarte

Abb. 2: Die schöne Grafikkarte

Schmiere für die GPU

Abb. 3: Schmiere für die GPU

Das böse Erwachen

Die Dinge waren längst eingekauft, als ich dann kürzlich endlich Zeit fand, den Kühler mal schnell auf die Grafikkarte zu schrauben. Kann ja keine grosse Sache seinů Denkste! Der Serienkühler ist schnell runter, doch - oh Schreck - der Aquagrafx passt hinten und vorne nicht! Nach dem ersten Schreck folgte dann Tags darauf die Bestandsaufnahme.

Bestandsaufnahme

Also, was passt nicht? Die Liste ist leider lang:

  • Die Montagefläche aus Acryl, in die die Wakü-Anschlüsse geschraubt werden, ragt 2 mm über die Platinenfläche und verhindert jegliche Montage.
  • Oben links stösst sich eine Ecke mit einem Elko auf der Graka.
  • Der ganze rechte Rattenschwanz stösst sich an 6 Elkos und 4 Spulen
  • Von total 14 MOSFETs liegen nur gerade zwei unter der Kühlfläche (wenn man die 8 am rechten Rand mal aussen vor lässt, denn da passt sowieso überhaupt nichts)
  • Die vier Befestigungslöcher rund um die GPU sind für Schraubengrösse M2, alle anderen Befestigungslöcher sind am falschen Ort - das hält nie.
Passt hinten und vorne nicht

Abb. 4: Passt hinten und vorne nicht

Wakü und Graka

Abb. 5: Wakü und Graka

Was tun? Für das eine oder andere Problem liesse sich wohl eine elegante Lösung auf der Graka finden. Beispielsweise sind all die genannten Elkos und Spulen bedrahtet und liessen sich problemlos auf die Rückseite umlöten. Zudem liesse sich sicherlich auch der obere Rand um 2 mm abfräsen. Trotz- dem entschied ich mich dazu, die Graka unverändert zu lassen - um sie ggf. noch auf E-Bay verhökern zu können, falls alles nichts nützt. Zudem war sie einiges teurer wie der Kühler. Also, Übungsbestimmung: Alle Modi- fikationen beschränken sich auf den Kühler. (...musste ich dann später fallen lassen...)

Anschlüsse nach oben

Ich entschied mich dazu, den Anschlussblock auf die Oberseite zu verschieben, also auf dem Inox-Stahlblech zu montieren. Es gibt im Prinzip von Aquacomputer einen Umrüstsatz, um die Anschlüsse nach oben zu versetzen, doch da bleibt der Acryl-Block und damit das Problem auf der Unterseite. Also hopp, eine Eigenkonstruktion musste her!
Zuerst zerlegte ich den Kühler, da die tem- peraturempfindlichen Gummidichtungen wohl keine Löthitze vertragen. Auch der Acryl- Block musste weg. Die Löcher im Kupferteil verschloss ich mit zwei aufgelöteten Kupferplättchen. Zuerst wollte ich hartlöten mit Cu94P6, doch ich erreichte nicht die dazu notwendige Temperatur. (Ich brauche dringend ein neues Lötgerät, am liebsten ein Rothenberger Super Fire 3.) Und es ka- men auch Zweifel auf, ob sich der Kühler bei der hohen Temperatur nicht auch verziehen könnte. Also weichlöten (Sn60Pb38Ag2 mit Kolophonium-Flussmittelseele).

Löcher zulöten

Abb. 6: Löcher zulöten

Bohren der Befestigungslöcher für den Anschlussblock

Abb. 7: Bohren der Befestigungslöcher für den Anschlussblock

Danach bohrte ich die vier Schraubenlöcher (3 mm) und die beiden neuen Wasserlöcher (8 mm) ins Blech. Achtung, das Material ist sehr zäh. Vorbohren mit Vollhartmetall-Bohrer (VHM: Wolframcarbid/Cobalt, 135░- Schneide), Hauptbohrung mit (TiN-) HSS-G-Bohrer. Langsam bohren und reichlich Kühlschmierstoff zugeben! Tipp: Für grosse Löcher in dünne Bleche eignen sich Zentrier- bohrer (90░ Spitze / 60░ Schaft) besser als gewöhnliche Spiralbohrer (118░-Schneide), welche leicht zu rattern beginnen können. Alternativ bietet sich natürlich Laser- oder Wasserstrahlschneiden an, was aber leider sehr teuer ist.

Die Wasserlöcher werden natürlich durch den Gummiring im Acrylblock abgedichtet, nicht aber die Schraubenlöcher. Deswegen konnte ich sie nicht einfauch nur von unten durch das Blech stecken, sondern sie müssen wasserdicht verbunden werden. Dazu steckte ich die vier M3-Inox-Schrauben von der Wasserseite durch das Blech und lötete sie wasserdicht ebenfalls auf der Wasserseite fest (leider kein Bild). Da es sich um ein Inox-Blech und Inox-Schrauben handelt, kommt weichlöten nicht in Frage. Ich entschiede mich für Neusilberlot (Cu48Ni10Zn42 mit Flussmittelumantelung). Dies macht bombenfeste Verbindungen, erfordert aber sehr hohe Temperaturen, wofür ich mein Autogenschweissgerätchen einsetzte. Leider verzog sich das Blech - es wurde beim Löten orangerot - ziemlich deutlich, so dass ich es mühsamst im Schraubstock richten musste. Und die Schlacke vom Flussmittel liess sich nur unter beherztem Einsatz diverser Werkzeuge entfernen. Das nächste Mal würde ich Araldit nehmen!

Anschlüsse fixfertig

Abb. 8: Anschlüsse fixfertig

Hier was weggesägt, da was weggedremelt

Abb. 9: Hier was weggesägt, da was weggedremelt

Die MOSFETs

Danach sägte ich die überstehende Ecke oben links und den ganzen rechten Teil ab. Damit es chic aussieht, gab's natürlich danach eine neue Fase. Glücklicherweise brauchte ich mich um die 8 rechts aussen plazierten MOSFETs nicht zu kümmern: Es liess sich der ursprünliche Alu-Rippenkühler auch separat wieder montieren. Es bläst dann zwar kein Luftstrom mehr daran vorbei, wie das im ursprünglichen Kühlkonzept der Fall war, aber sie liegen wenigstens schön offen. Was mir ein Rätsel bleibt: Auf dem Platinenlayout wäre dort auch Platz für die 6 restlichen MOSFETs gewesen (4 sind sogar gelayoutet), aber nein, Gainward musste sie unbedingt links irgendwo verstreut montieren (samt den Elkos, die damit überall im Weg sind).

Zwei der sechs MOSFETs lagen bereits richtig unter dem Kühler. Für die anderen vier lötete ich links oben und links unten 3 mm starke Kupferbleche (untenbündig, mit Hilfe eines Alublechs) an den Kühler. Natürlich weich- löten, siehe oben. Der ganze Kühler erhitzt sich bis zur Liquidustemperatur des Lots, das macht es etwas schwierig... Das erste Stück ist angelötet, danach für das zweite Stück aufheizen und das erste fällt runter... Aber mit etwas Geschicklichkeit ging es dann. Die Verschlussplättchen für die Wasseran- schlüsse können übrigens nicht herunter- fallen, da sie aufliegen.

Anlöten eines der beiden Kühlplättchen für MOSFETs

Abb. 10: Anlöten eines der beiden Kühlplättchen für MOSFETs

Die PCI-Bridge NVI02-A2

Abb. 11: Die PCI-Bridge NVI02-A2

Die PCI-Bridge NVI02-A2

Tja, dieser Chip macht Ärger. Er ist ebenfalls nicht genau dort montiert, wo ihn das Referenzlayout vorsieht, so dass er an einer Stelle sitzt, wo der Kühler für zwei im Referenzlayout vorgesehene MOSFETs leicht angefräst ist. Damit entsteht ein Luftspalt von schätzungsweise 0.2 mm. Aquacomputer hätte den direkten Kontakt mit dem Kühler vorgesehen. Nach einigen Kopfzerbrechen (Kupfer auflöten??), kuckte ich den Originalkühler an, und sah dort, dass dieser Chip über ein Wärmeleit-Klebepad mit dem Kühler verbunden ist. Das kam für mich nicht in Frage, da dafür der Spalt doch zu klein ist. Aber wie wär's mit hochviskoser Wärmeleit- paste? Arctic-Silver scheint diesen Zweck zu erfüllen. Heruntertropfen kann er nicht, da der Spalt bei eingebauter Grafikkarte hori- zontal verläuft. Die Kohäsion wird das wohl sowieso verhindern, egal wie welche Volu- menkräfte (z.B. Gravitationsfeld) wirken.

Passt der Kühler jetzt? Nein, da ist noch ein doofer Quarz eine Spur zu hoch (Abb. 11). Eigentlich wollte ich ja nicht an der Graka rumlöten, aber jetzt bleibt mir nichts anderes übrig. Denn, faul wie ich bin, wollte ich den Kühler nicht in die Institutswerkstatt mitnehmen und dort mit dem grossen Fräser zu bearbeiten. Und ein Quarz ist ja schnell umgelötet.

Quarz auf die Unterseite löten

Abb. 12: Quarz auf die Unterseite löten

Dow Corning High Vacuum Grease

Abb. 13: Dow Corning High Vacuum Grease

Die Gummidichtung

Nun musste einfach alles wieder zusammen- geschraubt werden. Dazu wurde der Kühler gereinigt (mit Zahnbürste und Elmex-Zahn- pasta) und die Gummidichtung eingelegt. Leider funktionierte letzteres nicht ohne weiteres - er sprang munter aus der Nut, egal wieviele Finger und Hände ich auch zu Hilfe nahm. Mit hochviskosem Hochvakuum-Silikonfett eingeschmiert, fügte sich der Ring der Kohäsion und endlich liess sich der Deckel montieren.

Die Montage

Von den zehn Schraubenlöcher passten nur gerade die vier um die GPU. Da ich nicht ohne weiteres weitere Gewinde reinschneiden konnte (sie würden ins Wasservolumen ragen, da hätte ich zuerst wieder Kupfer anlöten müsse), musste ich mit diesen vier auskommen. Das traute ich allerdings den M2-Winzlingen nicht zu. Zuerst wollte ich einfach die Löcher ausbohren und M3-Gewindezapfen einlöten. Die Lötefahrungen von oben veranlassten mich dann aber dazu, die Zapfen mit Araldit einzukleben. (Gescheiter wärte gewesen, M3-Gewinde reinzuschneiden und die Zapfen mit etwas Locktite einzuschrauben.) Danach musste ich da und dort bei den MOSFETs noch etwas feilen und schon passte der Kühlkörper. Die restliche Montage lief wie am Schnürchen genau nach Anleitung ;-)

Gewindestangen eingearalditet

Abb. 14: Gewindestangen eingearalditet

Viel hilft viel

Abb. 15: Viel hilft viel

Nachwort zur Wärmeleitpaste

Oft liest man, dass man mit Wärmeleitpaste sehr sparsam umgehen sollte. Das ist grundsätzlich richtig, und trotzdem war ich äusserst grosszügig (Abb. 15). Der Grund: Mein modifierter Kühler passte trotz allem nicht mehr so gut drauf, wie das im Original bei einer Grafikkarte im Referenzlayout gewesen wäre. So musste ich teilweise 0.1 bis 0.2 mm überbrücken. Mit Wärmeleit- klebepads aus Schaumstoff ("Kaugummi") wäre das zwar theoretisch möglich, doch wenn sie zu dick sind, drücken sie perifer die Platine vom Kühler weg (nur vier Schrauben!). Damit würden an anderen Stellen neue Spalten entstehen. Hinzu kommt, dass ein Wärmeleitklebepad einen Wärmewiderstand von Rth = 1.5 ... 5 W/m/K, die Arctic Silver Wärmeleitpaste hingegen Rth = 9 W/m/K. Im Gegensatz dazu wäre ein Spalt fatal, da Luft einen Wärmewiderstand von Rth = 0.026 W/m/K aufweist.

Ein Rechenbeispiel? Es sollen 180 W über 2500 mm2 abgeführt werden (GPU). Der Spalt betrage 0.1 mm. Mit Arctic Silver ergibt sich ΔT = l ⋅ PV / (λ ⋅ A) = 0.8 K. Ist wohl zu verschmerzen, nicht wahr? Mit Kupfer (Direktkontakt) würde sich die Temperatur- differenz auf 0.02 K reduzieren. OK, das wäre natürlich besser. Hingegen wäre Luft fatal: 277 K.

Der Einbau der Grafikkarte in meinen Computer und wie gut sie sich dabei macht wird demnächst in einem weiteren Bericht beschrieben.

Fazit: Super Graka, super Kühler; doch passt auf, dass sie zusammenpassen!

Originalkühler mit Wärmeleitpads

Abb. 16: Originalkühler mit Wärmeleitpads

Kühler ohne Lüfter

Abb. 17: Kühler ohne Lüfter

Komplett zerlegt

Abb. 18: Komplett zerlegt

Originalkühler: 494.71 g

Abb. 19: Originalkühler: 494.71 g

Wasserkühler: 807.41 g (+ H<SUB>2</SUB>O)

Abb. 20: Wasserkühler: 807.41 g (+ H2O)

Demontage des Anschlussblocks

Abb. 21: Demontage des Anschlussblocks

Einzeichnen, wo der Anschlussblock neu sein soll

Abb. 22: Einzeichnen, wo der Anschlussblock neu plaziert werden soll

Aus diesem Kupferabfall wurde Schönes

Abb. 23: Aus diesem Stück Kupferabfall wurde Schönes

Ablängen der M3-Gewindestangen

Abb. 24: Ablängen der M3-Gewindestangen

Konstruktion der MOSFET-Kühlfahnen

Abb. 25: Konstruktion der MOSFET-Kühlfahnen

Schlussreinigung gegen Karies

Abb. 26: Schlussreinigung gegen Karies

(Hier geht's zu Teil 1, Teil 2 und Teil 3)





Autor: info@lugra.ch
Datum: 31. Mai 2009
Minor Updates: 7. Juni 2009,
15. August 2010