Raspberry Pi 4 – Ein cooler Typ
Die Pi 4 CPU setzt viel Energie um

Raspberry Pi 4 – Ein cooler Typ

Bei allen Modellen des Raspberry Pi gilt das Prinzip möglichst wenig Energie zu verbrauchen. Aber zugleich wird mit jeder neuen Computergeneration eine Beschleunigung erwartet – was nicht ganz einfach ist. Beim Raspberry Pi 4 ist nun ein 15 Watt Netzteil notwendig, es können damit bis zu 3 Ampere bei 5 Volt Versorgungsspannung abgegeben werden. In einem geschlossenen Gehäuse wird der Raspberry Pi 4 auch ohne Last richtig heiß. Für die nachfolgende Beschreibung wird zunächst von einem Raspberry Pi 4 ausgegangen, der ohne Gehäuse direkt auf einer Tischplatte liegt. Es läuft Raspbian Buster (10.7.2019) und ein Flachbildschirm ist über ein MicroHDMI auf HDMI Kabel verbunden. Bei einer Raumtemperatur von ca. 23° C kann man nach 10 Minuten Ruhebetrieb eine CPU-Temperatur von 58°C ablesen. Das ist leider deutlich höher als bei allen zuvor produzierten Modellen. So entstehen ein paar Fragen, die beim Pi 4 wichtiger sind als bei allen Vorgängermodellen:

  • Wie stark kann man die CPU-Temperatur per Kühlkörper senken?
  • Ist ein aktiver Lüfter notwendig?
  • Welches Gehäuse ist geeignet?

Prozessortemperatur und Prozessorlast können direkt in der Statusleiste des RPi-Desktop angezeigt werden – und das sollten Sie jetzt auch tun, um die nachfolgenden Schritte besser nachvollziehen zu können:

CPU-Temperatur und Prozessorlast im RPi-Desktop
CPU-Temperatur und Prozessorlast als Leisten-Einstellung im RPi-Desktop

Zur Messung der Prozessortemperatur wird das Skript pi4_sysbench.sh eingesetzt. Und um den Prozessor zur Vollbeschäftigung zu führen, gibt es das Programm sysbench das über pi4_sysbench.sh automatisch installiert wird. Zur Thematik Pi4 und Prozessortemperatur gibt es u.a. folgenden Blogbeitrag:

https://blog.unixweb.de/raspberry-pi-4-und-temperatur-problematik/

Dort wird ein von Christopher Barnatt gemachtes Video angeboten, in dem der Prozessor ebenfalls mit sysbench beschäftigt wird, um dann die Temperatur zu messen. Da man in einem geschlossenen Gehäuse ohne Lüftungsschlitze die Temperatur sehr stark nach oben treibt (auch wenn nur ein Prozessorkern des Pi 4 beschäftigt ist) verzichte ich auf diesen Test und lese lieber etwas über Peltier-Elemente.

Temperaturmessungen zum offiziellen Pi 4 Gehäuse und einen Pi 4 im leicht angepassten Pi 3 Gehäuse finden Sie z.B. auf

Martin Rowans  Webseite.

Ganz sicher hat der Raspberry Pi 4 im derzeitigen offiziellen Gehäuse ein Hitzeproblem. Neue Versionen von Raspbian Buster (siehe release notes) werden daran grundsätzlich nichts ändern. Eine gewisse Entlastung könnte darin bestehen, den CPU-Takt im RPi-Desktop generell abzusenken und erst dann anzuheben, wenn Programme gestartet werden. Bei einer Dauerlast am Pi 4 helfen aber nur ein Lüfter oder eine passive Kühlung weiter.

Die CPU Temperatur des Raspberry Pi 4 mit kleinem Kühlkörper

Wie schon zuvor beim Raspberry Pi 3B+ ist der Pi 4 bzw. dessen SoC mit einem sogenannten „Heatspreader“ als metallene Abdeckung versehen. Damit wird die Abwärme der CPU besser abgeleitet als bei Kunststoff. Der Raspberry Pi 4 zeigt ohne Last 57°C auf dem RPi-Desktop an. Nun wird ein kleiner Kühlkörper mit 1,9*1,9 cm Grundfläche auf den metallen verkapselten SoC Chip gelegt. Die Temperatur sinkt sofort auf 50°C ab, steigt aber dann nach etwa 2 Min wieder auf 57°C an. Was ist dabei geschehen? Kurzzeitig hat der Kühlkörper eine ordentliche Temperatursenkung bewirkt, die aber nur darauf zurückzuführen ist, daß auch der Kühlkörper eine Wärmekapazität hat. Ein Kühlkörper kühlt nicht, sondern vergrößert lediglich die Fläche auf der eine Wärmequelle abstrahlt. Die Kontaktfläche zwischen SoC und Kühlkörper liegt bei etwa 1,4 cm² – unabhängig davon wie groß der Kühlkörper ist. Und über diese kleine Fläche muß die gesamte Abwärme der CPU abgeführt werden.

Die CPU des Raspberry Pi 4 ohne/mit Kühlkörper
Die CPU des Raspberry Pi 4 ohne/mit Kühlkörper

Um mit einem so kleinen Kühlkörper wieder den Anfangswert von 50°C zu erreichen, müssen wir ordentlich „Wind machen“ bzw. genau die Energiemenge „abtragen“, die die CPU generiert. Der Abtransport von Wärmeenergie kann entweder durch direkte Wärmeableitung, durch Konvektion oder durch einen Lüfter erfolgen – also passive oder aktive Kühlung. Wenn sich ein Raspberry Pi in einem vollständig geschlossenen PVC-Gehäuse befindet, dann nutzt ein Kühlkörper immer nur zur Spitzenlastabfederung aber nicht bei bei 4 CPU-Kernen im Dauerbetrieb! Es kommt eben auch sehr darauf an, welche Temperatur im Gehäuse vorliegt! Doch zum Gehäuse kommen wir später…

Die CPU-Temperatur mit pi4_sysbench.sh überwachen

Fast jede moderne CPU hat einen Sensor, der permanent die Temperatur erfasst und die Taktfrequenz senkt, wenn die CPU zu heiß werden sollte. Beim Raspberry Pi stehen die Temperaturen der CPU und der GPU zur Verfügung und können mit  Bash Kommandos abgefragt werden:

gpu=$(vcgencmd measure_temp) # temp=73.0'C
getT() {
cpu=$(cat /sys/class/thermal/thermal_zone0/temp)
cpu=$((cpu/100)); len=${#cpu};
out=${cpu:0:$((len-1))};
frac=${cpu:$((len-1)):99}
cpuT="$out.$frac°C" # (z.B. 73.8°C)
}

Während bei „measure_temp“ ein Wert in °C mit vorangestelltem „temp=“ herauskommt, ist „getT“ eine Bashfunktion für die Umrechnung eines 5 stelligen Integerwerts in eine Zahl mit einer Kommastelle. Da im SoC bisher nur ein Sensor verbaut ist, gibt es messtechnisch keinen Unterschied. Aber „getT“ ist etwas genauer, weil vcgencmd derzeit immer nur „.0“ liefert.

Wenn Sie das Skript pi4_sysbench.sh erstmals nach dem Download anwenden, muß zuerst für dessen Ausführbarkeit gesorgt werden:

chmod +x pi4_sysbench.sh

Das Skript installiert sysbench – soweit noch nicht vorhanden. Bei allen weiteren Aufrufen sorgt pi4_sysbench.sh für eine Primzahlenberechnung bis zu einem einstellbaren oberen Grenzwert. Nach jedem Zyklus wird die Temperatur gemessen. Direkt nach dem Programmstart werden die Raspbian Version, das Raspberry Pi Modell, dessen Speicher und auch „uptime“ ausgegeben. Dann folgt die Auswahl der Testkonfiguration:

Description:    Raspbian GNU/Linux 10 (buster)
Raspberry Pi 4 Model B Rev 1.1
MemTotal:        1933248 kB
13:00:36 up  0:03,  2 users 

Konfiguration für MaxPrim/thr/sec/Zyklen wählen:
  0  :   0,0, 10  ,60
   1  :   3850,4,  6  ,10
   2  :   5525,4, 10  ,60
   3  :   9000,4, 20  ,30
   4  :  11925,4, 30  ,20
   5  :  14600,4, 40  ,15
   6  :  14600,3, 53.1,15
   7  :  19250,4, 60  ,10
   8  :  25000,4, 88  , 7
Nr=

Im Skript pi4_sysbench.sh wird das Testprogramm sysbench mit der Berechnung von Primzahlen beschäftigt. Dabei kann die Berechnung auf mehrere Threads (und damit Prozessorkerne) verteilt werden. Dies geschieht für alle Zyklen bis zu MaxPrim als oberem Grenzwert. Die Gesamtlaufzeit ergibt sich aus dem Produkt der Spalten „sec“ und „Zyklen“. Mit „Nr=1“ hätten Sie also einen 60 sec Kurztest. Und über „Nr=0“ erfolgt lediglich eine zyklische Temperaturmessung ohne nennenswerte Prozessorlast durch das Skript. Aber geeignet, wenn Sie zeitgleich die Temperatursteigerung durch die CPU-Last eines anderen Skripts oder Programms bestimmen möchten.

Die nachfolgend ausgegebenen Messwerte sind auf einem Pi4 bei 23,3°C Raumtemperatur und einem kleinen auf die CPU aufgelegten Kühlkörper entstanden:

Nr=4 # kleiner Kühlkörper, kein Gehäuse
sysbench (thread4) : Primzahlen bis 11925 bei 20 Zyklen
Skript bei zu hoher Temperatur SOFORT abbrechen !!!
56°C 130402 0
65°C 130432 30
68°C 130502 60
72°C 130532 90
72°C 130602 120
74°C 130631 149
73°C 130701 179
75°C 130731 209
76°C 130801 239
77°C 130831 269
77°C 130901 299
77°C 130931 329
79°C 131001 359
79°C 131031 389
78°C 131100 418
79°C 131130 448
80°C 131200 478
79°C 131230 508
79°C 131300 538
80°C 131330 568
79°C 131400 598
73°C Abkühlen_10s
pi@raspi4:~ $

Bei „Nr=4“ dauert jeder Zykus etwa 30 Sekunden bei insgesamt 20 Zyklen bzw. gemessenen Temperaturen. Dieser  600 sec Test hat zeitweise zu Temperaturen über 80° C geführt. Kurzzeitig mindert solch eine Belastung nicht die Lebensdauer der CPU. Das liegt aber nur daran, daß bei thermischer Überlastung automatisch die CPU-Taktfrequenz gesenkt wird. Bei jeder Überlastung erscheint ein Thermometer auf dem RPi-Desktop und zugleich eine orangefarbige Linie bei der Temperaturanzeige. Diese Line wäre rot, wenn die Temperatur über 85°C steigt – akute Lebensgefahr für die CPU. Das Temperatursymbol in der rechten oberen Bildschirmecke ist bei obigem Test mit dem Skript erstmals nach ca. 500 sec Laufzeit aufgetaucht. Die Icons zu den Firmwarewarnungen sehen Sie hier:

https://www.raspberrypi.org/documentation/configuration/warning-icons.md

Raspberry Temperaturwarnung
Anzeige einer Temperaturwarnung auf dem RPi-Desktop

Bei einer sommerlichen Raumtemperatur von 28° wäre die Temperaturwarnung bzw. das „throttled back“ (Drosselung der Taktfrequenz) allerdings schon wesentlich früher eingetreten und der Pi 4 wird schlicht langsamer – und zwar nicht nur bei der Primzahlberechnung. Ein kleiner Kühlkörper ist aber auf jeden Fall besser als kein Kühlkörper auf dem Raspberry Pi. Für den Pi 4 ist ein Kühlkörper wirklich wichtig! Der gesamte Test fand ohne Gehäuse statt – die Abluft konnte problemlos nach oben entweichen.

Ein Kühlkörper zum Pi 4 im Eigenbau

Im vorangegangenen Test hätte Wärmeleitpaste unter einem 3,6 cm² Kühlkörper sicherlich eine Verbesserung bewirkt – aber vielleicht nicht sehr signifikant. Der nun eingesetzte Kühlkörper „RPI COOL 40X30“ hat eine Klebefolie und konnte früher einmal bei Reichelt bestellt werden. 3M 9448A ist ein Doppelklebeband mit Papierträger. Ein gutes Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste wären besser geeignet. Der unveränderte Kühlkörper (40*30 mm) würde den WLAN/BT5.0 Chip verdecken, was zu schlechteren Empfangsbedingungen führen könnte. Deshalb habe ich eine Ecke des Kühlkörpers herausgesägt, die zugleich als Kühlkörper für den Ethernet Chip verwendbar ist.

Raspberry Pi 4 und RPI COOL 40x30
Ein Raspberry Pi 4 mit aufgeklebtem großem Kühlkörper

In der Abbildung sehen Sie den montierten großen Kühlkörper. Ein Gehäuse ist noch nicht im Einsatz. In dieser Konfiguration entstehen etwa 2 Minuten nach dem Bootvorgang  folgende Messwerte:

Nr=4 # großer Kühlkörper kein Gehäuse 24°Raum 
41°C 234251 0
53°C 234321 30
56°C 234350 59
60°C 234420 89
62°C 234450 119
64°C 234520 149
67°C 234550 179
67°C 234620 209
68°C 234650 239
70°C 234720 269
71°C 234749 298
71°C 234819 328
72°C 234849 358
72°C 234919 388
73°C 234949 418
73°C 235018 447
73°C 235048 477
74°C 235118 507
75°C 235148 537
75°C 235218 567
74°C 235248 597
67°C Abkühlen_10s

Die Temperatur stabilisiert sich leider nicht bei 75°C – was aber erst durch einen weiteren Aufruf des Skripts und nach weiteren 5 min klar wird. Bei einer höheren Zimmertemperatur (z.B. 28° statt 23°) wäre es noch eher zur Drosselung ab 80°C gekommen. Beachten Sie bitte, daß die Warmluft in diesem Test ungehindert nach oben abziehen konnte. Es genügt also nicht einen relativ großen Kühlkörper zu verwenden, es muß eine noch stärkere Wärmeableitung erfolgen.

So stellt z.B. das Flirc-Gehäuse eine rein passive Lösung dar, um die Betriebstemperatur möglichst signifikant unter die kritischen 80°C zu drücken. Die Frage ist dabei nur ob das auch noch funktioniert, wenn die volle Last auf 4 CPU-Kernen nicht nur 10 Minuten sondern stundenlang anhält. Die eleganteste Lösung wäre die Verwendung einer Heatpipe im Kühler – aber so, daß es zugleich ein geschlossenes Gehäuse gibt. Doch zurück zur Realität, die kostengünstige Lösungen fordert und damit zum Lüfter führt.

 

Ein Raspberry Pi 4 im Gehäuse mit Lüfter

Ein Raspberry Pi 4 im STACKBT Gehäuse
Ein Raspberry Pi 4 im STACKBT Gehäuse

Die Versuche im Gehäuse wurden teilweise vor dem Aufkleben des großen Kühlkörpers durchgeführt und sollen nun betrachtet werden. Dabei wurde ein Gehäuse aus einzelnen Kunststoffscheiben eingesetzt die übereinander gestapelt werden. Dieser Gehäusetyp hat den Vorteil der Erweiterbarkeit nach oben und unten, wenn man längere Schrauben und neue Seitenteile verwendet. Bei „RPI CASE STACKBT“ gehört ein 3*3cm Lüfter zum Lieferumfang. Diesen Pi-Fan-Lüfter mit 7mm Höhe kann man einblasend/absaugend sowie auf/im Gehäuse montieren.

Der Lüfter zum STACKBT Gehäuse (hier blasend im Gehäuse)
Der Pi-FAN-Lüfter zum STACKBT Gehäuse (hier blasend im Gehäuse)

Der Geräuschpegel des Lüfters ist bei 0.2 A nicht unerheblich, wird aber später durch einen Vorwiderstand gesenkt. Die Versuche bei voller Prozessorlast (Nr=4) beginnen ganz ohne Kühlkörper:

Laufender 3*3 cm Lüfter (absaugend) im Gehäuse

Stillstehender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse

43° 135513 0
54° 135543 30
55° 135613 60
57° 135642 89
56° 135712 119
57° 135742 149
58° 135812 179
59° 135842 209
58° 135912 239
59° 135942 269
58° 140012 299
58° 140041 328
59° 140111 358
58° 140141 388
59° 140211 418
58° 140241 448
59° 140310 477
59° 140340 507
59° 140410 537
59° 140439 566
60° 140509 596
51° Abkühlen_10s

56° 142412 0
70° 142442 30
73° 142512 60
74° 142542 90
76° 142612 120
78° 142642 149
79° 142711 179
82° 142742 210
^C

In obiger Tabelle sehen Sie links Temperaturen bis zu 60° bei einem absaugenden Lüfter im Gehäuse. In der rechten Spalte wurde die Spannungsversorgung für den Lüfter testweise abgeklemmt. Durch den stehenden Lüfter und weitere kleine Öffnungen konnte etwas warme Luft entweichen. Trotzdem habe ich nach 210 sec den Test abgebrochen um die CPU keinesfalls zu gefährden. Fazit: 60°C in Kombination mit einem Lüfter sind zuviel – auch wenn man berücksichtigt, daß ein zielgenau einblasender Lüfter wirksamer ist als ein absaugender Lüfter.

Der Raspberry Pi 4 bekommt jetzt Kühlkörper. Bei den Messungen mit pi4_sysbench.sh wird zuerst ein kleiner 1,9*1,9cm Kühlkörper, und dann der zugeschnittene große Kühlkörper verwendet. Erneut gilt Vollast für die CPU (Nr=4). Die Luft wird jeweils eingeblasen:

Einblasender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse. CPU-Kühlkörper mit 3,6 cm²

Einblasender 3*3 cm Lüfter im Gehäuse. Großer CPU-Kühlkörper

34°C 153746 0
43°C 153816 30
43°C 153846 60
45°C 153916 90
43°C 153946 120
44°C 154016 150
44°C 154046 180
45°C 154116 210
45°C 154146 240
44°C 154216 270
44°C 154246 300
44°C 154316 330
44°C 154346 360
44°C 154416 390
44°C 154446 420
45°C 154515 449
43°C 154545 479
44°C 154615 509
44°C 154645 539
44°C 154715 569
44°C 154745 599
37°C Abkühlen_10s

38°C 174106 0
46°C 174136 30
47°C 174206 60
47°C 174236 90
48°C 174306 120
47°C 174336 150
49°C 174406 180
46°C 174436 210
48°C 174506 240
47°C 174536 270
48°C 174606 300
47°C 174636 330
47°C 174706 360
48°C 174735 389
48°C 174805 419
47°C 174835 449
48°C 174905 479
47°C 174935 509
48°C 175005 539
47°C 175036 570
47°C 175107 601
41°C Abkühlen_10s

Im Vergleich (pi4_sysbench.sh) schneidet der größere Kühlkörper (mit Doppelklebeband) nicht besser ab als der lediglich aufgelegte kleine Kühlkörper. Die Kühlung tritt letztlich nur durch den kräftigen Lüfter ein. Immerhin: unter 50°C nach 10 Minuten Vollast auf allen 4 Prozessorkernen können sich sehen lassen. Einen schon aufgeklebten Kühlkörper kann man nicht wieder entfernen ohne den Chip danach mühsam zu reinigen. So gesehen finden Experimente mit dem kleinen Kühlkörper nun ihr Ende.

Ein Pi-FAN Lüfter mit Turboschalter – leise und doch effektiv

Ein großer Kühlkörper gibt eine gewisse Sicherheit, wenn eine hohe Prozessorlast nicht zu lang andauert. In der Praxis ist es allerdings schwierig die Abwärme ohne Lüfter abzuführen. Mögliche Lösungen sind dabei massive Gehäuse aus Aluminium die ihren Preis haben, aber durch die metallene Verkapselung ggf. einen schlechteren WLAN-Empfang verursachen.

Pi4 mit leisem Lüfter durch den Vorwiderstand
Pi4 mit leisem Lüfter durch den Vorwiderstand

Die Drehzahl eines Lüfters hängt von der Stromstärke ab. Und tatsächlich: Ein Vorwiderstand von 16 Ω führt bei 0,13 A zu einem kaum mehr hörbaren Pi-FAN-Lüfter. Überbrückt man diesen Widerstand durch einen einfachen Schalter, dann hat man wieder die volle Leistung – z.B. während der Mittagspause, wenn der Compiler läuft. Der Pi-FAN-Lüfter wird hier über ein USB-Kabel mit Energie versorgt. So kann die oberste Acrylplatte mit dem Lüfter auch im laufenden Betrieb leicht abgenommen werden.

Pi-FAN Turbo
Modus
35°C 124553 0
43°C 124623 30
44°C 124653 60
45°C 124723 90
44°C 124753 120
45°C 124823 150
44°C 124853 180
44°C 124923 210
45°C 124953 240
44°C 125023 270
45°C 125053 300
45°C 125123 330
44°C 125153 360
45°C 125223 390
45°C 125253 420
45°C 125323 450
45°C 125353 480
45°C 125423 510
45°C 125453 540
46°C 125523 570
45°C 125553 600
35°C Abkühlen_10s
35°C 125738

Pi-FAN 16 Ω
Modus
38°C 130746 0
47°C 130816 30
48°C 130846 60
48°C 130916 90
49°C 130946 120
51°C 131016 150
50°C 131046 180
50°C 131116 210
51°C 131146 240
50°C 131216 270
50°C 131245 299
50°C 131315 329
50°C 131345 359
50°C 131415 389
50°C 131445 419
50°C 131515 449
50°C 131545 479
50°C 131615 509
50°C 131645 539
50°C 131715 569
50°C 131745 599
41°C Abkühlen_10s
38°C 132202

In obiger Tabelle sehen Sie, daß ein sanft einblasender Lüfter mit 16 Ohm Vorwiderstand ausreicht, um nach 10 Minuten Dauerlast (Primzahlenberechnung) lediglich auf 50° C zu kommen. Nach 3 weiteren Minuten ohne Last wird wieder die Ausgangstemperatur von 38°C erreicht. Im Turbomodus kommen Sie bei bei 22,6°C im Raum während der Dauerlast auf ca. 45° C und ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop sind sogar 35°C als CPU-Temperatur möglich – um den Preis eines hörbaren Lüfters. Ganz ohne Deckel und Lüfter steigt die Temperatur wieder auf 57° an. Mit Deckel und stillstehendem Lüfter lassen sich ca. 63°C mit Chromium und dieser Webseite messen. Einen kupfernen Deckel mit federnder und wärmeleitender Verbindung zum Kühlkörper habe ich noch nicht ausprobiert. Der Turboschalter zum Pi-FAN-Lüfter ist nun (vorläufig) meine Dauerlösung für den Raspberry Pi 4 in diesem Gehäuse.

Wenn Sie selbst mit (zunächst nur aufgelegten) Kühlkörpern experimentieren wollen, achten Sie bitte unbedingt darauf keinen Kurzschluß zu verursachen. Sie können bei pi_sysbench.sh übrigens auch mehrere Tests konfigurieren und die Ausgabe kommentieren:

Nr=4 0 # Münzen als Kühlkörper, 25°Raum

Durch „4“ erfolgt zuerst eine intensive Prozessorlast und dann durch „0“ eine weitere Messung ohne Last auf der CPU. So können Sie beliebige Testszenarien hintereinander ausführen und leicht protokollieren.

Der Aufbau einer aktiven Kühlung für ein 19 Zoll Server Rack mit bis zu 10 Raspberry Pi Computern wird auf beeindruckende Weise auf folgender Webseite beschrieben:

 

https://onkeljordi.de/2019/08/low-profile-aktiv-kuehlung-fuer-den-raspberry-pi/

 

Ein Kupferzylinder als CPU-Kühlkörper – Pi 4 passiv gekühlt

Die passive Kühlung einer Raspberry Pi 4 CPU ist in vielen Punkten weitaus anspruchsvoller als einen Lüfter einzubauen. Warum ist das so? Vergleichen Sie bitte die Materialeigenschaften aus folgender Tabelle :
Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität

Neben der Form sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität relevante Eigenschaften des Kühlkörpers und jedes Wärmeübergangs. Für einen Kupferzylinder mit 5 cm Höhe und 2 cm Durchmesser lässt sich ein Volumen von 15,7 cm³ und eine Wärmekapazität von 53,5 J/K berechnen. Das selbe Volumen Wasser käme auf 64,9 Joule pro Kelvin. Wenn Sie die Zahlenwerte mit denen von Luft vergleichen, zeigt sich daß Luft eine sehr geringe Wärmekapazität hat und zugleich ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Es gibt allerdings den Effekt der „natürlichen Konvektion“, der sich mit steigender Temperaturdifferenz verstärkt. Erwärmte Luft steigt nur relativ langsam auf, wenn der Lüfter fehlt. Kühlrippen von lediglich 4 mm Länge (bei einem 5 mm hohen Kühlkörper) reichen oft nicht aus, um eine natürliche Konvektion in Gang zu setzen.

Eine rein passive Kühlung für den Raspberry Pi 4
Ein Kupferzylinder auf der CPU des Raspberry Pi 4

Eine rein passive Kühlung erhalten Sie, wenn ein 5 cm hoher Kupferzylinder mit 2 cm Durchmesser direkt auf der CPU steht. Eine Pappschablone bildet dabei vorläufig den Gehäusedeckel und es entstehen folgende Messwerte mit dem Skript pi_sysbench.sh :

Nr=0 4 4 4 4 0 # Kupferzylinder unten isoliert
# direkt auf der CPU, Wollwachs
# Deckel aus Pappe, 21.6° Raum
sysbench (thread0) : Primz. bis 0 / 60 Zyklen
39.4°C 181604 0 (ca. 2 Min nach dem Booten)
40.4°C 181804 120
41.8°C 182005 241
43.8°C 182205 361
45.2°C 182405 481
44.7°C 182606 602 (Nur RPi-Desktop als Last)
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
45.7°C 182616 0 1.Block
50.6°C 182646 30
....
61.8°C 183544 568
62.8°C 183614 598
59.4°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
58.9°C 183624 0 2.Block
62.3°C 183654 30
....
68.1°C 184553 569
69.1°C 184623 599
65.7°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
66.2°C 184633 0 3.Block
70.1°C 184703 30
....
73.5°C 185601 568
74.0°C 185631 598
69.1°C Abkühlen_10s
sysbench (thread4) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
70.1°C 185641 0 4.Block
73.0°C 185710 29
74.0°C 185740 59
73.5°C 185810 89
74.0°C 185840 119
73.0°C 185910 149
74.0°C 185940 179
74.0°C 190010 209
74.0°C 190040 239
74.4°C 190110 269
74.0°C 190140 299
74.9°C 190210 329
74.4°C 190240 359
74.9°C 190310 389
74.0°C 190339 418
74.9°C 190409 448
74.4°C 190439 478
75.4°C 190509 508 Maximum
74.9°C 190539 538
74.4°C 190609 568
74.9°C 190639 598
71.0°C Abkühlen_10s
sysbench (thread0) : Primz. bis 11925 / 20 Zyklen
71.0°C 190649 0
62.3°C 191651 602

Vor dem Test wurde der Raspberry Pi 4 frisch gebootet und nach etwa 2 Minuten pi_sysbench.sh gestartet. Nach 10 Minuten Leerlauf im RPi-Desktop hat die CPU 44.7°C erreicht. Der Stresstest bzw. die Primzahlenberechnung findet dann in 4 Blöcken bei insgesamt 40 Minuten statt. Im 4. Block steigt die Temperatur auf etwa 75°C als Maximaltemperatur. Ohne Last sinkt die Temperatur nach 10 Minuten auf ca. 62°C ab. Und nach weiteren 50 Minuten gelten 52°C als CPU-Temperatur ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop.

Der Kupferzylinder führt zu deutlich besseren Resultaten als der 40*30 mm Kühlkörper aus Aluminium. Warum ist das so?

  • Der Kupferzylinder hat eine erheblich höhere Wärmekapazität.
  • Die Zylinderoberfläche ist größer als die Grundfläche des 40*30 mm Kühlkörpers.
  • Zu kurze Kühlrippen lösen keine natürliche Konvektion aus
  • Der direkt auf der CPU aufliegende Kupferzylinder hat trotz möglicher Lufteinschlüsse einen besseren Wärmeübergang als ein Doppelklebeband.
  • Ein Kühlkörper dessen Grundfläche eben ist, aber die Fläche der Pi4 CPU überragt, kann dazu beitragen, daß ein warmes, statisches Luftpolster zwischen der Kühlkörperunterseite und der Platine entsteht.
  • Der Wärmeanteil, der nicht über den Kühlkörper/Kupferzylinder nach oben abgeleitet wird, wärmt zwangsläufig die Platine und damit das Gehäuse auf. Dieser Wärmeanteil kann nur langsam über Gehäuseöffnungen entweichen.

Wie die Hitzeentwicklung auf einem Raspberry Pi 4 ohne Kühlkörper und Gehäuse aussieht hat Gareth Halfacree festgehalten:

https://medium.com/@ghalfacree/benchmarking-the-raspberry-pi-4-73e5afbcd54b

Pi 4 Hitzeverteilung
Temperaturverteilung auf dem Raspberry Pi 4

Das von der genannten Webseite übernommene Falschfarbenbild zeigt die Temperaturverteilung auf dem Raspberry Pi 4 ohne Nutzung der USB 3.0 Schnittstelle. Nach 10 Minuten Last auf allen 4 CPU-Kernen kommt der Sensor im SoC auf über 80°C. Da die metallene Verkapselung die Hitze verteilt, entspricht das „hellrot“ etwa 75°C. Man erkennt deutlich, wie sich die Abwärme von der CPU ausgehend über die Platine ausdehnt.

Im Blogbeitrag „Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4“ erfahren Sie, wie man eine rein passive Kühlung auf Basis des Kupferzylinders aufbauen kann.

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