Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4
Raspberry Pi 4 CPU Temperatur bei Vollast und rein passiver Kühlung

Ein Kühlturm für den Raspberry Pi 4

Trotz einer nicht unerheblichen Hitzeentwicklung braucht der Raspberry Pi 4 keinen Lüfter. Auch nicht bei CPU Vollast bzw. einem Stresstest auf allen 4 Kernen. Dieses Ziel ist ambitioniert aber nicht unrealistisch. Im vorangegangenen Blogbeitrag wurde ein Kupferzylinder mit 20 mm Durchmesser und 50 mm Höhe vorgestellt, der direkt auf der CPU steht. In dieser Konfiguration kam die CPU auf maximal 75,4°C bei 40 Minuten Vollast – rein passiv gekühlt. Was noch aussteht ist eine weitere Vergrößerung der Abstrahlfläche – zunächst durch Auflegen mehrerer Probekörper.

Raspberry Pi 4 CPU Temperatur / 40 min Vollast
Temperatur der Pi 4 CPU nach 40 min Vollast (STACKBT-Gehäuse, Pappdeckel)

Nach der Messung ohne Auflage wurden die Probekörper „Eisenscheibe“, „Kupferplatte“ und „Aluminiumplatte“ auf den Kupferzylinder gelegt und jeweils mit pi_sysbench.sh durchgemessen. Die dabei ermittelten maximalen Temperaturen sehen Sie in der Abbildung. Jeder Stresstest mit pi_sysbench.sh hatte insgesamt 40 Minuten mit jeweils vier Blöcken zu 10 Minuten bei 10 Sekunden Pause zwischen den Blöcken.

Die Maximaltemperatur trat jeweils im 4. Testblock auf (Raumtemperatur 24,2°C bei 62% RH). Trotz 40 Minuten Dauerlast, lag die Temperatur stets unter der 80°C Marke. Ein Heruntertakten der CPU fand also nicht statt. Dieser Weg einer passiven Kühlung ist folglich vielversprechend. Die Aluminiumplatte (ca. 119 cm² Fläche) auf dem Kupferzylinder führt dabei zu 55,5°C als maximaler  CPU-Temperatur. Ein klares Indiz dafür, daß der Wärmetransport über den Kupferzylinder gut funktioniert!

Für eine dauerhafte, rein passive Kühlung des Pi 4 sind folgende Bauteile verwendet worden:

  • Ein StackBT Gehäuse aus 9 einzelnen Kunststoffscheiben
  • Ein Kupferzylinder mit 50 mm Höhe bei 20mm Durchmesser (CuZyl50)
  • Eine Kupferplatte (70*100*2,5) mm als Gehäusedeckel
  • Ein Kühlkörper V SK 578-15 SA mit 60 mm Durchmesser (60mmKK)
  • Ein Kühlkörper V SK 577-15 SA mit 50 mm Durchmesser (50mmKK)
  • Stiftkühlkörper rund, Ø 28,5 x 18,5 mm (28mmKK)
  • Schrauben M2,5 und M4
  • Wollwachs (als ökologische Alternative zu Wärmeleitpaste)

Dabei ist der Kupferzylinder das wichtigste Bauteil für die Kühlung der CPU. Alle anderen Teile sind optional, soweit es Ihnen gelingt eine mechanische Befestigung des Zylinders mit anderen Materialien zu bewirken. Nun zu den Messwerten:

CPU temperature chart passive cooling
Verlauf der CPU Temperatur bei unterschiedlichen Kühlkörpern

Die gemessenen Werte hängen im wesentlichen von drei Faktoren ab:

  1. Der Fläche gegenüber dem Medium Luft, die durch die Anzahl und Anordnung der Kühlkörper bestimmt wird.
  2. Vom Wärmeleitwert an allen Grenzflächen (Verbesserung durch Wärmeleitpaste).
  3. Vom Anpressdruck der den Raum zwischen Kühlkörper und der CPU minimiert.

Im einfachsten Fall steht der Kupferzylinder einfach auf der CPU und wird lediglich durch einen Pappdeckel (Ktn.) in seiner Lage stabilisiert. Wenn sich zusätzlich etwas Wollwachs unter CuZyl50 befindet, entsteht die oberste Kurve mit maximal 79°C nach 60 Minuten Dauerlast. Der Belastungstest  erfolgte dabei mit dem Bash Skript pi4_sysbench.sh und folgender Konfiguration:

Nr=0 2 2 2 2 2 2 0

Dies entspricht 6 Blöcken zu 10 Minuten bei 10 sec Pause nach jedem Block. Die „Nadeln“ nach unten entsprechen jeweils der 10 Sek. Pause. Die Benutzung des Skripts wird hier beschrieben.

Interessant ist der Vergleich der obersten Kurve mit der dritten Kurve (grün) bei der CuZyl50 lediglich mit der Kupferplatte kombiniert wird. Der untere Teil des Kupferzylinders wurde dabei mit 10 Lagen Maler-Klebeband umwickelt. So kann über die Schrauben im Kupferdeckel ein gewisser Anpressdruck auf die CPU ausgeübt werden, was zu ca. 63° C als Maximaltemperatur führt. Für den Pi 4 sind die Bedingungen eines 60 min Stresstests wirklich hart. Aber die Kurven sind im letzten Block bereits so flach, daß ein 24 Stunden Dauertest nur mit Kupferplatte und Kupferzylinder möglich erscheint. Das Abspielen eines Internetvideos verursacht nur die halbe Prozessorlast.

Als „Kühlturm“ wird hier die Kombination der Kupferplatte mit dem durchbohrten und seitlich angeschnittenen 60 mm Kühlkörper und CuZyl50 bezeichnet. Wenn darüber noch ein 50mmKK kommt (braune Kurve), dann werden 50°C nicht überschritten (bei 20.2 ° Raumtemperatur). Im allerersten Bild entspricht diese Messung einer blauen Kurve.  Die aktive Kühlung mit Pi-Fan im 16 Ω Modus liegt nur ein wenig günstiger. Auch die Temperaturen ohne nennenswerte Last im RPi-Desktop sind ein gutes Indiz für die Effektivität vorhandener Kühlkörper. Dabei kommt CuZyl50 mit Kupferdeckel auf etwa 45°C bei 19,7°C Raumtemperatur (grüne Kurve).

Temperaturverlauf bei verschiedenen Kühlkörpern auf dem Pi 4
Temperaturverlauf ohne Last und bei der Videowiedergabe

Es gibt eine ganze Reihe von Benchmarktests (z.B. stress, sysbench,hardinfo) für den Raspberry Pi. Alternativ können Sie als Belastungstest bzw. zur Temperaturmessung auch den bei Raspbian schon vorinstallierten Chromium Browser starten und z.B. bei Arte ein paar Dokumentationen aus dem Bereich Wissenschaft abspielen:

  • Die blaue Kurve in der zugehörigen Abbildung beginnt mit einem 30 Minuten Betrieb ohne Last. Zuerst wird dabei der Kupferdeckel lediglich mit CuZyl50 kombiniert, was zu ca. 46°C führt. Nach Auflegen des durchbohrten und seitlich angeschnittenen 60 mm Kühlkörpers können Sie etwa 43°C messen. Nachdem auch der 50 mm Kühlkörper auf dem Kupferzylinder liegt fällt die Temperatur auf ca. 39°C ab. Vor dem Start von „Wenn das Eis bricht“ wurden beide Kühlkörper wieder entfernt. Kupferzylinder und Kupferplatte führen zu ca. 54°C.
  • Bei der orangefarbenen Kurve läuft das Video „Die Erdzerstörer“ von Anfang an, und nur kurzzeitig mit beiden Kühlkörpern.  Mit dem angeschnittenen 60 mm Kühlkörper werden ca. 49°C bei der Videowiedergabe erreicht.

Statt einer Kupferplatte als Deckel lässt sich natürlich auch Aluminium verwenden. Bei einer Kunststoffplatte als Deckel entfällt dieser Weg der Wärmeableitung, was zu höheren Temperaturen führt.

Der Bauplan zum passiv gekühlten Raspberry Pi 4

Da in dieser Beschreibung vom STACKBT Gehäuse ausgegangen wird, muß lediglich ein passender Gehäusedeckel (ca. 70*100 mm) angefertigt sowie ein 60 mm Kühlkörper durchbohrt, angeschnitten und befestigt werden. Der 60 mm Kühlkörper bekommt (passend zum Zylinder) eine 20 mm Bohrung, was am besten eine Metallwerkstatt durchführt. Denn einen HSS Spiralbohrer mit 20 mm Ø für Metall bekommen sie nicht unter 20€ – und auch der Schaft müsste noch passen. Hinzu kommt, daß der Kühlkörper absolut senkrecht durchbohrt werden muß, sonst bekommen Sie keine Planlage. Es ist also ein Bohrständer notwendig. Beim Deckel sieht es mit dem Selbermachen schon günstiger aus. Wenn Sie Laminat oder Holz verwenden, bekommen Sie dafür problemlos Bohrer mit 10 mm Schaft und 20 mm Durchmesser – passend für die üblichen Bohrmaschinen. Für dünnere Metallbleche gibt es Stufenbohrer.

Planlage des Pi 4 im StackBT Gehäuse
Der Pi4 liegt plan wenn man Aussparungen herausfeilt

Das StackBT Gehäuse besteht aus insgesamt 9 übereinander gestapelten Plastikscheiben. Leider sitzt darin die Platine des Pi 4 etwas schräg, was man durch vorsichtiges Anschleifen einer transparenten Lage kompensieren kann. Die Anschlüsse für USB-C, 2*MicroHDMI, und Analog A/V kommen so etwa 1 mm tiefer, was die Schräglage kompensiert. Fixieren Sie die Scheiben mit Schrauben und Klebeband aneinander, bevor Sie mit dem Wegfeilen beginnen! Anderenfalls könnte das Plastikteil durchbrechen. Und Mikroplastik darf nicht auf die Platine gelangen…

Raspberry Pi 4 im StackBT Gehäuse mit Aluplatte
Ein Pi 4 mit Kupferzylinder, 60mm Kühlkörper, und Aluminiumplatte

Passend zum StackBT Gehäuse kann man sich nun einen Aluminiumdeckel anfertigen, der eine 20 mm Bohrung für den Kupferzylinder bekommt. Der durchbohrte und seitlich angeschnittene 60 mm Kühlkörper bekommt zusätzlich ein Gewinde für eine Madenschraube. Hier kommt ein lediglich 36 mm hoher Kupferzylinder (CuZyl36i) zum Einsatz, wodurch eine geringere Bauhöhe entsteht.  Das Klebeband entspricht dem „i“ in der Bezeichnung CuZyl36i. Durch die etwa 10 fache Umwicklung mit dem glatten Malerband  wird zum einen eine gewisse Wärmeisolation bewirkt. Zum anderen kann der Kupferzylinder nicht mehr herausfallen. Wer hier ganz sicher gehen will, bringt auf der Kühlkörperunterseite 3 kleine Gewinde an. Wenn dann die Deckelplatte von unten durchbohrt wird, lässt sich der 60mmKK an der Platte festschrauben.

Raspberry Pi 4 mit Kupferzylinder als Kühlkörper
Raspberry Pi 4 Gehäuse mit Deckel aus Laminat und Kühlturm

Mit einem Metalldeckel ist die Wärmeableitung zwar signifikant besser, aber Sie müssen in der Praxis keine Temperaturrekorde brechen um einen Pi 4 bei Dauerlast sicher zu betreiben. Sie können sich auch ein Musterexemplar Laminat aus dem Baumarkt holen und daraus den Gehäusedeckel anfertigen. Wenn Ihnen die Durchbohrung und das Anschneiden eines 60 mm Kühlkörpers zu kompliziert ist, dann können Sie natürlich auch kleinere Kühlkörper verwenden, die auf dem Kupferzylinder befestigt werden. Der „Kühlturm“ kann z.B. aus einem CuZyl50i bestehen auf dem ein 50 mm Kühlkörper per Madenschraube befestigt wird. Laminat besteht aus mehreren Schichten, lässt sich aber gut mit einer Stichsäge zuschneiden. Feilen Sie Laminat nur entlang der Faserschicht – anderenfalls könnte das Material aufsplitten. Bei einem Deckel aus 4 mm starkem Laminat brauchen Sie etwas längere Gehäuseschrauben. Weiten Sie die Bohrungen etwas auf, wenn der Deckel nicht frei über die Schrauben beweglich sein sollte.

Wärmewiderstand, Temperaturen und dünne Schichten

Der Temperaturverlauf eines Stresstests hängt beim Raspberry Pi 4 ganz wesentlich davon ab, wie gut der Wärmeübergang von der metallenen Verkapselung des SoC Chips zum Kühlkörper funktioniert. Und dafür sind mehrere Faktoren von Bedeutung:

  1. Weder die Oberfläche des Kühlkörpers, noch die des Chips sind absolut plan
  2. Lufteinschlüsse erhöhen den Wärmewiderstand
  3. Ein gewisser Pressdruck reduziert den Zwischenraum. Aber zu viel Druck bewirkt eine Platinendurchbiegung, die vermieden werden sollte.
Planlage des Rapberry Pi 4 im Gehäuse
Zwischen CPU und Kupferzylinder sollte kein Spalt sein

Wärmeleitpads haben eine gewisse Elastizität und sind in unterschiedlichen Dicken erhältlich (etwa 0,5 bis 1,5 mm). Wichtig ist es dabei einen gleichmäßig auf die Fläche verteilten Pressdruck auszuüben. Das gilt auch für Wärmeleitpaste auf deren Verpackung Sie oft „Hohe Leistungsfähigkeit selbst bei niedrigem Anpressdruck“ finden. Der Anpressdruck wird durch die Gehäuseschrauben erzeugt. Deshalb sollte der Deckel zum StackBT Gehäuse (aus Aluminium, Kupfer oder Laminat) nicht an den Gehäuseschrauben reiben und leicht beweglich sein.

Tests zur passiven Kühlung des Raspberry Pi 4

Der Wärmeleitwert ist an allen Grenzflächen zu beachten. Wenn CuZyl50 lediglich locker auf der CPU steht, dann sind das zusammen mit dem 50 mm Kühlkörper fast 0,2 kg. Diese Konfiguration entspricht der obersten blauen Kurve. Der 50mmKK war dabei allerdings lediglich aufgelegt und nicht mit dem Kupferzylinder verschraubt. Mit der Aluminiumplatte (rot) liegt die Temperatur bei 60 Min Dauerlast um ca. 7° tiefer als bei einem Deckel aus Laminat (orange).

Ein weitere Vereinfachung des Aufbaus bestünde darin, den Kupferzylinder auf ca. 16 mm Höhe zu begrenzen und von oben mit einem Gewinde zu versehen.  Dann könnte man einen Metalldeckel durchbohren und den „Stempel“ für die CPU von oben festschrauben. Die Abwärme wird dabei allerdings nicht mehr über den Zylindermantel abgeleitet, sondern nur noch über die Kreisfläche. Und der Wärmewiderstand ist damit höher.

Wenn das Gehäuse die Funktion eines großen Kühlkörpers am Raspberry Pi 4 übernehmen soll, dann gibt es dafür bisher nur wenige im Handel erhältliche Gehäusetypen:

  1. FLIRC-Gehäuse : Aluminium-Druckguss mit Kunststoffboden. GPIO umschlossen, WLAN-Empfang möglich
  2. Armor Case : Zwei Aluminiumteile zwischen denen die Pi4-Platine von oben und unten „eingeklemmt“ wird. GPIO bleibt zugänglich, WLAN eingeschränkt.
  3. DF-Zerspanung Alu Gehäuse (0,2 kg) mit Passivkühler. Massives Gehäuse, GPIO umschlossen. WLAN-Eigenschaften unklar.

Bei allen drei Gehäusen wird ein „Stempel“ auf die CPU herabgesenkt um die Abwärme abzuführen. Beim FLIRC-Gehäuse geschieht dies allerdings nicht durch massives Aluminium, sondern durch einen „Hohlstempel“ der auf die CPU gepresst wird. Die Effektivität der Kühlung steht und fällt mit der Fertigungspräzision. Wärmeleitpads werden dabei oft mitgegeben. Und die Gehäuseschrauben müssen gleichmäßig angezogen werden. Martin Rowan hat mehrere Gehäusetypen einem aussagekräftigen 60 min Stresstest unterzogen:

Raspberry Pi 4 Case – passive – 4 Core Test 

Dabei kommt das „Armor Case“ auf ca. 62°C und für „FLIRC“ kommen ca. 71°C heraus. Beim Zusammenbau fühlt und sieht man leider nicht ob sich Luft über der CPU befindet. Und Kupfer ist eben ein besserer Wärmeleiter. So kommt man zum Eigenbau….

Die Wärmeleitung des Kupferzylinders und analoge Modelle

Das Video „Stationäre Wärmeleitung“ erklärt den Begriff des Wärmeleitwerts anhand einer Hauswand. Und vielleicht fragen Sie nun, was das mit Kühlkörpern für den Raspberry Pi zu tun hat. Stationär besagt, daß ein konstanter Wärmestrom bei konstanten Temperaturen besteht. Ein beheizter Innenraum habe konstant 20°C bei -10°C als Außentemperatur. Die selbe Differenz von 30 Kelvin haben Sie auch bei 50°C für die passiv gekühlte Pi 4 CPU und 20°C im Raum. Und die aus mehreren Schichten aufgebaute Außenwand hat Übergangszonen wie vom Kupferzylinder zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zur Raumluft.

Als Analogon für den Wärmetransport können Sie auch von einem „Wassermodell“ ausgehen.
Kupferzylinder und Kühlkörper sind dabei (gedanklich) mehr oder weniger porös – was der Wärmeleitfähigkeit entspricht. Und wenn Sie den unteren Teil des durchströmten Kupferzylinders ordentlich isolieren, dann kann dort nur noch wenig Wasser (bzw. Wärme) austreten. Folglich bekommen Sie eine hübsche Fontäne die  – oberhalb des Deckels – aus dem oberen Teil des Kupferzylinders sowie aus dem Kühlkörper herauskommt. 

Und jetzt alles ist gut, denn die Wärme wird oberhalb des Deckels abgegeben? Ganz so einfach ist es nicht! Unsere Fontäne ist wirklich prima, denn das Gehäuseinnere wird kaum aufgeheizt. Aber unser Modell stimmt noch nicht ganz, denn der Wärmestrom  kann zwar umgeleitet und verteilt werden, muß aber insgesamt konstant bleiben. Wenn der Kupferzylinder im unteren Teil isoliert wird, dann muß im Wassermodell der Druck angehoben werden, damit immer die selbe Wassermenge pro Zeiteinheit austritt. Doch dadurch  „leckt“ unsere gute Pi 4 CPU auch nach unten zur Platine hin etwas stärker.

Für die Praxis ist dies allerdings kaum relevant, denn der Kupferzylinder hat bei 20mm Durchmesser eine Querschnittsfläche die deutlich größer ist als die metallene Verkapselung der CPU. Der Wärmewiderstand ist dadurch niedriger als bei einem „Stempel“ aus Aluminium (z.B. Flirc) der lediglich die Fläche der CPU abdeckt. Die genannten Gehäuse senken allerdings auch auf den Spannungswandler und den USB 3.0 Controler „Stempel“ für die passive Kühlung herab. 

Schreibe einen Kommentar

Menü schließen