Bei besonders performanten PC-Systemen ist die ausreichende Kühlung der leistungsintensiven Komponenten meist eine der entscheidenden Herausforderungen. Während klassische Server in optimal klimatisierten und sauberen Räumen betrieben werden, müssen PCs im industriellen Umfeld oft mit hohen Temperaturen und verstärkter Belastung durch Staub zurechtkommen. Um in beiden Fällen die nötige Kühlleistung erbringen zu können, sind leistungsstarke Lüfter erforderlich, die bei entsprechender Beanspruchung unter hoher Last arbeiten. Dadurch ergeben sich zwei grundsätzliche Probleme: Je schneller sich ein Lüfter dreht, desto höher ist die Geräuschkulisse im Inneren des Rechners – die Drehung des Lüfters erzeugt einen Teil des Lärms und die Bewegung der Luftströme, sobald diese nicht ungehindert laufen können, verursachen Zischen und Pfeifen. Zudem befördert ein unter hoher Last arbeitender Lüfter proportional mehr Staub in das Gehäuse, was auf lange Sicht zu einem erhöhten Wartungsaufwand oder einem Kühlverfall des Systems führt.

Leistung steigern, Geräusche minimieren

Mit diesen Herausforderungen sah sich der Münchener Industrie PC-Hersteller Inonet für einen Kunden im Bildbearbeitungssektor konfrontiert: Für die neue Generation eines maßgeschneiderten 19-Zoll-Systems verlangte dieser eine signifikante Steigerung sowohl der CPU- als auch der Grafikleistung. Gleichzeitig sollte das neue System für eine besser Integration in das Arbeitsumfeld leiser werden.

Der ‚Thermal Tunnel‘ ist ein offener Durchgang durch den PC. Alle leistungsintensiven Komponenten sind über Heatpipes an den Tunnel angedockt. 

© Inonet

Es stand fest, dass sich die geforderten Kundenanforderungen mit einem herkömmlichen Ansatz nicht lösen ließen: Um das System bei der spezifizierten Leistung zu kühlen, wäre eine aktive Belüftung nötig, die einerseits zu viel Lärm erzeugt, andererseits EMV-technisch nicht mehr zu bewältigen ist. Die Ingenieure begannen zunächst, einen virtuellen Prototyp zu entwickeln und beschäftigten sich mit alternativen Ansätzen. Entscheidend für das neue Konzept waren dabei passiv gekühlte Embedded-Systeme, deren leistungsintensive Komponenten mit Heatpipes zum Wärme-Abtransport an einen Kühlkörper angeschlossen werden. Sind in solchen Systemen zusätzlich SSDs verbaut, arbeiten die Rechner völlig geräuschlos.

Um diesen Effekt auch in einem leistungsstarken Rackmount-PC zu nutzen, entwickelten die Ingenieure den Thermal Tunnel – ein neuartiges Kühlkonzept, bei dem leistungsintensive Komponenten wie CPU und Grafikkarte mit Heatpipes an einen durch das Gehäuse führenden Tunnel angeschlossen werden, um die dort entstehende Hitze direkt aus dem Chassis zu leiten. „Im Kern ging es uns darum, eine Isolation der Komponenten zu erreichen, die besonders viel Hitze erzeugen, um eine übermäßige Wärme-Entwicklung im Gehäuse zu verhindern. Dazu haben wir unterschiedlichste Ansätze getestet und bestätigt, dass aus allen Lösungsansätzen die gesonderte Ableitung von Hitze mit Heatpipes den gewünschten Effekt mit Abstand am besten liefert.“, sagt Zied Saadi, Systems Engineer bei Inonet.

Thermal Tunnel als ­Wärmetauscher

Das Gehäuse eines mit dem Thermal-Tunnel-Prinzip ausgestatten Rechners: In der Mitte der 'Eingang' in den Thermal Tunnel, rechts daneben der konven­tionelle Lüfter.

© Inonet

Der Thermal Tunnel, in dessen Mitte sich ein Lüfter befindet, ist ein Luftdurchlass (Tunnel) der durch das Gehäuse führt und somit als Wärmetauscher zwischen dem Innenraum des Gehäuses und dem von außen durchströmenden Luftstrom funktioniert. Die durchströmende Luft kann ungehindert und ungefiltert durch den Klimatunnel befördert werden, wodurch ein extrem hoher Luftdurchsatz bei minimaler Geräuschentwicklung möglich ist. Alle leistungsintensiven Komponenten lassen sich über Heatpipes an den Tunnel andocken. Da der Thermal Tunnel ­gegenüber dem Gehäuse-Innenraum luftundurchlässig ist, kann keinerlei Staub durch den Tunnel in das Gehäuse-Innere gelangen, was den Wartungsaufwand des gesamten Systems erheblich reduziert.

Systeme mit Thermal Tunnel verfügen im Chassis über einen zusätzlichen konventionellen Lüfter, der kühle Luft von außen in das Gehäuse befördert. Da die ‚Hot-Spots‘ CPU und GPU ­bereits durch den Klimatunnel gekühlt werden, kann der konventionelle Lüfter auf geringer Leistung laufen und so die übrigen, weniger leistungsintensiven Komponenten, wie zum Beispiel Festplatten, belüften. Zwischen den Hot-Spots im Chassis und den übrigen Komponenten findet kein Hitze-Austausch mehr statt, da von dort die Wärme bereits direkt über die Heatpipes abgeführt wird.
 

Um 10 Dezibel leiser

Bereits beim ersten Prototyp, den Inonet auf der SPS IPC Drives 2015 vorstellte, ließen sich beachtliche Messwerte verzeichnen. Das System, das wahlweise mit einem oder zwei leistungsstarken Intel Xeon E5 und einer High-End Multiport-Grafikkarte ausgestattet ist, lief um 10 dB leiser als ein gleichwertiger Rechner mit konventioneller Kühlung. Auch die Kühlleistung des Thermal-Tunnels an CPU und GPU kann sich sehen lassen: Bei Volllast lag die Wärme-Entwicklung dort bei halbem Schalldruck um 15 °C niedriger als bei einem herkömmlich gekühlten System mit gleicher Leistung. Die kombinierte Kühlleistung von rund 600 W (500 W durch den Klimatunnel, 100 W durch den konventionellen Lüfter) reicht dabei noch aus, um bei ­gleichen Ergebnissen zusätzlich eine weitere High-End-Grafikkarte zu kühlen. In rechenintensiven Anwendungen wie der industriellen Bildverarbeitung findet ein solches System ideale Anwendung.

Für den mittlerweile in Serienreife angebotene Thermal Tunnel arbeiteten die Ingenieure von Inonet daran, den Tunnel zu verkürzen. Dadurch ist die Kühllösung nun auch für kompaktere Systeme konfigurierbar. Für die Automobilbranche entwickelt Inonet aktuell einen Embedded-Rechner mit Serverleistung, der zur Datenerfassung und -Auswertung in Testfahrzeugen eingesetzt wird. Durch Einsatz eines Thermal-Tunnels in dem System ist der kompakte Rechner selbst bei hohen Temperaturen im Fahrzeug ausreichend gekühlt. Außerdem hat die serienreife Generation des Klimatunnels zusätzliche Lamellen erhalten. So lässt sich eine größere Hitzelast an den bestehenden Komponenten abführen oder es können noch weitere Komponenten mit Heatpipes an den Thermal Tunnel angeschlossen werden.

Autor:
Ulli Uffhausen ist Public Relations Manager bei Inonet.