Aufgrund der zahlreichen Komponenten, die zudem auf immer ­kleinerem Raum sitzen, können sich in Industrie-PCs sehr hohe Temperaturen entwickeln – was sich auf die Ausfallsicherheit und Langlebigkeit der Systeme auswirkt. Den größten Anteil an der Hitze-Entwicklung innerhalb eines PCs haben der Prozessor und die Grafikkarte. Gerade leistungsstarke High-End-Hardware benötigt viel Strom und verursacht dabei sehr viel Abwärme. Um das Tempo von Prozessoren und Grafikkarten zu steigern, packen die Hersteller immer mehr Transistoren in die kleinen Chips. Manche Hersteller haben im Pro- zessor 3,4 Mrd. Transistoren an Bord – und das auf einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern. Jeder Transistor erzeugt bei der Arbeit Wärme, denn der Strom fließt fast mit Licht­geschwindigkeit durch die Leitungen der Recheneinheiten; dabei verursacht der Widerstand in den Kupferleitungen Hitze. Und so erwärmt sich schließlich die Chip-Oberfläche. Dass auf der kleinen Fläche des Chips Millionen von Leitungen eng beieinander liegen, verstärkt diesen Effekt zusätzlich. Darum müssen PC-Hersteller Lösungswege finden, um die Systeme zu kühlen.

Hier gelten lüfterlose Embedded-Computer aufgrund ihrer mechanischen Robustheit als die erste Wahl bei rauen Industriebedingungen – doch auch sie haben ihre Grenzen. Neben der freien Konvektion wie in lüfterlosen Systemen wird in vielen Fällen mit erzwungener Konvektion – also aktiver Kühlung – gearbeitet: realisiert durch einen integrierten Gehäuselüfter. Dieser transportiert kühle Umgebungsluft in das Innere des Gehäuses be­ziehungsweise führt die erwärmte Innenluft nach außen. Positiver Nebeneffekt: Der Lüfter vermindert auch den Wärmewiderstand von der Innenluft an das Außengehäuse. Somit ver­ringert sich die Gesamttemperatur des Systems. Die Umgebungsluft kühlt ­einfach das System über die Außen­wände mit.
Der Vorteil einer aktiven Kühlung besteht darin, dass eine wesentlich effi­zientere Kühlung gegenüber einem lüfterlosen System erfolgen kann. Die Wärmeableitung in einem PC-System spielt eine bedeutende Rolle, denn die Gesamt-Betriebstemperatur des Gerätes hat einen direkten Einfluss auf dessen Lebensdauer. Ein optimales Kühlkonzept – bis nahe an die Umgebungstemperatur – ist für jedes elektronische System vorteilhaft, da die Temperatur einen direkten Einfluss auf die Ausfallquote hat und sich dadurch die Lebensdauer von PCs oder auch Displays optimieren lässt.

Grundsätzlich gilt: Die Lebensdauer einer elektronischen Komponente ist umso höher, je geringer ihre Betriebstemperatur ist. Die Lebensdauer sinkt exponentiell zum Temperatur­anstieg.

Die empfindlichsten Teile

Einzelne Komponenten reagieren besonders empfindlich auf eine Erhöhung der Systemtemperatur. Neben Festplatten sind dies beispielsweise die Stromversorgung für die CPU auf dem Mainboard oder das Kugellager von drehenden Teilen. Die höchste Ausfallrate haben allerdings aufgrund der Elektrolytkondensatoren die Netzteile.

Eine wichtige Faustformel besagt, dass aus einer Verringerung der Umgebungstemperatur von 10 °C eine Verdopplung der Lebensdauer resultiert. Deshalb ist in vielen Fällen eine aktive Kühlung eines Systems der passiven Kühlung vorzuziehen, da hier die Bauteile thermisch deutlich geringer belastet werden und damit die Lebensdauer steigt. Das heißt, frische kühle Luft hält das System – im Vergleich zu einem lüfterlosen Pendant – jung.

Die weit verbreitete Meinung, dass ein Lüfter sich negativ auf die Lebensdauer eines Systems auswirkt, ist nicht mehr richtig. Aktuelle Lüfter sind mit einer Lebensdauer von mehr als 95.000 Stunden bei 20 °C heute bei weitem nicht mehr die schwächste PC-Systemkomponente. Denn dank der fortschreitenden Technik werden auch Lüfter ­immer haltbarer. Sie besitzen spezielle Kugellager und werden intelligent gesteuert. So kann die Drehzahl den ­thermischen Bedingungen angepasst werden und läuft nicht mehr wie früher permanent auf Volllast. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Lüfter.

Die Kosten im Blick

Darüber hinaus ist der aktiv gekühlte Industrie-PC in der Regel preiswerter zu realisieren, da großflächige Kühlkörper, die Anbindung der Kühlkörper an die CPU und den Chipsatz, sowie Heat-Pipe-Lösungen wesentlich teurer sind als hochwertige Lüfter. Zudem verringert sich die Zahl der Ausfälle, die oftmals teure Service-Einsätze zur Folge haben.

Eine aktive Kühlung lohnt sich spe­ziell, wenn ein System mit leistungsstärkeren Komponenten eingesetzt wird, wie zum Beispiel in der Bild­verarbeitung. Eine passive Kühlung hin­gegen ist sinnvoll bei geringeren Prozessorleistungen, extrem harten Umgebungsbedingungen (Staub und IP-Schutz) oder bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen. Doch auch hier kann sich der Einsatz eines Lüfters lohnen: In diesen Fällen sind oft innenliegende Lüfter zur Vermeidung von Hot Spots zu empfehlen.
Ob man einen lüfterlosen oder aktiv gekühlten PC benötigt, hängt von der Umgebung sowie von der benötigten ­Rechenleistung ab. Sprich: Je besser ein System gekühlt wird, umso aus­fallsicherer arbeitet es und bedarf we­niger an Wartung und Komponenten­austausch.

Autor:
Ulli Uffhausen ist Public Relations Manager bei Inonet.

Die passive Kühlung

Eines der Hauptelemente bei der passiven Kühlung sind die Kühlrippen.

© Inonet

Bei passiv gekühlten Systemen spielen verschiedene Elemente eine Rolle – etwa Einbaulage, Kühlkörpergröße und Anordnung. Schlussendlich entscheidend bei der Kühlung ist die Wärmeströmung: Sie sorgt dafür, dass warme Luft abtransportiert wird. Die freie, natürliche Wärmeströmung (Konvektion) ist dabei abhängig von der Strömungslänge des Körpers (beispielsweise von der Höhe eines Kühlkörpers) und von der Strömungsgeschwindigkeit, die wiederum durch die Temperatur­differenz erzeugt und vom Kühlrippenabstand beeinflusst wird. Zur Kühlung des Systems kann damit der erzeugbare Kamineffekt effizient eingeplant werden. Der Wärmeübergang wird bestimmt vom Wärmeleitwert der Luft und der thermischen Grenzschichtdicke.

Die thermische Grenzschicht setzt sich aus allen Materialien zusammen, die sich zwischen einer Wärmequelle (zum Beispiel einem Rechnerkern, Prozessor) und einer Wärmesenke (zum Beispiel Außenluft) befinden und durch die die abzuführende Wärme-Energie geleitet wird. Der Wärmewiderstand beim Übergang von einem Kühlkörper oder einem Gehäuse zu Luft ist dabei abhängig vom Wärme-Übergangskoeffizienten und von der Größe der entsprechenden Oberfläche.

So leitet ein passiv gekühltes System, das hochkant aufgestellt wird, die Wärme wesentlich besser ab als ein flach liegendes Gerät mit gleichen Dimensionen. Dies wird bei hochkant gestellten Systemen durch die optimierte Strömungslänge der Kühllamellen ermöglicht. Da die warme Luft nach oben steigt, kann die Wärme in einem hochkant aufgestellten System dank des Kamineffektes schneller abgeleitet werden. Das alleine kann schon zu einer Verminderung der Innentemperatur im Gerät um mehr als 5 °C führen, da die bei Wärmeströmung transportierenden Gase die Wärme mit sich nehmen.

Embedded-Systeme von Inonet nutzen bewusst diesen physikalischen Effekt, indem sie auf die jeweilige Geräte-Spezifikation die Kühlkörper-Designs ausrichten. Aus diesem Grund legt Inonet sehr viel Wert auf die Kühlrippen, um eine perfekte Thermodynamik zu erreichen, die einen bestmöglichen Wärmeabtransport erlaubt.

Zwei Lüfter für optimale Leistung

Concepion-tXf mit einem leistungsstarken XEON-E3-1200-V5-Prozessor von Intel

© Inonet

Inonet hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Embedded-System zu entwickeln, welches kompakt ist und gleichzeitig die Leistung einer High-End-Workstation besitzt. Für diese Herausforderung fiel bei Inonet gezielt die Entscheidung auf eine aktive Kühlung.

Das System mit dem Namen Concepion-tXf verfügt über einen leistungsstarken XEON-E3-1200-V5-Prozessor von Intel und basiert auf einem aktuellen C-Chipsatz. Der mit zwei Lüftern betriebene Embedded-PC kombiniert ein robustes und gleichzeitig kompaktes Gehäuse, welches dank zusätzlich bestellbaren Rackmontagewinkeln eine Montage zweier Systeme nebeneinander in einem 19-Zoll-Schrank problemlos ermöglicht. Durch einen optional erhältlichen Luftfilter, der dank Modulbauweise schnell montierbar ist, wird sichergestellt, dass der Embedded-PC in rauen industriellen Umgebungen eingesetzt werden kann. Dank der aktiven Kühlung trotzt er Temperaturen bis zu +55 °C.

Das System wird durch Hot Swapping abgerundet. Es stehen eine interne 2,5-Zoll-Festplatte sowie zwei externe 2,5-Zoll-Festplatten im Wechselrahmen zur Verfügung. Diese können während des operativen Betriebes einfach und schnell ausgetauscht werden. Dank der zwei PCI-Express-x8-­Steckplätze lässt sich der Rechner durch Steckkarten flexibel erweitern.

Die LED-Anzeige sowie der Power-Button des Systems und zwei USB-2.0-Anschlüsse sind auf Wunsch entweder auf der Rückseite vertikal oder auf der Frontseite horizontal platzierbar, wodurch sich unterschiedlichste Einbau-Situationen realisieren lassen. Egal ob WLAN-Modul oder Schnittstellen­karten zur Anbindung von Kameras zur Bildverarbeitung – durch optionale Erweiterungsmöglichkeiten ist die Flexibilität des Systems ge­währleistet.

Das Concepion-tXf verfügt über ein Auto­motive-Netzteil und wird daher ebenso in der Automobil- und Luftfahrtbranche gerne eingesetzt. Dank seiner Flexibilität – auch in der Stromversorgung – bleibt das System sehr individuell einsetzbar.