Die meiste Wärme, die über eine Heatpipe zum Kühlkörper geleitet wird, erzeugen Prozessor und Chipsatz.

Beispielsweise muss darauf geachtet werden, dass die Luft ungehindert an dem Kühlkörper vorbeiströmen kann. Ein häufig anzutreffender Einbau direkt in Wandnischen ist nicht zu empfehlen, da dies die Wärme-Abgabe an die Umgebungsluft extrem behindert oder sogar ganz unterbindet. Ein Industrie-PC sollte, wenn er die Wärme nicht frei in den Raum abgeben kann, zumindest an einer gut durchlüfteten Position in einem Gerät, Schaltschrank oder dem Steuerpult einer Anlage eingebaut sein.

Verlangt die Applikation einen Industrie-PC in Schutzart IP65 lässt sich dies auf zwei Arten erreichen: Mittels eines komplett gekapselten IPC oder mit einem Standard-IPC, der in ein IP65-Gehäuse montiert ist. Oft herrscht das Missverständnis vor, dass geschlossene Oberflächen anspruchsloser hinsichtlich der Entwärmung sind. Gerade bei geschlossenen Systemen ist aber eine ungehinderte Konvektion zwingend notwendig. Eingebaut in einer Nische übersteht auch ein IP65-geschützter Rechner langfristig keine hohen Temperaturen. Gleiches gilt für lüfterlose IPCs, die in ein IP65-dichtes Gehäuse eingebaut werden.

Der Lüfter im IP65-Gehäuse

Auch bei einem lüfterlosen Industrie-PC kann die Einbau-Situation ”“ hier ein IP65-dichtes Gehäuse ”“ einen zusätzlichen Lüfter erfordern.

Auch wenn es auf den ersten Blick unsinnig erscheint: Der Einbau eines zusätzlichen Lüfters in hermetisch geschlossene Gehäuse macht Sinn. Er wälzt die heiße Luft um, verhindert Wärmenester und verbessert die Wärme-Abstrahlung und -konvektion an der gesamten Gehäuse-Oberfläche. Messungen haben gezeigt, dass dadurch die Temperatur im Gehäuse-Inneren um 5 bis 10 °C sinkt.

Die bei Lüftern problematische Lebensdauer lässt sich mit einem möglichst großen Lüfter verlängern. Generell gilt: Je größer der Lüfter, umso kleiner die Drehzahl und umso länger die Lebensdauer. Beispielsweise gibt es 80 mm × 80 mm × 25 mm große Lüfter die bei 40 °C eine MTBF von 80 000 Stunden erreichen. Auch sind die Lüfterlager im IP65-dichten Gehäuse keinem Staub ausgesetzt. Zudem lässt sich die Funktion des Lüfters überwachen.

Betriebs- oder Umgebungstemperatur?

Industrie-PCs werden mit einem Betriebstemperaturbereich spezifiziert, dessen Obergrenze üblicherweise bei +40 °C oder +50 °C liegt. Dies verführt oft zu der Annahme, der Rechner ließe sich bei solchen Umgebungstemperaturen dauerhaft betreiben. Dabei wird die Betriebstemperatur mit der Umgebungstemperatur verwechselt. Eine gute Harddisk hat eine maximale Betriebstemperatur von +55 °C. Dieser Wert wird ohne ausreichende Kühlung durch die Systemerwärmung bald erreicht. Beträgt die Umgebungstemperatur bereits +50 °C, können sich im Gehäuse-Inneren Temperaturen von über +60 °C einstellen. Das wäre für eine Standard-Harddisk deutlich zu heiß und würde einen vorzeitigen Ausfall verursachen.

Bei hohen Umgebungstemperaturen ist eine zusätzliche Kühlung (Klimatisierung) oder die Reduzierung der Verlustleistung des IPC (andere CPU und Chipsets) notwendig. Alternativ bietet sich an, temperatur-resistente Komponenten zu verwenden, die für Betriebstemperaturen bis zu 85 °C ausgelegt sind.

Eine hohe Rechenleistung, ein lüfterloser Betrieb und die Schutzart IP65 sind Leistungsmerkmale, die immer zu Lasten des Wärmemanagements gehen.

Autor

Alfred Molnar ist Entwicklungsleiter bei TL Electronic in Garching.

Die Theorie

Für die Wärme-Abführung in einem PC stehen drei Prinzipien zur Verfügung: Wärmeleitung (Konduktion), Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung beschreibt den Wärmefluss innerhalb eines Stoffes, zum Beispiel eines Kühlkörpers.Wichtig sind Materialien mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium. Eine Alternative sind effizientere „Heatpipes“.

Die Wärmeströmung basiert auf dem Prinzip, die Wärme-Energie eines Körpers über eine Grenzfläche an das umgebende Medium – in der Regel Luft – abzugeben. Die Luft wird dann zusammen mit der aufgenommenen Wärme abtransportiert. Für die abgegebene Wärmeleistung bei der Konvektion gilt folgende Gleichung:

Φ = A • (T – TUmgebung) • α

Der Wärmestrom Φ in Watt ist proportional zur Kühlkörper-Oberflache, der Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und umgebender Luft und dem Wärme-Übergangskoeffizient α. Bei einer freien Konvektion liegt der Wert für α bei etwa 20, kann mit einem Lüfter (erzwungene Konvektion) aber auf bis zu 100 erhöht werden. Der Verzicht auf einen Lüfter reduziert die Konvektion deutlich. Eine größere Wärme-Abführung ist dann nur mit einer größeren Grenzfläche zu realisieren. Dies spiegelt sich in der Rippenstruktur von Kühlkörpern wider. Lüfterlose IPCs haben deshalb sehr große gerippte Kühlkörper, die den geringen Wärme-Übergangskoeffizienten kompensieren sollen.

Bei der Wärmestrahlung wird die Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung im Infrarot-Bereich abgegeben. Hier gilt die Gleichung:

Φ = A • (T4 – T4 Umgebung) • ε • σ

ε ist der Emissionskoeffizient der strahlenden Fläche, und σ ist die „Stefan-Boltzmann-Konstante“. Die Wärmestrahlung hängt neben der strahlenden Fläche überproportional – in der vierten Potenz – von der Temperaturdifferenz zwischen Körper und Umgebung an. Allerdings sind die Temperatur-Unterschiede bei der Kühlung eines Industrie-PC relativ gering, weshalb die Wärmestrahlung nur mit 10% bis maximal 30% zum Wärmetransport beitragen kann. Neben einer Vergrößerung der strahlenden Fläche durch Kühlrippen lässt sich die Wärmestrahlung durch eine höhere Emissionsfähigkeit der Oberfläche verbessern: Bei blankem Metall liegt ε bei etwa 0,1 bei dunklen Flächen bei 0,9; ideal schwarz: 1,0. Deshalb sind Kühlkörper meist matt schwarz lackiert.