Industrie-PCs müssen auch unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise bei hohen Temperaturen, zuverlässig arbeiten. Hier sind applikationsspezifische und gut durchdachte Kühllösungen gefragt.

(Bild: Inonet)

| von Benedikt Merl

Die Anforderungen an Rechenleistung und die Summe der Umgebungsbedingungen geben vor, welche Kühllösung für ein industrielles Computersystem infrage kommen kann. Niemand würde auf die Idee kommen, einen Server einfach mitten in die Wüste zu stellen – zu heiß, zu staubig, zu trocken. Industrie-PCs (IPCs) jedoch müssen unter genau solch extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig zurechtkommen. Fahrzeug-PCs, etwa für die Entwicklung von Assistenzsystemen in Autos, müssen bei -30 °C im Winter ebenso ausfallsicher sein wie bei 50 °C im Hochsommer. Steuerungs-PCs in der Industrie dürfen bei Staub, Abwärme der Maschinen oder schweren Erschütterungen nicht den Dienst verweigern, um teure Ausfallzeiten zu vermeiden. Geräte in der Medizintechnik hingegen müssen oft extrem performant sein, zum Beispiel für bildgebende Verfahren. Gleichzeitig sollen sie flüsterleise arbeiten. Diese Liste ließe sich beliebig fortsetzen – und fast täglich kommen durch das Internet of Things (IoT) und Industrie 4.0 neue Anwendungsfälle hinzu.

Das beste aus zwei Welten: Inonet bietet hybride Kühllösungen für Industrie-PCs, die die Vorteile von aktiver und passiver Kühlung vereinen.

Das beste aus zwei Welten: Inonet bietet hybride Kühllösungen für Industrie-PCs, die die Vorteile von aktiver und passiver Kühlung vereinen. Inonet

In vielen Fällen stellt die Kühlung der Geräte eine große Herausforderung dar. Denn keine der verfügbaren Technologien ist alleine für sich in der Lage, alle Einsatzbereiche abzudecken. Der am weitesten verbreitete Ansatz ist die aktive Kühlung mit Lüftern. Um die eingesetzten leistungsstarken Prozessoren und Grafikkarten zu kühlen, müssen erhebliche Luftmassen bewegt werden: Bei einer internen thermischen Dissipation von 500 W und einem maximal tolerierbaren Temperaturanstieg von 5 °C sind als grober Richtwert fünf Kubikmeter Luft pro Minute notwendig, die sich durch das Gehäuseinnere bewegen.

Staub und Verschleiß bei aktiver Kühlung

Verwirbelungen im Gehäuse, die den Luftstrom ungleichmäßig verteilen, können diesen Wert noch deutlich nach oben treiben. Dabei gilt nicht immer das Prinzip „viel hilft viel“. Denn die Wirkung der Lüfter steigt nicht linear zu deren Anzahl, das Gehäuse bietet zahlreiche Widerstände. Es steigt zunächst einmal der Geräuschpegel und in der Umgebung muss ausreichend kühle Luft vorhanden sein. Das ist nicht in jedem Szenario gegeben. Ein weiterer Nachteil der aktiven Kühlung ist zudem, dass sie durch den Luftstrom auch Staub aus der Umgebung anzieht, den Filter aus dem Gehäuse ferngehalten müssen. In vielen Industrieanwendungen sorgt die daraus resultierende Prüfung und Wartung der Systeme für erheblichen Aufwand. Obendrein sind Lüfter als bewegliche Teile einem normalen Verschleiß unterworfen und sollten regelmäßig ausgetauscht werden. Hinzu kommt, dass die Kühlleistung bei aktiv gekühlten Systemen mit zunehmender Höhenlage abnimmt – in höher gelegenen Einsatzgebieten ist aufgrund der dünneren Luft mit geringerem Wärmeleitkoeffizienten für die Erbringung der gleichen Kühlleistung ein höherer Luftdurchsatz notwendig.

 

Die Vorteile der passiven Kühlung und den hybriden Entwärmungsansatz von Inonet stellt der Beitrag auf der nächsten Seite vor.

Passive Kühlung

Auf der anderen Seite steht die passive Kühlung. Hierbei wird die von den Komponenten erzeugte Wärme über leitfähige Materialien an die Umgebung abgegeben. Aufgrund des niedrigen Wärmewiderstandskoeffizienten kommt hier meist Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. Bei Embedded-PCs aus der Concepion-Serie von Inonet lässt sich so beispielsweise die entstehende Wärme im Gehäuse über Heatpipes aus Kupfer an einen passiven Kühlkörper abgeben, der in der Regel den Deckel des Gehäuses darstellt. Der begrenzende Faktor dabei ist die Kühlleistung. Für viele Anwendungen wie Maschinensteuerungen oder IoT-Devices in der Produktion ist dieses Verfahren sehr gut geeignet. Mit steigendem Performance-Bedarf der Anwendung gestaltet sich die passive Kühlung extrem komplex, ebenso in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen wie der Stahlindustrie.

Grundsätzlich gilt: je leistungsfähiger der Prozessor eines Systems, desto höher die Dissipation – die entstehende Abwärme lässt sich ab einem bestimmten Punkt durch eine passive Kühlung nicht mehr ausreichend abführen und eine aktive Belüftung ist benötigt. Auf der Haben-Seite dagegen stehen der leise Betrieb, die Möglichkeit zur staub- oder wasserdichten Kapselung sowie das Fehlen beweglicher Bauteile. In der Praxis haben beide Ansätze ihre Berechtigung. Oft genug sind auch Mischformen anzutreffen, bei denen die Wärme über Heatsinks und Heatpipes am Bauteil abgenommen und dann über herkömmliche Lüftersysteme aus dem Gehäuse entfernt wird. Hierbei können die Lüfter deutlich kleiner ausfallen, was kompaktere Formfaktoren und geringe Geräuschentwicklung zur Folge hat.

Das Beste aus beiden Welten

In Applikationen mit besonders hohem Anspruch an Kühlleistung oder außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen kann der Einsatz einer hybriden Kühllösung den Schlüssel zum Erfolg darstellen. Hybride Kühlungen vereinen die aktive Kühlung durch Lüfter mit der passiven Ableitung von Wärme an kritischen Komponenten in einem Chassis. Solche Systeme können dadurch eine höhere gesamte Kühlleistung erzielen, sind bei gleicher Kühlleistung deutlich leiser zu betreiben oder lassen sich effektiver vor dem Eindringen von Staub und Schmutz schützen.

Ein interessanter und effektiver Hybrid-Ansatz zur Kühlung hochperformanter Industrie-PCs kommt dabei vom IPC-Hersteller Inonet. Die Kühllösung gibt die Wärme der leistungsstarken Komponenten wie CPU oder Grafikkarte über Heatpipes an einen zentralen Tunnel weiter. Dieser Tunnel führt durch das System und wird mit zwei Lüftern aktiv gekühlt. Der so genannte Thermal Tunnel ist vom Gehäuse isoliert, es kann kein Staub eindringen. Zudem befinden sich keine Komponenten innerhalb des Tunnels, weswegen es kaum zu Verwirbelungen kommt. Die Wärme verteilt sich beim Thermal Tunnel nicht wie bei anderen Lösungen im Gehäuse, was den Ansatz sehr effizient macht. Dadurch ist der Thermal Tunnel besonders für Systeme mit sehr hohen Performance-Anforderungen geeignet.

Ein typischer Anwendungsfall ist die Verarbeitung von Videodaten in Echtzeit beim autonomen Fahren. Die Herausforderung bei dieser Kühllösung: Jedes Bauteil benötigt eine andere Anbindung an den Tunnel. Bei Prozessoren ist die Varianz noch recht gering, die Bauhöhen innerhalb einer Serie sind in der Regel konstant. Anders bei Grafikkarten, bei denen die Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen erheblich sind. So ist es beim Thermal Tunnel nicht möglich, einfach eine defekte Grafikkarte gegen ein anderes Modell auszutauschen. Daher setzt Inonet hier auf Bauteile, bei denen der Hersteller die Langzeitverfügbarkeit garantiert. Aktuell findet die Anpassung des Systems auf die aktuellsten Prozessorgenerationen statt.

Keine Standardlösungen für Industrie-PCs

Schon kleine Abweichungen der Betriebstemperatur von den Spezifikationen der Komponentenhersteller können die Lebensdauer der Bauteile signifikant verkürzen. Es drohen nicht nur erhebliche Wartungs- und Reparaturaufwände, sondern im schlimmsten Fall Stillstände im Unternehmen. Denn IPCs sind in den meisten Prozessen kritisch, sie müssen absolut zuverlässig funktionieren. Bei der Kühlung von Industrie-PCs gibt es keine einfache, immer passende Lösung. Unterschiedliche Umgebungen und vielfältige Einsatzszenarien erfordern speziell angepasste Lösungen, um die entstehende Abwärme sicher abzuführen. Mit der digitalen Transformation und Industrie 4.0 steigen die zu verarbeitenden Datenmengen – und damit auch der Performance-Bedarf der IPCs. Hybride Ansätze schließen hierbei die Lücke zwischen aktiven Kühllösungen für hohe Leistungsanforderungen und wartungsarmen passiven Kühlsystemen.

Benedikt Merl

Head of Marketing bei Inonet Computer

(na)

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