Hitzefrei für alle

Mit ausgeklügelten Kühlkonzepten wollen Entwickler die Betriebstemperaturen ihrer Industrie-PCs niedrig halten – und damit die Lebensdauer von CPU und Co. erhöhen. Der Aufwand ist aber umsonst, wenn bei der Montage die Grundregeln des Wärme-Managements missachtet werden.

Mit ausgeklügelten Kühlkonzepten wollen Entwickler die Betriebstemperaturen ihrer Industrie-PCs niedrig halten – und damit die Lebensdauer von CPU und Co. erhöhen. Der Aufwand ist aber umsonst, wenn bei der Montage die Grundregeln des Wärme-Managements missachtet werden.

Ein PC leistet keine mechanische Arbeit. Daher wird die gesamte zugeführte Energie zwangsläufig in Wärme umgewandelt. Ohne Gegenmaßnahmen würde die Temperatur des Systems stetig steigen und letztlich die Rechnerkomponenten zerstören. Die Basis für den Wärmetransport aus dem Industrie-PC bilden drei physikalische Grundprinzipien (siehe Kasten „Die Theorie“):

  • Wärmeleitung (Konduktion),
  • Wärmeströmung (Konvektion) und
  • Wärmestrahlung

Bei Industrie- und Desktop-PCs beruht die Wärmeabfuhr im Wesentlichen auf Wärmeleitung und Konvektion: Der Prozessor ist mit einem Kühlkörper versehen, der die entstehende Wärme von der Oberfläche des Halbleiters abführt. Der Kühlkörper wiederum gibt die Wärme an die Umgebungsluft im Rechnergehäuse ab, die durch einen Lüfter an der Oberfläche des CPU-Kühlkörpers vorbeiströmt (erzwungene Konvektion). Der Einsatz eines Lüfters ist allerdings unter zwei Gesichtspunkten kritisch: Verschleiß und Verschmutzung.

Als mechanisches Bauteil altert auch ein hochwertiger Lüfter. Zudem sinkt wie bei jedem Elektronikbauteil dessen Lebensdauer (MTBF: Mean Time Between Failures) mit steigenden Betriebstemperaturen, von beispielsweise 45 000 Stunden bei 20 °C auf etwa 15 000 Stunden bei 60 °C. Dieses Temperaturniveau kann bei ungünstigen Bedingungen durchaus im Gehäuse-Inneren auftreten. Außerdem spielt die Staubbelastung eine große Rolle. Der Lüfter saugt durch die Lüftungsschlitze Schmutz an, der sich auf den Komponenten absetzt und deren Kühlung reduziert. Zudem führt der Staub langfristig zu Lagerschäden am Lüfter. Abhilfe schaffen zwar Filtermatten vor den Lüftungsschlitzen des Gehäuses, bedeuten aber einen erhöhten Wartungsaufwand.

Lüfterlose Industrie-PCs erhalten daher in vielen Applikationen den Vorzug. Bei diesen durch freie Konvektion gekühlten Systemen sorgt nur noch der Dichte-Unterschied von warmer (aufsteigender) und kalter (sinkender) Luft für die Luftbewegung. Die Wärmeleitung von der CPU zum Kühlkörper erfolgt kostengünstig über einen Wärmeleiter aus Kupfer oder Aluminium. Aufwendiger aber auch wesentlich effizienter (Faktor 100 bis 1000) ist eine Heatpipe. Die Heatpipe ist mit einem Kühlmittel gefüllt, das an der Wärmequelle (CPU) verdampft, zur Wärmesenke (Kühler) aufsteigt, dort kondensiert und die Wärme abgibt. Der Transport des Kühlmittels funktioniert ausschließlich über Kapillarkräfte und Gravitation.

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. (Stefan Kuppinger)