Passiv gekühlter Box-PC Der Rundum-Sorglos-Rechner?

Das war die Geburtsstunde des Box-PCs. Werden bei der Komponentenauswahl noch die sogenannten \“embedded\“ Komponenten der verschiedenen Hersteller verwendet, können sogar Rechner realisiert werden, welche einige Jahre in unveränderter Form lieferbar sind. Womit eine weitere Forderung des Industrieanwenders erfüllt ist. Dieser neue embedded Box-PC (emPC), klein mit vielen Schnittstellen, ist so kostengünstig wie möglich und, da sich der industrielle Anwender nie mit den Lüftern in den Rechnern anfreunden konnte, auch lüfterlos, rundum geschlossen und staubgeschützt. Von diesen Wunderkisten verspricht sich der Nutzer niedrige Einstandskosten und einen Rechner, der nie mehr ausfällt! Gekauft wird der Rechner, wie ein Fernsehgerät! Bleibt die Frage, ob dies die lüfterlosen embedded Box-PCs in dieser Uneingeschränktheit auch leisten können! Die Antwort lautet klassisch JEIN! Der Feind eines jeden Rechners ist die Wärme, die er durch seinen Betrieb erzeugt. Im Umkehrschluss heißt das: Funktioniert das Kühlkonzept des Rechners?! Sicher, die Zeiten in denen die Prozessoren 100Watt und mehr verschlangen sind vorbei und es gibt emPCs niedriger Leistungsklasse, die in kompletter Ausstattung weniger als 10 Watt benötigen, wie der Rechner links unten auf der Titelseite mit VIA Eden-Prozessor oder auch emPCs mit Intel Atom-Prozessor. Bei diesen Systemen wird die oben beschriebene Erwartungshaltung des Anwenders am ehesten erfüllbar, wenn bei dem Kühlkonzept keine groben Fehler gemacht werden. Spannender wird die Frage, wenn es um Dual Core Rechenleistung geht und damit um die high-end-emPCs, die gerade auf den Markt kommen. Wird die theoretische Leistungsaufnahme der einzelnen Komponente addiert, ergeben sich leicht 50 Watt und mehr (Intel P8400 + zugehöriger Chipsatz + Restkomponenten). Dieser theoretische Wert wird in der Realität selten erreicht und liegt deutlich darunter. In einer typischen Anwendung mit hoher Prozessorlast und Grafikanwendung werden nur 30-40Watt erreicht. Aber auch diese Wärme muss in irgendeiner Form entsorgt werden. Wärmeentsorgung im Beispiel Wie das gemacht werden kann, ist hier anhand des FPC-7300 der Fa. Lead zu sehen. Auf das bestückte Mainboard des Rechners kommen großflächige Aluminiumplatten, welche Prozessor, Chipsatz und im Idealfall auch den Speicher kontaktieren. Über Wärmeleitpads werden diese wiederum mit dem Gehäusedeckel kontaktiert, welcher dann über seine Kühlrippen deren Wärme an die Umgebung abgibt. Die Wärme von Prozessor und Chipsatz wird damit gezielt abgeleitet. Die Kühlrippen an den Seiten unterstützen die Wärmeabgabe des Gehäuses an die Umgebung. Wie warm wird nun das Gehäuse werden? Ein Blick in die Theorie ergibt für die passive Kühlung folgende Aufschlüsse: Unter passiver Kühlung wird die Kühlung verstanden, bei der die Wärmeabgabe an die Umgebung – in den allermeisten Fällen wird das die Umgebungsluft sein- passiv, also nur über die sogenannte Konvektion und Wärmestrahlung, erfolgt. Bei der Konvektion wird die Luft durch den Kontakt mit dem wärmeren Medium erwärmt. Durch die Erwärmung wird die Dichte der Luft geringer und die erwärmte Luft steigt nach oben. Es strömt kalte Luft nach und der Kreislauf beginnt von vorne. Neben der Konvektion gibt es noch die Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung erfolgt durch elektromagnetische Wellen. Sie funktioniert sogar im Vakuum. Die Wärmemenge, die abgestrahlt wird, ist also die Summe aus Konvektion und Wärmestrahlung. Die Fähigkeit der Wärmeabgabe wird durch den jeweiligen Wärmeübergangskoeffizienten \“h\“ bestimmt. Bei der Betrachtung dieser Gleichung ist zu erkennen, dass bei einer gegebenen Umgebungstemperatur die einzig zu beeinflussenden Größen die Kontaktfläche und h darstellt. Dies bedeutet erwartungsgemäß je mehr Fläche vorhanden ist, desto mehr Wärme kann an die Umgebung abgeführt werden. Der Wert von h beim Übergang von einem Material an Luft durch Konvektion kann Näherungsweise mit hk = 2 + 12 vv (v = Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft) angegeben werden. Ist der Rechner in einem Schrank eingebaut, der keine Zwangsbelüftung hat, dann ist v = 0 und der Wert hk = 2. Der Wert von h für die Wärmestrahlung kann mit hws=7 angesetzt werden. Mit diesen Vorgaben kann die Temperaturerhöhung berechnet werden. Die kontaktierte Kühlfläche (inklusive der Kühlrippen) des Rechners wird mit 0,1m² angesetzt. Ist die Windgeschwindigkeit \“0\“, weil der Rechner in einem Schrank ohne Belüftung eingesetzt wird, erhalten wir mit diesen Zahlen eine Temperaturerhöhung von ca. 35°K. Ein leichter Wind von 1m/sec reduziert die Temperaturerhöhung auf ca. 15°K. Im realen Einsatzfall wird die Temperaturerhöhung größer sein, weil die Wärmeübertragung von einem Körper zu einem anderen nicht ideal ist und der hk auch noch von der Orientierung des Kühlkörpers abhängt, aber für die Bewertung reicht das bereits aus. Nur im Luftstrom Bei dem oben dargestellten FPC-7300 ist die obere Betriebstemperatur mit ca. 55° angegeben. Allerdings steht auf dem Datenblatt, dass diese Temperatur nur im Luftstrom(!) zulässig ist. Bei vielen Datenblättern anderer Hersteller ist dieser Hinweis nicht zu finden, noch die Abhängigkeit von der Orientierung oder gar, dass um den Rechner herum auch Luft sein muss und nach Möglichkeit kein warmer Gegenstand. Bei einer Temperaturerhöhung von 35°K werden im oberen Temperaturbereich die spezifizierten Daten der eingesetzten Komponenten erreicht, wenn nicht sogar überschritten. Besonders dann wenn eine Standardfestplatte eingesetzt wird. Es darf auch nicht wundern, wenn die Lebenserwartung des Rechners nicht so hoch ist wie erhofft. Jede 10° Temperaturerhöhung halbiert die MTBF der entsprechenden Komponente und die MTBF-Angaben der meisten Komponenten gelten für eine Umgebungstemperatur von 25°C. Und es sei noch an die Kondensatoren erinnert, die auf dem Motherboard sind und die hohen Temperaturen auch nicht schätzen. Fazit: Rein passiv gekühlte embedded BOX-PCs können durchaus eingesetzt werden, solange es um den Rechner herum nicht zu warm wird und/oder für eine gute Belüftung gesorgt wird. Gut überlegt sein will der Einsatz von Festplatten oder man spendiert eine Automotive Platte. Beim Einsatz von Silicondisks sei an die begrenzte Anzahl von Schreibzyklen erinnert. Hohe Temperaturen reduzieren die MTBF des Rechners stark. Die rundum sorglos Lösung ist ein passiv gekühlter BOX-PC nicht. Vor dem Einsatz sollte der Anwender sich intensiv beraten lassen. Falls in den technischen Unterlagen des Produktes nichts über die Randbedingungen des Einsatzes steht, sollte besondere Vorsicht walten. Wählen Sie im Zweifelsfall lieber einen Lieferanten, der weis von was er spricht, als einen, der nicht weis, was er verspricht.