Embedded-System mit Core i7 für hohe Temperaturen
Ein Münchner Computerhersteller hat es geschafft, einen IPC bei Voll-Last bis zu 50°C zu spezifizieren. Erreicht wird dies durch den Einsatz eines ausgeklügelten Lüftersystems, das für eine geringe Innentemperatur des Gehäuses sorgt und damit die Lebensdauer des Systems signifikant erhöht. Wir stellen das System vor.
Wenn es heiß wird, wird es kritisch für IPCs: Gerade mit hohen Temperaturen können Rechnersysteme schlecht umgehen. Arbeitet ein IPC zu lange in einem Bereich, für den er wärmetechnisch nicht ausgelegt ist, droht der frühe Hitzetod des Geräts. Was aber tun, wenn man ein System benötigt, welchem hohe Temperaturen nichts ausmachen? Die Ingenieure von DSM haben eine Antwort auf diese Frage gesucht und jetzt einen IPC entwickelt, dem Dank ausgefeiltem Kühlsystem Temperaturen bis 50°C unter Voll-Last nichts ausmachen. Dabei handelt es sich um die Modelle der Nanoserver-Serie. Sie nutzen Core-Prozessoren der dritten Generation und werden von DSM auf der Embedded World vorgestellt werden. Die Serie umfasst die drei Bauformen NN, N1 und N2, die sich in der Höhe und der Anzahl der freien Steckplätze unterscheiden. Neben dem nur 58 mm hohem NanoServer NN ohne Steckplatz werden der N1 mit einem Slot und der N2 mit zwei freien Slots angeboten. Da alle Embedded-Systeme auf einem industriellen Mainboard basieren, sind sie dank identischer Grundfläche von 204 x 226 mm und einheitlicher Befestigungslösungen je nach Bedarf austauschbar. So kann man zur Systemerweiterung, z.B. mit einer CAN-Bus-Karte, einfach auf ein höheres Modell umsteigen. In der Regel sind die Embedded-Systeme in der leistungsfähigsten Ausbaustufe mit Quad-core i7-3610QE (2,3 GHz) mit einer TDP von 45 W bei Voll-Last in einem Betriebstemperaturbereich von 0 bis 45°C spezifiziert. Dank spezieller Maßnahmen konnte die DSM Computer ihr Modell N1-QM67 mit einem Steckplatz trotz seiner geringen Baugröße sogar bei Voll-Last bis 50°C zulassen (Abb. 1).
Aktive Kühlung
Die Wärme in Rechnersystemen kann über die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung und die Wärmeströmung (Konvektion) abgeführt werden. Zur Kühlung von Geräten werden in der Regel immer alle drei physikalischen Effekte in unterschiedlicher Gewichtung kombiniert. Bei der Wärmeströmung führen Gase oder Flüssigkeiten die Wärme mit sich. Neben der freien Konvektion wird in vielen Fällen mit erzwungener Konvektion (aktive Kühlung) durch unterschiedliche Lüfter gearbeitet. Dabei transportieren Gehäuselüfter kühle Umgebungsluft in das Innere des Gehäuses und führen die erwärmte Innenluft wieder nach außen. Auch bei dem NanoServer N1-QM67 setzt DSM auf eine aktive Kühlung des Systems durch unterschiedliche Lüfter (Abb. 2). Ein Radiallüfter auf dem Prozessor sorgt für den direkten Abtransport der Verlustwärme der CPU über einen speziell ausgelegten Kühlkanal. Zur Vermeidung von Lüftungskurzschlüssen wird ein geregelter Systemlüfter mit Schottwand eingebaut. Ein großflächiger Systemlüfter stellt die direkte Kühlung der Massenspeicher sicher und erzeugt einen gerichteten Luftstroms, der Hotspots auf der Prozessorbaugruppe verhindert.
Im idealen Bereich
Die Lüfter müssen so gewählt sein, dass sie im idealen Bereich der Kennlinie arbeiten. Um die Gerätekennlinie möglichst flach zu halten, da dann der Druckverlust gering bleibt, sollten die Ein-/Austrittsöffnungen des Lüfters möglichst groß sein. Zur Minimierung der Geräusche der Lüfter, dürfen direkt vor der Ansaugöffnung keine scharfen Kanten liegen. Grundsätzlich laufen temperaturgeregelte Lüfter im normalen Betrieb relativ leise. Da hochwertige Lüfter heutzutage eine lange Lebensdauer von über 80.000 Stunden aufweisen, wirkt sich ihr Einsatz nicht mehr negativ auf die Haltbarkeit eines Rechnersystems aus. Die Temperaturmessungen des N1-QM67 zeigen, dass durch die kombinierten Lüftungsmaßnahmen bei Vollauslastung der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außentemperatur nur 3 bis 11 K beträgt (Tab.). Zum Vergleich: Bei lüfterlosen Systemen ist in vielen Fällen eine Temperaturdifferenz von 30 bis 35 Grad üblich. DSM führt die Temperaturmessungen über Ambient- und Oberflächenfühler, mit einer Infrarotkamera oder durch eine geeignete Simulation durch. Darüber hinaus können die Geräte in einem Temperaturschrank bei maximalen Temperaturgrenzwerten nach unterschiedlichen DIN EN-Normen über einen bestimmten Zeitraum getestet werden.
Effektiv entwärmt
Durch die effektive Entwärmung wird eine sehr geringe Innentemperatur des Embedded-Systems erreicht. Das ist von großer Bedeutung, da die Temperatur im Gehäuse einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer des gesamten Systems hat. Als Faustregel für alle im Rechner eingesetzten Komponenten gilt, dass sich durch eine Verringerung der Temperatur um 10 K die Lebensdauer des Industrie-PCs verdoppeln lässt. Bestimmt wird die zulässige Temperaturgrenze durch die verbauten Elektronikkomponenten, die je nach Spezifikation, bei Dauereinsatz nicht über 55 bis 65°C Innentemperatur betrieben werden sollten. Einzelne Bauteile reagieren wesentlich empfindlicher auf Temperaturänderungen als andere. Kritisch sind neben Harddisks auch die Elektrolytkondensatoren des Netzteils oder der Stromversorgung für den Prozessor auf dem Mainboard. Deshalb werden viele Industrierechner mit hochwertigen Elkos aus der Longlife-Familie bestückt. Diese Komponenten sind für mindestens 105°C Betriebstemperatur ausgelegt und zeichnen sich deshalb durch eine hohe Lebensdauer aus.
Embedded World Halle 1, Stand 254
