Wisemaker Kühlkonzept für Hochleistungs-Industrie-PCs

      Mit der rasanten Entwicklung der Industrie steigen die Anforderungen an die Leistung von Computern in zunehmend komplexen Anwendungsumgebungen. Wisemaker bietet Hochleistungs-Industrie-PCs mit fortschrittlichen Kühlkonzepten, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Heutzutage kommen Computer in einer Vielzahl anspruchsvoller Szenarien zum Einsatz, wie z. B. in Werkzeugmaschinenhallen, Produktionslinien für Waschmittel, Holzbearbeitungsfabriken, automatisierten Werkstätten, Steuerungssystemen für Verkehrsanlagen, KI-gestützten Bildverarbeitungsanwendungen und IoT-Edge-Computing-Systemen. Diese Anwendungen erfordern leistungsstarke CPU-Konfigurationen, die wiederum eine Weiterentwicklung der Kühlkonzepte notwendig machen. In staubreichen Umgebungen und bei Anforderungen an geringe Wartungskosten ist die passive Kühlung die optimale Wahl. Deshalb gewinnen lüfterlose Kühlkonzepte in Industrie-PCs zunehmend an Bedeutung.

     Ein passives Kühlkonzept muss drei zentrale Komponenten berücksichtigen: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Hochwertige, wärmeleitfähige Materialien übertragen die Wärme der CPU effizient an den Kühlkörper. Erstklassige, wärmeableitende Materialien in Kombination mit geeigneten Oberflächenbehandlungen weisen einen hohen Konvektionskoeffizienten und eine hohe Wärmeemissionsrate auf, sodass die Wärme schnell an die umgebende Luft abgegeben wird und eine effiziente Kühlleistung erzielt wird. Um diese drei zentralen Komponenten der Kühlung optimal zu nutzen, ist es wichtig, zunächst die charakteristischen Parameter, Verarbeitungsmethoden und Oberflächenbehandlungen gängiger Materialien zu verstehen.

Wärmeleitfähigkeit industrieller Materialien

Hinweis: Wärmeleitung ist ein physikalischer Prozess, bei dem Wärme vom wärmeren zu kälteren Bereich eines Körpers oder zwischen direkt kontaktierenden Materialien übertragen wird.

Hinweise: Der Wärmeübergangskoeffizient ist ein Maß zur Berechnung der Wärmemenge, die zwischen einem Fluid und einer festen Oberfläche übertragen wird.

Bei der Anodisierung entsteht durch eine elektrolytische Reaktion ein Oxidfilm auf der Werkstückoberfläche. Dieser Film weist eine poröse Wabenstruktur mit sehr kleinen Poren auf.

Bei der Pulverbeschichtung entsteht durch elektrostatische Adsorption eine Polyester-Schicht auf der Werkstückoberfläche.

Einfluss der Oberflächenbehandlung auf die Wärmeableitung:

Wärmeemissionskoeffizient:

Hinweis: Wärmestrahlung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem ein wärmeerzeugender Körper seine thermische Energie in Form elektromagnetischer Wellen nach außen abstrahlt.

Auf Grundlage der oben genannten Daten werden bei der Erstkonstruktion Messing in Kombination mit Heatpipes als wärmeleitende Materialien, AL6063 als Material für die extrudierten Kühlrippenprofile sowie Strahlanodisierung als Oberflächenbehandlung ausgewählt.

Kühlkonzept mit Wärmerohren + Aluminiumgehäuse:

1. Kühlung durch Kühlrippen: Das extrudierte AL6063-Profil mit den Abmessungen 292 × 210 mm verfügt über längs angeordnete Kühlrippen, die die Luftzirkulation fördern und die Wärme effektiv abführen.

2. Wärmeleitung durch Heatpipes: Heatpipes in Kombination mit Kupferplatten werden gleichmäßig und symmetrisch auf der Rückseite des rippenförmigen Kühlkörpers angebracht und übertragen die CPU-Wärme effizient auf den Kühlkörper. Dadurch wird eine punktuelle Wärmequelle in eine flächige Wärmequelle umgewandelt, was die Wärmeleitungseffizienz deutlich verbessert.

3. Oberflächenbehandlung: Nach der Bearbeitung des Profils wird die Kühlkörperoberfläche zunächst gestrahlt und anschließend anodisiert. Diese Behandlung verbessert das Aussehen und die Verschleißfestigkeit, bietet Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie eine verbesserte Wärmestrahlungs- und Wärmeableitungsleistung des Kühlkörpers.

Über Wärmesimulationen kann die Wärmeleitung visualisiert werden – dabei ist deutlich zu erkennen, dass die Temperaturdifferenz im gesamten Bereich des Kühlkörpers minimal ist.

Wärmeverteilungskarte:

       Unter den Simulationsbedingungen wird angenommen, dass es windstill ist und der Kühlkörper durch natürliche Konvektion mit der Luft Wärme austauscht. Aufgrund der Schwerkraft steigt die an der Kühlkörperoberfläche erwärmte Luft nach oben, während kältere Luft von unten und entlang der Kühlrippen nachströmt, wodurch ein nach oben gerichteter Luftstrom entsteht. Die Wärmesimulation dieses Konvektionsprozesses zeigt deutlich die Temperaturänderungen der Luft beim Durchströmen des Kühlkörpers.

Diagramm der Konvektionskühlung:

        Um die Effektivität des Kühlkonzepts weiter zu überprüfen, wurde der Kühlkörper gemäß dem Konstruktionsschema gefertigt und ein Prototyp aufgebaut, um physische Tests durchzuführen.

Mittels eines professionellen Wärmebildtesters lässt sich visuell bestätigen, dass die tatsächliche Kühlwirkung mit den simulierten Kühlwerten des Kühlers übereinstimmt.

        Vergleichende Alterungstests ergaben, dass die Kühlkörpertemperatur um 15 % sank, die CPU-Temperatur um 13 % abnahm und die Leistung um 15 % zunahm. Es lässt sich eindeutig feststellen, dass bei lüfterlosen Kühlkonzepten für Industrie-Computer die großflächige Anordnung von Heatpipes zur Wärmeleitung eine punktuelle Wärmequelle in eine flächige Wärmequelle umwandelt und die Wärme effizient auf den Kühlkörper überträgt. Durch die Anodisierung der Oberfläche hochwertiger extrudierter AL6063-Kühlrippen wird die Wärmestrahlungseffizienz deutlich verbessert, was zu einer insgesamt besseren Kühlleistung führt. Die insgesamt niedrigere Temperatur des Industrie-Computers ermöglicht der CPU, mit hoher Leistung zu arbeiten und gewährleistet gleichzeitig den stabilen Betrieb sowie die lange Lebensdauer des gesamten Systems.

Fazit: Spezielle Wärmesimulationen und ein speziell entwickeltes Kühlkonzept dienen der schnellen Wärmeableitung und hohen Betriebsstabilität unter rauen Umgebungsbedingungen.

Fortgeschrittenes lüfterloses Kühlkonzept: Die leistungsstarken Industrie-Panel-PCs von Wisemaker nutzen ein fortschrittliches lüfterloses Kühlkonzept, das auf der Wärmeleitung durch Heatpipes und einem Kühlkörper mit großflächigen extrudierten Rippen basiert. Dieses innovative Kühlkonzept nutzt die Heatpipes, um die CPU-Wärme effektiv an das Systemäußere abzuführen, und die Aluminiumkühlkörper, um die Wärme durch verstärkte Wärmestrahlung an die umgebende Luft abzugeben.

Die extrudierten Kühlrippen weisen eine strahlanodisierte Oberfläche auf, die nicht nur die Wärmeableitung verbessert, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet – dadurch erhält das Produkt eine stabile und lange Lebensdauer. Dank des robusten lüfterlosen Designs und der effektiven Wärmeableitung entsteht kein Betriebsgeräusch, was die Stabilität, Haltbarkeit und Betriebseffizienz des Panel-PCs unter den rauen Bedingungen der Industrie maßgeblich gewährleistet.

Unsere Industrie-Panel-PCs sind perfekt für komplexe Anwendungen wie Automatisierung, KI-gestützte Bildverarbeitung und IoT-Edge-Computing geeignet und wurden entwickelt, um die von der heutigen Industrie geforderte neue Leistungsstufe zu bieten.