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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem Ionen-Kühlsystem
zur Kühlung
von Systemkomponenten des Geräts
sowie ein Verfahren zur Überwachung
einer durch ein Ionen-Kühlsystem
hervorgerufenen elektrostatischen Aufladung von Komponenten des
elektronischen Geräts.
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Die
Kühlung
von Systemkomponenten spielt bei elektronischen Geräten, wie
beispielsweise einem Computersystem, eine wichtige Rolle. Durch
die Kühlung
wird eine Überhitzung
der Komponenten verhindert und somit die Funktionalität der einzelnen Komponenten
und ein unterbrechungsfreier Betrieb des Geräts gewährleistet.
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In
der Regel erfolgt die Kühlung
der Systemkomponenten, wie zum Beispiel einer CPU oder einer Stromversorgungseinheit
in einem Computersystem, durch ein Kühlsystem aus einem oder mehreren
Lüftungsventilatoren.
Durch die Ventilatoren wird ein Luftstrom erzeugt, durch den die
Komponenten des Geräts
gekühlt
werden und die erhitzte Luft aus dem Gerät hinaustransportiert wird.
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Ebenso
ist eine so genannte Ionenkühlung bei
elektronischen Geräten
bekannt. Bei der Ionenkühlung
ist in der Regel ein Ionen-Kühlsystem
in das System integriert, bei dem die herkömmlichen Ventilatoren durch
ein Element ersetzt sind, das einen Luftstrom erzeugt.
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Das
Kühlsystem
besteht beispielsweise aus einem oder mehreren Ionen-Kühlern die
zwei geerdete Gitter aufweisen, zwischen denen sich eine Anordnung
von Drähten
befindet, die unter positiver und negativer Hochspannung stehen.
An den Elektroden werden durch die hohe anliegende Spannung umgebende
Luftmoleküle
ionisiert. Die positiv geladenen Ionen bewegen sich im Spannungsgefälle zu den
negativ geladenen Kathoden und kollidieren auf dem Weg dahin mit
weiteren Luftmolekülen.
Auf diese Weise entsteht ein Ionenstrom. Dieser Ionenstrom erzeugt
durch die Kollisionen mit neutralen Luftmolekülen einen Luftstrom auf der
Oberfläche
der Komponenten des elektronischen Geräts und sorgt dadurch für eine Kühlung der
Komponenten. Die geerdeten Gitter sind dazu vorgesehen, die erzeugten
Ionen an ihnen möglichst
vollständig
zu entladen und die Luft dadurch wieder weitgehend von Ionen zu
befreien.
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Der
Nachteil bei der Kühlung
eines elektronischen Geräts
mittels eines Ionen-Kühlsystems
ist, dass – trotz
der Entladung der Ionen durch die geerdeten Gitter – der die
Komponenten kühlende
Luftstrom einen bestimmten Ionisierungsgrad aufweisen kann, wodurch
die elektronischen Komponenten aufgeladen und auch beschädigt werden
können.
Insbesondere bei einer nicht optimal funktionierenden bzw. eingestellten
Ionenkühlung
kann es teilweise zu einer zu starken Ionisierung des Luftstroms
kommen, was sich stark negativ auf einen störungsfreien Betrieb des elektronischen
Geräts
auswirken kann.
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Die
Auswirkung des ionisierten Luftstroms auf die Komponenten kann dabei
auch von den Umgebungseigenschaften des Geräts abhängen, wie beispielsweise der
Luftfeuchtigkeit oder der Staubkonzentration in der Luft innerhalb
des Geräts.
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Auf
Grund der durch die Ionisierung des Luftstroms hervorgerufenen elektrostatischen
Aufladung der Komponenten kann es zu kritischen Spannungen kommen,
was zum Ausfall einzelner Komponenten bzw. des Geräts selbst
führen
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein elektronisches Gerät mit einem
Ionen-Kühlsystem
zu beschreiben, bei dem eine durch die Ionenkühlung erzeugte elektrostatische
Aufladung der Komponenten des Geräts kontrolliert werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
elektronisches Gerät
der eingangs genannten Art gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens eine Anordnung im
Gerät eingebracht
ist, durch welche die Ionisierung des Luftstroms bestimmt werden
kann.
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Durch
die Bestimmung der Ionisierung des Luftstroms wird zum einen der
Ionisierungsgrad des kühlenden
Luftstroms und seine Auswirkungen auf die sich im Luftstrom befindlichen
Komponenten des Geräts – also deren
elektrostatische Aufladung – kontrolliert
zum anderen aber auch die Funktionsweise des kompletten Ionen-Kühlsystems
geprüft,
ohne dass das elektronische Gerät
abgeschaltet bzw. geöffnet
werden muss oder gar ein Ausbau des Kühlsystems erforderlich ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Bestimmung
der Ionisierung des Luftstroms eine Messung der durch die Ionisierung
auf wenigstens eine Elektrode übertragenen
Ladung vorgesehen.
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Eine
weitere Ausführung
der Erfindung sieht zur Bestimmung der Ionisierung eine Messung
des von der wenigstens einen Elektrode abfließenden Stroms vor.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die wenigstens eine Elektrode
ein Kühlkörper einer
Systemkomponente des Geräts
ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
wenigstens eine Elektrode eine leitende Fläche einer sich im ionisierten
Luftstrom befindenden Systemkomponente des elektronischen Geräts ist.
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In
einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung ist die wenigstens eine Elektrode
ein in das Gerät
eingebrachtes Dummy-Bauteil, das sich im ionisierten Luftstrom befindet.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens
eine Anordnung zur Bestimmung der Ionisierung des Luftstroms eine Vorrichtung
aufweist, mit welcher der von der wenigstens einen Elektrode abfließende Strom
ermittelt werden kann sowie dass die wenigstens eine Anordnung die
wenigstens eine Elektrode mit einem Massepotential verbindet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung weist
die wenigstens eine Anordnung zur Bestimmung der Ionisierung zusätzlich ein
Schaltelement auf, mit dem die Verbindung zwischen der wenigstens
einen Elektrode und dem Massepotential hergestellt bzw. unterbrochen
werden kann. Dadurch kann auch eine sich über einen längeren Zeitraum aufbauende
elektrostatische Aufladung der wenigstens einen Elektrode, beispielsweise
zu Testzwecken, erreicht werden. Ebenso ist es dadurch möglich trotz
einer nur geringen Ionisierung des Luftstroms ein nachweisbares
Signal zu erzeugen.
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Weitere
Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Computersystems mit einem Netzteil,
einer CPU, Laufwerken, einer Festplatte, einem Ionen-Kühlsystem
und sich im Luftstrom der Ionenkühlung
befindenden im Inneren vorgesehenen Systemkomponenten sowie Anordnungen
zur Messung der Ionisierung des Luftstroms,
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2 eine
schematische Darstellung des Computersystems aus 1 mit
einem Ionen-Kühlsystem
nach dem Stand der Technik,
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3 ein
Ablaufdiagram für
ein Verfahren zur Überwachung
der elektrostatischen Aufladung einer sich im ionisierten Luftstrom
befindenden Komponente eines elektronischen Geräts.
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2 zeigt
eine Anordnung aus einem Computersystem 1, welches ein
Netzteil 2, eine CPU 3, zwei Laufwerke 4 und
eine Festplatte 5 aufweist. Weiterhin beinhaltet das Computersystem 1 eine Systemkomponente 6 sowie
ein Ionen-Kühlsystem 7 zur
Kühlung
von Komponenten des Computersystems 1 durch Ionenkühlung nach
dem Stand der Technik, wie es in einem Computersystem 1,
beispielsweise einem Desktop Personalcomputer (PC), einem Notebook
oder auch einem Server, in der Regel realisiert ist. Durch die Ionenkühlung wird
ein Luftstrom 8 erzeugt, durch den die Komponenten des Computersystems 1,
die sich innerhalb des Luftstroms 8 befinden, wie in diesem
Ausführungsbeispiel
die CPU 3 und die Systemkomponente 6, an der Oberfläche gekühlt werden.
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Eine
Fehlfunktion des Kühlsystems 7 kann (zusätzlich zu
der unvermeidlichen Restionisierung des Luftstroms 8) zu
einer zu starken Ionisierung des Luftstroms 8 führen. Das
hat zur Folge, dass sich die im Luftstrom 8 befindenden
Komponenten, in diesem Fall die CPU 3 bzw. die Komponente 6,
durch den ionisierten Luftstrom 8 unbemerkt auf einen für das Computersystem 1 kritischen
Wert aufladen, was zu einem Ausfall der CPU 3 bzw. der
Komponente 6 und als Konsequenz dessen zu einer Unterbrechung
des Betriebs des Computersystems 1 führen kann.
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1 zeigt
das in 2 dargestellte Computersystem 1 mit den
oben beschrieben Systemkomponenten (2–6) sowie dem Ionen-Kühlsystem 7 und
dem durch die Ionenkühlung
erzeugten Luftstrom 8.
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Das
Computersystem 1 enthält
des Weiteren zwei Anordnungen 9. Die Anordnung 9 verbindet
eine Elektrode mit einem Massepotential 11 und weist beispielsweise
eine Vorrichtung 12 zur Messung der an einem Widerstand 13 abfallenden
Spannung auf, welche proportional zu dem von der Elektrode abfließenden Strom
ist.
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Zur
Ermittlung des Stromflusses aus der durch die Vorrichtung 12 gemessenen
Spannung kann beispielsweise eine Vergleichs- Auswerteschaltung in der Anordnung 9 enthalten
sein. Über
die Vergleichs-Auswerteschaltung könnten die Spannungswerte eingelesen,
in Stromwerte umgerechnet und zur Weiterverarbeitung durch Software
des Computersystems 1 an ein Mainboard weitergeleitet werden.
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Das
Computersystem 1 kann neben dem Ionen-Kühlsystem 7 noch eine
redundante konventionelle Ventilatorkühlung durch Lüfter aufweisen.
Auch zusätzliche
für die
weiteren Systemkomponenten (2, 4, 5)
vorgesehene Ionen-Kühler,
können
noch in das Computersystem 1 integriert sein. Insbesondere kann
dabei ein Ionen-Kühler
für das
Netzteil 2 des Computersystems 1 vorgesehen sein,
wobei der Ionen-Kühler
in das Netzteil 2 integriert sein kann.
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Die
Anordnung 9 ist zur Messung der durch den ionisierten Luftstrom 8 übertragenen
Ladung auf wenigstens eine Elektrode und damit zur Bestimmung der
Ionisierung des Luftstroms 8 eingerichtet. Sie ist dazu
an sich im Luftstrom 8 befindenden Elektroden angebracht.
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In
diesem Beispiel dienen als Elektroden eine auf der Systemkomponente 6 – beispielsweise eine
Graphikkarte oder eine Soundkarte – angebrachte leitende Fläche (zum
Beispiel ein Kühlkörper der
Systemkomponente 6) sowie eine zusätzliche im Luftstrom 8 eingebrachte
Komponente 10. Auch ist der Einsatz von einer am bzw. im
Netzteil 2 angebrachten leitenden Fläche als Elektrode zur Überwachung
der Aufladung des Netzteils 2 bei dessen Ionenkühlung vorstellbar.
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Der
Kühlkörper besteht üblicherweise
aus einem wärmeleitfähigen Metall,
wie Aluminium oder Kupfer, und dient zur Verbesserung der Wärmeabfuhr
von Wärme
erzeugenden Komponenten, wie in diesem Fall der Systemkomponente 6.
Der Kühlkörper kann
dabei mit Hilfe von Schrauben oder Klemmen an der Systemkomponente 6 befestigt
sein, oder aber auch an der Systemkomponente 6 aufgeklebt sein.
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Die
Komponente 10 kann beispielsweise eine leitende, nicht
geerdete Fläche
sein. Diese Fläche
kann in ihrer Form wie eine weitere Systemkomponente gestaltet sein
(Dummy-Bauteil), was Messungen der elektrostatischen Aufladung dieser
Elektrode für
eine Bewertung der Aufladung der Systemkomponenten des Computersystems 1 realistischer macht.
Dieses Dummy-Bauteil ist für
die Wirkungsweise von Computersystem 1 nicht von Bedeutung, liefert
aber aussagekräftige
Messungen der Ionisierung des Luftstroms 8 und der Größe der erzeugten elektrostatischen
Aufladung. Als Elektrode kann weiterhin jeder weitere Kühlkörper von
Systemkomponenten des Computersystems 1 dienen, insbesondere
können
die CPU-Kühlkörper genutzt
werden.
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Durch
die Messung der Spannung und des dadurch bestimmten (von der Elektrode
abgehenden) Stromflusses kann auf die elektrostatische Aufladung
der Elektrode geschlossen und dadurch die ionisierende Wirkung des
Luftstroms 8 abgeleitet werden. Ebenso kann auch direkt
eine Messung der auf die Elektrode übertragenen Ladung durchgeführt werden,
um die Ionisierung des Luftstroms 8 zu bestimmen. Dies
kann beispielsweise durch eine Anordnung geschehen, die einen Kondensator
beinhaltet. Durch Transferieren der Ladung der Elektrode auf den
Kondensator und anschließender
Messung der am Kondensator abfallenden Spannung kann dabei – bei bekannter
Kapazität
des Kondensators – die Ladung
direkt bestimmt werden.
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Durch
Bestimmung des integrierten Sromflusses innerhalb einer vorbestimmten
Zeit und dessen Vergleich mit einem Referenzwert bzw. durch einen
Vergleich mit vorher durchgeführten
Messungen des integrierten Sromflusses kann auf die Ionisierung des
Luftstroms 8 geschlossen werden und damit die Funktionalität des Ionen-Kühlsystems 7 und
die Kühlfunktion
für das
Computersystem 1 getestet werden. Dadurch kann frühzeitig
auf Fehlfunktionen, die sich durch zu starke (oder auch eine zu
schwache) Ionisierung des Luftstroms 8 und damit durch
steigende (bzw. fallende) Werte für den integrierten Stromfluss bemerkbar
machen, geschlossen werden. Einem Ausfall der CPU 3 durch Überladung
bzw., als Konsequenz dessen, einem Ausfall des Computersystems 1 kann
somit rechtzeitig entgegengewirkt werden.
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Die
Anordnung 9 kann beispielsweise, wie in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt – auch
ein Schaltelement enthalten, durch das die Verbindung der Komponente 10 mit
dem Massepotential hergestellt bzw. unterbrochen werden kann. Das
Schaltelement in Anordnung 9 kann dabei Transistoren oder auch
eine Thyristoranordnung beinhalten. Auch eine Schaltung mittels
eines Relais ist vorstellbar.
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Das
Schaltelement wird – wie
in 1 schematisch dargestellt – in diesem Ausführungsbeispiel von
der CPU 3 des Computersystems 1 gesteuert, vorstellbar
ist jedoch auch, dass das Schaltelement von einem zusätzlich in
der Anordnung 9 enthaltenen Timer intern gesteuert wird.
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Durch
das Schaltelement kann auch bei einer geringfügigen Ionisierung des Luftstroms 8 und damit
kleiner Aufladung der Elektroden durch einen Aufbau der elektrostatischen
Aufladung über
einen längeren
Zeitraum ein nachweisbares Signal erzeugt werden und damit die Ionisierung
des Luftstroms 8 überwacht
werden.
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Dieser
Zeitraum kann durch eine vorbestimmte Zeit festgelegt sein, die
der Wirkungsweise des Kühlsystems 7 und
dem Ionisierungsgrad des Luftstroms 8 angepasst sein sollte.
Dafür kann
ein in Anordnung 9 zusätzlich
enthaltener Timer verwendet werden, nach dessen Ablauf beispielsweise
das Schaltelement geschalten, somit die Verbindung der Elektrode
mit dem Massepotential 11 hergestellt und daraufhin die
Messung der am Widerstand 13 abfallenden Spannung durchgeführt wird.
Nach erneutem Unterbrechen der Verbindung wird der Timer wieder zurückgesetzt
und neu gestartet. Dadurch ist die Überprüfung der Ionisierung in regelmäßigen, vorgegebenen
Abständen
möglich.
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Durch
einen Vergleich der gemessenen Spannungswerte und des daraus bestimmten
Stromflusses, der von der Elektrode abgeht, kann auf die Funktionalität des Kühlsystems
rückgeschlossen
und eine kontinuierliche Überwachung
der Ionenkühlung erreicht
werden. Damit wird ein störungsfreier
Betrieb des Computersystems 1 gesichert.
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3 zeigt
ein Ablauf diagram für
ein Verfahren zur Überwachung
der elektrostatischen Aufladung von einer sich in einem ionisierten
Luftstrom 8 befindenden Komponente eines elektronischen
Geräts.
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Schritt
S1 bezeichnet hierbei die durch den ionisierten Luftstrom 8 verursachte
elektrostatische Aufladung der Komponente des Geräts. Die
Komponente kann dabei beispielsweise eine nachträglich in das Gerät eingebrachte Elektrode
sein, die wie ein elektronisches Bauteil des Geräts ausgeführt ist. Auch eine leitende
Fläche
(wie beispielsweise ein Kühlkörper) jeder
weiteren im Gerät
vorhandenen und sich im Luftstrom 8 befindenden Systemkomponente
ist als Elektrode vorstellbar.
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Die
Komponente ist in diesem Ausführungsbeispiel
mit einer Anordnung 9 verbunden, die ein Schaltelement
enthält,
so dass eine Verbindung zwischen der Komponente des Geräts und einem Massepotential 11 unterbrochen
bzw. hergestellt werden kann. Bei nur geringer Ionisierung des Luftstroms 8 wird
die Verbindung durch das Schaltelement unterbrochen, und damit eine
messbare elektrostatische Aufladung herbeigeführt, die in einem nächsten Schritt
bestimmt werden kann.
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In
Schritt S2 wird die Verbindung zwischen der Komponente und dem Massepotential 11 durch das
Schaltelement in Anordnung 9 hergestellt. Die Verbindung
kann dabei in vorgegebenen Abständen – beispielsweise
durch einen in Anordnung 9 enthaltenen Timer – abhängig von
der Stärke
der Ionisierung des Luftstroms 8 hergestellt werden, um
einerseits eine Überladung
der Komponente auszuschließen,
andererseits jedoch ein messbares Signal durch eine sich über einen
bestimmten Zeitraum aufbauende elektrostatische Aufladung der Komponente
zu erzeugen.
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In
Schritt S3 wird eine Messung der elektrostatischen Aufladung der
Komponente durchgeführt. Dies
kann durch Bestimmung des von der Komponente abfließenden Stroms
mittels einer in einer Anordnung 9 enthaltenen Vorrichtung 12 zur
Messung der an einem Widerstand 13 abfallenden Spannung, die
proportional zum abfließenden
Strom ist, geschehen.
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In
Schritt S4 wird der ermittelte Wert mit einem vorgegebenen Referenzwert
verglichen, der für die
Komponenten bzw. das Gerät
unkritisch sein sollte.
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Schritt
S5 beinhaltet eine Abfrage ob der in Schritt S3 ermittelte Wert
kleiner als der Referenzwert ist. Falls ja, dann wird die Verbindung
zwischen der Komponente und dem Massepotential 11 daraufhin
wieder unterbrochen (Schritt S6) und eine erneute Aufladung der
Komponente durch den ionisierten Luftstrom 8 findet statt
(Schritt S1).
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Ist
der in Schritt S3 ermittelte Wert für die elektrostatische Aufladung
der Komponente größer als
der Referenzwert, wird in Schritt S7a ein Warnsignal ausgegeben.
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Weiterhin
wird in diesem Ausführungsbeispiel,
wie in Schritt S7b beschrieben, die Ionenkühlung des Geräts abgestellt
und daraufhin in Schritt S7c eine weitere im Gerät redundant vorhandene konventionelle
Kühlung
durch Ventilatoren angeschaltet. Das Umschalten muss dabei so schnell
geschehen, dass keine Überhitzung
der Komponenten des Geräts
durch Unterbrechung der Kühlung
auftreten kann.
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Möglich ist
aber auch das alleinige Ausgeben eines Warnsignals (Schritt S7a)
ohne dass zusätzlich ein
Abschalten des Ionen-Kühlsystems 7 (Schritt S7b)
bzw. ein Umschalten auf konventionellen Kühlungsbetrieb (Schritt S7c)
durchgeführt
werden muss. Auch ein komplettes Abschalten des Geräts bei Überschreiten
des Referenzwertes ist vorstellbar.
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Durch
das Verfahren kann die Ionisierung des Luftstroms 8 (auch
im Falle einer nur geringen Ionisierung) kontinuierlich überwacht
und damit eine Überladung
der Komponenten des Geräts
verhindert werden. Dadurch ist ein unterbrechungsfreier Betrieb von
Komponenten und Gerät
gewährleistet.
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- 1
- Computersystem
- 2
- Netzteil
- 3
- CPU
- 4
- Laufwerke
- 5
- Festplatte
- 6
- Systemkomponente
- 7
- Ionen-Kühlsystem
- 8
- Ionisierter
Luftstrom
- 9
- Komponente
- 10
- Dummy-Bauteil
- 11
- Massepotential
- 12
- Vorrichtung
- 13
- Widerstand