Wie eine geeignete Kühllösung aussieht, wird durch mehrere Kriterien bestimmt. Ein wesentlicher Aspekt ist die maximal zulässige Komponententemperatur, welche durch die Höhe der Verlustleistung definiert wird. Zudem sind die Rahmenbedingungen am Aufstellort zu berücksichtigen. Grundsätzlich gibt es vier Arten von Kühllösungen, die je nach Verlustleistung bei Small Form Factor- und modularen 19‘‘-Systemen infrage kommen.

Freie Konvektion

Den Anfang macht die freie Konvektion. Sie ist die einfachste und preiswerteste Methode, um Wärme abzuführen. Hierbei wird der Umsatz ausgenutzt, dass Luft bei Erwärmung deutlich an Dichte verliert. Der so herbeigeführte Auftrieb führt zu einer Luftströmung, welche Wärme abtransportiert und eine Kühlung bewirkt. Die dabei auftretenden Luftgeschwindigkeiten sind jedoch verhältnismäßig gering. Freie Konvektion kann daher nur dann effektiv eingesetzt werden, wenn die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegt.

Forcierte Luftkühlung

Ist die Verlustleistung des Systems und/oder die Umgebungstemperatur höher, kommt als nächste Stufe die erzwungene Konvektion, auch forcierte Luftkühlung genannt, infrage. Hierbei wird die Wärmeabfuhr durch den Einsatz von Lüftern oder ganzen Lüfterkassetten unterstützt. Dabei unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Ansätzen: Push-Kühlung oder Pull-Kühlung (Bild 1).

Kühlkonzept

Bild 1a: Bei der forcierten Luftkühlung unterscheidet man zwei verschiedenen Ansätzen: Push- und Pull-Kühlung. Im Bild ist die Pull-Kühlung zu sehen. Pentair

Kühlkonzept

Bild 1b: Die Push-Varainte der forcierten Luftkühlung. Pentair

Bei der Push-Kühlung sitzen die Ventilatoren im Strömungspfad vor den zu kühlenden Boards und drücken (Push) die Luft an den heißen Bauteilen vorbei. Im Gegensatz dazu sind bei der Pull-Kühlung die Ventilatoren im Strömungspfad nach den Boards angeordnet. Die Luft wird durch das System gesaugt (Pull). Beide Lösungen haben Vor- und Nachteile, die etwa die Lüfterlebensdauer, den Volumenstrom, die Luftverteilung oder die Bauhöhe der Systeme beeinflussen.

Konduktionskühlung

Eine weitere Möglichkeit der Wärmeabfuhr ist das sogenannte Conduction Cooling (Konduktionskühlung). Diese lüfterlose Kühllösung funktioniert durch die Erzeugung einer direkten Wärmestrecke vom Prozessor zu einem Kühlkörper, der die Wärme wiederum konvektiv (frei oder erzwungen) an die äußere Umgebung abführen kann. Dies geschieht entweder über Leitermaterialien wie etwa einen festen Aluminiumblock, einen wie vom Hersteller Pentair entwickelten flexiblen Wärmeleitkörper (Bild 2) oder eine Heatpipe.

Kühlkonzept

Bild 2: Die flexiblen Wärmeleitkörper FHCs leiten Wärme rein mechanisch. Pentair

Auch die Clamshell-Technologie, die bei modularen Schroff-Systemen von Pentair zum Einsatz kommt, stellt eine solche Kühllösung dar. Die Minimierung des Wärmewiderstands ist beim Conduction Cooling für die Optimierung der Wärmeabfuhr von entscheidender Bedeutung. Dabei müssen alle Komponenten, inklusive Maßtoleranzen, entlang des Wärmeflusses betrachtet werden.

Wasser- oder Flüssigkeitskühlung

Eine vierte Möglichkeit der Wärmeabfuhr ist die Wasser- oder Flüssigkeitskühlung. Der größte Vorteil einer Flüssigkeitskühlung liegt in derer Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur am Aufstellort. Außerdem hat Wasser eine um den Faktor 4000 höhere spezifische Wärmekapazität (volumenbezogen) als Luft. Auch beim Thema Geräuschbelästigung und Wartungsfreundlichkeit kann die Flüssigkeitskühlung punkten. Allerdings sind die Anwender bei dieser Technologie nach wie vor zurückhaltend. Die Akzeptanz und die Wirtschaftlichkeit sind noch nicht gegeben.

Anforderungen an die Kühlung der Systeme

Je nach den Anforderungen der Applikation sind die verschiedenen Alternativen zur Kühlung der Systeme mehr oder weniger gut geeignet. Um zu entscheiden, welches Kühlkonzept in welcher Applikation sinnvoll ist, gilt es einige Hauptkriterien genauer zu betrachten:

  • Leistung beziehungsweise Verlustleistung der Applikation
  • Umgebungstemperatur
  • geforderter IP-Schutz
  • geforderter EMV-Schutz
  • Geräuschentwicklung
  • Ausfallsicherheit
  • Langlebigkeit

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