Kühlkonzept

(Bild: Pentair)

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).

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

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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.

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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

Leistung beziehungsweise Verlustleistung

Die Höhe der Verlustleistung gibt einen ersten Hinweis, mit dessen Hilfe sich relativ grob unterscheiden lässt, ob Konvektion (freie oder erzwungene Luftkühlung) oder Konduktion (Wärmeleitung, etwa über Metall) zur Wärmeabfuhr gewählt werden kann. Dabei ist stets das gesamte System zu betrachten, denn der umbaute Raum und die Temperaturverteilung im System spielen ebenfalls eine Rolle.

Auch die Konduktionskühlung hat einen Konvektionsanteil. Die Wärme wird vom Hotspot im Systeminneren – etwa einem Prozessor oder Chipsatz – über Metall, also Konduktion, zu Kühlrippen am Gehäuse gebracht und muss von dort über freie oder erzwungene Konvektion an die umgebende Luft abgegeben werden.

Will man beispielweise ein kompaktes Small-Form-Factor-System aufbauen, wie etwa das Schroff-embedded-COM-System, und den Chip darin rein passiv über Konduktion kühlen, liegt die Grenze des aktuell technisch Machbaren bei zirka 40 W. Das liegt auch daran, dass als Berührungsschutz an der Gehäuseaußenseite beziehungsweise dem hier angebrachten Kühlkörper maximal 50 °C zulässig sind. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich innerhalb des Systems im Wärmepfad deutlich höhere Temperaturen einstellen.

Eck-Daten

Kühllösungen sollen Abhilfe bieten, wenn erhöhte Wärmeentwicklung die Funktionsfähigkeit von elektronischen Geräten und Systemen bedroht. Zur Kühlung kommen prinzipiell die freie Konvektion, die erzwungene Konvektion, die Konduktionskühlung sowie die Wasser- oder Flüssigkeitskühlung infrage. Welches System sich für die konkrete Anwendung eignet, ist von verschiedenen Faktoren abhängig.

Um die Leistung bisheriger Konduktionskühlungen zu verbessern, hat Pentair einen flexiblen Wärmeleitkörper FHC aus Aluminium entwickelt. Seine Konstruktion mit integrierten Federn lässt einen vertikalen Längenausgleich des Aluminiumblocks zu, ohne dass Wärmeleitpads erforderlich sind. Zudem erzeugen die Federn eine vertikale Kraft entlang des Wärmepfads, sodass ein besserer Oberflächenkontakt zwischen den Passflächen erzeugt wird und ein geringerer Wärmewiderstand entsteht. Die flexiblen Wärmeleitkörper (FHCs) leiten Wärme rein mechanisch und verfügen daher über keine Verschleißteile. Verglichen mit den bisherigen Konduktionskühlmethoden bieten die FHCs, je nach Größe und Befestigung, eine Verbesserung der Wärmeabfuhr um zirka 10 bis 20 Prozent beim 20-mm-FHC beziehungsweise mehr als 70 Prozent beim Einsatz eines 70-mm-FHCs. Beide FHCs sind für den Einsatz mit den Schroff-Interscale-Gehäusen ausgelegt. Diese Gehäuse wiederum wurden speziell für Elektronik mit kleinem Formfaktor entwickelt und sind so flexibel, dass sie sich sowohl mit Lüftern und Perforationen oder mit den flexiblen Wärmeleitkörpern für die Konduktionskühlung ausstatten lassen (Bild 3).

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Bild 3: Schroff Interscale-Gehäuse mit flexiblem Wärmeleitkörpern. Pentair

Viele auf Baugruppenträgern basierende 19“-Anwendungen werden heute ab ungefähr 50 W Verlustleistung nach wie vor durch erzwungene Konvektion gekühlt, also per Luftkühlung mit Unterstützung von Lüftern oder Lüfterkassetten. Diese Kühllösung ist relativ kostengünstig und macht es möglich, sehr hohe Verlustleistungen abzuführen. Ein Beispiel sind Advanced-TCA-Systeme von Schroff, bei denen sich durch erzwungene Konvektion zirka 9 kW Verlustleistung abführen lassen.

Wichtig ist hier bei der Auswahl geeigneter Lüfter auf bestimmte Parameter zu achten. Diese sind zum Beispiel die Auslegung für einen maximalen Luftvolumenstrom, inklusive aller Redundanz-Szenarien, die Anpassung der maximalen Stromaufnahme einzelner Ventilatoren an die Leistungsverfügbarkeit des Systems und die Geräuschemission.

Kühlkonzept

Bild 4: Die Luftführung der Systeme muss zum Kühlkonzept des Schrankes passen. Pentair

Darüber hinaus ist es wichtig, die Richtung des Luftstroms im System bereits beim grundsätzlichen Aufbau zu berücksichtigen, wenn es mit mehreren anderen Systemen zusammen in einem Schrank eingebaut wird. Selbstverständlich muss die Luftführung der Systeme auch zum Kühlkonzept des Schrankes passen (Bild 4). Bei der Schrankkühlung bestehen typischerweise drei Optionen bezüglich der Luftstrom-Richtung: von unten nach oben, von vorne unten nach hinten oben (Trennung von kalter und warmer Luft über die 19“-Ebene) und von vorne nach hinten über perforierte Front- und Rücktüren (Trennung von kalter und warmer Luft über die 19“-Ebene). Ebenso bieten sich bei den 19“-Systemen verschiedene Optionen, was die Richtung des Luftstroms angeht: von unten nach oben, von vorne unten nach hinten oben, von links nach rechts und von rechts nach links.

Umgebungstemperatur

Sowohl bei der freien als auch bei der erzwungenen Konvektion (Luftkühlung) muss die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Gehäuse-Innentemperatur liegen. Bei der Kühlung durch Umgebungsluft erzielt man in der Regel ein ΔT von 10 bis 15 Kelvin. Sinkt das ΔT durch höhere Umgebungstemperaturen, wird auch die Kühlleistung geringer.

Geforderter IP-Schutz

Auch der für das System geforderte IP-Schutz hat Einfluss auf die optimale Kühllösung. So muss beispielsweise der Schutz vor/für Servicepersonal (Berührschutz) oder besonders rauen Umgebungseinflüssen wie etwa Staub und Wasser gewährleistet sein. Aber wo kein Wasser oder Staub eindringen kann, kann auch keine Luft eindringen und die Komponenten kühlen. Das bedeutet für die Kühlung, je höher der IP-Schutzgrad, desto schwieriger oder auch unmöglich wird die Kühlung per erzwungener Konvektion. In diesem Fall müsste man auf die Konduktionskühlung zurückgreifen.

Geforderter EMV-Schutz

Eine ähnliche Problematik wie beim IP-Schutz zeigt sich beim EMV-Schutz. Ist beispielsweise ein hoher EMV-Schutz bis zu höchsten Frequenzen gefordert, dürfen nur minimale oder auch keine Öffnungen im System-Gehäuse vorhanden sein. Eine komplette EMV-Abschirmung ist nur mit einem hermetisch dichten Gehäuse (Faradaykäfig) darstellbar. Ein dichtes Gehäuse lässt aber keine Luftzuführung für die Kühlung des Systems zu. Ein solches System kann dann nur per Konduktion (Conduction Cooling) gekühlt werden. Eventuell ist dann die Wärmeabgabe auf der Außenseite (Übergang Metall zu Umgebungsluft) etwa mit Lüftern in einem zusätzlichen Umgehäuse zu unterstützen.

Geräuschentwicklung

Bei vielen Anwendungen belastet der Geräuschpegel der eingesetzten Kühllösung (zum Bespiel Lüfter) die Umgebung. Verschiedene Verordnungen geben hier Grenzwerte vor. Geeignete Maßnahmen zur Lärmreduzierung sind etwa die elektronische Drehzahlsteuerung von Filterlüftern oder die Überdimensionierung der Lüfter, sodass die benötigte Luftleistung auch ohne die volle Drehzahl erreicht wird.

Ausfallsicherheit

Ein für Anwender ebenfalls wichtiger Punkt ist die Ausfallsicherheit der Systeme. Werden diese durch erzwungene Konvektion beispielsweise mit Lüftern oder Lüftereinschüben gekühlt, besteht immer die Möglichkeit eines Lüfterausfalls. Um diesem vorzubeugen, kann eine gewisse Redundanz im System eingebaut werden. Allerdings ist es dann notwendig, die Lüfterfunktion zu überwachen und defekte Lüfter zeitnah auszutauschen, um die Ausfallsicherheit wieder zu gewährleisten. Bei einer reinen Konduktionskühlung kann kein Lüfter ausfallen, da keiner zum Einsatz kommt.

Langlebigkeit

Auch die Langlebigkeit eines Systems, also die Funktionsfähigkeit möglichst über den gesamten Lebenszyklus des Systems, wird unter anderem durch die gewählte Kühllösung beeinflusst. In einem System müssen daher die vom Hersteller vorgegebenen Temperaturgrenzen beziehungsweise -bereiche für bestimmte elektrische und elektronische Bauelemente dauerhaft gewährleistet werden, damit keine Funktionseinschränkungen oder irreversiblen Schäden eintreten. Übliche MTBF (Mean Time Between Failure)-Berechnungen für solche Systeme beziehen sich in der Regel auf Werte von 25 °C beziehungsweise 40 °C Innentemperatur. Werden diese Temperaturen nicht eingehalten, nimmt die Lebensdauer exponenziell ab. Im Umkehrschluss bedeutet dies, je geringer die Gehäuse-Innentemperatur, desto höher die Lebensdauer der Komponenten.

Simulationen und Tests unterstützen die Realisierung

Bei der Entwicklung eines Small-Form-Factor- oder 19“-Systems ist es wichtig, dass von Anfang an das Thema Kühlung Berücksichtigung findet. Bereits in der Konzeptphase, wenn das System definiert wird, lassen sich durch Berechnungen mit Papier und Bleistift und per nummerischer Simulation mögliche Kühlszenarien durchspielen und auf ihre Eignung testen. Bei der Entwicklung arbeitet Pentair mit zwei unterschiedlichen 3D-Softwarepaketen: 6Sigma und Flotherm. Zudem stehen Kunden für deren eigenen Geräteentwicklungen die Nutzung des Klimalabors samt einer begehbaren Klimakammer und Windkanal inklusive Wärmesimulation und das Know-how der Entwärmungsspezialisten zur Verfügung.

Energieeffizienz beachten

Ein wesentlicher Punkt bei der Kühlungsauslegung von Elektronik ist eine frühe Weichenstellung hinsichtlich höherer Energieeffizienz. Es ist zwar wünschenswert, möglichst wenig Verlustleistung zu erzeugen, doch die zwangsläufig entstehende sollte so effizient wie möglich abgeführt werden. Daher ist bei jeder Applikation zu prüfen, ob das gewählte Kühlkonzept und die gewählten Kühlkomponenten tatsächlich auch im Hinblick auf die Effizienz geeignet sind.

Christian Ganninger

Globaler Produkt Manager für Systeme bei Pentair Technical Solutions GmbH

Stefan Djuranec

Principal Engineer Cooling bei Pentair Technical Solutions GmbH

(tm)

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