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Betrachtungen zum Wärmemanagement in Schaltschränken

Ralf Schneider, der am ersten Cooling Day die Kühlung am Schaltschrank ausführlich behandelte, ging am zweiten Tag auf die Kostenersparnis durch ganzheitliche Energieeffizienz im Bereich Maschinen- und Schaltschrankkühlung ein. Dabei sind die Lösungsmöglichkeiten vielfältig. Um diese sinnvoll auszuschöpfen bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung des kompletten Prozesses, nicht nur des Kälteaggregates.

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Jedes Kälteaggregat sollte dabei den Anforderungsbedingungen und dem Leistungsspektrum bestmöglich angepasst sein. Außerdem müssen eine energetische Analyse und die Betriebskosten mit in die Betrachtung einfließen, wobei sich eine vernachlässigte Wartung negativ auf die Funktionalität und auch den Energieverbrauch auswirkt.

Christian Ganninger von Schroff hatte die optimale Kühlung von modularer Elektronik als Thema und betrachtete die Probleme bei Schaltschränken und Baugruppen. Er kam zu dem Schluss, dass die aktive Luftkühlung derzeit die am weitesten verbreitete Kühlungsvariante ist. Sie ist relativ günstig und viele Erfahrungswerte liegen vor. Nur bei speziellen Anforderungen der Applikation werden alternative Kühlungsmethoden wie Conduction Cooling eingesetzt (z.B. hoher IP Schutz, hohe Schock- und Vibrationswerte).

In Zukunft wird die aktive Luftkühlung, bei weiter gesteigerten Leistungen, von Wasserkühlung unterstützt werden. Eine weitere Lösung sind klimatisierte Räume (evtl. Redundanz in der Raumklimatisierung), Luft- Wasser- Wärmetauscher oder Klimagerät im Schaltschrank oder direkt im System oder Hot-Spot-Kühlung direkt auf der Steckkarte. Bei der Auswahl der Kühlungsart sollte neben der Initialen Anschaffung immer auch die Betriebskosten ein Kriterium sein.

C. Ganninger ging auch auf die Kühlung von Elektronikkarten in Gehäusen und Schaltschränken ein. Bei der Auswahl der Kühlungsart sollte neben der Initialen Anschaffung immer auch die Betriebskosten ein Kriterium sein. Die Kühlung von Karten erfolgt z.B. durch freie Konvektion. Diese nutzt den Konvektionseffekt aus, bei dem erwärmte Luft nach oben steigt.

Deshalb sollten Karten aufrecht stehend im System betrieben werden. Durch die Konvektion entsteht ein Luftfluss von unten, an den warmen Komponenten der Karten vorbei, nach oben. Diese Art der Kühlung ist sehr günstig, absolut leise, bietet jedoch sehr geringe Kühlleistung, welche durch aktive Kühlung im Schrank unterstützt werden kann.

Die aktive Luftkühlung unter Einsatz von Lüftern

Die am weitesten verbreitete Kühlungsvariante ist die aktive Luftkühlung unter Einsatz von Lüftern. Sie ist relativ günstig, bietet bei unterschiedlichsten Luftflussrichtungen sehr hohe Kühlleistung (z.B. bei einem AdvancedTCA System über 450W pro Steckplatz und etwa über 7kW im System). Bei hohen Kühlleistungen sind jedoch sehr hohe Lautstärken > 90dB zu erwarten. Bei der Lüfteranordnung unterscheidet man in Push-Prinzip und Pull-Prinzip. Beim Push-Prinzip sitzt der Lüfter im Lufteinlass und drückt die Luft durch den Kartenkorb. Die Vorteile sind eine höhere MTBF der Lüfter und Überdruck im Kartenkorb verhindert Eindringen von Staub durch Spalte zwischen den Karten.

Nachteilig wirkt sich aus die geringere Kühlleistung und der mögliche Hitzestau im oberen Systembereich. Beim Pull-Prinzip sitzt der Lüfter im Luftauslass und zieht die Luft aus dem Kartenkorb, was folgende Vorteile bietet: Höhere Kühlleistung, Einsatz von Radiallüftern möglich (eine 90° Ablenkung wird vermieden, geringere Bauhöhe möglich). Aber auch hier Nachteile wie eine geringere MTBF der Lüfter, außerdem erleichtert Unterdruck im Kartenkorb das Eindringen von Staub.

Beim kombinierten Push-Pull-Prinzip sitzt ein Lüfter jeweils im Luftein- und -auslass. Damit erzielt man die höchste Kühlleistung (je nach Anordnung 10 bis 30% höher als beim Pull-Prinzip) und bietet Redundanz im kompletten Slotbereich. Nachteil ist hier die höheren Kosten wegen der doppelten Anzahl an Lüftern.

Egal welche Kühlart eingesetzt wird, der Luftwiderstand der im System eingesetzten Steckkarten stellt eine gewisse Problematik dar. Steckkarten mit hoher Leistung (z.B. Prozessorkarten) haben oft große Kühlkörper und einen hohen Luftwiderstand. Steckkarten mit geringer Leistung (z.B. I/O Karten) haben meist einen sehr geringen Luftwiderstand. Die Karten mit hohem Luftwiderstand werden aber wesentlich schlechter gekühlt.

Die Kühlung der unterschiedlichen Karten erfolgt demnach nicht gleichmäßig. Als Abhilfe bietet sich hier das „Slot Balancing“ im System an, bei dem der Lufteintrittsbereich teilweise abgedichtet wird. Dieses Verfahren wird auch zur Homogenisierung des Luftflusses im System verwendet. Außerdem werden unbenutzte Steckplätze mit Luftschottblechen abgedichtet.

Zukünftige Leistungssteigerungen werden aber nicht über reine Luftkühlung abgefangen werden können (wegen Lautstärke, Energieverbrauch der Lüfter usw.). In Zukunft wird die aktive Luftkühlung, bei weiter gesteigerten Leistungen, von Wasserkühlung unterstützt werden. Weitere Möglichkeiten sind klimatisierte Räume, Luft- Wasser- Wärmetauscher oder Klimagerät im Gestell/Schaltschrank oder direkt im System sowie die Hot-Spot-Kühlung direkt auf der Steckkarte. Nur bei speziellen Anforderungen der Applikation (z.B. hoher IP Schutz, hohe Schock- und Vibrationswerte) werden alternative Kühlungsmethoden wie z.B. Conduction Cooling eingesetzt.

Beim Conduction Cooling sitzt ein Metallrahmen (Conduction Cooled assembly – CCA) auf der Leiterkarte oder eine zweiteilige Metallschale (Clamshell ) wird um die Leiterkarte herum aufgebaut. Die Wärme wird vom Hot Spot über Wärmeleitpaste auf das CCA oder die Clamshell gegeben und von dort über den Cardretainer an das Systemgehäuse. Conduction Cooling benötigt aber spezielle Gehäuse, Standard Baugruppenträger können nicht verwendet werden und damit wird das System relativ teuer.

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