Standard für Elektronikschränke mit Wasserkühlung Kühlen auf drei Ebenen

Vor kurzem wurde die erste IEC-Norm zur Wasserkühlung in Elektronikschränken verabschiedet. Damit erhalten Anwender ein praxisorientiertes Instrument, das dort, wo es sinnvoll ist, Regeln und Richtlinien vorgibt, konkrete Planungs- und Berechnungsmodelle liefert und dort, wo Freiheiten notwendig sind, diese nicht einschränkt.

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In einem Elektronikschrank erreicht man ab einer Verlustleistung von ca. 1 kW die Grenzen der Luftkühlung. Diese Tatsache führte dazu, dass das IEC-Komitee SC 48 D einen neuen Standard für die Entwärmung von Elektronikschränken erarbeitete. Damit sollen Leitfäden für die Auswahl von Luft-Wasser-Wärmetauschern mit Leistungen bis zu 35 kW für Schränke und Baugruppenträger bereitgestellt werden und die Parameter, die sich aus verschiedenen Konfigurationen ergeben, angegeben werden. So sollen Anwender eine praxistaugliche Planungs- und Konfigurationshilfe erhalten.

Raumplan gleich Entwärmungsplan

Was dem Planer bei der Konzeption einer Anlage bezüglich Entwärmung bekannt ist, ist die zu erwartende Verlustleistung. Hier fällt die erste Entscheidung für das Entwärmungskonzept. Liegt die erwartete Verlustleistung unter ca. 1 kW und die Umgebungstemperatur unter der erwarteten Schrankinnentemperatur, kann meistens mit herkömmlicher Luftkühlung gearbeitet werden. Hier gibt die IEC 62194 Empfehlungen und Richtlinien zum thermischen Management. Zusammen mit Maßnahmen zur gezielten Luftführung wird die entstehende Verlustleistung aus dem Schrank abgeführt.

Bei Verlustleistungen oberhalb 1 KW

Liegt die erwartete Verlustleistung über 1 kW, kann es notwendig sein, andere Medien zur Entwärmung einzusetzen. Wasser hat beispielsweise eine um den Faktor 4000 höhere spezifische Wärmekapazität als Luft (volumenbezogen) und eignet sich somit wesentlich besser um kritische Komponenten zu kühlen. Aufgrund der höheren Dichte des Wassers kann wesentlich mehr Wärme aus dem Schrank abgeführt werden.

Luft-Wasser-Wärmetauscher arbeiten mit einem Luft- und einem Wasserkreislauf und nutzen damit diese Eigenschaft des Wassers. Außerdem entsteht durch die geschlossenen Kreisläufe eines Luft-Wasser-Wärmetauschers eine raumunabhängige Entwärmungslösung. Das bedeutet, die Raumtemperatur kann auch über der erwarteten Schrankinnentemperatur liegen.

Die Qual der Wahl

Nun beginnt für den Planer die Qual der Wahl. Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Luft-Wasser-Wärmetauscher-Lösungen: Boden- oder Seitenwandmontage, horizontale oder vertikale Luftführung, unterschiedliche Verschraubungen, Klippverschlüsse oben oder unten usw. Die Lösungen sind selten vergleichbar. Und jede Variante erfordert je nach vorhandener Verlustleitung auch eine bestimmte Schrankgröße.

Die Schrankgröße bzw. die Größe der Aufstellfläche ist für den Planer sehr wichtig. Jeder Quadratmeter Stellfläche bildet einen erheblichen Kostenfaktor.

Die Anwender wünschen sich hier Hilfsmittel, mit denen sie die notwendige Stellfläche sehr genau bestimmen können. Bisher wurde in der Regel mit groben Schätzwerten gearbeitet. So konnte es leicht passieren, dass teure Stellfläche verschenkt wurde oder bei zu knapper Kalkulation die anfallende Verlustleistung nicht optimal aus dem Schrank abgeführt werden konnte.

Ebenfalls nicht zu unterschätzen ist die Geräuschentwicklung durch die Entwärmungslösungen. Im Officebereich sind die Grenzwerte niedriger als in anderen Bereichen wie z.B. schallisolierten Räumen, in denen keine Personen arbeiten. Die neue Norm, die zusammen mit Herstellern und Anwendern erarbeitet wurde, löst diese Problematik und bietet Hilfestellungen, Diagramme und Berechnungsbeispiele für eine professionelle Planung.

Die neue Norm IEC/TS 62454 1.0

Die neue IEC/TS 62454 Ed.1.0 wird voraussichtlich Anfang des Jahres 2007 veröffentlicht. Sie bezieht sich auf Elektronikschränke, deren Abmessungen in den bekannten Normen IEC 60297 (zöllig) und IEC 60917 (metrisch) festgelegt sind. Die Norm unterteilt die Wasserkühlung in Elektronikschränken in drei Ebenen (Levels).

• Level I – Schrankebene: Schrank mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher (Boden- oder Seitenwandmontage). Eine globale Betrachtungsweise, bei der der gesamte Elektronikschrank über Luft-Wasser-Wärmetauscher gekühlt wird.
• Level II – Shelf (Baugruppenträger)-Ebene: Schrank mit einem kleineren, seitlich positionierten Luft-Wasser-Wärmetauscher, zur Kühlung einzelner oder einer Gruppe von Baugruppenträgern.
• Level III – Board-Ebene: Die tiefste Ebene, bei der die Wasserkühlung direkt auf die Boards/Leiterplatten oder Bauteile/Chips wirkt.

Die Schrankebene: Level I

Dieser Level beschreibt Rahmenbedingungen und liefert Berechnungsbeispiele für Applikationen mit Luft-Wasser-Wärmetauschern, die entweder am Schrankboden oder seitlich im Schrank eingebaut werden. Durch die unterschiedliche Anordnung der Luft-Wasser-Wärmetauscher ergeben sich zwei grundlegende Luftführungsmöglichkeiten: vertikale oder horizontale Luftführung.

Bei der vertikalen Luftführung zirkuliert die Luft über die Schrankhöhe. Der Wärmetauscher sitzt unten im Schrank und führt die kalte Luft von vorne durch die eingebauten Komponenten nach hinten, wobei die Luft über Ventilatoren einzelner Baugruppenträger oder Ventilatoren im Wärmetauscher wieder nach unten zurückgeführt wird. Bei der horizontalen Luftführung zirkuliert die Kaltluft über die gesamte Schrankhöhe von vorne nach hinten durch die eingebauten Komponenten. Der Wärmetauscher ist hier seitlich positioniert.

Unabhängig davon, welche Lösung (Boden- oder Seitenwandmontage) man wählt, kann der Anwender nun entweder mithilfe einen Diagramms oder über die Berechnung mit Formeln die für seine Applikation notwendige Stellfläche ermitteln. Die Abmessungen der eingebauten Komponenten werden mit einer Tiefe von 400 mm und die Schrankbreite mit 600 mm vorgegeben. Für die Geräuschentwicklung maßgeblich ist die Luftgeschwindigkeit vmax. In einem Diagramm sind die Werte bei einer Luftgeschwindigkeit vmax von 3 m/s dargestellt, das entspricht einem Geräuschpegel von ≤ 45 dB (A) gemäß DIN EN ISO 11690-1.

Das zweite Diagramm gilt für eine Luftgeschwindigkeit vmax von 5 m/s, das entspricht einem Geräuschpegel von ≤ 55 dB (A) gemäß DIN EN ISO 11690-1. Ausgangswerte für das Ermitteln der notwendigen Schranktiefe sind das ΔT zwischen Schrankinnen- und Umgebungstemperatur in Kelvin sowie die erwartete Verlustleistung Q in kW.

Beispielrechnung für Level I

Beispiel 1 (Bild 1): Luft-Wasserwärmetauscher am Schrankboden montiert (vertikale Luftführung), Luftgeschwindigkeit vmax = 3 m/s. Bei einem ΔT = 15 und einer erwarteten Verlustleistung Q = 10 kW ergibt sich eine notwendige Schranktiefe von 1100 mm. Bei gleichen Werten und einer Luftgeschwindigkeit vmax = 5 m/s ergibt sich eine notwendige Schranktiefe von nur 900 mm.

Das gleiche Ergebnis erhält man auch über die Gleichungen 1 und 2 (siehe Bildergalerie).

Rechnet man mit den gleichen Werten wie beim Diagramm-Beispiel, erhält man eine Schranktiefe von D = 1089,6 mm. Aufgerundet auf die Normgrößen aus IEC 60297 ergibt sich auch hier eine Schranktiefe von 1100 mm. Berechnet man die Schranktiefe mit den oben aufgeführten Gleichungen kann man z.B. die Tiefe der eingebauten Komponenten variieren und, wenn vom Anwender gewünscht, auch ungenormte Schrankabmessungen realisieren.

Beispiel 2 (Bild 2): Luft-Wasserwärmetauscher seitlich im Schrank montiert (horizontale Luftführung), Luftgeschwindigkeit vmax = 3 m/s. Bei einem ΔT = 15 und einer erwarteten Verlustleistung Q = 10 kW. Setzt man diese Werte in das entsprechende Diagramm ein, ergibt sich eine notwendige Schranktiefe von 700 mm. Bei einer Luftgeschwindigkeit vmax = 5 m/s beträgt die notwendige Schranktiefe sogar nur 600 mm.

Auch hier kann die Schranktiefe nach Gleichung 1 berechnet werden. DF ergibt sich gemäß Gleichung 3 (siehe Bildergalerie).

In allen Diagrammen und Formeln ist eine Reserve von 25% enthalten. Diese berücksichtigt u.a., dass der Luftstrom vor und hinter den eingebauten Komponenten z.B. durch die Verkabelung behindert wird.

Die Baugruppenebene: Level II

Dieser Level beschreibt Rahmenbedingungen und liefert Berechnungsbeispiele für Applikationen mit kleineren Luft-Wasser-Wärmetauschern, die seitlich im Schrank eingebaut werden und nur Teilbereiche im Schrank, wie einzelne Baugruppenträger oder Gruppen von Baugruppenträgern kühlen (Bild 2). Solche dieser Norm entsprechenden Lösungen sind zur Zeit noch nicht auf dem Markt verfügbar, bieten aber einen nicht geringes Kostensparpotenzial.

Gerade bei bestehenden Installationen, die nachträglich mit zusätzlicher Elektronik bestückt werden müssen und damit einen höheren Entwärmungsbedarf haben, könnten von dieser Lösung profitieren. Die hier von den Herstellern und Anwendern vorgesehenen und von der Norm nun definierten Luft-Wasser-Wärmetauscher arbeiten mit einer vertikalen Luftführung. Das bedeutet, über und unter dem Baugruppenträger oder den Baugruppenträgern muss ein Bereich für die Luftzirkulation und -umlenkung vorgesehen werden.

Wie viele Höheneinheiten der Anwender hierfür kalkulieren muss, kann er jetzt ebenfalls über Diagramme (1 bis 5 kW Verlustleistung pro Baugruppenträger) ermitteln oder über Formeln berechnen. Die Tiefe der eingebauten Baugruppenträger wird wieder mit 400 mm festgelegt und eine mögliche, durch geometrische Einflüsse verursachte Verschlechterung des Luftstromes mit einer Reserve von 10 % berücksichtigt.

Beispielrechnung Level II

Beispiel 3 (Bild 3): Kleinerer Luft-Wasser-Wärmetauscher seitlich im Schrank montiert (vertikale Luftführung), Luftgeschwindigkeit vmax = 3 m/s, W = 600 mm, W1 = 800mm, W2 = 200 mm, DE = 400 mm und D ≥ 600mm. Bei einem ΔT = 22,5 K und einer Verlustleistung des Baugruppenträgers von Q = 2,5 kW ergeben sich 3,82 HE (genormt sind 4 HE) zusätzliche Höheneinheiten für die Luftzirkulation und -umlenkung über und unter dem Baugruppenträger. Hat der Baugruppenträger 14 HE, muss der Anwender also 18 HE einplanen. Auch hier lässt sich die Höhe über Formeln berechnen (Gleichung 4, siehe Bildergalerie).

Die Boardebene: Level III

Dieser Level befasst sich mit der Wasserkühlung von einzelnen Bauteilen/Chips direkt auf den Boards/Leiterplatten. Die möglichen Kühlungslösungen sind auf Grund der unterschiedlichen in Größen und Position der zu kühlenden Bauteile so vielfältig, dass die Mitglieder des Normengremiums beschlossen haben, dies nicht durch zu enge Vorgaben einzuschränken. Daher ist für den Level III nur festgelegt, dass im Schrank Wasseranschlüsse vorhanden sein müssen, die zu Schnellverschlüssen auf der Front- oder Rückseite der Baugruppen führen.

Nur das Prinzip der Wasserkühlung einzelner Bauteile ist hier wiedergegeben. Die detaillierte Gestaltung bleibt den Herstellern/Anwendern überlassen.

Wasserzugang definiert

Im vorläufig letzten Kapitel der IEC/TS 62454 ist festgelegt, wo im Schrank die Wasseranschlüsse für die Luft-Wasser-Wärmetauscher und die Anschlüsse für die direkte Kühlung der Bauteile auf den Leiterplatten nicht angeordnet werden dürfen. Die Angaben, wo die Anschlüsse sein dürfen, hätten auch hier die Anwender zu sehr eingeschränkt.

• Die Wasserzuführung sollte immer von unten erfolgen.
• Bereiche, die zur Kabelführung (Energie und Signale) dienen, dürfen nicht genutzt werden.
• Bereiche in denen Kabelüberlängen abgelegt werden, dürfen nicht genutzt werden.
• Eckbereiche im Schranksockel dürfen nicht genutzt werden.

Für die verwendeten Elektronikschränke wird die Schutzart IP30 nach IEC 60529 gefordert. Abhängig von der Verlustleistung sind außerdem Gewindeart und -größe der Wasseranschlüsse festgelegt.

*Dipl.-Ing. Uwe Rieger ist Manager Engineering Services/Patents, verantwortlich für die Standardisierung bei der Schroff GmbH in Straubenhardt.

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