MicroTCA Kaskadierende Wärme sicher vermeiden

Autor / Redakteur: Hartmut Paul* / Kristin Rinortner

Für extrem kompakte Hochleistungs-Elektronik wie MicroTCA-Systeme sind spezielle Klimakonzepte notwendig. Das Compact Cooling Package von Rittal Electronic Systems wurde speziell für diese Anwendungen entwickelt. Es basiert auf Wärmetauschern und der Flüssigkeitskühlung mit Wasser.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Aus Sicht der Wärmeverteilung in Racks für Hochleistungs-Elektronik wäre eine horizontale Anordnung der MicroTCA-Einschübe die beste Wahl, denn dann hätte jeder von ihnen die gleichen klimatischen Ausgangsbedingungen. Es gibt allerdings viele Gründe, warum man Schränke nach wie vor in die Höhe baut – beispielsweise den Stellplatzbedarf. Damit geht aber auch einher, dass sich die Temperatur der Kühlluft von Einschub zu Einschub erhöht.

Die oberen Rechnersysteme erhalten die Abwärme der unteren als „Luftinput“ mit entsprechend erhöhtem Risiko im Sinne von Störungen oder Ausfällen durch Überhitzung. Das Compact Cooling Package (CCP) von Rittal verhindert dies, in dem es die einzelnen Einschübe im Kühlkreislauf „virtuell neben einander anordnet“. Eine Kombination aus Luft-/Wasser-Wärmetauscher und Lüftereinheit, aufgeteilt in zwei ultraflache Einschübe, führt Verlustleistungen bis 1200 W sicher ab. Da jedem aktiven Shelf eine solche Kombination zugeordnet werden kann, arbeiten zukünftig alle Elektronikeinschübe im Rack unter besten Bedingungen.

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Schwachstelle Wärmemanagement

Durch kompaktes Design und entsprechend hohe Packungsdichte von MicroTCA-Systemen sind Verlustleistungen von 600 W pro Shelf (in den Spezifikationen zugelassen) und mehr bereits heute abzusehen. Das ist eine Herausforderung für das Wärmemanagement der hier typischerweise nur 300 mm tiefen Schränke. Bekannte Lösungen mit einem starken Luftstrom von unten nach oben können diese Aufgabe künftig kaum lösen: Weil sich der Luftstrom auf seinem Weg durch die Shelfs immer weiter erwärmt, lassen sich Wärmenester nicht mehr zuverlässig ausschließen. Das bedeutet: Die Austrittstemperatur des ersten Einschubs wird zur Eintrittstemperatur des zweiten und so weiter. Ab welchem Shelf dann die Betriebsrisiken beginnen, lässt sich nicht genau vorhersagen. Hinzu kommt, dass ein ausreichend kräftiger Luftstrom eine unzumutbare, fast orkanartige Geräuschkulisse aufbaut.

Eine Lösung könnte es sein, jedem Einschub gekühlte Luft von der Seite her zuzuführen. Die passende Lösung für Racks ab 600 mm Tiefe bietet Rittal unter der Bezeichnung Liquid Cooling Package (LCP) an. Sie nutzt ebenfalls Luft-/Wasser-Wärmetauscher und wird seitlich am Schrank angebaut. In der Bautiefe und dem seitlichen Anbau liegt allerdings auch ein möglicher Nachteil für MicroTCA-Aufbauten: Die Schränke sind hier meist nur 300 mm tief und durch das seitliche Anflanschen wird zusätzlicher Platz benötigt, den man durch die sehr kompakte Bauform dieser Technik ja gerade gewinnen will – schließlich ist Leistung pro Stellfläche gleichzusetzen mit Rendite.

Mit hoher Effizienz „etagenweise“ kühlen

Auf der Suche nach einer modularen, leistungsfähigen Lösung entstand die „etagenweise“ Kühlung. Wenn schon in die Höhe gebaut werden muss, sollte jede Höheneinheit unabhängig von den vorherigen Shelfs mit kühler Luft versorgt werden. Eine Lösung bietet das Compact Cooling Package (CCP), bei dem die Einschübe virtuell nebeneinander angeordnet sind – zumindest aus kühltechnischer Betrachtung. Jeder Leistungseinschub erhält ein geregeltes „Kühlpaket“ aus Wärmetauscher und Lüftereinheit. Rittal kann nachweisen, dass selbst der oberste Einschub im Rack mit niedrigeren Temperaturen betrieben werden könnte, als der unterste. Das bedeutet, dass alle Einschübe unabhängig voneinander zulässige Betriebsbedingungen vorfinden.

Mit dem neuen Klimakonzept haben die Herborner Spezialisten jede Kühleinheit in drei jeweils 1 HE hohe Einschübe geteilt. Zwei Module enthalten mehrere leistungsfähige Lüfter, das dritte nimmt einen Luft-/Wasser-Wärmetauscher auf. Dazwischen werden sandwichartig die MicroTCA-Shelfs gepackt. Da ein CCP-Wärmetauscher-Modul bis zu 1200 W Verlustleistung sicher abführt, eignet es sich zur Entwärmung von mindestens zwei übereinander montierten Shelfs. Jedes CCP beinhaltet eine leistungsfähige Temperaturüberwachung und -regelung. Das bedeutet, dass für das System die Lüfterdrehzahl so gesteuert wird, dass sich die gewünschte Temperatur im Shelf einstellt. Somit erfordert die Kühlung nur sehr wenig zusätzlichen – vertikalen – Raum im Schrank.

Modulare, skalierbare Kühllösung

Das CCP bietet eine erhöhte Betriebssicherheit für MicroTCA-Systeme und Hochleistungs-Industrierechner, bei denen höchste Verfügbarkeit gefordert ist. Das System sorgt für eine gleichmäßige und effektive Kühlung aller installierten Karten. Es ist skalierbar und lässt sich an den tatsächlichen Kühlbedarf individuell anpassen. Es wird als komplette Einheit, inklusive einem 300 mm tiefen Schrank, Controller-gesteuerten 19“ Luft-/Wasser-Wärmetauschern und 19“ Einschublüftern komplett montiert und verdrahtet geliefert. Die Steuerung erfolgt über Controller im Zusammenspiel mit den erwähnten Sensoren. Das Compact Cooling Package unterstützt zur Kommunikation mit Überwachungssystemen sowohl IPMI- als auch CMC-TC-Protokolle. Die Lüfter sind PWM-gesteuert und haben einen niedrigen Geräuschpegel. Ist ein Kühlmittelkreislauf kundenseitig noch nicht vorhanden, wird optional die erforderliche Rückkühlanlage geliefert.

Keine Fehler mehr durch Schnittstellen-Probleme

Produkte aus einer Hand garantieren, dass alles lückenlos zueinander passt. Das vermeidet Schnittstellen-Probleme und daraus resultierende Fehler. Im Bereich Klimatisierung bieten die Herborner umfangreiche Hilfe an – von der anwendungsbezogenen Dimensionierung aller kühltechnischen Komponenten bis zur Lieferung eines vorkonfektionierten Plug-and-Play-Systems.

Die Anforderungen auch an industrielle Rechnersysteme steigen unvermindert weiter. Deshalb betreibt man in Herborn umfangreiche Entwicklungsarbeit, um mögliche Klima-Probleme gar nicht erst aufkommen zu lassen. Aktuelles Beispiel hierfür ist das vorgestellte Compact Cooling Package, das die hohe Entwärmungskapazität von Wasser als Kühlmedium für ein besonders leistungsfähiges Kühlkonzept nutzbar macht. Damit ist das potentielle Problem der hohen Energiedichte von dicht gepackten MicroTCA-Systemen bereits im Design-Stadium dieser Technologie wirkungsvoll gelöst. Parallel ist damit einer weiten Verbreitung dieser Erfolg versprechenden und kompakten Rechnergeneration der Boden geebnet.

Das Compact Cooling Package

Das CCP ist ein komplettes Klimakonzept, bestehend aus:

  • Controllergesteuertem 19“-Luft/Wasser-Wärmetauscher,
  • Einschublüfter,
  • 300 mm tiefen 19“-Schrank sowie
  • optional einem Rückkühler.

Die Vorteile auf einen Blick

  • Unterstützt IPMI- und CMC-TC (Computer Multi Control TopConcept von Rittal)-Protokolle,
  • Abführung von bis zu 600 W/Einschub,
  • Modularer Aufbau ermöglicht flexible und gezielte Abstimmung auf den tatsächlichen Kühlbedarf,
  • Hohe Umgebungstemperaturen von bis zu 55 °C möglich,
  • Sicherheit auch bei Lüfterausfall und Temperaturfehler,
  • Systemverfügbarkeit von mindestens 99,999%,
  • Einfache Installation,
  • Durchgängige Überwachung und Steuerung des Klimas im Schrank,
  • Unabhängiges Kühlgerät, keine Kondensatbildung.

Technische Details

  • 482,6 mm (19“), 200 mm, 1 HE Einschub-Kühlgerät,
  • PWM-steuerbare Lüfter,
  • Kühlgerät über Processing Unit (PU) steuerbar,
  • Betriebsbereit selbst bei Ausfall eines Lüfters oder Temperaturfehlers (96 h bis 55 °C),
  • Wärmetauscher und Hotswap-fähige Lüftereinheit,
  • Komplett verdrahtet und geprüft,
  • Einsatz auch in Höhen bis 1800 m ASL (above sea level),
  • Niedriger Geräuschpegel (Sound power level 6.0 bels; 2 Lüftereinheiten @Standardair).

*Dipl.-Ing. Hartmut Paul ist Mitarbeiter in der Qualitätssicherungs-Leitung bei Rittal Electronic Systems.

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