Mit Luft, mit Wasser oder mit beidem? MicroTCA-Kühlung nach Maß

Die Prozessorgeschwindigkeiten und Übertragungsraten der Rechnersysteme haben, trotz anders lautender Prognosen, in den letzten Jahren immer weiter zugelegt. Bei den Prozessoren wurde dies vor allem...

Mit Luft, mit Wasser oder mit beidem?

Die Prozessorgeschwindigkeiten und Übertragungsraten der Rechnersysteme haben, trotz anders lautender Prognosen, in den letzten Jahren immer weiter zugelegt. Bei den Prozessoren wurde dies vor allem durch das Verteilen der Rechenleistung auf mehrere Prozessorkerne erreicht. Begleitend zu dieser Entwicklung ist auch die Verlustleistung und somit die Anforderung an die Kühlung immer weiter gestiegen. Die MicroTCA-Spezifikation beinhaltet daher auch ein komplettes Kapitel, das sich nur mit der Kühlung eines MicroTCA-Systems beschäftigt.

Laut Spezifikation kommt bei einem MicroTCA-System die forcierte Luftkühlung zum Einsatz. Außerdem werden dort die Verlustleistungen der einzelnen AdvancedMC-Module (AMC) definiert: von 20 W für ein Single-Compact-Advanced-MC-Modul bis hin zu 80 W für ein Double-Full-Size-Modul. Verschiedene Kühlungskonfigurationen werden vorgestellt, die Luftverteilung im Slot wird definiert, auf barometrische Veränderungen aufgrund unterschiedlicher Höhen über Normal-Null wird ebenfalls hingewiesen. Luftfilter, thermische Sensoren und vieles mehr werden spezifiziert.

Nur mit Luft: Push oder Pull

Der Systembauer hat nun die Aufgabe, die entsprechenden Vorgaben der Spezifikation einzuhalten und für ausreichende Luftzufuhr für die einzelnen AdvancedMC-Module zu sorgen. Dabei gibt es zwei grundlegende Verfahren: Push- und Pull-Prinzip. Beim Push-Prinzip sitzt der Lüfter vor den AdvancedMC-Modulen und presst die Luft durch den Slot. Der Vorteil dieses Prinzips ist, dass der Lüfter mit seinem Motor und der dazugehörenden Elektronik in der kalten Einlassluft des Systems sitzt. Die Lüfterkomponenten selbst sind somit ausreichend gekühlt und haben eine höhere Lebensdauer. Andererseits erzeugt der Lüftermotor aber auch Abwärme, die in den Kartenkorb geblasen wird und dadurch die Grundtemperatur erhöht.

2007 hat sich eine PICMG Working Group gebildet, die an der MicroTCA-Unterspezifikation MicroTCA.1 „Rugged MicroTCA“ arbeitet. Ziel dieser Unterspezifikation ist es, MicroTCA für rauhere Umgebungen anzupassen, die zum Beispiel in der Bahn- und Transporttechnik, Verkehrstechnik, Maschinenbau, Sicherheits- und Verteidigungstechnik vorkommen. Gerade bei Anwendungen im Außenbereich ist oft auch ein hoher IP-Schutz gefordert. IP56 und mehr erfordert eine hermetische Abdichtung des Systems von der Außenwelt. Eine herkömmliche Luftkühlung ist somit nicht mehr möglich. Die Wärme muss von den Hot Spots auf den AdvancedMC-Modulen auf die Außenseite des Systems gebracht werden, ohne dass Wasser, Schmutz oder ähnliches in das System eindringen können.

Um solchen anspruchsvollen Anforderungen zu genügen, wird das größte Augenmerk auf eine einwandfreie Kontaktierung zwischen den Hot Spots und dem Gehäuse gelegt. Realisiert wird das über eine Modulkassette aus Aluminium, in die das Advanced-MC-Modul eingesetzt wird (Bild 3). Ein Aluminium-Frästeil, das die Oberfläche des Prozessors auf dem AdvancedMC-Modul berührt, ist mit dieser Modulkassette verbunden. Dadurch wird die Hitze vom Prozessor über das Aluminium-Frästeil auf die Modul-Kassette übertragen, welche wiederum über Wedge-Loks in die Nuten im Deck- und Bodenblech des Kartenkorbs geklemmt ist. Über diese vollflächige Klemmung wird die Hitze von der Modul-Kassette in die Systemteile des Kartenkorbes weitergeleitet. Gekühlt werden muss also nur die Außenseite des Systems. Sie kann z.B. mit Kühlrippen ausgeführt werden, um den Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verbessern. Eine andere Möglichkeit wäre es, an dieser Stelle mit Cold Plates zu arbeiten. So kann die an das Deck- und Bodenblech abgegebene Wärme über die großflächig angebrachten Kühlplatten (Cold Plates) abgeführt werden. go