Rack e cabinet al fresco

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Nei moderni apparati elettronici, il raffreddamento, ovvero la rimozione del calore in eccesso prodotti da schede e circuiti è uno dei problemi fondamentali e deve essere affrontato in modo tale da garantire che vengano mantenute le condizioni idonee al funzionamento degli apparati stessi.
L’uso di armadi, cabinet o telai in formati che vanno dallo standard rack 19 pollici ai vari VME, CompactPCI, MicroTCA e AdvancedTCA prevede che il raffreddamento avvenga tramite il flusso di aria tra le schede e i requisiti termici sono spesso definiti con precisione dalle specifiche degli stessi standard. Quasi sempre però il calore prodotto dei moderni componenti e circuiti è tale che è diventato indispensabile utilizzare tecniche di raffreddamento attivo, cioè sistemi di condizionamento o di ventilazione forzata.

Soluzioni CompactPCI, AdvancedTCA, MicroTCA (Goma)

Le soluzioni normalmente utilizzate possono essere di tre tipi: con ventole a funzionamento continuo e a velocità costante (soluzione realizzabile in modo economico ma adatta solo alle situazioni in cui i problemi di dissipazione termica e di rumore non sono particolarmente critici), con ventole regolate in funzione del variare della temperatura (soluzione più efficiente, adatta a sistemi più complessi e con requisiti più stringenti) oppure tramite uno shelf manager cioè un gestore di sistema che adatta la velocità delle ventole alle condizioni termiche rilevate in base ad algoritmi specifici. Quest’ultima soluzione permette una regolazione molto precisa del raffreddamento, tarata sulle condizioni operative del sistema e adatta alle applicazioni high-end e a tutte le situazioni in cui il controllo della temperatura è un parametro critico. In particolari condizioni, ad esempio per schede con altissima densità di componenti o per circuiti di potenza che generano molto calore, gli apparati possono anche essere raffreddati, più o meno direttamente, tramite circolazione di liquidi di raffreddamento (normalmente acqua); questa alternativa è però limitata ad applicazioni molto particolari, sia per ragioni di costo che per la complessità di implementazione.

Nei sistemi Vme, Pci e CompactPci lo standard non definisce esattamente la quantità di calore massima che può essere dissipata da ogni scheda e quindi l’unico limite è stabilito dalla corrente massima di esercizio. In pratica la dissipazione può variare tra 30 e 100 W, di cui il 10 % attribuibile alle schede Rtm (rear transition module); si tratta di valori relativamente bassi che possono essere tranquillamente gestiti da semplici ed economiche ventole a 12 Vcc, molto utilizzate nei sistemi CompactPCI, mentre i sistemi Vme utilizzano tipicamente ventole regolate, cioè supportate da un modulo di controllo che regola la velocità della ventola in funzione della temperatura. In tal modo si riesce anche a diminuire il rumore e a prolungare la vita media della ventola stessa. I sistemi MicroTCA dissipano da 20 a 80 W, a seconda del tipo di modulo AdvancedMC utilizzato, mentre i sistemi AdvancedTCA possono arrivare a 230 W per scheda che in apparati con 14 o 16 schede significa fino a 3680 W in totale, e il raffreddamento diventa davvero problematico; oltre all’uso di shelf manager se sono presenti più apparati AdvancedTCA in un unico cabinet o armadio, è realistico prevedere l’uso di scambiatori di calore aria/acqua, in grado di mantenere la temperatura a livelli costanti e di dissipare fino a 20 kW e oltre, in previsione dell’arrivo di sistemi AdvancedTCA con una dissipazione massima per scheda che potrebbe arrivare a 350 W.

Varistar Schroff con scambiatore aria/acqua

La scelta della strategia di raffreddamento da adottare avviene nelle fasi iniziali del progetto perché gli apparati possono essere realizzati in forme e dimensioni diverse; ad esempio piccoli sistemi con poche schede disposte orizzontalmente, che richiedono una raffreddamento con ventilazione laterale, da destra a sinistra o viceversa oppure apparati più complessi con numerose schede disposte affiancate in posizione verticale e che possono essere inserite dal lato anteriore dell’apparato per cui il flusso di aria deve in questo caso essere verticale, dal basso verso l’alto. Ma se i sistemi inseriti in un rack sono più di uno e sono montati uno sull’altro, è necessario creare un flusso che vada dal la to posteriore al lato anteriore per evitare che il calore passi semplicemente dal sistema più in basso a quello più in alto. In altri casi ancora, in cui sono presenti pannelli frontali e backplane posteriori che limitano i flussi liberi, è necessario creare veri e propri canali di estrazione dell’aria che seguano percorsi opportuni.

Modulo rack a più ventole per circolazione verticale (Rittal)

Addirittura, sempre nel caso di più apparati in un unico cabinet o armadio, può essere necessario prevedere il condizionamento dell’intero contenitore, opportunamente sigillato, integrando ventole aggiuntive sul lato posteriore o anteriore per l’estrazione dell’aria o per immettere aria fredda magari proveniente da un condizionatore esterno; negli armadi chiusi è più frequente l’uso di scambiatori acqua/aria, anziché di condizionatori ma ovviamente ha grande importanza anche capire dove andrà collocato l’armadio, cioè il tipo di ambiente (ufficio, laboratorio, sito produttivo), le eventuali esigenze di isolamento IP e riduzione del rumore, la disponibilità di risorse per il raffreddamento (alimentazione acqua, condizionamento dell’ambiente, pavimento a doppio piano).

Nelle situazioni in cui si utilizza un raffreddamento a ventilazione forzata occorre tenere presenti due requisiti fondamentali: il primo è che le ventole non interferiscano reciprocamente o con il resto del sistema di ventilazione e il secondo è che le loro prestazioni tipiche siano reciprocamente compatibili e in linea con i risultati attesi. In più, nel caso di sistemi elettronici che devono avere un certo livello di affidabilità e che per questo prevedono una ridondanza di sistema, la stessa ridondanza deve essere prevista anche per i sistemi di raffreddamento. Questo vale specialmente per le ventole, che sono apparati con componenti meccanici in movimenti e quindi particolarmente soggetti ad usura e critici; in genere si provvede montando le ventole su moduli estraibili, anche hot swap cioè senza che sia necessario interrompere il funzionamento dell’apparato.

Shelf manager (Schroff)

Nella scelta della ventola occorre poi valutare attentamente alcuni parametri. Il dimensionamento delle ventole è, insieme al loro posizionamento, basilare per permettere un flusso d’aria adeguato volumetricamente; inoltre bisogna considerare la corrente massima che ogni ventola assorbe quando è in funzione per evitare di sovraccaricare l’apparato e anche perché da tale corrente dipende il contributo di calore della ventola stessa; poi va valutata la geometria degli spazi per scegliere tra ventole assiali o radiali e infine occorre tenere conto della tensione di alimentazione (di solito tensione di rete oppure tensione continua a 24 V) e del tipo di controllo di adottate (regolazione in temperatura). Una volta effettuata la scelta bisognerà verificare che la ventola rispetti i limiti di rumorosità sia in condizioni di carico massimo che durante il normale funzionamento, tenendo conto non solo
del valore dichiarato dal produttore della ventola ma sommando anche il contributo dovuto al movimento dell’aria e a eventuali turbolenze.

Nei parametri caratteristici di una ventola, il costruttore indica tipicamente il volume d’aria per flusso libero ma nelle applicazioni reali è necessario definire il punto operativo delle ventole considerando l’impedenza termica effettiva dell’apparato da raffreddare (aria ed eventuali ostacoli, pareti, restringimenti, cambi di direzione di flusso). Nel caso di più ventole si possono sommare le portate in volume (ventole in parallelo) oppure la pressione statica (ventole in serie) per ottenere un valore verosimile per il flusso totale da utilizzare nel calcolo delle prestazioni.

Specifiche e soluzioni
Le specifiche degli standard di interconnessione AdvancedTCA e MicroTCA indicano non solo il valore massimo di potenza dissipata per scheda (inclusa la ripartizione tra area anteriore e area posteriore) ma prescrivono anche in dettaglio la velocità minima di circolazione dell’aria con l’indicazione che l’aria fredda deve arrivare dal lato anteriore in basso e uscire dal lato posteriore in alto. Sono inoltre previste anche le procedure da utilizzare in caso di guasto di una ventola per garantire comunque il funzionamento dell’apparato.

Le specifiche MicroTCA indicano la potenza massima dissipata per ogni modulo (20 W per modulo AdvancedMC singolo e fino a 80 W per moduli doppi) e prescrivono il raffreddamento a ventilazione forzata suggerendo varie configurazioni. Le norme europee Etsi indicano poi anche i limiti di rumorosità.
Dati i vincoli citati, il progettista si trova a scegliere i componenti e la loro disposizione, innanzitutto decidendo tra soluzioni push o soluzioni pull. Nel primo caso, come lascia intuire la definizione, la ventola è posizionata di fronte alle schede o ai componenti elettronici e spinge l’aria fredda verso questi: con questa disposizione l’aria in ingresso raffredda anche la ventola stessa e il relativo motore, con il vantaggio che si prolunga la vita della ventola ma con lo svantaggio di un ulteriore quantitativo di calore da dissipare aggiunto a quello delle schede.

Armadio ATCA (Compel)

In configurazione pull, la ventola estrae l’aria da dietro le schede; il motore della ventola non aggiunge calore a quello dell’apparato ma anzi subisce l’effetto dell’aria calda in uscita e questo in alcuni casi ha un effetto notevole sulla vita operativa della ventola stessa.
Nei sistemi AdvancedTCA lo shelf manager controlla la velocità della ventola in funzione dei requisiti di raffreddamento; più precisamente, lo shelf manager riceve le informazioni provenienti dai sensori di temperatura e ne ricava le indicazioni per il controllo ventole. Ogni scheda AdvancedTCA è infatti dotata di uno o più sensori di temperatura posizionati nei punti critici e che comunicano tramite il bus di gestione IPMB con lo shelf manager.

I sensori sono programmati con tre valori di soglia per la temperatura massima: il primo è un valore di soglia non-critica e se viene superato il controllo reagisce comandando un aumento della velocità delle ventole. Se la temperatura supera anche il secondo valore di soglia (soglia critica) la velocità di rotazione delle ventole passa al massimo ma lo shelf manager comanda anche una riduzione di dissipazione della scheda. In caso di superamento della terza soglia (soglia di non ritorno) la scheda viene disabilitata per evitare danni permanenti o addirittura rischi di incendio.

Nei sistemi MicroTCA ogni modulo AdvancedMC o di potenza e ogni ventola è dotato di un controller, mentre il MicroTCA carrier hub controlla i singoli componenti. Il sistema definisce le cosiddette unità di raffreddamento (cooling units, CU) e può disporre di una o due di queste unità, ognuna delle quali contiene una o più ventole. La singola unità deve essere sufficiente a garantire il raffreddamento del sistema, mentre la seconda unità, opzionale, crea la ridondanza. Nella pratica la ridondanza viene sfruttata disponendo un’unità di raffreddamento di fronte ai moduli e l’altra posteriormente (soluzione push/pull) e le due unità sono facilmente estraibili e scambiabili.
Anche nei sistemi MicroTCA lo shelf manager controlla la temperatura del sistema e i singoli moduli sono dotati di sensori e logica di controllo.

Le cooling unit trasmettono i dati sul corretto funzionamento delle ventole e sono dotate di un sistema di controllo che permette la regolazione ottimale della velocità, con meno rumore e meno consumo di energia elettrica.
In effetti l’efficienza energetica complessiva di un apparato deve essere ottenuta con il minimo consumo possibile di energia e questo, nel caso del raffreddamento, significa ottenere la diminuzione di temperatura desiderata utilizzando solo la quantità di energia strettamente indispensabile allo scopo. L’uso di ventole con regolazione della velocità è fondamentale, ma altrettanto importante è la corretta valutazione dei volumi e della temperatura dell’aria. Idealmente la differenza di temperatura tra aria in ingresso e aria in uscita dovrebbe essere la più grande possibile, perché così aumenta l’efficienza di raffreddamento; ma se è possibile utilizzare aria in ingresso anche a temperature più alte, adeguando di conseguenza la temperatura dell’aria in uscita si aumenta l’efficienza e si riducono i costi complessivi. In effetti, gran parte dei moderni componenti elettronici più recenti possono operare a temperature più alte, proprio a questo scopo.
 

Davide Leonida

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