Auf einem Beschleunigermodul gelten 2 Temperaturgrenzen nebeneinander: 105 °C für die Logik und 85 °C für den Speicherstapel. Profectronics baut Prüfstände, die die Wärmequelle zonenweise nachbilden, den Kühlkreis konditionieren und den Temperaturgradienten messen.
Der Emulator ersetzt den Chip durch eine Heizfläche mit bekannter Leistung und bekannter Fläche. Er bringt dieselbe Wärmestromdichte auf dieselbe Fläche.
Die Heizplatten kommen von einem spezialisierten Lieferanten. Profectronics baut den Prüfstand um die Heizplatten.
Die Kennwerte der Heizflächen stammen aus dem Datenblatt des Lieferanten. Die Kennwerte werden vor jeder Auslegung beim Lieferanten neu bestätigt. Profectronics liefert und verantwortet die Anlage um den Emulator: Regelung, Messkette, Sicherheit und Protokoll.
| Größe | Bereich (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Flächenleistung | bis 200 W/cm² | Auslegungsziel. Der Logikchip eines veröffentlichten Mehrchipmoduls erreicht 295,86 W/cm². |
| Elektrische Leistung | bis 5,1 kW je Zone | Typischer Arbeitspunkt 3 500 W bei 240 V, je Zone ein eigenes Netzteil |
| Zonen je Emulator | 1 bis 4 | Je Zone ein eigener Regelkanal und ein eigenes Netzteil |
| Lastsprung | Folge bis etwa 2 Hz | Flanke unter Last 50 ms steigend und 100 ms fallend, begrenzt durch die Stellzeit des Netzteils |
| Vorlauftemperatur | +15 bis +60 °C | Einschließlich Warmwasserkühlung |
| Volumenstrom | 0,5 bis 120 L/min | Je Prüfling, Prüffeldversorgung darüber |
| Betriebsdruck | 0,5 bis 6 bar | Typischer Sekundärkreis im Rack |
| Medien | Wasser-Glykol, vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), Dielektrika | Leitfähigkeit überwacht |
| Wärmebilanz | fluidseitig ± 3,7 %, elektrisch ± 0,2 bis 0,5 % | Bei 10 K Temperaturdifferenz, Fehlerkette im Abschnitt Messunsicherheit |
Im selben Gehäuse gelten unterschiedliche Temperaturgrenzen. Die Verlustleistung verteilt sich ungleich auf die Fläche.
Ein gleichmäßig beheizter Prüfkörper bildet diesen Unterschied nicht ab. Er liefert einen mittleren Wärmewiderstand über die ganze Fläche. Dieser Mittelwert zeigt nicht, ob der Speicherstapel unter 85 °C bleibt, während der Logikbereich 105 °C erreicht. Der Emulator hat deshalb getrennt geregelte Zonen: je Zone ein Regelkanal, ein Netzteil und eine Leistungsmessung.
Ein Kupferspreader im Kühlkonzept glättet die Wärmekarte über der Fläche. Der Unterschied zwischen Logikbereich und Speicherbereich bleibt, weil unterschiedliche Grenzwerte gelten und der Wärmestrom ungleich eintritt. Der Spreader ändert die notwendige Auflösung. Ein einzelner Messpunkt reicht auch mit Spreader nicht aus. Profectronics legt den Emulator für höchstens 4 Zonen aus.
Quellen: Temperaturgrenzen aus dem Papier „30 °C Coolant — A Durable Roadmap for the Future“ des Open Compute Project (OCP). Leistungsdichten aus einer Untersuchung zur Prallstrahlkühlung im International Journal of Heat and Mass Transfer. Angaben zu künftigen Bauteilgenerationen stammen aus Fachpresse und Marktberichten, nicht von Herstellern. Sie zeigen die Richtung und sind keine Spezifikation.
Der Wärmewiderstand ist der Quotient aus Temperaturdifferenz und Wärmestrom. Beide Größen sind gemessen und haben eine Unsicherheit.
Fluidseitig ist der Wärmestrom das Produkt aus Dichte, Volumenstrom, Wärmekapazität und Temperaturdifferenz. Bei 10 K Differenz trägt der Volumenstrom ± 1,5 % bei, die Dichte aus der Temperatur ± 0,2 %. Die Temperaturdifferenz trägt ± 3,4 % bei, gemessen mit 2 unabhängigen Fühlern der Klasse A.
Etwa vier Fünftel davon stammen aus der Temperaturmessung, nicht aus dem Durchfluss. Der Temperaturanteil wächst umgekehrt proportional zur Temperaturdifferenz. Die Gesamtunsicherheit beträgt damit ± 7,0 % bei 5 K und ± 2,3 % bei 20 K. Eine kleine Temperaturdifferenz, die der Prüfling verlangt, erhöht die Unsicherheit. 2 Maßnahmen senken sie:
Eine Angabe wie „U(Rth) ≤ 2 %“ ist ohne Angabe der Temperaturmessung und der Temperaturdifferenz nicht nachprüfbar. Mit 2 getrennten Fühlern und 10 K Differenz ist dieser Wert nicht erreichbar. Profectronics nennt deshalb die Fehlerkette und die Messmittel, die den Wert tragen.
Konventionelle Programmiernetzteile haben ein rechteckiges Kennfeld. Die Strombegrenzung ist bei 100 V dieselbe wie bei 300 V.
Das einstellbare Leistungslimit dieser Geräte begrenzt nur zusätzlich. Bei niedriger Spannung erlaubt es keinen höheren Strom. Autoranging-Geräte mit Leistungskennfeld liefern ihre Nennleistung über einen weiten Spannungsbereich. Die folgende Rechnung gilt für die konventionelle Geräteklasse.
Ein Gerät mit 300 V und 17 A hat 5,1 kW auf dem Typenschild und liefert bei 240 V 4 080 W. Damit sind bis 4 000 W je Zone erreichbar. 5 000 W erfordern bei 240 V einen Strom von 20,8 A und sind erst oberhalb von 295 V erreichbar.
Die nächstkleinere Baugröße mit 11,5 A und 3,45 kW liefert bei 240 V 2 760 W und erreicht 3 000 W nicht. Zwischen beiden Baugrößen gibt es in 1 Höheneinheit kein Gerät. Eine Auswahl nach Nennleistung führt deshalb zu einem zu kleinen Netzteil. Der Fehler zeigt sich bei der Inbetriebnahme, wenn die Zone ihren Sollwert nicht erreicht.
Die Rückmessung des Netzteils zeigt die Stellgröße und ist keine Messung. Für die Wärmebilanz misst Profectronics die eingespeiste Leistung ein zweites Mal über einen eigenen Shunt mit isoliertem Umformer. Oberhalb von 120 V Gleichspannung gilt keine Schutzkleinspannung mehr. DC-seitige Trennung, Berührungsschutz und Einbindung in den Sicherheitskreis sind deshalb Teil des Emulators.
Der Prüfstand besteht aus 2 getrennten Fluidkreisen und 2 getrennten Racks. Medienseite und Elektrikseite lassen sich damit unabhängig warten und erweitern.
Der Konditionierkreis führt Hauswasser über Filter und Umwälzpumpe. Eine elektrische Heizung führt Wärme zu. Ein Regelventil lässt warmes Wasser in den Ablauf und führt damit Wärme ab.
Der Prozesskreis führt das Prüfmedium aus dem Behälter über Verteiler, Prüfling und Sammler zurück. Prüfmedien sind Wasser-Glykol, VE-Wasser oder ein Dielektrikum. Beide Kreise sind nur über den Wärmeübertrager gekoppelt. Hauswasser und Prüfmedium haben keinen Kontakt. Das Prüfmedium bleibt damit sauber und in bekanntem Zustand.
Die Regelung hält die Temperatur im Übergang, nicht die Temperatur am Prüfling. In einer Hälfte des Stellbereichs öffnet das Kühlventil, in der anderen Hälfte heizt der Heizstab. Ein Totband dazwischen verhindert, dass beide gegeneinander arbeiten. Eine Störgrößenaufschaltung aus der vorgegebenen Emulatorleistung nimmt den Lastsprung vorweg.
Die Prozesspumpe läuft bedarfsgeführt über einen Frequenzumrichter. Sie folgt dem Bedarf der angeschlossenen Stränge, zuzüglich einer Stellreserve für das Überströmventil. Das Überströmventil hält den Verteilerdruck. Der bedarfsgeführte Betrieb spart Energie und hält den Wärmeeintrag der Pumpe klein. Dieser Wärmeeintrag geht direkt in die Wärmebilanz ein.
Verdampfung führt Wärme bei nahezu konstanter Oberflächentemperatur ab. Diese Prüfung erfordert einen eigenen Anlagenteil. Der Grundaufbau hält Platz, Anschlussstelle und Steuerungskanäle dafür frei.
Ein großer Teil der Fluide für die zweiphasige Tauchkühlung gehört zur Stoffgruppe der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS). Für diese Stoffgruppe läuft eine europäische Beschränkung. Der Prüfstand nimmt die Wahl des Fluids nicht vorweg. Sie kaufen das Zweiphasenmodul, wenn das Fluid feststeht.
Herstellerausstieg und Verfahrensstand beschreibt der Fachbeitrag Zweiphasenkühlung für Elektronik.
Die Messkette bestimmt die Aussagekraft der Bewertung einer Kühlplatte.
Der Prüfstand prüft einzelne Bauteile und fertige Verteileinheiten.
| Prüfling | Prüfung und Messung |
|---|---|
| Kühlplatte und Verteiler | Emulation der Wärmequelle mit definierter Flächenleistung. Messung von Wärmewiderstand, Druckverlust und Temperaturverteilung, einschließlich Einfluss der Anpressung. |
| Verteiler | Gleichverteilung über viele Abgänge, Druckverlust über dem Volumenstrom, Kavitationsgrenze. Die Messung erfasst auch Abweichungen an den Randabgängen. |
| Schnellkupplung (Universal Quick Disconnect, UQD) | Steckzyklen bis zur Herstellerangabe, üblich bis 5 000. Messung von Restleckage und Durchfluss über den ganzen Zyklus. |
| Kühlmittelverteileinheit (CDU) | Endprüfung der fertigen Einheit: Leistung über der Vorlauftemperatur, Regelabweichung, Dichtheit, Verhalten beim Pumpenwechsel im Betrieb (Hot-Swap). |
Bauform: Profectronics baut Prüfplätze auch mobil auf Rollen, mit Schutzhaube und Bedienpult. Die Abbildung zeigt diese Bauform mit Prüfaufnahmen für Kühlplatten.
Die Tabelle nennt die Grenzen des Baukastens.
| Merkmal | Wert (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Prüflinge | Kühlplatte, Verteiler, Schnellkupplung, CDU | Bauteil bis fertige Einheit |
| Flächenleistung | bis 200 W/cm² | Chip-Emulator |
| Lastsprung | Flanke im Zehntelsekundenbereich | Prüfung der Regelabweichung |
| Vorlauftemperatur | +15 bis +60 °C | Einschließlich Warmwasserkühlung |
| Volumenstrom | 0,5 bis 120 L/min | Je Prüfling |
| Betriebsdruck | 0,5 bis 6 bar | Sekundärkreis |
| Medien | Wasser-Glykol, VE-Wasser, Dielektrika | Leitfähigkeit überwacht |
| Dichtheit | Druckabfall, Helium | Vor Inbetriebnahme und in der Serie |
| Rückverfolgbarkeit | Protokoll je Prüfling | Zeitstempel, Prüfmittelnummer, Kalibrierstand |
Die Werte sind Auslegungsgrenzen und keine Zusage für ein bestimmtes Projekt. Gebaut ist eine Emulation einer Chipkühlung mit 2 500 W. Ausgelegt ist ein vollständiger Direct-to-Chip-Prüfstand mit Lastsprung. Das Pflichtenheft legt die Werte für Ihre Anlage fest.
Für die Auslegung genügen 5 Angaben: Prüfling, Medium, Bereiche für Druck, Volumenstrom und Temperatur, Aufstellort und Termin. Ein Lastenheft hilft, ist aber keine Voraussetzung.
