יחידות ספקי כוח ללא מאווררים בקירור בהולכה

שתי גישות סותרות מציבות אתגרים משמעותיים בפני מהנדסי תכנון יחידות ספקי כוח (PSU): הראשונה, דרישת הספק מוצא שגדלה בקביעות והשנייה, הצורך לצמצם את הגודל הפיזי של יחידת ה-PSU. הספק מוצא רב יותר מגדיל את כמות החום המופק מיחידת PSU, אך מארזים הדוקים יותר וקומפקטיים יותר, לעתים קרובות מגבילים את אפשרויות הבחירה של שיטת ניהול החום. כמובן, שיישומים רבים היו יכולים לכוון את זרימת האוויר ממאווררים אל עבר המשטחים החמים של יחידות ה-PSU על מנת לסלק את החום דרך הולכת החום בעזרת אוויר מאולץ. ואולם, מאווררים אינם מתאימים עבור כל היישומים, מפני שהם נוטים להיות בעלי זמב”ת (זמן ממוצע בין תקלות – MTBF) קצר יותר מההתקנים האלקטרוניים שאותם הם מקררים, ולכן גם אמינים פחות מהם. ביישומים שמחוץ למבנה, הצטברות אבק ותנאי הפעלה קשים יכולים גם הם להגביל את אמינות המאוורר במידה ניכרת.

עבור אותם יישומים שבהם מאווררים אינם ניתנים ליישום, קירור בהולכה הוא פתרון סביר. קירור בהולכה, אשר לעתים מכנים אותו כקירור ללא מאווררים, מפזר חום מיחידת PSU בעזרת גופי קירור, צלעות קירור או טכניקות דומות אחרות. האמצעי לסילוק החום, שבו משתמשים בתת מערכת קירור בהולכה, יכול להיות אוויר, מים, שמן, מתכת או נוזלים מיוחדים. אחת הדוגמאות לקירור בהולכה ללא מאווררים של יחידת PSU מתח חילופין למתח ישר (AC-DC) בקצה הקדמי היא היחידה CCR0512 של GE, אשר מפזרת חום באמצעות גוף קירור או צלע קירור.

הקדמה
כאשר חוק Moore חזה שצפיפות המעגל של מוליכים למחצה תכפיל את עצמה בערך מדי שנתיים, מעטים הבינו את המשמעויות של התופעה הזו, לגבי דרגות הנצילות ודרישות הקירור של יחידת PSU. הכפלה של זרם העומס, למעשה מכפילה פי ארבעה את הפסדי ההספק (I2R) ביחידת PSU. גידול קיצוני כזה של הפסדי הספק עלול להשית את המחיר על הנצילות של ספק הכוח. חוק אצבע הוא שכ-30 אחוזים מהפסדי ההספק הם חלק מובנה בתהליך המרת מתח מחילופין לישר. איור 1 מראה שהנצילות של PSU גוברת ככל שעולה העומס שלה במוצא, אך רק עד לנקודה מסוימת, אשר לאחריה עומס מוצא גבוה יותר יקטין את הנצילות של יחידת PSU בגלל הפסדי הספק.
המשמעות של נצילות הספק מוצא מוקטנת היא שיחידת PSU מפזרת יותר חום, שאותו חייבים לסלק באמצעות מנגנוני קירור יעילים. העלות של ניהול חום הפכה להיות כה גדולה, עד כי ביישומים מסוימים, למשל מרכז הנתונים בשרת גובה יחידה אחת (1U), העלות השנתית של קירור השרת מתקרבת לעלות הרכישה שלו.
מצב זה מאתגר את אנשי התעשייה להמציא טכנולוגיות בעלות נצילות גבוהה במיוחד לספקי כוח ולקירור שלהם, שימלאו תפקידים חשובים ביותר במעבר אל עבר מה שאנו מכנים ‘מרכזי נתונים’ ירוקים עבור טכנולוגיית מידע (IT) (‘טכנולוגיית מידע ירוקה’). באותו זמן, אנו מצפים שחידושים אלו יקטינו גם את הוצאות ההון (CAPEX) ואת הוצאות התפעול (OPEX) של מרכזי הנתונים. כדי לסייע לסיוע למעבר הזה קיימות יוזמות תעשייתיות שונות, כגון 80 PLUSTM, שהיא תוכנית עצמאית והתנדבותית שמעניקה אישורים ליחידות PSU שיש להן 80 אחוזים לפחות של נצילות הספק ב-20, 50 ו-100 אחוזים של עומס.

טכנולוגיות קירור של ספק מתח
שלושת הסוגים הבסיסיים של טכנולוגיות קירור עבור יחידות PSU הם:
הסעה פעילה באמצעות אוויר מאולץ
הסעה טבעית פסיבית
הולכה פסיבית
היישום האופייני להסעה פעילה של אוויר מאולץ משלב מאווררים מכניים שמניעים אוויר במהירות קבועה או משתנה על פני משטח חם, כמו למשל גוף קירור של שנאי ביחידת PSU, על מנת לסלק את החום. הגודל של יישום קירור מבוסס מאוורר ותכולת זרימת האוויר שלו תלויים בדרישות של יחידת PSU שאותה מקררים. ביישומים מסוימים, התקני הסטה, המכוונים את זרימת האוויר ישירות על הרכיבים המתחממים יגדילו את נצילות הסרת החום של המאווררים.
המגבלות העיקריות על פרישת מאווררים ביישומי קירור נובעות מהמאפיינים המכניים שלהם. כלומר, החלקים הנעים שלהם מעוררים ספקות בהקשר של אמינות, רעש ורעידות. בשל הסבירות לתקלה, מחליפים את המאווררים במרווחי זמן קבועים, שאם לא כן, מאוורר פגום עלול לגרום נזק רציני להתקנים האלקטרוניים. ביישומים מסוימים, למשל בציוד רפואי ובציוד לבתי חולים, הרעש הנובע ממנוע של מאוורר שמטרטר ברציפות, הופך להיות בלתי נסבל עבור המטופלים ואנשי הצוות. במעבדות מדע ומחקר, אשר בהן אוספים נתונים לגבי מדידות מדויקות באופן מיוחד, לא ניתן להשתמש במאווררים מפני שהרעידות והרעש הנובעים מהחלקים המכניים שלהם, עלולים להפריע למדידות המדויקות שנערכות במעבדה. טכניקות לבקרת מהירות המאוורר, אשר מאיטות באופן פעיל את המאוורר בתנאים של הספק מוצא נמוך ו/או טמפרטורות סביבה נמוכות, יכולות לסייע במצבים כאלו.
הסעה טבעית פסיבית הקשורה לקירור יחידת PSU, בדרך כלל משלבת מסד מסוג כלשהו שפתוח לאוויר, שבו תנועה טבעית של אוויר על פני רכיבים אלקטרוניים מסלקת במידה מספקת את החום המיותר. הפעולה הפסיבית מתייחסת תמיד להיעדר מאווררים או אמצעים מכניים אחרים, שמאפשרים את תנועת האוויר או אמצעי קירור אחר דרך המערכת שאותה מקררים.
הולכה פסיבית היא מתודולוגיה נוספת לניהול החום, שאף היא לא משלבת מאווררים, אך היא שונה מהסעת חום בכך שאנו גורמים ליצירת מגע בין גופי הקירור, צלעות קירור ואמצעים אחרים לבין המשטח החם. החום עובר הולכה דרך החומר הקר, אל מחוץ ליחידת PSU או אל מחוץ לרכיבים אלקטרונים אחרים.
לשתי טכנולוגיות הקירור הפסיביות המוזכרות, אין צורך במאווררים. למעשה, על פי הגדרתן הן מוציאות מן הכלל שימוש באמצעי קירור מכניים. להלן מובאות כמה דוגמאות ייחודיות לקירור בהולכה ללא מאווררים.

גופי קירור
גוף קירור מורכב בדרך כלל מחלק נצמד של מתכת שמחוברת ליחידת PSU או לרכיב אחר אשר מפזר חום. המתכת בגוף הקירור תוליך את החום אל מחוץ למקור שלו. כאשר החום יועבר בהולכה, אפשר יהיה להסירו מגוף הקירור דרך הסעה טבעית של אוויר או באמצעים אחרים. בעת תכנון מערכת כזו לניהול חום, המהנדס חייב להבטיח שיהיה מגע בין גוף הקירור לבין יחידת ה-PSU. גופי קירור, על אף היותם פשוטים, יכולים לתפוס מקום פיסי רב ערך שאולי, היה אפשר לנצלו בצורה טובה יותר למטרות אחרות.

צינורות חום
צינור חום בסיסי מורכב מצינור עם נוזל שנע בסחרור. קצה אחד של הצינור בא במגע עם המשטח החם. הנוזל שבצינור מתאדה מהחום שמתפזר על ידי יחידת ה- PSU. כאשר הנוזל המתאדה נתקל במשטח קר יותר בצינור, הוא חוזר ומתעבה למצב נוזל ושב לנוע בסחרור דרך מערכת הקירור. צינורות חום יכולים להיות יעילים בהעברת החום אל מחוץ למקור החום, אל מנגנון העברת החום.

צלעות קירור
צלעות קירור מסתמכות על זורם, בין אם מים או מקרר כלשהו אחר, לסילוק החום. בדרך כלל, לצלע קירור יהיו צינורות קטנים בתאים מתכתיים שמוטבעים מתחת למשטח שלה. כאשר הנוזל המקרר נע דרך הצינורות האלו, הוא מסיר חום מהמשטח שבו נוגעת הצלע. כאשר החום מובל החוצה, אפשר להעביר אותו אל מחוץ לצלע הקירור דרך הסעה טבעית של אוויר או באמצעים אחרים. מערכת ניהול חום מסוג זה נחשבת ליעילה ביותר.

רוח יונית
שיטת הסעה, שנוהגים לכנותה מערכת קירור ברוח יונית, מבוססת על העובדה שאוויר נע בין שתי אלקטרודות. אוויר זה שנע יסיר את החום. היתרון במערכת רוח יונית לעומת מערכות קירור בהסעה מבוססות מאוורר הוא בכך שלמערכת רוח יונית אין חלקים נעים שעלולים להתבלות, להפוך לבלתי אמינים ולגרום לרעש ולרעידות.

קירור על ידי השקעה בתוך נוזל
עם מערכת קירור זו, יחידת ה-PSU או המערכת כולה מושקעת בתוך נוזל אדיש מבחינה חשמלית. מערכת קירור על ידי שקיעה בנוזל מספקת תכונות הולכה מצוינות וכמו כן היא מגינה על הרכיבים האלקטרוניים מפני נזקים שנגרמים בשל לחות ומים.
יחידת PSU מתח חילופין למתח ישר (AC-DC) בקירור בהולכה ללא מאווררים
דוגמה ליחידת PSU בקירור בהולכה ללא מאווררים היא הרכיב CCR0512 מהיחידה העסקית “הספק קריטי” (Critical Power) של GE. הרכיב CCR0512 הוא יחידת PSU בקצה הקדמי למתח חילופין למתח ישר עם מוצא של 12 וולט ב-500 ואט, עם אפשרות חיבור במתח (חיבור “חם”) ושיתוף עומסים ליתירות (ראה איור 2). הגובה שלה הוא 0.5U בלבד והיא מציעה גמישות ויעילות מרחבית. אפשר לחבר לה גוף קירור או צלע קירור להסעת האוויר אל מחוץ ליחידה. איור 3 להלן מראה את ביצועי ההספק במוצא של CCR0512 שמצויד בגוף קירור אופקי של 0.6 אינץ’. כפי שניתן לצפות, טמפרטורות סביבתיות שעולות ורמות נמוכות של זרימת אוויר הנמדדות בערכים ליניאריים של רגל לדקה (LFM) יגרמו לירידה בהספק המוצא של CCR0512.
הרכיב CCR0512 מתאים באופן מיוחד למספר יישומים, בהם:
ציוד רפואי שבו הרעש המופק מהמאוורר אינו מתקבל על הדעת
ציוד מעבדה שבו מכשירים רגישים עלולים להיות מושפעים מרעש או מרעידות
יישומים מחוץ למבנים כגון לוחות שילוט, לוחות הכרזה על תוצאות ומערכות תאורה, אשר בהם תקלות של מאוורר עלולות לסכן את פעולות המערכת
כל סוג של מערכת במיקום שאליו אין גישה והחלפת מאווררים הופכת לפעולה קשה ביותר
יישומים שמשתמשים ביחידת ה-PSU במארז אטום לחלוטין, למשל כזה המתאים לקוד ההגנה באטימות (IP67), שאינו מאפשר כל גישה אל יחידת ה- PSU או אל המאוורר
לפרטים נוספים באשר לרכיב CCR0512 ולהזמנת דוגמאות, גופי קירור ומעגל הערכה, חפש באתר החברה.

מסקנות
ההליך המתמשך של תעשיית האלקטרוניקה מציב אתגרים רבים, בהם גם איך לקרר בצורה יעילה את יחידות PSU שצפיפות ההספק שלהן גדלה באופן קבוע. ביישומים רבים, יש צורך בטכנולוגיות ובשיטות לקירור בהולכה מפני שאי אפשר להשתמש בהסעת אוויר על ידי מאווררים ועל ידי אוויר מאולץ. ביישומים רבים אחרים, כמו מרכזי נתונים של טכנולוגיית מידע ירוקה, קירור בהולכה הפך להיות חיוני בהפחתת הוצאות ההון (CAPEX) והוצאות התפעול (OPEX). אין ספק שהמשמעות שיש לתפקיד שממלאים הפתרונות החדשניים ליחידת PSU, אשר משלבים קירור בהולכה כגון בהתקן היישור CCR0512 של GE תתרחב ככל שהתעשייה תמשיך בהתפתחותה.

הכותב דר’ ראג’אקרישנאם ראדג’סאמי (Rajakrishnam Radjassamy) מנהל מוצר בכיר ביחידת הספקים קריטיים של GE

הכתבה נערכה ע”י ויקטור לביא ודניאל כץ “אבנט ישראל”