Rechenzentren müssen immer größere Datenmengen verarbeiten. Anwendungen aus den Bereichen künstliche Intelligenz, Cloud Computing, Simulation und Datenanalyse benötigen leistungsfähige Prozessoren und Grafikprozessoren. Je höher deren Rechenleistung ist, desto mehr Wärme entsteht im laufenden Betrieb. Damit Server zuverlässig arbeiten, muss diese Wärme kontrolliert abgeführt werden. Lange Zeit erfolgte die Kühlung von Rechenzentren überwiegend mit Luft. Bei besonders leistungsstarken Servern stößt die klassische Luftkühlung jedoch zunehmend an ihre Grenzen. Deshalb setzen Betreiber und Hersteller verstärkt auf Flüssigkeitskühlung (Liquid Cooling). Bei der Flüssigkeitskühlung wird die Wärme deutlich näher an den wärmeerzeugenden Komponenten aufgenommen. Dadurch lässt sich die Kühlung leistungsstarker Server effizienter und gezielter gestalten. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die zuverlässige Überwachung des gesamten Kühlkreislaufs.

Drucksensoren und Temperatursensoren von i2s unterstützen dabei, den Zustand des Kühlmediums zu erfassen, Veränderungen frühzeitig zu erkennen und die Kühlleistung bedarfsgerecht zu regeln.

Flüssigkeitskühlung, auch Liquid Cooling genannt, bezeichnet die Kühlung mithilfe eines flüssigen Kühlmediums. Dabei wird das Kühlmedium durch Leitungen, Verteiler, Wärmetauscher und spezielle Kühlkörper geführt. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme der Serverkomponenten auf und transportiert sie aus dem unmittelbaren Bereich der Elektronik heraus. Das grundlegende Prinzip lässt sich mit einer Heizungsanlage vergleichen: Eine Flüssigkeit bewegt sich durch ein geschlossenes System, nimmt an einer Stelle Wärme auf und gibt sie an einer anderen Stelle wieder ab. Im Rechenzentrum läuft dieser Prozess jedoch in umgekehrter Richtung. Die Wärme soll nicht in einen Raum eingebracht, sondern möglichst effizient aus den Servern und Racks abgeführt werden. Abhängig von der jeweiligen Anlage können beispielsweise aufbereitetes Wasser, Wasser-Glykol-Gemische, Kältemittel oder elektrisch nicht leitende Flüssigkeiten verwendet werden. Das eingesetzte Medium und der Aufbau des Kühlkreislaufs bestimmen, welche Anforderungen an Sensoren, Dichtungen, Anschlüsse und Materialien gestellt werden.

Moderne Rechenzentren benötigen auf vergleichsweise kleiner Fläche sehr viel Rechenleistung. Besonders Systeme für künstliche Intelligenz und High Performance Computing erzeugen eine hohe Wärmelast. Die zunehmende Leistungsdichte macht eine genauere Sensorüberwachung für Flüssigkeitskühlung, Immersionskühlung und die Kontrolle der Umgebungsbedingungen erforderlich. Luft kann nur eine begrenzte Wärmemenge aufnehmen und transportieren. Werden besonders leistungsstarke Prozessoren eingesetzt, müssen große Luftmengen durch die Serverräume bewegt werden. Dafür werden leistungsfähige Ventilatoren und Klimasysteme benötigt. Eine Flüssigkeit kann Wärme in vielen Anwendungen gezielter aufnehmen und transportieren. Die Wärme wird direkt oder indirekt an den besonders warmen Komponenten abgeführt. Dadurch kann Flüssigkeitskühlung unter anderem folgende Vorteile bieten:

• eine effizientere Kühlung leistungsstarker Server
• eine gezielte Wärmeabfuhr direkt an den Wärmequellen
• eine gleichmäßigere Temperaturführung
• eine geringere Belastung der klassischen Raumklimatisierung
• eine höhere mögliche Leistungsdichte innerhalb eines Server-Racks
• eine bessere Grundlage für die Nutzung und Rückgewinnung der Abwärme

Die tatsächliche Energieeinsparung hängt allerdings immer vom Aufbau des Rechenzentrums, den verwendeten Servern, der Auslegung des Kühlsystems und den Betriebsbedingungen ab.

Flüssigkeitskühlung umfasst verschiedene Kühlverfahren. In Rechenzentren werden vor allem direkte Flüssigkeitskühlung, rückseitige Wärmetauscher und Immersionskühlung eingesetzt.

Direct-to-Chip Cooling

Beim Direct-to-Chip Cooling wird die Kühlflüssigkeit über sogenannte Cold Plates direkt an besonders wärmeerzeugende Bauteile geführt. Zu diesen Komponenten gehören vor allem Prozessoren, Grafikprozessoren und Beschleuniger für KI-Anwendungen. Eine Cold Plate ist eine flache Kühleinheit mit feinen Kanälen im Inneren. Sie liegt direkt auf dem zu kühlenden Bauteil. Das Kühlmedium strömt durch die Kanäle, nimmt die Wärme auf und transportiert sie aus dem Server heraus. Die Flüssigkeit kommt dabei normalerweise nicht unmittelbar mit der Elektronik in Berührung. Sie bewegt sich innerhalb eines geschlossenen Leitungssystems.

Rear Door Heat Exchanger

Ein Rear Door Heat Exchanger ist ein Wärmetauscher an der Rückseite eines Server-Racks. Die warme Abluft der Server wird durch diesen Wärmetauscher geführt. Eine Kühlflüssigkeit nimmt die Wärme auf, bevor die Luft wieder in den Raum gelangt. Diese Technik verbindet Luft- und Flüssigkeitskühlung miteinander. Die Elektronik innerhalb der Server wird weiterhin mit Luft gekühlt. Die aufgenommene Wärme wird anschließend an der Rückseite des Racks an einen Flüssigkeitskreislauf übertragen.

Immersion Cooling

Bei der Immersionskühlung werden dafür geeignete elektronische Komponenten vollständig oder teilweise in eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit eingetaucht. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme direkt an den Bauteilen auf. Je nach Verfahren bleibt das Kühlmedium flüssig oder verdampft an besonders heißen Stellen und kondensiert anschließend wieder. Die technische Auslegung unterscheidet sich daher deutlich von klassischen Wasserkreisläufen. Zu den wichtigen Anwendungen der Flüssigkeitskühlung zählen unter anderem Cooling Distribution Units (CDU), Cold Plates, Direct-to-Chip-Systeme, rückseitige Wärmetauscher, Immersionskühlung, Verteiler sowie Pumpen- und Ventilsysteme.

Ein Flüssigkeitskühlsystem muss unterschiedliche Betriebszustände sicher beherrschen. Die benötigte Kühlleistung verändert sich beispielsweise mit der Auslastung der Server. Steigt die Rechenleistung, entsteht mehr Wärme. Das Kühlsystem muss darauf reagieren und die Wärme weiterhin zuverlässig abführen. Sensoren liefern der Steuerung die dafür erforderlichen Informationen. Sie können an verschiedenen Stellen des Kreislaufs eingebaut werden und kontinuierlich Messdaten erfassen.

Die Messwerte helfen dabei

• Druckveränderungen im Kreislauf zu erkennen
• ungewöhnliche Betriebszustände frühzeitig festzustellen
• Leckagen, Blockaden und Unterbrechungen im Kühlkreislauf zu erkennen
• Wartungsmaßnahmen besser zu planen
• Pumpen und Ventile bedarfsgerecht anzusteuern
• die Temperatur des Kühlmediums zu überwachen
• die Kühlleistung an den tatsächlichen Bedarf anzupassen
• Server und elektronische Bauteile vor Überhitzung zu schützen

Sensoren übernehmen die Regelung nicht selbst. Sie bilden jedoch die Grundlage, auf der Steuerungs- und Überwachungssysteme Entscheidungen treffen können.

Der Druck des Kühlmediums ist eine wichtige Betriebsgröße. Er entsteht durch Pumpen, Strömungswiderstände und Höhenunterschiede innerhalb des Leitungssystems. Ein passender Druck ist notwendig, damit das Kühlmedium zuverlässig durch Leitungen, Verteiler, Wärmetauscher und Cold Plates strömen kann.

Ursachen und Hinweise bei zu niedrigem Druck

Ein sinkender Druck kann unterschiedliche Ursachen haben. Möglich sind beispielsweise eine reduzierte Pumpenleistung, eine nicht vollständig geöffnete Armatur oder ein Verlust von Kühlmedium. Ein einzelner Messwert reicht nicht immer aus, um die genaue Ursache festzustellen. Die Veränderung kann jedoch ein wichtiger Hinweis sein, der eine weitere Prüfung auslöst.

Ursachen und Hinweise bei zu hohem Druck

Ein ungewöhnlich hoher Druck kann unter anderem entstehen, wenn Leitungswege blockiert sind, Ventile nicht korrekt arbeiten oder sich das Kühlmedium aufgrund veränderter Betriebsbedingungen ausdehnt. Da Bauteile, Verbindungen und Dichtungen nur für bestimmte Druckbereiche ausgelegt sind, sollte der Systemdruck zuverlässig überwacht werden.

Druckmessung vor und hinter Komponenten

Werden Drucksensoren an verschiedenen Stellen des Kreislaufs eingesetzt, können Druckunterschiede erfasst werden. Ein auffälliger Druckabfall über einem Filter, Wärmetauscher oder Leitungsabschnitt kann auf einen zunehmenden Strömungswiderstand hinweisen. Auf diese Weise können Druckmessungen nicht nur der direkten Überwachung dienen, sondern auch Informationen für Wartung und Zustandskontrolle liefern.

i2s – Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH entwickelt und produziert Sensoren für die Messgrößen Druck und Temperatur sowie kombinierte Sensorlösungen. Für Anwendungen im Bereich Liquid Cooling können Sensorlösungen von i2s dazu beitragen, wichtige Zustände des Kühlmediums zu erfassen. Mögliche Messstellen befinden sich unter anderem an:

• Cooling Distribution Units (CDU)
• Vor- und Rücklaufleitungen zentraler Kühlanlagen
• Zu- und Rückleitungen einzelner Server-Racks
• Verteilern und Manifolds in Server-Racks oder auf Blades
• Cold-Plate-Kreisläufen auf Server-Einschüben
• Pumpen und Pumpengruppen
• Ventilen und Regelstrecken
• Wärmetauschern
• Kälte- und Klimasystemen

Welche Sensorbauform geeignet ist, hängt unter anderem vom verwendeten Kühlmedium, dem Druckbereich, dem Temperaturbereich, der Einbausituation, dem benötigten Ausgangssignal und den Anforderungen an die Genauigkeit ab.

Drucksensoren überwachen den Betriebsdruck des Kühlmediums und können an unterschiedlichen Stellen des Flüssigkeitskreislaufs eingesetzt werden. Für eine zuverlässige Druckmessung sind vor allem die medienberührenden Werkstoffe von Bedeutung. Sie müssen für die eingesetzte Flüssigkeit und die vorgesehenen Betriebsbedingungen geeignet sein. i2s setzt bei verschiedenen Sensorlösungen robuste Edelstahl-Messelemente ein und bietet Drucksensoren für flüssige Medien sowie für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an Medienkompatibilität und Widerstandsfähigkeit an. Abhängig von der Anwendung können Drucksensoren unter anderem folgende Aufgaben unterstützen:

• Überwachung des Systemdrucks
• Erkennung auffälliger Druckschwankungen
• Überwachung einzelner Kühlzweige
• Erfassung von Druckverlusten
• Schutz von Leitungen und Komponenten
• Kontrolle des Pumpenbetriebs
• Bereitstellung von Messdaten für eine übergeordnete Steuerung

Flüssigkeitskühlsysteme unterscheiden sich deutlich voneinander. Ein Kühlkreislauf für ein einzelnes Server-Rack stellt andere Anforderungen als eine zentrale Kühlanlage für ein großes Rechenzentrum. Auch das verwendete Kühlmedium, die Leitungsdimensionen, die Anschlussarten und die Kommunikationsschnittstellen können variieren. Deshalb bietet sich nicht für jede Anlage derselbe Standardsensor an. Durch einen modularen Aufbau können mechanische und elektronische Eigenschaften angepasst oder Sensoren für spezielle Anforderungen neu entwickelt werden.

Sensoren in Flüssigkeitskühlsystemen müssen über einen langen Zeitraum zuverlässige Messdaten liefern. Dabei sind sie dauerhaft mit dem Kühlmedium in Kontakt und können wechselnden Temperaturen, Drücken und Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sein.

Medienkompatibilität

Alle Bauteile, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, müssen für das eingesetzte Kühlmedium geeignet sein. Dazu gehören beispielsweise das Messelement, das Sensorgehäuse, die Dichtung und der Prozessanschluss. Die Medienkompatibilität sollte nicht allein anhand der allgemeinen Bezeichnung einer Flüssigkeit bewertet werden. Auch Konzentration, Additive, Temperatur, Druck und die geplante Einsatzdauer können eine Rolle spielen.

Dichtheit

Da Flüssigkeit in der Nähe empfindlicher Elektronik eingesetzt wird, sind zuverlässige Verbindungen besonders wichtig. Sensor und Prozessanschluss müssen so ausgelegt sein, dass sie sich sicher in den Kühlkreislauf integrieren lassen. i2s bietet dry-connect-Prozessanschlüsse an, unter anderem für Schrader-Ventile oder für spezielle Schnellkupplungen (Multi Quick Disconnect, MQD).

Messgenauigkeit

Die erforderliche Genauigkeit hängt von der Aufgabe des Sensors ab. Ein Sensor für eine allgemeine Betriebsüberwachung kann andere Anforderungen haben als eine Messstelle, die direkt für die Regelung der Kühlleistung verwendet wird. Wichtig ist nicht nur die Genauigkeit bei Raumtemperatur. Der Sensor sollte innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs verlässliche Werte liefern.

Reaktionszeit

Bei Temperaturmessungen ist die Ansprechzeit besonders relevant. Eine schnelle Reaktion hilft dabei, Veränderungen des Kühlmediums zeitnah zu erkennen. Die tatsächliche Reaktionszeit hängt nicht nur vom Sensorelement ab. Auch die Einbaulage, das Gehäuse, die Strömungsgeschwindigkeit und der Kontakt zum Medium beeinflussen die Messung.

Langzeitstabilität

Rechenzentren sind auf einen möglichst kontinuierlichen Betrieb ausgelegt. Sensoren sollten daher auch über längere Zeiträume stabile Messwerte liefern. Eine gute Langzeitstabilität kann dazu beitragen, Wartungsaufwand zu reduzieren und Veränderungen im System zuverlässig zu erkennen.

Elektrische Schnittstellen

Messwerte müssen an Steuerungen, Überwachungssysteme oder ein Gebäudemanagementsystem übertragen werden. Abhängig vom Anlagenkonzept können analoge oder digitale Ausgangssignale erforderlich sein. Die Schnittstelle sollte bereits bei der Auslegung des Sensors berücksichtigt werden. Gleiches gilt für Versorgungsspannung, Steckverbindung und Verkabelung.

Ein Flüssigkeitskühlsystem arbeitet besonders effizient, wenn seine Leistung an den tatsächlichen Bedarf angepasst wird. Eine dauerhaft mit maximaler Leistung betriebene Pumpe kann mehr Energie verbrauchen als notwendig. Eine zu geringe Kühlleistung kann dagegen zu hohen Temperaturen führen. Druck- und Temperaturmesswerte schaffen die Grundlage für eine bedarfsgerechte Regelung. Abhängig vom Anlagenkonzept können Pumpendrehzahl, Ventilstellung oder Kühlleistung an den aktuellen Zustand angepasst werden. Darüber hinaus ermöglichen kontinuierlich erfasste Messdaten eine langfristige Betrachtung. Werden Messwerte gespeichert und ausgewertet, können Veränderungen frühzeitig sichtbar werden. Ein langsam steigender Druckverlust oder eine zunehmende Temperaturdifferenz kann beispielsweise auf eine Veränderung im Kühlkreislauf hinweisen. Damit unterstützen Sensoren nicht nur den unmittelbaren Betrieb, sondern auch Wartung, Fehleranalyse und Anlagenoptimierung.

Mit zunehmender Rechenleistung gewinnt die zuverlässige Flüssigkeitskühlung weiter an Bedeutung. Druck und Temperatur gehören dabei zu den zentralen Messgrößen. Sie liefern wichtige Informationen über den Zustand des Kühlmediums und des gesamten Kühlkreislaufs. i2s entwickelt und produziert Drucksensoren, Temperatursensoren sowie kombinierte Sensorlösungen. Durch anpassbare mechanische und elektronische Ausführungen können Sensoren auf unterschiedliche Anforderungen von Kühlsystemen abgestimmt werden. Von der Temperaturüberwachung im Vor- und Rücklauf über die Druckmessung an Pumpen und Verteilern bis zur kombinierten Erfassung beider Messgrößen: Passend ausgelegte Sensoren schaffen die Datengrundlage für einen zuverlässigen, sicheren und energieeffizienten Betrieb moderner Flüssigkeitskühlsysteme.