Mit Wasser gebaut

Autor / Redakteur: (kr) / Kristin Rinortner

Betrachtet man die Entwicklung von Kühlsystemen in den Rechenzentren, stellt man fest, dass das Wasser Jahr für Jahr immer näher zu den Hotspots kommt. Wasser in den Systemen lässt

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( Archiv: Vogel Business Media )

Betrachtet man die Entwicklung von Kühlsystemen in den Rechenzentren, stellt man fest, dass das Wasser Jahr für Jahr immer näher zu den Hotspots kommt. Wasser in den Systemen lässt sich durchaus unter Ausnutzung seiner Vorteile beherrschen. Darüber hinaus werden alle Anforderungen an ein modernes Kühlsystem erfüllt und die heute übliche Luftkühlung um Längen geschlagen.

Eine der größten Herausforderungen bezüglich Kühlung sind die Blade-Server (Computerserver in Einschubtechnik), da die Wärmeentwicklung für CPUs entsprechend des Moor’schen Gesetzes dramatisch zugenommen hat. So entwickelt eine Server-CPU bereits mehr als 100 W, ein vollbesetztes Rack mit Blade-Servern kommt auf 15 bis 20 kW Abwärme.

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Die Firma HP setzt dazu in der nächsten Generation eine Vielzahl von turbinenartigen Lüftern in ihren Racks für Blade-Server ein, welche ihren Ursprung im Modellbau (Impeller-Triebwerk) haben. Diese Turbinen erreichen eine Drehzahl von 30000 min-1 welche mit ihren messerscharf geschliffenen Flügeln die austretende Luft auf eine Geschwindigkeit von 260 km/h beschleunigen. Auf diese Art und Weise wird ein Luftstrom zur Kühlung erzeugt, dessen Lärmpegel dem einer Flugzeugturbine gleicht. Die Anforderungen an die Lebensdauer eines solchen Systems erfordert eine sehr anspruchsvolle Konstruktion, da der Ausfall eines Serversystems hohe Kosten verursacht. Die physikalischen Grenzen der Luftkühlung sind bei diesem Prinzip sicherlich erreicht.

Durch die hohe Wärmeentwicklung eines Blade-Servers entsteht dabei eine Luftaustrittstemperatur von mehr als 50 °C, die Kühlung fordert einen in unmittelbare Nähe platzierten Luft-/Wasser-Wärmetauscher, um die erwärmte Luft auf die erforderliche Temperatur herunterzukühlen.

Physikalische Grundlagen

Vergegenwärtigt man sich die physikalischen Grundlagen, werden die Zusammenhänge schnell klar:

Der Wärmewiderstand bei Konvektion wird nach Gleichung 1 berechnet.

((bitte Gl 1 einfügen))

Dabei ist A die Oberfläche des Festkörpers in m2 und ? der Wärmeübergangskoeffizient. Dieser liegt für Luft zwischen 5 (freie Konvektion) und 500 W/m2K (stark turbulente Strömung). Für Wasser reicht der Bereich von 500 (freie Konvektion) bis 5000 W/m2K (stark turbulente Strömung). Somit bedeutet dies, dass eine erwärmte Fläche A einen um den Faktor 10 besseren Wärmeübergang zum Kühlmedium hat, wenn diese von Wasser anstatt von Luft umströmt wird. D.h., das zukünftige Konzept zur Kühlung sollte also möglichst keinen Wärmetransport über Luft vorsehen.

Unter der Wärmekapazität C eines Körpers versteht man das Verhältnis der zugeführten Wärmemenge zur erzielten Temperaturerhöhung. Sie ist das Produkt aus spezifischer Wärmekapazität c und der Masse m.

((bitte Gl 2 einfügen))

Die spezifische Wärmekapazität c für Luft beträgt 1,005 kJ/(kg K), die des Wassers 4,182 kJ/(kg K). Auch hier ist zu sehen, dass Luft als Kühlmedium dem Wasser unterliegt.

Ein Beispiel: Um einen Wärmestrom von 1000 W mit einer Tempreraturdifferenz von 10 °C abzuleiten, sind 90 l Wasser pro Stunde ausreichend oder alternativ dazu 325 m3 Luft. Volumenbezogen bedeutet dies nahezu das 3500-fache.

Requirements und Entwicklung

Um eine wirkliche Innovation zu schaffen, ist es sinnvoll, zunächst die Anforderungen an das neue System aufzuschreiben: Das Kühlsystem soll wesentlich leistungsstärker (also die Anzahl der CPUs erhöhen), wartungsfreundlich (plug and play), geräuschloser und unproblematisch in der Anwendung (50000 h Betriebsdauer) sein.

Funktionsbeschreibung

Nachfolgend soll das Prinzip der Lösung beschieben werden. Das gesamte System besteht aus nur fünf Teilen (Bild 1): Primär- und Sekundärkühlkörper, Turbine, Magnetkupplung und Pumpe.

Die Kühlkörper mit Kühlkanälen fungieren als Wärmetauscher. Die Turbine wandelt die Strömungsenergie des Primärkühlkreislaufs in Rotation um. Um die Rotationsenergie zu übertragen ist die Turbine über die Magnetkupplung berührungslos mit der Pumpe verbunden. Die Pumpe wandelt schließlich die Rotationsenergie in Strömungsenergie um, welche für die Strömung der Kühlflüssigkeit im Elektronikeinschub bzw. Blade verwendet wird.

Diese Komponenten sind nahezu wartungsfrei, da es nur statische Dichtungen gibt. Es sind keine rotierenden Wellen verbaut, die eine Dichtung benötigen. Es werden auch keine Motoren verwendet. Dies ist ein wesentlicher Vorteil des Prinzips.

Wärmetechnisches Funktionsprinzip

Das Blade Cooling System hat ein einfaches Funktionsprinzip: Es gibt zwei Kühlkreisläufe, welche über Kühlkörper und eine Kontaktfläche Wärme transportieren, den Primärkühlkreislauf und den Sekundärkühlkreislauf (Bild 1).

Der Sekundärkühlkreislauf nimmt die Wärme von den im Einschub (bzw. Blade-Server) angeordneten Wärmequellen (Hotspots) auf und gibt diese an den Sekundärkühlkörper (1) wieder ab. An der Kontaktfläche zwischen dem Sekundärkühlkörper (1) und dem Primärkühlkörper (2) findet eine Wärmeübertragung statt, da der Primärkühlkreislauf grundsätzlich auf niedrigerer Temperatur gehalten wird.

Der Primärkühlkreislauf (2) ist ebenfalls ein geschlossener Kühlkreislauf, welcher zunächst über den Primärkühlkörper und außerdem noch über ein Kühlaggregat (Rückkühler) geleitet wird, um dem ganzen System die Abwärme zu entziehen, die im Bladeserver bzw. Einschub entsteht. Dies kann sinnvollerweise mit der jeweiligen Haustechnik gekoppelt sein, damit die entstandene Wärmeenergie einfach „wiedergewonnen“ werden kann (Bild 2).

Strömungstechnisches Funktionsprinzip

Im Allgemeinen hat der Primärkühlkreislauf einen durch externe Pumpen verursachten hohen Volumenstrom des Kühlmittels. Die im Primärkühlkörper angeordnete Turbine wird infolgedessen angetrieben und dreht sich.

Das Turbinenlaufrad ist mit kreisförmig angeordneten Magneten ausgestattet, welche mit den auf dem im Pumpenlaufrad ebenfalls kreisförmig angeordneten Magneten eine Magnetkupplung bilden. Das Pumpenlaufrad befindet sich im Sekundärkühlkörper(1) und wird durch die induktive Kopplung ebenfalls in Rotation versetzt. Es kommt also nicht zu einer Berührung zwischen den Magneten.

Das rotierende Pumpenlaufrad bewirkt den Transport des Kühlmittels, welches im Sekundärkühlkreislauf den einzelnen Hotspots die Wärme entzieht.

Ergebnisse eines Prototyps

Aufgebaut wurde ein Prototyp, dessen Abmaße der Kontaktfläche 39 mm × 109 mm betragen, die Bauhöhe eines Wärmetauschers liegt bei ca. 38 mm. Dieser Prototyp hat einen Wärmewiderstand von 0,024 K/W oder mit anderen Worten: Ein Wärmestrom von 1250 W verursacht einen Temperaturunterschied zwischen dem am Hotspot erwärmten Wasser und dem vom Rückkühler einfließenden Wasser von 30 °C.

Vergleicht man dazu die in einem handelsüblichen Blade-Server entstehende Wärme von ca. 550 W (zwei CPUs, einschließlich aller sonstigen Komponenten), liegt auf der Hand, dass der gleiche Server auch die doppelte Anzahl an CPUs beinhalten könnte (also vier CPUs) und dennoch mittels des Prototypen gekühlt werden könnte.

Fazit

In elektrischen Bauelementen entsteht immer Verlustleitung und es wird immer schwieriger, diese abzuführen, da sich die Integrationsdichte der Halbleiter entsprechend des Moor’schen Gesetzes weiter erhöht.

So sind die Entwickler gefordert, Leistung auf immer kleinerem Raum anzubieten. Dies verlangt ein gewisses Umdenken, was das Kühlprinzip betrifft. Wie hier gezeigt, sind aktuelle Kühlsysteme an ihrer Leistungsgrenze angelangt, eine Verbesserung wird durch das hier vorgestellte Prinzip leicht erreicht.

Hertweck IT-Consulting, Tel. +49(0)7240 928994

*Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Hertweck ist als freiberuflicher Projektmanager und Berater für Softwareprojekte in Pfinztal tätig. Er ist Patentinhaber und Erfinder des Kühlprinzips.

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