Ziel der Entwicklung
Der Bedarf an Servern und Rechenzentren steigt stetig. Die zum Betrieb der IT notwendige Energie wird letztlich in Wärme umgewandelt und muss abgeführt werden. Die Abfuhr der Wärme mit Wasser anstelle von Luft ist effizienter, ermöglicht eine hohe Leistungsdichte und erleichtert eine sinnvolle Nutzung der Abwärme, zum Beispiel zum Heizen oder auch zur Kälteerzeugung. Ein Hemmnis besteht in der Angst von Betreibern vor Schäden an elektronischen Bauteilen im Fall von Leckagen, also durch Wasseraustritt. Das Ziel der Entwicklung war eine umweltfreundliche Flüssigkeitskühlung im Unterdruck zur Abführung der stetig steigenden Wärmelasten unter Berücksichtigung der Nutzung der Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau für verschiedene Anwendungen und bei gleichzeitiger Gewährleistung, dass auch bei Lecks kein Wasser aus dem System austritt. Als Arbeitsmedium ist Wasser vorgesehen. Mit Wasser wird ein Medium mit hervorragenden umweltfreundlichen Eigenschaften, einer hohen Wärmekapazität und einer hohen Verdampfungsenthalpie eingesetzt. Der ODP- und der GWP-Wert sind 0. Weiterhin ist Wasser ein preiswerter und stets verfügbarer Stoff. Durch den Betrieb der Wasser-Kühlkreisläufe im Unterdruck und einer im Rahmen des Projektes entwickelten und zum Patent angemeldeten Lösung wird ein Austritt von Wasser im Fall einer Undichtheit im Wasserkreislauf verhindert. Die effektive Kühlung der elektronischen Bauteile wird auch im subatmosphärischen Betrieb (also im Unterdruck) gewährleistet. Durch Absenkung des Druckes bei der Einphasenkühlung unter Umgebungsdruck (subatmosphärische Wasserkühlung) kann das Austreten der Kühlflüssigkeit bei Defekten im Kühlsystem durch im Projekt zu entwickelnde und zu untersuchende Maßnahmen verhindert werden. Durch die direkte Kühlung mit Wasser wird die flächenspezifische Wärmeaufnahme vergrößert, die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Kühlobjekt verkleinert und somit Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau bereitgestellt. Der Unterdruck im System muss stetig gewährleistet werden und gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass an jeder Stelle im Gesamtsystem der Druck über dem Sättigungsdruck des Wassers liegt. Bei einem Leck im System muss gewährleistet werden, dass das Wasser nicht auslaufen kann, entweder durch Aufrechterhaltung eines Unterdrucks und/oder durch Verschiebung des Wasserinhalts in ein auslaufsicheres Reservoir bevor es zu einem Druckausgleich mit der Umgebung kommt. Bei der Zweiphasenkühlung kann durch die Verdampfung des Wassers in den Wärmeübertragern der elektronischen Komponenten eine höhere Energiemenge bei gleichem Massenstrom aufgenommen und abtransportiert werden. Hiermit kann bei Abführung gleicher Wärmemengen der Wasserinhalt deutlich reduziert werden. Nachteilig ist jedoch das deutlich größere Volumen der Dampfströmung. Der Prozess der Zweiphasenkühlung erfolgt bei Verdampfungstemperaturen in der Nähe der zulässigen Bauteiltemperatur. Da diese Temperaturen bei maximal 80 °C liegen, liegt der Prozessdruck unterhalb des Umgebungsdruckes, so dass auch hier Maßnahmen integriert werden können, die ein Auslaufen von Wasser bei einem Leck verhindern. subatmosphärischen Betrieb (also im Unterdruck) gewährleistet. Durch Absenkung des Druckes bei der Einphasenkühlung unter Umgebungsdruck (subatmosphärische Wasserkühlung) kann das Austreten der Kühlflüssigkeit bei Defekten im Kühlsystem durch im Projekt zu entwickelnde und zu untersuchende Maßnahmen verhindert werden. Durch die direkte Kühlung mit Wasser wird die flächenspezifische Wärmeaufnahme vergrößert, die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Kühlobjekt verkleinert und somit Abwärme auf einem höheren Temperaturniveau bereitgestellt. Der Unterdruck im System muss stetig gewährleistet werden und gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass an jeder Stelle im Gesamtsystem der Druck über dem Sättigungsdruck des Wassers liegt. Bei einem Leck im System muss gewährleistet werden, dass das Wasser nicht auslaufen kann, entweder durch Aufrechterhaltung eines Unterdrucks und/oder durch Verschiebung des Wasserinhalts in ein auslaufsicheres Reservoir bevor es zu einem Druckausgleich mit der Umgebung kommt.
Bei der Zweiphasenkühlung kann durch die Verdampfung des Wassers in den Wärmeübertragern der elektronischen Komponenten eine höhere Energiemenge bei gleichem Massenstrom aufgenommen und abtransportiert werden. Hiermit kann bei Abführung gleicher Wärmemengen der Wasserinhalt deutlich reduziert werden. Nachteilig ist jedoch das deutlich größere Volumen der Dampfströmung. Der Prozess der Zweiphasenkühlung erfolgt bei Verdampfungstemperaturen in der Nähe der zulässigen Bauteiltemperatur. Da diese Temperaturen bei maximal 80 °C liegen, liegt der Prozessdruck unterhalb des Umgebungsdruckes, so dass auch hier Maßnahmen integriert werden können, die ein Auslaufen von Wasser bei einem Leck verhindern.
Vorteile und Lösungen
Der Betriebsdruck der subatmosphärische Einphasen- und Zweiphasenkühlung liegt unter Umgebungsdruck, so dass andere Anforderungen an die Dichtheit des Systems gestellt werden. Es muss sichergestellt werden, dass nahezu keine Luft in das Kühlsystem eindringt. Die Verwendung von kostenintensiven Vakuumkomponenten und Verbindungselementen soll möglichst vermieden werden. Das Ziel ist die weitest gehende Verwendung von Standardkomponenten, die auf ihre Eignung untersucht wurden. Hierfür wurde ein Teststand mit Vakuumbehälter und Verbindungsleitungen so aufgebaut, dass an den Anschlussstellen entsprechend zu testende Komponenten (Schnellkupplungen, Ventile, Kugelhähne Rohrverbindungen, Schläuche …) angeschlossen werden können. Entsprechende Leckraten wurden ermittelt und geeignete Bauelemente und Baugruppen ermittelt. Die Kühlung der Server erfolgt durch ein Kühlmedium, welches die Wärme von den Servern in sensibler Form durch Erwärmung aufnimmt, dass heißt dass keine Verdampfung des Kühlwassers erfolgt. Bei einer maximalen Kühlwassertemperatur von 65 °C am Austritt der Server muss der Absolutdruck in der Anlage größer als der zugehörige Sättigungsduck von 250 mbar sein. Bei einem Anlagendruck von zum Beispiel 500 mbar liegt die Verdampfungstemperatur des Kühlwassers bei 81,3 °C. Daher wird vorgesehen, dass das gesamte System in einem Druckbereich zwischen 400 mbar und 1.000 mbar betrieben werden kann.
Für die Untersuchungen der subatmosphärischen Kühlung mit Wasser wurde ein Test-Rack mit vier Servern und drei zusätzlichen Loadbanks (elektrische Heizer) aufgebaut. Die vier Server konnten mit 4 Stress-Levels betrieben werden. Die Loadbanks mit einer Gesamtleistung von 20 kW haben eine stufenlose Regelung. Die Leistungsmessungen der subatmosphärischen Kühlung erfolgten bei Absolutdrücken zwischen 200 und 1.000 mbar. Der Unterdruck im System konnte problemlos über die angeschlossene kleine VP eingestellt werden. Die Warmwassereintrittstemperaturen zur Kühlung der Server betrugen 40 °C, 50 °C und 58 °C. Des Weiteren wurden die drei Stresslevel und der Leerlauf als Leistungsvariation gefahren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Absolutdruck keinen Einfluss auf die Kühlung der elektronischen Bauteile hat und dass auch bei maximalen Stress-Level die Temperatur der CPUs / GPUs im zulässigen Bereich gehalten werden konnten. Die Betriebsweise der Zweiphasenkühlung mit Wasser soll so erfolgen, das im Kühlkörper eine Teilverdampfung der Flüssigkeit erfolgt, so dass am Austritt ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegt. Eine Flüssigkeitspumpe fördert das Kühlwasser zum Rack. Im Rack wird das Kühlwasser an die einzelnen Server, die mit parallelen und/oder in Reihe geschalteten Chips bestückt sind, verteilt. Bei der Variante eins strömt das aus dem Kühlkörper kommende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch über die Sammelleitung des Racks in einen Kondensator. Dort wird der Dampf kondensiert und die Flüssigkeit ggf. unterkühlt. Bei der Variante zwei erfolgt im Sammler des Racks eine Trennung von Dampf und Flüssigkeit. Der Dampf wird oben am Sammler in den Kondensator abgeführt und die nicht verdampfte Flüssigkeit wird in einen außen liegenden Sammler geführt. In den Sammler läuft dann auch das Kondensat aus dem Kondensator. Anschließend wird die Flüssigkeit in einem Wärmeübertrager abgekühlt und danach dem Rack wieder zugeführt. Beide Varianten wurden mit dem aufgebauten Prüfstand erfolgreich getestet. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand war der Nachweis, dass bei einem Leck im Kühlwasserkreislauf kein Wasser austritt. Es konnte durch den Betrieb einer kleinen Vakuumpumpe kleinere Lecks kompensiert werden, so dass der Kühlkreislauf weiter aktiv war. Bei größeren Lecks (Leckvolumenstrom > Saugvolumenstrom der Vakuumpumpe) erfolgte eine sichere Absaugung der Kühlflüssigkeit in einen evakuierten Auffangbehälter, so das nach einem Druckausgleich mit der Umgebung keine Flüssigkeit aus dem System austreten konnte.
Zielgruppe und Zielmarkt
Durch die im Projekt entwickelte Technologie der Nutzung der Wasserkühlung im Unterdruckbereich bei gleichzeitiger Absicherung, dass auch bei Lecks kein Wasser aus dem System tritt, wird sich die Akzeptanz der Wasserkühlung bei Rechenzentrumsbetreibern deutlich erhöhen. Das ILK hat ein Schutzrecht „Verfahren zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen elektronischen Bauteilen“ angemeldet. Mit den im Projekt erzielten Ergebnissen wurde die Funktionalität der subatmosphärischen Ein- und Zweiphasenkühlung nachgewiesen und das notwendige Know-how zur Auslegung derartiger Systeme erarbeitet. Weiterhin wurde ein System entwickelt, bei dem auch bei Lecks keine Flüssigkeit aus dem System austritt. ILK Dresden beabsichtigt, die im Vorhaben entwickelte und durch das sich in der Anmeldung befindliche Patent abgesicherte Technologie sowie das erworbene Know-how zur Auslegung und Dimensionierung der einzelnen Komponenten an Hersteller beziehungsweise Systemanbieter zu transferieren. Dabei bieten sich insbesondere Unternehmen als Vermarktungspartner an, die bereits heute wassergekühlte Server, Racks bzw. Rechenzentren anbieten, wie bspw. Lenovo, Thomas-Krenn AG und Asetek A/S. Die Fa. Cloud & Heat hat darüber hinaus bereits umfangreiche Erfahrungen mit der wasserbasierten Auskopplung besonders hochtemperierter Wärme und deren sinnvoller Nutzung. Darüber hinaus kommen als Vermarktungspartner natürlich auch Komponenten- oder Systemanbieter in Frage, die bislang nicht auf Wasserkühlung setzen. Mit dem Wegfall eines wesentlichen Anwendungshemmnis‘ können diese Unternehmen mit neuen Produkten ihren bisherigen Anteil im Markt der Rechenzentrumskühlung aufrechterhalten.
