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Hui, doch gar nicht pfui: Fluid-gekühlte Server Die Stäubli-Schnellkupplungen sorgen für sichere direkte Serverkühlung

| Autor / Redakteur: Roland Haas* / Ulrike Ostler

Die effektivste Art Server zu kühlen ist zweifellos die direkte Fluid-Kühlung; denn die Wärme wird dort abgebaut wo sie entsteht. Gleichzeitig müssen Liquid-gekühlte Anlagen absolut flexibel nutzbar bleiben. Beim Austauschen der Blades trennen speziell für die Elektronikkühlung entwickelte Schnellkupplungen die Flüssigkeitskreisläufe, sperren diese zuverlässig ab.

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Die Stäubli-Schnellkupplungen halten bei flüssigkeitsgekühlten Servern die Verfügbarkeit von Anlagen hoch.
Die Stäubli-Schnellkupplungen halten bei flüssigkeitsgekühlten Servern die Verfügbarkeit von Anlagen hoch.
(Bild: Stäubli Tec-Systems GmbH Connectors)

Wir alle kennen die Herausforderungen. Die Chips werden von Generation zu Generation immer leistungsfähiger, gleichzeitig werden die Komponenten und Baugruppen immer kleiner. Damit verbunden der Wunsch auch Gesamtanlagen immer kompakter auszuführen. Die Folge ist eine extreme Energieverdichtung und damit eine überproportional steigende Wärmelast, verbunden mit der Konsequenz, dass immer höhere Kühlleistungen erforderlich sind.

Würden Sie für ein paar Eiswürfel ihre komplette Küche frosten?

Klassischer Weise werden Rechenzentren über die Raumtemperatur gekühlt. Es werden Unmengen von kalter Luft in die Serverräume eingeblasen, um damit die Wärme irgendwie aus den Schränken zu bekommen. Doch was früher richtig war muss heute nicht mehr die beste Option sein.

Schaut man etwas über den Tellerrand hinaus, muss man sich fragen, warum man den ganzen Raum abkühlt, um Abwärme abzubauen, die in den Schränken, in Server-Blades entsteht. Bei einer Küche kommt man ja auch nicht auf die Idee den kompletten Raum zu frosten, nur um ein paar Eiswürfel zu bekommen. Es wird dort gekühlt wo es erforderlich ist. Im Kühlschrank, im Eisfach.

Dort kühlen wo Wärme entsteht!

Warum wird dieses doch so logische Prinzip, im Serverbereich nur so zaghaft eingesetzt, wo doch die klassische Luftkühlung mehr und mehr an seinen Grenzen stößt? An der Leistungsfähigkeit der direkten Flüssigkeitskühlung kann es nicht liegen, diese steht außer Frage. Und auch der Energie-Aufwand für diese Art der Kühlung wirkt sich nur positiv aus.

Wenn man sich vor Augen hält, dass Wasser eine ca. 20-fach höhere Leitfähigkeit als Luft besitzt und über das Volumen betrachtet eine 1000-fach bessere Wärmeaufnahmekapazität, lässt sich leicht nachvollziehen, warum die direkte Flüssigkeitskühlung so wirkungsvoll und effizient ist.

Der PUE lügt nicht!

Ein Hemmnis könnten die einmaligen Investitionskosten sein. Doch der Fokus sollte auf den laufenden Betriebsausgaben liegen, die Jahr für Jahr auflaufen. Der mit Abstand größte Kostenblock entsteht hier durch den enormen Energiebedarf. Die Leistungsaufnahme der Elektronik ist fix, doch auf den Energiebedarf der Kühlung hat man Einfluss.

Energie-effiziente Kühllösungen wirken sich hier sehr positiv auf den Stromverbrauch aus und amortisieren sich deshalb schnell. In diese Rechnung ist einzubeziehen, dass Fluid-gekühlte Anlagen deutlich weniger Platz in Anspruch nehmen. Bei neuen Bauvorhaben reduzieren sich die Kosten für den umbauten Raum weiterhin, da Kanalführungen für die AC-Anlage deutlich kompakter ausfallen können.

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Ein Knackpunkt warum sich die direkte Fluid-Kühlung bei Rechenzentren noch nicht flächendeckend durchgesetzt hat, ist vermutlich das (noch) fehlende Vertrauen in die „neue Technik“. Oder nennen wir es Angst! Es wurde schon erwähnt: WASSER! Ein Reizwort das jedem eingefleischten Elektroniker die Nackenhaare sträuben lässt. Seit unserer Kindheit wurde uns eingebrannt: Wasser und Strom – das geht gar nicht!

Doch ist das wirklich so? Nein. man muss nur mit absolut zuverlässigen und sicher arbeitenden Komponenten dafür sorgen, dass jedes Element in seinem Bereich bleibt.

Von der Industrie lernen

Denn so neu ist diese Technologie nicht. Flüssigkeitskühlung wird seit Jahrzehnten als Thermal Management von Leistungselektronik eingesetzt. So werden zum Beispiel Stromrichter von Schienenfahrzeugen flüssigkeitsgekühlt.

Das ist zwar ein völlig anderes Anwendungsfeld, doch die Anforderungen an die Hardware sind ähnlich. Hohe Leistungsdichte, enorme Abwärme, kompakte Bauweise und ein Austausch der Module nur im Wartungsfall. Das heißt: Einwechseln passiert nur selten, doch wenn es erforderlich ist, muss das einfach, problemlos und schnell erfolgen. Alleine in diesem Feld sind Hunderttausende von Schnellkupplungen im Einsatz und haben sich bestens bewährt.

Auch im HPC-Bereich und bei Supercomputern wird diese Technologie seit Jahren eingesetzt und ist heute dort nicht mehr weg zu denken. Alle namhaften Hersteller haben Fluid-gekühlte Systeme im Portfolio. Mittlerweile setzen auch Firmen wie Google, Facebook und Co. diese Technik ein.

Plug & Play erhält die Flexibilität und minimiert Ausfallzeiten

Ein Rechenzentrum kann nur dann die gewünschte Verfügbarkeit bieten, wenn alle Komponenten optimal arbeiten. Um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der IT-Anlage zu erhalten, sind regelmäßige Wartungen erforderlich, bei welchen defekte oder veraltete Module ausgetauscht werden.

Der Zeitaufwand für Service und Wartung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit der Anlagen. Ziel ist es zum einen die Ausfallzeiten zu verkürzen beziehungsweise die Verfügbarkeit der Anlagen hoch zu halten und gleichzeitig die Handhabung für den Bediener so angenehm wie möglich zu gestalten. Um keine wertvolle Zeit zu verlieren werden hier in der Regel das komplette Blades ausgetauscht.

Bei Fluid-gekühlten Systemen wird hierzu einfach der Flüssigkeitskreislauf tropffrei getrennt. Dazu werden Schnellkupplungen mit einem Handgriff abgesteckt, das zu wechselnde Blade herausgezogen, ein Neues eingeschoben und an den Flüssigkeitskreislauf wieder angesteckt. – Fertig.

Die automatischen Kupplungssysteme Blind-Mate

Bei automatischen Kupplungssystemen entfällt selbst dieser Handgriff, denn bei diesen komfortablen „Blind-Mate“-Stecksystemen wird der Fluid-Kreislauf automatisch beim Einschieben der Blades geschlossen. Eine Grundvoraussetzung ist hierbei ein in sich schwimmend gelagertes System; denn über Toleranzketten und ein erforderliches Spiel (Einschub zum Schrank) kann ein Achsversatz zwischen en Kupplungselementen auftreten. Erstklassige Kupplungssysteme gleichen diesen Versatz aus und zentrieren dabei die Mittelachse des Nippels exakt deckungsgleich zur Kupplungsachse.

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Um künftig autonome und gleichzeitig effizient gekühlte Rechenzentren zu betreiben, bei welchen Robotersysteme vollautomatische Wartungen praktizieren, sind solche automatischen Blinde-Mate-Fluid-Verbindungen ein unverzichtbarer Baustein.

Fachexperten einbeziehen

Die Elektronikkühlung mit Flüssigkeiten hat sich längst etabliert. Die Systeme arbeiten langlebig, zuverlässig und sicher. Vorausgesetzt alle Randbedingungen fließen in die Auslegung ein und die eingesetzten Komponenten sind entsprechend darauf abgestimmt.

Somit empfiehlt sich, hier fachspezifische Experten frühzeitig in die Planung mit einzubeziehen. Die Stäubli-Connectors-Spezialisten haben diese Expertise und helfen bei allen Fragen zur Kupplungstechnik. Keep it cool!

* Roland Haas ist Manager of Sales Technical Support bei der Stäubli Tec-Systems GmbH Connectors, Bayreuth.

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