Cool bleiben mit Ixora und Danfoss! Von einer transportablen Immersions­kühlung zum Datacenter-Chassis mit vertikalen Kassetten

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Als COVID-19 plötzlich alle Festivals und Live-Veranstaltungen unmöglich machte, sah es für das in Curaçao ansässige Audiotechnologie-Startup Ixora düster aus. Mit etwas Hilfe von Danfoss erkannte das Unternehmen jedoch schnell, dass seine Kühltechnologie auch als potenziell bahnbrechende Lösung für Rechenzentren eingesetzt werden konnte.

Die karibische Insel Curaçao ist mit einem tropischen Klima gesegnet, das viele Menschen als angenehm empfinden, das für Elektronik jedoch fatal sein kann. Hitze und lange direkte Sonneneinstrahlung in Kombination mit tropischem Regen und salziger, feuchter Luft können Elektrogeräte und Komponenten sehr schnell angreifen und ruinieren.

Dieser Herausforderungen waren sich die Gründer des Event-Audio-Startups Ixora bei der Entwicklung ihres Hochleistungsverstärkersystems bewusst. Die gesuchte Technik musste nicht nur dem herausfordernden Klima in Curaçao standhalten, sondern für die Nutzer auch mühelos von Veranstaltung zu Veranstaltung transportierbar sein.

Luftkühlung benötigt Lüfter und andere bewegliche Teile, die verschleißen. Daher suchte Ixora nach alternativen Lösungen.

Das Unternehmen entwickelte ein geschlossenes Immersionskühlsystem (Tauchkühlsystem), das die notwendige Kühlung mit einem extrem hohen Wirkungsgrad lieferte. Da das System in sich geschlossen ist, war es einfach zu installieren, abzubauen und zu transportieren, und es schirmte elektronische Komponenten effektiv gegenüber den Umgebungsbedingungen ab.

Immersionskühlung: Eine Einführung

Für Ixora lief alles gut, bis 2020 eine Katastrophe eintrat; COVID-19 machte der Live-Veranstaltungsszene fast über Nacht den Garaus. Die Firmengründer Vincent Beek und Vincent Houwert entschieden sich für den Umzug in die Niederlande, um weitere Investitionen zu tätigen und das Verstärkersystem konstruktiv zu optimieren.

In den vergangenen Jahren sind digitale Technologien wie Kryptowährung und künstliche Intelligenz, die früher eher Randerscheinungen waren, zum Mainstream geworden, und sie erzeugen große Datenmengen. Infolgedessen versuchten Rechenzentren, ihre Kapazitäten zu erhöhen und gleichzeitig die Effizienz zu verbessern. Luftkühlung war lange Zeit die Norm für die Kühlung von Rechenzentren, aber viele Rechenzentren haben auf Flüssigkeitskühlung umgestellt oder führen zumindest dementsprechende Versuche mit dieser effizienteren und kostengünstigeren Alternative zu Luftkühlung durch.

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Es gibt zwei Hauptansätze zur Flüssigkeitskühlung: direkte Flüssigkeitskühlung und Immersionskühlung. Bei der direkten Flüssigkeitskühlung (Direct Liquid Cooling) werden Kühlmittel zu bestimmten Komponenten gefördert. Obwohl dieses Verfahren effizienter als Luftkühlung ist, eignet es sich oft nicht für hochintensive Verarbeitungsvorgänge.

Bei der Immersionskühlung oder Tauchkühlung wird in der Regel die Elektronik in ein Bad mit nicht leitfähiger Flüssigkeit eingetaucht. Sie bietet im Vergleich zur Luftkühlung einen deutlich höheren Wirkungsgrad, eine höhere Kühldichte und benötigt keine Ventilatoren oder andere aktive Kühlkomponenten. Die Anlagen sind jedoch oft komplex, kundenspezifisch und teuer, mit großen Bädern, in die die Server-Racks vollständig eingetaucht werden können.

Die Umstellung auf ein neues Modell

Ixora erkannte, dass ihr geschlossenes System „die perfekte Lösung für Rechenzentren“ darstellen könnte. Es könnte die Effizienz und Kapazität der Serverhardware erheblich verbessern, ohne dass eine erhebliche Umstellung der Infrastruktur erforderlich wäre – und das zu viel niedrigeren Kosten als die damals verfügbaren Immersionskühlsysteme.

Zusammen mit dem Rechenzentrumsexperten Job Witteman begann das Unternehmen mit der Entwicklung eines Prototyps eines geschlossenen Immersionskühlsystems für den Rechenzentrumsmarkt, auf der Grundlage seiner bestehenden Verstärkerkühllösung. Statt des herkömmlichen horizontalen Rack-Systems wollte Ixora ein Chassis mit vertikalen Kassetten entwickeln, in dem dielektrisches Öl die elektronischen Komponenten kühlt.

Dies erforderte im Vergleich zu den früheren Lösungen von Ixora für Audiogeräte eine weitaus ausgefeiltere Konstruktion und ein tiefes Verständnis der spezifischen Anforderungen typischer Rechenzentrumsbetriebe. Da der Prototyp zudem der erste seiner Art sein würde, mussten auch neue, speziell auf die Anwendung zugeschnittene Systeme und Komponenten entwickelt werden.

Herausforderungen bei Prototypen

Ein Beispiel dafür war der Wärmetauscher des neuen Systems, zum Ableiten der Wärme von jeder Kassette. Die Konstruktion erforderte zwei Kupplungen pro Kassette, zum Anschluss an das Chassis und an das anlagenweite Kühlsystem.

Der Druckabfall in diesen Kupplungen musst unbedingt so gering wie möglich bleiben, da jeder auch noch so geringe Druckabfall die Kühlleistung beeinträchtigen könnte. Außerdem mussten die Kassetten für Wartungsarbeiten einfach angeschlossen und getrennt werden können und ohne Leckagen, da jede Flüssigkeit, die mit den Geräten des Rechenzentrums in Kontakt kommt, ein ernsthaftes Risiko für den Betrieb darstellen könnte.

Ixora wandte sich an Danfoss, um Hilfe bei der Entwicklung kundenspezifischer Kupplungen für das System zu erhalten. Neben Leckage-Freiheit gehörten präzise Ausrichtung, geringe Verbindungskraft und kompakte Größe zu den Anforderungen. Die Produktingenieure bei Danfoss konnten genau berechnen, was auf Grundlage des Förderstroms, der maximalen Kupplungsgröße, der Druckanforderungen und der Wärme-Austauschrate sowie einer Reihe anderer Faktoren, die speziell für Rechenzentrums-Kühlanwendungen gelten, erforderlich war.

Basierend auf diesen Berechnungen kam Danfoss zu dem Schluss, dass flachdichtende Schnelltrennkupplungen aus Aluminium die geeignetste Lösung wären. Diese wurden dann nach den Spezifikationen von Danfoss hergestellt.

Eine erfolgreiche Partnerschaft

Der Prototyp war ein Erfolg und die Danfoss-Kupplungen übertrafen alle anderen getesteten Kupplungen. Beek, Betriebs- und Vertriebsleiter von Ixora, erläutert: „Mit den Danfoss-Kupplungen klappte die vollständige Fluchtung sowie das einfache Anschließen und Trennen und, was entscheidend ist, sie waren Leckage-frei. Dies ist für die Wartung von entscheidender Bedeutung.“ Mit einem herkömmlichen Volltauchsystem könne es schwierig sein, Server aus dem Flüssigkeitsbad zu holen. „Unser System funktioniert effektiv im Plug-and-Play-Verfahren, so dass Sie den Server einfach abziehen und direkt mit in die Werkstatt nehmen können“, setzt er hinzu.

Er gibt zudem einen Ausblick, wie es weitergehen soll. „Wir befinden uns jetzt in der Feldversuchsphase, mit einem globalen Pilotprojekt, das in diesem Jahr folgen wird. Im nächsten Jahr skalieren wir dann auf Massenproduktion hoch. Ohne Danfoss wäre all dies nicht möglich gewesen. Als Start-up kann es schwierig sein, die Aufmerksamkeit größerer Unternehmen zu erlangen, insbesondere wenn es um Unterstützung bei F&E geht. Aber Danfoss sah unsere Lösung und war sofort davon überzeugt. Letztendlich haben wir enorm von ihrem Fachwissen profitiert“, sagt Beek.

Auch bei Danfoss ist man zufrieden mit der Entwicklung. Jeroen Veraart, Senior Sales Development Manager bei Danfoss Power Solutions, äußert „Das war eine echte Partnerschaft. Ixora hat sicherlich von uns profitiert, aber wir haben auch viel von ihnen gelernt. Durch die Zusammenarbeit haben wir neue Wege gefunden, wie wir unsere Produkte weiter verbessern und optimieren können.“

Anfängliche Vorbehalte ließen sich schnell überwinden. „Bei einem Start-up besteht immer ein gewisses Risiko, aber bei Ixora war man engagiert, lernbereit und entwickelte ständig kreative Ideen und Lösungen. Und am Ende des Weges steht ein wirklich beeindruckendes System“, so Veraart.

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