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Flüssigkeit auf Stromkreisen Was ist Immersion Cooling?

Autor / Redakteur: Dipl. Betriebswirt Otto Geißler / Ulrike Ostler

Unter dem Begriff Immersion Cooling (Flüssigkeitstauchkühlung) versteht man die Reduzierung der Wärme einer Hardware, indem sie in eine wärmeleitenden, aber nicht elektrisch leitfähigen Flüssigkeit versenkt wird.

Für einige Supercomputer mit extremer Dichte wie beispielsweise der Cray-2 und der Cray T90 werden zur Kühlung große Flüssigkeits-Wärmetauscher verwendet.
Für einige Supercomputer mit extremer Dichte wie beispielsweise der Cray-2 und der Cray T90 werden zur Kühlung große Flüssigkeits-Wärmetauscher verwendet.
(Bild: © djama - stock.adob.com)

Bei der Immersion Cooling werden IT-Komponenten oder komplette Server in eine thermisch, aber nicht elektrisch leitende Flüssigkeit (dielektrisches Kühlmittel) eingetaucht. Dieses attraktive Verfahren ist bereits Standard bei der Kühlung großer Stromverteilungs-Komponenten, zum Beispiel bei Transformatoren. Bislang wurde es für IT-Hardware eher selten eingesetzt, doch erfreut sich diese Methode bei innovativen Rechenzentren auf der ganzen Welt zunehmender Beliebtheit.

Immersion Cooling von IT-Hardware beziehungsweise Server erfolgt über einen Wärmetauscher. Das heißt: Die Wärme wird aus dem System abgeführt, indem die Flüssigkeit in direktem Kontakt mit heißen Bauteilen und anschließend über kühle Wärmetauscher zirkuliert. Da bei einer Wasserkühlung das Arbeitsfluid für die Elektronik schädlich ist, fließt es durch einen geschlossenen Kreislauf, der von der Wärmequelle isoliert gehalten wird.

Dielektrische Flüssigkeiten

Die verwendete Flüssigkeit muss über eine äußerst niedrige elektrische Leitfähigkeit verfügen, um den Betrieb des Rechners nicht zu stören. Sollte die Flüssigkeit etwas elektrisch leitend sein, so müssen bestimmte Teile der Komponenten, die elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die CPU, isoliert werden. Dielektrische Kühlmittel weisen dagegen sehr gute Isoliereigenschaften auf.

Im Grunde gibt es zwei verschiedene Kategorien von Flüssigkeiten: Kohlenwasserstoffe (Mineralöle, synthetische Öle oder Bio-Öle) und Fluorkohlenwasserstoffe (FKW - fluorierte Derivate der Kohlenwasserstoffe). Wobei Transformatoröle und andere elektrische Spezialkühlöle wie zum Beispiel 3M Novec, Dupont oder Galden sich am besten eignen.

Abhängig von den Eigenschaften des Kühlmittels können dielektrische Flüssigkeiten in einphasige und zweiphasige Anwendungen unterteilt werden:

Einphasige Tauchkühlung

Hierzu kommt ein Zirkulationsverfahren für die dielektrische Flüssigkeit über heiße elektronische Komponenten sowie ein Wärmeaustauscher zum Einsatz. Dabei wird das Kühlmittel zu dem Wärmetauscher geführt und die Wärme an einen kühleren Wasserkreislauf abgegeben. Diese Technik verwendet sogenannte „offene Bäder“.

Ein Risiko des Verdampfens des Kühlmittels ist gering oder gar ausgeschlossen, denn das einphasige Kühlmittel ändert nie seinen Zustand. Das heißt, es kocht oder gefriert nie und bleibt immer in flüssiger Form.

Zweiphasige Tauchkühlung

Für die die Kühlung der heißen Elektronik und die Ableitung der Wärme aus der Flüssigkeit, kommt ein Niedertemperatur-Verdampfungsprozess zur Anwendung. Das heißt, bei der Zweiphasenkühlung (Fließsieden beziehungsweise Verdunstungskühlung) siedet das Arbeitsfluid und liegt daher sowohl flüssig als auch gasförmig vor.

Das geschieht, wenn die Hitze der IT-Komponenten oder Servern in das Arbeitsfluid übertragen wird. Ein Teil davon verdampft zu einem Gas.

Das Gas steigt dann in dem Flüssigkeitsbehälter auf und berührt einen Kondensator. Da dieser kühler als die Sättigungstemperatur ist, kondensiert es wieder zu einer Flüssigkeit und fließt quasi als „Regen“ zurück in den Pool.

Vorteile des Immersion Cooling

Die meisten Lösungen des Immersion Cooling für Datacenter sind in der Anschaffung sehr teuer. Da der Strom für die Kühlung jedoch zu den größten Betriebskosten gehört, wird der anfängliche Aufwand für die Tauchkühlung meist recht schnell durch Energie-Einsparungen kompensiert.

Denn beim Eintauchen in Flüssigkeiten wird bis zu 99 Prozent weniger Strom verbraucht als beim herkömmlichen Kühlen von Rechenzentren mit Kaltwasser, Wärmepumpen und Klima-Anlagen. Auf Grund der Absenz von Kühlkörpern, können die Komponenten mit Kühlgebläsen deutlich enger beieinander platziert werden und ermöglichen so eine höhere Systemdichte.

Darüber hinaus verringern Komponenten, die durch das Immersion Cooling keinen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, das Fehlerpotential. Zudem fallen auch so die Kühlventilatoren weg, wodurch eine Beeinträchtigung durch Vibrationen vermieden wird.

Immersion Cooling heißt auch, dass keine unnötigen Teile gebaut oder gewartet werden müssen und dass das Verfahren ebenfalls auf engstem Raum und in extremen Umgebungen (heiß und feucht usw.) funktioniert.

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