Flüssigkeitskühlung ist definiert als der Fall, in dem einem Unternehmen für den Betrieb Flüssigkeit zugeführt werden muss. Es ist wichtig zu beachten, dass diese Definition die Kühlflüssigkeit nicht auf Wasser beschränkt. Eine Vielzahl von Flüssigkeiten könnte für die Anwendung in Betracht gezogen werden, einschließlich Flüssigkeiten, die sich in einem Teil des Kühlkreislaufs in einer Dampfphase befinden könnten.
- Luftkühlung definiert den Fall, wo einer Einheit zum Betrieb nur Luft zugeführt werden muss.
- Ein luftgekühltes Rack definiert den Fall, in dem dem Rack oder Schrank für den Betrieb nur Luft zugeführt werden muss.
- Luftgekühlte Datenkommunikationsausrüstung definiert den Fall, wo nur Luft an die Datenkommunikationsausrüstung für den Betrieb geliefert wird.
- Luftgekühlte Elektronik definiert die Fälle, in denen Luft ohne andere Form der Wärmeübertragung direkt der Elektronik zur Kühlung zugeführt wird
Wenn Flüssigkeiten in getrennten Kühlkreisläufen verwendet werden, die thermisch nicht kommunizieren, wird das System als Luftkühlung betrachtet. Das offensichtlichste Beispiel betrifft die Kaltwasser-CRACs, die normalerweise an der Peripherie vieler heutiger Rechenzentren eingesetzt werden. Am anderen Ende der Skala gilt die Verwendung von Wärmerohren oder gepumpten Schleifen in einem Computer, bei denen die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf innerhalb des Servers verbleibt, ebenfalls als luftgekühlte Elektronik, vorausgesetzt, die Wärme wird aus dem internen geschlossenen Kreislauf abgeführt über Luftstrom durch das Chassis der elektronischen Ausrüstung.
Es stehen viele verschiedene Implementierungen der Flüssigkeitskühlung zur Auswahl. Nachfolgend finden Sie mehrere Szenarien:
Eine Option verwendet ein luftgekühltes Kühlsystem, das in der Datenkommunikationsausrüstung montiert ist, um gekühltes Kältemittel an flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten zu liefern, die an den Prozessoren montiert sind. Bei dieser Implementierung wird die erwärmte Luft aus dem Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher (dh Kondensator) direkt an die Umgebung des Rechenzentrums abgegeben. Aus Sicht des Rechenzentrums gelten das Rack und die Elektronik als luftgekühlt, da keine Flüssigkeitsleitungen die Rackhülle kreuzen.
Eine andere Implementierung kann einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher verwenden, der über, unter oder an der Seite oder Rückseite des Racks montiert ist. In diesem Fall entzieht der Wärmetauscher einen erheblichen Teil der Abwärme des Racks aus der Luft, die schließlich in das Rechenzentrum geleitet wird. Diese Implementierung reduziert nicht den von der Elektronik benötigten volumetrischen Luftdurchsatz, aber sie reduziert die Temperatur der Luft, die zurück in das Rechenzentrum geblasen wird. Dieses Beispiel beschreibt ein flüssigkeitsgekühltes Rack, da Flüssigkeitsleitungen die Rackhülle kreuzen. Abbildung unten.
Noch eine andere Implementierung verwendet flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten, die Wasser, Dielektrika oder andere Arten von Kühlmitteln verwenden, die durch einen Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Wärmetauscher gekühlt werden, der die Abwärme an das Anlagenwasser abgibt. Die Abgabe der Abwärme an das Anlagenwasser kann über einen oder mehrere zusätzliche Flüssigkeitskreisläufe erfolgen, die schließlich an einem externen Kühlturm oder einer Kühlanlage enden. Diese Implementierung der Flüssigkeitskühlung reduziert die Menge an Abwärme, die an die Umgebung der Einrichtung abgegeben wird, und reduziert auch die volumetrische Luftstromrate, die von der Elektronik des Racks benötigt wird. Aus der Perspektive des Rechenzentrums beschreibt diese Implementierung flüssigkeitsgekühlte Racks und Elektronik, da Flüssigkeitsleitungen die Rackhülle durchqueren und auch in die Server selbst übergehen. Dieses System ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
FLÜSSIGKEITSKÜHLSYSTEME
Kühlsystem für Datacom-Geräte (DECS)
Dieses System reicht nicht über das IT-Rack hinaus. Es ist ein Kreislauf innerhalb des Racks, der die Wärmeübertragung von den wärmeerzeugenden Komponenten (CPU, Speicher, Netzteile usw.) zu einem ebenfalls im IT-Rack enthaltenen flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher durchführen soll. Einige Konfigurationen können diesen Kreislauf eliminieren und das Fluid von der Kühlmittelverteilungseinheit (CDU) direkt zur Last fließen lassen. Dieser Kreislauf kann in einphasigen oder zweiphasigen Wärmeübertragungsmodi funktionieren, die durch Wärmerohre, Thermosyphon, gepumpte Fluide und/oder Dampfkompressionskreisläufe erleichtert werden. Flüssigkeiten, die typischerweise in der Datenkommunikationsausrüstung verwendet werden, umfassen Wasser, Mischungen aus Ethylenglykol oder Propylenglykol und Wasser, Kühlmittel oder Dielektrika. Das Kühlsystem der Datenkommunikationsausrüstung würde mindestens einen Wärmesammelwärmetauscher sowie einen Wärmeableitungswärmetauscher umfassen und kann mit aktiven Komponenten wie Kompressor/Pumpe, Steuerventilen, elektronischen Steuerungen usw. weiter verbessert werden.
Technologiekühlsystem (TCS)
Dieses System würde sich normalerweise nicht über die Grenzen des IT-Raums hinaus erstrecken. Ausnahme ist eine Konfiguration, bei der sich die CDU außerhalb des Rechenzentrums befindet. Es dient als dedizierter Kreislauf, der für die Wärmeübertragung vom Kühlsystem der Datenkommunikationsgeräte in das Kühlwassersystem vorgesehen ist. Dieser Kreislauf wird dringend empfohlen, da er benötigt wird, um spezifische Flüssigkeitsqualitätsprobleme in Bezug auf Temperatur, Reinheit und Druck zu lösen, die von den Wärmetauschern in den Kühlsystemen der Datenkommunikationsgeräte benötigt werden. Flüssigkeiten, die typischerweise in dem Technologie-Kühlkreislauf verwendet werden, umfassen Wasser, Mischungen aus Ethylenglykol oder Propylenglykol und Wasser, Kältemittel oder Dielektrika. Dieser Kreislauf kann auch durch einphasige oder zweiphasige Wärmeübertragungsmodi funktionieren und kann die Übertragung durch Wärmerohre, Thermosiphon, gepumpte Fluide und/oder Dampfkompressionszyklen erleichtern. Das Technologie-Kühlsystem würde mindestens einen Wärmesammel-Wärmetauscher (wahrscheinlich integraler Bestandteil des Kühlsystems der Datenkommunikationsausrüstung), einen Wärmeabfuhr-Wärmetauscher sowie Verbindungsleitungen umfassen. Dieses System kann mit solchen aktiven Komponenten wie Kompressoren/Pumpen, Steuerventilen, elektronischen Steuerungen, Filtern, hydraulischem Zubehör usw. weiter verbessert werden.
Kaltwassersystem (CHWS)
Dieses System befindet sich typischerweise auf Einrichtungsebene und kann ein dediziertes System für die IT-Räume umfassen. Es besteht hauptsächlich aus dem System zwischen dem/den Kühler(n) des Rechenzentrums und der CDU. Das Kaltwassersystem würde die Kühlanlage, Pumpen, hydraulisches Zubehör und die erforderlichen Verteilerleitungen auf Anlagenebene umfassen. Die Kühlanlage würde typischerweise einen Dampfkompressionszyklus verwenden, um die Kaltwasserversorgungstemperatur (43°F–48°F/6°C–9°C) deutlich unter die Innenumgebungstemperatur (typischerweise 75°F/24°C und höher) zu kühlen bis und über 35 °C/95 °F). Das Kühlersystem kann ein gewisses Maß an Redundanz für kritische Komponenten wie Kühler, Kühltürme und Pumpen bieten.
DX-Geräte können auch im Kaltwassersystem verwendet werden. DX-Ausrüstung sorgt für eine direkte Wärmeableitung an die Atmosphäre und ist daher die letzte Schleife für diese Konstruktionsmethode. Zu den Einschränkungen gehören die Entfernung für die Split-Systeme und die Betriebskosten. Im Allgemeinen werden Systeme in den meisten Bereichen bei 400 Tonnen Kälte wirtschaftlich rentabel. Größere Systeme bevorzugen Nicht-DX-Designs, es sei denn, andere Umstände rechtfertigen einen umfangreicheren DX-Einsatz. Kleinere thermische Durchgriffsvorrichtungen können für Einzel- oder Sonderfälle innerhalb dieses Schleifendesigns eingeführt werden.
Kondensator-Wasser-System (CWS)
Dieses System besteht aus dem Flüssigkeitskreislauf zwischen den Kühltürmen und dem/den Kühler(n) des Rechenzentrums. Es befindet sich normalerweise auch auf Einrichtungsebene und kann ein dediziertes System für die IT-Räume enthalten oder nicht. Kondensatorwasserkreisläufe fallen typischerweise in eine von zwei grundlegenden Kategorien: auf Feuchtkugeln basierende oder auf Trockenkugeln basierende Systeme. Die auf Feuchtkugeln basierenden Kreisläufe funktionieren nach einem Verdunstungsprozess, wobei sie sich niedrigere Feuchtkugeltemperaturen zunutze machen und dadurch kühlere Kondensatorwassertemperaturen bereitstellen. Die auf Trockenkugeln basierenden Schleifen funktionieren basierend auf der Differenz der Temperatur des Kondensatorwasserkreislaufs gegenüber der Umgebungstemperatur der Trockenkugel. Um eine Wärmeübertragung mit dem auf Trockenkugeln basierenden System zu ermöglichen, muss der Kondensator-Wasserkreislauf eine Temperatur aufweisen, die wesentlich über der umgebenden Trockenkugeltemperatur liegt, um eine angemessene Wärmeübertragung von dem Kondensatorwasser in die Außenumgebungsluft zu ermöglichen. Zu diesen Kreisläufen gehören typischerweise: Außenwärmeabfuhrgerät (Kühlturm oder Trockenflüssigkeitskühler), Pumpen, Ausdehnungsgefäße, Hydronikzubehör und Verteilerrohre.
FLÜSSIGKEITSGEKÜHLTE RACKS UND SCHRÄNKE
Ein Rack oder Schrank gilt als flüssigkeitsgekühlt, wenn für den Betrieb Flüssigkeit zum und vom Rack oder Schrank zirkuliert werden muss. Die folgenden Abbildungen veranschaulichen die Kühlung auf Rack-/Schrankebene. Das erste ist ein einfaches luftgekühltes Rack. Die verbleibenden Abbildungen zeigen andere Optionen, die eine Flüssigkeitskühlung oder eine Kombination aus Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung verwenden. Die Abbildungen in diesem Abschnitt zeigen alle die Kühlmittelzu- und -rücklaufleitungen unter dem Doppelboden. Andere Einrichtungsimplementierungen können ermöglichen, dass solche Leitungen über dem Boden oder von der Decke geführt werden. Kühlmittelversorgungs- und -rückführungsanschlüsse für das Gestell/den Schrank können unten, seitlich oder oben sein.
Abbildung 2 zeigt eine Kombination aus luftgekühltem und flüssigkeitsgekühltem Rack oder Schrank, der das gekühlte Arbeitsmedium direkt von einem Punkt innerhalb des CHWS- oder CWS-Kreislaufs erhalten könnte. Eine Implementierung könnte die Elektronik luftgekühlt haben, wobei das Kühlmittel einen großen Prozentsatz der Abwärme über einen Wärmetauscher an der Hecktür abführt. Bei einer anderen Implementierung könnte das Kühlmittel an Punktkühler des Prozessors (eine Art Kühlplatte) geliefert werden, wobei der Rest der Elektronik luftgekühlt wird.
Abbildung 3 zeigt ein rein flüssigkeitsgekühltes Rack oder einen Schrank. Bei einem Beispiel einer solchen Implementierung kann die gesamte Elektronik in dem Gestell oder Schrank über Kühlplatten leitungsgekühlt sein. Dieses Kühlverfahren könnte Wasser, Kühlmittel oder ein anderes dielektrisches Kühlmittel als Arbeitsfluid verwenden. Bei einer anderen Implementierung kann die gesamte Elektronik über Flüssigkeitsdurchfluss (z. B. Sieden mit erzwungener Strömung), Strahlaufprall, Sprühkühlung oder ein anderes Verfahren gekühlt werden, das ein dielektrisches Kühlmittel einsetzt, um die Elektronik direkt zu kühlen. Noch eine weitere Implementierung würde ein vollständig geschlossenes Gestell umfassen, das Luft als Arbeitsmedium und einen Luft-zu-Flüssigkeit-Wärmetauscher verwendet.
Abbildung 4 zeigt eine Kombination aus luftgekühltem und flüssigkeitsgekühltem Rack oder Schrank mit einer externen CDU. Wie der Name schon sagt, konditioniert die CDU das Kühlmittel des Technology Cooling Systems (TCS) oder des Datacom Equipment Cooling Systems (DECS) auf verschiedene Weise und zirkuliert es durch die TCS- oder DECS-Schleife zum Rack, Schrank oder zur Datacom-Ausrüstung. Diese Implementierung ähnelt der von Fig. 2, mit der Ausnahme, dass es nun eine CDU zwischen der Versorgung auf Anlagenebene (CHWS oder CWS) mit gekühltem Fluid und dem Gestell oder Schrank gibt. Diese Implementierung ermöglicht es der CDU, das an das Gestell oder den Schrank gelieferte Kühlmittel auf eine Temperatur über dem Taupunkt der Einrichtung zu konditionieren.
Abbildung 5 zeigt eine rein flüssigkeitsgekühlte Rack- oder Schrankimplementierung. Diese Implementierung ähnelt der von Fig. 3 sowie Fig. 4, wo eine externe CDU enthalten ist.
Die Fig. 6 und 7 sind die endgültigen Implementierungen, die in diesem Abschnitt diskutiert werden. Diese Implementierungen haben viel gemeinsam mit den Implementierungen der Fig. 4 bzw. 5. Ein offensichtlicher Unterschied ist die Tatsache, dass die in den Abbildungen 6 und 7 gezeigten Gestelle oder Schränke jetzt dedizierte CDUs, dh interne CDUs, besitzen. Die CDUs werden unten im Rack angezeigt, aber andere Konfigurationen könnten sie an der Seite oder oben am Rack enthalten. Diese Implementierung bietet dem Rechenzentrumsbetreiber mehr Flexibilität, da die Racks oder Schränke ihre Kühlmittel nun je nach Arbeitsbelastung oder der darin enthaltenen Elektronik auf sehr unterschiedliche Bedingungen konditionieren können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nun je nach Auslastung oder Elektroniktyp unterschiedliche Kühlmittel (z. B. Wasser, Kältemittel, Dielektrikum) in den verschiedenen Racks eingesetzt werden können.
Liquid Cooling Guidelines for Datacom Equipment Centers – ASHRAE und Zusammenarbeit mit TC 9.9, Mission Critical Facilities, Technology Spaces, and Electronic Equipment.
