Überwachung der Propylenglykolkonzentration in Kühlsystemen von Rechenzentren

SCHMIDT + HAENSCH bietet Lösungen zur Inline-Refraktometrie für die kontinuierliche Überwachung der Propylenglykolkonzentration in flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren. Durch die direkte Messung von Brechungsindex und Temperatur im Kühlkreislauf bestimmt der iCS² PG Inline Concentration Sensor die PG-Konzentration in Echtzeit und hilft dabei, Verdünnung, Konzentrationsabweichungen und eine fehlerhafte Kühlmittelnachspeisung frühzeitig zu erkennen. Eine zuverlässige Kontrolle der Glykolkonzentration unterstützt einen stabilen Kühlmittelfluss, eine effiziente Wärmeübertragung, den Frost- und Korrosionsschutz, die Kontrolle mikrobiellen Wachstums sowie den zuverlässigen Betrieb kritischer CDU- und Direct-to-Chip-Kühlkreisläufe.

Warum die Propylenglykolkonzentration bei der Kühlung von Rechenzentren entscheidend ist

Rechenzentren sind eine grundlegende Voraussetzung für den unterbrechungsfreien Betrieb der heutigen digitalen Infrastruktur. Künstliche Intelligenz (KI), High Performance Computing (HPC) und zunehmend leistungsdichte Serverkonfigurationen führen zu immer höheren Leistungs- und Wärmedichten in Server-Racks. Dadurch ist die Kühlung zu einem der entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit der Infrastruktur, die Rechenleistung und die Betriebseffizienz geworden. Herkömmliche Luftkühlung stößt bei diesen hohen und dauerhaft anliegenden Wärmelasten zunehmend an ihre Grenzen. Direct Liquid Cooling (DLC), insbesondere Direct-to-Chip-Kühlung mit Cold Plates, überträgt die Wärme direkt von den Prozessoren auf ein zirkulierendes Kühlmedium. Solche Systeme können Rack-Leistungen von 100 kW und mehr unterstützen. Das Kühlmedium muss dabei jedoch durch äußerst enge Kanäle in unmittelbarer Nähe der wärmeerzeugenden Komponenten strömen. Eine stabile Kühlmittelzusammensetzung und eine zuverlässige Fluidqualität sind daher von entscheidender Bedeutung. Propylenglykol(PG)/Wasser-Gemische werden in diesen Kühlsystemen häufig als Wärmeträgerflüssigkeit eingesetzt. Neben dem Frost- und Korrosionsschutz trägt PG dazu bei, mikrobielles Wachstum zu unterdrücken. Bei einer typischen Konzentration von etwa 25 % PG kann biologisches Wachstum unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen wirksam kontrolliert werden. Dies ist insbesondere in den sensiblen Kühlkreisläufen innerhalb des Rechenzentrums relevant, da mikrobielles Wachstum und Biofilmbildung die sehr engen Kühlkanäle einschränken oder sogar blockieren können. Die kontinuierliche Messung des Brechungsindex mit einem Inline-Refraktometer bietet eine effektive Methode zur Überwachung der PG-Konzentration in Echtzeit. Da der Brechungsindex (RI) temperaturabhängig ist, werden sowohl der Brechungsindex als auch die Kühlmitteltemperatur gemessen und gemeinsam ausgewertet, um die tatsächliche PG-Konzentration zu bestimmen. Durch die kontinuierliche Überwachung dieses kritischen Parameters direkt im Kühlkreislauf trägt ein Inline-Refraktometer wesentlich dazu bei, stabile Kühlmittelbedingungen aufrechtzuerhalten und eine zuverlässige, unterbrechungsfreie Kühlung dieser hochsensiblen und kritischen Rechenzentrumsinfrastruktur sicherzustellen.

Kühlung vom White Space über den Grey Space bis in den Außenbereich

Die Kühlung eines Rechenzentrums lässt sich in drei Funktionsbereiche unterteilen: White Space, Grey Space und Black Space bzw. Außenbereich. Im White Space befinden sich die IT-Systeme und CDUs. Die von den Prozessoren erzeugte Wärme wird vom Flüssigkeitskühlkreislauf aufgenommen und über die CDUs an das gebäudeseitige Kühlsystem übertragen. Der Grey Space umfasst unterstützende Infrastruktur wie Pumpen, Kältemaschinen, Wärmetauscher, USV-Systeme, Schaltanlagen und Gebäudemanagementsysteme. Die aus den Kühlkreisläufen des White Space aufgenommene Wärme wird über diese Infrastruktur in Richtung des gebäudeseitigen Wärmeabfuhrsystems weitergeleitet. Der Black Space bzw. Außenbereich umfasst schließlich die Versorgungsinfrastruktur und außenliegende Systeme zur Wärmeabfuhr. Die ursprünglich von den Prozessoren erzeugte Wärme wird letztlich an die Umgebung abgegeben. Vereinfacht dargestellt verläuft der thermische Pfad daher wie folgt: Chip / Server → Cold Plate → CDU → Kühlsystem im Grey Space → Wärmeabfuhr an die Außenumgebung Jeder Kühlkreislauf stellt unterschiedliche Anforderungen an den Betrieb. Überall dort, wo ein Glykol/Wasser-Gemisch eingesetzt wird, ist die Kontrolle der Konzentration relevant. Besonders kritisch sind jedoch der White Space und insbesondere die Kühlkreisläufe der CDUs.

Warum die Propylenglykolkonzentration kontrolliert werden muss

Eine präzise PG-Konzentration ist nicht nur eine Spezifikation des Kühlmittels, sondern ein kritischer Betriebsparameter. Eine typische PG-basierte Wärmeträgerflüssigkeit kann etwa 25 % Propylenglykol enthalten, während hochreines Wasser den überwiegenden Teil der Wärmeübertragung übernimmt. Sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige Konzentration kann erhebliche Auswirkungen haben. Eine zu hohe PG-Konzentration verursacht unnötige Kosten und reduziert die thermische Effizienz. Höhere Glykolkonzentrationen erhöhen die Viskosität und damit die Anforderungen an die Pumpenleistung, während gleichzeitig die Wärmekapazität des Kühlmittels sinkt. Der Einsatz von mehr PG als erforderlich kann daher sowohl Glykol als auch Energie unnötig verbrauchen. Eine zu niedrige PG-Konzentration kann deutlich kritischer sein. PG trägt zur biologischen Stabilität bei und hemmt mikrobielles Wachstum. Sinkt die Konzentration zu stark ab, können sich Mikroorganismen und Algen vermehren und Biofilme bilden. In den engen Kühlkanälen von Cold Plates und Verteilern können solche Ablagerungen den Kühlmittelfluss einschränken und einzelne Kanäle schließlich vollständig blockieren. Die Folgen können erheblich sein. Kann das Kühlmittel eine Cold Plate nicht mehr ausreichend durchströmen, lässt sich die Wärme nicht mehr effektiv vom Prozessor abführen. Die Chiptemperatur steigt, Leistung und Zuverlässigkeit des Servers werden beeinträchtigt und im Extremfall können kostspielige Prozessoren oder andere Komponenten beschädigt werden. Die Kontrolle der Kühlmittelkonzentration ist daher besonders wichtig, da Rechenzentren kritische Infrastrukturen mit äußerst sensiblen thermischen Betriebsbedingungen sind. Die Kühlung muss kontinuierlich verfügbar sein und die Temperaturen der Server dürfen ihre zulässigen Betriebsgrenzen nicht überschreiten.

Warum eine kontinuierliche Überwachung entscheidend ist

Manuelle Probenahmen können Informationen über die Kühlmittelkonzentration zu einem bestimmten Zeitpunkt liefern, Konzentrationsänderungen jedoch nicht kontinuierlich erfassen. In kritischer Rechenzentrumsinfrastruktur sollten Abweichungen idealerweise erkannt werden, bevor sie die Kühlleistung beeinträchtigen können. Ein Inline-Prozessrefraktometer misst direkt im zirkulierenden Kühlmedium. Das Gerät erfasst kontinuierlich den Brechungsindex des PG/Wasser-Gemisches und kann Verdünnung, Konzentrationsdrift, eine fehlerhafte Nachspeisung oder andere Abweichungen vom vorgegebenen Betriebsbereich unmittelbar erkennen. Die kontinuierliche Überwachung ist insbesondere für CDU-Kreisläufe von Bedeutung, da diese die engen Kanäle von Cold Plates und Verteilern in hochdichten Serversystemen versorgen. Idealerweise sollten alle drei relevanten Kühlebenen überall dort mit einer Konzentrationsüberwachung ausgestattet werden, wo Glykol/Wasser-Gemische eingesetzt werden. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Kreisläufen im White Space. Zusätzlich sollte jede einzelne CDU mit einem eigenen Sensor überwacht werden, sodass Konzentrationsabweichungen lokal erkannt werden können und nicht erst auf Ebene der gesamten Anlage. Dadurch entsteht eine kontinuierliche Messkette von den hochsensiblen Serverkühlkreisläufen über die gebäudeseitige Infrastruktur bis hin zu glykolhaltigen Außen- oder Wärmeabfuhrkreisläufen.

Bestimmung der PG-Konzentration anhand von Brechungsindex und Temperatur

Der Brechungsindex eines Propylenglykol/Wasser-Gemisches verändert sich systematisch mit dessen Zusammensetzung. Dieser Zusammenhang macht die Refraktometrie besonders geeignet für die kontinuierliche Konzentrationsmessung. SCHMIDT + HAENSCH hat hierfür eine anwendungsspezifische Konzentrationskurve erstellt. Die PG-Konzentration wird aus der Kombination des gemessenen Brechungsindex und der Temperatur berechnet. Ein Inline-Refraktometer führt diese Messung kontinuierlich direkt im Kühlmittelstrom durch und wandelt das optische Messsignal zusammen mit den Temperaturinformationen in einen Konzentrationswert in Echtzeit um. Dies ermöglicht eine automatisierte Überwachung, ohne ausschließlich auf manuelle Probenahmen angewiesen zu sein.

Warum die richtige PG-Konzentration die Kühlleistung schützt

Die Einhaltung der richtigen PG-Konzentration bietet mehrere betriebliche Vorteile:

• Unterdrückung mikrobiellen Wachstums und verbesserte biologische Stabilität
• Reduziertes Risiko von Biofilmbildung und blockierten Mikrokanälen
• Stabiler Kühlmittelfluss durch Cold Plates und Verteiler
• Zuverlässige Wärmeübertragung von den Prozessoren
• Bedarfsgerechter Frost- und Korrosionsschutz
• Reduzierung eines unnötig hohen Glykolverbrauchs
• Geringerer hydraulischer Widerstand im Vergleich zu überhöhten PG-Konzentrationen
• Verbesserte Pumpen- und Gesamteffizienz des Kühlsystems
• Sofortige Erkennung von Verdünnung oder fehlerhafter Kühlmittelnachspeisung
• Erhöhte Zuverlässigkeit kritischer Rechenzentrumsinfrastruktur

iCS² PG Inline Concentration Sensor für die Kühlung von Rechenzentren

Für die kontinuierliche Überwachung glykolbasierter Kühlflüssigkeiten bietet SCHMIDT + HAENSCH den iCS² PG Inline Concentration Sensor. Direkt in den Kühlkreislauf integriert, bestimmt das kompakte Prozessrefraktometer kontinuierlich die Propylenglykolkonzentration und stellt Betreibern und Leitsystemen Konzentrationswerte in Echtzeit zur Verfügung, ohne dass eine fortlaufende manuelle Probenahme erforderlich ist. Im White Space kann der Sensor einzelne CDU-Kreisläufe überwachen, die hochdichte Server-Racks und Direct-to-Chip Cold Plates versorgen. Dies stellt einen besonders kritischen Messpunkt dar, da eine fehlerhafte Kühlmittelzusammensetzung die Wärmeabfuhr von kostspieliger IT-Hardware unmittelbar beeinträchtigen kann. In den gebäudeseitigen Kreisläufen des Grey Space kann die Konzentrationsüberwachung sicherstellen, dass der Glykolanteil innerhalb des vorgegebenen Betriebsbereichs für einen zuverlässigen Frost-, Korrosions- und biologischen Schutz bleibt. Auch Außen- und Wärmeabfuhrkreisläufe können überall dort überwacht werden, wo Glykol zum Schutz bei niedrigen Temperaturen erforderlich ist. Über die Modbus-RTU-Schnittstelle kann der Sensor in bestehende Prozess- und Rechenzentrumsleitsysteme integriert werden. Dadurch lassen sich Abweichungen von der vorgegebenen Konzentration unmittelbar erkennen und entsprechende Korrekturmaßnahmen einleiten.

Vorteile der kontinuierlichen Überwachung der Propylenglykolkonzentration

Die kontinuierliche refraktometrische Überwachung bietet wichtige Vorteile für moderne flüssigkeitsgekühlte Rechenzentren:

• Kontinuierliche Überwachung der PG-Konzentration in Echtzeit
• Temperaturkompensierte Brechungsindexmessung
• Konzentrationsberechnung auf Basis von Brechungsindex und Temperatur
• Schnelle Erkennung von Verdünnung und Konzentrationsdrift
• Individuelle Überwachung kritischer CDU-Kreisläufe
• Reduzierter Aufwand für manuelle Probenahmen und Laboranalysen
• Schutz vor zu hohen oder zu niedrigen Glykolkonzentrationen
• Unterstützung einer optimierten Pumpenleistung und Wärmeübertragungseffizienz
• Unterstützung von Strategien zum Frost-, Korrosions- und biologischen Schutz
• Direkte Integration in Leitsysteme von Rechenzentren
• Keine beweglichen Messkomponenten
• Robustes optisches Messprinzip
• Verbesserte Kühlmittelkonstanz und Systemzuverlässigkeit