Rechenzentrumskühlung: Energieverbrauch um 80 % senken mit Kick-&-Drop-Magnetventilen

Greg Wainhouse, Regional Business Development Manager – Industrial Water, Nordeuropa

In heutigen hochdichten Rechenzentren ist direkte Chip-Flüssigkühlung essenziell, um die Wärme von Hochleistungsprozessoren, KI-Workloads und Cloud-Infrastruktur zu managen. Im Kern dieser Systeme stehen schnell schaltende Magnetventile, die präzise Durchflusssteuerung liefern, Server-Überhitzung verhindern und ununterbrochene Verfügbarkeit sicherstellen.

Zwar lebenswichtig, doch die permanente Erregung der Magnetventile fügt erheblichen Energiebedarf und Betriebskosten hinzu. Über Tausende von Servern, die 24/7 laufen, können selbst kleine Effizienzgewinne bei Ventilen substantielle Einsparungen bringen und die Nachhaltigkeit verbessern.

Kick-&-Drop-Spulentechnologie adressiert diese Herausforderung. Durch einen hochenergetischen „Kick“ zur Betätigung des Ventils und eine niedrigenergetische „Drop“-Phase zum Halten der Position kann das System den Ventilstromverbrauch um bis zu 80 % reduzieren und Betreibern helfen, Effizienzziele zu erreichen und CO₂-Fußabdrücke zu senken.

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Greg Wainhouse erklärt:

Die wachsende Bedeutung effizienter Rechenzentrumskühlung

Effektives Thermomanagement ist das Rückgrat zuverlässiger Rechenzentrumsoperationen. Ohne präzise Kühlung können Server überhitzen, was Leistung degradiert, Gerätelebensdauer verkürzt und Ausfallrisiken erhöht.

Direkte Chip-Kühlung ist für viele moderne Anlagen die bevorzugte Methode. Hierbei wird die von Server-Mikrochips erzeugte Wärme direkt in Kaltplatten geleitet, die auf jedem Prozessor montiert sind. Ein Wasser-Glykol-Gemisch zirkuliert durch diese Platten und entfernt Wärme durch forcierte Konvektion.

Das erhitzte Kühlmittel fließt dann über einen Verteiler zu einem Kühler oder Wärmetauscher, wo es abgekühlt wird, bevor es für den nächsten Zyklus zu den Kaltplatten zurückkehrt.

Die Aufrechterhaltung ausreichenden Kühlmitteldurchflusses ist kritisch. Magnetventile werden bevorzugt, da sie die schnelle Reaktion bieten, die nötig ist, um den sich ständig ändernden Anforderungen von CPUs gerecht zu werden, die innerhalb von Millisekunden von Leerlauf auf Volllast hochfahren können. Ihre elektrische Steuerung ermöglicht automatische Reaktionen auf Temperatursensor-Signale, und ihr kompaktes Design passt in den begrenzten Raum von Kaltplatten-Verteilern.

Die Energieherausforderung verstehen

In einem typischen Enterprise-Server gibt es ein oder zwei CPUs pro Mainboard und bis zu acht GPUs, jede mit dedizierter Kühlung. Fortgeschrittenere Systeme können Dutzende Prozessoren enthalten, jeweils mit eigener Kaltplatte und Ventilanordnung.

Multipliziert man dies über hunderte Server in einem Rack und tausende in einer Anlage, wird die Anzahl der Ventile substanziell, was ihren Energieverbrauch zu einem Schlüsselfaktor für Betriebskosten und Nachhaltigkeitsperformance macht.

Traditionelle Magnetventile nutzen eine einzelne Spule, die ein kontinuierliches Magnetfeld erzeugt, das Ventil in Position zu bewegen und dort zu halten. Um die Position zu halten, muss das Ventil permanent der Rückstellfeder und dem Fluiddruck entgegenwirken und rund um die Uhr erregt bleiben.

Wie Kick-&-Drop-Technologie funktioniert

Bürkerts Kick-&-Drop-Technologie eliminiert diese Ineffizienz mit einem intelligenteren Spulendesign, das den Energiebedarf pro Ventil um bis zu 80 % senken kann.

Das System nutzt zwei Spulenwicklungen, die in einer einzigen Epoxidspule gekapselt sind und in Reihe geschaltet sind. Statt konstanter Leistung liefert es einen Hochspannungs-„Kick“, um das Ventil rasch in Position zu bewegen – die Betätigungsphase. Dies dauert ca. 500 ms, schnell genug, um mit schnellen Temperaturänderungen Schritt zu halten.

Einmal positioniert, initiiert die zweite Wicklung die „Drop“-Phase und hält den Anker mit deutlich geringerer Spannung und weit weniger Energie. Die übererregte Anzugswicklung erzeugt eine sehr hohe Anlaufleistung, nutzt ca. 85 % der Energie, um den Anker schnell zu bewegen, und nur ca. 15 % zum Halten des offenen Ventils.

Diese Übererregung liefert auch bis zu 200 % mehr Betätigungsleistung als konventionelle Designs, was höhere Betriebsdrücke ermöglicht.

Für kontinuierlich laufende Rechenzentren sind die kumulierten Einsparungen substanziell. Über große Installationen mit hunderten oder tausenden Ventilen kann die Reduzierung des Energieverbrauchs um bis zu 80 % Betriebskosten und CO₂-Emissionen spürbar senken.

Bürkert bietet einen Kick-&-Drop Energie- und CO₂-Rechner zur Abschätzung sowohl von Energieeinsparungen als auch CO₂-Reduktionspotenzial.

Verbesserte Haltbarkeit und thermische Performance

Über Energieeinsparungen hinaus erhöht Kick-&-Drop-Technologie die Haltbarkeit – ein kritischer Faktor in missionskritischer Kühlung.

Geringerer Energiebedarf reduziert Wärmeerzeugung und verbessert das Thermomanagement in der gesamten Ventilbaugruppe. Medien-Erwärmung wird begrenzt, und die maximal erreichbare Temperatur wird auf 55 °C begrenzt, was Verkalkungsrisiken in Systemen mit gereinigtem Wasser mindert.

Reduzierte Betriebstemperaturen verringern auch thermische Belastung an Schlüsselkomponenten, verlängern die Lebensdauer, reduzieren Wartung und minimieren überhitzungsbedingte Ausfälle.

Vergleich: Kick-&-Drop vs. Proportionalsteuerung

Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine alternative Methode, die Magnetventile ein- und ausschaltet, um den Mittelstrom zu steuern. Zwar kann PWM den Energieverbrauch gegenüber permanent erregten Ventilen senken, doch führt sie zusätzliche Hardware, Komplexität, Vibration und hörbares Geräusch ein – Faktoren, die langfristige Zuverlässigkeit und Arbeitskomfort beeinträchtigen können.

Im Gegensatz dazu bewahrt Kick-&-Drop Einfachheit und Robustheit und liefert schnelle Reaktion ohne die Nachteile schnellen Schaltens.

Integrierte Verteilerlösungen für direkte Chip-Kühlung

Ventile sind nur ein Teil des Kühlbildes. Verteilerintegration beeinflusst die Performance erheblich.

Bürkerts Engineering-Team entwickelt maßgeschneiderte Verteiler, die direkt mit Kaltplatten und Kühlinfrastruktur integriert sind, und bieten kompakte Fußabdrücke und präzise Passform. Integrierte Lösungen straffen Produktentwicklung, reduzieren Projektkomplexität und beschleunigen Bereitstellung bei Zusammenarbeit mit einem einzigen Lieferanten für Ventile und Verteiler.

Unterstützung der Zukunft leistungsstarker Rechenzentren

Der globale Rechenzentrumsmarkt expandiert rasant, getrieben durch KI, Cloud Computing, HPC und wachsende digitale Nachfrage. Mit steigenden Prozessor-Dichten und anspruchsvolleren Workloads wird effizientes Thermomanagement zunehmend kritisch.

Direkte Chip-Kühlung wird eine zentrale Rolle bei der Erfüllung dieser Bedürfnisse spielen und die präzise Wärmeabfuhr für nächste Generationen Infrastruktur bereitstellen. Magnetventil-Technologie bleibt essenziell, da sie schnelle, automatisierte Durchflusssteuerung liefert, die hochwertige Prozessoren vor schnellen Lastschwankungen schützt.

Betreiber stehen unter wachsendem Druck, Energieverbrauch zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die Effizienzsteigerung jeder Komponente im Kühlkreislauf ist daher paramount. Kick-&-Drop-Technologie bietet die Geschwindigkeit, den geringen Stromverbrauch und die Haltbarkeit, die für zuverlässige, umweltverträgliche Rechenzentrumsoperationen nötig sind.

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