Die Flüssigkeitskühlung für Rechenzentren ist der Einsatz einer zirkulierenden Flüssigkeit statt Luft, um Wärme von Prozessoren direkt am Chip abzuleiten. Da die Leistungsdichten von Servern steigen, setzen Cloud-Dienstanbieter und Gerätehersteller sie ein, um die thermischen Lasten leistungsstarker Prozessoren und dicht gepackter Computerhardware zu bewältigen.
In glykolbasierten Kühlkreisläufen muss der Zustand des Kühlmittels überwacht werden, um die Systemzuverlässigkeit, den Korrosionsschutz und eine stabile thermische Leistung zu gewährleisten. pH und Leitfähigkeit sind zwei wichtige Parameter, die verwendet werden, um den Zustand des Kühlmittels in diesen Systemen zu überwachen.
Rechenzentren spielen eine zunehmend wichtige Rolle in der globalen digitalen Infrastruktur. Cloud Service Provider (CSPs) wie Google, Microsoft, Amazon, Meta, Alibaba und Tencent investieren in Hyperscale-Anlagen, um den wachsenden Anforderungen an KI und Rechenleistung gerecht zu werden.
Moderne KI-Chips erzeugen inzwischen jeweils über 1.000 W Wärme und treiben die Dichte von Server-Racks auf 100 kW oder mehr. Graphics Processing Units (GPUs) werden dichter gepackt als je zuvor, was eine thermische Herausforderung schafft, die oft die praktischen Grenzen konventioneller Luftkühlung überschreitet. Um dies zu überwinden, verlagert sich die Branche rasch auf Flüssigkühlung. In diesem Übergang wird einphasige Direct Liquid Cooling (DLC) zum Standard für den Einsatz hochdichter Server.
Grundverständnis der Power Usage Effectiveness
Bevor man Luftkühlung und Flüssigkühlung vergleicht, ist Power Usage Effectiveness (PUE) ein wichtiger Begriff zum Verständnis. Per Definition ist PUE die branchenübliche Kennzahl zur Messung der Energieeffizienz von Rechenzentren. Sie wird berechnet, indem die gesamte Anlagenleistung durch die von IT-Geräten (Servern, Speicher- und Netzwerktechnik) verbrauchte Leistung geteilt wird.
PUE = Gesamtenergie der Anlage / Energie der IT-Geräte
Wenn beispielsweise ein Rechenzentrum insgesamt 150 kW Leistung verbraucht und die IT-Geräte 100 kW verbrauchen, ergibt sich folgende PUE:
PUE = 150 kW/100 kW = 1,5.
Eine ideale PUE ist 1,0, was bedeutet, dass jede in das Gebäude eingehende Wattzahl direkt für Rechenprozesse genutzt wird. Alles über 1,0 steht für „Overhead“, der für Infrastruktur wie Kühlung, Beleuchtung und Stromverteilung aufgewendet wird. Eine PUE von 1,5 bedeutet daher, dass für jedes von Servern genutzte 1,0 kW zusätzlich 0,5 kW für unterstützende Systeme verwendet werden. Da Rechenzentren so viel Energie verbrauchen, müssen CSPs eine Genehmigung für ihren Bau einholen. Behörden haben Vorschriften erlassen, die niedrige PUE-Werte verlangen. In einem herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentrum entfallen typischerweise 30 % bis 40 % der Gesamtleistung der Anlage auf die Kühlung. Um eine niedrigere PUE zu erreichen, setzen CSPs auf Flüssigkühlung.
Luftkühlung nutzt Ventilatoren, um Umgebungsluft über die Komponenten zu leiten. Da Luft eine geringe volumetrische Wärmekapazität hat, ist dieser Ansatz weniger effizient und führt häufig zu PUE-Werten im Bereich von 1,4 bis 1,6. Im Gegensatz dazu verwendet Flüssigkühlung Flüssigkeiten mit nahezu 3.500-mal höherer Wärmetransportkapazität als Luft. Die Wärme direkt am Chip über Kühlplatten aufzunehmen, macht energieintensive Ventilatoren und eine Kühlung auf Raumebene überflüssig. Diese Effizienzsteigerung reduziert den Kühlungs-Overhead erheblich, ermöglicht eine hohe Serverdichte und senkt die PUE auf einen Bereich von 1,2 oder darunter, wodurch sowohl die Energiekosten als auch der CO2-Fußabdruck verringert werden. Obwohl Flüssigkühlung die PUE verbessert, bringt sie auch neue betriebliche und materialbezogene Risiken mit sich, die ein robustes Kühlmittel-Monitoring erfordern.
Der Umstieg auf Flüssigkeitskühlung bringt erhebliche physische und betriebliche Risiken mit sich, vor allem im Zusammenhang mit Kühlmittelleckagen und dem daraus resultierenden Potenzial für schwerwiegende Hardwareausfälle.
Mechanische Ausfälle treten häufig an Schnellkupplungen aufgrund von fehlerhaftem Sitz oder verschlissenen O-Ringen auf. Zudem kann die ständige Vibration leistungsstarker Pumpen in Verteilern und dünnwandigen Kaltplatten zu Ermüdungsrissen führen.
Über den physischen Verschleiß hinaus stellt auch der Abbau des Kühlmittels ein Risiko dar, das berücksichtigt werden muss. Glykolbasiertes Kühlmittel erfordert eine sorgfältige Überwachung, um Korrosion und Schäden an der Serverhardware zu vermeiden.
Die Echtzeit-Flüssigkeitsüberwachung sollte als integraler Bestandteil der Architektur des Kühlkreislaufs und nicht als Zusatzfunktion betrachtet werden.
Die Richtlinien des Open Compute Project (OCP) nennen die Überwachung von pH-Wert, Leitfähigkeit, 25 % Propylenglykol-(PG25)-Konzentration, Durchfluss, Temperatur und Partikeln als praktische Grundlage.
Daher werden pH- und Leitfähigkeitssensoren häufig in der Cooling Distribution Unit (CDU) als primäre Mittel zur Überwachung des Kühlmittelzustands installiert. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit werden an kritischen Kontrollpunkten redundante Sensoren empfohlen.
Im September 2025 veröffentlichte NVIDIA CDU-Anforderungen, die Empfehlungen zur Überwachung der Kühlmittelqualität enthielten. Die Anforderungen benennen pH, Leitfähigkeit und Trübung als drei wesentliche Parameter für die Überwachung der Kühlmittelqualität.
Glykolbasierte Kühlmittel werden typischerweise mit salzbasierten Korrosionsinhibitoren als wesentlichen Bestandteilen formuliert. Ohne sie würden die Kühlmittel das Kühlsystem durch einen Prozess namens elektrochemische Korrosion stark beschädigen. Inhibitoren in Kühlmitteln schützen die Kühlsysteme durch zwei Hauptmechanismen:
Alkalische Puffer neutralisieren organische Säuren, die sich beim Abbau von Glykol im Laufe der Zeit natürlicherweise bilden, und halten das Kühlmittel stabil und nicht korrosiv.
Der InPro™ 4260i-pH-Sensor ist für den Einsatz in Kühlmittelanwendungen konzipiert. Bei Sensoren mit herkömmlichen Keramikmembranen können die kleinen Poren durch von Komponenten freigesetzte feine Partikel schnell verstopfen. Dies führt zu unzuverlässigen Messungen, da eine Verschmutzung der Membran unerwünschte Diffusionspotenziale verursacht, die die Messwerte verfälschen.
Der InPro 4260i verfügt über Xerolyt™, einen festen Polymerelektrolyten, der den Einsatz einer Membran überflüssig macht. Stattdessen ist das Referenzsystem über eine offene Verbindungsstelle mit dem Messmedium verbunden. Die extrem feinen Partikel, die sich in den Verbindungsstellen ablagern, können dann entweder durch die Strömung der Flüssigkeit im Prozess oder durch periodisches Spülen entfernt werden.
UniCond™-Leitfähigkeitssensoren mit integriertem Messkreis und Temperatursensor eignen sich gut für Glykol-basierte Kühlsysteme, die eine genaue Leitfähigkeits- und Temperaturmessung erfordern. Darüber hinaus kombiniert METTLER TOLEDO anerkannte, standardisierte mechanische Konfigurationen mit Temperaturkompensationsalgorithmen für die Leitfähigkeitsmessung und bietet bis zu 10 voreingestellte Algorithmen, darunter einen für Ethylenglykol.
Sowohl 2-Elektroden- als auch 4-Elektroden-UniCond-Leitfähigkeitssensoren eignen sich für Glykol-basierte Kühlmittelanwendungen, je nach den spezifischen Konstruktionsvorlieben und Anforderungen des Kühlkreislaufs.
Bezüglich der Prozessanschlüsse sind leitungslose Leitfähigkeitssensoren erhältlich, um Bedenken im Zusammenhang mit schrägem Einschrauben, Leckagen, Tropfenbildung und dem Risiko einer Verunreinigung des Systems durch Gewindedichtmittel oder PTFE-Band zu adressieren.
In solchen Fällen ist ein Leitfähigkeitssensor mit Tri-Clamp eine Alternative, die eine leckagebeständige und einfach zu installierende Lösung bietet, welche diese Bedenken adressiert und gleichzeitig die Messleistung aufrechterhält.
Sowohl die genannten pH- als auch die Leitfähigkeitssensoren sind digital und mit der Intelligent Sensor Management (ISM™)-Technologie von METTLER TOLEDO ausgestattet. Die Plug-and-Measure-Funktion von ISM sorgt für eine schnelle, fehlerfreie Inbetriebnahme und höhere Messzuverlässigkeit.
Darüber hinaus bietet ISM eine vorausschauende Sensor-Diagnose für eine effiziente routinemäßige Wartung, die im Voraus geplant werden kann, wodurch unerwartete Ausfallzeiten an Messstellen vermieden werden.
Da Rechenzentren auf Flüssigkeitskühlung angewiesen sind, um höhere Wärmelasten und eine größere Rack-Dichte zu unterstützen, wird eine zuverlässige Kühlmittelüberwachung zu einem Kernbestandteil des Systemdesigns. Da diese Einrichtungen für den Betrieb mit nur geringem Eingriff vor Ort ausgelegt sind, sind Sensorrobustheit, Messstabilität und Wartungseffizienz zentrale Anforderungen.
Für glykolbasierte Kühlmittel bedeutet dies, den pH-Wert im Hinblick auf den alkalischen Betriebsbereich der Formulierung zu überwachen, typischerweise pH 8,0 bis 10,5, und die Leitfähigkeit gegen eine definierte Ausgangsbasis statt gegen einen festen Grenzwert zu trendieren. Der pH-Sensor InPro 4260i und der Leitfähigkeitssensor UniCond erfassen beide Parameter und helfen Betreibern dabei, den Zustand des Kühlmittels zu überwachen, die Korrosionskontrolle zu unterstützen und eine gleichbleibende thermische Leistung aufrechtzuerhalten.
Bryant Wai is an industry expert with over a decade of experience in analytical instrumentation and process applications. Additionally, he is central to METTLER TOLEDO's data center cooling segment. Bryant has extensive experience across the entire value chain - working closely with system fabricators, integrators, and end-users. His deep technical proficiency ensures customers receive high-performance measurement solutions.