Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren & Dichtungslösungen

Jedes Mal, wenn wir ein Video streamen, Fotos in der Cloud speichern, online einkaufen oder eine Nachricht senden, arbeiten Rechenzentren im Hintergrund. Diese Einrichtungen beherbergen Tausende von Servern, welche die von Einzelpersonen und Unternehmen weltweit genutzten digitalen Informationen verarbeiten und speichern.

All diese Server erzeugen im laufenden Betrieb erhebliche Mengen an Wärme. Traditionell verlassen sich Rechenzentren auf Luftkühlungssysteme, um diese Wärme abzuführen und den sicheren Betrieb der Anlagen zu gewährleisten.

Mit dem stetigen Wachstum digitaler Dienste müssen Rechenzentren jedoch eine immer höhere Rechenleistung bewältigen. Dieser Trend hat sich durch den rasanten Anstieg von KI-Anwendungen und Large Language Models (LLMs), die deutlich mehr Rechenkapazität als herkömmliche Arbeitslasten beanspruchen, weiter beschleunigt.

Um diese Leistungsfähigkeit bereitzustellen, werden Server mit immer leistungsstärkeren Prozessoren ausgestattet. Diese Chips verbrauchen immense Strommengen, wovon ein Großteil während des Betriebs als Wärme freigesetzt wird.

Darüber hinaus installieren Rechenzentrumsbetreiber oft mehr Rechenleistung innerhalb desselben Server-Racks, um den verfügbaren Raum optimal zu nutzen. Infolgedessen entsteht auf immer engerem Raum mehr thermische Energie, sodass eine reine Luftkühlung an ihre physikalischen Grenzen stößt und die Wärme nicht mehr effektiv abführen kann.

Aus diesem Grund gewinnt die Flüssigkeitskühlung (Liquid Cooling) in Rechenzentren rasant an Bedeutung. Doch was genau ist Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren und wie funktioniert sie? Beginnen wir mit den Grundlagen.

Was ist Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren?

Die Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren ist ein Verfahren zur Wärmeabfuhr von Servern, bei dem anstelle von reiner Luft eine zirkulierende Flüssigkeit als Wärmeträgermedium eingesetzt wird.

Während die Flüssigkeit durch das Kühlsystem zirkuliert, nimmt sie die Abwärme direkt von den Servern auf und transportiert sie ab. Die erwärmte Flüssigkeit wird anschließend heruntergekühlt und erneut in den Kreislauf eingespeist.

Im Vergleich zu Luft kann eine Flüssigkeit ein Vielfaches an Wärme aufnehmen und abführen. Dies ermöglicht es Rechenzentren, schnellere und leistungsstärkere Prozessoren einzusetzen sowie eine deutlich höhere Serverdichte pro Rack zu realisieren.

Mit anderen Worten: Flüssigkeitskühlung ermöglicht es Rechenzentren, eine weitaus höhere Rechenleistung auf derselben Grundfläche zu betreiben.

Aus diesem Grund setzt sich die Flüssigkeitskühlung insbesondere in rechenintensiven Umgebungen durch – darunter Hyperscale-Rechenzentren, KI-Trainingscluster, High-Performance-Computing-Cluster (HPC) sowie Edge-Computing-Installationen.

Im folgenden Abschnitt erläutern wir die Funktionsweise der Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren und stellen die heute dominierenden Kühlarchitekturen vor.

Wie funktioniert die Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren?

Die in Rechenzentren eingesetzten Flüssigkeitskühlsysteme lassen sich im Wesentlichen in zwei Hauptansätze unterteilen: die direkte Flüssigkeitskühlung (Direct Liquid Cooling, DLC) und die Immersionskühlung (Immersion Cooling). Beide Verfahren kühlen erheblich effizienter als Luftkühlsysteme, unterscheiden sich jedoch grundlegend in der Art und Weise, wie das Kühlmedium mit der Server-Hardware interagiert.

・Direkte Flüssigkeitskühlung (Direct Liquid Cooling – DLC)

Bei der direkten Flüssigkeitskühlung wird das Kühlmittel über Schläuche und Rohre direkt zu Kühlkörpern (Cold Plates) gepumpt, die unmittelbar auf thermisch hochbelasteten Komponenten wie CPUs, GPUs und KI-Beschleunigern montiert sind. Jede Cold Plate verfügt über interne Mikrokanäle, durch die das Kühlmittel strömt. Beim Durchfließen dieser Kanäle absorbiert das Kühlmittel die Prozessorauswärme. Das erwärmte Medium wird anschließend zu einem Wärmetauscher geleitet, dort rückgekühlt und wieder in das System zurückgeführt.

Die direkte Flüssigkeitskühlung wird in zwei Verfahren unterteilt:

Einphasige DLC (Single-Phase DLC)

Bei der einphasigen DLC bleibt das Kühlmittel während des gesamten Kühlzyklus im flüssigen Aggregatzustand. Es nimmt die Wärme von den Cold Plates auf, strömt zum Wärmetauscher, wird dort abgekühlt und wieder zurückgeführt.

Zweiphasige DLC (Two-Phase DLC)

Bei der zweiphasigen DLC verdampft das Kühlmittel teilweise, sobald es die Hitze des Prozessors aufnimmt. Der Dampf wird anschließend kondensiert, verflüssigt und in den Kreislauf zurückgespeist. Durch diese latente Phasenumwandlung können enorme Wärmemengen extrem effizient abgeführt werden.

・Immersionskühlung (Immersion Cooling / Tauchkühlung)

Bei der Immersionskühlung wird der gesamte Server in ein Becken (Tank) getaucht, das mit einer speziellen dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist. Ein dielektrisches Fluid ist elektrisch nicht leitend, sodass es in direkten Kontakt mit elektronischen Bauteilen kommen kann, ohne Kurzschlüsse zu verursachen. Da die Flüssigkeit den Server vollständig umspült, nimmt sie die Abwärme von allen Komponenten gleichmäßig auf – nicht nur von den Hauptprozessoren.

Auch die Immersionskühlung gliedert sich in zwei Varianten:

Einphasige Immersionskühlung (Single-Phase Immersion)

Bei der einphasigen Immersionskühlung verbleibt das dielektrische Fluid dauerhaft im flüssigen Zustand. Das erwärmte Fluid wird über einen Wärmetauscher umgewälzt, gekühlt und zurück in das Tauchbecken geleitet.

Zweiphasige Immersionskühlung (Two-Phase Immersion)

Bei der zweiphasigen Immersionskühlung besitzt die dielektrische Flüssigkeit einen gezielt niedrigen Siedepunkt. Wenn sie die Abwärme der Serverkomponenten aufnimmt, beginnt ein Teil der Flüssigkeit zu sieden und geht in die Dampfphase über. Der Dampf steigt zu einem im Deckelbereich integrierten Kondensator auf, wird dort verflüssigt und tropft zurück in das Becken – ein kontinuierlicher, geschlossener Phasenumwandlungskreislauf.

Warum Dichtungen in flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren erfolgskritisch sind

Flüssigkeitskühlung maximiert den Wärmeabtransport, indem das Kühlmedium in unmittelbare Nähe sensibler elektronischer Baugruppen geführt wird. Während dies den thermischen Wirkungsgrad drastisch steigert, birgt jede Leckage ein direktes Schadensrisiko für die hochpreisige IT-Infrastruktur.

Selbst minimale Leckagen können verheerende Hardwareschäden, kostspielige Ausfallzeiten (Downtime), Kontamination des Kühlmediums und aufwendige Reparaturen nach sich ziehen.

Um dies auszuschließen, sind Dichtungen an allen relevanten Schnittstellen des Kühlsystems integriert – darunter Cold Plates, Schnellverschlusskupplungen (Quick Disconnects / QDCs), Verteilerrohre (Manifolds), Pumpen, Wärmetauscher und Immersionsbecken. Diese Dichtungselemente müssen das Kühlmedium unter anspruchsvollen Dauerbetriebsbedingungen absolut zuverlässig einschließen.

Im laufenden Betrieb sind Dichtungswerkstoffe zahlreichen Belastungen ausgesetzt:

• Chemische Beanspruchung durch Wasser-Glykol-Gemische, Kältemittel oder dielektrische Fluide
• Thermische Zyklen, die zu Versprödung, Schrumpfung oder Elastizitätsverlust des Elastomers führen können
• Druckschwankungen, welche die Dichtflächen wiederkehrenden dynamischen Belastungen aussetzen
• Druckverformungsrest (DVR / Compression Set), durch den die Dichtung allmählich ihre notwendige Rückstell- und Anpresskraft verliert
• Kontaminationskontrolle, da Dichtungswerkstoffe keine extrahierbaren Substanzen abgeben dürfen, welche die Fluidreinheit oder Mikrokühler zusetzen könnten

Aufgrund dieser hohen Anforderungen sind sowohl die geometrische Dichtungskonstruktion als auch die werkstofftechnische Formulierung von entscheidender Bedeutung für die Langzeitzuverlässigkeit von Flüssigkeitskühlsystemen.

Im folgenden Abschnitt betrachten wir die zentralen Dichtungspunkte in Direct-Liquid-Cooling- und Immersionssystemen sowie die jeweils passenden Dichtungslösungen.

 ▍Weiterführende Informationen: O-Ring-Leitfaden: 9 Experten-Tipps für die Wahl der richtigen Dichtungslösung

Wie fortschrittliche Dichtungslösungen Flüssigkeitskühlsysteme unterstützen

Die verschiedenen Abschnitte eines Flüssigkeitskühlsystems erfüllen spezifische Aufgaben, wodurch jede Dichtstelle einem eigenen Mix aus chemischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterliegt. Um maximale Lebensdauer und Dichtheit zu garantieren, müssen Dichtungswerkstoffe präzise auf die Bedingungen der jeweiligen Schnittstelle abgestimmt werden.

Dichtungslösungen für die direkte Flüssigkeitskühlung (DLC)

In einem typischen DLC-System wird das Kühlmedium von der Kühlverteilereinheit (Cooling Distribution Unit, CDU) über Verteiler (Manifolds) und flexible Schlauchleitungen direkt zu den auf den Prozessoren montierten Kühlkörpern (Cold Plates) gefördert. Schnellverschlusskupplungen erlauben das Trennen oder Einsetzen einzelner Server-Blades im laufenden Betrieb, ohne den gesamten Kreislauf entleeren zu müssen.

Dichtungen für Cold Plates

Cold Plates liegen direkt auf Hochleistungsprozessoren wie CPUs und GPUs auf. Im Inneren der Kühlplatte strömt das Medium durch mikroskopisch feine Kühlfinnen, um die punktuelle Hitze effizient aufzunehmen.

Dichtungen für Cold Plates müssen uneingeschränkt medienbeständig gegen Wasser-Glykol-Gemische wie Propylenglykol-Wasser (z. B. PG25) sein. Darüber hinaus müssen sie extrem niedrige Ausgasungs- und Auslaugwerte (Low Extractables) aufweisen, damit keine Partikel freigesetzt werden, die die feinen Mikrokanäle verstopfen könnten.

GMORS bietet speziell formulierte EPDM-Compounds, die für wasserbasierte Kühlsysteme optimiert sind. Diese Werkstoffe vereinen eine hervorragende Medienbeständigkeit mit minimaler Partikelextraktion und sichern so die Reinheit des Kühlkreislaufs.

Dichtungen für Schnellverschlusskupplungen (Quick Disconnects / QDCs)

Schnellverschlusskupplungen ermöglichen das schnelle An- und Abkoppeln von Servermodulen ohne Kühlmittelverlust.

Nach der Montage stehen die internen Dichtelemente über lange Zeiträume unter konstanter Verpressung. Sie müssen selbst nach zahlreichen Steckzyklen und dauerhafter thermischer Belastung eine unverändert zuverlässige Dichtwirkung aufrechterhalten.

GMORS setzt auf Elastomere mit herausragender Rückverformungselastizität, wodurch Schnellkupplungen eine konstante Dichtkraft und dauerhaften Leckageschutz behalten.

Dichtungen für Kühlmittelverteiler (Manifolds)

Manifolds verteilen den Hauptvolumenstrom der Kühlflüssigkeit auf mehrere Cold Plates oder Server-Racks. Da sie über zahlreiche Abzweige und Anschlusspunkte verfügen, kann bereits eine einzige undichte Dichtung den gesamten Kühlkreislauf lahmlegen.

Die Dichtungen in Manifolds unterliegen einer dauerhaften Kompression und müssen ihre Dichtkraft trotz kontinuierlicher Temperaturschwankungen und Druckstöße aufrechterhalten.

GMORS verwendet hochelastische Gummimischungen mit exzellentem Druckverformungsrest (Low Compression Set), die auch unter langjähriger statischer Pressung ihre Geometrie beibehalten und für dauerhafte Systemintegrität sorgen.

Dichtungen für Kühlverteilereinheiten (CDU – Cooling Distribution Unit)

Die CDU bildet das Herzstück des sekundären Kühlkreislaufs und beinhaltet Pumpen, Regelventile und Wärmetauscher, die Durchfluss, Systemdruck und Vorlauftemperatur steuern.

Dichtungen in diesen Aggregaten müssen eine dauerhafte Medienbeständigkeit sowie hohe Maßhaltigkeit unter Dauerbetriebsbedingungen bieten.

GMORS fertigt Präzisions-O-Ringe und kundenspezifische Formdichtungen mit engsten Fertigungstoleranzen, um einen zuverlässigen Betrieb der kritischen CDU-Komponenten zu gewährleisten.

Dichtungslösungen für Immersionskühlsysteme

Bei der Immersionskühlung befinden sich die Server in geschlossenen, mit dielektrischem Fluid gefüllten Tanks. Zusätzliche Dichtungen werden an Tankdeckeln, Kabeldurchführungen, Pumpenflanschen und externen Wärmetauschern benötigt, um Flüssigkeitsverluste sowie das Entweichen von Dämpfen auszuschließen.

Dichtungen für Tankdeckel (Tank Lid Gaskets)

Immersionstanks sind mit dielektrischer Flüssigkeit befüllt und werden an der Deckelöffnung durch großformatige Flachdichtungen oder Profile abgedichtet.

Diese Deckeldichtungen müssen chemisch inert gegenüber dem Dielektrikum sein und über sehr große Dichtflächen hinweg einen homogenen, spaltfreien Abschluss gewährleisten.

GMORS liefert maßgeschneiderte Flach- und Profildichtungen, die speziell auf die dauerhafte Einwirkung dielektrischer Medien abgestimmt sind.

Dichtungen für Kabeldurchführungen

Stromversorgungs- und Hochgeschwindigkeits-Datenkabel müssen durch die Tankwand geführt werden, ohne dass Kühlmedium austreten kann.

Diese Dichtungen müssen die einzelnen Kabelstränge passgenau und dicht umschließen, während sie gleichzeitig thermische Ausdehnungen und Mikrobewegungen ausgleichen müssen.

GMORS entwickelt kundenspezifische Mehrfach-Kabeldurchführungsdichtungen (Formteile) für komplexe Geometrien und anspruchsvolle Bauräume.

Dichtungen zur Medieneindämmung und Gasphasenkontrolle

In zweiphasigen Immersionssystemen siedet das Dielektrikum bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen. Während das Fluid zyklisch verdampft und wieder kondensiert, muss das Dichtungssystem sowohl die Flüssig- als auch die Gasphase sicher zurückhalten und Gaspermeation auf ein Minimum reduzieren.

Durch die zyklischen Phasenwechsel entstehen zudem dynamische Druckschwankungen im Kessel. Mit der Zeit führen diese Druckpulsationen zu Wechselbeanspruchungen des Dichtungsmaterials, was das Risiko von Materialermüdung und Mikro-Leckagen erhöht.

GMORS fertigt chemisch inerte Elastomermischungen mit extrem niedriger Gaspermeationsrate, hoher Reißfestigkeit und exzellenter dynamischer Belastbarkeit. Diese Werkstoffe minimieren Fluidverluste, halten den Systemdruck stabil und widerstehen den kontinuierlichen Druckschwankungen zweiphasiger Prozesse zuverlässig.

Dichtungen für Pumpen und Wärmetauscher

Umwälzpumpen und Wärmetauscher halten den Fluss und die Rückkühlung des dielektrischen Fluids aufrecht.

Ihre Dichtungen müssen unter permanentem Fluidkontakt eine unveränderte Elastizität und chemische Beständigkeit aufweisen.

GMORS bietet silikonfreie Elastomermischungen (LABS-frei), die eine Kontamination des Kühlmediums verhindern und die Betriebssicherheit hochempfindlicher Elektronikbaugruppen langfristig sichern.

Warum GMORS-Dichtungslösungen für die Flüssigkeitskühlung?

Flüssigkeitskühlsysteme sind auf eine Vielzahl hochpräziser Dichtungen angewiesen, um Kühlmedien dauerhaft und leckagefrei im geschlossenen Kreislauf zu halten. Für höchste Betriebssicherheit müssen diese Elastomere absolut beständig gegen Wasser-Glykol-Gemische, Kältemittel und moderne dielektrische Fluide bleiben. 

GMORS ist spezialisiert auf Hochleistungs-Dichtungslösungen für flüssigkeitsgekühlte Rechenzentren und High-Performance-Computing-Systeme (HPC). Unsere Werkstoffformulierungen und Präzisionsfertigungsverfahren sind darauf ausgelegt, alle gängigen Kühlarchitekturen zu unterstützen – von ein- und zweiphasigen DLC-Systemen bis hin zu anspruchsvollen Immersionslösungen.

GMORS entwickelt Dichtungslösungen in Übereinstimmung mit den Designrichtlinien und Standards des Open Compute Project (OCP). Mit fundierter Werkstoffkompetenz und engsten Fertigungstoleranzen unterstützen wir Entwickler und Betreiber bei der Absicherung zukunftsweisender KI- und GPU-Infrastrukturen.

Kontaktieren Sie uns, um die optimale Dichtungslösung für Ihre Flüssigkeitskühlungsanwendung zu definieren.

 ▍Weiterführende Informationen: 5 Kernprinzipien für die Auswahl von O-Ring-Werkstoffen: Ein unverzichtbarer Leitfaden