Fortschritte in der CDU-Pumpentechnologie für Rechenzentrums-Racks mit 75 bis 200 kW

Einleitung

Die Ära der ausschließlich luftgekühlten Rechenzentren geht zu Ende. Mit steigenden Rack-Leistungsdichten im Bereich von 75 bis 120 kW und darüber hinaus setzen Rechenzentren zunehmend auf hybride Kühlarchitekturen, bei denen Luft eine unterstützende Rolle übernimmt, während Flüssigkeitskühlung den Großteil der von modernen CPUs, GPUs und TPUs erzeugten Wärme abführt.

Im Zuge dieser Entwicklung hat sich die Direct-to-Chip-(D2C)-Flüssigkeitskühlung als besonders effiziente und kosteneffektive Lösung etabliert, da sie eine vorhersehbare Wärmeabfuhr direkt an der Quelle ermöglicht. Technologien wie Rückwand-Wärmetauscher (Rear Door Heat Exchangers, RDHx) oder Immersionskühlung kommen ebenfalls zum Einsatz, jedoch gewinnt D2C aufgrund seines ausgewogenen Verhältnisses von Leistung, Skalierbarkeit und Effizienz weiter an Bedeutung.

Mit der Weiterentwicklung von Coolant Distribution Units (CDUs) zur Unterstützung hochdichter Racks rückt ein Subsystem verstärkt in den Fokus: die Pumpe. Die Wahl zwischen Kreiselpumpen (Zentrifugalpumpen) und Verdrängerpumpen ist dabei mehr als ein Detail – sie beeinflusst unmittelbar Effizienz, Reaktionsverhalten auf Laständerungen sowie die wirtschaftliche Skalierbarkeit des Kühlsystems.

Dieses Dokument zeigt auf, warum Kreiselpumpen die optimale Lösung für moderne flüssigkeitsgekühlte CDUs im Leistungsbereich von 75 bis 120 kW und darüber hinaus darstellen, und beleuchtet zentrale Auslegungsfaktoren für Leistung, Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten.
 

Zentrale Erkenntnisse für CTOs und Thermikingenieure

• Flüssigkeitskühlung ist heute keine Option mehr, sondern eine Notwendigkeit. Rack-Leistungsdichten über 40 kW lassen sich mit Luftkühlung allein nicht mehr zuverlässig beherrschen.
• Klassische Luftkühlung unterstützt typischerweise 20–40 kW pro Rack, während moderne RDHx-Systeme (Rückwand-Wärmetauscher mit Kaltwasser) diesen Bereich auf etwa 50–80 kW erweitern. Darüber hinaus ist Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung für einen stabilen Betrieb erforderlich.
• Kreiselpumpen (Zentrifugalpumpen) ermöglichen eine adaptive Durchflussregelung bei variablen Lastprofilen, reduzieren Energieverluste und tragen zur thermischen Stabilität bei.
• Eine systemweite Optimierung ist entscheidend: Pumpe, Wärmetauscher und Sensorik müssen als integriertes System ausgelegt werden, um Kavitation, Vibrationen und Effizienzverluste zu vermeiden.
• CDUs im Bereich von 50–120 kW stellen einen optimalen Auslegungspunkt dar, in dem Kreiselpumpen hinsichtlich Kompaktheit, Skalierbarkeit und Kosten besonders effizient arbeiten.
• ASHRAE-W-Klassen definieren standardisierte Temperaturbereiche für Kühlmedien und beeinflussen direkt die Pumpenauslegung, insbesondere hinsichtlich ΔT, Viskosität, NPSH und Regelstrategie.

Der Effizienzvorteil der Flüssigkeitskühlung

Luftkühlung hat Rechenzentren über Jahrzehnte hinweg zuverlässig unterstützt, erreicht jedoch zunehmend ihre physikalischen Grenzen. Klassische Raumluftkühlung stößt bereits ab etwa 15–20 kW pro Rack an ihre Leistungsgrenzen. Rückwand-Wärmetauscher erweitern diesen Bereich auf etwa 50–80 kW, während AI- und HPC-Racks im Bereich von 75–120 kW und darüber hinaus in der Regel Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung erfordern.

Abhängig von spezifischer Wärmekapazität, Dichte und Temperatur besitzt Flüssigkeit bei 20 °C eine bis zu 3.500-fach höhere Wärmekapazität als Luft (ASHRAE TC 9.9, 2024). Dies ermöglicht eine deutlich effizientere Wärmeabfuhr sowie höhere Rechendichten ohne die Nachteile extremer Luftvolumenströme. Durch die Verlagerung der Wärmeabfuhr näher an die Quelle minimieren D2C-Systeme Temperaturgradienten und ermöglichen stabile Eintrittstemperaturen auch bei steigender Leistungsdichte.

Der CDU-Leistungsbereich von 50–120 kW als optimaler Auslegungspunkt

In diesem Leistungsbereich bestimmt das Pumpenverhalten maßgeblich die Systembalance. Zu hoher Druck führt zu Energieverlusten und erhöhtem Verschleiß, während unzureichender Durchfluss das Risiko von Hotspots und Kavitation erhöht.

Eine korrekt ausgelegte Kreiselpumpe gewährleistet einen stabilen und effizienten Betrieb über dynamische Lastwechsel hinweg – unabhängig davon, ob ein kompaktes 50-kW-AI-Rack oder ein 120-kW-HPC-System gekühlt wird.

Durch konstante Druck- und Durchflussverhältnisse tragen Kreiselpumpen zu stabilen Kühlmitteltemperaturen und einer verlängerten Lebensdauer der IT-Komponenten bei.

Anwendungsprofil:

• Rack-Leistungsdichte: 50–120 kW (≥75 kW typisch für AI/HPC)
• Durchflussbereich: 38–303 L/min (abhängig von Betriebsbedingungen, ΔT, Druck und Medium)
• Betriebsmedium: Wasser/Glykol (typisch 75/25)
• Auslegungsfokus: niedriger NPSH, hohe MTBF, kompakte Bauform
• Pumpentyp: Kreiselpumpe (Zentrifugalpumpe)
• Hauptvorteile: hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit
   

Der Anstieg hochdichter Rechenzentrums-Racks

• Anfang der 2000er Jahre: 2–5 kW pro Rack
• 2010–2020: 10–20 kW pro Rack für Enterprise-Anwendungen
• 2025: AI-Cluster, HPC und Edge-Anwendungen erreichen regelmäßig >100 kW pro Rack
• 2030: Prognostiziert >250 kW pro Rack

Dieser exponentielle Anstieg der thermischen Leistungsdichte hat inkrementelle Verbesserungen in der Luftkühlung deutlich überholt. Um die erforderliche Performance aufrechtzuerhalten, müssen heute alle Subsysteme innerhalb des Flüssigkeitskühlkreislaufs optimiert werden – einschließlich der CDU-Pumpe, die Durchfluss und Stabilität des Gesamtsystems maßgeblich bestimmt.

Neben thermischen Anforderungen spielen auch fertigungstechnische Aspekte eine Rolle bei der Optimierung effizienter Kühllösungen. Beispielsweise ist Ausgasung kritisch, da sie empfindliche Komponenten wie optische Sensoren beeinträchtigen kann. Daher ist die sorgfältige Auswahl geeigneter Materialien und Schnittstellen entscheidend, um langfristige Systemstabilität sicherzustellen.

Bei diesen Leistungsdichten wirkt sich die Performance der CDU direkt auf Serververfügbarkeit, PUE und die Gesamtenergieeffizienz aus. Die Wahl der richtigen Pumpentechnologie ist daher entscheidend für das Erreichen von Leistungs- und Zuverlässigkeitszielen.
 

Zentrifugalpumpen vs. Verdrängerpumpen

Warum Kreiselpumpen in CDUs überlegen sind

Verdrängerpumpen, wie Zahnrad- oder Membranpumpen, liefern einen konstanten Volumenstrom und eignen sich besonders für Anwendungen mit hohem Druck und geringem Durchfluss.

In Flüssigkeitskühlsystemen für Rechenzentren, die typischerweise durch relativ niedrige Drücke und variable Lastprofile gekennzeichnet sind, stellt diese starre Fördercharakteristik jedoch einen Nachteil dar.

Kreiselpumpen hingegen wandeln die Rotationsenergie eines Laufrads in Strömungsgeschwindigkeit um und passen sich dabei automatisch dem Systemwiderstand an. Daraus ergeben sich entscheidende Vorteile:

• Gleichmäßiger Durchfluss bei hohen Volumenströmen, wodurch eine homogene Temperaturverteilung über viele direkt gekühlte Komponenten gewährleistet wird
• Hohe Energieeffizienz bei niedrigviskosen Medien, wie sie in D2C-Kühlsystemen typisch sind
• Optimale Effizienz im Durchflussbereich von 38–303 L/min, wie er für 40–120 kW CDUs charakteristisch ist
• Geringer Wartungsaufwand durch reduzierte mechanische Komplexität
• Niedrigere Gesamtbetriebskosten durch geringere Energie- und Wartungskosten
   

Kreiselpumpen bieten damit das beste Verhältnis aus Leistung, Effizienz und Kosten für flüssigkeitsgekühlte Rechenzentrumsanwendungen – insbesondere bei kompakten Bauformen und variablen Lastprofilen.                                   
 

Aufbau und Funktionsweise einer Kreiselpumpe

Im Zentrum einer Kreiselpumpe steht die Kombination aus Laufrad und Spiralgehäuse (Volute). Das Kühlmedium wird radial vom Zentrum nach außen beschleunigt, wobei kinetische Energie in statischen Druck umgewandelt wird.

Dieser Prozess ermöglicht einen kontinuierlichen, pulsationsfreien Durchfluss, der sich präzise regeln lässt. In Verbindung mit frequenzgeregelten Antrieben (VFDs) und Sensorik für Temperatur, Druck und Durchfluss ergeben sich erhebliche Vorteile für moderne, intelligente CDU-Systeme.

Mit zunehmender Systemintelligenz gewinnt die modulare Anpassungsfähigkeit von Kreiselpumpen weiter an Bedeutung.

Design Insight:

Die Geometrie des Laufrads bestimmt maßgeblich Förderhöhe und Durchflussverhalten. Durch interne Entwicklung, Prototyping und Validierung kann die Pumpenkennlinie gezielt auf Anwendungen im Bereich von 50–120 kW abgestimmt werden.

Die folgende Pumpenkennlinie verdeutlicht den optimalen Betriebspunkt (BEP) innerhalb des typischen Durchflussbereichs von 38–303 L/min, unter Berücksichtigung einer NPSH-Reserve von ≥10–20 % unter ungünstigsten Betriebsbedingungen.
 

Dichtungskonzept:
Optional können magnetgekuppelte, dichtungslose Pumpen eingesetzt werden, um das Leckagerisiko zu minimieren. Alternativ sind geeignete mechanische Dichtungen zu spezifizieren, abgestimmt auf Glykolmischungen und Additive.

Materialauswahl:
Medienberührte Komponenten wie Edelstahl (z. B. SS316L), technische Polymere und keramische Lager gewährleisten hohe Korrosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer.

Sauberkeit und Filtration:
Der Einsatz von Filtern (z. B. 50–100 µm Y-Strainer), Nebenstromfiltration sowie Entgasungssystemen verhindert Kavitation und die Bildung von Mikroblasen.

Redundanz:
N+1-Pumpenkonzepte mit automatischem Failover sowie Absperrventile und Schnellkupplungen erhöhen die Wartungsfreundlichkeit und Betriebssicherheit.

Regelung:
Frequenzgeregelte Antriebe in Kombination mit ΔT- und Differenzdruckregelung ermöglichen eine präzise Anpassung an den Lastbetrieb. Sensorik für Durchfluss, Druck und Temperatur ist essenziell.Vibration und Akustik:
Die Einhaltung definierter Vibrations- und Geräuschgrenzwerte ist insbesondere bei racknaher Installation relevant.Normen und 

Standards:
ASHRAE-W-Klassen (z. B. W32, W40) definieren die thermischen Rahmenbedingungen und beeinflussen direkt die Auslegung von Pumpen, Materialien und Regelstrategien.

Technische Auslegung und ZuverlässigkeitDas hauseigene Pumpenentwicklungsprogramm von Tark Thermal Solutions vereint Konstruktion, Prototypenbau und Validierung unter einem Dach und stellt so sicher, dass jede Zentrifugalpumpenbaugruppe die strengen Zuverlässigkeitsstandards für Rechenzentren erfüllt.

Technische Auslegung und Zuverlässigkeit

• Kavitationsvermeidung: Optimierte Einlassgeometrien und geeignete Materialien reduzieren das Risiko von Dampfblasenbildung in Niederdruckbereichen
• Materialkompatibilität: Edelstahl, technische Polymere und keramische Lager gewährleisten langfristige Stabilität in Wasser-Glykol-Systemen
• Kompakte Bauform: Integrationsoptimierte Designs ermöglichen den Einsatz in modernen CDU-Gehäusen ohne Einschränkung der Leistungsfähigkeit
• Thermische Belastbarkeit: Auslegung für den 24/7-Betrieb bei erhöhten Kühlmitteltemperaturen 
  Skalierbarkeit: Unterstützung von Durchflussbereichen bis 60 GPM für Anwendungen im Bereich von 50–120 kW
   

Pumpenmodule von Tark Thermal Solutions sind für den Dauerbetrieb unter realistischen Last-, Druck- und Temperaturzyklen ausgelegt, wie sie in Tier-3+-Rechenzentren auftreten.
 

Fazit: Neue Anforderungen an Pumpentechnologie in flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren

Die Entwicklung moderner Rechenzentren schreitet schneller voran, als sich klassische thermische Architekturen anpassen können. Mit steigenden Rack-Leistungsdichten im Bereich von 75–120 kW und darüber hinaus stößt Luftkühlung allein an ihre Grenzen.

Der Übergang zur Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung ist daher eine logische Konsequenz – und eröffnet gleichzeitig neue Anforderungen an die Performance von CDUs und deren Pumpensystemen.

Eine bedarfsgerechte Auslegung von Kreiselpumpen im Bereich des Best Efficiency Point (BEP), kombiniert mit ausreichender NPSH-Reserve, führt typischerweise zu geringerem Energieverbrauch, reduziertem Verschleiß und höherer Zuverlässigkeit im Vergleich zu überdimensionierten oder alternativen Pumpenkonzepten.

Durch die gezielte Optimierung der Pumpe als zentrales Element der CDU können Ingenieure die Effizienz steigern, die Betriebssicherheit erhöhen und die Skalierbarkeit moderner Rechenzentren sicherstellen.

Die von Tark Thermal Solutions entwickelte Kreiselpumpentechnologie wurde speziell für diese Anforderungen ausgelegt und kombiniert hydraulische Leistungsfähigkeit mit kompakter Bauweise und hoher Effizienz.

Erfahren Sie mehr über Tark TCDU-Kühlpumpen für Rechenzentren