Thales en Rittal over de onmisbare heatpipe

Dr. ir. Wessel Wits, Hardware Architect bij Thales Nederland en Rittal’s Elbert Raben Contact Elbert Raben , Manager Product Group IT, spraken recent over ontwikkelingen rond koeling, waarbij de heatpipe centraal stond. Beiden hebben daar dagelijks mee te maken. Wits buigt zich primair over koelingsvraagstukken op component- en systeemniveau, bij Raben draait het in dit geval vooral om de koeling van lokaal opgestelde serverracks.

Extreem betrouwbaar

Een heatpipe is een zeer efficiënt warmteoverdrachtsysteem. Het eerste patent stamt uit het jaar 1942. “Sinds die eerste modellen, die in bakkerijen werden toegepast, is er natuurlijk een hoop veranderd, maar het basisprincipe is nog steeds gelijk,” zegt Wits. “De conventionele heatpipe heeft wat dat betreft na 80 jaar geen verrassingen meer voor ons. We kunnen vooraf exact berekenen wat de afmetingen moeten zijn om de beoogde koeling van een component te realiseren.”

De kennis van de werking en de materialen zorgt er voor dat heatpipes die Thales toepast zeer efficiënt zijn. Op schepen wordt vaak water toegepast als werkende vloeistof van de heatpipe. Voor de ruimtevaart zijn weer andere vloeistoffen meer geschikt. “Voor beide producten geldt dat we constant op zoek zijn naar verdere verbeteringen. Het scheiden van de kanalen voor damp en vloeistof biedt de mogelijkheid nog meer winst te behalen. Andere materialen en verdere integratie kunnen ook nog voor verbeteringen zorgen. Maar wij zullen elke optie zeer grondig moeten testen. De klanten die wij bedienen hebben als harde eis dat een systeem extreem betrouwbaar moet zijn en een zo lang mogelijke levensduur heeft. Dat is sowieso een voordeel van een heatpipe, want er zitten geen bewegende onderdelen in.”

Lagere energiekosten

Raben: “Je noemt heel andere producteigenschappen dan wij bij Rittal doen. Onze koelsystemen met heatpipes zijn ontwikkeld omdat door de komst van Edge computing data en services weggehaald worden bij gecentraliseerde knooppunten, dit minimaliseert de latency en bovendien zijn er dan realtime-analyse en lokale gegevensverwerking uit te voeren. Denk hierbij aan data van IoT-apparaten, de gezondheidszorg, productieomgevingen, telecom en de financiële wereld. Deze lokaal opgestelde serverracks worden door de steeds hoger wordende IT-load steeds warmer. Ze moeten goed beschermd zijn tegen stof, vuil en vocht. IP54 en IP55 als beschermingsklassen zijn daarvoor min of meer de standaard en koelen met de omgevingslucht is dan geen optie meer.

Met de integratie van de heatpipe, in onze Blue e+ IT koelaggregaten die tevens voorzien zijn van DC ventilatoren en inverter compressors, bespaart men 70% of meer op de stroomkosten voor de koeling. Lagere energiekosten en hoge beschikbaarheid van hun data, dat is waar onze klanten om vragen.”

Wits bevestigt dat: “Bij alles wat wij doen moet continuïteit en vooral betrouwbaarheid voorop staan. Daarnaast zitten wij echt op component niveau. De kosten die bij jouw klanten een rol spelen, dat speelt bij defensie en in de ruimtevaart uiteraard ook, maar andere belangen zoals effectiviteit en betrouwbaarheid wegen zwaarder.“

Varend datacenter

Waar Wits en zijn collega’s verder constant rekening mee moeten houden, en wat bij Rittal niet aan de orde is, zijn de bewegingen. “Een modern fregat is bijna een “varend datacenter”, maar dan wel een dat alle kanten op beweegt. Datzelfde geldt voor de radarsystemen die we ontwikkelen. Daar moeten we ook rekening houden met versnellingskrachten. Dat heeft gevolgen voor de koelsystemen die we kunnen inzetten. Voordeel van een schip is wel dat het zeewater een goede koudebron is. De truc is deze efficiënt te bereiken.”

No-brainer en acceptatie

Eerder in het gesprek gaf Wits aan dat het toepassen van heatpipes eigenlijk een no-brainer moet zijn. Sprekend over de koeling van IT componenten op schepen stipt hij de drie grote voordelen nog eens aan: een heatpipe is klein, heeft een nagenoeg oneindige levensduur en werkt heel efficiënt.

“In onze sector hoef ik die argumenten niet meer toe te lichten, maar dat was jaren terug nog een ander verhaal. Van vakgenoten weet ik dat het tot in de jaren 70 een heel moeilijk onderwerp was. Water en elektronica moesten strikt gescheiden blijven. Kijk waar we nu staan. Moderne laptops hebben heatpipes met water. Ik merk dat we, nu we kijken naar bijvoorbeeld ammonia als werkende vloeistof, wederom dezelfde discussies krijgen.”

Raben haakt daar op in. “Dit herken ik. Watergekoelde racks waren ook lang een onderwerp voor stevige discussies. Tegenwoordig zetten we er daar duizenden van per jaar in de markt. Het is geaccepteerd en proven technology. Die twijfel en discussie hoort gewoon bij innovaties.”

“Aan de achterzijde van het rack zit een standaard voorziening voor de stroomtoevoer. De server schuift daar van zelf in. Die oplossing is robuust en wordt in hyperscale datacenters zoals Facebook, Microsoft en Google al toegepast. Zoiets ontbreekt nog voor de koeling.”

Toekomst

Alles pleit ervoor nu al gebruik te maken van een heatpipe, daar zijn Wits en Raben het over eens. Maar wat brengt de toekomst en waar kijken ze het meest naar uit? Zijn dat heatpipes met andere vloeistoffen of echt nieuwe businesscases?

Raben geeft aan dat Rittal zich hoofdzakelijk richt op de rack- rijkoeling en daardoor belang heeft bij componenten die beter gekoeld zijn. “Hoe dichter er op de bron gekoeld wordt, hoe beter. Dat levert een hogere efficiency en op rackniveau is er dan minder te koelen. Wat dat betreft kijken we uit waar de markt mee komt en zoeken we contact met bedrijven als ZutaCore dat de koeling van chips in vooral High Performance Computing systemen aanpakt.”

Verder kijkt hij uit naar goede oplossingen voor interfaces van vloeistofkoeling en heatpipes. Daarvoor wijst hij naar de “OCP-standaarden” voor de bus bar. “Aan de achterzijde van het rack zit een standaard voorziening voor de stroomtoevoer. De server schuift daar van zelf in. Die oplossing is robuust en wordt in hyperscale datacenters zoals Facebook, Microsoft en Google al toegepast. Zoiets ontbreekt nog voor de koeling.”

Wits kijkt ook uit naar een dergelijke oplossing. “Voor de maritieme datacenter toepassingen maken we graag gebruik van standaard hardware, die we uiteraard op bepaalde punten moeten aanpassen. Een hoge mate van standaard interfaces, clickable verbindingen voor koeling in en out, de integratie van heatpipes in het hele koelconcept spreekt mij wel aan.” Hij verwacht wel dat zoiets niet snel te realiseren is omdat dan ook de layout van de hardware verder gestandaardiseerd moet worden.

“En toch zou die standaardisatie wel eens key kunnen zijn om oplossingen voor de nabije toekomst mogelijk te maken. De dichtheid van componenten en servers neemt immers alleen maar toe. Het warmteverlies en de noodzaak tot goede koeling blijft hoog. Veranderingen op dat vlak verwacht ik pas als we er in slagen bits op een heel andere manier te maken, met licht of via quantumcomputers.”

Leerzaam

Een gesprek over koelingsvraagstukken en trends is leerzaam en verdient navolging. Voor Wits is het de manier om te horen welke oplossingen er in de markt zijn en vooral welke daarvan universeel en robuust genoeg zijn om door Thales verder gevolgd te worden. Dat Wits veel gebruik maakt van water als werkende vloeistof was een van de eyeopeners voor Raben.

Bij Thales wordt alles gedaan om de continue werking van de IT aan boord van schepen en in de ruimtevaart te garanderen. Bij Rittal staat een verlaging van het energieverbruik in serverruimtes en datacenters voorop. Twee sterk verschillende doelstellingen, maar de heatpipe is in beide gevallen onmisbaar.