Thermoelektrische Kühlung als Durchbruch in der RZ-Kühlung?

Wie funktioniert thermoelektrische Kühlung?

Wenn Gleichstrom durch zwei unterschiedliche Metalle wie Kupfer und Zink fließt, die miteinander verbunden sind, kommt es an der Verbindungsstelle der beiden Metalle zu einer Temperaturänderung. TEC-Geräte sind je nach Richtung des Stromflusses entweder warm oder kalt. Wenn die Anzahl der Verbindungsstellen vervielfacht und in Reihe geschaltet wird, vervielfacht sich die Kühl- oder Heizleistung proportional.

Moderne TEC-Geräte verwenden kleine p- und n-Typ-Halbleiter, wodurch viele Verbindungsstellen auf kleinem Raum möglich sind. Derzeit gibt es jedoch eine praktische Grenze für die Anzahl der Verbindungsstellen, die montiert werden können, bevor die Herstellungskosten unerschwinglich werden und der Stromverbrauch dem herkömmlicher Kühlsysteme nahekommt.

Thermoelektrische Kühlgeräte beeinflussen die Kühlung auf zwei Arten. Sie übertragen Wärme von ihrer Quelle auf die andere Seite des TEC-Geräts, wo sie sie auffangen und an anderer Stelle wiederverwenden oder mit Hilfe von Flüssigkeit oder Luft an die Atmosphäre abgeben. Außerdem sorgen TEC-Geräte für eine aktive Kühlung des Geräts und ermöglichen so eine effiziente Temperaturregelung. Beispielsweise könnte ein Gerät mit einer Leistung von 200 Watt (682 British Thermal Units pro Stunde), das mit einem Leistungskoeffizienten von vier und einer Temperaturdifferenz (ΔT) von 10 Grad Celsius (18 Grad Fahrenheit) betrieben wird, 150 Watt (511 BTU pro Stunde) Wärme von der Wärmequelle abführen und gleichzeitig 50 Watt (170 BTU pro Stunde) tatsächliche Kühlung liefern.

Drei Faktoren bestimmen die Leistung der thermoelektrischen Kühlung: die Anzahl der Halbleiterübergänge, die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des TEC-Geräts und die Umgebungstemperatur. Eine höhere Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite des TEC-Geräts führt zu einer höheren Leistung, während höhere Umgebungstemperaturen die Leistung verringern.

IT-Anwendungen von TEC-Geräten dienen in erster Linie zur Aufrechterhaltung der kritischen Temperaturen von Laserdioden-Startvorrichtungen für schnelle, weitreichende Glasfaserkabel. TEC-Geräte werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres potenziell geringen Energieverbrauchs, ihres geräuschlosen Betriebs und ihrer langen Lebensdauer für weitere Anwendungen in der IT-Branche untersucht.

Hinweis: TEC-Geräte können je nach Richtung des Stromflusses sowohl kühlen als auch heizen je nach Richtung des Stromflusses. Die Luftfeuchtigkeitsregelung erfordert jedoch weiterhin herkömmliche Systeme wie HVAC.

Vorteile von Geräten mit thermoelektrischer Kühlung

Geräte mit thermoelektrischer Kühlung verfügen über einige Vorteile, darunter diese:

• Effizienz: Bei richtiger Auslegung verbrauchen die meisten Anwendungen weniger Strom als kompressorbasierte Kühlsysteme.
• kein Kältemittel: Es besteht keine Gefahr des Austritts von Treibhausgasen und diese Systeme werden nicht aus Umweltgründen außer Betrieb genommen.
• Temperaturregelung: TEC-Geräte bieten eine genaue Temperaturregelung innerhalb von 0,01 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit), was deutlich besser ist als bei kompressorbasierten Kühlsystemen und für bestimmte IT-Anwendungen unerlässlich.
• schnelle Anpassung: Diese Systeme können sich schnell an den tatsächlichen Kühlbedarf anpassen, wodurch der Energieverbrauch weiter minimiert wird.
• kompakte Größe: TEC-Geräte sind so klein, dass sie selbst in Räume passen, in denen keine Flüssigkeitskühlkreisläufe installiert werden können.
• Zwei Funktionen in einem: Sie transportieren Wärme effizient ab und ermöglichen gleichzeitig aktive Kühlung.
• potenzielle Energieerzeugung: Der Temperaturunterschied über ein thermoelektrisches Gerät kann Strom erzeugen.
• Langlebigkeit: Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, die dadurch schnell verschleißen, sind TEC-Geräte meist langlebiger.

Nachteile von TEC-Geräten

Allerdings hat die thermoelektrische Kühlung auch einige Nachteile:

• Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur: Mit thermoelektrischer Kühlung kann die Temperatur nicht unter die Umgebungstemperatur fallen, was den Einsatz im Freien und bei direkter Sonneneinstrahlung einschränken kann. In vielen Umgebungen kann die kalte Seite jedoch immer noch unter die Umgebungstemperatur sinken. In Rechenzentren ist dies kein Problem, da die meisten nahe der von ASHRAE empfohlenen Temperaturgrenze von 27 Grad Celsius (80,6 Grad Fahrenheit) betrieben werden. Dennoch kann dies bei externen optischen Fernnetzen ein Faktor sein.
• Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz: Die TEC-Leistung steigt mit sinkender Temperaturdifferenz, was dem Prinzip von Kühlschlangen entgegengesetzt ist. Die maximale Wärmeabgabe wird in der Regel bei einer Temperaturänderung von zehn Grad Celsius (50 Grad Fahrenheit) erreicht, aber in der Praxis kommt es häufig zu einer Wärmereduzierung von 60 Grad Celsius (140 Grad Fahrenheit), wenn die Wärmebelastung relativ gering ist.
• Herausforderungen durch Hitze: Aktuelle TEC-Geräte erzielen ihre beste Leistung in Kühlanwendungen zwischen 200 Watt (682 BTU pro Stunde) und 300 Watt (1.023 BTU pro Stunde), wobei einige Modelle unter idealen Bedingungen bis zu 1.600 Watt (5.459 BTU pro Stunde) erreichen. Sie haben jedoch Schwierigkeiten, den Wärmeabfuhrbedarf von Standardhochleistungs-Racks zu decken. Nicht für Rechenzentren konzipierte Geräte erreichen zwar 150 kW (511.821 BTU pro Stunde), aber Standardanwendungen liegen noch weit unter der Kapazität heutiger Racks, die zwischen 5 kW (17.060 BTU pro Stunde) und 40 kW (136.485 BTU pro Stunde) oder mehr liegt. Der größte Teil der Wärme wird auf die andere Seite des TEC-Geräts übertragen, sodass sie weiterhin entweder über Luft oder Flüssigkeit an die Umgebung abgegeben werden muss.
• begrenzte Skalierbarkeit: TEC hat Skalierbarkeitsbeschränkungen, da größere Geräte teuer werden und möglicherweise mehr Strom verbrauchen als herkömmliche kompressorbasierte Kühlsysteme.

Einsatzbereiche von thermoelektrischer Kühlung

TEC-Pakete sind klein und können so konfiguriert werden, dass sie den physikalischen Einschränkungen der Anwendungen entsprechen. Geräte in der Größenordnung von drei mal drei Millimetern sind üblich.

Geräte mit thermoelektrischer Kühlung werden in vielen Hochgeschwindigkeits-Glasfaserschaltern verwendet. Auch in leistungsstarken Glasfaserlaserdioden mit großer Reichweite werden sie eingesetzt, bei denen Wärmeabfuhr und genaue Temperaturregelung für die Aufrechterhaltung der Wellenlänge und der Übertragungsentfernung von entscheidender Bedeutung sind.

400-Gb- und 800-Gb-Kommunikationsgeräte erfordern extreme Temperaturstabilität und Kühlung, deshalb eignen sich TEC-Geräte hier. Da thermoelektrische Kühlung größtenteils wartungsfrei ist, eignet sie sich für das Edge-Computing und 5G-Basisstationen. Wenn es Bedenken hinsichtlich des Fließens von Flüssigkeiten durch die Geräte gibt, ist thermoelektrische Kühlung eine Alternative, da sie ohne Kühlmittel auskommt.

Der Einsatz von thermoelektrischer Kühlung in Prozessoren ist derzeit noch begrenzt, wird aber wahrscheinlich zunehmen, da die Aufrechterhaltung der Sperrschichttemperaturen in Hochleistungs-CPUs immer schwieriger wird.

In der Medizintechnik und Biotechnologie werden TEC-Geräte in tragbaren Kühlboxen für Impfstoffe oder DNA-Proben eingesetzt.

Forschung über thermoelektrische Kühlung

Berichte zeigten Systeme, in denen mehrere TEC- und thermoelektrische Geräte mit Wärmerohren gekoppelt waren und aus der CPU-Wärme Strom erzeugt wurde, um einen Teil der Prozessorenergie zu kompensieren.

Forscher der Central Universities of China berichteten, dass sie in Laborversuchen eine teilweise Power Usage Effectiveness von weniger als 1,0 erreicht haben, was bisher als unmöglich galt. Dies ist jedoch noch nicht kommerziell realisierbar. Physikalisch ist eine solche PUE nur unter Sonderbedingungen möglich, wie beispielsweise mit Energie-Recycling. Dies ist jedoch noch nicht kommerziell realisierbar.

Maschinenbaustudenten der University of Illinois berichteten über einen Systementwurf zur Kühlung eines Racks und eines Servers mit Abwärme. Die Arbeit ist jedoch theoretischer Natur. Es wurde kein Prototyp gebaut, sodass keine Daten verfügbar sind.

Mit weiteren Fortschritten könnten TEC-Geräte eines Tages für ganze Schränke eingesetzt werden. Da TEC-Geräte jedoch noch nicht wirtschaftlich in großen Größen skalierbar sind, scheint eine Voll-Rack-TEC-Lösung noch nicht in greifbarer Nähe zu sein. Die Regelung der Prozessor-Übergangstemperaturen in Hochleistungsservern könnte realisierbar werden, aber Anwendungen für die Voll-Rack-Kühlung sind noch Jahre entfernt, wenn überhaupt.