01
Was dazukommt
Kondensator, Sammler mit definiertem Füllstand, Druckregelung und eine zweite, unabhängige Wärmebilanz auf der Kondensatorseite. Ein eigener Anlagenteil, kein Zubehörsatz.
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Schwerpunkt · 02 · Fluidik · Elektrik
Rechenzentrumskühlung und Chip-Emulator
Auf einem einzigen Beschleunigermodul gelten zwei Temperaturgrenzen nebeneinander: 105 °C für die Logik, 85 °C für den Speicherstapel daneben. In einem veröffentlichten Mehrchipmodul stehen dahinter 295,86 gegen 52,08 W/cm². Ein gleichmäßig beheizter Prüfkörper mittelt genau diesen Unterschied weg. Wir bauen den Prüfstand, der die Wärmequelle zonenweise nachbildet, den Kreis konditioniert und den Gradienten sichtbar macht.
Der Emulator
Wie wir die Wärmequelle nachbilden
Der Chip wird nicht simuliert, sondern durch eine Heizfläche mit bekannter Leistung und bekannter Fläche ersetzt — sie legt dieselbe Wärmestromdichte auf dieselbe Fläche. Die Heizplatten selbst kommen von einem spezialisierten Lieferanten; wir bauen den Prüfstand darum herum.
| Größe | Bereich (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Flächenleistung | bis 200 W/cm² | Auslegungsziel; in einem veröffentlichten Mehrchipmodul erreicht der Logikchip bereits 295,86 W/cm² |
| Elektrische Leistung | bis 5,1 kW je Zone | typischer Arbeitspunkt 3 500 W bei 240 V; je Zone ein eigenes Netzteil |
| Zonen je Emulator | 1 bis 4 | je Zone ein eigener Regelkanal und ein eigenes Netzteil |
| Lastwechsel | bis rund 2 Hz | Flanke 50 ms steigend, 100 ms fallend unter Last — begrenzt durch die Stellzeit des Netzteils |
| Vorlauftemperatur | +15 bis +60 °C | Warmwasserkühlung eingeschlossen |
| Volumenstrom | 0,5 bis 120 l/min | je Prüfling; Prüffeldversorgung darüber |
| Betriebsdruck | 0,5 bis 6 bar | typischer Sekundärkreis im Rack |
| Medien | Wasser-Glykol · VE-Wasser · Dielektrika | Leitfähigkeit wird überwacht |
| Wärmebilanz | fluidseitig ± 3,7 % · elektrisch ± 0,2 bis 0,5 % | bei 10 K Temperaturdifferenz; die Fehlerkette steht weiter unten |
Die Kennwerte der Heizflächen stammen aus dem Datenblatt des Lieferanten und sind vor jeder Auslegung neu zu bestätigen. Was wir zusichern, ist die Anlage darum herum — Regelung, Messkette, Sicherheit und Protokoll.
Mehrzonige Emulation
Eine Wärmekarte statt eines Punktes
Die wichtigste Änderung der nächsten Jahre ist nicht die Höhe der Verlustleistung, sondern ihre Verteilung. Im selben Gehäuse gelten unterschiedliche Grenzen — und die Leistung verteilt sich sehr ungleich auf die Fläche.
Ein gleichmäßig beheizter Prüfkörper bildet das nicht ab. Er liefert einen mittleren Wärmewiderstand über die ganze Fläche — und genau der sagt nichts darüber, ob der Speicherstapel unter seinen 85 °C bleibt, während der Logikbereich daneben 105 °C erreichen darf. Deshalb bauen wir den Emulator mit getrennt geregelten Zonen: je Zone ein eigener Regelkanal, ein eigenes Netzteil, eine eigene Leistungsmessung.
Ein Kupferspreader im Kühlkonzept glättet diese Karte über der Fläche, hebt sie aber nicht auf: Der Unterschied zwischen Logik- und Speicherbereich bleibt, weil für beide unterschiedliche Grenzwerte gelten und der Wärmestrom weiterhin ungleich eingeleitet wird. Was der Spreader ändert, ist die nötige Auflösung, nicht die Frage, ob mehr als ein Messpunkt gebraucht wird. Vier Zonen sind aus unserer Sicht die sinnvolle Obergrenze.
- Was die Zonenzahl begrenzt, ist nicht die Elektrik. Netzteile lassen sich stapeln. Die Grenze setzt die Wärmeabfuhr des Fluidkreises — vier Zonen auf voller Leistung sind etwas anderes als vier Zonen, die sich die Leistung eines Prüflings teilen.
- Die Zonengeometrie folgt dem Prüfling, nicht dem Prüfstand. Wie viele Zonen wo liegen und wie groß sie sind, ergibt sich aus der Schnittstelle zum Prüfling. Ein Emulator, der auf die falsche Aufteilung gebaut ist, ist Ausschuss und nicht Vorrat.
- Die Speicherleistung wächst mit. HBM4E bis 80 W je Baustein, HBM5 rund 100 W je Stapel ab 2028. Bei acht Stapeln sind das 800 W neben rund 2 kW Logikleistung — auf einem Bauteil, dessen kälter zu haltender Teil den größeren Flächenanteil hat.
Woher die Zahlen stammen: Die Temperaturgrenzen aus dem OCP-Papier „30 °C Coolant — A Durable Roadmap for the Future", die Leistungsdichten aus einer Untersuchung zur Prallstrahlkühlung im International Journal of Heat and Mass Transfer. Die Angaben zu künftigen Bauteilgenerationen beruhen auf Fachpresse und Marktberichten, nicht auf Herstellerangaben — sie geben die Richtung wieder, nicht eine zugesagte Spezifikation.
Messunsicherheit
Wie genau der Wärmewiderstand wirklich ist
Ein Wärmewiderstand ist ein Quotient aus einer Temperaturdifferenz und einem Wärmestrom. Beides ist gemessen, beides hat einen Fehler — und der Fehler des Wärmestroms wird regelmäßig unterschätzt.
Über den Fluidkreis gerechnet ist der Wärmestrom das Produkt aus Dichte, Volumenstrom, Wärmekapazität und Temperaturdifferenz. Bei 10 K Differenz trägt der Volumenstrom ± 1,5 % bei, die Dichte aus der Temperatur ± 0,2 % — und die Temperaturdifferenz allein ± 3,4 %, gemessen mit zwei unabhängigen Fühlern der Klasse A. Quadratisch überlagert bleiben ± 3,7 %, und gut vier Fünftel davon stammen aus der Temperaturmessung, nicht aus dem Durchfluss, den man zuerst verdächtigt.
√( 1,5² + 3,4² + 0,2² ) % = ± 3,7 %
Der Fehler wächst umgekehrt proportional zur Temperaturdifferenz: bei 5 K sind es ± 7,0 %, bei 20 K noch ± 2,3 %. Wer eine kleine Temperaturdifferenz fährt, weil der Prüfling es verlangt, bezahlt das mit Unsicherheit. Zwei Wege führen darunter:
- Ein gepaartes Fühlerpaar in 1/10 DIN senkt den Temperaturanteil von 3,4 auf 0,7 % und die Gesamtunsicherheit auf rund ± 1,7 % bei 10 K. Das ist der wirksame Hebel — nicht ein genauerer Durchflussmesser.
- Die Wärmequelle elektrisch bestimmen statt fluidseitig: ± 0,2 bis 0,5 % über eine vom Netzteil unabhängige Leistungsmessung. Das ist der genauere Weg und der Grund, warum wir am Emulator immer eine eigene Messung vorsehen.
Eine Zusage wie „U(Rth) ≤ 2 %" ist ohne Angabe der Temperaturmessung und der gefahrenen Temperaturdifferenz nicht nachprüfbar. Mit zwei getrennten Fühlern und 10 K Differenz ist sie nicht zu halten. Wir nennen deshalb die Fehlerkette und nicht nur das Ergebnis — und sagen dazu, welche Messmittel den Wert tragen.
Elektrische Seite
Warum das Netzteil größer sein muss, als man denkt
Konventionelle Programmiernetzteile haben ein rechteckiges Kennfeld: Die Strombegrenzung ist bei 100 V dieselbe wie bei 300 V. Das einstellbare Leistungslimit dieser Geräte kappt nur zusätzlich nach unten — bei niedriger Spannung erlaubt es keinen höheren Strom. Autoranging-Geräte mit echtem Leistungskennfeld liefern ihre Nennleistung über einen weiten Spannungsbereich; die Rechnung hier gilt für die konventionelle Klasse.
Die Folge ist eine Falle bei der Auswahl in dieser Klasse. Am Arbeitspunkt zählt Spannung mal Nennstrom: Ein Gerät mit 300 V und 17 A trägt 5,1 kW auf dem Typenschild, stellt bei 240 V aber 4 080 W bereit. Alles bis 4 000 W je Zone ist damit erreichbar; 5 000 W bräuchten dort 20,8 A und gehen erst oberhalb von 295 V. Eine Nummer kleiner, 11,5 A und 3,45 kW auf dem Schild, bleibt bei 240 V bei 2 760 W — das verfehlt schon 3 000 W.
Zwischen den beiden Baugrößen gibt es in einer Höheneinheit nichts. Wer nach Nennleistung auswählt, greift deshalb leicht eine Nummer zu klein — und merkt es erst bei der Inbetriebnahme, wenn die Zone ihren Sollwert nicht erreicht.
Die Rückmessung des Netzteils ist eine Stellgrößenanzeige, keine Messung. Für die Wärmebilanz messen wir die eingespeiste Leistung ein zweites Mal über einen eigenen Shunt mit isoliertem Umformer. Oberhalb von 120 V Gleichspannung gilt keine Schutzkleinspannung mehr — DC-seitige Trennung, Berührungsschutz und Einbindung in den Sicherheitskreis gehören zum Emulator und nicht zum Zubehör.
Aufbau
Zwei Racks, ein Kreislauf
Ein Prüfstand dieser Art besteht aus zwei getrennten Fluidkreisen und zwei getrennten Racks. Die Trennung ist keine Ästhetik, sondern die Voraussetzung dafür, dass sich Medien- und Elektrikseite unabhängig warten und später ausbauen lassen.
Der Konditionierkreis führt Hauswasser: über Filter und Umwälzpumpe, eine elektrische Heizung setzt Wärme zu, ein Regelventil lässt warmes Wasser in den Ablauf ab und führt damit Wärme weg. Der Prozesskreis führt das Prüfmedium — Wasser-Glykol, VE-Wasser oder ein Dielektrikum — aus dem Behälter über Verteiler, Prüfling und Sammler zurück. Gekoppelt sind beide allein über den Wärmetauscher. Hauswasser und Prüfmedium berühren sich nirgends, und genau deshalb bleibt das Medium sauber und in bekanntem Zustand.
Geregelt wird die Temperatur im Übergang, nicht die am Prüfling. Die Stellgröße teilt sich dafür auf: In der einen Hälfte des Stellbereichs öffnet das Kühlventil, in der anderen heizt der Heizstab, dazwischen liegt ein Totband, damit sich beide nicht gegeneinander arbeiten. Eine Störgrößenaufschaltung aus der vorgegebenen Emulatorleistung nimmt den Lastsprung vorweg, statt ihn erst als Regelabweichung zu sehen.
Die Prozesspumpe läuft bedarfsgeführt über einen Frequenzumrichter. Sie fördert nicht dauernd den Maximalstrom, sondern folgt dem, was die angeschlossenen Stränge abnehmen, zuzüglich einer Stellreserve für das Überströmventil, das den Verteilerdruck hält. Das spart nicht nur Energie — es hält auch den Wärmeeintrag der Pumpe in den Kreis klein, und der geht sonst direkt in die Wärmebilanz ein.
- Wasser und Elektrik stehen getrennt. Behälter, Pumpe, Wärmetauscher und Ventile im einen Rack, Einspeisung, Steuerung, Messkarten und die Emulator-Netzteile im anderen. Eine Leckage im Medienrack erreicht die Elektronik dann nicht auf kurzem Weg.
- Je Zone ein Netzteil, je Netzteil eine Höheneinheit. Der Ausbau auf mehrere Zonen ist deshalb eine Frage von freien Höheneinheiten und einer ausreichend bemessenen Einspeisung — beides lässt sich von Anfang an vorsehen, ohne dass etwas davon mitbezahlt werden muss.
- Freigehalten heißt Platz, nicht Stutzen. Verteiler und Sammler bekommen keine blinden Abgänge auf Vorrat. Ein verschlossener Stutzen ist eine tote Ecke: Luft bekommt man dort nicht heraus, und beim Medienwechsel bleibt Restmedium darin stehen. Freigehalten wird die Montageebene, nicht der Anschluss.
- Das Bedienpanel hängt am Arm, nicht in der Front. Ein 21-Zoll-Panel passt nicht in eine 19-Zoll-Rackfront — der Ausschnitt ist 482,6 mm breit, das Gehäuse deutlich breiter. Es sitzt deshalb an einem höhen- und schwenkverstellbaren Arm am Rack, was am Prüfstand ohnehin die bessere Arbeitshaltung ergibt.
Option · Zweiphasig
Das Zweiphasenmodul können Sie jederzeit dazukaufen
Verdampfung führt Wärme bei nahezu konstanter Oberflächentemperatur ab. Wer das prüfen will, braucht einen eigenen Anlagenteil — und der lässt sich zu jedem späteren Zeitpunkt ergänzen, weil der Grundaufbau Platz, Anschlussstelle und die nötigen Kanäle in der Steuerung von Anfang an freihält.
02
Was sich messtechnisch ändert
Einphasig genügt die Bilanz aus Massenstrom, Wärmekapazität und Temperaturdifferenz. Sobald ein Teil verdampft, steckt die Wärme in der Verdampfungsenthalpie und die Temperaturdifferenz geht gegen null — gemessen wird dann der Dampfgehalt über den Kondensator.
03
Was der Grundaufbau schon mitbringt
Höheneinheiten im Medienrack, die Anschlussstelle am Rücklauf und die Ein- und Ausgänge in der Steuerung. Freigehalten ist die Montageebene, nicht ein verschlossener Stutzen — der wäre eine tote Ecke im Kreislauf.
04
Wann die Auslegung belastbar wird
Sobald Fluid, Druckniveau und Leistungsbereich feststehen. Danach ist der Preis eine Zahl statt einer Bandbreite — und der Umfang ergibt sich aus dem, was Sie prüfen wollen, nicht aus einer Annahme von uns.
Dass wir es als Option führen und nicht als festen Bestandteil, hat einen Grund außerhalb der Technik. 3M hat Ende 2022 angekündigt, die Herstellung fluorierter Substanzen bis Ende 2025 einzustellen — die Produkte, auf denen ein großer Teil der zweiphasigen Tauchkühlung aufgebaut war. Was heute als Ersatz angeboten wird, fällt überwiegend in dieselbe Stoffklasse.
Parallel läuft die europäische Beschränkung der gesamten Stoffgruppe: Die Stellungnahme des Ausschusses für Risikobeurteilung liegt vor, die des Ausschusses für sozioökonomische Analyse als Entwurf, die Konsultation dazu endete im Mai 2026, die endgültige Fassung wird zum Jahresende erwartet. Erst danach beginnt das Rechtsetzungsverfahren; für Halbleiter- und Medizinanwendungen sind befristete Ausnahmen von bis zu zwölf Jahren im Gespräch.
Für Sie heißt das: Der Prüfstand muss diese Entscheidung nicht vorwegnehmen. Er bleibt anschlussfähig, und Sie kaufen den Zweiphasenteil dann dazu, wenn Sie wissen, mit welchem Fluid Sie arbeiten.
Quellen: Herstellerausstieg nach Fachberichterstattung, Verfahrensstand nach den Veröffentlichungen der Europäischen Chemikalienagentur und begleitenden Rechtsanalysen, Stand August 2026. Das Verfahren läuft — die genannten Termine sind erwartete, keine beschlossenen.
Messkette
Was eine brauchbare Messkette ausmacht
Eine Kühlplatte ist nur so gut wie die Messung, mit der man sie beurteilt. Vier Punkte, an denen es kippt:
Differenzdruck vor Durchfluss
Eine Durchflusskennlinie ohne saubere Δp-Messung ist wertlos. Auflösung, Nullpunkt, Einbaulage und Rohrleitungseinfluss gehören ins Protokoll, nicht in die Fußnote.
Temperatur an der richtigen Stelle
Vorlauf, Rücklauf und Oberfläche, mit dokumentierter Einbaulage. Zwei Kelvin Messfehler an der falschen Stelle machen aus einer guten Kühlplatte eine schlechte.
Dichtheit vor Inbetriebnahme
Wasser in einem Rack ist teurer als jede Prüfung, die es verhindert hätte. Druckabfall in der Serie, Helium dort, wo die Nachweisgrenze zählt.
Rückverfolgbarkeit
Jede Messung mit Zeitstempel, Prüfmittelnummer und Kalibrierstand. Wer ein Ergebnis ein Jahr später erklären muss, ist froh darüber.
Prüflinge
Vier Prüflinge, vier Aufgaben
Vom einzelnen Bauteil bis zur fertigen Verteileinheit — auf demselben Prüfstand.
01
Kühlplatte und Kühlverteiler
Emulation der Wärmequelle mit definierter Flächenleistung, Messung von Wärmewiderstand, Druckverlust und Temperaturverteilung. Der Einfluss der Anpressung wird mitgemessen.
02
Manifold und Verteiler
Gleichverteilung über viele Abgänge, Druckverlust über den Volumenstrom, Kavitationsgrenze. Ein Manifold, das im Mittel stimmt und am Rand nicht, fällt erst im Feld auf.
03
Schnellkupplung (UQD)
Steckzyklen bis zur Herstellerangabe — üblich bis 5.000 — mit Messung von Restleckage und Durchfluss über den Zyklus, nicht nur davor und danach.
04
Coolant Distribution Unit
Endprüfung der fertigen Einheit: Leistung über die Vorlauftemperatur, Regelgüte, Dichtheit, Verhalten beim Hot-Swap der Pumpe.
Auslegung
In diesem Fenster arbeiten wir
| Merkmal | Wert (Auslegung) | Bemerkung |
|---|---|---|
| Prüflinge | Kühlplatte · Manifold · UQD · CDU | Bauteil bis fertige Einheit |
| Flächenleistung | bis 200 W/cm² | Chip-Emulator |
| Lastsprung | Zehntelsekundenbereich | Regelgüte-Prüfung |
| Vorlauftemperatur | +15 bis +60 °C | inkl. Warmwasserkühlung |
| Volumenstrom | 0,5 bis 120 l/min | je Prüfling |
| Betriebsdruck | 0,5 bis 6 bar | Sekundärkreis |
| Medien | Wasser-Glykol · VE-Wasser · Dielektrika | Leitfähigkeit überwacht |
| Dichtheit | Druckabfall · Helium | vor Inbetriebnahme und in der Serie |
| Rückverfolgbarkeit | Protokoll je Prüfling | Zeitstempel, Prüfmittel-Nr., Kalibrierstand |
Auslegungswerte, keine Projektzusage. Referenz aus der Praxis: eine Emulation einer Chipkühlung mit 2.500 W ist gebaut; ein vollständiger Direct-to-Chip-Prüfstand mit Lastsprungfähigkeit ist ausgelegt. Was in Ihrer Anlage möglich ist, steht im Pflichtenheft.
Aus dem Projekt
Einblicke
Fotos der Anlage folgen — Instrumentierung, Kühlkreis und der Emulator.
Eine Kühllösung zu prüfen?
Sagen Sie uns Prüfling, Flächenleistung, Medium und Lastprofil — wir legen den Direct-to-Chip-Prüfstand darauf aus.
