サーバー用液体冷却プレート部品の設計と選択

 

液体冷却プレート アセンブリは、コールド プレート、接続パイプライン、クイック コネクタ、リーク検出装置、内部冷却剤などの主要コンポーネントで構成されています。

 

▲ 液体冷却プレートアセンブリ

 

 

I コールドプレート

 

コールド プレートは、プロセッサと接触して熱交換を可能にするコア コンポーネントです。冷却剤はコールド プレート内を流れ、プロセッサから熱を運び去ります。キャビネット内のパイプライン、液体クイック コネクタ、冷却分配ユニット、および戻りマニホールドの接続によって二次閉ループが形成され、最終的にプロセッサの熱が屋外に放出されます。

 

1. 構造

放熱モジュールと固定モジュールの取り外し可能性に基づいて、冷却プレートは一体型冷却プレートと分割型冷却プレートに分けられます。一体型冷却プレートの放熱モジュールと固定モジュールは分離できませんが、分割型冷却プレートではモジュールはネジで取り外し可能です。

 

▲ 一体型コールドプレートの図

 

▲ 分割コールドプレートの図

 

2. 材質

業界のコールドプレートのほとんどは銅で作られていますが、一部のメーカーはアルミニウムを選択していますが、長期的な耐腐食性を考慮して、その使用は比較的少なくなっています。単一のシステムには、大きな電位差のある金属を含めないでください。

 

3. 設計要件

• 最適な熱交換効率を実現するために、冷却プレートはチップのサイズと電子機器の内部構造に応じて設計する必要があります。
• チップの寿命全体にわたってシェルの温度要件を確保しながら、モジュールのフロー抵抗を減らすために、フロー チャネル設計を可能な限り最適化する必要があります。
• チップソケットの負荷要件とヒートシンクの重量要件を満たす必要があります。
• チップの動作ニーズを満たすために、コールド プレートの取り付けおよび取り外しの順序を考慮する必要があります。
• また、チップクランプ力の技術要件、および取り付け/取り外し後のヒートシンクの底面の平坦性要件も満たす必要があります。

 

4. 熱性能要件

• ユーザーは、コールドプレートの入口における冷却剤の温度と流量条件を提供する必要があります。
• 冷却されたチップのシェル温度は、動作期間全体を通じてチップサプライヤーが指定した最大値を超えてはなりません。
• 二次冷却回路の総流量抵抗は、冷却分配ユニット内のポンプの揚程能力と一致する必要があります。
• システム全体のフロー抵抗容量とチップのシェル温度には、ある程度の冗長性が必要です。システム許容誤差に対応するには、フロー抵抗の冗長性は 10% 以上、シェル温度の冗長性は 3 度以上である必要があります。
• コールド プレートの設計者は、入口の冷却剤温度とコールド プレートを通過する冷却剤の流量の関係を表す、コールド プレートの熱境界条件曲線を提供する必要があります。
• 冷却プレートにおける入口冷媒速度は1.5m/sを超えてはならず、冷媒の供給温度と戻り温度の差は5度から10度の範囲内に制御する必要があります。

 

▲ コールドプレート設計のための熱境界条件曲線

 

 

II 冷却剤

 

▲ クーラント

 

二次冷却ループで使用される一般的な冷却剤には、水ベースの冷却剤と非水ベースの冷却剤があります。選択は、二次ループ内のすべての濡れた材料との互換性と長期的な信頼性を確保しながら、冷却性能要件を満たす必要があります。また、IT 機器のメンテナンス、冷却剤の予想寿命、および全体的なコストも考慮する必要があります。

 

水ベースの冷却剤は優れた熱伝達性能を備えているため、業界のほとんどが水ベースの冷却剤を選択しています。これらは純水冷却剤と配合冷却剤に分けられます。

 

純水冷却剤は、不凍液の要件に応じて、添加剤を含まない純水を溶媒として使用するか、エチレングリコールまたはプロピレングリコールを一定の割合で不凍液として使用します。純水冷却剤は、超低伝導率環境を維持することで、腐食や微生物の増殖を抑制します。

 

配合された冷却剤は、溶媒として純水を使用し、凍結防止のために一定量の不凍液、腐食防止剤、殺生物剤が添加されています。配合された冷却剤は、添加剤によって腐食リスクを軽減し、細菌の増殖を抑制します。ただし、これらの添加剤は水の熱伝導率を低下させ、時間の経過とともに効果が失われる可能性があるため、冷却剤の品質を監視するために定期的なサンプリングが必要になります。

 

▲ 水系冷却媒体の利点と欠点

 

業界調査によると、Huawei と Sugon は主に 25% のエチレングリコール溶液を使用し、Inspur と H3C は主に 25% のプロピレングリコール溶液を使用しています。25% の濃度は固定ではなく、20% ～ 30% が許容範囲です。濃度が高すぎると流体の流れや冷却性能に影響する可能性がありますが、濃度が低すぎると不凍液保護が得られなかったり、微生物の増殖を抑制できなかったりする可能性があります。20% を超える濃度では、エチレングリコール溶液とプロピレングリコール溶液の両方で微生物の増殖がある程度抑制されます。したがって、液体冷却システムの冷却剤としては、25% 濃度のエチレングリコールまたはプロピレングリコール溶液を使用することをお勧めします。

 

 

III クイックディスコネクトフィッティング

 

セルフシール クイック ディスコネクト フィッティング (QD) は、メンテナンスの目的で IT 機器と液体冷却システム間の接続または切断を迅速に行うために使用され、同時に冷却剤の漏れを防ぎます。これにより、液体冷却システムが動作し続けることが保証され、IT 機器は安全に動作し続けることができます。

 

▲ クイックディスコネクトフィッティング（QD）

 

セルフシール クイック ディスコネクト フィッティングには、手動設計とブラインド メイト設計の 2 つの主なタイプがあります。

手動クイック ディスコネクト フィッティングでは、ユーザーは接続または切断操作のためにフィッティングを握る必要があり、片手または両手で操作できます。手動操作であるため、十分なスペースを確保する必要があります。

 

▲ 手動クイックディスコネクト継手

 

ブラインドメイト継手は手動操作を必要とせず、圧力によって接続または切断され、適切な接続に必要な圧力を維持し、切断を防止するために、レールまたは位置決めピンとの正確な位置合わせが必要です。

 

▲ ブラインドメイトクイックディスコネクト継手

 

クイック ディスコネクト フィッティングは、オス/メス構成 (プラグ/ソケットまたはインサート/ボディのペア) で使用されます。取り外すと、フィッティング内のセルフ シール バルブが流体の流れを遮断し、周囲の機器を保護します。したがって、フィッティングの選択では、取り外し中の冷却剤の漏れを厳密に制限する必要があります。通常、漏れは接続/取り外しごとに 1/6 滴未満 (6 回の接続/取り外し後に 1 滴未満)、または 0.5 ml 未満である必要があります。漏れを最小限に抑えるフィッティング (滴下防止設計やフラッシュ フェイス設計など) が推奨されます。

 

手動クイック ディスコネクト フィッティングを備えたシステムでは、メンテナンスの容易さを確保するために、人間工学的な考慮事項 (ロック メカニズム、接続力、スペースの制約など) に対処する必要があります。ブラインド メイト設計では、信頼性の高い接続を確保するために、取り付け許容値と位置ずれ許容値を考慮する必要があります。

 

▲ ブラインドメイトアライメント図

 

 

IV 冷却分配ユニット (CDU)

 

冷却分配ユニット (CDU) は、液体回路間の熱交換に使用される装置です。CDU コンポーネントには、インターフェイス、ポンプ、液体-液体または液体-空気熱交換器、リザーバー、バルブ制御装置、監視装置、フィルター、およびさまざまなセンサーが含まれます。CDU は、冷却能力、流量、圧力、および温度を測定および制御するために使用されます。CDU 内のすべてのコンポーネントは、冷却剤との互換性についてテストする必要があります。

 

CDU は集中型 (キャビネット) と分散型 (ラック) に分類されます。

 

集中型 CDU は、分散型 CDU に比べて優れた冷却能力と供給能力を備え、1 つ以上の IT 機器ラック、またはデータ センター全体に冷却を提供します。分散型 CDU では二次配管の設置が不要で、各 CDU は設置されているサーバー キャビネットのみに冷却を提供するため、集中型 CDU よりも信頼性が低くなります。

 

CDU の障害による冷却能力不足を回避するには、N+1 または N+2 冗長性を考慮するか、CDU のポンプ モジュールを N+1 冗長性で設計して、IT 機器に十分な冷却を確保し、オンライン メンテナンスを可能にする必要があります。

 

▲ キリスト教民主同盟

 

集中型 CDU と分散型 CDU の比較を次の表に示します。

 

▲ 集中型CDUと分散型CDUの比較

 

CDU の熱交換器の熱交換能力は、アプローチ温度に依存します。アプローチ温度とは、IT 機器に入る冷却剤の温度と CDU 入口の一次冷却水の温度の差です。アプローチ温度のほかに、CDU のパフォーマンスについて考慮すべき重要なパラメータには次のものがあります。

 

• アプローチ温度（できれば 3-10 度）
• 冷却剤の組成（例：純水、PG 25%、PG 55%）
• 一次および二次流量、ポンプ出力、および揚程
• 主な水温等級（例：W27、W32、W45、W+）

 

 

V 液体冷却パイプライン

 

液体冷却パイプラインは、冷却剤の循環経路を提供し、液体冷却システム全体の流れ抵抗分布に関与し、液体冷却装置用のシンプルな外部インターフェイスを提供します。IT 機器用の内部配管を選択する際には、材料の適合性、流速 (フレキシブル パイプラインでは 1.5 m/s 未満に制御する必要があります)、配管レイアウト、設置方法、流れ分布設計、信頼性を考慮する必要があります。

 

サーバー内の液体冷却パイプラインは、次の技術要件を満たす必要があります。

 

• 高温、高圧耐性の FEP 波形ホースまたは EPDM ホースを使用する必要があります。使用圧力は 0.35 MPa 以上、最大圧力は 1 MPa 以上です。
• 冷却剤の漏れを検出するために、漏れ検出ロープを設置する必要があります。
• 信頼性の高いシールを確保するには、バーブ継手またはホースクランプを使用してパイプラインをコールドプレートに接続する必要があります。

 

1. 液体冷却パイプラインの主な分類

 

▲ 液体冷却パイプライン

 

▲ EPDM（エチレンプロピレンジエンモノマー）ホース

 

▲ PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）コルゲートパイプ

 

▲ PFA（パーフルオロアルコキシポリマー）パイプ

 

2. さまざまなパイプライン材料の比較

 

▲ パイプライン材料

 

 

VI 漏水検知ロープ

 

コンピューティング ノードは IT 機器の中で最も高価なコンポーネントであることが多く、導電性の冷却剤が漏れると機器の損傷やデータ損失を引き起こすリスクがあるため、コンピューティング ノード内の潜在的な漏れを検出する必要があります。漏れ検出は一般に、間接的と直接的な 2 つの方法に分類されます。

 

1. 検出方法

間接的な方法: 漏れ検出は、圧力、流量、温度、気泡に関する既存のセンサーとアルゴリズムを使用して決定されます。

 

直接法: 漏れ検出ロープ/ケーブルや膜検出ストリップなどのセンサーを特定の場所 (例: パイプラインやジョイント沿い) で使用して、漏れを直接検出します。

 

現在、業界では主に直接法を採用しており、漏れ検出には漏れ検出ロープを使用しています。

 

▲ 漏水検知ロープ

 

2. 検出原理

漏水検知ロープは、液体の導電性の原理に基づいて漏水が発生したかどうかを検知するもので、漏水コントローラと組み合わせて使用​​する必要があります。検知ロープのどの部分でも水に接触すると、2 本の検知線が短絡します。漏水コントローラは、検知ロープの抵抗の変化に基づいて漏水状態を判断し、警報信号を送信します。

 

▲ 漏水検知ロープの検知原理

 

▲ サーバー内部の漏洩検知ロープの配置

 

3. 漏水検知ロープ設置時の注意事項

• 設置中は、センシング ラインは乾燥した清潔な状態に保ってください。
• 結露が発生しやすい場所にセンシングラインを敷設しないでください。
• 誤報の原因となる可能性があるため、感知ラインが重なったり絡み合ったりすることは禁止されています。
• 設置時のセンシングラインの曲げ半径は、一般的に使用されるワイヤの 4mm 未満にしないでください。そうしないと、センシングラインが損傷する可能性があります。
• センシングラインをコイル状に取り付ける場合、センシングラインが損傷する恐れがあるため、巻き半径が 24mm 未満にならないようにしてください。
• センシング ラインは、高温、高湿度、振動、腐食性ガス、その他の電子ノイズ干渉源のある環境には設置しないでください。
• 設置中または使用中は、センシングラインを圧迫したり、重い物を置いたりしないでください。損傷の原因となります。
• 取り付け中にセンシング ラインに過度の張力をかけないようにしてください。過度の張力により、ワイヤ接続端が緩み、接続不良、破損、または端子の外れが発生する可能性があります。
• 漏れた液体に導電性物質や耐水性汚染物質（ワックス、油など）が含まれている場合、センシングラインがリセットされない可能性があり、その場合はセンシングラインを交換する必要があります。