Design og utvalg av flytende kjøleplatekomponenter for servere

 

Den flytende kjøleplaten består av nøkkelkomponenter som kaldplaten, tilkoblingsrørledninger, hurtigkoblinger, lekkasjedeteksjonsenheter og intern kjølevæske.

 

▲ Væskekjøleplateenhet

 

 

I Cold Plate

 

Den kalde platen er kjernekomponenten som kommer i kontakt med prosessoren for å muliggjøre varmeveksling. Kjølevæsken strømmer inne i den kalde platen for å frakte bort varmen fra prosessoren. Gjennom tilkobling av rørledninger, flytende hurtigkoblinger, kjølefordelingsenheter og returmanifolder i kabinettet, danner den en sekundær lukket sløyfe, som til slutt overfører prosessorens varme utendørs.

 

1. Struktur

Basert på avtakbarheten til varmeavledningsmodulen og festemodulen, kan kaldplater deles inn i integrerte kaldplater og delte kaldplater. Varmeavlednings- og festemodulene til en integrert kaldplate er uadskillelige, mens i en delt kaldplate er modulene avtagbare gjennom skruer.

 

▲ Diagram av en integrert kald plate

 

▲ Diagram av en delt kald plate

 

2. Materiale

De fleste kalde plater i industrien er laget av kobber, med noen produsenter som velger aluminium, selv om bruken er relativt minimal på grunn av langsiktige hensyn til korrosjonsbestandighet. Et enkelt system bør ikke inneholde metaller med betydelige potensielle forskjeller.

 

3. Designkrav

• Den kalde platen bør utformes i henhold til brikkens størrelse og den interne strukturen til elektronisk utstyr for å oppnå optimal varmevekslingseffektivitet.
• Mens man sikrer skalltemperaturkravene til brikken i hele dens levetid, bør strømningskanaldesignen optimaliseres så mye som mulig for å redusere modulens strømningsmotstand.
• Den skal oppfylle belastningskravene til sponsokkelen og vektkravene til kjøleribben.
• Installasjons- og fjerningssekvensen til den kalde platen bør vurderes for å møte de operasjonelle behovene til brikken.
• Den skal også oppfylle de tekniske kravene til sponklemmekraft, samt planhetskrav til kjøleribbens bunnflate etter montering/demontering.

 

4. Termiske ytelseskrav

• Brukere bør oppgi temperaturen og strømningsforholdene til kjølevæsken ved innløpet til den kalde platen.
• Skaltemperaturen på den avkjølte brikken bør ikke overstige den maksimale verdien spesifisert av brikkeleverandøren under hele driftsperioden.
• Den totale strømningsmotstanden til den sekundære kjølekretsen skal samsvare med pumpens hodekapasitet i kjølefordelingsenheten.
• Den totale strømningsmotstandskapasiteten til systemet og brikkens skalltemperatur bør tillate noe redundans. Strømningsmotstandsredundansen bør ikke være mindre enn 10 %, og skalltemperaturredundansen bør ikke være mindre enn 3 grader for å imøtekomme systemtoleranser.
• Kodeplatedesignere bør gi en termisk grensetilstandskurve for den kalde platen, som representerer forholdet mellom innløpskjølevæsketemperaturen og strømningshastigheten til kjølevæsken som passerer gjennom den kalde platen.
• Innløpshastigheten for kjølevæske ved den kalde platen bør ikke overstige 1,5 m/s, og kjølevæskens tilførsel-retur temperaturforskjell bør kontrolleres innenfor området 5 grader til 10 grader.

 

▲ Termisk grenseforholdskurve for kaldplatedesign

 

 

II Kjølevæske

 

▲ Kjølevæske

 

Vanlige kjølevæsker som brukes i sekundære kjølesløyfer inkluderer vannbaserte og ikke-vannbaserte kjølevæsker. Valget bør tilfredsstille kravene til kjøleytelse samtidig som det sikres kompatibilitet og langsiktig pålitelighet med alle fuktede materialer i sekundærsløyfen. Den bør også vurdere vedlikehold av IT-utstyr, forventet levetid for kjølevæsken og totalkostnad.

 

Vannbaserte kjølevæsker har utmerket varmeoverføringsytelse, og det meste av industrien velger vannbaserte kjølevæsker. Disse er delt inn i rene vannkjølevæsker og formulerte kjølevæsker.

 

Ren vannkjølevæske bruker rent vann som løsemiddel uten tilsetningsstoffer, eller bare en viss andel etylenglykol eller propylenglykol som frostvæske, avhengig av frostvæskekravene. Ren vannkjølevæske hemmer korrosjon og mikrobiell vekst ved å opprettholde et miljø med ultralav ledningsevne.

 

Formulerte kjølevæsker bruker rent vann som løsemiddel, med en viss andel frostvæske tilsatt for frostbeskyttelse, samt korrosjonshemmere og biocider. Formulerte kjølevæsker reduserer korrosjonsrisikoen og hemmer bakterievekst gjennom tilsetningsstoffer. Disse tilsetningsstoffene reduserer imidlertid den termiske ledningsevnen til vannet og kan miste effektivitet over tid, noe som krever periodisk prøvetaking for å overvåke kjølevæskekvaliteten.

 

▲ Fordel og ulempe med vannbasert kjølemedium

 

Basert på industriforskning bruker Huawei og Sugon primært 25 % etylenglykolløsninger, mens Inspur og H3C hovedsakelig bruker 25 % propylenglykolløsninger. En konsentrasjon på 25 % er ikke fastsatt; 20 % til 30 % er akseptabelt. For høy konsentrasjon kan påvirke væskestrømmen og kjøleytelsen, mens for lav konsentrasjon kan ikke gi frostbeskyttelse eller hemme mikrobiell vekst. En konsentrasjon over 20 % gir vanligvis en viss hemming av mikrobiell vekst for både etylenglykol- og propylenglykolløsninger. Derfor anbefales det å bruke en 25 % konsentrasjon av etylenglykol eller propylenglykolløsninger som kjølevæske for flytende kjølesystemer.

 

 

III Hurtigkoblingsbeslag

 

Selvforseglende hurtigkoblingsbeslag (QD) brukes for å gi raske tilkoblinger eller frakoblinger mellom IT-utstyr og væskekjølesystemer for vedlikeholdsformål, samtidig som det sikres at kjølevæsken ikke lekker. Dette sikrer at væskekjølesystemet forblir operativt, og IT-utstyr kan fortsette å kjøre trygt.

 

▲ Quick Disconnect Fittings (QD)

 

Det er to hovedtyper av selvforseglende hurtigkoblingsbeslag: manuelle og blind-mate design.

Manuelle hurtigkoblinger krever at brukeren tar tak i beslaget for tilkoblings- eller frakoblingsoperasjoner og kan være enten enhånds- eller dobbelthåndsbetjening. På grunn av den manuelle betjeningen må det gis tilstrekkelig plass til dette.

 

▲ Manuelle hurtigkoblinger

 

Blind-mate fittings, som ikke krever manuell betjening, kobler til eller fra gjennom trykk og trenger nøyaktig innretting med skinner eller posisjoneringsstifter for å opprettholde det nødvendige trykket for riktig tilkobling, og forhindre enhver frakobling.

 

▲ Blind-Mate hurtigkoblingsbeslag

 

Hurtigkoblingskoblinger brukes i hann/hunkonfigurasjoner (plugg/stikkontakt eller innsats/kroppspar). Når den er frakoblet, stenger den selvforseglede ventilen i armaturen væskestrømmen for å beskytte omgivende utstyr. Derfor må valg av beslag strengt begrense kjølevæskelekkasje under frakobling. Vanligvis bør lekkasje være mindre enn 1/6 dråpe per tilkobling/frakobling (mindre enn én dråpe etter seks tilkoblinger/frakoblinger) eller mindre enn 0,5 ml. Beslag som minimerer lekkasje, for eksempel de med ikke-drypp eller flush-face design, anbefales.

 

I systemer med manuelle hurtigkoblinger bør ergonomiske hensyn (f.eks. låsemekanismer, koblingskraft, plassbegrensninger) tas for å sikre enkelt vedlikehold. Blind-mate-design må vurdere installasjonstoleranser og feiljusteringstoleranse for å sikre pålitelig tilkobling.

 

▲ Blind-Mate-justeringsdiagram

 

 

IV Cooling Distribution Unit (CDU)

 

Cooling Distribution Unit (CDU) er en enhet som brukes til varmeveksling mellom væskekretser. CDU-komponenter inkluderer grensesnitt, pumper, væske-væske eller væske-luft varmevekslere, reservoarer, ventilkontrollenheter, overvåkingsutstyr, filtre og ulike sensorer. CDUer brukes til å måle og kontrollere kjølekapasitet, strømningshastighet, trykk og temperatur. Alle komponenter i CDU må testes for kompatibilitet med kjølevæsken.

 

CDUer er klassifisert i sentraliserte (skap) og distribuerte (rack) typer.

 

En sentralisert CDU gir kjøling for ett eller flere IT-utstyrsrack eller til og med et helt datasenter, med større kjøle- og forsyningskapasitet sammenlignet med distribuerte CDUer. Distribuerte CDUer eliminerer behovet for sekundær rørinstallasjon, der hver CDU gir kjøling kun for serverkabinettet den er installert i, og tilbyr lavere pålitelighet enn sentraliserte CDUer.

 

For å unngå mangel på kjølekapasitet på grunn av CDU-feil, bør N+1 eller N+2 redundans vurderes, eller CDUs pumpemodul bør utformes med N+1 redundans for å sikre tilstrekkelig kjøling for IT utstyr og muliggjør online vedlikehold.

 

▲ CDU

 

En sammenligning av sentraliserte og distribuerte CDUer er vist i tabellen nedenfor:

 

▲ Sammenligning av sentraliserte og distribuerte CDUer

 

Varmevekslingskapasiteten til en CDUs varmeveksler avhenger av dens tilnærmingstemperatur. Tilnærmingstemperaturen er forskjellen mellom temperaturen på kjølevæsken som kommer inn i IT-utstyret og den primære kjølevannstemperaturen ved CDU-inntaket. Foruten tilnærmingstemperatur, inkluderer andre nøkkelparametere å vurdere for CDU-ytelse:

 

• Nærmer seg temperatur (fortrinnsvis 3-10 grader)
• Kjølevæskesammensetning (f.eks. rent vann, 25 % PG, 55 % PG)
• Primære og sekundære strømningshastigheter, pumpeeffekt og trykkhøyde
• Primære vanntemperaturgrader (f.eks. W27, W32, W45, W+)

 

 

V Væskekjølingsrørledninger

 

Væskekjølingsrørledninger gir kanalene for kjølevæskesirkulasjon, deltar i strømningsmotstandsfordelingen til hele væskekjølesystemet og gir enkle eksterne grensesnitt for væskekjøleinnretninger. Valg av intern rør for IT-utstyr må ta hensyn til materialkompatibilitet, strømningshastighet (som bør kontrolleres under 1,5 m/s i fleksible rørledninger), røroppsett, installasjonsmetoder, strømningsfordelingsdesign og pålitelighet.

 

Rørledninger for væskekjøling i servere skal oppfylle følgende tekniske krav:

 

• Det bør brukes høytemperatur-, høytrykksbestandige FEP-korrugerte eller EPDM-slanger, med arbeidstrykk Større enn eller lik 0.35 MPa og maksimalt trykk Større enn eller lik 1 MPa.
• Lekkasjesøketau bør installeres for å oppdage eventuelle kjølevæskelekkasjer.
• Rørledninger bør kobles til den kalde platen ved hjelp av mothakebeslag eller slangeklemmer for å sikre en pålitelig tetning.

 

1. Hovedklassifiseringer av rørledninger for væskekjøling

 

▲ Rørledning for væskekjøling

 

▲ EPDM (Ethylen Propylene Diene Monomer) slange

 

▲ PTFE (Polytetrafluoretylen) korrugerte rør

 

▲ PFA (Perfluoroalkoxy Polymer) rør

 

2. En sammenligning av forskjellige rørledningsmaterialer

 

▲ Rørledningsmaterialer

 

 

VI Lekkasjesøketau

 

Siden datanoder ofte er de dyreste komponentene i IT-utstyr, og det er fare for ledende kjølevæskelekkasjer som kan forårsake utstyrsskade og datatap, er det nødvendig å oppdage potensielle lekkasjer inne i datanodene. Lekkasjedeteksjon er generelt klassifisert i to metoder: indirekte og direkte.

 

1. Deteksjonsmetode

Indirekte metode: Lekkasjedeteksjon bestemmes ved hjelp av eksisterende sensorer og algoritmer for trykk, strømningshastighet, temperatur og bobler.

 

Direkte metode: Sensorer som lekkasjedeteksjonstau/-kabler eller membrandeteksjonsstrimler brukes på spesifikke steder (f.eks. langs rørledninger og skjøter) for direkte å oppdage lekkasjer.

 

For tiden bruker industrien hovedsakelig den direkte metoden, ved å bruke lekkasjedeteksjonstau for lekkasjedeteksjon.

 

▲ Lekkasjesøketau

 

2. Deteksjonsprinsipp

Lekkasjedeteksjonstau er basert på prinsippet om væskeledningsevne for å oppdage om det har oppstått en lekkasje og må brukes sammen med en vannlekkasjekontroller. Når noen del av deteksjonstauet kommer i kontakt med vann, vil de to følelinjene kortslutte. Vannlekkasjekontrolleren bestemmer lekkasjetilstanden basert på endringen i deteksjonstauets motstand og sender et alarmsignal.

 

▲ Deteksjonsprinsipp for lekkasjedeteksjonstau

 

▲ Layout av lekkasjedeteksjonstau inne i en server

 

3. Forholdsregler under installasjon av tau for lekkasjedeteksjon

• Sensorledningen skal forbli tørr og ren under installasjonen.
• Unngå å legge følerlinjen i områder som er utsatt for kondens.
• Overlapping eller sammenfletting av følelinjene er forbudt, da dette kan forårsake falske alarmer.
• Bøyeradiusen til følerlinjen under installasjon bør ikke være mindre enn 4 mm (i henhold til en vanlig brukt ledning), ellers kan følerlinjen bli skadet.
• Unngå en viklingsradius på mindre enn 24 mm når sensorlinjen installeres på en kveil måte, da dette kan skade sensorlinjen.
• Sensorledningen bør ikke installeres i miljøer med høye temperaturer, høy luftfuktighet, vibrasjoner, etsende gasser eller andre kilder til elektronisk støyinterferens.
• Under installasjon eller bruk, ikke klem eller plasser tunge gjenstander på sensorlinjen, da dette kan forårsake skade.
• Unngå overdreven spenning på sensorledningen under installasjonen, da dette kan løsne endene på ledningsforbindelsen, forårsake dårlige tilkoblinger, brudd eller løsnere av terminaler.
• Hvis den lekkede væsken inneholder ledende stoffer eller vannbestandige forurensninger (f.eks. voks, olje), kan det føre til at sensorledningen ikke kan tilbakestilles, og i så fall må sensorledningen skiftes ut.