Palvelimien nestejäähdytyslevykomponenttien suunnittelu ja valinta

 

Nestejäähdytyslevykokoonpano koostuu keskeisistä osista, kuten kylmälevystä, liitosputkista, pikaliittimistä, vuodonilmaisinlaitteista ja sisäisestä jäähdytysnesteestä.

 

▲ Nestejäähdytyslevyn kokoonpano

 

 

I Kylmälevy

 

Kylmälevy on ydinkomponentti, joka joutuu kosketuksiin prosessorin kanssa lämmönvaihdon mahdollistamiseksi. Jäähdytysneste virtaa kylmälevyn sisällä kuljettaakseen lämmön pois prosessorista. Kaapissa olevien putkien, nesteen pikaliittimien, jäähdytysjakeluyksiköiden ja paluujakoputkien yhdistämisen kautta se muodostaa toissijaisen suljetun silmukan, joka lopulta siirtää prosessorin lämmön ulos.

 

1. Rakenne

Lämmönpoistomoduulin ja kiinnitysmoduulin irrotettavuuden perusteella kylmälevyt voidaan jakaa integroituihin kylmälevyihin ja jaettuihin kylmälevyihin. Integroidun kylmälevyn lämmönpoisto- ja kiinnitysmoduulit ovat erottamattomia, kun taas jaetun kylmälevyn moduulit ovat irrotettavissa ruuveilla.

 

▲ Integroidun kylmälevyn kaavio

 

▲ Jaetun kylmälevyn kaavio

 

2. Materiaali

Suurin osa alan kylmälevyistä on valmistettu kuparista, ja jotkut valmistajat valitsevat alumiinin, vaikka sen käyttö on suhteellisen vähäistä pitkäaikaisen korroosionkestävyyden vuoksi. Yksittäinen järjestelmä ei saa sisältää metalleja, joilla on merkittäviä potentiaalieroja.

 

3. Suunnitteluvaatimukset

• Kylmälevy tulee suunnitella sirun koon ja elektroniikkalaitteiden sisäisen rakenteen mukaan optimaalisen lämmönvaihtotehokkuuden saavuttamiseksi.
• Samalla kun varmistetaan sirun kuoren lämpötilavaatimukset koko sen elinkaaren ajan, virtauskanavan suunnittelu tulee optimoida mahdollisimman paljon moduulin virtausvastuksen pienentämiseksi.
• Sen tulee täyttää sirupesän kuormitusvaatimukset ja jäähdytyselementin painovaatimukset.
• Kylmälevyn asennus- ja poistojärjestys tulee harkita vastaamaan sirun käyttötarpeita.
• Sen tulee myös täyttää lastun puristusvoiman tekniset vaatimukset sekä jäähdytyslevyn pohjapinnan tasaisuusvaatimukset asennuksen/irrotuksen jälkeen.

 

4. Lämpötehovaatimukset

• Käyttäjien tulee ilmoittaa jäähdytysnesteen lämpötila ja virtausolosuhteet kylmälevyn tuloaukossa.
• Jäähdytetyn sirun kuoren lämpötila ei saa ylittää sirutoimittajan ilmoittamaa maksimiarvoa koko käyttöjakson aikana.
• Toisiojäähdytyspiirin kokonaisvirtausvastuksen tulee vastata pumpun nostokykyä jäähdytyksen jakeluyksikössä.
• Järjestelmän kokonaisvirtausvastuskapasiteetin ja sirun kuoren lämpötilan tulisi sallia jonkin verran redundanssia. Virtausvastuksen redundanssin tulee olla vähintään 10 % ja vaipan lämpötilan redundanssin tulee olla vähintään 3 astetta järjestelmän toleranssien huomioon ottamiseksi.
• Kylmälevyjen suunnittelijoiden tulee laatia kylmälevylle lämpörajaolosuhdekäyrä, joka edustaa tulon jäähdytysnesteen lämpötilan ja kylmälevyn läpi kulkevan jäähdytysnesteen virtausnopeuden välistä suhdetta.
• Jäähdytysnesteen tulonopeus kylmälevyllä ei saa ylittää 1,5 m/s, ja jäähdytysnesteen tulo-paluulämpötilan eroa tulee säätää välillä 5 - 10 astetta.

 

▲ Lämpötilakäyrä kylmälevysuunnittelulle

 

 

II Jäähdytysneste

 

▲ Jäähdytysneste

 

Tavallisia sekundäärijäähdytyssilmukoissa käytettyjä jäähdytysnesteitä ovat vesipohjaiset ja muut kuin vesipohjaiset jäähdytysaineet. Valinnan tulee täyttää jäähdytystehovaatimukset ja varmistaa yhteensopivuus ja pitkäaikainen luotettavuus kaikkien toisiopiirin kostuneiden materiaalien kanssa. Siinä tulee ottaa huomioon myös IT-laitteiden huolto, jäähdytysnesteen odotettu käyttöikä ja kokonaiskustannukset.

 

Vesipohjaisilla jäähdytysnesteillä on erinomainen lämmönsiirtokyky, ja suurin osa teollisuudesta valitsee vesipohjaiset jäähdytysnesteet. Ne on jaettu puhdasvesijäähdytysnesteisiin ja formuloituihin jäähdytysnesteisiin.

 

Puhdasvesijäähdytysnesteessä käytetään liuottimena puhdasta vettä ilman lisäaineita tai vain tietty määrä eteeniglykolia tai propyleeniglykolia pakkasnesteenä pakkasnesteen vaatimuksista riippuen. Puhdas vesijäähdytysneste estää korroosiota ja mikrobien kasvua ylläpitämällä erittäin alhaisen johtavuuden ympäristöä.

 

Formuloiduissa jäähdytysnesteissä käytetään liuottimena puhdasta vettä, johon on lisätty tietty määrä pakkasnestettä pakkassuojaksi sekä korroosionestoaineita ja biosidejä. Formuloidut jäähdytysnesteet vähentävät korroosioriskiä ja estävät bakteerien kasvua lisäaineiden avulla. Nämä lisäaineet kuitenkin vähentävät veden lämmönjohtavuutta ja voivat menettää tehokkuutta ajan myötä, mikä edellyttää säännöllistä näytteenottoa jäähdytysnesteen laadun valvomiseksi.

 

▲ Vesipohjaisen jäähdytysaineen edut ja haitat

 

Teollisuustutkimuksen perusteella Huawei ja Sugon käyttävät pääasiassa 25 % etyleeniglykoliliuoksia, kun taas Inspur ja H3C käyttävät pääasiassa 25 % propyleeniglykoliliuoksia. 25 %:n pitoisuus ei ole kiinteä; 20–30 % on hyväksyttävää. Liian korkea pitoisuus voi vaikuttaa nesteen virtaukseen ja jäähdytystehoon, kun taas liian pieni pitoisuus ei ehkä tarjoa jäätymisenestosuojaa tai estää mikrobien kasvua. Yli 20 %:n pitoisuus yleensä estää jonkin verran mikrobien kasvua sekä etyleeniglykoli- että propyleeniglykoliliuoksille. Siksi on suositeltavaa käyttää 25 % etyleeniglykoli- tai propyleeniglykoliliuoksia nestejäähdytysjärjestelmien jäähdytysnesteenä.

 

 

III Pikakatkaisuliittimet

 

Itsetiivistyviä pikakatkaisuliittimiä (QD) käytetään nopeisiin liitäntöihin tai katkaisuihin IT-laitteiden ja nestejäähdytysjärjestelmien välillä huoltotarkoituksiin varmistaen samalla, että jäähdytysneste ei vuoda. Näin varmistetaan, että nestejäähdytysjärjestelmä pysyy toimintakunnossa ja IT-laitteet voivat jatkaa toimintaansa turvallisesti.

 

▲ Quick Disconnect Fittings (QD)

 

Itsesulkeutuvia pikaliittimiä on kahta päätyyppiä: manuaaliset ja sokeamattimallit.

Manuaaliset pikakatkaisuliittimet edellyttävät, että käyttäjä tarttuu liittimeen liittämistä tai irrottamista varten, ja ne voivat olla joko yhdellä tai kahdella kädellä. Käsikäytön vuoksi tähän on jätettävä riittävästi tilaa.

 

▲ Manuaaliset pikakatkaisuliittimet

 

Blind-mate-liittimet, jotka eivät vaadi manuaalista käyttöä, kytketään tai irrotetaan paineen avulla, ja ne tarvitsevat tarkan kohdistuksen kiskojen tai kohdistustappien kanssa, jotta ne pitävät tarvittavan paineen kunnollisen liitännän kannalta, mikä estää irrottamisen.

 

▲ Blind-Mate pikairrotusliittimet

 

Pikairrotusliittimiä käytetään uros/naaraskokoonpanoissa (pistoke/pistorasia tai insertti/runko-parit). Kun irrotetaan, liittimen sisällä oleva itsetiivistävä venttiili katkaisee nesteen virtauksen suojaamaan ympäröivää laitetta. Siksi liitosvalinnan on rajoitettava tiukasti jäähdytysnesteen vuotoa irrotuksen aikana. Yleensä vuodon tulee olla alle 1/6 pisarasta liitäntää/irrotusta kohden (alle yksi pisara kuuden kytkennän/irrotuksen jälkeen) tai alle 0,5 ml. Suosittelemme liittimiä, jotka minimoivat vuodon, kuten ne, joissa on tippumaton tai huuhdeltava pinta.

 

Manuaalisilla pikakatkaisuliittimillä varustetuissa järjestelmissä on huomioitava ergonomiset näkökohdat (esim. lukitusmekanismit, liitosvoima, tilan rajoitteet) huollon helpottamiseksi. Blind-mate-malleissa on otettava huomioon asennustoleranssit ja virhetoleranssit luotettavan liitännän varmistamiseksi.

 

▲ Blind-Mate kohdistuskaavio

 

 

IV jäähdytyksen jakeluyksikkö (CDU)

 

Cooling Distribution Unit (CDU) on laite, jota käytetään lämmönvaihtoon nestekiertojen välillä. CDU-komponentteja ovat liitännät, pumput, neste-neste tai neste-ilma lämmönvaihtimet, säiliöt, venttiilien ohjauslaitteet, valvontalaitteet, suodattimet ja erilaiset anturit. CDU:ita käytetään jäähdytyskapasiteetin, virtausnopeuden, paineen ja lämpötilan mittaamiseen ja ohjaamiseen. Kaikkien CDU:n komponenttien yhteensopivuus jäähdytysnesteen kanssa on testattava.

 

CDU:t luokitellaan keskitettyihin (kaappi) ja hajautettuihin (teline) tyyppeihin.

 

Keskitetty CDU tarjoaa jäähdytyksen yhdelle tai useammalle IT-laitetelineelle tai jopa koko datakeskukselle, ja jäähdytys- ja syöttökapasiteetti on suurempi kuin hajautetuissa CDU:issa. Hajautetut CDU:t eliminoivat toissijaisten putkien asennuksen tarpeen, sillä jokainen CDU jäähdyttää vain sitä palvelinkaappia, johon se on asennettu, mikä tarjoaa alhaisemman luotettavuuden kuin keskitetyt CDU:t.

 

CDU:n viasta johtuvan jäähdytyskapasiteetin puutteen välttämiseksi tulee harkita N+1 tai N+2 redundanssia tai CDU:n pumppumoduulin on suunniteltava N+1 redundanssilla riittävän jäähdytyksen varmistamiseksi IT:lle laitteet ja mahdollistavat online-huollon.

 

▲ CDU

 

Keskitettyjen ja hajautettujen CDU:iden vertailu on esitetty alla olevassa taulukossa:

 

▲ Keskitettyjen ja hajautettujen CDU:iden vertailu

 

CDU:n lämmönvaihtimen lämmönvaihtokyky riippuu sen lähestymislämpötilasta. Lähestymislämpötila on IT-laitteistoon tulevan jäähdytysnesteen lämpötilan ja CDU:n sisääntulon ensisijaisen jäähdytysveden lämpötilan välinen ero. Lähestymislämpötilan lisäksi muita tärkeitä CDU:n suorituskyvyn kannalta tärkeitä parametreja ovat:

 

• Lähestymislämpötila (mieluiten 3-10 astetta)
• Jäähdytysnesteen koostumus (esim. puhdas vesi, 25 % PG, 55 % PG)
• Ensisijainen ja toisiovirtaus, pumpun teho ja nostokorkeus
• Ensisijaiset veden lämpötilaluokat (esim. W27, W32, W45, W+)

 

 

V Nestejäähdytysputket

 

Nestejäähdytysputket tarjoavat kanavat jäähdytysnesteen kiertoon, osallistuen koko nestejäähdytysjärjestelmän virtausvastusjakaumaan ja tarjoavat yksinkertaisia ​​ulkoisia rajapintoja nestejäähdytyslaitteille. IT-laitteiden sisäisen putkiston valinnassa tulee ottaa huomioon materiaalien yhteensopivuus, virtausnopeus (josta joustavissa putkistoissa tulee säätää alle 1,5 m/s), putkien sijoittelu, asennustavat, virtauksen jakautumisen suunnittelu ja luotettavuus.

 

Palvelimien nestejäähdytysputkien tulee täyttää seuraavat tekniset vaatimukset:

 

• On käytettävä korkeita lämpötiloja, korkean paineen kestäviä aallotettuja FEP- tai EPDM-letkuja, joiden käyttöpaine on suurempi tai yhtä suuri kuin 0,35 MPa ja maksimipaine on suurempi tai yhtä suuri kuin 1 MPa.
• Vuodonilmaisuköydet tulee asentaa jäähdytysnesteen vuotojen havaitsemiseksi.
• Putket tulee liittää kylmälevyyn väkäsliittimillä tai letkunkiristimillä luotettavan tiivistyksen varmistamiseksi.

 

1. Nestejäähdytysputkistojen pääluokitukset

 

▲ Nestejäähdytysputki

 

▲ EPDM-letku (etyleenipropyleenidieenimonomeeri).

 

▲ PTFE (polytetrafluorieteeni) aallotettu putki

 

▲ PFA (Perfluoroalkoxy Polymer) -putki

 

2. Erilaisten putkistomateriaalien vertailu

 

▲ Putkilinjamateriaalit

 

 

VI Vuodontunnistusköysi

 

Koska laskentasolmut ovat usein IT-laitteiden kalleimpia komponentteja ja olemassa on johtavan jäähdytysnesteen vuotojen riski, jotka voivat aiheuttaa laitevaurioita ja tietojen menetystä, on tarpeen havaita mahdolliset vuodot laskentasolmujen sisällä. Vuodon havaitseminen luokitellaan yleensä kahteen menetelmään: epäsuoraan ja suoraan.

 

1. Havaitsemismenetelmä

Epäsuora menetelmä: Vuodon havaitseminen määritetään käyttämällä olemassa olevia paineen, virtausnopeuden, lämpötilan ja kuplien antureita ja algoritmeja.

 

Suora menetelmä: Antureita, kuten vuodonilmaisuköysiä/kaapeleita tai kalvontunnistusliuskoja, käytetään tietyissä paikoissa (esim. putkistojen ja liitosten varrella) vuotojen havaitsemiseen suoraan.

 

Tällä hetkellä teollisuus käyttää pääasiassa suoraa menetelmää käyttämällä vuotojen havaitsemiseen tarkoitettuja köysiä.

 

▲ Vuodontunnistusköysi

 

2. Havaitsemisperiaate

Vuodonilmaisuköydet perustuvat nesteenjohtavuuden periaatteeseen vuodon havaitsemiseksi, ja niitä on käytettävä yhdessä vesivuotoohjaimen kanssa. Kun jokin tunnistusköyden osa joutuu kosketuksiin veden kanssa, kaksi anturijohtoa oikosulkevat. Vesivuodon säädin määrittää vuototilan tunnistusköyden vastuksen muutoksen perusteella ja lähettää hälytyssignaalin.

 

▲ Vuodontunnistusköyden havaitsemisperiaate

 

▲ Vuodontunnistusköyden asettelu palvelimen sisällä

 

3. Varotoimet vuodontunnistusköyden asennuksen aikana

• Anturilinjan tulee pysyä kuivana ja puhtaana asennuksen aikana.
• Vältä anturijohdon sijoittamista alueille, jotka ovat alttiita kondensaatiolle.
• Tunnistinlinjojen päällekkäisyys tai kietoutuminen on kiellettyä, koska se voi aiheuttaa vääriä hälytyksiä.
• Tunnistinlinjan taivutussäde asennuksen aikana ei saa olla alle 4 mm (yleisesti käytetyn johdon mukaan), tai anturijohto voi vaurioitua.
• Kun asennat anturijohtoa kierteisesti, vältä alle 24 mm:n käämityssädettä, koska se voi vahingoittaa anturijohtoa.
• Tunnistinlinjaa ei saa asentaa ympäristöihin, joissa on korkeita lämpötiloja, korkea kosteus, tärinä, syövyttäviä kaasuja tai muita elektronisen häiriön lähteitä.
• Älä purista tai aseta raskaita esineitä anturilinjalle asennuksen tai käytön aikana, koska tämä voi aiheuttaa vaurioita.
• Vältä anturijohdon liiallista jännitystä asennuksen aikana, koska se voi löystyä johdinliitäntöjen päissä, aiheuttaa huonoja liitäntöjä, rikkoutumista tai liittimien irtoamista.
• Jos vuotanut neste sisältää johtavia aineita tai vettä kestäviä epäpuhtauksia (esim. vahaa, öljyä), se voi aiheuttaa sen, että anturijohto ei nollaudu, jolloin anturijohto on vaihdettava.