Dizajn i odabir komponenti ploče za hlađenje tekućinom za poslužitelje

 

Sklop ploče za hlađenje tekućinom sastoji se od ključnih komponenti kao što su hladna ploča, spojni cjevovodi, brzi spojnici, uređaji za otkrivanje curenja i unutarnja rashladna tekućina.

 

▲ Sklop ploče za hlađenje tekućinom

 

 

I Hladna ploča

 

Hladna ploča je središnja komponenta koja dolazi u kontakt s procesorom kako bi omogućila izmjenu topline. Rashladna tekućina teče unutar hladne ploče kako bi odvela toplinu iz procesora. Kroz spajanje cjevovoda, brzih priključaka za tekućinu, jedinica za distribuciju hlađenja i povratnih razvodnika u kućištu, čini sekundarnu zatvorenu petlju, koja u konačnici prenosi toplinu procesora vani.

 

1. Struktura

Na temelju mogućnosti odvajanja modula za raspršivanje topline i modula za pričvršćivanje, hladne ploče se mogu podijeliti na integrirane hladne ploče i podijeljene hladne ploče. Moduli za odvođenje topline i pričvršćivanje integrirane hladne ploče su neodvojivi, dok se kod podijeljene hladne ploče moduli mogu odvojiti pomoću vijaka.

 

▲ Dijagram integrirane hladne ploče

 

▲ Dijagram podijeljene hladne ploče

 

2. Materijal

Većina hladnih ploča u industriji izrađena je od bakra, a neki se proizvođači odlučuju za aluminij, iako je njegova upotreba relativno minimalna zbog dugotrajne otpornosti na koroziju. Jedan sustav ne bi trebao sadržavati metale sa značajnim potencijalnim razlikama.

 

3. Zahtjevi za dizajn

• Hladnu ploču treba dizajnirati u skladu s veličinom čipa i unutarnjom strukturom elektroničke opreme kako bi se postigla optimalna učinkovitost izmjene topline.
• Dok se osiguravaju zahtjevi za temperaturom kućišta čipa tijekom cijelog životnog vijeka, dizajn kanala protoka trebao bi biti optimiziran što je više moguće kako bi se smanjio otpor protoka modula.
• Trebao bi zadovoljiti zahtjeve opterećenja utičnice za čip i zahtjeve težine za hladnjak.
• Redoslijed postavljanja i uklanjanja hladne ploče treba razmotriti kako bi se zadovoljile operativne potrebe čipa.
• Također treba zadovoljiti tehničke zahtjeve za silu stezanja čipa, kao i zahtjeve za ravnost donje površine hladnjaka nakon postavljanja/uklanjanja.

 

4. Zahtjevi toplinske izvedbe

• Korisnici trebaju osigurati temperaturu i uvjete protoka rashladne tekućine na ulazu hladne ploče.
• Temperatura ljuske ohlađenog čipa ne bi trebala prijeći maksimalnu vrijednost koju je odredio dobavljač čipa tijekom cijelog radnog razdoblja.
• Ukupni otpor protoka sekundarnog rashladnog kruga trebao bi odgovarati naponu pumpe u jedinici za distribuciju hlađenja.
• Ukupni kapacitet otpora protoka sustava i temperatura ljuske čipa trebali bi omogućiti određenu redundanciju. Redundancija otpora protoku ne smije biti manja od 10%, a redundancija temperature ljuske ne smije biti manja od 3 stupnja kako bi se prilagodile tolerancije sustava.
• Projektanti rashladne ploče trebali bi osigurati krivulju toplinskih graničnih uvjeta za hladnu ploču, koja predstavlja odnos između ulazne temperature rashladne tekućine i brzine protoka rashladne tekućine koja prolazi kroz hladnu ploču.
• Ulazna brzina rashladne tekućine na hladnoj ploči ne bi smjela prelaziti 1,5 m/s, a razlika temperature dovoda i povrata rashladne tekućine treba se kontrolirati u rasponu od 5 stupnjeva do 10 stupnjeva.

 

▲ Krivulja toplinskih graničnih uvjeta za dizajn hladne ploče

 

 

II Rashladno sredstvo

 

▲ Rashladno sredstvo

 

Uobičajene rashladne tekućine koje se koriste u sekundarnim rashladnim krugovima uključuju rashladne tekućine na bazi vode i one koje nisu na bazi vode. Odabir bi trebao zadovoljiti zahtjeve za učinkom hlađenja, istovremeno osiguravajući kompatibilnost i dugoročnu pouzdanost sa svim smočenim materijalima u sekundarnoj petlji. Također treba uzeti u obzir održavanje IT opreme, očekivani životni vijek rashladne tekućine i ukupne troškove.

 

Rashladne tekućine na bazi vode imaju izvrsne performanse prijenosa topline, a većina industrije odlučuje se za rashladne tekućine na bazi vode. One se dijele na čiste vodene rashladne tekućine i formulirane rashladne tekućine.

 

Čista vodena rashladna tekućina koristi čistu vodu kao otapalo bez aditiva ili samo određeni udio etilen glikola ili propilen glikola kao antifriz, ovisno o zahtjevima antifriza. Čista vodena rashladna tekućina sprječava koroziju i rast mikroba održavajući okolinu ultra niske vodljivosti.

 

Formulirana sredstva za hlađenje koriste čistu vodu kao otapalo, uz određeni udio antifriza koji se dodaje za zaštitu od smrzavanja, kao i inhibitore korozije i biocide. Formulirana rashladna sredstva smanjuju rizik od korozije i inhibiraju rast bakterija putem aditiva. Međutim, ovi aditivi smanjuju toplinsku vodljivost vode i mogu izgubiti učinkovitost tijekom vremena, zahtijevajući periodično uzorkovanje za praćenje kvalitete rashladnog sredstva.

 

▲ Prednosti i nedostaci rashladnog medija na bazi vode

 

Na temelju istraživanja industrije, Huawei i Sugon prvenstveno koriste 25% otopine etilen glikola, dok Inspur i H3C uglavnom koriste 25% otopine propilen glikola. Koncentracija od 25% nije fiksna; 20% do 30% je prihvatljivo. Previsoka koncentracija može utjecati na protok tekućine i performanse hlađenja, dok preniska koncentracija možda neće pružiti zaštitu od smrzavanja ili spriječiti rast mikroba. Koncentracija iznad 20% općenito osigurava određenu inhibiciju rasta mikroba za otopine etilen glikola i propilen glikola. Stoga se preporučuje korištenje 25% koncentracije otopine etilen glikola ili propilen glikola kao rashladnog sredstva za sustave tekućeg hlađenja.

 

 

III Priključci za brzo odvajanje

 

Samobrtveni priključci za brzo odvajanje (QD) koriste se za brze veze ili odspajanja između IT opreme i sustava za tekuće hlađenje u svrhu održavanja, dok osiguravaju da rashladna tekućina ne curi. Ovo osigurava da sustav tekućeg hlađenja ostaje operativan, a IT oprema može nastaviti sa sigurnim radom.

 

▲ Priključci za brzo odvajanje (QD)

 

Postoje dvije glavne vrste samobrtvenih spojnica za brzo odvajanje: ručne i slijepe izvedbe.

Priključci za ručno brzo odvajanje zahtijevaju od korisnika da uhvati priključak za operacije spajanja ili odvajanja, a može se raditi jednom rukom ili objema rukama. Zbog ručnog rada, za to se mora ostaviti dovoljno prostora.

 

▲ Priključci za ručno brzo odvajanje

 

Blind-mate spojnice, koje ne zahtijevaju ručni rad, spajaju se ili odspajaju pomoću pritiska i trebaju precizno poravnanje s tračnicama ili klinovima za pozicioniranje kako bi se održao potreban pritisak za ispravno povezivanje, sprječavajući bilo kakvo odspajanje.

 

▲ Blind-Mate spojnice za brzo odvajanje

 

Priključci za brzo odvajanje koriste se u muškim/ženskim konfiguracijama (parovi utikač/utičnica ili umetak/tijelo). Kada se odvoji, samobrtveni ventil unutar fitinga prekida protok tekućine kako bi zaštitio okolnu opremu. Zbog toga odabir fitinga mora strogo ograničiti curenje rashladne tekućine tijekom odspajanja. Općenito, curenje bi trebalo biti manje od 1/6 kapi po spajanju/odspajanju (manje od jedne kapi nakon šest spajanja/odspajanja) ili manje od 0,5 ml. Preporučuju se spojnice koje curenje smanjuju na najmanju mjeru, poput onih s dizajnom bez kapanja ili ravnim licem.

 

U sustavima s ručnim spojnicama za brzo odvajanje treba se pozabaviti ergonomskim aspektima (npr. mehanizmi za zaključavanje, sila spajanja, prostorna ograničenja) kako bi se osiguralo jednostavno održavanje. Dizajn blind-mate mora uzeti u obzir tolerancije ugradnje i toleranciju odstupanja kako bi se osigurala pouzdana veza.

 

▲ Dijagram poravnanja Blind-Mate

 

 

IV jedinica za distribuciju hlađenja (CDU)

 

Rashladna distribucijska jedinica (CDU) je uređaj koji se koristi za izmjenu topline između krugova tekućine. CDU komponente uključuju sučelja, pumpe, izmjenjivače topline tekućina-tekućina ili tekućina-zrak, spremnike, uređaje za kontrolu ventila, opremu za nadzor, filtre i razne senzore. CDU se koriste za mjerenje i kontrolu rashladnog kapaciteta, protoka, tlaka i temperature. Sve komponente u CDU moraju biti testirane na kompatibilnost s rashladnom tekućinom.

 

CDU jedinice se dijele na centralizirane (kabinet) i distribuirane (rack) tipove.

 

Centralizirani CDU osigurava hlađenje za jedan ili više regala za IT opremu ili čak cijeli podatkovni centar, s većim kapacitetom hlađenja i opskrbe u usporedbi s distribuiranim CDU-ovima. Distribuirani CDU-ovi eliminiraju potrebu za instalacijom sekundarnih cjevovoda, pri čemu svaki CDU osigurava hlađenje samo za ormarić poslužitelja u kojem je instaliran, nudeći nižu pouzdanost od centraliziranih CDU-ova.

 

Kako bi se izbjegao manjak kapaciteta hlađenja zbog kvara CDU-a, trebalo bi razmotriti redundanciju N+1 ili N+2 ili bi modul crpke CDU-a trebao biti projektiran s redundancijom N+1 kako bi se osiguralo dovoljno hlađenja za IT opreme i omogućiti online održavanje.

 

▲ CDU

 

Usporedba centraliziranih i distribuiranih CDU-ova prikazana je u donjoj tablici:

 

▲ Usporedba centraliziranih i distribuiranih CDU-ova

 

Kapacitet izmjene topline CDU-ovog izmjenjivača topline ovisi o njegovoj pristupnoj temperaturi. Prilazna temperatura je razlika između temperature rashladne tekućine koja ulazi u IT opremu i temperature primarne rashladne vode na ulazu CDU. Osim temperature pristupa, drugi ključni parametri koje treba uzeti u obzir za izvedbu CDU uključuju:

 

• Prilazna temperatura (po mogućnosti 3-10 stupnjeva)
• Sastav rashladnog sredstva (npr. čista voda, 25% PG, 55% PG)
• Primarni i sekundarni protok, snaga pumpe i visina
• Primarni razredi temperature vode (npr. W27, W32, W45, W+)

 

 

V Cjevovodi za hlađenje tekućinom

 

Cjevovodi za hlađenje tekućinom osiguravaju kanale za cirkulaciju rashladne tekućine, sudjelujući u raspodjeli otpora protoka cijelog sustava za hlađenje tekućinom i osiguravajući jednostavna vanjska sučelja za uređaje za hlađenje tekućinom. Odabir unutarnjeg cjevovoda za IT opremu mora uzeti u obzir kompatibilnost materijala, brzinu protoka (koju treba kontrolirati ispod 1,5 m/s u fleksibilnim cjevovodima), raspored cjevovoda, metode ugradnje, dizajn distribucije protoka i pouzdanost.

 

Cjevovodi za tekuće hlađenje u poslužiteljima trebaju ispunjavati sljedeće tehničke zahtjeve:

 

• Trebaju se koristiti valovita FEP ili EPDM crijeva otporna na visoke temperature, visoki tlak, s radnim tlakom većim od ili jednakim 0.35 MPa i maksimalnim tlakom većim ili jednakim 1 MPa.
• Trebalo bi postaviti užad za otkrivanje curenja kako bi se otkrilo curenje rashladne tekućine.
• Cjevovodi bi trebali biti spojeni na hladnu ploču pomoću šiljastih priključaka ili stezaljki za crijevo kako bi se osiguralo pouzdano brtvljenje.

 

1. Glavne klasifikacije cjevovoda za hlađenje tekućinom

 

▲ Cjevovod za hlađenje tekućinom

 

▲ EPDM (etilen propilen dien monomer) crijevo

 

▲ PTFE (politetrafluoroetilen) valovita cijev

 

▲ Cijev od PFA (perfluoroalkoksi polimera).

 

2. Usporedba različitih materijala cjevovoda

 

▲ Materijali cjevovoda

 

 

VI Uže za otkrivanje curenja

 

Budući da su računalni čvorovi često najskuplje komponente u IT opremi, te postoji rizik od curenja vodljivog rashladnog sredstva koje može uzrokovati oštećenje opreme i gubitak podataka, potrebno je otkriti potencijalna curenja unutar računalnih čvorova. Detekcija curenja općenito se dijeli na dvije metode: neizravnu i izravnu.

 

1. Metoda otkrivanja

Neizravna metoda: otkrivanje curenja utvrđuje se korištenjem postojećih senzora i algoritama za tlak, brzinu protoka, temperaturu i mjehuriće.

 

Izravna metoda: Senzori poput užadi/kabela za otkrivanje curenja ili membranskih traka za otkrivanje koriste se na određenim mjestima (npr. duž cjevovoda i spojeva) za izravno otkrivanje curenja.

 

Trenutno industrija uglavnom usvaja izravnu metodu, koristeći užad za otkrivanje curenja za otkrivanje curenja.

 

▲ Uže za otkrivanje curenja

 

2. Načelo detekcije

Užad za otkrivanje curenja temelji se na principu vodljivosti tekućine kako bi se otkrilo je li došlo do curenja i mora se koristiti zajedno s regulatorom curenja vode. Kada bilo koji dio detekcijskog užeta dođe u kontakt s vodom, dvije će senzorske linije kratko spojiti. Regulator curenja vode utvrđuje stanje curenja na temelju promjene otpora užeta za detekciju i šalje signal alarma.

 

▲ Princip otkrivanja užeta za otkrivanje curenja

 

▲ Raspored užeta za otkrivanje curenja unutar poslužitelja

 

3. Mjere opreza tijekom postavljanja užeta za otkrivanje curenja

• Osjetna linija treba ostati suha i čista tijekom instalacije.
• Izbjegavajte polaganje senzorske linije u područjima sklona kondenzaciji.
• Zabranjeno je preklapanje ili ispreplitanje senzorskih linija jer to može uzrokovati lažne alarme.
• Radijus savijanja senzorske linije tijekom postavljanja ne smije biti manji od 4 mm (prema uobičajenoj žici) ili se senzorska linija može oštetiti.
• Kada instalirate senzorsku cijev na namotani način, izbjegavajte polumjer namotaja manji od 24 mm, jer to može oštetiti senzorsku cijev.
• Osjetna linija ne smije se postavljati u okruženjima s visokim temperaturama, visokom vlažnošću, vibracijama, korozivnim plinovima ili drugim izvorima elektroničkih smetnji.
• Tijekom postavljanja ili korištenja nemojte stiskati niti stavljati teške predmete na senzorsku liniju jer to može uzrokovati oštećenje.
• Izbjegavajte pretjeranu napetost na senzorskoj liniji tijekom instalacije, jer to može olabaviti krajeve žica, uzrokovati loše spojeve, lomove ili odvajanje terminala.
• Ako tekućina koja je iscurila sadrži vodljive tvari ili zagađivače otporne na vodu (npr. vosak, ulje), to može uzrokovati neuspjeh resetiranja senzorske linije, u kojem slučaju će se senzorska linija morati zamijeniti.