Návrh a výber komponentov chladiacej dosky pre servery

 

Zostava dosky chladiacej kvapaliny pozostáva z kľúčových komponentov, ako je chladiaca doska, spojovacie potrubia, rýchlospojky, zariadenia na detekciu úniku a vnútorné chladivo.

 

▲ Zostava dosky chladenia kvapaliny

 

 

I Studený tanier

 

Chladiaca platňa je základná súčasť, ktorá prichádza do kontaktu s procesorom a umožňuje výmenu tepla. Chladiaca kvapalina prúdi vnútri chladiacej platne, aby odvádzala teplo z procesora. Prostredníctvom pripojenia potrubí, kvapalinových rýchlospojok, chladiacich distribučných jednotiek a vratných potrubí v skrini tvorí sekundárnu uzavretú slučku, ktorá v konečnom dôsledku prenáša teplo procesora von.

 

1. Štruktúra

Na základe odnímateľnosti modulu na odvod tepla a upevňovacieho modulu je možné studené dosky rozdeliť na integrované studené dosky a rozdelené studené dosky. Moduly na odvod tepla a upevňovacie moduly integrovanej studenej dosky sú neoddeliteľné, zatiaľ čo v delenej studenej doske sú moduly odnímateľné pomocou skrutiek.

 

▲ Schéma integrovanej studenej platne

 

▲ Schéma delenej studenej dosky

 

2. Materiál

Väčšina studených platní v priemysle je vyrobená z medi, pričom niektorí výrobcovia sa rozhodli pre hliník, aj keď jeho použitie je relatívne minimálne z dôvodu dlhodobej odolnosti voči korózii. Jediný systém by nemal obsahovať kovy s výraznými potenciálnymi rozdielmi.

 

3. Požiadavky na dizajn

• Chladiaca platňa by mala byť navrhnutá podľa veľkosti čipu a vnútornej štruktúry elektronického zariadenia, aby sa dosiahla optimálna účinnosť výmeny tepla.
• Pri zabezpečení požiadaviek na teplotu plášťa čipu počas celej jeho životnosti by mal byť dizajn prietokového kanála čo najviac optimalizovaný, aby sa znížil prietokový odpor modulu.
• Mal by spĺňať požiadavky na zaťaženie objímky čipu a požiadavky na hmotnosť chladiča.
• Postup inštalácie a demontáže studenej platne by sa mal zvážiť tak, aby vyhovoval prevádzkovým potrebám čipu.
• Tiež by mal spĺňať technické požiadavky na silu upínania triesok, ako aj požiadavky na rovinnosť spodnej plochy chladiča po inštalácii/demontáži.

 

4. Požiadavky na tepelný výkon

• Používatelia by mali poskytnúť informácie o teplote a podmienkach prietoku chladiacej kvapaliny na vstupe chladiacej dosky.
• Teplota plášťa chladeného čipu by počas celej doby prevádzky nemala prekročiť maximálnu hodnotu stanovenú dodávateľom čipu.
• Celkový prietokový odpor sekundárneho chladiaceho okruhu by mal zodpovedať kapacite hlavy čerpadla v chladiacej distribučnej jednotke.
• Celková kapacita prietokového odporu systému a teplota plášťa čipu by mali umožniť určitú redundanciu. Redundancia odporu prietoku by nemala byť menšia ako 10 % a redundancia teploty plášťa by nemala byť menšia ako 3 stupne, aby sa prispôsobili toleranciám systému.
• Konštruktéri chladiacich platní by mali poskytnúť krivku tepelných hraničných podmienok pre chladiacu platňu, ktorá predstavuje vzťah medzi teplotou chladiacej kvapaliny na vstupe a prietokom chladiacej kvapaliny prechádzajúcej cez chladiacu platňu.
• Vstupná rýchlosť chladiacej kvapaliny na chladiacej platni by nemala presiahnuť 1,5 m/s a teplotný rozdiel medzi prívodom a spiatočkou chladiacej kvapaliny by mal byť kontrolovaný v rozsahu 5 až 10 stupňov.

 

▲ Krivka teplotných hraničných podmienok pre dizajn studenej dosky

 

 

II Chladiaca kvapalina

 

▲ Chladiaca kvapalina

 

Bežné chladivá používané v sekundárnych chladiacich slučkách zahŕňajú chladivá na vodnej a nevodnej báze. Voľba by mala spĺňať požiadavky na chladiaci výkon a zároveň zabezpečiť kompatibilitu a dlhodobú spoľahlivosť so všetkými zmáčanými materiálmi v sekundárnej slučke. Mal by tiež zvážiť údržbu IT zariadení, očakávanú životnosť chladiacej kvapaliny a celkové náklady.

 

Chladiace kvapaliny na vodnej báze majú vynikajúci prenos tepla a väčšina priemyslu sa rozhoduje pre chladivá na báze vody. Tieto sa delia na chladiace kvapaliny s čistou vodou a chladiace kvapaliny s formuláciou.

 

Chladiaca kvapalina s čistou vodou používa ako rozpúšťadlo čistú vodu bez prísad alebo len určitý podiel etylénglykolu alebo propylénglykolu ako nemrznúcu zmes, v závislosti od požiadaviek na nemrznúcu zmes. Čistá vodná chladiaca kvapalina inhibuje koróziu a mikrobiálny rast tým, že udržuje prostredie s ultranízkou vodivosťou.

 

Formulované chladiace kvapaliny používajú ako rozpúšťadlo čistú vodu s určitým podielom nemrznúcej zmesi na ochranu pred mrazom, ako aj inhibítory korózie a biocídy. Formulované chladiace kvapaliny znižujú riziko korózie a inhibujú rast baktérií prostredníctvom prísad. Tieto prísady však znižujú tepelnú vodivosť vody a časom môžu stratiť účinnosť, čo si vyžaduje pravidelné odbery vzoriek na monitorovanie kvality chladiacej kvapaliny.

 

▲ Výhody a nevýhody chladiaceho média na báze vody

 

Na základe priemyselného výskumu Huawei a Sugon používajú predovšetkým 25 % roztoky etylénglykolu, zatiaľ čo Inspur a H3C používajú hlavne 25 % roztoky propylénglykolu. Koncentrácia 25 % nie je pevne stanovená; 20% až 30% je prijateľné. Príliš vysoká koncentrácia môže ovplyvniť prietok tekutiny a chladiaci výkon, zatiaľ čo príliš nízka koncentrácia môže zlyhať pri poskytovaní nemrznúcej ochrany alebo inhibícii rastu mikróbov. Koncentrácia nad 20 % vo všeobecnosti poskytuje určitú inhibíciu mikrobiálneho rastu pre roztoky etylénglykolu aj propylénglykolu. Preto sa ako chladivo pre kvapalinové chladiace systémy odporúča použiť roztoky etylénglykolu alebo propylénglykolu s koncentráciou 25 %.

 

 

III Rýchloupínacie armatúry

 

Samotesniace rýchlospojky (QD) sa používajú na zabezpečenie rýchleho spojenia alebo odpojenia medzi IT zariadením a kvapalinovými chladiacimi systémami na účely údržby, pričom zaisťujú, že chladiaca kvapalina neuniká. To zaisťuje, že systém kvapalinového chladenia zostane funkčný a IT zariadenia môžu naďalej bezpečne fungovať.

 

▲ Rýchloupínacie armatúry (QD)

 

Existujú dva hlavné typy samotesniacich rýchlo odpojiteľných armatúr: manuálne a slepé.

Manuálne rýchloupínacie armatúry vyžadujú, aby používateľ uchopil armatúru pri operáciách pripojenia alebo odpojenia a môže byť ovládaný jednou rukou alebo dvoma rukami. Kvôli ručnému ovládaniu je na to potrebné ponechať dostatočný priestor.

 

▲ Ručné rýchloodpojovacie armatúry

 

Spojovacie armatúry, ktoré nevyžadujú ručnú obsluhu, sa pripájajú alebo odpájajú tlakom a vyžadujú presné zarovnanie s koľajničkami alebo polohovacími kolíkmi, aby sa udržal potrebný tlak na správne pripojenie, čím sa zabráni akémukoľvek rozpojeniu.

 

▲ Rýchlo odpojovacie armatúry Blind-Mate

 

Rýchloupínacie armatúry sa používajú v konfiguráciách samec/samica (páry zástrčka/zásuvka alebo vložka/telo). Keď je samotesniaci ventil v armatúre odpojený, preruší tok tekutiny, aby chránil okolité zariadenie. Preto výber armatúry musí prísne obmedziť únik chladiacej kvapaliny počas odpojenia. Vo všeobecnosti by únik mal byť menší ako 1/6 kvapky na pripojenie/odpojenie (menej ako jedna kvapka po šiestich pripojeniach/odpojení) alebo menší ako 0,5 ml. Odporúčajú sa armatúry, ktoré minimalizujú netesnosti, ako napríklad tie s dizajnom bez odkvapkávania alebo so zapusteným povrchom.

 

V systémoch s manuálnymi rýchloupínacími armatúrami by sa mali zohľadniť ergonomické úvahy (napr. uzamykacie mechanizmy, sila spojenia, priestorové obmedzenia), aby sa zabezpečila jednoduchá údržba. Konštrukcie slepých párov musia brať do úvahy tolerancie inštalácie a toleranciu nesúosovosti, aby sa zabezpečilo spoľahlivé spojenie.

 

▲ Schéma zarovnania slepého páru

 

 

IV chladiaca distribučná jednotka (CDU)

 

Chladiaca distribučná jednotka (CDU) je zariadenie používané na výmenu tepla medzi kvapalinovými okruhmi. Medzi komponenty CDU patria rozhrania, čerpadlá, výmenníky tepla kvapalina-kvapalina alebo kvapalina-vzduch, zásobníky, zariadenia na ovládanie ventilov, monitorovacie zariadenia, filtre a rôzne senzory. CDU sa používajú na meranie a riadenie chladiacej kapacity, prietoku, tlaku a teploty. Všetky komponenty v CDU musia byť testované na kompatibilitu s chladiacou kvapalinou.

 

CDU sa delia na centralizované (skriňové) a distribuované (rackové) typy.

 

Centralizovaná jednotka CDU poskytuje chladenie pre jeden alebo viac stojanov IT zariadení alebo dokonca celého dátového centra s vyššou kapacitou chladenia a dodávky v porovnaní s distribuovanými jednotkami CDU. Distribuované jednotky CDU eliminujú potrebu inštalácie sekundárneho potrubia, pričom každá jednotka CDU poskytuje chladenie len pre serverovú skriňu, v ktorej je nainštalovaná, čo ponúka nižšiu spoľahlivosť ako centralizované jednotky CDU.

 

Aby sa predišlo nedostatkom chladiacej kapacity v dôsledku zlyhania CDU, malo by sa zvážiť redundancia N+1 alebo N{1}} alebo by mal byť modul čerpadla CDU navrhnutý s redundanciou N+1, aby sa zabezpečilo dostatočné chladenie pre IT zariadení a umožňujú online údržbu.

 

▲ CDU

 

Porovnanie centralizovaných a distribuovaných CDU je uvedené v tabuľke nižšie:

 

▲ Porovnanie centralizovaných a distribuovaných CDU

 

Kapacita výmeny tepla výmenníka tepla CDU závisí od jeho nábehovej teploty. Nábehová teplota je rozdiel medzi teplotou chladiva vstupujúceho do IT zariadenia a teplotou primárnej chladiacej vody na vstupe CDU. Okrem teploty približovania, ďalšie kľúčové parametre, ktoré je potrebné zvážiť pre výkon CDU, zahŕňajú:

 

• Teplota priblíženia (najlepšie 3-10 stupeň )
• Zloženie chladiacej kvapaliny (napr. čistá voda, 25 % PG, 55 % PG)
• Primárne a sekundárne prietoky, výkon čerpadla a dopravná výška
• Primárne stupne teploty vody (napr. W27, W32, W45, W+)

 

 

V Potrubie na chladenie kvapalín

 

Kvapalinové chladiace potrubia poskytujú kanály pre cirkuláciu chladiacej kvapaliny, podieľajú sa na distribúcii prietokového odporu celého kvapalinového chladiaceho systému a poskytujú jednoduché vonkajšie rozhrania pre kvapalinové chladiace zariadenia. Pri výbere vnútorného potrubia pre IT zariadenia sa musí brať do úvahy materiálová kompatibilita, rýchlosť prúdenia (ktorá by mala byť kontrolovaná pod 1,5 m/s pri flexibilných potrubiach), usporiadanie potrubia, spôsoby inštalácie, návrh distribúcie toku a spoľahlivosť.

 

Potrubie na chladenie kvapaliny v serveroch by malo spĺňať nasledujúce technické požiadavky:

 

• Mali by sa použiť vysokoteplotné, vysokotlakové vlnité hadice FEP alebo EPDM hadice s pracovným tlakom väčším alebo rovným 0,35 MPa a maximálnym tlakom väčším alebo rovným 1 MPa.
• Na detekciu úniku chladiacej kvapaliny by sa mali nainštalovať laná na detekciu úniku.
• Potrubia by mali byť pripojené k studenej platni pomocou ostnatých tvaroviek alebo hadicových svoriek, aby sa zabezpečilo spoľahlivé utesnenie.

 

1. Hlavné klasifikácie potrubí na chladenie kvapalín

 

▲ Potrubie na chladenie kvapaliny

 

▲ Hadica EPDM (etylénpropyléndiénový monomér).

 

▲ PTFE (polytetrafluóretylén) vlnitá rúrka

 

▲ PFA (Perfluoroalkoxy Polymer) Rúrka

 

2. Porovnanie rôznych materiálov potrubí

 

▲ Materiály potrubia

 

 

VI Lano na detekciu úniku

 

Keďže výpočtové uzly sú často najdrahšími komponentmi IT zariadení a existuje riziko úniku vodivého chladiva, ktoré môže spôsobiť poškodenie zariadenia a stratu dát, je potrebné detekovať potenciálne úniky vo vnútri výpočtových uzlov. Detekcia netesností je vo všeobecnosti rozdelená do dvoch metód: nepriama a priama.

 

1. Detekčná metóda

Nepriama metóda: Detekcia úniku sa určuje pomocou existujúcich senzorov a algoritmov pre tlak, prietok, teplotu a bubliny.

 

Priama metóda: Snímače, ako sú laná/káble na detekciu netesností alebo pásy na detekciu membrán, sa používajú na špecifických miestach (napr. pozdĺž potrubí a spojov) na priamu detekciu netesností.

 

V súčasnosti sa v tomto odvetví používa hlavne priama metóda s použitím lán na zisťovanie netesností na detekciu netesností.

 

▲ Lano na detekciu úniku

 

2. Princíp detekcie

Laná na detekciu úniku sú založené na princípe vodivosti kvapaliny na zistenie, či došlo k úniku a musia byť použité v spojení s regulátorom úniku vody. Keď sa ktorákoľvek časť detekčného lana dostane do kontaktu s vodou, obe snímacie vedenia sa skratujú. Regulátor úniku vody určí stav úniku na základe zmeny odporu detekčného lana a vyšle poplachový signál.

 

▲ Princíp detekcie úniku lana

 

▲ Usporiadanie lana na detekciu úniku vo vnútri servera

 

3. Bezpečnostné opatrenia počas inštalácie lana na detekciu úniku

• Snímacie vedenie by počas inštalácie malo zostať suché a čisté.
• Neumiestňujte snímacie vedenie v oblastiach náchylných na kondenzáciu.
• Prekrývanie alebo prepletanie línií snímania je zakázané, pretože to môže spôsobiť falošné poplachy.
• Polomer ohybu snímacieho vedenia počas inštalácie by nemal byť menší ako 4 mm (podľa bežne používaného vodiča), inak by sa mohlo snímacie vedenie poškodiť.
• Pri inštalácii snímacieho vedenia zvinutým spôsobom sa vyhnite polomeru vinutia menším ako 24 mm, pretože by to mohlo poškodiť snímacie vedenie.
• Snímacie vedenie by nemalo byť inštalované v prostredí s vysokými teplotami, vysokou vlhkosťou, vibráciami, korozívnymi plynmi alebo inými zdrojmi elektronického rušenia.
• Počas inštalácie alebo používania nestláčajte ani neumiestňujte ťažké predmety na snímaciu linku, pretože to môže spôsobiť poškodenie.
• Počas inštalácie sa vyhýbajte nadmernému napätiu na snímacom vedení, pretože to môže uvoľniť konce káblových spojov, spôsobiť zlé spojenia, zlomenie alebo oddelenie svoriek.
• Ak uniknutá kvapalina obsahuje vodivé látky alebo vode odolné znečisťujúce látky (napr. vosk, olej), môže to spôsobiť zlyhanie resetovania snímacieho vedenia, v takom prípade bude potrebné snímacie vedenie vymeniť.