Proiectare și selectare a componentelor plăcilor de răcire cu lichid pentru servere

 

Ansamblul plăcii de răcire cu lichid este format din componente cheie, cum ar fi placa rece, conductele de conectare, conectori rapidi, dispozitive de detectare a scurgerilor și lichid de răcire intern.

 

▲ Ansamblu plăci de răcire cu lichid

 

 

I Plată rece

 

Placa rece este componenta de bază care vine în contact cu procesorul pentru a permite schimbul de căldură. Lichidul de răcire curge în interiorul plăcii rece pentru a îndepărta căldura de la procesor. Prin conectarea conductelor, conectorilor rapidi de lichid, unităților de distribuție de răcire și colectoarelor de retur în dulap, formează o buclă închisă secundară, transferând în cele din urmă căldura procesorului în aer liber.

 

1. Structura

Pe baza detașabilității modulului de disipare a căldurii și a modulului de fixare, plăcile reci pot fi împărțite în plăci reci integrate și plăci reci divizate. Modulele de disipare a căldurii și de fixare ale unei plăci reci integrate sunt inseparabile, în timp ce într-o placă rece despicată modulele sunt detașabile prin șuruburi.

 

▲ Diagrama unei plăci reci integrate

 

▲ Diagrama unei plăci reci divizate

 

2. Material

Majoritatea plăcilor reci din industrie sunt fabricate din cupru, unii producători optând pentru aluminiu, deși utilizarea acestuia este relativ minimă din cauza considerațiilor de rezistență la coroziune pe termen lung. Un singur sistem nu trebuie să conțină metale cu diferențe semnificative de potențial.

 

3. Cerințe de proiectare

• Placa rece trebuie proiectată în funcție de dimensiunea cipului și de structura internă a echipamentului electronic pentru a obține o eficiență optimă a schimbului de căldură.
• Asigurând în același timp cerințele de temperatură a carcasei cipului pe întreaga durată de viață, designul canalului de curgere ar trebui optimizat cât mai mult posibil pentru a reduce rezistența la curgere a modulului.
• Ar trebui să îndeplinească cerințele de încărcare ale prizei de cip și cerințele de greutate pentru radiatorul.
• Secvența de instalare și îndepărtare a plăcii rece trebuie luată în considerare pentru a satisface nevoile operaționale ale cipului.
• De asemenea, ar trebui să îndeplinească cerințele tehnice pentru forța de strângere a așchiilor, precum și cerințele de planeitate pentru suprafața inferioară a radiatorului după instalare/demontare.

 

4. Cerințe de performanță termică

• Utilizatorii trebuie să furnizeze condițiile de temperatură și debit ale lichidului de răcire la intrarea plăcii rece.
• Temperatura învelișului cipului răcit nu trebuie să depășească valoarea maximă specificată de furnizorul de cip pe toată perioada de funcționare.
• Rezistența totală la curgere a circuitului de răcire secundar ar trebui să se potrivească cu capacitatea capului pompei în unitatea de distribuție a răcirii.
• Capacitatea totală de rezistență la curgere a sistemului și temperatura învelișului cipului ar trebui să permită o anumită redundanță. Redundanța rezistenței la curgere nu trebuie să fie mai mică de 10%, iar redundanța temperaturii carcasei nu trebuie să fie mai mică de 3 grade pentru a se adapta toleranțelor sistemului.
• Proiectanții plăcilor reci ar trebui să furnizeze o curbă de condiție la limită termică pentru placa rece, reprezentând relația dintre temperatura de admisie a lichidului de răcire și debitul de lichid de răcire care trece prin placa rece.
• Viteza de intrare a lichidului de răcire la placa rece nu trebuie să depășească 1,5 m/s, iar diferența de temperatură de alimentare-retur a lichidului de răcire trebuie controlată în intervalul de la 5 la 10 grade.

 

▲ Curba de condiție la limită termică pentru proiectarea plăcilor reci

 

 

II Lichidul de răcire

 

▲ Lichidul de răcire

 

Lichidanții de răcire obișnuiți utilizați în buclele de răcire secundare includ agenți de răcire pe bază de apă și fără apă. Alegerea ar trebui să satisfacă cerințele de performanță de răcire, asigurând în același timp compatibilitatea și fiabilitatea pe termen lung cu toate materialele umede din bucla secundară. De asemenea, ar trebui să ia în considerare întreținerea echipamentului IT, durata de viață estimată a lichidului de răcire și costul total.

 

Agenții de răcire pe bază de apă au performanțe excelente de transfer de căldură, iar majoritatea industriei optează pentru lichide de răcire pe bază de apă. Acestea sunt împărțite în lichide de răcire cu apă pură și lichide de răcire formulate.

 

Lichidul de răcire cu apă pură folosește apă pură ca solvent fără aditivi sau doar o anumită proporție de etilen glicol sau propilenglicol ca antigel, în funcție de cerințele antigel. Lichidul de răcire cu apă pură inhibă coroziunea și creșterea microbiană prin menținerea unui mediu cu conductivitate ultra-scăzută.

 

Lichidanții de răcire formulați folosesc apă pură ca solvent, cu o anumită proporție de antigel adăugată pentru protecția împotriva înghețului, precum și inhibitori de coroziune și biocide. Agenții de răcire formulați reduc riscul de coroziune și inhibă creșterea bacteriilor prin aditivi. Cu toate acestea, acești aditivi reduc conductivitatea termică a apei și își pot pierde eficacitatea în timp, necesitând prelevarea periodică de probe pentru a monitoriza calitatea lichidului de răcire.

 

▲ Avantajele și dezavantajele mediului de răcire pe bază de apă

 

Pe baza cercetărilor din industrie, Huawei și Sugon folosesc în principal soluții de etilenglicol de 25%, în timp ce Inspur și H3C folosesc în principal soluții de propilenglicol de 25%. O concentrație de 25% nu este fixată; 20% până la 30% este acceptabil. O concentrație prea mare poate afecta fluxul fluidului și performanța de răcire, în timp ce o concentrație prea mică poate să nu ofere protecție antigel sau să inhibe creșterea microbiană. O concentrație peste 20% asigură, în general, o anumită inhibare a creșterii microbiene atât pentru soluțiile de etilen glicol, cât și pentru propilenglicol. Prin urmare, se recomandă utilizarea unei concentrații de 25% de soluții de etilenglicol sau propilenglicol ca lichid de răcire pentru sistemele de răcire cu lichid.

 

 

III Fitinguri de deconectare rapidă

 

Fitingurile de deconectare rapidă (QD) cu autoetanșare sunt utilizate pentru a asigura conexiuni sau deconectări rapide între echipamentele IT și sistemele de răcire cu lichid în scopuri de întreținere, asigurând în același timp scurgeri de lichid de răcire. Acest lucru asigură că sistemul de răcire cu lichid rămâne operațional, iar echipamentele IT pot continua să funcționeze în siguranță.

 

▲ Fitinguri de deconectare rapidă (QD)

 

Există două tipuri principale de fitinguri cu deconectare rapidă cu autoetanșare: modele manuale și modele blind-mate.

Fitingurile manuale cu deconectare rapidă necesită ca utilizatorul să apuce fitingul pentru operațiuni de conectare sau deconectare și pot fi operate cu o singură mână sau cu două mâini. Datorită funcționării manuale, trebuie să fie suficient spațiu pentru aceasta.

 

▲ Fitinguri de deconectare rapidă manuală

 

Fitingurile blind-mate, care nu necesită operare manuală, se conectează sau se deconectează prin presiune și necesită o aliniere precisă cu șinele sau știfturile de poziționare pentru a menține presiunea necesară pentru o conectivitate adecvată, prevenind orice deconectare.

 

▲ Fitinguri de deconectare rapidă Blind-Mate

 

Fitingurile de deconectare rapidă sunt utilizate în configurații tată/femă (fișă/priză sau perechi de inserție/corp). Când este deconectată, supapa de auto-etanșare din interiorul fitingului oprește fluxul de fluid pentru a proteja echipamentul din jur. Prin urmare, selecția fitingurilor trebuie să limiteze strict scurgerea lichidului de răcire în timpul deconectării. În general, scurgerea ar trebui să fie mai mică de 1/6 dintr-o picătură per conexiune/deconectare (mai puțin de o picătură după șase conexiuni/deconectări) sau mai mică de 0,5 ml. Sunt recomandate fitingurile care reduc la minimum scurgerile, cum ar fi cele cu design fără picurare sau cu fața întinsă.

 

În sistemele cu fitinguri de deconectare rapidă manuală, considerațiile ergonomice (de exemplu, mecanismele de blocare, forța de conectare, constrângerile de spațiu) ar trebui să fie abordate pentru a asigura o întreținere ușoară. Proiectele blind-mate trebuie să ia în considerare toleranțele de instalare și toleranța de dezaliniere pentru a asigura o conexiune fiabilă.

 

▲ Diagrama de aliniere Blind-Mate

 

 

Unitate de distribuție a răcirii IV (CDU)

 

Unitatea de distribuție a răcirii (CDU) este un dispozitiv utilizat pentru schimbul de căldură între circuitele de lichid. Componentele CDU includ interfețe, pompe, schimbătoare de căldură lichid-lichid sau lichid-aer, rezervoare, dispozitive de control al supapelor, echipamente de monitorizare, filtre și diverși senzori. CDU-urile sunt folosite pentru a măsura și controla capacitatea de răcire, debitul, presiunea și temperatura. Toate componentele din CDU trebuie testate pentru compatibilitate cu lichidul de răcire.

 

CDU-urile sunt clasificate în tipuri centralizate (cabinet) și distribuite (rack).

 

Un CDU centralizat asigură răcirea pentru unul sau mai multe rafturi de echipamente IT sau chiar pentru un întreg centru de date, cu o capacitate mai mare de răcire și de alimentare în comparație cu CDU-urile distribuite. CDU-urile distribuite elimină necesitatea instalării conductelor secundare, fiecare CDU furnizând răcire doar pentru dulapul serverului în care este instalat, oferind o fiabilitate mai mică decât CDU-urile centralizate.

 

Pentru a evita lipsa capacității de răcire din cauza defecțiunii CDU, trebuie luată în considerare redundanța N+1 sau N+2 sau modulul pompei CDU ar trebui proiectat cu redundanță N+1 pentru a asigura o răcire suficientă pentru IT echipamente și să permită întreținerea online.

 

▲ CDU

 

O comparație a CDU-urilor centralizate și distribuite este prezentată în tabelul de mai jos:

 

▲ Comparația CDU-urilor centralizate și distribuite

 

Capacitatea de schimb de căldură a schimbătorului de căldură al unui CDU depinde de temperatura de apropiere a acestuia. Temperatura de apropiere este diferența dintre temperatura lichidului de răcire care intră în echipamentul IT și temperatura apei de răcire primară la intrarea CDU. Pe lângă temperatura de apropiere, alți parametri cheie care trebuie luați în considerare pentru performanța CDU includ:

 

• Temperatura de apropiere (de preferință 3-10 grade )
• Compoziția lichidului de răcire (de exemplu, apă pură, 25% PG, 55% PG)
• Debitele primare și secundare, puterea pompei și înălțimea
• Grade de temperatură primară a apei (de exemplu, W27, W32, W45, W+)

 

 

V Conducte de răcire cu lichid

 

Conductele de răcire cu lichid asigură canalele pentru circulația lichidului de răcire, participând la distribuția rezistenței la curgere a întregului sistem de răcire cu lichid și oferind interfețe externe simple pentru dispozitivele de răcire cu lichid. Selectarea conductelor interne pentru echipamentele IT trebuie să ia în considerare compatibilitatea materialelor, viteza curgerii (care ar trebui controlată sub 1,5 m/s în conductele flexibile), aspectul conductelor, metodele de instalare, proiectarea distribuției debitului și fiabilitatea.

 

Conductele de răcire cu lichid din servere trebuie să îndeplinească următoarele cerințe tehnice:

 

• Trebuie utilizate furtunuri FEP ondulate sau EPDM la temperaturi ridicate, rezistente la presiune înaltă, cu presiune de lucru Mai mare sau egală cu 0,35 MPa și presiune maximă Mai mare sau egală cu 1 MPa.
• Cablurile de detectare a scurgerilor trebuie instalate pentru a detecta eventualele scurgeri de lichid de răcire.
• Conductele trebuie conectate la placa rece folosind fitinguri ghimpate sau cleme de furtun pentru a asigura o etanșare fiabilă.

 

1. Principalele clasificări ale conductelor de răcire cu lichid

 

▲ Conductă de răcire cu lichid

 

▲ Furtun EPDM (Etilen Propilen Diene Monomer).

 

▲ Țeavă ondulată PTFE (politetrafluoretilenă).

 

▲ Teava PFA (polimer perfluoroalcoxi).

 

2. O comparație a diferitelor materiale de conductă

 

▲ Materiale pentru conducte

 

 

VI Funie de detectare a scurgerilor

 

Deoarece nodurile de calcul sunt adesea cele mai scumpe componente ale echipamentelor IT și există riscul unor scurgeri de lichid de răcire conductiv care pot cauza deteriorarea echipamentului și pierderea de date, este necesar să se detecteze eventualele scurgeri în interiorul nodurilor de calcul. Detectarea scurgerilor este în general clasificată în două metode: indirectă și directă.

 

1. Metoda de detectare

Metodă indirectă: Detectarea scurgerilor este determinată folosind senzori și algoritmi existenți pentru presiune, debit, temperatură și bule.

 

Metodă directă: Senzorii, cum ar fi frânghiile/cablurile de detectare a scurgerilor sau benzile de detectare a membranei, sunt utilizați în anumite locații (de exemplu, de-a lungul conductelor și îmbinărilor) pentru a detecta direct scurgerile.

 

În prezent, industria adoptă în principal metoda directă, folosind cabluri de detectare a scurgerilor pentru detectarea scurgerilor.

 

▲ Funie de detectare a scurgerilor

 

2. Principiul detectării

Corzile de detectare a scurgerilor se bazează pe principiul conductibilității lichidului pentru a detecta dacă a avut loc o scurgere și trebuie utilizate împreună cu un controler de scurgere a apei. Când orice parte a cablului de detectare intră în contact cu apa, cele două linii de detectare se vor scurtcircuita. Controlerul de scurgere de apă determină starea de scurgere pe baza modificării rezistenței cablului de detectare și trimite un semnal de alarmă.

 

▲ Principiul de detectare a cablului de detectare a scurgerilor

 

▲ Dispunerea cablului de detectare a scurgerilor în interiorul unui server

 

3. Precauții în timpul instalării cablului de detectare a scurgerilor

• Linia de detectare trebuie să rămână uscată și curată în timpul instalării.
• Evitați așezarea liniei de detectare în zone predispuse la condens.
• Suprapunerea sau împletirea liniilor de detectare este interzisă, deoarece aceasta poate provoca alarme false.
• Raza de îndoire a liniei de detectare în timpul instalării nu trebuie să fie mai mică de 4 mm (conform unui fir utilizat în mod obișnuit), altfel linia de detectare se poate deteriora.
• Când instalați linia de detectare într-un mod spiralat, evitați o rază de înfășurare mai mică de 24 mm, deoarece aceasta poate deteriora linia de detectare.
• Linia de detectare nu trebuie instalată în medii cu temperaturi ridicate, umiditate ridicată, vibrații, gaze corozive sau alte surse de interferență cu zgomot electronic.
• În timpul instalării sau utilizării, nu strângeți și nu așezați obiecte grele pe linia de detectare, deoarece acest lucru poate provoca daune.
• Evitați tensiunea excesivă pe linia de detectare în timpul instalării, deoarece aceasta poate slăbi capetele conexiunii firelor, poate cauza conexiuni proaste, ruperea sau detașarea bornelor.
• Dacă lichidul scurs conține substanțe conductoare sau poluanți rezistenți la apă (de exemplu, ceară, ulei), aceasta poate duce la eșecul resetei liniei de detectare, caz în care linia de detectare va trebui înlocuită.