Dizajn i izbor komponenti ploče za hlađenje tečnosti za servere

 

Sklop ploče za hlađenje tekućinom sastoji se od ključnih komponenti kao što su hladna ploča, spojni cjevovodi, brzi konektori, uređaji za detekciju curenja i interno rashladno sredstvo.

 

▲ Sklop ploče za hlađenje tekućinom

 

 

I Cold Plate

 

Hladna ploča je osnovna komponenta koja dolazi u kontakt sa procesorom kako bi omogućila razmjenu topline. Rashladno sredstvo teče unutar hladne ploče kako bi odnijelo toplinu iz procesora. Povezivanjem cevovoda, brzih konektora za tečnost, distributivnih jedinica za hlađenje i povratnih razvodnika u kućištu, on formira sekundarnu zatvorenu petlju, koja na kraju prenosi toplotu procesora napolje.

 

1. Struktura

Na osnovu odvojivosti modula za odvođenje toplote i modula za pričvršćivanje, hladne ploče se mogu podijeliti na integrirane hladne ploče i podijeljene hladne ploče. Moduli za odvođenje topline i fiksiranje 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 napravljena je od bakra, a neki proizvođači se odlučuju za aluminij, iako je njegova upotreba relativno minimalna zbog dugoročne otpornosti na koroziju. Jedan sistem ne bi trebao sadržavati metale sa značajnim potencijalnim razlikama.

 

3. Zahtjevi za dizajn

• Hladna ploča treba da bude dizajnirana u skladu sa veličinom čipa i unutrašnjom strukturom elektronske opreme kako bi se postigla optimalna efikasnost razmene toplote.
• Dok se osiguravaju zahtjevi za temperaturu ljuske čipa tokom cijelog njegovog životnog vijeka, dizajn kanala protoka treba optimizirati što je više moguće kako bi se smanjio otpor protoka modula.
• Trebao bi zadovoljiti zahtjeve opterećenja utičnice za čip i zahtjeve težine hladnjaka.
• Redoslijed postavljanja i uklanjanja hladne ploče treba razmotriti kako bi se zadovoljile operativne potrebe čipa.
• Takođe treba da ispunjava tehničke zahteve za silu stezanja strugotine, kao i zahteve za ravnost donje površine hladnjaka nakon ugradnje/demontaže.

 

4. Zahtjevi za termičke performanse

• Korisnici treba da obezbede temperaturu i uslove protoka rashladne tečnosti na ulazu hladne ploče.
• Temperatura omotača ohlađenog čipa ne bi trebalo da prelazi maksimalnu vrednost koju je odredio dobavljač čipa tokom čitavog operativnog perioda.
• Ukupni otpor protoka sekundarnog rashladnog kruga treba da odgovara kapacitetu pumpe u distributivnoj jedinici za hlađenje.
• Kapacitet ukupnog otpora protoka sistema i temperatura ljuske čipa bi trebalo da omoguće izvesnu redundantnost. Redundansa otpora protoka ne bi trebala biti manja od 10%, a redundansa temperature ljuske ne bi trebala biti manja od 3 stepena kako bi se prilagodile tolerancije sistema.
• Dizajneri hladne ploče treba da obezbede krivu termičkog graničnog stanja za hladnu ploču, koja predstavlja odnos između ulazne temperature rashladnog sredstva i brzine protoka rashladne tečnosti koja prolazi kroz hladnu ploču.
• Brzina ulaznog rashladnog sredstva na hladnoj ploči ne bi trebalo da prelazi 1,5 m/s, a razlika u temperaturi dovoda i povrata rashladne tečnosti treba da se kontroliše u opsegu od 5 stepeni do 10 stepeni.

 

▲ Kriva termičkih graničnih uslova za dizajn hladnih ploča

 

 

II Rashladna tečnost

 

▲ Rashladna tečnost

 

Uobičajena rashladna sredstva koja se koriste u sekundarnim rashladnim petljama uključuju rashladna sredstva na bazi vode i bez vode. Izbor bi trebao zadovoljiti zahtjeve performansi hlađenja, istovremeno osiguravajući kompatibilnost i dugoročnu pouzdanost sa svim vlažnim materijalima u sekundarnoj petlji. Također treba uzeti u obzir održavanje IT opreme, očekivani vijek trajanja rashladne tekućine i ukupne troškove.

 

Rashladna sredstva na bazi vode imaju odlične performanse prijenosa topline, a većina industrije se odlučuje za rashladne tekućine na bazi vode. One se dijele na rashladne tekućine s čistom vodom i formulirane rashladne tekućine.

 

Čista vodena rashladna tekućina koristi čistu vodu kao rastvarač bez aditiva, ili samo određeni udio etilen glikola ili propilen glikola kao antifriz, ovisno o zahtjevima antifriza. Čista vodena rashladna tečnost inhibira koroziju i rast mikroba održavajući okruženje ultra niske provodljivosti.

 

Formulisane rashladne tečnosti koriste čistu vodu kao rastvarač, sa određenim udelom antifriza za zaštitu od smrzavanja, kao i inhibitore korozije i biocide. Formulisane rashladne tečnosti smanjuju rizik od korozije i inhibiraju rast bakterija putem aditiva. Međutim, ovi aditivi smanjuju toplotnu provodljivost vode i mogu izgubiti efikasnost tokom vremena, što zahteva periodično uzorkovanje radi praćenja kvaliteta rashladne tečnosti.

 

▲ Prednosti i nedostaci rashladnog medija na bazi vode

 

Na osnovu industrijskih istraživanja, 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 uticati na protok tečnosti i performanse hlađenja, dok preniska koncentracija možda neće pružiti zaštitu od smrzavanja ili inhibirati rast mikroba. Koncentracija iznad 20% općenito osigurava određenu inhibiciju mikrobnog rasta za otopine etilen glikola i propilen glikola. Zbog toga se preporučuje upotreba otopine etilen glikola ili propilen glikola u koncentraciji od 25% kao rashladno sredstvo za tečne rashladne sisteme.

 

 

III Priključci za brzo rastavljanje

 

Samozaptivni spojevi za brzo rastavljanje (QD) se koriste za brzo spajanje ili isključenje između IT opreme i sistema za hlađenje tečnosti u svrhu održavanja, istovremeno osiguravajući da rashladna tečnost ne curi. Ovo osigurava da sistem hlađenja tekućinom ostane u funkciji, a IT oprema može nastaviti bezbedno da radi.

 

▲ Priključci za brzo odvajanje (QD)

 

Postoje dvije glavne vrste samozaptivnih spojnica za brzo rastavljanje: ručne i blind-mate dizajne.

Priključci za ručno brzo rastavljanje zahtijevaju od korisnika da uhvati spojnicu za operacije spajanja ili odvajanja i mogu se upravljati jednom ili dvostrukom rukom. Zbog ručnog rada, za to se mora ostaviti dovoljno prostora.

 

▲ Priključci za ručno brzo odvajanje

 

Blind-mate fitinzi, koji ne zahtijevaju ručni rad, spajaju se ili odvajaju pod pritiskom i trebaju precizno poravnanje sa šinama ili pozicionirnim klinovima kako bi održali potreban pritisak za pravilno povezivanje, sprječavajući bilo kakvo odvajanje.

 

▲ Priključci za brzo odvajanje Blind-Mate

 

Priključci za brzo rastavljanje se koriste u muškim/ženskim konfiguracijama (utikač/utičnica ili parovi umetak/telo). Kada je isključen, samozaptivni ventil unutar fitinga prekida protok tečnosti kako bi zaštitio okolnu opremu. Stoga, odabir fitinga mora striktno ograničiti curenje rashladne tekućine tokom odvajanja. Općenito, curenje bi trebalo biti manje od 1/6 kapi po priključku/isključenju (manje od jedne kapi nakon šest povezivanja/isključivanja) ili manje od 0.5 ml. Preporučuju se fitinzi koji minimaliziraju curenje, kao što su oni sa dizajnom bez kapanja ili u ravnini s licem.

 

U sistemima sa ručnim spojnicama za brzo rastavljanje, ergonomska razmatranja (npr. mehanizmi za zaključavanje, sila povezivanja, ograničenje prostora) treba da se pozabave kako bi se osiguralo jednostavno održavanje. Slijepi dizajni moraju uzeti u obzir tolerancije instalacije i toleranciju neusklađenosti kako bi se osigurala pouzdana veza.

 

▲ Blind-Mate dijagram poravnanja

 

 

IV rashladna distributivna jedinica (CDU)

 

Jedinica za distribuciju hlađenja (CDU) je uređaj koji se koristi za razmjenu topline između tekućinskih krugova. CDU komponente uključuju interfejse, pumpe, izmenjivače toplote tečnost-tečnost ili tečnost-vazduh, rezervoare, uređaje za kontrolu ventila, opremu za nadzor, filtere i različite senzore. CDU se koriste za mjerenje i kontrolu kapaciteta hlađenja, brzine protoka, pritiska i temperature. Sve komponente u CDU-u moraju biti testirane na kompatibilnost sa rashladnom tečnošću.

 

CDU se dijele na centralizirane (kabinetne) i distribuirane (reck) tipove.

 

Centralizovani CDU obezbeđuje hlađenje za jedan ili više rekova IT opreme ili čak ceo data centar, sa većim kapacitetom hlađenja i snabdevanja u poređenju sa distribuiranim CDU-ovima. Distribuirani CDU-ovi eliminišu potrebu za instalacijom sekundarnih cijevi, pri čemu svaki CDU osigurava hlađenje samo za serverski ormar u kojem je instaliran, nudeći nižu pouzdanost od centraliziranih CDU-ova.

 

Da bi se izbjegao nedostatak kapaciteta hlađenja zbog kvara CDU-a, trebalo bi razmotriti N+1 ili N+2 redundantnost, ili bi modul pumpe CDU-a trebao biti dizajniran sa N+1 redundansom kako bi se osiguralo dovoljno hlađenja za IT opreme i omogućiti online održavanje.

 

▲ CDU

 

Poređenje centraliziranih i distribuiranih CDU-ova prikazano je u donjoj tabeli:

 

▲ Poređenje centralizovanih i distribuiranih CDU-ova

 

Kapacitet izmene toplote CDU-ovog izmenjivača toplote zavisi od njegove pristupne temperature. Prilazna temperatura je razlika između temperature rashladne tekućine koja ulazi u IT opremu i temperature primarne rashladne vode na CDU ulazu. Osim temperature pristupa, drugi ključni parametri koje treba uzeti u obzir za CDU performanse uključuju:

 

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

 

 

V Cjevovodi za hlađenje tekućinom

 

Cevovodi za tečno hlađenje obezbeđuju kanale za cirkulaciju rashladne tečnosti, učestvujući u distribuciji otpora protoka celog sistema za hlađenje tečnosti i obezbeđujući jednostavne spoljne interfejse za uređaje za hlađenje tečnosti. Odabir unutrašnjeg cjevovoda za IT opremu mora uzeti u obzir kompatibilnost materijala, brzinu protoka (koju treba kontrolisati ispod 1,5 m/s u fleksibilnim cjevovodima), raspored cjevovoda, metode instalacije, dizajn distribucije protoka i pouzdanost.

 

Cjevovodi za hlađenje tekućinom u serverima trebaju ispunjavati sljedeće tehničke zahtjeve:

 

• Treba koristiti FEP valovita ili EPDM crijeva na visoke temperature, otporna na visoki pritisak, s radnim pritiskom većim ili jednakim 0.35 MPa i maksimalnim pritiskom većim ili jednakim 1 MPa.
• Trebalo bi postaviti užad za detekciju curenja kako bi se otkrilo bilo kakvo curenje rashladne tekućine.
• Cjevovodi bi trebali biti povezani na hladnu ploču pomoću spojnica ili stezaljki za crijeva kako bi se osiguralo pouzdano zaptivanje.

 

1. Glavne klasifikacije cjevovoda za tečno hlađenje

 

▲ Cjevovod za hlađenje tekućinom

 

▲ EPDM (etilen propilen dien monomer) crevo

 

▲ PTFE (politetrafluoroetilen) valovita cijev

 

▲ PFA (Perfluoroalkoxy Polymer) cijev

 

2. Poređenje različitih materijala cjevovoda

 

▲ Materijali za cjevovode

 

 

VI Uže za detekciju curenja

 

Budući da su računarski čvorovi često najskuplje komponente u IT opremi, te postoji rizik od curenja provodljivog rashladnog sredstva koje može uzrokovati oštećenje opreme i gubitak podataka, neophodno je otkriti potencijalna curenja unutar računarskih čvorova. Detekcija curenja se generalno klasifikuje u dve metode: indirektno i direktno.

 

1. Metoda detekcije

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

 

Direktna metoda: Senzori kao što su užad/kablovi za otkrivanje curenja ili trake za otkrivanje membrane koriste se na određenim lokacijama (npr. duž cjevovoda i spojeva) za direktno otkrivanje curenja.

 

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

 

▲ Uže za detekciju curenja

 

2. Princip detekcije

Užad za otkrivanje curenja zasnovana je na principu provodljivosti tekućine za otkrivanje da li je došlo do curenja i moraju se koristiti zajedno s regulatorom curenja vode. Kada bilo koji dio užeta za detekciju dođe u kontakt s vodom, dvije senzorske linije će doći do kratkog spoja. Kontrolor curenja vode određuje stanje curenja na osnovu promjene otpora užeta za detekciju i šalje alarmni signal.

 

▲ Princip detekcije užeta za detekciju curenja

 

▲ Raspored užeta za detekciju curenja unutar servera

 

3. Mjere opreza tokom instalacije užeta za otkrivanje curenja

• Senzorna linija treba da ostane suva i čista tokom instalacije.
• Izbjegavajte polaganje senzorske linije u područjima sklonim kondenzaciji.
• Zabranjeno je preklapanje ili preplitanje senzorskih linija, jer to može uzrokovati lažne alarme.
• Radijus savijanja senzorske linije tokom instalacije ne bi trebao biti manji od 4 mm (prema obično korištenoj žici), ili se senzorska linija može oštetiti.
• Kada instalirate senzorsku liniju na namotani način, izbjegavajte radijus namotaja manji od 24 mm, jer to može oštetiti senzorsku liniju.
• Senzorna linija ne treba da se instalira u okruženjima sa visokim temperaturama, visokom vlažnošću, vibracijama, korozivnim gasovima ili drugim izvorima elektronskih smetnji.
• Tokom instalacije ili upotrebe, nemojte stiskati niti stavljati teške predmete na senzorsku liniju, jer to može uzrokovati oštećenje.
• Izbjegavajte prekomjerno zatezanje senzorske linije tijekom instalacije, jer to može olabaviti krajeve veze žice, uzrokovati loše veze, lomljenje ili odvajanje terminala.
• Ako tekućina koja je procurila sadrži provodljive tvari ili zagađivače otporne na vodu (npr. vosak, ulje), to može uzrokovati neuspjeh resetiranja senzorske linije, u kom slučaju će se senzorska linija morati zamijeniti.