Zawory kulowe do bezpośredniego--chłodzenia cieczą chipa: objaśnienie wymagań dotyczących kontroli przepływu

Kiedy inżynier centrum danych określa sprzęt chłodzący dla szafy GPU o mocy 100 kW, rozmowa zwykle zaczyna się od płyt chłodzących, jednostek CDU i układów kolektorów. Zawory są kwestią drugorzędną, dopóki coś nie pójdzie nie tak. Pojedynczy źle skonfigurowany punkt odłączenia może wymusić całkowite wyłączenie szafy serwerowej w oknie konserwacyjnym. Zawór, który nie może wystarczająco szybko zareagować na wyciek, może zalać akceleratory warte 300 000 dolarów. Natomiast element-kontroli przepływu dostosowany do systemu HVAC budynku będzie powodował brak równowagi ciśnień, który ogranicza wydajność układu w ciągu kilku dni od uruchomienia.

Chłodzenie cieczą bezpośrednio-do{{1}chipu (D2C) -, w którym chłodziwo przepływa bezpośrednio przez płytki chłodzące zamontowane na procesorach, procesorach graficznych i modułach pamięci, - przestało być praktyką niszową i stało się koniecznością głównego nurtu. Pojedyncze chipy akceleratora rozpraszają teraz do 1200 W ciepła, a gęstość-na poziomie szafy zwykle osiąga 60 kW do 200 kW. Chłodzenie powietrzem nie jest w stanie dotrzymać kroku tym liczbom. Jednak zastąpienie wentylatorów pętlami cieczy oznacza wprowadzenie nowej kategorii precyzyjnych elementów mechanicznych do środowiska, które wcześniej było suche. Właściwy dobór zaworu nie jest opcjonalny. Błędy są kosztowne.

W tym artykule wyjaśniono, czego faktycznie wymagają systemy chłodzenia D2C od zaworów kulowych, w podziale na rolę funkcjonalną, i przekłada te wymagania na konkretne kryteria specyfikacji dla inżynierów i zespołów zaopatrzeniowych.

 

System CDU chłodzący cieczą do centrum danych

 

Struktura pętli chłodzących D2C

Zanim zajmiemy się wymaganiami dotyczącymi zaworów, warto zrozumieć, gdzie znajdują się zawory w systemie D2C.

Jednostka dystrybucji chłodzenia (CDU) pełni rolę wymiennika ciepła i pompy w sercu pętli. Pobiera ciepłą wodę powrotną z szaf serwerowych, wymienia ciepło z dostawą-schłodzonej wody z obiektu i wysyła uzdatniony płyn chłodzący z powrotem przez kolektory zasilające do każdej szafy. Wewnątrz każdego stojaka drugi kolektor rozgałęzia przepływ do poszczególnych płyt zimnych. W każdym punkcie odgałęzienia i połączeniu zawory pełnią jedną z czterech odrębnych funkcji: izolację, przełączanie obejścia, modulację przepływu lub odcięcie awaryjne.

Każda z tych funkcji ma swoje własne wymagania techniczne i nie każda konstrukcja zaworu kulowego spełnia wszystkie cztery.

 

Cztery role funkcjonalne i wymagania każdej z nich

1. Izolacja w celu konserwacji i redundancji

Najpopularniejszym zastosowaniem zaworu kulowego w systemach D2C jest izolacja-na poziomie stojaka. Kiedy taca serwerowa wymaga wymiany lub z płyty zimnej wycieka, technicy muszą rozhermetyzować i opróżnić to odgałęzienie bez wyłączania reszty pętli.

Dobrze-zaprojektowana architektura izolacji umieszcza zawory zarówno na przewodzie zasilającym, jak i powrotnym, przy połączeniu szafy-z-rozgałęźnikiem. Nie jest to redundancja sama w sobie. Patenty głównych operatorów hiperskali opisują schematy izolacji-z dwoma zaworami, w których górny i dolny zawór kulowy działają niezależnie, każdy z własną tacą wyciekową. Jeśli górny zawór ulegnie awarii, dolny zamyka się. Czujnik wycieku wewnątrz tacy komunikuje się z systemem zarządzania budynkiem (BMS), aby automatycznie uruchomić wtórne zamknięcie, bez interwencji człowieka.

W przypadku tej roli krytyczną specyfikacją jest konstrukcja-z pełnym przelotem, co oznacza, że ​​wewnętrzna średnica otworu zaworu odpowiada średnicy rury. Zawór o zmniejszonym-prześwicie powoduje niepotrzebny spadek ciśnienia w każdym punkcie izolacji, a w szafie z 20 lub więcej płytami chłodzącymi pracującymi równolegle, spadki te szybko się kumulują.

Wymagania techniczne dotyczące izolacji: geometria-pełnego otworu, klasa szczelności VI (najostrzejszy w branży standard dla zaworów z elastycznym-uszczelnieniem), korpus ze stali nierdzewnej 316 zapewniający odporność na korozję w wilgotnych pomieszczeniach mechanicznych oraz sterowanie integrujące się z sygnałami sterującymi BMS.

2. Przełączanie obejścia i pętli

A Trójdrożny zawór kulowy z kołnierzemobsługuje jedno z najbardziej wymagających technicznie zadań w systemach D2C: kierowanie chłodziwa pomiędzy wieloma ścieżkami obwodów w zależności od warunków pracy.

W konfiguracji-chłodzenia swobodnego, gdzie temperatury otoczenia są na tyle niskie, że chłodzenie mechaniczne nie jest konieczne, konfiguracja ta przekierowuje przepływ zasilania przez pętlę obejściową, całkowicie omijając agregat chłodniczy i oszczędzając znaczną energię. W redundantnych architekturach chłodzenia drugi port odwraca przepływ między pętlą główną i rezerwową, jeśli moduł CDU wyłączy się.

Wymagana tutaj precyzja jest wyższa niż zwykła izolacja włączania/wyłączania. Zawór musi utrzymywać powtarzalny współczynnik podziału pomiędzy swoimi portami przez tysiące cykli roboczych. Dryft położenia nawet o kilka stopni może zmienić rozkład chłodziwa na tyle, aby wpłynąć na temperaturę złącza wiórów. To sprawia, że ​​sterowanie elektryczne ze sprzężeniem zwrotnym położenia jest preferowanym wyborem w stosunku do obsługi ręcznej. Siłownik pneumatyczny pracujący cyklicznie w odstępach pół-sekundowych jest wystarczająco szybki, aby reagować w sytuacjach awaryjnych, ale zużywa się szybciej w zastosowaniach wymagających ciągłej modulacji.

Do przełączania obejścia i pętli- należy wybrać zawór z charakterystyczną geometrią otworu portu T-lub portu L-, siłownik elektryczny z wejściem sterującym 4–20 mA lub 0–10 V DC oraz sprzężenie zwrotne położenia podłączone z powrotem do sterownika zarządzającego CDU.

 

Zawór kulowy trójdrożny Leadtek z kołnierzem

 

3. Modulacja-poziomu przepływu w stojaku

Nie wszystkie szafy w centrum danych pracują jednocześnie przy tym samym obciążeniu cieplnym. Szafa bezczynnych serwerów pobiera znacznie mniej ciepła niż ta sama szafa przy pełnym obciążeniu szkoleniem AI. Jeśli przepływ chłodziwa jest stały na maksymalnym poziomie niezależnie od wykorzystania serwera, pompy zużywają energię proporcjonalnie do najgorszego-scenariusza przez całą dobę.

Rozwiązaniem tego problemu jest dynamiczna kontrola przepływu. Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Teksasu w Arlington zademonstrowały urządzenie do kontroli przepływu wykorzystujące zawór kulowy z odcięciem w kształcie litery V-podłączony do mikroserwosilnika, modulujące przepływ na poziomie szafy serwerowej w oparciu o wykorzystanie-czasu rzeczywistego. W warunkach bezczynności przy pełnym stojaku system osiągnął aż do 87% redukcję energii pompowania. Przy pełnym obciążeniu zawór całkowicie się otworzył, aby zapewnić maksymalny przepływ.

Zawór kulowy z nacięciem w kształcie litery V (lub wycięciem w kształcie litery V) jest specjalnie zaprojektowany do pracy modulacyjnej. W przeciwieństwie do standardowej kuli-o pełnym otworze, która jest faktycznie całkowicie otwarta lub całkowicie zamknięta, wycięcie V-tworzy charakterystykę przepływu stało-procentowego: dany przyrost obrotu zaworu powoduje proporcjonalną procentową zmianę natężenia przepływu, a nie zmianę bezwzględną. Dzięki temu zawór jest kompatybilny z pętlami regulacyjnymi PID (proporcjonalnymi-całkującymi-różniczkującymi), w których sterownik w sposób ciągły reguluje przepływ, aby utrzymać docelową wartość zadaną temperatury zasilania.

4. Reagowanie na wycieki i wyłączanie awaryjne

Głównym problemem utrudniającym szybsze przyjęcie chłodzenia cieczą w centrach danych jest chłodziwo w elektronice. Nowoczesne systemy D2C rozwiązują ten problem za pomocą autonomicznego zabezpieczenia:-zaworów kulowych uruchamianych elektromagnetycznie w połączeniu z czujnikami wykrywania nieszczelności, które przerywają przepływ w ciągu milisekund od wykrycia wilgoci w punkcie połączenia.

W przypadku awaryjnego wyłączania prędkość uruchamiania i{0}}bezpieczne zachowanie mają większe znaczenie niż precyzja modulacji przepływu. Preferowane są siłowniki pneumatyczne, ponieważ ich cykl trwa krócej niż pół sekundy i można je skonfigurować tak, aby-powracały sprężynowo do pozycji zamkniętej w przypadku utraty sygnału sterującego. To zachowanie typu „fail{4}}zamknięte” chroni sprzęt w przypadku utraty zasilania przez sam system sterowania.

 

Przekładanie ról na specyfikacje

Większość specyfikacji zaworów do zastosowań D2C jest niedostatecznie określona, ​​ponieważ zostały skopiowane z HVAC lub ogólnych szablonów przemysłowych. Poniższe kryteria mają zastosowanie w szczególności do obowiązków D2C.

Tworzywo:Korpus i elementy wykończenia ze stali nierdzewnej 316 zapewniające zgodność z wodą dejonizowaną, mieszaninami wody-glikolu i środowiskiem korozyjnym chłodzonej cieczą-sali danych. 304 ze stali nierdzewnej są dopuszczalne w przypadku złączek o niskim-naprężeniach, ale nie są zalecane do zastosowań w izolacji pierwotnej.

Materiał siedziska:PTFE lub TFM (zmodyfikowany PTFE o lepszej stabilności wymiarowej) zapewniający kompatybilność z powszechnymi chemikaliami chłodziwa D2C i-długoterminową skuteczność uszczelniania przy różnicy roboczej od 5 do 15 PSI, czyli typowym oknie ciśnieniowym w gałęzi szafy D2C.

Zakończ połączenia:Przejście na rury sanitarne w nowoczesnych konstrukcjach szaf serwerowych oznacza, że ​​wiele-zaworów poziomujących w szafach wymaga obecnie tri-zacisków lub podobnych higienicznych połączeń końcowych, a nie gwintów NPT lub połączeń kołnierzowych. Konfiguracja zaworu kulowego składającego się z 3 elementów, z trzema oddzielnymi częściami korpusu, umożliwia wymianę gniazda bez konieczności demontażu zaworu z linii, co stanowi znaczącą zaletę w zakresie konserwacji w gęsto rozmieszczonych szafach, do których dostęp jest ograniczony. Trzy-częściową serię Leadtek zaprojektowano dokładnie z myślą o tych wymaganiach dotyczących użyteczności, wykorzystując precyzyjne korpusy-obrabiane CNC ze stali nierdzewnej 316, które zachowują dokładność wymiarową dzięki wydłużonym cyklom cieplnym.

Klasa wycieku:Klasa VI według ANSI/FCI 70-2, najwęższy standard szczelności osiągalny w konstrukcji zaworu kulowego ćwierćobrotowego.

Życie cykliczne:Centra danych AI działają w sposób ciągły, a zawory sterujące w obwodach obejściowych CDU mogą przełączać się setki razy dziennie. Minimalna liczba cykli wynosząca 500 000 uruchomień w przypadku zaworów-z napędem elektrycznym to rozsądny minimalny próg zamówienia. Przed zatwierdzeniem sprawdź u producenta i porównaj-oczekiwaną częstotliwość sterowania BMS.

Integracja z BMS-em:Systemy D2C są kontrolowane przez systemy zarządzania budynkiem, które monitorują temperaturę, przepływ i ciśnienie w całym obiekcie. Zawory powinny przyjmować standardowe analogowe sygnały sterujące i zwracać informację zwrotną o położeniu w ramach tego samego protokołu, aby umożliwić weryfikację w zamkniętej pętli-, czy zawór faktycznie przesunął się do zadanej pozycji.

 

Wybór właściwej konfiguracji zaworu według pozycji

Im szerszyzawór kulowy ze stali nierdzewnejKategoria obejmuje szeroki zakres konfiguracji i nie każda konfiguracja jest odpowiednia dla każdej pozycji w pętli D2C.

Na pierwotnym połączeniu CDU, gdzie średnice rur są największe, a ciśnienia najwyższe, w przypadku rzadkiej izolacji typowe są zawory kulowe kołnierzowe uruchamiane-pokrętłem ręcznym. Na poziomie kolektora szafy kompaktowe 2-elementowe lub 3-elementowe korpusy z siłownikami elektrycznymi są bardziej praktyczne, ponieważ dostęp do szafy jest ograniczony. Na poziomie półki serwerowej, gdzie konstrukcja napędów z możliwością szybkiego odłączania jest standardem branżowym, sanitarne zawory kulowe z końcówkami typu Tri-Clamp.

Niezależnie od położenia obowiązuje jedna zasada wyboru: autorytet zaworu, który opisuje, jaką część całkowitej różnicy ciśnień w systemie steruje zawór, powinien wynosić co najmniej 50% spadku ciśnienia na odgałęzieniu. Zawory o niewystarczającym autorytecie nie mogą skutecznie modulować, ponieważ inne opory systemu dominują nad zachowaniem przepływu.

Firma Leadtek Fluid, działająca w zakładzie produkcyjnym o powierzchni 37 000 metrów kwadratowych w Quzhou w stanie Zhejiang, produkuje pełną gamę konfiguracji zaworów stosowanych w warstwach systemu D2C, od izolatorów kołnierzowych w CDU po zawory sanitarne na odgałęzieniu zimnej płyty. Dzięki ponad 30-letniemu doświadczeniu w odlewaniu precyzyjnym i obróbce CNC, certyfikatom ISO 9001 i CE oraz 100 lub więcej certyfikowanym wariantom zaworów kulowych opracowanych w ramach-wewnętrznych badań i rozwoju, Leadtek zaopatruje integratorów systemów D2C i operatorów centrów danych w ponad 80 krajach.

 

Podsumowanie i zalecenia dotyczące działań

Bezpośrednie-chłodzenie-układu nie zawodzi, ponieważ płyty chłodzące są źle zaprojektowane. Zawodzi w warstwie dystrybucji, gdzie brak równowagi ciśnień, nieodpowiednia izolacja i powolne reagowanie na sytuacje kryzysowe sprawiają, że możliwe do opanowania zdarzenia stają się kosztownymi incydentami.

Przed wydaniem zamówienia na zawory kulowe D2C należy potwierdzić, co następuje:

Geometria pełnego-przelotu we wszystkich punktach izolacji, aby uniknąć dodatkowych spadków ciśnienia

Konfiguracja trójdrożna-ze sprzężeniem zwrotnym położenia w każdym położeniu obejścia lub{1}}przełączenia pętli

Korpus ze stali nierdzewnej 316 i materiał gniazda TFM w całej pętli wtórnej stojaka

Ocena trwałości cyklu zweryfikowana względem oczekiwanej częstotliwości sterowania BMS

Klasa szczelności VI dla każdego zaworu pracującego w trybie ciągłym

Typ połączenia końcowego dopasowany do standardu rurki stosowanej w stojaku

Uzyskanie tych specyfikacji tuż przed instalacją jest znacznie tańsze niż diagnozowanie problemów z niezrównoważeniem przepływu po uruchomieniu serwerów.

 

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między 2-drogowym i 3-drogowym zaworem kulowym kołnierzowym w układzie chłodzenia D2C?Zawór 2-drogowy ma jeden wlot i jeden wylot i obsługuje sterowanie włączaniem/wyłączaniem lub modulacją w jednym przewodzie. Konstrukcja trój-z trzema portami umożliwia przekierowywanie przepływu pomiędzy dwiema ścieżkami (port T-) lub łączenie przepływów z dwóch źródeł (port L-). W systemach D2C ta konfiguracja obsługuje obwody obejściowe, przełączanie redundancji i sterowanie ekonomizerem typu free-cooling.

Dlaczego w pętlach chłodzenia cieczą preferowana jest stal nierdzewna 316 zamiast 304?Stal nierdzewna 316 zawiera molibden, który znacznie poprawia odporność na korozję-wżerową i szczelinową wywołaną chlorkami. Woda chłodząca centrum danych, nawet poddana obróbce chemicznej, naraża elementy wewnętrzne zaworów na warunki, które 304 radzą sobie odpowiednio w przypadku złączek o niskim-styku, ale mniej niezawodnie w przypadku gniazd i korpusów-o dużym cyklu pracy, w warunkach ciągłego przepływu.

Jak często należy sprawdzać zawory kulowe w systemie D2C?Ręczne zawory odcinające uruchamiane tylko podczas konserwacji zazwyczaj wymagają corocznej kontroli. Zawory sterujące-uruchamiane elektrycznie, pracujące cyklicznie pod poleceniem BMS, powinny być zgodne z cyklem-trwałości producenta, z inspekcją gniazda zaplanowaną na 50% trwałości znamionowej. Trzy-częściowe konstrukcje nadwozia upraszczają tę kontrolę, ponieważ nadwozie można rozdzielić, aby uzyskać dostęp do siedzeń bez konieczności demontażu linii.

Co oznacza „władza zaworu” i dlaczego ma to znaczenie w przypadku modulacji przepływu D2C?Autorytet zaworu to stosunek spadku ciśnienia na zaworze przy pełnym otwarciu do całkowitego spadku ciśnienia w obwodzie odgałęzionym. Zawór o niskim autorytecie nie może skutecznie regulować przepływu, ponieważ dominują inne opory obwodu. W gałęziach D2C pracujących przy różnicy 5 do 15 PSI zawór sterujący powinien odpowiadać co najmniej połowie budżetu ciśnienia przy całkowicie-otwartym przepływie, aby utrzymać znaczący zakres modulacji.

Czy standardowe zawory kulowe HVAC można stosować w zastosowaniach związanych z bezpośrednim-chłodzeniem-układów scalonych?Niezawodnie. Standardowe zawory HVAC są dobrane tak, aby zapewniały znacznie wyższe natężenia przepływu i bardziej zgrubną kontrolę niż wymagają tego odgałęzienia szafy D2C. Ich siłowniki są często zbyt wolne dla synchronizacji systemu zarządzania CDU, a materiały ich gniazd mogą nie być kompatybilne z pakietami inhibitorów korozji stosowanymi w dejonizowanej wodzie chłodzącej. Zawory zgodne z D2C-wybierane są ze względu na niską-różnicę ciśnień, wysoką wydajność cykli, materiały odporne na warunki sanitarne i korozję- oraz zgodność z sygnałem BMS. Stosowanie przewymiarowanego zaworu HVAC w odgałęzieniu D2C jest częstym źródłem niestabilności w pętli sterowania CDU.