-to-チップ液体冷却のボールバルブ: 流量制御要件の説明

データセンター エンジニアが 100 kW GPU ラック用の冷却装置を指定する場合、会話は通常、コールド プレート、CDU、およびマニホールド レイアウトから始まります。バルブは、何か問題が発生するまで後付けで考えられます。分離ポイントが 1 つ誤って構成されていると、メンテナンス期間中にラック全体が強制的にシャットダウンされる可能性があります。バルブが漏れ事象に十分に迅速に対応できないと、30 万ドル相当の加速器が水浸しになる可能性があります。また、建物の HVAC システムに合わせてサイズ設定されたフロー制御コンポーネントにより、圧力の不均衡が生じ、試運転から数日以内にチップのパフォーマンスが低下します。

CPU、GPU、メモリ モジュールに取り付けられたコールド プレートを介して冷却剤が直接循環する直接{0}}チップ間（{1}}D2C）液体冷却 - - は、ニッチな慣行から主流の必需品に移行しました。現在、単一のアクセラレータ チップは最大 1,200 W の熱を放散し、ラック レベルの密度は通常 60 kW ～ 200 kW に達します。{8}}空冷ではこの数字に追いつくことができません。しかし、ファンを流体ループに置き換えるということは、これまで乾燥していた環境に新しいカテゴリーの精密機械部品を導入することを意味します。バルブを正しく選択することはオプションではありません。間違えると高くつく。

この記事では、D2C 冷却システムが実際にボール バルブに何を要求しているのかを機能的役割別に説明し、それらの要求をエンジニアや調達チーム向けの具体的な仕様基準に変換します。

 

データセンター液冷CDUシステム

 

D2C 冷却ループの構造

バルブの要件に対処する前に、D2C システム内のバルブがどこに存在するかを理解するのに役立ちます。

冷却分配ユニット (CDU) は、ループの中心部で熱交換器およびポンプとして機能します。サーバー ラックから温かい戻り水を引き出し、施設の冷水供給と熱交換し、調整された冷却水を供給マニホールドを介して各ラックに送り返します。-各ラックの内部では、二次マニホールド ツリーが流れを個別のコールド プレートに分岐させます。各分岐点と接続で、バルブは分離、バイパス切り替え、流量調整、緊急停止の 4 つの異なる機能のいずれかを実行します。

これらの機能にはそれぞれ独自の技術要件があり、すべてのボールバルブ設計が 4 つすべてを満たすわけではありません。

 

4 つの機能的役割とそれぞれが要求するもの

1. メンテナンスと冗長性のための分離

D2C システムにおける最も一般的なボール バルブの用途は、ラックレベルの絶縁です。-サーバー トレイの交換が必要な場合、またはコールド プレートに漏れが発生した場合、技術者はループの残りの部分をシャットダウンせずに、そのブランチを減圧して排水する必要があります。

適切に設計された絶縁アーキテクチャにより、ラック-と-の接続部の供給ラインと戻りラインの両方にバルブが配置されます。これは、それ自体を目的とした冗長性ではありません。主要なハイパースケール事業者の特許には、上部と下部のボール バルブが独立して動作し、それぞれが独自のリーク トレイを備えたデュアル バルブ分離スキームが記載されています。-上部のバルブが故障すると、下部のバルブが閉じます。トレイ内の漏れセンサーが建物管理システム (BMS) と通信し、人間の介入なしに自動的に二次閉鎖をトリガーします。

この役割では、重要な仕様はフルボア設計です。つまり、バルブのボアの内径がパイプの直径と一致することを意味します。{0} -ボアを縮小したバルブは、すべての隔離ポイントにわたって不必要な圧力降下を引き起こします。20 枚以上のコールド プレートが並行して稼働しているラックでは、この圧力降下が急速に増大します。

絶縁義務の仕様要件: フルボアボア形状、クラス VI 漏れ定格 (弾性シートバルブの業界で最も厳しい規格)、湿気の多い機械室での耐食性を備えた 316 ステンレス鋼ボディ、BMS 制御信号と統合された作動。-

2. バイパスとループの切り替え

A 3方フランジボールバルブD2C システムで最も技術的に要求の高い仕事の 1 つである、動作条件に応じて複数の回路経路間で冷却剤をルーティングする仕事を処理します。

周囲温度が十分に低いため機械的冷却が不要なフリー冷却構成では、この構成はバイパス ループを通る供給流の方向を変更し、チラーを完全にバイパスして大幅なエネルギーを節約します。冗長冷却アーキテクチャでは、CDU がオフラインになった場合、2 番目のポートがプライマリ冷却ループとスタンバイ冷却ループの間でフローを迂回します。

ここで必要とされる精度は、単純なオン/オフ分離よりも高くなります。バルブは、数千回の動作サイクルにわたってポート間の再現可能な分割比を維持する必要があります。わずか数度の位置ドリフトでも、冷却剤の分布が変化し、チップのジャンクション温度に影響を与える可能性があります。このため、手動操作よりも位置フィードバックを備えた電気作動の方が好ましい選択肢となります。 0.5 秒間隔でサイクルする空気圧アクチュエータは緊急対応には十分高速ですが、連続的な調整が必要な用途では機械的摩耗がより早く蓄積します。

バイパスとループのスイッチング デューティについては、特性化された T- ポートまたは L- ポートのボア形状を備えたバルブ、4 ～ 20 mA または 0 ～ 10 V DC 制御入力を備えた電動アクチュエータ、および CDU 管理コントローラに配線された位置フィードバックを指定します。

 

Leadtek 3 方フランジ型ボールバルブ

 

3. ラック-レベルの流量調整

データセンター内のすべてのラックが同時に同じ熱負荷で稼働するわけではありません。アイドル状態のサーバーのラックは、フル AI トレーニング ワークロード下で同じラックよりもはるかに少ない熱を消費します。サーバーの使用率に関係なく冷却剤の流れが最大流量で固定されている場合、ポンプは 24 時間、最悪のシナリオに比例してエネルギーを消費します。-

動的フロー制御はこれに対処します。テキサス大学アーリントン校の研究では、マイクロ サーボ モーターに接続された V カット ボール バルブを使用した流量制御デバイスが実証され、リアルタイムの使用率に基づいてサーバー ラック レベルで流量を調整します。-フルラック全体のアイドル状態では、システムはポンピングエネルギーを最大 87% 削減しました。全負荷では、バルブが完全に開いて最大流量が供給されます。

V- カット (または V-) ボール バルブは、デューティを調整するために特別に設計されています。事実上完全に開いているか完全に閉じている標準のフルボア ボールとは異なり、V-ノッチは等しいパーセント流量特性を作り出します。つまり、バルブ回転の一定の増分により、流量の絶対的な変化ではなく、比例したパーセント変化が生じます。これにより、バルブは PID (比例-積分-微分) 制御ループと互換性があり、コントローラーは目標の供給温度設定値を維持するために流量を継続的に調整します。

4. 漏洩対応と緊急遮断

電子機器の冷却剤は、データセンターでの液体冷却の迅速な導入を妨げる主な懸念事項です。最新の D2C システムは、自律的な保護機能でこの問題に対処します。ソレノイド作動のボール バルブと漏れ検出センサーを組み合わせ、接続点で湿気を検出してから数ミリ秒以内に流れを遮断します。{2}}

緊急遮断義務の場合、流量調整精度よりも作動速度とフェールセーフ動作が重要です。{0}空気圧アクチュエータは、0.5 秒未満でサイクルし、制御信号が失われたときに閉じた位置にバネで戻るように構成できるため、推奨されます。{2}}このフェールクローズ動作により、制御システム自体の電源が失われた場合にハードウェアが保護されます。{4}

 

役割を仕様に変換する

D2C アプリケーションのバルブ仕様のほとんどは、HVAC または一般的な産業用テンプレートからコピーされるため、仕様が不十分です。次の基準は、特に D2C 義務に適用されます。

材料：316 ステンレス鋼のボディとトリムは、脱イオン水、水-混合物、液冷データホールの腐食環境に適合します-。{3}} ステンレスは低応力フィッティングには許容されますが、一次絶縁用途には推奨されません。-

シート素材:PTFE または TFM（寸法安定性が向上した改質 PTFE）は、一般的な D2C 冷却剤化学反応との互換性と、D2C ラック ブランチの一般的な圧力ウィンドウである 5 ～ 15 PSI の作動差での長期シール性能を実現します。-

接続を終了します:最新のサーバー ラック設計におけるサニタリー チューブへの移行により、多くのラック レベル バルブでは、ねじ付き NPT やフランジ ジョイントではなく、トライ クランプや同様の衛生的な端接続が必要になります。{0}{1} 3 つの分離可能なボディピースを備えた 3 PC ボールバルブ構成により、ラインからバルブを取り外さずにシート交換が可能になり、アクセスが制限されている高密度ラック環境でのメンテナンス上の大きな利点となります。 Leadtek の 3 ピース シリーズは、まさにこの保守性要件に基づいて設計されており、精密 CNC 加工された 316 ステンレス鋼ボディを使用しており、長時間の熱サイクルでも寸法精度を維持します。-

漏れクラス:ANSI/FCI 70-2 によるクラス VI。1/4 回転ボールバルブ設計で達成可能な最も厳しい漏れ規格。

サイクル寿命:AI データセンターは継続的に稼働しており、CDU バイパス回路の制御バルブは 1 日に数百回サイクルすることがあります。電気作動バルブの最小サイクル定格 500,000 回作動が妥当な調達最低値です。{3}コミットする前に、メーカーに確認し、予想される BMS 制御頻度と相互参照してください。-

BMS の統合:D2C システムは、施設全体の温度、流量、圧力を監視する建物管理システムによって制御されます。バルブは標準のアナログ制御信号を受け入れ、同じプロトコルで位置フィードバックを返し、バルブが実際に指令された位置に移動したかどうかの閉ループ検証を可能にする必要があります。-

 

位置による適切なバルブ構成の選択

より広範なステンレス鋼ボールバルブカテゴリは幅広い構成にまたがっており、すべての構成が D2C ループ内のすべての位置に適切であるわけではありません。

CDU の一次接続ではパイプの直径が最も大きく、圧力が最も高くなります。頻繁に分離する場合は、手動ホイール作動のフランジ付きボール バルブが一般的です。{0}}ラックマニホールドレベルでは、ラックへのアクセスが制限されているため、電動アクチュエータを備えたコンパクトな 2- ピースまたは 3- ピースのボディがより実用的です。サーバートレイレベルでは、クイックディスコネクトの保守性が設計を推進するため、トライクランプエンドを備えたサニタリーボールバルブが業界標準になりつつあります。

1 つの選択原則は位置に関係なく適用されます。つまり、バルブが制御するシステムの合計圧力差がどれだけかを表すバルブ権限は、分岐圧力降下の少なくとも 50% である必要があります。システムの他の抵抗が流れの挙動を支配するため、不十分な権限を持つバルブは効果的に調整できません。

Leadtek Fluid は、浙江省衢州市にある 37,000 平方メートルの生産施設で操業し、CDU のフランジ付きアイソレータからコールド プレート ブランチのサニタリー バルブに至るまで、D2C システム層全体で使用されるあらゆるバルブ構成を製造しています。 Leadtek は、30 年以上の精密鋳造と CNC 機械加工の経験、ISO 9001 と CE 認証、社内の研究開発を通じて開発された 100 以上の認定ボール バルブ バリアントを備えており、80 か国以上の D2C システム インテグレータやデータセンター オペレータに製品を供給しています。{7}}

 

概要と推奨アクション

コールド プレートの設計が適切でないため、チップ間の直接冷却が失敗することはありません。{0}{1}流通層では失敗し、圧力の不均衡、不適切な隔離、緊急対応の遅さにより、管理可能な出来事が損害の大きいインシデントに変わってしまいます。

D2C ボールバルブの発注書を発行する前に、次のことを確認してください。

すべての隔離ポイントでフルボア形状を採用し、圧力低下の増大を回避

すべてのバイパスまたはループのスイッチング位置で位置フィードバックを備えた 3 ウェイ構成-

ラック二次ループ全体に 316 ステンレス鋼のボディと TFM シート素材を使用

予想される BMS 制御頻度に対して検証されたサイクル寿命評価

連続使用時のあらゆるバルブのクラス VI 漏れ定格

ラックで使用されるチューブ規格に適合したエンド接続タイプ

インストール前にこれらの仕様を取得することは、サーバーの稼働後にフローの不均衡の問題を診断するよりも大幅にコストがかかります。

 

よくある質問

D2C 冷却システムの 2 方向フランジ付きボールバルブと 3 方向フランジ付きボールバルブの違いは何ですか?2 方バルブには 1 つの入口と 1 つの出口があり、オン/オフまたは変調制御を 1 つのラインで処理します。三方設計には 3 つのポートがあり、2 つのパス間で流れを迂回させたり (T- ポート) したり、2 つのソースからの流れを混合したり (L- ポート) することができます。 D2C システムでは、この構成はバイパス回路、冗長スイッチング、およびフリー冷却エコノマイザー制御に役立ちます。

液冷ループではなぜ 304 ステンレス鋼よりも 316 ステンレス鋼が好まれるのですか?316 ステンレスにはモリブデンが含まれており、塩化物-による孔食や隙間腐食に対する耐性が大幅に向上します。データセンターの冷却水は、化学処理された場合でも、バルブの内部を、低接触フィッティングでは 304 が適切に処理できる条件にさらしますが、連続流下の高サイクル シートやボディでは信頼性が低くなります。-

D2C システムのボールバルブはどのくらいの頻度で検査する必要がありますか?通常、メンテナンス時にのみ手動遮断バルブをサイクルする場合は、年に 1 回の検査が必要です。 BMS コマンドに従ってサイクルを行う電気作動式制御バルブは、メーカーのサイクル寿命定格に従う必要があり、定格寿命の 50% でシート検査をスケジュールする必要があります。- 3 ピースのボディ設計により、ラインを廃止することなくシートにアクセスできるようボディが分離されるため、この検査が簡素化されます。

「バルブ権限」とは何を意味しますか?また、それが D2C フロー調整にとって重要なのはなぜですか?バルブオーソリティは、分岐回路内の全圧力降下に対する全開時のバルブ全体の圧力降下の比率です。権限の低いバルブは、回路の他の抵抗が支配的なため、流量を効果的に調整できません。 5 ～ 15 PSI の差圧で動作する D2C ブランチでは、有意義な変調範囲を維持するために、制御バルブは全開流量で圧力バジェットの少なくとも半分を占める必要があります。-

標準の HVAC ボール バルブは、チップへの直接冷却アプリケーションに使用できますか?{0}{1}確実ではありません。標準の HVAC バルブは、D2C ラック ブランチが必要とするよりもはるかに高い流量とより粗い制御に対応するサイズになっています。多くの場合、アクチュエータは CDU 管理システムのタイミングに対して遅すぎることがあり、シートの材質は、脱イオン冷却水で使用される腐食防止剤パッケージと互換性がない可能性があります。 D2C- 互換バルブは、低差圧、高サイクル定格、衛生または耐腐食性の素材、BMS 信号の互換性を考慮して選択されています。- D2C ブランチで特大の HVAC バルブを使用すると、CDU 制御ループでハンチングが不安定になる一般的な原因になります。