Entwurf und Auswahl von Flüssigkeitskühlplattenkomponenten für Server

 

Die Flüssigkeitskühlplattenbaugruppe besteht aus Schlüsselkomponenten wie der Kühlplatte, Verbindungsleitungen, Schnellverbindern, Lecksuchgeräten und internem Kühlmittel.

 

▲ Flüssigkeitskühlplattenbaugruppe

 

 

I Kalte Platte

 

Die Kühlplatte ist die Kernkomponente, die mit dem Prozessor in Kontakt kommt, um den Wärmeaustausch zu ermöglichen. Das Kühlmittel fließt innerhalb der Kühlplatte, um die Wärme vom Prozessor abzuleiten. Durch die Verbindung von Rohrleitungen, Flüssigkeitsschnellverbindern, Kühlverteilereinheiten und Rücklaufverteilern im Schrank bildet sie einen sekundären geschlossenen Kreislauf, der die Wärme des Prozessors letztendlich nach außen ableitet.

 

1. Struktur

Basierend auf der Abnehmbarkeit des Wärmeableitungsmoduls und des Befestigungsmoduls können Kühlplatten in integrierte Kühlplatten und geteilte Kühlplatten unterteilt werden. Die Wärmeableitungs- und Befestigungsmodule einer integrierten Kühlplatte sind untrennbar, während bei einer geteilten Kühlplatte die Module durch Schrauben abnehmbar sind.

 

▲ Diagramm einer integrierten Kühlplatte

 

▲ Diagramm einer geteilten Kühlplatte

 

2. Werkstoff

Die meisten Kühlplatten in der Industrie bestehen aus Kupfer. Einige Hersteller entscheiden sich für Aluminium, obwohl dessen Verwendung aufgrund der langfristigen Korrosionsbeständigkeit relativ gering ist. Ein einzelnes System sollte keine Metalle mit erheblichen Potenzialunterschieden enthalten.

 

3. Designanforderungen

• Um eine optimale Wärmeaustauscheffizienz zu erreichen, sollte die Kühlplatte entsprechend der Chipgröße und der internen Struktur des elektronischen Geräts gestaltet sein.
• Während die Anforderungen an die Gehäusetemperatur des Chips während seiner gesamten Lebensdauer sichergestellt werden, sollte das Design der Strömungskanäle so weit wie möglich optimiert werden, um den Strömungswiderstand des Moduls zu verringern.
• Es sollte die Belastungsanforderungen des Chipsockels und die Gewichtsanforderungen für den Kühlkörper erfüllen.
• Die Installations- und Entfernungsreihenfolge der Kühlplatte sollte berücksichtigt werden, um den Betriebsanforderungen des Chips gerecht zu werden.
• Darüber hinaus muss es die technischen Anforderungen an die Chip-Klemmkraft sowie die Ebenheitsanforderungen an die Unterseite des Kühlkörpers nach der Installation/Entfernung erfüllen.

 

4. Anforderungen an die thermische Leistung

• Benutzer sollten die Temperatur- und Strömungsbedingungen des Kühlmittels am Einlass der Kühlplatte angeben.
• Die Gehäusetemperatur des gekühlten Chips sollte während der gesamten Betriebsdauer den vom Chiplieferanten angegebenen Maximalwert nicht überschreiten.
• Der gesamte Durchflusswiderstand des sekundären Kühlkreislaufs sollte der Förderleistung der Pumpe in der Kühlverteilungseinheit entsprechen.
• Die gesamte Strömungswiderstandskapazität des Systems und die Gehäusetemperatur des Chips sollten eine gewisse Redundanz zulassen. Die Strömungswiderstandsredundanz sollte nicht weniger als 10 % und die Gehäusetemperaturredundanz nicht weniger als 3 Grad betragen, um Systemtoleranzen auszugleichen.
• Konstrukteure von Kühlplatten sollten eine Kurve der thermischen Randbedingungen für die Kühlplatte bereitstellen, die die Beziehung zwischen der Kühlmitteleinlasstemperatur und der Durchflussrate des Kühlmittels darstellt, das durch die Kühlplatte strömt.
• Die Kühlmitteleinlassgeschwindigkeit an der Kühlplatte sollte 1,5 m/s nicht überschreiten und der Vorlauf-/Rücklauftemperaturunterschied des Kühlmittels sollte im Bereich zwischen 5 °C und 10 °C geregelt werden.

 

▲ Thermische Randbedingungskurve für das Cold Plate Design

 

 

II Kühlmittel

 

▲ Kühlmittel

 

Zu den in sekundären Kühlkreisläufen verwendeten Kühlmitteln gehören wasserbasierte und nicht-wasserbasierte Kühlmittel. Die Wahl sollte die Anforderungen an die Kühlleistung erfüllen und gleichzeitig Kompatibilität und langfristige Zuverlässigkeit mit allen benetzten Materialien im Sekundärkreislauf gewährleisten. Dabei sollten auch die Wartung der IT-Ausrüstung, die erwartete Lebensdauer des Kühlmittels und die Gesamtkosten berücksichtigt werden.

 

Kühlmittel auf Wasserbasis haben eine ausgezeichnete Wärmeübertragungsleistung und werden in der Industrie überwiegend für Kühlmittel auf Wasserbasis verwendet. Man unterscheidet zwischen reinen Wasserkühlmitteln und formulierten Kühlmitteln.

 

Kühlmittel auf Wasserbasis verwenden reines Wasser als Lösungsmittel ohne Zusatzstoffe oder nur einen bestimmten Anteil Ethylenglykol oder Propylenglykol als Frostschutzmittel, je nach Frostschutzanforderungen. Kühlmittel auf Wasserbasis hemmen Korrosion und mikrobielles Wachstum, indem sie eine Umgebung mit extrem niedriger Leitfähigkeit aufrechterhalten.

 

Formulierte Kühlmittel verwenden reines Wasser als Lösungsmittel, dem ein bestimmter Anteil Frostschutzmittel zum Schutz vor Frost sowie Korrosionsinhibitoren und Biozide zugesetzt werden. Formulierte Kühlmittel verringern das Korrosionsrisiko und hemmen das Bakterienwachstum durch Additive. Diese Additive verringern jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Wassers und können mit der Zeit an Wirksamkeit verlieren, sodass regelmäßige Probenentnahmen zur Überwachung der Kühlmittelqualität erforderlich sind.

 

▲ Vor- und Nachteile von wasserbasierten Kühlmitteln

 

Branchenforschungen zufolge verwenden Huawei und Sugon hauptsächlich 25 %ige Ethylenglykollösungen, während Inspur und H3C hauptsächlich 25 %ige Propylenglykollösungen verwenden. Eine Konzentration von 25 % ist nicht festgelegt; 20 bis 30 % sind akzeptabel. Eine zu hohe Konzentration kann den Flüssigkeitsfluss und die Kühlleistung beeinträchtigen, während eine zu niedrige Konzentration möglicherweise keinen Frostschutz bietet oder das mikrobielle Wachstum nicht hemmt. Eine Konzentration über 20 % bietet im Allgemeinen eine gewisse Hemmung des mikrobiellen Wachstums sowohl bei Ethylenglykol- als auch bei Propylenglykollösungen. Daher wird empfohlen, eine 25 %ige Konzentration von Ethylenglykol- oder Propylenglykollösungen als Kühlmittel für Flüssigkeitskühlsysteme zu verwenden.

 

 

III Schnellkupplungen

 

Selbstdichtende Schnellkupplungen (QD) dienen zum schnellen Verbinden oder Trennen von IT-Geräten und Flüssigkeitskühlsystemen zu Wartungszwecken und stellen gleichzeitig sicher, dass das Kühlmittel nicht ausläuft. Dadurch wird sichergestellt, dass das Flüssigkeitskühlsystem betriebsbereit bleibt und die IT-Geräte weiterhin sicher laufen können.

 

▲ Schnellkupplungen (QD)

 

Es gibt zwei Haupttypen selbstdichtender Schnellkupplungen: manuelle und Blindsteckausführungen.

Manuelle Schnellkupplungen erfordern, dass der Benutzer die Kupplung zum Anschließen oder Trennen festhält und können entweder mit einer oder zwei Händen bedient werden. Aufgrund der manuellen Bedienung muss hierfür ausreichend Platz vorgesehen werden.

 

▲ Manuelle Schnellkupplungen

 

Blindsteckverbindungen, die keine manuelle Bedienung erfordern, werden durch Druck verbunden oder getrennt und erfordern eine präzise Ausrichtung mit Schienen oder Positionierungsstiften, um den notwendigen Druck für eine ordnungsgemäße Verbindung aufrechtzuerhalten und eine Trennung zu verhindern.

 

▲ Blindsteck-Schnellkupplungen

 

Schnellkupplungen werden in Stecker-/Buchsenkonfigurationen (Stecker/Buchse oder Einsatz/Körperpaare) verwendet. Beim Trennen unterbricht das selbstdichtende Ventil in der Kupplung den Flüssigkeitsfluss, um die umgebende Ausrüstung zu schützen. Daher muss die Kupplungsauswahl das Austreten von Kühlmittel während des Trennens streng begrenzen. Im Allgemeinen sollte die Leckage weniger als 1/6 Tropfen pro Verbindung/Trennung (weniger als ein Tropfen nach sechs Verbindungen/Trennungen) oder weniger als 0,5 ml betragen. Es werden Kupplungen empfohlen, die die Leckage minimieren, wie z. B. solche mit tropffreiem oder bündigem Design.

 

Bei Systemen mit manuellen Schnellkupplungen müssen ergonomische Aspekte (z. B. Verriegelungsmechanismen, Verbindungskraft, Platzbeschränkungen) berücksichtigt werden, um eine einfache Wartung zu gewährleisten. Blindsteckkonstruktionen müssen Installationstoleranzen und Fehlausrichtungstoleranzen berücksichtigen, um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten.

 

▲ Blind-Mate-Ausrichtungsdiagramm

 

 

IV Kälteverteilungseinheit (CDU)

 

Die Cooling Distribution Unit (CDU) ist ein Gerät, das zum Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeitskreisläufen verwendet wird. Zu den CDU-Komponenten gehören Schnittstellen, Pumpen, Flüssigkeit-Flüssigkeit- oder Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher, Behälter, Ventilsteuergeräte, Überwachungsgeräte, Filter und verschiedene Sensoren. CDUs werden zum Messen und Steuern von Kühlleistung, Durchflussrate, Druck und Temperatur verwendet. Alle Komponenten in der CDU müssen auf Kompatibilität mit dem Kühlmittel getestet werden.

 

CDUs werden in zentralisierte (Schrank) und verteilte (Rack) Typen eingeteilt.

 

Eine zentralisierte CDU sorgt für die Kühlung eines oder mehrerer IT-Geräteracks oder sogar eines gesamten Rechenzentrums und bietet im Vergleich zu verteilten CDUs eine höhere Kühl- und Versorgungskapazität. Bei verteilten CDUs entfällt die Notwendigkeit einer sekundären Rohrleitungsinstallation, da jede CDU nur den Serverschrank kühlt, in dem sie installiert ist, und daher eine geringere Zuverlässigkeit bietet als zentralisierte CDUs.

 

Um Engpässe bei der Kühlkapazität aufgrund von CDU-Ausfällen zu vermeiden, sollte eine N+1- oder N+2-Redundanz in Betracht gezogen werden, oder das Pumpenmodul der CDU sollte mit N+1-Redundanz ausgelegt werden, um eine ausreichende Kühlung der IT-Geräte sicherzustellen und eine Online-Wartung zu ermöglichen.

 

▲ CDU

 

Einen Vergleich zwischen zentralisierten und verteilten CDUs zeigt die folgende Tabelle:

 

▲ Vergleich zentralisierter und verteilter CDUs

 

Die Wärmeaustauschkapazität des Wärmetauschers einer CDU hängt von ihrer Annäherungstemperatur ab. Die Annäherungstemperatur ist die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittels, das in die IT-Ausrüstung eintritt, und der primären Kühlwassertemperatur am CDU-Einlass. Neben der Annäherungstemperatur sind für die CDU-Leistung auch folgende wichtige Parameter zu berücksichtigen:

 

• Annäherungstemperatur (vorzugsweise 3-10 Grad )
• Kühlmittelzusammensetzung (z. B. reines Wasser, 25 % PG, 55 % PG)
• Primäre und sekundäre Durchflussraten, Pumpenleistung und Förderhöhe
• Primäre Wassertemperaturklassen (z. B. W27, W32, W45, W+)

 

 

V Flüssigkeitskühlungsleitungen

 

Flüssigkeitskühlleitungen stellen die Kanäle für die Kühlmittelzirkulation bereit, beteiligen sich an der Strömungswiderstandsverteilung des gesamten Flüssigkeitskühlsystems und bieten einfache externe Schnittstellen für Flüssigkeitskühlgeräte. Bei der Auswahl der internen Rohrleitungen für IT-Geräte müssen Materialverträglichkeit, Strömungsgeschwindigkeit (die in flexiblen Rohrleitungen unter 1,5 m/s gehalten werden sollte), Rohrleitungslayout, Installationsmethoden, Strömungsverteilungsdesign und Zuverlässigkeit berücksichtigt werden.

 

Flüssigkeitskühlleitungen in Servern sollten die folgenden technischen Anforderungen erfüllen:

 

• Es sollten hochtemperatur- und hochdruckbeständige FEP-Wellschläuche oder EPDM-Schläuche mit einem Betriebsdruck von mindestens 0,35 MPa und einem Maximaldruck von mindestens 1 MPa verwendet werden.
• Um eventuelle Kühlmittellecks zu erkennen, sollten Lecksuchseile installiert werden.
• Um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, sollten Rohrleitungen mit Widerhakenverschraubungen oder Schlauchschellen an die Kühlplatte angeschlossen werden.

 

1. Hauptklassifizierungen von Flüssigkeitskühlungsleitungen

 

▲ Flüssigkeitskühlungsleitung

 

▲ EPDM-Schlauch (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer)

 

▲ PTFE (Polytetrafluorethylen) Wellrohr

 

▲ PFA (Perfluoralkoxypolymer)-Rohr

 

2. Ein Vergleich verschiedener Rohrleitungsmaterialien

 

▲ Rohrleitungsmaterialien

 

 

VI Lecksuchseil

 

Da Rechenknoten häufig die teuersten Komponenten in IT-Geräten sind und das Risiko von Leckagen durch leitfähiges Kühlmittel besteht, die zu Geräteschäden und Datenverlust führen können, ist es notwendig, potenzielle Leckagen in den Rechenknoten zu erkennen. Die Leckageerkennung wird im Allgemeinen in zwei Methoden unterteilt: indirekt und direkt.

 

1. Nachweismethode

Indirekte Methode: Die Leckerkennung erfolgt über vorhandene Sensoren und Algorithmen für Druck, Durchfluss, Temperatur und Blasen.

 

Direkte Methode: Sensoren wie Lecksuchseile/-kabel oder Membransuchstreifen werden an bestimmten Stellen (z. B. entlang von Rohrleitungen und Verbindungsstellen) eingesetzt, um Lecks direkt zu erkennen.

 

Zurzeit wird in der Industrie überwiegend die direkte Methode eingesetzt, bei der Lecksuchseile zur Lecksuche verwendet werden.

 

▲ Lecksuchseil

 

2. Erkennungsprinzip

Lecksuchseile basieren auf dem Prinzip der Flüssigkeitsleitfähigkeit, um festzustellen, ob ein Leck aufgetreten ist, und müssen in Verbindung mit einem Wasserleck-Controller verwendet werden. Wenn ein Teil des Suchseils mit Wasser in Kontakt kommt, kommt es zu einem Kurzschluss der beiden Sensorleitungen. Der Wasserleck-Controller bestimmt den Leckzustand anhand der Änderung des Widerstands des Suchseils und sendet ein Alarmsignal.

 

▲ Erkennungsprinzip des Lecksuchseils

 

▲ Aufbau eines Lecksuchseils im Inneren eines Servers

 

3. Vorsichtsmaßnahmen bei der Installation des Lecksuchseils

• Die Sensorleitung sollte während der Installation trocken und sauber bleiben.
• Vermeiden Sie das Verlegen der Sensorleitung in Bereichen, in denen es zu Kondensation kommt.
• Eine Überlappung oder Verflechtung der Sensorleitungen ist verboten, da dies zu Fehlalarmen führen kann.
• Der Biegeradius der Sensorleitung sollte während der Installation nicht weniger als 4 mm betragen (entsprechend einem üblicherweise verwendeten Kabel), da die Sensorleitung sonst beschädigt werden kann.
• Vermeiden Sie bei der gewickelten Verlegung der Sensorleitung einen Wickelradius von weniger als 24mm, da es sonst zu einer Beschädigung der Sensorleitung kommen kann.
• Die Sensorleitung sollte nicht in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, Vibrationen, korrosiven Gasen oder anderen Quellen elektronischer Störgeräusche installiert werden.
• Drücken Sie die Sensorleitung während der Installation oder Verwendung nicht zusammen und legen Sie keine schweren Gegenstände darauf, da dies zu Schäden führen kann.
• Vermeiden Sie während der Installation eine übermäßige Spannung der Sensorleitung, da sich hierdurch die Kabelanschlussenden lösen und es zu schlechten Verbindungen, Brüchen oder einer Ablösung der Klemmen kommen kann.
• Wenn die ausgetretene Flüssigkeit leitfähige Substanzen oder wasserbeständige Schadstoffe (z. B. Wachs, Öl) enthält, kann dies dazu führen, dass die Sensorleitung nicht zurückgesetzt wird. In diesem Fall muss die Sensorleitung ersetzt werden.