Сферични кранове при директно{0}}към-течно охлаждане на чип: обяснение на изискванията за контрол на потока

Когато инженер на център за данни посочи охлаждащо оборудване за 100 kW GPU стелаж, разговорът обикновено започва със студени плочи, CDU и оформления на колектори. Вентилите са закъснение, докато нещо не се обърка. Една единствена неправилно конфигурирана точка на изолация може да наложи пълно изключване на стелажа по време на прозорец за поддръжка. Клапан, който не може да реагира достатъчно бързо на случай на изтичане, може да напои ускорители на стойност $300 000. А компонент за-контрол на потока, оразмерен за сградна HVAC система, ще създаде дисбаланси на налягането, които намаляват производителността на чипа в рамките на дни след пускането му в експлоатация.

Директно{0}}към-чипове (D2C) течно охлаждане -, където охлаждащата течност циркулира директно през студени плочи, монтирани на процесори, графични процесори и модули памет - се премести от нишова практика в масова необходимост. Единичните ускорителни чипове сега разсейват до 1200 W топлина, а плътностите на нивото-на стелажи рутинно достигат от 60 kW до 200 kW. Въздушното охлаждане не може да се справи с тези числа. Но замяната на вентилатори с течни контури означава въвеждане на нова категория прецизни механични компоненти в среда, която преди е била суха. Правилният избор на клапан не е по избор. Грешното разбиране е скъпо.

Тази статия обяснява какво всъщност изискват охладителните системи D2C от сферичните кранове, разбити по функционална роля, и превръща тези изисквания в конкретни критерии за спецификация за инженери и екипи за доставки.

 

CDU система за течно охлаждане на центъра за данни

 

Как са структурирани охлаждащите контури D2C

Преди да разгледаме изискванията за вентилите, помага да се разбере къде се намират вентилите в D2C система.

Разпределителен модул за охлаждане (CDU) действа като топлообменник и помпа в сърцето на контура. Той изтегля топла връщаща се вода от сървърните стелажи, обменя топлина с подаването на охладена-вода на съоръжението и изпраща кондиционирана охлаждаща течност обратно през захранващите колектори към всяка стойка. Вътре във всяка стойка вторичен колектор разклонява потока към отделни студени плочи. Във всяка точка на разклонение и връзка вентилите изпълняват една от четирите различни функции: изолация, превключване на байпас, модулация на потока или аварийно изключване.

Всяка от тези функции носи свои собствени технически изисквания и не всеки дизайн на сферичен кран удовлетворява и четирите.

 

Четири функционални роли и какво изисква всяка от тях

1. Изолация за поддръжка и резервиране

Най-често срещаното приложение на сферичния кран в системите D2C е изолация-на ниво стелаж. Когато сървърна тава се нуждае от подмяна или студена плоча развие теч, техниците трябва да понижат налягането и да източат този клон, без да изключват останалата част от контура.

Една добре-разработена изолационна архитектура поставя вентили както на захранващите, така и на връщащите линии при връзката-към-колектора. Това не е излишък сам по себе си. Патенти от големи оператори на хипермащаб описват схеми за изолиране на двоен-клапан, при които горен и долен сферичен кран работят независимо, всеки със собствена тава за течове. Ако горният клапан се повреди, долният се затваря. Сензор за теч вътре в тавата комуникира със системата за управление на сградата (BMS), за да задейства автоматично вторичното затваряне, без човешка намеса.

За тази роля критичната спецификация е-дизайн с пълен отвор, което означава, че вътрешният диаметър на отвора на клапана съответства на диаметъра на тръбата. Вентилът с намален-диаметър води до ненужен спад на налягането във всяка точка на изолация, а в стелаж с 20 или повече студени плочи, работещи успоредно, тези спадове бързо се увеличават.

Изисквания към спецификациите за режим на изолация: геометрия на отвора с пълен{0}}отвор, рейтинг на течове от клас VI (най-строгият стандарт в индустрията за еластични-вентилни седла), тяло от неръждаема стомана 316 за устойчивост на корозия във влажни механични помещения и задействане, което се интегрира с управляващите сигнали на BMS.

2. Байпас и превключване на контур

A 3-пътен сферичен кран с фланецсе справя с една от най-взискателните от техническа гледна точка задачи в системите D2C: насочване на охлаждащата течност между множество вериги в зависимост от работните условия.

При конфигурация на свободно{0}}охлаждане, където температурите на околната среда са достатъчно ниски, че механичното охлаждане е ненужно, тази конфигурация пренасочва захранващия поток през байпасна верига, заобикаляйки изцяло охладителя и спестявайки значителна енергия. В архитектурите с излишно охлаждане, втори порт отклонява потока между основния и резервния охлаждащ контур, ако CDU прекъсне офлайн.

Необходимата тук точност е по-висока от обикновената изолация за включване/изключване. Вентилът трябва да поддържа повтарящо се съотношение на разделяне между своите портове през хиляди работни цикли. Дрейфът на позицията дори с няколко градуса може да промени разпределението на охлаждащата течност достатъчно, за да повлияе на температурите на свързване на чипа. Това прави електрическото задвижване с обратна връзка за позицията предпочитан избор пред ръчното управление. Пневматичен задвижващ механизъм, който се върти на интервали от половин-секунда, е достатъчно бърз за аварийна реакция, но натрупва механично износване по-бързо в приложения, които изискват непрекъсната модулация.

За режим на байпас и -превключване на верига, посочете вентил с характерна геометрия на отвора на T-порт или L-порт, електрически задвижващ механизъм с 4-20 mA или 0-10 V DC контролен вход и обратна връзка за позицията, свързана обратно към контролера за управление на CDU.

 

3-пътен сферичен кран с фланец Leadtek

 

3. Стелаж-Ниво Модулация на потока

Не всички стелажи в центъра за данни работят при едно и също топлинно натоварване едновременно. Стелаж от неактивни сървъри черпи много по-малко топлина от същия шкаф при пълно работно натоварване за обучение на AI. Ако потокът на охлаждащата течност е фиксиран на максималната скорост, независимо от използването на сървъра, помпите консумират енергия пропорционално на най-лошия{2}}сценарий денонощно.

Динамичният контрол на потока се справя с това. Изследване от Тексаския университет в Арлингтън демонстрира устройство за контрол на потока, използващо V-сферичен кран, свързан към микро серво мотор, модулиращ потока на ниво сървърна стойка въз основа на-използване в реално време. При условия на неактивност в пълна стойка системата постигна до 87% намаление на изпомпващата енергия. При пълно натоварване вентилът се отваря напълно, за да осигури максимален поток.

Сферичният кран с V-нарез (или V-нарез) е специално проектиран за модулиране. За разлика от стандартната-сфера с пълен отвор, която е ефективно или напълно отворена, или напълно затворена, V-прорезът създава еднаква-процентна характеристика на потока: дадена стъпка на въртене на клапана произвежда пропорционална процентна промяна в скоростта на потока, а не абсолютна промяна. Това прави вентила съвместим с PID (пропорционални-интегрални-производни) управляващи контури, където контролерът непрекъснато регулира потока, за да поддържа зададена целева температура на подаване.

4. Реагиране при теч и аварийно изключване

Охлаждащата течност в електрониката е основната грижа, възпрепятстваща по-бързото приемане на течно охлаждане в центровете за данни. Съвременните D2C системи се справят с това с автономна защита: соленоидни-задействани сферични кранове, съчетани със сензори за откриване на течове, които прекъсват потока в рамките на милисекунди след откриване на влага в точка на свързване.

За режим на аварийно изключване скоростта на задействане и-безопасното поведение са по-важни от прецизността на модулацията на потока. Предпочитат се пневматичните задвижващи механизми, тъй като те се завъртат за по-малко от половин секунда и могат да бъдат конфигурирани да се връщат с пружина-в затворено положение при загуба на контролен сигнал. Това отказ-затворено поведение защитава хардуера, ако самата система за управление загуби захранване.

 

Превеждане на ролите в спецификации

Повечето спецификации на вентили за D2C приложения са недостатъчно уточнени, защото са копирани от HVAC или общи индустриални шаблони. Следните критерии се прилагат специално за мито D2C.

материал:Корпус и облицовка от неръждаема стомана 316 за съвместимост с дейонизирана вода, смеси от вода-гликол и корозивната среда на-охлаждана от течност зала. 304 неръждаема стомана е приемлива за фитинги с ниско-напрежение, но не се препоръчва за основна изолация.

Материал на седалката:PTFE или TFM (модифициран PTFE с по-добра стабилност на размерите) за съвместимост с обичайните химикали на охлаждащата течност D2C и дългосрочни-запечатващи характеристики при 5 до 15 PSI работен диференциал, типичният прозорец на налягането в разклонение на стелажи D2C.

Крайни връзки:Преминаването към санитарни тръби в съвременните дизайни на сървърни стелажи означава, че много клапани на нивото на стелажите сега изискват три-скоби или подобни хигиенични крайни връзки, вместо резбовани NPT или фланцови съединения. Конфигурацията на сферичния кран от 3 компютъра, с три отделящи се части на корпуса, позволява смяна на седлото без премахване на вентила от линията, което е значително предимство при поддръжката в среда с гъсти стелажи, където достъпът е ограничен. Серията от три-части на Leadtek е проектирана около точно това изискване за обслужване, използвайки прецизни CNC-обработени корпуси от 316 неръждаема стомана, които запазват точността на размерите чрез удължен термичен цикъл.

Клас на утечка:Клас VI по ANSI/FCI 70-2, най-плътният стандарт за изтичане, постижим при дизайн на сферичен кран с четвърт оборот.

Живот на цикъла:Центровете за данни с изкуствен интелект работят непрекъснато и контролните вентили в байпасните вериги на CDU могат да се въртят стотици пъти на ден. Минимален рейтинг на цикъла от 500 000 задействания за електрически-задействани вентили е разумна граница за доставка. Проверете при производителя и сравнете-с очакваната честота на управление на BMS, преди да се ангажирате.

BMS интеграция:D2C системите се управляват от системи за управление на сградата, които следят температурата, потока и налягането в цялото съоръжение. Вентилите трябва да приемат стандартни аналогови управляващи сигнали и да връщат обратна връзка за позицията по същия протокол, за да позволят проверка на затворения-контур, че вентилът действително се е преместил в командваната си позиция.

 

Избор на правилната конфигурация на клапана по позиция

Колкото по-широксферичен кран от неръждаема стоманакатегорията обхваща широк диапазон от конфигурации и не всяка конфигурация е подходяща за всяка позиция в D2C цикъл.

При първичната връзка на CDU, където диаметрите на тръбата са най-големи и наляганията са най-високи, фланцовите сферични кранове с ръчно{0}}задвижване са типични за рядко изолиране. На нивото на колектора на стелажа компактните тела от 2- или 3- части с електрически задвижващи механизми са по-практични, тъй като достъпът до стелажа е ограничен. На нивото на сървърната тава, където възможността за бързо разединяване задвижва дизайна, санитарните сферични кранове с краища с три скоби се превръщат в индустриален стандарт.

Един принцип за избор се прилага независимо от позицията: авторитетът на клапана, който описва каква част от общата разлика в налягането на системата управлява вентилът, трябва да бъде поне 50% от спада на налягането в разклонението. Вентилите с недостатъчен авторитет не могат да модулират ефективно, тъй като другите съпротивления на системата доминират поведението на потока.

Leadtek Fluid, опериращ от производствено съоръжение от 37 000 квадратни метра в Quzhou, Zhejiang, произвежда пълната гама от конфигурации на клапани, използвани в слоевете на системата D2C, от фланцови изолатори в CDU до санитарни вентили в разклонението на студената плоча. С над 30 години опит в прецизното леене и обработката с ЦПУ, ISO 9001 и CE сертификати и 100 или повече сертифицирани варианта на сферични кранове, разработени чрез-фирма R&D, Leadtek доставя D2C системни интегратори и оператори на центрове за данни в повече от 80 държави.

 

Обобщение и препоръки за действие

Охлаждането директно-към-чипа не се проваля, тъй като студените плочи са лошо проектирани. Той се проваля на разпределителния слой, където дисбалансът на налягането, неадекватната изолация и бавната реакция при извънредни ситуации превръщат управляемите събития в скъпи инциденти.

Преди да пуснете поръчка за покупка на сферични кранове D2C, потвърдете следното:

-Геометрия на целия отвор във всички точки на изолация, за да се избегнат комбинирани спадове на налягането

Три{0}}посочна конфигурация с обратна връзка за позицията при всяка позиция за превключване на байпас или контур-

Тяло от неръждаема стомана 316 и материал на седалката TFM през вторичния контур на багажника

Оценката на живота на цикъла е проверена спрямо очакваната контролна честота на BMS

Рейтинг на утечка от клас VI за всеки клапан при продължителна работа

Типът на крайната връзка съответства на стандарта на тръбите, използван в стелажа

Получаването на тези спецификации точно преди инсталирането е значително по-евтино от диагностицирането на проблеми с дисбаланса на потока, след като сървърите работят.

 

ЧЗВ

Каква е разликата между 2-пътен и 3-пътен сферичен кран с фланец в охладителна система D2C?2-пътният вентил има един вход и един изход и управлява включване/изключване или модулиращ контрол в една линия. Три-дизайнът има три порта, което му позволява да отклонява потока между два пътя (T-порт) или да смесва потоци от два източника (L-порт). В системите D2C тази конфигурация обслужва байпасни вериги, резервно превключване и управление на економайзера за свободно охлаждане.

Защо неръждаемата стомана 316 е предпочитана пред 304 в контурите за течно охлаждане?316 неръждаема стомана съдържа молибден, който значително подобрява устойчивостта на хлорид-индуцирана питинг и цепнатина корозия. Охлаждащата вода в центъра за данни, дори когато е химически обработена, излага вътрешните части на клапаните на условия, които 304 се справят адекватно във фитинги с нисък-контакт, но по-малко надеждно в седалки и тела с висок-цикличен цикъл при непрекъснат поток.

Колко често трябва да се проверяват сферичните кранове в D2C система?Ръчните изолационни вентили, които се включват само по време на поддръжка, обикновено изискват годишна проверка. Управляващите-управляващи вентили с електрическо{1}}циклиране под команда на BMS трябва да следват цикъла-номинален живот на производителя, като проверката на седалката е планирана на 50% от номиналния живот. Дизайнът на корпуса от три- части опростява тази проверка, тъй като корпусът се отделя за достъп до седалката, без да се извежда линията от експлоатация.

Какво означава "авторитет на клапана" и защо има значение за модулацията на потока D2C?Авторитетът на вентила е съотношението на спада на налягането през вентила при пълно отваряне към общия спад на налягането в разклонения кръг. Клапан с ниска власт не може да регулира потока ефективно, тъй като другите съпротивления на веригата доминират. В разклоненията D2C, работещи при диференциал от 5 до 15 PSI, управляващият вентил трябва да отговаря на поне половината от този бюджет за налягане при пълен-отворен поток, за да поддържа смислен диапазон на модулация.

Могат ли стандартните сферични вентили за HVAC да се използват в приложения за директно{0}}към-охлаждане на чипове?Не е надеждно. Стандартните HVAC вентили са оразмерени за много по-високи скорости на потока и по-грубо управление, отколкото изискват разклоненията на стелажи D2C. Техните задвижващи механизми често са твърде бавни за времето на системата за управление на CDU и материалите на техните седалки може да не са съвместими с пакетите инхибитори на корозията, използвани в дейонизирана охлаждаща вода. D2C-съвместимите вентили са избрани за ниско-диференциално налягане, високи стойности на цикъла, санитарни или корозионно-устойчиви материали и съвместимост на BMS сигнала. Използването на извънгабаритни HVAC клапани в D2C клон е често срещан източник на нестабилност при преследване в управляващите контури на CDU.