Projeto e seleção de componentes de placas de resfriamento líquido para servidores

 

O conjunto da placa de resfriamento líquido consiste em componentes principais, como a placa fria, tubulações de conexão, conectores rápidos, dispositivos de detecção de vazamento e refrigerante interno.

 

▲ Conjunto de placa de resfriamento líquido

 

 

Eu Prato Frio

 

A placa fria é o componente central que entra em contato com o processador para permitir a troca de calor. O refrigerante flui dentro da placa fria para levar o calor para longe do processador. Por meio da conexão de tubulações, conectores rápidos de líquido, unidades de distribuição de resfriamento e coletores de retorno no gabinete, ele forma um circuito fechado secundário, transferindo, em última análise, o calor do processador para fora.

 

1. Estrutura

Com base na capacidade de desmontagem do módulo de dissipação de calor e do módulo de fixação, as placas frias podem ser divididas em placas frias integradas e placas frias divididas. Os módulos de dissipação de calor e fixação de uma placa fria integrada são inseparáveis, enquanto em uma placa fria dividida, os módulos são destacáveis ​​por meio de parafusos.

 

▲ Diagrama de uma placa fria integrada

 

▲ Diagrama de uma placa fria dividida

 

2. Materiais

A maioria das placas frias na indústria é feita de cobre, com alguns fabricantes optando por alumínio, embora seu uso seja relativamente mínimo devido a considerações de resistência à corrosão de longo prazo. Um único sistema não deve conter metais com diferenças de potencial significativas.

 

3. Requisitos de projeto

• A placa fria deve ser projetada de acordo com o tamanho do chip e a estrutura interna do equipamento eletrônico para atingir a eficiência ideal de troca de calor.
• Ao mesmo tempo em que garante os requisitos de temperatura do invólucro do chip durante toda a sua vida útil, o projeto do canal de fluxo deve ser otimizado o máximo possível para reduzir a resistência ao fluxo do módulo.
• Ele deve atender aos requisitos de carga do soquete do chip e aos requisitos de peso do dissipador de calor.
• A sequência de instalação e remoção da placa fria deve ser considerada para atender às necessidades operacionais do chip.
• Ele também deve atender aos requisitos técnicos de força de fixação do chip, bem como aos requisitos de planicidade da superfície inferior do dissipador de calor após a instalação/remoção.

 

4. Requisitos de desempenho térmico

• Os usuários devem fornecer as condições de temperatura e fluxo do líquido de arrefecimento na entrada da placa fria.
• A temperatura do invólucro do chip resfriado não deve exceder o valor máximo especificado pelo fornecedor do chip durante todo o período operacional.
• A resistência total do fluxo do circuito de resfriamento secundário deve corresponder à capacidade de altura manométrica da bomba na unidade de distribuição de resfriamento.
• A capacidade total de resistência ao fluxo do sistema e a temperatura do invólucro do chip devem permitir alguma redundância. A redundância da resistência ao fluxo não deve ser menor que 10%, e a redundância da temperatura do invólucro não deve ser menor que 3 graus para acomodar as tolerâncias do sistema.
• Os projetistas de placas frias devem fornecer uma curva de condição de contorno térmico para a placa fria, representando a relação entre a temperatura do líquido de arrefecimento de entrada e a vazão do líquido de arrefecimento que passa pela placa fria.
• A velocidade de entrada do líquido de arrefecimento na placa fria não deve exceder 1,5 m/s, e a diferença de temperatura de alimentação e retorno do líquido de arrefecimento deve ser controlada dentro da faixa de 5 a 10 graus.

 

▲ Curva de Condição de Contorno Térmico para Projeto de Placa Fria

 

 

II Refrigerante

 

▲ Líquido de arrefecimento

 

Os refrigerantes comuns usados ​​em circuitos de resfriamento secundários incluem refrigerantes à base de água e não à base de água. A escolha deve satisfazer os requisitos de desempenho de resfriamento, garantindo compatibilidade e confiabilidade de longo prazo com todos os materiais molhados no circuito secundário. Também deve considerar a manutenção do equipamento de TI, a vida útil esperada do refrigerante e o custo geral.

 

Os refrigerantes à base de água têm excelente desempenho de transferência de calor, e a maioria da indústria opta por refrigerantes à base de água. Eles são divididos em refrigerantes de água pura e refrigerantes formulados.

 

O líquido de arrefecimento de água pura usa água pura como solvente sem aditivos, ou apenas uma certa proporção de etilenoglicol ou propilenoglicol como anticongelante, dependendo dos requisitos de anticongelante. O líquido de arrefecimento de água pura inibe a corrosão e o crescimento microbiano ao manter um ambiente de condutividade ultrabaixa.

 

Os refrigerantes formulados usam água pura como solvente, com uma certa proporção de anticongelante adicionada para proteção contra congelamento, bem como inibidores de corrosão e biocidas. Os refrigerantes formulados reduzem o risco de corrosão e inibem o crescimento bacteriano por meio de aditivos. No entanto, esses aditivos reduzem a condutividade térmica da água e podem perder eficácia ao longo do tempo, exigindo amostragem periódica para monitorar a qualidade do refrigerante.

 

▲ Vantagens e desvantagens do meio de resfriamento à base de água

 

Com base em pesquisas do setor, a Huawei e a Sugon usam principalmente soluções de etilenoglicol a 25%, enquanto a Inspur e a H3C usam principalmente soluções de propilenoglicol a 25%. Uma concentração de 25% não é fixa; 20% a 30% é aceitável. Uma concentração muito alta pode afetar o fluxo de fluido e o desempenho do resfriamento, enquanto uma concentração muito baixa pode não fornecer proteção anticongelante ou inibir o crescimento microbiano. Uma concentração acima de 20% geralmente fornece alguma inibição do crescimento microbiano para soluções de etilenoglicol e propilenoglicol. Portanto, é recomendável usar uma concentração de 25% de soluções de etilenoglicol ou propilenoglicol como refrigerante para sistemas de resfriamento líquido.

 

 

III Conexões de desconexão rápida

 

Os conectores de desconexão rápida autovedantes (QD) são usados ​​para fornecer conexões ou desconexões rápidas entre equipamentos de TI e sistemas de resfriamento líquido para fins de manutenção, ao mesmo tempo em que garantem que o refrigerante não vaze. Isso garante que o sistema de resfriamento líquido permaneça operacional e que o equipamento de TI possa continuar a funcionar com segurança.

 

▲ Conexões de desconexão rápida (QD)

 

Existem dois tipos principais de conexões de desconexão rápida autovedantes: modelos manuais e de encaixe cego.

Os encaixes de desconexão rápida manual exigem que o usuário segure o encaixe para operações de conexão ou desconexão e podem ser operados com uma ou duas mãos. Devido à operação manual, deve-se deixar espaço suficiente para isso.

 

▲ Conexões de desconexão rápida manual

 

Conexões cegas, que não exigem operação manual, conectam-se ou desconectam-se por meio de pressão e precisam de alinhamento preciso com trilhos ou pinos de posicionamento para manter a pressão necessária para a conectividade adequada, evitando qualquer desconexão.

 

▲ Conexões de desconexão rápida Blind-Mate

 

Conexões de desconexão rápida são usadas em configurações macho/fêmea (plugue/soquete ou pares de inserção/corpo). Quando desconectadas, a válvula autovedante dentro da conexão corta o fluxo de fluido para proteger o equipamento ao redor. Portanto, a seleção da conexão deve limitar estritamente o vazamento de refrigerante durante a desconexão. Geralmente, o vazamento deve ser menor que 1/6 de uma gota por conexão/desconexão (menos que uma gota após seis conexões/desconexões) ou menor que 0.5 ml. Conexões que minimizam o vazamento, como aquelas com designs anti-gotejamento ou de face nivelada, são recomendadas.

 

Em sistemas com conexões de desconexão rápida manual, considerações ergonômicas (por exemplo, mecanismos de travamento, força de conexão, restrições de espaço) devem ser abordadas para garantir facilidade de manutenção. Projetos de encaixe cego devem considerar tolerâncias de instalação e tolerância de desalinhamento para garantir conexão confiável.

 

▲ Diagrama de alinhamento Blind-Mate

 

 

Unidade de Distribuição de Refrigeração IV (CDU)

 

A Unidade de Distribuição de Resfriamento (CDU) é um dispositivo usado para troca de calor entre circuitos líquidos. Os componentes da CDU incluem interfaces, bombas, trocadores de calor líquido-líquido ou líquido-ar, reservatórios, dispositivos de controle de válvulas, equipamentos de monitoramento, filtros e vários sensores. As CDUs são usadas para medir e controlar a capacidade de resfriamento, vazão, pressão e temperatura. Todos os componentes na CDU devem ser testados quanto à compatibilidade com o refrigerante.

 

As CDUs são classificadas em tipos centralizados (gabinete) e distribuídos (rack).

 

Uma CDU centralizada fornece resfriamento para um ou mais racks de equipamentos de TI ou até mesmo um data center inteiro, com maior capacidade de resfriamento e fornecimento em comparação com CDUs distribuídas. CDUs distribuídas eliminam a necessidade de instalação de tubulação secundária, com cada CDU fornecendo resfriamento apenas para o gabinete do servidor no qual está instalada, oferecendo menor confiabilidade do que CDUs centralizadas.

 

Para evitar escassez de capacidade de resfriamento devido a falhas na CDU, deve-se considerar redundância N+1 ou N+2, ou o módulo de bomba da CDU deve ser projetado com redundância N+1 para garantir resfriamento suficiente para equipamentos de TI e permitir manutenção on-line.

 

▲ CDU

 

Uma comparação entre CDUs centralizadas e distribuídas é mostrada na tabela abaixo:

 

▲ Comparação de CDUs centralizadas e distribuídas

 

A capacidade de troca de calor do trocador de calor de uma CDU depende de sua temperatura de aproximação. A temperatura de aproximação é a diferença entre a temperatura do refrigerante que entra no equipamento de TI e a temperatura da água de resfriamento primária na entrada da CDU. Além da temperatura de aproximação, outros parâmetros importantes a serem considerados para o desempenho da CDU incluem:

 

• Temperatura de aproximação (de preferência 3-10 graus)
• Composição do refrigerante (por exemplo, água pura, 25% PG, 55% PG)
• Taxas de fluxo primárias e secundárias, potência da bomba e altura manométrica
• Graus primários de temperatura da água (por exemplo, W27, W32, W45, W+)

 

 

V Tubulações de resfriamento líquido

 

Os pipelines de resfriamento líquido fornecem os canais para circulação do refrigerante, participando da distribuição de resistência ao fluxo de todo o sistema de resfriamento líquido e fornecendo interfaces externas simples para dispositivos de resfriamento líquido. A seleção de tubulação interna para equipamentos de TI deve considerar compatibilidade de material, velocidade de fluxo (que deve ser controlada abaixo de 1,5 m/s em pipelines flexíveis), layout de tubulação, métodos de instalação, projeto de distribuição de fluxo e confiabilidade.

 

Os dutos de resfriamento líquido em servidores devem atender aos seguintes requisitos técnicos:

 

• Devem ser utilizadas mangueiras corrugadas de FEP ou EPDM resistentes a altas temperaturas e altas pressões, com pressão de trabalho maior ou igual a 0.35 MPa e pressão máxima maior ou igual a 1 MPa.
• Cordas de detecção de vazamento devem ser instaladas para detectar qualquer vazamento de líquido de arrefecimento.
• As tubulações devem ser conectadas à placa fria usando conexões farpadas ou braçadeiras de mangueira para garantir uma vedação confiável.

 

1. Principais classificações de tubulações de resfriamento de líquidos

 

▲ Pipeline de resfriamento líquido

 

▲ Mangueira EPDM (Etileno Propileno Dieno Monômero)

 

▲ Tubo corrugado de PTFE (politetrafluoroetileno)

 

▲ Tubo PFA (Polímero Perfluoroalcoxi)

 

2. Uma comparação de diferentes materiais de tubulação

 

▲ Materiais de Pipeline

 

 

VI Corda de detecção de vazamento

 

Como os nós de computação são frequentemente os componentes mais caros em equipamentos de TI, e há um risco de vazamentos de refrigerante condutivo que podem causar danos ao equipamento e perda de dados, é necessário detectar vazamentos potenciais dentro dos nós de computação. A detecção de vazamentos é geralmente classificada em dois métodos: indireto e direto.

 

1. Método de detecção

Método indireto: a detecção de vazamentos é determinada usando sensores e algoritmos existentes para pressão, vazão, temperatura e bolhas.

 

Método direto: sensores como cordas/cabos de detecção de vazamentos ou tiras de detecção de membrana são usados ​​em locais específicos (por exemplo, ao longo de tubulações e juntas) para detectar vazamentos diretamente.

 

Atualmente, a indústria adota principalmente o método direto, usando cordas de detecção de vazamentos.

 

▲ Corda de detecção de vazamento

 

2. Princípio de detecção

As cordas de detecção de vazamento são baseadas no princípio da condutividade líquida para detectar se ocorreu um vazamento e devem ser usadas em conjunto com um controlador de vazamento de água. Quando qualquer parte da corda de detecção entra em contato com água, as duas linhas de detecção entram em curto-circuito. O controlador de vazamento de água determina a condição de vazamento com base na mudança na resistência da corda de detecção e envia um sinal de alarme.

 

▲ Princípio de detecção da corda de detecção de vazamento

 

▲ Layout da corda de detecção de vazamento dentro de um servidor

 

3. Precauções durante a instalação da corda de detecção de vazamento

• A linha de detecção deve permanecer seca e limpa durante a instalação.
• Evite instalar a linha de detecção em áreas propensas à condensação.
• É proibido sobrepor ou entrelaçar as linhas de detecção, pois isso pode causar alarmes falsos.
• O raio de curvatura da linha de detecção durante a instalação não deve ser menor que 4 mm (conforme um fio comumente usado), ou a linha de detecção pode ser danificada.
• Ao instalar a linha de detecção de forma enrolada, evite um raio de enrolamento menor que 24 mm, pois isso pode danificar a linha de detecção.
• A linha de detecção não deve ser instalada em ambientes com altas temperaturas, alta umidade, vibrações, gases corrosivos ou outras fontes de interferência de ruído eletrônico.
• Durante a instalação ou uso, não aperte nem coloque objetos pesados ​​na linha de detecção, pois isso pode causar danos.
• Evite tensão excessiva na linha de detecção durante a instalação, pois isso pode soltar as pontas de conexão dos fios, causar conexões ruins, quebra ou desprendimento dos terminais.
• Se o líquido vazado contiver substâncias condutoras ou poluentes resistentes à água (por exemplo, cera, óleo), isso poderá fazer com que a linha de detecção não seja reiniciada, caso em que a linha de detecção precisará ser substituída.