Diseño y selección de componentes de placas de refrigeración líquida para servidores

 

El conjunto de la placa de enfriamiento líquido consta de componentes clave como la placa fría, tuberías de conexión, conectores rápidos, dispositivos de detección de fugas y refrigerante interno.

 

▲ Conjunto de placa de refrigeración líquida

 

 

I Placa fría

 

La placa fría es el componente principal que entra en contacto con el procesador para permitir el intercambio de calor. El refrigerante fluye dentro de la placa fría para eliminar el calor del procesador. A través de la conexión de tuberías, conectores rápidos de líquido, unidades de distribución de refrigeración y colectores de retorno en el gabinete, forma un circuito cerrado secundario que, en última instancia, transfiere el calor del procesador al exterior.

 

1. Estructura

En función de la capacidad de desmontaje del módulo de disipación de calor y del módulo de fijación, las placas frías se pueden dividir en placas frías integradas y placas frías divididas. Los módulos de disipación de calor y de fijación de una placa fría integrada son inseparables, mientras que en una placa fría dividida, los módulos son desmontables mediante tornillos.

 

▲ Diagrama de una placa fría integrada

 

▲ Diagrama de una placa fría dividida

 

2. Material

La mayoría de las placas frías de la industria están hechas de cobre, y algunos fabricantes optan por el aluminio, aunque su uso es relativamente mínimo debido a consideraciones de resistencia a la corrosión a largo plazo. Un solo sistema no debe contener metales con diferencias de potencial significativas.

 

3. Requisitos de diseño

• La placa fría debe diseñarse de acuerdo con el tamaño del chip y la estructura interna del equipo electrónico para lograr una eficiencia óptima de intercambio de calor.
• Además de garantizar los requisitos de temperatura de la carcasa del chip durante toda su vida útil, el diseño del canal de flujo debe optimizarse tanto como sea posible para reducir la resistencia al flujo del módulo.
• Debe cumplir con los requisitos de carga del zócalo del chip y los requisitos de peso del disipador de calor.
• La secuencia de instalación y extracción de la placa fría debe considerarse para satisfacer las necesidades operativas del chip.
• También debe cumplir con los requisitos técnicos de fuerza de sujeción del chip, así como los requisitos de planitud de la superficie inferior del disipador de calor después de la instalación/extracción.

 

4. Requisitos de rendimiento térmico

• Los usuarios deben proporcionar las condiciones de temperatura y flujo del refrigerante en la entrada de la placa fría.
• La temperatura de la carcasa del chip enfriado no debe superar el valor máximo especificado por el proveedor del chip durante todo el período operativo.
• La resistencia total del flujo del circuito de enfriamiento secundario debe coincidir con la capacidad de altura de la bomba en la unidad de distribución de enfriamiento.
• La capacidad total de resistencia al flujo del sistema y la temperatura de la carcasa del chip deben permitir cierta redundancia. La redundancia de la resistencia al flujo no debe ser inferior al 10% y la redundancia de la temperatura de la carcasa no debe ser inferior a 3 grados para adaptarse a las tolerancias del sistema.
• Los diseñadores de placas frías deben proporcionar una curva de condición de límite térmico para la placa fría, que represente la relación entre la temperatura del refrigerante de entrada y el caudal de refrigerante que pasa a través de la placa fría.
• La velocidad del refrigerante de entrada en la placa fría no debe superar los 1,5 m/s, y la diferencia de temperatura de suministro y retorno del refrigerante debe controlarse dentro del rango de 5 a 10 grados.

 

▲ Curva de condición de contorno térmico para el diseño de placa fría

 

 

II Refrigerante

 

▲ Refrigerante

 

Los refrigerantes comunes que se utilizan en los circuitos de refrigeración secundarios incluyen refrigerantes a base de agua y refrigerantes que no son a base de agua. La elección debe satisfacer los requisitos de rendimiento de refrigeración y, al mismo tiempo, garantizar la compatibilidad y la confiabilidad a largo plazo con todos los materiales húmedos en el circuito secundario. También debe tener en cuenta el mantenimiento del equipo de TI, la vida útil esperada del refrigerante y el costo general.

 

Los refrigerantes a base de agua tienen un excelente rendimiento de transferencia de calor y la mayoría de la industria opta por ellos. Estos se dividen en refrigerantes a base de agua pura y refrigerantes formulados.

 

El refrigerante de agua pura utiliza agua pura como disolvente sin aditivos, o solo una determinada proporción de etilenglicol o propilenglicol como anticongelante, según los requisitos del anticongelante. El refrigerante de agua pura inhibe la corrosión y el crecimiento microbiano al mantener un entorno de conductividad ultrabaja.

 

Los refrigerantes formulados utilizan agua pura como disolvente, con una determinada proporción de anticongelante añadido para proteger contra las heladas, así como inhibidores de corrosión y biocidas. Los refrigerantes formulados reducen el riesgo de corrosión e inhiben el crecimiento bacteriano mediante aditivos. Sin embargo, estos aditivos reducen la conductividad térmica del agua y pueden perder eficacia con el tiempo, por lo que es necesario tomar muestras periódicas para controlar la calidad del refrigerante.

 

▲ Ventajas y desventajas del medio de enfriamiento a base de agua

 

Según investigaciones de la industria, Huawei y Sugon utilizan principalmente soluciones de etilenglicol al 25 %, mientras que Inspur y H3C utilizan principalmente soluciones de propilenglicol al 25 %. Una concentración del 25 % no es fija; es aceptable entre el 20 % y el 30 %. Una concentración demasiado alta puede afectar el flujo del fluido y el rendimiento de refrigeración, mientras que una concentración demasiado baja puede no proporcionar protección anticongelante o inhibir el crecimiento microbiano. Una concentración superior al 20 % generalmente proporciona cierta inhibición del crecimiento microbiano tanto para las soluciones de etilenglicol como para las de propilenglicol. Por lo tanto, se recomienda utilizar una concentración del 25 % de soluciones de etilenglicol o propilenglicol como refrigerante para sistemas de refrigeración líquida.

 

 

III Conexiones de desconexión rápida

 

Los accesorios de desconexión rápida autosellantes (QD) se utilizan para proporcionar conexiones o desconexiones rápidas entre equipos informáticos y sistemas de refrigeración líquida para fines de mantenimiento, al tiempo que se garantiza que el refrigerante no tenga fugas. Esto garantiza que el sistema de refrigeración líquida siga funcionando y que los equipos informáticos puedan seguir funcionando de forma segura.

 

▲ Accesorios de desconexión rápida (QD)

 

Hay dos tipos principales de accesorios de desconexión rápida autosellantes: diseños manuales y de acoplamiento ciego.

Los accesorios manuales de desconexión rápida requieren que el usuario sujete el accesorio para realizar las operaciones de conexión o desconexión y pueden operarse con una o dos manos. Debido a que la operación es manual, se debe dejar suficiente espacio para ello.

 

▲ Accesorios manuales de desconexión rápida

 

Los accesorios de conexión ciega, que no requieren operación manual, se conectan o desconectan mediante presión y necesitan una alineación precisa con rieles o pasadores de posicionamiento para mantener la presión necesaria para una conectividad adecuada, evitando cualquier desconexión.

 

▲ Accesorios de desconexión rápida Blind-Mate

 

Los accesorios de desconexión rápida se utilizan en configuraciones macho/hembra (pares de tapón/enchufe o inserto/cuerpo). Cuando se desconectan, la válvula autosellante dentro del accesorio corta el flujo de fluido para proteger el equipo circundante. Por lo tanto, la selección del accesorio debe limitar estrictamente la fuga de refrigerante durante la desconexión. Por lo general, la fuga debe ser inferior a 1/6 de gota por conexión/desconexión (menos de una gota después de seis conexiones/desconexiones) o inferior a 0,5 ml. Se recomiendan accesorios que minimicen las fugas, como aquellos con diseños antigoteo o de cara al ras.

 

En los sistemas con conexiones manuales de desconexión rápida, se deben tener en cuenta consideraciones ergonómicas (por ejemplo, mecanismos de bloqueo, fuerza de conexión, limitaciones de espacio) para garantizar la facilidad de mantenimiento. Los diseños de conexión ciega deben tener en cuenta las tolerancias de instalación y la tolerancia a la desalineación para garantizar una conexión confiable.

 

▲ Diagrama de alineación de punto ciego

 

 

IV Unidad de distribución de refrigeración (CDU)

 

La unidad de distribución de refrigeración (CDU) es un dispositivo que se utiliza para el intercambio de calor entre circuitos de líquido. Los componentes de la CDU incluyen interfaces, bombas, intercambiadores de calor líquido-líquido o líquido-aire, depósitos, dispositivos de control de válvulas, equipos de monitoreo, filtros y varios sensores. Las CDU se utilizan para medir y controlar la capacidad de refrigeración, el caudal, la presión y la temperatura. Todos los componentes de la CDU deben probarse para comprobar su compatibilidad con el refrigerante.

 

Las CDU se clasifican en tipos centralizados (gabinete) y distribuidos (rack).

 

Una CDU centralizada proporciona refrigeración para uno o más racks de equipos de TI o incluso para un centro de datos completo, con mayor capacidad de refrigeración y suministro en comparación con las CDU distribuidas. Las CDU distribuidas eliminan la necesidad de instalar tuberías secundarias, ya que cada CDU proporciona refrigeración solo para el gabinete de servidores en el que está instalada, lo que ofrece una confiabilidad menor que las CDU centralizadas.

 

Para evitar escasez de capacidad de enfriamiento debido a fallas de la CDU, se debe considerar redundancia N+1 o N+2, o el módulo de bomba de la CDU debe diseñarse con redundancia N+1 para garantizar un enfriamiento suficiente para el equipo de TI y permitir el mantenimiento en línea.

 

▲ Unión Demócrata Cristiana

 

En la siguiente tabla se muestra una comparación de las CDU centralizadas y distribuidas:

 

▲ Comparación de CDU centralizadas y distribuidas

 

La capacidad de intercambio de calor del intercambiador de calor de una CDU depende de su temperatura de aproximación. La temperatura de aproximación es la diferencia entre la temperatura del refrigerante que ingresa al equipo de TI y la temperatura del agua de enfriamiento principal en la entrada de la CDU. Además de la temperatura de aproximación, otros parámetros clave a considerar para el rendimiento de la CDU incluyen:

 

• Temperatura de aproximación (preferiblemente 3-10 grado)
• Composición del refrigerante (por ejemplo, agua pura, 25 % PG, 55 % PG)
• Caudales primarios y secundarios, potencia de la bomba y altura de elevación.
• Grados de temperatura del agua primaria (por ejemplo, W27, W32, W45, W+)

 

 

V Tuberías de refrigeración líquida

 

Las tuberías de refrigeración líquida proporcionan canales para la circulación del refrigerante, participan en la distribución de la resistencia al flujo de todo el sistema de refrigeración líquida y proporcionan interfaces externas simples para los dispositivos de refrigeración líquida. La selección de tuberías internas para equipos de TI debe tener en cuenta la compatibilidad de los materiales, la velocidad del flujo (que debe controlarse por debajo de 1,5 m/s en tuberías flexibles), el diseño de las tuberías, los métodos de instalación, el diseño de la distribución del flujo y la confiabilidad.

 

Las tuberías de refrigeración líquida en los servidores deben cumplir los siguientes requisitos técnicos:

 

• Se deben utilizar mangueras corrugadas de FEP o EPDM resistentes a altas temperaturas y altas presiones, con una presión de trabajo mayor o igual a 0.35 MPa y una presión máxima mayor o igual a 1 MPa.
• Se deben instalar cuerdas de detección de fugas para detectar cualquier fuga de refrigerante.
• Las tuberías deben conectarse a la placa fría mediante accesorios de púas o abrazaderas de manguera para garantizar un sellado confiable.

 

1. Principales clasificaciones de tuberías de refrigeración líquida

 

▲ Tubería de refrigeración líquida

 

▲ Manguera de EPDM (monómero de etileno propileno dieno)

 

▲ Tubo corrugado de PTFE (politetrafluoroetileno)

 

▲ Tubería de PFA (polímero de perfluoroalcoxi)

 

2. Comparación de diferentes materiales de tuberías

 

▲ Materiales para tuberías

 

 

VI Cuerda de detección de fugas

 

Dado que los nodos informáticos suelen ser los componentes más caros de los equipos informáticos y existe el riesgo de fugas de refrigerante conductivo que pueden provocar daños en los equipos y pérdida de datos, es necesario detectar posibles fugas en el interior de los nodos informáticos. La detección de fugas se clasifica generalmente en dos métodos: indirecta y directa.

 

1. Método de detección

Método indirecto: La detección de fugas se determina utilizando sensores y algoritmos existentes para presión, caudal, temperatura y burbujas.

 

Método directo: Se utilizan sensores como cables o cuerdas de detección de fugas o tiras de detección de membrana en ubicaciones específicas (por ejemplo, a lo largo de tuberías y uniones) para detectar fugas directamente.

 

En la actualidad, la industria adopta principalmente el método directo, utilizando cuerdas de detección de fugas para la detección de fugas.

 

▲ Cuerda de detección de fugas

 

2. Principio de detección

Las cuerdas de detección de fugas se basan en el principio de conductividad de líquidos para detectar si se ha producido una fuga y deben utilizarse junto con un controlador de fugas de agua. Cuando cualquier parte de la cuerda de detección entra en contacto con el agua, las dos líneas de detección se cortocircuitan. El controlador de fugas de agua determina la condición de la fuga en función del cambio en la resistencia de la cuerda de detección y envía una señal de alarma.

 

▲ Principio de detección de la cuerda de detección de fugas

 

▲ Disposición de la cuerda de detección de fugas dentro de un servidor

 

3. Precauciones durante la instalación de la cuerda de detección de fugas

• La línea de detección debe permanecer seca y limpia durante la instalación.
• Evite colocar la línea de detección en áreas propensas a la condensación.
• Se prohíbe superponer o entrelazar las líneas de detección, ya que esto puede provocar falsas alarmas.
• El radio de curvatura de la línea de detección durante la instalación no debe ser inferior a 4 mm (según un cable de uso común), o la línea de detección podría dañarse.
• Al instalar la línea de detección de forma enrollada, evite un radio de enrollamiento de menos de 24 mm, ya que esto puede dañar la línea de detección.
• La línea de detección no debe instalarse en entornos con altas temperaturas, alta humedad, vibraciones, gases corrosivos u otras fuentes de interferencia de ruido electrónico.
• Durante la instalación o el uso, no apriete ni coloque objetos pesados ​​sobre la línea de detección, ya que esto puede causar daños.
• Evite una tensión excesiva en la línea de detección durante la instalación, ya que esto puede aflojar los extremos de conexión del cable, provocar conexiones deficientes, roturas o desprendimiento de terminales.
• Si el líquido derramado contiene sustancias conductoras o contaminantes resistentes al agua (por ejemplo, cera, aceite), puede provocar que la línea de detección no se restablezca, en cuyo caso será necesario reemplazarla.