طراحی و انتخاب اجزای صفحه خنک کننده مایع برای سرورها

 

مجموعه صفحه خنک کننده مایع از اجزای کلیدی مانند صفحه سرد، خطوط لوله اتصال، اتصالات سریع، دستگاه های تشخیص نشت و خنک کننده داخلی تشکیل شده است.

 

▲ مونتاژ صفحه خنک کننده مایع

 

 

من بشقاب سرد

 

صفحه سرد جزء اصلی است که با پردازنده در تماس است تا تبادل حرارت را امکان پذیر کند. مایع خنک کننده در داخل صفحه سرد جریان می یابد تا گرما را از پردازنده خارج کند. از طریق اتصال خطوط لوله، کانکتورهای سریع مایع، واحدهای توزیع خنک کننده و منیفولدهای برگشتی در کابینت، یک حلقه بسته ثانویه را تشکیل می دهد و در نهایت گرمای پردازنده را به خارج از منزل منتقل می کند.

 

1. ساختار

بر اساس قابلیت جدا شدن ماژول اتلاف گرما و ماژول ثابت، صفحات سرد را می توان به صفحات سرد یکپارچه و صفحات سرد تقسیم شده تقسیم کرد. ماژول های اتلاف گرما و تثبیت یک صفحه سرد یکپارچه جدانشدنی هستند، در حالی که در صفحه سرد تقسیم شده، ماژول ها از طریق پیچ قابل جدا شدن هستند.

 

▲ نمودار یک صفحه سرد یکپارچه

 

▲ نمودار یک بشقاب سرد تقسیم شده

 

2. مواد

اکثر صفحات سرد در صنعت از مس ساخته شده اند و برخی از تولید کنندگان آلومینیوم را انتخاب می کنند، اگرچه استفاده از آن به دلیل ملاحظات طولانی مدت مقاومت در برابر خوردگی نسبتاً کم است. یک سیستم واحد نباید حاوی فلزاتی با اختلاف پتانسیل قابل توجه باشد.

 

3. الزامات طراحی

• صفحه سرد باید با توجه به اندازه تراشه و ساختار داخلی تجهیزات الکترونیکی برای دستیابی به راندمان تبادل حرارت بهینه طراحی شود.
• ضمن اطمینان از الزامات دمای پوسته تراشه در تمام طول عمر آن، طراحی کانال جریان باید تا حد امکان بهینه شود تا مقاومت جریان ماژول کاهش یابد.
• باید الزامات بار سوکت چیپ و وزن مورد نیاز سینک حرارتی را برآورده کند.
• ترتیب نصب و حذف صفحه سرد باید برای رفع نیازهای عملیاتی تراشه در نظر گرفته شود.
• همچنین باید الزامات فنی برای نیروی گیره تراشه و همچنین الزامات صافی سطح زیرین هیت سینک پس از نصب/حذف را برآورده کند.

 

4. الزامات عملکرد حرارتی

• کاربران باید شرایط دما و جریان مایع خنک کننده را در ورودی صفحه سرد فراهم کنند.
• دمای پوسته تراشه خنک شده نباید از حداکثر مقدار مشخص شده توسط تامین کننده تراشه در کل دوره عملیاتی تجاوز کند.
• مقاومت جریان کل مدار خنک کننده ثانویه باید با قابلیت هد پمپ در واحد توزیع خنک کننده مطابقت داشته باشد.
• ظرفیت کل مقاومت جریان سیستم و دمای پوسته تراشه باید مقداری افزونگی را ایجاد کند. افزونگی مقاومت در برابر جریان نباید کمتر از 10٪ باشد و افزونگی دمای پوسته نباید کمتر از 3 درجه باشد تا تحمل سیستم را برآورده کند.
• طراحان صفحه سرد باید یک منحنی شرایط مرزی حرارتی برای صفحه سرد ارائه دهند که نشان دهنده رابطه بین دمای خنک کننده ورودی و سرعت جریان خنک کننده عبوری از صفحه سرد باشد.
• سرعت مایع خنک کننده ورودی در صفحه سرد نباید از 1.5 متر بر ثانیه تجاوز کند و اختلاف دمای عرضه و برگشت مایع خنک کننده باید در محدوده 5 درجه تا 10 درجه کنترل شود.

 

▲ منحنی شرایط مرزی حرارتی برای طراحی صفحه سرد

 

 

خنک کننده II

 

▲ خنک کننده

 

خنک کننده های متداول مورد استفاده در حلقه های خنک کننده ثانویه شامل خنک کننده های مبتنی بر آب و خنک کننده های غیر پایه آب هستند. انتخاب باید الزامات عملکرد خنک کننده را برآورده کند و در عین حال از سازگاری و قابلیت اطمینان طولانی مدت با تمام مواد خیس شده در حلقه ثانویه اطمینان حاصل کند. همچنین باید تعمیر و نگهداری تجهیزات فناوری اطلاعات، طول عمر مورد انتظار مایع خنک کننده و هزینه کلی را در نظر بگیرد.

 

خنک کننده های مبتنی بر آب عملکرد بسیار خوبی در انتقال حرارت دارند و بیشتر صنایع خنک کننده های مبتنی بر آب را انتخاب می کنند. اینها به خنک کننده های آب خالص و خنک کننده های فرموله شده تقسیم می شوند.

 

خنک کننده آب خالص، بسته به نیاز ضد یخ، از آب خالص به عنوان حلال بدون مواد افزودنی یا فقط نسبت معینی از اتیلن گلیکول یا پروپیلن گلیکول به عنوان ضد یخ استفاده می کند. خنک کننده آب خالص با حفظ یک محیط رسانایی بسیار کم، از خوردگی و رشد میکروبی جلوگیری می کند.

 

خنک کننده های فرموله شده از آب خالص به عنوان حلال استفاده می کنند، با نسبت خاصی از ضد یخ برای محافظت در برابر یخ زدگی، و همچنین بازدارنده های خوردگی و بیوسیدها اضافه می شود. خنک کننده های فرموله شده خطر خوردگی را کاهش داده و رشد باکتری ها را از طریق افزودنی ها مهار می کنند. با این حال، این افزودنی ها رسانایی حرارتی آب را کاهش می دهند و ممکن است در طول زمان کارایی خود را از دست بدهند، که نیاز به نمونه برداری دوره ای برای نظارت بر کیفیت مایع خنک کننده دارد.

 

▲ مزایا و معایب محیط خنک کننده مبتنی بر آب

 

بر اساس تحقیقات صنعت، هواوی و سوگون عمدتاً از محلول‌های اتیلن گلیکول ۲۵ درصد استفاده می‌کنند، در حالی که Inspur و H3C عمدتاً از محلول‌های پروپیلن گلیکول ۲۵ درصد استفاده می‌کنند. غلظت 25٪ ثابت نیست. 20 تا 30 درصد قابل قبول است. غلظت بیش از حد بالا ممکن است بر جریان سیال و عملکرد خنک کننده تأثیر بگذارد، در حالی که غلظت بسیار پایین ممکن است محافظت در برابر یخ را ایجاد نکند یا رشد میکروبی را مهار کند. غلظت بالای 20 درصد به طور کلی باعث مهار رشد میکروبی برای محلول های اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول می شود. بنابراین توصیه می شود از محلول های اتیلن گلیکول یا پروپیلن گلیکول با غلظت 25 درصد به عنوان خنک کننده سیستم های خنک کننده مایع استفاده شود.

 

 

III اتصالات قطع سریع

 

اتصالات قطع سریع خود آب بندی (QD) برای ایجاد اتصالات یا قطع سریع بین تجهیزات فناوری اطلاعات و سیستم های خنک کننده مایع برای اهداف تعمیر و نگهداری استفاده می شود، در حالی که از نشت مایع خنک کننده اطمینان حاصل می شود. این تضمین می کند که سیستم خنک کننده مایع همچنان عملیاتی است و تجهیزات فناوری اطلاعات می توانند با خیال راحت به کار خود ادامه دهند.

 

▲ اتصالات قطع سریع (QD)

 

دو نوع اصلی از اتصالات قطع سریع خود آب بندی وجود دارد: طرح های دستی و طرح های کور.

اتصالات قطع سریع دستی نیاز به گرفتن اتصالات توسط کاربر برای عملیات اتصال یا قطع دارد و می تواند یک دست یا دو دست باشد. به دلیل عملکرد دستی، باید فضای کافی برای این کار در نظر گرفته شود.

 

▲ اتصالات قطع سریع دستی

 

اتصالات Blind-mate که نیازی به عملکرد دستی ندارند، از طریق فشار متصل یا جدا می شوند و نیاز به تراز دقیق با ریل یا پین های موقعیت یابی دارند تا فشار لازم برای اتصال مناسب حفظ شود و از هرگونه قطع شدن جلوگیری شود.

 

▲ اتصالات قطع سریع Blind-Mate

 

اتصالات قطع سریع در پیکربندی های نر / ماده (جفت دوشاخه / سوکت یا درج / بدنه) استفاده می شود. در صورت قطع شدن، شیر خود آب بندی درون اتصالات جریان سیال را برای محافظت از تجهیزات اطراف قطع می کند. بنابراین، انتخاب اتصالات باید به شدت نشت مایع خنک کننده را در هنگام قطع اتصال محدود کند. به طور کلی، نشتی باید کمتر از 1/6 قطره در هر اتصال/قطع (کمتر از یک قطره پس از شش اتصال/قطع) یا کمتر از 0.5 میلی لیتر باشد. اتصالاتی که نشتی را به حداقل می‌رسانند، مانند آنهایی که طرح‌های بدون چکه یا هم سطحی دارند، توصیه می‌شوند.

 

در سیستم‌هایی با اتصالات قطع سریع دستی، ملاحظات ارگونومیک (مانند مکانیسم‌های قفل، نیروی اتصال، محدودیت‌های فضا) باید برای اطمینان از سهولت تعمیر و نگهداری مورد توجه قرار گیرد. طراحی‌های Blind-mate باید تلورانس نصب و تحمل ناهماهنگی را در نظر بگیرند تا اتصال مطمئن را تضمین کنند.

 

▲ نمودار هم ترازی Blind-Mate

 

 

واحد توزیع خنک کننده IV (CDU)

 

واحد توزیع خنک کننده (CDU) وسیله ای است که برای تبادل حرارت بین مدارهای مایع استفاده می شود. اجزای CDU شامل رابط ها، پمپ ها، مبدل های حرارتی مایع-مایع یا مایع-هوای مایع، مخازن، دستگاه های کنترل سوپاپ، تجهیزات مانیتورینگ، فیلترها و سنسورهای مختلف است. CDU ها برای اندازه گیری و کنترل ظرفیت خنک کننده، سرعت جریان، فشار و دما استفاده می شوند. تمام اجزای CDU باید از نظر سازگاری با مایع خنک کننده آزمایش شوند.

 

CDU ها به انواع متمرکز (کابینتی) و توزیع شده (رک) طبقه بندی می شوند.

 

یک CDU متمرکز، خنک‌کننده‌ای را برای یک یا چند قفسه تجهیزات فناوری اطلاعات یا حتی یک مرکز داده کامل، با ظرفیت خنک‌سازی و عرضه بیشتر در مقایسه با CDU‌های توزیع شده، فراهم می‌کند. CDU های توزیع شده نیاز به نصب لوله کشی ثانویه را از بین می برند، با هر CDU خنک کننده فقط برای کابینت سروری که در آن نصب شده است، و قابلیت اطمینان کمتری نسبت به CDU های متمرکز ارائه می دهد.

 

برای جلوگیری از کمبود ظرفیت خنک‌کننده به دلیل خرابی CDU، باید افزونگی N+1 یا N+2 در نظر گرفته شود، یا ماژول پمپ CDU باید با افزونگی N+1 طراحی شود تا از خنک‌سازی کافی برای فناوری اطلاعات اطمینان حاصل شود. تجهیزات و تعمیر و نگهداری آنلاین را فعال کنید.

 

▲ CDU

 

مقایسه CDU های متمرکز و توزیع شده در جدول زیر نشان داده شده است:

 

▲ مقایسه CDU های متمرکز و توزیع شده

 

ظرفیت تبادل حرارتی یک مبدل حرارتی CDU به دمای نزدیک آن بستگی دارد. دمای نزدیک تفاوت بین دمای مایع خنک کننده ورودی به تجهیزات IT و دمای آب خنک کننده اولیه در ورودی CDU است. علاوه بر دمای نزدیک، پارامترهای کلیدی دیگری که برای عملکرد CDU باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:

 

• دمای نزدیک (ترجیحاً 3-10 درجه)
• ترکیب خنک کننده (به عنوان مثال، آب خالص، 25٪ PG، 55٪ PG)
• نرخ جریان اولیه و ثانویه، قدرت پمپ و هد
• درجه حرارت اولیه آب (به عنوان مثال، W27، W32، W45، W+)

 

 

V خطوط لوله خنک کننده مایع

 

خطوط لوله خنک کننده مایع، کانال هایی را برای گردش مایع خنک کننده، مشارکت در توزیع مقاومت جریان کل سیستم خنک کننده مایع و ایجاد رابط های خارجی ساده برای دستگاه های خنک کننده مایع فراهم می کند. انتخاب لوله‌کشی داخلی برای تجهیزات فناوری اطلاعات باید سازگاری مواد، سرعت جریان (که باید کمتر از 1.5 متر بر ثانیه در خطوط لوله انعطاف‌پذیر کنترل شود)، طرح‌بندی لوله‌کشی، روش‌های نصب، طراحی توزیع جریان و قابلیت اطمینان را در نظر بگیرد.

 

خطوط لوله خنک کننده مایع در سرورها باید الزامات فنی زیر را برآورده کند:

 

• باید از شیلنگ های موجدار FEP یا EPDM با دمای بالا و مقاوم در برابر فشار بالا استفاده کرد، با فشار کاری بیشتر یا مساوی 0.35 مگاپاسکال و حداکثر فشار بیشتر یا مساوی 1 مگاپاسکال.
• طناب های تشخیص نشت باید برای تشخیص نشتی مایع خنک کننده نصب شوند.
• خطوط لوله باید با استفاده از اتصالات خاردار یا گیره های شلنگ به صفحه سرد متصل شوند تا از مهر و موم قابل اطمینان اطمینان حاصل شود.

 

1. طبقه بندی اصلی خطوط لوله خنک کننده مایع

 

▲ خط لوله خنک کننده مایع

 

▲ شیلنگ EPDM (اتیلن پروپیلن دی ان مونومر).

 

▲ لوله راه راه PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن).

 

▲ PFA (Perfluoroalkoxy Polymer) لوله

 

2. مقایسه مواد مختلف خط لوله

 

▲ مواد خط لوله

 

 

طناب تشخیص نشت VI

 

از آنجایی که گره‌های محاسباتی اغلب گران‌ترین اجزای تجهیزات فناوری اطلاعات هستند و خطر نشت مایع خنک‌کننده رسانا وجود دارد که ممکن است باعث آسیب تجهیزات و از دست رفتن داده‌ها شود، لازم است نشت‌های احتمالی در داخل گره‌های محاسباتی شناسایی شود. نشت یابی به طور کلی به دو روش غیر مستقیم و مستقیم طبقه بندی می شود.

 

1. روش تشخیص

روش غیر مستقیم: تشخیص نشت با استفاده از حسگرها و الگوریتم های موجود برای فشار، سرعت جریان، دما و حباب ها تعیین می شود.

 

روش مستقیم: حسگرهایی مانند طناب/کابل‌های تشخیص نشت یا نوارهای تشخیص غشاء در مکان‌های خاص (مثلاً در امتداد خطوط لوله و اتصالات) برای تشخیص مستقیم نشتی استفاده می‌شوند.

 

در حال حاضر، صنعت عمدتاً از روش مستقیم استفاده می کند و از طناب های تشخیص نشت برای تشخیص نشت استفاده می کند.

 

▲ طناب تشخیص نشت

 

2. اصل تشخیص

طناب های تشخیص نشت بر اساس اصل هدایت مایع برای تشخیص وقوع نشتی هستند و باید همراه با کنترل کننده نشت آب استفاده شوند. هنگامی که هر بخشی از طناب تشخیص با آب تماس پیدا می کند، دو خط حسگر اتصال کوتاه می کنند. کنترل کننده نشتی آب، وضعیت نشتی را بر اساس تغییر در مقاومت طناب تشخیص تعیین می کند و یک سیگنال هشدار ارسال می کند.

 

▲ اصل تشخیص طناب تشخیص نشت

 

▲ چیدمان طناب تشخیص نشت در داخل سرور

 

3. اقدامات احتیاطی در هنگام نصب طناب تشخیص نشت

• خط سنجش باید در حین نصب خشک و تمیز بماند.
• از گذاشتن خط حسگر در مناطقی که مستعد تراکم هستند خودداری کنید.
• همپوشانی یا در هم تنیدگی خطوط حسگر ممنوع است، زیرا ممکن است باعث ایجاد آلارم کاذب شود.
• شعاع خمش خط حسگر در حین نصب نباید کمتر از 4 میلی متر باشد (مطابق با سیم معمولی) در غیر این صورت خط سنجش ممکن است آسیب ببیند.
• هنگام نصب خط حسگر به صورت سیم پیچی، از شعاع سیم پیچی کمتر از 24 میلی متر اجتناب کنید، زیرا ممکن است به خط حسگر آسیب برساند.
• خط سنجش نباید در محیط هایی با دماهای بالا، رطوبت بالا، ارتعاشات، گازهای خورنده یا سایر منابع تداخل نویز الکترونیکی نصب شود.
• در حین نصب یا استفاده، اجسام سنگین را روی خط حسگر فشار ندهید یا قرار ندهید، زیرا ممکن است باعث آسیب شود.
• در حین نصب از کشش بیش از حد روی خط حسگر خودداری کنید، زیرا ممکن است انتهای اتصال سیم شل شود، اتصالات ضعیف، شکستگی یا جدا شدن پایانه ها ایجاد شود.
• اگر مایع نشت‌شده حاوی مواد رسانا یا آلاینده‌های مقاوم در برابر آب (مثلاً موم، روغن) باشد، ممکن است باعث شود خط حسگر دوباره تنظیم نشود، در این صورت خط حسگر باید تعویض شود.