Materiālu izvēles datu centru šķidruma dzesēšanas cauruļvadiem — uz scenārijiem balstīta metālu, elastomēru un polimēru analīze

Ievads: Cauruļvadu izaicinājums mākslīgā intelekta laikmetā

Šķidruma dzesēšana strauji kļūst par kritiski svarīgu risinājumu augsta blīvuma mākslīgā intelekta skaitļošanas termiskās pārvaldības un energoefektivitātes problēmām. Jauda uz vienu plauktu ir pieaugusi no tradicionālā 10–20 kW diapazona līdz vairāk nekā 50 kW, un dažos īpaši augsta blīvuma scenārijos tā pārsniedz 100 kW. Aukstās plātnes šķidruma dzesēšanas sistēmās cauruļvadi veic dzesēšanas šķidruma transportēšanas un sadales galveno funkciju, un to materiāla izvēle tieši ietekmē sistēmas ilgtermiņa uzticamību, būvniecības termiņus un ekspluatācijas izmaksas.

Materiālu izvēles sarežģītība ir ievērojami pieaugusi, šķidruma dzesēšanas sistēmām attīstoties no vienkāršām slēgtām cilpām līdz daudzlīmeņu arhitektūrām, kas ietver dažādus dzesēšanas šķidrumus, temperatūras diapazonus un veiktspējas prasības. Nozares vadlīnijas šķidruma dzesēšanas sistēmām tagad atzīst vairākus progresīvus materiālus par piemērotiem mitrinošiem komponentiem, atbalstot plašāku augstas veiktspējas risinājumu ieviešanu nākamās paaudzes datu centru dzesēšanas lietojumprogrammās.

Šajā rakstā tiek aplūkotas trīs galvenās materiālu kategorijas — metāli, elastomēri un inženiertehniskie polimēri —, analizējot to attiecīgās stiprās puses, ierobežojumus un optimālos pielietojuma scenārijus, pamatojoties uz pašreizējo inženiertehnisko praksi un jaunākajiem standartiem.

Nerūsējošais tērauds: tradicionālais darba zirgs

Kāpēc nerūsējošais tērauds joprojām ir pamatelements

Nerūsējošā tērauda caurules jau sen ir datu centru dzesēšanas infrastruktūras noklusējuma izvēle, pateicoties to augstajai konstrukcijas izturībai, labai spiediena izturībai un nobriedušai tehnoloģiju bāzei. CDU iekšējos cauruļvados 316L tiek izmantots kā standarta materiāls lielākajai daļai parasto lietojumu, un tam ir laba saderība ar dejonizētu ūdeni un ūdens-glikola maisījumiem. Materiāla projektētais kalpošanas laiks 70–100 gadi normālos ekspluatācijas apstākļos padara to pievilcīgu kritiski svarīgai infrastruktūrai.

Nozare ir izstrādājusi plašus standartus un praksi attiecībā uz nerūsējošā tērauda cauruļvadiem. ASME B31.3 nodrošina projektēšanas ietvaru, un metināšanas procedūras ir kvalificētas atbilstoši ASME IX vai EN ISO 15614 standartiem. Hiperskalas izvietojumos aptuveni 90% savienojumu tiek metināti orbitāli, nodrošinot atkārtojamus, pilnīgas iespiešanās, ar gāzi attīrītus metinājumus.

304 pret 316L: Materiālais lēmums

Izvēle starp 304 un 316L ir kritisks inženiertehnisks lēmums ar ilgtermiņa sekām. Ūdens dzesēšanas šķidrumiem (ūdenim, glikola šķīdumiem) par bāzes variantu parasti ieteicams 304 (06Cr19Ni10). Tomēr hlorīdus saturošām vidēm vai fluorētiem šķidrumiem/minerāleļļām ir nepieciešamas 316L (022Cr17Ni12Mo2) vai augstākas markas.

Šī atšķirība ir svarīga, jo pat neliela materiālu nesaderība var izraisīt veiktspējas pasliktināšanos nogulšņu veidošanās, gāzu izdalīšanās vai virsmas korozijas dēļ. Tiešās dzesēšanas cilpās, kur mikrokanāli ir ļoti jutīgi pret daļiņu piesārņojumu, materiāla degradācijas sekas var būt nopietnas.

Metāla sistēmu slēptās izmaksas

Neskatoties uz nerūsējošā tērauda cauruļu stiprajām pusēm, tām ir ierobežojumi, kas kļūst izteiktāki augsta blīvuma izvietojumos:

Elastomēri: EPDM un PTFE elastīgiem savienojumiem

EPDM: Darba zirga elastomērs

Parastajām ūdens un glikola aukstuma plākšņu šķidruma dzesēšanas sistēmām dominējošā elastomēra izvēle ir EPDM (etilēnpropilēndiēna monomērs). Tā galvenās priekšrocības ietver izcilu izturību pret novecošanos un koroziju, darba temperatūras diapazonu no -40 °C līdz +120 °C un relatīvi kontrolējamas izmaksas.

EPDM plaši izmanto elastīgiem savienojumiem, blīvējumiem un šļūtenēm, kur nepieciešama kustību pielāgošanās. Materiālu saderības testi ir pierādījuši EPDM stabilitāti ar parasti lietotiem dzesēšanas šķidrumiem, samazinot degradācijas risku un nodrošinot ķīmisko stabilitāti ilgstošos ekspluatācijas periodos. Ar peroksīdu cietināts EPDM ir īpaši ieteicams datu centru šķidrumu tīkliem, jo ​​tas nodrošina uzlabotu izturību salīdzinājumā ar ar sēru cietinātiem variantiem.

PTFE: augstas veiktspējas risinājums

Fluorētu šķidrumu iegremdēšanas vidēm, augstas temperatūras lietojumiem un ilga kalpošanas laika prasībām superdatoros un augsta blīvuma mākslīgā intelekta skaitļošanā PTFE (politetrafluoretilēns) ir nozares standarta izvēle. Modificētas PTFE gofrētas dzesēšanas šļūtenes var stabili darboties plašā temperatūras diapazonā no -60 °C līdz +260 °C, ar lēnāku novecošanās degradāciju un ilgāku kalpošanas laiku.

FEP (fluorēts etilēna propilēns), radniecīgs fluorpolimērs, piedāvā papildu priekšrocības: izcilu ķīmisko stabilitāti, augstu kušanas temperatūru ar darba temperatūru no -85 °C līdz 200 °C un izcilas elektriskās izolācijas īpašības. To parasti izmanto aukstās plāksnes šķidruma dzesēšanai RCM un servera savienojumos.

Fluorpolimēru galvenā priekšrocība ir to izcilā ķīmiskā stabilitāte. Izņemot reakcijas ar fluora elementiem augstā temperatūrā, izkausētiem sārmu metāliem un hlora trifluorīdu, tie saskarē ar citām ķīmiskām vielām paliek nerūsoši. Tas padara tos ideāli piemērotus agresīviem dzesēšanas šķidrumiem un ilga kalpošanas laika prasībām.

Inženierijas ceļā iegūti polimēri: topošais trešais ceļš

PVDF: OCP iedvesmota atpazīšana

Nozīmīgs pagrieziena punkts polimēru ieviešanā tika sasniegts, kad GF saņēma OCP Inspired™ atzinību par savu uz PVDF bāzes iebūvēto kolektoru tiešai šķidruma dzesēšanai mikroshēmā — pirmo uz polimēru bāzes veidoto kolektoru, kas saņēma šo atzinību Open Compute Project programmas ietvaros.

PVDF kolektors tika izstrādāts, lai atbalstītu prasīgas termiskās pārvaldības vides, kurās dzesēšanas šķidruma tīrība, izturība pret koroziju un ilgtermiņa uzticamība ir kritiski svarīgas. Atšķirībā no parastajiem metāla kolektoriem, risinājumā tiek izmantota polimēra konstrukcija, kas izstrādāta, lai nodrošinātu vienmērīgu plūsmas sadalījumu visās izplūdes atverēs, palīdzot uzturēt stabilu un atkārtojamu dzesēšanas veiktspēju visā plauktā. Vieglā PVDF konstrukcija nodrošina arī darbību bez korozijas un vienkāršotu integrāciju, pateicoties elastīgām savienojuma un montāžas iespējām.

Katrs kolektors tiek īpaši izstrādāts atbilstoši klienta specifiskajām statīva un dzesēšanas prasībām un pirms piegādes tiek pakļauts 100% spiediena pārbaudei. Kolektora koncepcija jau ir apstiprināta, veicot vairākkārtējas koncepcijas pierādījuma izvietošanas un tiešraides datu centru instalācijas visā Amerikā, Eiropā un Āzijas un Klusā okeāna reģionā.

Kāpēc polimēru sistēmas gūst popularitāti

Polimēru cauruļvadu inženiertehniskais pamatojums sniedzas tālāk par OCP atpazīšanu:

Pielietojuma robežas

Polimēru caurules nav paredzētas pilnīgai metāla cauruļu aizstāšanai. Pielietojamības robežas jānosaka atkarībā no ekspluatācijas apstākļiem:

Slāņoto materiālu saskaņošanas princips

Pašreizējā nozares prakse izmanto slāņveida materiālu saskaņošanas pieeju, atzīstot, ka dažādiem šķidruma dzesēšanas sistēmu līmeņiem ir atšķirīgi darbības apstākļi un veiktspējas prasības:

Tendenci uz polimēru izmantošanu pastiprina OCP ekosistēmas pieaugošais atbalsts sadarbspējīgām un vairāku piegādātāju šķidruma dzesēšanas infrastruktūrām, izmantojot standartizētas saskarnes un validētas materiālu pieejas. Nozares vadlīnijas atzīst vairākus progresīvus polimērus par piemērotiem mitrināmiem materiāliem, atbalstot plašāku augstas veiktspējas polimēru tehnoloģiju ieviešanu nākamās paaudzes datu centru dzesēšanā.

Secinājums

Šķidruma dzesēšanas cauruļvadu materiālu izvēle vairs nav vienkārša izvēle starp metāliem un alternatīvām. Paplašinātā materiālu palete — no nerūsējošā tērauda (304, 316L) līdz elastomēriem (EPDM, PTFE, FEP) un inženiertehniskiem polimēriem (PVDF, HDPE, PP-H) — sniedz inženieriem iespējas pielāgoties specifiskām veiktspējas prasībām un ekspluatācijas apstākļiem.

Svarīgākais ir saprast, ka neviens materiāls nav optimāls visiem pielietojumiem. OCP iedvesmotā PVDF kolektoru atpazīšana liecina par svarīgu nozares atbalstu polimēru risinājumiem, taču metāla sistēmas joprojām ir būtiskas augsta spiediena, augstas temperatūras un ķīmiski agresīvās vidēs. Nākotne, visticamāk, ir saistīta ar hibrīdām pieejām, kas apvieno katras materiālu kategorijas stiprās puses, piemērojot tās atbilstoši katra līmeņa īpašajām prasībām šķidruma dzesēšanas arhitektūrā.