データセンターの熱交換器コールド プレート: タイプ、サイズ、統合

設備の原水を 40 万ドルの AI サーバーに直接汲み上げることは、致命的な障害への確実な道です。設備水システムは、圧力スパイク、生物的汚れ、微粒子汚染に悩まされており、繊細なマイクロチャネル冷却ハードウェアが即座に詰まったり破裂したりすることがあります。 IT 投資を保護するには、建物のインフラストラクチャから元のサーバー ループを分離する必要があります。この絶縁が高性能熱アーキテクチャへの広範な移行にどのように適合するかを理解するには、コア ガイドから始めてください。 AI サーバー水冷: 完全ガイド.

この隔離を実現する障壁は、データセンターの熱交換器です。冷却液分配ユニット (CDU) 内に収容されるか、ラック レベルに取り付けられると、流体を混合することなくサーバーから建物に熱を伝達します。このガイドでは、施設用水熱交換器の選択方法、競合する形状の比較方法、アプローチ温度の計算方法、およびユニットを液冷ループに統合する方法について詳しく説明します。

1. ITと放熱水の架け橋

液体から液体への熱交換器データセンターのアーキテクチャは、高伝導性の金属バリアを介して熱エネルギーを通過させる 2 つの完全に異なる流体回路に依存しています。

1.1 プライマリ ループとセカンダリ ループ

・ 1次ループ（設備側）： チラー、ドライクーラー、冷却塔からの冷水を供給します。この水は高圧 (多くの場合 100 PSI を超える) で動作し、さまざまなレベルの化学処理と破片が含まれています。

· 二次ループ (IT 側): 清潔で処理された冷却剤 (通常は精密な水とプロピレングリコールの混合物) をサーバーのコールド プレートに直接供給します。サーバー シャーシに合わせて特別に調整された低圧力で動作します。

熱交換器はそれらの間にあります。 IT ループからの熱い流体は熱交換器の片側に入り、その熱を施設側の冷たい流体に排出し、冷却されたサーバーに戻ります。これらのループがサーバー ルーム全体でどのように統合されるのかをマクロレベルで確認するには、次のリンクを参照してください。 AI 液冷の概要.

2. データセンターの熱交換器の種類

熱交換器の機械設計は、施設の水質および空間的制約に適合させる必要があります。

2.1 ブレージングプレート熱交換器 (BPHE)

ろう付けプレート式熱交換器は、何十枚もの波形ステンレス鋼プレートを積み重ね、銅またはニッケルのフィラーで真空ろう付けして構成されています。波形は高い乱流を生み出し、小さな物理的設置面積で熱伝達を最大化します。

·  BPHE は次の場合に使用します。 コンパクトなラック内 CDU または列内 CDU を設計しており、最大の熱効率が必要で、ろ過された設備水を保証できる場合。

· 次の場合は BPHE を避けてください。 施設では、未処理の粒子の多い雑排水が使用されています。 BPHE の狭くて乱流のチャネルは、破片がストレーナーを迂回すると急速に詰まります。

2.2 シェルアンドチューブ熱交換器

この従来の設計は、小さなチューブの束を含む大きな円筒形のシェルを特徴としています。一方の流体はチューブを通って流れ、もう一方の流体はシェル内でチューブの上を流れます。

· シェルアンドチューブは次の場合に使用します。 機械室に大規模な施設レベルの CDU を設置している場合、または主な水源が非常に汚れている場合。シェルアンドチューブ交換器は、開けたり、ブラシを使って機械的に掃除したりするのがはるかに簡単です。

· 次の場合はシェルアンドチューブを避けてください 。 スペースが限られている。これらはプレート熱交換器よりも大幅に大きく、重く、立方インチあたりの熱効率が低くなります。

2.3 コールドプレート熱交換器

コールド プレート熱交換器は、機械加工された厚い金属ブロック (巨大なサーバーのコールド プレートと同様) を利用しており、設備の水が埋め込まれたチューブを通って流れ、二次冷却剤が平行なセットのチューブを通って流れ、固体の金属ブロックを通して熱を伝達します。

· コールド プレート スタイルは、次の場合に使用します。 流体間汚染のリスクを絶対にゼロにする必要がある場合、またはダイレクト ダイ ヒート パイプを施設の水ループにブリッジしている場合。

· 次の場合はコールド プレート スタイルを避けてください。 数百キロワットを転送する必要がある。固体ブロックの熱伝達は、BPHE の薄壁の直接的な流体相互作用よりも効率が低くなります。

 

3. 熱交換器のサイズとアプローチ温度

データセンターの専門家が依存する熱交換器のサイジングを指定するには、単にキロワット容量を宣言するだけでは不十分です。動作温度を定義する必要があります。

3.1 進入温度の理解

熱交換器のサイジングにおいて最も重要な指標は、 アプローチ温度です。これは、熱交換器から出ていく (サーバーに向かう) 温かい IT 冷却液と、熱交換器に入る冷たい設備水との温度差です。

· 式:  $T_{アプローチ} = T_{IT_供給} - T_{施設_供給}$

· 例: 施設が 25°C の水を供給し、熱交換器が IT 流体を 28°C まで冷却する場合、アプローチ温度は 3°C になります。

アプローチ温度が高くなると (例: 2°C)、IT サーバーが冷水を受けることになり、プロセッサーのクロックを高めることができます。ただし、アプローチ温度を強制的に高めると、熱交換器内部の表面積が飛躍的に増加し、サイズとコストが大幅に増加します。

3.2 A 100kW のサイジング例

AI ラックから 100kW の熱を排除する必要がある場合は、熱力学方程式 $Q = dot{m} imes C_p imes Delta T$ を使用して熱交換器の両側で必要な質量流量を計算する必要があります。

1. IT 側の定義: ラック全体の温度上昇を 10°C 許容しながら、サーバーから 100kW の熱を吸収するには、CDU ポンプが熱交換器を通して約 100 リットル/分 (LPM) の二次冷却剤を押し出す必要があります。

2. 設備側の定義: 設備が 30°C の水を供給し、5°C の戻り温度上昇 (35°C で出る) を許容する場合、設備は熱交換器の一次側に約 200 LPM を供給する必要があります。

3. 熱交換器のサイズを決定します。 これらの流量、100kW の負荷、および目標アプローチ温度をメーカーに提出します。メーカーは、移送を達成するのに十分な接液表面積を提供するプレート数を選択します。

4. 両側の圧力損失の管理

流体を熱交換器に押し込むと、圧力降下 ($Delta P$) として知られる抵抗が生じます。熱効率と油圧ひずみのバランスをとる必要があります。

4.1 1次ループ（設備側）圧力損失

設備のポンプは通常、巨大であり、大きな抵抗を克服する可能性があります。ただし、一次圧力損失が高い熱交換器を設計すると、建物のチラー プラントのポンプの負荷が増大し、施設の電力使用効率 (PUE) が低下します。

· 目標: 従来の施設ポンプ曲線との互換性を確保するために、一次側 $Delta P$ を 10 PSI (70 kPa) 未満に保ちます。

4.2 二次ループ (IT 側) の圧力降下

CDU ポンプは小型であり、サーバーのコールド プレート内の制限されたマイクロチャネル用に圧力を押し出す能力を確保しておく必要があります。熱交換器が CDU の圧力バジェットを多すぎると、ポンプはラックの上部に十分な液体を供給できなくなります。

· 目標: 二次側 $Delta P$ を可能な限り低く保ち、理想的には 5 PSI (35 kPa) 未満に保ちます。

· 決定ガイダンス: 計算された圧力損失が高すぎる場合は、より多くのプレートを備えた熱交換器を指定します。プレートを追加すると、流れの断面積が増加し、流体の速度が遅くなり、圧力降下が減少しますが、単価は増加します。

5. 汚れ、水質、および材料の制約

データセンターの熱交換器は 10 年間継続的に稼働します。彼らの寿命に対する主な脅威は、施設側の水質の悪化です。

5.1 上水サイトと雑排水サイト

最新のハイパースケール データ センターの多くは、環境への影響を軽減するために冷却塔に「中水」 (処理された都市廃水) を利用しています。雑排水は腐食性が高く、重ミネラルが含まれており、生物学的スケールを促進します。

雑排水が標準的な銅ろう付けステンレス鋼プレート熱交換器に入ると、ミネラルが温かい流体から沈殿し、波形プレートをコーティングします。このスケールは断熱材として機能し、熱交換器の効率を急速に破壊します。

5.2 ろ過と材料の選択

施設の水熱交換器ループに防御を組み込む必要があります。

· ニッケルろう付けを指定する: 中水または強力な施設冷却剤を使用する場合は、銅ろう付けプレートを使用しないでください。激しい腐食に耐えるために、ニッケルろう付けステンレス鋼またはチタンプレートを指定してください。

・ Y型ストレーナの設置： 熱交換器の直前の施設入口配管に必ず50ミクロンのY型ストレーナを設置してください。これにより、大きな粒子が狭いプレートチャネル内に永久に滞留する前に捕らえられます。

· 化学物質の投与: 施設が一次ループで自動殺生物剤およびスケール防止化学物質の投与を利用していることを確認します。

6. 高密度AIの統合ルール

ラック密度が 100kW を超えると、熱交換器が施設の限界を決定します。これらの制限の上限について詳しくは、次のガイドを参照してください。 高密度データセンターの冷却.

施設が顕熱 BPHE の厳しいアプローチ温度をサポートするのに十分な冷水を供給できない場合は、単相液体から完全に離れる必要があるかもしれません。高度なアーキテクチャでは、相変化冷却を利用して蒸発の潜熱を利用しますが、これには標準的な液体間交換器ではなく特殊な凝縮器が必要です。これらの極端な状況を探求している場合は、その仕組みを確認してください。 AI データセンターの二相冷却.

調達のための統合チェックリスト:

1. 熱交換器の最大動作圧力 (MOP) が施設のピーク過渡圧力スパイクを超えていることを確認します。

2. 局所的な速度のボトルネックを避けるために、交換器のポートが CDU 配管の内径と一致していることを確認します。

3. 1 次接続と 2 次接続の両方に物理遮断バルブを組み込み、IT ラック全体から水を排出することなく熱交換器をバイパスしてフラッシュできるようにします。

 

7. 結論

データセンターの熱交換器は、高性能 AI インフラストラクチャをビルレベルの給水プラントの厳しい現実から保護する決定的なファイアウォールです。適切なユニットを選択するには、ろう付けプレートの熱効率と施設雑排水による汚れのリスクのバランスをとる必要があります。厳格なアプローチ温度を義務付け、一次ループと二次ループの両方で圧力降下を厳密に管理することで、調達エンジニアはチラープラントの運用コストを人為的に膨らませることなく、コンピューティングパフォーマンスを最大化できます。

液体冷却ハードウェアを指定する場合は、プレート数やアプローチ温度を推測しないでください。当社の熱工学チームにお問い合わせください

 流量、熱要件、流体化学、および動作条件を確認して、高密度 AI クラスターに適した熱交換器構成を推奨します。

 

よくある質問

ろう付けプレート式熱交換器が詰まるとどうなりますか?

プレートは永久的にろう付けされているため、BPHE を分解して機械的に洗浄することはできません。生物学的増殖やスケールで詰まった場合は、それを分離し、強力な化学スケール除去剤で洗い流す必要があります。化学薬品で詰まりを解消できない場合は、ユニット全体を交換する必要があります。

流体の粘度は熱交換器のサイズにどのような影響を与えますか?

プロピレングリコール (PG) などの冷却剤は、純水よりも粘度が高くなります。粘度が高くなると、乱流が減少し（熱伝達効率が低下）、圧力損失が増加します。熱交換器のサイズを決定するときは、メーカーが熱伝達性能、流れ抵抗、圧力損失への影響を評価できるように、グリコールの割合を明確に定義する必要があります。

標準的な液体間熱交換器に誘電性流体を通すことはできますか?

はい、ただし細心の注意を払ってください。誘電性流体 (浸漬システムまたはチップ直接システムで使用される) は、水よりも比熱容量が大きく異なり、表面張力が低くなります。熱交換器は、誘電体の熱特性に合わせて特別なサイズにする必要があり、漏れを防ぐためにすべての内部ガスケットが化学的に適合する必要があります。

ガスケット付きプレートアンドフレーム熱交換器とは何ですか?

ろう付けプレートとは異なり、ガスケット付きプレートアンドフレーム熱交換器は、ゴム製ガスケットと重い鋼製ボルトを使用して波形プレートを固定します。これらは BPHE よりも大きく、軽度の漏れが発生しやすいですが、ボルトを外したり、分解したり、機械的に洗浄したりできるため、汚れた水を使用する大規模な施設レベルの導入に最適です。

データセンターの熱交換器において逆流が重要なのはなぜですか?

熱交換器は、高温の IT 流体と低温の設備流体が反対方向 (向流) に流れるように配管されています。これにより、プレートの全長にわたって 2 つの流体間の温度差が一定に維持され、伝達される熱量が最大化されます。