Thiết kế và lựa chọn linh kiện tấm làm mát bằng chất lỏng cho máy chủ

 

Cụm tấm làm mát bằng chất lỏng bao gồm các thành phần chính như tấm lạnh, đường ống kết nối, đầu nối nhanh, thiết bị phát hiện rò rỉ và chất làm mát bên trong.

 

▲ Lắp ráp tấm làm mát bằng chất lỏng

 

 

Tôi làm lạnh đĩa

 

Tấm lạnh là thành phần cốt lõi tiếp xúc với bộ xử lý để cho phép trao đổi nhiệt. Chất làm mát chảy bên trong tấm lạnh để mang nhiệt từ bộ xử lý đi. Thông qua kết nối các đường ống, đầu nối nhanh chất lỏng, các đơn vị phân phối làm mát và ống phân phối trở lại trong tủ, nó tạo thành một vòng kín thứ cấp, cuối cùng truyền nhiệt của bộ xử lý ra ngoài trời.

 

1. Cấu trúc

Dựa trên khả năng tháo rời của mô-đun tản nhiệt và mô-đun cố định, tấm lạnh có thể được chia thành tấm lạnh tích hợp và tấm lạnh tách rời. Các mô-đun tản nhiệt và cố định của tấm lạnh tích hợp là không thể tách rời, trong khi ở tấm lạnh tách rời, các mô-đun có thể tháo rời thông qua các ốc vít.

 

▲ Sơ đồ của một tấm lạnh tích hợp

 

▲ Sơ đồ của một tấm lạnh tách rời

 

2. Vật liệu

Hầu hết các tấm lạnh trong ngành đều được làm bằng đồng, một số nhà sản xuất lựa chọn nhôm, mặc dù việc sử dụng nhôm tương đối ít do cân nhắc khả năng chống ăn mòn lâu dài. Một hệ thống duy nhất không nên chứa các kim loại có sự khác biệt tiềm ẩn đáng kể.

 

3. Yêu cầu thiết kế

• Tấm lạnh phải được thiết kế theo kích thước chip và cấu trúc bên trong của thiết bị điện tử để đạt hiệu quả trao đổi nhiệt tối ưu.
• Trong khi đảm bảo yêu cầu về nhiệt độ vỏ của chip trong toàn bộ vòng đời của nó, thiết kế kênh dòng chảy phải được tối ưu hóa càng nhiều càng tốt để giảm sức cản dòng chảy của mô-đun.
• Nó phải đáp ứng được yêu cầu về tải của ổ cắm chip và yêu cầu về trọng lượng của bộ tản nhiệt.
• Trình tự lắp đặt và tháo dỡ tấm lạnh cần được cân nhắc để đáp ứng nhu cầu vận hành của chip.
• Nó cũng phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về lực kẹp phoi, cũng như yêu cầu về độ phẳng cho bề mặt đáy của bộ tản nhiệt sau khi lắp/tháo.

 

4. Yêu cầu về hiệu suất nhiệt

• Người sử dụng phải cung cấp nhiệt độ và điều kiện lưu lượng của chất làm mát tại đầu vào của tấm lạnh.
• Nhiệt độ vỏ chip được làm mát không được vượt quá giá trị tối đa do nhà cung cấp chip chỉ định trong toàn bộ thời gian hoạt động.
• Tổng trở dòng chảy của mạch làm mát thứ cấp phải phù hợp với khả năng chịu áp lực của bơm trong bộ phận phân phối làm mát.
• Tổng khả năng chống dòng chảy của hệ thống và nhiệt độ vỏ chip phải cho phép một số dự phòng. Dự phòng chống dòng chảy phải không nhỏ hơn 10% và dự phòng nhiệt độ vỏ phải không nhỏ hơn 3 độ để phù hợp với dung sai của hệ thống.
• Người thiết kế tấm lạnh phải cung cấp đường cong điều kiện biên nhiệt cho tấm lạnh, thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ chất làm mát đầu vào và lưu lượng chất làm mát đi qua tấm lạnh.
• Tốc độ chất làm mát đầu vào tại tấm lạnh không được vượt quá 1,5 m/s và chênh lệch nhiệt độ cung cấp-trở về của chất làm mát phải được kiểm soát trong phạm vi từ 5 độ đến 10 độ.

 

▲ Đường cong điều kiện biên nhiệt cho thiết kế tấm lạnh

 

 

II Chất làm mát

 

▲ Chất làm mát

 

Chất làm mát thông thường được sử dụng trong các vòng làm mát thứ cấp bao gồm chất làm mát gốc nước và không gốc nước. Lựa chọn phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất làm mát đồng thời đảm bảo khả năng tương thích và độ tin cậy lâu dài với tất cả các vật liệu ướt trong vòng thứ cấp. Cũng nên cân nhắc đến việc bảo trì thiết bị CNTT, tuổi thọ dự kiến ​​của chất làm mát và tổng chi phí.

 

Chất làm mát gốc nước có hiệu suất truyền nhiệt tuyệt vời và hầu hết các ngành công nghiệp đều lựa chọn chất làm mát gốc nước. Chúng được chia thành chất làm mát nước tinh khiết và chất làm mát pha chế.

 

Chất làm mát bằng nước tinh khiết sử dụng nước tinh khiết làm dung môi không có chất phụ gia hoặc chỉ một tỷ lệ nhất định ethylene glycol hoặc propylene glycol làm chất chống đông, tùy thuộc vào yêu cầu về chất chống đông. Chất làm mát bằng nước tinh khiết ức chế sự ăn mòn và sự phát triển của vi khuẩn bằng cách duy trì môi trường có độ dẫn điện cực thấp.

 

Chất làm mát được pha chế sử dụng nước tinh khiết làm dung môi, với một tỷ lệ nhất định chất chống đông được thêm vào để chống đóng băng, cũng như chất ức chế ăn mòn và chất diệt khuẩn. Chất làm mát được pha chế làm giảm nguy cơ ăn mòn và ức chế sự phát triển của vi khuẩn thông qua các chất phụ gia. Tuy nhiên, các chất phụ gia này làm giảm độ dẫn nhiệt của nước và có thể mất hiệu quả theo thời gian, đòi hỏi phải lấy mẫu định kỳ để theo dõi chất lượng chất làm mát.

 

▲ Ưu và nhược điểm của chất làm mát gốc nước

 

Dựa trên nghiên cứu trong ngành, Huawei và Sugon chủ yếu sử dụng dung dịch ethylene glycol 25%, trong khi Inspur và H3C chủ yếu sử dụng dung dịch propylene glycol 25%. Nồng độ 25% không cố định; 20% đến 30% là chấp nhận được. Nồng độ quá cao có thể ảnh hưởng đến lưu lượng chất lỏng và hiệu suất làm mát, trong khi nồng độ quá thấp có thể không cung cấp khả năng bảo vệ chống đông hoặc ức chế sự phát triển của vi khuẩn. Nồng độ trên 20% thường cung cấp một số khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn cho cả dung dịch ethylene glycol và propylene glycol. Do đó, nên sử dụng dung dịch ethylene glycol hoặc propylene glycol nồng độ 25% làm chất làm mát cho hệ thống làm mát bằng chất lỏng.

 

 

III Phụ kiện ngắt kết nối nhanh

 

Phụ kiện ngắt kết nối nhanh tự niêm phong (QD) được sử dụng để cung cấp kết nối hoặc ngắt kết nối nhanh giữa thiết bị CNTT và hệ thống làm mát bằng chất lỏng cho mục đích bảo trì, đồng thời đảm bảo chất làm mát không bị rò rỉ. Điều này đảm bảo hệ thống làm mát bằng chất lỏng vẫn hoạt động và thiết bị CNTT có thể tiếp tục chạy an toàn.

 

▲ Phụ kiện ngắt kết nối nhanh (QD)

 

Có hai loại phụ kiện ngắt kết nối nhanh tự bịt kín chính: thiết kế thủ công và thiết kế lắp ghép kín.

Phụ kiện ngắt kết nối nhanh thủ công yêu cầu người dùng phải cầm phụ kiện để kết nối hoặc ngắt kết nối và có thể thao tác bằng một tay hoặc hai tay. Do thao tác thủ công nên phải có đủ không gian cho thao tác này.

 

▲ Phụ kiện ngắt kết nối nhanh thủ công

 

Các phụ kiện lắp ghép mù, không yêu cầu vận hành thủ công, kết nối hoặc ngắt kết nối thông qua áp suất và cần căn chỉnh chính xác với thanh ray hoặc chốt định vị để duy trì áp suất cần thiết cho kết nối thích hợp, ngăn ngừa bất kỳ sự ngắt kết nối nào.

 

▲ Phụ kiện ngắt kết nối nhanh Blind-Mate

 

Phụ kiện ngắt kết nối nhanh được sử dụng trong cấu hình đực/cái (cặp phích cắm/ổ cắm hoặc cặp chèn/thân). Khi ngắt kết nối, van tự bịt kín bên trong phụ kiện sẽ cắt dòng chất lỏng để bảo vệ thiết bị xung quanh. Do đó, lựa chọn phụ kiện phải hạn chế nghiêm ngặt rò rỉ chất làm mát trong quá trình ngắt kết nối. Nhìn chung, rò rỉ phải nhỏ hơn 1/6 giọt cho mỗi lần kết nối/ngắt kết nối (ít hơn một giọt sau sáu lần kết nối/ngắt kết nối) hoặc nhỏ hơn 0,5 ml. Nên sử dụng các phụ kiện giảm thiểu rò rỉ, chẳng hạn như các phụ kiện không nhỏ giọt hoặc thiết kế mặt phẳng.

 

Trong các hệ thống có phụ kiện ngắt kết nối nhanh thủ công, cần lưu ý đến các cân nhắc về mặt công thái học (ví dụ: cơ chế khóa, lực kết nối, hạn chế về không gian) để đảm bảo dễ bảo trì. Thiết kế blind-mate phải xem xét đến dung sai lắp đặt và dung sai lệch để đảm bảo kết nối đáng tin cậy.

 

▲ Sơ đồ căn chỉnh Blind-Mate

 

 

IV Đơn vị phân phối làm mát (CDU)

 

Bộ phân phối làm mát (CDU) là thiết bị được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các mạch chất lỏng. Các thành phần của CDU bao gồm giao diện, máy bơm, bộ trao đổi nhiệt lỏng-lỏng hoặc lỏng-không khí, bình chứa, thiết bị điều khiển van, thiết bị giám sát, bộ lọc và nhiều cảm biến khác nhau. CDU được sử dụng để đo và kiểm soát công suất làm mát, lưu lượng, áp suất và nhiệt độ. Tất cả các thành phần trong CDU phải được kiểm tra khả năng tương thích với chất làm mát.

 

CDU được phân loại thành loại tập trung (tủ) và loại phân tán (giá đỡ).

 

CDU tập trung cung cấp khả năng làm mát cho một hoặc nhiều giá đỡ thiết bị CNTT hoặc thậm chí là toàn bộ trung tâm dữ liệu, với khả năng làm mát và cung cấp lớn hơn so với CDU phân tán. CDU phân tán loại bỏ nhu cầu lắp đặt đường ống thứ cấp, với mỗi CDU chỉ cung cấp khả năng làm mát cho tủ máy chủ mà nó được lắp đặt, mang lại độ tin cậy thấp hơn so với CDU tập trung.

 

Để tránh tình trạng thiếu hụt công suất làm mát do lỗi CDU, cần cân nhắc đến dự phòng N+1 hoặc N+2 hoặc thiết kế mô-đun bơm của CDU với dự phòng N+1 để đảm bảo làm mát đủ cho thiết bị CNTT và cho phép bảo trì trực tuyến.

 

▲ ĐẠI HỌC VIỆN

 

Bảng dưới đây thể hiện sự so sánh giữa CDU tập trung và phân tán:

 

▲ So sánh CDU tập trung và phân tán

 

Khả năng trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt của CDU phụ thuộc vào nhiệt độ tiếp cận của nó. Nhiệt độ tiếp cận là sự chênh lệch giữa nhiệt độ của chất làm mát đi vào thiết bị CNTT và nhiệt độ nước làm mát chính tại đầu vào của CDU. Bên cạnh nhiệt độ tiếp cận, các thông số chính khác cần xem xét đối với hiệu suất của CDU bao gồm:

 

• Nhiệt độ tiếp cận (tốt nhất là 3-10 độ)
• Thành phần chất làm mát (ví dụ: nước tinh khiết, 25% PG, 55% PG)
• Lưu lượng sơ cấp và thứ cấp, công suất bơm và cột áp
• Các mức nhiệt độ nước chính (ví dụ: W27, W32, W45, W+)

 

 

Đường ống làm mát bằng chất lỏng V

 

Đường ống làm mát bằng chất lỏng cung cấp các kênh để tuần hoàn chất làm mát, tham gia vào quá trình phân phối lực cản dòng chảy của toàn bộ hệ thống làm mát bằng chất lỏng và cung cấp các giao diện bên ngoài đơn giản cho các thiết bị làm mát bằng chất lỏng. Việc lựa chọn đường ống bên trong cho thiết bị CNTT phải xem xét đến khả năng tương thích của vật liệu, vận tốc dòng chảy (phải được kiểm soát dưới 1,5 m/giây trong đường ống mềm), bố trí đường ống, phương pháp lắp đặt, thiết kế phân phối dòng chảy và độ tin cậy.

 

Đường ống làm mát bằng chất lỏng trong máy chủ phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau:

 

• Nên sử dụng ống mềm FEP dạng sóng hoặc EPDM chịu nhiệt độ cao, áp suất cao, có áp suất làm việc lớn hơn hoặc bằng 0.35 MPa và áp suất tối đa lớn hơn hoặc bằng 1 MPa.
• Nên lắp dây phát hiện rò rỉ để phát hiện bất kỳ rò rỉ chất làm mát nào.
• Đường ống phải được kết nối với tấm lạnh bằng phụ kiện ngạnh hoặc kẹp ống để đảm bảo độ kín chắc chắn.

 

1. Phân loại chính của đường ống làm mát chất lỏng

 

▲ Đường ống làm mát bằng chất lỏng

 

▲ Ống EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer)

 

▲ Ống sóng PTFE (Polytetrafluoroethylene)

 

▲ Ống PFA (Perfluoroalkoxy Polymer)

 

2. So sánh các vật liệu đường ống khác nhau

 

▲ Vật liệu đường ống

 

 

VI Dây dò rò rỉ

 

Vì các nút tính toán thường là thành phần đắt nhất trong thiết bị CNTT và có nguy cơ rò rỉ chất làm mát dẫn điện có thể gây hư hỏng thiết bị và mất dữ liệu, nên cần phải phát hiện rò rỉ tiềm ẩn bên trong các nút tính toán. Phát hiện rò rỉ thường được phân loại thành hai phương pháp: gián tiếp và trực tiếp.

 

1. Phương pháp phát hiện

Phương pháp gián tiếp: Phát hiện rò rỉ được xác định bằng các cảm biến và thuật toán hiện có về áp suất, lưu lượng, nhiệt độ và bong bóng.

 

Phương pháp trực tiếp: Các cảm biến như dây/cáp phát hiện rò rỉ hoặc dải phát hiện màng được sử dụng tại các vị trí cụ thể (ví dụ: dọc theo đường ống và mối nối) để phát hiện rò rỉ trực tiếp.

 

Hiện nay, ngành công nghiệp chủ yếu áp dụng phương pháp trực tiếp, sử dụng dây dò rò rỉ để phát hiện rò rỉ.

 

▲ Dây dò rò rỉ

 

2. Nguyên lý phát hiện

Dây phát hiện rò rỉ dựa trên nguyên lý dẫn điện của chất lỏng để phát hiện xem có rò rỉ hay không và phải được sử dụng kết hợp với bộ điều khiển rò rỉ nước. Khi bất kỳ bộ phận nào của dây phát hiện tiếp xúc với nước, hai đường cảm biến sẽ bị đoản mạch. Bộ điều khiển rò rỉ nước xác định tình trạng rò rỉ dựa trên sự thay đổi điện trở của dây phát hiện và gửi tín hiệu báo động.

 

▲ Nguyên lý phát hiện của dây dò rò rỉ

 

▲ Sơ đồ dây phát hiện rò rỉ bên trong máy chủ

 

3. Các biện pháp phòng ngừa trong quá trình lắp đặt dây phát hiện rò rỉ

• Đường cảm biến phải khô và sạch trong quá trình lắp đặt.
• Tránh đặt đường cảm biến ở những khu vực dễ bị ngưng tụ.
• Không được chồng chéo hoặc đan xen các đường cảm biến vì điều này có thể gây ra báo động giả.
• Bán kính uốn cong của dây cảm biến trong quá trình lắp đặt không được nhỏ hơn 4mm (theo loại dây thông dụng), nếu không dây cảm biến có thể bị hỏng.
• Khi lắp đặt dây cảm biến theo kiểu cuộn tròn, tránh bán kính cuộn nhỏ hơn 24mm vì điều này có thể làm hỏng dây cảm biến.
• Không nên lắp đặt dây cảm biến ở những môi trường có nhiệt độ cao, độ ẩm cao, rung động, khí ăn mòn hoặc các nguồn gây nhiễu điện tử khác.
• Trong quá trình lắp đặt hoặc sử dụng, không được bóp hoặc đặt vật nặng lên đường cảm biến vì có thể gây hư hỏng.
• Tránh kéo căng quá mức dây cảm biến trong quá trình lắp đặt vì điều này có thể làm lỏng các đầu kết nối dây, gây ra kết nối kém, đứt hoặc các đầu cực bị tách ra.
• Nếu chất lỏng rò rỉ có chứa các chất dẫn điện hoặc chất gây ô nhiễm không thấm nước (ví dụ như sáp, dầu), thì đường cảm biến có thể không thiết lập lại được, trong trường hợp đó, đường cảm biến sẽ cần phải được thay thế.