冷却液分配ユニットと​二次側流体ネットワークのバルブ

液冷ラックはどれも、業界外の人のほとんどが聞いたことのない一つの機器に依存しています。冷却液分配ユニット、つまりCDUです。クーリング・ディストリビューション・ユニットとも表記され、建物の冷水系統とサーバーの間で冷却液を移送します。CDUとコールドプレートの間にあるすべてのもの、つまりポンプ、マニホールド、チューブ、センサーは、ループがどれだけ圧力を保ち、清浄を保ち、すべてを抜かずに保守できるかによって、うまくいくかどうかが決まります。

バルブは、CDUの部品表では小さな項目です。しかし、午前2時に技術者がラックを停止させずにポンプを交換できるかどうかを決める部品でもあります。本ガイドでは、CDUとその二次側流体ネットワークの中でバルブがどこにあるか、何を指定すべきか、そして試運転の前ではなく後に表れる間違いは何かを順に説明します。

冷却液分配ユニットの働き

冷却液分配ユニットは、ポンプと熱交換を行うステーションで、施設の水系統と、IT機器に実際に触れる冷却液ループを分離します。片側は施設の水、反対側は処理済みの冷却液で、間にプレート式熱交換器があります。CDUはIT側の流量、温度、圧力を制御するため、サーバーのコールドプレートが施設の未処理の水に触れることはありません。

この分離こそが要点です。施設側のループは、開放式冷却塔、混在した金属、コールドプレートが想定していない水質を扱います。CDUは、IT側に独立した、制御された密閉ループを与えます。業界ではこれを二次側流体ネットワークと呼びます。Open Compute ProjectのCooling Environmentsグループは、まさにこの構成について、ほとんどのハイパースケール設計が参照するガイドラインを公開しています。

ラック内蔵型、列内設置型、液対液型

CDUには主に三つの形式があり、その形式によって、バルブのような保守が必要な部品に使える空間が決まります。

三つの形式は、いずれも同じ流体の問題を共有しています。違いは、口径と、二次側ループがどこまで伸びるかです。

ラック内蔵型CDUが役に立つのは、液冷が一ラックずつ導入される場合です。空冷の部屋への後付け、試験導入、エッジサイトなどです。サーバーを搭載できるラックユニットを占有するため、内部はぎっしり詰まっています。熱交換器、ポンプ、制御機器、ループの接続部は、すべて数Uの高さの中にあります。バルブの仕様としては、小口径のねじ込み接続、隣の部品に干渉しない短いハンドル、そして手をかける必要のない部品を強く好むことを意味します。手を届かせるには、ユニットをレールで手前に引き出す必要があるからです。

列内設置型CDUは、複数のラックに対応する床置きのキャビネットで、AI専用の設備構築の多くが落ち着く形式です。常用と予備のポンプ、適切な計装、保守可能な配管を収める余裕があり、供給ヘッダーと戻りヘッダーを通じて、二次側ループを列に沿って延ばします。バルブの数は、延長に応じて増えます。各ラックの取出し口には専用の遮断点が必要で、CDUの接続部自体も、列全体の流量を運ぶために口径が大きくなります。

列または部屋の規模の液対液型CDUは、ユニットがプラント設備のように振る舞う規模です。熱交換器の両側は本格的な水回路であり、どちらにも、機械技術者があらゆるプラントのループに施す扱いが必要です。入口と出口の遮断、ドレン箇所、回転機器の前のストレーナーです。人々がCDU データセンターの設計資料を探すとき、通常はこの規模を意味しています。そして、五ドルのバルブを省くことが、五時間の停止を生む規模でもあります。

二次側流体ネットワークの概要

二次側流体ネットワーク（SFN）は、CDUのIT側にある密閉の冷却液ループです。ラックを上る供給側と戻り側のマニホールド、各サーバーへの分岐配管、プロセッサー上のコールドプレート、そして戻りまでが含まれます。ラックマニホールドは数十台のサーバーに冷却液を分配し、クイックディスコネクトにより、ループを開けずに一台のサーバーだけを外せます。

ループが密閉されているため、中に入ったものは、腐食が生み出すものを含めて、すべて中にとどまります。コールドプレートの流路は非常に狭いため、微粒子は第一級の設計上の懸念事項であり、OCPのガイドラインが流体の品質と接液材料の選定に多くの紙面を割いているのもそのためです。米国エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（Lawrence Berkeley National Laboratory）は、これらのループが現代のAIラックの熱の大半を運んでいるからこそ、液冷を追跡しています。

冷却液マニホールドとクイックディスコネクト

ラックマニホールドは二次側ループの背骨です。供給側と戻り側のヘッダーが縦に一対あり、通常はステンレス製で、ラックの高さいっぱいに走り、サーバーごとに一つの分岐接続があります。ラックマニホールドによる液冷の設計は、接続数で成否が決まります。42Uのラックには数十本の分岐配管を載せることができ、そのすべてが電子機器の真上にある漏れ経路になり得ます。だからこそ、マニホールドの製作者は、溶接できるものは溶接し、できないものはガスケットで封じ、サーバー側の端にクイックディスコネクトを置いて、工具も液こぼれもなくノードを交換できるようにします。

クイックディスコネクトは、独自の供給元を持つ精密部品で、サーバーごとの問題を解決します。解決しないのは、分岐ごと、ラックごとの問題です。滴下しないカップリングで一台のサーバーを外すことはできますが、部屋の他の部分が計算を続けている間に、一本の分岐、一つのマニホールド、一台のCDUを停止できるのは遮断弁だけです。この二つの部品は補完関係にあり、代替ではありません。片方を含めてもう片方を省いたCDU部品リストは、一つの固着したカップリングのために最初のループを抜かなければならなくなった後の、二回目の構築で修正される傾向があります。

ループが固定配管の箇所、つまりCDU内部、ヘッダーの配管、列の配管では、溶接端のステンレス製バルブが、ねじ接合部という漏れ経路さえ取り除きます。ループの他の箇所と同じ保守性の考え方が当てはまります。当社の空圧式バットウェルドボールバルブは、溶接配管と遠隔操作を一つの部品に求める製作者がいるからこそ存在します。手動の延長バットウェルドボールバルブは、同じボディを手で操作するものです。

ループの中のバルブの位置

結論：いずれ遮断、排水、空気抜き、または保護が必要になるすべての箇所です。実際には五か所を意味します。

逆止弁の位置については補足が必要です。CDUは冗長化されたポンプを使い、一台が停止していると、運転中のポンプは停止中のポンプを通して流れを逆向きに押し込みます。各吐出側の水平型スイング逆止弁は、自重と逆流で閉じます。電源も設定も不要で、故障する部分もありません。同じ考え方はストレーナーにも当てはまります。吸込み側のY形ストレーナーは、安価ではないポンプシールのための、安価な保険です。

接液部の材料がステンレスに落ち着く理由

SFNの冷却液は、通常、処理水、または水とプロピレングリコールの混合液です。ループは密閉で、温かい状態で運転され、流路の幅が1ミリメートルの何分の一かというコールドプレートに供給します。ここから三つのことが導かれます。

腐食生成物には行き場がありません。開放系では、粒子は洗い流されます。密閉ループでは、どこかに詰まるまで循環し続けます。そして、ループで最も狭い通路は、プロセッサー上のコールドプレートの内部にあります。炭素鋼や鉄のバルブボディは、それを最も許容できないループに酸化物を落とします。OCPの水質文書の接液材料に関する指針が、ステンレス鋼と銅合金を重視し、むき出しの鉄や混在した金属を避けているのはそのためです。

混在した金属は、自ら電池を作ります。一つのループにアルミ製コールドプレート、銅チューブ、真ちゅう製継手、鋼製ポンプがあると、ガルバニックの組み合わせが生じ、防食剤のパッケージがそれと戦わなければなりません。金属が一つ増えるごとに、化学的な管理が複雑になります。316ステンレス（鋳造ではCF8M）は、一般に使われている冷却液パッケージと広く適合し、反応性のある金属を加えません。

塩化物は、静かなリスクです。補給水や一部の洗浄剤は、塩化物をループに持ち込みます。塩化物による孔食は、316と304を分ける故障モードです。316に含まれるモリブデンはそれに抵抗し、304はその程度が劣ります。何年も開けずに運転することになっているループにとって、合金のグレードを上げる費用はわずかです。

水、グリコール、防食剤

二次側ループで実際に循環するものは、後回しにする事柄ではなく、化学的な判断です。純粋な処理水は、1リットルあたり最も多くの熱を運び、輸送中や待機中に凍結温度にさらされないループでは標準です。凍結の可能性がある場合、業界はプロピレングリコールを混ぜます。人のいる空間とその周辺では、毒性が低いことからエチレングリコールよりも好まれます。そのかわり、熱容量と粘度の面での不利を受け入れます。どちらの場合も、流体は防食剤のパッケージとともに出荷されます。ループに含まれる特定の金属を不動態化するために選ばれた化学薬品です。

この最後の点が、接液材料の一覧と冷却液の仕様が、二つの顔を持つ一つの判断である理由です。防食剤のパッケージは、既知の金属の組み合わせに対して調合されています。部品がループにこっそり持ち込む想定外の合金は、すべて、その化学的な管理が保護するように設計されていない金属です。ステンレス製のバルブボディは、この点で最良の意味で退屈な選択です。防食剤に余計なことを求めず、自らイオンを出しません。最終的な判断は、バルブのカタログではなく、冷却液供給元の適合性シートにあります。バルブの役目は、そのシートに異論の余地を残さないことです。

温度は、珍しく簡単な部分です。二次側ループは設計上、温かい状態で運転されます。最新の導入事例における供給設定値は、ASHRAEのデータコム指針が温水冷却について説明する範囲にあり、最も高温の戻り側でも、PTFEシートのステンレス製バルブの定格をはるかに下回っています。

ポンプ揚程は予算：バルブと圧力損失

結論：二次側ループのすべての部品は、バルブを含めて、ポンプが使える揚程の一部を消費します。ループ設計者の仕事は、それが見返りを生む箇所で使うことです。バルブの寄与は流量係数Cvで表されます。バルブの前後で1 psiの圧力損失を生じる、ガロン毎分での流量です。Cvが高いほど、損失は低くなります。開いた状態のフルポートボールバルブは、ボア径が配管の内径と等しいため、Cvが高く、バルブはポンプからほとんど見えません。レデュースドポートのバルブは、流れを絞ってまた戻すため、小さなボディの代償として恒久的な揚程損失を支払います。

レデュースドポートのバルブが一つなら、害はありません。ラックの列では話が別です。列内のループは、コールドプレートに届くまでに、CDUの接続部、ヘッダー、ラックの取出し口、分岐バルブを通過することがあり、圧力損失は直列で加算されます。個々には無視できた損失が積み重なって、列がより高温で、より多くの冷却を必要とするシリコンにアップグレードされたときに、ポンプが余裕を保てるかどうかを決める数字になります。この計算は、一方向にだけ容赦がありません。大きいほうの口径を指定して後悔した人は、これまでいません。

実用上の注記が二つあります。第一に、試運転時の圧力試験では、ループは一時的に使用圧力を超えます。使用値をはるかに上回る定格の部品、つまり100 psiをかなり下回って運転するループに対するステンレス製プロセス用ボールバルブの1000 WOGクラスは、その試験を何事もないものにします。第二に、流量係数は、バルブが全開のときにしか意味を持ちません。SFNのボールバルブは、オンオフ用の部品として指定し、運用してください。ボールバルブで絞ると、シートの縁が流れの中に置かれ、摩耗します。分岐のバランス調整が本当に必要なら、それはバランシングバルブの仕事であり、半開のボールバルブの仕事ではありません。

遮断弁の仕様の決め方

上記の一覧の主力は、フルポートボールバルブです。CDUの図面に一つ載せるときに、実際に重要になる点を、問題が起きやすい順に示します。

レデュースドポートではなく、フルポート。SFNのポンプ揚程は予算であり、レデュースドポートのバルブは、そのたびに一部を消費します。フルポートのボアは配管の内径と一致するため、バルブがループの抵抗にほとんど加わりません。その違いは、仕様書では見えず、ポンプ曲線では非常にはっきり見えます。

継手が少なければ、漏れ経路も少なくなります。通電中の電子機器の上にある液体ループは、にじむ継手を許容しません。ボルト締めではなくシール溶接した2ピースのボディは、ボディの接合部という漏れ経路を完全になくします。ボディの二つの半体の間に、劣化し、緩み、にじむガスケット付きフランジがないからです。

圧力の余裕は、費用がかかりません。二次側ループは控えめな圧力で運転され、一般的な設計では100 psiをかなり下回ります。1000 WOGの定格のバルブは、過剰ではありません。試運転時の圧力試験の間も含め、ループの中で最も弱い点になることのない部品です。

ループで実際に使えるねじ。北米の構築における小口径のSFN配管は、NPTです。NPTの在庫があることは、カタログが認めるより重要です。CDUの生産ラインは、バルブのために六週間待つことはできません。

接続規格は、習慣ではなく、構築に合わせます。北米のCDUラインでは、小口径の接続をNPTで配管します。アジアのサプライチェーンを中心に作られた機器は、PT（BSPT）のテーパねじで届くことが多く、両者は互いにねじ山を食い違わせるほど似ています。世界で調達するプログラムは、ねじ規格を図面に書き、すべての供給元にそれを守らせるべきです。継手がにじむことが決してあってはならない固定配管では、溶接端のバルブがねじの問題を完全に取り除きます。そのかわり、バルブを配管に固定することになります。保守可能な3ピースや延長溶接の構造が存在するのは、まさにそのためです。

これは、率直に言えば、当社のV-2B 2ピースボールバルブの仕様です。CF8M（316）鋳造ボディ、シール溶接の2ピース構造、フルポート、PTFEシート、1000 WOG、−20°Cから180°C、1/4″から4″までの十一サイズで、316＋NPTは在庫品です。当社は液冷のためにこれを設計したわけではありません。AIブームより二十年前からあるものです。しかし、CDUの製作者が現在書く要求リストは、より肉厚のステンレス製プロセス用バルブがすでに備えているものに、ほぼ一行ずつ対応します。

逆止弁、ストレーナー、ドレン：地味な三つ

遮断弁が注目を集めますが、三つの脇役が、最悪の日にループがどう振る舞うかを決めます。

逆止弁は、ポンプの切替時に真価を発揮します。冗長化されたポンプはCDUの標準で、各吐出側のスイング逆止弁が、運転中のポンプが停止中の相手を通して流れを逆向きに短絡させるのを防ぎます。スイング逆止弁は、自重と逆流だけで閉じます。疲労するスプリングも、電源も、信号もありません。重要な仕様上の注意点は一つ、向きです。スイング逆止弁は取付け姿勢を前提に作られており、水平型のバルブは、ヒンジを上にして水平配管に取り付けます。縦にすると、ディスクが開いたままぶら下がることがあります。データシートの姿勢は仕様の一部であり、提案ではありません。

ストレーナーは、まず試運転の保険、次に運転の保険です。新しいループは、自らの施工で生じた異物を抱えています。溶接スパッタ、パイプドープ、ガスケットの破片、ときにはワッシャーです。運転の最初の数週間で、そのすべてが最も狭い通路へと運ばれます。各ポンプの前のY形ストレーナーは、その最初の収穫を、シールとコールドプレートに届く前に捕らえます。それを機能させる保守の習慣は、運転開始から数日後にブローダウンを開き、最初の定期点検でもう一度、その後は点検が正当化する間隔で行うことです。誰も清掃しないストレーナーは、スクリーンの付いた圧力損失にすぎません。

ドレンと空気抜きは、一時間と週末の違いを生みます。冷却液ループは、その寿命の間に、充填され、フラッシングされ、サンプリングされ、部分的に排水されます。各低い箇所のドレンボールバルブは、その作業に、先端にホースねじの付いた制御された経路を与えます。各高い箇所の空気抜きは、空気を逃がして、充填が実際に満たされるようにします。その代替手段、つまり圧縮継手を緩めて、通電中のラックの上でトレイに冷却液を受けることが、ループがインシデント報告書に載る原因です。小型のフルポートのドレンバルブは、構築時に最も費用が安く、それはまさに誰もそれが必要だと思わない時期です。

当社が製造するもの、しないもの

ここは率直にお伝えします。SZ Valvesは、台湾・台中に自社鋳造工場を持つステンレス製バルブメーカーです。CF8とCF8Mの鋳物を注湯し、社内で機械加工しています。その仕組みについては、バルブ鋳造メーカーの評価方法のガイドで説明しています。

当社が製造するのは、上の表のボールバルブ、逆止弁、ストレーナーです。CDU、ラックマニホールド、クイックディスコネクト、ホース、コールドプレートは製造していません。それらは、お客様ご自身のラインか、専門メーカーから調達されます。当社が適するのは、CDUまたはマニホールドの量産を支えるバルブ供給元としてです。繰り返しのバッチ、一貫した鋳物、出荷ごとの材料証明書、そして、プライベートブランドやお客様の品番をボディに刻印することを含むOEM条件があります。

CDUプログラムのバルブ供給元を評価する

CDUやマニホールドの生産ラインは、プラントの保全部門とは異なる方法でバルブを購入します。プラントは十個購入し、プログラムは同じバルブを何年も毎月購入します。そのため、重要なリスクも変わります。五つの質問で、ほとんどの選別ができます。

誰が鋳物を注湯していますか？自社鋳造工場を持つ供給元は、合金の化学成分とトレーサビリティを源流で管理します。商社は、発注書を管理します。どちらも良い製品を納入できますが、鋳物のヒート（溶解ロット）に疑義が生じたとき、お客様と炉の距離は、週単位で測られます。当社のバルブ鋳造メーカーの評価方法のガイドでは、何を尋ねるべきかを説明しています。

材料は出荷ごとに証明されていますか？SFNの接液材料の管理は、すべてのバッチが図面どおりである場合にのみ機能します。各納品に紐づいたミルシート（一般的な証明書を保管しているだけではなく）が、監査を退屈なものにする書類の記録です。

仕様はバッチ間で安定していますか？シートの配合、ステムのシール、ハンドル、刻印。カタログの写真では見えない小さな代替が、組立ラインの停止として表面化します。繰り返しのバッチでの一貫性は製造上の習慣であり、供給元の候補に、それをどう管理しているかを尋ねる価値があります。

バルブにお客様の識別を載せられますか？OEMプログラムでは、通常、お客様の品番、ロゴ、またはその両方をボディに求めます。最低限レーザー刻印、バルブが最終製品の箱で出荷される場合はプライベートブランドの包装です。これは、OEM向けの体制を持つメーカーにとっては標準的な作業で、そうでないメーカーにとっては後回しの事柄です。

実際に棚にあるものは何ですか？生産ラインは、四半期ではなく週単位でスケジュールを組みます。供給元がどのサイズ、材質、ねじ規格を在庫していて、どれが受注生産かを知ることは、最初の発注書の危機ではなく、評価の会話に含めるべきです。

試運転後に表れる間違い

マニホールドの取出し口に遮断弁がない。ループは問題なく機能します。ある分岐に保守が必要になり、列全体が一緒に停止しなければならなくなるまでは。分岐のバルブは、構築時には安価で、後付けは悲惨です。

誰も決めていない混在した金属。ここに真ちゅう製のバルブ、あそこにめっき鋼の継手、それぞれは単体では無害です。ループの化学的な管理は、そのすべてを一度に受けます。接液材料の一覧を一度決めて、供給元にそれを守らせてください。

安価なバルブにポンプ揚程を使うこと。すべての取出し口のレデュースドポートのバルブは、ラックがより高温のシリコンにアップグレードされるまさにそのとき、ポンプの余裕がなくなるまで、静かに圧力損失を積み上げます。

ドレンと空気抜きの箇所がない。緩めた継手から充填し、緩めたプラグから空気を抜くのは、一度は機能しますが、うまくいきません。低い箇所に適切なドレンバルブ、高い箇所に空気抜きがあれば、週末の作業が一時間になります。

試運転時のフラッシングを省くこと。ストレーナーは、流れが運んでくるものしか捕らえられません。圧力試験から直接、本番に移るループは、初日に施工時の異物をコールドプレートへ運び込みます。フラッシングし、ストレーナーのスクリーンを清掃してから、引き渡してください。

ボールバルブで絞ること。半開のボールバルブは、流量調整のように見えて、シートの侵食として作用します。分岐のバランス調整が必要なら、バランス調整用の機器を指定し、ボールバルブは得意なこと、つまり何年も全開のままで、誰かがついに必要としたときに、水一滴漏らさず密閉することのために使ってください。

よくあるご質問

冷却液分配ユニットとは何ですか？

冷却液分配ユニット（CDU）は、ポンプと熱交換を行うステーションで、施設の冷水系統を、液冷IT機器に供給する密閉の冷却液ループから分離します。熱交換器を介して二つのループの間で熱を伝えながら流体を分離し、IT側の流量、温度、圧力を制御するため、コールドプレートは、施設の未処理の水ではなく、清浄で調整された冷却液を受け取れます。

二次側流体ネットワークとは何ですか？

二次側流体ネットワーク（SFN）は、CDUのIT側にある密閉の冷却液ループです。CDUの供給側接続部から、ラックマニホールドと分岐配管を通って各サーバーのコールドプレートへ至り、戻り経路を通って戻ります。密閉されているため、流体の品質と接液材料の選択は、開放系よりも重要です。腐食によってループに放出されたものは、すべてループにとどまります。

CDUにはどのバルブが必要ですか？

典型的な構成では、CDUの供給側と戻り側の遮断にフルポートボールバルブ、各ラックマニホールドの取出し口に小口径ボールバルブ、停止中のポンプを通る逆流を止めるためにポンプ吐出側にスイング逆止弁、ループの低い箇所にドレンバルブ、ポンプの上流にY形ストレーナーを使います。共通するのは保守性です。各バルブは、ループの他の部分を排水したり停止したりせずに、一つの部品を作業できるようにするために存在します。

液冷ループで316ステンレス鋼が使われるのはなぜですか？

理由は三つあります。密閉ループは腐食生成物を閉じ込め、コールドプレートの狭い流路は循環する粒子が行き着く場所ですが、ステンレス製のボディはほとんど何も放出しません。一つのループに混在する金属はガルバニック腐食の組み合わせを作りますが、316は反応性のある金属を加えません。そして、補給水や洗浄剤の塩化物は孔食を引き起こしますが、316のモリブデンは304よりもよくそれに抵抗します。316の鋳造相当材はCF8Mで、鋳造ステンレス製のバルブボディが指定すべきものです。

CDUやマニホールドのメーカーにバルブを供給できますか？

はい。本記事が想定しているお客様はまさにそのお客様です。当社は、ステンレス製のボールバルブ、逆止弁、Y形ストレーナーを、繰り返しの量産バッチで供給しています。自社鋳造工場で鋳造し、社内で機械加工し、出荷ごとに材料証明書を付けています。OEM条件には、プライベートブランドと、お客様の品番のボディへの刻印が含まれます。図面または仕様書をお送りいただければ、それに基づいてお見積りします。図面からサンプル、量産までの手順は、特注バルブ製造のページにあります。

まとめ

CDUとその二次側流体ネットワークは、漏れ、粒子、圧力損失に対する許容度が非常に低い、密閉された配管システムです。バルブは、そのシステムを一部分ずつ保守できるか、すべてを一度にしかできないかを決めます。ポンプ揚程を守るためにフルポートのボア、漏れ経路と腐食源を取り除くためにシール溶接のステンレス製ボディ、対になったポンプに逆止弁、そして一年後に感謝することになるドレン箇所を指定してください。特別なものは何もありません。高価なシリコンの上にたまたま置かれたループに適用される、プロセス配管の規律です。

CDU、マニホールド、または完全な冷却ループを構築していて、その裏付けとなるステンレス製バルブのラインが必要であれば、当社は、まさにそうした繰り返しの仕事のための体制を整えた、鋳造工場を持つメーカーです。

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