液冷マニホールドのバルブ：​ラックに実際に必要なもの

液冷マニホールドは、ラックの背面または側面を上下に通るステンレス製の幹管で、ラック内のすべてのサーバーに冷却液を供給します。マニホールド自体の構造は単純です。そこに取り付けられるバルブが、午前3時にラックの排水をせずにサーバー1台を取り外せるかどうか、そして小さな滲みが停止にまで発展するかどうかを左右します。

このガイドでは、ラックマニホールドとその上流配管にあるバルブの設置位置、各位置が実際に求めるもの、そしてステンレス製ボールバルブが適する場所を説明します。対象読者は、これらの部品を仕様決定する方々、つまりマニホールドメーカー、CDUメーカー、インテグレーター、そして二次側ループを承認するエンジニアです。

液冷マニホールドの役割

ラックマニホールドは、冷却液分配ユニットからサーバー内部のコールドプレートへ冷却液を分配し、温まった戻り液を集めて送り返します。冷却液分配ユニットは、通常CDUと略され、ループのIT側を施設水から切り離しておくポンプ・熱交換ステーションです。CDUとサーバーの間の閉ループは、二次側流体ネットワークと呼ばれます。

マニホールドには、ラック内に縦置きする型、ラックのスペースを使う横置き型、複数のラックに供給する列マニホールドがあります。形式によって変わるのは口径と取り出し口の数であり、バルブの考え方は変わりません。どの設計も同じ3つの問いに答えなければなりません。1つの分岐をどう隔離するか、どう排水するか、高所でどう空気を抜くか、です。

ループの全体像

チラーとチップの間には3つのループがあり、受け渡しのたびにバルブへの要求が変わります。部品がどのループに属するかがわかれば、仕様に関する疑問の大半は始まる前に解消します。

CDUは、最初の2つのループの間の壁です。施設水は硬度が高く、空気を含み、誰も点検しない設備と共有されることがあります。二次側ループは閉じており、処理とろ過が施され、その中の機器はその状態を保つように選ばれます。機械室であれば何でもない弁も、その熱交換器のIT側に置かれると、汚染の問題になります。

ラックマニホールドのバルブを、位置ごとに見る

ラックマニホールドとその周辺には、バルブの設置位置が5か所あります。そのうちボールバルブになるのは通常2か所だけで、1か所は、ほとんどのバルブメーカーが販売できない種類の弁です。

これらの行のうち2つは、より詳しい説明に値します。仕様をめぐる議論の大半が、そこで起こるからです。

分岐隔離弁がボールバルブである理由

分岐の隔離には役割が1つあります。完全に閉じ、閉じたままでいて、同じ位置で数か月置かれた後でも固着せずに再び開くことです。1/4回転式のボールバルブは、流路内の可動部品が1つで、ラインの圧力でシートが押し付けられて閉じるため、これを実現します。固着するステムのねじもなく、ばたつくディスクもありません。

冗長化の方式にも注目に値します。ラックスケールの液冷を扱うNVIDIAの特許は、二次側ループがラックマニホールドと接続する箇所の供給側と戻り側の両方に隔離弁を置く方式を述べており、フロアパネルを持ち上げずに、1つのラックを閉じて作業できます。ラックあたり弁は1つではなく2つです。

サーバー接続がボールバルブではない理由

サーバーの接続口にはすべて、ドライブレーク式クイックディスコネクトが使われます。カップリングは内部にポペット弁を備えており、両半体が切り離された瞬間に両側を密封するため、ループを稼働させたままサーバーを取り外しても、こぼれはほとんどありません。これらは精密な組立品で、クリーンルームで組み立てられ、ヘリウムリーク試験を受けたものも多く、市場は少数の専門メーカーが占めています。

この点は、事業機会を見積もる際に重要です。クイックディスコネクトは、ラック内で数量が最も多く、価値が最も高い流体部品です。同時に、鋳造ステンレス製ボールバルブとは別の製品カテゴリーであり、どれほど機械加工の能力があっても、一方をもう一方に変えることはできません。この系統におけるバルブメーカーの役割は、隔離、排水、ストレーナー、逆止弁の位置であり、カップリングではありません。

材質：公開仕様が実際に述べていること

液冷は316ステンレスのみの市場であり、銅合金は全面的に禁止されている、という説明を目にすることがあります。公開されている製品資料は、それを裏付けていません。

Vertivのラック内マニホールドのマニュアルには、現在販売されている製品の接液材質として、304ステンレス、EPDM、真ちゅう、ニッケルめっき真ちゅうが記載されています。nVentのラックマニホールドのボディは304Lステンレスです。どちらの資料も、二次側ループのどこにも銅合金を禁止していません。事実として言えるのは、材質の選択は冷却液と顧客独自の規格によって決まること、そして一部の位置では耐久性の理由からステンレスが真ちゅうに取って代わったことです。Apolloの、液冷データセンター向けステンレス製ホースキャップ付きボールバルブは、その最も明確な例で、その用途では真ちゅう製が持ちこたえなかったために導入されました。

仕様を決める方にとっての実際的な読み方は次のとおりです。ラックの寿命にわたって使い続けなければならないものには、ステンレスが安全な標準であり、グレードの問題は一律の規則ではなく、冷却液の化学的性質で決まります。当社のバルブボディは、ロストワックス精密鋳造のCF8およびCF8Mで、それぞれ304と316に相当する鋳造グレードです。冷却液に塩化物が含まれる場合は、316を指定してください。モリブデンが塩化物による孔食に耐えるためです。閉ループ内の処理済みグリコール混合液であれば、304で足りることが多くあります。冷却液の仕様をお送りいただければ、どちらでお見積りするかをお伝えします。

冷却液の化学的性質がバルブに与える影響

これらのループには3種類の流体が現れます。処理水、凍結防止と生物防除のための約25パーセントのプロピレングリコール混合液、そして液浸方式や一部の二相方式で使われる誘電性流体です。それぞれがバルブに異なる問いを投げかけ、どれも圧力定格では答えが出ません。

ボディのグレードを決めるのは水質です。オーステナイト系ステンレスに孔食を起こすのは塩化物であり、316は、それに耐えるためにモリブデンを含んでいます。グリコール混合液は通常、インヒビターが添加されており、インヒビター入りプロピレングリコールの公開された腐食データは、ステンレスに対しても銅合金に対しても許容できる腐食速度を示しています。これが、マニホールドの接液材質リストにいまも真ちゅうが載っている理由の一部です。誘電性流体で問題になるのは、金属ではなくエラストマーとの適合性です。

当社のシートはPTFEで、3つの流体系統のいずれに対しても化学的に不活性であり、これが当社のボールバルブ全般でPTFEを標準のシート材質としている理由です。当社が推測しないのは、お客様固有の流体と添加剤の組み合わせです。お問い合わせの際に冷却液のデータシートをお送りいただければ、バルブを何の材質で製作するかをお伝えするか、お見積りをお控えしたい旨をお伝えします。

フルポートかレデュースドポートか

フルポートは、ボールの内径が配管の内径と一致することを意味し、弁による絞りがほとんど加わりません。レデュースドポートは内径が1サイズ下がり、弁は短く、軽く、安価になりますが、圧力損失が測定できる程度に生じます。

冷却液のループでは、ポンプがその損失をシステムの寿命にわたって負担しなければならず、分岐のバルブはほかのすべてと直列に入ります。これが、公開されているデータセンター用ボールバルブがフルポートである理由です。Apolloのデータセンター用バルブはフルポートで、他社がこの用途向けに掲載しているステンレス製バルブもフルポートです。流路内のものにはフルポートを指定し、レデュースドポートは、絞りが問題にならない排水とセンサーの取り出し口に限ってください。

接続形式

マニホールド側の市場は、プロセスプラントのようには標準化されていません。公開されているマニホールドは、サーバー側ではホースバーブ、ストレートねじ、クイックディスコネクトを使用し、上流側ではねじ込みまたは溶接の接続を使用しています。よく求められるものの大半は、4つの選択肢でカバーできます。

カムロックについて一言付け加えます。Supermicroの液冷コンポーネントのデータシートには、コネクタの種類がカムロック端のボールバルブで、10 barまで定格のホースキットが掲載されています。これは、液冷構成の中で役割を果たしている普通のステンレス製ボールバルブであり、特殊部品ではありません。

圧力と温度：定格は難しい部分ではない

公開されている二次側ループの機器は、控えめな圧力で運転されます。Vertivは、ラック内マニホールドを最高使用圧力8 bar、0°Cから70°Cと定格しています。nVentはマニホールドの組立品を150 psiで試験しています。Supermicroのホースキットは10 barまで定格です。

標準的なステンレス製ボールバルブは、それをはるかに上回ります。当社のねじ込み式と溶接式のボールバルブは1000 WOGで、2ピースの高圧仕様は2000 WOGです。圧力よりも慎重に読むべき数値は温度です。当社のボールバルブの大半は、PTFEシートで−20°Cから180°Cの定格であり、冷却液ループの温度は余裕をもってカバーします。

この市場で実際に資格審査の壁となるのは、圧力クラスではなく、清浄度、漏れ止め性能、書類です。ご注文時にミルテストレポートをご請求ください。当社はご請求に応じてMTRを提供し、ISO 9001とCEを取得しています。

シート、ステム、そして200回の開閉後に壊れるもの

2つのバルブがどちらも1000 WOGと表示されていても、1年後には挙動が異なることがあります。定格はボディについてのものです。最初に壊れるのは、ほとんどの場合シートかステムシールで、どちらもデータシートの1行には現れません。

冷却液ループの中のシートは、熱的には楽ですが、機械的には厳しい環境に置かれます。温度はPTFEが対応できる範囲に十分収まりますが、サーバーを交換するたびに弁が開閉されることがあり、その間に数か月触れられないままになることもあります。PTFEは荷重を受けると永久変形を起こします。問題は、設計がシートに予圧をかけて復元させているかどうかです。ライブローデッド式のステムパッキンは、ステム側で同じ役割を果たし、パッキンが緩んでも密封力を一定に保ちます。当社の空圧式3ピース仕様は、この理由から、ライブローデッド式のPTFEシートとVitonのステムOリングを使用しています。

3ピースのボディは、ここでもその価値を発揮します。ラインに取り付けたまま分解整備ができ、ボディボルトを外し、シートとシールを交換して、配管を切断せずに元に戻せます。排水が一大事になるループでは、これが15分の作業か、運転停止かの違いになります。

ろ過と逆止弁：忘れられがちな2つの部品

Dellのラックスケール直接液冷の仕様は、ループにろ過の要件を定めており、施設側では35から40メッシュのスクリーン、二次側流体ネットワークでは50ミクロンのろ過の範囲です。冷却液ループ内の異物はコールドプレートの微細流路に行き着き、コールドプレートは現場で保守できる部品ではありません。

配管の途中でこれを満たす通常の方法は、Y形ストレーナーです。当社のものは鋳造316にステンレスのスクリーンを備え、800 WOGの定格で、キャップにブローダウンバルブを備えた仕様もあり、配管を開けずにスクリーンを洗い流せます。

同じDellの文書は、CDU内のポンプと逆止弁の下流に、開弁圧力75 psiの圧力逃がし弁を置いています。ポンプ出口の逆止弁は、冗長構成の2台のうち1台が停止したときの逆流を止めます。スイング逆止弁は水平配管に適し、スプリング式逆止弁は垂直配管と速閉用途に対応します。

誰が何を仕様決定するか

ラックマニホールドのバルブを購入するのは、データセンターを運用する会社であることはまれです。仕様はサプライチェーンのもっと上流で決まるため、誰が決定権を持っているかがわかれば、話が早くなります。

Vertivのマニュアルは、外部の遮断弁が設計責任エンジニアの選定であることを明記しています。この1行が、これらのバルブがマニホールドメーカーによる大量購入ではなく、インテグレーターによるプロジェクト数量で購入される理由を説明しています。

よくある失敗

• ボールバルブでの絞り。ボールバルブは、開か閉かの機器です。半開きで使うとシートが侵食され、制御性も悪くなります。バランス調整はバランシングバルブの役割です。
• ラックに隔離がない。遮断箇所がCDUだけだと、コールドプレートを1回交換するだけで列全体が止まります。ラックの取り出し口に置く冗長な2つ1組の弁は、安価な保険です。
• マニホールドにすべて付属していると思い込む。Vertivは、マニホールドが排水弁付きで出荷され、外部の遮断弁はエンジニアの責任であると明言しています。その弁は、誰かの部品表に載せなければなりません。
• 圧力クラスだけで購入する。2つのバルブがどちらも1000 WOGと表示されていても、200回の開閉後には挙動が異なることがあります。両者を分けるのは、シート材質、ステムシール、そして組立時の清浄度です。
• 両端に排水もエア抜きもない。排水できないループは保守できず、高所に溜まった空気は、その下の分岐への流れを妨げます。

バルブサプライヤーに求めるもの

部品自体は普通のものです。この市場の購入者が実際に評価しているのは、その裏にある書類と工程です。求めて当然のものが5つあり、これに答えられないメーカーは、改めて検討する価値があります。

• 漏れ検査の範囲。全数を検査するのか、バッチからの抜き取りなのかを確認してください。当社は、出荷前にすべてのバルブを検査しており、抜き取りではありません。
• 材料のトレーサビリティ。ボディ材質のミルテストレポートで、ご請求に応じて提供し、発注時に指定していただきます。
• 寸法検査。ご請求に応じて報告書を提供します。他社が設計した外形寸法の空間にバルブを収める必要がある場合に重要です。
• 鋳物の出どころ。サプライヤーが自社でボディを鋳造しているのか、購入しているのかを確認してください。当社は自社鋳造工場で鋳造し、そのうえで自社の現場で機械加工と組立を行っています。
• 品質システム。ISO 9001とCEマーキングです。証明書名が挙げられていなければ、取得していないものと考えてください。

これらはいずれも、バルブメーカーにとって特別なことではありません。5つすべてを一度に求められるのは珍しく、それは、顧客が簡単には停止できないものを構築していることを物語っています。

この用途に向けて当社が供給するもの

当社は、台湾・台中の龍井（Longjing）にあるバルブメーカーです。1995年からこの地で鋳造、機械加工、組立を行っており、自社鋳造工場と組立現場を持ち、自社ブランド品と、当社が製造した製品に自社の名前を付けるブランド向けのプライベートブランド品の両方を製造しています。当社はクイックディスコネクトを製造していません。それは、お尋ねいただく前にお伝えします。

ねじはPT、NPT、またはPFです。ボディは自社鋳造工場でロストワックス精密鋳造し、自社の現場で機械加工と組立を行い、シートはPTFEです。カスタム対応はステンレスに限りません。お客様の図面が別の材質を求める場合は、お送りいただければお見積りします。プライベートブランド、レーザー刻印、刻印（スタンプ）、お客様のアートワークによる印刷カートンについては、当社でのカスタム・OEMバルブ製作の進め方をご覧ください。さらに上流のバルブについては、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のガイドをお読みください。

仕様チェックリスト

次の8項目を図面に記載しておけば、やり取りの大半はなくなります。

• ボディのグレード。サプライヤー任せにせず、304または316と明記する
• ポートの形式。流路内のものにはフルポート
• 接続形式とねじ規格。PT、NPT、またはPF、あるいはソケットウェルドまたはバットウェルド
• シート材質と、ライブローディングが必要かどうか
• 弁ではなく、ループの使用圧力と温度範囲
• 操作方式。手動または空圧式。アクチュエーター付きの場合は取付規格
• 納入時に必要な書類：ミルテストレポート、寸法報告書、漏れ検査記録
• 刻印の要件。バルブにお客様のブランドを付ける場合はプライベートブランドを含む

よくあるご質問

液冷マニホールドには、どのバルブを取り付けますか？

ラックマニホールドには、サーバーの接続口ごとにドライブレーク式クイックディスコネクト、最低点に排水弁、最高点にエアブリードバルブを備えます。分岐の取り出し口とラックへの上流接続には、隔離用としてボールバルブを使用します。nVentはラックマニホールドの分岐にステンレス製ボールバルブを掲載しており、Vertivはマニホールドを排水弁付きで出荷し、外部の遮断弁は設計責任エンジニアに委ねています。

隔離弁は304ステンレスと316ステンレスのどちらにすべきですか？

冷却液によります。316はモリブデンを含み、塩化物による孔食に耐えるため、流体に塩化物が含まれる場合や顧客の規格が求める場合に指定するグレードです。処理済みの閉ループでは、304で足りることが多くあります。公開されているマニホールドは両方を使っています。nVentのボディは304Lで、Vertivは接液材質に、真ちゅうとともに304ステンレスを掲載しています。二次側ループでの銅合金の使用を禁止する公開された規則はありません。

液冷用のボールバルブは、フルポートである必要がありますか？

流路内のものであれば、必要です。フルポートは、ボールの内径が配管の内径と一致することを意味し、ポンプが負担する圧力損失は弁によってほとんど増えません。レデュースドポートは、絞りが問題にならない排水の分岐やセンサーの取り出し口であれば問題ありません。データセンター用途として公開されているステンレス製ボールバルブは、フルポートです。

冷却液ループのバルブには、どの程度の圧力定格が必要ですか？

多くの方が予想するより低い定格です。Vertivはラック内マニホールドを8 bar、Supermicroはホースキットを10 bar、nVentはマニホールドの組立品を150 psiで試験しています。標準的な1000 WOGのステンレス製ボールバルブは、それをはるかに上回ります。圧力クラスが制約になることはまれです。バルブが受け入れられるかどうかを決めるのは、清浄度、熱サイクルを通じた漏れ止め性能、材料の書類です。

ボールバルブで分岐間の流量をバランス調整できますか？

できません。ボールバルブは隔離用の機器です。半開きで保持すると制御性が悪く、ボールの縁が流れの中にある箇所でシートが摩耗します。流量の配分にはバランシングバルブを使い、ボールバルブは全開と全閉の用途に限ってください。この2つの役割は同じマニホールド上で隣り合っていますが、互換性はありません。

まとめ

液冷マニホールドのバルブの数ではクイックディスコネクトが大半を占めますが、保守性を決める部品は普通のものです。各分岐のフルポートのステンレス製ボールバルブ、ループがラックと接続する箇所の冗長な2つ1組の弁、下部の排水、上部のエア抜き、コールドプレートを守るストレーナー、そしてポンプの逆止弁です。いずれも特別なものではありません。機械室の工事よりも清浄度と書類への要求が厳しい、ステンレス製バルブの仕事です。

マニホールド、CDU、またはその周辺配管を製作しており、隔離、排水、ストレーナー、逆止弁の位置を1つの工場でお見積りしたい場合は、図面または仕様をお送りください。お見積りします。