データセンターの電力密度は、従来の検索の 10 倍の電力を必要とする AI ワークロードによって、ラックあたり 4 kW から 12 ～ 30 kW 以上に急増しました。従来の空冷ではこれらの熱負荷に対応できなくなったため、液体冷却が望ましいだけでなく、不可欠最新の GPU および CPU クラスター向け。
なぜ液体冷却が主流なのか
液体冷却剤は空気の 1,000 倍以上の熱を運び、エネルギー消費、水の使用量、騒音、運用コストを削減します。単相と二相の直接チップ システムという 2 つの主要なアーキテクチャが登場しており、それぞれに異なるエンジニアリング上の考慮事項があります。
単相システム
Single-phase systems circulate water-glycol mixtures or deionized water through cold plates mounted directly on processors. The coolant absorbs sensible heat without changing phase, requiring cooling distribution units (CDUs) and facility water loops with chillers and cooling towers.
主な特徴:
- 冷却水は熱を吸収することで温度が上昇します
- より大きな体積流量が必要
- よく理解されたインフラストラクチャとメンテナンス
- ハイパースケール導入における実証済みの実績
二相システム
二相システムは、冷媒の相変化中に潜熱を利用し、制御された沸騰によって均一なチップ温度を維持します。液体冷媒はコールドプレートに流れ、そこで蒸発し、蒸気として凝縮器に戻ります。
利点:
- チップ表面の優れた熱均一性
- システム重量の軽減と配管の簡素化
- Minimal water consumption (near-zero in many climates)
- 優れた熱性能/コスト比
- 効率的な熱伝達によるポンピングパワーの低減
冷媒の選択: 技術的なトレードオフ
二相システム用の冷媒の選択にはバランスが必要です安全性、環境への影響、とシステム設計要件。
安全性の分類
A1冷媒 (non-flammable) avoid restrictions imposed on A2L (mildly flammable) options, simplifying compliance and reducing training requirements. R-1233zd(E) and R-1336mzz(Z) achieve A1 classification with GWP values of 1-2, representing 97-99% reductions versus older refrigerants.
システム設計のプレッシャー
動作圧力はコンポーネントのコストと信頼性に直接影響します。
| 冷媒 | 設計圧力 | アプリケーションノート |
|---|---|---|
| R-513A、R-1234yf | 325 ～ 350 psig | R-134a システムと同様 |
| R-1234ze(E), R-515B | 250 ～ 275 psig | 中程度の減圧 |
| R-1233zd(E), R-1336mzz(Z) | 70 ～ 80 psig | 非常に低い圧力、大量の蒸気量 |
体積流量に関する考慮事項
Low-pressure refrigerants enable smaller liquid-side components but require 3-6× larger vapor return piping compared to R-134a-like options. At 70°F, R-1336mzz(Z) needs 9.86 ft³/min vapor flow per ton versus 1.43 ft³/min for R-134a.
デザインの意味:より低い圧力定格によるコスト削減と、リターンマニホールドの大型化および圧力降下の感度の向上を比較検討する必要があります。
規制の状況
PFAS 規制は二相冷却システムに影響を与えるため、積極的な冷媒戦略と潜在的なオペレーターの認定が必要です。エンジニアはシステムを指定する際に、ANSI/ASHRAE Standard 34 の更新と EPA SNAP 承認を監視する必要があります。
ホース、チューブ、接続の設計
コンポーネント間の柔軟な接続は、二相システムの厳しい要件に直面します。
材料の選択基準
透過性:気相冷媒はホースの壁を通って移動する可能性があります。バリア層は損失を最小限に抑えますが、柔軟性が低下します。
圧力定格：3:1 ～ 4:1 の設計係数により、破裂圧力が最大使用圧力を超えることが保証されます。
流体の適合性:材料は抽出や劣化に耐えなければなりません。ポリクロロプレン、NBR、HNBR、PTFE、ポリアミド、PPS は、R-513A、R-515B、およびその構成成分との適合性が証明されています。
寸法:内径は圧力損失と熱伝達に影響します。外径によって、高密度サーバー ラックの占有スペースが決まります。
ゴムと熱可塑性プラスチック
ゴムホース (EPDM, nitrile, polychloroprene) offers superior flexibility, tight bend radius, and simple barb connections with low assembly force.
熱可塑性プラスチック options (polyamide, PTFE, PFA) provide better chemical resistance, lower permeation, and thinner walls but may require O-ring seals and higher assembly forces.
クイックディスコネクトカップリング
QD ドライ ブレーク カップリングにより、システムをシャットダウンせずにサーバーのホットスワップが可能になります。重要なパフォーマンス指標には次のものが含まれます。
- 必要な流量での低い圧力損失
- 接続時の流体損失と空気混入を最小限に抑える
- コンパクトな長さでラックの柔軟性を実現
- 高真空能力
- 工具不要の操作
持続可能性への影響
従来のデータセンターは年間数十億リットルの水を消費しており、2桁の増加が予測されています。二相システムはほとんどの水の消費を排除し、持続可能な冷却インフラへの明確な道筋を提供します。
実施ガイダンス
チップへの直接冷却を指定する場合:
- 冷却アーキテクチャをラック密度に合わせます。空冷は 12 kW/ラック未満でも引き続き実行可能です。単相 12 ～ 30 kW。極度の密度向けの二相
- A1冷媒を優先コンプライアンスと運用要件を簡素化するため
- システム圧力とコンポーネントのサイズのバランスをとる– 超低圧冷媒はコストを一部削減しますが、蒸気配管が複雑になります。
- 材料の適合性を評価するシールやガスケットを含む流体ループ全体にわたって
- 保守性を考慮した設計クイックディスコネクトカップリングとアクセス可能なマニホールド付き
