液体冷却技術の基礎知識

膨大なデータスループットと計算は、人工知能やビッグデータなどの新興技術であるデータセンターに、前例のないエネルギーと冷却の課題をもたらします。一方では、サーバーなどの IT デバイスの計算およびストレージの電力消費が非常に高く、他方では、データセンターの IT 機器の冷却に使用される電力消費も急速に増加しています。
CCIDコンサルティングの統計によると、2019年に中国のデータセンターのエネルギー消費量の約43％がIT機器の冷却に使用されており、これは基本的にIT機器自体のエネルギー消費量の45％に相当します。データセンターの運用コストを抑制し、エネルギー消費量を削減し、環境に優しいデータセンターを構築するには、放熱の電力消費を削減することが不可欠です。

個々のキャビネットの電力密度の増加に伴い、従来の空冷では放熱のニーズを満たすことができなくなり、液体冷却技術が登場しました。

液体冷却の放熱とは何ですか?

液体冷却とは、冷媒として空気の代わりに液体を使用し、電子部品の加熱用の熱を交換して熱を除去する技術を指します。

液体冷却の放熱はどのように分類されますか?
一般的に、業界では液体冷却を直接冷却と間接冷却に分けます。現在、直接冷却は主に浸漬液体冷却技術によって実現されており、相変化と非相変化の2種類に分けられます。間接冷却は主にコールドプレート液体冷却技術によって実現されます。

浸漬液冷却
発熱体を冷却剤に直接浸し、液体の循環を利用して、サーバーなどの機器の動作によって発生する熱を取り除きます。浸漬液冷却は、典型的な直接接触液冷却です。発熱体と冷却剤が直接接触するため、放熱効率が高く、騒音が低くなります。

浸漬液冷却システム全体は、屋内側循環と屋外側循環の 2 つの部分に分けられます。

室内側循環プロセスでは、冷媒は密閉チャンバー内で加熱装置と熱交換し、加熱装置から熱を吸収して加熱され、沸騰して冷媒ガスを形成します。冷媒ガスは、液体冷却熱交換モジュール（CDM）内で室外の低温水と熱交換し、凝縮と冷却の2つのプロセスを経て低温冷媒となり、再び密閉チャンバー内に戻ってサイクルを形成します。相変化浸漬液体冷却チャンバーの内部循環における熱伝達は、主に冷媒の相変化によって実現されます。

屋外循環では、低温水が液体冷却熱交換モジュールで気体冷媒が運ぶ大量の熱を吸収して高温水になり、循環水ポンプによって屋外冷却塔に投入されます。冷却塔では、高温水が大気と熱交換して熱を放出し、低温水になり、屋外側入口水ポンプによってCDMに輸送され、気体冷媒と熱交換して屋外循環が完了します。室外循環での熱伝達は、主に水温の上昇と下降によって行われます。

浸漬液冷却は二相液冷却と単相液冷却に分けられ、放熱方法は乾式冷却器と冷却塔を使用することができます。

二相液体冷却
冷却剤は循環放熱中に相転移を起こします。二相液体冷却の熱伝達効率は高くなりますが、制御は比較的複雑です。相変化の過程で圧力が変化するため、容器に高い要件が求められ、使用中に冷却剤が汚染されやすくなります。

単相液体冷却
冷媒は循環放熱プロセス中は常に液体状態を維持し、相変化を起こしません。そのため、冷媒の沸点が高くなければなりません。これにより、冷媒の蒸発と損失を比較的簡単に制御でき、IT機器コンポーネントとの互換性も良好です。ただし、2相液体冷却と比較すると、効率は低くなります。実際のアプリケーションシナリオに応じて、乾式冷却器または冷却塔を使用して放熱することができます。

コールドプレート液体冷却
液冷式冷却プレートをサーバーのメイン加熱装置に固定し、冷却プレートを流れる液体を利用して熱を運び去り、放熱の目的を達成します。液冷式冷却プレートは、サーバー内の高発熱コンポーネントの放熱を解決しますが、他のヒートシンクコンポーネントも空冷に依存しています。そのため、コールドプレート液冷を使用するサーバーは、ガス-液体デュアルチャネルサーバーとも呼ばれます。コールドプレート内の液体は冷却対象装置と接触せず、中間に熱伝達プレートが使用されているため、安全性が高くなります。

スプレー液体冷却
シャーシの上部には液体が貯められ、穴が開けられています。発熱体の位置と発熱量に応じて、冷却液を発熱体に噴霧することで機器の冷却の目的を達成します。噴霧された液体は冷却対象装置に直接接触するため、高い冷却効率が得られます。

しかし、噴霧プロセス中に、液体は高温の物体に遭遇すると漂い、蒸発します。ミスト滴とガスがシャーシ穴の隙間に沿ってシャーシの外側に放出され、コンピュータルームの環境の清浄度が低下したり、他の機器に影響を与えたりします。

一般的な冷却剤は何ですか?

水
液体冷却は最も直接的でコスト効率に優れています。水は絶縁体ではないため、間接接触液体冷却にのみ使用できます。漏れが発生すると、サーバーなどの IT 機器への損傷は極めて致命的になります。

鉱油
鉱油もコスト効率に優れた冷却剤です。単相鉱油は無毒、無臭、揮発しにくい性質があります。粘度が高く、機器の表面に残留物を形成しやすいです。発火点は高いですが、特定の条件下では燃焼する可能性があります。

電子フッ素化ソリューション
最大の特徴は断熱性と不燃性です。液体冷却技術はデータセンターで最も安全な選択肢です。現在、最も広く使用されています。ただし、価格は高いです。

熱伝導流体
熱伝導性流体は、無毒、絶縁性、高沸点、非腐食性の特殊液体で、電子部品を液体に浸すことで空気から隔離します。酸化反応を回避するだけでなく、清潔さと無塵性を実現し、電子部品の耐用年数を大幅に延ばします。

従来の空冷と比較して、液体冷却の利点は次のとおりです。

より高い放熱効率：液体冷却技術は、機器の温度をより効果的に下げ、機器の性能と寿命を向上させることができます。液体は空気よりも熱伝導率が優れているため、液体冷却は機器によって発生した熱を素早く除去できます。

低ノイズ:ファンによって発生する騒音と比較すると、液体冷却は騒音が少なく、より静かな作業環境を提供します。

より柔軟な設計:液体冷却技術はより柔軟に設計できるため、ラジエーターと液体パイプラインをさまざまな位置に設置でき、機器の設計要件により適切に適応できます。

より環境に優しい：液体冷却はエネルギーを節約し、環境への影響を軽減します。ファンによって生成される熱と比較すると、液体はより簡単にリサイクルできます。

液体冷却技術の欠点は、コストが高く、メンテナンスコストが高く、設計が複雑になることです。しかし、電子機器の性能が向上し続けるにつれて、放熱の問題がますます顕著になり、液体冷却技術は将来、電子機器を冷却する主流の方法の 1 つになるでしょう。

液体冷却技術の応用：

液体冷却技術は、次のような放熱を必要とするさまざまな電子機器に適用できます。

高性能コンピューティング: 高性能コンピューターは、大量のデータと複雑なコンピューティング タスクを処理する必要があり、大量の熱が発生します。液体冷却テクノロジーは、コンピューターの温度をより効果的に下げ、パフォーマンスと安定性を向上させることができます。

データ センター: データ センターは大量のデータとネットワーク トラフィックを処理する必要があり、大量の熱が発生します。液体冷却技術により、サーバーの温度をより効果的に下げ、パフォーマンスと安定性を向上させることができます。

人工知能: 人工知能は大量のデータと複雑なコンピューティングタスクを処理する必要があり、大量の熱が発生します。液体冷却技術は、人工知能デバイスの温度をより効果的に下げ、パフォーマンスと安定性を向上させることができます。

ゲーム用コンピューター: ゲーム用コンピューターは、多数のグラフィックスおよびコンピューティング タスクを処理する必要があり、大量の熱を発生します。液体冷却技術により、ゲーム用コンピューターの温度をより効果的に下げ、パフォーマンスと安定性を向上させることができます。

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