การเลือกใช้วัสดุสำหรับท่อระบายความร้อนด้วยของเหลวในศูนย์ข้อมูล—การวิเคราะห์เชิงสถานการณ์ของโลหะ อีลาสโตเมอร์ และโพลิเมอร์

บทนำ: ความท้าทายด้านการวางระบบท่อในยุคปัญญาประดิษฐ์

ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวกำลังกลายเป็นแนวทางสำคัญในการแก้ปัญหาคอขวดด้านการจัดการความร้อนและประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบประมวลผล AI ความหนาแน่นสูง กำลังไฟต่อแร็คเพิ่มขึ้นจากช่วง 10-20 กิโลวัตต์แบบดั้งเดิมไปเป็นมากกว่า 50 กิโลวัตต์ โดยบางสถานการณ์ที่มีความหนาแน่นสูงมากอาจเกิน 100 กิโลวัตต์ ในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นเย็น ท่อมีหน้าที่หลักในการขนส่งและกระจายสารหล่อเย็น และการเลือกใช้วัสดุของท่อส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของระบบในระยะยาว ระยะเวลาในการก่อสร้าง และต้นทุนการดำเนินงาน

ความซับซ้อนของการเลือกใช้วัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวพัฒนาจากระบบวงปิดแบบง่ายๆ ไปสู่สถาปัตยกรรมหลายระดับที่เกี่ยวข้องกับสารหล่อเย็นที่หลากหลาย ช่วงอุณหภูมิ และข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน ปัจจุบัน แนวทางปฏิบัติของอุตสาหกรรมสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวได้ยอมรับวัสดุขั้นสูงหลายชนิดว่าเป็นส่วนประกอบที่สัมผัสกับของเหลวที่เหมาะสม ซึ่งสนับสนุนการนำโซลูชันประสิทธิภาพสูงมาใช้ในวงกว้างมากขึ้นในแอปพลิเคชันการระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูลยุคใหม่

บทความนี้จะตรวจสอบวัสดุหลักสามประเภท ได้แก่ โลหะ อีลาสโตเมอร์ และพอลิเมอร์วิศวกรรม โดยวิเคราะห์จุดแข็ง ข้อจำกัด และสถานการณ์การใช้งานที่เหมาะสมที่สุดของแต่ละประเภท โดยอิงจากแนวทางการปฏิบัติทางวิศวกรรมในปัจจุบันและมาตรฐานที่กำลังเกิดขึ้นใหม่

เหล็กกล้าไร้สนิม: วัสดุใช้งานดั้งเดิมที่ทนทาน

เหตุใดสแตนเลสจึงยังคงเป็นมาตรฐานพื้นฐาน

ท่อสแตนเลสเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมานานสำหรับโครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูล เนื่องจากมีความแข็งแรงทางโครงสร้างสูง ทนแรงดันได้ดี และมีเทคโนโลยีที่พัฒนามาอย่างยาวนาน ในท่อภายในของ CDU นั้น เหล็กกล้าไร้สนิม 316L ถูกใช้เป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับงานทั่วไปส่วนใหญ่ เนื่องจากเข้ากันได้ดีกับน้ำปราศจากไอออนและส่วนผสมของน้ำและไกลคอล อายุการใช้งานที่ออกแบบไว้ของวัสดุนี้อยู่ที่ 70-100 ปีภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ทำให้เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญยิ่งยวด

อุตสาหกรรมได้พัฒนามาตรฐานและแนวปฏิบัติที่ครอบคลุมเกี่ยวกับท่อสแตนเลส ASME B31.3 เป็นกรอบการออกแบบ โดยมีขั้นตอนการเชื่อมที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ASME IX หรือ EN ISO 15614 สำหรับการใช้งานในระดับไฮเปอร์สเกล ประมาณ 90% ของข้อต่อจะเชื่อมด้วยวิธีการเชื่อมแบบวงโคจร ซึ่งให้รอยเชื่อมที่ทำซ้ำได้ ทะลุทะลวงเต็มที่ และใช้ก๊าซในการไล่แก๊ส

304 เทียบกับ 316L: การตัดสินใจที่สำคัญ

การเลือกใช้ระหว่าง 304 และ 316L เป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่สำคัญซึ่งมีผลกระทบในระยะยาว สำหรับสารหล่อเย็นที่เป็นน้ำ (น้ำ สารละลายไกลคอล) โดยทั่วไปแล้วแนะนำให้ใช้ 304 (06Cr19Ni10) เป็นมาตรฐานพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์หรือของเหลวที่มีฟลูออรีน/น้ำมันแร่ จำเป็นต้องใช้ 316L (022Cr17Ni12Mo2) หรือเกรดที่สูงกว่า

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญ เพราะแม้แต่ความไม่เข้ากันของวัสดุเพียงเล็กน้อยก็อาจนำไปสู่การลดประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากการเกิดตะกอน การเกิดก๊าซ หรือการกัดกร่อนของพื้นผิว ในระบบระบายความร้อนโดยตรงสู่ชิป ซึ่งไมโครแชนเนลมีความไวต่อการปนเปื้อนของอนุภาคสูง ผลที่ตามมาจากการเสื่อมสภาพของวัสดุอาจรุนแรงมาก

ต้นทุนแฝงของระบบโลหะ

แม้ว่าท่อสแตนเลสจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อจำกัดที่เห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นในการใช้งานที่มีความหนาแน่นสูง:

วัสดุอีลาสโตเมอร์: EPDM และ PTFE สำหรับการเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น

EPDM: ยางอีลาสโตเมอร์ที่ใช้งานได้หลากหลายและทนทาน

สำหรับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นเย็นที่ใช้น้ำและไกลคอลทั่วไป EPDM (เอทิลีนโพรพิลีนไดอีนโมโนเมอร์) เป็นอีลาสโตเมอร์ที่นิยมใช้มากที่สุด ข้อดีหลักๆ ของมันได้แก่ ความทนทานต่อการเสื่อมสภาพและการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม ช่วงอุณหภูมิการใช้งานโดยทั่วไปตั้งแต่ -40°C ถึง +120°C และต้นทุนที่ควบคุมได้ค่อนข้างง่าย

EPDM ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับข้อต่อแบบยืดหยุ่น ซีล และท่ออ่อนที่ต้องการการรองรับการเคลื่อนไหว การทดสอบความเข้ากันได้ของวัสดุแสดงให้เห็นถึงความเสถียรของ EPDM กับสารหล่อเย็นที่ใช้กันทั่วไป ช่วยลดความเสี่ยงของการเสื่อมสภาพและรับประกันความเสถียรทางเคมีในช่วงระยะเวลาการใช้งานที่ยาวนาน EPDM ที่บ่มด้วยเปอร์ออกไซด์นั้นแนะนำเป็นพิเศษสำหรับเครือข่ายของเหลวในศูนย์ข้อมูล เนื่องจากมีความทนทานมากกว่าเมื่อเทียบกับชนิดที่บ่มด้วยกำมะถัน

PTFE: โซลูชันประสิทธิภาพสูง

สำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีของเหลวฟลูออริเนตแบบจุ่ม การใช้งานที่อุณหภูมิสูง และความต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนานในด้านซูเปอร์คอมพิวเตอร์และการประมวลผล AI ความหนาแน่นสูง PTFE (โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน) เป็นตัวเลือกมาตรฐานในอุตสาหกรรม ท่อระบายความร้อนแบบลูกคลื่น PTFE ที่ได้รับการดัดแปลงสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิที่กว้างตั้งแต่ -60°C ถึง +260°C โดยมีการเสื่อมสภาพที่ช้าลงและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น

FEP (ฟลูออริเนตเต็ดเอทิลีนโพรพิลีน) ซึ่งเป็นฟลูออโรพอลิเมอร์ที่เกี่ยวข้อง มีข้อดีเพิ่มเติม ได้แก่ เสถียรภาพทางเคมีที่ดีเยี่ยม จุดหลอมเหลวสูง อุณหภูมิใช้งานตั้งแต่ -85°C ถึง 200°C และคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่โดดเด่น นิยมใช้สำหรับการเชื่อมต่อ RCM กับเซิร์ฟเวอร์ในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบแผ่นเย็น

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของฟลูออโรโพลิเมอร์อยู่ที่ความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม ยกเว้นปฏิกิริยากับธาตุฟลูออรีนที่อุณหภูมิสูง โลหะอัลคาไลหลอมเหลว และคลอรีนไตรฟลูออไรด์ พวกมันจะไม่เกิดการกัดกร่อนเมื่อสัมผัสกับสารเคมีอื่นๆ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสารหล่อเย็นที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและข้อกำหนดด้านอายุการใช้งานที่ยาวนาน

โพลิเมอร์เชิงวิศวกรรม: เส้นทางที่สามที่กำลังเกิดขึ้น

PVDF: การรับรู้ที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก OCP

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการนำโพลิเมอร์มาใช้เกิดขึ้นเมื่อ GF ได้รับการรับรอง OCP Inspired™ สำหรับท่อจ่ายของเหลวแบบติดตั้งในแร็คที่ทำจาก PVDF สำหรับการระบายความร้อนด้วยของเหลวโดยตรงไปยังชิป ซึ่งเป็นท่อจ่ายของเหลวที่ทำจากโพลิเมอร์ชิ้นแรกที่ได้รับการรับรองนี้ภายในโครงการ Open Compute Project

ท่อจ่ายสารหล่อเย็น PVDF ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับสภาพแวดล้อมการจัดการความร้อนที่ต้องการความบริสุทธิ์ของสารหล่อเย็น ความต้านทานการกัดกร่อน และความน่าเชื่อถือในระยะยาว แตกต่างจากท่อจ่ายสารหล่อเย็นโลหะทั่วไป โซลูชันนี้ใช้การออกแบบโพลีเมอร์ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการกระจายการไหลที่สม่ำเสมอทั่วทุกพอร์ตทางออก ช่วยรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เสถียรและทำซ้ำได้ทั่วทั้งแร็ค โครงสร้าง PVDF ที่มีน้ำหนักเบายังช่วยให้การทำงานปราศจากการกัดกร่อนและการรวมเข้ากับระบบทำได้ง่ายขึ้นด้วยตัวเลือกการเชื่อมต่อและการติดตั้งที่ยืดหยุ่น

ท่อจ่ายสารทำความเย็นแต่ละชุดได้รับการออกแบบตามสั่งโดยคำนึงถึงความต้องการเฉพาะของลูกค้า ทั้งในด้านแร็คและระบบระบายความร้อน และผ่านการทดสอบแรงดัน 100% ก่อนส่งมอบ แนวคิดของท่อจ่ายสารทำความเย็นนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วจากการใช้งานจริงในศูนย์ข้อมูลหลายแห่งทั่วทวีปอเมริกา ยุโรป และเอเชียแปซิฟิก

เหตุใดระบบโพลิเมอร์จึงได้รับความนิยมมากขึ้น

ข้อดีทางด้านวิศวกรรมของท่อโพลีเมอร์นั้นไม่ได้จำกัดอยู่แค่การรับรองมาตรฐาน OCP เท่านั้น:

ขอบเขตการใช้งาน

ท่อโพลีเมอร์ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อทดแทนท่อโลหะโดยสมบูรณ์ ขอบเขตการใช้งานควรพิจารณาจากสภาพการใช้งานเป็นหลัก:

หลักการจับคู่วัสดุแบบหลายชั้น

แนวทางปฏิบัติในอุตสาหกรรมปัจจุบันใช้แนวทางการจับคู่วัสดุแบบเป็นชั้น โดยตระหนักว่าระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแต่ละระดับมีสภาวะการทำงานและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน:

แนวโน้มการนำโพลิเมอร์มาใช้ได้รับการสนับสนุนจากระบบนิเวศของ OCP ที่ให้การสนับสนุนโครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนด้วยของเหลวที่สามารถทำงานร่วมกันได้และรองรับผู้จำหน่ายหลายราย ผ่านอินเทอร์เฟซมาตรฐานและแนวทางการใช้วัสดุที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว แนวทางปฏิบัติของอุตสาหกรรมยอมรับโพลิเมอร์ขั้นสูงหลายชนิดว่าเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่จะใช้กับของเหลว ซึ่งสนับสนุนการนำเทคโนโลยีโพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงมาใช้ในวงกว้างมากขึ้นในการระบายความร้อนของศูนย์ข้อมูลรุ่นใหม่

บทสรุป

การเลือกวัสดุสำหรับท่อระบายความร้อนด้วยของเหลวไม่ได้จำกัดอยู่แค่เพียงโลหะและวัสดุทางเลือกอีกต่อไปแล้ว วัสดุที่มีให้เลือกหลากหลายมากขึ้น ตั้งแต่สแตนเลส (304, 316L) ไปจนถึงอีลาสโตเมอร์ (EPDM, PTFE, FEP) และโพลิเมอร์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรม (PVDF, HDPE, PP-H) ทำให้วิศวกรมีตัวเลือกมากมายในการเลือกวัสดุให้ตรงกับความต้องการด้านประสิทธิภาพและสภาวะการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง

หัวใจสำคัญคือการเข้าใจว่าไม่มีวัสดุใดวัสดุหนึ่งที่เหมาะสมที่สุดสำหรับทุกการใช้งาน การที่ OCP รับรองท่อร่วม PVDF แสดงให้เห็นถึงการสนับสนุนที่สำคัญจากอุตสาหกรรมต่อโซลูชันโพลีเมอร์ แต่ระบบโลหะยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูง อุณหภูมิสูง และมีฤทธิ์กัดกร่อนทางเคมี อนาคตน่าจะอยู่ที่แนวทางแบบไฮบริดที่ผสมผสานจุดแข็งของวัสดุแต่ละประเภท โดยนำไปประยุกต์ใช้ตามความต้องการเฉพาะของแต่ละระดับภายในโครงสร้างการระบายความร้อนด้วยของเหลว