Schnellkupplungen gewährleisten zuverlässige Flüssigkeitskühlsysteme in AI-Rechenzentren

Der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) erhöht die Nachfrage nach Hochleistungsrechenzentren und fortschrittlicher Computerinfrastruktur. Diese Systeme erzeugen erhebliche Wärme, und die Entwickler stellen fest, dass die herkömmliche Konvektions- und Zwangsluftkühlung zunehmend unzureichend ist, um die Anforderungen an das Wärmemanagement zu erfüllen. Für die Rechenzentren der nächsten Generation setzen Entwickler wegen der hocheffizienten Wärmeableitung auf Flüssigkeitskühlung. Die Herausforderung für Entwickler besteht darin, dass Computersysteme skaliert, modifiziert, gewartet und ersetzt werden müssen, ohne dass das Kühlsystem demontiert werden muss.

Ein Teil der Lösung liegt in Anschlüssen für die Flüssigkeitskühlung, die schnell angeschlossen oder getrennt werden können und eine effiziente Kühlung ermöglichen, ohne die Flexibilität bei der Wartung oder die modulare Erweiterbarkeit zu beeinträchtigen. Solche Steckverbinder müssen kompakt, zuverlässig, korrosionsbeständig, leckagefrei und einfach zu bedienen sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen, denen sich die Entwickler von Kühlsystemen für KI-Infrastrukturen gegenübersehen. Anschließend werden schnell trennbare (QD) Steckverbinder von Amphenol zur Flüssigkeitskühlung vorgestellt und es wird gezeigt, wie diese ausgewählt und eingesetzt werden können, um diese Herausforderungen zu meistern.

Schnelltrennkupplung

Bei der Flüssigkeitskühlung für die Elektronik wird ein unter Druck zirkulierendes Kühlmittel verwendet, um elektronische Geräte zu kühlen, die auf Kühlplatten montiert und an externe Wärmetauscher angeschlossen sind. Das erwärmte Kühlmittel verlässt die Kühlplatte und wird zum Wärmetauscher geleitet, wo es abgekühlt und dann wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Wenn mehrere Komponenten gekühlt werden müssen, verteilen Verteiler das Kühlmittel an jede Kühlplatte. Zu den gängigen Kühlmitteln gehören deionisiertes Wasser, Ethylenglykol und Propylenglykol. Diese Kühlmittel sind nicht leitend und verhindern im Falle eines Lecks eine Beschädigung der Leistungselektronik. Jeder Wärmetauscher benötigt sowohl eine Eingangsleitung für das kalte Medium als auch eine Ausgangsleitung für das heiße Medium.

Der knifflige Teil besteht darin, das System so zu konstruieren, dass die Kühlplatte und die elektronische Komponente entfernt werden können, ohne das Kühlsystem zu demontieren. Hier kommen die QD-Steckverbinder ins Spiel (Abbildung 1). Diese universellen blindsteckbaren QD-Steckverbinder (UQD) und -Sockel (UQDB) ermöglichen die Trennung von Kühlmittelleitungen ohne Leckage.

Abbildung 1: Beispiele eines für Flüssigkeitskühlsysteme ausgelegten UQD-Steckverbinders und der zugehörigen UQDB-Buchse zur Veranschaulichung ihres Zusammenwirkens. (Bildquelle: Amphenol)

Diese Steckverbinder sind in verschiedenen Größen, Anschlüssen und Anschlusskonfigurationen erhältlich und helfen Entwicklern bei der Integration von Kühlmittelanschlüssen in einer Vielzahl von Industrie- und Rechenzentrumsarchitekturen. Die UQDB-Buchsen sind so konzipiert, dass sie in geschlossenen Racks ohne Zugang zur Schrankrückseite blind mit dem UQD-Steckverbinder verbunden werden können. Stecker und Buchse werden jeweils an definierten Stellen mit Gewindebolzen auf der jeweiligen Kühlplatte befestigt. O-Ringe dichten den QD-Körper gegen die Montagefläche ab. Jede Kühlplatte hat zwei QD-Anschlüsse: einen für das zugeführte kalte Kühlmittel und einen für das abfließende erwärmte Kühlmittel. Wenn der Server oder ein anderes elektronisches Gerät installiert wird, führt die Buchse mit ihrer konischen Öffnung den Stecker in die richtige Position. Die QD-Anschlüsse sind im Allgemeinen mit Kennzeichnungsringen versehen: blau für kalte Zuleitungen und rot für warme Abflußleitungen.

Diese QD-Stecker verfügen über eine Trockentrennfunktion, die im entkuppelten Zustand gegen Kühlmittellecks abdichtet. Sie enthalten interne Ventile, die während des Einkuppelns geschlossen bleiben, bis die beiden Hälften vollständig ineinander greifen, und sich dann für einen maximalen Kühlmittelfluss öffnen. Bei der Trennung schließen sich die Ventile, bevor die Dichtung gebrochen wird, dichten den Kühlmittelkanal ab und verhindern Leckagen.

Open Compute Project (OCP)

Das Open Compute Project (OCP) ist eine Organisation, die die Vorteile von Open Source und offener Zusammenarbeit auf die Hardwareentwicklung anwendet und so die Innovation in der Computerindustrie beschleunigt. Die Kühlsysteme sind eines ihrer Hauptanliegen. Sie haben die UQD- und UQDB-Spezifikationen veröffentlicht, in denen die Eigenschaften dieser Steckverbinder beschrieben sind.

Die OCP spezifiziert QD-Komponenten in vier Größen: UQD02, UQD04, UQD06 und UQD08 (sowie UQDB02, UQDB04, UQDB06 und UQDB08). Die Zahl in der Bezeichnung gibt den Durchmesser der Flüssigkeitsöffnung an und entspricht 1/8", 1/4", 3/8" bzw. 1/2". Die Flüssigkeitsöffnung bestimmt die maximale Durchflussmenge des Anschlusses.

Eine einzige Quelle für QD-Steckverbinder

Für Entwickler von Flüssigkeitskühlsystemen ist es effizient, eine einzelne zuverlässige Quelle für QD-Verbindungen zu haben.

Amphenol hat eine Reihe von UQD/UQDB-Paaren in einer breiten Palette von OCP-Größen, Montageoptionen und Anschlüssen eingeführt. Sie sind für raue Umgebungen ausgelegt, wie sie in Rechenzentren üblich sind. Das Gehäusematerial für alle Komponenten dieser Produktfamilie ist Edelstahl. Die inneren Komponenten, die dem Kühlmittel ausgesetzt sind, wie z. B. die inneren Federn, sind aus korrosionsbeständigem Edelstahl gefertigt. Sie sind für den Einsatz mit weit verbreiteten Kühlmitteln konzipiert, und alle Komponenten der Serie sind für Betriebsdrücke von 0 bis 87 Pfund pro Quadratzoll (PSI) (0 bis 0,6 Megapascal (MPa)) ausgelegt. Sie können einem maximalen Sicherheitsdruck von 290 PSI (2,0 MPa) standhalten und arbeiten in einem Temperaturbereich von -40°C bis +105°C.

Der UQDBP-02TMU01-N000 (Abbildung 2) zum Beispiel ist ein OCP-konformer (Revision 1.0) UQDB02-Stecker mit einem externen 7/16-20-UNF-Gewindebolzen für den Anschluss und verwendet O-Ring-Dichtungen.

Abbildung 2: Der UQDBP-02TMU01-N000 ist ein OCP-konformer UQDB02-Stecker mit einem Außengewindebolzen für den Anschluss. (Bildquelle: Amphenol)

Der Druck in einem Flüssigkeitskühlsystem ist vergleichbar mit der Spannung in einem elektrischen Stromkreis. Die Durchflussmenge ist das Äquivalent zum Strom. Die Durchflussmenge wird durch den Durchflusskoeffizienten (Cv) beschrieben; je höher der Cv-Wert, desto größer die Durchflusskapazität. Die Trennkupplungen UQDB02/04/06/08 von Amphenol haben Cv-Werte von 0,4, 1,32, 2,11 bzw. 3,83.

Ein Durchflussdiagramm stellt den Druck über der Trennkupplung als Funktion der Durchflussmenge dar (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein typisches Durchflussdiagramm zeigt die Beziehung zwischen Durchfluss und Druckdifferenz über der Trennkupplung für die vier Steckergrößen UQDB02 bis UQDB08. (Bildquelle: Amphenol)

Da die Durchflussmenge proportional mit dem Durchmesser des Anschlusses zunimmt, bestimmt die erforderliche Durchflussmenge die Wahl der Komponente. Beachten Sie, dass der Druck über der Trennkupplung mit zunehmendem Durchfluss steigt.

Bei elektronischen Anwendungen ist es wichtig, das Vorhandensein von Flüssigkeiten in der Umgebung zu minimieren. In diesem Sinne geben die QDs auch den Flüssigkeitsverlust beim Trennen der Verbindung an. Die Steckverbinder UQDB02/04/06/08 von Amphenol haben einen Flüssigkeitsverlust von 0,004, 0,004, 0,006 bzw. 0,01 Milliliter (ml).

Die andere Hälfte des QD-Steckerpaares ist die Blindkupplung UQDBS-02TMU02-N000 (Abbildung 4) mit einem 9/16"-18-UNF-Gewinde.

Abbildung 4: Die UQDBS-02TMU02-N000 ist eine Blindkupplung mit einem 9/16"-18-UNF-Gewinde. (Bildquelle: Amphenol)

Die Serie UQD/UQDB verfügt über einen Verriegelungsmechanismus, der sichere, leckagefreie Verbindungen zwischen den Elementen des Kühlsystems gewährleistet. Der Stecker UQDB02 lässt sich bei einem Druck von Null mit einer Steckkraft von 49 Newton (N) (11,02 Pfund Kraft) in diese Buchse einstecken. Die Steckkraft steigt mit zunehmendem Durchmesser des Steckers (58 N, 60 N bzw. 68 N für UQDB04/06/08).

Ein weiterer alternativer Anschluss ist eine Schlauchtülle zum Anschließen eines Schlauchs an die Steckbuchse, wie sie beim UQDS-02HSH01-L000 verwendet wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die UQDS-02HSH01-L000 ist ein Beispiel für eine UQD02-Steckbuchse mit einem Schlauchanschluss und blauen Kennzeichnungsringen, die anzeigen, dass sie kaltes Kühlmittel führt. (Bildquelle: Amphenol)

Ein Schlauch ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Verbindung der Elemente eines Kühlsystems. Die Schlauchtülle ist für Schläuche mit einem Innendurchmesser von 1/4 Zoll (Zoll) geeignet. Größere Anschlussgrößen in der Serie werden mit größeren Schlauchanschlüssen kombiniert, um angemessene Durchflussraten zu gewährleisten.

Die Kennzeichnungsbänder kennzeichnen, wie bereits erwähnt, ob der Anschluss kaltes oder heißes Kühlmittel führt.

Die Steckbuchsen sind auch mit einem Entriegelungsknopf erhältlich, wie bei der UQDLS-02HSH01-L000 (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Buchse UQDLS-02HSH01-L000 hat einen integrierten Entriegelungsknopf und eine rote Kennzeichnung. (Bildquelle: Amphenol)

Der Entriegelungsknopf erleichtert das Trennen von Stecker und Buchse, die miteinander verbunden sind. Die Buchse mit Druckknopfverriegelung verfügt über einen flachen Knopf, der nicht über das Gehäuse des Steckers hinausragt, so dass er auch bei beengten Platzverhältnissen leicht zugänglich ist. Diese Buchse ist ebenfalls mit einem 1/4-Zoll-Anschluss und einem roten Kennzeichnungsband versehen.

Fazit

KI-Rechenzentren zeichnen sich zunehmend durch eine hohe Leistungsdichte mit modularen Flüssigkeitskühlsystemen aus. Diese Flüssigkeitskühlysteme erfordern versiegelte Trockenkupplungen in verschiedenen Größen und Anschlussoptionen für eine sichere, zuverlässige Kühlung auf engem Raum. Die OCP-kompatiblen UQD- und UQDB-Lösungen von Amphenol erfüllen diese Anforderungen und unterstützen den Dauereinsatz in umwelttechnisch anspruchsvollen Elektronikanwendungen.