温度連鎖

温度連鎖とは、温度、熱、エネルギーの連鎖またはカスケードを意味します。^[1]

温度連鎖は、マンチェスターで行われたデータセンター変革^[2]において、Asperitas社^[3]が未来のデータセンター構想の一環として新しい概念として導入した。^[4]これは、データセンターでの電力消費を使用可能な熱に変換する方法である。この概念は、データセンター内の水ベースの冷却回路で高い温度差を生み出すことに基づいている。前提として、データセンター内のすべてのシステムに、温度の異なる複数の段階に分かれた共有の水インフラストラクチャを装備できる。異なる温度は、単一の並列回路ではなく、温度許容度の異なるさまざまな液体冷却技術を直列冷却セットアップで設定することで実現される。これにより、少ない水量で高い温度差が作り出される。その結果、再利用者に一定温度の水を供給できるデータセンター環境が実現し、施設は電気エネルギーの消費者から熱エネルギーの生産者へと変化する。

温度またはエネルギー連鎖は、油圧設計によりリターンループとシリアルヒーターが可能な暖房システムに適用されます。^[5]

温度連鎖原理はカスケード回路を採用した冷凍システムでも使用されている。^{[6] [7]}

アムステルダム経済委員会は、柔軟性を高め、地域ネットワークを将来にわたって使用できるようにするために熱カスケードを採用する第4世代の地域暖房ネットワークを発表しました。^[8]

データセンターでは、重要なIT負荷に対する従来のアプローチは冷却です。温度連鎖は、ITが熱源であるという基本的な前提に基づいて機能します。この熱を収集するために液体冷却が使用され、これによりデータセンターに 油圧加熱設計^[5]を適用できるようになります。

データセンターの空きスペースに水を導入することは、専用に構築されたセットアップ内で最も効果的です。つまり、データセンターの設計では、すべての熱エネルギーを水で吸収することに重点を置く必要があります。これには、データセンターの種類に関係なく、データセンターとプラットフォームのサービス全体を可能にするために、さまざまな液体ベースのテクノロジーが共存するハイブリッド環境が必要です。

データセンターに液冷 IT を導入すると、データセンターの設置面積をより効率的に利用したり、削減したりできるようになります。つまり、既存の施設をより有効に活用して、より多くの IT を活用できるということです。

液体の熱容量が大きいため、IT 環境の密度が高まり、IT 容量も大きくなります。ほとんどの液体技術では、IT 自体の効率が向上します。これは、IT シャーシ内の空気処理への依存が減るかなくなることによって実現します。個々のコンポーネントはより効率的に冷却されるため、より多くのエネルギーを消費し、互いに近づけて使用できます。液体が IT スペースに侵入すると、内部ファンが減るか完全になくなるため、エネルギーが節約されます。これにより、施設内の緊急電源要件も減ります。

液体冷却技術は、大まかに言って、室内、ラックまたはチップレベルでの冷却、および浸漬の 4 つのカテゴリに分類できます。

コンピュータ ルームの空調またはエア ハンドラー (CRAC/CRAH) は水冷式にすることができます。

間接液体冷却（ILC）^[9]には、（アクティブ）リアドア付きの水冷ラック、または水冷式のインロー熱交換器が含まれます。アクティブリアドアの利点は、空冷式ITからの熱がすべてラックから出るとすぐに水回路に吸収されるため、部分的なILC実装でもCRACが不要になることです。これにより、冷却システムが非常に効率的になり、換気を補助することでIT自体の限られた効率をサポートします。

直接液体冷却（DLC）^[10]は、従来のヒートシンクの代わりにチップに直接取り付けられた冷却プレートとポンプを組み合わせた専用の冷却器を使用して、IT部品を効果的に冷却します。これにより、ファンのエネルギー量が削減されるため、IT側のエネルギー効率が向上します。水回路はシャーシ内の最大の熱源からの熱をすべて捕捉しますが、このアプローチでは、残りのITコンポーネントからの熱エネルギーを排除するために、CRACユニットまたはILCとの組み合わせが必要になる場合があります。

完全液体冷却（TLC）^[11]は、ITコンポーネントを完全に液体に浸します。エネルギー損失はほとんどなく、IT機器のエネルギー効率が非常に高くなり、ITによる運動エネルギー（ファン）の使用がなくなります。水は電気を伝導するため、強制または対流による熱伝達を必要とする中間誘電体が必要です。この誘電体は、油または化学ベースのものがあります。このアプローチにより、インフラストラクチャと電力の利点が最大化され、エネルギーフットプリントが完全に最適化されます。

すべての人に 1 つのソリューションというものは存在しないため、プラットフォームはさまざまな要素に最適なテクノロジーを使用して設計する必要があります。したがって、プラットフォームの各部分は、最適化されたテクノロジーを組み合わせて設定する必要があります。たとえば、ストレージ環境は、エネルギー生成量が少なく、可動部品に依存することが多いため、液体で直接冷却するのに最も適していません。これらは水冷ラックに設定できます。メンテナンスが最小限で済む大量のサーバーは、完全液体冷却環境に配置するのが最適です。継続的な物理アクセスを必要とするさまざまな専用サーバー システムは、直接液体冷却環境に配置するのが最適です。

各テクノロジーを温度チェーン シナリオに適用するための前提条件は、独自の冷却インフラストラクチャに対する制御レベル ( PLCによる) と、継手と液体の互換性という意味での互換性です。

ハイブリッド モデルを採用することで、システムを温度の異なる冷却回路のさまざまな部分に接続できます。各液体技術には、異なる温度許容範囲があります。特に液体がシャーシに浸透する場所では、温度の安定性があまり問題になりません。したがって、さまざまな技術を許容範囲の最適な順序で設定して、冷却回路内で温度を段階的に上昇させることができます。

これは、水インフラストラクチャがセグメント化されることを意味します。並列インフラストラクチャの各冷却装置に給水する代わりに、異なるテクノロジーまたはインフラストラクチャの異なる部分の入口が、インフラストラクチャの別の部分の戻り回路に接続されます。本質的には、液体冷却ラックの出力は、冷却設備ではなく、異なるタイプの液体冷却環境にルーティングする必要があります。セグメント化された液体回路を大規模な環境で連鎖させることにより、非常に高い戻り温度を実現できます。これにより、熱エネルギーの実用的かつ効果的な再利用が可能になり、大規模な熱再利用を実現可能なオプションにするために必要な投資が削減されます。

さまざまな液体技術をさまざまな温度レベルで適用できます。通常の最適化された環境と、ソリューションや IT 機器が高温での動作に適合しているか、高温での動作に特化している「極端な」環境との間には違いがあります。

液体温度チェーンは、温度範囲の異なる中間冷却回路を採用することで実装できます。セグメント化された環境は、供給ループと戻りループ、混合バルブ、バッファー タンクに接続して、各セグメントの戻り温度と量を安定させ、最適化できます。

この戦略の主な利点は、冷却回路内の温度差 (dT) を大幅に増加できることです。これにより、施設に必要な液体の量が減り、冷却オーバーヘッド設備が削減されます。

結局のところ、小さな dT を大量の水で冷却するよりも、大きな dT を少量の水で冷却する方がはるかに効率的です。

この例では、温度連鎖の概念と、さまざまな液体技術がこの概念にどのように適合するかを説明するために、最適化された液体インフラストラクチャについての洞察のみを提供します。簡素化のため、冗長なシナリオは概説されていません。さまざまなステージ内の容積と圧力の側面に対処するための戻りループ、バッファー タンク、および中間ポンプについては詳しく説明しません。

オープン サーキット熱再利用インフラストラクチャは、これまでで最も持続可能なインフラストラクチャです。この状況では、データ センターは特定の温度の水を受け取り、IT 機器によって生成されたすべての熱がこの水回路を通じて別のユーザーに提供されます。つまり、施設は熱を排出するだけでなく、熱を含む水も排出し、外部の当事者が温められた液体を輸送して使用できるようにします。これにより、冷却設備が完全になくなり、データ センターは実質的に大型の給湯器のように機能します。水がデータ センターに流れ込み、高温で排出されます。

このセットアップの ILC ラックは、部屋全体の温度を維持し、DLC および TLC 環境からの熱エネルギーの漏れをすべて吸収するエアハンドラーとして効果的に機能します。

設置面積が小さい場合は、混合バルブとバッファ タンクを備えた小さな水回路を作成することで温度チェーンを実現できます。これにより、液体設備の出力を冷却入力に戻すことができ、冷却回路を徐々に増加させて一定の高い出力温度を実現できます。これは多段階アプローチではありませんが、一定の入力または出力温度を実現するための一般的で実績のある方法です。

このアプローチの利点は、乾式冷却設備で一般的な可変入力温度との互換性です。