Jedes flüssigkeitsgekühlte Rechenzentrum ist, unterhalb der Server, ein Rohrleitungsprojekt. Das Kühlmittel muss verteilt, abgetrennt, ausgeglichen, abgelassen und gewartet werden – und die Komponenten, die dies ermöglichen, sind Ventile. Dieser Leitfaden erläutert, wo Kugelhähne in einem Flüssigkeitskühlkreislauf eines Rechenzentrums zum Einsatz kommen, warum Edelstahl das Standardmaterial für den Körper von Ventilen im Kühlmittelbetrieb ist und wie Ventiltyp, Sitz und Anschlussform auf die einzelnen Teile des Systems abgestimmt werden – von der Wasserseite der Anlage bis hinunter zur Kühlmittelverteilungseinheit (CDU).
Wir schreiben dies aus der Perspektive des Lieferanten: Wir sind ein in Taiwan ansässiger Hersteller, der seit 1999 Edelstahl-Kugelhähne produziert, darunter auch Ventile für Produktionslinien in Halbleiterwerken, in denen für die Wasserreinheit und den Korrosionsschutz sehr ähnliche Vorschriften gelten wie bei Kühlmittelkreisläufen.
Warum KI-Server den Umstieg auf Flüssigkeitskühlung erzwingen
Luftkühlung ist nicht mehr praktikabel, sobald die Leistungsaufnahme des Racks den Wert überschreitet, den Lüfter und raumseitige Lüftungsanlagen abführen können – und Racks für das KI-Training haben diesen Punkt bereits weit überschritten. Flüssigkeit leitet Wärme weitaus effizienter ab als Luft, weshalb Betreiber auf „Direct-to-Chip“-Kühlplatten und in manchen Ausführungen auf Volltauchkühlung zurückgreifen. Branchenrichtlinien für diese Systeme werden veröffentlicht von Der Datacom-Ausschuss der ASHRAE und die Open Compute Project, und beide betrachten den Kühlkreislauf als feste Infrastruktur und nicht als Nachrüstlösung. Das Lawrence Berkeley National Laboratory Programm zur Steigerung der Effizienz von Rechenzentren verfolgt denselben Wandel aus energetischer Sicht.
Für alle, die Komponenten auswählen, hat dies folgende praktische Konsequenz: Ein flüssigkeitsgekühlter Rechenzentrumssaal enthält nun Hunderte von Ventilpositionen, die es in einem luftgekühlten Gebäude nicht gab, verteilt auf drei Zonen.
Die Position der Ventile in einem Flüssigkeitskühlsystem
Kugelhähne kommen an jeder Stelle zum Einsatz, an der ein Abschnitt des Kreislaufs abgesperrt, befüllt, entleert oder ausgeglichen werden muss. In der Terminologie der ASHRAE unterteilt sich das System in ein Gebäudewassersystem (FWS), also das gebäudeseitige Kühl- oder Kondensatorwasser, und ein technisches Kühlsystem (TCS), also das aufbereitete Kühlmittel, das tatsächlich die IT-Geräte erreicht. Die CDU bildet die Brücke zwischen beiden: ein Schrank, der einen Wärmetauscher, Pumpen und Steuerungen enthält und das serverseitige Kühlmittel vom Gebäudewassersystem trennt.
| Lage im Loop | Was das Ventil bewirkt | Typischer Ventiltyp |
|---|---|---|
| Wasserversorgung der Anlage und Rücklauf zu jeder CDU | Schaltet eine CDU für Wartungsarbeiten ab, ohne den Anlagenkreislauf abzuschalten | Kugelhahn mit Flanschen, JIS 10K/20K oder ANSI Klasse 150/300 |
| Im Inneren der CDU (Befüllung, Entleerung, Bypass, Sensoranschlüsse) | Inbetriebnahme, Spülung, Entleerung zu Wartungszwecken | Kompaktes Kugelventil mit Gewinde, 1/2″ bis 2″ |
| Sekundärkreis-Verteiler und Reihenverteiler | Isoliert eine Reihe oder eine Regalkonfiguration; Ausgleich | Zweiteiliges oder dreiteiliges Kugelventil, mit Gewinde oder zum Anschweißen |
| Automatisierte Isolierung und Reaktion auf Leckagen | Schließt ein Segment bei einem Leckagesignal oder per Fernsteuerung | Pneumatisch betätigtes Kugelventil (doppeltwirkend oder mit Federrückstellung) |
Die letzte Verbindung vom Verteiler zum Server ist in der Regel eine Schnellkupplung, die zu einer anderen Produktfamilie gehört. Alles, was dieser Verbindung vorgeschaltet ist, fällt jedoch in den Bereich der herkömmlichen Ventile, und genau hier kommt es auf die Wahl des Werkstoffs an.
Warum Edelstahl der Standard für Kühlmittelkreisläufe ist
Der Grund dafür liegt in der Chemie des Kühlmittels. In Direct-to-Chip-Kühlkreisläufen wird in der Regel aufbereitetes Wasser oder ein Gemisch aus Propylenglykol und Wasser verwendet, das mit Korrosionsinhibitoren versetzt ist. Die Richtlinien für mit der Flüssigkeit in Berührung kommende Materialien in der Kühlungsdokumentation des Open Compute Project legen streng fest, welche Materialien mit dieser Flüssigkeit in Berührung kommen dürfen: Metalle, die Ionen oder Rostpartikel abgeben, verunreinigen das Kühlmittel, verstopfen die Mikrokanäle der Kühlplatten und verkürzen die Lebensdauer der Flüssigkeit. Austenitischer Edelstahl steht auf der Liste der zulässigen Werkstoffe; unlegierter Kohlenstoffstahl und unbeschichtetes Eisen hingegen nicht. In einigen Kreisläufen kommt Messing zum Einsatz, doch die Vermischung zu vieler Metalle erhöht das Risiko galvanischer Korrosion, weshalb viele Betreiber zur Vereinfachung auf Edelstahlteile für medienberührte Bauteile setzen.
Unsere Ventilkörper bestehen aus Feinguss aus CF8 (Edelstahl 304) oder CF8M (Edelstahl 316). Die Wahl zwischen diesen beiden Materialien hängt vor allem von einem Faktor ab: Chloriden. 316 enthält zusätzlich Molybdän, das der Lochfraßkorrosion widersteht, die Chloridionen bei 304 verursachen. Wenn im Kreislauf gut aufbereitetes, entionisiertes oder mit Inhibitoren versetztes Wasser verwendet wird und der Kreislauf in einer normalen Innenraumumgebung betrieben wird, ist 304 in der Regel ausreichend. Spezifizieren Sie 316, wenn das Kühlmittel oder der Standort eine Chloridbelastung mit sich bringt, beispielsweise in Anlagen an der Küste, wo die im Außenbereich verlegten Rohrleitungen salzhaltiger Luft ausgesetzt sind. Dies ist dieselbe Logik „304 versus 316“, die wir auch bei Wasser- und Gasleitungen in einer Halbleiteranlage, wo die Anforderungen an die Partikel- und Ionenreinheit noch strenger sind als in Rechenzentren.
Anpassung der Ventilkonstruktion an die jeweilige Zone
Kurze Antwort: Verwenden Sie Flanschventile an Stellen, an denen die Rohrleitung geflanscht ist und die Wartungsfreundlichkeit ausschlaggebend für die Konstruktion ist; kompakte Ventile mit Gewinde- oder Schweißanschluss in Skids und Verteilerblöcken; sowie pneumatische Antriebe, wenn die Absperrung automatisch erfolgen muss. Die folgenden Angaben beziehen sich auf die Spezifikationen unserer eigenen Produktreihen; Sie können sie daher eher als konkreten Anhaltspunkt denn als abstrakte Empfehlung betrachten.
Anlagenseite (Wasserseite): Flansch-Kugelhähne
Gebäudeseitige Kreisläufe sind aus Wartungsgründen in der Regel mit Flanschen versehen. Unsere manuell betätigte Flanschkugelhähne sind in den Ausführungen JIS 10K und ANSI Klasse 150 von 1/2″ bis 8″ erhältlich, sowie in den Ausführungen JIS 20K und Klasse 300 von 1/2″ bis 4″, mit PTFE-Sitzen und einem Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis +180 °C. Die Druckfestigkeit richtet sich nach der Flanschklasse, beispielsweise 1,0 MPa Nennwert für JIS 10K und 275 psi bei Umgebungstemperatur für Klasse 150 gemäß den Flanschnormen, was weit über den Betriebswerten eines typischen Kühlkreislaufs in einer Anlage liegt. Mit anderen Worten: Die für die Verschraubungskompatibilität erforderliche Flanschklasse klärt in der Regel bereits die Frage nach dem Druck von selbst.
Im Inneren von CDU-Einheiten und Verteilerblöcken: kompakte zweiteilige und dreiteilige Ventile
Hersteller von Ventilblöcken legen Wert auf die Gehäusegröße, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Materialien und die Art und Weise, wie sich das Ventil zerlegen lässt. Kompakt Zweiteilige Kugelhähne mit Gewinde, Nennleistung 1000 WOG die Aufgaben im Zusammenhang mit dem Befüllen, Entleeren und der Isolierung von Messgeräten zu übernehmen; falls Ihnen die Fachbegriffe unbekannt sind, finden Sie in unserem Leitfaden zu WOG-Druckwerte erläutert, was 1000 WOG in der Praxis bedeutet. Für Zylinderkopf- und Verteilerpositionen, die vor Ort gewartet werden, gilt ein dreiteiliger Kugelhahn, ebenfalls mit einer Nennleistung von 1000 WOG, ist die übliche Wahl: Der Mittelabschnitt lässt sich zum Austausch des Sitzes herausschwenken, ohne dass das Rohr durchtrennt werden muss, und das Produkt wird mit Gewindeanschlüssen (PT-Konus), Stumpfschweiß- oder Muffenschweißenden angeboten. Geschweißte Enden schließen einen potenziellen Leckageweg vollständig aus, was manche CDU-Konstrukteure bei Verbindungen bevorzugen, die niemals geöffnet werden; unsere Übersicht über Ventilanschlüsse vergleicht die Vor- und Nachteile.
Ein Hinweis zu Gewinden: Es gibt unterschiedliche Konusgewindesysteme. Unsere Gewindeventile verwenden PT-Konusgewinde (das in asiatischen Anlagen übliche JIS/BSPT-System). PT- und NPT-Gewinde sind nicht austauschbar, und eine gemischte Verbindung kann bei Tests zwar dicht sein, bei Temperaturwechselbeanspruchung jedoch undicht werden. Vergewissern Sie sich vor der Bestellung, welches System in Ihren Skid-Zeichnungen vorgeschrieben ist.
Automatische Absperrung: pneumatisch betätigte Kugelhähne
Maßnahmen zur Eindämmung von Leckagen und die Fernsteuerung von Leitungsabschnitten erfordern Ventile, die sich ohne menschliches Eingreifen schließen lassen. Unsere pneumatische Flansch-Kugelhähne Kombinieren Sie die oben genannten Flanschgehäusegrößen mit Aluminium-Zahnstangenantrieben in doppeltwirkender (DA) und federrückstellender (SR) Ausführung, die auf der Normauflage nach ISO 5211 montiert sind und mit 4 bis 7 bar Instrumentenluft betrieben werden. Die Federrückstellung ist die naheliegende Wahl für die Leckageüberwachung, da sie das Ventil bei Luftausfall in eine definierte Sicherheitsposition bewegt. Magnetventile, Endschalterkästen und Stellungsregler sind als Optionen erhältlich. Beachten Sie, dass der Antrieb – und nicht das Edelstahlgehäuse – die Temperaturgrenze der Baugruppe festlegt. Prüfen Sie daher die Nennwerte des Antriebs im Hinblick auf die Einbaubedingungen, anstatt davon auszugehen, dass der Bereich des Gehäuses gilt.
Die häufigsten Fehler bei der Spezifikation
Dies sind die häufig auftretenden Probleme bei den Spezifikationen von Ventilen für Kühlmittelkreisläufe, und jedes einzelne davon lässt sich bereits in der Entwurfsphase vermeiden.
| Fehler | Warum es wehtut | Was man stattdessen tun sollte |
|---|---|---|
| Ventile aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisen in aufbereitetem Kühlmittel | Rostpartikel und -ionen zersetzen das Kühlmittel und verstopfen die Kühlplatten | Medienberührte Teile aus Edelstahl (Gehäuse aus CF8/CF8M, Kugel und Spindel aus Edelstahl) |
| Kombination von PT- und NPT-Gewinden | Dichtet zunächst ab, wird bei Temperaturwechselbeanspruchung undicht | Pro Skid ein Gewindesystem festlegen und dies in der Zeichnung angeben |
| “Zur Sicherheit” überall 316 angeben” | Zahlt den Molybdän-Aufschlag, ohne dass dies in chloridfreien Innenkreisläufen einen Vorteil bringt | Reserve 316 für Chloridbelastung; Grund dokumentieren |
| Auslegung der gesamten angetriebenen Baugruppe anhand des Ventilkörpers | Dichtungen und Federn von Stellantrieben weisen niedrigere Temperaturuntergrenzen auf | Bei Installationen in Warmgängen sind die technischen Daten der Stellantriebe gesondert zu prüfen. |
Häufig gestellte Fragen
Welche Ventile werden in Flüssigkeitskühlsystemen für Rechenzentren verwendet?
Kugelhähne übernehmen den Großteil der Absperraufgaben: Flanschkugelhähne an den Wasseranschlüssen der Anlage an jeder CDU, kompakte Kugelhähne mit Gewinde- oder Schweißanschluss innerhalb der CDUs und an den Reihenverteilern sowie pneumatisch betätigte Kugelhähne an Stellen, an denen Segmente automatisch geschlossen werden müssen. An bestimmten Stellen kommen Ausgleichsventile und Rückschlagventile zum Einsatz, und Schnellkupplungen übernehmen die abschließende Verbindung zwischen Rack und Server. Als Gehäusematerial wird üblicherweise Edelstahl verwendet, da die chemische Zusammensetzung des Kühlmittels korrodierende Metalle stark angreift.
Sind Kugelhähne aus Edelstahl mit Wasser-Glykol-Kühlmitteln kompatibel?
Ja. Austenitische Edelstähle wie 304 und 316 sind weitgehend kompatibel mit aufbereitetem Wasser und Propylenglykol-Gemischen, die bei der Direktkühlung von Chips zum Einsatz kommen, und Edelstahl ist in den Listen der medienberührten Werkstoffe in den Kühlungsrichtlinien der Industrie aufgeführt. Auch das Material der Ventilsitze spielt eine Rolle: PTFE-Sitze, die bei unseren Ventilen Standard sind, sind gegenüber Glykol-Kühlmitteln im gesamten Temperaturbereich, in dem diese Kreisläufe betrieben werden, chemisch inert. Vergewissern Sie sich stets, dass die Kompatibilität mit dem Inhibitorpaket Ihres jeweiligen Kühlmittelherstellers gegeben ist.
Sollte ich für einen Kühlkreislauf Edelstahl 304 oder 316 wählen?
Die Entscheidung hängt von der Chloridbelastung ab. 316 enthält Molybdän, das gegen chloridbedingte Lochfraßkorrosion beständig ist; 304 enthält kein Molybdän. Für Innenkreisläufe, in denen entionisiertes oder mit Inhibitoren versetztes Kühlmittel ohne Chloridquelle zirkuliert, ist 304 (Gussqualität CF8) in der Regel ausreichend. Wählen Sie 316 (CF8M), wenn Chloride vorhanden sind, beispielsweise an Küstenstandorten, an denen Rohrleitungen im Freien und Kühltürme salzhaltiger Luft ausgesetzt sind, oder dort, wo das Wasseraufbereitungsprogramm Chloridüberschreitungen zulässt. Nicht der Säuregehalt allein ist ausschlaggebend, sondern das Chlorid.
Welche Druckstufe müssen CDU- und Kühlkreislaufventile aufweisen?
Kühlmittelkreisläufe werden im Vergleich zum allgemeinen industriellen Einsatz bei moderaten Drücken betrieben, sodass Standard-Ventilnennwerte eine ausreichende Sicherheitsmarge bieten. Kompakte Kugelhähne mit Gewinde und einer Nennleistung von 1000 WOG (Wasser, Öl, Gas bei Umgebungstemperatur) übertreffen die typischen Anforderungen an den Kreislauf um ein Vielfaches, und Flanschventile entsprechen der Nennleistung ihrer Flanschklasse, wie beispielsweise JIS 10K oder ANSI Klasse 150. In der Praxis wählt man die Flanschklasse passend zur angeschlossenen Rohrleitung aus, und die Druckanforderung ergibt sich automatisch daraus.
Können Kugelhähne in einem Kühlkreislauf automatisiert werden?
Ja. Jedes Vierteldreh-Kugelventil mit einer Befestigungsplatte nach ISO 5211 ist für einen Standardantrieb geeignet. Pneumatische Zahnstangenantriebe sind die gängige Wahl: doppeltwirkend (DA), bei denen Luft beide Hübe antreibt, oder mit Federrückstellung (SR), bei denen eine Feder das Ventil bei Luft- oder Signalausfall schließt, was sich für die leckagegesteuerte Absperrung eignet. Optionen wie Magnetventile, Endschalterboxen für die Stellungsrückmeldung und Stellungsregler ermöglichen die Integration des Ventils in das Gebäudemanagementsystem.
Zusammenfassung: Zuerst die Schleife festlegen, dann folgen die Ventile
Die Ventilauswahl für die Flüssigkeitskühlung ist nichts Außergewöhnliches. Ordnen Sie die drei Bereiche (Hauswasser, CDU, Sekundärkreislauf) zu, setzen Sie geflanschte Edelstahlventile dort ein, wo die Rohrleitungen geflanscht sind, verwenden Sie kompakte zwei- oder dreiteilige Ventile in Skids und Verteilern und setzen Sie federrückstellbetätigte Ventile dort ein, wo eine Absperrung ohne menschliches Eingreifen erfolgen muss. Wählen Sie je nach Chloridbelastung die Werkstoffe 304 oder 316, achten Sie auf einheitliche Gewindesysteme und beachten Sie die Temperaturgrenzwerte der Stellantriebe getrennt von den Nennwerten der Ventilkörper.
Wir fertigen diese Ventile in unserem eigenen Werk in Taichung, Taiwan, unter Einhaltung des Qualitätsmanagementsystems ISO 9001 und mit CE-Kennzeichnung und liefern seit 27 Jahren Edelstahl-Kugelhähne für Rohrleitungsanlagen. Wenn Sie eine CDU, einen Verteilerblock oder anlagenseitige Kühlrohrleitungen bauen oder nachrüsten und einen Hersteller suchen, der direkt in die Spezifikation eingebunden ist, kontaktieren Sie uns unter sales@ballvalves.tw oder über WhatsApp unter +886-917-368-980 mit Angaben zu Ihren Leitungsdurchmessern, Endanschlüssen und Kühlmittel, und wir werden die Material- und Sitzkompatibilität für jeden einzelnen Artikel überprüfen.