コンピューティング能力、パワーエレクトロニクスの密度、冷凍効率の要件、および熱負荷が増加し続けるにつれて、液体冷却はより広範囲の機器で使用されています。
液冷システムは、単なる熱交換器と冷却剤ではありません。を含む完全な流体制御システムです。 ポンプ、配管、熱交換器、コールドプレート、リザーバー、フィルター、センサー、バルブ、制御ロジック.
多くの用途において、ポンプは比較的小さなコンポーネントですが、冷媒の流れ、圧力安定性、温度上昇、システムの設置面積、長期信頼性に直接影響します。
マイクロ 磁気ギアポンプは、 コンパクトな設置、容積式の流れ、制御された循環、磁気駆動流体の封じ込め、特殊な冷却液との互換性を必要とする液体冷却回路に検討できます。
この記事では、システム アーキテクチャ、熱計算、圧力要件、冷却剤の適合性、ポンプの発熱、製品パラメータ、アプリケーション シナリオ、エンジニアリング選択基準など、液冷用のマイクロ磁気ギア ポンプを評価する方法について説明します。
はい、ただし適合性は実際の動作点によって異なります。
マイクロ磁気ギア ポンプは、次の場合に選択された液体冷却システムで使用できます。
流量
差圧
クーラント粘度
動作温度
接液部材料の適合性
入口条件
モーター速度
制御方法
継続的な動作要件
冷却ループの設計と一致します。
最も重要な点は、 最大流量だけで冷却ポンプを選択しないことです。.
必要な動作点は、熱負荷と目標温度上昇、およびループ全体の油圧抵抗によって決まります。
データセンターの液冷について、ASHRAE は、施設冷却ループ、冷媒分配ユニット (CDU)、およびテクノロジー冷却システム (TCS) を含むアーキテクチャについて説明しています。 CDU には、ポンプ、バルブ、熱交換器、温度/圧力/流量の監視、および制御を組み込むことができます。
液体冷却システムは、高温コンポーネントから冷却剤に熱を伝達し、熱交換器または別の冷却ステージを通してその熱を排除します。
簡略化された液体冷却ループは次のとおりです。
熱源 → コールドプレート / 熱交換器 → 冷却剤ループ → CDU / 熱交換器 → 熱除去 → 戻り
機器によっては、アーキテクチャに複数の流体ループが含まれる場合があります。
ポンプ
コールドプレート
マニホールド
熱交換器
CDU
リザーバーまたは拡張ボリューム
フィルター
圧力センサー
温度センサー
流量センサー
コントロールバルブ
漏れ検出
配管とクイックディスコネクト継手
ASHRAE は、CDU が施設冷却システムと技術冷却システムの間の重要なインターフェースであると認識しています。アーキテクチャに応じて、技術冷却流体には、水、脱イオン水、冷媒、またはグリコールベースの流体が含まれる場合があります。
AI および高密度コンピューティングについては、現在の ASHRAE ガイダンスでは、高密度熱負荷に対するポンピングおよび制御機能を備えた直接液冷アーキテクチャおよび CDU についても説明されています。
ポンプの役割はシステム アーキテクチャによって異なります。
施設側は、比較的大量の冷媒を処理し、チラー、冷却塔、ドライクーラー、またはその他の熱除去装置を通じて熱を除去する場合があります。
したがって、ポンプは次のようなサイズにする必要があります。
高流量 + システム圧力損失 + エネルギー効率
これは、小型の機器レベルの循環回路とは根本的に異なります。
テクノロジー冷却システム (TCS) は、IT または機器の熱負荷に直接対応します。
ダイレクトツーチップ システムでは、冷却剤は高出力コンポーネントに接続されたコールド プレートに分配されます。
ポンプは以下を通過する必要な流量を維持する必要があります。
ポンプ → マニホールド → コールドプレート → リターンマニホールド → 熱交換器/CDU
ここでは、コールドプレート、マニホールド、フィルター、クイックディスコネクトによる圧力降下がポンプ選択の重要な部分になります。
冷媒分配ユニットは、施設ループをテクノロジー冷却ループに接続できます。
設計に応じて、CDU には次のものが含まれる場合があります。
熱交換器
循環ポンプ
バルブ
センサー
コントロール
濾過
拡張または圧力制御コンポーネント
したがって、ポンプは、 完全な CDU 油圧設計の一部として選択する必要があります。独立したコンポーネントとしてではなく、
液冷で最も役立つ計算の 1 つは、熱負荷、冷媒流量、温度上昇の関係です。
単相冷却剤の場合:
または、体積流量を使用して:
どこ:
P = 熱負荷、W
Q = 体積流量、m³/s
ρ = 冷却剤密度、kg/m³
cp = 比熱容量、J/(kg・K)
ΔT = 許容冷却水温度上昇、K
冷却ループによって以下が除去されると仮定します。
50kW
水のような冷却剤を使用し、目標温度上昇は次のとおりです。
5℃
必要なおおよそのフローは次のとおりです。
143.5L/分
この計算は、ポンプのサイジングをから開始する必要がある理由をすぐに示すため、重要です。 実際の熱負荷.
小型のマイクロ ポンプは、局所的な熱管理ループ、コンプレッサー冷却回路、補助冷却回路、またはコンパクトな CDU サブシステムに適している可能性がありますが、自動的に 50 kW の大きなループに適しているとみなすべきではありません。
流量を計算した後、ポンプが生成する必要がある圧力を決定します。
必要な差圧には、次のような損失が含まれる場合があります。
コールドプレート
マニホールド
チューブ
フィルター
熱交換器
クイックディスコネクトフィッティング
バルブ
標高
流量制御装置
したがって、ポンプの動作点は次のように定義される必要があります。
必要流量+必要差圧
容積式ギアポンプの場合、簡略化された関係は次のようになります。
どこ:
Vd = 1回転あたりの変位
n = 回転速度
実際の流量は内部漏れや滑りにより理論流量よりも低くなります。
差圧が増加すると内部滑りが増加し、実際の流量が理論値からずれる可能性があります。
したがって:
最大流量のみでマイクロギヤポンプを選定しないでください。必要な差圧と速度における実際の流量を確認してください。
この原則は、Suofu の一般的なポンプ選択ガイダンスにも反映されています。
液体冷却で見落とされがちな問題の 1 つは、ポンプ自体がシステムに熱を導入する可能性があることです。
電気入力電力は、完全に有用な油圧電力にはなりません。
油圧力は次のように近似できます。
どこ:
Δp = ポンプ差圧
Q = 体積流量
入力動力と有効油圧動力の差は、モーター、磁気カップリング、ベアリング、ギア、内部流体摩擦、電気部品、その他の機構に関連する損失を表します。
これらの損失のすべてが必ずしも冷却液に入るわけではありません。一部は周囲の環境に拒絶されます。
したがって、システムの熱モデリングでは、エンジニアは次のことを決定する必要があります。
ポンプの損失のうち、実際に冷却水に移されるのはどれくらいですか?
これは、一般的な「ポンプ温度上昇」数値を適用するよりも便利です。
実際的な検証方法は、以下を測定することです。
クーラント入口温度
冷却水出口温度
流量
ポンプ入力電力
差圧
モーター温度
周囲温度
実際の動作状態では。
ポンプがコンパクトな二次ループに数百ワットの熱を加えた場合、その熱は最終的に熱交換器によって除去されなければなりません。
したがって、ポンプは システムの熱バランスの一部になります。単なる流体移動装置ではなく、
ポンプハウジングを通過する従来の回転シャフトには、動的シールインターフェースが必要です。
磁気駆動ポンプは磁気カップリングを介してトルクを伝達し、モーターとポンプで送られる流体をポンプ格納構造によって分離できます。
この設計では次のことが可能です。
従来の回転軸シールのインターフェースを排除
潜在的な漏洩経路を 1 つ減らす
ポンプで送られる流体からモーターを隔離する
コンパクトな流体システムの統合をサポート
これは、冷却剤が次のような場合に特に関係します。
高い
化学物質に敏感
封じ込めが難しい
揮発性
環境に配慮した
汚染や漏れが望ましくない閉ループシステムで使用されます。
ただし、 磁気ドライブは、完全な冷却システムが自動的に漏れを防止することを意味するものではありません。.
静的シール、O リング、ねじ接続、溶接継手、継手、ポンプ ハウジング、チューブ、熱交換器は引き続き検証する必要があります。
「液体冷却」という言葉は、非常にさまざまな流体を対象としています。
単相冷却システムでは、水および水とグリコールの混合物が一般的です。
重要なパラメータには次のものがあります。
グリコール濃度
粘度
密度
比熱
腐食特性
動作温度
電気伝導率
材料の適合性
粘度は温度によって変化するため、ポンプは実際の動作温度で評価する必要があります。
特殊な冷却液は、浸漬またはその他の機器レベルの冷却アーキテクチャで使用される場合があります。
これらの流体について、エンジニアは以下を確認する必要があります。
化学的適合性
エラストマーの膨潤挙動
ポリマー適合性
潤滑性
蒸気圧
粘度
材料抽出
長期暴露
同じポンプ構成がすべての特殊冷却剤と互換性があると自動的に想定されるべきではありません。
冷媒ベースの冷却ではさらに複雑さが生じます。
ポンプ入口では、流体が飽和状態に近づく可能性があります。圧力降下によりフラッシングが発生し、気液混合物が生成されることがあります。
これによりポンプの使用環境は大きく変化します。
したがって、設計では次のことを考慮する必要があります。
飽和圧力
流体温度
入口圧力
NPSH / 利用可能な吸引条件
ガスの同伴
2段階の動作
材料の適合性
起動条件
冷媒用途の場合、ポンプの選択は、を考慮して検証する必要があります。 特定の冷媒と動作範囲 水の性能のみに基づくのではなく、
Suofu の NP シリーズは、複数の容量と流量範囲をカバーしています。
次の表は現在公開されている製品データを使用しており、として扱う必要があります 動作点を保証するものではなく、選択の参考。実際の性能は、圧力、速度、粘度、温度、モーター構成、冷却剤によって異なります。
シリーズ |
代表的な機種 |
公称変位 |
公表されている定格流量範囲 |
公表基準差圧* |
|---|---|---|---|---|
NP42 |
NP020~NP070 |
0.2 ~ 0.7 ml/rev |
0~2.2L/分 |
20バール |
NP51 |
NP100~NP190 |
1.0 ~ 1.9 ml/rev |
0~6.0L/分 |
20バール |
NP60 |
NP240 / NP350 |
2.4 ~ 3.5 ml/rev |
0~10.5L/分 |
20バール |
NP98 |
NP400~NP1700 |
4 ~ 17 ml/回転 |
0~55L/分 |
20バール |
NP106 |
NP2600 |
26ml/回転 |
0~65L/分 |
20バール |
※掲載商品ページでは水を媒体とした差圧基準を記載しております。カスタマイズされた圧力機能はシリーズや構成によって異なるため、関連する性能曲線に対して検証する必要があります。
シリーズに応じて、公開されている NP 仕様には次のものが含まれます。
動作速度: 記載されている構成では最大約 4,000 rpm
動作温度: 適用可能な構成で約 -120°C ~ +150°C
中粘度:約20,000cPまで該当商品ページにて
入口真空: 約 -0.85 bar、速度に依存、適用可能な構成による
ポンプ本体オプション: SS316、ハステロイ、PEEK、およびカスタマイズされた材料
ギア/ベアリングのオプション: リストされた構成の PEEK
シャフト:ジルコニアセラミック
O リングのオプション: FKM、EPDM、PTFE、FVMQ、CR、FFKM
モーターオプション: シリーズに応じた BLDC、AC/VFD、およびサーボ構成
これらの仕様は構成に依存するため、汎用の NP シリーズ制限として扱うべきではありません。
モデル番号ではなく、必要な動作点に従って選択する必要があります。
約 2.2 L/min 未満の流量を必要とするコンパクトな熱管理システムの場合、NP42 ファミリは 0.2 ~ 0.7 ml/rev の 4 つの排気量オプションを提供します。
典型的なエンジニアリング用途には次のようなものがあります。
小規模な冷却回路
実験室用熱システム
小型冷凍装置
補助冷却ループ
特殊な機器の冷却
NP51 ファミリは NP100 ~ NP190 をカバーしており、公表されている定格流量範囲は 0 ~ 2.9 L/min ~ 0 ~ 6.0 L/min です。
この範囲は次の場合に考慮されます。
コンパクトな冷却装置
冷凍循環
小規模な CDU サブシステム
機器の熱管理
コンプレッサーの冷却
NP60 ファミリには、NP240 および NP350 が含まれます。
NP350 の公表定格流量範囲は最大 10.5 L/min 、公称排気量は 3.5 ml/rev です。
このシリーズは次の点で評価できます。
中流量冷却回路
産業用冷凍装置
コンプレッサーの冷却
コンパクトな液冷装置
熱管理モジュール
NP98 ファミリには次のものが含まれます。
NP400
NP600
NP900
NP1200
NP1700
公表されている定格流量範囲は、NP400 の 12.6 L/min から NP1700 の 55 L/min まで拡張されています。
この範囲は、実際の流量圧力点がポンプの性能範囲内に収まる高流量機器の冷却および冷凍システムについて評価できます。
NP2600 の公称排気量は 26 ml/rev、公表されている定格流量範囲は 0 ~ 65 L/minです。.
このクラスのポンプの場合、エンジニアは次の点に特に注意を払う必要があります。
モーター出力
差圧
クーラント粘度
発熱
パイプサイズ
フィルターの圧力降下
インストール構成
マイクロ磁気ギアポンプを選択する前に、次の 10 個のパラメータを準備してください。
パラメータ |
提供するもの |
|---|---|
熱負荷 |
kW |
必要な流れ |
最小/通常/最大 |
差圧 |
運転流量時のΔP |
クーラント |
正確な液体名と組成 |
粘度 |
最小/通常/最大 |
温度 |
最小/通常/最大 |
入口状態 |
浸水、吸引、真空または加圧 |
コントロール |
固定速度、アナログ、PWM、VFD、またはサーボ |
材料 |
ポンプ本体、ギア、シャフト、Oリング |
動作モード |
連続/断続/発停 |
閉ループ冷却では、次の 2 つの追加パラメータが特に重要です。
粒子による汚染は、小さな内部クリアランス、ギア、ベアリング、シールに影響を与える可能性があります。
Suofu が公開している NP42、NP51、NP60、および NP98 製品ページでは、 400 メッシュの入口フィルターを推奨しています。 該当する構成で実際のフィルタも、圧力損失、流量、冷却剤の適合性に応じて選択する必要があります。
空運転機能は NP シリーズ全体に共通ではありません.
たとえば、NP60 製品ページでは制限された空運転条件が指定されていますが、NP98 のページでは空運転は推奨されないことが明示されています。
したがって:
ポンプ ファミリ名だけから空運転機能を想定しないでください。
データセンターの液冷では、CDU またはテクノロジー冷却システム内でポンプが動作する場合があります。
一般的な要件には次のようなものがあります。
連続運転
安定した流量
制御された差圧
設置面積が小さい
クーラントの適合性
監視と制御
保守性
ASHRAE は、ポンプ、バルブ、熱交換器、計装を液冷分配システムのコンポーネントとして特定します。
したがって、マイクロ磁気ギア ポンプは、 コンパクトな循環業務や局所的な循環業務に適しています。 大規模なデータセンター施設内のすべてのポンプ位置よりも、
ダイレクト・トゥ・チップ・システムは、コールド・プレートを高出力コンポーネント上に直接配置します。
ポンプは以下の油圧抵抗を克服する必要があります。
ポンプ → マニホールド → コールドプレート → マニホールド → 熱交換器 → リターン
したがって、を使用して正しいポンプを選択する必要があります。 コールド プレートの圧力降下と必要な冷却液流量単にチップの熱出力ではなく、
コンパクト CDU には、次のような厳しい要件がある場合があります。
取付寸法
流量調整
圧力の安定性
クーラントの適合性
連続運転
センサーの統合
ポンプは実際の CDU 動作点に応じて選択できます。
磁気ベアリングおよびエアベアリングコンプレッサーは、専用の液体または冷媒冷却回路を使用できます。
ポンプは以下の処理を行う必要がある場合があります。
コンパクトな設置スペース
冷媒適合性
温度変化
差圧
連続運転
可変速制御
Suofu が公開しているコンプレッサー冷却アプリケーション データには、低流量アプリケーション用の NP070/NP190、中流量システム用の NP350、および高流量システム用の NP1700/NP2600 が含まれています。
データセンターの外でも、マイクロ磁気ギアポンプは次の点で評価できます。
パワーエレクトロニクス冷却
IGBT試験
バッテリーの熱管理
実験室の冷却
冷凍設備
特殊なプロセス冷却
コンパクトな熱伝達システム
同じエンジニアリング ルールが適用されます。
完全な流量、圧力、温度、粘度の動作点から選択します。
この記事で提供されるソース資料には、宇宙コンピューティング ペイロード用の高速冷却ポンプの開発を含むエンジニアリング ケースが含まれています。
提供されたプロジェクト情報によると、この設計は、従来のポンプ速度を超えて、約 11,000 ~ 20,000 rpm の 動作範囲に向けて移行しており、3 mm スケールのコンパクトなシャフトと、数十 ~ 約 100 mL/min、約 1 ~ 2 MPa を含む目標動作領域を備えています。
エンジニアリング上の課題は、単に回転速度を上げることではありませんでした。
高速化
↓
ポンプエンベロープの小型化
↓
より高いシャフト速度の応力
↓
ハイギアのPV負荷
↓
材料とベアリングの制約
↓
専用の検証が必要
このタイプのアプリケーションでは、ポンプを完全な回転システムとして評価する必要があります。
重要な検証項目には次のものがあります。
ローター強度
シャフトのたわみ
ベアリングの荷重
ギアの摩耗
マグネットカップリングトルク
モーターの熱挙動
振動
起動時の動作
温度サイクル
真空・環境条件
信頼性は 1 つの材料や 1 つの仕様によって決まるわけではありません。
実際の信頼性モデルは次のとおりです。
材質の適合性
油圧動作点
熱管理
ベアリング・ギヤ設計
モーターの選択
クーラントの清浄度
製造の一貫性
検証テスト
ポンプは、水を使用した室温だけでなく、代表的な条件下でテストする必要があります。
意味のあるテスト マトリックスには次のものが含まれます。
テストパラメータ |
目的 |
|---|---|
流れ |
配信能力を検証する |
差圧 |
油圧動作範囲を検証する |
冷却水温度 |
熱挙動を評価する |
モーター電流 |
負荷を監視する |
モーター温度 |
熱安定性をチェックする |
ポンプ本体温度 |
熱伝達を特定する |
入口圧力 |
吸引条件の評価 |
振動 |
機械的不安定性を特定する |
ノイズ |
動作状態を監視する |
長時間稼働 |
信頼性の評価 |
特殊なプロジェクトの場合、 P-Q パフォーマンス マップの方がはるかに役立ちます。 単一の最大フロー数値よりも
技術的に信頼できる記事では、その技術に限界がある部分についても説明する必要があります。
マイクロ磁気ギアポンプは、次の場合には適さない可能性があります。
必要な流量は、小型容積式ポンプの実際の動作範囲を超える場合があります。
汚染制限が非常に厳しい場合、ギアの噛み合いとベアリングの境界面を慎重に評価する必要があります。
研磨粒子は、ギア、ベアリング、その他の接液部の摩耗を促進する可能性があります。
馴染みのない誘電性流体、冷媒、または特殊冷却剤の場合は、選択する前に材料の適合性と粘度データを確立する必要があります。
フラッシングやガスの巻き込みにより、ポンプの動作が大きく変化する可能性があります。
空運転制限は、正確なモデルと構成について検証する必要があります。
これは特定の製品の弱点ではありません。これはエンジニアリングポンプの選択の基本的な部分です。
熱モデルの場合、次の 3 つの量を分離します。
モーターとドライブに電力が供給されます。
必然的に、総損失の一部だけが冷却剤に入ります。
したがって、一般的な発熱パーセンテージを仮定するのではなく、意図した動作点での測定データを取得してください。
有用なテスト記録は次のとおりです。
流量 + ΔP + 電力 + 冷却剤入口温度 + 冷却剤出口温度 + 周囲温度
これにより、システムの熱モデルで直接使用できるデータ セットが作成されます。
はい。選択された冷却回路、特に必要な流量、差圧、冷却剤の特性、および設置寸法がポンプの動作範囲内に収まるコンパクトまたは局所的なループに対して検討できます。
公開されている Suofu NP シリーズの範囲は 0 ~ 1.5 L/min から 0 ~ 65 L/min です。、シリーズとモデルに応じて約液冷用途の場合、実際の動作点は、必要な流量、差圧、冷却剤、ポンプ速度から決定する必要があります。
NP シリーズ全体に適用できる単一の圧力値はありません。
公開されている製品ページでは、シリーズや構成ごとに異なる差圧値や耐圧値を記載しています。たとえば、NP42、NP51、NP60、NP98、および NP106 ページでは、さまざまなシステム圧力機能が公開されています。最終的な動作点は、関連するモデル曲線に対してチェックする必要があります。
ポンプはグリコールベースの冷却剤に対して評価できますが、選択する前に正確なグリコール濃度、温度、粘度、および材料の適合性を確認する必要があります。
冷媒循環用に選択された構成を検討できますが、冷媒用途では、圧力、温度、粘度、材料の適合性、入口条件、気液挙動の特定の検証が必要です。
システム全体とテスト条件を定義せずに、ポンプを完全に「漏れゼロ」と表現すべきではありません。
磁気ドライブにより、従来の回転シャフト シール インターフェイスが不要になり、潜在的な漏れ経路を 1 つ減らすことができます。静的シールと外部接続には依然として技術検証が必要です。
それは正確な構成によって異なります。
たとえば、Suofu の NP60 ドキュメントでは制限されたドライ ランニング条件が指定されていますが、NP98 ドキュメントではドライ ランニングは推奨されないと記載されています。
単一のパラメーターはありません。
最小限の選択データには次のものが含まれている必要があります。
流量 + 差圧 + クーラント + 粘度 + 温度 + 入口状態 + モーター/制御
単相冷却剤の場合:
熱負荷が増加したり、許容冷却水温度上昇が低下したりすると、必要な流量が増加します。
はい。
ポンプの損失は、冷却剤ループの熱負荷に寄与する可能性があります。比較的小さな熱交換器を備えたコンパクトなシステムの場合、これは直接測定を正当化するのに十分な意味を持つ可能性があります。
自動的ではありません。
流体が異なれば、粘度、密度、蒸気圧、潤滑性、化学的適合性も異なります。特定の冷却剤に対してポンプ構成を検証する必要があります。
OEM 液冷プロジェクトの場合は、次の情報を提供します。
カテゴリ |
必要なデータ |
|---|---|
熱負荷 |
kW |
クーラント |
正確な流体 |
集中 |
該当する場合は % |
流れ |
最小/通常/最大 |
ΔP |
必要差圧 |
温度 |
最小/通常/最大 |
粘度 |
動作範囲 |
密度 |
動作範囲 |
入口圧力 |
最小/通常 |
インストール |
浸水/吸引/リザーバ |
コントロール |
固定/アナログ/PWM/VFD |
稼働時間 |
連続/断続 |
清潔さ |
フィルター要件 |
材料 |
接液部の材質要件 |
モーター |
電圧/電力/速度 |
インタフェース |
ポート/寸法 |
環境 |
周囲環境/振動/保護 |
認証 |
必要な地域またはアプリケーションの認定 |
このデータが完全であればあるほど、ポンプを冷却システムに正確に適合させることができます。
液冷ポンプは、 完全な熱および油圧システムの一部として選択する必要があります。独立したコンポーネントとしてではなく、
マイクロ磁気ギアポンプの場合、重要な設計チェーンは次のとおりです。
熱負荷
→ 必要なクーラント流量
→ システム圧力損失
→ ポンプ動作点
→ クーラントの適合性
→ モーターと速度制御
→ 熱損失
→ 長期検証
Suofu の NP シリーズは、小流量 NP42 モデルから公表定格流量範囲が最大 65 L/min の NP2600 まで、複数の容量と流量構成を提供します。
液体冷却アプリケーションの場合、エンジニアリングの目的は最大の仕様を持つポンプを選択することではありません。これは、材料、入口条件、発熱、清浄度、連続運転を検証しながら、ポンプを 実際の流量、圧力、温度、粘度の動作点に適合させることです。
OEM プロジェクトの場合、最も役立つ開始情報は次のとおりです。
クーラント + 熱負荷 + 流量 + 差圧 + 温度 + 粘度 + 入口状態 + モーター/制御
このデータにより、ポンプの構成と性能曲線を実際の冷却システム要件に照らして評価することができます。