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Raffreddamento a liquido per data center

Misurazione di pH e conducibilità nei circuiti di refrigerante a base di glicole

Home Libreria Raffreddamento a liquido per data center
Sistemi di raffreddamento a liquido per data center

Il raffreddamento a liquido per i data center consiste nell'utilizzo di un fluido in circolazione, invece dell'aria, per trasferire il calore lontano dai processori direttamente dal chip. Con l'aumento della densità di potenza dei server, i provider di servizi cloud e i produttori di apparecchiature lo stanno adottando per gestire i carichi termici di processori ad alte prestazioni e hardware informatico densamente assemblato.

Nei circuiti di raffreddamento a base di glicole, è necessario monitorare lo stato del refrigerante per contribuire a mantenere l'affidabilità del sistema, la protezione dalla corrosione e prestazioni termiche stabili. pH e conducibilità sono due parametri chiave utilizzati per monitorare lo stato del refrigerante in questi sistemi.

Contesto e fattori trainanti

Il passaggio al raffreddamento a liquido

I data center svolgono un ruolo sempre più importante nel panorama globale delle infrastrutture digitali. I fornitori di servizi cloud (CSP) come Google, Microsoft, Amazon, Meta, Alibaba e Tencent stanno investendo in strutture hyperscale per supportare la crescente domanda di IA e di calcolo.

I moderni chip per IA ora generano oltre 1.000 W di calore ciascuno, spingendo la densità dei rack server a 100 kW o più. Le unità di elaborazione grafica (GPU) vengono installate con una densità mai vista prima, creando una sfida termica che spesso supera i limiti pratici del raffreddamento ad aria convenzionale. Per superare questo problema, il settore sta rapidamente passando al raffreddamento a liquido. In questa transizione, il raffreddamento diretto a liquido monofase (DLC) sta diventando lo standard per l'implementazione di server ad alta densità.

Sala server con armadi rack

Comprendere l'efficienza nell'uso dell'energia

Prima di confrontare il raffreddamento ad aria e il raffreddamento a liquido, è importante comprendere il termine Power Usage Effectiveness (PUE). Per definizione, il PUE è la metrica standard del settore per misurare l'efficienza energetica dei data center. Si calcola dividendo la potenza totale dell'impianto per la potenza consumata dalle apparecchiature IT (server, storage e networking).

PUE = Energia totale dell'impianto / Energia delle apparecchiature IT

Ad esempio, se un data center consuma in totale 150 kW di potenza e le apparecchiature IT consumano 100 kW, il PUE sarebbe:

PUE = 150 kW/100 kW = 1,5.

Un PUE ideale è 1,0, il che significa che ogni watt immesso nell'edificio viene utilizzato direttamente per il calcolo. Qualsiasi valore superiore a 1,0 rappresenta l'“overhead” destinato alle infrastrutture come raffreddamento, illuminazione e distribuzione dell'energia. Pertanto, un PUE di 1,5 significa che, per ogni 1,0 kW utilizzato dai server, un ulteriore 0,5 kW viene impiegato per i sistemi di supporto. Poiché i data center consumano molta energia, i CSP devono ottenere l'approvazione per costruirli. Le autorità hanno introdotto regolamenti che richiedono PUE bassi. In un data center tradizionale raffreddato ad aria, il raffreddamento consuma in genere dal 30% al 40% della potenza totale dell'impianto. Per ottenere un PUE più basso, i CSP stanno passando al raffreddamento a liquido.


Raffreddamento ad aria vs raffreddamento a liquido

Il raffreddamento ad aria utilizza ventole per far circolare aria ambiente sui componenti. Poiché l'aria ha una bassa capacità termica volumetrica, questo approccio è meno efficiente e spesso porta a valori di PUE nell'intervallo 1,4–1,6. Al contrario, il raffreddamento a liquido utilizza fluidi con una capacità di trasporto del calore quasi 3.500 volte superiore a quella dell'aria. Catturare il calore direttamente sul chip tramite cold plate elimina la necessità di ventole ad alto consumo energetico e di refrigerazione a livello di sala. Questo miglioramento dell'efficienza riduce in modo significativo l'overhead di raffreddamento, consentendo un'elevata densità dei server e abbassando il PUE fino a 1,2 o meno, riducendo sia i costi energetici sia l'impronta di carbonio. Sebbene il raffreddamento a liquido migliori il PUE, introduce anche nuovi rischi operativi e legati ai materiali che richiedono un robusto monitoraggio del refrigerante.

Sfide

Potenziali rischi del raffreddamento a liquido e raccomandazioni di monitoraggio

raffreddamento a liquido per data center; rack server in un data center moderno

Rischi di guasto meccanico

Il passaggio al raffreddamento a liquido introduce significativi rischi fisici e operativi, principalmente legati alle perdite di refrigerante e al loro potenziale di causare gravi guasti hardware.

I guasti meccanici si verificano spesso nei punti di connessione rapida a causa di un inserimento non corretto o di O-ring usurati. Inoltre, le vibrazioni costanti generate da pompe ad alta potenza possono causare cricche da fatica nei collettori e nelle cold plate a parete sottile.

Rischi di degrado del refrigerante

Oltre all’usura fisica, il degrado del refrigerante è un rischio che deve essere affrontato. Il refrigerante a base di glicole richiede un monitoraggio attento per prevenire la corrosione e i danni all’hardware dei server.

Il monitoraggio dei fluidi in tempo reale dovrebbe essere considerato parte integrante dell’architettura del circuito di raffreddamento, non un componente aggiuntivo.

Le linee guida dell’Open Compute Project (OCP) indicano il monitoraggio di pH, conducibilità, concentrazione di glicole propilenico al 25% (PG25), flusso, temperatura e particolato come una base pratica.

Raccomandazioni per il monitoraggio

Per questo motivo, i sensori di pH e di conducibilità sono comunemente installati all'interno della Cooling Distribution Unit (CDU) come mezzo principale per monitorare lo stato del refrigerante. Per una maggiore affidabilità, si raccomandano sensori ridondanti nei punti di controllo critici.

Nel settembre 2025, NVIDIA ha pubblicato i requisiti per le CDU che includevano raccomandazioni per il monitoraggio della qualità del refrigerante. I requisiti identificano pH, conducibilità e torbidità come tre parametri chiave per il monitoraggio della qualità del refrigerante.

L’importanza del controllo del pH nei refrigeranti

Il pH è un indicatore critico delle condizioni del refrigerante a base di glicole perché il glicole può ossidarsi gradualmente a temperature elevate, formando acidi organici nel tempo. Un andamento al ribasso del pH può quindi indicare il degrado del refrigerante e un aumento del rischio di corrosione. Tuttavia, il pH non deve essere valutato isolatamente e deve essere sempre confrontato con l’intervallo operativo specificato per la formulazione del refrigerante, insieme ad altri parametri sullo stato del refrigerante.

Gli inibitori di corrosione e gli agenti tamponanti sono formulati per funzionare efficacemente entro uno specifico intervallo di pH, che è tipicamente alcalino e generalmente compreso tra pH 8,0 e 10,5. Una diminuzione del pH può segnalare l’esaurimento del tampone, il consumo degli inibitori o un degrado complessivo del refrigerante. Le soglie di allarme dovrebbero essere stabilite in conformità alle raccomandazioni del fornitore del refrigerante e alle specifiche del costruttore OEM del sistema. Ad esempio, i requisiti della CDU NVIDIA raccomandano di impostare il limite di allarme di pH basso a 7,8.

Per garantire accuratezza e coerenza delle misurazioni, le linee guida OCP raccomandano che le misurazioni del pH siano eseguite con sensori dotati di compensazione attiva della temperatura (ATC), che normalizza le letture a una temperatura di riferimento di 25°C.

Come gli inibitori di corrosione proteggono i sistemi di raffreddamento

I refrigeranti a base di glicole sono tipicamente formulati con inibitori anticorrosione a base di sali come ingredienti chiave. Senza di essi, i refrigeranti danneggerebbero gravemente il sistema di raffreddamento attraverso un processo chiamato corrosione elettrochimica. Gli inibitori nei refrigeranti proteggono i sistemi di raffreddamento attraverso due meccanismi principali:

icona

Passivazione

Crea una pellicola sulle superfici metalliche, fungendo da barriera fisica che impedisce all'ossigeno e all'acqua di causare ossidazione.

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Tampone di pH

I tamponi alcalini neutralizzano gli acidi organici che si formano naturalmente man mano che il glicole si degrada nel tempo, mantenendo il refrigerante stabile e non corrosivo.

La conducibilità è un parametro importante per i refrigeranti a base di glicole perché fornisce un’indicazione in tempo reale del contenuto ionico totale del refrigerante. Sebbene il glicole puro sia sostanzialmente non conduttivo, i refrigeranti a base di glicole sono formulati intenzionalmente con additivi quali inibitori di corrosione, agenti tamponanti e stabilizzanti, molti dei quali contribuiscono alla conducibilità elettrica del refrigerante. Di conseguenza, le misurazioni della conducibilità riflettono la chimica complessiva del refrigerante e possono aiutare a identificare cambiamenti nel tempo.

L’intervallo di conducibilità previsto dipende dal pacchetto specifico di inibitori e dalla formulazione del refrigerante, ma i valori tipici sono compresi tra 4.000 e 5.000 µS/cm. Ad esempio, i requisiti della CDU NVIDIA specificano una soglia di allarme per bassa conducibilità di 4.600 µS/cm, evidenziando l’importanza di mantenere un’adeguata concentrazione ionica all’interno del refrigerante.

La conducibilità è più utile come parametro di trend, riferito a una baseline definita, piuttosto che come indicatore autonomo dello stato del refrigerante. Aumenti e diminuzioni della conducibilità possono segnalare cambiamenti nelle condizioni del refrigerante, tra cui esaurimento degli inibitori, contaminazione, diluizione o altri squilibri chimici. Per garantire coerenza e accuratezza delle misurazioni, le linee guida OCP raccomandano che le misurazioni della conducibilità siano compensate in temperatura.

Soluzioni

Quale sensore di pH è adatto ai refrigeranti a base di glicole?

Il sensore di pH InPro™ 4260i è progettato per l'uso in applicazioni con refrigeranti. Con i sensori che utilizzano diaframmi ceramici convenzionali, i piccoli pori possono intasarsi rapidamente a causa delle particelle fini rilasciate dai componenti. Ciò provoca misurazioni inaffidabili, poiché la contaminazione del diaframma genera potenziali di diffusione indesiderati che distorcono le letture.

InPro 4260i è dotato di Xerolyt™, un elettrolita polimerico solido che elimina la necessità di un diaframma. Al suo posto, il sistema di riferimento si collega al mezzo di misura tramite una giunzione aperta. Le particelle estremamente fini che si depositano nelle giunzioni possono quindi essere risciacquate, sia dal flusso del liquido nel processo sia mediante risciacqui periodici.

Come si può monitorare la conducibilità in un refrigerante a base di glicole?

I sensori di conducibilità UniCond™, con un circuito di misura e un sensore di temperatura integrati, sono adatti a sistemi di raffreddamento a base di glicole che richiedono misure accurate di conducibilità e temperatura. Inoltre, METTLER TOLEDO combina configurazioni meccaniche standardizzate e ampiamente accettate con algoritmi di compensazione della temperatura per la misurazione della conducibilità, offrendo fino a 10 algoritmi preimpostati, incluso uno per il glicole etilenico.

Sia i sensori di conducibilità UniCond a 2 elettrodi sia quelli a 4 elettrodi sono adatti per applicazioni con refrigeranti a base di glicole, a seconda delle specifiche preferenze progettuali e dei requisiti del circuito di raffreddamento.

Per quanto riguarda i collegamenti di processo, sono disponibili sensori di conducibilità senza filettatura per rispondere alle preoccupazioni relative all'innesto errato delle filettature, alle perdite, al gocciolamento e al rischio di contaminazione del sistema dovuto a sigillanti per filetti o nastro in PTFE.

In questi casi, un sensore di conducibilità con Tri-Clamp rappresenta un'alternativa, offrendo una soluzione resistente alle perdite e facile da installare che risponde a queste esigenze, mantenendo al contempo le prestazioni di misura.

Perché usare sensori digitali in un circuito di raffreddamento?

Sia il sensore di pH sia i sensori di conducibilità menzionati sono digitali ed equipaggiati con la tecnologia Intelligent Sensor Management (ISM™) di METTLER TOLEDO. La funzione Plug and Measure di ISM garantisce un avvio rapido e senza errori, oltre a una maggiore affidabilità della misura.

Inoltre, ISM offre diagnostica predittiva del sensore per una manutenzione ordinaria efficiente, che può essere pianificata in anticipo, eliminando tempi di inattività imprevisti del punto di misura.

Guida teorica sul pH

Guida teorica sul pH

Guida alla misura di pH: aspetti teorici e pratici di applicazioni in materia

Come funzionano i sensori di conducibilità

Come funzionano i sensori di conducibilità

Dai sensori a due elettrodi ai sensori induttivi: capire i tipi di sensori di conducibilità, come funzionano e le loro applicazioni

Guida teorica sulla conducibilità

Guida teorica sulla conducibilità

Guida sulla misura in linea della conducibilità

Bryant Wai

Esperto del settore – Strumentazione analitica e applicazioni di processo

Bryant Wai è un esperto del settore con oltre un decennio di esperienza nella strumentazione analitica e nelle applicazioni di processo. Inoltre, svolge un ruolo centrale nel segmento del raffreddamento dei data center di METTLER TOLEDO. Bryant vanta una vasta esperienza lungo l'intera catena del valore, collaborando strettamente con costruttori di sistemi, integratori e utenti finali. La sua profonda competenza tecnica garantisce ai clienti soluzioni di misura ad alte prestazioni.

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