액체 냉각 배관 연결 기술의 진화 - 플랜지 용접에서 퀵 커넥트 및 블라인드 메이트 솔루션까지

서론: 연결의 중요한 역할

액체 냉각 시스템에서 배관 연결부는 가장 흔하면서도 가장 취약한 부분 중 하나입니다. 칩 직접 냉각 방식의 액체 냉각 시스템에서 냉각수 분배 장치와 서버 냉각판 사이의 모든 유체 연결부는 잠재적인 고장 지점입니다. 잘못된 위치에서 냉각수가 한 방울이라도 떨어지면 심각한 시스템 다운이 발생하여 수백만 달러에 달하는 IT 장비가 손상될 수 있습니다.

연결 방식의 진화는 신뢰성, 유지보수성 및 시공 효율성을 끊임없이 추구하는 업계의 노력을 반영합니다. 랙 밀도가 50kW를 넘어서고 AI 워크로드가 24시간 365일 가동을 요구함에 따라 그 중요성은 그 어느 때보다 높아졌습니다. 이 글에서는 전통적인 용접 및 플랜지 연결 방식에서 오늘날의 첨단 블라인드 메이트 퀵 커넥트 솔루션에 이르기까지의 여정을 살펴보고, 각 세대가 어떻게 새로운 엔지니어링 과제를 해결하고 때로는 새롭게 만들어냈는지 분석합니다.

전통적인 연결 방식: 기본 원리와 한계

용접 연결: 영구적이지만 문제가 발생할 수 있음

용접 연결은 금속 배관 시스템의 업계 표준으로, 높은 구조적 안정성을 갖춘 영구적인 접합부를 제공합니다. 스테인리스강 배관의 경우, 궤도 용접은 반복 가능하고 완전 침투형이며 가스 퍼지 방식의 용접을 제공하여 매우 높은 신뢰성을 달성할 수 있습니다. 냉각수 분배 장치(CDU) 내부 배관에서도 용접은 여전히 ​​가장 널리 사용되는 접합 방식입니다.

하지만 용접 과정 자체는 몇 가지 어려움을 야기합니다.

• 열영향부 열화용접 과정은 재료의 미세 구조를 변화시켜 용접 부위의 부식 취약성을 증가시킬 수 있습니다. 스테인리스강의 경우, 이는 용접 부위가 공식 및 틈새 부식에 취약해질 수 있음을 의미합니다.

• 오염 위험용접 과정에서 산화물, 열 변색, 표면 오염 물질이 발생할 수 있으며, 이는 용접 후 세척 및 부동태 처리를 통해 제거해야 합니다. 적절한 표면 처리 없이 냉각 루프를 채우면 이러한 부분들이 바이오필름이 자라기 시작하는 주요 원인이 됩니다.

• 건설 지연현장 용접은 시간이 많이 소요되고 숙련된 인력이 필요합니다. 용접 후 산세척, 부동태화 처리 및 세척 작업은 건설 일정에 추가적인 시간을 더합니다. 시장 출시 속도가 중요한 초거대 규모 구축 모델에서는 이러한 제약 조건이 점점 더 용납할 수 없는 수준이 되고 있습니다.

• 굽힐 수 없음용접이 완료되면 연결부는 영구적입니다. 개조, 수리 또는 부품 교체 시 절단 및 재용접이 필요하므로 유지 보수가 복잡해지고 가동 중단 위험이 증가합니다.

플랜지 연결: 튼튼하지만 속도가 느립니다

플랜지 연결부는 볼트 압축을 이용한 밀봉 방식으로 높은 연결 강도와 우수한 신뢰성을 제공합니다. 이러한 연결부는 일반적으로 대구경 배관 및 CDU(냉각 배전반)나 펌프와 같은 장비 연결에 사용됩니다.

한계점은 분명합니다.

• 설치에 시간이 많이 소요됨각 연결에는 여러 개의 볼트를 규격에 맞게 조여야 하는데, 이는 일반적인 데이터 센터의 수천 개에 달하는 연결에 비해 확장성이 매우 떨어집니다.

• 공간 제약플랜지는 공구 접근을 위해 상당한 여유 공간이 필요하므로 현대적인 랙에서 흔히 볼 수 있는 협소한 공간에 설치하기 어렵습니다.

• 유지 관리 복잡성분해는 조립만큼 시간이 많이 소요되므로 유지보수 기간이 길어집니다.

퀵 디스커넥트 혁명: UQD 및 UQDB

UQD 표준: 상호 운용성을 위한 기반

범용 퀵 디스커넥트(UQD) 커플링은 액체 냉각의 대규모 생산을 위해 커넥터 표준화가 필수적이라는 OCP(개방형 냉각기) 커뮤니티의 인식에서 탄생했습니다. UQD 사양은 본체 크기(1/8인치~1/2인치), 유량 성능 요구 사항 및 인터페이스 치수를 포함한 주요 매개변수를 정의합니다.

UQD 커넥터는 업계 표준으로 자리매김하게 된 몇 가지 핵심적인 설계 요소를 갖추고 있습니다.

• 푸시 투 커넥트 작동자동 강철 볼록 잠금 장치는 도구 없이 빠르고 간편하게 연결 및 분리가 가능하여 설치 시간을 크게 단축시켜 줍니다.

• 평면형 드라이 브레이크 실링평평한 표면 설계로 연결 및 분리 시 냉각수 누출을 ​​방지하여 하드웨어 부식 및 회로 단락 위험을 줄입니다.

• 색상으로 구분된 인터페이스빨간색/파란색 표시는 공급 라인과 반환 라인을 구분하는 데 도움이 되어 작동 오류를 줄여줍니다.

• 다양한 냉각제와의 호환성UQD 커넥터는 탈이온수, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 및 유전체 냉각제를 수용할 수 있습니다.

주요 제조업체들은 인체공학적 푸시 버튼 디자인과 견고한 폴리머/스테인리스 구조를 특징으로 하는 Parker Hannifin의 UQD 커플링을 포함하여 UQD 규격을 준수하는 커넥터 제품군을 개발해 왔습니다. Amphenol은 OCP Rev 2.0 사양을 완벽하게 충족하도록 UQD 제품군을 확장하여 최대 800L/min의 유량 성능을 달성했습니다. Danfoss는 OCP 요구 사항보다 29% 더 높은 유량을 제공하는 -08 사이즈를 추가하여 UQD 포트폴리오를 완성했습니다.

UQDB: 고밀도 랙을 위한 블라인드 메이트 기능

랙 밀도가 증가하고 서버와 랙 간 연결이 많아짐에 따라 블라인드 메이트 기능의 필요성이 분명해졌습니다. UQDB(Universal Quick Disconnect Blind-Mate) 커넥터는 랙 수준 배포에 특화된 기능을 통해 UQD 개념을 확장합니다.

• 방사형 부유 보상플러그 부분은 소켓 부분과 정렬되도록 방사형으로 움직일 수 있어 최대 +/-1mm까지 보정이 가능하므로 랙 내부 연결이 더욱 간편합니다.

• 자기중심적 디자인연결이 끊어지면 부유 구조는 자동으로 중앙 위치로 복귀하여 다음 결합 작업을 위한 부유 공간을 확보합니다.

• 핸즈프리 작동블라인드 메이트 커넥터는 정확한 시각적 정렬이 필요 없는 연결을 가능하게 하여 밀집된 랙 환경에서 신속한 구축 및 유지 관리를 지원합니다.

UQDB 표준은 널리 채택되었습니다. 용구이 전기의 UQDB 시리즈는 4가지 내경 크기(-02, -04, -06, -08)를 지원하며 유량 계수는 0.33~3.15m³/h이고 기계적 수명은 최대 10,000회 결합 주기까지 보장합니다. 암페놀의 UQD/UQDB Rev 2.0은 하이브리드 결합을 지원하여 UQD 플러그와 UQDB 소켓을 결합할 수 있도록 함으로써 설계 유연성을 높였습니다.

최신 QD 솔루션의 성능 특성

퀵 커넥트 커넥터의 성능은 다양한 측면에 걸친 광범위한 테스트를 통해 검증되었습니다.

헬륨 누출 테스트이는 품질 검증을 위한 표준 관행이며, 일반적인 허용 기준은 ≤1×10⁻⁷ mbar·L/s입니다.

차세대 기술: 첨단 블라인드 메이트 솔루션

PBMC: 피벗팅 블라인드 메이트 커플링

OCP 커뮤니티의 기여로 개발된 피벗형 블라인드 메이트 커플링(PBMC)은 블라인드 메이트 기술의 중요한 진전을 나타냅니다. 이 설계는 여러 제조업체가 참여한 다단계 협력 과정을 통해 탄생했습니다.

핵심 역량포함하다:

• 회전식 자체 중심 메커니즘반경 방향 정렬 불량은 최대 5mm, 각도 정렬 불량은 최대 2.5도까지 보정할 수 있어 표준 UQDB 부동 보정 성능을 크게 능가합니다.

• 고유량 설계4.0psi에서 36L/min의 유량을 지원하며, 작동 범위는 72mm~78.5mm입니다.

• 분리형 호스 인터페이스이 연결부는 회전 메커니즘과 독립적이므로 호스를 유연하게 배치할 수 있고 연결부에 가해지는 부담을 줄여줍니다.

• 설치 유연성1U 및 10U 섀시 크기를 지원하며 다양한 장착 옵션을 제공합니다.

사우스코의 블라인드메이트 플로팅 메커니즘

사우스코는 냉각 시스템 효율에 영향을 미치는 기계적 공차 문제를 해결하기 위해 고안된 고정밀 블라인드 메이트 플로팅 메커니즘을 개발했습니다. 이 회사는 OCP 데이터에 따르면 1mm의 편차가 유동 저항을 15% 증가시켜 펌프 에너지 소비량을 약 7% 증가시킬 수 있다고 밝혔습니다.

주요 특징포함하다:

• ±4mm 반경 방향 부동 공차(2° 기울기 보정)

• 6mm 축 방향 변위 흡수

• 자동 셀프 센터링연결이 끊어졌을 때

• 밀봉 성능은 ASME B31.3 규격을 준수합니다.고압 테스트 요구 사항

• 10년 이상 연속 작동을 위해 설계되었습니다.

이 메커니즘은 랙 규격(EIA-310-D 및 ORV3, 최대 ±3.2mm) 간의 누적 공차, 운송 중 진동 변위(ISTA 3-E 테스트에서 2.8mm 초과), 재료의 열팽창(구리 매니폴드는 일반적인 온도 범위에서 미터당 1mm 이상 팽창) 등 실제 환경에서 발생하는 정렬 불량 원인을 해결합니다.

CFC: 호환 유체 커넥터

최근 연구에서는 액체 냉각 데이터 센터의 대규모 구축을 가로막는 호환성 문제를 해결하기 위해 호환 유체 커넥터(CFC) 개념이 도입되었습니다. CFC는 ±2.5mm의 축 방향 공차를 갖는 축 방향 부유 메커니즘과 최적화된 플러그-소켓 구조를 특징으로 하며, 이를 통해 주요 UQD/UQDB 커넥터와의 브랜드 간 호환성을 제공합니다.

이러한 발전은 서로 다른 제조업체의 커넥터가 원활하게 상호 운용될 수 있는 미래를 예고하며, 이는 특정 공급업체에 대한 종속성을 더욱 줄이고 산업 표준화를 가속화할 것입니다.

결합 기술: 커넥터를 넘어

연결 부품이 많은 관심을 받지만, 배관 자체를 연결하는 방식 또한 시스템 신뢰성에 있어 똑같이 중요합니다.

고분자 시스템용 적외선 용접

폴리머 배관의 경우, 적외선(IR) 용접이 선호되는 접합 방법으로 자리 잡았습니다. 비접촉 방식인 이 공정은 충전재나 용접 가스 없이 균일한 분자 결합을 가능하게 하여 배관 내부의 오염 위험을 제거합니다.

매년 수백만 건의 용접 작업 데이터를 분석한 결과, 적외선 용접(IR 용접)은 자동화된 공정 제어 및 디지털 추적 기능을 통해 매우 높은 신뢰성을 달성하는 것으로 나타났습니다. 또한, 폴리머 시스템은 일반적으로 금속 배관에 비해 시운전 중 세척 횟수가 현저히 적어 프로젝트 기간을 단축하는 데 도움이 됩니다.

금속 부품용 레이저 용접

금속 부품의 경우, 특히얇은 벽(벨로우즈) 및 중요 연결부에서 레이저 용접은 선호되는 기술이 되었습니다. 기존의 브레이징 및 TIG 용접은 초박형 벽 튜브에서 밀봉 무결성, 열 변형, 용접 기공, 피로 균열 및 생산 일관성 측면에서 어려움을 겪는 경우가 많습니다..

레이저 용접은 다음과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다.

• 작은 열영향부열 변형을 최소화합니다.

• 매끄럽고 촘촘한 용접 이음매: 밀봉 신뢰성을 향상시킵니다

• 비접촉식이며 자동화가 용이합니다.높은 품질로 대량 생산이 가능합니다.

• 유연한 빔 형상복잡한 튜브 형상 및 조립 간격을 수용합니다.

AI 서버 액체 냉각 시스템의 경우, "누출 제로"가 운영 생존의 직결되는 문제이므로, 고열 부하 조건에서도 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 주름관 및 매니폴드 연결부의 레이저 용접이 필수적입니다.

결론: 표준화 및 상호 운용성 추세

액체 냉각 배관 연결의 발전 과정은 노동 집약적이고 숙련된 기술에 의존하는 방식에서 표준화되고 사용자 친화적이며 상호 운용 가능한 솔루션으로 나아가는 명확한 궤적을 보여줍니다.

미래를 형성하는 주요 트렌드는 다음과 같습니다.

• OCP 하에서의 표준화OCP 커뮤니티는 연결 사양을 지속적으로 개선하고 있으며, OCP V2는 상호 운용성과 성능 요구 사항을 더욱 향상시킬 것으로 예상됩니다.

• 향상된 내성 능력랙이 더욱 밀집되고 복잡해짐에 따라 커넥터는 더 큰 정렬 불량을 수용해야 합니다. ±1mm에서 ±5mm로의 반경 방향 허용 오차 증가는 상당한 진전입니다.

• 지능형 통합미래의 커넥터는 온도, 유량 및 압력 모니터링을 위한 센서를 통합하여 예측 유지보수 및 실시간 시스템 최적화를 가능하게 할 가능성이 높습니다.

• 경량 소재고성능 폴리머를 스테인리스강과 함께 사용함으로써 내구성을 유지하면서 무게를 줄일 수 있습니다.

• 브랜드 간 호환성호환 가능한 유체 커넥터의 개발은 다양한 공급업체의 제품을 혼합하여 사용하는 것이 예외가 아닌 일반적인 현상이 되는 미래를 예고합니다.

액체 냉각 시스템에서 가장 취약한 부분이었던 연결 부위는 이제 차세대 AI 인프라에 필요한 규모와 밀도를 구현할 수 있는 정교하게 설계되고 신뢰성이 높은 인터페이스로 거듭나고 있습니다.