データセンター用液冷式熱交換器による熱効率の最適化

データセンター用液冷式熱交換器とは何ですか？

データセンターの液冷式熱交換器は、サーバー冷却ループ（通常は水または誘電性流体を使用）から、施設内の水冷ループやドライクーラーなどの二次冷却回路へ熱を伝達します。従来の空冷式システムとは異なり、液冷式はラックあたり50kWを超える熱密度に対応できるため、最新の高密度展開において不可欠です。熱交換器は、IT機器の冷却ループと放熱インフラ間のインターフェースとして機能し、ポンプとファンのエネルギー消費を最小限に抑えながら、サーバーの温度を安全な動作範囲内に維持します。

実際には、これらのユニットは、高い熱効率とコンパクトな設置面積のため、プレート式熱交換器（PHE）であることが多い。例えば、ガスケット付きプレート式熱交換器は、1～2℃という低い温度まで冷却温度を下げることができ、これによりチラーの効率が直接向上したり、より長い期間のフリークーリングが可能になったりする。腐食性の高い流体や高圧を扱う用途では、TP WeldedやHT-Blocなどの溶接式プレート式熱交換器が好まれる。

データセンターにおける液冷式熱交換器の仕組みとは？

動作原理は単純明快です。2つの流体が交互に配置された波形プレートの流路を流れ、混合することなく熱を伝達します。高温側では、サーバーラックからの冷却液（通常35～50℃）が熱交換器に入ります。低温側では、設備用水またはグリコール混合液（15～30℃）が熱を吸収します。向流方式を採用することで温度差が最大化され、圧力損失を最小限に抑えながら高い熱伝達率を実現します。

設計上の重要な考慮事項としては、プレート材質（耐腐食性のため一般的にはAISI 316L）、ガスケット材質（耐熱性のためEPDMまたはNBR）、およびプレート形状（シェブロン角度は乱流と圧力損失に影響します）などが挙げられます。データセンター用途では、さまざまな冷却剤の種類や運転条件に対応するため、設計圧力は10～16バール、設計温度は最大120℃と指定されることがよくあります。

主な特長と標準的なパラメータ範囲

データセンター向け液冷式熱交換器を評価する際には、以下の機能とパラメータが最も重要となります。

• 熱負荷:ラック密度と冷却ループ構成によって異なりますが、通常はユニットあたり50kWから2MWです。
• 接近温度：ガスケット式設計の場合は1～2℃、溶接式設計の場合は2～5℃と、温度変化は小さい。
• 圧力低下:一般的には片側あたり20～80kPaで、ポンプのエネルギーと熱伝達のバランスを取る。
• 流量：1ユニットあたり10～200 m³/hの処理能力を持ち、ハイパースケール施設向けにはより大型のユニットも用意されている。
• プレート材質：標準材質はAISI 316Lステンレス鋼ですが、腐食性流体向けにはチタンまたはスーパーデュプレックス鋼のオプションもご用意しています。
• ガスケット材質：一般的な水／グリコール系冷却液にはEPDM、油系冷却液にはNBRを使用。完全溶接モデルにはガスケットは使用しない。
• つながり:フランジ式またはねじ込み式で、設備配管のサイズ（DN50～DN200）に合わせて選択可能。

これらの範囲は業界標準のものであり、データセンターの液冷ループで使用されるほとんどの標準的なプレート式熱交換器の構成に適用されます。

アプリケーションと推奨ソリューション

データセンターの液冷式熱交換器は、いくつかの一般的なシナリオで導入されています。

• チップへの直接冷却：冷却液はCPUとGPUの冷却プレート上を直接流れます。ガスケット付きプレート式熱交換器により、サーバーの冷却ループが設備全体の冷却ループから隔離され、汚染を防ぎ、メンテナンスを容易にします。
• 液浸冷却：タンク内の誘電性流体は、溶接プレート式熱交換器によって冷却される。この熱交換器は、粒子状物質や粘性の高い流体に対応するため、ワイドギャップ設計が用いられることが多い。
• 無料冷却統合：外気温が低い場合、プレート式熱交換器を使用することで、施設内の水循環回路がチラーを迂回できるようになり、大幅なエネルギー節約につながる。
• 熱回収：熱交換器からの温水は、建物の暖房や地域暖房に利用でき、施設全体の効率向上につながる。

用途ごとに、ガスケット式と溶接式のどちらを選択するかは、流体適合性、メンテナンスアクセス、圧力/温度要件によって決まります。ガスケット付きプレート式熱交換器はきれいな水ループに最適ですが、TP溶接プレート式熱交換器高圧環境や腐食性の高い流体環境に適しています。

データセンターの液冷式熱交換器にSHPHEを選ぶ理由とは？

SHPHEは、2005年に設立された上海を拠点とするプレート式熱交換器メーカーで、ISO9001およびASME U認証を取得し、20か国以上に製品を輸出しています。当社の製品ラインには、HT-BlocおよびTP溶接プレート式熱交換器、ワイドギャップ溶接プレート式熱交換器、ガスケット式プレート式熱交換器、PCHE、プレート式空気予熱器、ピロープレートなどがあります。当社は、お客様のデータセンターの液冷熱交換器の要件に最適な熱交換器を過剰設計することなく選定できるよう、無料の熱設計および選定サービスを提供しています。

当社のエンジニアは、お客様と協力して最適なプレート形状、材質、構成を決定します。改修用のコンパクトなガスケット付きユニットが必要な場合でも、新しいハイパースケール施設向けの完全溶接ソリューションが必要な場合でも対応可能です。当社は、Alfa Laval、Compabloc、GEAなどの主要ブランドと互換性があり、OEM性能と同等またはそれ以上の信頼性の高い代替品を提供します。特殊な用途向けには、プリント回路式熱交換器極度の圧力やコンパクトさが求められる場合。

よくある質問

データセンターの液冷式熱交換器における一般的な接近温度はどのくらいですか？

熱交換器の種類やプレートの形状によって異なりますが、接近温度は通常1～5℃の範囲です。ガスケット付きプレート式熱交換器は、1～2℃という低い接近温度を実現でき、これはフリークーリング時間を最大限に活用するのに最適です。溶接式熱交換器は、プレートが厚く、流れのパターンも異なるため、一般的に接近温度は2～5℃とやや高くなります。

ガスケット付きプレート式熱交換器を浸漬冷却液に使用できますか？

はい、ただし誘電性流体とガスケット材料の適合性が良好な場合に限ります。EPDMガスケットはほとんどの合成油やフッ素系流体と相性が良く、NBRは石油系冷却液に適しています。腐食性の高い流体や高温の場合は、ガスケットの劣化リスクを排除するために溶接式プレート熱交換器の使用をお勧めします。必ず製造元に化学的適合性を確認してください。

500kWのデータセンター冷却ループに適した熱交換器のサイズはどのように決定すればよいですか？

熱交換器のサイズ選定には、高温側入口/出口温度、低温側入口温度、および流量が必要です。一般的なシナリオ（高温側45℃～35℃、低温側25℃～30℃）では、伝熱面積が約50～80m²のプレート式熱交換器が必要となります。無料の熱設計をご希望の場合は、お客様の運転条件をすべてご提供いただくことをお勧めします。当社のエンジニアが、お客様の用途に最適なプレート枚数と構成をご提案いたします。

データセンターで使用されるプレート式熱交換器において、ガスケット式と溶接式の違いは何ですか？

ガスケット付きユニットは、ガスケットの交換が可能で清掃やメンテナンスが容易なため、清浄な水を使用する冷却ループに適しています。一方、溶接式ユニット（TPやHT-Blocなど）はガスケットがなく、より高い圧力と温度に対応できるため、腐食性の高い冷却液を使用する場合や、漏れのリスクを最小限に抑える必要がある場合に適しています。どちらを選ぶかは、冷却液の種類、メンテナンス方法、予算によって異なります。

既存の空冷式データセンターに、液冷式熱交換器を後付けすることは可能ですか？

はい、改修は一般的です。プレート式熱交換器を設置することで、新しい液冷ループを既存の冷水システムに接続できます。熱交換器は2つの回路を分離するため、施設全体を改修することなく、液冷式ラックを段階的に追加できます。このような改修には、コンパクトなガスケット付きユニットが最も費用対効果の高い選択肢となる場合が多いです。

データセンターの液冷式熱交換器のメンテナンス方法を教えてください。

ガスケット式ユニットの場合、プレートの定期清掃（水質に応じて1～3年ごと）とガスケットの交換（5～8年ごと）が標準です。溶接式ユニットはメンテナンス頻度は少ないですが、汚れが付着した場合は化学洗浄が必要になる場合があります。圧力降下と出口温度を監視することで、汚れの早期発見に役立ちます。ご使用の機種に応じたメーカーのメンテナンススケジュールを必ず守ってください。

データセンター用液冷式熱交換器の見積もりをご依頼ください

正確な熱設計と見積もりをご希望の場合は、流量（高温側と低温側）、入口温度と出口温度、運転圧力、および流体媒体（グリコール濃度や添加剤を含む）の詳細をご提供ください。SHPHEのチームはこれらのパラメータに基づいて、お客様のデータセンター液冷熱交換器用途に最適なプレート式熱交換器を選定し、信頼性の高い性能とエネルギー効率を確保いたします。無料の選定プロセスを開始するには、プロジェクトの仕様をお知らせください。