データセンター向けAI水冷ポンプの選定
施設管理チームが、既存のホールにGPUラックを2列追加しています。ラックの密度が、12 kWの空冷式から80 kWのダイレクト・トゥ・チップ式液冷へと飛躍的に向上します。機械設備業者は、CDUのデータシートに記載された公称流量に合致するポンプをカタログから選び出し、それを二次ループに設置するだけで、作業は完了したとみなしています。.
6週間後、ループの最も遠いマニホールドで流量が不足し、ポンプは特性曲線の終端付近でフル稼働しており、2台目のCDUが稼働するたびに吸込温度が上昇する。.
AIの液体冷却プロジェクトにおいて、公称流量のみに基づいてポンプを選定することは、最もよくある間違いです。ポンプは、カタログに記載された流量を「何もない空間」に送り出すわけではありません。ポンプは、自らが生み出せる揚力において、システム曲線が許容する流量を送り出すのです。 つまり、デューティポイントは、晴天時の設計点だけでなく、現実的な動作範囲全体にわたる、コールドプレート、マニホールド、ホース、フィルター、バルブ、熱交換器、配管など、水冷回路全体から導き出さなければならない。.
このガイドでは、試運転の段階でも通用する選定方法について解説します。.
要点
- 運転点は、熱負荷の計算表のみによって決定されるのではなく、ポンプ特性曲線とシステム特性曲線の交点によって定義されます。.
- AI冷却ループは通常、施設用水システム（FWS）、技術冷却システム（TCS）または二次ループ、そしてラックレベルのダイレクト・トゥ・チップ回路を分離するCDUという層構造になっています。.
- ポンプのタイプ、材質、およびシールは、冷却液に合わせて選択する必要があります。処理水、プロピレングリコール混合液、誘電性作動油は、それぞれ挙動が異なります。.
- AIループでは、N+1冗長構成と可変周波数駆動（VFD）制御が標準仕様となっています。ポンプの選定にあたっては、負荷範囲全体を通じて各ポンプをその最適効率点（BEP）付近に維持できるようにする必要があります。.
- NPSHaはNPSHrを十分な余裕をもって上回らなければならず、また、運転範囲はポンプの最小連続流量を満たすものでなければならない。.
ポンプを選定する前に、冷却ループの配置図を作成する
AIの液体冷却システムは、単一の油圧ループのみで構成されることはほとんどありません。一般的な構成では、3つのループがあります：
- 施設用水システム（FWS）： チラー、冷却塔、またはドライクーラーとプレート・アンド・フレーム式熱交換器を接続する、開放型または閉鎖型の凝縮水回路。開放型冷却塔回路では、溶存酸素の混入、生物の増殖、およびスケール発生といった懸念が生じますが、これらについては ASHRAE「凝縮水システム」の章.
- テクノロジー冷却システム（TCS）： 熱交換器とCDUの一次側との間を、処理水または水・グリコール混合液が流れる密閉型二次ループ。密閉型ループでは、化学的状態が予測可能であり、ファウリングも少ない。.
- CDUセカンダリ／ラックループ： 冷却分配ユニット（CDU）は、このループをTCSから流体的に隔離し、ラックマニホールドを介して、チップ直結型コールドプレートへ厳密に制御された冷却液を供給します。CDUのベンダーとしては、例えば CoolIT、二次側の流量、圧力、および温度の範囲を公表 それにより、ユニット内部および間接的にはTCS側におけるポンプの選定が左右される。.
各ループには、それぞれ固有の冷却剤、圧力クラス、材質、および許容温度範囲があります。 これら3つのループすべてに同じポンプモデルが適することはほとんどありません。開放型コンデンサー水回路では、気泡を含む水に対応したメカニカルシールを備えた、青銅製部品を備えたポンプまたは全鉄製のエンドサクションポンプが適しています。一方、抑制剤添加グリコールを用いる密閉型二次ループでは、通常、ステンレス製のインラインポンプまたはスプリットケースポンプが使用されます。.
「冷却ポンプ」を単一の選定問題として扱うことが、設備の過大・過小選定を招く原因となっている。.
について ASHRAEデータセンターHVACハンドブックの章 は、これらのループ全体で使用される境界条件、冗長性クラス、および温度設定値に関する参照情報です。.
手順 1：熱負荷と必要流量の算出
ラックの定格出力ではなく、ループが除去しなければならないIT熱負荷を基準としてください。ダイレクト・トゥ・チップ冷却の場合、ラックの総電力のうち一部は液体ループに、残りは依然として空冷に割り当てられます。 CDUまたはコールドプレートのベンダーは、各プラットフォームごとの液体側の熱回収率を公表しています。100%と仮定するのではなく、その数値を使用してください。.
必要な体積流量は、標準的な顕熱関係式から導かれる：
Q（熱）＝ ṁ × cp × ΔT
ここで、ΔT は、CDU が制御対象とするループの供給側と戻り側の温度差です。運転温度における冷却液の密度を用いて、体積流量に換算してください。2つの注意点：
- ΔTは設計上の選択事項であり、定数ではありません。ΔTを広く設定すると、流量とポンプ出力は低下しますが、戻り水温度とチップ温度は上昇します。GPUサプライヤーが定める吸込温度の上限およびチラー設備の揚程と調整してください。.
- グリコール混合液の場合、グリコール含有率が高くなるにつれてcpは低下するため、同じ熱負荷に対して、純水よりも高い質量流量が必要となります。.
CDUごとおよびループごとの流量を設定したら、多様性を考慮します。すべてのラックが同時に最大消費電力を発生させるわけではありませんが、AIトレーニングのワークロードは、従来のエンタープライズITに比べて多様性がはるかに低いです。多くの運用担当者は、液体ループにおける同時ピーク負荷を100%として設計しています。.
ステップ 2：総動水頭量の算出を行う
全動水頭（TDH）とは、設計流量においてポンプが克服しなければならないすべての圧力損失の合計である：
圧力損失素子 | 典型的な寄稿者 |
|---|---|
ストレートパイプの摩擦 | 長さ、直径、流体の粘度、粗さ |
継手およびバルブ | エルボ、T字管、バランス弁、遮断弁、ストレーナー |
熱交換器 | FWS/TCS インターフェース上のプレート・アンド・フレーム |
CDUの予備選挙側 | 内部配管、制御弁、ろ過 |
マニホールドとホース | 列型およびラック型マニホールド、クイックディスコネクト、ドリップフリーカップリング |
冷却プレート | 定格流量におけるサーバーごとの圧力損失 |
ろ過 | バッグフィルター、カートリッジフィルター、またはサイドストリームフィルター |
静揚力 | 標高の変化があるオープンループの場合のみ |
閉ループには正味静水頭は生じません（上昇した水は必ず下降します）が、すべての継手は依然として摩擦を発生させます。 メーカーの圧力損失曲線を用いて、要素ごとに計算を行ってください。曖昧な数値の上に、一律の「20%安全率」を適用してはいけません。TDHを過大に設定すると、運転点がBEPより左にずれ、プラントの稼働期間を通じて継続的にエネルギーを浪費することになります。.
負荷点は、システム曲線（これらの損失を通る放物線）がポンプ曲線と交差する点です。 BEPが設計負荷点上またはそのわずかに右側に位置するポンプを選択してください。これにより、VFD制御下での部分負荷運転でも、望ましい運転領域（ほとんどの遠心ポンプでは、通常、BEPの70%～120%の範囲）内に収まるようになります。.
ステップ3：冷却液の特性と材質を確認する
冷却剤の選択は、油圧特性と金属組織の両方に影響を与えます：
- 腐食防止剤を添加した処理水： 粘度が最も低く、比熱が最も高く、凍結防止が不要な場合に適しています。.
- プロピレングリコール／水混合物（20%–40%）： 屋外のドライクーラーやエコノマイザーが凍結する恐れがある場合に多く見られます。低温では粘度が急激に上昇し、ポンプの揚程が増加するとともに、システム特性曲線が変化します。設計条件だけでなく、予想される最低運転温度におけるTDHを再確認してください。.
- 誘電性液体（浸漬型またはリアドア型）： 密度や粘度がまったく異なるため、ポンプの選定やシール材の選定は、流体メーカーの指針に従わなければなりません。.
材料の適合性については、液に接触する部品（インペラ、ケーシング、シャフト、摩耗リング）およびシールが対象となります。メカニカルシールは、冷却液の化学組成、添加剤の配合、および温度に適合している必要があります。添加剤の中には、EPDMエラストマーを劣化させるものもあれば、カーボン面を劣化させるものもあります。酸素濃度の低い閉ループシステムでは、ステンレス製の内部部品と標準的なメカニカルシールが一般的に使用されます。.
開放型凝縮水システムについては、上記リンク先のASHRAEの凝縮水に関する章で、青銅製および鋳鉄製のポンプを正常に稼働させ続けるために必要な化学的制御について概説されています。.
ポンプ上流でのろ過は重要です。サブミリメートル級の微細流路を持つコールドプレートでは、CDUの二次側で精密なろ過が必要となります。また、ストレーナーの圧力損失は、TDHの計算において、清浄な状態ではなく、汚れた状態を前提として考慮する必要があります。.
ステップ4：冗長化と可変速制御の追加
AIトレーニングクラスターは、冷却の中断を許容しません。ほぼ例外なく行われている2つの対策があります：
- N+1（または2N）の冗長性： 1台が停止しても設計負荷を満たせるよう、ポンプの容量を決定する。定格100%のポンプを2台並列に配置すれば、いずれか1台で負荷を賄える。定格50%のポンプを3台配置した場合、2台が稼働していなければならない。1台が停止すると、容量は100%まで低下し、余裕はなくなる。 この構成は、通常時およびフェイルオーバー時の各ポンプの特性曲線上の位置に影響を与えます。両条件におけるBEPを確認してください。.
- VFD制御： 現在、閉ループ式の二次ループでは、可変速ポンプが標準となっています。 CDUは供給温度を維持するために流量を調整し、ポンプは低速域でその特性曲線に沿って動作します。ポンプの流量が最小連続流量を下回ったり、モーターが自己冷却できない領域に入ったりしない限り、アフィニティの法則により、部分負荷時に大幅な省エネ効果が得られます。グルンドフォスをはじめとする各社は、以下の点に関するガイダンスを公表しています。 データセンター向けインテリジェントポンプシステム 速度制御、並列シーケンス、リード・ラグ回転などを網羅しています。.
並列ポンプは揚程を分担するが、吐出量は比例して分担されるわけではない。そのため、それらの合成特性曲線は平坦化する。N+1構成の容量選定を行う際は、nおよびn+1の両方の運転モードにおいて、合成特性曲線をシステム特性曲線と重ね合わせてプロットし、吐出量と揚程が意図した範囲内にあることを確認する必要がある。.
手順 5：NPSH、最小流量、および動作範囲の確認
「正常に動作する選択」と、「キャビテーションやトリップを引き起こす選択」を区別するには、以下の3つのチェック項目があります：
- NPSHa 対 NPSHr： 利用可能な正の吸込ヘッド（NPSH）——大気圧（閉ループ式膨張タンクの圧力）、運転温度における流体の蒸気圧、吸込側の損失、および標高によって決定される——は、定格流量におけるポンプの必要NPSHを、余裕（通常3～5フィート、またはメーカーの指定に従う）をもって上回っていなければならない。 高温の戻り水による運転や高地での設置は、いずれもNPSHaを低下させる要因となります。.
- 最小連続流量： すべての遠心ポンプには、その値を下回ると再循環、発熱、振動が有害となる最低流量があります。VFDによる過度な出力低減を行うと、低負荷運転時にポンプがこの状態に達する可能性があります。そのため、最低回転数の下限を設定するか、再循環経路を確保する必要があります。.
- 曲線上の動作範囲： 設計時、最小負荷時、フェイルオーバー時、高粘度グリコールを使用したコールドスタート時など、想定されるすべての運転条件が、メーカーが推奨する運転範囲内に収まっていることを確認する。.
試運転によって一連のプロセスが完結します。すなわち、VFDの複数の回転速度において実際の流量、揚程、モーター出力を測定し、予測されたシステム特性曲線と比較して、バランス弁の調整を行います。 常設の計測機器（流量、CDU間の差圧、ポンプの吸込・吐出圧力、モーター出力（kW））からBMSにデータが送信されるため、ストレーナーの目詰まり、インペラの故障、バルブのドリフトといった劣化現象が、熱的トラブルに発展する前に検知されます。.
実用的なポンプ選定チェックリスト
ステップ | 回答すべき質問 | 出力 |
|---|---|---|
1 | どのループのサイズを決定すればよいのでしょうか？FWS、TCS、それともCDUのセカンダリですか？ | ループ境界、冷却剤、圧力クラス |
2 | ピーク時、このループにはどの程度の熱負荷とΔTがかかるのでしょうか？ | ポンプごとの設計フロー |
3 | 要素ごとのTDHはどのように算出されるのでしょうか？ | システム曲線 |
4 | どのような冷却剤、温度範囲、および化学的性質が適用されますか？ | 材料、シール、エラストマーの仕様 |
5 | どのような冗長性クラスと制御方式が必要ですか？ | ポンプ台数、VFDの仕様 |
6 | デューティポイントはBEPに対してどの位置にあるのか？ | ポンプの型式とインペラのトリム |
7 | 最悪のケースでもNPSHaは十分か？ | 吸込配置、膨張タンクの圧力 |
8 | 最小流量とターンドダウンはどれくらいですか？ | VFDの低速制限、再循環の必要性 |
9 | パフォーマンスはどのように検証・監視されるのでしょうか？ | 試運転計画、BMSポイント |
よくある質問
FWSとCDUの二次ループで、同じモデルのポンプを使用することはできますか？
通常はそうではありません。FWSでは、適度な揚程で、空気が混入した処理済み薬液が使用され、流量の大きい開放型コンデンサーが一般的ですが、一方、CDUの二次側回路は、より厳密な温度制御と微細なろ過が行われる、抑制剤が添加された密閉ループです。材料、シール、および曲線の形状が完全に一致することはめったにありません。.
TDHにはどのくらいのマージンを加えるべきですか？
設計流量時およびフィルター目詰まり状態における実際のコンポーネントの圧力損失データに基づいて、TDHを算出する。 その上に15%–25%の「ブラインド」係数を追加することは、BEPより左側で運転される過大サイズのポンプが生じる一般的な原因である。余裕は、特定の要素（例：目詰まり状態におけるストレーナーのdP）に組み込むべきであり、乗数として用いるべきではない。.
どこかに定速ポンプはまだ必要ですか？
固定速度のチラーを使用し、負荷が安定している単純な凝縮水回路では、定速ポンプでも十分に機能します。IT負荷が変動するAI冷却ループの場合、VFD制御が標準となります。.
選定ソフトウェアでグリコールの粘度をどのように扱うべきですか？
流体の実際の物性は、20 °Cではなく、想定される最低使用温度での値を入力してください。多くの選定ツールでは、グリコールの含有率を直接入力できますが、そうでない場合は、ポンプメーカーが公表している粘度補正係数を適用してください。.
ポンプ選定において、CDUはどのような役割を果たすのでしょうか？
CDUは、ラック側ループをTCSから分離し、ラックの供給温度を設定するとともに、独自の内部ポンプを内蔵しています。TCSのポンプが検知するのは、CDUの一次側圧力損失のみで、コールドプレート回路の圧力損失は検知しません。この2つの側面を計算で混同してしまうことは、よくある間違いです。.
結論
AI用液体冷却システムにおいて、妥当なポンプ選定を行うには、次の3つの習慣が不可欠です。すなわち、各ループを個別に定義すること、実際の部品データに基づいてシステム特性曲線を作成すること、そして、設計、部分負荷、フェイルオーバー、コールドスタートといった重要なすべての運転モードにおいて、ポンプ特性曲線と照らし合わせてデューティポイントを検証することです。 冷却液に適した材質とシールを選定し、NPSHおよび最小流量を確認するとともに、ループに計測機器を設置して、仮定ではなく試運転データに基づいて最終的なバランスを決定するようにします。.
この順序で作業を行えば、ポンプはBEP付近で安定し、VFDには調整の余地が生まれ、次のGPU列が稼働を開始しても冷却設備が追いつくようになります。.