液冷ループはなぜサニタリー配管の規則を採り入れるのか？
要点
チップ直接液冷の二次ループには、図面ではなく指針の側に書かれた清浄度の数値が課されています。ASHRAE のデータコム指針は技術冷却システムに対し全浮遊物質 3 ppm 未満、濁度 20 NTU 未満を示しており、CDU の反対側にある施設水より厳しい値です。この数値が難しいのは、冷却プレートのマイクロチャネルが歯間 0.1 mm まで狭く、その流れが意図的に層流に保たれているため、詰まった粒子を運び出す乱流が存在しないからです。ろ過が通常の答えとされますが、それは答えの半分にすぎません。50 ミクロンのエレメントは、守るべき流路の半分の幅の粒子を通しますし、フィルタより下流で生成される粒子には何もできません。サニタリー配管は数十年前に、別の理由で同じ物理的問題を解決しています。その規則、すなわちデッドレグを作らない、自己排水する、表面粗さを指定する、隙間のない接合という四つは、粒子の保持と発生に対する幾何学的な答えであり、そのまま液冷ループへ移ります。
ループは実際どの数値に縛られているのか
二つの水系が冷却液分配ユニットで出会いますが、両者は同じ基準ではありません。施設水システムは熱をプラントへ運びます。技術冷却システムはプロセッサに触れる閉ループであり、公表されている指針は二つのうち厳しい方です。
| 項目 | 技術冷却システム | それが示していること |
|---|---|---|
| 全浮遊物質 | 3 ppm 未満 | 由来を問わず循環している固形物 |
| 濁度 | 20 NTU 未満 | 重量では捉えられないが光を散乱させる微細な物質 |
| pH | 8.0 から 9.5 | 全面腐食を抑えるためアルカリ側に保つ |
| 導電率 | 0.2 から 20 micromho/cm | 溶存イオン量。ガルバニック活性を駆動する |
| 添加剤 | 腐食抑制剤と殺菌剤が必要 | このループは自らを侵し、また何かが繁殖すると想定されている |
この表は限度値の一覧というより、故障モードの記述として読むべきものです。浮遊物質と濁度が入っているのは、腐食生成物、生物由来物質、施工残渣、スケール、劣化したエラストマーが循環に入ると業界が想定しているからです。抑制剤と殺菌剤の行は同じことをより直接に述べています。
3 ppm が思ったより難しい理由
この数値は冷水プラントでは何ということもありません。ここで難しいのは、ループの末端に何があるかによります。
マイクロチャネル冷却プレートは、極めて小さな体積に表面積を詰め込むことで熱伝達率を得ています。公表されている設計はおよそ 8 × 4 × 0.35 cm で、マイクロチャネルの歯間は 0.1 mm まで狭くなります。これほど狭い流路では、乱流を作るポンプ揚程を系が負担できないため、流れは意図的に層流に保たれます。
その層流が問題です。乱流の配管では壁に触れた粒子は再び運ばれますが、層流のマイクロチャネルではそうなりません。粒子は流路入口に到達し、そこに留まり、流れは塞がった区画を迂回します。その上のダイは冷却されなくなりますが、他の流路は開いたままなので、ループが報告する流量と圧力は正常です。
ループは自ら粒子を作る
ポンプの後ろに置かれたフィルタが除去するのは、水がそこを通過する時点で循環している物です。自分より下流の表面には作用せず、物質の出どころはまさにその表面です。
- 腐食生成物。酸化皮膜は生成し、厚くなり、剥離します。冷却液の抑制剤はそれを遅らせるために存在するのであって、止めるためではありません。
- 劣化したエラストマー。O リングやホース内面は時間とともに流体へ材料を失います。
- 施工残渣。切粉、シール材、切断したホース片、溶接スケール。フラッシングは届く範囲を除去し、隙間は届かない分を留めて後から放出します。
- 生物由来物質。指針の殺菌剤要求は飾りではありません。
いずれも表面の問題です。だから答えはろ過を増やすことではなく幾何を変えることであり、そこでサニタリー規格が意味を持ち始めます。
サニタリー配管がすでに解決したこと
食品、乳業、製薬の配管は一つの問いに数十年を費やしました。物質を溜め込まず、後から放出もしない配管はどう作るか。その答えは二つの規格に書かれており、両者は同じ規格ではありません。
| 観点 | 3-A サニタリー規格 | ASME BPE |
|---|---|---|
| 対象産業 | 乳業、食品、飲料 | バイオ医薬 |
| 規格の性格 | 仕様規定型、設計原則 | 性能規定型、表面粗さ、材質、溶接品質 |
| デッドレグ | 許容される | 勾配要求を伴う自己排水形状 |
| 継手の直管部 | 無いことが多い | 延長された直管部。軌道溶接ヘッドが接合部に届くため |
| 母材の硫黄 | 特に管理されない | 管理される。硫黄が溶融池の溶け込みを左右するため |
| 製品接触面の粗さ | およそ 32 マイクロインチ Ra | 通常 20 マイクロインチ Ra 以上 |
この関係は一方向です。ASME BPE に従って製造・試験された部品は通常 3-A を満たします。3-A の部品は、最初から BPE で製造・試験されていない限り BPE を満たしません。
移せる四つの規則
これらの規格から生物の層を取り除くと、残るのは粒子についての幾何学的な規則です。同じ物理的理由で液冷ループにも当てはまり、末端の結果だけが違います。
| サニタリーの規則 | 製薬が求める理由 | 液冷ループが求める理由 |
|---|---|---|
| デッドレグを作らない | 滞留した流体はバイオフィルムを育てる | 滞留した流体は固形物を沈降させ、流れが変わると放出する |
| 自己排水 | 系を空にして滅菌できる | 部品交換後に系をきれいに洗い流せる |
| 表面粗さの指定 | 滑らかな面ほど微生物を留めない | 滑らかな面ほど剥離せず、留めない |
| 隙間のない接合 | 隙間は洗浄が届かない | 隙間は残渣を抱え、隙間腐食の起点になる |
表面粗さの仕様が実際に述べていること
表面粗さは数値を伴う唯一の規則であり、ASME BPE はそれを素の Ra ではなく記号として書きます。記号は限度値だけでなく加工方法も担っており、それが重要なのは、Ra が同じ二つの面が、どうやってそこに至ったかによって異なる振る舞いをするからです。
| 記号の群 | 加工方法 | Ra 上限の範囲 |
|---|---|---|
| SF1 から SF3 | 機械研磨 | 20 から 30 マイクロインチ（0.51 から 0.76 µm） |
| SF4 から SF6 | 電解研磨 | 15 から 25 マイクロインチ（0.38 から 0.64 µm） |
個々の記号の意味、同じ Ra の機械研磨面と電解研磨面が同じ面ではない理由、バルブのどの面が仕上げにくいかは表面粗さの記事で扱っています。
SF4 は製薬の製品接触面で最も多く指定される記号です。液冷ループがそこまで到達する理由はありません。冷却の仕様に有用なのはその構造です。加工方法と Ra 上限を一緒に示すことであり、図面に「研磨」と書いて供給者に解釈を委ねることではありません。
ろ過は半分しかしていない
ろ過を清浄度対策のすべてだと考えている現場は多いのですが、ろ過は必要な一部であって、そこに全部を背負わせるのは無理があります。
その下に二つの限界があります。一つは算術です。マイクロチャネル冷却プレートのサイドストリームろ過は 50 ミクロンまで指定されることが多く、守るべき流路は約 100 ミクロンです。エレメントの精度は隙間の半分であり、フィルタを通った粒子は落ちる先の半分の幅を持ちうるため、二つが同時に一つの入口へ到達すればそこは塞がります。
もう一つは位置です。フィルタはフィルタを通る水に作用します。その下流のバルブ本体で生じる腐食生成物、下流で剥離する O リングのエラストマー、隙間に抱えられた残渣は、いずれもエレメントより先に冷却プレートへ到達します。ろ過は発生した後の後始末です。発生を減らすのは幾何であり、幾何は試運転のときではなく部品を仕様化するときに決まります。
両方が必要です。どちらも他方の代わりにはなりません。
冷却ループ部品の仕様に含めるべき項目
以下は、部品が粒子負荷を増やすか中立でいるかを決める項目です。圧力定格や材質記号からは導けないため、明示的に書く価値があります。
- 内面粗さを Ra 上限と加工方法の両方で示すこと。「研磨」の一語ではなく
- 濡れ面のすべての接合部が隙間のない構造か。シート下、シール背面を含む
- 部品が排水できるか、そのためにどの向きで据え付ける必要があるか
- 管を切らずに開放点検できるか。これが二片式かクランプまたは突合せ溶接端の三片式かを決める
- シートとシールの、冷却液・グリコール濃度・抑制剤配合に対する適合性。ループ温度で
- 母材と、その鋳造または鍛造の材質記号。合金が腐食生成物の正体を決めるため
- 供給者が実際に達成している仕上げを述べられるか。見積書に書ける仕上げではなく
本稿が解決しないこと
移るのは原則であって認証ではありません。サニタリーの幾何で作られた部品がそれによって冷却ループの資格を得るわけではなく、ASME BPE にも 3-A にも熱伝達を念頭に書かれた条項はありません。
接続形式は別の問題です。あるループがクランプ接合、溶接接合、クイックディスコネクトのどれを使うかは、保守性、ラック配置、ループ構成が決めることであり、本稿は現行の CDU 設計でどれが一般的かについて何の主張もしません。
ここで引用した清浄度の数値は技術冷却システムに対するデータコム指針であって、特定の事業者が採用した仕様ではありません。個々のプログラムが独自に定め、より厳しい値を定めるものもあります。
よくある質問
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参照規格および指針：ASHRAE データコムシリーズ（施設水システムと技術冷却システムの水質指針）、ASME BPE（バイオプロセス機器、表面粗さ記号と接合幾何）、3-A サニタリー規格（乳業、食品、飲料の衛生設備設計）。
マイクロチャネルの寸法とろ過の数値は冷却プレート設計の公表された代表値であり、製品により異なります。水質の数値は技術冷却システムに対する指針であって、特定の事業者が採用した仕様ではありません。表面粗さ記号は上限値であり、供給者が実際に達成する仕上げは別の問題です。