液冷為什麼開始採用衛生級配管的規則？
重點結論
晶片直接液冷的二次迴路，被要求達到一個寫在指引裡而不是寫在圖面上的潔淨度。ASHRAE 對技術冷卻系統的資料通訊設備指引，把總懸浮固體訂在 3 ppm 以下、濁度 20 NTU 以下，比 CDU 另一側的廠務水還嚴格。這個數字之所以難達成，是因為冷板微流道齒間距可以窄到 0.1 mm，而流過它的流態是刻意做成層流的，所以卡住的顆粒沒有紊流能把它帶出來。過濾是慣用的答案，而它只是答案的一半：50 微米的濾芯放行的顆粒，寬度是它所保護流道的一半，而且它對濾網下游生成的顆粒完全無能為力。衛生級配管在數十年前就為了另一個理由解決過同一個物理問題。不留死角、可自排空、指定表面粗糙度、接合面無縫隙，這四條規則針對的都是同一件事：顆粒怎麼被留住，又怎麼被放出來。原封不動搬到冷卻迴路就成立。
迴路實際上被要求到什麼數字？
兩套水系統在冷卻液分配單元交會，而它們的標準並不相同。廠務水系統把熱帶到機房外。技術冷卻系統是接觸處理器的封閉迴路，它的公開指引是兩者中比較嚴的那一個。
| 項目 | 技術冷卻系統 | 它在說什麼 |
|---|---|---|
| 總懸浮固體 | 3 ppm 以下 | 循環中的固體物質，不論來源 |
| 濁度 | 20 NTU 以下 | 小到秤不出重量、卻足以散射光線的細微物質 |
| pH | 8.0 至 9.5 | 維持鹼性以抑制全面腐蝕 |
| 導電度 | 0.2 至 20 micromho/cm | 溶解的離子負荷，它驅動電偶活性 |
| 添加劑 | 需要腐蝕抑制劑與殺菌劑 | 這條迴路被預期會攻擊自己，也會長東西 |
這張表不太像限值清單，比較像在描述會出什麼問題。懸浮固體與濁度會列進來，是因為業界預期腐蝕產物、生物質、安裝殘屑、水垢與劣化的彈性體最終都會進入循環。抑制劑與殺菌劑那兩行講的是同一件事，只是講得更直接。
為什麼 3 ppm 比聽起來難
這個數字放在冰水主機房不算什麼。它在這裡困難，是因為迴路末端有什麼東西。
微流道冷板的熱傳係數來自把表面積塞進極小的體積裡。公開的設計約為 8 × 4 × 0.35 公分，微流道齒間距可以窄到 0.1 mm。這麼窄的流道刻意維持層流，因為在那個尺寸下製造紊流所需的泵揚程，系統付不起。
層流正是問題所在。在紊流管路裡碰到壁面的顆粒會再度被帶走，在層流微流道裡不會。顆粒到達流道入口、卡在那裡、然後就留下來，而流體只是繞過被堵住的那一段。上方的晶粒失去冷卻，但迴路回報的流量與壓力都正常，因為其他流道還開著。
迴路自己會產生顆粒
裝在泵後面的濾網，移除的是水通過它的當下正在循環的東西。它對自己下游的表面不起作用，而那些表面正是物質的來源。
- 腐蝕產物。氧化膜生成、增厚、剝落。冷卻液裡的抑制劑存在是為了減緩它，不是為了停止它。
- 劣化的彈性體。O 型環與軟管內襯會隨時間流失材料到流體裡。
- 安裝殘屑。切屑、止洩帶、軟管切斷的碎片、焊渣。沖洗能移除它搆得到的部分，縫隙留住它搆不到的，之後再釋放出來。
- 生物質。指引裡的殺菌劑要求不是裝飾。
以上每一項都出在表面。所以真正的解法不是加更多過濾，而是換一套幾何。衛生級標準的價值就是從這裡開始。
衛生級配管早就解決過這件事
食品、乳品與製藥管路花了數十年在同一個問題上：怎麼做出一段不會藏住物質、也不會在之後釋放出來的管路？答案寫在兩套標準裡，而它們不是同一套標準。
| 面向 | 3-A 衛生標準 | ASME BPE |
|---|---|---|
| 為哪個產業而寫 | 乳品、食品、飲料 | 生技製藥 |
| 標準的性質 | 規範式，講設計原則 | 效能式，講表面粗糙度、材質與焊道品質 |
| 死角 | 容許 | 要求可自排空的幾何，並有洩水坡度規定 |
| 管件直段 | 經常沒有 | 有加長直段，讓軌道焊頭能搆到接合處 |
| 母材硫含量 | 未特別控制 | 受控制，因為硫決定焊池穿透 |
| 產品接觸面粗糙度 | 約 32 微英吋 Ra | 通常 20 微英吋 Ra 以上 |
這個關係是單向的。依 ASME BPE 製造並試驗的元件通常會滿足 3-A。3-A 的元件不會滿足 BPE，除非它一開始就是依 BPE 製造並試驗的。
可以移轉的四條規則
把生物那一層從這些標準裡拿掉，剩下的是一組關於顆粒的幾何規則。它們因為同樣的物理理由適用於冷卻迴路，只是末端的後果不同。
| 衛生級規則 | 製藥為什麼要它 | 冷卻迴路為什麼要它 |
|---|---|---|
| 不留死角 | 停滯的流體會長生物膜 | 停滯的流體會沉澱固體，並在流況改變時釋放 |
| 可自排空 | 管路能排空並滅菌 | 換完元件之後管路能沖洗乾淨 |
| 指定表面粗糙度 | 越光滑的表面留住的微生物越少 | 越光滑的表面剝落得越少、留住的也越少 |
| 接合面無縫隙 | 縫隙是清洗搆不到的地方 | 縫隙藏碎屑，也是縫隙腐蝕的起點 |
表面粗糙度規格實際在說什麼
表面粗糙度是四條規則裡唯一帶數字的，而 ASME BPE 把它寫成代號而不是單純的 Ra 值。代號同時帶著加工方式與限值，這件事重要，是因為兩個 Ra 相同的表面會因為是怎麼做出來的而表現不同。
| 代號群組 | 加工方式 | Ra 上限範圍 |
|---|---|---|
| SF1 至 SF3 | 機械拋光 | 20 至 30 微英吋（0.51 至 0.76 µm） |
| SF4 至 SF6 | 電解拋光 | 15 至 25 微英吋（0.38 至 0.64 µm） |
個別代號的意義、為什麼相同 Ra 的機械拋光面與電解拋光面不是同一種表面，以及閥門上哪些面難做，寫在表面粗糙度那一篇。
SF4 是製藥產品接觸面最常被指定的代號。冷卻迴路沒有理由做到那一級。對冷卻規格有用的是它的結構：把加工方式與 Ra 上限一起寫出來，而不是在圖面上寫「拋光」然後讓供應商自己決定那是什麼意思。
過濾只做了一半
很多人把過濾當成潔淨度的整套辦法。它當然是必要的一環，但它經常被要求扛下全部。
底下有兩個限制。第一個是算術。微流道冷板的旁流過濾常見規範到 50 微米，而被保護的流道寬約 100 微米。濾芯的等級是間隙的一半，所以通過濾網的顆粒可以是它落腳處寬度的一半，兩顆同時到達同一個入口就把它關掉了。
第二個是位置。濾網只作用於通過濾網的水。在它下游的閥體上生成的腐蝕產物、在它下游剝落的 O 型環彈性體、被縫隙留住的碎屑，全都會先到冷板才到濾芯。過濾是在生成之後收拾。幾何才是減少生成的東西，而幾何是在規範元件的時候決定的，不是在試車的時候。
兩者都重要。誰也取代不了誰。
冷卻迴路元件規格該寫什麼
以下這些項目決定一個元件會增加顆粒負荷還是保持中性。值得明確寫出來，因為壓力等級與材質牌號都推導不出它們。
- 內表面粗糙度寫成 Ra 上限並指名加工方式，而不是「拋光」兩個字
- 濕潤路徑上每一個接合處是否無縫隙，包含閥座下方與密封件背後
- 元件是否可排空，以及必須以什麼方向安裝才排得掉
- 是否能在不切管的情況下打開檢查，這決定兩片式或三片式與快裝或對焊端的構造
- 閥座與密封件對冷卻液、其乙二醇含量與抑制劑配方的相容性，在迴路溫度下
- 母材並指名鑄造或鍛軋牌號，因為合金決定腐蝕產物是什麼
- 供應商能否說出他們實際做得到的粗糙度，而不是他們能報價的粗糙度
本文沒有解決的問題
這是原則的移轉，不是認證的移轉。依衛生級幾何製造的元件不會因此就取得冷卻迴路的資格，而且 ASME BPE 與 3-A 裡沒有一個字是為熱傳而寫的。
端接形式是另一個問題。某條迴路採用快裝接頭、焊接接頭還是快速接頭，由可維修性、機櫃配置與迴路架構決定，本文對目前 CDU 設計中何者較普遍不做任何主張。
本文引用的潔淨度數字是技術冷卻系統的資料通訊設備指引，不是任何特定業主已採用的規格。個別專案自訂標準，其中有些訂得更嚴。
常見問題
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引用標準與指引：ASHRAE 資料通訊設備系列（廠務水系統與技術冷卻系統的水質指引）、ASME BPE（生技製程設備，表面粗糙度代號與接合幾何）、3-A 衛生標準（乳品、食品與飲料的衛生設備設計）。
微流道幾何與過濾數字為冷板設計的公開典型值，各產品之間有差異。水質數字是技術冷卻系統的指引，並非任何特定業主採用的規格。表面粗糙度代號為上限值；供應商實際達成的粗糙度是另一個問題。