データセンターの冷却ループにおける高精度バルブ：ミッションクリティカルな水システムにおいて制御精度が重要な理由

ティアIVのデータセンター冷却ループには、許容される故障モードはただ1つ——「故障しないこと」だけです。コロケーション施設内の5万台のサーバーが、正確に18℃±1℃で連続供給される冷却水に依存している場合、バルブの開度制御精度がストロークの0.1％まで細かく調整できるものと、3℃のデッドバンド内で振動（ハンティング）を起こすものとの違いは、日常的な運用と、真夜中3時に施設責任者へ緊急通報する事態との違いを意味します。

バルブは、データセンターの冷却インフラにおいて、最も話題にならず、しかし最も重大な影響を及ぼす構成要素です。ポンプやチラーは注目と予算を獲得しますが、バルブは設計工程の最後の5％の段階で、しばしば過去のプロジェクトの仕様をそのまま流用して規定されます。これは大きな誤りです。

バルブが冷却システムの階層構造において占める位置

典型的なデータセンターの冷却ループでは、バルブが5つの重要な位置に配置されます：
1. チラー遮断バルブ フルボア式バタフライ弁またはボール弁。数年間にわたり開いたままの状態でも、確実に閉止できることが求められます。故障すると、データホールを稼働させたままチラーの保守作業が行えなくなります。
2. 一次ループ用流量調整弁 据付時に一度設定した後、ほとんど操作されません。耐久性よりも精度が重視されます。
3. 二次ループ用制御弁 コンピュータールーム空気処理機（CRAH）またはコンピュータールーム空調機（CRAC）の送風温度を維持するために、連続的に開度を調整する弁です。これらの弁は、使用期間中に数百万回もの動作を繰り返します。
4. チップ直結式（液体冷却）流量制御弁 最も高い精度が要求される部位です。サーバー用コールドプレートには特定の流量が必要であり、±5％の偏差が生じるとホットスポットが発生し、プロセッサ性能の低下や熱保護によるシャットダウンを引き起こす可能性があります。
5. 補水弁およびブローダウン弁 冷却塔システムにおけるコンデンサ用水側で使用されます。精度はそれほど厳しくありませんが、化学処理された水に対しても腐食やスケール付着による故障を起こさないことが必須です。
各設置位置には、それぞれ固有の仕様要件があります。位置＃2用のバランス弁を位置＃4に使用することはできません。

制御弁の性能が求められる理由

データセンターの二次冷却ループで使用されるモジュレーティング制御弁の場合、冷却システムが設定温度を維持できるかどうかを決める性能パラメーターは以下の3つです。

可変範囲比（ターンダウン比）

可変範囲比とは、制御可能な最大流量と最小流量の比を示します。可変範囲比が50:1で最大流量が100 GPMの弁は、2 GPMまで流量を正確に制御できます。この値を下回ると、流量が不安定になったり、実質的にON／OFF弁として動作したりします。一次側流量が可変であり、低負荷条件（例：夜間、冬季のエコノマイザ運転時）で運用されるデータセンターの冷却ループでは、少なくとも50:1、特にチップ直結型冷却（direct-to-chip）用途では100:1の可変範囲比を備えた弁が求められます。

ヒステリシスおよびデッドバンド

ヒステリシスとは、制御信号が同一であっても、バルブが開いているか閉じているかによってバルブの位置が異なる現象です。フィードバック制御においては、このヒステリシスにより振動（オシレーション）が生じます。たとえば、BMSが「冷却を増やす」と指令するとバルブが過剰に開き、次にBMSが「冷却を減らす」と指令するとバルブが過剰に閉じる——こうしたサイクルが繰り返されます。これは単に効率が悪いだけでなく、データセンター内の低温表面に結露を発生させるおそれもあります。公称ヒステリシスが全ストロークの1％未満のバルブを選定してください。

等百分比特性 vs. 直線特性

等百分率特性のバルブでは、バルブ開度（ステム位置）と流量の間に概ね対数関係が生じます。開度50％のとき、流量は最大流量の約10～20％程度になります。この特性により、コイルの非線形な熱伝達特性を補償し、バルブの動作範囲全体でほぼ直線的な放熱量制御が可能になります。一方、直線特性のバルブは直感的ではありますが、低流量域で制御が不安定になりやすいため、データセンターにおける冷却コイルの流量制御には、コイルメーカーが明示的に推奨しない限り、使用を避けるべきです。

圧力非依存型制御バルブ（PICV）

変速一次ポンプを採用したデータセンターでは、各制御バルブにかかる差圧が、ポンプの回転数変化に伴って継続的に変動します。従来型の制御バルブは、こうした圧力変動にさらされると、バルブ開度が一定でも流量が変動してしまいます。このような現象は「バルブ権限の低下」と呼ばれます。
圧力非依存型制御バルブ（PICV）は、差圧調整機構を制御バルブ本体に一体化することでこの課題を解決します。内部の差圧調整機構により、システム全体の圧力変動に関わらず、制御バルブの絞り部に一定の差圧が維持されるため、流量は制御信号のみに応じて予測可能な挙動を示します。チップ直結冷却や、流量の安定性がサーバハードウェアの保護に直接寄与するあらゆる用途において、PICVは急速に標準仕様へと移行しつつあります。従来型制御バルブと比較して30～50％程度の価格プレミアムが発生することを想定し、また内部差圧調整機構が正常に作動するために必要な最小差圧（通常は2～5 psi、すなわち14～35 kPa）について、メーカー仕様を必ず確認してください。

冷却ループ用バルブの材質選定

データセンターの冷却ループは、一見すると穏やかに見えますが、実際にはバルブ材質にとって極めて過酷な環境です。
• 処理水の水質 閉ループ内に添加される腐食防止剤、殺菌剤、pH安定剤は、特定のエラストマー製シールを攻撃し、非DZR黄銅の脱亜鉛化を促進する場合があります。
• グリコール水溶液 寒冷地にあるデータセンターでは、凍結防止のため、冷却水ループにプロピレングリコールまたはエチレングリコールを20～40％混合することがよくあります。グリコールの添加により水の潤滑性が低下し、バルブのステムシールやシート材の摩耗が加速します。グリコール使用時には、EPDMまたはFKM（ビトン）製シールをご指定ください。ニトリルゴム（ブタジエン・アクリロニトリル共重合体）は膨潤・劣化を起こす可能性があります。
• 酸素の侵入 閉ループは、完全に密閉されているわけではありません。補水によって溶解酸素が導入され、鉄系部品の腐食が進行します。バルブ本体にDZR合金指定の黄銅を用いることで、バルブ側におけるこの問題を解消できます。
データセンターの分離バルブ（口径2～6インチ、DN50～DN150）には、DZR真鍮製ボールバルブ（PTFEシート、FKM製ステムシール）を指定してください。口径が大きい場合は、ステンレス鋼製ディスクおよびSUS316製ステムを備えたEPDMシート式バタフライバルブがコスト効率の高い代替案です。閉ループ式冷却水配管では、鋳鉄製バルブ本体は内面ライニングまたはコーティング処理が施されていない限り使用を避けてください。近隣の電気設備から発生する stray current（ stray 電流）による腐食が、鉄の劣化を加速させる可能性があります。

耐久性試験および信頼性試験

CRAHユニットに設置されるモジュレーティング制御バルブは、30秒ごとに開度を調整するため、年間で100万回以上の作動サイクルを積み重ねます。『一般HVAC用途向け』とだけ記載され、公表された耐久サイクル数が明記されていないバルブを採用することは、稼働時間の確保を賭けにすることと同じです。産業用グレードの制御バルブでは、通常10万～50万回のフルストローク作動サイクルを保証する耐久性評価値が公表されていますので、こうした評価値を確認してください。また、その評価値が、室温20℃の水を対象としたものではなく、実際の冷却水ループにおける温度・圧力条件に適合していることも必ず確認してください。
バルブのパッキン設計は、高サイクル使用においても同様に重要です。ベルビルスプリングワッシャーを用いたライブロード式パッキンは、パッキンの摩耗に伴ってもシール圧縮力を維持するため、保守不要な運転期間を延長します。ライブロード式パッキンと茎部表面粗さRa ≤0.2 µmの鏡面仕上げを備えたバルブは、通常、従来型パッキンを採用した同等のバルブと比較して、高サイクル変調運転における寿命が3～5倍長くなります。

冗長性の原則

データセンターでは、主要機器（チラー、ポンプ、CRAC、電源供給系統など）すべてに対してN＋1または2Nの冗長構成が採用されています。バルブについても同様の配慮が必要です。すべてのチラーおよびCRAH分岐には、二重遮断を指定してください。すなわち、2個のバルブを直列に配置し、その間にブリードポートを設ける構成です。これにより、単一機器を確実に遮断して保守作業を行える一方で、ループ全体は加圧状態を保ったまま運用を継続できます。第2の遮断バルブの追加コストは、ループ全体の停止に伴うコストと比較すれば無視できるほど小さいものです。

データセンター向け高精度バルブの調達

データセンターのMEP仕様は、次第に厳格化しています：
• 溶融から完成バルブに至るまでの完全なトレーサビリティ
• EN 10204タイプ3.1または3.2に準拠した材質試験証明書
• 定格作動圧力の1.5倍での工場内耐圧試験（試験報告書を添付）
• 飲料水接触用認証（WRAS、NSF／鉛フリー、またはこれと同等のもの）。非飲料水冷却回路であっても、立ち上げ・洗浄工程で飲料水が使用される場合があるため、これらの認証が求められます。
• ブラス製品の低鉛化要件（はんだ付けまたはねじ込み接続部品に適用）
浙江省新東衛生陶器有限公司は、高精度真鍮製ボールバルブ、チェックバルブ、およびカスタムバルブアセンブリを製造しています。当社製品は、WRAS、ACS、CE、NSF／鉛フリー認証をすべて取得しています。3万平方メートルの自社工場には、NC工作機械による内製加工設備、耐圧試験ステーション、およびOEM／ODM向けバルブ開発を支援する専任の研究開発チームが整備されています。これらは、ミッションクリティカルな冷却用途に求められる信頼性を実現します。製造経験25年以上、特許65件以上を有し、データセンター向けプロジェクトに求められる文書のトレーサビリティと品質の一貫性を確実に提供いたします。

材質試験証明書、耐久性試験データの入手、またはデータセンター向けプロジェクトのカスタムバルブ仕様についてご相談いただける場合は、当社エンジニアリングチームまでお問い合わせください。[ www.cn-xindong.com ](https://www.cn-xindong.com).