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水錘效應與壓力脈衝測試如何影響液冷系統可靠度？

作者: 液冷專題系列

2026年5月05日Artificial Intelligence / Testing and certification of products

AI伺服器液冷系統為何需要疲勞耐久驗證？

資料中心全年365天、24小時不間斷運作，對電子零組件的可靠度要求極高，通常需達到低於0.3%的年故障率（AFR），並具備超過6年的產品生命週期。隨著 2023 年生成式 AI 的興起，以及 NVIDIA GB200 等高功率平台的推出，液冷散熱系統逐漸成為關鍵技術。
液冷系統的可靠度瓶頸，往往不在散熱能力，而在機械壓力疲勞；一旦液冷零組件發生破裂、變形或接頭鬆脫，導致冷卻液（PG25）外洩，將使高價值的 GPU 叢集面臨短路與設備損毀的高風險，進而影響整體系統運作與營運穩定性。
而在實際案例中，尤其是在產品開發初期，液冷系統設計者考量的失效模式，除了零組件的最大壓力點，也需考量長期壓力循環所造成的材料疲勞累積，即所謂的壓力脈動(Pressure Pulsation)環境造成的衝擊；因此依據設計特性導入水錘（Water Hammer）、壓力脈衝（Pressure Impulse），亦即壓力循環（Pressure Cycle）等測試驗證機制，是確保液冷系統在長期運行下仍能維持穩定與可靠的關鍵。

水錘與壓力脈衝測試：兩者差異在哪裡？

雖然兩者皆透過壓力變化來模擬管路內部異常升壓的情境，但在流體動力學行為上仍存在本質差異。其觸發機制、壓力波形特徵、能量傳遞方式，以及對材料所造成的疲勞損傷模式皆不相同。
因此，如何區分水錘效應與壓力脈衝，是制定測試方法並正確評估液冷零組件壽命的重要前提。

1. 水錘效應（Water Hammer）：瞬間壓力衝擊特性

水錘效應又稱液壓衝擊(Hydraulic Shock)，是一種短時間內發生的高壓衝擊現象。當管路中的冷卻液流速或流向突然改變，例如CDU內部的泵浦因斷電而急停、閥門快速關閉或 UQD 插拔時，原本流動的動能會瞬間轉換為壓力，形成強烈的壓力波。
這些壓力波會在管路中來回傳遞與反射，對系統產生瞬間的高壓衝擊，進而提高零組件破壞或洩漏的風險。

【水錘效應示意圖】

2. 壓力脈衝（Pressure Impulse）：長期循環疲勞特性

壓力脈衝又稱壓力循環，是一種在系統運行過程中持續出現的壓力波動現象。與水錘效應不同，壓力脈衝並非瞬間衝擊，而是長時間反覆出現的壓力變化。
在 AI 伺服器液冷系統中，壓力脈衝主要來自兩個來源：一是泵浦運轉過程中產生的週期性流體推擠，二是系統負載變動時，為維持散熱效率而進行的流量調節。這些因素會在次級迴路中形成持續的壓力波動，長期作用下容易造成材料疲勞與零組件老化。

【爆破測試-壓力數據紀錄圖】

上述兩類壓力測試主要應用於 AI 伺服器液冷系統的次級迴路（Secondary Loop）。由於各零組件在幾何設計、材料特性與實際運行條件上的差異，在壓力脈動環境下會呈現不同的應力分佈與疲勞失效模式。
常見驗證對象包括：
  • 水冷板（Cold Plate）
  • 機櫃內液冷分歧管（In-Rack Manifold）
  • 通用快接頭（UQD / UQDB）
  • 軟管組件（Hose Kit）
  • 分集水器供回水系統（Manifold Supply / Return System）
  • 各式水冷閥件（Reducing Valve、Check Valve、Flow Control Valve）

依循國際標準，確保測試一致性

壓力脈動相關測試，通常依循多項國際標準與產業規範執行，以確保測試方法的一致性與結果的公信力，包括：
  • OCP（Open Compute Project）：系統需通過至少 5,000 次動態壓力脈衝循環驗證。
  • SAE J343 / ISO 6803：針對彈性軟管組件（Hose Kit），於規定工作壓力下進行高達 20萬次以上的壓力脈衝疲勞測試。
  • ISO 19879：針對剛性金屬管件與接頭（Manifold & Quick Disconnect），規範最高達 1,000,000 次連續循環之高週期金屬疲勞測試要求。
  • ASSE 1061（American Society of Sanitary Engineering）：針對建築用冷熱水分配系統(閥件)，定義水錘試驗之性能驗證要求。

當疲勞耐久超越極限：失效如何發生?

透過上述壓力脈動測試，可觀察各類液冷零組件在極端壓力條件下的失效行為與模式，例如：
  • 水冷板：破裂、膨脹變形、液體滲漏、平面度超出公差
  • 分歧管：焊接點破裂、外觀變形、液體滲漏
  • 通用快接頭：螺牙滑脫、O-ring 變形、分離時液體滲漏、套筒卡死
  • 彈性軟管組件：軟管破裂、接頭滑脫
這些已有事例可尋的失效模式不僅反映產品在極限條件下的設計邊界，也可作為結構優化與提升系統可靠度的重要依據。
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