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translationKey: data-center-liquid-cooling-system-architecture
lang: ja
slug: data-center-liquid-cooling-system-architecture

title: 'データセンター液冷システムの全体像：構成・主要部品・製造インターフェース'
description: 'チップから設備側冷却水までの熱移動経路をたどり、コールドプレート、サーバーマニホールド、ラックマニホールド、CDU、クイックディスコネクトおよび製造上の重要インターフェースを解説します。'

publishDate: 2026-08-04
updateDate: 2026-08-04
draft: false
featured: true

category: industry-applications

industries:
  - liquid-cooling

tags:
  - データセンター液冷
  - AIサーバー液冷
  - 液冷システム
  - コールドプレート
  - 冷却マニホールド
  - CDU

author: 仲徳精密エンジニアリングチーム
reviewedBy: 仲徳精密エンジニアリングチーム

directAnswer: データセンター液冷システムは、高出力CPU、GPU、アクセラレーターから発生する熱を、ラック側および設備側の冷却インフラへ移送します。代表的なダイレクト・トゥ・チップ方式は、コールドプレート、サーバーマニホールド、ラックマニホールド、クイックディスコネクト、配管、冷却液分配ユニットCDU、設備側冷却水システムで構成されます。性能は除熱能力だけでなく、流量分配、圧力損失、シール信頼性、材料適合性、内部清浄度、部品間の寸法および接続インターフェースにも左右されます。

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faq:
  - question: データセンター液冷システムでは空冷が完全に不要になりますか？
    answer: 必ずしも不要にはなりません。ダイレクト・トゥ・チップ液冷は主にCPUやGPUなどの主要熱源から熱を除去しますが、メモリー、ネットワーク、ストレージ、電源、低発熱部品には空冷が残る場合があります。そのため、多くのAIサーバーでは液冷と空冷を組み合わせたハイブリッド構成が採用されます。
  - question: 液冷システムにおけるCDUの役割は何ですか？
    answer: CDUは技術側冷却液を循環・制御し、熱交換器を通じて設備側冷却システムへ熱を移します。流量、温度、圧力、ろ過、補液、警報、漏液監視などを管理する場合もあり、IT機器と設備冷却を接続する重要なユニットです。
  - question: コールドプレートと冷却マニホールドの違いは何ですか？
    answer: コールドプレートはCPUやGPUなどの高発熱部品に直接取り付けて熱を吸収します。冷却マニホールドは複数のコールドプレートまたはサーバー分岐へ冷却液を分配し、戻り液を集めてCDUへ戻します。機能、流路、接続口数、製造CTQが異なります。
  - question: 液冷部品の見積りにはどのような資料が必要ですか？
    answer: 2D図面、3Dモデル、材質および調質、冷却液、流量と圧力損失の上限、使用圧力、耐圧および漏れ量要求、ポート仕様、熱接触面要求、清浄度、表面処理、予定数量、検証基準の提供を推奨します。
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## 直接回答

データセンター液冷は、単独のコールドプレートを指すものでも、サーバーに水配管を接続するだけの仕組みでもありません。チップ、サーバー内液冷ループ、ラック液冷ループ、設備側放熱システムまでをつなぐ一連の熱移送システムです。

代表的なダイレクト・トゥ・チップ方式では、CPUとGPUの熱が熱伝導材料を介してコールドプレートへ伝わります。冷却液はサーバーマニホールド、ラックマニホールド、配管を通ってCDUへ戻り、CDU内部の熱交換器から設備側冷却回路へ熱が移されます。

熱移送経路は次のように整理できます。

**CPU / GPU → 熱伝導材料 → コールドプレート → サーバーマニホールド → ラックマニホールド → CDU → 設備側冷却システム**

各インターフェースは、温度、流量、圧力損失、漏れリスク、長期信頼性に影響します。そのため、コールドプレートの熱性能だけで液冷システムを評価することはできません。

![CPUとGPU用コールドプレートからサーバーマニホールド、ラックマニホールド、CDU、設備側冷却までのデータセンター液冷システム構成図](/images/articles/liquid-cooling/data-center-liquid-cooling-system-architecture-ja.webp)

_データセンター液冷システムの熱移送経路と、仲徳精密が対応可能なコールドプレート、マニホールド、バルブブロック、継手座、構造部品。_

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## 1. データセンターが液冷を採用する理由

AI学習、推論、HPCの発展により、プロセッサー単体とラック全体の電力密度が上昇しています。熱が狭い領域に集中すると、空気だけでチップ表面から熱を運び出すことが難しくなります。

空冷が不要になるわけではありません。メモリー、ネットワーク、ストレージ、電源および比較的発熱の小さい部品には、引き続き空冷を使用できます。大きな変化は、高出力CPUとGPUの熱を液体で直接除去する構成が増えていることです。

NVIDIAの液冷ラックシステム資料では、ラックマニホールドからCPU・GPU用コールドプレートへ冷却液を供給し、ネットワークやストレージなど一部の部品には空冷を残す構成が説明されています。実際のシステムでは、液冷と空冷のハイブリッド方式が一般的です。

| 要求                 | 液冷による対応                       |
| -------------------- | ------------------------------------ |
| チップ電力密度の上昇 | 熱源近くで直接熱を吸収               |
| ラック電力の上昇     | 大風量空冷への依存を軽減             |
| チップ温度の安定化   | 熱源から冷却媒体までの経路を短縮     |
| 設置スペースの制約   | 高密度なサーバー配置を支援           |
| エネルギー効率       | ファンおよび一部の機械冷却負荷を低減 |
| 運用監視             | 流量、温度、圧力を集中管理           |

ただし、コールドプレート、マニホールド、CDU、設備側システムの組み合わせが適切でなければ、圧力損失、流量不足、ポンプ動力増加などが発生します。

## 2. チップから設備側までの熱移送経路

| 階層     | 主な構成部品                                       | 役割                           |
| -------- | -------------------------------------------------- | ------------------------------ |
| チップ   | CPU、GPU、アクセラレーター                         | 熱を発生                       |
| 熱接触部 | TIM、取付構造                                      | コールドプレートへ熱を伝達     |
| サーバー | コールドプレート、ホース、サーバーマニホールド     | 熱を吸収してサーバー接続を形成 |
| ラック   | ラックマニホールド、クイックディスコネクト、分岐管 | 各サーバーへ冷却液を分配       |
| 冷却分配 | CDU                                                | 循環、制御、熱交換             |
| 設備     | 設備配管、ポンプ、放熱設備                         | データセンター外へ熱を排出     |

OCPの液冷技術文書では、コールドプレート、ラックマニホールド、CDUを相互に関連するシステム部品として扱っています。

製造面では、この熱移送経路は部品間インターフェースの連鎖でもあります。一つの接続部で寸法、シール、方向、清浄度に問題が生じると、下流のシステム全体に影響します。

## 3. 技術側ループと設備側ループ

### 技術側ループ

技術側または二次側の冷却液は、次の部品を循環します。

- コールドプレート
- サーバー内部配管
- サーバーマニホールド
- クイックディスコネクト
- ラックマニホールド
- CDU二次側

精密流路、バルブ、シール、サーバー内部部品に直接関係するため、冷却液の清浄度、材料適合性、異物管理、腐食リスクが重要です。

### 設備側ループ

設備側には次の設備が含まれます。

- CDU熱交換器の一次側
- 設備側の往復配管
- ポンプ
- ドライクーラー
- 冷却塔
- チラーなどの放熱設備

CDUの熱交換器が二つのループを分離するため、設備水をサーバー用コールドプレートへ直接流さず、技術側冷却液を管理された状態に保つことができます。

## 4. CPU・GPU用コールドプレート

コールドプレートはCPU、GPU、その他の高発熱部品に直接取り付けられます。

一般的な構成は次のとおりです。

- 熱接触ベース
- 内部流路または熱交換構造
- 上蓋または封止層
- 入口・出口ポート
- 取付および位置決め構造
- シールまたは接合部

[OCP液冷コールドプレート要求仕様](https://www.opencompute.org/documents/ocp-acs-liquid-cooling-cold-plate-requirements-pdf)では、熱性能、圧力損失、漏れ、耐圧、材料、信頼性、インターフェースを一体で評価しています。

| 製造CTQ          | 主な影響                     |
| ---------------- | ---------------------------- |
| 熱接触面の平面度 | 接触熱抵抗と取付荷重         |
| 表面粗さ         | TIMの接触状態                |
| 流路幅と深さ     | 流量と圧力損失               |
| 上蓋および接合面 | 封止信頼性                   |
| ポート位置       | 配管取付とシール             |
| 内部清浄度       | 微細流路、バルブ、フィルター |
| 気密・耐圧       | システム安全性と寿命         |

## 5. サーバーマニホールドとラックマニホールド

### サーバーマニホールド

サーバーマニホールドは、一組の供給・戻り接続から複数のCPU、GPU、アクセラレーター用コールドプレートへ冷却液を分配します。

確認項目には次が含まれます。

- 分岐数
- 流量バランス
- ポート方向
- 取付スペース
- 配管干渉
- エア抜きと排液
- 漏れ試験位置

### ラックマニホールド

ラックマニホールドはラックに沿って配置され、CDUから複数の計算トレイやサーバーノードへ冷却液を分配します。

[OCPラックマニホールド要求仕様](https://www.opencompute.org/documents/ocp-white-paper-rack-manifold-requirements-and-qualification-v3-pdf)では、ラック全体の冷却負荷に対応し、各サーバーループへ適切に流量を分配することが求められています。

| マニホールドのリスク | 想定される影響                   |
| -------------------- | -------------------------------- |
| 分岐抵抗の差         | サーバー間の流量ばらつき         |
| ポート位置ずれ       | 配管干渉または組立荷重           |
| バリや切粉           | コールドプレートやバルブの詰まり |
| 交差穴封止不良       | 内部または外部漏れ               |
| 材料不適合           | 腐食または長期汚染               |

## 6. クイックディスコネクトと配管インターフェース

クイックディスコネクトは、サーバー保守時の冷却液流出を抑え、着脱作業を短縮します。

重要なインターフェースは次のとおりです。

- 継手ねじとシール面
- 接続方向と作業スペース
- 配管の最小曲げ半径
- 継手とマニホールドの位置精度
- 支持ブラケット位置
- 供給・戻りの誤接続防止
- 切離し後の残液管理

継手座の位置や方向がずれると、配管を強制的に曲げて補正することになります。初期組立は可能でも、長期的にはシール部やマニホールドへ追加荷重がかかるおそれがあります。

## 7. CDU冷却液分配ユニット

CDUは技術側液冷ループと設備冷却を接続する重要な装置です。

代表的な構成は次のとおりです。

- 熱交換器
- 循環ポンプ
- フィルター
- 膨張または貯液機能
- 温度センサー
- 圧力センサー
- 流量監視
- 補液・エア抜き接続
- 制御装置
- 漏液警報

[OCP液対液CDU試験方法](https://www.opencompute.org/documents/ocp-wp-l-lcdu-test-methodology-performance-rating-r1-pdf)では、冷却能力、流量、圧力損失、制御、試験境界が評価対象となっています。

CDUの主な機能は次の五つです。

1. 技術側冷却液の循環
2. 設備側への熱移送
3. 温度、圧力、流量の制御
4. 冷却液のろ過と管理
5. 異常監視と制御システム連携

下流側に流路詰まりや分流不良がある場合、ポンプ圧力を上げるだけでは根本解決になりません。

## 8. ダイレクト液冷、リアドア、浸漬冷却

| 方式                     | 冷却位置                   | 主な液冷部品                            | サーバーへの影響                   |
| ------------------------ | -------------------------- | --------------------------------------- | ---------------------------------- |
| ダイレクト・トゥ・チップ | CPU、GPUなどの主要熱源     | コールドプレート、マニホールド、CDU、QD | 従来型サーバー構造を比較的維持     |
| リアドア熱交換           | ラック排気側               | リアドア熱交換器、配管、CDU             | ラック後部と設備接続を変更         |
| 単相浸漬                 | サーバー全体を絶縁液へ浸漬 | 液槽、ポンプ、熱交換器                  | サーバー構造と保守方法が大きく変化 |
| 二相浸漬                 | 熱源で冷却液が相変化       | 密閉液槽、凝縮構造                      | 冷媒、シール、保守条件が厳しい     |

方式の選択には、電力密度、既存設備、サーバー構造、保守方法、冷却液、サプライチェーン、総所有コストを考慮します。

## 9. 重要な製造インターフェース

| インターフェース                       | 重要要求                     | 代表的なリスク                     |
| -------------------------------------- | ---------------------------- | ---------------------------------- |
| チップとコールドプレート               | 平面度、粗さ、取付荷重       | 接触熱抵抗またはチップ荷重の不均一 |
| コールドプレートと継手                 | ねじ、シール面、方向         | 漏れまたは配管干渉                 |
| コールドプレートとサーバーマニホールド | 管長、位置、圧力損失         | 分岐流量のばらつき                 |
| サーバーとラックマニホールド           | QD位置、着脱スペース         | 組立または保守困難                 |
| ラックマニホールドとCDU                | 配管径、流量、供給・戻り方向 | 圧力損失または誤接続               |
| CDUと設備水                            | 温度、圧力、水質、能力       | 冷却不足または汚染                 |

製造性評価では、2D公差だけでなく、実際の組立方向、配管移動、工具スペース、漏れ試験方法、使用状態まで確認する必要があります。

## 10. 故障リスクと検証方法

| リスク     | 主な原因                       | 推奨検証                       |
| ---------- | ------------------------------ | ------------------------------ |
| 外部漏れ   | シール、継手、接合部、組立不良 | 気密、保圧、耐圧、温度サイクル |
| 内部詰まり | バリ、切粉、ろう材、汚染物     | 流量、圧力損失、清浄度         |
| 分流不均一 | マニホールド構造、分岐抵抗     | 多分岐流量試験                 |
| 熱接触不良 | 平面度、粗さ、取付荷重         | 寸法および熱性能検証           |
| 接続部疲労 | 配管荷重、振動、反復着脱       | 振動、着脱、耐久試験           |
| 腐食と汚染 | 冷却液と材料の不適合           | 適合性および循環試験           |
| 接合後変形 | 熱入力、治具、工程順序         | 最終寸法と平面度検査           |

[ASHRAEのAIデータセンター統合設計](https://www.ashrae.org/technical-resources/ai-data-center-framework/integrated-design-principles)では、CDU、マニホールド、GPU用コールドプレートの接続を一体の液冷統合作業として扱っています。

## 11. 試作から量産まで

| 段階           | 主な目的                       | 代表的な成果                          |
| -------------- | ------------------------------ | ------------------------------------- |
| コンセプト試作 | 構造と基本熱性能の検証         | 温度、流量、圧力損失、初期漏れ試験    |
| 工程検証       | インターフェースと信頼性の確認 | 寸法連鎖、耐圧、清浄度、組立          |
| 量産準備       | 安定した工程条件の確立         | CTQ、治具、検査頻度、トレーサビリティ |
| 安定量産       | ロット間ばらつきの管理         | 工程能力、異常是正、変更管理          |

図面凍結後に製造性を評価すると、工具が入らない流路、継手スペース不足、洗浄できない領域、漏れ試験口不足、接合後に修正できない重要面が見つかる場合があります。

## 12. 見積りに必要な資料

| 分類         | 推奨資料                                 |
| ------------ | ---------------------------------------- |
| 設計資料     | 2D図面、3Dモデル、版数、変更履歴         |
| 材料         | 材質、調質、接液材料、シール材料         |
| 流体条件     | 冷却液、目標流量、圧力損失上限、温度範囲 |
| 圧力条件     | 使用圧力、最大圧力、耐圧、漏れ量         |
| 熱接触面     | 接触範囲、平面度、粗さ、取付荷重         |
| 接続条件     | ねじ、QD、配管方向、作業スペース         |
| 品質要求     | 清浄度、検査報告、追跡、検査比率         |
| プロジェクト | 試作数、予定数量、納期、量産計画         |

設計初期には、暫定モデル、発熱量、流量条件をもとに、部品分割、加工、接合、検証方法を共同で検討できます。

## よくある質問

### データセンター液冷システムでは空冷が完全に不要になりますか？

必ずしも不要にはなりません。ダイレクト・トゥ・チップ液冷は主にCPUやGPUなどの主要熱源から熱を除去しますが、メモリー、ネットワーク、ストレージ、電源、低発熱部品には空冷が残る場合があります。そのため、多くのAIサーバーでは液冷と空冷を組み合わせたハイブリッド構成が採用されます。

### 液冷システムにおけるCDUの役割は何ですか？

CDUは技術側冷却液を循環・制御し、熱交換器を通じて設備側冷却システムへ熱を移します。流量、温度、圧力、ろ過、補液、警報、漏液監視などを管理する場合もあり、IT機器と設備冷却を接続する重要なユニットです。

### コールドプレートと冷却マニホールドの違いは何ですか？

コールドプレートはCPUやGPUなどの高発熱部品に直接取り付けて熱を吸収します。冷却マニホールドは複数のコールドプレートまたはサーバー分岐へ冷却液を分配し、戻り液を集めてCDUへ戻します。機能、流路、接続口数、製造CTQが異なります。

### 液冷部品の見積りにはどのような資料が必要ですか？

2D図面、3Dモデル、材質および調質、冷却液、流量と圧力損失の上限、使用圧力、耐圧および漏れ量要求、ポート仕様、熱接触面要求、清浄度、表面処理、予定数量、検証基準の提供を推奨します。