JP2010128731A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器から発生する熱によるラック内及び電子機器を設置した室内の温度上昇を抑制し、空調機で消費するエネルギーを削減できる冷却システムを提供する。
【解決手段】ラック１０内に配置したサーバ１１の後方に冷却モジュール２０を配置する。冷却モジュール２０は、表面が親水処理された放熱パネル２２と、放熱パネル２２に冷却水を少しずつ供給するノズル２１と、冷却水を回収する冷却水受け部２３とを有する。放熱パネル２２の表面から冷却水が蒸発して周囲から蒸発熱を奪うことにより冷却モジュール２０内を通るエアーの温度が低下し、室内の温度の上昇が抑制される。その結果、空調機で消費するエネルギーが削減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電子機器が収納されたラックの冷却システムに関する。

近年、コンピュータネットワークが発達し、多数の計算機を一括して管理するデータセンター等のサービスが提供されるようになった。データセンターでは、空調管理された室内に多数のラックを設置し、各ラックに複数の電子計算機（サーバ）や通信機器（ルータ）等の電子機器を収納している。以下、電子計算機や通信機器等を収納したラックを設置する部屋を計算機室という。

ラック内に収納された電子機器は、稼働にともなって熱を発生する。ラック内の温度が上昇すると、電子機器の誤動作や故障の原因となる。そのため、ラックや電子機器にはファンが設けられており、計算機室内のエアー（冷気）を電子機器内に取り込んで電子機器内を冷却するようになっている。

ところで、電子機器を冷却して温度が上昇したエアーは、計算機室内に排出される。また、電子機器の稼動状態によって電子機器から排出される熱量は大幅に変動する。電子機器から発生する熱の大幅な変動に瞬時に対応して電子機器の誤動作及び故障を防止するためには、冷却能力が大きい空調機を用いて計算機室内の温度を管理することが必要である。
特開２００６−３０１７５８号公報

しかし、冷却能力が大きな空調機をその最大冷却能力に近い状態で運転することは、ランニングコストが高くなるというだけでなく、省エネルギーの観点からも好ましくない。

よって、電子機器から発生する熱によるラック又は電子機器を設置した室内の温度上昇を抑制し、かつ空調機で消費するエネルギーを削減できる冷却システムを提供することを目的とする。

一観点によれば、電子機器内にエアーを取り入れるファンと、前記電子機器から排出されるエアーを冷却する冷却モジュールとを有し、前記冷却モジュールが、放熱パネルと、前記放熱パネルに液体を供給する液体供給部とを含む冷却システムが提供される。

上記一観点によれば、冷却モジュールを有し、該冷却モジュールが、放熱パネルと、放熱パネルに液体を供給する液体供給部とを含んでいる。液体が蒸発するときには周囲から蒸発熱を奪うため、周囲の温度は低下する。この液体の蒸発熱を利用して電子機器から排出されるエアーの温度を下げることにより、ラック又は電子機器が配置された部屋の温度の上昇が抑制される。その結果、部屋を空調する空調機の負荷が軽減し、空調機で消費されるエネルギーが少なくなる。

以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図３は第１の実施形態の冷却システムを示す模式図であり、図１はラック全体を示す模式図、図２はラックの一部を側方から見たときの模式図、図３は冷却水が通る配管を示す模式図である。なお、本実施形態では、説明の便宜上、ラックの吸気側を正面側、
排気側を裏面側と呼ぶ。

計算機室には多数のラック１０が設置されており、計算機室内の温度は空調機により例えば２６℃に維持されている。ラック１０内には、サーバ（電子計算機）１１が設置されるサーバ設置スペースと、冷却モジュール２０が設置される冷却モジュール設置スペースとが設けられている。サーバ設置スペースはラック１０の正面側に設けられており、冷却モジュール設置スペースはラック１０の裏面側に設けられている。

サーバ設置スペースには、複数台（図１、図２では４台）のサーバ１１が高さ方向に並んで収納される。各サーバ１１にはファン１１ａが内蔵されており、それらのファン１１ａが回転して計算機室内のエアーがサーバ１１内に導入される。サーバ１１内に導入されたエアーは、サーバ１１内のＣＰＵ、ＨＤＤ（ハードディスク装置）及びメモリ等を冷却した後、冷却モジュール設置スペース側に排出される。

冷却モジュール設置スペースには、各サーバ設置位置毎に冷却モジュール２０が設けられている。冷却モジュール２０には、図２に示すように、複数の放熱パネル２２と、それらの放熱パネル２２の表面に冷却水を供給する冷却水ノズル２１と、放熱パネル２２の表面をつたわって落ちる冷却水を受ける冷却水受け部２３とを有している。

放熱パネル２２には、冷却モジュール２０の高さ方向の中央に配置される大きなものと、冷却モジュール２２の高さ方向の上部及び下部に配置される小さなものとがある。それらの放熱パネル２２は、いずれもエアーの流れ方向（ラック１０の奥行き方向）に対しほぼ垂直に配置されている。また、それらの放熱パネル２２は、サーバ１１から放出されたエアーが冷却モジュール２０内をジグザグに流れるように配置されている。

放熱パネル２２は例えばステンレスにより形成されており、その表面には親水処理が施されている。親水処理としては、例えば放熱パネル２２の表面に酸化チタンの薄膜を付着するなどの方法がある。放熱パネル２２の表面に微細な凹凸を設けてもよい。なお、放熱パネル２２は銅又はアルミニウム等の金属により形成してもよく、セラミックのような無機物により形成してもよい。

図１に示すように、ラック１０の上には冷却水タンク１２が配置されており、この冷却水タンク１２には配管１３を介して外部から冷却水が供給される。本実施形態では、冷却水タンク１２に貯留される冷却水の温度が１５℃であるとする。この冷却水は、図３に示すように冷却水タンク１２からラック１０内に配置された冷却水供給配管１４を通って冷却水供給ノズル２１に供給され、冷却水供給ノズル２１から放熱パネル２２の表面上に少しずつ供給される。

放熱パネル２２の表面上に供給された冷却水の一部は周囲から蒸発熱を奪って蒸発し、これにより冷却モジュール２０内を通るエアーの温度が低下する。本実施形態においては、図２に示すように冷却モジュール２０内にエアーの流れ方向に沿って複数の放熱パネル２２が設けられているため、これらの放熱パネル２２の近傍を通るたびにエアーの温度が低下する。冷却モジュール２０を通る間に温度が低下したエアーは、ラック１０の裏面側からラック１０の外に排出される。

一方、放熱パネル２２で蒸発しなかった冷却水は、放熱パネル２２の表面をつたって冷却水受け部２３内に入る。冷却水受け部２３内に入った冷却水は、ラック１０内に配置された冷却水回収配管１５（図３参照）を通ってラック１０の下部に配置された冷却水回収タンク１６（図１参照）に回収され、再利用される。

以下、本実施形態に係る冷却システムによる冷却水の消費量（蒸発量）を試算した結果について説明する。ここでは、サーバ１１の１台当たりの消費電力（実稼働時の平均消費電力）は３２５Ｗであり、サーバ１１から排出されるエアーの温度は６０℃であるとする。

上述したようにサーバ１１の消費電力を３２５Ｗとすると、サーバ１１の発熱量は１１７０ｋＪ／ｈ（＝３２５（Ｊ／ｓ）×６０（秒）×６０（分））となる。サーバ１１から排出されるエアーの温度が６０℃のときの水１ｇ当たりの気化熱は２．３４３ｋＪ（＝５６０cal×４．１８２Ｊ／cal）であるので、サーバ１１で発生する熱量を全て水分の蒸発熱で吸収するものとすると、１時間当たりに必要な水の量は約５００ｇとなる。すなわち、１時間当たり約５００ｇの水が消費（蒸発）される。従って、１つの放熱モジュール２０に対し１時間当たり約５００ｇ（１分間当たり約８ｇ）程度の冷却水を供給すればよい。

なお、上述した水の消費量は１枚の放熱パネルでサーバ１１から発生する熱を吸収する場合の概算値であり、本実施形態では図２に示すように放熱パネル２２を多段に配置しているので、後段の放熱パネル２２に当たるエアーの温度は６０℃よりも低くなる。そのため、後段の放熱パネル２２では水１ｇ当たりの気化熱は上記の値よりも小さくなる。また、本実施形態では冷却水の温度を１５℃と低くしており、冷却水との間で熱交換してエアーの温度が低下する分もある。これらを総合的に勘案すると、実際に消費する水の量は前述の値よりも少ないと考えられる。

本実施形態においては、水が蒸発するときに周囲の熱を奪うことを利用してサーバ１１から排出されるエアーの温度を下げている。このため、ラック１０の温度上昇及び計算機室内の温度上昇が回避され、空調機の負荷が軽くなる。これにより、空調機で消費するエネルギーが削減されるという効果を奏する。

なお、本実施形態では、ラック１０から計算機室内に水分を含むエアーが排出され、計算機室内の湿度が上昇することが考えられる。計算機室内の湿度の上昇を回避するために、図４に示すように、ラック１０の外側（裏面側）に、ラック１０から排出されるエアーの少なくとも一部を回収して計算機室の外に排気する排気ダクト３０を設けてもよい。これにより、計算機室内の湿度の上昇が回避され、湿度に起因する電子機器の動作不良の発生を防止することができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る冷却システムを示す模式図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は冷却モジュールの構造が異なることにあり、その他の構造は基本的に第１の実施形態と同様であるので、図５において図２と同一物には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態においては、図５に示すように、冷却モジュール２０内に４枚の冷却パネル２２がエアーの流れ方向（ラック１０の奥行き方向）に沿って１列に配列している。これらの冷却パネル２２は、第１の実施形態と同様に、例えば表面が親水処理されたステンレス板からなる。また、これらの冷却パネル２２の上部には冷却水を供給する冷却水供給ノズル２１が配置されており、冷却パネル２２の下部には冷却水受け部２３が配置されている。

冷却モジュール２０の内壁面には、周囲の湿度に応じて水分を吸収又は放出する吸放湿性部材３１が取り付けられている。吸放湿性部材３１は例えば高圧縮されたアクリレート系繊維（例えば、東洋紡製モイスファイン）により形成されている。また、吸放湿性部材３１には、図５に示すように各冷却パネル２２間に突出してエアーの流路を中央に規制する隔壁３１ａが設けられている。そのため、冷却モジュール２０内を通るエアーは、隔壁３１ａ及び冷却パネル２２の面に沿ってジグザグに進行する。

本実施形態においても、各放熱パネル２２には冷却水ノズル２１から冷却水が少しずつ供給される。放熱パネル２２の表面に供給された冷却水の一部は周囲の熱を奪って蒸発し、これにより冷却モジュール２０内を通るエアーの温度が低下する。

放熱パネル２２で蒸発しなかった冷却水は放熱パネル２２の表面をつたって冷却水受け部２３に入る。そして、冷却水回収配管１５（図３参照）を通ってラック１０の下部に配置された冷却水回収タンク１６に回収され、再利用される。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ラック１０の温度上昇及び計算機室内の温度上昇が回避され、空調機で消費するエネルギーが削減されるという効果を奏する。また、本実施形態においては、冷却モジュール２０内に吸放湿性部材３１を配置しているので、第１の実施形態に比べてラック１０から計算機室内に排出されるエアー中の水分が減少する。これにより、湿度に起因する電子機器の故障等の発生を防止できる。

なお、吸放湿性部材３１がある程度水分を吸収したら、冷却パネル２２への冷却水の供給を停止してもよい。冷却パネル２２への冷却水の供給を停止すると、冷却モジュール２０内を流れるエアーにより吸放湿性部材３１が乾燥され、再び水分を吸収できる状態になる。

また、第１の実施形態で説明したように、ラック１０の裏面側近傍に排気ダクト３０（図４参照）を配置し、ラック１０から放出されるエアーの少なくとも一部を計算機室の外に排出するようにしてもよい。

図１は第１の実施形態に係る冷却システムを示す模式図であり、ラックの全体を示す図である。 図２は第１の実施形態に係る冷却システムを示す模式図であり、ラックの一部を側方から見たときの図である。 図３は第１の実施形態に係る冷却システムを示す模式図であり、冷却水が通る配管を示す図である。 図４は、第１の実施形態の変形例に係る冷却システムを示す模式図である。 図５は、第２の実施形態に係る冷却システムを示す模式図である。

符号の説明

１０…ラック、１１…サーバ（電子計算機）、１１ａ…ファン、１２…冷却水タンク、１３…配管、１４…冷却水供給配管、１５…冷却水回収配管、１６…冷却水回収タンク、２０…冷却モジュール、２１…冷却水ノズル、２２…放熱パネル、２３…冷却水受け部、３１…吸放湿性部材、３１ａ…隔壁。

Claims (5)

1. 電子機器内にエアーを取り入れるファンと、
   前記電子機器から排出されるエアーを冷却する冷却モジュールとを有し、
   前記冷却モジュールが、放熱パネルと、前記放熱パネルに液体を供給する液体供給部とを含むことを特徴とする冷却システム。
2. 前記放熱パネルの表面に親水処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記放熱パネルが、エアーの流れ方向に沿って複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
4. 前記冷却モジュールの内面に、吸放湿性部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却システム。
5. 前記吸放湿性部材により、前記冷却モジュール内のエアー流路を規制する隔壁が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の冷却モジュール。

Images