JP2013020367A - 電子機器の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気を利用して室内に設置された電子機器を効率的に冷却でき、且つ室内の湿度の変化や塵埃による不具合の発生を回避できる冷却システムを提供する。
【解決手段】計算機室１０は、計算機（電子機器）１３が設置された第１のエリア２１と、第１のエリア２１に隣接して配置されて外気が導入される第２のエリア２２と、第２のエリア２２に隣接して配置されて外気が導入される第３のエリア２３とを有する。第２のエリア２１と第３のエリア２２との間は分離壁２５により分離されている。また、第２のエリア２２と第３のエリア２３との間には、第２のエリア２２と第３のエリア２３とを連絡する開口部２６ａが設けられた分離壁２６が配置されている。そして、計算機１３には、分離壁２５を貫通し計算機１３で発生した熱を第２のエリア２１まで輸送するヒートパイプ１５が取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器の冷却システムに関する。

近年、高度情報化社会の到来により、計算機で扱われるデータ量が膨大になるとともに、データの維持管理が益々重要になってきた。そのため、データセンター等の施設において多数のラック（サーバラック）を同一室内に設置し、各ラック内にそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納して、計算機を一括管理することが多くなっている。

このような状況下では、計算機から多量の熱が発生して誤動作や故障の原因となるため、計算機を十分に冷却することが重要になる。そのため、通常データセンターでは、計算機で発生した熱をファン（送風機）によりラックの外に排出するとともに、空調機（エアコン）を使用して室内の温度を調整している。

ところで、データセンターでは、全ての計算機で消費する電力の合計に匹敵するほど大きな電力を空調設備で消費しているといわれている。そこで、データセンターで消費する電力を削減するために、外気の温度が低いときには外気を室内に導入することが提案されている。

特開２０１０−２３２６８９号公報 特開平１０−２０６０４６号公報 特開２００９−２５７７３０号公報

日本ヒートパイプ協会、"実用ヒートパイプ・第２版"，日刊工業新聞社(2001年)、p38-39

外気を利用して室内に設置された電子機器を効率的に冷却でき、且つ室内の湿度の変化や塵埃による不具合の発生を回避できる冷却システムを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、電子機器が設置された第１のエリアと、前記第１のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第２のエリアと、前記第２のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第３のエリアと、前記第１のエリアと前記第２のエリアとを分離する第１の分離壁と、前記第２のエリアと前記第３のエリアとの間に配置され、前記第２のエリアと前記第３のエリアとを連絡する開口部が設けられた第２の分離壁と、前記第１の分離壁を貫通し、前記電子機器で発生した熱を前記第１のエリアまで輸送する熱輸送部材とを有する電子機器の冷却システムが提供される。

上記の一観点の電子機器の冷却システムによれば、外気を利用して第１のエリアに設置された電子機器を効率的に冷却できるとともに、第１のエリア内の湿度の変化や塵埃による不具合の発生を回避できる。

図１は、実施形態に係る電子機器の冷却システムを表した模式図である。 図２は、ラック内に収納されるシステムボードを表した模式図である。 図３は、第２冷却室から第１冷却室に流れるエアーの流れをシミュレーションした結果を表した図である。 図４は、ヒートパイプの角度と最大熱輸送量との関係を表した図である。 図５は、開口部の開口面積を変化させる方法の一例を示す図である。 図６（ａ），（ｂ）は、開口部の開口面積を変化させる方法の他の例を示す図である。 図７は、ファン（送風機）に供給する電圧を一定にしたときの風量と静圧との関係を表した図である。 図８は、第１冷却室に風速センサ及び温度センサを設置してファンの回転数を制御する例を表した模式図である。

前述したように、データセンター等の施設で空調に使用する電力を削減するために、外気の温度が低いときには外気を室内に導入することが提案されている。

しかし、室内に外気をそのまま導入すると室内の湿度が大きく変化し、静電気や結露によって計算機に不具合が発生することがある。また、室内に塵埃が導入されて、計算機の故障の原因になることもある。

そこで、以下の実施形態では、外気を利用して室内に設置された電子機器を効率的に冷却でき、且つ室内の湿度の変化や塵埃による不具合の発生を回避できる冷却システムを開示する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る電子機器の冷却システムを表した模式図である。

図１のように、計算機室１０は、分離壁２５，２６により、機器設置エリア２１と、第１冷却室２２と、第２冷却室２３とに分離されている。なお、機器設置エリア２１は第１のエリアの一例であり、第１冷却室２２は第２のエリアの一例であり、第２冷却室２３は第３のエリアの一例である。

機器設置エリア２１には、複数のシステムボード（計算機）１３を収納したラック１２が配置される。ラック１２には、ラック１２の給気面側（図１では左側）からエアーを導入し、排気面側（図１では右側）から排出するファン（図示せず）が設けられている。

なお、図１ではラック１２が１台しか図示されていないが、機器設置エリア２１には多数のラック１２が設置される。

機器設置エリア２１の床下には冷風流路３１が設けられている。冷風流路３１には、空調機１１の下部に設けられた冷風供給口から温度及び湿度が調整されたエアー（冷風）が供給される。機器設置エリア２１の床には機器設置エリア２１と冷風流路３１との間を連絡するグリル（通風口）３５が設けられており、このグリル３５を介して冷風流路３１からラック１２の給気面側に冷風が供給される。

一方、機器設置エリア２１の上（天井裏）には温風流路３２が設けられており、ラック１２の排気面側の天井には機器設置エリア２１と温風流路３２との間を連絡する開口部３２ａが設けられている。ラック１２の排気面側には、システムボード１３を冷却して温度が上昇したエアー（温風）が排出される。ラック１２から排出されたエアーは、開口部３２ａを介して温風流路３２内に入り、温風流路３２を通って空調機１１の上部のエアー取り入れ口まで移送される。

なお、本実施形態では、低温のエアーが供給されるラック給気面側のエリアと、ラック１２内を通って温度が上昇したエアーが排出されるラック排気面側のエリアとが仕切り２４ａ，２４ｂにより分離されている。しかし、これらの仕切り２４ａ，２４ｂは必須ではなく、必要に応じて設置すればよい。以下、低温のエアーが供給されるラック給気面側のエリアをコールドアイルと呼び、ラック１２内を通って温度が上昇したエアーが排出されるラック排気面側のエリアをホットアイルと呼ぶ。

第１冷却室２２は機器設置エリア２１に隣接して配置されており、第１冷却室２２と機器設置エリア２１との間には分離壁２５が設けられている。また、第２冷却室２３は第１冷却室２２に隣接して配置されており、第１冷却室２２と第２冷却室２３との間には分離壁２６が設けられている。

これらの第１冷却室２２及び第２冷却室２３の床下には、屋外に連絡する外気導入路３３が設けられている。また、第１冷却室２２と外気導入路３３との間にはグリル３６が配置されており、第２冷却室２３と外気導入路３３との間にはグリル３７が配置されている。これらの外気導入路３３及びグリル３６，３７を介して、第１冷却室２２及び第２冷却室２３に外気が導入される。

一方、第１冷却室２２及び第２冷却室２３の上（天井裏）には、屋外に連絡する外気排出路３４が設けられている。第１冷却室２２と外気排出路３４との間にはファン（送風機）３８が設けられており、このファン３８の回転により第１冷却室２２のエアーが外気排出路３４を通って屋外に排出される。また、第１冷却室２２と第２冷却室２３との間の分離壁２６には複数の開口部２６ａが高さ方向に並んで設けられており、これらの開口部２６ａを介して第２冷却室２３から第１冷却室２２にエアー（外気）が供給される。

図２はラック１２内に収納されるシステムボード１３を表した模式図である。システムボード１３にはＣＰＵ４１やその他の電子部品が搭載されており、発熱量が大きい電子部品にはヒートシンク４２及びヒートパイプ１５が取り付けられている。発熱量が大きい電子部品とヒートシンク４２及びヒートパイプ１５とは熱的に接続される。本実施形態では、ヒートシンク４２及びヒートパイプ１５が取り付けられている電子部品がＣＰＵ４１であるとする。なお、ヒートパイプ１５は、熱輸送部材の一例である。

ヒートパイプ１５の先端側（ヒートシンク４２と反対の側）には複数の放熱フィン１６が設けられており、これらの放熱フィン１６間を通るエアーによりヒートパイプ１５の先端部が冷却される。

ヒートパイプ１５は銅等の熱伝導性が高い金属の管内に作動流体として水又はアルコール等を封入したものであり、ヒートパイプ１５の内面にはウィックと呼ばれる多孔質物質が付着している。ヒートパイプ１５の高温側では、ヒートシンク４２から伝達される熱を吸収して作動流体が液相から気相に変化する。この液相から気相の変化にともなって作動流体の体積が増大するため、ヒートパイプ１５の高温側では圧力が高くなる。一方、ヒートパイプ１５の低温側では、放熱フィン１６間を通るエアーにより冷却されて気相の作動流体が液相に変化する。この気相から液相への変化にともなって作動流体の体積が減少するため、低温側では圧力が低くなる。

このように、ヒートパイプ１５内の高温側と低温側とで圧力差が生じるため、高温側で気相に変化した作動流体は低温側に移動する。また、低温側で液相に変化した作動流体は重力やウィックの毛細管力により高温側に移動する。

ヒートパイプ１５は、このような作動流体の気相と液相との変化を利用して高温側（ヒートシンク側）から低温側（放熱フィン側）に熱を輸送する。ヒートパイプ１５の熱輸送効率は、高温側と低温側との温度差が大きいほど高くなる。

本実施形態では、図１のように、ヒートパイプ１５がラック１２の外に導出しており、その先端部は分離壁２６に設けられた穴を通って第１冷却室２２内に配置されている。なお、分離壁２６に設けられた穴にはパッキング部材２５ａが配置され、機器設置エリア２１と第１冷却室２２との間のエアー漏れを防止している。

以下、上述した本実施形態に係る電子機器の冷却システムの動作について説明する。

空調機１１により温度及び湿度が調整されたエアーは、冷風流路３１及びグリル３５を介して機器設置エリア２１（コールドアイル）に供給される。このエアーは、ラック１２に設けられたファン（図示せず）によりラック１２内に取り込まれ、システムボード１３に搭載された電子部品を冷却する。そして、電子部品を冷却して温度が上昇したエアーは、ラック１２の排気面側（ホットアイル）に排出され、温風流路３２を通って空調機１１に戻る。

一方、システムボード１３に搭載されたＣＰＵ４１は、稼動状態に応じた熱を発生する。このＣＰＵ４１で発生した熱の一部はラック１２内を通るエアーと熱交換してラック１２の排気面側（ホットアイル）に排出されるが、大部分はヒートシンク４２を介してヒートパイプ１５に伝達され、ヒートパイプ１５の先端側に輸送される。そして、ヒートパイプ１５の先端側に輸送された熱は、放熱フィン１６を介して第１冷却室２２内に排出され、更に第１冷却室２２を通る外気により屋外に排出される。

このように、本実施形態では、ＣＰＵ４１で発生した熱の大部分がヒートパイプ１５により第１冷却室２２まで輸送され、第１冷却室２２を通る外気により屋外に排出される。これにより、ラック１２から機器設置エリア２１内に排出される熱量が削減され、空調機１１の負荷が低減される。その結果、空調機１１で消費する電力が削減されるという効果を奏する。また、機器設置エリア２１には外気を導入しないので、機器設置エリア２１内の湿度の変化や外気に含まれる塵埃によりシステムボード１３に不具合が発生することが回避できる。

ところで、本実施形態では、第１冷却室２２に隣接して第２冷却室２３を設け、第２冷却室２３から開口部２６ａを介して第１冷却室２２に外気を導入している。仮に第２冷却室２３がないとすると、第１冷却室２２に配置された各ヒートパイプ１５は、第１冷却室２２を下から上に流れる外気で冷却されることになる。この場合、上側に配置されたヒートパイプ１５には下側のヒートパイプ１５で暖められたエアーが供給されるので、上側に配置されたヒートパイプ１５ほど熱輸送効率が低下する。

一方、本実施形態では、第１冷却室２２の隣に第２冷却室２３を設け、それらの間の分離壁２６に設けられた開口部２６ａを介して第１冷却室２２の上側に配置されたヒートパイプ１５にも低温の外気を供給する。従って、本実施形態では、上側に配置されたヒートパイプ１５の熱輸送効率の低下が回避される。

図３は、第２冷却室２３から第１冷却室２２に流れるエアーの流れをシミュレーションした結果を表した図である。但し、第２冷却室２３の上部から排出されるエアーの流量は６０ｍ³/minとしている。

この図３のように、開口部２６ａから第１冷却室２２に導入されたエアーが第１冷却室２２の中央に到達するまでには、高さ方向の距離がある程度必要である。第１冷却室２２の幅をｄとしたときに、ヒートパイプ１５の先端部（放熱フィン１６）から開口部２６ａまでの高さ方向の距離をｄ／２よりも小さくすると、第１冷却室２２の中央に配置されたヒートパイプ１５の先端部を十分に冷却できなくなる。

一方、ヒートパイプ１５の先端部（放熱フィン１６）から開口部２６ａまでの高さ方向の距離をｄよりも大きくすると、ヒートパイプ１５間の間隔、言い換えればシステムボード１３間の間隔を大きくする必要がある。その結果、ラック１２内に収納できるシステムボード１３の数が減少する。

従って、開口部２６ａは、ヒートパイプ１５の先端部（放熱フィン１６）から下方にｄ／２〜ｄだけ離れた位置に配置することが好ましい。

なお、本実施形態では、最下段に配置されたヒートパイプ１５と床面との間隔が狭いため、最下段に配置されたヒートパイプ１５の先端から下方にｄ／２離れた位置に開口部を設けることができない。このため、本実施形態では、図１のように最下段のヒートパイプ１５をグリル３６から導入されるエアーにより冷却するようにしている。

図４は、横軸にヒートパイプ１５の角度をとり、縦軸に最大熱輸送量をとって、両者の関係を表した図である。なお、縦軸の値は、各角度における最大熱輸送効量を、ヒートパイプを鉛直に配置したときの最大熱輸送量で規格化した値である。

この図４から、ヒートパイプは水平面に対し５０度〜６０度傾斜させたときに、最も効率よく熱を輸送できることがわかる。そこで、本実施形態では、図２のように先端部が水平面に対し５０度〜６０度の角度で湾曲したヒートパイプ１５を使用している。これにより、ヒートパイプ１５を最も熱輸送効率が高い状態で使用することができる。

なお、本実施形態では、最下段に配置されたヒートパイプ１５を湾曲させると、グリル３６から上昇する外気が放熱フィン１６に斜めに当たり、冷却効率が低下することが考えられる。そのため、図１のように、最下段のヒートパイプ１５は直線状のものを使用している。

（変形例１）
第１冷却室２２内の温度は上側ほど高くなると考えられるので、上側の開口部２６ａほど開口面積を大きくしてもよい。また、各ヒートパイプ１５の先端部分の温度に応じて開口部２６ａの開口面積を変化させるようにしてもよい。

図５は、開口部２６ａの開口面積を変化させる方法の一例を示す図である。この例では、各ヒートパイプ１５の先端部にそれぞれ温度センサ５１を配置し、それらの温度センサ５１と制御部５０とを接続している。また、分離壁２６の各開口部２６ａにそれぞれ電動シャッター５２を配置し、制御部５０からの信号によりそれらの電動シャッター５２を個別に駆動できるようにしている。

温度センサ５１で検出した温度が高い場合、制御部５０は電動シャッター５２を駆動して開口部２６ａの開口面積を大きくする。また、温度センサ５１で検出した温度が低い場合、制御部５０は電動シャッター５２を駆動して開口部２６ａの開口面積を小さくする。このように温度センサ５１の検出温度に応じて開口部２６ａの開口面積を調整することにより、各ヒートパイプ１５を適切に冷却することができる。

なお、図６（ａ），（ｂ）のように、開口部２６ａにダンパー５３やルーバー５４を取り付け、それらのダンパー５３やルーバー５４の角度を調整して開口部２６ａの開口面積を変化させてもよい。

更に、温度センサ５１に替えて、又は温度センサ５１とともに各ヒートパイプ１５の先端部に風量センサーを取り付け、それらのセンサから出力される信号に基づいて電動シャッター５２等により開口部２６ａの開口面積を調整してもよい。

（変形例２）
前述の実施形態において、ファン３８の回転数が一定のまま開口部２６ａの開口面積を変化させると、全てのヒートパイプ１５を適切に冷却することが難しくなることがある。例えば、上側の開口部２６ａの開口面積を大きくすると、下側に配置されたヒートパイプ１５では風量が不足して冷却不足になることがある。逆に、下側の開口部２６ａの開口面積を大きくすると、上側の開口部２６ａから第１冷却室２２に導入される外気の量が少なくなり、上側に配置されたヒートパイプ１５が冷却不足になることがある。

図７は、横軸に風量をとり、縦軸に静圧をとって、ファン（送風機）に供給する電圧を一定にしたときの風量と静圧との関係を表した図である。ここでは、図７中に模式的に示すように、一方の面にファンが設けられた箱における風量と静圧との関係を表している。なお、ここでは、静圧を、箱内の圧力と大気圧との差の絶対値（静圧＝｜箱内の圧力−大気圧｜）としている。

例えばファンが配置された部分以外に開口部がない場合、ファンを回転させると、瞬間的にはファンによりエアーが流れるものの、ある程度時間が経過するとファンを通過するエアーの量（風量）は０になる。このとき、箱内の静圧は最大になる。

ファンが配置された面以外の面に開口部を設けると、開口部の面積に応じてファンを通過するエアーの量は多くなり、箱内の静圧は低くなる。ファンの回転数が同じであるとすると、静圧が低いほど風速が遅いということができる。

このことから、ファン３８の回転数が一定のまま開口部２６ａの開口面積（各開口部２６ａの開口面積の総和）を大きくすると、第１冷却室２２の静圧が低下すること、言い換えれば第１冷却室２２内の風速が遅くなることがわかる。

ヒートパイプ１５の先端部を適切に冷却するためには、ある程度の風速が必要である。そこで、第１冷却室２２内で風速が最も遅くなる部分、すなわち第１冷却室２２の下部に図８のように風速センサ６１を配置し、この風速センサ６１で測定した風速が所定値以上となるように、ファン３８の回転数を制御することが好ましい。ファンの回転数（供給する電圧）を上げると、図７中に破線で示すように風量と静圧との関係を示す曲線は上方に移動する。

また、第１冷却室２２内を流れるエアーの速度（風速）が遅くなると、エアーの温度が高くなる。このため、第１冷却室２２内で最もエアーの温度が高くなる部分、すなわち第１冷却室２２の上部に温度センサ６２を配置し、この温度センサ６２の部分の温度が所定温度以下となるようにファン３８の回転数を制御してもよい。

このように、第１冷却室２２内の温度や風速を測定してファン３８の回転数を調整することにより、冷却効率の低下を回避することができる。

なお、上述の実施形態及び変形例１，２では電子機器が計算機（システムボード）の場合について説明しているが、開示の技術を計算機以外の電子機器の冷却に適用することもできる。また、上述の実施形態では熱輸送部材としてヒートパイプを使用しているが、ヒートパイプに替えて熱媒体循環装置又は伝熱板等を使用しても同様の効果を得ることができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）電子機器が設置された第１のエリアと、
前記第１のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第２のエリアと、
前記第２のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第３のエリアと、
前記第１のエリアと前記第２のエリアとを分離する第１の分離壁と、
前記第２のエリアと前記第３のエリアとの間に配置され、前記第２のエリアと前記第３のエリアとを連絡する開口部が設けられた第２の分離壁と、
前記第１の分離壁を貫通し、前記電子機器で発生した熱を前記第１のエリアまで輸送する熱輸送部材と
を有することを特徴とする電子機器の冷却システム。

（付記２）前記熱輸送部材がヒートパイプであることを特徴とする付記１に記載の電子機器の冷却システム。

（付記３）前記第２のエリア及び前記第３のエリアの床には外気を導入するグリルが設けられ、前記第２のエリアの天井には前記第２のエリアのエアーを屋外に排出する送風機が設けられていることを特徴とする付記１又は２に記載の電子機器の冷却システム。

（付記４）前記第２の分離壁の前記開口部が、前記第２のエリア内の前記熱輸送部材の先端部よりも下方に配置されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。

（付記５）前記第２の分離壁の前記開口部の開口面積が変更可能であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。

（付記６）前記第２のエリア内の前記熱輸送部材の先端部の温度又は風量を検出するセンサを有し、
前記センサの出力に応じて前記開口部の開口面積が変化することを特徴とする付記５に記載の電子機器の冷却システム。

（付記７）前記電子機器が、ラック内に収納された計算機であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。

（付記８）前記第１のエリアの温度を調整する空調機を有することを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。

（付記９）前記第２のエリア内において前記熱輸送部材が水平面に対し５０度乃至６０度傾斜していることを特徴とする付記２に記載の電子機器の冷却システム。

（付記１０）前記第２のエリア内の温度又は風速を検出するセンサを有し、前記センサの出力に応じて前記送風機の回転数が変化することを特徴とする付記３に記載の電子機器の冷却システム。

１０…計算機室、１２…ラック、１３…システムボード、１５…ヒートパイプ、１６…放熱フィン、２１…機器設置エリア、２２…第１冷却室、２３…第２冷却室、２４，２５，２６…分離壁、３１…冷風流路、３２…温風流路、３２ａ…開口部、３３…外気導入路、３４…外気排出路、３５，３６，３７…グリル、３８…ファン、４１…ＣＰＵ、４２…ヒートシンク、５０…制御部、５１，６２…温度センサ、６１…風速センサ。

Claims (5)

1. 電子機器が設置された第１のエリアと、
   前記第１のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第２のエリアと、
   前記第２のエリアに隣接して配置されて外気が導入される第３のエリアと、
   前記第１のエリアと前記第２のエリアとを分離する第１の分離壁と、
   前記第２のエリアと前記第３のエリアとの間に配置され、前記第２のエリアと前記第３のエリアとを連絡する開口部が設けられた第２の分離壁と、
   前記第１の分離壁を貫通し、前記電子機器で発生した熱を前記第１のエリアまで輸送する熱輸送部材と
   を有することを特徴とする電子機の冷却システム。
2. 前記熱輸送部材がヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の電子機器の冷却システム。
3. 前記第２のエリア及び前記第３のエリアの床には外気を導入するグリルが設けられ、前記第２のエリアの天井には前記第２のエリアのエアーを屋外に排出する送風機が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器の冷却システム。
4. 前記第２の分離壁の前記開口部の開口面積が変更可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。
5. 前記電子機器が、ラック内に収納された計算機であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子機器の冷却システム。

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