JP2016119813A - サーバ排熱発電システムおよびラックマウントサーバ - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の熱電素子に掛かる温度差を良好に確保しつつ複数の熱電素子をラックマウントサーバ内に配置し効率よく排熱発電を行う。【解決手段】 ラックマウントサーバ内において、２つの面の温度差に基づいて発電する複数の熱電素子２１が、一方の面で導熱部材１１に接合し、他方の面で複数の放熱部材３１に接合している。導熱部材１１は、演算処理装置４１に接合する接合平板部１２と、接合平板部１２から直立しかつラックマウントサーバ内の通風方向に沿って延びる複数の直立平板部１３とを有し、複数の熱電素子２１の一方の面は、複数の直立平板部１３の側面に接合されている。そして、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３が、複数の熱電素子２１の出力電圧を所定の電圧に昇圧し、ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３の直流電力を交流電力に変換する。【選択図】 図２

Description

本発明は、サーバ排熱発電システムおよびラックマウントサーバに関するものである。

大規模なデータ処理や高速な演算処理が必要となる用途のために複数のラックマウントサーバがサーバラックに装着され使用されている（例えば特許文献１参照）。

このようなラックマウントサーバでは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などといった演算処理装置に接合される放熱部材に対して内蔵ファンにより送風することで、演算処理装置において発生する熱をサーバ外部へ排出している。

他方、ノートブック型のパーソナルコンピューターなどにおいて、演算素子に接合される熱拡散板とヒートシンクへ延びるヒートパイプとの間に熱電素子を配置し、熱拡散板とヒートパイプとの温度差によって発電し、発電した電力を蓄電池に供給する技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１３−２５７４６号公報 特開２００２−１９０６８７号公報

しかしながら、通常、ラックマウントサーバは蓄電池を有さないため、熱電素子で発電する上述の技術をラックマウントサーバに適用することは困難である。

また、上述の技術では熱電素子に掛かる温度差は比較的小さいため、１つの熱電素子では有意な発電量が得られない。この点については、複数の熱電素子を使用することが考えられるが、上述の技術では、温度差を良好に確保しつつ、複数の熱電素子を熱拡散板とヒートパイプとの間に配置することは困難である。つまり、複数の熱電素子を配置するために、熱拡散板およびヒートパイプの面積を大きくすると熱拡散板およびヒートパイプからの放熱が増えるため、両者の温度差が小さくなってしまい、有意な発電量が得られない。また、ラックマウントサーバ（特に１Ｕサーバなど）は、低背の筐体を有するため、このような構成で実用的な発電をするのは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、複数の熱電素子に掛かる温度差を良好に確保しつつ複数の熱電素子をラックマウントサーバ内に配置し効率よく排熱発電を行うサーバ排熱発電システムおよびラックマウントサーバを得ることを目的とする。

本発明に係るサーバ排熱発電システムは、ラックマウントサーバ内の演算処理装置に接合する導熱部材と、２つの面を有し、その２つの面の温度差に基づいて発電し、その２つの面のうちの一方の面で導熱部材に接合する複数の熱電素子と、複数の熱電素子の２つの面のうちの他方の面にそれぞれ接合する複数の放熱部材と、複数の熱電素子に対して電気的に接続され、複数の熱電素子の出力電圧を所定の電圧に昇圧する複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、並列運転する複数のＤＣ／ＤＣコンバータから供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータとを備える。そして、導熱部材は、演算処理装置に接合する接合平板部と、接合平板部から直立しかつラックマウントサーバ内の通風方向に沿って延びる複数の直立平板部とを有し、複数の熱電素子の一方の面は、複数の直立平板部の側面に接合される。

本発明に係るラックマウントサーバは、演算処理装置と、冷却用ファンと、演算処理装置に接合する導熱部材と、２つの面を有し、その２つの面の温度差に基づいて発電し、その２つの面のうちの一方の面で導熱部材に接合する複数の熱電素子と、複数の熱電素子の２つの面のうちの他方の面にそれぞれ接合する複数の放熱部材と、複数の熱電素子に対して電気的に接続され、複数の熱電素子の出力電圧を所定の電圧に昇圧し出力する複数のＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。そして、導熱部材は、演算処理装置に接合する接合平板部と、接合平板部から直立しかつ冷却用ファンの通風方向に沿って延びる複数の直立平板部とを有し、複数の熱電素子の一方の面は、複数の直立平板部の側面に接合される。

本発明によれば、複数の熱電素子に掛かる温度差を良好に確保しつつ複数の熱電素子をラックマウントサーバ内に配置し効率よく排熱発電を行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るラックマウントサーバ内の構成要素の配置を説明する斜視図である。 図２は、図１における演算処理部４の構成例を示す斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るサーバ排熱発電システムの電気的な構成を示すブロック図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るラックマウントサーバ内の構成要素の配置を説明する斜視図である。図１に示すラックマウントサーバは、筐体１、ストレージ２、ファン３、演算処理部４、および電源・インターフェイス部５を備える。

筐体１は、図示せぬサーバラックに装着可能なサイズおよび機械的構造を有している。ストレージ２は、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記憶装置を含む。ファン３は、ストレージ２、演算処理部４、および電源・インターフェイス部５の冷却のための通風を行う。例えばファン３は、通風方向に対して垂直に配列させた低背の複数の小型ファンユニットを有する。筐体１の前面１ａから、ストレージ２、ファン３、演算処理部４、電源・インターフェイス部５の順番で配置されており、ファン３によって、筐体１の前面１ａから背面へ向かって冷却のための通風が行われる。

演算処理部４は、ＣＰＵなどの演算処理装置などを備える。その演算処理装置は、筐体１の底面に平行に配置される基板上に設置される半導体チップである。

電源・インターフェイス部５は、電源モジュール、インターフェイスモジュール（例えばネットワークインターフェイス）などを備える。その電源モジュールは、商用電源に接続され、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をストレージ２、ファン３、演算処理部４、および電源・インターフェイス部５に供給する。

図２は、図１における演算処理部４の構成例を示す斜視図である。演算処理部４は、導熱部材１１、複数の熱電素子２１、複数の放熱部材３１、および演算処理装置４１を備える。

導熱部材１１は、ラックマウントサーバ内の演算処理装置４１に接合する、金属（例えば、アルミ、銅）などの導熱性の部材である。

導熱部材１１は、演算処理装置４１に接合する接合平板部１２と、接合平板部１２から直立しかつラックマウントサーバ内の通風方向に沿って延びる複数（ここでは４枚）の直立平板部１３とを有する。複数の直立平板部１３は、通風方向に対して垂直に配列されている。

熱電素子２１は、２つの面を有し、その２つの面の温度差に基づいて発電し、２つの面のうちの一方の面で導熱部材１１に接合する。熱電素子２１としては、例えばペルチェ素子が使用される。

各熱電素子２１の一方の面は、直立平板部１３の側面に接合し、各熱電素子２１の他方の面は、放熱部材３１に接合している。この実施の形態では、１つの直立平板部１３の両側面にそれぞれ熱電素子２１が接合している。

各熱電素子２１には放熱部材３１が接合している。各放熱部材３１は、金属（例えば、アルミ、銅）などの導熱性の部材である。各放熱部材３１には、放熱性を高めるために複数のフィンが形成されている。フィンは、通風方向に略平行に形成されている。なお、図２においては、１つの放熱部材３１だけを図示しており、その他の放熱部材３１の図示は省略している。

なお、例えば、演算処理装置４１と導熱部材１１との接合部、導熱部材１１と熱電素子２１との接合部、および熱電素子２１と放熱部材３１との接合部では、熱導電性の接着剤や両面テープなどによって両者が互いに固定されている。

図３は、本発明の実施の形態に係るサーバ排熱発電システムの電気的な構成を示すブロック図である。

演算処理装置４１は、電源モジュール４２により商用電源の交流電力から生成された直流電力で動作し、発熱する。

熱電素子２１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３がそれぞれ接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、熱電素子２１に対して電気的に接続され、熱電素子２１の出力電圧を所定の電圧に昇圧する。つまり、複数の熱電素子２１の出力電圧が、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３によって１つの所定の電圧に昇圧される。ＤＣ／ＤＣコンバータ４３としては、入力電圧の変動が許容され、かつ、入力とは別に電源電力の供給が不要であるものが使用される。

複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３は並列運転しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３の出力は、並列してＤＣ／ＡＣインバータ４４に入力される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３とＤＣ／ＡＣインバータ４４との間には、必要に応じて、逆流防止用のダイオードをそれぞれ設けるようにしてもよい。

ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、並列運転する複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３から供給される直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を商用電源に回生する。

この実施の形態では、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、ラックマウントサーバ内に配置され、ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、ラックマウントサーバの外側（例えば、別のラック）に配置される。ただし、ＤＣ／ＡＣインバータ４４を、ラックマウントサーバ内に配置してもよいし、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３を、ラックマウントサーバの外側（例えば、別のラック）に配置してもよい。

次に、上記サーバ排熱発電システムの動作について説明する。

電源モジュール４２は、商用電源の交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を演算処理装置４１、冷却用のファン３などに供給する。

演算処理装置４１は、その直流電力で動作し、その動作に伴って発熱し、その熱によって導熱部材１１の温度が上昇する。一方、ファン３の送風によって、放熱部材３１は放熱するため、放熱部材３１の温度は、導熱部材１１の温度より低くなる。

このように、演算処理装置４１の発熱による高温側と放熱部材３１の放熱による低温側との温度差が熱電素子２１に掛かり、熱電素子２１は、その温度差に応じた電圧を発生し、対応するＤＣ／ＤＣコンバータ４３に印加する。

複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、それぞれに対応する熱電素子２１の出力電圧を所定の一定の電圧に昇圧する。

つまり、複数の熱電素子２１に掛かる温度差のばらつきや、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３の入出力特定のばらつきなどに起因して複数の熱電素子２１の出力電圧にばらつきがあっても、また、各熱電素子２１の出力電圧に変動があっても、各ＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、一定の出力電圧を生成し、ＤＣ／ＡＣインバータ４４へ印加する。

ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３から出力される直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を商用電源に回生する。回生された交流電力は、電源モジュール４２における直流電力への変換に使用される。

以上のように、上記実施の形態によれば、導熱部材１１がラックマウントサーバ内の演算処理装置４１に接合し、２つの面の温度差に基づいて発電する複数の熱電素子２１が、その２つの面のうちの一方の面で導熱部材１１に接合し、複数の放熱部材３１が、複数の熱電素子２１の２つの面のうちの他方の面にそれぞれ接合している。導熱部材１１は、演算処理装置４１に接合する接合平板部１２と、接合平板部１２から直立しかつラックマウントサーバ内の通風方向に沿って延びる複数の直立平板部１３とを有し、複数の熱電素子２１の一方の面は、複数の直立平板部１３の側面に接合されている。そして、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、複数の熱電素子２１に対して電気的に接続され、複数の熱電素子２１の出力電圧を所定の電圧に昇圧し、ＤＣ／ＡＣインバータ４４は、並列運転する複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４３から供給される直流電力を交流電力に変換する。

これにより、上述のようにして導熱部材１１と放熱部材３１とに複数の熱電素子２１を接合させることで、複数の熱電素子２１に掛かる温度差を良好に確保しつつラックマウントサーバ内に複数の熱電素子２１を配置し効率よく排熱発電を行うことができる。

なお、上述の実施の形態は、本発明の好適な例であるが、本発明は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、上記実施の形態において、導熱部材１１において、複数の熱電素子２１が接合している部分以外の表面の少なくとも一部に、例えば樹脂製の断熱材を塗布または装着するようにしてもよい。これにより、導熱部材１１から周囲の空気への放熱が抑えられるため、熱電素子２１に掛かる温度差を大きくすることができる。その場合、例えば、演算処理装置４１（つまり、放熱部材３１）より通風の上流側の表面に、断熱材が塗布または装着される。また、その場合、その断熱材が塗布または装着される表面の箇所と広さは、演算処理装置４１の温度が所定の温度を超えない箇所と広さとされる。つまり、演算処理装置４１の許容温度の上限を考慮して、断熱材が塗布または装着される箇所と広さが決定される。

また、上記実施の形態では、発電された電力をＤＣ／ＡＣインバータ４４から商用電源に回生しているが、その代わりに、発電された電力を、直流電力として、ＤＣ／ＤＣコンバータ４３から電源モジュール４２の直流出力段に回生するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、直立平板部１３の数が４であるが、直立平板部１３の数は、４以外でもよい。また、上記実施の形態では、１つの直立平板部１３の１つの側面には、１つの熱電素子２１が接合しているが、２つ以上の熱電素子２１が接合するようにしてもよい。また、上記実施の形態では、１つの導熱部材１１に１つの演算処理装置４１が接合しているが、１つの導熱部材１１に複数の演算処理装置４１が接合するようにしてもよい。

また、上記実施の形態において、上述のラックマウントサーバと同一である複数のラックマウントサーバを１つのラックに装着し、その複数のラックマウントサーバに対して１つのＤＣ／ＡＣインバータ４４を設け、その複数のラックマウントサーバのＤＣ／ＤＣコンバータ４３から並列に入力される直流電力を、その１つのＤＣ／ＡＣインバータ４４で交流電力に変換するようにしてもよい。

本発明は、例えば、ラックマウントサーバに適用可能である。

３ ファン
１１ 導熱部材
１２ 接合平板部
１３ 直立平板部
２１ 熱電素子
３１ 放熱部材
４１ 演算処理装置
４３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４４ ＤＣ／ＡＣインバータ

Claims (5)

1. ラックマウントサーバ内の演算処理装置に接合する導熱部材と、
   ２つの面を有し、前記２つの面の温度差に基づいて発電し、前記２つの面のうちの一方の面で前記導熱部材に接合する複数の熱電素子と、
   前記複数の熱電素子の前記２つの面のうちの他方の面にそれぞれ接合する複数の放熱部材と、
   前記複数の熱電素子に対して電気的に接続され、前記複数の熱電素子の出力電圧を所定の電圧に昇圧する複数のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   並列運転する前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータから供給される直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータとを備え、
   前記導熱部材は、前記演算処理装置に接合する接合平板部と、前記接合平板部から直立しかつ前記ラックマウントサーバ内の通風方向に沿って延びる複数の直立平板部とを有し、
   前記複数の熱電素子の前記一方の面は、前記複数の直立平板部の側面に接合されること、
   を特徴とするサーバ排熱発電システム。
2. 前記導熱部材において、前記複数の熱電素子が接合している部分以外の表面の少なくとも一部は、断熱材が塗布または装着されていることを特徴とする請求項１記載のサーバ排熱発電システム。
3. 前記断熱材が塗布または装着される表面の箇所と広さは、前記演算処理装置の温度が所定の温度を超えない箇所と広さとされることを特徴とする請求項２記載のサーバ排熱発電システム。
4. 前記複数の直立平板部は、前記通風方向に対して垂直に配列されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のサーバ排熱発電システム。
5. 演算処理装置と、
   冷却用ファンと、
   前記演算処理装置に接合する導熱部材と、
   ２つの面を有し、前記２つの面の温度差に基づいて発電し、前記２つの面のうちの一方の面で前記導熱部材に接合する複数の熱電素子と、
   前記複数の熱電素子の前記２つの面のうちの他方の面にそれぞれ接合する複数の放熱部材と、
   前記複数の熱電素子に対して電気的に接続され、前記複数の熱電素子の出力電圧を所定の電圧に昇圧し出力する複数のＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、
   前記導熱部材は、前記演算処理装置に接合する接合平板部と、前記接合平板部から直立しかつ前記冷却用ファンの通風方向に沿って延びる複数の直立平板部とを有し、
   前記複数の熱電素子の前記一方の面は、前記複数の直立平板部の側面に接合されること、
   を特徴とするラックマウントサーバ。

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