JP5804078B2

JP5804078B2 - 情報処理装置

Info

Publication number: JP5804078B2
Application number: JP2013546919A
Authority: JP
Inventors: 近藤　正雄; 正雄近藤; 裕幸福田; 梅宮　茂良; 茂良梅宮; 浩史遠藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: EP2787801A4; EP2787801B1; WO2013080356A1; JPWO2013080356A1; US20140268547A1; CN103959925A; EP2787801A1; US9814161B2

Description

本発明は、情報処理装置に関する。

通信ネットワークを利用して提供されるクラウドサービスの進展にともない、クラウドシステムの提供インフラであるデータセンターの消費電力が急激に増加している。

データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を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送風ファンによりラックの外に排出するとともに、パッケージエアコンを使用して室内の温度を管理している。

ところで、データセンターで消費される全電力のうちの約４０％が空調設備によるものといわれている。データセンターの処理能力を損なわずにデータセンターで消費する電力を削減するためには、計算機を効率的に冷却することが重要になる。

パッケージエアコンは、吹き出しエアーの温度を精度よく制御できるが、パッケージエアコンだけでは室内の温度分布を管理することは難しく、部分的に冷却が過剰になる場所や、熱だまりと呼ばれる部分的に高温な場所が発生する。また、パッケージエアコンからラックまで距離があるため、パッケージエアコンには大きな送風能力が求められ、消費電力が大きくなる一因となっている。

そこで、パッケージエアコンとは別にラック間にラックとほぼ同じサイズの冷却装置を配置するＩｎ−Ｒｏｗと呼ばれるシステムが採用されることもある。このシステムでは、ラックから排出される高温のエアーをラックの近傍で冷却することにより、過剰な冷却や熱だまりの発生を抑制し、空調設備の省電力化を図っている。

特開２０１１−２２６７３７号公報特開２０１０−５４０７４号公報

１ラック当たりの発熱量が３０ｋＷ又はそれ以上になっても電子機器を効率的に冷却できる情報処理装置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、室内の第１の空間を囲む複数のパネルと、前記第１の空間内に配置されて電子機器が収納された電子機器収納部と、前記第１の空間内であって前記電子機器収納部から離隔した位置に配置された熱交換器と、前記電子機器収納部と前記熱交換器との間に設けられて前記第１の空間内の他の空間から分離された第２の空間と、前記第１の空間内のエアーを、前記電子機器収納部、前記第２の空間、及び前記熱交換器の順番で循環させる送風機と、室外に配置された冷却装置と、前記冷却装置と前記熱交換器との間で冷却媒体を循環させるポンプとを有する情報処理装置が提供される。

上記一観点に係る情報処理装置によれば、１ラック当たりの発熱量が３０ｋＷ又はそれ以上になっても電子機器を効率的に冷却でき、消費電力を削減することができる。

図１は、第１の実施形態に係る電子機器用ラック及びその電子機器用ラックに電子機器を収納してなる情報処理装置を示す模式図である。図２は、熱交換器の正面図である。図３は、第１の実施形態に係る情報処理装置を実際に作製し、各部の温度を測定した結果を示す図である。図４は、実施例及び比較例１における負荷電力と熱交換量との関係を調べた結果を示す図である。図５は、比較例１の配置を示す平面図である。図６は、実施例の効果を比較例２と比較して示す図である。図７は、実施例及び比較例３における風量と熱通過率との関係を調べた結果を示す図である。図８は、第１の実施形態の変形例を示す図である。図９は、第２の実施形態に係る電子機器用ラック及びその電子機器用ラックに電子機器を収納してなる情報処理装置を示す図である。図１０は、第２の実施形態の制御部による送風ファン及び冷却水供給量の制御方法を説明するフローチャートである。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、パッケージエアコンだけでは過剰な冷却や熱だまりが発生し、計算機を効率的に冷却することが難しい。そのため、Ｉｎ−Ｒｏｗと呼ばれるシステムが採用されることもある。

しかし、現状では１ラック当たりの発熱量が１０ｋＷ程度であるのに対し近い将来には１ラック当たりの発熱量が３０ｋＷ又はそれ以上になると予想されており、上述した公知の方法ではラック内に収納された電子機器の冷却が難しくなる。

以下の実施形態では、１ラック当たりの発熱量が３０ｋＷ又はそれ以上になっても電子機器を効率的に冷却できる電子機器用ラック及び情報処理装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電子機器用ラック及びその電子機器用ラックに電子機器を収納してなる情報処理装置を示す模式図である。なお、ここでは説明の便宜上、図１のＸ方向を前後方向、Ｙ方向を幅方向、Ｚ方向を高さ方向とする。

図１のように、本実施形態に係る電子機器用ラック１０は、パネル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…により６面が囲まれた直方体の形状を有している。但し、少なくともラック１０の一方又は両側の側面パネルは開閉自在であり、電子機器１５の装着、脱着及びメンテナンスを容易に行うことができる。なお、パネル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，…により囲まれた空間が第１の空間に対応する。

ラック１０内には、電子機器１５を収納する電子機器収納部１１と、ドライコイル式熱交換器１２と、ラック１０内にエアーを循環させる送風ファン１３とが設けられている。また、電子機器収納部１１及び熱交換器１２の上には仕切り板１４が配置されている。

図１のように、電子機器収納部１１及び熱交換器１２はラック１０の前面パネル１０ａと背面パネル１０ｂとの間に縦列に並んで配置されている。本実施形態では、電子機器収納部１１と熱交換器１２との間の空間をホットアイル２１と呼び、熱交換器１２とラック１０の背面パネル１０ｂとの間の空間を第１のコールドアイル２２と呼ぶ。また、ラック１０の前面パネル１０ａと電子機器収納部１１との間の空間を第２のコールドアイル２４と呼び、ラック１０の上面パネル１０ｃと仕切り板１４との間の空間を冷風流路２３と呼ぶ。ホットアイル２１が第２の空間に対応する。

ホットアイル２１は、電子機器収納部１１、熱交換器１２、仕切り板１４及びラック１０の側面パネルにより、他の空間と分離されている。また、冷風流路２３と第２のコールドアイル２２とはエアーが自由に通流できる状態で連絡している。

電子機器収納部１１には、複数の電子機器１５が高さ方向に並んで収納される。本実施形態では、電子機器１５がサーバ（計算機）であるとする。但し、サーバに替えて、又はサーバとともに、ストレージやスイッチなどの電子機器を電子機器収納部１１に収納してもよい。

各電子機器１５の一方の面（図１では左側の面）は吸気面であり、他方の面（図１では右側の面）は排気面である。各電子機器１５は、吸気面を第２のコールドアイル２４に向け、排気面をホットアイル２１に向けて配置される。

熱交換器１２は、図２の正面図に示すように、冷却媒体が通流するパイプ１２ａと、パイプ１２ａに接続された多数のフィン１２ｂとを有し、電子機器収納部１１に収納された電子機器１５の排気面に対向して配置されている。電子機器１５内を通る間に温度が上昇したエアーは、熱交換器１２のフィン１２ｂ間を通る際に冷却される。熱交換器１２の幅及び高さは、電子機器収納部１１の幅及び高さとほぼ同じである。

熱交換器１２は配管（図示せず）を介して屋外に配置された冷却装置（図示せず）と接続されており、冷却装置と熱交換器１２との間を冷却媒体が循環する。本実施形態では、冷却媒体として水を使用し、冷却装置としてフリークーリング装置を使用するものとする。フリークーリング装置は、冷凍機を使用せず、水が蒸発するときに周囲から潜熱を奪う現象を使用して水を冷却する装置である。

送風ファン１３は、第１のコールドアイル２２と冷風流路２３との間に配置されている。この送風ファン１３により、送風ファン１３、冷風流路２３、第２のコールドアイル２４、電子機器収納部１１（電子機器１５）、ホットアイル（第２の空間）２１、熱交換器１２、第１のコールドアイル２２の順番に循環するエアーの流れが形成される。送風ファン１３は送風機の一例である。

なお、本実施形態では、個々の電子機器１５には送風ファンが設けられてなく、送風ファン１３によりラック１０内のエアーを循環させることにより、電子機器１５内にエアーを通流させている。しかし、必要に応じて電子機器１５に送風ファンを設けてもよい。

以下、本実施形態に係る情報処理装置を実際に作製し、各部の温度を測定した結果について説明する。

図３のように、電子機器収納部１１に６台の模擬サーバ１５ａを収納し、各模擬サーバ１５ａの発熱量を、上から順に７．３ｋＷ、７．４ｋＷ、７．６ｋＷ、７．６ｋＷ、５．１ｋＷ、５．０ｋＷ（合計４０ｋＷ）とした。また、熱交換器１２には温度が１５．０℃の冷却水を供給した。そして、図３中に黒点で示した各位置における温度と風速とを測定した。

その結果、模擬サーバ１５ａから排出されるエアーの温度は４４℃〜４９℃であり、熱交換器１２を通過した後のエアーの温度は２１℃〜２３℃であった。また、熱交換器１２から排出される冷却水の温度は２１．４℃であった。なお、図３中の矢印は、エアーの流れ方向を示している。

図４は、横軸にラック内に収納された電子機器（模擬サーバ）の負荷電力の合計をとり、縦軸に熱交換器による熱交換量をとって、実施例及び比較例１における負荷電力と熱交換量との関係を調べた結果を示す図である。図４中の破線は、負荷電力と交換熱量とが等しい場合、すなわち熱交換率が１００％の場合を示している。

実施例として、図１に示すラック１０内に電子機器１５及び熱交換器１２を配置したモデルを採用した。実施例のフットプリントは１．１ｍ²である。また、比較例１として、図５の平面図に示すように、フットプリントが５．２ｍ²の室内にラック３１及び熱交換器３２を配置したモデルを採用した。比較例１では、ラック３１から排出されたエアーはラック３１の側方及び上方を通って熱交換器３２の吸気面側に戻る。

図４からわかるように、比較例１では、負荷電力が２０ｋＷ以下の場合は熱交換率がほぼ１００％であるが、負荷電力が２０ｋＷを超えると熱交換率は１００％から大きく減少する。これは、ラック３１から排出された熱を熱交換器３２で十分に回収することができず、室内の温度が上昇することを意味している。熱交換器３２で回収できない熱は、パッケージエアコン等で回収して室外に放散することが必要になる。

一方、実施例では、負荷電力が４０ｋＷを超えても熱交換率はほぼ１００％であり、パッケージエアコン等の他の冷却装置が不要である。但し、計算機室には人の出入りによる温度変化もあるので、本実施形態においてもラック１０を配置した部屋全体の温度を調整するパッケージエアコンを配置することが好ましい。

図６は、横軸に負荷電力をとり、縦軸に冷却に要する電力量をとって、実施例の効果を比較例２と比較して示す図である。

但し、実施例として、図１に示すラック１０内に電子機器（模擬サーバ）及び熱交換器１２を配置したモデルを採用した。また、比較例２として、室内に電子機器を収納したラックとパッケージエアコンとを配置したモデルを採用した。比較例２では、電子機器で発生した熱をラックから室内に排出し、室内に排出されたエアーをパッケージエアコンにより冷却してラックの近傍まで搬送する。

なお、図６において、実施例の消費電力は、送風ファン１３の消費電力と熱交換器１２に冷却水を供給するポンプの消費電力との合計を示しているが、送風ファン１３の消費電力は実測値であり、ポンプの消費電力は推定値である。また、比較例２の消費電力は実測値である。

図６からわかるように、実施例では、電子機器の冷却に要する電力量が比較例２よりもはるかに少なく、１ラック当たりの発熱量が４０ｋＷの場合は消費電力を約６４％も低減できる。

図７は、横軸に熱交換器を通過するエアーの風量をとり、縦軸に熱交換器の熱通過率をとって、実施例及び比較例３における風量と熱通過率との関係を調べた結果を示す図である。

但し、実施例として、図１に示すラック１０内に電子機器（模擬サーバ）及び熱交換器１２を配置したモデルを採用した。また、比較例３として、公知のＩｎ−Ｒｏｗタイプの冷却システムを採用した。ここでは、実施例及び比較例３のいずれも負荷電力を３０ｋＷとし、熱交換器に温度が１５℃の冷却水を供給している。

図７からわかるように、熱通過率が４０ｋＷ／ｍ²・Ｋの場合、実施例では冷却水流量が７４．７Ｌ（リットル）／ｍｉｎ、風量が３４００ｍ³／ｈとすることにより対応することができた。一方、比較例では、熱通過率が４０ｋＷ／ｍ²・Ｋの場合、冷却水量が９５．６Ｌ／ｍｉｎ、風量が７３８０ｍ³／ｈとすることにより対応することができた。

この図７から、実施例のほうが比較例３よりも必要な冷却水流量及び風量が少なく、消費電力が少ないことがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る電子機器用ラック及び情報処理装置は、１ラック当たりの発熱量が３０ｋＷを超える場合でも少ない電力でラック内に収納された電子機器を十分冷却することができる。これにより、データセンター等の施設の消費電力を削減することができる。

（変形例）
図１に示す電子機器用ラック１０では、第２のコールドアイル２４を上から下に流れるエアーの流れが速いと、電子機器収納部１１の上側に配置された電子機器１５と下側に配置された電子機器１５とでエアー供給量が大きく異なることがある。その結果、電子機器収納部１１の上側に配置された電子機器１５は冷却不足となり、故障や誤動作が発生する原因となる。

そこで、図８のように、電子機器収納部１１の各電子機器収納エリア間に出し入れ自在のガイド板１６を設け、ガイド板１６の突出量により各電子機器１５に供給されるエアーの量を調整できるようにしてもよい。ガイド板１６の突出量は作業者が個別に調整するようにしてもよく、各電子機器１５に温度センサを設け、それらの温度センサによる検出温度に応じてガイド板１６の突出量が自動的に変化するようにしてもよい。なお、ガイド板１６は電子機器収納エリアの通風量を調整する風量調整部の一例である。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る電子機器用ラック及びその電子機器用ラックに電子機器を収納してなる情報処理装置を示す図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は熱交換器１２の前後の温度差に応じて送風ファン１３の回転数及び熱交換器１２への冷却水の供給量を制御することにある。図９において図１と同一物には同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。

図９のように、本実施形態の電子機器用ラック４０においても、電子機器収納部１１内に複数の電子機器１５が収納される。但し、本実施形態では、電子機器収納部１１の最下段に制御部１５ｂが収納されている。この制御部１５ｂにより、後述するように送風ファン１３の回転数及び熱交換器１２への冷却水の供給量等が制御される。

なお、制御部１５ｂは電子機器収納部１１内に収納された電子機器１５（サーバ）を利用して実現されていてもよく、専用の回路で実現されていてもよい。制御部１５ｂが専用の回路で実現されている場合、制御部１５ｂは電子機器収納部１１以外の場所に配置されていてもよい。

図９のように、本実施形態では、電子機器収納部１１に収納された各電子機器１５の排気面側に、各電子機器１５から排出されるエアーの温度を検出する温度センサ４１が配置されている。また、第１のコールドアイル２２には熱交換器１２を通過した後のエアーの温度を検出する温度センサ４２が配置されている。これらの温度センサ４１，４２から出力される信号は、制御部１５ｂに伝達される。

また、本実施形態においても、図８に示す変形例と同様に、電子機器収納部１１の各電子機器収納エリア間にガイド板１６が設けられている。ここでは、各電子機器１５内に設けられた温度センサ（図示せず）の出力に基づいて駆動装置（図示せず）が駆動し、ガイド板１６の突出量が変化するものとする。なお、ガイド板１６の制御に使用する温度センサとして、図９に示す温度センサ４１を使用してもよい。また、ガイド板１６の突出量は、制御部１５ｂにより制御されるようにしてもよい。

熱交換器１２は、冷却水供給配管４７ａ及び冷却水戻り配管４７ｂを介して冷却装置４５に接続されている。冷却水供給配管４７ａにはポンプ４６が接続されており、このポンプ４６により冷却水が冷却装置４５と熱交換器１２との間を循環する。

配管４７ａには熱交換器１２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ４４ａが配置されており、配管４７ｂには熱交換器１２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ４４ｂが配置されている。これらの温度センサ４４ａ，４４ｂの出力も、制御部１５ｂに伝達される。

本実施形態では、冷却装置４５として、フリークーリング部４５ａと冷凍機４５ｂとを有するハイブリッド式冷却装置を使用する。この冷却装置４５は、通常はフリークーリング部４５ａのみで冷却水温度を下げる。しかし、フリークーリング部４５ａで冷却水の温度を十分に下げることができない場合は、制御部１５ｂからの信号により冷凍機４５ｂが稼働する。

また、本実施形態では、ポンプ４６として、インバータ式のポンプを使用する。このポンプ４６は、制御部１５ｂからの信号に応じて吐出量が変化する。なお、制御部１５ｂからの信号により開度が変化するバルブを使用して熱交換器１２に供給する冷却水の流量を変化させるようにしてもよい。

制御部１５ｂは、ホットアイル２１の平均温度と第１のコールドアイル２２の平均温度との差が２０℃以上になるように、送風ファン１３の回転数や熱交換器１２への冷水の供給量を制御する。

熱交換器１２の前後の温度差が大きいほど、熱交換器１２の熱交換効率は大きくなる。本実施形態では、上述したように熱交換器１２の前後の温度差を２０℃以上に保つことで熱交換器１２の熱交換効率を高くし、データセンター等の施設で消費する電力をより一層削減するものである。

以下、制御部１５ｂによる送風ファン及び冷却水供給量の制御方法について、図１０のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１１において、制御部１５ｂは、第１のコールドアイル２２に配置された複数の温度センサ４２の検出温度の平均値Ｔcを算出して、第１のコールドアイル２２の温度とする。電子機器１５に供給されるエアーの温度も、第１のコールドアイル２２の温度Ｔcと同じということができる。制御部１５ｂは、この温度Ｔcが予め設定された許容値Ｔmaxを超えていないかを判定する。

温度Ｔcが許容値Ｔmaxを超えたと制御部１５ｂが判定した場合（ＹＥＳの場合）、電子機器１５の冷却が十分でなく、電子機器１５の誤動作や故障が発生するおそれがある。この場合はステップＳ１２に移行し、制御部１５ｂはポンプ４６を制御して熱交換器１２への冷却水供給量を増加させるか、送風ファン１３を制御して回転数を上昇させるか、又は冷凍機４５ｂをオンにして冷却水の温度を低下させるか、のいずれかの対応を行って温度Ｔcを低下させる。その後、ステップＳ１１に戻り、処理を継続する。

一方、ステップＳ１１において、温度Ｔcが許容値Ｔmaxを超えていないと制御部１５ｂが判定した場合（ＮＯの場合）、電子機器１５の冷却は十分であるということができる。この場合はステップＳ１３に移行し、制御部１５ｂはホットアイル２１に配置された複数の温度センサ４１の検出温度の平均値を算出して、ホットアイル２１の温度Ｔhとする。

その後、制御部１５ｂは、ホットアイル２１の温度Ｔhと第１のコールドアイル２２の温度Ｔcとの差を算出する。温度Ｔhと温度Ｔcとの差が許容値２０℃を超えていると制御部１５ｂが場合（ＹＥＳの場合）は、熱交換器１２による熱交換効率が十分に高い状態であるので、現状のままステップＳ１１に戻って処理を継続する。

一方、ステップＳ１３で温度Ｔhと温度Ｔcとの差が許容値２０℃未満であると制御部１５ｂが判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１４に移行する。そして、ステップＳ１４において、制御部１５ｂは、冷凍機４５ｂをオフにし、ファン１３の回転数を徐々に減少させてホットアイル２１の温度Ｔhを上昇させる。この場合は、電子機器１５の負荷が低下してあまり発熱していない状態なので、過剰な冷却を回避するため、更にポンプ４６を制御して熱交換器１２への冷却水供給量を減少させる。その後、ステップＳ１１に戻って処理を継続する。

このように、本実施形態では、温度センサ４１，４２により熱交換器１２の前後の温度を測定し、熱交換器１２の前後の温度差が２０℃以上となるように送風ファン１３の回転数、熱交換器１２への冷却水の供給量、及び冷凍機４５ｂのオン−オフを制御する。これにより、熱交換器１２の熱交換効率が上昇し、データセンター等の施設で消費する電力をより一層削減することができる。

なお、本実施形態では電子機器収納部１１に収納された各電子機器１５に対応して温度センサ４１を配置しているが、最も高温になると思われる一つ又は複数の電子機器１５の排気面のみに温度センサ４１を配置してもよい。また、本実施形態では第１のコールドアイル２２に３個の温度センサ４２を配置しているが、第１のコールドアイル２２に配置する温度センサ４２の数は１個でもよく、２個又は４個以上でもよい。

Claims

室内の第１の空間を囲む複数のパネルと、
前記第１の空間内に配置されて電子機器が収納された電子機器収納部と、
前記第１の空間内であって前記電子機器収納部から離隔した位置に配置された熱交換器と、
前記電子機器収納部と前記熱交換器との間に設けられて前記第１の空間内の他の空間から分離された第２の空間と、
前記第１の空間内のエアーを、前記電子機器収納部、前記第２の空間、及び前記熱交換器の順番で循環させる送風機と、
室外に配置された冷却装置と、
前記冷却装置と前記熱交換器との間で冷却媒体を循環させるポンプと
を有することを特徴とする情報処理装置。
更に、前記熱交換器を通過する前のエアーの温度を検出する第１の温度センサと、
前記熱交換器を通過した後のエアーの温度を検出する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの検出温度に応じて前記送風機及び前記ポンプを制御する制御部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置。
前記制御部は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの検出温度の差が２０℃以上であるときに前記送風機の回転数を維持し、前記検出温度の差が２０℃未満であるときに前記送風機の回転数を減少させることを特徴とする請求項２に記載の情報処理装置。
前記制御部は、前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサの検出温度の差が２０℃以上であるときに前記ポンプを制御して前記熱交換器への前記冷却媒体の供給量を維持し、前記検出温度の差が２０℃未満であるときに前記ポンプを制御して前記熱交換器への前記冷却媒体の供給量を減少させることを特徴とする請求項２に記載の情報処理装置。
前記電子機器収納部は、前記電子機器を収納する複数の電子機器収納エリアと、前記電子機器収納エリアの通風量を調整可能な風量調整部とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の情報処理装置。