JP6036428B2 - 電子機器冷却システム及び電子機器冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器冷却システム及び電子機器冷却方法に関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが取り扱われるようになり、多数の計算機を一括して管理するデータセンターの必要性がますます重要になってきている。

データセンターでは、計算機の稼働にともなって多量の熱が発生する。計算機の温度が高くなると誤動作や故障又は処理能力の低下の原因となるため、冷却ファンや空調機等の冷却設備を使用して計算機を冷却している。

近年、設置に要する費用が比較的低く、設備の増減に迅速に対応できることから、モジュール型データセンターが広く使用されている。

一般的なモジュール型データセンターでは、コンテナと呼ばれる構造物内に複数のラックを設置し、各ラック内に複数のサーバを収納している。

ラックの吸気面側には大型の冷却ファンを複数備えた冷却ファンユニットが設置されている。冷却ファンユニットは、ファシリティファンとも呼ばれている。また、ラック内に収納された各サーバには、それぞれ小型の冷却ファンが設けられている。以下、各サーバに設けられた冷却ファンを、サーバファンという。

冷却ファンユニットの冷却ファンはラックに一定量のエアーを供給するように回転し、サーバファンは各サーバの稼働状態に応じて回転する。

特開２０１０−１０８３５９号公報 特開２０１０−４３８１７号公報

少ない電力で電子機器を効率よく冷却できる電子機器冷却システム及び電子機器冷却方法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、外気を取り入れる吸気口とエアーを外部に排出する排気口とが設けられた構造物と、前記構造物内に配置された筐体と、前記筐体内に収納された複数の電子機器と、前記複数の電子機器にそれぞれ設けられた第１の冷却ファンと、前記筐体と前記吸気口との間に配置され、前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットと、前記電子機器に導入されるエアーの温度を検出する温度センサと、前記温度センサの出力及び前記電子機器の稼働状態に応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのうちのいずれか一方を選択して停止状態にする制御部とを有する電子機器冷却システムが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、外気を取り入れる吸気口とエアーを外部に排出する排気口とが設けられた構造物内に筐体を配置し、前記筐体内に収納した複数の電子機器を冷却する電子機器冷却方法において、前記複数の電子機器の各々に第１の冷却ファンを設け、前記吸気口と前記筐体との間に、前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットを配置し、前記電子機器に導入されるエアーの温度と前記電子機器の稼動状態とに応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのうちのいずれか一方を選択して停止状態にする電子機器の冷却方法が提供される。

上記一観点に係る電子機器冷却システム及び電子機器冷却システムによれば、少ない電力で電子機器を効率よく冷却できる。

図１は、実施形態に係る電子機器冷却システムを適用するデータセンターの一例を示す模式図である。 図２は、実施形態に係る電子機器冷却システムの制御系を示すブロック図である。 図３は、実施形態に係る電子機器冷却方法を示すフローチャートである。 図４は、ＣＰＵ稼働率毎に外気温度と必要風量との関係を示した図である。 図５は、変形例１の電子機器冷却システムを適用するデータセンターの一例を示す模式図である。 図６は、変形例２で使用する冷却ファンの駆動装置を示す図である。 図７は、サーバファンをその向きがエアーの流れ方向に対し垂直になるように配置した例を示す模式図である。 図８は、冷却ファンユニットの冷却ファンをその向きがエアーの流れ方向に対し垂直になるように配置した例を示す模式図である。

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、一般的なモジュール型データセンターでは、大型の冷却ファンを備えた冷却ファンユニットと、各サーバにそれぞれ設けられたサーバファンとによりサーバを冷却している。

しかし、冷却ファンユニットとサーバファンとを同時に稼働させているので、サーバの稼働状態によっては電力が無駄に消費されることがある。

以下の実施形態では、少ない電力で電子機器を効率よく冷却できる電子機器冷却システム及び電子機器冷却方法について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る電子機器冷却システムを適用するデータセンターの一例を示す模式図である。なお、図１中の白抜き矢印は、エアーの流れ方向を示している。また、ここではモジュール型データセンターにおける電子機器冷却システムについて説明している。

図１に例示したモジュール型データセンターでは、直方体形状のコンテナ１０と、コンテナ１０内に配置された冷却ファンユニット１２と、複数のラック１３とを有する。

コンテナ１０の相互に対向する２つの面のうちの一方にはコンテナ１０内に外気を取り入れるための吸気口１１ａが設けられており、他方にはコンテナ１０内のエアーを外部に排出するための排気口１１ｂが設けられている。また、冷却ファンユニット１２とラック１３との間の空間の上には仕切り板１５が配置されている。

コンテナ１０内の空間は、冷却ファンユニット１２、ラック１３及び仕切り板１５により、外気導入部２１、コールドアイル２２、ホットアイル２３及び暖気循環路２４に分割されている。外気導入部２１は吸気口１１ａと冷却ファンユニット１２との間の空間であり、コールドアイル２２は冷却ファンユニット１２とラック１３との間の空間であり、ホットアイル２３はラック１３と排気口１１ｂとの間の空間である。外気導入部２１には、エアーの温度を検出する温度センサ２５が設けられている。この温度センサ２５の出力は、後述する制御部３０に送られる。

暖気循環路２４はラック１３及び仕切り板１５の上方の空間であり、ホットアイル２３と外気導入部２１との間を連絡している。暖気循環路２４には、暖気の循環量を調整するためのダンパー１６が設けられている。

各ラック１３内には複数のサーバ１３ａが収納されており、各サーバ１３ａにはそれぞれ１台又は複数台のサーバファン１３ｂが設けられている。また、冷却ファンユニット１２には、複数の大型の冷却ファン１２ａが設けられている。

なお、コンテナ１０はモジュール化された構造物の一例である。また、ラック１３は筐体の一例であり、サーバ１３ａは電子機器の一例である。更に、サーバファン１３ｂは第１の冷却ファンの一例であり、冷却ファン１２ａは第２の冷却ファンの一例である。ラック１３内には、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はＳＳＤ（Solid State Disk）等の記憶装置や電源など、他の電子機器が収納されていてもよい。

図２は、本実施形態に係る電子機器冷却システムの制御系を示すブロック図である。

前述したように、制御部３０は、外気導入部２１に配置された温度センサ２５からエアーの温度の情報を取得する。また、制御部３０は、各サーバ１３ａからＣＰＵ稼働率の情報を取得する。そして、制御部３０は、これらの情報に基づいて、冷却ファンユニット１２及び各サーバ１３ａのサーバファン１３ｂを制御する。

以下、図３のフローチャートを参照して、実施形態に係る電子機器冷却方法について説明する。

ここでは、冷却ファンユニット１２は冷却ファン１２ａの回転数に応じて４００Ｗ〜２ｋＷの電力を消費するものとする。一方、ＣＰＵ稼働率が１００％のときのサーバ１３ａの１台当たりの消費電力は５００Ｗであり、そのうちの２５０Ｗはサーバファン１３ｂで消費するものとする。

また、ここでは、コンテナ１０内に３台のラック１３が配置され、各ラック１３にはそれぞれ４０台のサーバ１３ａが収納されているものとする。更に、制御部３０には、冷却ファンユニット１２の供給風量と消費電力との関係を示すデータが記憶されているものとする。

まず、ステップＳ１１において、制御部３０は、各サーバ１３ａからＣＰＵ稼働率の情報を取得するとともに、温度センサ２５から外気導入部２１のエアーの温度（以下、「外気温」という）を取得する。

次に、ステップＳ１２において、制御部３０は外気温が設定温度（例えば３０℃）以上であり、且つＣＰＵ稼働率の平均値が設定値（例えば８０％）以上であるか否かを判定する。そして、外気温が設定温度以上であり、且つＣＰＵ稼働率の平均値が設定値以上であると判定した場合（ＹＥＳ）はステップＳ１４に移行し、外気温が設定温度よりも低い場合又はＣＰＵ稼働率の平均値が設定値よりも低い場合（ＮＯの場合）はステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１４に移行した場合、すなわち外気温が設定温度以上であり、且つＣＰＵ稼働率が設定値以上である場合は、冷却ファンユニット１２及びサーバファン１３ｂのいずれか一方を停止すると、サーバ１３ａを十分に冷却できないおそれがある。

そこで、制御部３０はステップＳ１４において、冷却ファンユニット１２及び稼働状態の各サーバ１３ａのサーバファン１３ｂの両方を稼働する。その後、ステップＳ１１に戻って処理を継続する。

一方、ステップＳ１２からステップＳ１３に移行した場合、制御部３０はＣＰＵ稼働率の平均値と外気温とから、必要風量を決定する。

図４は、ＣＰＵ稼働率毎に外気温度と必要風量との関係を示した図である。例えば制御部３０内に図４に示すようなＣＰＵ稼働率と外気温度と必要風量との関係を示すデータ（テーブル又は関係式等）を記憶しておき、ステップＳ１１で取得した各サーバ１３ａのＣＰＵ稼働率の平均値と外気温度とから、必要風量を決定する。

なお、サーバ１３ａの発熱量はサーバ１３ａの消費電力に関係し、サーバ１３ａの消費電力はサーバ１３ａのＣＰＵ稼働率に関係する。本実施形態では、サーバ１３ａの稼働状態を示す情報としてサーバ１３ａのＣＰＵ稼働率を採用しているが、サーバ１３ａの稼働状態を示す情報として、サーバ１３ａの消費電力やＣＰＵ温度等を採用してもよい。

例えばＰＤＵ（Power Distribution Unit）を使用して各サーバ１３ａの消費電力を検出し、各サーバ１３ａの消費電力の平均値と外気温度とから必要風量を決定することができる。この場合、予め制御部３０に消費電力と外気温と必要風量との関係を示すデータを記憶させておくことが重要である。

ステップＳ１３で必要風量を決定した後、ステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５において、制御部３０は、ステップＳ１３で決定した風量を得るために冷却ファンユニット１２のみを稼働させたときの消費電力Ａと、サーバファン１３ｂのみを稼働させたときの消費電力Ｂとを計算する。消費電力Ａ，Ｂを計算するために、予め制御部３０に、冷却ファンユニット１２の消費電力と風量との関係を示すデータと、サーバファン１３ｂの消費電力及び風量のデータとを記憶させておく。

次に、ステップＳ１６に移行し、制御部３０は、冷却ファンユニット１２のみを稼働させたときの消費電力Ａが、サーバファン１３ｂのみを稼働させたときの消費電力Ｂよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ１６で制御部３０が、冷却ファンユニット１２のみを稼働させたときの消費電力Ａがサーバファン１３ｂのみを稼働させたときの消費電力Ｂよりも大きいと判定した場合はステップＳ１７に移行し、それ以外の場合はステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１６からステップＳ１７に移行した場合、制御部３０は稼働状態のサーバ１３ａのサーバファン１３ｂを稼働し、冷却ファンユニット１２を停止状態とする。その後、ステップＳ１１に戻り、処理を継続する。

一方、ステップＳ１６からステップＳ１８に移行した場合、制御部３０は冷却ファンユニット１２を稼働し、サーバファン１３ｂを停止状態とする。その後、ステップＳ１１に戻り、処理を継続する。

このように、本実施形態では、外気温が設定温度以上であり且つＣＰＵ稼働率が設定値以上である場合を除き、外気温とサーバの稼働状態とに応じて冷却ファンユニット１２及びサーバファン１３ｂのいずれか一方を稼働状態とし、他方を停止状態とする。これにより、サーバ１３ａを適切に冷却しつつ、データセンターで消費する電力を削減できるという効果を奏する。

以下、本実施形態に係る冷却方法の稼働例について、冷却ファンユニット１２及びサーバファン１３ｂを常に同時に稼動する比較例と比較しながら説明する。

（稼働例１）
例えば、１ラック当たり４０台のサーバ１３ａが収納され、コンテナ１０内に配置された３台のラック１３に合計１２０台のサーバ１３ａが収納されているものとする。稼働状態のサーバ１３ａが１台のみの場合、ＣＰＵ稼働率の平均値は小さな値となり、必要風量も小さくなる。このため、制御部３０は、冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａを最小回転数で回転させることになる。そのときの冷却ファンユニット１２の消費電力は４００Ｗである。

サーバの１台当たりの消費電力（サーバファン１３ｂの消費電力を含む）が５００Ｗであるとすると、冷却ファンユニット１２とサーバファン１３ｂとを両方稼働させる比較例では、消費電力が９００Ｗ（＝４００Ｗ＋５００Ｗ×１台）となる。

一方、本実施形態では、冷却ファンユニット１２を停止するので、消費電力はサーバ１台で消費する電力、すなわち５００Ｗとなり、比較例に比べて４００Ｗの電力を削減できる。

（稼働例２）
３台のラック１２に収納された１２０台のサーバがいずれもＣＰＵ稼働率が１００％の状態で稼働しているものとする。この場合、ＣＰＵ稼働率の平均値は１００％となり、必要風量が大きくなる。このため、制御部３０は、冷却ファンユニット１２の各冷却ファン１２ａを最大回転数で回転させることになる。そのときの冷却ファンユニット１２の消費電力は２ｋＷである。

従って、冷却ファンユニット１２とサーバファン１３ｂとを両方稼働させる比較例では、消費電力が６２ｋＷ（５００Ｗ×１２０台＋２ｋＷ）となる。

一方、本実施形態では、外気温が設定温度以下であるとすると、制御部３０は各サーバ１３ａのサーバファン１３ｂを停止状態とし、冷却ファンユニット１２を稼働させることになる。このときのサーバ１３ａの１台当たりの消費電力（但し、サーバファン１３ｂの消費電力を除く）は２５０Ｗであるので、１２０台のサーバ１３ａと冷却ファンユニット１２とで消費する電力は、３２ｋＷ（＝２５０Ｗ×１２０台＋２ｋＷ）となる。従って、比較例に比べて３０ｋＷの電力を削減できる。

以下、本実施形態の変形例について説明する。

（変形例１）
稼働状態のサーバ１３ｂのサーバファン１３ｂのみを稼働させた場合、ホットアイル２３の暖かいエアーが停止状態のサーバ１３ｂ内を通ってコールドアイル２２側に移動し、コールドアイル２２のエアーの温度が高くなることが考えられる。

そこで、変形例１では、図５に示すようにコールドアイル２２とホットアイル２３との差圧を検出する差圧センサ２６を設ける。この差圧センサ２６の出力は制御部３０に伝達され、制御部３０はコールドアイル２２の圧力がホットアイル２３の圧力よりも高くなるように、冷却ファンユニット１２を制御する。

制御部３０は、そのときの冷却ファンユニット１２の消費電力を計算し、冷却ファンユニット１２のみを稼働させたときの消費電力と、稼働状態のサーバ１３ａのサーバファン１３ｂと冷却ファンユニット１２とを同時に稼働させたときの消費電力とを計算する。そして、制御部３０は、消費電力が少なるほうを採用し、冷却ファンユニット１２のみ、又は冷却ファンユニット１２とサーバファン１３ｂとの両方を稼働させる。

（変形例２）
停止状態の冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂは、エアーの流れを阻害する。そこで、変形例２では、図６に示すように、冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂの向き（図６中に二点差線で示す）を、駆動装置２７によりエアーの流れ方向（図６中に白抜き矢印で示す）に垂直な状態と平行な状態とに移動できるようにする。

制御部３０は、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂのいずれか一方を停止状態にしたときに、駆動装置２７を駆動して停止状態の冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂの向きを、エアーの流れ方向に対し垂直となるように配置する。

図７はサーバファン１３ｂを停止状態にしてその向きをエアーの流れ方向に対し垂直となるように配置した例を示す模式図である。また、図８は、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを停止状態にしてその向きをエアーの流れ方向に対し垂直になるように配置した例を示す模式図である。

このように停止状態の冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂの向きを変更することにより、稼働状態の冷却ファン１２ａ又はサーバファン１３ｂの負荷が軽減され、消費電力がより一層削減される。

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）筐体と、
前記筐体内に収納された複数の電子機器と、
前記複数の電子機器にそれぞれ設けられた第１の冷却ファンと、
前記筐体から離隔して配置され、前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットと、
前記電子機器に導入されるエアーの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの出力及び前記電子機器の稼働状態に応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットを制御する制御部と
を有することを特徴とする電子機器冷却システム。

（付記２）前記制御部は、前記電子機器の稼働状態と必要風量とエアーの温度との関係を示すデータに基づいて必要風量を決定し、前記必要風量を確保するのに必要な消費電力が少なくなるように前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットを制御する
ことを特徴とする付記１に記載の電子機器冷却システム。

（付記３）更に、前記制御部により駆動され、前記第１の冷却ファン及び前記第２の冷却ファンのうち停止状態にある冷却ファンの向きを変更する駆動装置を有することを特徴とする付記１又は２に記載の電子機器冷却システム。

（付記４）前記制御部は、前記温度センサの出力及び前記電子機器の稼働状態に応じて、前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのいずれか一方を停止状態にす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）前記筐体のエアー導入側の圧力と排出側の圧力との差を検出する差圧センサを有し、前記制御部は、前記筐体のエアー導入側の圧力が排出側の圧力よりも高くなるように、前記冷却ファンユニットを稼働させ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冷却システム。

（付記６）前記制御部は、前記温度センサによる検出温度が設定温度以上であり、前記電子機器の平均稼働率が設定値以上のときは、前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットの両方を稼働させることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の電子機器冷却システム。

（付記７）前記筐体がラックであり、前記電子機器がサーバ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冷却システム。

（付記８）前記筐体及び前記冷却ファンユニットはモジュール化された構造物内に配置され、該構造物内には外気が導入され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冷却システム。

（付記９）筐体内に収納され、各々に第１の冷却ファンが設けられた複数の電子機器を冷却する電子機器冷却方法において、
前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットを前記筐体から離隔した位置に配置し、
前記電子機器に導入されるエアーの温度と前記電子機器の稼動状態とに応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットの稼動状態を制御することを特徴とする電子機器の冷却方法。

１０…コンテナ、１１ａ…吸気口、１１ｂ…排気口、１２…冷却ファンユニット、１２ａ…冷却ファン、１３…ラック、１３ａ…サーバ、１３ｂ…サーバファン、１５…仕切り板、１６…ダンパー、２１…外気導入部、２２…コールドアイル、２３…ホットアイル、２４…暖気循環路、２５…温度センサ、２６…差圧センサ、２７…駆動装置、３０…制御部。

Claims (5)

1. 外気を取り入れる吸気口とエアーを外部に排出する排気口とが設けられた構造物と、
   前記構造物内に配置された筐体と、
   前記筐体内に収納された複数の電子機器と、
   前記複数の電子機器にそれぞれ設けられた第１の冷却ファンと、
   前記筐体と前記吸気口との間に配置され、前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットと、
   前記電子機器に導入されるエアーの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの出力及び前記電子機器の稼働状態に応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのうちのいずれか一方を選択して停止状態にする制御部と
   を有することを特徴とする電子機器冷却システム。
2. 前記制御部は、前記電子機器の稼働状態と必要風量とエアーの温度との関係を示すデータに基づいて必要風量を決定し、前記必要風量を確保するのに必要な消費電力が少なくなるように前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのうちのいずれか一方を選択して停止状態にする
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子機器冷却システム。
3. 更に、前記制御部により駆動され、前記第１の冷却ファン及び前記第２の冷却ファンのうち停止状態にある冷却ファンの向きを変更する駆動装置を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器冷却システム。
4. 前記筐体のエアー導入側の圧力と排出側の圧力との差を検出する差圧センサを有し、前記制御部は、前記筐体のエアー導入側の圧力が排出側の圧力よりも高くなるように、前記冷却ファンユニットを稼働させ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冷却システム。
5. 外気を取り入れる吸気口とエアーを外部に排出する排気口とが設けられた構造物内に筐体を配置し、前記筐体内に収納した複数の電子機器を冷却する電子機器冷却方法において、
   前記複数の電子機器の各々に第１の冷却ファンを設け、
   前記吸気口と前記筐体との間に、前記筐体内の前記電子機器にエアーを供給する第２の冷却ファンが設けられた冷却ファンユニットを配置し、
   前記電子機器に導入されるエアーの温度と前記電子機器の稼動状態とに応じて前記第１の冷却ファン及び前記冷却ファンユニットのうちのいずれか一方を選択して停止状態にすることを特徴とする電子機器の冷却方法。

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