JP7174512B2 - 情報処理装置 - Google Patents

Description

本出願は、冷却液を分配する分配器を有する情報処理装置に関する。

サーバ装置等の情報処理装置では、内蔵する電子機器等を冷却するために、冷却液が、冷却液供給装置により金属配管又は樹脂製のホースなど用いて情報処理装置内に供給される。サーバ装置ではＣｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ（以下、ＣＰＵ）を有する複数の電子機器が搭載されており、電子機器のそれぞれを冷却するために冷却液が分配される。冷却液の分配は、１本の太い配管に複数のホース等の分配経路が接続された分配器（多岐配管、マニホールドとも呼ばれる）により行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－３４３１７４号公報

しかしながら、サーバ装置に搭載される電子機器の数が増えるに従い、冷却液を電子機器に均等に分配するために分配器の配管長が長くなることから、分配器の実装スペースが大きくなるという課題がある。

１つの側面では、冷却液を分配する分配器全体が小型化された情報処理装置を提供することを目的とする。

１つの形態によれば、高さ方向に積層された複数の電子機器を冷却液で冷却する情報処理装置であって、冷却液を複数階層で分配する分配器を備え、分配器の各階層は、冷却液を一時的に蓄える分配用配管と、分配用配管から分岐された複数の分配用連絡管とを有する分配層分配器を備え、下流側の階層ほど分配用配管が増し、最終階層の分配用連絡管が電子機器に接続される情報処理装置において、分配器が冷却液を分配する総分岐数をＲとして、階層数をＴとした場合、
第Ｎ階層の分配用配管それぞれから分岐される分岐数Ｂ_Nは、以下の式、
Ｂ_N ≒ Ｒ＾（１／Ｔ） ・・・（Ｒの１／Ｔ乗）
ただし、Ｂ_N、Ｒ、Ｔは２以上の整数、により求められた値に応じた数とした情報処理装置が提供される。

分配器全体が小型化された情報処理装置を提供することができる。

比較技術である、分配器及び合流器を備える情報処理装置の概略を示す概略図である。 開示する、分配器及び合流器を備える情報処理装置の概略を示す概略図である。 分配器及び合流器の一部を示す斜視図である。 冷却液により冷却する電子機器を示す平面図である。 冷却液が複数の分配層分配器により分配され、再度、複数の合流層合流器により合流されることを示す概念図である。 情報処理装置の別例を示す図であり、分配器及び合流器の一部を示す斜視図である。 情報処理装置の分配器及び合流器の一例を示す概略図である。 情報処理装置の分配器の別例を示す概略図である。 情報処理装置の分配器の別例を示す概略図である。 情報処理装置の分配器の別例を示す概略図である。

以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。また、以下の実施の形態において同一又は類似の要素には共通の参照符号を付けて示し、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。

まず、比較技術の情報処理装置の一例であるサーバ装置について説明する。図１は、比較技術のサーバ装置２の概略を示す概略図である。サーバ装置２は、それぞれがＣＰＵを有する複数の電子機器４０と、熱交換器３３と、冷却液を分配する分配器２１０と、電子機器４０を冷却した冷却液を収集する合流器２２０とを筐体３２内に備える。

分配器２１０は給水管３４によって熱交換器３３と接続しており、冷却液は、熱交換器３３から給水管３４を通って分配器２１０に流入する。熱交換器３３は冷却液供給器でもあり、冷却液を分配器２１０に送付するポンプの機能を有する。

分配器２１０は、熱交換器３３から送付された冷却液を電子機器４０に分配する装置であり、冷却液が流入する分配用配管２１１と、分配用配管２１１と電子機器４０との連絡経路である分配用連絡管２１２とを備える。なお、図１では、分配用連絡管２１２は実線で示され、矢印により冷却液の流れ方法が示されている。分配用配管２１１は、給水管３４と接続する一つの流入口と、電子機器４０の数と同数の排出口とを備える。分配用連絡管２１２は例えば樹脂製のホースである。分配用連絡管２１２は、分配用配管２１１に設けられた排出口と、電子機器４０のそれぞれに設けられた流入口とに接続している。熱交換器３３から給水管３４を経由して分配器２１０に流入した冷却水は、分配用配管２１１に蓄積され、分配用連絡管２１２を通じて電子機器４０のそれぞれに分配される。

合流器２２０は、合流用配管２２１と、電子機器４０と合流用配管２２１との連絡経路である合流用連絡管２２２を備える。図１において合流用連絡管２２２は、点線で示され、冷却液の流れ方向は矢印により示される。電子機器４０から流出した冷却水は、合流用連絡管２２２を経由して合流用配管２２１に収集される。合流用配管２２１に集められた冷却水は、合流用配管２２１から排水管３５を経由して、熱交換器３３に流入する。電子機器４０により加熱された冷却水は熱交換器３３で再度冷却され、熱交換器３３により再度分配器２１０に送られる。このように冷却水は、サーバ装置２において電子機器４０を冷却するために循環するようになっている。

複数の分配用連絡管２１２に分岐する分配用配管２１１を用いて冷却液を電子機器４０に分配する構造は、等温かつ均等流量の冷却液を複数の電子機器４０へ供給する方法として有効である。しかしながら、サーバ装置２の高性能化に伴い、ＣＰＵを有する電子機器４０がより多く搭載されるようになり、以下の要因によりサーバ装置２のサイズが大きくなるという課題がある。
（１）一つの分配用配管２１１から複数の電子機器４０に接続するように分岐するため、分配用配管２１１の長さが、電子機器４０の数が増加するに従い長くなる。一方、分配用配管２１１の流入口から電子機器４０までの距離（以下、分配経路）の違いによる圧力損失を無くすために、分配経路を同一の長さにする必要がある。そのため、全ての分配用連絡管２１２は最も長い分配用連絡管２１２の長さに合わせなくてはならず、より大きな実装スペースを要するようになる。
（２）分配用配管２１１の流入口から、分配用配管２１１の個々の流出口までの距離の増大による圧力損失が流量の低下を招くので、圧力損失の差を小さくするために、分配用配管２１１の径をさらに太くする必要がある。

比較技術の分配器２１０及び合流器２２０の構造では、上記の理由により、冷却する電子機器４０が増加するに従い、それらの実装スペースが大型化する。一方、サーバ装置の設置面積は制限されている場合が多く、分配器２１０及び合流器２２０のために専有面積を増加させることは難しい。そのため、実装スペースがより小さい、小型の分配器及び合流器が求められている。

図２は、本実施形態の情報処理装置の一例であるサーバ装置１の概略を示す概略図である。図３は、分配器及び合流器の一部を示す斜視図である。図２及び図３に示すＺ軸がサーバ装置１の高さ方向を示す。サーバ装置１は、図１に示すサーバ装置２と同様、ＣＰＵを有する複数の電子機器４０と、熱交換器３３とを備える。サーバ装置１は、熱交換器３３から給水管３４を経由して送られる冷却液を電子機器４０のそれぞれに分配する分配器１０と、電子機器４０を冷却した冷却液を収集する合流器２０とを備える。

本実施形態の分配器１０は、図２及び図３に示すように、２段階の階層構造となっていて、２つの分配層分配器１３₁及び分配層分配器１３₂（以下、複数の分配層分配器をまとめて単に分配層分配器１３と称する場合がある）が接続されている。

具体的には、分配器１０は、給水管３４から冷却液を分配する第１の分配層分配器１３₁と、第１の分配層分配器１３₁に接続してさらに冷却液を分配する第２の分配層分配器１３₂とを備える。第１の分配層分配器１３₁は、冷却液を一時的に蓄える分配用配管１１₁と、分配用配管１１₁から分岐された複数の分配用連絡管１２₁とを備える。なお、分配用連絡管１２₁は図２において実線の矢印で示され、矢印により冷却液の流れ方向を示している_。そして、第２の分配層分配器１３₂は、第１の分配層分配器１３₁の分配用連絡管１２₁に接続する分配用配管１１₂と、分配用配管１１₂から分岐された複数の分配用連絡管１２₂とを備える。第２の分配層分配器１３₂の複数の分配用連絡管１２₂のそれぞれは対応する電子機器４０に接続される。なお、以下では、複数の分配用配管１１_1、１１₂を単に、分配用配管１１と、複数の分配用連絡管１２₁、１２₂をまとめて、分配用連絡管１２と称する場合がある。

熱交換器３３は、給水管３４を経由して第１の分配層分配器１３₁にある分配用配管１１₁と接続されており、分配用配管１１₁から４つの分配用連絡管１２₁に分岐している。分配用配管１１₁のそれぞれには、一つの流入口に対し複数の排出口が設けられる。上流側の第１の分配層分配器１３₁の分配用連絡管１２₁は、それぞれ下流側の第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂に接続される。分配用連絡管１２₁は、一つの流入口に対し一つの排出口が設けられる。第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂からは、複数の分配用連絡管１２₂に分岐していて、分配用連絡管１２₂の各個は電子機器４０の流入口４７（図４参照）に接続する。

図３に示すように、第１の分配層分配器１３₁の分配用連絡管１２₁の径ＴＤ₁は、第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁より小さく形成される。また、上流側にある第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁の径よりも、下流側にある第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂の径の方が小さくなるよう形成されている。なお、ここでは、径は内径のことを意味するものとする。

比較技術のサーバ装置２のように単一の分配管を用いる場合、全ての電子機器に冷却液を分配するよう分岐する。一方、本実施形態のサーバ装置１のように、分配器１０を階層構造とすれば、分配用配管１１のそれぞれにおいて分岐する数を減少させることができる。分岐数が減少することから、圧力損失を無くすために全ての分配用連絡管１２を長くしなくてもよい。そのため、分配用連絡管１２の空間占有率を下げることができる。また、分配用配管１１の一本あたりの流量が減少することから、分配用配管１１の径ＳＤをより細くすることができる。よって、分配器１０を全体的により小型化することができ、部品コストの削減につながる。

本実施形態のサーバ装置１の合流器２０について説明する。合流器２０は、分配器１０と同様、図２及び図３に示すように階層構造となっている。図２に示す合流器２０は、２階層の合流層合流器２３₁、２３₂を有する。合流層合流器２３₁では、合流用配管２１₁、２１₂及び合流用連絡管２２₁、２２₂（図２では、点線の矢印で示され、冷却液の流れ方向が矢印で示される）有する。図２に示す合流器２０では、電子機器４０から排出された冷却液が、合流用連絡管２２₁を経由して合流用配管２１₁に蓄積される。一旦蓄積された冷却液は、下流側の第２の合流層合流器２３₂である合流用配管２１₂に、合流用連絡管２２₂を経由して流入する。合流用配管２１₂に収集された冷却液は、排水管３５を経由して、熱交換器３３に流入する。

図３に示すように、第１の合流層合流器２３₁の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁よりも、第２の合流層合流器２３₂の合流用配管２１₂の径ＣＤ₂の方が大きくなるよう形成されている。また、第１の合流層合流器２３₁の合流用連絡管２２₁の径ＵＤ₁は、第１階層の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁よりも小さく形成される。階層ごとに分けることで、上流側であるは合流用配管２１₁に流入する冷却液の量が少なくなり、第１の合流層合流器２３₁の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁を、第２の合流層合流器２３₂の合流用配管２１₂の径ＣＤ₂より小さくすることが可能である。

本実施形態のサーバ装置２に搭載される電子機器４０について説明する。図４に示すように、電子機器４０は、プリント基板４１上にＣＰＵ等の集積回路４２が複数搭載されている。また、プリント基板４１の端部には、他の電子機器等と接続するための電気コネクタ４３が設けられている。発熱部品である集積回路４２には、集積回路４２を冷却するためのコールドプレート４４が取付けられている。集積回路４２上のコールドプレート４４を効率的に冷却するよう、冷却液が流動するパイプ４５が配置される。また、電子機器４０には、分配器１０の分配用連絡管１２₂及び合流器２０の合流用連絡管２２₁に接続するためのカプラ４６が設けられている。カプラ４６には流入口４７と排出口４８があり、冷却液を流動させるためのパイプ４５の端部がそれぞれ接続される。カプラ４６に設けられた流入口４７を分配用連絡管１２₂に、排出口４８を合流用連絡管２２₁に嵌合させることで、容易に電子機器４０を分配器１０及び合流器２０に取付けることが可能である。冷却液は、パイプ４５内を図４に記載の矢印に従って流れる。

図１に示す比較技術によるサーバ装置２の分配器２１０及び合流器２２０と、図２に示すサーバ装置１の分配器１０及び合流器２０の大きさを、実施例により比較する。実施例では、９６個の電子機器４０を冷却するために必要な分配器及び合流器を大きさ示す。サーバ装置１の分配器１０は、図２に示すよう２階層とする。そして、第１の分配層分配器１３の分配用配管１１₁に８本の分配用連絡管１２₁を接続して冷却液を８分岐させる。そして、各分配用連絡管１２₁に、第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂をそれぞれ接続する。すなわち、第２の分配層分配器１３₂では8本の分配用配管１１₂を設ける。第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂のそれぞれは１２分岐され、図４に示す電子機器４０を接続する。一つの分配用配管１１₂に対し、電子機器４０を図２に示すように１２台並列に並べ、それぞれの流入口４７を一列にすることで、別途ホース等を用いることなく電子機器４０を直接接続させる。

第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁は４５ｍｍとし、長手方向の長さＳＬ₁は４００ｍｍとする。そして、第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂を設定するに当たり、以下の式を用いる。

ただし、ＳＤ₂は第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂の径、ＳＤ₁は第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁の径、ＳＮ₁は第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁から第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂への分岐数である。

実施例では、第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁から第２の分配層分配器１３₂に８分岐するため、第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂を通る流量は、第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁を通る流量の１／８である。分配用配管１１₂での圧力損失を、分配用配管１１₁と同程度に抑えるために、流量と同様、第２の分配層分配器１３₂の分配用配管１１₂の断面積を、第１の分配層分配器１３₁の分配用配管の断面積を１／８程度とする。すなわち、断面積の比が１／８であり、内径の比は√（１／８）となる。以上のことを考慮しつつ、流通及びコスト面を考慮すると、第２階層の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂は２０ｍｍ、配管長ＳＬ₂を４００ｍｍとすることができる。また、第１の分配層分配器の分配用配管１１₁と第２の分配層分配器の分配用配管１１₂を接続する分配用連絡管１２₁（ホース）の径は１５ｍｍ、長さは１５００ｍｍとする。また、合流器２０は、分配器１０により各電子機器４０に流入した冷却水を収集することから、同様の寸法で形成する。すなわち、第１の合流層合流器２３₁の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁を２０ｍｍ、配管長ＣＬ₁を４００ｍｍとし、第２の合流層合流器２３₂の合流用配管２１₂の径ＣＤ₂を４５ｍｍ、配管長ＣＬ₂を４００ｍｍとする。また、合流用連絡管２２₂の径は１５ｍｍ、長さを１５００ｍｍとする。

上記の寸法で、分配器１０及び合流器２０を作製した場合の体積を表１に示す。

図１に示す比較技術の分配器２１０により９６個の電子機器４０に冷却液を分配する場合、分配器２１０の断面積を、第１の分配層分配器１３₁の分配用配管１１₁の断面積の４倍以上にする必要がある。そのため、分配用配管２１１の径は９０ｍｍ、長さは１６００ｍｍとした。また、分配器２１０から電子機器４０まで接続する分配用連絡管２１２（ホース）の径は１０ｍｍ、長さを５００ｍｍとした。また、電子機器４０を冷却した冷却水を収集する合流器２２０も、分配器２１０と同様の寸法で設けられる。すなわち、合流用配管２２１の径は９０ｍｍ、配管長は１６００ｍｍ、合流用連絡管２２２の径は１０ｍｍ、配管長を５００ｍｍとする。

上記の寸法で、分配器及び合流器を作製した場合の体積を表２に示す。

表１に示す本実施形態のサーバ装置１の分配器１０及び合流器２０の体積と、比較技術のサーバ装置２の分配器２１０及び合流器２２０とに必要な体積の総計を比較すると、約１／３程度に抑えられることが分かる。よって、本実施形態のサーバ装置１を用いれば、多くの電子機器４０に冷却液を分配し、且つ冷却液を収集しつつ、圧力損失も比較技術のサーバ装置２と同程度に抑えることができる。すなわち、本実施形態のサーバ装置１により、冷却性能を維持しながら配管に必要な体積を縮小させることができる。

また、比較技術のサーバ装置２では、分配用配管２１１と合流用配管２２１とが並列して配置される。本実施形態のサーバ装置１では、分配用配管１１₁と、合流用配管２１₂の長さを、比較技術のサーバ装置２の分配用配管２１１と合流用配管２２１の半分にすることが可能である。そのため、分配用配管１１₁と合流用配管２１₂とを上下に配置、すなわち、図２及び図３に示すように分配用配管１１₁の長軸ＳＳと、合流用配管２１₂の長軸ＣＳとが同軸になるよう配置することができる。そのため、分配器１０及び合流器２０の設置スペースを、比較技術のサーバ装置２の分配器２１０及び合流器２２０より小さくすることが可能になる。

図２及び図３に示す分配器及１０及び合流器２０では、２階層の分配層分配器及び合流層合流器で形成されている。しかしながら、分配器１０及び合流器２０は２階層に限定されず、接続される電子機器４０の数に応じて３階層以上で形成されてもよい。

分配層分配器の階層を一般化して、Ｎ階層と称する場合、分配層分配器１３_Nでは、冷却液を一時的に蓄える分配用配管１１_Nと、下流側にある分配用配管１１_N+1又は電子機器４０と接続する複数の分配用連絡管１２_Nとを有する。なお、Ｎは階層番号で１以上の整数であり、冷却液が流れる上流側から下流側に向かって増加するものとする。

また、合流器２０も２階層に限定されず、接続される電子機器４０の数に応じて３階層以上で形成されてもよい。冷却液を一時的に蓄える合流用配管２１_M（Ｍは階層番号で、冷却液が流れる上流から下流に向かって増加する）と、電子機器４０又は上流側の合流層合流器の合流用配管２１_M-1と接続する複数の合流用連絡管２２_Mとを有する。合流用配管２１_Mのそれぞれには、複数の流入口と一つの排水口が設けられている。

図５は、３階層以上の分配層分配器１３及び合流層合流器２３を備えた情報処理装置の概略を示す図である。左から給水管３４によって第１の分配層分配器１３₁に流入した流入層は、分配用配管１１₁に分配され、分配用連絡管１２１を通じて、第２の分配層分配器１３₂に流入する。冷却液の分配は最終階層１３ｅまで続き、電子機器４０のそれぞれに流れる。電子機器４０を冷却した冷却水は合流器２０により収集される。合流器２０では、冷却水が第１の合流層合流器２３₁においてグループ毎に収集される。最終階層２３ｅまで続いたのち、排水管３５を経由して熱交換器３３に送られる。

分配器１０の階層数と合流器２０の階層数とは同一であってもよく、また異なっていてもよい。例えば、分配器１０を３階層で形成し、合流器２０を２階層で形成してもよい。合流器２０のみを１階層としてもよい。

分配器１０が、複数の階層で作製される場合、第Ｎの分配層分配器にある分配用配管１１_Nの径ＳＤ_Nより、下流側にある第Ｎ＋１の分配層分配器の分配用配管１１_N+1の径ＳＤ_N+1は小さく形成される。また、第Ｎ＋１の分配層分配器において、分配用配管１１_Nの径ＳＤ_Nよりも分配用連絡管１２_Nの径ＴＤ_Nの方が小さく形成される。

また、冷却液を分配する際の圧力損失を考慮して、以下の式で、下流側にある第Ｎ＋１の分配層分配器１３_N+1の分配用配管１１_N+1の径ＳＤ_N+1を求めるのがよい。

但し、ＳＤ_Nは第Ｎの分配層分配器における分配用配管１１の径、ＳＮ_Nは第Ｎの分配層分配器での分配数である。

合流器２０が、複数の階層で形成される場合、第Ｍの合流層合流器（Ｍは２以上の整数で、冷却液の上流側から下流側に向けて増加）にある合流用配管２１_Mの径ＣＤ_Mより、Ｍ－１階層の合流用配管２１_M-1の径ＣＤ_M-1は小さく形成される。言い換えれば、第Ｍの合流層合流器にある合流用配管２１_Mの径ＣＤ_Mより、Ｍ＋１階層（下流側）の合流用配管２１_M+1の径ＣＤ_M+1は大きく形成される。また、第Ｍの合流層合流器において、合流用配管２１_Mの径ＣＤ_Mよりも合流用連絡管２２_Mの径ＵＤ_Mの方が小さく形成される。

また、以下の式で、Ｍ＋１階層の合流用配管２１_M+1の径ＣＤ_M+1を求めるのがよい。

但し、ＣＤ_Mは第Ｍの合流層合流器（上流側の層）における配管の径、ＣＮ_M+1は第Ｍ＋１の合流層合流器（下流側の層）で冷却液が合流する合流数である。

図６に、本実施形態の情報処理装置の別例であるサーバ装置１ａを示す。図２及び図３に示すサーバ装置１では、分配器１０で用いられる第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂が、第１の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁よりも小さくなるように形成されていた。一方、図６に示すサーバ装置１ａの分配器１１０では、第１の分配層分配器１３₁の第１の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁と、第２の分配層分配器１３₂の第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂は略同一の大きさで形成されている。第１の分配用連絡管１２₁、第２の分配用連絡管１２₂及び電子機器４０は、図３に示すサーバ装置１のものと同じであるためそれらの説明は省略する。図６に示す第１の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁と、第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂の大きさ（内径）は１ｍｍ～２００ｍｍとするのが望ましい。

また、図６に示すサーバ装置１ａの合流器１２０についても、分配器１１０と同様、第１の合流層合流器２３₁の第１の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁と、第２の合流層合流器２３₂の第２の合流用配管２１₂の径ＣＤ₂とは同一の大きさで形成されている。合流用連絡管２２₁及び合流用連絡管２２₂は、図３に示すサーバ装置１のものと同じであるためそれらの説明は省略する。第１の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁と、第２の合流用配管２１₂の径ＣＤ₂の大きさ（内径）は１ｍｍ～２００ｍｍとするのが望ましい。また、第１の合流用配管２１₁の径ＣＤ₁と、第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂とを同一の大きさとしてもよい。なお、ここで同一の大きさとは、完全に同一のほか実質的に同一とみなせる大きさも含まれる。例えば、配管を流れる冷却液の圧力損失に大きな影響のない例えば１ｍｍ～５ｍｍの大きさの違いは同一に含まれる。

第１の分配用配管１１₁と第２の分配用配管１１₂は同一の径の管を使用するが、第１の分配用配管１１１の高さＳＬ₁と、第２の分配用配管１１₂の高さＳＬ₂とは、同一の大きさであっても、異なっていてもよい。すなわち、第１の分配用配管１１₁の高さＳＬ₁と、第２の分配用配管１１₂の高さＳＬ₂は、何れか一方が大きくても構わない。

また、第１の合流用配管２１₁と第２の合流用配管２１₂は同一の径の管を使用するが、第１の合流用配管２１₁の高さＣＬ₁と、第２の合流用配管２１₂の高さＣＬ₂とは、同一の大きさであっても、異なっていてもよい。すなわち、第２の合流用配管２１₂の高さＣＬ₂と、第１の合流用配管２１₁の高さＣＬ₂は、何れか一方が大きくても構わない。分配器１１０又は合流器１２０中を流れる冷却液の圧力損失は、配管の径（ＣＤ₁、ＣＤ₂、ＳＤ₁、ＳＤ₂）によって変化するが、それらの長さの違い、すなわち配管の高さ（ＳＬ₁、ＳＬ₂、ＣＬ₁、ＣＬ₂）の違いによる影響は小さいからである。

図６に示すサーバ装置１ａでは、第１の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁と、第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂は同一の大きさであるため、圧力損失が殆ど変化しない。そのため、第１の分配用配管１１₁と複数の第２の分配用配管１１₂とを連絡する複数の第１の分配用連絡管１２₁の長さとその径ＴＤ₁をそれぞれ同一にすれば、第２の分配用配管１１₂のそれぞれに一定の流量で冷却液を供給することができる。また、第１の分配用連絡管１２₁の長さが変わった場合でも、第１の分配用連絡管１２₁の径ＴＤ₁を変更したり圧力損失を調整する機能を設け圧力損失を調整したりすることで、第２の分配用配管１１₂への冷却液の供給量をコントロールすることができる。そのため、例えば第１の分配用配管１１₁からの分岐数が多くなった場合でもその設計が容易になる。

また、第１の分配用配管１１₁の径ＳＤ₁と第２の分配用配管１１₂の径ＳＤ₂とを同一の大きさとすることで、第１の分配用配管１１₁と第２の分配用配管１１₂を同一の仕様で調達することができる。同一の仕様で調達するため、第１の分配用配管１１₁等で使用する管材の購入量が多くなることから、単価が安くなり調達コストを低減させることができる。同様の効果が、サーバ装置１ａの合流器１２０の第１の合流用配管２１₁及び第２の合流用配管２１₂でもあるといえる。

図７～図１０を用いて、本実施形態のサーバ装置において、各分配器の分配層分配器１３から分岐される分岐数Ｂ_Nの設定方法について説明する。図７に示すサーバ装置１ｂでは、冷却液は冷却する電子機器４０の数量に応じて分岐させられるが、複数の階層Ｎに分けて冷却液を分岐させる場合、各階層でどの程度分岐させるかにより、分配用配管１１から分岐する分配用連絡管１２の長さＴＬが異なってくる。そのため、本実施形態のサーバ装置１ｂでは、各階層の分岐数Ｂ_Nを、総分岐数Ｒの（１／階層数Ｔ）乗で求められる値に応じて、その値に最も近い総分岐数Ｒの因数の組合せで分岐数Ｂ_Ｎが設定されている。すなわち以下の式（式４）を用いて得られる値を使用して第Ｎ階層の分配用連絡管１２_Nの分岐数Ｂ_Nの組合せを設定した。
Ｂ_N ≒ Ｒ＾（１／Ｔ） ・・・（Ｒの１／Ｔ乗） （式４）
ただし、Ｒは総分岐数、Ｎは階層番号、Ｔは階層数であり、Ｒ、Ｔ、Ｎは２以上の整数とする。
第Ｎ階層の分岐数は、総分岐数Ｒの因数から近い数が選択される。例えば、式４により求められた値αを中心として所定の範囲に含まれる整数が分岐数として選択される。所定の範囲は、例えば式４により求められた値αから、±α／２以内の範囲である。

例えば、図７に示すように冷却すべき電子機器４０が４０個ある場合、総分岐数Ｒは４０となる。そして階層数Ｔが２である場合、各階層の分岐数Ｂ_Nを、式４から求められる４０＾（１／２）≒６に近い値となるように設定する。総分岐数Ｒが４０である場合、４０となる因数の組合せは、（第１階層の分岐数Ｂ₁）×（第２階層の分岐数Ｂ₂）と表記すると、（１）２×２０、（２）４×１０、（３）５×８、（４）８×５、（５）１０×４、（６）２０×２の６種類の組合せがある。

そのうち、各分岐数Ｂ₁、Ｂ₂のそれぞれが式４により算出した値α≒６に近いものは、５×８の組合せと、８×５の組合せの二種類である。この組合せは、例えば６を中心として±３以内、すなわち３～９の範囲に分岐数Ｂ₁、Ｂ₂が含まれることによって選択されてよい。図７及び図８に５×８の組合せにより分岐した分配器１０ａ、１０ｂを示す。図９に２×２０の組合せにより分岐した分配器１０ｃを示す。図１０に８×５の組合せにより分岐した分配器１０ｄを示す。なお、図７には、分配器１０ａと同様の方法により第１階層で８つの合流用連絡管２２₁により合流させた合流層合流器２３₁と、第２階層で５つの合流用連絡管２２₂により合流させた合流層合流器２３₂による合流器２０ａが示されている。なお、図８～図１０に示されるサーバにおいても合流器が設けられているがその表示は省略されている。

各階層において、分配用連絡管１２が下流側にある分配用配管１１までつながるための長さＴＬは異なっている。そのため、例えば図７に示す分配器１０ａでは、第１階層で５つに分岐されることから、分配用連絡管１２₁－１～１２₁－５は５種類の長さの管が準備される。また、第２階層では、分配用配管１１₂－１と電子機器４０のそれぞれの距離が異なることから、それぞれの分配層分配器１３₂－１～１３₂－５において、８種類の異なる長さの管が準備される。すなわち、５×８の組合せでは、１３種類の異なる長さの管が準備される（以下、分配用連絡管１２の分岐種類と呼ぶ）。上述した６種類の組合せのそれぞれについて、分岐種類の数を計算すると以下のようになる。
（１）２×２０：Ｂ₁＝２、Ｂ₂＝２０ Ｂ₁＋Ｂ₂＝２＋２０＝２２
（２）４×１０：Ｂ₁＝４、Ｂ₂＝１０ Ｂ₁＋Ｂ₂＝４＋１０＝１４
（３）５×８：Ｂ₁＝５、Ｂ₂＝８ Ｂ₁＋Ｂ₂＝５＋８＝１３
（４）８×５：Ｂ₁＝８、Ｂ₂＝５ Ｂ₁＋Ｂ₂＝８＋５＝１３
（５）１０×４：Ｂ₁＝１０、Ｂ₂＝４ Ｂ₁＋Ｂ₂＝１０＋４＝１４
（６）２０×２：Ｂ₁＝２０、Ｂ₂＝２ Ｂ₁＋Ｂ₂＝２０＋２＝２２
ただし、Ｂ₁は第１階層の分岐数、Ｂ₂は第２階層の分岐数である。

分配器を製造する場合、分配用連絡管の分岐種類が少ない方が製造コストを低減させることができる。総分岐数Ｒが４０の場合、（３）及び（４）の分岐数は１３であり、他の組合せ（１）、（２）、（５）、（６）に比べても少ない。そのため、総分岐数Ｒが４０である場合は、（３）及び（４）の組合せが最も望ましいといえる。

図７に示すように、各階層の分配用配管を直線で形成された分配用連絡管で連結してもよい。ただし、第１階層の分配用配管１１₁から分岐して第２階層の分配用配管１１₂－１～１１₂－５までの直線距離は異なるため、第１階層の分配用連絡管の長さＴＬ₁－１～ＴＬ₁－５は異なる。また、例えば第２階層の分配用配管１１₂－１から電子機器４０₁～４０₈までの直線距離も異なるため、第２階層の分配用連絡管１２₂－１～１２₂－８の長さＴＬ₂－１～ＴＬ₂－８も異なる。そのため、分配用連絡管を通る冷却液の圧力損失の値が５＋８で１３通り存在することとなる。圧力損失が異なると、末端にある発熱した電子機器を冷やす冷却液の流速が変わってしまう。そのため、全ての電子機器４０を同様に冷却するためには、圧力損失をできるだけ統一することが望ましい。例えば、図８に示すように、第１階層の分配用配管１１₁と第２階層の分配用配管１１₂－３との位置が近接している場合、直線距離の最も長い分配用連絡管の長さＴＬ₁－１に合わせて、他の分配用連絡管の長さが統一される。この場合、長さが長くなった他の分配用連絡管は、直線距離よりも遠回りさせて連結する。

なお、円管内の圧力損失ΔＰについては、ＤａｒｃｙーＷｅｉｓｂａｃｈの式により算出することが可能である。
ΔＰ＝λ＊ＴＬ／ＴＤ＊ρｕ＾２／２＝４ｆ＊ＴＬ／ＴＤ＊ρｕ＾２／２ （式５）
ただし、ＴＬは分配用連絡管の長さ（単位：ｍ）、ＴＤは円管の内径（単位：ｍ）、ρは、流体密度（単位：ｋｇ／ｍ３）、ｕは流速（単位：ｍ／ｓ）、λは、Ｄａｒｃｙの摩擦損失係数、ｆはＦａｎｎｉｎｇの摩擦係数で、λ＝４ｆである。

式５から、圧力損失ΔＰは、分配用連絡管１２の長さＴＬに比例することが分かる。分配用連絡管１２が長い場合は、圧力損失が増加することから、冷却液を供給するＣｏｏｌａｎｔ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ（以下ＣＤＵ）のポンプの能力を増やさないと、電子機器４０全体を冷却することができない場合がある。すなわち、総延長が長くなるにつれて、同一の圧力で冷却液を供給するにはＣＤＵの増強をしなくてはならない。そのため、分配用連絡管１２を準備するコストだけでなく、ＣＤＵに関連する設備コストも増加する場合がある。本願発明により、分岐数を最適化すると、分配用連絡管１２を調達するコストを最小化するとともに、ＣＤＵの設備コストも最低限とすることができる。

分岐種類が多い組合せでは、圧力損失を統一するために、分配用連絡管１２の管路長が最長のものに統一されるので、分配用連絡管１２の総延長が長くなる。総配管数Ｒが４０の場合、２×２０の組合せ及び２０×２の組合せでは、分岐種類は２２であり、５×８の組合せ及び８×５の組合せにおける分岐種類である１３と比べると、その種類の数が約７割増加する。

分配用連絡管１２の総延長について、２×２０の組合せの場合（図９参照）と５×８の組合せの場合（図７及び８参照）とを計算すると、表３、４に示す結果となった。ただし、図８に示すように第１階層の分配用配管１１₁と第２階層の分配用配管１１₂の距離Ｗ１、及び、第２階層の分配用配管１１₂から電子機器４０までの距離Ｗ２を１０ｃｍとする。また、第１階層の分配用配管１１１の中心から第二階層の分配用配管１１₂の中心までの高さの差をＨ１とする。第２階層の分配用配管１１₂－１～１１₂－５のそれぞれと連結する電子機器４０が８個分積み重なって設置される高さＨ２を３０ｃｍとし、電子機器４０が４０個全て積み重なって設けられる高さＨ３を１５０ｃｍとしている。
（１）２×２０の場合

（３）５×８の場合

２×２０の組合せにおける分配用連絡管１２の総延長と、５×８の組合せにおける分配用連絡管１２の総延長を比較すると、以下のようになる。

図７に示す分配器１０ａから、図８に示す分配器１０ｂのように同じ階層の分配用連絡管１２の長さを最も長い分配用連絡管にあわせて調整すると、調整後の分配用連絡管１２の総延長は２５０．７ｃｍ増加する。また、図８に示す分配器１０ｂと図９に示す分配器１０ｃとを比較すると、分配用連絡管１２の総延長は５９６．１ｃｍ増加する。すなわち、２×２０の組合せと５×８の組合せとを比較すると、２×２０の組合せは分配用連絡管１２の総延長の増分も大きく、分配用連絡管１２の占有スペース及び分配用連絡管１２のコストが増加する。

図１０に、総分岐数Rが４０の場合の８×５の組合せで構成された分配器１０ｄを示す。図７に示す５×８の分配器１０ａと、図１０に示す８×５の分配器１０ｄでは、分岐種類の和は同一で１３である。図１０の分配器１０ｄでは、第２階層で分岐した分配用連絡管１２₂の数量は、図７～図９に示す構成と同じく４０本である。しかしながら、第１階層で分岐する分配用連絡管１２₁－１～１２₁－８は８本であり、図７に示す分配器１０ａの第１階層で分岐する分配用連絡管１２₁－１～１２₁－５の５本より多い。そのため、図１０に示す分配用連絡管１２₁－１～１２₁－８の長さを合計した数値は大きくなる。図７に示す分配器１０ａのように、上流側にある分配用連絡管の本数を少なくさせた方が、分配用連絡管１２による占有スペースが減少し、部品を調達するコストを低減させることができる。

図７～図１０に示す分配器１０ａ～１０ｄでは、総分岐数Ｒが４０で、階層数Ｔが２である場合を示したが、総分岐数Ｒ及び階層数Ｔはこれらに限定されず、他の数量であってもよい。例えば総分岐数Ｒが９６で、階層数Ｔが２である場合は、式４で示される値αは約１０となる。その値αに近い因数の組合せは（１）第１階層で分岐する分岐数Ｂ₁を８、第２階層で分岐する分岐数Ｂ₂が１２となるか（２）分岐数Ｂ₁を１２、岐数Ｂ₂を８とした場合である。上流側の階層でより少なくなるように分岐する組合せは、（１）分岐数Ｂ₁を８、分岐数Ｂ₂が１２の組合せである。このように分岐数を設定することで、分配用連絡管の総延長を小さくすることができる。

また、上記分岐数を設定する方法は、図７に示す合流器２０ａにおける、各階層Ｍの合流数Ｇ_Mを求める際にも利用することができる。例えば図７に示す合流器２０ａでは、総合流数Ｖ、階層数Ｍとすると、以下の式（式６）を用いて得られる値を利用して第Ｍ階層の合流用連絡管２２_Mの合流数Ｇ_Mの組合せが設定される。
Ｇ_M ≒ Ｖ＾（１／Ｔ） ・・・（Ｖの１／Ｔ乗）（式６）
ただし、Ｖは総合流数、Ｍは階層番号、Ｔは階層数である。総合流数Ｖが４０である場合、第１階層の合流数×第２階層の合流数の組合せは、８×５の組合せと５×８組合せとなる。そして、８×５の組合せを適用することで、下流側の階層で合流数が少なくなり、合流用連絡管２２₂による占有スペースが減少し、部品を調達するコストが低減される。

以上、本出願を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明したが、本出願はこれらの実施の形態に限定されない。

１、１ａ、１ｂ、２ サーバ装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１１０、２１０ 分配器
１１、１１₁、１１₂ 分配用配管
１２、１２₁、１２₂ 分配用連絡管
１３、１３₁、１３₂ 分配層分配器
２０、２０ａ、１２０ 合流器
２１、２１₁、２１₂ 合流用配管
２２、２２₁、２２₂ 合流用連絡管
２３、２３₁、２３₂ 合流層合流器
３２ 筐体
３３ 熱交換器
３４ 給水管
３５ 排水管
４０ 電子機器
４１ プリント基板
４２ 集積回路
４３ 電気コネクタ
４４ コールドプレート
４５ パイプ
４６ カプラ
４７ 流入口
４８ 排出口

Claims (3)

1. 高さ方向に積層された複数の電子機器を冷却液で冷却する情報処理装置であって、
   前記冷却液を複数階層で分配する分配器を備え、
   前記分配器の各階層は、前記冷却液を一時的に蓄える分配用配管と、前記分配用配管から分岐された複数の分配用連絡管とを有する分配層分配器を備え、下流側の階層ほど前記分配用配管が増し、最終階層の前記分配用連絡管が前記電子機器に接続される情報処理装置において、前記分配器が前記冷却液を分配する総分岐数をＲとして、階層数をＴとした場合、
   第Ｎ階層の分配用配管それぞれから分岐される分岐数は、以下の式、
   α＝Ｒ＾（１／Ｔ） ・・・（Ｒの１／Ｔ乗）
   ただし、Ｒ、Ｔは２以上の整数、
   により求められた値αに最も近い総分岐数の因数であって、前記因数が±α／２以内の範囲内にあって、給水管の上流側にある分配用配管の本数が少ない方の因数とする、
   情報処理装置。
2. 各階層の分配用配管から分岐された複数の分配用連絡管のそれぞれは、各階層の分配用配管から最も遠い位置にある次の階層の分配用配管までの距離と、同一の長さで形成された、請求項１に記載の情報処理装置。
3. 各階層の分配用配管からの分岐数は、下流側に位置する分配用配管ほど大きくなるように、各階層の分岐数が設定された、請求項１又は２に記載の情報処理装置。

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