WO2013136443A1

WO2013136443A1 - 電子装置の冷却装置及び電子装置

Info

Publication number: WO2013136443A1
Application number: PCT/JP2012/056420
Authority: WO
Inventors: 鈴木孝則
Original assignee: 富士通株式会社
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-19

Abstract

　電子装置の冷却装置は、電子部品を備えた電子装置内に設けられるファンと、前記ファンによって吸気された気体と冷媒との間で熱交換を行い、冷却風を得る熱交換部と、前記電子部品の冷却状態を把握するための温度情報を取得する温度情報取得部と、前記冷媒の流通状態を変更する冷媒流通状態制御部と、前記温度情報取得部によって取得された温度情報に基づいて、前記ファンの回転速度と、前記冷媒流通状態制御部を制御する制御部と、を備える。冷媒との熱交換により得られた冷却風を導入することにより、ファンの回転速度を低速稼動状態としつつ、適切な冷却効果を得ることができる。

Description

電子装置の冷却装置及び電子装置

　本発明は、電子装置の冷却装置及び電子装置に関する。

　半導体を備える大型電算機や、サーバ装置等の電子装置は、その稼動に伴い発熱する。このため、電子装置は、冷却ファンを備える。昨今、例えば、サーバ装置は、サーバルーム内において高密度に設置されるようになり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリなどの電子部品の消費電力も増加して、発生する熱量が上がっている。この結果、サーバルーム内では、他のサーバ装置の排気を吸い込んでしまうため、サーバ装置内に取り込まれる吸気温度が上昇し、冷却効率が低下する。この吸気温度の上昇に伴う冷却効率の低下に対処すべく、より多くの冷却風量の確保が必要となり、冷却用のファンの増設や、ファンの高速稼動が求められる。ファンの増設や、ファンの高速稼動は、騒音問題の一因となり得る。

　このような状況に対し、従来、種々の冷却装置、冷却方法が提案されている。例えば、キャビネット収容型情報処理装置の冷却方法（特許文献１参照）が知られている。特許文献１には、情報処理装置を収納するキャビネットに冷却装置を設置し、キャビネットを構成する中空の柱を通じて冷却装置によって冷却された空気を情報処理装置に供給する冷却方法が開示されている。特許文献１には、冷却装置としてクーラーが示されている。

特開平１１－２１２６７４号公報

　前記特許文献１に開示された冷却方法は、クーラーを用いている。クーラー自身が発する熱もラックキャビネット上部から排出されており、情報処理装置の冷却効率を低下させることになりかねない。冷却効率の低下は、冷却ファンの高速稼動に繋がる。

　そこで、１つの側面では、本発明は、ファンを低速稼動させることを課題とする。

　かかる課題を解決するために、本明細書に開示された電子装置の冷却装置は、電子部品を備えた電子装置内に設けられるファンと、前記ファンによって吸気された気体と冷媒との間で熱交換を行い、冷却風を得る熱交換部と、前記電子部品の冷却状態を把握するための温度情報を取得する温度情報取得部と、前記冷媒の流通状態を変更する冷媒流通状態制御部と、前記温度情報取得部によって取得された温度情報に基づいて、前記ファンの回転速度と、前記冷媒流通状態制御部を制御する制御部と、を備える。

　熱交換部は、冷媒と冷却風とを熱交換させる。冷媒は、冷却風から奪った熱を外部へ持ち去ることができる。また、熱交換部自身は排気しないため、電子装置に導入される空気を暖めることがない。また、熱交換部は、電子装置内に導入される気体を直接冷却するため、効率よく電子装置を冷却することができる。さらに、電子装置毎の温度制御が可能となる。この結果、ファンの低速稼動状態を維持することが容易となる。

　１実施形態における電子装置の冷却装置によれば、できるだけファンを低速稼動させることができる。

図１は実施例１の冷却装置の概略構成を示す説明図である。図２は実施例１の冷却装置が備える制御部の機能ブロック図の一例である。図３は実施例１の冷却装置を備えた電子装置の概略構成を示す説明図である。図４は実施例１の冷却装置の制御の一例を示すフロー図である。図５は実施例１の冷却装置の動作の一例を示すタイムチャートである。図６は実施例２の冷却装置を備えた電子装置の概略構成を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

　図１は実施例１の冷却装置１の概略構成を示す説明図である。電子装置の冷却装置（以下、単に、冷却装置という）１は、マザーボード（ＭＢ）５２上にＣＰＵ（Central Processing Unit）５７、その他の電子部品を備えたサーバ装置５０を冷却する。サーバ装置５０は電子装置の一例である。サーバ装置５０は、筐体５１を備えている。電子装置は、電算機等の情報処理装置であってもよい。冷却装置１は、サーバ装置５０内、具体的には、サーバ装置５０が備える筐体５１内に気体を吸気するファンである第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３を備える。第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３は、サーバ装置５０の前側から気体を吸気する。第１冷却ファン２は、筐体５１の外部から気体を吸い込み、第２冷却ファン３は、第１冷却ファン２によって吸い込まれた気体を筐体５１の後方へ向かって押し出す。第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３は、それぞれ、高速稼動（１００％出力）と低速稼動（５０％出力）との間で回転速度を切り替えることができる。第１冷却ファン２と第２冷却ファン３との間には、熱交換器４が配置されている。熱交換器４は、熱交換部に相当する。熱交換器４は、気体と冷媒との間で熱交換を行い、冷却風を得る。熱交換器４は、ファインチューブ型であり、チューブ内を冷媒が流通し、チューブ間を流通する気体が冷却されて冷却風となる。気体と冷媒との間で熱交換できるものであれば、熱交換器の形式は、どのようなものであってもよい。実施例１において、冷媒は、冷却水を採用しているが、従来周知のどのような冷媒も用いることができる。すなわち、冷媒は、液体であってもよいし、気体であってもよい。専用の冷却水であってもよいし、冷却油であってもよい。

　熱交換器４と、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３とは、対向配置されている。これにより、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３により、筐体５１内へ導入される気体が、直接熱交換器によって冷却されて冷却風となる。

　熱交換器４には、冷却された冷媒が導入される導入管５が接続されるとともに、熱交換後の暖められた冷媒を排出する導出管６が接続されている。導入管５にはポンプ７が接続されている。ポンプ７が稼動することにより、気体との熱交換を行う冷媒が熱交換器４に供給される。サーバ装置５０がサーバルーム内に設置される場合は、導入管５及び導出管６は、サーバルーム外まで延長されることが望ましい。すなわち、サーバルーム内から熱を持ち去るように配管を行う。導入管５は、例えば、１０℃以下に冷却された冷媒を熱交換器４に導入する。導入管５と導出管６は、循環型としてもよいが、この場合、導出管６から導出された冷媒を再び冷却し、その後、導入管５に戻す。

　冷却装置１は、冷媒の流通状態を変更する冷媒流通制御部として、制御弁８を備えている。制御弁８は開閉弁であり、導入管５上に設けられている。実施例１の制御弁８は、全開と全閉との間で切り替えられるが、開弁量を細分化できるものを用いてもよい。冷却装置１は、サーバ装置５０が備える電子部品の冷却状態を把握するための温度情報を取得する温度情報取得部としての第１温度センサ９及び第２温度センサ１０を備える。冷却状態を把握する対象となる電子部品は、最も発熱量が多いものとする。実施例１では、マザーボード５２上に配置されたＣＰＵ５７を測温対象としている。第１温度センサ９は熱交換器４によって冷却され、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３によってＣＰＵ５７に向かって送風される冷却風の温度を測定する。一方、第２温度センサ１０は、ＣＰＵ５７自体の温度を測定している。

　冷却装置１は、制御部１１を備えている。制御部１１は、第１冷却ファン２、第２冷却ファン３及び制御弁８と電気的に接続されている。また、制御部１１は、第１温度センサ９及び第２温度センサ１０と電気的に接続されている。制御部１１は、第１温度センサ９及び第２温度センサ１０によって取得された温度情報に基づいて、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の回転速度を制御する。また、制御部１１は、第１温度センサ９及び第２温度センサ１０によって取得された温度情報に基づいて、制御弁８に指令を発し、冷媒の流通状態を制御する。図２は、制御部１１の機能ブロック図の一例を示している。制御部１１は、演算部１１ａ、冷却ファン制御部１１ｂ、温度取得部１１ｃ、冷媒流通制御部１１ｄを備えている。また、制御部１１は、温度制御テーブル１１ｅを記憶している。演算部１１ａは、温度取得部１１ｃを通じて第１温度センサ９及び第２温度センサ１０から取得した温度情報を温度制御テーブル１１ｅと比較する。そして、制御部１１は、演算部１１ａにおける比較結果に基づいて冷却ファン制御部１１ｂを通じて第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の回転速度を制御する。また、制御部１１は、演算部１１ａにおける比較結果に基づいて冷媒流通制御部１１ｄを通じて制御弁８の開閉を制御し、冷媒の流通状態を制御する。

　つぎに、図３を参照して、冷却装置１を実際にサーバ装置５０に組み込んだ状態について説明する。サーバ装置５０は、内部にマザーボード５２、パワーサプライユニット（ＰＳＵ）５３及びバックボード５４を備えている。ＰＳＵ５３とバックボード５４とはコネクタ５５によって接続されている。バックボード５４とマザーボード５２とはコネクタ５６によって接続されている。マザーボード５２上には、ＣＰＵ５７及びサービスプロセッサ（ＳＰ）５８が搭載されている。サービスプロセッサ５８上には、制御部１１が搭載される。サーバ装置５０の筐体５１の前面側には、前側から順に第１冷却ファン２、熱交換器４及び第２冷却ファン３が設置されている。熱交換器４には上述のように導入管５及び導出管６が接続されている。導入管５及び導出管６は、筐体６内を通過して、外部へ引き出されている。第１温度センサ９は、バックボード５４上に配置されている。バックボード５４は、第２冷却ファン３の後側に位置しているため、第１温度センサ９をバックボード５４上に配置することにより、導入された冷却風の温度を測定することができる。第２温度センサ１０は、電子部品の中で最も発熱量が大きいＣＰＵ５７上に配置されている。

　つぎに、冷却装置１の制御の一例について説明する。冷却装置１は、制御部１１に予め記憶された温度制御テーブル１１ｅと取得された温度情報とを比較することによって行われる。ここで、温度制御テーブル１１ｅの内容を表１に示す。

表１

　ここで、吸気温度Ｔｉは第１温度センサ９によって取得された温度である。条件Ｔｎは、低温判定を行うための条件（閾値）である。ＣＰＵ温度Ｔｊは第２温度センサ１０によって取得された温度である。Ｔｉ≦２０℃又はＴｊ≦４５℃であるときは、冷媒の流通を停止して過剰冷却を防止する。電子装置であるサーバ装置５０は、作動するための適切な温度条件を有する。すなわち、サーバ装置５０は、温度が高すぎても低すぎてもその作動に影響を受ける。そこで、サーバ装置５０が備える電子部品であるＣＰＵ５７の冷却状態を判定するために、低温判定を行うための閾値としてＴｉ＝２０℃又はＴｊ＝４５℃が設定されている。

　条件Ｔｈ１は、冷媒を流通させて、積極的に冷却風の温度を低下させるための条件（閾値）である。条件Ｔｈ２は、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の回転速度を低速稼動と高速稼動との間で切り替えるための条件（閾値）である。ここで、Ｔｉ＝２５℃との閾値は、冷却装置１の冷却能力を反映させて算出される値の一例である。具体的には、Ｔｉ＝２５℃との閾値は、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３を低速稼動させたときに、ＣＰＵ５７を適切な温度に冷却することができる温度として規定されている。また、Ｔｊ＝６５℃との閾値は、ＣＰＵ５７が保証している動作限界値（例えば、７０℃）を考慮して、この動作限界値に対して余裕を持たせた温度として規定されている。

　制御部１１は、図４に一例を示すフロー図に基づく制御を行う。図４に示すフロー図に基づく制御は一定期間毎に繰り返し行われる。例えば、タイマーによる監視周期を１分間に設定することにより、１分毎の繰り返し制御となる。図５に示すタイムチャートの一例は、繰り返し行われる制御の一巡目から三巡目までを示している。また、制御開始時の状態は、制御弁８が閉弁状態で第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３は、いずれも低速稼動とされているものとする。また、サーバ装置５０の温度状態は、徐々に上昇する場合を想定している。

　まず、一巡目について説明する。制御部１１は、ステップＳ１で温度情報を取得する。そして、制御部１１の演算部１１ａは、ステップＳ２においてＴｎ条件を充足するか否かを判断する。制御部１１は、ステップＳ２でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、制御部１１は、冷媒流通制御部１１ｄを通じて制御弁８を閉弁状態とする。これにより、冷媒の流通を停止する。この結果、冷却風の過度の冷却が回避され、ひいては、ＣＰＵ５７の過度の冷却も回避される。ステップＳ３に引き続き行われるステップＳ４では、ファン、すなわち、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３が低速稼動状態とされる。第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３が低速稼動状態とされることにより、その駆動音を低減することができる。一巡目において、ステップＳ２における判断がＹｅｓとされたときは、ステップＳ５～Ｓ８の処置はスキップされる。

　つぎに、二巡目について説明する。制御部１１は、二巡目のステップＳ１で取得された温度情報に基づいてステップＳ２の判断を行う。その結果、ステップＳ２でＮｏと判断したときはステップＳ５へ進む。そして、制御部１１の演算部１１ａは、ステップＳ５においてＴｈ１条件を充足するか否かを判断する。制御部１１は、ステップＳ５でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、制御部１１は、冷媒流通制御部１１ｄを通じて制御弁８を開弁状態とする。これにより、冷媒の流通が開始される。この結果、低温の冷媒が熱交換器４へ導入され、冷却風との熱交換が行われる。これにより、気体が冷却されて冷却風となって供給され、ＣＰＵ５７が適切な温度に冷却される。なお、制御部１１は、ステップＳ５でＮｏと判断したときは、ステップＳ３及びステップ４の処理を行う。すなわち、制御弁８を閉弁状態とし、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の低速稼動状態を維持する。ステップＳ６に引き続き行われるステップＳ７では、制御部１１の演算部１１ａは、Ｔｈ２条件を充足するか否かを判断する。制御部１１は、ステップＳ７でＮｏと判断したときは、ステップＳ４へ進む。すなわち、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の低速稼動状態を維持する。このように、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３が低速稼動状態とされることにより、ファンの駆動音を低減することができる。また、仮に、冷媒との熱交換を行わない場合は、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３を高速稼動させてＣＰＵ５７を冷却することが求められる。ところが、実施例１の冷却装置１では、冷却風の温度を低くすることができるため、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３の回転速度を低速に維持しつつ、ＣＰＵ５７を適切に冷却することができる。

　つぎに、三巡目について説明する。制御部１１は、三巡目のステップＳ１で取得された温度情報に基づいてステップＳ２の判断を行う。その結果、ステップＳ２でＮｏと判断し、ステップＳ５でＹｅｓと判断し、さらに、ステップＳ７でＹｅｓと判断すると、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、制御部１１は、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３を高速稼動状態に切り替える。これにより、冷媒との熱交換により冷却され、得られた冷却風が高速回転でＣＰＵ５７に向かって送風される。この結果、ＣＰＵ５７を適切に冷却することができる。

　制御部１１は、三巡目以降もフロー図に基づいた制御を行う。これにより、ステップＳ７において、Ｎｏと判断できる状態となれば、第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３を低速稼動状態に切り替えることができ、騒音を低減することができる。すなわち、通常、ファンの回転速度が高くなるほど、その駆動音は大きくなるため、ファンの回転速度を低く抑えることにより、騒音となる駆動音を抑制することができる。

　以上説明したように、実施例１の冷却装置１によれば、多くの時間帯で冷却ファンを低速稼動とすることができる。また、ステップＳ２やステップＳ５でＮｏと判断するようになれば、制御弁８が閉弁状態とされ、冷媒と気体との熱交換が停止され、過剰な冷却が回避される。

　実施例１の冷却装置１は、冷媒により、熱を外部に持ち去ることができる、すなわち、サーバルーム外へ持ち去ることができるため、吸気自体の温度上昇を抑制することができる。また、熱交換器をファンと対向させて配置することにより、周囲の温度の影響を受けにくく、適切な冷却が可能となる。また、ファン自体は、通常、サーバ装置等の電子装置が備えているものであり、従来の電子装置と比較しても追加部品の増加を抑制することができる。

　なお、熱交換器４は、駆動制御が必要となるいわゆるクーラーとは異なる。すなわち、熱交換器４自身の駆動制御は不要である。仮に、熱交換器４自身の駆動制御が必要となると、その制御が複雑になることが考えられる。熱交換器４を用いれば、このような煩わしさからも開放される。また、いわゆるクーラーを用いた場合、クーラーが作りだした冷却風をサーバ装置５０へ供給する冷気供給ファンを別途備えなければならないが、本実施例の冷却装置１では、これも不要である。

　つぎに、実施例２について、図６を参照して説明する。実施例１では、サーバ装置５０の組み立て時に予め冷却装置１が組み込まれていた。これに対し、実施例２の冷却装置２０は、後付け的にサーバ装置１００に組み込まれている。以下、この冷却装置２０が組み込まれたサーバ装置１００について説明する。なお、実施例１における構成要素と共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

　実施例１の冷却装置１における熱交換器４は、筐体５１内の第１冷却ファン２及び第２冷却ファン３との間に配置されていた。これに対し、実施例２の冷却装置２０が備える熱交換器２４は、サーバ装置１００が設置されるラック１１０の開閉扉１１１に設置されている。後付け的に冷却装置２０をサーバ装置１００に組み込む場合、熱交換器２４をサーバ装置１００の筐体１０１内に装備することは困難である。そこで、ラック１１０にヒンジ１１１ａを介して装着されている開閉扉１１１内に熱交換器２４を設置する。これにより、熱交換器２４を第１冷却ファン１０２及び第２冷却ファン１０３と対向配置させることができる。熱交換器２４には、実施例１の場合と同様に導入管５及び導出管６が接続されており、制御弁８も装備されている。そして、筐体１０１内に、第１温度センサ９及び第２温度センサ１０、さらには、制御部１１を設置することにより、実施例１と同等の構成とすることができる。このように、実施例２の冷却装置２０は、すでに稼動しているサーバ装置に対しても装着することができ、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、冷却装置２０を追加する場合もファン自体は、既にサーバ装置１００が備えたものを利用するので、部品点数を抑制することができ、その設置作業も容易となる。

　上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

　１、２０　冷却装置
　２、１０２　第１冷却ファン
　３、１０３　第２冷却ファン
　４、２４　熱交換器
　５　導入管
　６　導出管
　７　ポンプ
　８　制御弁
　９　第１温度センサ
　１０　第２温度センサ
　１１　制御部
　５０、１００　サーバ装置
　５１、１０１　筐体

Claims

　電子部品を備えた電子装置内に設けられるファンと、
　前記ファンによって吸気された気体と冷媒との間で熱交換を行い、冷却風を得る熱交換部と、
　前記電子部品の冷却状態を把握するための温度情報を取得する温度情報取得部と、
　前記冷媒の流通状態を変更する冷媒流通状態制御部と、
　前記温度情報取得部によって取得された温度情報に基づいて、前記ファンの回転速度と、前記冷媒流通状態制御部を制御する制御部と、
を備えた電子装置の冷却装置。
　前記ファンと前記熱交換部は、対向配置される請求項１に記載の電子装置の冷却装置。
　前記制御部は、前記電子部品の冷却状態が低温判定を行う閾値よりも低い状態であると判断したときは、前記冷媒流通制御部により、前記冷媒の流通を停止させる請求項１又は２に記載の電子装置の冷却装置。
　前記熱交換部は、前記電子装置が設置されるラックの開閉扉に設置される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子装置の冷却装置。
　電子部品を備えた筐体内に気体を吸気するファンと、
　前記ファンによって吸気された気体と冷媒との間で熱交換を行い、冷却風を得る熱交換部と、
　前記前記電子部品の冷却状態を把握するための温度情報を取得する温度情報取得部と、
　前記冷媒の流通状態を変更する冷媒流通制御部と、
　前記温度情報取得部によって取得された情報に基づいて、前記ファンの回転速度と、前記冷媒流通制御部を制御する制御部と、
を備えた電子装置。