JP6138093B2 - サーバ冷却システム及びその冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器の冷却技術に係り、特に多数のサーバが収容されているサーバ室において、サーバが過熱状態とならないようにサーバを直接冷却することができるサーバ冷却システム及びその冷却方法に関する。

多数のサーバ５１を収容するサーバ室５２では、サーバ５１の発熱量が大きくなり過熱状態になると不具合が生じるおそれがある。そこで、サーバ室５２において、図１１に示すように、個々のサーバ５１にはその熱気をモータ５３駆動によるサーバファン５４を用いて、サーバラック５５の上方に排気している。この排気された熱気は、冷却した気流による強制対流によって冷却している。グレーの矢印は熱交換後の暖かい空気を示す。室外機と室内機とから成る冷凍機５６を設置して室内の温度を調整して機器の温度が上昇しないようにしている。このように、冷凍機５６で冷却しているのはサーバ５１そのものではなく、サーバ室５２の室内の空気である。

更に、サーバ室５２は一般にケーブルを配線するために二重床構造となっており、冷凍機５６の冷気をこの床下を風道５７として利用し、上部から吸い込み床面５８からサーバ５１が配置してあるサーバラック５５に向けて、冷気を噴出して温度調整している。

このようにサーバ５１を収容しているサーバラック５５の列に効率的に冷気を供給する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１の特開２０１０−１６４２１８号公報「サーバマシン室の空調方式」のように、サーバマシン室の天井面上に空調給気通路を形成し、床面下に空調還気通路を形成する。サーバラック列間の空間を１つおきに、空調給気される列から成るコールドアイルと熱排気される列から成るホットアイルとに設定する。コールドアイルの天井面に空調吹出口を設けて空調給気通路とサーバマシン室とを連通させ、さらにホットアイルの床面に排気吸込口を設けてサーバマシン室と空調還気通路とを連通させる。空調機からの冷気を空調給気通路へと送り込み、空調吹出口を通じてコールドアイルに冷気を送り込み、サーバラックとの熱交換後の暖気をホットアイルから排気吸込口を通じて床下の空調還気通路へと送り出すサーバマシン室の空調方式が提案されている。

特開２０１０−１６４２１８号公報

しかし、従来のサーバ室５２の室内全体を冷却する方法は、冷却した気流による強制対流によって行っているため、冷凍機５６による冷却はサーバ５１そのものではなく、室内の空気である。このような冷却方法は、熱容量が大きいので冷やしにくく、また熱伝達率が小さい空気を冷却するためにエネルギー効率が悪いという問題を有していた。

また、このサーバ室５２内を冷却する方法は、この冷却された空気がサーバ室５２の壁面に接触することで、外壁温度との大きな温度差により、図１１のサーバ室５２の周囲の広い面積の壁面から外部の熱（グレーの矢印で示す）が流入しやすいという問題を有していた。しかも、サーバ室５２内で空気を循環させるため循環ファン５９が必要であり、余計なエネルギーが必要であり、騒音が大きいという問題も有していた。
更に、図１１に示すように、サーバ室５２の室温が低くなるので、サーバ室５２の室内で作業する際に、作業者に過度の負担がかかり、健康障害の危険があるという問題を有していた。

本発明の発明者は、サーバ室の室内の空気を冷却し、その冷却した空気をサーバのＣＰＵ、ハードディスク等の電子回路に送風して基板を冷却し、電子回路の熱は室内の空気を経由して空調によって排気する方法は効率が悪いと考えた。そこで、熱源であるサーバ５１の電子回路の発熱部分を直接冷却することに着目した。サーバ５１を直接冷却することにより、無駄にサーバ室を冷やしすぎないので、冷却する熱量を減少させることが可能であると考えた。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、サーバの発熱部分を直接冷却することで冷却効率を高めることができるサーバ冷却システム及びその冷却方法を提供することにある。

本発明の冷却システムは、サーバ室（７）において複数配列されているサーバ（１）を冷却するサーバ冷却システムであって、
各サーバ（１）の発熱部（４）に、その熱を吸熱するために一端が取り付けられた、高温の熱から低温の熱へ熱移動させる機能を有するヒートパイプ（５）と、
前記サーバ（１）により加熱された空気を外部へ排出する、前記サーバ室（７）に設けられた排気通路（８，２９）と、
前記排気通路（８，２９）内に設けられた、前記ヒートパイプ（５）の他端が取り付けられた冷却フィン（６）と、
前記サーバ（１）を収容する断熱性を有するサーバラック（１１）と、を備え、
前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱を前記ヒートパイプ（５）で吸熱し、該ヒートパイプ（５）で前記冷却フィン（６）まで移動させ、該冷却フィン（６）を排気通路（８，２９）内で冷却して前記サーバ室（７）外にその熱交換した空気を排気して放熱する構成にした、ことを特徴とする。

前記サーバ（１）の発熱部（４）に伝熱プレート（２３）を張り付け、該伝熱プレート（２３）に前記ヒートパイプ（５）を取り付けることができる。

前記サーバ（１）の発熱部（４）に隣接してルーバー（２５）を配置し、このルーバー（２５）にヒートパイプ（５）を取り付け、該ルーバー（２５）を冷却する送風ファン（２６）を備えることができる。

前記排気通路（８）は、前記サーバ室（７）において各サーバ（１）の天井（９）内に設けられたダクトである。
前記排気通路（２９）は、前記サーバ室（７）の床下に設けられた二重床構造の風道（２８）である。

本発明の冷却方法は、サーバ室（７）において各サーバ（１）から生じる熱を冷却するサーバ冷却方法であって、
各サーバ（１）の発熱部（４）で生じる熱を、高温部から低温部へ熱移動させる機能を有するヒートパイプ（５）で吸熱し、
この吸熱した熱を、前記ヒートパイプ（５）で前記サーバ室（７）の天井又は二重床構造に設けられた排気通路（８，２９）内に備えられた冷却フィン（６）に移動させ、
前記排気通路（８，２９）内において、冷凍機（２７）で冷却した空気を送風して前記冷却フィン（６）を冷却し、熱交換した空気を外部へ排気することにより、各サーバ（１）を集中的に冷却する、ことを特徴とする。

前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱は、伝熱プレート（２３）を用いて熱伝導方式により前記ヒートパイプ（５）に伝熱することができる。

または、前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱は、ルーバー（２５）を用いて強制対流方式により前記ヒートパイプ（５）に伝熱することができる。

本発明の冷却システムでは、サーバ（１）から生じる高温の熱を高温状態のままでヒートパイプ（５）に直接伝熱させ、このヒートパイプ（５）によりその高温の熱を冷却フィン（６）まで熱移動させ、この冷却フィン（６）により熱交換して放熱する。サーバ（１）を集中的に冷却するためサーバ室（７）全体は低温にならない。サーバ室（７）の室内の空気を冷やす必要がないため、外部からサーバ室（７）への熱流入も最小限となり、省エネルギー性に優れている。サーバ室（７）内は室温が冷えすぎることがないので、通常のオフィスと同様に作業することができる。

冷却フィン（６）の熱交換は、排出通路（８，２９）内において行うので、送風ファン（２６）は基本的には冷凍機（２７）と排出通路（８，２９）内のみに必要で、サーバラック（１１）毎には不要になるので、省エネルギーと騒音の低減になる。

本発明の冷却方法では、外気温が高いときには冷却フィン（６）は冷凍機（２７）を用いて冷却し、送風ファン（２６）で室外に放熱する。
外気温が高温にならないときには、冷凍機（２７）を稼働させずに外気だけで冷却フィン（６）を十分冷却できるため、省エネルギー性能に優れている。

本発明の実施例１のサーバ冷却システムを示す概略説明図である。 サーバの一例を示す概略説明図である。 ヒートパイプを示す一部省略した原理説明図である。 冷却フィンを示し、（ａ）は拡大正面図、（ｂ）は拡大平面図である。 サーバから熱伝導方式による吸熱構造を示す拡大斜視図である。 サーバから強制対流方式による吸熱構造を示す拡大斜視図である。 サーバ冷却システムの変形例を示す概略説明図である。 実施例２のサーバ冷却システムを示すサーバラックの側断面図である。 実施例２のサーバ冷却システムを示すサーバラックの背断面図である。 実施例２の冷却フィンの一例を示す斜視図である。 従来のサーバ室を冷却する方法を示す概略説明図である

本発明のサーバ冷却システムは、高温の熱から低温の熱への熱移動させる機能を有するヒートパイプと冷却フィンを用いてサーバ室内に複数配列されているサーバを集中的に冷却するシステムである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜冷却システムの全体構成＞
図１は本発明の実施例１のサーバ冷却システムを示す概略説明図である。図２はサーバの一例を示す概略説明図である。
実施例１のサーバ冷却システムは、各サーバ１のＣＰＵ２やハードディスク３等の発熱部４に、その熱を吸収するために一端が取り付けられたヒートパイプ５と、このヒートパイプ５の他端が取り付けられた冷却フィン６と、この冷却フィン６の加熱された空気を外部へ排出する、サーバ室７に設けられた排気通路８と、を備えたものである。この冷却システムは、サーバ室７において複数配列されているサーバ１を集中的に冷却するシステムである。実施例１のサーバ冷却システムは、サーバ室７の天井面９の上側に排気通路８を形成したものである。

サーバ室７には、床面１０に複数のサーバラック１１が並べられている。これらのサーバラック１１の内部にサーバ１が収容されている。複数の列が相互に離れた状態で、サーバ室７の内部に配列されている。図示例では４基のサーバラック１１（サーバ１）を示しているが、これは一例であって４基に限定されないことは勿論である。また、実施例１のサーバ冷却システムでは、そのサーバ室７の構成は、天井面９の上側に排気通路８を形成したものであれば図示例の配置に限定されない。

＜サーバの構成＞
図２に示すサーバ１は、上からルーター１２、ＣＰＵ２、ルーター１２、ハードディスク３と２段のスイッチングハブ１３が備えられた構成を示している。本発明では例えば上側のルーター１２とＣＰＵ２との間に上部冷却用マウント１４が配置されている。この上部冷却用マウント１４にはヒートパイプ５の一端が接続されている。この上部冷却用マウント１４は、上側のルーター１２と共に主にＣＰＵ２を冷却する。なお、このサーバ１は一例であってこのような構成に限定されないことは勿論である。

下側のルーター１２とハードディスク３との間に下部冷却用マウント１５が配置されている。下部冷却用マウント１５にもヒートパイプ５の一端が接続されている。この下部冷却用マウント１５は、下側のルーター１２と共に主にハードディスク３を冷却する。

ヒートパイプ５の一端が接続される冷却用マウント１４，１５も図示例のように上部冷却用マウント１４と下部冷却用マウント１５の２か所に限定されず、１か所又は３か所以上設けることは可能である。

＜ヒートパイプの構成＞
図３はヒートパイプを示す一部省略した原理説明図である。
ヒートパイプ５は、アルミニウム又は銅等の金属製パイプ１６の内壁に毛細管構造を有するウィック１７を備え、このウィック１７の内部は中空になった密閉容器である。ヒートパイプ５には適量の水又は油等の作動液１８が真空封入されている。ヒートパイプ５の表面に熱が加えられると（図示の左側の「入熱部」）、その部分の内壁の作動液１８はその熱を潜熱として奪い、沸騰して蒸気になる。

次に、この蒸気は高い圧力を持っているため密閉容器（金属製パイプ１６）内を高速で移動し（図示の左側から右側への移動）、放熱部（図示の右側）で凝縮する。ここで蒸気は潜側に配置し、熱を放出し、加えられた熱が外部に放出される。凝縮した作動液１８はウイック１７の毛細管作用により入熱部に還流する。このサイクルを繰り返し、熱を連続的に高効率に移動させることができる。本発明はこの熱移動の機能を応用したもので、ヒートパイプ５の「入熱部」をサーバ１側に配置し、ヒートパイプ５の「放熱部」を冷却フィン６側に配置した。

ヒートパイプ５の他端が取り付けられた冷却フィン６は、サーバ室７に設けられた排気通路８内に配置される。この排気通路８から冷却フィン６の加熱された空気を外部へ排出する。このヒートパイプ５は断熱材１９で保護する。勿論、サーバ室７の室内温度の上昇を防止するためである。

＜冷却フィンの構成＞
図４は冷却フィンを示し、（ａ）は拡大正面図、（ｂ）は拡大平面図である。
冷却フィン６は、図示するように、上側フィン２０と下側フィン２１とから成る。上側フィン２０には長い突起が多数形成され、伝熱面積を広げた設計になっている。下側フィン２１の突起は、上側フィン２０の突起より短めになっている。これは排気通路８内においての安定性を考慮したものである。この図示例の突起の長さに限定されるものではない。また、１個の冷却フィン６に形成される突起の本数も図示例に限定されないことは勿論である。更に熱交換率の向上を図れる形状であれば、この突起の形状も図示例に限定されない。

上側フィン２０と下側フィン２１の間にヒートパイプ５のヒートパイプアダプタ２２を介してヒートパイプ５の一端が接続されている。このヒートパイプアダプタ２２は２枚の板材を張り合わせた構成で、１枚目は上側フィン２０に取り付けられ、２枚目は下側フィン２１に取り付けられている。この板材でヒートパイプ５を着脱自在に挟む構成になっている。

＜サーバからの吸熱構造＞
図５はサーバから熱伝導方式による吸熱構造を示す拡大斜視図である。図６はサーバから強制対流方式による吸熱構造を示す拡大斜視図である。
次に、サーバ１（発熱部４）からヒートパイプ５に効率よく伝熱する吸熱構造を説明する。図４に示す吸熱構造は、サーバ１（発熱部４）に伝熱プレート２３の一端を締付具２４で張り付けるように取り付け、この伝熱プレート２３の他端にヒートパイプ５を取り付けた熱伝導方式による吸熱構造である。伝熱プレート２３は熱伝導率の高い材質のプレートである。例えば、アルミニウム、黄銅（真鍮）、ニッケル、鉄等の金属板を用いる。この伝熱プレート２３の吸熱構造によれば、個々のＣＰＵ２等に冷却ファンを設ける必要はない。

また、図６に示す吸熱構造は、サーバ１（発熱部４）に隣接してルーバー２５を配置し、このルーバー２５にヒートパイプ５を取り付けた強制対流方式による吸熱構造である。この吸熱構造によれば、冷却用のファンを必要とするがサーバ１（発熱部４）全体を冷却することができる。
これらのサーバ１からの吸熱構造は共にサーバラック１１のみの加工だけで良いので、汎用性の高い冷却システムになる。

＜冷却方法＞
本発明の冷却システムでは、サーバ１で発生した高温の熱を高温状態のままでヒートパイプ５に直接伝熱させ、このヒートパイプ５により熱移動させ、その高温の熱を冷却フィン６により熱交換して放熱することによりサーバ１を集中的に冷却する。従来のようにサーバ１全体、すなわち高熱を発しないスイッチングハブ１３、ルーター１２まで冷却していない。更にはサーバ室７全体も冷却していない。そこで、サーバ１全体、サーバ室７全体を冷却するものではないため、サーバ室７が低温にならない。

サーバ室７の室内の空気を冷やす必要がないため、外部からサーバ室７への熱流入も最小限となるため、省エネルギー性に優れている。サーバ室７内は室温が冷えすぎることがないので、通常のオフィスと同様に作業することができる。

冷却フィン６の熱交換は、排出通路８内において行うので、送風ファン２６は基本的には冷凍機２７と排出通路８内のみに必要で、サーバラック１１毎には不要になるので、省エネルギーと騒音の低減が達成できる。

外気温が高いときには冷却フィン６は冷凍機２７を用いて冷却し、送風ファン２６を用いて室外に放熱する。
一方、外気温が高温にならないときには、冷凍機２７を稼働させずに外気だけで冷却フィン６を十分に冷却できるため、省エネルギー性能に優れている。

＜サーバ冷却システムの変形例（床下の排気通路の構成）＞
図７はサーバ冷却システムの変形例を示す概略説明図である。
サーバ冷却システムの変形例は、サーバ室７の床面１０の下側はケーブルを配線するために二重床構造になっており、この二重床構造の風道２８をそのまま排気通路２９として利用したものである。ヒートパイプ５の他端が取り付けられた冷却フィン６は、この二重床構造の排気通路２９内に配置する。実施例１と同様にこの排気通路２９から冷却フィン６の加熱された空気を外部へ排出する。

このように二重床構造の床下に排気通路２９を設け、ここに冷却フィン６を配置してサーバ１を冷却する構成では、ヒートパイプ５をサーバラック１１に添わせる形で床下に向けた構成である。そのために、サーバ室７におけるヒートパイプ５の凹凸感がなく室内を有効活用することが可能になる。

図８は実施例２のサーバ冷却システムを示すサーバラックの側断面図である。図９は実施例２のサーバ冷却システムを示すサーバラックの背断面図である。図１０は実施例２のサーバの一例を示す斜視図である。
実施例２のサーバ冷却システムは、供給用冷却ダクト３０の空気を冷却ファン３１で各サーバ１のＣＰＵ２やハードディスク３等の発熱部４に送風して冷却するシステムである。このシステムは、サーバ１の発熱部４に空気を送風して冷却する冷却ファン３１と、熱交換した温熱を伝熱するルーバー２５に取り付けられたヒートパイプ５と、このヒートパイプ５の他端が取り付けられた冷却フィン３２と、この冷却フィン３２の加熱された空気を外部へ排出する排熱用冷却ダクト３３と、を備えたものである。更に、サーバラック１１自体を断熱材１９で覆い、サーバ室７に熱が籠らないようになっている。
図８、図９では吸熱構造としてルーバー２５を用いた強制対流方式を利用しているが、図５に示した熱伝導方式による吸熱構造を用いることも勿論可能である。

実施例２のサーバ冷却システムでは、サーバ１で発生した高温の熱を冷却ファン３１を用いて供給用冷却ダクト３０の空気を強制対流で冷却する。熱交換した温風熱は、ルーバー２５とヒートパイプ５を用いて冷却フィン３２から排熱用冷却ダクト３３から排気する。このサーバ冷却システムでも、サーバ１全体ではなく高熱を発するサーバ１のＣＰＵ２やハードディスク３等の発熱部４を集中的に冷却する。サーバ室７全体も冷却していないので、サーバ室７が低温にならない。

＜冷却フィンの構成＞
図１０は実施例２の冷却フィンを示す拡大斜視図である。
実施例２の冷却フィン３２は、伝熱板３４を複数枚上下方向に数枚間隔を開けて並べた構造になる。冷風の送風方向に伝熱板３４の長手方向に併せてヒートパイプ５を取り付ける。なお、図６に示したような、突起を設けた形式の冷却フィン６を実施例２のサーバ冷却システムに組み込むことができる。

図示のような冷却フィン３２の伝熱板３４の面積は、ヒートパイプ５の本数に合わせる。即ち、ヒートパイプ５の本数が多いときは熱交換率を高めるために伝熱板３４の面積を広くする。逆に、ヒートパイプ５の本数が少ないときは伝熱板３４の面積を狭くするとた調整をする。

なお、本発明は、サーバ１の発熱部分４を直接冷却することで冷却効率を高めることができれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明のサーバ冷却システム及びその冷却方法は、サーバ１、サーバ室７の冷却に限定されず、室内に設置された高温になりやすい発熱部がある電子装置を直接冷却するものであれば利用することができる。

１ サーバ
４ 発熱部
５ ヒートパイプ
６ 冷却フィン
７ サーバ室
８ 排気通路（天井側）
１６ 金属製パイプ
１７ ウイック
１８ 作動液
２７ 冷凍機
２９ 排気通路

Claims (8)

1. サーバ室（７）において複数配列されているサーバ（１）を冷却するサーバ冷却システムであって、
   各サーバ（１）の発熱部（４）に、その熱を吸熱するために一端が取り付けられた、高温の熱から低温の熱へ熱移動させる機能を有するヒートパイプ（５）と、
   前記サーバ（１）により加熱された空気を外部へ排出する、前記サーバ室（７）に設けられた排気通路（８，２９）と、
   前記排気通路（８，２９）内に設けられた、前記ヒートパイプ（５）の他端が取り付けられた冷却フィン（６）と、
   前記サーバ（１）を収容する断熱性を有するサーバラック（１１）と、を備え、
   前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱を前記ヒートパイプ（５）で吸熱し、該ヒートパイプ（５）で前記冷却フィン（６）まで移動させ、該冷却フィン（６）を排気通路（８，２９）内で冷却して前記サーバ室（７）外にその熱交換した空気を排気して放熱する構成にした、ことを特徴とするサーバ冷却システム。
2. 前記サーバ（１）の発熱部（４）に伝熱プレート（２３）を張り付け、該伝熱プレート（２３）に前記ヒートパイプ（５）を取り付けた、ことを特徴とする請求項１のサーバ冷却システム。
3. 前記サーバ（１）の発熱部（４）に隣接してルーバー（２５）を配置し、該ルーバー（２５）にヒートパイプ（５）を取り付け、該ルーバー（２５）を冷却する冷却ファン（３１）を備えた、ことを特徴とする請求項１のサーバ冷却システム。
4. 前記排気通路（８）は、前記サーバ室（７）において各サーバ（１）の天井（９）内に設けられたダクトである、ことを特徴とする請求項１，２又は３のサーバ冷却システム。
5. 前記排気通路（２９）は、前記サーバ室（７）の床下に設けられた二重床構造の風道（２８）である、ことを特徴とする請求項１，２又は３のサーバ冷却システム。
6. サーバ室（７）において各サーバ（１）から生じる熱を冷却するサーバ冷却方法であって、
   各サーバ（１）の発熱部（４）で生じる熱を、高温部から低温部へ熱移動させる機能を有するヒートパイプ（５）で吸熱し、
   この吸熱した熱を、前記ヒートパイプ（５）で前記サーバ室（７）の天井又は二重床構造に設けられた排気通路（８，２９）内に備えられた冷却フィン（６）に移動させ、
   前記排気通路（８，２９）内において、冷凍機（２７）で冷却した空気を送風して前記冷却フィン（６）を冷却し、熱交換した空気を外部へ排気することにより、各サーバ（１）を集中的に冷却する、ことを特徴とするサーバ冷却方法。
7. 前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱は、伝熱プレート（２３）を用いて熱伝導方式により前記ヒートパイプ（５）に伝熱する、ことを特徴とする請求項６のサーバ冷却方法。
8. 前記サーバ（１）の発熱部（４）の熱は、ルーバー（２５）を用いて強制対流方式により前記ヒートパイプ（５）に伝熱する、ことを特徴とする請求項６のサーバ冷却方法。