成果報告書詳細
管理番号20110000001050
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト(グリーンITプロジェクト)/エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発 最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発/冷却ネットワークとナノ流体伝熱による集中管理型先進冷却システムの開発」3
公開日2011/10/12
報告書年度2008 - 2010
委託先名国立大学法人九州大学
プロジェクト番号P08017
部署名エネルギー対策推進部
和文要約 近年、電子分野の急速な発展によりデータセンタ等のサーバにおける発熱量が急速に増大している。高密度発熱源を有するサーバラック内は局所的な温度分布が顕著であり、かつサーバルームには狭い間隔でラックが詰め込まれているため、ラックの消費電力量の1.2~1.3倍もの電力が必要な空調設備となっているのが現状であり、液体冷却方式の採用は近い将来必要不可欠である。その中でも除熱能力の高い潜熱輸送を利用した沸騰・二相流を用いた冷却は、高効率な除熱が期待できる効果的な冷却方法のひとつである。本提案は、サーバラックに設けた冷却用ソケットにフレキシブル構造の熱移動ケーブルをあたかもLANケーブルを接続するようにプラグイン接続し、熱移動ケーブルを介して供給される冷却媒体によって、サーバ内のデバイスを直接液冷するとともに、ネットワーク化した冷却系によって集約された廃熱を集中管理することにより、室内環境への廃熱の放出の大幅削減、サーバルーム、データセンタの消費電力の大幅削減を可能とする先進冷却システムを開発することである。   本提案のうち、沸騰・二相流冷却による直接液冷技術に関する研究開発を行う。平成21年度までの研究成果より、沸騰・二相流冷却を適用するために側面副流路配置狭あい流路構造の冷却ジャケットおよび半導体素子を模擬した発熱体(30mm×30mm)を冷却するための試験ループの試作を行い、実験による性能評価を行った。試作した冷却ジャケットは、伝熱面に対して加熱流路となる主流路と、主流路の両側面に配置された補助給液用の非加熱副流路の二つの矩形流路から構成されており、副流路からの補助給液により伝熱面上のドライアウト発生の抑制効果を持っている。試験液体として非導電性のFC72を用い、入口液体温度35℃、(入口液体サブクール温度33K)圧力0.15MPa、流量0.8 l/minとした実験により、300Wの除熱を達成した。   平成22年度は、冷却ジャケットの性能向上を目的とし流路構造について検討を行った。流路間隙幅 s=1mm および 2mm について検討し、s=2mmの条件で限界熱流束が高い一方で、低熱流束域においては s=1mmのほうが伝熱面表面温度は低いという結果を得た。副流路から主流路への給液断面積を A=28mm^2×2、38mm^2×2、48mm^2a×2、60mm^2×2 として比較を行い、試験液体FC72を用い、A=38mm^2×2 の条件で最も高い限界熱流束が得られ、入口液体温度35℃(入口液体サブクール温度33K)、圧力0.15MPaで、流量0.65 l/minの条件で、300Wの除熱を達成した。A=28mm^2×2の条件で伝熱面表面温度が最も低くなった。また、ブレードサーバへの適用を考慮し、流路方向を水平から垂直に変更した場合の性能評価を行った。流路方向を変化させても熱伝達特性にほとんど差異はなく、試作した冷却ジャケットはどの流路方向に対しても適用可能であると考えられる。さらに、より高い熱伝達特性を有する作動流体を検討するために、Novec649, Novec7100, Novec7200の試験液体を用いて実験を行った。FC72と比較してNovec7100, Novec7200の限界熱流束は向上したが、伝熱面表面温度も上昇した。   以上の実験を踏まえて、複数台の冷却対象が存在する場合の冷却システムについて検証するために、基板上に設置した3台の模擬発熱体を並列的に冷却するような試験ループの試作を行い試験した。体積流量0.6 l/min、入口液体温度39℃(入口液体サブクール温度33K)の条件において、全てのテストセクションで300Wの除熱を達成した。
英文要約Title: Research and Development Project for Green Network/System Technology (Green IT Project), R&D of Fundamental Technology for Data Centers to Optimize Energy Use, Studies on Optimal Heat Removal Methods and System Configuration Development, Development of Advanced Integrated Thermal Management System with Cooling Network and Nanofluid Heat Transfer Enhancement, FY2008-2010, Final Report Summary:
Due to the advance in electronic technology, heat generation density from data server is rapidly increased. Existing cooling system which consists of built-in fan arrays and air conditioners, however, cannot meet cooling requirements in the near future. A closed liquid cooling network system, where CPUs and other electronics devices are cooled down with the aid of liquid cooling systems instead of the chilled air, was investigated experimentally. Especially, the liquid cooling system using boiling and two-phase flow, which removes a large amount of waste heat by phase change, becomes a powerful means to support electronics technology. The system newly proposed here utilizes the temperature difference between the possible maximum semiconductor temperature and ambient temperature outside the data center building, and the waste heat is directly transferred from the server rack to the outside air without the operation of air conditioners. A cooling jacket, composed of a main heated channel, with a length of 30mm and a width of 30mm, and auxiliary unheated channels for additional liquid supply to the main heated channel was developed. This structure avoids dryout phenomena, the heat transfer limitation in boiling, by the substantial reduction of heated length along the direction of liquid supply. Experiments were conducted to evaluate the heat transfer performance of the cooling jacket. The measured critical heat flux (CHF) was larger than 33.3W/cm^2 (300W) for FC72 under the volumetric flow rate of 0.8 l/min, inlet liquid temperature of 35 degrees C (inlet liquid subcooling of 33K) and pressure of 0.15MPa. Parametric experimental studies which evaluate the effect of channel gap size s, exposed area for liquid supply from auxiliary unheated channels, flow orientation either of horizontal or vertical and test fluids were performed to examine the maximum heat transfer performance and to optimize the structure of cooling jacket for the actual application. CHF value for the gap size s=2mm was higher than that for s=1mm, while the heating surface temperature for s=2mm was higher than that for s=1mm. CHF value for the exposed area for liquid supply from auxiliary unheated channels of 38mm^2 x 2 was larger than 33.3W/cm^2 (300W) under volumetric flow rate of 0.65 l/min and inlet liquid temperature of 35 degrees C, i.e. inlet liquid subcooling of 33K, and pressure of 0.15MPa. And heating surface temperature was increased with the enlarged exposed area for liquid supply from auxiliary unheated channels because the additional flow rate from the auxiliary channel concentrates excessively to the downstream of the main heated channel resulting the shortage of the liquid flow in the upstream. The performance of the cooling jacket was almost independent of flow orientation. CHF value and heating surface temperature for Novec7100 and Novec7200 were higher than those for FC72. A new test loop which has three test sections in parallel was built to evaluate the feasibility of cooling system for multiple heat generators. The test fluid was selected as Novec7100. At all three test sections, individual heat generation rate of 300W was removed under volumetric flow rate of 0.6 l/min, inlet liquid temperature of 39 degrees C (inlet liquid subcooling of 33K) and pressure of 0.15MPa.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る