成果報告書詳細
管理番号20130000000393
タイトル平成20年度-平成24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 集熱沸騰冷却システムの研究開発
公開日2013/6/21
報告書年度2008 - 2012
委託先名日本電気株式会社
プロジェクト番号P08017
部署名省エネルギー部
和文要約データセンタ内で消費されている電力の約1/2は、IT機器の冷却装置と、そのIT機器の排熱を冷却するための空調設備が消費している。これはデータセンタ部屋内にホットスポットと呼ばれる局所的に高温となるロケーションが生じ、空調設備に負荷がかかるためである。本研究では、ホットスポットの要因が高風量で冷却しているIT機器にあることに着目し、IT機器側を低風量で冷却することでホットスポットを解消し、省エネルギーで冷却する技術の確立を行った。低風量で冷却する手段として相変化冷却技術を選択し、1.相変化冷却性能向上技術、2.柔軟接続技術、3.接触伝熱構造技術、4.システム省エネ実証技術をそれぞれ要素技術として研究開発を実施した。
1.相変化冷却性能向上技術
薄型の1Uサーバにおいても、新たに駆動源を追加することなくCPUを冷却する冷媒を自然に循環させる、高性能な冷媒循環流路技術の研究を実施した。さらにCPU以外のメモリやチップセットなどの部品も同時に冷却できるエアフローを実現するエアダクト構造の研究も行うことで、従来30W使用していたファン電力を9Wに削減、冷却に必要なファン風量を36%削減した。
2.柔軟接続技術
相変化冷却技術は最も冷却電力を低くできる可能性のある冷却方式であり、様々な機器に低コストで汎用展開するため、蒸発部と凝縮部をチューブで接続するモジュール化技術の研究を実施した。焼きなまし、柔軟にしたアルミ配管とカシメ工法による接続構造を研究開発することで、冷却モジュール内の密閉性を確保した。また加速試験により、IT機器の動作保証期間である5年間に、冷却性能が悪化することがないことを検証した。
3.接触伝熱構造技術
データセンタ内に敷設されている冷水管に凝縮部を接続することで、CPUを冷却するために消費しているファン電力を削減することができる。凝縮部と冷水管の間に介在する伝熱ロスを最小限に抑えるため、熱伝導率の高い炭素繊維を厚み方向に配向させる伝熱部材の研究を実施した。この伝熱部材を使用し、1UサーバのCPUの熱を冷水管に放熱することで、従来30W使用していたファン電力を、さらに6Wまで削減、43%のファン風量の削減を確認した。また、この伝熱部材も冷却性能の悪化が5年間ないことを検証した。
4.システム省エネ実証技術
6本のラックから構成される検証用データセンタを使用し、各IT機器の温度や風量、発熱量と、空調機の送風量、消費電力などの実測データをフィードバックすることで、データセンタ内の熱気流シミュレーション技術の研究開発を実施した。1Uサーバで実測したファン風量のデータを用い、IT機器を低風量で冷却することで、IT機器のファン電力、空調機の送風電力と冷凍電力からなる冷却電力が27%削減されることを実証した。また、凝縮部を冷水管に接続して放熱させた場合では、46%の冷却電力の削減を実証した。
英文要約Title: Research and Development Project for Green Network/System Technology “Research and Development on fundamental technologies for data center energy usage optimization / investigation on optimal cooling method and development of system elements / research and development on phase change cooling system”

One half of the electricity consumed by a data center is used by cooling systems on IT equipment and air conditioners in order to remove the exhaust heat from the IT equipment. The heavy load on the air conditioners is caused by the existence of high temperature regions in the data center called hot spots. The present project established technical foundations for energy-efficient cooling while focusing on cooling of airflow-demanding IT equipment with minimal airflow, which originally caused hot spots. Phase change cooling technology has been selected as a means to cool with minimal airflow, and the following have been developed as comprising technologies: 1. performance augmentation of phase change cooling, 2. cooling modules with flexible tubing, 3. highly conductive thermal interface and 4. system-level verifications for energy efficiency.
1) Performance augmentation
Coolant circulation technology has been developed to effectively transport heat without using any pumping power for low profile 1U servers. Air duct structures inside the server have been studied to cool devices other than CPUs such as memory modules and a chipset, and required airflow has been reduced by 36%, resulting cooling power reduced from 30 to 9W.
2) Flexible tubing
To minimize the cost of the cooling module, connectors with flexible tubing have been studied in order for phase change cooling modules to be available for a variety of equipment. The present project uses annealed aluminum tubing and plastic deformation of the tubing at the connectors to seal the cooling module. Accelerated reliability test has been performed to show no degradation of cooling performance within a 5-year life of IT equipment.
3) Thermal interface
Cooling power may be further reduced by connecting the condenser of the cooling module to chilled water supplied in data centers. To effectively transport the heat across the interface, a highly conductive thermal interface material with vertically aligned carbon fibers has been studied. The CPUs on a 1U server is cooled by this method to reduce airflow by 36%, resulting cooling power reduced from 30 to 6W. An accelerated reliability test has shown no degradation within 5 years.
4) System-level verifications for energy efficiency
Thermo-fluid simulations have been developed using measured values such as temperature and airflow at IT equipment, airflow from air conditioners and power consumption at a test facility with 6 racks of IT equipment. Based on measured data on a 1U server, cooling power is shown to be reduced by 27%, including fans on the server, the blower on the air conditioner and the chiller. By connecting the condenser of the cooling module to the chilled water, the reduction in cooling power is shown to be 46%.
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