成果報告書詳細
管理番号20130000000571
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 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
公開日2014/1/25
報告書年度2008 - 2012
委託先名株式会社SOHKi
プロジェクト番号P08017
部署名省エネルギー部
和文要約本テーマの目的は、高効率の液体冷却ネットワークシステム技術を開発し、
IT機器を統合的に冷却するデータセンタ及びサーバにおける最適抜熱方式に
関しての省エネルギーの基盤技術を確立することである。
現状の空冷システムでは、空調機によりIT機器のみならず部屋、建屋等を
必要以上に冷却しており、冷却効率が極めて悪い。そのため、サーバラック内、
ラック間の液体冷却ネットワーク・システムを開発し、IT機器を統合的に冷却し、
空調消費電力を極限まで抑制し省エネルギーを実現することを目的としている。
グリーンITプロジェクトに於いては全体の省エネルギー効果を30%と設定しており
本研究開発に於いては、その内の空調消費電力の50%の削減を目標とした。 
本研究開発では5つの技術開発項目を実施している。先ず発熱体からの熱を効率良く抜熱し冷却するための方式として、単相流および沸騰二相流による主たる発熱体への「a.直接・液体冷却」の二つのCPU冷却方式、ヒートパイプによる「b.間接・液体冷却」そして、それらの冷却に用いる媒体の熱伝達特性の向上を検討する「c.ナノ流体」、これらの冷却装置をCPUに接続するとともに、サーバ内に設置するためのネットワーク容易化の為の「d.プラグイン機能」、そしてこれら4つの要素技術を検討し、実機サーバを用い、ラック内およびラック間で、冷媒を循環させ外気と熱交換し省エネルギー特性を実証するための「e.冷却ネットワーク・システム」の5つである。
a.直接・冷却としての単相流及び沸騰二相流開発は主たる発熱体としてのCPUからの
抜熱、冷却を目的とし、研究開発を行い、単相流及び沸騰二相流ともに冷却媒体としては絶縁液体としてのフッ素炭化水素系を活用し、沸騰二相流は単相流よりも沸点の低い液体系での検討を行うこととした。単相流としてはCPUの温度を20〜50℃レベルで低い温度領域で制御することが可能であり、沸騰二相流の冷却ではCPU温度領域は高く成るが平方cm辺り300W以上という様な熱密度の高い領域での活用が適す事が判明した。
b.間接冷却としての、ヒートパイプ(ヒートスプレダ)研究開発は薄型ヒートパイプとしプレートタイプとして銅板を積層する構造開発を行い更に長尺化により冷却液体をサーバー内に全く持ち込まないという冷却方式の開発を行い、ヒートパイプとしても高い熱輸送能力を示した。冷却末端もフッ素炭化水素系の冷却媒体を用い、長時間に亘る冷却が可能である事を示した。
c.ナノ流体の研究開発は、金属系ナノ粒子の製作技術の開発と冷却媒体への適用、及びナノ水滴の冷却媒体への分散及び適用という事を実施し、金属系ナノ粒子に於いては薄型ヒートパイプへの適用で熱輸送能力が増加すること、ナノ水滴の冷却媒体の単相流での評価では冷却能力の改善が認められた。
d.プラグイン機能の研究開発は冷却ネットワークを構築するための配管チューブとその接続、CPUなどの発熱体への冷却ジャケットの着脱の検討を行い、単相流での評価を行い、長時間及び繰り返しのプラグインの実用性を視野とした評価を行った。
e.冷却ネットワーク・システムの実証では、建物内に実験評価用 のブース型データセンタを構築し、冷却の要素技術としa.直接・冷却方式としての単相 流を用いて冷却ネットワークを構築しこの運転にかかる消費電力を測定し、消費電力の削減効果を評価した。
f.本テーマによって削減可能なデータセンタの消費電力は、サーバ内のファンの消費電力と、データセンタ(サーバルーム)の空調設備の消費電力である。ただし、冷媒となる液体を循環させるためのポンプや、冷却塔やチラーなど、冷媒から熱を除去するために必要となる設備にかかる消費電力は追加となる。
従来の空調機の場合、10kW相当のIT機器を運用するために、従来の空調機で約3.5kWの電力を消費した。これに対し、液冷を施したサーバの場合、ポンプおよびクーリングタワーで約1.5kWの電力を消費した。空調にかかる電力の約58%を削減し、外気温度変化による季節要因を加味したn増し評価に於いても51〜69%の省エネルギーを示し、当初の目標値で有る空調消費電力の50%削減を達成した。
この成果は、産業総合技術研究所に設置された、モジュ−ル型データセンタにより、
更に研究開発が行われ、本件を活用した省エネルギー効果について検証されている。
英文要約Title: Research and Development Project for Green Network/System Technology
(Green IT Project) / Research and Development 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 Nano fluid Heat Transfer Enhancement.
Summary report ;

The purpose of this theme is to establish the fundamental technology of energy saving about the optimal cooling system in the data center and server which develop efficient liquid-cooling network system technology, and cool IT apparatus integrative.
In the present air cooling system, not only IT apparatus but a room, a building, etc. are cooled with the air-conditioning machine more than needed, and cooling efficiency is very bad.
In the Green IT project, the whole energy-saving effect was set to 30%, and it aimed at a 50% reduction of the air-conditioning power consumption of them in this research and development.
Five technical development items from "a. " to "e. " are carried out as a subject of research.
a. The single-phase flow cooling and boiling-two-phase-flow development are directly aimed at cooling from CPU as a main heating element.
Single-phase flow and boiling two-phase flow utilized the fluoride hydrocarbon system as an insulating liquid as a cooling.
It was possible to have controlled the temperature of CPU in a low temperature domain as single-phase flow, and in cooling of boiling two-phase flow, although the CPU temperature domain changed highly, it can use for high-heat density cooling such as 300W/cm2.
b. Heat pipe research and development as indirect cooling
We developed laminates a copper plate as a -plate type heat pipe- shows very good heat transport capability. This heat pipe can be used for indirect cooling which means it can
Transport CPU heat from inside server to outside sever box, since we can make long type of
this plate heat pipe.
c. Research and development of nano fluid
Development of the fabrication method of a metal system nano particle, and distribution and application of nano water drop to a cooling liquid were carried out, and the improvement of cooling capacity was accepted in evaluation by the single-phase flow and heat pipe.
c. Research and development of the plug-in feature considered attachment and detachment of the cooling jacket to the piping tube for building a cooling network, and heating elements, such as the connection and CPU, performed evaluation by single-phase flow, and performed evaluation which made the view practicality of plug-in of a long time and a repetition.
e. Cooling network system evaluation
We developed booth type testing data center, using the single-phase flow cooling system . we measured, and the reduction effect of power consumption
The power consumption of a data center reducible by this theme is the power consumption of of the air conditioner of this data center
However, the power consumption concerning the equipment which is needed such as a pump, a cooling tower, a chiller, etc. for circulating the liquid used as a coolant, is added.
In order to employ IT apparatus of 10 kW in the case of the conventional air-conditioning machine, about 3.5-kW electric power was consumed with the conventional air-conditioning machine.
On the other hand, in the case of the server which liquid cooling require about 1.5-kW electric power was consumed with the pump and the cooling tower.
About 58% of the electric power concerning air-conditioning was reduced, and 50% reduction of the air-conditioning power consumption target is cleared.
Research and development are further done by the module type data center installed in
another NEDO project, and this result is verified about the energy-saving effect which utilized this case.
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