成果報告書詳細
管理番号20090000001105
タイトル平成20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/気化冷却システム及び自然熱利用省エネ空調システムの開発
公開日2009/12/5
報告書年度2008 - 2008
委託先名株式会社日立製作所 株式会社日立プラントテクノロジー
プロジェクト番号
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約近年、IT機器を設置したデータセンタの消費電力は、現状の低電力技術による削減レベルをはるかに越えて増加しており、現状技術レベルを超えた低消費電力化技術が求められている。 データセンタの平均的消費電力内訳は、IT機器が46%(内冷却電力6%)、空調系が30%に相当し、本事業は、これら電力消費要素の内、冷却電力及び空調電力の削減を対象とする。 冷却電力の削減では、IT機器冷却電力を最終的に70%削減することを目的とし、冷媒の気化蒸発潜熱を利用し、ファンを限りなく使わない高効率冷却要素技術の開発、即ち、サーバレベル及びサーバ群が収納されたシャーシーレベルの2レベルで熱を集合させ、各レベルで気化潜熱を利用した熱輸送システムの伝熱要素技術の開発を行った。本システムでは、潜熱利用による熱媒体流量の大幅な削減とその流路構造の簡素化により、大きな冷却動力の削減が図られる。そこで、各レベルの熱輸送デバイスにおいて、高性能な熱サイフォン及び強制流動型ヒートパイプの一種であるサーマルハイウェイに必要となる蒸発気化/凝縮伝熱促進技術、即ち、平滑面に対し3倍(沸騰)-18倍(気化蒸発)以上に性能向上させた微細な多孔質構造を有する沸騰/蒸発伝熱面構造、及び、2倍以上に凝縮性能を高めた鋸歯状微細フィン列凝縮伝熱面構造を開発した。また、サーマルハイウェイに用いるリニアモータ駆動型飽和水ポンプを開発し、完全機密を保証するとともに、そのポンプ効率0.005を実現した。更に、上記2つの熱輸送デバイスの繋ぎ目として、互いに噛み合った歯間に熱伝導シートを挿入した一対の櫛歯型伝導接触子を開発し、接触熱抵抗が熱伝導シート単体の3倍以下、且つ、各サーバの抜き差しを可能とするサーマルコネクターの開発を行った。以上の要素開発により、冷却ファンの電力削減にポンプ動力の増加を加味し、目標70%を上回る87%の冷却電力削減が図られる見通しを得た。 一方、空調システムの省エネ化では、データセンタで広く用いられている蒸気圧縮式空調機単体の冷房効率向上もさることながら、空調設備全体として、四季を通じて変化する気温に対応したシステムを構築することが重要な技術となる。そこで、最終的に空調電力を50%削減する要素基盤技術開発を目的に、冷媒自然循環技術を採用し、外気自然熱を有効に活用するフリークーリングを組み合わせた自然熱利用省エネ空調システムの要素技術開発を実施した。本システムでは、熱搬送に動力を必要としない冷媒自然循環技術を採用してサーバ排熱を直接処理するとともに,複数系統を集合させ熱源に大型冷凍機を採用可能としたうえ、冬期および中間期の外気を積極的に利用することで,熱搬送動力の低減と熱源動力の削減を図り,大幅な省エネルギーを実現する。本開発では、冷媒自然循環方式の特性把握実験を行い、配管抵抗の調整による冷媒分配手法がマルチシステムの冷媒分配に有効なことを確認した。また、冷媒流量制御と凝縮器温度制御を複合して行うことで熱負荷変動に追従する熱量制御技術を開発した。一方、システムの省エネ性能に大きく影響する要素部品である外気冷却ユニットの試作を行い、外気温度5℃以下で目標冷却性能を達成した。さらに,得られた知見から消費エネルギー試算を行い,外気温度10℃以下で外気利用可能なシステムを構築することで、従来比50%の消費エネルギー削減が可能な見通しを得た。
英文要約Title:Research & Development Project for Green Network. System Technologies (Green IT Project)/ Research & Development of Foundation Technologies for Data Center optimized Energy Usage/Development of Optimized Exhaust Heat Methods and System Constitutions/Cooling Systems of Vaporization and Energy-saving Air-conditioner Systems used Natural Environment Heat Usage」 Increasing of the power consumption of the data center, the energy saving technologies is strongly demanded. When seeing the breakdown of the power consumption at average data center, a ratio of the IT machinery is 46% (including cooling electricity 6%) and the air conditioning (AC) is 30%. This development intends for reduction of the cooling and the AC power. Aiming at 70% reduction of cooling electricity, we developed the high efficiency cooling system by using the evaporation latent heat of refrigerant. In this system, the heats are gathered at two levels, one is the each server and another is the chassis packaged many servers, and the evaporation latent heat was used at each level. On this work, we enhanced the technologies of evaporation and condensation heat transfer that is used for high performance Thermo-siphon and Thermal-highway. In comparison with the plain surfaces, we developed more than 3 times (boiling) to 18 times (evaporation) enhanced heat transfer surfaces having micro-porous structures, and more than 2 times enhanced condensation heat transfer surfaces having micro-fins. And to use for the Thermal-Highway, we developed a saturated water pump having the efficiency of 0.005%, driven by a linear motor. Furthermore, to transport heat from the Thermo-siphon to the Thermal-highway and to enable the pulling out opening of the each server, we developed a heat conduction contactor having a pair of combs and heat transfer sheets. The thermal resistance was lower than 3 times in comparison with the heat transfer sheet. By these element developments, the prospect of the cooling power reduction in 87% that exceeded 70% of the target was obtained.  On the other hand, to reduce the power consumption of AC facility in data center, development of advanced AC system which utilizes renewable energy for cooling is effective for energy saving. To achieve the 50% reduction of power consumption of AC facility, we tried to develop refrigerant natural circulation energy saving AC system. In this system, power consumption for distribution is extremely reduced by the refrigerant natural circulation technology based on the heat pipe phenomena and efficiency of chilling system is also improved by utilizing outdoor air for cooling. In this study, refrigerant distribution for multiple evaporator system is controlled by adjustment of pressure drop in the refrigerant pipe. Also, capacity control system by the combination flow rate control in individual evaporator and temperature control in condenser has been developed. Furthermore, refrigerant direct free cooling unit is made as a prototype and target value of cooling capacity is achieved under 5℃ outdoor air condition. As a result of these developments and estimation of power consumption, more than 50% reduction of power consumption of AC facility is obtained by application of developed free cooling unit.
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