JP6017353B2 - 電子機器冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、サーバなど発熱源となる電子機器を冷却する技術に関する。

ミストの蒸発潜熱を利用してサーバラックを冷却する技術は公知である。その一例として、消火用スプリンクラと同様の構造の噴霧ノズルをサーバルーム内に配置し、サーバルームの天井近傍から下方に向けて噴霧したミストによって、複数のサーバラックが設置されているサーバルーム全体を冷却するように構成した冷却システムを挙げることができる。また、別の例として、個々のサーバラックの内部にミストを噴霧することにより、サーバラック毎に冷却するように構成した冷却システムを挙げることができる。（特許文献１）

特開２００９−１１０４６９号公報（図８、図１０）

しかし、上述した従来の冷却システムでは、消火用スプリンクラと同様の構造の噴霧ノズルを使用してサーバルーム全体を一括して冷却する構造上、サーバルーム内の場所によって温度や湿度にばらつきが生じやすく、サーバラックに収納されている全ての電子機器（サーバ、ルータ、等）をまんべんなく冷却することが難しい。また、電子機器の水濡れを防止する必要上、サーバルーム内或いはサーバラック内に噴霧されたミストの完全蒸発を促進する除湿手段や減圧手段が必須の要素である。

本発明が解決しようとする課題は、ミストの気化熱を利用して、サーバラックなどに収納されている全ての電子機器をまんべんなく冷却することができ、しかも、冷却対象である電子機器の水濡れを防止するための除湿手段や減圧手段を別途必要としない電子機器冷却システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、
本発明の電子機器冷却システムは、
発熱源となる複数の電子機器を上下方向に互いに離間させて収納可能な収納体と、
前記複数の電子機器を前記収納体ごと収容する収容体と、
前記収容体の外部に設置されたミスト発生装置と、
前記ミスト発生装置により発生させたミストを前記収容体の内部に供給するためのミスト供給系と、を有し、
前記ミスト発生装置は、
液体噴射口から水を吐出しつつ、その吐出直後の水を気体噴射口から噴射される気体の高速渦流によって破砕することにより前記ミストを発生する噴霧ノズルを備え、
前記ミスト供給系は、
前記ミスト発生装置により発生させたミストの通路となるミスト配管を有し、
当該ミスト配管の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて流出させるためのミスト出口が形成されており、
前記収容体は、
排気口をその上部に有し、
前記収容体の内部に供給された前記ミストが、前記電子機器から発せられる熱を気化熱として奪った後、前記排気口から自然排気されることを特徴する。

上記のように構成された電子機器冷却システムは、収容体の外部に設置されたミスト発生装置によりミストを発生させ、そのミストをミスト供給系のミスト配管を通して収容体の内部に供給する。その際、ミスト配管の所々に設けられたミスト出口から個々の電子機器又はその近傍に向けてミストが流出するため、収容体に収納されている全ての電子機器をミストの気化熱を利用してまんべんなく冷却することができる。個々の電子機器の極近傍でミストが気化するため、極めて高い冷却効率が得られる。当該ミストは、液体吐出口から水を吐出しつつ、その水を気体噴射口から噴射される気体の高速渦流によって破砕することにより発生させた極めて微細なミストである。この種のミストは、常温・常湿・常圧の大気中で容易に気化する性質を有している。したがって、ミスト発生装置を出たミストは、結露することなくミスト配管内を流れ、収容体の内部に供給される。収容体の内部に供給されたミストは、電子機器から発せられる熱により気化し膨張する。収容体の内部では電子機器が常時熱を発生しているため、収容体の内部は常に上昇気流が発生し易い状態にある。収容体の上部には排気口が設けられている。これらの条件下で、収容体の内部に供給されたミストは、電子機器を全く濡らすことなく、電子機器から発せられる熱を気化熱として奪った後、収容体の内部における気化膨張と上昇気流との相乗作用により、収容体の上部に設けられた排気口から自然排気される。したがって、この電子機器冷却システムは、電子機器の水濡れを防止するための除湿手段や減圧手段を別途必要としない。また、収容体内が自然排気されることに伴って、ミスト配管内から収容体内にミストが自然に流出するため、ミスト配管内におけるミストの流動性を確保するための送風手段などを別途必要としない。

本発明の電子機器冷却システムにおいて、
前記ミスト配管は、
前記収納体に沿って上下方向に延びる配管部分を有し、
当該配管部分の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて噴霧するためのミスト出口が形成されていることが望ましい。

この構成によれば、上下方向に積層して収納された電子機器又はその近傍に向けてミストがまんべんなく噴霧される。

本発明の電子機器収納装置は、
発熱源となる複数の電子機器を上下方向に互いに離間させて収納可能な収納体と、
前記複数の電子機器を前記収納体ごと収容する収容体と、
前記収容体の外部に設置されたミスト発生装置により発生させたミストを前記収容体の内部に供給するためのミスト供給系と、を有し、
前記ミスト供給系は、
前記ミスト発生装置により発生させたミストの通路となるミスト配管を有し、
当該ミスト配管の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて流出させるためのミスト出口が形成されており、
前記収容体は、
排気口をその上部に有し、
前記収容体の内部に供給された前記ミストが、前記電子機器から発せられる熱を気化熱として奪った後、前記排気口から自然排気されることを特徴とする。

上記のように構成された電子機器収納装置によれば、そのミスト供給系に前記ミスト発生装置を接続することにより、本発明の電子機器冷却システムを実現することができる。

本発明の電子機器収納装置においても、
前記ミスト配管は、
前記収納体に沿って上下方向に延びる配管部分を有し、
当該配管部分の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて噴霧するためのミスト出口が形成されていることが望ましい。

本発明の電子機器冷却システムは、次の優れた効果を奏する。
（１）ミストの気化熱を利用して、サーバラックなどに収納されている全ての電子機器をまんべんなく冷却することができる。
（２）冷却対象である電子機器の水濡れを防止するための除湿手段や減圧手段を別途必要としない。

本発明の電子機器収納装置によれば、そのミスト供給系にミスト発生装置を接続することにより、本発明の電子機器冷却システムを実現することができる。

本発明の電子機器冷却システムの基本的な構成を示す概略図 電子機器冷却システムの構成要素であるサーバラック装置内における空気の流れを矢印により概念的に示した説明図 電子機器冷却システムの構成要素であるミスト発生装置の構成を例示する概略図 （ａ）：ミスト発生装置の構成要素である噴霧ノズルの構成を例示する側面図 （ｂ）：当該噴霧ノズルの断面図 図４に示す噴霧ノズルの正面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、電子機器冷却システム１００は、サーバラック装置（電子機器収納装置）２００と、ミスト発生装置３００と、を有している。

サーバラック装置２００は、ラック２１０と、ケース２２０と、ミスト供給系２３０と、を有している。

ラック２１０は、発熱源となる複数のサーバ装置（電子機器）５００を上下方向に積層させて収納可能な収納体である。ラック２１０は、サーバ装置５００やルータ（電子機器）等を載置した状態で保持する複数の棚部２１１と、これら複数の棚部２１１を上下方向に互いに離間させて保持している柱部２１２と、を有する。ラック２１０は、壁板などを有さない通気性の高い構造になっている。棚部２１１にはパンチングボードや網板など通気性の高い部材が使用されている。

ケース２２０は、複数のサーバ装置５００をラック２１０ごと収容してその内部の空間Ｓ１と外部の空間Ｓ２とを区画する収容体である。ケース２２０は、壁板２２１と、底板２２２と、天板（頂板）２２３とを気密に接合してなる箱状の容器である。壁板２２１、底板２２２及び天板２２３には、いずれも通気性のない板材が用いられている。

ケース２２０は、冷媒すなわちミスト（ミストを含む空気）の入口（吸気口）２２４と出口（排気口）２２５とを有している。吸気口２２４は、ケース２２０の下部に設けられている。排気口２２５は、ケース２２０の上部に設けられている。この例では、吸気口２２４は、ケース２２０の底板２２２に設けられている。また、排気口２２５は、ケース２２０の天板２２３に設けられている。ケース２２０は、吸気口２２４の部分及び排気口２２５の部分を除いて、気密性が高く保たれている。

ミスト供給系２３０は、ミスト発生装置３００により発生させたミストの通路となるミスト配管２３１を有している。ミスト配管２３１は、ケース２２０の外部から吸気口２２４を通してケース２２０の内部に延びている。ミスト配管２３１は、ラック２１０に沿って上下方向に延びる配管部分（上昇流管路）２３２を有している。ミストＭは、当該配管部分２３２の中を上昇する。当該配管部分２３２の所々に、ミストをサーバ装置５００又はその近傍（互いに隣接する電子機器間）に向けて噴霧するためのミスト出口２３３が形成されている。ミスト配管２３１の上流側端部は、ミスト発生装置３００のミスト噴射部に接続されている。

ミスト発生装置３００は、後に詳しく説明するように、液体吐出口３１１（図４（ｂ）、図５）から水を吐出しつつ、その水を気体噴射口３１２（図４（ｂ）、図５）から噴射される気体の高速渦流によって破砕することによりミストを発生する噴霧ノズル３１０（図３）を備えている。この噴霧ノズル３１０（図３）により発生されたミストがミスト配管２３１を通してケース２２０の内部に供給される。

上記のように構成された電子機器冷却システム１００は、ケース２２０の外部に設置されたミスト発生装置３００によりミストを発生させ、そのミストをミスト供給系２３０のミスト配管２３１を通してケース２２０の内部に供給する。その際、図１に示すように、ミスト配管２３１の所々に設けられたミスト出口２３３から個々のサーバ装置５００又はその近傍に向けてミストＭが流出するため、ケース２２０に収納されている全てのサーバ装置５００をミストＭの気化熱を利用してまんべんなく冷却することができる。個々のサーバ装置５００の極近傍でミストＭが気化するため、極めて高い冷却効率が得られる。当該ミストＭは、液体吐出口３１１（図４（ｂ）、図５）から水を吐出しつつ、その水を気体噴射口３１２（図４（ｂ）、図５）から噴射される気体の高速渦流によって破砕することにより発生させた極めて微細なミストである。この種のミストは、常温・常湿・常圧の大気中で容易に気化する性質を有している。しかも電荷を持っていない。したがって、ミスト発生装置３００を出たミストＭは、結露（凝集）することなくミスト配管２３１内を流れ、ケース２２０の内部に供給される。ケース２２０の内部に供給されたミストＭは、サーバ装置５００等から発せられる熱により気化し膨張する。ケース２２０の内部ではサーバ装置５００等が常時熱を発生しているため、ケース２２０の内部は常に上昇気流Ｆが発生し易い状態にある。ケース２２０の上部には排気口２２５が設けられている。これらの条件下で、ケース２２０の内部に供給されたミストＭは、サーバ装置５００等を全く濡らすことなく、サーバ装置５００等の熱を気化熱として奪った後、ケース２２０の内部における気化膨張と上昇気流Ｆとの相乗作用により、ケース２２０の上部に設けられた排気口２２５から自然排気される。したがって、この電子機器冷却システム１００は、サーバ装置５００等の水濡れを防止するための除湿手段や減圧手段を別途必要としない。また、ケース２２０内が自然排気されることに伴って、ミスト配管２３１内からケース２２０内にミストＭが自然に流出するため、ミスト配管２３１内におけるミストＭの流動性を確保するための送風手段などを別途必要としない。

ここで、ミスト発生装置３００について説明する。
図３に示すように、ミスト発生装置３００は、噴霧ノズル３１０と、液体供給系３２０と、気体供給系３３０とを有している。

液体供給系３２０は、ミストＭの原料液体である水Ｗを貯蔵するための液体貯蔵タンク３２１と、液体貯蔵タンク３２１から噴霧ノズル３１０に水Ｗを給送するための液体給送管３２３とを有している。液体貯蔵タンク３２１は気密性の高い容器である。液体給送管３２３の液体入口（上流端）３２３ａは液体貯蔵タンク３２１の底近くに配置され、液体出口（下流端）３２３ｂは噴霧ノズル３１０の液体入口３１０ａに接続されている。液体給送管３２３の管路の中間部には電磁制御弁３２５が設けられている。

気体供給系３３０は、コンプレッサ３３１と、コンプレッサ３３１で発生した圧縮空気を噴霧ノズル３１０に供給するための第１の空気供給管３３２と、当該圧縮空気を液体貯蔵タンク３２１に供給するための第２の空気供給管３３３と、を有している。コンプレッサ３３１の圧縮空気出口には２分岐管３３４が接続されており、２分岐管３３４の一方の空気出口に第１の空気供給管３３２の空気入口（上流端）が、もう一方の空気出口に第２の空気供給管３３３の空気入口（上流端）が、それぞれ接続されている。

第１の空気供給管３３２の空気出口（下流端）は、噴霧ノズル３１０の空気入口３１０ｂ（図４（ｂ））に接続されている。第２の空気供給管３３３の空気出口（下流端）は、液体貯蔵タンク３２１の天井近傍に配置されている。第１の空気供給管３３２の管路の中間部には電磁制御弁３３５、空気圧センサ３３６及びリザーバ３３７が設けられている。第２の空気供給管３３３の管路の中間部には電磁制御弁３３８と空気圧センサ３３９とが設けられている。

図４に示すように、噴霧ノズル３１０は、略円筒状の中空のケーシング４１の内部に略円筒状の中子４２を挿入し一体化させた構造になっている。ケーシング４１の先端には噴霧ノズル３１０の中心軸線Ａと中心が一致した円形の開口部４３が形成されている。この開口部４３により、気体噴射口３１２の外側輪郭が形成されている。ケーシング４１の側面には噴霧ノズル３１０の中心軸線Ａに対して垂直な軸線を有するようにして空気入口３１０ｂが設けられている。この空気入口３１０ｂに第１の空気供給管３３２が接続されている。

中子４２は、その中心軸線Ａに沿って内部がくり抜かれて中空になっている。また、その外径はケーシング４１の中空の孔にぴったりと嵌入する寸法になっている。中子４２の長手方向の中央部はやや細く形成され、ケーシング４１の内面との間に円環筒状の空間５０が残されている。中子４２の基端には液体入口３１０ａが形成されている。中子４２の先端には液体吐出口３１１が形成されている。液体入口３１０ａと液体吐出口３１１は、中子４２の軸心部を貫く流路により互いに連通している。液体入口３１０ａには、液体給送管３２３が接続されている。液体吐出口３１１の周囲には、渦流形成体５６が形成されている。渦流形成体５６は、円錐形状の先端面を有し、当該略円錐形状の先端面には、螺旋状の複数本の旋回溝５９が形成されている。そして、渦流形成体５６の先端面とケーシング４１の先端の内面との間には渦流室５７が形成されている。渦流室５７を構成している中子４２の先端端面５８は、ケーシング４１の開口部４３の内壁との間に隙間を有していて、これが気体噴射口３１２を成している。

図５に示すように、液体吐出口３１１は、噴霧ノズル３１０の中心に配置され、その周囲に環状の気体噴射口３１２が配置されている。気体噴射口３１２は渦流室５７に連通している。

気体供給口３１０ｂから噴霧ノズル３１０内に供給された圧縮空気は、空間５０を通過して、渦流形成体５６の旋回溝５９を通り抜ける際に更に圧縮され高速気流となる。この高速気流は渦状の気流となって、絞られた円環状の気体噴射口３１２から噴射され、噴霧ノズル３１０の前方に高速で旋回する気流を形成する。この旋回気流（渦状の気流）はケーシング４１の先端に近接した前方位置を焦点とするような先細りの円錐形に形成される。

液体供給口３１０ａには液体給送管３２３を通して水Ｗが供給される。液体供給口３１０ａから中子４２の中空部分を通って液体吐出口３１１から吐出された水Ｗは、気体噴射口３１２から噴射された高速の旋回気流によって微粒子に破砕され、均一粒径の微細なミストとなってノズル３１０の前方に放出される。当該ミストの粒径は、液体吐出口３１１から吐出させる水Ｗの流量及び気体噴射口３１２から噴射させる空気の流量（流速、圧力）を制御することにより調整できる。この実施形態の電子機器冷却システム１００においては、その水粒子の平均粒径が１μｍ以下のミストが使用される。水粒子の平均粒径が１μｍになるように調整することで、常温・常湿・常圧の大気中で容易に気化し、且つ電荷を持たないミストを得ることができる。このような、平均粒径が１μｍ以下で電荷を持たないミストを使用することにより、一般的なドライミストを使用した場合と比較して２０倍乃至３０倍の単位容積内水分量を結露を防止しつつ実現し、極めて高い冷却性能を実現することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
上述の実施形態では、収容体としてケースを例示したが、サーバルーム内を複数の部屋に区画する間仕切りを使用して収容体を実現することも可能である。

上述の実施形態では、ミスト配管２３１の配管部分２３２の所々にミスト出口２３３が形成されているが、配管部分２３２の所々に、個々のサーバ装置５００の近傍に延びる分岐配管を設け、各分岐配管の一カ所又は所々にミスト出口を形成してもよい。この構成によれば、個々のサーバ装置５００ごとにその直ぐ近傍からミストを供給して、全てのサーバ装置５００を確実に冷却することができる。また、各分岐配管へのミストの供給を電磁弁などにより選択的に切り替えることができるように構成することにより、ラック２１０に収容されている複数のサーバ装置５００のうちの特定のサーバ装置５００を集中的に冷却したり、ラック２１０内の特に高温になっている領域を優先的に冷却したりすることも可能となる。

上述の実施形態では、電子機器収納装置としてサーバラック装置を例示したが、所謂スーパーコンピュータを構成する複数の演算処理装置を収納するための収納装置に適用することも可能である。

１００ 電子機器冷却システム
２００ サーバラック装置
２１０ ラック（収納体）
２２０ ケース（収容体）
２２４ 吸気口
２２５ 排気口
２３０ ミスト供給系
２３１ ミスト配管
２３２ 上昇流配管（配管部分）
２３３ ミスト出口
３００ ミスト発生装置
３１０ 噴霧ノズル
３１１ 液体吐出口
３１２ 気体噴射口
５００ サーバ装置（電子機器）

Claims (4)

1. 発熱源となる複数の電子機器を上下方向に互いに離間させて収納可能な収納体と、
   前記複数の電子機器を前記収納体ごと収容する収容体と、
   前記収容体の外部に設置されたミスト発生装置と、
   前記ミスト発生装置により発生させたミストを前記収容体の内部に供給するためのミスト供給系と、を有し、
   前記ミスト発生装置は、
   液体噴射口から水を吐出しつつ、その吐出直後の水を気体噴射口から噴射される気体の高速渦流によって破砕することにより前記ミストを発生する噴霧ノズルを備え、
   前記ミスト供給系は、
   前記ミスト発生装置により発生させたミストの通路となるミスト配管を有し、
   当該ミスト配管の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて流出させるためのミスト出口が形成されており、
   前記収容体は、
   排気口をその上部に有し、
   前記収容体の内部に供給された前記ミストが、前記電子機器から発せられる熱を気化熱として奪った後、前記排気口から自然排気されることを特徴とする、電子機器冷却システム。
2. 前記ミスト配管は、
   前記収納体に沿って上下方向に延びる配管部分を有し、
   当該配管部分の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて噴霧するためのミスト出口が形成されている、請求項１記載の電子機器冷却システム。
3. 発熱源となる複数の電子機器を上下方向に互いに離間させて収納可能な収納体と、
   前記複数の電子機器を前記収納体ごと収容する収容体と、
   前記収容体の外部に設置されたミスト発生装置により発生させたミストを前記収容体の内部に供給するためのミスト供給系と、を有し、
   前記ミスト供給系は、
   前記ミスト発生装置により発生させたミストの通路となるミスト配管を有し、
   当該ミスト配管の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて流出させるためのミスト出口が形成されており、
   前記収容体は、
   排気口をその上部に有し、
   前記収容体の内部に供給された前記ミストが、前記電子機器から発せられる熱を気化熱として奪った後、前記排気口から自然排気されることを特徴とする、電子機器収納装置。
4. 前記ミスト配管は、
   前記収納体に沿って上下方向に延びる配管部分を有し、
   当該配管部分の所々に、前記ミストを前記電子機器又はその近傍に向けて噴霧するためのミスト出口が形成されている、請求項３記載の電子機器収納装置。