(57)【要約】【課題】  圧縮空気を用いて情報処理装置内の発熱部品を効率的に冷却する冷却技術を提供する。【解決手段】  情報処理装置内の発熱部品に取り付けられ、支持体から延びる複数の放熱フィンを備えたヒートシンクと、ヒートシンクに対向する開口部から圧縮空気を放熱フィンの前記支持体を含む領域に吹付ける圧縮空気吹付け機構とを有することを特徴とし、とくに、発熱部品とヒートシンクの界面を集中的に冷却することを特徴とする情報処理装置の冷却システムに関する。【選択図】図１
2012113507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報処理装置内の発熱部品に取り付けられ、支持体から延びる複数の放熱フィンを備えたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに対向する開口部から圧縮空気を前記放熱フィンの前記支持体を含む領域に吹付ける圧縮空気吹付け機構と、
を有することを特徴とする情報処理装置の冷却システム。
【請求項２】
前記圧縮空気吹付け機構は、前記ヒートシンクの下部に一体的に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置の冷却システム。
【請求項３】
前記圧縮空気吹付け機構の前記開口部は、対向する前記ヒートシンクと同一の幅を有するスリット形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の情報処理装置の冷却システム。
【請求項４】
前記圧縮空気吹付け機構は、さらに、前記圧縮空気を冷却する冷却部を備え、高圧の圧縮空気をより低圧あるいは常圧にする際の圧力差によって冷却された圧縮空気を前記ヒートシンクに吹きつけることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の情報処理装置の冷却システム。
【請求項５】
前記冷却システムは、さらに、前記ヒートシンクまたは前記発熱部品の温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出される温度にしたがって前記圧縮空気の噴射量を制御する制御部とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の情報処理装置の冷却システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかの冷却システムを備えた情報処理装置が複数設置された室内を空調する空調機であって、
外気を導入する配管を備え、室内温度または発熱部温度が予め規定された温度よりも低くなったときに外気を導入することを特徴とする空調機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報処理装置の冷却システムおよび空調機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化に伴い、全ての業種に渡ってエネルギー削減の機運が高まっており、年々増加するデータセンターにおいても例外ではなく、この電力削減が重要な課題となっている。
【０００３】
データセンターの消費電力の約３割は、空調に伴う電力が占めている。データセンターのように複数のサーバが設置されている場合に、その中の最も温度が高いサーバに合わせて空調温度を設定する必要がある。その結果、他の低温のサーバに対しては過剰な冷却となり、電力が必要以上に消費されてしまう。
【０００４】
また、データセンターで用いられるサーバは、高性能化に伴い、使用するＣＰＵの消費電力が増大傾向にあり、これまでのファンの送風によりＣＰＵ（Central Processing Unit）に取り付けたヒートシンクで冷却する方法では不十分な状況にある。
【０００５】
さらに、空冷に十分な風量を確保できない場合には、空冷の温度を下げる必要がある。これではサーバ室全体の空調設定温度を下げるということになって空調にともなう電力が増大する、等の問題を抱えている。
【０００６】
これに対し、個々のサーバに備わる排気ファンの他に全体を冷却する大容量ファンを備え、サーバの発熱量に応じて風量を制御して、空調の省エネルギー化を図る技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５８８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、近年、サーバはますます高性能化し、サーバ内の部品の高密度実装化が図られている。この高密度実装に伴い、空冷のファンの送風の抵抗が大きくなり冷却に十分な風量を確保できなくなっている。また、サーバの小型化が進み、空冷のための空気導入に用いることができる面積は減少することから、十分な風量の確保が困難となっている。こうしたサーバの高性能化、小型化に対し、従来技術のようなファンの送風による冷却方法では、風量の確保は難しく、結果的に、サーバルーム全体の空調設定温度を下げるということになり、空調にともなう電力が増大するという問題を抱える。
【０００９】
そこで、本発明では、圧縮空気を用いてサーバ内の発熱部品を効率的に冷却する冷却技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、情報処理装置内の発熱部品に取り付けられ、支持体から延びる複数の放熱フィンを備えたヒートシンクと、前記ヒートシンクに対向する開口部から圧縮空気を前記放熱フィンの前記支持体を含む領域に吹付ける圧縮空気吹付け機構と、を有することを特徴とする情報処理装置の冷却システムに関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒートシンクに対向する開口部から圧縮空気を放熱フィンの支持体を含む領域に吹付ける圧縮空気の吹付け機構をヒートシンクの下部に取り付けことによって、高密度実装基板にも適用可能な小型の冷却システムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態になる情報処理装置の冷却システムの一基本構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる圧縮空気の導入による冷却構成例（その１：ヒートシンク全体への送風冷却）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる圧縮空気の導入による冷却構成例（その２：ヒートシンク下部への圧縮空気吹付け機構の取付）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になる圧縮空気吹付け機構の構造を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態になる冷却効果の実験に供する冷却構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態になる実験結果を表す図（その１）である。
【図７】本発明の実施の形態になる実験結果を表す図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の情報処理装置の冷却システムの一基本構成を示す。なお、以下の実施例では、情報処理装置は、サーバを例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
サーバ室１内には、稼働時に発熱するＣＰＵ、メモリなどの発熱部品４を有するサーバ３が収納された複数のラック２（図では１台を図示）が設置されている。サーバ室１内の温度は、空調機１００により一定に維持される。
【００１６】
サーバ３の冷却システムは、サーバ３内の発熱部品４に取り付けられ、支持体から延びる複数の放熱フィンを備えたヒートシンク５、放熱フィンから放出される熱で高温となった空気を排気するファン６、およびヒートシンク５の下部に取り付けられ、ヒートシンク５に対向する開口部（スリット状の開口部）を介して圧縮空気を放熱フィンの支持体を含む領域に吹付ける圧縮空気吹付け機構１０を有する。
【００１７】
また、サーバ３の冷却システムは、ヒートシンク５（または発熱部品４）の温度を検出する温度センサ７、および温度センサ７で検出される温度にしたがって圧縮空気の噴射量を制御する制御部８を有する。制御部８は、ヒートシンク５の温度センサ７の検出温度が予め設定された設定値を超えたか否かを判断し、電磁弁３０を開閉することによって、圧縮空気吹付け機構１０からの圧縮空気の噴射量を制御する。
【００１８】
ここで、圧縮空気は、サーバ室１の外に設置されたコンプレッサ（圧縮機）４０から配管を介してサーバ３内に供給される。圧縮空気の供給量は、ヒートシンク５に取り付けた温度センサ７の検出温度にしたがって電磁弁３０を開閉することで調整される。また、好適には、圧縮空気は、冷却部２０で冷却してサーバ３内に供給されることがさらに効果的となる。
【００１９】
この場合、冷却部２０に適用する圧縮空気の冷却技術は、高圧の圧縮空気をより低圧あるいは常圧にしたときの圧力差による断熱膨張を利用するもので、すでに、一般に製品（例えば、ジェットクーラ（登録商標）など）として供されている。本発明の冷却部２０においても、この従来技術を適用している。
【００２０】
また、サーバ３内に設けられたファン６は、温度センサ７の検出温度にしたがって、発熱部品４の温度が設定値よりも高くなると回転を開始しサーバ３内の冷気をラック２内に取り込むと同時に、ヒートシンク１４等から放散された熱により高温となった空気をラック２外に排出する。こうしたファン６による排気は、ヒートシンク５の放熱フィン間における圧縮空気吹付け機構１０からの圧縮空気の流れをスムーズにさせている。
【００２１】
以下、吹付け機構１０の具体例について述べる。
【００２２】
図２は、本発明の圧縮空気の導入による冷却構成例（その１：ヒートシンク全体への送風冷却）を示す。本実施例は、圧縮空気を導入する吹付け機構の最もシンプルな例を示したものである。
【００２３】
パイプ状ノズル１２は、圧縮空気を導入する配管用の金属パイプを兼ね、冷却対象の発熱部品４に近接して取り付けられている。冷却対象としての発熱部品４は、支持体５１上に所定間隔で一体に配置された放熱フィン５２を備えている。パイプ状ノズル１２は、図２に示すように、ヒートシンク５の近傍（ファンによる空気の流れの上流側）に配置され、コンプレッサ４０からフレキシブルパイプ（例えば、樹脂チューブ）１３による配管を通して供給される圧縮空気は、フレキシブルパイプ１３と締結された金属パイプ（ノズル兼用）１２を介してヒートシンク５に向けて噴射される。
【００２４】
図１で説明したように、ヒートシンク５の温度センサ７の検出温度が設定値より高いとき、電磁弁３０がオンとなって、パイプ状ノズル１２から圧縮空気が噴射し、検出温度が設定値より低いときは、電磁弁３０がオフとなって圧縮空気の噴射が停止する。
【００２５】
以上のように、ヒートシンク５（または発熱部品４）の温度が設定値よりも高くなると圧縮空気を噴射して発熱部品４を冷却する構成によって、空調機１００の設定温度を高くしてもサーバ３の故障や誤動作の回避が可能となり、空調機１００での消費電力を削減することが可能となる。
【００２６】
しかしながら、実際のサーバでヒートシンク５に圧縮空気を吹きつけるとなると、ヒートシンク５前面にパイプ状ノズル１２を設置するスペースが必要となる。一方、サーバ３の基板は、高密度実装されているため、パイプ状ノズル１２を設置するスペースを確保するのが難しい。また、冷気を吹きつけると冷却効果は高まるが期待できるが、ノズル部分が結露しやすいという問題がある。
【００２７】
また、ヒートシンク５の下部は発熱部品４と接しているため最も高温になるが、ヒートシンク５を流れる空気とヒートシンク５の間の界面が最も空気の流速が低い。つまり、温度の高い部分の空気の流速が最も遅く、冷却の効率が低下する。
【００２８】
こうした欠点を補うために、ヒートシンク５の下部において、圧縮空気を放熱フィン５２に吹きつけて発熱部品４を効率よく冷却する吹付け機構を、以下のように考案した。
【００２９】
図３は、本発明の圧縮空気の導入による冷却構成例（その２：ヒートシンク下部への圧縮空気吹付け機構の取付）を示す。図３（ａ）は、ヒートシンク下部への取付構造の概念図を三次元的に示したものであり、また、図３（ｂ）は、ヒートシンクのフィン側に設けた圧縮空気吹付け用開口部の配置を概念的に示したものである。
【００３０】
本実施例の圧縮空気吹付け機構１０は、所定のピッチで複数並置された放熱フィン５２を支持体５１に備えるヒートシンク５の下部に取り付けられ、側面に設けた開口部１１を介して、締結する金属パイプ１２から供給される圧縮空気を放熱フィン５２に吹きつける構造を有する。
【００３１】
開口部１１は、ヒートシンク５の端まで空気を送り込めるように、ヒートシンク５の幅のスリット状となっている。以降、開口部１１は、スリット状ノズル１１と表現する。このようなスリット状ノズル１１を有する圧縮空気吹付け機構１０は、図１のパイプ状ノズルに比較して、ヒートシンク５前面に大きなスペースを必要とせず、高密度実装基板に好適となる。
【００３２】
図４は、本発明の圧縮空気吹付け機構の取付構造を示す。図４（ａ）は、圧縮空気吹付け機構の発熱部品への取付構造の側面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）の側面図のａ−ａ’断面における上面図を示している。
【００３３】
圧縮空気吹付け機構１０の側面に設けられたスリット状ノズル１１から噴射する圧縮空気は、図に示すように、ヒートシンク５下部に取り付ける構造を有することによって、ヒートシンク５の支持体５１上面に一体化して複数並置された放熱フィンの隙間を通過し、かつ、高温となる発熱部品４との境界部分を集中的に吹き付けられこととなり、効率的な冷却システムが実現する。
【００３４】
また、圧縮空気吹付け機構１０をヒートシンク５と接触するように取り付けることによって、ヒートシンク５の熱がスリット状ノズル１１に伝わるため、空気噴出時にスリット状ノズル１１に結露が生じることを防ぐことが可能となる。したがって、従来できなかった冷気の吹付けが可能となる。
【００３５】
また、圧縮空気吹付け機構１０は、ヒートシンク５と一体型とすることが好ましい。一体型であれば、高密度実装の妨げにならず、かつ、結露する懸念がなくなる。
さらに、ヒートシンク５の下部は、ヒートシンク５下部と空気の間に境界層があり流速が小さい。本発明によれば、ヒートシンク５下部に圧縮空気を吹きつけるため、ヒートシンク５下部に乱流が生じ流速が大きくなって冷却効率が向上する。
【００３６】
図５は、本発明の冷却効果の実験に供する冷却構成を示す。これまで述べてきた本発明の冷却システムの冷却効果を検証する実験に供した構成例を以下に説明する。
（ａ）比較例
発熱部品４に幅１００ｍｍ×奥行き１００ｍｍ×高さ３０ｍｍのヒートシンク５を取り付け、ファン６のみで空冷した。
（ｂ）ファン＋パイプ状ノズル構成
パイプ状ノズル１２を取り付ける場所が基板上に確保できる場合に、ファン６のみの空冷に加えて、ヒートシンク５前面からパイプ状ノズル１２によって圧縮空気を吹きつけた。
（ｃ）ファン＋下部取付スリットノズル構成
スリットギャップ０．５ｍｍでヒートシンク５と同じ幅１００ｍｍのスリット状ノズル１１を有する圧縮空気吹付け機構１０をヒートシンク５下部に取り付け、ファン６の空冷に加えて、図３の構成になるスリット状ノズル１１からヒートシンク５に圧縮空気を吹きつけた。
（ｃ’）上記（ｃ）の構成に冷気化圧縮空気を付加
上記（ｃ）の構成において、さらに、圧縮空気を冷却する冷却部２０を用いた場合の効果についても検証実験を試みた。この場合、圧縮空気の圧力を下げることを利用して約１０℃の冷気を作り出した。そして、ファン６の空冷に加えて、スリット状ノズル１１からヒートシンク５に圧縮空気の冷気を吹きつけた。
（ｄ）ファン＋パイプノズル＋下部取付スリットノズル構成
パイプ状ノズル１２を取り付ける場所が基板上に確保できる場合に、スリットギャップ０．５ｍｍでヒートシンク５と同じ幅１００ｍｍのスリット状ノズル１１を有する圧縮空気吹付け機構１０をヒートシンク５下部に取り付けた。ファン６の空冷、ヒートシンク５前面からパイプ状ノズル１２によって圧縮空気を吹きつけることに加えて、図３の構成になるスリット状ノズル１１からヒートシンク５に圧縮空気を吹きつけた。
【００３７】
図６は、本発明の実験結果を表す図（その１）である。図６では、パイプ状ノズル１２を取り付ける場所が基板上に確保できる場合に適用可能な構成として、上記（ａ）、（ｂ）、および（ｄ）について実験した結果を示している。なお、実験は、サーバ起動後、発熱部品４の発熱量が約１００Ｗの時に、１０分後の発熱部品４の温度によって評価した。
【００３８】
比較例（ａ）では、ヒートシンク５の後方５０ｍｍの地点での風速は０．５ｍ／ｓであった。また、発熱部品４の温度は、８３．９℃となった。これに対し、（ｂ）では、発熱部品４の温度は６６．７℃となった。さらに、（ｄ）では、発熱部品４の温度は６２．６℃となった。
【００３９】
この結果より、比較例と比べて、（ｄ）において２１．３℃大きな冷却効果が得られた。このことから、比較例の場合の空調の設定温度２０℃よりも２１．３℃高くすることが可能となり、空調を用いずに外気のみでサーバを冷却することが可能となった。
【００４０】
図７は、本発明の実験結果を表す図（その２）である。図７では、パイプ状ノズル１２を取り付ける場所が基板上に確保できない場合に適用可能な構成として、上記（ａ）、（ｃ）、および（ｃ’）について実験した結果を示している。
【００４１】
比較例（ａ）では、ヒートシンク５の後方５０ｍｍの地点での風速は０．５ｍ／ｓであった。また、発熱部品４の温度は、８３．９℃となった。これに対し、（ｃ）では、発熱部品４の温度は７５．７℃となった。また、冷却した圧縮空気利用する（ｃ’）の場合、発熱部品４の温度は７０．１℃となった。このとき、ノズル部に結露はみられなかった。
【００４２】
この結果より、（ｃ’）の場合に、比較例と比べて１３．８℃と大きな冷却効果が得られた。このことから、比較例の場合の空調の設定温度２０℃よりも１３．８℃高くすることが可能となり、空調を用いずに外気のみでサーバを冷却することが可能となった。
【００４３】
以上述べてきたように、本発明によれば、従来の冷却に比べて大きな冷却効果が得られることが分かった。これによって、空調の設定温度を高く設定することが可能となり、あるいは、外気を導入する時間が増加し、さらに、空調を運転しなくても外気のみで情報処理装置の冷却が可能となる。
【００４４】
その結果、データセンターなどの情報処理装置を扱う施設における空調に伴う電力を大幅に削減し、地球温暖化防止に大きく寄与する。
【００４５】
なお、以上の実施例では、データセンター、サーバを例に述べてきたが、本発明の主旨に沿う限り他のいかなる情報処理装置あるいは空調に関しても同様に有効な方法であり本発明が適用可能であることは云うまでもない。
【符号の説明】
【００４６】
１  サーバ室
２  ラック
３  サーバ
４  発熱部品
５  ヒートシンク
６  ファン
１０  圧縮空気吹付け機構
１１  開口部（スリット状ノズル）
１２  パイプ状ノズル（金属パイプ）
１３  フレキシブルパイプ
２０  冷却部
３０  電磁弁
４０  コンプレッサ
５１  支持体
５２  放熱フィン
１００  空調機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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