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NECら、データセンターの空調消費電力を半減できる新冷媒採用システムを開発

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NECおよびNTTコミュニケーションズ株式会社(NTT Com)は28日、ノンフロンの新冷媒を採用したデータセンターの通信機械設備用の冷却システムを開発し、共同で実験を行なったと発表した。この結果、空調の消費電力を従来から半減できることを実証した。 (引用:PC watch8月28日)

国会議員の方の「サーバは増やすんじゃなくて、時代はもうクラウドなんですよ」という発言が話題になりましたが、クラウドサービスによっていつでもどこでもデータにアクセスできるのは、GoogleやMicrosoftといったクラウドサービス会社が巨大なデータセンターを保有していて、その中にある数多くのサーバーをトラブルで停止しないように24時間365日管理しているからです。

サーバーは高性能なパソコンですので内部のCPUをはじめとする電子部品は高温になっていて、部屋を常に冷却しなくはなりません。現在は電子部品の小型化が進み、ラックの中に何十台ものサーバーが収納されているため発生する熱の密度が高く、効率よく冷却することが求められています。今回のニュースはその冷却の効率を向上させる技術開発を行ったという内容です。

現状では、ファンの風を電子部品に当て、CPUといった特に熱を発する電子部品については、加えて熱伝導率が良い銅やアルミニウムの放熱フィンを接触させて放熱し、部屋全体をエアコンによって冷却することが一般的です。しかし本来は、発生熱源付近で冷却を行うほうが効率は良いことがわかっています。そのため局所的に冷却する方法の一例として水を循環させて冷却する方法がありますが、熱を受ける部分の機器が大きく後付けが困難で、しかも水漏れによるショートの危険性があります。また従来の冷媒を使って局所的に冷却する方法も考えられますが、高圧ガスを使用するため、有資格者による定期点検などといった管理が必要です。そこでNECとNTT Comでは、新しい冷媒を使った低圧の冷却システムを開発し、空調消費電力を従来の冷却システムと比較して半減できることを実証しました。

消費電力の比較(出典:NEC

この方法は、相(気体液体)変化冷却技術と呼ばれ、液体の冷媒が気化する際にサーバーから発生する熱を奪い、機器を冷却します。その気化した冷媒は、室外で冷却されて液体に戻り、熱源に戻されます。液体が熱源を通過した後も液体と気体の2相が存在していること、大容量で冷媒を循環させることがエアコンとは異なる点であり、このサーバー内を局所的に冷やすという用途においては適しているようです。加えて両社は配管内の気体と液体を分離する工夫を行ったことで気体の流れをスムーズにして低圧冷媒を大流量で流すことに成功しました。これにより、送風と圧縮の消費電力を下げるだけでなく、ユニットの小型化により、サーバの直上に後付けできるようになったそうです。

開発したシステムと従来型の比較(出典:NEC

機械的な話はここまでにして冷媒について見ていきますが、使われているのはR1224ydという新しい冷媒で、構造は下記のようなCC二重結合にフルオロ基、トリフルオロメチル基、クロロ基が結合しています。自然冷媒に関するニュースで紹介しましたが、オゾン層を破壊するハイドロクロロフルオロカーボンの代替としてハイドロフルオロカーボンが使われるようになった経緯があります。一方でハイドロフルオロカーボンも、地球温暖化係数が高いという欠点があるため、将来的には、地球温暖化係数が低い冷媒に代替していく動きがあります。フッ素化合物の地球温暖化係数を低くするには、二重結合を導入して大気中で分解されやすくすることであり、ハイドロフルオロオレフィンの冷媒が開発されています。このR1224ydにも二重結合があり地球温暖化係数は、0.88と非常に低いことが特徴です。一方で、クロロ基を有しているため、オゾン層を破壊しないか気になるところですが、オゾン層破壊係数は0.00023で実質0だとされています。フロンによるオゾン破壊は、UVによってClが解離し、それがオゾンと反応することが起こる現象です。おそらくこのR1224ydの場合は、二重結合の開裂が優先して起きるため、Clの解離が起こりづらいと考えられます。

R1224yd((Z)-1-Chloro-2,3,3,3,-Tetrafluoropropane)の構造

R1224ydは、圧力が低い環境で使われるのに適していて、カーエアコンといった圧力が高い用途には、R1234yfというハイドロフルオロオレフィンが開発されています。R1224ydはR1234yfの水素を塩素に置換した構造をしています。単にR1234yfよりも分子量を大きくするには、塩素だけでなくいろいろな官能基が考えられますが製造プロセスの共通化によりコストを抑えることができるからこの構造で商品化したのかもしれません。

R1234yf(2,3,3,3-Tetrafluoropropene)の構造

このR1224ydは、地球温暖化係数が極めて低い以外に、ハイドロフルオロカーボンと比較して冷媒や溶剤としての性能は同じであるという特徴があり、冷媒の性能を表す種々の物性値は、R245faと同等であることが示されています。用途によっては、R245faよりも高効率であることが示されているため、この相変化冷却技術においても、地球温暖化係数が極めて低い以外に冷却効率が一般的な冷媒よりも高いことが採用された理由かもしれません。

R245fa(Pentafluoropropane)の構造、地球温暖化係数は1030

サーバーの冷却効率を上げる他の技術として、サーバーを丸ごと液体に浸すことも検討されています。ここで使われている液体には不活性の絶縁体で、不燃性であることが求められるため、フッ素化合物が使われています。このようにフッ素特有の物性を活かす応用は今後も広がっていくと考えられますが、活性が低いことで地球温暖化係数や土壌汚染の問題も起きるわけであり、応用に適した絶縁性や不燃性を保ちつつ、環境中で分解されるような構造を持つ化合物を開発することが化学に求められていると思います。

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企業の研究員です。最近、合成の仕事が無くてストレスが溜まっています。

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