固体冷却技術に期待高まる一方、実用規模への拡大が課題
ドイツと日本の研究チームが、データセンター向けの無電力冷却システムを試作しました。
ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）と筑波大学の研究チームは、データセンターへの適用が期待される電力不要の冷却システムの試作機を開発しました。
研究チームは、超薄型の形状記憶フィルムを2枚用いた固体冷却システムを開発しました。このシステムは熱エネルギーを機械的な仕事と冷却能力に変換します。
研究者らによると、この試作機は電動モーターを使用せずに動作する同種のシステムとしては初めてと考えられており、将来的により効率的なデータセンター冷却の実現につながる可能性があります。冷却システムは、データセンターの電力コストの最大40％を占めることがあります。
エラストカロリック固体冷却は、形状記憶合金と呼ばれる材料を活用する従来方式に代わる冷却技術です。対象材料に機械的な負荷を加えると結晶構造が変化して発熱し、負荷を取り除くと元の構造に戻る際に冷却が発生します。これまでのシステムでは、このプロセスを駆動するために必要な力を発生させる電動モーターが必要だったため、排熱を直接利用することはできませんでした。
しかし、学術誌「Nature Energy」に掲載された今回の研究では、新たなアプローチが示されました。研究チームは、相補的な機能を持つ超薄型のニッケルチタン製フィルムを2枚組み合わせています。1枚目のフィルムはサーバーやその他の電子機器からの熱を受けると収縮し、電動モーターを使わずに熱エネルギーを直接機械エネルギーへ変換します。
この動きは直ちに2枚目のフィルムへ伝達され、そこで繰り返し負荷の付与と除去が行われることで結晶構造が可逆的に変化し、冷却に利用できる冷熱を生み出します。従来の弾性熱量効果冷却システムで使用されていた、電動アクチュエーターの代わりを熱エネルギーが担う仕組みです。
KITのInstitute of Microstructure Technology（IMT）にあるZEco Thermal Labで若手研究グループを率いるJingyuan Xu博士は、次のように述べました。「重要な革新点は、形状記憶合金の相補的な2つの機能を組み合わせたことです。1枚のフィルムが熱を機械的仕事に変換し、もう1枚のフィルムがその仕事を冷熱へ変換します。これにより固体冷却を駆動する新たなアプローチを確立し、排熱や太陽エネルギーの活用に向けた新たな可能性を切り開きます。」
アクチュエーター温度86℃の条件下で、この試作システムは部品レベルで4℃の温度差を実現しました。データセンター向けチップの内部温度は通常60℃から85℃に達し、従来の空冷および液冷システムは10℃から20℃程度の熱を除去できます。そのため、固体冷却システムが現在の商用技術と同等の性能を発揮するには、さらなる開発が必要です。ただし研究チームは、今回の実験によってこのコンセプトの実現可能性が初めて実証されたとしています。
Jingyuan Xu博士は、次のように述べました。「これは始まりに過ぎないと考えています。今後はこの技術をスケールアップし、豊富に存在する熱源を活用した持続可能な冷却を実現するコンパクトな冷却システムの開発を目指します。」
すでに一部の企業は、固体冷却技術の実用化に取り組んでいます。英国のBarocalは今年5月、データセンター冷却市場向けシステムの商業化を目的として1,000万ドルを調達しています。
本記事は海外Data Centre Dynamics発の記事をData Center Cafeが日本向けに抄訳したものです。