2008年9月28日

日本の湿気った空気には、水冷が良い

日本の夏は蒸し暑い。これは日本人ならば誰でも知っていると思う。

日中最高気温は35度以上になり、40度だって当たり前。
なのに湿度が60%を下回る事はない。恒温動物にとって地獄のような環境である。

さて、一方その頃(え?)。

飽和水蒸気量という単語をご存知だろうか? Wikipediaへのリンクをくっつけてあるが、ようするに 1m3の空間中に存在できる水蒸気の質量をgで現したもの、だそうだ。当然、これは100%のときの質量であって、たとえば湿度が60%の場合、存在している湿度の量はその60%になる。

で、大事なのはその曲線の形状だ。Wikipediaの画像をちょいと無断拝借:

飽和蒸気圧曲線

数字はどうでもいい。大事なのは形状だ。
わかるだろうか?気温10度から20度へ10度上昇した場合と、20度から30度へ10度上昇した場合とでは、後者の方が増大量が大きい。

問題はこうだ。
データセンターのようなマシンルームでは、室温20~25度、湿度0~30%になるように押さえつけなくてはいけない。内部に格納されている全てのマシンが空冷だからだ。外気温が35度、湿度50%の状態からこの状態へ空気を冷やすにはどれだけの熱量をくみ出せばいいのだろうか?当たり前だが単純に20度に冷やすだけでは湿度は100%になってしまうので、20度のときに湿度30%になるぐらいまで水を減らす必要が出る。

水が同じ温度の水蒸気になるためには気化熱が必要だ。Wikipedia の蒸発熱のページによると、40.8 kJ/mol のエネルギーが必要だ。これは0度から100度まで温度を上げる際に必要な熱量の5倍に当たると言う。逆に言うと水蒸気を水に戻すときにはこれだけのエネルギーを「気温降下とは別に」くみ出さなくてはいけない。

一方で、マシンの冷却に湿度は関係ない。湿度はマシンが錆びたり、黴たりするのを防ぐために下げるのであって『気温は下がらないけれども、湿度を下げれば…』とはならないのだ。マシンは汗をかかないから。




そこでこういう発想が出てくる。

仮に、気温を20度まで下げる代わりに30度までしか下げない事を考えよう。で、チップなど主な冷却対象に液冷装置をつける。液体の温度は30度にすることで結露を防ぐ。代わりに、液体を強制循環させてどんどん熱をくみ出す。CPUなどの表面温度は40度以上なのは空冷であっても変わらないので、30度の液体を強制循環させた場合でも十分な冷却効果は得られるはずだ。

30度までしか気温を下げないので、除湿しなくてはいけない量が圧倒的に少なくて済む。これによってデータセンターの冷却設備の能力を、マシンを冷却する事に集中させる事ができる。




さて。これでどれぐらい無駄なエネルギーを削減できるか。
うーん。面倒なので誰か代わりに計算してください(おぃ

大雑把に言っても、夏場、エアコンはもうジャブジャブと水を「生産」しています。水1molは18gしかありません。これは18ccと同じです。一合は180ccなので計量カップ一杯は10molです。
1molの水がジャブッと出るたびに40.8kJが必要なので、180ccの水が出てくるのには408kJの熱をくみ出す必要があります。

水を1mol、0度から100度にするには7.53 kJ必要です。別の言い方をすると10度下げるには0.753kJくみ出すだけでいい。乾燥空気の場合は(http://q.hatena.ne.jp/1180249482によると)0.288[kcal/m3 ℃]=1.2kJちょいですから12kJくみ出せば10度下がります。このことから考えると、ワンカップの水が冷却器から出てくるたびに、34m3の空気を冷やすのと同じ能力が消費された、と見ることが出来ます。液冷にする事で、この能力の大半を、本来のマシンを冷やす事に振り向け直す事ができるのです。




夏場、冷房装置からどれだけの水が出ているのか見てください。
家庭用のエアコンは真夏の日中に空気を20度に冷やしたりしません。なのにそれだけでるのです。

マシンルームのデザインに液冷対応を考慮するのは十分価値のある事だと思いませんか?