コラム

データセンターではAIや高性能演算の需要増加でサーバーの発熱が急増し、従来の空冷だけでは対応が難しくなっています。

水冷水冷方式は「水の熱伝導率・比熱」が高い特性を生かし、効率よく熱を除去できる新手法です。

空冷と比較しても遜色ないほど熱を逃すことができ、電力効率も高くなるので、節電効果もみられます。

本記事では、データセンターの冷却に水冷が注目されている理由やメリットについて解説していきます。

本記事で特に重要なポイントは以下の3点です。

• GPUサーバーなど高負荷機器で消費電力と発熱が急増し、空冷では対応難しくなっている
• 水冷は空冷に比べ冷却効率が高く、消費電力削減効果が大きい
• 初期投資は高いものの、年間電力費の節約などで3～5年程度で元が取れるシミュレーションが可能

なぜ今、データセンターで水冷が注目されているのか？

近年、画像認識や生成AIの拡大によりデータセンターの需要が急増し、それに伴って高性能サーバーの設置台数も急速に増えています。

これらのサーバーは1ラックあたり数十～数百kWを消費することもあり、従来の空冷方式では冷却が追いつかないケースが増加しています。

空冷ファンやエアコンだけではピーク時の発熱を処理しきれず、CPUやGPUの性能低下・サーバートラブルの原因となることもあります。

こうした課題を解決する手段として注目されているのが水冷技術です。

水は空気に比べて熱伝導率・比熱が高く、効率的に熱を吸収・搬送できるため、冷却装置の小型化やラック密度の向上につながります。

これにより、高負荷環境でも安定したサーバー運用が可能となり、データセンター全体のエネルギー効率向上にもつながります。

データセンターで水冷が利用されつつある背景

近年、画像認識や生成AIの拡大によりデータセンターの需要が急増し、それに伴って高性能GPUサーバーの設置密度と消費電力が急速に増加しています。

1ラックあたり数十〜数百kWを消費するケースも珍しくなく、従来の空冷方式では冷却が追いつかない状況が生まれています。

空冷ファンや空調だけではピーク時の発熱を処理できず、CPUやGPUの性能低下やサーバートラブルを引き起こすリスクも高まっています。

こうした課題を解決する手段として、水を用いた冷却技術の水冷冷却が注目を集めています。

水は空気に比べて熱伝導率・比熱が約25〜30倍高く、効率的に熱を吸収・搬送できるため、冷却効率の向上・ラック密度の最適化・省エネ化に貢献します。

このため、高負荷環境でも安定したサーバー運用が可能となり、データセンター全体のエネルギー効率改善にもつながります。

水冷の基本仕組み｜水でサーバーを冷やす

水冷方式は、サーバー内部またはラック背面に冷却水を循環させる配管システムを設け、発熱源となるCPUやGPUから直接的に熱を奪う仕組みです。

前述した通り、水は空気に比べて熱伝導率・比熱が約25倍以上高く、より低い温度で効率的に冷却できる点が最大の特徴です。

そんな水冷冷却には、2つの冷却方法があります。

コールドプレート冷却方式（チップ直接冷却）

この方式では、サーバー内のCPUやGPUに金属製の冷却プレート（コールドプレート）を密着させ、その内部に冷却水を循環させて熱を直接吸収します。

発熱体と冷却媒体が密接するため、熱伝達効率が非常に高く、AIサーバーやHPC（ハイパフォーマンス・コンピューティング）など高出力環境での安定稼働に適しています。

また、空調設備に頼らずチップ単位で温度制御ができるため、エネルギー消費を最小限に抑えつつ、冷却装置の小型化・省スペース化にも貢献します。

サーバー内部に完結するため、外部構造の改修が少なく、データセンターでの導入もしやすい方式です。

水冷リアドア方式（ラック背面冷却）

水冷リアドア方式は、サーバーラックの背面に水冷ヒートエクスチェンジャー（リアドアパネル）を設置し、サーバーから排出される熱気を水によって吸収・冷却する方式です。

空冷ファンと併用するハイブリッド構造のため、既存データセンターへの後付け導入が容易であり、空冷からの段階的な移行にも向いています。

この方式では、ラックを通過する空気がリアドアで冷却されるため、室温上昇を抑制し、冷却効率を最大化できます。

空調負荷を減らすことで、PUE（電力使用効率）の改善や冷却コストの削減も期待され、特に高密度GPUサーバーの運用環境で採用が拡大しています。

データセンターの冷却方法を比較

データセンターで用いられる主な冷却方式には、従来の空冷、水冷、液浸冷却の3つがあります。それぞれの特徴を以下にまとめると、導入コストと効率のバランスが異なります。

冷却方式	特徴	メリット	デメリット
空冷	空気循環（ファン／エアコン）で冷却	設備導入が簡単で実績豊富	ファン動作で電力消費が大きい、冷却効率は低め
水冷	配管システムを使ってサーバーを内部・外部から冷却	冷却効率・省エネ性能に優れる、高密度化にも対応可能	初期導入費用が大きく設備改修が必要なことも
液浸冷却	サーバー全体を絶縁液に沈めて冷却	冷却効率は最高レベル（サーバ丸ごと冷却）	導入コストが非常に高い、専用液体の管理と技術が必要

空冷は旧世代のデータセンターで広く普及していますが、多数のファンを稼働させるため電力効率は低くなりがちです。

一方、水冷は導入後の省電力効果が大きく、空冷方式と比べて消費電力を数割削減できます。

液浸冷却はさらに高効率ですが、初期投資が非常に大きく、専門技術が求められます。

技術面やコスト面でバランスが取れている水冷は、現実的な選択肢として注目されています。

データセンターに水冷を導入する3つのメリット

データセンターに水冷を導入する3つのメリットは以下の通りです。

• 機器の安定稼働
• 電気代・冷却コストの削減
• 高密度設置が可能

機器の安定稼働

水冷ではサーバー内部の温度ムラが少なく保たれるため、CPU/GPUが熱により性能を落とすリスクが低減します。

液冷システムは空冷に比べ外気のほこりや温度変化の影響も受けにくく、部品寿命が延びる報告もあります。

これにより、サーバーの故障頻度やメンテナンス頻度の低下が期待できます。

電気代・冷却コストの削減

水冷は空冷に比べ冷却効率が高いため、空調装置の稼働を抑えることができます。McKinseyの分析では、水冷導入により同じ作業を空冷の場合より30%以上低い電力費で達成できるとされています。

このため、電気代の大幅な節約が可能です。

PUE改善による省エネ効果で、運用コスト全体も低減します。

高密度設置が可能

水冷を用いるとサーバーラック内の温度を均一に管理しやすくなり、より多くの機器を密に配置できます。

例えば同じサイズのラックに、空冷より多いサーバーを詰め込めるようになるため、限られた設置スペースで処理能力を大幅に増強できます。

導入にかかる費用と回収の目安

データセンターの冷却システム導入にかかる費用について、以下の項目を軸に解説します。

• 初期費用
• 運用コスト（電気代・メンテ費）
• 投資回収シミュレーション

初期費用（設備・配管・冷却ユニット）

配管や冷却装置など新たな設備が必要で、空冷のみの場合より高額になります。

大規模なデータセンターになると、導入だけで数億円かかる場合もありますが、これについては、データセンターの規模感や空冷と水冷のバランスによって費用が変動します。

ただし、空調設備の増強費用が不要になる分、導入後の総コスト削減を見込めます。

なおMcKinseyは液体冷却の追加投資に対し、電力コスト次第で1〜3年以内に元が取れると報告しています。

運用コスト（電気代・メンテ費）

水冷では冷却ファンの稼働を削減できるため、日常の電気代は空冷運用時より大幅に減少します。

メンテナンスについても、機構自体は空冷よりシンプルで故障箇所が少ないため、総合的な運用コストは低く抑えられる傾向にあります。

投資回収シミュレーション

1ラックあたり100kWの装置で水冷導入により30%の電力削減ができた場合、電気料金10円/kWhとすると年間約260万円の削減が見込めます（30kW×10円×24h×365日）。※あくまで概算例です。

初期費用をこうした年間削減額で割ると、約4年程度で投資回収できる計算になります。

もちろん運用実態や電力単価によって異なるため、事前のシミュレーションで効果を具体的に見積もることが大切です。

データセンターの水冷導入の流れと注意点

まず既存設備の発熱量や消費電力を調査し、どれだけの冷却が必要か把握します。

高負荷サーバーの導入予定やピーク負荷を予測し、冷却容量を決定します。

次に、必要なラックスペースと水配管の経路を設計します。

冷却水の供給・排水経路、サーバーユニットへの接続方法を検討し、必要な配管・ホース長さを算出します。

現場レベルでは、既設ラックへの後付け改修も可能ですが、大規模な改修が必要な場合もあります。

事前に配管ルートとスペースを確保しておくことが重要です。

最後にm水漏れ防止のために信頼性の高いホース（例：Parker社製など）と接続部を採用します。

KDDIの事例では、漏水センサーや緊急遮断弁を設置し、万一の漏れを速やかに検知・遮断できる仕組みを構築しています。

また、運用時は水温管理や定期点検を実施し、ホース・ポンプの劣化を防ぎます。

これらの安全対策により、実際には空冷より安定した運用が可能となっています。

導入事例と今後のトレンド

近年、国内外で水冷導入の動きが加速しています。海外ではGoogleがAI処理用TPUサーバーの冷却に液体冷却を導入し、Microsoftも二相液浸冷却を商用環境で実運用するなど、大手クラウド事業者が積極的に採用しています。

これらの事例では、超高密度サーバーを効率的に冷やしつつ消費電力を抑制する取り組みが進んでいます。

国内でも、KDDIが大阪や東京で建設中のAI対応データセンターで水冷技術対応を明示しています。

電力料金の上昇やカーボンニュートラル推進の流れから、日本企業も大規模DCでの水冷採用を検討・実施するケースが増えています。

特に生成AI、クラウド、高性能演算（HPC）といった分野では発熱量が極めて大きいため、水冷の導入が標準化しつつあります。

データセンターに水冷を導入する前のよくある質問

ここからは、データセンターに水冷を導入する前のよくある質問について解説します。

本記事で紹介するよくある質問は以下の通りです。

• 水冷って本当に安全？漏れたりしないの？
• 小規模なデータセンターでも導入できる？
• メンテナンスは難しい？

Q1: 水冷って本当に安全？漏れたりしないの？

高品質の専用ホースと配管を用い、接合部はしっかり締結すれば、水漏れのリスクは最小限に抑えられます。

ただし、ホースの接合部分に不具合がある場合は、水漏れの可能性もあるため、必ず専門家の指導のもと導入をすすめましょう。

Q2: 小規模なデータセンターでも導入できる？

大規模DC用の大掛かりな設備でなくても、リードアクスチェンジ（リアドア式熱交換器）など部分的な水冷ユニットを使えば、小規模・既存DCでも導入できます。

必要な部品や工事規模はケースバイケースなので、専門業者によるプランニング相談がおすすめです。

Q3: メンテナンスは難しい？

基本的には定期点検と消耗品交換が中心で、構造自体はシンプルです。

配管やポンプ・熱交換器の点検、液温・流量監視などを行えばよく、専門知識がなくても定期メンテナンスが可能です。

配管内を流れるのは絶縁水（不凍液）などで腐食しにくいため、交換周期も比較的長い場合が多いです。

プロフレックスの水冷ホースが選ばれる理由

プロフレックスでは、データセンター専用設計の水冷ホースを提供しています。

世界的に信頼されるParker社製ホースを採用し、厳しい温度・圧力環境にも耐える高い耐久性を実現しています。

「データセンターの水冷化を目指したいけど、ホースの不具合や水漏れが心配」という方は、プロフレックスにご相談ください。

弊社はホースのカスタム加工（長さカット・接続金具取付・品質検査）まで一貫対応し、現場に最適化した設計を行います。

設計から施工までトータルサポートし、安全・効率的な水冷システムの構築をお手伝いします。

くわしくはこちらの記事を参考にしてください。

プロフレックスのParker製水冷アッセンブリサービス

まとめ

水冷方式は、データセンターの冷却課題を根本的に解決する有力技術です。

空冷では困難だった高発熱サーバーの安定稼働を実現し、省エネ効果による運用コスト削減や高密度化が可能になります。

一方で設備投資は必要ですが、導入後は数年で電気代の削減効果で回収できるケースが多く、長期的には大きなメリットをもたらします。

国内外での事例も増えており、今後ますます水冷技術がデータセンターのスタンダードになる見込みです。最新のAI・クラウド時代において、高性能サーバーを活かすために、水冷導入は欠かせない選択肢となっています。