JP2007250713A - 電子機器収容ラックおよびその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向に重ねて複数の電子機器を収容する電子機器収容ラックの、全体的に底面から上面へ流れる冷却空気流により電子機器を効率的に冷却する電子機器収容ラックおよびその冷却方法を提供する。
【解決手段】電子機器用ラック２０内には、垂直方向に複数のユニット状電子機器３２ａ〜３２ｎが収容され、底面２１近傍に配置した吸気ファン３１による吸気の実質的に全部を吸気仕切板３３によりラック２０の前面２３と電子機器３２の前面間の吸気流通路３６へ導く。そして、この吸気流通路３６の吸気を電子機器３２の前面から背面へかけて電子機器内を通過させ、各電子機器３２を前面吸気背面排気型とする。更に、電子機器３２の背面とラック２０の背面２４間の排気流通路３７を通る排気を排気仕切板３４により上面２２の排気ファン３０から外部へ排気する。
【選択図】図２

Description

本発明は電子機器に関し、特に内部に複数のユニット状電子機器を収容する電子機器収容ラックの発熱を強制空冷して、電子機器の動作信頼性を維持する電子機器収容ラックおよびその冷却方法に関する。

種々の電子機器、特にサーバ、電話交換機、放送機器、計測機器等の電子機器は、同じ機能又はことなる機能を有する電子機器をユニット（又はモジュール）状に構成し、これら複数のユニット状の電子機器を電子機器収容ラックに垂直（縦）方向に重ねて収容してシステムを構成するのが一般的である。斯かるユニット状構成にすることにより、当初は必要最小限の構成として初期投資を抑え、将来必要とされる拡張（又は増設）を可能にすると共にトラブル発生時等の保守サービス性を改善することが可能である。

また、斯かる電子機器収容ラックにあっては、前後に密閉型のドア（扉）を設け、通常状態では内部への不正アクセスによるトラブル、例えば内部の記録装置に記録された個人情報等の機密情報の漏洩を防止する。しかし、拡張、保守、配線の切替その他の理由でアクセスを必要とする際には、通常状態ではロック（施錠）された斯かる前面ドアおよび／又は背面ドアをアンロック（開錠）する。即ち、前面ドアを開けてユニット状の電子機器の取付け（追加）又は取り外しを行うと共に、背面ドアを開けてユニット相互間又は外部機器との接続の切替等を可能にする。

電子機器、特にトランジスタや半導体集積回路（ＩＣデバイス）等の能動デバイスを含む電子回路を動作させると不可避的に発熱を生じる。斯かる発熱は、電子機器収容ラックの内部温度を上昇させ、能動デバイスを含む電子回路の誤動作、寿命短縮および信頼性の低下の原因となる。そこで、電子機器収容ラック又は電子機器の内部温度を一定値以下に抑える必要がある。電子機器の内部温度上昇を抑える一般的な方法は、（電子機器収容ラックの）外部の冷気を電子機器収容ラック内部に吸込むと共に、上述した内部発熱により暖められた内部空気を電子機器収容ラックの外部へ排出する空冷（空気冷却）である。特に、大型且つ発熱量の大きい電子機器では、１台以上のファンを使用して冷気を発熱デバイスに吹き付けて放熱（冷却）する強制空冷が一般的である。

複数のユニット状電子機器を収納する機器収納用ラックおよびその空冷方法に関する従来技術は、幾つかの文献に開示されている。例えば、機器収納ラック内に縦方向に重ねて収容すると共にファンを使用してラック内部温度上昇を抑える機器収容用ラックが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、排気用ファンの消費電力を抑制でき且つ主空調気の消費電力の低減を図ると共に発熱が多いラックを効率的に冷却する電子機器収容ラックおよび空気調和システム等が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。これら従来の電子機器収容ラックは、ラックの上面に設けられた排気ファンにより、ラックの底面から吸い込んだ冷気を循環させて、ラック内部に重ねて配置された複数の電子機器からの発熱を放熱するよう構成されている。

図６を参照して、上述した特許文献１に開示される従来の機器収納用ラックについて更に詳細に説明する。この機器収納用ラック（以下、単にラックという）１は、吸気口９を有する底板２、冷却（又は排気）ファン装置１３が取り付けられた天板３を有し、内部に複数の機器８が縦方向に重ねて配置収納されている。各機器８は、ラック１の前面７側に吸気孔１０、ラック１の背面６側に内蔵ファン１１および排気孔１２を有する。

ラック１の冷却ファン装置１３および各機器８に設けられた内蔵ファン１１により、底板２の吸気口９から吸い込まれた冷気は、主としてラック１の前面７と機器８の前面７間の空隙を通過し、更に各機器８の前面の吸気孔１０から機器８の内部を通過して機器８の排気孔１１から排出され、機器８の背面とラック１の背面６間の空隙を通過し、最後にラック１の天板３に配置された冷却ファン装置１３によりラック１の外部へ排出される。ラック１の底板２の吸気口９から天板３の冷却ファン装置１３へ到る空気の循環により、各機器８の発熱デバイスは冷却され、機器８自体の内部、更にはラック１の内部温度上昇を所定値に抑えることが可能である。

特開２００５−１９８５７号公報（第３頁、第２図） 特開２００４−２８６３６５号公報（第６頁、第１０頁、第３図、第８図）

しかし、上述の如き従来の電子機器収容ラックは、次の如き課題を有する。先ず、ラックの底面から吸い込まれた冷気は、必ずしもラックの前面と機器の前面間を流れるとは限らず、冷気の相当部分がラックの背面と機器の背面間を流れて天板に設けられた排気ファンによりラック外部へ排気されるので、冷却効率が低い。また、ラック内部に収容される複数の機器は、必ずしも同じ発熱量ではないので、内部温度にばらつきが生じる（また、暖められた空気は上昇するので、底面近傍の機器よりも天板に近い機器の内部温度が高い）が、これら複数の機器の内部温度を可能な限り均一に冷却することが困難である。更に、ラックに収容される各機器に内蔵ファンを設けることは、コスト上および機器のサイズ上好ましくない。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題を解消又は軽減する電子機器収容ラックおよびその冷却方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明による電子機器収容ラックおよびその冷却方法は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）内部に垂直方向に配置される複数のユニット状の電子機器を収容すると共に底面から吸気して上面から排気するように構成された空冷式の電子機器収容ラックにおいて、
該電子機器収容ラックの内部の前記底面前方に配置された少なくとも１個の吸気ファンと、該吸気ファンからの吸気を前記電子機器の前面側へ案内する第１空気整流手段と、該第１空気整流手段で整流された吸気が前記電子機器内を通過した排気を前記電子機器の背面側から排気ファンが設けられた前記上面へ案内する第２空気整流手段とを備える電子機器収容ラック。
（２）前記第１空気整流手段は前記ラックの底面後部から前面側へ傾斜する吸気仕切板であり、前記第２空気整流手段は前記ラックの上面前方から背面側へ傾斜する排気仕切板である上記（１）の電子機器収容ラック。
（３）前記吸気ファンは、前記ラック内部の前面に沿って配置された複数のファンにより構成される上記（１）又は（２）の電子機器収容ラック。
（４）前記電子機器の前面および後面近傍には、それぞれ収容される前記ユニットに対応して吸気および排気温度を検出する吸気温度センサおよび排気温度センサが設けられている上記（１）、（２）又は（３）の電子機器収容ラック。
（５）前記吸気温度センサおよび前記排気温度センサの検出信号が入力され、前記両温度センサの温度差を求め、前記複数の吸気ファンを制御する制御装置を備える上記（１）、（２）、（３）又は（４）の電子機器収容ラック。
（６）前記吸気ファンは、それぞれ前記制御装置により風量および／又は傾き角度が制御される上記（５）の電子機器収容ラック。
（７）前記吸気ファンの風量は、少なくとも弱、中および強の３段階に切替制御される上記（６）の電子機器収容ラック。
（８）内部に相互に垂直方向に重ねて収容される複数のユニット状電子機器の発熱を該電子機器の全体的に底面から上面へ流れる空気流により冷却する電子機器収容ラックの冷却方法において、
前記電子機器収容ラック内の前記ユニット状電子機器の前後にそれぞれ吸気流通路および排気流通路を設けるステップと、
前記電子機器収容ラック内の底面近傍に配置された複数の吸気ファンにより前記底面から前記吸気流通路へ冷気を吸込むステップと、
前記複数の吸気ファンにより吸い込まれた吸気を、前記ユニット状電子機器内部を通って前記排気流通路へ導くステップと、
前記排気流通路の暖められた空気を前記電子機器終了ラックの上面から外部へ排出するステップと、を備える電子機器収容ラックの冷却方法。
（９）前記電子機器収容ラック内において、前記吸気ファンにより前記底面から吸い込まれた冷気を前記吸気流通路へ導く整流ステップと、前記ユニット状電子機器内部で暖められた空気を前記排気流通路から外部へ導く整流ステップと、を備える上記（９）の電子機器収容ラックの冷却方法。

本発明による電子機器収容ラックおよびその冷却方法によると、次の如き実用上の種々の顕著な効果が得られる。即ち、底面から吸い込んだ冷気を吸気流通路へ導き、電子機器の前面から背面へその内部を通して排気流通路から上面の排気ファンにより外部へ排気することにより、電子機器を前面吸気背面排気とすることが可能である。特に、吸気仕切板および排気仕切板を設けることにより吸気の実質的に全てを電子機器の冷却に利用でき、冷却効率を向上することが可能である。吸気および排気温度センサの検出温度に基づき吸気ファンの風量および角度を制御するので、効果的な冷却が可能である。ラックの内部に収容された各電子機器には必ずしも個別の冷却ファンを設ける必要がないので、コンパクト化且つ低コスト化が可能である。従って、本発明は、特に前面吸気背面排気型のオープンサーバ等に好適である。

以下、本発明による電子機器収容ラックおよびその冷却方法の好適実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明による電子機器収容ラックの好適実施形態の全体構成の概略を説明する斜視図である。この電子機器収容ラック（以下、単にラックという場合もある）２０は、床等に設置される底面２１、この底面２１に対向する上面２２、前面２３、背面２４および左右側面２５、２６を有する全体的に縦長の略直方体である。

図１中では詳細構成を省略するが、このラック２０において、前面２３および背面２４は、好ましくは周知構成のロック（施錠）可能な前面ドアおよび背面ドアを構成し、必要時にはアンロック（開錠）して、内部にアクセス可能に構成されている。また、底面２１には吸気穴（図示せず）が形成されている。この吸気穴は、単一の大きな開口でもよいが、外部からの異物の侵入を阻止すると共に外部の冷気が自由に通過可能な多数の空気穴であってもよく、空気穴の形状は任意である。更に、上面２２には複数の開口が形成され、それぞれの開口に排気ファン３０ａ〜３０ｍが配置されている。また、ラック２０の内部且つ底面近傍には、左右方向に複数（例えば、６個）の吸気ファン３１ａ〜３１ｎが配置されている。

次に、図２は、図１に示す本発明による電子機器収容ラック２０の前後方向の縦断面図である。図２の断面図から明らかな如く、ラック２０内には、複数のユニット状電子機器３２ａ〜３２ｐが縦方向に収容可能に構成されている。更に、最も下に収容される電子機器３２ａとラック２０の底面２１間には、所定の間隙が設けられ、その間に吸気仕切板（第１空気整流手段）３３がラック２０の背面の底から電子機器３２ａの前面にかけて傾斜して設けられている。同様に、最も上に位置する電子機器３２ｐとラック２０の上面２２との間に、所定の間隙が設けられ、その間にラック２０の前面上部から電子機器３２ｐの上部背面にかけて傾斜して排気仕切板（第２空気整流手段）３４が設けられている。これらの吸気仕切板３３および排気仕切板３４は、空気流を規制する整流手段を構成する。また、ラック２０の前面２３とラック２０の内部に収容された電子機器３２の前面間は、十分な間隙が設けられ、吸気流通路３５を形成する。そして、ラック２０の背面２４と電子機器３２の背面間にも十分な間隙が設けられ、排気流通路３６が形成されている。更に、各電子機器３２ａ〜３２ｐの前面又はその近傍には、吸気温度センサ３８が設けられ、電子機器３２ａ〜３２ｐの背面又はその近傍には排気温度センサ３９が設けられている。

斯かる吸気仕切板３３および排気仕切板３４を設けることにより、ラック２０の底面２１からラック２０の内部に取り込まれる吸気、即ちラック２０外部の冷気に実質的に全部が、ラック２０の前面ドア２３の背後の吸気流通路３６を通過する。同様に、ラック２０内に収容された電子機器３２の背面から排出された暖かい空気は、各電子機器３２の背後の排気流通路３７を通り、ラック２０の上面２１に配置された排気ファン３０によりラック２０の外部へ排出される。換言すると、吸気の実質的に全部が、吸気流通路３６から（電子機器３２内部を通過することなく、また排気流通路３７を通って直接的に）排気ファン３０にてラック２０の上面２２からラック２０の外部へ排出されるのを阻止する。そして、吸気の実質的に全部が、電子機器３２ａ〜３２ｐの何れかの内部を通過して、これらの内部を冷却後に排気流通路３７を通ってラック２０の外部へ排出される。

次に、複数の吸気ファン３１ａ〜３１ｎについて説明する。これらの吸気ファン３１は、吸気仕切板３３により生じた空間、即ち吸気仕切板３３の前端とラック２０の底板２１間に配置される。従って、吸気ファン３１は、前面ドア２３の開閉又は各ユニット状電子機器３２ａ〜３２ｐの取り付け又は取り外し操作に支障を生じさせることがないことに留意されたい。これらの吸気ファン３１ａ〜３１ｎは、同じタイプのファンであってもよいが、後述の如く、その吸気性能（例えば、ファンの回転数）が制御（例えば、弱、中又は強の３段階に）可能であると共に、吸気ファン３１ａ〜３１ｎの少なくとも一部は、その空気吹き出し角度又は傾きも制御可能であるのが好ましい。

次に、図３〜図５を参照して、電子機器３２ａ〜３２ｐの内部温度に応じて吸気ファン３１ａ〜３１ｎの吸気動作を制御する制御動作について説明する。

図３は、吸気ファン３１ａ〜３１ｎの吸気動作を制御する吸気制御部の構成を示す概略ブロック図である。この吸気制御部４０は、図２中に示す電子機器３２の前面近傍に配置された複数の吸気（又は前面）温度センサ３８、電子機器３２の背面近傍に配置された複数の排気（又は背面）温度センサ３９、これら吸気温度センサ３８および排気温度センサ３９の検出温度が入力される好ましくはＣＰＵ（中央処理ユニット）を含む制御装置４０により構成される。そして、この制御装置４０は、図１および図２中に示す複数の吸気ファン３１ａ〜３１ｎに吸気量および角度制御信号を出力する。

ここで、吸気温度センサ３８の検出出力は、それぞれのセンサ３８取付け位置における吸気温度を示す。同様に、排気温度センサ３９は、それぞれのセンサ３９取付け位置における排気温度を示す。好ましくは、これら吸気温度センサ３８および排気温度センサ３９は、ラック２０内に収容される電子機器３２ａ〜３２ｐに対応して取り付けられる。従って、排気温度センサ３９の検出温度は、それぞれの電子機器３２の背面における温度を示し、またこれら対応する排気温度センサ３９および吸気温度センサ３８の検出温度差は、ラック２０内に収容された電子機器３２ａ〜３２ｐの内部で発生する発熱量又はこれら電子機器３２の内部温度に比例する。尚、これら温度センサ３８、３９の検出温度差は、一般に３〜５℃である。そこで、制御装置４０は、少なくともセンサ３８、３９の検出温度パターン計算部４１、吸排温度差計算部４２、制御パターン決定部４３および制御信号出力部４４を備えている。この吸気ファン制御装置４０等は、好ましくは吸気仕切板３３と最下部の電子機器３２ａ間の空間又は排気仕切板３４と最上部の電子機器３２ｐ間の空間に配置される。

図４は、吸気ファン３１の制御パターンの一例を示す。複数の吸気ファン３１ａ〜３１ｎ（この特定例では、３１ａ〜３１ｆの６個）のファン稼動パターンを示す。全ての排気温度センサ３９の検出温度が低いパターン１では、全ての吸気ファン３１ａ〜３１ｆの吸気量（又は回転数）を「弱」に設定する。内部温度が少し上昇したパターン２では、吸気ファン３１ａおよび３１ｄのみを「中」年、その他の吸気ファン３１ｂ、３１ｃ、３１ｅおよび３１ｆは「弱」のままとする。同様にして、パターン３およびパターン４になるに連れて「中」のファンを増加する。そして、最終パターンＸでは全てのファンを「強」に設定する。尚、各吸気ファン３１の吸気量（回転数）を４以上の異なる値に制御可能な場合には、更に多くのファン稼動パターンを得ることが可能である。

図５は、複数の吸気ファン３１ａ〜３１ｎのファンの角度（吸気噴出し傾斜）を示す一例である。例えば、６個の冷気ファン３１ａ〜３１ｆの場合には、吸気ファン３１ａおよび３１ｄの角度を「０」、即ち真上（垂直）とし、吸気ファン３１ｂおよび３１ｅは５度の角度で垂直より前方向とし、吸気ファン３１ｃおよび３１ｆは１０度の角度で垂直より前方向とする。このような角度制御により、図２に模擬的に示す如く、吸気ファン３１による吸気の供給位置を制御することが可能である。即ち、吸気ファン３１の角度を「０」とすると、ラック２０の上部に位置する電子機器、例えば３２ｐ等により多くの冷気が供給される。これに対して、吸気ファン３１を傾けると、吸気（又は冷気）は前面ドア２３と電子機器３２の前面間で反転して吸気流通路３６内を蛇行するので、中間位置の電子機器３２にも比較的多くの吸気を供給できる。従って、これら複数の吸気ファン３１ａ〜３１ｎの角度を組み合わせることにより、高温状態の電子機器３２に集中的且つ効率的に冷気を供給することが可能である。尚、吸気ファン３１ａ〜３１ｎの角度は、固定であっても一定角度範囲で可変であってもよい。角度が固定の場合には、隣接する吸気ファンの角度がそれぞれ異なるように設定配置するのが好ましい。

以上の説明から理解される如く、本発明の電子機器収容ラックおよびその冷却方法によると、各ユニット状電子機器には個別に冷却ファンを設けることなく前面から背面に冷却用空気流を生じさせる、前面吸気背面排気型と成し得る。

尚、上述の実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明による電子機器収容ラックの好適実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す電子機器収容ラックの前後方向の縦断面図である。 図１および図２に示す吸気ファンを制御する制御装置の構成を示すブロック図である。 図３の制御装置により制御される吸気ファンの稼動パターンの一例である。 図１および図２に示す吸気ファンの角度（傾き）の説明図である。 従来の機器収容ラックの説明図である。

符号の説明

２０ 電子機器収容ラック
２１ 底面
２２ 上面
２３ 前面ドア
２４ 背面ドア
３０ 排気ファン
３１ 吸気ファン
３２ ユニット状電子機器
３３ 吸気仕切板（第１空気整流手段）
３４ 排気仕切板（第２空気整流手段）
３６ 吸気流通路
３７ 排気流通路
３８ 吸気温度センサ
３９ 排気温度センサ
４０ 制御装置

Claims (9)

1. 内部に垂直方向に配置される複数のユニット状の電子機器を収容すると共に底面から吸気して上面から排気するように構成された空冷式の電子機器収容ラックにおいて、
   該電子機器収容ラックの内部の前記底面前方に配置された少なくとも１個の吸気ファンと、該吸気ファンからの吸気を前記電子機器の前面側へ案内する第１空気整流手段と、該第１空気整流手段で整流された吸気が前記電子機器内を通過した排気を前記電子機器の背面側から排気ファンが設けられた前記上面へ案内する第２空気整流手段とを備えることを特徴とする電子機器収容ラック。
2. 前記第１空気整流手段は前記ラックの底面後部から前面側へ傾斜する吸気仕切板であり、前記第２空気整流手段は前記ラックの上面前方から背面側へ傾斜する排気仕切板であることを特徴とする請求項１に記載の電子機器収容ラック。
3. 前記吸気ファンは、前記ラック内部の前面に沿って配置された複数のファンにより構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器収容ラック。
4. 前記電子機器の前面および後面近傍には、それぞれ収容される前記ユニットに対応して吸気および排気温度を検出する吸気温度センサおよび排気温度センサが設けられていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の電子機器収容ラック。
5. 前記吸気温度センサおよび前記排気温度センサの検出信号が入力され、前記両温度センサの温度差を求め、前記複数の吸気ファンを制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の電子機器収容ラック。
6. 前記吸気ファンは、それぞれ前記制御装置により風量および／又は傾き角度が制御されることを特徴とする請求項５に記載の電子機器収容ラック。
7. 前記吸気ファンの風量は、少なくとも弱、中および強の３段階に切替制御されることを特徴とする請求項６に記載の電子機器収容ラック。
8. 内部に相互に垂直方向に重ねて収容される複数のユニット状電子機器の発熱を該電子機器の全体的に底面から上面へ流れる空気流により冷却する電子機器収容ラックの冷却方法において、
   前記電子機器収容ラック内の前記ユニット状電子機器の前後にそれぞれ吸気流通路および排気流通路を設けるステップと、
   前記電子機器収容ラック内の底面近傍に配置された複数の吸気ファンにより前記底面から前記吸気流通路へ冷気を吸込むステップと、
   前記複数の吸気ファンにより吸い込まれた吸気を、前記ユニット状電子機器内部を通って前記排気流通路へ導くステップと、
   前記排気流通路の暖められた空気を前記電子機器終了ラックの上面から外部へ排出するステップと、を備えることを特徴とする電子機器収容ラックの冷却方法。
9. 前記電子機器収容ラック内において、前記吸気ファンにより前記底面から吸い込まれた冷気を前記吸気流通路へ導く整流ステップと、前記ユニット状電子機器内部で暖められた空気を前記排気流通路から外部へ導く整流ステップと、を備えることを特徴とする請求項９に記載の電子機器収容ラックの冷却方法。

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