JP2009127976A

JP2009127976A - 冷却システム

Info

Publication number: JP2009127976A
Application number: JP2007305854A
Authority: JP
Inventors: Shoji Haneda; 正二羽田; Hidehiro Takakusa; 英博高草; Minoru Okada; 實岡田; Haruki Wada; 晴樹和田
Original assignee: NTT Data Ex Techno Corp
Current assignee: NTT Data Ex Techno Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】高効率の冷却システムを提供する。
【解決手段】熱交換用コイルを備え送風用ファンを必要としない空気調和機と、
前記空気調和機内から吸引されて出る第１の空気流を導く第１のダクトと、
外気を第２の空気流として室内に導く第２のダクトと、
室内から空気を排出する排出口と、
第３の空気流を保持し該第３の空気流を冷却客体に通過させる閉空間と、
前記閉空間に前記第１のダクトを介して前記第３の空気流を送風する循環送風用ファンと、を備え、
前記第２の空気流が前記第１の空気流の負圧により混合されるよう該第２のダクトは該第１のダクトに接合され前記第３の空気流が生成され、
前記第３の空気流が、前記循環送風用ファンを通過後正圧となり前記閉空間及び前記冷却客体を通過し該冷却客体を冷却し温度上昇して該冷却客体を収容する前記室内に吹き出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冬期、中間期（春、秋）などにおいて外気を利用し、かつ、冷却客体の冷却需要に応じて冷気を適切に配分する冷却システムに関する。

特許文献１では、「戸外からの外気取り入れ、室内からの環気とを混合して空気を調和する空調装置において、通常、還気を取り入れるためのファンと、外気を取り入れて還気と混合して熱交換器や加湿器等で調和した給気空気を室内に給気するためのファンとを兼用し、中央空気調和装置を小型にすることが可能であり、制作費用を少なくし、調整や保守を簡単にすことが出来、装置を運転するランニングコストも小さくする空調装置を提供することにある。」という技術が開示されている。

特開２００７−２２５１４５号公報

最近、データセンタなどのＩＴ機器（通信用サーバ等）の高性能化により、これらの機器が発生する発熱量は膨大な値に成りつつある。一例を挙げると、データセンタに設置されてサーバを収容するラック１台あたり、近い将来２０〜３０ｋｗの発熱を伴うとも言われている。データセンタの規模は種々あるが、標準的なものの例を挙げると、フロアー面積が約１，０００平米の室内に２８０台のラックを設置する。これらがフル稼働した場合、１ラックあたり２０ｋｗの発熱として、５．６ＭＷ（５，６００ｋｗ）の発熱量となる。
したがって、これらを冷却するための冷却装置が問題となっているが、現在の冷却方法では不可能であるとされている。
特許文献１では、還気取り入れファンと外気取り入れファンを兼用し、中央空気調和装置を小型にするとされているが、冷却客体が需要する冷却を適確に冷却する技術が存在しない。
また、冷却客体のみを冷却し、余分な空間などには冷気を配分しない方法も開示されていない。

以上の現状に鑑み本発明は、冬期などにおいて外気を取り入れ、冷却効率を高めるとともに、冷却を需要する冷却客体のみに冷気を供給し、不要な対象には冷気を供給しない冷却システムを実現する。
これは、第１にはデータセンタにおけるサーバは終日フル稼働することはなく、時間帯により及びサーバの用途により消費電力が変動するからである。
第２には、冷却客体以外には冷気が配分されない方法による。

上記の目的を実現するべく本発明は以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る冷却システムは、熱交換用コイルを備え送風用ファンを必要としない空気調和機と、
前記空気調和機内から吸引されて出る第１の空気流を導く第１のダクトと、
外気を第２の空気流として室内に導く第２のダクトと、
室内から空気を排出する排出口と、
第３の空気流を保持し該第３の空気流を冷却客体に通過させる閉空間と、
前記閉空間に前記第１のダクトを介して前記第３の空気流を送風する循環送風用ファンと、を備え、
前記第２の空気流が前記第１の空気流の負圧により混合されるよう該第２のダクトは該第１のダクトに接合され前記第３の空気流が生成され、
前記第３の空気流が、前記循環送風用ファンを通過後正圧となり前記閉空間及び前記冷却客体を通過し該冷却客体を冷却し温度上昇して該冷却客体を収容する前記室内に吹き出され、
前記室内に吹き出された前記第３の空気流の一部は前記排出口から排出されるとともに該第３の空気流の残部は前記空気調和機に吸引され冷却されることを特徴とする。
（２）請求項２に係る冷却システムは、請求項１において前記第３の空気流を送風する循環送風用ファンは複数設備され、複数の前記冷却客体の集合体に各々割り当てられて自己が送風し前記冷却客体を冷却し通過した後の該第３の空気流の温度により回転制御されることを特徴とする。
（３）請求項３に係る冷却システムは、請求項１又は２において前記閉空間に前記第３の空気流が導かれる風路には、逆流阻止弁又は逆流阻止仕切りが備えられることを特徴とする。

（４）請求項４に係る冷却システムは、請求項１乃至３のいずれかにおいて前記室内に吹き出された前記第３の空気流は、加湿器により加湿されるとともに気化熱により冷却されることを特徴とする。

請求項１に係る発明は、冬期等において外気を取り入れることで、外気そのものを冷却用空気として利用できるため冷却効率が向上する。
また、冷却客体が存在しない空間には冷気を漏らさないため不要な冷却が為されず、さらに冷却効率が向上する。
次に、第１の空気流の負圧により外気を取り込むので、外気取り込み用ファンを必要としないこと、及び、空気調和機にもファンを必要としない。

請求項２に係る発明は、冷却客体の需要に応じて冷気を配分する。すなわち、高熱量を発生する冷却客体には多量の冷気を供給し、発熱量の少ない冷却客体には少量の冷気を供給し、稼働していない冷却客体には冷気を供給しない。
請求項３に係る発明は、室内の温度の高い空気が、第１のダクトに逆流しないため、冷却効果を阻害しない。
請求項４に係る発明は、冷却客体を通過して温められた環境で加湿されるので、ここでも気化熱による冷却効果が発生する。

実施の形態
（１）システム構成
図１は、本発明による実施の形態の平面図（室内を上から見た）として模式的に示されるシステム構成図である。図２は、本発明による実施の形態の側面図（室内を横から見た）として模式的に示されるシステム構成図である。通常は、隠れて見えない部分を破線で示すが、両図においては全て実線（ただし、後述する空気ダクト８１、８２により遮られるラック列Ｒ１１〜Ｒ２２は、遮られた部分のみ破線表示している。）で示しているが、明細書中において説明する。この他に存在する冷却水用ポンプ、冷却水配管及び冷却塔は図を省略している。
両図にはマシン室０１（特許請求の範囲では室内と称す。）と冷凍機室０２が存在する。

図１において、冷凍機１は冷水配管５と接合され、冷水配管５の途中に冷水用ポンプ２が設置され、冷水配管５は空気調和機３１及び３２を通り冷凍機１に戻り一巡する。空気調和機３１、３２中には外から見えない熱交換用コイル４が存在する。空気調和機３１には空気ダクト８１が接合され、ラック列Ａ、Ｂ、Ｃの上に設置される。ラック列Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、ラック列Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１，Ｒ２２（この符号表示は、ラック列Ｂのみに示されているが、ラック列Ａ及びＣにも適用される。ラック列Ｒ１１及びＲ１２は図１において、中間のドアーＤｒを境に上側に図示され、Ｒ２１及びＲ２２は下側に図示され、左右の関係にある。）として設置される。ラック列Ｒ１１とＲ１２、ラック列Ｒ２１とＲ２２は通常ペアーである。同様に、空気調和機３２には空気ダクト８２が接合され、ラック列Ａ、Ｂ、Ｃの上に設置される。
空気ダクト８１には、それぞれのラック列Ｒ１１、Ｒ１２及びドアＤｒ（この符号表示は、ラック列Ｂのみに示されているが、ラック列Ａ及びＣにも適用される。）で挟まれる空間（特許請求の範囲では閉空間と称す。）の上部に下降気流を生成させる循環送風用ファンＦ（ラック列Ｂに符号表示、ラック列Ａ、Ｃも同様）が設備される。同様に、空気ダクト８２には、それぞれのラック列Ｒ２１、Ｒ２２及びドアＤｒで挟まれる空間の上部に下降気流を生成させる循環送風用ファンＦが設備される。

外気取り入れダクト６は、空気ダクト８１、８２にそれぞれ接合される。それぞれの外気取り入れダクト６には外気吸入量調整バルブＶが配設される。それぞれの排気口７にも排気量調整バルブＶが配設される。
ドアＤｒは開いた状態を示しているが、閉じるとそれぞれのラック列ペアーとファンにより割り当てられた閉空間を構成できる。この閉空間で閉じられない部分は、ファンとラック列前面に設けられた通風口のみであり、ファンから送風された空気は他に漏れないでラック列の通風口に抜けサーバ等を冷却する。図１に示す矢印（ラック列Ａのみに表示しているが、他のラック列も同様）は空気の移動方向を示しており、空気は矢印方向に移動する。各所に示されるＡ⁺、Ａ⁻、は気圧状態を表し、Ａ^＋は、正圧（高気圧）、Ａ⁻は負圧（低気圧）を意味する。

図２において、Ｃｅは天井を示し、外観上の問題からは、空気ダクト８１、８２は天井裏に設置されることが望ましい。図１に図示しないＶａは、閉空間の空気が空気ダクト８１、８２に逆流しないためのバルブである。その他の符号、構成は図１と同一であり、説明を省略する。

図１及び２に示すシステム構成は模式的な一例であり、これらと掛け離れ、作用効果が相違する構成以外は、これらの構成の範疇に入る。また、冷凍機、空気調和機の台数は一例でありサーバの発熱量に応じて設備する。ラック列の台数もサーバ台数に応じて設備する。空気ダクト、外気取り入れダクト、排気口の数や規模、循環送風用ファンの個数や規模も同様である。
また、この実施の形態では、データセンタを例にとり構成を説明したが、これに限定されず同様な冷却作用が要求される冷却客体があれば、これにも適用できる。なお、後述するシステム動作にも同様なことが適用できる。

（２）システム動作
図１及び２を参照して本発明の冷却システムの動作を説明する。
冷凍機１は冷水を冷却し、冷水用ポンプ２は冷水配管５を介して冷水を空気調和機３１、３２内の熱交換用コイル４に循環させ、冷凍機１に戻す。空気調和機３１、３２は内部の熱交換用コイルにより熱交換し冷風を発生させる。

冷風は、循環送風用ファンＦが回転することにより、空気ダクト８１、８２を介して閉空間に導かれる。このとき、空気ダクト８１、８２内のＡ⁻の領域は気圧が低下し負圧となる。空気ダクト８１、８２に接合される外気取り入れダクト６内も負圧となるため、ダクト６は外気を吸引する。したがって、外気吸引ファンが無くてもよい。冬期、中間期において取り込まれた外気は、空気調和機から出る冷風と混合され、空気調和機からの冷風はさらに冷却される。
この冷却された冷風は、閉空間に保持されながらラック列を通過し温度上昇して室内に吹き出される。このときサーバが冷却される。なお、閉空間にドアーＤｒが設けられているがサーバ等のメンテナンス用であり、通常は閉じられ閉空間となり、循環送風用ファンＦから吸引された冷風は、ラック列に向かう以外に漏れ空気は無い。このため、冷風は専らサーバを冷却する以外のエネルギーには消費されないため非常に高効率となる。

図示しないが、各ラック毎に空気（温風）吹き出し口に温度センサーを配設して温風温度を計測しラック列の値として集計することにより、ラック列ペアー（Ｒ１１とＲ１２、Ｒ２１とＲ２２）に割り当てられた循環送風用ファンＦの回転速度を制御する。
吹き出し温度が高いラック列を担当する循環送風用ファンＦ（複数の構成でもよい）は、高速回転し冷風を大量に閉空間に導く。吹き出し温度があまり高くないラック列を担当する循環送風用ファンＦは、ほどほどの回転をして中程度の量の冷風を閉空間に導く。全く稼働していないか、または、サーバを収容していないラック列には冷風を必要としないため、循環送風用ファンＦは回転しないよう制御する。このとき、閉空間内の空気が循環送風用ファンＦの方向に逆流して室内の温風を冷気の存在する空気ダクト８１、８２内に取り込まないよう逆流阻止バルブＶａ（図２に表示）を設けている。
また、逆流阻止バルブＶａに替えて、循環送風用ファンＦが回転しない時、逆流を阻止する仕切り板を設けてもよい。すなわち、循環送風用ファンＦが回転していないことを検知して、自動的に循環送風用ファンの風路を遮断するシャッターなどを設ける。

室内は温風のみで満たされ気圧の高い正圧となる。この温風は空気調和機３１、３２に吸引される（言い方を変えると押し込められる。）が、外気を吸引した分、一部は排気口から室外に排気され大気に戻る。室内が正圧のため、排気はファンなど必要とせず、勝手に排気される。
上記、外気吸気、室内空気排気において、外気吸気用バルブＶ、排気用バルブＶは、風量調節でき、適正な、負圧、正圧状態を維持することができる。なお、夏季において外気が高温で外気冷却が期待できない場合のために、図示しないが、外気吸入を遮断するシャッター等を設けておく。

室内は、高温度（３０°Ｃ〜３８°Ｃ程度）であり、室内に加湿器を適宜設置すれば、加湿し、冬期などにおいて外気が低湿度で加湿が必要な場合加湿できる。このとき、加湿による気化熱により、室内空気温度が低下し、自動的に冷却効果を発揮するから好都合であり、室内は高温度のため水を気化させる特別の発熱器を設置する必要もない。

通常、空気調和機には送風用ファンが備えられる。これは冷風を冷却客体に送風するためであるが、冷却されるべき冷却客体と冷却を必要としないか冷却を必要とする程度が低いものが混合する場合でも、最大限冷却を必要とする冷却客体に送風するため、一定の送風圧力が必要である。
しかしながら、これは冷房電力において効率の低下を招く。ファンの動力電力も大きい。本発明においては、冷却客体の冷却需要に応じて、冷却客体側でファンを動作させるので、冷却の程度が低いか冷却を必要としない客体にまで、同様の冷却を行なわない。

は、本発明による冷却システムの実施の形態を示す平面図のシステム構成図である。は、本発明による冷却システムの実施の形態を示す側面図のシステム構成図である。

符号の説明

１冷凍機
２冷水用ポンプ
３１、３２空気調和機
４熱交換用コイル
５冷水配管
６外気取り入れダクト
７排気口
８１、８２空気ダクト
Ｖバルブ
Ｖａ逆流阻止バルブ
Ｆ循環送風用ファン
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２ラック列
Ｄｒドアー

Claims

熱交換用コイルを備え送風用ファンを必要としない空気調和機と、
前記空気調和機内から吸引されて出る第１の空気流を導く第１のダクトと、
外気を第２の空気流として室内に導く第２のダクトと、
室内から空気を排出する排出口と、
第３の空気流を保持し該第３の空気流を冷却客体に通過させる閉空間と、
前記閉空間に前記第１のダクトを介して前記第３の空気流を送風する循環送風用ファンと、を備え、
前記第２の空気流が前記第１の空気流の負圧により混合されるよう該第２のダクトは該第１のダクトに接合され前記第３の空気流が生成され、
前記第３の空気流が、前記循環送風用ファンを通過後正圧となり前記閉空間及び前記冷却客体を通過し該冷却客体を冷却し温度上昇して該冷却客体を収容する前記室内に吹き出され、
前記室内に吹き出された前記第３の空気流の一部は前記排出口から排出されるとともに該第３の空気流の残部は前記空気調和機に吸引され冷却されることを特徴とする冷却システム。
前記第３の空気流を送風する循環送風用ファンは複数設備され、複数の前記冷却客体の集合体に各々割り当てられて自己が送風し前記冷却客体を冷却し通過した後の該第３の空気流の温度により回転制御されることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
前記閉空間に前記第３の空気流が導かれる風路には、逆流阻止弁又は逆流阻止仕切りが備えられることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却システム。
前記室内に吹き出された前記第３の空気流は、加湿器により加湿されるとともに気化熱により冷却されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却システム。