JP2009236335A - ラック型空調機及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンビエント空調と局所空調を併用する情報通信機械室の空調システムに好適なラック型空調機を提供する。
【解決手段】筐体２２の背面側には排気吸込口２５が設けられており、ホットアイル側の排気を導入可能に構成されている。また、筐体２２の底面側には冷気吸込口２６が設けられており、空調機４から供給される冷気を、冷気吹出口５ｇを介して導入可能に構成されている。排気吸込口２５及び冷気吸込口２６には、それぞれシャッター２５ａ，２６ａが取り付けられており、それぞれ駆動部２５ｂ，２６ｂが備えるギアモータとレバー機構（いずれも図示せず）の操作により、開閉自在に構成されている。ラック型空調機２０は、このような機構により、吸込み空気の流路を排気吸込口側、又は冷気吸込み側に切り替え自在に構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ラック型空調機及びその運転方法に係り、特にアンビエント空調と局所空調を併用する情報通信機械室の空調システムに好適なラック型空調機に関する。

近年、社会のＩＴ化の進展に伴い、情報通信機器の高速化、大容量化、高密度化が急速に進んでいる。これらの機器は、米国ＩＥＡ規格に準ずる１９インチサーバラックに格納され、情報通信機械室（データセンタ）に収容されるのが一般的である。サーバラックは前面から冷気を吸込み、上面又は背面から排気するタイプが多く、各ラックは同方向を向けて横一列に配置される。機械室内には、このようなラック列が複数列、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面とを対向させて配置される。ここに、吸気面に挟まれた通路は、二重床から冷気が供給されることからコールドアイルと呼ばれる。これに対し排気面に挟まれた通路は、ラックからの排気で温度が上がるためホットアイルと呼ばれる。
この場合、二重床からの冷気供給のみで室全体を均一に空調する従来の方式（アンビエント空調方式）では、ラックからの発熱の偏在によりコールドアイルに局所的な高温エリアが生じ、情報通信機器・装置の高温障害発生という問題が生じる。このような問題を解消すべく、局所冷却のためにコールドアイルの上方に空調機を設置する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

図９は、この方式によるラック空調システム１００を示すものであり、機械室１０１内のサーバラック列１０４ａ、１０４ｂ間に形成されるコールドアイル１０５の上方に局所空調機１０２を設置する。これにより各サーバラックは、アンビエント空調機１０７により二重床空間１０６を介して供給される冷気、及び、局所空調機１０２により上方から供給される冷気により冷却されることになる。
特開２００３−１６６７２９号公報

しかしながら、従来の局所空調機を併設する空調システムにおいては、局所空調機が能力低下（故障、停止、冷凍サイクル安定までの起動時、サーモオフ時）したときにコールドアイル側温度が上昇し、情報通信装置の高温障害につながるおそれがある。特に、高発熱領域にある局所空調機が能力低下状態となった場合に、その危険性が高い。このような障害を回避するためには、予備機の配置等、局所空調機の設置に冗長性を持たせる必要があるが、これによりイニシアル・コストの増加や、空調スペース確保増による情報通信機器・装置の実装率低下、等を招くという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、イニシアル・コストの増加や実装率低下をもたらすことなく、局所空調機の能力低下時において情報通信機器・装置の高温障害発生を回避可能とするラック型空調機を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係るラック型空調機は、
（１）サーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、アンビエント空調機による二重床吹き出し空調と、ラック型空調機による局所空調と、を併用するラック空調システムに用いるラック型空調機であって、ホットアイル側の高温排気を機内に導入する排気導入部と、二重床空間からの冷却空気を機内に導入する冷気導入部と、冷却空気をコールドアイル側に吹き出す送風ファンと、吹き出し空気の供給源を、排気導入部からの排気又は冷気導入部からの冷気、のいずれか一方に切り替え可能とする流路切替手段と、を備えて成ることを特徴とする。
（２）上記発明において、少なくともファン駆動電源について、無停電電源回路を介して供給可能に構成して成ることを特徴とする。
かかる構成により、停電等、商用電源が遮断時に緊急避難的に二重床下の冷熱容量を利用することができ、コールドアイルの急激な温度上昇を一定時間抑制することが可能となる。

また、本発明に係るラック空調システムに用いるラック型空調機の運転方法は、
（３）能力低下時において前記送風ファンを連続運転し、かつ、前記流路切替手段を排気導入部側から冷気導入部側に切り替えることを特徴とする。
（４）上記（３）において能力低下が、機器の起動、故障又はサーモオフに起因するものであることを特徴とする。
（５）上記（２）において、商用電源遮断時に無停電電源回路から電源供給するとともに、送風ファンを連続運転とし、かつ、吹き出し空気の供給源を排気導入部側から冷気導入部側に切り替えることを特徴とする。
（６）上記ラック空調システムの運転方法であって、ラック型空調機が、能力低下時において前記送風ファンを連続運転し、かつ、前記流路切替手段を排気導入部側から冷気導入部側に切り替えて運転を行うときは、アンビエント空調機の風量を増加させることを特徴とする。
ラック型空調機の冷気供給方法の変更に伴い、コールドアイル空間の環境が悪化する場合がありうる。本発明はこのような弊害を、アンビエント空調機の風量を増加させて冷気供給量を増すことにより回避するものである。

上記各発明によれば、局所空調機の能力低下時にも、二重床下の冷気、蓄冷熱を利用することができ、情報通信装置の高温障害を防止することができる。
また、冗長性を持たせることなく局所空調機を配置できるため、イニシアル・コストの低減が可能となる。

以下、本発明に係るラック型空調機の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
図１は、ラック型空調機２０を用いた空調システム１の断面構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係るラック型空調機２０の室内機２０ａの断面構成を示す図である。図３は、空調システム１の平面構成を示す図である。図４は、空調システム１の起動時における冷気流路を示す図である。図５は、空調システム１の起動時における運転制御フローを示す図である。

図１、３を参照して、空調システム１は、情報通信機械室５内に収容され、ラック列３を構成するサーバラック２を、アンビエント空調機である空調機４及び局所空調機であるラック型空調機２０により冷却するシステムである。
アンビエント空調機である空調機４は、蒸発器４ｅ及び送風機４ｃを備えた室内ユニット４ａ、圧縮機、凝縮器（いずれも不図示）等を主要構成とする室外ユニット４ｂ、及びこれらを接続する冷媒配管４ｄを備えている。かかる構成により、冷凍サイクル運転により発生させた冷熱を、室内ユニット４ａに導入する室内空気と熱交換させて冷却し、送風機４ｃにより機械室内に供給する。

機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより３つの空間に区画されており、床パネル５ｄの下部には二重床空間５ｃが、天井パネル５ｅの上部には天井空間５ｂが形成されている。空調機４の室内ユニット４ａと二重床空間５ｃとは往き側ダクト７ａを介して結ばれている。また、天井空間５ｂと室内ユニット４ａとは、戻り側ダクト７ｂを介して結ばれている。
ラック列３は、横一列に並んだ同一モジュールの複数のサーバラック２により形成されている。サーバラック２には、複数のラックマウントサーバ２ａが格納されており、各サーバから発生する熱は各サーバが搭載する冷却ファン（図示せず）により、前面から吸気した空気とともに背面に排気される。これにより、ラック全体として前面から冷気を吸込み、背面から排気するように構成されている。

各サーバラック２は、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面が対向するように配置されており、これにより、吸気面側にはコールドアイル６ａが、排気面側にはホットアイル６ｂが形成されている。
各ラック列３において、内部発熱の大きなサーバ近傍には局所空調機としてラック型空調機２０が配置されている。空調機２０はサーバラックと同一モジュールで、かつ、吸排気の方向がサーバラック２とは逆向きに置かれている。すなわち、ホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように配置されている。
コールドアイル６ａ床面の一部は、穴あきパネル５ｆにより構成されている。また、ラック型空調機２０の下側床面には冷気吹出口５ｇが設けられている。これらにより、空調機４から送られる冷気をコールドアイル空間、及び、後述するようにラック型空調機２０に供給可能に構成されている。
各ラック列３の一端側には、列内ラックへの電力供給用の配電盤ユニット（ＰＤＵ）９が配設されている。ＰＤＵ９についても、サーバラック２と同一モジュールに構成されている。

図２をも参照して、ラック型空調機２０は、室内機２０ａと、室外機２０ｂと、これらを接続する冷媒配管２０ｃを備えている。室内機２０ａは、筐体２２内部に蒸発器２３、送風ファン２４、制御部２７を主要構成として備えている。室内機２０ａは、床パネル５ｄに置かれた架台１０上に載置されている。ファン２４の前面にはファンガード２８が取り付けられている。
筐体２２の背面側には排気吸込口２５が設けられており、ホットアイル側の排気を導入可能に構成されている。また、筐体２２の底面側には冷気吸込口２６が設けられており、空調機４から供給される冷気を、冷気吹出口５ｇを介して導入可能に構成されている。排気吸込口２５及び冷気吸込口２６には、それぞれシャッター２５ａ，２６ａが取り付けられており、それぞれ駆動部２５ｂ，２６ｂが備えるギアモータとリンク機構（いずれも図示せず）の操作により、開閉自在に構成されている。ラック型空調機２０は、このような機構により、吸込み空気の流路を排気吸込口側、又は冷気吸込み側に切り替え自在に構成されている。

ラック空調システム１は以上のように構成されており、次に、図１の冷気及び排気流路を参照して、定常運転時における各サーバラック２の冷却について説明する。この場合、空調機２０の排気吸込口２５は開、冷気吸込口２６は閉の状態にある。空調機４に導入される室内空気は蒸発器４ｅにおいて熱交換して冷気となり、送風機４ｃによって往き側ダクト７ａを介して二重床空間５ｃに送出される。冷気は、穴あきパネル５ｆを通過して、コールドアイル６ａに供給される。さらに各サーバラックに導入されて、サーバ２ａ冷却後、高温排気となってホットアイル６ｂに排出される。高温排気の一部は、そのままホットアイル６ｂを上昇して、天井吸込口５ｈから天井空間５ｂに導かれ、戻り側ダクト７ｂを介して空調機４に戻される。また、高温排気の一部は、排気吸込口２５を介してラック型空調機２０に取り込まれ、機内の蒸発器２３で冷却されて冷気となり、送風ファン２４によってコールドアイル６ａに吹き出される。ここで、空調機４からの冷気と混合されて、上述のように各サーバラックに吸い込まれる。以上のような室内空気の循環により、各サーバラックの冷却が行われる。

次に図４、５を参照して、ラック型空調機２０起動時における、冷凍サイクル安定までの間の運転制御フロー及び冷気流路について説明する。なお、以下の制御は、各ラック型空調機の制御部２７の指令により行われる。ラック型空調機２０起動時において（Ｓ１０１）、ラック型空調機２０は温度上昇抑制制御運転となる（Ｓ１０２）。すなわち、送風ファン２４は連続運転、かつ、排気吸込口２５は閉、冷気吸込口２６は開となる（Ｓ１０３）。これにより、空調機２０にはホットアイル側からの高温排気は吸い込まれず、冷気吸込口２６から直接冷気が導入される。その結果、コールドアイル６ａには、二重床空間５ｃからの冷気のみが供給されることとなり、空調機２０起動時の冷却能力不足に影響されることなく、ホットアイル側からの高温空気の流入によるコールドアイル６ａの急激な温度上昇が回避される。

その後、所定時間を経過するまでの間、その状態が維持さる（Ｓ１０４においてＮＯ）。ここに所定時間は、空調機２０の起動→定格冷房出力までに要する時間に基づいて設定される。所定時間経過後（Ｓ１０４においてＹＥＳ）、通常制御運転に移行する（Ｓ１０５）。すなわち、送風ファンは能力制御運転、かつ、排気吸込口２５は開、冷気吸込口２６は閉となる（Ｓ１０６）。これにより、排気吸込口２５からのホットアイル６ｂの高温排気の吸気により運転がおこなわれる。

（第二の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、定常運転時にラック型空調機の故障等による能力低下があった場合の、コールドアイル温度上昇抑制のための冷気供給制御に関する。本実施形態の構成は上述の実施形態と同一であるので、図示及び重複説明を省略する。
図６は、本実施形態の制御フローを示す図である。定常運転時においてラック型空調機２０は通常運転制御、すなわち、吹き出し空気温度に基づく能力制御により運転されている（Ｓ２０１）。この場合、吸気は排気吸込口２５から行われ、冷気吸込口２６は閉ざされている（Ｓ２０２）。

運転中は、冷媒循環停止の有無が判定される（Ｓ２０３）。冷媒循環が停止するのは、冷凍サイクル系統の異常発生、又はサーモオフとなった場合である。これに該当するときは、温度上昇抑制運転制御に切り替えられる（Ｓ２０４）。すなわち、送風ファン２４連続運転、かつ、吸気は冷気吸込口２６から行われ、排気吸込口２５は閉ざされる（Ｓ２０５）。これにより、ホットアイル６ｂの高温排気を吸込まず、冷気吸込口２６からの冷気導入となるため、コールドアイルの急激な温度上昇を回避することができる。
その後、サーモオン又は冷媒回路系統等の異常が解消された時は（Ｓ２０６においてＹＥＳ）、通常運転制御に戻る（Ｓ２０１）。なお、サーモオン条件の判定は、吸い込み側の温度に基づいて行われる。

（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、停電等の商用電源遮断時に、局所空調機の冷気供給用電源を無停電電源装置（ＵＰＳ）から供給するシステムである。
図７は、ラック空調システム３０の電力供給系統を示す図である。図８は、同商用電源遮断時における電力供給系統を示す図である。

図７を参照して、ラック空調システム３０の構成が上述のラック空調システム１と異なる点は、バッテリー３１ａ、整流器３１ｂ、インバータ３１ｃを主要構成とする無停電電源装置（ＵＰＳ）３１を備えていることである。さらに、アンビエント空調機４及び、以下の緊急時供給系統を除くラック型空調機３２の電源は、電力ラインＥ１、Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃを介して直接、商用電源から供給される。一方、緊急供給系統であるラック型空調機３２の送風ファン、シャッター駆動部、制御部（いずれも図示を省略）の電源は、電力ラインＥ１から分岐する電力ラインＥ２、ＵＰＳ３１、電力ラインＥ３、Ｅ３ａを経由して供給される。なお、ＰＤＵ９についてもＵＰＳ３１、電力ラインＥ３ｂ経由で電力供給される。その他の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

通常時における電力供給は同図太線に示す通り、全ての機器、装置が商用電源から電力供給を受ける形態となる。この場合、ラック型空調機３２は、冷気吸込口（図示せず）閉、排気吸込口（図示せず）開の状態にある。また、送風ファン（図示せず）は能力制御運転である。

次に図８を参照して、停電等、商用電源遮断時には、電力ラインＥ１、Ｅ２経由の電源供給が遮断する。このため、アンビエント空調機４及びラック型空調機３２の冷媒回路系統は運転停止状態となる。しかしながら、ラック型空調機３２の緊急供給系統についてはＵＰＳ３１側に切り替えられ、バッテリー３１ａ、電力ラインＥ４、Ｅ３、Ｅ３ａを介して電力供給される。なお、ＰＤＵ９についても同様である。この場合、ラック型空調機３２は、冷気吸込口は開、排気吸込口閉に切り替えられ、さらに、送風ファンは連続運転となる。これにより、商用電源が遮断しても、緊急避難的に二重床下の冷熱容量を利用することができ、コールドアイルの急激な温度上昇を一定時間抑制することが可能となる。
なお、本実施形態では、制御部及び流路切替手段であるシャッター駆動部について、無停電電源回路からの電力供給とする形態としたが、電力を用いず錘等の機械的手段により作動させる構成とすることもできる。
また、本実施形態では、アンビエント空調機については全て商用電源のみの電源供給としたが、送風系統については無停電電源回路からも電源供給可能な構成とすることもできる。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず、ラック型空調機を用いるシステムに広く適用可能である。

ラック型空調機２０を用いた空調システム１の断面構成を示す図である。 ラック型空調機２０の室内機２０ａの断面構成を示す図である。 空調システム１の平面構成を示す図である。 空調システム１の起動時における冷気の流路を示す図である。 空調システム１の起動時における運転制御フローを示す図である。 第二の実施形態における運転制御フローを示す図である。 ラック空調システム３０の電力供給系統を示す図である。 ラック空調システム３０の商用電源遮断時における電力供給系統を示す図である。 従来のラック空調システム１００を示す図である。

符号の説明

１、３０・・・・ラック空調システム
２・・・・サーバラック
３・・・・ラック列
４・・・・アンビエント空調機
５・・・・情報通信機械室
５ｂ・・・天井空間
５ｃ・・・二重床空間
５ｄ・・・床パネル
５ｅ・・・天井パネル
５ｇ・・・冷気吹出口
６ａ・・・コールドアイル
６ｂ・・・ホットアイル
９・・・・ＰＤＵ
２０、３２・・・ラック型空調機
２４・・・送風ファン
２５・・・排気吸込口
２５ａ・・・シャッター
２６・・・冷気吸込口
３１・・・ＵＰＳ
Ｅ１〜Ｅ４、Ｅ３ａ、Ｅ３ｂ・・・ 電力ライン

Claims (6)

1. サーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、アンビエント空調機による二重床吹き出し空調と、ラック型空調機による局所空調と、を併用するラック空調システムに用いるラック型空調機であって、
   ホットアイル側の高温排気を機内に導入する排気導入部と、
   二重床空間からの冷却空気を機内に導入する冷気導入部と、
   冷却空気をコールドアイル側に吹き出す送風ファンと、
   吹き出し空気の供給源を、排気導入部からの排気又は冷気導入部からの冷気、のいずれか一方に切り替え可能とする流路切替手段と、
   を備えて成ることを特徴とするラック型空調機。
2. 少なくとも、ファン駆動電源について、無停電電源回路を介して供給可能に構成して成ることを特徴とする請求項１に記載のラック型空調機。
3. 請求項１又は２に記載のラック空調システムに用いるラック型空調機の運転方法であって、能力低下時において前記送風ファンを連続運転し、かつ、前記流路切替手段を排気導入部側から冷気導入部側に切り替えることを特徴とするラック型空調機の運転方法。
4. 前記能力低下が、機器の起動、故障又はサーモオフに起因するものであることを特徴とする請求項３に記載のラック型空調機の運転方法。
5. 請求項２に記載のラック型空調機において、
   商用電源遮断時に前記無停電電源回路から電源供給するとともに、
   前記送風ファンを連続運転とし、かつ、
   吹き出し空気の供給源を排気導入部側から冷気導入部側に切り替える、
   ことを特徴とするラック型空調機の運転方法。
6. 請求項１又は２に記載のラック空調システムにおいて、
   前記ラック型空調機が、能力低下時において前記送風ファンを連続運転し、かつ、前記流路切替手段を排気導入部側から冷気導入部側に切り替えて運転を行うときは、前記アンビエント空調機の風量を増加させることを特徴とするラック空調システムの運転方法。
   

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