JP2010071482A - 高密度熱負荷室用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱機器が高密度に収容された部屋を効率的に冷却する高密度熱負荷室用空調システムを提供することを課題とする。
【解決手段】一組のラック列３を構成する２つのラック列３の間に形成される冷気通路Ｃと、部屋２の床下６Ｂおよび天井裏６Ｕの空間へ空気を送り込む空調ユニット９（Ｂ，Ｕ）と、を備え、冷気通路Ｃは、少なくとも冷気通路Ｃの長手方向の両端に配置される仕切り部材１０と、冷気通路Ｃを形成する２つのラック列３とにより、部屋２の中で冷気通路Ｃの周りの室内空間と仕切られており、空調ユニット９（Ｂ，Ｕ）は、室内空間のうち各ラック列３の長手方向と交差する部屋２の壁面付近に配置され、ラックの側面から室内空間へ排気される空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして部屋の床下６Ｂおよび天井裏６Ｕへ送り込む。
【選択図】図３

Description

本発明は、高密度熱負荷室用空調システムに関する。

ＩＴ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の発展に伴い、社会が求める情報量が著しく増大している。ＩＴ機器は概ね数年毎に更新されており、これに柔軟に対応できる設備が求められている。また、ＩＴ機器の高性能化により、機器毎のエネルギー消費量が増大しており、ＩＴ機器の熱処理を行う空調設備のエネルギー消費量も増大している。このようなＩＴ機器等の発熱機器を室内に設置する場合、空調設備を十分に整える必要がある。

例えば、特許文献１には、送風機を備えた情報機器や空調機の空気吸込み口・吹出し口の前後に、送風機を備えていない熱交換器ユニットを設置することで、室内のトータル冷房能力の増加等を図る技術が開示されている。また、特許文献２には、二重床内に設置される空調用冷凍機であって、凝縮器の排熱をラック間の通路へ送り、蒸発器の冷熱をラック内へ送る技術が開示されている。また、特許文献３には、サーバの下に吸気用ダクトが配置され、サーバの上に排気用ダクトが配置される空調設備であって、吸気ダクトとサーバとの間およびサーバと排気ダクトとの間にファンが設けられた空調設備が開示されている。また、特許文献４には、ラックの排気が吸気側へ回り込むのを防ぐ防止壁が開示されている。また、特許文献５には、ラック間の通路上に設けられた局所冷却装置であって、ラックの上部空間から吸気した空気を冷やして通路へ排気する局所冷却装置を備える空調システムが開示されている。また、特許文献６には、冷却系統が相違する冷却器同士を隣接して配置する技術が開示されている。

その他の例として、例えば図７や図８に示すように、天吊式あるいはラック上に配置された空調ユニット１０１でラック１０２を局部的に冷却すると共に、床置型の空調ユニット１０３で床下から室内に冷気を送ってラック列を全体的に冷却する技術や、例えば図９に示すように、床置型の空調ユニット１０３のみでラック列全体を冷やす技術がある。
特開２００２−２７７００１号公報 特開２００４−２１１９０９号公報 特開２００８−１１１５８８号公報 特許第３８３５６１５号公報 特許第３８４２６３１号公報 特開２００４−２９３９４７号公報

近年、ＩＴ機器等の発熱機器が消費するエネルギー消費量の増加により、空調設備に要求される空気循環量が増大している。ここで、冷気の床吹出速度を挙げた場合、発熱機器を収容するラックの上下間での吸込速度にバラつきが発生し、ラック下部に設置した電子機器の冷却不足を招く。また、二重床の高さや床吹出口からの風速を増やしても必要な空気循環量を確保できない状況になりつつある。また、床吹出口面積は、機器のレイアウト上、制限される。また、近年の機器のエネルギー消費量は増大している。ここで、床吹出しによる冷却の場合、図１０や図１１に示すように、空調機からの風速が高い空調機付近のラック内で冷気が通過しにくくなる。図１２は、空調機からの距離と、床吹出し口の風速との関係を示すグラフである。また、図１３は、空調機からの距離と、床吹出し口の風量との関係を示すグラフである。図１２や図１３に示すように、空調機に近い床吹出し口
では風速及び風量が小さく、空調機から離れた床吹出し口では風速及び風量が大きいことが判る。なお、二重床の高さと床吹出し口の必要圧力損失との関係を図１４のグラフに示す。図１４のグラフは、二重床の高さと床吹出し口の必要圧力損失との関係を、床面積当たりの発熱量毎（１，３，５，１０，３０ｋＷ／ｍ²）にプロットしたグラフである。図
１４に示されるように、２重床の高さが低くなると、床吹出し口で必要な圧力損失が増大する。このため、２重床の高さが低いと、空調機に近いラックと空調機から遠いラックとで冷却風量が著しく異なってしまう。本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、発熱機器が高密度に収容された部屋を効率的に冷却する高密度熱負荷室用空調システムを提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ラック内の発熱機器を冷やすための空気が通過する通路を他と仕切り、空気を冷やす空調ユニットから送気される冷気が床下および天井裏から冷気通路へ流れるようにした。

詳細には、発熱機器を収容するラックが整列したラック列が２列一組で、少なくとも一組以上配置されている部屋の空調を行う高密度熱負荷室用空調システムであって、ラック内の発熱機器を冷やすための空気が通過する、一組のラック列を構成する２つのラック列の間に形成される冷気通路と、前記冷気通路と連通される前記部屋の床下および天井裏の空間へ、前記ラック内の発熱機器を冷やすための空気を送り込む空調ユニットと、を備え、前記冷気通路は、少なくとも該冷気通路の長手方向の両端に配置される仕切り部材と、該冷気通路を形成する前記２つのラック列とにより、前記部屋の中で該冷気通路の周りの室内空間と仕切られており、前記ラック列を構成する各ラックは、前記冷気通路側の側面から該ラック内を通って前記室内空間側へ空気が通過可能なように構成されており、前記空調ユニットは、前記室内空間のうち各ラック列の長手方向と交差する前記部屋の壁面付近に配置され、各ラックの側面から該室内空間へ排気される空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記部屋の床下および天井裏の空間へ送り込む。

上記高密度熱負荷室用空調システムは、２列一組のラック列が少なくとも一組以上配置される部屋の空調を行うことを前提としている。各ラック列は離間して対面しており、各ラック列の間に通路が形成される。本願では、一組のラックを構成する２つのラックの間に形成される通路を、両ラック内に収容されている発熱機器を冷却するための冷気を流すための通路とし、冷気通路と称している。なお、冷気通路の両端は、仕切り部材によって仕切られている。

ラック列が収容される部屋には、床下および天井裏に空間が設けられており、空調ユニットからの空気は、床下および天井裏へ送気される。従って、部屋の内部に配置される空調ユニットは、部屋の空気を吸気して床下および天井裏へ送気することになる。ここで、床下および天井裏の空間は、冷気通路の床および天井の開口を介して冷気通路と連通されているため、空調ユニットが床下および天井裏へ空気を送気すると、送気された空気が床下および天井裏から冷気通路へ流れ込む。なお、空調ユニットの配置される壁面付近とは、例えば、壁面の背後に隣接する機械室を含み、この場合は室内空気を吸気できる面が当該壁面に設けられていると良い。

床下から上へ吹き上げられ、天井裏から下へ吹き下げられる空気は冷気通路内で互いに相俟って横方向の気流へと変化し、ラック内を通過する。ラック内を通過した空気は部屋の中に設置される空調ユニットによって再び吸気されて冷やされ、送気されることになる。すなわち、天井空間と床空間を共に冷気専用の通路とし、ラック背面（空気排出面）の背後を含む室内空間を暖気専用の通路とする。これにより、空気の循環経路が形成されることになる。

ここで、上記高密度熱負荷室用空調システムでは、冷気通路内で上下からの冷気がラック内に流れ込むことにより、ラック内が上下間で略均等に冷却される。従って、ラック列を構成する各ラックが略均等に冷やされるようになり、ラック内の発熱機器が効率的に冷却されるようになる。

また、前記空調ユニットは、ラック列と前記部屋の壁面との間に形成される、前記冷気通路の隣の通路の端部付近に配置されるようにしてもよい。これによれば、ラックの側面から出る排気が空調ユニットに吸気されやすくなる。すなわち、ラックの側面から出る排気が流れる通路の端部に空調ユニットが配置されることになるため、ラックから空調ユニットへ流れる空気の抵抗が減り、空調ユニットへ吸気される空気の流れがスムーズになる。このため、高密度熱負荷室用空調システムの動作効率を高くすることが可能である。

また、前記部屋は、一組のラック列が複数組、通路を挟んで並ぶように配置されていてもよい。これによれば、多数のラック列を均等に冷やすことが可能であるため、高密度熱負荷室用空調システムの動作効率を高くすることが可能である。なお、ラック列が複数組ある場合は、前記空調ユニットを、ラック列と前記部屋の壁面との間およびラック列の組と組との間に形成される、前記冷気通路の隣の通路の端部付近に配置してもよい。これによれば、ラックから空調ユニットへ流れる空気の抵抗が減るので空調ユニットへ吸気される空気の流れがスムーズになり、高密度熱負荷室用空調システムの動作効率を高くすることが可能である。

また、前記空調ユニットは、前記室内空間の空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記天井裏の空間へ送り込む第一の空調機と、前記室内空間の空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記床下の空間へ送り込む第二の空調機と、を有し、前記第一の空調機は、前記第二の空調機の上に配置され、前記第二の空調機は、前記部屋の床上に配置されるようにしてもよい。

このように構成される高密度熱負荷室用空調システムによれば、２つの空調機が上下に重ね置きされるため、部屋のスペースを有効に活用することが可能になる。

また、前記空調ユニットを少なくとも２以上備え、前記空調ユニットは、前記室内空間のうち各ラック列の長手方向と交差する前記部屋の両壁面付近に少なくとも一ずつ配置されるものであってもよい。このように構成される高密度熱負荷室用空調システムによれば、空調ユニットが少なくとも一ずつ、各ラック列の長手方向と交差する部屋の両壁面付近に配置されているため、ラック列の長手方向の一方に配置される空調ユニットからの送気と、ラック列の長手方向の他方に配置される空調ユニットからの送気とが天井裏および床下で向かい合うことになる。このため、冷気通路の中心付近では、天井裏および床下からの冷気が勢いよく吹き出すことも考えられるが、冷気通路内で上下からの冷気が更に向かい合うことにより、冷気通路の中心付近での冷気の上下からの吹き出しが抑えられる。このため、冷気通路の端部と中心付近との間で冷気が略均等に流れ込むようになる。従って、ラック列を構成する各ラックが略均等に冷やされるようになり、ラック内の発熱機器が効率的に冷却されるようになる。

発熱機器が高密度に収容された部屋を効率的に冷却する高密度熱負荷室用空調システムを提供することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発
明はこれらに限定されるものではない。

＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る空調システム１（本発明でいう、高密度熱負荷室用空調システムに相当する）を備えたサーバ室２の鳥瞰図である。また、図２は、サーバ室２の機器配置図である。本実施形態に係る空調システム１は、図１や図２に示すように、各種の演算処理やデータベースの管理を行うサーバ等の電子機器（本発明でいう、発熱機器に相当する）が収容されたラック列３が多数配置されるサーバ室２に適用される空調設備であり、ユニット型の空調機がサーバ室２内に１２基設置されている。サーバ室２は、コンクリートの構造材４と床５との間に空間６Ｂ（本発明でいう、床下に相当する）を設けた二重床構造になっている。また、サーバ室２は、コンクリートの構造材４と天井７との間に空間６Ｕ（本発明でいう、天井裏に相当する）を設けた二重天井構造になっている。空調設備の空調機は、天井裏の空間６Ｕへダクト８を介して冷気を送る空調機９Ｕ（本発明でいう、第一の空調機に相当する）と、床下の空間６Ｂへ冷気を送る空調機９Ｂ（本発明でいう、第二の空調機に相当する）の２台が上下に重ね置きされている。空調機９Ｕは、側面から吸気した空気を冷やして上へ送気する。一方、空調機９Ｂは、側面から吸気した空気を冷やして下へ送気する。上下に重ね置きされた２台一組の空調機９Ｕ，Ｂ（本願発明でいう、空調ユニットに相当する）が、サーバ室２の床５上の６箇所に設置されている。

図２に示すように、サーバ室２には、サーバ等の電子機器を多数収容した４列のラック列３が、２列一組の合計２組配置されている。ラック列３は、複数のラックが列状（但し、ラックとラックとの間に緊急電源ユニット等が介装されることはある）に配列されたもので、本実施形態では底面と天面と２つの側面が閉塞され対向する側面２面のみが通気面ないし開口面としたラックを採用している。図２の符号Ｃで示す空間は、空調機９Ｕ，Ｂから送気される冷気が通過する空間であり、以下、コールドアイルＣ（本発明でいう、冷気通路に相当する）という。また、図２の符号Ｈで示す空間は、ラック列３から排気される暖気が通過する空間であり、以下、ホットアイルＨという。ラック列３から排気される暖気は、コールドアイルＣからラック列３内へ流れた冷気が、ラック列３内に収容されているサーバ等の電子機器によって暖められたものである。なお、空気の吸込面が対向する２つのラック列３の端部間（片側のラック列の自由空間と接する端面と他側の同様の端面との間であり、例えば、右端毎あるいは左端毎の間）や、ラック列３と天井７との間には、ホットアイルＨとコールドアイルＣとを隔離する仕切板１０（本発明でいう、仕切り部材に相当する）が設けられている。なお、ラックの高さが保守員等の高さと略同等の場合等に、天井ボードをラック高さに合わせて貼れる場合があれば、ラック列と天井裏の空間６Ｕとの間を仕切る仕切板は不要である。また、本実施形態では、ラック列３と床下の空間６Ｂとの間を仕切る仕切板を設けず、コールドアイルＣに相当する箇所の床を開口面（通気面）とし、ホットアイルＨに相当する箇所の床を閉塞面としている。なお、上階のスラブ（構造材４）と共に天井チャンバー（空間６Ｕ）を形成する天井ボードは、コールドアイルＣに相当する位置のみ切り欠けられ、その開口部周囲は公知の方法で補強されている。

図３は空調システム１を備えたサーバ室２のＸ−Ｘ断面図であり、図４はＹ−Ｙ断面図、図５はＺ−Ｚ断面図である。図３〜５に示すように、空調機９Ｕ，Ｂは、床５の上に重ね置きされるように設置されており、図の矢印が示すように、室内側の側面から吸気した空気を冷やして送気する。空調機９Ｕが吸気した空気は空間６Ｕへ送気され、空調機９Ｂが吸気した空気は空間６Ｂへ送気される。空調機９Ｕ，Ｂは、冷水が流れる配管にフィンが取り付けられた熱交換用のコイル１１と、サーバ室２内の空気を吸気する電動ファン１２とを備えたユニット式の空調機である。空調機９Ｕ，Ｂへ供給される冷水は、図示しない冷凍機で冷やされた冷水であり、空調機９Ｕ，Ｂと冷凍機との間を循環する冷水循環系統により供給される。空調機９Ｕ，Ｂへ冷熱を供給する冷凍機は、屋外に設置される冷却
塔の水で凝縮器を冷やす。なお、空調機９Ｕ，Ｂは、ユニット式のものに限定されるものでなく、例えば、コイル１１と電動ファン１２とが分離されて別体になっているものであってもよい。

ここで、空調機９Ｕ，Ｂの吸気は、空間６Ｕ，Ｂ、コールドアイルＣ、ラック列３、及びホットアイルＨを通過した空調機９Ｕ，Ｂの送気であり、サーバ室２内を循環する空気である。空間６Ｕの冷気は、ラック列３の上に設けられた仕切板１０で形成されるプレナムチャンバを介してコールドアイルＣ、ラック列３の順に流れる。一方、空間６Ｂの冷気は、床５のコールドアイルＣ部分に設けられたグレーチング１３を介してコールドアイルＣ、ラック列３の順に流れる。グレーチング１３は、網目状の金属部材であり、通気性を有する。

このように構成される空調システム１によれば、以下のような効果が奏される。すなわち、従来技術では二重床の床下空間から流れる冷気のみでラックを冷やしているのに対し、本実施形態に係る空調システム１では床下空間から流れる冷気と天井裏の空間から流れる冷気の両方の冷気でラックを冷やしているため、床吹出し空調の２倍の熱負荷に対応することができ、且つ、ラック列３の交換やレイアウト変更等にも対応することができる。また、床下と天井裏の両方の空間に冷気を流すため、空調機を上下の２段積みにすることが可能であり、床吹出し空調の場合に比べて空調機の設置面積を２分の１に低減する事ができる。

また、コールドアイルＣに上下から吹き出される冷気が互いに相俟って均等になる。また、同一の熱負荷の場合、床下の空間６Ｂ内や天井裏の空間６Ｕ内の空気の流速を遅くすることができるので、ラック列３内を通過する冷気のうち、空調機９Ｕ，Ｂに近い側の冷気と、空調機９Ｕ，Ｂから遠い側の冷気の流速が均等になりやすい。すなわち、床吹出しのみの空調の場合、図１１に示したように、ラックの中心付近が最も冷えやすくなるが、本実施形態のように床と天井の両方から吹出す場合、各ラック内が均等に冷やされる。ラック内及び各ラックが従来技術に比べて均等に冷えやすくなるため、過冷却になる部分がほとんど発生せず、冷却効率の低下が避けられる。従って、サーバ等の発熱機器を効果的に冷却することが可能となり、更なる高密度熱負荷に対応することが可能である。なお、上記実施形態では、２組のサーバ列３が配置されていたが、本発明に係る空調システムは、１組あるいは３組以上のサーバ列３が配置される部屋に適用することも可能である。また、サーバ室２には合計１２機の空調機が設置されていたが、必要とする冷却能力に合わせて機数を適宜調整することが可能である。

なお、図６は、空調機をラック列の方向と交差する方向に配置した場合の機器配置図である。空調機を図６のように配置した場合、ラックの排気のルート確保に困難を伴う。即ち、天井裏と床下は冷気の流通路となっているため、ラック列の間の各通路から出たラックの排気はラック列の端部と壁との間を通って空調機へ流れることになる。しかし、スペースの有効活用の観点からラック列の端部と壁との間の距離は制限されるため、各通路から合流する排気が通過できる量が絶対的に不足する。一方、本実施形態によれば、空調機をラック列の両端に配置しているため、十分な風量が確保される。なお、本実施形態では、空調機をサーバ室２に設置しているが、このような室内に限らず、天井裏の空間６Ｕや床下の空間６Ｂと連通されていれば機械室に設置されていてもよい。この場合、機械室の室内側壁部を通気面とすることが望ましい。また、上記実施形態では２つの空調機９Ｕ，Ｂで一つの空調ユニットを構成しているが、本発明に係る空調ユニットは、上下に２つの冷却コイルを備えれば、１台の送風機から室内空気を吸い込み、分流させて天井裏の空間６Ｕと床下の空間６Ｂに給気することができる。また、一つの冷却コイルを上下２つの送風機で分流するなど、本発明の趣旨を損なわない範囲で実施形態を適宜変更することが可能である。

サーバ室の鳥瞰図。 サーバ室の機器配置図。 サーバ室のＸ−Ｘ断面図。 サーバ室のＹ−Ｙ断面図。 サーバ室のＺ−Ｚ断面図。 比較例に係る機器配置図。 従来技術に係る空調システムの全体構成図。 従来技術に係る空調システムの全体構成図。 従来技術に係る空調システムの全体構成図。 床吹出し空調の気流を示す図。 床吹出し空調の気流を示す図。 床吹出し空調の風速を示すグラフ。 床吹出し空調の風量を示すグラフ。 二重床の高さと吹出し口の圧力損失との関係を示すグラフ。

符号の説明

１・・・空調システム
２・・・サーバ室
３・・・ラック列
６Ｂ，Ｕ・・空間
９Ｂ，Ｕ・・・空調機
１０・・仕切板
Ｃ・・・コールドアイル
Ｈ・・・ホットアイル

Claims (6)

1. 発熱機器を収容するラックが整列したラック列が２列一組で、少なくとも一組以上配置されている部屋の空調を行う高密度熱負荷室用空調システムであって、
   ラック内の発熱機器を冷やすための空気が通過する、一組のラック列を構成する２つのラック列の間に形成される冷気通路と、
   前記冷気通路と連通される前記部屋の床下および天井裏の空間へ、前記ラック内の発熱機器を冷やすための空気を送り込む空調ユニットと、を備え、
   前記冷気通路は、少なくとも該冷気通路の長手方向の両端に配置される仕切り部材と、該冷気通路を形成する前記２つのラック列とにより、前記部屋の中で該冷気通路の周りの室内空間と仕切られており、
   前記ラック列を構成する各ラックは、前記冷気通路側の側面から該ラック内を通って前記室内空間側へ空気が通過可能なように構成されており、
   前記空調ユニットは、前記室内空間のうち各ラック列の長手方向と交差する前記部屋の壁面付近に配置され、各ラックの側面から該室内空間へ排気される空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記部屋の床下および天井裏の空間へ送り込む、
   高密度熱負荷室用空調システム。
2. 前記空調ユニットは、ラック列と前記部屋の壁面との間に形成される、前記冷気通路の隣の通路の端部付近に配置される、
   請求項１に記載の高密度熱負荷室用空調システム。
3. 前記部屋は、一組のラック列が複数組、通路を挟んで並ぶように配置されている、
   請求項１または２に記載の高密度熱負荷室用空調システム。
4. 前記空調ユニットは、ラック列と前記部屋の壁面との間およびラック列の組と組との間に形成される、前記冷気通路の隣の通路の端部付近に配置される、
   請求項３に記載の高密度熱負荷室用空調システム。
5. 前記空調ユニットは、
   前記室内空間の空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記天井裏の空間へ送り込む第一の空調機と、
   前記室内空間の空気を吸気すると共に、吸気した空気を冷やして前記床下の空間へ送り込む第二の空調機と、を有し、
   前記第一の空調機は、前記第二の空調機の上に配置され、
   前記第二の空調機は、前記部屋の床上に配置される、
   請求項１から４の何れか一項に記載の高密度熱負荷室用空調システム。
6. 前記空調ユニットを少なくとも２以上備え、
   前記空調ユニットは、前記室内空間のうち各ラック列の長手方向と交差する前記部屋の両壁面付近に少なくとも一ずつ配置される、
   請求項１から５の何れか一項に記載の高密度熱負荷室用空調システム。

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