JP2010160533A - サーバ収納装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は室外機の設置場所を削減することができる冷却機能を備えたサーバ収納装置の提供を目的とする。
【解決手段】第１送風機４により吸引されたサーバ収納装置内部の空気は、第１送風路３内に備えられた蒸発器５で熱交換が行われて温度が低下する。温度が低下した空気は、第１送風路３の下部からサーバ収納装置内部に戻されるので、連続的に第１送風路３内に空気を流通させることでサーバ２を冷却することができる。第２送風機７は給気ダクト９から供給される外気を凝縮器８に通過させるので、蒸発器５で吸収された熱は冷凍サイクルの働きにより凝縮器８から放熱されることとなる。給気ダクト９と排気ダクト１０は空調用ダクト１６と接続されているので、送風機１７を介して外気を給排気することができ、熱を含んだ空気を建物外に排出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーバ収納装置に関するものである。

現在、インターネット等の情報網で伝達されている電子データは、ハードディスクを主要な記憶媒体とするサーバに保存されている。また、筐体内に電源装置や冷却装置を備えたラックと呼ばれるサーバ収納装置に複数台のサーバを積載して運用されていることも多い。さらに、複数のラックを一括管理しているデータセンターの利用も増えている。

データセンターにおいては、取り扱うデータ量の増大やデータ処理の高速化要望に対応するためにサーバからの発熱が増加している。一方、サーバからの発熱は適切に処理しないとサーバ自体の動作を妨げる結果となるので、サーバの安定稼動のためには発熱の処理が重要な課題であり、様々な冷却手段を備えたサーバ収納装置が適用されている（例えば特許文献１参照）。

サーバ収納装置の一例を図６を用いて説明する。サーバ収納装置としてのラック１０１内にはサーバ１０２および室内機１０３が設置されており、ラックの外には室外機１０４が設置されている。室外機１０４と室内機１０３は冷媒配管１０５で接続されており、室内機１０４の蒸発器１０６と室外機１０４の凝縮器１０７で冷凍サイクルを構成している。サーバ１０２からの発熱は室内機１０３の蒸発器１０６で熱交換され、冷凍サイクル内を循環する冷媒により室外機１０４の凝縮器１０７で外気と熱交換されている。
特開２００３−２８７３２９号公報

従来のサーバ収納装置においては、サーバからの発熱は冷凍サイクルを経由して、データセンターの屋外に設置してある室外機から排出していた。したがって、外気に面した場所に室外機を設置しなければならず、屋上等に室外機の設置場所が必要であるという課題があり、室外機の設置場所を削減することが要求されている。

また、室内機と室外機は冷媒配管で接続されているので、サーバ室から室外機が設置してある場所まで冷媒配管を敷設しなければならず、大掛かりな配管工事が必要であると言う課題があり、配管工事を容易にすることが要求されている。

また、サーバ収納装置はサーバのメンテナンスや機器更新時の際に作業性を向上させるために、底面に車輪等が設けられて移動可能な状態とされている。しかし、室外機と接続されている冷媒配管によりサーバ収納装置の可動範囲が制限されるという課題があり、サーバ収納装置を容易に移動できることが要求されている。

また、サーバ収納装置はメンテナンスや機器更新を低コストで容易に実施するために、サーバを固定する部分と、冷却手段等の補機類を別のユニットとして分離可能な構成とすることが求められる。しかし、冷却手段としての室内機は室外機と冷媒配管で接続されているので、室内機の可動範囲が制限されて容易に分離することができないという課題があり、冷却手段を容易に分離することが要求されている。

また、サーバ収納装置はサーバを冷却するために多くの電力を消費するという課題があり、低消費電力でサーバを冷却することが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、室外機の設置場所を削減することができ、また、配管工事を容易にすることができ、サーバ収納装置を容易に移動することができ、冷却手段を容易に分離することのできるサーバ収納装置を提供することを目的としている。また、低消費電力でサーバを冷却することができるサーバ収納装置を提供することを目的としている。

そして、本発明は上記目的を達成する為に、サーバ収納装置内の空気を循環する第１送風路と、サーバ収納装置外の空気が流通する第２送風路と、第１送風路内に蒸発器と、第２送風路内に凝縮器を設け、第２送風路内の凝縮器に給気ダクトを介して屋外空気を供給し、前記凝縮器を通過した屋外空気を排気ダクトを介して排気する構成としたものであり、熱交換のために室外機を屋外に設置する必要が無くなるので、室外機の設置場所を削減することができる。また、建物内に冷媒配管を敷設する必要が無くダクトを敷設するだけでよいので、配管工事を容易にすることができる。また冷媒配管によりサーバ収納装置の可動範囲が制限されることが無くなり、サーバ収納装置を容易に移動することができる。

また、第２の課題解決手段は、風路内に蒸発器を備えてサーバ収納装置内の空気を循環する第１送風路と、風路内に凝縮器を備えてサーバ収納装置外の空気が流通する第２送風路をサーバ収納装置の扉内部に設け、第２送風路内の凝縮器に給気ダクトと排気ダクトを介して屋外空気を給排気する構成としたものであり、冷却手段は扉に内蔵されているので、サーバ収納装置から冷却手段としての扉を容易に分離することができる。

また、第３の課題解決手段は、風路内に蒸発器を備えてサーバ収納装置内の空気を循環する第１送風路と、風路内に凝縮器を備えてサーバ収納装置外の空気が流通する第２送風路と、熱交換器をサーバ収納装置の扉内部に設け、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気を熱交換する構成としたものであり、サーバ収納装置内の空気よりも低温の外気と熱交換をすることができる。

上述したように本発明のサーバ収納装置は給気ダクトと排気ダクトを介して屋外空気を給排気する構成としたものであり、熱交換のために室外機を屋外に設置する必要が無くなるので、室外機の設置場所を削減することができる。

また、建物内に冷媒配管を敷設する必要が無くダクトを敷設するだけでよいので、配管工事を容易にすることができる。また、冷媒配管の施工とは異なり、既設の空調用ダクトに接続するなどの簡単な追加工事で外気を給排気することができる。

また冷媒配管によりサーバ収納装置の可動範囲が制限されることが無くなり、フレキシブルダクトをダクト配管部材に使用することで、サーバ収納装置を容易に移動することができる。

また、冷媒配管の場合は、配管の接続工事の際に冷媒を漏らさないような加工方法が必要であるが、空気配管用ダクトの施工では切断や接続加工の際の空気漏れは冷媒の漏れに比べて影響が少ないので、冷媒配管の加工ほど精密な加工は不要であり、ダクト施工工事を容易に実施することができる。

また、冷媒配管の場合は、配管を開放状態で放置すれば、配管内の冷媒が大気中に放出されてしまい、配管の再接続時に冷媒を補充する必要があるが、空気配管用ダクトの施工ではダクトを途中で切断して開放状態としてもそのまま再接続することが可能であり、ダクト施工工事を容易に実施することができる。

また、冷却手段は扉に内蔵されているので、サーバ収納装置から冷却手段としての扉を容易に分離することができる。

また、サーバ収納装置内部の空気が流通する第１送風路と、サーバ収納装置外の空気が流通する第２送風路の間で熱交換を実施する熱交換器を設け、サーバ収納装置内の空気よりも低温の外気と熱交換をするので、低消費電力でサーバを冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１にサーバ収納装置の横断面図を示す。サーバ収納装置１の内部には複数のサーバ２が収納されており、サーバ２はフレーム２４に固定されている。第１送風路３の内部には第１送風機４と蒸発器５が備えられている。第２送風路６の内部には第２送風機７と凝縮器８が備えられている。第１送風路３と第２送風路６は隔壁２３を挟んで隣り合っている。第２送風路６には給気ダクト９と排気ダクト１０が接続されている。図１では給気ダクト９と排気ダクト１０は途中まで記載されているが、それぞれ外気と連通している。なお、蒸発器５と凝縮器８は圧縮機１１と冷媒配管１２により次のような冷凍サイクルを形成している。冷媒配管により蒸発器５に送られた冷媒はサーバ収納装置内の空気と熱交換をすることにより蒸発する。蒸発器５で蒸発した低圧の冷媒は冷媒配管により圧縮機１１へ送られて高圧の冷媒となる。圧縮機１１から冷媒配管により凝縮器８に送られた高圧の冷媒は、外気と熱交換することで液化される。さらに膨張弁（図示せず）を通過した冷媒は蒸発器へ送られる。なお、図１では冷媒配管１２は全ての経路を記載していない。第１送風路３と第２送風路６は扉１３内部に形成されている。サーバ収納装置１の下部には移動用の車輪１４が装着されている。図２にサーバ収納装置の上面図を示す。図２においてサーバ収納装置の扉１３は開放されている。図３にデータセンター１５内に複数のサーバ収納装置１を設置した例を示す。サーバ収納装置１に接続されている給気ダクト９と排気ダクト１０はデータセンターの天井裏の空調ダクト１６と接続されており、送風機１７を介して外気と連通している。

図１に示すように、サーバ２はサーバ２の内部に設けられた送風機（図示せず）によりサーバ収納装置１内部の空気を吸引している。サーバ２に吸引された空気はサーバ２からの発熱により温度が上昇し、サーバ２から排出される。図１においてサーバ２は扉１３の反対側に相当するサーバ２の前面部から空気を吸引し、扉１３側に相当するサーバ２の後端部から温度が上昇した空気を排出している。第１送風機４により吸引されたサーバ収納装置内部の空気は、第１送風路３内に備えられた蒸発器５で熱交換が行われて温度が低下する。温度が低下した空気は、第１送風３路の下部からサーバ収納装置内部に戻されるので、連続的に第１送風路３内に空気を流通させることでサーバ２を冷却することができる。第２送風機７は給気ダクト９から供給される外気を凝縮器８に通過させるので、蒸発器５で吸収された熱は冷凍サイクルの働きにより凝縮器８から放熱されることとなる。給気ダクト９と排気ダクト１０は空調用ダクト１６と接続されているので、送風機１７を介して外気を給排気することができ、熱を含んだ空気を建物外に排出することができる。

図２ではサーバ収納装置１の扉１３が開放されている状態を示したが、給気ダクト９と排気ダクト１０に伸縮性の高い素材を用いれば、ダクトの接続方向に影響を受けず扉１３を移動することができるので、サーバ収納装置１の扉１３の開放量を増大させることも容易である。サーバ収納装置１の扉１３を広く開放すれば、サーバ収納装置１内部に収納されているサーバ２へのアクセスが容易になり、メンテナンス作業を効率よく実施できる。また、サーバ収納装置１の扉１３を広く開放すれば、サーバ収納装置１からサーバ２を取り出す作業が容易になり、メンテナンス作業を効率よく実施できる。

また、サーバ収納装置１の扉１３を開放した状態でサーバ２を稼動した場合は、サーバ２からの発熱はデータセンター１５内に排出される。しかし、第１送風機４を稼動していれば、データセンター１５内の空気を吸引するので、蒸発器５と凝縮器８の冷凍サイクルを利用してサーバ２からの発熱を室外に排出することができる。

図３では給気ダクト９と排気ダクト１０は空調用ダクト１６と接続されているとしたが、この構成に限定されるものではなく、空調用ダクト１６を経由せずに外気と連通させてもよい。従来例に示した冷媒配管では高圧の冷媒を流すために、剛性が高く伸縮性のない配管を必要とするが、空気用のダクトは伸縮性のある素材を利用しても良いので施工が容易である。

また、空調用ダクトの流量範囲内であれば複数の給気ダクトまたは排気ダクトを空調用ダクトに接続することが可能である。

また、空調用に備えられた送風機１７が、サーバ収納装置１に備えられた第２送風路６内部の空気を給排出するために必要な送風能力を有していれば、第２送風機７を使用しなくても、十分な冷却効果を得ることができる。ただし、第２送風機７を使用しない場合は、給気ダクト９と排気ダクト１０を空調用ダクト１６から外して使用することは不可能である。

また、データセンター１５内に設置されている複数のサーバ収納装置１の配置を変更する場合、給気ダクト９と排気ダクト１０を空調用ダクト１６から取り外す必要があるが、冷媒配管の付け替え作業に比較すれば容易な作業である。つまり冷媒配管の付け替え作業では冷媒の漏れに注意する必要があるが、給気ダクトと排気ダクトの取り外しではそのような注意は不要である。もしも冷媒配管から冷媒が漏れた場合には、冷凍サイクルとしての機能が停止してしまうが、給気ダクトと排気ダクトに空気の漏れがあったとしても機能停止に至ることは無い。

図３では給気ダクト９と排気ダクト１０は空調用ダクト１６と接続されているとしたが、それぞれを空調用ダクト１６から外して、データセンター１５内の室内空気を給気ダクト９から給気して、排気ダクト１０から熱を含んだ空気をデータセンター１５内に排出することも可能である。ただし、その場合はデータセンター１５内の空調負荷が増大することになるので、適用可能な時間は限定的である。つまり、何らかの理由により、外気の供給に制限が発生した場合でも、データセンター１５内の空調設備を用いることで、サーバ収納装置１からの発熱を処理することができる。

また、図３では給気ダクト９と排気ダクト１０は天井裏で空調用ダクト１６と接続されているとしたが、床下の空間を利用して空調用のダクトと接続してもよい。

図１と図２に示すようにサーバ２からの発熱を処理するための機構部は扉１３内部に集約されているので、サーバ２の負荷増大へ対応するためサーバ収納装置１のサーバ構成を変更する場合に、サーバ収納装置１のサーバ２が収納された部分だけをまとめて交換することも容易である。また、サーバ２からの発熱を処理するための機構部は扉１３内部に集約した状態を図示しているが、集約場所は扉１３内部に限ったものではない。すなわちサーバ２の保持に必要な棚部材や、サーバ２の運転に必要な電源回路やインターフェース回路等のサーバ２の本来目的であるデータの保管取り出しに必要な機構と、サーバ２からの発熱を処理する機構を分離してそれぞれ集約することで、メンテナンスや機器更新を容易に実施することができる。たとえば、本実施例で示した扉１３内部に納められた機構を、サーバ収納装置１の側面や上部に集約して構成しても同様の効果を得ることができる。

従来例に示すサーバ収納装置では冷媒配管が接続されていたので、メンテナンスの際にサーバ収納装置を移動させると冷媒配管に想定外の応力がかかり冷媒配管が変形することもある。冷媒配管の変形が繰り返された場合には冷媒配管が破損して冷媒が漏れる可能性もある。一方、本実施の形態では冷媒配管は扉の内部で完結しているので、扉の開閉作業を繰り返したとしても冷媒配管が破損する可能性は無い。

また、従来例ではサーバ収納装置に接続された冷媒配管には断熱材を施工する必要があった。断熱材の施工が不十分な場合や、サーバ収納装置の移動に伴う断熱材の変形で冷媒配管が露出した場合、冷媒配管内には低温の冷媒が通過しているので、データセンター内の空気に含まれている水分が冷媒配管表面で結露する可能性があった。サーバは多くの電子部品で構成されているので結露水が付着すると動作に異常をきたすこともある。一方、本実施の形態では冷媒配管は扉の内部で完結しているので、断熱材の施工を十分にしておけばその後の運用中に断熱材が変形することはないので、冷媒配管表面で水分が結露する可能性を減らすことが容易である。

また、本実施の形態では第１送風路３と第２送風路６は垂直方向に設けられた隔壁２３を挟んで隣り合っているとしたが、第１送風路３と第２送風路６の位置関係はこの形態に限ったものではない。たとえば第１送風路３が扉１３の上部に形成され、第２送風路６が扉１３の下部に形成されるようにして水平方向の隔壁を挟んで設置しても良い。または、第１送風路３を扉の蝶番側に形成し、第２送風路６を蝶番と反対側に形成してもよい。サーバ収納装置１内の冷却効果を高めるために適した送風路の配置やダクトの取り扱いに適した送風路の配置を採用すれば同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図４に示すように、第１送風路３と第２送風路６に熱交換器１８が備えられている。熱交換器１８の内部では第１送風路３と第２送風路６が伝熱板を介して接しており、第１送風路３と第２送風路６の間で空気の流通は無いが顕熱を伝達することができる。熱交換器１８内部での空気の流れの方向を矢印で図示している。また、熱交換器１８の上流および下流では第１送風路３と第２送風路６は隔壁２３を挟んで隣り合っている。

図４に示すように、サーバ２はサーバ２の内部に設けられた送風機（図示せず）によりサーバ収納装置１内部の空気を吸引している。サーバ２に吸引された空気はサーバ２からの発熱により温度が上昇し、サーバ２から排出される。図４においてサーバ２は扉１３の反対側に相当するサーバ２の前面部から空気を吸引し、扉１３側に相当するサーバ２の後端部から温度が上昇した空気を排出している。

また、第１送風路３内で熱交換器１８の下流側には蒸発器５が設置されており、第２送風路６内で熱交換器１８の下流には凝縮器８が設置されている。熱交換器１８内部では、第１送風路内と第２送風路内の温度差が大きいほど熱交換効率が優れているので、最初に熱交換器１８によりサーバ収納装置１内の高温空気を外気と熱交換した後で、それぞれ蒸発器５と凝縮器８による熱交換を実施するほうが効率的である。

また、図４では対向流方式の熱交換器を示したが、熱交換器１８の内部は流路が細分化されており、その流路長は均一ではない。第１送風路３内部においてはサーバ側の方が短いため熱交換量が少なく、熱交換器１８の下流においては、サーバ側の方がサーバ側と反対側に比較して高温の空気が流れている。したがって、蒸発器５での熱交換においても蒸発器５内部の冷媒と蒸発器５を通過する空気の温度差が大きいほど熱交換効率が優れているので、蒸発器５の冷媒流入口２０をサーバ側に設置して、蒸発器５での熱交換効率を向上させている。蒸発器５を通過した冷媒は蒸発器５の冷媒吐出口２１から吐出される。一方、第２送風路６内部においてはサーバ側の方が長いため熱交換量が多く、熱交換器１８の下流においては、サーバ側と反対側がサーバ側の方に比較して低温の空気が流れている。したがって第１送風路３での配置と同様に冷媒と空気の温度差が大きくなるように、凝縮器８の冷媒吐出口２１をサーバ側と反対側に設置して、凝縮器８での熱交換効率を向上させている。凝縮器８へは凝縮器８の冷媒流入口２０から冷媒が供給され凝縮器８の冷媒吐出口２１から吐出される。

図５に第２送風路６内で熱交換器１８の下流に備えられた凝縮器８の配置を示す。説明を容易にするために熱交換器１８と凝縮器８の間隔を広げて図示している。上述したように熱交換器１８の内部は流路が細分化されているので、熱交換器１８の出口は格子状の形状を有している。第２送風路６は隔壁２３を挟んで第１送風路３と隣り合っている。また第２送風路６は排気ダクト１０と連通しているが、図５では凝縮器８の配置を説明しやすくするために排気ダクト１０を省略している。図５では右側方向に相当するサーバ側からは第２送風路６内部においては比較的高温の空気が吐出しており、左側方向に相当するサーバ側と反対側からは第２送風路６内部においては比較的低温の空気が吐出している。したがって、凝縮器８の冷媒吐出口２１はサーバ側と反対側に配置している。図５では凝縮器８の冷媒吐出口２１と凝縮器８の冷媒流入口２０を示したが、それぞれ冷媒配管が接続されて、冷凍サイクルを形成しているものとする。

また、本実施の形態ではサーバ収納装置１内の高温空気を第１送風路３内部の蒸発器５で熱交換するとしたが、サーバ２からの発熱量が少ない場合は、蒸発器５を含む冷凍サイクルを稼動しないで熱交換器１８の作用だけでサーバ２からの発熱を外気へ排出することも可能である。具体的には熱交換器１８の内部で第１送風路３と第２送風路６が伝熱板を介して接しているので、第１送風路３内の空気中に含まれる熱を第２送風路６の空気中へ伝達することができ、サーバ２からの発熱を外気へ排出することができる。

また、本実施の形態では第１送風路３と第２送風路６は垂直方向に設けられた隔壁２３と熱交換器１８を挟んで隣り合っているとしたが、第１送風路３と第２送風路６の位置関係はこの形態に限ったものではない。たとえば第１送風路３が扉１３の上部に形成され、第２送風路６が扉１３の下部に形成されて水平方向の隔壁２３と熱交換器１８を挟んで設置しても良い。または、第１送風路３を扉１３の蝶番側に形成し、第２送風路６を蝶番と反対側に形成してもよい。サーバ収納装置１内の冷却効果を高めるために適した送風路の配置やダクトの取り扱いに適した送風路の配置を採用すれば同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では熱交換器１８において顕熱を交換するとしたが、顕熱に限ったものではなく、空気中に含まれる水分を交換しても良い。具体的には、サーバ収納装置１内部の温度が上昇すると相対湿度が低下するので、静電気が発生しやすくなる。静電気による放電はサーバ２等の電子部品に悪影響を与えるので、サーバ収納装置１内の相対湿度を適度に保つ必要がある。したがって、熱交換器１８を通じて外気に含まれる水分をサーバ収納装置１内部に供給すれば、静電気の発生を防ぐことができる。

なお、本実施の形態ではサーバ収納装置１としての利用形態を説明したが、収納対象はサーバに限ったものではなく、発熱量が多く正常動作のために冷却が必要な電子部品等を屋内で密閉した状態で収納する発熱体収納装置としても同様な効果を得ることができる。

以上のように本発明は、サーバからの発熱を効率良く屋外に排出するためのサーバ収納装置として適用できる。また、サーバ収納装置以外の用途においても、発熱量が多い電子部品等を屋内で密閉した状態で収納する発熱体収納装置としても有用である。

本発明の実施の形態１に記載のサーバ収納装置の横断面を示す構成図 本発明の実施の形態１に記載のサーバ収納装置の上面図 本発明の実施の形態１に記載のサーバ収納装置の設置例を示す構成図 本発明の実施の形態２に記載のサーバ収納装置の横断面を示す構成図 本発明の実施の形態２に記載の熱交換器と凝縮器の位置関係配置を示す構成図 従来技術の例を示す図

１ サーバ収納装置
３ 第１送風路
５ 蒸発器
６ 第２送風路
８ 凝縮器
９ 給気ダクト
１０ 排気ダクト
１８ 熱交換器
２０ 冷媒流入口
２１ 冷媒吐出口

Claims (6)

1. サーバ収納装置内の空気を循環する第１送風路と、サーバ収納装置外の空気が流通する第２送風路と、第１送風路内に蒸発器と、第２送風路内に凝縮器を設け、第２送風路内の凝縮器に給気ダクトを介して屋外空気を供給し、前記凝縮器を通過した屋外空気を排気ダクトを介して排気する構成としたサーバ収納装置。
2. 前記第１送風路と前記第２送風路をサーバ収納装置の扉内部に設けたことを特徴とするサーバ収納装置。
3. 前記第１送風路と前記第２送風路と熱交換器をサーバ収納装置の扉内部に設け、第１送風路内の空気と第２送風路内の空気の熱交換をする構成とした請求項１または２記載のサーバ収納装置。
4. 前記第１送風路内で熱交換器の下流側に蒸発器を設け、前記第２送風路内で熱交換器の下流側に凝縮器を設けたことを特徴とする請求項３記載のサーバ収納装置。
5. 蒸発器の冷媒流入口を熱交換器の下流側の高温部に設けたことを特徴とする請求項４記載のサーバ収納装置。
6. 凝縮器の冷媒吐出口を熱交換器の下流側の低温部に設けたことを特徴とする請求項４または５記載のサーバ収納装置。

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