JP2010211363A - 電子機器冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源系統に異常が発生した場合であっても、電子機器の冷却を行うことが可能な電子機器冷却装置を提供する。
【解決手段】サーバー３を収納したサーバーラック１０に蒸発器２１を配置し、蒸発器２１によりサーバーラック１０内のサーバー３を冷却するサーバーラック冷却装置１００において、蒸発器２１を上側蒸発器２２，下側蒸発器２３の２系統に分割構成し、上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３のそれぞれを異なる電源系統で駆動する熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器を冷却する電子機器冷却装置に関する。

従来、電子機器が収容されたキャビネットの空気出口側に空気−水熱交換器を配置し、キャビネットに収容された電子機器に付設したファンで送風される空気を上記空気−水熱交換器で冷却して室内に戻す電子機器冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２００６／０２３２９４５号明細書

しかし、上述した技術では、電子機器冷却装置に電力を供給する電源系統に異常が発生した場合、電子機器の冷却ができなくなる可能性があるという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電源系統に異常が発生した場合であっても、電子機器の冷却を行うことが可能な電子機器冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電子機器を収納したキャビネットに蒸発器を配置し、この蒸発器から延びた冷媒配管に、電動機で駆動する圧縮機、凝縮器を有した熱源ユニットを接続し、該蒸発器により前記キャビネット内の電子機器を冷却する電子機器冷却装置において、前記蒸発器を複数系統に分割構成し、各系統の前記蒸発器を異なる電源系統で駆動する熱源ユニットに接続したことを特徴とする。
この構成によれば、複数の電源系統のいずれかに異常が発生した場合であっても、異常が発生していない他の電源系統によって、熱源ユニットの駆動が可能となり、当該熱源ユニットに接続された蒸発器によって電子機器の冷却が可能となる。

ここで、上記発明の電子機器冷却装置において、前記熱源ユニットのそれぞれが、異なるブレーカーに接続されるようにしてもよい。
この構成によれば、熱源ユニットのそれぞれが異なるブレーカーに接続されているため、１の電源系統に異常が発生し、当該電源系統に係るブレーカーによって、当該電源系統から熱源ユニットへの電力の供給が停止された場合であっても、異常が発生していない他の電源系統から熱源ユニットへ電力を供給し、電子機器の冷却を行うことができる。

また、上記発明の電子機器冷却装置において、前記電源系統のいずれかに異常が発生したことを検出する異常検出手段を備え、この異常検出手段によって前記電源系統のいずれかに異常が発生したことが検出された場合、異常が発生した前記電源系統以外の前記電源系統で駆動する前記熱源ユニットに接続された前記蒸発器によって前記電子機器を冷却するようにしてもよい。
この構成によれば、複数の電源系統のいずれかに異常が発生した場合であっても、異常が発生していない他の電源系統によって、熱源ユニットの駆動が可能となり、当該熱源ユニットに接続された蒸発器によって電子機器の冷却が可能となる。

本発明によれば、電源系統に異常が発生した場合でも、電子機器の冷却が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るサーバーラック冷却装置１００を示す図である。
図１に示すサーバールーム２は、冷却対象である電子機器としてのサーバー３（図２）が収納されたサーバーラック１０（キャビネット）が配置される部屋であり、室内冷却用空気調和機１によって冷却される。
この室内冷却用空気調和機１は、室外ユニット（不図示）と、天井空間内に設置された室内ユニット１３０とを備え、この室内ユニット１３０は、室内熱交換機１３１と、室内ファン１３２とを備えている。サーバールーム２を冷却する際、室内冷却用空気調和機１は、室内熱交換機１３１を蒸発器として機能させると共に、室内ファン１３２が発生する負圧により、ダクト１４４を介して天井に設けられた複数（本実施形態では３つ）の吸込口１４２から室内の空気を吸い込み、室内熱交換機１３１を通過させて冷却した後、ダクト１４５を介して床下空間１４６に導く。床下空間１４６に導かれた空気は、床に設けられた吹出口１４７から室内に吹き出し、サーバールーム２を冷却した後、再び、吸込口１４２から吸い込まれる。このようにして、サーバールーム２と室内ユニット１３０間を空気が循環し、サーバールーム２内が冷却される。

図２はサーバーラック１０を示す図である。
サーバーラック１０は、前面及び後面が開口したキャビネット本体１１を備え、このキャビネット本体１１の底には、キャスタ１３が設けられ、サーバーラック１０が容易に移動可能となっている。

キャビネット本体１１内には、複数のサーバー３がその背面をキャビネット本体１１後面に向けて上下に段積み配置される。このサーバー３は、例えば、ブレードサーバー等によって構成され、冷却用のファン４を備えており、サーバー３内の温度が所定温度を超えるとファン４を駆動し、サーバー３内に外気を導入して機器背面から排出する強制空冷機能を備えている。このため、サーバー３の背面をキャビネット本体１１背面に向けて配置することで、ファン４の駆動時には、図２の破線矢印で示すように、ファン４により室内空気がキャビネット前面開口６４から吸い込まれ、サーバー３を冷却した後、リアドア１２を通過して室内に排出される。なお、サーバー３には、図示せぬＵＰＳ（Uninterruptible Power supply）から電源電力が供給されており、商用電源３００や商用電源３０１（図３）からの電力供給停止状態が発生した場合であっても、サーバー３及びファン４は動作を継続する。

キャビネット本体１１後面には、後面開口６５を閉塞自在に片開きで開閉するリアドア１２が設けられている。このリアドア１２を開けることによって、キャビネット本体１１内のサーバー３にアクセス可能となる。このリアドア１２は、通気自在に構成されるとともに、その内部に蒸発器２１が配設される。
この蒸発器２１は、複数系統（本実施形態では２系統）に分割構成されている。具体的には、リアドア１２の内部において、上下方向における上部には、上側蒸発器２２が配設されており、下部には、上側蒸発器２２と別の系統の下側蒸発器２３が配設されている。
このように蒸発器２１を上側蒸発器２２と下側蒸発器２３というように上下分割したのは次の理由による。例えば、サーバーラック１０内に上下段差状態で配置されるサーバー３が、上下不均一に配置され、サーバーラック１０内の熱負荷が不均等となっても、上下にわたって上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３が配置されているため、これらの蒸発器で上下均一に冷却することにより、上述の熱負荷の不均等に対応するためである。
本構成のサーバーラック１０は送風ファンを具備しない構成とされ、サーバー３に内蔵されたファン４によってサーバー３の排熱で暖められた空気が蒸発器２１を流通する。このため、例えばリアドア１２内に送風ファンを内蔵した構成に比して、リアドア１２の奥行き寸法が短くなり、サーバーラック１０自体の奥行き寸法を短くすることができる。なお、リアドア１２内に送風ファンを配置し、この送風ファンによって室内空気をキャビネット本体１１内に導入し、サーバー３を通った空気を蒸発器２１に流通させるようにしてもよい。

上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３は、銅管とアルミニウム製板フィンとを備えるプレートフィンチューブ式熱交換器によって構成されている。
上側蒸発器２２の銅管には、図1に示すように、熱源ユニット３０から延びる第１の冷媒配管３１（第１の液管３１Ａ及び第１のガス管３１Ｂ）がフレキシブル配管（フレキシブル液管２５及びフレキシブルガス管２６）を介して接続されており、これにより第１の冷媒回路１８が形成されている。
また、下側蒸発器２３の銅管には、熱源ユニット１２０から延びる第２の冷媒配管４１（第２の液管４１Ａ及び第２のガス管４１Ｂ）がフレキシブル配管（フレキシブル液管４２及びフレキシブルガス管４３）を介して接続されており、これにより第２の冷媒回路１９が形成されている。
このように、本実施形態では、２系統に分割された上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３のそれぞれに、異なる熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０が接続されている。

第１の冷媒配管３１は、サーバールーム２の上床２Ａと下床２Ｂとの間の床下空間１４６内を引き回されており、第１の冷媒配管３１につながるフレキシブル液管２５及びフレキシブルガス管２６は、上床２Ａの開口穴２Ｃ（図２）を通ってリアドア１２内の蒸発器２１につながる。このため、図２に示すように、フレキシブル液管２５及びフレキシブルガス管２６が蒸発器２１から下方に延びた後に床下空間１４６内で緩やかに曲がるように引き回され、これらフレキシブル液管２５及びフレキシブルガス管２６の長さに余裕を持たせておくことによってリアドア１２開閉時にフレキシブル液管２５及びフレキシブルガス管２６だけがリアドア１２の動きに合わせて移動する。従って、リアドア１２開閉時に他の配管に力が作用することがなく、他の配管、例えば、第１の液管３１Ａ及び第１のガス管３１Ｂに鋼管を適用することが可能である。
同様のことは、第２の冷媒配管４１についても言うことができる。

熱源ユニット３０は、図１に示すように、能力可変型の圧縮機３２、圧縮機モータ３３（電動機）、室外ファン３７を駆動する室外ファンモータ３４、凝縮器３５、膨張弁３６及び制御ユニット８０を備えている。そして、圧縮機モータ３３によって駆動される圧縮機３２が第１の冷媒回路１８に充填された冷媒を圧縮して吐出することにより、第１の冷媒回路１８内を冷媒が循環し、冷凍サイクル運転を行う。この冷凍サイクル運転中、蒸発器２１によってサーバー３から排出された空気が冷却されて室内に排出される。

同様に、熱源ユニット１２０は、能力可変型の圧縮機１２１、圧縮機モータ１２７（電動機）、室外ファン１２５を駆動する室外ファンモータ１２６、凝縮器１２３、膨張弁１２４及び制御ユニット８５を備えている。そして、圧縮機モータ１２７によって駆動される圧縮機１２１が第２の冷媒回路１９に充填された冷媒を圧縮して吐出することにより、第２の冷媒回路１９内を冷媒が循環し、冷凍サイクル運転を行う。この冷凍サイクル運転中、蒸発器２１によってサーバー３から排出された空気が冷却されて室内に排出される。

ここで、従来のサーバー冷却装置は空気−水熱交換器を備えるため、この空気−水熱交換器にチラー水を循環する経路の一部からでも水漏れが生じると、この水によってサーバーが損傷するおそれがある。本構成では、上述したように、蒸発器２１には、冷凍サイクルを循環する冷媒が供給されるため、万一冷媒が循環する経路から冷媒の漏れが生じたとしても、この冷媒は即座に蒸発し、サーバー３のショートもしくは漏電が生じることはない。

図３は、サーバーラック冷却装置１００の制御系の構成例を示すブロック図である。なお、この図において、破線は電力供給線を示している。
集中コントローラ２００は、図１に示すように、床下空間１４６の下床２Ｂ上に配置されており、制御ユニット８０、８５を集中制御するための制御回路である。
この集中コントローラ２００には、サーバーラック１０内に設けられ、サーバーラック１０内の温度を検出するサーバー温度センサ２９Ｅ、２９Ｆ（図２）が接続されており、これらサーバー温度センサ２９Ｅ、２９Ｆからサーバーラック１０内の温度を示す信号が入力される。サーバー温度センサ２９Ｅは、上側蒸発器２２に対応する位置に設けられており、サーバー温度センサ２９Ｆは、下側蒸発器２３に対応する位置に設けられている。集中コントローラ２００は、サーバー温度センサ２９Ｅ、２９Ｆから入力された温度信号に基づいて、例えば統計学的手法により、サーバーラック１０内の温度を検出する。

制御ユニット８０は、熱源ユニット３０の各部を中枢的に制御するものであり、集中コントローラ２００の制御の下、圧縮機モータ３３、膨張弁３６及び室外ファンモータ３４を制御する。
制御ユニット８５は、熱源ユニット１２０の各部を中枢的に制御するものであり、集中コントローラ２００の制御の下、圧縮機モータ１２７、膨張弁１２４及び室外ファンモータ１２６を制御する。

熱源ユニット３０が備える圧縮機モータ３３、膨張弁３６、室外ファンモータ３４及び制御ユニット８０には、商用電源３００から電力が供給される。商用電源３００から熱源ユニット３０へ延びる電力供給線上には、ブレーカー３００Ａが設けられている。このブレーカー３００Ａは、商用電源３００から供給される電力に係る電流に異常が生じた場合や、過電流が発生した場合、過負荷が生じた場合、短絡が発生した場合等に、商用電源３００から熱源ユニット３０への電力の供給を遮断する装置である。

一方、熱源ユニット１２０が備える圧縮機モータ１２７，膨張弁１２４、室外ファンモータ１２６及び制御ユニット８５には、商用電源３００とは異なる電源系統である商用電源３０１から電力が供給される。商用電源３０１から熱源ユニット１２０へ延びる電力供給線上には、ブレーカー３０１Ａが設けられている。このブレーカー３０１Ａは、商用電源３０１から供給される電力に係る電流に異常が生じた場合や、過電流が発生した場合、過負荷が生じた場合、短絡が発生した場合等に、商用電源３０１から熱源ユニット１２０への電力の供給を遮断する装置である。
このように、本実施形態では、異なる系統の上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３のそれぞれは、異なる電源系統で駆動する熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０に接続されている。

次に、本実施形態に係るサーバーラック冷却装置１００の動作を説明する。
先ず、商用電源３００及び商用電源３０１が正常である場合の動作（通常運転）について説明する。
商用電源３００及び商用電源３０１が正常である場合、制御ユニット８０は、集中コントローラ２００の制御の下、圧縮機モータ３３を制御して圧縮機３２を駆動すると共に、膨張弁３６を適切な範囲で開状態とする。同時に、制御ユニット８５は、集中コントローラ２００の制御の下、圧縮機モータ１２７を制御して圧縮機１２１を駆動すると共に、膨張弁１２４を適切な範囲で開状態とする。
そして、集中コントローラ２００は、サーバー温度センサ２９Ｅ、２９Ｆから入力された信号に基づいてサーバーラック１０内の温度を検出すると共に、当該サーバーラック１０内の温度と第１目標温度との差分に基づいて、制御ユニット８０及び制御ユニット８５を制御して、圧縮機モータ３３及び圧縮機モータ１２７を制御し、サーバールーム２内が第１目標温度になるように制御する。なお、サーバー３の周囲温度の適温範囲は、一般的には１７〜２６℃とされている。これ以上温度が上昇すると、サーバー３を構成する半導体や電子部品の寿命が短縮するとともに、故障率が増加する。例えば、半導体の場合、４０℃における故障率を１とすると、６０℃で１０倍、８０℃で１００倍となる。また、電解コンデンサの場合には、温度が１０℃上昇すると寿命が半分になってしまう。そこで、通常時には、空調の第１目標温度として前述した１７〜２６℃の範囲に属する、例えば、２０℃が設定される。これにより、温度上昇によるサーバー３の熱暴走を防ぐだけでなく、サーバー３を構成する電子部品の故障率を下げるとともに、寿命を延ばすことができる。

次いで、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が生じた場合におけるサーバーラック冷却装置１００の動作について図４のフローチャートを用いて説明する。
なお、フローチャートの動作の開始時点では、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれも正常であるものとする。
なお、以下の動作において、集中コントローラ２００は、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生したことを検出する異常検出手段として機能する。

集中コントローラ２００は、上述した通常運転を行っている間、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生したか否かを監視する（ステップＳＡ１、ステップＳＡ２）。商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに発生する異常としては、例えば、ブレーカー３００Ａ又はブレーカー３０１Ａによって、商用電源３００又は商用電源３０１からの電力の供給が停止することや、落雷等に起因して商用電源３００に停電が発生すること、その他、ブレーカー３００Ａ又はブレーカー３０１Ａでは検出できない電流の異常が生じること等がある。

商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生した場合（ステップＳＡ２：ＹＥＳ）、集中コントローラ２００は、異常が発生した商用電源３００又は商用電源３０１に係る熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０の駆動を停止する（ステップＳＡ３）。なお、説明の便宜のため、以下の説明では、商用電源３００に異常が発生したものとする。
ステップＳＡ３の動作を詳述すると、商用電源３００の異常の発生に起因して、商用電源３００からの電力の供給が停止された場合、集中コントローラ２００の制御にかかわらず、熱源ユニット３０に電力が供給されないため、熱源ユニット３０の駆動が停止する。なお、商用電源３００からの電力の供給が停止されたときは、熱源ユニット３０の各部にＵＰＳ（Uninterruptible Power supply：無停電電源装置）等のバックアップ電源から電力を供給するように構成してもよく、このように構成した場合、集中コントローラ２００は、制御ユニット８０を制御して、圧縮機モータ３３の駆動を停止すると共に、膨張弁３６を閉状態とし、第１の冷媒回路１８における冷媒の循環を完全に停止するようにしてもよい。
一方、商用電源３００に異常が発生した状態で、商用電源３００から熱源ユニット３０に電力が供給されている場合は、集中コントローラ２００は、制御ユニット８０を制御して、圧縮機モータ３３の駆動を停止すると共に、膨張弁３６を閉状態とし、第１の冷媒回路１８における冷媒の循環を完全に停止する。

次いで、ステップＳＡ４において、集中コントローラ２００は、サーバーラック１０内の第２目標温度を設定する。具体的には、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生し、熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０のいずれか一方のみを駆動してサーバー３を冷却する場合の第２目標温度が、集中コントローラ２００が備えるＲＯＭ等の記憶部に予め記憶されており、集中コントローラ２００は、当該第２目標温度を、サーバーラック１０内の目標温度とする。なお、第２目標温度は、熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０のいずれか一方のみを駆動してサーバー３を冷却する場合に、これら熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０にかかる負荷などが考慮された上で定められる。この第２目標温度は、第１目標温度と同じ温度でもよく、サーバー３に対して悪影響が与えられない範囲で、第１目標温度より高くてもよい。

次いで、ステップＳＡ５において、集中コントローラ２００は、サーバー温度センサ２９Ｅ、２９Ｆから入力された信号に基づいて、サーバーラック１０内の温度を検出する。ステップＳＡ６において、集中コントローラ２００は、検出したサーバーラック１０内の温度が、第２目標温度と等しいか否か判別する。サーバーラック１０内の温度が、第２目標温度と等しくない場合（ステップＳＡ６：ＮＯ）、集中コントローラ２００は、制御ユニット８５を制御して、圧縮機モータ１２７を制御し、圧縮機１２１の駆動レベルを調整し、サーバーラック１０内の温度が、第２目標温度と等しくなるようにする（ステップＳＡ７）。サーバーラック１０内の温度が、第２目標温度と等しい場合（ステップＳＡ６：ＹＥＳ）、集中コントローラ２００は、処理手順をステップＳＡ８に移行する。

ステップＳＡ８において、集中コントローラ２００は、商用電源３００の異常が解消したか否かを判別する。異常が解消していない場合（ステップＳＡ８：ＮＯ）、集中コントローラ２００は、処理手順をステップＳＡ５へ移行する。異常が解消している場合（ステップＳＡ８：ＹＥＳ）、集中コントローラ２００は、処理手順をステップＳＡ１へ移行し、通常運転を再開する。

以上説明したように、本実施形態に係るサーバーラック冷却装置１００は、蒸発器２１を上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３の２系統に分割構成し、これら上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３のそれぞれを異なる電源系統である商用電源３００及び商用電源３０１で駆動する熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０に接続している。
これによれば、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生した場合であっても、異常が発生していない商用電源３００又は商用電源３０１によって、熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０の駆動が可能となり、熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０に接続された上側蒸発器２２又は下側蒸発器２３によってサーバー３の冷却が可能となる。

また、本実施形態では、熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０のそれぞれが、異なるブレーカー３００Ａ及びブレーカー３０１Ａに接続されている。
これによれば、熱源ユニット３０及び熱源ユニット１２０のそれぞれが異なるブレーカー３００Ａ及びブレーカー３０１Ａに接続されているため、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生し、異常が発生した商用電源３００又は商用電源３０１に係るブレーカー３００Ａ又はブレーカー３０１Ａによって、異常が発生した商用電源３００又は商用電源３０１から熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０への電力の供給が停止された場合であっても、異常が発生していない商用電源３００又は商用電源３０１から熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０へ電力を供給し、サーバー３の冷却を行うことができる。

また、集中コントローラ２００は、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生したことを検出する。そして、集中コントローラ２００は、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生したことを検出した場合、異常が発生した商用電源３００又は商用電源３０１以外の商用電源３００又は商用電源３０１で駆動する熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０に接続された上側蒸発器２２又は下側蒸発器２３によってサーバー３を冷却するようにしてもよい。
これによれば、商用電源３００及び商用電源３０１のいずれかに異常が発生した場合であっても、異常が発生していない商用電源３００又は商用電源３０１によって、熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０の駆動が可能となり、熱源ユニット３０又は熱源ユニット１２０に接続された上側蒸発器２２又は下側蒸発器２３によってサーバー３の冷却が可能となる。

なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、図２に示すように、サーバーラック１０内で上下に２つの上側蒸発器２２及び下側蒸発器２３が配置された例を説明したが、サーバーラック１０内における蒸発器の配置や、個数は、条件に応じて適切に定めることができる。

本実施形態に係るサーバーラック冷却装置を示す図である。 サーバーラックを示す図である。 サーバーラック冷却装置の制御系を示すブロック図である。 サーバーラック冷却装置の動作を示すフローチャートである。

３ サーバー（電子機器）
１０ サーバーラック（キャビネット）
２１ 蒸発器
２２ 上側蒸発器
２３ 下側蒸発器
３０、１２０ 熱源ユニット
３２、１２１ 圧縮機
３３、１２７ 圧縮機モータ（電動機）
３５、１２３ 凝縮器
１００ サーバーラック冷却装置（電子機器冷却装置）
２００ 集中コントローラ（異常検出手段）
３００、３０１ 商用電源（電源系統）
３００Ａ、３０１Ａ ブレーカー

Claims (3)

1. 電子機器を収納したキャビネットに蒸発器を配置し、この蒸発器から延びた冷媒配管に、電動機で駆動する圧縮機、凝縮器を有した熱源ユニットを接続し、該蒸発器により前記キャビネット内の電子機器を冷却する電子機器冷却装置において、
   前記蒸発器を複数系統に分割構成し、
   各系統の前記蒸発器を異なる電源系統で駆動する熱源ユニットに接続したことを特徴とする電子機器冷却装置。
2. 前記熱源ユニットのそれぞれが、異なるブレーカーに接続されることを特徴とする請求項１に記載の電子機器冷却装置。
3. 前記電源系統のいずれかに異常が発生したことを検出する異常検出手段を備え、
   この異常検出手段によって前記電源系統のいずれかに異常が発生したことが検出された場合、異常が発生した前記電源系統以外の前記電源系統で駆動する前記熱源ユニットに接続された前記蒸発器によって前記電子機器を冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器冷却装置。

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