JP2011220585A - サーバ室用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】サーバを効率的に冷却でき、保守性やスペース効率に優れ、増設や更新にも容易に対応することが可能なサーバ室用空調システムを提供する。
【解決手段】サーバ室２の床を上層床３と下層床４とにより二重床空間５を有する二重床構造とし、上層床を通風可能なグレーチングにより構成し、上層床上に多数のサーバラック１を冷気供給ゾーン６を挟んでその両側に２列に並べて配列して１モジュールのサーバラック群Ｍを設定する。１モジュールのサーバラック群における冷気供給ゾーンの直下の二重床空間内および直上のサーバ室の天井部にそれぞれユニット型空調機７（７Ａ，７Ｂ）を設置可能とし、該ユニット型空調機の設置台数を１モジュールのサーバラック群の冷却負荷に応じて増減可能に構成する。
【選択図】図１

Description

本発明はデータセンターや電算センターにおける空調システム、特に多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムに関する。

この種の空調システムとしては、サーバに対する冷却を効率的に行う目的でサーバ室内にコールドアイルとホットアイルを明確に分離して形成する所謂コールドアイル・ホットアイル空調方式によるものが主流となっている。
これは、たとえば特許文献１に示されているように、サーバ室の床を孔あきパネルを有する二重床として、その床上にサーバを収容した多数のサーバラックを間隔をおいて配列し、二重床から孔あきパネルを通してサーバラック間に給気（冷気）を上向きに吹き出すことによって、サーバ室内をコールドアイルすなわち二重床からの冷気（給気）が直接供給されて低温に維持されるゾーンと、ホットアイルすなわちサーバラックを冷却した後の還気（熱気）が流通するゾーンとに明確に分離するようにしたものである。

この場合、サーバラックをその周囲に通路や保守のための空間を確保して適正に配列するとともに、サーバラックの配列に対応させて冷気の給気経路および熱気の還気経路を適正に設定することにより、サーバラックの周囲にコールドアイルとホットアイルが自ずと分離された状態で形成されてサーバラックを効率的に冷却することが可能であるが、さらに要所に冷気および熱気の流通経路を規制するための遮蔽板や垂れ壁等を設置することにより、コールドアイルとホットアイルとの間で冷気や熱気のショートサーキットが生じてしまうことを確実に防止できて冷却効率の低下を防止することができるとされている。

特開２００４−１８４０７０号公報

ところで、上記のようなサーバ室を対象とする空調システムでは空調機の設置スペースを如何にして確保するかが重要な課題である。一般には、比較的小容量の空調機をサーバ室内に露出状態で分散配置するか、あるいはサーバ室に隣接して空調機室を設けてその内部にサーバ室全体の冷却負荷を処理する大型の空調機を設置することになるが、それぞれ次のような問題がある。
すなわち、前者の場合はサーバ室内のスペースが空調機のために犠牲になるし、空調機の保守管理のたびに作業員がサーバ室内に立ち入る必要がある点で好ましくない。一方、後者のようにサーバ室とは別に空調機室を設ける場合には、空調機が大型であるばかりでなくその周囲に保守スペースも確保する必要があることから空調機室のためにかなりのスペースを必要とし、したがってデータセンターの建物延面積のうちサーバ室として利用できる有効面積の割合が低下してしまうし、サーバ室の有効面積を犠牲にしなければならない場合もある。

また、いずれにしてもサーバは年々大容量化して冷却負荷が増大する傾向にあるので、それに応じて空調機の増設や冷却能力を増大させるための機器更新等の改修が必要となることも想定されるが、従来一般の空調システムでは増設や改修を行うためには大掛かりな工事が必要となることが通常であり、サーバ室を稼働しながらの工事は困難である。

上記事情に鑑み、本発明はサーバを効率的に冷却できることはもとより、保守性やスペース効率上の問題もなく、さらには増設や更新にも容易に対応することが可能である有効適切な空調システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、前記サーバ室の床を上層床と下層床とにより二重床空間を有する二重床構造として構成して、前記上層床を通風可能なグレーチングにより構成し、前記上層床上に多数のサーバラックを冷気供給ゾーンを挟んでその両側に２列に並べて配列することにより１モジュールのサーバラック群を設定するとともに、前記１モジュールのサーバラック群における前記冷気供給ゾーンの直下の二重床空間内および該冷気供給ゾーンの直上のサーバ室の天井部にそれぞれ前記冷気供給ゾーンに向けて冷気を供給するユニット型空調機を設置可能とし、かつ該ユニット型空調機の設置台数を前記１モジュールのサーバラック群の冷却負荷に応じて増減可能に構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のサーバ室用空調システムであって、前記サーバ室の天井部に前記冷気供給ゾーンの上部空間を周囲から区画するための垂れ壁や遮蔽板等の区画手段を設けて、前記冷気供給ゾーンをコールドアイルとして区画形成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のサーバ室用空調システムであって、複数のサーバラックとそれらサーバラックを冷却するためのユニット型空調機により１組の単位システムを構成するとともに、該単位システムを複数組並設して前記１モジュールのサーバラック群を構成し、かつ該１モジュールのサーバラック群における前記ユニット型空調機の台数を該１モジュールのサーバラック群全体の冷却負荷に応じて増減可能としたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載のサーバ室用空調システムであって、前記１モジュールのサーバラック群に設置されるユニット型空調機の冷却能力を、少なくとも１台のユニット型空調機が故障した際に他のユニット型空調機によりバックアップ可能なように余裕を持たせて設定したことを特徴とする。

本発明によれば、サーバラック群をモジュール単位で冷却することとして、負荷増大時にはその時点の負荷に応じてモジュール単位でユニット型空調機を増設することにより、負荷増大に対して容易に対応可能であって、負荷増大後にも支障なく最適運転が可能である。
また、ユニット型空調機を二重床空間内および天井部に設置することにより、その設置や増設、機種交換を容易に行うことができ、サーバ室を稼働しながらの作業も可能であるし、従来のように空調機を設置するための格別のスペースをサーバ室内やサーバ室外に確保する必要はなく、したがってサーバ室および建物全体の有効面積を損なうことなく効率的かつ経済的な運用が可能である。

本発明の空調システムの実施形態を示す概要図である。 同、ユニット型空調機の設置形態を示す図である。 同、ユニット型空調機の増設パターンの例を示す図である。 同、１モジュールのサーバラック群の構成例を示す図である。 同、他の構成例を示す図である。

図１〜図２は本発明の実施形態である空調システムの概要を示すものである。
これは、多数のサーバをサーバラック１に収容して設置するサーバ室２を対象とするもので、そのサーバ室２の床を上層床３と下層床４とによる二重床構造としてそれらの間に二重床空間５を確保するとともに、上層床３を通風可能なグレーチングにより構成して上層床３上に多数のサーバラック１を並べて設置することを前提としている。

本実施形態では、各サーバラック１をそれらの間に保守スペースを兼ねる冷気供給ゾーン６を確保した状態で２列をなすように並べて配列することにより、所定台数（図１では４台×２列、計８台のみを図示）のサーバラック１を１モジュールとするサーバラック群Ｍを設定し、各サーバラック群Ｍをモジュール単位で冷却することを主眼とする。

本実施形態における空調システムは、１モジュールのサーバラック群Ｍにおける冷気供給ゾーン６の直下の二重空間５内およびその直上の天井部にそれぞれユニット型空調機７（７Ａ，７Ｂ）を設置可能とし、二重床空間５内に設置したユニット型空調機７Ａからの冷気を上層床３（グレーチング）を通して冷気供給ゾーン６に向けて上向きに供給するとともに、天井部に設置したユニット型空調機７Ｂからの冷気を冷気供給ゾーン６に向けて下向きに供給するようにしたものである。
これにより、上下のユニット型空調機７からの冷気が冷気供給ゾーン６から各サーバラック１を通過してその内部のサーバを効率的に冷却し、サーバラック１の背面側から還気経路（図示略）を通って各ユニット型空調機７に戻るように循環するようになっている。
また、サーバ室２の天井部には冷気供給ゾーン６の上部空間を周囲から区画するための垂れ壁（区画手段）８がユニット型空調機７Ｂの両側に設けられていて、その垂れ壁８により冷気供給ゾーン６が明確なコールドアイルとして区画形成されて冷気および還気の明確な循環経路が形成されている。

ユニット型空調機７Ａを設置するための二重床空間５は通常のフリーアクセスフロアとして機能することに加え、ユニット型空調機７Ａの設置スペースおよびその保守点検時の作業スペースとして確保されるものであって、ユニット型空調機７Ａに対する保守作業を作業員が二重床空間５に立ち入ることで支障なく行うことが可能なようにたとえば2200mm程度の高さ寸法を確保することが好ましい。勿論、二重床空間５において、ユニット型空調機７Ａの設置スペースとして利用されない部分については、サーバ用のＵＰＳ設備や蓄電池設備等の設置スペースとしても利用可能である。
なお、サーバ室２の天井部には必要に応じて天井９を設けても良いが、その場合には天井９を上層床３と同様に通風可能なグレーチングにより構成するか、あるいはユニット型空調機７Ｂの少なくとも吹出口の範囲は開口を設ければ良い。

上記のユニット型空調機７（７Ａ，７Ｂ）としては、たとえば図２に示すように、ケーシング内にフィルタ７ａと送風機７ｂと冷却コイル７ｃとをコンパクトに組み込んだ構成のものが好適に採用可能である。サーバ室２の冷却負荷は潜熱負荷が殆どないから冷却コイル７ｃをドライコイルとしてドレン処理を不要とすることも可能である。
このようなユニット型空調機７を所定規格で予め製作しておくとともに、冷却能力の異なる数機種のユニット型空調機７を予め用意しておけば、必要とされる冷却負荷に応じて最適な冷却能力のユニット型空調機７を選択して使用することが可能であるし、特に冷却能力は異なるものであっても互換性を有するいわゆるカセットタイプのユニット型空調機７を採用することにより、将来的な増設や機種変更を簡便かつ容易に行うことができる。
なお、ユニット型空調機７はサーバ電流やサーバ温度（もしくはサーバラック温度）等の周囲環境情報を刻々と検出するために設けられたセンサーによりサーバの実際の稼働状況を検知可能としておき、それに基づいてたとえばインバータ制御により最適な冷却運転を行うように構成することが好ましく、それにより最も効率的な省エネルギー運転が可能である。

そして、本実施形態では、１モジュールのサーバラック群Ｍの全体のその時点の冷却負荷に応じて、１モジュールごとにそこに設置するべきユニット型空調機７の所要台数を最適に設定することによって１モジュールのサーバラック群Ｍ全体の冷却負荷を確保することを基本とし、サーバラック群Ｍ全体の冷却負荷が変動した場合にはそれに応じてユニット型空調機７の設置台数を増減することで対処することとする。
すなわち、サーバラック１は将来的には大容量化することが想定され、その際にはサーバラック群Ｍ全体の冷却負荷が増大することが想定されることから、運用開始時点では必要最少限のユニット型空調機７だけを設置するとともに所要台数分の設置スペースを確保しておき、必要に応じて所望能力のユニット型空調機７を所望台数だけ増設して負荷増大に対処することとする。

そのような場合におけるユニット型空調機７の増設パターンの具体的な一例を図３を参照して説明する。
図３は１０台×２列に配列した計２０台のサーバラック１を１モジュールのサーバラック群Ｍとして設定し、それを２モジュール並設した場合を示している。各モジュールのサーバラック群Ｍには床部および天井部のそれぞれに対して最大５台ずつ全１０台のユニット型空調機７を設置可能としておく。

（１）運用開始時点ではその時点の冷却負荷（ベース負荷）に応じて床部に所要台数のユニット型空調機７Ａを設置し、それらユニット型空調機７Ａのみでモジュール全体の冷却負荷に見合う冷却能力を確保する。たとえば、図３（ａ）に示すように各モジュールの床部に３台のユニット型空調機７Ａを分散して設置し、それら３台のユニット型空調機７Ａにより２０台のサーバラック１による１モジュールのサーバラック群Ｍ全体の冷却負荷を賄う。つまり、この時点で設置するユニット型空調機７Ａの１台の冷却能力は１モジュールのサーバラック群Ｍ全体のこの時点での冷却負荷の１／３以上であれば良いことになる。

（２）運用開始後にサーバラック２の一部が大容量化してモジュール単位での冷却負荷が増大した場合には、その不足分を補うためにたとえば（ｂ）に示すように天井部に所要台数（図示例では各モジュールに２台ずつ）のユニット型空調機７Ｂを増設する。
その際、冷却負荷が増大したサーバラック１（斜線を付して示す）の近傍位置に対してユニット型空調機７Ｂを増設することにより、モジュール内における冷却負荷の偏在に効果的に対応することができる。

（３）さらに冷却負荷が増大した場合には、床部にユニット型空調機７Ａを増設していき、負荷増大量に応じて（ｃ）に示すように１モジュールにつき最大５台となるまで増設する。

（４）さらに冷却負荷が増大した場合には、天井部にユニット型空調機７Ｂを増設していき、負荷増大量に応じて（ｄ）に示すように１モジュールにつき最大５台となるまで増設する。

以上により、負荷増大に対するユニット型空調機７（７Ａ，７Ｂ）の台数の増設による対応は限界に達したので、さらなる負荷増大に対してはいずれかのユニット型空調機７をより大容量のものに順次置換していくことで対応する。
なお、上記のように基本的にはベース負荷を床部のユニット型空調機７Ａで処理することとして、その後の負荷増大時には状況に応じて天井部あるいは床部へ順次増設していけば良いが、当初のベース負荷を天井部に設置したユニット型空調機７Ｂにより処理することでも良いし、その後の増強パターン（台数増設および大容量機への置換）も冷却負荷の増大状況に応じて最適に設定すれば良い。

以上のように、本発明の空調システムによれば、サーバラック群Ｍをモジュール単位で冷却することにより、負荷増大時にはその時点の負荷に応じてモジュール単位でユニット型空調機７を増設、増強することのみで負荷増大に対して容易に対応可能であり、負荷増大後にも支障なく最適運転が可能である。勿論、将来的にサーバ効率が向上して冷却負荷が低減したような場合には、一部のユニット型空調機７を撤去してそのスペースを他に転用することも可能である。

そして、本発明においては、２列に配列したサーバラック群の間にコールドアイルとしての冷気供給ゾーン６を確保してその上下にそれぞれユニット型空調機７を設置可能としたので、サーバラック群全体を効率的に冷却できることはもとより、ユニット型空調機７として予め所定規格で製作したカセットタイプのものを用いることによりその設置や増設、機種交換を容易に行うことが可能であり、サーバ室を稼働しながらの作業も可能である。
勿論、ユニット型空調機７を二重床空間５内および天井部に設置するので従来のように空調機を設置するためにサーバラックの設置スペースを犠牲にしたり、サーバ室外に空調機械室を確保する必要はなく、したがってサーバ室２および建物全体の有効面積を損なうことなく効率的かつ経済的な運用が可能である。
なお、サーバ室２に二重床空間５を設けているものの上層床３はグレーチングにより構成しているので建築基準法上は床面積が二重に算定されることはない。

ところで、上記実施形態では２０台のサーバラック１により１モジュールのサーバラック群Ｍを設定し、その１モジュールに対して最大で１０台のユニット型空調機７を設置可能としたが、本発明はそれに限定されるものでは勿論なく、モジュールの設定パターンと各モジュールを冷却するための空調システムの構成は、冷却対象のサーバラック１の仕様やサーバ室２全体の規模や形態、その他の諸条件を考慮して最適に設定すれば良く、たとえば図４に示すモジュール構成としてそれに十分な冗長性を持たせることも好ましい。

図４は上記実施形態と同様に１０台×２列、計２０台のサーバラック１を１モジュールとして設定し、かつ１モジュールに対して最大で上下に５台ずつ全１０台のユニット型空調機７を設置可能としたものであるが、その１モジュールのサーバラック群Ｍを５組の単位システム１０を並設することで構成したものである。
すなわち、冷気供給ゾーン６の両側に２台ずつ配置した計４台のサーバラック１と、それら４台のサーバラック１の間の冷気供給ゾーン６の直下の二重床空間５内に設置した１台のユニット型空調機７Ａにより１組の単位システム１０を構成し、冷気供給ゾーン６の直上の天井部には負荷増大時のためにユニット型空調機７Ｂの設置スペースを確保しておき、当初はそれら５組の単位システム１０の全体で１モジュールのサーバラック群Ｍを構成する。
なお、上記とは逆に、当初は天井部にユニット型空調機７Ｂを設置しておいて床部にはユニット型空調機７Ａの設置スペースを確保しておき、負荷増大時に床部にユニット型空調機７Ａを増設することでも良い。
この場合、当初に各単位システム１０に設置する１台のユニット型空調機７の空調能力は単位システム１０ごとの冷却負荷（この場合は４台のサーバラック１の冷却負荷の総計）に応じて決定するが、上記実施形態において説明したように予め製作した冷却能力の異なる数機種のカセットタイプのユニット型空調機７を予め用意しておいて、実際に使用される４台のサーバラックの冷却負荷に応じて最適な冷却能力のユニット型空調機７を選択して使用すれば良い。

各単位ユニット１０をそのような構成としておくことにより、各単位ユニット１０を構成しているサーバラック１が大容量化して冷却負荷が増大したような場合には、単位ユニット１０ごとに天井部にユニット型空調機７Ｂを増設する（あるいは、当初に天井部にユニット型空調機７Ｂを設置した場合には、床部にユニット型空調機７Ａを増設する）ことにより、単位システム１０ごとに冷却能力を倍増させて負荷増大に対処することができる。勿論、さらなる負荷増大に対してはユニット型空調機７を大容量のものに交換することで対応可能であるし、仮に１モジュール単位で負荷が低減した場合には任意のユニット型空調機７を撤去しても良い。

さらに、上記の場合には、仮に１台のユニット型空調機７が故障した場合には他のユニット型空調機７によってバックアップ可能なように、各ユニット型空調機７の空調能力に余裕を持たせて設定して十分な冗長性を持たせることが好ましい。

具体的には、各ユニット型空調機７の空調能力をそれぞれサーバラック５台分（単位システム１０を構成しているサーバラック４台分＋余裕１台分）としておいて、１モジュールの５台のユニット型空調機７のうちの４台のユニット型空調機７の冷却能力の合計で１モジュールの全体（全２０台のサーバラック１）を支障なく冷却できるようにしておくと良い。そして、通常時は全５台のユニット型空調機７をそれぞれが受け持つ４台のサーバラック１の稼働状況に応じた最適な部分負荷運転を行い、いずれか１台のユニット型空調機７が故障した際には他の４台のユニット型空調機７を全負荷運転とすることでバックアップすれば良い。
あるいは、全５台のユニット型空調機７のうちのいずれか１台（たとえば斜線を付して示したもの）は常にバックアップ機として待機させ、通常時はバックアップ機を除く４台のユニット型空調機７をほぼ全負荷運転して１モジュール全体の冷却負荷を処理し、いずれか１台のユニット型空調機７が故障した際にはバックアップ機に切り換えるようにしても良い。この場合、特定の１台をバックアップ専用機としても良いし、５台のうちのいずれか１台が順次バックアップ機となるように自動交互運転を行うようにしても良い。

そして、そのようなバックアップ運転を可能とするためには、各ユニット型空調機７をそれぞれが受け持つ４台のサーバラック１の稼働状況のみならず他のユニット型空調機７の運転状況も監視しつつ、故障時には故障状況に応じて最適なバックアップ運転を行うように制御すれば良く、そのための制御システムを各単位システム１０に組み込んでおくと良い。そのように少なくとも１台のユニット型空調機７が故障した際に他のユニット型空調機７によりバックアップ可能な冗長化システムとすることにより、１モジュールのサーバラック群Ｍに対する空調システムの信頼性を充分に確保できるものとなる。

なお、上記実施形態では、サーバ室２の天井部に冷気供給ゾーン６の上部空間を周囲から区画するための区画手段としての垂れ壁８を設けて、その垂れ壁８により冷気供給ゾーン６を明確なコールドアイルとして区画形成したが、垂れ壁８を設けることに代えて図５に示すように冷気供給ゾーン６の上部空間を区画手段としての遮蔽板８’により水平に区画したり、さらに他の区画手段を設けることによっても同様の効果が得られる。勿論、区画手段が不要な場合には省略して差し支えない。

Ｍ サーバラック群（１モジュール）
１ サーバラック
２ サーバ室
３ 上層床（グレーチング）
４ 下層床
５ 二重床空間
６ 冷気供給ゾーン（コールドアイル）
７（７Ａ，７Ｂ） ユニット型空調機
７ａ フィルタ
７ｂ 送風機
７ｃ 冷却コイル
８ 垂れ壁（区画手段）
８’ 遮蔽板（区画手段）
９ 天井
１０ 単位システム

Claims (4)

1. 多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、
   前記サーバ室の床を上層床と下層床とにより二重床空間を有する二重床構造として構成して、前記上層床を通風可能なグレーチングにより構成し、
   前記上層床上に多数のサーバラックを冷気供給ゾーンを挟んでその両側に２列に並べて配列することにより１モジュールのサーバラック群を設定するとともに、
   前記１モジュールのサーバラック群における前記冷気供給ゾーンの直下の二重床空間内および該冷気供給ゾーンの直上のサーバ室の天井部にそれぞれ前記冷気供給ゾーンに向けて冷気を供給するユニット型空調機を設置可能とし、かつ該ユニット型空調機の設置台数を前記１モジュールのサーバラック群の冷却負荷に応じて増減可能に構成したことを特徴とするサーバ室用空調システム。
2. 請求項１記載のサーバ室用空調システムであって、
   前記サーバ室の天井部に前記冷気供給ゾーンの上部空間を周囲から区画するための垂れ壁や遮蔽板等の区画手段を設けて、前記冷気供給ゾーンをコールドアイルとして区画形成したことを特徴とするサーバ室用空調システム。
3. 請求項１または２記載のサーバ室用空調システムであって、
   複数のサーバラックとそれらサーバラックを冷却するためのユニット型空調機により１組の単位システムを構成するとともに、該単位システムを複数組並設して前記１モジュールのサーバラック群を構成し、かつ該１モジュールのサーバラック群における前記ユニット型空調機の台数を該１モジュールのサーバラック群全体の冷却負荷に応じて増減可能としたことを特徴とするサーバ室用空調システム。
4. 請求項１，２または３記載のサーバ室用空調システムであって、
   前記１モジュールのサーバラック群に設置されるユニット型空調機の空調能力を、少なくとも１台のユニット型空調機が故障した際に他のユニット型空調機によりバックアップ可能なように余裕を持たせて設定したことを特徴とするサーバ室用空調システム。

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