JP2011242011A - サーバ用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】容易に構築可能であるとともにサーバ数の変更にフレキシブルに対応することができ、省エネ効果の高い空調制御を実行することが可能なサーバ用空調システムを提供する。
【解決手段】分離されたコールドエリア１１とホットエリア１２とを有し、コールドエリア１１とホットエリア１２との間に複数のサーバが格納されたサーバラック１３−１〜１３−８が設置され、コールドエリア１１に流入した冷気がサーバの発熱により加熱されてホットエリア１２から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器１０と、このサーバ格納容器１０に還気ダクト２１および給気ダクト２６により接続され、外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて給気温度設定値および給気湿度設定値を設定し、この給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいてシステム内の各機器の動作を制御する空調システム２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数のサーバを設置し、集中して空調を管理するサーバ用空調システムに関する。

近年、様々な分野でＩＴ化が進むにつれ、ネットワークへの接続回線や保守・運用サービスなどを顧客に提供するデータセンターの必要性が高まってきている。

一般的にデータセンターでは、多数のサーバが設置されているため発熱量が多く、これらのサーバを正常に稼動させるためには適切に空調を行って所定範囲の環境条件に保つ必要がある。

データセンターのように多数のコンピュータが設置された室内を冷却するための技術として、室内の下部空間から吸い込んだ空気を上部空間において吹き出すことにより、該空気がサーバラックの上部に吸い込まれるように構成した空調システムがある。

この技術を利用することにより室内全体の温度勾配を少なくするとともに給気温度のばらつきを少なくして効率のよい空調制御を行うことが可能になる。

特開２００５−１７２３０９号公報

しかし、上述したような従来の空調システムは既存のビルの室内に構築されるため、建設コストが多大である、増設が困難でありサーバ数の増加にフレキシブルに対応することができない、という問題があった。

またデータセンターは、米国空調学会（ＡＳＨＲＡＥ）の規定（ＡＳＨＲＡＥ2004）により室内環境を「温度：20〜25℃、湿度40〜55％」の条件に保つことが定められ、この条件に対しては省エネ効果の高い外気冷房を行うことが困難であったが、2008年の改定でこの規定が「温度：18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60％以下」の条件に緩和されたことにより、外気冷房の実現性が高まってきていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に構築可能でありサーバ数の変更にフレキシブルに対応することができ、省エネ効果の高い空調制御を実行することが可能なサーバ用空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態によるサーバ用空調システムは、分離された第１空間と第２空間とを有し、前記第１空間と前記第２空間との間に複数のサーバが設置され、前記第１空間に流入した冷気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第２空間から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器と、このサーバ格納容器に還気ダクトおよび給気ダクトにより接続された空調システムとを備えることを特徴とする。

一実施形態によるサーバ用空調システムの構成を示す全体図である。 一実施形態によるサーバ用空調システムの空調制御装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態によるサーバ用空調システムの空調制御装置で設定する給気温度設定値および給気湿度設定値の範囲を示すグラフである。

本発明の一実施形態によるサーバ用空調システムの構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態によるサーバ用空調システム１は、サーバ格納容器１０と、空調システム２０とを備える。

サーバ格納容器１０は、例えば容易に構築可能なコンテナであり、第１空間としての冷気を含んだコールドエリア１１と、第２空間としての暖気を含んだホットエリア１２とを有し、コールドエリア１１とホットエリア１２との間には複数のサーバ（図示せず）が格納されたサーバラック１３−１〜１３−８が設置され、サーバ収納容器１０への入出扉１４とコールドエリア１１、ホットエリア１２及びサーバラック１３−１〜１３−８との間には外気遮断エリア１５を有している。

この複数のサーバは、内蔵するファン（図示せず）が稼動することにより同一方向に気流が発生するようにサーバラック１３−１〜１３−８に格納される。そして、コールドエリア１１に流入した冷気が、サーバラック１３―１〜１３−８内の複数のサーバのファン稼動により取り込まれ、サーバ内の発熱により加熱されてホットエリア１２から還気として流出するように気流が形成される。そしてこのような気流が形成されることで、サーバの熱が冷却されて正常に稼動される。

また、入出扉１４とコールドエリア１１、ホットエリア１２及びサーバラック１３−１〜１３−８との間には、扉を有する仕切りが設置されることで、外気遮断エリア１５が存在し、メンテナンス等で人が入退出する際の外気の流入出を遮断することができ、メンテナンス対象以外のサーバが稼動している状態で急激な温湿度変化が生じることを防止することができる。

空調システム２０は、還気ダクト２１と、還気ファン２２と、排気用ダンパ２３と、室内ユニット２４と、室外ユニット２５と、給気ダクト２６と、外気温度センサ２７と、外気湿度センサ２８と、コールドエリア温度センサ２９と、コールドエリア湿度センサ３０と、還気温度センサ３１と、空調制御装置３２とを有する。

還気ダクト２１は空気を通す管であり、サーバ格納容器１０のホットエリア１２と空調システム２０の室内ユニット２４とを接続する。

還気ファン２２は、サーバ格納容器１０のホットエリア１２の還気を、還気ダクト２１内に流出させる。

排気用ダンパ２３は、外部に排出する還気量を、外気導入量に基づいて開度により調整する。

室内ユニット２４は、還気導入用ダンパ２４１と、外気導入用ダンパ２４２と、フィルタ２４３と、冷気生成装置としての加湿器２４４、冷却コイル２４５、給気ファン２４６とを有する。

還気導入用ダンパ２４１は、外気と混合する還気量を、開度により調整する。

外気導入用ダンパ２４２は、室内ユニット２４内に導入する外気量を、開度により調整する。

フィルタ２４３は、外気導入用ダンパ２４２が開状態にされたときに導入される外気、および還気導入用ダンパ２４１が開状態にされたときに還気ダクト２１から導入される還気から、塵埃を除去する。

加湿器２４４は、フィルタ２４３で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて加湿する。

冷却コイル２４５は、フィルタ２４３で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて冷却して冷気を生成する。

給気ファン２４６は、加湿器２４４により必要に応じて加湿され、また冷却コイル２４５により必要に応じて冷却されて生成された冷気を、給気ダクト２６からサーバ格納容器１０のコールドエリア１１に流入させる。

室外ユニット２５は、冷却コイル２４５に接続され、冷却コイル２４５で冷気を生成する際に利用される冷媒を供給する。

給気ダクト２６は空気を通す管であり、室内ユニット２４とサーバ格納容器１０のコールドエリア１１とを接続する。

外気温度センサ２７は、外気温度を計測し、計測値を空調制御装置３２に送信する。外気湿度センサ２８は、外気湿度を計測し、計測値を空調制御装置３２に送信する。コールドエリア温度センサ２９は、コールドエリア内の温度を計測し、計測値を空調制御装置３２に送信する。コールドエリア湿度センサ３０は、コールドエリア内の湿度を計測し、計測値を空調制御装置３２に送信する。還気温度センサ３１は、還気温度を計測し、計測値を空調制御装置３２に送信する。

空調制御装置３２は、図２に示すように、外気温湿度計測値取得部２９１と、コールドエリア温湿度計測値取得部２９２と、還気温度計測値取得部２９３と、給気温湿度設定部２９４と、機器制御部２９５とを有する。

外気温湿度計測値取得部２９１は、外気温度センサ２７で計測された外気温度計測値、および外気湿度センサ２８で計測された外気湿度計測値を取得する。

コールドエリア温湿度計測値取得部２９２は、コールドエリア温度センサ２９で計測されたコールドエリア温度計測値およびコールドエリア湿度センサ３０で計測されたコールドエリア湿度計測値を取得する。

還気温度計測値取得部２９３は、還気温度センサ３１で計測された還気温度計測値を取得する。

給気温湿度設定部２９４は、外気温室度計測値取得部２９１で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、給気温度設定値および給気湿度設定値を設定する。

機器制御部２９５は、コールドエリア温湿度計測値取得部２９２で取得されたコールドエリア温度およびコールドエリア湿度と給気温湿度設定部２９４で設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、空調システム２０内の各機器の動作を制御する。

また、機器制御部２９５は、還気温度計測値取得部２９３で取得された還気温度に基づいて、給気ファン２４６を制御する。

空調制御装置３２において、各機器の制御が行われるときの動作について説明する。

まず、外気温湿度計測値取得部２９１で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値が給気温湿度設定部２９２で取得され、これらに基づいて給気温度設定値および給気湿度設定値が設定される。

この給気温度設定値および給気湿度設定値は、サーバが正常に稼動するために予め設定された温度範囲内且つ予め設定された湿度範囲内、例えば図３のグラフにおいて太線に示した、米国空調学会（ＡＳＨＲＡＥ）で規定された温度：18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60％以下の範囲内で、設定される。このとき、この規定の範囲内で最も消費エネルギーが少なくなる場合、または最もコストが低くなる場合の給気温度設定値および給気湿度設定値（相対湿度、絶対湿度、露点温度等）が設定されるようにしてもよい。

このようにして設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、機器制御部２９３において、還気ファン２２の回転数、排気用ダンパ２３の開度、還気導入用ダンパの２４１開度、外気導入用ダンパ２４２の開度、加湿器２４４の制御量、冷却コイル２４５の制御量、および給気ファン２４６の回転数を制御する制御信号が生成され、各機器に送信されることにより制御が行われる。

このとき、外気の温度、湿度が所定値よりも低いときには、可能な範囲で積極的に外気が利用されるように制御されることで、省エネ効果が向上する。

例えば、外気（温度、湿度、比エンタルピ）の条件により、以下の５つの運転モードに切り替える。（年間運転時間は、関東地区における試算値）
１．外気条件が、温度と湿度共に適温適湿の場合
外気を取り込み、コンテナへ送風する。

年間運転時間：５１５ｈ
２．外気条件が、温度が低く、湿度が適湿の場合
外気を取り込み、コンテナから戻る空気と混合して、適温適湿にてコンテナへ送風する。

年間運転時間：２，１８６ｈ
３．外気条件が、湿度が低く、比エンタルピが所定以下の場合
外気を取り込み、コンテナから戻る空気を必要に応じて加湿して、外気と混合し、もしくは外気とコンテナから戻る空気を混合した空気に対し必要に応じて加湿することで、適温適湿にてコンテナへ送風する。

年間運転時間：２，７６５ｈ
４．外気条件が、湿度が低く、温度が高いことにより比エンタルピが３の比エンタルピを下限とした所定範囲内の場合
外気を取り込み、外気を加湿により気化冷却して適温適湿にてコンテナへ送風する。

年間運転時間：１５ｈ
５．外気条件が、湿度またはエンタルピが高い場合（上記１から４以外）
外気を取り込まず、コンテナから戻る空気を冷却コイルで冷却して適温適湿にてコンテナへ送風する。

このように、外気条件に応じて、外気冷房を活用することによって、年間運転時間８，７６０ｈの内、外気冷房運転を５，４８１ｈ（約６０％）とすることができ、空調エネルギーの削減を図ることができる。

また、サーバの稼動状態が変化し、サーバの発熱が大きくなったときは、還気が所定温度以上に上昇することが考えられる。そこで、還気温度計測値取得部２９３で取得された還気温度計測値が所定値以上になったときは、給気ファン２４６の回転数を増やすように補正することで、サーバの発熱に応じた制御を行うことができる。

以上の本実施形態のサーバ用空調システムによれば、コンテナ等のサーバ格納容器に複数のサーバを格納することで、従来のデータセンタービル等に比べて複数のサーバを管理する環境を低い建築コストで容易に構築することができ、またこれによりサーバ数の増加に伴ってサーバ格納容器を含むサーバ用空調システムを増設すればよいのでフレキシブルに対応することができる。

また、このサーバ格納容器を含むサーバ用空調システムを屋外に設置することにより、外気冷房に利用したい外気をじかに取り込むことが出来るため、空気搬送動力が低く抑えられる。

また、このサーバ格納容器を利用することで、サーバを管理する際の空調制御対象の空間のうちサーバ以外の余分な空間を極力小さくすることができ、従来のデータセンタービル等に比べて少ないエネルギーで効率の良いサーバ用の空調を行うことができる。

また、サーバ用の空調に関しては、ある程度幅のある温度範囲、湿度範囲内に該当するように制御すればよいため、外気の状態の変化に応じてこの範囲の中で効率の良い給気温度および給気湿度に制御することで省エネ効果の高い空調制御を実行することができる。

尚、上記実施形態では、還気ファン２２を設けているが、給気ファン２４６の運転能力のみでシステム内の空気循環を行うことができる場合は不要である。これにより、更に省エネを図ることができ、また、還気ファン２２を削除することにより、空気循環における抵抗を低減することができる。

１…サーバ用空調システム
１０…サーバ格納容器
１１…コールドエリア
１２…ホットエリア
１３−１〜１３−８…サーバラック
１４…扉
１５…外気遮断エリア
２０…空調システム
２１…還気ダクト
２２…還気ファン
２３…排気用ダンパ
２４…室内ユニット
２５…室外ユニット
２６…給気ダクト
２７…外気温度センサ
２８…外気湿度センサ
２９…コールドエリア温度センサ
３０…コールドエリア湿度センサ
３１…還気温度センサ
３２…空調制御装置
２４１…還気導入用ダンパ
２４２…外気導入用ダンパ
２４３…フィルタ
２４４…加湿器
２４５…冷却コイル
２４６…給気ファン
２９１…外気温湿度計測値取得部
２９２…コールドエリア温湿度計測値取得部
２９３…還気温度計測値取得部
２９４…給気温湿度設定部
２９５…機器制御部

Claims (5)

1. 分離された第１空間と第２空間とを有し、前記第１空間と前記第２空間との間に複数のサーバが設置され、前記第１空間に流入した冷気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第２空間から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器と、このサーバ格納容器に還気ダクトおよび給気ダクトにより接続された空調システムとを備えたサーバ用空調システム。
2. 前記空調システムは、
   外気の導入量を調整する外気導入用ダンパと、
   前記サーバ格納容器の第２空間から流出された還気の導入量を調整する還気導入用ダンパと、
   前記サーバ格納容器の第２空間から流出された還気の排気量を調整する排気用ダンパと
   前記外気導入用ダンパが開状態にされたときに導入される外気、および前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を調整して冷気を生成する冷気生成装置と、
   前記冷気生成装置で生成された冷気を、前記給気ダクトから前記サーバ格納容器の第１空間に流入させる給気ファンと、
   を備え、
   前記給気ファンにより前記サーバ格納容器に流入した冷気で前記サーバを冷却することを特徴とする請求項１記載のサーバ用空調システム。
3. 前記冷気生成装置は、
   前記外気導入用ダンパが開状態にされたときに導入される外気、および前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を加湿する加湿器と、
   前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を冷却する冷却コイルと
   を備えることを特徴とする請求項２記載のサーバ用空調システム。
4. 前記サーバ収納容器は、
   サーバ収納容器に入退出するための扉部と、
   前記扉部と前記サーバ、前記第1空間及び前記第２空間とを遮断する外気遮断空間とを備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のサーバ用空調システム。
5. 外気温度計測値および外気湿度計測値を取得する外気温湿度計測値取得部と、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、給気温度設定値および給気湿度設定値を設定する給気温湿度設定部と、この給気温湿度設定部で設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、前記外気導入用ダンパの開度、前記還気導入用ダンパの開度、前記排気用ダンパの開度、前記冷気生成装置の制御量、および、前記給気ファンの回転数を制御する機器制御部とを有する制御装置、
   を備えることを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項に記載のサーバ用空調システム。

Images