JP2012007865A

JP2012007865A - 冷却システム

Info

Publication number: JP2012007865A
Application number: JP2010146573A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ito; 潤一伊藤; Yasuhiro Kashirajima; 康博頭島; Yasuhiko Inatomi; 泰彦稲富; Hanhaku Yoshida; 伴博吉田
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12
Also published as: US20110314853A1; CN102300444A; NL2007009A; GB2481694B; SG177113A1; GB2481694A; GB201110836D0; NL2007009C2

Abstract

【課題】本発明は、冷媒自然循環サイクルに、ラックの間に設置し半局所冷却運転を行う冷却装置を備えた冷却システムにおいて、電子機器の温度上昇を防止しながら、負荷に応じて冷却装置の送風量を制御することによりランニングコストを削減し、省エネ性の高い冷却システムを提供する。
【解決手段】冷却装置２０ａ、２０ｂの給気面に給気温度センサ８０と排気面に還気温度センサ８２を設置し、給気温度センサ８０と還気温度センサ８２の測定値から給気温度と還気温度の温度差を送風機周波数切替手段７０によって算出する。そして、送風機周波数切替手段７０によって、前記温度差に応じた周波数に送風機２２ａ、２２ｂの周波数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器の冷却システムに関し、特にサーバルームに設置されたコンピュータやサーバ等の複数の電子機器から発生した熱を、電子機器の間に設置された蒸発器と送風機とを備えた冷却装置により冷却する電子機器の冷却システムに関する。

サーバルームには、コンピュータやサーバ等の電子機器が集約された状態で多数設置される。電子機器は一般にラックマウント方式、すなわち、電子機器を機能単位別にラック（筐体）に段積みする方式で設置され、ラックはサーバルームの床上に多数整列配置される。

これらの電子機器は、正常な動作のために一定の温度環境が必要とされ、高温状態になるとシステム停止等のトラブルを引き起こすおそれがある。このため、サーバルームは、空調機によって一定の温度環境に管理されている。

しかし、近年では、電子機器の処理速度や処理能力の急激な上昇に伴い、電子機器からの発熱量が上昇の一途をたどっており、空調機のランニングコストも大幅に増加している。

一方、発熱量が大きいラックをサーバルームに乱雑に配列すると、ラックからの高温排気による熱溜まりが発生し、この熱溜まりの高温空気をラックが吸込むことにより電子機器が高温状態になる恐れがある。このことから、一般的なサーバルームのラックは、複数のラックの給気面と排気面を揃えて配列され、サーバルーム内の空気をラックからの高温排気により周囲温度よりも高温なホットアイルと、空調機により冷却されラックに供給される周囲温度よりも低温なコールドアイルにゾーニングし、ラックが高温空気を吸込むことを防止する方式がとられている。

このような背景から、電子機器を冷却するためのランニングコストを低減する様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載される空調システムは、冷媒を動力なしで自然循環させる冷媒自然循環型の空調システムであり、蒸発器と、この蒸発器よりも高所の凝縮器とを、ガス配管及び液配管で接続することによって構成されている。そして、蒸発器で気化された冷媒の気体がガス配管を介して凝縮器に送られ、凝縮器で液化された冷媒の気体が液配管を介して蒸発器に送られることによって、冷媒が自然循環され、蒸発器で冷却作用を得ることができる。

このような冷媒自然循環型の空調システムを、電子機器の局所冷却に適用することによって、前述したランニングコストを削減することが期待される。例えば、蒸発器と送風機を備えた冷却装置を配列されたラックの間に設置し、冷媒自然循環により半局所的にラックを冷却することで送風動力を削減することができるとともに熱溜まり発生を抑制できる。

一方で、ラック間に冷却装置を設置し、半局所的に冷却運転を行う方式におけるランニングコストの低減についても様々な技術が提案されている。例えば、特許文献２に記載される空調システムは、サーバルーム内に配列されたラックの間に蒸発器と送風機が組込まれた冷却装置と、冷媒を凝縮する凝縮器と、蒸発器と凝縮器の間に設置され冷媒を圧送する冷媒圧送装置とを冷媒配管で接続することによって構成されている。この冷却装置の冷媒圧力と冷媒温度を測定し、圧力測定値から冷媒の飽和温度を求め、温度測定値との差に応じて冷媒圧送装置の出力量や送風機の送風量を制御することでランニングコストを削減することができる。

特開２００７−１２７３１５号公報特開２００６−１６２２４８号公報

しかしながら、上記のようにラックの間に冷却装置を設置し、半局所的に冷却するシステムでは、ラック内に搭載した電子機器の発熱量によりラックの送風量が個別に変わっているのに対し、冷却装置の受け持ち範囲内のラックに対し、ラックの送風量よりも冷却装置に組込まれた送風機による送風量が多くなる必要がある。例えば、ラックの送風量が、冷却装置の送風量を上回ると、ラックによる高温排気がラック前面に回り込み、電子機器の温度上昇を引き起こしてしまう可能性がある。

一方、冷媒自然循環システムの能力制御では、部分負荷時には配管圧損が小さくなるため、凝縮冷媒温度の設定値を下げることが可能であるにもかかわらず、凝縮器冷媒温度を一定に制御する方法がとられている。

したがって、冷却システムのランニングコストを抑えるためには、電子機器の温度上昇を防止しながら負荷に応じて冷却装置の送風量を制御するとともに凝縮器冷媒温度の設定値を変更することが重要になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、冷媒自然循環サイクルに、ラックの間に設置し半局所冷却運転を行う冷却装置を備えた冷却システムにおいて、電子機器の温度上昇を防止しながら、負荷に応じて冷却装置の送風量を制御することによりランニングコストを削減し、省エネ性の高い冷却システムを提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、熱を発する複数の電子機器と、前記複数の電子機器を搭載し、前面と背面に通気可能な構造を持つ複数のラックと、前記複数のラックを各々の給気面と排気面が揃うよう配列した電算室と、前記ラックの間に設置され、ラックからの高温排気との熱交換によって冷媒を気化するとともに該高温排気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器に前記ラックからの高温排気を供給する送風機と、前記蒸発器と前記送風機を組込んだ冷却装置と、前記蒸発器よりも高所に設置され、前記気化された冷媒を液化させる凝縮器と、前記蒸発器で気化した冷媒ガスを前記凝縮器に送るガス配管と、前記凝縮器で液化した冷媒液体を前記蒸発器に送る液配管と、前記凝縮器に冷水を供給する冷水ポンプと、前記凝縮器と冷水ポンプをつなぐ冷水配管と、前記蒸発器と前記凝縮器の間で前記冷媒を自然循環させる自然循環機構を備えた冷却システムにおいて、前記送風機による前記蒸発器への給気温度を測定する給気温度センサと、前記蒸発器で冷却された還気温度を測定する還気温度センサと、前記送風機の周波数を切り替える送風機周波数切替手段を備え、前記送風機周波数切替手段は、前記給気温度センサによって測定された前記給気温度と前記還気温度センサによって測定された前記還気温度との差に対応した送風機の周波数に制御することを特徴とする冷却システムを提供する。

また、本発明によれば、前記送風機周波数切替手段には、前記送風機の必要送風量を演算する必要送風量演算手段が備えられ、前記必要送風量演算手段は、前記給気温度センサと前記還気温度センサの検出値から熱負荷を計算し、熱負荷処理に必要な周波数に送風機の周波数を制御することが好ましい。

また、本発明によれば、前記冷却装置の受け持ち範囲内に1つまたは複数のラック入気温度を測定するラック入気温度センサを備え、前記送風機周波数切替手段は、前記ラック入気温度センサの検出値が所定値以上である場合に前記送風機の送風量を増加させることが好ましい。

また、本発明によれば、前記凝縮器の出口の冷媒温度を測定する冷媒温度センサと、前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算する必要冷媒温度演算手段とを備え、前記必要冷媒温度演算手段は、前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算するとともに、前記凝縮器の冷媒温度の設定値を演算値に設定することが好ましい。

また、本発明によれば、前記電算室の室内露点温度を検出する手段を備え、前記必要冷媒温度演算手段は、前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算するとともに、該演算値が室内露点温度以上であれば前記凝縮器冷媒温度の設定値を演算値に、該演算値が室内露点温度以下であれば前記凝縮器冷媒温度の設定値を室内露点温度に変更することが好ましい。

本発明の冷却システムによれば、冷媒自然循環による半局所冷却システムにおいて、部分負荷時にラックが高温空気を吸込むことを防止しながら冷却装置の送風量を制御することが可能になると同時に、結露の発生を防止しながら負荷に応じて凝縮器冷媒温度の設定値を変えることが可能となり、高い省エネルギーな空調設備を提供することができる。

第１の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図第２の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図第３の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図第４の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図第５の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図第６の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図図１に示した冷却システムの送風機運転制御例の説明図図２に示した冷却システムの送風機運転制御例の説明図図４に示した冷却システムの送風機運転制御例の説明図

以下、添付図面に従って本発明に係る冷却システムの好ましい実施の形態について説明する。

図１は、第１の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図である。

図１において、サーバルーム（電算室）１内には、熱を発する電子機器が搭載された複数のラック１０、１０…が給気面と排気面が揃うように配列されており、そのラック１０の間に蒸発器２１ａと送風機２２ａとが組込まれた冷却装置２０ａ、及び蒸発器２１ｂと送風機２２ｂとが組込まれた冷却装置２０ｂが設置されている。蒸発器２１ａ、２１ｂの内部には冷媒液が供給され、冷媒液はラック１０からの高温排気１１で蒸発することにより周囲から気化熱を奪いガス化する。これにより、ラック１０からの高温排気１１が冷却される。符号２３ａ、２３ｂは、冷却装置２０ａ、２０ｂから排気された冷却空気である。

一方、蒸発器２１ａ、２１ｂより高い位置には凝縮器５０が設けられ、凝縮器５０と前述したそれぞれの蒸発器２１ａ、２１ｂとの間には、冷媒が自然循環する冷媒循環ラインが設けられる。冷媒循環ラインは、ガス配管４０と液配管４２とから構成される。凝縮器５０では、蒸発器２１ａ、２１ｂでガス化した冷媒が、冷水と熱交換し液化する。液化した冷媒は、蒸発器２１ａ、２１ｂと凝縮器５０の間を連結する液配管４２の内部を重力により流動し、蒸発器２１ａ、２１ｂへ自然に循環する。符号５３は、凝縮器５０に供給する冷水を冷却する冷熱源であり、冷熱源５３によって冷却された冷水は、冷水ポンプ５２によって冷水配管を介して凝縮器５０に循環供給される。

この冷却システムにおいては、ラック１０の負荷が低下したときにも冷却装置２０ａ、２０ｂ内の送風機２２ａ、２２ｂは一定風量で運転される。そこで、冷却装置２０ａ、２０ｂの給気面に給気温度センサ８０と排気面に還気温度センサ８２を設置し、給気温度センサ８０と還気温度センサ８２の測定値から給気温度と還気温度の温度差を送風機周波数切替手段７０によって算出している。そして、送風機周波数切替手段７０によって、前記温度差に応じた周波数に送風機２２ａ、２２ｂの周波数を制御する。

例えば、前記温度差が所定の基準値に対して大きい場合には、冷却装置２０ａ、２０ｂの冷却能が過剰であると判断し、送風機２２ａ、２２ｂの周波数を下げて送風機２２ａ、２２ｂの回転数を下げる。これに対し、前記温度差が所定の基準値に対して小さい場合には、冷却装置２０ａ、２０ｂの冷却能が不足していると判断し、送風機２２ａ、２２ｂの周波数を上げて送風機２２ａ、２２ｂの回転数を上げる。これにより、ラック１０の熱負荷に対応した運転が可能になり、省エネ運転制御が可能となる。

図２は、第２の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図であり、図１に示した冷却システムと同一又は類似の部材については同一の符号を付して説明する。

図２の冷却システムは、図１に示した冷却システムに対し、給気温度センサ８０と還気温度センサ８２の測定値に基づき送風機周波数切替手段７０の必要風量演算手段７１によって熱負荷を算出し、必要風量演算手段７１によって前記熱負荷を処理するために必要な周波数に送風機２２ａ、２２ｂの周波数を制御するシステムである。

図３は、第３の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図であり、図１に示した冷却システムと同一又は類似の部材については同一の符号を付して説明する。

図３の冷却システムは、図１に示した冷却システムにおいて、冷却装置２０ａ、２０ｂが受け持つ１つ以上のラック１０の入気温度を測定するラック入気温度センサ８３が設置されている。ラック入気温度センサ８３の測定値が所定値以上である場合には、送風機周波数切替手段７０が強制的に送風機２２の送風量を強制的に増加させ、ラック１０が高温空気を吸い込むことによる電子機器の温度上昇を防止する。

図４は、第４の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図であり、図１に示した冷却システムと同一又は類似の部材については同一の符号を付して説明する。

図４の冷却システムは、図１に示した冷却システムにおいて、凝縮器５０の冷媒温度を測定する温度センサ８４と送風機２２ａ、２２ｂの周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器５０の冷媒温度を演算する必要冷媒温度演算手段８６を備え、凝縮器５０の冷媒温度の設定値をこの演算値に設定する。これにより、部分負荷時に凝縮器５０の冷媒温度を高く設定できる。

図５は、第５の実施の形態の冷却システムの構成を示したブロック図であり、図１に示した冷却システムと同一又は類似の部材については同一の符号を付して説明する。

図５の冷却システムは、図１に示した冷却システムにおいて、サーバルーム１内に室内露点温度を検出する室内露点温度検出手段８５が設置されている。送風機２２の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算する必要冷媒温度演算手段８６による演算値が、室内露点温度検出手段８５により検出した室内露点温度以上であれば、凝縮器５０の冷媒温度の設定値を演算値に変更し、演算値が室内露点温度以下であれば凝縮器５０の冷媒温度の設定値を露点温度に変更する。これにより、結露の発生を防止できる。

〔変形例〕
図１〜図５に示した冷却システムでは、冷水と冷媒を熱交換する凝縮器５０を設置しているが、図６の如く凝縮器５０の代わりに外気冷熱を利用して冷媒を凝縮させる冷媒冷却塔５５を設けてもよい。

〔第１の実施の形態の冷却システムの送風運転制御例〕
例えば、図７に示すように給気温度センサ８０（図１参照）の測定値Ｔinと還気温度センサ８２の測定値Ｔoutの差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔin−Ｔout）を算出し、この温度差ΔＴの値に対して、冷却装置の設計最大温度差をΔＴ_１℃、設計最小温度差温度差をΔＴ_２℃としたときに前記温度差ΔＴがΔＴ_１≦ΔＴ≦ΔＴ_２の範囲にあるときにそのΔＴに対応する送風機周波数ｆを予め設定しておく。そして、ΔＴ＞ΔＴ_１の時に送風機周波数を最大周波数ｆmaxに変更し、ΔＴ＜ΔＴ_２の時に送風機周波数を最低周波数ｆminに変更し、ΔＴ_１≦ΔＴ≦ΔＴ_２の時に温度差ΔＴに対応する送風機周波数を予め設定してある値ｆに変更する。これよりラック１０の熱負荷が低下した場合には送風機周波数を下げて運転可能となり、省エネ運転が可能となる。さらに、冷却装置の異常等により冷却性能が低下した場合には、還気温度センサ８２の測定値Ｔoutが上昇し、給気温度センサ８０の測定値Ｔinの値に近づくので、温度差ΔＴが小さくなり、送風機周波数を下げて送風量を減少するので、ラック１０からの高温排気が冷却されずにラック１０の入気面に供給されるのを防止することが可能となる。

〔第２の実施の形態の冷却システムの送風運転制御例〕
例えば、図８に示すように冷却装置の設計最大熱負荷をＱ_１ｋｗ、設計最小熱負荷をＱ_２ｋｗとしたときに、熱量Ｑを冷却するのに必要な送風量を確保するための送風機周波数ｆを予め設定しておく。現在の送風機運転周波数から送風量を求め、給気温度センサ８０（図２参照）と還気温度センサ８２の測定値と送風機送風量から熱量Ｑ算出し、Ｑ≧Ｑ_１の時に送風機周波数を最大周波数ｆmaxに変更し、Ｑ≦Ｑ２の時に送風機周波数を最低周波数ｆminに変更し、Ｑ_１＜Ｑ＜Ｑ_２の時に送風機周波数を予め設定してある熱量Ｑに対応する送風機周波数ｆに変更する。これよりラック１０の熱負荷が低下した場合には送風機周波数を下げて運転可能となり、省エネ運転が可能となる。さらに、冷却装置の異常等により冷却性能が低下した場合には、還気温度センサ８２の測定値Ｔoutが上昇し、給気温度センサ８０の測定値Ｔinの値に近づくので、熱量Ｑが小さくなり、送風機周波数を下げて送風量を減少するので、ラック１０からの高温排気が冷却されずにラック１０の入気面に供給されるのを防止することが可能となる。

例えば、ラック１０の高温排気量Ｑ３に対して冷却装置の送風量Ｑの値がＱ＜Ｑ３となる場合には、冷却装置の送風量以上の高温排気が供給され、冷却装置の送風量を上回った分の高温排気はラック１０の入気面に回り込む。これにより、ラック１０の入気温度を上昇させ、ラック１０に搭載した電子機器の温度上昇を引き起こす恐れがある。したがって、ラック１０の入気温度を測定するラック入気温度センサ８３の測定値が設計室内温度以上となった場合には、ラック１０の高温排気が入気面へ回り込んでいると判断し、送風機２２の運転周波数を強制的に増加させる。これにより、ラック１０からの高温排気の入気面への回り込みを防止できる。

〔第４の実施の形態の冷却システムの送風運転制御例〕
例えば、図９に示すように冷却装置の処理熱量と送風機周波数及び凝縮器冷媒温度の関係から冷却性能テーブルを予め作成し、現在の送風機周波数の値と冷却装置の給気温度と還気空気の温度差から熱量Ｑを算出し、前記冷却性能テーブルから熱量Ｑに対応する凝縮器冷媒温度Ｔrに変更する。これにより熱量Ｑが大きくなれば凝縮器冷媒温度を上げ、熱量Ｑが小さくなれば凝縮器冷媒温度を下げるため、部分負荷時の省エネ運転が可能となる。

１…サーバルーム、１０…ラック、１１…高温排気、２０ａ、２０ｂ…冷却装置、２１ａ、２１ｂ…蒸発器、２２ａ、２２ｂ…送風機、２３ａ、２３ｂ…冷却排気、４０…ガス配管、４２…液配管、５０…凝縮器、５２…冷水ポンプ、５３…冷熱源、７０…送風機周波数切替手段、７１…必要風量演算手段、８０…給気温度センサ、８２…還気温度センサ、８４…温度センサ、８５…室内露点温度検出手段、８６…必要冷媒温度演算手段

Claims

熱を発する複数の電子機器と、前記複数の電子機器を搭載し、前面と背面に通気可能な構造を持つ複数のラックと、前記複数のラックを各々の給気面と排気面が揃うよう配列した電算室と、前記ラックの間に設置され、ラックからの高温排気との熱交換によって冷媒を気化するとともに該高温排気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器に前記ラックからの高温排気を供給する送風機と、前記蒸発器と前記送風機を組込んだ冷却装置と、前記蒸発器よりも高所に設置され、前記気化された冷媒を液化させる凝縮器と、前記蒸発器で気化した冷媒ガスを前記凝縮器に送るガス配管と、前記凝縮器で液化した冷媒液体を前記蒸発器に送る液配管と、前記凝縮器に冷水を供給する冷水ポンプと、前記凝縮器と冷水ポンプをつなぐ冷水配管と、前記蒸発器と前記凝縮器の間で前記冷媒を自然循環させる自然循環機構を備えた冷却システムにおいて、
前記送風機による前記蒸発器への給気温度を測定する給気温度センサと、
前記蒸発器で冷却された還気温度を測定する還気温度センサと、
前記送風機の周波数を切り替える送風機周波数切替手段を備え、
前記送風機周波数切替手段は、前記給気温度センサによって測定された前記給気温度と前記還気温度センサによって測定された前記還気温度との差に対応した送風機の周波数に制御することを特徴とする冷却システム。
前記送風機周波数切替手段には、前記送風機の必要送風量を演算する必要送風量演算手段が備えられ、
前記必要送風量演算手段は、前記給気温度センサと前記還気温度センサの検出値から熱負荷を計算し、熱負荷処理に必要な周波数に送風機の周波数を制御する請求項１に記載の冷却システム。
前記冷却装置の受け持ち範囲内に1つまたは複数のラック入気温度を測定するラック入気温度センサを備え、
前記送風機周波数切替手段は、前記ラック入気温度センサの検出値が所定値以上である場合に前記送風機の送風量を増加させる請求項１又は２に記載の冷却システム。
前記凝縮器の出口の冷媒温度を測定する冷媒温度センサと、
前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算する必要冷媒温度演算手段とを備え、
前記必要冷媒温度演算手段は、前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算するとともに、前記凝縮器の冷媒温度の設定値を演算値に設定する請求項１〜３のいずれかに記載の冷却システム。
前記電算室の室内露点温度を検出する手段を備え、
前記必要冷媒温度演算手段は、前記送風機の周波数と冷却性能テーブルから必要な凝縮器冷媒温度を演算するとともに、該演算値が室内露点温度以上であれば前記凝縮器冷媒温度の設定値を演算値に、該演算値が室内露点温度以下であれば前記凝縮器冷媒温度の設定値を室内露点温度に変更する請求項１〜４のいずれかに記載の冷却システム。