JP2012127627A - データセンターの空調構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、床下空調方式におけるデータセンターの空調構造に関するものである。
【解決手段】 本発明のデータセンターの空調構造は、発熱機器を設置した機器設置空間と、機器設置空間の床下に設けられた床下空間と、機器設置空間の空気を取込み温度制御した空気を床下空間に送出する空調機と、機器設置空間と床下空間との間に設けられ温度制御された空気を床下空間から機器設置空間へ供給するグリルと、所定の開口率を有し、床下空間を上下に第１の空間と第２の空間とに区画する風向制御板とを備える、よう構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、床下空調方式におけるデータセンターの空調構造に関するものである。

サーバや通信機器等のＩＴ機器を設置するデータセンター等は、機器が発生する熱による誤動作や故障を防ぐために空調システムを設置することが不可欠となっている。

データセンターの空調システムは、データセンターの建屋構造をＩＴ機器を設置した機器設置空間と、その機器設置空間の床下に設けられた床下空間とからなる二重床構造とし、空調機により機器設置空間の空気を取り込んで冷気を床下空間に送出して、床下空間から冷気を機器設置空間に供給する床下空調方式が一般的に知られている。

機器設置空間に設置されるサーバ等の機器はラックに収容され、そのラックは内蔵するファンにより前面から冷気を取り込み、背面および上面から暖められた暖気を排出するようになっている。ラックは複数台でラック列を形成し、各ラック列は前面が同一面となるように揃えられ、互いのラック列は前面同士、および背面同士が向き合う形に配置されている。ラック列の向かい合う前面で構成される床は、床下空間と機器設置空間とを連通するグリル構造のコールドアイルを形成している。ラック列はグリル構造の床を介して床下空間から冷気を取り込むようになっている。

ところで、空調機から床下空間に送出された冷気は、当初は床下空間の床面に沿って並行に流れるが、空調機から距離が離れるに従ってその流れは徐々に上向きとなりコールドアイルのグリルから機器設置空間に吹き出す。この冷気の流れは、データセンターに複数のコールドアイルを有するに、コールドアイルによって風量の大きなコールドアイルと少ないコールドアイルを生じさせることがある。また、１つのコールドアイル内においてもグリルの位置によって吹き出す風量が異なる風量分布を生じさせることがある。このような場合に、グリルからの冷気の風量が少ない位置に配置されたラックは温度上昇の危険があるため、どのグリルからも充分な風量を得られるように空調機からの風量を増加させる必要があり、無駄な電力を使うことになる。

床下からの風量の分布を制御する方法として、グリルにファンを内蔵し、ラックに設置したコンピュータに風量検知部を備え、風量を検知してグリルのファン回転速度を制御して風量を調節することが知られている。

特許第３６８６８２５号公報

日本電気技術者協会、電気技術回折講座−電力応用、http://www.jeea.or.jp/course/contents/09202/（2010.10.19閲覧）

上記したように、データセンターでは二重床構造とした床下空調方式が一般となっている。この空調方式は、空調機からの冷気を床下空間に送出し、コールドアイルを形成するグリルから冷気を吹き出させ、それをラックが内蔵するファンで取り込んでラック内に収容したＩＴ機器を冷却するものである。しかしながら、グリルから吹き出す冷気の風量はグリルの位置によってばらつきがあり、ばらつきによる影響を無くすために空調機からの風量を増加させて無駄な電力を使っていた。

風量のばらつきを制御する方法として、グリルにファンを備えて風量を検知し、ファンの回転速度を制御する方法があるが、それらの設置はコストアップとなり経済的な問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、データセンターなどにおいてグリルからの風量を均一化して効率よく空調できる空調構造を提供することを目的とする。

発明の一観点によれば、本発明のデータセンターの空調構造は、発熱機器を設置した機器設置空間と、機器設置空間の床下に設けられた床下空間と、機器設置空間の空気を取込み温度制御した空気を床下空間に送出する空調機と、機器設置空間と床下空間との間に設けられ温度制御された空気を床下空間から機器設置空間へ供給するグリルと、所定の開口率を有し、床下空間を上下に第１の空間と第２の空間とに区画する風向制御板とを備えるデータセンターの空調構造が提供される。

床下空間を孔の開いた風向制御板で上下に区画するようにしたので、空調機から送出された冷気の流れはこの風向制御板を通って上向きとなり、グリルから吹き出す風量は均一化され効率よく空調できる。

データセンターにおける床下空調例を示す図である。 本発明の空調システムの構造例を示す図である。 本発明の床下空間を構成するパーツ例を示す図である。 本発明の床下空間組み立て例を示す図である。 データセンターのシミュレーションモデル例を示す図である。 風向制御板のない場合のシミュレーション結果例を示す図である。 風向制御板を設置した場合のシミュレーション結果例を示す図である。 グリルからの吹き出し風量を示す図である。 風向制御板の高さと開口率を変えた場合のシミュレーション結果を示す図である。

本発明の特徴を明確にするために、実施形態の説明の前に先に説明した床下空調方式の一般的な例とグリルから吹き出す冷気の風量にばらつきが生ずる例を説明する。図１（ａ）はデータセンターにおける床下空調の例を示す図で、データセンター１０は床３０上に支持脚（不図示）を配置し、その上に床パネルを嵌め込んで床２０を形成している。従って、データセンター１０は床３０と床２０の二重床の構造を成し、床２０と天井（不図示）との間の機器設置空間１１と床３０と床２０との間の床下空間１２とに区画されている。機器設置空間１１には空調機５０やＩＴ機器を収容したラック列６０等が設置され、床下空間１２にはＩＴ機器に接続する電源ケーブルや信号線ケーブルが収容される。機器設置空間１１の床２０の一部はグリル４０構造を成し、機器設置空間１１と床下空間１２とを連通している。

空調機５０は上面および前面から機器設置空間１１のＩＴ機器等の発熱により暖められた空気を取込み、空調機５０下部から床下空間１２に冷気を送出する。この床下空間１２に送出された冷気は、グリル４０を通って機器設置空間１１に吹き出すことになる。ラック列６０は複数のラックで構成され、各ラックはファンを内蔵した機器を搭載しており、このファンによりラックの前面下部からグリル４０を通過した冷気を取込み、ラック内を通って暖められた空気（暖気）を背面、および上部から排気する。冷気と暖気の流れを効率よく行なわせるために、ラック列６０は各ラックの前面を揃えて列を成すと共に、２つのラック列を前面が向き合うように配置する。前面が向き合った床は床下空間からの冷気が吹き出るグリルパネルを配置し、コールドアイルを形成する。なお、ラック列の向かい合う背面で構成される床はフロアパネルを配置し、ラックに収容した機器によって暖められた空気（暖気）が排気されるホットアイルとなる。

次に、グリル４０から吹き出す冷気の風量にばらつきが生ずる例を図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ’断面で、空調機５０は上面および前面に空気取込み口５１、５２を備え、下部に冷気吹き出し口５３を備えている。空調機５０は空気取込み口５１、５２からラック列６０から排気された暖気（点線の矢印）を取込み、取り込んだ暖気を熱交換により冷気とし、この冷気（実線の矢印）を冷気吹き出し口５３から床下空間１２に送出する。床下空間１２に送出された冷気は床３０面上に沿って略水平に流れ、その冷気の流れは空調機５０から離れるに従って徐々に上向き、グリル４０を通って機器設置空間１１に吹き出す。図１（ｂ）に示すように、空調機５０に近いほど上向きの冷気が少ないためグリル４０から吹き出す風量は小さいが、空調機５０からの離れるに従い上向きの冷気が多くなり、風量が大きくなる。即ち、グリル４０の位置によって風量にばらつきが生じることになる。

本発明はグリル位置によってばらつく風量を均一化させるものである。以下にその実施例を図２〜図９を用いて説明する。

本発明の空調システムの特徴は床下空間にあり、その構造を図２に示す。図２は、図１（ｂ）に合わせて描いた図である（全体構造を表す図は図１（ａ）と同一となるので省略した）。図２に示すように、風向制御板１００によって床下空間１２を下層床下空間１２ａと上層床下空間１２ｂの上下の空間に分割している。風向制御板１００はグリル４０と同様に上下の空間（下層床下空間１２ａと上層床下空間１２ｂ）を連通する孔を多数個形成している。

空調機５０と床下空間１２との間にはダクト２００を配置している。ダクト２００は空調機５０の冷気吹き出し口５３から送出される冷気を下層床下空間１２ａに導く。下層床下空間１２ａに送り込まれた冷気は、下層床下空間１２ａを流れると共に一部は孔の開いた風向制御板１００を通って上層床下空間１２ｂに流れ込む。風向制御板１００を通るとき、冷気の流れに垂直方向の風力のベクトルが加わり上層床下空間１２ｂには上向き方向の流れを持った冷気が流れ込む。これらの冷気は更にグリル４０を通って機器設置空間１１に吹き出すことになる。

図１（ｂ）に示す風向制御板１００がないときと、図２に示す風向制御板１００を設置したときの違いは、空調機５０に距離が近いグリル４０の床下空間１２（風向制御板１００を設置した場合は上層床下空間１２ｂ）の冷気の風向が異なることである。具体的には、風向制御板１００がないときの冷気は略水平に流れるが、風向制御板１００を設置したときの冷気の流れは上向いたものとなっている。このため、風向制御板１００を設置したことにより、空調機５０に距離が近いグリル４０から機器設置空間１１に吹き出す冷気の風量は設置前に較べて増加することになる。

次にデータセンター１０に風向制御板１００を設置した床下空間１２を構築する例を説明する。図３は、床下空間１２を構成するパーツである支持脚３００、風向制御板１００およびグリルパネル４１を示した図である。

支持脚３００は、床面に固定されるベースプレート３１０の上面に、支柱３２０を垂直に設けた構造になっている。さらに支柱３２０の略中央の高さ位置には、風向制御板１００を載せる風向制御板受台３３０を設け、上端にはグリルパネルやフロアパネルを載せるパネル受台３４０を設けている。風向制御板受台３３０には高さ調節が可能のように支柱３２０と風向制御板受台３３０とを固定するネジを備えている。支持脚３００のベースプレート３１０の下面からパネル受台３４０の上面までの高さは床下空間の高さを決める寸法で、この例では８００ｍｍである。材質はフロアパネルを介してラック列などを支える必要があり、大きな強度を要するためここではスチールを用いている。

風向制御板１００は、上下の面を貫通する孔を形成した板である。孔の形状は丸でも矩形でもよいが、ここでは開口率を６０％としている（開口率は、風向制御板１００の面積に対する開口面積の比率である）。また、風向制御板１００の四隅を支柱３２０の風向制御板受台３３０に載せるため、４つの角部は角切りしてある。ここでの風向制御板１００の形状は６００ｍｍ×６００ｍｍ×３０ｍｍで、アルミダイキャストにより作成している。

グリルパネル４１は、開口率は６０％、形状は６００ｍｍ×６００ｍｍ×５０ｍｍで、アルミダイキャスト、あるいはスチールにより作成される。グリルパネル４１は風向制御板１００と略同様の形状であるが、通路を構成する床でもあるため、それに耐え得る強度が必要である。

図４に、図３に示したパーツを用いて床を組み立てる例を説明する。予め、図２に示したダクト２００が設置されているものとし、その個所以外のデータセンター１０の床３０に支持脚３００を６００ｍｍ角に配置する。図４（ａ）は４個の支持脚３００を配置した例を示したが、データセンター１０の床３０の全床面に配置する。

続いて、風向制御板１００の四隅を支持脚３００の風向制御板受台３３０に載せる。風向制御板受台３３０の高さは、ここでは床３０から４００ｍｍに合わせている（床下空間の高さが８００ｍｍであるので、風向制御板１００は床下空間の５０％の高さ、ということになる）。データセンター１０の床３０に配置した支持脚３００の全てに風向制御板１００を載せた後、グリルパネル４１の四隅をパネル受台３４０に載せる。グリルパネル４１はコールドアイルを形成する部分のみで、他の部分は孔の明いていないフロアパネル（不図示）をパネル受台３４０に載せる（グリルパネル４１とフロアパネルの外形寸法は同一である）。全ての支持脚３００上に、グリルパネル４１若しくはフロアパネルを配置すれば作業完了である。

次に本発明の風向制御板の効果を確認するためにグリルから吹き出す冷気の風速をシミュレーションした（風量は風速×単位面積で求まり、風速を求めることで風量を知ることができる）。図５は、シミュレーションを行うためのデータセンターのモデルを示したもので、データセンター４００にはラック列４３０を４列配置し、そのラック列４３０の中央と左右に３列のグリル４１０（複数のグリルパネルで構成）を設けている。また、ラック列４３０の両端方向に空調機４２０を合計４個を配置している。データセンター４００の平面寸法は２０．４ｍ×１６．８ｍ、床下空間の高さは８００ｍｍ、１列のグリル４１０の寸法は１３．２ｍ×１．２ｍである。

シミュレーションは、空調機４２０の風量を４．４ｍ^３／ｓｅｃ、８．４ｍ^３／ｓｅｃ、１０ｍ^３／ｓｅｃの弱、中、強の３種類に対し、風向制御板がない場合と風向制御板を設置した場合（風向制御板の床下空間における高さは４００ｍｍとした）について実施した。図６は風向制御板がない場合のシミュレーション結果である。図６（ａ）〜（ｃ）は空調機４２０に設定した前述の各風量に対するグリル４１０からの吹き出す風速を白黒の濃度で示している。各図において、左側に風速値を白黒の濃度で表すゲージを示し、右側にグリル４１０からの風速を白黒濃度で示している。例えば、図６（ａ）は空調機風量が４．４ｍ^３／ｓｅｃの結果を示した図で、３列の真ん中のグリル４１０では中央部の風速は０．７〜０．８ｍ／ｓｅｃであるのに対し、端部では０．３ｍ／ｓｅｃ以下の風速となり、１列のグリル４１０の中で風速の強弱の差は大きい。また、両側のグリル４１０は１列内の強弱の差は真ん中の１列より少ないものの、やはり中央部の風速は大きいことが分かる。図６（ｂ）は空調機風量が８．４ｍ^３／ｓｅｃの結果を示した図であるが、各列とも略中央部に部分的に強い風速（１．５ｍ／ｓｅｃ）を示す個所があり、１列内のグリル４１０位置における風速の強弱の差は図６（ａ）より大きくなっている。空調機風量が１０ｍ^３／ｓｅｃの図６（ｃ）でもその傾向はより強く表れている。

次に、風向制御板を設置した場合のシミュレーション結果を図７に示す。図６と同様に、図７（ａ）〜（ｃ）は空調機４２０に設定した各風量に対する結果を示している。図７（ａ）
の空調機風量が４．４ｍ^３／ｓｅｃでは略０．５ｍ／ｓｅｃの風速でグリル４１０の列間、列内で均一になっていることが分かる。また、空調機風量が８．４ｍ^３／ｓｅｃ、および１０ｍ^３／ｓｅｃの図７（ｂ）と図７（ｃ）においても、それぞれ略０．８ｍ／ｓｅｃ、および１．１ｍ／ｓｅｃの風速で、図７（ａ）と同様にグリル４１０の列間、列内で均一になっている。即ち、風向制御板を設置することで、コールドアイルを形成するグリルパネルから吹き出す風速（即ち、風量）を均一化する効果があることが判る。

図６、図７の風速を風量に換算し、グリル４１０から吹き出す最大風量と最小風量の値を空調機４２０の風量に対してプロットしたグラフが図８である。図８に示されるように、点線で示した風向制御板なしの最大風量と最小風量で囲われる領域の中に風向制御板ありの最大風量と最小風量の領域が収まり、明らかに均一化の効果を見て取れる。例えば空調機４２０の設定風量が４．４ｍ^３／ｓｅｃの場合では、単位面積当たりの最大風量と最小風量の差は風向制御板なしでは０．１２ｍ^３／ｓｅｃであるのに対し、風向制御板ありでは０．０２ｍ^３／ｓｅｃと１／６に減少し、ばらつきが改善している。

次に、風向制御板を設置した場合の消費電力について検討する。例えば、空調機４２０風量が４．４ｍ^３／ｓｅｃの場合の風向制御板なしの最小風量（図８のａ）を、風向制御板ありの最小風量（図８のｂ）まで増加させようとすると、空調機４２０の風量を２．３倍にする必要がある。風量はファンの回転数に比例し、ファンの消費電力は回転数の３乗に比例することから、風量を２．３倍にするためには消費電力は約１２倍となる。

一方、風向制御板を設置したことにより空気抵抗が増大し、空調機４２０から送出する風圧を増加する必要があり、この点も考慮する必要がある。空調機４２０からの冷気は風向制御板の下の空間（図２の下層床下空間１２ａ）に送出するようにしており、風向制御板を設置する床下空間の高さが圧力に影響する。風向制御板を低く設置した場合は、風向制御板の下の空間は狭くなるので圧力を高くする必要がある。風向制御板を高く設置した場合は、風向制御板を設置しない状態に近づき圧力を高くする必要はなくなるが、均一化の効果が薄くなってしまうことが考えられる。風向制御板の開口率も圧力に影響するので、風向制御板の高さと開口率を変えて、空調機４２０の空気取り入れ口と送出口の圧力差とグリル４１０からの吹き出し量比をシミュレーションにより求めた（シミュレーションモデルは図５と同一であり、空調機４２０風量を４．４ｍ^３／ｓｅｃとした）。図９（ａ）〜（ｄ）は、風向制御板の高さを床下空間の２５％、５０％、６２．５％および８７．５％の高さに設置した場合の結果を示している。縦軸の最大圧力差は、空調機４２０の空気取り入れ口と送出口の圧力差であり、グリル吹き出し風量比はグリル４１０からの吹き出し量の最大と最小の比である。

風向制御板を設置しない場合の最大圧力差は７０Ｐａで、その１０％増（即ち、７７ｐａ）までを許容値とし、グリルの吹き出し風量比を１．５倍までを許容値とすることとする。図中に示した一点鎖線はその許容値を示しており、図９（ａ）〜（ｄ）に示した圧力差および風量比のグラフはこの一点鎖線より下にあることが望ましい。図に示されるように、両グラフが一点鎖線より下回っているものは、図９（ｂ）の風向制御板高さが５０％で開口率が１０〜６０％の場合である。また、風向制御板高さが６２．５％では開口率を１０〜３０％でもよい。従って、この条件で風向制御板を設置すれば空調機４２０の圧力増加は１０％でよいことになり、空調機４２０の圧力が風量に比例するとすれば前述の計算により風量１０％増の消費電力の増加は約１．２倍となる。

先に求めた風向制御板を設置せずに必要風量を得るために風量増とする場合の消費電力の増加は約１２倍であったが、風向制御板を設置することによる風量１０％増とする消費電力は約１．２倍でよいことになり、大幅な消費電力の節減が図れることになる。

以上、本発明の空調システムの実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。

１０ データセンター
１１ 機器設置空間
１２ 床下空間
１２ａ 下層床下空間
１２ｂ 上層床下空間
２０ 床
３０ 床
４０ グリル
４１ グリルパネル
５０ 空調機
５１ 空気取込み口
５２ 空気取込み口
５３ 冷気吹き出し口
６０ ラック列
１００ 風向制御板
２００ ダクト
３００ 支持脚
３１０ ベースプレート
３２０ 支柱
３３０ 風向制御板受台
３４０ パネル受台
４００ データセンター
４１０ グリル
４２０ 空調機
４３０ ラック列

Claims (2)

1. 発熱機器を設置した機器設置空間と、
   前記機器設置空間の床下に設けられた床下空間と、
   前記機器設置空間の空気を取込み、温度制御した空気を前記床下空間に送出する空調機と、
   前記機器設置空間と前記床下空間との間に設けられ、前記温度制御された空気を該床下空間から該機器設置空間へ供給するグリルと、
   所定の開口率を有し、前記床下空間を上下に第１の空間と第２の空間とに区画する風向制御板と
   を備えることを特徴とするデータセンターの空調構造。
2. 前記第１の空間が前記床下空間の下層に区画された空間であるとき、前記空調機により温度制御された空気は該第１の空間に送出され、前記第２の空間を経て前記グリルを介して前記機器設置空間に供給される
   ことを特徴とする請求項１に記載のデータセンターの空調構造。