JP2013142522A - モジュール型顕熱処理装置および空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】データセンター等に適用して好適なモジュール型顕熱処理装置とそれによる空調システムを提供する。
【解決手段】本発明のモジュール型顕熱処理装置１は、顕熱負荷を処理するための単位冷却能力を有する冷却コイル３に対して単位風量の処理対象空気を送風可能な送風機４を組み付けてなる１モジュールのユニット２を構成単位とし、処理すべき顕熱負荷に応じて前記ユニットを所望台数組み合わせ可能に構成する。送風機はインバーター内蔵モータを一体に備えた可変風量の送風機、たとえば有圧換気扇とする。冷却コイルは低圧力損失型とする。本発明の空調システムは上記モジュール型顕熱処理装置をサーバー室に冷房専用の空調機として設置し、その設置パターンとして床置き、二重床埋め込み、天井吊り、壁面設置を選択可能とし、ユニットの組み合わせ台数を任意に設定可能かつ増減可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は建物を対象とする空調設備に関連し、特にたとえばデータセンター等のコンピューター関連施設に冷房専用の空調機として設置して好適なモジュール型顕熱処理装置およびそれによる空調システムに関する。

周知のように、従来のデータセンターにおけるサーバー室の空調方式としては、たとえば特許文献１，２に示されるように様々な方式のものが提案されているが、この種の空調システムは基本的には、
・サーバー室に二重床および空調機械室を設けて、そこに設置した床吹空調機により冷風を供給してサーバー室全体を冷房する方式、
・サーバー室での負荷高密度化と負荷偏在への対応として、サーバー室の床面にラック型空調機を設置したり、サーバー室の上部に天井吊り型空調機を設置して、局所的に空調負荷を処理する方式、
・サーバー室を上層と下層の二層に構成して下層に空調機を集約して設置する方式、
等に大別される。

いずれにしても、この種の空調システムにおいては従来一般の空調機が用いられていることから、以下のような課題がある。
・空調機はその都度、要求条件や建築的制約条件に応じて個別に設計し、仕様を決定し、単品製作するため、一過性であり、汎用性に乏しく、コストも割高となる。
・空調機は、ファン、コイル、フィルターなどの各セクションが一体となった箱形の形状であることから、一般的に大型かつ大重量であり、構造も複雑であり、その点でもコスト高となる。
・空調機は各セクションによる箱形形状であることから空気の流路が長く、そのため機内空気圧力損失が生じ、その分のファン動力増となってエネルギーを損失し、特に冷却コイルにおいてはそれが顕著である。
・ファンを可変風量とする場合にはその対応としてインバーター制御盤、ノイズフィルター、配線などの付属部品やそのための取付工事が発生し、コスト増となる。

そのような事情から、空調機の小形化、簡易化、低コスト化が望まれ、たとえば特許文献３に示されるようにケーシングを省略することで構造を大幅に簡略化した空調機も提案されている。

特開２００４−１８４０７０号公報 特開２０１０−４９３３０号公報 特開２０１０−２５５１６号公報

しかし、データセンター等のコンピュータ関連施設に設置するべき空調機や空調システムは、高度の信頼性が要求されるばかりでなく稼働後の負荷変動や増改築に対しても柔軟に対応可能であることが要求されることから、現時点ではそのようなことが可能な有効適切な空調機や空調システムは確立されているとはいえず、いまだ模索段階にあるというのが実状である。

上記事情に鑑み、本発明は特にデータセンター等のコンピューター関連施設に適用するものとして、一般的な空調機に較べて構造が遙かにシンプルかつ小形で安価であり、汎用性や可変性にも優れる有効適切なモジュール型顕熱処理装置とそれによる空調システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明のモジュール型顕熱処理装置は、顕熱負荷を処理するための単位冷却能力を有する冷却コイルに対して単位風量の処理対象空気を送風可能な送風機を組み付けてなる１モジュールのユニットを構成単位とし、処理すべき顕熱負荷に応じて前記ユニットを所望台数組み合わせ可能に構成されてなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のモジュール型顕熱処理装置であって、前記送風機はインバーター内蔵モータを一体に備えた可変風量の送風機であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のモジュール型顕熱処理装置であって、前記送風機は有圧換気扇であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載のモジュール型顕熱処理装置であって、前記冷却コイルは、同等の冷却能力を有する全熱負荷処理用の冷却コイルに較べてチューブピッチおよびフィンピッチを大きく設定するとともにチューブ列数を多く設定した低圧力損失型の冷却コイルであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載のモジュール型顕熱処理装置をデータセンター等のコンピュータ関連施設におけるサーバー室に冷房専用の空調機として設置してなることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の空調システムであって、前記サーバー室に対する前記モジュール型顕熱処理装置の設置パターンを、床置き設置、二重床埋め込み設置、天井吊り設置、壁面設置のうちのいずれかを選択可能とし、かつ該モジュール型顕熱処理装置におけるユニットの組み合わせ台数を該サーバー室における顕熱負荷に応じて任意に設定可能かつ増減可能に構成してなることを特徴とする。

本発明のモジュール型顕熱処理装置およびそれによる空調システムによれば、顕熱負荷のみを処理するための冷房専用機として構成し、かつ冷却コイルに対して送風機のみを組み付けた簡易な構成のユニットを構成単位として、そのユニットを所望台数組み合わせることを基本とするので、従来一般の各種の空調機に較べて十分に小形化、ローコスト化、省エネルギー化を図ることができる。
また、ユニットの組み合わせ台数の設定のみで小負荷から大負荷まで幅広く対応可能であって、汎用性に優れ、負荷変動に応じてユニットの台数を増減することのみで容易に対応可能である。
さらに、モジュール型顕熱処理装置を床置き設置、二重床埋め込み設置、天井吊り設置、壁面設置といった多様な設置パターンが選択可能であるため、空調システム設計の際の自由度に優れるし、偏在する負荷に対して最適台数のユニットを最適位置に設置することで局所空調対応が可能も可能である。

本発明のモジュール型顕熱処理装置の実施形態を示すもので、構成単位である１モジュールのユニットを示す図である。 同、ユニットにおける低圧力損失型の冷却コイルについての説明図である。 同、２モジュールおよび３モジュールのユニットを組み合わせて構成した顕熱処理装置を示す図である。 同、サーバー室への設置パターンの例を示す図である。 本発明の空調システムの実施形態を示すもので、モジュール型顕熱処理装置を床置きとして設置した場合の一例を示す図である。 同、モジュール型顕熱処理装置を床置きとして設置した場合の他の例を示す図である。 同、モジュール型顕熱処理装置を二重床埋め込みとして設置した場合の一例を示す図である。 同、モジュール型顕熱処理装置を天井吊りとして設置した場合の一例を示す図である。 同、モジュール型顕熱処理装置を壁面に設置した場合の一例を示す図である。

本発明のモジュール型顕熱処理装置の実施形態を図１〜図４に示す。
本実施形態のモジュール型顕熱処理装置１はデータセンターにおけるサーバー室に対する冷房のための空調設備として設置されるもので、図１に示す１モジュールのユニット２を構成単位としてそれを所望台数組み合わせることで所望の冷却能力を有する空調機として機能するものであるが、サーバー室での冷却負荷は実質的に顕熱負荷だけで潜熱負荷が殆どなく通常の空調機のように全熱（顕熱および潜熱）を処理する必要はないことから、本実施形態のモジュール型顕熱処理装置１は顕熱のみを処理するための冷房専用の空調機として構成され、かつ基本的には冷却コイル３と送風機４のみからなる極めて簡易かつ小形に構成されたものである。

すなわち、本実施形態のモジュール型顕熱処理装置１における１モジュールのユニット２は、図１に示すように架台５上の後部に顕熱処理用の冷却コイル３を設置し、その冷却コイル３の前部に取付フレーム６を介して２台の送風機４を上下に配列して一体に組み付けただけの構成とされている。
なお、必要であれば図１（ｂ）に破線で示しているように冷却コイル３の背面側にフィルターボックス７を装着可能としておいても良い。

本実施形態のユニット２における冷却コイル３は、顕熱のみを処理することから処理対象空気の露点温度以上の冷水（たとえば、本発明においては処理対象空気が乾球温度30〜33℃程度、相対湿度は20〜35％程度であり、その場合の露点温度は最高でも約12℃程度であるので、冷水の入口水温を14〜15℃程度とすることが考えられる。）が供給されることで所望の単位冷却能力（たとえば１ユニット当たり20kwあるいは25kw程度とすることが考えられる）を有する冷水コイルであり、通常の全熱負荷処理用の冷水コイルのようにドレンが発生することがないのでドレンパンや結露防止のための断熱その他の対策は一切不要である。

なお、その冷却コイル３に対しては水温制御や水量制御を行うための適宜の制御手段を必要に応じて設けておくと良い。
また、冷却コイル３としては冷水コイルに代えて直膨コイル（冷媒を直接膨張させて蒸発器として機能するものである）とすることも可能であるが、本発明における冷却コイル３はあくまで顕熱負荷のみを処理するものであるので、直膨コイルとする場合には冷媒の蒸発温度を処理対象空気の露点温度以上に設定する必要がある。

本実施形態のユニット２における冷却コイル３（冷水コイル）としては、上記のように所望の単位冷却能力を確保し得る限りにおいてシングルコイルまたはダブルコイルのいずれでも良いが、同等の冷却能力を有する全熱負荷処理用の冷水コイルに較べて低圧力損失となるようにチューブピッチとフィンピッチを適切に設定することが好ましく、その一具体例を図２に示す。
図２（ａ）は従来一般的な全熱負荷処理用の冷水コイルの一例を示すもので、コイル面積約1.6m²、上下方向のチューブピッチが25mm×48段、通風方向のチューブピッチが19mm×6列とされていて、処理対象空気を所定風量、所定風速で通過させた際の圧力損失が約55Paとなるものである。
それに対し、図２（ｂ）は上記のユニット２における顕熱負荷処理用の冷却コイル３の一例であって、コイル面積を（ａ）に示したものと同一として同一の冷却能力を確保した場合において、上下方向のチューブピッチを37mm×32段、通風方向のチューブピッチを32mm×7列とすることにより、同一条件において圧力損失を約43Paとなるようにしたものである。
つまり、本実施形態の顕熱負荷処理用の冷却コイル３では、同等の冷却能力の全熱負荷処理用の冷却コイルよりチューブ列数は1列多くなるものの、チューブピッチとフィンピッチを若干大きく（粗く）設定することで圧力損失を約12Paも低減させることが可能であり、その分、送風機４の所要静圧を軽減することが可能なものである。
但し、上記のチューブピッチ、フィンピッチはあくまで一例であって、本発明においては冷却コイルのコイル面積やチューブピッチ、フィンピッチその他の仕様は何ら限定されるものではない。

本実施形態のユニット２における送風機４としては、上記の冷却コイル３に対して所望の単位風量（たとえば１台当たり2500m³/h程度、したがって１ユニット当たり5000m³/h程度とすることが考えられる）の処理対象空気を通風可能なものであって、その形式や仕様は特に限定されないが、十分に小形かつ安価でありかつ風量制御が可能であることが好ましく、そのためには送風機４としてインバーター内蔵モータを一体に備えた可変風量の送風機（たとえば有圧換気扇）が好適に採用可能である。
特に、送風機４としてインバーター内蔵モータを一体に備えた可変風量の有圧換気扇を用いるとともに、そのインバーター内蔵モータにはインバーター本体のみならず電源やケーブル、ノイズフィルター等の付属部品の全てを一体に組み込んでおくことにより、通常の空調機における一般的な送風機のように格別のファンケーシングを必要とすることなくこの送風機４のみを図示例のように上記の冷却コイル３に対して簡易な取付フレーム６を介して実質的に直接的に組み付けることが可能であり、それによりこのユニット２全体を十分に簡易なものとして小形軽量化とコストダウンを図ることが可能である。
勿論、本発明における送風機４としては、インバータによる可変風量の送風機や有圧換気扇に限ることなく適宜の形式、仕様の送風機を任意に採用可能であるが、いずれにしても送風機４としてはユニット２全体を可及的に簡易かつ小形、安価に構成できるものであることが好ましい。

なお、本実施形態のユニット２においては、冷却コイル３および送風機４の外形とそれらの寸法を考慮して、１台の冷却コイル３の前面側に２台の送風機４を上下２段に組み合わせることで１モジュールのユニット２をやや縦長の形態としたが、必ずしもそうすることはなく、送風機４の形式や仕様によっては１台の送風機４で所望の単位風量を確保できる場合もあるので、その場合には１台の冷却コイル３に対して１台の送風機４を組み合わせて１モジュールのユニット２とすることも可能であるし、あるいは、より小容量の小形の送風機４を３台以上組み合わせて１台の冷却コイル３に対して組み付けて１モジュールのユニット２とすることでも良い。
勿論、ユニット２の形態は縦長とすることに限らず正方形あるいは横長とすることでも良いし、可能であれば架台５や取付フレーム６は省略しても良い。

上記の１モジュールのユニット２はそれ自体が簡易な空調機である顕熱処理装置として機能するものであり、本実施形態のモジュール型顕熱処理装置１はその１モジュールのユニット２を単体で使用することも勿論可能であるが、本発明では上記のユニット２を構成単位としてそれをサーバー室での実際の冷却負荷に応じて所望台数組み合わせて使用することを基本とし、それにより複数台のユニット２の全体で所望の顕熱負荷処理能力を有する冷房専用のモジュール型顕熱処理装置１として機能するものである。図３（ａ）は２モジュールのユニット２の組み合わせにより構成した場合、同図（ｂ）は３モジュールのユニット２の組み合わせにより構成した場合の例を示し、以下、負荷に応じて所望台数のユニット２を同様に組み合わせれば良い。

また、本実施形態のユニット２およびその組み合わせにより構成されるモジュール型顕熱処理装置１は、図４（ａ）に示すように床面上に床置きとして設置して処理空気を横方向に吹き出すことはもとより、同図（ｂ）に示すように天井吊りとして設置して処理空気を下向きに吹き出すようにしたり、同図（ｃ）に示すように二重床の床下に埋め込んで設置して処理空気を上向きに吹き出すことが可能である。

本実施形態のモジュール型顕熱処理装置１によれば、上記のユニット２を予め多数製作しておいて、それを設置するべきサーバー室での実際の冷却負荷に応じてユニット２の所要台数とその設置位置を決定することのみで、サーバー室全体に対する空調システムの設計を容易に行うことが可能である。
したがって、上記のユニット２を所定規格で予め大量製作しておくことでその製作コストは十分に軽減し得るし、サーバー室への設置作業も小形軽量の個々のユニット２を順次設置していくだけの単純作業により短時間で安価に行い得る。

上記のモジュール型顕熱処理装置１をデータセンターにおけるサーバー室に対する空調設備として設置して空調システムを構成する場合の実施形態について図６〜図９を参照して説明する。
以下で説明する空調システムは、基本的には特許文献１や特許文献２に示されるシステムと同様に、サーバー室内に多数のサーバーラック１１を配列するとともに、サーバー室内をコールドエリアとホットエリアに区分して空調機からの冷却空気をサーバー室内全体にわたって効率的に循環させるようにしたものである。

図５および図６はいずれも上記のモジュール型顕熱処理装置１を床置きとして設置した場合の例を示すものである。
すなわち、サーバー室の床部を二重床により構成して床チャンバ１２を設けてその上部に多数のサーバーラック１１を配列するとともに、それらの列間にコールドエリアおよびホットエリア（それぞれ図中に(COLD),（HOT）として示す）を交互に設けたうえで、床チャンバ１２内に上記のユニット２を所望台数組み合わせて構成したモジュール型顕熱処理装置１を床置きとして設置して、そのモジュール型顕熱処理装置１から冷風を床チャンバ１２内に吹き出すようにしている。
この場合は、モジュール型顕熱処理装置１から床チャンバ１２内に吹き出された冷風は、図中の矢印で示すように床チャンバ１２からコールドエリアに流入し、サーバーラック１１を通過してホットエリアから（図５に示す場合にはさらに天井チャンバ１３および壁チャンバ１４を経て、）モジュール型顕熱処理装置１に戻るように循環するものであり、サーバー室内においてそのような一方向流れを形成することでサーバーラック１１全体に対する効率的な冷却を可能としたものである。

この場合、モジュール型顕熱処理装置１を設置するべき予定位置には予め冷却管１５（冷却コイル３が冷水コイルの場合には冷水管、直膨コイルの場合には冷媒管）を設置しておいて、所望台数のユニット２をその近傍位置に設置して冷却コイル３を冷却管１５に接続することのみで直ちに運転を開始することが可能である。
また、稼働後においても負荷変動や負荷偏在が生じたり、サーバーラック１１の配置が変更されたような場合には、それに応じてユニット２の設置台数を増減したり、設置位置を自由に変更することで容易にかつ万全に対応可能である。

図７は上記のモジュール型顕熱処理装置１を二重床埋め込みとして設置したものである。この場合は、コールドエリアの下部の床チャンバ１２内に所望台数のユニット２を吊り下げる形態で設置してモジュール型顕熱処理装置１を構成し、そのモジュール型顕熱処理装置１からの冷風をコールドエリアに向けて上向きに直接的に吹き出すことにより、図５〜図６に示した場合と同様に冷風が循環して同様の効果が得られる。

図８は上記のモジュール型顕熱処理装置１を天井吊りとして設置したものである。この場合は、床チャンバ１３を省略してコールドエリアの上部にモジュール型顕熱処理装置１を下向きに設置し、そのモジュール型顕熱処理装置１からの冷風をコールドエリアに向けて下向きに直接的に吹き出し、サーバーラック１１、ホットエリア、サーバー室の上部天井空間を通してモジュール型顕熱処理装置１に戻るように循環させるようにしたものである。

図９（ａ）、（ｂ）は上記のモジュール型顕熱処理装置１を壁面に設置したものである。この場合は、サーバー室の両側に壁チャンバ１４を設けてその前面の壁面に所望台数のユニットを設置してモジュール型顕熱処理装置１を構成し（図示例では１台のモジュール型顕熱処理装置１をそれぞれ２モジュールのユニット２により構成し、それを片側の壁チャンバ１４内に２台ずつ全４台を設置した場合を示している）、それらモジュール型顕熱処理装置１からの冷風をサーバー室内のコールドエリアに向けて吹き出して矢印のように循環させるようにしたものであり、上記の各空調システムと同様の効果が得られる。

以上で本発明の実施形態であるモジュール型顕熱処理装置１およびそれによる空調システムについて説明したが、以下に本発明の効果を列挙する。
(1)潜熱負荷を処理する必要のないデータセンター等のコンピューター関連施設に設置するものとして顕熱のみを処理するための冷房専用機として構成し、かつ冷却コイル３に対して送風機４のみを組み付けた簡易な構成のユニット２を構成単位として、そのユニット２を所望台数組み合わせることを基本とするので、従来一般の各種の空調機に較べて十分に小形化、ローコスト化、省エネルギー化を図ることができる。
(2)ユニット２の組み合わせ台数の設定により小負荷から大負荷まで幅広く対応可能であって汎用性に優れ、負荷変動や負荷偏在に応じてユニット２の台数を増減することのみで容易にかつ万全に対応可能である。
(3)冗長性を考慮してユニット２の組み合わせ台数を設定することにより、データセンター等のコンピューター関連施設における空調システムとしての冗長性が向上し、高度の安定性や信頼性が確保される。
(4)床置きとして設置することはもとより、床チャンバや天井チャンバ、壁チャンバ内への埋め込みといった多様な設置パターンが選択可能であるため、空調システム設計の際の自由度が向上する。
(5)偏在する負荷に対して最適台数のユニットを最適位置に設置することで局所空調対応が可能であり、サーバー室全体として良好な温度環境を確保できるし、サーバーの配置や稼働率に対応する最適運転も可能である。
(6)新築施設のみならず既存施設においても、局所負荷増や全体負荷増等に対してサーバー室を増築したり床面積を拡大することなくユニット２の追加のみで対応可能であり、データセンター等のコンピューター関連施設としての事業性が向上する。

１ モジュール型顕熱処理装置
２ ユニット
３ 冷却コイル
４ 送風機
５ 架台
６ フィルターボックス
１１ サーバーラック
１２ 床チャンバ
１３ 天井チャンバ
１４ 壁チャンバ
１５ 冷却管

Claims (6)

1. 顕熱負荷を処理するための単位冷却能力を有する冷却コイルに対して単位風量の処理対象空気を送風可能な送風機を組み付けてなる１モジュールのユニットを構成単位とし、処理すべき顕熱負荷に応じて前記ユニットを所望台数組み合わせ可能に構成されてなることを特徴とするモジュール型顕熱処理装置。
2. 請求項１記載のモジュール型顕熱処理装置であって、
   前記送風機はインバーター内蔵モータを一体に備えた可変風量の送風機であることを特徴とするモジュール型顕熱処理装置。
3. 請求項１または２記載のモジュール型顕熱処理装置であって、
   前記送風機は有圧換気扇であることを特徴とするモジュール型顕熱処理装置。
4. 請求項１，２または３記載のモジュール型顕熱処理装置であって、
   前記冷却コイルは、同等の冷却能力を有する全熱負荷処理用の冷却コイルに較べてチューブピッチおよびフィンピッチを大きく設定するとともにチューブ列数を多く設定した低圧力損失型の冷却コイルであることを特徴とするモジュール型顕熱処理装置。
5. 請求項１，２，３または４記載のモジュール型顕熱処理装置をデータセンター等のコンピュータ関連施設におけるサーバー室に冷房専用の空調機として設置してなることを特徴とする空調システム。
6. 請求項５記載の空調システムであって、
   前記サーバー室に対する前記モジュール型顕熱処理装置の設置パターンを、床置き設置、二重床埋め込み設置、天井吊り設置、壁面設置のうちのいずれかを選択可能とし、かつ該モジュール型顕熱処理装置におけるユニットの組み合わせ台数を該サーバー室における顕熱負荷に応じて任意に設定可能かつ増減可能に構成してなることを特徴とする空調システム。

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