JP2014048027A - データセンターの空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 個別の設計が求められることなく、初期投資額を抑えてホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターを迅速に構築することのできる空調システム。
【解決手段】 ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターの空調システム。ラック（１１ａ〜１１ｄ）の上方に分散配置された複数の空調室内機（１ａ〜１ｄ）と、各空調室内機の給気口に一端が接続された少なくとも１つのフレキシブルダクト（２）と、各フレキシブルダクトの他端をコールドアイル（１３）に向けて可変的に位置決めする位置決め部材（３ｃ）とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、データセンターの空調システムに関する。さらに詳細には、本発明は、ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターにおける空調に関するものである。

発熱量の大きなサーバーマシンを多数運用するデータセンターでは、空調によるサーバー冷却性能の向上が強く求められてきた。サーバーマシンはラック（またはラック列）に搭載して運用されるが、ラックの前面から冷却空気を給気し、ラックの背面から高温の空気を排出するものが多い。このため、データセンターでは、前面同士（ひいては背面同士）を対向させたラックをライン状に配置する方式、いわゆるホットアイル・コールドアイル方式が採用されている。

データセンターの多くはフリーアクセス床を持ち、その床下空間を利用して大型のパッケージエアコンからの冷却空気を床下からコールドアイルに吹き出すとともに天井にて高温空気の吸込みを行う方式、すなわち床吹出し・天井吸込み方式の空調を行っていた。通常、大型のパッケージエアコンは、サーバー室の内部において壁に沿って設置されるか、あるいはサーバー室とは壁により隔てられた空調機械室の内部に設置される。

本出願人は、床吹出し・天井吸込み方式よりも効率的な空調システムとして、いわゆる天井吹出し・天井吸込み方式の空調システムを提案している（例えば、特許文献１を参照）。この空調システムでは、冷たくて重たい空気（冷却空気）を天井から吹き下ろし、空気の浮力を利用して暖かくて軽い空気（高温空気）を天井へ戻すことにより、理に適った空気の流れを作り出し、冷却の効率化を図っている。

特許文献１に記載された天井吹出し・天井吸込み方式の空調システムでは、従来の床吹出し・天井吸込み方式の空調システムに比して、空調エネルギーの２５％程度を削減することができ、天井裏の空調用送風・還気スペースと床下の配線スペースとを分離することができる。また、空調システムの構築に際して必ずしもフリーアクセス床を必要としないため、執務室のデータセンターへの用途変更などのリニューアルにも対応し易い。

特開２０１０−１２７６０６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された天井吹出し・天井吸込み方式の空調システムでは、内壁や天井により室空間を構成する必要があるため、床吹出し・天井吸込み方式の空調システムを用いるデータセンターの場合とほぼ同等の建設コストがかかり、ひいては初期投資額を抑えてデータセンターを迅速に構築することができなかった。また、梁などの突起部が多い天井裏に空調用のダクトスペース（またはチャンバスペース）を確保する必要があるため、個別の設計が求められる場合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、個別の設計が求められることなく、初期投資額を抑えてホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターを迅速に構築することのできる空調システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターの空調システムであって、
ラックの上方に分散配置された複数の空調室内機と、
各空調室内機の給気口に一端が接続された少なくとも１つのフレキシブルダクトと、
各フレキシブルダクトの他端をコールドアイルに向けて可変的に位置決めする位置決め部材とを備えていることを特徴とする空調システムを提供する。

本発明の第２形態では、ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターの空調システムであって、
ラックの上方に分散配置された複数の空調室内機と、
各空調室内機の給気口に一端が接続された少なくとも１つのフレキシブルダクトと、
複数の空調室内機に接続された複数のフレキシブルダクトの他端が接続されて、コールドアイルに対向した複数の開口部を有する給気用チャンバとを備えていることを特徴とする空調システムを提供する。

本発明の一形態にかかる空調システムでは、例えばフレーム構造によりラックの上方に分散配置された複数の空調室内機を備え、可変的に位置決め可能な出口端を有するフレキシブルダクトを介して、各空調室内機からの冷却空気をコールドアイルに向けて供給する。その結果、内壁や天井により室空間を構成する必要がなく且つ天井裏に空調用のダクトスペースを確保する必要がないので、個別の設計が求められることなく、初期投資額を抑えてホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターを迅速に構築することができる。

本発明の実施形態の第１実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す平面図である。 第１実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す断面図である。 各フレキシブルダクトの出口端がＹ方向に沿って可変的に位置決めされる様子を示す図である。 本実施形態の第２実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す平面図である。 第２実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す断面図である。 各給気用チャンバにコールドアイルに対向した複数の開口部が設けられている様子を示す図である。 第２実施例にかかる空調システムの変形例を概略的に示す平面図である。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態の第１実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す平面図である。図２は、第１実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す断面図である。図１では、説明の理解を容易にするために、図１の紙面において水平方向に沿ってＸ軸を、図１の紙面において鉛直方向に沿ってＹ軸を、図１の紙面に垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。

本実施形態の各実施例にかかる空調システムが適用されるデータセンターのサーバー室では、複数のサーバーラック（単に「ラック」、「ラック列」とも呼ばれる）が並列に配置されている。図１および図２では、紙面の制限により、Ｘ方向に沿って間隔を隔てて配置された複数のサーバーラックのうち、４つのサーバーラック１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄだけを示している。各サーバーラック１１ａ〜１１ｄには、図示を省略した多数のサーバーが縦横に収容されている。

サーバーは、前面から空気を吸い込んでプロセッサなどの内部部品を冷却し、背面から排気する構造になっている。ホットアイル・コールドアイル方式のサーバー室では、各サーバーラック１１ａ〜１１ｄにおいてすべてのサーバーの前面が同じ側を向くように収容される。また、Ｘ方向に隣り合う一対のサーバーラックにおいて、一方のサーバーラックに収容されたサーバーの前面（または背面）と他方のサーバーラックに収容されたサーバーの前面（または背面）とが向き合うように配置される。

具体的に、図中最も左側のサーバーラック１１ａではすべてのサーバーの前面が左側を向くように収容され、サーバーラック１１ａの右側のサーバーラック１１ｂではすべてのサーバーの前面が右側を向くように収容されている。また、図中最も右側のサーバーラック１１ｄではすべてのサーバーの前面が右側を向くように収容され、サーバーラック１１ｄの左側のサーバーラック１１ｃではすべてのサーバーの前面が左側を向くように収容されている。

以下、収容されているサーバーの前面側をサーバーラックの前面側といい、サーバーの背面側をサーバーラックの背面側という。この場合、サーバーラック１１ａと１１ｂとの間の空間およびサーバーラック１１ｃと１１ｄとの間の空間が、ホットアイル（図２中破線の楕円で示す）１２である。一対のサーバーラック１１ｂと１１ｃとの間の空間、およびサーバーラック１１ａ，１１ｄの前面側の空間が、コールドアイル（図２中破線の楕円で示す）１３である。

すなわち、ホットアイル１２はサーバーの排熱が集まる空間であり、コールドアイル１３はサーバーが吸引する冷気を集める空間である。ホットアイル・コールドアイル方式のサーバー室では、並列配置された複数のサーバーラックの間にホットアイルとコールドアイルとが交互に形成され、室内空間がホットアイルとコールドアイルとに明確に区分けされている。その結果、空調機からの冷却空気が効率良くサーバーに供給されるので、サーバー室内の冷却効率が向上し、空調機の消費電力が削減される。

第１実施例の空調システムは、各サーバーラック１１ａ〜１１ｄの上方に分散配置された複数（図１および図２では例示的に４つ）の空調室内機１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを備えている。各空調室内機１ａ〜１ｄの給気口には、３つのフレキシブルダクト２の一端がそれぞれ接続されている。空調室内機１ａ〜１ｄは、例えばビル用マルチエアコンの室内機であって、還気側をホットアイル１２に向け且つ給気側をコールドアイル１３に向けたワンウェイ方式の室内機である。空調室内機１ａ〜１ｄは、図示を省略した冷媒配管を介して、例えばサーバー室の外部に設置された空調室外機に接続されている。

空調室内機１ａ〜１ｄは、例えば金属製の部材を組み立てることにより構成されたフレーム構造３により支持されている。なお、図１では、図面の明瞭化のために、フレーム構造３の構成部材のうち、Ｚ方向に延びる支柱部材３ａおよびＸ方向に延びる横架部材３ｂの図示を省略し、Ｙ方向に延びるレール部材３ｃだけを図示している。各フレキシブルダクト２の出口端（空調室内機１ａ〜１ｄの給気口側とは反対側の端部）には、各フレキシブルダクト２から供給される冷却空気をコールドアイル１３に向けて拡散させる拡散部材４が取り付けられている。

各フレキシブルダクト２の出口端に取り付けられた拡散部材４は、図３に示すように、対応する一対のレール部材３ｃと適当な取付け具（不図示）との協働作用により、コールドアイル１３に向けてＹ方向に沿って可変的に位置決めされる。すなわち、対応する一対のレール部材３ｃと取付け具とは、各フレキシブルダクト２ａ〜２ｄの出口端をＹ方向に沿って可変的に位置決めする位置決め部材を構成している。

第１実施例の空調システムでは、空調室内機１ａ〜１ｄから供給されてフレキシブルダクト２および拡散部材４を経た冷却空気が、コールドアイル１３に向けて拡散される。すなわち、フレキシブルダクト２および拡散部材４を介して下方へ拡散された冷却空気は、サーバーラック１１ｂと１１ｃとの間のコールドアイル１３、およびサーバーラック１１ａ，１１ｄの前面側のコールドアイル１３に冷温領域を形成する。サーバーラック１１ａ〜１１ｄ中のサーバーは、コールドアイル１３から冷温空気を吸い込む。

一方、サーバーラック１１ａ〜１１ｄ中のサーバーの排熱により、サーバーラック１１ａと１１ｂとの間のホットアイル１２およびサーバーラック１１ｃと１１ｄとの間のホットアイル１２には、高温領域が形成される。ホットアイル１２の高温空気は、その浮力により自然に上昇し、ホットアイル１２の上方に設けられた空調室内機１ａ〜１ｄの還気口へ還流する。還気口を介して空調室内機１ａ〜１ｄへ回収された高温空気は、再び冷却空気に変換され、コールドアイル１３へ供給される。

第１実施例の空調システムでは、圧縮機を内蔵する大型のパッケージエアコンを用いる従来技術とは異なり、例えばビル用マルチエアコンの室内機のようなワンウェイ方式の空調室内機１ａ〜１ｄを、簡素なフレーム構造３（３ａ〜３ｃ）によりサーバーラック１１ａ〜１１ｄの上方に分散配置している。具体的に、空調室内機１ａ〜１ｄは、その還気側をホットアイル１２に、給気側をコールドアイル１３に向けて設置されている。

各空調室内機１ａ〜１ｄからの冷却空気は、フレキシブルダクト２、およびその出口端に取り付けられてＹ方向に沿って可変的に位置決め可能な拡散部材４を介して、コールドアイル１３に向けて供給される。その結果、第１実施例の空調システムでは、内壁や天井により室空間を構成する必要がなく且つ天井裏に空調用のダクトスペースを確保する必要がないので、個別の設計が求められることなく、初期投資額を抑えてホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターを迅速に構築することができる。

また、第１実施例の空調システムでは、本出願人が特許文献１において提案した天井吹出し・天井吸込み方式の空調システムの場合と同様に、冷たくて重たい空気（冷却空気）をラックの上方から吹き下ろし、空気の浮力を利用して暖かくて軽い空気（高温空気）をラックの上方へ戻すことにより、理に適った空気の流れを作り出すので、冷却の効率化を図ることができる。換言すれば、天井吹出し・天井吸込み方式の空調システムと同じような空調気流が形成されるので、高効率・省エネルギーで信頼性の高いサーバー冷却を実現することができる。

また、第１実施例の空調システムでは、フレキシブルダクト２の出口端に取り付けられた拡散部材４がＹ方向に沿って可変的に位置決め可能であり、ひいてはフレキシブルダクト２および拡散部材４を介してコールドアイル１３に向けて冷却空気を供給する位置がＹ方向に沿って変更可能である。その結果、サーバーラック１１ａ〜１１ｄに収容された多数のサーバーの一部が高負荷である場合にも、高負荷のサーバーの位置に対応して複数の拡散部材４のＹ方向に沿った位置を適宜設定することにより、高負荷のサーバーに柔軟に対応することができる。

図４は、本実施形態の第２実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す平面図である。図５は、第２実施例にかかる空調システムの構成を概略的に示す断面図である。図４においても図１と同様に、説明の理解を容易にするために、図４の紙面において水平方向に沿ってＸ軸を、図４の紙面において鉛直方向に沿ってＹ軸を、図４の紙面に垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。

第２実施例の空調システムは、第１実施例の空調システムと類似の構成を有する。しかしながら、第２実施例では、フレキシブルダクト２の出口端に給気用チャンバ５が接続されている点が、第１実施例と相違している。図４および図５では、図１および図２に示す構成要素と同様の機能を有する要素に、図１および図２と同じ参照符号を付している。以下、第１実施例との相違点に着目して、第２実施例の構成および作用を説明する。

第２実施例の空調システムでは、空調室内機１ｂに接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端および空調室内機１ｃに接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端に、空調室内機１ｂと１ｃとの間の下方においてＹ方向に沿って延びる給気用チャンバ５が接続されている。また、空調室内機１ａに接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端および空調室内機１ａの図中左側に隣接する空調室内機（不図示）に接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端にも、空調室内機１ａと不図示の空調室内機との間の下方においてＹ方向に沿って延びる給気用チャンバ５が接続されている。

同様に、空調室内機１ｄに接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端および空調室内機１ｄの図中右側に隣接する空調室内機（不図示）に接続された３つのフレキシブルダクト２の出口端にも、空調室内機１ｄと不図示の空調室内機との間の下方においてＹ方向に沿って延びる給気用チャンバ５が接続されている。各給気用チャンバ５は、図６に示すように、コールドアイル１３に対向した複数の開口部５ａを有する。開口部５ａは、例えば向きが可変の複数の羽根部材を有する周知の構造を有し、開口率が可変に構成されている。

第２実施例の空調システムでは、空調室内機１ｂから供給されて３本のフレキシブルダクト２を経た冷却空気と、空調室内機１ｃから供給されて３本のフレキシブルダクト２を経た冷却空気とが、サーバーラック１１ｂと１１ｃとの間の上方においてＹ方向に沿って延びる給気用チャンバ５の内部へ導かれて合流する。給気用チャンバ５の内部へ供給された冷却空気は、複数の開口部５ａを介して、サーバーラック１１ｂと１１ｃとの間のコールドアイル１３に向けて下方へ拡散される。

同様に、空調室内機１ａ（１ｄ）から供給されて３本のフレキシブルダクト２を経た冷却空気と、空調室内機１ａ（１ｄ）に隣接する不図示の空調室内機から供給されて３本のフレキシブルダクト２を経た冷却空気とが、サーバーラック１１ａ（１１ｄ）の前面側の上方においてＹ方向に沿って延びる給気用チャンバ５の内部へ導かれて合流する。給気用チャンバ５の内部へ供給された冷却空気は、複数の開口部５ａを介して、サーバーラック１１ａ（１１ｄ）の前面側のコールドアイル１３に向けて下方へ拡散される。

給気用チャンバ５の複数の開口部５ａから下方へ拡散された冷却空気は、サーバーラック１１ｂと１１ｃとの間のコールドアイル１３、およびサーバーラック１１ａ，１１ｄの前面側のコールドアイル１３に冷温領域を形成する。以下、第１実施例の場合と同様に、サーバーはコールドアイル１３から冷温空気を吸い込み、サーバーの排熱によりホットアイル１２に高温領域が形成される。ホットアイル１２の高温空気は、その浮力により自然に上昇し、ホットアイル１２の上方に設けられた空調室内機１ａ〜１ｄの還気口へ還流する。

このように、第２実施例の空調システムにおいても、第１実施例と同様に、内壁や天井により室空間を構成する必要がなく且つ天井裏に空調用のダクトスペースを確保する必要がないので、個別の設計が求められることなく、初期投資額を抑えてホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターを迅速に構築することができる。

また、第２実施例の空調システムでは、各給気用チャンバ５がコールドアイル１３に対向した複数の開口部５ａを有し、各開口部５ａは開口率が可変に構成されている。その結果、サーバーラック１１ａ〜１１ｄに収容された多数のサーバーの一部が高負荷である場合にも、高負荷のサーバーの位置に対応して複数の開口部５ａの開口率を適宜設定することにより、高負荷のサーバーに柔軟に対応することができる。

また、第２実施例の空調システムでは、１つの給気用チャンバ５に対して複数（上述の構成では例示的に２つ）の空調室内機からの冷却空気が供給されるように構成されているので、いわゆる空調機器に関する冗長性の確保された空調システムを実現することができる。すなわち、第２実施例では、１つの空調室内機が故障などにより停止しても、同じ給気用チャンバに接続された他の１つまたは複数の空調室内機からの冷却空気を、給気用チャンバの複数の開口部を介してコールドアイルへ供給し続けることができる。

また、第２実施例の空調システムでは、図７に示すように、データセンターの外部の冷気を取り入れて給気用チャンバ５の内部へ供給する送風機６を付設することにより、給気用チャンバ５に冷気を導入して外気冷房を実現することができる。図７に示す変形例は、外気温度が低く、特定の条件を満足する場合に有効である。

ちなみに、ビル用マルチエアコンは、事務所ビル等に数多く使用されており、価格が安いこと、動作の安定性が保証されていることなど多くの利点がある。本発明では、ビル用マルチエアコンをそのまま応用できるため、低価格、短工期を実現することができる。また、例えば簡素なフレーム構造により空調室内機を支持するだけで、天井や内壁を必要としないので、資材調達費用および工事費用も大幅に削減可能である。また、天井や内壁を有しない工場や倉庫を改修して、そのままデータセンターとすることも可能である。

また、本発明は、空調室内機において冷媒ガスを用いるシステムであり、万一冷媒ガスが漏洩しても、従来技術における水漏れとは異なり、サーバーヘの悪影響が生じる可能性は極めて小さい。通常のデータセンターでは、空調機からの冷却水の漏れ、およびそれに伴うサーバーの停止を非常に嫌っており、そのため、従来技術では大型の空冷式パッケージエアコンを壁面に沿って（または空調機械室内に）設置せざるを得なかった。

なお、上述の各実施例では、４つの空調室内機１ａ〜１ｄが、比較的簡素なフレーム構造３（３ａ〜３ｃ）により、４つのサーバーラック１１ａ〜１１ｄの上方にそれぞれ配置されている。しかしながら、これに限定されることなく、ラックの数および配置、空調室内機の数および配置、空調室内機の支持構造などについては、様々な形態が可能である。

１ａ〜１ｄ 空調室内機
２ フレキシブルダクト
３ａ〜３ｃ フレーム構造の構成部材
４ 拡散部材
５ 給気用チャンバ
６ 送風機
１１ａ〜１１ｄ サーバーラック
１２ ホットアイル
１３ コールドアイル

Claims (8)

1. ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターの空調システムであって、
   ラックの上方に分散配置された複数の空調室内機と、
   各空調室内機の給気口に一端が接続された少なくとも１つのフレキシブルダクトと、
   各フレキシブルダクトの他端をコールドアイルに向けて可変的に位置決めする位置決め部材とを備えていることを特徴とする空調システム。
2. 各フレキシブルダクトの他端に取り付けられて、各フレキシブルダクトから供給される冷却空気を拡散させる拡散部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. ホットアイル・コールドアイル方式のデータセンターの空調システムであって、
   ラックの上方に分散配置された複数の空調室内機と、
   各空調室内機の給気口に一端が接続された少なくとも１つのフレキシブルダクトと、
   複数の空調室内機に接続された複数のフレキシブルダクトの他端が接続されて、コールドアイルに対向した複数の開口部を有する給気用チャンバとを備えていることを特徴とする空調システム。
4. 前記複数の開口部のうちの少なくとも１つの開口部は、開口率が可変に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の空調システム。
5. データセンターの外部の冷気を取り入れて前記給気用チャンバの内部へ供給する送風機をさらに備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の空調システム。
6. 前記空調室内機は、還気側をホットアイルに向け且つ給気側をコールドアイルに向けたワンウェイ方式の室内機であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空調システム。
7. 前記複数の空調室内機を支持するように組み立てられたフレーム構造をさらに備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の空調システム。
8. 前記複数の空調室内機は、冷媒配管を介して空調室外機に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の空調システム。

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