JP2014092322A - 冷却装置およびそれを搭載したサーバー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の冷却方法であるサーバールームごとの集中冷却では、エネルギー負荷が大きいことが課題になっている。
【解決手段】サーバールーム５０には、天井部分を天井５３で区画して天井裏空間７を形成し、この天井裏空間７に外気を通風する外気送風機を設け、ラック１背面に蒸発器を内蔵した蒸発器部９を設け、天井裏空間７に凝縮器を内蔵した凝縮器部１０を設け、蒸発器部９と凝縮器部１０を天井部分にて液管、蒸気管で接続して冷凍サイクルを形成した構成により、サーバールーム５０内のラック１の配置に関係なく、ラック１ごとに発熱を処理することができるので、サーバールーム５０の空調に必要なエネルギーを少なくすることが出来る。
【選択図】図２

Description

本発明は、ラック型の収納装置に納めた電子計算機などの電子機器を冷却する冷却装置に関する。

近年、電子部品の高性能化と制御基板に対する電子部品の高密度化が進み、制御基板からの発熱量は飛躍的に増加しているとともに、電子部品等の小型化、高集積化、そして、処理する情報量の増加も進み、発熱箇所近傍で効率的に冷却する、すなわち、ラック個別に冷却する方式が考案されている。（例えば、特許文献１）。

以下、従来のラック型電子機器の冷却装置について、図７を参照しながら説明する。

図７に示すように、従来のラック型電子機器は、筐体１０１の内部に電子回路を構成する回路基板群１０２とヒートパイプ１０３、熱交換器１０４などで構成される冷却装置を備えている。回路基板群１０２は、筐体１０１内で、ラック型に整然と並べられている。そして、ヒートパイプ１０３は回路基板群１０２の隙間を縫うように設けられている。熱交換器１０４は、筐体１０１の上部に設けられていて、ヒートパイプ１０３が接続されている。筐体１０１の上部には、吸込口１０５、吹出口１０６となる開口が設けられ、吸込口１０５近傍に設けられた送風機１０７を動かすことによって外部の空気を通すようになっている。そして、吸込口１０５から吸い込まれた空気は、熱交換器１０４を通過した後、吹出口１０６から排出されるのである。

回路基板群１０２で発熱した熱は、周りの空気を暖め、この高温の空気はヒートパイプ１０３内の冷媒と熱交換して冷やされる。熱を受けた冷媒は蒸発してヒートパイプ１０３内を上昇し、熱交換器１０４内へと移動する。熱交換器１０４では、送風機１０７によって吸い込まれた冷たい外気と熱交換して再び液体となり、ヒートパイプ１０３内を下降していくのである。

特開昭６２−７１２９９号公報

このような従来の冷却方法であるサーバールームごとの集中冷却ではエネルギー負荷が大きく、ラック単位ごとの効率的な冷却により、サーバールーム向け冷却装置の負荷を低減させることが課題であった。

本発明はこのような課題を解決するものであり、ラック単位での冷却により冷却効率を向上させ、サーバールーム向け冷却装置の負荷を低減させることにより、省エネルギー化を図ることが可能なラック型電子機器の冷却装置を提供することを目的としている。

本発明のラック型電子機器の冷却装置は、上記目的を達成するために、サーバールームに設置され、ラック内に納められた発熱体を冷却する冷却装置において、
前記サーバールームには、天井部分を天井で区画して天井裏空間を形成し、この天井裏空間に外気を通風する外気送風機を設け、前記ラック背面に蒸発器を内蔵した蒸発器部を設け、前記天井裏空間に凝縮器を内蔵した凝縮器部を設け、前記蒸発器部と前記凝縮器部を天井部分にて液管、蒸気管で接続して冷凍サイクルを形成したことにより、所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、サーバールームに設置され、ラック内に納められた発熱体を冷却する冷却装置において、
前記サーバールームには、天井部分を天井で区画して天井裏空間を形成し、この天井裏空間に外気を通風する外気送風機を設け、前記ラック背面に蒸発器を内蔵した蒸発器部を設け、前記天井裏空間に凝縮器を内蔵した凝縮器部を設け、前記蒸発器部と前記凝縮器部を天井部分にて液管、蒸気管で接続して冷凍サイクルを形成したことにより、外気通風空間の熱を前記凝縮器底面からラック内部に伝えることがなく、内部の発熱体の配置にも関係なくサーバー装置から排出される発熱を個別に処理することができる冷却装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における冷却装置を備えたサーバールームの概略図 同実施の形態１におけるラックに取り付けられた冷却装置の概略図 同冷却装置の凝縮器部開口拡大図 同冷却装置の凝縮器部固定部分拡大図 同冷却装置の接続部分拡大図 同冷却装置の制御装置と接続部分の仕切り外観図 従来の発熱体収納箱冷却装置の説明図

（実施の形態１）
図１に示すのは、電子計算機などの発熱体を収納したラック１を複数台納めたサーバールーム５０の概略図である。

サーバールーム５０内には、空調装置２、ラック１、冷却装置３が配置されている。また、サーバールーム５０の床下は、床５２の下部空間を通風空間５１として、空調装置２から吹き出した空気を通して、ラック１の前面側に冷却された空気を送り込む。サーバールーム５０の天井５３の上部空間は、天井裏空間７として、外気を通風させ、後述する凝縮器の放熱を行なう。サーバールーム５０、すなわち、ラック１を配置した空間は、鉛直に仕切る仕切６ａでコールドアイル４とホットアイル５に分割されている。詳しくは後述するが、仕切６ａは、開口を有しており、この開口にラック１を通風可能に配置する。

空調装置２から吹き出す冷風は、床下の通風空間５１を通ってコールドアイル４に供給される。そして、ラック１内を通過し、ホットアイル５に送られる。ホットアイル５の空気は空調装置２によって吸い込まれ、再び冷却された空気を送り出す。

ラック１の内部には、ＣＰＵなどを搭載したサーバー、その周辺装置などの複数の発熱体がラック１の天井面（あるいは床面）と平行に並んでいる。なお、発熱体は、ラック１の側面に平行に並べる場合もある。また、ラック１は前面側と背面側に開口を設けた筐体を有し、通風可能に構成されている。この前面側の開口を空気取入口、背面側の開口を空気吐出口とする。これらの開口（空気取入口、空気吐出口）は、実質的に空気が通過する開口であればよく、空気取入口は、パンチング、あるいは格子状、網状などの形態をとることが可能である。ラック１は、この空気取入口側をコールドアイル４側、空気吐出口側をホットアイル５側にして、仕切６ａの開口に嵌め込むように配置される。そして、ラック１の内部を冷却するときには、前面側の開口（空気取入口）からコールドアイル４側の空気を吸い込んで、ラック１内を通過するときに、発熱体から発する熱を奪った後、背面側の開口（空気吐出口）からホットアイル５側へ排出されるのである。

天井裏空間７には、側面に外気が通風できるような開口８が対向して設けられている。そして、天井裏空間７においても、外気通風方向の上流側、下流側に分割するように仕切６ｂが設けられている。また、この仕切６ｂにも開口を設け、後述する凝縮器部１０が通風可能に配置されている。

本実施の形態による冷却装置３は、図２に示すとおり、ラック１背面に取り付けられる蒸発器部９と、サーバールーム５０の天井裏空間７に取り付けられる凝縮器部１０とで構成されている。後述するように、蒸発器部９には蒸発器、凝縮器部１０には凝縮器がそれぞれ同数内蔵されている。そして、蒸発器部９と凝縮器部１０は、天井部分、すなわち、蒸発器部９の天面と凝縮器部１０の下面において冷媒配管（液管、蒸気管）である外部接続管２１で接続され、内蔵された蒸発器、凝縮器は冷媒サイクルを形成する。

蒸発器部９は、前後に通風可能とする開口（排気吸込口、排気吹出口）が設けられ、ラック１に取り付け可能な枠体と内部を冷媒が流れることが可能な平板状の蒸発器とで構成されている。蒸発器は、枠体の開口面と平行に取り付けられ、ラック１を通過した空気が冷却されるよう、ラック１の空気吐出口に設けられている。本実施の形態では、蒸発器部９は、観音開きの扉状に設けられ、両側上下に２枚ずつ計４枚の蒸発器が並べられている。図示していないが、蒸発器に接続する液管と蒸気管は、蒸発器部９の枠体の内壁面に沿って配置されている。液管は、一方の端部を蒸発器の下辺に接続し、他方の端部を蒸発器部９の枠体の天面に設けた接続口１１に接続する。蒸気管は、一方の端部を蒸発器の上辺に接続し、他方の端部を蒸発器部９の枠体の天面に設けた接続口１１に接続する。

蒸発器部９内部に用いた液管、蒸気管は、気密性をと柔軟性を備えた素材、例えば、内面をＩＩＲ系ゴムとしたものや、内面をナイロン系樹脂にてコーティングした、例えば冷媒用ホース１２を用いるとよい。上述したように、柔軟性を備えた素材を用いることによって、蒸発器部９を開閉可能な扉状に構成している。また、柔軟性と気密性があれば、ゴム以外の材質のチューブを用いることが可能である。例えば、金属製のフレキシブルホースなどのフレキシブル配管を適用することもできる。なお、本実施の形態では、扉状に開閉するようにしたが、固定配管で開閉できなくても本発明の作用効果を有する。

次に凝縮器部１０について説明する。

凝縮器部１０は、向かい合う面を通風可能に開口（外気吸込口１３、外気吹出口１４）した箱形の筐体内に、図示しない平板状の凝縮器と凝縮器に外気を通風するための外気送風機を納めたものである。外気吸込口１３、外気吹出口１４は、空気が通過する構成であれば、格子状、パンチング、あるいは、網状など様々な形態をとることができる。凝縮器は、蒸発器の枚数と同数備え、一枚の蒸発器と一枚の凝縮器とを液管、蒸気管とで接続して一つのサーモサイフォン型冷凍サイクルを構成している。図示しないが、液管は、一方の端部を凝縮器の下辺に接続し、他方の端部を凝縮器部１０の筐体の底面に設けた接続口１５に接続する。蒸気管は、一方の端部を蒸発器の上辺に接続し、他方の端部を凝縮器部１０の筐体の底面に設けた接続口１５に接続する。

なお、仕切６ａ、仕切６ｂは、例えば硬質ウレタンフォームのような断熱性の高い材料で形成されている。

ここで、サーバールーム５０の天井部分に天井裏空間７を形成する天井５３について説明する。図２に示すように、天井５３は、サーバールーム５０の天井部分に水平に設けた複数の梁１６と、梁１６の間に設ける仕切板１７によって構成される。梁１６は例えば断面をＨ字型の鋼材である。そして、Ｈ字の開口部を側方に設けてレールとして、仕切板１７をこのレールに嵌め込んで天井５３を形成する。天井５３は、図３に示すようにサーバールーム５０の天井を全部覆うのではなく、凝縮器部１０を設ける部分を四角形に開口（凝縮器開口１８）している。この開口の対向する２辺は、梁１６によって形成される。

そして、凝縮器部１０は、図４に示すように凝縮器部開口１８の向かい合う少なくとも２本の梁１６の上部に固定する。すなわち、サーバールーム５０側から見ると、凝縮器部１０の下面が凝縮器部開口１８から露出していることになる。なお、梁１６は、凝縮器部１０の底面を支える間隔で配置されればよい。

凝縮器部１０を据え付けた際の隙間は、ゴム製のシール材を貼り付けたり、コーキングによる隙間埋めなどによって、密閉性を確保する。

蒸発器部９と凝縮器部１０の接続には、外部接続管２１が用いられる。外部接続管２１は、蒸発器部９の液管の接続口、凝縮器部１０の液管の接続口とをつなぐ液管、蒸発器部９の蒸気管の接続口、凝縮器部１０の蒸気管の接続口とをつなぐ蒸気管で構成される。そして、それぞれの接続口は、ネジにて固定可能な継手となっている。これら外部接続管２１は、曲げることが可能な冷媒ホースおよびフレキシブル配管を適用することによって、凝縮器部１０と蒸発器部９のそれぞれの接続口１１の位置がずれていても接続が可能になる。

この天井部分については、図５、図６に示すように、接続口１１、外部接続管２１部分を覆い隠す冷媒ダクト２２が設けられる。この冷媒ダクト２２は、凝縮器部１０の下面部分で接続口１５を覆い、端部は凝縮器部１０に密着する。同様に、冷媒ダクト２２は、蒸発器部９の天面部分で接続口１１を覆い、端部は蒸発器部９に密着する。図５では接続部分を拡大して、冷媒ダクト２２を開いた状態を示し、内部がわかるように図示している。このように、冷媒ダクト２２は、サーバールーム５０内の空気や天井裏空間７から漏れる外気が混ざらないように区画し、外部接続管２１内を流れる冷媒への伝熱を防止することができる。冷媒ダクト２２と凝縮器部１０、蒸発器部９との隙間は、ゴム製のシール材を貼り付けたり、コーキングによる隙間埋めなどによって、密閉性を確保する。

上記構成において、ラック１に収められた筐体の内部にある発熱体からの発熱の処理方法について説明する。

まず、凝縮器部１０では、通過する外気によって凝縮器内の冷媒を冷却・凝縮させる。液化した冷媒は、蒸発器部９へと降下していく。一方、ラック１内の発熱体から発生する熱は、ラック１内に設けられた排気送風機によってホットアイル５側に排出される。そのとき、高温の排気空気は、蒸発器部９を通過するので、蒸発器内の冷媒を気化させて熱交換し、冷却される。ホットアイル５に排出された暑い空気は、空調装置２に吸い込まれて冷却され、再びサーバールーム５０内（コールドアイル４側）へ吹き出して、サーバールーム５０全体の温度調節をしている。

冷却装置３は、天井裏空間７に凝縮器部１０を設けたことにより、熱搬送距離を短くして、エネルギーロスの少ない効率の良い熱交換を実現する。また、ラック１から排出される熱を奪って外部（外気）に熱を放出するので、ホットアイル５に排出される熱量を小さくする。従って、空調装置２の負荷が軽減され、サーバールーム５０全体として、エネルギー消費の少ない温度制御が可能となる。また、ラック１ごとに冷却装置３が設けられているので、各冷却装置３ごとに外気送風機の送風量制御を行うことによって、ラック１ごとの発熱量に対し、適切な冷却を行うことができる。

なお、凝縮器部１０の設置方法としては、梁１６に置く方法でなくても、ボルトなどの固定具により吊り下げる方法でも良い。この場合には、吊り状態においても凝縮器部１０の底面は天井５３と同一面となる位置にて固定される。

この方法の場合、梁１６の有無は問われず、梁１６が無い場合の天井５３は、図示しないが、例えば、凝縮器部１０の側面に天井５３の固定用のアングルを取付け、このアングルの上部に天井５３を固定するようにしてもよい。天井５３と凝縮器部１０との隙間はゴム製のシール材を貼り付けたり、コーキングによる隙間埋めなどによって密閉性を確保する。梁１６がある場合、梁１６の上部に固定する方法と同様にして天井裏空間７を形成する。

なお、図６に示すように、外気送風機を駆動する制御装置１９は、発熱体と同様に、ラック１内に収めても良い。このような構成によれば、制御装置１９の冷却はラック１に取り込まれる空気によって冷却されるため、制御装置１９用の冷却が不要となる。すなわち、制御装置１９の冷却用の電力の低減や冷却用部品のコストダウンが見込まれ、さらには冷却装置３内にあった制御装置１９用の空間を利用することが可能となるため、凝縮器または蒸発器を拡大でき、冷却能力の向上が期待できる。

本発明は、サーバールームに設置され、ラック内に納められた発熱体を冷却する冷却装置において、前記サーバールームには、天井部分を天井で区画して天井裏空間を形成し、この天井裏空間に外気を通風する外気送風機を設け、前記ラック背面に蒸発器を内蔵した蒸発器部を設け、前記天井裏空間に凝縮器を内蔵した凝縮器部を設け、前記蒸発器部と前記凝縮器部を天井部分にて液管、蒸気管で接続して冷凍サイクルを形成したことにより、内部の発熱体の配置に関係なく、サーバー装置から排出される発熱を個別に処理することができるので、内部に電子機器を備えた屋内型の発熱体収納装置の冷却に利用可能である。

１ ラック
２ 空調装置
３ 冷却装置
４ コールドアイル
５ ホットアイル
６ａ 仕切
６ｂ 仕切
７ 天井裏空間
８ （天井裏空間の）開口
９ 蒸発器部
１０ 凝縮器部
１１ （凝縮器との）接続口
１３ 外気吸込口
１４ 外気吹出口
１５ （蒸発器との）接続口
１６ 梁
１７ 仕切板
１８ 凝縮器部開口
１９ 制御装置
２１ 外部接続管
２２ 冷媒ダクト
５０ サーバールーム
５１ 通風空間
５２ 床
５３ 天井
１０１ 筐体
１０２ 回路基板群
１０３ ヒートパイプ
１０４ 熱交換器
１０５ 吸込口
１０６ 吹出口
１０７ 送風機

Claims (7)

1. サーバールームに設置され、ラック内に納められた発熱体を冷却する冷却装置において、
   前記サーバールームには、天井部分を天井で区画して天井裏空間を形成し、
   この天井裏空間に外気を通風する外気送風機を設け、
   前記ラック背面に蒸発器を内蔵した蒸発器部を設け、
   前記天井裏空間に凝縮器を内蔵した凝縮器部を設け、
   前記蒸発器部と前記凝縮器部を天井部分にて液管、蒸気管で接続して冷凍サイクルを形成した冷却装置。
2. 前記天井は、平行に設けた複数の梁と複数の仕切板で構成され、
   ２本の前記梁の間に開口を設け、
   この開口の下方から前記凝縮器部の下面が露出するように、前記梁の上部に前記凝縮器部を載せて固定した請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記天井に開口を設け、この開口の下方から前記凝縮器部の下面が露出するように、前記凝縮器を前記天井裏空間に吊り状態で固定した請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記凝縮器部の底面に設けられた前記蒸発器部との接続口と前記蒸発器部の天面に設けられた前記凝縮器部との接続口同士の接続を、曲げ自在のフレキシブルホースによって接続された請求項１〜３に記載の冷却装置。
5. 前記凝縮器部と前記蒸発器部を接続する冷媒配管部分の周囲をダクト状に覆った請求項１〜４に記載の冷却装置。
6. 前記ラック内に前記外気送風機を駆動する制御装置を設けた請求項１〜５いずれかひとつに記載の冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれかひとつに記載の冷却装置を備えたサーバー装置。

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