JP2014158051A - Ｉｃｔ装置のキャビネット実装時における気流適正化手段 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、吸排気方向が整合されていないICT装置のキャビネット実装時における、高効率冷却および高密度実装を実現するためのディフューザによる気流適正化について、ディフューザの設計法を提供する。
【解決手段】本発明は、複数のICT装置が平行に積み上げるようにキャビネットに実装され、各ICT装置の吸気面と排気面が、前記キャビネットの内壁に対向している場合、前記吸気面および前記排気面に吸気と排気を分離する吸気ダクトおよび排気ダクトをそれぞれ形成するように、前記ICT装置の外装面と前記キャビネットの内壁との間に設けられた、気流を遮断・誘導するディフューザを備え、前記吸気ダクトおよび前記排気ダクトの吸気面積および排気面積は、前記ICT装置の吸気面積および排気面積の小さい方を上回るよう設計されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段に関し、より詳細には、ICT装置における冷却効率を向上させるために、キャビネット内の気流を適正化するディフューザの設計法に関する。

近年、インターネットやICTサービスの普及に伴い、通信機械室やデータセンタにおける消費電力が大幅に増加している。特に、通信装置やサーバーマシン（以下、ICT装置）の高機能化・高密度化によって発熱量が急速に増加してきている。

この種のICT装置は、複数台を整然と整列させた状態にして膨大なデータ量の処理を実行することを可能にするために、適温に温調された専用の稼働ルーム（空間）を準備して設置することが行われている。

この専用ルームでは、１台分の横幅と奥行きを有するキャビネット（機器収納架）内に、複数台のICT装置を上下方向の間に隙間を確保しつつ平行に積み上げる形態で取付支持させており、このキャビネットを一列に並列させるようにレイアウトされている。このキャビネット列を複数列設置する必要がある場合には、ICT装置の正面を前面側にして向かい合わせで対峙するようにレイアウトする。この種のICT装置は、データ処理などの稼働に伴って発熱して、温度上昇が故障や誤動作等の要因になることから、ICT装置内やキャビネット内の空気を外部に追い出して外気を取り込む排熱処理が必要であり、さらに、取り込む外気を冷気（流体）にして効果的に冷却することも行われている。

さらに、この専用ルームでは、対峙するキャビネット列の間に冷気を吹き出させて冷気空間（コールドアイル）を形成するコールドアイル方式を採用することにより、キャビネット内の個々のICT装置機器間の隙間に流入させて背面側から流出させる間に熱交換させて効率よく冷却することが非特許文献１で提案されている。

図１に、従来技術における、コールドアイル方式においてキャビネットに実装される装置の一例を示す。キャビネット内に実装された個々のICT装置において、ICT装置前面の手前にコールドアイル１０３が面し、ICT装置背面の奥にホットアイル１０２が面する。ICT装置の側面には吸気口１０４が設けられ、キャビネットサイドパネル１０１とICT装置の側面との間には、一定の隙間が設けられている。

株式会社NTTファシリティーズ編著、"データセンターの最適な温度環境と省エネルギー性を両立する空調気流制御製品「アイルキャッピング」の販売を開始"ニュースリリース２００８年１１月１９日、http://www.ntt-f.co.jp /news/heisei20/h20-1119.html

しかしながら、コールドアイル方式を採用した場合においても、吸排気方向がコールドアイル／ホットアイルと面するICT装置の前後方向ではなく、図１のような横方向や上下方向といった、コールドアイル／ホットアイル方式と整合しないICT装置（スイッチ類などのNW装置）がキャビネットに実装されている場合、図１に示したように、空調機から供給される冷気とICT装置が排気する暖気の混合（Ａ）や、必要な吸排気面積の不足（ICT装置−キャビネット間の開口面積（斜線部分）が狭い（Ｂ））によって、ICT装置の冷却効率の低下や発熱負荷の増大の恐れがある。

このため、吸排気方向が整合されていないICT装置に関しては、ディフューザを設置することによって、当該ICT装置が実装されているキャビネットの吸気面を統一し、気流環境を適正化する必要があるという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明は、このような吸排気方向が整合されていない、高効率冷却および高密度実装を実現するためのディフューザによる、ICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の直方体のICT装置がキャビネット内に底面と上面とが対向して積層されるように実装されたときのICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段であって、各ICT装置は、メッシュで覆われた吸気口が形成された吸気面と、メッシュで覆われた排気口が形成された排気面とを有し、前記吸気面と前記排気面は、互いに対向し、かつ、前記キャビネットの２つの側面の内壁にそれぞれ対向し、前記キャビネットは、前記キャビネットの側面の内、前記ICT装置の吸気面および排気面と直交する２つの側面に開口部が形成された、前記キャビネットの第１の開口部面および第２の開口部面を有し、前記キャビネットの第１の開口部面がコールドアイルに面し、前記キャビネットの第２の開口部面がホットアイルに面しており、前記ICT装置の吸気面の４辺の内、前記ICT装置の上面と接する辺と、前記ホットアイルに面する前記ICT装置の側面と接する辺とに設けられた前記各ICT装置の吸気面と前記吸気面が対向する前記キャビネットの内壁との間の空間における前記各ICT装置上面および前記キャビネットの第２の開口部面に向かう気流を遮断・誘導するディフューザと、前記ICT装置の底面の４つの頂点のうち前記ICT装置の排気面と前記コールドアイルに面するICT装置の側面が直交する点と前記ICT装置の吸気面と前記ホットアイルに面するICT装置の側面が直交する点を結ぶ対角線上に設けられた整流板とにより、前記コールドアイルに面するＬ字の開口部を有する吸気ダクトを形成し、前記ICT装置の排気面の４辺の内、前記ICT装置の下面と接する辺と、前記コールドアイルに面する前記ICT装置の側面と接する辺とに設けられた前記各ICT装置の排気面と前記排気面が対向する前記キャビネットの内壁との間の空間における前記各ICT装置下面および前記キャビネットの第１の開口部面に向かう気流を遮断・誘導するディフューザと、前記ICT装置の上面側の隣接する前記ICT装置の底面の４つの頂点のうち前記ICT装置の排気面と前記コールドアイルに面する前記ICT装置の側面が直交する点と前記ICT装置の吸気面と前記ホットアイルに面する前記ICT装置の側面が直交する点を結ぶ対角線上に設けられた整流板とにより、前記ホットアイルに面するＬ字の開口部を有する排気ダクトを形成し、前記吸気ダクトおよび前記排気ダクトの開口部の開口面積は、前記ICT装置の吸気口の開口面積と前記メッシュの開口率との積および前記ICT装置の排気口の開口面積と前記メッシュの開口率との積のいずれか一方よりも広いことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段において、前記吸気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記コールドアイルに面する側面と前記底面とが接する辺と、前記コールドアイルに面する隣接するICT装置の側面と上面とが接する辺とに、第１および第２のガイドベーンを設け、前記排気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記ホットアイルに面する側面と前記上面とが接する辺と、前記ホットアイルに面する隣接するICT装置の側面と底面とが接する辺とに、第３および第４のガイドベーンを設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段において、前記吸気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記コールドアイルに面する側面と前記吸気面とが接する辺に、第１のガイドベーンを設け、
前記排気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記ホットアイルに面する側面と前記排気面とが接する辺に、第２のガイドベーンを設けたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、吸排気方向が整合されていないICT装置のキャビネット実装時における、高効率冷却および高密度実装を実現するためのディフューザによる気流適正化について、ディフューザの設計法を提供することが可能となる。

従来技術における、コールドアイル方式の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、ICT装置の吸排気方向を前後に整流し、キャビネット内における冷気と暖気の混合を抑制する遮蔽板を示す図であり、（ａ）は、横吸排気ICT装置の場合の図であり、（ｂ）は、上下吸排気ICT装置の場合の図である。 ICT装置の開口部のメッシュの開口率を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、開口面積と吸排気面積を示す図であり、（ａ）は、横吸排気ICT装置の場合を示す図であり、（ｂ）は、上下吸排気ICT装置の場合を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態における、ディフューザを備えたICT装置に、さらに整流板および搭載レールを備えたことを示す図であり、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における、装置設計仕様に対して、キャビネット実装時の吸気面積が不足している場合の、吸気面積を拡大させたことを示す図である。 本発明の第３の実施形態における、流入口に設置するガイドベーンの効果を説明する図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態における、ICT装置下部へのガイドベーン取り付け例を示す図であり、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態における、ICT装置側部へのガイドベーン取り付け例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態における、ICT装置の吸排気方向を前後に整流し、キャビネット内における冷気と暖気の混合を抑制する遮蔽板を示し、図２（ａ）に、横吸排気ICT装置の場合を示し、図２（ｂ）に、上下吸排気ICT装置の場合を示す。

本発明における、ICT装置に備えられる遮蔽板（ディフューザ）は、ICT装置の吸排気方向を前後に整流し、キャビネット内における冷気と暖気の混合を抑制するため、冷気が供給される空間と暖気が排気される空間が、キャビネット内において同一とならないよう遮蔽する。図２（ａ）に示したような横吸排気ICT装置２０１の場合は、吸気面は、冷気が前面２１１からのみ供給されるよう、吸気側のICT装置の外壁とキャビネットのパネル内壁の間に形成される空間の、吸気側のICT装置側面上部およびICT装置側面背部を遮蔽する。この場合、吸気側のICT装置側面下部はキャビネット下段に設置されたICT装置の遮蔽版（吸気側ディフューザ）により遮蔽され、冷気は前面２１１からのみ供給される。

排気面は、排気側ディフューザ２０２によって、排熱を背面２１２のみに排気するよう、排気側のICT装置側面下部およびICT装置側面前部を遮蔽する。遮蔽板は、キャビネットのサイドパネルとICT装置との間に隙間がないように設計・設置する。図２（ｂ）に示したような上下吸排気ICT装置２０４の場合は、吸排気面ともにダクトで覆い、吸気面は冷気が前面２２１からのみ供給されるよう前面２２１のみ、排気面は排熱を背面２２２のみに排気するよう背面２２２のみ、開口部とする。

また、ディフューザは、装置設計仕様の吸排気面積に対して、ディフューザおよびキャビネット実装時における開口部の面積が上回るよう、設計する必要がある。この条件を満たさずに遮蔽版等を設置した場合、必要風量が不足することによってICT装置の冷却効率が低下し、ICT装置内部の温度上昇を招く恐れがある。

図３に、ICT装置の開口部のメッシュの開口率を示す。メッシュ３０１〜３０３は、開口部のメッシュの一例である（参考ＵＲＬ http://www.punting-center.co.jp/gnav01.html）。

ICT装置が必要とする吸排気面積は、ICT装置の吸排気面積の設計仕様を基準に、以下に示した計算式に基づいて算出する。吸排気面積は、吸気面積と排気面積の小さい方を採用する。
（当該ICT装置の必要吸排気面積）＝（当該ICT装置の吸気または排気面の開口面積）×（メッシュ開口率） （式１）

但し、当該ICT装置の吸気または排気面の開口面積については、横吸排気の場合はICT装置側面、上下吸排気面の場合はICT装置上下面の、メッシュが設置された面積を表す。

なお、メッシュ開口率については、正確な数値が不明の場合、０．３〜０．５とする。またハニカムメッシュ場合は０．６程度とする。

図４に、本発明の第１の実施形態における、開口面積と吸排気面積を示し、図４（ａ）に、横吸排気ICT装置の場合を示し、図４（ｂ）に、上下吸排気ICT装置の場合を示す。図４（ａ）、（ｂ）の左図はそれぞれ、装置設計仕様における吸排気面積（開口部におけるメッシュ開口率を含む）を示し、図４（ａ）、（ｂ）の右図はそれぞれ、ディフューザおよびキャビネット実装時における吸排気面積を示す。

具体的なICT装置に関する開口面積と吸排気面積はそれぞれ図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した部分の面積を指すものであり、式１に従い、ICT装置が必要とする吸排気面積を確保できるよう、ディフューザの形状を設計する。つまり、ディフューザは、装置設計仕様の吸排気面積に対して、ディフューザおよびキャビネット実装時における吸排気面積が上回るよう、設計する必要がある。また、ディフューザが実装できるよう、キャビネットに実装されるICT装置間のスペースを確保できる搭載方法を選択する。

（第２の実施形態）
図５（ａ），（ｂ）に、本発明の第２の実施形態における、ディフューザを備えたICT装置に、さらに整流板および搭載レールを備え、装置設計仕様に応じて、キャビネット実装時の吸気面積を拡大させる構成を示す。

図５（ａ）に示す第２の実施形態は、図２の本発明の第１の実施形態であってICT装置下部に、キャビネットや、他のICT装置上に搭載するための取付部がある場合、ICT装置前部下面に吸気口を設け、ICT装置底面−側面間の気流を確保するための開口を設け、ICT装置底面に、底面の対角線上に整流板が吸気口に向かうように、設置された態様である。

横吸排気方向ICT装置について、装置設計仕様に対して、ディフューザおよびキャビネット実装時に吸排気面積が下回る場合、図５に示すように、ICT装置上下スペースを利用して吸排気面積を拡大する。このとき、ICT装置上下面の少なくとも一方に設置され、冷気と暖気を分離するための整流板５０３は必須であり、またICT装置下部に搭載用の取付金物がある場合はICT装置底面−側面間の気流を確保するための開口を設ける。

図５（ｂ）を参照すると、図２に示したような、ICT装置前部側面のみからの吸気では必要とする冷気をICT装置に供給することができないが、図５に示した整流板５０３を設け、ICT装置前部下面からの吸気も利用することにより、必要な冷気をICT装置に供給することが可能となる。

具体例として、図５（ｂ）の左図における装置設計仕様は、
D63.5[ｃｍ]×H28.58[ｃｍ]（開口部寸法）×0.35（メッシュ開口率）≒635.2[ｃｍ²] （式２）
となり、一方、図５（ｂ）の右図におけるキャビネット実装時の第１の吸気面積は、
W12[ｃｍ]（キャビネットパネルとの隙間）×H36[ｃｍ]（搭載レール高さを含む）＝432[ｃｍ²] （式３）
となる。そして、ディフューザを設置して吸気面積を拡大させた場合、第２の吸気面積は、
432[ｃｍ²] （第１の吸気面積）＋W44.32[ｃｍ]×H7.42[ｃｍ]（搭載レール高さ）≒760.8[ｃｍ²] （式４）
となる。但し、搭載レールに開口を設けているため、実質上の吸気面積は、
432[ｃｍ²]（第１の吸気面積）＋245[ｃｍ²]（開口面積）＝677 [ｃｍ²] （式５）
である。以上から、図５（ｂ）の左図における装置設計仕様635.2[ｃｍ²]に対して、図５（ｂ）の右図におけるキャビネット実装時の吸気面積432[ｃｍ²]は、不足しているが、ディフューザを設置して吸気面積を拡大させた場合677[ｃｍ²]は、条件を満たす。

なお、ディフューザを実装した場合においても、例えば図２（ｂ）に示した上下方向に給排気面があるICT装置において、ICT装置側面とキャビネット内壁との間に空隙がある場合等、キャビネット実装時のICT装置間の隙間、または、ICT装置とキャビネット内壁との隙間から冷気と暖気が混合するのを防ぐため、ICT装置が冷気を吸い込むための空間あるいはICT装置が暖気を排出するための空間を除き、キャビネット前面あるいは背面の隙間をブランクパネルにより遮蔽する。

（第３の実施形態）
ディフューザ実装時の吸気面に流入する流速が早い場合、流入口近傍において発生する渦現象により流れ抵抗が形成され、実質上の吸入面積が確保されない恐れがある。このような場合、吸排気効率を向上させることを目的に、キャビネット実装時における流入口にガイドベーンを設計・設置する。

図６に、本発明の第３の実施形態における、流入口に設置するガイドベーンの効果を説明する図を示す。流速が早い場合には、図６（ａ）に示すようにガイドベーンがない場合、実質上の吸入面積が小さくなり、図６（ｂ）に示すようにガイドベーンが有る場合、実質上の吸入面積が拡大し、吸排気抵抗が改善される。

ガイドベーンは、流入面に対して角度を有して設置される誘導板であり、実質上の吸排気面積を拡大させる効果がある。

また、図７（ａ）、（ｂ）は、図５の本発明の第２の実施形態において、ICT装置へのガイドベーン７０１、７０２を取り付けたことを示す。図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態における、ICT装置下部へのガイドベーン７０１取り付け例を示し、図７（ｂ）は、本発明の第３の実施形態における、ICT装置側部へのガイドベーン７０２取り付け例を示す。

但し、横・上下方向吸排気ICT装置の通信線や電源線、またパッケージの抜き差しを阻害しないよう、形状や設置方法とすることが条件である。ガイドベーンの設置箇所および角度や長さについては、原理的には、流速の早い流入口に対して、開口させる形状として45°程度、流入方向に対して張り出す長さを3〜5cm程度で設計する。

このように本発明の一態様によれば、吸排気方向が不整合なICT装置に対してディフューザを設置することによって、当該ICT装置のキャビネット内での排熱の廻り込みを抑制するとともに、吸排気に伴う圧力損失の増加を抑制し、キャビネット内の気流環境を適正化することによってICT装置の冷却効率を高めてICT装置内部の温度を低下させることができる。さらに付随する効果として、ICT機器の温度低下に伴って空調機設定を緩和することによる、省エネルギー効果や、キャビネットへの実装可能台数が増加することによる、床面積のスペース集約効果が期待できる。

１０１ キャビネットサイドパネル
１０２ ホットアイル
１０３ コールドアイル
１０４ 吸気口
２０１，２０４，４０１，４０４ ICT装置
２０２，２０５，４０２，４０５，５０１ 排気側ディフューザ
２０３，２０６，４０３，４０６，５０２ 吸気側ディフューザ
２１１，２２１，４１１，４２１ 前面
２１２，２２２，４１２，４２２ 背面
３０１，３０２，３０３ メッシュ
５０３ 整流板
５０４ 搭載レール開口
６０１，６０２ 流路
６０３，７０１，７０２ ガイドベーン

Claims (3)

1. 複数の直方体のICT装置がキャビネット内に底面と上面とが対向して積層されるように実装されたときのICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段であって、
   各ICT装置は、メッシュで覆われた吸気口が形成された吸気面と、メッシュで覆われた排気口が形成された排気面とを有し、前記吸気面と前記排気面は、互いに対向し、かつ、前記キャビネットの２つの側面の内壁にそれぞれ対向し、
   前記キャビネットは、前記キャビネットの側面の内、前記ICT装置の吸気面および排気面と直交する２つの側面に開口部が形成された、前記キャビネットの第１の開口部面および第２の開口部面を有し、前記キャビネットの第１の開口部面がコールドアイルに面し、前記キャビネットの第２の開口部面がホットアイルに面しており、
   前記ICT装置の吸気面の４辺の内、前記ICT装置の上面と接する辺と、前記ホットアイルに面する前記ICT装置の側面と接する辺とに設けられた前記各ICT装置の吸気面と前記吸気面が対向する前記キャビネットの内壁との間の空間における前記各ICT装置上面および前記キャビネットの第２の開口部面に向かう気流を遮断・誘導するディフューザと、前記ICT装置の底面の４つの頂点のうち前記ICT装置の排気面と前記コールドアイルに面するICT装置の側面が直交する点と前記ICT装置の吸気面と前記ホットアイルに面するICT装置の側面が直交する点を結ぶ対角線上に設けられた整流板とにより、前記コールドアイルに面するＬ字の開口部を有する吸気ダクトを形成し、
   前記ICT装置の排気面の４辺の内、前記ICT装置の下面と接する辺と、前記コールドアイルに面する前記ICT装置の側面と接する辺とに設けられた前記各ICT装置の排気面と前記排気面が対向する前記キャビネットの内壁との間の空間における前記各ICT装置下面および前記キャビネットの第１の開口部面に向かう気流を遮断・誘導するディフューザと、前記ICT装置の上面側の隣接する前記ICT装置の底面の４つの頂点のうち前記ICT装置の排気面と前記コールドアイルに面する前記ICT装置の側面が直交する点と前記ICT装置の吸気面と前記ホットアイルに面する前記ICT装置の側面が直交する点を結ぶ対角線上に設けられた整流板とにより、前記ホットアイルに面するＬ字の開口部を有する排気ダクトを形成し、
   前記吸気ダクトおよび前記排気ダクトの開口部の開口面積は、前記ICT装置の吸気口の開口面積と前記メッシュの開口率との積および前記ICT装置の排気口の開口面積と前記メッシュの開口率との積のいずれか一方よりも広いことを特徴とするICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段。
2. 前記吸気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記コールドアイルに面する側面と前記底面とが接する辺と、前記コールドアイルに面する隣接するICT装置の側面と上面とが接する辺とに、第１および第２のガイドベーンを設け、
   前記排気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記ホットアイルに面する側面と前記上面とが接する辺と、前記ホットアイルに面する隣接するICT装置の側面と底面とが接する辺とに、第３および第４のガイドベーンを設けたことを特徴とする請求項１に記載のICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段。
3. 前記吸気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記コールドアイルに面する側面と前記吸気面とが接する辺に、第１のガイドベーンを設け、
   前記排気ダクトの開口部を構成する、前記ICT装置の前記ホットアイルに面する側面と前記排気面とが接する辺に、第２のガイドベーンを設けたことを特徴とする請求項１に記載のICT装置のキャビネット実装時における気流適正化手段。

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