JP2015021633A - サーバーラック室内システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気冷房方式を適用しながら、サーバーラック列やサーバーラックの個別空調を実行することのできるサーバーラック室内システムを提供すること。【解決手段】 複数のサーバーラック１から構成された複数のサーバーラック列２がコールドアイル空間ＣＡもしくはホットアイル空間ＨＡを介して併設しており、これらの空間ＣＡ、ＨＡが交互に配設されているサーバーラック室内システム１０において、複数のヒートパイプ８１からなるヒートパイプ群８と、外気導入部７とから構成された空調機４がホットアイルＣＡの上方に配設され、ヒートパイプ８１は、外気導入部７側に露出した凝縮領域８１ａと、排気と接する蒸発領域８１ｂとから構成され、ヒートパイプ８１内には作動流体９が封入され、蒸発領域８１ｂで排気からの吸熱によって作動流体９が気相状態となり、凝縮領域８１ａで気相状態の作動流体９が外気に放熱して液相状態となる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のサーバーラック列の間にコールドアイル空間とホットアイル空間を交互に備えたサーバーラック室内システムに関するものである。

インターネットやLANなどのネットワーク上で複数のパソコンに多様な機能やサービスを提供したり、データを一元化するサーバーがラックに集積されてサーバーラックを構成し、複数のサーバーラックが隣接するように配設されてサーバーラック列を構成し、複数のサーバーラック列が通路を挟んで配設され、各通路が交互にホットアイル空間とコールドアイル空間を形成するようにしてサーバーラック室内システムが構成される。このサーバーラック室においては、二重床の上にサーバーラック列が配設され、室内の側端部に配設された下吹き空調機から吹き出された冷気が二重床空間を通過して各コールドアイル空間に提供される形態や、同様に室内の側端部に配設された横吹き空調機から吹き出された冷気が室内を側方に横断するように提供される形態など、冷気の吹き出し態様も多様である。なお、このサーバーラック室内システムはデータセンターなどと称されることもある。

ところで、サーバーラック室における冷房態様として、上記する下吹き空調方式や横吹き空調方式に代わって、もしくはこれらと併用する態様で、外気を室内に取り込んで室内の冷房を図る、いわゆる外気冷房方式もよく知られるところである。この外気冷房方式は、低温外気を積極的に室内に取り込んで利用することから、空調機の作動のみに依存する冷房方式に比して省エネ性が極めて高い。

この外気冷房は、サーバーラック室の天井側に配設され、内蔵ファンや熱交換器を備えている空調機の作動によって実行される。具体的には、空調機を作動させ、吸気ダクトを介して外気を取り込んだ後、この空調機を介し、給気ダクトを介して外気を室内に吹き出すようになっている。吹き出された外気は室内にある相対的に軽い暖気と還流して入れ替わり、暖気は空調機に取り込まれ、吸気ダクトから空調機に取り込まれた外気と混合されて再度冷気とされ、この冷気が室内に再度給気されるような冷気と暖気の還流が実行される。

しかしながら、このような外気冷房方式では、外気がたとえば15℃程度以下の中間期や冬期には有効であるものの、外気の温度が冷房温度よりも高い時期には利用し難く、したがって年間を通した稼働率が低いという問題がある。

この問題に対処するべく、特許文献１に開示の空調システムでは、天井空間を経由して予冷熱交換部に導入される高温排気を熱搬送手段であるヒートパイプの熱交換器（蒸発器）でプレクーリングした後、空調機の蒸発器で設定温度に冷却し、送風機によって往き側ダクトを介して二重床空間に送出する構成が適用される。

送出された冷気は、床パネルに複数設けられた吹き出し口を介してコールドアイル空間に吹き出され、さらに各サーバーラックに吸い込まれ、サーバーラック内の各サーバーを冷却した後に高温排気となってホットアイル空間に排出される。排気はさらに天井空間に導かれ、最終的に予冷熱交換部に戻されるようになっており、このような室内空気の循環によって各サーバーラックの冷却を実行するものである。

特開２０１０−６５９１２号公報

特許文献１で開示される空調システムでは、予冷された外気を下吹き空調機を介してデータセンターの全体に提供し、データセンター全体の空調を実行している。そのため、仮に一部のサーバーラック列やさらにサーバーラック列中の一部のサーバーラックの熱負荷が高い場合は、この熱負荷の高いサーバーラック列やサーバーラックに対応するようにして空調機から冷気を室内全体に提供するような制御を実行せざるを得ない。そのため、消費電力が過度に増大することは避けられない。また、仮に熱負荷の高いサーバーラック列やサーバーラックに応じた冷気を室内に提供するとしても、このような冷気を提供するべき熱負荷の高いサーバーラック列等に集中的に提供するのは実際に難しく、熱負荷の高いサーバーラック列等を効果的にクーリングするのは困難である。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、外気冷房方式を適用しながら、サーバーラック列やサーバーラックの個別空調を実現できるサーバーラック室内システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明によるサーバーラック室内システムは、複数のサーバーラックからサーバーラック列が構成され、複数のサーバーラック列がコールドアイル空間もしくはホットアイル空間を介して併設しており、コールドアイル空間とホットアイル空間が交互に配設されているサーバーラック室内システムにおいて、複数のヒートパイプからなるヒートパイプ群と、外気導入部と、から構成された空調機がホットアイルの上方に配設されており、ヒートパイプは、外気導入部側に露出した凝縮領域と、サーバーラックから排出された排気と接する蒸発領域と、から構成され、ヒートパイプ内には作動流体が封入されており、蒸発領域で排気からの吸熱によって作動流体が気相状態となり、凝縮領域で気相状態の作動流体が外気に放熱して液相状態となるものである。

本発明のサーバーラック室内システムは、複数のヒートパイプからなるヒートパイプ群と外気導入部とから構成された空調機をホットアイルの上方に配設したことに一つの特徴があり、さらに、この空調機がいわゆるサーモサイフォン式のヒートパイプを具備するものであり、封入された作動流体が熱の作用によって気相状態と液相状態を交互に変化させることで電力を不要とした外気冷房をおこなうことに他の特徴がある。

ホットアイルの上方における空調機の取り付け形態は、ホットアイル空間の全長（サーバーラック列の全長）に亘って空調機が取り付けられている形態や、ホットアイル空間の全長において、熱負荷の最も高くなる部位（このことは予め特定されている）にのみ空調機が取り付けられている形態、ホットアイル空間の全長に亘って間欠的に複数の空調機が取り付けられている形態など、多様な取り付け形態がある。いずれの形態であっても、複数のホットアイル空間の所望部位に空調機を配設することができるため、全体的な空調は勿論のこと、集中的に空調を実行したい箇所のみの空調や空調の程度（冷気の風量の調整等）も自在に調整することができる。

なお、このサーバーラック室内システムは、外気冷房方式を基本構成とするものの、二重床の上にサーバーラック列が配設され、室内の側端部に配設された下吹き空調機から吹き出された冷気が二重床空間を通過して各コールドアイル空間に提供される下吹き空調機を併用してもよい。また、同様に室内の側端部に配設された横吹き空調機から吹き出された冷気が室内を側方に横断するように提供される横吹き空調機を併用してもよい。

サーバーラック室の上方空間、すなわち、複数のサーバーラック列の上方の空間は、サーバーラック室の側端部に設けられた吸気ダクトを介して外気が取り込まれる空間となっている。なお、この吸気ダクトには外気を積極的に導入可能な導入ファンを設けておいてもよい。

ホットアイル空間の上方に配設される空調機は、複数のヒートパイプからなるヒートパイプ群と、外気導入部とから構成されている。

外気導入部は、外気が導入されたサーバーラック室の上方空間にある外気が入り込み、この外気が収容されている空間である。なお、外気を外気導入部に積極的に導入する吸気ファンを外気導入部に設けておいてもよい。たとえば、熱負荷の大きなサーバーラック列やその一部の領域に吸気ファンを設けておくことで、熱負荷の大きな領域に外気を多く導入し、冷気生成効果を高めるようにしてもよい。

空調機を構成するヒートパイプは、同じく空調機を構成する外気導入部にその一部を露出させている。このヒートパイプは凝縮領域と蒸発領域を備えており、この凝縮領域が外気導入部に露出した構成となっている。

ヒートパイプの内部には作動流体が封入されており、この作動流体の相変化、すなわち状態変化によってサーバーラック室内の熱（ホットアイル空間に滞留する排気の熱）を潜熱の形で空調機内に熱輸送するものである。ヒートパイプの蒸発領域はホットアイル空間の排気と接するように構成されており、この蒸発領域にある作動流体は排気の熱で加熱されて蒸発し、作動流体は気相状態に変化する。気相状態となった作動流体（の蒸気）は、ヒートパイプの凝縮領域に移動するが、この凝縮領域は外気導入部に露出していることからここで気相状態の作動流体が放熱し、放熱した作動流体は凝縮して液相状態に相変化する。液相状態となった作動流体は、自身の重量で再度蒸発領域に移動し、ここで排気の熱を受けて相変化し、再度気相状態となる。このように凝縮領域と蒸発領域の間で作動流体が液相状態と気相状態に相変化しながら自然移動することで、熱を帯びていた排気から生成された冷気は空調機を介してコールドアイル空間に提供されることになる。

本発明のサーバーラック室内システムによれば、外気冷房方式を適用することで省エネ性が高く、しかも、サーバーラック列やサーバーラックの特定部位のみを集中的に空調する等の個別空調を実現できる。

また、本発明によるサーバーラック室内システムの他の実施の形態において、空調機はサーバーラック列に沿ってホットアイル上方に連続しており、外部に通じて外気を取り込む吸気ダクトが空調機に流体連通しており、吸気ダクトを介して取り込まれた外気が空調機を流通する過程でサーバーラック列を構成する各サーバーラックの排気を吸熱して冷気を生成するようになっているものである。

本実施の形態のサーバーラック室内システムは、各ホットアイル空間の上方に配設された空調機をホットアイル空間（サーバーラック列）の長手方向に亘って連続させた構成とし、サーバーラック室の上方空間に外気を取り込む吸気ダクトを各空調機に流体連通させた構成とすることで、吸気ダクトを介して外気を各空調機のたとえば一か所に直接導入し、空調機のたとえば一か所に導入された外気を空調機の長手方向に亘って流通させることでサーバーラック列の各部位に空調機を介して外気を提供するようにしたものである。

この形態によれば、空調機への外気の提供を効果的に実行することができ、また、サーバーラック室の上方空間の寸法を狭くしながら、外気を効果的に各サーバーラック列に提供することが可能となる。

また、本発明によるサーバーラック室内システムの好ましい実施の形態において、空調機の側方とコールドアイルの中間にはファンが備えてあり、空調機で生成された冷気をコールドアイル空間に提供するようになっているものである。

ホットアイル空間の上方に配設された空調機で生成された冷気は、サーバーラック列の上方を介して当該サーバーラック列の反対側のコールドアイル空間に提供される。

このコールドアイル空間への冷気の提供を促進するべく、空調機の側方とコールドアイルの中間の任意の位置にファンを設けたものである。

ファンが設けられる具体的な位置は特に制限されるものではないが、その一例として、空調機の側方に空調機と一体にファンを取り付けておき、空調機で生成された冷気をその側方のファンで一気にコールドアイルへ吹き出させる形態や、コールドアイル空間の両サイドにあるサーバーラック列の天井に跨るようにしてファンが取り付けられた形態などを挙げることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のサーバーラック室内システムによれば、外気冷房方式を適用することで省エネ性が高く、しかも、サーバーラック室全体の空調は勿論のこと、サーバーラック列やサーバーラックの個別空調もおこなうことができる。

本発明のサーバーラック室内システムの実施の形態１を示した模式図である。 ２列のサーバーラック列と空調機の一部を拡大した図である。 ヒートパイプ内の作動流体の相変化を説明した図である。 本発明のサーバーラック室内システムの実施の形態２を示した模式図である。

以下、図面を参照して本発明のサーバーラック室内システムの実施の形態を説明する。なお、図示例は、二重床の上にサーバーラック列が配設され、室内の側端部に配設された下吹き空調機から吹き出された冷気が二重床空間を通過して各コールドアイル空間に提供される下吹き空調機を併設したものであるが、このように下吹き空調機を具備せず、外気のみで室内空調を実行するサーバーラック室内システムであってもよいことは勿論のことである。また、下吹き空調機以外にも、横吹き空調機を適用してもよい。

（サーバーラック室内システムの実施の形態１）
図１は本発明のサーバーラック室内システムの実施の形態１を示した模式図であってサーバーラック室の内部を視認可能に透視した図であり、図２は２列のサーバーラック列と空調機の一部を拡大した図である。

図示するサーバーラック室内システム１０は、二重床３の上方において、複数のサーバーラック１が側方に並べられてサーバーラック列２を構成し、複数のサーバーラック列２が通路を介して並べられてその全体が構成されている。対向するサーバーラック列２の間の各通路は、サーバーラックの前面であって冷気をサーバーラック１内に取り込む側となるコールドアイル空間ＣＡと、サーバーラック１内を冷気が通過する過程で吸熱して生成された高温の排気が排出されるホットアイル空間ＨＡとなっており、このコールドアイル空間ＣＡとホットアイル空間ＨＡが交互に形成されている。

ホットアイル空間ＨＡの上方にはホットアイル空間ＨＡを形成する２列のサーバーラック列２，２の天井に跨るように空調機４が固定されており、空調機４の左右側方にはファン５，５が配設されている。

サーバーラック室において、サーバーラック列２よりも上方には上方空間ＶＣが形成されており、サーバーラック室の壁面には吸気ダクト６が取り付けられており、この吸気ダクト６を介して外気が上方空間ＶＣに取り込まれるようになっている（Ｘ３方向）。なお、図示を省略するが、この外気の室内への吸気を効率的に実行するべく、吸気ダクト６にファンを設けておいてもよい。また、上方空間ＶＣに取り込まれた外気を上方空間ＶＣに留めておくべく、上方空間ＶＣと下方の空間をプレート等で仕切った構成を適用してもよい。

上方空間ＶＣにはホットアイル空間ＨＡの上方で２列のサーバーラック列２，２間に跨る空調機４が配設されており、上方空間ＶＣ内に取り込まれた外気がこの空調機４に入り込むようになっている。具体的には、外気が自然に空調機４内に流入する態様のほかにも、不図示の外気取り込み用のファンが空調機４内に内蔵されていて、このファンの作動によって積極的に上方空間ＶＣ内の外気が空調機４内に取り込まれる態様などがある。

サーバーラック列２を構成する各サーバーラック１の背面から排出された排気は、ホットアイル空間ＨＡにて上方に上昇して（Ｘ１方向）空調機４内に入り込む。

空調機４内では、後述するようにサーモサイフォン式のヒートパイプ内の作動流体の相変化によって排気を外気にてクーリングして冷気が生成され、生成された冷気は空調機４の側方にあるファン５によってコールドアイル空間ＣＡに送り出され（Ｘ２方向）、各サーバーラック１の前面からサーバーラック１内に提供されるようになる。なお、空調機４の左右側方にファン５が配設されていることでコールドアイル空間ＣＡへの冷気の送り出し性が良好になる。また、ファン５の取り付け位置は空調機４の側方でなくてもよく、コールドアイル空間ＣＡの左右のサーバーラック列２，２間に跨るように配設されてもよい。

また、サーバーラック室内の手前側の端部（図１の手前側）のうち、たとえばコールドアイル空間の手前には不図示の下吹き空調機が配設されており、下吹き空調機から二重床３内に吹き出された（Ｘ４方向）冷気は、各コールドアイル空間ＣＡにある床の気孔を介してコールドアイル空間ＣＡ内に提供されるようになっている。

この二重床３からの冷気の吹き出しによってサーバーラック室全体の空調が可能となる。しかし、この全体空調における冷気の風量や温度に関しては、全サーバーラック列の中で必要とされる風量の中で最も少ない風量でよく、かつ最も高い温度でよい。すなわち、全体空調に要する電力は最低限でよい。そして、熱負荷の大きなサーバーラック列２やサーバーラック１に関しては、その上方にある空調機４にて個別に、さらに必要な風量および温度の冷気を提供する空調をおこなうことで対処が可能となる。

たとえば、熱負荷の大きなサーバーラック列２に対応する空調機４では、外気を導入する外気導入部を相対的に大規模なものとしたり、外気導入部に導入する外気を内蔵したファンにて積極的に導入するような措置を講じておくことで、熱負荷の大きなサーバーラック列２に対する個別空調が可能となる。

図２で示すように、空調機４は、傾斜方向に配設された多数のヒートパイプ８１からなる２列のヒートパイプ群８を左右に備え、２列のヒートパイプ群８の上方に外気導入部７を備えてその全体が構成されている。

外気導入部７は、サーバーラック室の上方空間ＶＣ内に取り込まれた外気が入り込む空間を形成している。

一方、左右のヒートパイプ群８を構成する各ヒートパイプ８１は、その上方領域が外気導入部７に臨み、その下方領域はホットアイル空間ＨＡに臨んでいて、上昇する排気に接するようになっている。

ここで、図３はサーモサイフォン式のヒートパイプ内の作動流体の相変化を説明した図である。

ヒートパイプ８１の内部には作動流体９が封入されている。この作動流体９の相変化、すなわち状態変化により、サーバーラック室内の熱（ホットアイル空間ＨＡに滞留する排気の熱）を潜熱の形で空調機４内に熱輸送するものである。

ヒートパイプ８１はホットアイル空間ＨＡに臨む蒸発領域８１ｂと外気導入部７に臨む凝縮領域８１ａからなり、蒸発領域８１ｂにある作動流体９は上昇してくる（Ｘ１方向）排気の熱で加熱されて蒸発し、作動流体９は気相状態に変化する。

気相状態となった作動流体９（蒸気）は、ヒートパイプ８１の凝縮領域８１ａに移動するが（Ｙ１方向）、この凝縮領域８１ａは外気導入部７に露出していることからここで気相状態の作動流体９が放熱し、放熱した作動流体９は凝縮して液相状態に相変化する。液相状態となった作動流体９は、自身の重量で再度蒸発領域８１ｂに移動し（Ｙ２方向）、ここで排気の熱を受けて相変化し、再度気相状態となる。このように凝縮領域８１ａと蒸発領域８１ｂの間で作動流体９が液相状態と気相状態に相変化しながら自然移動することで、排気から生成された冷気は空調機４を介してコールドアイル空間ＣＡに提供されることになる。

図示するサーバーラック室内システム１０によれば、外気冷房方式を適用することで省エネ性が高く、かつ、サーバーラック室全体の空調は勿論のこと、サーバーラック列２やサーバーラック１の個別空調が可能となる。

（サーバーラック室内システムの実施の形態２）
図４は本発明のサーバーラック室内システムの実施の形態２を示した模式図である。

図示するサーバーラック室内システム１０Ａでは、空調機４はサーバーラック列２に沿ってホットアイルＨＡ上方に連続しており（この構成はサーバーラック室内システム１０と同様である）、外部に通じて外気を取り込む吸気ダクト６Ａが空調機４に流体連通している。そして、吸気ダクト６Ａを介して取り込まれた（Ｘ３方向）外気が空調機４を流通する過程で（Ｘ５方向）サーバーラック列２を構成する各サーバーラック１の排気を吸熱して冷気を生成し、コールドアイル空間ＣＡに冷気を提供するようになっているものである。

吸気ダクト６Ａを介して外気が各空調機４の一か所に直接導入され、空調機４の一か所に導入された外気は空調機４の長手方向に亘って流通する。

この形態によれば、空調機４への外気の提供を効率的に実行することができ、また、サーバーラック室の上方空間ＶＣの寸法を狭くしながら、外気を効果的に各サーバーラック列２に提供することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…サーバーラック、２…サーバーラック列、３…二重床、４…空調機、５…ファン、６，６Ａ…吸気ダクト、７…外気導入部、８…ヒートパイプ群、８１…ヒートパイプ、９…作動流体、１０，１０Ａ…サーバーラック室内システム、ＶＣ…上方空間、ＣＡ…コールドアイル空間、ＨＡ…ホットアイル空間

Claims (3)

1. 複数のサーバーラックからサーバーラック列が構成され、複数のサーバーラック列がコールドアイル空間もしくはホットアイル空間を介して併設しており、コールドアイル空間とホットアイル空間が交互に配設されているサーバーラック室内システムにおいて、
   複数のヒートパイプからなるヒートパイプ群と、外気導入部と、から構成された空調機がホットアイルの上方に配設されており、
   ヒートパイプは、外気導入部側に露出した凝縮領域と、サーバーラックから排出された排気と接する蒸発領域と、から構成され、ヒートパイプ内には作動流体が封入されており、
   蒸発領域で排気からの吸熱によって作動流体が気相状態となり、凝縮領域で気相状態の作動流体が外気に放熱して液相状態となるサーバーラック室内システム。
2. 空調機はサーバーラック列に沿ってホットアイル上方に連続しており、
   外部に通じて外気を取り込む吸気ダクトが空調機に流体連通しており、
   吸気ダクトを介して取り込まれた外気が空調機を流通する過程でサーバーラック列を構成する各サーバーラックの排気を吸熱して冷気を生成するようになっている請求項１に記載のサーバーラック室内システム。
3. 空調機の側方とコールドアイルの中間にはファンが備えてあり、空調機で生成された冷気をコールドアイル空間に提供するようになっている請求項１または２に記載のサーバーラック室内システム。

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