JP2016031212A - 領域空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】サーバールームなどのラックが列状に配置された領域をさらに効率よく冷却するシステムを提供する。
【解決手段】サーバー２３が収納された複数のラック列２０ａおよび２０ｂの間に空調用の空気７１を床下から吹き出してラック列２０ａおよび２０ｂの前後にコールドアイル２５およびホットアイル２６を形成する第１の空調システム３０と、ホットアイル２６の上部の限られたホットスポット６５から吸引してコールドアイル２５の上部に空調用の空気７３を吹き出す第２の空調システム３０とを有する領域空調システム８０を提供する。第２の空調システム３０は、コールドアイル２５の上部または上方に配置された屋内ユニット５１を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、サーバールーム、データセンターなどの、多数の発熱機器をラックに収納した領域を空調するシステムに関するものである。

特許文献１には、データセンター等におけるラック空調装置において、コールドアイルを囲い込むために専用部材を必要としないようにすること、対象とするラック列に対して部分的な空調負荷の増強を可能とすること、スペース効率が高く、拡張性の高いラック空調装置を提供することを課題とする技術が開示されている。そのため、特許文献１では発熱機器を収容する複数のラックを列設した２列のラック列を、長手方向を対向させて間隔を置いて配置し、２列のラック列間の空間の床に通気部を構成して、床下吹出し空調機からの空調空気を床下空間から通気部を通して前記空間の下部に供給する構成とし、前記２列のラック列間の空間の上部を、下側に空気供給口を設けた空調ダクトにより塞ぎ、空調ダクトに増強用空調機から空調空気を供給して前記空間に上部からも空調空気を供給する構成としたラック空調装置を提案している。

特開２０１１−１８５５４４号公報

ラックが配置された領域をさらに効率よく空調するシステムが求められている。

本発明の態様の１つは、発熱機器が収納された複数のラック列の間に空調用の空気を床下から吹き出してラック列の前後にコールドアイルおよびホットアイルを形成する第１の空調システムと、ホットアイルの上部の限られた領域から吸引してコールドアイルの上部に空調用の空気を吹き出す第２の空調システムとを有し、第２の空調システムは、コールドアイルの上部または上方に配置された屋内ユニットを含む、領域空調システムである。屋内ユニットは、熱交換器を含み、冷却した空気を上部からコールドアイルに供給する。

第２の空調システムは、ホットアイルの上部の限られた領域から吸引してコールドアイルの上部に空調用の空気を吹き出すことにより、コールドアイルおよびホットアイルにホットスポットが形成されることを抑制できる。したがって、ラック列を構成する各ラックに収納される発熱機器からの発熱にばらつきがあったり、発熱機器自身の冷却能力にばらつきがある場合であっても、第２の空調システムを適宜配置することによりホットスポットの形成を抑制できる。このため、この領域空調システムにより、ラック列が配置された領域をさらに効率よく空調できる。

第２の空調システムは、コールドアイルの上部または上方に屋内ユニットを配置し、さらに、ホットアイル上部の限られた領域から吸引することにより、ラック列の上部のスペースをダクトや屋内ユニットにより占有することを抑制できる。このため、スペース効率が低下することを抑制できる。

第２の空調システムは、ラック列に沿ってラック列のコールドアイル側に配置された第１のダクトと、第１のダクトから分岐した第２のダクトであって、ラック列の上をコールドアイルからホットアイル側に横切る第２のダクトとを含んでもよい。第２の空調システムは、複数の第２のダクトと、複数の第２のダクトを個々に開閉するダンパとを含んでもよい。第２の空調システムは、ホットスポットの形成が予想される場所に配置してもよく、ダンパの切り替えによりホットスポットの形成に対応してもよい。

本発明の他の態様の１つは、発熱機器が収納される複数のラック列が配置された領域を含むハウジングと、この領域を空調するように設けられた上記の領域空調システムとを有するルームユニットである。ルームユニットはパッケージ型のデータセンターあるいはサーバールームを含む。

サーバールームの概略構成を、ハウジングを透かして示す斜視図。 サーバールームの空調システムを示す図。 ダクト先端のダンパを示す図であり、図３（ａ）は閉、図３（ｂ）は開を示す。 スポット空調システムの異なる例を示す斜視図。 スポット空調システムのさらに異なる例を示す斜視図。

図１にパッケージ型のサーバールームの一例を示している。図２に、サーバールームの構成を模式的に示している。サーバールーム（サーバールームユニット）１０は、全体が横方向（Ｘ方向）に長い直方体状のコンテナタイプであり、サーバールーム１０を囲うハウジング１１と、ハウジング１１の内部に設けられたラック領域１２とを含む。ラック領域１２には、発熱機器を収納する２列のラック（ラック列）２０ａおよび２０ｂが長手方向（横方向）Ｘに沿って配置されている。ラック列２０ａおよび２０ｂは、発熱機器を収納する複数のラック２１が横方向に隣接配置されたものである。本例では、ラック２１は発熱機器であるサーバー２３を、上下に複数段に分かれて収納するようになっている。

サーバールーム１０は、さらに、ラック領域１２を空調する主空調システム（第１の空調システム）３０と、ラック領域１２をスポット的に空調するスポット空調システム（第２の空調システム）５０とを含み、ラック領域１２を主空調システム３０とスポット空調システム５０とが組み合わされた領域空調システム８０により空調する。

主空調システム３０は、室内機３１で冷風７１を生成し、二重床１５の下側（床下）の領域１６を介してラック領域１２に供給する。二重床１５の床面１５ａには、ラック列２０ａおよび２０ｂの間に冷風７１を吹き出してコールドアイル２５を生成する吹出し口１７が配置されている。コールドアイル２５に吹出された冷風７１は、ラック列２０ａおよび２０ｂを構成する段積み用のラック２１に収納されているサーバー２３の前方から冷却ファンによりサーバー２３に吸い込まれる。サーバー２３に吸い込まれた冷気７１は、サーバー２３内部を冷却した後、熱風（排気）７２となり、サーバー２３の後方から吹出され、コールドアイル２５に対しラック列２０ａおよび２０ｂをそれぞれ挟んだ反対側にホットアイル２６を形成する。以降において、空気の流れに沿って、ラック列２０ａおよび２０ｂのコールドアイル２５の側を前方、ホットアイル２６の側を後方と呼ぶ。

主空調システム３０は、ハウジング１１の内部に配置される室内機（室内ユニット）３１と、屋外に配置される室外機（屋外ユニット）３２とを含む。主空調システム３０は外気温に比較的左右されない強制循環型であることが望ましい。室内機３１は、冷却用のチューブを含むエバポレータ３４と、ヒーター３３と、室内ファン３５とを含む。室外機３２は、冷媒を強制循環するためのコンプレッサ（圧縮機）３６と、外気ファン（屋外ファン）３７と、コンデンサ３８とを含む。主空調システム３０においては、コンプレッサ３６で圧縮した冷媒をコンデンサ３８で外気を用いて冷却し、室内機３１のエバポレータ３４において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風（冷気）７１を形成する。

室内機３１は、ハウジング１１の天井近くに設けられた吸気口３９ａから室内の排気７２を吸い込んで冷却し、二重床１５を貫通する給気口３９ｂを介して二重床１５の床下の領域１６へ冷気７１を供給する。冷気７１は、床面１５ａのガラリ１７からラック列２０ａおよび２０ｂの間のコールドアイル２５に吹出される。

主空調システム３０と共に領域空調システム８０を構成するスポット空調システム５０は、ハウジング１１の内部に配置される屋内ユニット（室内ユニット）５１と、屋外に配置される屋外ユニット（室外ユニット）５２と、ホットスポット６５から吸気するダクトシステム６０とを含む。スポット空調システム５０は、比較的高温の排気７２により高温となるホットアイル２６の中に形成されるホットスポット６５を冷却対象としている。このため、外気温に対して冷却対象の空気の温度が高く、外気温との温度差を確保しやすい。したがって、スポット空調システム５０は、コンプレッサが不要な自然循環型で低消費電力の空調システムであってもよい。この場合、屋外ユニット５２は、ハウジング１１の天井または側壁の、屋内ユニット５１より高い位置に設置される。スポット空調システム５０は、主空調システム３０と同様にコンプレッサを備えた強制循環型であってもよい。また、スポット空調システム５０は、チラー等で形成される冷水を用いた空調システムであってもよい。

屋内ユニット５１は、ラック列２０ａおよび２０ｂの間のコールドアイル２５の上方に設置され、ラック列２０ａおよび２０ｂの両側（後方または左右）のホットアイル２６に形成されるホットスポット６５の空気を冷却し、ラック列２０ａおよび２０ｂの中央（前方）のコールドアイル２５に供給する。屋内ユニット５１は、左右のホットスポット６５から吸引した空気を冷却して中央のコールドアイル２５に供給する熱交換器５３ａおよび５３ｂと、冷気を循環させる室内ファン（屋内ファン）５７とを含む。屋内ユニット５１は、左右のホットスポット６５から吸引する排気をそれぞれ冷却するために１組の熱交換器５３ａおよび５３ｂを備えていてもよく、１つの熱交換器で左右から吸引した空気を冷却するものであってもよい。また、熱交換器５３ａおよび５３ｂによりダウンフローが十分に形成される場合は室内ファン５７を省略してもよい。

屋外ユニット５２は、熱交換器５４と外気ファン５５とを含む。屋外ユニット５２の熱交換器５４のガス側はパイプ（冷媒パイプ）５９により屋内ユニット５１の熱交換器５３ａおよび５３ｂのガス側と接続され、屋外ユニット５２の熱交換器５４の液側はパイプ（冷媒パイプ）５９により屋内ユニット５１の熱交換器５３ａおよび５３ｂの液側と接続されている。冷媒は屋内ユニット５１の熱交換器５３ａおよび５３ｂと、屋外ユニット５２の熱交換器５４との間を自然循環し、外気によりハウジング１１内を冷却する。

ホットスポット６５からの空気を屋内ユニット５１に導くダクトシステム６０は、ラック列２０ａおよび２０ｂのコールドアイル２５側（前側）に、ラック列２０ａおよび２０ｂに沿って延びるように設けられた第１のダクト６１と、第１のダクト６１から分岐した複数の第２のダクト６２とを含む。複数の第２のダクト６２は、ラック列２０ａおよび２０ｂの上側をコールドアイル２５からホットアイル２６の側に横切るように設けられている。複数の第２のダクト６２は、ラック列２０ａおよび２０ｂの上側を断続的に横切るように配置される。また、第２のダクト６２は、ホットスポット６５の限られた量の空気を吸引できればよく、ダクト径は小さくてよい。したがって、ラック列２０ａおよび２０ｂのそれぞれのラック２１の上部にはケーブルを配線する領域が確保でき、ラック列２０ａおよび２０ｂの上方にケーブルラック２９が配置される場合であっても、ケーブルラック２９やケーブルと干渉を抑制できる。

複数の第２のダクト６２の先端には図３（ａ）および（ｂ）に示すように、温度により開閉するダンパ６３が取り付けられている。ラック列２０ａおよび２０ｂに収納されているサーバー２３の中の、あるサーバー（特定のサーバー）２３の負荷が大きくなったり、コールドアイル２５から、あるサーバー２３に吸い込まれる冷却空気の温度が何らかの要因で高くなり、あるいは他の要因によりホットアイル２６に、さらに温度の高いホットスポット６５が形成されることがある。ホットスポット６５が形成されると、そのホットスポット６５に面した、または近い第２のダクト６２の先端のダンパ６３がそれぞれのホットスポット６５を温度センサーやバイメタルスイッチなどにより検出して開く。ホットスポット６５の空気は第２のダクト６２および第１のダクト６１を介して屋内ユニット５１に供給され、コールドアイル２５に上から屋内ユニット５１により冷却された空気７３が供給される。

ラック列２０ａおよび２０ｂが搭載される二重床１５の床下の領域１６を介して冷風７１をラック列２０ａおよび２０ｂの間に供給してコールドアイル２５を形成する方式の空調システム（ラック空調システム）３０は、ラック列２０ａおよび２０ｂの上にダクトスペースを確保しなくてよい。したがって、ハウジング１１の内部のスペース効率が高く、サーバールーム１０を低コストで供給できる。また、ハウジング１１の全高を低くできるので、トラック等で搬送可能なパッケージ型のサーバールーム１０に適している。

しかしながら、このタイプの空調システム３０では、冷気７１はコールドアイル２５の床面１５ａに設けられたガラリ１７から上に向かって吹出す。したがって、ラック２１の下側に搭載されたサーバー２３の負荷が高いと、冷気７１はラック２１の下側で多く消費され、コールドアイル２５の上側の温度が低下しにくいことがある。また、ホットアイル２６の高温の排気７２は、ハウジング１１の天井側を通って回収される。したがって、コールドアイル２５の上を通過する際に、コールドアイル２５の上部に巻き込まれる可能性がある。このため、コールドアイル２５の上側の温度が下がりにくいことがあり、ラック２１の上段に収納されたサーバー２３の負荷が高いとホットアイル２６の上部にホットスポット６５が形成されることがある。ホットスポット６５の高温の排気がコールドアイル２５に侵入するとコールドアイル２５の上部の温度がさらに高くなり、悪循環になる可能性がある。

サーバールーム１０に採用されている領域空調システム８０においては、ホットスポット６５の解消のために主空調システム３０に加えてスポット空調システム５０を設置する。サーバールーム１０の内部の主な温度制御は主空調システム３０で行われ、スポット空調システム５０は、ホットアイル２６の上部の限られた領域のホットスポット６５から吸引してコールドアイル２５の上部に空調用の空気（冷風）７３を吹き出す。したがって、スポット空調システム５０の冷却能力は限られたものでよく、ホットスポット６５から吸引する空気も少なくてよい。このため、ダクトシステム６０の第１のダクト６１および第２のダクト６２は小径でよく、サーバールーム１０の室内高さをほとんど変更せずに設置できる。

さらに、このスポット空調システム（スポットクーラー）５０は、熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１をコールドアイル２５の上部に配置して、コールドアイル２５に冷風７３を吹き出す。コールドアイル２５の上部は、ラック列２０ａおよび２０ｂの上部と異なり、ケーブルラック２９が配置されることはほとんどなく、サーバールーム１０の室内高さをほとんど変更せずに屋内ユニット５１を配置できる。したがって、スポット空調システム５０を採用することにより、パッケージ型のサーバールーム１０のメリットを活かしながら、ホットスポット６５が形成されることを防止でき、コンパクトで冷却能力の高いサーバールーム１０を提供できる。

図４に、異なるスポット空調システムの例を示している。このスポット空調システム５０は、比較的短く、ラック列２０ａおよび２０ｂの長手方向の一部をカバーする程度の長さの第１のダクト６１を備えている。このスポット空調システム５０においては、熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１を、予めホットスポット６５の形成が予測される近傍のコールドアイル２５の上部に配置することによりホットスポット６５が成長することを防止できる。屋内ユニット５１をラック列２０ａおよび２０ｂの間のコールドアイル２５に沿って移動できるようにサーバールーム１０に設置してもよい。複数の屋内ユニット５１をコールドアイル２５に沿って配置してもよい。

熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１はコールドアイル２５の上部または上方に配置することができる。ラック２１にサーバー２３を収納する際に干渉せず、ユーザーが通る高さが十分に確保できれば、熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１はコールドアイル２５の上部、すなわち、ラック列２０ａおよび２０ｂと高さ方向で重複するように配置してもよい。ラック２１にサーバー２３を収納する際に干渉する可能性があったり、ユーザーが通る高さを確保するために必要であれば、熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１はコールドアイル２５の上方、すなわち、ラック列２０ａおよび２０ｂと高さ方向で重ならないように配置してもよい。ラック列２０ａおよび２０ｂの上方には、ケーブルを配置したり、ホットアイル２６の高温の排気７２を主空調システム３０に回収するためのスペースが確保されている。そのスペースを利用してスポット空調システム５０の屋内ユニット５１を配置できる。

第１のダクト６１から分岐した第２のダクト６２の先端に温度により開閉するダンパを設けてもよい。ホットスポット６５の近くに屋内ユニット５１を移動または配置することで、第２のダクト６２の先端にダンパを設けずに、ホットアイル２６の限られた箇所、例えば４か所の全てから高温の排気を吸引して冷却してもよい。

図５に、さらに異なるスポット空調システムの例を示している。このスポット空調システム５０は、ダクトシステムを省略し、熱交換器５３ａおよび５３ｂを収納した屋内ユニット５１のホットアイル２６に面した側に吸引用のガラリ（ルーバー）５８を設けている。ホットアイル２６のホットスポット６５の高温の排気をガラリ５８で取り入れて冷却することにより、そのような高温の排気がコールドアイル２５に侵入することを防止できる。また、ホットスポット６５から高温の排気を吸引するためのダクトシステムを省略できるので、ラック列２０ａおよび２０ｂの上部に配置されるケーブルダクトなどとの干渉がなく、サーバールーム１０の上部のスペースをさらに有効に活用できる。

なお、上記では発熱機器としてサーバー２３をラック２１に収納した例に説明しているが、ラック２１に搭載される機器はサーバー２３に限らず、大規模太陽光発電所で使用されるパワーコンディショナ（ＰＣＳ）や、携帯電話の基地局に配置される通信・交換用機器などであってもよい。また、上記では独立して設置できるコンテナタイプのサーバールーム（サーバールームユニット）１０を例に説明しているが、コンテナタイプに限定されず、データセンター内のサーバールームであってもよく、配置されるラック列は２列に限定されず３列以上であってもよい。

１０ パッケージ型のサーバールーム １１ ハウジング
２０ａ、２０ｂ ラック列
３０ 主空調システム（第１の空調システム）
５０ スポット空調システム（第２の空調システム）

Claims (4)

1. 発熱機器が収納された複数のラック列の間に空調用の空気を床下から吹き出して前記ラック列の前後にコールドアイルおよびホットアイルを形成する第１の空調システムと、
   前記ホットアイルの上部の限られた領域から吸引して前記コールドアイルの上部に空調用の空気を吹き出す第２の空調システムとを有し、
   前記第２の空調システムは、前記コールドアイルの上部または上方に配置された屋内ユニットを含む、領域空調システム。
2. 請求項１において、
   前記第２の空調システムは、前記ラック列に沿って前記ラック列の前記コールドアイル側に配置された第１のダクトと、
   前記第１のダクトから分岐した第２のダクトであって、前記ラック列の上を前記コールドアイルから前記ホットアイル側に横切る第２のダクトとを含む、領域空調システム。
3. 請求項２において、
   前記第２の空調システムは、複数の前記第２のダクトと、
   前記複数の第２のダクトを個々に開閉するダンパとを含む、領域空調システム。
4. 発熱機器が収納される複数のラック列が配置された領域を含むハウジングと、
   前記領域を空調する請求項１ないし３のいずれかに記載の領域空調システムとを有する発熱機器収納用のルームユニット。

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