JP2018066503A

JP2018066503A - データセンター

Info

Publication number: JP2018066503A
Application number: JP2016204877A
Authority: JP
Inventors: 智子沓澤; Tomoko Kutsuzawa; 郁朗永松; Ikuro Nagamatsu; 潤一石峰; Jiyunichi Ishimine
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2036-10-19
Also published as: JP6805714B2

Abstract

【課題】空調に要する電力の消費量を削減できるデータセンターを提供する。
【解決手段】データセンター６０は、エアーが通流する吸気面と排気面とを備え、電子機器を収納した複数のラック１１と、ラック１１の吸気面側の上方に配置されたダクト２０と、ラック１１とダクト２０との間に配置された温度センサ５１とを有する。ダクト２０は、エアー供給源４０から供給されるエアーが通流する流路が設けられたダクト本体と、ダクト本体にエアーの流れ方向に沿って設けられた複数の開口部と、開口部の辺に沿って設けられ、エアー供給源４０側が開放された風向板２６とを有し、温度センサ５１は、隣り合う２つの開口部の間に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、データセンターに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって、多数の情報処理装置（サーバ又はストレージ等）を一括して管理するデータセンターの必要性がますます増加している。

データセンターでは、室内に多数のラックを設置し、各ラックにそれぞれ複数のサーバを収納している。そして、それらのサーバの稼動状態に応じて各サーバにジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

ところで、サーバは、稼働に伴って多量の熱を発生する。サーバの温度が高くなると誤動作や故障又は処理能力の低下の原因となる。そのため、一般的なラックでは、送風機（ファン）を使用してラックの一方の面（以下、「吸気面」という）からラック内にエアーを取り込み、電子機器を冷却して温度が上昇したエアーを他方の面（以下、「排気面」という）から排出するようになっている。

また、一般的なデータセンターでは、フリーアクセスフロアと呼ばれる二重床構造を有しており、空調機（パッケージエアコン）により冷却されたエアーを床下空間からラックの吸気面側に供給している。

なお、ラックの上方に配置した複数の温度センサにより吸気面側からラックの上方を通って排気面側に移動する気流の流速を検出し、その結果に基づいて吸気面側に供給する冷気の流量を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、排気面側の暖気を吸気面側に移動させて吸気面側の空気の温度を調整することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

ＷＯ２０１３／１１４５２８特開２０１３−４７５７７号公報

データセンターでは、室内の空調に多大な電力を消費しており、省エネルギーの観点から消費電力の削減が要求されている。

開示の技術は、空調に要する電力の消費量を削減できるデータセンターを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、エアーが通流する吸気面と排気面とを備え、電子機器を収納した複数のラックと、前記ラックの前記吸気面側の上方に配置されたダクトと、前記ラックと前記ダクトとの間に配置された温度センサとを有し、前記ダクトが、エアー供給源から供給されるエアーが通流する流路が設けられたダクト本体と、前記ダクト本体に前記エアーの流れ方向に沿って設けられた複数の開口部と、前記開口部の辺に沿って設けられ、前記エアー供給源側が開放された風向板とを有し、前記温度センサが、隣り合う２つの前記開口部の間に位置することを特徴とするデータセンターが提供される。

上記の一観点に係るデータセンターによれば、空調に要する電力を削減できる。

図１は、一般的なデータセンターの室内を模式的に表した断面図である。図２（ａ），（ｂ）は、図１に示すデータセンターの問題点を示す図である。図３は、実施形態に係るデータセンターを示す模式図である。図４は、実施形態に係るデータセンターの一部を示す斜視図である。図５は、ダクトの側面図である。図６は、ダクトを下から見たときの図である。図７は、温度センサの配置位置を示す模式図である。図８は、外気導入モードにおけるエアーの流れを示す模式図である。図９は、ダクトから吹き出したエアーの流れを示す模式図である。図１０は、開口部の先端側の辺のみに沿って設けられた風向板を示す模式図である。図１１は、図１０の風向板の問題点を示す模式図である。図１２は、開口部の４辺に沿って設けられた風向板を示す模式図である。図１３は、実施形態のダクトに設けられた風向板を示す模式図である。図１４は、実施形態のダクトの効果を示す模式図（その１）である。図１５は、実施形態のダクトの効果を示す模式図（その２）である。図１６は、循環モードにおけるエアーの流れを示す模式図である。図１７は、風向板の変形例を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、一般的なデータセンターの室内を模式的に表した断面図である。

図１に示すように、一般的なデータセンターの室内は、機器設置エリア１０ａと、機器設置エリア１０ａの床下に設けられたフリーアクセスフロア（床下空間）１０ｂとを有している。

機器設置エリア１０ａには、複数（図１では１台のみ図示している）のラック１１が設置されている。また、各ラック１１には、それぞれ複数の電子機器１２が収納されている。電子機器１２は、例えばサーバ又はストレージである。

フリーアクセスフロア１０ｂには、電源ケーブルや通信ケーブルが配置される。また、空調機１３の送風口からフリーアクセスフロア１０ｂに、低温のエアーが供給される。

空調機１３からフリーアクセスフロア１０ｂに供給された低温のエアーは、機器設置エリア１０ａの床に設けられたグリル（通風口）１４を通って機器設置エリア１０ａに移動する。そして、ラック１１の吸気面からラック１１内に入り、ラック１１内の電子機器１２を冷却する。電子機器１２を冷却することにより温度が上昇したエアーは、ラック１１の排気面から排出される。

機器設置エリア１０ａの上方には排気流路１５が設けられている。ラック１１から排出された高温のエアーは、排気流路１５を通って空調機１３の吸気口に移動する。そして、吸気口から空調機１３内に入ったエアーは、空調機１３により冷却された後、再度送風口からフリーアクセスフロア１０ｂに供給される。

図２（ａ），（ｂ）は、上述のデータセンターの問題点を示す図である。

図２（ａ）は、グリル１４から機器設置エリア１０ａに供給されるエアーの流量が少ない場合を示している。

グリル１４から機器設置エリア１０ａに供給されるエアーの流量が少ないと、ラック１１の排気面から排出された高温のエアーが、ラック１１の上を通って吸気面側に廻り込んでしまう。そのため、ラック１１の上部に収納された電子機器１２が十分に冷却されず、故障や誤動作又は処理能力の低下などの障害が発生する。

図２（ｂ）は、グリル１４から機器設置エリア１０ａに供給されるエアーの流量が多い場合を示している。この場合、グリル１４から供給された低温のエアーの一部は、ラック１内を通ることなく、ラック１１の上部を通って排気面側に移動し、排気流路１５内に入ってしまう。従って、空調機１３から供給された低温のエアーを有効に利用できないため、空調機１３の電力が無駄に消費される。

以下の実施形態では、空調に要する電力の消費量を削減できるデータセンターについて説明する。

（実施形態）
図３は、実施形態に係るデータセンターを示す模式図である。また、図４は、同じくそのデータセンターの一部を示す斜視図である。

図３，図４に示すように、本実施形態に係るデータセンター６０の室内には、多数のラック１１が列毎に並んで配置されている。各ラック１１には、例えば図１のように、複数の電子機器１２が収納されている。

隣り合う列のラック１１は、吸気面同士又は排気面同士を対向させている。そして、ラック１１の吸気面側の空間の上方には、冷気供給用のダクト２０が配置されている。一般的に、ラック１１の吸気面側の空間はコールドアイルと呼ばれ、排気面側の空間はホットアイルと呼ばれている。

ダクト２０は、図３に示すように、エアー配管６１を介して空調機３０の送風口に接続されている。空調機３０は、熱交換器３１と、加湿器３２と、ダンパ３３と、フィルタ３４とを有している。熱交換器３１には、例えば室外に配置された冷凍機（図示せず）等から供給される低温の冷媒が通流する冷媒流路が設けられている。また、空調機３０の送風口には、エアー配管６１内にエアーを送る送風機３５が設けられている。

エアー配管６１には、エアー配管６１内を通るエアーの温度及び湿度を検出する温湿度センサ５２と、エアーの圧力を検出する静圧センサ５３と、ダンパ４５とが設けられている。センサ５２，５３から出力される信号は、制御部５０に伝達される。また、ダンパ４５は、制御部５０からの信号により開閉する。

更に、空調機３０は、エアー配管６２を介して室外に配置された外気導入部４０に接続されている。本実施形態に係るデータセンター６０では、外気の温度がある程度低くなると、外気導入部４０を介して室内に外気が導入される。外気導入時の動作の詳細は後述する。

空調機３０には、外気導入部４０から送られてくるエアーの温度を検出する温度センサ５４が設けられている。この温度センサ５４の出力も制御部５０に伝達される。

図５は、ダクト２０の側面図である。また、図６は、ダクト２０を下から見たときの図である。

ダクト２０は、角筒状のダクト本体２１と、ダクト本体２１内に配置された仕切り板２２ａ，２２ｂと、ダクト本体２１の下面に設けられてエアーを吹き出す開口部２５と、開口部２５から吹き出すエアーの流れ方向を調整する風向板２６とを有する。空調機３０から送られてくるエアーは、仕切り板２２ａ，２２ｂにより仕切られた空間（エアー流路）内を通る。

仕切り板２２ａは、ダクト２０内のエアー流路の高さが先端側ほど低くなるように配置されている。また、２枚の仕切り板２２ｂは、ダクト２０内のエアー流路の幅が先端側ほど細くなるように配置されている。これらの仕切り板２２ａ，２２ｂにより、ダクト２０内のエアー流路の断面積（エアーの流れ方向に直交する断面の面積）は、先端側ほど小さくなるようになっている。これにより、各開口部２５から吹き出すエアーの量が均一化される。

開口部２５は、ダクト２０の下側の面に、ダクト２０の長手方向に沿って一定のピッチで配列されている。各開口部２５には風向板２６が設けられている。風向板２６は、開口部２５の３つの辺、すなわち先端側の第１の辺と第１の辺に隣り合う２つの第２の辺とに沿って設けられており、基端側（エアー供給源側）は解放されている。

開口部２５の長さ（ダクト２０の長手方向に平行な方向の長さ）は例えば２００ｍｍであり、開口部２５の幅（ダクト２０の長手方向に直交する方向の長さ）は例えば１２００ｍｍである。また、風向板２６の鉛直方向の長さは、例えば２００ｍｍである。

本実施形態では、ダクト２０とラック１１との間に、複数の温度センサ５１が配置されている。それらの温度センサ５１は、図７に示すように、ダクト２０の開口部２５から吹き出すエアーが直接当たらないように風向板２６の幅方向の外側（ラック１１の上方）に配置されている。また、図３からわかるように、それらの温度センサ５１は隣接する２つの風向板２６の間（すなわち、開口部２５間）に配置されている。

外気導入部４０には、外気から塵埃等を除去するためのフィルタ４１と、外気の温度及び湿度を検出する温湿度センサ４９とが設けられている。温湿度センサ４９から出力される信号は、制御部５０に伝達される。

前述したように、外気導入部４０は、エアー配管６２を介して空調機３０に接続されている。エアー配管６２内には、送風機４６とダンパ４３とが設けられている。送風機４６は制御部５０からの信号に応じて動作し、ダンパ４３は制御部５０からの信号に応じて開閉する。また、エアー配管６２には、エアー配管６２内を通るエアーの圧力を検出する静圧センサ５６が設けられている。この静圧センサ５６から出力される信号も、制御部５０に伝達される。

更に、データセンター６０には、室内のエアーを屋外に排出するための排気口１８が設けられており、排気口１８には送風機４７とダンパ４４とが配置されている。送風機４７は制御部５０からの信号に応じて動作し、ダンパ４４は制御部５０からの信号に応じて開閉する。

制御部５０は、静圧センサ５３の出力と温度センサ５１の出力とに基づいて、送風機３５の回転数とダンパ４５の開度とを調整する。

更に、制御部５０は、温湿度センサ４９の出力に基づいて送風機４６，４７及びダンパ３３，４３，４４を制御する。ダンパ４３，４４を開、ダンパ３３を閉、送風機４６，４７をオンにしたときには外気導入モードとなり、ダンパ４３，４４を閉、ダンパ３３を開、送風機４６，４７をオフにしたときには循環モードとなる。

なお、外気導入部４０、空調機３０及び送風機３５はエアー供給源の一例である。また、温湿度センサ４９は第１のセンサの一例であり、ダンパ４３は第１のダンパの一例である。

以下、本実施形態に係るデータセンター６０の空調制御について説明する。

制御部５０は、温湿度センサ４９の出力から、外気の温度及び湿度を検出する。そして外気の温度及び湿度が所定の範囲内の場合、制御部５０は、外気導入モードにすべく、送風機４６，４７及びダンパ３３，４３，４４を制御する。なお、外気導入モードでは、空調機３０の熱交換器３１への冷媒の供給は停止される。

図８は、外気導入モードにおけるエアーの流れを示す模式図である。

外気の温度及び湿度が所定の範囲内の場合、制御部５０は、ダンパ４３，４４を開とし、ダンパ３３を閉とするとともに、送風機４６，４７をオンとする。これにより、外気導入部４０、送風機４６及びエアー配管６２を介して空調機３０に外気が導入され、更に空調機３０から送風機３５及びエアー配管６１を介してダクト２０に外気が供給される。そして、ダクト２０の開口部２５からラック１１の吸気面側（コールドアイル）にエアー（外気）が吹き出す。

ダクト２０の開口部２５から吹き出したエアーは、ラック１１の吸気面からラック１１内に入り、ラック１１内の電子機器１２（図１参照）を冷却する。そして、電子機器１２を冷却することにより温度が上昇したエアーは、ラック１１の排気面からホットアイルに排出される。

ラック１１からホットアイルに排出された高温のエアーは、ホットアイルを上昇する。そして、天井に沿って横方向に移動し、ダンパ４４及び送風機４７を介して排気口１８から屋外に排出される。

ところで、ダクト２０から吹き出すエアーの流量にもよるが、ラック１１から排気された高温のエアーの一部が、ラック１１の上を通って吸気面側に廻り込む。本実施形態では、図９に示すように、ラック１１の排気面側から吸気面側に廻り込んだ高温のエアーは、ダクト２０から吹き出す低温のエアーと混合される。そのため、ラック１１から排気された高温のエアーがそのままラック１１内に入ることが回避される。

以下、風向板２６の形状及び効果について、より詳細に説明する。

風向板２６は、ダクト２０（開口部２５）から吹き出すエアーの流れ方向を調整し、ラック１１の吸気面に低温のエアーを無駄なく送るために設けられている。

例えば図１０に示すように、開口部２５の先端側の辺のみに沿って風向板２６ａが設けられている場合、ダクト２０から吹き出す低温のエアーは、図１１に矢印で示すように、ダクト２０の幅方向に広がってしまう。そのため、ダクト２０から吹き出す低温のエアーのうちの多くが、ラック１１の上を通ってラック１１の排気面側に直接移動し、ラック１１内の電子機器１２を冷却することなく空調機３０に戻ってしまう。従って、空調機３０から供給される低温のエアーを有効に利用することができず、空調機３０の消費電力を十分に削減することができない。

また、例えば図１２のように開口部２５の４辺に沿って風向板２６ｂが設けられている場合、排気面側からラック１１の上を通って吸気面側に廻り込んだ高温のエアーと、ダクト２０から吹き出す低温のエアーとが十分に混合されないままラック１１内に導入される。そのため、高温のエアーが導入された部分では電子機器１２を十分に冷却できなくなるおそれがある。

これに対し、本実施形態のダクト２０では、図１３に示すように、開口部２５の先端側の辺だけでなく、幅方向の両側の辺にも風向板２６を設けている。このため、図１４に示すように、ダクト２０から吹き出すエアーの側方への広がりが抑制される。

また、本実施形態のダクト２０では、開口部２５の基端側の辺（エアー供給源側の辺）に風向板を設けていない。このため、ラック１１の排気面側からラック１１の上を通って吸気面側に高温のエアーが廻り込んでも、図１５のように高温のエアーＡは開口部２５のすぐ下で開口部２５から吹き出した低温のエアーＢと混合されて、温度が低下する。従って、ラック１１から排出された高温のエアーがラック１１内に直接導入されることがなく、ラック１１には設定された温度のエアーが供給される。

例えば、外気温が１０℃であり、ラック１１から排出されるエアーの温度が３０℃であるとする。そして、制御部５０は、ラック１１の吸気面側に供給されるエアーの温度が２０℃となるように、ダンパ４５の開度及び送風機３１の回転数を制御するものとする。

この場合、温度センサ５１の検出温度が設定値（例えば２０℃）よりも低いと、制御部５０は送風機３５の回転数を下げたり、ダンパ４５の開度を下げたりして、ダクト２０から吹き出すエアーの量を少なくする。これにより、ラック１１の排気面側から吸気面側に廻り込むエアーの量が多くなり、ラック１１の吸気面側のエアーの温度が上昇する。

一方、温度センサ５１の検出温度が設定値（例えば２０℃）よりも高いと、制御部５０は送風機３５の回転数を上げたり、ダンパ４５の開度を上げたりして、ダクト２０から吹き出すエアーの量を多くする。これにより、ラック１１の排気面側から吸気面側に廻り込むエアーの量が少なくなり、ラック１１の吸気面側のエアーの温度が下降する。

このようにして、ラック１１の吸気面側には温度がほぼ２０℃のエアーが供給される。

従来の外気導入型のデータセンターでは、室内に導入するエアーの温度が低すぎると、結露や静電気等により電子機器に不具合が発生するおそれがあるため、電子機器に不具合が発生しないように室内に導入する外気の温度の下限値を比較的高く設定している。

例えば電子機器の許容温度の下限値が１８℃であり、外気の温度が１０℃であるとすると、従来のデータセンターでは室内に外気を導入せず、循環モードで動作する。

しかし、本実施形態に係るデータセンター６０では、上述したように１０℃の外気を室内に導入しても、ラック１１内に入るエアーの温度はほぼ２０℃になる。

このように、本実施形態のデータセンター６０では、外気の温度が電子機器１２の許容温度の下限値よりも低い場合であっても、室内に外気を導入することができる。

以下、循環モードについて説明する。

外気の温度及び湿度が所定の範囲から外れている場合、制御部５０は、循環モードにすべく、送風機４６，４７及びダンパ３３，４３，４４を制御する。

すなわち、制御部５０は、温湿度センサ４９の出力により外気の温度又は湿度が所定の範囲外であると判定した場合、送風機４６，４７をオフにし、ダンパ３３を開、ダンパ４３，４４を閉にする。また、循環モードでは、空調機３０の熱交換器３１に冷媒を供給する冷凍機及びポンプをオンにする。

図１６は、循環モードにおけるエアーの流れを示す模式図である。

ダンパ３３及びフィルタ３４を介して空調機３０内に導入されたエアーは、熱交換器３１により冷却される。そして、送風機３１及びダンパ４２を介してダクト２０に送られ、ダクト２０からラック１１の吸気面側に吹き出す。

ダクト２０から吹き出したエアーは、ラック１１の吸気面からラック１１内に入り、ラック１１内の電子機器１２（図１参照）を冷却する。電子機器１２を冷却することにより温度が上昇したエアーは、ラック１１の排気面からホットアイルに排出される。

ホットアイルに排出されたエアーは、ホットアイルを上昇した後、天井に沿って空調機３０側に移動し、空調機３０の吸気口から空調機３０内に入る。そして、熱交換器３１により冷却された後、再度ダクト２０に送られる。

上述したように、本実施形態に係るデータセンター６０は、外気の温度及び湿度が所定の範囲内のときは、室内に外気を導入してラック１１内の電子機器１２を冷却する。このとき、本実施形態では、ラック１１から排出されたエアーの一部とダクト２０から吹き出すエアーとを混合してラック１１の吸気面側（コールドアイル）に供給する。そのため、外気の温度が電子機器１２の許容温度の下限値よりも低い場合であっても、電子機器１２には許容温度の下限値よりも高い温度のエアーを供給できる。

その結果、本実施形態のデータセンター６０では、従来では室内に導入できない低温のエアーを導入することができ、空調機３０の稼働時間を削減できる。これにより、空調に要する電力を削減できるという効果を奏する。

また、本実施形態では、低温の外気を室内に導入する場合に、送風機３５の回転数が少なくなるので、送風機３５で消費する電力も削減される。一般的に、送風機の消費電力は風量の２乗〜３乗に比例する。従って、送風機３５の風量が５０％になると、送風機３１で消費する電力は１／４〜１／８に削減される。

なお、本実施形態では、図７に示すように、ラック１１内に導入されるエアーの温度を検出する温度センサ５１を、ダクト２０とラック１１との間に配置しているが、温度センサ５１をラック１１の吸気面に配置することも考えられる。

しかし、ラックによっては、吸気面側に温度センサ５１の取り付けに適した部材がないことがある。また、ラックの種類によって吸気面の位置が異なることがあり、ラックを替えると配線工事等が必要になることもある。

これに対し、本実施形態では、ラック１１内に導入されるエアーの温度を検出する温度センサ５１をダクト２０とラック１１との間に配置しているので、ラック１１を替えても配線工事等が不要であり、汎用性が高いという利点もある。

また、本実施形態では、ダクト２０の下に設けられた風向板２６を、図５に示すように基端側が解放された形状としているが、図１７に示すように湾曲した形状としてもよい。図１７に示す風向板２７では、開口部２５から吹き出したエアーは風向板２７の湾曲面に沿って流れ、最終的に垂直方向に向かう。そのため、開口部２５の幅方向の両側の辺に風向板を設けなくても、エアーが幅方向に広がることを抑制できる。

１１…ラック、１２…電子機器、１３，３０…空調機、１８…排気口、２０…ダクト、２１…ダクト本体、２２ａ，２２ｂ…仕切り板、２５…開口部、２６，２６ａ，２６ｂ，２７…風向板、３１…熱交換器、３２…加湿器、３３，４３，４４，４５…ダンパ、３４，４１…フィルタ、３５，４６，４７…送風機、４０…外気導入部、４９，５２…温湿度センサ、５０…制御部、５１，５４…温度センサ、５３，５６…静圧センサ、６０…データセンター、６１，６２…エアー配管。

Claims

エアーが通流する吸気面と排気面とを備え、電子機器を収納した複数のラックと、
前記ラックの前記吸気面側の上方に配置されたダクトと、
前記ラックと前記ダクトとの間に配置された温度センサとを有し、
前記ダクトが、
エアー供給源から供給されるエアーが通流する流路が設けられたダクト本体と、
前記ダクト本体に前記エアーの流れ方向に沿って設けられた複数の開口部と、
前記開口部の辺に沿って設けられ、前記エアー供給源側が開放された風向板とを有し、
前記温度センサが、
隣り合う２つの前記開口部の間に位置する
ことを特徴とするデータセンター。
前記温度センサの検出温度に基づいて前記ダクトに送るエアーの流量を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１に記載のデータセンター。
前記開口部が矩形であり、前記風向板は前記エアー供給源側の辺以外の３つの辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のデータセンター。
前記流路の断面積（エアー流れ方向に直交する断面の面積）が、前記エアー供給源側が大きく、その反対側が小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデータセンター。
前記エアー供給源が、
屋外のエアーを前記ラックが配置された室内に導入する外気導入部と、前記外気導入部により導入されたエアーを前記ダクトに送る送風機とを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のデータセンター。
前記屋外のエアーの温度を検出する第１のセンサと、
エアーを冷却する空調機と、
前記外気導入部と前記送風機との間に配置された第１のダンパとを有し、
前記制御部は、前記第１のセンサの出力に応じて前記第１のダンパを制御し、
前記送風機は、前記第１のダンパの開閉に応じて、前記外気導入部から導入されるエアーと前記空調機で冷却されたエアーのいずれか一方を前記ダクトに送ることを特徴とする請求項５に記載のデータセンター。