JP2022072314A - 冷却装置、冷却システム、および冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空調された室内に配置された電子機器を効率的に冷却する。
【解決手段】本発明の冷却装置は、冷却対象の上部に設けられ、冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を前記冷却対象へ案内するダクト１と、このダクト１に設けられて内部を流れる空気を冷却する冷却器２と、この冷却器２の下流側で、前記冷却対象へ前記ダクト１から放出される空気を調整する調整機構３とを有し、前記ダクト１は、前記冷却対象の一方の側から排出されて上方へ向かう気流を受け入れて、他方の側へ案内して、前記他方の側の下方へ向けて空気を放出し、前記調整機構３は、前記ダクト１の排出口の位置を変更することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置、冷却システム、および冷却方法に関する。

データセンターやサーバールーム等の室内に設置された電子機器を効率的に冷却する装置に関連する技術として、空調機で生成した冷気（外気温あるいは室温より低温の空気）を前記室内のコールドアイル（当該室内に設置された電子機器の冷気を吸入する側の通路空間）の床下から吹き上げる冷却方式があり、この技術に関連して、特許文献１が知られている。
特許文献１は、サーバールームの床下空間に空気調和装置から冷気を供給し、サーバールーム内の一の棚（電子機器等の発熱体が収容された、いわゆるラック～以下筐体と称す）と隣り合う他の筐体との間の通路であるコールドアイルに前記床下空間から冷気を吹き出し、この冷気を前記電子機器に吸入させて内部の発熱部品等と熱交換することにより、電子機器内に低温の空気を流通させて効率的な冷却を行う技術を開示している。

一般に、気体は温度が低いほど密度が高いため、特許文献１に記載された冷却方式にあっては、床下から吹き上げられた密度の高い冷気が上昇し難く、前記コールドアイルの下側に溜まり易い傾向があるのに対して、電子機器の熱を吸収して密度が低くなった空気は上昇し易い傾向がある。このような、温度に依存して気体の密度に差が生じる現象に起因して、筐体の上下方向への温度分布（上方ほど温度が高くなる温度分布）が生じ、筐体の上下に配置された電子機器のうち、上部の電子機器ほど、該電子機器の冷却のために吸入される冷気の温度が高くなる傾向がある。

また前記特許文献１にあっては、上部の電子機器に吸入される冷気の温度が高くなる傾向を是正すべく、筐体の上方に局所冷却器を設け、この局所冷却器から下方へ冷気を供給することにより、上部の電子機器に積極的に冷気を供給する構成を採用している。

また、特許文献１に関連する特許文献２には、床下からの冷気の供給に加えて、筐体の上方の空間に冷却ユニットを設けた空調システムが開示されている。この空調システムにあっては、電子機器内の熱を吸収することにより温度が高くなり、密度が小さくなって上昇する空気を冷却ユニットによって冷却した後、再度電子機器に吸い込ませるべく、下方へ向けて放出している。
この特許文献２にあっては、冷却ユニットより冷却され、密度が高くなった空気が下方へ流れ、この空気を筐体内の電子機器が吸入し、内部の熱を吸収することができる。

特開２０１４－１４２１０６号公報 特開２０１２－３３１０５号公報

しかしながら、一般に、複数の電子機器を筐体内に上下に積み重ねて収容する設置状況では、単に上下両方向から冷気を吹き出すのみによっては、上下に積み重ねられた前記複数の電子機器のそれぞれを効率的に冷却すべく、吸入される冷気を所定の管理温度以下に維持することが難しいという課題がある。

この発明は、空調された室内に配置された電子機器を効率的に冷却することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を提案している。
第１の態様にかかる冷却装置は、冷却対象の上部に設けられ、冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を前記冷却対象へ案内するダクトと、このダクトに設けられて内部を流れる空気を冷却する冷却器と、この冷却器の下流側で、前記冷却対象へ前記ダクトから放出される空気を調整する調整機構とを有し、前記ダクトは、前記冷却対象の一方の側から排出されて上方へ向かう気流を受け入れて、他方の側へ案内して、前記他方の側の下方へ向けて空気を放出し、前記調整機構は、前記ダクトの排出口の位置を変更することを特徴とする。

第２の態様にかかる冷却方法は、空調された室内に設置された冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を冷却する工程と、冷却された空気を前記冷却対象へ排出する工程と、排出される空気の排出される位置を調整する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、室内に設置された電子機器を効率的に冷却することができる。

本発明の最小構成例にかかる冷却装置の断面図である。 本発明の最小構成例にかかる冷却方法の工程図である。 第１実施形態にかかる冷却装置の上方から見た斜視図である。 第１実施形態にかかる冷却装置を冷却対象としての筐体内の電子機器上に配置した状態の断面図である。 第１実施形態にかかる調整機構の動作説明図である。 第１実施形態における温度測定点の配置図である。

本発明の最小構成例について図１を参照して説明する。
符号１は、ダクトである。このダクト１は、図１に図示しない冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気をこれらの下方の、図１に図示しない冷却対象へ案内する。前記ダクト１は、その内部を流れる空気を冷却する冷却器２と、この冷却器２の下流側で前記ダクト１から、前記冷却対象が設置された室内へ放出される空気を調整する調整機構３とを有する。

上記構成によれば、冷却対象から放出された空気は、図中矢印ａ方向へ流れて冷却器２に送り込まれて冷却され、図中矢印ｂで示すように、ダクト１内を流れ、同図矢印ｃで示すように、下方へ送り出されて、冷却対象（例えば直方体状の筐体に収容されたサーバー等の電子機器）に吸い込まれる。
また調整機構３は、ダクト１から放出される空気の位置を、例えば図１の左右方向（水平方向）へ調整する。この調整により、ダクト１から下方へ向かう気流の位置を水平方向へ変更することができる。この変更により、例えば、気流の位置が図１の右寄りにあると（冷却対象から離れると）、下方へ向かう気流がより下方まで直進し、ダクト１から離れた（下側に配置された）冷却対象へより多くの冷気を供給することができる。また、気流の位置が図１の左寄りにあると（冷却対象に接近すると）ダクト１の下方の冷却対象の内、よりダクト１に近い（上側に配置された）ものに直ちに吸入されることとなり、より多くの冷気を供給することができる。

本発明の最小構成例にかかる冷却方法について図２を参照して説明する。
この冷却方法は、空調された室内に設置された冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を冷却する工程ＳＰ１と、冷却された空気を前記冷却対象へ排出する工程ＳＰ２と、排出される空気の排出される位置を調整する工程ＳＰ３とを有する。

上記構成によれば、冷却対象の内部で発生した熱を吸収した空気を冷却した後、対象物へ向けた排出することができる。またこの排出に際し、冷却された空気が排出される位置を調整することにより、冷却装置の下方に配置された冷却対象の内、より上側に配置されたものと、より下側に配置されたものとに供給される空気の量を調整して、供給量の不均一を軽減することができる。

図３～図６を参照して本発明の第１実施形態を説明する。なお図３～図６において、図１と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図３は、第１実施形態にかかる冷却装置を複数基備える冷却システムを収容したサーバールームの例を示す。
このサーバールームには、冷却対象４が複数設置されている。前記冷却対象４は、例えば、データサーバー等の電子機器を枠状または箱状の筐体に上下に複数段配置したものである。なお図４では、便宜上、冷却対象４を三段に積み重ねた構成としたが、一般にこれより多段に積み重ねる場合が多く、また、これより少数段の構成もあり得るのはもちろんである。

前記ダクト１は、前記冷却対象４のそれぞれの上方で、吸入口５から矢印Ａで示すように吸入した空気を排出口６へ案内し、矢印Ｂで示すように下方へ放出する。また前記ダクト１の排出口側に配置された調整機構３は、前記排出口６の断面形状を変形させることにより、該排出口６から排出される空気の位置、および量を調整する。なお前記サーバー室内は、図示しない空気調和装置によって所定の温度に維持されており、一般に、冷却対象４から排出された空気が矢印Ａで示すように流れる領域をホットアイルと称し、また、冷却対象４へ矢印Ｂで示すように吸い込まれる空気が流れる領域をコールドアイルと称している。

図４は、図３に示す冷却装置の一つの断面を示すものである。
前記冷却対象４を構成する電子機器には、ファン４ａが内蔵されており、サーバー室内の空気を図３の左方向（矢印Ｂの先端の方向）へ吸入し、冷却対象４の左側から放出する。前記冷却対象４の内部を流れる空気は、冷却対象４の内部の発熱素子等で発生した熱を吸収して放出され、冷却対象４内で熱を吸収することに伴って膨張して密度が小さくなることにより、図４に矢印Ａに示すように上昇する。なお前記ファン４ａは、冷却対象４を構成する電子機器の筐体毎にそれぞれに設けられるが、ファン４ａ（および電子機器）の数は図４の例に限定されるものではない。
前記ダクト１の吸入口５には、ファン７が設けられ、このファン７は、前記矢印Ａ方向へ上昇する空気を吸入口５からダクト１内に吸入する。なお前記ファン４ａ、および７は、ダクト１の横断面形状に対応して、例えば、ダクト１の断面における短辺寸法に相当する回転半径を有する小ファンをダクト１の断面における長辺寸法に相当する数だけ並べた（図４の紙面と直交する方向へ並べた）構成を有する。

前記ダクト１の吸入口５の直上位置には、冷却器２が設けられている。この冷却器２は、例えば、低圧力冷媒等の熱媒体の膨張に伴う吸熱作用を利用して、前記矢印Ａ方向に吸入した空気を冷却する熱交換器である。前記冷却器２を通過した空気は、ダクト１に案内されて矢印Ｃ方向に流れて排出口６から放出され、前記冷却対象４に矢印Ｂ方向へ吸引され、再度内部の熱を吸収して矢印Ａ方向へ放出される。前記冷却器２には、ターボ圧縮機等の圧縮機から冷媒（熱媒体）が供給されるが、第１実施例にあっては、図示しない主たる冷媒供給配管から複数の冷却器２へ冷媒を分配して供給し、熱交換の後、冷却器２を出た冷媒を図示しない主たる冷媒戻り配管に合流させて回収するよう管路が形成されている。

前記ダクト１の排出口６は、下向きに設けられ、前記ダクト１を通った冷却後の空気を冷却対象４の上から下へ向かって放出するよう構成されている。
前記排出口６の下方には、前記調整機構３が設けられている。
前記調整機構３は、前記排出口６を横断するよう配置された調整板３ａとこの調整板３ａの一部を貫通して設けられ、前記排出口６の断面形状の一部をなす長方形状の開口部３ｂとを有する。なお第１実施形態における前記調整機構３の調整板３ａは、手動操作により左右にスライド移動する構成であっても、例えば図４に鎖線で示す空気圧シリンダ等のアクチュエータ３０によって、図４の左右方向へ移動することができる構成であっても良い。

さらに、前記ダクト１の前記排出口６より下方の位置には、排出口６から排出された空気のサーバー室内への拡散を抑制して下方へ案内するためのシート状の案内板８が設けられている。なお、この案内板８は、冷却対象４としての電子機器の前面あるいは背面へのアクセスの際の作業性を考慮して、容易に開閉できるカーテン状、あるいはすだれ状の変形容易な材料により構成されている。

図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）を参照して、第１実施形態の冷却装置において実行される冷却方法とともに、その作用を説明する。なお図示例にあっては、調整機構３を構成する調整板３ａを左右に三等分した中央の領域（調整板３ａ全体の三分の一）に開口部３ｂが形成されているが、開口部３ｂの位置、形状、面積は図示例に限定されるものではない。また図示例では、調整板３ａの三分の二の範囲が、前記排出口６の断面形状と一致するよう構成されている。

図５（Ａ）は、調整機構３が排出口６と重ならない位置にあって、排出口６を全開した状態を示す。
図５（Ｂ）は、調整機構３の開口部３ｂが排出口６の図中左寄りの位置にあって、排出口６を開口部３ｂに対応する面積で全開の５０％だけ開口した状態を示す。
図５（Ｃ）は、調整機構の開口部３ｂが図５（Ｂ）よりさらに左側の排出口６を重ならない位置にあって、調整板３ａの一部（右側の三分の一の範囲）が排出口６を覆って、全開の５０％だけ開口した状態を示す。

図５（Ａ）にあっては、調整板３ａが排出口６と重ならない位置に退避していて、排出口６が全開されているため、全ての冷気を冷却対象４に沿って下方へ供給することができる。ここで、冷却対象４に沿って案内板８が設けられているから、下方へ向かう冷気のコールドアイルへの流出を抑制しつつ下方へ案内することできる。
図５（Ｂ）にあっては、調整板３ａが排出口６の左寄りの位置にあって、開口部３ｂが冷却対象４に近い位置にあるから、上側に配置された冷却対象４に冷気が吸い込まれ易くなり、より多くの冷気を上側の冷却対象へ供給することができる。また、案内板８により、さらに下方へ向かう冷気のコールドアイルへの流出を抑制しつつ案内することできる。
図５（Ｃ）にあっては、調整板３ａが排出口６のさらに左寄りの位置にあって、調整板３ａの先端が排出口６の左寄りの位置を覆い、排出口６の右寄りの位置を開口するから、上側に配置された冷却対象４より、下側に配置された冷却対象４に冷気が吸い込まれ易くなり、より多くの冷気を下側の冷却対象へ供給することができる。また、案内板８により、冷気のコールドアイルへの流出を抑制しつつ下方へ案内することできる。

このように、第１実施形態にあっては、調整板３ａを水平方向に移動させることにより、排出口６から排出される冷気の吹き出し位置（排出部６の横断面における開口部３ｂの位置）および量（およびまたは開口面積の調整に伴う吹き出し流速）を調整することができる。このような吹き出し位置および風量、風速の調整により、異なる高さの冷却対象４へ必要な風量を供給することができる。

なお、前記調整機構３を操作するするアクチュエータ３０は、例えば、操作者の判断による手動操作しても良く、また、冷却対象４の負荷および温度分布を予測することができる場合には、アクチュエータを用いることなく、図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれかの態様に調整板３ａの位置を固定的に設定しても良い。

第１実施形態の調整機構３を用いた温度制御の実験例について、図６、表１を参照して説明する。
ここで、
冷却対象４としてのラックの寸法：高さ２．１ｍ、幅０．８ｍ、奥行き０．６５ｍ
ファン７によってダクト１を流れる空気の流量：２０ｍ^３／ｍｉｎ
温度測定点の高さ：Ｐ１……１．５、Ｐ２……０．９ｍ、Ｐ３……０．３ｍ
である。

表１に示すように、図５（Ａ）～（Ｃ）（表１のＡ、Ｂ、Ｃの各欄）のいずれの状態であっても、ダクト１の排出口６に調整機構３を設けていない（排出口６が全開されて全部の冷気が放出される条件）従来例に比して、温度測定点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における温度のばらつきが抑制されることを確認することができた。

第２実施形態
表１の測定結果に基づいて、本発明を用いたラックサーバの温度保証の最適運用例として、ラックが異なる熱負荷を持つ２台のサーバーを有する場合であっても、下記の態様での実施が有効である。
（１）下側のサーバーの熱負荷が大きい場合：
・表１の条件ＡもしくはＣの調整機構３の設定として、ラックの下側に温度保証管理用のセンサーを取り付ける。
・この下側位置の温度をサーバーの保証温度以下にすることができれば、下側よりも熱負荷の小さい上側のサーバーについても温度を保証することができることになる。
（２）上側のサーバーの熱負荷が大きい場合：
・表１条件Ｂの調整機構３の設定として、ラックの上側に温度保証管理用のセンサーを取り付ける。
・この上側位置の温度を、サーバーの保証温度以下にできれば、上側よりも熱負荷の小さい下側のサーバーについても温度を保証することができることになる。

すなわち、冷却対象の異なる高さのそれぞれに温度センサを設けて各々温度を測定せずとも、高さの異なる複数の温度測定地点の内、一部の温度測定地点で測定した温度測定値のみを利用して冷却対象全体を保証温度に管理することができる。

前記調整機構の構成は実施形態に限定されるものではなく、ダクトから排出される空気の位置、あるいは位置とともに流量を調整することができる他の機構、例えば、案内板の向きを偏向する機構を採用しても良いのはもちろんである。
なおアクチュエータ３０を用いて調整機構３を操作する構成を採用し、サーバー室の空調を制御する制御部、冷却対象である電子機器の吸排気温度等を管理する制御部による冷却対象４の冷却状況の判断結果によってアクチュエータ３０を自動制御により操作しても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、冷却装置、冷却システムおよび冷却方法に利用することができる。

１ ダクト
２ 冷却器
３ 調整機構
３ａ 調整板
３ｂ 開口部
４ 冷却対象
５ 吸入口
６ 排出口
７ ファン
８ 案内板
１０ アクチュエータ

Claims (8)

1. 冷却対象の上部に設けられ、冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を前記冷却対象へ案内するダクトと、
   このダクトに設けられて内部を流れる空気を冷却する冷却器と、
   この冷却器の下流側で、前記冷却対象へ前記ダクトから放出される空気を調整する調整機構と、
   を有し、
   前記ダクトは、前記冷却対象の一方の側から排出されて上方へ向かう気流を受け入れて、他方の側へ案内して、前記他方の側の下方へ向けて空気を放出し、
   前記調整機構は、前記ダクトの排出口の位置を変更する、
   冷却装置。
2. 前記調整機構は、前記ダクトの排出口に前記気流を横断する方向へ移動可能に設けられた調整板である、
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記調整板は、前記ダクトの排出口の横断面形状の一部をなす開口を有する、
   請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記ダクトと冷却器と調整機構とが複数の冷却対象のそれぞれ設けられた、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記冷却対象は、電子機器であって、水平方向の一方側から他方側へ流通する空気へ熱を伝達する、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却装置と、前記冷却対象とを備え、
   前記ダクトは、前記冷却対象が空気を排出する側から空気を吸い込み、前記冷却対象が空気を吸入する側へ空気を供給する、
   冷却システム。
7. 空調された室内に設置された冷却対象の内部で発生した熱を吸収して排出された空気を冷却する工程と、
   冷却された空気を前記冷却対象へ排出する工程と、
   排出される空気の排出される位置を調整する工程と、
   を有する冷却方法。
8. さらに、前記冷却対象近傍の異なる高さの室温を測定する工程を有し、
   異なる高さで測定された温度によって、前記排出される空気の位置を調整する、
   請求項７に記載の冷却方法。

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