JP4439410B2 - 電子機器用冷却装置および電子機器ラック - Google Patents

Description

本発明は，サーバなどの電子機器を収納する電子機器ラックと，その内部に配置される冷却装置に関する。

サーバなどの電子機器を収納する電子機器ラックでは，電子機器の機能を維持するために，電子機器から発生する顕熱負荷を処理しなければならない。特に近年はサーバ等のコンピュータからの発熱が大きくなり，室内を空調するだけでは足りず，ラック内部を別に冷却することが必要になっている。そこで，例えば特許文献１，２には，外部ユニットで作った冷気をラック内部に導入して電子機器を冷却する方法が開示されている。また，例えば特許文献３には，ラック内に冷却水を循環させる水冷装置が開示されている。

特開２００２−１５６１３６号公報 特開２００３−３５４４１号公報 特開２００４−１１９６２号公報

しかしながら，特許文献１，２に示された方法によると，サーバ内に冷気を供給するための特別な設備が必要となり，設備全体も比較的大がかりなものとなってしまう。また，特許文献３に示された水冷装置も，ラック内に冷却水を循環させる配管などを設けなければならない。このように従来は，汎用のラックをそのまま用いてラック内部を簡単に冷却することができなかった。

したがって本発明の目的は，汎用のラックをそのまま用いてラック内部を簡単に冷却することができる冷却装置と電子機器ラックを提供することにある。

本発明によれば，電子機器を収納する電子機器ラック内に配置される冷却装置であって，前記電子機器ラック内に収納可能な大きさを有するケーシングの内部を，給気空間と排気空間とに分割し，前記給気空間には，電子機器ラック外部から給気空間内部に外気を取り入れる給気空間用外気取入れ口と，給気空間内部から電子機器ラック内部に冷気を供給する給気口を設けると共に，前記給気空間内部において，それら給気空間用外気取入れ口と給気口との間に冷却用の熱交換器を配置し，前記排気空間には電子機器ラック外部から排気空間内部に外気を取り入れる排気空間用外気取入れ口と，排気空間内部から電子機器ラック外部に排気する排気口を設けると共に，前記排気空間内部において，それら排気空間用外気取入れ口と排気口との間に放熱用の熱交換器を配置し，前記冷却用の熱交換器を蒸発器とし，前記放熱用の熱交換器を凝縮器として，両者の間で冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成したことを特徴とする，電子機器用冷却装置が提供される。

前記冷却用の熱交換器を前記放熱用の熱交換器の上方に配置し，前記冷却用の熱交換器の表面に結露した水を，自重で落下させて，前記放熱用の熱交換器の表面に流すように構成しても良い。また，前記冷却用の熱交換器と前記放熱用の熱交換器を，上から見た状態において略Ｕ字形状に構成しても良い。
また，前記電子機器用冷却装置の前面上半部を斜面に形成して，該斜面に前記給気口を設けることにより，外部に向って斜め上向きに冷気を吹き出すように構成しても良い。この場合，本発明によれば，そのような電子機器用冷却装置を収納した電子機器ラックであって，前記電子機器ラック内の最下部に前記電子機器用冷却装置を収納し，その上方に前記電子機器を収納し，前記電子機器ラックの前面側に前記電子機器用冷却装置の前面と前記電子機器の前面が向くように配置し，かつ，前記斜面のほぼ中央の高さが前記電子機器の前面の下方に位置するように配置されていることを特徴とする，電子機器ラックが提供される。

本発明の冷却装置を電子機器ラック内に配置することにより，汎用の電子機器ラックをそのまま用いてラック内部を簡単に冷却することが可能となる。

以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は，本発明の実施の形態にかかる電子機器用冷却装置１の側面図，図２は，電子機器用冷却装置１の正面図，図３は，電子機器用冷却装置１の背面図である。図４は，電子機器用冷却装置１の内部構造を示す説明図である。

電子機器用冷却装置１のケーシング１０は，全体として直方体の前面の上半部を斜面１１に形成した形状をなしている。ケーシング１０は，後に説明する電子機器ラック２の内部に収納可能な大きさを有している。例えば電子機器ラック２の巾寸法がＥＩＡ規格で決められている１９インチ規格の場合であれば，ケーシング１０の巾寸法は４５０ｍｍ以内とすることが必要である。また，後に説明するように，電子機器ラック２の内部には，サーバ，通信機器などの電子機器３が一緒に収納されるので，ケーシング１０の高さは，なるべく低いことが好ましい。ケーシング１０の内部は，ドレンパン１２と仕切り板１３により，上下に２分割されており，上方が給気空間１５，下方が排気空間１６に形成されている（図４）。

図１に示すように，ケーシング１０の側面の上方に給気空間用外気取入れ口２０が配置され，側面の下方に排気空間用外気取入れ口２１が配置されている。給気空間用外気取入れ口２０は，ケーシング１０内部の上方に形成された給気空間１５に連通し，排気空間用外気取入れ口２１は，ケーシング１０内部の下方に形成された排気空間１６に連通している。なお，これら給気空間用外気取入れ口２０と排気空間用外気取入れ口２１には，洗浄型のフィルタがそれぞれ装着してある。

図２に示すように，ケーシング１０の前面の上方に形成された斜面１１には給気口２２が配置され，給気口２２は，ケーシング１０内部の上方に形成された給気空間１５に連通している。給気口２２には，給気ファン２３が装着してある。そして，この給気ファン２３の稼動により，給気空間用外気取入れ口２０から給気空間１５内に空気を取り込み，給気空間１５内の空気を給気口２２から外部（電子機器用冷却装置１の外部であって，後述する電子機器ラック２の内部）に斜め上向きに吹き出すようになっている。また，ケーシング１０の前面の下方には，排気空間用外気取入れ口２４が配置されている。排気空間用外気取入れ口２４には，洗浄型のフィルタが装着してある。

図３に示すように，ケーシング１０の後面の下方に排気口２５が配置され，排気口２５は，ケーシング１０内部の下方に形成された排気空間１６に連通している。給気口２５には，排気ファン２６が装着してある。そして，この排気ファン２６の稼動により，排気空間用外気取入れ口２１，２４から排気空間１６内に空気を取り込み，排気空間１６内の空気を排気口２５から外部に吹き出すようになっている。

給気空間１５の内部には，給気空間用外気取入れ口２０と給気口２２との間において冷却用の熱交換器３０が配置される（図４）。この熱交換器３０は，空気を通過させることができ，かつ，通過させる際に熱を奪って空気を冷却するようになっている。

ここで図５は，給気空間１５の内部に配置される冷却用の熱交換器３０と，排気空間１６の内部に配置される放熱用の熱交換器３５の位置関係を示す平面図である。この図５に示されるように，給気空間１５の内部に配置される冷却用の熱交換器３０は，平面視で，給気口２２に対向する正面部３１と，給気口２２と正面部３１との間において給気口２２の両側方を囲むように配置される側面部３２とで構成される。即ち，平面視で，給気口２２の延長線上の外側に冷却用の熱交換器３０の側面部３２が配置される。これにより，冷却用の熱交換器３０は，上から見た状態において略Ｕ字形状に構成され，前述のように，給気ファン２３の稼動により，給気空間用外気取入れ口２０から給気空間１５内に取り込まれた空気が，給気空間１５内において熱交換器３０の正面部３１と側面部３２のいずれかを通過して冷却され，その後，給気口２２から装置外部に吹き出すようになっている。

排気空間１６の内部には，排気空間用外気取入れ口２１，２４と排気口２５との間において放熱用の熱交換器３５が配置される。この熱交換器３５は，空気を通過させることができ，かつ，通過させる際に空気から熱を奪って放熱するようになっている。

図５に示されるように，排気空間１６の内部に配置される放熱用の熱交換器３５は，ケーシング１０前面に形成された排気空間用外気取入れ口２４の内側に沿って配置される正面部３６と，ケーシング１０側面に形成された排気空間用外気取入れ口２１の内側に沿って配置された側面部３７とで構成される。これにより，放熱用の熱交換器３５も，上から見た状態において略Ｕ字形状に構成され，前述のように，排気ファン２６の稼動により，排気空間用外気取入れ口２１，２４から排気空間１６内に取り込まれた空気が，排気空間１６内において熱交換器３５の正面部３６と側面部３７のいずれかを通過して加熱され，その後，排気口２５から外部に排気されるようになっている。

冷却用の熱交換器３０と放熱用の熱交換器３５との間には，冷却用の熱交換器３０から放熱用の熱交換器３５に冷媒を送る配管４０と，放熱用の熱交換器３５から冷却用の熱交換器３０に冷媒を送る配管４１が接続してあり，配管４０には圧縮機４２が設けられ，配管４１には膨張弁４３が設けられている。これにより，冷却用の熱交換器３０を蒸発器とし，放熱用の熱交換器３１を凝縮器として，両者の間で冷媒を循環させる冷凍サイクル４５が，ケーシング１０の内部に構成されている。

冷却用の熱交換器３０と放熱用の熱交換器３５は，給気空間１５と排気空間１６を仕切っているドレンパン１２を隔てて，上方に冷却用の熱交換器３０が配置され，下方に放熱用の熱交換器３５が配置された位置関係になっている。図５に示すように，冷却用の熱交換器３０は，ドレンパン１２の上に載せられており，給気空間１５において空気を冷却した際に，熱交換器３０の表面に結露した水が，ドレンパン１２によって受け止められるようになっている。

ドレンパン１２には，放熱用の熱交換器３５の側面部３７の真上に位置するように，排水口５０が複数箇所に設けられている。これにより，冷却用の熱交換器３０の表面に結露してドレンパン１２で受け止められた水が，排水口５０を通って自重で落下し，放熱用の熱交換器３５の正面部３６と側面部３７のそれぞれの表面を流下するようになっている。なお，万一これら排水口５０に塵埃等が詰った場合に備え，ドレンパンの一部を若干高く形成し，そこにエマージェンシー用の排水口を設けておくこともできる。

その他，給気空間１５内には，電子機器用冷却装置１の稼動を制御するコントロールパネル５５が配置される。また，排気空間１６の底部には，蒸発しきれずに放熱用の熱交換器３５から流下した水を受取るドレンパン５６が配置されている。このドレンパン５６のドレン溜め部５７に溜まった水は，ポンプ５８の稼動で排水管５９を経て電子機器用冷却装置１の外部に排水されるようになっている。

次に図６は，この実施の形態にかかる電子機器用冷却装置１を収納する電子機器ラック２の側面図，図７は，電子機器ラック２の正面図，図８は，電子機器ラック２の背面図である。図９は，電子機器ラック２の内部構造を示す説明図である。

電子機器ラック２は，全体として縦長の直方体面形状をなしている。この電子機器ラック２の最下部には，本発明の実施の形態にかかる電子機器用冷却装置１が収納され，電子機器ラック２の内部において電子機器用冷却装置１の上方に，複数台の電子機器３が重ねて収納されている。電子機器３は，例えば通信機器，サーバなどであり，顕熱負荷を生ずる。そのため，電子機器ラック２の内部では，電子機器３の機能を維持するために，電子機器３から発生する顕熱負荷を処理しなければならない。

図６に示すように，電子機器ラック２の側面の下部に外気取入れ口６５が配置されている。また図７に示すように，電子機器ラック２の前面の下部にも外気取入れ口６６が配置されている。なお，電子機器ラック２の前面は開放自在であり，この電子機器ラック２の前面を開放することにより，電子機器ラック２の内部に対して電子機器用冷却装置１と電子機器３を出し入れするようになっている。また図８に示すように，電子機器ラック２の後面には，下部に冷却装置用排気口６７が配置され，冷却装置用排気口６７の上方に電子機器用排気口６８が配置されている。

図９に示すように，以上のような電子機器ラック２の内部の最下部に電子機器用冷却装置１を収納し，その上方に複数台の電子機器３を重ねて収納する。なお，電子機器用冷却装置１のケーシング１０は電子機器ラック２の内部に収納可能な大きさを有しているので，収納が円滑に行われる。この場合，電子機器ラック２の後面に電子機器用冷却装置１の後面（ケーシング１０の後面）を向かい合せるように収納し，電子機器ラック２の前面側に電子機器用冷却装置１の前面（ケーシング１０の前面）が向くようにする。こうして電子機器用冷却装置１を電子機器ラック２内に収納することにより，電子機器用冷却装置１の側面（ケーシング１０の側面）に配置された給気空間用外気取入れ口２０および排気空間用外気取入れ口２１を，電子機器ラック２側面下部の外気取入れ口６５に連通させ，電子機器用冷却装置１の前面下方（ケーシング１０の前面下方）に配置された排気空間用外気取入れ口２４を，電子機器ラック２前面下部の外気取入れ口６６に連通させ，電子機器用冷却装置１の後面下方（ケーシング１０の後面下方）に配置された排気口２５を，電子機器ラック２後面下部の冷却装置用排気口６７に連通させることができる。

また，電子機器３を収納するに際しては，各電子機器３に設けられた排気ファン７０を電子機器ラック２後面の電子機器用排気口６８に向かい合せるように収納し，排気ファン７０の稼動で各電子機器３内部から排出された排気が，電子機器用排気口６８を通って直接外部に排気されるようにする。

なお，このように電子機器用冷却装置１の上方に複数台の電子機器３を重ねて収納する場合，図９に示すように，電子機器用冷却装置１の前面上半部（ケーシング１０の前面上半部）に形成された斜面１１のほぼ下半部が電子機器３の前面よりも前方に突出し，斜面１１のほぼ上半部が電子機器３の前面よりも内方に位置するように配置すると良い。即ち，斜面１１のほぼ中央の高さが電子機器３の前面の下方に位置するように配置すると良い。

そして，このように電子機器ラック２の内部に電子機器用冷却装置１と複数台の電子機器３を収納した状態で，電子機器用冷却装置１と電子機器３とを稼動する。これにより，電子機器用冷却装置１では，給気ファン２３の稼動により，外気取入れ口６５から給気空間用外気取入れ口２０を通じて給気空間１５内に取り込んだ空気を，冷却用の熱交換器３０で冷却した後，給気口２２から電子機器ラック２の内部に給気することができる。また，電子機器用冷却装置１では，排気ファン２６の稼動により，外気取入れ口６６および外気取入れ口６５から排気空間用外気取入れ口２１，２４を通じて排気空間１６内に取り込んだ空気を，放熱用の熱交換器３５で加熱した後，排気口２５から冷却装置用排気口６７を通じて外部に排気することができる。こうして，冷却用の熱交換器３０を蒸発器とし，放熱用の熱交換器３１を凝縮器とする冷凍サイクル４５を稼動することにより，電子機器ラック２の内部に冷却した空気を給気できるようになる。

一方，各電子機器３では，それらの稼動によって顕熱負荷が発生する。こうして発生した顕熱負荷は，各電子機器３に設けられた排気ファン７０の稼動で，電子機器ラック２内に給気された空気（冷却され空気）を各電子機器３内に引き込み，顕熱負荷を処理させた後，排気ファン７０の稼動で電子機器用排気口６８を通って直接外部に排気することにより，処理される。

こうして，電子機器３を収納した電子機器ラック２内において，電子機器３から発生する顕熱負荷を電子機器用冷却装置１で処理することにより，電子機器３の機能を維持することができる。この電子機器用冷却装置１は，電子機器ラック２の内部に収納可能な大きさを有しているので，汎用の電子機器ラック２をそのまま利用して熱負荷の処理が可能である。

なお，図５で説明したように，冷却用の熱交換器３０の表面に結露してドレンパン１２で受け止められた水が，放熱用の熱交換器３５の表面を流下するので，放熱用の熱交換器３５の表面にて水を蒸発させることにより，凝縮器として作用する放熱用の熱交換器３５の性能向上を達成できる。また，放熱用の熱交換器３５から流下した水はドレンパン５６のドレン溜め部５７からポンプ５８の稼動で電子機器用冷却装置１の外部に排水されるが，このように放熱用の熱交換器３５の表面で水を蒸発させることにより，排水処理量も軽減できる。

また，図５で説明したように，冷却用の熱交換器３０と放熱用の熱交換器３５を上から見た状態において略Ｕ字形状に構成したことにより，大きな熱交換器を省スペースで配置でき，なるべく小さい電子機器用冷却装置１で大容量の冷気を電子機器ラック２内に供給して電子機器３の熱負荷を処理できるようになる。また，これにより電子機器用冷却装置１も小型化でき，汎用の電子機器ラック２内により容易に収納できるようになる。

なお，電子機器ラック２の内部に電子機器用冷却装置１と電子機器３を収納する場合，図９に示したように，電子機器用冷却装置１の後面下方に配置された排気口２５を電子機器ラック２の後面側に向け，電子機器用冷却装置１前面上方の給気口２２を電子機器ラック２の前面側に向けると良い。

仮に図１０に示すように，電子機器用冷却装置１の後面下方に配置された排気口２５を電子機器ラック２の前面側に向け，電子機器用冷却装置１前面上方の給気口２２を電子機器ラック２の後面側に向けたとすると，各電子機器３から排気ファン７０によって排出された排気と電子機器用冷却装置１の給気口２２から給気された空気（冷却された空気）とが混合し，そのまま電子機器用排気口６８から直接外部に排気されてしまう。また，排気口２５が電子機器ラック２の前面側に向いていると，電子機器用冷却装置１の排気口２５から排気された空気（加熱された空気）が，外気取入れ口６６から電子機器ラック２の前面側に排気され，電子機器ラック２の前方にいる人に不快感を与えてしまう。

これに対して，図９に示したように，電子機器用冷却装置１の後面下方に配置された排気口２５を電子機器ラック２の後面側に向け，電子機器用冷却装置１前面上方の給気口２２を電子機器ラック２の前面側に向けることにより，電子機器用冷却装置１の給気口２２から給気された空気（冷却された空気）を無駄に排気することなく，電子機器３の熱負荷処理に確実に利用できるようになる。本発明者らの知見によれば，図１０に示すように，電子機器用冷却装置１の後面下方に配置された排気口２５を電子機器ラック２の前面側に向け，電子機器用冷却装置１前面上方の給気口２２を電子機器ラック２の後面側に向けた場合は，給気温度（冷却された空気の温度）が２２．７℃の時，電子機器３内の平均温度が４３．６℃であったのに対して，図９に示したように，電子機器用冷却装置１の後面下方に配置された排気口２５を電子機器ラック２の後面側に向け，電子機器用冷却装置１前面上方の給気口２２を電子機器ラック２の前面側に向けた場合は，給気温度（冷却された空気の温度）が２２．８℃の時，電子機器３内の平均温度は，３８．６℃に低下した。また，電子機器ラック２の前方にいる人に不快感を与える問題も解消した。

また，先に図９で説明したように，電子機器用冷却装置１の前面上半部（ケーシング１０の前面上半部）に形成された斜面１１のほぼ下半部が電子機器３の前面よりも前方に突出し，斜面１１のほぼ上半部が電子機器３の前面よりも内方に位置するように配置すると良い。本発明者らの知見によれば，図１１に示すように，電子機器用冷却装置１の前面上半部（ケーシング１０の前面上半部）に形成された斜面１１の全体が，電子機器３の前面よりも前方に突出している場合は，給気温度（冷却された空気の温度）が２４℃の時，電子機器用冷却装置１のすぐ上の電子機器３内の平均温度が４２℃であったのに対して，図９に示すように，電子機器用冷却装置１の前面上半部（ケーシング１０の前面上半部）に形成された斜面１１のほぼ下半部が電子機器３の前面よりも前方に突出し，斜面１１のほぼ上半部が電子機器３の前面よりも内方に位置するように配置した場合は，電子機器３内の平均温度が３９℃であり，冷却効果が高いことが判明した。このように電子機器用冷却装置１の前面上半部（ケーシング１０の前面上半部）に形成された斜面１１のほぼ中央の高さが電子機器３の前面の下方に位置するように配置し，斜面１１に形成した給気口２２から斜め上向きに給気すると，電子機器３の側面にも冷風を流すことができる。

なお，電子機器用冷却装置１の下面から外気を吸いこむように構成しても良い。また，電子機器用冷却装置１に設けた給気ファン２３が故障した場合，電子機器ラック２に設置された既存のファンを運転することにより，冷風を電子機器ラック２内に供給しても良い。

本発明は，サーバなどの電子機器を収納する電子機器ラック内の冷却に適用できる。

本発明の実施の形態にかかる電子機器用冷却装置の側面図である。 電子機器用冷却装置の正面図である。 電子機器用冷却装置の背面図である。 電子機器用冷却装置の内部構造を示す説明図である。 冷却用の熱交換器と放熱用の熱交換器の位置関係を示す平面図である。 電子機器用冷却装置を収納する電子機器ラックの側面図である。 電子機器ラックの正面図である。 電子機器ラックの背面図である。 電子機器ラックの内部構造を示す説明図である。 電子機器用冷却装置の後面を電子機器ラックの前面側に向け，電子機器用冷却装置の前面を電子機器ラックの後面側に向けた状態の説明図である。 電子機器用冷却装置の前面上半部の斜面が，電子機器の前面よりも前方に位置し，給気口が電子機器の下方よりも前方に出ている状態の説明図である。

符号の説明

１ 電子機器用冷却装置
２ 電子機器ラック
３ 電子機器
１０ ケーシング
１１ 斜面
１２ ドレンパン
１３ 仕切り板
１５ 給気空間
１６ 排気空間
２０ 給気空間用外気取入れ口
２１，２４ 排気空間用外気取入れ口
２２ 給気口
２３ 給気ファン
２５ 排気口
２６ 排気ファン
３０ 冷却用の熱交換器
３１ 正面部
３２ 側面部
３５ 放熱用の熱交換器
３６ 正面部
３７ 側面部
４０，４１ 配管
４２ 圧縮機
４３ 膨張弁
４５ 冷凍サイクル
５０ 排水口
５５ コントロールパネル
５６ ドレンパン
５７ ドレン溜め部
５８ ポンプ
５９ 排水管
６５ 外気取入れ口
６６ 外気取入れ口
６７ 冷却装置用排気口
６８ 電子機器用排気口

Claims (5)

1. 電子機器を収納する電子機器ラック内に配置される冷却装置であって，
   前記電子機器ラック内に収納可能な大きさを有するケーシングの内部を，給気空間と排気空間とに分割し，
   前記給気空間には，電子機器ラック外部から給気空間内部に外気を取り入れる給気空間用外気取入れ口と，給気空間内部から電子機器ラック内部に冷気を供給する給気口を設けると共に，前記給気空間内部において，それら給気空間用外気取入れ口と給気口との間に冷却用の熱交換器を配置し，
   前記排気空間には電子機器ラック外部から排気空間内部に外気を取り入れる排気空間用外気取入れ口と，排気空間内部から電子機器ラック外部に排気する排気口を設けると共に，前記排気空間内部において，それら排気空間用外気取入れ口と排気口との間に放熱用の熱交換器を配置し，
   前記冷却用の熱交換器を蒸発器とし，前記放熱用の熱交換器を凝縮器として，両者の間で冷媒を循環させる冷凍サイクルを構成したことを特徴とする，電子機器用冷却装置。
2. 前記冷却用の熱交換器を前記放熱用の熱交換器の上方に配置し，
   前記冷却用の表面に結露した水を，自重で落下させて，前記放熱用の熱交換器の表面に流すように構成したことを特徴とする，請求項１に記載の電子機器用冷却装置。
3. 前記冷却用の熱交換器と前記放熱用の熱交換器を，上から見た状態において略Ｕ字形状に構成したことを特徴とする，請求項１または２に記載の電子機器用冷却装置。
4. 前記電子機器用冷却装置の前面上半部を斜面に形成して，該斜面に前記給気口を設けることにより，外部に向って斜め上向きに冷気を吹き出すことを特徴とする，請求項１，２または３に記載の電子機器用冷却装置。
5. 請求項４に記載した電子機器用冷却装置を収納した電子機器ラックであって，
   前記電子機器ラック内の最下部に前記電子機器用冷却装置を収納し，その上方に前記電子機器を収納し，
   前記電子機器ラックの前面側に前記電子機器用冷却装置の前面と前記電子機器の前面が向くように配置し，
   かつ，前記斜面のほぼ中央の高さが前記電子機器の前面の下方に位置するように配置されていることを特徴とする，電子機器ラック。

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