JP5183291B2 - ラック空調システム及びその運転方法、ラック型空調機 - Google Patents

Description

本発明はラック空調システムに係り、特にアンビエント空調と局所空調を併用する情報通信機械室の空調システムとして好適なラック空調システム及びラック型空調機に関する。

近年、社会のＩＴ化の進展に伴い、情報通信機器の高速化、大容量化、高密度化が急速に進んでいる。これらの機器は、米国ＩＥＡ規格に準ずる１９インチサーバラックに格納され、情報通信機械室（データセンタ）に収容されるのが一般的である。サーバラックは前面から冷気を吸込み、上面又は背面から排気するタイプが多く、各ラックは同方向を向けて横一列に配置される。機械室内には、このようなラック列が複数列、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面とを対向させて配置される。ここに、吸気面に挟まれた通路は、二重床から冷気が供給されることからコールドアイルと呼ばれる。これに対し排気面に挟まれた通路は、ラックからの排気で温度が上がるためホットアイルと呼ばれる。
この場合、二重床からの冷気供給のみで室全体を均一に空調する従来の方式（アンビエント空調方式）では、ラックからの発熱の偏在によりコールドアイルに局所的な高温エリアが生じ、情報通信機器・装置の高温障害発生という問題が生じる。このような問題を解消すべく、局所冷却のためにコールドアイルの上方に空調機を設置する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

図９は、この方式によるラック空調システム１００を示すものであり、機械室１０１内のサーバラック列１０４ａ、１０４ｂ間に形成されるコールドアイル１０５の上方に局所空調機１０２を設置する。これにより各サーバラックは、アンビエント空調機１０７により二重床空間１０６を介して供給される冷気、及び、局所空調機１０２により上方から供給される冷気により冷却されることになる。
一方、局所空調機をラック列内に配置する方式もある。特に、スペース効率向上等を図るため、サーバラックと同一モジュールとするラック型空調機が実用化されている。ラック型空調機は、吸排気の方向が各ラックとは逆向き、すなわちホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように配置される。
特開２００３−１６６７２９号公報

しかしながら、従来のラック空調システムにおいては、局所空調機のサーモオフ条件時にはファンの作動有無に関わらず、局所空調機自体がホットアイル側からコールドアイル側への高温空気の流路となってしまう。このため、サーバ装置の吸い込み温度上昇を招くという問題がある。また、サーモ・オン−オフを繰り返すような低負荷条件の場所に局所空調機が設置された場合、コールドアイルの温度環境が常に不安定になるという問題もある。
さらに、ラック下部より二重床空間から直接冷気供給を受けて上面から排気するクローズドラックを用いたシステムにおいては、従来のコールドアイルに吹き出す局所空調機では冷気供給できない、という問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、コールドアイルがサーモオフ条件となっても、コールドアイルを常に安定的な温度環境に維持可能なラック空調システム及びラック型空調機を提供するものである。
さらに、クローズドラックを用いたシステムにも対応可能なラック空調システム及びラック型空調機を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調システムは、
（１）二重床空間を有し、サーバラック列によりコールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、局所空調用のラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムにおいて、一以上のラック型空調機は、冷却空気をコールドアイル側に吹き出す第一の送風ファンと、冷却空気を二重床側に吹き出す第二の送風ファンと、を備えて成ることを特徴とする。
本発明によれば、ラック型空調機のサーモオフ条件時にあっても、第二の送風ファンを用いて余剰の冷気を二重床下に供給することができ、圧縮機のサーモオフを回避することができる。これによりサーモオフ時、空調機自体がホットアイル側からコールドアイル側への高温空気の流路となってしまうことを回避できる。
（２）前記一又は複数の空調機には、二重床吹き出し空調方式のアンビエント空調機が含まれることを特徴とする。
（３）前記サーバラックには、一以上のクローズドラックが含まれることを特徴とする。

また、本発明に係るラック空調システムにおけるラック型空調機の運転方法は、
（４）さらに、二重床空間の特定位置における温度が所定の範囲内に収まるように、前記第二の送風ファン側の風量を制御することを特徴とする。
（５）コールドアイル空間の複数位置における温度のうち、最高温度が所定の範囲内に収まるように、第一の送風ファン側及び前記第二の送風ファン側の風量を制御することを特徴とする。
（６）クローズドラックの必要冷気量の全部又は一部を、前記第二の送風ファン側から供給することを特徴とするラック型空調機の運転方法。
本発明により、第二の送風ファンを作動させて、対象クローズドラックの必要冷気量分を二重床下から供給することが可能となる。
さらに、例えばクローズドラック下の床面温度に基づいて第二の送風ファンの風量制御をすることにより、クローズドラックに安定した温度の冷気供給を行うことが可能となる。

また、本発明に係るラック空調システムに用いるラック型空調機は、
（７）冷却空気をコールドアイル側に吹き出す第一の送風ファンと、冷却空気を二重床側に吹き出す第二の送風ファンと、第一の送風ファン側及び該第二の送風ファン側の風量比率を、二重床空間温度又はコールドアイル空間温度に対応して可変とする手段と、を備えて成ることを特徴とする。

上記各発明によれば、コールドアイルがサーモオフ条件となっても、コールドアイルを常に安定的な温度環境に維持可能とすることができる。
また、クローズドラックを用いたシステムにも、安定的な冷気供給が可能となるという効果がある。

以下、本発明に係るラック型空調機の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１は、ラック型空調機８を用いた空調システム１の断面構成を示す図である。図２は、空調システム１の平面構成を示す図である。図３は、本実施形態における前面ファン、底面ファンの風量制御フローを示す図である。
図１、２を参照して、空調システム１は情報通信機械室５内に収容され、ラック列３を構成するサーバラック２を、アンビエント空調機である空調機４及び局所空調機であるラック型空調機８により冷却するシステムである。
アンビエント空調機である空調機４は、蒸発器４ｅ及び送風機４ｃを備えた室内ユニット４ａ、圧縮機、凝縮器（いずれも不図示）等を主要構成とする室外ユニット４ｂ、及びこれらを接続する冷媒配管４ｄを備えている。
機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより３つの空間に区画されており、床パネル５ｄの下部には二重床空間５ｃが、天井パネル５ｅの上部には天井空間５ｂが形成されている。空調機４の室内ユニット４ａと二重床空間５ｃとは往き側ダクト７ａを介して結ばれている。また、天井空間５ｂと室内ユニット４ａとは、戻り側ダクト７ｂを介して結ばれている。

ラック列３は、横一列に並んだ同一モジュールの複数のサーバラック２により形成されている。サーバラック２には、複数のラックマウントサーバ２ａが格納されており、各サーバから発生する熱は各サーバが搭載する冷却ファン（図示せず）により、前面から吸気した空気とともに背面に排気される。これにより、ラック全体として前面から冷気を吸込み、背面から排気するように構成されている。各サーバラック２は、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面が対向するように配置されており、これにより、吸気面側にはコールドアイル６ａが、排気面側にはホットアイル６ｂが形成されている。各ラック列３の一端側には、列内ラックへの電力供給用の配電盤ユニット（ＰＤＵ）９が配設されている。
コールドアイル６ａ床面の一部は、穴あきパネル５ｆにより構成されている。また、ラック型空調機８の室内機８ａの下側床面には冷気吹出口５ｇが設けられている。これらにより、空調機４及び後述するようにラック型空調機８から送られる冷気をコールドアイル空間に供給可能に構成されている。

各ラック列３において、内部発熱の大きなサーバ近傍には局所空調機としてラック型空調機８が配置されている。ラック型空調機８は、室内機８ａと、室外機８ｂと、これらを接続する冷媒配管８ｃを備えている。室内機８ａは内部に蒸発器８ｅ、前面ファン８ｄ、最下部には底面ファン８ｆ、及び制御部８ｇを主要構成として備えている。室内機８ａはサーバラックと同一モジュールで、かつ、吸排気の方向がサーバラック２とは逆向きに配置されている。すなわち、前面ファン８ｄによりホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように構成されている。さらに、吸い込まれた高温排気の一部を、底面ファン８ｆにより二重床空間５ｃに供給するように構成されている。室外機８ｂは凝縮器８ｋ、圧縮機８ｊを主要構成として備え、高圧冷媒を冷媒配管８ｃを介して室内機８ａ側に送出するように構成されている。

以上の構成により、機械室５内の空気循環及び冷房は以下のように行われる。すなわち、空調機４に導入される室内空気は蒸発器４ｅにおいて熱交換して冷気となり、送風機４ｃによって往き側ダクト７ａを介して二重床空間５ｃに送出される。冷気は、穴あきパネル５ｆを通過して、コールドアイル６ａに供給される。さらに各サーバラックに導入されて、サーバ２ａ冷却後、高温排気となってホットアイル６ｂに排出される。高温排気の一部は、そのままホットアイル６ｂを上昇して、天井吸込口５ｈから天井空間５ｂに導かれ、戻り側ダクト７ｂを介して空調機４に戻される。また、高温排気の一部はラック型空調機８に取り込まれ、機内の蒸発器８ｅで冷却されて冷気となり、前面ファン８ｄによってコールドアイル６ａに吹き出される。ここで、空調機４からの冷気と混合されて、各サーバラックに吸い込まれる。さらに蒸発器８ｅで作られた冷気の一部は、底面ファン８ｆにより二重床空間５ｃに送られ、空調機４から供給される冷気と混合して穴あきパネル５ｆを通過して、コールドアイル６ａに供給される。以上のような室内空気の循環により、各サーバラックの冷却が行われる。

次に、図３を参照して、本実施形態における前面ファン、底面ファンの風量制御フローについて説明する。制御開始時においてラック型空調機８の前面ファン８ｄ及び底面ファン８ｆはデフォルト風量で運転される（Ｓ１０１）。また、圧縮機８ｊは通常能力制御（例えば吹き出し温度制御、吸込み温度制御、コールドアイル温度センサ制御 等）で運転される（Ｓ１０２）。以下、一定時間経過後の状態を想定して説明する。
運転中は、圧縮機がサーモオフ条件に該当したか否かが判定される（Ｓ１０３）。これに該当するときは、次に前面ファン風量が最小に至っているか、又は底面ファン風量が最大に至っているかが判定される（Ｓ１０４）。この条件に至っていないときは、前面ファン風量を１段階ダウンし、底面ファン風量を１段階アップする（Ｓ１０５）。既にこの条件に至っているときは（Ｓ１０４においてＹＥＳ）、その状態が維持される。
Ｓ１０３においてＮＯ、すなわちサーモオフ条件に該当しないときは、前面ファン８ｄ及び底面ファン８ｆがデフォルト風量か否かが判定され（Ｓ１０６）、これに該当するときはその状態が維持される。いずれかがデフォルト風量でない場合には、前面ファン風量を１段階アップし、底面ファン風量を１段階ダウンする（Ｓ１０７）。
以上のフローが所定の時間間隔で行われることにより（Ｓ１０８）、余剰の冷気を二重床下に供給することで圧縮機の停止を回避し、コールドアイルの温度環境を安定させることができる。

（第二の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、ラック列内にクローズドラックを備える形態に係る。
図４は、本実施形態に係るラック列２０の一部構成を示す図である。ここに、紙面表側が、コールドアイル側である。ラック列２０の構成が上述実施形態に係るラック列３と異なる点は、前面吸気、背面排気タイプのラック２の間に、床面吸気、上面排気タイプのクローズドラック２１を備えていることである。ラック２１内部にはラック２１ａが格納されており、上面には排気用ファン２１ｂが設けられている。ラック２１の底面は開口されており、床パネル５ｄの開口部２２を介して冷気導入可能に構成されている。なお、室内機８ａの底面ファン８ｆの風量は、クローズドラック２１の冷却に必要な量を考慮して調整されている。その他の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

次に、ラック列２０における各ラック２及びクローズドラック２１の冷却について説明する。二重床空間５ｃには、アンビエント空調機（図示せず）及びラック型空調機の室内機８ａから冷気が供給される。混合冷気は、穴あきパネル（図示せず）を介してコールドアイル６ａに供給される。また、冷気の一部は開口部２２を介してクローズドラック２１に導入される。導入冷気は、各サーバ２１ａを冷却した後、高温排気となってファン２１ｂによりラック上部空間に排出される。

（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、二重床空間温度に基づいてラック型空調機の冷房能力及び底面ファン、前面ファン風量を制御するものである。
図５は、ラック空調システム３０の断面構成を示す図である。図８は、ラック空調システム３０の運転制御フローを示す図である。
ラック空調システム３０の構成が上述のラック空調システム１と異なる点は、コールドアイル６ａ内に温度センサＳ１、二重床空間内に温度センサＳ２を備えており、その計測値を制御部８ｇに出力していることである。その他の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

次に図６を参照して、本実施形態におけるラック型空調機８の風量制御フローについて説明する。制御開始時においてラック型空調機８の圧縮機８ｊ及び前面ファン８ｄは一定周波数制御運転、底面ファン８ｆはデフォルト風量で運転される（Ｓ２０１）。
運転中は、温度センサＳ１、Ｓ２によりコールドアイル温度Ｔｃ及び二重床空間（床下）温度Ｔｆが計測される（Ｓ２０２）。
次いで、コールドアイル温度について、現在温度Ｔｃと設定温度Ｔｃｓとが比較される（Ｓ２０３）。そして、Ｔｃ＜Ｔｃｓのときは（Ｓ２０３においてＹＥＳ）、コールドアイル温度を上げるため圧縮機周波数を１段階ダウンする。既に最低周波数に至っているときは、その状態が維持される（Ｓ２０４）。次いで、床下温度Ｔｆが設定温度Ｔｆｓを下回っているか否かが判定される（Ｓ２０５）。これに該当するときは、床下温度を上げるため底面ファン８ｆ風量を１段階ダウンする。Ｓ２０５においてＮＯ、すなわちＴｆ≧Ｔｆｓのときは、床下温度を下げるため底面ファン８ｆ風量を１段階アップする。既に最大風量に至っているときは、その風量を維持する（Ｓ２０７）。
Ｓ２０３においてＮＯ、すなわちＴｃ≧Ｔｃｓのときは、コールドアイル温度を下げるため圧縮機周波数を１段階アップする。既に最大周波数に至っているときは、その状態が維持される（Ｓ２０８）。次いで、床下温度Ｔｆが設定温度Ｔｆｓを下回っているか否かが判定される（Ｓ２０９）。これに該当するときは、床下温度を上げるため底面ファン８ｆ風量を１段階ダウンする。Ｓ２０９においてＮＯ、すなわちＴｆ≧Ｔｆｓのときは、床下温度を下げるため底面ファン８ｆ風量を１段階アップする。既に最大風量に至っているときは、その風量を維持する（Ｓ２１１）。以上の制御を所定のインターバルで行うことにより（Ｓ２１２）、局所的な高温領域の発生を回避し、冷却対象領域全体として温度均一化を図ることができる。

（第四の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、ラック型空調機が備える複数のリモート温度センサの計測値に基づいて底面ファン、前面ファンの風量を制御するものである。
図７は、ラック型空調機４１の制御対象領域Ｒ１部分の（ａ）断面構成及び（ｂ）平面構成を示す図である。図８は、ラック型空調機４１の運転制御フローを示す図である。
図７を参照して、ラック型空調機４１が分担するコールドアイル６ａ内の制御対象領域Ｒ１には、４つのリモート温度センサＳ３１〜Ｓ３４が配設されており、各位置の温度Ｔ３１〜Ｔ３４を計測している。これらの計測値は、制御部４４に取り込まれるように構成されている。
次に図８を参照して、本実施形態におけるラック型空調機４１の冷房能力・風量制御について説明する。制御開始時において圧縮機（図示せず）は能力制御運転、前面ファン４２は圧縮機駆動に対応して運転、底面ファン４３はデフォルト風量で運転されている（Ｓ３０１）。

運転中は温度センサＳ３１〜Ｓ３４により吹き出し（空気）温度Ｔ３１〜Ｔ３４が計測される（Ｓ３０２）。そして、このうちの最高温度Ｔmaxが（Ｔｃ±ε）以内に収まっているか否かが判定される（Ｓ３０３）。該当するときは、当該領域は許容温度範囲内と判定され、現状運転状態が維持される（Ｓ３０３においてＹＥＳ）。Ｔmax＞Ｔｃ＋εのときは、前面ファン４２の風量が１段階アップされ、底面ファン４３の風量は１段階ダウンされる（Ｓ３０４）。これにより、コールドアイル６ａ側への冷気供給が増加されてＴmaxを下げる方向に向かう。
一方、Ｔmax＜ＴＳ−εのときは制御対象領域の冷気供給過剰と判定され、前面ファン４２の風量が１段階ダウンされ、底面ファン４３の風量は１段階アップされる（Ｓ３０５）。これにより、二重床空間（図示せず）を介して他領域への冷気供給が増加される。以上のフローが一定時間ごとに繰り返される（Ｓ３０６）。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず、ラック型空調機を用いるシステムに広く適用可能である。

第一の実施形態に係る空調システム１の断面構成を示す図である。 空調システム１の平面構成を示す図である。 第一の実施形態における前面ファン、底面ファンの風量制御フローを示す図である。 第二の実施形態に係るラック列２０の一部構成を示す図である。 ラック空調システム３０の断面構成を示す図である。 ラック空調システム３０の運転制御フローを示す図である。 ラック型空調機４１の制御対象領域Ｒ１部分の（ａ）断面構成及び（ｂ）平面構成を示す図である。 ラック型空調機４１の運転制御フローを示す図である。 従来のラック空調システム１００を示す図である。

符号の説明

１、３０・・・・ラック空調システム
２・・・・サーバラック
３、２０・・・・ラック列
４・・・・アンビエント空調機
５・・・・情報通信機械室
５ｂ・・・天井空間
５ｃ・・・二重床空間
５ｄ・・・床パネル
５ｅ・・・天井パネル
５ｇ・・・冷気吹出口
６ａ・・・コールドアイル
６ｂ・・・ホットアイル
８、３２・・・ラック型空調機
８ｄ、４２・・・前面ファン
８ｅ、４３・・・底面ファン
８ｊ・・・圧縮機
２１・・・クローズドラック
Ｒ１・・・制御対象領域
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３１〜Ｓ３４・・・温度センサ

Claims (7)

1. 二重床空間を有し、サーバラック列によりコールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、局所空調用のラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムにおいて、
   一以上のラック型空調機は、
   冷却空気をコールドアイル側に吹き出す第一の送風ファンと、
   冷却空気を二重床側に吹き出す第二の送風ファンと、
   を備えて成り、かつ、
   サーモオフ条件時に、第一の送風ファン側及び前記第二の送風ファン側の風量比率を変更することにより、余剰の冷気を二重床空間に供給可能に構成した、
   ことを特徴とするラック空調システム。
2. 前記一又は複数の空調機には、二重床吹き出し空調方式のアンビエント空調機が含まれることを特徴とする請求項１に記載のラック空調システム。
3. 前記サーバラックには、一以上のクローズドラックが含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載のラック空調システム。
4. 請求項１乃至３に記載のラック空調システムにおけるラック型空調機の運転方法であって、
   二重床空間の特定位置における温度が所定の範囲内に収まるように、前記第二の送風ファン側の風量を制御することを特徴とするラック型空調機の運転方法。
5. 請求項１乃至３に記載のラック空調システムにおけるラック型空調機の運転方法であって、
   コールドアイル空間の複数位置における温度のうち、最高温度が所定の範囲内に収まるように、第一の送風ファン側及び前記第二の送風ファン側の風量を制御することを特徴とするラック型空調機の運転方法。
6. 請求項３に記載のラック空調システムにおけるラック型空調機の運転方法であって、
   前記クローズドラックの必要冷気量の全部又は一部を、前記第二の送風ファン側から供給することを特徴とするラック型空調機の運転方法。
7. 冷却空気をコールドアイル側に吹き出す第一の送風ファンと、
   冷却空気を二重床側に吹き出す第二の送風ファンと、
   第一の送風ファン側及び前記第二の送風ファン側の風量比率を、二重床空間温度又はコールドアイル空間温度に対応して可変とする手段と、
   を備えて成ることを特徴とするラック空調システムに用いるラック型空調機。

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