JP5185318B2 - 風量調整器具を用いた床吹出し空調システム - Google Patents

Description

本発明は電算機室に設置されたサーバーに効率的に冷気を供給するための空調システムに関し、特に床吹出し空調方式で風量を調整するための器具の改良に関する。

データーセンター等の電算機室に設置されているサーバーは高度に集積されており、発熱量が非常に大きい。そのため、適切に空調をしなければ機器の運用温度を超えてシステム停止などのトラブルを引き起こす可能性がある。一般に、多数のサーバーは垂直方向に延伸するサーバーラック（棚）に収容され、さらに複数のサーバーラックが列状に配置されてサーバーラック列を形成している。大量のサーバーを冷却するために、複数のサーバーラック列の間の隙間に冷気を供給して、サーバーの温度上昇を抑制するような空調システムが採用されている。

かかる空調システムにおいては、サーバーラック列で区切られたサーバー室内の空間のうちサーバーの排熱だけを集めた空間は「ホットアイル」と呼ばれて常時３０〜４０℃に達するといわれ、一方空調機が送り出す冷気が供給される空間は「コールドアイル」と呼ばれている。一般的にサーバー室では床吹出し空調方式が採用されているが、各給気口からの吹出風量にばらつきが生じるため、充分に冷却できない個所が発生する。このため、給気風量をさらに増大させる必要が生じて無駄なエネルギが使われている。各給気口からの吹出風量を均一化することができれば、給気風量の増大を抑制できて省エネルギとなる。

従来の風量調整方法としては、各給気口ごとにシャッターや抵抗部品を取り付け、手動操作又はモーター駆動により給気口の開口率を変えて風量を一定にする方式が一般的である。

特開平９−２５０８０３「空調空気床吹き出し装置」には、給気口内にテーパ状のケーシングを設けて旋回流形成板を配置することと、ケーシングの下部開口にフィルタを設けることにより、手間のかかる風量調整ダンパによる不均一度の改善作業をしなくても自動的に不均一度は改善されると記載されている。

特開２００８−２６９０「空調システム」には、床下チャンバを備え、床面開口部にグレーチング（格子状）吹出口が設けられ、サーバーラック列間に一つおきに送風機とモータ駆動のＶＡＶ風量調整手段を設けたシステムが記載されている。

特開２００６−７１１８７「過給気防止装置及び給気口」では、給気口に取り付けた板状の風量制御板を自力式で回転させることにより、静圧が高くなっても設定風量を一定にできる装置が記載されている。

上述したような従来技術には以下のような問題点がある。
（１）手動調整式の機構では、床給気口にシャッター等を設置し、試運転調整時に設定風量になるように、人手により一つずつ給気口の開口率を調節して風量を調整するが、人手による作業なので時間と労力が必要となる。
（２）空調機の稼働状況が変化したとき（床下内の気流が変化したとき）には給気口の開口率を再度調整する手間がかかる。
（３）モータ駆動のダンパを設置すると、器具が大きくなり、駆動操作用の動力供給と配線などが必要になる。
（４）上述した特許文献３の自力式の装置は、水平方向の気流に対応したものであり、床吹出し口のような鉛直方向の気流では自力式の機構が働かない。

本発明の主たる目的は、モータを必要としない自力式の機構で設定風量以上の風量を吹き出させないような風量調整機構を有する空調システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、風量調整の頻度を著しく減少させることによりメンテナンスを容易にした風量調整機構を有する空調システムを提供することにある。

前述した課題を解決するため、本発明はその第１の態様において、床吹出し空調システムの格子状給気口（グレーチング）の下面に風量調整器具が連結され、この風量調整器具は上下が開放した箱形の器具フレームを備え、この器具フレーム内に浮上板が配置され、当該器具フレーム内の上面に複数の羽根軸が固定され、各羽根軸には下向きで左右に開閉するバタフライ形の羽根が取り付けられ、この羽根軸と羽根とは蝶番状に連結されて羽根は一定角度範囲内で開閉することができ、当該器具フレームの下方からは空調用空気が供給されるようになっている。これにより、風量調整器具内の静圧と風量に応じて浮上板が上昇下降し各羽根を下側から押圧して開閉させることにより、格子状給気口へと送られる送風量が一定範囲内で変化し、格子状給気口からサーバー室内へと供給される空気量を調整するようになっている。

かかる構成に基づき、本発明による風量調整器具によれば、
（１）浮上板の上昇下降によって風量調整が自動的に行われるので、人手により一つずつ給気口の開口率を調節して風量を調整する作業が不要となる。
（２）空調機の稼働状況が変化したときにも、浮上板が追従して変化するので、給気口の開口率を再度調整する必要がなくなる。
（３）モータ駆動のダンパが不要になるので、駆動操作用の動力供給と配線などが不要になる、などの利点が得られる。

本発明はその好適な態様として、開閉するバタフライ形の羽根の両側を接続するばね部材が取り付けられ、静圧に比例して羽根の開閉角度が調整されるようになっている。

また、本発明はその好適な態様として、器具フレームの上面と浮上板とを接続するばね部材などの重量調整体が取り付けられて浮上板の上昇し始める静圧の値を調整できるようになっている。

本発明はその第２の態様において、床吹出し方式の空調対象室の床面に設けられた格子状給気口に取り付けるための風量調整器具を提供する。この風量調整器具は、上下が開放した箱形の器具フレームを備え、この器具フレーム内に浮上板が配置され、当該器具フレーム内の上面に複数の羽根軸が固定され、各羽根軸には下向きで左右に開閉するバタフライ形の羽根が取り付けられ、この羽根軸と羽根とは蝶番状に連結されて羽根は一定角度範囲内で開閉することができ、当該器具フレームの下方からは空調用空気が供給されるようになっており、当該風量調整器具内の静圧と風量に応じて前記浮上板が上昇下降し各羽根を下側から押圧して開閉させることにより、前記格子状給気口へと送られる送風量が一定範囲内で変化し、風量を調整することができる。

床吹出し方式の空調対象室の床面に設けられた格子状給気口にこの風量調整器具を取り付ければ、上述したような利点が得られることになる。

本発明による空調システムの全体を表す縦断面図。 本発明における風量調整器具の第１実施態様の縦断面図。 本発明における風量調整器具の第２実施態様の縦断面図。 本発明における風量調整器具の第３実施態様の縦断面図。 第１実施態様の風量調整器具における静圧と風量の関係を表すグラフ。 第２実施態様の風量調整器具における静圧と風量の関係を表すグラフ。 第３実施態様の風量調整器具における静圧と風量の関係を表すグラフ。 風量調整器具の具体例を表する平面図及び縦断面図。 本発明をインバータ制御に応用した例の縦断面図。 本発明による風量調整効果を差圧と風量で表すグラフ。 本発明による風量調整効果を静圧で表すグラフ。

図１は、本発明による基本態様であるサーバー室１６用の空調システムを表しており、多数のサーバ１０を積載する複数のサーバーラック１１，１２，１３，１４が列状に配置されている。

サーバー室１６の床面２４の下側に空調給気通路２６が形成されかつサーバー室の天井面２０の上側に空調排気通路２２が形成され、空調給気通路２６から床面に設けられた複数の格子状給気口（グレーチング）１８を通じてサーバー室内へと給気が供給され、空調排気通路２２から排気が空調機械室３８へと戻されるように配置されている。
離間した状態で配置されているサーバーラック１１，１２，１３，１４間の空間は１つおきに、空調給気される列から成るコールドアイル３１，３３，３５と熱排気される列から成るホットアイル３２，３４とに設定され、コールドアイルの天井面に空調排気口３６，３７が設けられて空調排気通路２２とサーバー室１６とが連通させられている。ホットアイルの床面には格子状給気口１８が設けられてサーバー室１６と空調給気通路２６とが連通させられている。

サーバー室１６に隣接する空調機械室３８の内部には、周知のドライコイルユニットやクーラーユニット等の空調機が設けられ、冷気を下向きに吹き出して空調給気通路２６へと送り出す。
かくして、空調機械室３８からの冷気が空調給気通路２６へと送り込まれ、格子状給気口１８を通じてコールドアイル３１，３３，３５に冷気が送り込まれ、サーバーラック１１，１２，１３，１４との熱交換後の暖気がホットアイル３２，３４から天井面の空調排気口３６，３７を通じて空調排気通路２２へと送り出されるようになっている。

図２Ａ，Ｂは本発明による風量調整器具の第１の態様を表しており、格子状給気口１８の下面に風量調整器具４０が連結されている。この風量調整器具４０は上下の面が開放した箱形の器具フレーム４２を備え、この器具フレーム４２内の中間に浮上板４４がフリーな状態（浮動式）で配置されている。浮上板４４の下端にはストッパ５２を固定して浮上板４４が下方へと落下するのを防止することができる。

器具フレーム４２内の上面には複数の羽根軸４６が固定され、各羽根軸には下向きで左右に開閉するバタフライ形の羽根４８が取り付けられている。この羽根軸４６と羽根４８とは蝶番状に連結されて羽根が一定角度範囲内（例えば９０°〜１８０°）で開閉できるようになっている。
かくして、図２Ｂに示すように、風量調整器具４０内の静圧と風量に応じて浮上板４４が上昇下降し、各羽根４８を下側から押圧して開閉させることにより、風量調整器具４０の上面の開口率が増減して格子状給気口１８へと送られる送風量を一定範囲内に調整し、格子状給気口１８からサーバー室内へと供給される空気量を自力式で調整するようになっている。

浮上板４４は、水平方向に延伸する単純な平板の他、パンチングメタルのような開口があるものでもよく、浮上板は器具前後の差圧により自重よりも大きな浮力が生じるときに浮き上がるため、浮上板の重量や面積、開口率などによって浮き上がるのに必要な差圧を算定し実験により確定する。浮上板の重量や開口率を変えることで、設定風量を任意に選定することができる。

浮上板４４が浮き上がり、羽根４８を押し広げることにより風量調整器具の開口率が小さくなる。これにより、自力式で吹出風量を一定に抑制することができる。なお、図２Ｂでは羽根４８は１８０°まで開くためＯＮ−ＯＦＦ方式の制御になっているが、後述する例に示すように羽根４８の開閉角度を制限することにより、静圧の大きさに比例して制御することも可能である。

図３Ａ，Ｂは、本発明の第２の態様を表しており、開閉するバタフライ形の羽根４８の両側を接続するばね部材５４を取り付けることにより、羽根の開閉角度をばね力で調整し、静圧の大きさに比例して開口率が自動で調整できるようになっている。ばね部材５４の伸びを変えることにより風量の調整範囲を変化させることができる。

図４Ａ，Ｂは、本発明の第３の態様を表しており、器具フレーム４２の上面と浮上板４４とを接続するばね部材などの重量調整体（ダンパー）５６が取り付けられて、浮上板４４の浮き上がり重量を調整し、器具の上方からばね部材などのねじを回すことにより、ばね定数を変化させて浮上板が浮き上がり始める静圧の値を調整することができる。

図５，図６，図７は、図２〜図４に示した風量調整器具４０における静圧と風量の関係を表している。図２の態様では羽根４８が比較的自由に開閉するため、設定風量に対する変動幅が大きくなる（図５）が、図３の態様では羽根４８の開閉がばね力を受けて制限されるため、設定風量に対する変動幅が小さくなる（図６）。さらに図４の態様では、重量調整体５６で浮上板４４の上昇し始める静圧の値が調整されるため、羽根４８の開閉は浮上板の上昇に追従することになり、設定風量を変更することが可能になる（図７）。

図８の実施例は、格子状給気口（グレーチングパネル）が６０ｃｍ×６０ｃｍである場合の本発明による器具フレーム、浮上板、羽根の好適な寸法を表しており、器具フレームは５０ｃｍ×５０ｃｍ×５ｃｍの正方形箱型、浮上板は４８ｃｍ×４８ｃｍの正方形、羽根は４８ｃｍ×３ｃｍの２枚が対になったものを７セット用意した。羽根の材質は厚さ０．３ｍｍのアルミ板。浮上板の材質はパンチングプレートとした。

図９は、本発明による風量調整器具４０にインバータ制御６８を適用した実施態様を表している。図１の空調システムにおいて、床下内の風量調整器具４０の下面に圧力センサ６２を取り付け、コールドアイル３３に温度センサ６４を取り付け、空調機出口に圧力センサ６６を取り付けてインバータ制御を行った。この際、図１０に示す床吹出し口の特性データが必要となる。静圧が約１０〜３０Ｐａであれば、吹出風量を設定風量に維持することが可能となる。床下内に配置した圧力センサの各所の数値が、器具静圧制御範囲内（１０〜３０Ｐａ）を維持しつつ、できる限り小さい静圧（目標１０Ｐａ）となるようにインバータ制御を行うことで、各吹出口からの風量を均一化しながら送風動力の省エネも図ることができる。
なお、サーバーラックの吸い込み温度が設定温度よりも高い場合には、空調機の吹出温度を下げて調整する。

図１０は床吹出し口の特性データを表しており、グレーチングパネルのみの条件、グレーチングパネルに市販のシャッターを設置した条件（シャッター全開の開口率は３１％）、グレーチングパネルに本発明による風量調整器具を付設した条件（羽根作動前の開口率は３０％）、風量調整器具が作動して羽根が全部１８０°まで開いて開口を閉鎖した条件（羽根作動後の開口率は１３％）、の４つについて、風量（ｍ³ ／ｈ）と差圧（Ｐａ）との特性と、実際に風量が変化していくときの差圧の変化を表す。

実験の結果、
（１）差圧が０〜６Ｐａの間では吹出風量の増加に応じて差圧（通過抵抗）が大きくなる。
（２）差圧が１０〜３０Ｐａの間では吹出風量が増加せず、差圧のみが上昇し、風量は約１０００ｍ³ ／ｈで抑制されている。
（３）差圧が３０Ｐａを超えると、吹出風量は差圧の上昇に応じて増加していく。このときの設定風量は浮上板や羽根の重量を変化させることで調整できる。
この特性により、床下内差圧が３０Ｐａを超えるまでは、風量が１０００ｍ³／ｈを超えることなく給気風量が維持できる。また、上昇した静圧はこのままではいられず、圧力は散逸していき、他の静圧の低い給気口の吹出風量を増加させ給気風量の均一化へと誘導されることが判明した。

図１１は、本発明の風量調整器具がない場合Ａと、風量調整器具を用いた場合Ｂと、風量調整器具にインバータ制御６８を加えた場合Ｃについて、静圧が制御できた範囲を表しており、風量調整器具にインバータ制御を加えることにより、静圧をさらに小さい範囲へと調整できることを表している。

かくして、本発明による風量調整器具によれば、浮上板の上昇下降によって風量調整が自動的に行われるので、人手により一つずつ給気口の開口率を調節して風量を調整する作業が不要となる。空調機の稼働状況が変化したときにも、浮上板が追従して変化するので、給気口の開口率を再度調整する必要がなくなる。モータ駆動のダンパが不要になるので、駆動操作用の動力供給と配線などが不要になる。自力式の浮上板は常に水平で安定した状態にあるので、空気流を均一に受け止めることができて、風受け面に風速のばらつきを生じることがない、などの利点が得られる等、その技術的効果には極めて顕著なものがある。

１０ サーバー １１，１２，１３，１４ サーバーラック
１６ サーバー室 １８ 格子状給気口
２０ 天井面 ２２ 空調排気通路
２４ 床面 ２６ 空調給気通路
４０ 風量調整器具 ４２ 器具フレーム
４４ 浮上板 ４６ 羽根軸
４８ 羽根 ５４，５６ ばね部材

Claims (4)

1. 複数のサーバーラック（１１，１２，１３，１４）が列状に配置されているサーバー室（１６）における空調システムであって、
   サーバー室の床面（２４）の下側に空調機からの空調給気通路（２６）が形成され、前記空調給気通路から前記床面に設けられた複数の格子状給気口（１８）を通じてサーバー室内へと給気が供給され、
   前記格子状給気口の下面に風量調整器具（４０）が連結され、この風量調整器具は上下が開放した箱形の器具フレーム（４２）を備え、この器具フレーム内に浮上板（４４）が配置され、当該器具フレーム内の上面に複数の羽根軸（４６）が固定され、各羽根軸には下向きで左右に開閉するバタフライ形の羽根（４８）が取り付けられ、この羽根軸と羽根とは蝶番状に連結されて羽根は一定角度範囲内で開閉することができ、当該器具フレームの下方からは空調用空気が供給されるようになっており、
   前記風量調整器具内の静圧と風量に応じて前記浮上板が上昇下降し各羽根を下側から押圧して開閉させることにより、前記格子状給気口へと送られる送風量が一定範囲内で変化し、前記格子状給気口からサーバー室内へと供給される空気量を調整するようになっていることを特徴とする風量調整器具を用いた床吹出し空調システム。
2. 前記開閉するバタフライ形の羽根の両側を接続するばね部材（５４）が取り付けられて静圧に比例して羽根の開閉角度が変化し、サーバー室内へ供給される空気量を調整できるようになっている請求項１記載の空調システム。
3. 前記器具フレームの上面と前記浮上板とを接続するばね部材（５６）が取り付けられて浮上板の上昇し始める静圧の値を調整できるようになっている請求項１記載の空調システム。
4. 床吹出し方式の空調対象室の床面に設けられた格子状給気口に取り付けるための風量調整器具（４０）であって、
   上下が開放した箱形の器具フレーム（４２）を備え、この器具フレーム内に浮上板（４４）が配置され、当該器具フレーム内の上面に複数の羽根軸（４６）が固定され、各羽根軸には下向きで左右に開閉するバタフライ形の羽根（４８）が取り付けられ、この羽根軸と羽根とは蝶番状に連結されて羽根は一定角度範囲内で開閉することができ、当該器具フレームの下方からは空調用空気が供給されるようになっており、
   当該風量調整器具内の静圧と風量に応じて前記浮上板が上昇下降し各羽根を下側から押圧して開閉させることにより、前記格子状給気口へと送られる送風量が一定範囲内で変化するようになっていることを特徴とする風量調整器具。

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