JP5291201B2 - 設備キャビネットの冷却空気を調整する方法およびセンサ構成 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の導入節に記載された、特にコンピュータ室内の設備キャビネット内の冷却空気を調整する方法、および請求項９の導入節に記載された、コンピュータ室の設備キャビネット内の冷却空気を調整するセンサ構成に関する。

本発明は、特に複数のキャビネットが配置されているサーバ室のサーバキャビネットまたはコンピュータセンターに適している。

プロセスコンピュータおよびサーバの能力向上にはコンピュータセンター内において益々増大している熱負荷が伴う。電子モジュール装置または構造部品、特に小型の構造形状をなす高性能プロセッサおよびサーバでは、なくしたい相当の電力消失が生じる。電子モジュール装置の冷却に必要な空気流の搬送は、システム全体を動作させるのに必要な電気エネルギーのかなりの部分を消費する。送風機の電力消費は、必要な体積流の立方体に比例して増加する。従って大きい体積流には極めて高い電力消費が伴う。

欧州特許第ＥＰ１６１４３３３Ｂ１号明細書 ドイツ特許出願第１０２００７０６１９６６．０号明細書 国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００８９０８号明細書 米国特許公報第２００３／０１４７２１６Ａ１号明細書 国際特許公報第ＷＯ２００７／０１９３０４Ａ２号明細書

設備キャビネット、例えばコンピュータ室のサーバキャビネット内で循環される空気の量を各々の動作状態において極力少なく保つために、低温または冷却空気を電子モジュール装置の熱損失を受け取った高温空気または排気から厳重に分離することが知られている。キャビネット内の電子モジュール装置に供給される冷却空気を、排出される高温排気から厳重に分離することで、冷却空気と排気の混合が防止され、従って熱損失を排出するために必要な空気の増加が防止される。混合空気により、材料／熱の輸送に利用できる空気の温度差が縮小し、従って単位体積当たりの輸送熱量が減少する。

設備キャビネット内の電子モジュール装置、特にサーバをエネルギー効率良く冷却するため、閉じた冷却空気循環路（ＥＰ１６１４３３３Ｂ１）用に速度調整された送風機の利用が知られている。

可変送風機の回転速度により空気体積流を調整する参照変数として高温側と低温側の間の圧力差を利用する、空調技術による各種方法が知られている。しかし、これらの方法は比較的高価である上に、流速が速く乱流があって比較的不正確である。
米国特許公報第２００３／０１４７２１６Ａ１号では、一つの設備キャビネット内または一連の設備キャビネット内の冷却空気を調整する方法であって、少なくとも一つの熱交換器で冷却され、送風機を使って冷気チャネルに供給された冷気が、ノズル形状の壁開口部を経由して、電子製品の受入エリアに入り、建物構成部品の上部へ誘導され、熱損失の影響を受けつつ壁開口部または壁ノズルを介して排気チャネルに達し、その後放熱のために熱交換器へ戻される方法が開示されている。電子建物部品や調整器と同様に、温度センサが支持板に取り付けられており、送風機および／または側壁空気ノズルおよび／または外側からの熱損失除去のために熱交換器に供給される冷却材用の弁の制御を容易にしている。
国際特許公報第ＷＯ２００７／０１９３０４Ａ２号では、周囲から架台に供給された冷気を、架台の受入エリアにあるベンチレータ付きの個々の装置への冷気供給として使用し、同様に、架台から周囲へと温風を除去するために個々の装置からの排気を使用する方法が開示されている。周囲空気と、空気入口領域または空気出口領域との間の架台での圧力差を避けるために、架台の排気領域と架台の周囲との間にある通気路に配設された温度センサを使って、架台への空気供給および架台からの空気除去のために送風機を制御することが前提となっている。

本発明の目的は、特にコンピュータ室の設備キャビネット内の冷却空気を調整する方法およびセンサ構成を提供することであり、極力少ない空気量を極力正確に循環させ、従って大幅なエネルギー節約を保証する。

本方法に関して、上述の目的は請求項１の特徴を通じて実現され、センサ構成に関して、請求項９の特徴を通じて実現される。有用な実施形態が従属請求項および図面の説明に含まれている。

本発明によるコンピュータセンター内の空冷式キャビネット用の調整概念に関する中核的な発想は、必要とされる冷却空気の正確な量が、誘導領域内において電子モジュール装置、例えばサーバで利用可能になるように送風機を制御することである。空気量が少な過ぎる場合、サーバの熱損失の必要な除去が保証されずに過熱が生じる。空気量が多過ぎる場合、エネルギーが過大に消費されて動作コストおよび環境の両方に関して不都合である。

本発明の方法およびセンサ構成において、キャビネットの冷却に必要な搬送された空気体積流は、主にサーバである電子モジュール装置の冷却空気体積流に適合されている。これによりサーバに必要な体積流は、サーバの構築を通じて本質的に予め規定されている。

特にコンピュータ室の設備キャビネット内の冷却空気を調整する方法において、設備キャビネット内に配置された電子モジュール装置、例えばサーバへ冷却空気が閉じた冷却空気循環路を通って供給され、サーバの熱損失に接触した排気が空気／流体熱交換器内で冷却されることにより、熱損失が冷却液に吸収されてコンピュータ室外に放出され、閉じた冷却空気循環路の必要な冷却空気量が、冷却空気の温度に依存する送風機の回転速度調整を介して搬送され、本発明に従い、必要な冷却空気量が、電子モジュール装置のベンチレータにより搬送される体積流に適合され、サーバに供給される冷却空気の温度が漏出気流内で測定される。

本発明によれば、漏出気流は、冷却空気領域、例えば設備キャビネットまたは少なくとも１個の設備キャビネットおよび冷却装置を有していて好適には当該冷却装置内に冷却空気チャネルが形成されているキャビネット配列の冷却空気チャネルと、排気領域、例えば設備キャビネットの排気チャネルまたは冷却装置の高温空気チャネル（特に設備キャビネットに水平に当接しているかまたは２個の設備キャビネットの間に配置されている）の間に形成され、漏出気流の温度を測定して送風機の回転速度調整の参照変数として用いる。

調整の概念または測定の原理は、キャビネットの低温または高温領域内の間の少なくとも１個の漏出気流の温度測定を含んでいて、測定された温度を用いて冷却気流循環路用の送風機を調整する。

キャビネットまたは少なくとも１個の設備キャビネットおよび冷却装置を有するキャビネット配列において漏出気流を形成する本発明によれば、空気分離構造、例えば排気領域から冷却空気チャネルを分離する空気分離壁に意図的に開口部が設けられる。当該開口部内へまたはこれを貫通して温度センサが挿入されていて、これを用いて例えば設備キャビネット背面の排気チャネルに配置された、またはキャビネット配列の冷却装置内の送風機モジュールとして配置された送風機が調整される。

基本測定原理によれば、漏出気流の温度Ｔ_Lは、搬送される空気体積および流れの方向により決定されるかまたはその影響を受ける。搬送される空気が少な過ぎる場合、電子モジュール装置またはサーバのベンチレータは、高温排気領域から冷却空気チャネルに空気を取り入れ、これにより排気領域内の温度が上昇して送風機の回転速度が増大する。送風機の速度調整の参照変数は、流れの方向により、すなわち冷却空気チャネル内で利用可能になった空気体積流により決定される漏出気流の温度Ｔ_Lである。送風機回転速度の調整を通じて、冷却空気の体積流は、サーバが実際に必要とする体積流に適合されている。

本発明の方法および本発明のセンサ構成は、ＥＰ１６１４３３３Ｂ１に記述されている設備キャビネットにおいて用いることに利点がある。そのような設備キャビネットにおいて、冷却空気チャネル領域内の分離壁の開口部を通る漏出気流を有用に形成し、当該漏出気流内に温度センサを備えることができる。

特に一列に配置された設備キャビネットを有し、１個の設備キャビネットに水平に当接しているかまたは２個の設備キャビネットの間にある熱交換器および送風機と共に冷却装置が配置されていることにより、送風機が送風機モジュールに収納されていて、熱交換器で冷却されて送風機モジュールにより方向付けられて放出される冷気が通る冷却空気チャネルが冷却装置の前面に形成されていて、熱損失に接触した１または２個の設備キャビネットからの高温空気が通る温風チャネルがその背面に形成されている設備キャビネット配列において、本発明の方法および本発明のセンサ構成を用いることも同様に利点がある。これにより少なくとも１個の漏出気流を冷却空気チャネルと高温空気チャネルの間の分離壁の開口部を用いて形成し、当該漏出気流内に温度センサを備えることができる。各送風機モジュールに漏出気流が生成できれば、特に効果的な調整が実現される。設備キャビネットと、熱交換器および挿入可能な送風機モジュール内の送風機を含む少なくとも１個の冷却装置の構成に関して、ドイツ特許出願第１０２００７０６１９６６．０号および並行する国際特許出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００８／００８９０８号を参照しており、その内容を本出願に引用している。

漏出気流が通る開口部の位置が意図的に最上段のサーバ上方に設けられ、これにより開口部の寸法を極力小さく、但し同時に最上段のサーバ上方に一定量の空気が滞留しないよう、特に高温空気の溜まりが形成されないように十分大きく設けられる。

原理的に、開口部の直径はキャビネットおよびその内部に配置されて動作するモジュール装置の大きさに依存する。

漏出気流の開口部の直径が約５〜１５ｍｍの範囲にあって、例えば８、９、１０、１１、１２、１３ｍｍであってよいことが分かっている。更に、数回の試行により直径を決定することができ、例えば異なる種類のチューブ、パイプ、または直径変更用に調整可能な開口部のプラグインまたはスライドイン部品を提供すべく、キャビネットおよび発生した熱の調整に対応して現場で直径を変えることも可能である。

設備キャビネット用の本発明の調整概念において、特に前面に配置された冷却空気チャネルへの冷却空気入口の温度を、熱交換器を貫通する水流を介して同時に調整できることが効果的である。

また、第２の温度センサが、冷却空気チャネルの底部領域内および空気／流体熱交換器近傍の空気／流体熱交換器の冷却液の供給温度をも調整することが有用であることが示される。

原理的に、貫通流量の調整および／または冷却液の供給温度の調整もまた、漏出気流内の温度センサを用いて行なうことができる。温度センサが設備キャビネットまたは冷却空気チャネルの上部領域における漏出気流内に配置されていて、第２の温度センサが熱交換器近傍の底部領域に配置されている場合、調整循環路が相互に影響し合うのを回避し、熱交換器から放出された後で冷却空気の温度が僅かに上昇することを考慮することが有用である。従って、排気領域内の送風機を調整すべく漏出気流内のセンサの温度参照値を第２の温度センサの参照値より高く設定することが有用である。

内部に温度センサが配置された漏出気流がパイプまたはチューブに用いて形成できることにも利点がある。その場合パイプまたはチューブは、冷却空気チャネルと、排気領域またはチャネルの間に配置されていなければならない。パイプまたはチューブを異なる位置に配置できることに利点があり、その場合漏出空気を好適なキャビネット領域から排出し、当該漏出空気の温度を測定して、対応する信号を送風機の調整に用いることができる。

設備キャビネット内に複数の漏出気流を形成し、各々の漏出気流の開口部および／またはパイプおよび／またはチューブに各々温度センサを配置することが有用であることが示される。複数の漏出気流内の温度センサの配置は更に、個々の送風機またはベンチレータを個別に調整するために利用できることに利点がある。

配置する際に、特に高い熱損失を有する電子モジュール装置またはサーバによる占有度を考慮でき、これは全体構成を冷却するためのエネルギーバランスに効果的な影響を及ぼす。

本発明の調整方法およびセンサ構成の利点は、キャビネットまたはコンピュータセンター内で必要とされる空気量が広範に適合されていることによる大幅なエネルギー節約を含んでいる。使用される冷却空気を削減でき、且つコンピュータセンターまたはサーバ室のスペース利用を最適化できる。送風機を駆動するエネルギーコストが下がるだけでなく、サーバへの適切な給気温度が保証される。全体的に、特にエネルギー効率の高い冷却を実現することができる。本発明について、極めて模式的な図面を参照しながら以下により詳細に述べる。

本発明のセンサ構成を有する設備キャビネットの長手方向の断面図である。 代替的なのセンサ構成を有する、図１によるキャビネットの長手方向の断面図である。 図１の矢印ＩＩＩによる拡大図である。 図３の線ＩＶ〜ＩＶに沿った長手方向の断面図である。

図１に、収納域３および互いに積み重ねられた電子モジュール装置４を有する設備キャビネット２を示す。設備キャビネット２は、本実施形態ではサーバキャビネットであり、電子モジュール装置４は、例えばラックユニットの高性能サーバであってよい。サーバ４の領域内での空気運送を矢印で示す。サーバ４の各々のハウジング内にベンチレータ１３が配置されていて、サーバ４を通る空気搬送を管理すると共に、前面空気取り入れ口（図示せず）により冷却空気６を取り入れて熱損失を生成する電子部品（図示せず）を介して搬送し、背面空気放出口（図示せず）を介して排気チャネル８へ供給する。

空気／流体熱交換器７は、収納域３の下側に配置されていて、ここでは前記空気／流体熱交換器７は空気／水熱交換器であって、建物の冷水供給機に接続されている。

空気／流体熱交換器７内で冷却された空気は、前面に配置されていて実質的に設備キャビネット２の高さ全体を超えて伸び、サーバ４の空気取り入れ口（図示せず）に接続されている冷却空気チャネル５へ冷却空気６として供給される。サーバ４により加熱された排気９は、背面排気チャネル８を介してこの排気チャネル８内の送風機１２を用いて熱交換器７内へ搬送される。

供給される冷却空気６の、高温排気９からの空気同士の分離は、例えば角度を付けられた金属プレートであって垂直に配置された複数の分離壁１１を用いて、分離壁１１、サーバ４の前面ドア１６および筐体前面が、キャビネット２の上下カバーと共に、冷却空気チャネル５を区切るように、収納域内の前面領域で行なわれる。

個々のサーバ４のベンチレータ１３により搬送される体積流に循環するために必要な冷却空気の量を適合させて図１による設備キャビネット２内の閉じた冷却空気循環路を調整するために、サーバ４に供給される冷却空気の温度を漏出気流内で測定する。漏出気流は、最上段のサーバ４上方の上部分離壁１７の領域内の図１による実施形態において形成されて、冷却空気チャネル５を排気チャネル８または冷却空気チャネル５の反対側の排気領域に接続する。

意図的に寸法が決められた漏出気流は図１において上部分離壁１７の開口部１５を通って形成されることにより、開口部１５の寸法は比較的小さいが、同時に、冷却空気チャネル５の上部領域に高温空気プールが形成できない程度に充分大きくなっている。

収納域３内のサーバ４または他の構成要素により生じた熱損失が特に大きく、金属筐体を介して冷却空気チャネル５内の冷却空気へ伝導されたならば、冷却空気チャネル５の上部領域内の高温空気プールまたは高温空気層が生じる可能性がある。高温空気プールがサーバ４の領域に到達するのを防止すべく、開口部１５の寸法を漏出気流に対応して決めることにより上部領域内の高温空気プールが排気チャネル８内へ排出されて、サーバ４のベンチレータ１３から取り込まれることがなくなる。

本質的な特徴は、サーバ前面両側の分離壁１１を介した、および上下に重ねておよび／または横に並べて配置されたサーバ４の間の自由な位置にある分離要素、例えばブラインドプレート（図示せず））を介した、排気領域または排気チャネル８からの冷気領域または冷却空気チャネル５の厳重な分離である。必要ならば、検出すべき漏出気流もまた、冷却空気の調整のためにブラインドプレート内に形成することができる。
サーバ４の必要な冷却空気量に対応するかまたはサーバ４のベンチレータ１３の出力に合わせた空気量をサーバ４が利用できるようにすべく、温度センサ１０が設けられていて背面排気チャネル８の送風機１２の調整に用いる開口部１５の領域内で漏出気流が検出される。温度センサ１０を開口部１５に挿入することができるため、温度測定により、冷却空気チャネル８に搬送されてサーバ４に利用できるようになった空気が多過ぎるか少な過ぎるかを確認することができる。搬送される空気が少な過ぎる場合、サーバ４のベンチレータ１３は排気領域または排気チャネル５から冷却空気チャネル５に高温排気９を取り入れることにより、排気チャネル８内における送風機１２の回転速度が増大し、その逆も成り立つ。

開口部１５の代わりに、漏出気流の温度センサ１０のためのパイプまたはチューブ（図示せず）を空気分離領域または分離壁１１またはブラインドプレート（図示せず）に配置することができる。漏出気流の温度Ｔ_Lを用いて、排気チャネル８の領域内での送風機１２の速度調整を行ない、従って送風機１２の回転速度調整の参照変数を生成する。

図２に、図１の設備キャビネット２と本質的に一致する設備キャビネット２の上部領域内の温度センサ１０を有する代替的なセンサ構成を示す。同一特徴には、同一参照番号を付与している。追加的な第２の温度センサ２０が、冷却空気チャネル５内、且つ空気／流体熱交換器７の近傍に配置されている。漏出気流内の温度センサ１０は排気チャネル８の領域内の送風機１２を調整する役割を果たし、空気／流体熱交換器７の冷却液の貫通流量および／または供給温度は第２の温度センサ２０により調整することができる。

図３、４に、図１、２による冷却空気チャネル５の上部分離壁１７を示すが、ここでは各々が漏出気流およびケーブル１８付き温度センサ１０を設置するため２個の開口部１５を備えている。

本実施形態において、２個の開口部１５は同一形状に形成されており、共に円形で約１０ｍｍの直径を有する。

横断面が正方形または矩形であるように選択できることにも利点があり、開口部の横断面または冷却空気チャネル内の複数の開口部の横断面の総和は、キャビネットの寸法、特に冷却空気チャネルの容積、収納域内の占有度、モジュール装置および速度調整された送風機の熱発生等の各条件に適合させることができる。

２ 設備キャビネット、３ 収納域、４ 電子モジュール装置、５ 冷却空気チャネル、６ 冷却空気、７ 空気／流体熱交換器、８ 排気チャネル、９ 高温排気、１０ 温度センサ、１１ 分離壁、１２ 送風機、１３ ベンチレータ、１５ 開口部、１６ 前面ドア、１７ 上部分離壁、１８ ケーブル。

Claims (9)

1. コンピュータ室の設備キャビネット内の冷却空気を調整する方法であって、
   前記設備キャビネット（２）内に配置された電子モジュール装置（４）へ冷却空気（６）が供給され、前記電子モジュール装置（４）の熱損失に接触した排気（９）が空気／流体熱交換器（７）内で冷却され、背面に配置された排気チャネル（８）内の送風機（１２）を用いて、前面に配置された冷却空気チャネル（５）を介して、前記冷却空気（６）が前面開口部を介して前記電子モジュール装置（４）に供給され、高温排気（９）が前記電子モジュール装置（４）の背面排気開口部を介して前記排気チャネル（８）に供給され、その後に底部に配置された空気／流体熱交換器（７）に供給され、その内部で熱損失が冷却液により吸収されて前記コンピュータ室の外部へ排出され、前記冷却空気（６）の前記排気（９）からの空気同士の分離を行なうために分離壁（１１、１７）が前記冷却空気チャネル（５）の領域に配置されていて、最上段の電子モジュール装置（４）上方、および前記冷却空気チャネル（５）と前記排気チャネル（８）の間の上部分離壁（１７）に意図的に設けられた開口部（１５）を通って漏出気流が搬送され、閉じた冷却空気循環路の必要な冷却空気量が、前記冷却空気（６）の温度に依存する送風機（１２）の回転速度調整を介して搬送され、
   前記必要な冷却空気量が、前記電子モジュール装置（４）のベンチレータ（１３）により搬送される体積流に適合されていて、前記冷却空気チャネル（５）と前記排気チャネル（８）の間の前記漏出気流内の温度が測定されて前記送風機（１２）の回転速度調整の参照変数として用いられ、温度センサ（１０）が前記上部分離壁（１７）に意図的に設けられた開口部（１５）内に配置されていて、前記漏出気流の流れの方向により、従って前記冷却空気チャネル（５）内で利用可能にされた空気体積流により決定される前記漏出気流の温度Ｔ_Ｌが測定されて前記排気チャネル（８）内の前記送風機（１２）の回転速度調整に用いられ、前記漏出気流内の温度が上昇した場合、前記送風機（１２）の回転速度が上げられ、温度が下降した場合、前記送風機（１２）の回転速度が下げられ、前記冷却空気（６）の体積流は従って前記モジュール装置（４）が実際に必要とする体積流に適合される方法。
2. 前記意図的に設けられた開口部（１５）の寸法が、前記最上段の電子モジュール装置（４）の上方に滞留した空気量が回避されるかまたは連続的に運び去られるように、前記冷却空気チャネル（５）と前記排気チャネル（８）の間を通る漏出気流のために決定されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記空気／流体熱交換器（７）の前記冷却液の貫通流量および／または供給温度が、前記意図的に設けられた開口部（１５）内の前記温度センサ（１０）を用いて調整される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記冷却空気チャネル（５）内で前記空気／流体熱交換器（７）の近傍に配置された第２の温度センサ（２０）を用いて前記冷却空気（６）の温度が測定されて、前記空気／流体熱交換器（７）の貫通流量および／または供給温度を調整すべく用いられる、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記温度センサ（１０）の温度参照値が前記漏出気流内において、前記排気チャネル（８）の領域内の前記送風機（１２）の回転速度調整を行なうべく、前記空気／流体熱交換器（７）の前記冷却液の前記貫通流量および／または供給温度調整用に設定された前記空気／流体熱交換器（７）近傍の前記第２の温度センサ（２０）の温度参照値よりも高く設定されている、請求項４に記載の方法。
6. 前記漏出気流が、前記冷却空気チャネル（５）と前記排気チャネル（８）の間に配置されたパイプまたはチューブ内を搬送される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 設備キャビネット（２）に複数の漏出気流が、前記開口部（１５）または前記パイプまたはチューブを通るように形成されていて、前記漏出気流用に各温度センサが前記開口部（１５）または前記パイプまたはチューブ内にそれぞれ配置されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記漏出気流が、前記電子モジュール装置（４）による前記設備キャビネット（２）の占有度およびその熱損失に依存して形成されていて、前記送風機（１２）を調整すべく前記温度センサを備えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 電子モジュール装置（４）用の収納域（３）と、底部に配置された空気／流体熱交換器（７）から前記電子モジュール装置（４）に冷却空気（６）を供給すべく前面に配置された冷却空気チャネル（５）と、熱損失に接触した前記電子モジュール装置（４）の排気（９）を前記空気／流体熱交換器（７）に供給できるように背面に配置された排気チャネル（８）とを含むコンピュータ室の設備キャビネット内の冷却空気調整用のセンサ構成であって、
   前記冷却空気チャネル（５）が分離壁（１１、１７）により前記排気チャネル（８）から空気的に分離されていて、
   前記冷却空気チャネル（５）と前記排気チャネル（８）の間を漏出気流が通るように開口部（１５）が最上段の電子モジュール装置（４）上方の上部分離壁（１７）に設けられていて、
   速度調整された送風機（１２）が排気チャネル（８）内および前記電子モジュール装置（４）内のベンチレータ（１３)の傍らに配置されていて閉循環路内で空気を搬送し、
   前記漏出気流の領域内に温度センサ（１０）が配置されていて、
   前記漏出気流の流れの方向により、従って前記冷却空気チャネル（５）内で利用可能にされた空気体積流により決定される前記漏出気流の温度Ｔ_Ｌが前記送風機（１２）の前記回転速度調整用の参照変数であり、
   前記漏出気流内の温度が上昇した場合、前記送風機（１２）の回転速度が上げられ、温度が下降した場合、前記送風機（１２）の回転速度が下げられ、前記冷却空気（６）の体積流は従って前記モジュール装置（４）が実際に必要とする体積流に適合される、
   ことを特徴とするセンサ構成。
   

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