JP5416032B2 - 外気導入式データセンタ - Google Patents

Description

本発明は、外気導入式データセンタに係り、特に冷却に要するエネルギーの省エネ化を図ることのできる外気導入式データセンタに関する。

ＩＴ機器を搭載したラックを多数設置したデータセンタ（あるいは計算機室）では、ＩＴ機器から発する熱を空調機により吸熱し、冷却している。しかし、ＩＴ機器の高性能化、高密度化により消費電力は増加し、空調機の消費電力は増大してきた。このため、空調電力の低減が課題となっている。

空調機電力の低減のためは、外気導入を行い、空調機の稼働時間を少なくして省電力化をする方式が導入されつつある。しかし、冬場の外気は、温度が低く湿度も低く、サーバを始めとするＩＴ機器に対する環境湿度を満たさない。このため、そのまま外気を導入した場合には、静電気が発生し、ＩＴ機器に悪影響を与えることがある。

このため、温度の低い外気を導入したにも関わらず、空調機を稼働させて加熱加湿することが必要となり、空調電力の削減にならない場合がある。

特許文献１には、高温の排気中に、熱交換部で得た凝縮水を噴霧することにより、前記高温の排気の湿度を安定化して、密閉筺体内における放熱を可能としたスイッチキャビネットが示されている。

また、特許文献２，３には、導入された冷たい外気と室内排気を混合して、湿度の高い低温の空気を室内に供給することにより、静電気の起こりにくい冷却空調を省エネルギーで実現することが開示されている。

特表２００８−５３０４８４号公報 特開平０７−２９４１８７号公報 ＵＳ２００９／０２１００９６号公報

サーバ、記憶装置、ネットワーク機器等のＩＴ機器を搭載したラックを多数設置したデータセンタにおいては、ＩＴ機器で消費される電力のみならず、空調機で消費される電力を削減し、空調機を含むデータセンタ全体の省エネ化が望まれている。

発熱したＩＴ機器を冷却する際に、従来通りの空調のやり方では大幅な省エネは図ることは不可能であり、例えば、外気温度が低い場合、その外気をデータセンタまたは計算機室に直接、または間接的に供給する必要がある。

しかし、外気導入の際には、導入する外気の温度のほかに外気の湿度も考慮しなければならない。すなわち、湿度制御が可能であり、かつ省エネを達成することが可能なデータセンタの構成を考える必要がある。

特許文献１には、上述のように、高温の排気中に、熱交換部で得た凝縮水を噴霧することにより、前記高温の排気の湿度を安定化して、密閉筺体内における放熱を可能としたスイッチキャビネットが示されている。しかし、この技術は、スイッチキャビネットが密閉されている場合に限定されている。また、スイッチキャビネットへの外気導入による省エネのほかに、外気温度変動の加湿調整機能に対する影響等が懸念されるが、これらの問題に関しては何ら配慮されていない。

特許文献２には、室内排気のエンタルピが外気のエンタルピよりも小さいとき冷却塔を運転を停止することにより省エネを実現できることも示されている。しかし、外気導入時における湿度制御については何ら検討されておらず、クリーンルーム内の機器の静電気による悪影響が懸念される。

特許文献３には、外気を直接導入し、計算機室の冷却性能と省エネ効果が向上できることが示されている。しかし、外気導入時における湿度制御については何ら検討されておらず、クリーンルーム内の機器の静電気による悪影響が懸念される。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、外気導入時における湿度制御を省エネルギで実行することのできるＩＴ機器の冷却技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

外気を導入する外気導入用送風機と、空調機を具備し、導入した外気に温度調整を施し温度調整された空気をＩＴ機器を収納したマシン室に供給する空調機室と、前記マシン室の前記ＩＴ機器により加熱された空気を排気する排気用送風機と、前記マシン室で加熱された空気中に水を噴霧し、水が噴霧された空気を前記空調機室に供給する水噴霧装置と、を備え、前記空調機は、前記水が噴霧された空気と外気導入用送風機により送風された空気からなる混合空気に温度調整を施してマシン室に供給し、さらに、前記混合空気の温度が空調機吐き出し温度より低いとき、前記混合空気を空調を施すことなく直接に前記マシン室に供給する外気導入式データセンタ。

本発明は、以上の構成を備えるため、ＩＴ機器を搭載したデータセンタの外気導入時における温度制御を省エネルギで実行することができる。

湿り空気線図の一例を示す図である。 湿り空気線図の他の例を示す図である。 ＩＴ機器を搭載したラックを多数設置したデータセンタの側面図（第１の実施形態）を示す図である。 第２の実施形態を説明する図である。 第３の実施形態を説明する図である。 第４の実施形態を説明する図である。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は、湿り空気線図の一例を示す図である。図１において、２はＡＳＨＲＡＥ（米国暖房冷凍空調学会）によるサーバ吸気の温湿度環境推奨範囲を示している。図に示されるように、推奨条件は乾球温度１８〜２７℃、露点温度５．５〜１５℃、相対湿度６０％以下である。この領域が静電気の発生を防ぎ、サーバの故障、破損を生じさせないでサーバを安定稼働できる環境範囲である。導入した外気の温湿度３は５℃、４０％である。

また、ＩＴ機器を代表するサーバの吸気温湿度７ａは上記の推奨条件で最小温度１８℃、かつ最大湿度６０％である。サーバからの排気の温湿度４ａは３３℃、２５％となる。

排気温度はサーバの発熱量、風量によって異なるが、吸排気での温度上昇は一般的に１５Ｋ程度で設計される。一方、データセンタ内のＩＴ機器が設置されている部屋には、水漏れによる漏電発生を懸念して、加湿装置を設けない。したがって、サーバからの排気の絶対湿度はサーバの吸気の絶対湿度と同じ値となる。

このように高温のサーバからの排気（温湿度４ａ）に水噴霧装置を用いて加湿を行うことで、絶対湿度を上昇させることができる。水への加熱を行わないため、湿り空気線図１上では等エンタルピーで変化する。

次に、温湿度の制御方法について説明する。

（１）まず、図１に示すように、サーバからの排気に水噴霧を行った後の湿り空気の温湿度５ａを、（ａ）導入した外気の温湿度３（５℃、４０％）とサーバの吸気温湿度７ａ（１８℃、６０％）の２点を通る直線の延長と、（ｂ）サーバからの排気（温湿度４ａ）の等エンタルピー線の交点になるように制御する。

（２）次に、湿り空気（温湿度５ａ）と導入する外気（温湿度３）の流量配分はサーバの吸気（温湿度７ａ）の絶対湿度となるように、両者を比例配分する。図１では湿り空気（温湿度５ａ）、導入する外気（温湿度３）、およびサーバの吸気（温湿度７ａ）の絶対湿度は、夫々０．０１０７、０．００２２、０．００７６kg/kgである。湿り空気（温湿度５ａ）は６４％、導入する外気（温湿度３）は３６％の流量比となる。図１ではサーバの吸気温湿度７ａを１８℃、６０％としたが、他の場合でも同様にして湿り空気（温湿度５ａ）、導入する外気（温湿度３）の流量を見積もることができる。

なお、水噴霧前に、上記と同様、湿り空気（温湿度５ａ）６４％、導入する外気（温湿度３）３６％の流量割合で、高温のサーバからの排気（温湿度４ａ）と外気（温湿度３）を混合させることで、混合空気の温湿度６ａは２３℃、２５％となる。この混合空気（温湿度６ａ）に水噴霧装置により水を噴霧させることで、サーバの吸気の温湿度７ａを１８℃、６０％にすることは不可能ではないが、上述の高温の排気への水噴霧に比べ、外気導入の分だけ流量が多いことと、混合後でダクト等の設置が無いため、制御が極めて困難である。

次に、図２に別の制御方法を示す。導入した外気の温湿度３は図１の場合と同様、５℃、４０％である。また、ＩＴ機器を代表するサーバの吸気温湿度７ｂは推奨条件で最小温度１８℃、かつ最小湿度４５％である。サーバからの排気の温湿度４ｂは３３℃、２５％となる。この高温なサーバからの排気（温湿度４ｂ）に水噴霧装置で加湿を行うことで、絶対湿度を上昇させることができる。図１の場合と同様にして、湿り空気（温湿度５ｂ）は５５％、導入する外気（温湿度３）は４５％の流量比となる。

また、水噴霧前に、図１と同様、湿り空気（温湿度５ｂ）５５％、導入する外気（温湿度３）４５％の流量割合で、高温のサーバからの排気（温湿度４ｂ）と導入する外気（温湿度３）を混合させることで、混合空気の温湿度６ｂは２１．５℃、２８％となる。しかし、高温の排気での水噴霧に比べ、外気導入の分だけ流量が多いことと、混合後でダクト等の設置が無いため、制御が極めて困難である。

図３は、ＩＴ機器を搭載したラックを多数設置したデータセンタなどの計算機室の側面図を示す。データセンタ８はサーバ等のＩＴ機器１１を搭載したマシン室９、空調機１２を設置した空調機室１０で構成されている。空調機室１２には外気導入用の送風機１３が設けられ、また、マシン室の出口側には排気用送風機１４が設けられている。マシン室９と空調機室１０の境界面の空調機室１０側に水噴霧装置１５が取り付けられている。

空調機室１０内に配置した空調機１２の吐出し口から出た空気１６はマシン室９の床下１７に流れ込む。流れ込んだ空気は、図示しないマシン室９の床面に設けた空気流入用の格子状の穴（グレーチング）を介してＩＴ機器１１を搭載したラック吸気面に流入する。ラック吸気面に流入した空気は、ＩＴ機器１１内を通過し、熱交換した後、高温の空気となってマシン室９の天井１８に流れ込む。

排気用送風機１４は、前記導入した外気の流量と同じ流量の空気をマシン室９外へ排出する。マシン室９の外へ排出されない高温の空気はマシン室９と空調機室１０の境界面の空調機室１０側に設けた水噴霧装置１５を通過して空調機室１０へ流れ込む。

水噴霧装置１５は、高温の空気に水を噴霧し、湿った空気として空調機室１０に流し込む。水噴霧装置１５は、ダクト状であり、マシン室９及び空調機室１０の奥行き方向に渡って全域に設けるのが湿度を上昇させる上で望ましい。

なお、水を噴霧された空気１６は外気から導入した空気１６と空調機室１０内で混合しされ、空調機１２の吸込口に吸い込まれ、前述したように空調機１０の吐出し口から流出する。

この場合、空調機１２は、空気１６を送風するだけの機能でよく、空調機１２の電力は省エネ化できる。また、空調機吐出温度より前記混合空気の温度が低い場合は空調機１２を介することなく直接、前記混合空気１６をマシン室９の床下１７に流入することができる。

なお、外気から導入する空気１６の量は外気導入用送風機１３を制御することにより調整することができる。図１、２に示す例では、導入する外気の流量は全体の流量の３６％、および４５％である。

以上説明したように、本実施形態によれば、空調機１２の冷房用の動力を停止して送風用動力のみの運転、あるいは空調機１２を介さないで混合した空気１６を直接マシン室へ流入させることができるので、空調機１２に供給する電力を削減することができる。

図４は、第２の実施形態を説明する図である。ここでは第１の実施形態（図３）と異なる箇所を中心に説明する。

排気用送風機１４を通過した空気１６は、計算機室８の外壁２０の計算機室８側に配置した熱交換用凝縮器１９を通して外部に排出される。この例では、外部の冷たい空気と高温の排気が外壁２０および熱交換用凝縮器１９を介して熱交換し、高温の排気１６が冷却される。このため、熱交換用凝縮器１９には水滴が付着し、付着した水滴は凝縮水受けタンク２１に蓄えられる。

図示していないが、凝縮水受けタンク２１はポンプを介して水噴霧装置１５に繋がっており、凝縮水受けタンク２１に蓄えられた水は水噴霧装置１５を介して、マシン室からの高温の空気１６に噴霧される。

これにより、噴霧用の水は循環して（リサイクル）利用することができ、外部から供給する必要はない。

また、第１の実施例と同様に、空調機１２の冷房用の動力を停止して送風用動力のみの運転、あるいは空調機１２を介さないで混合した空気１６を直接マシン室へ流入させることができるので、空調機１２に供給する電力を削減することができる。

次に、図５は第３の実施形態を説明する図である。これは、第２の実施形態において、導入した外気がＩＴ機器の入口空気温湿度環境推奨範囲内の場合の例である。

外気導入用送風機１３により導入した空気の全てはＩＴ機器を通過し、高温となった空気は排気用送風機１４を介してマシン室８の外部へ放出される。なお、冷たい外気と高温の排気は外壁２０と熱交換用凝縮器１９を介して熱交換し、高温の排気１６が冷やされることで熱交換用凝縮器１９に水滴が付着し、付着した水滴は凝縮水受けタンク２１に蓄えられる。

マシン室のＩＴ機器入口空気の湿度が低下した場合、前記凝縮水受けタンク２１の水をポンプを介して水噴霧装置１５へ供給して水噴霧装置１５を動作させる。このとき外気導入用送風機１３、排気用送風機１４、空調機１２の風量制御を行い、水噴霧装置１５に高温空気を供給する（図３の構成となる）。

第２，３の実施形態（図４，５）は、凝縮水受けタンク２１に蓄えられた水はポンプによって水噴霧装置１５へ水を搬送される構造である。

図６は、第４の実施形態を説明する図である。この例では、凝縮水受けタンクの水を水噴霧装置１５に導くためのポンプを省略し、かつ水の再利用（循環）を実現している。

図６に示すように、ＩＴ機器１１を通過して高温となった空気１６は、図４、図５の例の場合と同様に、排気用送風機１４を通り熱交換用凝縮器１９により外気と熱交換する空気１６と、マシン室９へ戻る空気１６に分かれる。なお、凝縮水受けタンク２１は、がマシン室９に戻る空気１６が流通する領域まで延長して配置されている。この凝縮水受けタンク２１の延長して配置された領域には、多孔質板２２が設けられてる。

多孔質板２２は水を吸収し易い機能を有し、例えばスポンジ、布、金属金網等で構成されている。凝縮水受けタンク２１に貯まった水はこの多孔質板２２の毛細管現象で汲み上げられ、そこに高温の空気１６が流れることでこの高温の空気１６に水分を含ませることができる。水を含む高温の湿り空気はマシン室９の床下１７で外気から導入された空気と混合して、ＩＴ機器１１の吸気口へ流入する。なお、混合空気の温度、湿度は前述の通り、環境推奨範囲内とする。これにより、ポンプを駆動することなく、水を循環するシステムを構成することができる。これにより、省エネの効果を更に向上できる。

上記のような構成とすることによって、データセンタの湿度を省エネルギで制御することができる。

８ データセンタ
９ マシン室
１０ 空調機室
１１ ＩＴ機器（サーバ、記憶装置、ネットワーク機器）
１２ 空調機
１３ 外気導入用送風機
１４ 排気用送風機
１５ 水噴霧装置
１６ 空気の流れ
１７ 床下
１８ 天井
１９ 熱交換用凝縮器
２０ 外壁
２１ 凝縮水受けタンク
２２ 多孔質板

Claims (6)

1. 外気を導入する外気導入用送風機と、
   空調機を具備し、導入した外気に温度調整を施し温度調整された空気をＩＴ機器を収納したマシン室に供給する空調機室と、
   前記マシン室の前記ＩＴ機器により加熱された空気を排気する排気用送風機と、
   前記マシン室で加熱された空気中に水を噴霧し、水が噴霧された空気を前記空調機室に供給する水噴霧装置と、を備え、
   前記空調機は、前記水が噴霧された空気と外気導入用送風機により送風された空気からなる混合空気に温度調整を施してマシン室に供給し、さらに、前記混合空気の温度が空調機吐き出し温度より低いとき、前記混合空気を空調を施すことなく直接に前記マシン室に供給することを特徴とする外気導入式データセンタ。
2. 外気を導入する外気導入用送風機と、
   空調機を具備し、導入した外気に温度調整を施し温度調整された空気をＩＴ機器を収納したマシン室に供給する空調機室と、
   前記マシン室の前記ＩＴ機器により加熱された空気を排気する排気用送風機と、
   前記加熱された空気と外気と熱交換する凝縮器を有し、前記凝縮器に凝縮された水分を貯蔵する凝縮水受けタンクと、
   前記凝縮水受けタンクの水を水噴霧装置に供給する水循環装置と、
   前記マシン室で加熱された空気中に水を噴霧し、水が噴霧された空気を前記空調機室に供給する水噴霧装置と、を備え、
   前記空調機は、前記水が噴霧された空気と外気導入用送風機により送風された空気からなる混合空気に温度調整を施して前記マシン室に供給することを特徴とする外気導入式データセンタ。
3. 請求項２記載の外気導入式データセンタにおいて、
   前記空調機は、前記混合空気の温度が空調機吐き出し温度より低いとき、前記混合空気を空調を施すことなく直接に前記マシン室に供給することを特徴とする外気導入式データセンタ。
4. 請求項２記載の外気導入式データセンタにおいて、
   前記水噴霧装置は前記マシン室の絶対湿度が設定値以下になったとき水を噴射することを特徴とする外気導入式データセンタ。
5. 外気を導入する外気導入用送風機と、
   空調機を具備し、導入した外気に温度調整を施し温度調整された空気をＩＴ機器を収納したマシン室に供給する空調機室と、
   前記マシン室の前記ＩＴ機器により加熱された空気の一部を排気する排気用送風機と、
   前記加熱された空気である排気と外気とを熱交換する凝縮器を有し、前記凝縮器に凝縮された水分を貯蔵する凝縮水受けタンクと、
   前記加熱された空気の残部を前記マシン室に還流させる流路と、
   前記凝縮水受けタンクに貯蔵された水内に一端を浸漬し、多端を前記流路に配置した多孔質板と、を備え、
   前記空調機は、水が噴霧された空気と外気導入用送風機により送風された空気からなる混合空気に温度調整を施して前記マシン室に供給することを特徴とする外気導入式データセンタ。
6. 請求項５記載の外気導入式データセンタにおいて、
   前記空調機は、前記混合空気の温度が空調機吐き出し温度より低いとき、前記混合空気を空調を施すことなく直接に前記マシン室に供給することを特徴とする外気導入式データセンタ。