JP5516961B2 - サーバ室用空調システム - Google Patents

Description

本発明はデータセンターや電算センターにおける空調システム、特に多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムに関する。

この種の空調システムとしては、サーバに対する冷却を効率的に行う目的でサーバ室内にコールドアイルとホットアイルを明確に分離して形成する所謂コールドアイル・ホットアイル空調方式によるものが主流となっている。
これは、たとえば特許文献１に示されているように、サーバ室の床を孔あきパネルを有する二重床として、その床上にサーバを収容した多数のサーバラックを間隔をおいて配列し、二重床から孔あきパネルを通してサーバラック間に給気（冷気）を上向きに吹き出すことによって、サーバ室内をコールドアイルすなわち二重床からの冷気（給気）が直接供給されて低温に維持されるゾーンと、ホットアイルすなわちサーバラックを冷却した後の還気（熱気）が流通するゾーンとに明確に分離するようにしたものである。

この場合、サーバラックをその周囲に通路や保守のための空間を確保して適正に配列するとともに、サーバラックの配列に対応させて冷気の給気経路および熱気の還気経路を適正に設定することにより、サーバラックの周囲にコールドアイルとホットアイルが自ずと分離された状態で形成されてサーバラックを効率的に冷却することが可能であるが、さらに要所に冷気および熱気の流通経路を規制するための遮蔽板や垂れ壁等を設置することにより、コールドアイルとホットアイルとの間で冷気や熱気のショートサーキットが生じてしまうことを確実に防止できて冷却効率の低下を防止することができるとされている。

特開２００４−１８４０７０号公報

ところで、上記のようなサーバ室を対象とする空調システムでは空調機の設置スペースを如何にして確保するかが重要な課題である。一般には、比較的小容量の空調機をサーバ室内に露出状態で分散配置するか、あるいはサーバ室に隣接して空調機室を設けてその内部にサーバ室全体の冷却負荷を処理する大型の空調機を設置することになるが、それぞれ次のような問題がある。
すなわち、前者の場合はサーバ室内のスペースが空調機のために犠牲になるし、空調機の保守管理のたびに作業員がサーバ室内に立ち入る必要があるのでセキュリティの点で好ましくない。一方、後者のようにサーバ室とは別に空調機室を設ける場合には、空調機が大型であるばかりでなくその周囲に保守スペースも確保する必要があることから空調機室のためにかなりのスペースを必要とし、したがってデータセンターの建物延面積のうちサーバ室として利用できる有効面積の割合が低下してしまうし、サーバ室の有効面積を犠牲にしなければならない場合もある。

また、いずれにしてもサーバは年々大容量化して冷却負荷が増大する傾向にあるので、それに応じて空調機の増設や冷却能力を増大させるための機器更新等の改修が必要となることも想定されるが、従来一般の空調システムでは増設や改修を行うためには大掛かりな工事が必要となることが通常であり、サーバ室を稼働しながらの工事は困難である。

上記事情に鑑み、本発明はサーバを効率的に冷却できることはもとより、保守性やスペース効率上の問題もなく、さらには増設や更新にも容易に対応することが可能である有効適切な空調システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、前記サーバ室を通風可能なグレーチングにより上下に区画して上層のサーバフロアと下層のメカニカルフロアとによる２層構造とし、前記サーバフロアに多数のサーバラックを配列して設置するとともに、各列のサーバラックの間に給気ゾーンおよび還気ゾーンを交互に確保し、前記サーバ室内に前記サーバフロアと前記メカニカルフロアに跨る還気ダクトを設け、前記還気ダクトと前記メカニカルフロアとの間に主空調機を設置して、該主空調機により調製した冷気を前記メカニカルフロアから前記グレーチングを通して前記給気ゾーンに供給し、かつ前記サーバラックを通過した還気を前記還気ゾーンから前記還気ダクトを通して前記主空調機に戻るように循環させる構成とし、前記グレーチングには前記給気ゾーンに面する位置にブースタファンを設置可能とし、該ブースタファンにより前記メカニカルフロア内から前記給気ゾーンに向けて冷気を供給可能とし、前記メカニカルフロアには、冷房負荷が増大した前記サーバラックに対応した前記還気ゾーンの直下に区画壁を設けてローカル還気チャンバを区画形成し、該ローカル還気チャンバには、前記グレーチングを通して前記還気ゾーンから還気を吸い込んで冷気を調製し前記メカニカルフロアに供給するローカル空調機を設置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のサーバ室用空調システムであって、前記給気ゾーンの上部に遮蔽板や垂れ壁等の区画手段を設置して該給気ゾーンをコールドアイルとして区画形成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のサーバ室用空調システムであって、前記主空調機、前記ブースタファンおよび前記ローカル空調機の設置台数を、それぞれ増減可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、多数のサーバラックをコールドアイルとしての給気ゾーンおよびホットアイルとしての還気ゾーンを交互に挟んで配列するので、コールドアイルとホットアイルとが明確に区分され、そのうえで主空調機によりメカニカルフロアとサーバフロアとの間で冷気および還気を強制循環させることを基本とするので、サーバラック全体を効率的に冷却することができる。そして、負荷増大や負荷偏在に応じてグレーチングにブースタファンを設置してメカニカルフロアから給気ゾーンに冷気を供給することにより冷却増強を図ることができる。

そして、メカニカルフロアにローカル空調機を設置可能とし、さらに主空調機やブースタファン、ローカル空調機の設置台数や設置パターンを段階的に変更することにより、十分な冷却増強が可能である。
また、主空調機やブースタファン、ローカル空調機をメカニカルフロアに設置することにより、それらの設置や増設、機種交換、移設を容易に行うことができ、サーバ室を稼働しながらの作業も可能である。
勿論、従来のように空調機を設置するための格別のスペースをサーバフロアやサーバ室外に確保する必要はなく、したがってサーバ室および建物全体の有効面積を損なうことなく効率的かつ経済的な運用が可能であるし、日常的な保守作業のために作業員がサーバフロアに立ち入る必要もないから高度のセキュリティが要求されるサーバ室に適用するものとして好適である。

本発明の空調システムの実施形態を示すもので、当初における主空調機およびブースタファンの設置状況を示す図である。 同、主空調機およびブースタファンを増設した状況を示す図である。 同、ローカル空調機を増設した状況を示す図である。 同、ローカル空調機をさらに増設した状況を示す図である。 同、他の構成例を示す図である。

図１に本発明の実施形態である空調システムの概要を示す。
これは、多数のサーバをサーバラック１に収容して設置するサーバ室２を対象とするもので、サーバ室２全体を通風可能なグレーチング５により上下に区画して上層のサーバフロア３と下層のメカニカルフロア４とによる二層構造として、サーバフロア３に多数のサーバラック１を設置することを前提とする。

メカニカルフロア４は通常のフリーアクセスフロアとして機能することに加え、後述する主空調機６、ブースタファン７、ローカル空調機８の設置スペースおよびその保守点検時の作業スペースとして確保されるものであって、それらに対する保守作業を作業員がメカニカルフロア４に立ち入ることで支障なく行うことが可能なようにたとえば2200mm程度の高さ寸法を確保することが好ましい。勿論、主空調機６やブースタファン７、ローカル空調機８の設置スペースとして利用されない部分については、サーバ用のＵＰＳ設備や蓄電池設備等の設置スペースとしても利用可能である。

本実施形態では、サーバフロア３において多数のサーバラック１を配列して設置するのであるが、それら各列のサーバラック１の間にはコールドアイルとしての給気ゾーン９とホットアイルとしての還気ゾーン１０を交互に確保することとし、そのためには給気ゾーン９の上部に遮蔽板（区画手段）１１を設けて給気ゾーン９を明確なコールドアイルとして区画形成することが好ましい。

また、サーバ室２の要所にはサーバフロア３とメカニカルフロア４に跨る還気ダクト１２を設けて、その還気ダクト１２の底部に所望台数の主空調機６が設置可能とされ、その主空調機６によりメカニカルフロア４とサーバフロア３との間で冷気および還気を強制循環させてサーバラック１を冷却することを基本とする。

すなわち、本実施形態の空調システムでは、図中の矢印で示すように、主空調機６により調製した冷気をメカニカルフロア４に供給し、メカニカルフロア４からグレーチング５を通してサーバフロア３の給気ゾーン９に供給し、サーバラック１を通過してサーバを冷却することで温度上昇した還気を還気ゾーン１０からサーバ室２の天井部を経て還気ダクト１２の頂部の吸込口から吸い込んで主空調機６に戻すように循環させるものであり、そのような経路で冷気および還気を循環させることでサーバラック１全体を効率的に冷却可能なものである。

本実施形態における主空調機６としては、ケーシング内に送風機６ａと冷却コイル６ｂとをコンパクトに組み込んだカセットタイプのものが好適に採用可能である。この場合、サーバ室２の冷却負荷は潜熱負荷が殆どないから、冷却コイル６ｂをドライコイルとしてドレン処理を不要とすることも可能である。
また、主空調機６はサーバ電流やサーバ温度（もしくはサーバラック温度）等の周囲環境情報を刻々と検出するために設けられたセンサーによりサーバの実際の稼働状況を検知可能としておき、それに基づいてたとえばインバータ制御により最適な冷却運転を行うように構成することが好ましく、それにより最も効率的な省エネルギー運転が可能である。
そのような主空調機６を所定規格で予め製作しておくとともに、冷却能力の異なる数機種の主空調機６を予め用意しておくことにより、サーバ室２での冷却負荷に応じて最適な冷却能力の主空調機６を選択して使用することが可能であり、必要とされる冷却容量に応じて所望能力の主空調機６を所望台数設置することによりサーバ室２全体の冷却負荷を賄うことができる。
特に、冷却能力は異なるものであっても互換性を有するカセットタイプの主空調機６を採用することにより、将来的な増設や機種変更を簡便かつ容易に行うことができる。

そして、本実施形態の空調システムでは、上記のように主空調機６自体で冷気および還気を強制循環させてサーバ室２全体の冷却負荷（ベース負荷）を処理することを基本としつつ、必要に応じて冷気をメカニカルフロア４から給気ゾーン９（コールドアイル）へ強制的に供給するためのブースタファン７をグレーチング５に設置可能としており、それにより給気ゾーン９への冷気の供給量を増大させてそこので負荷増大や負荷偏在に対して有効に対処し得るようになっている。
ブースタファン７としてはグレーチング５に組み込むことができる所定規格の汎用製品を用いれば良く、各給気ゾーン９の直下のグレーチング５には複数台のブースタファン７を組み込み可能なスペースを確保しておいて、負荷状況に応じて所望台数のブースタファン７を設置可能としておき、かつ設置台数を適宜増減できるようにしておくと良い。

加えて、本実施形態の空調システムではさらに負荷増大が生じた際には、図３に示すようにメカニカルフロア４にローカル空調機８を設置して負荷増大に対処可能としている。
すなわち、還気ゾーン１０（ホットアイル）の直下のメカニカルフロア４には区画壁１３が設置可能とされていて、その区画壁１３によりメカニカルフロア４の一部がローカル還気チャンバ１４として区画形成可能とされていて、そのローカル還気チャンバ１４には、還気ゾーン１０からグレーチング５を通して還気を吸い込んで冷気を調製しメカニカルフロア４に供給するローカル空調機８が設置可能とされている。
ローカル空調機８としては上記の主空調機６と同様にケーシング内に送風機８ａと冷却コイル８ｂをコンパクトに組み込んだカセットタイプのものが好適であり、冷却容量が異なるだけで互換性を有する数機種のローカル空調機８を用意しておいて、負荷増大に応じて最適な冷却容量のローカル空調機８を選択して所望位置に所望台数設置すれば良い。

以上のように、本発明の空調システムによれば、多数のサーバラック１を給気ゾーン９（コールドアイル）および還気ゾーン１０（ホットアイル）を交互に挟んで配列するのでコールドアイルとホットアイルとが明確に区分され、そのうえで主空調機６によりメカニカルフロア４とサーバフロア３との間で冷気および還気を強制循環させてベース負荷を処理することを基本とするので、サーバラック１全体を効率的に冷却することができる。

そして、負荷増大や負荷偏在に応じて、主空調機６、ブースタファン７、ローカル空調機８の設置台数や設置パターンを段階的に変更することにより、たとえば以下のように十分な冷却増強が可能である。
・STEP1（図１）
運用当初においてはその時点での冷却負荷（ベース負荷）に応じて所望台数（図１では１台のみ図示）の主空調機６を設置するとともに、必要に応じて給気ゾーン９にブースタファン７を設置し、その状態でベース負荷を処理する。
・STEP2（図２）
運用開始後に一部のサーバラック１において負荷が増大した場合には、主空調機６を増設（同、２台のみ図示）するとともに、必要に応じて必要位置にブースタファン７も増設することにより負荷増大に対処する。
・STEP3〜4（図３〜図４）
さらに特定のサーバラック１（たとえば斜線を付して示したもの）の負荷が大きく増大したような場合には、その近傍の還気ゾーン１０の直下のメカニカルフロア４内に区画壁１３を設けてローカル還気チャンバ１４を区画形成し、そこに所望能力のローカル空調機８を所望台数設置するとともに、その台数を必要に応じて順次増設していくことにより、さらなる負荷増大に対処する。
なお、仮にサーバ台数が減少したり、サーバ熱効率が改善されて冷却負荷が大きく低減したような場合には、設置済みの主空調機６やブースタファン７、ローカル空調機８の一部を撤去してそのスペースを他に転用することも可能である。

本発明の空調システムによれば、メカニカルフロア４に設置する主空調機６やローカル空調機８として予め所定規格で製作したカセットタイプのものを用い、ブースタファン７として汎用製品を用いることにより、それらの設置や増設、機種交換、移設をサーバフロア３とは係わりなく容易に行うことが可能であり、サーバ室２を稼働しながらの作業も可能である。しかも、日常的な保守はメカニカルフロア４で行うことができるので作業員がサーバフロア３に立ち入る必要はなく、高度のセキュリティが要求される場合にも支障なく保守作業を実施することができる。

さらに、主空調機６およびブースタファン７、ローカル空調機８の全てをメカニカルフロア４に設置しているので、従来のように空調機を設置するための格別のスペースをサーバフロア３やサーバ室２の外部に確保する必要はなく、したがってサーバ室２および建物全体の有効面積を損なうことなく効率的かつ経済的な運用が可能である。勿論、サーバ室２をサーバフロア３とメカニカルフロア４とによる二層構造とはしているものの、それらをグレーチング５により区画しているだけなので建築基準法上は床面積が二重に算定されることはない。

なお、上記施形態では、給気ゾーン９の上部に区画手段としての遮蔽板１１を設けて給気ゾーン９を明確なコールドアイルとして区画形成するようにしたが、それに代えて図５に示すようにサーバ室２の上部に天井１５を設けて還気チャンバを確保したうえでその下部に垂れ壁１１’を設けたり、あるいはさらに他の区画手段を設けても良く、それによっても同様の効果が得られる。勿論、区画手段が不要な場合には省略して差し支えない。

１ サーバラック
２ サーバ室
３ サーバフロア
４ メカニカルフロア
５ グレーチング
６ 主空調機
６ａ 送風機
６ｂ 冷却コイル
７ ブースタファン
８ ローカル空調機
８ａ 送風機
８ｂ 冷却コイル
９ 給気ゾーン（コールドアイル）
１０ 還気ゾーン（ホットアイル）
１１ 遮蔽板（区画手段）
１１’ 垂れ壁（区画手段）
１２ 還気ダクト
１３ 区画壁
１４ ローカル還気チャンバ
１５ 天井

Claims (3)

1. 多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、
   前記サーバ室を通風可能なグレーチングにより上下に区画して上層のサーバフロアと下層のメカニカルフロアとによる２層構造とし、
   前記サーバフロアに多数のサーバラックを配列して設置するとともに、各列のサーバラックの間に給気ゾーンおよび還気ゾーンを交互に確保し、
   前記サーバ室内に前記サーバフロアと前記メカニカルフロアに跨る還気ダクトを設け、
   前記還気ダクトと前記メカニカルフロアとの間に主空調機を設置して、該主空調機により調製した冷気を前記メカニカルフロアから前記グレーチングを通して前記給気ゾーンに供給し、かつ前記サーバラックを通過した還気を前記還気ゾーンから前記還気ダクトを通して前記主空調機に戻るように循環させる構成とし、
   前記グレーチングには前記給気ゾーンに面する位置にブースタファンを設置可能とし、該ブースタファンにより前記メカニカルフロア内から前記給気ゾーンに向けて冷気を供給可能とし、
   前記メカニカルフロアには、冷房負荷が増大した前記サーバラックに対応した前記還気ゾーンの直下に区画壁を設けてローカル還気チャンバを区画形成し、該ローカル還気チャンバには、前記グレーチングを通して前記還気ゾーンから還気を吸い込んで冷気を調製し前記メカニカルフロアに供給するローカル空調機を設置したことを特徴とするサーバ室用空調システム。
2. 請求項１記載のサーバ室用空調システムであって、
   前記給気ゾーンの上部に遮蔽板や垂れ壁等の区画手段を設置して該給気ゾーンをコールドアイルとして区画形成したことを特徴とするサーバ室用空調システム。
3. 請求項１または２記載のサーバ室用空調システムであって、
   前記主空調機、前記ブースタファンおよび前記ローカル空調機の設置台数を、それぞれ増減可能としたことを特徴とするサーバ室用空調システム。

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