JP5578664B2 - 電算室用空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、電算室のように、サーバーやルータなどのＩＣＴ（Information and Communication Technology）装置等の発熱体を有する高発熱の電子装置が設置され、冷房空気を循環させる電算室における電算室用空気調和機に関する。

従来の電算室(データセンターのコンピュータ室)では、特許文献１に開示されているように、空気調和機からの冷気を床下からサーバー等のラックに送風し、ラックからの排気を天井の空気通路を通過させて空気調和機に還気している。
この従来のデータセンターでの冷房空調システムを従来例１として図２に示して説明する。電算室aに隣接して、アイスチラー氷蓄熱装置等の冷熱源から冷水ｂが、冷房空調装置ｃの冷却コイルｄや送風ファンｅ等で冷房を行うものであるが、図２において、冷房空調装置ｃからの冷気Cをグリル床ｆからサーバーg2等のラックｇの前面パネルg1に送風し、サーバーg2の発熱を処理したラックｇで暖まった暖気Ｈは、サーバー内蔵ファンg3によってラックｇの背面パネルg4から排気され、この暖機Hは天井ｈ上の天井通路ｉの天井吸い込み口ｊから空気調和機eに還気(ＲＡ)する循環冷却システムである。

近時、ＣＰＵの処理能力の向上、ブレードサーバーの普及に伴い、これらサーバーやルータなどのＩＣＴ装置のような高発熱を伴う装置も急激に高性能・大容量化し、コンピュータシステムが必要とする冷却空気量が急激に増加しており、サーバーの動作環境、特に温熱環境を維持しサーバーの発熱を冷却するために熱源機を運転してサーバー室である電算室の年間冷房を行うために多大なエネルギーを必要としていた。
このように、サーバー高密化に伴って単位面積当りの負荷密度が大幅に上がり、大容量な冷却量が求められる一方、環境負荷軽減を目的に冷却するための空調エネルギーの削減も求められている。

そこで、本出願人らは、電算室での空調エネルギー削減のため、外気を導入する冷房方式の先行技術を特許文献２として提案しており、また、局部に冷気を循環させる冷房方式を特許文献２として提案している。
ところで、電算機室が機器の耐熱性の向上により、サーバーの動作温熱環境が長時間３０℃近くになっても連続稼働が可能なサーバーに改良され、年間を通じて大部分の期間を熱源での冷却運転を行わないで、外気そのものでサーバーが設置された電算室の冷房が可能なようになってきた。

特許文献２の先行技術の外気導入冷房方式は、先行技術例１として図３に示すように、潜熱を考慮して２６℃以下になる外気(上限３５℃)を利用するもので、加湿装置ｋにより加湿し、従来のアイスチラー氷蓄熱装置等の冷熱源から冷水ｂを使用する外に、外気ｍの冷房能力を用い、冷房に役立つ外気ｍを冷房空調装置ｃに導入し、冷房した還気ＲＡの一部を外部に排気ＥＡ(ｎ)している。
また、特許文献３の先行技術の局部循環冷房方式は、先行技術例２として図４に示すように、一対の熱交換器p1,p2,p3と送風ファンq1,q2,q3からなる複数の空気調和機を、単スパンごとにそれぞれ配置し、循環する冷風の送風抵抗を小さくすることにより、冷熱搬送動力を削減し省エネを提案している。

特開２００７−２３２３１２公報 特願２００９−２７２５２１号 特願２００９−２９０６５３号

ところで、前掲の先行技術である特許文献２の電算室用空気調和機における外気導入冷房方式は、大幅に空調エネルギーを削減できるが、以下のような課題がある。
(１)外気導入路の確保が必要であり、外部に向けて大きな開口が必要であるが、大きな開口であるためにセキュリティ上の問題がある。
(２)外気条件により外気導入量を決定するため、調整用のダンパーなどの制御コントロールが複雑になる。
(３)外気を導入するので、外気粉塵除去のため圧力損失の高い濾過装置（フィルタ）が必要となり、空気搬送動力が大きくなる。
(４)外気導入量と同風量の排気を確保しなければならず、排気ファンが必要であり、空気搬送動力も大きくなる。
(５)特に、冬季では外気湿度が低い場合には加湿負荷が発生する。また年間冷房で加湿が難いため加湿効率が良くない。

また、前掲の先行技術である特許文献３の電算室用空気調和機における局部循環冷房方式は、大幅に空調エネルギーを削減できるが、以下のような課題がある。
(１)それぞれのスパンに、一対の熱交換器p1,p2,p3と送風ファンq1,q2,q3の複数の空気調和機を設けなければならず、空気搬送路を設けることが物理的に困難であるため、外気を直接導入するフリークーリング手法の採用ができない。

本発明の空気調和機は、上記の課題に鑑みてなされたもので、外気による冷房を有効に利用して、高熱を発散するサーバーを配置した電算室において省エネが図れるようにした冷房空気を局部的に循環させる電算室用空気調和機を提供しようとするものである。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、発熱体を有する電子装置を収納した複数のラック列が並列に配置され、対向するラック列間の空間が冷却空間領域と排熱空間領域とに交互に配置され、床下空間が連結され、排熱空間領域のラック列の上部が天井で実質的に密封された施設において、
前記冷却空間領域のラック列間のグリル床の下面には冷房空調施設が設けられ、該グリル床の直下はフィルターではなくフィルター作用を有する金網だけで覆い、該金網の下方には送風ファン及び冷却コイルが設けられ、その下方は床下空間の排熱空間領域からの暖気を吸い込む吸込開口が形成され、
前記冷却空間領域の床下には、外気冷熱による第１冷却コイルと冷熱源から冷水による第２冷却コイルとを直列に配設し、
これらの冷却コイルに通過する送風ファンを設けて冷気をグリル床から上方の前記冷却空間領域に送風し、
該冷却空間領域の冷気で電子装置の熱負荷を処理して隣接する前記排熱空間領域に排気し、該排熱空間領域の暖気をグリル床から吸気して前記各冷却コイルに循環させるようにしたことを特徴とする冷房空気を局部的に循環させる電算室用空気調和機である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の冷房空気を局部的に循環させる電算室用空気調和機において、前記第１冷却コイルは、高所に空冷凝縮器を配置して外気冷熱により循環冷媒を凝縮し、該第１冷却コイルで熱交換することにより循環冷媒を蒸発させて冷媒の自重により自然循環させることを特徴とする。

請求項１の発明の電算室用空気調和機によれば、第１冷却コイルが外気冷熱を有効利用でき、外気そのものでサーバーが設置された電算室の冷房を可能とし、アイスチラー氷蓄熱装置等の冷熱源の使用するにしても使用を大幅に削減でき、空調エネルギーの大幅な削減が図れる。
また、ラック列間の空間が冷却空間領域と排熱空間領域とに交互に配置させて、隣り合うラック列間で局部的に空気を循環させるので、従来システムに比べて空調搬送動力を削減し、空調および、その送風機のエネルギーを削減することができる。
更に、冷却コイルや送風ファン等を床下に収納したので、サーバ室用の空調施設のフロアーが不要となり、サーバーラックスペースおよび、サーバーラックの数を減ずる必要もなく、空調施設のスペースを別途用意する必要もない。すなわち、グリル床の直下に冷房空調施設を設置しているため、ダクト等の付属部品を用いることなく漏れなく冷却空間領域に冷気を給気できるが、その場合（特に人歩行時）床からのゴミ落下によるコイル、ファンの汚れ等が懸念されるが、グリル床の直下の給気側であるコイル、ファンより上部にフィルター作用のある金網を設置することでこうした汚れ等による効率低下、損傷を抑制することができる。また、データセンター内は所謂居住空間ではないので、従来のフィルターの代わりに金網を設けて大きな浮遊ゴミ等除去することとし、空調システムでの空気搬送抵抗を小さくしている。
また、各床下の送風ファンは、局部毎にサーバの稼働状況に応じてきめ細かくファンの風量制御ができるので、温度ムラやエネルギー消費の無駄を省くことができ、サーバ室の熱環境向上や省エネが可能となる。

請求項２の発明の電算室用空気調和機によれば、第１冷却コイルの空冷凝縮器を屋上等の配置して、外気冷熱により循環冷媒を凝縮し、第１冷却コイルで循環冷媒を蒸発させて、室外機と室内機間で動力なしに自然循環させるので、冷媒を搬送するポンプや圧縮機等が不要となりエネルギーを削減することができる。

本発明の実施例の電算室における空気調和機及びそのシステムの説明図、 従来例１の電算室用空気調和機の説明図、 外気導入冷房方式の先行技術例１の電算室用空気調和機の説明図、 局部循環冷房方式の先行技術例２の電算室用空気調和機の説明図である。

先ず、本発明の実施例を説明するが、電算室(データーセンター)用空気調和機において、外気冷熱を有効利用し、外気冷熱を熱交換する室外機側を屋上に配置し、室外機と室内機間で動力なしの自然循環方式を採用し、各床下に冷却コイルや送風ファン等を配置して、局部的に冷房空気を循環させることで、空調エネルギーを削減し、空調施設のスペースを増加させず、温度ムラやエネルギー消費の無駄を省く空調システムを実現した。

本発明の好適な電算室用空気調和機の実施例を図面に沿って説明する。
図１の電算機室（データセンター）における空気調和装置の概要に示すように、データセンター１の内部は、内蔵ファンを有するサーバ２４やルータなどのＩＣＴ（Information and Communication Technology）装置等の発熱体を有する電子装置を収納した複数のラック２列が並列に配置され、対向するラック２列間の空間が冷却空間領域Ｃ１と排熱空間領域Ｈ１とが交互に配置されており、ラック２列間の床には貫通した長孔を有するグリル床３が敷き詰められ、グリル床３の床下空間４は互いに連結されていてチャンバー（空気通路）を形成している。
また、排熱空間領域Ｈ１の天井５'は、吊り天井としてラック２の上部２３とほぼ同じ高さにし、冷却空間領域Ｃ１の天井５''はラック２の上部２３よりも高く、本来の基礎天井部を利用している。勿論、天井５''も吊り天井としてもよい。要は、各ラック２列の天井が実質的に密封状態、すなわち、各空間領域をチャンバー化して、空気を発散されることなく、循環させるようにして冷却効率を高めるようにすればよく、吊り天井ではなく、天井板(従来の図２乃至４を参照)を上部２３を隣り合うラック２の天井に掛け渡すようにしてもよい。

冷却空間領域のラック２間のグリル床３の下面には、冷房空調施設６が設けられるが、グリル床３の直下にはフィルターの作用をする金網６１で覆い、金網６１の下方には送風ファン６２が設けられ、更に、その下方には外気冷熱による第１冷却コイル６３が設けられ、更に、その下方にはノン結露のドライコイルである第２冷却コイル６４が設けられ、第２冷却コイルの下方は床下空間４の排熱空間領域Ｈ１からの暖気を吸い込む吸い込み開口６５が形成されている。
このように、グリル床の直下に冷房空調施設を設置しているため、当然のことながら、ダクト等の付属部品を用いることなく漏れなく冷却空間領域に冷気を給気できるが、その場合（特に人歩行時）床からのゴミ落下によるコイル、ファンの汚れ等が懸念されるが、グリル床の直下の給気側であるコイル、ファンより上部にフィルター作用のある金網を設置することでこうした汚れ等による効率低下、損傷を抑制する。
送風ファン６２は高効率である直流（ＤＣ）モータ(図示せず)で駆動され、送風ファン６２の隣接又は近傍するラック２の列のラック２の上部２３近傍に設けた温度センサ６６の検出値に基づいて、高い温度値であれば早く、低い温度値であれば遅く回転するように制御される。
ここで、送風ファン６２を制御するファクターとしてサーバ２４の負荷を検知するものであれば良く、本実施例では、ラック２内の温度としたが、各サーバ２４の消費電流に基づいて送風ファン６２を制御してもよく、両者を組み合わせて制御するようにしてもよく、他の送風ファン６２を制御するファクターとしても良いことは勿論である。

ところで、電算機室１内は、所謂居住空間ではないので、本実施例では、従来のようなフィルターは配備していない。不織布等の通常のフィルターはどうしても空気搬送の大きな抵抗となり空調エネルギーを消費するので、本実施例では従来のフィルターの代わりに空気搬送抵抗の小さな金網６１を設け、大きな浮遊ゴミ等を除去するようにしている。
したがって、金網６１の網の目(メッシュ)は、金網の網目が３０メッシュ（１インチ(25.4mm)間の目数）程度が良いが、２００メッシュ以上だと空気抵抗(圧力損失)が大きくなり、１０メッシュ以下だと空気中の浮遊ゴミを捕捉できないからである。

前記２台の直列に配置の冷却コイルの内で下流に位置し、主に稼働するのが外気冷熱による第１冷却コイル６３であるが、この第１冷却コイル６３は、なるべく高所の屋上等で、外気を取り込める屋外に配置させる室外機７と組み合わされており、この室外機７は送風ファン７２と空冷凝縮器７１が設けられ、外気を取り込む送風ファン７２からの外気で空冷凝縮器７１内の気体冷媒を冷やし、この外気冷熱により空冷凝縮器７１の循環冷媒を凝縮して液体冷媒とし、この液体冷媒は液体冷媒配管７１１の中を自重により落下していく。
冷やされた液体冷媒は下に位置する第１冷却コイル６３に導入させ、この第１冷却コイル６３では、電算室１内の熱せられた還気ＲＡを吸い込み開口６５から吸い込み熱交換するが、この還気ＲＡの導入により、液体冷媒配管７１１からの液体冷媒は第１冷却コイル６３内で蒸発させて気体冷媒にする。

気体になった気体冷媒は気体冷媒配管７１２の中を上昇して空冷凝縮器７１に到達し、こうして冷媒は液体の自重と気体の上昇とにより空冷凝縮器７１→液体冷媒配管７１１→第１冷却コイル６３→気体冷媒配管７１２→空冷凝縮器７１の順で自然循環する。
このように、室外機７側では屋上に設置された空冷凝縮器７１を用い、外気冷熱によって循環冷媒を凝縮し、室内機側ではサーバーラックを通風し温められた空気が第１冷却コイル６３を通過することにより循環冷媒を蒸発させて、循環冷媒の高低差・圧力差を利用して、室外機７と室内機の第１冷却コイル６３間で動力なしに自然循環させることができる。

前記２台の直列に配置した冷却コイルの内、上流に位置して外気の温度も高い等で第１冷却コイル６３では、十分に電算室１を冷房できない場合に、補完するのが第２冷却コイル６４である。
稼働させる場合に、この第２冷却コイル６４は、外部のアイスチラー氷蓄熱装置や中央冷暖房施設等の冷熱源からの冷水が往管６４１から供給され、この第２冷却コイル６４では、電算室１内の熱せられた還気ＲＡを吸い込み開口６５から吸い込み熱交換し、冷水は第２冷却コイル６４内で熱せられて、復管６４２から戻される。
なお、本実施例では、第２冷却コイル６４はプレ冷却として、外気冷熱だけでは不十分な負荷に対しては、この第２冷却コイルで処理をすることにより、局部循環冷房方式を採用しながら外気冷熱利用が可能となるが、逆に、外気熱源の利用が困難な場合には、外部の冷熱源を利用する第２冷却コイル６４を主とし、予備冷却コイルとして外気冷熱利用の冷媒自然循環コイルの第１冷却コイルを用いてもよい。

以上のような電算室１の構成であるが、次に、この構成における空気の流れを説明する。
図１において、本実施例の冷房空調施設６は、金網６１、送風ファン６２、第１冷却コイル６３、第２冷却コイル６４、吸い込み開口６５、温度センサ６６、及び、室外機７から構成されるが、冷房空調装置６からの冷気Cをグリル床３(吹出しグリル床31)からサーバ２４を収納したラック２のラック前面パネル２１に送風し、サーバ２４の発熱を処理した暖まった暖気Ｈは、サーバ内蔵ファン２４１等によってラック背面パネル２２から排気され、この暖気Ｈは排熱空間領域Ｈ１の下部のグリル床３(吸い込みグリル床32)の貫通長孔から床下空間４を通過して、吸い込み開口６５に吸い込まれ循環する。

ここで、サーバ２４のラック２の前面パネル側をサーバ２４に冷風を供給するための給気チャンバーとして囲い冷却空間領域Ｃ１を構成し、サーバ２４のラック２の背面パネル側をサーバ２４からの排熱を排出する排熱空間領域Ｈ１を形成することで、給・排気の温度差を確保し、搬送動力の低減を図っている。
また、電算機室１の冷房が外気冷熱で足りる場合には、第２冷却コイル６４は稼働させず、足りない場合には不足する冷房能力を補完する第２冷却コイル６４を稼働させるように、中央制御装置(図示せず)で適切に稼働させればよい。
ところで、本発明の実施例の電算室用空気調和機は、前記のように空調搬送動力を著しく削減できる他に、サーバ室の床下空間をチャンバーとて利用するので、スペース的に有利であるが、この床下スペースにファン、コイル、冷水配管等を配置してサーバ室の有効スペースを確保することができる。

以上のように、本発明の実施例の電算室用空気調和機で以下のような利点がある。
(１)第１冷却コイルが外気冷熱を有効利用でき、外気そのものでサーバーが設置された電算室の冷房を可能とし、アイスチラー氷蓄熱装置等の外部の冷熱源を使用するにしても使用を大幅に削減でき、結果として、空調エネルギーの大幅な削減が図れる。
(２)前掲の先行技術の特許文献２のように、直接外気を導入しないことにより、冬季における加湿負荷が室内に発生しない。また、年間空調エネルギー削減効果は、図２に示す前掲の従来の電算室用空気調和機と比較して、東京地区で38.4％、通年の外気温が低い札幌地区で49.6％と試算できる。
(３)第１冷却コイルの空冷凝縮器を屋上等に配置し、外気冷熱により循環冷媒を凝縮して第１冷却コイルで循環冷媒を蒸発させ、室外機と室内機間で動力なしの自然循環をさせたので、冷媒を搬送する圧縮機等が不要となり空調エネルギーを削減することができる。

(４)ラック列間の空間を冷却空間領域と排熱空間領域とに交互に配置させて、隣り合うラック列間で局部的に空気を循環させるので、従来システムに比べて空調搬送動力が削減でき、結果として空調および、その送風機のエネルギーを削減することができる。
(５)冷却コイルや送風ファン等を床下に収納したので、サーバ室用の空調施設のフロアーが不要となり、サーバーラックスペースおよび、サーバーラックの数を減ずる必要もなく、空調施設のスペースを別途用意する必要もない。
(６)各床下の送風ファンは、局部毎のサーバの稼働状況に応じてきめ細かくファンの風量制御ができるので、温度ムラやエネルギー消費の無駄を省くことができ、サーバ室の熱環境向上や省エネが可能となる。
なお、本発明の特徴を損うものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。

Ｃ・・冷気、Ｃ１・・冷却空間領域、
Ｈ・・暖気、Ｈ１・・排熱空間領域
１・・ 電算機室（データセンター）、
２・・ラック、２１・・ラック前面パネル、２２・・ラック背面パネル、
２３・・（ラック）上部、
２４・・サーバ、２４１・・サーバ内蔵ファン
３・・グリル床、３１・・吹出しグリル床、３２・・吸い込みグリル床、
４・・床下空間（チャンバー）
５、５’、５’’・・天井、
６・・冷房空調施設（装置）、６１・・金網、６２・・送風ファン、
６３・・第１冷却コイル、６４・・第２冷却コイル、
６４１・・往管、６４２・・復管、６５・・吸い込み開口、
６６・・温度センサ、
７・・室外機、７１・・空冷凝縮器、７１１・・液体冷媒配管、
７１２・・気体冷媒配管、７２・・送風ファン、

Claims (2)

1. 発熱体を有する電子装置を収納した複数のラック列が並列に配置され、対向するラック列間の空間が冷却空間領域と排熱空間領域とに交互に配置され、床下空間が連結され、排熱空間領域のラック列の上部が天井で実質的に密封された施設において、
   前記冷却空間領域のラック列間のグリル床の下面には冷房空調施設が設けられ、該グリル床の直下はフィルターではなくフィルター作用を有する金網だけで覆い、該金網の下方には送風ファン及び冷却コイルが設けられ、その下方は床下空間の排熱空間領域からの暖気を吸い込む吸込開口が形成され、
   前記冷却空間領域の床下には、外気冷熱による第１冷却コイルと冷熱源から冷水による第２冷却コイルとを直列に配設し、
   これらの冷却コイルに通過する送風ファンを設けて冷気をグリル床から上方の前記冷却空間領域に送風し、
   該冷却空間領域の冷気で電子装置の熱負荷を処理して隣接する前記排熱空間領域に排気し、該排熱空間領域の暖気をグリル床から吸気して前記各冷却コイルに循環させるようにしたことを特徴とする冷房空気を局部的に循環させる電算室用空気調和機。
2. 前記第１冷却コイルは、高所に空冷凝縮器を配置して外気冷熱により循環冷媒を凝縮して、該第１冷却コイルで熱交換することによって循環冷媒を蒸発させて冷媒の自重により自然循環させることを特徴とする請求項１に記載の冷房空気を局部的に循環させる電算室用空気調和機。

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