JP5913841B2 - サーバラック冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーバラック冷却装置に係り、特に空冷装置部と液冷装置部を兼備する省エネ性に優れたサーバラック冷却装置に関する。

従来、情報通信機械室（データセンタ）において、ＩＣＴ装置はサーバラックに格納されるのが一般的である。サーバラックは前面から冷気を吸込み、上面又は背面から排気するタイプが多く、各ラックは同方向を向けて横一列に配置される。機械室内にはこのようなラック列が複数列配置される。ＩＣＴ装置内の冷却は、ベース空調機によりラック近傍まで冷気を供給し、これを各ＩＣＴ装置が備える冷却ファンにより装置内に導入することにより行われる。
近年、社会のＩＣＴ化の進展に伴い、情報通信機器（ＩＣＴ装置）の高速化、大容量化、高密度化が急速に進んでおり、発熱量の増加及び発熱の偏在等によるＩＣＴ装置内の温度環境が悪化している。これを改善するために導入冷気風量を増加させる必要があるが、空気を介しての放熱量は、その物性上（熱伝達率等）限界がある。また、高発熱量を放熱するため、放熱フィン等の伝熱面積を大きくする必要があり、放熱フィン等の設置スペースも課題となっている。さらに送風量を増加させる必要があるため、送風機の動力増も課題となる。このため、室全体を均一に空調するベース空調方式のみでは足りず、ラック列内の高発熱箇所に空調機（タスク空調機）を設置する例もあるが、これを以ってしても適切に対応できないケースも多い。

このような問題を解消するため、各サーバラックについて冷媒を用いて熱回収、冷却装置を組み込む、液冷方式による技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１１は、この方式によるサーバラック１００を示すものであり、本体１０１内に冷凍サイクルを形成する冷却装置１０２を収容し、その気化部である蒸発器１０２ａを本体上下方向に配置している。サーバモジュール１０３では、発熱部１０３ａで発生する熱を、ポンプ１０３ｂにより循環させる冷却液を介して放熱部１０３ｃに搬送し、ここで蒸発器１０２ａと密着させて冷媒に放熱している。この方式によれば局所的な排熱処理が可能となり、サーバラック内部においては効率的な熱処理と言い得る。

特開２００４−３６３３０８号公報

しかしながら、液冷方式には以下のような問題がある。
ＩＣＴ装置内の構成機器の中には、電気部品という性質上、空気による冷却が必要かつ適当な機器もあり、これを考慮すると液冷設備と空冷設備の２方式の空調設備を備える必要がある。
また、構成部品に接触して直接冷却するため、故障時又は内封液漏洩時の影響が甚大である。
また、液冷設備の高温排気が隣接ラックに悪影響を及ぼす恐れがあるという問題もある。
さらに、構成部品の位置に熱交換部を配置するため、ＩＣＴ装置の入れ替え毎に設備の更新が必要という問題もある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、
ＩＣＴ装置の冷却について、
（ａ）構成部品・装置ごとに適切な冷却方式を選択でき、
（ｂ）ＩＣＴ装置の入れ替え（設置または撤去）にも柔軟に対応可能、かつ、
（ｃ）液冷系統故障時のリスクを軽減することができる、
サーバラック冷却装置を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係るサーバラック冷却装置は、
（１）冷却対象空間に収容され、室内に供給される冷気を吸気して高温空気を排気するサーバラックを冷却するためのサーバラック冷却装置であって、
サーバラックの外面に近接、又は、内部に配置され、吸気又は排気を冷却する空冷部と、サーバラック内に配置され、ラック内に格納されるＩＣＴ機器の高温発熱体を直接冷却するための液冷部と、を含んで構成され、
該空冷部は、配管内を冷媒が通過するように構成した往き側ヘッダーと、戻り側ヘッダーと、両ヘッダー間に並列に配置される熱交換用パイプ群と、を備え、該液冷部は、往き側ヘッダーから分岐して戻り側ヘッダーに合流する冷媒循環部と、該高温発熱体から吸熱して該冷媒循環部内を流れる冷媒に放熱する熱交換部と、を備え、て成ることを特徴とする。

（２）上記発明において、前記冷媒循環部の分岐端部及び合流端部は、それぞれ前記往き側ヘッダー及び前記戻り側ヘッダーと、着脱可能に接続するように構成したことを特徴とする。

（３）上記各発明において、前記液冷部の前記熱交換部を、内部を作動流体が流れるヒートパイプにより構成したことを特徴とする。

上記各発明によれば、1つの装置内に空冷設備と液冷設備を備えているため、２種類の冷却設備を別個に構築する必要がなく、コスト削減および設置スペース削減が実現できるという効果がある。
また、ＩＣＴ装置の各構成要素に応じて適切な冷却方式が選択可能となり、冷却に要するエネルギーを最小化することができるという効果がある。

また、液冷部はＩＣＴ装置の装置を直接冷却するため、冷媒温度を高く設定可能である。これにより、冷熱源である冷媒の運用温度を上げることができるため、冷凍機の運転効率向上が可能という効果がある。
さらに、冷媒の運用温度を高めに設定できることにより、フリークーリング等の外気冷熱を利用するシステムにあっては、その運転時間を長く取ることが可能となり、年間を通じたランニングコストを低減できるという効果がある。
さらに、空冷部と比較して冷媒の運用温度を高めに設定できるため、冷媒流路を空冷部通過後とする（空冷部分と液冷部分の冷媒をカスケードに流す）こともできる。これにより、パラレルに流す場合と比較して必要な冷媒循環量を減らすことができ、冷媒循環に必要な動力削減が可能となり、省エネルギー化に資する。

また、液冷部と空冷部の接続をカップリング接続機構により着脱可能に構成した発明にあっては、従来、短周期で行われているＩＣＴ装置の入れ替え（設置または撤去）に際して、対応が容易になるという効果がある。

第一の実施形態に係るサーバラック冷却装置１の全体構成（正面）を示す図である。 同側断面の構成を示す図である。 液冷部３の詳細構成を示す図である。 サーバラック冷却装置１を用いた機械室空調システム１Ａを示す図である。 第二の実施形態に係るサーバラック冷却装置３０を示す図である。 サーバラック冷却装置３０の液冷部３１の詳細構成を示す図である。 第三の実施形態に係る機械室空調システム４０Ａを示す図である。 第四の実施形態に係る機械室空調システム５０Ａを示す図である。 第五の実施形態に係るサーバラック冷却装置６０の全体構成（側断面）を示す図である。 同平断面を示す図である。 従来のサーバラック冷却装置１００を示す図である。

以下、本発明に係るサーバラック冷却装置の実施形態について、図１乃至１０を参照してさらに詳細に説明する。重複を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１乃至４を参照して、本実施形態に係るサーバラック冷却装置（以下、ラック冷却装置と略記する場合がある）１は、情報通信機械室（データセンター）５内に収容される複数のサーバラック６の背面側に取り付けられ、サーバラック６から排出される高温排気を冷却する装置である。ラック冷却装置１は、後述するようにベース空調機８とともに機械室空調システム１Ａを構成する。
サーバラック冷却装置１は、サーバラック６の排気面に配置される空冷部２と、ラック内ＩＣＴ機器７（以下、サーバと略記する場合がある）内部の高発熱部７ａ（例えばＣＰＵ、トランス等）を直接冷却する液冷部３と、を主要構成として備えている。
空冷部２は、両端に垂直方向に配置される往き側ヘッダー２ａ及び戻り側ヘッダー２ｂと、両ヘッダー間に水平方向に並列配置される複数の熱交換パイプ２ｃ群と、両ヘッダーの所定の位置に複数設けられ、先端に接続用カップリングを備えた液冷部接続口２ｄ、２ｅと、を主要構成として備えている。ヘッダー２ａ、２ｂ及び熱交換パイプ２ｃ内部を冷媒が流れるように構成されている。各熱交換パイプ２ｃは熱交換促進のためのフィン付パイプにより構成され、また冷媒通過量を均一化するため配管抵抗を合わせるための不図示の調整手段（例えばコイル構造）が講じられている。

図３を参照して、液冷部３は、往き側ヘッダー２ａから分岐して戻り側ヘッダー２ｂに合流する分岐配管３ａを主要構成とする冷媒循環部３ｃと、分岐配管３ａの経路中に高発熱部７ａと接触してこれを直接冷却する熱交換部３ｂと、を備えている。分岐配管３ａの端部３ｃ、３ｄと、両ヘッダーの液冷部接続口２ｄ、２ｅには接続用カップリング機構２ｆ、２ｇ（例えばフレア接続等）が設けられており、着脱可能に構成されている。なお、液冷を必要としないサーバ（図２の最下段サーバ参照）については分岐配管３ａを接続せず、液冷部接続口２ｈを閉止可能に構成されている。往き側ヘッダー２ａ及び戻り側ヘッダー２ｂは、後述するようにそれぞれ集合配管９ｂ、９ｃに接続されている。

次に図４を参照して、ラック冷却装置１が収容されている機械室５の空調システムについて説明する。本実施形態に係る機械室空調システム１Ａは、アンビエント空調としてのベース空調機８と、局所空調としての複数のサーバラック冷却装置１と、を冷気供給源として備えている。機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより、室内空間５ａ、天井空間５ｂ、二重床空間５ｃの３つの空間に区画されている。
室内空間５ａには、複数のサーバラック６がラック列６ｂを構成して収容されている。サーバラック６内部は複数段に分割されており、各段にサーバ７が格納されている。各サーバ7はそれぞれ冷却ファン（図示せず）を備えており、ラック全体として前面から冷気を吸込み、装置内部を冷却したのち高温空気を背面から排気するように構成されている。かかる構成により、ラック列６ｂの前面側にはコールドアイル５ｇが、背面側にはホットアイル５ｈが構成される。

空調機８は、蒸発器８ａ及び送風機８ｂを備えた室内機と、蒸発器８ａと冷媒配管で接続される圧縮機、凝縮器等を主要構成とする室外機（いずれも不図示）を備えている。空調機８は、機内に導入される室内空気を蒸発器８ａにおいて発生させた冷熱により冷却し、送風機８ｂにより機械室５内に供給する。
一方、ラック冷却装置１については、往き側ヘッダー２ａ及び戻り側ヘッダー２ｂは、それぞれ冷媒配管９ｂ、９ｃを介して室外機９ａに接続されている。これにより、空冷部２、液冷部３及び室外機９ａの間に冷媒循環回路９が構築されている。

以上の構成により、機械室５における空調は以下のように行われる。空調機８に導入される室内空気は蒸発器８ａにおいて冷気となって二重床空間５ｃに送出され、さらに床パネル５ｄに複数設けられた吹出し口５ｆを介してコールドアイル５ｇに供給される。冷気は各サーバラック６に導入され、ラック内のサーバ７を冷却した後に高温排気となって背面からホットアイル５ｈに排出される。
排気は、ラック冷却装置１の空冷部２の熱交換用パイプ２ｃ群表面を通過する際に、熱交換により冷却される。一方、往き側ヘッダー２ａから分岐して熱交換用パイプ２ｃ内を流れる液冷媒は、高温排気との熱交換により蒸発して冷媒蒸気となって戻り側ヘッダー２ｂに流入する。
また、往き側ヘッダー２ａから分岐配管３ａを介して直接冷却部に導かれた冷媒は、高発熱部７ａと接触する熱交換部３ｂに導かれ、高発熱部７ａを冷却する際に蒸発して戻り側ヘッダー２ｂに合流する。このように、ラック冷却装置１をサーバラック６の排気面に設置することにより排気温度を低下することができるため、ベース空調機８の負荷軽減に繋がり、ベース空調設備の小型化が可能となる。

なお、本実施形態では（ベース空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせにより空調する例を示したが、ラック列内にタスク空調機を配設して、（タスク空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせにより空調する態様とすることもできる。さらに、（ベース空調機＋タスク空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせの態様とすることもできる。さらに、ラック冷却装置単体による空調態様とすることもできる。

また、本実施形態ではラック冷却装置をサーバラックの背面側に設置する例を示したが、これに限らず例えば上面排気タイプのサーバラックに対してはラック上部設置等、排気面の外側にラック冷却装置を取り付ける態様とすることができる。

（第二の実施形態）
次に、図５、６を参照して本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態に係るサーバラック冷却装置３０が上述のサーバラック冷却装置１と異なる点は、液冷部３１の熱交換材料としてヒートパイプ３２を用いていることである。空冷部２の構成はラック冷却装置１と同様である。液冷部３１は、往き側ヘッダー２ａから分岐して戻り側ヘッダー２ｂに合流する分岐配管３３と、蒸発部３２ａにおいて高発熱部７ａから吸熱して凝縮部３２ｂにおいて分岐配管３３内の冷媒に放熱するヒートパイプ３２と、を備えている。分岐配管３３の端部３３ａ、３３ｂは、両ヘッダーの液冷部接続口２ｄ、２ｅとカップリング機構２ｆ、２ｄにより着脱可能に接続している。
ヒートパイプ３２内部には蒸発部３２ａで吸熱して気相状態になり、凝縮部３２ｂで放熱して液相状態となるような特性を有する作動流体が封入されている。作動流体としては、水、フロン、ＣＯ２、炭化水素などの低沸点媒体を用いることができる。
このような構成により凝縮部３２ｂ内部の気相状態の作動流体は、分岐配管３３を介して凝縮部３２ｂに導かれた冷媒と熱交換して凝縮する。凝縮した作動流体液は管内を流下して蒸発部３２ａに至り、ここで高発熱部７ａと熱交換してこれを冷却し、蒸発部３２ａ内部の作動流体自身は蒸発し、パイプ内を上昇して凝縮部３２ｂに戻る。以上の挙動を繰り返すことによりサーバ内の高発熱部を冷却する。
なお、サーバ内の他の構成部品は上述の実施形態と同じく、ベース空調機８及びラック冷却装置３０の空冷部２により冷却される。

（第三の実施形態）
次に、図７を参照して本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態に係る機械室空調システム４０Ａの構成が上述の第一の実施形態に係る空調システム１Ａと異なる点は、ベース空調機８を備えていないことである。従って、各サーバラック６の冷却はサーバラック冷却装置１のみにより行なわれる。また、室内空気循環を送風機７１により行っていることである。ラック冷却装置１の構成自体は第一の実施形態と同一である。
また、空調システム４０Ａにおけるサーバラック６の冷却形態についても、液冷部３による高発熱部の冷却を含め第一の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

（第四の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態に係るサーバラック冷却装置５０の構成が、第一の実施形態に係るサーバラック冷却装置１と異なる点は、空冷部５１がサーバラック６の背面（排気面）側ではなく、前面（吸気面）側に配置されていることである。また、液冷部５２は前面側から分岐して、ラック内部に配置されていることである。その他の構成については、ラック前面側に配置するための構造上の相違を除いて、接続用カップリングの構成を含めて、サーバラック冷却装置１と同様である。その他、冷媒循環系統の構成等についても同様であるので、図示及び重複説明を省略する。
かかる構成により、サーバラック冷却装置１は、ラック前面からラック内部に導入される吸気をより冷却することが可能となり、ベース空調機８の負荷軽減に寄与する。

本実施形態では（ベース空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせによる空調システムの例を示したが、ラック列内にタスク空調機を配設して、（タスク空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせ、又は、（ベース空調機＋タスク空調機＋ラック冷却装置）の組み合わせの態様とすることもできる。さらに、ラック冷却装置単体による態様とすることもできる。

本実施形態に係るサーバラック冷却装置にあっては、前面設置であるため、ラック内部に所望温度の空気を供給することが可能となる。
また、ラック内にサーバを設置する際に、サーバと本冷却装置の接続作業を前面から行うことができ、ラックのメンテナンススペースを前面に集約できるという特長を有する。

（第五の実施形態）
さらに、図９、１０を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態に係るサーバラック冷却装置６０は、装置全体がラック内部に収容されている点において、空冷部がラック外部に配置されているサーバラック冷却装置１等と異なる。また、サーバラック６は前面扉部６ｃ、背面部６ｄに開口がなく、コールドアイル５ｇからの吸気が行われない点も異なる。
サーバラック冷却装置６０の構成は、基本的にサーバラック冷却装置１と同一であり、空冷部６１と、ラック内ＩＣＴ機器内部の高発熱部７ａを直接冷却する液冷部６２と、を主要構成として備えている。
空冷部６１は、内部を冷媒が通過する往き側ヘッダー６１ａ、戻り側ヘッダー６１ｂ、両ヘッダー間に並列配置される複数のフィン付熱交換パイプ６１ｃ群を備えている。熱交換パイプ６１ｃ群は、ラック内を循環する空気流の方向と直角方向に配置されている。
液冷部６２は、空冷部６１の両ヘッダーから分岐、合流する分岐配管６２ａと、分岐配管３ａの経路中に高発熱部７ａと接触してこれを直接冷却する熱交換部６２ｂと、を備えている。空冷部６１と液冷部６２とは、サーバラック冷却装置１と同様の接続用カップリング機構６１ｆ、６１ｇにより、着脱可能に構成されている。
その他の構成及び冷媒循環系統については、サーバラック冷却装置１と同様であるので、図示及び重複説明を省略する。

次に、サーバラック冷却装置６０におけるサーバ７の冷却態様について説明する。サーバ７が備えるファン７ｂにより、ラック内を循環する空気は空冷部６１において冷却され、冷気となってサーバ７内に吸い込まれる。この場合、空冷部６１は循環空気と直角方向に配置されているため、熱交換パイプ６１ｃによる熱交換効率の向上が図られる。
液冷部６２による高発熱部７ａの直接冷却の態様については、上述の各実施形態と同様である。
本実施形態に係るサーバラック冷却装置にあっては、ラック内で冷却空気を循環させるため、他のラックの稼働率の変動に伴う吸込み面空気温度変化の影響を受けることなく、ラック毎の温度管理が極めて容易になるという特長を有する。

本発明は、熱源方式、冷媒種類、空調方式、建築構造等を問わずサーバラック内のＩＣＴ装置の冷却装置として広く適用可能である。

１，３０、４０・・・・サーバラック冷却装置
１Ａ，３０Ａ、４０Ａ、５０Ａ・・・・機械室空調システム
２、５１、６１・・・・空冷部
２ａ、６１ａ ・・・往き側ヘッダー
２ｂ、６１ｂ・・・戻り側ヘッダー
２ｃ、６１ｃ・・・熱交換パイプ
２ｄ・・・液冷部接続口
２ｆ、２ｇ・・・カップリング機構
３、３１・・・液冷部
３ａ・・・分岐配管
５・・・・機械室
６・・・・サーバラック
７・・・・ＩＣＴ装置（サーバ）
７ａ・・・高発熱部
８・・・・ベース空調機
９・・・・冷媒循環回路
３２・・・ヒートパイプ
７１・・・送風機

Claims (3)

1. 冷却対象空間に収容され、室内に供給される冷気を吸気して高温空気を排気するサーバラックを冷却するためのサーバラック冷却装置であって、
   吸排気を遮断するように構成したサーバラックの内部空間に配置され、ＩＣＴ機器からの排気を冷却する空冷部と、
   サーバラック内に配置され、ラック内に格納されるＩＣＴ機器の高温発熱体を直接冷却するための液冷部と、を含んで構成され、
   該空冷部は、配管内を冷媒が通過するように構成した往き側ヘッダーと、戻り側ヘッダーと、両ヘッダー間に並列に配置される熱交換用パイプ群と、を備え、
   該液冷部は、往き側ヘッダーから分岐して戻り側ヘッダーに合流する冷媒循環部と、該高温発熱体から吸熱して該冷媒循環部内を流れる冷媒に放熱する熱交換部と、を備え、
   て成ることを特徴とするサーバラック冷却装置。
2. 前記冷媒循環部の分岐端部及び合流端部は、それぞれ前記往き側ヘッダー及び前記戻り側ヘッダーと、着脱可能に接続するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のサーバラック冷却装置。
3. 前記液冷部の前記熱交換部を、内部を作動流体が流れるヒートパイプにより構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のサーバラック冷却装置。

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