JP5921931B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、データセンター等の情報処理機器の発熱が大きい空間における空調システムに関する。

サーバ、ルータ、ゲートウエイ、サーバの周辺機器であるネットワークデバイス等の情報処理機器が、例えばラック状の入れ物に設置されているデータセンターのサーバ室、或いは高度な通信機器をやはりラック状の入れ物に設置している通信電子機器設置室、或いは高度高速な計算が可能な高性能なスーパーコンピュータを設置した電算機室などにおいて、電子情報処理機器の演算回路の集積のめざましい進化により、単位情報処理機器の発熱も増え、さらに単位情報処理機器が小型化したことによる情報処理機器の集積化が進み、室内の単位平面積あたりの発熱負荷が増大している。
これら単位情報処理機器の正常な動作環境を維持するために、当該室内は常に冷房されている。発熱量の増加及び集積化の密度増加により、空調機によりせっかく空気を冷却して当該室内へ送風しても、単位情報処理機器へ冷気が供給できず、単位情報処理機器が備えるＣＰＵのための温度保護回路により単位情報処理機器が次々ダウンする問題が頻発し、室内の冷やすべきところへの冷気供給が課題となっている。また、営業上、上記情報処理機器を設置できる室の大きさを大きく、機械室を除く建物のレンタブル比を向上させるため、無駄に大風量の空調機を設置したくなく、最低限の空調機容量で機械室を小さくしたいとの要望もある。

一般には、従前の電算室空調と同じく、空調機により還気を冷却した給気として床下を経由して床吹出口を介し室内に冷気を導き、室内の情報処理機器の排熱を冷気により冷却し、温まった還気を天井吸込口を介して天井を経由して再び空調機へ戻す空気循環で冷却する空調システムが採用されている。
特に、最近の単位情報処理機器は自身で小さな冷却ファンを備えており、空気冷却の通行方向が決まっている機器がある。このような単位情報処理機器を有し、それをラック状に複数段配置している情報処理装置を備え、床から冷気を吹き出す室の場合、情報処理装置の前面同士、後面同士を互いに向かい合わせ、例えば床下から吹き出された冷気が情報処理装置の前面から吸い込まれ、後面に熱気として排出される「コールドアイル・ホットアイル方式」が主流となって採用されている。

その一例を図６に示すデータセンター用の空調システムに基づいて説明する。
データセンター１は、サーバー、ルーター、ネットワークデバイス等の情報処理機器１２をそれぞれ収容する複数台のラック１１の列を通路１３を挟んでデータセンター室２内に対向配置している。データセンター室２は、床側が床下空間５から冷気を通気口４を介して供給する二重床３で構成され、天井側がデータセンター室２内の排熱を天井空間８内に通気口７を介して排出する二重天井６で構成されている。
床下空間５と天井空間８とは、データセンター室２に隣接する機械室９に配置した空調機１０に繋がっている。
ラック１１は、内部の情報処理機器１２が個々に冷却フアンを持っていて前面１１ａから通気口４からデータセンター室２内に供給される冷気を吸い込み、背面１１ｂから高温の排気を放出するように構成されている。このため、ラック１１の前面１１ａが接する空間をコールドアイル（データセンター室２内の空間のうち、空調機１０が送り出して情報処理機器１２が吸引する冷気を集めた空間）、背面１１ｂ側をホットアイル（データセンター室２内の空間のうち、情報処理機器１２の排熱だけを集めた空間）にする。例えば、図６に示すように、ラック１１を２列並べる場合は、ラック１１の前面１１ａ同士を向かい合わせてコールドアイルを作る。

このように構成された空調システムでは、情報処理機器１２を収めたラック１１の列を並べて設置されたデータセンター室２全体内に、空調機１０で生成された冷気を床下空間５から通気口４を介して供給し、ラック１１の前面１１ａが接する空間にコールドアイルを形成し、ラック１１の前面１１ａから内部に冷却ファンによって冷気を吸い込み、ラック１１内の情報処理機器１２を冷却し、排熱をラック１１の背面１１ｂからデータセンター室２内に排出し、ラック１１の背面１１ｂ側のホットアイルから通気口７を介して天井空間８内に排熱を排出し、空調機１０に戻すことで空気を循環してデータセンター室２内のコールドアイルを情報処理機器１２が十分に冷却される温度に保持するように運転されている。

しかし、図６の空調システムでは、ラック１１の背面１１ｂに排出した高温の空気が、矢印１１ｃで示すように、ラック１１の前面１１ａの冷気と混合し混合ロス、つまりせっかくの冷気を情報処理機器１２に供給して冷却の用に供さず、還気として天井通気口７から排出して空調機に戻すべき高温の空気を冷却してしまう熱ロスを引き起こすという問題があった。
また、ラック１１内の情報処理機器１２の発熱量及び排出する高温の空気量が増加したことにより、上記混合ロスがさらに生じやすくデータセンター室２内の温熱環境が悪化し、集積が進む程情報処理装置１２の温熱環境が維持できなくなるという問題があった。
また、ラック１１内の情報処理機器１２の発熱量が増加したことにより、必要な冷却能力も増大している。

また、ラック１１内の情報処理機器１２の演算データ量や演算頻度により発熱量はばらつきがあるため、部分的な高発熱への冷却対応が必要となっている。
しかし、空調機はエリア毎に１台であり、同一空間における部分的な対応ができないため、全体の循環風量を増加させる等の対応しかなく、空調に必要な搬送動力が増大してしまう。また、還気を一括して空調機コイルで処理するため、発熱量の高いエリアからの還気に影響されて全体の還気温度も上昇し、空調機コイルの冷却制御の過渡期では給気温度が上昇して、低発熱エリアも高温になる。これにより、情報処理機器１２が吸引する温度が高くなってしまうため、情報処理機器自体が十分に冷却されず、情報処理機器が備える温度保護回路により情報処理機器がダウンする等の問題があった。

さらに、保健空調としての居住者のための冷房では、室内負荷や建屋負荷を処理した後の室内空気温湿度条件が２６℃、５０％ＲＨ等であるべきで空調機から吹き出す給気温度は１８℃程度が必要なところ、保健空調ではないデータセンター室内では、室内負荷処理前における情報処理機器１２の吸込口での空気温度が２６℃、５０％ＲＨ程度でもよく、天井での吸い込み還気温度は３５℃〜４０℃程度で空調機に還ってくることとなる。よって、空調機の冷却コイルを流れる冷媒（水でもフロン冷媒でも）の温度を保健空調より上昇させることが可能で、冷凍機の蒸発温度を上げて成績係数ＣＯＰを向上させることが可能である。
しかし、このようなきめ細かな省エネルギーを行う空調システムは従前無かった。
さらに、空調機コイルへ供給する冷媒温度が上昇可能なことによる、外気フリークーリングを有効に利用する空調システムも、従前無かった。

例えば、ラック１１の背面１１ｂにおける領域１１ｄでは、部分的な高発熱に個別に対応できないため、処理しきれない排熱が矢印１１ｅで示すように、ラック１１の吸引側である前面１１ａへ回り込むこととなる。
また、ラック１１の背面１１ｂにおける領域１１ｆでは、低負荷側も発熱量の高いエリアからの還気に影響されて全体の還気温度も上昇し、空調機コイルの冷却制御の過渡期では給気温度が上昇し高温となり、ラック１１の前面１１ａの給気温度が高くなって領域１１ｆから混合しやすくなり、そのため背面１１ｂの領域１１ｆから排熱が矢印１１ｅで示すように、ラック１１の吸引側である前面１１ａへ回り込むこととなる。
そして、空調機１０には冷却コイルが一つしかなく、外気フリークーリングを利用しづらい空調機構成となっており、コイルを流れる冷媒についても特に温度について留意していなかった。

そこで、冷却のための消費エネルギーの増大を抑制しつつ、室内の情報処理機器への適切な冷気供給により冷却能力を向上させるため、高発熱負荷を持つ情報処理機器の設置環境を維持することが可能なデータセンター向け冷房システムが要望されている。
そこで、例えば、サーバラック上面にホットアイル側の熱い空気の回り込みを阻止するエアカーテンを上向きに設置するラックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ホットアイルとコールドアイルとを分離するためエアカーテンを設ける技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４５１０５０３号公報 特開２０１１−１７６１３５号公報

しかし、特許文献１のラックでは、エアカーテンから上向きに吹き出した空気は、天井吸込口にエアカーテン気流を吸わせることなく、天井下の室内で空気を循環しており、なまじ高速で吹き出すエアカーテン気流により周囲の空気を誘引させたり渦を発生させたりして、かえって積極的にコールドアイル側とホットアイル側とを混合してしまっている。
また、エアカーテン気流として吹き出した気流を再びエアカーテンファンに吸い込んでいるが、このような循環を作ってしまうと、ファン発熱の多いエアカーテンファンにより空気が加熱され、コールドアイル側へ無駄な発熱を伝えてしまうことになり、情報処理機器へ高温空気を供給する羽目になる。
このように、冷気の扱いを考慮せずいたずらに室内でエアカーテン気流を循環してしまい、発熱を帯びた情報処理機器の排気の有効な天井通気孔への還気が行えない。

また、特許文献２では、電気制御盤列７の上部のコールドアイルに相当する冷気領域１４の上部を覆う断熱側壁１２に囲われたダクトの下面の冷気吐出口１１から冷風を吹き出すにあたり、断熱側壁１２下部の吹出口から、電気制御盤列７の前面上部に向かって冷気を吹き出してエアカーテンを形成する仕切り部１３を設けるとあるが、この場合上から下向きに冷気を高速で吹き出すエアカーテンで、吹き出した側にプルする吸い込みは特に備わっていない。よって、せっかくの冷気を高速エアカーテンの気流に使ってしまい、その境界域で電気制御盤列７上方の暖気と混合が発生して無駄に冷気が使われてしまう。また、冷気エアカーテンが下向きで、電気制御盤列７の上方に暖気排気面９があり上向き流となっているので、渦が発生して積極的に混合が発生してしまう不具合が起こりうる。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、情報処理機器の冷却に費やされるエネルギーの増大を抑制するため、天井の還気用通気口で積極的にエアカーテン気流を吸い込むことで、強力な空気の仕切りをラック端部で上向きに生じさせ、排熱の回り込みを防止することができる空調システムを提供する。
さらに、情報処理機器の冷却に費やされるエネルギーの増大を抑制する大前提の基、高発熱のラック列など偏在する高発熱情報処理機器列に対応するため、局所空調機の冷却コイルを流れる冷媒の温度を保健空調より上昇させて、冷凍機の蒸発温度を上げて成績係数ＣＯＰを向上させ、さらに、外気フリークーリングも有効に利用する空調システムを提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の前記天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にある前記ラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設けると共に、前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設けられ、前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記空気調和装置のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にある前記ラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設け、前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設けると共に、前記天井還気口の一部又は全部とダクトで連通する局所空調機を設け、前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記局所空調機のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成し、前記局所空調機の吹出気流を前記天井内風路に供給することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にあるラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設けると共に、前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設け、前記天井還気口の一部又は全部とダクトで連通する局所空調機を設けると共に、前記ラックの列の前面側の通路であるコールドアイル側の天井に通気口を設け、前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記局所空調機のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成すると共に、前記天井還気口で吸い込んだ前記ホットアイルの熱くなった空気の熱負荷を前記局所空調機にて冷却後、前記通気口から前記コールドアイル側へ給気することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３記載の空調システムにおいて、前記局所空調機には、直膨コイルを２段設置し、還気側に冷媒自然／強制循環の直膨コイル、給気側には冷凍サイクルの蒸発器直膨コイルを設置するダブルコイル空調機とし、前記冷媒自然／強制循環の直膨コイルには前記局所空調機より高い位置にある室外機との冷媒循環を、ポンプによる冷媒強制循環と、冷媒の温度による密度差による冷媒自然循環とを外気条件で切り換えて使用することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４記載の空調システムにおいて、前記室外機側の凝縮器は、熱交換器の外気側に水噴霧して能力増強するエバポレータコンデンサとなっていることを特徴とする。

本発明によれば、ラックの列のホットアイル側に位置する上端にエアカーテン生成ユニットを設置して上向きに送風し、天井還気口により吸い込む配置でプッシュ−プルの強い気流を形成することで、排熱の回り込みが防止でき、効率よく排熱を処理することができる。
本発明によれば、室全体の排熱処理に加えて、高負荷エリアだけ個別に冷却を行うことができるため、各ラックの列前面からの給気温度を適切に効率よく給気できる。各情報処理機器の冷却が安定し、情報処理機器を設置する環境の信頼性が向上する。
本発明によれば、高発熱負荷の情報処理機器の増設収納に対応できる冷却能力を、既存のアクセスフロア床下吹き空気調和設備を変更することなく、局所的に付加して対応できる。

本発明によれば、局所空調機の冷却コイルを流れる冷媒の温度を保健空調より上昇させて、冷凍機の蒸発温度を上げて成績係数ＣＯＰを向上させることができる。
本発明によれば、局所空調機には、直膨コイルを２段設置し、還気側に冷媒自然／強制循環の直膨コイル、給気側には冷凍サイクルの蒸発器直膨コイルを設置するダブルコイル空調機とすることで、外気が有する冷熱を有効に利用できる外気フリークーリングが行えるので冷却に費やされるエネルギーを省くことができる。
本発明によれば、局所空調機に設置される冷媒自然／強制循環の直膨コイルに対応する室外機の凝縮コイルは、熱交換器の外気側に水噴霧するエバポレータコンデンサとすることで、外気が有する潜熱も有効利用できる外気フリークーリングが行えてさらに冷却に費やされるエネルギーを省くことができる。

本発明の第一実施形態に係る空調システムを示す説明図である。 図１のラックの列と還気口との関係を平面的に示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る空調システムを示す説明図である。 図３に示す空調システムに用いる局所空調機と室外機との関係を示す説明図である。 本発明の第三実施形態に係る空調システムを示す説明図である。 従来の空調システムを示す説明図である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
（第一実施形態）
図１、図２は、本発明をデータセンター用の空調システムに適用した実施形態を示す。
データセンター２０は、サーバ、ルータ、ゲートウエイ、サーバの周辺機器であるネットワークデバイス等の情報処理機器２３をそれぞれ収容する複数台のラック２２の列を、通路２４を挟んでデータセンター室２１内に対向配置している。データセンター室２１は、床側が床下空間から空調機３２により還気を冷却して給気される冷気を床吹出口２７を介して供給する二重床２５で構成され、天井側がデータセンター室２１内の排熱を天井内風路である天井空間２９内へ天井に位置する還気口３０を介して室から排出する二重天井２８で構成されている。

床下空間２６と天井空間２９とは、データセンター室２１に隣接する機械室３１に配置した空調機３２に繋がっている。天井に位置する還気口３０を介して天井空間２９内に、空調機３２が内蔵するファンにより吸引される室から排出される排熱を帯びた還気は、空調機３２に吸い込まれて冷却される。
ラック２２は、内部の複数の情報処理機器２３を各前側背側を揃えて収容し、情報処理機器２３が個々に冷却ファンを持っていて、情報処理機器２３の前側が揃ったラック２２の前面２２ａから二重床２６を通じて空調機３２で冷却され床吹出口２７を介して室内に給気される冷気を吸い込み、情報処理機器２３の背側が揃ったラック２２の背面２２ｂから高温の排気を放出するように構成されている。
このため、ラック２２の前面２２ａが接する空間をコールドアイル（データセンター室２１内の空間のうち、空調機３２が送り出して情報処理機器２３が吸引する冷気を集めた空間）、背面２２ｂ側をホットアイル（データセンター室２１内の空間のうち、情報処理機器２３の排熱だけを集めた空間）にする。例えば、図１に示すように、ラック２２を２列並べる場合は、ラック２２の前面２２ａ同士を向かい合わせてコールドアイルを作る。

各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端には、上向きにエアカーテン３４を設けるためのクロスフロー方式のプッシュファン（エアカーテン生成ユニット）３３が設けられている。
クロスフロー方式のプッシュファン３３は、例えば、モータの軸両端を長く延長した回転軸を中心にして所定の間隔で配列された複数の円形の支持部材と、この支持部材の円周方向に配設する多数の羽根（翼）を有する羽根車と、長尺の矩形筐体内部にて、羽根車の片側半円部分をカタツムリ型を為す、羽根車から出る空気の速度エネルギーを圧力エネルギーに回収変換する内部ケーシングで覆って、ケーシング端部に吐出口を有する構成とし、回転軸と直角の方向に吸い込んで送風する方向を一直線状にすることができる。
エアカーテン３４は、二重天井２８に設けた還気口３０に排熱を導けるように、例えば、図２に示すように、エアカーテン３４がラック２２の列と平行に複数並置され、そのエアカーテン３４の列が通路２４端の上方に位置する還気口３０の端部と重なるように、クロスフロー方式のプッシュファン３３によるプッシュ流、及び還気口３０の吸引によるプル流のプッシュ−プル流れで、各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端に、幕状に形成される。

次に、本実施形態の作用を説明する。
先ず、情報処理機器２３を収めたラック２２の列を並べて設置されたデータセンター室２１全体内に、ラック２２の前面２２ａがラック２２の列同士で向かい合って接する空間にコールドアイルを形成し、ラック２２の背面２２ｂがラック２２の列同士で向かい合って接する空間にホットアイルを形成し、空調機３２で生成された冷気を床下空間２６からコールドアイル部分に設置される床吹出口２７を介して供給し、ラック２２の前面２２ａから内部に備わる冷却ファンによって冷気を吸い込み、ラック２２内の情報処理機器２３のＣＰＵや回路の発熱を冷却し、排熱をラック２２の背面２２ｂから部屋２１内のホットアイルに排出する。

この際、クロスフロー方式のプッシュファン３３は、ホットアイル側の排熱で熱くなった空気を吸い込み上方へ吹き出すように気流を作り、さらに、クロスフロー方式のプッシュファン３３の吹出風量よりも、空調機３２のファンによる吸込風量を多くして、各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端にプッシュ−プル気流を形成しながら、残りの還気としてホットアイルの排熱を伴った空気も室から排出する。
このように、各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端クロスフロー方式のプッシュファン３３と還気口３０の端部との間に一様な気流（幕状の気流）を作り出し、ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端に作られた見えない仕切りにより、ホットアイルをきちんと区画形成する。

ラック２２の背面２２ｂ側のホットアイルに排出された排熱は、クロスフロー方式のプッシュファン（エアカーテン生成ユニット）３３によって形成される上向きのエアカーテン３４によって二重天井２８の還気口３０へ吸引され、空調機３２に戻される。
空調機３２に戻された空気は、空調機３２によって冷却され、再び床下空間２６を経由してデータセンター室２１内のコールドアイルに供給され、データセンター室２１内のコールドアイルを情報処理機器２３が十分に冷却される温度に保持するように運転される。

本発明によれば、各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側ラック上端に、上向きにエアカーテン３４を設けるためのクロスフロー方式のプッシュファン（エアカーテン生成ユニット）３３を設けることによって、天井の還気口３０と合わせてプッシュ−プル型エアカーテンを形成することが可能となり、ホットアイルとコールドアイルとの区画がきちんと形成できて、ホットアイル側からの排熱のコールドアイル側への回り込みが抑制されるので、情報処理機器２３による排熱の再吸引を確実に防止することが可能となる。
また、本実施形態によれば、高発熱負荷の情報処理機器２３の増設収納に対応できる冷却能力を、既存のアクセスフロア床下吹き空調機３２を変更することなく、冷媒の熱搬送を増加させることだけ付加して対応できる。

また、本実施形態によれば、室内のホットアイル側及びコールドアイル側の温度が安定し、情報処理機器２３を設置する環境の信頼性が向上する。
また、本実施形態においては、ラック２２の前面２２ａ側のコールドアイルと、ラック２２の背面２２ｂ側のホットアイルとのエアカーテン３４での見えない仕切りは、プッシュ−プル気流として天井の還気口３０に吸われるので、室内での渦流を形成しづらく、よって、エアカーテンの気流によりコールドアイル側空気とホットアイル側空気との混合は非常に生じにくい。

（第二実施形態）
図３、図４は、本発明をデータセンター用の空調システムに適用した第二実施形態を示す。
本実施形態に係るデータセンター用の空調システムに適用したデータセンター２０Ａは、図３に示す左側のラック２２の列のホットアイルよりも、図３に示す右側のホットアイルには高発熱負荷の情報処理機器２３の増設収納され発熱が多いラック２２列からの排熱が集まる、高温のホットアイルが形成されており、この高温のホットアイルの領域の還気口３０から排熱を吸い込めるように局所空調機４０を設けた点で、第一実施形態に係るデータセンター用の空調システムに適用したデータセンター２０とは相違する。
局所空調機４０は、強制循環ポンプ４８による冷媒強制循環又は冷媒自然循環が可能な冷媒循環に用いる蒸発器／冷却器で構成されるフリークーリング（以下、ＦＣという）用冷却コイル４１と、冷凍サイクルの蒸発器で構成される冷却コイル４２と、ファン４３とを少なくとも備えている。ＦＣ用冷却コイル４１は、局所空調機４０より高く、かつ冷媒の温度による相変化や密度差により自然に循環路を冷媒が循環するだけの位置差に設置された室外機５９内に設置した凝縮器４７と接続され、外気が冷えていない夏期など自然冷媒循環ができない時期にはポンプ圧送できるよう凝縮器４７と接続する配管に強制循環ポンプ４８を備えて冷媒を循環できるようになっている。

ＦＣ用冷却コイル４１は、データセンター２０Ａを備える建物の屋上に設置した室外機５９内に配置したＦＣ用凝縮器４６に、冷媒液配管４４及び冷媒ガス配管４５を介して連結している。冷媒配管４４には、自然循環バルブ４７と強制循環ポンプ４８とが並列に設けられている。冷媒液配管４４と冷媒ガス配管４５との間の差圧を計測するための差圧計４９が設けられている。差圧計４９は、圧力制御器（ＰＩＣ）５０に連絡している。圧力制御器（ＰＩＣ）５０は、差圧計４９の計測値を入力し、必要な差圧が得られない場合に強制循環ポンプ４８を起動する信号をリレー回路（Ｒ）５１に出力する。リレー回路（Ｒ）５１は、強制循環ポンプ４８の起動時には自然循環バルブ４７を閉止し、バイパス内の冷媒の循環を防止する。

冷却コイル４２は、建物の屋上に設置した室外機５９内に配置した凝縮器５７に、膨張弁５８を備えた冷媒液配管５４と、圧縮機５６を備えた冷媒ガス配管５５を介して連結している。
室外機５９には、外気取込口６０と、排熱ファン６１と、ＦＣ用凝縮器４６と凝縮器５７とに水を噴霧する水噴霧器６２とが備えられている。ＦＣ用凝縮器４６及び凝縮器５７は、水噴霧器６２による表面への水噴霧により能力増強するエバポレータコンデンサとなる。

次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態においても、第一実施形態と同様に、クロスフロー方式のプッシュファン３３の吹出風量よりも、空気機３２のファンによる吸込風量を多くしてプッシュプルを形成し、クロスフロー方式のプッシュファン３３と還気口３０との間に一様の気流（一様流）を造りだし、ラック２２の列のホットアイル側上端に空気でアイル（通路）を形成する。
そして、ラック２２の列のホットアイルよりも高温のホットアイルが生成される領域の還気口３０においては、常時は、ＦＣ用凝縮器４６で液化した冷媒液をＦＣ用冷却コイル４１に流下し、ＦＣ用冷却コイル４１で気化した戻りの冷媒ガスとの比重差により冷媒を自然循環させ、ＦＣ用冷却コイル４１で空気を冷却する。

この際、差圧計４９は、ＦＣ用凝縮器４６で液化した冷媒液とＦＣ用冷却コイル４１で気化した戻りの冷媒ガスとの比重差を測定し、その測定値を圧力制御器（ＰＩＣ）５０に入力する。圧力制御器（ＰＩＣ）５０は、必要な差圧が得られない場合に強制循環ポンプ４８を起動する信号をリレー回路（Ｒ）５１に出力し、強制循環ポンプ４８の起動すると共に、自然循環バルブ４７を閉止させる。
しかし、外気条件によっては、ＦＣ用冷却コイル４１のみで十分に空気を冷却できない場合がある。このとき、局所空調機４０のファン４３からの吹出空気が設定温度に達しない。そこで、局所空調機４０のファン４３からの吹出空気の設定温度を維持するため、吹出空気温度を温度計５２で計測し、局所空調機４０のファン４３からの吹出空気が設定温度になるように温度制御器（ＴＩＣ）５３を介して圧縮機５６を起動し、冷却コイル４２による冷却を行う。

以上によって、図３の左側のようなラック２２の列のホットアイルよりも高温の図３の右側のような高温のホットアイルが生成される領域の還気口３０から局所空調機４０内に吸い込まれた排熱を帯びた３５℃〜４０℃の高温空気は、前段にあるＦＣ用冷却コイル４１にて、たとえＦＣ用凝縮器４６がエバポレータコンデンサでなく単なるコンデンサであり冷媒温度が夏の３４℃程度であっても、熱交換可能で冷却されて外気フリークーリングをされた後、冷凍サイクルの蒸発器である冷却コイル４２で冷却されるので、外気フリークーリング分冷凍サイクルの発生冷熱を節約できる。
さらに、夏期ではない時期では、ＦＣ用凝縮器４６にて冷媒温度が外気温に近い例えば２０℃程度になることで、殆ど外気フリークーリングとしてのＦＣ用冷却コイル４１の冷却で済むことがあり、冷凍サイクルの圧縮機を停止できる。このように、ＦＣ用冷却コイル４１単独又はＦＣ用冷却コイル４１と冷却コイル４２とによって確実に冷却される。

そして、残りのラック２２の列のホットアイルに排出された排熱は、第一実施形態と同様に、クロスフロー方式のプッシュファン３３によって形成される上向きのエアカーテン３４によって、ホットアイル側の排熱で熱くなった空気を吸い込み上方へ吹き出すように気流を作り、さらに、クロスフロー方式のプッシュファン３３の吹出風量よりも、空調機３２のファンによる吸込風量を多くして、各ラック２２の背面２２ｂのホットアイル側上端にプッシュ−プル気流を形成しながら、残りの還気としてホットアイルの排熱を伴った空気も室から還気口３０へ吸引され、空調機３２に戻される。

次に、本実施形態におけるエバポレータコンデンサについて説明する。
先ず、フリークーリングを利用するにあたり外気の温湿度の条件が必要になる。ここでは、東京における夏季の最も厳しい（フリークーリングを利用するのに厳しい）条件を想定して説明する。それが、乾球温度３３℃、湿球温度２７℃である。
エバポレータコンデンサでは、図４に示すように、ＦＣ用凝縮器４６及び凝縮器５７に水を噴霧しその蒸発潜熱を利用することで、ＦＣ用凝縮器４６及び凝縮器５７の熱交換器表面近傍の外気を概ね外気湿球温度近くまでにすることが可能である。つまり、ここでは想定した夏季の湿球温度２７℃までとは行かないまでも、ＦＣ用凝縮器４６及び凝縮器５７の熱交換器内の冷媒温度が２８℃程度までは到達すると考えられる。すなわち、夏でも冷媒温度を２８℃までは下げられると想定する。

次に、この２８℃の冷媒を使ってＦＣ用冷却コイル４１で空気を冷却するが、コイルの列数は有限のため冷媒温度までは冷却できないので、ここでは空気温度はそれより高い２９℃〜３０℃まで冷却できると考える。よって、フリークーリングよって空気を３０℃までは冷却するという想定にしている。
一方、ラック２２に収容される情報処理機器２３内の高発熱機器からの排気温度は３５℃〜４０℃くらいであろうと想定する。ここでは４０℃とする。さらに、コールドアイル側の保たれるべき温度は２６℃とする。
よって、４０℃の排気を３０℃まではフリークーリングにより冷却し、残りの４℃を冷凍サイクルによって冷却することになり、夏季でも７０％の熱処理が可能であるという想定になっている。

また、ラック２２に収容される情報処理機器２３内の高発熱機器は、一般的には１９インチラックというサーバー機器類を収納するラック２２を配列する形式が多いが、このラック２２には数十台のサーバー機器類が収納される。ブレードサーバーのような高密度機器を１９インチラックに満杯に実装した場合には、ラック１台あたり２０〜３０ｋＷの発熱量となる可能性がある。そのため、本実施形態のような局所的に排熱を処理する必要がある。

本実施形態によれば、第一実施形態の作用効果に加えて下記のような利点がある。
二重天井２８内にダブルコイル式空調機で構成される局所空調機４０を配置し、熱源としては空調機系統とは個別にフリークーリング機能付コンデンシングユニットとするので、外気条件によりフリークーリングが行えるので、エネルギー効率をより高く運用することもできる。
また、本実施形態によれば、排気温度の上昇に伴い稼動するため、部分的に負荷の高い情報処理機器２３の廻りだけをねらった冷却が可能となる。

なお、局所空調機４０は、部分的に負荷の高い情報処理機器２３の廻りだけに設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、全ての還気口３０に局所空調機４０を設けても良い。
また。本実施形態では、二重天井２８内にダブルコイル式空調機で構成される局所空調機４０を配置し、熱源としては空調機系統とは個別にフリークーリング機能付コンデンシングユニットとする場合について説明したが、本発明はこれに限らず、冷凍サイクルによって空調することができる空調機を用いても良い。

（第三実施形態）
図５は、本発明をデータセンター用の空調システムに適用した第三実施形態を示す。
本実施形態に係るデータセンター用の空調システムを適用したデータセンター２０Ｂは、還気口３０の一部と連通する局所空調機４０の冷却空気の吹出口６４を還気口３０に隣接するコールドアイル側に設けた点で、第二実施形態に係るデータセンター用の空調システムを適用したデータセンター２０Ａとは相違する。

本実施形態によれば、ラック２２の列のホットアイルよりも高温のホットアイルが生成される領域の還気口３０から局所空調機４０内に吸い込まれた排熱を、ＦＣ用冷却コイル４１単独又はＦＣ用冷却コイル４１と冷却コイル４２とによって確実に冷却した後、配管６３を介して吹出口６４からコールドアイル側へ給気することができる。
そして、残りのラック２２の列のホットアイルに排出された排熱は、第一実施形態と同様に、クロスフロー方式のプッシュファン（エアカーテン生成ユニット）３３によって形成される上向きのエアカーテン３４によって二重天井２８の還気口３０へ吸引され、空調機３２に戻される。

以上のように、本実施形態によれば、ラック２２の列のホットアイルよりも高温のホットアイルが生成される領域の還気口３０から局所空調機４０内に吸い込まれた排熱を、ＦＣ用冷却コイル４１単独又はＦＣ用冷却コイル４１と冷却コイル４２とによって確実に冷却した後、配管６３を介して吹出口６４からコールドアイル側へ給気するので、高温のホットアイルの排気を集中して取り込み、ＦＣ用冷却コイル４１単独又はＦＣ用冷却コイル４１と冷却コイル４２とによって直接冷却し、室内に戻し、負荷の一部をその場で処理することが可能となる。

２０，２０Ａ，２０Ｂ データセンター
２１ データセンター室
２２ ラック
２３ 情報処理機器
２４ 通路
２５ 二重床
２６ 床下空間
２７ 通気口
２８ 二重天井
２９ 天井空間
３０ 還気口
３１ 機械室
３２ 空調機
３３ クロスフロー方式のプッシュファン（エアカーテン生成ユニット）
３４ エアカーテン
４０ 局所空調機
４１ ＦＣ用冷却コイル
４２ 冷却コイル
４３ ファン
４４、５４ 冷媒液配管
４５、５５ 冷媒ガス配管
４６ ＦＣ用凝縮器
４７ 自然循環バルブ
４８ 強制循環ポンプ
４９ 差圧計
５０ 圧力制御器（ＰＩＣ）
５１ リレー回路（Ｒ）
５２ 温度計
５３ 温度制御器（ＴＩＣ）
５６ 圧縮機
５７ 凝縮器
５９ 室外機
６０ 外気取込口
６１ 排熱ファン
６２ 水噴霧器
６３ 配管
６４ 吹出口

Claims (5)

1. 複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、
   二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、
   天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、
   前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の前記天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、
   前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にある前記ラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設けると共に、
   前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設けられ、
   前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記空気調和装置のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成する
   ことを特徴とする空調システム。
2. 複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、
   二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、
   天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、
   前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、
   前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にある前記ラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設け、
   前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設けると共に、前記天井還気口の一部又は全部とダクトで連通する局所空調機を設け、
   前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記局所空調機のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成し、前記局所空調機の吹出気流を前記天井内風路に供給する
   ことを特徴とする空調システム。
3. 複数の情報処理機器を各前側背側を揃えて収容して通路を挟んで対向配置され、前記情報処理機器の前側が揃った前面から給気して前記情報処理機器の背側が揃った背面から熱を帯びた空気を排気する複数台のラックの列と、
   二重床を通じ前記ラックの列間の床吹出口を介して給気を吹き出す空気調和装置と、
   天井還気口を介して前記空気調和装置へ還気を送る天井内風路とを備え、
   前記空気調和装置から前記床吹出口を介して給気される冷却用空気が前記ラックの列の前面から吸い込まれ前記情報処理機器を冷却した後、前記ラックの列の背面側の通路上方の天井還気口に再び吸い込まれる空調システムにおいて、
   前記ラックの列の背面側の通路であるホットアイル側にあるラックの列の上端に、上向きにエアカーテンを形成するエアカーテン生成ユニットを設けると共に、前記天井還気口は前記エアカーテン生成ユニットと対向するように設け、
   前記天井還気口の一部又は全部とダクトで連通する局所空調機を設けると共に、前記ラックの列の前面側の通路であるコールドアイル側の天井に通気口を設け、
   前記エアカーテン生成ユニットの吹出風量よりも前記局所空調機のファンによる前記天井還気口での吸込風量を多くすることで、前記ホットアイル側にある前記ラックの列の上
   端にプッシュ−プル気流により空気による仕切りを形成すると共に、前記天井還気口で吸い込んだ前記ホットアイルの熱くなった空気の熱負荷を前記局所空調機にて冷却後、前記通気口から前記コールドアイル側へ給気する
   ことを特徴とする空調システム。
4. 請求項２又は請求項３記載の空調システムにおいて、
   前記局所空調機には、直膨コイルを２段設置し、還気側に冷媒自然／強制循環の直膨コイル、給気側には冷凍サイクルの蒸発器直膨コイルを設置するダブルコイル空調機とし、
   前記冷媒自然／強制循環の直膨コイルには前記局所空調機より高い位置にある室外機との冷媒循環を、ポンプによる冷媒強制循環と、冷媒の温度による密度差による冷媒自然循環とを外気条件で切り換えて使用する
   ことを特徴とする空調システム。
5. 請求項４記載の空調システムにおいて、
   前記室外機側の凝縮器は、熱交換器の外気側に水噴霧して能力増強するエバポレータコンデンサとなっている
   ことを特徴とする空調システム。
   

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