JP5982241B2

JP5982241B2 - Ｉｔ機器用ラック

Info

Publication number: JP5982241B2
Application number: JP2012211739A
Authority: JP
Inventors: 隆倉渕; 智之秦; 良文中原; 勝彦安本; 一吉野; 仁哉竹内
Original assignee: Tokyo University of Science; NEC Corp; NEC Fielding Ltd; Tonets Corp
Current assignee: Tokyo University of Science; NEC Corp; NEC Fielding Ltd; Tonets Corp
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP2014059852A

Description

この発明は、データセンターに配置された複数のＩＴ（InformationTechnology）機器、例えば、サーバ等を収容するＩＴ機器用ラックに関するものである。

図１３、１４に示すように、例えば、データセンターの、サーバ管理室８３には複数のサーバ７９を収容したサーバラック７０が配置される。サーバ７９は使用によって発熱するため、それぞれ背面側に冷却用の内臓ファン８０を備えている。サーバラック本体７１はサーバ７９の冷却を阻害しないように前背面が開放されたサーバ収容室７３となる棚段を備え、複数のサーバ７９は内臓ファン８０からの空気流出方向が同じとなるようにサーバラック本体７１に収容されている。サーバ７９の内臓ファン８０側の面をラック本体７１の背面、この背面の反対側の面を前面とすると、前面が吸気口７４、背面が排気口７５となる空気の流れを生じさせている。

なお、収容されたサーバ７９はサーバ収容室７３の断面を閉塞することなく、サーバ７９の上方には吸気口７４から排気口７５へと連通する間隙が存在している。

ラック本体７１が載置される床７７は、二重床構造で形成され、床下に給気プレナム７６が形成される。床７７には、グレーチング７８が備わり、空調機８１（図１４参照）からの冷気は給気プレナム７６を通って、ラック本体７１の吸気口７４近傍の床７７に形成された格子板であるグレーチング７８から給気され、ラック本体７１の吸気口７４に流入する。この冷気の流入は、サーバ７９に内蔵された内蔵ファン８０により吸気されて行われる。

図１４に示すように、従来のデータセンターは、サーバ管理室８３内に、サーバ７９を収容したラック本体７１を複数（図では６個）並べて形成されたラック列８２を複数（図では４列）配設したものである。床７７に備わるグレーチング７８は、いずれもラック本体７１の吸気口７４側に形成される。サーバ７９が稼動して発熱すると、上述したように、空調機８１から冷気が給気プレナム７６を通ってグレーチング７８からサーバ管理室８３内に給気され、吸気口７４から各サーバ収容室７３（図１３参照）内に流入してサーバ７９を冷却し、温められた暖気は排気口７５からサーバ管理室８３に排気されて再び空調機８１に還気される。

しかしながら、データセンターで管理するサーバ７９のユーザは多数にわたり、使用されるサーバ７９は状況に応じて変動する。したがって、サーバ管理室８３内のどの場所で、どのような範囲で、どのような量の発熱が生じ、また発熱する時間帯も定まらない温熱環境となっている。このような温度環境下において高温となった個々のサーバ７９を適正な温度で管理するためには、空調機８１からの風量を増加させて対応する。しかしながら、吸気される風量が増加し、流速も高くなるとこの吸気に誘引され、暖められた排気がラック本体７１を回り込む（図１３の矢印Ａ）原因となる。この様な、排気（暖気）を再びサーバの内部に取り込むとサーバ７９が適切に冷却されずに、サーバ７９の動作に不具合を生じさせることとなる。

この様な点を解決すべく、特許文献１のサーバラックが開発された。これは、吸気口と排気口とを有するラック本体からなり、このラック本体内には、仕切板で仕切られた複数のサーバ収容室が形成され、前記排気口には、前記サーバ収容室に収容されたサーバが備える内蔵ファンよりも大風量を送風できるファンが備わったものや、排気口からの暖かい排気が吸気口側に回り込まない様に排気を排気プレナム等に導入する等の装置を設けている。

特開２００９−１４０４２１号公報

しかしながら、この特許文献１のものは、大型のファンを設けたり、排気ダクト、排気プレナムを設ける等種々の装置や設備を必要とし、大掛かりなものとなりコスト的に高いものとなり、スペース的なデメリットも招来する。

この発明は、前記従来技術を考慮したものであって、サーバから排出された暖気が当該サーバの前面に回り込んだとしても、サーバ冷却用として取り込むことがなく、また、サーバ冷却用の冷気を効率よく確実にサーバ内に吸引出来、さらに、コスト的にも安価なＩＴ機器用ラックを提供するものである。

本願請求項１の発明は、天井から床に向かって温度が低下していく温度分布を有するデータセンターのＩＴ機器管理室で用いられ、複数段の棚状の仕切り板と両側面に備えられた側板によって仕切られたＩＴ機器収容室に複数のＩＴ機器を収容するＩＴ機器用ラックであって、前記ＩＴ機器の前面を臨む側に配された前記ＩＴ機器用ラックの複数の吸気口を連通させるように間隔をあけて前記ＩＴ機器用ラックの前面を被う遮蔽パネルを設け、該遮蔽パネルは前記ＩＴ機器用ラックの前面に対して所定の開口を設けられており、前記開口の開口率は前記ＩＴ機器用ラックの上部から下部に向かって大きくし、前記遮蔽パネルの開口率は、前記ＩＴ機器用ラックの多段のＩＴ機器用の平均吸込み温度による成層効率と、最上段のＩＴ機器用の吸込み温度による成層効率が夫々１に近くなるように決められているＩＴ機器用ラックとした。

請求項２の発明は、前記遮蔽パネルは、上下に複数の区画に分け、最上段の区画はサーバ室内の空気流動を考慮して開口率をゼロ又はゼロに近い値とし、２段目以降から最下段の区画にかけて開口率を徐々に大きくした前記請求項１に記載のＩＴ機器用ラックとした。

請求項３の発明は、前記遮蔽パネルは、全体にＩＴ機器管理室内の空気流動を考慮して開口率をゼロ又はゼロに近い値とし、下端部を切り取って開口を設けた前記請求項１に記載のＩＴ機器用ラックとした。

請求項４の発明は、前記遮蔽パネルは、各ＩＴ機器用ラックの前面に着脱自在に取り付けられる扉型とし、当該遮蔽パネルの周縁はＩＴ機器用ラックの前面から前方へ突出した立ち上がり縁を形成している請求項１、２又は３の何れかに記載のＩＴ機器用ラックとした。

請求項１、２、３又は４の各発明によれば、データセンター内で暖気となった排気がラック本体の吸気側に循環してきたとしても、排気の温風を吸引することが無く、安心して確実にＩＴ機器を冷却することができる。また、効果は大きいが構成としては簡単なものなので、コスト的にも多くの費用がかからないものである。

また、特に、請求項４の発明によれば、既存の、例えばサーバラックの前面扉を外して、この扉型の遮蔽パネルを取り換えれば、この発明のＩＴ機器用ラックが容易に実現できる。

この発明の実施例１の遮蔽パネルをサーバラックに取り付ける様子を示した斜視図である。この発明の実施例１の遮蔽パネルをサーバラックに取り付けた状態の断面図である。この発明の実施例１の２層ブロックモデルの説明図である。この発明の実施例１の遮蔽パネルの前面図である。この発明の実施例１のサーバ内蔵ファンのＰ−Ｑ特性曲線である。この発明の実施例１の他の例の遮蔽パネルの前面図である。（ａ）この発明の実施例１の遮蔽パネルの床から１００ｃｍ開口したものをサーバラックに取り付けた場合の温度分布図である。（ｂ）同圧力分布図である。（ａ）この発明の実施例１の遮蔽パネルの床から１０ｃｍ開口したものをサーバラックに取付けた場合の温度分布図である。（ｂ）同圧力分布図である。この発明の実施例１の実験におけるCaseXの等温線図である。この発明の実施例１の実験におけるCaseYの等温線図である。この発明の実施例１の実験におけるCaseZの等温線図である。この発明の実施例１の実験における各Caseの成層効率の比較図である。従来のサーバラックの断面図である。従来のデータセンターの概略平面図である。

天井から床に向かって温度が低下していく温度分布を有するデータセンターのＩＴ機器管理室で用いられ、複数段の棚状の仕切り板と両側面に備えられた側板によって仕切られたＩＴ機器収容室に複数のＩＴ機器を収容するＩＴ機器用ラックであって、前記ＩＴ機器の前面を臨む側に配された前記ＩＴ機器用ラックの複数の吸気口を連通させるように間隔をあけて前記ＩＴ機器用ラックの前面を被う遮蔽パネルを設け、該遮蔽パネルは前記ＩＴ機器用ラックの前面に対して所定の開口を設けられており、前記開口の開口率は前記ＩＴ機器用ラックの上部から下部に向かって大きくしたＩＴ機器用ラックとした。これにより、データセンター内で暖気となった排気がラック本体の吸気側に循環してきたとしても、排気の温風を吸引することが無く、安心して確実にサーバを冷却することができる。

自然換気が併用されたＩＴ機器、例えば、多数のサーバを収容したデータセンターの省エネの評価は、図３に示す様に、このデータセンターを２層ブロックモデルを用いて検討することが適切な評価手法である。また、後述する成層効率を大きくすることによって、自然換気による冷却時間が拡大出来ることから、データセンターの省エネに貢献するものである。前記図３に示す２層ブロックモデルとは、ＩＴ機器の高さまでを空間下部（Lower Zone）とし、このＩＴ機器の上方に設けられた空調機が位置するところを空間上部（Upper Zone）とし、上下温度分布が形成された空間を言う。

最初に、本件発明者は、自然換気方法が導入されたデータセンターにおいて、冷却効率とＩＴ機器自身の排熱の再帰によるＩＴ機器吸込み温度への影響度を評価するため、熱収支に基づき以下に示す評価モデルを作成した。一般的に、高負荷型を伴うＩＴ機器風量の増大によって自然換気量（ｑ）はＩＴ機器風量（Ｑ）より少なくなる。

データセンターの温熱環境の運用上重要となるＩＴ機器の吸込み温度（θｓ）は排気温度（θ_Ｅ）の影響を受けることになる。ここで、θ_Ｅとθｓの空気間では混合風量（Ｖ）による空気流動があるものと仮定し、θｓを低く維持するためにはＶを抑制することが重要となる。また、この評価モデルでは、鉛直方向における室内の空気流動を表す指標として、以下の式（１）に示すような成層効率（Ｅ）を定義した。また、θｓ、ｍａｘによるものを式（２）に示す成層効率（Ｅ_ｍａｘ）と定義した。

成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）は、一般的に０＜Ｅ＜１の範囲内を示し、鉛直方向における室内空気の混合風量を少なくすると、成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）が１に近づき、上下温度分布が形成されていることが分かり、冷却効率が高いことを示す。このようなことから、成層効率（Ｅ）は自然換気併用型データセンターにおけるＩＴ機器の冷却効果を評価・検討する上で重要な指標となることが分かった。

次に、図に基づいてこの発明の実施例１である、前記成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）を指標とするＩＴ機器用ラック、ここではサーバラックによって説明する。最初に、簡単に、サーバラック７０を図２に基づいて説明する。このサーバラック７０は、多段の棚部分であるラック本体７１と吸気口面に取り付ける遮蔽パネル１からなる。ラック本体７１は、通常のデータセンターにおいて使用されているものと変わるものではない。このサーバラック７０内は、上下に多段の仕切板７２で仕切られ、上下に複数のサーバ収容室７３が形成される。各サーバ収容室７３には、サーバ７９が載置される。各サーバ７９には内蔵ファン８０が備わる。サーバラック７０の前面は開口し、吸気口７４が形成される。サーバラック７０の後面も開口し、排気口７５が形成される。

実施例１のサーバラック７０の前面の吸気口７４に間隔をあけて被う遮蔽パネル１を設ける。この遮蔽パネル１は、図１、２及び４に示す様に、縦長の長方形状で一定の厚さを有する板体から成る扉型で、この遮蔽パネル１の上下左右の端縁はサーバラック７０の前面から前方へ突出した立ち上がり縁を形成している。また、この遮蔽パネル１の前面上を上端から下端にかけて略等分に３段の区画に分け、最上段(a)表面は通風のための開口率をゼロとしている。ここで開口率をゼロとしているのは、サーバラック７０の排気口７５から排出された暖かい排気が前面に回り込んで来ても吸引しないようにするためである。そして、この遮蔽パネル１は、前記サーバ７９の前面を臨む側に配されたサーバラック７０の複数の吸気口７４を連通させるように間隔をあけてサーバラック７０の前面を被うように設ける。

また、遮蔽パネル１の２段(b)目の開口率は１０％とし、３段(c)目の開口率は２０％とした。この様に２段(b)から３段(b)へ行くにかけて開口率を大きくしている。また、ここで言う開口とは、例えば、パンチングメタルの様なものを示す。

遮蔽パネル１の開口率は、収納するサーバ７９の１台当たりの発熱量／時間、サーバラック７０の収納台数、サーバ７９の吸気口７４面から前記遮蔽パネル１までの距離、各サーバ７９の内蔵ファン８０の容量等を基に最適な値を求める。ここでは、負荷条件として、サーバ１台当たりの発熱量・風量は２．０ＫＷ／台、７．５ｍ^３／ｍｉｎとする。また、サーバ７９に内蔵されているファン８０の静圧は、図５に示す様に、模擬負荷サーバファンのＰ−Ｑ特性曲線から所定風量に対する静圧（Ｐａ）を推定して比較する。遮蔽パネル１の位置はサーバ７９の吸気口７４面から３００ｍｍ離した位置とする。

また、他の例の遮蔽パネル２として図６に示す。前記図４に記載の遮蔽パネル１の各区画の開口率を加えてこの遮蔽パネル１全体の開口率を算出する。ここでは、前記２段(b)目の開口率は１０％。前記３段(c)目の開口率は１０％を加えると、この遮蔽パネル１の全体の開口率は３０％となる。これをこの遮蔽パネル１の複数の区画に開口を夫々設ける代わりに、この遮蔽パネル２においては下端縁を前記開口率分、すなわち３０％だけ切り取る（図６において点線で示す）。

この様に、前記遮蔽パネル１に設ける各区画の開口率を加えて当該遮蔽パネル１全体の開口率を算出し、当該遮蔽パネル１の複数の区画に開口を夫々設ける代わりに、当該遮蔽パネル２において下端縁を前記開口率分だけ一定長切り取ると言うことは、遮蔽パネルに設ける開口率と言う点では同じことを示す。

ここで、わざわざ遮蔽パネル２の他の部分に開口を設けず、下端を切り取っているのは、既に述べたとおり、暖かい排気の再度の吸引を避けるためであり、その一方、サーバラック７０の前面下方からは冷却用の冷気を吸引したいためである。

ここで、前記遮蔽パネルの開口率の一例として、本件出願人が行ったコンピュータによるケーススタディを示す。ここでは、図７に示す様に、サーバラックの吸気口面を被う遮蔽パネルとして、床から１００ｃｍの開口を設けたものと、図８に示す様に、床から１０ｃｍの開口を設けたものの２つの遮蔽パネルを用意して比較した。

図７及び図８の中央の白い長方形はサーバラックを示す。図７(ａ)の温度分布を見ると、冷たい空気が１００ｃｍの開口から内側に入り込んでいるが、上部には暖かい空気があって、サーバラック７０の上部のサーバには暖かい空気が入り込み不適切となっている。一方、図８（ａ）の温度分布を見るとサーバラックと遮蔽パネルの間は均一な温度（緑色）になっており、温度分布の面では適切であると思われる。

また、図７（ｂ）の圧力分布を見ると、開口が大きいのでその分、何れの位置もゼロに近く、サーバに内蔵されたファンに負荷がかかっていないことが分かる。また、図８（ｂ）を見ると、負圧マイナス１００ｐａとなって負荷がかかっている。しかしながら、図５に示す、今回のサーバに内蔵したファン８０のＰ−Ｑ特性曲線を見ると今回使用のファンは２８０Ｐａまで対応が出来るので、前記マイナス１００Ｐａでも大丈夫と言うことになり、１００ｃｍの開口より、１０ｃｍの開口の方が適切と言うことになる。

さらに、この遮蔽パネルと他の形状の遮蔽パネルの成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）を確認する実験を行った。ここでは、遮蔽パネルとして板状のついたてを使用した。サーバの吸気口側と排気口側についたてを設けていないCaseX、サーバの排気側のみについたてを設けたCaseY、サーバの吸気口側及び排気口側双方についたてを設け、吸気側のついたての下端縁を１０ｃｍ切り取ったCaseXを用意した。この１０ｃｍは、想定したサーバの冷却ファンのＰＱ特性から実現可能であることを予め確認した。

この様な状態での各Caseの等温線図を図９、１０、１１に示し、また、前記成層効率の比較したグラフ図を図１２に示す。これらによると、ついたてを設けていないCaseXは、図９に示す様に、各サーバ高さの排気が吸気口側に回り込むため、著しい上下温度差が形成され、成層効率（Ｅ）は、１．３２と大きくなるものの成層効率（Ｅ_ｍａｘ）は、０．０８と極端に小さくなった。排気口側のみについたてを設けたCaseYも、成層効率（Ｅ）は、０．９９と大きいが、図１０に示す様に、上段のサーバが高温排気を吸込むことから成層効率（Ｅ_ｍａｘ）は、０．０５と小さかった。一方、吸気を下端のみにしたCaseZは、図１１に示す様に、高温排気の吸気を防げた結果として、吸気口側全面に冷気が行き渡っており、成層効率（Ｅ）は、０．９６であり、成層効率（Ｅ_ｍａｘ）は、０．７９で共に１に近く大きかった。この様に成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）共に大きくするためには、サーバの吸気を前面の下部に制限することが良いことが確認された。

なお、前記CaseZでは、ついたてを吸気口側と排気口側に設けたが、吸気口側にのみついたてを設けた場合と効果的には大差はなかった。この遮蔽パネル１を既存のサーバラック７０に取り付けるが、取り付け方は、既存の取り付け金具等で行う。

前記実施例では、ＩＴ機器として、サーバを用いて説明しているが、このサーバラック７０に収容でき、遮蔽パネル１が取付けられるものなら、もちろん他の機器でも良く、ストレージやＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）などでも良い。また、遮蔽パネル１の最上段(a)の開口率をゼロとしているが、開口率ゼロがもちろん最も良いが、ゼロではなくゼロに近い値でも結果的に大差無い場合はそれらの値でも良い。

遮蔽パネル１の位置はサーバ吸込み面、すなわち遮蔽パネルとサーバラック前面との間隔を３００ｍｍ離した位置としているが、これらは一定であっても上から下で変化したものでも良い。この間隔による空間が大きければ、各サーバの吸込みファンへの負荷は小さいものとなる。

また、遮蔽パネルを３段の区画に分けているが、３段に限るものでは無い。また、遮蔽パネルとして、床から１００ｃｍの開口を設けたものと、床から１０ｃｍの開口を設けたものの２つの遮蔽パネルを用意して、最適な開口率の開口を検討しているが、これらはあくまでも一例であって、これらの数値又はこれらから得られた結果の数値に限定するものでは無い。

さらに、前記実施例においては、本願発明をＩＴ機器用ラック、具体的には、サーバラックとして説明したが、ＩＴ機器から排出された暖気がこのＩＴ機器の前面に回り込んだとしても、ＩＴ機器冷却用として取り込むことがなく、また、ＩＴ機器冷却用の冷気を効率よく確実にＩＴ機器内に吸引出来、さらに、安価に出来る、ＩＴ機器用ラック（サーバラック）の温度制御方法として捉えることも可能である。

すなわち、サーバラックの前面に遮蔽パネルを設け、当該遮蔽パネルの開口率を上部から下部にかけて大きくし、この時、前記成層効率（Ｅ）、（Ｅ_ｍａｘ）が夫々１に近くなるように、前記サーバラックの吸気口である当該サーバラックの前面と遮蔽パネルとの間の温度を制御する方法とすることも出来る。

１遮蔽パネル、２遮蔽パネル、７０サーバラック、
７９サーバ、８０ファン、７４吸気口、７５排気口

Claims

天井から床に向かって温度が低下していく温度分布を有するデータセンターのＩＴ機器管理室で用いられ、複数段の棚状の仕切り板と両側面に備えられた側板によって仕切られたＩＴ機器収容室に複数のＩＴ機器を収容するＩＴ機器用ラックであって、
前記ＩＴ機器の前面を臨む側に配された前記ＩＴ機器用ラックの複数の吸気口を連通させるように間隔をあけて前記ＩＴ機器用ラックの前面を被う遮蔽パネルを設け、
該遮蔽パネルは前記ＩＴ機器用ラックの前面に対して所定の開口を設けられており、
前記開口の開口率は前記ＩＴ機器用ラックの上部から下部に向かって大きくし、
前記遮蔽パネルの開口率は、前記ＩＴ機器用ラックの多段のＩＴ機器用の平均吸込み温度による成層効率と、最上段のＩＴ機器用の吸込み温度による成層効率が夫々１に近くなるように決められていることを特徴とするＩＴ機器用ラック。
前記遮蔽パネルは、上下に複数の区画に分け、最上段の区画はサーバ室内の空気流動を考慮して開口率をゼロ又はゼロに近い値とし、２段目以降から最下段の区画にかけて開口率を徐々に大きくしたことを特徴とする、前記請求項１に記載のＩＴ機器用ラック。
前記遮蔽パネルは、全体にＩＴ機器管理室内の空気流動を考慮して開口率をゼロ又はゼロに近い値とし、下端部を切り取って開口を設けたことを特徴とする、前記請求項１に記載のＩＴ機器用ラック。
前記遮蔽パネルは、各ＩＴ機器用ラックの前面に着脱自在に取り付けられる扉型とし、当該遮蔽パネルの周縁はＩＴ機器用ラックの前面から前方へ突出した立ち上がり縁を形成していることを特徴とする、請求項１、２又は３の何れかに記載のＩＴ機器用ラック。