JP6081730B2 - 情報処理機器室の空調システム - Google Patents

Description

本発明は、情報処理機器室の空調システムに関する。

情報処理技術の発展に伴い、情報処理機器の発熱量は増大の一途を辿っている。これに伴い、情報処理機器を冷却する情報処理機器室の空調システムの処理量も増大しており、情報処理機器を効率的に冷却できる空調技術の開発が行われている。

ところで、情報処理機器室には、情報処理機器を収容したラックが整列しているため、空調の吹出口から流れる気流がラックやラックの端部で偏向し、偏流を発生させる場合や、気流がラックの端部で剥離し、縮流を発生させる場合がある。この偏向や偏流の対策を実施しない場合には、熱気の再循環等による局所的なヒートスポットの形成を許容することになる。局所的なヒートスポットを許容する場合、ヒートスポット付近の情報処理機器が熱暴走や保護作用に起因する停止などの甚大な二時的被害を起こさないように、情報処理機器室全体の温度を低く設定する運用がなされており、消費エネルギー増大の要因となっている。

局所的なヒートスポットを防止するため、本出願人は、特許文献１のシステムを提案した。特許文献１のシステムでは、情報処理機器室の内部を冷気が吹き出す吹出口がある第一の領域とラックの吸気面がある第二の領域に分けるように整流部材で仕切ることにより、第一の領域と第二の領域との間に通気抵抗を与えて冷気の流れを整え、渦や乱流の発生を抑えてヒートスポットの発生を防止する。

特開２０１２−２１１３３号公報

上述のように特許文献１のシステムでは、第一の領域と第二の領域とを整流部材で仕切るので、吹出口がある第一の領域から見て第二の領域の周囲が整流部材で囲われることになる。このため第一の領域から第二の領域への光透過性が低く、照明の設置や防犯カメラを設置する場合に制約を受けることがある。

また、整流部材としてフィルタを用いた場合、埃等の詰まりによる性能低下を防ぐため、フィルタの定期的な清掃や交換作業等を行うことが望ましく、保守性が低下することがある。さらに、冷気の流入方向の偏流により端部でヒートスポットが生ずる。

そこで、本願は、情報処理機器を収容したラックへ冷気を適正に供給可能で、且つ光透過性或は保守性の高い情報処理機器室の空調システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の空調システムは、
情報処理機器を収容するラックを列状に並べて設置する情報処理機器室の空調を行う空調システムであって、
前記情報処理機器室内において前記ラックへ向けて開口する、前記情報処理機器を冷却するための冷気を前記情報処理機器室内へ吹き出す空気吹出口と、
前記ラックの列の吸気面を対向させて前記ラック列を並設し、対向する前記吸気面の間の冷気が供給される領域を冷気領域とし、前記ラックの並び方向を長手とする前記冷気領域の長手方向端部に設けられ、前記ラックの並び方向と平行な面を複数有して前記冷気領域へ流入する冷気の流入方向を調整する整流部材と、
前記冷気領域の長手端部に、前記整流部材と平行に組み合わせて設けられた抵抗体とを備え、
前記抵抗体が、当該抵抗体及び前記整流部材を通過して前記冷気領域へ流入する冷気の通気抵抗を前記整流部材単体よりも高くして前記冷気領域へ流入する冷気の流速を調整する。

前記整流部材が、前記ラックの吸気面と平行な羽板を有するルーバであっても良い。

前記ルーバが、前記羽板を平行に複数備え、当該羽板の設置間隔が、前記ラックの並び方向における当該羽板の幅より狭くても良い。

前記整流部材の少なくとも一部が、開閉可能な扉として構成されても良い。

前記整流部材が、上部整流部材と下部整流部材に分割され、前記上部整流部材が天井面から前記ラック高さまでに位置し、前記下部整流部材が前記ラック高さから床面までに位置し、前記下部整流部材と前記抵抗体とを組み合わせて前記扉とされても良い。このとき下部整流部材は平面的には冷気領域との区画にもなり、下部整流部材が冷気領域の入口を構成し、抵抗体が冷気領域の端部に接する構成とすることができる。

前記空気吹出口が、水平方向に異なる位置に複数設けられ、前記複数の空気吹出口のうち、一部の空気吹出口から冷気が吹き出されても良い。

本発明によれば、情報処理機器を収容したラックへ冷気を適正に供給可能で、且つ光透過性の高い情報処理機器室の空調システムを提供可能である。

実施形態１に係るデータセンタの構成図である。 還気が流れる経路を示した図である。 空調システムの一部の配置を示す平面図である。 第一整流部材の分解斜視図である。 第一整流部材の構成例を示す図である。 第二実施形態に係るデータセンタの構成図である。 コールドアイル内側から見た第一整流部材と第二整流部材の図である。 ルーバの説明図である。 冷気が流れる経路を示した図である。 フラットパネルの機能の図である。 整流部材が無い場合のシミュレーション結果を示す図である。 整流部材として抵抗体とガラリを用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 実施形態１の整流部材を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 実施形態２に係る整流部材の構成例を示す図である。

〈実施形態１〉
図１は、第一実施形態に係る空調システム１００を配置したデータセンタ１０１の構成図、図２は、還気が流れる経路を示した図、図３は、空調システム１００の一部の配置を示す平面図である。

データセンタ（情報処理機器室）１０１には、図１に示すように、各種の演算処理やデータベースの管理を行なうサーバや通信機等の情報処理機器が収容されたラック１０２がサーバールーム１０３に多数並んでいる。また、サーバールーム１０３には、各ラック１０２へ供給する冷気を生成する空調ユニット１０４が多数設けられている。

各ラック１０２には、情報処理機器を冷却する冷却ファンが設けられており、ラックの正面が吸気面となり、他方が排気面となるように構成されている。各ラック１０２の中の情報処理機器の冷却ファンは、ラック内に収容されている情報処理機器の負荷状態や吸込み温度に応じて時々刻々と変化するように回転数が制御されるものであってもよいし、一定の回転数で動くものであってもよい。なお、情報処理機器が据え付けられていない等の理由により、ラック１０２内や隣接するラック１０２間に隙間があるような場合は、暖気の回り込みを防ぐようなパネル等で隙間を塞ぐことが好ましい。

空調ユニット１０４は、クーリングコイルと電動ファンとを内蔵し、サーバールーム１０３の空気を冷やす。

本実施形態１に係るデータセンタ１０１では、コンクリートスラブ１０５Ｂとサーバールーム１０３との間には、床面１０６が設けられており、二重床構造とし、コンクリートスラブ１０５Ｂと床面１０６との間の空間を冷気の通路としている。なお、これに限らず、コンクリートスラブ１０５Ｂによって床面１０６が形成された床下空間が無い構造としても良い。ここで各ラック１０２は床面１０６に据え付けられている。

コンクリートスラブ１０５Ｕとサーバールーム１０３との間には、天井ボード１０７が設けられており、二重天井構造になっている。そこで、空調ユニット１０４は、図２に示すように、上面に設けられた開口より、天井ボード１０７とコンクリートスラブ１０５Ｕとの間に形成される天井裏の空間１０８Ｕから各ラック１０２の排気を吸引して冷却する。なお、図１には、データセンタ１０１の一階分の構成を示したが、図１の構成が複数階にあってデータセンタを構成しても良い。

そして、各ラック１０２が整列したラック列１０９の端部側壁から見て正面（例えば、サーバールーム１０３の内壁近傍）に設けられた吹出口１０４Ａより、冷却した空気をサーバールーム１０３内へ送る。なお、空調ユニット１０４は、コイルとファンがそれぞれ別のケーシングに納まり、両者がダクトで接続されたものであってもよい。また、空調ユニット１０４は、天井吊り下げ式あるいは天井埋め込み式であってもよいし、別室に据え付けて吹出口だけダクトでサーバールーム１０３まで延長してもよい。この場合、空調ユニット１０４の吹出口は、天井ボード１０７に設けられ、天井から吹出すようになっていてもよい。すなわちラック列間上部以外に吹出口、ラック列間床部に排気口を設けて床下チャンバーを還気風道としたシステムや、ラック列間床面以外の床面に吹出口、ラック列の排気面を対向させて非通気性ダクトを天井チャンバーに連通させて還気経路としたシステムにも、本発明は適用できる。

空調ユニット１０４は、冗長性を有するように複数台設けられている。本実施形態１では、図３に示すように４列のラック列１０９に対して、３台の空調ユニットを設けている。各空調ユニット１０４は、２台で４列のラック列１０９を冷却する能力を有し、１台の空調ユニット１０４が冗長となっている。即ち、故障やメンテナンスによって、３台のうち１台の空調ユニット１０４が停止した場合、残りの２台の空調ユニット１０４で運転を
行う。即ち、空調ユニット１０４の空気吹出口１０４Ａが、水平方向に異なる位置に複数設けられ、一部の空調ユニット１０４が停止した場合、残りの空調ユニット１０４の空気吹出口１０４Ａから冷気が吹き出されることになる。このため、全ての空気吹出口１０４Ａから冷気が吹き出される場合よりも気流が乱れることが考えられるが、本実施形態１の空調システム１００では、後述のように整流部材によって気流の乱れの影響が抑えられ、ホットスポットの発生が防止される。なお、図３は、データセンタ内に設置されたラック列１０９と空調ユニット１０４の一部を示す図であり、データセンタ内のラック列１０９と空調ユニット１０４の配置がラック列４列と空調ユニット３台に限定されるものではない。例えば、本実施形態１では、この割合で多数のラック列１０９と空調ユニット１０４がデータセンタ１０１内に設けられている。また、ラック列１０９と空調ユニット１０４の割合は、これに限らず、１列のラック列１０９に含まれるラック１０２の数や空調ユニット１０４の能力などの条件に応じて任意に設定できる。

データセンタ１０１は、各ラック１０２へ冷気が効率的に供給されるよう、一つのラック列１０９を構成する各ラック１０２の吸気面と排気面の向きが揃えられている。そして、対峙する２つのラック列１０９が、共に吸気面あるいは排気面で向き合うように配置される。各ラック１０２がこのように設置されていることにより、各ラック列１０９の間には、冷気が流れる通路と暖気が流れる通路とが交互に形成されることになる。以下、吸気面が向かい合う一対のラック列１０９に囲まれた、冷気が流れる通路（冷気領域）をコールドアイルＣといい、排気面が向かい合う一対のラック列１０９によって囲まれた、暖気が流れる通路をホットアイルＨという。なお、コールドアイルＣは保守員の通路や作業空間にもなる。

一つのホットアイルＨを挟む２つのラック列１０９の両端間や、ラック列１０９と天井ボード１０７との間には、ホットアイルＨとコールドアイルＣとを隔離する非通気性の仕切板１１０が、例えばラック１０２の上端と天井ボード１０７の下端に接してラック列１０９に沿って連続的に立設されている。天井ボード１０７のうちホットアイルＨの上側の部分は開口しているため、仕切板１１０によって囲まれたホットアイルＨ内の暖気は、コールドアイルＣ側へ回り込むことなく天井裏の空間１０８Ｕへ流れることになる。

即ち、ラック列１０９の空調ユニット１０４から吹き出された冷気がラック列１０９の吸気面に達するまでに通る領域と、ラック列１０９から排気された暖気が空調ユニット１０４へ戻るまでに通る領域とが仕切られている。

コールドアイルＣは、ラック１０２の並び方向を長手とし、空調ユニット１０４で温調され例えばサーバルーム１０３の壁面に設けた吹出口１０４Ａから水平に給気された冷気が、コールドアイルＣの長手端部から流入する。

本実施形態では、コールドアイルＣの長手方向端部に、ラック１０２の並び方向と平行な面を複数有してコールドアイルＣへ流入する冷気の流れ方向と流速を調整する第一整流部材１１１を備える。また、コールドアイルＣ上部、例えばコールドアイルＣ上部のラック吸気面と面一のコールドアイル側面にコールドアイルＣへ流入する冷気の流れ方向を調整する第二整流部材１１２を備える。

ここで第一整流部材１１１は、図４に示すようにコールドアイルＣへ流入する冷気の方向を整えるルーバ１Ａと、コールドアイルＣへ流入する冷気の流速を抑える抵抗体１Ｂとを、ここでは両者が接する形態で備える。なお、ルーバ１Ａと抵抗体１Ｂは、コールドアイルＣへ流入する冷気がルーバ１Ａ及び抵抗体１Ｂを通過するように組み合わせた構成であれば良く、例えば、所定距離（１０ｃｍ以内）離間して設けられても良い。

ルーバ１Ａは、ラック１０２の吸気面と平行な平板状の羽板を複数備え、羽板間を通りコールドアイルＣへ流入する冷気がラック１０２の吸気面と平行になるように冷気の流入方向を整える。これにより空調ユニット１０４が一台停止して冷気の吹き出す位置に偏りがある場合でも、偏流を抑えることができる。すなわち故障や保守等により空調ユニット１０４が停止する場合には全台運転を想定した設計時点の状態よりも気流が乱れ、風量・流れのベクトルが変わる。ルーバ１Ａはこれを規制してコールドアイルＣに同一ベクトルの冷気を導く。なお、ルーバ１Ａの羽板は、平行に固定されたものに限らない。例えばルーバ１Ａの羽板の角度が可動であって、保守員や台車等の接触で一時的に羽根が平行状態でなくなることや、サーバの低負荷時に一時的にサーバの中心側に向けて羽根を絞ることがあっても、定常運転時に羽板が略平行となる設備は、本発明を採用しているといえる。ここで平行とは、厳密に平行であることに限らず、冷気を吸気面と略平行に導くことができる程度であれば良い。

抵抗体１Ｂは、空調ユニット１０４から吹出る空気の流速が速い事により、ラック１０２の吸気面側で静圧が低下したり乱流が形成されたりしてラック１０２内への冷気の吸込み不良が生じるのを防ぐ目的で設置される。また、抵抗体１Ｂは、ラック１０２が設置される床面からラック上面までの高さ（ラック高さ）に設置される。

抵抗体１Ｂは、空調ユニット１０４からコールドアイルＣへ流れる冷気の通路に通気抵抗を生じさせ、第一整流部材１１１のラック高さまでの部分の通気抵抗が、ラック高さより上の部分や第二整流部材１１２の通気抵抗と比べて高くなるものであれば良い。例えば、抵抗体１Ｂは、フィルタやパンチング板、網、布、格子、ルーバ或いはこれらの積層体、並びに空調の吹出し口等に用いられるレジスタなどを適用できる。

ルーバ１Ａと抵抗体１Ｂとは、一体に構成しても良いし、別体のルーバ１Ａと抵抗体１ＢとをコールドアイルＣの長手端部に重ねて配置する構成でも良い。例えば床面から天井高さまでのルーバ１Ａを組み付け、床面からラック高さまでの網やフィルタ等の抵抗体１Ｂを当該ルーバ１Ａに貼り付けて構成する。なお、抵抗体１Ｂは、冷気の流入方向において、ルーバ１Ａより上流側（吹出口側）に設けられても、ルーバ１Ａより下流側（コールドアイル側）に設けられても良く、同様に効果が得られる。

また、ルーバ１Ａと抵抗体１Ｂからなる第一整流部材１１１は、開閉自在に設けられ、コールドアイルＣへ出入りする際の出入口扉として用いられても良い。

図５は、第一整流部材１１１の他の構成例を示す図である。図５の第一整流部材１１１は、ルーバ１Ａを上下に分割し、天井面からラック高さまでを上部ルーバ１Ａ１として天井から吊り下げ、ラック高さから床面までを下部ルーバ１Ａ２とし、下部ルーバ１Ａ２と抵抗体１Ｂとを接合して開閉自在な出入口扉１１とした。

出入口扉１１は、ラック１０２と接する辺にヒンジを設けて開き戸としても良いし、床面１０６及びラック１０２上部にレールを設けて、引き戸としても良い。出入口扉１１を引き戸とする場合は、図６に示すように、出入口扉１１を中央から左右に開く両引き戸とするのが好ましい。これによりコールドアイルＣの長手端部の幅ＣＷ、即ち出入口扉１１の幅が、ラック列１０９の長手端部の幅ＲＷより長い場合でも、左右に開いた出入口扉１１が、それぞれラック列１０９の幅ＲＷに収まり邪魔にならない。

図７は、コールドアイルＣ内側から見た第一整流部材１１１と第二整流部材１１２の図である。

第二整流部材１１２は、ラック１０２の並び方向と直交する面(ｘ−ｙ面)を有する羽板
２Ａを複数備えたルーバである。また、第二整流部材１１２は、羽板２Ａの下部に、ラック１０２の吸気面（ｙ−ｚ面）と平行なフラットパネル２Ｂを有しても良い。

図８はルーバ１Ａ及びルーバ２Ａの説明図である。ルーバ１Ａ及びルーバ２Ａは、平板状の羽板を並行に複数配列して構成されており、この羽板の間隔（ピッチ）を、冷気の流入方向における羽板の幅よりも狭くしている。

本実施形態１では、この羽板を垂直方向に長手とした縦型ルーバの例を示したが、これに限らず、水平方向に長手とした横型ルーバであっても良い。すなわち前述したラック列間上部以外に吹出口を設けた場合には、ルーバ２Ａを横型にすると顕著な効果がある。また、縦型の羽板と横型の羽板を組み合わせた格子状のルーバであっても良い。更に、ハニカム状のルーバであっても良い。

このように本実施形態１では、床面からラック高さまでに抵抗体１Ｂを設け、ラック１０２よりも上には抵抗体を設けずにルーバ１Ａ，２Ａを配置したことにより、ラック上方の光透過性が高い。

図９は、冷気が流れる経路を示した図である。本実施形態１では、コールドアイルＣが整流部材と仕切板１１０で仕切られており、吹出口１０４Ａから吹出された冷気は、第一整流部材１１１のルーバ１Ａ及び抵抗体１Ｂを通過することで、風速が抑えられると共に風向きが吸気面と平行な方向に整えられる。また、ラック上方へ流れた冷気は、第一整流部材１１１のルーバ１Ａ上部或は第二整流部材１１２を通過することで、風向きが整えられる。更に、図１０に示すラック上端のコールドアイル側の角部付近では、冷気が第二整流部材１１２のフラットパネル２Ｂによって吸気面と平行な方向に導かれる。このように本実施形態１では、冷気が第一整流部材１１１或は第二整流部材１１２で整流されるので、ホットスポットの形成が防止される。例えば抵抗体１Ｂにより冷気の風速が抑えられるので、静圧が低くなってラック内の暖気が逆流することを防止できる。また、第一整流部材のルーバ１Ａ上部及び第二整流部材１１２で、冷気の風向きを整えることで、偏流によるホットスポットの形成を防止できる。

この整流部材による整流の効果を図１１−図１３を用いて説明する。なお、図１１−図１３の例では、図３に示す配置において、３台の空調ユニット１０４のうち、＃１を停止し、＃２及び＃３の２台で運転した場合のＡ−Ａ線断面におけるラック吸い込み温度を示す。

図１１は、整流部材が無い場合のシミュレーション結果を示す図である。図１１に示すように、整流部材による整流効果が無いと、コールドアイルＣの中央付近に特に特に温度の高いホットスポットが形成されると共に、空調ユニット１０４側のコールドアイル端部やコールドアイル上部といった広い範囲にホットスポットが形成される。

図１２は、整流部材として抵抗体１Ｂを用いると共に、ルーバ１Ａ，２Ａに代えてガラリを用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。即ち、ルーバ１Ａ，２Ａによる冷気の向きを整える効果が無い場合の例である。

この場合、図１２に示すように、中央部付近の温度上昇が改善されたものの、偏流の影響により、空調ユニット１０４側のコールドアイル端部やコールドアイル上部にホットスポットが形成される。

図１３は、整流部材として本実施形態１の第一整流部材１１１及び第二整流部材１１２を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。図１３に示すように、本実施形態
１の第一整流部材１１１及び第二整流部材１１２を備えた場合、他の例と比べてホットスポットの形成が抑えられる。

特に、図３に示したように空調ユニット１０４が、冗長性を確保するため水平方向に異なる位置に複数設けられ、故障などによって、このうち一部の空調ユニット１０４の空気吹出口から冷気が吹き出される場合、偏流の影響によりホットスポットが形成され易いが、ルーバ１Ａ，２Ａによる整流効果により、偏流が抑えられ、ホットスポットの形成が防止される。

以上のように本実施形態１によれば、整流部材によりホットスポットの形成が防止でき、且つ整流部材上部の光透過性が高いため、防犯カメラや照明を設置する際の自由度を高めることができる。

また、整流部材の多くを垂直な部材によって構成したことにより、塵埃の体積が少なく、保守性の高い、空調システムを提供できる。

〈実施形態２〉
図１４は、実施形態２に係る整流部材の構成例を示す図である。本実施形態２は、前述の実施形態１と比べて、第二整流部材をラック間にかけ渡した構成が異なっており、その他の構成は同じである。

図１４に示すように、第二整流部材１１２として、ラック１０２の並び方向と直交する面を有する羽板をラック１０２の上部にかけ渡して構成した場合にも、第二整流部材１１２が上方へ流れた冷気の向きを整えてコールドアイルＣへ導くことにより、ホットスポットの形成を防止できる。

また、ラック上方に抵抗体を設けることなく十分な整流効果を得ることができ、前述の実施形態１と同様に光透過性が高く、防犯カメラや照明を設置する際の自由度を高めることができる。

１Ａ，２Ａ ルーバ
１Ｂ 抵抗体
２Ａ 羽板
２Ｂ フラットパネル
１２ 出入口扉
１００ 空調システム
１０１ データセンタ
１０２ ラック
１０３ サーバールーム
１０４ 空調ユニット
１０４Ａ 吹出口
１１１ 第一整流部材
１１２ 第二整流部材
Ｃ コールドアイル
Ｈ ホットアイル

Claims (6)

1. 情報処理機器を収容するラックを列状に並べて設置する情報処理機器室の空調を行う空調システムであって、
   前記情報処理機器室内において前記ラックへ向けて開口する、前記情報処理機器を冷却するための冷気を前記情報処理機器室内の前記ラックの並び方向へ吹き出す空気吹出口と、
   前記ラックの列の吸気面を対向させて前記ラック列を並設し、対向する前記吸気面の間の冷気が供給される領域を冷気領域とし、前記ラックの並び方向を長手とする前記冷気領域の長手方向端部に設けられ、前記ラックの並び方向と平行な面を複数有して前記冷気領域へ流入する冷気の流入方向を調整する整流部材と、
   前記冷気領域の長手端部に、前記整流部材と平行に組み合わせて設けられた抵抗体とを備え、
   前記抵抗体が、当該抵抗体及び前記整流部材を通過して前記冷気領域へ流入する冷気の通気抵抗を前記整流部材よりも高くして前記冷気領域へ流入する冷気の流速を抑える、
   情報処理機器室の空調システム。
2. 前記整流部材が、前記ラックの吸気面と平行な羽板を有するルーバである、
   請求項１に記載の情報処理機器室の空調システム。
3. 前記ルーバが、前記羽板を平行に複数備え、当該羽板の設置間隔が、前記ラックの並び方向における当該羽板の幅よりも狭い、
   請求項２に記載の情報処理機器室の空調システム。
4. 前記整流部材の少なくとも一部が、開閉可能な扉として構成された、
   請求項１から３の何れか一項に記載の情報処理機器室の空調システム。
5. 前記整流部材が、上部整流部材と下部整流部材に分割され、前記上部整流部材が天井面から前記ラック高さまでに位置し、前記下部整流部材が前記ラック高さから床面までに位置し、前記下部整流部材と前記抵抗体とを組み合わせて前記扉とした請求項４に記載の情報処理機器室の空調システム。
6. 前記空気吹出口が、水平方向に異なる位置に複数設けられ、前記複数の空気吹出口のうち、一部の空気吹出口から冷気が吹き出される、
   請求項１から５の何れか一項に記載の情報処理機器室の空調システム。

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