JP6098711B2

JP6098711B2 - モジュール型データセンター

Info

Publication number: JP6098711B2
Application number: JP2015506378A
Authority: JP
Inventors: 一明柄澤; 雅俊小川; 浩史遠藤; 孝祐有岡; 梅宮　茂良; 茂良梅宮; 菊地　吉男; 吉男菊地; 徳世　志野; 志野徳世; 裕幸福田; 近藤　正雄; 正雄近藤; 吉田　宏章; 宏章吉田; 朱沙宗
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: US20160007506A1; WO2014147690A1; JPWO2014147690A1; US9820412B2

Description

本発明は、モジュール型データセンターに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが取り扱われるようになり、多数の計算機を一括して管理するデータセンターの必要性がますます増加している。

一般的なデータセンターは、広大な土地に建設された建屋と、大規模な空調設備と、大規模な電気設備とを有する。このため、完成までに長期間を要し、需要の増減に迅速に対応することは困難である。そこで、コンテナと呼ばれる所定の大きさのユニット化した構造物内に計算機（サーバ）を収納したラックと空調設備と電気設備とを配置したモジュール型データセンターが開発され、実用化されている。

ところで、計算機は、稼働にともなって多量の熱を発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障又は性能低下の原因となるため、計算機を冷却する手段が必要となる。一般的なデータセンターでは、空調機（エアコン）を使用して室内に低温のエアーを供給し、冷却ファン（送風機）により室内のエアーを計算機内に導入して、計算機内の電子部品を冷却している。

近年、省エネルギーの観点から、データセンターで消費する電力のより一層の削減が要求されている。そのため、モジュール型データセンターでは、外気を利用して計算機を冷却する外気冷却方式を採用するものが多い。この種のモジュール型データセンターでは、消費電力が大きい大型の空調機を使用しなくてもよいので、計算機の冷却に使用する電力が大幅に削減される。

外気冷却方式のモジュール型データセンターには、吸気口からコンテナ内に低温の外気を直接導入するものと、熱交換器を用いて屋外の冷気によりコンテナ内のエアーを冷却するものとがある。

特開２０１２−５３７４７号公報特開２０１２−９７９４５号公報

結露による電子機器の不具合の発生を回避できるモジュール型データセンターを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、屋外に通じる吸気口及び排気口が設けられた構造物と、前記吸気口に配置されて開閉可能な第１のシャッターと、前記排気口に配置されて開閉可能な第２のシャッターと、前記構造物内に配置されて電子機器が収納されるラックと、エアーの流れ方向を切替可能であり、前記構造物内に配置されて前記ラック内にエアーを通流させる送風装置と、前記第１のシャッターと前記ラックとの間に設けられた第１の空間と、前記ラックを挟んで前記第１の空間の反対側に設けられた第２の空間と、前記第２の空間と前記第２のシャッターとの間に設けられた第３の空間と、前記第２の空間と前記第３の空間とに隣接し、その内部に吸湿剤が配置された第４の空間と、前記第２の空間と前記第３の空間との間に配置されて開閉可能な第３のシャッターと、前記第２の空間と前記第４の空間との間に配置されて開閉可能な第４のシャッターと、前記第３の空間と前記第４の空間との間に配置されて開閉可能な第５のシャッターと、前記ラック内の温度を検出するラック内温度検出部と、外気の露点温度を検出する露点温度検出部と、前記ラック内温度検出部及び前記露点温度検出部から信号を入力し、前記第１のシャッター、前記第２のシャッター、前記第３のシャッター、前記第４のシャッター、前記第５のシャッター、及び前記送風装置を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記ラック内温度検出部で検出したラック内の温度が前記露点温度検出部で検出した外気の露点温度以下のときには前記第３のシャッターを閉、前記第４のシャッター及び前記第５のシャッターを開とし、前記第２の空間から前記ラック内を通って前記第１の空間にエアーが流れるように前記送風装置を稼働させるモジュール型データセンターが提供される。

上記一観点に係るモジュール型データセンターによれば、結露による不具合の発生を回避できる。

図１は、実施形態に係るモジュール型データセンターの一例を示す模式側面図である。図２は、実施形態に係るモジュール型データセンターのエアーフロー制御系を示すブロック図である。図３は、実施形態のデータセンターにおけるエアーフロー制御を示すフローチャート（その１）である。図４は、実施形態のデータセンターにおけるエアーフロー制御を示すフローチャート（その２）である。図５は、ラック内の温度が外気の露点温度以下の場合のエアーフローを示す図（その１）である。図６は、ラック内の温度が外気の露点温度以下の場合のエアーフローを示す図（その２）である。図７は、ラック内の温度が外気の露点温度よりも高い場合のエアーフローを示す図（その１）である。図８は、ラック内の温度が外気の露点温度よりも高い場合のエアーフローを示す図（その２）である。図９は、第１のホットアイル内のエアーの湿度が設定温度以上且つ設定湿度以下の場合のエアーフローを示す図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、モジュール型データセンターでは、外気冷却方式を採用するものが多い。しかし、外気冷却方式には、以下に示す問題点がある。

例えば寒冷地にモジュール型データセンターを設置した場合、停止状態の計算機の温度が屋外の温度よりも低くなることがある。その場合、コンテナ内に屋外のエアーが導入されると計算機内で結露が発生し、計算機が稼働したときにショート等の不具合が発生する原因となる。

以下の実施形態では、結露による電子機器の不具合の発生を回避できるモジュール型データセンターについて説明する。

（実施形態）
図１は実施形態に係るモジュール型データセンターの一例を示す模式側面図、図２は同じくそのデータセンターのエアーフロー制御系を示すブロック図である。

図１に例示したモジュール型データセンターでは、直方体形状のコンテナ１０内に、冷却ファンユニット１２と複数のラック１３とが配置されている。

コンテナ１０の相互に対向する２つの壁面のうちの一方の壁面にはシャッター１１が取り付けられた吸気口が設けられており、他方の壁面にはシャッター１６が取り付けられた排気口が設けられている。

シャッター１１，１６は、制御部３０から出力される信号により開閉する。シャッター１１，１６のいずれか一方又は両方が開のときにはコンテナ１０内の空間と屋外の空間とが連絡し、シャッター１１，１６の両方が閉のときにはコンテナ１０内の空間と屋外の空間とが遮断される。

各ラック１３内には、サーバ１３ａが収納されている。また、ラック１３内には、サーバ１３ａの温度を検出する温度センサ１３ｂが設けられている。温度センサ１３ｂの出力は、制御部３０に伝達される。なお、サーバ１３ａは電子機器の一例である。ラック１３内にストレージ又は電源等の電子機器が収納されていてもよい。また、温度センサ１３ｂはラック内温度検出部の一例である。

冷却ファンユニット１２には複数の冷却ファン１２ａが設けられている。それらの冷却ファン１２ａは正回転と逆回転とに切り替え可能であり、制御部３０により駆動制御される。本実施形態では、冷却ファンユニット１２からラック１３に向けてエアーが流れるときの冷却ファン１２ａの回転を正回転と呼び、その逆方向の回転を逆回転と呼ぶ。冷却ファンユニット１２は、送風装置の一例である。

コンテナ１０内の空間は、外気導入部２１と、コールドアイル２２と、第１のホットアイル２３と、第２のホットアイル２４と、吸湿部２５と、暖気循環路２６とに分離されている。

外気導入部２１はシャッター１１が配置された側のコンテナ１０の壁面と冷却ファンユニット１２との間の空間である。また、コールドアイル２２は冷却ファンユニット１２とラック１３との間の空間である。更に、第１のホットアイル２３はラック１３を挟んでコールドアイル２２の反対側にある空間である。

第２のホットアイル２４及び吸湿部２５は、いずれも第１のホットアイル２３とシャッター１６が配置された側のコンテナ１０の壁面との間の空間であり、下側が吸湿部２５、上側が第２のホットアイル２４となっている。

第１のホットアイル２３と第２のホットアイル２４との間には、シャッター１７が設けられている。また、第１のホットアイル２３と吸湿部２５との間にはシャッター１８ａが設けられており、吸湿部２５と第２のホットアイル２４との間にはシャッター１８ｂが設けられている。これらのシャッター１７，１８ａ，１８ｂも、制御部３０から出力される信号により開閉する。

吸湿部２５には吸湿剤２５ａが配置されている。吸湿剤２５ａとして、例えばゼオライト、活性炭、シリカゲル、又は比較的低温で再生（乾燥）可能な高分子吸湿剤が使用される。吸湿剤２５ａには、例えば４０℃未満の温度で良好な吸湿性を示し、温度が４０℃以上且つ湿度が３０％ＲＨ以下のときには吸着した水分を放出して再生するものが好ましい。

暖気循環路２６は、冷却ファンユニット１２、コールドアイル２２、ラック１３及び第１のホットアイル２３の上方に設けられた空間であり、第２のコールドアイル２４と外気導入部２１との間を連絡する。この暖気循環路２６には、シャッター１９が配置されている。このシャッター１９も、制御部３０から出力される信号により開閉する。

コールドアイル２２には、コールドアイル２２内のエアーの湿度を検出する湿度センサ２７ａが配置されている。また、第１のホットアイル２３には、第１のホットアイル２３内のエアーの温度を検出する温度センサ２８と、湿度を検出する湿度センサ２７ｂとが配置されている。これらの湿度センサ２７ａ，２７ｂ及び温度センサ２８の出力は、制御部３０に伝達される。

更に、コンテナ１０の外には外気の露点温度を検出する露点温度センサ２９が設置されている。この露点温度センサ２９の出力も、制御部３０に伝達される。露点温度センサ２９は、露点温度検出部の一例である。露点温度センサ２９に替えて、外気の温度を検出する温度センサと相対湿度を検出する湿度センサ、又は絶対湿度を測定可能な装置等を設置し、それらの出力から露点温度を検出するようにしてもよい。

なお、外気導入部２１及びコールドアイル２２は第１の空間の一例であり、第１のホットアイル２３は第２の空間の一例である。また、第２のホットアイル２４は第３の空間の一例であり、吸湿部２５は第４の空間の一例である。更に、暖気循環路２６は第５の空間の一例である。

また、シャッター１１は第１のシャッターの一例であり、シャッター１６は第２のシャッターの一例であり、シャッター１７は第３のシャッターの一例である。更に、シャッター１８ａは第４のシャッターの一例であり、シャッター１８ｂは第５のシャッターの一例であり、シャッター１９は第６のシャッターの一例である。

以下、本実施形態のデータセンターにおけるエアーフロー制御について、図３，図４に示すフローチャートを参照して説明する。但し、初期状態ではサーバ１３ａは停止しているものとする。

まず、ステップＳ１１において、制御部３０は、温度センサ１３ｂからラック１３内の温度のデータを取得するとともに、露点温度センサ２９から外気の露点温度のデータを取得する。

次に、ステップＳ１２において、制御部３０は、温度センサ１３ｂにより取得したラック１３内の温度と露点温度センサ２９により取得した外気の露点温度とを比較する。そして、ラック１３内の温度が外気の露点温度以下の場合（ＮＯの場合）はステップＳ１３に移行し、ラック１３内の温度が外気の露点温度よりも高い場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ１７に移行する。ステップＳ１３に移行した場合は運転準備モードとなり、ステップＳ１７に移行した場合は通常運転モードとなる。

ステップＳ１２からステップＳ１３に移行した場合、すなわちラック１３内の温度が外気の露点温度以下の場合は、外気をラック１３内に導入するとサーバ１３ａ内で結露が発生し、故障や不具合の原因となることがある。この場合、制御部３０は、シャッター１１，１６，１８ａ，１８ｂ，１９を開とし、シャッター１７を閉とする。その後、ステップＳ１４に移行し、制御部３０は冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを逆回転させる。

図５は、このときのエアーフローを示す図である。図５中の白抜き矢印は、エアーの流れ方向を示している。

冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを逆回転させることにより、コールドアイル２２の圧力が低下し、外気導入部２１の圧力が上昇する。これにより、外気導入部２１のエアーの一部はシャッター１１を通って屋外に排出され、残りのエアーは暖気流路２６を通って第２のホットアイル２４に移動する。

また、シャッター１１から屋外に排出された分のエアーがシャッター１６を介して屋外から第２のホットアイル２４に流入する。そして、第２のホットアイル２４のエアーは、吸湿部２５を通り、第１のホットアイル２３に移動し、更にラック１３内を通ってコールドアイル２２に移動する。

吸湿部２５を通るエアーは、吸湿剤２５ａにより水分が吸着されて乾燥した状態になる。また、吸湿剤２５ａで水分を吸着するときに熱が発生するので、吸湿部２５を通過後のエアーの温度は吸湿部２５を通過前のエアーの温度よりも高くなる。この水分が除去されて温度が上昇したエアーがラック１３内に導入されるので、サーバ１３ａ内での結露が回避される。

なお、本実施形態ではシャッター１１，１６を開にして外気の一部をコンテナ１０内に取り込んでいるが、シャッター１１，１６を閉にしてもよい。図６はこのときのコンテナ１０内のエアーの流れを示す模式図である。この場合も、吸湿剤２５ａにより発生する熱や、冷却ファンユニット１２の稼働にともなって発生する熱によりコンテナ１０内のエアーの温度が上昇する。

ステップＳ１４で冷却ファンユニット１２を稼働させた後、ステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５において、制御部３０は湿度センサ２７ｂから第１のホットアイル２３内のエアーの湿度のデータを取得し、第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第１の設定湿度（例えば８０％ＲＨ）以下か否かを判定する。第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第１の設定湿度よりも高いと判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ１５で第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第１の設定湿度以下であると判定した場合（ＹＥＳの場合）は、サーバ１３ａ内で結露が発生するおそれがないので、ステップＳ１６に移行し、サーバ１３ａを稼働させる。

ステップＳ１６でサーバ１３ａを稼働させると、サーバ１３ａの稼働にともなって多量の熱が発生するので、コンテナ１０内のエアーの温度は急速に上昇する。ステップＳ１６でサーバ１３ａを稼働させた後は、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１１からステップＳ１６までの工程は、ステップＳ１２でラック１３内の温度が外気の露点温度よりも高いと判定されるまで繰り返される。

ステップＳ１２においてラック１３内の温度が外気の露点温度よりも高いと判定された場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ１７（通常運転モード）に移行する。ステップＳ１７に移行すると、制御部３０は、シャッター１１，１６，１７を開、シャッター１９を閉にする。また、制御部３０は、シャッター１８ａ，１８ｂを閉として、吸湿部２５を密閉状態とする。

その後、ステップＳ１８に移行し、制御部３０は、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを正回転させるとともに、ラック１３内のサーバ１３ａを稼働させる。但し、サーバ１３ａが既に稼働している場合は、その状態を維持する。

図７は、このときのエアーフローを示す図である。この図７に示すように、シャッター１１を介して外気導入部２１に外気（エアー）が導入され、外気導入部２１のエアーは冷却ファンユニット１２によりコールドアイル２２に移動する。そして、そのエアーはラック１３内を通って第１のホットアイル２３に移動し、更にシャッター１７を通って第２のホットアイル２４に移動して、シャッター１６から屋外に排出される。

ステップＳ１２からステップＳ１７に移行した場合は、ラック１３内の温度が外気の露点温度よりも高いので、ラック１３内に外気を導入してもサーバ１３ａ内で結露が発生するおそれはない。

なお、外気温が低い場合はシャッター１９を開とし、第２のホットアイル２４のエアーの一部を外気導入部２１に戻すようにしてもよい。図８は、シャッター１９を開としたときのエアーフローを示す図である。

次に、ステップＳ１９に移行し、制御部３０は温度センサ２８及び湿度センサ２７ｂから第１のホットアイル２３内のエアーの温度及び湿度を取得する。そして、ステップＳ２０に移行し、第１のホットアイル２３内のエアーの温度が設定温度（例えば４０℃）以上か否かを判定する。第１のホットアイル２３内のエアーの温度が設定温度よりも低いと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ２０において第１のホットアイル２３内のエアーの温度が設定温度以上であると判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２１に移行する。

ステップＳ２１において、制御部３０は、第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第２の設定湿度（例えば３０％ＲＨ）以下か否かを判定する。そして、第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第２の設定湿度よりも高いと判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ２１において、第１のホットアイル２３内のエアーの湿度が第２の設定湿度以下であると判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２において、制御部３０はシャッター１７を閉とし、シャッター１８ａ，１８ｂを開とする。その後、ステップＳ１１に戻って処理を継続する。

図９は、ステップＳ２２でシャッター１７を閉とし、シャッター１８ａ，１８ｂを開としたときのエアーフローを示す図である。この状態では、設定温度以上且つ第２の設定湿度以下のエアーが吸湿部２５を通るので、吸湿剤２５ａから水分が蒸発し、吸湿剤２５ａは再生（乾燥）される。

上述したように、本実施形態では、ラック１３内の温度が外気の露点温度以下の場合は運転準備モードとなり、吸湿部２５内を通って水分が除去されたエアーをラック１３内に通流させる。このため、ラック１３内で結露が発生することを防止しつつ、ラック１３内の温度を上昇させることができる。

また、本実施形態では、ラック１３内の温度が外気の露点温度よりも高くなると通常運転モードとなる。通常運転モードでは、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを正回転させ、シャッター１１を介してコンテナ１０内に取り込んだ外気によりラック１３内のサーバ１３ａを冷却する。これにより、少ない電力でサーバ１３ａを冷却することができ、データセンターの消費電力が削減される。

更に、本実施形態では、ラック１３から排出されるエアーの温度が設定温度よりも高く、湿度が第２の設定湿度よりも低くなると、ラック１３から排出されるエアーを吸湿部２５内に通流させる。これにより、吸湿剤２５ａに吸着されていた水分が蒸発して吸湿剤２５ａが再生（乾燥）される。従って、吸湿剤２５ａを何度も使用することができ、ランニングコストが低い。

以下、本実施形態に係るコンテナ型データセンターを実際に運転して結露の有無を調べた実験について説明する。

（実験１）
図１に示す構造のモジュール型データセンターを使用し、吸湿部２５内に吸湿剤２５ａとして１０ｋｇのゼオライトを配置した。

外気温が５℃、外気湿度が１００％ＲＨ、外気の露点温度が５℃のとき、サーバ１３ａが停止状態のラック１３内の温度は３℃であった。

ラック１３内の温度が外気の露点温度よりも低いため、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを逆回転させて、図５に示すようにコンテナ１０内にエアーを通流させた。吸湿部２５を通過したエアーの湿度は約７０％ＲＨまで低下し、ラック１３内の湿度（３℃における湿度）は約８０％ＲＨとなった。

ラック１３内の温度が設定値（８０％ＲＨ）以下となったので、サーバ１３ａを稼動させた。サーバ１３ａの稼動を開始すると、サーバ１３ａから発生する熱によりラック１３内の温度は１０℃に上昇した。

ラック１３内の温度が外気の露点温度を超えたので、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａの回転を正回転とした。また、シャッター１７を開、シャッター１８ａ，１８ｂを閉とした。それにより、コンテナ１０内のエアーの流れは図７のようになった。このようにして、サーバ１３ａ内での結露を防止しつつ、サーバ１３ａを運転することができた。

（実験２）
図１に示す構造のモジュール型データセンターを使用し、吸湿部２５内に吸湿剤２５ａとして株式会社岡山エコエネルギー技術研究所製の高分子収着剤エコポッド（登録商標）１０ｋｇを配置した。

ラック１３内の温度が外気の露点温度よりも低いため、冷却ファンユニット１２の冷却ファン１２ａを逆回転させて、図５のようにコンテナ１０内にエアーを通流させた。吸湿部２５を通過したエアーの湿度は約７０％ＲＨまで低下し、ラック１３内の湿度（３℃における湿度）は約８０％ＲＨとなった。

その後、第１のホットアイル２３内のエアーの温度が４５℃、湿度が２５％ＲＨとなっので、シャッター１７を閉、シャッター１８ａ，１８ｂを開とした。これにより、吸湿部２５内にエアーが通流し、吸湿剤２５ａが再生（乾燥）された。

Claims

屋外に通じる吸気口及び排気口が設けられた構造物と、
前記吸気口に配置されて開閉可能な第１のシャッターと、
前記排気口に配置されて開閉可能な第２のシャッターと、
前記構造物内に配置されて電子機器が収納されるラックと、
エアーの流れ方向を切替可能であり、前記構造物内に配置されて前記ラック内にエアーを通流させる送風装置と、
前記第１のシャッターと前記ラックとの間に設けられた第１の空間と、
前記ラックを挟んで前記第１の空間の反対側に設けられた第２の空間と、
前記第２の空間と前記第２のシャッターとの間に設けられた第３の空間と、
前記第２の空間と前記第３の空間とに隣接し、その内部に吸湿剤が配置された第４の空間と、
前記第２の空間と前記第３の空間との間に配置されて開閉可能な第３のシャッターと、
前記第２の空間と前記第４の空間との間に配置されて開閉可能な第４のシャッターと、
前記第３の空間と前記第４の空間との間に配置されて開閉可能な第５のシャッターと、
前記ラック内の温度を検出するラック内温度検出部と、
外気の露点温度を検出する露点温度検出部と、
前記ラック内温度検出部及び前記露点温度検出部から信号を入力し、前記第１のシャッター、前記第２のシャッター、前記第３のシャッター、前記第４のシャッター、前記第５のシャッター、及び前記送風装置を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記ラック内温度検出部で検出したラック内の温度が前記露点温度検出部で検出した外気の露点温度以下のときには前記第３のシャッターを閉、前記第４のシャッター及び前記第５のシャッターを開とし、前記第２の空間から前記ラック内を通って前記第１の空間にエアーが流れるように前記送風装置を稼働させることを特徴とするモジュール型データセンター。
前記制御部は、前記ラック内温度検出部で検出したラック内の温度が前記露点温度検出部で検出した外気の露点温度よりも高いときには前記第３のシャッターを開、前記第４のシャッター及び前記第５のシャッターを閉とし、前記第１の空間から前記ラック内を通って前記第２の空間にエアーが流れるように前記送風装置を稼働させることを特徴とする請求項１に記載のモジュール型データセンター。
前記制御部は、前記ラック内温度検出部で検出したラック内の温度が前記露点温度検出部で検出した外気の露点温度よりも高いときに、前記ラック内に収納された電子機器を稼働させることを特徴とする請求項２に記載のモジュール型データセンター。
更に、前記第２の空間内のエアーの温度を検出する温度センサと湿度を検出するセンサとを有し、前記制御部は、前記第２の空間内のエアーの温度が設定温度以上であり、且つ前記第２の空間内の湿度が設定湿度以下のときに、前記第３のシャッターを閉、前記第４のシャッター及び前記第５のシャッターを開とすることを特徴とする請求項２又は３に記載のモジュール型データセンター。
更に、前記第１の空間と前記第３の空間とを連絡する第５の空間と、前記第５の空間内に配置されて前記制御部により開閉する第６のシャッターとを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモジュール型データセンター。
前記吸湿剤が、ゼオライト、活性炭、シリカゲル又は高分子吸湿剤であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモジュール型データセンター。