JP6153772B2 - 煙突効果を利用した冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、データセンタにおける冷却システム及び冷却方法に関し、更に詳しくは、空調のための電力を消費することなく、又は、従来よりも少ない電力消費により、データセンタにおいて効率的に冷却を行うシステム及び方法に関する。

データセンタとは、サーバや通信機器を含む大量のハードウェアを集中的に設置して運用する目的に特化された設備である。従来、企業などの組織においてサーバやネットワーク機器が設置された部屋は、サーバルームなどと称せられていた。データセンタは、そのような従来型のサーバルームが大規模化したものと考えることも可能である。

データセンタは、一般的なオフィスビルの中など既存の建物の中で他の設備と共存する都市型のデータセンタだけでなく、例えば地価が低く電力料金が特別にディスカウントされるなど、土地や給電などに関して特定の条件を満たす場所に専用の建築物として設置される場合もある。また、機器を搭載した可動式の複数のコンテナを特定の場所に集合させることによって構成されるコンテナ型のデータセンタも普及しつつある。いずれの場合にも、近年クラウドサービスなどに必要とされる情報技術（IT）機器の数量が爆発的に増大しつつあることの帰結として、従来のデータセンタと比較してはるかに大きなデータ容量を有する設備が要請されている。

データセンタでは、配置されるサーバコンピュータなどの機器の正常な動作を維持するために、空調装置を用いて冷却が行われるのが一般的である。つまり、従来のデータセンタでは、部屋を空調設備で摂氏２５度程度に冷却し、その部屋の中にラック（筐体）を設置し、ラックの内部に機器を設置することで、機器が正常に稼働する設置環境を維持している。部屋の空調設備、ラック上部のファン、機器内部のファンにより、強制的にエアフローがつくられ、機器が冷却されていた。

サーバルームやデータセンタの空調に関しては、以下で述べるように、これまでに多数の特許出願がなされている。特開２０１１−１３３９５０（特許文献１）では、効果的な排気が生じさせるために、ラックの中のサーバを、前側よりも後側が上に位置する傾斜姿勢で搭載されるように構成し、それによって効率的な冷却が意図されている。特開２００８−１２８５３８（特許文献２）では、サーバルームの床下に空洞を設け、開口パネルの開口部を通じて床下空気を設備間の床面上の通路に床下から床上へ吹き出すことにより設備から発生する熱を床下空気によって冷却している。特開２０１２−０８７９７９（特許文献３）は、サーバラックへ必要十分な風量の空気を供給しつつ、空調動力を抑制可能な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していて、情報処理機器の排気が通過するホットアイルＨから吸引した空気を冷却して、情報処理機器を冷やす空気が通過するコールドアイルＣへ送る空調装置と、空調装置から送られる冷気が吹き出す給気口と、給気口１１の周囲に配置されるホットアイルＨと連通する吸込口とを有し、給気口を通過した冷気で吸込口からホットアイルＨの空気を誘引ことにより、混合気を情報処理機器へ送る吹出口ユニットと、を備えている。特開２０１２−０９２９９９（特許文献４）は、情報処理装置を効率的に冷却することを目的としており、この特許文献４の空調装置は、冷却状況を取得し、例えば熱負荷の算出により、取得した冷却状況に基づいて空調装置自体の冷却能力が上限値を超えているか否かを判定し、冷却能力が上限値を超えていると判定された場合に、排出する空気量を減少させる。特開２０１２−０６３０４９（特許文献５）では、データセンタ用空調システムの冷却能力の低下防止が目的とされ、ラックに吸い込まれる冷気を溜めるコールドアイルと、ラックから吐き出された熱気を溜めるホットアイルとが区画され、ホットアイルからコールドアイルに侵入した熱気がコールドアイルに給気される冷気に混入されてからラックに収納された機器に吸い込まれることによりショートサーキット現象を有効に防止できるとされる。

本出願の出願人も、データセンタの空調に関して、共同出願人として特開２０１１−２４２０１１（特許文献６）を、また単独出願人として特開２０１２−０３２１０７（特許文献７）を、出願している。特許文献６は、容易に構築可能であるとともにサーバ数の変更にフレキシブルに対応することができ、省エネ効果の高い空調制御を実行することが可能なサーバ用空調システムに関するものである。特許文献７は、コンテナ型データセンタに関し、ラックの正面から奥行き方向に向かう方向がコンテナの長軸方向に垂直な方向から所定の角度だけ傾斜した態様で設置することにより、傾斜させない設置の場合よりも効率的な空調を可能にするものである。
特開２０１１−１３３９５０ 特開２００８−１２８５３８ 特開２０１２−０８７９７９ 特開２０１２−０９２９９９ 特開２０１２−０６３０４９ 特開２０１１−２４２０１１ 特開２０１２−０３２１０７ 以上ではサーバルーム又はデータセンタにおける空調に関する過去の特許出願の例を挙げたが、これらの特許出願に記載されている発明には共通点が存在する。すなわち、特許文献１から特許文献７の発明は、どの発明も、電力によって動作する空調装置の設置を前提としている点が共通である。図１には、そのような従来型の空調方式の概念図が示されている。例えば特許文献１から特許文献７に記載されているように、従来型の空調方式では、熱を生じるＩＴ機器が設置された部屋の中に、一般的には電気によって動作する空調設備が設置される点で共通している。ラックなどの筐体の配置や、筐体と空調装置との相互関係や、何らかの流体力学的な効果をねらった構成など、空調効率を高める様々な試みがなされているが、閉じた空間の中に空調装置が配置される点は同じである。

しかし、詳しくは後述するが、本発明は、電力を用いずに、又は、従来よりも少ない消費電力により、データセンタの空調を提供している。電力を用いずに建物の排気を試みているものとして、例えば、特開２００３−３３６３２６（特許文献８）が存在する。特許文献８は、特にデータセンタに関するものではなく、一般の建物における排気に関するものであり、発熱機器のみを一般室内から隔離し自然換気により発熱機器から生じた熱の排気を行うため、複数階を備えた建物のうち各階または所定の階にＯＡ機器などの発熱機器を収容する断熱構造体からなる機器収容ボックスを設け、該ボックスは、建物を縦通して建物屋上に開口する排気縦シャフト及び建物の地上部側に開口する給気縦シャフトに連通する構造となっている。
特開２００３−３３６３２６

本発明の目的は、データセンタにおいて電力を用いることなく、又は、従来よりも少ない消費電力により、効率的な空調を提供することである。もちろん、端的に電力を用いない又は消費電力を減らす場合には、電力を用いる場合よりも空調能力に限界があることは明らかである。しかし、本発明の背景として、次のような状況の変化がある。

すなわち、データセンタの温湿度条件は、省エネを進めるために、ＡＳＨＲＡＥ（The American Society of Heating, Refrigerating & Air-Conditioning Engineers、米国暖房冷凍空調学会）において、上限摂氏４０度程度まで緩和された。情報技術機器メーカも、この緩和された環境で稼働する製品を製造し始めており、従来のように１年中摂氏２５度程度の環境を維持する必要がなくなった。また、一見逆のように思えるが、機器の実装密度があがり、１ラック当たりの消費電力が従来の３キロワット程度から１０キロワット程度まで増えて単位空間あたりの発熱量が増大し、機器の発熱だけでも、煙突効果によるエアフローを生じさせる十分な熱量が確保できるようになった。

本発明の全体的な構成として、データセンタに外気を取り入れる開口部を設け、筐体に煙突を設置する。このような構成の効果として、ＩＴ機器の発熱によって生じる暖かい空気が煙突効果により煙突内を上昇することで、ラックの入口から煙突方向へのエアフローが生じ、これによりＩＴ機器が冷却される。

本発明によると、コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記情報処理装置を冷却するシステムであって、前記情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、を備えていることにより、電力を消費する空調装置を用いることなく、前記情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とするシステムが提供される。

また、本発明によると、コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記情報処理装置を冷却する方法であって、前記情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、を備えている、方法において、前記煙突手段が、前記情報処理装置から排気される空気を前記データセンタの外部に排出するステップと、前記開口手段が、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入させるステップと、を含むことにより、電力を消費する空調装置を用いることなく、前記情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とする方法が提供される。

また、本発明によると、コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記情報処理装置を冷却するシステムであって、前記複数の情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、前記複数の情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記複数の情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記複数の情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、を備えていることにより、前記複数の情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とするシステムが提供される。

本発明においては、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させるファンを更に備えている場合がある。

本発明においては、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、必要に応じて、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とを最適な角度で接続することができる。

本発明においては、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置が段差状に搭載する場合がある。

本発明においては、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とが直線的に接続されている場合がある。

本発明においては、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段との接続部に曲管が用いられる場合がある。

本発明においては、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させる集風手段を更に備えている場合がある。

本発明においては、前記煙突手段を通じて排気される空気の温度を上昇させる手段を更に備えている場合がある。

本発明は、方法として提供されることもあり、その場合は、コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記情報処理装置を冷却する方法であって、前記情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、を備えている、方法において、前記煙突手段が、前記情報処理装置から排気される空気を前記データセンタの外部に排出するステップと、前記開口手段が、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入させるステップと、を含んでいることにより、前記情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とする方法が提供される。

本発明の効果として、ラックに設置される冷却用ファンなどの送風装置の数を削減できる。また、ラックの中に設置されるサーバコンピュータなどのＩＴ機器の内部に設置されている冷却用ファンなど送風装置の数も削減できる。データセンタの建物自体にも空調装置が設置されているのが一般的であるが、この空調装置も削減できる。より一般的に、本発明による空調方式を用いると、動力を必要とする冷却設備を削減することができ、これらの設備コストの削減と動力に必要な電力とを削減しながら、データセンタに極めて多数が設置されるサーバコンピュータなどのＩＴ機器が正常に動作するのに必要な冷却を実現することが可能になる。

従来型の空調の概念図を示している。 煙突を備えた構成（ａ）を有する本発明による空調の概念図を示している。 本発明による空調の概念図であって、複数のＩＴ機器が１つの煙突を共有する場合を示している。 本発明による空調の実施例を示しており、実施例を説明する際にベルヌーイの定理を用いて必要な煙突の高さを計算する際に参照される。 本発明により新規な空調方式により節約される電気料金の概算である。 専用のデータセンタではなく、建物の内部に設置される建物型データセンタにおける本発明の実施例を示している。 本発明を用いた実験結果を示している。 煙突を備えた構成（ａ）に補助ファンを加えた構成（ｂ）を示している。 構成（ａ）に加えて、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損を曲管接続することによって減少させる構成（ｃ）を示している。 構成（ａ）に加えて、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損を、接続角度を調整することにより減少させ風量を増大させる構成（ｄ）を示している。 ＩＴ機器を４５度傾斜させて搭載する構成（ｅ）を示している。 ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損をＩＴ機器と煙突を直線的に接続することによって減少させる構成（ｆ）を示している。 筐体と煙突との接続態様を変更しないで風量を増大させるために、筐体の開口部に集風用のダクトを設け、コアンダ効果を利用する構成（ｇ）を示している。 煙突の中を２つの部分に区別して、煙突外周部を外部装置の排熱が通るようにし、煙突内部の気流を保温することにより煙突効果を促す構成（ｈ）を示している。 煙突を設ける構成（ａ）と、煙突に加えて筐体と煙突の接続部に曲管を用いる構成（ｃ）と、煙突に加えて筐体と煙突の接続部を傾斜させる構成（ｄ）と、煙突に加えて筐体の開口部に集風用ダクトを設ける構成（ｇ）とが、様々に組み合わされる様子を示している。 建物型のデータセンタにおいて、図１２に示されている直線接続型の構成（ｆ）を採用した例を示している。

以下では、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。発明の背景として上述した通り、従来型の空調方式では、電力によって動作する空調装置の設置が前提とされる。つまり、図１における従来型の空調方式の概念図が示しているように、熱を生じるＩＴ機器が設置された部屋の中に、電力を必要とする空調設備が設置して、冷却を行っている。必要となる電力に対する空調効率を高めるために様々な試みがなされているが、閉じた空間の中に空調装置が配置されている点は共通である。

このような従来型の空調方式とは対照的に、本発明による空調方式では、図２に概念的に示されている通り、空調装置が存在しない。その代わり、部屋に外気を取り入れる開口部を設け、筐体に煙突を設置する。このように煙突を設ける構成の効果として、ＩＴ機器から生じる暖かい空気が煙突効果により煙突内を上昇する結果として、筐体の入口から煙突方向への空気の流れ（エアフロー）が生じる。このようにして生じるエアフローによりＩＴ機器が冷却される。空調装置が存在しないのであるから、従来型の空調方式では消費することが当然の前提とされていた冷却のための電力消費を削減できる。

また、雨などの影響を無視できる耐水性の筺体を用いるのであれば、建物の外に筐体を設置しても、同様な効果が得られる。筺体としては、データセンタに設置するラック（０．６ｍ×１ｍ×２．２ｍ程度）や、コンテナモジュール（２．３ｍ×３ｍ×９ｍ程度）を想定している。また、図３に示されているように、複数の筐体で一つの煙突を共用することも可能である。その場合には、当然のことながら、設備にかかるコストを低減することができる。

以上では、本発明の特徴的構成と、そのような構成によって達成される作用効果とについて概念的・定性的な説明を行った。次に、流体力学におけるベルヌーイの定理を用いながら定量的な説明を行う。図４に示されているのは、上述した本出願人による特開２０１２−０３２１０７（特許文献７）にも記載されているコンテナ型データセンタである。特許文献７に記載がなく、図４に記載されているのは、本発明による空調方式の特徴的構成である煙突が設けられている点である。図４に示されているように、複数のコンテナが、それぞれの一端を中心とする星状に配置され、中心部にすべてのコンテナによって共有される煙突が設けられている。コンテナの側面から外気を取り入れ、ＩＴ機器の発熱により暖まった空気は、コンテナ上部から煙突に排気される。コンテナの側面から取り入れられる冷気は白い矢印で示され、ＩＴ機器の近傍を通過することにより暖まり煙突を介して排気される空気は黒色の矢印で示されている。

出願人が島根県松江市に設置し既に稼働しているデータセンタにおける数値を用い、そのようなデータセンタにおいて、仮に本発明による煙突を用いた空調を行うと想定した場合に、冷却に必要な風力を確保するためには煙突の高さはどれくらいでなければならないかを、流体力学におけるベルヌーイの定理を用いて理論計算を行う。なお、出願人が松江市に設置しており、コンテナの中でラックを特許文献７に記載されたように傾斜させて配置したＩＺｍｏＳ（イズモＳ）と称するコンテナ型データセンタの場合は、消費電力が６０ＫＷであるので、これを以下での理論計算に用いる。

まず、サーバが発生する熱量に対し、冷却に必要な風量Ｑ（単位：ｍ^３／ｈ）は次の数式１にて求めることができる。

ここで、Ｗは発生熱量（ｋｃａｌ／ｈ）、γは空気比重（ｋｇ／ｍ^３）、Ｃ_Ｐは空気比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）、Ｔ_Ｏは吸気温度（Ｋ）、Ｔ_ｉは排気温度（Ｋ）である。

次に、圧力差およびエネルギー保存則を考慮し、ベルヌーイの定理によって煙突の高さＨを求めた式が数式２である。なお、煙突内の温度分布は一様であり、煙突内部は外気と完全に断熱されており、非粘性かつ非圧縮定常流れであると仮定する。

ここで、Ａは煙突断面積（ｍ^２）、Ｃは流量係数、ｇは重力加速度（ｍ^２／ｓ）である。

図４に示されている具体的な数値を用い、数式１によって、コンテナ１つあたりの消費電力が６０ＫＷの場合に必要な風量Ｑを求めると、１７９１６．６７［ｍ^３／ｈ］である。このＱの計算値を用いて煙突の高さの理論値を求めると、１７．６７［ｍ］であり、つまり約１８メートルとなる。

以上の計算のように、図４に示されているようなコンテナ型データセンタの場合に必要となる煙突の高さは約１８メートルであり、この理論値は現実的な値と考えられる。つまり、６つのコンテナから構成される従来型コンテナ型データセンタにおいて、電力を消費する空調装置を用いて行っていた冷却は、本発明による空調方式によれば、約１８メートルの煙突を用いることにより代替することができることになる。

次に、本発明による著しい効果として、このような本発明による煙突方式の空調により節約できる電気料金を計算したのが、図５の表である。従来型のデータセンタにおける月額電気料金と本発明による新規な空調方式を用いたデータセンタにおける月額電気料金とを比較すると、１ヶ月当たり３８８８千円を節約できることになる。この金額から判断すると、数年間の稼働を前提にすれば、本発明による空調方式に必要な煙突の設置費用を十分に正当化できるものと思われる。

次に、図６には、建物型データセンタにおいて、本発明による空調方式に必要となる煙突を設置した実施例が示されている。図６に示されているように、専用のデータセンタではなく、建物の中に設置されるデータセンタの場合にも、本発明による空調方式は実現可能である。

実施例に関する以上の説明は、本出願の優先権主張の基礎となる平成２４年（２０１２年）５月３１日に出願された特願２０１２−１２４０３４（以下では、基礎出願と称する）において既になされていたものである。以下では、基礎出願の後に行われた実証実験について説明し、また、更なる冷却効果を達成するための追加的な構成について説明する。

発明者たちは、先に述べた流体力学に基づく理論計算に加えて、図７の左側に示されている実験装置を用い、実証実験を行った。具体的には、サーバによって発生する熱に相当する熱負荷を生じる負荷装置をラックの内部に配置し、ラックに取り付けた煙突の高さを様々に変動させて、それぞれの高さごとに得られる風量を測定した。実験条件は、図７の中央に示されている。実験条件の一番下にあるように、実際にサーバ群をラックの中に設置した場合にサーバ群を安全に動作させるのに必要な風量は、約１４００［ｍ^３／ｈ］である。

図７の右側の表が、実験結果である。この実験結果から、図７の実験条件の下で、ラックに煙突を取り付け、ファンを有していないサーバを模した負荷装置を稼働させた場合には、１ラック当たりの熱負荷量が７ｋＷでは、煙突の高さが約６［ｍ］以上であれば本発明の意図する効果が達成されることが確認された。なお、図７に示されている実験については、基礎出願において図４との関係で論じた理論計算とは条件が異なっているために、必要な煙突の高さが異なっている。

以上で述べたように、本発明の基礎となるのは、（ａ）内部にＩＴ機器が収容されているラックやコンテナなどの筐体に排気用の煙突を設置する、というアイデアである。本発明の発明者たちは、煙突を設置すると、ＩＴ機器が発する熱により煙突効果によるエアフローが生じ、その結果として、追加的な電力が必要となる空調を行わなくても、必要十分なＩＴ機器の冷却が達成可能であることを見いだしたのであった。

次に、本発明の発明者たちは、（ａ）の構成すなわち筐体に排気用の煙突が設けられていることを前提にして、他にどのような構成が追加されると、筐体内部の冷却が更に促進されるかを理論的及び実験的に考察した。その結果として、以下の（ｂ）から（ｈ）の構成を追加することが効果的であることを見いだした。

（ｂ）まず、構成（ａ）に加えて、開口部に補助的なファンを設置することにより、煙突効果による風量が不足する場合でも、十分にＩＴ機器を冷却することができる。煙突と補助ファンとを組み合わせた構成（ｂ）は、図８に示されている。構成（ｂ）では補助ファンを用いることにより電力消費が生じるが、従来のように空調設備を用いる場合よりも必要となる消費電力が少ないことは明らかであろう。

次に、構成（ｂ）のように補助ファンを用いるのとは異なり、補助ファンを用いることなく、筐体と煙突とが接続される様々な形状について考察する。そのような考察の前提として、ダクトに特定の風量を流すために必要な圧力について、次の数式３で表されるファニングの式が知られている。なお、この数式３において、ΔＰは圧力損失、ζはダクト固有の損失係数、γは気体の密度、Ｖは流速を表す。

ダクトが様々な物理的条件を有する場合のダクト固有の損失係数ζは、次の表１に示されている通りである。

以下では、煙突を設ける場合に、熱の発生源であるＩＴ機器などが設置されている位置から煙突に至るダクトの接続態様によって冷却効果がどのような影響を受けるかを、上述した損失係数を用いて説明する。

（ｃ）まず、図９を参照すると、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突とが直角に接続される場合と、曲管接続する場合とのそれぞれの損失係数が示されている。両者の損失係数から明らかなように、筐体と煙突とが直角に接続されることによって生じる圧損は、曲管接続する構成（ｃ）によって約８分の１に減少させることが可能であり、結果的に風量が増大する。

（ｄ）次に、構成（ａ）に加えて、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損を、接続角度を調整することにより減少させ風量を増大させる、というのが図１０に示されている構成（ｄ）である。それぞれの損失係数から明らかなように、構成（ｄ）のように、筐体と煙突との接続部を傾斜させることにより、直角に接続する場合と比較して空気の流れが促進される。

（ｅ）また、構成（ｄ）とは異なる構成であるが、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損は、ＩＴ機器を段差状に搭載する構成（ｅ）によっても減少し、風量が増大する。ＩＴ機器を４５度傾斜させて搭載するこの構成（ｅ）は、図１１に示されている。

（ｆ）また、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損は、ＩＴ機器と煙突を直線的に接続することによって減少させることが可能であり、結果的に風量が増大する。この構成（ｆ）は図１２に示されている。図１２には、ＩＴ機器と煙突を直線的に接続する方法として、２つの方法が例示的に示されている。なお、構成（ｆ）は、構成（ｄ）における筐体と煙突との接続角度が傾斜した構成の変形であると考えることも可能である。

（ｇ）以上の構成（ｃ）から構成（ｆ）は、ＩＴ機器を収容する筺体と煙突が直角に接続されることにより生じる圧損を、接続態様を変更することにより減少させ、結果的に風量を増大させるための構成である。これらの構成とは異なり、筐体と煙突との接続態様を変更しないで風量を増大させるために、筐体の開口部に集風用のダクトを設ける構成（ｇ）を採用し、流体力学で知られているコアンダ効果を利用するという方法もある。この構成（ｇ）については、図１３に示されている。

（ｈ）図１４に示されている次の構成は、煙突の中を２つの部分に区別して、煙突外周部を外部装置の排熱が通るようにし、煙突内部の気流を保温することでより煙突効果を促す、という構成（ｈ）である。煙突効果を効果的に発生させるためには、煙突部分での外気との断熱が重要になる。計算上では、煙突部分と外気は完全に断熱されていると仮定する。しかし、現実的には煙突部分にて外気との熱交換が行われ、これが計算と実験結果との剥離の要因の一つとなる。煙突部分の内部に暖かい気流を通すことができれば、煙突部分での断熱性を向上させることが可能である。データセンタでは、外気に排熱を行う設備があり、その排熱を利用することによって、煙突効果を用いたデータセンタの冷却をより促すことができる。煙突実証実験において、煙突部分における熱交換のロスがなくなった場合、計算上の風速に近づくことが考えられる。煙突部分での完全断熱を実現した場合には、煙突長さ３．６８［ｍ］で必要風量１４００［ｍ^３／ｈ］が満たされる。よって、完全断熱時の実証実験結果は次の表２のようになると想定される。

この結果から、煙突を保温することによって、より短い煙突でも同程度の煙突効果を発生させることができるといえる。ここで外部装置と称しているのは、データセンタにおいて設置される、ＩＴ機器が稼働する筐体以外の、無停電電源装置（ＵＰＳ）や燃料電池などの排熱を行う装置である。煙突外周部を外部装置の排熱が通るように煙突を構成することにより煙突内部の気流を保温して、煙突効果を更に促すことが可能となる。

以上で、基礎出願に記載された構成（ａ）に追加する構成として、構成（ｂ）から構成（ｈ）までを説明した。この中で煙突を設ける構成（ａ）、煙突に加えて筐体と煙突の接続部に曲管を用いる構成（ｃ）、煙突に加えて筐体と煙突の接続部を傾斜させる構成（ｄ）、煙突に加えて筐体の開口部に集風用ダクトを設ける構成（ｇ）については、様々な組合せが可能である。その様子が図１５に示されている。

また、既存の建物の中にデータセンタを構築する例がある。このような建物型データセンタにおいて、筐体と煙突を直線的に接続する上述した構成（ｆ）を採用することが可能である。この場合には、図１６に示されているように、サーバフロアの床下から外気を吸気する。吸気量は、ガラリによって調整可能である。外気は床下からラック下面に吸い上げられて、ＩＴ機器によって温度が上がる。このようにして、煙突効果により上昇気流が生まれ、上部煙突部分より排気される。この構成において煙突効果による風量が少ない場合には、煙突上部に補助ファンを設けて、空気を引き上げることができる。なお、この構成は既存の建物内に存在するため、ＩＴ機器が過熱した場合のために緊急用パッケージ空調機を設置しておき、必要に応じて動作させることが好ましい。

Claims (14)

1. コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記複数の情報処理装置を冷却するシステムであって、
   前記複数の情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、
   前記複数の情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記複数の情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記複数の情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、
   前記煙突手段を通じて排気される空気の温度を上昇させる温度上昇手段であって、前記煙突手段の外周部に、前記データセンタにおける前記複数の情報処理装置以外の排熱を行う装置からの排気を通過させるように構成され、前記外周部を通過する排熱により前記煙突手段の内部の気流が保温される結果として煙突効果を促す、温度上昇手段と、
   を備えていることにより、前記複数の情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とするシステム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させるファンを更に備えていることを特徴とするシステム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とが、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損が減少するような角度で接続されていることを特徴とするシステム。
4. 請求項１記載のシステムにおいて、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置が段差状に搭載されていることを特徴とするシステム。
5. 請求項３記載のシステムにおいて、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とが直線的に接続されていることを特徴とするシステム。
6. 請求項１記載のシステムにおいて、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段との接続部に曲管が用いられていることを特徴とするシステム。
7. 請求項１記載のシステムにおいて、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させる集風手段を更に備えていることを特徴とするシステム。
8. コンピュータとネットワーク機器とを含む複数の情報処理装置が集中的に配置されたデータセンタにおいて、前記情報処理装置を冷却する方法であって、前記情報処理装置から排気される空気が前記データセンタの外部に排出されることを可能にする煙突手段と、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入することを可能にする開口手段と、前記煙突手段を通じて排気される空気の温度を上昇させる温度上昇手段であって、前記煙突手段の外周部に、前記データセンタにおける前記複数の情報処理装置以外の排熱を行う装置からの排気を通過させるように構成される、温度上昇手段と、を備えている、方法において、
   前記煙突手段が、前記情報処理装置から排気される空気を前記データセンタの外部に排出するステップと、
   前記開口手段が、前記情報処理装置から排気される空気が前記煙突手段を介して前記データセンタの外部に排出されることの結果として、煙突効果により、前記情報処理装置に対して前記データセンタの外部から、前記情報処理装置から排気される空気よりも相対的に低温の空気が流入させるステップと、
   前記温度上昇手段が、前記外周部を通過する排熱により前記煙突手段の内部の気流が保温される結果として煙突効果を促す、ステップと、
   を含んでいることにより、前記情報処理装置が正常に動作するのに必要な冷却を実現することを特徴とする方法。
9. 請求項８記載の方法において、前記データセンタが、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させるファンを更に備えていることを特徴とする方法。
10. 請求項８記載の方法において、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とが、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損が減少するような角度で接続されていることを特徴とする方法。
11. 請求項８記載の方法において、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置が段差状に搭載されていることを特徴とする方法。
12. 請求項１０記載の方法において、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段とが直線的に接続されていることを特徴とする方法。
13. 請求項８記載の方法において、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の圧損を減少させるために、前記複数の情報処理装置と前記煙突手段との接続部に曲管が用いられていることを特徴とする方法。
14. 請求項８記載の方法において、前記データセンタが、前記開口手段と前記煙突手段とを通過する空気の流れを促進させる集風手段を更に備えていることを特徴とする方法。