JPWO2014087635A1 - 電子機器収納装置の冷却システム及び電子機器収納建屋の冷却システム - Google Patents

Abstract

本発明の電子機器収納装置の冷却システムは、電子機器と、電子機器を載置する複数段の載置棚とで構成されるラックを備え、ラックには内部に冷媒を有する蒸発器が搭載され、ラックの外部には蒸発器と配管で接続された凝縮部が設置され、蒸発器内の冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段を備えることを特徴する。

Description

本発明は、電子機器収納装置等の冷却システムに関し、特にサーバ等の複数の発熱源からの熱を冷却する電子機器収納装置等の冷却システムに関する。

近年、情報処理技術の向上やインターネット環境の発達に伴って、必要とされる情報処理量が増大している。このような動向に伴い、インターネットに用いるサーバ装置、通信装置、固定電話、ＩＰ（Internet Protocol)電話などの装置を設置し、運用するデータセンタビジネスが注目されている。

このデータセンタのサーバルームには、コンピュータ等の電子機器が多数設置されている。サーバルームに電子機器を設置する方式として、ラックマウント方式を用いることが主流になっている。ラックマウント方式とは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）やＥＩＡ（Electronic Industries Alliance）で規格化された平型の電子機器をラックに段積みに設置する方式である。

サーバルームのスペースを十分に確保するためには、出来るだけ多くの電子機器をラックに搭載することが望まれる。そのため電子機器は、それぞれの高さを低くすることが必要となる。なお、一般にラックマウント型サーバと呼ばれる１Ｕ（Ｕｎｉｔ：ユニット）サーバやブレードサーバ等の電子機器の高さは４０ミリメートル程度である。このラックマウント型サーバが排気する熱を冷却するには、積層された高さの異なる複数の熱源に対して同時に冷却を行う必要がある。

データセンタの冷却方式は床下空調方式が一般的である。床下空調方式は、データセンタのサーバを効率良く冷却するために、サーバを敷設している建屋を二重床にし、空調機からの冷風を床下から、床面に設けた金属板に複数の孔が開いたフロアグリルからサーバラックに供給する。この床下空調方式はサーバの暖気と空調機からの冷風を、二重床を通して分離できるため効率よくサーバラックに冷風を供給することができる。

サーバラックに必要な冷却風量はサーバの負荷によって大きく変動する。そのため特許文献１ではラックの発熱量に応じてラックの前部に吹き出す冷気の供給量を調節し,冷気供給のための動力を低減しホットスポットの発生を防止する構造が開示されている。

すなわち、管理サーバより取り込んだ各サーバの稼働率からラック毎の平均稼働率を求め、この値より得られるラックの平均発熱量をラックの最大風量に掛算し、それにより必要風量信号を発生させる。この必要風量信号に基づき各ラックのフロアファンの回転数を制御している。さらに、サーバの吸込口に対応する位置に設けた上部温度計の吸込検出温度が設定吸込温度以上のときに必要風量信号を補正する温度補正演算部を備える。

このようにサーバに必要な風量をサーバラックの平均稼働率とサーバラック最上段部のサーバ入口空気温度から求めることで時々刻々と変化するサーバの稼働率に応じて空調機の必要風量と冷風温度を調整し、最適な温度と風量を有した冷風を各々のサーバに供給している。

特開２０１１−２２６７３７

しかしながら上述した特許文献１の冷却システムには課題がある。すなわち、このシステムはサーバの稼働率からラック毎の平均稼働率を求め、サーバ全体に必要な風量を供給しているに過ぎない。したがって、個々のサーバにより発生熱量が異なるのに、サーバ個別の熱制御ができない。

本発明はこれらの問題点を解決するため鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換器性能をより細かく制御可能な冷却システムを提供することにある。

前記電子機器を載置する複数段の載置棚とで構成されるラックを備え、前記ラックには内部に冷媒を有する蒸発器が搭載され、前記ラックの外部には前記蒸発器と配管で接続された凝縮部が設置され、前記蒸発器内の冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段を備えることを特徴とした電子機器収納装置の冷却システム。

本発明による冷却システムによれば、熱交換器性能をより細かく制御可能となる。

データセンタを示す断面図である。 データセンタを示す上部断面図である。 冷却システムの正面図である。 移動式タンクの構造を示す図である。 第２の実施形態の冷却システムを示す図である。 タンク固定プレートの詳細図である。 第３の実施形態の冷却システムを示す図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。

図１は、データセンタを示す断面図である。データセンタ１のサーバを冷却するために、循環ＦＡＮ１０の回転翼が回転し、データセンタ１の吸気口２から外気を取り込む。この取り込んだ外気は、サーバ内部のＦＡＮが動作することでサーバへと吸気される。サーバ内で吸気された空気は内部の発熱体より温められてサーバの排気口３より暖気となり排出される。

この暖気は、サーバ背面に設置された複数の受熱部の冷媒１６へと熱を伝え、暖気が持っていた熱の一部が、冷媒１６が液体から蒸気へと相変化する際の潜熱として冷媒１６に吸収される。そして暖気は熱を失うことで温度が低下する。この暖気は循環ＦＡＮ１０を通じてデータセンタ１外部へと排出される。

また、一部の排出されなかった暖気は、サーバラックの周りに仕切り等が存在しないため、サーバラック６を回り込み再度サーバラック６吸気部へと供給される、いわゆるショートリターン現象が発生する。

蒸発器4内の冷媒に伝わった、暖気からの熱は蒸気管８内部を蒸気が通過し、浮力によりデータセンタ１の凝縮室１１にある凝縮器５へと運ばれる。凝縮器５では冷媒１６の蒸気の熱が凝縮室１１の凝縮ＦＡＮ１２によって循環された外気と熱交換することで外気へと運ばれる。この際に蒸気は液体へと凝縮する。

凝縮した冷媒は凝縮管９を通じ、図４に示す、最上部のタンク１３へと運ばれる。タンク１３へと運ばれた凝縮された冷媒液は熱交換器接続管１４を通して最上段部の蒸発器へと供給される。凝縮した冷媒液が供給され続けることでタンク液面高さが上昇していくが、タンク１３に接続されたタンク接続管１５の接続口と同じ高さまでタンク液面高さが上昇すると、溶媒液は最上段部の受熱器ではなく、下段のタンク１３へとタンク接続管１５を通して接続される。このような動作を繰り返すことで複数の蒸発器４全てに凝縮した溶媒液が供給される。以上のようなサイクルにより電子機器の排熱をデータセンタ１外へと排出する。

次に本実施形態における作用・効果について図を参照して説明を行う。

まず、どのように電子機器からの排熱がデータセンタ１外へと排出されるかについて説明する。図１には電子機器を複数台収納するサーバラック６とサーバラック複数台を搭載したデータセンタ１の断面図を示している。また図２はデータセンタ１の上面図を示した。

図１に示すように、データセンタ１は外気を取り入れる吸気口２と外気を排出する排気口３と循環ＦＡＮ１０が設置されている。データセンタ１中心部に配置されたサーバラック６の背面には内部が冷媒１６で満たされた蒸発器４が、サーバラック６の上部から下部へと複数台設置されている。蒸発器4は、サーバラックに対応してそれぞれ設けることが好ましい。図２に示すように、サーバラックが複数個縦積みとなって構成されるサーバラックが複数個横に配置されている。それぞれのサーバラック毎に図３に示す冷却システムが設けられている。

この複数台の蒸発器のサーバ側にはサーバからの排気温度を測定する温度センサ７が取り付けられており、蒸発器のデータセンタ１室内側には熱交換後の空気温度を測定する温度センサ７が取り付けられている。

蒸発器４内で使用される冷媒１６には例えば、ハイドロフルオロカーボンやハイドロフルオロエーテルなどの低沸点冷媒１６を用いる。蒸発器４は、データセンタ１内部に設けられた凝縮室１１へと蒸気が主に通る蒸気管８を通して、凝縮室１１にある凝縮器５に接続されている。また凝縮器５からは、凝縮器５にて蒸気から液体へと相変化した凝縮液が通る凝縮管９が蒸発器４へと通じており、蒸発器４と凝縮器５が蒸気管８、凝縮管９を通して接続されている。

この蒸発器４、凝縮器５は、共に空気と冷媒１６との熱交換を行う熱交換器であり、例えばフィンアンドチューブ型の熱交換器を用いる。凝縮室１１は図１には図示されていないが吸気口２と排気口３が設けられており、また凝縮器５には冷媒１６と空気との熱交換を促進する凝縮用ＦＡＮが設置されている。

蒸発器４は前述のように複数台縦に配置されているが、図３に示すように各々の蒸発器には冷媒１６を貯蔵するタンク１３が設置されている。最上段部の蒸発器４のタンク１３は凝縮管９を通して図１、図３に示す凝縮器５へと接続されている。また各々のタンク１３と蒸発器４は熱交換器接続管１４を通し蒸発器４と接続し、タンク１３同士はタンク接続管１５を通じて接続されている。なお、熱交換器接続管１４は、後述するタンクの上下運動に対応して可動もしくは伸縮する構造が好ましい。さらに、各々の蒸発器４の蒸気管８は図３に示すように１本にまとめられて凝縮器５へと接続されている。

各々のタンク１３は図４に示すようなタンク１３の鉛直方向に高さを変えられる移動式プレート１７に設置、固定されている。この移動式プレート１７は例えばモータなどの駆動機の動力が鉛直方向への力と変換されることで上下に移動する。この駆動機の動作は図示しない制御部によって制御されている。制御部は、温度センサ７から得られる温度情報に基づいて、後述するタンクの上下動作及び循環ファン10の動力制御を行う。タンク１３が上下に稼動することにより、タンクに接続されている蒸発器4内の冷媒16の高さが変化する。

続いて、温度センサ７を使用した循環ファンの制御、受熱部の冷却性能の制御について説明する。サーバの負荷が時系列で増大することでサーバの排気温度が上昇する。例えばサーバの排気温度が４０℃以上になると、前述したサーバラック６をサーバの排気が回り込むショートリターン現象によりサーバの吸気が排気を直接吸込むことになる。

多くの電子機器メーカはサーバの入口空気温度を４０℃以下にすることを規格化しており、このままではサーバの動作信頼性が損なわれてしまう。そこで受熱部のデータセンタ１側の温度センサ７が４０℃以上となると、制御部が駆動機に対し受熱部の冷却性能を上昇させるために、タンク１３の移動プレートを上昇させて受熱部内部の冷媒高さを上昇させる動作を行う。

冷媒高さを上昇させると、受熱部全体を使用して熱交換しやすくなるため４０℃以上になっていた排気温度がいっそうの熱交換により４０℃以下となる。同時に制御部が循環ＦＡＮ１０の動力を低下させていき、前述のショートリターンを起こしやすくする。ショートリターンを起こすとサーバの入口空気温度は上昇していくが、同時に熱交換がし易くなっているために、サーバの入口空気温度の上昇は抑制される。

しかしながら熱交換器の冷却性能には限界がある。この冷却性能はサーバ側の温度センサ７とデータセンタ１側の温度センサ７の温度差（ΔＴ）であらわすことができる。冷却性能は、例えばサーバ内部で１０℃温度上昇し、上述のΔＴが５℃の場合、５０％の熱を吸熱しているということになる。このΔＴは熱交換器の面積、厚さによって最大値が決まっている。従って、上述した循環ＦＡＮ１０の動力の低下は、熱交換器の性能がこの最大値のΔＴに達するまで行うように制御部がコントロールしている。

多くのサーバは低温側にもサーバの吸気温度の規格値を１５℃として設けており、データセンタ１の外気温度が真冬の場合、１５℃以下となるため、サーバの吸気温度を１５℃以上にするために空気を加熱する必要が出てくる。この場合にはサーバ自体の発熱を利用する。データセンタ１側の温度センサ７の温度が１５℃以下の場合、制御部がタンク１３の移動プレートを下降させる。

この動作により受熱部内部の液面高さが低下していく。液面高さが低下すると受熱部が冷媒１６で満たされる面積がどんどん小さくなっていくため、熱交換が抑制される。この液面高さの下降は受熱部内部の冷媒１６がなくなるまで行われる。この移動プレートの動作と同時期に制御部は循環ＦＡＮ１０の動力を低下させていく。循環ＦＡＮ１０の動力が低下していくと、上述したショートリターンにより、サーバの排気が直接サーバの吸気へと供給される量が増えていくためにサーバの吸気温度が上昇していく。サーバの吸気温度が１５℃になった時点において循環ＦＡＮ１０の動力の低下を中止させて、この時点での動力において定常運転を行う。

上述の作用による効果は、個別の蒸発部の能力を制御できるため蒸発器が設けられたサーバ毎に温度制御ができる点である。温度制御もタンクの上下運動というコントロールが容易な動作制御のためシステムが複雑となることも無い。

続いて図を用いて第２の実施の形態を説明する。第1の実施の形態と重複する構造は省略する。第２の実施の形態において第１の実施の形態と異なることは、図５に示すようにタンク１３の液面高さを調整する機構が移動式プレート１７ではなく、タンク固定プレート１８によって行われている点である。タンク固定プレート１８は蒸発器の側面に複数接続されている。図６に示すようにタンク固定プレート１８には中空状の切り欠きがありタンク１３が固定できるようになっている。受熱部の液面高さの調整は図５に示すように複数のタンク固定プレート１８間のタンク１３の搭載する位置を上下方向に可変することによって行う。

第２の実施の形態の場合、人の手による任意にタンク１３の移動を行う必要があるため、第１の実施の形態のようにサーバの負荷に応じた細かい液面高さの制御、循環ＦＡＮ１０の制御ができない。そのため、例えば夏場の高温時と、冬場の低温時のタンク１３の位置をあらかじめ決めておき、タンク１３の移動を事前に行っておく必要がある。効果は第1の実施の形態と同様である。

続いて図を用いて第３の実施の形態を説明する。同様に第１の実施の形態と重複する構造は省略する。第３の実施の形態において第１の実施の形態と異なることは、図７に示すようにタンク１３の液面高さを調整する機構が流体制御バルブ１９によって行われている点である。タンク１３には流体制御流体制御バルブ１９が複数個、タンク１３の鉛直方向に設置されている。受熱部の液面高さを上昇させたいときは、例えば図７に示す最上部の流体制御流体制御バルブ１９を開放し、残りの二つの流体制御バルブ１９を閉じることにより、液面高さが最上部の流体制御バルブ１９まで到達すると、下段のタンク１３へと凝縮液が到達する。

本実施形態では受熱部の液面高さの制御を移動プレート１７の上下による形態ではなく、流体制御バルブ１９の制御によって行う。バルブの制御は第１の実施形態のように温度センサからの温度情報により制御部が自動的にバルブの制御を行うことが可能である。または、第２の実施形態のように人の手でバルブの調整を行ってもかまわない。

この出願は、２０１２年１２月３日に出願された日本出願特願２０１２−２６４４３０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、電子機器収納装置等の冷却システムに関し、特にサーバ等の複数の発熱源からの熱を冷却する電子機器収納装置等の冷却システムに関する。

１ データセンタ
２ 吸気口
３ 排気口
４ 蒸発器
５ 凝縮器
６ サーバラック
７ 温度センサ
８ 蒸気管
９ 凝縮管
１０ 循環ＦＡＮ
１１ 凝縮室
１２ 凝縮ＦＡＮ
１３ タンク
１４ 熱交換器接続管
１５ タンク接続管
１６ 冷媒
１７ 移動式プレート
１８ タンク固定プレート
１９ 流体制御バルブ

Claims (8)

1. 電子機器と、前記電子機器を載置する複数段の載置棚とで構成されるラックを備え、前記ラックには内部に冷媒を有する蒸発器が搭載され、前記ラックの外部には前記蒸発器と配管で接続された凝縮部が設置され、前記蒸発器内の冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段を備えることを特徴とした電子機器収納装置の冷却システム。
2. 前記熱交換器の蒸発器には冷媒を貯蔵するタンクを備える請求項１に記載の電子機器収納装置の冷却システム。
3. 前記冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段は、前記タンクの高さを調節する手段を有したことを特徴とする請求項２に記載の電子機器収納装置の冷却システム。
4. 前記冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段は、それぞれが前記凝縮部に接続し、かつ前記タンクの異なる高さに接続した複数の流体制御装置が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電子機器収納装置の冷却システム。
5. 前記ラックの温度を検知する温度センサを設け、その結果に応じて前記冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子機収納装置の温度調整システム。
6. 電子機器と、前記電子機器を載置する複数段の載置棚とで構成されるラックを備え、前記ラックは前記ラックを複数台収納する建屋に配置され、前記建屋には外気を吸気、排気する複数個の吸気口、排気口が設けられ、前記ラックには内部に冷媒を有する蒸発器と、前記ラックの外部に前記蒸発器と配管で接続された凝縮部が設置され、前記蒸発器内の冷媒面の高さを調整する冷媒調整手段を備えることを特徴とする電子機器収納建屋の冷却システム。
7. 前記電子機器収納建屋の排気口には送風機が設置されていることを特徴とした請求項６に記載の電子機器収納建屋の冷却システム。
8. 前記ラックの温度を検知する温度センサを設け、その結果に応じて前記電子機器収納建屋の送風機出力と、冷媒調整手段を制御することを特徴とした請求項６または７に記載の電子機器収納建屋の冷却システム。

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