WO2015008416A1 - サーバールーム冷却システム - Google Patents

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server
air conditioner
cooling device
air
evaporator
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Inventor
悠人 増田
直之 舟田
隆博 佐橋
訓央 清本
柴田　洋
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/20718—Forced ventilation of a gaseous coolant
    • H05K7/20745—Forced ventilation of a gaseous coolant within rooms for removing heat from cabinets, e.g. by air conditioning device

Definitions

  • the present invention relates to a server room cooling system.
  • Servers are placed in a shelf in the data center.
  • the data center room needs to be maintained at an acceptable temperature and humidity for reliable operation of the server.
  • hot air is exhausted from the back of the server, and air cooled by the air conditioner is supplied from the front of the server to maintain the operating temperature of the server.
  • the data center room is designed with a raised floor.
  • the flow path through which the high-temperature exhaust discharged from the server flows and the flow path through which the low-temperature intake air supplied to the server flow are separated to perform air conditioning.
  • the server room cooling system of the present invention includes a server, an air conditioner for cooling the server, and a cooling device in the server room.
  • a partition wall is provided in the server room.
  • the server room is divided into a cold aisle having a server by a partition wall and a hot aisle having an air conditioner and a cooling device.
  • the cooling device includes a condenser that condenses the refrigerant, an evaporator that evaporates the refrigerant, a refrigerant liquid pipe to which the condenser and the evaporator are connected, and a refrigerant vapor pipe.
  • the cooling device is installed in a casing above the air conditioner, and the casing is divided into an upper part provided with a condenser and a lower part provided with an evaporator by a partition plate. Further, a lower suction port for sucking in the exhaust of the server is provided in the lower part on the server side, and a lower outlet for blowing out the air cooled by the evaporator is provided in the lower surface of the housing. Further, an upper outlet for connecting the exhaust duct is provided on the upper surface of the housing on the lower inlet side, and an upper inlet for connecting the intake duct is provided on the upper side on the opposite side of the server. An air circulation fan is provided in the exhaust duct or the intake duct.
  • the suction temperature of the air conditioner is lowered by the cooling device, and the heat load of the air conditioner is reduced, so that the power consumption of the air conditioner is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a server room cooling system according to an embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a cooling device of the server room cooling system.
  • FIG. 3 is a right side perspective view of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the coupled cooling devices of the server room cooling system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion A in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a server room cooling system according to an embodiment of this invention.
  • the server room cooling system shown in FIG. 1 includes a server 2, an air conditioner 3 for cooling the server 2, and a cooling device 4 in the server room 1.
  • a partition wall 5 is provided in the server room 1.
  • the inside of the server room 1 is divided into a cold aisle 6 having a server 2 and a hot aisle 7 having an air conditioner 3 and a cooling device 4 by a partition wall 5.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the cooling device of the server room cooling system according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a right side perspective view of FIG.
  • the cooling device 4 includes a condenser 9 that condenses the refrigerant, an evaporator 10 that evaporates the refrigerant, a refrigerant liquid pipe 11, and a refrigerant vapor pipe 12.
  • the cooling device 4 is installed in a housing 8 above the air conditioner 3.
  • the refrigerant liquid pipe 11 and the refrigerant vapor pipe 12 connect the condenser 9 and the evaporator 10.
  • the inside of the housing 8 is divided by the partition plate 13 into an upper part 8a provided with the condenser 9 and a lower part 8b provided with the evaporator 10. That is, the air path between the evaporator 10 and the condenser 9 is divided by the partition plate 13. Therefore, the air passing through the evaporator 10 and the air passing through the condenser 9 are not mixed with each other.
  • a lower suction port 14 for sucking exhaust air from the server 2 is provided in the lower part 8b of the housing 8 on the server 2 side in FIG.
  • a lower outlet 15 is provided on the lower surface 8 c of the housing 8 away from the lower inlet 14.
  • an upper outlet 16 is provided on the upper surface 8d of the housing 8 on the lower inlet 14 side.
  • An upper suction port 17 is provided in the upper portion 8 a on the opposite side of the server 2 away from the upper blowout port 16.
  • an exhaust duct 18 having one end opened to the outdoors is connected to the upper outlet 16.
  • An intake duct 19 having one end opened to the outdoors is connected to the upper suction port 17.
  • an outside air circulation blower 20 is provided in the exhaust duct 18.
  • the outside air circulation blower 20 may be provided in the intake duct 19.
  • the cold air from the air conditioner 3 is blown out from the floor surface of the cold aisle 6 toward the server 2 through the floor 21 to cool the server 2.
  • the server 2 is installed on the partition wall 5 so that the opening surface of the server 2 contacts. Hot air in the server 2 is blown out toward the cooling device 4 in the hot aisle 7. The hot air blown out toward the cooling device 4 is cooled by exchanging heat with the outside air in the cooling device 4 to become warm air, and is supplied to the air conditioner 3.
  • the warm air further cooled in the air conditioner 3 becomes cool air and blows out from the floor surface of the cold aisle 6 toward the server 2 through the floor 21.
  • the inside air air passage 22 is an air air passage that circulates through the server 2, the cooling device 4, and the air conditioner 3.
  • the air flow in the inside air air passage 22 is generated by a blower (not shown) built in the air conditioner 3.
  • the air conditioner suction port of the air conditioner 3 in FIG. 1 is usually disposed in the vicinity of the lower outlet 15. If the shape of the lower blowout port 15 of the cooling device 4 and the air conditioner suction port of the air conditioner 3 matches, the lower blowout port 15 and the air conditioner suction port are directly connected. Thus, the warm air blown out from the cooling device 4 is directly supplied to the air conditioner 3 without being mixed with the surrounding hot air, so that the suction temperature of the air conditioner 3 is lowered.
  • the lower outlet 15 and the air conditioner inlet may be connected by a flexible duct. In that case, the shapes of the lower outlet 15 and the air conditioner inlet need not be matched.
  • Hot air is sucked into the inside air passage 22 in the cooling device 4 shown in FIG.
  • the hot air passes through the evaporator 10, is deprived of heat by the liquid refrigerant in the evaporator 10, is cooled, and is blown out from the lower outlet 15 as warm air.
  • Warm air blown from the lower outlet 15 is supplied to the air conditioner 3.
  • outside air that has flowed into the intake duct 19 of FIG. 1 is sucked into the outside air passage 23 from the upper suction port 17.
  • the outside air passes through the condenser 9 and takes heat from the refrigerant vapor in the condenser 9. Then, the outside air is discharged to the outside from the upper outlet 16 through the exhaust duct 18 of FIG.
  • coolant in the evaporator 10 will evaporate because the hot air sucked from the lower inlet 14 of FIG. 3 passes the evaporator 10.
  • FIG. The liquid refrigerant ascends the refrigerant vapor pipe 12 and reaches the condenser 9.
  • the warm air cooled from the hot air in the cooling device 4 is supplied to the air conditioner 3, the heat load of the air conditioner 3 is reduced and the power consumption is also reduced.
  • the server room cooling system includes an existing server room that has been cooled only by the air conditioner 3, the cooling device 4, the exhaust duct 18, the intake duct 19, and the outside air circulation blower in FIG. 20 may be added. That is, retrofitting is easy.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a cooling device connected to the server room cooling system according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an enlarged view of a part A in FIG.
  • joint metal fittings 24 for fixing the cooling device 4 to others by bolts or the like are provided at the four corners of the top surface 4a and the bottom surface 4b of the cooling device 4.
  • the joint fitting 24 is fixed with bolts, and a plurality of cooling devices 4 are connected and installed in parallel.
  • the installation size and space of the cooling device 4 can be easily changed with respect to the increase in the heat generation amount accompanying the increase in the processing amount of the server 2.
  • the cooling device 4 when the cooling device 4 is installed on the top surface of the air conditioner 3 as shown in FIG. 1, the cooling device 4 and the air conditioner 3 are easily connected by the joint fitting 24 on the bottom surface 4b of FIG.
  • the intake air temperature of the air conditioner 3 is lowered. That is, since the warm air cooled from the hot air in the cooling device 4 of FIG. 1 is supplied to the air conditioner 3, the heat load of the air conditioner 3 is reduced and the power consumption is also reduced.
  • the cooling device 4, the exhaust duct 18, the intake duct 19, and the outside air circulation blower 20 of FIG. 1 may be added to the existing server room that has been cooled only by the air conditioner 3. Therefore, it is possible to easily cope with an increase in the amount of heat generated due to an increase in the processing amount of the server 2 by retrofit.
  • the data center is cooled by the hybrid cooling system of the air conditioner 3 and the natural refrigerant circulation cooling device 4. Therefore, the function of the air conditioner 3 for the data center is utilized to the maximum, and the power consumption of the data center is reduced.
  • the server room cooling system of the present invention can be applied not only to a new data center but also to an existing data center.

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Abstract

サーバールーム冷却システムは、空調機（３）と空調機（３）上方の筐体（８）内に冷却装置（４）とを備えている。サーバー（２）の排気を吸込む下部吸込み口がサーバー（２）側の筐体（８）の下部に、蒸発器により冷却された空気を吹き出す下部吹出し口（１５）が筐体（８）の下面に設けられている。さらに排気ダクト（１８）を接続する上部吹出し口（１６）が下部吸込み口側の筐体（８）の上面に、吸気ダクト（１９）を接続する上部吸込み口（１７）がサーバー（２）の反対側の筐体（８）の上部に設けられている。そして排気ダクト（１８）内または吸気ダクト（１９）内に外気循環用送風機（２０）が設けられている。

Description

サーバールーム冷却システム
　本発明は、サーバールーム冷却システムに関する。
　サーバーは、データセンターに棚状に置かれる。データセンター室は、サーバーの信頼できる作動のために許容温度及び湿度に維持される必要がある。データセンター室では、サーバーの背面から高温の空気が排出され、空調機により冷却された空気がサーバーの正面から供給され、サーバーの作動温度が保たれている。
　一般的には、データセンター室は上げ床の設計がされている。そしてサーバーから排出される高温の排気が流れる流路と、サーバーに供給される低温の吸気が流れる流路とが分けられ、空調が行なわれている。
　この空調機の消費電力の低減のための空調制御方法が、従来より提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１３－０４０７１５号公報
　このような従来のサーバールーム冷却システムにおいては、空調機は通常、冷凍サイクルが使用されている。そのため、サーバーの発熱量が増加し空調機の吸込み空気の温度が上昇すると、冷凍サイクルの冷媒温度が上昇して冷却効率が低下し、消費電力が増加するという課題を有していた。
　そこで本発明のサーバールーム冷却システムは、サーバールーム内にサーバーと、サーバーを冷却する空調機と冷却装置とを備えている。サーバールーム内には、仕切り壁が設けられている。そして仕切り壁によりサーバールーム内がサーバーを有するコールドアイルと、空調機と冷却装置とを有するホットアイルとに分けられている。冷却装置は冷媒が凝縮する凝縮器と、冷媒が蒸発する蒸発器と、凝縮器および蒸発器が接続された冷媒液管と冷媒蒸気管とから構成されている。また冷却装置は空調機の上方の筐体内に設置され、筐体内は仕切り板により凝縮器が設けられた上部と、蒸発器が設けられた下部とに分割される。またサーバーの排気を吸込む下部吸込み口がサーバー側の下部に設けられ、蒸発器により冷却された空気を吹き出す下部吹出し口が筐体の下面に設けられている。さらに排気ダクトを接続する上部吹出し口が下部吸込み口側の筐体の上面に設けられ、吸気ダクトを接続する上部吸込み口がサーバーの反対側の上部に設けられている。そして排気ダクト内または吸気ダクト内に、外気循環用送風機が設けられている。
　このようなサーバールーム冷却システムは、冷却装置により空調機の吸込み温度が下げられ、空調機の熱負荷が低減されるので、空調機の消費電力が低減する。
図１は、本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムの概略構成図である。 図２は、同サーバールーム冷却システムの冷却装置の概略斜視図である。 図３は、図２の右側面透視図である。 図４は、本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムの連結された冷却装置の概略斜視図である。 図５は、図４のＡ部拡大図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態）
　図１は、本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムの概略構成図である。図１に示すサーバールーム冷却システムは、サーバールーム１内にサーバー２と、サーバー２を冷却する空調機３と、冷却装置４とを備えている。
　サーバールーム１内には、仕切り壁５が設けられている。仕切り壁５によりサーバールーム１内が、サーバー２を有するコールドアイル６と、空調機３および冷却装置４を有するホットアイル７とに分けられている。
　図２は本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムの冷却装置の概略斜視図、図３は図２の右側面透視図である。図２、図３に示すように冷却装置４は、冷媒が凝縮する凝縮器９と、冷媒が蒸発する蒸発器１０と、冷媒液管１１と、冷媒蒸気管１２とから構成されている。また図１に示すように冷却装置４は、空調機３の上方の筐体８内に設置されている。図３に示すように冷媒液管１１および冷媒蒸気管１２は、凝縮器９と蒸発器１０とを接続している。
　さらに図３に示すように仕切り板１３により、凝縮器９が設けられた上部８ａと、蒸発器１０が設けられた下部８ｂとに筐体８内が分割されている。すなわち、蒸発器１０と凝縮器９との風路は、仕切り板１３によりそれぞれ分けられている。そのため蒸発器１０を通過する空気と、凝縮器９を通過する空気とは互いに混ざらない。
　また、筐体８の図１のサーバー２側の下部８ｂにサーバー２からの排気を吸込む下部吸込み口１４が設けられている。そして、下部吸込み口１４から離れた筐体８の下面８ｃに下部吹出し口１５が設けられている。
　さらに筐体８の下部吸込み口１４側の上面８ｄには、上部吹出し口１６が設けられている。そして、上部吹出し口１６から離れたサーバー２の反対側の側面の上部８ａには上部吸込み口１７が設けられている。
　そして図１に示すように上部吹出し口１６には、一端が屋外に開口した排気ダクト１８が接続されている。上部吸込み口１７には、一端が屋外に開口した吸気ダクト１９が接続されている。また図１に示すように排気ダクト１８内に、外気循環用送風機２０が設けられている。なお外気循環用送風機２０は、吸気ダクト１９内に設けられてもよい。
　上記構成において、図１に示すように空調機３からの冷気は、床下２１を通ってコールドアイル６の床面からサーバー２に向かって吹出され、サーバー２を冷却している。
　仕切り壁５には、サーバー２の開口面が接するようにサーバー２が設置されている。サーバー２内の熱気はホットアイル７内、冷却装置４へ向かって吹出されている。冷却装置４へ向かって吹出された熱気は、冷却装置４内において外気と熱交換して冷却され暖気となり、空調機３に供給される。
　そして空調機３内においてさらに冷却された暖気は冷気となり、床下２１を通ってコールドアイル６の床面からサーバー２に向かって吹出される。内気風路２２はサーバー２、冷却装置４、および空調機３を循環する空気の風路である。ここで、内気風路２２における空気の流れは、空調機３に内蔵された送風機（図示せず）により生じている。
　また図１の空調機３の空調機吸込み口は通常、下部吹出し口１５近傍に配置されている。冷却装置４の下部吹出し口１５と、空調機３の空調機吸込み口との形状が合っていれば、下部吹出し口１５と空調機吸込み口とが直結される。このように冷却装置４から吹出された暖気は、周囲の熱気と混合されることなく直接、空調機３に供給されるため空調機３の吸込み温度が下げられる。
　また、下部吹出し口１５と空調機吸込み口とが直結されない場合、下部吹出し口１５と空調機吸込み口とは、フレキシブルダクトにて接続されればよい。その場合、下部吹出し口１５と、空調機吸込み口との形状が合わされる必要はない。
　次に図１～３を用いて、冷却装置４内での冷却作用を説明する。図３に示す冷却装置４内の内気風路２２には、下部吸込み口１４から熱気が吸込まれる。熱気は蒸発器１０を通過し、蒸発器１０内の液冷媒に熱を奪われて冷却され、暖気となって下部吹出し口１５から吹出される。下部吹出し口１５から吹出された暖気は、空調機３に供給される。
　一方、外気風路２３には、図１の吸気ダクト１９内に流入した外気が上部吸込み口１７から吸込まれる。外気は凝縮器９を通過し、凝縮器９内の冷媒蒸気から熱を奪う。そして外気は、上部吹出し口１６から図１の排気ダクト１８内を通って屋外に排出される。
　冷媒サイクルの観点から説明すると、図３の下部吸込み口１４から吸込まれた熱気は蒸発器１０を通過することにより、蒸発器１０内の液冷媒は蒸発する。そして液冷媒は冷媒蒸気管１２を上昇し、凝縮器９に到達する。
　一方、上部吸込み口１７から吸込まれた外気が凝縮器９を通過することにより、凝縮器９内の冷媒蒸気は冷却されて液化する。そしてこの液化した冷媒は、次に冷媒液管１１を下降して再び蒸発器１０に到達する。このようにして、冷媒の自然循環が行われる。
　すなわち冷却装置４内において熱気から冷却された暖気が空調機３に供給されるので、空調機３の熱負荷が低減され、消費電力も低減する。
　また本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムは、空調機３のみにより冷却が行われていた既設のサーバールームに図１の冷却装置４、排気ダクト１８、吸気ダクト１９、および外気循環用送風機２０が追加されればよい。すなわち、後付が容易である。
　図４は本発明の実施の形態のサーバールーム冷却システムの連結された冷却装置の概略斜視図、図５は図４のＡ部拡大図である。図４に示すように冷却装置４の天面４ａと底面４ｂとの四隅には、ボルトなどにより冷却装置４を他に固定するためのジョイント金具２４が設けられている。
　また図４、図５に示すようにジョイント金具２４がボルトにより固定され、冷却装置４が複数台連結して並列に設置される。サーバー２の処理量増加に伴う発熱量増加に対して、冷却装置４の設置サイズおよびスペースが容易に変えられる。
　本発明の実施の形態では、図１のように冷却装置４が空調機３の天面に設置される場合を説明したが、図４の天面４ａのジョイント金具２４は冷却装置４を天吊り設置する場合にも利用できる。
　また、図１のように冷却装置４が空調機３の天面に設置される場合、図４の底面４ｂのジョイント金具２４により、冷却装置４と空調機３とが容易に連結される。
　以上のように、空調機３の吸込み空気温度が下げられる。すなわち図１の冷却装置４内において熱気から冷却された暖気が空調機３に供給されるので、空調機３の熱負荷が低減され、消費電力も低減する。
　さらに、空調機３のみにより冷却が行われていた既設のサーバールームに対し、図１の冷却装置４、排気ダクト１８、吸気ダクト１９、および外気循環用送風機２０が追加されればよい。そのためサーバー２の処理量増加に伴う発熱量増加に対して、後付により容易に対応できる。
　このように空調機３と、冷媒自然循環方式の冷却装置４とのハイブリッド方式による冷却システムにより、データセンターの冷却が行われる。そのため、データセンター用の空調機３の機能が最大限に活用されるとともに、データセンターの消費電力が削減される。
　本発明のサーバールーム冷却システムは、新規のデータセンターだけではなく、既存のデータセンターにも適用が可能である。
１　　サーバールーム
２　　サーバー
３　　空調機
４　　冷却装置
４ａ　　天面
４ｂ　　底面
５　　仕切り壁
６　　コールドアイル
７　　ホットアイル
８　　筐体
８ａ　　上部
８ｂ　　下部
８ｃ　　下面
８ｄ　　上面
９　　凝縮器
１０　　蒸発器
１１　　冷媒液管
１２　　冷媒蒸気管
１３　　仕切り板
１４　　下部吸込み口
１５　　下部吹出し口
１６　　上部吹出し口
１７　　上部吸込み口
１８　　排気ダクト
１９　　吸気ダクト
２０　　外気循環用送風機
２１　　床下
２２　　内気風路
２３　　外気風路
２４　　ジョイント金具

Claims (2)

  1. サーバールーム内にサーバーと、
    前記サーバーを冷却する空調機と冷却装置とを備え、
    前記サーバールーム内に仕切り壁が設けられ前記仕切り壁により前記サーバールーム内が前記サーバーを有するコールドアイルと、
    前記空調機と前記冷却装置とを有するホットアイルとに分けられ、
    前記冷却装置は冷媒が凝縮する凝縮器と、
    前記冷媒が蒸発する蒸発器と、
    前記凝縮器および前記蒸発器が接続された冷媒液管と冷媒蒸気管とから構成され、
    前記冷却装置は前記空調機の上方の筐体内に設置され、
    前記筐体内は仕切り板により前記凝縮器が設けられた上部と、
    前記蒸発器が設けられた下部と、に分割され、
    前記サーバーの排気を吸込む下部吸込み口が前記サーバー側の前記下部に設けられ、前記蒸発器により冷却された空気を吹き出す下部吹出し口が前記筐体の下面に設けられ、
    排気ダクトを接続する上部吹出し口が前記下部吸込み口側の前記筐体の上面に設けられ、吸気ダクトを接続する上部吸込み口が前記サーバーの反対側の前記上部に設けられ、
    前記排気ダクト内または前記吸気ダクト内に外気循環用送風機が設けられたことを特徴とするサーバールーム冷却システム。
  2. ジョイント金具が前記冷却装置の天面と底面との四隅に設けられ、前記ジョイント金具により前記冷却装置が複数台連結されたことを特徴とする請求項１に記載のサーバールーム冷却システム。
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