JP2009264598A - ラック空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】情報通信機械室におけるＩＣＴ機器の冷却に好適なラック空調システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】制御開始に伴いタイマーカウントが開始され（Ｓ１０１）、所定のインターバルで以下の制御が行われる。最初に、図１０の各風向パターンＦijで一定時間、順次運転試行される（Ｓ１０２）。この間、温度センサＳｋによる温度計測が行われ（Ｓ１０３）、さらに各風向パターンについて温度分散値Ｖij^２が演算される（Ｓ１０４）。演算結果に基づき、分散値が最小の風向パターンを選択して運転が継続される（Ｓ１０５）。さらに、選択した風向パターンについて、最高温度Ｔｍａxが設定温度Ｔ０±α以内に収まっているか否かが判定される（Ｓ１０６）。この範囲から外れているときは冷房能力を増減させて、設定温度Ｔ０に近づける制御を行う（Ｓ１０７）。
【選択図】図４

Description

本発明は空調システムに係り、特に情報通信機械室におけるＩＣＴ機器の冷却に好適なラック空調システムに関する。

近年、情報通信（ＩＣＴ）機器の高速化、大容量化、高密度化が急速に進んでいる。これらの機器は、米国ＩＥＡ規格に準ずる１９インチサーバラックに格納され、情報通信機械室（データセンタ）に収容されるのが一般的である。サーバラックは前面から冷気を吸込み、上面又は背面から排気するタイプが多く、各ラックは同方向を向けて横一列に配置される。機械室内には、このようなラック列が複数列、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面とを対向させて配置される。ここに、吸気面に挟まれた通路は、二重床から冷気が供給されることからコールドアイルと呼ばれる。これに対し排気面に挟まれた通路は、ラックからの排気で温度が上がるためホットアイルと呼ばれる。
この場合、二重床からの冷気供給のみで室全体を均一に空調する従来の方式（アンビエント空調方式）では、ラックからの発熱の偏在によりコールドアイルに局所的な高温エリアが生じ、情報通信機器・装置の高温障害発生という問題が生じる。このような問題を解消すべく、局所冷却のためにコールドアイルの上方に空調機を設置する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

図１１は、この方式によるラック空調システム１００を示すものであり、機械室１０１内のサーバラック列１０４ａ、１０４ｂ間に形成されるコールドアイル１０５の上方に局所空調機１０２を設置する。これにより各サーバラックは、アンビエント空調機１０７により二重床空間１０６を介して供給される冷気、及び、局所空調機１０２により上方から供給される冷気により冷却されることになる。
一方、局所空調機を架列内に配置する方式もあり、特に、スペース効率向上等を図るため、サーバラックと同一モジュールとするラック型空調機も実用化されている。ラック型空調機は、吸排気の方向がラック２とは逆向き、すなわちホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように配置される。
特開２００３−１６６７２９号公報

しかしながら、ラック型空調機の配置によっても、ＩＣＴ機器の使用状況により高温エリアは時間的に変化するため、常に規定温度に準じた均一な温度環境を維持することは困難である。
さらに、機械室空調は無人状態の運転制御を前提として設計されているため、保守作業等のため人が立ち入る場合の劣悪な作業環境が問題となる。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、均一な温度環境を構築し、また、良好な作業環境を確保するラック空調システムを提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係るラック空調システムは、
（１）一又は複数のサーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、ラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムであって、コールドアイル内に複数の温度センサを備え、かつ、該ラック型空調機は、該複数の温度センサの温度計測値による演算値に基づいて、最適風向パターンを選択して送風する手段を備え、て成ることを特徴とする。
（２）上記（１）において、「コールドアイル内に複数の温度センサ」に替えて、「前記サーバラック内の各サーバ機器が有する温度センサ」であることを特徴とする。
一般に、サーバ機器は不具合検知のための温度センサを備えている。従って、その温度情報を空調機に入力することにより、コールドアイル温度情報に替えることが可能となる。
（３）前記一又は複数の空調機は、二重床吹き出し空調方式のアンビエント空調機を含んで成ることを特徴とする。
アンビエント空調機を含むことにより、ラック型空調機の運転状態（風向等）が変化しても、最悪条件の温度上限を超えないように運転可能となる。
（４）コールドアイル内に一又は複数の人感センサと、前記ラック型空調機は、該人感センサの検知に基づいて風向パターン又は／及び風量を変化させる手段と、を、さらに備えて成ることを特徴とする。

また、本発明に係るラック空調システムの運転方法は、
（５）一又は複数のサーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、ラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムの運転方法であって、対象ラック型空調機について、風向パターンを変化させて、風向パターンごとに当該対象ラック型空調機の制御対象領域内の複数位置の温度を計測するステップと、各風向パターンについて温度分散値を演算するステップと、温度分散値が最小となるような風向パターンにより、当該対象ラック型空調機の運転を行うステップと、を含むことを特徴とする。
（６）上記発明において、分散値最小の風向パターンにおける最高温度位置の温度が設定温度となるように、前記対象ラック型空調機の能力制御を行うステップを、さらに含むことを特徴とするラック空調システムの運転方法。

（７）前記対象ラック型空調機が、グループ化された複数のラック型空調機であり、前記制御対象領域が、複数のラック型空調機の制御対象領域の合併領域であり、かつ、合併領域の温度分散値が最小となる風向パターンにより、各ラック型空調機の運転を行う、ことを特徴とする。
（８）上記（７）において、グループ化された複数のラック型空調機のうちの一以上が故障した場合に、残りの正常なラック型空調機により、合併領域の温度分散値が最小となる風向パターンにより、残りの正常なラック型空調機の運転を行う、ことを特徴とする
（９）上記（４）のラック空調システムにおいて、前記人感センサが人の存在を検知したときは、予め定められた風向パターンにより、前記ラック型空調機の運転を行うことを特徴とする。
本発明において、「予め定められた風向パターン」とは、予めセットされた作業者入室時の風速パターンを意味し、指向性がなくどの方向も風速分布がフラットな風向パターンや、上方向又は下方向のように作業者に直接冷風が当たらない風向パターン等が例示される。機械室における作業環境の良好化を目的とする。（１０）上記（４）のラック空調システムにおいて、前記人感センサが人の存在を検知したときは、前記ラック型空調機の設定温度を、通常設定温度より高い温度に変更することを特徴とする。

上記各発明によれば、常に規定温度に準じた均一な温度環境を維持することができる。
複数のラック型空調機を連携して制御するシステムにおいては、機械室全体として効率的な空調制御が可能となり、省エネ性向上に資する。
また、人感センサを用いるシステムにおいては、作業の支障となる冷風速を抑えることができ、機械室の作業環境の改善に資する。

以下、本発明に係るラック型空調機の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成には同一符号を用いて示して、重複説明を省略する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係るラック空調システム１の断面構成を示す図である。図２は、機械室５内部の平面構成を示す図である。図３は、ラック型空調機８ａ−１の制御対象領域Ｒ１を示す図である。図４は、ラック空調システム１の風向・温度制御フローを示す図である。

空調システム１は、情報通信機械室５内に収容され、ラック列３を構成するラック２を、アンビエント空調機である空調機４及び局所空調機であるラック型空調機８により冷却するシステムである。
アンビエント空調機である空調機４は、蒸発器４ｅ及び送風機４ｃを備えた室内ユニット４ａ、圧縮機、凝縮器（いずれも不図示）等を主要構成とする室外ユニット４ｂ、及びこれらを接続する冷媒配管４ｄを備えている。かかる構成により、冷凍サイクル運転により発生させた冷熱を、室内ユニット４ａに導入する室内空気と熱交換させて冷却し、送風機４ｃにより機械室内に供給する。

機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより３つの空間に区画されており、床パネル５ｄの下部には二重床空間５ｃが、天井パネル５ｅの上部には天井空間５ｂが形成されている。空調機４の室内ユニット４ａと二重床空間５ｃとは往き側ダクト７ａを介して結ばれている。また、天井空間５ｂと室内ユニット４ａとは、戻り側ダクト７ｂを介して結ばれている。
ラック列３は、横一列に並んだ同一モジュールの複数のラック２により形成されている。ラック２には、複数のラックマウントサーバ２ａが格納されており、各サーバから発生する熱は、各サーバが搭載する冷却ファン（図示せず）により、前面から吸気した空気とともに背面に排気される。これにより、ラック全体として前面から冷気を吸込み、背面から排気するように構成されている。

各ラック２は、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面が対向するように配置されており、これにより、吸気面側にはコールドアイル６ａが、排気面側にはホットアイル６ｂが形成されている。なお、本実施形態ではコールドアイル６ａとホットアイル６ｂとは開放された空間としたが、一方のアイルをキャッピングして両者を区画する形態であってもよい。
コールドアイル６ａ床面の一部は穴あきパネル５ｆにより構成されており、空調機４から送られる冷気を、穴あきパネル５ｆを介してコールドアイル空間に吹き出すように構成されている。各ラック列３の一端側には、ラックへの電力供給用の配電盤ユニット（ＰＤＵ）９が配設されている。
各ラック列３において、内部発熱の大きなサーバ近傍には、局所空調機としてラック型空調機８（室内機）が配置されている。ラック型空調機８は室内機８ａと、室外機８ｂと、これらを接続する冷媒配管８ｃを備えている。室内機８ａは蒸発器８ｅ、送風ファン８ｄ、制御部８ｆを主要構成として備えている。室外機８ｂは、いずれも不図示の凝縮器、送風ファン、コンプレッサを主要構成として備えている。室内機８ａはサーバラックと同一モジュールで、かつ、吸排気の方向がラック２とは逆向きに置かれている。すなわち、ホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように配置されている。

図３をも参照して、室内機８ａの送風ファン８ｄの前面には、２つの風向ルーバ８ｇ、８ｈが設けられている。風向ルーバ８ｇは、駆動部８ｋ及び誘導ロッド８ｍによりフラップ８ｉを上下方向に回動可能に構成されている。また、風向ルーバ８ｈは、同様の機構によりフラップ８ｊを左右に回動可能に構成されている。

ラック空調システム１は以上のように構成されており、各ラック２の冷却は以下のように行われる。空調機４に導入される室内空気は蒸発器４ｅにおいて熱交換して冷気となり、送風機４ｃにより往き側ダクト７ａを介して二重床空間５ｃに送出される。冷気は、穴あきパネル５ｆを通過して、コールドアイル６ａに供給され、さらに各サーバラックに導入されて、サーバ２ａ冷却後、高温排気となってホットアイル６ｂに排出される。高温排気の一部は、そのままホットアイル６ｂを上昇して、天井吸込口５ｈから天井空間５ｂに導かれ、戻り側ダクト７ｂを介して空調機４に戻される。また、高温排気の一部は、ラック型空調機８の室内機８ａに取り込まれ、機内の蒸発器８ｅで冷却されて冷気となり、送風ファン８ｄによりコールドアイル６ａに吹き出され、空調機４からの冷気と混合されて、上述のように各サーバラックに吸い込まれる。以上のような室内空気の循環により、各サーバラックの冷却が行われる。

次に、各ラック型空調機の制御対象領域における風向制御、温度制御について説明する。図２を参照して、コールドアイル６ａは、ラック型空調機８ａ−１〜８ａ−６がそれぞれ分担する制御対象領域Ｒ１〜Ｒ６に区画されている。各空調機は、その制御対象領域内の温度分布を均一にするように、風向制御を行う。以下、ラック型空調機８ａ−１を例に説明する。図３を参照して、ラック型空調機８ａ−１の制御対象領域Ｒ１内には、温度センサＳｋ（ｋ＝１−４）が配設されており、各位置の温度Ｔｋを計測する。これらの計測値は制御部８ｆの記憶部（図示せず）に取り込まれるように構成されている。制御部８ｆの記憶部には、また風向パターンテーブルが格納されている。図１０は、その内容を概念的に示す図である。各コラムＦｉｊには、ルーバ８ｇ、８ｈの上下、左右方向のフラップ角度データが格納されている。制御部８ｆは温度計測値にもとづいて必要な演算を行い、Ｆ１１〜Ｆ２２の８通りの風向パターンのうち、最適風向パターンを選択して各駆動部に制御指令を出すように構成されている。

次に、図４を参照して、ラック型空調機８ａ−１の風向制御、温度制御フローは、以下のとおり行われる。制御開始に伴い、十分に長いインターバルを以ってタイマーカウントが開始され（Ｓ１０１）、所定のインターバルで以下の制御が行われる。最初に、図１０の各風向パターンＦij（ｉ＝１−２，ｊ＝１−４）で一定時間、順次運転試行される（Ｓ１０２）。この間、温度センサＳｋによる温度計測が行われ（Ｓ１０３）、さらに各風向パターンについて（１）式で示される温度分散値Ｖij^２が演算される（Ｓ１０４）。

なお、本実施形態ではｎ＝４である。演算結果に基づき、分散値が最小の風向パターンを選択して運転が継続される（Ｓ１０５）。さらに、選択した風向パターンについて、最高温度Ｔｍａxが設定温度Ｔ０±α以内に収まっているか否かが判定される（Ｓ１０６）。この範囲から外れているときは冷房能力を増減させて、設定温度Ｔ０に近づける制御を行う（Ｓ１０７）。この制御をタイムアップとなるまで行い（Ｓ１０８）、以降、上記ステップを繰り返す。
なお、本実施形態では風向パターンを上下、水平方向それぞれ４パターンとしたが、コールドアイルの広さやラック配置状況に応じて適切なパターンを選択することができる。温度センサの配置数についても同様である。
また、ルーバフラップは全て同一方向のみ回動する形態としたが、フラップ群を複数分割して多方向に回動可能な形態とし、より詳細な風向制御を行う形態としてもよい。
また、上記風向パターン制御を運転開始時や、任意の時に手動で行う形態としてもよい。

（第二の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態に係るラック空調システム２０は、局所空調機ごとに風向制御するのではなく、複数のラック型空調機が連携して風向制御するものである。
図５は、ラック空調システム２０の制御対象領域区分を示す図である。図６は、制御対象領域Ｒ１の風向・温度制御フローを示す図である。
図５を参照して、ラック空調システム２０の構成が上述のラック空調システム１と異なる点は、コールドアイル単位に制御対象領域Ｒ２１、Ｒ２２を設けていることである。さらに領域内には温度センサＳ２０〜Ｓ２９が配設されている。さらに、以下の制御を行うための制御部（図示せず）が設けられている。その他の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

次に図６を参照して、制御対象領域Ｒ１を例に本実施形態の風向・温度制御フローについて説明する。制御開始に伴いタイマーカウントが開始され（Ｓ２０１）、所定のインターバルで以下の制御が行われる。最初に、各空調機8a-1〜8a-3について、図１０の各風向パターンＦij（ｉ＝１−２，ｊ＝１−４）により順次、一定時間試行運転が行われる（Ｓ２０２）。この間、温度センサＳ(m)ａ〜Ｓ(m)ｄ（ｍ＝１−４）により温度計測が行われ（Ｓ２０３）、さらに各風向パターンについて（１）式の温度分散値Ｖij^２が演算される（Ｓ２０４）。なお、本実施形態ではｎ＝１６となる。
演算結果に基づき、分散値が最小の風向パターンを選択して運転が継続される（Ｓ２０５）。さらに、当該風向パターンにおいて、空調機ごとに選択風向パターンについて、最高温度Ｔｍａxが設定温度Ｔ０±α以内に収まっているか否かが判定される（Ｓ２０６）。この範囲から外れているときは、該当する空調機について冷房能力を増減させて、設定温度Ｔ０に近づける制御を行う（Ｓ２０７）。Ｓ２０６、Ｓ２０７の制御をタイムアップ（例えば１週間）となるまで繰り返し行い（Ｓ２０８）、タイムアップ後、Ｓ２０１に戻り上記各ステップを繰り返す。

（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係るラック空調システム３０の構成を示す図である。ラック空調システム３０の構成が上述のラック空調システム２０と異なる点は、制御対象領域Ｒ３１、Ｒ３２の天井部に赤外線式人感センサ３２を備えていることである。センサ出力は制御部３３に送信され、これに基づき制御部３３は、該当ラック型空調機に必要な運転指令を発するように構成されている。その他の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

次に図８を参照して、ラック空調システム３０の空調制御フローについて説明する。制御開始とともに人感センサ３２が作動開始し（Ｓ３０１）、上述の実施形態の図６と同様にしてコールドアイルの風向、能力制御が行われているものとする（Ｓ３０２）。この間、いずれかの人感センサ３２が作業者の存在を検出したときは（Ｓ３０３においてＹＥＳ）、近接するラック型空調機の設定温度をＴ０からＴ０’（Ｔ０’＞Ｔ０）に変更する（Ｓ３０４）。その後、人感センサ３２が作業者の存在を検出しなくなったときは（Ｓ３０５においてＹＥＳ）、一定時間経過後に設定温度を再度Ｔ０’からＴ０に下げ（Ｓ３０６）、通常の運転に戻る。
なお、本実施形態では、コールドアイルの複数個所に人感センサを設置して制御する形態としたが、機械室入口近傍に人感センサを設置し、入退室の検出による設定温度制御とすることもできる。

（第四の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、人感センサの検知と連動してラック型空調機の風向を変更するものである。本実施形態の構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
次に図９を参照して、ラック空調システム４０の空調制御フローについて説明する。制御開始とともに人感センサ３２が作動開始し（Ｓ４０１）、上述の実施形態の図６と同様にしてコールドアイルの風向、能力制御が行われる（Ｓ４０２）。この間、いずれかの人感センサ３２が作業者の存在を検出したときは（Ｓ４０３においてＹＥＳ）、予め定められた風速パターン（例えば、上向又は下向の風向、フラットな風速分布 等）に変更する（Ｓ４０４）。その後、人感センサ３２が作業者の存在を検出しなくなったときは（Ｓ４０５においてＹＥＳ）、元の風速パターンに戻し（Ｓ４０６）、通常の風向・能力制御を行う。
このような制御により、作業者入室時における作業環境の良好化を図ることができる。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず、ラック型空調機を用いる空調システムに広く適用可能である。

第一の実施形態に係るラック空調システム１の構成を示す図である。 ラック空調システム１の制御対象領域区分を示す図である。 ラック型空調機８ａ−１の制御対象領域Ｒ１を示す図である。 ラック空調システム１の風向・温度制御フローを示す図である。 ラック空調システム２０の制御対象領域区分を示す図である。 制御対象領域Ｒ１の風向・温度制御フローを示す図である。 ラック型空調機３０の構成を示す図である。 ラック空調システム３０の空調制御フローを示す図である。 ラック空調システム４０の空調制御フローを示す図である。 ラック型空調機８ａ−１の風向パターンテーブルを概念的に示す図である。 従来のラック空調システム１００を示す図である。

符号の説明

１，２０，３０・・・・ラック空調システム
２・・・・ラック
３・・・・ラック列
４・・・・アンビエント空調機
５・・・・情報通信機械室
５ｂ・・・天井空間
５ｃ・・・二重床空間
５ｄ・・・床パネル
５ｅ・・・天井パネル
５ｆ・・・穴あきパネル
６ａ・・・コールドアイル
６ｂ・・・ホットアイル
８・・・・ラック型空調機
８ｇ、８ｈ・・・風向ルーバ
３２・・・人感センサ

Claims (10)

1. 一又は複数のサーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、ラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムであって、
   コールドアイル内に複数の温度センサを備え、かつ、
   該ラック型空調機は、該複数の温度センサの温度計測値による演算値に基づいて、最適風向パターンを選択して送風する手段を備え、
   て成ることを特徴とするラック空調システム。
2. 請求項１において、「コールドアイル内に複数の温度センサ」に替えて、「前記サーバラック内の各サーバ機器が有する温度センサ」であることを特徴とする請求項１に記載のラック空調システム。
3. 前記一又は複数の空調機は、二重床吹き出し空調方式のアンビエント空調機を含んで成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のラック空調システム。
4. コールドアイル内に一又は複数の人感センサと、
   前記ラック型空調機は、該人感センサの検知に基づいて風向パターン又は／及び風量を変化させる手段と、
   を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項１乃至３に記載のラック空調システム。
5. 一又は複数のサーバラック列により、コールドアイルとホットアイルとが形成される室内において、ラック型空調機を含む一又は複数の空調機によりサーバラックを冷却するラック空調システムの運転方法であって、
   対象ラック型空調機について、風向パターンを変化させて、風向パターンごとに当該対象ラック型空調機の制御対象領域内の複数位置の温度を計測するステップと、
   各風向パターンについて温度分散値を演算するステップと、
   温度分散値が最小となるような風向パターンにより、当該対象ラック型空調機の運転を行うステップと、
   を含むことを特徴とするラック空調システムの運転方法。
6. 請求項５において、分散値最小の風向パターンにおける最高温度位置の温度が設定温度となるように、前記対象ラック型空調機の能力制御を行うステップを、さらに含むことを特徴とするラック空調システムの運転方法。
7. 前記対象ラック型空調機が、グループ化された複数のラック型空調機であり、
   前記制御対象領域が、複数のラック型空調機の制御対象領域の合併領域であり、かつ、
   合併領域の温度分散値が最小となる風向パターンにより、各ラック型空調機の運転を行う、ことを特徴とする請求項５又は６に記載のラック空調システムの運転方法。
8. 請求項７において、グループ化された複数のラック型空調機のうちの一以上が故障した場合に、残りの正常なラック型空調機により、合併領域の温度分散値が最小となる風向パターンにより、残りの正常なラック型空調機の運転を行う、ことを特徴とするラック空調システムの運転方法。
9. 請求項４に記載のラック空調システムにおいて、
   前記人感センサが人の存在を検知したときは、予め定められた風向パターンにより、前記ラック型空調機の運転を行うことを特徴とするラック空調システムの運転方法。
10. 請求項４に記載のラック空調システムにおいて、
    前記人感センサが人の存在を検知したときは、前記ラック型空調機の設定温度を、通常設定温度より高い温度に変更することを特徴とするラック空調システムの運転方法。
    

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