JP4947558B2 - ラック冷却システム - Google Patents

Description

この発明は、サーバやコンピュータなどの発熱体が収容されるラック内を冷却空調するラック冷却システムに関する。

ラックに収容されているサーバなどから発生した熱がラック内に蓄積され、ラック内の温度が上昇し続けると、サーバなどが適正に機能しなくなるおそれがある。このため、従来、ラックが設置されている室内全体を冷却空調することで、サーバなどの温度上昇を抑える方法が採られていた。しかしながら、室内全体を空調することは大きな冷却負担を伴い、エネルギー効率が低い。このため、ラック内のみを冷却することで、効率的にサーバなどの温度上昇を抑えるようにした冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この冷却装置は、圧縮機と凝縮器と絞り装置と蒸発器とから構成される熱源機と、ラックのホットスポットの近傍に配設された冷却機とを備え、このような冷却装置をラックごとに設ける。そして、常時熱源機を稼動し、熱源機から冷却機に冷媒を供給することでラック内を冷却する、というものである。
特開２００６−１１４６６９号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたような冷却装置では、ラック内を冷却するには、熱源機を常時稼動する必要があり、エネルギー負荷が大きい。また、冷却装置をラックごとに設けるため、つまりラックごとに熱源機を備えるため、設備費がかさむとともに大きな設置スペースを要する。

そこでこの発明は、ラック内の冷却に要するエネルギーを軽減すること（省エネルギー化）が可能で、さらには省スペース化が可能なラック冷却システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、発熱体を収容するラックの吸込み口から流入した空気が、前記発熱体を通過して吐出口から流出するように流路を形成し、前記吸込み口側に、冷熱源機からの冷媒によって前記流入した空気を冷却する第１の冷却手段を設け、前記吐出口側に、冷却塔からの冷却水によって前記流出する空気を冷却する第２の冷却手段を設け、前記第２の冷却手段を通過した冷却水を前記冷熱源機に供給する、ことを特徴とするラック冷却システムである。

この発明によれば、吸込み口から流入した空気が、第１の冷却手段によって冷却されて降温（温度降下）し、発熱体を通過することで、発熱体が冷却される。さらに、発熱体を通過して昇温（温度上昇）した空気が、第２の冷却手段によって冷却されて降温し、吐出口からラック外に流出される。一方、第２の冷却手段を通過した冷却水が、冷熱源機のコンデンサ（凝縮器）の冷却水として供給される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のラック冷却システムにおいて、前記吐出口を前記発熱体の背面側に形成し、前記吸込み口から流入した空気が前記発熱体の前面側から背面側に向かうように前記流路を形成した、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載のラック冷却システムにおいて、前記吸込み口側に、冷却塔からの冷却水によって前記流入した空気を冷却する第３の冷却手段を設け、この第３の冷却手段を通過した冷却水を前記冷熱源機に供給する、ことを特徴とする。

この発明によれば、吸込み口から流入した空気が、第３の冷却手段によって冷却されて降温し、発熱体を通過することで、発熱体が冷却される。一方、第３の冷却手段を通過した冷却水が、冷熱源機のコンデンサの冷却水として供給される。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のラック冷却システムにおいて、前記第１の冷却手段および第３の冷却手段の少なくとも一方による冷却が選択自在となっている、ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載のラック冷却システムにおいて、ひとつの冷熱源機から複数の前記ラックの第１の冷却手段に前記冷媒が供給されるように冷媒路を配設した、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、吐出口から流出する空気を冷却塔からの冷却水によって降温させている。つまり、冷熱源機からの冷媒を使用しないフリークーリングによって冷却するため、冷却に要するエネルギーを軽減することが可能となる。しかも、第２の冷却手段によって降温された空気が吐出口から流出されるため、ラック外に高温空気が排出されず、冷却処理がラック内のみで行われる。また、冷却塔からの冷却水が、フリークーリングに使用されるとともに、冷熱源機のコンデンサの冷却水としても使用されるため、冷却水設備の省スペース化、省エネルギー化が図れる。

請求項２に記載の発明によれば、発熱体から発生した熱（昇温空気）を背面側に集めて第２の冷却手段で冷却するため、サーバやコンピュータなど背面側がより発熱する発熱体が収容されるラックにおいて、より効率的に冷却することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、流入した空気を冷却塔からの冷却水によって降温させて発熱体を冷却している。つまり、冷熱源機からの冷媒を使用しないフリークーリングによってラック内を冷却するため、冷却に要するエネルギーを軽減することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、流入した空気の冷却を第１の冷却手段によるか、第３の冷却手段によるか、あるいは双方によるかを選択自在となっている。このため、外気温度や冷却水温度、ラック内温度などに応じて、どの冷却手段で冷却するかを選択することで、冷却に要するエネルギーを軽減しながら、適性にラック内を冷却することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、ひとつの冷熱源機から複数のラックの第１の冷却手段に冷媒が供給されるよう冷媒路が配設されているため、ラックごとに冷熱源機を設ける必要がなく、設備費や設置スペースを低減することができる。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係るラック冷却システム１を示す概略構成ブロック図である。このラック冷却システム１は、サーバやコンピュータなどの発熱体が収容されるラック４内を冷却空調するシステムであり、ひとつの冷却塔２に対して複数の冷熱源機（冷凍機）３が接続され、さらに、各冷熱源機３に対して複数のラック４が接続されている。

冷却塔２は、図２に示すように、ファン２１を備えたクーリングタワーであり、後述するようにして、冷却水を各冷熱源機３側に供給し、各冷熱源機３側から戻された水（戻り水）を冷却するものである。このような冷却塔２は、開放式あるいは密閉式のどちらであってもよく、また、冷却水として使用できる水としては、上水やブラインなどが挙げられる。

冷熱源機３は、圧縮機３１と、コンデンサ（凝縮器）３２と、循環ポンプ３３とを備えている。圧縮機３１の流入口側（上流側）は、第１の冷媒管（冷媒路）３４を介して、各ラック４の後述する冷媒コイル５の流出口側（下流側）と接続され、圧縮機３１の流出口側は、コンデンサ３２の冷媒の流入口側と接続されている。また、コンデンサ３２の冷媒の流出口側は、第２の冷媒管（冷媒路）３５を介して、各ラック４の冷媒コイル５の流入口側と接続されている。さらに、コンデンサ３２の冷却水の流入口側は、第１の配水管３６を介して、各ラック４の流出配水管７１の流出口側と接続され、コンデンサ３２の冷却水の流出口側は、第２の冷却塔管２２を介して冷却塔２の流入口側と接続されている。また、循環ポンプ３３はインバータ付きで、その吸込み口側は、第１の冷却塔管２１を介して冷却塔２の流出口側と接続され、吐出口側は、第２の配水管３７を介して、各ラック４の流入配水管６１の流入口側と接続されている。

そして、第１の冷媒管３４を介して各ラック４の冷媒コイル５から送られた冷媒が、圧縮機３１によって圧縮され高温となり、この高温高圧の冷媒がコンデンサ３２に送られる。一方、第１の配水管３６を介して各ラック４から送られた冷却水がコンデンサ３２に供給され、コンデンサ３２によって高温高圧の冷媒が凝縮され、第２の冷媒管３５を介して各ラック４の冷媒コイル５に送られる。また、循環ポンプ３３によって冷却塔２内の冷却水が、第１の冷却塔管２１および第２の配水管３７を介して各ラック４に供給され、さらに、コンデンサ３２で使用された冷却水が、第２の冷却塔管２２を介して冷却塔２に送られるものである。

このように、冷却塔管２１、２２を介して、ひとつの冷却塔２と複数の冷熱源機３との間で冷却水が循環され、さらに、配水管３６、３７を介して、ひとつの冷熱源機３と複数のラック４との間で冷却水が循環されるようになっている。また、冷媒管３４、３５を介して、ひとつの冷熱源機３と複数のラック４（冷媒コイル５）との間で、冷媒が循環されるようになっている。

ラック４は、図３〜５に示すように箱状で、内部に、背面から前面近傍まで延びる仕切り板４１が配設され、この仕切り板４１によって、ラック４内の中央部に位置する収納スペース４Ａと、ラック４内の側面部に位置する吸込みスペース４Ｂとが形成されている。収納スペース４Ａの前面側には、アクリル製などの透明または半透明の第１の前面扉４２が開閉自在に配設され、吸込みスペース４Ｂの前面側には、第２の前面扉４３が開閉自在に配設されている。収納スペース４Ａおよび吸込みスペース４Ｂの背面側にはそれぞれ、通気孔が複数形成された第１の背面扉４４および第２の背面扉４５が開閉自在に配設されている。また、吸込みスペース４Ｂの前面側で第２の前面扉４３の内側には、送気ファン４６が上下方向に複数配設されている。

そして、すべての扉４２〜４５を閉じた状態では、第２の背面扉４５の通気孔が吸込み口４Ｃとなり、第１の背面扉４４の通気孔が吐出口４Ｄとなる。また、収納スペース４Ａには、サーバやコンピュータなどの発熱体が、その背面がラック４内の背面側に位置するように収容される。つまり、吐出口４Ｄが発熱体の背面側に位置する。これにより、送気ファン４６を稼動することで、吸込み口４Ｃから流入した空気（ラック４が設置されている室内の空気）が、吸込みスペース４Ｂを通って、発熱体（収納スペース４Ａ）の前面側から背面側に向かって発熱体を通過して、吐出口４Ｄから流出するように流路が形成されている。

吸込みスペース４Ｂには、つまり吸込み口４Ｃ側には、図２、３に示すように、冷媒コイル（第１の冷却手段）５と、フリークーリングコイル（第３の冷却手段）６とが配設されている。冷媒コイル５は、流入した空気を冷熱源機３からの冷媒によって冷却するコイル（直膨コイル）であり、その流入口側は、膨張弁（減圧器）５１を介してコンデンサ３２の冷媒の流出口側に接続され、流出口側は、冷熱源機３の圧縮機３１の流入口側に接続されている。そして、コンデンサ３２からの冷媒が、膨張弁５１を経て膨張（減圧）されて冷媒コイル５に供給されている状態で、吸込み口４Ｃから流入した空気が冷媒コイル５を通過することで、空気中の熱が奪われて、空気の温度が降下するものである。

フリークーリングコイル６は、流入した空気を冷却塔２からの冷却水によって冷却するコイルであり、その流入口側は、流入配水管６１の流出口側に接続され、流出口側は、中間配水管６３を介して後述する流出配水管７１の流入側に接続されている。また、流入配水管６１とフリークーリングコイル６とは、三方弁６２を介して接続されている。そして、冷熱源機３（循環ポンプ３３）を介して送られた冷却塔２からの冷却水がフリークーリングコイル６に供給されている状態で、吸込み口４Ｃから流入した空気（流入空気）がフリークーリングコイル６を通過することで、流入空気と冷却水との間で熱交換が行われて、空気の温度が降下するものである。

このような冷媒コイル５およびフリークーリングコイル６が、図３に示すように、重なるようにして、かつ空気の流れ方向に沿って延びるように配設され、これにより、空気の冷却が良好（十分）に行われるようになっている。また、フリークーリングコイル６の第２の背面扉４５側には、フィルタ４７が配設され、空気に含まれる粉塵などが除去されるようになっている。

収納スペース４Ａの第１の背面扉４４側には、つまり発熱体の背面側には、流出する空気（収納スペース４Ａからの空気）を冷却塔２からの冷却水によって冷却する背面コイル７（第２の冷却手段）が配設されている。この背面コイル７の流入口側は、三方弁６２を介して流入配水管６１の流出口側に接続され、流出口側は、流出配水管７１の流入口側に接続されている。そして、流入配水管６１からの冷却水が、三方弁６２を介して背面コイル７に供給されるようになっている。このようにして冷却水が背面コイル７に供給されている状態で、発熱体を通過した空気（流出空気）が背面コイル７を通過することで、流出空気と冷却水との間で熱交換が行われて、流出空気の温度が降下するものである。ここで、図２中符号６４および７２は、逆流を防止するための逆止弁である。

また、三方弁６２の開閉状態に応じて、フリークーリングコイル６に冷却水が流れる場合には、フリークーリングコイル６および背面コイル７を通過した冷却水が、第１の配水管３６を介して冷熱源機３のコンデンサ３２に供給される。フリークーリングコイル６に冷却水が流れない場合には、背面コイル７のみを通過した冷却水が、第１の配水管３６を介してコンデンサ３２に供給される。

ここで、冷媒コイル５およびフリークーリングコイル６の少なくとも一方による冷却が選択自在で、吸込み口４Ｃから流入した空気を冷媒コイル５のみによって冷却するか、フリークーリングコイル６のみによって冷却するか、あるいは双方によって冷却するかを選択できるようになっている。すなわち、冷媒コイル５のみによって冷却する場合には、冷熱源機３の圧縮機３１やコンデンサ３２を稼動して、冷媒を冷媒コイル５に供給するとともに、フリークーリングコイル６に冷却水が供給されないように三方弁６２の開閉状態を設定する。また、フリークーリングコイル６のみによって冷却する場合には、圧縮機３１やコンデンサ３２を停止して、冷媒を冷媒コイル５に供給しないとともに、フリークーリングコイル６に冷却水が供給されるように三方弁６２の開閉状態を設定する。さらに、双方によって冷却する場合には、圧縮機３１やコンデンサ３２を稼動して、冷媒を冷媒コイル５に供給するとともに、フリークーリングコイル６に冷却水が供給されるように三方弁６２の開閉状態を設定する。

ところで、冷媒コイル５およびフリークーリングコイル６のどちらかで、あるいは双方で冷却するかは、空気温度や冷却水温度、ラック４内の温度などに応じて決定する。すなわち、できるだけ圧縮機３１やコンデンサ３２を稼動しないで、つまり消費エネルギーを削減しながら、適性にラック４内を冷却できるように決定する。例えば、夏季など外気温度が高い場合には、冷媒コイル５のみで冷却し、冬季など外気温度が低い場合には、フリークーリングコイル６のみで冷却する。また、フリークーリングコイル６のみではラック４内を十分には冷却できない場合には、双方によって冷却する。さらには、外気温度やラック４内の温度などに応じて、冷却塔２のファン２１を稼動させたり、停止させたりし、また、冷媒コイル５に供給する冷媒量や、フリークーリングコイル６および背面コイル７に供給する冷却水量（循環ポンプ３３の吐出量）を調整することで、消費エネルギーを削減することが可能となる。そして、このような選択や調整は、手動によってもよいし、予め記憶したプログラムに基づいて自動制御するようにしてもよい。

次に、このような構成のラック冷却システム１の作用などについて説明する。

例えば外気温度が低く、フリークーリングコイル６のみの冷却で十分な場合には、フリークーリングコイル６に冷却水が供給されるように各ラック４の三方弁６２を設定し、各冷熱源機３の圧縮機３１やコンデンサ３２を稼動しないで、循環ポンプ３３を稼動する。これにより、冷却塔２内の冷却水が、各冷熱源機３（循環ポンプ３３）を介して各ラック４のフリークーリングコイル６に供給され、上記のようにして、吸込み口４Ｃから流入した空気がフリークーリングコイル６を通過して、冷却される（降温する）。続いて、この空気が、発熱体の前面側から背面側に向かって発熱体を通過し、発熱体が冷却される。

一方、冷却塔２内の冷却水が三方弁６２を介して背面コイル７に供給され、発熱体を通過して昇温した空気が、背面コイル７を通過して冷却され、吐出口４Ｄからラック４外に流出される。また、それぞれフリークーリングコイル６および背面コイル７を通過した冷却水が、冷熱源機３のコンデンサ３２を通って冷却塔２に送られ、冷却塔２内で冷却される。

また、例えば外気温度が高く、冷媒コイル５による冷却が必要な場合には、各冷熱源機３の圧縮機３１やコンデンサ３２を稼動する。これにより、上記のようにして、各ラック４の冷媒コイル５に冷媒が供給され、吸込み口４Ｃから流入した空気が冷媒コイル５を通過して冷却され、上記と同様にして発熱体側に送られる。ここで、冷却水温度と空気温度との差が低く、フリークーリングコイル６に冷却水を供給しても高い冷却効果を得られない場合などには、三方弁６２を調整してフリークーリングコイル６に冷却水を供給しないようにする。

以上のように、このラック冷却システム１によれば、フリークーリングコイル６および背面コイル７に冷却塔２からの冷却水を供給することで、流入する空気および流出する空気を冷却している。つまり、冷熱源機３からの冷媒を使用しないフリークーリングによってラック４内を冷却するため、冷却に要するエネルギーを軽減することが可能となる。しかも、背面コイル７で降温された空気が吐出口４Ｄから流出されるため、ラック４外に高温空気が排出されず、冷却処理がラック４内のみで行われる。さらに、上記のようにして冷媒コイル５およびフリークーリングコイル６による冷却を選択することで、消費エネルギーを削減しながら、適性にラック４内を冷却することが可能となる。

また、ラック４の背面側に吐出口４Ｄが設けられているため、背面側がより発熱するサーバやコンピュータなどを収容した場合に、より効率的にラック４内を冷却することが可能となる。さらに、冷却塔２からの冷却水を、冷熱源機３のコンデンサ３２の冷却水として使用するとともに、フリークーリングコイル６および背面コイル７への冷却水としても使用するため、冷却水設備の省スペース化、省エネルギー化が図れる。また、ひとつの冷熱源機３から複数のラック４に冷媒が供給されるように冷媒管３４、３５が配設され、ひとつの冷却塔２から複数の冷熱源機３、さらには複数のラック４に、冷却水が供給されるように配水管３６、３７、６１、７１が配設されている。このため、ラック４ごとに冷熱源機３を設けたり、冷熱源機３ごとに冷却塔２を設けたりする必要がなく、設備費や設置スペースを低減することができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、フリークーリングコイル６と背面コイル７とに並列に冷却水を供給できるようになっているが、例えば、フリークーリングコイル６を通過した冷却水を背面コイル７に供給するようにしてもよい。

以上のように、この発明に係るラック冷却システムは、省エネルギー化が可能で、さらには省スペース化が可能なものとして極めて有用である。

この発明の実施の形態に係るラック冷却システムを示す概略構成ブロック図である。 図１のラック冷却システムの冷却塔と冷熱源機とラックとの接続状態を示す概略構成図である。 図１のラック冷却システムのラック内を示す平面図である。 図１のラック冷却システムのラック内を示す正面図である。 図４のラックの左側面図である。

符号の説明

１ ラック冷却システム
２ 冷却塔
３ 冷熱源機
３１ 圧縮機
３２ コンデンサ
３３ 循環ポンプ
３４、３５ 冷媒管（冷媒路）
３６、３７ 配水管
４ ラック
４Ａ 収納スペース
４Ｂ 吸込みスペース
４Ｃ 吸込み口
４Ｄ 吐出口
４１ 仕切り板
４２〜４５ 扉
４６ 送気ファン
４７ フィルタ
５ 冷媒コイル（第１の冷却手段）
５１ 膨張弁
６ フリークーリングコイル（第３の冷却手段）
６２ 三方弁
７ 背面コイル（第２の冷却手段）

Claims (5)

1. 発熱体を収容するラックの吸込み口から流入した空気が、前記発熱体を通過して吐出口から流出するように流路を形成し、
   前記吸込み口側に、冷熱源機からの冷媒によって前記流入した空気を冷却する第１の冷却手段を設け、
   前記吐出口側に、冷却塔からの冷却水によって前記流出する空気を冷却する第２の冷却手段を設け、
   前記第２の冷却手段を通過した冷却水を前記冷熱源機に供給する、
   ことを特徴とするラック冷却システム。
2. 前記吐出口を前記発熱体の背面側に形成し、前記吸込み口から流入した空気が前記発熱体の前面側から背面側に向かうように前記流路を形成した、
   ことを特徴とする請求項１に記載のラック冷却システム。
3. 前記吸込み口側に、冷却塔からの冷却水によって前記流入した空気を冷却する第３の冷却手段を設け、この第３の冷却手段を通過した冷却水を前記冷熱源機に供給する、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のラック冷却システム。
4. 前記第１の冷却手段および第３の冷却手段の少なくとも一方による冷却が選択自在となっている、
   ことを特徴とする請求項３に記載のラック冷却システム。
5. ひとつの冷熱源機から複数の前記ラックの第１の冷却手段に前記冷媒が供給されるように冷媒路を配設した、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のラック冷却システム。

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