JP5897319B2 - 自立壁式の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、自立壁式の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法に関するものであり、より詳細には、サーバ等の電子機器を除熱すべく電子機器の排気を一群の電子機器単位で冷却する自立壁式の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法に関するものである。

多数のサーバ機器、ルーター、ＩＴ機器、通信機器等の高負荷電子機器を収容するデータセンタ、ＩＴ機器管理施設又は携帯電話基地局のサーバ室、電算室又は通信機器室等の建設が近年急増している。この種の施設は、多量の顕熱を発熱する多数の電子機器を室内に収容することから、電子機器の顕熱を除熱するための高負荷対応の空調システムを必要としている。

例えば、データセンタ等におけるサーバ機器の高集積化・高密度化が近年殊に進んでおり、サーバ室内において大量の顕熱が発生する結果として、サーバ室の冷却に要する電力消費量が急速に増加する傾向が生じている。サーバ機器の多くは、前面から冷気の吸込みを行い、背面から暖気を排気する構造を有する。一般に、一群のサーバ機器がサーバラック又はキャビネット等の架台又は筐体内に収容される。

このようなサーバ室においては、サーバラック前面の吸気面を対向配置して吸気面間にコールドアイルを形成し、サーバラック背面の排気面を対向配置して排気面間にホットアイルを形成したホットアイル・コールドアイル方式のレイアウトが、熱効率向上のために一般に採用されている。このようなホットアイル・コールドアイル方式のサーバ室の空調システムは、例えば、特開2009-140421号公報（特許文献１）、特開2006-208000号公報（特許文献２）及び特開2004-184070号公報（特許文献３）に記載されている。

図１７は、従来技術に係るサーバ室の空調システムの構成を概念的且つ模式的に示す縦断面図である。図において、空調システムは、サーバ室、プレナムチャンバ、空調機及び熱交換器等の相対的な位置関係によって示されており、空調空気循環回路を循環する空気流の流れが、矢印によって概念的に示されている。

複数のサーバを収容したサーバラック１００がサーバ室１１１内に配列される。サーバ室は、天井１１９、床構造体１１０及び壁体１１３によって画成される。床構造体１１０は、フリーアクセスフロア又はネットワークフロア等の二重床構造のものであり、給気（サプライ側）プレナムチャンバ１１２が、床面構成材１１８とコンクリートスラブ等の床版１１７との間に形成される。

各サーバラック１００は、操作面を構成する筐体前面１０１から冷気を取り込み、筐体背面１０２からサーバ室１１１の室内に熱排気するためのファン（図示せず）を内蔵する。サーバラック１００は、この種のサーバ室において一般に採用される前述のホットアイル・コールドアイル方式に配置されている。ホットアイル・コールドアイル方式のレイアウトにおいては、給気を要する筐体前面１０１同士が対向配置され、筐体前面１０１の間にコールドアイルＣが形成されるとともに、熱排気を行う筐体背面１０２同士が対向配置され、筐体背面１０２の間にホットアイルＨが形成される。コールドアイルＣを室内上部空間から遮蔽する遮蔽板１０５が、隣り合うサーバラック１００の上部を架橋するように配置される。コールドアイルＣの床面構成材１１８には、冷却空気を上方に吹出す給気口（図示せず）が配設される。

循環空気冷却用の熱交換器（冷却コイル）１１５及び送風機１１６を内蔵した空調機１０７が空調機械室１１４内に配置される。空調機械室１１４は、間仕切壁１２０によってサーバ室１１１から区画される。空調機１０７は、床下の給気プレナムチャンバ１１２に冷却空気（冷気）を送風する。冷気は、コールドアイルＣの給気口を介してコールドアイルＣに上向きに吹出し、サーバラック１００の吸気面（筐体前面１０１）からサーバラック１００内に吸引される。サーバラック１００内のサーバ機器を除熱して昇温した空気（暖気）は、サーバラック１００の排気面（筐体背面１０２）からホットアイルＨ及び室内上部空間に排気され、実線矢印で示すように天井裏の還気チャンバ１２１を介して空調機１０７に還流し、或いは、破線矢印で示すように室内上部空間を介して空調機１０７に還流する。

このようなホットアイル・コールドアイル方式の空調システムは、サーバ室全体を空調する空調機によってサーバ室内の全サーバ機器を冷却する構成のものであるが、各サーバラック単位でサーバ機器を個別に冷却する技術として、サーバラックの後部ドアに熱交換器を組込んだ構成の冷却装置が知られている。図１８は、このように後部ドアに熱交換器を組込んだサーバラックの構成を概略的に示す縦断面図である。なお、図１８には、空気流の流れが、矢印によって概念的に示されている。

図１８には、複数のサーバ機器２１０（破線で示す）を収容した背面排気方式のサーバラック２００が示されている。サーバ室２１１の室内空間は、床面構成材２１８、天井構造体２１９及び隔壁（図示せず）によって区画されており、サーバラック２００は、床面構成材２１８上に設置される。サーバラック２００は、筐体前面２０１から室内空気を取り込み、サーバラック２００内の空気を筐体背面の通気性後部ドア２０２を介して室内空間に排気するファン２０８を備える。後部ドア２０２は、プレートフィン型熱交換器２０３を備える。床下配線・配管スペース２１２が、床面構成材２１８と床版２１７との間に形成される。冷水又は冷媒の熱源機器（図示せず）に連結された冷水又は冷媒の供給管２０４及び還流管２０５が熱交換器２０３に連結される。熱源機器の冷水又は冷媒は、熱交換器２０３、供給管２０４及び還流管２０５を含む冷水又は冷媒の循環回路を循環する。サーバ機器と熱交換して昇温したサーバラック２００内の空気は、熱交換器２０３を循環する冷水又は冷媒と熱交換して降温し、矢印で示すように室内空間に流出した後、筐体前面２０１からサーバラック２００内に再び流入する。

このように熱交換器を後部ドアに一体的に組込んだ形式のサーバラックは、例えば、特開2009-133544号公報（特許文献４）、特開2009-133561号公報（特許文献５）、米国特許出願公開US2006/0232945号公報（特許文献６）及び米国特許出願公開US2008/0232069号公報（特許文献７）に記載されている。

特開2009-140421号公報 特開2006-208000号公報 特開2004-184070号公報 特開2009-133544号公報 特開2009-133561号公報 米国特許出願公開US2006/0232945号公報 米国特許出願公開US2008/0232069号公報

しかしながら、ホットアイル・コールドアイル方式の空調システムを備えた前述のサーバ室（図１７）においては、サーバ機器を除熱して昇温した暖気は、主に室内上部空間を流動して空調機に還流し、或いは、天井裏の還気チャンバを介して空調機に還流するように構成されているので、還気流路を構成する室内上部空間又は天井裏還気チャンバを形成すべく、比較的大きな天井高又は階高を確保する必要が生じる。天井高又は階高の増大は、建物全体の高さ、建設費、工期等を増大又は延長する要因となるので、このような天井高又は階高の増大を回避する対策が望まれる。

また、この形式の空調システムにおいては、サーバラックの背面側に流出した相対的に高温の空気がサーバラックの前面側にショートサーキットし、サーバラックに流入する空気流の温度が局部的又は過渡的に上昇し易い傾向があるので、このような暖冷気混合に起因した冷却負荷の増大に適応すべく、サーバラック前面の空気吸込み温度（設計条件）を若干高い温度に設定するとともに、空調機の冷気送風温度（設計条件）を若干低い温度に設定する必要が生じる。このような暖冷気の混合を防止する手段として、コールドアイルを室内上部空間から遮蔽する遮蔽板を設置する対策が前述のとおり知られているが、このような遮蔽板の設置は、サーバラックのレイアウト、構造、形状及び寸法等の設計自由度を制約する傾向がある。

更に、サーバ機器の高集積化・高密度化に起因する多量の発熱を除熱するには、空調機の送風量を増大する必要があることから、送風動力増大に伴う消費電力の増大、空調空気搬送路の断面寸法及び断面積の増大、熱負荷制御の応答性又は制御性の低下等の問題が生じる。

他方、熱交換器を後部ドアに一体的に組込んだ形式のサーバラックにおいては、各サーバラック単位で熱負荷を処理し得るので、このような問題は生じ難いが、サーバラックの後部ドアに組込んだ熱交換器は、その構造及び機能がサーバラックの構造及び機能と密接に関連するので、熱交換器をサーバラック構成部品として予め工場製作せざるを得ない事情がある。このため、この形式のサーバラックを採用する場合、サーバラックの製造者、機種、仕様、形状、構造、寸法等が予め限定されてしまうので、サーバラックの選択自由度、汎用性、互換性、拡張性等の点において難点がある。また、このように熱交換器を後部ドアに一体的に組込んだサーバラックは、価格的にも高価であり、しかも、熱源の種類がサーバラックの仕様に相応して限定されてしまうので、建築物全体の空調熱源との関係で最適な熱源を任意に選択し難く、従って、このような熱交換器組込み型サーバラックの採用は、建築物全体のエネルギー効率又は熱効率の最適化や、サーバ機器冷却手段の冗長化等を困難にする傾向がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一群の電子機器を収容する架台又は筐体の仕様、形状等による構造上又は機能上の制約を受け難く、しかも、各架台又は筐体に収容された一群の電子機器の単位で熱負荷を個別処理することができる自立壁式の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成すべく、架台又は筐体内に収容された複数の電子機器を除熱すべく、前記電子機器と熱交換して昇温した室内空気を冷却し、冷却後の室内空気を室内空間に流出せしめる自立壁式の排気冷却ユニットであって、
昇温後の前記室内空気の流動方向下流側に前記架台又は筐体から間隔を隔てて立設され且つ建築物の構成要素によって支持された複数の支柱と、
該支柱によって支柱間に開閉可能に支持され、前記架台又は筐体の背面と対向する開閉扉と、
前記架台又は筐体の背面から、前記支柱及び開閉扉と前記架台又は筐体との間に形成された排気流動領域に流入した昇温後の前記室内空気が、該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを阻止する遮風手段とを有し、
該開閉扉には、前記架台又は筐体の背面から排気された昇温後の前記室内空気を冷却して前記室内空間に流出せしめる熱交換器が組込まれ、
前記遮風手段は、支柱に支持され且つ架台又は筐体に向かって延び、架台又は筐体と支柱との間の隙間を閉塞する遮風板からなり、該遮風板の寸法の相違、或いは、前記支柱に対する前記遮風板の角度の変化によって、前記支柱と前記架台又は筐体との相対距離又は相対位置の相違を補償し、前記遮風板は、前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に流出した空気流が該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを阻止するとともに、前記空気流を前記熱交換器に案内することを特徴とする自立壁式の排気冷却ユニットを提供する。

本発明は又、架台又は筐体内に収容された複数の電子機器を除熱すべく該架台又は筐体内に室内空気を流入せしめ、前記電子機器と熱交換して昇温した室内空気を冷却し、冷却した室内空気を室内空間に排気する電子機器冷却方法において、
昇温後の前記室内空気の流動方向下流側に前記架台又は筐体から間隔を隔てて複数の支柱を立設し且つ該支柱を建築物の構成要素によって支持し、
熱交換器を組込んだ開閉扉を前記支柱の間に開閉可能に取付け且つ該支柱によって支持し、前記支柱及び開閉扉と前記架台又は筐体との間に排気流動領域を形成し、
前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に流入した空気流が該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを気流制御手段によって阻止し且つ該気流制御手段によって前記空気流を前記熱交換器に案内するとともに、前記気流制御手段を構成する遮風板を前記支柱から突出させ、該遮風板の寸法の相違、或いは、前記支柱に対する前記遮風板の角度の変化によって、前記支柱と前記架台又は筐体との相対距離又は相対位置の相違を補償し、
前記電子機器を冷却して昇温し且つ前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に排気された前記室内空気を前記熱交換器によって冷却して室内空間に流出せしめることを特徴とする電子機器冷却方法を提供する。

本発明の上記構成によれば、自立壁式の排気冷却ユニットは、サーバラック等の架台又は筐体から間隔を隔てて立設された支柱と、支柱によって支持され且つ熱交換器を備えた開閉扉とを備える。支柱及び扉は、架台又は筐体の背後に間隔を隔てて配置される。支柱及び扉は、架台又は筐体から独立し、従って、架台又は筐体の仕様、形状等による構造上又は機能上の制約を受けることなく排気冷却ユニットを設計することができる。また、支柱間の領域を選択的に開放可能な開閉扉は、架台又は筐体の背面側からの電子機器の維持・管理又は操作を可能にする。更に、各架台又は筐体の背面から排気された比較的高温の室内空気は、開閉扉に組込まれた熱交換器によって冷却されるので、各架台又は筐体に収容された一群の電子機器の単位で熱負荷を個別処理することができる。

本発明によれば、一群の電子機器を収容する架台又は筐体の仕様、形状等による構造上又は機能上の制約を受け難く、しかも、各架台又は筐体に収容された一群の電子機器の単位で熱負荷を個別処理し得る排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法を提供することができる。また、本発明によれば、建築物全体の空調熱源との関係で最適な熱源を熱交換器の熱源として任意に選択し得るので、建築物全体のエネルギー効率の向上や、電子機器冷却手段の冗長化等を比較的容易に実施することができる。

図１は、本発明の好適な実施例に係る自立壁式の排気冷却ユニットの構成を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す排気冷却ユニットの横断面図である。 図３は、図１に示す排気冷却ユニットの概略斜視図である。 図４は、サーバラック及び排気冷却ユニットを配設したサーバ室の全体構成を示す縦断面図及び平面図である。 図５は、サーバラック及び排気冷却ユニットを配設したサーバ室の他の構成を示す縦断面図である。 図６は、複数のサーバラック及び排気冷却ユニットをサーバ室内に配列した構成を示す平面図である。 図７は、図６のＩ−Ｉ線における縦断面図である。 図８は、図６のII−II線における縦断面図である。 図８は、図６のIII−III線における縦断面図である。 図１０は、熱交換器の熱源系統の構成を概略的に示すシステム構成図である。 図１１は、排気冷却ユニットの使用例を示すサーバ室の平面図である。 図１２は、排気冷却ユニットの他の使用例を示すサーバ室の平面図である。 図１３は、排気冷却ユニットの更に他の使用例を示すサーバ室の平面図である。 図１４は、排気冷却ユニットの更に他の使用例を示すサーバ室の平面図である。 図１５は、図６〜図９に示す開閉扉の下部に設けられたドレン受け装置の構成を示す部分拡大斜視図である。 図１６は、図６〜図９に示す開閉扉に付加的に設けられた補助圧送装置の構成を示す開閉扉の縦断面図である。 図１７は、従来技術に係るサーバ室の空調システムの構成を概念的且つ模式的に示す縦断面図である。 図１８は、サーバ機器を冷却する他の従来技術の構成を概念的且つ模式的に示す断面図である。

本発明の好適な実施形態によれば、上記開閉扉は、支柱と平行な軸線を中心に回動可能に支柱に枢支される。所望により、支柱は、開閉扉の上方に位置する建築物の天井構造体に延び、天井構造体と開閉扉との間に形成された空間を閉鎖する幕板が支柱又は天井構造体によって支持される。

好ましくは、複数の熱交換器が、空気流の流動方向に直列に配置され、各々の熱交換器には、別系統の冷熱源の冷水又は冷媒が供給される。このような構成によれば、電子機器冷却手段を比較的容易に冗長化することができる。

更に好ましくは、排気冷却ユニットは、架台又は筐体に流入する室内空気、排気流動領域の室内空気（昇温後の室内空気）、或いは、熱交換器から流出した室内空気の空気温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段の検出結果に基づいて熱交換器の冷却能力を可変制御する冷却制御手段とを有する。

本発明の好適な実施形態において、上記開閉扉は、熱交換器から滴下した結露水を受入れるドレン受け具と、ドレン受け具内に滞留した結露水を昇温後の室内空気によって気化させる蒸発手段とを有する。熱交換器から滴下した結露水は、開閉扉の下部ドレン受け具に受入れられ、ドレン受け具内に滞留した結露水は、昇温後の室内空気によって気化する。このような構成によれば、ドレン配管の施工を省略することが可能となる。

本発明の他の好適な実施形態において、上記開閉扉は、熱交換器を通過する空気流の圧力損失を補償し、或いは、空気流を昇圧する空気搬送手段を有する。このような構成によれば、十分な室内空気循環風量を比較的容易に確保することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１、図２及び図３は、本発明の好適な実施例に係る自立壁式排気冷却ユニットの構成を示す縦断面図、横断面図及び概略斜視図である。図４は、図１〜図３に示す排気冷却ユニットを室内全域に整列配置したサーバ室の全体構成を示す縦断面図及び平面図である。なお、図１〜図４を含む以下の各図には、気流の流れが矢印で概念的に示されている。

図１には、床構造体５０、天井構造体５９及び壁体５３（図４）によって区画されたサーバ室５が示されている。床構造体５０は、サーバ室５の床面を形成する非通気性の床面構成材５８と、サーバ室５を下層階等に対して水平区画する床版５７とから構成される。床面構成材５８及び床版５７の間には、サーバ室５の電気配線、制御配線、通信配線、熱媒体配管、制御配管等を配線・配管するための配管・配線スペース５２が画成される。

床面構成材５８の上面、即ち、床面５１には、空冷式サーバラック１が配置される。サーバラック１の筐体９内には、破線で示すように複数のサーバ機器２が実装される。サーバラック１は、筐体９にヒンジ連結された片開き式の後部ドア３を筐体背面７に備える。図２に破線で示すように後部ドア３を外側（後方）に開放することにより、サーバラック１内の領域を開放し、サーバ機器２の維持・管理、改修、増設、撤去等の作業を行うことができる。操作面を構成するサーバラック１の筐体前面６は、室内空気が容易に流通可能な通気性を有し、後部ドア３も又、室内空気が容易に流通可能な通気性を有する。サーバラック１は、排熱面を構成する後部ドア３の筐体背面７からサーバ機器２の熱排気を行う複数の内蔵ファン８（破線で示す）を備える。サーバラック１は、内蔵ファン８の誘引圧力下に筐体前面６から室内空気（冷気）を取り込み、内蔵ファン８の吐出圧力下にサーバラック１内の空気を筐体後方に強制排気する。

図１〜図３に示す如く、自立壁式の排気冷却ユニット１０がサーバラック１の背後に配置される。排気冷却ユニット１０は、サーバラック１の後方（室内空気の流動方向下流側）に立設された左右一対の鉛直支柱１１と、支柱１１の間に配置された開閉扉１２と、開閉扉１２の上方域を閉鎖する幕板１３とを有する。支柱１１は、正方形断面の金属管材、例えば、角形鋼管、アルミニウム製又はステンレス製の角形管材等からなる。

支柱１１は、支柱１１の下端部に固定されたベースプレート１４をアンカーボルト（図示せず）によって床版５７に係留することにより所定位置に立設される。支柱１１は、床面構成材５８を貫通して鉛直上方に延びる。支柱１１の上端部は、天井構造体５９に固定され、或いは、天井構造体５９を貫通して上階の床版５７（図４）に固定される。

開閉扉１２は、上下方向に離間した複数の丁番（蝶番）又はヒンジ１５（図２）によって片側の支柱１１に枢着され、図２に破線で示す如く支柱１１廻りに回動可能に支持される。丁番（蝶番）又はヒンジ１５は、上下方向に間隔を隔てて支柱１１に取付けられる。開閉扉１２の表面及び裏面は、通気性を有する面材１６によって形成される。面材１６として、例えば、パンチングメタル、金属製メッシュ材等を好適に使用し得る。伝熱コイルを有するパネル形態のプレートフィン型熱交換器２０が表裏の面材１６の間に収容され、開閉扉１２内に内装される。熱交換器２０の冷却能力は、伝熱コイルの列数及び密度等の設定によって任意に設定される。後部ドア３と対峙する開閉扉１２の裏面は、筐体背面７から所定間隔を隔てて配置されており、排気流動領域３０がサーバラック１と開閉扉１２との間に形成される。

図１に示す如く、冷水又は冷媒の熱源に連結された熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２が、熱交換器２０の熱媒体流入ポート２０ａ及び熱媒体流出ポート２０ｂに接続されるとともに、熱交換器２０の結露水を排出するためのドレン管２３（破線で示す）が開閉扉１２の下端部に接続される。好ましくは、開閉扉１２の回動を容易にするために、熱媒体給送管２１、熱媒体還流管２２及びドレン管２３は、少なくとも部分的に可撓管により形成される。なお、所望により、熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２を室内上部空間等に配管することも可能である。

冷水又は冷媒等の熱媒体流体を給排制御するための流量制御弁２４、２５が、熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２に介装される。流量制御弁２４、２５は、制御信号線（図１に一点鎖線で示す）によって制御ユニット４０に接続される。制御ユニット４０は、制御信号線（図１に一点鎖線で示す）によって温度検出器４１、４２に接続される。温度検出器４１は、例えば、サーバラック１の筐体前面６に配設され、サーバラック１の吸込み空気温度を検出する。温度検出器４２は、例えば、支柱１１の室内側部分に配設され、排気冷却ユニット１０から室内に流出する冷却空気の温度を検出する。

排気冷却ユニット１０は更に、排気流動領域３０を区画するための上部遮風板３１及び側部遮風板３２を備える。遮風板３１は、ヒンジ３３（図１）によって幕板１３に枢着され、水平軸線を中心に回動する。遮風板３１は、幕板１３とサーバラック１との間に架設され、排気流動領域３０の空気が上方に流出するのを阻止する。左右一対の遮風板３２は、ヒンジ３４（図２）によって左右の支柱１１に夫々枢着され、鉛直軸線を中心に回動する。遮風板３２は、支柱１１とサーバラック１との間に配置され、排気流動領域３０の空気が側方に流出するのを阻止するとともに、排気流動領域３０に流出した空気流を熱交換器２０に向かって案内する気流制御手段として機能する。所望により、開閉扉１２と筐体背面７との離間距離設定又は相対位置設定の可変性又は設計自由度を向上すべく、遮風板３１、３２を寸法調節可能な伸縮構造、例えば、スライド式構造、入れ子式構造等に設計しても良い。また、遮風板３１、３２同士の間、或いは、遮風板３１、３２と筐体９との間に形成される僅かな隙間を適切に閉塞するための可撓材、フラップ、シール手段等を遮風板３１、３２に設けても良い。

図１〜図３に矢印で示すように、サーバラック１は、内蔵ファン８の作動によって室内空気を筐体前面６から筐体９内に吸引する。室内空気は、サーバ機器２を除熱して昇温した後、内蔵ファン８の吐出圧力下に排気流動領域３０に流出する。排気流動領域３０は、遮風板３１、３２によって区画されているので、排気流動領域３０に流入した空気は、開閉扉１２の熱交換器２０を通過して室内空間に流出する。熱交換器２０を流通する空気は、熱交換器２０を循環する冷水又は冷媒と熱交換して冷却する。温度降下して室内空間に流出した空気は、室内空間を介して筐体前面６からサーバラック１内に再び吸引される。かくして、サーバ機器２は、サーバラック１を循環する室内空気により除熱され、室内空気は、熱交換器２０を循環する冷水又は冷媒によって冷却される。

一般に、サーバラック１の排気温度は、約２５〜３５℃であり、従って、遮風板３１、３２によって区画された排気流動領域３０の雰囲気温度は、約２５〜３５℃である。熱交換器２０の出口空気温度（目標値）は、１８〜２２℃の範囲内の温度に設定される。熱交換器２０によって冷却された冷却空気は、室内空間を循環してサーバラック１の筐体前面６からサーバラック１内に吸い込まれるが、室内の熱負荷等により若干温度上昇するので、サーバラック１の吸込み空気温度（目標値）は、２０〜２５℃の範囲内の温度に設定される。なお、排気流動領域３０が遮風板３１、３２によって区画され、従って、サーバラック１の排気の一部がサーバラック１の筐体前面６に直に吸い込まれるショートサーキットを確実に防止することができるので、熱交換器２０の出口空気温度（目標値）を２０〜２５℃の範囲内の温度に設定することも可能である。また、サーバ室５の室内空間には、外調機で調温・調湿された外気が導入され、サーバラック１を循環する空気に混合するので、必要に応じて外気混合の影響を更に考慮することが望ましい。

制御ユニット４０は、温度検出器４１、４２の検出結果に基づいて流量制御弁２４、２５の開度又は開閉等を可変制御し、熱交換器２０の出口空気温度（冷却空気温度）およびサーバラック１の吸込み空気温度を温度設定値（目標値）に制御する。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、サーバラック１及び排気冷却ユニット１０を室内全域に配置したサーバ室５の全体構成を示す縦断面図及び平面図である。

複数のサーバ機器２（図１）を内装した多数のサーバラック１を並列配置したサーバ室５の全体構成が図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されている。サーバ室５は、床構造体５０、天井構造体５９及び壁体５３によって区画されている。サーバラック１は、従来のホットアイル・コールドアイル方式のラック配列と同様、給気を要する筐体前面６同士を対向配置した状態に配列される。各々のサーバラック１に対応する排気冷却ユニット１０が、各サーバラック１の筐体背面７に沿って配置される。対向する排気冷却ユニット１０の間に形成されたメンテナンス通路Ｅは、排気流路を構成する。対向する筐体前面６の間に形成されたメンテナンス通路Ｓは、給気流路を構成する。

サーバ室５の室内空気は、サーバラック１の内蔵ファン８の吸引圧力下にサーバラック１内に吸引され、サーバ機器２を除熱して昇温した後、排気冷却ユニット１０によって冷却され、メンテナンス通路Ｅに排気される。不使用（従って、内蔵ファン８の作動を停止中）のサーバラック１に並設された排気冷却ユニット１０は、熱交換器２０に対する冷水又は冷媒の供給を停止される。しかしながら、各サーバラック１の除熱機能は、対応する排気冷却ユニット１０の冷却能力に依存する。即ち、使用中の各サーバラック１におけるサーバ除熱機能は、他のサーバラック１の使用・不使用の影響を受けない。また、一部のサーバラック１の不使用に伴ってサーバ室全体の循環空気量は低減するが、使用中の各サーバラック１におけるサーバ除熱機能は、サーバ室全体の循環空気量の低減による影響を実質的に受けない。かくして、サーバラック１の内蔵ファン８による室内空気の循環と、排気冷却ユニット１０の熱交換器２０の冷却作用とによる各サーバラック単位の個別空調が実現し、これにより、各サーバラック１内のサーバ機器２は、各サーバラック単位で除熱される。

図５は、サーバラック１及び排気冷却ユニット１０を並列配置したサーバ室５の他の構成を示す縦断面図である。

図１〜図４に示すサーバ室５においては、サーバ室５の階高低減を重視し、室内空間において室内空気循環を行うように構成されているが、図５に示すサーバ室５は、給気（サプライ側）プレナムチャンバ５４を床面構成材５８と床版５７との間に形成した構成を有し、メンテナンス通路Ｅの冷却空気は、床面排気口（図示せず）を介して給気プレナムチャンバ５４に流入し、床面給気口（図示せず）を介してメンテナンス通路Ｓに供給される。このような構成によれば、図１〜図４に示すサーバ室５に比べて、サーバ室５の階高は増大するが、床下空間に配置された配線・配管の発熱を除去するために室内空間の冷却空気を用いることができる。

図６は、複数のサーバラック１及び排気冷却ユニット１０をサーバ室５内に配列した構成を示す平面図であり、図７、図８及び図９は、図６のＩ−Ｉ線、II−II線及びIII−III線における断面図である。

図６〜９には、サーバ機器２（図１）を内装した多数のサーバラック１を床面５１上に２列に配列してなるサーバ室５の構成が示されている。各々のサーバラック１に対応する排気冷却ユニット１０が、熱排気を行うサーバラック１の筐体背面７に沿って配置される。将来的なサーバラック１の増設を考慮した予備の排気冷却ユニット１０を図６に示すように付加的に設置しても良く、この場合、サーバラック１の数よりも多い数量の排気冷却ユニット１０がサーバ室５内に配設される。図５に示すサーバ室５と同じく、メンテナンス通路Ｅの冷却空気は、床面排気口５５（図９）を介して給気プレナムチャンバ５４に流入し、床面給気口５６（図９）を介してメンテナンス通路Ｓに供給される。

なお、図１〜図５に示す排気冷却ユニット１０は、パネル単体からなる幕板１３を備えるが、図６〜９に示す排気冷却ユニット１０においては、幕板１３は、支柱１１の頂部１１ａを架橋する横架材１７と、横架材１７と天井構造体５９との間に嵌め込まれたパネル材１８とによって形成される。支柱１１の頂部１１ａは、連結具１１ｂによって天井構造体５９に連結され、遮風板３１は、水平軸線を中心に回動可能に横架材１７に枢着される。

また、図１〜図５に示す排気冷却ユニット１０においては、開閉扉１２は、単一の熱交換器２０を内装した構造を有するが、図６〜９に示す開閉扉１２は、熱交換器２０の外側（又は内側）に熱交換器６０を更に内装した複式構造を有する。重畳配置又は重合配置された熱交換器２０、６０は、通過気流に対して直列に位置するので、排気冷却ユニット１０の最大冷却能力は大幅に増大し又は倍増する。

図１０は、熱交換器２０、６０の熱源系統の構成を概略的に示すシステム構成図（配管系統図）である。図１０において、熱交換器２０の熱源系統は実線で示され、熱交換器６０の熱源系統は破線で示されている。

熱交換器２０、６０は、互いに独立した冷熱源系７０、８０を有する。冷熱源系７０は、ターボ冷凍機等の冷熱源機器７１と、冷水を循環する冷水循環ポンプ７２と、冷水及び冷媒の熱交換器７５と、冷水給送管７３及び冷水還流管７４を含む冷水循環回路とから構成される。冷熱源系８０は、ターボ冷凍機等の冷熱源機器８１と、冷水を循環する冷水循環ポンプ８２と、冷水及び冷媒の熱交換器８５と、冷水給送管８３及び冷水還流管８４を含む冷水循環回路とから構成される。冷熱源機器７１の冷水は、冷水循環ポンプ７２の圧力下に冷水給送管７３、熱交換器７５及び冷水還流管７４の循環回路を循環し、冷熱源機器８１の冷水は、冷水循環ポンプ８２の圧力下に冷水給送管８３、熱交換器８５及び冷水還流管８４の循環回路を循環する。

熱交換器７５には、熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２が連結され、熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２は、分岐管２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ等を介して各排気冷却ユニット１０の熱交換器２０に連結される。熱交換器８５には、熱媒体給送管６１及び熱媒体還流管６２が連結される。熱媒体給送管６１及び熱媒体還流管６２は、分岐管６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ等を介して各熱交換器６０に連結される。熱交換器２０、７５、熱媒体給送管２１及び熱媒体還流管２２（分岐管を含む）は、例えば、冷媒自然循環システム（ＶＣＳ（登録商標））を構成し、熱交換器７５において凝縮した冷媒（熱媒体流体）は、熱媒体給送配管２１内を重力下に流下して熱交換器２０の蒸発器２６に供給され、蒸発器２６において気化した冷媒は、熱媒体還流管２２内を上昇し、熱交換器７５に還流する。同様に、熱交換器６０、８５、熱媒体給送管６１及び熱媒体還流管６２（分岐管を含む）も又、例えば、冷媒自然循環システム（ＶＣＳ（登録商標））を構成し、熱交換器８５において凝縮した冷媒は、熱媒体給送管６１内を重力下に流下して熱交換器６０の蒸発器６６に供給され、蒸発器６６において気化した冷媒は、熱媒体還流管６２内を上昇し、熱交換器８５に還流する。このような冷媒自然循環システム（ＶＣＳ）については、例えば、特開平１１−２３０５７７号公報等に詳細に記載されているので、更なる詳細な説明は、省略する。

熱交換器２０に対する冷媒の供給量は、制御ユニット４０（図１）の制御下に流量制御弁２４によって調整又は調節され、熱交換器６０に対する冷媒の供給量は、制御ユニット４０（図１）の制御下に流量制御弁６４によって調整又は調節される。例えば、冷熱源機器７１、８１の冷水供給温度は約５℃に設定され、冷熱源機器７１、８１の冷水還流温度は約１０℃に設定される。熱交換器７５、８５の冷媒凝縮温度は約１１℃に設定され、熱交換器２０、６０の冷媒気化（蒸発）温度は１４℃に設定される。開閉扉１２を通過するサーバラック１の排気は、熱交換器２０、６０を循環する冷媒と熱交換して冷却する。サーバラック１の排気温度は約３５℃に設定され、開閉扉１２の出口温度は約２０℃に設定される。

図６〜１０に示す各排気冷却ユニット１０は、このように二重配列された熱交換器２０、６０を有し、各熱交換器２０、６０は、独立の冷熱源系７０、８０に接続されており、従って、開閉扉２０の最大冷却能力を増大し得るのみならず、熱源系統の二重化によるサーバラック冷却系の冗長化が実現する。

図１１〜１４は、排気冷却ユニット１０の使用例を示すサーバ室の平面図である。

排気冷却ユニット１０は、サーバラック１から独立した構造を有するので、排気冷却ユニット１０及びサーバラック１は、任意に配置することができる。例えば、図１１に示すように排気冷却ユニット１０を規則的に２列に整列配置する一方、サーバラック１を不規則に配置し、将来的に増設されるサーバラック１のスペースを任意の位置に残すことができる。また、図１２に示すように、将来的にサーバラック１を増設すべきスペースには排気冷却ユニット１０を設置せず、サーバラック１の増設時に同時に排気冷却ユニット１０を増設するようにしても良い。更に、図１３に示すように、寸法及び形状が相違するサーバラック１を配列することも可能である。このような使用例においては、例えば、支柱１１に対して複数又は特殊形状の遮風板３２を取付け、或いは、幕板１３に複数又は特殊形状の遮風板３１を取付けるような設計が考慮される。更には、将来的にサーバラック１を増設すべきスペースＣを図１４に示すようにパネル材等の間仕切壁１９によって区画し、スペースＣを倉庫等の収納空間として利用しても良い。また、スペースＣを外気導入チャンバとして利用し、或いは、スペースＣを排気チャンバ等の用途に利用しても良い。前者の場合、スペースＣに導入された外気は、熱交換器２０、６０によって調温及び／又は調湿された後、開閉扉１２を介して室内空間に供給される。

図１５は、図６〜図９に示す開閉扉１２の下部に設けられたドレン受け装置９０の構成を示す部分拡大斜視図である。

図１５には、熱交換器２０、６０の結露水を受入れるドレン受け装置９０が図示されている。ドレン受け装置９０は、熱交換器２０、６０の全幅に亘って延在する金属製又は樹脂製の樋状ドレン受け具９１と、熱交換器２０、６０の下端部から垂下した繊維質可撓面材９４とから構成される。ドレン受け具９１は、左右の側壁頂部を開閉扉１２の四周枠２７に係止することにより開閉扉１２の下側に取付けられる。ドレン受け具９１の側壁には、円形通気孔９２、９３が穿設される。円形通気孔９２は排気流動領域３０に連通し、通気孔９３は室内空間に連通する。面材９４の下部は、ドレン受け具９１の底部に滞留した液溜Ｗに浸漬され、ドレン受け具９１内の領域は、面材９４によって分割される。

熱交換器２０、６０から滴下した結露水は、液溜Ｗとしてドレン受け具９１の底部に滞留し、面材９４の毛管力により面材９４に吸い上げられる。排気流動領域３０に流出した比較的高温の排気は、図１５に破線の矢印で示す如く通気孔９２からドレン受け具９１内に流入し、面材９４を通過して通気孔９２から室内空間に流出する。サーバ室５は、一般に潜熱負荷が比較的小さいので、排気流動領域３０内に排気された比較的高温・低湿の室内空気は、面材９４の毛管力により吸い上げられた液溜Ｗの結露水を気化する。このため、液溜Ｗの結露水は、排気冷却ユニット１０の継続運転に伴って消失する。このようなドレン受け装置９０を用いた場合、ドレン管２３（図１）の配管を省略することが可能となる。

なお、熱交換器２０、６０の伝熱面温度を室内空気の露点温度以上の温度に設定して結露水を発生させず、或いは、結露水の発生を防止する手段を採用することが一般に望ましいが、サーバラック１の熱負荷と熱交換器２０、６０の伝熱面積との関係で熱交換器２０、６０の伝熱面温度を室内空気の露点温度以下に設定しなければならない場合、このようなドレン受け装置９０の採用は、有利である。

図１６は、図６〜図９に示す開閉扉１２に付加的に設けられた補助圧送装置９５の構成を示す開閉扉１２の縦断面図である。

前述の各実施例は、サーバラック内蔵ファン８によって室内空気を循環するように構成したものであるが、コイル列数の増大等に起因して熱交換器２０、６０の圧力損失が増大した場合、内蔵ファン８の静圧（全圧）によっては、室内空気循環風量を十分に確保し難い条件が生じ得る。図１６には、このような条件において開閉扉１２の表面（室内側面）に装着可能な補助圧送装置９５が示されている。

補助圧送装置９５は、開閉扉１２の四周枠２８に固定された金属製又は樹脂製の排気ダクト９６と、ダクト９６内に配設されたラインファン９７とから構成される。排気ダクト９６は、開閉扉１２の通気性面材１６を全体的に覆う。排気ダクト９６の排気流路９８は、面材１６から流出した排気をラインファン９７の吸引口に案内する。ラインファン９７は、制御ユニット４０（図１）を介して外部電源に接続される。ラインファン９７の吐出口は、排気ダクト９６の排気チャンバ９９に開口する。排気流路９８の空気は、ラインファン９７の圧力下に排気チャンバ９９から室内空間に流出する。

このような補助圧送装置９５を空気搬送手段として備えた排気冷却ユニット１０によれば、サーバラック内蔵ファン８の静圧（全圧）の不足をラインファン９７の静圧（全圧）によって補い、十分な室内空気循環流量を確保することができる。なお、サーバラック内蔵ファン８の停止時においても所望の室内空気循環風量を確保し得る十分な静圧（全圧）の送風機を補助圧送装置９５に設け、補助圧送装置９５をフェイルセーフ機構として用い、或いは、内蔵ファンを備えないサーバラックを採用することも可能である。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において種々の変更又は変形が可能であり、かかる変更又は変形例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施例では、熱交換器は、フィンチューブ型熱交換器であるが、他の伝熱構造を有する熱交換器を採用しても良い。

また、上記実施例では、支柱は、天井構造体まで延びるが、支柱頂部を開閉扉の上枠レベルに位置決めし、支柱頂部を横架材によって相互連結しても良い。このような構成において上部の遮風板が必要な場合には、遮風板は、横架材とサーバラックとの間に架設される。

更に、上記実施例では、幕板等とサーバラックとの間に上部遮風板を架設しているが、サーバラックの高さが天井高と実質的に同じ場合には、上部遮風板を省略することも可能である。

本発明に係る排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法は、多数又は大容量の電子機器、ＩＴ機器、電算機、通信機器等を室内に収容したサーバ室、データセンタ、ＩＴ機器管理施設、携帯電話基地局等において、各架台又は筐体に収容された電子機器を冷却するのに使用される。殊に、本発明の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法は、多数のサーバ機器を実装したサーバラックを収容するデータセンタ等のサーバ室において、サーバ機器を冷却する手段として好適に使用し得る。本発明の排気冷却ユニット及び電子機器冷却方法によれば、一群の電子機器を収容する架台又は筐体の仕様、形状等による構造上又は機能上の制約を受け難く、しかも、各架台又は筐体に収容された一群の電子機器の単位で熱負荷を個別処理することができるので、その実用的価値は、顕著である。

１ サーバラック
２ サーバ機器
３ 後部ドア
５ サーバ室
６ 筐体前面
７ 筐体背面
８ サーバラック内蔵ファン
９ 筐体
１０ 排気冷却ユニット
１１ 鉛直支柱
１２ 開閉扉
１３ 幕板
１６ 通気性面材
２０ 熱交換器
３０ 排気流動領域
３１、３２ 遮風板
４０ 制御ユニット
４１、４２ 温度検出器

Claims (6)

1. 架台又は筐体内に収容された複数の電子機器を除熱すべく、前記電子機器と熱交換して昇温した室内空気を冷却し、冷却後の室内空気を室内空間に流出せしめる自立壁式の排気冷却ユニットであって、
   昇温後の前記室内空気の流動方向下流側に前記架台又は筐体から間隔を隔てて立設され且つ建築物の構成要素によって支持された複数の支柱と、
   該支柱によって支柱間に開閉可能に支持され、前記架台又は筐体の背面と対向する開閉扉と、
   前記架台又は筐体の背面から、前記支柱及び開閉扉と前記架台又は筐体との間に形成された排気流動領域に流入した昇温後の前記室内空気が、該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを阻止する遮風手段とを有し、
   該開閉扉には、前記架台又は筐体の背面から排気された昇温後の前記室内空気を冷却して前記室内空間に流出せしめる熱交換器が組込まれ、
   前記遮風手段は、支柱に支持され且つ架台又は筐体に向かって延び、架台又は筐体と支柱との間の隙間を閉塞する遮風板からなり、該遮風板の寸法の相違、或いは、前記支柱に対する前記遮風板の角度の変化によって、前記支柱と前記架台又は筐体との相対距離又は相対位置の相違を補償し、前記遮風板は、前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に流出した空気流が該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを阻止するとともに、前記空気流を前記熱交換器に案内することを特徴とする自立壁式の排気冷却ユニット。
2. 前記支柱は、開閉扉の上方に位置する建築物の天井構造体に延び、該天井構造体と前記開閉扉との間に形成された空間を閉鎖する幕板が、前記支柱又は前記天井構造体によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の排気冷却ユニット。
3. 前記開閉扉は、前記熱交換器から滴下した結露水を受入れるドレン受け具と、該ドレン受け具内に滞留した結露水を昇温後の前記室内空気によって気化させる蒸発手段とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気冷却ユニット。
4. 架台又は筐体内に収容された複数の電子機器を除熱すべく該架台又は筐体内に室内空気を流入せしめ、前記電子機器と熱交換して昇温した室内空気を冷却し、冷却した室内空気を室内空間に排気する電子機器冷却方法において、
   昇温後の前記室内空気の流動方向下流側に前記架台又は筐体から間隔を隔てて複数の支柱を立設し且つ該支柱を建築物の構成要素によって支持し、
   熱交換器を組込んだ開閉扉を前記支柱の間に開閉可能に取付け且つ該支柱によって支持し、前記支柱及び開閉扉と前記架台又は筐体との間に排気流動領域を形成し、
   前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に流入した空気流が該排気流動領域の側方及び上方に流出するのを気流制御手段によって阻止し且つ該気流制御手段によって前記空気流を前記熱交換器に案内するとともに、前記気流制御手段を構成する遮風板を前記支柱から突出させ、該遮風板の寸法の相違、或いは、前記支柱に対する前記遮風板の角度の変化によって、前記支柱と前記架台又は筐体との相対距離又は相対位置の相違を補償し、
   前記電子機器を冷却して昇温し且つ前記架台又は筐体の背面から前記排気流動領域に排気された前記室内空気を前記熱交換器によって冷却して室内空間に流出せしめることを特徴とする電子機器冷却方法。
5. 前記支柱は、開閉扉の上方に位置する建築物の天井構造体に延び、該天井構造体と前記開閉扉との間に形成された空間を閉鎖する幕板が、前記支柱又は前記天井構造体によって支持されることを特徴とする請求項４に記載の電子機器冷却方法。
6. 前記開閉扉に空気搬送手段を設け、前記熱交換器を通過する空気流の圧力損失を補償し、或いは、該空気流を昇圧して、前記熱交換器の室内空気循環風量を確保することを特徴とする請求項４又は５に記載の電子機器冷却方法。

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