JP5541107B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、外気を導入して室内を空調する空調システムに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。このような状況下では、計算機から多量の熱が発生して誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却する手段が必要となる。そのため、通常データセンターでは、計算機内で発生した熱をファン（送風機）により計算機の外に排出するとともに、空調機（エアコン）を使用して室内の温度を調整している。

ところで、データセンターでは、全ての計算機で消費する電力の合計に匹敵するほど大きな電力を空調設備で消費しているといわれている。そこで、データセンターで消費する電力を削減するために、外気の温度が低いときには外気を室内に導入することが提案されている。

特開２００９−１２７９７６号公報

しかしながら、データセンターでは、温度だけでなく湿度も管理している。湿度が管理されていない外気を計算機室内に直接導入すると、静電気が発生したり結露が発生したりして、計算機の誤動作や故障の原因となる。

以上から、外気の温度及び湿度に応じて外気の導入を適切に制御し、空調設備で消費する電力をより一層削減できる空調システムを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、電子機器が設置される機器設置エリアと、前記機器設置エリア内の空調を行う空調機と、前記電子機器内の発熱部品と熱的に接続した伝熱部材の先端部が配置される冷却エリアと、前記機器設置エリアと前記冷却エリアとを分離する分離壁と、外気の温度及び湿度を検出するセンサ部と、前記空調機を制御するとともに、前記センサ部で検出した外気の温度及び湿度に応じて前記機器設置エリア及び前記冷却エリアに外気を導入するか否かを個別に判定する制御部とを有する空調システムが提供される。

上記一観点の空調システムでは、機器設置エリアと冷却エリアとに分離されており、機器設置エリアには電子機器が設置され、冷却エリアには電子機器内の発熱部品と熱的に接続した伝熱部材の先端部が配置される。そして、制御部は、センサ部で検出した外気の温度及び湿度に応じて、機器設置エリア及び冷却エリアに外気を導入するか否かを個別に判定する。これにより、従来に比べて空調設備で消費する電力をより一層削減することができる。

図１は、実施形態に係る空調システムの模式図である。 図２は、伝熱部材の構造を表す図である。 図３は、伝熱部材のヒートパイプ及び放熱部を例示した図である。 図４は、実施形態に係る空調システムの運転条件を例示した図である。 図５は、パターン１におけるエアーの流れを表した模式図である。 図６は、パターン２におけるエアーの流れを表した模式図である。 図７は、パターン３におけるエアーの流れを表した模式図である。 図８は、パターン４におけるエアーの流れを表した模式図である。 図９は、パターン５におけるエアーの流れを表した模式図である。 図１０は、パターン６におけるエアーの流れを表した模式図である。 図１１は、実施形態の変形例を表した図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、データセンター等の施設で空調に使用する電力を削減するために、外気の温度が低いときには外気を室内に導入することが提案されている。例えば、空調機により温度が２０℃に調整されたエアーを室内に供給しているデータセンターの場合、外気の温度が２０℃以下のときに外気を室内に導入すれば、空調設備で使用する電力の大幅な削減が期待できる。

しかし、データセンターでは、静電気や結露によって計算機に不具合が発生することを防止するために、計算機室内の湿度も管理している。空気中に含まれる水分量が同じであっても、空気の温度が高くなると湿度（相対湿度：以下同じ）は低くなる。そのため、冬場の外気、例えば温度が１０℃以下、湿度が５０％以下の外気を計算機室内にそのまま導入すると、温度の上昇にともなって湿度が極端に減少し、静電気が発生しやすくなって計算機の誤動作や故障の原因となる。また、雨天のときに計算機室内に例えば温度が２０℃の外気をそのまま導入すると、計算機室内の湿度が高くなって計算機の誤動作や故障の原因となる。

一般的に、データセンターでは室内の湿度を５０％〜６０％程度に調整している。しかし、計算機室内に単に外気を導入しただけでは湿度の変化が大きくなり、湿度の調整に要する電力が増大する。このため、外気を導入しても空調設備の消費電力削減効果が十分に得られなくなってしまう。

以下、実施形態について説明する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る空調システムの模式図である。

計算機室は、分離壁１１により、計算機（サーバ）２３を収納したラック２２が配置されるラック設置エリア（機器設置エリアの一例）１２と、低温のエアーが通る冷却エリア１３とに分離されている。なお、図１ではラック２２が１台しか図示していないが、ラック設置エリア１２には多数のラック２２が設置されている。また、各ラック２２にはそれぞれ複数の計算機２３が収納されている。各計算機２３には、ラック２２の前面側（図１では左側）からエアーを導入し、背面側（図１では右側）から排出するファン（図示せず）が設けられている。計算機２３は、電子機器の一例である。

本実施形態では、図１に例示するように、各計算機２３から水平方向に伝熱部材２５が突出しており、この伝熱部材２５の先端部は分離壁１１を貫通して冷却エリア１３内に導出している。また、伝熱部材２５の先端（冷却エリア１３側の部分）には複数の放熱フィン２５ａが設けられている。伝熱部材２５の詳細は後述する。

ラック設置エリア１２の床下には冷風流路１４が設けられている。また、ラック設置エリア１２の床にはグリル（通風口）１２ａが設置されており、このグリル１２ａを介して冷風流路１４からラック２２の前面側に低温のエアーが供給される。

一方、ラック設置エリア１２の天井裏には温風流路１５が設けられており、ラック２２の背面側の天井にはラック設置エリア１２と温風流路１５との間を連絡する開口部１２ｂが設けられている。なお、本実施形態では、グリル１２ａを介して低温のエアーが供給されるエリア（コールドアイル）と、ラック２２から温風が排出されるエリア（ホットアイル）とが、仕切り２４ａ，２４ｂにより分離されている。しかし、これらの仕切り２４ａ，２４ｂは必須ではなく、必要に応じて設置すればよい。

冷風流路１４は、空調機２１のエアー吹き出し口に接続されているとともに、ダンパー４４及びダクト３１を介して給気ダクト（第１の給気ダクト）３２に接続されている。この給気ダクト３２は屋外に連絡しており、給気ダクト３２内にはファン５１が配置されている。このファン５１の回転により、給気ダクト３２内に外気が導入される。なお、空調機２１の第１のエアー取り入れ口も、ダンパー４３及びダクト３５を介して給気ダクト３２に接続されている。また、空調機２１のエアー吹き出し口の下には、空調機２１と連動して回転するファン５２が配置されている。

温風流路１５は、ダンパー４２及びダクト３３を介して空調機２１の第２のエアー取り入れ口に接続されているとともに、ダンパー４１を介して排気ダクト（第１の排気ダクト）３４に接続されている。この排気ダクト３４は、屋外に連絡している。

冷却エリア１３の床下には冷風流路１６が設けられており、天井裏には温風流路１７が設けられている。冷却エリア１３の床にはグリル（通風口）１３ａが配設されており、このグリル１３ａを介して冷風流路１６から冷却エリア１３に冷風が供給される。冷却エリア１３の天井には、冷却エリア１３と温風流路１７との間を連絡する開口部１３ｂが設けられている。

冷風流路１４と冷風流路１６と間にはダンパー４５が配置されている。このダンパー４５が開のときには冷風流路１４と冷風流路１６とが連絡し、閉のときには冷風流路１４と冷風流路１６との間が遮断される。また、温風流路１５と温風流路１７との間にはダンパー４７が配置されている。このダンパー４７が開のときには温風流路１５と温風流路１７とが連絡し、閉のときには温風流路１５と温風流路１７との間が遮断される。

冷風流路１６は、ダンパー４６を介して給気ダクト（第２の給気ダクト）３６に接続されている。この給気ダクト３６は屋外に連絡しており、ダンパー４６の内側にはファン５３が配置されている。このファン５３の回転により、給気ダクト３６、ダンパー４６及びグリル１２ａを介して冷却エリア１２に外気が導入される。また、温風流路１７は、ダンパー４８を介して排気ダクト（第２の排気ダクト）３７に接続されている。この排気ダクト３７は屋外に連絡している。

制御部２８は、外気の温度及び湿度を検出するセンサ部２９ａと計算機室内の温度及び湿度を検出するセンサ部２９ｂとに接続されている。制御部２８は、これらのセンサ部２９ａ，２９ｂの出力に応じてダンパー４１〜４８の開閉状態、ファン５１〜５３のオン／オフ及び空調機２１を制御する。

なお、本実施形態において空調機２１は、エアー吹き出し口から供給するエアーの温度と湿度とを調整する機能を備えているものとする。但し、エアーの温度調整のみを行う空調機を使用し、この空調機とは別に加湿器を設けてもよい。また、屋外に連絡している給気ダクト３２，３６及び排気ダクト３４，３７には、室内への塵埃の侵入を防止するために、フィルタを配置しておくことが好ましい。

図２（ａ）は伝熱部材２５の構造を表す図である。なお、図２（ａ）中の符号５５は計算機２３のシステムボートである。伝熱部材２５は、計算機２３内のＣＰＵ等の発熱量が大きい部品（以下、「発熱部品」と呼ぶ）５７に熱的に接続される。本実施形態では、図２（ｂ）のように、伝熱部材２５がヒートパイプ２２ａと放熱部２２ｂとを有し、放熱部２２ｂはヒートパイプ２２ａの先端部に着脱自在に取り付けられるものとする。放熱部２２ｂは、銅又はアルミニウムのように熱伝導係数が高い金属により管状に形成され、その周囲には複数の放熱フィン２５ａが設けられている。

ヒートパイプ２２ａは、図３に模式的に示すように分離壁１１に設けられた貫通穴を通り、冷却エリア１２内に導出する。分離壁１１の貫通穴にはパッキン５６が配置され、このパッキン５６により貫通穴の隙間が塞がれる。また、ヒートパイプ２２ａの先端部には熱伝導グリス５４が塗布され、ヒートパイプ２２ａの先端部を放熱部２２ｂに挿入して取り付ける。計算機２３の故障や点検時などラック２２から計算機２３を取り外す必要があるときには、ヒートパイプ２２ａから放熱部２２ｂが外される。なお、図２，図３に例示した棒状のヒートパイプ２２ａに替えて、ループ型ヒートパイプ、熱媒体循環装置又は伝熱板等を使用してもよい。

以下、図４〜図１０を参照して、本実施形態の空調システムの動作について説明する。

ここでは、計算機２３内の発熱部品５７は３５℃以上の温度になるものとする。また、ラック設置エリア１２に導入するエアーの温度が２０℃程度のときに計算機２３から排出されるエアーの温度が３０℃程度となるように、循環風量を設定するものとする。

ラック設置エリア１２への外気の導入は、外気の温度と湿度とにより決定する。ラック設置エリア１２に外気を導入する場合、外気の温度は３０℃まで許容するものとする。また、温度が２５℃、相対湿度が５０％のときの絶対湿度（0.0099kg/kg.D.A.）を標準湿度とし、ラック設置エリア１２に外気を導入した場合に標準湿度になるように加湿又は除湿するのに要する電力が所定値以下となる湿度の範囲を基準範囲とした。

制御部２８は、外気の温度と湿度とに応じて空調機２１、ダンパー４１〜４８及びファン５１〜５３を制御し、以下のパターン１〜６のいずれかの動作状態とする。図４は、パターン１〜６における運転条件を例示した図である。

（パターン１）
パターン１は外気の温度が２０℃未満であり、湿度が基準範囲から外れている場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４２，４６，４８を開、ダンパー４１，４３，４４，４５，４７を閉とし、ファン５２，５３をオン、ファン５１をオフとする。図５は、パターン１におけるエアーの流れを表した模式図である。

外気の湿度が基準範囲から外れている場合、ラック設置エリア１２に外気を導入すると、加湿又は除湿に要する電力が大きくなり、空調設備の消費電力を削減する効果を十分に得ることができなくなる。そのため、パターン１ではラック設置エリア１２には外気を導入せず、空調機２１によりラック設置エリア１２内のエアーを冷却する。一方、外気の温度は十分に低いので、冷却エリア１３には外気を導入し、伝熱部材２５を介して計算機２３の発熱部品５７を冷却する。

（パターン２）
パターン２は外気の温度が２０℃未満であり、湿度が基準範囲内の場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４１，４２，４３，４６，４８を開、ダンパー４４，４５，４７を閉とし、ファン５１，５２，５３をオンとする。図６は、パターン２におけるエアーの流れを表した模式図である。

パターン２では、外気の温度が低く、湿度が基準範囲内であるので、ラック設置エリア１２内に外気を導入する。但し、外気をそのままラック設置エリア１２に導入すると、温度上昇にともなって湿度が低下し、基準範囲から外れることが考えられる。そのため、パターン２では外気を空調機２１を介して導入するとともに、温風流路１５を通るエアーの一部を空調機２１に取り入れ、空調機２１により温度と湿度とを調整した後にラック設置エリア１２に導入する。排気ダクト３４からは、室内に導入したエアーの量に相当する量のエアーが排出される。

一方、冷却エリア１３には外気をそのまま導入し、伝熱部材２５を介して計算機２３内の発熱部品５７を冷却する。

（パターン３）
パターン３は、外気の温度が２０℃〜３０℃であり、湿度が基準範囲から外れる場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４２，４６，４８を開、ダンパー４１，４３，４４，４５，４７を閉とし、ファン５２，５３をオン、ファン５１をオフとする。図７は、パターン３におけるエアーの流れを表した模式図である。

パターン３では、外気の湿度が基準範囲から外れているので、ラック設置エリア１２に外気を導入すると湿度の調整に要する電力が多くなり、空調設備の消費電力を削減する効果を十分に得ることができなくなる。そのため、パターン３ではラック設置エリア１２への外気の導入は行わない。

一方、外気の温度は計算機２３内の発熱部品５７を冷却するのに十分であるので、冷却エリア１３には外気を導入し、伝熱部材２５を介して計算機２３内の発熱部品５７を冷却する。

（パターン４）
パターン４は、外気の温度が２０℃〜３０℃であり、湿度が基準範囲内の場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４１，４４，４６，４８を開、ダンパー４２，４３，４５，４７を閉とし、ファン５１，５３をオン、ファン５２をオフとする。図８は、パターン４におけるエアーの流れを表した模式図である。

パターン４では、外気の温度及び湿度が適正範囲内であるので、空調機２１を介さずにラック設置エリア１２に外気を導入し、その分のエアーを排気ダクト３４から排出する。また、冷却エリア１３にも外気を導入し、伝熱部材２５を介して計算機２３内の発熱部品５７を冷却する。

（パターン５）
パターン５は、外気の温度が３０℃〜３５℃の場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４２，４６，４８を開、ダンパー４１，４３，４４，４５，４７を閉とし、ファン５２，５３をオン、ファン５１をオフとする。図９は、パターン５におけるエアーの流れを表した模式図である。

パターン５では外気の温度が高いので、ラック設置エリア１２に外気を導入しても空調設備の消費電力を削減する効果を十分に得ることができない。そのため、パターン５ではラック設置エリア１２への外気の導入は行わない。しかし、外気の温度は発熱部品５７の温度よりも低いので、冷却エリア１３には外気を導入し、伝熱部材２５を介して計算機２３内の発熱部品５７を冷却する。

（パターン６）
パターン６は、外気の温度が３５℃以上の場合である。この場合、制御部２８は、ダンパー４２，４５，４７を開、ダンパー４１，４３，４４，４６，４８を閉とし、ファン５２をオン、ファン５１，５３をオフとする。図１０は、パターン６におけるエアーの流れを表した模式図である。

パターン６では外気の温度が高いので、ラック設置エリア１２及び冷却エリア１３のいずれにも外気を導入しない。この場合、空調機２１により温度及び湿度が調整されたエアーがラック設置エリア１２及び冷却エリア１３に供給される。

以上のように、本実施形態に係る空調システムでは、外気の温度と湿度とに応じて外気をラック設置エリア１２及び冷却エリア１３に適宜導入する。これにより、計算機室内の空調に要する電力を大幅に削減できる。本願発明者がシミュレーションしたところ、本実施形態に係る空調システムでは、１年のうちラック設置エリア１２内に８０日程度外気を導入することができ、冷却エリア１３には１２０日程度外気を導入することができる。

また、本実施形態に係る空調システムでは、ラック設置エリア１２内に温度及び湿度が調整されたエアーが供給されるため、静電気や結露等による計算機２３の誤動作及び故障が回避される。

なお、風が強い日など外気を導入すると計算機室内に塵埃等が侵入して計算機２３の故障の原因となることがある。このため、計算機室内に塵埃等が侵入するおそれがあるときは、外気の温度及び湿度に拘わらず、パターン６で運転を行うことが好ましい。また、上述した動作パターンは一例であり、制御部２８がダンパー４１〜４８及びファン５１〜５３を制御するときの温度及び湿度は適宜変更することができる。

（変形例）
図１１は、実施形態の変形例を表した図である。この変形例では、冷却エリア１３内に、伝熱部材２５のフィン２５ａに冷媒（例えば、水）を噴霧するスプレーノズル５９が設けられている。その他の構成は基本的に図１の空調システムと同様であるので、ここでは重複する部分の説明を省略する。

外気の温度が３５℃以上の場合、前述した実施形態では、ラック設置エリア１２及び冷却エリア１３のいずれにも外気を導入していない。しかし、図１１のように冷却エリア１３にスプレーノズル５９を設置し、冷却エリア１３に外気を導入しつつスプレーノズル５９から伝熱部材２５のフィン２５ａに冷媒を噴霧すれば、伝熱部材２５を介して発熱部品５７を冷却することができる。この場合、図１１のように、ダンパー４２，４６，４８を開、ダンパー４１，４３，４４，４５，４７を閉とし、ファン５２，５３をオン、ファン５１をオフとする。これにより、外気を導入できる日が増加し、データセンターにおいて空調設備で消費する電力をより一層削減できる。

１１…分離壁、１２…ラック設置エリア、１２ａ，１３ａ…グリル（通風口）、１２ｂ，１３ｂ…開口部、１３…冷却エリア、１４，１６…冷風流路、１５，１７…温風流路、２１…空調機、２２…ラック、２２ａ…ヒートパイプ、２２ｂ…放熱部、２３…計算機、２４ａ，２４ｂ…仕切り、２５…伝熱部材、２５ａ…放熱フィン、２８…制御部、２９ａ，２９ｂ…センサ部、３１〜３７…ダクト、４１〜４８…ダンパー、５１〜５３…ファン、５４…熱伝導グリス、５５…システムボード、５６…パッキン、５７…発熱部品、５９…スプレーノズル。

Claims (7)

1. 電子機器が設置される機器設置エリアと、
   前記機器設置エリア内の空調を行う空調機と、
   前記電子機器内の発熱部品と熱的に接続した伝熱部材の先端部が配置される冷却エリアと、
   前記機器設置エリアと前記冷却エリアとを分離する分離壁と、
   外気の温度及び湿度を検出するセンサ部と、
   前記空調機を制御するとともに、前記センサ部で検出した外気の温度及び湿度に応じて前記機器設置エリア及び前記冷却エリアに外気を導入するか否かを個別に判定する制御部と
   を有することを特徴とする空調システム。
2. 更に、前記機器設置エリアの床下に設けられ、前記空調機の吹き出し口に連絡する第１の冷風流路と、
   前記機器設置エリアの床に設けられて前記機器設置エリアと前記第１の冷風流路との間を連絡する第１の通風口と、
   屋外に連絡する第１の給気ダクトと、
   前記第１の冷風流路と前記第１の給気ダクトとの間に配置されて前記制御部により開閉状態が制御される第１のダンパーと、
   前記機器設置エリアの天井裏に設けられ、前記空調機のエアー取り入れ口に連絡する第１の温風流路と、
   前記機器設置エリアの天井に設けられて前記機器設置エリアと前記第１の温風流路との間を連絡する第１の開口部と、
   屋外に連絡する第１の排気ダクトと、
   前記第１の温風流路と前記第１の排気ダクトとの間に配置されて前記制御部により開閉状態が制御される第２のダンパーと、
   前記冷却エリアの床下に設けられた第２の冷風流路と、
   前記冷却エリアの床に設けられて前記冷却エリアと前記第２の冷風流路との間を連絡する第２の通風口と、
   屋外に連絡する第２の給気ダクトと、
   前記第２の給気ダクトと前記第２の冷風流路との間に配置されて前記制御部により開閉状態が制御される第３のダンパーと、
   前記冷却エリアの天井裏に設けられた第２の温風流路と、
   前記冷却エリアの天井に設けられて前記冷却エリアと前記第２の温風流路との間を連絡する第２の開口部と、
   屋外に連絡する第２の排気ダクトと、
   前記第２の温風流路と前記第２の排気ダクトとの間に配置されて前記制御部により開閉状態が制御される第４のダンパーと
   を有することを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記第１の冷風流路と前記第２の冷風流路との間に設けられて前記制御部により開閉状態が制御される第５のダンパーと、
   前記第１の温風流路と前記第２の温風流路との間に設けられて前記制御部により開閉状態が制御される第６のダンパーと
   を有することを特徴とする請求項２に記載の空調システム。
4. 前記冷却エリアに、前記伝熱部材の先端部に向けて冷媒をスプレーするスプレーノズルが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の空調システム。
5. 前記伝熱部材が、前記機器設置エリアに配置される側と前記冷却エリアに配置される側とで分割可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の空調システム。
6. 前記伝熱部材が、ヒートパイプを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空調システム。
7. 前記電子機器が、ラック内に収納された計算機であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の空調システム。
   

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