JP5243092B2 - ラック型空調機 - Google Patents

Description

本発明は、ラック型空調機を含むラック型空調機に係り、特にアンビエント空調と局所空調を併用する情報通信機械室の空調システムに好適なラック型空調機に関する。

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１２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、局所空調機をラック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、吸排気の方向がサーバラック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、情報通信機械室の空調システムでは、コールドアイル空間への供給風量とサーバラックが吸い込む風量の総和とを常にバランスさせておくため、局所空調機がサーモＯＦＦのときに冷媒循環のみ停止し、送風ファンは停止しないのが一般的である。このためサーモＯＦＦ中は、局所空調機はホットアイル側の高温排気を吸い込んで直接吹き出すことになるため、コールドアイル側温度が急激に上昇し、情報通信機器・装置の許容上限温度を逸脱する恐れがある。
サーモＯＦＦ時に送風ファンを停止する方式のラック型空調機であっても、ＩＣＴ機器内蔵のファンにより、コールドアイル側からホットアイル側へ常に空気が送られるため、ホットアイル側の気圧がコールドアイル側より高い場合が多い。この場合、圧力差によりラック型空調機のファンを停止させても、空調機の内部を通ってホットアイル側からコールドアイル側に気流が生じ、コールドアイルの環境を悪化させる。特に、アイルキャッピングを行っている場合は、その圧力差が大きくなるため影響が大きい。
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、ラック型空調機の能力低下時において、情報通信機器・装置の高温障害発生を回避可能とするラック型空調機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型空調機は、
（１）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、アンビエント空調機による二重床吹き出し空調と、ラック型空調機による局所空調と、を併用する空調システムに用いるラック型空調機であって、ホットアイル側の高温排気を吸い込み、冷却空気をコールドアイル側に吹き出す送風ファンと、所定の運転条件に連動して、高温排気の流入又は遮断を制御する排気流入制御手段と、を備えて成ることを特徴とする。
本発明において、コールドアイルとホットアイルとはキャッピングにより区画されているものと、区画されていないものの両者を含む。
（２）前記所定の運転条件が、冷媒の循環もしくは循環停止、又は、前記送風ファンの運転もしくは運転停止、のいずれか一方又は両方であることを特徴とする。
冷媒循環停止と連動して排気流入を遮断することにより、高温排気のコールドアイル側への流入を防止でき、これによりコールドアイルの急激な温度上昇を回避できる。また、冷媒循環状態において送風ファンが故障等により停止した場合も、排気流入を遮断することにより、風量低下に伴う冷媒蒸発温度の低下によるドレン発生を防止することができる。
（３）前記排気流入制御手段が、高温排気流入遮断用シャッターと、該シャッター開閉手段と、を含んで成ることを特徴とする。
（４）前記シャッター開閉手段が、前記送風ファン運転時にその吸引力により開き、かつ、運転停止時には重力又はバネ機構により閉じるように構成されて成ることを特徴とする。

（５）空調方式が冷媒直膨方式であり、かつ、前記シャッター開閉手段が、冷媒配管経路に設けられた膨張弁の前後差圧を利用するものであることを特徴とする。
（６）前記排気流入制御手段が、機内における気流の流れ方向を感知する気流感知手段と、該気流感知手段の感知した気流方向と逆方向に、前記送風ファンを動作させる手段と、を含んで成ることを特徴とする。
（７）前記気流感知手段が、機内に配設される風向風速計であることを特徴とする。
（８）前記気流感知手段が、機体前面側と背面側の差圧を検知する手段であることを特徴とする請求項６に記載のラック型空調機。
（９）前記ラック型空調機が、ことを特徴とする。
１９インチサーバラックと同一モジュールに構成したラック型空調機を用いることにより、サーバラック用の架台をそのまま利用できるため施工が容易で、配置の自由度が高くなる。また、ラック列での収まりがよく、スペース効率を向上させることができるという利点を有する。
（１０）上記各発明において、空調システムとして、アンビエント空調機による二重床吹き出し空調とラック型空調機による局所空調とを併用するシステムを用いることができる。

上記各発明によれば、サーモＯＦＦ時における機体内部を通過する気流発生を防ぐことができ、高温空気のコールドアイル側への流入を防ぐことができる。これにより、近傍のＩＣＴ機器の高温障害の発生を防止することができる。
また、冷気と暖気の混合を防ぐことにより、機械室空調の省エネルギー化を図ることができる。

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型空調機２０の構成を示す図である。図２は、ラック型空調機２０を用いた空調システム１の断面構成を示す図である。図３は、空調システム１の平面構成を示す図である。図４は、ラック型空調機２０の高温排気吸い込み制御フローを示す図である。

図２、３を参照して、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を構成するサーバラック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２０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サーバラック２により形成されている。サーバラック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。

各サーバラック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。コールドアイル６ａ床面の一部は穴あきパネル５ｆにより形成されており、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、列内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。ＰＤＵ９についても、サーバラック２と同一モジュールに構成されている。
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２０の室内機２１が配置されている。室内機２１はサーバラックと同一モジュールで、かつ、吸排気の方向がサーバラック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。
なお本実施形態において、コールドアイル６ａとホットアイル６ｂとは互いに開放空間としているが、一方のアイルをキャッピングして両者を区画する形態としてもよい。

図１を参照して、ラック型空調機２０は室内機２１と、室外機２２と、これらを接続する冷媒配管２８を備えている。室内機２１は、筐体２１ａ内部に蒸発器２３、送風ファン２４、制御部２７、冷媒配管２８の往き側に電子膨張弁２６を備えている。室外機２２は筐体２２ａ内部に凝縮器２２ｃ、送風ファン２２ｄ、コンプレッサ２２ｂを主要構成として備えている。かかる構成により、凝縮器２２ｃで凝縮した高圧冷媒液は冷媒配管２８を経由して室内機２１に導かれ、電子膨張弁２６において低圧の気液混合状態となり、蒸発器２３に至る。冷媒は蒸発器２３においてホットアイル６ｂから吸い込まれる高温排気と熱交換して、自らは気化して冷媒蒸気となりコンプレッサ２２ｂに戻る。一方、高温排気は冷気となって、送風ファン２４によりコールドアイル側に吹き出される。
筐体２１ａの背面側の排気吸込部には、シャッター２５が取り付けられている。シャッター２５は、シャッターボックス２５ａと、複数のスラット２５ｃと、左右のチェーン２５ｃと、を主要構成として備えている。スラット２５ｂとチェーン２５ｃとは揺動可能に接続されており、シャッターボックス２５ａに内蔵される電動駆動部（図示せず）の操作により、左右のチェーン２５ｃを揺動させて各スラットを開閉自在に構成されている。スラット２５ｃは、閉状態において排気吸込部全体を遮蔽し、高温排気が流入しないように構成されている。

ラック空調システム１は以上のように構成されており、次に、図２、３を参照して、定常運転時における各サーバラック２の冷却について説明する。この場合、空調機２０のシャッター２５は開状態にあるものとする。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２０の開状態のシャッター２５を介して室内機２１に取り込まれ、機内の蒸発器２３で冷却されて冷気となり、送風ファン２４によってコールドアイル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。

次に図４を参照して、ラック型空調機２０の高温排気吸い込み制御フローについて説明する。なお、以下の制御は、各ラック型空調機２０の制御部２７の指令により行われる。サーモＯＮ運転状態においては、コンプレッサ２２ｂ及び送風ファン２４運転、シャッター２５開の状態にある（Ｓ１０１）。これにより、室内機２１にはホットアイル６ｂ側から高温排気が吸い込まれ、蒸発器２３で冷却された後、冷気となって送風ファン２４によりコールドアイル６ａ側に吹き出される。
この間、サーモＯＦＦ又は冷媒系統の故障により冷媒循環が停止したときは（Ｓ１０２においてＹＥＳ）、送風ファン２４の運転が停止され（Ｓ１０３）、さらにシャッター２５が閉止される（Ｓ１０５）。これにより、ホットアイル６ｂの高温排気の機内導入によるコールドアイル６ａの急激な温度上昇を回避することができる。なお、Ｓ１０２においてＮＯ、すなわちサーモＯＮ、かつ、冷媒循環状態であっても、送風ファン２４が故障等により停止した場合もシャッター２５が閉止される（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。風量低下に伴い冷媒蒸発温度が下がるとドレン発生の恐れがあるが、シャッター閉止によりこれを防止することができる。その後、サーモＯＮ又は故障から復帰したときは、コンプレッサ２２ｂ及び送風ファン２４運転、シャッター２５開の状態に戻る（Ｓ１０１）

なお、本実施形態では電動駆動によりシャッターの開閉を行う形態としたが、バネ駆動で開閉を行う形態とすることもできる。図５はこのような形態を示すものであり、同図（ａ）は送風ファン２４運転状態、同図（ｂ）は同停止状態におけるスラット７１の空間位置を示している。シャッター７０を構成するスラット７１は、本体両端に設けられた支持部材７４、７４に渡されたロッド７４ａに回動自在に軸通されている。スラット７１の上部には、バネ７２の一端が揺動自在に接続されている。バネ７２の他端は、本体背面部材７３に設けられたブラケット７２ａに揺動自在に接続されている。送風ファン２４が運転状態のときは、同図（ａ）に示すように、スラット７１はファン吸引力によりバネの引っ張り力に打ち勝って開状態となる。また、送風ファン２４停止状態のときは、同図（ｂ）のようにスラット７１はバネの引っ張り力により閉状態となる。
さらに、バネを用いることなく、スラットの自重により開閉する形態とすることも可能である。
また、本実施形態では シャッターを排気吸い込み側に設ける例を示したが、これに限らず冷気吹き出し側、室内機内部（蒸発器の前後を問わず）に設けることも可能である。

（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。本実施形態は、気流遮断手段としてシャッターを用いるのではなく、送風ファンを逆回転させてホットアイルからコールドアイル側への気流を打ち消すものである。
図６は、本実施形態に係るラック型空調機３０の構成を示す図である。図７は、ラック型空調機３０の高温排気吸い込み制御を示す図である。図８は、サーモＯＦＦ状態における気流方向を示す図である。
ラック型空調機３０の構成が上述のラック型空調機２０と異なる点は、室内機３１の背面側にシャッターを備えておらず、これに替えて排気吸込部３４近傍に気流検知のための超音波式風向風速センサ３２を備えていることである。さらに、送風ファン３３は、回転方向を正逆自在に制御可能に構成されていることである。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７を参照して、ラック型空調機３０の高温排気吸い込み制御フローについて説明する。運転開始時、サーモＯＮの状態（コンプレッサ２２ｂ運転）においては（Ｓ２０１）、送風ファン３３は正方向回転で運転される（Ｓ２０２）。この間、サーモＯＦＦ又は冷媒系統の故障により冷媒循環が停止したときは（Ｓ２０３においてＹＥＳ）、吸い込み部３４近傍の風向風速が風向風速センサ３２により計測される（Ｓ２０４）。センサ３２の計測値が依然としてホットアイル側からコールドアイル側への気流値を示したときは（Ｓ２０５においてＹＥＳ）、送風ファン３３が逆方向回転で運転される（Ｓ２０６）。この場合のファン回転数は、ホットアイル側からコールドアイル側への気流を打ち消す程度の送風量に設定されている。図８は、この状態を模式的に示した図である。これにより、ホットアイル６ｂの高温排気を吸い込むことがなく、コールドアイルの急激な温度上昇を回避することができる。その後、サーモＯＮ状態に至ったときは（Ｓ２０７においてＹＥＳ）、送風ファン３３は正方向回転に戻される（Ｓ２０２）。
なお、本実施形態では風向風速センサとして超音波式センサを用いたが、熱線式、プロペラ式等、超音波式と同等の機能を有する他のセンサを用いることができる。

（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。本実施形態は、ホットアイルからコールドアイル側への気流検知手段として、両アイル間の差圧を用いるものである。
図９は、実施形態に係るラック型空調機４０の構成を示す図である。ラック型空調機４０の構成が上述のラック型空調機３０と異なる点は、気流検知のための風向風速センサ３２に替えて、室内機４１の前面（コールドアイル側）及び背面（ホットアイル側）にそれぞれ圧力センサ４２、４３を備えていることである。両圧力センサの検出値Ｐ１、Ｐ２は、制御部２７に出力され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１０を参照して、ラック型空調機４０の高温排気吸い込み制御フローについて説明する。運転開始時、サーモＯＮの状態（コンプレッサ２２ｂ運転）においては（Ｓ３０１）、送風ファン４４は正方向回転で運転される（Ｓ３０２）。本制御中において、サーモＯＦＦ又は冷媒系統の故障により冷媒循環が停止したときは（Ｓ３０３においてＹＥＳ）、圧力センサ４２、４３により室内機４１の前面（コールドアイル側）及び背面（ホットアイル側）の圧力Ｐ１、Ｐ２が計測される（Ｓ３０４）。そして、Ｐ２＞Ｐ１のときは（Ｓ３０５においてＹＥＳ）、ホットアイル側圧力が高く、高温排気がコールドアイル側に流入するおそれがあると判定する。この場合は、送風ファン４４が逆回転で運転される（Ｓ３０６）。この場合のファン回転数は、第二の実施形態と同様にホットアイル側からコールドアイル側への気流を打ち消す程度の送風量に設定されている。その後、サーモＯＮ状態に至ったときは（Ｓ３０７においてＹＥＳ）、送風ファン４４は正方向回転に戻される（Ｓ３０２）。

（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、電子膨張弁の前後差圧の変化を利用してシャッター開閉を行うものである。
図１１は、実施形態に係るラック型空調機の室内機５１の要部構成を示す図である。ラック型空調機５０の室内機５１の構成が第一の実施形態に係る室内機２１と異なる点は、冷媒配管５８ａ、５９ｂ間に、電子膨張弁５６と並列にピストンシリンダー５９を備えていることである。また、シリンダーヘッド５９ａにはリンク機構５９ｂが取り付けられており、さらに、リンク機構５９ｂとシャッター５５とは、ロッド５５ｂを介してスラット５５ａを上下に揺動可能に接続されている。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。
以上の構成により、サーモＯＮ状態（冷媒循環時）にはＰ３＞Ｐ４となるため、同図（ａ）に示すようにシリンダーヘッド５９ａは上方に押され、リンク機構５９ｂの作動によりスラット５５ａは開となる。一方、サーモＯＦＦ状態（冷媒循環停止時）には、Ｐ３≒Ｐ４となるため同図（ａ）に示すようにシリンダーヘッド５９ａは下方に押され、スラット５５ａは閉となる。このようにしてサーモＯＦＦ時にシャッター５５は閉となり、高温排気の流入を遮断することができる。

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型空調機２０の構成を示す図である。 ラック型空調機２０を用いた空調システム１の断面構成を示す図である。 空調システム１の平面構成を示す図である。 ラック型空調機２０の高温排気吸い込み制御フローを示す図である。 バネ駆動によるシャッター開閉の形態を示す図である。 第二の実施形態に係るラック型空調機３０の構成を示す図である。 ラック型空調機３０の高温排気吸い込み制御フローを示す図である。 送風ファン３３が逆方向回転で運転したときの気流方向を示す図である。 第三の実施形態に係るラック型空調機４０の構成を示す図である。 ラック型空調機４０の高温排気吸い込み制御フローを示す図である。 第四の実施形態に係るラック型空調機５０の室内機５１の要部構成を示す図である。 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・・・・ラック空調システム
２・・・・サーバラック
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
２０、３０、４０、５０・・・ラック型空調機
２４、３３、４４、５４・・・送風ファン
２５、５５、７０・・・シャッター
２５ａ・・・シャッターボックス
２５ｂ、５５ａ、７１・・・スラット
２６、５６・・・・・・電子膨張弁
３２・・・超音波式風向風速センサ
４２、４３・・・圧力センサ

Claims (8)

1. 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ける空調システムに用いるラック型空調機であって、
   ホットアイル側の高温排気を吸い込み、冷却空気をコールドアイル側に吹き出す送風ファンと、
   所定の運転条件に連動して、高温排気の流入又は遮断を制御する排気流入制御手段と、を備え、
   前記所定の運転条件が、冷媒の循環もしくは循環停止、又は、前記送風ファンの運転もしくは運転停止、のいずれか一方又は両方であり、
   前記排気流入制御手段が、高温排気流入遮断用シャッターと、該シャッター開閉手段と、を含んで成る、
   ことを特徴とするラック型空調機。
2. 前記シャッター開閉手段が、前記送風ファン運転時にその吸引力により開き、かつ、運転停止時には重力又はバネ機構により閉じるように構成されて成ることを特徴とする請求項１に記載のラック型空調機。
3. 空調方式が冷媒直膨方式であり、かつ、前記シャッター開閉手段が、冷媒配管経路に設けられた膨張弁の前後差圧を利用するものであることを特徴とする請求項１に記載のラック型空調機。
4. 前記排気流入制御手段が、
   機内における気流の流れ方向を感知する気流感知手段と、
   該気流感知手段の感知した気流方向と逆方向に、前記送風ファンを動作させる手段と、
   を含んで成ることを特徴とする請求項１に記載のラック型空調機。
5. 前記気流感知手段が、機内に配設される風向風速計であることを特徴とする請求項４に記載のラック型空調機。
6. 前記気流感知手段が、機体前面側と背面側の差圧を検知する手段であることを特徴とする請求項４に記載のラック型空調機。
7. 前記ラック型空調機が、１９インチサーバラックと同一モジュールに構成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のラック型空調機。
8. 前記空調システムは、アンビエント空調機による二重床吹き出し空調と、ラック型空調機による局所空調と、を併用するものであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のラック型空調機。

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