(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内を実質的に２分し、一方にコールドアイルを形成し、他方にホットアイルを形成し、前記コールドアイルと前記ホットアイルの境界上にサーバーラックを配置したサーバー冷却システムであって、
前記サーバーラックは、複数台縦方向に配置されたサーバーユニットで構成され、
前記サーバーユニットは、ＣＰＵが搭載された中央部と周辺機器が配置される周辺部から構成され、
前記ホットアイル側に設けられた空調装置と、
前記空調装置から前記コールドアイルまで配置された循環路と、
前記サーバーユニットの前記周辺部のホットアイル面には設けず、前記中央部のホットアイル面に設けられたラックファンと、
前記サーバーラックと前記チャンバー内壁および前記チャンバーの天井との間に設けられた仕切壁を有し、
前記ラックファンにより、前記サーバーユニットの中央部に集中的に冷気を通過させることを特徴とするサーバー冷却システム。
【請求項２】
前記ホットアイル側には、ヒートパイプが備えられていることを特徴とする請求項１に記載されたサーバー冷却システム。
【請求項３】
前記ラックファンの風量は、前記サーバーラックの発熱部の消費電力に対応して可変することを特徴とする請求項１または２に記載されたサーバー冷却システム。
【請求項４】
前記空調装置の循環ファンはインバータにより風量を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１の請求項に記載されたサーバー冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のサーバーを設置するサーバーセンターにおいて、複数のサーバーをサーバーラックに収納し、そのサーバーラックを冷却用のチャンバー内に配置し、チャンバー内にホットアイルとコールドアイルを設けてサーバーを冷却するサーバー冷却システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クラウドシステム等の提案により、多くのサーバーを集めたデータセンターの需要が高くなってくる。サーバーは大きな電流を消費するために、熱を発生する。そのため、多数のサーバーをまとめて冷却する冷却システムが必要となる。このような冷却システムとしては、ケーシング内に、ホットゾーンとコールドゾーンを設けて、その境界上にサーバーラックを配置し、コールドゾーンからの冷気でサーバーラックを冷却し、熱交換で暖気となった空気をホットゾーン内の冷却器で冷やし、再びコールドゾーンに供給するシステムが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
このような冷却システムを採用すると、サーバーはケーシング毎にまとめられる。ケーシングをコンテナ型とすることで、輸送が簡便となる、各ユニットが事前に最適設計されるので、省エネルギー性に優れる、複数並設することだけでデータセンターの早期構築、早期稼働が可能になる、屋外型のデータセンターとすることができる、といったメリットがあるとされる。
【０００４】
このようなサーバー冷却システムでは、消費電力の効率化が問題とされる。データセンターでは、多数のサーバーを利用するため、消費電力が膨大となるので、サーバー以外に消費する電力は少しでも少ない方がよい。運転コストを低く抑えることができ、利用者から見た利用コストも安くできるという経済面からの利点と、消費電力を抑えることができるという環境面の利点があるからである。
【０００５】
サーバー冷却システムが消費する電力については、サーバー自身が消費する電力（ＷＨ＿ＲＡＣ）に対するサーバーシステム全体が消費する電力（ＷＨ＿ＲＣＶ）の倍率を求めるＰＵＥ（Ｐｏｗｅｒ  Ｕｓａｇｅ  Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）という指標が使われる。ＰＵＥはサーバーを冷却する消費電力及び付帯設備電力の合計がゼロであれば、１．０となる。
【０００６】
このＰＵＥをできるだけ少なくするために、さまざまな提案が行われている。特許文献２には、コールドアイルとホットアイルの間に設置されたサーバーラックとチャンバーとの間にギャラリーを設けることで、冷却風の通過をサーバーラックに集中させ、ＰＵＥを低くする技術が開示されている。
【０００７】
特許文献３では、サーバーラックの排気口にサーバーが備える内蔵ファンよりも大風量を送風できるファンと、そのファンに近接して温度検知装置が設けられ、温度検知装置の測定値に応じてファンの風量調節を行うことで、無駄な給気を防止して空調効率の高い、省エネルギーシステムを構築できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−９８７９９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１５７４９４号公報
【特許文献３】特開２００９−１４０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のような冷却システムでは、コールドゾーンからホットゾーンに流れる冷気の流れ方で冷却効率が決まる。この冷気の流れは、ホットゾーンに配置した空調装置と、ケーシングのサイズによって決まる。しかし、空調装置およびケーシングの能力およびサイズは、ある程度規定があり、まったく自由に設計できるものではない。
【００１０】
例えば、ある大きさのケーシングを使用しなければならない場合、その大きさに最適な空調装置が常に存在するとは限らない。つまり、冷却能力の効率は、たまたま適合する空調装置とケーシングの組み合わせがなければ、最適化されていなかった。
【００１１】
特許文献２のような冷却システムは高い効率化が望める。しかし、サーバーの規模が大きくなるほど、冷却効率は低下するため、消費電力の低減が求められる。
【００１２】
特許文献３は、熱源負荷であるサーバーに局所的な空調を行うもので、これも高い効率化が見込める。しかし、特許文献３では、サーバー冷却システムとしては、冷却機をサーバーラックの側面にも配置した構成しか開示していない。したがって、ＰＵＥに換算した消費電力の低減効果は低い。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記の課題に鑑み想到されたものであり、チャンバー（ケーシング）内にホットアイル（ホットゾーン）とコールドアイル（コールドゾーン）を設け、その境界上にサーバーラックを配置したサーバー冷却システムであって、冷却効率を高く（ＰＵＥを１．０に向けて小さく）できるものである。
【００１４】
より具体的に本発明に係るサーバー冷却システムは、
チャンバー内を実質的に２分し、一方にコールドアイルを形成し、他方にホットアイルを形成し、前記コールドアイルと前記ホットアイルの境界上にサーバーラックを配置したサーバー冷却システムであって、
前記サーバーラックは、複数台縦方向に配置されたサーバーユニットで構成され、
前記サーバーユニットは、ＣＰＵが搭載された中央部と周辺機器が配置される周辺部から構成され、
前記ホットアイル側に設けられた空調装置と、
前記空調装置から前記コールドアイルまで配置された循環路と、
前記サーバーユニットの前記周辺部のホットアイル面には設けず、前記中央部のホットアイル面に設けられたラックファンと、
前記サーバーラックと前記チャンバー内壁および前記チャンバーの天井との間に設けられた仕切壁を有し、
前記ラックファンにより、前記サーバーユニットの中央部に集中的に冷気を通過させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るサーバー冷却システムは、コールドアイルとホットアイルの境界にサーバーラックを配置し、サーバーラックの排気口にファンを設け、空調装置の定格風量の一部をファンが負担することにしたので、同じ冷却能力であるにもかかわらず、サーバー冷却が消費する電力を抑え、冷却効率の高い冷却システムを得ることができる。
【００１６】
また、本発明に係るサーバー冷却システムは、ヒートパイプを利用することもできる。したがって、冬季の温度が低い時期には、ＰＵＥが１．０に近い程度の冷却効率を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】サーバー冷却システム１の構成を示す図である。
【図２】サーバー冷却システム１のチャンバーの平面図である。
【図３】サーバーラックの背面から見た図である。
【図４】サーバーラックの平面図で、熱効率が良好でない場合の空気の流れを示す図である。
【図５】サーバーラックの背面から見た図である。
【図６】サーバーラックの平面図で、熱効率が高くなる場合の空気の流れを示す図である。
【図７】空調装置の循環ファンの特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本発明に係るサーバー冷却システムについて図面を参照しながら説明を行う。しかし、以下の説明は本発明の実施形態を例示するのであり、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、以下の実施形態は変更することができる。
【００１９】
＜構成の説明＞
図１に本発明のサーバー冷却システムの構成図を示す。本発明のサーバー冷却システム１は、チャンバー１０とチャンバー１０の床下に設けられた循環路１２と、チャンバー１０の天井裏に設けられた外気通路１４と、チャンバー１０の略中央付近に配置されたサーバーラック２０と、サーバーラック２０の背面に配置されたラックファン３２と、チャンバー１０においてサーバーラック２０の背面側（ホットアイル１０ｈ側）に配置される空調装置（パッケージエアコン）２２とを有する。また、循環路１２中に加湿器１３と、パッケージエアコン２２の上部にヒートパイプ２４（ヒートパイプ２４の蒸発器２４ａ）が備えられていてもよい。なお、ヒートパイプ２４は、ヒートパイプ式補冷却器２４とも呼ぶ。
【００２０】
外気通路１４は、入口１４ａに通気ダンパ１４ｄと通気ファン１４ｆが設けられる。また、外気通路１４には、ヒートパイプ２４の凝縮器２４ｂが備えられる。
【００２１】
また、チャンバー１０の外側には、全体を制御する制御装置３０が設けられる。チャンバー１０の各ヶ所には、給気温度センサＴＳＡ、給気湿度センサＨＳＡ、還気温度センサＴＲＥ、還気湿度センサＨＲＨ、外気温度センサＴＯＡ、外気湿度センサＨＯＡ、ヒートパイプ入口温度センサＴＨＰ、パッケージエアコン電力モニタＷＨＰＡＣ、サーバー電力モニタＷＨＲＡＣ、受電電力モニタＷＨＲＣＶ、ラックファン電力モニタＷＨＲＦ、ヒートパイプ電力モニタＷＨＨＰが設けられ、それぞれ制御装置３０と接続されている。また、制御装置３０は空調装置２２、通気ファン１４ｆ、通気ダンパ１４ｄ、とも接続されている。
【００２２】
図２には、チャンバー１０の平面図を示す。チャンバー１０の略中央にはサーバーラック２０が並べて配置されている。サーバーラック２０とチャンバー１０の側面との間には、仕切壁１６が設けられている。サーバーラック２０のホットアイル１０ｈ側には、ラックファン３２が備えられている。空調装置２２は、ホットアイル１０ｈ側の壁際に配置された例を示している。なお、ヒートパイプ２４は、空調装置２２の上面に配置されるがここでは省略した。
【００２３】
再度図１を参照して、サーバーラック２０とチャンバー１０の天上との間にも仕切壁１６が設けることもできる。
【００２４】
＜構成の詳細および接続関係＞
図１を参照して、チャンバー１０は、断熱材で覆われた直方体形状をしている。しかし、内部を実質的に２分できれば、直方体形状でなくてもよい。ここで「実質的に２分」とは、チャンバー１０内を冷気が充満するコールドアイル１０ｃとサーバーで熱交換され、暖かくなった暖気が充満するホットアイル１０ｈの２つの領域に分けるということである。すなわち、コールドアイル１０ｃとホットアイル１０ｈができれば、チャンバー１０内を２分割以上の分割にしてもよい。具体的な例示を上げると、チャンバー１０内を３分割し、真ん中をコールドアイル１０ｃとし、両端の空間をホットアイル１０ｈとする等である。
【００２５】
また、さらに仕切壁１６を設けず、冷気や暖気の流れで、コールドアイル１０ｃとホットアイル１０ｈを形成し、その境界に中間領域を有してもよい。すなわち、「実質的に２分」するとは、あえて仕切壁１６を設けなくても良い場合が含まれていてもよい。
【００２６】
ホットアイル１０ｈとコールドアイル１０ｃとの境界にはサーバーラック２０が配置される。サーバーラック２０は、正面（コールドアイル１０ｃ側）から背面（ホットアイル１０ｈ側）に向けて貫通し、貫通部分にＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｕｎｉｔ）とメモリを有するサーバーユニット２０ｕ（図３参照）を配置する段板が設けられている棚である。サーバーラック２０は複数個配置してよく、全てのサーバーラック２０は、正面をコールドアイル１０ｃに向け、背面はホットアイル１０ｈを向ける。なお、「サーバーラック消費電力」は、全てのサーバーユニット２０ｕの消費する電力の事である。
【００２７】
サーバーラック２０とチャンバー１０との間には、チャンバー１０との間で、サーバーラック２０の側面側と上面側に隙間ができる。この隙間を遮蔽するのが遮蔽手段である。ここでは遮蔽手段は仕切壁１６とする。遮蔽手段は、コールドアイル１０ｃからホットアイル１０ｈ側に、冷気を通さないようにできれば、仕切壁１６以外の方法であってもよい。
【００２８】
ホットアイル１０ｈ側のチャンバー１０の内壁には、空調装置（パッケージエアコン）２２が配置される。空調装置２２は前面に還気吸い込み口２２ｉｎが設けられ、下面に冷気吹出し口２２ｏｕｔが設けられている。また空調装置２２は、冷気の吹出し量を調節するために、循環ファン３４と循環ファン３４を駆動する循環ファンインバータ３６が備えられている。
【００２９】
このため、空調装置２２は、冷気の吹出し流量を多段階に変更することができる。本発明に係るサーバー冷却システム１は、空調装置２２とサーバーラック２０の直後に配置されたラックファン３２で、空調装置２２の定格送風量を流す。
【００３０】
空調装置２２は、定格送風量よりも少ない送風量に調節できることが必要だからである。空調装置２２の送風量の調節は、空調装置２２が制御装置３０からの要求指示（冷却能力レベル要求指示）Ｃ２２を受信することで行われる。より具体的には、制御装置３０からの指示信号Ｃ２２を受信すると、空調装置２２内の循環ファン３４の送風量が変化することで調節される。また、図には示されていないが、ヒートパイプ２４の冷気も空調装置２２の循環ファン３４で送風してもよい。
【００３１】
チャンバー１０の床下には、循環路１２が設けられている。循環路１２は、空調装置２２の冷気吹出し口２２ｏｕｔからの冷気をコールドアイル１０ｃの冷気供給口１０ｃｔまで送る移送路である。そのため、チャンバー１０の床面のホットアイル１０ｈ側とコールドアイル１０ｃ側には、貫通孔が設けられている。
【００３２】
ホットアイル１０ｈ側の貫通孔は、空調装置２２から冷気を循環路１２に送り出し、コールドアイル１０ｃ側の貫通孔は、送られてきた冷気をチャンバー１０内に送り出す。コールドアイル１０ｃ側の貫通孔を冷気供給口１０ｃｔと呼ぶ。冷気供給口１０ｃｔには、循環路１２への落下防止のため、グレーチングなどを配するのが好ましい。
【００３３】
また、循環路１２は、冷気吹出し口２２ｏｕｔから冷気供給口１０ｃｔまでの間に冷気ダンパ３８が備えられていてもよい。本発明のサーバー冷却システム１では、空調装置２２からの冷気の供給を抑え、押さえた分の風量は、ラックファン３２で補うことで全体の消費電力を抑える。
【００３４】
空調装置２２の循環ファン３４が循環ファンインバータ３６で冷気の供給を調整する場合は、冷気ダンパ３８は不要である。しかし、空調装置２２の循環ファン３４が循環ファンインバータ３６を備えていない場合は、冷気ダンパ３８で空調装置２２からの冷気の送風を低減しても、循環ファンインバータ３６を備えた場合よりは少ないが、計算機センター全体の消費電力を抑制することができる。
【００３５】
冷気供給口１０ｃｔのコールドアイル１０ｃ側若しくは循環路１２側に、加湿器１３が配置されてもよい。加湿器１３は冷気（給気）に湿度を付与するためのものである。冷気が乾燥しすぎると、サーバーラック２０内に静電気が発生し、電子機器を破損するおそれがある。加湿器１３はそのような状態を回避するために配置される。なお、加湿器１３は、制御装置３０からの指示信号Ｃ１３で動作を制御される。
【００３６】
なお、ここでは循環路１２を床下に配置する場合を示したが、ホットアイル１０ｈに配置した空調装置２２からの冷気をコールドアイル１０ｃまで移送できれば、循環路１２は床下でなくてもよい。
【００３７】
チャンバー１０の天井裏には、外気通路１４が設けられる。外気通路１４は、通気ファン１４ｆが設けられた外気の通路であり、入口１４ａと出口１４ｂを有するダクトである。図１では、通気ファン１４ｆは入口１４ａ側に設けられた例を示す。出口１４ｂも外気に向かって開口している。
【００３８】
通気ファン１４ｆは、制御装置３０と接続されている。冷気ダンパ３８が備えられている場合は、冷気ダンパ３８も、制御装置３０と接続されていてよい。そして、制御装置３０からの指示によって運転動作する。制御装置３０は、通気ファン１４ｆに対して指示信号Ｃ１４ｆ、冷気ダンパ３８に対して指示信号Ｃ３８を送信して制御することができる。
【００３９】
パッケージエアコン２２の上部には、ヒートパイプ２４が配置される。ヒートパイプ２４は蒸発器２４ａで溶媒を蒸発させる。気化した溶媒は、冷却パイプ２４ｃを通って凝縮器２４ｂに移動する。凝縮器２４ｂは溶媒を液化させる。溶媒の液化の際に潜熱分の熱を放出する。液化した溶媒は重力で冷却パイプ２４ｃを通り、蒸発器２４ａに戻る。ヒートパイプ２４は、圧縮器を用いないので効率はよい。しかし、外部気温に性能が左右される。
【００４０】
また、凝縮器２４ｂは、外気通路１４に配置される。凝縮器２４ｂはヒートパイプ２４の構造上、蒸発器２４ａの重力上方に配置するのが望ましいからである。凝縮器２４ｂはファンとラジエターを有し、気化した媒体を冷却することで液化する。
【００４１】
制御装置３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ  Ｕｎｉｔ）とメモリで構成されたコンピュータである。表示画面および入力手段といったマンマシン装置３０ｍを有し、サーバー冷却システム１の状態を容易に監視できるのが望ましい。また、制御装置３０はサーバー冷却システム１の各部に設けたセンサと接続されている。
【００４２】
サーバーラック２０の前面（冷気供給口１０ｃｔとサーバーラック２０の間）には、給気温度センサＴＳＡと給気湿度センサＨＳＡが設けられる。これらのセンサからの信号は給気乾球温度ＴｄｂＳＡおよび給気相対湿度ＲＨＳＡとして、制御装置３０に送信される。
【００４３】
また、空調装置２２の還気吸い込み口２２ｉｎの手前（還気吸い込み口２２ｉｎとサーバーラック２０との間）には、還気温度センサＴＲＥと還気湿度センサＨＲＥが設けられる。これらの信号は、還気乾球温度ＴｄｂＲＥおよび還気相対湿度ＲＨＲＥとして、制御装置３０に送られる。
【００４４】
また、外気通路１４の入口１４ａには、外気温度センサＴＯＡと外気湿度センサＨＯＡが設けられる。これらの信号は、外気乾球温度ＴｄｂＯＡおよび外気相対湿度ＲＨＯＡとして制御装置３０に送られる。
【００４５】
また、ヒートパイプ２４の蒸発器２４ａの入口には、ヒートパイプ蒸発器入口温度センサＴＨＰが配置される。ヒートパイプ２４の冷気の温度は、給気温度センサＴＳＡで確認することができる。これらの信号は、蒸発器入口温度ＴｄＥＶとして制御装置３０に送られる。
【００４６】
また、空調装置２２への電力配線にはパッケージエアコン電力モニタＷＨＰＡＣが配置され、ヒートパイプ２４への電力配線にはヒートパイプ電力モニタＷＨＨＰが配置され、サーバーへの電力配線には、サーバー電力モニタＷＨＲＡＣが配置され、サーバー冷却システム１およびサーバーを含めた全受電電力をモニタする受電電力モニタＷＨＲＣＶが設けられる。これらの信号は、パッケージエアコン消費電力ＷＨ＿ＰＡＣ、ヒートパイプ消費電力ＷＨ＿ＨＰ、サーバーラック消費電力ＷＨ＿ＲＡＣ、受電電力ＷＨ＿ＲＣＶとして制御装置３０に送られる。また、制御装置３０は、加湿器１３とも接続されており、加湿器１３の稼働を制御する。これらのセンサと信号は図１に列挙した。
【００４７】
図３には、サーバーラック２０を背面から見た図を示す。なお、サーバーラック２０の背面にはラックファン３２が配置されるが、この図では省略している。サーバーラック２０に隣接して、仕切壁１６が設けられている。また仕切壁１６は、サーバーラック２０の上方にも設けられている。
【００４８】
サーバーラック２０には、サーバーユニット２０ｕが複数台縦方向に配置される。なお、図面では、例示のため、縦方向に１列だけ記載した。１台のサーバーユニット２０ｕは、ＣＰＵが搭載される中央部２０ｃと周辺機器が配置される周辺部２０ｐから構成されている。サーバーユニット２０ｕは、中央部２０ｃと周辺部２０ｐが一応に高温になるのではなく、中央部２０ｃが最も高温になり、周辺部２０ｐはそれほど発熱しない。
【００４９】
コールドアイル１０ｃ側から冷気（給気）が供給されると、サーバーラック２０で熱交換が行われ、ホットアイル１０ｈ側に温度が高くなった冷気（還気）が排出される。サーバー冷却システム１は基本的にこのようにしてサーバーラック２０を冷却する。
【００５０】
コールドアイル１０ｃからホットアイル１０ｈに向けて一様な風速で冷気（給気）が流れると、中央部２０ｃを通過する給気は熱交換によって温度が上がる。しかし、周辺部２０ｐを通過する冷気（給気）は、温度が上がることなくサーバーラック２０を通過してしまう。すなわち、給気に対して行われる熱交換の効率が低くなる。図３では、温度の高い還気の部分を符号２１ｈ、還気の温度が冷気のままの部分を符号２１ｂとした。
【００５１】
図４には、上記の状態を説明するためのサーバーラック２０の平面図を示す。コールドアイル１０ｃからの冷気の給気風速がサーバーラック２０全面において均一であると、熱交換は、中央部２０ｃだけで行われる。すると、周辺部２０ｐを通過した冷気は温度が上昇しておらず、ホットアイル１０ｈ側の還気の温度は全体として高くならない。つまり、熱交換効率が低い。
【００５２】
空調装置２２は、還気の温度が多少変化しても、還気の温度を所定温度まで低下させるために消費する電力はほとんど変化しない。したがって、還気の温度が低いとサーバー冷却システム１全体の効率が低下する。
【００５３】
一方、コールドアイル１０ｃからホットアイル１０ｈに向かう冷気の給気速度を一様に下げたのでは、サーバーユニット２０ｕが発生する熱を十分に冷却できない。
【００５４】
そこで、ホットアイル１０ｈ側の還気温度を高くするために、本発明に係るサーバー冷却システム１では、サーバーラック２０の背面の最も発熱する中央部２０ｃの直後（ホットアイル１０ｈ側）にラックファン３２を配置する。そして、空調装置２２の送風量を減らし、減らした送風量の一部は、このラックファン３２によって補う。図５はホットアイル１０ｈ側からサーバーラック２０の背面を見た図である。中央部２０ｃの直後にラックファン３２が設けられている。ここでは、中央部２０ｃに２列５段のラックファン３２を配置した例を示す。
【００５５】
このようにラックファン３２を設けることで、空調装置２２の送風量を減らしても最も発熱する中央部２０ｃを通過する風量は維持しながら、周辺部２０ｐを通過する冷気の量を低減させることができる。そして、ホットアイル１０ｈ側の冷気温度を高くすることができる。高い温度になった冷気を空調装置２２に返すことで、空調装置２２の熱変換効率も高くすることができる。
【００５６】
図６にこの様子を示すためのサーバーラック２０の平面図を示す。給気側の風量は図４の場合よりも低下させる。そして、ラックファン３２によって、最も発熱する中央部２０ｃに集中的に冷気を通過させるようにする。周辺部２０ｐの通過風量は減り、中央部２０ｃを通過する還気の量が増える。言い換えると、サーバーラック２０を通過する冷気の風量に分布を持たせる。
【００５７】
再び図１を参照して、空調装置２２の送風量は、循環ファン３４を循環ファンインバータ３６で駆動されるようにすることで、調節することができる。また、ラックファン３２も制御装置３０からの指示によって、吸引量を変動させることができるようにしてもよい。制御装置３０は、還気温度センサＴＲＥと還気湿度センサＨＲＥによって、還気の温湿度状態をモニタすることができる。したがって、還気の温湿度状態に基づいて、循環ファン３４とラックファン３２の風量を調節する。
【００５８】
ラックファン３２は駆動させると、消費電力が発生する。しかし、周辺部２０ｐを通過する冷気の量を低減させているため、ラックファン３２の全消費電力よりも、空調装置２２の送風量の低下による消費電力の低減の方を大きくすることができ、冷却システム全体の消費電力を低下させることができる。すなわち、高効率ファンを用いたラックファン３２による局所排気と空調装置２２の循環ファン３４の風量低減を行なうことにより、循環ファン３４の搬送動力低減つまり循環ファン３４の消費電力を大幅に低減することができる。
【００５９】
このようなサーバー冷却システム１の動作について簡単に説明する。制御装置３０は、空調装置２２の定格風量の特定量だけ減少させて運転させる。今これをＸ％とする。つまり、空調装置２２は定格風量のＸ％ダウンで運転される。なお、ここで定格風量とは、冷却対象となるサーバーラック２０で消費される電力から求められる発熱量を冷却するために必要とされる空調装置２２の風量である。またこのＸ％はサーバーラック２０全体を冷却するための風量である。
【００６０】
そして、制御装置３０は、その低減された分の風量の一部をラックファン３２で送風するようにラックファン３２を稼動させる。つまり、中央部２０ｃの直後にラックファン３２を設けているため、サーバーラック２０全体ではなく、中央部２０ｃのみを冷却する風量だけでよく、低減された分の風量の一部で冷却が可能となる。また、ラックファン３２の駆動部も、ある程度可変稼動が可能な構成であるのが望ましい。たとえば、直流制御になっている、若しくはインバータ制御になっている等であり、高効率ファンとして消費電力を低減できる。
【００６１】
このように、空調装置２２の風量と、ラックファン３２の風量が空調装置２２の定格風量となるように制御することで、冷却システム全体の電力設計を行い、空調装置２２の定格風量を求めた後に、ラックファン３２を導入し、消費電力の低減を行うことができる。
【００６２】
また、制御装置３０は、外気温を外気温度センサＴＯＡで、外気湿度を外気湿度センサＨＯＡで測定し、現在の外気温湿度に応じた空調装置２２の低減量を決めたり、副冷却装置となるヒートパイプ２４を導入するように運転を切り替える。特にヒートパイプ２４を局所冷却ファンであるラックファン３２と組み合わせると、非常に高い冷却効率を得ることができる。
【００６３】
また、空調装置２２からの送風量の減少は、空調装置２２の運転自体を下げるだけでなく、循環路１２中に設けた冷気ダンパ３８で行ってもよい。送風量の低減自体がＰＵＥを低下させることができるからである。
【００６４】
以下に主冷却装置となる空調装置２２と、副冷却装置となるヒートパイプ２４そして、局所冷却器となるラックファン３２を組み合わせ、主副冷却装置だけで冷却した場合と比較し、どの程度の消費電力の改善になるかを計算した結果を示す。
【００６５】
＜システム構成＞
以下の仕様のシステムを想定する。
【００６６】
ａ）計算機センターは、コンテナ型データセンター（完全アイルキャッピング）であるとする。なお、完全アイルキャッピングは、コールドアイル１０ｃとホットアイル１０ｈを仕切壁１６などで完全に分離してしまう方式である。
【００６７】
ｂ）サーバーラック２０は４台あるとする。１サーバーラックあたりに、１Ｕ型サーバー（２５０［ｗ］）が３７台、１Ｕ型ＨＵＢ（１００［Ｗ］）が２台収容されるとする。消費電力は、１サーバーラック当たり、合計９．４５［ｋＷ］である。このサーバーラック２０が、４台あると、９．４５［ｋＷ］×４ラック＝３７．８［ｋＷ］がサーバー消費電力となる。
【００６８】
ｃ）主冷却装置（パッケージエアコン２２）は、１台用意される。仕様としては、冷却能力：４０［ｋＷ］、動作係数ＣＯＰは、外気温度３５℃で２．５であり、外気温度１０℃で３．５とする。パッケージエアコン２２は、圧縮器で３６．３［ｋＷ］の電力を消費する。
【００６９】
また、ヒートパイプ式補冷却器２４は、外気３５℃では停止し、外気温１０℃ではＣＯＰが３０とする。ヒートパイプ２４の消費電力は１．４ｋＷ消費とする。この運転切換は制御装置３０が、外気温度センサＴＯＡと外気湿度を外気湿度センサＨＯＡで測定した外気温湿度に基づいて行う。
【００７０】
パッケージエアコン２２の冷気をコールドアイル１０ｃへ送風する循環ファン３４は、シロッコファンを用いるとする。シロッコファンの送風能力は１２，０００［ｍ３／ｈ］であり、消費電力は３．７［ｋＷ］、機外静圧は１００Ｐａとする。
【００７１】
ｄ）ラックファン３２は、８０台用意されるものとする。ラックファン３２は、軸流ファンを用いる。軸流ファンの送風能力は、１５０ｍ３／ｈである。ファン径はφ１４５ｍｍであり、風が通過するケース面積は２００×２００ｍｍ２である。モータの消費電力は４Ｗで、回転数は、２０００ｒ／ｍｉｎであるとする。
【００７２】
１サーバーラックあたり、１０台ずつ２列を配置する。８０台のラックファン３２の総送風量は、１５０［ｍ３／ｈ］×２並列×１０段×４ラック＝１２，０００［ｍ３／ｈ］となる。なお、ラックファン３２が８０台で主冷却循環ファン３４の風量に相当する。
【００７３】
なお、ＣＯＰは動作係数で、基本的に以下のように求められる。
【００７４】
冷却機を通過する風量ｑｔｓを、ｑｔｓ＝ｖ×Ｓ［ｍ３］で求める。ここで、ｖは冷却機を通過する風速であり、Ｓは冷却機冷風が通過する断面積である。
冷却機に供給される還気の平均温度をＴ１とし、
冷却機の出口温度の平均温度をＴ２とし、
冷却機での消費電力をＷＨ＿ＴＳ、とし、
空気密度を１．２９３［ｋｇ／ｍ３］とすると、
冷却機の冷却処理熱量Ｑは、Ｑ＝１．２９３×ｑｔｓ×（Ｔ１−Ｔ２）［ＫＪ］である。動作係数ＣＯＰは、ＣＯＰ＝Ｑ／ＷＨ＿ＴＳとして算出する。
【００７５】
次に以下の条件を設定する。
ファン風量Ｑはモータ回転速度Ｎに比例し、
圧力Ｐはモータ回転速度の２乗Ｎ２に比例し、
ファン軸動力Ｐは回転速度の３乗Ｎ３に比例する。
【００７６】
図７を参照する。図７は、主冷却の循環ファン３４の特性を仮定したものである。横軸は風量（ｍ３／ｈ）であり、縦軸は静圧（Ｐａ）である。ＬＩＮＥ１は、最大風量の時の風量−静圧曲線で、ＬＩＮＥ２は、半分程度の風量の時の風量−静圧曲線である。動作点は循環ファンインバータ３６を用いた場合のシステムインピーダンス（ＬＩＮＥ３）とこれらの曲線の交点として求めることができる。つまり、風量を変更すると、動作点はこのシステムインピーダンス上を移動する。
【００７７】
なお、冷気ダンパ３８を使用してもよいが、図７の循環ファンインバータ３６のシステムインピーダンスのＬＩＮＥ３より、縦軸に近く傾きが大きい曲線となるため、インバータのような高効率の効果は得られない。
【００７８】
そして、インバータによる主冷却装置（空調装置２２）の循環ファン３４の定格の運転点Ａから運転点Ｂへと、風量を１／２にすると、消費電力は１／８となる。
動作点（Ａ）の消費電力３．７［ｋＷ］→動作点（Ｂ）の消費電力４６３［Ｗ］  ・・（１）この動作点Ａから動作点Ｂにインバータで風量減少を行ない、その分をラックファン３２でまかなう。つまり、主冷却循環ファン３４の定格風量が１２，０００［ｍ３／ｈ］であるとして、ラックファン３２でその１／２、すなわち、６，０００［ｍ３／ｈ］をまかなう。
【００７９】
より、具体的には、ラックファン３２の１台あたりの風量が７５［ｍ３／ｈ］とし、４サーバーラック分の全ラックファン風量は、（２）式のように求められる。
７５［ｍ３／ｈ］×２並列×１０段×４ラック＝６，０００［ｍ３／ｈ］  ・・（２）
上記（２）式の全ラックファン風量で局所換気を行なう。
【００８０】
上記に相当するラックファン３２の消費電力は、（３）式のように求められる。
２．４［Ｗ］×２並列×１０段×４ラック＝１９２［Ｗ］  ・・（３）
（１）、（２）式の合算値よりファン消費電力合計は６５５［Ｗ］  ・・（４）
一方、主冷却循環ファン３４のみで循環を行なう場合は３．７［ｋＷ］  ・・（５）
【００８１】
以上より、上記主冷却装置２２の循環ファン３４の１／２の風量をラックファン３２でまかなう場合の循環ファン３４全体の搬送電力の削減は（４）、（５）式より、以下の（６）式によって求められる。
【００８２】
（３７００−６５５）／３７００×１００＝８２．２％  ・・・・（６）
（６）式より、８２．６％の循環ファン３４全体の搬送電力の削減が可能となる。
【００８３】
これをＰＵＥで比較してみる。ＰＵＥは外気温によって左右されるため、場合わけを以下のように行う。
【００８４】
ａ）夏季に主冷却循環ファン３４のみで循環搬送を行なう場合のＰＵＥは（７）式のように求められる。
ＰＵＥ＝（１６３００＋３７００＋３７８００）／３７８００＝１．５３  ・・（７）
【００８５】
ｂ）夏季に主冷却装置２２の循環ファン３４の１／２の風量をラックファン３２でまかなう場合は（８）式のようにＰＵＥが求められる。
ＰＵＥ＝（１６３００＋６５５＋３７８００）／３７８００＝１．４５  ・・・（８）
【００８６】
ｃ）冬季に主冷却装置２２の循環ファン３４のみで循環搬送を行なう場合のＰＵＥは（９）式のように求められる。
夏季と比較して、冬季における空調装置２２のＣＯＰが２．５から３．５に向上する。
ＰＵＥ＝（１１６４３＋３７００＋３７８００）／３７８００＝１．４  ・・・・（９）
【００８７】
ｄ）冬季に主冷却装置２２の循環ファン３４の１／２の風量をラックファン３２でまかなう場合のＰＵＥは、（１０）式のように求められる。
ＰＵＥ＝（１１６４３＋６５５＋３７８００）／３７８００＝１．３３  ・・・・（１１）
【００８８】
ｅ）冬季にヒートパイプ式補冷却器２４を動作させる場合のＰＵＥは（１２）式のように求められる。
外気温度１０℃で空調装置２２の圧縮器を完全停止できる。
ＰＵＥ＝（３７００＋３７８００）／３７８００＝１．１  ・・・・・・・・・（１２）
【００８９】
ｆ）冬季にヒートパイプ式補冷却器２４を動作させ、なおかつ空調装置２２の１／２の風量をラックファン３２でまかなう場合のＰＵＥは（１３）式のように求められる。
ＰＵＥ＝（６６２＋３７８００）／３７８００＝１．０２  ・・・・・・・・・（１３）
以上より、冬季に空調装置２２の１／２の風量をラックファン３２でまかない、かつ、ヒートパイプ２４を動作させた場合は、ＰＵＥは１．０２という高効率のサーバー冷却システムが実現できる。
【００９０】
このように、空調装置２２若しくはヒートパイプ式補冷却器２４と、ラックファン３２を組み合わせることで、大幅なＰＵＥの改善が見込める。実際には、チャンバー１０の大きさおよびサーバーラック２０の大きさによって、空調装置２２若しくはヒートパイプ式補冷却器２４と、ラックファン３２の風量の割合を細かく調整することが必要となる。したがって、ラックファン３２のまかなう風量の割合は、特に限定されるものではない。
【００９１】
しかし、空調装置２２若しくはヒートパイプ式補冷却器２４と、ラックファン３２の風量を１／２ずつにすることで、ほとんどのサーバーシステムにおいて、空調装置２２若しくはヒートパイプ式補冷却器２４だけで行うよりも高い効率の冷却が可能になる。
【００９２】
以上のように、本発明に係るサーバー冷却システム１によれば、以下の効果を奏することができる。
【００９３】
（１）サーバー機器に局所分散としてラックファン３２を設置し、主冷却であるパッケージエアコン２２の循環ファン３４との局所連携により、データセンター内の空間搬送動力、ホットアイル１０ｈ側からコールドアイル１０ｃ側への再循環、サーバーラック２０の隙間からの逆送による無駄な搬送動力をなくすことにより、全体として冷気の搬送動力を低減することができる。
【００９４】
（２）ラックファン３２により、サーバー負荷（電力）に相当する換気動力を供給することにより、サーバーユニット２０ｕを冷却する換気動力を低減することができる。
（１）（２）の効果は、サーバーの規模が大きくなるほど、すなわち、サーバーラック２０の数量が増えるほど、大きくなる。
【００９５】
（３）ラックファン３２による局所換気により、サーバーラック２０背面のＣＰＵ中央部２０ｃの高温発熱領域を集中的に換気するとともに、周辺部２０ｐの低温発熱領域の無駄な換気動力を低減することができる。
【００９６】
（４）サーバーラック２０背面から全体的に均一かつ高温の排気をパッケージエアコン２２に戻すことにより、還気経路にヒートパイプ式補冷却器２４が設置されている場合は、同器を高効率に高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、計算機センターのサーバー冷却システムに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１          サーバー冷却システム
１０        チャンバー
１０ｃ      コールドアイル
１０ｈ      ホットアイル
１０ｃｔ    冷気供給口
１２        循環路
１３        加湿器
１４        外気通路
１４ａ      入口
１４ｂ      出口
１４ｆ      通気ファン
１６        仕切壁（遮蔽手段）
２０        サーバーラック
２０ｕ      サーバーユニット
２０ｃ      中央部
２０ｐ      周辺部
２１ｈ      温度の高い還気の部分
２１ｂ      冷気のままの還気の部分
２２        空調装置（２２パッケージエアコン）
２２ｉｎ    還気吸い込み口
２２ｏｕｔ  冷気吹出し口
２４        ヒートパイプ（２４ヒートパイプ式補冷却器）
２４ａ      蒸発器
２４ｂ      凝縮器
２４ｃ      冷却パイプ
３０        制御装置
３０ｍ      マンマシン装置
３２        ラックファン
３４        循環ファン
３６        循環ファンインバータ
３８        冷気ダンパ
ＴＳＡ      給気温度センサ
ＨＳＡ      給気湿度センサ
ＴＲＥ      還気温度センサ
ＨＲＨ      還気湿度センサ
ＴＯＡ      外気温度センサ
ＨＯＡ      外気湿度センサ
ＷＨＰＡＣ  パッケージエアコン電力モニタ
ＷＨＨＰ    ヒートパイプ電力モニタ
ＷＨＲＡＣ  サーバー電力モニタ
ＷＨＲＣＶ  受電電力モニタ
ＷＨＲＦ    ラックファン電力モニタ
ＴＨＰ      ヒートパイプ蒸発器入口温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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