JP4883491B2 - 電子機器の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は電子機器の冷却システムに係り、特に、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を効率的に冷却するための電子機器の冷却システムに関する。

近年、情報処理技術の向上やインタネット環境の発達に伴って、必要とされる情報処理量が増大しており、各種の情報を大量に処理するためのデータ処理センターがビジネスとして脚光をあびている。このデータ処理センターの例えばサーバルームには、コンピュータやサーバ等の電子機器が集約された状態で多数設置され、昼夜にわたって連続稼働されている。一般的に、サーバルームにおける電子機器の設置は、ラックマウント方式が主流になっている。ラックマウント方式は、電子機器を機能単位別に分割して収納するラック（筐体）を、キャビネットに段積みする方式であり、かかるキャビネットがサーバルームの床上に多数整列配置されている。これら情報を処理する電子機器は、処理速度や処理能力が急速に向上してきており電子機器からの発熱量も上昇の一途をたどっている。

一方、これらの電子機器は、動作に一定の温度環境が必要とされ、正常に動作するための温度環境が比較的低く設定されているため、電子機器が高温状態に置かれるとシステム停止等のトラブルを引き起こす。このため、サーバルーム内を冷房するための空調機を運転する空調動力も大幅に増加しているのが実情であり、企業経営におけるコスト削減の観点のみならず地球環境の保全の観点からも、空調動力の削減が急務となっている。

このような背景から、特許文献１にみられるように、電算機室用空調システムにおいて、空気調和装置からの冷却用空気を床下の内部空間に流動させ、電子機器収納用ラックに収納された電子機器を冷却し、電子機器収納用ラックから排出された空気をガイド部により空気調和装置に誘導することで、気流を制御し、高温空気の吸込側への回り込みを防止し、吸込みを低温に保つことが提案されている。
特開２００６−６４３０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電算機室用空調システムでは、空気調和装置は電子機器収納用ラックに収納された電子機器の負荷状況に関係なく、フル運転を行なっているため、電子機器の負荷状況に対応して省エネを実現することは困難な状況である。

また、物理的な構造体であるガイド部を機器ルーム内に設置しているので、機器ルーム、電子機器の操作性が大幅に低下するという問題もある。つまり、現在のサーバはスロットを前面からサーバラックに抜き差しし、後面はケーブル等を収納する構造となっている。そのため、サーバの前面及び後面にスペースが必要となる。一方、特許文献１ではサーバの前面及び後面へのアクセスの支障となるガイド部を備えているので、メンテナンス等の操作性が大幅に低下することになる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、コンピュータ及びサーバ等の精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器を負荷状況に応じて冷却することで、小さなランニングコストで効率的に冷却することができる電子機器の冷却システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、電子機器の冷却システムは、床下チャンバを備える機器ルームと、前記機器ルームに設置された複数のラックと、前記ラックに収容された複数の電子機器と、該電子機器の少なくとも一つは、前記ラック毎の各電子機器の発熱状況をモニタリングし、その負荷を電子機器に分配する第１の制御ユニットを備え、前記所定数のラック毎にグループ分けされた複数の温度制御ゾーンに、それぞれ設けられた、前記機器ルーム内から吸い込んだ熱風を冷却して前記床下チャンバに供給する複数の空調機と、各温度制御ゾーンにおける電子機器の運転条件をモニタリングし、前記空調機の稼働条件を変更する第２の制御ユニットと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第１の制御ユニットが、ラック内に収容される電子機器間に発熱量の分布が生じないように、各電子機器の処理すべき負荷を分配する。これにより各ラックから発生する熱量が平準化され、ラック全体から発生する熱量を低減することができる。

さらに、第２の制御ユニットが、各温度制御ゾーンの電子機器の稼働状況をモニタリングし、電子機器の負荷が全体として少ない空調機の給気温度や風量を変更、又は停止することで、空調動力を削減することができる。

つまり、本発明は、ラック毎の発熱量を低減し、さらに温度制御ゾーンごとに空調機の空調動力を削減するように稼動条件を変更するので、省エネと環境を両立することができる。

本発明の電子機器の冷却システムは、前記発明において、前記各温度制御ゾーンにおける電子機器の運転条件のモニタリングが、各温度制御ゾーンの平均温度をモニタリングすることであることが好ましい。

各温度制御ゾーンの平気温度をモニタリングすることで、各温度制御ゾーンにおける電子機器の発熱量を把握でき、発熱量に応じて空調機の空調動力を調整することができる。

本発明の電子機器の冷却システムは、前記発明において、前記各温度制御ゾーンにおける電子機器の運転条件のモニタリングが、各温度制御ゾーンにおける前記電子機器の消費電力の合計をモニタリングすることが好ましい。

一般的に電子機器においては消費電力と発熱量が比例する。各温度制御ゾーンの消費電力をモニタリングすることで、各温度制御ゾーンの電子機器の発熱量を把握でき、発熱量に応じて空調機の空調動力を調整することができる。

本発明の電子機器の冷却システムは、前記発明において、前記電子機器はサーバであり、前記機器ルームはサーバルームであることが好ましい。

本発明は、精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器の全てに適用することができるが、電子機器がサーバで、機器ルームがサーバルームである場合に一層の効果を期待できるからである。

電子機器の稼働状況と連携して空調機を制御することで、省エネと環境を両立できる。つまり、従来と異なり、本発明では空調機が電子機器の負荷状況に応じて運転制御されるので、空調機の運転の最適化が図られ省エネルギーを実現できる。

また、電子機器の負荷状況により機器ルーム内に局所的な温度上昇が生じる場合であっても、電子機器間に温度分布が生じないようにモニタリングされ、さらに機器ルーム全体がモニタリングされて、空調機の運転が制御される。その結果、過剰な空調機運転の抑制により、機器ルーム内の温度環境を満足させることが可能となる。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

以下、添付図面に従って本発明に係る電子機器の冷却システムの好ましい実施の形態について詳説する。尚、電子機器の一例として、サーバルームに配設されたサーバの例で説明する。

図１はサーバとサーバラックの概略構成図を示している。サーバラック２は、例えば、底面と、左右の側面と、前面及び後面を備えており、全体として直方体の形状をなしている。左右の側面にフレームレールが設けられている。複数のサーバ１がフレームレールに固定され、段積みの状態で収納される。

サーバラック２は、空気を吸い込んで排気することにより、各サーバ１を冷却するため、その前面及び後面にそれぞれ吸込口及び排気口を備えている。各サーバ１はそれぞれファンを備えており、矢印に示すように前面側から空気が吸い込まれ、後面側に排気されることにより、サーバ１で発生した熱が排出される。

また、サーバラック２内にファンを設けることにより、矢印に示すように前面側から空気が吸い込まれ、サーバ１間に形成された流路を通過し、後面に排出させることもできる。これにより、さらに冷却効果を高めることができる。サーバラック２には、移動用キャスタを設けて、移動可能に配置することが好ましい。

次に、サーバラック２に収容される複数のサーバ１間の負荷分配について説明する。複数のサーバ１の少なくとも１のサーバ１は第１の制御ユニット３を備えている。各サーバ１には、サーバ１の温度を測定するための温度センサ４が設けられている。各温度センサ４は第１の制御ユニット３に電気的に接続されている。

図２は第１の制御ユニットの制御フローを示している。第１ステップとして、第１の制御ユニット３が各サーバ１の温度情報を各温度センサ４から収集する。第２ステップとして、第１の制御ユニット３は温度情報から温度が最大値であるサーバ１と、温度が最小値であるサーバ１を特定する。第３ステップとして、最大温度のサーバ１の負荷を、最小温度のサーバに移動する。

一般的にサーバにおいて負荷が大きいほどＣＰＵの稼働率が高く、それに伴い発熱量が多くなる。温度の高い高負荷のサーバの負荷を、温度の低い低負荷のサーバに移動することで、高負荷のサーバ（ＣＰＵ）の負荷を軽減し、発熱量を低減することができる。サーバ１が稼働している間、第１の制御ユニット３は、各サーバ１の温度を常にモニタリングし、サーバ１の発生する発熱量に応じて負荷を分配する。サーバラック２内に収容される複数のサーバ１間の温度分布が平準化される。この温度の平準化により、最大温度を発生するサーバ１の温度が低減される。これにより、サーバ１を冷却するため使用される空調機の空調動力を削減することができる。空調機は、サーバ１が熱によるダメージを受けないように、最大温度のサーバ１を冷却するため運転される。本実施形態においては、最大温度を発生するサーバ１の温度が低減されるので、結果的に空調機はその空調動力を削減される。

従来においては複数のサーバが２０℃で稼動し、一つのサーバが２５℃で稼動すると、空調機は２５℃のサーバの温度がこれ以上上がらないよう稼動する。つまり、低い温度のサーバが存在するにもかかわらず、空調機は最大温度のサーバの影響を受け、このサーバを冷却するために最大限で運転される。本発明の実施形態によれば、各サーバ間の負荷が分配されるので温度が平準化し、この問題が解消される。

図３は、本発明の実施の形態の電子機器の冷却システム１０を示した概略断面図である。図３に示すように、建屋１１内には、サーバルーム１２が形成される。サーバルーム１２は、床面１３と、床面１３から上方に離間して設置された上床１４により構成される床下チャンバ１５を備えている。上床１４は、グレーティング床で形成され、後記する空調機２０からの冷風は、床下チャンバ１５を通って上床１４からサーバルーム１２に吹き出される。また、サーバルーム１２の天井には複数の還気温度センサ１６が設置されており、還気温度センサ１６は各エリアの温度をモニタリングしている。

空調機２０が上床１４上で、サーバルーム１２内に配置される。空調機２０はサーバルーム１２に隣接した機械室(不図示)に、すなわちサーバルーム１２外に配置することもできる。空調機２０は冷却部２２と送風機２４を備えている。空調機２０の上部から取り込まれた空気は、空調機２０の冷却部２２によって冷却される。冷却された空気は送風機２４によって床下チャンバ１５に吹き出される。空気は床下チャンバ１５内を流れ、グレーティングの上床１４からサーバルーム１２に吹き出される。冷却部２２は空調用循環ライン２６を介して建屋１１の屋上に設けられた室外ユニット２８と接続されている。空調用循環ライン２６を構成する空調用供給配管２６Ａと空調用戻り配管２６Ｂとが空調機２０の冷却部２２に接続される。サーバルーム１２内には後述する第２の制御ユニット３２が設置されている。

図３に示すように、サーバルーム１２に、図１で説明したサーバラック２が複数配設され、サーバラック２に複数のサーバ１が段積み状態で収納される。サーバラック２に前面及び後面に形成された吸込口から上床１４から吹き出された空気が、矢印に示すようにサーバラック２に取り込まれる。その空気がサーバ１内、サーバ１間で形成される流路を通り、サーバラック２の排出口から排出される。図１で説明したように、サーバラック２内ではサーバ１の負荷が分配されており、サーバ１同士の温度分布が平準化されている。

図４は、本発明の実施の形態の電子機器の冷却システム１０を示した概略平面図である。図４に示すように、上床１４には複数のサーバラック２で構成されるサーバラック列が互いの吸気口が向かい合うように複数列は位置されている。本実施の形態では、７台のサーバラックで１個のサーラバック列を構成し、２個のサーバラック列で１の温度制御ゾーンを構成している。図４に示すように、本実施形態のサーバルーム１２は４箇所の温度制御ゾーン３０Ａ〜３０Ｄを備えている。サーバルーム１２内には、温度制御ゾーン３０Ａ〜３０Ｄに対応して空調機２０Ａ〜２０Ｄが設置されている。

さらにサーバルーム１２内には第２の制御ユニット３２が設置されている。第２の制御ユニット３２には、サーバルーム１２内の温度制御ゾーン３０Ａ〜３０Ｄ毎に設定温度情報が入力されている。第２の制御ユニット３２は還気温度センサと空調機２０Ａ〜２０Ｄと接続さている。第２の制御ユニット３２は還気温度センサからの温度情報と温度制御ゾーンごとの設定温度を比較する機能を有している。第２の制御ユニット３２は温度情報に基づいて空調機２０Ａ〜２０Ｄの運転条件をコントロールする機能をさらに有している。

図５は第２の制御ユニットの制御フローを示している。この制御フローは、図３に示す、温度制御ゾーン３０Ａ〜３０Ｄと空調機２０Ａ〜２０Ｄを備えたサーバルーム１２を対象にしたものである。但し、温度制御ゾーン、空調機の数、配置等はこれに限定されるものではない。

第１ステップとして、第２の制御ユニットは機器ルーム内に設置された複数の還気温度センサから温度情報を収集する。温度情報が集計され、４箇所の温度制御ゾーンの各平均温度（Ｔａ〜Ｔｄ）が算出される。第２ステップとして、第１ステップで算出した各平均温度（Ｔａ〜Ｔｄ）と温度制御ゾーンごとに設定された室内の設定温度Ｔｒとが比較される。本実施形態では、各温度制御ゾーンの設定温度を全てＴｒとしたが、温度制御ゾーン毎に異なる温度を設定することができる。各平均温度（Ｔａ〜Ｔｄ）と設定温度Ｔｒの温度差（Ｔａ−Ｔｒ），（Ｔｂ−Ｔｒ），（Ｔｃ−Ｔｒ），（Ｔｄ−Ｔｒ）が求められ、この温度差に基づいて運転に際して実際に操作するための制御変数が演算で求められる。

第３ステップとして、各空調機の給気温度が設定される。給気温度に応じて空調機が第２の制御ユニットによりコントロールされる。温度制御ゾーン毎の温度状況に応じて空調機がコントロールされるので、空調動力を削減することができる。

図５の制御フローは、温度制御ゾーン毎の温度を基準に空調機が制御され例を示している。温度制御ゾーン毎の温度に変えて温度制御ゾーン毎のサーバの消費電力を基準に空調機をコントロールすることができる。

図６の制御フローは、温度制御ゾーン毎のサーバの消費電力を基準に空調機をコントロールする場合の制御フローを示している。

第１ステップとして、第２の制御ユニットは機器ルーム内に設置された複数のサーバから消費電力量の情報を収集する。消費電力情報が集計され、４箇所の温度制御ゾーンの各合計消費電力量（Ｐａ〜Ｐｄ）が算出される。第２ステップとして、第１ステップで算出した各合計消費電力量（Ｐａ〜Ｐｄ）と各空調機の能力Ｐｒが比較される。各合計消費電力量（Ｐａ〜Ｐｄ）と空調機能力Ｐｒとの能力差（Ｐａ−Ｐｒ），（Ｐｂ−Ｐｒ），（Ｐｃ−Ｐｒ），（Ｐｄ−Ｐｒ）が求められ、この温度差に基づいて運転に際して実際に操作するための制御変数が求められる。

第３ステップとして、各空調機に対する給気温度が設定される。給気温度に応じて空調機が第２の制御ユニットによりコントロールされる。温度制御ゾーン毎の合計の消費電力に応じて空調機がコントロールされるので、空調動力を削減することができる。なお、消費電力をモニタリングすると同時、実際の温度をモニタリングすることが好ましい。

図７の制御フローは、温度制御ゾーン毎のサーバの消費電力を基準に空調機を停止する場合の制御フローを示している。

第１ステップとして、第２の制御ユニットは機器ルーム内に設置された複数のサーバから消費電力量の情報を収集する。消費電力情報が集計され、４箇所の温度制御ゾーンの各合計消費電力量（Ｐａ〜Ｐｄ）が算出される。第２ステップとして、第１ステップで算出した各合計消費電力量（Ｐａ〜Ｐｄ）が加算され、全体の消費電力量Ｐtotalが求められる。さらに、各温度制御ゾーンに設置された空調機の空調機処理能力が算出され、その合計値である空調機合計能力Ｐrtoalが求められる。次いで、全体の消費電力量Ｐtotalと空調機合計能力Ｐrtoalが比較され、温度制御ゾーン毎の空調機の負荷率が、（負荷率＝合計消費電力／空調機処理能力）の式で算出される。

次いで、Ｐtotal／Ｐrtoalの数値が所定値以下かどうか判断される。所定値以下であると判断された場合、負荷率が一定値以下の空調機が存在すると判断される。第２の制御ユニットは空調機停止可能と判断し、負荷率の低い空調機を特定する。

第３のステップとして、第２の制御ユニットから特定された空調機に対し停止信号が送られ、空調機の運転が停止される。このように機器ルームの全体での消費電力と全体での空調能力を比較することで、空調機が停止されるので、機器ルーム全体としての空調動力削減されることになる。

本発明においては、サーバラック内のサーバの温度分布の平準化と、サーバルーム内の温度制御ゾーン毎の空調機の制御により、大幅な空調動力の削減を期待できる。

尚、上記した冷却システム１０は、電子機器としてサーバの例で説明したが、本発明は、精密動作が要求され且つそれ自体からの発熱量が大きな電子機器の全てに適用することができる。

サーバ及びサーバラックを説明する説明図 第１の制御ユニットの制御フローを示す説明図 本発明の電子機器の冷却システムの概略断面図 本発明の電子機器の冷却システムの概略平面図 第２の制御ユニットの制御フローを示す説明図 第２の制御ユニットの他の制御フローを示す説明図 第２の制御ユニットの他の制御フローを示す説明図

符号の説明

１…サーバ、２…サーバラック、３…第１の制御ユニット、４…温度センサ、１０…冷却システム、１１…建屋、１２…サーバルーム、１３…床面、１４…上床、１５…床下チャンバ、２０…空調機、２２…冷却機、２４…送風機、３２…第２の制御ユニット

Claims (2)

1. 床下チャンバを備える機器ルームと、
   前記機器ルームに設置された複数のラックと、
   前記ラックに収容された複数の電子機器と、該電子機器の少なくとも一つは、前記ラック毎の各電子機器の発熱状況をモニタリングし、その負荷を電子機器に分配する第１の制御ユニットを備え、
   前記所定数のラック毎にグループ分けされた複数の温度制御ゾーンに、それぞれ設けられた、前記機器ルーム内から吸い込んだ熱風を冷却して前記床下チャンバに供給する複数の空調機と、
   各温度制御ゾーンにおける電子機器の運転条件をモニタリングし、前記空調機の運転条件の変更又は停止する第２の制御ユニットと、を備え、
   前記第2の制御ユニットが、前記温度制御ゾーン毎の前記電子機器の合計消費電力から全体消費電力を算出し、前記温度制御ゾーン毎の前記空調機処理能力から空調機合計能力を算出し、前記全体消費電力と前記空調機合計能力とを比較し、前記温度制御ゾーン毎の負荷率（合計消費電力／空調機処理能力）を算出し、前記全体消費電力／前記空調機合計能力の値が所定値以下であるとき、前記空調機の中で負荷率の低い空調機を特定し、特定された前記空調機を停止する電子機器の冷却システム。
2. 前記電子機器はサーバであり、前記機器ルームはサーバルームである請求項１記載の電子機器の冷却システム。

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