(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
情報通信技術用機器(以下、ICT機器という。)及び前記ICT機器に電力を供給するための電力供給機器のうち少なくとも一方の機器(以下、発熱機器という。)が設置されたサーバ室用の空調装置において、
室内空気を吸引する吸気口を有し、その吸引した空気を冷却して室内に供給する室内空調機と、
室外空気を導入する外気導入部に設けられ、室外空気を前記吸気口に向けて送風する風向調整部と
を備えることを特徴とする空調装置。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。
【0010】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「2つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも1つ設けられている。
【0011】
(第1実施形態)
1.空調装置の構成
本実施形態は、サーバ室や通信機器室等の室内の空調を行う空調装置に本発明を適用したものである。
【0012】
すなわち、本実施形態に係る空調装置は、サーバ室等に設置された情報通信技術用機器(以下、ICT機器という。)及び電力供給機器等(以下、発熱機器という。)に冷風を供給することにより、それら発熱機器を冷却する。
【0013】
電力供給機器は、ICT機器に電力を供給するための蓄電池や無停電電源装置等をいう。なお、本実施形態では、発熱機器として主にICT機器を想定している。以下の説明では、ICT機器を発熱機器として説明する。
【0014】
複数のICT機器1は、
図1に示すように、ラック3に組み付けられた状態でデータセンタ室等の室内に設置される。ラック3は、金属製の棚枠及び柱壁等を組み合わせた枠状の収納棚にて構成されている。
【0015】
ラック3を挟んで一方には、冷風が供給される冷風通路(コールドアイル)3Aが設けられている。冷風は、冷風通路3Aの床下に設けられたダクト空間(図示せず。)からラック3側に供給された後、床に設けられた複数の冷風吹出口(図示せず。)から冷風通路3Aに供給される。
【0016】
なお、ラック3を挟んで冷風通路3Aと反対側の通路3Bには、冷風吹出口が設けられていない。このため、当該通路3Bには、冷風通路3Aから複数のICT機器1に供給された空気であって、ICT機器1との熱交換を終えて温度が上昇した空気が流通する。つまり、通路3Bは、加熱された空気(温風)が流通する温風通路(ホットアイル)となる。
【0017】
室内空調機6は、サーバ室内の空気を吸引して当該空気を冷却した後、その冷却された空気を冷却風として冷風通路3Aに供給する。室内空調機6の鉛直方向上部側には、室内空気を吸引するための吸気口6Aが設けられている。このため、室内空調機6は、室内の上方側から空気を吸い込んで当該空気を冷却する。
【0018】
室内空調機6は、室外に配設された室外ユニット(図示せず。)と共に蒸気圧縮式冷凍機を構成する。室内空調機6内には、膨張弁、蒸発器、圧縮機及び送風機等が収納されている。室外ユニットには凝縮器等の放熱器が収納されている。
【0019】
因みに、同一室内に設置する室内空調機6の台数は、ICT機器1の台数等によって推定される室内で発生する総熱量に応じた台数である。そして、室内空調機6を「アンビエント(周囲)型空調機」ともいう。
【0020】
サーバ室には室外空気を導入する外気導入部4が設けられている。外気導入部4は、室内と室外とを連通させる連通口4Aを有している。連通口4Aにはフィルタ4Bが設けられている。フィルタ4Bは室外空気に含まれる塵埃等の異物を捕捉する。
【0021】
外気導入部4には外気調整部5が設けられている。外気調整部5は、室内に供給する室外空気の供給状態を調節する。外気調整部5は、風向調整部7及び送風機9等を有している。送風機9は、室外から空気を吸引して室内に吹き出す。
【0022】
風向調整部7は室外から導入した空気の供給方向を調節する。当該風向調整部7は、少なくとも1枚(本実施形態では、複数枚)風向案内板7A、及アクチュエータ7B等を有している。
【0023】
風向案内板7Aは、送風機9により送風される気流の流通方向を案内する。アクチュエータ7Bは、各風向案内板7Aの作動、つまり気流の流通方向を制御する。外気調整部5(アクチュエータ7B及び送風機9)の作動は、制御装置20に設けられた風量制御部により制御される。
【0024】
本実施形態に係る風量制御部(制御装置20)は、複数の風向案内板7Aそれぞれを独立して制御可能である。
2.空調装置の制御
2.1 制御装置
制御装置20は、室内空調機制御部、温度変化監視部、風量制御部、及び室外ユニット制御部等を有して構成されている。室内空調機制御部は室内空調機6の作動を制御する。室外ユニット制御部は室外ユニットの作動を制御する。
【0025】
温度変化監視部は、室内空調機6による空調対象領域、つまり冷風通路3Aの温度分布状態を監視する。このため、制御装置20には、複数のセンサ入力部20Aが設けられている。各センサ入力部20Aには、室内空気の温度を検出する複数の室温センサSt1〜Stnからの出力信号が入力される。
【0026】
なお、本実施形態では、室温センサSt1〜Stnそれぞれは、各吸気口6Aに設けられた室温センサを室温センサSt1〜Stnとして利用している。つまり、本実施形態では、紙面右側の室内空調機6は、空調対象領域(冷風通路3A)のうち主に紙面右側側の領域から空気を吸引する。
【0027】
紙面左側の室内空調機6は、空調対象領域(冷風通路3A)のうち主に紙面左側側の領域から空気を吸引する。このため、紙面右側の吸気口6Aに設けられた室温センサSt1の検出温度は、冷風通路3Aのうち紙面右側の空気温度に連動して変化する。
【0028】
紙面左側の吸気口6Aに設けられた室温センサSt2の検出温度は、冷風通路3Aのうち紙面左側の空気温度に連動して変化する。したがって、温度変化監視部は、室温センサSt1〜Stnの検出温度を利用して冷風通路3Aの温度分布状態を監視する。
【0029】
風量制御部は、冷風通路3Aの温度及び温度分布状態に応じて冷風通路3Aに供給する室外空気の風量を調整する。具体的には、温度変化監視部の監視結果を利用して送風機9及び風向案内板7Aの角度を調整する。
【0030】
制御装置20(風量制御部)は、室外温度センサST1の検出信号が入力されるセンサ入力部20Bを有している。室外温度センサST1は、外気導入部4から導入される室外空気の温度を示す信号を出力する。
【0031】
制御装置20は、CPU、ROM及びRAM等を有するマイクロコンピュータにて構成されている。そして、本実施形態では、室内空調機制御部、温度変化監視部、風量制御部、及び室外ユニット制御部等は、プログラムをCPUで実行することにより実現される。なお、上記プログラムは、ROM等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。
【0032】
2.2 制御の概要
制御装置20は、各ICT機器1の温度が予め設定された温度範囲に収まるように、室内空調機6及び外気導入部4等の作動を制御する。なお、本実施形態では、室温センサSt1〜Stnの検出温度を利用して間接的に各ICT機器1の温度を計測している。
【0033】
つまり、本実施形態では、室温センサSt1〜Stnの検出温度が予め設定された温度範囲に収まるように、室内空調機6及び外気導入部4等の作動を制御する。これは、室温センサSt1〜Stnの検出温度は、各ICT機器1の温度に連動して変化するパラメータとみなすことができるからである。
【0034】
<第1制御モード>
温度変化監視部は、冷風通路3Aの温度分布を監視しながら温度上昇率の絶対値(|dT/dt|)が予め設定された値より大きい領域(以下、第1特定監視領域A1という。)の有無を検知する。
【0035】
そして、風量制御部は、温度変化監視部により第1特定監視領域A1が検知され、かつ、第1特定監視領域A1の温度より室外空気の温度が低い場合に、第1特定監視領域A1に供給する室外空気の風量を、第1特定監視領域A1が検知される前に比べて増大させる。
【0036】
このとき、温度変化監視部は、第1特定監視領域A1を、他の領域に比べて温度が高く、かつ、当該他の領域との温度差が予め設定された温度差(以下、温度差ΔT1と記す。)より大きい領域の中から選択する。
【0037】
具体的には、
図2Aに示すように、冷風通路3Aのうち紙面右側の領域ARが紙面左側の領域ALに比べて温度が高く、かつ、領域ARと領域ALとの温度差が温度差ΔT1より大きい場合、温度変化監視部は、領域ARを第1特定監視領域A1として選択する。
【0038】
なお、本実施形態では、領域ARや領域AL等の各領域は、各室内空調機6の空調対象領域と一致する。つまり、領域ARは紙面右側の室内空調機6の空調対象領域である。領域ALは紙面左側の室内空調機6の空調対象領域である。
【0039】
以下、異なる空調対象領域間の温度差が温度差ΔT1以下の場合には「温度分布が均一である」という。異なる空調対象領域間の温度差が温度差ΔT1より大きい場合には「温度分布が不均一である」という。
【0040】
また、温度変化監視部は、冷風通路3Aの温度分布を監視しながら温度下降率の絶対値(|−dT/dt|)が予め設定された値より大きい領域(以下、第2特定監視領域A2という。)の有無を検知する。
【0041】
そして、風量制御部は、温度変化監視部により第2特定監視領域A2が検知され、かつ、室外空気の温度が第2特定監視領域A2の温度以下の場合に、第2特定監視領域A2に供給する室外空気の風量を、第2特定監視領域A2が検知される前に比べて減少させる。
【0042】
このとき、温度変化監視部は、第2特定監視領域A2を、他の領域に比べて温度が低く、かつ、当該他の領域との温度差が予め設定された温度差より大きい領域の中から選択する。
【0043】
具体的には、
図2Aに示すように、冷風通路3Aのうち領域ALが領域ARに比べて温度が低く、かつ、領域ARと領域ALとの温度差が温度差ΔT2より大きい場合、温度変化監視部は、領域ALを第2特定監視領域A2として選択する。
【0044】
なお、温度差ΔT1と温度差ΔT2とは、同一の温度差及び異なる温度差のうちいずれであってもよい。温度差ΔT1と温度差ΔT2とが異なる場合には、温度差ΔT1及び温度差ΔT2のうちいずれか大きい温度差であってもよい。
【0045】
以上のように、制御装置20は、冷風通路3Aの温度分布が不均一であると判断すると、第1制御モードを実行する。そして、本実施形態に係る風量制御部は、送風機9の回転数(送風量)を一定のまま風向案内板7Aを作動させることにより、第1特定監視領域A1及び第2特定監視領域A2への室外空気の供給量を変更制御する。
【0046】
具体的には、第1特定監視領域A1への外気供給量を増大させる場合には、風量制御部は、
図2Bに示すように、導入された室外空気が第1特定監視領域A1に案内されるように風向案内板7Aを作動させる。このため、第1特定監視領域A1以外の領域に供給される室外空気の供給量は減少する。
【0047】
第2特定監視領域A2への外気供給量を減少させる場合には、風量制御部は、導入された室外空気が第2特定監視領域A2以外の領域に案内されるように風向案内板7Aを作動させる。このため、第2特定監視領域A2以外の領域に供給される室外空気の供給量は増大する。
【0048】
このとき、風向調整部7は、空調対象領域(第2特定監視領域A2以外の領域)に室外空気を直接的に供給するのではなく、その空調対象領域の空調を担う室内空調機6の吸気口6Aに向けて室外空気を吹き出す。このため、供給される室外空気の多くは、室内空調機6を介して当該空調対象領域に供給される。
【0049】
<第2制御モード>
温度変化監視部は、冷風通路3Aの温度分布状態を監視するとともに、当該冷風通路3A内において、温度上昇率(dT/dt)が予め設定された第1閾値θ1より大きい領域(以下、特定監視領域Boという。)が存在するか否かを検知する。
【0050】
そして、風量制御部は、温度変化監視部により複数の特定監視領域Boが検知され、かつ、それら特定監視領域Boの温度より室外空気の温度が低い場合に、外気調整部5を以下のように作動させる。
【0051】
すなわち、風量制御部は、複数の特定監視領域Boのうち温度上昇率が予め設定された第2閾値θ2より大きい特定監視領域(以下、高上昇領域BHという。)に供給する室外空気の風量を、当該高上昇領域BHが検知される前に比べて減少させる。
【0052】
さらに、風量制御部は、複数の特定監視領域Boのうち高上昇領域BH以外の特定監視領域(以下、低上昇領域BLという。)に供給する室外空気の風量を、当該低上昇領域BLが検知される前に比べて増大させる。
【0053】
このとき、風向調整部7は、空調対象領域(低上昇領域BL)に室外空気を直接的に供給するのではなく、その空調対象領域の空調を担う室内空調機6の吸気口6Aに向けて室外空気を吹き出す。このため、供給される室外空気の多くは、室内空調機6を介して低上昇領域BLに供給される。
【0054】
そして、冷風通路3Aのうち空気の温度が予め設定された温度を超えた領域(以下、高温領域BHTという。)が発生した場合には、室内空調機制御部は、室内空調機6に冷凍能力を発生させて当該冷凍能力により冷却された空気を高温領域BHTに供給させる。
【0055】
以上のように、制御装置20は、冷風通路3Aの温度分布が均一である場合において、高上昇領域BHへの室外空気の送風を減少させ、かつ、低上昇領域BLへの室外空気の送風を増大させるとともに、室内空調機6で生成された冷風を高温領域BHTに供給する第2制御モードを実行する。
【0056】
そして、本実施形態に係る風量制御部は、送風機9の回転数(送風量)を一定のまま風向案内板7Aを作動させることにより、高上昇領域BH及び低上昇領域BL等への室外空気の供給量を変更制御する。
【0057】
具体的には、低上昇領域BLへの外気供給量を増大させる場合には、風量制御部は、導入された室外空気が低上昇領域BLに案内されるように風向案内板7Aを作動させる。このため、低上昇領域BL以外の領域に供給される室外空気の供給量は減少する。
【0058】
高上昇領域BHへの外気供給量を減少させる場合には、風量制御部は、導入された室外空気が高上昇領域BH以外の領域に案内されるように風向案内板7Aを作動させる。このため、高上昇領域BH以外の領域に供給される室外空気の供給量は増大する。
【0059】
2.3 第1制御モード及び第2制御モードの詳細
空調装置が起動されると、
図3に示す制御フローを実行するためのプログラムが読み込まれてCPUにて実行される。当該プログラムは、ROM等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。
【0060】
本制御フローが起動されると、空調対象領域である冷風通路3Aの温度分布が均一であるか否かが判定される(S1)。なお、「温度分布が均一」とは、上述したように、「異なる空調対象領域間の温度差が温度差ΔT1以下の場合」をいう。
【0061】
温度分布が均一であると判定されると(S1:YES)、第2制御モードが実行される。すなわち、当該冷風通路3A内において、温度上昇率(dT/dt)が第1閾値θ1以内であるか否か、つまり特定監視領域Boが存在するか否かが判定される(S5)。
【0062】
温度上昇率(dT/dt)が第1閾値θ1以内である、つまり特定監視領域Boが存在しないと判定された場合には(S5:YES)、制御装置20は、室外空気の吹き出し方向を変更制御せず、現状を維持する(S20)。
【0063】
温度上昇率が第1閾値θ1より大きい、つまり特定監視領域Boが存在すると判定された場合には(S5:NO)、予め設定された時間内に特定監視領域Boの温度が上限温度を超える領域があるか、つまり、複数の特定監視領域Boのうち温度上昇率が第2閾値θ2より大きい特定監視領域(高上昇領域BH)が存在するか否かが判定される(S10)。
【0064】
高上昇領域BHが存在しないと判定された場合には(S10:NO)、S20が実行される。S20が実行されると、再び、S1が実行される。高上昇領域BHが存在すると判定された場合には(S10:YES)、制御装置20は、室外空気の吹き出し方向を高上昇領域BH以外、つまり低上昇領域BLに向けた後(S15)、S30を実行する。
【0065】
S1にて冷風通路3Aの温度分布が不均一であると判定された場合には(S1:NO)、第1制御モードが実行される。すなわち、制御装置20は、室外空気の吹き出し方向を温度が高い領域に向けた後(S25)、S30を実行する。
【0066】
S30では、監視対象領域である冷風通路3Aの温度変化率の絶対値(|dT/dt|)が予め設定された値以内であるか否かが判定される(S30)。冷風通路3Aの温度変化率の絶対値(|dT/dt|)が予め設定された値以内であると判定された場合には(S30:YES)、再び、S1が実行される。
【0067】
冷風通路3Aの温度変化率の絶対値(|dT/dt|)が予め設定された値より大きいと判定された場合には(S30:NO)、当該温度変化率が正の値であるか否か、つまり、当該領域が第1特定監視領域A1であるか否かが判定される(S35)。
【0068】
当該領域が第1特定監視領域A1であると判定された場合には(S35:YES)、制御装置20は、室外空気の吹き出し方向を第1特定監視領域A1に向けた後(S45)、S30を実行する。
【0069】
当該領域が第1特定監視領域A1でない、つまり第2特定監視領域A2であると判定された場合には(S35:NO)、制御装置20は、室外空気の吹き出し方向を第2特定監視領域A2以外の方向(本実施形態では、第1特定監視領域A1)に向けた後(S40)、S30を実行する。
【0070】
3.本実施形態に係る空調装置の特徴
第1制御モードでは、室外空気の吹き出し方向を第1特定監視領域A1に向けるので、当該第1特定監視領域A1に供給する室外空気の風量が、当該第1特定監視領域A1が検知される前に比べて増大する(
図2A及び
図2B参照)。
【0071】
つまり、本実施形態では、温度上昇率が大きい場合には、温度上昇率が大きい第1特定監視領域A1に供給される室外空気が増大するので、
図4A及び
図4Bに示すように、室内の温度上昇を効率よく抑制できる。
【0072】
なお、
図2A及び
図4Aは、第1制御モードによる風向制御を実施しない場合を示す。
図2B及び
図4Bは、第1制御モードによる風向制御を実施した場合を示す。空調機−1は
図2Aにおいて紙面左側の室内空調機6を示し、空調機−2は
図2Aにおいて紙面右側の室内空調機6を示す。
【0073】
「サーモオン」とは「蒸気圧縮機式冷凍機が稼働する」ことを意味し、「サーモオフ」とは「蒸気圧縮機式冷凍機は停止する」ことを意味する。そして、これら図からも明らかなように、蒸気圧縮機式冷凍機の稼働を抑制しながら室内の温度上昇、つまり各ICT機器1の温度上昇を抑制でき得る。
【0074】
第1制御モードでは、室外空気の吹き出し方向を第2特定監視領域A2以外の方向に向けるので、該第2特定監視領域A2に供給する室外空気の風量を、当該第2特定監視領域A2が検知される前に比べて減少させることができる。
【0075】
つまり、本実施形態では、温度下降率が大きい場合には、温度下降率が大きい第2特定監視領域A2に供給される室外空気が減少するので、室内の温度が過度に低下することを効率よく抑制できる(
図5A及び
図5B参照)。
【0076】
なお、
図5Aは第1制御モードによる風向制御を実施しない場合を示す。
図5Bは、第1制御モードによる風向制御を実施した場合を示す。これら図からも明らかなように、室内の温度が過度に低下することを効率よく抑制できる。
【0077】
また、第2制御モードでは、複数の特定監視領域Boが発生した場合においては、温度が早期に上昇する可能性が低い領域(低上昇領域)に対して優先的に室外空気が供給される。このため、室内空調機6は、温度が早期に上昇する可能性が高い領域(高上昇領域)に対して優先的に「冷凍機により冷却された冷風」を送風する(
図6A及び
図6B参照)。
【0078】
したがって、室内空調機6が低上昇領域に「冷凍機により冷却された冷風」を送風すること、つまり、全ての特定監視領域に対して「冷凍機により冷却された冷風」が送風されることを抑制できる。延いては、空調装置の熱負荷が増大することを抑制できるので、消費電力を減少させることができる(
図7A及び
図7B参照)。
【0079】
なお、
図6A及び
図7Aは、第2制御モードによる風向制御を実施しない場合を示す。
図6B及び
図7Bは、第2制御モードによる風向制御を実施した場合を示す。これら図からも明らかなように、蒸気圧縮機式冷凍機の稼働を抑制しながら室内の温度上昇、つまり各ICT機器1の温度上昇を抑制でき得る。
【0080】
本実施形態では、風向調整部7を作動させることにより、風量を変更することを特徴としている。これにより、送風機等により送風量を変更する場合に比べて、空調装置の消費電力を低減できる。
【0081】
本実施形態では、室内空調機6を介して室外空気が空調対象領域に供給される。したがって、室外空気を室内空調機6を介さずに直接的に空調対象領域に供給する場合に比べて、空調対象領域にて不均一な温度分布が発生することを抑制できる。
【0082】
なお、風向を調整する場合には、
図8に示すように、複数の風向案内板7Aそれぞれを独立制御して風向制御してもよい。このような風向制御によれば、複数の風向案内板7Aを全て同一方向に向ける場合に比べて風量を緻密に制御することが可能となる。
【0083】
(第2実施形態)
本実施形態に係る風向調整部7は、
図9に示すように、仰角及び俯角を変更可能な風向案内板7Aを有している。そして、本実施形態では、風向調整部7の作動を制御することにより、複数の吸入口5Aそれぞれに供給される室外空気の風量を調節可能な構成としている。
【0084】
すなわち、上述の実施形態では、風向調整部7は、風向を第1特定監視領域A1又は低上昇領域BLに向けるものあった。これに対して、本実施形態は、第1特定監視領域A1又は低上昇領域BLの空調を担う室内空調機6の吸気口6Aに向けて室外空気を供給するものである。
【0085】
そして、上方側に向けて開口した各吸気口6Aに室外空気を確実に供給すべく、本実施形態に係る風向調整部7は、仰角及び俯角を変更可能な構成となっている。
なお、仮に、風向案内板7Aが、仰角及び俯角を変更することができず、左右方向のみに揺動可能な構成であると、第1特定監視領域A1又は低上昇領域BLの空調を担う室内空調機6の吸気口6Aに向けて室外空気を供給することが難しい。
【0086】
これにより、本実施形態では、室内空調機6を介して室外空気が確実に空調対象領域に供給される。したがって、室外空気を室内空調機6を介さずに直接的に空調対象領域に供給する場合に比べて、空調対象領域にて不均一な温度分布が発生することを抑制できる。
【0087】
(その他の実施形態)
上述の実施形態に係る制御装置20は、第1制御モード及び第2制御モードが実行可能であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第1制御モード及び第2制御モードのうち少なくとも一方を廃止してもよい。
【0088】
上述の実施形態では、風向案内板7Aを揺動させて供給する室外空気の風量を制御したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、室内空調機6毎に外気導入部4を設け、当該外気導入部4に設けた送風機9の回転数を制御することにより、供給する室外空気の風量を制御してもよい。
【0089】
上述の実施形態に係る室温センサSt1〜Stnそれぞれは、各吸気口6Aに設けられた室温センサを利用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、各領域に室温センサを設けてもよい。
【0090】
上述の実施形態に係る室内空調機制御部、温度変化監視部、風量制御部、及び室外ユニット制御部等は、ソフトウェアにて構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、専用のハードウェアにて構成されたものであってもよい。
【0091】
上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機等の室内に吹き出す空気を冷却する冷凍機を備える空調装置であったが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、冷凍機を稼働させることなく、外気にて室内を冷却する空調装置であってもよい。
【0092】
上述の実施形態では、温度分布が均一であるときに第2制御モードを実行し、温度分布が不均一であるときに第1制御モードを実行したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、温度分布の状態に拘わらず、第1制御モードを実行してもよい。
【0093】
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。