2023-54714 コンテナ型計算センタの冷却システム、及びそのシステムを備えたコンテナ型計算センタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023054714

(43)【公開日】2023-04-14

(54)【発明の名称】コンテナ型計算センタの冷却システム、及びそのシステムを備えたコンテナ型計算センタ

(51)【国際特許分類】

   G06F 1/20 20060101AFI20230407BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20230407BHJP

   F24F 3/044 20060101ALI20230407BHJP

   F24F 1/0007 20190101ALI20230407BHJP

【ＦＩ】

G06F1/20 C

G06F1/20 A

G06F1/20 B

H05K7/20 U

F24F3/044

F24F1/0007 331

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021163740

(22)【出願日】2021-10-04

(71)【出願人】

【識別番号】515165834

【氏名又は名称】潘 忠信

(74)【代理人】

【識別番号】100119297

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 正男

(74)【代理人】

【識別番号】100112140

【弁理士】

【氏名又は名称】塩島 利之

(74)【代理人】

【識別番号】100122312

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 正優

(72)【発明者】

【氏名】潘 忠信

【テーマコード（参考）】

3L050

3L053

5E322

【Ｆターム（参考）】

3L050BB03

3L053BB10

5E322BA01

5E322BA05

5E322BB03

5E322BC02

5E322BC05

5E322CA06

5E322DA01

5E322DA02

5E322DA04

5E322EA05

5E322EA11

5E322FA01

5E322FA09

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電力消費量の少ないコンテナ型計算センタの冷却システム及びコンテナ型計算センタを提供する。
【解決手段】コンテナ１１の長手方向の側面に外気が流入する外気流入開口と、外気流入口と対向する側面に室内の空気を排出する排気開口と、内部にサーバラック３０に搭載された複数のサーバ３１と、を有するコンテナ型計算センタ１０の冷却システムであって、外気流入開口の前面を覆うように設けられた通風孔を有する保水体と保水体に水を供給する水供給装置とを有するウォータカーテン２０と、排出開口に設けられ室内に負圧を発生させる排気ファン４０と、を備える。保水体が保水する水の気化熱で冷却された外気によりサーバが冷却され、サーバの発熱により暖められた空気は、サーバの放熱ファンと排気開口に設けられた排気ファンとにより形成される気流により、室内に滞留することなく排気開口から外部に排出される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

長手方向の側面に外気が流入する外気流入開口と、前記外気流入口と対向する側面に室内の空気を排出する排気開口と、内部にラックに搭載された複数のサーバとを有するコンテナ型計算センタの冷却システムであって、
前記外気流入開口の前面を覆うように設けられた通風孔を有する保水体と前記保水体に水を供給する水供給装置とを有するウォータカーテンと、前記排出開口に設けられ前記室内に負圧を発生させる排気ファンとを備え、
前記保水体が保水する水の気化熱で冷却された外気により前記サーバが冷却され、前記サーバの発熱により暖められた空気は、前記サーバの放熱ファンと前記排気開口に設けられた排気ファンとにより形成される気流により、前記室内に滞留することなく前記排気開口から外部に排出されることを特徴とする冷却システム。

【請求項2】

前記サーバは、中央よりも前記外気排気開口側、長手方向に配列されることを特徴とする請求項１に記載のコンテナ型計算センタの冷却システム。

【請求項3】

前記保水体を取り付け取り外し自在に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンテナ型計算センタの冷却システム。

【請求項4】

前記保水体の材質は、ポリマー繊維、ガラス繊維、クラフト繊維のいずれか、又はこれらの組合せであり、所定の厚みを有し前記通風孔は略４５度傾斜していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコンテナ型計算センタの冷却システム。

【請求項5】

長手方向の側面に外気が流入する外気流入開口と、前記外気流入開口と対向する側面に室内に流入した外気を排出する排気開口と、前記室内にラックに収納された複数のサーバとを備えたコンテナ型計算センタであって、
前記外気流入開口の前面を覆うように設けられた通風孔を有する保水体と前記保水体に水を供給する水供給装置とを有するウォータカーテンと、
前記排出開口に設けられ前記室内に負圧を発生させる排気ファン
とを備えたことを特徴とするコンテナ型計算センタ。

【請求項6】

前記保水体が保水する水の気化熱により冷却され外気により前記サーバが冷却され、前記サーバの発熱により暖められた空気は、前記サーバの備えるファンと前記排気ファンとにより形成される気流により、前記室内に滞留することなく前記排気開口から排出されることを特徴とする請求項５に記載のコンテナ型計算センタ。

【請求項7】

前記サーバは、中央よりも前記外気排気開口側、長手方向に配列されることを特徴とする請求項５又は６に記載のコンテナ型計算センタ。

【請求項8】

前記保水体を取り付け取り外し自在に構成したことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のコンテナ型計算センタ。

【請求項9】

前記保水体の材質は、ポリマー繊維、ガラス繊維、クラフト繊維のいずれか、又はこれらの組合せであり、所定の厚みを有し前記通風孔は略４５度傾斜していることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載のコンテナ型計算センタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンテナ内に設けられた電子装置の発熱による室内温度の上昇を気化熱と気流の経路とにより抑制するコンテナ型計算センタの冷却システム、及びそのシステムを備えたコンテナ型計算センタに関する。

【背景技術】

【0002】

コンテナ型データセンタ（モジュール型データセンタとも言われる。）は、車両に搭載し一般道を経由して運搬することができるので、その設置場所を柔軟に変更することができる。また、建築物として設置するデータセンタと比べて、短期間に低コストで手軽に設置できるという特徴がある。

【0003】

しかし、コンテナ内に設置される電子機器数やその計算能力等により異なるが、例えばサーバが稼働するとサーバの発熱により大量の熱が生成される。サーバの発熱により室温が上昇し、室温の上昇はサーバの性能や寿命に影響を及ぼす。このためサーバの電力消費（エネルギー）とそれによる発熱は、コンテナ型データセンタにおいても大きな課題である。

【0004】

ここで、データセンタ内での電力消費（エネルギー）は、サーバによるコンピューティングと、通信機器によるネットワーキングと、これらの機器の発熱による室温上昇を制御する空調機とによるものに大別できる。これらのうち、最大の電力消費量はサーバ等が発生する熱の除去に関連付けられるものである。

【0005】

発熱したサーバ等の電子機器を冷却するには様々な方法があるが、例えば冷気を生成するためのパッケージエアコンをデータセンタ内に設け、その冷気でサーバを冷却する方法がある。しかし、それだけでは省エネルギーの冷却システムとはならない。このためデータセンタの電力消費（エネルギー）を抑え、ランニングコストを低減するため省エネルギーの冷却システムが求められている。

【0006】

かかる事情に鑑み、近年、コンテナ型データセンタの冷却システムに関する様々な技術が公開されている。下記特許文献１は、モジュールおよびモジュール型データセンタであって、コンテナ室内のホットエリアとコールドエリアの区間をカーテンにより区切り空調の効率化を図る、という技術を公開している。

【0007】

即ち下記特許文献１に記載の技術は、カーテンのような仕切り部材がなければホットエリアとコールドエリア内で熱交換がより行われ、より熱い空気を排出できず、より冷たい空気をラック内に送り込みにくくなる。そこでカーテンにより仕切ることで給気口には外部または空調機からホットエリアの空気よりも冷たい空気を流入させる。これによりサーバ内では空気の循環が行われ効率的な冷却システムを構成することができる、とするものである。

【0008】

下記特許文献２は、コンテナと、前記コンテナ内のホットエリアの空気を冷却してコールドエリアに送り込む空調機と、前記コンテナ内に設置され、前記コールドエリアの空気に熱を与え前記ホットエリアへ抜けるようサーバが格納され、前記コールドエリアと前記ホットエリアとを仕切るように配置されるラックと、前記コンテナ内に設置され、前記サーバが格納されるラックが溝に沿って摺動可能に設置されたパレットと、前記パレットを免震して支持する支持部と、伸縮可能で、前記ラックと前記コンテナとの間をコールドエリアとホットエリアに区切るように配置されるカーテンと、を備え、前記カーテンは伸縮することで、前記コールドエリアと前記ホットエリアとの区切りを取り外し可能なモジュール型データセンタに関する技術を公開している。

【0009】

下記特許文献２に記載の技術も、特許文献１に記載の技術と同様に、コンテナ室内をコールドエリアとホットエリアとを仕切るようにラックとパレットとを設置し、コールドエリアとホットエリアを区切るようにカーテンを配置している。サーバの熱が排出されるホットエリアの空気は、排気口から外部に排出され、給気口には外部又は空調機からホットエリアよりも冷たい空気が流入される。ホットエリアの空気がコールドエリアに入らないようにすることで、効率的な冷却システムを構成する、とするものである。

【0010】

しかし、下記特許文献１、下記特許文献２に記載の技術はいずれも、ホットエリアの空気とコールドエリアの空気との循環が行われないように仕切り、冷却システムの効率化を図るものであり、コールドエリアに送る冷気は空調機により冷却しなければならない。データセンタにおける電力消費の大半は空調機によるものであることから、効率的な冷却システムではあるが、空調機の稼働には相当の電力が必要になる、という問題がある。また、カーテンやパレット等で仕切ると、サーバのメンテナンスがし難くなるという問題もある。

【0011】

ここで、上述したコンテナ型データセンタは、室温の上昇を抑制するため厳密な室温制御を行う必要がある。これはサーバの安定した継続稼働、３６５日２４時間の稼働と、サーバの処理能力の安定化を図る必要があるからである。また、データセンタの電力消費が大きい（発熱量が大きい）のは、サーバの停止や不測の事態によるデータ消失のバックアップシステムやデータセキュリティシステムを備えなければならないからである。コンテナ型データセンタは室内の温度を厳密に制御しなければならず冷却システムに多大な電力が必要になる、という問題がある。

【0012】

しかし、サーバの処理能力の低下や、一時的なサーバの停止が許容される分散コンピューティングの一翼を担うセンタ（本明細書では計算センタと称する）であればデータセンタのような厳密な室温制御は必要とされない。

【0013】

それはコンテナ室内の温度が上昇し、これによりサーバが一時的に停止しても、停止する前までの計算結果はネットワークを介してクラウド上で共有されているからである。そして、サーバの稼働停止による発熱量の減少や、外気温の低下による室温低下を待って再稼働すれば良いからである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２０１３－０３００２７号

【特許文献2】特開２０１３－１０９４２３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

そこで本発明の課題は、短期間に低コストで手軽にどこでも設置することができ、コンテナ内に設けられた電子装置の発熱による室内温度の上昇を効率的に抑制できるとともに、電力（エネルギー）消費量の少ないコンテナ型計算センタの冷却システム、及びそのシステムを備えたコンテナ型計算センタを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

上記の課題を解決するため本発明は、長手方向の側面に外気が流入する外気流入開口と、前記外気流入口と対向する側面に室内の空気を排出する排気開口と、内部にラックに搭載された複数のサーバとを有するコンテナ型計算センタの冷却システムであって、
前記外気流入開口の前面を覆うように設けられた通風孔を有する保水体と前記保水体に水を供給する水供給装置とを有するウォータカーテンと、前記排出開口に設けられ前記室内に負圧を発生させる排気ファンとを備え、
前記保水体が保水する水の気化熱で冷却された外気により前記サーバが冷却され、前記サーバの発熱により暖められた空気は、前記サーバの放熱ファンと前記排気開口に設けられた排気ファンとにより形成される気流の経路で、前記室内に滞留することなく前記排気開口から外部に排出されることを特徴とする冷却システム、である。

【0017】

排気ファンによりコンテナ室内は負圧状態にあり、外気流入開口から流入した外気（空気）は保水体の通風孔を通風する際に保水体が保水する水の気化熱により冷却される。冷却された空気は稼働発熱しているサーバを冷却した後、暖められ温風となる。温風はサーバの放熱ファンの送風力と排気ファンの吸引力とにより形成された気流の経路により、コンテナ室内に滞留することなく排出開口から排出される。これによりサーバの発熱による室内温度の上昇を抑えることができる。

【0018】

コンテナ室内でラックに搭載されるサーバは、コンテナの長手方向に配列され、その中央よりも排出開口の近く設けることが好適である。かかる配置によりサーバの発熱による温風をコンテナ室内に滞留させず迅速に排出することができる。

【0019】

保水体は複数に分割でき、かつ外枠に着脱可能に構成することが好適である。取り付け取り外しを可能に構成することで、メンテナンス性が向上する。また、保水体の通風孔は、空気の流入口から流出口の上方向に斜め４５度傾斜していることが好適である。これにより、通気性と風圧による横揺れを軽減することができる。

【0020】

本第２の発明は、長手方向の側面に外気が流入する外気流入開口と、前記外気流入開口と対向する側面に室内に流入した外気を排出する排気開口と、前記室内にラックに収納された複数のサーバとを備えたコンテナ型計算センタであって、
前記外気流入開口の前面を覆うように設けられた通風孔を有する保水体と前記保水体に水を供給する水供給装置とを有するウォータカーテンと、前記排出開口に設けられ前記室内に負圧を発生させる排気ファンとを備えたたことを特徴とするコンテナ型計算センタ、である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、短期間に低コストで手軽にどこでも設置することができ、コンテナ内に設けられた電子装置の発熱による室内温度の上昇を効率的に抑制できる電力（エネルギー）消費量の少ない冷却システムを提供することができる。また、かかる冷却システムを備えたコンテナ型計算センタを提供することができる。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の一実施の形態であるコンテナ型計算センタ１０の平面図である。コンテナ型計算センタ１０を構成するコンテナ１１は、天井部（上面）と壁部（周囲面）と床部（下面）とにより構成される。本実施形態のコンテナ１１は、人がコンテナ１１の外部から内部へ出入り可能な外ドア１８を備えている。

【0023】

コンテナ１１は、その内部（室内）に少なくとも複数のサーバが設けられるスペースがあればよく、コンテナ１１は例えば輸送用コンテナなどを含み、トラックなどに乗せて輸送できるものであればよい。要は、輸送可能な中空の容器であり、その内部と外部との間で熱をある程度断熱できるように構成されていることが好ましい。

【0024】

図２は本発明の一実施の形態であるコンテナ１１の正面図（外気流入開口側）である。図２に示すように本発明の一実施の形態であるコンテナ１１の長手方向側面には外気が流入する外気流入開口１０１が設けられている。しかし、外気流入開口１０１はこれに限定されるものではなく、複数の開口としても良い。要はサーバ３１を冷却するに必要となる外気流入量が確保できることと、開口部が大きくなることによるコンテナ剛性の低下とのバランスにより適宜決定される。

【0025】

図３は本発明の一実施の形態であるコンテナ１１の背面図（排気開口側）である。図１、図３に示すように外気流入開口１０１と対向する面には排気開口１０２に取付枠等により排気ファン４０が設けられている。排気ファン４０は室内の空気を外部に排出することで、室内に負圧を発生させる。

【0026】

図１に示すようにコンテナ１１の室内には長手方向にラック３０が設けられ、ラック３０にサーバ３１が搭載されている。ラック３０は長手方向中央よりも排気ファン４０寄りに配置されている。ラック３０ は、コンテナ１１の内部の床面積に比べ小さく設計されており、ラック３０とコンテナ壁部との間を通路として用いることができる。なおサーバ３１には制御盤５０からラック経由で電力線と通信線とが配線されている。

【0027】

図４は本発明の一実施の形態であるコンテナ１１の断面図である。コンテナ１１の外気流入開口１０１の前面には、それを覆うようにウォータカーテン２０が設けられ、またウォータカーテン２０の前面には、防塵ネット６０が設けられている。防塵ネット６０は、蛾、飛翔昆虫、花粉、綿毛等がウォータカーテン２０や、コンテナ１１の内部に入るのを防ぐためのものである。その材質は 、例えば、ステンレス製のフィルターが好適である。また、空気中の５ｕｍを越えるほこりやその他の浮遊物をろ過するには、厚み５ｍｍ程度のポリエステル繊維のフィルターが好適であり、これらを組み合わせて使用しても良い。

【0028】

コンテナ１１は、床部１１１ 、床部１１１に対向する天井部１１０、及び床部１１１及び天井部１１０とともに、コンテナ１１の内部空間（サーバ室空間）を形成する壁部１１３とを有する。コンテナ１１は柔軟な改変に対応するため束基礎１１２を用いている。ラック３０は、鋼鉄、アルミニウム、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などで構成され、各段にサーバ３１を設置することができる。各サーバ３１は同一方向に揃えて収容することが好ましい。このようにすることでサーバ３１を冷却する空気を吸気する経路と、サーバ３１の発熱により暖められた空気が排出される経路とが設定され、排気ファン４０の吸引力とサーバ３１の放熱ファンとによりコンテナ室内に温風が滞留することなく排気ファン４０によりコンテナ１１から外に排気される。

【0029】

図５は本発明の一実施の形態であるウォータカーテン２０の正面図（図５（ａ））と側面図（図５（ｂ））である。ウォータカーテン２０はコンテナ１１の外気流入開口１０１の前面（室外側）にそれを覆うように設置される。図５に示すウォータカーテン２０においては、それを構成する保水体２１（図６参照）が２分割構成となっている。保水体２１を２分割以上に分割して構成し、コンテナ１１の取付枠に着脱可能に取り付けることで、保水体２１の一部に破損等があっても、当該部分の取替で済ますことができる。また、着脱可能に構成することで、汚れや目詰まり等に対するメンテナンス性が向上する。
保水体２１の上部からは水が供給されるが、保水体２１の終端から流れ落ちる水を回収するのが水槽２３である。水槽２３に回収された水はマイクロポンプ２４（図６参照）により揚水され保水体２１の上部から供給される。

【0030】

図６は本発明の一実施の形態であるウォータカーテン２０の構成図である。ウォータカーテン２０は保水体２１と保水体２１の上部から水を供給する水供給装置とを備えて構成されている。水槽２３の貯留水は給水管２５から水槽２３の貯留水が一定となるように給水弁により制御されている。

【0031】

図７は本発明の一実施の形態であるウォータカーテン２０の概略構成図である。水槽２３の水は、保水体２１の両端に配置されたマイクロポンプ２４により垂直方向の給水管から保水体２１の上部に配管された水平方向の給水管２２に供給され、水平方向の給水管２２に形成された孔から均一に滴下する（流れ落ちる）。これにより、保水体２１全体が均一に水に浸り、保水体２１から流下した水は水槽２３に回収され循環する。なお、本実施の形態における水消費量は、気温３５℃、湿度６０％において、１平方 メートルあたりの 水使用量は約２０ｋｇ／ｈであった。

【0032】

保水体２１の材料としては、ポリマー繊維、ガラス繊維、クラフト紙、あるいはこれらの組合せによる。これらのなかでもクラフト紙は安価で冷却効果が高く好適である。保水体２１は多数の孔を有する通風性を備え、通風孔は前面（外気流入側）から後面（外気排気側）上方向に略４５度傾斜している。かかる細孔の構造により通水性と通風性、及び耐風性を確保することができる。

【0033】

外気流入口１０１から流入する外気は、保水体２１を通過するが、その際、保水体の水分子が吸熱し蒸発する。かかる吸熱反応により保水体を通過する外気は室内の空気よりも低温となる。かかる冷気により発熱しているサーバ３１を冷却することでコンテナ１１の室内の温度上昇を抑制することができる。そして、サーバ３１で暖められた空気をコンテナ１１内に滞留させることなく排出することで、より効果的に室内温度の上昇を抑制することができる。

【0034】

図８はウォータカーテン２０により冷却された外気が、発熱しているサーバ３１を冷却した後、暖められ温風となって排気ファン４０により排出される気流の経路を平面的に示した図である。また、図９はウォータカーテン２０により冷却された外気が、発熱するサーバ３１を冷却した後、暖められ温風となって排気ファン４０により排出される気流の経路を断面的に示した図である。

【0035】

コンテナ１１の室内は、排気ファン４０により負圧の状態になっている。このため外気流入開口１０１から流入する外気は、ウォータカーテン２０で冷気となりサーバ３１を冷却した後、サーバ３１の放熱ファンにより温風として送風される。かかる温風は平面的には図８に示すような放熱ファンと排気ファン４０とにより形成される気流の経路により、排気ファン４０でコンテナ１１の外に排出される。また、断面的には図９に示すような気流の経路により排気ファン４０によりコンテナ１１の外に排出される。この結果、暖められた空気がコンテナ１１内に滞留することなくコンテナ１１の外に排出される。

【0036】

排気ファンの排気量は、サーバ３１の数により変化するが、少なくもサーバ３１が備える放熱ファンの送風量の合計送風量よりも大きくすることが好適である。例えば、コンテナ１１内で２１０台のサーバ３１を稼働する場合、サーバ３１の放熱ファンの送風量を０．０９ｍ3/ｓとすると、合計送風量は０．０９ｍ3/ｓ×２１０台×３６００ｓ／Ｈ＝６８，０４０ｍ3/ｈとなる。コンテナ１１の排気ファン４０として３台設置するとすれば、少なくとも２３,０００ｍ3^／ｈ以上の排気量を備えた排気ファンである必要がある。なお、本実施の形態においては、４５,０００ｍ3/ｈの排気量を備えた排気ファンを用いることで温風がコンテナ１１の室内に滞留することなく外部に排出された。

【0037】

図１０は本発明の一実施の形態であるコンテナ型計算センタを６台設置する場合の配置図の一例である。図１０に示すように各コンテナ型計算センタの排気ファン４０がそれぞれ対向するにように配置することにより、排気ファン４０から排出される温風が互いに衝突する。衝突した温風は、コンテナ１１の壁面が煙突として機能し、コンテナ１１の上空に放出・拡散される。これにより、排気ファン４０により排出される温風が外気としてコンテナ型計算センタに流入するのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】本発明の一実施の形態であるコンテナ型計算センタの平面図である。

【図2】本発明の一実施の形態であるコンテナの正面図（外気流入開口側）である。

【図3】本発明の一実施の形態であるコンテナの背面図（排気開口側）である。

【図4】本発明の一実施の形態であるコンテナの断面図である。

【図5】本発明の一実施の形態であるウォータカーテンの正面図である。

【図6】本発明の一実施の形態であるウォータカーテンの構成図である。

【図7】本発明の一実施の形態であるウォータカーテンの概略構成図である。

【図8】本発明の一実施の形態であるコンテナに流入する外気の経路を平面的に示した図である。

【図9】本発明の一実施の形態であるコンテナに流入する外気の経路を断面的に示した図である。

【図10】本発明の一実施の形態であるコンテナ型計算センタを６台設置する場合の配置図の一例である。

【符号の説明】

【0039】

１０ コンテナ型計算センタ
１１ コンテナ
１８ ドア
２０ ウォータカーテン
２１ 保水体
２２ 給水管
２３ 水槽
２４ マイクロポンプ
２５ 給水管
３０ サーバラック
３１ サーバ
４０ 排気ファン
５０ 制御盤
６０ 防塵ネット
１０１ 外気流入開口
１０２ 排気開口
１１０ 天井部
１１１ 床部
１１２ 束基礎
１１３ 壁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】