JP5372901B2 - データセンタ用の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、電子装置が設置されたデータセンタの冷却システムに関するものであり、特に、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルと、圧縮機により冷媒が強制循環する圧縮式サイクルとを併設し、それら２つの冷凍サイクルを使い分けることが可能なデータセンタの冷却システムに関するものである。

例えば、特許文献１に示された従来の冷媒自然循環併用式の空気調和機は、室外ユニット、室内ユニット、前記室外ユニット内に設けられ冷媒を圧縮する圧縮機、前記室外ユニット内に設けられ室外側熱交換器である凝縮器、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧装置、前記室内ユニットに設けられた室内側熱交換器である蒸発器、前記凝縮器のファン、前記蒸発器のファン、冷媒自然循環運転時に前記圧縮機をバイパスするための逆止弁を設けたバイパス配管、液配管、及びガス配管で構成される。

上記従来の冷媒自然循環併用式の空気調和機は、年間を通して冷房が必要な場所に利用される。例えば室内温度が外気温度よりも低いときには、圧縮機による冷媒強制循環運転（圧縮式サイクルによる運転）を行い、室内温度が外気温度よりも高いときには圧縮機を停止し、外気の冷熱を利用した自然循環運転（自然循環式サイクルによる運転）を行う。また、従来の冷媒自然循環併用式の空気調和機では、室外ユニットは室内ユニットと、液配管，ガス配管で接続され、前記室外ユニットの凝縮器は室内ユニットの蒸発器よりも高い位置に配置される。

次に、従来の冷媒自然循環併用式の空気調和機の運転動作について説明する。まず、冷媒強制循環運転について説明する。膨張弁を、凝縮器を出た冷媒液を減圧して二相状態の湿り蒸気とするための適切な開度に設定する。圧縮機を運転させると、圧縮機の吐出圧力と吸入圧力との圧力差で逆止弁は閉止され、強制循環のサイクル（圧縮式サイクル）が形成される。

次に、室内温度より外気温度が低い場合の冷媒自然循環運転について説明する。まず冷媒回路内の圧力損失を低減するために膨張弁を全開にする。これにより、冷媒の流れにより逆止弁は開放され、自然循環のサイクル（自然循環式サイクル）が形成される。この際、冷媒は圧縮機を通る流路にも流れようとする。しかし、圧縮機内部の流動抵抗がバイパス配管の流動抵抗に比べて非常に大きいため、圧縮機内部を通る冷媒流量はバイパス配管を通る冷媒流量に対して無視できるほど小さくなる。

このように、従来の自然循環併用式の空気調和機では冷媒の強制循環運転と自然循環運転とを備え、外気温度と室内温度に応じて切り換える構成であり、自然循環運転の必要動力としては凝縮器のファンと蒸発器のファンの入力だけとなるため、冷媒強制循環運転のみの空気調和機と比べて年間消費電力の大幅削減が可能となる。

特許第３３３４６０１号公報 特開平９−２７３８７６号公報

しかしながら、冷媒自然循環併用式の空気調和機では、自然循環サイクル時に、蒸発器またはガス管内で蒸発しきれなかった冷媒液の高さと、液管内に充填されている冷媒液の高さとの差（ヘッド差）が駆動力となる。そのため、常に液管内にはガス管側と比べて必要冷媒流量が流れたときの圧力損失分だけ、冷媒液の高さが必要となる。一方、冷媒強制循環サイクルでは、圧縮機により強制的に冷媒は循環する。そのため、冷媒強制循環サイクルは冷媒自然循環サイクルと比べると、動作に必要な冷媒量は少ない。したがって、冷媒自然循環サイクルから冷媒強制循環サイクルへ切り替える際には余剰な冷媒をサイクルのどこかに貯留する必要があった。

仮に冷媒強制循環サイクルにおいて必要以上の冷媒がサイクル内に封入されている場合、被冷却部により発生した熱では冷媒がガス化しきれず、液も含まれた気液二相流でガス管へ流入する。この気液二相流がガス管を上昇し、圧縮機へ流入すると、圧縮機で圧縮することができず、冷媒液の量が多い場合には圧縮機が正常動作しない可能性がある。冷媒自然循環サイクルにおいてもガス配管へ冷媒液が流入することは起こりうる。しかしながら、冷媒自然循環サイクルにおいては、ガスと液との密度差に起因する駆動力によりサイクルが動作しているため、冷媒液はガス管内で再び重力方向へ流れ、蒸発器側へ溜まるだけである。

従来の技術では、この余剰冷媒を貯留するために、圧縮機の前に冷媒液とガスとを分離し、ガスのみを圧縮機内へ流入させる目的で設置しているアキュムレータや、新たに液溜めを設置し液を貯留していた。

例えば、特許文献１に記載の冷媒自然循環併用式の空気調和機は、冷媒強制循環サイクルから冷媒自然循環サイクルへの切り替えは、圧縮機により冷媒をガス化して凝縮器に流入させた後、凝縮させた冷媒液を液配管に流入させ、液配管に液柱を形成させることにより行っていた。そのため、冷媒強制循環サイクルから冷媒自然循環サイクルへの切り替えに時間を要したり、圧縮機を余計に運転させ消費電力が増大したりするという課題があった。

また、その他の従来技術として、例えば特許文献２に記載の冷媒自然循環ループを備えた冷房装置では、余剰冷媒貯留用の液溜めを設置している。しかし、冷媒自然循環サイクルで室内を冷房するためには、凝縮器のある室外機は被冷却部のある室内に比べ高所に設置しなければならない。そのため、建物の屋上のスペースやベランダ等の限られた面積に設置することとなる。これより、凝縮器のある室外機の設置面積は小さい方が好ましい。しかし、特許文献２のように余剰冷媒貯留用の液溜めを設置する場合、室外機の設置面積を増大させてしまうという課題があった。

また、冷媒強制循環サイクルでは、圧縮機の動作により駆動力が確保されている。そのため、冷媒自然循環サイクルと比べて凝縮器内の冷媒の流量を増やすことで、伝熱性能を向上させることができる。このとき、凝縮器内の圧力損失は大きくなる。しかし、圧縮機により駆動力が確保されているため、サイクルは動作する。よって冷媒強制循環サイクルにおいては、冷媒自然循環サイクルに比べてコンパクトな凝縮器とすることができる。しかし、上記従来技術の冷媒自然循環併用式の空気調和機では、自然循環サイクルと強制循環サイクルでは同一の凝縮器を用いているため、凝縮器は自然循環サイクルでの熱交換量を確保するための設計が必要となり、コンパクトな構造とすることができないといった課題が残されている。

ところで、サーバー等の電子装置が設置されたデータセンタでは、電子装置が発熱するため、電子装置の稼動中は常に電子装置を冷却する必要がある。電子装置の冷却が適切に行われていないと、電子装置が正常動作せず、場合によっては電子装置に記憶されているデータ等が正しく記憶されない可能性もある。そのため、データセンタに用いる冷却システムとして、自然循環サイクルと強制循環サイクルを備えた冷媒自然循環併用式の空気調和機を用いる場合には、自然循環サイクルと強制循環サイクルとの運転の切替え時、特に強制循環サイクルから自然循環サイクルに運転を切替える時に、速やかに冷却能力を発揮することが要求される。具体的には、強制循環サイクルから自然循環サイクルに運転を切替えると、直ぐに冷媒が密度差による自然循環が行われる必要がある。

しかしながら、特許文献１および２に記載の従来技術では、強制循環サイクル時に余剰となった液冷媒を、自然循環サイクル時に素早く供給するための工夫は何ら成されておらず、これらの従来技術をデータセンタの冷却システムにそのまま用いた場合には、強制循環サイクルから自然循環サイクルに運転を切替えても、自然循環サイクルにおいて素早く冷却能力を発揮することができないといった課題が残されている。

以上のことから、本発明の目的は、このような圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへの切替えを素早く行うことができ、しかも、省スペースなデータセンタ用の冷却システムを提供することにある。

上記の問題を解決するために、本発明に係るデータセンタ用の冷却システムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記凝縮器より低い位置に配置され、データセンタ内の電子装置から吸熱する蒸発器とを順次配管で接続して環状に形成された冷媒回路に、前記圧縮機をバイパスするバイパス配管と、冷媒の流路を、前記圧縮機を経由する流路と前記バイパス配管を経由する流路とに切替える流路切替手段とを設けて形成され、前記流路切替手段を操作することにより、前記圧縮機により冷媒が強制循環する圧縮式サイクルと、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルとを切替えて運転することが可能なデータセンタ用の冷却システムであって、前記凝縮器は、複数個の分割凝縮器から成り、前記複数個の分割凝縮器のうち少なくとも一部の分割凝縮器は、鉛直方向に延びた直管状の伝熱管を備えていると共に、流入した冷媒が前記直管状の伝熱管の上部から下部に向かって流れるように構成され、前記一部の分割凝縮器の冷媒の入口には第１制御弁が設けられると共に、前記一部の分割凝縮器の冷媒の出口には第２制御弁が設けられ、前記第１制御弁および前記第２制御弁を操作することにより、液化した冷媒のうち所定量を前記一部の分割凝縮器内に貯留した状態で、残りの分割熱交換器を用いて前記圧縮式サイクルによる運転を可能としたことを特徴とするものである。

本発明によれば、複数個の分割凝縮器のうち少なくとも一部の分割凝縮器には、鉛直方向に延びた直管状の伝熱管が組み込まれているため、例えば、Ｕ字管などの伝熱管に比べて冷媒が管内を流れる際の圧力損失を小さくすることができる。圧力損失が小さいということは、冷媒が素早く蒸発器へと流れていき、蒸発器の上流側と下流側との間に液冷媒のヘッド差を設けることができる。つまり、冷媒を自然循環させるための駆動力を直ちに得ることができるのである。そのため、本発明では、流路切替手段を操作して圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへと運転を切替えて第２制御弁を開けると、一部の分割凝縮器に貯留されている液冷媒が素早く蒸発器へと流れて上記したヘッド差が生じ、そのヘッド差を駆動力として、直ちに冷媒が自然循環を開始するので、電子装置の冷却が一時的にストップするといった事態は起こらないのである。

さらに、本発明では、複数個の分割凝縮器のうち一部の分割凝縮器に液冷媒を貯留する構成であるため、圧縮式サイクルによる運転の際に余剰となった冷媒を溜めるために別途、液溜め装置を設ける必要はない。そのため、コンパクトで省スペースな冷却システムを提供することができる。このように、本発明は、圧縮式サイクルによる運転時には凝縮器の一部を用いて熱交換するだけで十分であることに着目し、余剰の冷媒を複数個の分割凝縮器のうち一部の分割凝縮器を液冷媒の貯留部として用いることができる構成としているのである。

また、上記構成において、前記自然循環式サイクルから前記圧縮式サイクルに運転を切替える際には、前記第２制御弁を閉じて前記一部の分割凝縮器内に所定量の液化した冷媒が貯留された後に、前記第１制御弁を閉じ、前記圧縮式サイクルから前記自然循環式サイクルに運転を切替える際には、前記第２制御弁を開けて前記一部の分割凝縮器内に貯留された冷媒を重力により前記蒸発器へと流した後に、前記第１制御弁を開けるようにした構成とするのが好ましい。圧縮式サイクルから自然循環式サイクルに運転を切替える際に、第１制御弁を第２制御弁より先に開けると、温度や圧力等の条件によっては、分割凝縮器内に貯留されている液冷媒が圧縮機側へ逆流する可能性があるからである。

なお、上記構成において、前記複数個の分割凝縮器は、互いに並列に配置される構成とするのが好ましい。複数の分割凝縮器を直列に接続し、その一部の分割凝縮器に液冷媒を貯留する構成に比べて、簡単でコンパクトな構造とすることができるからである。

本発明によれば、圧縮式サイクル運転時において、凝縮器を構成する複数の分割凝縮器のうち一部の分割凝縮器に液冷媒を貯留することができる構成であるため、常に最適な冷媒量を循環させることができる。また、本発明によれば、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへ切り替える際に、一部の分割凝縮器に貯留されている液冷媒を重力によって速やかに蒸発器へと供給して、蒸発器の上流側と下流側との間にヘッド差を付けることができるため、このヘッド差を駆動力にして冷媒を確実に自然循環させることができる。このとき、圧縮機の動作を必要としないので、消費電力を抑えることができる。また、本発明では、一部の分割凝縮器の伝熱管が直管状に構成されているので、その内部に貯留された液冷媒が管内を流れていく際に、圧力損失を抑えることができる。そのため、液冷媒がスムーズに蒸発器側に流れていくこととなり、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへ運転を切替えた際に、冷媒の循環が一時停滞するような事態は生じ難い。よって、本発明によれば、データセンタに設置された電子装置が一時的に冷却されないといった事態は起こり難いのである。また、本発明では、新たに液溜めを設置することなくサイクル内の冷媒量を調整することができるため、省スペースかつ高効率なデータセンタ用の冷却システム空気調和機を達成できる。

本発明の第１の実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムの構成を示す図である。 図１に示す凝縮器の構成を示す斜視図である。 図２に示す凝縮器の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムについて図を参照しながら説明する。図１に示すように、第１の実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムは、データセンタ１００内に設置された複数のサーバー（電子装置）５１を冷却するためのものであり、冷媒を圧縮する圧縮機５と、凝縮器３と、膨張弁６と、凝縮器３より低い位置に配置された複数のサーバー（電子装置）５１から吸熱する複数の蒸発器１とを順次配管で接続して環状に形成された冷媒回路に、圧縮機５をバイパスするバイパス配管１３と、冷媒の流路を、圧縮機５を経由する流路とバイパス配管１３を経由する流路とに切替える制御弁（流路切替手段）２１，２２，２３とを設けて形成されており、制御弁２１，２２，２３を操作することにより、圧縮機５により冷媒が強制循環する圧縮式サイクルと、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルとを切替えて運転することが可能となっている。

また、本実施の形態例に係る凝縮器３は、図２に示すように、並列に設けられた２つの分割凝縮器３ａ，３ｂを備えている。一方の分割凝縮器３ａは、上部に配置された大ガスヘッダ１２ａと、この大ガスヘッダ１２ａの長手方向に間隔を空けて設けられ、大ガスヘッダ１２ａの軸心方向と直交する方向に延在する複数の小ガスヘッダ１３ａと、下部に配置された大液ヘッダ１４ａと、この大液ヘッダ１４ａの長手方向に間隔を空けて設けられ、大液ヘッダ１４ａの軸心方向と直交する方向に延在する複数の小液ヘッダ１５ａとを備えており、小ガスヘッダ１３ａと小液ヘッダ１５ａとの間に、鉛直方向（図２の上下方向）に沿って延びる複数の伝熱管３ａ−１，２，３・・・が組み込まれている。より詳細には、１つの小ガスヘッダ１３ａと１つの小液ヘッダ１５ａとで複数（７本）の伝熱管を保持して成る小ユニットを、大ガスヘッダ１２ａおよび大液ヘッダ１４ａに複数個（９個）片持ち支持させて１つの分割凝縮器３ａが形成されている。なお、大ガスヘッダ１２ａには、冷媒を分割凝縮器３ａに導くための入口１８ａが設けられ、大液ヘッダ１４ａには、冷媒を凝縮器３の外部に送り出すための出口１９ａが設けられている。

同様に、他方の分割凝縮器３ｂは、上部に配置された大ガスヘッダ１２ｂと、この大ガスヘッダ１２ｂの長手方向に間隔を空けて設けられ、大ガスヘッダ１２ｂの軸心方向と直交する方向に延在する複数の小ガスヘッダ１３ｂ、下部に配置された大液ヘッダ１４ｂと、この大液ヘッダ１４ｂの長手方向に間隔を空けて設けられ、大液ヘッダ１４ｂの軸心方向と直交する方向に延在する複数の小液ヘッダ１５ｂとを備えており、小ガスヘッダ１３ｂと小液ヘッダ１５ｂとの間に、鉛直方向（図２の上下方向）に沿って延びる複数の伝熱管３ｂ−１，２，３・・・が組み込まれている。より詳細には、１つの小ガスヘッダ１３ｂと１つの小液ヘッダ１５ｂとで複数（７本）の伝熱管を保持して成る小ユニットを、大ガスヘッダ１２ｂおよび大ガスヘッダ１４ｂに複数個（９個）片持ち支持させて１つの分割凝縮器３ｂが形成されている。なお、大ガスヘッダ１２ｂには、冷媒を分割凝縮器３ｂに導くための入口１８ｂが設けられ、大液ヘッダ１４ｂには、冷媒を凝縮器３の外部に送り出すための出口１９ｂが設けられている。

また、分割凝縮器３ｂの入口１８ｂには第１制御弁７が設けられ、出口１９ｂには第２制御弁８が設けられている。よって、分割凝縮器３ｂの伝熱管３ｂ−１，２，３・・・内部に液冷媒がある状態で第１制御弁７および第２制御弁８を閉じると、分割凝縮器３ｂ内に液冷媒を貯留することができる。つまり、本実施の形態例では、分割凝縮器３ｂに液冷媒を貯留する機能を持たせているのである。

ここで、伝熱管３ａ−１，２，３・・・、および伝熱管３ｂ−１，２，３・・・は、直管状を成している。これは、管内を冷媒が流れる際の圧力損失を小さくするためである。なお、本実施の形態例において、伝熱管３ａ−１，２，３・・・および伝熱管３ｂ−１，２，３・・・の直径は、冷媒流量や圧力損失を考慮して適宜決定することができることは言うまでもない。

このように構成された凝縮器では、上部に設けられた共通入口１６から流入したガス冷媒は、２つの分割凝縮器３ａ，３ｂにそれぞれ分かれて流れていき、入口１８ａから分割凝縮器３ａに流入した冷媒は、大ガスヘッダ１２ａから各小ガスヘッダ１３ａに分岐して、直管状の伝熱管３ａ−１，２，３・・・を鉛直方向に流下する。そして、各小液ヘッダ１５ａを流れて大液ヘッダ１４ａに集合した冷媒は、出口１９ａから共通出口１７へと流れていく。同様に、第１制御弁７を通過して入口１８ｂから分割凝縮器３ｂに流入した冷媒は、大ガスヘッダ１２ｂから各小ガスヘッダ１３ａに分岐して、直管状の伝熱管３ｂ−１，２，３・・・を鉛直方向に流下する。そして、各小液ヘッダ１５ｂを流れて大液ヘッダ１４ｂに集合した冷媒は、出口１９ｂから第２制御弁８を通過して、共通出口１７へと流れていく。

ここで、分割凝縮器３ａの入口１８ａと出口１９ａには制御弁は設けられていないので、第１制御弁７および第２制御弁８が閉じられていても、冷媒は分割熱交換器３ａを流れることができる。この構成により、液化した冷媒のうち所定量を分割凝縮器３ｂ内に貯留した状態で、分割熱交換器３ａを用いて圧縮式サイクルによる運転を行うことができるのである。

また、本実施の形態例に係る冷却システムでは、複数のサーバー５１のそれぞれに蒸発器１が取り付けられており、これら複数の蒸発器１は互いに並列に接続されている。よって、分割凝縮器３ａ，３ｂにて液化された冷媒は、それぞれの蒸発器１に分岐して流れることとなる。

なお、本実施の形態例では、分割凝縮器３ａと分割凝縮器３ｂの表面積及び体積は等しくなっているが、自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとの必要冷媒量の差や、圧縮式サイクル時の必要伝熱面積に応じて、異なる表面積及び体積としてもよい。また、冷媒の分配性を向上させる目的で、ガス配管２および液配管４をそれぞれ分岐させて分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂに接続するようにしても良い。このとき、分割凝縮器３ｂに接続するガス配管２および液配管４を分岐する場合には、分割凝縮器３ｂが第１制御弁７及び第２制御弁８により密閉されるよう、ガス配管２の分岐位置は第１制御弁より下流側とし、液配管４の分岐位置は第２制御弁８の上流側とすることは言うまでもない。

なお、減圧装置である膨張弁６と並列に冷媒の流量を調節するための冷媒量調節弁１１が設けられており、さらに、膨張弁６の上流側には制御弁２４が設けられている。また、蒸発器１にはファン９が設けられており、分割凝縮器３ａ，３ｂにはファン１０が設けられている。また、符号２は、気化した冷媒が流れるガス配管であり、符号４は、液化した冷媒が流れる液配管である。

ここで、本実施の形態例ではファン１０は分割凝縮器３ａ，３ｂの横に配置されているが、例えば分割凝縮器３ａ，３ｂの上方に設置してもよい。また、圧縮式サイクルにおいて冷媒量調節弁１１で冷媒を十分減圧させることが可能であれば、膨張弁６及び制御弁２４は不要である。

続いて、本実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムの運転動作について説明する。この冷却システムは、年間を通じて冷房を必要とするデータセンタ１００に利用され、分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂ内での外気と冷媒との交換熱量が、蒸発器１内の吸込空気と冷媒との交換熱量以上となる場合は自然循環式サイクル、分割凝縮器３ａ，３ｂ内での外気と冷媒との交換熱量が、蒸発器１内の吸込空気と冷媒との交換熱量未満の場合は圧縮式サイクルによる運転を行う。

まず、自然循環式サイクルでの動作について説明する。自然循環式サイクルでは、制御弁２３を全閉とし、第１制御弁７、第２制御弁８、制御弁２１、及び制御弁２２、を全開として、サイクルが構成されている。また制御弁２４が取り付けられている場合、制御弁２４は全閉となっている。サーバー５１の運転により発生した熱は、蒸発器１側のファン９により蒸発器１へ輸送される。蒸発器１で高温の空気と低温の冷媒とで熱交換されガス化した冷媒は、冷媒液との密度差によりガス配管２を上昇してゆく。そのまま、冷媒は制御弁２１及び２２を経由し、分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂへ流入する。凝縮器３へ流入したガス冷媒は分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂ側のファン１０により外気と熱交換され液化し、重力により液配管４を降下する。

このとき降下した冷媒液は、冷媒量調節弁１１により流量を制御され、蒸発器１へ流入する。ガス管２内の蒸発しきれなかった冷媒液の高さに比べ、液配管４内に溜まっている冷媒液の高さが高い場合、ガス冷媒と冷媒液との間の密度差により、液配管４内の冷媒液に重力方向の力が生じる。この力が自然循環式サイクルにおける冷媒の駆動力となる。蒸発器１、分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂ、ガス配管２、液配管４、制御弁２１及び２２、冷媒量調整弁１１を冷媒が通過したときの圧力損失が上記駆動力より小さい場合に、自然循環式サイクルは動作する。このため、冷媒が通過する蒸発器１、ガス配管２、液配管４、制御弁２１及び２２、冷媒量調整弁１１についても、分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂと同様に、配管径を大きくする等、圧力損失が小さい構成とする。これにより必要な冷媒液の高さの差を小さくすることができ、より蒸発器１と分割凝縮器３ａ及び分割凝縮器３ｂとの高低差を小さくして構成することができる。

このように、本実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムによれば、自然循環式サイクルによる運転は、蒸発器１における冷媒の密度差により生じる駆動力で動作するため、蒸発器１側のファン９及び分割凝縮器３ａ，３ｂ側のファン１０の入力電力のみである。したがって、本実施の形態例に係る冷却システムは、従来の圧縮機を動作させる冷凍サイクルによる空気調和機と比べ、消費電力を大幅に削減することが可能である。

次に、圧縮式サイクルでの動作について説明する。圧縮式サイクルでは、制御弁２３を全開とし、第１制御弁７、第２制御弁８、制御弁２１、及び制御弁２２を全閉として、サイクルが構成されている。また制御弁２４が取り付けられている場合、制御弁２４は全開となっている。サーバー５１の運転により発生した熱は、蒸発器１側のファン９により蒸発器１へ輸送される。蒸発器１で高温の空気と低温の冷媒とで熱交換されガス化した冷媒は、ガス配管２を上昇してゆく。その後、冷媒は制御弁２３を経由して圧縮機５へ流入して圧縮され、高圧ガスとなると共に、駆動力を得る。高圧ガスとなった冷媒は、制御弁７が全閉となっているために分割凝縮器３ｂへは流入せず、分割凝縮器３ａのみへ流入する。分割凝縮器３ａへ流入した高圧ガス冷媒は、分割凝縮器３ａ，３ｂ側のファン１０により外気と熱交換され液化し、高圧の液冷媒となり液配管４を降下する。降下した冷媒液は、冷媒量制御弁１１、または制御弁２４を経由して膨張弁６により低圧の湿り蒸気となり、蒸発器１へ流入する。

自然循環式サイクルのときと異なり、冷媒には圧縮機５による駆動力が加わる。したがって、自然循環式サイクルのときの駆動力である、ガス管２内の冷媒液の高さと液配管４内に充填されている冷媒液の高さとの差（蒸発器１の上流側の液冷媒と下流側の液冷媒とのヘッド差）を必要とせずにサイクルは動作する。自然循環式サイクルで分割凝縮器３ｂを通過した冷媒は、圧縮式サイクルにおいては分割凝縮器３ａのみを通過する。このとき分割凝縮器３ａ内の圧力損失は、冷媒流量の増加、すなわち流速の増加により増大するものの、圧縮機５により強制的に冷媒は循環させられる。このため、自然循環式サイクルのときと比べて圧縮式サイクルでは、分割凝縮器３ａ内を冷媒が通過するときの圧力損失が大きい場合においてもサイクルを動作させることができる。このとき冷媒流量の増加により、分割凝縮器３ａ内を冷媒が通過したときの凝縮器伝熱管の管内熱伝達率が増大する。したがって、分割凝縮器３ａの伝熱面積のみで室内側の負荷と圧縮機５の動力による負荷を処理することができる。つまり、圧縮式サイクルの場合には、分割凝縮器３ａのみで熱的なバランスが図られているのである。

次に、自然循環式サイクルと圧縮式サイクルとの切り替え動作について説明する。まず、自然循環式サイクルから圧縮式サイクルへ切り替える場合は、制御弁２３を全開とし、冷媒量調節弁１１、制御弁２１及び２２は全閉とする。また制御弁２４が取り付けられている場合、制御弁２４を全開とする。その後、圧縮機５を始動させ、圧縮式サイクルを開始する。圧縮式サイクルを開始させた後、第２制御弁８を全閉とすることにより、分割凝縮器３ｂには高圧の液冷媒が貯留される。圧縮式サイクルに必要な冷媒量となった時点で、第１制御弁７を全閉とすることにより、余剰冷媒は分割凝縮器３ｂに貯留され、適切な冷媒量で圧縮式サイクルが動作する。

圧縮式サイクルに必要な冷媒量であるかを確認するためには、例えば、分割凝縮器３ｂの伝熱管３ｂ−１，２，３・・・のうち所定本数の伝熱管に、出口から入口にかけて長手方向に沿って数か所に温度センサ（図示せず）を取り付ける。この温度センサにより、凝縮温度に比べて温度が低くなっている伝熱管の過冷却部分の体積を求める。これより、分割凝縮器３ｂ内に貯留されている液冷媒量を算出することができるから、全体の冷媒量からその算出した冷媒量を減算することで、圧縮式サイクルによる運転で用いられている冷媒の量を確認することができる。

次に、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへ切り替える場合について説明する。まず、圧縮機５を停止させ、冷媒量調節弁１１、制御弁２１及び２２を全開とし、制御弁２３を全閉とする。また制御弁２４が取り付けられている場合、制御弁２４を全閉とする。つぎに第２制御弁８を全開とすることにより、分割凝縮器３ｂに貯留されていた液冷媒が重力により液配管４へ流入する。このとき、分割凝縮器３ｂに組み込まれている複数の伝熱管３ｂ−１，２，３・・・は直管状に形成されているので、液冷媒が管内を流れる際に圧力損失が小さい。そのため、第２制御弁８を開けると、伝熱管内に貯留されていた液冷媒は、伝熱管の上部から下部に向かって管内を速やかに流下して、液配管４内へと流れていく。そして、蒸発器１より下流側のガス管２内の冷媒液の高さに比べ、蒸発器１より上流側の液配管４内に充填されている冷媒液の高さが高くなることにより、このヘッド差を駆動力として、自然循環式サイクルが開始される。つまり、圧縮機５を停止して第２制御弁８を開けると、直ちに冷媒が回路内を自然循環するのである。

なお、第１制御弁７は、第２制御弁８が全開となって液冷媒が流れた後に全開とするように、弁の開閉順序が制御されている。これは、第１制御弁７を第２制御弁８よりも先に開けると、分割凝縮器３ｂ内に貯留されている液冷媒の圧力や温度、分割凝縮器３ｂの周囲温度などの環境条件によって、分割凝縮器３ｂ内の液冷媒が、蒸発器１の下流側（圧縮機５の側）へと逆流するのを防止するためである。勿論、分割凝縮器３ｂの伝熱管に貯留された液冷媒は、第２制御弁８を開けると速やかに蒸発器１の上流側に向かって流れていくため、第１制御弁７と第２制御弁８の弁の開動作の時間の差は僅かしかない。

以上、説明したように、第１の実施の形態例によれば、圧縮式サイクルで動作する場合には、第１制御弁及び第２制御弁８により密閉される分割凝縮器３ｂに、自然循環式サイクル時に必要な余剰冷媒を貯留できる構造となっているため、新たに余剰冷媒貯留用の液溜めを必要とすることなく、最適な冷媒量を循環させることができる。また、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルへ切り替える際に、圧縮機５を動作させ冷媒回収運転を行う必要が無いため、消費電力を抑えつつ、かつ新たに液溜めを設置することなくサイクル内の冷媒量を調整することができる。よって、省スペースかつ高効率な冷却システムとすることができる。

さらには、分割凝縮器３ｂの伝熱管を直管状に形成しているため、伝熱管がＵ字形状のものに比べて、液冷媒が伝熱管を流下する際の圧力損失を抑えることができる。したがって、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルに運転を切替えた際に、速やかに液冷媒が管内を流れていき、液冷媒のヘッド差による駆動力を直ちに得て、自然循環式サイクルによる運転が開始されるようになる。即ち、第１の実施の形態例に係る冷却システムは、圧縮式サイクルから自然循環式サイクルに運転を切替えても、冷媒が自然循環しないことによる冷却機能の一時停止の状態がなくなるので、常に冷却が必要とされるサーバー５１を冷却するのに好適なものであると言えるのである。

続いて、本発明に係るデータセンタ用の冷却システムに用いるのに好適な凝縮器であって、上記した第１の実施の形態例に係る冷却システムにて用いた分割凝縮器３ａ，３ｂの構成の一部を変形した凝縮器の例を、図３を参照しながら説明する。なお、変形例に係る凝縮器の構成のうち、第１の実施の形態例で用いた分割凝縮器３ａ，３ｂと同じ構成の部分については、同一符号を付して、その説明は省略することとする。

図３に示すように、変形例に係る凝縮器１０３は、２つの分割凝縮器１０３ａ，１０３ｂを備えている。これら２つの分割凝縮器１０３ａ，１０３ｂは、大ガスヘッダ１１２ａの一端に形成された接続口１１８ａと大ガスヘッダ１１２ｂの一端に形成された接続口１１８ａとを第１制御弁１０７を介して接続すると共に、大液ヘッダ１１４ａの一端に形成された接続口１１９ａと大液ヘッダ１１４ｂの一端に形成された接続口１１９ｂとを第２制御弁１０８を介して接続することにより、互いに並列に配置される。よって、分割凝縮器１０３ｂの伝熱管３ｂ−１，２，３・・・内部に液冷媒がある状態で第１制御弁１０７および第２制御弁１０８を閉じると、分割凝縮器１０３ｂ内に液冷媒を貯留することができる。つまり、本実施の形態例では、分割凝縮器１０３ｂに液冷媒を貯留する機能を持たせているのである。

このように構成された凝縮器１０３では、上部に設けられた共通入口１１６から流入したガス冷媒は、大ガスヘッダ１１２ａから各小ガスヘッダ１３ａに分岐して、直管状の伝熱管３ａ−１，２，３・・・を鉛直方向に流下する。そして、各小液ヘッダ１５ａを流れて大液ヘッダ１１４ａに集合した冷媒は、下部に設けられた共通出口１１７から流出する。同様に、第１制御弁１０７を通過して大ガスヘッダ１１２ｂへ流入した冷媒は、各小ガスヘッダ１３ｂに分岐して、直管状の伝熱管３ｂ−１，２，３・・・を鉛直方向に流下する。そして、各小液ヘッダ１５ｂを流れて大液ヘッダ１１４ｂに集合した冷媒は、第２制御弁１０８を通過して、共通出口１１７から流出する。

ここで、第１制御弁１０７および第２制御弁１０８が閉じられていても、冷媒は分割熱交換器１０３ａを流れることができるようになっているから、液化した冷媒のうち所定量を分割凝縮器１０３ｂ内に貯留した状態で、分割熱交換器１０３ａを用いて圧縮式サイクルによる運転を行うことができる。

この変形例に係る凝縮器１０３は、大ガスヘッダ１１２ａと大ガスヘッダ１１２ｂとを第１制御弁１０７を介して接続し、大液ヘッダ１１４ａと大液ヘッダ１１４ｂとを第２制御弁１０８を介して接続する構成としたので、図２に示す凝縮器と比べて、共通入口から各分割凝縮器へ冷媒を導くための分岐配管が不要となる。よって、凝縮器の構造がより一層コンパクトになり、更なる省スペース化が可能である。

続いて、本発明の第２の実施の形態例に係るデータセンタ用の冷却システムについて図４を参照しながら説明する。この第２の実施の形態例に係る冷却システムは、第１の実施の形態例に係る冷却システムと比べて、散水装置４１及び散水タンク４２を備えている点で相違する。そこで、以下の説明では、この相違を中心に説明することとし、第１の実施の形態例と同一の構成については、図４において図１と同一符号を付して、その説明は省略することとする。

図４に示すように、第２の実施の形態例に係る冷却システムは、分割凝縮器３ａ，３ｂを水冷却するための散水装置４１及び散水タンク４２を備えている。散水装置４１は、分割凝縮器３ａ，３ｂの下方に配置された散水タンク４２内に蓄えられた水を、図示しないポンプを駆動して汲み上げ、分割凝縮器３ａ，３ｂの上方から、分割凝縮器３ａ，３ｂに向けて散水する構成となっている。なお、本実施の形態例では、ファン１０は、分割凝縮器３ａ，３ｂの上方に取り付けられている。また、本実施の形態例では、分割凝縮器３ａ，３ｂの上方から水が散水されるため、伝熱管３ａ−１，２，３・・・及び伝熱管３ｂ−１，２，３・・・は表面にフィンのない構造が採用されている。

このような構成とすることにより、散水された水の蒸発潜熱を利用して分割凝縮器３ａ，３ｂを冷却できるため、凝縮器の伝熱性能が向上し、よりコンパクトな凝縮器とすることができる。よって、より一層省スペースな空気調和機とすることができる。

１ 蒸発器
２ ガス配管（配管）
３，１０３ 凝縮器
３ａ，３ｂ，１０３ａ，１０３ｂ 分割凝縮器
３ａ−１，２，３・・・ 伝熱管
３ｂ−１，２，３・・・ 伝熱管
４ 液配管（配管）
５ 圧縮機
６ 膨張弁
７，１０７ 第１制御弁
８，１０８ 第２制御弁
９ 蒸発器側のファン
１０ 凝縮器側のファン
１１ 冷媒量調節弁
１２ａ，１２ｂ，１１２ａ，１１２ｂ 大ガスヘッダ
１３ａ，１３ｂ 小ガスヘッダ
１４ａ，１４ｂ，１１４ａ，１１４ｂ 大液ヘッダ
１５ａ，１５ｂ 小液ヘッダ
１６，１１６ 共通入口
１７，１１７ 共通出口
１８ａ，１８ｂ 入口
１９ａ，１９ｂ 出口
２１〜２３ 制御弁（流量切替手段）
２４ 制御弁
２５ バイパス配管
４１ 散水装置
４２ 散水タンク
５１ サーバー（電子装置）
１００ データセンタ
１１８ａ，１１８ｂ，１１９ａ，１１９ｂ 接続口

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、前記凝縮器より低い位置に配置され、データセンタ内の電子装置から吸熱する蒸発器とを順次配管で接続して環状に形成された冷媒回路に、前記圧縮機をバイパスするバイパス配管と、冷媒の流路を、前記圧縮機を経由する流路と前記バイパス配管を経由する流路とに切替える流路切替手段とを設けて形成され、前記流路切替手段を操作することにより、前記圧縮機により冷媒が強制循環する圧縮式サイクルと、冷媒が密度差により自然循環する自然循環式サイクルとを切替えて運転することが可能なデータセンタ用の冷却システムであって、
   前記凝縮器は、複数個の分割凝縮器から成り、前記複数個の分割凝縮器のうち少なくとも一部の分割凝縮器は、鉛直方向に延びた直管状の伝熱管を備えていると共に、流入した冷媒が前記直管状の伝熱管の上部から下部に向かって流れるように構成され、
   前記一部の分割凝縮器の冷媒の入口には第１制御弁が設けられると共に、前記一部の分割凝縮器の冷媒の出口には第２制御弁が設けられ、
   前記第１制御弁および前記第２制御弁を操作することにより、液化した冷媒のうち所定量を前記一部の分割凝縮器内に貯留した状態で、残りの分割熱交換器を用いて前記圧縮式サイクルによる運転を可能とした
   ことを特徴とするデータセンタ用の冷却システム。
2. 請求項１の記載において、
   前記自然循環式サイクルから前記圧縮式サイクルに運転を切替える際には、前記第２制御弁を閉じて前記一部の分割凝縮器内に所定量の液化した冷媒が貯留された後に、前記第１制御弁を閉じ、
   前記圧縮式サイクルから前記自然循環式サイクルに運転を切替える際には、前記第２制御弁を開けて前記一部の分割凝縮器内に貯留された冷媒を重力により前記蒸発器へと流した後に、前記第１制御弁を開けるようにした
   ことを特徴とするデータセンタ用の冷却システム。
3. 請求項１または２の記載において、
   前記複数個の分割凝縮器は、互いに並列に配置される
   ことを特徴とするデータセンタ用の冷却システム。

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