JP2010065912A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】年間を通じて外気を利用した冷房が可能な空調システムを提供する。
【解決手段】 天井空間５ｂを経由して予冷熱交換部３に導入される高温排気は、熱搬送手段であるヒートパイプ３ａの熱交換器（蒸発器）３ｂでプレクーリングされた後に、空調機４の蒸発器４ｅにおいて設定温度に冷却され、送風機４ｃによって往き側ダクト７ａを介して二重床空間５ｃに送出される。送出された冷気は、床パネル５ｄに複数設けられた吹き出し口５ｆを介してコールドアイル空間６ａに吹き出され、さらに各サーバラックに吸い込まれ、ラック内の各サーバ２ａを冷却後に、高温排気となってホットアイル空間６ｂに排出される。排気はさらに天井空間５ｂに導かれ、最終的に予冷熱交換部３に戻される。このような室内空気の循環により、各サーバラックの冷却が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調システムに係り、特に空調機による冷房対象空気の冷却に先立って、外気冷熱を利用してプレクーリングを行う空調システムに関する。

従来、業務用空調システムの分野では、省エネ性向上の見地から低温外気を積極的に室内に導入する外気冷房システムが提案されている（例えば、特許文献１）。図５は、このような外気冷房システム１００を示し、冷房用熱交換器１０２と内蔵ファン１０３等を備えた空調機１０１と、外気を吸気する吸気ダクト１０６と、冷房空気又は外気を室内側に吹き出す給気ダクト１１１と、を備えている。かかる構成により、冷房時は空調機１０１を運転して、給気ダクト１１１を介して冷気を室内１０５に吹き出し、天井面に設けられた還気口１１３から室内空気を還気する。さらに、還気ダクト１０７からの還流空気と、吸気ダクト１０６を介して取り込む外気とを混合して、空調機１０１で再度冷気にして室内１０５に吹き出す。その際、余剰空気を排気ファン１０９により外部に排出する。
また、外気冷房時は、空調機１０１を停止した状態で吸気ダクト１０６から取り入れた外気を、給気ダクト１１１を介して室内１０５に供給する。この場合、ダンパ１１２により還気ダクト１０７を閉じるとともに、開口部１１４を開口状態にして換気を行う。
特開２０００−１２１１３０号公報

しかしながら、従来の外気冷房システムは、冷気の供給源として外気を用いるものであるため、例えば外気が１５℃以下の中間期や冬期には有効であるものの、外気温度が冷房温度より高い時期には利用できず、年間稼働率が低いという問題がある。
本発明は、このような課題を解決するためのものであって、年間を通じて外気を利用した冷房が可能な空調システムを提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調システムは、
（１）空調機により室内の冷却対象物を冷却する空調システムであって、空調機への還気経路途中に、熱輸送装置を用いて還気を外気と熱交換させてプレクーリングする熱搬送手段を、備えて成ることを特徴とする。
（２）前記被冷却対象物が、情報通信機械室内の複数のサーバラック内に格納されるＩＣＴ装置群であり、該情報通信機械室内には、複数のサーバラック列によるコールドアイル空間及びホットアイル空間が形成され、かつ、コールドアイル空間とホットアイル空間とを区画する手段と、ホットアイル空間に排出される高温排気を、前記熱搬送手段に導く高温排気集熱手段と、をさらに備えて成る、ことを特徴とする。
本発明において、「情報通信機械室」とは、データセンターを含む概念である。
「ＩＣＴ装置」とは、サーバ、ストレージ、ルータ等の情報通信機器・装置をいう。
「コールドアイル空間とホットアイル空間とを区画する手段」としては、ホットアイル・キャッピング、コールドアイル・キャッピング等が含まれる。
（３）前記熱搬送手段が、ヒートパイプ、冷媒自然循環システム、冷媒熱輸送システム、ウオーターサイドエコノマイザーシステムであることを特徴とする。
本発明において、「冷媒自然循環システム」とは、凝縮器を蒸発器より高い位置に設置して冷媒の液とガスとの比重差を用いて動力なしに熱を搬送する手段をいう。また、「冷媒熱輸送システム」とは、冷媒ポンプを駆動源として、凝縮器と蒸発器間で冷媒を循環させ、冷媒の相変化を利用して熱を搬送する手段をいう。いずれも、冷媒としてフロン、ＣＯ２、炭化水素などの低沸点媒体を用いることができる。
「ウォーターサイド・エコノマイザー」とは、外気温度が低いときに、冷却塔などを使用して得た冷水を室内に持ち込んで冷房を行う間接外気冷房手段をいう。

上記各発明によれば、ほぼ年間を通じて外気の冷熱を利用できるため、外気冷房としての稼働効率の高い空調システムの構築が可能となるという効果がある。
また、コールドアイル空間とホットアイル空間とを区画したデータセンター、情報通信機械室等の空調に適用する発明においては、３５℃以上の高温集熱が可能となるため、外気温度が３０℃以上の条件下であってもプレクーリングが可能になるという効果がある。

以下、本発明に係るプレクーリング空調システムの実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
（第一の実施形態）
本実施形態は、情報通信機械室（データセンター）内のサーバラック群から排出される高温排気を、外気によりプレクーリングし、さらに空調機により設定温度に冷却して再度室内に循環させるシステムに係る。本実施形態では、熱搬送手段としてヒートパイプを採用している。
図１は、本発明の一実施形態に係るプレクーリング空調システム１の断面構成を示す図である。図２は、同平面構成を示す図である。図３は、予冷熱交換部３の詳細構成を示す図である。
図１、２を参照して、機械室５内部は、床パネル５ｄ及び天井パネル５ｅにより、室内空間５ａ、二重床空間５ｃ、天井空間５ｂ、の３つの空間に区画されている。

室内空間５ａ内には、同一モジュールの複数のサーバラック２が横一列に並べられ、ラック列２ｂを形成している。各サーバラック２内部には、複数のＩＣＴ装置２ａが搭載されている。ＩＣＴ装置２ａにおいて発生する熱は、各装置が備える冷却ファン（図示せず）により、前面から吸気した空気とともに背面に排気される。これにより、各サーバラック２は前面から冷気を吸込み、背面から排気するように構成されている。
ラック列２ｂを形成する各サーバラック２は、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面が対向するように配置されている。これにより、排気面側にはホットアイル空間６ｂが、吸気面側にはコールドアイル空間６ａが形成されている。さらに、排気面側空間はアイルキャッピング８により、他の室内空間と区画されている。

次に、冷気供給を行う空調機４及び予冷熱交換部３の構成について説明する。
空調機４は、蒸発器４ｅ及び送風機４ｃを備えた室内ユニット４ａ、不図示の室外ユニット、及び両者を接続する冷媒配管４ｄを備えている。空調機４の室内ユニット４ａと二重床空間５ｃとは往き側ダクト７ａを介して結ばれている。また、後述の予冷熱交換部３と室内ユニット４ａとは、戻り側ダクト７ｂを介して結ばれている。
図３を参照して、予冷熱交換部３は、筐体３ｅ内部に複数のヒートパイプ３ａを備えている。ヒートパイプ３ａには、伝熱促進のためのプレートフィン３ｄが取り付けられている。 筐体３ｅ内部は、断熱パネル３ｐにより排気チャンバー３ｆ及び外気チャンバー３ｇに区画されており、ヒートパイプ３ａは断熱パネル３ｐを貫通し、かつ、外気チャンバー３ｇ側から排気チャンバー３ｆ側に向かって下り勾配となるように配置されている。また、後述するように、排気チャンバー３ｆ側は蒸発部３ｂ、外気チャンバー３ｇ側は凝縮部３ｃとして機能するように構成されている。

ヒートパイプ３ａ内部には、蒸発部３ｂで吸熱して気相状態になり、凝縮部３ｃで外気に放熱して液相状態となるような特性を有する作動流体が封入されている。作動流体としては、水、フロン、ＣＯ２、炭化水素などの低沸点媒体を用いることができる。
排気チャンバー３ｆ側には、排気流入口３ｈと排気流出口３ｉとが設けられている。排気流入口３ｈにはファン３ｍが設けられており、ホットアイル空間６ｂ、天井空間５ｂを介して集められた高温排気を、排気チャンバー３ｆ内に導入するように構成されている。外気チャンバー３ｇには、外気流入口３ｊと外気流出口３ｋとが設けられている。外気流入口３ｊにはファン３ｎが設けられており、外気を導入してヒートパイプ３ａの凝縮部３ｃを冷却するように構成されている。
このような構成により凝縮部３ｃ内部の気相状態の作動流体は、外気流入口３ｊを介して外気チャンバー３ｇに導入される外気（例えば３０℃）と熱交換して凝縮する（例えば凝縮温度３１−３２℃）。凝縮した作動流体液は管内を流下して蒸発部３ｂに至り、ここで排気流入口３ｈを介して排気チャンバー３ｆに導入される高温排気（例えば３５℃）と熱交換する。熱交換によりヒートパイプ３ａの蒸発部３ｂ内部の作動流体は蒸発し、このとき蒸発熱を奪って高温排気の温度を蒸発温度である３１−３２℃に下げる。
プレクーリングされた排気は、排気流出口３ｉ、戻り側ダクト７ｂを経由して空調機４に導かれる。

以上の各構成により、システム全体として室内空気の循環は以下のように行われる。ホットアイル空間６ｂ、天井空間５ｂを経由して予冷熱交換部３に導入される高温排気は、ヒートパイプ３ａの蒸発部３ｂでプレクーリングされた後に、空調機４の蒸発器４ｅにおいて設定温度に冷却され、送風機４ｃによって往き側ダクト７ａを介して二重床空間５ｃに送出される。送出された冷気は、床パネル５ｄに複数設けられた吹き出し口５ｆを介してコールドアイル空間６ａに吹き出され、さらに各サーバラックに吸い込まれ、ラック内のサーバなどのＩＣＴ装置２ａを冷却後に、高温排気となってホットアイル空間６ｂに排出される。排気はさらに天井空間５ｂに導かれ、最終的に予冷熱交換部３に戻される。このような室内空気の循環により、各サーバラックの冷却が行われる。

なお、本実施形態では予冷熱交換部３と室内ユニット４ａとが、戻り側ダクト７ｂを介して結ばれている例を示したが、必ずしも両者は直結している必要はなく、還気経路途中にプレクーリング用の熱搬送手段が介在している形態であればよい。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、建物最上階の部屋のプレクーリングに有効なシステムである。
図４は、本実施形態に係るプレクーリング空調システム２０の予冷熱交換部２1近傍の断面構成を示す図である。
プレクーリング空調システム２０の構成が上述のプレクーリング空調システム１と異なる点は、予冷熱交換部２1の外気チャンバー２４が屋外に位置するように配設されていること、及びヒートパイプ２２が垂直方向に配置されていることである。その他の構成についてはプレクーリング空調システム１と同様であるので、重複説明を書略する。
このような構成により、凝縮部２２ｂ内部の気相状態の作動流体は、外気流入口２４ａを介して外気チャンバー２４に導入される外気と熱交換して凝縮する。凝縮した作動流体液は管内を下降して蒸発部２３に至り、ここで排気流入口２３ａを介して排気チャンバー２３に導入される高温排気と熱交換する。熱交換によりヒートパイプ２２の蒸発部２２ａ内部の作動流体は蒸発し、高温排気は蒸発熱を奪われて温度が低下する。プレクーリングされた排気は、戻り側ダクト７ｂを介して空調機４に導かれる。なお、凝縮部２２ｂ、蒸発部２２ａにおける温度条件等については、上述の実施形態と同一である。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わずプレクーリング空調システムに広く適用可能である。

プレクーリング空調システム１の全体構成（断面）を示す図である。 プレクーリング空調システム１の平面構成を示す図である。 予冷熱交換部３の詳細構成を示す図である。 プレクーリング空調システム２０の予冷熱交換部２1近傍の断面構成を示す図である。 従来の外気冷房システム１００の構成を示す図である。

符号の説明

１、２０・・・プレクーリング空調システム
２・・・サーバラック
２ａ・・・ＩＣＴ装置
２ｂ・・・ラック列
３、２１・・・予冷熱交換部
３ａ、２２・・・ヒートパイプ
３ｂ、２４・・・蒸発部
３ｃ、２３・・・凝縮部
３ｄ・・・プレートフィン
３ｆ、２３・・・排気チャンバー
３ｇ、２４・・・外気チャンバー
３ｈ，２３ａ・・・排気流入口
３ｉ、２３ｃ・・・排気流出口
３ｊ、２４ａ・・・外気流入口
３ｋ、２４ｃ・・・外気流出口
３ｍ、３ｎ、２３ｂ、２４ｂ・・・ファン
４・・・空調機
４ａ・・・室内ユニット
４ｃ・・・送風機
４ｄ・・・冷媒配管
４ｅ・・・蒸発器
５・・・情報通信機械室
５ａ・・・室内空間
５ｂ・・・天井空間
５ｃ・・・二重床空間
５ｄ・・・床パネル
５ｅ・・・天井パネル
６ａ・・・コールドアイル空間
６ｂ・・・ホットアイル空間
８・・・アイルキャッピング

Claims (3)

1. 空調機により室内の冷却対象物を冷却する空調システムであって、
   空調機への還気経路途中に、還気を外気と熱交換させてプレクーリングする熱搬送手段を、備えて成ることを特徴とする空調システム。
2. 前記被冷却対象物が、情報通信機械室内の複数のサーバラック内に格納されるＩＣＴ装置群であり、
   該情報通信機械室内には、複数のサーバラック列によるコールドアイル空間及びホットアイル空間が形成され、かつ、
   コールドアイル空間とホットアイル空間とを区画する手段と、
   ホットアイル空間に排出される高温排気を、前記熱搬送手段に導く高温排気集熱手段と、をさらに備えて成る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記熱搬送手段が、ヒートパイプ、冷媒自然循環システム、冷媒熱輸送システム、ウオーターサイド・エコノマイザーシステムのいずれか、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の空調システム。

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