JP2010203663A - 水冷式空調システム、空調機及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械室（データセンター）空調に好適な水冷式空調システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】空調機６に対する運転開始指令に基づいて、空調機制御部６ａは、送風ファン４ｃの運転を開始させる。同時に冷却水系統２の冷却水系統制御部２ｆは、冷却塔２ａ及び冷却水循環ポンプ２ｂの運転を開始させ、空調機制御部２ｂへ運転信号を送出する。空調機制御部６ａは、冷却水系統制御部２ｆから運転信号が送信されたか否かを監視している。冷却水系統制御部２ｆからの運転信号を検知したときは、冷却水系統２が正常に作動していると判定し、空調機６に対して圧縮機４ａ運転開始指令を送信する。これを受けて圧縮機４ａの運転が開始され、定常運転モードに移行する。一方、冷却水系統制御部２ｆからの運転信号を検知しないときは、送風ファン４ｃの運転のみを継続する。
【選択図】図３

Description

本発明は空調システム、空調機及びその運転方法等に係り、特に、機械室（データセンター）空調に好適な水冷式空調システム、空調機及びその運転方法等に関する。

水冷式空調システムは、主として冷却塔、冷却水循環ポンプ、冷却水配管及び冷却水系統の冷却水異常を検知する手段とこれを送信する手段からなる冷却水系統、並びに主として冷媒系統（蒸発器、凝縮器、膨張弁および圧縮機）、送風機系統及び冷却水系統の冷却水異常を受信する手段からなる空調機により構成され、空調機側（送風系統及び冷媒系統）で回収した室内排熱を、凝縮器において冷却水系統の循環冷却水と熱交換し、排熱として冷却塔において大気に放熱するシステムである。
従来、水冷式空調システムにおいては、冷却水系統の故障により冷却水供給が停止した場合、冷媒系統側が異常な高圧状態となることを回避するために、空調機側の運転を完全に停止する制御（インターロック制御）を行い、空調機を保護することが一般的である（例えば非特許文献１）。
一般の事務室空調では、このような制御方式により室内側に大きな影響を与えないが、高温環境に弱いＩＣＴ機器を収容する機械室（データセンター）においては、空調機の停止、とりわけ空調機の送風ファンの停止により室内の気流が変化し、発熱体（ＩＣＴ機器）周囲の温度が急激に上昇することは、大きな問題となる。また、ラック列によるアイルキャッピング方式を採用している場合には、空調機からの送風量の不足により特に深刻な高温障害を招くおそれがある。

（社）空気調和・衛生工学会、空気調和・衛生工学便覧 第１３版、２ 汎用機器・空調機器編 １３５頁

本発明は、水冷式空調システムの上記課題を解決するためのものであって、たとえ冷却水系統に異常が発生した場合であっても、空調対象空間の急激な温度上昇を回避可能とするインターロック制御技術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、本発明に係る水冷式空調システムは、
（１）圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、送風ファンと、を備えた冷媒系統と、冷却塔と、冷却水循環ポンプと、を備え、該凝縮器において冷媒との熱交換により回収した排熱を、該冷却塔において大気に放熱する冷却水系統と、を備えた水冷式空調システムにおいて、冷却水系統の冷却水異常を検知したときに、圧縮機及び送風ファンの運転をともに停止、又は、圧縮機の運転を停止し送風ファンの運転を継続、のいずれかを随時選択可能とする運転選択手段を備えて成る、ことを特徴とする。
このような構成により、空調対象空間の温度条件や冷媒系統の圧力条件に対応して、空調システム全体として最適な運転条件を選択することができる。
本発明において、「冷却水異常」とは、冷却水を冷却する冷却塔や冷却水を搬送させる冷却水循環ポンプ等の故障により、冷却水が異常な高温状態となったり、系統内に正常に搬送されなくなったりする状態をいう。

（２）上記（１）の発明において、前記冷媒系統は空調機により構成され、かつ、該空調機は、前記冷却水系統の冷却水異常を受信する手段と、前記運転選択手段と、を備えて成ることを特徴とする。
冷却水異常時に圧縮機及び送風ファンを運転することは、空調機にとって故障リスクとなるが、随時選択可能とすることで、そのデータセンターが行っているサービスの品質グレードや保守体制、空調機の負荷率等によって運用者が実施形態を選択することができる。
また、空調機による冷却水異常判断方法としては、定常運転時に冷却水系統から空調機へ信号を送信し続け、この信号が切断したときに冷却水異常とする方法と、または、冷却水異常時に冷却水系統から空調機へ異常を通知する信号を送信する方法と、が一般的である。

また、本発明に係る水冷式空調システムの運転方法は、
（３）上記（１）又は（２）に記載の水冷式空調システムにおいて、起動時に、前記送風ファンは直ちに運転を開始する一方、前記圧縮機は前記冷却水系統の冷却水異常が解除された場合に運転を開始する、ことを特徴とする。
本発明において、「起動時」とは、空調システムが停止している状態から運転状態に切り替わり、定常運転に至る一連の動作の状態をいう。
メンテナンス等で空調システムを運転操作する場合において、起動時に送風ファンを直ちに運転開始することにより、室内空気攪拌が早期に行われるため、室温上昇を抑えることができる。停電等による電源遮断により、定常運転していた空調システムが一旦停止し、その後、復電により再度運転状態に切り替わる場合についても、同様である。
（４）上記（１）又は（２）に記載の水冷式空調システムにおいて、定常運転時に、前記冷却水系統の冷却水異常を検知したときは、前記圧縮機の運転を停止し、かつ、前記送風ファンの運転を継続する、ことを特徴とする。
（５）上記（４）において、さらに、当該異常検知状態が所定時間継続したときは、前記圧縮機の運転を再開する、ことを特徴とする。
（６）上記（４）において、さらに、当該異常検知状態が所定時間以上継続した場合において、冷却水の温度が第一の閾値以下、又は、室内の温度が第二の閾値以上のときは、前記圧縮機の運転を再開する、ことを特徴とする。
（７）上記（５）又は（６）において、前記圧縮機の運転を再開した後に冷媒の圧力が第三の閾値以上となったときは、前記圧縮機の運転を再度停止する、ことを特徴とする。
（８）上記（２）に記載の空調機の運転方法であって、上記（３）乃至（７）に記載の運転制御を行うことを特徴とする。

冷却水異常時には、空調機の故障を回避するために、空調機を完全に停止させることが一般的である。しかし、上記各運転方法のような送風ファンのみの運転であれば、冷却水異常時であっても空調機故障に至るリスクは低い。また、送風を継続することで室内空気撹拌が行われ、自らの排熱による発熱体周囲の急激な温度上昇を回避することができるという効果もある。
また、冷却水異常時に圧縮機を運転させることは、空調機の故障に至るリスクを高めるが、例えば、冷却水異常を通信する配線の誤切断や電磁ノイズによる障害等の場合には、冷却水系統は正常にもかかわらず、空調機側で冷却水異常と判定する可能性がある。
上記各運転方法は、このような人為的なミスや一時的な機能障害による空調機完全停止を避けるため、空調機の故障リスクは許容した上で、一旦停止させた圧縮機の運転を所定時間後に再開するものである。これにより、室内温度上昇という最悪の事態を回避することができる。
さらに、圧縮機の再開を冷却水の温度が第一の閾値以下の条件に限定することで、空調機故障が起こりにくくなり、また、室内の温度が第二の閾値以上の条件に限定することで、ＩＣＴ機器にとって障害となる場合にのみ空調機の故障リスクをとることができる。
さらに、冷媒の圧力が第三の閾値以上となったときに圧縮機を停止させることで、安全に空調機を故障停止させ、冷却水異常の解消後に、速やかに空調機を再開することができる。

上記各発明によれば、冷却水系統の故障等による停止時に、空調対象空間の急激な温度上昇を一定時間回避することができる。

第一の実施形態に係る水冷式空調システム１の全体構成を示す図である。 水冷式空調システム１の冷媒系統３、送風系統５の構成を示す図である。 起動時における空調機６と冷却水系統２間のインターロック制御フローを示す図である。 定常運転状態における空調機６と冷却水系統２間のインターロック制御フローを示す図である。

以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成には同一符号を用いて示し、重複説明を省略する。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、起動時における空調機側（冷媒系統及び送風系統）と冷却水系統間のインターロック制御に係る。
図１は、本実施形態に係る水冷式空調システム１の全体構成を示す図である。
図２は、水冷式空調システム１の冷媒系統３、送風系統５の構成を示す図である。
図３は、起動時における空調機６と冷却水系統２間のインターロック制御フローを示す図である。
図１、２を参照して、水冷式空調システム１は冷却水系統２と、冷媒系統３と、送風系統５と、制御系統１３と、により構成されている。
図１を参照して、冷却水系統２は、屋外に設置される冷却塔２ａと、冷却水循環ポンプ２ｂと、これらを結び冷却水を循環する往側配管２ｃ、戻側配管２ｄと、往側配管２ｃから分岐して凝縮器ユニット３ａ内で冷媒配管４ｅを介して運ばれる室内排熱を回収して、戻側配管２ｄに合流する分岐配管２ｅと、を主要構成として備えている。往側配管２ｃ経路中には温度センサＳ１が配設されており、冷却水温度Ｔｃを検知可能に構成されている。

図２をも参照して、冷媒系統３は、情報通信機械室（以下、機械室という）７内に配置される室内機ユニット４と、室内機ユニット４とは独立して配置される凝縮器ユニット３ａと、これらを結ぶ冷媒配管４ｅと、により構成される空調機６を主要構成とする。
室内機ユニット４は、圧縮機４ａと、蒸発器４ｂと、膨張弁４ｄと、これらと凝縮器ユニット３ａ間を結ぶ冷媒配管４ｅと、蒸発器４ｂで発生させた冷気を室内に吹き出すための送風ファン４ｃと、を主要構成として備えている。圧縮機４ａ出口近傍の冷媒配管４ｅ内には圧力センサＳ３が配設されており、冷媒圧力Ｐｃを検知可能に構成されている。

以上の構成により、冷却水系統２を循環する冷却水は、凝縮器ユニット３ａにおいて冷媒系統３からの回収排熱を、戻側配管２ｄを経由して冷却塔２ａに搬送し、大気に放熱して低温水となり、往側配管２ｃを経由して凝縮器ユニット３ａに戻る。これにより熱回収・放熱サイクルが構成されている。
一方、冷媒系統３においては、蒸発器４ｂにおいて室内吸込み空気から蒸発潜熱を得て蒸発した冷媒を、圧縮機４ａにおいて高温高圧にして凝縮器ユニット３ａに搬送する。ここで冷却水と熱交換して放熱させて凝縮し、膨張弁４ｄで低圧気液混合状態として蒸発器４ｂに戻す、という冷凍サイクルが構成されている。
このように水冷式空調システム１は、冷却水により熱回収・放熱を行う冷却水系統２と、冷媒により熱回収・放熱を行う空調機６とを組み合わせた空調システムである。さらに、冷却水系統２には複数の空調機６が接続される場合がある。

次に図２を参照して、空調対象である機械室７の構成について説明する。機械室７内には空調機６の室内機ユニット４が配置されており、室内にラック列１０を構成して収容される複数のサーバラック９を冷却する。機械室７内部は、床パネル７ｄ及び天井パネル７ｅにより３つの空間に区画されており、床パネル７ｄの下側には二重床空間７ｃが、天井パネル７ｅの上側には天井空間７ｂが形成されている。室内機ユニット４と二重床空間７ｃとは往き側ダクト７ａを介して接続されている。また、天井空間７ｂと室内機ユニット４とは、戻り側ダクト７ｈを介して接続されている。

サーバラック９には、複数のラックマウントサーバ（以下、サーバという）９ａが格納されている。各サーバ９ａからの発生熱は、各サーバの冷却ファン（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、結果的にサーバラック９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。
各サーバラック９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、ラック列１０の吸気面側にはコールドアイル空間１１が、排気面側にはホットアイル空間１２が形成されている。

以上の構成により、機械室７の冷却は以下のように行われる。室内機ユニット４に導入される室内空気は、蒸発器４ｂにおいて熱交換して冷気となり、送風ファン４ｃによって往き側ダクト７ａを介して二重床空間７ｃに送出される。冷気は、吹出口７ｆを介してコールドアイル空間１１に供給され、さらに各サーバラック９に吸込まれて、ラックマウントサーバ９ａを冷却した後に高温排気となって、ホットアイル空間１２に排出される。高温排気はホットアイル空間１２を上昇して、吸込口７ｇから天井空間７ｂに導かれ、戻り側ダクト７ｈを介して室内機ユニット４に戻される。以上のような室内空気循環により、各サーバラックの冷却が行われる。戻り側ダクト７ｈ内部には、温度センサＳ２が配設されており、吸い込み空気温度Ｔｒを検知可能に構成されている。

次に、水冷式空調システム１の制御系統１３は、冷却水系統２を制御する冷却水系統制御部２ｆと、空調機６を制御する空調機制御部６ａと、冷却水系統制御部２ｆと空調機６とを連係させてシステム全体を制御するシステム制御部１ａと、これらを結ぶ信号ケーブルにより構成されている。
冷却水系統制御部２ｆは、冷却水戻り温度に基づいて冷却水循環ポンプ２ｂの循環量及び冷却塔２ａのファン回転数を制御するように構成されている。さらに後述のように、冷却水温度Ｔｃ、冷却水循環ポンプ２ｂ及び冷却塔２ａの運転状態が正常の間は、冷却水系統運転信号をシステム制御部１ａに送信するように構成されている。
また、空調機制御部６ａは空調機運転制御を行うことに加え、冷媒圧力Ｐｃをシステム制御部１ａに送信するように構成されている。

水冷式空調システム１は以上のように構成されており、次に図３をも参照して、起動時における冷却水系統２と冷媒系統３間のインターロック制御フローについて説明する。なお、以下のフローでは制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。
本制御は、運転者の空調機６および冷却水系統２に対する運転開始指令に基づいて行われる。まず、空調機６に対する運転開始指令に基づいて（Ｓ１０１）、空調機制御部６ａは、送風ファン４ｃの運転を開始させる（Ｓ１０２）。同時に冷却水系統２の冷却水系統制御部２ｆは、冷却塔２ａ及び冷却水循環ポンプ２ｂの運転を開始させ（Ｓ１１１、Ｓ１１２、空調機制御部２ｂへ運転信号を送出する（Ｓ１１３）。空調機制御部６ａは、冷却水系統制御部２ｆから運転信号が送信されたか否かを監視している（Ｓ１０３）。冷却水系統制御部２ｆからの運転信号を検知したときは（Ｓ１０４においてＹ）、冷却水系統２が正常に作動していると判定し、空調機６に対して圧縮機４ａ運転開始指令を送信する。これを受けて圧縮機４ａの運転が開始され（Ｓ１０５）、定常運転モード（第二の実施形態参照）に移行する（Ｓ１０６）。
一方、冷却水系統制御部２ｆからの運転信号を検知しないときは（Ｓ１０４においてＮ）、送風ファン４ｃの運転のみを継続する。

＜第二の実施形態＞
次に図４をも参照して、水冷式空調システム１の定常運転時における、各系統間のインターロック制御フローについて説明する。なお、以下のフローについても制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。
定常運転状態では、空調機６において圧縮機４ａ、送風ファン４ｃによる吸い込み温度一定制御が行われている（Ｓ２０１）。運転中、空調機制御部６ａは冷却水系統２からの運転信号を監視しており、運転信号途絶を検知したときは（Ｓ２０２においてＮ）、圧縮機の運転を停止する。但し、発熱体（サーバ９ａ）周囲温度の急激な上昇を回避するため、送風ファンの運転は継続する（Ｓ２０３）。
その後、運転信号送信が一定時間（例えば５分）内に再開した場合は（Ｓ２０４においてＮ）、冷却水系統２が正常に復帰したと判定して圧縮機の運転を再開する（Ｓ２０６）。

一方、一定時間以上経過しても運転信号送信が再開しない場合（Ｓ２０４においてＹＮ）、室温上昇を少しでも遅らせるべく以下の対策を講じる。室内温度Ｔｒが閾値（Ｔ２）を超えている場合には（Ｓ２０５においてＹ）、高圧異常による空調機運転停止リスクより室温上昇抑制を優先し、圧縮機の運転を再開する（Ｓ２０６）。閾値（Ｔ２）を超えていない場合は（Ｓ２０５においてＮ）、Ｓ２０３の運転状態を維持する。
Ｓ２０６における圧縮機運転再開後、圧力センサＳ１の冷媒圧力Ｐｃが閾値（Ｐ０）異常となった場合は（Ｓ２０７においてＹ）、高圧異状による空調機運転停止を回避するため、Ｓ２０３に戻って圧縮機４ａの運転を再度停止し（Ｓ２０８）、送風ファンの運転のみとする。
なお、Ｓ２０５において、冷却水温度が閾値（Ｔ１）以下とする判定に置き換える実施形態もある。

本発明は、熱源、冷媒、建築構造等の種類を問わず、水冷式空調システムに広く適用可能である。

１・・・・水冷式空調システム
１ａ・・・システム制御部
２・・・・冷却水系統
２ａ・・・冷却塔
２ｂ・・・冷却水循環ポンプ
２ｆ・・・冷却水系統制御部
３・・・・冷媒系統
３ａ・・・凝縮器ユニット
４・・・・室内機ユニット
４ａ・・・圧縮機
４ｂ・・・蒸発器
４ｃ・・・送風ファン
４ｄ・・・膨張弁
４ｅ・・・冷媒配管
５・・・・送風系統
６・・・・空調機
６ａ・・・空調機制御部
７・・・・機械室
９・・・・サーバラック
１０・・・ラック列
１１・・・コールドアイル空間
１２・・・ホットアイル空間
１３・・・制御系統
Ｓ１、Ｓ２・・・圧力センサ
Ｓ３・・・圧力センサ

Claims (8)

1. 圧縮機と、凝縮器と、蒸発器と、送風ファンと、を備えた冷媒系統と、
   冷却塔と、冷却水循環ポンプと、を備え、該凝縮器において冷媒との熱交換により回収した排熱を、該冷却塔において大気に放熱する冷却水系統と、
   を備えた水冷式空調システムにおいて、
   冷却水系統の冷却水異常を検知したときに、圧縮機及び送風ファンの運転をともに停止、又は、圧縮機の運転を停止し送風ファンの運転を継続、のいずれかを随時選択可能とする運転選択手段を備えて成る、ことを特徴とする水冷式空調機システム。
2. 請求項１において、前記冷媒系統は空調機により構成され、かつ、該空調機は、前記冷却水系統の冷却水異常を受信する手段と、前記運転選択手段と、を備えて成ることを特徴とする水冷式空調システム。
3. 請求項１又は２に記載の水冷式空調システムにおいて、起動時に、前記送風ファンは直ちに運転を開始する一方、前記圧縮機は前記冷却水系統の冷却水異常が解除された場合に運転を開始する、ことを特徴とすることを特徴とする水冷式空調システムの運転方法。
4. 請求項１又は２に記載の水冷式空調システムにおいて、定常運転時に、
   前記冷却水系統の冷却水異常を検知したときは、前記圧縮機の運転のみを停止し、前記送風ファンの運転を継続する、ことを特徴とする水冷式空調システムの運転方法。
5. 請求項４において、さらに、当該異常検知状態が所定時間継続したときは、前記圧縮機の運転を再開する、ことを特徴とする水冷式空調システムの運転方法。
6. 請求項４において、さらに、当該異常検知状態が所定時間以上継続した場合において、
   冷却水の温度が第一の閾値以下、又は、室内の温度が第二の閾値以上のときは、前記圧縮機の運転を再開する、ことを特徴とする水冷式空調システムの運転方法。
7. 請求項５又は請求項６において、前記圧縮機の運転を再開した後に冷媒の圧力が第三の閾値以上となったときは、前記圧縮機の運転を再度停止する、ことを特徴とする水冷式空調システムの運転方法。
8. 請求項２に記載の空調機の運転方法であって、請求項３乃至７に記載の運転制御を行うことを特徴とする空調機の運転方法。
   

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