JP2011247573A - 冷房システム - Google Patents

Abstract

【課題】室内に配置される熱交換ユニットの結露を抑制できる自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムを提供する。
【解決手段】室内１に設置される第１の熱交換ユニット３０と、室外９に設置される第２の熱交換ユニット４０と、第１の熱交換ユニット３０と第２の熱交換ユニット４０との間で冷媒を自然循環させる配管システム７０とを有する。配管システム７０は、第１の供給管７１と第２の供給管７２とを含む。第１の供給管７１は、第２の熱交換ユニット４０から第１の熱交換ユニット３０へ、第１の熱交換ユニット３０から第２の熱交換ユニット４０へ供給される気化冷媒と第３の熱交換ユニット９０により熱交換して加温された液冷媒を供給する。第２の供給管７２は、第３の熱交換ユニット９０をバイパスして第２の熱交換ユニット４０から第１の熱交換ユニット３０へ液冷媒を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、室内に設置される第１の熱交換ユニットと、室外に設置される第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムに関するものである。

特許文献１には、室内熱交換器の表面における結露を更に抑制することが可能な冷却装置を提供することが開示されている。そのため、特許文献１の、筐体内を冷却する沸騰冷却装置は、室内熱交換器の表面の温度を検出する温度センサとこれに隣接配置された湿度を検出する湿度センサとからの信号により結露環境を検出したときには、室外ファンを停止し、室内ファンを継続作動する制御装置を備えている。これにより、室内熱交換器の表面が結露環境となったときには、室内熱交換器の温度を短時間のうちに内気温と同温とし、結露の発生を確実に抑止する。

特開２００３−３４７７８２号公報

室内（屋内）に設置される第１の熱交換ユニットと、主に室外、特に屋外に設置される第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する、圧縮機を含まない自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムが知られている。この自然循環型の冷房システムは、室内より室外が低温のときに省電力で室内を冷却することができるというメリットがある。この自然循環型の冷房システムにおいて、室内に設置される熱交換ユニットの結露を抑制することは重要である。

特許文献１の技術では、室外ファンを停止しても、室内熱交換器の表面が結露環境になると、結露防止のために冷媒の循環を停止させることになる。このため、自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムのメリットを活かしきれているとは言えない。

本発明の一態様は、冷房システムであり、室内に設置される第１の熱交換ユニットと、室外に設置される第２の熱交換ユニットと、第１の熱交換ユニットと第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる配管システムとを有する。配管システムは、第２の熱交換ユニットから第１の熱交換ユニットへ、第１の熱交換ユニットから第２の熱交換ユニットへ供給される気化冷媒と第３の熱交換ユニットにより熱交換して加温された液冷媒を供給する第１の供給管と、第３の熱交換ユニットをバイパスして第２の熱交換ユニットから第１の熱交換ユニットへ液冷媒を供給する第２の供給管とを含む。

この冷房システムにおいては、第１の供給管を使用し、第３の熱交換ユニットにより気化冷媒と熱交換して加温された液冷媒を第１の熱交換ユニットに供給できる。したがって、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の熱交換ユニットにおいて結露を発生させる温度またはそれ以下であっても、第３の熱交換ユニットにより液冷媒を加温することで第１の熱交換ユニットの結露を抑制できる。

さらに、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の熱交換ユニットにおいて結露を発生させる温度またはそれ以下であっても、第１の供給管を介して冷媒を自然循環させることができるので、第２の熱交換ユニットへの冷媒の供給量（循環量）は確保できる。このため、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の熱交換ユニットにおいて結露を発生させる温度またはそれ以下であっても、この冷房システムにより室内を冷房できる。したがって、この自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムによれば、外気温がさらに低い条件でも第１の熱交換ユニットの結露を抑制しつつ、室内を省電力で冷房できる。

一方、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の熱交換ユニットにおいて結露を発生させる温度まで低下しない場合は、第２の供給管を使用し、第３の熱交換ユニットをバイパスして、第２の熱交換ユニットから第１の熱交換ユニットへ液冷媒を供給できる。したがって、冷房効果の低下を抑制できる。

配管システムは、第１の供給管と第２の供給管とを切り替えて使用する切替弁システムを含み、当該冷房システムは切替弁システムを制御する制御ユニットを有し、制御ユニットは、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると切替弁システムにより第２の供給管から第１の供給管に切り替える機能を含むことが望ましい。液冷媒の温度により第１の供給管と第２の供給管とを自動的に選択させることができる。典型的な第１の設定温度は、第１の熱交換ユニットに結露を生じさせる恐れのある温度である。

第２の熱交換ユニットの一例は、第２のチューブと、第２のチューブに外気を供給する第２のファンとを含むものである。外気温が低い条件でも第１の熱交換ユニットの結露を抑制しつつ、第２のファンを動かして冷房効果を維持できる。

さらに、制御ユニットは、液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると、切替弁システムにより第２の供給管から第１の供給管に切り替える前に第２のファンを停止する機能を含んでいてもよい。第２の供給管から第１の供給管に切り替える前に電力を消費する第２のファンを停止することにより、いっそう効率よく室内を冷房できる。第１の熱交換ユニットは、第１のチューブを含み、さらに、第１のチューブに室内の空気を供給する第１のファンは含んでいても含んでいなくてもよい。第１のファンを省略することにより、さらに低電力で室内を冷房できる。

制御ユニットは、さらに、外気温が第１の設定温度より低い第２の設定温度以下になると、切替弁システムにより第１の供給管および第２の供給管を閉鎖する機能を含むことが望ましい。第３の熱交換ユニットにより液冷媒を加温しても、第１の熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度が第１の熱交換ユニットにおいて結露を発生させる温度またはそれ以下になる場合は、冷媒の循環を停止させることにより第１の熱交換ユニットの結露を防ぐことができる。

本発明の他の態様の１つは、上記の冷房システムと、冷房システムの第１の熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システムである。

本発明の他の態様の１つは、室内に設置される第１の熱交換ユニットと、室外に設置される第２の熱交換ユニットと、第１の熱交換ユニットと第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる配管システムとを有する冷房システムの制御方法である。冷房システムが有する配管システムは、第２の熱交換ユニットから第１の熱交換ユニットへ、第１の熱交換ユニットから第２の熱交換ユニットへ供給される気化冷媒と第３の熱交換ユニットにより熱交換して加温された液冷媒を供給する第１の供給管と、第３の熱交換ユニットをバイパスして第２の熱交換ユニットから第１の熱交換ユニットへ液冷媒を供給する第２の供給管と、第１の供給管と第２の供給管とを切り替えて使用する切替弁システムとを含む。当該制御方法は、以下の工程を含む。
（１）切替弁システムを制御する制御ユニットが、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると切替弁システムにより第２の供給管から第１の供給管に切り替えること（切り替える工程）。

この制御方法によれば、第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の設定温度、典型的には、第１の熱交換ユニットに結露を生じさせるおそれのある温度以下となったときに、冷媒の循環経路を第２の供給管から第１の供給管に切り替え、第１の熱交換ユニットの結露を抑制することができる。

第２の熱交換ユニットが、第２のチューブと、第２のチューブに外気を供給する第２のファンとを含む場合、当該制御方法は、さらに、以下の工程を含んでいてもよい。
（０）液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると、切り替えること（切り替える工程）の前に第２のファンを停止すること（第２のファンを停止する工程）。

冷媒の循環経路を第２の供給管から第１の供給管に切り替えるよりも、第２のファンを停止させた方が電力消費を低減でき、さらに、第１の熱交換ユニットの結露を抑制できる可能性がある。

当該制御方法は、さらに、以下の工程を含むことが好ましい。
（２）外気温が第１の設定温度より低い第２の設定温度以下になると、切替弁システムにより第１の供給管および第２の供給管を閉鎖すること（閉鎖する工程）。

第１の熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度が、結露が発生する程度まで低下したときに冷媒の循環を停止させることができる。

本発明の一実施形態にかかる冷房システムを含むハイブリッド空調システムの概要を示す図。 冷房システムの冷媒の循環を模式的に示す図。 冷房システムの外気温がさらに低いときの冷媒の循環を模式的に示す図。 内部熱交換器の一例を模式的に示す図。 冷房システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャート。 本発明の他の実施形態にかかる冷房システムを含むハイブリッド空調システムの概要を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、データセンターにおける空調システムの一例を示している。この空調システム（ハイブリッド空調システム）１０ａは、床上２ａと床下２ｂとの二重構造を持つフリーアクセス床２の床下２ｂの空間を用い、冷風（冷気）６１を床上２ａに配置された複数のサーバー５に供給し、サーバー５および室内（屋内）１を冷房するものである。このハイブリッド空調システム１０ａは、床置形の主空調システム２０と、室内１の天井３の近傍に配置された冷房システム（補助空調システム）１１とを有する。

主空調システム２０は、床置形の屋内（室内）ユニット２１と、屋外ユニット２９とを含む。屋内ユニット２１は、冷却用のチューブを含むエバポレータ２４と、ヒーター２５と、室内ファン（屋内ファン）２２とを含む。屋内ユニット２１は、この屋内ユニット２１の天井側の吸入口２３ａから吸気して温度を制御し、床２を貫通するように設けられた吐出口２３ｂから温度制御された空気（冷気）６１を床下２ｂに噴き出す。屋外ユニット２９は、コンプレッサ（圧縮機）２６と、屋外ファン２７と、凝縮用のチューブを含むコンデンサ２８とを含む。

主空調システム２０においては、コンプレッサ２６で圧縮した冷媒をコンデンサ２８で外気温度を利用して冷やし、屋内ユニット２１のエバポレータ２４において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風６１を生成する。屋内ユニット２１は、室内ファン２２により吸入口２３ａから吸引した空気６５をエバポレータ２４で冷却し、冷気６１を床下２ｂに噴き出してサーバー５を冷却する。サーバー５においては、床下２ｂから供給された冷気６１によりその内部の電子機器が冷却され、加熱された空気６２が天井３に向けて排出される。

図２および図３に、冷房システム１１を抜き出して示している。図２は、外気温が室温よりも低いが、室内に結露を発生させるほど低くない状況における冷媒の循環（サイクル）を模式的に示している。図３は、外気温が低く、そのままでは室内に結露を発生させる可能性がある状況における冷媒の循環（サイクル）を示している。

冷房システム１１は、室内（屋内）に設置される第１の熱交換ユニット（室内熱交換ユニット、屋内熱交換ユニット、室内機）３０と、室外（屋外）に設置される第２の熱交換ユニット（室外熱交換ユニット、屋外熱交換ユニット、室外機）４０とを有する。室内熱交換ユニット３０は、室内１の水平な方向に延びる天井３に対し斜めまたは垂直（鉛直）に設置される複数の室内チューブ（第１のチューブ）３１（図面では１本のみ図示）と、液化した冷媒が供給される供給ヘッダ３２と、気化した冷媒が集められる排出ヘッダ３３とを含み、複数の室内チューブ３１が供給ヘッダ３２と排出ヘッダ３３とを接続している。なお、本例の室内熱交換ユニット３０は、ファン（室内ファン）は含まない。

また、室内熱交換ユニット３０においては、排出ヘッダ３３は供給ヘッダ３２よりも天井３に近くなるように配置されている。すなわち、複数の室内チューブ３１は、供給ヘッダ３２から排出ヘッダ３３に向かって斜めまたは垂直に上方に延びている。

室内熱交換ユニット３０は、さらに、内部に室内チューブ３１を含み、室内チューブ３１はハウジング３９の内部に配置されている。図１において、ハウジング３９は、室内チューブ３１と同様に天井３に対して斜めに傾いた状態で設置されている。ハウジング３９の上面は、室内チューブ３１に対して空気が供給される供給口３８ａとなっており、ハウジング３９の下面は、室内チューブ３１により冷却された空気が排出される排出口３８ｂとなっている。排出口３８ｂは、ダクト３７を介して、床置形の室内ユニット２１の吸入口２３ａに接続されている。

なお、この補助空調システム１１においては、室内熱交換ユニット３０は、ダクト３７を介して、床置形の室内ユニット２１に支持されているが、室内熱交換ユニット３０は、天井３から適当な方法により吊るす、あるいは、床２から支持するなどとすることも可能である。また、ハウジング３９は、天井３に対して垂直になるように配置または設置することが可能である。

室外熱交換ユニット４０は、室外（典型的には屋外）９において室内チューブ３１よりも高い位置に設置される複数の室外チューブ（第２のチューブ）４１と、気化冷媒が供給される供給ヘッダ４２と、液冷媒を排出する排出ヘッダ４３とを含み、複数の室外チューブ４１が供給ヘッダ４２と排出ヘッダ４３とを接続している。本例の室外熱交換ユニット４０においては、気化冷媒が供給される供給ヘッダ４２が、液冷媒を排出する排出ヘッダ４３よりも上に位置するように配置され、室外チューブ４１は、供給ヘッダ４２と排出ヘッダ４３とをつなぐように、鉛直方向に沿って配置されている。室外熱交換ユニット４０は、さらに、室外チューブ４１に対して外気８を強制的に供給する室外ファン（第２のファン）Ｆ２と、室外ファンＦ２を駆動するファンモーター４５とを含む。

室内チューブ３１および室外チューブ４１の典型的なものは、アルミニウム管または銅管であり、フィン付きであってもフィンがなくてもよい。フィンを用いる場合には、例えば、コルゲートタイプ、プレートタイプ、スパインタイプなどのものを用いることができる。冷媒は、作動条件とする室温で気化し、外気温で液化するものであればよい。冷媒としては、たとえば、ＨＦＣ１３４ａ（化学式ＣＨ_２ＦＣＦ_３）を挙げることができる。

冷房システム１１は、さらに、室内熱交換ユニット３０と室外熱交換ユニット４０との間で冷媒を自然循環させる配管システム７０を有する。冷房システム１１の配管システム７０は、室内熱交換ユニット３０の室内チューブ３１と室外熱交換ユニット４０の室外チューブ４１とをコンプレッサ（圧縮機）を介さずに連通させるものである。

配管システム７０は、配管（連通管、供給管）７１〜７５と、切替弁システム７６とを含む。第１の供給管７１は、室外熱交換ユニット４０の出口配管７３と、室内熱交換ユニット３０の入口配管７４とを接続する液冷媒用の配管である。第１の供給管７１には、室外熱交換ユニット４０の側から、第１の弁ＣＶ１と、内部熱交換器（第３の熱交換ユニット）９０とが設けられている。内部熱交換器９０には、室内熱交換ユニット３０から室外熱交換ユニット４０へ気化冷媒（室内チューブ３１で沸騰気化した冷媒）を供給する気化冷媒用の配管（気化冷媒供給管）７５が接続されており、第１の供給管７１により供給される液冷媒は内部熱交換器９０において加温され、室内熱交換ユニット３０に供給される。したがって、第１の弁ＣＶ１を開にすると、第１の供給管７１を介して内部熱交換器９０において気化冷媒により加温された液冷媒を室内熱交換ユニット３０に供給できる。すなわち、第１の供給管７１は、室内熱交換ユニット３０から室外熱交換ユニット４０へ供給される気化冷媒と内部熱交換器９０により熱交換されることにより加温された液冷媒を、室外熱交換ユニット４０から室内熱交換ユニット３０へ供給するための管である。

第２の供給管７２も、室外熱交換ユニット４０の出口配管７３と、室内熱交換ユニット３０の入口配管７４とを接続する液冷媒用の配管である。第２の供給管７２には、第１の供給管７１への分岐と室内熱交換ユニット３０との間に第２の弁ＣＶ２が設けられており、第２の供給管７２は、内部熱交換器（第３の熱交換ユニット）９０をバイパスして室外熱交換ユニット４０の出口配管７３と室内熱交換ユニット３０の入口配管７４とを接続している。したがって、第２の弁ＣＶ２を開にすると、第２の供給管７２を介し、内部熱交換器９０をバイパスして液冷媒を室内熱交換ユニット３０に供給できる。

第３の供給管（気化冷媒供給管）７５は、室内熱交換ユニット３０から室外熱交換ユニット４０へ気化冷媒（室内チューブ３１で沸騰気化した冷媒）を供給するための管である。これら液冷媒供給管（第１および第２のの供給管）７１および７２、および気化冷媒供給管７５は、室内熱交換ユニット３０と、それより高い配置される屋外熱交換ユニット４０との間を、原則として配管途中に逆勾配が発生しないように繋いでいる（連通している）。

図４に内部熱交換器（第３の熱交換ユニット）９０の一例を示している。図４に示した内部熱交換器９０は、二重管タイプであり、気化冷媒８１が流通する供給管７５の周りを覆うように設けられた外管９１を含む。内管７５の内部を気化冷媒８１が通過し、外管９１の内部を液冷媒８２が通過することにより気化冷媒８１と液冷媒８２の間で熱交換が行われ、温められた液冷媒８２が室内熱交換ユニット３０に供給される。外管９１は数１００ｃｃから数リットルの容量の冷媒を蓄積するレシーバーとしての機能を合わせて有する。冷房システム１１を施工する際、配管７１〜７５を接続した後、内部熱交換器９０の外管９１に予め収納されていた冷媒を配管７１〜７５に充填させることができる。内部熱交換器９０は、本例では、室内熱交換ユニット３０とともにハウジング３９に内蔵されているが、室内熱交換ユニット３０とは別に設置されていてもよく、外部熱交換ユニット４０の側に設置されていてもよい。

切替弁システム７６は、第１の供給管７１と第２の供給管７２とを切り替えて使用するためのものである。本例の切替弁システム７６は、第１の弁ＣＶ１と第２の弁ＣＶ２とを含む。第１の弁ＣＶ１は、第１の供給管７１の途中、より詳しくは、第１の供給管７１と第２の供給管７２との室外熱交換ユニット４０の側の分岐点に近い位置に設けられている。第２の弁ＣＶ２は、第２の供給管７２の途中の、第１の供給管７１と第２の供給管７２との室外熱交換ユニット４０の側の分岐点に近い位置に設けられている。なお、切替弁システム７６は、第１の供給管７１と第２の供給管７２とを切り替えることができればよく、２つの弁ＣＶ１およびＣＶ２の代わりに三方弁などであってもよい。

冷房システム１１は、温度センサＴＨ１〜ＴＨ４をさらに含む。第１の温度センサＴＨ１は、室内熱交換ユニット３０の供給口３８ａの近傍に配置されており、第１の温度センサＴＨ１によりサーバー室１の室内温度を検出できる。第２の温度センサＴＨ２は、室内熱交換ユニット３０の排出口３８ｂの近傍に配置されており、第２の温度センサＴＨ２により室内熱交換ユニット３０から出力される冷風６５の温度を検出できる。

第３の温度センサＴＨ３は、室外熱交換ユニット４０の出口配管７３、すなわち、第１の供給管７１および第２の供給管７２の分岐点の室外熱交換ユニット４０の側（上流）に設置されている。第３の温度センサＴＨ３により室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度を検出できる。第４の温度センサＴＨ４は、室外熱交換ユニット４０の吸気側に配置されており、第４の温度センサＴＨ４により室外の温度（外気温）を検出できる。

補助空調システム１１は、さらに、室外ファンＦ２のファンモーター４５および切替弁システム７６（本例では、弁ＣＶ１およびＣＶ２の開閉）を制御する制御ユニット５０を有する。制御ユニット５０は、第１の機能５１、第２の機能５２、および第３の機能５３を含む。

第１の機能５１は、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（第３の温度センサＴＨ３で検出された温度）が第１の設定温度以下になり、室外ファンＦ２が既に停止していると、切替弁システム７６により第２の供給管７２から第１の供給管７１に切り替える機能である。本例では、第１の温度を、サーバー室内１の露点温度ＴＤとしている。たとえば、サーバー室１の内部の湿度は静電気防止などを目的とした環境ガイドラインにより露点１５℃以上になるように加湿器などを用いて制御される。したがって、露点温度ＴＤの一例は１５℃である。室内熱交換ユニット３０に供給される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になると、室内熱交換ユニット３０の室内チューブ３１は部分的に液冷媒の温度、すなわち露点温度ＴＤ以下になる可能性があり、室内チューブ３１の表面が結露する可能性がある。

この冷房システム１１においては、室内熱交換ユニット３０は室内ファンを含まない。したがって、室内チューブ３１を通過する空気の流速はそれほど速くなく、室内チューブ３１の表面の結露水が冷風６５に含まれる可能性は小さい。しかしながら、室内チューブ３１に結露が発生すると、水分がサーバー５に何らかの影響を与える可能性を排除できない。このため、温度センサＴＨ３により検出される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になると、第１の機能５１により第１の供給管７１を選択し、内部熱交換器９０により液冷媒を気化冷媒で加温する。そして、露点温度ＴＤ以上に加温された液冷媒を室内熱交換ユニット３０に供給することにより、室内チューブ３１の表面に結露が発生することを防止する。

第２の機能５２は、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が第１の設定温度（露点温度ＴＤ）以下になると、切替弁システム７６により第２の供給管７２から第１の供給管７１に切り替える前に室外ファンＦ２を停止する機能である。室外ファンＦ２を停止することにより、室外熱交換ユニット４０の熱交換効率を下げることができ、屋外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度を上昇できる可能性がある。さらに、室外ファンＦ２を停止することにより電力消費を低減できる。したがって、温度センサＴＨ３により検出される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になると、第１の機能５１に先だって、第２の機能５２により室外ファンＦ２を停止することにより、室内チューブ３１の表面に結露が発生することを防止する。

屋外の風速が大きいとき、外気温が低いときは、室外ファンＦ２を停止しても室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になることがある。この場合は、第２の機能５２に続いて第１の機能５１が動作して内部熱交換器９０で液冷媒を加熱することにより、室内熱交換ユニット３０に供給される液冷媒の温度を露点温度ＴＤ以上になるようにする。したがって、この冷房システム１１においては、室外ファンＦ２を停止しても室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になる条件において、室内熱交換ユニット３０および室外熱交換ユニット４０との間で冷媒を自然循環させることができ、サーバー室１の熱負荷を屋外に放出することができる。

第２の機能５２をバイパスし、第１の機能５１により、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が第１の設定温度（露点温度ＴＤ）以下になると、室外ファンＦ２を停止せずに、切替弁システム７６により第２の供給管７２から第１の供給管７１に切り替えてもよい。室外ファンＦ２を継続して駆動することにより、室外熱交換ユニット４０の熱交換能力を低下させずに、室内熱交換ユニット３０の冷房能力の低下を抑制し、さらに、室内熱交換ユニット３０における結露も抑制できる。

第３の機能５３は、第４の温度センサＴＨ４で検出された外気温が第２の設定温度以下になると、切替弁システム７６により第１の供給管７１および第２の供給管７２の双方を閉鎖する機能である。外気温が下がり過ぎ、内部熱交換器９０の能力を超えるほど低温になると、室外ファンＦ２を停止し、内部熱交換器９０で液冷媒を加熱しても、室内熱交換ユニット３０に供給される液冷媒の温度が露点温度ＴＤ以下になる場合がある。第３の機能５３は、このような状況において室外熱交換ユニット４０と室内熱交換ユニット３０との間の液冷媒の循環を遮断し、室内熱交換ユニット３０に結露が発生するのを防止する。第２の設定温度は、第１の設定温度より低く設定され、たとえば、第２の設定温度を−２０℃としている。

このように、冷房システム１１においては、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が第１の設定温度（露点温度ＴＤ）以上の場合（通常状態、定常状態）は、図２に示すように、第２の供給管７２を介して冷媒が循環する。すなわち、冷媒の循環経路は、室外熱交換ユニット４０→供給管７３→第２の供給管７２（弁ＣＶ２）→供給管７４→室内熱交換ユニット３０→第３の供給管７５→室外熱交換ユニット４０となる。なお、本例においては、第２の供給管７２（弁ＣＶ２）は供給管７４とともに室内熱交換ユニット３０のハウジング３９に内蔵されている。

一方、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が第１の設定温度（露点温度ＴＤ）以下の場合は、図３に示すように、第１の供給管７１を介して冷媒が循環する。すなわち、冷媒の循環経路は、室外熱交換ユニット４０→供給管７３→第１の供給管７１（弁ＣＶ１）および内部熱交換器９０→供給管７４→室内熱交換ユニット３０→第３の供給管７５→室外熱交換ユニット４０となる。

この冷房システム１１においては、室内熱交換ユニット３０の室内チューブ３１は、室内１の天井３に沿った領域、すなわち、室内１の上部の高温の空気層６３に斜めに接する。室内チューブ３１の内部の冷媒（液冷媒）は、高温の空気層６３から受熱すると沸騰気化する。一方、高温の空気層６３は熱が奪われるので冷却され、室内１の天井３に近い領域から下側に流れる空気（ダウンブロー）６５が発生する。この空気の流れ（ダウンブロー）６５は、ほぼ鉛直方向の流れになる。室内チューブ３１が斜めに傾いた状態で配置されているため、水平方向に延びた高温の空気層６３に対して効率よく接し、ダウンブロー６５が効率よく生成される。したがって、室内ファンを設けなくても室内１を比較的効率よく冷房できる。なお、室内ファン（第１のファン）を設けてもよい。

さらに、室内チューブ３１が天井３に対して斜めに傾いているので、室内チューブ３１に吸引される空気は、ダウンブロー６５が発生していない領域からに限られる。したがって、天井３に沿って高温の空気層６３が室内熱交換ユニット３０に吸引され、一定の空気の流れ６４が形成される。このため、この冷房システム１１によれば、サーバー５の上部に形成される熱だまりを比較的容易に解消でき、サーバー５における熱交換を促進させ、サーバー５をさらに効率よく冷却させることができる。

このように、室内熱交換ユニット３０においては、供給口３８ａに対して、天井３にほぼ沿った水平に近い方向から比較的高温の空気６４が流入し、排出口３８ｂから冷却された空気６５がほぼ鉛直方向に排出される。この冷房システム１１は、単独でサーバー室１を冷房することも可能であるが、図１に示した例では、主空調システム２０の補助空調システムとして機能する。冷房システム１１の室内熱交換ユニット３０から排出された空気６５は、床置形の室内ユニット２１の吸入口２３ａから吸い込まれ、さらに冷却されてサーバー５に供給される。したがって、この冷房システム１１が冷却効果を発揮する条件下においては、主空調システム２０の負荷を低減でき、主空調システム２０の消費電力を低減できる。冷房システム１１の室内熱交換ユニット３０を補助空調システムとして使用する場合、屋内においては、主空調システム２０のファンが作る空気の流れを利用できる。したがって、冷房システム１１の室内ファンを省くことが可能である。

さらに、冷房システム１１においては、室内熱交換ユニット３０の室内チューブ３１で沸騰気化した冷媒（気化冷媒）は、液冷媒との比重差により配管システム７０を循環するので、コンプレッサやポンプなどの圧縮機が不要であり、ファン以外の消費電力は基本的に発生しない。したがって、低消費電力で高効率の空調システムを提供できる。さらに、冷房システム１１においては、斜めに配置された室内チューブ３１により、室内１の空気を循環させ、効率よく室内チューブ３１と接触させている。したがって、室内熱交換ユニット３０は室内ファンを備えておらず、室内ファンに要する動力（電力）も不要である。

また、この冷房システム１１においては、外気温が低下して室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が露点以下となっても、内部熱交換器９０を用いて液冷媒を気化冷媒で加温することにより、電力を基本的に消費せずに冷媒を循環させ、自然循環による冷房能力を維持できる。したがって、冷房システム１１により、日夜および一年を通じ、外気温がより低い条件においても自然循環サイクルにより室内１を冷房でき、冷房（空調）に要する消費電力をさらに低減できる。

図５に、冷房システム１１の制御方法の一例を説明するためのフローチャートを示している。ステップ１０１において、温度センサＴＨ４で検出される外気温が−２０℃以下でなく、ステップ１０２において、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３で検出された温度）が露点ＴＤ以下でなければ、ステップ１０３において、第１の弁ＣＶ１を閉じ、第２の弁ＣＶ２を開いて冷房システム１１を運転する。これにより、室外熱交換ユニット４０→供給管７３→第２の供給管７２（弁ＣＶ２）→供給管７４→室内熱交換ユニット３０→供給管７５→室外熱交換ユニット４０のサイクルで冷媒が循環し、室内１が冷房される（図２参照）。なお、外気温が室温よりも高く、室外熱交換ユニット４０で冷媒が凝縮されないような条件では冷媒は循環せず、冷房システム１１により室内１は冷房されない。

ステップ１０２において、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になると、まず、第２の機能５２がステップ１０４においてファンＦ２の作動状況を確認し、ファンＦ２が動いていれば、ステップ１０５において、ファンＦ２（ファンモーター４５）を停止する。これにより、室外熱交換ユニット４０の排熱能力を抑制できるため、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以上になる可能性がある。この場合は、ファンＦ２を停止した状態で冷房システム１１は運転を継続する。

一方、ステップ１０２において、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になり、ステップ１０４においてファンＦ２が停止していると、ステップ１０６において、第１の機能５１は、第１の弁ＣＶ１を開き、第２の弁ＣＶ２を閉じる。これにより、室外熱交換ユニット４０→供給管７３→第１の供給管７１（弁ＣＶ１）および内部熱交換器９０→供給管７４→室内熱交換ユニット３０→供給管７５→室外熱交換ユニット４０のサイクルで冷媒が循環する（図３参照）。この例では、第１の供給管７１（弁ＣＶ１）は、供給管７４とともに室内熱交換ユニット３０のハウジング３９に内蔵されている。このサイクルでは、内部熱交換器（第３の熱交換ユニット）９０において気化冷媒により液冷媒が加温されるので、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になっても冷媒を循環させることができる（冷媒の循環量が確保される）。このため、自然循環型の冷房システム１１により室内の熱を室外に運び、室内１の冷房を継続させることができる。

上述したようにステップ１０４および１０５を省き、ステップ１０２において室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になると、ステップ１０６において、第１の機能５１により弁切り替えを行ってもよい。

ステップ１０１において、温度センサＴＨ４で検出された外気温度が−２０℃以下になると、ステップ１０７において、第３の機能５３により第１の弁ＣＶ１および第２の弁ＣＶ２の双方を閉じ、冷媒の循環を停止させる。

図６は、本発明の他の実施形態にかかるハイブリッド空調システム１０ｂの概要を示している。この空調システム１０ｂでは、主空調システム２０および冷房システム１１がサーバー室１に隣接した空調室７に設置されており、サーバー室１と空調室７との間に隔壁６が設けられている。主空調システム２０は、隔壁６の上部開口６ａからサーバー室１の空気を吸引して冷却し、床下開口６ｂからサーバー室１の床下へ噴き出す。したがって、空調室７はサーバー室１に対して負圧になっている。

主空調システム２０の補助システムとして機能する冷房システム１１の室内熱交換ユニット３０は、隔壁６の上部開口６ａに面して取り付けられている。したがって、室内熱交換ユニット３０の室内チューブ３１は隔壁６に沿ってほぼ鉛直方向に配置されている。室内チューブ３１にはサーバー室１と空調室７との差圧によりサーバー室１の空気（温風）が供給され、室内チューブ３１が鉛直方向に延びているので接触効率が高く、室内チューブ３１によりサーバー室１の空気が効率よく冷却され、主空調システム２０に吸引される。冷房システム１１の室外熱交換ユニット４０は、室内熱交換ユニット３０よりも上方（高い位置）、例えば、サーバー５が配置される階よりも上の階のデッキに配置されている。

以上のように、冷房システム１１を含むハイブリッド空調システム１０ａおよび１０ｂおよびその制御方法によれば、室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度が露点以下になっても、自然循環型の冷房システム１１を稼働させることが可能であり、省電力でさらに長時間にわたり冷房することができる。したがって、ランニングコストのさらに低い空調システムを提供することが可能となる。

なお、上記においては、データセンターに設置される冷房システムを例に説明しているが、冷房の対象となる負荷はサーバーなどの情報機器に限定されない。例えば、クリーンルームの冷房など、窓を開けて風を取り込むことが難しい条件の冷房にも、本発明の冷房システムおよびハイブリッド空調システムを好適に用いることができる。

さらに、上記では、床置形の冷房システムとの組み合わせを例に、本発明の冷房システムを説明しているが、異なるタイプの冷房システムと組み合わせたり、単独で使用したりしてもよい。本発明の冷房システムは、単独のほか、既存の冷房システムを組み合わせて利用するなど、上記以外の様々な方法で冷房する条件または環境に合わせて使用できる。

１１ 冷房システム（補助空調システム）
３０ 室内熱交換ユニット（屋内熱交換ユニット）
４１ 第２のチューブ、 Ｆ２ 室外ファン（第２のファン）
４０ 室外熱交換ユニット（屋外熱交換ユニット）
５０ 制御ユニット、 ７０ 配管システム
７１ 第１の供給管、 ７２ 第２の供給管
７６ 切替弁システム、 ９０ 第３の熱交換ユニット

Claims (8)

1. 室内に設置される第１の熱交換ユニットと、
   室外に設置される第２の熱交換ユニットと、
   前記第１の熱交換ユニットと前記第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる配管システムとを有し、
   前記配管システムは、
   前記第２の熱交換ユニットから前記第１の熱交換ユニットへ、前記第１の熱交換ユニットから前記第２の熱交換ユニットへ供給される気化冷媒と第３の熱交換ユニットにより熱交換して加温された液冷媒を供給する第１の供給管と、
   前記第３の熱交換ユニットをバイパスして前記第２の熱交換ユニットから前記第１の熱交換ユニットへ液冷媒を供給する第２の供給管とを含む、冷房システム。
2. 請求項１において、前記配管システムは、さらに、前記第１の供給管と前記第２の供給管とを切り替えて使用する切替弁システムを含み、
   当該冷房システムは、さらに、前記切替弁システムを制御する制御ユニットを有し、
   前記制御ユニットは、前記第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると前記切替弁システムにより前記第２の供給管から前記第１の供給管に切り替える機能を含む、冷房システム。
3. 請求項２において、前記第２の熱交換ユニットは、第２のチューブと、前記第２のチューブに外気を供給する第２のファンとを含み、
   前記制御ユニットは、さらに、前記液冷媒の温度が前記第１の設定温度以下になると、前記切替弁システムにより前記第２の供給管から前記第１の供給管に切り替える前に前記第２のファンを停止する機能を含む、冷房システム。
4. 請求項２または３において、
   前記制御ユニットは、さらに、外気温が前記第１の設定温度より低い第２の設定温度以下になると、前記切替弁システムにより前記第１の供給管および前記第２の供給管を閉鎖する機能を含む、冷房システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の冷房システムと、
   前記冷房システムの前記第１の熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システム。
6. 室内に設置される第１の熱交換ユニットと、室外に設置される第２の熱交換ユニットと、前記第１の熱交換ユニットと前記第２の熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる配管システムとを有する冷房システムの制御方法であって、
   前記配管システムは、
   前記第２の熱交換ユニットから前記第１の熱交換ユニットへ、前記第１の熱交換ユニットから前記第２の熱交換ユニットへ供給される気化冷媒と第３の熱交換ユニットにより熱交換して加温された液冷媒を供給する第１の供給管と、
   前記第３の熱交換ユニットをバイパスして前記第２の熱交換ユニットから前記第１の熱交換ユニットへ液冷媒を供給する第２の供給管と、
   前記第１の供給管と前記第２の供給管とを切り替えて使用する切替弁システムとを含み、
   当該制御方法は、
   前記切替弁システムを制御する制御ユニットが、前記第２の熱交換ユニットから供給される液冷媒の温度が第１の設定温度以下になると前記切替弁システムにより前記第２の供給管から前記第１の供給管に切り替えることを有する、制御方法。
7. 請求項６において、前記第２の熱交換ユニットは、第２のチューブと、前記第２のチューブに外気を供給する第２のファンとを含み、
   当該制御方法は、前記液冷媒の温度が前記第１の設定温度以下になると、前記切り替えることの前に前記第２のファンを停止することをさらに有する、制御方法。
8. 請求項６または７において、
   外気温が前記第１の設定温度より低い第２の設定温度以下になると、前記切替弁システムにより前記第１の供給管および前記第２の供給管を閉鎖することをさらに有する、制御方法。

Images