JP2015200433A

JP2015200433A - 自然循環型の冷却システムおよび制御方法

Info

Publication number: JP2015200433A
Application number: JP2014077975A
Authority: JP
Inventors: 山口　祥一; Shoichi Yamaguchi; 祥一山口
Original assignee: Denso Aircool Corp
Current assignee: Denso Aircool Corp
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-11-12

Abstract

【課題】自然循環型の冷却システムを提供する。
【解決手段】室内に設置される室内熱交換ユニットと、室外に設置される室外熱交換ユニットと、室内熱交換ユニットと室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる循環系と、室内熱交換ユニットの冷却可能能力を推定する能力推定ユニットと、室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷と冷却可能能力とに基づき、室内熱交換ユニット、室外熱交換ユニットおよび循環系の少なくともいずれかに含まれる周辺機器を制御する能力制御ユニットとを有するシステムを提供する。能力推定ユニットは、室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度と、冷却対象の空気の温度とにより室内熱交換ユニットが発揮する予定の冷却可能能力を求める機能を含み、能力制御ユニットは、冷却可能能力が冷却負荷より大きければ、周辺機器の少なくとも１つを室内熱交換ユニットの冷却能力を抑制する方向に制御する機能を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、室内に設置される室内熱交換ユニットおよび室外に設置される室外熱交換ユニットの間で冷媒を自然循環させる自然循環型（沸騰循環型）の冷却システムおよびそれを制御する方法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）に設置される室内熱交換ユニットと、主に室外、特に屋外に設置される室外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却する、圧縮機を含まない自然循環型（沸騰循環型）の冷却システムが知られている。この自然循環型の冷却システムは、室外が室内より低温のときに省電力で室内を冷却できる。室内熱交換器の表面が結露環境となったときには、室外ファンを停止して結露の発生を防止する。このような自然循環型の冷却システムをさらに有効に活用することが求められている。

本発明の態様の１つは、室内に設置される室内熱交換ユニットと、室外に設置される室外熱交換ユニットと、室内熱交換ユニットと室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる循環系と、室内熱交換ユニットの冷却可能能力を推定する能力推定ユニットと、室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷と冷却可能能力とに基づき室内熱交換ユニット、室外熱交換ユニットおよび循環系の少なくともいずれかに含まれる周辺機器を制御する能力制御ユニットとを有するシステムである。能力推定ユニットは、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度と、室内熱交換ユニットの冷却対象の空気の温度とにより室内熱交換ユニットが発揮する予定の冷却可能能力を求める機能を含む。能力制御ユニットは、冷却可能能力が冷却負荷より大きければ、周辺機器の少なくとも１つを室内熱交換ユニットの冷却能力を抑制する方向に制御する機能を含む。

自然循環型のシステムにおいては、室内熱交換ユニットの冷却能力は外気温により変動する。したがって、外気温の変動にも関わらず室外ファンなどの周辺機器が継続して動作していると室内熱交換ユニットの冷却能力が急激に増加し、自然循環型の冷却システムを停止する、すなわち、冷媒の循環を停止しなければいけなくなる可能性がある。

このシステムにおいては、能力推定ユニットにより室内熱交換ユニットの冷却可能能力をその都度推定し、能力制御ユニットにより室内熱交換ユニットの冷却能力を、要求される冷却負荷（冷房負荷）に対して大幅に大きくならないように常に制御する。したがって、室内熱交換ユニットが露点環境に到達するのに先行して、室内熱交換ユニットの冷却能力が制御される。このため、外気温が急激に低下したような条件においても、室内熱交換ユニットが露点環境に到達するのを遅くでき、冷媒の循環を停止するような事態の発生を抑制できる。したがって、自然循環型の冷却システムにより、より長時間にわたり、低消費電力で、あるいは電力を消費せずに、室内の熱負荷（冷房負荷）を除去できる。

さらに、周辺機器を稼働し続けるようなケースと比較すると、室内熱交換ユニットが露点環境に到達するのを遅くでき、結露しやすい状態で室内熱交換ユニットが運転されることを抑制できる。したがって、より安全な条件で、より長時間にわたり運転できる自然循環型のシステム（冷房システム）を提供できる。

能力制御ユニットは、室外熱交換ユニットの熱交換器に外気を供給する室外ファンの出力を、冷却負荷と冷却可能能力とに基づき制御する機能を含んでいてもよい。室外ファンのオンオフを含めた出力制御を、外気温を測定して行うことも可能である。このシステムにおいては、外気温の変化は冷却可能能力に反映されるので、冷却負荷と冷却可能能力とに基づき室外ファンを制御することにより外気温を測定するセンサーおよび外気温に基づく制御手段を省くことができる。たとえば、冷却負荷に対して冷却可能能力が高いときは室外ファンの出力を低下したりファンをオフし、冷却負荷に対して冷却可能能力が低いときは室外ファンの出力を上げたりファンをオンする。

このシステムは、室内熱交換ユニットとともに冷却対象の部屋を冷却する空調システムを有していてもよい。このシステムは、さらに、周辺機器のいずれかの機器を稼働したときの消費電力の増加量および室内熱交換ユニットの冷却可能能力の増加量が関連付けられたデータベースを有することが望ましい。能力制御ユニットは、冷却可能能力が冷却負荷より小さければ、周辺機器の中の稼働可能な機器を稼働させたときの消費電力をデータベースから取得し、取得された消費電力による空調システムの冷却能力よりも、稼働可能な機器を稼働させたときの室内熱交換ユニットの予想冷却可能能力の増加量が大きければ、稼働可能な機器を稼働して室内熱交換ユニットの冷却能力を向上する能力向上機能を含むことが望ましい。

このシステムの冷却能力を向上させる必要があるときに、空調システムの消費電力を含めて評価することにより、電力をさらに効率よく使って冷却能力を向上できる。

能力向上機能は、さらに、稼働可能な機器を稼働させたときに室内熱交換ユニットに対し要求される予想冷却負荷が増加するときは、予想冷却負荷よりも、予想冷却可能能力が大きければ、稼働可能な機器を稼働して室内熱交換ユニットの冷却能力を向上する機能を含むことが望ましい。室内ファンなどを稼働させる場合は、室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷（室内熱負荷）の増加も考慮して評価することが望ましい。

周辺機器としては、室外熱交換ユニットの熱交換器に外気を供給する室外ファン、室内熱交換器の熱交換器に冷却対象の空気を供給する室内ファン、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の流量を調整する流量調整バルブを挙げることができる。

本発明の他の態様の一つは、自然循環型の冷却システムを制御する方法である。この方法は、以下のステップを含む。
１．制御ユニットが、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度と、室内熱交換ユニットの冷却対象の空気の温度とにより室内熱交換ユニットが発揮する予定の冷却可能能力を求めること。
２．室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷と冷却可能能力とに基づき、周辺機器を制御すること。周辺機器を制御するステップは、冷却可能能力が冷却負荷より大きければ、少なくとも１つの周辺機器を室内熱交換ユニットの冷却能力を抑制する方向に制御することを含む。

周辺機器を制御するステップは、室外熱交換ユニットに外気を供給するファンの出力を、冷却負荷と冷却可能能力とに基づき制御することを含んでもよい。

冷却システムが、室内熱交換ユニットとともに冷却対象の部屋を冷却する空調システムを有する場合、周辺機器を制御するステップは、冷却可能能力が冷却負荷より小さいときに、周辺機器のいずれかの稼働可能な機器を稼働させたときの消費電力による空調システムの冷却能力よりも、稼働可能な機器を稼働させたときの室内熱交換ユニットの予想冷却可能能力の増加量が大きければ、稼働可能な機器を稼働して室内熱交換ユニットの冷却能力を向上することを含むことが望ましい。

周辺機器を制御するステップは、稼働可能な機器を稼働させたときの予想冷却負荷が増加するときは、予想冷却負荷よりも、予想冷却可能能力が大きければ、稼働可能な機器を稼働して室内熱交換ユニットの冷却能力を向上することをさらに含むことが望ましい。

本発明に係る空調システムを有するハイブリッド空調システムの概略構成を示す図。空調システムの概略構成を示す図。冷却システムの制御方法を示すフローチャート。

図１に、ハイブリッド空調システムの概略構成を示している。このハイブリッド空調システム１００は、床置き型の第１の空調システム１と、外気条件が整ったときに動作する第２の空調システム２とを有する。

図１は、サーバーなどを備えたデータセンター１１０にハイブリッド空調システム１００が設置された例を示している。ハイブリッド空調システム１００はデータセンター１１０に限らず、他の電子機器が設置された屋内、居住空間など、他の空間の空調にも適している。この例では、フリーアクセス床９９の床上９９ａに配置された複数のサーバー９０により加熱された空気９１が、システム１００の第１の空調システム１と第２の空調システム２とにより冷却される。第１の空調システム１と第２の空調システム２とは独立して動作してもよく、第２の空調システム２により冷却された空気（冷気）９２が第１の空調システム１によりさらに冷却されて出力あるいは循環するようにアレンジされてもよい。

これらの空調システム１および２により冷却された冷気（冷風）９３は床下９９ｂの空間を介して複数のサーバー９０に供給され、サーバー９０および室内１１１が冷却（冷房）される。第１の空調システム１および第２の空調システム２は、どちらが主空調システムであってもよく、どちらがサブ空調システムであってよい。省エネの観点からは第２の空調システム２をできるだけ稼働させることが望ましい。一方、第１の空調システム１は、コンプレッサーにより強制的に冷媒を循環するので、外気条件に左右されずに冷却効果が得られる。また、第１の空調システム１は、冷房（冷却）のみならず、暖房も可能である。

第１の空調システム１は、室内（屋内）１１１に設置された室内（屋内）ユニット１０と、室外（屋外）１１２に設置された室外（屋外）ユニット２０とを有する。屋内ユニット１０は、冷却用のチューブを備えたエバポレーター（蒸発装置）１１と、ヒーター１２と、室内（屋内）ファン１３とを含む。屋外ユニット２０は、凝縮用のチューブを備えたコンデンサー（凝縮装置）２１と、コンプレッサー（圧縮機）２２と、室外（屋外）ファン２３とを含む。この空調システム１においては、屋外ユニット２０のコンプレッサー２２で圧縮した冷媒をコンデンサー２１において外気温を利用して冷却し、屋内ユニット１０のエバポレーター１１において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風９３を生成する。

第２の空調システム２は、自然循環型（沸騰循環型）の冷却システム３０と、冷却システム３０を制御する制御ユニット７０とを有する。冷却システム３０は、屋内１１１の天井１１５近傍に設置された室内ユニット（屋内ユニット、室内機）４０と、屋外１１２に設置された室外ユニット（屋外ユニット、室外機）５０と、屋内ユニット４０および屋外ユニット５０を接続する配管システム（配管系）６０とを含む。屋外ユニット５０は、屋内ユニット４０よりも高い位置に設置される。

図２に、ハイブリッド空調システム１００から第２の空調システム２を抜き出して、その構成を示している。屋内ユニット４０は、屋内１１１のフリーアクセス床９９および／または天井１１５に対して垂直（鉛直）に、または斜めに設置された室内熱交換ユニット４１を含む。室内熱交換ユニット４１は、液化した冷媒（液冷媒）８２を蒸発（沸騰）気化する複数の室内チューブ４２（図２では１本のみ図示）と、液冷媒８２が供給される供給ヘッダ４３と、気化した冷媒（気化冷媒）８１を集めて排出する排出ヘッダ４４と、室内チューブ４２に室内１１１の空気（冷却対象の空気）９１を強制的に供給する室内（屋内）ファン４５と、室内ファン４５を駆動する室内ファンモーター４６とを含む。

室内ファン４５は、屋内ユニット４０の周辺機器の１つであり、室内チューブ４２に対して冷却対象の空気９１を供給し、室内熱交換ユニット４１の冷却能力（冷房能力）を制御する。室内熱交換ユニット４１の設置条件によっては、室内ファン４５および室内ファンモーター４６は省略されてもよい。たとえば、室内熱交換ユニット４１を天井１１５の近傍に配置することにより、天井１１５から床９９に向けてダウンブローを形成することにより室内に冷気を循環させることができる。室内ファン４５は、室内チューブ４２に対して吸気側に設けられていても、排気側に設けられていても良い。

複数の室内チューブ４２の下部は供給（下部）ヘッダ４３に接続され、上部は供給ヘッダ４３よりも高い位置、すなわち天井１１５に近い位置に配置された排出（上部）ヘッダ４４に接続されている。供給ヘッダ４３に供給された液冷媒８２は、室内チューブ４２において蒸発し、気化冷媒８１は比重差により室内チューブ４２内を上昇して、排出ヘッダ４４に集められる。気化冷媒８１は、比重差により、配管システム６０を介して屋外ユニット５０に向けて供給される。

屋外ユニット５０は、屋内ユニット４０の室内熱交換ユニット４１よりも高い位置に設置された室外熱交換ユニット５１を含む。室外熱交換ユニット５１は、気化冷媒８１を凝縮液化する複数の室外チューブ５２（図２では１本のみ図示）と、気化冷媒８１が供給される供給ヘッダ５３と、液化した液冷媒８２を集めて排出する排出ヘッダ５４と、室外チューブ５２に室外１１２の空気（外気）９５を強制的に供給する室外（屋外）ファン５５と、室外ファン５５を駆動する室外ファンモーター５６とを含む。

室外ファン５５は、屋外ユニット５０の周辺機器の１つであり、室外チューブ５２に外気９５を供給して冷媒の冷却を促進することにより室内熱交換ユニット４１の冷却能力を制御する。室外熱交換ユニット５１の設置条件によっては、室外ファン５５およびファンモーター５６は省略されてもよい。また、室外ファン５５は、室外チューブ５２に対して吸気側に設けられていても、排気側に設けられていても良い。

複数の室外チューブ５２の上部は供給（上部）ヘッダ５３に接続され、下部は供給ヘッダ５３よりも低い位置に配置された排出（下部）ヘッダ５４に接続されている。このため、供給ヘッダ５３に供給された気化冷媒８１は室外チューブ５２において凝縮し、液冷媒８２は比重差（自重）により室外チューブ５２内を降下して排出ヘッダ５４に集められる。さらに、液冷媒８２は、比重差（自重）により配管システム６０を介して屋内ユニット４０に向けて供給される。

室内チューブ４２および室外チューブ５２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無しであってもよい。フィンを用いる場合には、たとえば、コルゲートタイプ、プレートタイプ、スパインタイプなどを用いることができる。冷媒は、作動条件とする室内１１１の空気９１の温度（室温）で気化し、室外１１２の空気（外気）９５の温度（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。

屋内ユニット４０および屋外ユニット５０を接続する配管システム６０は、室内熱交換ユニット４１および室外熱交換ユニット５１の間でコンプレッサー（圧縮機）を介さずに冷媒を自然循環させる配管システムである。配管システム６０は、気化冷媒８１を室内熱交換ユニット４１から室外熱交換ユニット５１に供給する第１の供給管（冷媒送り管）６１と、液冷媒８２を室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給する第２の供給管（冷媒戻り管）６２と、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給される液冷媒８２の流量をリモートで調整する流量調整バルブ６９とを含む。

流量調整バルブ６９は、配管系６０の周辺機器の１つであり、室外熱交換ユニット５１と室内熱交換ユニット４１との間で循環する冷媒量を制御することにより室内熱交換ユニット４１の冷却能力を制御する。空調システム２の設置条件によっては、流量調整バルブ６９は省略されてもよい。

冷媒送り管６１は、室内熱交換ユニット４１の排出ヘッダ４４と室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３とを連通する配管であり、冷媒戻り管６２は、室外熱交換ユニット５１の排出ヘッダ５４と室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ４３とを連通する配管である。冷却システム３０においては、室内熱交換ユニット４１において液冷媒８２が蒸発気化されることにより、室内１１１の空気（冷却対象の空気）９１を冷却し、冷気９２を出力する。気化冷媒８１は、室外熱交換ユニット５１において外気温により凝縮液化させる。上下に設置された室外熱交換ユニット５１および室内熱交換ユニット４１の間で、気化冷媒８１と液冷媒８２とは比重差により自然循環するので、コンプレッサーやポンプなどの圧縮機を用いることなく室内１１１の熱を室外１１２に放出し、室内１１１を冷却できる。

冷却システム３０は、室内１１１から室内熱交換ユニット４１の室内チューブ４２に供給される冷却対象の空気９１の温度（室温）Ｔｉｎｓおよび湿度Ｈｉｎｓを検出する第１のセンサー４７と、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給される液冷媒８２の温度Ｔｒｒを検出する第２のセンサー４８とを含む。第１のセンサー４７は、室内チューブ４２の吸込口の近傍に配置され、第２のセンサー４８は、冷媒戻り管６２の出口の近傍、すなわち室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ４３の近傍に配置されている。

このシステム３０においては、室外１１２から室外熱交換ユニット５１の室外チューブ５２に供給される外気９５の温度（外気温）Ｔｏｕｔを検出する第３のセンサー５７は、監視用として設けている。第３のセンサー５７は制御に用いられないので、省いてもよい。第３のセンサー５７は、室外チューブ５２の吸込口の近傍に配置される。

補助空調システム（第２の空調システム）２を制御する制御ユニット７０は、ＣＰＵおよびメモリを含み、適当なプログラムをロードすることにより幾つかの機能を実現する。制御ユニット７０は、空調システム２の冷房能力を推定する能力推定ユニット７１と、空調システム２の状態を監視するモニター７２と、空調システム２の能力を制御する能力制御ユニット７５と、能力制御ユニット７５の指示およびモニター７２の監視結果に基づいて周辺機器を具体的に制御する機器制御ユニット７３とを含む。

能力制御ユニット７５は、推定された冷房能力が相対的に大きいときは、能力を制限する方向に空調システム２を導く能力制限機能（能力制限ユニット）７６と、推定された冷房能力が相対的に小さいときは、ハイブリッド空調システム１００として効率よく冷房能力を向上する方向に空調システム２を導く能力向上機能（能力向上ユニット）７７と、能力向上機能７７の判断により第１の空調システム１の能力を向上させる場合に第１の空調システム１の側に指示を出す協調機能７９と、それぞれの周辺機器を稼働したときの消費電力の増加予想置、第２の空調システム２の能力変化予想値などが予め関連付けされて記録されたデータベース７８とを含む。

能力推定ユニット７１および能力制御ユニット７５は、第１の空調システム１および第２の空調システム２を含むハイブリッド空調システム１００の冷却能力をさまざまな条件のもとで推定または予測するシミュレータとして機能する。

能力推定ユニット７１は、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給される液冷媒８２の戻り温度Ｔｒｒと、室内熱交換ユニット４１に供給される冷却対象の空気９１の温度Ｔｉｎｓとにより室内熱交換ユニット４１が発揮する予定の冷却可能能力Ｑｓを推定する機能７１ａを含む。以下の式（１−１）により室内熱交換ユニット４１の冷却可能能力Ｑｓが算出される。
Ｑｓ＝η・Ｋ・Ａ・（Ｔｉｎｓ−Ｔｒｒ）・・・（１−１）

ただし、係数Ｋは室内熱交換ユニット４１の熱通過率（Ｗ／ｍ^２Ｋ）であり、係数Ａは伝熱面積（ｍ^２）である。温度ＴｉｎｓおよびＴｒｒは摂氏（℃）または絶対温度（Ｋ）のいずれか一方の単位で統一される。係数ηは、理論値に対する現実の熱交換における誤差分を補正する補正係数であり、理論通りの値が得られる場合は１である。係数η・Ｋ・Ａは、同型の熱交換器により測定または実験などを行うことにより１つの係数（定数）として求めることも可能である。

自然循環型の冷却システム３０では、室内外の熱交換性能、すなわち吸熱性能および放熱性能がほぼ同等となる。したがって、液冷媒８２の戻り温度Ｔｒｒは、室内１１１の室温Ｔｉｎｓおよび室外１１２の外気温Ｔｏｕｔの平均値近傍となることが多い。室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１との高低差は多くのケースが１０ｍ以下であり、室内外のヘッダの高低差の影響は小さい。したがって、室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１との器内圧差はほぼ無視できる程度に小さいと考えられる。このため、温度安定性の高い液冷媒８２の戻り温度Ｔｒｒにより、サイクル中の冷媒温度がほぼ推定される。

能力制御ユニット７５の能力制限ユニット７６は、推定された冷却可能能力Ｑｓが、室内熱交換ユニット４１に対し要求される冷却負荷Ｑｒ、すなわち、冷房負荷あるいは室内負荷より大きければ、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を下げる方向に周辺機器を制御するように機器制御ユニット７３に指示を出す。冷却負荷Ｑｒは、冷却対象であるデータセンター１１０の室内１１１に設置されるサーバーなどの平均負荷から求めておいてもよく、日時によるサーバーの稼働率や太陽などの熱負荷を含めて時間単位で求めておいてもよく、データセンター１１１で消費される電力から冷却負荷Ｑｒをその都度推定してもよい。予め定められた冷却負荷Ｑｒはデータベース７８に記録しておくことが可能であり、その都度冷却負荷Ｑｒを求めるために必要な情報もデータベース７８に記録しておくことが可能である。

この空調システム２において室内熱交換ユニット４１の冷却能力を変更できる周辺機器は、室外熱交換ユニット５１の室外ファン５５と、室内熱交換ユニット４１の室内ファン４５と、液冷媒８２の循環量を制御する制御バルブ（流量調整バルブ）６９とが挙げられる。能力制限ユニット７６は、冷却可能能力Ｑｓと冷却負荷Ｑｒとの差から、これらの周辺機器のうちの適当なもの、または適当な組み合わせを機器制御ユニット７３に指示して停止させることにより、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を制限する。

能力制限ユニット７６は、冷媒８１および８２の循環を止めないことを前提（目標）として、周辺機器の中から適当なものを順番に停止する機能を含み、その順番に機器制御ユニット７３に上記の周辺機器を停止あるいは能力ダウンする指示を出す。能力制限ユニット７６は、まず、室外ファン５５の出力（風量）を下げたり、停止したりして外気９５によるオーバークールを抑制する指示を機器制御ユニット７３に出す。したがって、能力制御ユニット７５は、外気温によらず、冷却負荷Ｑｒと冷却可能能力Ｑｓとに基づき制御する機能を含む。

次に、能力制限ユニット７６は、室内ファン４５の出力（風量）を下げたり、停止したりして室内熱交換ユニット４１の熱交換量を抑制する指示を機器制御ユニット７３に出す。能力制限ユニット７６は、次に、制御バルブ６９を制御して、冷媒８１および８２の循環量を下げて、冷媒の循環を確保しながら室内熱交換ユニット４１の熱交換量を抑制する指示を機器制御ユニット７３に出す。

機器制御ユニット７３は、これらの指示に基づいて、室外ファン５５のオンオフおよび／または回転数を制御する室外ファンコントローラ７３ａと、室内ファン４５のオンオフおよび／または回転数を制御する室内ファンコントローラ７３ｂと、制御バルブ６９の開度を制御するバルブコントローラ７３ｃとを含む。

能力制御ユニット７５の能力向上ユニット７７は、推定された冷却可能能力Ｑｓが冷却負荷Ｑｒより小さければ、原則、周辺機器のいずれかの稼働可能な機器を稼働させて補助空調システム２の能力を上げる。すなわち、能力向上ユニット７７は、可能であれば、室外ファン５５を稼働させたり、室外ファン５５の回転数を上げたり、室内ファン４５を稼働させたり、室内ファン４５の回転数を上げたり、制御バルブ６９の開度を大きくしたりして、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を上げるように機器制御ユニット７３に指示を出す。

能力向上ユニット７７は、そのような指示を出す前に、２つの事項を確認する機能７７ａおよび７７ｂを含む。第１の確認機能７７ａは、周辺機器のいずれか、このケースであれば、室外ファン５５または室内ファン４５を稼働させたり、回転数を上げたときの予想冷却可能能力Ｑｓｐの増加量と、そのために増加する消費電力で第１の空調システム１を稼働したときの空調システム１の予想冷却可能能力Ｑｍｓの増加量とを比較する。第２の空調システム２の冷却可能能力Ｑｓｐと第１の空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓとの比較は、増加分（差分）で行ってもよく、冷却可能能力同士を比較してもよい。

室外ファン５５または室内ファン４５を稼働させたり、回転数を上げたときの第２の空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増加、それぞれのファン５５および４５の消費電力の増加、消費電力に対応する第１の空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓの増加などの上記のシミュレーションに必要なデータはデータベース７８に格納されている。

第１の確認機能７７ａはデータベース７８を参照し、第２の空調システム２の予想冷却可能能力Ｑｓｐの方が、第１の空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓよりも大きければ、室外ファン５５および／または室内ファン４５の能力を上げて第２の空調システム２の冷却能力を上げるように機器制御ユニット７３に指示を出す。

第１の空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓの方が、第２の空調システム２の予想冷却可能能力Ｑｓｐよりも大きければ、第１の確認機能７７ａは、協調機能７９を介して第１の空調システム１の出力を上げるように指示を出す。

第１の確認機能７７ａは、状態が変化したときに、稼働中のファン５５および４５を停止したときの空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓの増減と空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増減との関係をシミュレーションすることが可能である。空調システム１を稼働した方が、エネルギー効率が高いと判断すると、第１の確認機能７７ａは、稼働中のファン５５または４５を停止する指示を機器制御ユニット７３に出し、協調機能７９に第１の空調システム１の出力を上げる指示を出しても良い。第２の空調システム２は、自然循環型であり、ファン５５および４５を停止して電力を消費しない状態にしても冷却能力を有する。したがって、第２の空調システム２の能力だけではなく、第１の空調システム１の能力も含めて評価することにより、さらに低電力で効率よく室内１１１を冷房できる。

第２の確認機能７７ｂは、周辺機器のうちで稼働可能な機器を稼働させたときに冷却負荷Ｑｒが増加するか否かを判断し、その予想冷却負荷Ｑｒｐの増加量より、稼働可能な機器を稼働させたときの室内熱交換ユニット４１の予想冷却可能能力Ｑｓｐの増加量が大きければ、稼働可能な機器を稼働して室内熱交換ユニット４１の冷却能力を向上する。第２の確認機能７７ｂは、室内ファン４５などの室内機器を稼働させることにより室内の熱負荷が増えることを考慮して第２の空調システム２の能力を最適に制御する。

モニター７２は、第２の空調システム２の動作環境を監視して、必要があれば、機器制御ユニット７３に指示を出して、適当な機器を停止したり、能力を下げる。典型的には、モニター７２は露点監視機能７２ａを含む。露点監視機能７２ａは、液冷媒温度（戻り温度）Ｔｒｒが、冷却対象の空気９１の露点温度Ｔｄ以下であれば、室外ファン５５を停止したり、回転数を下げたりするように機器制御ユニット７３に指示を出す。

図３に、制御ユニット７０による制御の一例を示している。ステップ２０１において、モニター７２が、第１のセンサー４７により、空気９１の温度Ｔｉｎｓおよび湿度Ｈｉｎｓを検出し、これらから室内１１１の露点温度Ｔｄを算出する。さらに、モニター７２が、第２のセンサー４８により液冷媒８２の戻り温度Ｔｒｒを検出する。ステップ２０２において、液冷媒８２の戻り温度Ｔｒｒが露点温度Ｔｄより高くなければ、すなわち、液冷媒８２の温度Ｔｒｒが露点温度Ｔｄ以下であれば、モニター７２は、ステップ２０８において、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を下げるように周辺機器を制御する。たとえば、室外ファン５５が稼働していれば、室外ファン５５の風量を制限するように指示を出し、液冷媒８２の温度Ｔｒｒを上げる。具体的には、室外ファン５５の回転数を下げたり、室外ファン５５を停止する。室外ファン５５が稼働していなければ、制御バルブ６９を閉じて流量を制限するように指示を出して温度Ｔｒｒを上げる。最終的には、制御バルブ６９を閉じて、冷媒８１および８２の循環を停止する。

ステップ２０１および２０２におけるモニター７２の監視と同時に、または前後して、能力推定ユニット７１が、ステップ２０３において、冷却可能能力Ｑｓを算出する。ステップ２０４において、冷却可能能力Ｑｓが冷却負荷Ｑｒより大きければ、能力制限ユニット７６は、ステップ２０８において、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を抑制するように周辺機器を制御する。

ステップ２０４において、冷却可能能力Ｑｓが冷却負荷Ｑｒ以下であれば、能力向上ユニット７７は、ステップ２０５において、周辺機器を起動（稼働）したときの室内熱交換ユニット４１の冷却可能能力Ｑｓの増加量（予想冷却可能能力Ｑｓｐ）と、それにより増加する消費電力で第１の空調システム１を稼働した場合の冷却可能能力Ｑｍｓの増加量とを比較する。冷却可能能力Ｑｓの増加量が冷却可能能力Ｑｍｓの増加量以下であれば、ステップ２０９において、第１の空調システム１に指示を出して出力を上げる。

ステップ２０５において、第２の空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増加量が第１の空調システム１の冷却可能能力Ｑｍｓの増加量より大きければ、能力向上ユニット７７は、さらに、ステップ２０６において、周辺機器を稼働したときの消費電力による冷房負荷（冷却負荷）Ｑｒの増加量（予想冷房負荷Ｑｒｐ）と、第２の空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増加量（予想冷却可能能力Ｑｓｐ）とを比較する。空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増加量が冷房負荷Ｑｒの増加量より大きければ、ステップ２０７において、検討したファン５５および４５などの周辺機器を動かして、第２の空調システム２の冷房能力、すなわち、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を向上する。空調システム２の冷却可能能力Ｑｓの増加量が冷房負荷Ｑｒの増加量より小さければ、ステップ２０９において、第１の空調システム１の出力を上げる。

このように第２の空調システム２の制御ユニット７０は、ソフトウェア的に冷却可能能力Ｑｓを推定し、その後の制御の指示を出すシミュレータとしての機能を含む。したがって、外気温Ｔｏｕｔが低下して第２の空調システム２の冷却能力が相対的に増大するようなケースにおいては、外気温Ｔｏｕｔを直に計測しなくても第２の空調システム２の能力を適切に制御できる。さらに、室内熱交換ユニット４１が露点環境に到達する前に、第２の空調システム２の冷却能力を制限でき、室内熱交換ユニット４１が露点環境に達して冷媒の循環を停止させるような事態の発生を遅らせたり、そのような事態の発生を未然に防止できる。

したがって、より安全に、より効率良く自然循環型の空調システム２を稼働できる。また、室内熱交換ユニット４１が露点環境に達する前に、室内熱交換ユニット４１の冷却能力を制限できるので、結露を防止することが望ましいデータセンターなどの冷房により適した自然循環型の空調システム２を提供できる。

なお、上記においては、データセンター１１０に設置されるハイブリッド空調システム１００を例に説明しているが、冷却の対象となる負荷はサーバー９０などの情報機器に限定されない。たとえば、クリーンルームの冷却など、窓を開けて風を取り込むことが難しい条件の冷却（冷房）にも、上記の空調システム２およびハイブリッド空調システム１００を好適に用いることができる。

また、上記においては、床置き型の空調システム１との組み合わせを例に説明しているが、第２の空調システムと組み合わされる空調システムは天吊り型であってもよく、収納型であってもよく、タイプは問わない。第２の空調システムを既存の空調システムと組み合わせて用いることも可能である。

１第１の空調システム、２第２の空調システム
３０冷却システム
７０制御ユニット
１００ハイブリッド空調システム

Claims

室内に設置される室内熱交換ユニットと、
室外に設置される室外熱交換ユニットと、
前記室内熱交換ユニットと前記室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる循環系と、
前記室内熱交換ユニットの冷却可能能力を推定する能力推定ユニットと、
前記室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷と前記冷却可能能力とに基づき、前記室内熱交換ユニット、前記室外熱交換ユニットおよび前記循環系の少なくともいずれかに含まれる周辺機器を制御する能力制御ユニットとを有し、
前記能力推定ユニットは、前記室外熱交換ユニットから前記室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度と、前記室内熱交換ユニットの冷却対象の空気の温度とにより前記室内熱交換ユニットが発揮する予定の前記冷却可能能力を求める機能を含み、
前記能力制御ユニットは、前記冷却可能能力が前記冷却負荷より大きければ、前記周辺機器の少なくとも１つを前記室内熱交換ユニットの冷却能力を抑制する方向に制御する機能を含む、システム。
請求項１において、
前記能力制御ユニットは、前記室外熱交換ユニットの熱交換器に外気を供給する室外ファンの出力を、前記冷却負荷と前記冷却可能能力とに基づき制御する機能を含む、システム。
請求項１または２において、
前記室内熱交換ユニットとともに冷却対象の部屋を冷却する空調システムと、
前記周辺機器のいずれかの機器を稼働したときの消費電力の増加量および前記室内熱交換ユニットの冷却可能能力の増加量が関連付けられたデータベースとを有し、
前記能力制御ユニットは、前記冷却可能能力が前記冷却負荷より小さければ、前記周辺機器の中の稼働可能な機器を稼働させたときの消費電力を前記データベースから取得し、取得された消費電力による前記空調システムの冷却能力よりも、前記稼働可能な機器を稼働させたときの前記室内熱交換ユニットの予想冷却可能能力の増加量が大きければ、前記稼働可能な機器を稼働して前記室内熱交換ユニットの冷却能力を向上する能力向上機能を含む、システム。
請求項３において、
前記能力向上機能は、さらに、前記稼働可能な機器を稼働させたときに前記室内熱交換ユニットに対し要求される予想冷却負荷が増加するときは、前記予想冷却負荷よりも、前記予想冷却可能能力が大きければ、前記稼働可能な機器を稼働して前記室内熱交換ユニットの冷却能力を向上する機能を含む、システム。
請求項１において、
前記周辺機器は、前記室外熱交換ユニットの熱交換器に外気を供給する室外ファン、前記室内熱交換ユニットの熱交換器に冷却対象の空気を供給する室内ファン、および前記室外熱交換ユニットから前記室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の流量を調整する流量調整バルブの少なくともいずれかを含む、システム。
自然循環型の冷却システムを制御する方法であって、
前記冷却システムは、室内に設置される室内熱交換ユニットと、
室外に設置される室外熱交換ユニットと、
前記室内熱交換ユニットと前記室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させる循環系と、
前記室内熱交換ユニット、前記室外熱交換ユニットおよび前記循環系の少なくともいずれかに含まれる周辺機器を制御する制御ユニットとを含み、
当該方法は、
前記制御ユニットが、前記室外熱交換ユニットから前記室内熱交換ユニットに供給される液冷媒の温度と、前記室内熱交換ユニットの冷却対象の空気の温度とにより前記室内熱交換ユニットが発揮する予定の冷却可能能力を求めることと、
前記室内熱交換ユニットに対し要求される冷却負荷と前記冷却可能能力とに基づき、前記周辺機器を制御することとを有し、
前記周辺機器を制御することは、前記冷却可能能力が前記冷却負荷より大きければ、少なくとも１つの前記周辺機器を前記室内熱交換ユニットの冷却能力を抑制する方向に制御することを含む、方法。
請求項６において、
前記周辺機器を制御することは、前記室外熱交換ユニットに外気を供給するファンの出力を、前記冷却負荷と前記冷却可能能力とに基づき制御することを含む、方法。
請求項６または７において、
前記冷却システムは、さらに、前記室内熱交換ユニットとともに冷却対象の部屋を冷却する空調システムを有し、
前記周辺機器を制御することは、前記冷却可能能力が前記冷却負荷より小さいときに、前記周辺機器のいずれかの稼働可能な機器を稼働させたときの消費電力による前記空調システムの冷却能力よりも、前記稼働可能な機器を稼働させたときの前記室内熱交換ユニットの予想冷却可能能力の増加量が大きければ、前記稼働可能な機器を稼働して前記室内熱交換ユニットの冷却能力を向上することを含む、方法。
請求項８において、
前記周辺機器を制御することは、前記稼働可能な機器を稼働させたときの予想冷却負荷が増加するときは、前記予想冷却負荷よりも、前記予想冷却可能能力が大きければ、前記稼働可能な機器を稼働して前記室内熱交換ユニットの冷却能力を向上することを含む、方法。