JP2020106151A - 冷却システム、冷却方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却システムで液圧縮が生じる可能性をより低減させられるようにする。【解決手段】冷却システムが、冷媒を蒸発させる蒸発部と、前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部から前記蒸発部への流路に設けられて冷媒を減圧する膨張弁と、前記蒸発部から前記圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記凝縮部への流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却システム、冷却方法及びプログラムに関する。

冷却設備の圧縮機に液相の冷媒が混入する液圧縮ないし湿り圧縮を回避するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、圧縮機の湿り圧縮を防止するための構成を備える冷媒回路が示されている。この冷媒回路では、凝縮器を流れる冷媒の一部を凝縮器から外へ流した後に凝縮器へ戻すバイパス回路が設けられている。このバイパス回路にはレシーバが設けられ、レシーバには膨張弁から蒸発器への冷媒の通路が配設されている。
この冷媒回路では、圧縮機の湿り圧縮を防止するために、凝縮器からの冷媒と膨張弁から蒸発器への冷媒とがレシーバで熱交換を行う。この熱交換によって膨張弁から蒸発器への冷媒が加熱される。

特許第３９５６６７４号公報

特許文献１に記載の冷媒回路では、凝縮器からレシーバへ流れる冷媒の温度が低い場合、膨張弁から蒸発器への冷媒を十分に加熱することができず液圧縮が発生する可能性がある。例えば、凝縮器が室外機として構成されており、かつ、外気温度が低い場合、及び、凝縮器が大型であるなど凝縮器の冷却能力が高い場合、凝縮器からレシーバへ流れる冷媒の温度が低くなって液圧縮が生じる可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決することのできる冷却システム、冷却方法及びプログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、冷却システムは、冷媒を蒸発させる蒸発部と、前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部から前記蒸発部への流路に設けられて冷媒を減圧する膨張弁と、前記蒸発部から前記圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記凝縮部への流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器と、を備える。

本発明の第２の態様によれば、冷却方法は、冷媒を蒸発させる蒸発部から前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部への流路を流れる冷媒の間で熱交換を行わせる、ことを含む。

本発明の第３の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、冷媒を蒸発させる蒸発部から前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部への流路を流れる冷媒の間での熱交換を制御させるためのプログラムである。

この発明によれば、液圧縮が生じる可能性をより低減させることができる。

本発明の実施形態に係る冷却システムの機器構成の第一例を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係るコントローラがバイパスバルブの開度を制御する処理手順の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムの機器構成の第二例を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムの機器構成の第三例を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムの機器構成の第三例を示す概略ブロック図である。 蒸発部から圧縮機への流路と、凝縮部から膨張弁への流路との間で熱交換を行う冷却システムの機器構成の例を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態に係るコントローラの構成例を示す概略ブロック図である。 本発明に係る冷却システムの最小構成の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の実施形態に係る冷却システムの機器構成の第一例を示す概略ブロック図である。図１の例では、冷却システム１は、蒸発部１０１と、圧縮機１０２と、凝縮部１０３と、膨張弁１０４と、熱交換器３０１と、バイパスバルブ３０２と、温度センサ３０３と、圧力センサ３０４と、コントローラ３０５とを備える。

冷却システム１は、冷熱を供給するシステムである。冷却システム１の用途は特定の用途に限定されない。例えば、冷却システム１がデータセンタに設置されてコンピュータを冷却する用途にもちいられるなど、機器の冷却用を行うようにしてもよい。或いは、冷却システム１が家庭又は職場などの居住環境に設置されて、居住環境の快適性を高めるために冷気を供給するようにしてもよい。

特に、冷却システム１がデータセンタに設置された場合など、冷却システム１が通年稼働する場合が考えられる。この場合、凝縮部１０３が室外機として構成されていると、冬季には凝縮部１０３を流れる冷媒の温度が低くなることが考えられる。冷却システム１では、このような場合でも液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。この点で冷却システム１は、凝縮器を流れる冷媒を用いて液圧縮を防止する場合よりも、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。
冷却システム１は、冷房専用のシステムとして構成されていてもよいし、冷暖房を切り替え可能なシステムとして構成されていてもよい。

蒸発部１０１は、例えば室内機として構成されるなどにより冷熱供給対象空間に設けられ、蒸発部１０１自らに流入する液相の冷媒を蒸発させる。蒸発する冷媒が周囲空気と熱交換を行って気化熱を吸収することで、周囲空気が冷却される。蒸発部１０１は、この周囲空気を蒸発部１０１の外部へ送風することで、室内機の外部に冷熱を供給する。

圧縮機１０２は、蒸発部１０１において蒸発した気層の冷媒を圧縮する。冷媒は、圧縮機１０２で圧縮されることで比較的高温高圧の気層の冷媒となる。
凝縮部１０３は、例えば室外機として構成され、圧縮機１０２で圧縮された気層の冷媒を凝縮させる。凝縮する冷媒は周囲空気と熱交換を行って凝縮熱を放出する。
膨張弁１０４は、凝縮部１０３から蒸発部１０１への冷媒流路に設けられ、膨張弁１０４自らを流れる冷媒を減圧する。膨張弁１０４が冷媒を減圧することで、冷媒が蒸発部１０１で蒸発し易くなる。
蒸発部１０１、圧縮機１０２、凝縮部１０３及び膨張弁１０４を組み合わせた冷媒循環路にて圧縮冷凍サイクルを実行する。

熱交換器３０１は、蒸発部１０１から圧縮機１０２への冷媒流路を流れる冷媒と、圧縮機１０２から凝縮部１０３への冷媒流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。
冷媒が圧縮機１０２で圧縮されて温度上昇することから、圧縮機１０２へ流入する冷媒と圧縮機１０２から流出する冷媒とでは、圧縮機１０２から流出する冷媒の方が温度が高い。従って、熱交換器３０１における熱交換では、蒸発部１０１から圧縮機１０２への冷媒流路を流れる冷媒（圧縮機１０２へ流入する冷媒）が加熱される。圧縮機１０２へ流入する冷媒が加熱されることで、この冷媒が凝縮する可能性を低減させることができ、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。

また、熱交換器３０１が、圧縮機１０２から流出した後凝縮部１０３へ流入する前の冷媒を用いて熱交換を行わせることで、凝縮部１０３での冷媒の温度低下の影響を受けずに熱交換を行わせることができる。この点で、冷却システム１では、凝縮部１０３を流れる冷媒の温度が低くなる場合でも、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。上記のように、この点で冷却システム１は、凝縮器を流れる冷媒を用いて液圧縮を防止する場合よりも、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。
熱交換器３０１での冷媒の圧力損失を小さくするために、熱交換器３０１としてシェルアンドチューブ熱交換器、又は、フィンアンドチューブ熱交換器を用いるようにしてもよい。

バイパスバルブ３０２は、熱交換器３０１をバイパスするバイパス流路に設けられ、バイパス流路を流れる冷媒の量を調整する。バイパスバルブ３０２は、流量調整弁を用いて構成される。熱交換器３０１をバイパスするバイパス流路は、蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路、及び、圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路のうち少なくとも何れか一方に設けられる。

第一実施形態では、バイパス経路が蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路に設けられている場合を例に説明する。バイパス経路が圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路に設けられている場合については後述する。さらに、バイパス流路が、蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路、及び、圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路の両方に設けられていてもよい。この場合、２つのバイパス流路それぞれにバイパスバルブ３０２が設けられていてもよい。
バイパスバルブ３０２は、コントローラ３０５の制御に従ってバイパスバルブ３０２自らの開度を変えることで、熱交換器３０１に流れる冷媒ガスの流量を調整する。この冷媒ガス流量の調整によってバイパスバルブ３０２は、熱交換器３０１での熱交換量を調整する。

温度センサ３０３は、圧縮機１０２の入口側（吸引側）及び出口側（吐出側）のうち少なくとも何れか一方に設けられて冷媒の温度を測定する。圧力センサ３０４は、前記圧縮機の入口側及び出口側のうち少なくとも何れか一方に設けられて冷媒の圧力を測定する。
第一実施形態では温度センサ３０３及び圧力センサ３０４が圧縮機１０２の入口側に設けられている場合を例に説明する。温度センサ３０３及び圧力センサ３０４が圧縮機１０２の出口側に設けられている場合については後述する。さらに、温度センサ３０３及び圧力センサ３０４のうち何れか一方又は両方が、圧縮機１０２の入口側及び出口側の両方に設けられていてもよい。また、温度センサ３０３及び圧縮機１０２のうち何れか一方が圧縮機１０２の入口側に設けられ、他方が圧縮機１０２の出口側に設けられていてもよい。

コントローラ３０５は、圧力センサ３０４の圧力測定値と温度センサ３０３の温度測定値とに基づいて、熱交換器３０１における熱交換量を制御する。具体的には、コントローラ３０５は、圧力センサ３０４の圧力測定値及び温度センサ３０３の温度測定値に基づいてバイパスバルブ３０２の開度を制御することで、熱交換器３０１における熱交換量を制御する。
さらに具体的には、コントローラ３０５は、圧力測定値及び温度測定値から冷媒の過熱度を算出する。ここでいう過熱度は、飽和温度からの温度上昇である。従って、過熱度は、対象の温度から飽和温度を減算して得られる。
冷媒の過熱度が所定範囲より大きい場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を大きくしてバイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を増加させることで熱交換量を減少させる。
冷媒の過熱度が所定範囲より小さい場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を小さくしてバイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を減少させることで熱交換量を増加させる。
冷媒の過熱度が所定範囲内である場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を維持させてバイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を維持させることで熱交換量の変化を抑制する。

このようにコントローラ３０５が、圧縮機１０２に吸引される冷媒ガスの過熱度を所定範囲内に保つことで液圧縮を回避する。
所定範囲における過熱度の下限値は、圧縮機１０２による液圧縮を回避するために設けられる。この下限値は、冷媒が液冷媒を含まなくなると考えられる過熱度に設定される。例えば、コントローラ３０５が、過熱度の下限値を飽和蒸気温度に３℃加えた値以上の値に設定するようにしてもよい。

所定範囲における過熱度の上限値は、圧縮機１０２へ流入する冷媒が過熱され過ぎることで冷却システム１の効率が低下すること、及び、圧縮機１０２の温度又は冷媒温度が利用可能温度上限に達して冷却システム１が停止することを防止するために設けられる。一般に過熱度が大きい程冷媒の断熱圧縮に必要な仕事が増えるため、加熱が大きい程圧縮機の仕事が増え、効率低下を引き起こす。
例えば、コントローラ３０５が、過熱度の上限値を１０℃に設定するようにしてもよい。

蒸発部１０１から圧縮機１０２へ流入した冷媒は、圧縮機１０２で圧縮されることで温度上昇する。このため、圧縮機１０２へ流入する冷媒の温度をＴｉｎとし、圧縮機１０２から流出する冷媒温度をＴｏｕｔとすると、Ｔｉｎ＜Ｔｏｕｔとなる。そこで冷却システム１は、圧縮機１０２の入口側と出口側の間に熱交換器３０１を備える。熱交換器３０１が、圧縮機１０２に流入する冷媒と圧縮機１０２から流出する冷媒との間で熱交換を行わせることで、圧縮機１０２に流入する冷媒の温度を上げ、液圧縮を回避する。

但し、熱交換器３０１で冷媒が熱交換するのみでは過熱され過ぎる可能性がある。熱交換器３０１で冷媒が熱交換することで圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が上がると、圧縮機から流出する冷媒の温度も上昇する。その結果、ほぼ一定の温度である蒸発部１０１から流出した冷媒と圧縮機１０２から流出した冷媒との温度差が増加し、熱交換器３０１での熱交換量が増加する。すると、圧縮機に流入する冷媒の温度がさらに上昇し、圧縮機から流出する冷媒の温度もさらに上昇する。これによって熱交換器３０１における熱交換量が更に増加する。その結果、過熱度が上昇し続け、圧縮機仕事の増加、冷媒の分解、又は、圧縮機の故障が生じる可能性がある。

そこで、バイパスバルブ３０２がコントローラ３０５の制御に従ってバイパスバルブ３０２自らの開度を調整することで過熱度を適正な範囲内に保つ。コントローラ３０５は、温度センサ３０３の温度測定値及び圧力センサ３０４の圧力測定値から冷媒の過熱度を算出し、その値に応じてバイパスバルブ３０２の開度を調整する。

コントローラ３０５が行う制御について、図２を参照して説明する。
図２は、コントローラ３０５がバイパスバルブ３０２の開度を制御する処理手順の例を示す図である。ステップＳ１では、コントローラ３０５は、温度センサ３０３によるコンプレッサ入口温度測定値Ｔと、圧力センサ３０４によるコンプレッサ入口圧力測定値Ｐとを取得する。コンプレッサ入口温度測定値Ｔは、圧縮機１０２の入口における冷媒の温度の測定値を示す。コンプレッサ入口圧力測定値Ｐは、圧縮機１０２の入口における冷媒の圧力の測定値を示す。

ステップＳ２では、コントローラ３０５は、コンプレッサ入口圧力測定値Ｐにおける冷媒の飽和蒸気温度を取得する。圧力と飽和蒸気温度の関係は冷媒毎に既知であり、コントローラ３０５は、この関係にコンプレッサ入口圧力測定値Ｐを適用することで飽和蒸気温度を取得する。
コントローラ３０５が、圧力と飽和蒸気温度の関係を取得する方法は、特定の方法に限定されない。例えば、コントローラ３０５が、圧力と飽和蒸気温度の関係を表形式で記憶するデータベースにアクセスするようにしてもよい。このデータベースは、コントローラ３０５の内部に設けられていてもよいし、コントローラ３０５とは別の装置として構成されていてもよい。あるいは、コントローラ３０５が、圧力と飽和蒸気温度の関係を示す論理式又は近似式を予め記憶しておくようにしてもよい。

ステップＳ３では、コントローラ３０５は、コンプレッサ入口圧力測定値Ｐから飽和蒸気温度を減算して過熱度を算出する。
ステップＳ４では、コントローラ３０５は、ステップＳ３で算出した過熱度と予め規定された範囲とを比較する。例えば、コントローラ３０５は、ステップＳ３で算出した過熱度と３℃以上１０℃以下の範囲とを比較する。
過熱度が予め定められた範囲より大きいと判定した場合（ステップＳ４：範囲より大）、ステップＳ５へ進む。過熱度が予め定められた範囲内であると判定した場合（ステップＳ４：範囲内）、コントローラ３０５は、ステップＳ１へ戻る。この場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を変化させない。すなわち、コントローラ３０５はバイパスバルブ３０２の開度を維持させる。過熱度が予め定められた範囲より大きいと判定した場合（ステップＳ４：範囲より大）、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ５ではコントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を増加させる。例えばコントローラ３０５が、ステップＳ５を実行する毎にバイパスバルブ３０２の開度を予め定められた開度変化量だけ増加させるようにしてもよい。あるいは、コントローラ３０５が、ステップＳ３で算出した過熱度と予め定められた範囲の値（例えば、予め定められた範囲の下限値）との差に基づいて、バイパスバルブ３０２の開度増加分を算出するようにしてもよい。
コントローラ３０５がバイパスバルブ３０２の開度を増加させることで、蒸発部１０１から流出した冷媒のうちバイパス流路を流れる冷媒の割合が増加し、蒸発部１０１から熱交換器３０１を経由して圧縮機１０２に流入する冷媒の量が減少する。これによって熱交換器３０１での熱交換量が減少し、圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が、バイパスバルブ３０２の開度を増加させる前との比較で低下する。

ステップＳ６ではコントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２の開度を減少させる。例えばコントローラ３０５が、ステップＳ５を実行する毎にバイパスバルブ３０２の開度を予め定められた開度変化量だけ減少させるようにしてもよい。あるいは、コントローラ３０５が、ステップＳ３で算出した過熱度と予め定められた範囲の値（例えば、予め定められた範囲の上限値）との差に基づいて、バイパスバルブ３０２の開度減少分を算出するようにしてもよい。
コントローラ３０５がバイパスバルブ３０２の開度を減少させることで、蒸発部１０１から流出した冷媒のうちバイパス流路を流れる冷媒の割合が減少し、蒸発部１０１から熱交換器３０１を経由して圧縮機１０２に流入する冷媒の量が増加する。これにより、熱交換器３０１での熱交換量が増加し、圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が、バイパスバルブ３０２の開度を増加させる前との比較で上昇する。

以上のように、熱交換器３０１は、蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路を流れる冷媒と、圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。
これにより、圧縮機１０２へ流入する冷媒の温度を上昇させることができ、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。
特に、熱交換器３０１が、圧縮機１０２から流出した後凝縮部１０３へ流入する前の冷媒を用いて熱交換を行わせることで、凝縮部１０３での冷媒の温度低下の影響を受けずに熱交換を行わせることができる。この点で、冷却システム１は、凝縮器を流れる冷媒を用いて液圧縮を防止する場合と比較して、液圧縮が生じる可能性をより低減させることができる。

また、コントローラ３０５は、圧縮機１０２の入口側及び出口側のうち少なくとも何れか一方における圧力測定値及び温度測定値に基づいて、熱交換器における熱交換量を制御する。
これにより、冷却システム１では、液圧縮が生じる可能性を低減させることができ、かつ、圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が高くなりすぎることを回避できる。圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が高くなりすぎることを回避できることで、冷却システム１の効率の低下を回避することができ、また、冷媒温度上昇で冷却システム１が停止する可能性を低減させることができる。さらには、冷媒温度上昇で冷却システム１が故障する可能性を低減させることができる。

また、コントローラ３０５は、圧力センサ３０４による圧力測定値及び温度センサ３０３による温度測定値から算出される冷媒の過熱度と所定範囲とを比較する。過熱度が所定範囲より大きい場合、コントローラ３０５は、熱交換器３０１における熱交換量を減少させる。過熱度が所定範囲より小さい場合、コントローラ３０５は、熱交換器３０１における熱交換量を増加させる。過熱度が所定範囲内である場合、コントローラ３０５は、熱交換量の変化を抑制する。
これにより、コントローラ３０５は、過熱度と所定範囲とを比較するといった簡単な処理で、液圧縮が生じる可能性を低減させることができ、かつ、圧縮機１０２に流入する冷媒の温度が高くなりすぎることを回避できる。

また、バイパスバルブ３０２は、蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路、及び、圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路のうち少なくとも何れか一方について熱交換器３０１をバイパスするバイパス流路に設けられる。バイパスバルブ３０２は、このバイパス流路を流れる冷媒の量を調整する。
これにより、冷却システム１では、冷媒の流路にバイパス経路及びバイパスバルブ３０２を設けるといった簡単な構成で、熱交換器３０１における熱交換量を制御することができる。

また、コントローラ３０５は、圧力センサ３０４の圧力測定値及び温度センサ３０３の温度測定値に基づいて、バイパスバルブ３０２を制御する。
これにより、冷却システム１では、上記のバイパス経路及びバイパスバルブ３０２に加えて圧力センサ３０４及び温度センサ３０３を備えるといった簡単な構成で、熱交換器３０１における熱交換量を制御することができる。

また、コントローラ３０５は、圧力センサ３０４圧力測定値及び温度センサ３０３の温度測定値から冷媒の過熱度を算出する。過熱度が所定範囲より大きい場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を増加させる。過熱度が所定範囲より小さい場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を減少させる。過熱度が所定範囲内である場合、コントローラ３０５は、バイパスバルブ３０２を流れる冷媒の量を維持させる。
これにより、コントローラ３０５は、過熱度と所定範囲とを比較し、比較結果に基づいてバイパスバルブ３０２の開度を制御するといった簡単な処理で、熱交換器３０１における熱交換量を制御することができる。

図３〜図５を参照して、冷却システム１の構成のバリエーションについて説明する。
図３は、冷却システム１の機器構成の第二例を示す概略ブロック図である。図３の例では、温度センサ３０３及び圧力センサ３０４が圧縮機１０２の出口側に設けられている点が図１の場合と異なる。それ以外は、図１の場合と同様である。
図４は、冷却システム１の機器構成の第三例を示す概略ブロック図である。図１の例では、バイパス流路およびバイパスバルブ３０２が蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路に設けられていた。これに対し図４の例では、バイパス流路およびバイパスバルブ３０２が圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路に設けられている。それ以外は、図１の場合と同様である。

図５は、冷却システム１の機器構成の第三例を示す概略ブロック図である。図５の例では、図３の場合と同様、温度センサ３０３及び圧力センサ３０４が圧縮機１０２の出口側に設けられている。また、図５の例では、図４の場合と同様、バイパス流路およびバイパスバルブ３０２が圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路に設けられている。それ以外は、図１の場合と同様である。
図３、図４、図５に示す構成におけるコントローラ３０５の制御は、いずれも図１に示す構成の場合と同様である。

図３に示す構成、及び、図５に示す構成のように圧力センサ３０４及び温度センサ３０３が圧縮機１０２の出口側に設けられていることで、冷媒が圧縮機１０２内で液化することを回避できる可能性が高くなる。ここで、冷媒のモリエル線図上での飽和蒸気圧線の傾きが等エントロピー線の傾きより大きい場合、圧縮機１０２に吸引される際に液相の冷媒が含まれていなくても、圧縮機１０２で冷媒の圧力が上がるに従って冷媒の一部が液化することがある。これに対し、圧縮機１０２の出口側での過熱度を一定範囲内にすることで、液圧縮を回避できる。

図４に示す構成、及び、図５に示す構成のようにバイパス経路及びバイパスバルブ３０２が圧縮機１０２から凝縮部１０３への流路（高圧側流路）に設けられていることで、バイパス経路における圧力損失が比較的大きい場合に、冷却システム１全体での圧力損失を比較的小さくすることができる。
ここで、一般に熱交換器には圧力損失がある。冷却システム１の場合も冷媒が熱交換器３０１を経由する場合よりもバイパス経路を経由する場合のほうが、通常は圧力損失が小さいと考えられる。そこで、図１に示す構成、及び、図３に示す構成では、蒸発部１０１から圧縮機１０２への流路（低圧側流路）にバイパス経路及びバイパスバルブ３０２を設けている。
一方、熱交換器３０１がシェルアンドチューブ型熱交換器である場合など、熱交換器３０１での圧力損失がきわめて小さい場合、及び、バイパスバルブ３０２が比較的小さい場合など、バイパスバルブ３０２を通る場合の圧力損失が、熱交換器３０１を経由する場合の圧力損失よりも大きくなる場合が考えられる。この場合、圧力損失の性能への影響が小さい高圧側流路にバイパス経路及びバイパスバルブ３０２を設けることで、冷却システム１全体での圧力損失を比較的小さくすることができる。

ここで、図６に示す構成との比較にて、冷却システム１の構成による効果についてさらに説明する。
図６は、蒸発部から圧縮機への流路と、凝縮部から膨張弁への流路との間で熱交換を行う冷却システムの機器構成の例を示す概略ブロック図である。図９に示す冷却システム９００は、蒸発部９０１と、圧縮機９０２と、凝縮部９０３と、膨張弁９０４と、熱交換器９１１とを備える。

図６に示す構成で、蒸発部９０１は、蒸発部９０１へ流入する液相の冷媒と周囲空気との間で熱交換を行わせて冷媒を蒸発させる。圧縮機９０２は、蒸発部９０１で蒸発した気層の冷媒を圧縮する。凝縮部９０３は、圧縮によって高温高圧になった気層の冷媒と周囲空気との間で熱交換を行わせて冷媒を凝縮させる。膨張弁９０４は、凝縮部９０３で凝縮された液相の冷媒を減圧させる。冷媒が膨張弁９０４で減圧することで、蒸発部９０１で蒸発し易くなる。

熱交換器９１１は、圧縮機９０２へ流入する冷媒を加熱して液圧縮が生じる可能性を低減させる目的で設けられている。熱交換器９１１は、蒸発部９０１から圧縮機９０２へ流れる気層の冷媒と、凝縮部９０３から膨張弁９０４へ流れる液相の冷媒との間で熱交換を行わせる。

データセンタにおけるサーバの冷却用に冷却システム９００を用いる場合、蒸発部９０１は室内機として構成されてサーバルームの室温を低下させ、凝縮部９０３は室外機として構成される。データセンタでは、外気温が高く冷房が必要な夏季はもとより、外気温が低い冬季においても防塵のため外気導入には制約がある。このため、年間を通じて冷却システム９００を運転させることが考えられる。

冬季など外気温が低い場合、凝縮部９０３で冷媒の温度が大きく低下することが考えられる。この場合、圧縮機９０２へ流入する冷媒の温度が熱交換器９１１における熱交換で十分に上昇せず、液圧縮が生じる可能性がある。凝縮部９０３の熱交換性能が高い場合も、圧縮機９０２へ流入する冷媒の温度が熱交換器９１１における熱交換で十分に上昇せず、液圧縮が生じる可能性がある。
この場合、液圧縮を回避する方法として、室外機のファンの回転数を落とす、或いは、室外機における熱交換器の一部を遮断するなどして凝縮部１０３の性能を低下させ、凝縮部から出てくる冷媒液の温度を上げることが考えられる。しかしながらその場合、凝縮部９０３の性能を活かし切れておらず、冷却システム９００冷却能力が制限される。

これに対し、図１、３、４、５のいずれの構成でも冷却システム１の熱交換器３０１は、蒸発部１０１から圧縮機１０２へ流れる冷媒と、圧縮機１０２から凝縮部１０３へ流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。凝縮部１０３へ流入する前の冷媒に熱交換を行わせることで、凝縮部１０３での温度低下の影響を受けない。この点で、冷却システム１では圧縮機１０２へ流入する冷媒の温度を効果的に高めることができ、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。

次に、図７を参照して、コントローラ３０５の構成例について説明する。コントローラ３０５は、マイコン（Micro Computer）などコンピュータを用いて構成されていてもよい。
図７は、コントローラ３０５の構成例を示す概略ブロック図である。図７の例で、コントローラ３０５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）３１１と、記憶装置３１２と、インタフェース３１３とを備える。コントローラ３０５の動作は、ＣＰＵ３１１が記憶装置３１２からプログラムを読み出して実行することで行われる。インタフェース３１３は、他の装置との通信などの入出力を行う。
但し、コントローラ３０５が専用のハードウェアを用いて構成されるなど、コンピュータを用いた構成以外の構成となっていてもよい。

次に、図８を参照して本発明の最小構成について説明する。
図８は、本発明に係る冷却システムの最小構成の例を示す図である。図８に示す冷却システム１０は、蒸発部１１と圧縮機１２と、凝縮部１３と、膨張弁１４と、熱交換器１５とを備える。
かかる構成にて、蒸発部１１は冷媒を蒸発させる。圧縮機１２は、蒸発部１１において蒸発した冷媒を圧縮する。凝縮部１３は、圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる。膨張弁１４は、凝縮部１３から蒸発部１１への流路に設けられて冷媒を減圧する。熱交換器１５は、蒸発部１１から圧縮機１２への流路を流れる冷媒と、圧縮機１２から凝縮部１３への流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる。
これにより、冷却システム１０では、圧縮機１２へ流入する冷媒の温度を上昇させることができ、液圧縮が生じる可能性を低減させることができる。
特に、熱交換器１５が、圧縮機１２から流出した後凝縮部１３へ流入する前の冷媒を用いて熱交換を行わせることで、凝縮部１３での冷媒の温度低下の影響を受けずに熱交換を行わせることができる。この点で、冷却システム１０は、凝縮器を流れる冷媒を用いて液圧縮を防止する場合と比較して、液圧縮が生じる可能性をより低減させることができる。

なお、コントローラ３０５の機能の全部または一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することで各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１、１０ 冷却システム
１１、１０１ 蒸発部
１２、１０２ 圧縮機
１３、１０３ 凝縮部
１４、１０４ 膨張弁
１５、３０１ 熱交換器
３０２ バイパスバルブ
３０３ 温度センサ
３０４ 圧力センサ
３０５ コントローラ

Claims (8)

1. 冷媒を蒸発させる蒸発部と、
   前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部と、
   前記凝縮部から前記蒸発部への流路に設けられて冷媒を減圧する膨張弁と、
   前記蒸発部から前記圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記凝縮部への流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器と、
   を備える冷却システム。
2. 前記圧縮機の入口側及び出口側のうち少なくとも何れか一方に設けられた圧力センサ及び温度センサと、
   前記圧力センサの圧力測定値と前記温度センサの温度測定値とに基づいて、前記熱交換器における熱交換量を制御するコントローラと、
   を備える請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記コントローラは、前記圧力測定値及び前記温度測定値から算出される冷媒の過熱度が所定範囲より大きい場合には前記熱交換量を減少させ、前記冷媒の過熱度が前記所定範囲より小さい場合には前記熱交換量を増加させ、前記冷媒の過熱度が前記所定範囲内である場合には前記熱交換量の変化を抑制する、
   請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記蒸発部から前記圧縮機への流路、及び、前記圧縮機から前記凝縮部への流路のうち少なくとも何れか一方について前記熱交換器をバイパスするバイパス流路に設けられて前記バイパス流路を流れる冷媒の量を調整する流量調整弁を備える、
   請求項３に記載の冷却システム。
5. 前記コントローラは、前記圧力測定値及び前記温度測定値に基づいて、前記流量調整弁を制御する、
   請求項４に記載の冷却システム。
6. 前記コントローラは、前記圧力測定値及び前記温度測定値から算出される冷媒の過熱度が所定範囲より大きい場合には前記流量調整弁を流れる冷媒の量を増加させ、前記過熱度が前記所定範囲より小さい場合には前記流量調整弁を流れる冷媒の量を減少させ、前記過熱度が前記所定範囲内である場合には前記流量調整弁を流れる冷媒の量を維持させる、
   請求項５に記載の冷却システム。
7. 冷媒を蒸発させる蒸発部から前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部への流路を流れる冷媒の間で熱交換を行わせる、ことを含む冷却方法。
8. コンピュータに、
   冷媒を蒸発させる蒸発部から前記蒸発部において蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機への流路を流れる冷媒と、前記圧縮機から前記圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮部への流路を流れる冷媒の間での熱交換を制御させるためのプログラム。

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