JP2022046305A - 空調機の室外機 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧冷媒使用時でも、室外機の熱交換性能を維持しながら、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失の増加に起因した圧縮機電力の増加を高圧冷媒使用時と同等以下にすることができる空調機の室外機を提供する。【解決手段】ファン１と熱交換器２ａ、２ｂと蒸気管４と液管５とこれらの管を流れる冷媒を備え、前記熱交換器２ａ、２ｂは複数個に分割されたパラレルフロー熱交換器が蒸気管４と液管５との間で並列に接続されている。蒸気管４から蒸気枝管４ａを介して熱交換器２ａが接続され、蒸気管４から蒸気枝管４ｂを介して熱交換器２ｂが接続されている。また、熱交換器２ａから液枝管５ａを介して液管５が接続され、熱交換器２ｂから液枝管５ｂを介して液管５が接続されている。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 発行日（公開日） 令和２年９月４日 刊行物名 ２０２０年度 日本冷凍空調学会 年次大会 講演論文集 公益社団法人日本冷凍空調学会 発行（Ｗｅｂ公開ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｒａｅ－ｎｅｎｊｉ．ｏｒｇ／ｎｅｎｊｉ２０２０／ｃｄ－ｒｏｍ／ｐｄｆ／Ｐａｐｅｒ－１２２１．ｐｄｆ ） ＜資 料＞２０２０年度 日本冷凍空調学会 年次大会 ウェブページ プリントアウト ＜資 料＞掲載研究論文 抜粋

本発明は電子機器の冷却装置に関する。特に、冷凍サイクルを利用したデータセンタ向け空調機の室外機に関する。

データセンタのサーバルームの冷却には、一般的にパッケージエアコンと呼ばれる冷凍サイクルを利用した空調機が使用されている。
前記空調機の室外機には大型の熱交換器が使用されており、１～２個の熱交換器が、放熱面積を確保するために、筐体内部へ斜めに設置されている。一般的に大型の熱交換器は、サーペンタイン熱交換器（冷媒の流路を直列に接続した熱交換器）が使用されている。また、ファンは筐体上部へ水平に設置されている。筐体下部から吸気を行い、筐体上部から排気を行う構造になっている。

特開昭６１－１２８０７４号公報 特開２０１４－１６３５３０号公報

しかしながら、前記の構造には次のような課題がある。
従来の空調機は、冷媒に蒸発圧と凝縮圧の差が１０００ｋＰａオーダーの高圧のハイドロフルオロカーボン類（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｃａｒｂｏｎｓ：ＨＦＣｓ）を使用している。しかし、地球温暖化に対するフロンガスの規制強化に伴って、高圧ＨＦＣｓから、蒸発圧と凝縮圧の差が１００ｋＰａオーダー程度かつ最大蒸気圧が１０００ｋＰａ以下の低圧のハイドロフルオロオレフィン類（Ｈｙｄｒｏ Ｆｌｕｏｒｏ Ｏｌｅｆｉｎｓ：ＨＦＯｓ）などへの切替えが期待されている。

しかしながら、前記低圧冷媒（例えば通常の環境で保管、運搬する場合の蒸気圧力が１ＭＰａ以下のフッ素化合物ガス）にあっては、単位流量当たりの移動可能熱量が小さいため、必要な冷却能力を得るためにより多くの流量が必要とされるにもかかわらず、この流量増加に伴う消費電力の削減については、前記特許文献１、２では格別の配慮がなれていなかった。

発明の目的は、例えば、データセンタ向けの用途で用いられる空調機の室外機において、低圧冷媒使用時でも、室外機の熱交換性能を維持しながら、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失の増加に起因した圧縮機電力の増加を高圧冷媒使用時と同等以下にすることである。

前記の課題を解決するために、本発明にかかる空調機の室外機は、ファンと熱交換器と蒸気管と液管とこれらの管を流れる冷媒を備え、前記冷媒は低圧冷媒であり、前記熱交換器は複数個に分割されたパラレルフロー熱交換器が蒸気管と液管の間で並列に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、データセンタ向け等の用途で用いられる空調機の室外機において、低圧冷媒使用時でも室外機の熱交換性能を維持しながら、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失の増加に起因した圧縮機電力の増加を高圧冷媒使用時と同等以下にできる。

本発明の最小構成例にかかる空調機の室外機の要部の配管図である。 本発明の第１実施形態に係る区長期の室外機の正面から見た断面の概念図。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換器付近の配管接続構造の一部の模式図。 ４０ｋＷ相当を放熱する際の、（１）熱交換器内の冷媒流路の圧力損失、（２）凝縮温度の低下量、（３）圧縮機電力の増加量、を比較したグラフ。 低圧冷媒使用時の冷凍サイクルのｐ－ｈ線図の模式図。

本発明の第１の態様の最小構成例にかかる室外機について図１を参照して説明する。
この室外機は、ファン１と熱交換器２ａ、２ｂと蒸気管４と液管５とこれらの管を流れる冷媒を備え、前記冷媒は低圧冷媒であり、前記熱交換器２ａ、２ｂは複数個に分割されたパラレルフロー熱交換器が蒸気管４と液管５との間で並列に接続されていることを特徴とする。図示例では、蒸気管４から蒸気枝管４ａを介して熱交換器２ａが接続され、蒸気管４から蒸気枝管４ａを介して熱交換器２ｂが接続されている。また、熱交換器２ａから液枝管５ａを介して液管５が接続され、熱交換器２ｂから液枝管５ｂを介して液管５が接続されている。

上記構成によれば、複数の熱交換器２ａ、２ｂが蒸気管４と液管５との間に並列に接続されているから、各熱交換器２ａ、２ｂへ供給される冷媒の流路における圧力損失を小さくして、必要な冷媒流量の流通に必要な電力を削減することができる。

＜第１実施形態＞
本発明に係る第１実施形態について説明する。本実施形態に係る室外機の正面から見た断面の概念図を図２に、熱交換器付近の配管構造の一部の模式図を図３に示した。
本実施形態に係る室外機１０の構造は、筐体１００、複数の小型熱交換器２００、各小型熱交換器２００へ冷媒を供給するヘッダーとしての蒸気管３００、各小型熱交換器２００からの冷媒を集合させるヘッダーとしての液管４００、調節機構５００、ファン６００、を備える。

筐体１００は、下部に吸気口１１０、上部に排気口１２０を備える。小型熱交換器２００は正面から見てＶ字状に２列で設置する。すなわち前記小型熱交換器２００は、図中矢印Ａで示す吸入空気と図中矢印Ｂで示す排出空気との流れる方向に対して傾斜して配置されている。
本実施形態は、従来の高圧冷媒を使用した大型サーペンタイン熱交換器と比較して、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失を１／１０以下にするために、小型熱交換器２００の内部の冷媒流路の合計断面積が従来の約１０倍、流路長が約１／２０になるように、パラレルフロー型の小型熱交換器２００を筐体１００の上下方向で２個、風向き方向で２個に分割して、各々に並列に冷媒を供給している。

より具体的には、前記小型熱交換器２００は、平面形状が等しい上流側熱交換器２１０と、下流側熱交換器２２０とをファン６００の気流方向に沿って重ねて設けた構成を採用している。
また前記小型熱交換器２００は、Ｖ字状をなす面のそれぞれの面方向に並べて配置されている。各小型熱交換器２００に正対する位置には、例えば、データセンター等で使用される直流電源を駆動源とする小型のファン６００が設けられている。
また実施形態では、一の小型熱交換器２００に対して複数のファン６００により冷却空気を供給する構成となっている。またファン６００は、図２の紙面方向のみならず、図２の紙面と直交する方向へも並べて行列状に配置されて、熱交換器２００の全面を覆うように配置されている。

また、蒸気管３００及び液管４００には、それぞれ複数の蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂ及び液枝管４１０ａ、４１０ｂが並列に分岐しており、一対の蒸気枝管３１０ａと液枝管４１０ａとの間、および、一対の蒸気枝管３１０ｂと液枝管４１０ｂとの間に分割した風上側風下側の熱交換器２１０、２２０を接続することで、冷媒流路を並列にしている。各蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂには、バルブやオリフィス等の、各小型熱交換器２００へ分配する冷媒量の調節機構５００を設置する。ファン６００は、小型熱交換器２００の通風面の近傍に、小型熱交換器２００の通風面と平行になるように設置する。

室外機１０の小型熱交換器２００や調節機構５００やファン６００は、個数、サイズ、形状等を限定するものではない。小型熱交換器２００及びファン６００は、筐体１００の正面から見てＶ字状に設置しているが、Ｗ字状等に設置しても良い。小型熱交換器２００は筐体１００の上下方向で２個、風向き方向で２個に分割しているが、分割方向はどちらか１方向だけでも良く、それぞれの方向での分割数は３個以上でも良い。調節機構５００は全ての蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂに設置しているが、一部だけに設置しても良い（例えば、熱交換に際し、他の冷媒の流路より流量が少なくなることが予測される蒸気枝管のみに設置して流量を絞るよう構成しても良い）。また、液枝管４１０ａ、４１０ｂに設置しても良い。ファン６００は、小型熱交換器２００の排気側に設置しているが、吸気側に設置しても良い。

なお本空調機で使用される低圧冷媒には、例えば低圧ＨＦＯｓが採用されている。この低圧冷媒は、圧縮機、膨張機、冷媒タンク、これらを接続する管路など、空調機全体の冷媒流路の構成部材を備えている。また電源ケーブルや電子基板など、空調機のモータ、弁等を制御する電子系の構成部材を備えている。
冷媒液を循環させるためのポンプや、冷媒蒸気を昇温するための圧縮機等を備えていても良い。

第１実施形態の室外機の動作について説明する。
室外機１０を動作させると、ファン６００が回転を始める。これにより、外気が筐体１００の下部へ設けられた吸気口１１０を通って、筐体１００の内部に矢印Ａ方向へ吸入される。次に外気は小型熱交換器２００を通過する。最後に外気は筐体１００の上部へ設けられた排気口１２０を通って、筐体１００の外部に矢印Ｂ方向へ排出される。
室内機で受熱した冷媒液が蒸発し、冷媒蒸気へ相変化する。冷媒蒸気は蒸気管３００を通って室内機から室外機１０へ移動し、蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂを通って複数の小型熱交換器２００（上流側、下流側の熱交換器２１０、２２０）に分配される。並列に接続された複数の小型熱交換器２００に分配されることで、各熱交換器２１０、２２０およびその蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂを流れる冷媒蒸気の流速は遅くなる。

前記上流側、下流側の熱交換器２１０、２２０への冷媒の分配に際し、風上側の熱交換器２１０で熱交換する際に温度上昇した外気が風下側の小型熱交換２２０に供給されることを考慮して、放熱量が減少する分だけ、風下側の熱交換器２２０に分配される冷媒量を調節機構５００によって少なくする。冷媒蒸気は小型熱交換器２００を介して外気へ放熱し、凝縮して冷媒液へ相変化する。

各小型熱交換器２００で凝縮した冷媒液は液枝管４１０ａ、４１０ｂを通って集合し、液管４００を通って、室外機１０から室内機へ移動する。このように、冷媒の循環と相変化を利用して熱を外気へ移動することで室内を冷却する。なお、上流側、下流側の熱交換器２１０、２２０における放熱量の差のみならず、面方向（気流と直交する平面の方向）への風量、温度の分布に起因する、複数の熱交換器２００の放熱量のばらつきに対応して、冷媒の流通量を調節しても良い。

上記第１実施形態の動作によれば、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失に起因した圧縮機電力の増加を高圧冷媒使用時と同等以下にできる。
この実施形態では、パラレルフロー型の熱交換器を筐体１００の上下方向で２個、風向き方向で２個に分割した小型の熱交換器２００を、蒸気枝管３１０ａ、３１０ｂ、液枝管４１０ａ、４１０ｂによって各熱交換器２１０、２２０へ冷媒を分配し、集合させるように並列に接続している。

これにより、低圧冷媒使用時でも、従来のサーペンタイン熱交換器と同じ放熱能力で、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失を従来の１／１０の１ｋＰａに低減し、凝縮温度の低下を０．１℃に抑制することで、圧縮機電力の増加を無くした。（図４グラフ点描背景）
図４は４０ｋＷ相当を放熱する際の、（１）熱交換器内の冷媒流路の圧力損失、（２）凝縮温度の低下量、（３）圧縮機電力の増加量、を比較したグラフの一例である。また、図５は低圧冷媒使用時の冷凍サイクルのｐ－ｈ線図の模式図である。

従来の大型サーペンタイン熱交換器と高圧冷媒の組合せ（図４グラフ 格子背景）の場合、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失は９ｋＰａであり、凝縮温度は０．１℃しか低下しない。このため、圧縮機電力はほぼ増加しない。
しかし、冷媒を低圧冷媒に変更した（図４グラフ 横線背景）の場合、低圧冷媒は高圧冷媒に比べて蒸発潜熱と蒸気密度が小さいので、放熱量が同じでも冷媒蒸気の流速が約１０倍になる。これに起因して、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失は１１５ｋＰａに増大し、凝縮温度は１１．６℃も低下する。このため、凝縮温度の低下分だけ余分に昇温する必要があり、圧縮機電力は２．１ｋＷ増加する(図５)。

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

本発明によれば、熱交換器内の冷媒流路の圧力損失の増加に起因した圧縮機電力を低減できるので、低圧冷媒を使用した室外機を提供できる。

１ ファン
２ａ、２ｂ 熱交換器
４ 蒸気管
４ａ、４ｂ 蒸気枝管
５ 液管
５ａ、５ｂ 液枝管
１０ 室外機
１００ 筐体
１１０ 吸気口
１２０ 排気口
２００ （小型）熱交換器
２１０ 風上側の（小型）熱交換器
２２０ 風下側の（小型）熱交換器
３００ 蒸気管
３１０ａ、３１０ｂ 蒸気枝管
４００ 液管
４１０ａ、４１０ｂ 液枝管
５００ 調節機構
６００ ファン

Claims (6)

1. ファンと熱交換器と蒸気管と液管とこれらの管の内部を流れる冷媒を備え、前記冷媒は低圧冷媒であり、前記熱交換器は複数個に分割されたパラレルフロー熱交換器が蒸気管と液管の間で並列に接続されていることを特徴とする室外機。
2. 前記熱交換器内の冷媒流路の圧力損失が１ｋＰａ以下となるように、前記熱交換器の分割数及び前記熱交換器内の冷媒流路の流路長を決めていることを特徴とする請求項１記載の室外機。
3. 前記熱交換器は、風向き方向で分割されていることを特徴とする請求項１記載の室外機。
4. 並列に接続された複数個の前記熱交換器へ分配する前記冷媒の流量を、前記熱交換器のそれぞれの放熱量に応じて調節する機構をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の室外機。
5. それぞれ、供給された冷媒を冷却対象空気と熱交換して排出する複数の熱交換器と、
   これらの熱交換器へそれぞれ冷媒を供給する供給ヘッダー配管と、
   これらの熱交換器から排出された冷媒を集合させる排出ヘッダー配管と、
   前記供給ヘッダー配管と複数の前記熱交換器とをそれぞれ接続する供給枝配管と、
   前記排出ヘッダー配管と複数の前記熱交換器とをそれぞれ接続する排出枝配管と、
   を有し、
   冷却対象空気の流れ方向の上流側の熱交換器の供給ヘッダー配管から排出ヘッダー配管に至る流路抵抗に対して、
   下流側の熱交換器の供給ヘッダー配管から排出ヘッダー配管に至る流路抵抗が大きくなるよう調整する流路調整部を有する、
   請求項３または４のいずれか一項に記載の室外機。
6. 前記熱交換器における前記冷却対象空気の通過方向と交差する面に沿って複数のファンを配置した、
   請求項５に記載の室外機。

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