JP6470033B2 - 空調装置 - Google Patents

Description

本発明は空調装置に関する。

例えば、特許文献１に記載の空調装置は、２つの熱交換器を有するとともに、それら２つの熱交換器に供給する空気を制御することにより、空調装置の消費電力の低減を図っている。

特開平６−２６６６８号公報

本発明は、２つの冷却器を備える空調装置において、特許文献１と異なる観点から空調装置の消費電力の低減を図ることを目的とする。

本願では、室内に供給する空気を冷却する第１冷却器（７）と、第１冷却器（７）の吸気口（７Ａ）から離間した位置に設置された第２冷却器（９）であって、冷却した空気を当該吸気口（７Ａ）に向けて供給する第２冷却器（９）と、吸気口（７Ａ）に向かう気流を発生させる送風機（１１）と、第２冷却器（９）を通過する風量を目標風量とする風量制御装置（１３）とを備え、目標風量は、第２冷却器（９）で発生可能な冷凍能力に基づいて決定される風量であることを特徴とする。

これにより、本願発明では、第２冷却器（９）で発生する冷凍能力（冷房能力）を有効に活用でき得るので、空調装置の消費電力を低減することができ得る。
因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

サーバ室の外観図である。 空調ユニット５の構造図である。 第２冷却器９の作動説明図である。 冷凍能力、温度差ΔＴ及び圧力差ΔＰの関係を示すグラフである。 制御装置１７の構成図である。 Ａ及びＢは第２実施形態に係る圧力差調節装置１６の説明図である。 第３実施形態に係る圧力差調節装置１６の説明図である。 Ａ及びＢは第３実施形態に係る圧力差調節装置１６の説明図である。 Ａ〜Ｃは第４実施形態に係る圧力差調節装置１６の作動説明図である。 Ａ及びＢは第４実施形態に係る圧力差調節装置１６の作動説明図である。

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

本実施形態は、サーバ室内の空調を行う空調装置に本発明を適用したものである。サーバ室とは、情報通信技術用機器等の情報処理装置（以下、ＩＣＴ装置という）が設置された部屋である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。

（第１実施形態）
１．空調装置の概要
図１に示すように、サーバ室内には複数のＩＣＴ装置１が設置されている。複数のＩＣＴ装置１は、少なくとも１つのラック３に組み付けられた状態でサーバ室に設置される。当該ラック３を挟んで一方には、冷風が供給される冷風通路（コールドアイル）３Ａが設けられている。

冷風は、冷風通路３Ａの床下に設けられたダクト空間３Ｃからラック３側に供給された後、床に設けられた複数の冷風吹出口（図示せず。）から冷風通路３Ａに供給される。なお、ラック３を挟んで冷風通路３Ａと反対側の通路３Ｂには、冷風吹出口が設けられていない。

当該通路３Ｂには、冷風通路３ＡからＩＣＴ装置１に供給された空気であって、各ＩＣＴ装置１を冷却して温度が上昇した空気が流通する。つまり、通路３Ｂは、加熱された空気（温風）が流通する温風通路（ホットアイル）となる。

空調ユニット５は複数のＩＣＴ装置１に供給される冷却風を生成する。なお、本実施形態では、２台の空調ユニット５１、５２が設置されている。そして、空調ユニット５で生成された冷風は、ダクト空間３Ｃに向けて供給される。

２．空調ユニットの詳細
空調ユニット５は、図２に示すように、第１冷却器７、第２冷却器９及び送風機１１等を有して構成されている。

第１冷却器７はサーバ室内に供給する空気を冷却する。当該第１冷却器７で発生する冷凍能力は、蒸気圧縮式冷凍機等の動力を利用して冷凍能力を発生させるチラー（図示せず。）から供給される。

具体的には、第１冷却器７には所定温度の冷水がチラーから供給される。第１冷却器７の冷水入口側又は冷水出口側には、第１冷却器７に供給される冷水の流量を調節する流量調整弁（図示せず。）が設けられている。

流量調整弁は、空調ユニット５に吸い込まれる室内空気の温度と空調ユニット５から吹き出される空気の温度との差が、予め設定された温度範囲となるように制御される。ケーシング７Ｂは、第１冷却器７を収納するとともに、第１冷却器７を通過する空気の通路を構成する。

送風機１１は、少なくとも「第１冷却器７の吸気口７Ａに向かう気流」を発生させる。当該送風機１１は、ケーシング７Ｂ内のうち第１冷却器７を挟んで吸気口７Ａと反対側に収納されている。つまり、送風機１１は、吸気口７Ａから室内空気を吸引するとともに、その吸引した室内空気を第１冷却器７に向けて供給する。

第２冷却器９は、吸気口７Ａから離間した位置に設置されたプレクーラであって、吸気口７Ａに向けて冷却した空気を供給する。本実施形態に係る第２冷却器９は蒸発器にて構成されている。蒸発器（第２冷却器９）は室内空気から吸熱して冷媒を蒸発させる。冷媒は、図３に示すように、第２冷却器９と凝縮器９Ａとの間を循環する。

凝縮器９Ａは、第２冷却器９より鉛直方上方側に配設され、かつ、第２冷却器９にて蒸発した冷媒と室外空気とを直接的又は間接的に熱交換させて当該冷媒を液化する。そして、凝縮器９Ａは、液化した冷媒を第２冷却器９側に戻す。

すなわち、第２冷却器９及び凝縮器９Ａ等にて構成された冷媒循環経路は、大気圧より低い所定圧力まで減圧された状態で冷媒が封入されている。このため、第２冷却器９内に存在する液相冷媒は、室内空気により加熱されると、当該室内空気から吸熱して蒸発（気化）する。

気化して密度が小さくなった気相冷媒は、自動的に第２冷却器９から凝縮器９Ａ側に向かって流動する。凝縮器９Ａに到達した気相冷媒は、室外空気により冷却されて凝縮する。凝縮して密度が大きくなった液相冷媒は、自動的に凝縮器９Ａから第２冷却器９に向かって流れる。

第２冷却器９に戻ってきた液相冷媒は、再び、室内空気から吸熱して蒸発する。このように、第２冷却器９と凝縮器９Ａとの間を冷媒が循環することにより、第２冷却器９にて冷凍能力が発生する。

なお、本実施形態では、凝縮器９Ａから第２冷却器９までの配管長が長いので、液相冷媒を第２冷却器９に送り込むポンプ（図示せず。）を設けている。送風機９Ｂは凝縮器９Ａに室外空気を送風する。シュラウド９Ｃは、凝縮器９Ａを覆うとともに、凝縮器９Ａを通過する空気の通路を構成する。

３．風量制御装置
風量制御装置１３（図２参照）は、第２冷却器９を通過する風量を目標風量Ｑｗとするための装置である。目標風量Ｑｗは、第２冷却器９で発生可能な冷凍能力（冷房能力）に基づいて決定される風量である。

３．１ 目標風量Ｑｗ
第２冷却器９で発生する冷凍能力は、図４に示すように、第２冷却器９を通過する風量（以下、通過風量という。）の増大に応じて大きくなる。しかし、冷凍能力の増加率は、通過風量の増大と共に小さくなり、最終的には、当該増加率は実質的に０となる。

以下、増加率が実質的に０となる冷凍能力を「第２冷却器９の最大能力Ｑｃｍａｘ」という。なお、「増加率が実質的に０」とは、増加率が完全に０となる場合は勿論のこと、当該０を中心に所定の範囲内の増加率も含む意味である。

通過風量は、第２冷却器９の吸気側と排気側との圧力差ΔＰの関数である。つまり、図４の横軸は、通過風量及び圧力差ΔＰを示す。そして、第２冷却器９の冷凍能力が最大能力Ｑｃｍａｘとなる圧力差ΔＰのうち、最小の圧力差ΔＰを臨界圧力差ΔＰｃという。臨界圧力差ΔＰｃに対応する通過風量を臨界風量Ｑｗｃという。

第２冷却器９の最大能力Ｑｃｍａｘは、室外空気の温度、つまり凝縮器９Ａに供給される冷却用空気の温度Ｔｏと第２冷却器９に供給される室内空気の温度Ｔｉとの温度差ΔＴとの関数となる。具体的には、温度差ΔＴの増大に応じて第２冷却器９の最大能力Ｑｃｍａｘが大きくなる。

つまり、臨界圧力差ΔＰｃ及び臨界風量Ｑｗｃは温度差ΔＴの関数となる。そこで、本実施形態では、温度差ΔＴによって決まる臨界風量Ｑｗｃを目標風量Ｑｗとしている。なお、本実施形態では、例えば、夏期等の第２冷却器９を使用する期間の平均温度差ΔＴを温度差ΔＴとして目標風量Ｑｗが決定されている。

３．２ 風量制御装置の構成
本実施形態に係る風量制御装置１３は、図２に示すように、圧力維持装置１５にて構成されている。圧力維持装置１５は圧力差ΔＰを目標圧力差ΔＰｔに維持する装置である。目標圧力差ΔＰｔは、目標風量Ｑｗに基づいて決定される圧力差、つまり目標風量Ｑｗに対応する臨界圧力差ΔＰｃである。

本実施形態に係る圧力維持装置１５は、ダクト部材１４Ａ及び当該ダクト部材１４Ａに設けられた差圧弁１４Ｂ等を有して構成されている。ダクト部材１４Ａは、第２冷却器９の排気口９Ｄから吸気口７Ａに至る空気通路を構成する。

差圧弁１４Ｂは、ダクト部材１４Ａの内側と外側との圧力差を目標圧力差ΔＰｔに維持するように、ダクト部材１４Ａの内側と外側との連通状態を調節する。本実施形態に係る差圧弁１４Ｂは、バネ等の弾性部材を利用してダクト部材１４Ａの内側と外側との圧力差を調節する機械式の差圧弁１４Ｂである。

なお、ダクト部材１４Ａは着脱自在に空調装置に組み付けられている。このため、空調装置のメンテナンス時や第２冷却器９を使用しない季節（例えば、夏期間等）においては、メンテナンス作業者は、ダクト部材１４Ａ（差圧弁１４Ｂも含む。）を空調装置から取り外すことができる。

４．本実施形態に係る空調装置の特徴
本実施形態では、第２冷却器９を通過する風量を目標風量Ｑｗとする風量制御装置１３を備えることを特徴としている。したがって、第２冷却器９で発生する冷凍能力（冷房能力）を有効に活用でき得るので、空調装置の消費電力を低減することができ得る。

すなわち、第２冷却器９を通過する風量を目標風量Ｑｗより大きくしても第２冷却器９で発生する冷凍能力は大きくならない。一方、第２冷却器９を通過する風量を目標風量Ｑｗより大きくすると、送風機１１の消費動力が指数関数的に増大する。

つまり、第２冷却器９を通過する風量が目標風量Ｑｗより大きくなると、空調装置の消費電力に対する空調装置で発生する冷凍能力（冷房能力）の比（以下、「成績係数」という。）が低下する。なお、空調装置の消費電力とは、第１冷却器７及び送風機１１等の消費電力である。空調装置で発生する冷凍能力とは、第１冷却器７及び第２冷却器９で発生する冷凍能力である。

これに対して、本実施形態では、第２冷却器９を通過する風量を目標風量Ｑｗとするので、冷凍能力の増大に寄与しない消費電力の増大を抑制できる。したがって、高い成績係数を維持することができ得るので、第２冷却器９で発生する冷凍能力を有効に活用して、空調装置の消費電力を低減することができ得る。

（第２実施形態）
上述の実施形態では、圧力差調節装置として機能する差圧弁１４Ｂが機械式であったので、目標風量Ｑｗを設計段階で予め設定した値とした。これに対して、本実施形態、及び以降の実施形態においては、図５に示すように、電気式の圧力差調節装置１６を制御装置１７を介して制御する構成である。

＜制御装置＞
制御装置１７には、第１気圧センサＳ１、第２気圧センサＳ２、第１気温センサＳ３及び第２気温センサＳ４から検出信号が入力されている。第１気圧センサＳ１は第２冷却器９の吸気側気圧を検出する。第２気圧センサＳ２は第２冷却器９の排気側気圧を検出する。

第１気温センサＳ３は、サーバ室内の空気、つまり第２冷却器９の吸気側空気温度を検出する。第２気温センサＳ３は、室外空気、つまり凝縮器９Ａに供給される空気の温度を検出する。

制御装置１７は圧力差決定部を有する。圧力差決定部は、室外空気温度と室内空気温度との温度差ΔＴに基づいて目標風量Ｑｗを決定する。なお、制御装置１７は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を有するコンピュータにて構成されている。制御装置１７を作動させるプログラム（ソフトウェア）は、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。

本実施形態に係る圧力差決定部は、当該プログラムにより実現される。具体的には、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部には、温度差ΔＴと目標風量Ｑｗと関係（図４参照）が予め記憶されている。そして、制御装置１７（ＣＰＵ）は、温度差ΔＴに基づいて目標風量Ｑｗを決定し後、その決定した目標風量Ｑｗとなるように圧力差調節装置１６の作動を制御する。

＜圧力差調節装置＞
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施形態に係るダクト部材１４Ａは、可動式のシャッタ１８Ａにより構成されている。シャッタ１８Ａは、第１冷却器７と第２冷却器９との間に構成される開口の大きさを調節するための調整部材である。

本実施形態に係る圧力差調節装置１６は、シャッタ１８Ａを収納可能な収納装置１８Ｂ等を有している。収納装置１８Ｂは、シャッタ１８Ａを収納する収納部１８Ｃ、及びシャッタ１８Ａを移動させる動力を発生する電動モータ１８Ｄ等を有している。

制御装置１７は、圧力差ΔＰが目標圧力差ΔＰｔとなるように、電動モータ１８Ｄの制御を介してシャッタ１８Ａの位置、つまり開口の大きさを調節する。
（第３実施形態）
本実施形態に係る圧力差調節装置１６は、図７に示すように、ダクト部材１４Ａ、帯板状に構成された複数の羽板１９Ａ、及び制御装置１７に制御される電動モータ１９Ｂ等を有して構成されている。

すなわち、ダクト部材１４Ａの少なくとも一部には開口１９Ｃが設けられている。複数の羽板１９Ａは、開口１９Ｃを閉塞可能な位置に配設され、かつ、その長手方向と平行な方向を回転中心軸線として回転可能である。

制御装置１７は、圧力差ΔＰが目標圧力差ΔＰｔとなるように、電動モータ１９Ｂを介して複数の羽板１９Ａの回転角度を制御することにより、開口１９Ｃの開度を調節する。つまり、複数の羽板１９Ａが縦型のブラインドのごとく回転することにより、開口１９Ｃの開度が調節される。

（第４実施形態）
本実施形態に係る圧力差調節装置１６は、図８Ａに示すように、少なくとも２つのダクト部材（第１ダクト部材２０Ａ及び第２ダクト部材２０Ｂ）にてダクト部材１４Ａが構成されている。

第１ダクト部材２０Ａ及び第２ダクト部材２０Ｂのうち少なくとも１つのダクト部材（図８Ａでは、第２ダクト部材２０Ｂ）は、他のダクト部材（図８Ａでは、第１ダクト部材２０Ａ）に対して変位可能である。

そして、第２ダクト部材２０Ｂが第１ダクト部材２０Ａに対して変位することにより、図８Ｂに示すように、第１冷却器７と第２冷却器９との間に構成される開口の大きさが変化する。

第２ダクト部材２０Ｂは、電動モータ又はリニアアクチュエータ等の電動式アクチュエータ２０Ｃにより変位駆動させられる。制御装置１７は、圧力差ΔＰが目標圧力差ΔＰｔとなるように、電動式アクチュエータ２０Ｃを介して第２ダクト部材２０Ｂの位置、つまり開口の大きさを調節する。

（第５実施形態）
本実施形態に係る圧力差調節装置１６は、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、少なくとも２つのダクト部材（第１ダクト部材２１Ａ及び第２ダクト部材２１Ｂ）にてダクト部材１４Ａが構成されている。２つのダクト部材２１Ａ、２１Ｂそれぞれには、貫通穴２１Ｃ、２１Ｄが設けられている。

第１ダクト部材２１Ａ及び第２ダクト部材２１Ｂのうち少なくとも１つのダクト部材（図９Ｂでは、第２ダクト部材２１Ｂ）は、他のダクト部材（図９Ｂでは、第１ダクト部材２１Ａ）に対して変位可能である。

すなわち、第２ダクト部材２０Ｂが第１ダクト部材２０Ａに対して変位すると、第２ダクト部材２１Ｂの貫通穴２１Ｄが第１ダクト部材２１Ａの貫通穴２１Ｃと一致した状態（図９Ａ参照）、及び貫通穴２１Ｄが貫通穴２１Ｃに対してずれた状態（図９Ｂ及び図９Ｃ参照）を実現できる。

例えば、貫通穴２１Ｄが貫通穴２１Ｃに一致した状態（図９Ａ参照）では、第１冷却器７と第２冷却器９との間に構成される開口率は１００％となる。貫通穴２１Ｄが貫通穴２１Ｃに半分程度重なった状態（図９Ｂ参照）では開口率は５０％となる。貫通穴２１Ｄが貫通穴２１Ｃに不一致状態（図９Ｃ参照）となった場合には開口率は０％となる。

なお、第２ダクト部材２１Ｂは、電動モータ又はリニアアクチュエータ等の電動式アクチュエータ（図示せず。）により変位駆動させられる。そして、制御装置１７は、圧力差ΔＰが目標圧力差ΔＰｔとなるように、電動式アクチュエータを介して第２ダクト部材２１Ｂの位置、つまり開口率を調節する。

（第６実施形態）
本実施形態に係る圧力差調節装置１６は、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、第２冷却器９及び第２冷却器９のケーシング９Ｅ（図２参照）を、第１冷却器７（ケーシング７Ｂ）に対して離間した位置と近接した位置との間で変位させるものである。なお、ケーシング９Ｅは、第２冷却器９を覆うとともに、第２冷却器９を通過する空気の通路を構成する。

第２冷却器９及びケーシング９Ｅは、電動モータ又はリニアアクチュエータ等の電動式アクチュエータ２１Ａ）により変位駆動させられる。そして、制御装置１７は、圧力差ΔＰが目標圧力差ΔＰｔとなるように、電動式アクチュエータ２１Ａを介して第２冷却器９及びケーシング９Ｅの位置、つまり開口の大きさを調節する。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、圧力差ΔＰをパラメータとして第２冷却器９の通過風量を制御したが、本発明はこれに限定されるものではなく、通過風量を計測して、当該計測通過風量が目標風量Ｑｗとなるように開口率等を調節してもよい。

なお、通風量の計測手法は、（ａ）風量を直接的に計測する手法、及び（ｂ）風速を計測し、その計測風速に計測位置断面積を乗算することにより風量を間接的に計測する手法等、その具体的な手法は不問である。

上述の実施形態では、第２冷却器９と凝縮器９Ａとの間で冷媒を確実に循環させるためにポンプを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポンプを廃止してもよい。

上述の実施形態に係る第２冷却器９は、冷凍能力を発生させるための動力（電力）を必要としない方式であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、蒸気圧縮式冷凍機等にて第２冷却器９の発生させる冷凍能力を生成してもよい。

なお、蒸気圧縮式冷凍機等にて第２冷却器９の発生させる冷凍能力を生成した場合であっても、具体的な数値は異なるものの、通過風量と室内に供給可能な冷凍能力との関係は、図４に示す傾向と同様な傾向となる。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、本発明に係る空調装置をサーバ室以外の室内の空調に適用できる。

１… ＩＣＴ装置 ３… ラック ３Ａ… 冷風通路 ３Ｃ… ダクト空間
３Ｂ… 温風通路 ５… 空調ユニット ７… 第１冷却器 ７Ｂ… ケーシング
７Ａ… 吸気口 ９… 第２冷却器 ９Ａ… 凝縮器 ９Ｂ… 送風機
９Ｃ… シュラウド ９Ｄ… 排気口 ９Ｅ… ケーシング １１… 送風機
１３… 風量制御装置 １４Ａ… ダクト部材 １４Ｂ… 差圧弁
１５… 圧力維持装置 １６… 圧力差調節装置 １７… 制御装置
１８Ａ… シャッタ １８Ｂ… 収納装置 １８Ｃ… 収納部
１８Ｄ… 電動モータ １９Ａ… 羽板 １９Ｂ… 電動モータ
２０Ａ… 第１ダクト部材 ２０Ｂ… 第２ダクト部材
２１Ａ… 第１ダクト部材 ２１Ｂ… 第２ダクト部材
２１Ｃ… 貫通穴 ２１Ｄ… 貫通穴 ５１… 空調ユニット

Claims (4)

1. 室内に供給する空気を冷却する第１冷却器と、
   前記第１冷却器の吸気口から離間した位置に設置され、冷却した空気を当該吸気口に向けて供給する第２冷却器であって、室内空気から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発器にて構成された第２冷却器と、
   前記第２冷却器にて蒸発した冷媒と室外空気とを直接的又は間接的に熱交換させて当該冷媒を液化する凝縮器であって、前記第２冷却器より鉛直方上方側に配設されて液化した冷媒を前記第２冷却器に戻す凝縮器と、
   前記吸気口に向かう気流を発生させる送風機と、
   前記第２冷却器を通過する風量を目標風量とする風量制御装置とを備え、
   前記凝縮器に供給される冷却用空気の温度と前記第２冷却器に供給される室内空気の温度との温度差により決定される前記第２冷却器の冷凍能力であって、冷凍能力の増加率が実質的に０となったときの冷凍能力を最大能力とし、
   前記第２冷却器を通過する風量（以下、通過風量という。）であって、当該第２冷却器の冷凍能力が最大能力となる通過風量のうち、最小の通過風量を臨界風量としたとき、
   前記目標風量は、前記臨界風量であることを特徴とする空調装置。
2. 前記第２冷却器の吸気側と排気側との圧力差であって、前記目標風量に基づいて決定される圧力差を目標圧力差としたとき、
   前記風量制御装置は、前記第２冷却器の吸気側と排気側との圧力差を前記目標圧力差に維持する圧力維持装置を有していることを特徴とする請求項１に記載の空調装置。
3. 前記第２冷却器の排気口から前記第１冷却器の吸気口に至る空気通路を構成するダクト部材と、
   前記ダクト部材に設けられ、前記ダクト部材の内側と外側との圧力差を前記目標圧力差に維持する差圧弁とを備えており、
   前記圧力維持装置は、前記差圧弁及び前記ダクト部材を有して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の空調装置。
4. 前記第１冷却器を収納するとともに、当該第１冷却器を通過する空気の通路を構成するケーシングを備え、
   前記送風機は、前記ケーシング内に収納されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空調装置。