JPWO2014126005A1

JPWO2014126005A1 - データセンタの冷却機構

Info

Publication number: JPWO2014126005A1
Application number: JP2014523138A
Authority: JP
Inventors: 寛之白岩; 英敏金尾
Original assignee: Hachiyo Engineering Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Hachiyo Engineering Co Ltd; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: JP5702508B2

Abstract

［課題］低ランニングコストで運用することができ、粉塵の侵入、水滴の発生、水の漏洩を排除することができ、室内空間の温度ムラを軽減し、更に火災が発生した場合であっても迅速且つ被害の少ない消火を行うことができる、新規なデータセンタの冷却機構を開発することを技術課題とした。［解決手段］データセンタ室外に、エバポレーティブコンデンサ及び受液器を配置し、一方、データセンタの室内空間に蒸発器を配置し、前記蒸発器における冷媒の蒸発によって室内空間の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサによって冷媒の凝縮が行われるように構成されていることを特徴とする。

Description

本発明はデータセンタの冷却機構に関するものであり、特に電力消費を著しく低減することのできるデータセンタの冷却機構に係るものである。

多数のサーバー、ネットワーク機器等のＩＴ機器（放熱機器）が設置されているデータセンタにおいては、ＩＴ機器を安定的に運用するために所定の温度（２７〜３０℃程度）以上にならないように冷却するための冷却機構が必須となっている。
このようなデータセンタの室内空間は、メンテナンス時を除いて人がいる時間が極めて短く、換気量も少ないため潜熱負荷が低い一方、放熱機器からの放熱量が多大であるため顕熱負荷が高く、また室内全域に負荷が存在した状態となっている。
そして現状では、前記冷却機構として、冷却装置によって生成された冷気を、送風装置を用いて放熱機器に送り込むような構成が主流となっている（例えば特許文献１参照）。
しかしながらこのような方式の冷却機構においては、送風量が膨大であり、送風距離が長いため送風機の消費電力が多大となっていること、送風のための大きなスペースが必要であること、広い空間を一律に冷却しようとするため温度ムラが生じること等の問題があった。

また上述のような方式以外に、放熱機器を囲繞するように循環経路を形成し、この循環経路に冷却媒体を循環させる水冷式の冷却機構も実在するが、液漏れが発生した場合にはＩＴ機器の損傷を招いてしまうといったリスクを完全に排除することができないため、安定性、信頼性が求められるデータセンタに必ずしも適したものであるとはいえなかった。

上述のように現状では、データセンタを安定的に運用するために、粉塵の侵入、水滴の発生、水の漏洩を防止すること、電力等のランニングコストを低減することとの双方を十分に満足させる冷却機構は見当らなかった。
なお漏電等によってデータセンタにおいて火災が発生したときには、スプリンクラー等により放水が行われることとなるため、出火付近のみならず、他の機器までもが使用不可能になってしまい、膨大なデータが消失してしまうといった問題もあった。

特開２０１１−２４２０７７公報

本発明はこのような背景を考慮して成されたものであって、必要な冷却温度が比較的高く、潜熱負荷が少ない一方、顕熱負荷が大きく発生源が広い範囲に及ぶ状況等を総合的に考察し、その結果、外気条件をより積極的に有効利用しようとする思想の下に、低ランニングコストで運用することができ、粉塵の侵入、水滴の発生、水の漏洩を排除することができ、室内空間の温度ムラを軽減し、更に火災が発生した場合であっても迅速且つ被害の少ない消火を行うことができる、新規なデータセンタの冷却機構を開発することを技術課題とした。

すなわち請求項１記載のデータセンタの冷却機構は、データセンタ室外に、エバポレーティブコンデンサ及び受液器を配置し、一方、データセンタの室内空間に蒸発器を配置し、前記蒸発器における冷媒の蒸発によって室内空間の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサによって冷媒の凝縮が行われるように構成されていることを特徴として成るものである。

また請求項２記載のデータセンタの冷却機構は、前記要件に加え、前記エバポレーティブコンデンサ、受液器及び蒸発器を具えて成る第一の冷却サイクルと、圧縮機、コンデンサー及び蒸発器を具えて成る第二の冷却サイクルとを、並列状態に配置して成ることを特徴として成るものである。

更にまた請求項３記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項１記載の要件に加え、データセンタ室外に、可変速ターボ型の圧縮機、エバポレーティブコンデンサ、高圧受液器、液面制御機構、低圧受液器、カスケードコンデンサを具えて成る第一冷却サイクルを配置し、更に、データセンタの室内空間に配置した蒸発器と、受液器、液ポンプとを配管で繋いでループ回路とし、蒸発器下流で前記カスケードコンデンサにおいて二次冷媒としての炭酸ガスが凝縮される第二冷却サイクルを配置して成り、前記一次冷却サイクルは、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度以下の時に、前記圧縮機を機能させることなく一次冷媒を循環させ、カスケードコンデンサにおいて凝縮された二次冷却サイクルにおける二次冷媒により、室内空間の冷却を行うように構成されていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項４記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項１記載の要件に加え、データセンタ室外に、容積型の圧縮機、エバポレーティブコンデンサ、高圧受液器、液面制御機構、低圧受液器、カスケードコンデンサ具えるとともに、前記圧縮機を迂回するバイパス管路を設けて成る第一冷却サイクルを配置し、更に、データセンタの室内空間に配置した蒸発器と、受液器、液ポンプとを配管で繋いでループ回路とし、蒸発器下流で前記カスケードコンデンサにおいて二次冷媒としての炭酸ガスが凝縮される第二冷却サイクルを配置して成り、前記一次冷却サイクルは、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度以下の時に、圧縮機を停止するとともに、この圧縮機を回避するバイパス管路を開放することにより、前記圧縮機を機能させることなく一次冷媒を循環させ、カスケードコンデンサにおいて凝縮された二次冷却サイクルにおける二次冷媒により、室内空間の冷却を行うように構成されていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項５記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項３または４記載の要件に加え、前記二次冷却サイクルにおける受液器に対してエバポレーティブコンデンサを接続したことを特徴として成るものである。

更にまた請求項６記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項５記載の要件に加え、前記二次冷却サイクルにおけるカスケードコンデンサを受液器に内蔵したことを特徴として成るものである。

更にまた請求項７載のデータセンタの冷却機構は、前記要件に加え、前記冷媒を室内空間に噴出することができるように構成されていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項８記載のデータセンタの冷却機構は、前記要件に加え、前記蒸発器は逆煙突効果を発揮する形態の縦型の隔壁で囲われており、蒸発器近傍の空気を冷却することにより、ファンを使用することなくデータセンタ室内空間の上部にある高温空気を効率よく蒸発器に向けて引き込み、冷却した後、下方に吐き出す構造が具えられていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項９記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項８記載の要件に加え、前記隔壁の下部には伸縮部が具えられていることを特徴として成るものである。

まず請求項１記載の発明によれば、エバポレーティブコンデンサによって、一年間の内の長い期間にわたり、十分低い温度で冷媒の凝縮が行われるため、冷却機構を消費電力を抑えた低コストで運用することが可能となるとともに、イニシャルコストを低減することができる。

また請求項２記載の発明によれば、通常時は第一冷却サイクルのみによって運転を行い、第一冷却サイクルだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機を具えた第二冷却サイクルを稼働させることにより、室内空間内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、第二冷却サイクルと同時に第一冷却サイクルを稼働させることにより、圧縮機の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。

また請求項３記載の発明によれば、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合には、可変速ターボ型の圧縮機を機能させることなく冷媒を循環させる運転を行うことにより、可変速ターボ型の圧縮機における消費電力を要することなく凝縮器において冷媒からの放熱及び冷媒の凝縮が十分に行われる。この結果ランニングコストを著しく低減することができる。
また、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度より高い場合、室内空間の温度が所定の温度になる様に可変速ターボ型の圧縮機を制御して効率よく運転することができる。またエバポレーティブコンデンサは、クーリングタワーで冷却した冷却水を使用して行うシェルチュ−ブコンデンサや空冷式コンデンサと比較して、それぞれ５℃及び１０℃程度凝縮温度を低くできる。このことは冷凍機が消費する電力を減少させるだけでなく、冷凍機が稼働する期間も短縮することができるきわめて大きな省エネの要素である。
また可変速ターボ型の圧縮機は、運転を停止しても圧縮機内を自由に冷媒ガスが通過することができるので、凝縮温度による発停に係る他の制御が単純なものになる。
またデータセンタの室内空間内の熱は、外気を導入することなく、配管内の冷媒により効果的に外部に排出されるため、室内空間への粉塵の侵入や水滴の発生を効果的に防止することができる。
またカスケードコンデンサ以降の二次冷却サイクルに二次冷媒として、価格が安く安定して入手でき熱運搬性能が高く自然にやさしい炭酸ガスを利用することにより、設備コストを下げて効率の良い冷却機構を実現することができる。

また請求項４記載の発明によれば、圧縮機として容積型のものが採用された場合であっても、請求項１と同様に、圧縮機を機能させることなく冷媒を循環させる運転を行うことが可能となる。
またカスケードコンデンサ以降の二次冷却サイクルに二次冷媒として、価格が安く安定して入手でき熱運搬性能が高く自然にやさしい炭酸ガスを利用することにより、設備コストを下げて効率の良い冷却機構を実現することができる。

更にまた請求項５記載の発明によれば、通常時は一次冷却サイクルを停止して、二次冷却サイクルにおける受液器に接続されたエバポレーティブコンデンサのみによって冷媒の凝縮を行う運転を行い、このエバポレーティブコンデンサだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機を具えた一次冷却サイクルを稼働させることにより、室内空間内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、一次冷却サイクルと同時にエバポレーティブコンデンサを稼働させることにより、圧縮機の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。

更にまた請求項６記載の発明によれば、エバポレーティブコンデンサを受液器に内蔵するため、二次冷媒として炭酸ガスを用いるような場合に、カスケードコンデンサの構成要素であるプレートクーラの耐圧性が低いような場合であっても、二次冷媒の凝縮は密閉された受液器内において行われるため、見かけ上の圧力差が少なくなり、凝縮を安全且つ安定して行うことが可能となる。

更にまた請求項７記載の発明によれば、火災が発生した場合には、データセンタ室内の人員の避難が終わり無人状態が確認されたら、室内空間に二酸化炭素を噴出させることにより速やかに鎮火させることができ、出火機器以外の損傷を回避することができる。

また請求項８記載の発明によれば、蒸発器近傍の空気が冷やされることにより逆煙突効果を利用して、上方の暖気を隔壁内に吸い込み、冷気として下方に吐き出す循環流を効率よく起こし、ファン、ブロワ等の送風機器なしでも蒸発器の性能を発揮させることができる。このような蒸発器を熱負荷発生源である電子機器等の上方近傍に配置すれば、広いデータセンタ内をファン、ブロワ等の送風機器なしで消費電力を削減しつつ、比較的均一に冷却することが可能となる。

更にまた請求項９記載の発明によれば、伸縮部を使用することにより隔壁の下端部をより下方に位置させることができ、前記逆煙突効果をより一層高めることができる。

可変速ターボ型の圧縮機が具えられて構成されたデータセンタの冷却機構を示す概略図である。バイパス経路が設けられた冷却機構を示す概略図である。隔壁に具えられる伸縮部の収縮時及び伸長時の様子を示す概略図である。エバポレーティブコンデンサのみによってデータセンタの冷却を行うように構成された冷却機構を示す概略図である。第一冷却サイクルと並列状態に第二冷却サイクルを具えた冷却機構を示す概略図である。二次冷却サイクルにおける冷媒の凝縮をエバポレーティブコンデンサによって行うことができるように構成された冷却機構を示す概略図である。二次冷却サイクルにおける冷媒の凝縮をエバポレーティブコンデンサによって行うことができるように構成されるとともに、エバポレーティブコンデンサを二次冷却サイクルにおける受液器に内蔵した冷却機構を示す概略図である。

本発明のデータセンタの冷却機構は以下の実施例に示すものを最良の形態の一つとするとともに、この技術思想に基づき改変される形態も含むものである。

まず本発明の適用対象であるデータセンタＤは、多数のサーバー、ネットワーク機器等のＩＴ機器が適宜のラックに収容された状態で設置される施設である。なお前記ＩＴ機器については、その放熱特性に着目して、以下、放熱機器Ｒと呼称する。
本発明のデータセンタＤの冷却機構１（以下、単に冷却機構１と称する）は、データセンタＤ室外に、エバポレーティブコンデンサ１２及び受液器を配置し、一方、データセンタＤの室内空間Ｓに蒸発器１７を配置し、前記蒸発器１７における冷媒の蒸発によって生成された冷気Ａ１により、室内空間Ｓ（放熱機器Ｒ）の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるように構成されているものである。
そして以下に示す基本となる実施例（図１、２）で説明する冷却機構１は、エバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転を行い、一方、凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合には、圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転をすることができるように構成されている。
以下、冷却機構１の構成を異ならせた実施例毎に説明を行う。

〔圧縮機を可変速ターボ型とした実施例〕
まず請求項３で定義するとともに図１に示す実施例について説明すると、この実施例で示す冷却機構１は、ヒートポンプユニット１０における冷媒の流路を、一次冷却サイクル１０Ａと二次冷却サイクル１０Ｂとし、これらのサイクルを循環する冷媒が、カスケードコンデンサ１９において熱交換されるとともに、冷却され液化した二次冷媒が、蒸発器１７を通過して冷気Ａ１が生成されるようにしたものである。そして後述する低圧受液器１５とエバポレーティブコンデンサ１２との間に具えられる圧縮機１１を可変速ターボ型としたものである。
前記一次冷却サイクル１０Ａは、圧縮機１１、凝縮器としてのエバポレーティブコンデンサ１２、高圧受液器１３、液面制御機構１４、低圧受液器１５、カスケードコンデンサ１９が往復管路によって循環可能に繋がれたループ回路として形成されるものであり、フロン、アンモニア、炭酸ガス等を冷媒とするものである。なお前記高圧受液器１３は冷媒のバッファとして機能するものであるが、エバポレーティブコンデンサ１２と液面制御機構１４との間を直接、管路で結ぶようにし、この管路を実質的に高圧受液器１３として機能させるようにしてもよい。

また前記二次冷却サイクル１０Ｂは、カスケードコンデンサ１９、受液器１９Ａ、液ポンプ１６、流量調整弁１７ａ及び蒸発器１７が往復管路によって循環可能に繋がれたループ回路として形成されるものであり、炭酸ガスを冷媒とするものである。
そしてデータセンタＤの室内空間Ｓには、放熱機器Ｒが設置されるものであり、この実施例では一例として、室内空間Ｓの上部に蒸発器１７が設置される。なお蒸発器１７の設置個所は室内空間Ｓの上部に限定されるものではなく、放熱機器Ｒや室内空間Ｓの形態に応じて適宜の個所に設置されるものとする。
更にこのような一次冷却サイクル１０Ａ及び二次冷却サイクル１０Ｂは、適宜の制御装置によって制御されるものであり、一例として適宜のセンサによってカスケードコンデンサ１９付近の二次冷媒の圧力を検出し、その検出値に応じて、目的の制御を行うべく圧縮機１１、エバポレーティブコンデンサ１２のファン等の運転状態等の制御が行われる。また二次冷媒の温度を検出し、その検出値に応じて、目的の制御を行うべく圧縮機１１、エバポレーティブコンデンサ１２のファン等の運転状態等の制御が行われる。

また前記蒸発器１７を囲繞するように隔壁１８が設けられるものであり、この隔壁１８は、蒸発器１７によって生成された冷気Ａ１を、隔壁１８の下部開口部から降下させるとともに、放熱機器Ｒによって生成された暖気Ａ２を隔壁１８の上部開口部から内部に取り込み、蒸発器１７に向けて導くような自然循環（逆煙突効果）を室内空間Ｓ内に生起させるための部材である。なお図示は省略するが、隔壁１８内に複数の蒸発器１７を配するようにしてもよい。
またこの実施例では、放熱機器ＲはＩＴ機器が適宜のラックに収容された状態とされるものであり、各ＩＴ機器にはファンが具えられていることを考慮し、例えば図１に示すように対向した放熱機器Ｒの排気方向を対向させるとともに、放熱機器Ｒの吸気側面の上方にのみ蒸発器１７及び隔壁１８を設けるようにした。

また前記隔壁１８の下部には、図３に示すような伸縮部１８ａが設けられており、この伸縮部１８ａの伸長度合を調節することにより、実質的な隔壁１８内での冷気Ａ１の下降経路長を調整することができるように構成されている。このため、伸縮部１８ａの下端を放熱機器Ｒの最高部よりも下方に位置させることにより、逆煙突効果を増強するとともに、冷気Ａ１を床面にまで確実に到達させることが可能となる。なお前記伸縮部１８ａは、布状部材によりカーテン様に構成したり、板状部材によって構成する等、適宜の形態が採られるものである。

この実施例で示す本発明の冷却機構１は以上述べたような構成を有するものであり、次のように作動してデータセンタＤの室内空間Ｓ及び放熱機器Ｒの冷却が行われる。なお以下の説明において示す温度条件は一つの例を示すものであり、放熱機器Ｒの許容温度等に応じて変動し得るものである。
（１）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合
まず凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、凝縮温度が２０℃以上の場合）には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転が行われる。
そして圧縮機１１を起動すると、カスケードコンデンサ１９で蒸発する冷媒（２０℃以下）は圧縮されてエバポレーティブコンデンサ１２に入り凝縮・液化（２０℃以上）し、高圧受液器１３に流下する。高圧受液器１３に貯められた冷媒液は、液面制御機構１４によって低圧受液器１５の液面を一定に保つように高圧受液器１３から低圧受液器１５に適宜供給される。低圧受液器１５は、液分離機の役割も持っていて気体の冷媒ガスを圧縮機１１に送ることによりカスケードコンデンサ１９に送る冷媒液の温度を蒸発温度に近い温度（２０℃以下）まで低下させる。低圧受液器１５に蓄えられた冷媒液はカスケードコンデンサ１９に送り込まれて蒸発し、気液混相状態となり低圧受液器１５に戻り、気体状態の冷媒だけが圧縮機１１の方に戻される。
一方、カスケードコンデンサ１９で冷却された二次冷媒は凝縮液化して受液器１９Ａに流下して液ポンプ１６に吸引・吐出され、蒸発器１７に達して、一部蒸発して液ガス混合状態で受液器１９Ａに戻り、ガス状の気体のみカスケードコンデンサ１９に吸引されて冷却され凝縮液化して再び受液器１９Ａに戻る。
蒸発器１７では、周囲の空気を冷却して冷気Ａ１を生成し、逆煙突効果により冷気Ａ１を下方に押し流す自然循環流を発生させ、室内空間Ｓ内の上部空間にある温度の高い暖気Ａ２を吸い込む。
このようにエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合には、可変速ターボ型の圧縮機１１を運転して低圧受液器１５の温度( 殆ど蒸発温度と同じ) を２０℃以下にする。このとき、受液器１９Ａの温度と、低圧受液器１５の温度との差は極僅かとなるように制御される。

一方、前記蒸発器１７によって生成された冷気Ａ１は、隔壁１８内を下降し、やがて隔壁１８（伸縮部１８ａ）の下端の開口部から、室内空間Ｓの床面に向けて放出される。このとき、隔壁１８（伸縮部１８ａ）の下端を放熱機器Ｒの最高部よりも下方に位置させることにより、暖気Ａ２と冷気Ａ１との衝突を最小限に止めることができ、冷気Ａ１を床面にまで確実に到達させることが可能となる。また図中においては、隔壁１８の下部外周部は放熱機器Ｒと接触していないため、この部分に空間が存在しているが、隔壁１８の外周部を放熱機器Ｒに接触させた状態とすることにより、この空間から暖気Ａ２が下方に引き込まれてしまうような事態を回避することができる。
そして冷気Ａ１は放熱機器Ｒから放射される熱を吸収して暖気Ａ２となり、室内空間Ｓ内を上昇してゆく。この際、隔壁１８が対向する空間が、暖気Ａ２の上昇経路を形成しているため、暖気Ａ２は、冷気Ａ１や室内空間Ｓ内の雰囲気によって阻害されることなく、円滑に天井付近に到達することができる。
次いで天井付近に位置する暖気Ａ２は、隔壁１８内における冷気Ａ１の下降に伴って隔壁１８の上部開口部から吸い込まれ、やがて蒸発器１７に接して冷気Ａ１となる。このように隔壁１８には、天井付近に位置する最も温度の高い状態の暖気Ａ２が導入されるため、冷却機構１による冷却効果を最大限に発揮することが可能とされる。

このように本発明の冷却機構１は、ファン、ブロワ等の送風機器を要することなく、暖気Ａ２を隔壁１８の上部開口部から内部に取り込んで蒸発器１７に向けて導くとともに、冷気Ａ１を降下させるような自然循環（逆煙突効果）を、室内空間Ｓ内に生起させることができるため、送風・循環のための機器が不要であり、消費電力の大幅な低減を実現することができるものである。またデータセンタＤの室内空間Ｓ内の熱は、外気を導入することなく、ヒートポンプユニット１０によって効果的に外部に排出されるため、室内空間Ｓへの粉塵の侵入や水滴の発生を効果的に防止することができるものである。そして室内空間Ｓの温度が所定の温度になる様に可変速ターボ型の圧縮機１１を制御して効率よく運転することができる。

（２）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合
次にエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、エバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が２０℃未満の場合）には、可変速ターボ型の圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転が行われる。
すなわちこの場合、動力が停止された可変速ターボ型の圧縮機１１は圧縮機として機能することなく、単なる冷媒の流路として機能することとなる。また圧縮機１１が機能していないため冷媒の圧力が高圧とならず、液面制御機構１４は実質的に高圧受液器１３と低圧受液器１５との間の液ヘッド差を設定する作用を担う。これにより、液ヘッド差に応じた流量が設定されて、いわば流量調整弁として機能することとなる。
そしてカスケードコンデンサ１９から圧縮機１１を通過した気体状態の冷媒は、エバポレーティブコンデンサ１２において熱を放出して凝縮（２０℃未満）し、液相状態となり高圧受液器１３に流下する。次いで液相状態の冷媒は液面制御機構１４を通って低圧受液器１５に送られ、自然循環によりカスケードコンデンサ１９に圧送され、一部が蒸発して再び低圧受液器１５に戻り、気液が分離されて気体の冷媒ガスだけエバポレーティブコンデンサ１２に戻る。
一方、カスケードコンデンサ１９で冷却された二次冷媒は凝縮液化して受液器１９Ａに流下して液ポンプ１６に吸引・吐出され蒸発器１７に達して、一部蒸発して液ガス混合状態で受液器１９Ａに戻り、ガス状の気体のみカスケードコンデンサ１９に吸引されて冷却され凝縮液化して再び受液器１９Ａに戻る。
そして、蒸発器１７で冷却された空気（冷気Ａ１）は、前述のように逆煙突効果により室内空間Ｓ内を自然に循環して目的の冷却を果たすことになる。
因みに日本国内の東京以南の地域においても、２５℃の冷気Ａ１を生成する場合には、夏季以外の季節はこのような可変速ターボ型の圧縮機１１を機能させない運転を行うことが可能であり、前述の圧縮機１１を機能させる運転を行う必要があるのは、年間９０日程度である。
なお隔壁１８による自然循環の生起については、前述の圧縮機１１を機能させる運転と同様であるので、ここでの記載は省略する。

〔圧縮機を容積型としバイパス経路が設けられた実施例〕
次いでこの実施例で示す冷却機構１は請求項４で定義するとともに図２に示すように、低圧受液器１５とエバポレーティブコンデンサ１２との間に具えられる圧縮機１１を容積型としたものである。
そして圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転と、圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転との切換を、冷媒のバイパス管路１５２を用いて行うものである。
なお図２に示す冷却機構１は、図１に示す冷却機構１と基本構成を同一とするものであるため、ここでは構成が異なる部分についてのみ説明を行うものとする。
具体的には、冷媒が容積型の圧縮機１１を回避して循環することのできるようなバイパス管路１５２が設けらるれものであり、冷媒の流路を選択するためのバルブＶ１〜Ｖ４が具えられている（バルブＶ１、Ｖ２のみでも可）。

この実施例で示す本発明の冷却機構１は以上述べたような構成を有するものであり、次のように作動してデータセンタＤの室内空間Ｓ及び放熱機器Ｒの冷却が行われる。
（１）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合
まずエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が２０℃以上の場合）には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転が行われる。
具体的には、バルブＶ１、Ｖ３を閉鎖し、バルブＶ２、Ｖ４を開放することにより、冷媒が圧縮機１１を通過する流路を選択する。
そして圧縮機１１を起動すると、圧縮機１１に吸い込まれた気体状態の冷媒（圧力相当飽和温度（２０℃以下））は圧縮された後、凝縮する。すなわち冷媒はエバポレーティブコンデンサ１２において熱を放出して凝縮・液化するものであり、その後、高圧受液器１３に流下し、液面制御機構１４を通って低圧受液器１５に流入する。低圧受液器１５の圧力は圧縮機１１の吸入圧力とほぼ同じ圧力で、蒸発圧力( ２０℃相当飽和圧力) ともほぼ同じである。低圧受液器１５に蓄えられた冷媒液は、カスケードコンデンサ１９に送られ、一部蒸発したのち低圧受液器１５に戻り、液とガスに分離され、ガスだけが圧縮機１１に戻る。なお二次冷却サイクル１０Ｂ及び蒸発器１７の機能等は前述の実施例と同じであるのでここでの説明は省略する。

（２）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合
次にエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、エバポレーティブコンデンサ１２の凝縮気温が２０℃未満の場合）には、圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転が行われる。
具体的には、圧縮機１１を停止するとともにバルブＶ１、Ｖ３を開放し、バルブＶ２、Ｖ４を閉鎖することにより、冷媒が圧縮機１１を通過しない流路を選択する。
そしてカスケードコンデンサ１９からバイパス管路１５２を通過した気体状態の冷媒は、エバポレーティブコンデンサ１２において熱を放出して凝縮・液化して高圧受液器１３に流下する。高圧受液器１３に貯まった冷媒液は、液面制御機構１４を通って低圧受液器１５に入り、次いでカスケードコンデンサ１９に達し、一部が蒸発して気液混合状態となって低圧受液器１５に戻り、気体状態の冷媒ガスだけエバポレーティブコンデンサ１２に戻る。
なお二次冷却サイクル１０Ｂ及び蒸発器１７の機能等は前述の実施例と同じであるのでここでの説明は省略する。
このようにエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合には、圧縮機１１を機能させなくてもエバポレーティブコンデンサ１２において冷媒が２０℃以下で凝縮するため、圧縮機１１を運転することなくデータセンタＤの室内空間Ｓの冷却を行うことが可能となるものである。

なお上述した二つの実施例においては、二次冷却サイクル１０Ｂの冷媒として炭酸ガスを用いており、炭酸ガスは沸点が低く、高い圧力下で運用することができるため、ヒートポンプユニット１０の配管を細径のものとすることができ、イニシャルコストを低減することができるとともに、施工を容易に行うことが可能となる。
また冷媒として炭酸ガスが採用されるため、データセンタＤの室内空間Ｓ内に位置する配管部分に、噴出バルブＶ５を設けることにより、火災が発生した場合には、室内空間Ｓに炭酸ガスを充満させることにより速やかに鎮火させることができ、出火機器以外の損傷を回避することができる。

このような消火を考慮した場合、ヒートポンプユニット１０を二系統具えておき、一方のヒートポンプユニット１０が消火に使用された後に、もう一方のヒートポンプユニット１０によって放熱機器Ｒの冷却を継続するようにすれば、データセンタＤの機能停止状態を最小限に止めることができる。
そしてこの実施例で示す冷却機構１によれば、ＣＯＰの良い運転を実現することができる。また二次冷却サイクル１０Ｂには圧縮機１１が用いられないため、油の混入等による蒸発器１７の性能低下を回避することができる。更に消火機能を使うときも冷凍機油による汚染を心配しなくてよい。

なお上述した二種の実施例並びに特許請求の範囲においては、凝縮器としてエバポレーティブコンデンサ１２を採用することを明確化している。しかしながら根本的な技術思想から言えば、外気条件によっては、エバポレーティブコンデンサ１２以外の凝縮器、例えば冷却塔で冷却した水を使用したセルチューブ式凝縮器や空冷式凝縮器を使用することもできる。この場合、同じ外気温の条件でも凝縮温度が高くなるため、圧縮機１１を使用しないでデータセンタＤの室内空間Ｓを適温に冷却することができる期間が、エバポレーティブコンデンサ１２を採用した場合よりも短くなる。ただし北海道のような寒冷地であればそれらの凝縮器を使った冷却機構１が有利になることもある。

〔他の実施例〕
本発明は上述した二種の実施例を基本となる実施例とするものであるが、本発明の技術的思想に基づいて、以下に示すような実施例を採ることも可能である。なお以下の実施例では前記噴出バルブＶ５の説明は省略しているが、基本となる実施例と同様に噴出バルブＶ５を設けるようにしてもよい。
まず、高緯度に位置する国または日本国内であれば北海道のような寒冷地の場合、一年を通じて圧縮機１１を使用することなく、エバポレーティブコンデンサ１２の作用のみによってデータセンタＤの冷却を行うことも可能であり、このような運転に特化した構成を採ることができる。
具体的には図４に示すように、データセンタＤ室外に、エバポレーティブコンデンサ１２及び低圧受液器１５を配置し、一方、データセンタＤの室内空間Ｓに蒸発器１７を配置し、前記蒸発器１７における冷媒の蒸発によって生じる冷気Ａ１によって室内空間Ｓの冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるような構成を採ることができるものである。なお低圧受液器１５から蒸発器１７への冷媒の供給は液ポンプ１６によって行われるものとする。
そしてこのような構成が採られた場合、年間を通じてエバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるため、冷却機構１を消費電力を抑えた低コストで運用することが可能となるとともに、イニシャルコストを低減することができる。

なおこのように図４に示された構成が採られる場合、近時、地球温暖化の影響等により、各地で最高気温の更新が見られる等、予期せずとも高温状態となることが危惧されるため、データセンタＤの安定運用を担保することのできるような、冷却機構１の構成を採ることもできる。
具体的には図５に示すように、図４に示したエバポレーティブコンデンサ１２、低圧受液器１５及び蒸発器１７を具えて成る第一冷却サイクル１０Ｃと、圧縮機１１、コンデンサ１２ａ（エバポレーティブ）及び蒸発器１７を具えて成る第二冷却サイクル１０Ｄとを並列状態に配置した形態を採るものである。なお第二冷却サイクル１０Ｄにおけるコンデンサ１２ａと蒸発器１７とを結ぶ管路における蒸発器１７寄りの部位には膨張弁１７ｂが設けられる。
そしてこのような構成が採られた場合、通常時は第一冷却サイクル１０Ｃのみによって運転を行い、第一冷却サイクル１０Ｃだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機１１を具えた第二冷却サイクル１０Ｄを稼働させることにより、室内空間Ｓ内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、第二冷却サイクル１０Ｄと同時に第一冷却サイクル１０Ｃを稼働させることにより、圧縮機１１の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。
なお図５に示した冷却機構１においては前記隔壁１８が採用されていないが、放熱器Ｒの蒸発器１７側の上方部は、蒸発器１７の筐体によって塞がれる状態とされており、蒸発器１７の放熱部に触れた暖気Ａ２は冷却されて冷気Ａ１となって放熱機器Ｒの側方に沿って下降し、放熱機器Ｒの冷却に供されて暖気Ａ２となるものであり、この暖気Ａ２が再び蒸発器１７に導びかれるような自然循環が生起されることとなる。

更にまた、前出の基本となる二種の実施例（図１、２）を一部改変した構成を採ることもできる。具体的には図６に示すように、前記二次冷却サイクル１０Ｂにおける受液器１９Ｂに対してエバポレーティブコンデンサ１２Ｂを接続した形態を採ることもできる。なお図６では圧縮機１１として容積型のものを用いることを想定しているが、可変速ターボ型の圧縮機１１を用いる場合には、図１と同様にバイパス管路１５２を省略することができる。
そしてこのような構成が採られた場合、受液器１９Ａ内での二次冷媒の凝縮は、一次冷却サイクル１０Ａまたはエバポレーティブコンデンサ１２Ｂのいずれか一方または双方によって行うことが可能となる。
またこのような構成が採られた場合、通常時は一次冷却サイクル１０Ａを停止して、エバポレーティブコンデンサ１２Ｂのみによって二次冷媒の凝縮を行う運転を行い、エバポレーティブコンデンサ１２Ｂだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機１１を具えた一次冷却サイクル１０Ａを稼働させることにより、室内空間Ｓ内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、一次冷却サイクル１０Ａと同時にエバポレーティブコンデンサ１２Ｂを稼働させることにより、圧縮機１１の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。

更にまた図７に示すように、図６に示された装置構成において、カスケードコンデンサ１９を受液器１９Ｂに内蔵するようにした形態を採ることもできる。
そしてこのような構成が採られた場合、図６に示された装置構成と同様に、受液器１９Ｂ内での二次冷媒の凝縮は、一次冷却サイクル１０Ａ（カスケードコンデンサ１９）またはエバポレーティブコンデンサ１２Ｂのいずれか一方または双方によって行うことが可能となることに加え、次のような効果が得られる。
すなわち、二次冷媒として炭酸ガスを用いるような場合に、カスケードコンデンサ１９の構成要素であるプレートクーラの耐圧性が低いような場合であっても、二次冷媒の凝縮は密閉された受液器１９Ｂに内蔵されたカスケードコンデンサ１９において行われるため、見かけ上の圧力差が少なくなり、凝縮を安全且つ安定して行うことが可能となる。

なお上述した四種の他の実施例においては、凝縮器としてエバポレーティブコンデンサ１２またはコンデンサ１２ａを採用しているが、全てをエバポレーティブコンデンサ１２としたり、あるいは全てをエバポレーティブコンデンサ１２以外の凝縮器、例えば冷却塔で冷却した水を使用したセルチューブ式凝縮器や空冷式凝縮器を使用することもできる。この場合、同じ外気温の条件でも凝縮温度が高くなるため、圧縮機１１を使用しないでデータセンタＤの室内空間Ｓを適温に冷却することができる期間が、エバポレーティブコンデンサ１２を採用した場合よりも短くなる。ただし北海道のような寒冷地であればそれらの凝縮器を使った冷却機構１が有利になることもある。

更にまた本発明の冷却機構１はデータセンタＤを適用対象とすることを前提としたものであるが、データセンタＤと同様に、必要な冷却温度が比較的高く、潜熱負荷が少ない一方、顕熱負荷が大きく発生源が広い範囲に及ぶ施設である、印刷工場、自動車の部品工場等に対して、本発明の冷却機構１を適用するようにしてもよい。

１冷却機構
１０ヒートポンプユニット
１０Ａ一次冷却サイクル
１０Ｂ二次冷却サイクル
１０Ｃ第一冷却サイクル
１０Ｄ第二冷却サイクル
１１圧縮機
１２エバポレーティブコンデンサ
１２ａコンデンサ
１３高圧受液器
１４液面制御機構
１５低圧受液器
１６液ポンプ
１７蒸発器
１７ａ流量調整弁
１７ｂ膨張弁
１８隔壁
１８ａ伸縮部
１９カスケードコンデンサ
１９Ａ受液器
１９Ｂ受液器
１５２バイパス管路
Ａ１冷気
Ａ２暖気
Ｄデータセンタ
Ｒ放熱機器
Ｓ室内空間
Ｖ１バルブ
Ｖ２バルブ
Ｖ３バルブ
Ｖ４バルブ
Ｖ５噴出バルブ

特開２０１１−２４２０７７公報

すなわち請求項１記載のデータセンタの冷却機構は、データセンタ室外に、エバポレーティブコンデンサ及び受液器を配置し、一方、データセンタの室内空間に蒸発器を配置し、前記蒸発器における冷媒の蒸発によって室内空間の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサによって冷媒の凝縮が行われるように構成されているデータセンタの冷却機構において、前記データセンタ室外に、可変速ターボ型の圧縮機、エバポレーティブコンデンサ、高圧受液器、液面制御機構、低圧受液器、カスケードコンデンサを具えて成る一次冷却サイクルを配置し、更に、データセンタの室内空間に配置した蒸発器と、受液器、液ポンプとを配管で繋いでループ回路とし、蒸発器下流で前記カスケードコンデンサにおいて二次冷媒としての炭酸ガスが凝縮される二次冷却サイクルを配置して成り、前記一次冷却サイクルは、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度以下の時に、前記圧縮機を機能させることなく一次冷媒を循環させ、カスケードコンデンサにおいて凝縮された二次冷却サイクルにおける二次冷媒により、室内空間の冷却を行うように構成されており、また前記二次冷却サイクルにおける受液器に対してエバポレーティブコンデンサを接続したことを特徴として成るものである。

更にまた請求項２記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項１記載の要件に加え、前記二次冷却サイクルにおけるカスケードコンデンサを受液器に内蔵したことを特徴として成るものである。

更にまた請求項３載のデータセンタの冷却機構は、前記要件に加え、前記冷媒を室内空間に噴出することができるように構成されていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項４記載のデータセンタの冷却機構は、前記要件に加え、前記蒸発器は逆煙突効果を発揮する形態の縦型の隔壁で囲われており、蒸発器近傍の空気を冷却することにより、ファンを使用することなくデータセンタ室内空間の上部にある高温空気を効率よく蒸発器に向けて引き込み、冷却した後、下方に吐き出す構造が具えられていることを特徴として成るものである。

更にまた請求項５記載のデータセンタの冷却機構は、前記請求項４記載の要件に加え、前記隔壁の下部には伸縮部が具えられていることを特徴として成るものである。

まず請求項１記載の発明によれば、エバポレーティブコンデンサによって、一年間の内の長い期間にわたり、十分低い温度で冷媒の凝縮が行われるため、冷却機構を消費電力を抑えた低コストで運用することが可能となるとともに、イニシャルコストを低減することができる。
また、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合には、可変速ターボ型の圧縮機を機能させることなく冷媒を循環させる運転を行うことにより、可変速ターボ型の圧縮機における消費電力を要することなく凝縮器において冷媒からの放熱及び冷媒の凝縮が十分に行われる。この結果ランニングコストを著しく低減することができる。
また、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度より高い場合、室内空間の温度が所定の温度になる様に可変速ターボ型の圧縮機を制御して効率よく運転することができる。またエバポレーティブコンデンサは、クーリングタワーで冷却した冷却水を使用して行うシェルチュ−ブコンデンサや空冷式コンデンサと比較して、それぞれ５℃及び１０℃程度凝縮温度を低くできる。このことは冷凍機が消費する電力を減少させるだけでなく、冷凍機が稼働する期間も短縮することができるきわめて大きな省エネの要素である。
また可変速ターボ型の圧縮機は、運転を停止しても圧縮機内を自由に冷媒ガスが通過することができるので、凝縮温度による発停に係る他の制御が単純なものになる。
またデータセンタの室内空間内の熱は、外気を導入することなく、配管内の冷媒により効果的に外部に排出されるため、室内空間への粉塵の侵入や水滴の発生を効果的に防止することができる。
またカスケードコンデンサ以降の二次冷却サイクルに二次冷媒として、価格が安く安定して入手でき熱運搬性能が高く自然にやさしい炭酸ガスを利用することにより、設備コストを下げて効率の良い冷却機構を実現することができる。
更にまた、通常時は一次冷却サイクルを停止して、二次冷却サイクルにおける受液器に接続されたエバポレーティブコンデンサのみによって冷媒の凝縮を行う運転を行い、このエバポレーティブコンデンサだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機を具えた一次冷却サイクルを稼働させることにより、室内空間内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、一次冷却サイクルと同時にエバポレーティブコンデンサを稼働させることにより、圧縮機の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。

更にまた請求項２記載の発明によれば、カスケードコンデンサを受液器に内蔵するため、二次冷媒として炭酸ガスを用いるような場合に、カスケードコンデンサの構成要素であるプレートクーラの耐圧性が低いような場合であっても、二次冷媒の凝縮は密閉された受液器内において行われるため、見かけ上の圧力差が少なくなり、凝縮を安全且つ安定して行うことが可能となる。

更にまた請求項３記載の発明によれば、火災が発生した場合には、データセンタ室内の人員の避難が終わり無人状態が確認されたら、室内空間に二酸化炭素を噴出させることにより速やかに鎮火させることができ、出火機器以外の損傷を回避することができる。

また請求項４記載の発明によれば、蒸発器近傍の空気が冷やされることにより逆煙突効果を利用して、上方の暖気を隔壁内に吸い込み、冷気として下方に吐き出す循環流を効率よく起こし、ファン、ブロワ等の送風機器なしでも蒸発器の性能を発揮させることができる。このような蒸発器を熱負荷発生源である電子機器等の上方近傍に配置すれば、広いデータセンタ内をファン、ブロワ等の送風機器なしで消費電力を削減しつつ、比較的均一に冷却することが可能となる。

更にまた請求項５記載の発明によれば、伸縮部を使用することにより隔壁の下端部をより下方に位置させることができ、前記逆煙突効果をより一層高めることができる。

可変速ターボ型の圧縮機が具えられて構成されたデータセンタの冷却機構を示す概略図である。バイパス管路が設けられた冷却機構を示す概略図である。隔壁に具えられる伸縮部の収縮時及び伸長時の様子を示す概略図である。エバポレーティブコンデンサのみによってデータセンタの冷却を行うように構成された冷却機構を示す概略図である。第一冷却サイクルと並列状態に第二冷却サイクルを具えた冷却機構を示す概略図である。二次冷却サイクルにおける冷媒の凝縮をエバポレーティブコンデンサによって行うことができるように構成された冷却機構を示す概略図である。二次冷却サイクルにおける冷媒の凝縮をエバポレーティブコンデンサによって行うことができるように構成されるとともに、エバポレーティブコンデンサを二次冷却サイクルにおける受液器に内蔵した冷却機構を示す概略図である。

まず本発明の適用対象であるデータセンタＤは、多数のサーバー、ネットワーク機器等のＩＴ機器が適宜のラックに収容された状態で設置される施設である。なお前記ＩＴ機器については、その放熱特性に着目して、以下、放熱機器Ｒと呼称する。
本発明のデータセンタＤの冷却機構１（以下、単に冷却機構１と称する）は、データセンタＤ室外に、エバポレーティブコンデンサ１２及び受液器を配置し、一方、データセンタＤの室内空間Ｓに蒸発器１７を配置し、前記蒸発器１７における冷媒の蒸発によって生成された冷気Ａ１により、室内空間Ｓ（放熱機器Ｒ）の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるように構成されているものである。
そして図１、２に示す冷却機構１は、エバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転を行い、一方、凝縮温度が所定の温度よりも低温の場合には、圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転をすることができるように構成されている。
以下、冷却機構１の構成を異ならせた装置毎に説明を行う。

〔圧縮機を可変速ターボ型とした構成〕
まず請求項１で定義するとともに図１に示す基本となる構成について説明すると、冷却機構１は、ヒートポンプユニット１０における冷媒の流路を、一次冷却サイクル１０Ａと二次冷却サイクル１０Ｂとし、これらのサイクルを循環する冷媒が、カスケードコンデンサ１９において熱交換されるとともに、冷却され液化した二次冷媒が、蒸発器１７を通過して冷気Ａ１が生成されるようにしたものである。そして後述する低圧受液器１５とエバポレーティブコンデンサ１２との間に具えられる圧縮機１１を可変速ターボ型としたものである。
前記一次冷却サイクル１０Ａは、圧縮機１１、凝縮器としてのエバポレーティブコンデンサ１２、高圧受液器１３、液面制御機構１４、低圧受液器１５、カスケードコンデンサ１９が往復管路によって循環可能に繋がれたループ回路として形成されるものであり、フロン、アンモニア、炭酸ガス等を冷媒とするものである。なお前記高圧受液器１３は冷媒のバッファとして機能するものであるが、エバポレーティブコンデンサ１２と液面制御機構１４との間を直接、管路で結ぶようにし、この管路を実質的に高圧受液器１３として機能させるようにしてもよい。

また前記二次冷却サイクル１０Ｂは、カスケードコンデンサ１９、受液器１９Ａ、液ポンプ１６、流量調整弁１７ａ及び蒸発器１７が往復管路によって循環可能に繋がれたループ回路として形成されるものであり、炭酸ガスを冷媒とするものである。
そしてデータセンタＤの室内空間Ｓには、放熱機器Ｒが設置されるものであり、この構成では一例として、室内空間Ｓの上部に蒸発器１７が設置される。なお蒸発器１７の設置個所は室内空間Ｓの上部に限定されるものではなく、放熱機器Ｒや室内空間Ｓの形態に応じて適宜の個所に設置されるものとする。
更にこのような一次冷却サイクル１０Ａ及び二次冷却サイクル１０Ｂは、適宜の制御装置によって制御されるものであり、一例として適宜のセンサによってカスケードコンデンサ１９付近の二次冷媒の圧力を検出し、その検出値に応じて、目的の制御を行うべく圧縮機１１、エバポレーティブコンデンサ１２のファン等の運転状態等の制御が行われる。また二次冷媒の温度を検出し、その検出値に応じて、目的の制御を行うべく圧縮機１１、エバポレーティブコンデンサ１２のファン等の運転状態等の制御が行われる。

また前記蒸発器１７を囲繞するように隔壁１８が設けられるものであり、この隔壁１８は、蒸発器１７によって生成された冷気Ａ１を、隔壁１８の下部開口部から降下させるとともに、放熱機器Ｒによって生成された暖気Ａ２を隔壁１８の上部開口部から内部に取り込み、蒸発器１７に向けて導くような自然循環（逆煙突効果）を室内空間Ｓ内に生起させるための部材である。なお図示は省略するが、隔壁１８内に複数の蒸発器１７を配するようにしてもよい。
またこの構成では、放熱機器ＲはＩＴ機器が適宜のラックに収容された状態とされるものであり、各ＩＴ機器にはファンが具えられていることを考慮し、例えば図１に示すように対向した放熱機器Ｒの排気方向を対向させるとともに、放熱機器Ｒの吸気側面の上方にのみ蒸発器１７及び隔壁１８を設けるようにした。

本発明の冷却機構１は以上述べたような構成を有するものであり、次のように作動してデータセンタＤの室内空間Ｓ及び放熱機器Ｒの冷却が行われる。なお以下の説明において示す温度条件は一つの例を示すものであり、放熱機器Ｒの許容温度等に応じて変動し得るものである。
（１）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合
まず凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、凝縮温度が２０℃以上の場合）には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転が行われる。
そして圧縮機１１を起動すると、カスケードコンデンサ１９で蒸発する冷媒（２０℃以下）は圧縮されてエバポレーティブコンデンサ１２に入り凝縮・液化（２０℃以上）し、高圧受液器１３に流下する。高圧受液器１３に貯められた冷媒液は、液面制御機構１４によって低圧受液器１５の液面を一定に保つように高圧受液器１３から低圧受液器１５に適宜供給される。低圧受液器１５は、液分離機の役割も持っていて気体の冷媒ガスを圧縮機１１に送ることによりカスケードコンデンサ１９に送る冷媒液の温度を蒸発温度に近い温度（２０℃以下）まで低下させる。低圧受液器１５に蓄えられた冷媒液はカスケードコンデンサ１９に送り込まれて蒸発し、気液混相状態となり低圧受液器１５に戻り、気体状態の冷媒だけが圧縮機１１の方に戻される。
一方、カスケードコンデンサ１９で冷却された二次冷媒は凝縮液化して受液器１９Ａに流下して液ポンプ１６に吸引・吐出され、蒸発器１７に達して、一部蒸発して液ガス混合状態で受液器１９Ａに戻り、ガス状の気体のみカスケードコンデンサ１９に吸引されて冷却され凝縮液化して再び受液器１９Ａに戻る。
蒸発器１７では、周囲の空気を冷却して冷気Ａ１を生成し、逆煙突効果により冷気Ａ１を下方に押し流す自然循環流を発生させ、室内空間Ｓ内の上部空間にある温度の高い暖気Ａ２を吸い込む。
このようにエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合には、可変速ターボ型の圧縮機１１を運転して低圧受液器１５の温度( 殆ど蒸発温度と同じ) を２０℃以下にする。このとき、受液器１９Ａの温度と、低圧受液器１５の温度との差は極僅かとなるように制御される。

更にまた図６に示すように、前記二次冷却サイクル１０Ｂにおける受液器１９Ａに対してエバポレーティブコンデンサ１２Ｂを接続した構成を採ることもできる。なお図６では後述する参考例に従って圧縮機１１として容積型のものを用いることを想定しているが、可変速ターボ型の圧縮機１１を用いる場合には、図１と同様にバイパス管路１５２を省略することができる。
そしてこのような構成が採られた場合、受液器１９Ａ内での二次冷媒の凝縮は、一次冷却サイクル１０Ａまたはエバポレーティブコンデンサ１２Ｂのいずれか一方または双方によって行うことが可能となる。
またこのような構成が採られた場合、通常時は一次冷却サイクル１０Ａを停止して、エバポレーティブコンデンサ１２Ｂのみによって二次冷媒の凝縮を行う運転を行い、エバポレーティブコンデンサ１２Ｂだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機１１を具えた一次冷却サイクル１０Ａを稼働させることにより、室内空間Ｓ内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、一次冷却サイクル１０Ａと同時にエバポレーティブコンデンサ１２Ｂを稼働させることにより、圧縮機１１の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。

〔圧縮機を容積型としバイパス経路が設けられた参考例〕
次いでこの参考例で示す冷却機構１は図２に示すように、低圧受液器１５とエバポレーティブコンデンサ１２との間に具えられる圧縮機１１を容積型としたものである。
そして圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転と、圧縮機１１を機能させることなく冷媒を循環させる運転との切換を、冷媒のバイパス管路１５２を用いて行うものである。
なお図２に示す冷却機構１は、図１に示す冷却機構１と基本構成を同一とするものであるため、ここでは構成が異なる部分についてのみ説明を行うものとする。
具体的には、冷媒が容積型の圧縮機１１を回避して循環することのできるようなバイパス管路１５２が設けられるれものであり、冷媒の流路を選択するためのバルブＶ１〜Ｖ４が具えられている（バルブＶ１、Ｖ２のみでも可）。

この参考例で示す冷却機構１は以上述べたような構成を有するものであり、次のように作動してデータセンタＤの室内空間Ｓ及び放熱機器Ｒの冷却が行われる。
（１）エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合
まずエバポレーティブコンデンサ１２の凝縮温度が所定の温度よりも高温の場合（一例として暖気Ａ２の温度が３０℃であり、２５℃の冷気Ａ１を生成するときに、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が２０℃以上の場合）には、圧縮機１１を機能させて冷媒を循環させる運転が行われる。
具体的には、バルブＶ１、Ｖ３を閉鎖し、バルブＶ２、Ｖ４を開放することにより、冷媒が圧縮機１１を通過する流路を選択する。
そして圧縮機１１を起動すると、圧縮機１１に吸い込まれた気体状態の冷媒（圧力相当飽和温度（２０℃以下））は圧縮された後、凝縮する。すなわち冷媒はエバポレーティブコンデンサ１２において熱を放出して凝縮・液化するものであり、その後、高圧受液器１３に流下し、液面制御機構１４を通って低圧受液器１５に流入する。低圧受液器１５の圧力は圧縮機１１の吸入圧力とほぼ同じ圧力で、蒸発圧力( ２０℃相当飽和圧力) ともほぼ同じである。低圧受液器１５に蓄えられた冷媒液は、カスケードコンデンサ１９に送られ、一部蒸発したのち低圧受液器１５に戻り、液とガスに分離され、ガスだけが圧縮機１１に戻る。なお二次冷却サイクル１０Ｂ及び蒸発器１７の機能等は前述の実施例と同じであるのでここでの説明は省略する。

なお上述した基本となる構成及び参考例においては、二次冷却サイクル１０Ｂの冷媒として炭酸ガスを用いており、炭酸ガスは沸点が低く、高い圧力下で運用することができるため、ヒートポンプユニット１０の配管を細径のものとすることができ、イニシャルコストを低減することができるとともに、施工を容易に行うことが可能となる。
また冷媒として炭酸ガスが採用されるため、データセンタＤの室内空間Ｓ内に位置する配管部分に、噴出バルブＶ５を設けることにより、火災が発生した場合には、室内空間Ｓに炭酸ガスを充満させることにより速やかに鎮火させることができ、出火機器以外の損傷を回避することができる。

このような消火を考慮した場合、ヒートポンプユニット１０を二系統具えておき、一方のヒートポンプユニット１０が消火に使用された後に、もう一方のヒートポンプユニット１０によって放熱機器Ｒの冷却を継続するようにすれば、データセンタＤの機能停止状態を最小限に止めることができる。
そして上述した基本となる構成及び参考例で示す冷却機構１によれば、ＣＯＰの良い運転を実現することができる。また二次冷却サイクル１０Ｂには圧縮機１１が用いられないため、油の混入等による蒸発器１７の性能低下を回避することができる。更に消火機能を使うときも冷凍機油による汚染を心配しなくてよい。

なお上述した基本となる構成及び参考例並びに特許請求の範囲においては、凝縮器としてエバポレーティブコンデンサ１２を採用することを明確化している。しかしながら根本的な技術思想から言えば、外気条件によっては、エバポレーティブコンデンサ１２以外の凝縮器、例えば冷却塔で冷却した水を使用したセルチューブ式凝縮器や空冷式凝縮器を使用することもできる。この場合、同じ外気温の条件でも凝縮温度が高くなるため、圧縮機１１を使用しないでデータセンタＤの室内空間Ｓを適温に冷却することができる期間が、エバポレーティブコンデンサ１２を採用した場合よりも短くなる。ただし北海道のような寒冷地であればそれらの凝縮器を使った冷却機構１が有利になることもある。

〔他の構成〕
また本発明の技術的思想に基づいて、以下に示すような構成を採ることも可能である。なお以下の構成では前記噴出バルブＶ５の説明は省略しているが、基本となる構成と同様に噴出バルブＶ５を設けるようにしてもよい。
まず、高緯度に位置する国または日本国内であれば北海道のような寒冷地の場合、一年を通じて圧縮機１１を使用することなく、エバポレーティブコンデンサ１２の作用のみによってデータセンタＤの冷却を行うことも可能であり、このような運転に特化した構成を採ることができる。
具体的には図４に示すように、データセンタＤ室外に、エバポレーティブコンデンサ１２及び低圧受液器１５を配置し、一方、データセンタＤの室内空間Ｓに蒸発器１７を配置し、前記蒸発器１７における冷媒の蒸発によって生じる冷気Ａ１によって室内空間Ｓの冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるような構成を採ることができるものである。なお低圧受液器１５から蒸発器１７への冷媒の供給は液ポンプ１６によって行われるものとする。
そしてこのような構成が採られた場合、年間を通じてエバポレーティブコンデンサ１２によって冷媒の凝縮が行われるため、冷却機構１を消費電力を抑えた低コストで運用することが可能となるとともに、イニシャルコストを低減することができる。

なおこのように図４に示された構成が採られる場合、近時、地球温暖化の影響等により、各地で最高気温の更新が見られる等、予期せずとも高温状態となることが危惧されるため、データセンタＤの安定運用を担保することのできるような、冷却機構１の構成を採ることもできる。
具体的には図５に示すように、図４に示したエバポレーティブコンデンサ１２、低圧受液器１５及び蒸発器１７を具えて成る第一冷却サイクル１０Ｃと、圧縮機１１、コンデンサ１２ａ（エバポレーティブ）及び蒸発器１７を具えて成る第二冷却サイクル１０Ｄとを並列状態に配置した形態を採るものである。なお第二冷却サイクル１０Ｄにおけるコンデンサ１２ａと蒸発器１７とを結ぶ管路における蒸発器１７寄りの部位には膨張弁１７ｂが設けられる。
そしてこのような構成が採られた場合、通常時は第一冷却サイクル１０Ｃのみによって運転を行い、第一冷却サイクル１０Ｃだけでは冷却を賄えなくなったときに、圧縮機１１を具えた第二冷却サイクル１０Ｄを稼働させることにより、室内空間Ｓ内の温度上昇を確実に防ぐことができる。更に、第二冷却サイクル１０Ｄと同時に第一冷却サイクル１０Ｃを稼働させることにより、圧縮機１１の負荷を軽減して消費電力の削減を図ることができる。
なお図５に示した冷却機構１においては前記隔壁１８が採用されていないが、放熱機器Ｒの蒸発器１７側の上方部は、蒸発器１７の筐体によって塞がれる状態とされており、蒸発器１７の放熱部に触れた暖気Ａ２は冷却されて冷気Ａ１となって放熱機器Ｒの側方に沿って下降し、放熱機器Ｒの冷却に供されて暖気Ａ２となるものであり、この暖気Ａ２が再び蒸発器１７に導びかれるような自然循環が生起されることとなる。

更にまた、前出の構成を一部改変した構成を採ることもできる。具体的には図７に示すように、図６に示された装置構成において、カスケードコンデンサ１９を受液器１９Ｂに内蔵するようにした形態を採ることもできる。
そしてこのような構成が採られた場合、図６に示された装置構成と同様に、受液器１９Ｂ内での二次冷媒の凝縮は、一次冷却サイクル１０Ａ（カスケードコンデンサ１９）またはエバポレーティブコンデンサ１２Ｂのいずれか一方または双方によって行うことが可能となることに加え、次のような効果が得られる。
すなわち、二次冷媒として炭酸ガスを用いるような場合に、カスケードコンデンサ１９の構成要素であるプレートクーラの耐圧性が低いような場合であっても、二次冷媒の凝縮は密閉された受液器１９Ｂに内蔵されたカスケードコンデンサ１９において行われるため、見かけ上の圧力差が少なくなり、凝縮を安全且つ安定して行うことが可能となる。

なお上述した構成においては、凝縮器としてエバポレーティブコンデンサ１２またはコンデンサ１２ａを採用しているが、全てをエバポレーティブコンデンサ１２としたり、あるいは全てをエバポレーティブコンデンサ１２以外の凝縮器、例えば冷却塔で冷却した水を使用したセルチューブ式凝縮器や空冷式凝縮器を使用することもできる。この場合、同じ外気温の条件でも凝縮温度が高くなるため、圧縮機１１を使用しないでデータセンタＤの室内空間Ｓを適温に冷却することができる期間が、エバポレーティブコンデンサ１２を採用した場合よりも短くなる。ただし北海道のような寒冷地であればそれらの凝縮器を使った冷却機構１が有利になることもある。

１冷却機構
１０ヒートポンプユニット
１０Ａ一次冷却サイクル
１０Ｂ二次冷却サイクル
１０Ｃ第一冷却サイクル
１０Ｄ第二冷却サイクル
１１圧縮機
１２エバポレーティブコンデンサ
１２ａコンデンサ
１２Ｂエバポレーティブコンデンサ
１３高圧受液器
１４液面制御機構
１５低圧受液器
１６液ポンプ
１７蒸発器
１７ａ流量調整弁
１７ｂ膨張弁
１８隔壁
１８ａ伸縮部
１９カスケードコンデンサ
１９Ａ受液器
１９Ｂ受液器
１５２バイパス管路
Ａ１冷気
Ａ２暖気
Ｄデータセンタ
Ｒ放熱機器
Ｓ室内空間
Ｖ１バルブ
Ｖ２バルブ
Ｖ３バルブ
Ｖ４バルブ
Ｖ５噴出バルブ

Claims

データセンタ室外に、エバポレーティブコンデンサ及び受液器を配置し、一方、データセンタの室内空間に蒸発器を配置し、前記蒸発器における冷媒の蒸発によって室内空間の冷却を行うとともに、前記エバポレーティブコンデンサによって冷媒の凝縮が行われるように構成されていることを特徴とするデータセンタの冷却機構。
前記エバポレーティブコンデンサ、受液器及び蒸発器を具えて成る第一の冷却サイクルと、圧縮機、コンデンサー及び蒸発器を具えて成る第二の冷却サイクルとを、並列状態に配置して成ることを特徴とする請求項１記載のデータセンタの冷却機構。
データセンタ室外に、可変速ターボ型の圧縮機、エバポレーティブコンデンサ、高圧受液器、液面制御機構、低圧受液器、カスケードコンデンサを具えて成る一次冷却サイクルを配置し、更に、データセンタの室内空間に配置した蒸発器と、受液器、液ポンプとを配管で繋いでループ回路とし、蒸発器下流で前記カスケードコンデンサにおいて二次冷媒としての炭酸ガスが凝縮される二次冷却サイクルを配置して成り、前記一次冷却サイクルは、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度以下の時に、前記圧縮機を機能させることなく一次冷媒を循環させ、カスケードコンデンサにおいて凝縮された二次冷却サイクルにおける二次冷媒により、室内空間の冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項１記載のデータセンタの冷却機構。
データセンタ室外に、容積型の圧縮機、エバポレーティブコンデンサ、高圧受液器、液面制御機構、低圧受液器、カスケードコンデンサ具えるとともに、前記圧縮機を迂回するバイパス管路を設けて成る一次冷却サイクルを配置し、更に、データセンタの室内空間に配置した蒸発器と、受液器、液ポンプとを配管で繋いでループ回路とし、蒸発器下流で前記カスケードコンデンサにおいて二次冷媒としての炭酸ガスが凝縮される二次冷却サイクルを配置して成り、前記一次冷却サイクルは、エバポレーティブコンデンサの凝縮温度が所定の温度以下の時に、圧縮機を停止するとともに、この圧縮機を回避するバイパス管路を開放することにより、前記圧縮機を機能させることなく一次冷媒を循環させ、カスケードコンデンサにおいて凝縮された二次冷却サイクルにおける二次冷媒により、室内空間の冷却を行うように構成されていることを特徴とする請求項１記載のデータセンタの冷却機構。
前記二次冷却サイクルにおける受液器に対してエバポレーティブコンデンサを接続したことを特徴とする請求項３または４記載のデータセンタの冷却機構。
前記カスケードコンデンサを二次冷却サイクルにおける受液器に内蔵したことを特徴とする請求項５記載のデータセンタの冷却機構。
前記冷媒を室内空間に噴出することができるように構成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載のデータセンタの冷却機構。
前記蒸発器は逆煙突効果を発揮する形態の縦型の隔壁で囲われており、蒸発器近傍の空気を冷却することにより、ファンを使用することなくデータセンタ室内空間の上部にある高温空気を効率よく蒸発器に向けて引き込み、冷却した後、下方に吐き出す構造が具えられていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７記載のデータセンタの冷却機構。
前記隔壁の下部には伸縮部が具えられていることを特徴とする請求項８記載のデータセンタの冷却機構。