JPWO2018179204A1 - 冷却システム及び冷却システムにおける冷媒制御方法 - Google Patents

Abstract

液相状態の冷媒Ｒが気化することにより吸熱する蒸発器（１）と、気相状態の冷媒（Ｒ）が液化することにより放熱する凝縮器（２）と、蒸発器（１）から凝縮器（２）に向かう管路（３）の途中に設けられて冷媒（Ｒ）に抵抗を付与する抵抗体（８）と、抵抗体（８）の上流側及び下流側に位置する管路（３）に設けられて、該管路（３）内の各側を流れる冷媒（Ｒ）の状態を検出する状態検出センサ（９）と、抵抗体（８）の上流側及び下流側で検出された状態検出センサ（９）の検出値の差に基づき、該管路（３）を流れる冷媒Ｒ内の液滴の存在を検出し、その検出結果に基づき冷媒（Ｒ）の流量を制御する流量制御手段（Ｃ）とを具備する。

Description

本発明は、電子機器からの排熱を効率良く行うための冷却システム及び冷却システムにおける冷媒制御方法に関する。

多数の電子機器を密集したデータセンタでは、多くの熱が排出され、その処理能力維持のために、冷媒の蒸発・凝縮という相変化サイクルを利用して排熱を行う熱交換システムが備えられている。

この熱交換システムとしては、例えば特許文献１に示される空気調和機が知られている。
この特許文献１の空気調和機は、圧縮機、凝縮器、弁の開度を制御し得る電子式膨張弁および蒸発器を順次配管で接続してなる強制運転サイクルと、該圧縮機をバイパスする自然サイクルとを有するものであって、強制運転サイクル時には、圧縮機に冷媒を通過させて、冷媒の圧力状態を制御するようにしている。

特許文献１：特開平１１−３１６０５８公報

しかしながら、特許文献１に示される空気調和機では、強制運転サイクル時に、圧縮機に気相冷媒を通過させて該冷媒の圧力状態を制御するようにしているが、気相冷媒に液相冷媒が混入した状況を想定していない。
具体的には、蒸発器から凝縮器に向かう管路内を流れる気相冷媒に液相冷媒が混入した場合には、管路内を移動する液滴の運動エネルギーにより圧縮機が破損することがあるが、前述の特許文献１ではこのような不具合に対応した対策が取られていない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な方式により、蒸発器から凝縮器に向かう管路内を流れる気相冷媒に液滴が混入しているかを検出することができ、その検出結果に基づき、気相冷媒に液相冷媒が混入する状況を解消して、運転サイクルの効率的な運用を可能とする冷却システム及び冷却システムにおける冷媒制御方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第１態様となる冷却システムでは、液相状態の冷媒が気化することにより吸熱する蒸発器と、気相状態の冷媒が液化することにより放熱する凝縮器と、前記蒸発器から前記凝縮器に向かう管路の途中に設けられて該管路内に流れる冷媒に抵抗を付与する抵抗体と、前記抵抗体の上流側及び下流側の管路に設けられて、各側で検出された検出値の差に基づき、該管路を流れる冷媒内の液滴の存在を検出する状態検出センサと、前記状態検出センサの検出結果に基づき前記冷媒の流量を制御する流量制御手段と、を具備することを特徴とする。

本発明の第２態様となる冷媒制御方法では、液相状態の冷媒が気化することにより吸熱する蒸発器と、気相状態の冷媒が液化することにより放熱する凝縮器と、を有し、これら蒸発器及び凝縮器の間で、冷媒を循環させることにより該蒸発器の付近に位置する被冷却物を冷却する冷却システムにおいて、前記蒸発器から前記凝縮器に向かう管路の途中にて該管路内を流れる冷媒に抵抗を付与しつつ、該抵抗を付与する前の上流側管路内の冷媒温度と、該抵抗を付与した後の下流側管路内の冷媒温度との温度差を計測し、その温度差がしきい値以上である場合に、前記凝縮器に供給する液相冷媒の流量を減少させることを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器から凝縮器に向かう管路内を流れる気相冷媒に液滴が混入している場合に、冷媒の流量を減少させる処理を行うことで、気相冷媒に液相冷媒が混入する状況を解消して、運転サイクルの効率的な運用を可能とする。

本発明に係る冷却システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。 図２の冷却システムの凝縮器付近を示す概略構成図である。 抵抗体での冷媒の圧力損失を説明するための図である。 流量制御手段のコントローラに設定された制御内容を示すフローチャートである。

本発明の最小構成に係る冷却システム１００について図１を参照して説明する。
この冷却システム１００は、液相状態の冷媒Ｒが気化することにより電子機器（図示略）から排出される熱を吸熱する蒸発器１と、気相状態の冷媒Ｒが液化することにより放熱する凝縮器２と、蒸発器１から凝縮器２に向かう管路３の途中に設けられた圧縮機４と、凝縮器２から蒸発器１に向かう管路５の途中に設けられたポンプ６及び電磁式の流量調整弁７と、を主な構成要素とする。
また、この冷却システム１００では、蒸発器１から凝縮器２に向かう管路３の途中に設置された抵抗体８と、該抵抗体８の近傍に設置されて管路３内を流れる冷媒Ｒの状態を検出する状態検出センサ９と、該状態検出センサ９の検出値に基づき冷媒Ｒの流量を制御する流量制御手段Ｃと、を有している。

抵抗体８は、管路３内に流れる冷媒Ｒに抵抗を付与するものであって、例えば、矢印ａで示すように、管路３内の冷媒流通方向を変更する曲がり管が使用されている。
状態検出センサ９は、抵抗体８における流路変更点の上流側及び下流側の管路３内に設けられたものであって、例えば、該管路３内の各側を流れる冷媒Ｒの温度を検出する一対の温度センサ９Ａ，９Ｂからなる。
流量制御手段Ｃは、抵抗体８の上流側及び下流側で検出された状態検出センサ９の検出値の差に基づき、該管路３内を流れる冷媒Ｒ内の液滴の存在を検出し、その検出結果に基づき冷媒Ｒの流量を制御する。
具体的には、この流量制御手段Ｃは、凝縮器２から蒸発器１に向かう管路５の途中に設けられたポンプ６及び電磁式の流量調整弁７を含み、状態検出センサ９の検出値の差に基づき、管路３内を流れる冷媒Ｒ内に液相が存在すると判定した場合に、ポンプ６の吐出量及び／又は流量調整弁７の開度を調整して冷媒Ｒの流量制御を行うコントローラ１０を有している。

以上詳細に説明した本発明に係る冷却システム１００では、蒸発器１から凝縮器２に向かう管路３の途中にて、抵抗体８により管路３内を流れる冷媒Ｒに抵抗が付与される。
このとき、抵抗体８の上流側に設置された状態検出センサ９（９Ａ）、及び抵抗体８の下流側の管路３に設置された状態検出センサ９（９Ｂ）にて、該管路３を流れる冷媒Ｒの状態（例えば、温度）を求めた上で、流量制御手段Ｃにて、これら状態検出センサ９の検出値の差に基づき冷媒流量を調整するようにした。
例えば、流量制御手段Ｃにて、状態検出センサ９として抵抗体８の前後に設けた一対の温度センサ９Ａ，９Ｂの温度差が、予め定めたしきい値を越えた場合に、気相冷媒Ｒに液滴が混入していると判断して、凝縮器２に供給する液相冷媒の流量を減少させる制御を行うことができる。
すなわち、本発明に係る冷却システム１００では、蒸発器１から凝縮器２に向かう管路３内を流れる気相冷媒Ｒに液滴が混入している場合に、冷媒の流量を減少させる処理を行うことで、気相冷媒Ｒに液相冷媒Ｒが混入する状況を解消して、運転サイクルの効率的な運用を可能とすることができる。

（実施形態）
本発明の実施形態に係る冷却システム１０１について図２〜図５を参照して説明する。
この冷却システム１０１は、図２に示されるように、液相状態の冷媒Ｒが気化することにより電子機器（図示略）から排出される熱を吸熱する蒸発器１１と、気相状態の冷媒Ｒが液化することにより放熱する凝縮器１２と、蒸発器１１から凝縮器１２に向かう気相管１３の途中に設けられた圧縮機１４と有している。
また、この冷却システム１０１では、凝縮器１２から蒸発器１１に向かう液相管１５の途中には、膨張弁１６、タンク１７、ポンプ１８及び電磁式の流量調整弁１９が順次接続されている。

これら構成の中で、膨張弁１６は、凝縮器１２で凝縮した冷媒Ｒの圧力を下げて冷媒液の沸点を低下させ、これにより蒸発器１１での気化を容易に行わせるために設置されている。
また、蒸発器１１は、図３に示されるように、液相状態の冷媒Ｒが流れる液相管１５が流入口に接続された下部ヘッダ１１Ａと、この下部ヘッダ１１Ａから分岐して上方に延びる複数の熱交換パイプ１１Ｂと、これら熱交換パイプ１１Ｂで受熱した冷媒Ｒを集合させかつ流出口を通じて気相管１３に供給する上部ヘッダ１１Ｃと、を有する。

また、この冷却システム１０１では、蒸発器１１から凝縮器１２に向かう気相管１３の途中に設置された抵抗体２０と、該抵抗体２０の近傍に設置されて気相管１３内を流れる冷媒Ｒの状態を検出する状態検出センサ２１と、状態検出センサ２１の検出値に基づき冷媒Ｒの流量を制御する流量制御手段Ｃ１と、を有している。

抵抗体２０は、気相管１３の途中に設置されて、該気相管１３内に流れる冷媒Ｒに抵抗を付与するものであって、例えば、気相管１３内の冷媒流通方向を９０°変更する、曲がり管又は変向配管２０´（以下、変向配管と言う）が使用されている。この変向配管２０´の曲がり角度は９０°に限定されず、周囲の設置空間の状況に応じて、３０〜２００°に設定しても良い。

状態検出センサ２１は、図４に詳細に示されるように、抵抗体２０における流路変更点の上流側及び下流側の管路に設けられたものであって、該気相管１３内の各側を流れる冷媒Ｒの温度を検出する一対の温度センサ２１Ａ，２１Ｂからなる。
すなわち、温度センサ２１Ａは、変向配管２０´における流路変更点の上流側に設置されるとともに、温度センサ２１Ｂは、変向配管２０´における流路変更点の下流側に設置されている。

一般的に、液相冷媒は気相冷媒より密度が大きく、このため、気相管１３中の気相冷媒Ｒ中に液滴Ｗが混じっていた場合には、変向配管２０´通過時において、気相冷媒Ｒの流れを変向するのに大きなエネルギーが必要となって、圧力損失が大きくなる。
より具体的には、液滴Ｗが伴う気相冷媒は飽和蒸気となるため、圧力低下すると飽和蒸気線に沿って温度が下がり、この現象を温度センサ２１Ａ，２１Ｂが検知することで、液滴Ｗの存在を検知する。
すなわち、変向配管２０´での圧力損失は、変向配管２０´に設置した温度センサ２１Ａ，２１Ｂにて温度差として検出され、その検出結果に基づき、後述するコントローラ２２にて、上記圧力損失を防ぐべく過剰な冷媒Ｒが蒸発器１１に流れないようにする。
また、温度センサ２１Ａ，２１Ｂとしては、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体等が使用される。また、温度センサ２１Ａ，２１Ｂは、抵抗体２０の外壁に張り付けても良いし、配管に対してシールを介して挿入孔等から挿入することにより、内部の冷媒Ｒが漏洩しない構造を採用しながら内部に温度計を差し入れて内部の流体の温度を直接測定することも有効である。
なお、外壁に張り付ける場合には、内部の温度を正確に計測するため温度センサ２１Ａ，２１Ｂの外をさらに断熱材で覆うことが望ましい。また予め内部の流体の温度と外壁の温度との相関を求め、この相関に基づいて外壁の温度を内部の流体の温度に換算しても良い。

流量制御手段Ｃ１は、抵抗体２０の上流側及び下流側で検出された状態検出センサ２１の検出値の差に基づき、該気相管１３内を流れる気相冷媒Ｒ内の液滴Ｗの存在を検出し、その検出結果に基づき冷媒Ｒの流量を制御する。
すなわち、この流量制御手段Ｃ１は、凝縮器１２から蒸発器１１に向かう液相管１５の途中に設けられたポンプ１６及び／又は電磁式の流量調整弁１９を含み、状態検出センサ２１の検出値の差に基づき、管路３内を流れる冷媒Ｒ内に液相が存在すると判定した場合に、ポンプ１６の吐出量及び／又は流量調整弁１９の開度を調整して冷媒Ｒの流量制御を行うコントローラ２２を有している。

例えば、コントローラ２２では、図５のフローチャートに示されるように、まず、変向配管２０´の前後にある温度センサ２１Ａ，２１Ｂにて、気相管１３内を流れる冷媒Ｒの温度（ｔ１、ｔ２）を計測した後（ステップＳ１）、これら温度の差（Ｔａ）を計算する（ステップＳ２）。
その後、ステップＳ３にて冷媒Ｒの温度差（Ｔａ）が予め設定したしきい値（Ｔａ１）以上か否かを判定し、ＹＥＳの場合に、気相冷媒Ｒ中に液滴Ｗの存在があるとして、ポンプ１６の吐出量及び／又は流量調整弁１９の開度を調整して、蒸発器１１に供給する冷媒Ｒの流量を減少させる制御を行う（ステップＳ４）。
また、このステップ３にて冷媒Ｒの温度差（Ｔａ）が予め設定したしきい値（Ｔａ１）より小さいと判定したＮＯの場合に、気相冷媒Ｒ中に液滴Ｗの存在がないとして、ポンプ１６の吐出量及び／又は流量調整弁１９の開度を変更しない制御を行う（ステップＳ５）。
その後、運転が停止されたとの指示が出された否かを判定し（ステップ６）、ＮＯの場合に先のステップＳ１に戻り、また、ＹＥＳの場合に本フローを終了する。
なお、ステップＳ３で設定されているしきい値は、必要な冷媒流量に基づき決定され、「Ｔａ1 = 潜熱×質量流量」の関係を有していることが望ましい。

そして、以上のように構成された冷却システム１０１全体の作用について説明する。
まず、蒸発器１１では、内部の液冷媒Ｒを気化させることで外部より熱を奪う。このとき蒸発器１１にある冷媒液が満液になっている方が熱を伝える冷媒Ｒが多くなることから、蒸発器１１を満たす程度の液相冷媒Ｒを供給することが望ましい。
しかし、蒸発器１１に過剰に液相冷媒Ｒを多く供給した場合には、該蒸発器１１内で気化した気相冷媒に引きずられ、気相管１３内に液冷媒が流出し、性能の悪化または液が混じった冷媒Ｒを圧縮機１４に吸引してしまい、該圧縮機１４に故障が生じる恐れがある。
このため、本例の冷却システム１０１では、気相冷媒Ｒが流れる気相管１３中に流れの方向を変える変向配管２０´及び該変向配管２０´の前後に設けた温度センサ２１Ａ，２１Ｂにより、気相管１３内部の液相冷媒Ｒを検出し、その検出結果に基づき、冷媒流量の制御を行う。

また、この変向配管２０´に蒸発器１１からの冷媒Ｒが到達した場合には、強制的に流れの方向が変向される。変向した際に液相冷媒Ｒ中に液滴Ｗが混じっている場合には、液滴Ｗの密度が大きいため変向にするのに大きなエネルギーが必要となり、大きな圧力降下が生じる。さらに、液滴Ｗが存在していると、圧力損失により温度低下が生じ、この温度低下が、変向配管２０´の前後に設けた温度センサ２１Ａ，２１Ｂにて検知される。このとき、図５のフローチャートで説明したように、温度センサ２１Ａ，２１Ｂで検知した温度の温度差が大きい場合は、大きな圧力降下が生じていることになり、蒸発器１１に供給する液相冷媒Ｒの流量を絞る制御を行う。
一方、温度センサ２１Ａ，２１Ｂの検出値に基づき、液相冷媒Ｒが混じっていないことが検知された場合は、変向に大きなエネルギーを必要とする気相冷媒Ｒ中に液滴Ｗが含まれていないために、変向配管２０´による圧力降下が小さく、変向配管２０´の前後での温度差は小さい。

変向配管２０´を通過した気相配管１３の気相冷媒Ｒは、圧縮機１４に流入し圧縮され高温になる。高温になった気相冷媒Ｒは、凝縮器１２により外部に熱を放熱し凝縮して液相冷媒となる。その後、この液相冷媒Ｒは膨張弁１６を通過する際に圧力が降下することで温度低下が生じ、この状態で、流量を制御する手段であるポンプ１８、電動弁１９を経由して、再び蒸発器１１に供給される。

以上詳細に説明した本実施形態に係る冷却システム１０１では、蒸発器１１から凝縮器１２に向かう気相管１３の途中にて、抵抗体２０である変向配管２０´により気相管１３内を流れる冷媒Ｒに抵抗が付与される。
このとき、抵抗体２０の上流側及び下流側の気相管１３に設置された状態検出センサ２１にて、該気相管１３を流れる冷媒Ｒの状態（例えば、温度）を求めた上で、流量制御手段Ｃ１にて、これら状態検出センサ２１の検出値の差に基づき冷媒流量を調整するようにした。
例えば、流量制御手段Ｃ１にて、状態検出センサ２１として抵抗体２０の前後に設けた一対の温度センサ２１Ａ，２１Ｂの温度差が、予め定めたしきい値を越えた場合に、気相冷媒Ｒに液滴Ｗが混入していると判断して、凝縮器１２に供給する液相冷媒の流量を減少させる制御を行うことができる。
すなわち、本発明に係る冷却システム１０１では、蒸発器１１から凝縮器１２に向かう気相管１３内を流れる気相冷媒Ｒに液滴Ｗが混入している場合に、冷媒の流量を減少させる処理を行うことで、気相冷媒Ｒに液相冷媒Ｒが混入する状況を解消して、運転サイクルの効率的な運用を可能とすることができる。

（変形実施形態）
なお、上記実施形態は以下のように変形しても良い。
（１）抵抗体２０として、変向配管２０´を使用することに限定されず、気相管１３の流路断面積を縮小することで冷媒に抵抗を付与するオリフィス、絞り、邪魔板等の流路面積調節手段を使用しても良い。
（２）抵抗体２０として、変向配管２０´を使用することに限定されず、例えば、流路をジグザグ又はクランク状に配置した配管を使用しても良く、又は蒸発器１１から圧縮機１４までの間に距離の配管を設け、該配管の両端にて冷媒Ｒの状態の差を検出しても良い。
（３）抵抗体２０として、変向配管２０´を使用することに限定されず、サイクロンを配置して冷媒Ｒに抵抗を付与しても良い。
（４）状態検出センサ２１として温度センサ２１Ａ，２１Ｂを使用することに限定されず、冷媒Ｒの圧力差を直接検出するために圧力センサを設置しても良い。また、これに限定されずに、液面計、振動計、湿り計などの検出手段により、抵抗体２０の前後での冷媒Ｒの圧力損失を計測しても良い。なお、これら検出手段についても、温度センサ２１Ａ，２１Ｂと同様、その検出値の差を予め設定したしきい値と比較することで、液滴Ｗの存在が判定される。
（５）流量制御手段Ｃ１としてポンプ１６及び／又は流量調整弁１９を使用したが、これに限定されず、圧縮機１４、膨張弁１６を使用して冷媒Ｒの流量調整をしても良い。

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。

本発明は、電子機器からの排熱を効率良く行うための熱交換器及び熱交換システムに関する。

１ 蒸発器
２ 凝縮器
３ 管路
４ 圧縮機
５ 管路
６ ポンプ
７ 流量調整弁
８ 抵抗体
９ 状態検出センサ
１１ 蒸発器
１２ 凝縮器
１３ 気相管
１４ 圧縮機
１５ 液相管
１６ 膨張弁
１８ ポンプ
１９ 流量調整弁
２０ 抵抗体
２１ 状態検出センサ
２１Ａ 温度センサ
２１Ｂ 温度センサ
１００ 冷却システム
１０１ 冷却システム
Ｒ 冷媒
Ｃ 流量制御手段
Ｃ１ 流量制御手段

Claims (10)

1. 液相状態の冷媒が気化することにより吸熱する蒸発器と、
   気相状態の冷媒が液化することにより放熱する凝縮器と、
   前記蒸発器から前記凝縮器に向かう管路の途中に設けられて該管路内に流れる冷媒に抵抗を付与する抵抗体と、
   前記抵抗体の上流側及び下流側の管路に設けられて、該管路内の各側を流れる冷媒の状態を検出する状態検出センサと、
   前記抵抗体の上流側及び下流側で検出された前記状態検出センサの検出値の差に基づき、該管路を流れる冷媒内の液滴の存在を検出し、その検出結果に基づき前記冷媒の流量を制御する流量制御手段と、を具備することを特徴とする冷却システム。
2. 前記抵抗体は、前記管路内の冷媒流通方向を変更する曲がり管であることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記曲がり管は、前記管路内の冷媒流通方向を９０°変更することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記抵抗体は、前記管路内の流路断面積を縮小することで冷媒に抵抗を付与するオリフィス、絞りのいずれかから構成された流路調節孔からなることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記状態検出センサは、前記抵抗体の上流側及び下流側に位置する管路内を流れる冷媒温度をそれぞれ検出する一対の温度センサからなることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
6. 前記流量制御手段は、前記温度センサの温度差が予め定めたしきい値を越えた場合に、前記凝縮器に供給する液相冷媒の流量を減少させることを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
7. 前記凝縮器に供給する液相冷媒の流量を減少させる手段として、電磁式の流量調整弁が設置されていることを特徴とする請求項６に記載の冷却システム。
8. 前記凝縮器に供給する液相冷媒の流量を減少させるために、前記凝縮器から前記蒸発器に向かう管路の途中に設けられたポンプの吐出量を調整することを特徴とする請求項６に記載の冷却システム。
9. 前記蒸発器から前記凝縮器に向かう管路の途中で、かつ前記抵抗体の下流側には、圧縮機が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
10. 液相状態の冷媒が気化することにより吸熱する蒸発器と、気相状態の冷媒が液化することにより放熱する凝縮器と、を有し、これら蒸発器及び凝縮器の間で、冷媒を循環させることにより該蒸発器の付近に位置する被冷却物を冷却する冷却システムであって、
    前記蒸発器から前記凝縮器に向かう管路の途中にて該管路内を流れる冷媒に抵抗を付与しつつ、該抵抗を付与する前の上流側管路内の冷媒温度と、該抵抗を付与した後の下流側管路内の冷媒温度との温度差を計測し、その温度差がしきい値以上である場合に、前記凝縮器に供給する液相冷媒の流量を減少させることを特徴とする冷却システムにおける冷媒制御方法。

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