WO2021005705A1 - 冷却システム、サージ発生防止装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラム - Google Patents

冷却システム、サージ発生防止装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラム Download PDF

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善則 宮本
貴文 棗田
吉川　実
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling system, a surge control device, a surge generation prevention method, and a surge generation prevention program for efficiently exhausting heat from an electronic device as a heat source.
  • Patent Document 1 is an air conditioner including a compressor and an electric valve provided in a bypass pipe connecting the discharge side and the suction side of the compressor.
  • the electric valve is a valve whose opening degree can be adjusted. It is configured to include an on-off valve connected to the bypass pipe in parallel with the motorized valve.
  • Patent Document 1 prevents the refrigerant pressure from becoming too high as the air conditioning load decreases, but it is a technique only used for indoor air conditioning, and data in which electronic devices are densely packed.
  • the configuration was not suitable for use in the server room in the center. That is, since the basic configuration of Patent Document 1 is an air conditioner, the response is poor when the load of the server to be cooled changes suddenly, and it is not possible to quickly respond to a sudden decrease in the refrigerant pressure. Therefore, it was expected to propose a new technology to comprehensively solve the problem.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and even if the load of the server to be cooled changes suddenly, it can be quickly dealt with, and a surge phenomenon occurs in the compressor. It is an object of the present invention to provide a cooling system, a surge control device, a surge generation prevention method, and a surge generation prevention program that can prevent such a phenomenon.
  • the present invention proposes the following means.
  • a local cooler arranged in the vicinity of a server serving as a heat source and directly receiving heat from the server to evaporate the refrigerant, and a gas phase generated by the local cooler.
  • a compressor that compresses the refrigerant
  • an outdoor unit that dissipates and condenses the gas phase refrigerant supplied from the compressor
  • an expansion valve that depressurizes the refrigerant supplied from the outdoor unit and sends it to the local cooler.
  • a pair of refrigerant state detecting means for detecting the state of the gas phase refrigerant supplied from the local cooler, which are provided on the inlet side and the outlet side of the compressor, respectively, and a bypass path of the compressor. It further has a proportional control valve and a high-speed on-off valve which are provided in parallel and are operated based on the refrigerant state ratio calculated from the detection value of the refrigerant state detecting means, and the proportional control valve is the refrigerant state ratio of the compressor.
  • the opening degree is controlled stepwise based on the above, and the high-speed on-off valve is opened and closed based on the refrigerant state ratio of the compressor, and the opening change per unit time is set larger than that of the proportional control valve. And.
  • a local cooler arranged in the vicinity of the server serving as a heat source and directly receiving the heat from the server to evaporate the refrigerant, and the local cooler generated.
  • a compressor that compresses the gas-phase refrigerant
  • an outdoor unit that dissipates and condenses the vapor-phase refrigerant supplied from the compressor, and an expansion valve that depressurizes the refrigerant supplied from the outdoor unit and sends it to the local cooler.
  • a pair of refrigerant state detecting means provided on the inlet side and the outlet side of the compressor, respectively, to detect the state of the gas phase refrigerant supplied from the local cooler, and parallel to the bypass path of the compressor.
  • a proportional control valve and a high-speed on-off valve that are provided and operated based on a refrigerant state ratio calculated from the detection value of the refrigerant state detecting means, and an arithmetic control unit that controls the opening and closing of these proportional control valves and the high-speed on-off valve.
  • the calculation control unit calculates the state ratio of the refrigerant in the steam pipe on the outlet side to the steam pipe on the inlet side of the compressor from the detection value of the refrigerant state detecting means, and sets the state ratio in advance. It is characterized in that the proportional control valve and the high-speed on-off valve are controlled depending on whether or not the reference value is exceeded.
  • a local cooler that is arranged in the vicinity of the server that is the heat source and that directly receives the heat from the server to evaporate the refrigerant, and the local cooler are generated.
  • a compressor that compresses the gas-phase refrigerant
  • an outdoor unit that dissipates and condenses the vapor-phase refrigerant supplied from the compressor, and an expansion valve that depressurizes the refrigerant supplied from the outdoor unit and sends it to the local cooler.
  • a refrigerant state detection step and a refrigerant state detection step which are provided on the inlet side and the outlet side of the compressor to detect the state of the gas phase refrigerant supplied from the local cooler, respectively, and the refrigerant state detection step. From the detection value obtained in the above, the calculation stage for calculating the state ratio of the refrigerant in the steam pipe on the outlet side to the steam pipe on the inlet side of the compressor, and the refrigerant state ratio obtained in the calculation step are set to the preset standard target values.
  • the first valve adjustment step for stepwise adjusting the opening degree of the proportional control valve arranged in parallel with the compressor and the refrigerant state ratio obtained in the calculation step are preset so as to match or approximate.
  • a surge generation prevention method comprising having a second valve adjusting stage that operates.
  • a local cooler that is arranged in the vicinity of a server that is a heat source and that directly receives heat from the server to evaporate the refrigerant, and a local cooler that is generated.
  • a compressor that compresses the gas-phase refrigerant
  • an outdoor unit that dissipates and condenses the gas-phase refrigerant supplied from the compressor
  • an expansion that depressurizes the refrigerant supplied from the outdoor unit and sends it to the local cooler.
  • a refrigerant state detection step for detecting the state of the gas phase refrigerant supplied from the local cooler, which is provided on the inlet side and the outlet side of the compressor, respectively, and the refrigerant state detection.
  • the first valve adjustment step of stepwise adjusting the opening degree of the proportional control valve arranged in parallel with the compressor and the refrigerant state ratio obtained in the calculation step are preset so as to match or approximate to.
  • the high-speed on-off valve arranged in parallel with the compressor and the proportional control valve is opened, and when the refrigerant state ratio exceeds a preset lower limit threshold, the high-speed on-off valve is opened. It is characterized by having a second valve adjusting stage that operates in a closed manner.
  • the cooling system 10 has a local cooler 1, a compressor 2, an outdoor unit 3, and an expansion valve 4 as main components.
  • the local cooler 1 is arranged in the vicinity of the server S, which is a heat source in the server room (upper position of the exhaust area E located between the servers S in the figure), and has a heat exchange unit 5 that directly receives the heat of the server S. doing.
  • the heat exchange unit 5 of the local cooler 1 evaporates the internal liquid-phase refrigerant by the heat of the server S to exhaust heat from the server S.
  • the compressor 2 is for forcibly sending the gas phase refrigerant generated in the local cooler 1 to the outdoor unit 3 by compressing it.
  • the outdoor unit 3 is for condensing the gas phase refrigerant by discharging the heat of the vapor phase refrigerant supplied from the compressor 2 to the external space.
  • the expansion valve 4 is for reducing the pressure of the refrigerant supplied from the outdoor unit 3 to a complete liquid phase refrigerant and then sending it to the local cooler 1.
  • the refrigerant state detecting means 6 a pressure gauge for detecting the pressure of the gas phase refrigerant, a flow meter for detecting the flow rate of the vapor phase refrigerant, a thermometer for detecting the temperature of the vapor phase refrigerant, and abnormal vibration from the compressor 2 are detected.
  • a vibration meter or the like for detection is used.
  • a proportional control valve 8 and a high-speed on-off valve 9 that are operated based on the refrigerant state ratio calculated from the detection value of the refrigerant state detecting means 6 are installed in the bypass path 7 located in parallel with the compressor 2.
  • the proportional control valve 8 is a valve whose opening degree is controlled stepwise based on the refrigerant state ratio of the compressor 2.
  • the high-speed on-off valve 9 is a valve that is opened or closed based on the refrigerant state ratio of the compressor 2 and is set to have a larger opening change per unit time than the proportional control valve 8.
  • the local cooler 1 is arranged in the vicinity of the server S as a heat source, the heat from the server S is directly received and the heat from the server S is increased. The state of the refrigerant can be changed quickly.
  • the state ( pressure, flow rate, temperature, vibration, etc.) of the gas-phase refrigerant supplied from the local cooler 1 to the steam pipe 2A on the inlet side and the steam pipe 2B on the outlet side of the compressor 2.
  • a control valve 8 and a high-speed on-off valve 9 are installed.
  • the proportional control valve 8 is controlled so as to have a stepwise opening degree based on the refrigerant state ratio calculated from the detection value of the refrigerant state detecting means 6, and the high-speed on-off valve 9 is controlled so as to have the refrigerant state detecting means 6.
  • the opening or closing control is performed so that the change in opening degree per unit time is larger than that of the proportional control valve 8.
  • the cooling system 10 maintains the valve operation by the high-speed on-off valve 9 for eliminating the abnormal state of the refrigerant and the normal state of the refrigerant based on the refrigerant state ratio calculated from the detection value of the refrigerant state detecting means 6. Therefore, valve control by the proportional control valve 8 can be performed quickly. As a result, in the cooling system 10 according to the present invention, even if the state of the refrigerant suddenly changes due to load fluctuation due to partial stoppage of the server S, addition of servers, maintenance, etc. in the server room, the cooling system 10 responds promptly. This makes it possible to prevent a surge phenomenon that causes a failure in the compressor 2 from occurring.
  • the system diagram of the cooling system 101 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the cooling system 101 according to the first embodiment has local coolers 310, 320, a compressor 410, an outdoor unit 500, and an expansion valve 420 as main components.
  • the local coolers 310, 320, the compressor 410 and the outdoor unit 500 are connected by steam pipes 610 and 620, and between the outdoor unit 500, the expansion valve 420 and the local coolers 310 and 320. Are connected by liquid pipes 630 and 640. Further, in the cooling system 101, components other than the outdoor unit 500 are arranged in the server room 100. Further, in the cooling system 101, the compressor 410 and the expansion valve 420 in the server room 100 are installed in the indoor unit 400.
  • the local coolers 310 and 320 are arranged in the vicinity of the server S1 which is a heat source in the server room, and have heat exchange units 310A and 320A which directly receive the heat from the server S1.
  • a plurality of servers S1 are housed in the server racks 201 to 204 arranged at regular intervals, and the heat is discharged toward the exhaust area E1 located between the server racks 201 and 204. Further, the heat exchange portions 310A and 320A of the local coolers 310 and 320 are located above the exhaust area E1 between the server racks 201 and 204, and the heat of the server S1 evaporates the internal liquid phase refrigerant. , Exhaust heat from the exhaust area E1.
  • the compressor 410 is for forcibly sending the gas phase refrigerant generated by the local coolers 310 and 320 to the outdoor unit 500 by compressing the gas phase refrigerant.
  • a turbo compressor in which a plurality of impellers are arranged around a rotating shaft is used, and the vapor phase refrigerant taken in from the suction nozzle is compressed by the centrifugal force when passing through the inside of the impeller rotating at high speed. Pressurize and discharge from the exhaust nozzle.
  • the outdoor unit 500 is for condensing the gas phase refrigerant by discharging the heat of the vapor phase refrigerant supplied from the compressor 410 to the external space.
  • the expansion valve 420 is for reducing the pressure of the refrigerant supplied from the outdoor unit 500 to a complete liquid phase refrigerant and then sending it to the local coolers 310 and 320.
  • the refrigerant evaporates in the heat exchange portions 310A and 320A of the local coolers 310 and 320 individually installed above the exhaust areas E1 of the server racks 201 to 204.
  • the heat contained in the exhaust of the server S1 can be absorbed.
  • the local coolers 310 and 320 convert the exhaust gas of the server racks 201 to 204 into cold air, so that the entire server room 100 can be efficiently cooled before the heat diffuses to the entire room.
  • the refrigerant evaporated in the local coolers 310 and 320 is sent to the compressor 410 through the steam pipe 610.
  • the refrigerant that has become high temperature and high pressure by the compressor 410 is condensed by radiating heat to the outside air in the outdoor unit 500, and moves to the expansion valve 420 through the liquid pipe 630.
  • the refrigerant decompressed in the expansion valve 420 becomes a liquid phase refrigerant and is supplied to the local coolers 310 and 320 again.
  • the pressure of the vapor phase refrigerant supplied from the local coolers 310 and 320 is detected in the steam pipe 610 located on the inlet side and the steam pipe 620 located on the outlet side of the compressor 410.
  • a pair of pressure gauges 451 and 452 are provided.
  • the steam pipes 610 and 620 provided with the pressure gauges 451 and 452 are provided with two bypass paths 411 which are steam flow paths in parallel with the compressor 410.
  • Proportional control valves 430 and high-speed on-off valves 440 that operate based on the compression ratio calculated from the detection values of the pressure gauges 451 and 452 are installed in these two bypass paths 411, respectively.
  • a motor electric valve is used as the proportional control valve 430, and a solenoid valve is used as the high-speed on-off valve 440.
  • the proportional control valve 430 is controlled so as to have a stepwise opening degree based on the compression ratio calculated from the detection values of the pressure gauges 451 and 452, and the high-speed on-off valve 440 is controlled so as to have the pressure gauges 451 and 452. Based on the compression ratio calculated from the detected value, the opening or closing control is performed so that the opening change per unit time is larger than that of the proportional control valve 430.
  • the calculation of the compression ratio based on the detected values of the pressure gauges 451 and 452, and the operation of the proportional control valve 430 and the high-speed on-off valve 440 based on the calculated compression ratio are performed by the arithmetic control unit 480 shown in FIG. ..
  • the calculation control unit 480 calculates the compression ratio of the refrigerant of the steam pipe 620 on the outlet side to the steam pipe 610 on the inlet side of the compressor 410 from the detected values of the pressure gauges 451 and 452, and uses the calculation result as the calculation result. Based on this, the proportional control valve 430 and the high-speed on-off valve 440 are controlled.
  • valve operation by the high-speed on-off valve 440 for eliminating the abnormal state of the refrigerant and the normal state of the refrigerant are maintained based on the compression ratio calculated from the detection values of the pressure gauges 451 and 452.
  • Valve control by the proportional control valve 430 can be performed quickly.
  • the cooling system 101 according to the present embodiment even if the state of the refrigerant suddenly changes due to load fluctuation due to partial stoppage of the server S1, addition of servers, maintenance, etc. in the server room, it is promptly dealt with. This makes it possible to prevent the occurrence of a surge phenomenon that causes a failure in the compressor 410.
  • a pressure gauge for detecting the pressure of the gas phase refrigerant is installed as the refrigerant state detecting means located on the inlet side and the outlet side of the compressor 410.
  • the means for detecting the state of the refrigerant is not limited to the pressure gauge, and a flow meter for detecting the flow rate of the gas phase refrigerant, a thermometer for detecting the temperature of the vapor phase refrigerant, and an abnormal vibration from the compressor 410 are detected.
  • a vibration meter can also be used.
  • FIG. 4 shows different control modes in the same equipment and piping as the cooling system according to FIGS. 2 and 3.
  • the operating conditions of the proportional control valve 430 and the high-speed on-off valve 440 shown in the first embodiment are shown by the graph shown in FIG.
  • the refrigerant compression ratio of the steam pipe 620 on the outlet side to the steam pipe 610 on the inlet side of the compressor 410 which is calculated from the detected values of the pressure gauges 451 and 452, is indicated by the reference numeral “P”.
  • the load fluctuation of the compressor 410 is indicated by the reference numeral “M”.
  • the proportional control valve 430 and the high-speed on-off valve so that the refrigerant compression ratio P calculated from the detected values of the pressure gauges 451 and 452 becomes the standard target value (B) which is a preset reference.
  • Control 440 More specifically, in the arithmetic control unit 480, the opening degree of the proportional control valve 430 is set so that the refrigerant compression ratio P matches or approximates the preset standard target value (B) during the normal operation of the cooling system 101.
  • Feedback control is performed stepwise (control of the range indicated by reference numeral T2 in FIG. 4).
  • the arithmetic control unit 480 when a sudden load fluctuation of the compressor 410 occurs, for example, when the server S1 is partially stopped, the high-speed on-off valve 440 of the bypass path 411 is opened to charge the refrigerant. It prevents the liquid component from passing through the compressor 410 (control of the range indicated by reference numeral T1 in FIG. 4). Then, the arithmetic control unit 480 determines such an increase in the load fluctuation of the compressor 410 based on whether or not the refrigerant compression ratio P has reached the upper limit threshold value (A), and based on the determination result, the bypass path 411 Outputs an instruction to open the high-speed on-off valve 440. This prevents the hunting phenomenon from occurring in the compressor 410.
  • the arithmetic control unit 480 determines whether or not the refrigerant compression ratio P has reached the lower limit threshold value (C) to settle the load fluctuation of the compressor 410, and the bypass path 411 is based on the determination result. Outputs an instruction to close the high-speed on-off valve 440.
  • the refrigerant compression ratio P of the steam pipe 620 on the outlet side with respect to the steam pipe 610 on the inlet side of the compressor 410 is set to a preset upper limit threshold value (A).
  • A a preset upper limit threshold value
  • C preset lower limit threshold value
  • the turbo compressor 410 and the expansion valve 420 are installed in the indoor unit 400 in the server room 100, but they may be arranged outside the server room 100 together with the outdoor unit 500.
  • the local heat receiving units 310 and 320 are installed on the upper part of the server racks 201 to 204, they may be installed directly on the back surface of the server racks 201 to 204. Further, these server racks 201 to 204 are not limited to the number shown in the drawings.
  • the high-speed on-off valve 440 is controlled to open / close depending on whether or not the refrigerant compression ratio P reaches the upper limit threshold value (A) or the lower limit threshold value (C). ) Or the lower limit threshold value (C) may be freely set and changed by the operator.
  • a refrigerant state is provided in the steam pipe 610 on the inlet side and the steam pipe 620 on the outlet side of the compressor 410, respectively, and detects the state of the vapor phase refrigerant supplied from the local coolers 310 and 320.
  • the first step is to adjust the opening degree of the proportional control valve 430 arranged in parallel with the compressor 410 so that the obtained refrigerant state ratio (P) matches or approximates the preset standard target value (B).
  • High-speed on-off valve 440 arranged in parallel with the compressor 410 and the proportional control valve 430 when the refrigerant state ratio (P) obtained in the valve adjustment stage and the calculation stage exceeds the preset upper limit threshold value (A).
  • a prevention program has been adopted.
  • the present invention can be used in a cooling system for efficiently cooling an electronic device, a surge generation prevention device, a surge generation prevention method, and a surge generation prevention program.

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Abstract

この発明は、冷却対象となるサーバの負荷が急激に変化した場合であっても速やかに対応することができ、圧縮機にサージ現象が発生することを未然に防止することを目的とする。 本発明では、局所冷却器（１）が熱源となるサーバ（Ｓ）の近傍に配置されているので、サーバ（Ｓ）からの熱を直接受け入れて、サーバ（Ｓ）の熱に応じて速やかに冷媒を状態変化させることができる。また、本発明では、局所冷却器（１）から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出手段（６）と、圧縮機（２）のバイパス経路（７）に並列に設けられて冷媒状態検出手段（６）の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁８及び高速開閉弁（９）を有し、比例制御弁（８）は、圧縮機（２）の冷媒状態比に基づき開度が段階的に制御され、また、高速開閉弁（９）は、圧縮機（２）の冷媒状態比に基づき開閉動作されて比例制御弁（８）より単位時間あたりの開度変化が大きく設定されることを特徴とする。

Description

冷却システム、サージ発生防止装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラム
　本発明は、熱源となる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、サージ制御装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラムに関する。 
　空気調和を行うための技術として、例えば特許文献１に示される空気調和装置が知られている。
特許文献１は、圧縮機と、該圧縮機の吐出側と吸込側とを繋ぐバイパス管に設けられる電動弁とを備える空気調和装置において、前記電動弁は開度を調整自在な弁であり、前記電動弁に対して並列に前記バイパス管に接続される開閉弁を備える構成である。
特開２０１７－２０７２２号公報
ところで、特許文献１に示される技術は、空調負荷の減少に応じて冷媒圧力が高くなり過ぎることを防止するものではあるが、室内空調に用いるだけの技術であり、電子機器が密集されるデータセンタ内のサーバルームでの使用に適した構成ではなかった。
すなわち、特許文献１は基本構成が空気調和装置であるので、冷却対象となるサーバの負荷が急激に変化した場合の応答性が悪く、冷媒圧力の急激な減少に対して速やかに対応できないという問題があり、当該問題を総合的に解決するための新しい技術の提案が期待されていた。
　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、冷却対象となるサーバの負荷が急激に変化した場合であっても速やかに対応することができ、かつ圧縮機にサージ現象が発生することを未然に防止できる冷却システム、サージ制御装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラムを提供することを目的とする。
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形態となる冷却システムでは、熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有し、前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する一対の冷媒状態検出手段と、前記圧縮機のバイパス経路に並列に設けられて前記冷媒状態検出手段の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁及び高速開閉弁をさらに有し、前記比例制御弁は、前記圧縮機の冷媒状態比に基づき開度が段階的に制御され、前記高速開閉弁は、前記圧縮機の冷媒状態比に基づき開閉動作されて前記比例制御弁より単位時間あたりの開度変化が大きく設定されることを特徴とする。
本発明の第２形態となるサージ発生防止装置では、熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する一対の冷媒状態検出手段と、前記圧縮機のバイパス経路に並列に設けられて前記冷媒状態検出手段の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁及び高速開閉弁と、これら比例制御弁及び高速開閉弁を開閉制御する演算制御部と、を具備しており、前記演算制御部は、前記冷媒状態検出手段の検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算し、その状態比が予め設定した基準値を越えたか否かにより前記比例制御弁及び高速開閉弁を制御することを特徴とする。
本発明の第３形態となるサージ発生防止方法では、熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有する冷却システムにおいて、前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出段階と、該冷媒状態検出段階で得た検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算する演算段階と、該演算段階で得た冷媒状態比が予め設定した標準目標値に一致又は近似するように、前記圧縮機と並列に配置された比例制御弁の開度を段階的に調整する第１の弁調整段階と、前記演算段階で得た冷媒状態比が、予め設定した上限閾値を越えた場合に前記圧縮機及び比例制御弁と並列に配置された前記高速開閉弁を開動作し、前記冷媒状態比が予め設定した下限閾値を越えた場合に前記高速開閉弁を閉動作する第２の弁調整段階と、を有することを特徴とするサージ発生防止方法。
本発明の第４形態となる及びサージ発生防止プログラムでは、熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有する冷却システムにおいて、前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出段階と、該冷媒状態検出段階で得た検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算する演算段階と、該演算段階で得た冷媒状態比が予め設定した標準目標値に一致又は近似するように、前記圧縮機と並列に配置された比例制御弁の開度を段階的に調整する第１の弁調整段階と、前記演算段階で得た冷媒状態比が、予め設定した上限閾値を越えた場合に前記圧縮機及び比例制御弁と並列に配置された前記高速開閉弁を開動作し、前記冷媒状態比が予め設定した下限閾値を越えた場合に前記高速開閉弁を閉動作する第２の弁調整段階と、を有することを特徴とする。
本発明では、サーバルームにおいて、サーバの部分停止による負荷変動、サーバの増設、メンテナンス等で、冷媒の状態が急激に変化した場合であっても速やかに対応することができ、かつ、圧縮機の故障の原因となるサージ現象が発生することを未然に防止することが可能となる。
本発明に係る冷却システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る冷却システムの概略構成図である。 図２の冷却システムにおける圧縮機の周辺構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る図であって、圧力計から算出される圧縮比と、比例制御弁及び高速開閉弁の開閉動作との関係を示すグラフである。
本発明に係る冷却システム１０について、図１を参照して説明する。
この冷却システム１０は、局所冷却器１、圧縮機２、室外機３及び膨張弁４を主な構成要素とする。
局所冷却器１は、サーバ室内の熱源となるサーバＳの近傍（図ではサーバＳ間に位置する排気エリアＥの上部位置）に配置されて、サーバＳの熱を直接受け入れる熱交換部５を有している。なお、この局所冷却器１の熱交換部５では、サーバＳの熱により内部の液相冷媒を蒸発させることで、サーバＳからの排熱を行う。
圧縮機２は、局所冷却器１で生じた気相冷媒を圧縮して室外機３に強制的に送り込むためのものである。
室外機３は、圧縮機２から供給される気相冷媒の熱を外部空間に排出することで、該気相冷媒を凝縮させるためのものである。
膨張弁４は室外機３から供給される冷媒を減圧して完全な液相冷媒とした後、局所冷却器１へ送るためのものである。
圧縮機２の入口側の蒸気配管２Ａ及び出口側の蒸気配管２Ｂには、局所冷却器１から供給される気相冷媒の状態（＝圧力、流量、温度、振動等）を検出する一対の冷媒状態検出手段６が設けられている。
なお、冷媒状態検出手段６として、気相冷媒の圧力を検出する圧力計、気相冷媒の流量を検出する流量計、気相冷媒の温度を検出する温度計、圧縮機２からの異常振動を検出する振動計などが使用される。
圧縮機２と並行に位置するバイパス経路７には、冷媒状態検出手段６の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁８及び高速開閉弁９が設置されている。
比例制御弁８は、圧縮機２の冷媒状態比に基づき開度が段階的に制御される弁である。
高速開閉弁９は、圧縮機２の冷媒状態比に基づき開又は閉動作されて比例制御弁８より単位時間あたりの開度変化が大きく設定される弁である。
以上説明した本発明に係る冷却システム１０によれば、局所冷却器１が熱源となるサーバＳの近傍に配置されているので、サーバＳからの熱を直接受け入れて、サーバＳの熱に応じて速やかに冷媒を状態変化させることができる。
また、上記冷却システム１０では、圧縮機２の入口側の蒸気配管２Ａ及び出口側の蒸気配管２Ｂに、局所冷却器１から供給される気相冷媒の状態（＝圧力、流量、温度、振動など）を検出する一対の冷媒状態検出手段６を設けるとともに、圧縮機２のバイパス経路７に並列となるように、該冷媒状態検出手段６の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作する比例制御弁８及び高速開閉弁９を設置するようにしている。
そして、比例制御弁８では、冷媒状態検出手段６の検出値から算出される冷媒状態比に基づき段階的な開度を有するように制御され、また、高速開閉弁９では、冷媒状態検出手段６の検出値から算出される冷媒状態比に基づき比例制御弁８より単位時間あたりの開度変化が大きくなるように開又は閉制御される。
これにより冷却システム１０では、冷媒状態検出手段６の検出値から算出される冷媒状態比
に基づき、冷媒の異常状態を解消するための高速開閉弁９による弁操作、及び冷媒の正常状態を維持するための比例制御弁８による弁制御を速やかに行うことができる。
その結果、本発明に係る冷却システム１０では、サーバルームにおいて、サーバＳの部分停止による負荷変動、サーバの増設、メンテナンス等で、冷媒の状態が急激に変化した場合であっても速やかに対応することができ、圧縮機２において故障の原因となるサージ現象が発生することを未然に防止できる。
（第１実施形態）
　本発明の第１実施形態に係る冷却システム１０１の系統図について図２及び図３を参照して説明する。
　第１実施形態に係る冷却システム１０１は、局所冷却器３１０，３２０、圧縮機４１０、室外機５００及び膨張弁４２０を主な構成要素とする。
これら構成要素において、局所冷却器３１０，３２０、圧縮機４１０及び室外機５００の間は、蒸気配管６１０，６２０により接続されるとともに、室外機５００、膨張弁４２０及び局所冷却器３１０，３２０の間は液配管６３０，６４０により接続される。
また、上記冷却システム１０１において、室外機５００以外の構成要素はサーバルーム１００内に配置されている。
また、上記冷却システム１０１において、サーバルーム１００内の圧縮機４１０及び膨張弁４２０は室内機４００に設置されている。
局所冷却器３１０，３２０は、サーバ室内の熱源となるサーバＳ１の近傍に配置され、かつサーバＳ１からの熱を直接受け入れる熱交換部３１０Ａ，３２０Ａを有している。
なお、サーバＳ１は一定の間隔をおいて配置されたサーバラック２０１～２０４内に複数収容されており、その熱が、サーバラック２０１～２０４間に位置する排気エリアＥ１に向けて排出される。
また、局所冷却器３１０，３２０の熱交換部３１０Ａ，３２０Ａは、サーバラック２０１～２０４間の排気エリアＥ１の上部に位置しており、サーバＳ１の熱により内部の液相冷媒を蒸発させることで、排気エリアＥ１からの排熱を行う。
圧縮機４１０は、局所冷却器３１０，３２０で生じた気相冷媒を圧縮して室外機５００に強制的に送り込むためのものである。
例えば、圧縮機４１０として、回転軸の周囲に複数のインペラが配置されたターボ圧縮機が使用され、吸入ノズルから取り込んだ気相冷媒を、高速回転するインペラ内部を通過する際の遠心力で圧縮加圧して、排気ノズルより排出する。
室外機５００は、圧縮機４１０から供給される気相冷媒の熱を外部空間に排出することで、該気相冷媒を凝縮させるためのものである。
膨張弁４２０は室外機５００から供給される冷媒を減圧して完全な液相冷媒とした後、局所冷却器３１０，３２０へ送るためのものである。
そして、以上のように構成された冷却システム１０１では、サーバラック２０１～２０４の排気エリアＥ１の上部に個別に設置された局所冷却器３１０、３２０の熱交換部３１０Ａ，３２０Ａにて、冷媒が蒸発することにより、サーバＳ１の排気に含まれる熱を吸い取ることができる。
これにより、局所冷却器３１０、３２０にて、サーバラック２０１～２０４の排気を冷気に変換することで、熱が部屋全体に拡散する前にサーバルーム１００全体を効率良く冷却することができる。
　その後、局所冷却器３１０, ３２０において蒸発した冷媒は蒸気配管６１０を通じて圧縮機４１０に送られる。圧縮機４１０によって高温高圧になった冷媒は室外機５００において外気に放熱することで凝縮し、液配管６３０を通して膨張弁４２０に移動する。膨張弁４２０において減圧された冷媒は液相冷媒となって再び局所冷却器３１０, ３２０へ供給される。
また、上記冷却システム１０１では、圧縮機４１０の入口側に位置する蒸気配管６１０及び出口側に位置する蒸気配管６２０には、局所冷却器３１０，３２０から供給される気相冷媒の圧力を検出する一対の圧力計４５１，４５２が設けられている。
また、圧力計４５１，４５２が設けられた蒸気配管６１０，６２０には、圧縮機４１０と並列な蒸気流路となる２本のバイパス経路４１１が設けられている。
これら２本のバイパス経路４１１には、圧力計４５１，４５２の検出値から算出される圧縮比に基づき動作する比例制御弁４３０及び高速開閉弁４４０がそれぞれ設置されている。
なお、比例制御弁４３０としてモータ電動弁が使用され、高速開閉弁４４０としてソレノイド弁が使用されている。
そして、比例制御弁４３０では、圧力計４５１，４５２の検出値から算出される圧縮比に基づき段階的な開度を有するように制御され、また、高速開閉弁４４０では、圧力計４５１，４５２の検出値から算出される圧縮比に基づき比例制御弁４３０より単位時間あたりの開度変化が大きくなるように開又は閉制御される。
なお、圧力計４５１，４５２の検出値に基づく圧縮比の計算、及び計算された圧縮比に基づく比例制御弁４３０及び高速開閉弁４４０の動作は、図３に示される演算制御部４８０により行われる。
具体的には、演算制御部４８０は、圧力計４５１，４５２の検出値から圧縮機４１０の入口側の蒸気配管６１０に対する出口側の蒸気配管６２０の冷媒の圧縮比を演算し、その演算結果に基づき、比例制御弁４３０及び高速開閉弁４４０を制御する。
これにより冷却システム１０１では、圧力計４５１，４５２の検出値から算出される圧縮比
に基づき、冷媒の異常状態を解消するための高速開閉弁４４０による弁操作、及び冷媒の正常状態を維持するための比例制御弁４３０による弁制御を速やかに行うことができる。
その結果、本実施形態に係る冷却システム１０１では、サーバルームにおいて、サーバＳ１の部分停止による負荷変動、サーバの増設、メンテナンス等で、冷媒の状態が急激に変化した場合であっても速やかに対応することができ、圧縮機４１０において故障の原因となるサージ現象が発生することを未然に防止できる。
　なお、上記実施形態では、圧縮機４１０の入口側及び出口側に位置する冷媒状態検出手段として、気相冷媒の圧力を検出する圧力計を設置するようにした。
　しかし、冷媒の状態を検出する手段として圧力計に限定されず、気相冷媒の流量を検出する流量計、気相冷媒の温度を検出する温度計、圧縮機４１０からの異常な振動を検出する振動計なども使用可能である。
（第２実施形態）
　本発明の第２実施形態に係る冷却システム１０１について、図２、３にかかる冷却システムと同一の機器、配管における、異なる制御の態様を示す図４を参照して説明する。
　第２実施形態に係る冷却システム１０１では、図４に示すグラフによって、第１実施形態に示される比例制御弁４３０及び高速開閉弁４４０の動作条件が示されている。
　具体的には、図４では、圧力計４５１、４５２の検出値から演算される、圧縮機４１０の入口側の蒸気配管６１０に対する出口側の蒸気配管６２０の冷媒圧縮比が符号「Ｐ」で示されている。また同図において、圧縮機４１０の負荷変動が符号「Ｍ」で示されている。
　そして、演算制御部４８０では、圧力計４５１，４５２の検出値から演算される冷媒圧縮比Ｐが、予め設定した基準となる標準目標値（Ｂ）となるように比例制御弁４３０及び高速開閉弁４４０を制御する。
　より具体的には、演算制御部４８０では、冷却システム１０１の通常運転時において、冷媒圧縮比Ｐが予め設定した標準目標値（Ｂ）に一致又は近似するように比例制御弁４３０の開度を段階的にフィードバック制御する（図４に符号Ｔ２で示す範囲の制御）。
また、演算制御部４８０では、例えばサーバＳ１が部分的に停止するなどして、圧縮機４１０の急激な負荷変動が生じたときに、バイパス経路４１１の高速開閉弁４４０を開弁して冷媒の液体成分が圧縮機４１０を経由することを防止する（図４に符号Ｔ１で示す範囲の制御）。
そして、演算制御部４８０では、このような圧縮機４１０の負荷変動の上昇を、冷媒圧縮比Ｐが上限閾値（Ａ）に達したか否かにより判定し、その判定結果に基づきバイパス経路４１１の高速開閉弁４４０を開弁する指示を出力する。これにより圧縮機４１０にてハンチング現象が生じることを未然に防止する。
また、演算制御部４８０では、例えば上述した圧縮機４１０の負荷変動が収まった場合には、バイパス経路４１１の高速開閉弁４４０を閉弁して、冷媒がバイパス経路４１１を経ることを防止する。
このとき、演算制御部４８０では、このような圧縮機４１０の負荷変動の収まりを、冷媒圧縮比Ｐが下限閾値（Ｃ）に達したか否かにより判定し、その判定結果に基づきバイパス経路４１１の高速開閉弁４４０を閉弁する指示を出力する。
すなわち、第２実施形態に係る冷却システム１０１の演算制御部４８０では、圧縮機４１０の入口側の蒸気配管６１０に対する出口側の蒸気配管６２０の冷媒圧縮比Ｐが、予め設定した上限閾値（Ａ）を上回ったときに（負荷変動が上昇したとき）、高速開閉弁４４０をＯＰＥＮする指示を出力し、また、冷媒圧縮比Ｐが予め設定した下限閾値（Ｃ）を下回ったときに（負荷変動が低下したとき） 高速開閉弁４４０をＣＬＯＳＥする指示を出力する。
　これにより第２実施形態に係わる冷却システム１０１では、圧力計４５１、４５２で検出される冷媒圧縮比Ｐに基づく、比例制御弁４３０の開度の段階的なフィードバック制御、及び高速開閉弁４４０の瞬時の開閉制御により、圧縮機４１０に過剰な負荷変動が生じることを防止し、該ターボ圧縮機４１０でのサージ現象発生を未然に防止することができる。
　なお、上記冷却システム１０１において、ターボ圧縮機４１０及び膨張弁４２０はサーバルーム１００内の室内機４００に設置されているが、室外機５００とともにサーバルーム１００外に配置しても良い。
また、局所受熱部３１０、３２０はサーバラック２０１～２０４の上部に設置するようにしているが、サーバラック２０１～２０４の背面に直接設置しても良い。また、これらサーバラック２０１～２０４も図面に示される個数に限定されるものではない。
　また、上記実施形態では、冷媒圧縮比Ｐが上限閾値（Ａ）又は下限閾値（Ｃ）に達したか否かにより高速開閉弁４４０を開閉制御するようにしたが、このような上限閾値（Ａ）又は下限閾値（Ｃ）は操作者により自由に設定変更可能とすると良い。
また、冷却システム１０１では、圧縮機４１０の入口側の蒸気配管６１０及び出口側の蒸気配管６２０にそれぞれ設けられて、局所冷却器３１０、３２０から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出段階と、該冷媒状態検出段階で得た検出値から圧縮機４１０の入口側の蒸気配管６１０に対する出口側の蒸気配管６２０の冷媒状態比（Ｐ）を演算する演算段階と、該演算段階で得た冷媒状態比（Ｐ）が予め設定した標準目標値（Ｂ）に一致又は近似するように、圧縮機４１０と並列に配置された比例制御弁４３０の開度を段階的に調整する第１の弁調整段階と、演算段階で得た冷媒状態比（Ｐ）が、予め設定した上限閾値（Ａ）を越えた場合に圧縮機４１０及び比例制御弁４３０と並列に配置された高速開閉弁４４０を開動作し、冷媒状態比（Ｐ）が予め設定した下限閾値（Ｃ）を越えた場合に高速開閉弁４４０を閉動作する第２の弁調整段階と、を有するサージ発生防止方法又はサージ発生防止プログラムが採用されている。
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、電子機器を効率良く冷却するための冷却システム、サージ発生防止装置、サージ発生防止方法及びサージ発生防止プログラムに利用することができる。
１　局所冷却器
２　ターボ圧縮機
３　室外機
４　膨張弁
５　熱交換部
６　冷媒状態検出手段
７　バイパス経路
８　比例制御弁
９　高速開閉弁
１０　冷却システム　
１００　サーバルーム
１０１　冷却システム
２０１　サーバラック
２０２　サーバラック
２０３　サーバラック
２０４　サーバラック
３１０　局所冷却器
３２０　局所冷却器
４１０　圧縮機
４１１　バイパス経路
４２０　膨張弁
４３０　比例制御弁
４４０　高速開閉弁
４５１　圧力計
４５２　圧力計
　Ｓ　サーバ
　Ｓ１　サーバ
　Ｅ　排気エリア
　Ｅ１　排気エリア

Claims (10)

  1. 熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有し 、
    前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する一対の冷媒状態検出手段と、
    前記圧縮機のバイパス経路に並列に設けられて前記冷媒状態検出手段の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁及び高速開閉弁をさらに有し、
    前記比例制御弁は、前記圧縮機の冷媒状態比に基づき開度が段階的に制御され、
    前記高速開閉弁は、前記圧縮機の冷媒状態比に基づき開閉動作されて前記比例制御弁より単位時間あたりの開度変化が大きく設定されることを特徴とする冷却システム。
  2. 　前記局所冷却器は、サーバラック間の排気エリアの上部に設置されて、熱源となるサーバからの熱を直接受け入れる熱交換部を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
  3. 　前記冷媒状態検出手段は、前記圧縮機の入口側及び出口側に位置する配管内の冷媒圧力を検出する圧力検出手段であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の冷却システム。
  4. 　前記冷媒状態検出手段は、前記圧縮機の入口側及び出口側に位置する配管内の冷媒流量を検出する流量検出手段であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の冷却システム。
  5. 　前記比例制御弁及び高速開閉弁は、演算制御部を有しており、
    前記演算制御部は、前記冷媒状態検出手段の検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算し、その演算結果に基づき、前記比例制御弁及び高速開閉弁を制御することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却システム。
  6. 前記演算制御部は、前記冷媒の状態比が予め設定した標準目標値に一致又は近似するように前記比例制御弁の開度を段階的に調整することを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
  7. 前記演算制御部は、前記冷媒の状態比が予め設定した上限閾値を越えて大きくなった場合に前記高速開閉弁を開動作し、前記冷媒の状態比が予め設定した下限閾値を越えて小さくなった場合に前記高速開閉弁を閉動作することを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項に記載の冷却システム。
  8. 熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、
    該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、
    該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、
    該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、
    前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する一対の冷媒状態検出手段と、
    前記圧縮機のバイパス経路に並列に設けられて前記冷媒状態検出手段の検出値から算出される冷媒状態比に基づき動作される比例制御弁及び高速開閉弁と、
    これら比例制御弁及び高速開閉弁を開閉制御する演算制御部と、を具備しており、
    前記演算制御部は、前記冷媒状態検出手段の検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算し、その状態比が予め設定した基準値を越えたか否かにより前記比例制御弁及び高速開閉弁を制御することを特徴とするサージ発生防止装置。
  9. 熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有する冷却システムにおいて、
    前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出段階と、
    該冷媒状態検出段階で得た検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算する演算段階と、
    該演算段階で得た冷媒状態比が予め設定した標準目標値に一致又は近似するように、前記圧縮機と並列に配置された比例制御弁の開度を段階的に調整する第１の弁調整段階と、
    前記演算段階で得た冷媒状態比が、予め設定した上限閾値を越えた場合に前記圧縮機及び比例制御弁と並列に配置された前記高速開閉弁を開動作し、前記冷媒状態比が予め設定した下限閾値を越えた場合に前記高速開閉弁を閉動作する第２の弁調整段階と、を有することを特徴とするサージ発生防止方法。
  10. 熱源となるサーバの近傍に配置されかつ該サーバからの熱を直接受け入れることで冷媒を蒸発させる局所冷却器と、該局所冷却器で生じた気相冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機から供給される気相冷媒を放熱して凝縮させる室外機と、該室外機から供給される冷媒を減圧して前記局所冷却器へ送る膨張弁と、を有する冷却システムにおいて、
    前記圧縮機の入口側及び出口側にそれぞれ設けられて、前記局所冷却器から供給される気相冷媒の状態を検出する冷媒状態検出段階と、
    該冷媒状態検出段階で得た検出値から前記圧縮機の入口側の蒸気配管に対する出口側の蒸気配管の冷媒の状態比を演算する演算段階と、
    該演算段階で得た冷媒状態比が予め設定した標準目標値に一致又は近似するように、前記圧縮機と並列に配置された比例制御弁の開度を段階的に調整する第１の弁調整段階と、
    前記演算段階で得た冷媒状態比が、予め設定した上限閾値を越えた場合に前記圧縮機及び比例制御弁と並列に配置された前記高速開閉弁を開動作し、前記冷媒状態比が予め設定した下限閾値を越えた場合に前記高速開閉弁を閉動作する第２の弁調整段階と、を有することを特徴とするサージ発生防止プログラム。
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