WO2023042906A1

WO2023042906A1 - 冷却装置およびキャビテーション防止方法

Info

Publication number: WO2023042906A1
Application number: PCT/JP2022/034717
Authority: WO
Inventors: 正樹千葉; 善則宮本; 孔一轟; 隆大塚; 実吉川; 真弘蜂矢
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-03-23

Abstract

冷却装置は、蒸発器において冷媒が熱を受け取り、冷媒が圧縮され、冷媒から熱が放散され、冷媒の圧力が膨張機により下げられ、蒸発器へ冷媒が送られる冷凍サイクルを用いた冷却装置である。冷却装置は、膨張機により圧力が下げられた冷媒を受け入れるタンクと、タンクから冷媒を吸い込んで蒸発器へ向かう流路へ冷媒を送るポンプと、流路から分岐して、タンクへ冷媒の一部を送るバイパス流路と、を有する。

Description

冷却装置およびキャビテーション防止方法

　本開示は冷却装置およびその冷却装置におけるキャビテーション防止方法に関する。本開示は、特に、データーセンターの空調設備に好適な冷凍サイクルを利用した冷却装置およびキャビテーション防止方法に関する。

　データーセンターのサーバルームなど、発熱源となる電子機器を多数収容した空間の冷却には、冷媒を受熱、圧縮、放熱、膨張させる工程により、その発熱源から受熱した冷媒を介して大気中に放熱する冷凍サイクルを利用した冷却装置が使用されている。
　この冷凍サイクルにあっては、冷媒が前記サイクルの各工程で液相と気相との相変化を繰り返す。このため、各工程およびこれらの間の流路における冷媒の相状態を適切に維持することにより、冷凍サイクルの効率的な運転を図る必要がある。

　また、近年の環境負荷への配慮から、上記冷凍サイクルで使用される冷媒として、従来の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：高圧のＨＦＣｓ）から、蒸発圧と凝縮圧の差が１００ｋＰａ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：低圧のＨＦＯｓ）などへの切替えが期待されている。

　上記低圧冷媒は、気相状態と液相状態との体積比が２００倍にも達する。このため、液相とすべき領域で液相冷媒の一部が気相に相変化した場合であっても、冷媒の流量が大きく変化する。したがって、前述のような低圧の冷媒を用いた冷却サイクルにあっては、冷媒循環系統の受熱側および放熱側の各工程で適切に気液分離を行うことが必要とされる。本開示に関連する特許文献１では、圧縮機の入口側での気液分離と、受熱器へ冷媒を送るポンプの吸い込み側での気液分離とを目的とする所定容量のタンク（気液分離器）を設けることにより、冷凍サイクルの円滑な運転を実現している。

日本国特開２０１９－２１１１８２号公報

　サーバルーム等で使用される冷却装置にあっては、一の冷凍サイクルにより圧縮、放熱された冷媒をポンプにより複数の蒸発器へ分配し、各蒸発器において、サーバルーム内の複数のサーバー各々から排出された排気（サーバーで発生した熱を吸収して排出された空気）から熱を受け取り、冷媒を蒸発させている。このため、各サーバーの発熱量に応じて、また、ポンプから各サーバーへ冷媒を供給する配管の長さ等に起因する流路抵抗に応じて、例えば、各蒸発器へ向かう配管中に弁を設ける等により、各蒸発器へ冷媒を適切に分配することが必要とされる。

　しかしながら、特許文献１に開示された技術は、複数の蒸発器へ冷媒を分岐して供給することを予定するものではない。このため、この技術では、例えば、各蒸発器の抜熱量（サーバー等からの受熱量）が少ない場合等にあって、冷媒の流量が極端に少なくなると、前記ポンプを流れる冷媒の温度の上昇が避けられない。

　このような原因によって冷媒の温度が上昇すると、ポンプの吸入側で冷媒にキャビテーションが発生し易くなる。このキャビテーションは、冷凍サイクル中での冷媒の円滑な循環を妨げる原因となることがある。

　この開示の目的の一例は、冷媒の循環により冷却を行う冷凍サイクル中において、液相冷媒の圧送に使用されるポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することである。

　この開示の第１の態様にかかる冷却装置は、蒸発器において冷媒が熱を受け取り、前記冷媒が圧縮され、前記冷媒から熱が放散され、前記冷媒の圧力が膨張機により下げられ、前記蒸発器へ前記冷媒が送られる冷凍サイクルを用いた冷却装置であって、前記膨張機により圧力が下げられた前記冷媒を受け入れるタンクと、前記タンクから前記冷媒を吸い込んで前記蒸発器へ向かう流路へ前記冷媒を送るポンプと、前記流路から分岐して、前記タンクへ前記冷媒の一部を送るバイパス流路と、を有する。

　またこの開示の第２の態様にかかるキャビテーション防止方法は、蒸発器において冷媒が熱を受け取り、前記冷媒が圧縮され、前記冷媒から熱が放散され、前記冷媒の圧力が膨張機より下げられ、ポンプにより前記蒸発器へ前記冷媒が送られる冷凍サイクルのためのキャビテーション防止方法であって、タンクにより、前記膨張機により圧力が下げられた前記冷媒を受け入れ、前記ポンプにより、前記タンクから前記冷媒を吸い込んで前記蒸発器へ向かう流路へ前記冷媒を送り、前記流路から分岐したバイパス流路により、前記冷媒の一部を、前記タンクへ送る、ことを有する。

　本開示によれば、冷凍サイクル中で冷媒を円滑に循環させることができる。

本開示の最小構成例にかかる冷却装置の配管系統図である。本開示の最少構成例にかかる冷却装置のキャビテーション防止方法の工程図である。本開示の第１実施形態の配管系統図である。図３の要部の断面図である。第１実施形態のポンプ吸入温度を示す図表である。図４におけるＮＰＳＨ（有効吸い込みヘッド）を示す図である。図６の配管系におけるポンプの吐出流量と吐出圧力との関係を示す図表である。本開示の第２実施形態の要部の断面図である。

　本開示の最小構成にかかる形態の冷却装置の構成について図１を参照して説明する。この冷却装置は、冷凍サイクルを用いた冷却装置である。具体的には、蒸発器１で熱を受け取った冷媒を圧縮機２により圧縮する。圧縮により温度上昇した冷媒から放熱器３により熱を放散する。その冷媒の圧力を膨張機４により下げる。その冷媒を、蒸発器１へ循環させる冷却装置は、膨張機４で減圧された冷媒を受け入れるタンク５と、タンク５から冷媒を吸い込んで蒸発器１へ向かう流路６へ冷媒を送り出すポンプ７の吐出口７ａと、流路６から分岐して、タンク５へ冷媒を送り込むバイパス流路８とを有する。

　上記構成によれば、ポンプ７から吐出された冷媒の一部がタンク５へ送り込まれた後、再度ポンプ７に吸い込まれることにより、冷媒が循環する。ここで、バイパス流路８を流れる冷媒は、タンク５に流入して、貯留された冷媒に混合した後にポンプ７に吸い込まれる。このため、冷媒の温度上昇を抑制して、ポンプ７に吸入される冷媒におけるキャビテーションの発生を防止し、冷凍サイクル中で冷媒を円滑に循環させることができる。

　本開示の最小構成にかかるキャビテーション防止方法について、図２を参照して説明する。
　このキャビテーション防止方法は、蒸発器１で熱を受け取った冷媒を圧縮し、冷媒から熱を放散し、冷媒を膨張機４により膨張させた後、ポンプ７により蒸発器１へ送る冷凍サイクルためのキャビテーション防止方法である。キャビテーション防止方法は、蒸発器１へ向けて冷媒を送り出すポンプ７から吐出された冷媒の一部を、膨張機４とポンプ７との間に設けられ冷媒を貯留するタンク５へ送り込む工程ＳＰ１と、タンク５へ送り込まれる冷媒の流量を調整する工程ＳＰ２とを有する。

　上記構成によれば、ポンプ７から吐出された冷媒の一部がタンク５へ送り込まれた後、再度ポンプ７に吸い込まれることにより、冷媒を循環することができる。タンク５へ送り込まれた冷媒がタンク５に貯留された冷媒に混合した後にポンプ７に吸い込まれる。このため、冷媒の温度上昇を抑制してポンプ７におけるキャビテーションの発生を防止し、冷凍サイクル中で冷媒を円滑に循環させることができる。

［第１実施形態］
　以下、図３～図７を参照して本開示の第１実施形態を説明する。なお図３～図７において、図１と共通の構成要素には同一符号を付し、説明を簡略化する。
　図３に示す冷却装置は、例えば、サーバルーム等の内部のサーバー等の発熱源の上部に配置される天井設置ユニットである。各蒸発器１は、複数のサーバーに対応して、それぞれ、その上方に設けられている。
　各蒸発器１は、ラジエータ１１と、分岐弁（バルブ）１２と、ファン１３とを有する。
　第１実施形態のラジエータ１１は、冷媒が流れる冷媒管にその冷媒管と空気との接触面積を大きくするための放熱板を設けた構造となっている。各ラジエータ１１には、分岐弁１２が設けられる。分岐弁１２は、ポンプ７から吐出され、配管６１を経由して流入する冷媒の流量を調整する。

　蒸発器１は、例えば、サーバルーム等の内部のサーバー等の発熱源の上部に配置される天井設置ユニットに設けられ、ファン１３によってサーバルーム内の空気を吸入してラジエータ１１へ供給する。すなわち、蒸発器１は、サーバー内を通過することによって内部の発熱源の熱を吸収してサーバルームのホットアイル側（サーバルームにおける、昇温した冷却空気が排出される側の通路）に排出された空気をラジエータ１１の放熱板に接触させることにより、排出された空気から熱を受け取る。蒸発器１の内部を流れる冷媒が受熱量に応じて蒸発する。受熱量が小さい場合には、冷媒の多くが液相のまま蒸発器１から流出する。

　複数の蒸発器１で熱を吸収した冷媒は、配管６２で合流してタンク５に流入する。このタンク５は、冷媒を気液分離し、液相冷媒を貯留するとともに、上部に接続された配管６３を経由して圧縮機２に気相冷媒を吸い込ませる。

　圧縮機２は、吸い込んだ気相冷媒を所定の圧縮機で圧縮、昇圧し、配管６４を経由して放熱器３へ送り込む。
　放熱器３は、圧縮された冷媒が流れる配管に放熱板を設けた構成のラジエータ３１を有する。このラジエータ３１には、ファン３２によって外気が供給される。ラジエータ３１を流れる冷媒が大気と熱交換し液相となる。

　液相となった冷媒は、タンク３３に一時貯留された後、配管６５を経由して膨張機４に送り込まれる。冷媒は、膨張機４において減圧された後、配管６６を経由してタンク５に流入する。タンク５に流入した冷媒は配管６７を経由してポンプ７に吸入される。膨張機４には、例えば、所定の開度で流路を絞る弁、オリフィス、あるいは、所定の長さにわたる細い流路により構成されたキャピラリが適用される。
　ポンプ７の吐出口７ａは、配管６１を介して蒸発器１に接続されている。
　配管６１の途中の分岐点６１ａには、バイパス流路８を構成する配管６８が接続される。この配管６８は、タンク５に接続されている。配管６８は、分岐点６１ａを経た後、所定高さまで上向き延び、その後、前記タンク５へ向かって、ほぼ水平（望ましくはタンク５へ向かって上方へ傾斜して）に延びる。また前記配管６８はバイパス弁９を備える。このバイパス弁９は、バイパス流路８を流れる冷媒の流量を調整する。

　上記構成の冷却装置の作用について説明する。
　圧縮機２によって圧縮された冷媒は、放熱器３のラジエータ３１により大気と熱交換し、タンク３３に一時貯留され、膨張機４により圧が下げられ、膨張した後、タンク５に一時貯留される。
　タンク５に貯留された冷媒は、ポンプ７に吸引され、配管６１を経由して蒸発器１へ送り込まれる。
　複数の蒸発器１は、それぞれ分岐弁１２の開度を調整することにより、それぞれの受熱量、各蒸発器１へ到る管路の流路抵抗のばらつきにかかわらず、適正な流量の冷媒を受け入れて受熱することができる。

　ポンプ７は、各蒸発器１へ必要量の冷媒を送るために必要な圧力より十分に高い吐出圧力で冷媒を送出す。冷媒の一部は、分岐点６１ａにおいて配管６１から分岐した配管６８（バイパス流路８）を経由してタンク５へ送り込まれ、配管６７を経由して再度ポンプ７に吸引される。
　配管６１の分岐点６１ａにおいて、配管６８が上向きに延びている。このため、ポンプ７から吐出された液相冷媒に混入した気相冷媒を上方へ向かう配管６８へ分離し、さらに、液相冷媒を配管６８の水平な経路を経由してタンク５へ送り込むことができる。なおタンク５内では、気相冷媒と液相冷媒とが分離され、液相冷媒は配管６７を経由してポンプ７へ吸引され、気相冷媒は、配管６３を経由し圧縮機２へ吸引される。

　バイパス流路８を流れる冷媒の流量は、バイパス弁９の開度により調整される。例えば、配管６１を経由して蒸発器１へ向かう冷媒の流量が所定以下となるとバイパス弁９を開く。また、例えば、配管６１を流れる冷媒の流量にかかわらず、ポンプ７の吐出口７ａから吐出される冷媒の流量が所定量以上であることが維持されるようにバイパス弁９の開度を調整する。これにより、ポンプ７の内部、あるいは吸引側におけるキャビテーションの発生を防止することができる。

　すなわち、バイパス流路８により、タンク５を経由してポンプ７へ冷媒を戻すことにより、タンク５に所定の液面Ｌで貯留された冷媒と混合した冷媒が循環する。このため、ポンプ７に吸引される冷媒の温度の過剰な上昇（その冷媒のある圧力における沸点に近くなるまでの温度上昇）と、ポンプ７の吸引による減圧とによるキャビテーションの発生を防止することができる。
　例えば、図５は、図４に鎖線で示す配管６９を経由してポンプ７の吸引側へ冷媒をバイパスさせる場合の冷媒の温度の変化（符号Ｌ１で示す線）と、配管６８、タンク５、および配管６７を経由して冷媒をポンプ７の吸引側へ戻す場合の冷媒の温度の変化（符号Ｌ２で示す線）とを示す。すなわち、冷媒がタンク５を経由する場合には、タンク５に送り込まれた冷媒がタンク５内に貯留された冷媒と混合する。この場合、タンク５に貯留された冷媒全体の温度上昇には時間がかかるため、急激な温度上昇が抑制される。その結果、バイパス流路８を経由する継続的な冷媒の循環による温度上昇への影響を緩和することができる。

　次いで、図６、７を参照して、配管６１の分岐点６１ａ、配管６８のタンク５への接続個所、ポンプ７の吸い込み口の位置の相対関係、およびタンク５内の液面Ｌとポンプ７の必要吸い込みヘッド（ＮＰＳＨｒ）との関係について説明する。
　分岐点６１ａとバイパス流路８とで構成される流路のうち、最も位置が高い部分は、タンク５の底面よりｈ１だけ高い位置に配置されている。このｈ１の高さの差により、例えば、蒸発器１がポンプ７の下（例えば建築物のサーバルームより下層階の機械室）に配置されている場合に、ポンプ７の停止時にタンク５内の残留冷媒がすべて蒸発器１へ流れ出ることを防止することができる。

　また分岐点６１ａとバイパス流路８とで構成される流路のうち、最も位置が高い部分は、ポンプ７の吸い込み口よりｈ２だけ高い位置に配置されている。このｈ２の高さの差により、上記の場合と同様、蒸発器１がポンプ７の下に配置されている場合であっても、ポンプ７の吸い込み側にＮＰＳＨｒ以上の液面を確保することができる。
　また上記分岐点６１ａの高さに関するｈ１、ｈ２の条件を満足した上で、前記配管６８のタンク５への接続個所（冷媒の流入個所）は、（タンク５内の冷媒の通常の貯留状態における）液面Ｌより下方とされている。この接続個所は、例えば、タンク５内の液面Ｌを制御し得る範囲であって、確実に液面Ｌより下方となる位置に配置されている。

　また図７に示すようなポンプ７の吐出流量と吐出圧力の特性を考慮すると、例えば、ポンプ７の内部の温度上昇をキャビテーションの発生を防止し得る程度に維持する流量、すなわち、サーバルームの発熱量が極めて小さく、全部の蒸発器１の分岐弁１２が閉じている場合であっても、バイパス流路８を経由する循環のみによって冷媒へのキャビテーションの発生を防止することができる流量がαで示される。この流量αを維持することができる程度の圧力損失がバイパス流路８に生じるよう、バイパス弁９の開度を設定する。図７において、符号Ｐ１はバイパスの圧力損失が大きいことを示す。符号Ｐ２はバイパスの圧力損失が小さいことを示す。なお冷凍システムの冷凍負荷（冷媒の流量）の変化が小さい場合には、バイパス弁９に代えて、その運転条件で冷媒の流量αを維持することができる程度の絞り（オリフィス等の流体抵抗要素）を設けても良い。

　図８を参照して本開示の第２実施形態を説明する。図８に示す構成について、図１～図７と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
　この第２実施形態は、第１実施形態でバイパス流路８の配管６８から冷媒を受け入れるタンク５の配管６８の接続部より上方（タンク５内の冷媒の通常の貯留状態における液面Ｌよりさらに上方）となる位置に、液面Ｌを覆う液はね防止板５１を設けた構成となっている。この液はね防止板５１は、液面Ｌの上方で液面Ｌのできるだけ多くの範囲を覆い、かつ、タンク５の内面との間にタンク５内での気相冷媒の上下への流通を妨げない程度の間隔を有する。

　配管６７、６１には、それぞれ温度センサＴが設けられる。これら温度センサＴは、ポンプ７に吸引される冷媒の温度と、ポンプ７から吐出される冷媒の温度とをそれぞれ測定する。

　上記構成の第２実施形態にあっては、前記液はね防止板５１によって、バイパス流路８から流入して飛散した液相冷媒、あるいは、流入にともなって乱れた液面から飛散した液相冷媒が上昇してタンク５の上部の配管６３から圧縮機２へ吸引される現象を防止することができる。

　また温度センサＴによってポンプ７の吸入側、吐出側の温度を測定し、その測定結果に応じてバイパス弁９の開閉、あるいは、バイパス弁９の開度を調整する。この調整により、ポンプ７におけるキャビテーションの発生を防止することができる。
　例えば、ポンプ７の吸入側の配管６７に設けられた温度センサＴに測定された冷媒の温度のみから、冷媒温度がキャビテーション発生の可能性のある程度まで上昇しないように、バイパス弁９の開度を調整して冷媒のバイパス量を適切に維持する。
　また、ポンプ７の吸入側の配管６７に設けられた温度センサＴに測定された冷媒の温度と、ポンプ７の吐出側の配管６１に設けられた温度センサＴに測定された冷媒の温度との差から、ポンプ７中での温度上昇量を演算する。ポンプ７内での温度上昇量が所定の値を超えないようにバイパス弁９の開度を調整して冷媒のバイパス量を適切に維持する。
　すなわち、上記温度センサＴによるポンプ７の吸入側、吐出側の温度測定データの一部あるいは両方の組み合わせによってバイパス弁９の開度を調整することにより、キャビテーションの発生を防止し、かつ、過剰な流量の冷媒をバイパスさせることによるポンプ７の無用な電力消費を抑制することができる。

　以上、本開示の実施形態について説明したが、蒸発器の数、放熱器の冷却方式等の冷凍サイクルを構成する機器の具体的構成は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない場合で適宜変更した態様で実施しても良いのはもちろんである。

　この出願は、２０２１年９月１７日に出願された日本国特願２０２１－１５２０９０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　本開示の冷却装置および冷却方法は、データーセンター等の空気調和の用途に利用することができる。

　１　蒸発器
　２　圧縮機
　３　放熱器
　４　膨張機（膨張弁）
　５　タンク
　６　流路
　７　ポンプ
　７ａ　吐出口
　８　バイパス流路
　９　バイパス弁
１１　ラジエータ
１２　分岐弁
１３　ファン
３１　ラジエータ
３２　ファン
３３　タンク
５１　液はね防止板
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８　配管
６１ａ　分岐点

Claims

　蒸発器において冷媒が熱を受け取り、前記冷媒が圧縮され、前記冷媒から熱が放散され、前記冷媒の圧力が膨張機により下げられ、前記蒸発器へ前記冷媒が送られる冷凍サイクルを用いた冷却装置であって、
　前記膨張機により圧力が下げられた前記冷媒を受け入れるタンクと、
　前記タンクから前記冷媒を吸い込んで前記蒸発器へ向かう流路へ前記冷媒を送るポンプと、
　前記流路から分岐して、前記タンクへ前記冷媒の一部を送るバイパス流路と、
　を有する冷却装置。
　前記蒸発器へ向かう前記流路と前記バイパス流路との分岐箇所において、前記バイパス流路は上方に向けられ、
　前記蒸発器へ向かう前記流路のうち、前記ポンプから前記バイパス流路との分岐箇所までの流路の少なくとも一部が上方に向けられている、
　請求項１に記載の冷却装置。
　前記バイパス流路は前記冷媒の量を調整する流量調整機構を有する、
　請求項１または２に記載冷却装置。
　前記蒸発器へ向かう前記流路と前記バイパス流路との分岐箇所と前記バイパス流路で構成される流路のうち、最も位置が高い部分は前記タンクの底面よりも高い、
　請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記蒸発器へ向かう前記流路と前記バイパス流路との分岐箇所と前記バイパス流路で構成される流路のうち、最も位置が高い部分は前記ポンプの必要吸い込みヘッドよりも高い、
　請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記ポンプの吸い込み側に設けられ、前記冷媒の温度を測定する温度センサをさらに有する、
　請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記タンクは、前記タンクの内部の所定高さの位置に設けられ、前記バイパス流路から流入した前記冷媒の上方への飛散を防止する液はね止め構造を有する、
　請求項１～６のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記バイパス流路と前記タンクとの接続箇所は、前記液はね止め構造よりも下方である、
　請求項７に記載の冷却装置。
　蒸発器において冷媒が熱を受け取り、前記冷媒が圧縮され、前記冷媒から熱が放散され、前記冷媒の圧力が膨張機より下げられ、ポンプにより前記蒸発器へ前記冷媒が送られる冷凍サイクルのためのキャビテーション防止方法であって、
　タンクにより、前記膨張機により圧力が下げられた前記冷媒を受け入れ、
　前記ポンプにより、前記タンクから前記冷媒を吸い込んで前記蒸発器へ向かう流路へ前記冷媒を送り、
　前記流路から分岐したバイパス流路により、前記冷媒の一部を、前記タンクへ送る、
　ことを有するキャビテーション防止方法。
　前記ポンプに吸引される前記冷媒の温度を測定することと、
　測定された前記冷媒の温度に応じて前記タンクへ送る前記冷媒の量を調整することと、
　をさらに有する請求項９に記載のキャビテーション防止方法。