WO2023187931A1

WO2023187931A1 - 熱交換装置および冷却装置

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Publication number: WO2023187931A1
Application number: PCT/JP2022/015168
Authority: WO
Inventors: 真弘蜂矢; 孔一轟; 実吉川
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2023-10-05

Abstract

この発明は、熱交換装置における配置の自由度を高めることを目的とする。　本発明の熱交換装置は、冷媒と空気との間で熱交換する熱交換装置であって、内部に前記冷媒が流れる熱交換器（１）と、該熱交換器（１）を収容し、前記空気が流れる第１の筐体（２）と、前記熱交換器（１）に前記空気を供給するファン（３）と、該ファン（３）を収容し前記第１の筐体（２）に対して着脱自在に連結されて空気を流通させる第２の筐体（４）とを有し、前記第２の筐体（４）は、前記ファン（３）の軸線方向に沿う一端および他端に同一形状の開口を有することを特徴とする。

Description

熱交換装置および冷却装置

　本発明は熱交換装置および冷却装置に関する。特に、データセンターの空気調和に好適な熱交換装置および冷却装置に関する。

　データセンターのサーバルームなど、電子機器のような発熱源を数多く収容した空間の冷却には、いわゆる冷凍サイクルを利用して冷媒を循環させる空気調和装置（空調装置）が使用されている。
　この空調装置の方式は、下記の全体空調および局所空調に大別され、これらは、単独で、あるいは両者を併用することによって、サーバルームに必要とされる冷却性能を得ている。
　全体空調は、複数のサーバを上下に重ねて格納したサーバラックから離れた位置に、室内空気と冷媒との間で熱交換する受熱部(室内機)を設置し、部屋を全体的に冷却する方式である。
　また局所空調は、前記サーバラックの直近に受熱部を設置し、サーバラック付近の空気を局所的に冷却する方式である。

　前記局所空調のメリットとして、下記の事項を挙げることができる。
　受熱部とサーバラックの間の空気の移動距離が短いので、受熱部のファン電力を低減することができる。
　また、空気の移動距離が短く、エントロピー増大則による熱拡散が起きにくいので、前記冷凍サイクルを構成する圧縮機の消費電力を低減することができる。
　その理由は以下の二つである。
（１）受熱部の排気温度(サーバラックに吸入される冷風の温度)が上がる前にサーバラックに到達するので、サーバラックの吸気温度を維持したまま、冷風温度設定を上げることができる。
（２）サーバラックの排気温度が下がる前に受熱部に到達するので、サーバラックの排気温度との温度差を維持したまま（受熱部に吸入される空気の温度が下がる前に）、受熱部に吸入されることとなり、冷媒と接触する空気の温度が高くなる。したがって、冷媒の蒸発温度（冷媒と空気との温度差）を高くすることができる。

　上記局所冷却装置に関連する特許文献１～３には、下記の構成が開示されている。
（１）受熱部を構成するファンと熱交換器とが一体になったユニットとして構成されている。
（２）上記ユニットは、１台～２台のサーバラックの冷却を想定した冷却能力が得られるサイズになっている。
（３）上記サイズを一単位として、サーバラックの台数に合わせて、ユニットの設置台数を決定することにより、全体を冷却し得る冷却能力を得ている。

　また、冷却装置に関連する特許文献４～８には、下記の構成が開示されている。
（４）特許文献４には、一の送風機によって複数の熱交換ユニットへ送風する構成が開示されている。
（５）特許文献５には、送風機、熱交換器、圧縮機をそれぞれ独立したフレームに格納し、各フレームを組み合わせて使用する構成が開示されている。
（６）特許文献６には、ファンにより熱交換器へ均一に空気を導入する構成が開示されている。
（７）特許文献７には、送風機ユニットと熱交換器ユニットとを組み合わせて使用する構成が開示されている。
（８）特許文献８には、送風機ユニットと熱交換器ユニットとを組み合わせて使用する構成が開示されている。

特開２０１２－３３１０５号公報特開２０１０－２１６７６５号公報特開２０１１－２３８８０６号公報特開昭５９－０３５７３９号公報特開平８－３１２９９４号公報特開２０１２－１７４９１４号公報特開２０１４－００５９５４号公報実開平４－０３２４２０号公報

　特許文献１～３に開示された局所冷却ユニットは、受熱容量が大きい反面大きな設置スペースが必要な大型のものと、受熱容量が小さい反面小さな設置スペースで足りる小型のものとがあり、これらの局所空調装置にあっては、下記の解決すべき課題がある。
（１）例えば、複数台のサーバラックが近接して配置されているような設置状況にあっては、受熱容量の大きな大型の局所空調ユニットの方が高効率であるにもかかわらず、必要な冷却容量を複数台の空調ユニットに分割してまかなうことが必要となって、必要な能力を分割して複数の空調ユニットで負担させることに伴う冷却効率（吸熱しえる熱量に対する消費電力）が大きくなる。すなわち、分割された各空調ユニットの消費電力の総和は、同じ冷却容量を有する単独の空調ユニットの消費電力より大きくなる。
（２）空調ユニットを構成するファンと熱交換器との相対位置や風向きが当該ユニットの構造によって固定されてしまうので、設置場所要件に対する柔軟性が低い。具体的には、サーバルームにおけるサーバラックの配置が様々であるため、例えば、コールドアイルの上方に設置することを前提として設計された冷却ユニットをホットアイルの上方には設置することができない。
　これに対して、上記特許文献４～８に開示された、熱交換器ユニットと送風機ユニットとを組み合わせる構成は、主として、設置に際しての搬入の作業性、あるいは、単に受熱部を圧縮機や放熱部と分離することを目的として採用されたものであるから、サーバルーム内のサーバラックの様々な配置に対応して効率的な局所冷却を行うためのファンや熱交換器の多様な配置を実現するための具体的な構成は開示されていない。

　この発明は、局所冷却装置の設置の条件に応じた最適な冷却能力を得ることができる熱交換装置および冷却装置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、本発明の熱交換装置は、以下の手段を提案している。
　本発明の熱交換装置は、冷媒と空気との間で熱交換する熱交換装置であって、内部に前記冷媒が流れる熱交換器と、該熱交換器を収容し、前記空気が流れる第１の筐体と、前記熱交換器に前記空気を供給するファンと、該ファンを収容し、前記第１の筐体に対して着脱自在に連結されて空気を流通させる第２の筐体とを有し、前記ファンは、回転中心軸に沿う一の方向とその反対方向とに流れの方向を変更可能に構成されたことを特徴とする。

　本発明によれば、設置条件に応じた効率的な局所冷却を行うことを目的とする。

本発明の最小構成例にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明にかかる熱交換装置の第１実施形態にかかる熱交換装置を備えた冷凍サイクルの配管図である。本発明の第１実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図および下面図である。図３の熱交換装置のファンの平面図である。図３の熱交換装置の熱交換器の詳細図である。本発明の第２実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第３実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第４実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第５実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第６実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第７実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第８実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明の第９実施形態にかかる熱交換装置の縦断面図である。本発明にかかる熱交換装置を備えたサーバルームの一実施形態の構成を示す平面図および矢視図である。

　本発明の最小構成にかかる熱交換装置の構成について図１を参照して説明する。
　この熱交換装置は、冷媒と空気との間で熱交換する熱交換装置であって、内部に前記冷媒が流れる熱交換器１と、該熱交換器１を収容し、前記空気が流れる第１の筐体２と、前記熱交換器１に前記空気を供給するファン３と、該ファン３を収容し、前記第１の筐体２に対して着脱自在に連結されて空気を流通させる第２の筐体４とを有し、前記ファン３は、回転中心軸に沿う一の方向とその反対方向とに流れの方向を変更可能に構成されたことを特徴とする。

　上記構成によれば、第１の筐体２と第２の筐体とが着脱可能であるから、これらの数、組み合わせを変更すること、および、前記ファン３の流入側と流出側との前記熱交換器１に対する向きを変更することが可能であることにより、サーバラックの形状、寸法、サーバルームのレイアウトに応じて熱交換器１とファン３とを柔軟に組み合わせて効率的な局所冷却を行うことができる。

　図２～５を参照して、本発明の第１実施形態にかかる熱交換装置について説明する。
　最初に、図２を参照して、第１実施形態にかかる放熱装置を備えた冷凍サイクルの全体の概要を説明する。
　最小構成例の熱交換器１とファン３とを備える受熱部１０は、図示しないサーバルーム内に配置された冷却対象としての複数のサーバ（サーバを格納したサーバラック）から排気された高温の空気（サーバルームの室温より高温の排気）を、冷媒を蒸発させることにより冷却する。該受熱部１０で受熱して蒸発した冷媒は、圧縮機１１によって圧縮される。該圧縮機１１によって圧縮された冷媒は、放熱部１２で大気と熱交換されることにより冷却されて液相となり、膨張弁１３を通過することにより減圧～膨張した後、前記受熱部１０へ循環し、以下、前記空気から受熱することによって継続的にサーバルームを冷却する。

　前記受熱部１０を構成する熱交換装置２０Ａ、２０Ｂについて、図３～５を参照して説明する。
　図３（ａ）（ｂ）は、熱交換装置２０Ａ、２０Ｂの縦断面図であって、符号Ｓは冷却対象としてのサーバラックを示す。図示例では、二つのサーバラックＳが、サーバに内蔵された放熱ファンの排出側をサーバルームのホットアイルＨに向けて、また、吸入側をサーバルームのコールドアイルＣに向けて配置されている。
　熱交換装置２０Ａは、前記サーバラックＳの間の通路の上方（ホットアイルＨの上方）に配置されている。

　図３（ａ）の縦断面図および（ａ’）の下面図に示すように、前記熱交換装置２０Ａは、4基の熱交換器２１を第１の筐体２２内に収容した構成を有する。
　前記熱交換器２１は、冷媒が流れる熱交換パイプ（詳細の図示は省略する）と、該熱交換パイプと空気との接触面積を確保するための放熱フィン（詳細の図示は省略する）とを主要な構成としている。
　前記第１の筐体２２は、図示例では、立方体状の六面体をなし、下面と一の側面とが開口されて、図中矢印で示す空気の流路の一部となっている。また前記熱交換器２１は、前記第１の筐体２２の対角線上に配置されていて、第１の筐体２２内の気流と交差する面積を大きく確保することができる。
　なお前記第１の筐体２２は、例えば、六面体（立方体）の各辺に相当する枠により構成された構造体の６つの面に、それぞれボルト結合等の取り外し可能な固着構造を用いて板状の蓋を取り付けておき、この蓋を適宜取り外すことによって、所望の面を開口させ、この開口から空気を流入、流出させるよう構成したものである。

　前記ファン２３は、前記第１の筐体２２にそれぞれ着脱可能に連結される第２の筐体２４に収容されている。図示例にあっては、ファン２３として軸流ファンを採用していることから、第２の筐体２４は、流路と直交する（ファン２３の回転軸と直交する）横断面の形状が正方形であって、流入側の開口と流出側の開口とが同一形状となっている。
　前記第２の筐体２４は、図３（ａ’）に示すように、平面視で前記第１の筐体２２と重なる形状を有し、上下が開口した六面体（長方体）状をなしている。この第２の筐体２４の内部の空間は、前記第１の筐体２２と連通して空気の流路を構成する。また前記第１の筐体２２とは、フランジやスリーブ等の継手部材（図示略）によって、着脱可能に連結されている。

　また図３（ａ）（ａ’）にあっては、それぞれ熱交換器２１とファン２３とを備える構成の熱交換装置２１Ａを４基配置することによって、所定の冷却能力を得ている。すなわち、前記第１の筐体２２、第２の筐体２４はそれぞれ平面視で正方形状をなし、これらを４基行列状に組み合わせることによって、全体として、単一の第１の筐体２２、第２の筐体２４と相似の正方形状をなして配置されている。

　また図３（ｂ）（ｂ’）は変形例を示す。
　この変形例の熱交換装置２０Ｂは、第１の筐体２２に格納された熱交換器２１を４基配置し、これらに上下に重ねて、４基配置された第１の筐体２２と平面視で重なる形状（図４（ａ）（ｂ）に示すように、平面視において、第２の筐体２４と相似の４倍の大きさの正方形状）をなす第２の筐体２４Ａを備える。該第２の筐体２４Ａ内には、該第２の筐体２４Ａの内面に対して所定の間隔（回転を許容するクリアランス）を有する回転半径を有するファン２３Ａを備える。
　この変形例にあっては、図３（ａ）（ａ’）に示す熱交換装置２０Ａと同じく４基の熱交換器２１を備える。また図３（ａ）（ａ’）に示す熱交換装置２０Ａの４基のファン２３に代えて、図３（ｂ’）図４（ｂ）に示すように、ファン２３の２倍の回転半径を有するファン２３Ａを備えることから、ファン２３を４基使用してそれぞれを駆動モータ（図示略）により駆動して同一の風量を得る場合に比して、ファン２３Ａを１基の駆動モータ（図示略）で駆動することによって、その消費電力を削減することができる。

　なお、図５（ａ）に示す平面形状を有する第１の筐体２２の４基分に相当する、図５（ｂ）に示すような平面形状の熱交換器２１Ａを第１の筐体２２Ａに収容し、これを図４（ａ）に示す平面形状の４基のファン２３と組み合わせるようにしても良い。この構成にあっては、小型の熱交換器２１を４基使用する場合に比して、冷媒の供給側、排出側のヘッダーを個々の熱交換器に設ける構成に比して、熱交換に寄与する熱交換パイプおよび放熱板が占める範囲を大きく確保して、熱交換能力を高くすることができる。また熱交換器２１Ａの各部（１／４の範囲ずつ）を個別のファン２３によって冷却することにより、これらファン２３の回転を熱交換器２１Ａの各部の蒸発量に応じて細かく調整することができる。

　図６は、本発明の第２実施形態を示すものである。なお本第２実施形態以降、熱交換装置２０、２０Ａを構成する、一の第１の筐体２２、および第２の筐体２３は、同一の仕様であって、その設置条件に応じて、向き、あるいは開口された面の位置を変更した上で、複数個組み合わせて使用されているものとする。
　図６（ａ）は、前述の第１実施形態に示す熱交換装置２０Ａの一部を比較のために再度記載したもので、図６（ｂ）に第２実施形態の熱交換装置２０Ｃを示す。
　この熱交換装置２０Ｃは、着脱自在に構成した第１の筐体２２と第２の筐体２４との間に、これらと同一の平面形状（正方形）を有する中間筐体２５を備える。
　この中間筐体２５は、前記第２の筐体２４に収容されたファン２３と前記第１の筐体２２に収容された熱交換器２１との間に、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを直接接続した場合（図６（ａ）の場合）より大きな間隔を置いた構成を有する。

　第２実施形態は、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを着脱可能とした構成を利用して、熱交換装置の設置状条件、例えば、サーバラックと天井との間のスペースに余裕がある場合に、中間筐体２５を間に介在させて取り付けることによって、第１の筐体２２と第２の筐体２４との間の距離を大きく確保することができる。
　上記の構成を採用することにより、ファン２３で発生した気流が熱交換器２１に達するまでに、流路の横断面における気流が均一化され、この結果、熱交換器２１の各部に均一に空気が接触することとなって、熱交換器２１における熱交換の効率（空気と冷媒との熱交換の効率）を高めることができる。またファン２３の気流の抵抗となる熱交換器２１がファン２３から離れることにより、気流中に存在する熱交換器２１の抵抗によるファン２３の風量（送風効率）の低下を抑制することができることを考慮して、前記中間筐体２５を設けることにより、熱交換器２１との間にファン２３の軸線方向への寸法の３倍以上の距離を置くことが望ましい。

　図７は、本発明の第３実施形態を示すものである。
　この第３実施形態は、物理的には、第１実施形態と共通であって、熱交換器２１を第１の筐体２２に収容し、ファン２３を第２の筐体２４に収容して、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを着脱可能に連結した構成を有する。
　図７（ａ）は、前述の第１実施形態に示す熱交換装置２０Ａの一部を比較のために再度記載したもので、比較例としての一般的な設置の態様を示しており、サーバラックＳのホットアイルＨ側の上方にファン２３をその軸線を上下方向へ向けて配置した構成を有する。この比較例にあっては、図７に破線Ｔで示すように、ホットアイルＨの上方で天井の下面を超えるほどまで高さ（図７（ａ）の向きで第１の筐体２２と第２の筐体２４とを連結した寸法）が大きくなって、設置が困難となる。

　これに対して、図７（ｂ）に示す第３実施形態にあっては、第１の筐体２２を構成する六面体の一の面を開口部として下向き（ホットアイルＨへ向けて）配置し、前記六面体の他の面を開口部として、横向きに配置して、その開口部に第２の筐体２４を連結した構成となっている。このような向きとすることにより、熱交換ユニットの高さを第１の筐体２２がなす立方体の一辺の長さまで短縮することができ、サーバラックＳと天井Ｔとの間の制限された空間への配置を容易にすることができる。

　この第３実施形態の配置にあっては、前記ファン２３の吸い込みと吐き出しの方向を図７（ａ）の例と逆にすることによって、サーバラックＳからホットアイルＨへ放出された空気を上方へ吸い上げて第１の筐体２２内の熱交換器２１と熱交換させた後、図中左方向のコールドアイルへ排出することができる。
　ここで、前記ファン２３の吸い込みと吐き出しの方向を逆にするための構成として、例えば下記の構成を採用することができる。
　（１）ファン２３を格納した第２の筐体２４を丸ごと逆向きにして第１の筐体２２に取り付けることにより、ファン２３の吸い込み側、吐き出し側のいずれにも熱交換器２１を配置することができる構成とする。なお、この逆向きの取り付けを考慮して、全体としてダクト状をなす第２の筐体２４の吸い込み開口または吐き出し開口となる両端部をほぼ同一の横断面形状としておくことが望ましい。また、この吸い込み、吐き出し方向を逆にする使用態様を考慮して、ファン２３の吸い込み側、吐き出し側に設けられる整流板、フィンガーガード、フィルターなどの付属品を筐体に対して着脱が容易な構成としておくことが望ましい。
　（２）ファン２３の羽根の捻りを逆にする。
　（３）ファン２３の駆動モータを逆回転させる。

　上記第３実施形態にあっては、ホットアイルの幅が狭い場合（ホットアイルＨの一方の側と他方の側との両方にサーバラックＳが設けられていて、互いの間隔が狭い場合）やサーバラックＳと天井との間の隙間が小さい場合等の設置条件にあって、サーバラックの上方の空間を生かして熱交換装置を配置することができる。

　図８は、本発明の第４実施形態を示すものである。
　この第４実施形態は、物理的には、第１実施形態と共通であって、熱交換器２１を第１の筐体２２に収容し、ファン２３を第２の筐体２４に収容して、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを着脱可能に連結した構成を有する。
　図８（ａ）は、比較例としての一般的な設置の態様を示しており、サーバラックＳのホットアイルＨ側の上方位置にファン２３をその軸線を上下方向へ向けて配置した構成を有する。
　図８（ｂ）にあっては、第１の筐体２２を構成する六面体の一の面を開口部として横向きに配置するとともに、下向きの面を開口部として下向きに開口させて、この開口部に第２の筐体２４を取り付けた構成を採用している。
　また、前記第２の筐体２４内のファン２３は、前記ファン２３を図８（ａ）の場合と逆方向へ回転させることによって（あるいは、駆動モータの回転方向を変更することができない場合には、ファンの羽根の捻りを逆にすることによって）、サーバラックＳからホットアイルＨに放出されて上昇した空気を横方向へ吸い込み、第１の筐体２２内の熱交換器２１と熱交換させた後、図中左方向のコールドアイルへ排出する構成を採用している。

　上記第４実施形態にあっては、第１の筐体２２を構成する六面体の開口部の位置を変更すること、およびファン２３の吸い込み方向を変更することによって、熱交換器２１をホットアイルＨ、コールドアイルＣのいずれの側にも配置することができる。したがって、ホットアイルＨ若しくはコールドアイルＣの幅が狭い場合や、ホットアイルＨ若しくはコールドアイルＣ上方の天井付近の空間が狭い場合に、余裕のある側の空間を生かして熱交換装置を配置することができる。

　図９は、本発明の第５実施形態を示すものである。
　　この第５実施形態は、物理的には、第１実施形態と共通であって、熱交換器２１を第１の筐体２２に収容し、ファン２３を第２の筐体２４に収容して、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを着脱可能に連結した構成を有する。
　図９（ａ）は、比較例としての一般的な設置の態様を示しており、ファン２３の軸線を上下方向へ向け、熱交換器２１の下方から供給された空気を左方向へ送り出すように、第１の筐体２２を構成する六面体の下面と左側面とを開口させた構成を有する。
　図９（ｂ）は、第１の筐体２２を構成する六面体の上下の面を開口させ、上部の開口に第２の筐体２４を連結した構成を有する。

　図９（ｂ）に示す態様は、例えばサーバルームの天井近くの空間に余裕がある場合に好適に採用され、前記ファン２３によって、図中矢印で示すように、ホットアイルＨから上方へ向かう気流を生じさせることにより、前記熱交換器２１の下方から吸い込んだサーバ等の排気を冷媒と熱交換した後、上方へ排出することができる。

　図９（ｃ）は、例えば、二つのサーバラックの間が狭く、サーバラックの上方を経由して外側からホットアイルの排気を吸引する場合に好適な実施形態である。
　図９（ｃ）の左側に配置された熱交換器２１は、その第１の筐体２１の左側面と上面とが開口され、また、右側に配置された熱交換器２１は、その第１の筐体２１の右側面と上面とが開口されている。また左右の前記熱交換器２１の上方には、ファン２３Ａが配置されていて、第２の筐体２４Ａは、前記第１の筐体２１に連結されている。なお前記ファン２３Ａ、第２の筐体２４Ａは、実質的に図３（ｂ）に示すような構成とされていて、第１の筐体２２を下に、第２の筐体２４Ａを上に配置した構成であって、前記ファン２３Ａは、図３（ｂ）の場合と逆方向へ空気を吸い込み、矢印方向へ排出するよう構成されている。

　図９（ｃ）に示す実施形態にあっては、前記ファン２３によって図中矢印で示すように左右の外側から空気を吸引して上方に排出することができる。したがって、例えば、サーバラックの上方の空間を通ってホットアイルから吸引した空気をサーバルームの上方の空間へ排出することができる。

　図９（ｄ）は、例えば、二つのサーバラックの間のホットアイルＨから空気を吸引して冷却する場合に好適な実施形態である。
　図９（ｄ）の左側に配置された熱交換器２１は、その第１の筐体２１の左側面と下面とが開口され、また、右側に配置された熱交換器２１は、その第１の筐体２２の右側面と下面とが開口されている。また二つの前記熱交換器２１の外方には、それぞれファン２３が配置されていて、それぞれの第２の筐体２４は、前記第１の筐体２１に連結されている。

　図９（ｄ）に示す実施形態にあっては、前記ファン２３によって図中矢印で示すように下方から空気を吸引して、左右の熱交換器２１へ供給し、さらに左右方向へ排出することができる。したがって、例えば、サーバラックの上方の空間の余裕がない場合に、吸引したホットアイルＨの空気を側方（例えばサーバラックと天井との間の空間）へ案内することができる。

　　図１０は、本発明の第６実施形態を示すものである。
　この第６実施形態は、熱交換器２１を格納した第１の筐体２２と、ファン２３を格納した第２の筐体２４とを上下に並べて構成し、これらを２系統並列に設けて構成した例を示すものである。図１０（ａ）では、単に第１の筐体２２と第２の筐体２４とを接続しているのに対し、図１０（ｂ）では、第１の筐体２２と第２の筐体２４との間に中間筐体２５を配置して、ファン２３と熱交換器２１との間の距離を確保し、一基のファン２３から二基の熱交換器２１へ送風することができる構成を採用している。また各ファン２３は、最大風量の５０％以下の回転数でそれぞれの熱交換器２１へ必要な流量を供給することができる送風容量を有している。

　ここで、いずれか一方の（図中破線で示す）ファン２３が故障した場合（あるいはサーバからの放熱量が小さく、受熱量が少ない条件の場合）にあっては、図１０（ａ）の例では、定格の５０％の回転数で運転していた（図中実線で示す）一方のファン２３を最大風量で回転させて一方の系列で可能な限り大きな熱量を吸収することができる。また図１０（ｂ）の例では、定格の５０％の回転数で運転していた（図中実線で示す）正常なファン２３の回転数を高めて定格の１００％の風量を二つの熱交換器２１へ供給することにより、一方のファン２３が故障した場合であっても二基の熱交換器２１による冷却性能を維持することができる。

　前記中間筐体２５は、例えば、前記ファン２３の直下にない図中右側に配置された熱交換器２１から前記ファン２３へ向かう気流の角度が所定角度α（例えば４５度）未満となる長さを有していて、一基のファン２３から二基の熱交換器２１への気流を円滑に導くことができるよう構成されている。

　上記構成によれば、１基のファン２３によって２基の熱交換器２１から空気を吸い込む（流入させる）ことができるとともに、通常運転時に定格の半分以下の回転数でモータを駆動することによって、ファン２３の消費電力を削減することができる。本実施形態に説明したファン２１の冗長度は、局所冷却設備に求められる信頼性と、設備費用と、ランニングコストとを考慮して決定することが望ましい。

　　図１１は、本発明の第７実施形態を示すものである。
　　この実施形態は、図１１（ａ）に示すように、サーバラックＳのホットアイルＨの上方にファン２３および熱交換器２１を配置し、第１の筐体２２の上面、左側面等を開口し、この開口へ冷却空気を導く構成を一般的な配置とする態様において、天井Ｔと干渉した状態の比較例を示すものである。すなわち、図１１（ａ）に示すように、第１の筐体２２と第２の筐体２４との高さの和に相当する空間をサーバラックＳの上方に確保することが難しい設置状態のあっては、図１１（ｂ）に示すような実施形態とすることができる。
　すなわち、サーバラックＳと天井Ｔとの間の空間が狭い場合など、サーバラックＳの上方を越えて、その左側のコールドアイルに空気を導くことが必要となった場合には、図１１（ｂ）に示すように、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを分離し、第２の筐体２４をコールドアイルＣ側に配置してファン２３により熱交換器２１から空気を吸い込む方向への気流を発生させる構成とすることができる。
　この構成によれば、図１１（ａ）の場合に比して、第２の筐体２４の高さに相当する寸法だけサーバラックＳの上方の空間が小さくて済むので、図１１（ａ）に示すような天井Ｔとの干渉を回避することができる。

　すなわち、図１１（ｂ）に示すように、前記サーバラックＳの上方に、天井Ｔにより支持された（天井Ｔの下面に固着され、あるいは吊り下げられた）状態で、該サーバラックＳをまたぐように第１の筐体２２に連通する中間筐体２６を配置し、この中間筐体２６によって第１の筐体２２の左側面の開口と第２の筐体２４の上面の開口とを接続することにより、サーバラックＳの右側のホットアイルＨから吸い込んだ空気を左側のコールドアイルＣへ導き、再度サーバラックＳへ冷却空気を供給することができる。

　　図１２は、本発明の第８実施形態を示すものである。
　　この実施形態は、図１２（ａ）に示すように、サーバラックＳのホットアイルＨ側の上方の天井から、例えば鋼線等の吊り金具２７によって、熱交換器２１を格納した第１の筐体２２を吊り下げ、さらに、この第１の筐体２２の下方に吊り金具２８によってファン２３を格納した第２の筐体２４を吊り下げた構成を有する。

　この第８実施形態にあっては、前記ファン２３によってホットアイルＨの上方へ向かう空気を吸い込み、さらに上方の熱交換器２１で冷却することができる。なお該熱交換器２１を収容する第１の筐体２２は、サーバルーム内の気流、天井部分あるいは天井裏の空間状態に応じて、その上面、左右側面、あるいは左右の側面に対して直交する他の側面を開口することによって、最適な空気流出方向を選択することができる。

　図１３は、本発明の第９実施形態を示すものである。
　この実施形態は、サーバラックＳの上方の天井Ｔとの間の空間を経由して、その左側のコールドアイルに空気を導く構成を有する。
　この実施形態は、図１３に示すように、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを分離して、これらの間に空気流路となる中間筐体２６を設け、この中間筐体２６によって第１の筐体２２の左側面の開口と第２の筐体２４の上面の開口とを接続した構成を有する。
　この中間筐体２６を設けることにより、サーバラックＳの右側のホットアイルＨから吸い込んだ空気を左側のコールドアイルＣへ導き、再度サーバラックＳへ冷却空気を供給することができる。

　この構成によれば、第１の筐体２２と第２の筐体２４とを直列に並べた態様に比して、第２の筐体２４の高さに相当する寸法だけ、サーバラックＳの上方における第１の筐体２２の高さ寸法が小さくて済むので、天井Ｔとの間に大きな空間を確保することができる。この構成は、例えば、天井Ｔから梁が突出している場合、天井Ｔから配線、配管、ダクト等が吊り下げられている場合に、これらの経路との干渉を回避することができるという利点を有する。

　図１４は、本発明を適用したサーバルームの一実施形態を示すもので、（ａ）はサーバルームの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ－ｂ線に沿う矢視図、（ｃ）は（ａ）のｃ－ｃ線に沿う矢視図である。
　このサーバルームは、複数のサーバラックＳを行列状に配置したもので、二つのサーバラックＳの間がホットアイルとなっている。またサーバルームＳには、図１１に示す圧縮機１１、放熱部１２、膨張弁１４を経た冷媒を供給する第１配管Ｐ１と第２配管Ｐ２とが並列に敷設されている。これら第１配管Ｐ１、第２配管Ｐ２は、それぞれ第１の弁Ｖ１、第２の弁Ｖ２を備えていて、これら第１の弁Ｖ１、第２の弁Ｖ２の開閉により、いずれか一方の配管Ｐ１、Ｐ２を各群のサーバラックＳを冷却する熱交換器２１へ接続する構成となっている。

　前記サーバラックＳの上方には、熱交換器２１を収容した第１の筐体２２が２基ずつ配置されている。この配置は、例えば、図９（ｄ）に示すように、下方が開口された第１の筐体２２を側方の開口を互いに反対方向へ向けて設けた構成とされていて、天井Ｔから吊り金具２８によって吊り下げられている。前記第１の筐体２２の上方には、第２の筐体２４に格納されたファン２３が吊り金具２７によって吊り下げられている。図示例にあっては、２基×２基の配列とされた４基の熱交換器２１（第１の筐体２２）の中心の上方に１基のファン２３（第２の筐体２４）が配置されている。すなわち、サーバラックＳの上方にそれぞれ熱交換器２１が配置され、４基のサーバラックＳ上の熱交換器２１の上方から１基のファン２３によって空気を吸引することにより、図１４（ｃ）に示すように、ホットアイルＨから上方へ空気を吸引して、前記ファン２３のさらに上方、あるいはその左右側方へ排出するよう構成されている。

　上記構成によれば、ファン２３により、サーバラックＳ内のサーバの熱を吸収して放出された空気を図１４（ｂ）（ｃ）に矢印で示すように上方へ吸い上げ、熱交換器２１内を流れる冷媒の蒸発により冷却してサーバルーム内を循環させることができる。

　また前記熱交換器２１、ファン２３は、吊り金具２７、２８によって天井から吊り下げられているので、サーバラックＳの上方の任意の位置に配置することができ、また、発熱量、サーバルーム内の空間的な余裕等の条件に応じて、複数のサーバラックＳに対して、最適な数の熱交換器２１、ファン２３を最適な位置に配置することができる。

　以上、実施形態について説明したが、本発明の熱交換装置を構成する熱交換器、ファン、これらを格納する筐体の形状、数、あるいは開口部の位置は実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更しても良いのはもちろんである。

　本発明の熱交換装置および冷却装置は、データ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　熱交換器
　２　第１の筐体
　３　ファン
　４　第２の筐体
１０　受熱部
１１　圧縮部
１２　放熱部
１４　膨張弁
２０、２０Ａ、２０Ｂ　熱交換装置
２１、２１Ａ　熱交換器
２２、２２Ａ　第１の筐体
２３、２３Ａ　ファン
２４、２４Ａ　第２の筐体
２５、２６　中間筐体
２７、２８　吊り金具

Claims

　冷媒と空気との間で熱交換する熱交換装置であって、
　内部に前記冷媒が流れる熱交換器と、
　該熱交換器を収容し、前記空気が流れる第１の筐体と、
　前記熱交換器に前記空気を供給するファンと、
　該ファンを収容し、前記第１の筐体に対して取り外し可能に連結されて空気を流通させる第２の筐体と、
を有し、
　前記ファンは、回転中心軸に沿う一の方向とその反対方向とに流れの方向を変更可能に構成された熱交換装置。
　前記第１の筐体と前記熱交換器とにより構成された第１のユニットよりも、前記第２の筐体と前記ファンとにより構成された第２のユニットの数が少ない、ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
　前記第２の筐体と前記ファンとにより構成された第２のユニットよりも前記第１の筐体と前記熱交換器とにより構成された第１のユニットの数が少ない、ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
　前記第１のユニットと前記第２のユニットとは、その相対位置を変更可能に連結された、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
　前記第１の筐体と第２の筐体とは、前記ファンの回転中心軸方向視において、少なくとも一部が重なる形状を有する請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
　前記第１の筐体と第２の筐体とは、前記ファンの回転中心軸方向視において、同一または相似の形状を有する請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
　前記ファンを格納する第２の筐体は流入、流出の少なくとも一方の方向が変更可能とされた、
　ことを特徴とする請求項２～６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
　前記熱交換器を格納する第１の筐体は空気の流入、流出の少なくとも一方の方向が変更可能とされた、ことを特徴とする請求項２～７のいずれか１項に記載の熱交換装置。
　請求項１～８のいずれか１項に記載の熱交換装置と、受熱器、圧縮機、放熱器、膨張機との間で冷媒を循環させる冷凍サイクルを用いた冷却装置であって、
　前記熱交換装置は１以上の熱交換器と１以上のファンとから構成されており、
　前記熱交換器と前記ファンとがそれぞれユニット化されていること、を特徴とする冷却装置。
　前記受熱器は冷却対象となる熱源の直近に設置されていることを特徴とする、請求項９に記載の冷却装置。