JP2012193892A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却対象物の発熱量の変動に対応して、流量調整弁の弁開度を調節する頻度が高い場合に生じる冷媒の脈動を防止するため、弁開度を調節する回数を低減する手段を提供する。
【解決手段】送風ファンにより供給される空気の風量調節を、弁開度の調節より優先的に行うことによって、発熱量の変動に対応する。
【選択図】図４

Description

本発明は、データセンタのサーバルームなどを冷却する冷却装置に関するものである。

大量の情報処理を行うデータセンタなどのサーバルームにおいては、発熱するサーバを冷却するため、従来、全体冷却方式が採用されている。全体冷却方式は、サーバルーム全体を一様に冷却するものであり、サーバルーム内の一部で発熱量が増大したときは、その箇所の温度が局所的に高くなる熱だまりが発生しやすい。そこで、かかる熱だまりの発生を防止するため、局所冷却方式による局所空調システムが開発された。局所空調システムは、サーバルーム内に複数の局所冷却ユニットを分散して設置することにより、局所的な熱だまりの発生を防止する。局所空調システムの構成については、特許文献１、２などに開示されている。

局所空調システムの構成の一例を図１に示す。局所空調システムは、蒸発器１１、送風ファン１２および流量調整弁１３を備える局所冷却ユニット１０と、冷媒ポンプ２１および凝縮器２２を備える冷媒ポンプユニット２０と、局所冷却ユニット１０および冷媒ポンプユニット２０の運転を制御する制御装置４０とから構成される。
局所冷却ユニット１０は、サーバラックの直上の位置に、天井から吊り下げられて設置される。送風ファン１２が運転されると、空気が局所冷却ユニット１０の吸い込み孔１４から吸い込まれ、蒸発器１１を通過することにより、冷却されたのち、吹き出し孔１５から吹き出される。

図２に示すように、吹き出し孔１５から下方に吹き出された空気は、サーバラック７０の前面に沿って下降し、サーバラック７０に収納されたサーバの熱を奪って、冷却する。
サーバは冷却ファンを備えており、その冷却ファンによって、サーバラック７０の前面の空気はサーバラック７０内に吸い込まれ、サーバラック７０の背面から排出される。排出された空気は上昇し、吸い込み孔１４から局所冷却ユニット１０内に吸い込まれて、再び蒸発器１１において冷却される。

図１において、局所冷却ユニット１０と冷媒ポンプユニット２０は、冷媒が流通する冷媒配管３０によって接続されている。冷媒ポンプユニット２０内の冷媒ポンプ２１によって、局所冷却ユニット１０へ送られた冷媒は、蒸発器１１にて蒸発して、空気を冷却後、冷媒ポンプユニット２０へ戻る。

冷媒ポンプユニット２０に戻った冷媒は、外部から冷水が供給される凝縮器２２において冷却されて、液化したのち、再び冷媒ポンプ２１により局所冷却ユニット１０へ送られて循環する。流量調整弁１３は、蒸発器１１を通過する冷媒の流量を調整するもので、流量を変えることにより、冷媒が空気から奪う熱量を調節する。流量調整弁１３として、電子膨張弁などを使用することができる。
送風ファン１２、流量調整弁１３および冷媒ポンプ２１の運転は、信号線６０で接続された制御装置４０によって、制御される。

図１では、局所冷却ユニット１０が１台のシステムを示したが、サーバルーム内のサーバラック７０の数に対応して、複数の局所冷却ユニット１０が設置される。
図３は、局所冷却ユニット１０を４台一列に設置し、これに対向する列に４台を配置した局所空調システムの例を示す。局所冷却ユニット１０ａ〜１０ｈと冷媒ポンプユニット２０ａ、２０ｂは、冷媒配管３０により接続されている。冷媒ポンプユニット２０ａ内の冷媒ポンプ２１ａにより局所冷却ユニット１０ａ〜１０ｄへ冷媒が供給され、局所冷却ユニット１０ｅ〜１０ｈへは、冷媒ポンプユニット２０ｂ内の冷媒ポンプ２１ｂにより、冷媒が供給される。

局所冷却ユニット１０ａ〜１０ｄおよび冷媒ポンプユニット２０ａの運転は、信号線６０で接続された制御装置４０ａにより、局所冷却ユニット１０ｅ〜１０ｈおよび冷媒ポンプユニット２０ｂの運転は、制御装置４０ｂによってそれぞれ制御される。
空調システムによって、室内を冷却する場合、室内の冷却対象物による発熱量に変動が生じたときには、その変動に対し、流量調整弁１３の弁開度（弁の開きの度合い）を調節して、冷媒の循環量を増減することが行われる。特許文献３では、蒸発器１１の入口部と出口部の空気の温度を測定し、両測定温度の差が目標値に近づくように、膨張弁（減圧装置の減圧弁）の絞り量を変更する。また、特許文献４には、蒸発器１１に吸い込まれる空気の温度をもとに風量を増減し、蒸発器１１から吹き出される空気の温度に基づいて、膨張弁の弁開度を調節する方法が開示されている。

冷却対象物の発熱量の変動に対する措置として、流量調整弁１３の弁開度を調節する方法を、局所空調システムによる冷却に適用する場合、以下のような問題が生じる。

特開２００３−１６６７２９号公報 特開２００５−６１６８７号公報 特開昭６０−１１０７６号公報 特開平４−３５６６４８号公報

サーバルーム内のサーバによる発熱量が変動し、特に、発熱量が増す時間と減少する時間がともに短く、小刻みに発熱量の増減を繰り返す場合、流量調整弁１３の弁開度の調節によって、その変動に対応するならば、弁開度の増減を繰り返すことが頻発することとなる。弁開度を小刻みに調節することは、冷媒ポンプ２１の運転に過酷な負担を与え、送り出される冷媒の流れに脈動を生じて、冷媒ポンプ２１による振動、騒音が発生する原因となる。

そこで、流量調整弁１３の弁開度の小刻みな調節によって、冷媒ポンプ２１から送り出される冷媒の流れに発生する脈動を防止するため、本発明は、弁開度を調節する回数、時間を低減する手段を提供することを課題とする。

上記課題は、冷却対象物の発熱量の変動に対する措置として、送風ファン１２によって供給される空気の風量を増減することを優先的に行うことによって解決できる。請求項１、２に記載の発明によって、上記課題が解決されることを以下に述べる。

請求項１に記載の発明は、空気を冷媒によって冷却する蒸発器と、前記蒸発器に前記冷媒を供給する冷媒ポンプと、前記蒸発器に前記空気を供給する送風ファンと、前記蒸発器の冷媒入口側に設けられた流量調整弁と、前記蒸発器の空気出口に設置され、前記空気出口から吹き出される空気の温度を測定する温度センサーと、前記冷媒ポンプ、前記送風ファンおよび前記流量調整弁の運転を制御する制御装置とを備える冷却装置であって、前記制御装置が、前記温度センサーによって測定された前記空気の温度の測定値を、予め設定された目標温度と比較し、前記測定値が前記目標温度より高い場合には、前記送風ファンの回転数を減少することにより、前記空気の風量を減少し、前記測定値が前記目標温度より低い場合には、前記送風ファンの回転数を増すことにより、前記空気の風量を増大する第１制御手段を備えることを特徴とする冷却装置に係るものである。

請求項１に記載の発明によれば、蒸発器１１と、冷媒ポンプ２１と、送風ファン１２と、流量調整弁１３と、蒸発器１１から吹き出される空気の温度を測定する温度センサーと、制御装置４０とを備える冷却装置を運転中に、冷却対象物による発熱量に変動が生じたときには、第１制御手段により、温度センサーによる測定値をもとに、送風ファン１２によって供給される空気の風量を増減する。

第１制御手段は、温度センサーによる測定値が目標温度より高い場合には、送風ファン１２の回転数を減少することにより、蒸発器１１から吹き出される空気の風量を減少する。風量を減少して、蒸発器１１から吹き出される空気の温度（以下、吹き出し温度）を低下し、目標温度に一致させるものである。
また、測定値が目標温度より低い場合には、送風ファン１２の回転数を増すことにより、蒸発器１１から吹き出される空気の風量を増大する。風量を増大して、吹き出し温度を上昇し、目標値に一致させるものである。

以上のように、請求項１に記載の発明によれば、発熱量の変動に対する措置として、第1制御手段によって、風量を増減する。風量を増減して、吹き出し温度を調節し、発熱量の変動に対応するものである。

したがって、発熱量の変動が生じたときに、流量調整弁の弁開度を調節することなく、吹き出し温度を目標温度に保持することが可能となる。流量調整弁の弁開度を調節することがないため、冷媒ポンプへの過重な負担を回避できる効果が得られる。
請求項２に記載の発明は、前記制御装置が、前記空気の風量を、予め設定された前記風量の上限値および下限値と比較し、前記風量が前記上限値に等しい、あるいは前記上限値より大である場合には、前記流量調整弁の弁開度を減少し、前記風量が前記下限値に等しい、あるいは前記下限値より小である場合には、前記流量調整弁の弁開度を増大する第２制御手段を、前記第1制御手段に加えて、備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置に係るものである。

請求項１に記載の発明は、風量を増減して、吹き出し温度を調節し、発熱量の変動に対応する。発熱量の変動の幅が小のときは、第１制御手段による風量の増減のみによって、変動に対応できるが、変動の幅が大となったときには、対応できないことも生じる。
そこで、かかる場合には、請求項２に係る第２制御手段により、流量調整弁の弁開度を増減して、吹き出し温度を調節する。

請求項２に記載の発明によれば、風量について設定した下限値から上限値までの範囲において、風量を増減したときに、吹き出し温度が目標温度に一致しないときは、第２制御手段によって、流量調整弁の弁開度を調節する。すなわち、吹き出し温度が目標温度より高い場合に、風量を減少するが、風量が下限値に至っても、目標温度に達しないときは、流量調整弁の弁開度を増大して、冷媒の循環量を増す。冷媒の循環量を増すことにより、吹き出し温度を低下するものである。

反対に、吹き出し温度が目標温度より低い場合には、風量を増大するが、風量が上限値に至っても、目標温度に達しないときは、流量調整弁の弁開度を減少して、冷媒の循環量を減少する。冷媒の循環量を減少することにより、吹き出し温度を上昇するものである。
以上のように、第１制御手段による風量の増減によっては、発熱量の変動に対応できないときには、第２制御手段により、流量調整弁の弁開度を増減する。

請求項２に記載の発明では、まず第１制御手段が、第２制御手段より優先して、発熱量の変動に対応する。吹き出し温度を調節するために、流量調整弁の弁開度を増減する回数や時間は、風量調節がなく、流量調整弁の弁開度の増減のみによって、吹き出し温度を調節する場合より、大きく減少する。

したがって、発熱量の変動が生じたときに、流量調整弁の弁開度を調節する回数、時間が少なくても、吹き出し温度を目標温度に保持することが可能となる。流量調整弁の弁開度を増減する回数や時間を減らすことができるため、冷媒ポンプへの過重な負担を回避できる効果が得られる。

以上に述べたように、請求項１、２に記載の発明によれば、発熱量の変動に対して、流量調整弁の弁開度を増減することを要しない、あるいは弁開度を増減する回数や時間を減らすことができる。これにより、冷媒ポンプへの過重な負担を回避できる効果が得られ、本発明の解決課題は解決される。

局所空調システムの構成例を表す図である。 局所冷却ユニットによる冷風の供給を表す図である。 局所空調システムの構成例を表す図である。 本発明を実施するフローチャートを表す図である。 実施例１における吹き出し温度と風量、弁開度の関係を示す図である。 比較例における吹き出し温度と弁開度の関係を示す図である。

図３に示した局所空調システムを備えた室内において、各局所冷却ユニット１０ａ〜１０ｈの直下に、それぞれサーバラック７０を設置した。この局所空調システムの運転において、本発明を実施した実施例１を説明する。

本発明を、図４に示すフローチャートに従い、以下のように実施した。
１）図４に示したステップＳ１では、吹き出し温度の測定値を目標温度と比較する。測定値が目標温度より高いときには、ステップＳ２に進む。測定値が目標温度より高くないときには、ステップＳ３に進む。ここで、吹き出し温度を一定に保持する目標の温度を、目標温度として、予め設定する。吹き出し温度を目標温度に保持することにより、目標温度に冷却された空気をサーバラック７０に送風し、冷却するものである。
２）ステップＳ２では、送風ファン１２による風量が、風量の下限値に等しいか、あるいは下限値より小であるかを判断する。

送風ファン１２による空気の風量は、ファン回転数を変えることで、増減する。風量を過度に減少したときには、吹き出された空気が、サーバラック７０に到達しないことも生じる。また、送風ファン１２による送風が弱く、かつサーバが備える冷却ファンが吸い込む空気の風量が小であるときには、サーバの発熱により暖められたサーバラック７０の周囲の空気が、送風ファン１２による送風に抗して、上昇する気流を生じることもある。そこで、送風ファン１２による送風によって、サーバラック７０が冷却されるために必要な最低限の風量を、下限値として設定する。

風量が下限値に等しい、あるいは下限値より小である場合には、ステップＳ５に進み、流量調整弁１３の弁開度を増して、冷媒循環量を増大する。風量の減少を停止し、代わりに冷媒循環量を増して、冷却能力を高めるものである。冷媒循環量を増すことにより、吹き出し温度が下がり、ステップＳ３に進むことになる。
風量が下限値より大であるならば、ステップＳ４に進み、送風ファン１２の回転数を減少することにより、風量を減少したのち、ステップＳ１に戻る。風量の減少により、蒸発器１１において、空気が冷媒と熱交換する時間を増して、吹き出し温度を低下するものである。
３）ステップＳ１において、吹き出し温度の測定値が、目標温度より高くないとして、ステップＳ３に進んだときに、測定値が目標温度より低い場合には、ステップＳ６に進む。
ステップＳ３で、測定値が、目標温度に等しい場合には、ステップＳ１に戻る。
４）ステップＳ３から進んだステップＳ６では、送風ファン１２による風量が、風量の上限値に等しいか、あるいは上限値より大であるかを判断する。ここで、送風ファン１２がとり得るファンの最大回転数、たとえば定格回転数をもとに、風量の上限値を設定することができる。
風量が上限値に等しい、あるいは上限値より大である場合には、ステップＳ８に進み、流量調整弁１３の弁開度を減少して、冷媒循環量を減少する。風量の増大を停止し、代わりに冷媒循環量を減少して、冷却能力を下げるものである。冷媒循環量を減少することにより、吹き出し温度が上がり、ステッＳ１に進むことになる。
風量が上限値より小であるならば、ステップＳ７に進み、送風ファン１２の回転数を増すことにより、風量を増大したのち、ステップＳ１に戻る。風量の増大によって、吹き出し温度を上昇するものである。

以上のフローチャートに従って、サーバの発熱量の変動に対し、風量の増減を優先的に行った結果の一例を図５に示す。図５は、測定した吹き出し温度の時間変化に対する風量および弁開度の変化を表したものである。吹き出し温度が目標温度より高くなったときに、風量を減少することにより、吹き出し温度が低下した。弁開度を調節することなく、風量の調節のみによって、吹き出し温度の上昇に対応できることを示している。吹き出し温度が大きく上昇したときには、まず風量を減少したが、下限値に達したため、弁開度を増大することにより、吹き出し温度が低下した。

図５では、風量を調節して、吹き出し温度の上昇に対応した。これに対し、風量を一定として、弁開度のみを調節したときの結果を比較例として図６に示す。吹き出し温度が目標温度より高くなったときに、弁開度を増すことにより、吹き出し温度が低下した。弁開度の調節によって、吹き出し温度の上昇に対応できることを示している。しかし、弁開度の調節のみによって、吹き出し温度の変動に対応するため、弁開度を調節する回数、時間は図５と比べて多く、冷媒ポンプ２１の運転に負担を課するものである。

１０ 局所冷却ユニット
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 局所冷却ユニット
１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ 局所冷却ユニット
１１ 蒸発器
１２ 送風ファン
１３ 流量調整弁
１４ 吸い込み孔
１５ 吹き出し孔
２０、２０ａ、２０ｂ 冷媒ポンプユニット
２１、２１ａ、２１ｂ 冷媒ポンプ
２２、２２ａ、２２ｂ 凝縮器
３０ 冷媒配管
４０、４０ａ、４０ｂ 制御装置
６０ 信号線
７０ サーバラック

Claims (2)

1. 空気を冷媒によって冷却する蒸発器と、
   前記蒸発器に前記冷媒を供給する冷媒ポンプと、
   前記蒸発器に前記空気を供給する送風ファンと、
   前記蒸発器の冷媒入口側に設けられた流量調整弁と、
   前記蒸発器の空気出口に設置され、前記空気出口から吹き出される空気の温度を測定する温度センサーと、
   前記冷媒ポンプ、前記送風ファンおよび前記流量調整弁の運転を制御する制御装置とを備える冷却装置であって、
   前記制御装置が、
   前記温度センサーによって測定された前記空気の温度の測定値を、予め設定された目標温度と比較し、前記測定値が前記目標温度より高い場合には、前記送風ファンの回転数を減少することにより、前記空気の風量を減少し、
   前記測定値が前記目標温度より低い場合には、前記送風ファンの回転数を増すことにより、前記空気の風量を増大する第１制御手段を備えることを特徴とする冷却装置。
2. 前記制御装置が、
   前記空気の風量を、予め設定された前記風量の上限値および下限値と比較し、前記風量が前記上限値に等しい、あるいは前記上限値より大である場合には、前記流量調整弁の弁開度を減少し、
   前記風量が前記下限値に等しい、あるいは前記下限値より小である場合には、前記流量調整弁の弁開度を増大する第２制御手段を、前記第1制御手段に加えて、備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。