JP2015098980A - 情報処理室の空調設備 - Google Patents

Abstract

【課題】地球温暖化防止と、情報処理室の空調に要する動力の削減を達成し、かつ結露の発生を防止して情報処理機器の損傷を防止する。【解決手段】一次冷媒としてＮＨ３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器として圧縮機１６、蒸発式凝縮器１８及び膨張弁２２を有する一次冷媒回路１２と、二次冷媒としてＣＯ２冷媒が循環し、ＣＯ２冷媒が常温に保持されるように圧力調整された二次冷媒回路１４と、一次冷媒回路１２及び二次冷媒回路１４が接続され、ＮＨ３冷媒とＣＯ２冷媒とを熱交換させＣＯ２冷媒を液化させるＣＯ２液化器２４と、サーバ室３４内に設けられて二次冷媒回路１４が接続され、常温に保持されたＣＯ２冷媒と室内空気とを熱交換させ、サーバ室３４内を常温に冷却する冷却器３６とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、コンピュータやサーバ等の情報処理機器が収納された情報処理室の空調設備に関する。

コンピュータやサーバ等の情報処理機器が多数設置されたデータセンタの情報処理室では、収納された情報処理機器の発熱量はデータ処理量の増大に伴って年々増加している。一方、情報処理機器は正常に動作するためには一定の温度環境が必要であり、高温状態に置かれると作動停止などのトラブルを引き起こすおそれが出てくる。
そのため、情報処理室を常温以下に保持するために情報処理室の空調が必要となるが、情報処理機器の発熱量の増大に伴って、情報処理室の空調設備に要する動力も年々増加している。従って、地球環境保全の観点からも、空調動力の削減が求められている。

特許文献１には、電子機器ルームの冷却システムが開示されている。この冷却システムは、冷凍サイクル構成機器が設けられた一次冷媒回路と、サーバ室に導設される二次冷媒回路とを有し、二次冷媒回路は、一次冷媒回路に設けられた液化器に循環される循環ラインと、外気と熱交換する冷却塔に自然循環で循環される循環ラインとに切換可能となっている。

特許文献２に開示されたサーバ室の空調システムは、多数のサーバラックを列状に配置し、全サーバの冷気の取入れ側と排出側を同じ側に揃えることで、サーバ室内をホットゾーンとクールゾーンとに区分けしている。これによって、サーバの冷却効率の向上を図っている。

特許文献３及び特許文献４には、冷媒蒸発器が開示されている。特許文献３に開示された冷媒蒸発器は、冷媒蒸発器の内部で気化した冷媒ガスが冷媒回路に戻る出口開口に、冷媒ガスに含まれる液滴を分離するための邪ま板が配置されている。
特許文献４に開示された冷媒蒸発器は、熱交換効率が良いシェルアンドプレート式熱交換器で構成された満液式蒸発器であり、冷媒蒸発器の内部で気化した冷媒ガスが冷媒回路に戻る出口通路にフィルタ式の液滴分離器が設けられている。また、熱交換される２種の冷媒の熱交換流路が形成されたプレート重合体と筒状のハウジングの隔壁との間に形成された空間に充填材を充填している。

特開２００９−１９３２４５号公報 特開２０１０−４３８１７号公報 特表２００５−５０２０１６号公報 国際公開第２０１２／１０７６４５号公報

特許文献１に開示された冷却システムは、一次冷媒及び二次冷媒として、地球温暖化係数の高いフロン又は代替フロンを使用するので、地球温暖化防止の観点で問題がある。また、特許文献２に開示された空調システムはサーバ室の空調設備の省エネを目的とするものであるが、地球温暖化防止の観点からの配慮はなされていない。また、情報処理室の空調設備で起る以下の問題を解決するものではない。

即ち、情報処理室の空調のため冷媒として冷却水を使用する場合、冷却管から冷却水の漏洩が発生すると、電子機器類を損傷するおそれがある。また、顕熱冷却を採用する空調設備のように、冷却能力が低い空調設備では、冷媒の温度を低くして冷却能力を高める必要がある。しかし、冷媒の温度を低くすると、結露が発生しやすく、結露により電子機器類が損傷するおそれがある。
また、特許文献３に開示された冷媒蒸発器の邪ま板では、冷媒ガスに含まれる液滴を分離する分離効果は高くなく、圧縮機への液バックが起るおそれがある。また、特許文献４に開示された冷媒蒸発器のフィルタ式液滴分離器では、圧力損失が増大し、運転動力が増加するおそれがある。

本発明は、前記の問題点に鑑みなされたものであり、地球温暖化防止と、情報処理室の空調に要する動力の削減を達成し、かつ結露の発生を防止して情報処理機器の損傷を防止することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の情報処理室の空調設備は、一次冷媒としてＮＨ_３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器を有する一次冷媒回路と、二次冷媒としてＣＯ_２冷媒が循環し、ＣＯ_２冷媒が常温に保持されるように圧力調整された二次冷媒回路と、一次冷媒回路に冷凍サイクル構成機器として設けられた圧縮機、ＮＨ_３冷媒を外気で冷却する蒸発式凝縮器及び膨張弁と、一次冷媒回路及び二次冷媒回路が接続され、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒とを熱交換させＣＯ_２冷媒を液化させるＣＯ_２液化器と、情報処理室内に設けられると共に、二次冷媒回路が接続され、常温に保持されたＣＯ_２冷媒により情報処理室内を常温に冷却する冷却器とを備えている。

本発明では、冷媒として、オゾン層破壊作用がなくかつ地球温暖化係数がゼロに近い自然冷媒のＮＨ_３及びＣＯ_２を用いることで、地球温暖化のおそれをなくすことができる。
また、一次冷媒として冷却能力が大きいＮＨ_３を用い、二次冷媒として無害かつ安定した流動特性をもつＣＯ_２を用いることで、冷却効率を向上できる。
さらに、本発明では、ＣＯ_２冷媒が常温、例えば１５〜２５℃に、好ましくは（２０±２）℃に保持されるように二次冷媒回路の圧力を調整し、情報処理室に設けられた冷却器に供給されるＣＯ_２を常温に保持している。ＣＯ_２冷媒を高い温度に保持しているので、空調設備のＣＯＰを向上できる。

そして、冷却器でＣＯ_２冷媒を常温で気化させることで、情報処理室内を効率良く常温に冷却できると共に、結露の発生を抑制できる。そのため、結露による電子機器類の損傷を防止できる。また、万一、ＣＯ_２冷媒が情報処理室の内部で二次冷媒回路から漏洩しても気化してしまうので、電子機器類を損傷するおそれがない。
特に、サーバ室を空調する場合、二次冷媒回路を流れるＣＯ_２の圧力制御により、ＣＯ_２の温度を（２０±２）℃に制御することで、サーバ室を電子回路に最適な温度環境に保持できる。

また、ＣＯ_２冷媒を常温に保持しているので、ＣＯ_２冷媒と熱交換するＮＨ_３冷媒も一次冷媒回路内で常温付近に保持しつつ空調設備を運転できる。そのため、蒸発式凝縮器を用いることで、外気温度が高くても、蒸発式凝縮器によって低い湿球温度でＮＨ_３冷媒を冷却できる。これによって、空調設備のＣＯＰを向上できる。

本発明の一実施態様として、情報処理室の内部に収納され電子回路を内蔵したシステムボードの表面に固定され、内部にＣＯ_２流路が形成された冷却板と、二次冷媒回路から分岐して冷却板に形成されたＣＯ_２流路に接続されたＣＯ_２分岐路とをさらに備え、二次冷媒回路を流れる常温のＣＯ_２冷媒液をＣＯ_２流路に循環させるようにすることができる。
スーパーコンピュータ用ＣＰＵなどは高熱を発する。前記実施態様によれば、ＣＯ_２の蒸発潜熱によって電子回路を直接冷却できるので、冷却水などの顕熱冷却と比べ、冷却効果を飛躍的に向上できる。また、システムボードの熱を一切外部に出さないコンパクトな冷却手段を実現できる。

冷却水を用いると、冷却水路に水垢が付着し、熱交換性能が低下するおそれがあり、また、直接膨張式の冷媒循環を行うと、冷媒流路に油膜や油溜りにより熱交換効率が低下するおそれがある。これに対し、二次冷媒回路を流れるＣＯ_２を導入することで、このような問題は発生しない。

本発明の一実施態様として、情報処理室の内部で情報処理機器が収納された多数のラックを列状に配置すると共に、情報処理機器の間に多数の冷気通路を並列に形成することができる。そして、冷却器で冷却された冷気を多数の冷気通路の同一側から冷気通路に入る第１の冷気流と、多数の冷気通路に入った冷気が冷気通路の同一側から出て冷却器に戻る第２の冷気流とからなる空気循環流を形成することができる。
かかる空気循環流を形成することで、情報処理室の内部を、前記冷気通路の入口側に形成されるコールド領域と、前記冷気通路の出口側に形成されるホット領域とに区分けできる。これによって、温度差をもつ空気が混じり合うことなく循環するので、情報処理室の内部を効率良く冷却できる。

本発明の一実施態様として、蒸発式凝縮器をＣＯ_２液化器より上方に配置すると共に、一次冷媒回路は圧縮機及び膨張弁を迂回するＮＨ_３バイパス路と、一次冷媒回路とＮＨ_３バイパス路とを切り換える切換機構とを有し、ＮＨ_３バイパス路でＮＨ_３冷媒を自然循環させるようにすることができる。

本発明では、ＣＯ_２冷媒を常温に保持しているので、ＣＯ_２冷媒と熱交換するＮＨ_３冷媒も一次冷媒回路内で常温付近に保持しつつ空調設備を運転できる。そのため、この実施態様では、外気温度が常温以下の場合には、圧縮機を稼働せずに、ＮＨ_３冷媒をＮＨ_３バイパス路に循環させるフリークーリング運転を行うようにする。そして、外気でＮＨ_３冷媒を冷却することで冷凍サイクルを形成できる。
即ち、蒸発式凝縮器を用いることで、外気温度が高くても、蒸発式凝縮器によって低い湿球温度でＮＨ_３冷媒を冷却できる。そのため、フリークーリング運転を行う期間を長くすることができ、コスト低減が可能となる。

また、ＣＯ_２液化器と蒸発式凝縮器との間で、ＮＨ_３冷媒をサーモサイフォン作用を利用して自然循環させるようにする。これによって、ＮＨ_３冷媒を循環させる動力が不要となり、ＣＯＰを向上できる。

本発明の別な一実施態様として、蒸発式凝縮器をＣＯ_２液化器より上方に設けると共に、二次冷媒回路はＣＯ_２液化器を迂回して蒸発式凝縮器に導設されるＣＯ_２バイパス路と、二次冷媒回路とＣＯ_２バイパス路と切り換える切換機構と、蒸発式凝縮器に設けられＣＯ_２バイパス路と接続された熱交換管とを有し、ＣＯ_２バイパス路でＣＯ_２冷媒を自然循環させるようにすることができる。
本実施態様では、蒸発式凝縮器によって、ＮＨ_３冷媒に加えて、ＣＯ_２冷媒を直接外気で冷却できる。即ち、外気温度が高くても、蒸発式凝縮器で低い湿球温度で直接ＣＯ_２冷媒を冷却できるので、フリークーリング運転を行う期間をさらに長くすることができる。さらに、ＮＨ_３冷媒の自然循環運転と組み合わせることで、フリークーリング運転期間をさらに長期化できる。

また、フリークーリング運転において、ＣＯ_２冷媒をサーモサイフォン作用を利用して蒸発式凝縮器に自然循環させることで、ＣＯＰを向上できる。

また、本発明で使用されるＣＯ_２液化器の一実施態様として、ＮＨ_３冷媒が導入される筒状の中空容器と、該中空容器の内部に配置されるプレート重合体であって、表裏面にＮＨ_３冷媒及びＣＯ_２冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ね合されたプレート重合体と、該プレート重合体の上方空間に中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面に形成されたＮＨ_３ガス導入孔及び一次冷媒回路に接続されたＮＨ_３ガス導出管を有する中空ハウジングと、プレート重合体の内部に、二次冷媒回路と多数のプレートに形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通させるＣＯ_２導入路、及びＣＯ_２冷媒の熱交換流路と二次冷媒回路とを連通させるＣＯ_２導出路とを備えたＣＯ_２液化器を用いることができる。

前記構成のＣＯ_２液化器では、プレート重合体に形成された熱交換流路でＣＯ_２冷媒と熱交換して気化したＮＨ_３冷媒ガスは、上昇して中空ハウジングの下部領域から中空ハウジングを迂回し、中空容器の上部隔壁面に対向配置されたＮＨ_３ガス導入孔から中空ハウジングに流入する。中空ハウジングに流入したＮＨ_３冷媒ガスは中空ハウジングの上面に形成されたＮＨ_３ガス導出管から一次冷媒回路に流出し、圧縮機に導出される。

ＮＨ_３冷媒ガスは、中空ハウジングの周囲に形成された迂回流路を通る間に、重力によりＮＨ_３冷媒ガスに含まれるＮＨ_３の液滴を分離される。かかる中空ハウジングの邪ま板効果により、液滴分離効果を向上でき、圧縮機への液バックを防止できる。
また、ＮＨ_３冷媒ガスが上昇してＮＨ_３ガス導入孔に到達する流路の途中に、特許文献４に開示されたフィルタ式液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、冷凍サイクルのＣＯＰを向上できる。

さらに、前記構成に加えて、中空ハウジングを中空容器の上部隔壁に対向配置したまま中空容器の軸方向に延設すると共に、中空ハウジングの下面に中空ハウジングの長手方向に向けてＮＨ_３散布管を配置し、このＮＨ_３散布管にＮＨ_３冷媒をプレート重合体に向けて散布する散布孔を形成することができる。
これによって、該散布孔からＮＨ_３冷媒液をプレート重合体に対し軸方向に均一に散布できるので、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器へのＮＨ_３冷媒の供給量を低減できると共に、一次冷媒回路全体のＮＨ_３冷媒量を低減できる。

また、本発明の一実施態様として、中空ハウジングの側方隔壁とプレート重合体との間に形成された空間に充填材を充填することができる。これによって、中空容器へ供給するＮＨ_３冷媒の供給量を低減できる。

本発明によれば、地球温暖化を防止しつつ、情報処理室の空調に要する動力の削減と情報処理機器の適切な保全が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る空調設備の全体構成図である。 前記空調設備に組み込まれたＣＯ_２液化器の正面視断面図である。 前記ＣＯ_２液化器の左側面図である。 前記ＣＯ_２液化器のＡ―Ａ線に沿う右側面視断面図である。 図２に示すＣＯ_２液化器の一部拡大断面図である。 前記ＣＯ_２液化器に設けられた中空ハウジングの上面図である。 本発明の第２実施形態に係るサーバ室の概略図である。 前記第２実施形態に係る空調設備の冷却板の正面図である。 本発明の第３実施形態に係る空調設備の全体構成図である。 本発明の第４実施形態に係る空調設備の全体構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
次に、本発明の第１実施形態に係るサーバ室の空調設備の構成を図１〜図６により説明する。図１は本実施形態に係る空調設備１０Ａの全体構成図である。空調設備１０Ａは、冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路１２と、サーバ室３４の空調を行う二次冷媒回路１４とを備えている。一次冷媒回路１２には、一次冷媒としてＮＨ_３冷媒が循環すると共に、冷凍サイクルを構成する機器として、圧縮機１６、蒸発式凝縮器（エバコン）１８、ＮＨ_３レシーバ２０、膨張弁２２及びＣＯ_２液化器２４が設けられている。なお、蒸発式凝縮器１８はＣＯ_２液化器２４より上方位置、例えばサーバ室３４の屋上に設けられる。

一次冷媒回路１２には、圧縮機１６をバイパスするバイパス路２６ａ及び膨張弁２２をバイパスするバイパス路２６ｂが設けられている。バイパス路２６ａには、ＮＨ_３冷媒の流れを一次冷媒回路１２又はバイパス路２６ａに切り換えるために開閉する切換弁２８ａが設けられている。バイパス路２６ｂにはＮＨ_３冷媒の流れを一次冷媒回路１２又はバイパス路２６ｂに切り換えるために開閉する切換弁２８ｂが設けられている。

二次冷媒回路１４は、二次冷媒としてＣＯ_２冷媒が循環しており、ＣＯ_２レシーバ３０及びＣＯ_２冷媒を循環させるＣＯ_２液ポンプ３２が設けられている。ＣＯ_２液化器２４とＣＯ_２レシーバ３０とはＣＯ_２循環路４２によって接続されている。二次冷媒回路１４はサーバ室３４の内部に導設され、サーバ室３４の内部に設けられた複数の冷却器３６に接続されている。サーバ室３４の内部では、サーバが収納された多数のサーバラック４０が直線状に整列しかつ横方向に複数の列を形成して配置されている。
二次冷媒回路１４は、ＣＯ_２冷媒の蒸発温度が常温に設定されるように高圧に保持されている。例えば、ＣＯ_２冷媒の蒸発温度を２２℃とするためには、５．９ＭＰａに調整される。

かかる構成において、一次冷媒回路１２では、ＮＨ_３冷媒ガスは圧縮機１６によって圧縮され、圧縮機１６から吐出されたＮＨ_３冷媒ガスは蒸発式凝縮器１８で外気ａにより冷却され液化する。液化したＮＨ_３冷媒はＮＨ_３レシーバ２０に一旦貯留される。ＮＨ_３レシーバ２０に一旦貯留されたＮＨ_３冷媒液は膨張弁２２で減圧された後、ＣＯ_２液化器２４でＣＯ_２冷媒と熱交換され、ＣＯ_２冷媒より吸熱して気化する。気化したＮＨ_３冷媒は再び圧縮機１６に送られて圧縮される。

二次冷媒回路１４を循環するＣＯ_２冷媒は一旦ＣＯ_２レシーバ３０に貯留され気液分離される。ＣＯ_２レシーバ３０内のＣＯ_２冷媒ガスはＣＯ_２循環路４２を介してＣＯ_２液化器２４に送られ、ＣＯ_２液化器２４でＮＨ_３冷媒液と熱交換される。ＮＨ_３冷媒液との熱交換で液化されたＣＯ_２冷媒はＣＯ_２循環路４２を介してＣＯ_２レシーバ３０に戻る。
ＣＯ_２レシーバ３０内のＣＯ_２冷媒液は、二次冷媒回路１４を介して冷却器３６に送られる。冷却器３６でＣＯ_２冷媒液はサーバ室３４内の空気と熱交換し、その蒸発潜熱でサーバ室３４内の空気を冷却し一部が気化する。

サーバ室３４内で後述するホット流ｈｆが形成されるホット領域の空気は、サーバの放熱により例えば３５℃ぐらいに昇温している。この昇温した空気を冷却器３６を流れる２２℃のＣＯ_２冷媒液で、例えば２５℃に冷却し、後述するコールド流ｃｆが形成されるコールド領域に供給できる。サーバ室３４内の空気との熱交換で気液二相流となったＣＯ_２冷媒はＣＯ_２レシーバ３０に戻る。

冷却器３６で冷却された室内空気は、冷却器３６に設けられた送風機３８により、サーバラック４０の間の空間を下方に向かうコールド流ｃｆを形成する。各サーバラック４０にはサーバ間に隙間が形成されており、これらの隙間にコールド流ｃｆから冷却空気が流入する多数の冷気通路ｃｗが形成される。冷却空気はサーバを冷却し昇温した後、サーバラック４０の外側へ流出する。サーバラック４０の外側へ流出した昇温空気は冷却器３６に向かって上昇するホット流ｈｆを形成する。

次に、図２〜図６に基づいて、ＣＯ_２液化器２４の構成を説明する。ＣＯ_２液化器２４は、シェルアンドプレート式熱交換器を構成し、一次冷媒回路１２に満液式蒸発器（カスケードコンデンサ）として組み込まれている。ＣＯ_２液化器２４では一次冷媒であるＮＨ_３冷媒液と二次冷媒であるＣＯ_２冷媒ガスとが熱交換され、ＮＨ_３冷媒がＣＯ_２冷媒から吸熱して気化し、ＣＯ_２冷媒は液化する。

図２〜図４において、断面が円形で円筒形状を有する中空容器５０の内部にプレート重合体５２が収容されている。プレート重合体５２は、円板状の多数のプレート５４が重ね合されて円筒形状に形成されている。中空容器５０の上壁の軸方向一端にＮＨ_３導入口５６が形成され、ＮＨ_３導入口５６にＮＨ_３導入管５８が設けられている。中空容器５０の内部でＮＨ_３導入管５８の先端にＮＨ_３散布管６０が接続されている。ＮＨ_３散布管６０は中空容器５０の上壁５０ａに対してほぼ平行に配置されている。
図４に示すように、ＮＨ_３散布管６０には、下方に向けて多数の細径の散布孔６０ａが軸方向に２列に形成されている。

図５はＮＨ_３導入管５８、ＮＨ_３散布管６０及び中空ハウジング６８の拡大図である。ＮＨ_３導入管５８は一次冷媒回路１２に接続されている。ＮＨ_３導入管５８からＮＨ_３散布管６０にＮＨ_３冷媒液が供給される。中空ハウジング６８は中空容器５０の軸方向に延設されており、中空ハウジング６８の下面にＮＨ_３散布管６０がタップ溶接ｗによって固定されている。従って、中空ハウジング６８とＮＨ_３散布管６０とは一体に形成されている。

ＮＨ_３導入管５８と中空容器５０の軸方向反対側の上壁端部に、ＮＨ_３導出口６４が形成され、ＮＨ_３導出口６４にＮＨ_３導出管６６が設けられている。ＮＨ_３導出管６６は一次冷媒回路１２に接続されている。ＮＨ_３導出管６６の下端には中空ハウジング６８が一体に連結されている。

図４に示すように、中空ハウジング６８の横断面は、横方向（即ち水平方向）の長辺６８ａと上下方向の短辺６８ｂとを有する四角形をなしている。
図６は中空ハウジング６８の上面図である。図６に示すように、中空ハウジング６８の上面には、長手方向に軸対称に２列に配置された多数のＮＨ_３ガス導入孔６８ｃが形成されている。

図２及び図３において、中空容器５０の一方の側壁にＣＯ_２導入口７０が形成され、ＣＯ_２導入口７０にＣＯ_２導入管７２が形成されている。ＣＯ_２導入管７２はＣＯ_２循環路４２に接続され、プレート重合体５２の内部にＣＯ_２導入管７２と各プレート５４の表裏面に形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通するＣＯ_２流路７４が形成されている。
また、ＣＯ_２導入管７２の下方の側壁にＣＯ_２導出口７６が形成され、ＣＯ_２導出口７６にＣＯ_２導出管７８が形成されている。ＣＯ_２導出管７８はＣＯ_２循環路４２に接続され、プレート重合体５２の内部にＣＯ_２導出管７８と各プレート５４の表裏面に形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通するＣＯ_２流路８０が形成されている。

プレート重合体５２を構成する多数のプレート５４は表裏両面に特定の凹凸パターンをもち、これらのプレート５４が表裏交互に重ねられている。これによって、プレート５４の表裏面に２つの独立した流路が交互に形成されている。一方の流路は中空容器５０の内部空間に開口し、この開口からＮＨ_３冷媒が流入する。各プレート５４には同じ位置に２つの開口が形成され、これらの開口が重ね合されることでＣＯ_２流路７４及び８０が形成される。開口７０から流入したＣＯ_２冷媒ガスはＣＯ_２流路７４を介し、プレート５４に表裏面に形成された他方の流路を流れ、その間ＮＨ_３冷媒と熱交換した後、ＣＯ_２流路８０を介して開口７６から流出する。
かかるシェルアンドプレート式熱交換器のプレート重合体５２の構成は従来公知である（例えば特開２０１２−５７９００号公報参照）。

図４に示すように、中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間にステー８２ａ及び８２ｂが架設されている。ステー８２ａの下方に中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間を仕切るステー８４ａが設けられ、ステー８２ｂの下方に中空容器５０の側壁とプレート重合体５２との間を仕切るステー８４ｂが設けられている。そして、ステー８２ａとステー８４ａとの間に形成される空間ｓ１に、棒状の充填材８６が充填され、ステー８２ｂとステー８４ｂとの間に形成される空間ｓ２に、棒状の充填材８６が充填されている。

ＮＨ_３冷媒液とＣＯ_２冷媒ガスとはプレート重合体５２で熱交換され、ＮＨ_３冷媒液はＣＯ_２冷媒から吸熱し気化する。逆に、ＣＯ_２冷媒ガスは冷却され液化する。気化したＮＨ_３冷媒ガスは上昇し、ＮＨ_３ガス導入孔６８ｃから中空ハウジング６８の内部に流入し、ＮＨ_３導出管６６から一次冷媒回路１２に流出する。

かかる構成において、ＣＯ_２液化器２４で、ＣＯ_２冷媒ガスは、蒸発式凝縮器１８で外気ａと熱交換して凝縮温度２０℃で凝縮した２０℃のＮＨ_３冷媒と熱交換する。この熱交換でＮＨ_３冷媒は蒸発し、ＣＯ_２冷媒は２２℃のＣＯ_２液となる。蒸発式凝縮器１８には伝熱管１８ａが設けられ、伝熱管１８ａは一次冷媒回路１２に接続されている。蒸発式凝縮器１８の内部に貯留された冷却水は水ポンプ１８ｂにより汲み上げられ伝熱管１８ａに散布される。この冷却水に蒸発潜熱で伝熱管１８ａを流れるＮＨ_３冷媒ガスは冷却され液化する。

ＣＯ_２液化器２４で、ＣＯ_２冷媒はＮＨ_３冷媒液と熱交換し、２２℃のＣＯ_２液となる。２２℃のＣＯ_２冷媒液は、サーバ室３４に設けられた冷却器３６に送られ、冷却器３６でサーバ室３４内の空気を２５℃に冷却する。

外気温度が２０℃（例えば、湿球温度ＷＢ１５℃・相対湿度６０％）以下の場合には、圧縮機１６を稼働させないフリークーリング運転を行う。即ち、ＮＨ_３冷媒は、ＣＯ_２液化器２４と蒸発式凝縮器１８との間をバイパス路２６ａ及び２６ｂを通って循環する。
フリークーリング運転では、ＣＯ_２液化器２４で気化したＮＨ_３冷媒ガスはサーモサイフォン作用でバイパス路２６ａを上昇する。蒸発式凝縮器１８で液化したＮＨ３冷媒液は、その重力で一次冷媒回路１２及びバイパス路２６ｂを流下し、ＣＯ_２液化器２４に戻る。
外気温度が２０℃（例えば、ＷＢ１５℃・相対湿度６０％）以上の場合には、切換弁２８ａ及び２８ｂを閉じ、圧縮機１６を稼働させる運転を行う。

２５℃に冷却された室内空気は送風機３８で下方に送られ、コールド流ｃｆを形成する。冷却空気はサーバラック４０間に形成された冷気通路ｃｗを通り、情報処理機器を冷却すると共に３５℃の昇温し、サーバラック４０の外側へ流出する。その後、上昇するホット流ｈｆを形成する。上昇したホット流ｈｆは冷却器３６で２５℃に冷却される。

本実施形態によれば、冷媒として、オゾン層破壊作用がなくかつ地球温暖化係数がゼロに近い自然冷媒のＮＨ_３及びＣＯ_２を用いているので、地球温暖化のおそれがなく、かつこれらの冷媒は高い冷却能力をもつので、冷却効率を向上できる。
さらに、二次冷媒回路１４内を高圧（５．９ＭＰａ）に保持することでＣＯ_２冷媒を常温（２２℃）に調整し、冷却器３６におけるＣＯ_２冷媒の蒸発温度が常温（２２℃）となるように調整しているので、サーバ室３４内の空気をＣＯ_２冷媒の蒸発潜熱で容易に常温（例えば２５℃）に冷却できる。また、二次冷媒回路１４に常温のＣＯ_２冷媒が流れるので、結露が発生するおそれがなく、万一、サーバ室３４内でＣＯ_２冷媒が漏洩しても、気化するので情報処理機器を損傷するおそれがない。

また、ＣＯ_２冷媒を２２℃に保持しているので、ＣＯ_２液化器２４でＣＯ_２冷媒と熱交換するＮＨ_３冷媒も一次冷媒回路１２内で２０℃に保持できる。そのため、外気温度が高くても、蒸発式凝縮器１８によって低い湿球温度（例えばＷＢ１５℃）でＮＨ_３冷媒を冷却できる。これによって、空調設備１０ＡのＣＯＰを向上できる。

また、冷却器３６から出たコールド流ｃｆとサーバラック４０から出たホット流ｈｆとをサーバ室３４内で別な領域に区分けして形成しているので、これらの空気流が混じり合うことがない。そのため、サーバ室３４の冷却効率を向上できる。
また、外気温度が常温（２０℃）以下のとき、圧縮機１６の運転を止め、フリークーリング運転を行い、蒸発式凝縮器１８において、常温以下の外気ａでＮＨ_３冷媒を冷却すると共に、ＣＯ_２液化器２４と蒸発式凝縮器１８との間で、ＮＨ_３冷媒をサーモサイフォン作用を利用して自然循環させるようにしているので、圧縮機１６の動力を節減できＣＯＰを向上できる。

また、ＣＯ_２液化器２４では、中空ハウジング６８は、横方向に長い長辺６８ａを有する矩形状に形成した横断面を有しているので、優れた邪ま板効果を有している。気化したＮＨ_３冷媒は中空ハウジング６８の外側に形成された迂回流路を通ることで、ＮＨ_３ガス導入孔６８ｃに達するまでに液滴分離効果を向上できる。そのため、圧縮機１６への液バックを効果的に防止できる。

また、ＮＨ_３冷媒ガスの流路にはフィルタ式の液滴分離器を設けていないので、圧力損失を低減できる。そのため、圧縮機動力を低減できＣＯＰを向上できる。
また、ＮＨ_３散布管６０によりＮＨ_３冷媒液をプレート重合体５２の軸方向に均一にかつプレート重合体５２の上面に広く散布できるので、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。そのため、中空容器５０へ供給するＮＨ_３冷媒量を低減できると共に、一次冷媒回路１２を流れるＮＨ_３冷媒量を低減できる。

また、空間ｓ１及びｓ２に充填材８６を充填することで、中空容器５０に供給するＮＨ_３冷媒量を低減できる。こうして一次冷媒回路１２を流れるＮＨ_３冷媒量を大幅に低減できるので、ＮＨ_３レシーバ２０を小型化できる。
また、中空ハウジング６８の横断面を、横方向に長い長辺を有する矩形状に形成したことで、中空ハウジング６８が下方へ突出しない。そのため、中空容器５０の容積を低減でき、その分ＮＨ_３冷媒の供給量を低減できる。また、中空ハウジング６８の横断面を横方向へ広げてあるので、中空ハウジング６８の内部を通るＮＨ_３冷媒ガスの圧力損失を低減でき、これによって、圧縮機１６の動力を低減できる。

さらに、ＮＨ_３散布管６０に形成された散布孔６０ａをＮＨ_３散布管６０の軸方向に多数配列したので、ＮＨ_３冷媒液をプレート重合体５２に対し軸方向に均一にかつプレート重合体５２の上面に広く散布できる。これによって、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒との熱交換効率を向上できる。

さらに、ＮＨ_３導入孔６８ｃを中空ハウジング６８の上面壁に中空ハウジング６８の軸方向に軸対称に２列に配置したので、ＮＨ_３冷媒ガスが中空ハウジング６８に流入するときの圧力損失を低減できる。
さらに、中空ハウジング６８及びＮＨ_３散布管６０をタップ溶接ｗで一体に形成したので、中空容器への中空ハウジング及び冷媒散布管の取付けが容易になる。

なお、本発明者等の試算によれば、圧縮機１６を稼働した運転で、ＮＨ_３冷媒の凝縮温度を３５℃とし、蒸発温度を１６℃とし、外気温度をＷＢ＋２７℃以上とした運転では、ＣＯＰが６前後の運転が可能になる。また、圧縮機１６を稼働しないフリークーリング運転で、外気温度をＷＢ＋１５℃以下とした場合、ＣＯＰが１３以上の運転が可能になる。また、本実施形態の空調設備１０Ａが東京地区に設けられたサーバ室に適用された場合、東京地区の気象データに基づいて計算すると、年間のフリークーリング運転日は２００日以上となり、年間ＣＯＰは１０以上となる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。図７は、サーバラック４０にＣＰＵを内蔵したシステムボード９０が収納された状態を示している。システムボード９０間には隙間が形成されている。本実施形態の空調設備１０Ｂは、システムボード９０には、冷却板９２が冷却板９２の冷却面の全面がシステムボード９０に接するように固定されている。サーバラック４０の上方には第１実施形態と同様の冷却器３６及び送風機３８が設置されている。冷却器３６には二次冷媒回路１４からＣＯ_２液が導入され、ＣＯ_２液はサーバ室３４内の空気と熱交換し、室内空気を冷却する。

二次冷媒回路１４にはＣＯ_２分岐路９４が分岐している。ＣＯ_２分岐路９４にはさらに複数のＣＯ_２枝路９６が分岐しており、各ＣＯ_２枝路９６は、各冷却板９２に接続されている。ＣＯ_２分岐路９４の往路及び復路には夫々流量調整弁９８ａ及び９８ｂが設けられている。

図８に示すように、冷却板９２の内部には蛇行したＣＯ_２管１００が配設されており、ＣＯ_２枝路９６はＣＯ_２管１００に連通している。サーバラック４０の内部には温度センサ１０２が設けられ、温度センサ１０２の検出値は制御装置１０４に入力される。制御装置１０４は、温度センサ１０２の検出値に基づいて流量調整弁９８ａ及び９８ｂの開度を制御する。その他の構成は、前記第１実施形態と同一である。

かかる構成において、二次冷媒回路１４を流れるＣＯ_２冷媒液は、冷却器３６に流入してサーバラック４０内を通る空気と熱交換し、サーバラック４０内を冷却すると共に、ＣＯ_２分岐路９４及びＣＯ_２枝路９６を介してＣＯ_２管１００に導入される。ＣＯ_２管１００に導入されたＣＯ_２冷媒液は蒸発してシステムボード９０から熱を奪い、システムボード９０を直接冷却する。

また、冷却器３６で２５℃に冷却された室内空気は送風機３８で下方へ送られ、コールド流ｃｆを形成する。冷却空気はシステムボード９０の間を通り、多数の冷気通路ｃｗが形成される。冷気通路ｃｗを流れる冷却空気はシステムボード９０を冷却すると共に３５℃に昇温し、システムボード９０の外側へ流出し、上昇するホット流ｈｆを形成する。上昇したホット流ｈｆは冷却器３６で冷却される。

本実施形態によれば、冷却器３６でサーバラック４０内空気を冷却すると共に、冷却板９２を流れるＣＯ_２冷媒液の蒸発潜熱によってシステムボード９０を直接冷却できる。また、冷気通路ｃｗを流れる冷却空気による冷却と、冷却板９２を流れるＣＯ_２冷媒による冷却との相乗効果により、高発熱量を有するＣＰＵを内蔵したシステムボード９０を有効に冷却できる。そのため、冷却水を用いる場合と比べ、冷却効果を飛躍的に向上できる。また、システムボード９０の熱は、サーバラック４０の外部に一切出さないので、サーバー室３４の温度を上げるおそれがない。

また、冷却水を用いたときのように水垢の付着による熱交換性能の低下や、直接膨張式の冷媒循環を用いたときのような油膜や油溜りにより熱交換効率の低下を招くことがなく、高い熱交換性能を維持できる。
また、冷却器３６から出たコールド流ｃｆとしシステムボード９０から出たホット流ｈｆとをサーバラック４０内で別な領域に区分けして形成しているので、これらの空気流が混じり合うことがない。そのため、サーバ室３４の冷却効率を向上できる。

さらに、制御装置１０４によって温度センサ１０２の検出値に応じて流量調整弁９８ａ及び９８ｂの開度を制御するので、サーバラック４０内の温度を所望の温度に精度良く調整できる。

（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態に係る空調設備を図９により説明する。本実施形態に係る空調設備１０Ｃには、バイパス路１１０が設けられている。バイパス路１１０は、冷却器３６の下流側で二次冷媒回路１４から分岐し、蒸発式凝縮器１８に設けられた伝熱管１１２に接続されている。また、ＣＯ_２レシーバ３０をバイパスするように、伝熱管１１２からＣＯ_２レシーバ３０の下流側の二次冷媒回路１４に接続されている。バイパス路１１０及び二次冷媒回路１４には、ＣＯ_２冷媒の流れをどちらかの流路に切り替えるための切換弁１１４及び１１６が設けられている。また、第１実施形態の空調設備１０Ａに設けられたバイパス路２６ａ及び２６ｂは除去されている。その他の構成は第１実施形態と同一である。

本実施形態では、外気温度が２０℃（ＷＢ１５℃・相対湿度６０％）以上の場合には、切換弁１１４を閉、切換弁１１６を開とし、圧縮機１６を稼働させる運転を行う。
外気温度が２０℃（ＷＢ＋１５℃）以下のとき、圧縮機１６を停止させ、切換弁１１４を開、切換弁１１６を閉に切り替え、ＣＯ_２冷媒をバイパス路１１０に流入させる。冷却器３６で室内空気を冷却させた後の気液二相流のＣＯ_２冷媒は、サーモサイフォン作用を利用した自然循環によりバイパス路１１０を上昇し蒸発式凝縮器１８に至る。そして、蒸発式凝縮器１８で外気ａで冷却され液化される。液化されたＣＯ_２冷媒は重力で二次冷媒回路１４を流下し、ＣＯ_２レシーバ３０に戻る。

本実施形態によれば、蒸発式凝縮器１８で、ＮＨ_３冷媒に加えて、ＣＯ_２冷媒を直接外気aによって冷却できる。このように、外気温度が高くても、低い湿球温度で直接ＣＯ_２冷媒を冷却できるので、ＣＯＰをさらに向上できる。そのため、フリークーリング運転期間をさらに長くできる。

（実施形態４）
次に、本発明の第４実施形態を図１０に基づいて説明する。本実施形態の空調設備１０Ｄは、前記第１実施形態のバイパス路２６ａ及び２６ｂを設け、これらバイパス路に夫々流量調整弁１２０ａ及び１２０ｂを設けている。また、前記第３実施形態と同様に、バイパス路１１０及び伝熱管１１２を設けると共に、バイパス路１１０に流量調整弁１２２を設けると共に、二次冷媒回路１４に流量調整弁１２４を設けている。さらに、外気ａの温度及び湿度を検出する温度湿度センサ１２６で、検出値が入力され、該検出値に基づいて流量調整弁１２０ａ、１２０ｂ、１２２及び１２４の開度を調整する制御装置１２８が設けられている。その他の構成は第１実施形態又は第２実施形態と同一である。

本実施形態では、制御装置１２８により、外気ａの温度及び湿度に応じて、バイパス路２６ａ、２６ｂ及び１１０に流すＮＨ_３冷媒やＣＯ_２冷媒の流量を調整できる。
そのため、前記第１実施形態で得られる作用効果に加えて、二次冷媒回路１４を流れるＣＯ_２冷媒の温度を常温に保持しつつ、外気ａによるＮＨ_３冷媒やＣＯ_２冷媒の冷却作用を一層利用できるので、フリークーリング運転期間をさらに延ばすことができる。
なお、本実施形態の構成と前記第２実施形態の構成とを組み合わせることで、フリークーリング運転期間をさらに延長できると共に、システムボード９０の冷却効果を増すことができる。

本発明によれば、地球温暖化防止と、情報処理室の空調に要する動力の削減を達成し、かつ結露の発生を防止可能な空調設備を実現できる。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 空調設備
１２ 一次冷媒回路
１４ 二次冷媒回路
１６ 圧縮機
１８ 蒸発式凝縮器
２０ ＮＨ_３レシーバ
２２ 膨張弁
２４ ＣＯ_２液化器
２６ａ、２６ｂ バイパス路（ＮＨ_３バイパス路）
２８ａ、２８ｂ、１１４、１１６ 切換弁（切換機構）
３０ ＣＯ_２レシーバ
３４ サーバ室
３６ 冷却器
３８ 送風機
４０ サーバラック
４２ ＣＯ_２循環路
５０ 中空容器
５０ａ 上壁
５２ プレート重合体
５４ プレート
５６ ＮＨ_３導入口
５８ ＮＨ_３導入管
６０ ＮＨ_３散布管
６０ａ 散布孔
６４ ＮＨ_３導出口
６６ ＮＨ_３導出管
６８ 中空ハウジング
６８ａ 長辺
６８ｂ 短辺
６８ｃ ＮＨ_３導入孔
７０ ＣＯ_２導入口
７２ ＣＯ_２導入管
７４ ＣＯ_２流路（冷媒導入路）
７６ ＣＯ_２導出口
７８ ＣＯ_２導出管
８０ ＣＯ_２流路（冷媒導出路）
８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ ステー
８６ 充填材
９０ システムボード
９２ 冷却板
９４ ＣＯ_２分岐路
９６ ＣＯ_２枝路
９８ａ、９８ｂ、１２０ａ、１２０ｂ、１２２、１２４ 流量調整弁
１００ ＣＯ_２管
１０２ 温度センサ
１０４、１２８ 制御装置
１１０ バイパス路（ＣＯ_２バイパス路）
１１２ 伝熱管
１２６ 温度湿度センサ
ａ 外気
ｃｆ コールド流（第１の冷気流）
ｃｗ 冷気通路
ｈｆ ホット流（第２の冷気流）
ｓ１、ｓ２ 空間

Claims (8)

1. 冷凍サイクルを構成する一次冷媒回路と、該一次冷媒回路と熱交換器を介して接続されると共に、情報処理室に導設されて情報処理室内を冷却する二次冷媒回路とを有する情報処理室の空調設備であって、
   一次冷媒としてＮＨ_３冷媒が循環し、冷凍サイクル構成機器を有する一次冷媒回路と、
   二次冷媒としてＣＯ_２冷媒が循環し、ＣＯ_２冷媒が常温に保持されるように圧力調整された二次冷媒回路と、
   前記一次冷媒回路に前記冷凍サイクル構成機器として設けられた圧縮機、ＮＨ_３冷媒を外気で冷却する蒸発式凝縮器及び膨張弁と、
   前記一次冷媒回路及び前記二次冷媒回路が接続され、ＮＨ_３冷媒とＣＯ_２冷媒とを熱交換させＣＯ_２冷媒を液化させる前記熱交換器としてのＣＯ_２液化器と、
   前記情報処理室内に設けられると共に、前記二次冷媒回路が接続され、常温に保持されたＣＯ_２冷媒液が供給されて前記情報処理室内を常温に冷却する冷却器とを備えていることを特徴とする情報処理室の空調設備。
2. 前記情報処理室の内部に収納され電子回路を内蔵したシステムボードの表面に固定され、内部にＣＯ_２流路が形成された冷却板と、
   前記二次冷媒回路から分岐して前記冷却板に形成されたＣＯ_２流路に接続されたＣＯ_２分岐路とをさらに備え、
   前記二次冷媒回路を流れる常温のＣＯ_２冷媒液を前記ＣＯ_２流路に循環させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の情報処理室の空調設備。
3. 前記情報処理室の内部で情報処理機器が収納された多数のラックが列状に並べて配置されると共に、前記情報処理機器の間に多数の冷気通路が並列に形成され、
   前記冷却器で冷却された冷気が前記多数の冷気通路の同一側から前記多数の冷気通路に入る第１の冷気流と、前記多数の冷気通路に入った冷気が前記多数の冷気通路の同一側から出て前記冷却器に戻る第２の冷気流とからなる空気循環流が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の情報処理室の空調設備。
4. 前記蒸発式凝縮器が前記ＣＯ_２液化器より上方に設けられ、
   前記一次冷媒回路は前記圧縮機及び前記膨張弁を迂回するＮＨ_３バイパス路と、前記一次冷媒回路と前記ＮＨ_３バイパス路とを切り換える切換機構とを有し、
   前記ＮＨ_３バイパス路でＮＨ_３冷媒を自然循環させるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の情報処理室の空調設備。
5. 前記蒸発式凝縮器が前記ＣＯ_２液化器より上方に設けられ、
   前記二次冷媒回路は前記ＣＯ_２液化器を迂回して前記蒸発式凝縮器に導設されるＣＯ_２バイパス路と、前記二次冷媒回路と前記ＣＯ_２バイパス路と切り換える切換機構と、前記蒸発式凝縮器に設けられ前記ＣＯ_２バイパス路と接続された熱交換管とを有し、
   前記ＣＯ_２バイパス路でＣＯ_２冷媒を自然循環させるようにしたことを特徴とする請求項１又は４に記載の情報処理室の空調設備。
6. 前記ＣＯ_２液化器は、
   ＮＨ_３冷媒が導入される筒状の中空容器と、
   該中空容器の内部に配置され、表裏面にＮＨ_３冷媒及びＣＯ_２冷媒の熱交換流路を形成する凹凸が形成された多数のプレートが重ね合されたプレート重合体と、
   前記プレート重合体の上方空間に前記中空容器の上部隔壁に対向配置され、上面に形成されたＮＨ_３ガス導入孔及び前記一次冷媒回路に接続されたＮＨ_３ガス導出管を有する中空ハウジングと、
   前記プレート重合体の内部に、前記二次冷媒回路と前記多数のプレートに形成されたＣＯ_２冷媒の熱交換流路とを連通させるＣＯ_２導入路、及び前記ＣＯ_２冷媒の熱交換流路と前記二次冷媒回路とを連通させるＣＯ_２導出路とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の情報処理室の空調設備。
7. 前記中空ハウジングは、前記中空容器の上部隔壁に対向配置されて前記中空容器の軸方向に延設され、
   前記中空ハウジングの下面に該中空ハウジングの長手方向に向けて配置され、ＮＨ_３冷媒を前記プレート重合体に向けて散布する散布孔を有するＮＨ_３散布管をさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の情報処理室の空調設備。
8. 前記中空ハウジングの側方隔壁と前記プレート重合体との間に形成された空間に充填材が充填されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の情報処理室の空調設備。

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