JP7251628B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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 (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、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、
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冷却システム。 - 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。
- 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または2のいずれか1項に記載の冷却システム。 - 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3に記載の冷却システム。
- 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3又は4のいずれか1項に記載の冷却システム。
- 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し、
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、
ことを特徴とするサージ発生防止装置。 - 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、を有し、
前記冷媒状態検出段階は、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、
ことを特徴とするサージ発生防止方法。 - 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、を有し、
前記冷媒状態検出段階は、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、
ことを特徴とするサージ発生防止プログラム。
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