冷房システム
【課題】室内に配置される熱交換ユニットの結露を抑制できる自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムを提供する。
【解決手段】室外に設置される室外熱交換ユニット５１を含む室外ユニット５０に、室外熱交換ユニット５１に対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバ７１を含む冷媒回収ユニット７０を設ける。冷媒回収ユニット７０は、運転中に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１への液冷媒６５の供給をバルブ群８０で遮断することにより、冷房システム３０を循環する液冷媒６５を全て室外ユニット５０に回収でき、室内熱交換ユニット４１をドライアウトできる。
【解決手段】室外に設置される室外熱交換ユニット５１を含む室外ユニット５０に、室外熱交換ユニット５１に対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバ７１を含む冷媒回収ユニット７０を設ける。冷媒回収ユニット７０は、運転中に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１への液冷媒６５の供給をバルブ群８０で遮断することにより、冷房システム３０を循環する液冷媒６５を全て室外ユニット５０に回収でき、室内熱交換ユニット４１をドライアウトできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内に設置される室内熱交換ユニットと、室外に設置される室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発熱体にて加熱された空気および発熱体から発せられる熱を吸熱する室内熱交換器が記載されている。この室内熱交換器は、上下方向に延びる複数本のチューブと、チューブの間に配されるフィンと、チューブの両端を接続する上部ヘッダおよび下部ヘッダを有する。上部ヘッダはヘッダ部とヘッダ増設部とを有しており、上部ヘッダの断面積はチューブの全流路断面積よりも大きい。その結果、冷媒蒸発時の圧損の増大を抑制し、冷却性能の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０２５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
室内（屋内）に設置される室内熱交換ユニットと、主に室外、特に屋外に設置される室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する、圧縮機を含まない自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムが知られている。この自然循環型の冷房システムは、室内より室外が低温のときに省電力で室内を冷却することができるというメリットがある。その際、室内ユニットでの吸熱の時に、低温の冷媒によって熱交換器や配管に結露を発生することがある。この結露が過度に発生すると、室内ユニットの通風抵抗の増大によって排熱性能が低下したり、室内空気が乾燥して、静電気を発生したりする問題がある。そのため、この自然循環型の冷房システムにおいて、室内に設置される熱交換ユニットの結露を抑制することは重要である。
【０００５】
大気温度が低下したときに、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断することにより、室内熱交換ユニットにおいて結露水が発生するのを抑制できる。しかしながら、室内熱交換ユニット内に液冷媒が存在すると、配管システムの一部がヒートパイプとして動作することにより排熱動作が継続し、結露水の発生が続くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、室外に設置される室外熱交換ユニットであって、室内に設置される室内熱交換ユニットとの間で配管システムを介して冷媒が自然循環される室外熱交換ユニットを有する室外ユニットである。この室外ユニットは、さらに、室外熱交換ユニットに対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバを含む冷媒回収機能を持った冷媒回収ユニットであって、運転中に配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収することができる容量を少なくとも備えた冷媒回収ユニットと、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断する少なくとも１つのバルブを含むバルブ群とを有する。
【０００７】
上記の室外ユニットにおいては、運転中に配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収できる冷媒回収ユニットを設け、外気が低温になると、液状の冷媒を室外熱交換ユニットおよび冷媒回収ユニットで回収して保持し、室内熱交換ユニットに液冷媒が残らないようにする。これにより配管システムを介した室内から室外への熱移動をほぼ完全に停止でき、室内熱交換ユニットが結露することをさらに確実に抑制できる。
【０００８】
また、自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムにおいては、室外ユニットを室内ユニットに対して上方に配置する必要があり、さらに、この冷房システムを施工する際は、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへ液冷媒を供給する配管は液冷媒で充填する。したがって、施工現場において多量の冷媒を充填する必要がある。上記の室外ユニットにおいては、冷媒回収ユニットが室内熱交換ユニットおよび配管システムを充填する冷媒を液体状態で回収する容量を備えている。したがって、出荷する際に、室外ユニットの冷媒回収ユニットに液冷媒を充填しておくことにより、配管システムに十分な液冷媒を供給することが可能となる。このため、施工現場において多量の冷媒を追加充填する装置や作業を省くことができる。
【０００９】
冷媒回収ユニットの少なくとも１つのリザーバは、室外熱交換ユニットの側方に並列に接続された第１のリザーバを含むことが望ましい。運転中、搬送中などに、第１のリザーバには液冷媒が貯蔵される機会があるが、第１のリザーバを室外熱交換ユニットの側方に配置することにより室外ユニットの重心が高くなるのを抑制でき、転倒しにくい構造となる。したがって、施工が容易となり、また、安定して搬送できる。
【００１０】
バルブ群は、室外熱交換ユニットに並列に接続された第１のリザーバの縦方向の異なる位置に取り付けられた複数のバルブを含むことが有効である。複数のバルブを切り替えることにより、室外熱交換ユニット内の液面の高さを制御でき、室外熱交換ユニットの熱交換能力（有効な熱交換面積）を制御できる。したがって、冷房システムを循環する冷媒の量を制御でき、室内熱交換ユニットが結露しないようにしながら、外気温がより低い温度のときまで外気の熱を使って室内を冷房できる。
【００１１】
冷媒回収ユニットの少なくとも１つのリザーバは、室外熱交換ユニットの上側に直列に接続された第２のリザーバを含むことも有効である。冷房システムが通常に稼働している間、室外熱交換ユニットの上方に位置する第２のリザーバ内は気化冷媒に完全に置き換えられる。したがって、第２のリザーバ内のスペースを搬送中などにおいて液冷媒を格納するスペースとして有効に利用できる。
【００１２】
本発明の他の態様は、上記の室外ユニットと、室内熱交換ユニットを含む室内ユニットと、室外熱交換ユニットおよび室内熱交換ユニットの間を冷媒が自然循環するように接続する配管システムとを有する冷房システムである。冷房システムは、室内熱交換ユニットに結露が発生する条件を監視するセンサーと、室内熱交換ユニットが結露する状態になると室外ユニットのバルブ群に含まれるバルブを閉じて室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を制御する制御ユニットとをさらに有することが望ましい。センサーの典型的なものは温度センサーおよび湿度センサーである。制御ユニットは、プログラマブルであることが望ましく、典型的にはＣＰＵおよびメモリを含む。
【００１３】
さらに、室内熱交換ユニットの下部ヘッダを加熱するヒーターを設けることも有効である。室内熱交換ユニットの液冷媒を強制的に蒸発して室外ユニットに供給し、冷媒回収ユニットに回収させることにより、室内熱交換ユニットにおいて結露水が発生するのを未然に防止できる。
【００１４】
本発明の他の態様の１つは、上記の冷房システムと、冷房システムの室内熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システムである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる冷房システムを含むハイブリッド空調システムの概要を示す図。
【図２】冷房システムの冷媒の循環を模式的に示す図。
【図３】室外ユニットの概略構成を示す図。
【図４】冷房システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャート。
【図５】室外ユニットの異なる例を示す図。
【図６】室外ユニットのさらに異なる例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、データセンターにおける空調システムの一例を示している。この空調システム（ハイブリッド空調システム）１０は、床上２ａと床下２ｂとの二重構造を持つフリーアクセス床２の床下２ｂの空間を用い、冷風（冷気）９を床上２ａに配置された複数のサーバー５に供給し、サーバー５および室内（屋内）１を冷房する。ハイブリッド空調システム１０は、床置形の主空調システム２０と、室内１の天井３の近傍に室内ユニット４０が配置された冷房システム（補助空調システム）３０とを有する。
【００１７】
主空調システム２０は、床置形の屋内（室内）ユニット２１と、屋外ユニット２６とを含む。屋内ユニット２１は、冷却用のチューブを含むエバポレータ２２と、ヒーター２３と、室内ファン（屋内ファン）２４とを含む。屋外ユニット２６は、コンプレッサ（圧縮機）２７と、屋外ファン２８と、凝縮用のチューブを含むコンデンサ２９とを含む。主空調システム２０においては、コンプレッサ２７で圧縮した冷媒をコンデンサ２９で外気温度を利用して冷やし、屋内ユニット２１のエバポレータ２２において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風９を生成する。
【００１８】
この空調システム１０において冷房システム３０は補助的に動作する。冷房システム３０が動作しているときは、まず、冷房システム３０の室内ユニット４０が室内１の空気７を冷却する。冷房システム３０により冷却された空気８は、主空調システム２０の屋内ユニット２１によりさらに冷却され、生成された冷気９が床下２ｂを介して室内１のサーバー５を冷却する。外気の温度が低く、冷房システム３０の冷房能力が室内１の熱負荷に対して十分な場合は、冷房システム３０が主な冷房システムとなることも可能である。
【００１９】
図２に、冷房システム３０を抜き出して示している。また、図３に、冷房システム３０の室外ユニット５０を抜き出して示している。冷房システム３０は、室内（屋内）に設置される室内ユニット（屋内ユニット、室内機）４０と、室外（屋外）に設置される室外ユニット（屋外ユニット、室外機）５０と、室内ユニット４０および室外ユニット５０を接続する配管システム６０と、室内ユニット４０および室外ユニット５０を制御する制御ユニット９０とを有する。
【００２０】
室内ユニット４０は、室内１に垂直（鉛直）に、または斜めに設置される室内熱交換ユニット４１を含む。室内熱交換ユニット４１は、複数の室内チューブ４２（図１および２では１本のみ図示）と、液化した冷媒が供給される供給ヘッダ４３と、気化した冷媒が集められる排出ヘッダ４４とを含む。なお、本例の室内ユニット４０は、ファン（室内ファン）は含まないが、室内ファンを含んでいてもよい。
【００２１】
室内ユニット４０においては、複数の室内チューブ４２が供給ヘッダ（下部ヘッダ）４３と排出ヘッダ（上部ヘッダ）４４とを接続している。排出ヘッダ４４は供給ヘッダ４３よりも上方の天井３に近くなるように配置されている。したがって、室内チューブ４２において気化した冷媒は、比重差により供給ヘッダ４３から排出ヘッダ４４に集められ、室外ユニット５０に向けて供給される。さらに、室内ユニット４０は、供給ヘッダ４３を加熱するヒーター４５を含む。
【００２２】
室外ユニット５０は、室外（典型的には屋外）１００の、室内ユニット４０よりも高い位置に設置される。室外ユニット５０は、室内ユニット４０の室内熱交換ユニット４１よりも高い位置に設置される室外熱交換ユニット５１を含む。室外熱交換ユニット５１は、複数の室外チューブ５２と、気化冷媒が供給される供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と、液冷媒を排出する排出ヘッダ（下部ヘッダ）５４とを含む。供給ヘッダ５３は排出ヘッダ５４よりも上に位置するように配置され、室外チューブ５２が供給ヘッダ５３と排出ヘッダ５４とを繋ぐ（連通する）ように、鉛直方向に、または斜めに配置される。したがって、室外チューブ５２で液化した冷媒は自重（比重差）により排出ヘッダ５４に集められ室内熱交換ユニット４１に供給される。
【００２３】
室外ユニット５０は、さらに、室外チューブ５２に対して外気１１０を強制的に供給する室外ファン５５と、室外ファン５５を駆動するファンモーター５６と、リザーバ７１を備えた冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１への液冷媒の供給を制御するバルブ群８０とを含む。冷媒回収ユニット７０およびバルブ群８０については、以下でさらに説明する。
【００２４】
室内チューブ４２および室外チューブ５２の典型的なものは、アルミニウム管または銅管であり、フィン付きであってもフィンがなくてもよい。フィンを用いる場合には、例えば、コルゲートタイプ、プレートタイプ、スパインタイプなどのものを用いることができる。冷媒は、作動条件とする室温で気化し、外気温で液化するものであればよい。冷媒としては、たとえば、ＨＦＣ１３４ａ（化学式ＣＨ２ＦＣＦ３）を挙げることができる。
【００２５】
冷房システム３０は、さらに、室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１との間で冷媒を自然循環させる配管システム６０を有する。自然循環型（沸騰循環型）の冷房システム３０の配管システム６０は、室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１とをコンプレッサ（圧縮機）を介さずに連通させるものである。配管システム６０は、液冷媒６５を室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給する第１の供給管６１と、気化冷媒６６を室内熱交換ユニット４１から室外熱交換ユニット５１に供給する第２の供給管６２とを含む。第１の供給管６１は、室外熱交換ユニット５１の排出ヘッダ５４と室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ４３とを連通する配管であり、第２の供給管６２は、室内熱交換ユニット４１の排出ヘッダ４４と室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３とを連通する配管である。冷房システム３０の運転中は、第１の供給管６１は液冷媒６５で満たされ、第２の供給管６２は気化冷媒６６で満たされる。
【００２６】
室外ユニット５０に含まれる冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１の側方の室外チューブ５２に対する外気１１０の流路を確保できる位置に配置されたリザーバ（レシーバ）７１を含む。リザーバ７１は垂直方向（鉛直方向）に延びたタンクであり、室外チューブ５２に匹敵する長さを備えている。リザーバ７１は、上端７２が室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３に達し、下端７３が排出ヘッダ５４に達する長さであってもよく、さらに、上端７２が供給ヘッダ５３よりも上方に突き出ており、下端７３が排出ヘッダ５４より下側に突き出ていてもよい。冷媒回収ユニット７０は、さらに、リザーバ７１の上端７２と室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３とを連通する第１の配管７５と、リザーバ７１の下端７３と排出ヘッダ５４とを連通する第２の配管７６とを含む。
【００２７】
室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に対する液冷媒６５の供給を制御するバルブ群８０は、リザーバ７１の下端７３および排出ヘッダ５４と第１の供給管６１との接続を制御（オンオフ）する第１のバルブ８１と、リザーバ７１の上端７２および供給ヘッダ５３と第１の供給管６１との接続を制御（オンオフ）する第２のバルブ８２と、リザーバ７１の縦方向の異なる位置に取り付けられたレベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄとを含む。第１のバルブ８１を開にすることにより、室外熱交換ユニット５１およびリザーバ７１と、第１の供給管６１とは液冷媒６５の液面が強制的には制御されない状態で接続される。したがって、室外熱交換ユニット５１の内部の液面は熱交換ユニット５１の器内圧により制御される。
【００２８】
レベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄはリザーバ７１と第１の供給管６１との接続をそれぞれオンオフするバルブであり、複数のバルブ８５ａ〜８５ｄが取り付けられたリザーバ７１のそれぞれの位置（高さ）に液冷媒のレベル（液面）７９ａ〜７９ｄを形成できるようになっている。すなわち、第１のバルブ８１を閉じ、レベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄを下側から順番に閉じていくとリザーバ７１内の液面を制御でき、リザーバ７１と室外熱交換ユニット５１とは連通しているので室外熱交換ユニット５１内の液面もリザーバ７１内の液面により制御される。したがって、室外熱交換ユニット５１においてバルブ群８０により、外気１１０と気化冷媒６６との熱交換に有効な面積を制御でき、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制御できる。
【００２９】
バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じると、室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０（リザーバ７１）と第１の供給管６１との接続は遮断され、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に液冷媒６５は供給されない。また、冷媒回収ユニット７０のリザーバ７１は、運転中に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を備えている。具体的には、液冷媒を供給する第１の供給管６１を満たす液冷媒６５を回収できる容量を備えている。リザーバ７１の典型的な容量は０．５〜５リットルであるが、冷房システムに充填する冷媒量を鑑みて、容量を決定するべきである。
【００３０】
また、室外熱交換ユニット５１は、運転中に室外熱交換ユニット５１および室内熱交換ユニット４１に存在する冷媒を液体状態で回収するのに十分な容積を備えている。したがって、バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じると、冷房システム３０において流通する全冷媒を、気化状態で配管システム６０および室内熱交換ユニット４１に残る微量な冷媒を除き、液体状態で室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０に回収することができる。すなわち、外気温が低下して室外熱交換ユニット５１および室内熱交換ユニット４１の器内圧が低下したとき、気化冷媒６６は温度の低い室外熱交換ユニット５１の側で液化され、室外ユニット５０は室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０で、液化された冷媒を保持するのに十分な容量を備えている。したがって、外気温が低下したときに、液化された冷媒６５は全て室外ユニット５０（室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０）で保持され、室内熱交換ユニット４１には戻されない。このため、室内熱交換ユニット４１においては熱交換が行われず、室内熱交換ユニット４１の温度が低下するのを防止できる。
【００３１】
たとえば、室外ユニット側の容量が十分でない場合、液冷媒側の供給管６１を遮断したとしても、室外熱交換ユニットで液化した冷媒は、気化冷媒の供給管６２を通って室内熱交換ユニットに逆流する可能性があり、室内熱交換ユニットに液冷媒が存在してしまう可能性がある。室内熱交換ユニットに液面があると、液冷媒は室内熱交換ユニット内で蒸発し、室内熱交換ユニットの温度がさらに低下して制限温度以下、たとえば、露点以下になる可能性がある。すなわち、室内熱交換ユニットに液面があると、液冷媒側の供給管６１を遮断して、冷媒サイクルを遮断したとしても、気化冷媒側の供給管６２がヒートパイプとして機能し、室内熱交換ユニットの温度が低下する可能性がある。
【００３２】
本例の冷房システム３０においては、液冷媒６５は全て室外ユニット５０に回収できる。したがって、気化冷媒側の供給管６２がヒートパイプとして機能するのを防止できる。このため、バルブ群８０により液冷媒側の供給管６１を遮断して、冷媒サイクルを遮断すれば、室内熱交換ユニット４１が規定の温度以下、たとえば露点以下に低下するのを確実に防止できる。
【００３３】
また、この冷房システム３０においては、施工する際に、室外ユニット５０を、バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じた状態で液冷媒を充填して施工現場に供給（搬送）できる。そして、室外ユニット５０および室内ユニット４０とを配管システム６０で接続した後、第１のバルブ８１を開にすることにより、配管システム６０を含む冷房システム３０を稼働させるために十分な冷媒を冷房システムに供給できる。すなわち、冷房システム３０の稼働中は、液冷媒６５を供給する第１の供給管６１の内部は液冷媒６５で満たされるため、冷房システム３０を施工後、稼働させる前に、少なくとも第１の供給管６１を液体状態で満たすのに十分な冷媒を充填する必要がある。本例の冷房システム３０においては、室外ユニット５０の冷媒回収ユニット７０は、配管システム６０を充填するために十分な量の液冷媒を保持する容量を備えている。したがって、冷媒回収ユニット７０の第１のバルブ８１を開くだけで冷房システム３０を稼働させるのに十分な冷媒をシステム３０に供給できる。
【００３４】
自然循環タイプの冷房システムにおいては、室内ユニット４０と室外ユニット５０との高低差が２ｍ以上になり、室内ユニット４０と室外ユニット５０との距離が１０ｍ以上になる場合も多い。従来、室内外のユニットの間に、この程度の高度差および距離があると、配管を充填する冷媒が不足し、充填用の冷媒タンクと冷媒充填用の装置を施工現場に持ち込む必要があった。本例の冷房システム３０においては、冷媒充填用の機器の持ち込みと、冷媒充填に要する手間とを省くことができ、冷房システム３０の施工に要するコストを低減できる。
【００３５】
図４に、冷房システム３０の制御ユニット９０による制御の一例を示している。制御ユニット９０は、ＣＰＵおよびメモリを含み、適当なプログラムをロードすることにより幾つかの機能を実現できるものである。この制御ユニット９０は、図２に示すように、室外ユニット５０のファンモーター５６の回転数制御を行うことにより室外熱交換ユニット５１を通過する風量を制御する風量制御機能９１と、バルブ群８０を制御することによりリザーバ７１のレベル制御を行うレベル制御機能９２と、室内ユニット４０のヒーター４５を制御するヒーター制御機能９３とを含む。
【００３６】
また、冷房システム３０は、温度センサーＴＨ１〜ＴＨ４をさらに含む。第１の温度センサーＴＨ１は、室内ユニット４０の供給口の近傍に配置されており、室内エアー７の温度、すなわち、サーバー室１の室内温度を検出できる。第２の温度センサーＴＨ２は、室内ユニット４０の排出口の近傍に配置されており、室内ユニット４０から出力される冷風８の温度を検出できる。第３の温度センサーＴＨ３は、室外熱交換ユニット５１の出口の第１の供給管６１に設置されており、液冷媒６５の温度を検出できる。第４の温度センサーＴＨ４は、室外熱交換ユニット５１の吸気側に配置されており、室外（外気）１１０の温度（外気温）を検出できる。
【００３７】
図４に示したフローチャートでは、まず、ステップ２０１において、温度センサーＴＨ４で検出される外気温が−２０℃以下でなく、次にステップ２０２において、室外熱交換ユニット５１から供給される液冷媒６５の温度（温度センサーＴＨ３で検出された温度）が露点ＴＤ以下でなければ、ステップ２０３において、風量制御機能９１による風量の制限およびレベル制御機能９２による液冷媒の流量制限を行わず冷房システム３０の冷却能力をフルに発揮させる。冷房システム３０においては、外気温が室温よりも低ければ、冷媒が自然循環し、電力を基本的には使わずに、あるいは、外気ファン５５を駆動する程度の電力で、外気１１０の熱により室内を冷房できる。さらに、この冷房システム３０においては、窓を開けたり、ファンで換気したりせずに室内を外気により冷房できる。このため、冷房システム３０により、サーバールームやクリーンルームなどの外気の導入が難しい領域を、極めて少ないエネルギーで冷房できる。なお、外気温が室温よりも高く、室外熱交換ユニット５１で冷媒が凝縮されないような条件では冷媒は循環せず、冷房システム３０により室内１は冷房されない。
【００３８】
ステップ２０２において、温度センサーＴＨ３で検出された液冷媒６５の温度が露点ＴＤ以下になると、室内熱交換ユニット４１において結露が発生しないようにシステム３０を制御する。まず、ステップ２０４において、風量制御が可能であるか確認する。風量制御が可能であれば、ステップ２０５において、風量制御機能９１がファンモーター５６の回転数を制御して室外熱交換ユニット５１に供給される外気量を制限する。ファンモーター５６の回転数制御とともに、あるいは代わりに、室外ユニット５０に風量コントロール用のダンパを設けて風量を制御してもよい。
【００３９】
ステップ２０４において風量制御が不可能な場合、たとえば、既にファン５５が停止していたり、ダンバが全閉である場合は、ステップ２０６においてレベル制御が可能であれば、ステップ２０７において、レベル制御機能９２がバルブ群８０のバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを制御することによりリザーバ７１の液冷媒のレベルを制御する。まず、バルブ８１を閉にしてリザーバ７１の液レベルをバルブ８５ａの位置７９ａに設定し、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制限する。液冷媒６５の温度が上昇せず、露点ＴＤ以下になる場合は、順番に、バルブ８５ｂ、８５ｃおよび８５ｄと閉じて、リザーバ７１の液レベルを位置７９ｂ、７９ｃおよび７９ｄと上昇させ、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制限する。なお、この液冷媒レベル制御は、先の送風量制御２０４に前もって行ってもよく、または同時に行ってもよい。
【００４０】
なお、ステップ２０４および２０５を省き、ステップ２０２において室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になると、ステップ２０７において、レベル制御機能９２により弁切り替えを行ってもよい。また、室内１の露点は室内１の湿度により変動するので、室内１に湿度センサーを設けて露点ＴＤを確認するようにしてもよい。
【００４１】
ステップ２０１において、温度センサーＴＨ４で検出された外気温度が−２０℃以下になったとき、また、ステップ２０６においてレベル制御が不可能であれば、ステップ２０８において、レベル制御機能９２によりバルブ群８０の全バルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じて、具体的にはリザーバ７１の上端７２を供給管６１に接続する第２のバルブ８２を閉じて、室外熱交換ユニット５１から第１の供給管６１への液冷媒６５の供給を完全に停止する。さらに、ヒーター制御機能９３は、室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ（下部ヘッダ）４３をヒーター４５で加熱する。これにより、室内熱交換ユニット４１に液冷媒が残っているような場合であっても冷媒を気化して室外ユニット５０に送り込み、室内熱交換ユニット４１の温度が低下するのを防止できる。
【００４２】
バルブ群８０の全バルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを全閉し、室外熱交換ユニット５１から第１の供給管６１を介した室内熱交換ユニット４１への液冷媒６５の供給を完全に停止すると、冷房システム３０の冷媒の殆ど、すなわち液冷媒は全て室外ユニット５０の室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０に回収される。このため、室内熱交換ユニット４１の内部に液冷媒が存在することを防止でき、室内熱交換ユニット４１が露点以下になって結露するような事態を未然に防止できる。
【００４３】
図５に、室外ユニットの異なる例を示している。この室外ユニット５０ａは、室外熱交換ユニット５１と、冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１からの冷媒の供給を遮断するバルブ群８０とを備えている。バルブ群８０は、冷媒の供給を遮断する第１のバルブ８１により構成されている。この室外ユニット５０ａにおいても、冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１と並列に接続されたリザーバ７１を含み、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の側方に配置され、リザーバ７１の上端７２が室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と連通し、リザーバ７１の下端７３が室外熱交換ユニット５１の排出ヘッダ（下部ヘッダ）５４と連通している。
【００４４】
このリザーバ７１も、冷房システム３０の運転中（稼働中）に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、外気温が低下したときに、冷房システム３０を流通する液冷媒６５を室外ユニット５０ａに回収できる。このため、室内熱交換ユニット４１をドライアウトさせることが可能となり、室内熱交換ユニット４１の温度低下を防止できる。
【００４５】
リザーバ７１は、室外熱交換ユニット５１の側方で、供給ヘッダ４３の側に片寄った状態、すなわち、室外ユニット５０の上方にシフトした状態で配置されており、冷房システム３０の通常運転中にはリザーバ７１の内部に液面ができないようにしている。したがって、リザーバ７１の内部は、通常運転中は気化冷媒により満たされており、基本的にはリザーバ７１の全容量を冷媒回収のために利用できる。通常運転中にリザーバ７１に液面が形成されていてもよく、この場合は、リザーバ７１の全容量のうち、通常運転中に気化冷媒が占めている容量が液冷媒の回収のために利用できる。
【００４６】
また、室外ユニット５０および５０ａにおいては、リザーバ７１が室外熱交換ユニット５１の側方に、並列になるように配置されている。したがって、搬送中や、外気が低いときにシステム３０が停止しているときは、リザーバ７１および室外熱交換ユニット５１に液冷媒が満たされているが、室外ユニット５０の重心位置は比較的低く、転倒モーメントが小さい。このため、搬送しやすく、また、設置したときの基礎にかかる負荷も小さい。
【００４７】
図６に、室外ユニットの異なる例を示している。この室外ユニット５０ｂも、室外熱交換ユニット５１と、冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１からの冷媒の供給を遮断するバルブ群８０とを備えている。バルブ群８０は、冷媒の供給を遮断する第１のバルブ８１により構成されている。この室外ユニット５０ｂの冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１と直列に接続されたリザーバ７１を含み、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の上方に、室外熱交換ユニット５１の上流に位置するように配置され、リザーバ７１には気化冷媒を供給する第２の供給管６２が接続され、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と連通している。したがって、気化冷媒は、リザーバ７１を介して室外熱交換ユニット５１に供給される。
【００４８】
このリザーバ７１も、冷房システム３０の運転中（稼働中）に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、外気温が低下したときにバルブ８１を全閉して冷媒循環を止めれば、冷房システム３０を流通する液冷媒６５を室外ユニット５０ｂに回収でき、室内熱交換ユニット４１をドライアウトできる。その際、冷媒回収動作をより速やかに終了するため、一定期間送風量を増やす制御を追加したり、室内ユニット内の加熱ヒータを通電して冷媒回収を促進する制御を付加してもよい。
【００４９】
リザーバ７１は、室外熱交換ユニット５１の上方に配置されているので、冷房システム３０の通常運転中は、リザーバ７１の内部は気化冷媒により満たされており、リザーバ７１の全容量を冷媒回収のために利用できる。したがって、リザーバ７１を液冷媒のためにもっとも効率よく使用できる。一方、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の上方に、直列になるように配置されている。このため、搬送中や、外気が低いときにシステム３０が停止しているときは、リザーバ７１に液冷媒が満たされるので室外ユニット５０ｂの重心位置は比較的高くなり、上記の室外ユニット５０および５０ａと比較すると転倒モーメントが大きくなり易い。しかしながら、リザーバ７１および室外熱交換ユニット５１を接続する配管は短く、最もシンプルな構成であり、コンパクトな室外ユニット５０ｂを提供できる。
【００５０】
以上では、リザーバ７１の配置位置などが異なる幾つかの室外ユニットを例示しているが、本発明に含まれる室外ユニットはこれらに限定されない。冷媒回収ユニット７０は、複数のリザーバ７１を含んでいてもよく、上述した幾つかの位置に配置されたリザーバ７１を適当に組み合わせて配置してもよい。また、冷房システム３０の再稼働時に、リザーバ７１に回収された液冷媒が急激に配管システム６０に流入しないように、リザーバ７１の出口側にオリフィスやキャピラリーチューブのような圧力損失の高い配管部材を取り付けてもよい。
【００５１】
また、上記においては、データセンターに設置される冷房システムを例に説明しているが、冷房の対象となる負荷はサーバーなどの情報機器に限定されない。例えば、クリーンルームの冷房など、窓を開けて風を取り込むことが難しいケースの冷房にも、本発明の冷房システムおよびハイブリッド空調システムを好適に用いることができる。
【００５２】
さらに、上記では、床置形の冷房システムとの組み合わせを例に、本発明の冷房システムを説明しているが、異なるタイプの冷房システムと組み合わせたり、単独で使用したりしてもよい。本発明の冷房システムは、単独のほか、既存の冷房システムを組み合わせて利用するなど、上記以外の様々な方法で冷房する条件または環境に合わせて使用できる。
【符号の説明】
【００５３】
３０ 冷房システム（補助空調システム）
４０ 室内ユニット、 ４１ 室内熱交換ユニット（屋内熱交換ユニット）
５０ 室外ユニット、 ５１ 室外熱交換ユニット（屋外熱交換ユニット）
６０ 配管システム
７０ 冷媒回収ユニット、 ７１ リザーバ
８０ バルブ群、 ８１ 遮断弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、室内に設置される室内熱交換ユニットと、室外に設置される室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発熱体にて加熱された空気および発熱体から発せられる熱を吸熱する室内熱交換器が記載されている。この室内熱交換器は、上下方向に延びる複数本のチューブと、チューブの間に配されるフィンと、チューブの両端を接続する上部ヘッダおよび下部ヘッダを有する。上部ヘッダはヘッダ部とヘッダ増設部とを有しており、上部ヘッダの断面積はチューブの全流路断面積よりも大きい。その結果、冷媒蒸発時の圧損の増大を抑制し、冷却性能の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０２５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
室内（屋内）に設置される室内熱交換ユニットと、主に室外、特に屋外に設置される室外熱交換ユニットとの間で冷媒を自然循環させて室内を冷房する、圧縮機を含まない自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムが知られている。この自然循環型の冷房システムは、室内より室外が低温のときに省電力で室内を冷却することができるというメリットがある。その際、室内ユニットでの吸熱の時に、低温の冷媒によって熱交換器や配管に結露を発生することがある。この結露が過度に発生すると、室内ユニットの通風抵抗の増大によって排熱性能が低下したり、室内空気が乾燥して、静電気を発生したりする問題がある。そのため、この自然循環型の冷房システムにおいて、室内に設置される熱交換ユニットの結露を抑制することは重要である。
【０００５】
大気温度が低下したときに、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断することにより、室内熱交換ユニットにおいて結露水が発生するのを抑制できる。しかしながら、室内熱交換ユニット内に液冷媒が存在すると、配管システムの一部がヒートパイプとして動作することにより排熱動作が継続し、結露水の発生が続くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、室外に設置される室外熱交換ユニットであって、室内に設置される室内熱交換ユニットとの間で配管システムを介して冷媒が自然循環される室外熱交換ユニットを有する室外ユニットである。この室外ユニットは、さらに、室外熱交換ユニットに対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバを含む冷媒回収機能を持った冷媒回収ユニットであって、運転中に配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収することができる容量を少なくとも備えた冷媒回収ユニットと、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断する少なくとも１つのバルブを含むバルブ群とを有する。
【０００７】
上記の室外ユニットにおいては、運転中に配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収できる冷媒回収ユニットを設け、外気が低温になると、液状の冷媒を室外熱交換ユニットおよび冷媒回収ユニットで回収して保持し、室内熱交換ユニットに液冷媒が残らないようにする。これにより配管システムを介した室内から室外への熱移動をほぼ完全に停止でき、室内熱交換ユニットが結露することをさらに確実に抑制できる。
【０００８】
また、自然循環型（沸騰循環型）の冷房システムにおいては、室外ユニットを室内ユニットに対して上方に配置する必要があり、さらに、この冷房システムを施工する際は、室外熱交換ユニットから室内熱交換ユニットへ液冷媒を供給する配管は液冷媒で充填する。したがって、施工現場において多量の冷媒を充填する必要がある。上記の室外ユニットにおいては、冷媒回収ユニットが室内熱交換ユニットおよび配管システムを充填する冷媒を液体状態で回収する容量を備えている。したがって、出荷する際に、室外ユニットの冷媒回収ユニットに液冷媒を充填しておくことにより、配管システムに十分な液冷媒を供給することが可能となる。このため、施工現場において多量の冷媒を追加充填する装置や作業を省くことができる。
【０００９】
冷媒回収ユニットの少なくとも１つのリザーバは、室外熱交換ユニットの側方に並列に接続された第１のリザーバを含むことが望ましい。運転中、搬送中などに、第１のリザーバには液冷媒が貯蔵される機会があるが、第１のリザーバを室外熱交換ユニットの側方に配置することにより室外ユニットの重心が高くなるのを抑制でき、転倒しにくい構造となる。したがって、施工が容易となり、また、安定して搬送できる。
【００１０】
バルブ群は、室外熱交換ユニットに並列に接続された第１のリザーバの縦方向の異なる位置に取り付けられた複数のバルブを含むことが有効である。複数のバルブを切り替えることにより、室外熱交換ユニット内の液面の高さを制御でき、室外熱交換ユニットの熱交換能力（有効な熱交換面積）を制御できる。したがって、冷房システムを循環する冷媒の量を制御でき、室内熱交換ユニットが結露しないようにしながら、外気温がより低い温度のときまで外気の熱を使って室内を冷房できる。
【００１１】
冷媒回収ユニットの少なくとも１つのリザーバは、室外熱交換ユニットの上側に直列に接続された第２のリザーバを含むことも有効である。冷房システムが通常に稼働している間、室外熱交換ユニットの上方に位置する第２のリザーバ内は気化冷媒に完全に置き換えられる。したがって、第２のリザーバ内のスペースを搬送中などにおいて液冷媒を格納するスペースとして有効に利用できる。
【００１２】
本発明の他の態様は、上記の室外ユニットと、室内熱交換ユニットを含む室内ユニットと、室外熱交換ユニットおよび室内熱交換ユニットの間を冷媒が自然循環するように接続する配管システムとを有する冷房システムである。冷房システムは、室内熱交換ユニットに結露が発生する条件を監視するセンサーと、室内熱交換ユニットが結露する状態になると室外ユニットのバルブ群に含まれるバルブを閉じて室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を制御する制御ユニットとをさらに有することが望ましい。センサーの典型的なものは温度センサーおよび湿度センサーである。制御ユニットは、プログラマブルであることが望ましく、典型的にはＣＰＵおよびメモリを含む。
【００１３】
さらに、室内熱交換ユニットの下部ヘッダを加熱するヒーターを設けることも有効である。室内熱交換ユニットの液冷媒を強制的に蒸発して室外ユニットに供給し、冷媒回収ユニットに回収させることにより、室内熱交換ユニットにおいて結露水が発生するのを未然に防止できる。
【００１４】
本発明の他の態様の１つは、上記の冷房システムと、冷房システムの室内熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システムである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる冷房システムを含むハイブリッド空調システムの概要を示す図。
【図２】冷房システムの冷媒の循環を模式的に示す図。
【図３】室外ユニットの概略構成を示す図。
【図４】冷房システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャート。
【図５】室外ユニットの異なる例を示す図。
【図６】室外ユニットのさらに異なる例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図１は、データセンターにおける空調システムの一例を示している。この空調システム（ハイブリッド空調システム）１０は、床上２ａと床下２ｂとの二重構造を持つフリーアクセス床２の床下２ｂの空間を用い、冷風（冷気）９を床上２ａに配置された複数のサーバー５に供給し、サーバー５および室内（屋内）１を冷房する。ハイブリッド空調システム１０は、床置形の主空調システム２０と、室内１の天井３の近傍に室内ユニット４０が配置された冷房システム（補助空調システム）３０とを有する。
【００１７】
主空調システム２０は、床置形の屋内（室内）ユニット２１と、屋外ユニット２６とを含む。屋内ユニット２１は、冷却用のチューブを含むエバポレータ２２と、ヒーター２３と、室内ファン（屋内ファン）２４とを含む。屋外ユニット２６は、コンプレッサ（圧縮機）２７と、屋外ファン２８と、凝縮用のチューブを含むコンデンサ２９とを含む。主空調システム２０においては、コンプレッサ２７で圧縮した冷媒をコンデンサ２９で外気温度を利用して冷やし、屋内ユニット２１のエバポレータ２２において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風９を生成する。
【００１８】
この空調システム１０において冷房システム３０は補助的に動作する。冷房システム３０が動作しているときは、まず、冷房システム３０の室内ユニット４０が室内１の空気７を冷却する。冷房システム３０により冷却された空気８は、主空調システム２０の屋内ユニット２１によりさらに冷却され、生成された冷気９が床下２ｂを介して室内１のサーバー５を冷却する。外気の温度が低く、冷房システム３０の冷房能力が室内１の熱負荷に対して十分な場合は、冷房システム３０が主な冷房システムとなることも可能である。
【００１９】
図２に、冷房システム３０を抜き出して示している。また、図３に、冷房システム３０の室外ユニット５０を抜き出して示している。冷房システム３０は、室内（屋内）に設置される室内ユニット（屋内ユニット、室内機）４０と、室外（屋外）に設置される室外ユニット（屋外ユニット、室外機）５０と、室内ユニット４０および室外ユニット５０を接続する配管システム６０と、室内ユニット４０および室外ユニット５０を制御する制御ユニット９０とを有する。
【００２０】
室内ユニット４０は、室内１に垂直（鉛直）に、または斜めに設置される室内熱交換ユニット４１を含む。室内熱交換ユニット４１は、複数の室内チューブ４２（図１および２では１本のみ図示）と、液化した冷媒が供給される供給ヘッダ４３と、気化した冷媒が集められる排出ヘッダ４４とを含む。なお、本例の室内ユニット４０は、ファン（室内ファン）は含まないが、室内ファンを含んでいてもよい。
【００２１】
室内ユニット４０においては、複数の室内チューブ４２が供給ヘッダ（下部ヘッダ）４３と排出ヘッダ（上部ヘッダ）４４とを接続している。排出ヘッダ４４は供給ヘッダ４３よりも上方の天井３に近くなるように配置されている。したがって、室内チューブ４２において気化した冷媒は、比重差により供給ヘッダ４３から排出ヘッダ４４に集められ、室外ユニット５０に向けて供給される。さらに、室内ユニット４０は、供給ヘッダ４３を加熱するヒーター４５を含む。
【００２２】
室外ユニット５０は、室外（典型的には屋外）１００の、室内ユニット４０よりも高い位置に設置される。室外ユニット５０は、室内ユニット４０の室内熱交換ユニット４１よりも高い位置に設置される室外熱交換ユニット５１を含む。室外熱交換ユニット５１は、複数の室外チューブ５２と、気化冷媒が供給される供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と、液冷媒を排出する排出ヘッダ（下部ヘッダ）５４とを含む。供給ヘッダ５３は排出ヘッダ５４よりも上に位置するように配置され、室外チューブ５２が供給ヘッダ５３と排出ヘッダ５４とを繋ぐ（連通する）ように、鉛直方向に、または斜めに配置される。したがって、室外チューブ５２で液化した冷媒は自重（比重差）により排出ヘッダ５４に集められ室内熱交換ユニット４１に供給される。
【００２３】
室外ユニット５０は、さらに、室外チューブ５２に対して外気１１０を強制的に供給する室外ファン５５と、室外ファン５５を駆動するファンモーター５６と、リザーバ７１を備えた冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１への液冷媒の供給を制御するバルブ群８０とを含む。冷媒回収ユニット７０およびバルブ群８０については、以下でさらに説明する。
【００２４】
室内チューブ４２および室外チューブ５２の典型的なものは、アルミニウム管または銅管であり、フィン付きであってもフィンがなくてもよい。フィンを用いる場合には、例えば、コルゲートタイプ、プレートタイプ、スパインタイプなどのものを用いることができる。冷媒は、作動条件とする室温で気化し、外気温で液化するものであればよい。冷媒としては、たとえば、ＨＦＣ１３４ａ（化学式ＣＨ２ＦＣＦ３）を挙げることができる。
【００２５】
冷房システム３０は、さらに、室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１との間で冷媒を自然循環させる配管システム６０を有する。自然循環型（沸騰循環型）の冷房システム３０の配管システム６０は、室内熱交換ユニット４１と室外熱交換ユニット５１とをコンプレッサ（圧縮機）を介さずに連通させるものである。配管システム６０は、液冷媒６５を室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に供給する第１の供給管６１と、気化冷媒６６を室内熱交換ユニット４１から室外熱交換ユニット５１に供給する第２の供給管６２とを含む。第１の供給管６１は、室外熱交換ユニット５１の排出ヘッダ５４と室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ４３とを連通する配管であり、第２の供給管６２は、室内熱交換ユニット４１の排出ヘッダ４４と室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３とを連通する配管である。冷房システム３０の運転中は、第１の供給管６１は液冷媒６５で満たされ、第２の供給管６２は気化冷媒６６で満たされる。
【００２６】
室外ユニット５０に含まれる冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１の側方の室外チューブ５２に対する外気１１０の流路を確保できる位置に配置されたリザーバ（レシーバ）７１を含む。リザーバ７１は垂直方向（鉛直方向）に延びたタンクであり、室外チューブ５２に匹敵する長さを備えている。リザーバ７１は、上端７２が室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３に達し、下端７３が排出ヘッダ５４に達する長さであってもよく、さらに、上端７２が供給ヘッダ５３よりも上方に突き出ており、下端７３が排出ヘッダ５４より下側に突き出ていてもよい。冷媒回収ユニット７０は、さらに、リザーバ７１の上端７２と室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ５３とを連通する第１の配管７５と、リザーバ７１の下端７３と排出ヘッダ５４とを連通する第２の配管７６とを含む。
【００２７】
室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に対する液冷媒６５の供給を制御するバルブ群８０は、リザーバ７１の下端７３および排出ヘッダ５４と第１の供給管６１との接続を制御（オンオフ）する第１のバルブ８１と、リザーバ７１の上端７２および供給ヘッダ５３と第１の供給管６１との接続を制御（オンオフ）する第２のバルブ８２と、リザーバ７１の縦方向の異なる位置に取り付けられたレベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄとを含む。第１のバルブ８１を開にすることにより、室外熱交換ユニット５１およびリザーバ７１と、第１の供給管６１とは液冷媒６５の液面が強制的には制御されない状態で接続される。したがって、室外熱交換ユニット５１の内部の液面は熱交換ユニット５１の器内圧により制御される。
【００２８】
レベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄはリザーバ７１と第１の供給管６１との接続をそれぞれオンオフするバルブであり、複数のバルブ８５ａ〜８５ｄが取り付けられたリザーバ７１のそれぞれの位置（高さ）に液冷媒のレベル（液面）７９ａ〜７９ｄを形成できるようになっている。すなわち、第１のバルブ８１を閉じ、レベル制御用の複数のバルブ８５ａ〜８５ｄを下側から順番に閉じていくとリザーバ７１内の液面を制御でき、リザーバ７１と室外熱交換ユニット５１とは連通しているので室外熱交換ユニット５１内の液面もリザーバ７１内の液面により制御される。したがって、室外熱交換ユニット５１においてバルブ群８０により、外気１１０と気化冷媒６６との熱交換に有効な面積を制御でき、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制御できる。
【００２９】
バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じると、室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０（リザーバ７１）と第１の供給管６１との接続は遮断され、室外熱交換ユニット５１から室内熱交換ユニット４１に液冷媒６５は供給されない。また、冷媒回収ユニット７０のリザーバ７１は、運転中に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を備えている。具体的には、液冷媒を供給する第１の供給管６１を満たす液冷媒６５を回収できる容量を備えている。リザーバ７１の典型的な容量は０．５〜５リットルであるが、冷房システムに充填する冷媒量を鑑みて、容量を決定するべきである。
【００３０】
また、室外熱交換ユニット５１は、運転中に室外熱交換ユニット５１および室内熱交換ユニット４１に存在する冷媒を液体状態で回収するのに十分な容積を備えている。したがって、バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じると、冷房システム３０において流通する全冷媒を、気化状態で配管システム６０および室内熱交換ユニット４１に残る微量な冷媒を除き、液体状態で室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０に回収することができる。すなわち、外気温が低下して室外熱交換ユニット５１および室内熱交換ユニット４１の器内圧が低下したとき、気化冷媒６６は温度の低い室外熱交換ユニット５１の側で液化され、室外ユニット５０は室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０で、液化された冷媒を保持するのに十分な容量を備えている。したがって、外気温が低下したときに、液化された冷媒６５は全て室外ユニット５０（室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０）で保持され、室内熱交換ユニット４１には戻されない。このため、室内熱交換ユニット４１においては熱交換が行われず、室内熱交換ユニット４１の温度が低下するのを防止できる。
【００３１】
たとえば、室外ユニット側の容量が十分でない場合、液冷媒側の供給管６１を遮断したとしても、室外熱交換ユニットで液化した冷媒は、気化冷媒の供給管６２を通って室内熱交換ユニットに逆流する可能性があり、室内熱交換ユニットに液冷媒が存在してしまう可能性がある。室内熱交換ユニットに液面があると、液冷媒は室内熱交換ユニット内で蒸発し、室内熱交換ユニットの温度がさらに低下して制限温度以下、たとえば、露点以下になる可能性がある。すなわち、室内熱交換ユニットに液面があると、液冷媒側の供給管６１を遮断して、冷媒サイクルを遮断したとしても、気化冷媒側の供給管６２がヒートパイプとして機能し、室内熱交換ユニットの温度が低下する可能性がある。
【００３２】
本例の冷房システム３０においては、液冷媒６５は全て室外ユニット５０に回収できる。したがって、気化冷媒側の供給管６２がヒートパイプとして機能するのを防止できる。このため、バルブ群８０により液冷媒側の供給管６１を遮断して、冷媒サイクルを遮断すれば、室内熱交換ユニット４１が規定の温度以下、たとえば露点以下に低下するのを確実に防止できる。
【００３３】
また、この冷房システム３０においては、施工する際に、室外ユニット５０を、バルブ群８０の全てのバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じた状態で液冷媒を充填して施工現場に供給（搬送）できる。そして、室外ユニット５０および室内ユニット４０とを配管システム６０で接続した後、第１のバルブ８１を開にすることにより、配管システム６０を含む冷房システム３０を稼働させるために十分な冷媒を冷房システムに供給できる。すなわち、冷房システム３０の稼働中は、液冷媒６５を供給する第１の供給管６１の内部は液冷媒６５で満たされるため、冷房システム３０を施工後、稼働させる前に、少なくとも第１の供給管６１を液体状態で満たすのに十分な冷媒を充填する必要がある。本例の冷房システム３０においては、室外ユニット５０の冷媒回収ユニット７０は、配管システム６０を充填するために十分な量の液冷媒を保持する容量を備えている。したがって、冷媒回収ユニット７０の第１のバルブ８１を開くだけで冷房システム３０を稼働させるのに十分な冷媒をシステム３０に供給できる。
【００３４】
自然循環タイプの冷房システムにおいては、室内ユニット４０と室外ユニット５０との高低差が２ｍ以上になり、室内ユニット４０と室外ユニット５０との距離が１０ｍ以上になる場合も多い。従来、室内外のユニットの間に、この程度の高度差および距離があると、配管を充填する冷媒が不足し、充填用の冷媒タンクと冷媒充填用の装置を施工現場に持ち込む必要があった。本例の冷房システム３０においては、冷媒充填用の機器の持ち込みと、冷媒充填に要する手間とを省くことができ、冷房システム３０の施工に要するコストを低減できる。
【００３５】
図４に、冷房システム３０の制御ユニット９０による制御の一例を示している。制御ユニット９０は、ＣＰＵおよびメモリを含み、適当なプログラムをロードすることにより幾つかの機能を実現できるものである。この制御ユニット９０は、図２に示すように、室外ユニット５０のファンモーター５６の回転数制御を行うことにより室外熱交換ユニット５１を通過する風量を制御する風量制御機能９１と、バルブ群８０を制御することによりリザーバ７１のレベル制御を行うレベル制御機能９２と、室内ユニット４０のヒーター４５を制御するヒーター制御機能９３とを含む。
【００３６】
また、冷房システム３０は、温度センサーＴＨ１〜ＴＨ４をさらに含む。第１の温度センサーＴＨ１は、室内ユニット４０の供給口の近傍に配置されており、室内エアー７の温度、すなわち、サーバー室１の室内温度を検出できる。第２の温度センサーＴＨ２は、室内ユニット４０の排出口の近傍に配置されており、室内ユニット４０から出力される冷風８の温度を検出できる。第３の温度センサーＴＨ３は、室外熱交換ユニット５１の出口の第１の供給管６１に設置されており、液冷媒６５の温度を検出できる。第４の温度センサーＴＨ４は、室外熱交換ユニット５１の吸気側に配置されており、室外（外気）１１０の温度（外気温）を検出できる。
【００３７】
図４に示したフローチャートでは、まず、ステップ２０１において、温度センサーＴＨ４で検出される外気温が−２０℃以下でなく、次にステップ２０２において、室外熱交換ユニット５１から供給される液冷媒６５の温度（温度センサーＴＨ３で検出された温度）が露点ＴＤ以下でなければ、ステップ２０３において、風量制御機能９１による風量の制限およびレベル制御機能９２による液冷媒の流量制限を行わず冷房システム３０の冷却能力をフルに発揮させる。冷房システム３０においては、外気温が室温よりも低ければ、冷媒が自然循環し、電力を基本的には使わずに、あるいは、外気ファン５５を駆動する程度の電力で、外気１１０の熱により室内を冷房できる。さらに、この冷房システム３０においては、窓を開けたり、ファンで換気したりせずに室内を外気により冷房できる。このため、冷房システム３０により、サーバールームやクリーンルームなどの外気の導入が難しい領域を、極めて少ないエネルギーで冷房できる。なお、外気温が室温よりも高く、室外熱交換ユニット５１で冷媒が凝縮されないような条件では冷媒は循環せず、冷房システム３０により室内１は冷房されない。
【００３８】
ステップ２０２において、温度センサーＴＨ３で検出された液冷媒６５の温度が露点ＴＤ以下になると、室内熱交換ユニット４１において結露が発生しないようにシステム３０を制御する。まず、ステップ２０４において、風量制御が可能であるか確認する。風量制御が可能であれば、ステップ２０５において、風量制御機能９１がファンモーター５６の回転数を制御して室外熱交換ユニット５１に供給される外気量を制限する。ファンモーター５６の回転数制御とともに、あるいは代わりに、室外ユニット５０に風量コントロール用のダンパを設けて風量を制御してもよい。
【００３９】
ステップ２０４において風量制御が不可能な場合、たとえば、既にファン５５が停止していたり、ダンバが全閉である場合は、ステップ２０６においてレベル制御が可能であれば、ステップ２０７において、レベル制御機能９２がバルブ群８０のバルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを制御することによりリザーバ７１の液冷媒のレベルを制御する。まず、バルブ８１を閉にしてリザーバ７１の液レベルをバルブ８５ａの位置７９ａに設定し、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制限する。液冷媒６５の温度が上昇せず、露点ＴＤ以下になる場合は、順番に、バルブ８５ｂ、８５ｃおよび８５ｄと閉じて、リザーバ７１の液レベルを位置７９ｂ、７９ｃおよび７９ｄと上昇させ、室外熱交換ユニット５１の熱交換能力を制限する。なお、この液冷媒レベル制御は、先の送風量制御２０４に前もって行ってもよく、または同時に行ってもよい。
【００４０】
なお、ステップ２０４および２０５を省き、ステップ２０２において室外熱交換ユニット４０から供給される液冷媒の温度（温度センサＴＨ３）が露点ＴＤ以下になると、ステップ２０７において、レベル制御機能９２により弁切り替えを行ってもよい。また、室内１の露点は室内１の湿度により変動するので、室内１に湿度センサーを設けて露点ＴＤを確認するようにしてもよい。
【００４１】
ステップ２０１において、温度センサーＴＨ４で検出された外気温度が−２０℃以下になったとき、また、ステップ２０６においてレベル制御が不可能であれば、ステップ２０８において、レベル制御機能９２によりバルブ群８０の全バルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを閉じて、具体的にはリザーバ７１の上端７２を供給管６１に接続する第２のバルブ８２を閉じて、室外熱交換ユニット５１から第１の供給管６１への液冷媒６５の供給を完全に停止する。さらに、ヒーター制御機能９３は、室内熱交換ユニット４１の供給ヘッダ（下部ヘッダ）４３をヒーター４５で加熱する。これにより、室内熱交換ユニット４１に液冷媒が残っているような場合であっても冷媒を気化して室外ユニット５０に送り込み、室内熱交換ユニット４１の温度が低下するのを防止できる。
【００４２】
バルブ群８０の全バルブ８１、８２、８５ａ〜８５ｄを全閉し、室外熱交換ユニット５１から第１の供給管６１を介した室内熱交換ユニット４１への液冷媒６５の供給を完全に停止すると、冷房システム３０の冷媒の殆ど、すなわち液冷媒は全て室外ユニット５０の室外熱交換ユニット５１および冷媒回収ユニット７０に回収される。このため、室内熱交換ユニット４１の内部に液冷媒が存在することを防止でき、室内熱交換ユニット４１が露点以下になって結露するような事態を未然に防止できる。
【００４３】
図５に、室外ユニットの異なる例を示している。この室外ユニット５０ａは、室外熱交換ユニット５１と、冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１からの冷媒の供給を遮断するバルブ群８０とを備えている。バルブ群８０は、冷媒の供給を遮断する第１のバルブ８１により構成されている。この室外ユニット５０ａにおいても、冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１と並列に接続されたリザーバ７１を含み、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の側方に配置され、リザーバ７１の上端７２が室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と連通し、リザーバ７１の下端７３が室外熱交換ユニット５１の排出ヘッダ（下部ヘッダ）５４と連通している。
【００４４】
このリザーバ７１も、冷房システム３０の運転中（稼働中）に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、外気温が低下したときに、冷房システム３０を流通する液冷媒６５を室外ユニット５０ａに回収できる。このため、室内熱交換ユニット４１をドライアウトさせることが可能となり、室内熱交換ユニット４１の温度低下を防止できる。
【００４５】
リザーバ７１は、室外熱交換ユニット５１の側方で、供給ヘッダ４３の側に片寄った状態、すなわち、室外ユニット５０の上方にシフトした状態で配置されており、冷房システム３０の通常運転中にはリザーバ７１の内部に液面ができないようにしている。したがって、リザーバ７１の内部は、通常運転中は気化冷媒により満たされており、基本的にはリザーバ７１の全容量を冷媒回収のために利用できる。通常運転中にリザーバ７１に液面が形成されていてもよく、この場合は、リザーバ７１の全容量のうち、通常運転中に気化冷媒が占めている容量が液冷媒の回収のために利用できる。
【００４６】
また、室外ユニット５０および５０ａにおいては、リザーバ７１が室外熱交換ユニット５１の側方に、並列になるように配置されている。したがって、搬送中や、外気が低いときにシステム３０が停止しているときは、リザーバ７１および室外熱交換ユニット５１に液冷媒が満たされているが、室外ユニット５０の重心位置は比較的低く、転倒モーメントが小さい。このため、搬送しやすく、また、設置したときの基礎にかかる負荷も小さい。
【００４７】
図６に、室外ユニットの異なる例を示している。この室外ユニット５０ｂも、室外熱交換ユニット５１と、冷媒回収ユニット７０と、室外熱交換ユニット５１からの冷媒の供給を遮断するバルブ群８０とを備えている。バルブ群８０は、冷媒の供給を遮断する第１のバルブ８１により構成されている。この室外ユニット５０ｂの冷媒回収ユニット７０は、室外熱交換ユニット５１と直列に接続されたリザーバ７１を含み、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の上方に、室外熱交換ユニット５１の上流に位置するように配置され、リザーバ７１には気化冷媒を供給する第２の供給管６２が接続され、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の供給ヘッダ（上部ヘッダ）５３と連通している。したがって、気化冷媒は、リザーバ７１を介して室外熱交換ユニット５１に供給される。
【００４８】
このリザーバ７１も、冷房システム３０の運転中（稼働中）に配管システム６０を流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えている。したがって、外気温が低下したときにバルブ８１を全閉して冷媒循環を止めれば、冷房システム３０を流通する液冷媒６５を室外ユニット５０ｂに回収でき、室内熱交換ユニット４１をドライアウトできる。その際、冷媒回収動作をより速やかに終了するため、一定期間送風量を増やす制御を追加したり、室内ユニット内の加熱ヒータを通電して冷媒回収を促進する制御を付加してもよい。
【００４９】
リザーバ７１は、室外熱交換ユニット５１の上方に配置されているので、冷房システム３０の通常運転中は、リザーバ７１の内部は気化冷媒により満たされており、リザーバ７１の全容量を冷媒回収のために利用できる。したがって、リザーバ７１を液冷媒のためにもっとも効率よく使用できる。一方、リザーバ７１は室外熱交換ユニット５１の上方に、直列になるように配置されている。このため、搬送中や、外気が低いときにシステム３０が停止しているときは、リザーバ７１に液冷媒が満たされるので室外ユニット５０ｂの重心位置は比較的高くなり、上記の室外ユニット５０および５０ａと比較すると転倒モーメントが大きくなり易い。しかしながら、リザーバ７１および室外熱交換ユニット５１を接続する配管は短く、最もシンプルな構成であり、コンパクトな室外ユニット５０ｂを提供できる。
【００５０】
以上では、リザーバ７１の配置位置などが異なる幾つかの室外ユニットを例示しているが、本発明に含まれる室外ユニットはこれらに限定されない。冷媒回収ユニット７０は、複数のリザーバ７１を含んでいてもよく、上述した幾つかの位置に配置されたリザーバ７１を適当に組み合わせて配置してもよい。また、冷房システム３０の再稼働時に、リザーバ７１に回収された液冷媒が急激に配管システム６０に流入しないように、リザーバ７１の出口側にオリフィスやキャピラリーチューブのような圧力損失の高い配管部材を取り付けてもよい。
【００５１】
また、上記においては、データセンターに設置される冷房システムを例に説明しているが、冷房の対象となる負荷はサーバーなどの情報機器に限定されない。例えば、クリーンルームの冷房など、窓を開けて風を取り込むことが難しいケースの冷房にも、本発明の冷房システムおよびハイブリッド空調システムを好適に用いることができる。
【００５２】
さらに、上記では、床置形の冷房システムとの組み合わせを例に、本発明の冷房システムを説明しているが、異なるタイプの冷房システムと組み合わせたり、単独で使用したりしてもよい。本発明の冷房システムは、単独のほか、既存の冷房システムを組み合わせて利用するなど、上記以外の様々な方法で冷房する条件または環境に合わせて使用できる。
【符号の説明】
【００５３】
３０ 冷房システム（補助空調システム）
４０ 室内ユニット、 ４１ 室内熱交換ユニット（屋内熱交換ユニット）
５０ 室外ユニット、 ５１ 室外熱交換ユニット（屋外熱交換ユニット）
６０ 配管システム
７０ 冷媒回収ユニット、 ７１ リザーバ
８０ バルブ群、 ８１ 遮断弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
室外に設置される室外熱交換ユニットであって、室内に設置される室内熱交換ユニットとの間で配管システムを介して冷媒が自然循環される室外熱交換ユニットと、
前記室外熱交換ユニットに対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバを含む冷媒回収ユニットであって、運転中に前記配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えた冷媒回収ユニットと、
前記室外熱交換ユニットから前記室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断する少なくとも１つのバルブを含むバルブ群とを有する室外ユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記少なくとも１つのリザーバは、前記室外熱交換ユニットの側方に並列に接続された第１のリザーバを含む、室外ユニット。
【請求項３】
請求項２において、前記バルブ群は、前記第１のリザーバの縦方向の異なる位置に取り付けられた複数のバルブを含む、室外ユニット。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記少なくとも１つのリザーバは、前記室外熱交換ユニットの上側に直列に接続された第２のリザーバを含む、室外ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の室外ユニットと、
前記室内熱交換ユニットを含む室内ユニットと、
前記室外熱交換ユニットおよび前記室内熱交換ユニットの間を冷媒が自然循環するように接続する前記配管システムとを有する冷房システム。
【請求項６】
請求項５において、前記室内熱交換ユニットに結露が発生する条件を監視するセンサーと、
前記室内熱交換ユニットが結露する状態になると前記室外ユニットの前記バルブ群に含まれるバルブを閉じて前記室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を制御する制御ユニットとを、さらに有する冷房システム。
【請求項７】
請求項５または６において、前記室内熱交換ユニットの下部ヘッダを加熱するヒーターを有する、冷房システム。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかに記載の冷房システムと、
前記冷房システムの前記室内熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システム。
【請求項１】
室外に設置される室外熱交換ユニットであって、室内に設置される室内熱交換ユニットとの間で配管システムを介して冷媒が自然循環される室外熱交換ユニットと、
前記室外熱交換ユニットに対し直列または並列に接続された少なくとも１つのリザーバを含む冷媒回収ユニットであって、運転中に前記配管システムを流通する冷媒を液体状態で回収する容量を少なくとも備えた冷媒回収ユニットと、
前記室外熱交換ユニットから前記室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を遮断する少なくとも１つのバルブを含むバルブ群とを有する室外ユニット。
【請求項２】
請求項１において、前記少なくとも１つのリザーバは、前記室外熱交換ユニットの側方に並列に接続された第１のリザーバを含む、室外ユニット。
【請求項３】
請求項２において、前記バルブ群は、前記第１のリザーバの縦方向の異なる位置に取り付けられた複数のバルブを含む、室外ユニット。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記少なくとも１つのリザーバは、前記室外熱交換ユニットの上側に直列に接続された第２のリザーバを含む、室外ユニット。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の室外ユニットと、
前記室内熱交換ユニットを含む室内ユニットと、
前記室外熱交換ユニットおよび前記室内熱交換ユニットの間を冷媒が自然循環するように接続する前記配管システムとを有する冷房システム。
【請求項６】
請求項５において、前記室内熱交換ユニットに結露が発生する条件を監視するセンサーと、
前記室内熱交換ユニットが結露する状態になると前記室外ユニットの前記バルブ群に含まれるバルブを閉じて前記室内熱交換ユニットへの液冷媒の供給を制御する制御ユニットとを、さらに有する冷房システム。
【請求項７】
請求項５または６において、前記室内熱交換ユニットの下部ヘッダを加熱するヒーターを有する、冷房システム。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかに記載の冷房システムと、
前記冷房システムの前記室内熱交換ユニットにより冷却された空気をさらに冷却させて供給する主空調システムとを有するハイブリッド空調システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６８３７０（Ｐ２０１３−６８３７０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７６７３（Ｐ２０１１−２０７６７３）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５９１１５０７９７）ＧＡＣ株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５９１１５０７９７）ＧＡＣ株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
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