JP6846968B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、空調システムに関する。

サーバや通信機器といった機器類を収めた機器室では、前記機器類の稼働に伴い排熱が生じるため、前記機器室に空調設備を備えて前記機器室内の空気を冷却する必要がある。近年、こうした機器室の空調のための仕組みとして、ホットアイル・コールドアイル式と呼ばれる空調システムが提案されており、実用化が進められている。小型高密度化が進む前記機器類を冷却するにあたっては、前記機器類に対し前面から背面への空気の流れが要求されるため、その流れをラック等を用いて統一した形のシステムである。

図１２は従来におけるこの種の空調システムの一例を示しており、機器室１内に機器２を収めた複数のラック３が列をなして設置され、該複数のラック３のなす列（ラック列４と称する）同士の間には通路５が形成されている。ここでは、ラック３の列が機器室１内に計６列形成され（ラック列４ａ〜４ｆ）、該ラック列４ａ〜４ｆの前後及び間に通路５が計７本（通路５ａ〜通路５ｇ）形成されている場合を例示している。

各ラック３は、機器２を収めた収容部３ａの背面３ｂに備えたファン６により、前面３ｃから背面３ｂへと水平方向に沿って空気が抜け出るよう構成されている（尚、ファン６は、機器２に内蔵される場合もある）。また、各ラック列４ａ〜４ｆにおいては、複数のラック３が、空気の吸入側である前面３ｃと、排出側である背面３ｂとが同じ向きを向くように並べられている。そして、ラック列４ａ〜４ｆは、該各ラック列４ａ〜４ｆを構成するラック３が、互いに前面３ｃ同士又は背面３ｂ同士を向かい合わせるように配置されている。

すなわち、図中、ラック列４ａ，４ｃ，４ｅはラック３の前面３ｃが右に、背面３ｂが左に向くように並べられ、ラック列４ｂ，４ｄ，４ｆはラック３の前面３ｃが左に、背面３ｂが右に向くように並べられており、通路５のうち、通路５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇには各ラック３の背面３ｂが、通路５ｂ，５ｄ，５ｆには各ラック３の前面３ｃが、それぞれ面するようになっている。

各ラック列４の上方には、空調機７が備えられている。空調機７は、例えば内部を冷媒が流通する冷却コイル７ａに対しファン７ｂによって空気を送り込むことで冷気Ａ１を作り出す仕組みであり、ラック３の上方に設置したケーシング７ｃ内に、垂直方向に沿って配置された冷却コイル７ａと、該冷却コイル７ａに送風するファン７ｂとを備えて構成される。空調機７にて発生させた冷気Ａ１は、ファン７ｂの駆動により各空調機７から各通路５ｂ，５ｄ，５ｆに送り出される。また、通路５ｂ，５ｄ，５ｆに送り込まれた冷気Ａ１は、各ラック３に備えたファン６の駆動により、各通路５ｂ，５ｄ，５ｆに面したラック３の前面３ｃから収容部３ａへ吸い込まれ、該収容部３ａを通過する間に機器２から発生する熱を受け取って暖気Ａ２となる。暖気Ａ２は、各ラック３の背面３ｂから、該背面３ｂの面する通路５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇへ送り込まれる。

通路５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇへ送り込まれた暖気Ａ２は、各ラック列４の上方に回って空調機７にて冷却され、再度冷気Ａ１として通路５ｂ，５ｄ，５ｆに送り込まれる。

このように、機器室１では、暖気Ａ２の流通するホットアイルとして設定された通路５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇと、冷気Ａ１の流通するコールドアイルとして設定された通路５ｂ，５ｄ，５ｆとを、各ラック列４を挟んで隣接するよう交互に配置し、前記ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇと前記コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆの間に位置する各ラック３を通して前記コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆから前記ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇへ空気を流通させ、各ラック３に収容された機器２の排熱を回収するようにしている。

尚、ここではコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆの上方に空調機７を備え、ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇの暖気をラック列４の上方から空調機７へ送り込むよう構成した場合を例に説明したが、ホットアイル・コールドアイル式の空調システムとしては、この他に例えば機器室の床下を空気の流路として利用する型式や、空調機をラック列の側方に設け、該ラック列の側方からコールドアイルへ冷気を送り込む型式等、種々の型式が存在する。

この種の空調システムに関する技術を記載した文献としては、例えば、下記の特許文献１等がある。

特開２０１０−５４０９０号公報

ところで、上述の如きホットアイル・コールドアイル式の空調システムでは、ホットアイルとコールドアイルの間で空気を循環させるためにファンが設置される。図１２に示した従来例では、ラック３と空調機７にそれぞれファン６及びファン７ｂが設置されており、該ファン６，７ｂによって空気を駆動するようになっている。そして、空調システムにファン６やファン７ｂを設置するにあたっては、当然ながら該ファン６やファン７ｂ自体に費用がかかり、また、ファン６やファン７ｂの駆動には相応の電力が必要とされる。さらに、ファン６に関しては、ラック３内に機器２を収容するための限られたスペースを圧迫しているとも言える。

さらに、ファン６やファン７ｂのような回転動作を伴う機器には、モータや軸受け等のパーツが装備されるが、こうしたパーツは頻繁なメンテナンスを必要とする。そして、ファン６やファン７ｂが多数点在する上述の如き空調システムにおいては、ファン６やファン７ｂのメンテナンスにかかる手間や費用が莫大な負担となっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ファンの設置を削減し、省エネルギーと共に省コストや省メンテナンスを図りつつ、機器室内の空気を好適に冷却し得る空調システムを提供しようとするものである。

本発明は、稼働に伴い排熱を生じる機器と、該機器を収容するラックにより構成されたラック列と、該ラック列が配置される機器室と、前記機器から生じる排熱を含んだ暖気を冷却し、冷気として送り出す冷却コイルを内蔵する空調コイルユニットとを備え、暖気が流通するホットアイルと、冷気が流通するコールドアイルとが前記ラック列を挟んで隣接するホットアイル・コールドアイル式の空調システムであって、
前記空調コイルユニットはファンを備えない空調コイルユニットであり、
前記空調コイルユニットの冷却コイルを、表面及び裏面が開口するケーシングに収納し、該ケーシングを、前記コールドアイルに面した前記ラック列の上端付近から、前記コールドアイルの中央の上方に向かって前記ケーシングの裏面が上向きとなり表面が下向きとなるよう斜めに設置し、
前記ホットアイルの暖気と、前記コールドアイルの冷気との密度差により、前記ホットアイルの暖気が前記ホットアイル内を浮上し、ラック列の上方を超えて前記ケーシングの裏面側から表面側へ抜ける間に冷却され冷気になり、前記冷却コイルからの冷気が自重により前記冷却コイル下方の前記コールドアイルへ供給されるよう構成したことを特徴とする空調システムに関するものである。

而して、このようにすれば、ファンによらずにホットアイルとコールドアイルの間での空気の密度差を駆動力として空気を循環させ、その際、暖気を十分に冷却し、冷気としてコールドアイルに供給することができる。

本発明の空調システムにおいて、前記空調コイルユニットは、直方体状のケーシングに、前記冷却コイルと、該冷却コイルに冷媒を供給する冷媒管を収納して構成されることが好ましく、このようにすれば、複数の空調コイルユニットを隣接させて列を形成するにあたり、直方体状のケーシング同士が互いに接するように配置することができ、複数の空調コイルユニット同士の間に隙間を形成されにくくして、空調コイルユニット同士の間を通って空気が抜けることを防止することができる。

本発明の空調システムにおいては、前記空調コイルユニットは前記機器室の天井から吊り下げるように設置され、前記空調コイルユニットと前記ラック列との間には、空気の通過を遮る充填材が備えられていることが好ましく、このようにすれば、暖気が空調コイルユニット内部を通らずに空調コイルユニットとラック列との隙間からコールドアイルに漏れてしまうことを防止し、空気の冷却を一層効率化することができる。
前記ラックは、前記機器を収めた収容部の背面にファンを備える、もしくは前記機器にファンを内蔵することもできる。このようにすると、条件によって、空気を循環させる駆動力として密度差だけでは不足する場合にも、空気の循環に必要な駆動力を補助することができ、従来例と比較しても、ファンに係る材料費やエネルギー、メンテナンスの手間や費用等は小さく済む。

本発明の空調システムにおいては、前記冷却コイルに供給される冷媒の入口温度が、前記機器室内の空気の露点温度以上の温度に設定されていることが好ましく、このようにすれば、冷却コイルの表面における結露を防止することができる。

本発明の空調システムによれば、ファンの設置を削減し、省エネルギーと共に省コストや省メンテナンスを図りつつ、機器室内の空気を好適に冷却し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施例による空調システムの全体構成を示す正面図である。 本発明の実施例による空調システムを構成する空調コイルユニットの形態を示す斜視図である。 本発明の実施例による空調システムを構成する空調コイルユニットの形態を示す正面図である。 本発明の実施例による空調システムにおける空気の流れを説明する概念図である。 本発明の参考例における空気の流れを説明する概念図である。 本発明の別の参考例における空気の流れを説明する概念図である。 本発明の実施例における冷気と暖気の圧力差と、冷気の温度との関係を説明するグラフである。 冷却コイルを通過する空気の流速と圧力損失の関係の一例を説明するグラフである。 冷却コイルを通過する空気の流速と、冷却コイルに冷媒として供給される水の流速と、冷却コイルにおける伝熱係数との関係を説明するグラフである。 冷却コイルにおけるチューブ及びフィンの配置の一例を示す概念図である。 本発明の実施例における冷却コイルを通過する空気の温度変化を説明するグラフである。 従来のホットアイル・コールドアイル式の空調システムの一例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図３は本発明の実施による空調システムの形態の一例を示すものであって、図中、図１２と同一の符号を付した部分は同一物を表し、機器２等の基本的な構成は図１２に示す従来例と同様である。

本実施例の場合、図１に示す如く、機器室１内に機器２を収めた複数のラック３が列をなして配置され、且つラック列４（ラック列４ａ〜４ｆ）の前後及び間に形成した通路５のうち通路５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇをホットアイルに、通路５ｂ，５ｄ，５ｆをコールドアイルに設定した点は上述の従来例と共通しているが、ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇと、コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆとの間の空気の循環を、冷気Ａ１と暖気Ａ２の密度差による自然対流で賄うよう構成した点に特徴がある。すなわち、本実施例では、上述の従来例（図１２参照）の如きファン６やファン７ｂを設置しておらず、上記従来例の空調機７に相当する部分を、ファン７ｂを備えない空調コイルユニット８として構成している。

本実施例の空調システムに設置される空調コイルユニット８の形態を図２、図３に示す。空調コイルユニット８は、図２に示す如く扁平な直方体状のケーシング８ａ内に、冷媒の流通するチューブを板状のフィンに沿って配した構成の冷却コイル８ｂを収納してなり、扁平な形状をなすケーシング８ａの表面８ｃ及び裏面８ｄは開口し、裏面８ｄから空気がケーシング８ａ内を通って表面８ｃへ抜け出せるようになっている。裏面８ｄの上下には吊りフランジ８ｅが張り出しており、図３に示す如く、該吊りフランジ８ｅをねじ棒等の吊具９の一端に取り付け、該吊具９の他端を機器室１の天井（図１参照）に固定することで、ケーシング８ａの全体を機器室１内の所定の位置に保持することができるようになっている。

ケーシング８ａの内部空間には、コイル収納部８ｆと配管収納部８ｇが画成されており、冷却コイル８ｂはコイル収納部８ｆに収納されている。配管収納部８ｇには、冷却コイル８ｂへ冷媒を供給し、また冷却コイル８ｂから冷媒を回収するための冷媒管８ｈが収納される。冷媒管８ｈは、ケーシング８ａの上面８ｉから配管収納部８ｇ内部へ通じ、さらに該配管収納部８ｇに隣接するコイル収納部８ｆへと導かれて冷却コイル８ｂに接続されている。こうして、冷却コイル８ｂには、冷媒管８ｈを介して冷水やフロン冷媒等の各種冷媒が流通し、冷却コイル８ｂにて間接的に空気が冷却されるようになっている。

このような構成の空調コイルユニット８が、図３に示す如く、ケーシング８ａの裏面８ｄを斜め上方に、表面８ｃを斜め下方に向ける形で、機器室１（図１参照）の天井から斜めに吊り下げるようにして固定される。図１に示す如く、機器室１内における空調コイルユニット８の設置位置はコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆ上であり、表面８ｃの下端がラック３の前面３ｃの上端付近に、裏面８ｄの上端が機器室１内の天井付近に、それぞれ位置するように設置される。

また、空調コイルユニット８は、図２に一点鎖線にて示す如く、複数の空調コイルユニット８が表面８ｃ及び裏面８ｄを同じ側に向けるように列をなして配置される。この際、各空調コイルユニット８では、上述の如くコイル収納部８ｆに隣接して冷媒管８ｈを収納した配管収納部８ｇが設置されており、コイル収納部８ｆと配管収納部８ｇとが一体となって直方体状のケーシング８ａを形成している。したがって、複数の空調コイルユニット８を隣接させて空調コイルユニット８の列を形成するにあたり、直方体状のケーシング８ａ同士が互いに接するように配置することができ、複数の空調コイルユニット８同士の間に隙間を形成されにくくして、該空調コイルユニット８同士の間を通って空気が抜けることをなるべく防止し得るようになっている。

空調コイルユニット８の列は、図１に示す如く、各ラック列４毎に、ラック３の前面３ｃの上方に一列ずつ設置される。すなわち、各コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆ毎に空調コイルユニット８の列が２列ずつ、互いに表面８ｃが向かい合うように斜めに吊り下げられた形であり、該２列の空調コイルユニット８は、表面８ｃの上端同士が近接して配置される。各空調コイルユニット８の表面８ｃの下端は上述の如くラック３の前面３ｃの上端付近に位置しているが、空調コイルユニット８の表面８ｃの下端と、ラック３の前面３ｃの上端との間の隙間にはビニールシート等の充填材１０が貼り込まれており、空調コイルユニット８の表面８ｃの下端と、ラック３の前面３ｃの上端との間の空気の通過を遮るようにしている。こうして、暖気Ａ２が空調コイルユニット８内部を通らずに空調コイルユニット８とラック列４との隙間からコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆに漏れてしまうことを防止し、空気の冷却の効率化を図っている。

次に、上記した本実施例の作動を説明する。

図４は本実施例の空調システムにおける空気の流れを説明する模式図であり、図１に示した空調システムのうち、ラック列４ａ，４ｂの周辺を抜き出して図示している。すなわち、図４では本実施例の空調システムのうち、ホットアイルとコールドアイルを備えてなる一ユニットを図示しており、他のラック列４ｃ，４ｄ及びラック列４ｅ，４ｆ周辺においても空気の流れは同様であるので、ここではラック列４ａ，４ｂ周辺を代表として説明する。

コールドアイルに設定された通路５ｂの上方には空調コイルユニット８が設置されており、該空調コイルユニット８内の冷却コイル８ｂによって冷却された空気が、冷気Ａ１としてコールドアイル５ｂ内に供給される。冷却コイル８ｂで冷却された冷気Ａ１は比重が大きいので、コールドアイル５ｂ内を自重によって下降する。

本実施例の空調システムの場合、機器室１の床には空気の流通する穴等を備えていない。このため、コールドアイル５ｂを下降した冷気Ａ１は、コールドアイル５ｂに面した二列のラック列４ａ，４ｂを構成するラック３の前面３ｃから、収容部３ａを通って背面３ｂ側へ、空調コイルユニット８から次々に下降してくる冷気Ａ１に押し出されて移動し、ホットアイルとして設定された通路５ａ，５ｃへと抜け出ていく。冷気Ａ１は、収容部３ａを通る間に、該収容部３ａに収容された機器２から生じる排熱を受け取り、暖気Ａ２となってホットアイル５ａ，５ｃに排出される。暖気Ａ２は比重が小さいので、ホットアイル５ａ，５ｃを上に向かって流れ、ラック列４ａ，４ｂの上方を回り込んで空調コイルユニット８まで還流し、該空調コイルユニット８の冷却コイル８ｂを通過することで冷却され、再び冷気Ａ１としてコールドアイル５ｂへ上方から供給される。

この際の気流分布は、コールドアイル５ｂにおいては上方の冷却コイル８ｂの直下が最も速い。暖気Ａ２が冷却コイル８ｂを通る間に短い距離で冷熱を授与され、急激に温度を低下させて冷気Ａ１となって密度を増し、沈降力により駆動するからである。続いて、冷気Ａ１は、ラック列４ａ，４ｂを構成するラック３の収容部３ａに対し、上方から下方にかけて順次進入する。こうして、下降する冷気Ａ１は、少しずつ横方向へ分岐して体積が減少するので、下方へ向かうに従い徐々に減速していく。

ホットアイル５ａ，５ｃにおいては、コールドアイル５ｂにおける冷気Ａ１の流れとはちょうど逆に、ラック収容部３ａから流出する暖気Ａ２が上方へ向かうに従って次々と合流し、コールドアイル５ｂ側との温度差を増して加速しながら上昇していく。したがって、暖気Ａ２の流速は、下方の床面付近が最も遅く、上方へ向かうに従って大きくなる。

このように、本実施例の空調システムでは、ラック列４ａ，４ｂ及び空調コイルユニット８を介して互いに隣接するホットアイル５ａ，５ｃの暖気Ａ２とコールドアイル５ｂの冷気Ａ１とが、密度差によって互いに浮上し又は沈み込もうとする力を利用して空気を循環させ、さらにその動きに従って空調コイルユニット８にて空気を冷却し、冷気Ａ１をラック３にて機器２に接触させて排熱を回収するようにしている。ここで、本実施例の場合、上述の如くコールドアイル５ｂに面するラック３の上端付近から、コールドアイル５ｂ上方の機器室１の天井に向かって斜めに渡された冷却コイル８ｂを通して空気を流すようにしており、この配置によって効率良く空気を冷却しながら、冷気Ａ１を自重によって効率良く下方のコールドアイル５ｂへ送り込むことができるようになっている。

すなわち、例えば仮に、冷却コイル８ｂを図５に参考例として示す如く鉛直方向に沿って配すると、冷却コイル８ｂで冷却された空気は、自重により冷却コイル８ｂ下方の狭い範囲に向かって降りて行くことになってしまう。しかも、冷気Ａ１が冷却コイル８ｂの両面どちら側にも無差別に流れる結果、図５中におけるラック列４の上部からホットアイル側に至る流れが形成されてしまい、この流れがホットアイルからコールドアイルへの暖気の流れを妨げることにもなる。このように、冷却コイル８ｂを鉛直方向に沿って配置した場合、ファンによる送風を行うことなく冷気Ａ１をコールドアイル５ｂに満遍なく行き渡らせることは難しい。

一方、仮に図６に別の参考例として示す如く、冷却コイル８ｂをコールドアイル５ｂの上側を覆うようにラック列４ａの上端からラック列４ｂの上端まで水平方向に配置すれば、冷却コイル８ｂからコールドアイル５ｂ全体に冷気Ａ１を供給することは可能と考えられるが、この場合は、図４に示す如く斜めに冷却コイル８ｂを設置した構成と比較して空気の流路における冷却コイル８ｂの設置面積が小さくなり、その分だけ冷却の効率が低下してしまう。また、冷却コイル８ｂと機器室１の天井との間に距離があることで、前記天井付近に軽い暖気Ａ２が滞留し、空気の循環に影響を与えてしまう虞がある。また、図６に示す参考例の場合は、冷却コイル８ｂの下面の高さがラック列４ａ，４ｂの上端と同レベルであるため、温度差による空気の浮力ないし沈降力によって空気を駆動するにあたり、床からラック列４ａ，４ｂ上縁までの高さしか生かせない。空気の循環にあたって駆動力となるのは冷気Ａ１と暖気Ａ２の圧力差、すなわち高低差に密度差を乗じた値であるが、このうちの高低差を大きく稼げないことを意味している。

その点、図４に示す如き本実施例であれば、機器室１の天井とラック３との間の空間を最大限に利用し、空気の流路における冷却コイル８ｂの面積をなるべく大きく確保すると共に、ラック３の上端よりも上方に位置する暖気Ａ２をも冷却し、冷気Ａ１として下方のコールドアイル５ｂに送り込み、円滑に空気を循環させることができる。

上述の如き構成を備えた本実施例の空調システムにより、機器２の排熱を処理するのに十分な冷却効率が得られることを、本発明の発明者らは計算により実証している。以下、説明する。
（Ｉ）空気の流速の計算

まず、ラック３と冷却コイル８ｂとの間を循環する空気の流速を算出した。ここで、ラック３の高さＨ１を２，０００ｍｍ、機器室１の床面から天井までの高さＨ２を３，０００ｍｍ、ラック列４ａ，４ｂの幅Ｗ１をそれぞれ１，１００ｍｍ、コールドアイル５ｂの幅を二等分した幅Ｗ２を６００ｍｍ、ホットアイル５ａの幅、及びホットアイル５ｃの幅を二等分した幅Ｗ３を７００ｍｍと仮定した（図４参照）。ラック列４の奥行きは、ラック列４ａ，４ｂとも３，０００ｍｍと仮定した（一台分の奥行きが６００ｍｍのラック３を奥行方向に五台並べた場合を想定している）。また、ラック３を通過して冷却コイル８ｂへ向かう暖気Ａ２の温度を３５℃と仮定した。

冷気Ａ１と暖気Ａ２が互いに対して沈み込み、又は浮上しようとする動きは、互いの密度差を原因として生じる圧力差により駆動される。この圧力差は、重力加速度と、冷気Ａ１及び暖気Ａ２の占める空間の高さと、冷気Ａ１と暖気Ａ２との密度差の積として表され、また、冷気Ａ１及び暖気Ａ２の密度はそれぞれ絶対温度に反比例して決まる。図４に示す空調システムでは、空間の高さが３，０００ｍｍであり、また、空気の密度ρは３５３／絶対温度であるので、暖気Ａ２の温度を３５℃と仮定した場合、冷気Ａ１と暖気Ａ２の間の圧力差は、冷気Ａ１の温度に対して図７の如き関係を示す。すなわち、圧力差（駆動圧力）は冷気Ａ１の温度（給気温度）が低いほど、つまり冷気Ａ１と暖気Ａ２の間の温度差が大きいほど大きく、冷気Ａ１の温度が１５℃であれば２．３Ｐａ程度となる。この圧力差を駆動圧力として、暖気Ａ２は冷気Ａ１に対して浮上しようとし、冷気Ａ１は暖気Ａ２を押し退けるように沈み込もうとする（図４参照）。

ここで、冷却コイル８ｂ（図４参照）は、上述の如く冷媒の流通するチューブを板状のフィンに沿って配した構成であり、冷却コイル８ｂを空気が通過するにあたっては圧力損失が発生する。この圧力損失は空気の流速によって決まり、また逆に、圧力損失に応じて冷却コイル８ｂに対する空気の流速が決定する。

空気の流速と圧力損失との関係は、冷却コイル８ｂ自体の仕様によって左右されるが、一例として、１フィートあたり１４４枚のフィンピッチを有するある製品では図８のような関係を示す。すなわち、圧力損失をΔＰ、空気の流速をｖとすると、次の関係式に近似される。
［数１］
ΔＰ＝５．４３ｖ^１．５６

この圧力損失ΔＰを、上述の駆動圧力として算出した値が少しでも上回れば、図４に示す如き空気の自然循環が作動することになる。

ここで、上の［数１］は、冷却コイル８ｂを構成するコイル一列あたりについて成り立つ関係式である。一般に、冷却コイルでは、２列から高々８列までの偶数列のコイルを備えることが通常であるので、上記［数１］左辺のΔＰに上述の駆動圧力の値（２．３Ｐａ）をそのまま代入することはできない。そこで、２列、４列、６列、８列の各列数のコイルを有すると仮定した冷却コイル８ｂについて、最終的な圧力損失ΔＰが２．３Ｐａとなるよう、冷却コイル８ｂを通過する空気の流速ｖの計算を行った。その結果、各列数のコイル列を有すると仮定した冷却コイル８ｂにおける空気の流速ｖは、それぞれ下記［表１］に示す通りとなった。すなわち、最終的な圧力損失すなわち駆動圧力ΔＰが等しい（２．３Ｐａ）場合、冷却コイル８ｂを通過する空気の流速ｖはコイルの列数Ｒが多いほど小さくなり、例えば列数Ｒが２列の場合は空気の流速ｖは０．３７０ｍ／ｓであるのに対し、列数Ｒが４列の場合は空気の流速ｖは０．２３７ｍ／ｓである。

（ＩＩ）要求される冷却能力の計算

次に、冷却コイル８ｂに対して上記［表１］に示す風量で送り込まれる空気を、所定の温度まで冷却するのに必要な冷却能力の算出を行った。冷却コイル８ｂに還流する暖気Ａ２（図４参照）の温度は、上述の如く３５℃とした。また、冷却コイル８ｂから送り出される冷気Ａ１（図４参照）の温度は１５℃と仮定とした。さらに、冷却コイル８ｂに冷媒として送り込まれる冷水の温度は、入口で１０℃、出口で１５℃と仮定した。ここで設定した冷水の入口温度（１０℃）は、居室としての室内環境（２２℃で４５％）程度の露点温度を上回っており、冷却コイル８ｂの表面における結露の心配が無い温度である。冷却コイル８ｂに供給される冷媒と、冷却コイル８ｂを通過する空気との対数平均温度差ΔＴｌｍは、冷媒の流れる向きと空気の流れる向きとが互いに逆向きをなす対向流とした場合、１０．８℃である。

また、図４に示す空調コイルユニット８の幅Ｗ４を１，０００ｍｍとし、且つ空調コイルユニット８の１台あたりの奥行き（図４の紙面に直交する方向の長さ）を３，０００ｍｍと仮定すると、１台の空調コイルユニット８が空気の流路に対して有する面積は３ｍ^２である。ただし、図２に示す如く、空調コイルユニット８の外郭を構成するケーシング８ａにおいて、冷却コイル８ｂが収納されて空気との熱交換を行う部分はコイル収納部８ｆのみであり、空調コイルユニット８は空気の流路に対する断面全域で空気を冷却するわけではない。ここでは、コイル収納部８ｆのケーシング８ａに占める割合を８割と仮定する。つまり、１台の空調コイルユニット８あたりのコイル面積は、３×０．８＝２．４ｍ^２である。図４では２台の空調コイルユニット８を図示しているので、合計のコイル面積Ａ_ｃは２．４×２＝４．８ｍ^２と仮定することができる。

図４に図示された２台の空調コイルユニット８を通過する空気の風量Ｖ_ｃは、空気の流速ｖとコイル面積Ａ_ｃの積として求められ、下記［表２］に示す如く、例えばコイル列数Ｒが２列の場合は６３８９ｍ^３／ｈ、コイル列数Ｒが４列の場合は４０９７ｍ^３／ｈである。

冷却コイル８ｂでは、上記の風量で流入する空気を３５℃から１５℃まで冷却する。つまり、単位時間毎に上記の風量分だけ冷却コイル８ｂを通過する空気から、３５℃と１５℃との温度差（２０℃）分に相当する熱量を奪う必要がある。この単位時間あたりに空気から奪うべき熱量、すなわち冷却コイル８ｂにおける要求冷却能力Ｑｄは、風量Ｖ_ｃや空気の密度、さらにコイル列数Ｒ（空気のコイル通過寸法は、コイル列数Ｒに比例する）に応じた空気と冷却コイル８ｂとの接触時間等によって決定される。上記［表２］に示す如く、例えばコイル列数Ｒが２列の場合は４２．６ｋＷ、コイル列数Ｒが４列の場合は２７．３ｋＷである。

さらに、上記要求冷却能力Ｑｄに応じ、単位時間あたりに冷却コイル８ｂ内を流通させるべき冷媒の量が決定される。上記［表２］に示す如く、例えばコイル列数Ｒが２列の場合、冷却コイル８ｂにおける要求冷却能力Ｑｄは４２．６ｋＷであり、冷媒である水の温度を上述の如く空調コイルユニット８の入口で１０℃、出口で１５℃と仮定した場合、単位時間あたりに空調コイルユニット８に供給すべき水量（要求水量）は１２２Ｌ／ｍｉｎである。

冷媒である水について、単位時間あたりの所定の供給量を満足するための流速は、冷却コイル８ｂとして実際に採用される製品によって異なるが、上述の要求水量に比例して決まる。例えば要求水量が１２２Ｌ／ｍｉｎである場合、冷却コイル８ｂにおける水の流速は０．３４ｍ／ｓである。
（ＩＩＩ）要求される冷却能力の実現の検証

続いて、上述の温度（３５℃）の空気を上述の流速ｖ（例えば、コイル列数Ｒが２列の場合は０．３７０ｍ／ｓ、コイル列数Ｒが４列の場合は０．２３７ｍ／ｓ）にて冷却コイル８ｂに供給し、且つ上述の温度（入口で１０℃、出口で１５℃）の水を上述の流速（例えば、コイル列数Ｒが２列の場合は０．３４ｍ／ｓ、コイル列数Ｒが４列の場合は０．２２ｍ／ｓ）にて冷却コイル８ｂのチューブに供給した場合に、冷却コイル８ｂの冷却能力Ｑｃｏｉｌが、要求冷却能力Ｑｄ（例えば、コイル列数Ｒが２列の場合は４２．６ｋＷ、コイル列数Ｒが４列の場合は２７．３ｋＷ）を満足し得るか否かを検証した。

図９は、冷却コイル８ｂのある製品に関し、冷却コイル８ｂを通過する空気の流速ｖと、冷却コイル８ｂのチューブに冷媒として供給される水の流速と、冷却コイル８ｂにおける伝熱係数Ｋｆとの関係を説明するグラフである。伝熱係数Ｋｆとは、冷却コイル８ｂにおける熱交換の効率を表す量であり、コイル面積Ａ_ｃあたり、対数平均温度差ΔＴｌｍあたり、コイル列数Ｒあたりの熱交換量である。図９中、縦軸下方が空気の流速ｖ、縦軸上方が伝熱係数Ｋｆであり、空気の流速ｖと冷却コイル８ｂのチューブにおける水の流速とに基づき、伝熱係数Ｋｆを求めることができるようになっている。

図９を参照して説明すると、例えばコイル列数Ｒが２列の場合、空気の流速ｖは０．３７０ｍ／ｓであり（［表１］参照）、冷却コイル８ｂのチューブに供給すべき水の流速は０．３４ｍ／ｓである（［表２］参照）。この場合、図９の縦軸下方におけるｖ＝０．３７０ｍ／ｓの位置から、水の流速が０．３４ｍ／ｓの場合に対応する曲線Ｌ１に向けて横方向に直線を伸ばす。該横方向の直線と曲線Ｌ１の交点から、次に伝熱係数Ｋｆを表す曲線Ｌ２に向けて縦方向に直線を伸ばす。該縦方向の直線と、直線Ｌ２との交点における縦軸の値が、その条件（空気の流速ｖが０．３７０ｍ／ｓ、水の流速が０．３４ｍ／ｓ）における伝熱係数Ｋｆである。

同様の手順に従って算出した各条件における伝熱係数Ｋｆを［表３］に示す。伝熱係数Ｋｆに、コイル列数Ｒ（２列、４列、６列、８列）、コイル面積Ａ_ｃ（４．８ｍ^２）、対数平均温度差ΔＴｌｍ（１０．８℃）を乗じると、冷却コイル８ｂにおける実際の冷却能力Ｑｃｏｉｌが算出される。

コイル列数Ｒが２列の場合は冷却能力Ｑｃｏｉｌが３４．３ｋＷとなり、要求冷却能力Ｑｄ（４２．６ｋＷ）を下回るため採用できないが（［表２］及び［表３］参照）、列数Ｒが４列以上であれば冷却能力Ｑｃｏｉｌが要求冷却能力Ｑｄを上回っており、必要な空気の冷却を実際に行うことが可能である。コイル列数Ｒは、多すぎれば冷却コイル８ｂの冷却能力が無駄に大きくなる虞がある。一方、コイル列数Ｒを増やすと、空気抵抗が大きくなる結果、駆動圧力を同じとした場合に風量が小さくなり、冷却コイル８ｂの冷却能力が小さくなってしまうという逆のデメリットを生じる可能性も考えられる。また無論、冷却コイル８ｂの製造にかかる費用もそれだけ余計にかかってしまう。いずれにしろ、少なくとも上に検証した範囲に関する限り、冷却コイル８ｂに装備するコイルの列数としては、４列が適当であると言える。
（ＩＶ）冷却コイル内を通過する空気の温度変化に関する検証

さらに、冷却コイル８ｂを４列のコイルにより構成すると仮定し、該冷却コイル８ｂ内における空気の温度変化を検証した。

図４に示す冷却コイル８ｂの裏面８ｄから表面８ｃまでの距離、すなわち空気の流路内における冷却コイル８ｂの厚みＴを、簡単のため２３７ｍｍと仮定する。４列のコイルにより構成した冷却コイル８ｂにおける空気の流速は０．２３７ｍ／ｓであるので（［表１］参照）、空気が冷却コイル８ｂを通過する時間はちょうど１秒である。

また、図１０に示す如く、冷却コイル８ｂにおけるフィン８ｊ同士の距離Ｄは、１フィートあたり１４４枚のフィン８ｊが設置される冷却コイル８ｂの場合、２．１２ｍｍである。したがって、１枚のフィン８ｊの片面が処理する空気の容積Ｖ_ｆは、図１０中の奥行き１，０００ｍｍあたり、２３７×（２．１２／２）×１，０００×１０^−９＝０．２５１×１０^−３ｍ^３、すなわち２５１ｍｌである。本実施例の条件では、冷却コイル８ｂにおいて、空気の流速ｖ、空気の移動する距離（すなわち冷却コイル８ｂの厚み）Ｔ、さらに空気の動粘度νによって決まるレイノルズ数Ｒｅは３５１１と求められる。また、動粘度νを温度拡散率で除した値であるプラントル数Ｐｒは０．８である。レイノルズ数Ｒｅが１０の５乗に満たないので、熱伝導の行われやすさを表すヌッセルト数Ｎｕは、フィン８ｊとの熱交換の対象を層流とした場合の下記計算式を適用し、３６．５と求めることができる。
［数２］
Ｎｕ＝０．６６４Ｒｅ^１／２・Ｐｒ^１／３＝３６．５

そして、図１０に示す如く、チューブ８ｋにおける冷媒の流れが空気の流れに向かい合う対向流をなすよう冷却コイル８ｂが構成されている場合、熱伝達率α_ｃは、下記［数３］により求めることができる。ここで、λは空気の熱伝導率であり、この場合は０．０２６Ｗ／ｍ・Ｋである。
［数３］
Ｎｕ＝α_ｃ・Ｔ／λ

上記［数３］より、熱伝達率α_ｃ＝４．０１Ｗ／ｍ^２・Ｋと求められる。この熱伝達率α_ｃの値に基づき、空気温度θ_ａを時間ｔに対する関数θ_ａ（ｔ）として求める。

微小時間ｄｔあたりの空気温度の変化量ｄθは、空気がフィン８ｊの間を通過するのに伴い、該フィン８ｊから冷熱を受け取ることにより生じるので、以下の式が成り立つ。
［数４］
ｃρＶ_ｆ（ｄθ／ｄｔ）＝α_ｃＡ_ｆΔθ

ここで、ｃは空気の比熱（１．０ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）であり、ρは空気の密度（１．２ｋｇ／ｍ_３）である。Ａ_ｆは１枚のフィン８ｊの奥行き１，０００ｍｍあたりの面積であり、冷却コイル８ｂの厚みＴ（０．２３７）に１ｍを乗じた値（０．２３７ｍ^２）である。Δθは、空気温度θ_ａ（ｔ）とフィン８ｊの表面温度θ_ｓとの差である。

上記［数４］を整理して、以下の［数５］が得られる。

上記［数５］を不定積分して、以下の［数６］が得られる。尚、ここでｅは自然対数の底、θ_０は空気温度θ_ａ（ｔ）の初期値（この場合は３５℃）である。

上記［数６］の関係を図１１にグラフとして示す。３５℃の空気が１秒間かけてフィン８ｊの間を通過すると、フィン８ｊが１０℃であれば空気は約１１．１℃まで冷却され、フィン８ｊが１５℃であれば空気は約１５．９℃まで冷却される。すなわち、図４に示す如き空調システムにおいて、ホットアイル５ａ，５ｃの暖気Ａ２を、コールドアイル５ｂの冷気Ａ１との密度差により駆動させて冷却コイル８ｂを通し循環させる際、冷却コイル８ｂは、通過する空気を３５℃の暖気Ａ２を１５℃まで冷却するのに十分な性能を現に備えることが可能である。この際、冷却コイル８ｂを通過する空気の流れに対し、チューブ８ｋ（図１０参照）における冷媒の流れを対向流に設定しておくとより確実である。

こうして、本実施例では、上述の従来例（図１２参照）の如きファン６やファン７ｂによらず、ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇとコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆ（図１参照）の間での空気の密度差を駆動力として空気を循環させ、その際、暖気Ａ２を十分に冷却し、冷気Ａ１としてコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆに供給することができる。

ただし、上述の計算は、あくまで想定され得る一つの条件下において本発明が十分に実施可能であることを検証したものであり、例えば機器室１の寸法や各ラック３の配置、機器２からの排熱の量、あるいはラック３を空気が通過する際の圧力損失の大きさ等の条件によっては、空気を循環させる駆動力として密度差だけでは不足する場合もあり得る。その場合には、必要に応じて例えばラック３や空調コイルユニット８にさらにファンを追加し、空気の循環に必要な駆動力を補助しても良い。このようにしても、例えば図１２に示す如き従来例と比較すれば、ファンに係る材料費やエネルギー、メンテナンスの手間や費用等は小さく済む。

以上のように、上記本実施例は、稼働に伴い排熱を生じる機器２と、該機器２を収容するラック３により構成されたラック列４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ）と、該ラック列４が配置される機器室１と、機器２から生じる排熱を含んだ暖気Ａ２を冷却し、冷気Ａ１として送り出す空調コイルユニット８とを備え、暖気Ａ２が流通するホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇと、冷気Ａ１が流通するコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆとが前記ラック列４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆを挟んで隣接するホットアイル・コールドアイル式の空調システムであって、空調コイルユニット８の冷却コイル８ｂを、コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆに面したラック列４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆの上端付近から、コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆの上方に向かって斜めに設置し、ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇの暖気Ａ２と、コールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆの冷気Ａ２との密度差により、ホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇの暖気Ａ２がホットアイルａ，５ｃ，５ｅ，５ｇ内を浮上し、冷却コイル８ｂからの冷気Ａ１が自重により冷却コイル８ｂ下方のコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆへ供給されるよう構成しているので、ファンによらずにホットアイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇとコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆの間での空気の密度差を駆動力として空気を循環させ、その際、暖気Ａ２を十分に冷却し、冷気Ａ１としてコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆに供給することができる。

また、本実施例において、空調コイルユニット８は、直方体状のケーシング８ａに、冷却コイル８ｂと、該冷却コイル８ｂに冷媒を供給する冷媒管８ｈを収納して構成されるので、複数の空調コイルユニット８を隣接させて列を形成するにあたり、直方体状のケーシング８ａ同士が互いに接するように配置することができ、複数の空調コイルユニット８同士の間に隙間を形成されにくくして、空調コイルユニット８同士の間を通って空気が抜けることを防止することができる。

また、本実施例において、空調コイルユニット８は機器室１の天井から吊り下げるように設置され、空調コイルユニット８の下端とラック列４の上端との間には、空気の通過を遮る充填材１０が備えられているので、暖気Ａ２が空調コイルユニット８内部を通らずに空調コイルユニット８とラック列４との隙間からコールドアイル５ｂ，５ｄ，５ｆに漏れてしまうことを防止し、空気の冷却を一層効率化することができる。

また、本実施例においては、前記冷却コイルに供給される冷媒の入口温度を、前記機器室内の空気の露点温度以上の温度に設定すれば、冷却コイル８ｂの表面における結露を防止することができる。

したがって、上記本実施例によれば、ファンの設置を削減し、省エネルギーと共に省コストや省メンテナンスを図りつつ、機器室内の空気を好適に冷却し得る。

尚、本発明の空調システムは、上述の実施例にのみ限定されるものではない。機器室内におけるラック列の数や、各ラック列を構成するラックの数、ラック列や通路同士の配置、ラックや通路、空調コイルユニットの寸法等は適宜変更し得ること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 機器室
２ 機器
３ ラック
４ ラック列
４ａ ラック列
４ｂ ラック列
４ｃ ラック列
４ｄ ラック列
４ｅ ラック列
４ｆ ラック列
５ａ ホットアイル（通路）
５ｂ コールドアイル（通路）
５ｃ ホットアイル（通路）
５ｄ コールドアイル（通路）
５ｅ ホットアイル（通路）
５ｆ コールドアイル（通路）
５ｇ ホットアイル（通路）
８ 空調コイルユニット
８ｂ 冷却コイル
Ａ１ 冷気
Ａ２ 暖気

Claims (5)

1. 稼働に伴い排熱を生じる機器と、該機器を収容するラックにより構成されたラック列と、該ラック列が配置される機器室と、前記機器から生じる排熱を含んだ暖気を冷却し、冷気として送り出す冷却コイルを内蔵する空調コイルユニットとを備え、暖気が流通するホットアイルと、冷気が流通するコールドアイルとが前記ラック列を挟んで隣接するホットアイル・コールドアイル式の空調システムであって、
   前記空調コイルユニットはファンを備えない空調コイルユニットであり、
   前記空調コイルユニットの冷却コイルを、表面及び裏面が開口するケーシングに収納し、該ケーシングを、前記コールドアイルに面した前記ラック列の上端付近から、前記コールドアイルの中央の上方に向かって前記ケーシングの裏面が上向きとなり表面が下向きとなるよう斜めに設置し、
   前記ホットアイルの暖気と、前記コールドアイルの冷気との密度差により、前記ホットアイルの暖気が前記ホットアイル内を浮上し、ラック列の上方を超えて前記ケーシングの裏面側から表面側へ抜ける間に冷却され冷気になり、前記冷却コイルからの冷気が自重により前記冷却コイル下方の前記コールドアイルへ供給されるよう構成したことを特徴とする空調システム。
2. 前記空調コイルユニットは、直方体状のケーシングに、前記冷却コイルと、該冷却コイルに冷媒を供給する冷媒管を収納して構成されることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記空調コイルユニットは前記機器室の天井から吊り下げるように設置され、前記空調コイルユニットの下端と前記ラック列の上端との間には、空気の通過を遮る充填材が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の空調システム。
4. 前記ラックは、前記機器を収めた収容部の背面にファンを備える、もしくは前記機器にファンを内蔵することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調システム。
5. 前記冷却コイルに供給される冷媒の入口温度が、前記機器室内の空気の露点温度以上の温度に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空調システム。

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