日本冷凍空調学会賞

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技術賞

情報通信装置向けハイブリッド空調装置
Hybrid Air-Conditioning System for Data Centers

1. はじめに

私たちは，日常生活の様々な場面で，
情 報 通 信 技 術 で あ る ICT を 活 用 し た
サービスを利用している．これらサービスを利用する際は，情報を処理・保管・通信するサーバやストレージ，ルータと宇田川陽介＊ 関口圭輔＊

Yosuke UDAGAWA Keisuke SEKIGUCHI

木幡悠士＊

Yuji KOHATA

柳正秀＊

内藤靖浩＊＊

Masahide YANAGI Yasuhiro NAITO

いった多数の ICT 装置を使用している．
その ICT 装置を集中管理するのが，データセンタ（図１）であり，今や私たちの社会生活に欠かせない存在となっている．

ギーの削減が可能である．
データセンタの空調装置は，年間を通じて冷房運転を行うため，年間の消費エネルギー削減に向けては，中間データセンタの消費エネルギーは，社会インフラとし期から冬期の低温の外気利用が，非常に有効である．そての重要性の高まりとともに増加しており，省エネルギー

こで我々は，冬期などの外気温度が低い時期に圧縮機を化が強く求められている．ICT 装置は，運用時に常時用いず冷房が可能な，フリークーリングサイクルの実用

大量の発熱を伴うため，ICT 装置の冷却を行う空調装置化に取り組んだ．フリークーリングサイクルとは，外気は，24 時間 365 日連続して，冷房を行う．空調装置の消温度が低い時に，圧縮機よりも消費電力が小さい冷媒ポ費エネルギーは，データセンタ全体の 30 ～ 50 ％を占めンプにより冷媒を循環させる熱搬送技術である．フリーており，空調装置を省エネルギー化する意義は大きい．

クーリングサイクルにより冷房を行うことで，外気温度従来のデータセンタの空調装置は，年間を通じて圧縮が低い時に凝縮温度を高く維持する必要がなくなり，圧機を用いた圧縮サイクルにより冷房を行っていた．しか縮サイクルに比べ大幅に消費電力を低減できる．

し圧縮サイクルでは，蒸発圧力より凝縮圧力を高くする

これまで，フリークーリングサイクルの実用化には，必要があり，外気温度が室内温度よりも低い時でも，外冷媒ポンプに沸点に近い温度の冷媒を吸入させることに気温度が高い時と同じ程度の凝縮圧力で圧縮機を運転さよる，冷媒ポンプ内部でのキャビテーションの発生が障せるため，消費電力が低減しないという問題があった．

害であった．本開発では，キャビテーションの発生を抑一方，我々が開発した空調装置は，圧縮サイクルの改制する熱搬送技術の開発と，キャビテーションを回避す善に加え，低温の外気を有効利用するフリークーリングる制御手法を確立し，フリークーリングサイクルの実用サイクルを併用しており，空調装置の大幅な消費エネル化に至った．

2. ハイブリッド空調装置

ラック
ICT装置

オフィス

本空調装置（図２）は，外気温度が高い時期は圧縮サイクル，外気温度が低い時期はフリークーリングサイク
ルと，サイクルを自動で切り替えながら冷房を行う特長

サーバルーム
空調装置（室内ﾕﾆｯﾄ）

空調装置（室外ﾕﾆｯﾄ）を有する（図３）．
外気温度が低い時期に冷媒ポンプによるフリークーリ
ングサイクルで運転することで，総合運転効率は大きく

電力室図１

データセンタの構成例＊㈱ NTTファシリティーズ
NTT FACILITIES, INC.
＊＊日立アプライアンス㈱Hitachi Appliances, Inc.
原稿受理 2015 年 2 月 17 日

冷凍 2015 年 6 月号第 90 巻第 1052 号

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室内ﾕﾆｯﾄ

室外ﾕﾆｯﾄ（外気温度が低い場合）（外気温度が高い場合）であるキャビテーションの発ﾌﾘｰｸｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙ

圧縮ｻｲｸﾙ生を抑制するため，①キャビPテーション耐力に優れた冷媒冷媒ポンプ

P自動切替ポンプの開発，②キャビテーション防止制御の確立，③圧圧縮機

縮サイクルとの切替え制御の冷媒配管
室内ユニット

室外ユニットﾎﾟﾝﾌﾟﾕﾆｯﾄ（冷媒ﾎﾟﾝﾌﾟ）

図２

図３

外観

室内ユニット

室外ユニット確立を行った．
冷媒ポンプの開発では，複運転状態数の形式の冷媒ポンプ（渦巻き式，渦流式，ギヤ式）について，キャビテーションの発総合運転効率※ （－）

108

フリークーリングサイクル（左軸）

圧縮ｻｲｸﾙ2 000

東京（右軸）1 500

札幌（右軸）

6

圧縮サイクル（左軸）4一般電算機用空調機（左軸）500

20-5051015

1 000

20253035

年間出現時間 （時間）

生特性，効率，運転中の不純物の発生リスクを実機検証
ﾌﾘｰｸｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙ

120

外気温度 （℃）※ 総合運転効率：冷房能力を空調機（圧縮機，室内送風機，室外送風機等）の消費電力で除した値

年間消費エネルギー量割合

図４

外気温度と総合運転効率により評価した．その結果，フリークーリングサイクルに適している形状は，渦流式であるとの結論を得た．
キャビテーション防止制御については，シミュレー
ションおよび実機による検証により，冷媒ポンプの吸入側に位置する室外送風機の回転数および冷媒ポンプの回転数を，外気温度と冷媒性状により動的制御することで，冷媒ポンプ吸入部で確実に冷媒が過冷却液となる制御方法を策定した．
サイクルの切り替え制御については，情報通信装置の冷却に支障を与えず，省エネルギーな運用を実現する切1002054※10034

圧縮ｻｲｸﾙの省ｴﾈﾙｷﾞｰ①過圧縮防止弁②非対象歯形ｽｸﾛｰﾙ③DCｲﾝﾊﾞｰﾀﾓｰﾀ

ﾌﾘｰｸｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙの省ｴﾈﾙｷﾞｰ

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一般空調機

図５

本空調機

①冷媒ﾎﾟﾝﾌﾟ②ｷｬﾋﾞﾃｰｼｮﾝ防止制御③ｻｲｸﾙ切替制御※ 一般空調機の年間消費エネルギーを１００とする

省エネルギー効果（札幌）替えロジックを考案し，実機による検証と実フィールド試験での試験により，円滑なサイクル切替え制御方法を確立した．
また，圧縮サイクルの改善については，①過圧縮防止弁，②非対称歯形スクロール，③ DC インバータモータを採用した．
過圧縮防止弁を採用することで，圧縮機の中～低圧縮比域で発生する過圧縮を防止することにより，適正な圧縮比での圧縮機運転を可能にした．

向上する（図４）．年間での消費エネルギーでは，気象

非対称歯型スクロールとは，従来対称であったスクデータを用いた試算の結果，一般の情報通信用空調機

ロール歯型を非対称にしたものであり，圧縮機の吸入部に対し，札幌で約 54 ％，東京で約 42 ％の低減が見込めおよび吐出部での圧縮損失を抑制した．

る．各サイクルの省エネルギー効果について，札幌の気象データでの試算結果を図５に示す．
また，データセンタでは，省エネルギー性能に加え，高い信頼性も要求される．本空調装置は，冷媒ポンプ故障時においても圧縮サイクルに自動で切り替えることで，空調装置の運転を継続できる機能を有していることに加え，震度 6 強の地震でも運転を継続できる筐体設

さらに，圧縮機モータに DC インバータモータを採用することで，回転子の発熱損失（鉄損）低減および回転子のスリップ損失をなくし，モータ損失を抑制した．
以上の技術開発を行うことで，一般の情報通信用空調装置に対し，年間消費電力量の半減を実現した．

4. おわりに計，ICT 装置へ影響を与えない低電磁ノイズ性能も実現

本空調装置は，2010 年の先行販売開始後，北海道かし，高い信頼性と省エネルギー性能を両立している．

ら九州まで日本全国のデータセンタに導入されている．

3. 開発した技術の特徴
本空調装置の実用化にあたり，開発した技術について述べる．

融・証券，教育・研究施設などへの適用も可能である．
本空調装置が広く普及することで，情報通信分野を始めとする ICT インフラの消費エネルギー削減および CO2

フリークーリングサイクルの実用化に向けては，課題18

また，本空調装置は，データセンタ以外にも，放送，金排出量削減に大きく貢献できると考えている．

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