チラーの事例分析

冷凍機本体はチラーと呼ばれ、データセンターの空調システムの重要な構成要素です。冷媒は一般的に水であり、チラーは水冷式とされています。凝縮器の冷却は、常温水の熱交換と冷却によって行われるため、水冷式とも呼ばれます。データセンターは冷却能力に対する需要が高く、遠心式ユニットを選択することでエネルギー効率を向上させることができます。本稿で扱うチラーは、特に遠心式ユニットを指します。

遠心式冷凍圧縮機は、回転速度型の圧縮機です。吸込管から圧縮対象のガスがインペラ入口に導入されます。ガスはインペラブレードの作用によりインペラと共に高速回転します。ガスは仕事を行い、速度が増加し、インペラ出口から吸い出されてディフューザ室に導入されます。ガスはインペラから流れ出る際に高速流速を持つため、この流速の一部を圧力エネルギーに変換するために、流路断面積が徐々に拡大するディフューザが設置され、エネルギーを変換してガスの圧力を上昇させます。拡散されたガスは渦巻きケーシングに集められ、凝縮のためにユニットの凝縮器に入ります。上記のプロセスは、図1に示すように、遠心式圧縮機の原理です。さらに、空調システムは、冷気を凝縮して除去するために、冷却水システムと冷水システムを備えています。

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遠心分離装置の構成

遠心ユニットの構成は、図2および図3に示すように、遠心圧縮機、蒸発器、凝縮器、絞りオリフィス、給油装置、制御盤などを含む。圧縮機は主に、吸込室、インペラ、ディフューザー、屈曲部および還流装置、渦巻きケーシングから構成される。

遠心分離機の特長
大型遠心分離機の特性は以下のとおりです。
1. 大きな冷却能力。遠心圧縮機の吸引能力は小さくできないため、遠心圧縮機単体の冷却能力は比較的大きくなります。コンパクトな構造、軽量かつ小型であるため、占有面積も小さくなります。同じ冷却能力の場合、遠心圧縮機の重量はピストン圧縮機のわずか1/5～1/8であり、冷却能力が大きいほどその差は顕著になります。
2. 摩耗部品が少なく、信頼性が高い。遠心式圧縮機は運転中にほとんど摩耗しないため、耐久性が高く、メンテナンス費用と運転コストが低い。
3. 遠心圧縮機の圧縮部は回転運動であり、半径方向の力がバランスしているため、運転が安定し、振動が小さく、特別な振動低減装置は必要ありません。
4. 冷却能力を経済的に調整できる。遠心圧縮機は、ガイドベーン調整などの方法を用いて、一定範囲内でエネルギーを調整することができる。
5. 多段圧縮とスロットリングを容易に実装でき、複数の蒸発温度を持つ同一の冷蔵庫の運転と動作を実現できます。

チラーの一般的な故障

コールドマシンは、構築および試運転中にいくつかの問題が発生する可能性があり、運用中にも故障が発生することがあります。これらの問題や故障への対処は、データセンターの運用および保守の安全性に関わります。以下に、コールドマシンの構築および運用中に発生した事例をいくつか示します。関連する処理方法および経験は参考としてのみご利用ください。

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ロードデバッグなし

【問題現象】
データセンターではチラーのデバッグと試運転を行う必要があるが、端末空調設備の設置が完了しておらず、また必要なダミー負荷も不足しているため、試運転作業を実施できない。
【問題分析】
データセンターへの遠心分離機の設置が完了した後、コンピュータ室の端末機器が設置されておらず、端末の冷却水路が詰まっているため、チラーのデバッグができません。負荷が小さすぎてチラーの下限負荷に達しないため、デバッグ作業が実行できません。一方、冷却機のデバッグが完了していないため、メインコンピュータ室のサーバー機器の電源が入らず、動作せず、互いに無限ループを形成します。さらに、デバッグプロセス中は必要なダミー負荷電力が膨大で、動作プロセスで多くの電力を消費します。これらの要因により、冷却機のデバッグが問題となります。
【問題解決】
デバッグには無負荷デバッグ方式を使用します。この方式では、プレート式熱交換器の熱交換能力を最大限に活用し、冷蔵庫の蒸発器で発生した冷気をプレート式熱交換器を通して冷蔵庫の凝縮器側に交換し、冷蔵庫の凝縮器で放出された熱をプレート式熱交換器を通して蒸発器側に交換することで、冷蔵庫の冷却能力と熱負荷との完全なマッチングを実現し、冷却塔はコンプレッサーの軸動力のみを消費します。この方式を用いることで、様々な負荷条件下での総合的な性能試験を容易に実施できます。冷板交換およびデバッグ時の水回路循環を図4に示します。

システムデバッグの手順は基本的に以下のとおりです。
1. サブコレクターのバイパスバルブを開き、末端エアコンが設置されていない場合は、水路が詰まっていないことを確認して循環を形成する。

2. 冷水側のチラーとプレート式熱交換器のバルブを完全に開き、チラーとプレート式熱交換器の水の流れがスムーズで、チラーで吸い込まれた冷水とプレート式熱交換器で戻された熱がスムーズに混合されるようにします。冷水ポンプを通常通り開き、周波数を45Hz以上に手動で調整して、水の循環が正常であることを確認します。

3. チラーの冷却水バルブを全開にし、パネル交換の冷却水側のバルブを部分的に開き、冷却水ポンプをオンにして、正常な水循環を確保します。ポンプ周波数を41～45Hzに調整します。冷却塔ファンは最初にオンにしないでください。

4. 冷水および冷却水の通常の条件下で、チラーの電源を入れ、単独運転による試運転を実施する。

5. チラーの冷却水の温度が上昇し始め、冷水が冷え始めます。

6. プレート式熱交換器の冷却水バルブの開度に応じてプレート式熱交換器の熱伝達能力を調整し、バルブの開度を1/4から全開の間で調整します。

7. 冷却水の温度に応じて冷却塔のファンを部分的にオンにし、コンプレッサーの軸動力を奪えるようにします。

【経験】
エネルギー効率の向上と自然冷却の考慮のため、データセンターは一般的に冷却塔とプレート交換式冷却技術を組み合わせた設計となっています。試運転時には、プレート交換式の熱交換能力を利用して、チラーの凝縮器からチラー試運転に必要な熱負荷として十分な熱を得ることができます。つまり、チラーで発生した冷気をプレート交換式冷却器が運び去ります。
無負荷デバッグの原理は、プレート式熱交換器の熱交換能力を最大限に活用し、冷蔵庫の蒸発器で発生した冷気をプレート式熱交換器を通して冷蔵庫の凝縮器側に伝達し、冷蔵庫の凝縮器から放出された熱をプレート式熱交換器を通して蒸発器側に伝達することで、冷蔵庫の冷却能力と熱負荷のマッチングを実現することです。この方法は操作が簡単で、実装も容易です。