冷却システムおよび冷却方法
【課題】冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う場合、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計を削減すること。
【解決手段】少なくとも冷却水出口１ａの冷却水温度および第１熱交換器出口１１ａの冷水温度を入力値とし、冷却塔ファン１０、ポンプ２、４などの消費電力の合計値を求めるシミュレーションを行うシミュレータ５１と、前記冷却水温度および前記冷水温度の入力値を変化させてシミュレータ５１に入力し、そのシミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記冷却塔の冷却塔ファン１０のインバータ周波数、および予め設定されたポンプ２のインバータ周波数の上限値を超えない範囲内でポンプ２のインバータ周波数を最適値として取得する制御値取得部５２と、によって取得された制御値に設定する制御値設定部５３を備える。
【解決手段】少なくとも冷却水出口１ａの冷却水温度および第１熱交換器出口１１ａの冷水温度を入力値とし、冷却塔ファン１０、ポンプ２、４などの消費電力の合計値を求めるシミュレーションを行うシミュレータ５１と、前記冷却水温度および前記冷水温度の入力値を変化させてシミュレータ５１に入力し、そのシミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記冷却塔の冷却塔ファン１０のインバータ周波数、および予め設定されたポンプ２のインバータ周波数の上限値を超えない範囲内でポンプ２のインバータ周波数を最適値として取得する制御値取得部５２と、によって取得された制御値に設定する制御値設定部５３を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う冷却システムおよび冷却方法に関し、特に、冷却システム全体の消費電力を最小化することができる冷却システムおよび冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冬期の外気温度が低い期間では、冷却塔のフリークーリングにより温度の低い冷水を作ることができる。特許文献１には、冷凍機を運転して冷水を作るモードと、冷凍機の運転を停止した状態で冷却塔のフリークーリングを利用して冷水を作るモードとを、選択的に実施する構成が開示されている。これにより、冬期に、冷却塔のフリークーリングを利用し、冷凍機の消費電力を削減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３２６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却塔のフリークーリングを利用することにより、冷凍機の消費電力は削減できるが、外気を導入する冷却塔のファン動力の電力や、冷却塔で得られた冷熱を伝熱するためのポンプ動力の電力が消費される。
【０００５】
そこで、本願発明者らは、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計を削減するためファンやポンプにインバータを設けて制御することを検討している。しかしながら、冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると、冷水往温度が制御できなくなることが判明した。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、上記問題を解決し、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う場合において、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計を削減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節することを特徴とする。
【０００８】
本願発明者らは、冷却塔ファン、ポンプにインバータを備えたフリークーリングシステムの冷水往温度の制御において冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると、冷水往温度が制御できなくなる現象を見出した。これはフリークーリングシステムが非線形系であることが原因と考えられる。そこで、冷水往温度が制御不可能となる第１ポンプのインバータ周波数をシミュレータで求め、そのインバータ周波数を第１ポンプの上限として設定した。
【０００９】
この発明によれば、冷却塔のファンおよびポンプに係る消費電力の合計値を最小とする冷却塔のファンのインバータ周波数（第１の冷水の温度を決定する）、および予め設定された前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を超えない範囲内で第１ポンプのインバータ周波数（第２の冷水の温度を決定する）が最適値として求められる。
【００１０】
これにより、単に冷凍機に係る消費電力を削減できるだけでなく、安定した制御を行ないながら、冷却塔のファンおよびポンプに係る消費電力の合計をも削減することができる
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体が液体であり、前記液体と気体とを熱交換して前記気体を冷却する第３熱交換器をさらに備えることが好ましい。
【００１１】
例えば、前記冷却対象媒体は水であり、前記第３熱交換器は水と空気とを熱交換して空気を冷却する冷却コイルである。これにより、効率よく空調を行うことができる。
【００１２】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体が気体であり、前記第２熱交換器は前記第２の冷水と前記気体とを熱交換して前記気体を冷却することが好ましい。
【００１３】
例えば、前記冷却対象媒体は空気であり、前記第２熱交換器は第２の冷水と空気とを熱交換して空気を冷却する冷却コイルである。これにより、効率よく空調を行うことができる。
【００１４】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体を用いて装置冷却を行うことが好ましい。
【００１５】
例えば、前記冷却対象媒体は水である。これにより、効率よく装置冷却を行うことができる。
【００１６】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記シミュレータは、前記冷却対象媒体側から前記冷却塔の方向に、前記第２ポンプ、前記第１ポンプ、前記冷却塔の前記ファンの順番でこれら各部の消費電力を計算することが好ましい。
【００１７】
この発明によれば、各種の入力値うち一定の設定値として扱うことが可能な冷却対象媒体側から各部の消費電力が計算されるので、第１の冷水の温度および第２の冷水の温度を変化させながら繰り返す消費電力合計値の計算負荷を低減できるとともに、制御値を容易に求めることができる。
【００１８】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体の冷却に対する冷却負荷とを、前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００１９】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口との間の前記冷却対象媒体の流量とを、前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２０】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記外気状態として、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度を計測する外気状態センサを備え、前記制御値取得手段は、前記外気状態センサの計測結果を前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２１】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口の前記冷却対象媒体の温度として一定の設定値を前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２２】
前記目的を達成するために、本発明の冷却方法は、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータを用いて、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得ステップと、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節することを含むことを特徴とする。
【００２３】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルが予め記憶された記憶手段と、前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得手段と、前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する最適値設定手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
前記目的を達成するために、本発明の冷却方法は、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルを作成して、前記記憶手段に記憶するテーブル記憶ステップと、前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得ステップと、前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する制御値設定ステップと、前記制御値設定ステップにより求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、を含むことを特徴とする。
【００２５】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第１熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、少なくとも前記第１の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、前記第１の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレータの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度の最適値を求める制御値取得手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度の最適値の制御目標値として設定する制御値設定手段と、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータが制御され、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で冷却対象媒体の温度を制御目標値に調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う場合において、安定した制御と、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計の削減をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態での冷却システムの一例の概略を示す全体構成図である。
【図２】冷水往温度と冷却水ポンプインバータ周波数の関係を示すグラフ。
【図３】図１の冷却システムのうちフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図４】第２の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図５】第３の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図６】環境条件と冷却水温度及び冷水温度の最適値との対応関係を表すテーブルの一例を示す表である。
【図７】テーブルから取得される最適値に基づいて冷却システムを制御する制御装置の構成例を示す図である。
【図８】冷却水ポンプのインバータ周波数の上限値を表すテーブルの一例を示す表である。
【図９】第４の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図１０】第４の実施形態で用いられる最適値のテーブルの一例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態での冷却システムの一例の概略を示す全体構成図である。本冷却システムは、主として、冷却塔１、ドライコイル６、２段の熱交換器（第１熱交換器１１、第２熱交換器１２）、冷凍機９１、および、複数のポンプ２、４、５、９２、９４を含んで構成されている。なお、本発明の理解を容易にするため、冷却塔１を２つ設けた場合を図示したが、ひとつの共通の冷却塔１を設ければよい。
【００３０】
外気湿球温度が高い夏期には、第１バルブ８１を開状態、第２バルブ８２を閉状態として、冷凍機９１を運転し、冷凍機９１にて冷却された冷水を、冷凍機運転時用の冷水ポンプ９４により、冷凍機９１と第２熱交換器１２との間で循環させる。また、ドライコイル冷却水ポンプ５により、第２熱交換器１２とドライコイル６との間で、ドライコイル冷却水を循環させる。これにより、冷凍機９１にて生成された冷熱がドライコイル６に伝熱されて、クリーンルーム６０内の空気が冷却される。また、冷凍機運転時用の冷却水ポンプ９２により、冷却塔１と冷凍機９１との間で冷却水が循環され、冷凍機９１の放熱が行われる。
【００３１】
外気湿球温度が低い冬期または中間期には、第１バルブ８１を閉状態、第２バルブ８２を開状態として、冷凍機９１の運転を停止し、冷却塔１にて冷却された冷却水を、フリークーリング利用時用の冷却水ポンプ２により、冷却塔１と第１熱交換器１１との間で循環させるとともに、フリークーリング利用時用の冷水ポンプ４により、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間で冷水を循環させる。また、ドライコイル冷却水ポンプ５により、第２熱交換器１２とドライコイル６との間で、ドライコイル冷却水を循環させる。これにより、冷却塔１で外気により得られた冷熱がドライコイル６に伝熱されて、クリーンルーム６０内の空気が冷却される。
【００３２】
冷却塔１のファン１０（以下「冷却塔ファン」という）およびポンプ２、４、５、９２、９４には、それぞれインバータ７０、７１、７２、７３、７４、７５が接続されている。なお、第１熱交換器１１の冷水出口での冷水温度が冷水往温度センサ２２で計測される。
【００３３】
制御装置５０は、バルブ８１、８２、インバータ７０〜７５などの各部を制御し、冷凍機運転時には、冷凍機９１にて生成された冷熱でクリーンルーム６０を空調する制御を行う一方で、フリークーリング利用時には、冷却塔１で得られた冷熱でクリーンルーム６０を空調する制御を行う。また、制御装置５０は、当該制御装置５０の制御をシミュレーションして本冷却システム全体の消費電力を計算するシミュレータ５１を有する。
【００３４】
本冷却システムでは、冷却塔１のフリークーリング利用時には、冷凍機９１を運転することなしに、冷水を生成する。
【００３５】
ここで、本願発明者らは、冷却塔ファン、ポンプにインバータを備えたフリークーリングシステムの冷水往温度制御において冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると制御できなくなる現象を見出した。図２は、冷却水ポンプのインバータ周波数と冷水往温度の関係を示すグラフである。一般的に、冷水往温度を下げるため、冷却水ポンプのインバータ周波数が上昇される。しかしながら、図２に示すように、あるインバータ周波数を超えると冷水往温度が上昇し、冷却水ポンプのインバータ周波数による制御ができなくなった。これは、フリークーリングシステムが非線形系であることが原因と考えられる。
【００３６】
実際、冷水往温度を下げるため、冷却水ポンプのインバータ周波数が上昇されると、熱交換器と冷却塔を循環する冷却水の流量が増える。つまり、冷却塔を流れる冷却水の流量が増える。冷却水の流量が増加したとき、冷却塔ファンのインバータ周波数が上昇される。一方、冷却塔ファンのインバータにはインバータ周波数の上限が設定されている。冷却水の流量が所定以上に増加すると、冷却塔ファンのインバータ周波数が上限に達する。冷却塔ファンのインバータ周波数が上限に達すると、冷却塔の処理能力が限界となる。この状態で冷却水の流量がさらに増加すると、冷却水の温度が下がらず、結果的に冷水往温度が上昇する。ここで重要なことは、冷却塔の能力を超えて冷却水を流さないことであり、冷却水ポンプインバータ周波数を所定周波数以上に上昇させないことである。
【００３７】
本発明においては、冷水往温度が制御不可能なる冷却水ポンプのインバータ周波数をシミュレータで予め求め、その周波数を上限として設定する。冷却水ポンプのインバータ周波数の上限は、冷却塔ファンのインバータ周波数の上限値をシミュレータに与えることで求めることができる。
【００３８】
ここで、冷却水ポンプのインバータ周波数の上限の超えない範囲とは、インバータ周波数の上限より小さい範囲であればよい。
【００３９】
図８は、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値の一例である。図８のテーブルを用いて、外気湿球温度と負荷から冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値を求める。中間の値は線形補間により求める。図８のテーブルはシミュレータにより計算し作成する。シミュレータで図２に示した極小点２００の冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数２０１を求める。そして、安全のためある一定の数値を減算した周波数２０２が図８のテーブルに記載された数値である。計算方法の詳細は後述する。
【００４０】
図１に示す本冷却システムでは、シミュレータ５１のシミュレーション結果に基づいて、冷却塔ファン１０に係る消費電力およびフリークーリング利用時に稼働のポンプ２、４、５に係る消費電力の合計値を最小にする制御装置５０の制御値を求めて、その制御値で制御装置５０が本冷却システムの各部（冷却塔ファン１０およびフリークーリング利用時に稼働のポンプ２、４、５）を実際に制御することにより、前記消費電力の合計値を最小化することができる。すなわち、従来のフリークーリングを利用した冷却システムよりも、さらに冷却システム全体の消費電力を低減することができる。このとき、予め求められたポンプ２のインバータ周波数の上限値を超えないよう、ポンプ２のインバータ周波数が制御される。
【００４１】
図３は、図１の冷却システムのうちでフリークーリング利用時の稼働部分の詳細を示す構成図である。なお、図３において、図１に示した構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してある。
【００４２】
冷却塔１は、外気を吸気する冷却塔ファン１０を有し、外気湿球温度が低い期間に低温の外気を利用して、冷却水を低温に冷却する。第１熱交換器１１は、冷却塔１で冷却された冷却水と冷水とを熱交換して、冷水を冷却する。第２熱交換器１２は、第１熱交換器１１で冷却された冷水とドライコイル冷却水とを熱交換して、ドライコイル冷却水を冷却する。ドライコイル６は、第２熱交換器１２で冷却されたドライコイル冷却水と空気とを熱交換して空気を冷却し、その低温の空気をクリーンルーム６０に与える。クリーンルーム６０内の空気は、空気循環用ファン７によってドライコイル６へ戻される。
【００４３】
ここで、冷却塔１と第１熱交換器１１との間に配設された第１の配管３１を流れる第１の冷水を「冷却水」といい、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間に配設された第２の配管３２を流れる第２の冷水を単に「冷水」といい、第２熱交換器１２とドライコイル６との間に配設された第３の配管３３を流れる第３の冷水を「ドライコイル冷却水」という。
【００４４】
冷却水ポンプ２は、第１の配管３１に配設され、冷却塔１と第１熱交換器１１との間で冷却水を循環させる。冷水ポンプ４は、第２の配管３２に配設され、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間で冷水を循環させる。ドライコイル冷却水ポンプ５は、第３の配管３３に配設され、第１熱交換器１１とドライコイル６との間でドライコイル冷却水を循環させる。
【００４５】
外気温湿度センサ２０は、外気の湿球温度と乾球温度（あるいは外気の温度と湿度）を計測する。
【００４６】
ドライコイル冷却水往温度センサ２３は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水の温度を計測する。
【００４７】
室内温度センサ２４は、クリーンルーム６０内の温度（以下「室内温度」という）を計測する。
【００４８】
ドライコイル冷却水還温度センサ２５は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水入口１２ｂでのドライコイル冷却水の温度を計測する。
【００４９】
ドライコイル冷却水流量センサ２６は、第３の配管３３でのドライコイル冷却水の流量を計測する。
【００５０】
外気湿球温度が高い時期（夏期）は、冷凍機９１で冷水を冷却する。外気湿球温度が低い時期（冬期または中間期）は、冷却塔１のフリークーリングにより冷水を冷却する。ここでは、フリークーリング利用時の運転方法について説明する。
【００５１】
冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４、ドライコイル冷却水ポンプ５には、それぞれインバータ７０、７１、７２、７３が接続されている。これらのインバータ７０、７１、７２、７３の周波数（インバータ周波数）を変えることにより、それぞれ冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４、ドライコイル冷却水ポンプ５の回転数を変える。インバータ７０、７１、７２、７３の周波数の設定は、後述の制御値設定部５３によって行われる。
【００５２】
温度調節器１７０は、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度センサ２１で計測される）が制御目標値になるように冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を制御する。温度調節器１７１は、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度センサ２２で計測される）が制御目標値になるように冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を制御する。但し、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数が設定された上限値を超えないようにする。つまり、温度調節器１７１には、冷水温度の制御目標値と冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値が与えられた上限値を超えない範囲内でＰＩＤ制御される。
【００５３】
温度調節器１７２は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（冷却水往温度センサ２３で計測される）が制御目標値になるよう冷水ポンプ４のインバータ７２の周波数を制御する。
【００５４】
本例の冷却システムにおいて、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度、および、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度は、一定の設定値である。その一方で、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度センサ２１で計測）、および、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度センサ２２で計測）は、ある範囲内で変化させても、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水の温度とを、一定の設定値に制御できる。つまり、外気状態（例えば、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度）などの環境条件に応じてクリーンルーム６０内の室内温度が目標値となるように制御する際に、選択可能な冷却水温度と冷水温度との組み合わせは、無数に存在する。
【００５５】
制御装置５０は、シミュレータ５１、制御値取得部５２、制御値設定部５３および記憶部５４を含んで構成されている。制御装置５０は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含んで構成されている。
【００５６】
制御装置５０は、冷却システムを構成する制御対象機器（７０〜７３、８１、８２）およびセンサ（２０〜２６）と、ネットワーク５５を通して接続されている。制御装置５０の制御値設定部５３は、ネットワーク５５を通して、センサ２０〜２６の計測値と、制御対象機器（７０〜７３、８１、８２）の運転状態とを読み込み、その制御対象機器に制御値を送る。
【００５７】
シミュレータ５１は、冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４およびドライコイル冷却水ポンプ５の各部のフリークーリング利用時における消費電力を計算するとともに、これらの消費電力の合計値（消費電力合計値）を計算する。このような消費電力合計値の計算を、本明細書では「シミュレーション」といい、具体例は後に詳説する。
【００５８】
制御値取得部５２は、シミュレータ５１を使い、制御対象機器の運転範囲であり、かつ、消費電力合計値が最も小さくなる冷却水温度（冷却水往温度）と冷水温度（冷水往温度）との組み合わせを、最適値の組み合わせとして求める。「運転範囲」とは、例えば、各インバータ７０〜７３の周波数の制御可能な範囲である。インバータ７１について、予め求められた上限値が運転範囲となる。制御値の組み合わせを求める方法としては、例えば、逐次二次計画法等の方法を用いる。あるいは、ある刻み幅で、冷却水温度および冷水温度を設定し、その組み合わせの全てについて、組み合わせごとに消費電力合計値を計算し、比較してもよい。
【００５９】
冷却負荷は、例えば、ドライコイル冷却水往温度とドライコイル冷却水還温度との差分と、ドライコイル冷却水流量とに基づいて、計算する。ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と空気入口６ｂでの空気温度との差分と、ドライコイル６での空気流量とに基づいて、冷却負荷を計算してもよい。
【００６０】
制御値設定部５３は、制御値取得部５２によって取得された冷却水温度および冷水温度の最適値の組み合わせを本冷却システムに設定する。例えば、冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２にそれぞれ対応するインバータ７０、７１の周波数を制御することにより、冷却水温度および冷水温度を制御値に設定する。
【００６１】
ここでは冷水温度および冷却水温度の制御値の組み合わせを求めて設定する場合を例に説明したが、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数および冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の最適値の組み合わせを求めて、実際の冷却システムに設定するようにしてもよい。
【００６２】
本シミュレータ５１での消費電力合計値の計算は、例えば、次の（計算１）〜（計算７）の順で行われる。
【００６３】
（計算１）ドライコイル冷却水ポンプ５に係る計算：計測した第３の配管３３のドライコイル冷却水流量を入力として、ドライコイル冷却水ポンプ５のインバータ７３の周波数と、ドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力とを計算する。
【００６４】
（計算２）第２熱交換器１２に係る計算：第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（ドライコイル冷却水往温度）と、計測した第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（ドライコイル冷却水還温度）およびドライコイル冷却水流量と、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度）とを入力として、第１熱交換器１１の冷水入口１１ｂでの冷水還温度と、第２の配管３２の冷水流量とを計算する。
【００６５】
（計算３）冷水ポンプ４に係る計算：計算２で求めた冷水流量を入力として、冷水ポンプ４のインバータ７２の周波数と、冷水ポンプ４の消費電力とを計算する。
【００６６】
（計算４）第１熱交換器１１に係る計算：冷水温度（冷水往温度）と、計算２で求めた冷水還温度および冷水流量と、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度）とを入力として、冷却塔１の冷却水入口１ｂでの冷却水還温度と、第１の配管３１の冷却水流量とを計算する。
【００６７】
（計算５）冷却水ポンプ２に係る計算：計算４で求めた冷却水流量を入力として、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数と、冷却水ポンプ２の消費電力とを計算する
（計算６）冷却塔１１に係る計算：冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度）と、計算４で求めた冷却水還温度および冷却水流量と、外気状態（例えば外気湿球温度）とを入力として、冷却塔ファン１０により冷却塔１に導入される空気流量と、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数と、冷却塔ファン１０の消費電力とを計算する。
【００６８】
（計算７）計算１で求めたドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力と、計算３で求めた冷水ポンプ４の消費電力と、計算５で求めた冷却水ポンプ２の消費電力と、計算６で求めた冷却塔ファン１０の消費電力とを合計し、消費電力合計値を求める。
【００６９】
ポンプ（ドライコイル冷却水ポンプ５、冷水ポンプ４、冷却水ポンプ２）に係る計算１、計算３および計算５において、流量、圧力、消費電力は、インバータ周波数のそれぞれ、１乗、２乗、３乗に比例するものとし、さらに配管３１、３２、３３の抵抗特性とポンプ２、４、５の特性を用いて前述の計算を行う。熱交換器１１、１２に係る計算２および計算４は、伝熱の方程式とエネルギー保存の方程式とを連立して行う。冷却塔１１に係る計算６は、エンタルピー基準総括熱伝達率を用いた伝熱の方程式とエネルギー保存の方程式とを連立して行う。計算１〜計算７の個々の計算方法の詳細については、周知の技術を用いればよいので、ここではその説明を省略する。
【００７０】
本例のシミュレーションでは、ドライコイル冷却水側から冷却塔ファン１の方向へ向って、順次、各部の流量、温度、消費電力およびインバータ周波数を計算することを特徴としている。すなわち、シミュレータ５１の入力値を一定の設定値として扱うことが可能な下流側（冷却対象媒体側）から上流側（外気側）に向って、ドライコイル冷却水ポンプ５、冷水ポンプ４、冷却水ポンプ２、冷却塔ファン１０の順に、これら各部の消費電力および各部のインバータ７３、７２、７１、７０の周波数を、順次計算していく（計算１〜計算６）。
【００７１】
前述のシミュレーション（計算１〜計算７）の全体では、外気状態、ドライコイル冷却水往温度、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水流量、冷却水往温度、および、冷水往温度を入力値として、消費電力合計値およびインバータ７０〜７３の周波数(インバータ周波数)を求めている。
【００７２】
上記の入力値のうちで、ドライコイル冷却水往温度は、予め設定した一定の設定値を用いる。この場合、シミュレータ５１の入力値のうちで、変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水流量、冷却水往温度、および、冷水往温度の５つとなる。これらの変数のうちシミュレータ５１で選択可能な独立変数は、冷却水往温度および冷水往温度の２つである。環境条件に従属する選択不可な従属変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度およびドライコイル冷却水流量の３つである。
【００７３】
また、前述のシミュレーション（計算１〜計算７）は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水の冷却に対する冷却負荷、冷却水往温度、および、冷水往温度、を入力値として、消費電力合計値およびインバータ周波数を求めてもよい。
【００７４】
冷却負荷は、例えば、ドライコイル冷却水往温度と、ドライコイル冷却水還温度と、ドライコイル冷却水流量とを計測し、求める。また、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と、空気入口６ｂでの空気温度と、ドライコイル６での空気の流量とを計測し、冷却負荷を求めてもよい。
【００７５】
上記の入力値のうちで、ドライコイル冷却水往温度は、予め設定した一定の設定値を用いてもよい。この場合、シミュレータ５１の入力値のうちで、変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、冷却負荷、冷却水往温度、および、冷水往温度の５つとなる。これらの変数のうちシミュレータ５１で選択可能な独立変数は、冷却水往温度および冷水往温度の２つである。環境条件に従属する選択不可な従属変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度および冷却負荷の３つである。
【００７６】
また、クリーンルーム６０の室内温度が安定する室内環境の場合などには、ドライコイル冷却水還温度および冷却負荷を一定の設定値として、シミュレーションを行ってもよい。この場合、シミュレータ５１の入力値のうち、変数の数を、従属変数の外気状態と、独立変数の冷却水往温度および冷水往温度の３つに最小化できる。
【００７７】
冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値の計算は（計算４〜計算６）を繰り返す。（計算４）である刻み冷水往温度を下げる。（計算４〜計算６）を行い、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を求める。冷水往温度を変化させて、（計算４〜計算６）を繰返し、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数が運転範囲の最大値（通常、電力の周波数が５０Ｈｚの地域は５０Ｈｚ、電力の周波数が６０Ｈｚの地域は６０Ｈｚ）となったときの冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数が、図８の周波数２０１に相当する。安全のためこの周波数２０１にある一定の数値を減算した周波数２０２を図８のテーブルの数値とする。
【００７８】
制御値取得部５２は、外気状態などの環境条件をシミュレータ５１に入力した条件で、独立変数である冷却水往温度および冷水往温度の組み合わせを運転範囲内で変化させてシミュレータ５１に入力し、シミュレーション（計算１〜計算７）を行わせる。ここで、独立変数（冷却水往温度および冷水往温度）を変更するごとに、シミュレータ５１にシミュレーションを行わせて、消費電力合計値およびインバータ周波数を繰り返し計算する。室内温度が一定の場合には、独立変数を変化させてシミュレーションを繰り返す際に、計算１を省略できる。そして、冷却システム全体の消費電力合計値が最小となる冷却水往温度および冷水往温度の組み合わせ（またはインバータ周波数の組み合わせ）を、制御値として選択し、記憶部５４に格納する。
【００７９】
制御値設定部５３は、記憶部５４に記憶されている制御値を、実際の冷却システムに設定する。
【００８０】
冷却水温度および冷水温度の最適値を設定する場合の制御例を説明する。第１に、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度が制御値よりも高い場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を上げて冷却塔ファン１０の回転数を上げる一方で、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度が最適値よりも低い場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を下げて冷却塔ファン１０の回転数を下げる。これにより、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度を制御値に設定する。第２に、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度が制御値よりも高い場合には、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を上げて冷却水ポンプ２の回転数を上げる一方で、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度が制御値よりも低い場合には、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を下げて冷却水ポンプ２の回転数を下げる。これにより、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度を制御値に設定する。
【００８１】
冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数および冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の制御値を設定する場合の制御例を説明する。この場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０および冷却水ポンプ２のインバータ７１に制御値をそれぞれ設定する。
【００８２】
もっとも、室内温度センサ２４で計測される室内温度や、ドライコイル冷却水往温度センサ２３で計測されるドライコイル冷却水温度が、時系列において一定値から変化した場合には、冷水ポンプ４およびドライコイル冷却水ポンプ５の回転数をそれぞれのインバータ７２、７３を用いて変化させる制御を併せて行うことは、いうまでもない。
【００８３】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【００８４】
図４を用いて第２の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と相違している部分のみ説明する。第２の実施形態は、図３に示した第２熱交換器１２がない場合である。本実施形態のドライコイル６は、第１熱交換器１１で冷却された冷水（第２の配管３２を流れる冷水である）と空気とを熱交換することにより、クリーンルーム６０内の空気を冷却する。言い換えると、本実施形態では、ドライコイル６によって本発明での第２熱交換器が構成されている。
【００８５】
本実施形態において、シミュレータ５１は、例えば、前述の（計算１）および（計算２）を省略して、計測した冷水還温度と、計測した冷水流量とを取得した後、前述の（計算３）〜（計算７）を行なう。（計算１）を省略し、（計算２）の代りに次の（計算２ａ）を行った後、（計算３）〜（計算７）を行なうようにしてもよい。
【００８６】
（計算２ａ）ドライコイル６での空気冷却に対する冷却負荷と、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、冷水往温度とを入力して、第１熱交換器１１の冷水入口１１ｂでの冷水還温度と、第２の配管３２の冷水流量とを計算する。
【００８７】
このシミュレーション（計算２ａ）〜（計算７）の全体では、外気状態と、冷却負荷と、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、冷却水往温度と、冷水往温度とを入力値として、消費電力合計値およびインバータ７０〜７３の周波数(インバータ周波数)を求める。
【００８８】
ドライコイル６での冷却負荷は、例えば、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気の温度と、ドライコイル６での空気の流量とを計測して、求める。
【００８９】
なお、空気冷却用の冷却コイルとして、ドライコイルではなく、除湿も行なうコイルを用いる場合には、空気入口６ｂでの空気の温度および湿度と、空気出口６ａでの空気の温度および湿度と、コイルでの空気の流量とに基づいて、コイルでの冷却負荷を求める。そして、コイルでの冷却負荷と、空気入口６ｂでの空気の温度および湿度と、冷水往温度とを入力して、冷水還温度と冷水流量とを計算する。
【００９０】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【００９１】
図５を用いて第３の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と相違している部分のみ説明する。第３の実施形態では、第３の配管３３がドライコイルではなく製造装置６１に接続されており、製造装置６１を冷却している。
【００９２】
本実施形態において、シミュレータ５１での計算は、第１の実施形態と同じである。
【００９３】
なお、第１の実施形態〜第３の実施形態に示した各熱交換器は、複数並列に接続してもよい。また、冷却塔を複数並列に接続してもよい。
【００９４】
前述の第１の実施形態では、第２熱交換器１２において冷水とドライコイル冷却水（中間の冷却対象媒体である）とを熱交換し、ドライコイル６においてドライコイル冷却水と空気（最終の冷却対象媒体である）とを熱交換して、クリーンルーム６０の空調を行う場合を例に説明した。第２の実施形態では、ドライコイルを省略し、第２熱交換器１２において冷水と空気（最終の冷却対象媒体である）とを熱交換して、クリーンルーム６０の空調を行う場合を例に説明した。第３の実施形態では、第２熱交換器１２において冷水と装置冷却水（中間の冷却対象媒体である）とを熱交換し、この装置冷却水によって製造装置６１を冷却する場合を例に説明した。
【００９５】
以上、本発明の実施形態に係る冷却システムおよび冷却方法について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
【００９６】
例えば、上記第１〜第３の実施形態では、シミュレータ５１の計算結果により取得される制御値に基づいて、冷却システムを制御する例について説明したが、種々の環境条件における制御値を予めテーブルとして記憶しておき、このテーブルから取得される制御値に基づいて冷却システムを制御してもよい。
【００９７】
図６は、環境条件と冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブルの一例を示す表である。
【００９８】
図６に示すようにテーブル１００は、環境条件としての冷却負荷及び外気湿球温度と、冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値との対応関係を示す表形式のデータである。テーブル１００は、図１に示す第１の実施形態におけるシミュレータ５１と同様な手法により、種々の環境条件における冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値を求めることで作成することができる。例えば、種々の環境条件について、ドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力と、冷水ポンプ４の消費電力と、冷却水ポンプ２の消費電力と、冷却塔ファン１０の消費電力との合計値が最小となる冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の組み合わせを予め計算することで、テーブル１００を作成することができる。なお、図６において、冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の具体的な数値が記載されていない領域（「冷凍機運転に変更」と記載した領域）は、フリークーリング運転では冷却能力が不足してしまう領域を意味する。冷却水ポンプ２のインバータ周波数が、設定された上限値を超えない範囲で消費電力の最適化が行なわれる。
【００９９】
図７は、テーブル１００から取得される最適値に基づいて冷却システムを制御する制御装置の構成例を示す図である。図７に示すように、制御装置１１０は、制御値取得部５２、制御値設定部５３及び記憶部５４により構成される。
【０１００】
記憶部５４は、環境条件と冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値との対応関係を表すテーブル１００を予め記憶している。制御値取得部５２は、記憶部５４のテーブル１００から、環境条件に対応する冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値を取得する。そして、制御値設定部５３が、制御値取得部５２によって取得された冷水温度ｔ１および冷却水温度ｔ２の最適値の組み合わせを本冷却システムに設定する。
【０１０１】
このように、種々の環境条件と、冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブル１００を予め記憶部５４に記憶しておき、テーブル１００から取得される制御値に基づいて冷却システムを制御することで、制御値を取得するために要する計算負荷を大幅に軽減することができる。
【０１０２】
また、環境条件に対応する冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２がテーブル１００に保存されていない場合（即ち、環境条件が、図６における「冷凍機運転に変更」と記載した領域に相当する場合）、制御値取得部５２は、制御値設定部５３に冷凍機運転への切り替えを指示する信号を送る。制御値設定部５３は、制御値取得部５２の指示に基づいて、第１バルブ８１及び第２バルブ８２の開閉を制御して、フリークーリング運転から冷凍機９１（図１参照）による冷凍機運転に切り替える。これにより、環境条件に応じて、フリークーリング運転と冷凍機運転とを切り替えることができる。
【０１０３】
なお、上述の例では、種々の環境条件と、冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブル１００を用いる例について説明したが、種々の環境条件と、冷却塔ファン１０のインバータ７０及び冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の制御値との対応関係を表すテーブルを用いてもよい。
【０１０４】
また、上述の例では、環境条件として、冷却負荷と外気湿球温度とを挙げたが、ドライコイル冷却水環温度や、外気比エンタルピーなどを用いてもよい。
【０１０５】
また、上記第１〜第３の実施形態では、本発明での第２熱交換器の冷却対象媒体が水および空気である場合を例に説明したが、本発明はこのような場合に限定されず、空気および水以外の別の流体であってもよく、また、固体でもよい。
【０１０６】
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。第３の実施形態と相違している部分についてのみ説明する。第４の実施形態では冷却水と装置冷却水が熱交換器１３で熱交換するシステムである。この場合最適化できるパラメータは１つのパラメータとなる。第４の実施形態では、冷却水温度を最適化パラメータとした場合である。図１０は、冷却水温度の最適値のテーブルである。また、この場合、第１〜３の実施形態と同様に図８に示したような冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値テーブルが必要である。
【符号の説明】
【０１０７】
１…冷却塔、２…冷却水ポンプ（第１ポンプ）、４…冷水ポンプ(第２ポンプ)、５…ドライコイル冷却水ポンプ（第３ポンプ）、６…ドライコイル、１０…冷却塔ファン、１１…第１熱交換器、１２…第２熱交換器、２０…外気温湿度センサ（外気状態センサ）、２１…冷却水往温度センサ、２２…冷水往温度センサ、２３…ドライコイル冷却水往温度センサ、２４…室内温度センサ、２５…ドライコイル冷却水還温度センサ、２６…ドライコイル冷却水流量センサ、３１…第１の配管、３２…第２の配管、３３…第３の配管、５０…制御装置、５１…シミュレータ、５２…制御値取得部、５３…制御値設定部（制御値設定手段）、５４…記憶部、５５…ネットワーク、６０…クリーンルーム、６１…製造装置、７０，７１，７２、７３…インバータ、１００…テーブル、１１０…制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う冷却システムおよび冷却方法に関し、特に、冷却システム全体の消費電力を最小化することができる冷却システムおよび冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冬期の外気温度が低い期間では、冷却塔のフリークーリングにより温度の低い冷水を作ることができる。特許文献１には、冷凍機を運転して冷水を作るモードと、冷凍機の運転を停止した状態で冷却塔のフリークーリングを利用して冷水を作るモードとを、選択的に実施する構成が開示されている。これにより、冬期に、冷却塔のフリークーリングを利用し、冷凍機の消費電力を削減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３２６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却塔のフリークーリングを利用することにより、冷凍機の消費電力は削減できるが、外気を導入する冷却塔のファン動力の電力や、冷却塔で得られた冷熱を伝熱するためのポンプ動力の電力が消費される。
【０００５】
そこで、本願発明者らは、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計を削減するためファンやポンプにインバータを設けて制御することを検討している。しかしながら、冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると、冷水往温度が制御できなくなることが判明した。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、上記問題を解決し、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う場合において、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計を削減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節することを特徴とする。
【０００８】
本願発明者らは、冷却塔ファン、ポンプにインバータを備えたフリークーリングシステムの冷水往温度の制御において冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると、冷水往温度が制御できなくなる現象を見出した。これはフリークーリングシステムが非線形系であることが原因と考えられる。そこで、冷水往温度が制御不可能となる第１ポンプのインバータ周波数をシミュレータで求め、そのインバータ周波数を第１ポンプの上限として設定した。
【０００９】
この発明によれば、冷却塔のファンおよびポンプに係る消費電力の合計値を最小とする冷却塔のファンのインバータ周波数（第１の冷水の温度を決定する）、および予め設定された前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を超えない範囲内で第１ポンプのインバータ周波数（第２の冷水の温度を決定する）が最適値として求められる。
【００１０】
これにより、単に冷凍機に係る消費電力を削減できるだけでなく、安定した制御を行ないながら、冷却塔のファンおよびポンプに係る消費電力の合計をも削減することができる
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体が液体であり、前記液体と気体とを熱交換して前記気体を冷却する第３熱交換器をさらに備えることが好ましい。
【００１１】
例えば、前記冷却対象媒体は水であり、前記第３熱交換器は水と空気とを熱交換して空気を冷却する冷却コイルである。これにより、効率よく空調を行うことができる。
【００１２】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体が気体であり、前記第２熱交換器は前記第２の冷水と前記気体とを熱交換して前記気体を冷却することが好ましい。
【００１３】
例えば、前記冷却対象媒体は空気であり、前記第２熱交換器は第２の冷水と空気とを熱交換して空気を冷却する冷却コイルである。これにより、効率よく空調を行うことができる。
【００１４】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記冷却対象媒体を用いて装置冷却を行うことが好ましい。
【００１５】
例えば、前記冷却対象媒体は水である。これにより、効率よく装置冷却を行うことができる。
【００１６】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記シミュレータは、前記冷却対象媒体側から前記冷却塔の方向に、前記第２ポンプ、前記第１ポンプ、前記冷却塔の前記ファンの順番でこれら各部の消費電力を計算することが好ましい。
【００１７】
この発明によれば、各種の入力値うち一定の設定値として扱うことが可能な冷却対象媒体側から各部の消費電力が計算されるので、第１の冷水の温度および第２の冷水の温度を変化させながら繰り返す消費電力合計値の計算負荷を低減できるとともに、制御値を容易に求めることができる。
【００１８】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体の冷却に対する冷却負荷とを、前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００１９】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口との間の前記冷却対象媒体の流量とを、前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２０】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記外気状態として、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度を計測する外気状態センサを備え、前記制御値取得手段は、前記外気状態センサの計測結果を前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２１】
本発明の冷却システムは、前記発明において、前記制御値取得手段は、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口の前記冷却対象媒体の温度として一定の設定値を前記シミュレータに入力することが好ましい。
【００２２】
前記目的を達成するために、本発明の冷却方法は、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータを用いて、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得ステップと、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節することを含むことを特徴とする。
【００２３】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルが予め記憶された記憶手段と、前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得手段と、前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する最適値設定手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
前記目的を達成するために、本発明の冷却方法は、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルを作成して、前記記憶手段に記憶するテーブル記憶ステップと、前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得ステップと、前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する制御値設定ステップと、前記制御値設定ステップにより求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、を含むことを特徴とする。
【００２５】
前記目的を達成するために、本発明の冷却システムは、フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第１熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、少なくとも前記第１の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、前記第１の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレータの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度の最適値を求める制御値取得手段と、前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度の最適値の制御目標値として設定する制御値設定手段と、前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、前記第１ポンプのインバータが制御され、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で冷却対象媒体の温度を制御目標値に調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、冷却塔のフリークーリングを利用して冷却を行う場合において、安定した制御と、冷却塔のファン動力の消費電力とポンプ動力の消費電力との合計の削減をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態での冷却システムの一例の概略を示す全体構成図である。
【図２】冷水往温度と冷却水ポンプインバータ周波数の関係を示すグラフ。
【図３】図１の冷却システムのうちフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図４】第２の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図５】第３の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図６】環境条件と冷却水温度及び冷水温度の最適値との対応関係を表すテーブルの一例を示す表である。
【図７】テーブルから取得される最適値に基づいて冷却システムを制御する制御装置の構成例を示す図である。
【図８】冷却水ポンプのインバータ周波数の上限値を表すテーブルの一例を示す表である。
【図９】第４の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【図１０】第４の実施形態で用いられる最適値のテーブルの一例を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態での冷却システムの一例の概略を示す全体構成図である。本冷却システムは、主として、冷却塔１、ドライコイル６、２段の熱交換器（第１熱交換器１１、第２熱交換器１２）、冷凍機９１、および、複数のポンプ２、４、５、９２、９４を含んで構成されている。なお、本発明の理解を容易にするため、冷却塔１を２つ設けた場合を図示したが、ひとつの共通の冷却塔１を設ければよい。
【００３０】
外気湿球温度が高い夏期には、第１バルブ８１を開状態、第２バルブ８２を閉状態として、冷凍機９１を運転し、冷凍機９１にて冷却された冷水を、冷凍機運転時用の冷水ポンプ９４により、冷凍機９１と第２熱交換器１２との間で循環させる。また、ドライコイル冷却水ポンプ５により、第２熱交換器１２とドライコイル６との間で、ドライコイル冷却水を循環させる。これにより、冷凍機９１にて生成された冷熱がドライコイル６に伝熱されて、クリーンルーム６０内の空気が冷却される。また、冷凍機運転時用の冷却水ポンプ９２により、冷却塔１と冷凍機９１との間で冷却水が循環され、冷凍機９１の放熱が行われる。
【００３１】
外気湿球温度が低い冬期または中間期には、第１バルブ８１を閉状態、第２バルブ８２を開状態として、冷凍機９１の運転を停止し、冷却塔１にて冷却された冷却水を、フリークーリング利用時用の冷却水ポンプ２により、冷却塔１と第１熱交換器１１との間で循環させるとともに、フリークーリング利用時用の冷水ポンプ４により、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間で冷水を循環させる。また、ドライコイル冷却水ポンプ５により、第２熱交換器１２とドライコイル６との間で、ドライコイル冷却水を循環させる。これにより、冷却塔１で外気により得られた冷熱がドライコイル６に伝熱されて、クリーンルーム６０内の空気が冷却される。
【００３２】
冷却塔１のファン１０（以下「冷却塔ファン」という）およびポンプ２、４、５、９２、９４には、それぞれインバータ７０、７１、７２、７３、７４、７５が接続されている。なお、第１熱交換器１１の冷水出口での冷水温度が冷水往温度センサ２２で計測される。
【００３３】
制御装置５０は、バルブ８１、８２、インバータ７０〜７５などの各部を制御し、冷凍機運転時には、冷凍機９１にて生成された冷熱でクリーンルーム６０を空調する制御を行う一方で、フリークーリング利用時には、冷却塔１で得られた冷熱でクリーンルーム６０を空調する制御を行う。また、制御装置５０は、当該制御装置５０の制御をシミュレーションして本冷却システム全体の消費電力を計算するシミュレータ５１を有する。
【００３４】
本冷却システムでは、冷却塔１のフリークーリング利用時には、冷凍機９１を運転することなしに、冷水を生成する。
【００３５】
ここで、本願発明者らは、冷却塔ファン、ポンプにインバータを備えたフリークーリングシステムの冷水往温度制御において冷却水ポンプのインバータ周波数がある数値を超えると制御できなくなる現象を見出した。図２は、冷却水ポンプのインバータ周波数と冷水往温度の関係を示すグラフである。一般的に、冷水往温度を下げるため、冷却水ポンプのインバータ周波数が上昇される。しかしながら、図２に示すように、あるインバータ周波数を超えると冷水往温度が上昇し、冷却水ポンプのインバータ周波数による制御ができなくなった。これは、フリークーリングシステムが非線形系であることが原因と考えられる。
【００３６】
実際、冷水往温度を下げるため、冷却水ポンプのインバータ周波数が上昇されると、熱交換器と冷却塔を循環する冷却水の流量が増える。つまり、冷却塔を流れる冷却水の流量が増える。冷却水の流量が増加したとき、冷却塔ファンのインバータ周波数が上昇される。一方、冷却塔ファンのインバータにはインバータ周波数の上限が設定されている。冷却水の流量が所定以上に増加すると、冷却塔ファンのインバータ周波数が上限に達する。冷却塔ファンのインバータ周波数が上限に達すると、冷却塔の処理能力が限界となる。この状態で冷却水の流量がさらに増加すると、冷却水の温度が下がらず、結果的に冷水往温度が上昇する。ここで重要なことは、冷却塔の能力を超えて冷却水を流さないことであり、冷却水ポンプインバータ周波数を所定周波数以上に上昇させないことである。
【００３７】
本発明においては、冷水往温度が制御不可能なる冷却水ポンプのインバータ周波数をシミュレータで予め求め、その周波数を上限として設定する。冷却水ポンプのインバータ周波数の上限は、冷却塔ファンのインバータ周波数の上限値をシミュレータに与えることで求めることができる。
【００３８】
ここで、冷却水ポンプのインバータ周波数の上限の超えない範囲とは、インバータ周波数の上限より小さい範囲であればよい。
【００３９】
図８は、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値の一例である。図８のテーブルを用いて、外気湿球温度と負荷から冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値を求める。中間の値は線形補間により求める。図８のテーブルはシミュレータにより計算し作成する。シミュレータで図２に示した極小点２００の冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数２０１を求める。そして、安全のためある一定の数値を減算した周波数２０２が図８のテーブルに記載された数値である。計算方法の詳細は後述する。
【００４０】
図１に示す本冷却システムでは、シミュレータ５１のシミュレーション結果に基づいて、冷却塔ファン１０に係る消費電力およびフリークーリング利用時に稼働のポンプ２、４、５に係る消費電力の合計値を最小にする制御装置５０の制御値を求めて、その制御値で制御装置５０が本冷却システムの各部（冷却塔ファン１０およびフリークーリング利用時に稼働のポンプ２、４、５）を実際に制御することにより、前記消費電力の合計値を最小化することができる。すなわち、従来のフリークーリングを利用した冷却システムよりも、さらに冷却システム全体の消費電力を低減することができる。このとき、予め求められたポンプ２のインバータ周波数の上限値を超えないよう、ポンプ２のインバータ周波数が制御される。
【００４１】
図３は、図１の冷却システムのうちでフリークーリング利用時の稼働部分の詳細を示す構成図である。なお、図３において、図１に示した構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してある。
【００４２】
冷却塔１は、外気を吸気する冷却塔ファン１０を有し、外気湿球温度が低い期間に低温の外気を利用して、冷却水を低温に冷却する。第１熱交換器１１は、冷却塔１で冷却された冷却水と冷水とを熱交換して、冷水を冷却する。第２熱交換器１２は、第１熱交換器１１で冷却された冷水とドライコイル冷却水とを熱交換して、ドライコイル冷却水を冷却する。ドライコイル６は、第２熱交換器１２で冷却されたドライコイル冷却水と空気とを熱交換して空気を冷却し、その低温の空気をクリーンルーム６０に与える。クリーンルーム６０内の空気は、空気循環用ファン７によってドライコイル６へ戻される。
【００４３】
ここで、冷却塔１と第１熱交換器１１との間に配設された第１の配管３１を流れる第１の冷水を「冷却水」といい、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間に配設された第２の配管３２を流れる第２の冷水を単に「冷水」といい、第２熱交換器１２とドライコイル６との間に配設された第３の配管３３を流れる第３の冷水を「ドライコイル冷却水」という。
【００４４】
冷却水ポンプ２は、第１の配管３１に配設され、冷却塔１と第１熱交換器１１との間で冷却水を循環させる。冷水ポンプ４は、第２の配管３２に配設され、第１熱交換器１１と第２熱交換器１２との間で冷水を循環させる。ドライコイル冷却水ポンプ５は、第３の配管３３に配設され、第１熱交換器１１とドライコイル６との間でドライコイル冷却水を循環させる。
【００４５】
外気温湿度センサ２０は、外気の湿球温度と乾球温度（あるいは外気の温度と湿度）を計測する。
【００４６】
ドライコイル冷却水往温度センサ２３は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水の温度を計測する。
【００４７】
室内温度センサ２４は、クリーンルーム６０内の温度（以下「室内温度」という）を計測する。
【００４８】
ドライコイル冷却水還温度センサ２５は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水入口１２ｂでのドライコイル冷却水の温度を計測する。
【００４９】
ドライコイル冷却水流量センサ２６は、第３の配管３３でのドライコイル冷却水の流量を計測する。
【００５０】
外気湿球温度が高い時期（夏期）は、冷凍機９１で冷水を冷却する。外気湿球温度が低い時期（冬期または中間期）は、冷却塔１のフリークーリングにより冷水を冷却する。ここでは、フリークーリング利用時の運転方法について説明する。
【００５１】
冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４、ドライコイル冷却水ポンプ５には、それぞれインバータ７０、７１、７２、７３が接続されている。これらのインバータ７０、７１、７２、７３の周波数（インバータ周波数）を変えることにより、それぞれ冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４、ドライコイル冷却水ポンプ５の回転数を変える。インバータ７０、７１、７２、７３の周波数の設定は、後述の制御値設定部５３によって行われる。
【００５２】
温度調節器１７０は、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度センサ２１で計測される）が制御目標値になるように冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を制御する。温度調節器１７１は、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度センサ２２で計測される）が制御目標値になるように冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を制御する。但し、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数が設定された上限値を超えないようにする。つまり、温度調節器１７１には、冷水温度の制御目標値と冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値が与えられた上限値を超えない範囲内でＰＩＤ制御される。
【００５３】
温度調節器１７２は、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（冷却水往温度センサ２３で計測される）が制御目標値になるよう冷水ポンプ４のインバータ７２の周波数を制御する。
【００５４】
本例の冷却システムにおいて、第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度、および、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度は、一定の設定値である。その一方で、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度センサ２１で計測）、および、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度センサ２２で計測）は、ある範囲内で変化させても、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水の温度とを、一定の設定値に制御できる。つまり、外気状態（例えば、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度）などの環境条件に応じてクリーンルーム６０内の室内温度が目標値となるように制御する際に、選択可能な冷却水温度と冷水温度との組み合わせは、無数に存在する。
【００５５】
制御装置５０は、シミュレータ５１、制御値取得部５２、制御値設定部５３および記憶部５４を含んで構成されている。制御装置５０は、具体的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含んで構成されている。
【００５６】
制御装置５０は、冷却システムを構成する制御対象機器（７０〜７３、８１、８２）およびセンサ（２０〜２６）と、ネットワーク５５を通して接続されている。制御装置５０の制御値設定部５３は、ネットワーク５５を通して、センサ２０〜２６の計測値と、制御対象機器（７０〜７３、８１、８２）の運転状態とを読み込み、その制御対象機器に制御値を送る。
【００５７】
シミュレータ５１は、冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２、冷水ポンプ４およびドライコイル冷却水ポンプ５の各部のフリークーリング利用時における消費電力を計算するとともに、これらの消費電力の合計値（消費電力合計値）を計算する。このような消費電力合計値の計算を、本明細書では「シミュレーション」といい、具体例は後に詳説する。
【００５８】
制御値取得部５２は、シミュレータ５１を使い、制御対象機器の運転範囲であり、かつ、消費電力合計値が最も小さくなる冷却水温度（冷却水往温度）と冷水温度（冷水往温度）との組み合わせを、最適値の組み合わせとして求める。「運転範囲」とは、例えば、各インバータ７０〜７３の周波数の制御可能な範囲である。インバータ７１について、予め求められた上限値が運転範囲となる。制御値の組み合わせを求める方法としては、例えば、逐次二次計画法等の方法を用いる。あるいは、ある刻み幅で、冷却水温度および冷水温度を設定し、その組み合わせの全てについて、組み合わせごとに消費電力合計値を計算し、比較してもよい。
【００５９】
冷却負荷は、例えば、ドライコイル冷却水往温度とドライコイル冷却水還温度との差分と、ドライコイル冷却水流量とに基づいて、計算する。ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と空気入口６ｂでの空気温度との差分と、ドライコイル６での空気流量とに基づいて、冷却負荷を計算してもよい。
【００６０】
制御値設定部５３は、制御値取得部５２によって取得された冷却水温度および冷水温度の最適値の組み合わせを本冷却システムに設定する。例えば、冷却塔ファン１０、冷却水ポンプ２にそれぞれ対応するインバータ７０、７１の周波数を制御することにより、冷却水温度および冷水温度を制御値に設定する。
【００６１】
ここでは冷水温度および冷却水温度の制御値の組み合わせを求めて設定する場合を例に説明したが、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数および冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の最適値の組み合わせを求めて、実際の冷却システムに設定するようにしてもよい。
【００６２】
本シミュレータ５１での消費電力合計値の計算は、例えば、次の（計算１）〜（計算７）の順で行われる。
【００６３】
（計算１）ドライコイル冷却水ポンプ５に係る計算：計測した第３の配管３３のドライコイル冷却水流量を入力として、ドライコイル冷却水ポンプ５のインバータ７３の周波数と、ドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力とを計算する。
【００６４】
（計算２）第２熱交換器１２に係る計算：第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（ドライコイル冷却水往温度）と、計測した第２熱交換器１２のドライコイル冷却水出口１２ａでのドライコイル冷却水温度（ドライコイル冷却水還温度）およびドライコイル冷却水流量と、第１熱交換器１１の冷水出口１１ａでの冷水温度（冷水往温度）とを入力として、第１熱交換器１１の冷水入口１１ｂでの冷水還温度と、第２の配管３２の冷水流量とを計算する。
【００６５】
（計算３）冷水ポンプ４に係る計算：計算２で求めた冷水流量を入力として、冷水ポンプ４のインバータ７２の周波数と、冷水ポンプ４の消費電力とを計算する。
【００６６】
（計算４）第１熱交換器１１に係る計算：冷水温度（冷水往温度）と、計算２で求めた冷水還温度および冷水流量と、冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度）とを入力として、冷却塔１の冷却水入口１ｂでの冷却水還温度と、第１の配管３１の冷却水流量とを計算する。
【００６７】
（計算５）冷却水ポンプ２に係る計算：計算４で求めた冷却水流量を入力として、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数と、冷却水ポンプ２の消費電力とを計算する
（計算６）冷却塔１１に係る計算：冷却塔１の冷却水出口１ａでの冷却水温度（冷却水往温度）と、計算４で求めた冷却水還温度および冷却水流量と、外気状態（例えば外気湿球温度）とを入力として、冷却塔ファン１０により冷却塔１に導入される空気流量と、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数と、冷却塔ファン１０の消費電力とを計算する。
【００６８】
（計算７）計算１で求めたドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力と、計算３で求めた冷水ポンプ４の消費電力と、計算５で求めた冷却水ポンプ２の消費電力と、計算６で求めた冷却塔ファン１０の消費電力とを合計し、消費電力合計値を求める。
【００６９】
ポンプ（ドライコイル冷却水ポンプ５、冷水ポンプ４、冷却水ポンプ２）に係る計算１、計算３および計算５において、流量、圧力、消費電力は、インバータ周波数のそれぞれ、１乗、２乗、３乗に比例するものとし、さらに配管３１、３２、３３の抵抗特性とポンプ２、４、５の特性を用いて前述の計算を行う。熱交換器１１、１２に係る計算２および計算４は、伝熱の方程式とエネルギー保存の方程式とを連立して行う。冷却塔１１に係る計算６は、エンタルピー基準総括熱伝達率を用いた伝熱の方程式とエネルギー保存の方程式とを連立して行う。計算１〜計算７の個々の計算方法の詳細については、周知の技術を用いればよいので、ここではその説明を省略する。
【００７０】
本例のシミュレーションでは、ドライコイル冷却水側から冷却塔ファン１の方向へ向って、順次、各部の流量、温度、消費電力およびインバータ周波数を計算することを特徴としている。すなわち、シミュレータ５１の入力値を一定の設定値として扱うことが可能な下流側（冷却対象媒体側）から上流側（外気側）に向って、ドライコイル冷却水ポンプ５、冷水ポンプ４、冷却水ポンプ２、冷却塔ファン１０の順に、これら各部の消費電力および各部のインバータ７３、７２、７１、７０の周波数を、順次計算していく（計算１〜計算６）。
【００７１】
前述のシミュレーション（計算１〜計算７）の全体では、外気状態、ドライコイル冷却水往温度、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水流量、冷却水往温度、および、冷水往温度を入力値として、消費電力合計値およびインバータ７０〜７３の周波数(インバータ周波数)を求めている。
【００７２】
上記の入力値のうちで、ドライコイル冷却水往温度は、予め設定した一定の設定値を用いる。この場合、シミュレータ５１の入力値のうちで、変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水流量、冷却水往温度、および、冷水往温度の５つとなる。これらの変数のうちシミュレータ５１で選択可能な独立変数は、冷却水往温度および冷水往温度の２つである。環境条件に従属する選択不可な従属変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度およびドライコイル冷却水流量の３つである。
【００７３】
また、前述のシミュレーション（計算１〜計算７）は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、ドライコイル冷却水の冷却に対する冷却負荷、冷却水往温度、および、冷水往温度、を入力値として、消費電力合計値およびインバータ周波数を求めてもよい。
【００７４】
冷却負荷は、例えば、ドライコイル冷却水往温度と、ドライコイル冷却水還温度と、ドライコイル冷却水流量とを計測し、求める。また、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気温度と、空気入口６ｂでの空気温度と、ドライコイル６での空気の流量とを計測し、冷却負荷を求めてもよい。
【００７５】
上記の入力値のうちで、ドライコイル冷却水往温度は、予め設定した一定の設定値を用いてもよい。この場合、シミュレータ５１の入力値のうちで、変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度、冷却負荷、冷却水往温度、および、冷水往温度の５つとなる。これらの変数のうちシミュレータ５１で選択可能な独立変数は、冷却水往温度および冷水往温度の２つである。環境条件に従属する選択不可な従属変数は、外気状態、ドライコイル冷却水還温度および冷却負荷の３つである。
【００７６】
また、クリーンルーム６０の室内温度が安定する室内環境の場合などには、ドライコイル冷却水還温度および冷却負荷を一定の設定値として、シミュレーションを行ってもよい。この場合、シミュレータ５１の入力値のうち、変数の数を、従属変数の外気状態と、独立変数の冷却水往温度および冷水往温度の３つに最小化できる。
【００７７】
冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値の計算は（計算４〜計算６）を繰り返す。（計算４）である刻み冷水往温度を下げる。（計算４〜計算６）を行い、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を求める。冷水往温度を変化させて、（計算４〜計算６）を繰返し、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数が運転範囲の最大値（通常、電力の周波数が５０Ｈｚの地域は５０Ｈｚ、電力の周波数が６０Ｈｚの地域は６０Ｈｚ）となったときの冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数が、図８の周波数２０１に相当する。安全のためこの周波数２０１にある一定の数値を減算した周波数２０２を図８のテーブルの数値とする。
【００７８】
制御値取得部５２は、外気状態などの環境条件をシミュレータ５１に入力した条件で、独立変数である冷却水往温度および冷水往温度の組み合わせを運転範囲内で変化させてシミュレータ５１に入力し、シミュレーション（計算１〜計算７）を行わせる。ここで、独立変数（冷却水往温度および冷水往温度）を変更するごとに、シミュレータ５１にシミュレーションを行わせて、消費電力合計値およびインバータ周波数を繰り返し計算する。室内温度が一定の場合には、独立変数を変化させてシミュレーションを繰り返す際に、計算１を省略できる。そして、冷却システム全体の消費電力合計値が最小となる冷却水往温度および冷水往温度の組み合わせ（またはインバータ周波数の組み合わせ）を、制御値として選択し、記憶部５４に格納する。
【００７９】
制御値設定部５３は、記憶部５４に記憶されている制御値を、実際の冷却システムに設定する。
【００８０】
冷却水温度および冷水温度の最適値を設定する場合の制御例を説明する。第１に、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度が制御値よりも高い場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を上げて冷却塔ファン１０の回転数を上げる一方で、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度が最適値よりも低い場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数を下げて冷却塔ファン１０の回転数を下げる。これにより、冷却水往温度センサ２１で計測される冷却水温度を制御値に設定する。第２に、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度が制御値よりも高い場合には、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を上げて冷却水ポンプ２の回転数を上げる一方で、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度が制御値よりも低い場合には、冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数を下げて冷却水ポンプ２の回転数を下げる。これにより、冷水往温度センサ２２で計測される冷水温度を制御値に設定する。
【００８１】
冷却塔ファン１０のインバータ７０の周波数および冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の制御値を設定する場合の制御例を説明する。この場合には、冷却塔ファン１０のインバータ７０および冷却水ポンプ２のインバータ７１に制御値をそれぞれ設定する。
【００８２】
もっとも、室内温度センサ２４で計測される室内温度や、ドライコイル冷却水往温度センサ２３で計測されるドライコイル冷却水温度が、時系列において一定値から変化した場合には、冷水ポンプ４およびドライコイル冷却水ポンプ５の回転数をそれぞれのインバータ７２、７３を用いて変化させる制御を併せて行うことは、いうまでもない。
【００８３】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【００８４】
図４を用いて第２の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と相違している部分のみ説明する。第２の実施形態は、図３に示した第２熱交換器１２がない場合である。本実施形態のドライコイル６は、第１熱交換器１１で冷却された冷水（第２の配管３２を流れる冷水である）と空気とを熱交換することにより、クリーンルーム６０内の空気を冷却する。言い換えると、本実施形態では、ドライコイル６によって本発明での第２熱交換器が構成されている。
【００８５】
本実施形態において、シミュレータ５１は、例えば、前述の（計算１）および（計算２）を省略して、計測した冷水還温度と、計測した冷水流量とを取得した後、前述の（計算３）〜（計算７）を行なう。（計算１）を省略し、（計算２）の代りに次の（計算２ａ）を行った後、（計算３）〜（計算７）を行なうようにしてもよい。
【００８６】
（計算２ａ）ドライコイル６での空気冷却に対する冷却負荷と、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、冷水往温度とを入力して、第１熱交換器１１の冷水入口１１ｂでの冷水還温度と、第２の配管３２の冷水流量とを計算する。
【００８７】
このシミュレーション（計算２ａ）〜（計算７）の全体では、外気状態と、冷却負荷と、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、冷却水往温度と、冷水往温度とを入力値として、消費電力合計値およびインバータ７０〜７３の周波数(インバータ周波数)を求める。
【００８８】
ドライコイル６での冷却負荷は、例えば、ドライコイル６の空気入口６ｂでの空気の温度と、ドライコイル６の空気出口６ａでの空気の温度と、ドライコイル６での空気の流量とを計測して、求める。
【００８９】
なお、空気冷却用の冷却コイルとして、ドライコイルではなく、除湿も行なうコイルを用いる場合には、空気入口６ｂでの空気の温度および湿度と、空気出口６ａでの空気の温度および湿度と、コイルでの空気の流量とに基づいて、コイルでの冷却負荷を求める。そして、コイルでの冷却負荷と、空気入口６ｂでの空気の温度および湿度と、冷水往温度とを入力して、冷水還温度と冷水流量とを計算する。
【００９０】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。
【００９１】
図５を用いて第３の実施形態を説明する。ここでは第１の実施形態と相違している部分のみ説明する。第３の実施形態では、第３の配管３３がドライコイルではなく製造装置６１に接続されており、製造装置６１を冷却している。
【００９２】
本実施形態において、シミュレータ５１での計算は、第１の実施形態と同じである。
【００９３】
なお、第１の実施形態〜第３の実施形態に示した各熱交換器は、複数並列に接続してもよい。また、冷却塔を複数並列に接続してもよい。
【００９４】
前述の第１の実施形態では、第２熱交換器１２において冷水とドライコイル冷却水（中間の冷却対象媒体である）とを熱交換し、ドライコイル６においてドライコイル冷却水と空気（最終の冷却対象媒体である）とを熱交換して、クリーンルーム６０の空調を行う場合を例に説明した。第２の実施形態では、ドライコイルを省略し、第２熱交換器１２において冷水と空気（最終の冷却対象媒体である）とを熱交換して、クリーンルーム６０の空調を行う場合を例に説明した。第３の実施形態では、第２熱交換器１２において冷水と装置冷却水（中間の冷却対象媒体である）とを熱交換し、この装置冷却水によって製造装置６１を冷却する場合を例に説明した。
【００９５】
以上、本発明の実施形態に係る冷却システムおよび冷却方法について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
【００９６】
例えば、上記第１〜第３の実施形態では、シミュレータ５１の計算結果により取得される制御値に基づいて、冷却システムを制御する例について説明したが、種々の環境条件における制御値を予めテーブルとして記憶しておき、このテーブルから取得される制御値に基づいて冷却システムを制御してもよい。
【００９７】
図６は、環境条件と冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブルの一例を示す表である。
【００９８】
図６に示すようにテーブル１００は、環境条件としての冷却負荷及び外気湿球温度と、冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値との対応関係を示す表形式のデータである。テーブル１００は、図１に示す第１の実施形態におけるシミュレータ５１と同様な手法により、種々の環境条件における冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値を求めることで作成することができる。例えば、種々の環境条件について、ドライコイル冷却水ポンプ５の消費電力と、冷水ポンプ４の消費電力と、冷却水ポンプ２の消費電力と、冷却塔ファン１０の消費電力との合計値が最小となる冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の組み合わせを予め計算することで、テーブル１００を作成することができる。なお、図６において、冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の具体的な数値が記載されていない領域（「冷凍機運転に変更」と記載した領域）は、フリークーリング運転では冷却能力が不足してしまう領域を意味する。冷却水ポンプ２のインバータ周波数が、設定された上限値を超えない範囲で消費電力の最適化が行なわれる。
【００９９】
図７は、テーブル１００から取得される最適値に基づいて冷却システムを制御する制御装置の構成例を示す図である。図７に示すように、制御装置１１０は、制御値取得部５２、制御値設定部５３及び記憶部５４により構成される。
【０１００】
記憶部５４は、環境条件と冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値との対応関係を表すテーブル１００を予め記憶している。制御値取得部５２は、記憶部５４のテーブル１００から、環境条件に対応する冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２の最適値を取得する。そして、制御値設定部５３が、制御値取得部５２によって取得された冷水温度ｔ１および冷却水温度ｔ２の最適値の組み合わせを本冷却システムに設定する。
【０１０１】
このように、種々の環境条件と、冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブル１００を予め記憶部５４に記憶しておき、テーブル１００から取得される制御値に基づいて冷却システムを制御することで、制御値を取得するために要する計算負荷を大幅に軽減することができる。
【０１０２】
また、環境条件に対応する冷水温度ｔ１及び冷却水温度ｔ２がテーブル１００に保存されていない場合（即ち、環境条件が、図６における「冷凍機運転に変更」と記載した領域に相当する場合）、制御値取得部５２は、制御値設定部５３に冷凍機運転への切り替えを指示する信号を送る。制御値設定部５３は、制御値取得部５２の指示に基づいて、第１バルブ８１及び第２バルブ８２の開閉を制御して、フリークーリング運転から冷凍機９１（図１参照）による冷凍機運転に切り替える。これにより、環境条件に応じて、フリークーリング運転と冷凍機運転とを切り替えることができる。
【０１０３】
なお、上述の例では、種々の環境条件と、冷却水温度及び冷水温度の制御値との対応関係を表すテーブル１００を用いる例について説明したが、種々の環境条件と、冷却塔ファン１０のインバータ７０及び冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の制御値との対応関係を表すテーブルを用いてもよい。
【０１０４】
また、上述の例では、環境条件として、冷却負荷と外気湿球温度とを挙げたが、ドライコイル冷却水環温度や、外気比エンタルピーなどを用いてもよい。
【０１０５】
また、上記第１〜第３の実施形態では、本発明での第２熱交換器の冷却対象媒体が水および空気である場合を例に説明したが、本発明はこのような場合に限定されず、空気および水以外の別の流体であってもよく、また、固体でもよい。
【０１０６】
（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態での冷却システムのフリークーリング利用時の稼働部分を示す構成図である。第３の実施形態と相違している部分についてのみ説明する。第４の実施形態では冷却水と装置冷却水が熱交換器１３で熱交換するシステムである。この場合最適化できるパラメータは１つのパラメータとなる。第４の実施形態では、冷却水温度を最適化パラメータとした場合である。図１０は、冷却水温度の最適値のテーブルである。また、この場合、第１〜３の実施形態と同様に図８に示したような冷却水ポンプ２のインバータ７１の周波数の上限値テーブルが必要である。
【符号の説明】
【０１０７】
１…冷却塔、２…冷却水ポンプ（第１ポンプ）、４…冷水ポンプ(第２ポンプ)、５…ドライコイル冷却水ポンプ（第３ポンプ）、６…ドライコイル、１０…冷却塔ファン、１１…第１熱交換器、１２…第２熱交換器、２０…外気温湿度センサ（外気状態センサ）、２１…冷却水往温度センサ、２２…冷水往温度センサ、２３…ドライコイル冷却水往温度センサ、２４…室内温度センサ、２５…ドライコイル冷却水還温度センサ、２６…ドライコイル冷却水流量センサ、３１…第１の配管、３２…第２の配管、３３…第３の配管、５０…制御装置、５１…シミュレータ、５２…制御値取得部、５３…制御値設定部（制御値設定手段）、５４…記憶部、５５…ネットワーク、６０…クリーンルーム、６１…製造装置、７０，７１，７２、７３…インバータ、１００…テーブル、１１０…制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、
少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、
前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節すること
を特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記冷却対象媒体が液体であり、前記液体と気体とを熱交換して前記気体を冷却する第３熱交換器をさらに備えた請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記冷却対象媒体が気体であり、前記第２熱交換器は前記第２の冷水と前記気体とを熱交換して前記気体を冷却する請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記冷却対象媒体を用いて装置冷却を行う請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記シミュレータは、前記冷却対象媒体側から前記冷却塔の方向に、前記第２ポンプ、前記第１ポンプ、前記冷却塔の前記ファンの順番でこれら各部の消費電力を計算する請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体の冷却に対する冷却負荷とを、前記シミュレータに入力する請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口との間の前記冷却対象媒体の流量とを、前記シミュレータに入力する請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記外気状態として、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度を計測する外気状態センサを備え、
前記制御値取得手段は、前記外気状態センサの計測結果を前記シミュレータに入力する請求項６または７に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記制御値取得手段は、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口の前記冷却対象媒体の温度として一定の設定値を前記シミュレータに入力する請求項６ないし８のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１０】
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、
少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータを用いて、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得ステップと、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節すること
を含むことを特徴とする冷却方法。
【請求項１１】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、
本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルが予め記憶された記憶手段と、
前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得手段と、
前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する最適値設定手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、
を備えたことを特徴とする冷却システム。
【請求項１２】
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、
本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルを作成して、前記記憶手段に記憶するテーブル記憶ステップと、
前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得ステップと、
前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する制御値設定ステップと、
前記制御値設定ステップにより求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、
を含むことを特徴とする冷却方法。
【請求項１３】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第１熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
少なくとも前記第１の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、
前記第１の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレータの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度の最適値を求める制御値取得手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度の最適値の制御目標値として設定する制御値設定手段と、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータが制御され、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で冷却対象媒体の温度を制御目標値に調節すること
を特徴とする冷却システム。
【請求項１】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、
少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、
前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節すること
を特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記冷却対象媒体が液体であり、前記液体と気体とを熱交換して前記気体を冷却する第３熱交換器をさらに備えた請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記冷却対象媒体が気体であり、前記第２熱交換器は前記第２の冷水と前記気体とを熱交換して前記気体を冷却する請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記冷却対象媒体を用いて装置冷却を行う請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記シミュレータは、前記冷却対象媒体側から前記冷却塔の方向に、前記第２ポンプ、前記第１ポンプ、前記冷却塔の前記ファンの順番でこれら各部の消費電力を計算する請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体の冷却に対する冷却負荷とを、前記シミュレータに入力する請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記制御値取得手段は、外気状態と、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口での前記冷却対象媒体の温度と、前記冷却対象媒体出口および冷却対象媒体入口との間の前記冷却対象媒体の流量とを、前記シミュレータに入力する請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記外気状態として、外気の温度と湿度、または、外気の乾球温度と湿球温度、または、外気の湿球温度を計測する外気状態センサを備え、
前記制御値取得手段は、前記外気状態センサの計測結果を前記シミュレータに入力する請求項６または７に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記制御値取得手段は、前記第２熱交換器の冷却対象媒体出口の前記冷却対象媒体の温度として一定の設定値を前記シミュレータに入力する請求項６ないし８のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項１０】
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、
少なくとも前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータを用いて、前記第１の冷水の温度および前記第２の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレーションの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合せを求める制御値取得ステップと、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータを制御し、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で第２の冷水の温度を制御目標値に調節すること
を含むことを特徴とする冷却方法。
【請求項１１】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、
前記第２の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第２の熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプと、
本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルが予め記憶された記憶手段と、
前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得手段と、
前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する最適値設定手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定手段と、
を備えたことを特徴とする冷却システム。
【請求項１２】
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔で冷却された第１の冷水と第２の冷水とを熱交換する第１熱交換器と、前記第２の冷水と冷却対象媒体とを熱交換する第２熱交換器と、前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間で前記第２の冷水を循環させる第２ポンプとを備えた冷却システムでフリークーリングを利用して前記冷却対象媒体の冷却を行う冷却方法であって、
本冷却システムの環境条件と、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力および前記第２ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値が最小になる前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値との対応関係を示すテーブルを作成して、前記記憶手段に記憶するテーブル記憶ステップと、
前記記憶手段の前記テーブルに基づいて、本冷却システムの環境条件に対応する前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を取得する制御値取得ステップと、
前記第１の冷水の温度の制御目標値および前記第２の冷水の温度の制御目標値および前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値を温度調節器の制御パラメータとして設定する制御値設定ステップと、
前記制御値設定ステップにより求められた前記第１の冷水の温度と前記第２の冷水の温度の最適値の組み合わせ制御目標値として設定する制御値設定ステップと、
を含むことを特徴とする冷却方法。
【請求項１３】
フリークーリングを利用して冷却対象媒体の冷却を行う冷却システムにおいて、
ファンを有し、外気により第１の冷水を冷却する冷却塔と、
前記冷却塔で冷却された第１の冷水と前記冷却対象媒体とを熱交換する第１熱交換器と、
前記冷却塔と前記第１熱交換器との間で前記第１の冷水を循環させる第１ポンプと、
少なくとも前記第１の冷水の温度を入力値とし、前記冷却塔の前記ファンの消費電力、前記第１ポンプの消費電力を含む消費電力の合計値と、前記冷却塔の前記ファンのインバータ周波数と前記第１ポンプのインバータ周波数を求めるシミュレーションを行うシミュレータと、
前記第１の冷水の温度の入力値を変化させて前記シミュレータに入力し、前記シミュレータの結果から前記消費電力の合計値が最小となる前記第１の冷水の温度の最適値を求める制御値取得手段と、
前記制御値取得手段により求められた前記第１の冷水の温度の最適値の制御目標値として設定する制御値設定手段と、
前記第１ポンプのインバータ周波数の上限値が記憶された第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルとを備え、
前記第１ポンプのインバータが制御され、前記第１ポンプのインバータ周波数上限値テーブルの周波数を超えない範囲で冷却対象媒体の温度を制御目標値に調節すること
を特徴とする冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１４１０７２（Ｐ２０１１−１４１０７２Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６６（Ｐ２０１０−１３６６）
【出願日】平成２２年１月６日（２０１０．１．６）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月６日（２０１０．１．６）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]