冷却システム
【課題】負荷等の変化で生じる冷却塔のファンの駆動周波数のオフセットを速やかに解消できる冷却システムを提供することを課題とする。
【解決手段】フリークーリングで冷却水を冷却する冷却塔１と、冷却塔１に備わってインバータ駆動される冷却ファン６と、冷却塔１で冷却された冷却水と負荷装置３で昇温した冷水が熱交換する熱交換器２と、を含んでなり、さらに、外気の湿球温度ごと、および負荷装置３の負荷ごとに、冷却ファン６のバイアス周波数を設定するシミュレータと、湿球温度の実測値および負荷の実測値を演算する演算制御部７２を有して構成され、シミュレータが設定するバイアス周波数のうち、湿球温度の実測値および負荷の実測値に対応するバイアス周波数を冷却ファン６の駆動周波数として出力する制御装置７１と、を備える冷却システム１００とする。
【解決手段】フリークーリングで冷却水を冷却する冷却塔１と、冷却塔１に備わってインバータ駆動される冷却ファン６と、冷却塔１で冷却された冷却水と負荷装置３で昇温した冷水が熱交換する熱交換器２と、を含んでなり、さらに、外気の湿球温度ごと、および負荷装置３の負荷ごとに、冷却ファン６のバイアス周波数を設定するシミュレータと、湿球温度の実測値および負荷の実測値を演算する演算制御部７２を有して構成され、シミュレータが設定するバイアス周波数のうち、湿球温度の実測値および負荷の実測値に対応するバイアス周波数を冷却ファン６の駆動周波数として出力する制御装置７１と、を備える冷却システム１００とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリークーリングを利用する冷却塔を備える冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冬期など外気温度が低い環境で、冷却塔のフリークーリングによって低温の冷水を製造する冷却システムは広く知られている。
例えば特許文献１には、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の合計を計算するシミュレータを有して、冷却塔のファン動力とポンプ動力のための消費電力を削減可能に冷却塔のファン及びポンプを制御する冷却システムが開示されている。
また、例えば特許文献２には、熱源機の冷房負荷を考慮して、冷却塔のファンの周波数制御を適正化する冷却システム（冷却塔）が開示されている。
このようなフリークーリングを利用した冷却システムでは、システム側の冷媒の、熱交換器出口における出口温度が目標温度になるように冷却塔のファンの周波数が制御される。
特に特許文献２に記載されるように、負荷におけるシステム側の冷媒（冷却水）の入口温度（熱交換器における冷却水の出口温度とほぼ等しい）と目標温度の偏差に比例する制御量で冷却塔のファンの周波数を制御することによって、当該入口温度と目標冷水温度の偏差を解消できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１６３７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−６０２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、引用文献１，２に開示される技術では、例えば負荷が変化することによって、制御量であるファンの周波数にオフセットが生じたときに、このオフセットを好適に解消する技術は開示されていない。一般的に制御量に生じるオフセットは積分制御で解消するように構成されるが、積分制御は応答速度が遅く速やかにオフセットを解消できないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、負荷等の変化で生じる冷却塔のファンの駆動周波数のオフセットを速やかに解消できる冷却システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため本発明は、フリークーリングで第１の冷水を冷却する冷却塔と、インバータ駆動されて前記冷却塔に外気を送風する冷却ファンと、前記冷却塔で冷却された前記第１の冷水と負荷装置で昇温した第２の冷水が熱交換して前記第２の冷水を冷却する熱交換器と、を含んで構成される冷却システムとする。そして、外気の湿球温度ごと、および前記負荷装置の負荷ごとに、前記冷却ファンのバイアス周波数を設定するシミュレータと、前記湿球温度の実測値を算出する湿球温度算出部および前記負荷の実測値を算出する負荷算出部を有して構成され、前記シミュレータが設定する前記バイアス周波数のうち、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応する前記バイアス周波数を前記冷却ファンの駆動周波数として出力する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、負荷等の変化で生じる冷却塔のファンの駆動周波数のオフセットを速やかに解消できる冷却システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】冷却システムの一構成例を示す図である。
【図２】制御装置の機能ブロック図である。
【図３】周波数データ生成部の機能ブロック図である。
【図４】周波数データテーブルの一例を示す図である。
【図５】周波数データテーブルを作成する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る冷却システム１００は、主に冷却塔１、冷却水ポンプ４、熱交換器２が、冷却水往管６１および冷却水復管６２で連結されて第１の冷水（以下、冷却水と称する）が循環する冷却水系統と、熱交換器２、冷水ポンプ５、負荷装置３が冷水往管６３および冷水復管６４で連結されて第２の冷水（以下、冷水と称する）が循環する冷水系統と、を含んで構成される。
【００１０】
冷却水系統では、冷却水が冷却水ポンプ４によって冷却水往管６１を流通して熱交換器２に流入し、冷水系統を流通する相対的に高温の冷水と熱交換して加熱される。熱交換器２で加熱された冷却水は冷却水復管６２を流通して冷却塔１に流入する。
冷却塔１にはインバータ５１で駆動する冷却ファン６が備わり、冷却水復管６２から流入する冷却水は、冷却ファン６によって冷却塔１に送風される外気で冷却されて、冷却水往管６１に流出し、再度、冷却水ポンプ４によって熱交換器２に流入する。
このように冷却水は冷却水系統を循環し、熱交換器２で冷水系統を循環する冷水を冷却する。
【００１１】
冷水系統では、冷水が冷水ポンプ５によって冷水往管６３を流通して負荷装置３の熱交換器（図示せず）に流入し、負荷装置３の熱交換器を流通する相対的に高温の冷媒と熱交換して加熱される。負荷装置３で加熱された冷水は冷水復管６４を流通して、熱交換器２に流入する。
熱交換器２に流入した冷水は、冷却水系統を流通する冷却水と熱交換して冷却されて冷水往管６３に流出し、再度、冷水ポンプ５によって負荷装置３に流入する。
このように、冷水は冷水系統を循環して負荷装置３の冷媒を冷却する。
【００１２】
冷却水系統の冷却水往管６１には、流通する冷却水の水温を計測するための冷却塔出口温度センサ３１と、流通する冷却水の流量を計測する冷却水流量計３２と、が冷却塔１の出口側に配設される。また、冷却塔１に流入する冷却水の水温を計測するための冷却塔入口温度センサ３３が冷却塔１の入口側の冷却水復管６２に配設される。
冷水系統の冷水往管６３には、流通する冷水の水温を計測するための熱交換器出口温度センサ３４と、流通する冷水の流量を計測する冷水流量計３５と、が熱交換器２の出口側に配設される。また、熱交換器２に流入する冷水の水温を計測するための熱交換器入口温度センサ３６が熱交換器２の入口側の冷水復管６４に配設される。
さらに、冷却システム１００には、外気温度を計測する外気温度計３７と、外気の湿度を計測する外気湿度計３８が備わっている。
【００１３】
このように構成される冷却システム１００は、制御装置７１によって制御される。制御装置７１は、例えば、図示しない記憶部に記憶されるプログラムを実行する図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成される演算装置である。そして、制御装置７１は主に冷却システム１００を制御するための制御量を演算する演算制御部７２と、演算制御部７２が演算した制御量を制御信号として出力する出力部７３と、を有し、制御装置７１は、出力部７３が出力する制御信号で、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５等を駆動して冷却システム１００を制御する。
また、制御装置７１は、熱交換器２における冷水の出口温度（以下、熱交換器出口冷水温度と称する）が所定の制御目標値となるように、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５および冷却ファン６の回転速度を制御する。
【００１４】
このため、冷却塔出口温度センサ３１、冷却塔入口温度センサ３３、冷却水流量計３２、熱交換器出口温度センサ３４、熱交換器入口温度センサ３６、冷水流量計３５の各出力信号は制御装置７１の演算制御部７２に入力される。また、外気温度計３７および外気湿度計３８の出力信号も制御装置７１の演算制御部７２に入力される。
【００１５】
制御装置７１の出力部７３からは、冷却ファン６を制御する制御信号（ファン制御信号）、冷却水ポンプ４を制御する制御信号（冷却水量制御信号）、冷水ポンプ５を制御する制御信号（冷水量制御信号）等が出力される。
ファン制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷却ファン６に備わるインバータ５１に入力され、インバータ５１でファン制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷却ファン６を駆動する。
冷却水量制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷却水ポンプ４に備わるインバータ５２に入力され、インバータ５２で冷却水量制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷却水ポンプ４を駆動する。
また、冷水量制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷水ポンプ５に備わるインバータ５３に入力され、インバータ５３で冷水量制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷水ポンプ５を駆動する。
このように、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、および冷水ポンプ５は、それぞれインバータ５１，５２，５３によって、それぞれ異なった駆動周波数でインバータ駆動される。
【００１６】
制御装置７１は、熱交換器２から冷水往管６３に流出した冷水の水温（熱交換器出口冷水温度）が、設定される目標温度（例えば、２５℃）になるように冷却システム１００を制御する。このため、制御装置７１は、例えば図２に示すように演算制御部７２および出力部７３を含んで構成される。
【００１７】
図２に示すように、演算制御部７２は、外気温度や外気湿度を取得する環境情報取得部８１と、冷却水系統の冷却水の流量及び冷水系統の冷水の流量を取得する流量取得部８２と、冷却水系統の冷却水の水温及び冷水系統の冷水の水温を取得する水温取得部８３と、外気の湿球温度を算出する湿球温度算出部８５と、負荷装置３（図１参照）における負荷を算出する負荷算出部８６と、冷却ファン６（図１参照）の駆動周波数（以下、冷却ファン周波数と称する）を決定する周波数データ生成部８７と、熱交換器２（図１参照）における冷水の出口温度（熱交換器出口冷水温度）の目標温度を設定する目標温度設定部８４と、を含んで構成される。以下、目標温度設定部８４によって設定される、熱交換器２における冷水の出口温度の目標温度を「目標冷水温度」と称する。
【００１８】
目標温度設定部８４は、例えば、冷却システム１００（図１参照）の管理者が入力装置（図示せず）を介して入力する温度を目標冷水温度として設定する。
【００１９】
環境情報取得部８１には外気温度計３７と外気湿度計３８の各出力信号が入力され、環境情報取得部８１はこれらの出力信号に基づいて外気温度と外気湿度を取得する。
流量取得部８２には冷却水流量計３２と冷水流量計３５の各出力信号が入力され、流量取得部８２はこれらの出力信号に基づいて冷却水系統における冷却水の流量と、冷水系統における冷水の流量を取得する。
また、水温取得部８３には、冷却塔出口温度センサ３１、冷却塔入口温度センサ３３、熱交換器出口温度センサ３４、および熱交換器入口温度センサ３６の各出力信号が入力され、水温取得部８３はこれらの出力信号に基づいて、冷却塔１（図１参照）における冷却水の入口温度、冷却塔１における冷却水の出口温度、熱交換器２（図１参照）における冷水の入口温度、および熱交換器２における冷水の出口温度（熱交換器出口冷水温度）を取得する。
【００２０】
湿球温度算出部８５は、環境情報取得部８１が取得する外気温度および外気湿度に基づいて外気の湿球温度を算出する。湿球温度算出部８５は、外気温度計３７の実測値および外気湿度計３８の実測値に基づいて湿球温度を算出することから、本実施形態においては、湿球温度算出部８５が算出する外気の湿球温度を実測値とする。
負荷算出部８６は、流量取得部８２が取得する冷水の流量と、水温取得部８３が取得する熱交換器出口冷水温度および熱交換器２における冷水の入口温度と、に基づいて負荷装置３（図１参照）における負荷を算出する。負荷算出部８６は、熱交換器出口温度センサ３４の実測値、熱交換器入口温度センサ３６の実測値、および冷水流量計３５の実測値に基づいて負荷装置３の負荷を算出することから、本実施形態においては、負荷算出部８６が算出する負荷装置３の負荷を実測値とする。
【００２１】
そして、周波数データ生成部８７は、湿球温度算出部８５が算出する外気の湿球温度（実測値）と、負荷算出部８６が算出する負荷（実測値）と、水温取得部８３が取得する熱交換器出口冷水温度と、に基づいて、熱交換器出口冷水温度が目標温度設定部８４で設定される目標冷水温度になるように、冷却ファン周波数を決定する。
【００２２】
本実施形態に係る周波数データ生成部８７は図３に示すように、周波数算出部９６と比例制御部９７と周波数換算部９８を含んで構成される。
比例制御部９７は、目標温度設定部８４で設定される目標冷水温度と、水温取得部８３で取得される熱交換器出口冷水温度と、の偏差をゼロにするように、冷却ファン６（図１参照）を制御するための制御信号を生成する。
そして、周波数換算部９８は、比例制御部９７が生成した制御信号を冷却ファン周波数に換算する。
【００２３】
従来、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差をゼロに維持するための冷却ファン周波数が固定値として設定され、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差がゼロのとき、周波数変換部９８は、この固定値を冷却ファン周波数として出力するように構成される。
そして、冷却ファン６（図１参照）の回転速度の変動や、外気の湿球温度や負荷装置３における負荷の変化などに応じて、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度に偏差が生じると、比例制御部９７での比例制御に加えて積分制御を併用して偏差をゼロにするように構成される（いわゆる、ＰＩ動作）。
本実施形態においては、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差をゼロに維持するための冷却ファン周波数を、以下、バイアス周波数と称する。
【００２４】
特に負荷装置３の負荷や外気の湿球温度が変化すると、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５の回転速度が一定の場合（例えば、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５が定格流量で駆動される場合）は、冷却ファン６の制御量（バイアス周波数）にオフセットが生じるため、積分制御でバイアス周波数をオフセット量だけ変化させてオフセットを解消するように動作する。
しかしながら積分制御は、オフセットの積分値が所定の値になったときに始めてオフセットを解消する動作が開始されるため応答が遅く、負荷が連続的に変化するときなどは、その負荷の変化に応じて変化するバイアス周波数のオフセットを速やかに解消できない。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る周波数データ生成部８７は、図２、３に示すように水温取得部８３、目標温度設定部８４、湿球温度算出部８５、負荷算出部８６と接続され、さらに、周波数データテーブル７４を有する周波数算出部９６を含んで構成される。
本実施形態に係る周波数データテーブル７４は、図４に示すように、負荷装置３の負荷と、外気の湿球温度と、当該負荷および湿球温度のときの冷却ファン周波数と、の関係を示すマップ形式のデータテーブルであることが好ましい。
さらに、周波数データテーブル７４に登録される冷却ファン周波数は、対応する湿球温度と負荷のときに、熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に維持するように冷却ファン６（図１参照）を駆動するためのバイアス周波数であることが好ましい。
つまり、本実施形態に係る周波数データテーブル７４は、外気の湿球温度ごと、および負荷装置３（図１参照）の負荷ごとに、冷却ファン６のバイアス周波数を設定するためのデータテーブルであることが好ましい。
【００２６】
そして、周波数算出部９６（図３参照）は、周波数データテーブル７４を参照し、湿球温度と負荷に基づいてバイアス周波数を設定する。
具体的に、周波数算出部９６は、湿球温度算出部８５（図２参照）が算出する外気の湿球温度と、負荷算出部８６（図２参照）が算出する負荷装置３（図１参照）の負荷と、に対応するバイアス周波数を周波数データテーブル７４から選択する。
周波数データ生成部８７（図２参照）は周波数算出部９６が選択したバイアス周波数を制御量として出力し、出力部７３（図２参照）がこの制御量を制御信号として冷却ファン６（図１参照）を駆動する。この構成によって、冷却ファン６は設定されたバイアス周波数で駆動する。
【００２７】
また、周波数算出部９６（図３参照）は、湿球温度算出部８５（図２参照）が算出する湿球温度の実測値および負荷算出部８６（図２参照）が算出する負荷装置３（図１参照）の負荷の実測値の少なくとも一方が変化したときに、この変化に応じてバイアス周波数を変更する構成であることが好ましい。この構成によって、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したときに、周波数データ生成部８７（図２参照）は、積分制御によることなく冷却ファン周波数に生じるオフセットを解消できる。
【００２８】
周波数算出部９６（図３参照）は、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、変化後の湿球温度と変化後の負荷に基づいて周波数データテーブル７４（図４参照）を参照することによって、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を選択することができる。このことによって、周波数データ生成部８７（図２参照）は、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、速やかに、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を冷却ファン６（図１参照）の駆動周波数（冷却ファン周波数）として出力できる。
したがって、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、制御装置７１（出力部７３）は、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を冷却ファン周波数（駆動周波数）として速やかに出力することができ、冷却ファン周波数のオフセットが速やかに解消される。
【００２９】
そして、湿球温度や負荷が変化することなく目標冷水温度と熱交換器出口冷水温度に偏差が生じた場合、制御装置７１の比例制御部９７（図３参照）は、当該偏差に基づいた比例制御に基づいて、当該偏差を解消するように冷却ファン周波数として出力するバイアス周波数を調節し、最適な冷却ファン周波数が設定されるように構成される（いわゆる、Ｐ動作）。この構成によって、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度に好適に維持される。
比例制御部９７による、偏差を解消するための比例制御（Ｐ動作）は公知の技術を利用することができ、詳細な説明は省略する。
【００３０】
また、本実施形態に係る周波数データテーブル７４（図４参照）は、冷却システム１００（図１参照）をモデル化したシミュレータを使用して作成することができる。
シミュレータは、冷却システム１００を理論的にモデル化したものであれば実機でなくてもよく、例えば、演算装置である制御装置７１（図１参照）および制御装置７１が実行するプログラムで構成されるものであってもよい。
このように制御装置７１をシミュレータとすることで、シミュレータを備える冷却システム１００とすることができる。
【００３１】
本実施形態に係るシミュレータ（制御装置７１）は、例えば、負荷装置３（図１参照）の負荷、外気の湿球温度、熱交換器出口冷水温度、冷却水の流量（冷却水ポンプ４（図１参照）の定格流量）、冷水の流量（冷水ポンプ５（図１参照）の定格流量）がパラメータとして入力される構成であり、湿球温度ごとに、冷却塔１（図１参照）、熱交換器２（図１参照）および負荷装置３の負荷における熱量の収支が釣り合うように冷却ファン周波数を変化させる。そして、当該熱量の収支が釣り合ったときの冷却ファン周波数を、負荷装置３の負荷および当該湿球温度に対応するバイアス周波数として登録する。
この操作を、湿球温度および負荷を適宜変更して実行することによって、湿球温度ごと、および負荷ごとにバイアス周波数が設定されるマップ形式のデータテーブルである周波数データテーブル７４が作成される。
図５を参照して、シミュレータ（制御装置７１）が周波数データテーブル７４を作成する手順の一例を説明する（適宜図１〜図４参照）。
【００３２】
周波数データテーブル７４を作成する手順を開始すると、シミュレータは、熱交換器２における冷却水の出口温度（熱交換器出口冷却水温度）を設定する（ステップＳ１）。最初のステップで、この熱交換器出口冷却水温度は、例えば、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５が定格運転され、負荷装置３の負荷および外気の湿球温度が適宜設定される標準状態のときの熱交換器出口冷却水温度など、適宜設定されればよい。例えば、予め設定される固定値とすることができる。
【００３３】
次にシミュレータは、バイアス周波数を設定する湿球温度を設定し（ステップＳ２）、さらに、当該湿球温度のときにバイアス周波数を設定する負荷装置３の負荷を設定する（ステップＳ３）。
そして、任意の冷却ファン周波数を設定する（ステップＳ４）。
例えば、湿球温度が最低温度Ｔｅｍｐ１から最高温度Ｔｅｍｐ２まで、ΔＴｅｍｐの間隔で変化するときのバイアス周波数を設定する場合、シミュレータは最初に湿球温度を最低温度Ｔｅｍｐ１に設定する。
また、負荷装置３の負荷が最低負荷Ｗｏｒｋ１から最高負荷Ｗｏｒｋ２までΔＷｏｒｋの間隔で変化するときのバイアス周波数を設定する場合、シミュレータは最初に負荷を最低負荷Ｗｏｒｋ１に設定する。
また、最初のステップで冷却ファン周波数は適宜設定される。
【００３４】
そしてシミュレータは、設定した熱交換器出口冷却水温度を冷却塔１における冷却水の入口温度（冷却塔入口冷却水温度）として、冷却塔１の熱バランスから冷却塔１における冷却水の出口温度（冷却塔出口冷却水温度）を算出する（ステップＳ５）。
【００３５】
本実施形態においてシミュレータは、下式（１）〜（４）で示される冷却塔１のバランス式に基づいて、冷却塔出口冷却水温度を算出する。
Ｑｃｔ＝Ｇ・（ｈ２−ｈ１） ・・・（１）
Ｑｃｔ＝Ｃｐ・Ｌ・（Ｔ２ｉｎ−Ｔ２ｏｕｔ） ・・・（２）
Ｑｃｔ＝Ｋａ・Ｖ・Δｈ ・・・（３）
Δｈ＝（（ｈｗ１−ｈ２）−（ｈｗ２−ｈ１））／
ｌｎ（（ｈｗ１−ｈ２）／（ｈｗ２−ｈ１）） ・・・（４）
但し、
Ｔ２ｉｎ：冷却塔入口冷却水温度
Ｔ２ｏｕｔ：冷却塔出口冷却水温度
Ｖ：充填層体積
Ｌ：冷却水流量
Ｇ：空気風量
Ｋａ：エンタルピ基準総括熱伝達係数
ｈ１：大気の冷却塔入口湿度に対する大気の比エンタルピ
ｈ２：大気の冷却塔出口湿度に対する大気の比エンタルピ
ｈｗ１：冷却塔入口冷却水温度に対する大気の比エンタルピ
ｈｗ２：冷却塔出口冷却水温度に対する大気の比エンタルピ
Ｑｃｔ：冷却塔交換熱量
Δｈ：対数平均エンタルピ差
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（１）〜（４）を利用して、冷却塔出口冷却水温度（Ｔ２ｏｕｔ）を算出する。なお、空気風量Ｑは設定される冷却ファン周波数に基づいてシミュレータが算出する値となる。
【００３６】
また、シミュレータは、予め設定される、熱交換器出口冷水温度の目標冷水温度を負荷装置３における冷水の入口温度（負荷入口冷水温度）として、負荷装置３の熱バランスから負荷装置３における冷水の出口温度（負荷出口冷水温度）を算出する（ステップＳ６）。
シミュレータは、下式（５）で示される負荷装置３のバランス式に基づいて、負荷出口冷水温度を算出する。
Ｔ１ｏｕｔ＝Ｔ１ｉｎ＋Ｑ／（Ｃｐ・Ｇｃｈｗ） ・・・（５）
但し、
Ｔ１ｏｕｔ：負荷出口冷水温度
Ｔ１ｉｎ：負荷入口冷水温度
Ｑ：負荷
Ｇｃｈｗ：冷水流量
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（５）を利用して、負荷出口冷水温度（Ｔ１ｏｕｔ）を算出する。
【００３７】
次に、シミュレータは、算出した冷却塔出口冷却水温度を熱交換器２における冷却水の入口温度（熱交換器入口冷却水温度）とし、さらに、算出した負荷出口冷水温度を熱交換器２における冷水の入口温度（熱交換器入口冷水温度）として、熱交換器２の熱バランスから、熱交換器２における冷却水の出口温度（熱交換器出口冷却水温度）および熱交換器出口冷水温度を算出する（ステップＳ７）。
【００３８】
シミュレータは、下式（６）〜（９）に示す熱交換器２のバランス式に基づいて、熱交換器出口冷却水温度および熱交換器出口冷水温度を算出する。
Ｑｈｅｘ＝Ｃｐ・Ｇｃｗ・（Ｔｃｗｏｕｔ−Ｔｃｗｉｎ） ・・・（６）
Ｑｈｅｘ＝Ｃｐ．Ｇｃｈｗ・（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｈｗｏｕｔ） ・・・（７）
Ｑｈｅｘ＝Ｋ・Ａ・ΔＴ ・・・（８）
ΔＴ＝（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｗｏｕｔ）／
ｌｎ（（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｗｏｕｔ）／
（Ｔｃｈｗｏｕｔ−Ｔｃｗｉｎ）） ・・・（９）
但し、
Ｑｈｅｘ：熱交換器交換熱量
Ｔｃｗｉｎ：熱交換器入口冷却水温度
Ｔｃｗｏｕｔ：熱交換器出口冷却水温度
Ｔｃｈｗｉｎ：熱交換器入口冷水温度
Ｔｃｈｗｏｕｔ：熱交換器出口冷水温度
Ｇｃｗ：熱交換器冷却水流量
Ｇｃｈｗ：熱交換器冷水流量
Ｋ：総括熱伝達係数
Ａ：伝熱面積
ΔＴ：対数平均温度差
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（６）〜（９）を利用して、熱交換器出口冷却水温度（Ｔｃｗｏｕｔ）および熱交換器出口冷水温度（Ｔｃｈｗｏｕｔ）を算出する。
【００３９】
シミュレータは、算出した熱交換器出口冷水温度が、予め設定される目標冷水温度と一致した場合は（ステップＳ８→Ｙｅｓ）、設定されている冷却ファン周波数をバイアス周波数として周波数データテーブル７４に登録する（ステップＳ９）。
この構成によって、設定されている外気の湿球温度と負荷装置３の負荷に対応するバイアス周波数が設定される。
そして、負荷装置３の負荷として設定されている値が、バイアス周波数を設定する負荷の上限に達していない場合、つまり、負荷装置３の負荷が最高負荷Ｗｏｒｋ２に設定されていない場合（ステップＳ１０→Ｎｏ）、シミュレータは現在設定されている負荷に負荷の増加分ΔＷｏｒｋを加算して、設定する負荷を更新し（ステップＳ１１）、手順をステップＳ４に戻す。
ステップＳ１１での負荷の更新によって、負荷装置３の負荷を実際に更新することなく、負荷がデータ上で仮想的に変化することになる。
【００４０】
一方、負荷装置３の負荷として設定されている値が最高負荷Ｗｏｒｋ２に設定されている場合（ステップＳ１０→Ｙｅｓ）、設定されている湿球温度が、バイアス周波数を設定する湿球温度の上限に達していないとき、つまり、湿球温度が最高温度Ｔｅｍｐ２に設定されていないとき（ステップＳ１２→Ｎｏ）、シミュレータは現在設定されている湿球温度に湿球温度の増加分ΔＴｅｍｐを加算して、設定する湿球温度を更新し（ステップＳ１３）、さらに、負荷を最低負荷Ｗｏｒｋ１に設定して（ステップＳ１４）、手順をステップＳ４に戻す。
一方、湿球温度が最高温度Ｔｅｍｐ２に設定されているとき（ステップＳ１２→Ｙｅｓ）、シミュレータは全ての負荷と湿球温度に対応するバイアス周波数が設定されたと判定して、周波数データテーブル７４を設定する手順を終了する。
ステップＳ１３での湿球温度の更新によって、実際の湿球温度にかかわらず、湿球温度がデータ上で仮想的に変化することになる。
【００４１】
また、ステップＳ８で、算出した熱交換器出口冷水温度が、設定した目標冷水温度と一致しない場合（ステップＳ８→Ｎｏ）、シミュレータは、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度に近づく方向に冷却ファン周波数を再設定し（ステップＳ１５）、手順をステップＳ５に戻す。
具体的にシミュレータは、算出した熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度より低いとき、冷却ファン周波数が低くなるように再設定し、算出した熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度より高いとき、冷却ファン周波数が高くなるように再設定する。
【００４２】
なお、図５に示すフローチャートでは、負荷装置３（図１参照）の負荷の変化に対応するバイアス周波数を設定した後に外気の湿球温度の設定を変更しているが、外気の湿球温度の変化に対応するバイアス周波数を設定した後に負荷の設定を変更する構成であってもよいことはいうまでもない。
また、図５には、冷却塔出口冷却水温度を算出するステップＳ５が、負荷出口冷水温度を算出するステップＳ６より先のステップとして記載されているが、ステップＳ５，６については手順が前後してもよいし、並行して同時に実行されてもよい。
【００４３】
また、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５の回転速度（つまり、冷却水と冷水の流量）は、例えば定格の回転速度で一定としてもよい。この場合、式（２）における冷却水流量（Ｌ）は冷却水ポンプ４の定格流量とし、式（５）における冷水流量（Ｇｃｈｗ）は冷水ポンプ５の定格流量とすればよい。
【００４４】
このように、シミュレータが、外気の湿球温度（Ｔｅｍｐ１〜Ｔｅｍｐ２）と、負荷装置３（図１参照）の負荷（Ｗｏｒｋ１〜Ｗｏｒｋ２）を仮想的に変化させ、さらに、冷却ファン周波数を変更しながら演算を繰り返し、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度と等しくなる冷却ファン周波数をバイアス周波数として登録する手順が繰り返されることで、例えば、図４に示される周波数データテーブル７４が作成される。
なお、図４に示す周波数データテーブル７４の一例は、負荷装置３の負荷が最低負荷１０ｋＷから１０ｋＷ間隔で増え、外気の湿球温度が最低温度１０℃から１℃間隔で上昇するときのバイアス周波数が設定されている。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係る冷却システム１００（図１参照）は、冷却ファン６（図１参照）が回転するときの冷却ファン周波数を、外気の湿球温度および負荷装置３（図１参照）の負荷に応じて設定されるバイアス周波数とすることができる。そして、制御装置７１（図１参照）は、冷却システム１００の動作中に外気の湿球温度や負荷装置３の負荷が変化した場合、湿球温度および負荷に基づいて周波数データテーブル７４（図４参照）を参照し、当該湿球温度および負荷に対応するバイアス周波数を速やかに設定できる。したがって、冷却ファン６の回転速度を湿球温度の変化や負荷の変化に速やかに追従させることができる。また、シミュレータを用いることによって容易にバイアス周波数を設定できる。
【００４６】
なお、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。
例えば、図４に示す周波数データテーブル７４は、外気の湿球温度と負荷装置３（図１参照）の負荷に応じてバイアス周波数が設定されているが、外気の湿球温度と冷却塔１の負荷率に応じたバイアス周波数が設定される構成であってもよい。
この場合、制御装置７１（図１参照）は、冷却塔１（図１参照）の最大冷却時の負荷を１００％とした負荷率と、湿球温度に基づいてバイアス周波数を設定できる。
【００４７】
また、本実施形態では冷却ファン６の駆動周波数を変化させて熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に一致させる構成としたが、例えば、冷却水ポンプ４における冷却水の流量と冷水ポンプ５における冷水の流量の一方を変化させることによって、熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に一致させる構成とすることも可能である。
【００４８】
この場合、周波数データテーブル７４には、流量を変化させるポンプ（冷却水ポンプ４または冷水ポンプ５）の周波数が設定される。
そして、制御装置７１（図１参照）は、湿球温度と負荷に基づいて周波数データテーブル７４から選択される周波数で冷却水ポンプ４または冷水ポンプ５を駆動するように構成される。
【符号の説明】
【００４９】
１ 冷却塔
２ 熱交換器
３ 負荷装置
６ 冷却ファン
７１ 制御装置（シミュレータ）
７４ 周波数データテーブル（データテーブル）
８５ 湿球温度算出部
８６ 負荷算出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリークーリングを利用する冷却塔を備える冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冬期など外気温度が低い環境で、冷却塔のフリークーリングによって低温の冷水を製造する冷却システムは広く知られている。
例えば特許文献１には、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の合計を計算するシミュレータを有して、冷却塔のファン動力とポンプ動力のための消費電力を削減可能に冷却塔のファン及びポンプを制御する冷却システムが開示されている。
また、例えば特許文献２には、熱源機の冷房負荷を考慮して、冷却塔のファンの周波数制御を適正化する冷却システム（冷却塔）が開示されている。
このようなフリークーリングを利用した冷却システムでは、システム側の冷媒の、熱交換器出口における出口温度が目標温度になるように冷却塔のファンの周波数が制御される。
特に特許文献２に記載されるように、負荷におけるシステム側の冷媒（冷却水）の入口温度（熱交換器における冷却水の出口温度とほぼ等しい）と目標温度の偏差に比例する制御量で冷却塔のファンの周波数を制御することによって、当該入口温度と目標冷水温度の偏差を解消できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２１６３７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−６０２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、引用文献１，２に開示される技術では、例えば負荷が変化することによって、制御量であるファンの周波数にオフセットが生じたときに、このオフセットを好適に解消する技術は開示されていない。一般的に制御量に生じるオフセットは積分制御で解消するように構成されるが、積分制御は応答速度が遅く速やかにオフセットを解消できないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、負荷等の変化で生じる冷却塔のファンの駆動周波数のオフセットを速やかに解消できる冷却システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため本発明は、フリークーリングで第１の冷水を冷却する冷却塔と、インバータ駆動されて前記冷却塔に外気を送風する冷却ファンと、前記冷却塔で冷却された前記第１の冷水と負荷装置で昇温した第２の冷水が熱交換して前記第２の冷水を冷却する熱交換器と、を含んで構成される冷却システムとする。そして、外気の湿球温度ごと、および前記負荷装置の負荷ごとに、前記冷却ファンのバイアス周波数を設定するシミュレータと、前記湿球温度の実測値を算出する湿球温度算出部および前記負荷の実測値を算出する負荷算出部を有して構成され、前記シミュレータが設定する前記バイアス周波数のうち、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応する前記バイアス周波数を前記冷却ファンの駆動周波数として出力する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、負荷等の変化で生じる冷却塔のファンの駆動周波数のオフセットを速やかに解消できる冷却システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】冷却システムの一構成例を示す図である。
【図２】制御装置の機能ブロック図である。
【図３】周波数データ生成部の機能ブロック図である。
【図４】周波数データテーブルの一例を示す図である。
【図５】周波数データテーブルを作成する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る冷却システム１００は、主に冷却塔１、冷却水ポンプ４、熱交換器２が、冷却水往管６１および冷却水復管６２で連結されて第１の冷水（以下、冷却水と称する）が循環する冷却水系統と、熱交換器２、冷水ポンプ５、負荷装置３が冷水往管６３および冷水復管６４で連結されて第２の冷水（以下、冷水と称する）が循環する冷水系統と、を含んで構成される。
【００１０】
冷却水系統では、冷却水が冷却水ポンプ４によって冷却水往管６１を流通して熱交換器２に流入し、冷水系統を流通する相対的に高温の冷水と熱交換して加熱される。熱交換器２で加熱された冷却水は冷却水復管６２を流通して冷却塔１に流入する。
冷却塔１にはインバータ５１で駆動する冷却ファン６が備わり、冷却水復管６２から流入する冷却水は、冷却ファン６によって冷却塔１に送風される外気で冷却されて、冷却水往管６１に流出し、再度、冷却水ポンプ４によって熱交換器２に流入する。
このように冷却水は冷却水系統を循環し、熱交換器２で冷水系統を循環する冷水を冷却する。
【００１１】
冷水系統では、冷水が冷水ポンプ５によって冷水往管６３を流通して負荷装置３の熱交換器（図示せず）に流入し、負荷装置３の熱交換器を流通する相対的に高温の冷媒と熱交換して加熱される。負荷装置３で加熱された冷水は冷水復管６４を流通して、熱交換器２に流入する。
熱交換器２に流入した冷水は、冷却水系統を流通する冷却水と熱交換して冷却されて冷水往管６３に流出し、再度、冷水ポンプ５によって負荷装置３に流入する。
このように、冷水は冷水系統を循環して負荷装置３の冷媒を冷却する。
【００１２】
冷却水系統の冷却水往管６１には、流通する冷却水の水温を計測するための冷却塔出口温度センサ３１と、流通する冷却水の流量を計測する冷却水流量計３２と、が冷却塔１の出口側に配設される。また、冷却塔１に流入する冷却水の水温を計測するための冷却塔入口温度センサ３３が冷却塔１の入口側の冷却水復管６２に配設される。
冷水系統の冷水往管６３には、流通する冷水の水温を計測するための熱交換器出口温度センサ３４と、流通する冷水の流量を計測する冷水流量計３５と、が熱交換器２の出口側に配設される。また、熱交換器２に流入する冷水の水温を計測するための熱交換器入口温度センサ３６が熱交換器２の入口側の冷水復管６４に配設される。
さらに、冷却システム１００には、外気温度を計測する外気温度計３７と、外気の湿度を計測する外気湿度計３８が備わっている。
【００１３】
このように構成される冷却システム１００は、制御装置７１によって制御される。制御装置７１は、例えば、図示しない記憶部に記憶されるプログラムを実行する図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成される演算装置である。そして、制御装置７１は主に冷却システム１００を制御するための制御量を演算する演算制御部７２と、演算制御部７２が演算した制御量を制御信号として出力する出力部７３と、を有し、制御装置７１は、出力部７３が出力する制御信号で、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５等を駆動して冷却システム１００を制御する。
また、制御装置７１は、熱交換器２における冷水の出口温度（以下、熱交換器出口冷水温度と称する）が所定の制御目標値となるように、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５および冷却ファン６の回転速度を制御する。
【００１４】
このため、冷却塔出口温度センサ３１、冷却塔入口温度センサ３３、冷却水流量計３２、熱交換器出口温度センサ３４、熱交換器入口温度センサ３６、冷水流量計３５の各出力信号は制御装置７１の演算制御部７２に入力される。また、外気温度計３７および外気湿度計３８の出力信号も制御装置７１の演算制御部７２に入力される。
【００１５】
制御装置７１の出力部７３からは、冷却ファン６を制御する制御信号（ファン制御信号）、冷却水ポンプ４を制御する制御信号（冷却水量制御信号）、冷水ポンプ５を制御する制御信号（冷水量制御信号）等が出力される。
ファン制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷却ファン６に備わるインバータ５１に入力され、インバータ５１でファン制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷却ファン６を駆動する。
冷却水量制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷却水ポンプ４に備わるインバータ５２に入力され、インバータ５２で冷却水量制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷却水ポンプ４を駆動する。
また、冷水量制御信号は所定の駆動周波数を有する交流信号であって冷水ポンプ５に備わるインバータ５３に入力され、インバータ５３で冷水量制御信号に同期する駆動電流に変換されて冷水ポンプ５を駆動する。
このように、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、および冷水ポンプ５は、それぞれインバータ５１，５２，５３によって、それぞれ異なった駆動周波数でインバータ駆動される。
【００１６】
制御装置７１は、熱交換器２から冷水往管６３に流出した冷水の水温（熱交換器出口冷水温度）が、設定される目標温度（例えば、２５℃）になるように冷却システム１００を制御する。このため、制御装置７１は、例えば図２に示すように演算制御部７２および出力部７３を含んで構成される。
【００１７】
図２に示すように、演算制御部７２は、外気温度や外気湿度を取得する環境情報取得部８１と、冷却水系統の冷却水の流量及び冷水系統の冷水の流量を取得する流量取得部８２と、冷却水系統の冷却水の水温及び冷水系統の冷水の水温を取得する水温取得部８３と、外気の湿球温度を算出する湿球温度算出部８５と、負荷装置３（図１参照）における負荷を算出する負荷算出部８６と、冷却ファン６（図１参照）の駆動周波数（以下、冷却ファン周波数と称する）を決定する周波数データ生成部８７と、熱交換器２（図１参照）における冷水の出口温度（熱交換器出口冷水温度）の目標温度を設定する目標温度設定部８４と、を含んで構成される。以下、目標温度設定部８４によって設定される、熱交換器２における冷水の出口温度の目標温度を「目標冷水温度」と称する。
【００１８】
目標温度設定部８４は、例えば、冷却システム１００（図１参照）の管理者が入力装置（図示せず）を介して入力する温度を目標冷水温度として設定する。
【００１９】
環境情報取得部８１には外気温度計３７と外気湿度計３８の各出力信号が入力され、環境情報取得部８１はこれらの出力信号に基づいて外気温度と外気湿度を取得する。
流量取得部８２には冷却水流量計３２と冷水流量計３５の各出力信号が入力され、流量取得部８２はこれらの出力信号に基づいて冷却水系統における冷却水の流量と、冷水系統における冷水の流量を取得する。
また、水温取得部８３には、冷却塔出口温度センサ３１、冷却塔入口温度センサ３３、熱交換器出口温度センサ３４、および熱交換器入口温度センサ３６の各出力信号が入力され、水温取得部８３はこれらの出力信号に基づいて、冷却塔１（図１参照）における冷却水の入口温度、冷却塔１における冷却水の出口温度、熱交換器２（図１参照）における冷水の入口温度、および熱交換器２における冷水の出口温度（熱交換器出口冷水温度）を取得する。
【００２０】
湿球温度算出部８５は、環境情報取得部８１が取得する外気温度および外気湿度に基づいて外気の湿球温度を算出する。湿球温度算出部８５は、外気温度計３７の実測値および外気湿度計３８の実測値に基づいて湿球温度を算出することから、本実施形態においては、湿球温度算出部８５が算出する外気の湿球温度を実測値とする。
負荷算出部８６は、流量取得部８２が取得する冷水の流量と、水温取得部８３が取得する熱交換器出口冷水温度および熱交換器２における冷水の入口温度と、に基づいて負荷装置３（図１参照）における負荷を算出する。負荷算出部８６は、熱交換器出口温度センサ３４の実測値、熱交換器入口温度センサ３６の実測値、および冷水流量計３５の実測値に基づいて負荷装置３の負荷を算出することから、本実施形態においては、負荷算出部８６が算出する負荷装置３の負荷を実測値とする。
【００２１】
そして、周波数データ生成部８７は、湿球温度算出部８５が算出する外気の湿球温度（実測値）と、負荷算出部８６が算出する負荷（実測値）と、水温取得部８３が取得する熱交換器出口冷水温度と、に基づいて、熱交換器出口冷水温度が目標温度設定部８４で設定される目標冷水温度になるように、冷却ファン周波数を決定する。
【００２２】
本実施形態に係る周波数データ生成部８７は図３に示すように、周波数算出部９６と比例制御部９７と周波数換算部９８を含んで構成される。
比例制御部９７は、目標温度設定部８４で設定される目標冷水温度と、水温取得部８３で取得される熱交換器出口冷水温度と、の偏差をゼロにするように、冷却ファン６（図１参照）を制御するための制御信号を生成する。
そして、周波数換算部９８は、比例制御部９７が生成した制御信号を冷却ファン周波数に換算する。
【００２３】
従来、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差をゼロに維持するための冷却ファン周波数が固定値として設定され、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差がゼロのとき、周波数変換部９８は、この固定値を冷却ファン周波数として出力するように構成される。
そして、冷却ファン６（図１参照）の回転速度の変動や、外気の湿球温度や負荷装置３における負荷の変化などに応じて、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度に偏差が生じると、比例制御部９７での比例制御に加えて積分制御を併用して偏差をゼロにするように構成される（いわゆる、ＰＩ動作）。
本実施形態においては、熱交換器出口冷水温度と目標冷水温度の偏差をゼロに維持するための冷却ファン周波数を、以下、バイアス周波数と称する。
【００２４】
特に負荷装置３の負荷や外気の湿球温度が変化すると、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５の回転速度が一定の場合（例えば、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５が定格流量で駆動される場合）は、冷却ファン６の制御量（バイアス周波数）にオフセットが生じるため、積分制御でバイアス周波数をオフセット量だけ変化させてオフセットを解消するように動作する。
しかしながら積分制御は、オフセットの積分値が所定の値になったときに始めてオフセットを解消する動作が開始されるため応答が遅く、負荷が連続的に変化するときなどは、その負荷の変化に応じて変化するバイアス周波数のオフセットを速やかに解消できない。
【００２５】
そこで、本実施形態に係る周波数データ生成部８７は、図２、３に示すように水温取得部８３、目標温度設定部８４、湿球温度算出部８５、負荷算出部８６と接続され、さらに、周波数データテーブル７４を有する周波数算出部９６を含んで構成される。
本実施形態に係る周波数データテーブル７４は、図４に示すように、負荷装置３の負荷と、外気の湿球温度と、当該負荷および湿球温度のときの冷却ファン周波数と、の関係を示すマップ形式のデータテーブルであることが好ましい。
さらに、周波数データテーブル７４に登録される冷却ファン周波数は、対応する湿球温度と負荷のときに、熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に維持するように冷却ファン６（図１参照）を駆動するためのバイアス周波数であることが好ましい。
つまり、本実施形態に係る周波数データテーブル７４は、外気の湿球温度ごと、および負荷装置３（図１参照）の負荷ごとに、冷却ファン６のバイアス周波数を設定するためのデータテーブルであることが好ましい。
【００２６】
そして、周波数算出部９６（図３参照）は、周波数データテーブル７４を参照し、湿球温度と負荷に基づいてバイアス周波数を設定する。
具体的に、周波数算出部９６は、湿球温度算出部８５（図２参照）が算出する外気の湿球温度と、負荷算出部８６（図２参照）が算出する負荷装置３（図１参照）の負荷と、に対応するバイアス周波数を周波数データテーブル７４から選択する。
周波数データ生成部８７（図２参照）は周波数算出部９６が選択したバイアス周波数を制御量として出力し、出力部７３（図２参照）がこの制御量を制御信号として冷却ファン６（図１参照）を駆動する。この構成によって、冷却ファン６は設定されたバイアス周波数で駆動する。
【００２７】
また、周波数算出部９６（図３参照）は、湿球温度算出部８５（図２参照）が算出する湿球温度の実測値および負荷算出部８６（図２参照）が算出する負荷装置３（図１参照）の負荷の実測値の少なくとも一方が変化したときに、この変化に応じてバイアス周波数を変更する構成であることが好ましい。この構成によって、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したときに、周波数データ生成部８７（図２参照）は、積分制御によることなく冷却ファン周波数に生じるオフセットを解消できる。
【００２８】
周波数算出部９６（図３参照）は、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、変化後の湿球温度と変化後の負荷に基づいて周波数データテーブル７４（図４参照）を参照することによって、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を選択することができる。このことによって、周波数データ生成部８７（図２参照）は、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、速やかに、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を冷却ファン６（図１参照）の駆動周波数（冷却ファン周波数）として出力できる。
したがって、湿球温度および負荷の少なくとも一方が変化したとき、制御装置７１（出力部７３）は、変化後の湿球温度と変化後の負荷に対応するバイアス周波数を冷却ファン周波数（駆動周波数）として速やかに出力することができ、冷却ファン周波数のオフセットが速やかに解消される。
【００２９】
そして、湿球温度や負荷が変化することなく目標冷水温度と熱交換器出口冷水温度に偏差が生じた場合、制御装置７１の比例制御部９７（図３参照）は、当該偏差に基づいた比例制御に基づいて、当該偏差を解消するように冷却ファン周波数として出力するバイアス周波数を調節し、最適な冷却ファン周波数が設定されるように構成される（いわゆる、Ｐ動作）。この構成によって、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度に好適に維持される。
比例制御部９７による、偏差を解消するための比例制御（Ｐ動作）は公知の技術を利用することができ、詳細な説明は省略する。
【００３０】
また、本実施形態に係る周波数データテーブル７４（図４参照）は、冷却システム１００（図１参照）をモデル化したシミュレータを使用して作成することができる。
シミュレータは、冷却システム１００を理論的にモデル化したものであれば実機でなくてもよく、例えば、演算装置である制御装置７１（図１参照）および制御装置７１が実行するプログラムで構成されるものであってもよい。
このように制御装置７１をシミュレータとすることで、シミュレータを備える冷却システム１００とすることができる。
【００３１】
本実施形態に係るシミュレータ（制御装置７１）は、例えば、負荷装置３（図１参照）の負荷、外気の湿球温度、熱交換器出口冷水温度、冷却水の流量（冷却水ポンプ４（図１参照）の定格流量）、冷水の流量（冷水ポンプ５（図１参照）の定格流量）がパラメータとして入力される構成であり、湿球温度ごとに、冷却塔１（図１参照）、熱交換器２（図１参照）および負荷装置３の負荷における熱量の収支が釣り合うように冷却ファン周波数を変化させる。そして、当該熱量の収支が釣り合ったときの冷却ファン周波数を、負荷装置３の負荷および当該湿球温度に対応するバイアス周波数として登録する。
この操作を、湿球温度および負荷を適宜変更して実行することによって、湿球温度ごと、および負荷ごとにバイアス周波数が設定されるマップ形式のデータテーブルである周波数データテーブル７４が作成される。
図５を参照して、シミュレータ（制御装置７１）が周波数データテーブル７４を作成する手順の一例を説明する（適宜図１〜図４参照）。
【００３２】
周波数データテーブル７４を作成する手順を開始すると、シミュレータは、熱交換器２における冷却水の出口温度（熱交換器出口冷却水温度）を設定する（ステップＳ１）。最初のステップで、この熱交換器出口冷却水温度は、例えば、冷却ファン６、冷却水ポンプ４、冷水ポンプ５が定格運転され、負荷装置３の負荷および外気の湿球温度が適宜設定される標準状態のときの熱交換器出口冷却水温度など、適宜設定されればよい。例えば、予め設定される固定値とすることができる。
【００３３】
次にシミュレータは、バイアス周波数を設定する湿球温度を設定し（ステップＳ２）、さらに、当該湿球温度のときにバイアス周波数を設定する負荷装置３の負荷を設定する（ステップＳ３）。
そして、任意の冷却ファン周波数を設定する（ステップＳ４）。
例えば、湿球温度が最低温度Ｔｅｍｐ１から最高温度Ｔｅｍｐ２まで、ΔＴｅｍｐの間隔で変化するときのバイアス周波数を設定する場合、シミュレータは最初に湿球温度を最低温度Ｔｅｍｐ１に設定する。
また、負荷装置３の負荷が最低負荷Ｗｏｒｋ１から最高負荷Ｗｏｒｋ２までΔＷｏｒｋの間隔で変化するときのバイアス周波数を設定する場合、シミュレータは最初に負荷を最低負荷Ｗｏｒｋ１に設定する。
また、最初のステップで冷却ファン周波数は適宜設定される。
【００３４】
そしてシミュレータは、設定した熱交換器出口冷却水温度を冷却塔１における冷却水の入口温度（冷却塔入口冷却水温度）として、冷却塔１の熱バランスから冷却塔１における冷却水の出口温度（冷却塔出口冷却水温度）を算出する（ステップＳ５）。
【００３５】
本実施形態においてシミュレータは、下式（１）〜（４）で示される冷却塔１のバランス式に基づいて、冷却塔出口冷却水温度を算出する。
Ｑｃｔ＝Ｇ・（ｈ２−ｈ１） ・・・（１）
Ｑｃｔ＝Ｃｐ・Ｌ・（Ｔ２ｉｎ−Ｔ２ｏｕｔ） ・・・（２）
Ｑｃｔ＝Ｋａ・Ｖ・Δｈ ・・・（３）
Δｈ＝（（ｈｗ１−ｈ２）−（ｈｗ２−ｈ１））／
ｌｎ（（ｈｗ１−ｈ２）／（ｈｗ２−ｈ１）） ・・・（４）
但し、
Ｔ２ｉｎ：冷却塔入口冷却水温度
Ｔ２ｏｕｔ：冷却塔出口冷却水温度
Ｖ：充填層体積
Ｌ：冷却水流量
Ｇ：空気風量
Ｋａ：エンタルピ基準総括熱伝達係数
ｈ１：大気の冷却塔入口湿度に対する大気の比エンタルピ
ｈ２：大気の冷却塔出口湿度に対する大気の比エンタルピ
ｈｗ１：冷却塔入口冷却水温度に対する大気の比エンタルピ
ｈｗ２：冷却塔出口冷却水温度に対する大気の比エンタルピ
Ｑｃｔ：冷却塔交換熱量
Δｈ：対数平均エンタルピ差
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（１）〜（４）を利用して、冷却塔出口冷却水温度（Ｔ２ｏｕｔ）を算出する。なお、空気風量Ｑは設定される冷却ファン周波数に基づいてシミュレータが算出する値となる。
【００３６】
また、シミュレータは、予め設定される、熱交換器出口冷水温度の目標冷水温度を負荷装置３における冷水の入口温度（負荷入口冷水温度）として、負荷装置３の熱バランスから負荷装置３における冷水の出口温度（負荷出口冷水温度）を算出する（ステップＳ６）。
シミュレータは、下式（５）で示される負荷装置３のバランス式に基づいて、負荷出口冷水温度を算出する。
Ｔ１ｏｕｔ＝Ｔ１ｉｎ＋Ｑ／（Ｃｐ・Ｇｃｈｗ） ・・・（５）
但し、
Ｔ１ｏｕｔ：負荷出口冷水温度
Ｔ１ｉｎ：負荷入口冷水温度
Ｑ：負荷
Ｇｃｈｗ：冷水流量
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（５）を利用して、負荷出口冷水温度（Ｔ１ｏｕｔ）を算出する。
【００３７】
次に、シミュレータは、算出した冷却塔出口冷却水温度を熱交換器２における冷却水の入口温度（熱交換器入口冷却水温度）とし、さらに、算出した負荷出口冷水温度を熱交換器２における冷水の入口温度（熱交換器入口冷水温度）として、熱交換器２の熱バランスから、熱交換器２における冷却水の出口温度（熱交換器出口冷却水温度）および熱交換器出口冷水温度を算出する（ステップＳ７）。
【００３８】
シミュレータは、下式（６）〜（９）に示す熱交換器２のバランス式に基づいて、熱交換器出口冷却水温度および熱交換器出口冷水温度を算出する。
Ｑｈｅｘ＝Ｃｐ・Ｇｃｗ・（Ｔｃｗｏｕｔ−Ｔｃｗｉｎ） ・・・（６）
Ｑｈｅｘ＝Ｃｐ．Ｇｃｈｗ・（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｈｗｏｕｔ） ・・・（７）
Ｑｈｅｘ＝Ｋ・Ａ・ΔＴ ・・・（８）
ΔＴ＝（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｗｏｕｔ）／
ｌｎ（（Ｔｃｈｗｉｎ−Ｔｃｗｏｕｔ）／
（Ｔｃｈｗｏｕｔ−Ｔｃｗｉｎ）） ・・・（９）
但し、
Ｑｈｅｘ：熱交換器交換熱量
Ｔｃｗｉｎ：熱交換器入口冷却水温度
Ｔｃｗｏｕｔ：熱交換器出口冷却水温度
Ｔｃｈｗｉｎ：熱交換器入口冷水温度
Ｔｃｈｗｏｕｔ：熱交換器出口冷水温度
Ｇｃｗ：熱交換器冷却水流量
Ｇｃｈｗ：熱交換器冷水流量
Ｋ：総括熱伝達係数
Ａ：伝熱面積
ΔＴ：対数平均温度差
Ｃｐ：水の比熱
シミュレータは式（６）〜（９）を利用して、熱交換器出口冷却水温度（Ｔｃｗｏｕｔ）および熱交換器出口冷水温度（Ｔｃｈｗｏｕｔ）を算出する。
【００３９】
シミュレータは、算出した熱交換器出口冷水温度が、予め設定される目標冷水温度と一致した場合は（ステップＳ８→Ｙｅｓ）、設定されている冷却ファン周波数をバイアス周波数として周波数データテーブル７４に登録する（ステップＳ９）。
この構成によって、設定されている外気の湿球温度と負荷装置３の負荷に対応するバイアス周波数が設定される。
そして、負荷装置３の負荷として設定されている値が、バイアス周波数を設定する負荷の上限に達していない場合、つまり、負荷装置３の負荷が最高負荷Ｗｏｒｋ２に設定されていない場合（ステップＳ１０→Ｎｏ）、シミュレータは現在設定されている負荷に負荷の増加分ΔＷｏｒｋを加算して、設定する負荷を更新し（ステップＳ１１）、手順をステップＳ４に戻す。
ステップＳ１１での負荷の更新によって、負荷装置３の負荷を実際に更新することなく、負荷がデータ上で仮想的に変化することになる。
【００４０】
一方、負荷装置３の負荷として設定されている値が最高負荷Ｗｏｒｋ２に設定されている場合（ステップＳ１０→Ｙｅｓ）、設定されている湿球温度が、バイアス周波数を設定する湿球温度の上限に達していないとき、つまり、湿球温度が最高温度Ｔｅｍｐ２に設定されていないとき（ステップＳ１２→Ｎｏ）、シミュレータは現在設定されている湿球温度に湿球温度の増加分ΔＴｅｍｐを加算して、設定する湿球温度を更新し（ステップＳ１３）、さらに、負荷を最低負荷Ｗｏｒｋ１に設定して（ステップＳ１４）、手順をステップＳ４に戻す。
一方、湿球温度が最高温度Ｔｅｍｐ２に設定されているとき（ステップＳ１２→Ｙｅｓ）、シミュレータは全ての負荷と湿球温度に対応するバイアス周波数が設定されたと判定して、周波数データテーブル７４を設定する手順を終了する。
ステップＳ１３での湿球温度の更新によって、実際の湿球温度にかかわらず、湿球温度がデータ上で仮想的に変化することになる。
【００４１】
また、ステップＳ８で、算出した熱交換器出口冷水温度が、設定した目標冷水温度と一致しない場合（ステップＳ８→Ｎｏ）、シミュレータは、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度に近づく方向に冷却ファン周波数を再設定し（ステップＳ１５）、手順をステップＳ５に戻す。
具体的にシミュレータは、算出した熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度より低いとき、冷却ファン周波数が低くなるように再設定し、算出した熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度より高いとき、冷却ファン周波数が高くなるように再設定する。
【００４２】
なお、図５に示すフローチャートでは、負荷装置３（図１参照）の負荷の変化に対応するバイアス周波数を設定した後に外気の湿球温度の設定を変更しているが、外気の湿球温度の変化に対応するバイアス周波数を設定した後に負荷の設定を変更する構成であってもよいことはいうまでもない。
また、図５には、冷却塔出口冷却水温度を算出するステップＳ５が、負荷出口冷水温度を算出するステップＳ６より先のステップとして記載されているが、ステップＳ５，６については手順が前後してもよいし、並行して同時に実行されてもよい。
【００４３】
また、冷却水ポンプ４および冷水ポンプ５の回転速度（つまり、冷却水と冷水の流量）は、例えば定格の回転速度で一定としてもよい。この場合、式（２）における冷却水流量（Ｌ）は冷却水ポンプ４の定格流量とし、式（５）における冷水流量（Ｇｃｈｗ）は冷水ポンプ５の定格流量とすればよい。
【００４４】
このように、シミュレータが、外気の湿球温度（Ｔｅｍｐ１〜Ｔｅｍｐ２）と、負荷装置３（図１参照）の負荷（Ｗｏｒｋ１〜Ｗｏｒｋ２）を仮想的に変化させ、さらに、冷却ファン周波数を変更しながら演算を繰り返し、熱交換器出口冷水温度が目標冷水温度と等しくなる冷却ファン周波数をバイアス周波数として登録する手順が繰り返されることで、例えば、図４に示される周波数データテーブル７４が作成される。
なお、図４に示す周波数データテーブル７４の一例は、負荷装置３の負荷が最低負荷１０ｋＷから１０ｋＷ間隔で増え、外気の湿球温度が最低温度１０℃から１℃間隔で上昇するときのバイアス周波数が設定されている。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係る冷却システム１００（図１参照）は、冷却ファン６（図１参照）が回転するときの冷却ファン周波数を、外気の湿球温度および負荷装置３（図１参照）の負荷に応じて設定されるバイアス周波数とすることができる。そして、制御装置７１（図１参照）は、冷却システム１００の動作中に外気の湿球温度や負荷装置３の負荷が変化した場合、湿球温度および負荷に基づいて周波数データテーブル７４（図４参照）を参照し、当該湿球温度および負荷に対応するバイアス周波数を速やかに設定できる。したがって、冷却ファン６の回転速度を湿球温度の変化や負荷の変化に速やかに追従させることができる。また、シミュレータを用いることによって容易にバイアス周波数を設定できる。
【００４６】
なお、本発明は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。
例えば、図４に示す周波数データテーブル７４は、外気の湿球温度と負荷装置３（図１参照）の負荷に応じてバイアス周波数が設定されているが、外気の湿球温度と冷却塔１の負荷率に応じたバイアス周波数が設定される構成であってもよい。
この場合、制御装置７１（図１参照）は、冷却塔１（図１参照）の最大冷却時の負荷を１００％とした負荷率と、湿球温度に基づいてバイアス周波数を設定できる。
【００４７】
また、本実施形態では冷却ファン６の駆動周波数を変化させて熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に一致させる構成としたが、例えば、冷却水ポンプ４における冷却水の流量と冷水ポンプ５における冷水の流量の一方を変化させることによって、熱交換器出口冷水温度を目標冷水温度に一致させる構成とすることも可能である。
【００４８】
この場合、周波数データテーブル７４には、流量を変化させるポンプ（冷却水ポンプ４または冷水ポンプ５）の周波数が設定される。
そして、制御装置７１（図１参照）は、湿球温度と負荷に基づいて周波数データテーブル７４から選択される周波数で冷却水ポンプ４または冷水ポンプ５を駆動するように構成される。
【符号の説明】
【００４９】
１ 冷却塔
２ 熱交換器
３ 負荷装置
６ 冷却ファン
７１ 制御装置（シミュレータ）
７４ 周波数データテーブル（データテーブル）
８５ 湿球温度算出部
８６ 負荷算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリークーリングで第１の冷水を冷却する冷却塔と、
インバータ駆動されて前記冷却塔に外気を送風する冷却ファンと、
前記冷却塔で冷却された前記第１の冷水と負荷装置で昇温した第２の冷水が熱交換して前記第２の冷水を冷却する熱交換器と、を含んで構成される冷却システムであって、
外気の湿球温度ごと、および前記負荷装置の負荷ごとに、前記冷却ファンのバイアス周波数を設定するシミュレータと、
前記湿球温度の実測値を算出する湿球温度算出部および前記負荷の実測値を算出する負荷算出部を有して構成され、前記シミュレータが設定する前記バイアス周波数のうち、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応する前記バイアス周波数を前記冷却ファンの駆動周波数として出力する制御装置と、
を備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値の少なくとも一方が変化したときに、変化後の前記湿球温度および変化後の前記負荷に対応する前記バイアス周波数を前記駆動周波数として出力し、
前記熱交換器における前記第２の冷水の出口温度と、予め設定される目標温度と、に偏差が生じたときには、前記偏差を解消するように前記駆動周波数を調節することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記偏差に基づく比例制御によって前記駆動周波数を調節することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記シミュレータは、
前記湿球温度ごと、および前記負荷ごとに前記バイアス周波数が設定されるデータテーブルを作成し、
前記制御装置は、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応して前記データテーブルから選択される前記バイアス周波数を前記駆動周波数として設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記シミュレータは、
前記湿球温度および前記負荷をパラメータとして仮想的に変化させて、前記湿球温度ごと、および前記負荷ごとに前記バイアス周波数を設定して、前記データテーブルを作成することを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【請求項１】
フリークーリングで第１の冷水を冷却する冷却塔と、
インバータ駆動されて前記冷却塔に外気を送風する冷却ファンと、
前記冷却塔で冷却された前記第１の冷水と負荷装置で昇温した第２の冷水が熱交換して前記第２の冷水を冷却する熱交換器と、を含んで構成される冷却システムであって、
外気の湿球温度ごと、および前記負荷装置の負荷ごとに、前記冷却ファンのバイアス周波数を設定するシミュレータと、
前記湿球温度の実測値を算出する湿球温度算出部および前記負荷の実測値を算出する負荷算出部を有して構成され、前記シミュレータが設定する前記バイアス周波数のうち、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応する前記バイアス周波数を前記冷却ファンの駆動周波数として出力する制御装置と、
を備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値の少なくとも一方が変化したときに、変化後の前記湿球温度および変化後の前記負荷に対応する前記バイアス周波数を前記駆動周波数として出力し、
前記熱交換器における前記第２の冷水の出口温度と、予め設定される目標温度と、に偏差が生じたときには、前記偏差を解消するように前記駆動周波数を調節することを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記偏差に基づく比例制御によって前記駆動周波数を調節することを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記シミュレータは、
前記湿球温度ごと、および前記負荷ごとに前記バイアス周波数が設定されるデータテーブルを作成し、
前記制御装置は、前記湿球温度の実測値および前記負荷の実測値に対応して前記データテーブルから選択される前記バイアス周波数を前記駆動周波数として設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記シミュレータは、
前記湿球温度および前記負荷をパラメータとして仮想的に変化させて、前記湿球温度ごと、および前記負荷ごとに前記バイアス周波数を設定して、前記データテーブルを作成することを特徴とする請求項４に記載の冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１９５６３（Ｐ２０１３−１９５６３Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１１２２（Ｐ２０１１−１５１１２２）
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
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