水蒸気圧縮冷凍機システム
【課題】１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路が形成できる水蒸気圧縮冷凍機システムを提供することにある。
【解決手段】外部湿球温度計６８の計測値が所定の値以上の場合に、圧縮機５０を駆動し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し冷凍サイクル運転を行わせ、外部湿球温度計６８の計測値が所定の値以下の場合に、圧縮機５０を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を閉止し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を開放してフリークーリング運転を行わせる。
【解決手段】外部湿球温度計６８の計測値が所定の値以上の場合に、圧縮機５０を駆動し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し冷凍サイクル運転を行わせ、外部湿球温度計６８の計測値が所定の値以下の場合に、圧縮機５０を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を閉止し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を開放してフリークーリング運転を行わせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリークーリング切替回路を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムに係り、特に、年間を通じて大負荷冷房負荷／冷却負荷を有し、高温の冷水を要求する設備に適した冷凍機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水を冷凍サイクルを形成する冷媒として使用する水蒸気圧縮冷凍機システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、特許文献１では、蒸発器と凝縮器の差圧を位置水頭により確保し、もって膨張弁を排除している。
特許文献１では、中間期、冬期とも冷凍機を運転して冷水を冷凍している。そして、特許文献１では、例えば、冷水を２０℃で取り出し、負荷側で熱交換して２３℃で冷凍機へ戻せるので、あまりに低い冷水温度では、冷却する対象の周囲空気の含有湿分が冷熱熱交換する部位で結露し、その結露水が電子回路などで短絡を引き起こすことを防止するため、高温冷水を要求する半導体製造工場の設備冷却水や、データセンタの通年で非常に密度の高い発熱を発し、且つその発熱を速やかに除去することが要求されるサーバ冷却に使いやすい。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムでは、年中運転すると、折角冷却塔からの冷却水還り管の冷却水が２３℃より低くなっても、ルーツ圧縮機を停止できず、省エネルギー効率が低いという問題がある。
この問題を解決するために、例えば、図３、図４のように、蒸発器１と凝縮器２との間のルーツ圧縮機３による水蒸気搬送管４に、その中間にバイパス制御弁６を設けたバイパス管５を並行に配置し、フリークーリング時にルーツ圧縮機３をバイパスして自然冷媒循環にて冷却塔フリークーリングを実現することが考えられる。
【０００４】
図３、図４の水蒸気圧縮冷凍機システムでは、蒸発器１、凝縮器２、冷水ポンプ７、負荷側連結配管８、負荷側熱交換器９、ルーツ圧縮機３、バイパス管５、バイパス制御弁６、真空ポンプ１０、冷却水往き管１１、冷却水ポンプ１２、冷却水還り管１３、密閉式冷却塔１４、冷却塔冷却水ポンプ１５、冷却塔冷却水配管１６、外気温度計測器１７、連結配管１８などを備えている。ここで、ルーツ圧縮機３が動作する冷凍機運転の場合の蒸発器１や凝縮器２における状態については、特許文献１に記載の通りである。
そして、図３に示すように、外気温度計測器１７で外気温度を計測して（湿球温度で計測するのがさらに望ましい）、所定の温度以上の外気温度の場合には、ＴＩＣ（温度コントローラ）１９からバイパス制御弁６を閉じてルーツ圧縮機３による運転を行う信号が出され、ルーツ圧縮機３による冷凍機運転を行う。
【０００５】
外気温度が低くなってきて、例えば、外気湿球温度が１７℃を下回ってきた場合には、図４に示すように、ＴＩＣ（温度コントローラ）１９からの信号によって、ルーツ圧縮機３を停止してバイパス制御弁６を開くことで、密閉式冷却塔１４により冷却水還り管１３内を搬送する冷却水温度が１９℃まで冷やすことができることとなる。
【０００６】
真空ポンプ１０にて例えば約６．３ｋＰａの飽和水蒸気圧が達成できている凝縮器２の中で、噴霧ノズル２ａから吹き出される１９℃の冷却水により、凝縮器２内の水蒸気が盛んに凝縮されて２０℃の水冷媒液が凝縮器２下方に溜まってくる。そして、図４に示すように、凝縮器２内に次々生じる凝縮水により、真空ポンプ１０の減圧により蒸発器１と凝縮器２とでバランスし、ほぼ同じレベルとなっていた所定のそれぞれの水位が、凝縮器２側で高くなろうとしてしまう。よって、その凝縮器２側の上昇水位が位置ヘッドとなって、蒸発器１と凝縮器２の下部を連通している連結配管１８の中を水が流れ、自然冷媒循環が形成される。蒸発器１には下部に設けた負荷側連結配管８の冷水往き管８ａから２０℃の冷水が継続して供給されるので、充分機能する。
バイパス制御弁６の開度の調整により、冷水出口温度制御がある程度行える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図３、図４に示すシステムによる自然冷媒循環フリークーリングでは、負荷が１００ｗ／ｍ2程度の建物であれば何とか賄えるが、１０００ｗ／ｍ2超えの場合もある今日の冷凍設備では追いつかないので、結局ルーツ圧縮機３が動き続けることとなる。
【０００９】
本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路が形成できる水蒸気圧縮冷凍機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の水蒸気圧縮冷凍機システムは、温度計を設ける密閉式の蒸発器と、散水管を内部に設ける密閉式の凝縮器と、蒸発器と凝縮器との冷媒液位のレベル差を確保する圧縮機と、各々が配管で接続される凝縮器、蒸発器、圧縮機及びその間を接続する配管内を３０ｋＰａ以下の真空状態に保持する、凝縮器に接続される配管に設けられた真空ポンプと、を有する、水が冷凍サイクルを形成する冷媒として使用される水蒸気圧縮冷凍機を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムであって、蒸発器の底部と凝縮器の底部とを連結する連通路と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁、冷水ポンプ及び温度計を設け、蒸発器の底部に連結される冷水往き管と、流量計及び温度計を設け、蒸発器の上部に連結される冷水還り管とを有する冷水配管と、冷水往き管及び冷水還り管に連結される熱交換器である負荷と、圧縮機を蒸発器と凝縮器との間に位置させて連結する連結配管と、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び冷却水ポンプを設け、凝縮器の底部に連結される冷却水往き管と、温度計を設け、凝縮器の散水管に連結される冷却水還り管とを有する冷却水配管と、冷却水配管に熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷水配管の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷水ポンプの上流側から分岐し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して凝縮器の底面に連絡する第一の分岐管と、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷却水配管の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷却水ポンプの上流側から分岐し、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して蒸発器の底面に連絡する第二の分岐管と、外部湿球温度計と、外部湿球温度計の計測値が所定の値以上の場合に、圧縮機を駆動し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し冷凍サイクル運転を行わせ、外部湿球温度計の計測値が所定の値以下の場合に、圧縮機を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放してフリークーリング運転を行わせる制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の水蒸気圧縮冷凍機システムは、請求項１記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、制御装置は、冷水往き管の温度計と、冷水還り管の流量計及び温度計とに連絡し、２つの温度計及び流量計から負荷熱量を演算する負荷演算部と、蒸発器の温度計と、冷却水還り管の温度計と、外気湿球温度計とに連絡し、負荷演算部での演算に際し、外気湿球温度計の温度が所定の値以下になると、フリークーリング可能時期のトリガが与えられ、蒸発器の温度計の設定温度値と冷却水還り管の温度計の計測値との差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し、フリークーリング熱量が負荷熱量より多ければフリークーリング運転に切り替える信号を出力する制御コントロール部と、圧縮機と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁とに連絡し、制御コントロール部からの指令に基づいて、フリークーリング運転又は冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する信号出力部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の水蒸気圧縮冷凍機システムは、請求項２記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、制御コントロール部は、負荷演算部での演算に際し、フリークーリング運転に切り替え後も、蒸発器内の温度計計測値と冷却水還り管の温度計計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し続け、負荷熱量が多くなった場合、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、圧縮機を駆動させる冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蒸発器と凝縮器とを、低温水(負荷への供給水）と高温水（冷却塔への供給水）のバッファとしてとらえ、冷却塔で負荷への供給冷水の温度まで冷却できる時期に配管系を切り替えるだけで、冷凍機システム全体を冷却塔フリークーリング設備に簡単に変更できる。
冷却塔で十分に冷水をフリークーリングできる外気湿球温度を、例えば１３℃で切り替えるようにすれば、冷却塔を殊更大型化して容量制御することなく、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路を形成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの冷凍機運転時の状態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムのフリークーリングのみの運転時の状態を示す構成図である。
【図３】従来の水蒸気圧縮冷凍機システムの冷凍機運転時の状態を示す構成図である。
【図４】従来の水蒸気圧縮冷凍機システムのフリークーリング運転時の状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムは、図１、図２に示すように、水を冷凍サイクルを形成する冷媒として使用する密閉式の水冷媒冷凍機である水蒸気圧縮冷凍機３０を有する。
【００１６】
水蒸気圧縮冷凍機３０は、密閉式の蒸発器３５と、この蒸発器３５の近傍位置に膨張弁を介設することなく直接に連通路４８で相互連結することによって配置された密閉式の凝縮器４７と、蒸発器３５と凝縮器４７との相互間を接続する蒸気ダクトである連結配管５１に配設したインバータで制御されるルーツ圧縮機５０と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を設け、蒸発器３５とサーバ等の負荷（冷却した水の冷熱を間接的に利用する箇所、つまり熱交換器）４５とを繋ぐ冷水配管３７の冷水往き管３８と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を設け、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５の下流側及び冷水ポンプ３９の上流側から分岐し、凝縮器４７とを繋ぐ第一の分岐管４４と、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を設け、凝縮器４７と密閉式冷却塔５９とを繋ぐ冷却水配管５２の冷却水往き管５４と、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を設け、冷却水配管５２の冷却水往き管５４の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５の下流側及び冷却水ポンプ５３の上流側から分岐し、蒸発器３５とを繋ぐ第二の分岐管６４とを有する。
【００１７】
蒸発器３５は、密閉型に構成され、その内部に入れた蒸発性液体、例えば水を大気圧より低い減圧の状態で蒸発させるものである。蒸発器３５は、冷水溜まり内の水温度を計測する温度計３６を有する。
この蒸発器３５には、冷水往き管３８及び冷水還り管４１を有する冷水配管３７を介して負荷４５が連結されている。
【００１８】
冷水配管３７の冷水往き管３８は、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５、冷水ポンプ３９及び温度計４０を設け、蒸発器３５の底部と負荷４５とに連絡している。また、冷水配管３７の冷水還り管４１は、流量計４２及び温度計４３を設け、負荷４５と蒸発器３５の上部に連絡している。
第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と冷水ポンプ３９との間から第一の分岐管４４が分岐している。第一の分岐管４４には、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６が設けられている。
【００１９】
蒸発器３５の底部には、凝縮器４７の底部と繋ぐ連通路４８が設けられている。この連通路４８は、水蒸気圧縮冷凍機３０を成り立たせるために設けられている連通配管に相当する。
また、蒸発器３５の底部には、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を設けた第二の分岐管６４が設けられている。
【００２０】
蒸発器３５内下部に貯留し蒸発器３５内での蒸発水分による蒸発潜熱により温度が低くなった水は、冷水ポンプ３９にて汲み出されて冷水配管３７の冷水往き管３８を介してサーバ等の負荷４５に送られた後、熱交換器である負荷４５から熱を授与され、冷水配管３７の冷水還り管４１を介して再び蒸発器３５内に噴出して戻される。
凝縮器４７は、密閉型に構成され、蒸発器３５内での蒸発潜熱により周囲の熱を奪って蒸発発生した蒸気を連結配管５１を介して導入し、この蒸気を、噴霧される冷却水水滴表面で発生する気化熱による冷却を行い凝縮するものである。
【００２１】
凝縮器４７の底部には、第一の分岐管４４が設けられている。また、凝縮器４７の底部には、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５、冷却水ポンプ５３を設けた冷却水往き管５４が設けられている。
また、凝縮器４７には、配管４９ａを介して真空ポンプ４９が接続されている。
真空ポンプ４９は、凝縮器４７内の空気、つまり凝縮器４７に空間として繋がっている連通路４８、連結配管５１及び蒸発器３５と、さらに凝縮器４７と蒸発器３５に接続されたその他の配管内の空気を排出し、それらの空間内の空気圧力を少なくとも３０ｋＰａ以下の真空状態とし、例えば、水の３７℃飽和蒸気圧である６．３ｋＰａ程度の圧力値として凝縮器４７内を真空状態とする。
【００２２】
ルーツ圧縮機５０は、蒸発器３５と凝縮器４７とを相互に連結する連結配管５１に連結されている。ルーツ圧縮機５０は、レベル的に併設された蒸発器３５と凝縮器４６との冷媒液位のレベル差△Ｌを確保するだけの圧力差を、真空状態において保持できるだけの能力を有している。ルーツ圧縮機５０は、例えば、ルーツポンプであり、このルーツポンプはいわゆる真空用のブースタポンプであって、例えば、楕円形のシリンダ内に同形のまゆ型断面形状を有する２つのロータを互いに９０°位相をずらせて隣接配置し、各ロータは互いに当速度で回転する。この２つのロータとシリンダとの間に閉じこめられた水蒸気を吸気口から排気口側つまり凝縮器４７側に送流する。そして、２つのロータの回転制御はルーツポンプの軸端に接続されたタイミングギヤによって行ない、駆動軸の他端は軸封部を介して大気中に出しモータによって駆動される。そして、このルーツポンプの特徴点は、シリンダ内に摺動部がなく動力損が少なく高速回転が可能となると共に良好な排気特性が得られることにある。
【００２３】
なお、本実施形態に係る水蒸気冷凍機システムは、蒸発器３５の出口冷水温度は２０℃程度の高温が最適ではあるが、そうでなくとも、冷凍機システムの内部真空度を高くし、蒸発器３５と凝縮器４６との水位差を大きく取る必要があり装置が大がかりになるができなくはない。しかし、冷却塔による年間を通した冷却水の冷却温度から、装置のコストパフォーマンス上有利なのは、例えば、負荷４５の入口２０℃、出口２３℃である温度差３℃であれば、蒸発器３５と凝縮器４７との水位差ΔＬが現実的な数十センチとなる。具体的には、真空ポンプ４９によって、凝縮器４７の凝縮圧力値６．３ｋＰａになるように真空引きし、蒸発器３５の蒸発圧力値１．７ｋＰａになるようにルーツ圧縮機５０で圧縮すると、差圧が４．６ｋＰａで４７ｃｍの水位差ΔＬで冷凍サイクルが成立する。このときに、ルーツ圧縮機５０の圧縮比は、２．２あればよい。
なお、凝縮器４６内の圧力値を夏外気の湿球温度から、負荷４５の入口出口冷水温度は、出口冷水温度では凝縮器内圧力基準とした温度から、入口冷水温度は水位差で規定できる差圧から、それぞれ成り立つよう設計すれば、異なる温度系の冷凍機システムができのはいうまでもない。以下には、上記の負荷入口２０℃、出口２３℃の冷水条件での数値を示していく。
【００２４】
冷却水配管５１は、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５、冷却水ポンプ５３を設けた冷却水往き管５４と、温度計５７を設けた冷却水還り管５６と、冷却水往き管５４と冷却水還り管５６とを繋ぐ熱交換器コイル５５とを有する。冷却水還り管５６は、凝縮器４７内に設けた散水管５８に連絡している。熱交換器コイル５５は、密閉式冷却塔５９に内蔵されている。
【００２５】
密閉式冷却塔５９は、熱交換器コイル５５に散水管６３から循環水を散布して冷却するために、冷却水ポンプ６１を設け、下部水槽６０と散水管６３とを連結する外部水配管６２を設けている。
密閉式冷却塔５９では、凝縮器４７で温まった冷却水を冷却水往き管５３から密閉式冷却塔５８内蔵の熱交換器コイル５５を経て冷却した後、冷却水還り管５６を介して凝縮器４７内に導き、その上部に散水管５８より噴出することにより、連結配管５１を介して導入される蒸気を、散水管５８から噴出される冷たい冷却水水滴上で冷却凝縮し、この凝縮にて温度が上昇して凝縮器４７内の底に溜まった冷却水を、冷却水往き管５４を介して再び密閉式冷却塔５９へ送る循環を行うように構成されている。
【００２６】
冷却水往き管５４の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と冷却水ポンプ５３との間から第二の分岐管６４が分岐している。第二の分岐管６４には、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６が設けられている。
【００２７】
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの運転を制御する制御装置６７は、負荷演算部６７ａと、制御コントロール部６７ｂと、信号出力部６７ｃとを有する。
負荷演算部６８ａには、冷水配管３７の冷水往き管３８の温度計４０と、冷水配管３７の冷水還り管４１の流量計４２及び温度計４３が連絡している。負荷演算部６７ａでは、温度計４０，４３及び流量計４２の計測値から負荷熱量を演算する。
【００２８】
制御コントロール部６７ｂには、蒸発器３５の温度計３６と、冷却水配管５１の冷却水還り管５６の温度計５７と、フリークーリングの冷却能力を司る外気湿球温度計６８とに連絡している。
制御コントロール部６７ｂでは、負荷演算部６７ａでの演算に際し、外気が高温である季節から低温の中間期にかかってくると、外気湿球温度計６８の温度が所定の温度を下回り、フリークーリング可能時期のトリガが与えられる。そして、蒸発器３５の温度計３６の温度（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７の温度との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し多ければフリークーリング運転に切り替える出力信号を信号出力部６７ｃへ送る。
【００２９】
信号出力部６７ｃには、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の分岐管４４の第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６と、冷却水配管５２の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と、第二の分岐管６４の第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６とに連絡している。信号出力部６７ｃでは、制御コントロール部６７ｂからの指令に基づいて、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の分岐管４４の第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６と、冷却水配管５２の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と、第二の分岐管６４の第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６とにフリークーリング運転に切り替える信号を出力する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの作用を説明する。
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムは、図１に示すように、膨張弁を排除しており、蒸発器３５、ルーツ圧縮機５０、凝縮器４７、冷却塔５９及び負荷側の冷水配管３７を密閉式として接続し、この内部を真空状態にし、ルーツ圧縮機５０を運転することで蒸発器３５内の水蒸気が蒸発し、蒸発器３５内の温度を低下させる。
【００３１】
次に、ルーツ圧縮機５０によってその水蒸気を圧縮した後、水蒸気は高温となって凝縮器４７に導かれる。凝縮器４７では、冷却塔５９からの冷却水によって凝縮され、再び水に戻る。高温水蒸気の凝縮によって昇温された冷却水は、冷却塔５９に送られ、その熱を冷却塔５９により外部へ放熱する。凝縮器４７内の凝縮水は、凝縮器４７と蒸発器３５とを連結した連通路４８により蒸発器３５へ戻り、両容器の圧力差に相当する水位差ΔＬを維持する。
【００３２】
本実施形態において、水蒸気は、蒸発器３５から連結配管５１内を流送し、ルーツ圧縮機５０に流れ、さらに、凝縮器４７に流れ込む。そして、蒸発時に蒸発器３５の水を冷却し、冷水を製造する。蒸発器３５の出口側は冷水温度が例えば２０℃であり、冷水は冷水ポンプ３９によりサーバ等の負荷４５の入力側に流送される。そこで、負荷４５の出口側から例えば２３℃の冷水を放出し、蒸発器３５内に例えば２３℃の冷水として戻される。
【００３３】
密閉式冷却塔５９は、冷却水配管５２に熱交換器コイル５５の水側が接続されており、この冷却水配管５２により供給される冷却水は熱交換器コイル５５内を流れ密閉式冷却塔５９内の空気とは接触せず、コイル壁を通して冷却される。そして、凝縮器４７の上部入口側から内部に延設される散水管５８に導かれた冷却水は、凝縮器４７内に噴霧される。この冷却水の温度は、夏期ピーク時において、例えば、３２℃である。このとき、凝縮器４７の底部に滞留する水冷媒液の温度は、例えば、３７℃となっていて、約６．３ｋＰａの飽和水蒸気圧を有し、その出口側から３７℃の冷却水が冷却水ポンプ５３により密閉式冷却塔５９に流送される。
【００３４】
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは、凝縮器４７の底部に滞留している水冷媒液は、連結配管５１から送給される蒸気が凝縮器４７中で連続して凝縮し、滞留部分に水冷媒が供給されるため、ルーツ圧縮機５０で保持しようとする所定の水位以上に滞留水冷媒液位が上昇する。この水頭により、連通路４８を介して余剰の水冷媒液が蒸発器３５へ送られる。本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは膨張弁を排除できており、蒸発器３５及び凝縮器４７の圧力差を、凝縮器４７内及び蒸発器３５内の水位差による水頭差をルーツ圧縮機５０により保持し、冷媒のサイクル循環を実現している。
そして、本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは、制御装置６７によって常時下記のように監視する。
【００３５】
負荷演算部６７ａでは、冷水配管３７の温度計４０，４３及び流量計４２による計測値に基づいて、負荷熱量を演算する。
そして、外気が高温である季節から低温の中間期にかかり、外気湿球温度計６８の温度が所定の温度を下回ると、フリークーリング可能時期のトリガが与えられる。
制御コントロール部６７ｂでは、蒸発器３５内の温度計３６による温度（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７による温度との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し多ければ、図２に示すように、フリークーリング運転に切り替える。
【００３６】
これによって、信号出力部６７ｃは、ルーツ圧縮機５０を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を閉止し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を開放する指令を出す。
制御装置６７は、フリークーリング運転に切り替えた後も、蒸発器３５内の温度計３６の温度計測値（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７の温度計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し続ける。
【００３７】
そして、負荷熱量が多くなり、蒸発器３５内の温度計３６の温度が所定の温度を超えた場合には、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、同時に第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し、ルーツ圧縮機５０を運転した後第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を開放し、同時に第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を閉止し、ルーツ圧縮機５０による冷凍機運転を行わせる。
【００３８】
このように、冷凍機運転と冷却塔フリークーリング運転とを、負荷熱量及びフリークーリング熱量を見ながら切り替えて運転する。
さらに、蒸発器３５内の温度が所定の温度を超えると、強制的に、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、同時に第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し、ルーツ圧縮機５０を運転した後第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を開放し、同時に第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を閉止し、ルーツ圧縮機５０による冷凍機運転を行わせる。
【００３９】
なお、本実施形態において、冷却水量は、例えば、下記のようにして求められる。
密閉式冷却塔５９の熱交換量の調整のため、密閉式冷却塔５９へ入る手前の冷却水往き管５４と、密閉式冷却塔５９から出る冷却水還り管５６との間に、図示しないバイパス管と３方弁（逆動作する２方弁×２でも良い）が設けられていて、温度計５７の温度で３方弁が制御され、フリークーリング運転に切り替わった際には、この図示しないバイパス管に流さないように強制的に３方弁を動作させる。
【００４０】
この場合は、冷却水ポンプ５３の流量は一定なので、流量は固定値となる。
また、図示しないバイパス管と３方弁を設置することを取り止めて、冷却水ポンプ５３を回転数制御する場合は、冷却水ポンプ５３の回転数から演算して冷却水量を求めるか、冷却水還り管５６に流量計を別途設けて計測しても良い。
以上のように、本実施形態によれば、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路が形成できた。
【００４１】
なお、上記実施形態では、ルーツ圧縮機５０をインバータ制御する方式で説明したが、インバータ方式に限らない。
また、負荷４５として、データセンタのサーバ冷却について説明したが、各種の設備冷却水としても良い。
【符号の説明】
【００４２】
３０ 水蒸気圧縮冷凍機
３５ 蒸発器
３６、４０、４３、５７ 温度計
３７ 冷水配管
３８ 冷水往き管
３９ 冷水ポンプ
４１ 冷水還り管
４２ 流量計
４４ 第一の分岐管
４５ 負荷
４６ 第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
４７ 凝縮器
４８ 連通路
４９ 真空ポンプ
５０ ルーツ圧縮機
５１ 連結配管
５２ 冷却水配管
５３ 冷却水ポンプ
５４ 冷却水往き管
５５ 熱交換器コイル
５６ 冷却水還り管
５８、６３ 散水管
５９ 密閉式冷却塔
６１ 冷却水ポンプ
６２ 外部水配管
６４ 第二の分岐管
６５ 第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
６６ 第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
６７ 制御装置
６７ａ 負荷演算部
６７ｂ 制御コントロール部
６７ｃ 信号出力部
６８ 外気湿球温度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリークーリング切替回路を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムに係り、特に、年間を通じて大負荷冷房負荷／冷却負荷を有し、高温の冷水を要求する設備に適した冷凍機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水を冷凍サイクルを形成する冷媒として使用する水蒸気圧縮冷凍機システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、特許文献１では、蒸発器と凝縮器の差圧を位置水頭により確保し、もって膨張弁を排除している。
特許文献１では、中間期、冬期とも冷凍機を運転して冷水を冷凍している。そして、特許文献１では、例えば、冷水を２０℃で取り出し、負荷側で熱交換して２３℃で冷凍機へ戻せるので、あまりに低い冷水温度では、冷却する対象の周囲空気の含有湿分が冷熱熱交換する部位で結露し、その結露水が電子回路などで短絡を引き起こすことを防止するため、高温冷水を要求する半導体製造工場の設備冷却水や、データセンタの通年で非常に密度の高い発熱を発し、且つその発熱を速やかに除去することが要求されるサーバ冷却に使いやすい。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムでは、年中運転すると、折角冷却塔からの冷却水還り管の冷却水が２３℃より低くなっても、ルーツ圧縮機を停止できず、省エネルギー効率が低いという問題がある。
この問題を解決するために、例えば、図３、図４のように、蒸発器１と凝縮器２との間のルーツ圧縮機３による水蒸気搬送管４に、その中間にバイパス制御弁６を設けたバイパス管５を並行に配置し、フリークーリング時にルーツ圧縮機３をバイパスして自然冷媒循環にて冷却塔フリークーリングを実現することが考えられる。
【０００４】
図３、図４の水蒸気圧縮冷凍機システムでは、蒸発器１、凝縮器２、冷水ポンプ７、負荷側連結配管８、負荷側熱交換器９、ルーツ圧縮機３、バイパス管５、バイパス制御弁６、真空ポンプ１０、冷却水往き管１１、冷却水ポンプ１２、冷却水還り管１３、密閉式冷却塔１４、冷却塔冷却水ポンプ１５、冷却塔冷却水配管１６、外気温度計測器１７、連結配管１８などを備えている。ここで、ルーツ圧縮機３が動作する冷凍機運転の場合の蒸発器１や凝縮器２における状態については、特許文献１に記載の通りである。
そして、図３に示すように、外気温度計測器１７で外気温度を計測して（湿球温度で計測するのがさらに望ましい）、所定の温度以上の外気温度の場合には、ＴＩＣ（温度コントローラ）１９からバイパス制御弁６を閉じてルーツ圧縮機３による運転を行う信号が出され、ルーツ圧縮機３による冷凍機運転を行う。
【０００５】
外気温度が低くなってきて、例えば、外気湿球温度が１７℃を下回ってきた場合には、図４に示すように、ＴＩＣ（温度コントローラ）１９からの信号によって、ルーツ圧縮機３を停止してバイパス制御弁６を開くことで、密閉式冷却塔１４により冷却水還り管１３内を搬送する冷却水温度が１９℃まで冷やすことができることとなる。
【０００６】
真空ポンプ１０にて例えば約６．３ｋＰａの飽和水蒸気圧が達成できている凝縮器２の中で、噴霧ノズル２ａから吹き出される１９℃の冷却水により、凝縮器２内の水蒸気が盛んに凝縮されて２０℃の水冷媒液が凝縮器２下方に溜まってくる。そして、図４に示すように、凝縮器２内に次々生じる凝縮水により、真空ポンプ１０の減圧により蒸発器１と凝縮器２とでバランスし、ほぼ同じレベルとなっていた所定のそれぞれの水位が、凝縮器２側で高くなろうとしてしまう。よって、その凝縮器２側の上昇水位が位置ヘッドとなって、蒸発器１と凝縮器２の下部を連通している連結配管１８の中を水が流れ、自然冷媒循環が形成される。蒸発器１には下部に設けた負荷側連結配管８の冷水往き管８ａから２０℃の冷水が継続して供給されるので、充分機能する。
バイパス制御弁６の開度の調整により、冷水出口温度制御がある程度行える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−９７９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図３、図４に示すシステムによる自然冷媒循環フリークーリングでは、負荷が１００ｗ／ｍ2程度の建物であれば何とか賄えるが、１０００ｗ／ｍ2超えの場合もある今日の冷凍設備では追いつかないので、結局ルーツ圧縮機３が動き続けることとなる。
【０００９】
本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路が形成できる水蒸気圧縮冷凍機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の水蒸気圧縮冷凍機システムは、温度計を設ける密閉式の蒸発器と、散水管を内部に設ける密閉式の凝縮器と、蒸発器と凝縮器との冷媒液位のレベル差を確保する圧縮機と、各々が配管で接続される凝縮器、蒸発器、圧縮機及びその間を接続する配管内を３０ｋＰａ以下の真空状態に保持する、凝縮器に接続される配管に設けられた真空ポンプと、を有する、水が冷凍サイクルを形成する冷媒として使用される水蒸気圧縮冷凍機を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムであって、蒸発器の底部と凝縮器の底部とを連結する連通路と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁、冷水ポンプ及び温度計を設け、蒸発器の底部に連結される冷水往き管と、流量計及び温度計を設け、蒸発器の上部に連結される冷水還り管とを有する冷水配管と、冷水往き管及び冷水還り管に連結される熱交換器である負荷と、圧縮機を蒸発器と凝縮器との間に位置させて連結する連結配管と、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び冷却水ポンプを設け、凝縮器の底部に連結される冷却水往き管と、温度計を設け、凝縮器の散水管に連結される冷却水還り管とを有する冷却水配管と、冷却水配管に熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷水配管の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷水ポンプの上流側から分岐し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して凝縮器の底面に連絡する第一の分岐管と、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷却水配管の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷却水ポンプの上流側から分岐し、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して蒸発器の底面に連絡する第二の分岐管と、外部湿球温度計と、外部湿球温度計の計測値が所定の値以上の場合に、圧縮機を駆動し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し冷凍サイクル運転を行わせ、外部湿球温度計の計測値が所定の値以下の場合に、圧縮機を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放してフリークーリング運転を行わせる制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の水蒸気圧縮冷凍機システムは、請求項１記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、制御装置は、冷水往き管の温度計と、冷水還り管の流量計及び温度計とに連絡し、２つの温度計及び流量計から負荷熱量を演算する負荷演算部と、蒸発器の温度計と、冷却水還り管の温度計と、外気湿球温度計とに連絡し、負荷演算部での演算に際し、外気湿球温度計の温度が所定の値以下になると、フリークーリング可能時期のトリガが与えられ、蒸発器の温度計の設定温度値と冷却水還り管の温度計の計測値との差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し、フリークーリング熱量が負荷熱量より多ければフリークーリング運転に切り替える信号を出力する制御コントロール部と、圧縮機と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁とに連絡し、制御コントロール部からの指令に基づいて、フリークーリング運転又は冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する信号出力部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の水蒸気圧縮冷凍機システムは、請求項２記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、制御コントロール部は、負荷演算部での演算に際し、フリークーリング運転に切り替え後も、蒸発器内の温度計計測値と冷却水還り管の温度計計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し続け、負荷熱量が多くなった場合、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、圧縮機を駆動させる冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蒸発器と凝縮器とを、低温水(負荷への供給水）と高温水（冷却塔への供給水）のバッファとしてとらえ、冷却塔で負荷への供給冷水の温度まで冷却できる時期に配管系を切り替えるだけで、冷凍機システム全体を冷却塔フリークーリング設備に簡単に変更できる。
冷却塔で十分に冷水をフリークーリングできる外気湿球温度を、例えば１３℃で切り替えるようにすれば、冷却塔を殊更大型化して容量制御することなく、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路を形成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの冷凍機運転時の状態を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムのフリークーリングのみの運転時の状態を示す構成図である。
【図３】従来の水蒸気圧縮冷凍機システムの冷凍機運転時の状態を示す構成図である。
【図４】従来の水蒸気圧縮冷凍機システムのフリークーリング運転時の状態を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムは、図１、図２に示すように、水を冷凍サイクルを形成する冷媒として使用する密閉式の水冷媒冷凍機である水蒸気圧縮冷凍機３０を有する。
【００１６】
水蒸気圧縮冷凍機３０は、密閉式の蒸発器３５と、この蒸発器３５の近傍位置に膨張弁を介設することなく直接に連通路４８で相互連結することによって配置された密閉式の凝縮器４７と、蒸発器３５と凝縮器４７との相互間を接続する蒸気ダクトである連結配管５１に配設したインバータで制御されるルーツ圧縮機５０と、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を設け、蒸発器３５とサーバ等の負荷（冷却した水の冷熱を間接的に利用する箇所、つまり熱交換器）４５とを繋ぐ冷水配管３７の冷水往き管３８と、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を設け、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５の下流側及び冷水ポンプ３９の上流側から分岐し、凝縮器４７とを繋ぐ第一の分岐管４４と、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を設け、凝縮器４７と密閉式冷却塔５９とを繋ぐ冷却水配管５２の冷却水往き管５４と、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を設け、冷却水配管５２の冷却水往き管５４の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５の下流側及び冷却水ポンプ５３の上流側から分岐し、蒸発器３５とを繋ぐ第二の分岐管６４とを有する。
【００１７】
蒸発器３５は、密閉型に構成され、その内部に入れた蒸発性液体、例えば水を大気圧より低い減圧の状態で蒸発させるものである。蒸発器３５は、冷水溜まり内の水温度を計測する温度計３６を有する。
この蒸発器３５には、冷水往き管３８及び冷水還り管４１を有する冷水配管３７を介して負荷４５が連結されている。
【００１８】
冷水配管３７の冷水往き管３８は、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５、冷水ポンプ３９及び温度計４０を設け、蒸発器３５の底部と負荷４５とに連絡している。また、冷水配管３７の冷水還り管４１は、流量計４２及び温度計４３を設け、負荷４５と蒸発器３５の上部に連絡している。
第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と冷水ポンプ３９との間から第一の分岐管４４が分岐している。第一の分岐管４４には、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６が設けられている。
【００１９】
蒸発器３５の底部には、凝縮器４７の底部と繋ぐ連通路４８が設けられている。この連通路４８は、水蒸気圧縮冷凍機３０を成り立たせるために設けられている連通配管に相当する。
また、蒸発器３５の底部には、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を設けた第二の分岐管６４が設けられている。
【００２０】
蒸発器３５内下部に貯留し蒸発器３５内での蒸発水分による蒸発潜熱により温度が低くなった水は、冷水ポンプ３９にて汲み出されて冷水配管３７の冷水往き管３８を介してサーバ等の負荷４５に送られた後、熱交換器である負荷４５から熱を授与され、冷水配管３７の冷水還り管４１を介して再び蒸発器３５内に噴出して戻される。
凝縮器４７は、密閉型に構成され、蒸発器３５内での蒸発潜熱により周囲の熱を奪って蒸発発生した蒸気を連結配管５１を介して導入し、この蒸気を、噴霧される冷却水水滴表面で発生する気化熱による冷却を行い凝縮するものである。
【００２１】
凝縮器４７の底部には、第一の分岐管４４が設けられている。また、凝縮器４７の底部には、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５、冷却水ポンプ５３を設けた冷却水往き管５４が設けられている。
また、凝縮器４７には、配管４９ａを介して真空ポンプ４９が接続されている。
真空ポンプ４９は、凝縮器４７内の空気、つまり凝縮器４７に空間として繋がっている連通路４８、連結配管５１及び蒸発器３５と、さらに凝縮器４７と蒸発器３５に接続されたその他の配管内の空気を排出し、それらの空間内の空気圧力を少なくとも３０ｋＰａ以下の真空状態とし、例えば、水の３７℃飽和蒸気圧である６．３ｋＰａ程度の圧力値として凝縮器４７内を真空状態とする。
【００２２】
ルーツ圧縮機５０は、蒸発器３５と凝縮器４７とを相互に連結する連結配管５１に連結されている。ルーツ圧縮機５０は、レベル的に併設された蒸発器３５と凝縮器４６との冷媒液位のレベル差△Ｌを確保するだけの圧力差を、真空状態において保持できるだけの能力を有している。ルーツ圧縮機５０は、例えば、ルーツポンプであり、このルーツポンプはいわゆる真空用のブースタポンプであって、例えば、楕円形のシリンダ内に同形のまゆ型断面形状を有する２つのロータを互いに９０°位相をずらせて隣接配置し、各ロータは互いに当速度で回転する。この２つのロータとシリンダとの間に閉じこめられた水蒸気を吸気口から排気口側つまり凝縮器４７側に送流する。そして、２つのロータの回転制御はルーツポンプの軸端に接続されたタイミングギヤによって行ない、駆動軸の他端は軸封部を介して大気中に出しモータによって駆動される。そして、このルーツポンプの特徴点は、シリンダ内に摺動部がなく動力損が少なく高速回転が可能となると共に良好な排気特性が得られることにある。
【００２３】
なお、本実施形態に係る水蒸気冷凍機システムは、蒸発器３５の出口冷水温度は２０℃程度の高温が最適ではあるが、そうでなくとも、冷凍機システムの内部真空度を高くし、蒸発器３５と凝縮器４６との水位差を大きく取る必要があり装置が大がかりになるができなくはない。しかし、冷却塔による年間を通した冷却水の冷却温度から、装置のコストパフォーマンス上有利なのは、例えば、負荷４５の入口２０℃、出口２３℃である温度差３℃であれば、蒸発器３５と凝縮器４７との水位差ΔＬが現実的な数十センチとなる。具体的には、真空ポンプ４９によって、凝縮器４７の凝縮圧力値６．３ｋＰａになるように真空引きし、蒸発器３５の蒸発圧力値１．７ｋＰａになるようにルーツ圧縮機５０で圧縮すると、差圧が４．６ｋＰａで４７ｃｍの水位差ΔＬで冷凍サイクルが成立する。このときに、ルーツ圧縮機５０の圧縮比は、２．２あればよい。
なお、凝縮器４６内の圧力値を夏外気の湿球温度から、負荷４５の入口出口冷水温度は、出口冷水温度では凝縮器内圧力基準とした温度から、入口冷水温度は水位差で規定できる差圧から、それぞれ成り立つよう設計すれば、異なる温度系の冷凍機システムができのはいうまでもない。以下には、上記の負荷入口２０℃、出口２３℃の冷水条件での数値を示していく。
【００２４】
冷却水配管５１は、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５、冷却水ポンプ５３を設けた冷却水往き管５４と、温度計５７を設けた冷却水還り管５６と、冷却水往き管５４と冷却水還り管５６とを繋ぐ熱交換器コイル５５とを有する。冷却水還り管５６は、凝縮器４７内に設けた散水管５８に連絡している。熱交換器コイル５５は、密閉式冷却塔５９に内蔵されている。
【００２５】
密閉式冷却塔５９は、熱交換器コイル５５に散水管６３から循環水を散布して冷却するために、冷却水ポンプ６１を設け、下部水槽６０と散水管６３とを連結する外部水配管６２を設けている。
密閉式冷却塔５９では、凝縮器４７で温まった冷却水を冷却水往き管５３から密閉式冷却塔５８内蔵の熱交換器コイル５５を経て冷却した後、冷却水還り管５６を介して凝縮器４７内に導き、その上部に散水管５８より噴出することにより、連結配管５１を介して導入される蒸気を、散水管５８から噴出される冷たい冷却水水滴上で冷却凝縮し、この凝縮にて温度が上昇して凝縮器４７内の底に溜まった冷却水を、冷却水往き管５４を介して再び密閉式冷却塔５９へ送る循環を行うように構成されている。
【００２６】
冷却水往き管５４の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と冷却水ポンプ５３との間から第二の分岐管６４が分岐している。第二の分岐管６４には、第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６が設けられている。
【００２７】
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの運転を制御する制御装置６７は、負荷演算部６７ａと、制御コントロール部６７ｂと、信号出力部６７ｃとを有する。
負荷演算部６８ａには、冷水配管３７の冷水往き管３８の温度計４０と、冷水配管３７の冷水還り管４１の流量計４２及び温度計４３が連絡している。負荷演算部６７ａでは、温度計４０，４３及び流量計４２の計測値から負荷熱量を演算する。
【００２８】
制御コントロール部６７ｂには、蒸発器３５の温度計３６と、冷却水配管５１の冷却水還り管５６の温度計５７と、フリークーリングの冷却能力を司る外気湿球温度計６８とに連絡している。
制御コントロール部６７ｂでは、負荷演算部６７ａでの演算に際し、外気が高温である季節から低温の中間期にかかってくると、外気湿球温度計６８の温度が所定の温度を下回り、フリークーリング可能時期のトリガが与えられる。そして、蒸発器３５の温度計３６の温度（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７の温度との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し多ければフリークーリング運転に切り替える出力信号を信号出力部６７ｃへ送る。
【００２９】
信号出力部６７ｃには、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の分岐管４４の第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６と、冷却水配管５２の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と、第二の分岐管６４の第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６とに連絡している。信号出力部６７ｃでは、制御コントロール部６７ｂからの指令に基づいて、冷水配管３７の冷水往き管３８の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の分岐管４４の第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６と、冷却水配管５２の第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５と、第二の分岐管６４の第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６とにフリークーリング運転に切り替える信号を出力する。
【００３０】
次に、本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムの作用を説明する。
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムは、図１に示すように、膨張弁を排除しており、蒸発器３５、ルーツ圧縮機５０、凝縮器４７、冷却塔５９及び負荷側の冷水配管３７を密閉式として接続し、この内部を真空状態にし、ルーツ圧縮機５０を運転することで蒸発器３５内の水蒸気が蒸発し、蒸発器３５内の温度を低下させる。
【００３１】
次に、ルーツ圧縮機５０によってその水蒸気を圧縮した後、水蒸気は高温となって凝縮器４７に導かれる。凝縮器４７では、冷却塔５９からの冷却水によって凝縮され、再び水に戻る。高温水蒸気の凝縮によって昇温された冷却水は、冷却塔５９に送られ、その熱を冷却塔５９により外部へ放熱する。凝縮器４７内の凝縮水は、凝縮器４７と蒸発器３５とを連結した連通路４８により蒸発器３５へ戻り、両容器の圧力差に相当する水位差ΔＬを維持する。
【００３２】
本実施形態において、水蒸気は、蒸発器３５から連結配管５１内を流送し、ルーツ圧縮機５０に流れ、さらに、凝縮器４７に流れ込む。そして、蒸発時に蒸発器３５の水を冷却し、冷水を製造する。蒸発器３５の出口側は冷水温度が例えば２０℃であり、冷水は冷水ポンプ３９によりサーバ等の負荷４５の入力側に流送される。そこで、負荷４５の出口側から例えば２３℃の冷水を放出し、蒸発器３５内に例えば２３℃の冷水として戻される。
【００３３】
密閉式冷却塔５９は、冷却水配管５２に熱交換器コイル５５の水側が接続されており、この冷却水配管５２により供給される冷却水は熱交換器コイル５５内を流れ密閉式冷却塔５９内の空気とは接触せず、コイル壁を通して冷却される。そして、凝縮器４７の上部入口側から内部に延設される散水管５８に導かれた冷却水は、凝縮器４７内に噴霧される。この冷却水の温度は、夏期ピーク時において、例えば、３２℃である。このとき、凝縮器４７の底部に滞留する水冷媒液の温度は、例えば、３７℃となっていて、約６．３ｋＰａの飽和水蒸気圧を有し、その出口側から３７℃の冷却水が冷却水ポンプ５３により密閉式冷却塔５９に流送される。
【００３４】
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは、凝縮器４７の底部に滞留している水冷媒液は、連結配管５１から送給される蒸気が凝縮器４７中で連続して凝縮し、滞留部分に水冷媒が供給されるため、ルーツ圧縮機５０で保持しようとする所定の水位以上に滞留水冷媒液位が上昇する。この水頭により、連通路４８を介して余剰の水冷媒液が蒸発器３５へ送られる。本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは膨張弁を排除できており、蒸発器３５及び凝縮器４７の圧力差を、凝縮器４７内及び蒸発器３５内の水位差による水頭差をルーツ圧縮機５０により保持し、冷媒のサイクル循環を実現している。
そして、本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムでは、制御装置６７によって常時下記のように監視する。
【００３５】
負荷演算部６７ａでは、冷水配管３７の温度計４０，４３及び流量計４２による計測値に基づいて、負荷熱量を演算する。
そして、外気が高温である季節から低温の中間期にかかり、外気湿球温度計６８の温度が所定の温度を下回ると、フリークーリング可能時期のトリガが与えられる。
制御コントロール部６７ｂでは、蒸発器３５内の温度計３６による温度（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７による温度との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し多ければ、図２に示すように、フリークーリング運転に切り替える。
【００３６】
これによって、信号出力部６７ｃは、ルーツ圧縮機５０を停止し、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を閉止し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を開放する指令を出す。
制御装置６７は、フリークーリング運転に切り替えた後も、蒸発器３５内の温度計３６の温度計測値（２０℃で制御）と冷却水還り管５６の温度計５７の温度計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、負荷熱量と比較し続ける。
【００３７】
そして、負荷熱量が多くなり、蒸発器３５内の温度計３６の温度が所定の温度を超えた場合には、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、同時に第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し、ルーツ圧縮機５０を運転した後第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を開放し、同時に第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を閉止し、ルーツ圧縮機５０による冷凍機運転を行わせる。
【００３８】
このように、冷凍機運転と冷却塔フリークーリング運転とを、負荷熱量及びフリークーリング熱量を見ながら切り替えて運転する。
さらに、蒸発器３５内の温度が所定の温度を超えると、強制的に、第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６５を開放し、同時に第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６を閉止し、ルーツ圧縮機５０を運転した後第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４５を開放し、同時に第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４６を閉止し、ルーツ圧縮機５０による冷凍機運転を行わせる。
【００３９】
なお、本実施形態において、冷却水量は、例えば、下記のようにして求められる。
密閉式冷却塔５９の熱交換量の調整のため、密閉式冷却塔５９へ入る手前の冷却水往き管５４と、密閉式冷却塔５９から出る冷却水還り管５６との間に、図示しないバイパス管と３方弁（逆動作する２方弁×２でも良い）が設けられていて、温度計５７の温度で３方弁が制御され、フリークーリング運転に切り替わった際には、この図示しないバイパス管に流さないように強制的に３方弁を動作させる。
【００４０】
この場合は、冷却水ポンプ５３の流量は一定なので、流量は固定値となる。
また、図示しないバイパス管と３方弁を設置することを取り止めて、冷却水ポンプ５３を回転数制御する場合は、冷却水ポンプ５３の回転数から演算して冷却水量を求めるか、冷却水還り管５６に流量計を別途設けて計測しても良い。
以上のように、本実施形態によれば、１０００ｗ／ｍ2超えのような大負荷の高温冷却負荷にも充分対応できる冷却塔フリークーリング回路が形成できた。
【００４１】
なお、上記実施形態では、ルーツ圧縮機５０をインバータ制御する方式で説明したが、インバータ方式に限らない。
また、負荷４５として、データセンタのサーバ冷却について説明したが、各種の設備冷却水としても良い。
【符号の説明】
【００４２】
３０ 水蒸気圧縮冷凍機
３５ 蒸発器
３６、４０、４３、５７ 温度計
３７ 冷水配管
３８ 冷水往き管
３９ 冷水ポンプ
４１ 冷水還り管
４２ 流量計
４４ 第一の分岐管
４５ 負荷
４６ 第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
４７ 凝縮器
４８ 連通路
４９ 真空ポンプ
５０ ルーツ圧縮機
５１ 連結配管
５２ 冷却水配管
５３ 冷却水ポンプ
５４ 冷却水往き管
５５ 熱交換器コイル
５６ 冷却水還り管
５８、６３ 散水管
５９ 密閉式冷却塔
６１ 冷却水ポンプ
６２ 外部水配管
６４ 第二の分岐管
６５ 第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
６６ 第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁
６７ 制御装置
６７ａ 負荷演算部
６７ｂ 制御コントロール部
６７ｃ 信号出力部
６８ 外気湿球温度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度計を設ける密閉式の蒸発器と、散水管を内部に設ける密閉式の凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との冷媒液位のレベル差を確保する圧縮機と、各々が配管で接続される前記凝縮器、前記蒸発器、前記圧縮機及びその間を接続する配管内を３０ｋＰａ以下の真空状態に保持する、前記凝縮器に接続される配管に設けられた真空ポンプと、を有する、水が冷凍サイクルを形成する冷媒として使用される水蒸気圧縮冷凍機を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムであって、
前記蒸発器の底部と前記凝縮器の底部とを連結する連通路と、
第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁、冷水ポンプ及び温度計を設け、前記蒸発器の底部に連結される冷水往き管と、流量計及び温度計を設け、前記蒸発器の上部に連結される冷水還り管とを有する冷水配管と、
前記冷水往き管及び前記冷水還り管に連結される熱交換器である負荷と、
前記圧縮機を前記蒸発器と前記凝縮器との間に位置させて連結する連結配管と、
第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び冷却水ポンプを設け、前記凝縮器の底部に連結される冷却水往き管と、温度計を設け、前記凝縮器の散水管に連結される冷却水還り管とを有する冷却水配管と、
前記冷却水配管に前記熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、
第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記冷水配管の前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷水ポンプの上流側から分岐し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して前記凝縮器の底面に連絡する第一の分岐管と、
第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記冷却水配管の前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷却水ポンプの上流側から分岐し、前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して前記蒸発器の底面に連絡する第二の分岐管と、
外部湿球温度計と、
前記外部湿球温度計の計測値が所定の値以上の場合に、前記圧縮機を駆動し、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し前記冷凍サイクル運転を行わせ、
前記外部湿球温度計の計測値が所定の値以下の場合に、前記圧縮機を停止し、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放してフリークーリング運転を行わせる制御装置と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、
前記制御装置は、
前記冷水往き管の温度計と、前記冷水還り管の流量計及び温度計とに連絡し、２つの前記温度計及び前記流量計から負荷熱量を演算する負荷演算部と、
前記蒸発器の温度計と、前記冷却水還り管の温度計と、前記外気湿球温度計とに連絡し、前記負荷演算部での演算に際し、前記外気湿球温度計の温度が所定の値以下になると、前記フリークーリング可能時期のトリガが与えられ、前記蒸発器の温度計の設定温度値と前記冷却水還り管の温度計の計測値との差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、前記負荷熱量と比較し、前記フリークーリング熱量が前記負荷熱量より多ければフリークーリング運転に切り替える信号を出力する制御コントロール部と、
前記圧縮機と、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁とに連絡し、前記制御コントロール部からの指令に基づいて、前記フリークーリング運転又は前記冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する信号出力部と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【請求項３】
請求項２に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、
前記制御コントロール部は、
前記負荷演算部での演算に際し、前記フリークーリング運転に切り替え後も、前記蒸発器内の温度計計測値と前記冷却水還り管の温度計計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、前記負荷熱量と比較し続け、前記負荷熱量が多くなった場合、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、前記圧縮機を駆動させる前記冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【請求項１】
温度計を設ける密閉式の蒸発器と、散水管を内部に設ける密閉式の凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器との冷媒液位のレベル差を確保する圧縮機と、各々が配管で接続される前記凝縮器、前記蒸発器、前記圧縮機及びその間を接続する配管内を３０ｋＰａ以下の真空状態に保持する、前記凝縮器に接続される配管に設けられた真空ポンプと、を有する、水が冷凍サイクルを形成する冷媒として使用される水蒸気圧縮冷凍機を備えた水蒸気圧縮冷凍機システムであって、
前記蒸発器の底部と前記凝縮器の底部とを連結する連通路と、
第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁、冷水ポンプ及び温度計を設け、前記蒸発器の底部に連結される冷水往き管と、流量計及び温度計を設け、前記蒸発器の上部に連結される冷水還り管とを有する冷水配管と、
前記冷水往き管及び前記冷水還り管に連結される熱交換器である負荷と、
前記圧縮機を前記蒸発器と前記凝縮器との間に位置させて連結する連結配管と、
第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び冷却水ポンプを設け、前記凝縮器の底部に連結される冷却水往き管と、温度計を設け、前記凝縮器の散水管に連結される冷却水還り管とを有する冷却水配管と、
前記冷却水配管に前記熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、
第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記冷水配管の前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷水ポンプの上流側から分岐し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して前記凝縮器の底面に連絡する第一の分岐管と、
第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記冷却水配管の前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁の下流部で冷却水ポンプの上流側から分岐し、前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を介して前記蒸発器の底面に連絡する第二の分岐管と、
外部湿球温度計と、
前記外部湿球温度計の計測値が所定の値以上の場合に、前記圧縮機を駆動し、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し前記冷凍サイクル運転を行わせ、
前記外部湿球温度計の計測値が所定の値以下の場合に、前記圧縮機を停止し、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放してフリークーリング運転を行わせる制御装置と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、
前記制御装置は、
前記冷水往き管の温度計と、前記冷水還り管の流量計及び温度計とに連絡し、２つの前記温度計及び前記流量計から負荷熱量を演算する負荷演算部と、
前記蒸発器の温度計と、前記冷却水還り管の温度計と、前記外気湿球温度計とに連絡し、前記負荷演算部での演算に際し、前記外気湿球温度計の温度が所定の値以下になると、前記フリークーリング可能時期のトリガが与えられ、前記蒸発器の温度計の設定温度値と前記冷却水還り管の温度計の計測値との差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、前記負荷熱量と比較し、前記フリークーリング熱量が前記負荷熱量より多ければフリークーリング運転に切り替える信号を出力する制御コントロール部と、
前記圧縮機と、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁とに連絡し、前記制御コントロール部からの指令に基づいて、前記フリークーリング運転又は前記冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する信号出力部と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【請求項３】
請求項２に記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、
前記制御コントロール部は、
前記負荷演算部での演算に際し、前記フリークーリング運転に切り替え後も、前記蒸発器内の温度計計測値と前記冷却水還り管の温度計計測値との温度差、及び冷却水量からフリークーリング熱量を演算し、前記負荷熱量と比較し続け、前記負荷熱量が多くなった場合、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第三のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開放し、前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第四のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止し、前記圧縮機を駆動させる前記冷凍サイクル運転を行わせる信号を出力する
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２３０２６６（Ｐ２０１０−２３０２６６Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７９７１６（Ｐ２００９−７９７１６）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００１８３４）三機工業株式会社 (316)
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００１８３４）三機工業株式会社 (316)
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