JP2014009867A - 冷却システム及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空調を効率的に行う冷却システム及び冷却方法を提供する。
【解決手段】蒸発器６１ｂ，６２ｂと、蒸発器６１ｂ，６２ｂよりも上方に配置され、冷水との熱交換によって冷媒を凝縮させる水冷凝縮器５０と、水冷凝縮器５０に供給する冷水の流量を調整する冷水流量調整弁４０と、蒸発器６１ｂ，６２ｂよりも上方に配置され外気との熱交換によって冷媒を凝縮させる冷媒冷却塔７０と、冷媒冷却塔７０に設置され、前記外気を送風する送風機７１と、水冷凝縮器５０及び／又は前記冷媒冷却塔７０で凝縮した冷媒の温度を検出する冷媒液温度センサ９０と、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒温度に応じて、冷水流量調整弁４０の開度、及び、送風機７１が有するモータの回転速度のうち少なくともいずれかを変更する制御手段１０３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却システム及び冷却方法に関する。

近年、情報処理技術の向上やインターネット環境の発達に伴って、必要とされる情報処理量が増加しており、各種の情報を大量に処理するためのデータ処理センタがビジネスとして脚光を浴びている。例えば、データ処理センタのサーバルームには、電子機器が集約された状態で多数設置され、昼夜にわたって連続稼動している。

ちなみに、サーバルームにおける電子機器の設置方式として、ラックマウント方式が主流になっている。ラックマウント方式は、電子機器を機能単位別に分割して収納するラック（筐体）をキャビネットに段積みする方式であり、かかるキャビネットがサーバルームの床上に多数配列されている。

なお、電子機器が高温状態に置かれるとシステム停止などのトラブルを引き起こす可能性が高くなるため、電子機器の環境温度を所定値以下に抑える必要がある。また、電子機器の処理能力が急速に向上してきており、電子機器からの発熱量は増加の一途をたどっている。
したがって、サーバルーム内を冷房するのに必要な空調動力が大幅に増加しているのが実情であり、企業経営におけるコスト削減の観点のみならず、地球環境の保全の観点からも空調動力の削減が急務となっている。

例えば、特許文献１には、後部カバーと、前部カバーと、側面取付式の冷却空気サブフレームと、を電子機器に設置した冷却装置について記載されている。また、冷却空気サブフレーム内にファン及び熱交換器を設けることにより、電子機器を介して閉ループで冷風を流すことが記載されている。
また、特許文献２には、電子機器収納用ラックの内部に搭載される蒸発器で吸熱することで電子機器を冷却し、電子機器収納用ラックの背面に搭載される水冷凝縮器から後方又は上方に向けて排熱することが記載されている。
また、特許文献３には、冷媒を水冷凝縮器と冷房用熱交換器（蒸発器）との間で自然循環させ、冷房用熱交換器を通流する冷媒の気化潜熱によって冷房を行う冷房システムについて記載されている。

特表２００６−５０７６７６号公報 特開２００４−２３２９２７号公報 特開２００７−１２７３１５号公報

特許文献１，２に記載の技術では、冷却装置を電子機器に設置することで冷房をアシストできるものの、冷却装置によって空調動力が消費されるため、省エネの観点から考えると改善の余地がある。
また、特許文献３に記載の技術では、冷媒を自然循環させるものの、水冷凝縮器を通流する冷媒ガスに冷熱を供給するのは氷蓄冷槽からの低温液体に限られる。したがって、省エネ性をさらに改善する余地がある。

そこで、本発明は、空調を効率的に行う冷却システム及び冷却方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度に応じて、冷水流量調整弁の開度、及び、送風機が有するモータの回転速度のうち少なくともいずれかを変更する制御手段を備えることを特徴とする。

本発明により、空調を効率的に行う冷却システム及び冷却方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る冷却システムの構成図である。 （ａ）は、制御パラメータと冷媒冷却塔での送風量との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、制御パラメータと水冷凝縮器に供給される冷水流量との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る冷却システムの動作の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る冷却システムの構成図である。

以下、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

≪第１実施形態≫
＜冷却システムの構成＞
図１は、本実施形態に係る冷却システムの構成図である。図１に示すように、冷却システム１００は、一次側システム１０１と、二次側システム１０２と、制御装置１０３と、を備えている。

（１．一次側システム）
一次側システム１０１は、熱源機１０と、蓄冷槽２０と、冷水ポンプ３０と、冷水流量調整弁４０と、水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１と、備えている。
熱源機１０は、例えばターボ冷凍機であり、蓄冷槽２０に冷熱を供給するものである。熱源機１０では、圧縮機（図示せず）と、凝縮器（図示せず）と、膨張弁（図示せず）と、蒸発器（図示せず）と、が配管を介して順次接続され、周知の冷凍サイクルで冷媒を循環させている。そして、配管ａ１を介して蓄冷槽２０から流入する水を、前記蒸発器の冷媒と熱交換させることで冷やし、配管ａ２を介して蓄冷槽２０に戻すことで、蓄冷槽２０に貯留されている冷水を所定温度で維持している。

ちなみに、熱源機１０は、冷凍サイクルを用いたターボ冷凍機に限らない。例えば、吸収式の熱源機、吸着式の熱源機、熱電子式の熱源機を用いてもよい。また、熱源機１０は、安価な夜間電力を用いて駆動させることが好ましい。

蓄冷槽２０は、所定量の冷水を貯留するものである。蓄冷槽２０は、配管ａ３を介して冷水ポンプ３０の吸入側に接続され、配管ａ７を介して水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１に接続されている。
冷水ポンプ３０は、蓄冷槽２０から水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１に向けて所定流量の冷水を圧送するポンプである。すなわち、冷水ポンプ３０を駆動することによって、配管ａ３を介して蓄冷槽２０から冷水が吸引され、配管ａ４、冷水流量調整弁４０、及び配管ａ５を介して水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１に冷水が供給される。なお、冷水流量調整弁４０の開度に応じた流量の冷水が、配管ａ６に分流する。

冷水流量調整弁４０は、水冷凝縮器５０に供給する冷水の流量を調整する三方弁である。冷水流量調整弁４０は、配管ａ４を介して冷水ポンプ３０の吐出側に接続され、配管ａ５を介して水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１に接続され、配管ａ６，ａ７を介して蓄冷槽２０及び一次側伝熱管ｈ１に接続されている。なお、配管ａ６は、水冷凝縮器５０を跨ぐように、一端が冷水流量調整弁４０に接続され、他端が配管ａ７に接続されている。
冷水流量調整弁４０は、制御装置１０３からの指令に従って開度を調整し、配管ａ４から流入する冷水を、前記開度に応じた分流比で配管ａ５，ａ６に分流させる。つまり、冷水流量調整弁４０の開度に応じた流量の冷水が、配管ａ５を介して水冷凝縮器５０の一次側伝熱管ｈ１に供給される。

水冷凝縮器５０は、蒸発器６１ｂ，６２ｂから二次側伝熱管ｈ２に流入する冷媒ガスを、一次側伝熱管ｈ１を通流する冷水で冷やして凝縮するものである。水冷凝縮器５０は、冷媒冷却塔７０と並列に接続され、冷却装置６１，６２よりも上方に配置されている。
水冷凝縮器５０は、一次側伝熱管ｈ１と、二次側伝熱管ｈ２と、を有している。一次側伝熱管ｈ１の一端（冷水の流入口）は配管ａ５に接続され、他端（冷水の流出口）は配管ａ７に接続されている。
一方、二次側伝熱管ｈ２の一端（冷媒の流入口Ａ）は配管ｂ４に接続され、他端（冷媒の流出口Ｂ）は配管ｂ５に接続されている。ちなみに、二次側伝熱管ｈ２において、冷媒の流入口Ａは、冷媒の流出口Ｂよりも上方に配置されている。これによって、伝熱管ｈ２を通流する冷媒ガスが凝縮して冷媒液となった際、この冷媒液を重力により下降させて流出口Ｂに導くことができる。

また、一次側伝熱管ｈ１と二次側伝熱管ｈ２とは互いに接触するように（又は伝熱フィンを介して）配置される。これによって、一次側伝熱管ｈ１を通流する冷水と、二次側伝熱管ｈ２を通流する冷媒との間で熱交換を効率よく行うことができる。
なお、水冷凝縮器５０は、冷媒を自然循環させるために冷却装置６１，６２よりも上方（例えば、建物の屋上など）に設置されている。なお、冷媒の自然循環については、後記する。

（２．二次側システム）
二次側システム１０２は、冷却装置６１，６２と、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２と、冷媒冷却塔７０と、インバータ８０と、冷媒液温度センサ９０と、を備えている。
なお、二次側システム１０２は圧縮機や膨張弁を備えておらず、蒸発器６１ｂ，６２ｂで蒸発した冷媒（冷媒ガス）が上昇し、水冷凝縮器５０や冷媒冷却塔７０で凝縮した冷媒（冷媒液）が重力により下降することで循環する自然循環サイクルとなっている。

冷却装置６１は、例えば、電子機器（サーバなど）が設置される空間（被空調空間）に冷風を送り込んで室内空気を冷却するものであり、ファン６１ａと、蒸発器６１ｂと、を有している。
なお、冷却装置６１は、水冷凝縮器５０及び冷媒冷却塔７０よりも下方に設置されている。

前記したように、被空調空間の空気は、電子機器からの放熱で比較的高温になっている。ファン６１ａは、所定回転速度で回転することによって室内の高温空気を取り込み、伝熱管ｈ３に向けて吹き出す。
蒸発器６１ｂは伝熱管ｈ３を有している。伝熱管ｈ３の一端（冷媒の流入口）は配管ｂ９に接続され、他端（冷媒の流出口）は配管ｂ１に接続されている。蒸発器６１ｂは、伝熱管ｈ３を通流する低温の冷媒液と、ファン６１ａから吹き出される高温空気と、の間で熱交換を行う。

冷却装置６２は、前記した冷却装置６１と同様の構成を備えている。また、冷却装置６２は、水冷凝縮器５０及び冷媒冷却塔７０よりも下方に設置され、冷却装置６１と並列に接続されている。ちなみに、冷却装置６１と冷却装置６２とは、同じ高さに設置してもよいし、互いに異なる高さ（階）に設置してもよい。
なお、冷却装置６２の構成は、前記した冷却装置６１と同様であるから説明を省略する。

水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２には、冷却装置６１，６２から配管ｂ３，ｂ４を介して冷媒ガスが流入し、伝熱管ｈ１を通流する冷水と熱交換する。当該熱交換によって冷媒ガスは凝縮して冷媒液となり、配管ｂ５，ｂ８を介して下降し、蒸発器６１ｂ，６２ｂに戻る。

冷媒冷却塔７０は、伝熱管ｈ５と、送風機７１と、散水ポンプ７２と、を備え、冷媒ガスが通流する伝熱管ｈ５に外気を送風することで冷媒ガスと外気とを熱交換させ、冷媒ガスを凝縮させるものである。
なお、冷媒冷却塔７０は、冷媒冷却塔７０と蒸発器６１ｂ，６２ｂとの間で、冷媒を自然循環させるため、冷却装置６１，６２よりも上方（例えば、建物の屋上）に設置されている。

また、冷媒冷却塔７０は、水冷凝縮器５０と同じ高さに設置されることが好ましい。これによって、配管ｂ３を介して上昇してくる冷媒ガスを、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２内の圧力と、冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５内の圧力と、に応じて適切に分流させることができる（詳細については、後記する）。

冷媒冷却塔７０は、内部に伝熱管ｈ５が配置され、伝熱管ｈ５よりも上方に送風機７１が設置されている。
また、伝熱管ｈ５の一端（冷媒の流入口Ｃ）は配管ｂ６に接続され、他端（冷媒の流出口Ｄ）は配管ｂ７に接続されている。ちなみに、伝熱管ｈ５において、冷媒の流入口Ｃは、冷媒の流出口Ｄよりも上方に配置されている。これによって、伝熱管ｈ５を通流する冷媒ガスが凝縮して冷媒液となった際、この冷媒液を重力により下降させて流出口Ｄに導くことができる。

送風機７１は、冷媒が通流する伝熱管ｈ５に向けて外気を送り込むものであり、伝熱管ｈ５よりも上方（又は側方）に設置されている。なお、送風機７１を回転させるモータ（図示せず）は、後記するインバータ８０によって駆動される。

散水ポンプ７２は、冷媒冷却塔７０の下部に一時的に貯留される水を、配管ｃ１を介して吸引し、配管ｃ２を介して圧送する（上昇させる）ポンプである。なお、配管ｃ２の下流側は、送風機７１と伝熱管ｈ５との間に介在するように配置され、配管ｃ２の下側に設けられた孔（図示せず）から伝熱管ｈ５に向けて散水するようになっている。
つまり、冷媒冷却塔７０では、送風機７１によって送り込まれる外気と、伝熱管ｈ５を通流する冷媒とを熱交換させ、散水ポンプ７２によって汲み上げられた水を伝熱管ｈ５に散水することで前記熱交換を促進させている。
なお、散水ポンプ７２は、送風機７１と共に駆動又は停止される。

インバータ８０は、送風機７１が備えるモータ（図示せず）に制御装置１０３から入力される指令信号に応じた所定周波数の交流電力を供給するものである。なお、商用電源（図示せず）からの交流電力をコンバータ（図示せず）でいったん直流電力に変換し、当該直流電力がインバータ８０に入力される。
インバータ８０は、前記直流電力を、制御装置１０３からの指令信号に応じた周波数の交流電力に変換し、送風機７１の前記モータに出力する。これによって、送風機７１は、前記指令信号に応じた回転速度で回転し、伝熱管ｈ５に向けて外気を送風する。

冷媒液温度センサ９０（冷媒温度検出手段）は、水冷凝縮器５０及び／又は冷媒冷却塔７０で凝縮され、配管ｂ８を介して蒸発器６１ｂ，６２ｂに戻る冷媒液の温度を検出するセンサである。冷媒液温度センサ９０は、検出した冷媒液の温度を時々刻々と制御装置１０３に出力している。

（３．制御装置）
制御装置１０３（制御手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェースを含む電子回路で構成される。
制御装置１０３は、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度に応じて、冷水流量調整弁４０の開度、及び、送風機７１が有するモータ（図示せず）の回転速度のうち少なくともいずれかを変更する。これによって、空調設定温度に応じた所定温度の空気が冷却装置６１，６２から吹き出される。
なお、制御装置１０３が行う処理の詳細については後記する。

＜冷媒の循環＞
冷水流量調整弁４０を介して所定流量の冷水が水冷凝縮器５０に供給され、送風機７１が駆動することによって所定流量の空気が送風されている場合の冷媒の循環について説明する。
なお、以下の説明において、冷水ポンプ３０のモータ（図示せず）と、散水ポンプ７２のモータ（図示せず）と、ファン６１ａ，６２ａのモータ（図示せず）とは、所定回転速度（固定値）で駆動しているものとする。

冷却装置６１において、ファン６１ａから室内（被空調空間）の高温空気が送風されると、蒸発器６１ｂの伝熱管ｈ３を通流する冷媒液は、この高温空気と熱交換（吸熱）して蒸発し、冷媒ガスになる。このとき、ファン６１ａから送風された高温空気は冷媒に放熱することで冷却され、所定温度の冷温空気となって送風される。
一方、伝熱管ｈ３から流出した冷媒ガスは密度が小さいため、配管ｂ１を介して上昇する。また、冷却装置６２においても前記と同様の変化が生じ、配管ｂ２を介して冷媒ガスが上昇する。

そして、配管ｂ１を通流する冷媒ガスと、配管ｂ２を通流する冷媒ガスとが合流し、配管ｂ３を介して上昇し、接続箇所Ｅで分流する。なお、配管ｂ４を介して水冷凝縮器５０に向かう冷媒ガスと、配管ｂ６を介して冷媒冷却塔７０に向かう冷媒ガスとの分流比は、水冷凝縮器５０側で凝縮する冷媒量と、冷媒冷却塔７０側で凝縮する冷媒量と、の比に応じた値になる。

例えば、冷媒冷却塔７０側で凝縮する冷媒量が、水冷凝縮器５０側で凝縮する冷媒量よりも多い場合、冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５内は、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２内よりも低圧になる。したがって、配管ｂ４を介して水冷凝縮器５０に向かう冷媒ガスの流量よりも、配管ｂ６を介して冷媒冷却塔７０に向かう冷媒ガスの流量のほうが多くなる。
このように、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０のうち冷却能力の高いほうに、より多くの冷媒ガスが流入する。ちなみに、水冷凝縮器５０の冷却能力は冷水流量調整弁４０の開度に応じて変化し、冷媒冷却塔７０の冷却能力は送風機７１の回転速度に応じて変化する。

接続箇所Ｅで分流し、配管ｂ４を介して二次側伝熱管ｈ２に流入した冷媒ガスは、一次側伝熱管ｈ１を通流する冷水と熱交換（放熱）して凝縮し、冷媒液になる。当該冷媒液は密度が大きいため、重力により伝熱管ｈ２及び配管ｂ５を下降し、接続箇所Ｆに向かう。
一方、接続箇所Ｅで分流し、配管ｂ６を介して伝熱管ｈ５に流入した冷媒ガスは、送風機７１から送風される外気、及び、配管ｃ２の下流側から散水される水と熱交換（放熱）して凝縮し、冷媒液になる。当該冷媒液は、重力により伝熱管ｈ５及び配管ｂ７を下降し、接続箇所Ｆに向かう。

そして、配管ｂ５から流入する冷媒液と、配管ｂ７から流入する冷媒液とが接続箇所Ｆで合流し、配管ｂ８,ｂ９を介して重力により下降し、冷却装置６１の伝熱管ｈ３に流入する。同様に、冷媒液が配管ｂ８，ｂ１０を介して重力により下降し、冷却装置６２の伝熱管ｈ４に流入する。
このように、二次側システム１０２の冷媒は、相転移を繰り返しつつ、冷却装置６１，６２と、水冷凝縮器５０・冷媒冷却塔７０との間を自然循環する。

＜冷却システムの動作＞
次に、制御装置１０３による冷水流量調整弁４０の開度制御と、送風機７１の駆動制御とについて説明する。なお、以下に示す例では、空調設定温度が予め設定（固定値）されている場合について説明する。
図２（ａ）は、制御パラメータと冷媒冷却塔での送風量との関係を示すグラフであり、図２（ｂ）は、制御パラメータと水冷凝縮器に供給される冷水流量との関係を示すグラフである。

図２（ａ）及び図２（ｂ）の横軸「制御パラメータ」とは、制御装置１０３からインバータ８０に出力される値であり、冷却システム１００の冷却能力（冷水流量調整弁４０の開度と、送風機７１の回転速度と、に応じた冷却能力）に対応している。制御手段１０３は、例えばＰＩＤ制御を実行する際、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度が、空調設定温度に対応する目標温度となるように制御パラメータを算出する。ちなみに、冷却システム１００全体に要求される空調負荷も大きいほど、制御手段１０３は制御パラメータの値を大きく設定するようになっている。

例えば、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度が目標温度よりも比較的高い場合、制御パラメータは大きな値に設定される（Ｐ制御）。また、制御パラメータは、冷媒液温度センサ９０によって検出される現在の冷媒液温度のほか、冷媒液温度の履歴も考慮した値として設定される（Ｉ制御、Ｄ制御）。

図２のＸ０，Ｘ２の下に示すパーセンテージは、冷却システム１００において引き出すことが可能な最大空調能力を１００％とした場合に、制御パラメータに応じて実際に利用される空調能力の割合を示している。
また、図２（ａ）の縦軸「冷媒冷却塔送風量」は、送風機７１が定格回転速度で駆動している場合の送風量を１００％とした場合に、実際に送風される送風量の割合を示している。
また、図２（ｂ）の縦軸「水冷凝縮器冷水流量」は、配管ａ４からの冷水が全て水冷凝縮器５０に供給される場合の冷水流量を１００％とした場合に、実際に供給される冷水流量の割合を示している。

以下では、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度を、単に「冷媒液温度」と記す。
また、水冷凝縮器５０に冷水を供給しないように冷水流量調整弁４０を制御する場合、単に「閉弁する」と記す。また、水冷凝縮器５０への冷水供給量を増やす場合、冷水流量調整弁４０の「開度を大きくする」と記す。

図２（ａ）、図２（ｂ）の横軸に示す制御パラメータＸ０は、冷媒液温度が所定の目標温度にほぼ等しく、それ以上冷却する必要がない（つまり、冷却システム１００の空調負荷がゼロである）場合に対応している。なお、前記目標温度は、空調設定温度に応じて決まる値（固定値）であり、記憶手段（図示せず）に格納されている。
この場合、制御装置１０３は、送風機７１を駆動せず（図２（ａ）参照）、冷水流量調整弁４０を閉弁する（図２（ｂ）参照）。

そして、冷媒液温度と目標温度との差が徐々に大きくなるにつれて、制御装置１０３は制御パラメータの値を大きくし、送風機７１の回転速度を上昇させる。例えば、制御パラメータがＸ_Ａである場合、制御装置１０３は送風機７１を、定格回転速度で駆動する場合のＰ％で駆動する。
このとき、制御装置１０３は、冷水流量調整弁４０を閉弁したままとし、水冷凝縮器５０に冷水を供給しない状態を維持する（図２（ｂ）参照）。

そして、制御パラメータが所定値Ｘ１に達し、冷媒冷却塔７０の送風機７１が定格回転速度に達するまで（図２（ａ）参照）、制御装置１０３は冷水流量調整弁４０を閉弁した状態で維持する。
つまり、冷媒冷却塔７０のみの冷却能力で足りる（制御パラメータがＸ０以上Ｘ１未満である）場合、冷媒冷却塔７０に設置された送風機７１のみで冷媒に冷熱を供給し、水冷凝縮器５０への冷水供給を停止した状態にする。

ちなみに、このように送風機７１でのみ冷熱を供給する場合、主に冷媒冷却塔７０側で冷媒ガスが凝縮するため、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２内よりも冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５内のほうが低圧になる。したがって、冷媒ガスは、自然と冷媒冷却塔７０側に流入する。

また、冷媒液温度と目標温度との差が所定値（≧０）であり、制御パラメータが所定値Ｘ_Ｂ（＞Ｘ１）であった場合、制御装置１０３は、次のような制御を実行する。すなわち、制御装置１０３は、冷媒冷却塔７０の送風機７１を定格回転速度で駆動させつつ（図２（ａ）参照）、冷水流量調整弁４０の開度を大きくして、全開のＱ％の流量で冷水を一次側伝熱管ｈ１に供給する。
つまり、制御パラメータが所定値以上である場合、制御装置１０３は、送風機７１を駆動させつつ、冷水流量調整弁４０の開度を調整して水冷凝縮器５０に冷水を供給する。

このとき、配管ｂ３を介して接続箇所Ｅに向かう冷媒ガスは、冷媒冷却塔７０の冷却能力（凝縮量）と水冷凝縮器５０の冷却能力（凝縮量）とに応じた比で配管ｂ６，ｂ４に分流する。このようにして、冷媒冷却塔７０では足りない分の冷却能力が、水冷凝縮器５０側でアシストされる。

前記した状態からさらに冷媒温度と空調設定温度との差が大きくなり、制御パラメータが所定値Ｘ２（＞Ｘ_Ｂ）に設定された場合、制御装置１０３は、冷媒冷却塔７０の送風機７１を定格回転速度で駆動し、冷水流量調整弁４０の開度を全開にする。
このとき、冷媒冷却塔７０と水冷凝縮器５０の両方から最大の冷却能力が引き出されている。ちなみに、冷却システム１００が設置される地域の年間を通した気温変化のデータに基づいて、制御パラメータの値がＸ２（１００％）未満で足りるように各機器の冷却能力が設定されている。

＜効果＞
本実施形態に係る冷却システム１００によれば、水冷凝縮器５０と蒸発器６１ｂ，６２ｂとの間、及び／又は、冷媒冷却塔７０と蒸発器６１ｂ，６２ｂとの間において冷媒を自然循環させる。したがって、冷媒を圧送するためのポンプが不要になるため、その分ランニングコストを低減でき、電子機器などの高温排熱を効率的に冷却できる。
また、制御装置１０３は、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度に基づいて制御パラメータを算出し、当該制御パラメータに応じた制御を行う。したがって、過剰な冷却を防止し、省エネ運転を継続できる。

また、制御パラメータがＸ０以上Ｘ１未満の範囲において制御装置１０３は、冷水流量調整弁４０を全閉状態とし、制御パラメータの値に応じた回転速度で送風機７１を駆動する。つまり、送風機７１から送風される外気の冷熱のみで足りる場合は水冷凝縮器５０を使用せず、冷媒冷却塔７０を優先的に使用する。
これによって、冷媒を冷却するための冷水量を最小限に抑えることができ、ひいては熱源機１０によって消費される熱原動力も低減できる。さらに、外気の冷熱を有効に活用できるため、冷却システム１００全体のランニングコストを低減し、省エネ性を向上できる。

また、例えば、制御パラメータがＸ２（冷却能力１００％の場合：図２参照）から低下した場合、制御装置１０３は、水冷凝縮器５０の冷却能力から優先的に低下させていく。したがって、例えば中間期（春・秋）などにおいて冷媒冷却塔７０の冷却能力が低下しても、冷媒冷却塔７０を最大限運転して外気の冷熱を活用しつつ、足りない分の冷熱を水冷凝縮器５０でアシストできる。したがって、外気の冷熱を長期間利用できるため、冷却システム１００全体のランニングコストを低減できる。

また、冷却システム１００において、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが並列接続されている。この場合、水冷凝縮器５０で凝縮する冷媒量と、冷媒冷却塔７０で凝縮する冷媒量とに応じて、冷媒ガスが配管ｂ４，ｂ６に分流する。つまり、水冷凝縮器５０の冷却能力と、冷媒冷却塔７０の冷却能力とに応じた流量の冷媒ガスが自然に分流するため、冷却システム１００全体の制御を単純化できる。

また、冷却システム１００では、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが並列接続されているため、所定の分流比で冷媒冷却塔７０に流入した冷媒ガスが、外気との熱交換によって凝縮する。なお、冷媒ガスが凝縮する際、大量の熱が放出される。したがって、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが直列接続される場合と比較して、外気の冷熱を有効に利用できる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態は、第１実施形態と比較して外気温度センサ（図示せず）及び外気湿度センサ（図示せず）を設置する点と、制御装置１０３の動作とが異なるが、その他の部分は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。
なお、外気温度センサ（外気温度検出手段）は、冷媒冷却塔７０付近の外気温度を検出できる任意の場所に設置され、検出した外気温度を時々刻々と制御装置１０３に出力する。また、外気湿度センサ（外気湿度検出手段）は、冷媒冷却塔７０付近の外気湿度を検出できる任意の場所に設置され、検出した外気湿度を時々刻々と制御装置１０３に出力する。
また、冷却システム１００は、第１実施形態と同様に、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが並列に接続され、これらが冷却装置６１，６２よりも上方に設置されている（図１参照）。

＜冷却システムの動作＞
図３は、本実施形態に係る冷却システムの動作の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１０１において制御装置１０３は、外気温度センサ（図示せず）から入力される外気温度Ｔと、外気湿度センサ（図示せず）から入力される外気湿度Ｄと、を記憶手段（図示せず）に読み込む。
次に、ステップＳ１０２において制御装置１０３は、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温度Ｔ及び外気湿度Ｄに基づいて算出される外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０以下であるか否か判定する。なお、外気条件パラメータＺは、外気温度が高いほど大きくなり、かつ、外気湿度が高いほど大きくなるように、外気温度及び外気湿度に対応付けて予め記憶手段に格納されている。また、所定値Ｚ_０は予め設定され、記憶手段に格納されている。外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０以下である場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、制御装置１０３の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３において制御装置１０３は、制御パラメータを算出する。なお、制御パラメータの算出については第１実施形態の場合と同様であり、冷却装置６１，６２側で所定温度の空気が送風されるようにＰＩＤ制御を実行し、制御パラメータを算出する。
次に、ステップＳ１０４において制御装置１０３は、ステップＳ１０３で算出した制御パラメータを用いて、送風機７１の回転速度と冷水流量調整弁４０の開度とを制御する。その際、制御装置１０３は、散水ポンプ７２を所定の回転速度で駆動させる。

一方、ステップＳ１０２において外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０よりも高い場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、制御装置１０３の処理はステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０５において制御装置１０３は、送風機７１の駆動を停止する。次に、ステップＳ１０６において制御装置１０３は、散水ポンプ７２の駆動を停止する。
ステップＳ１０７において制御装置１０３は、制御パラメータを算出する。なお、制御パラメータの算出については、前記した場合と同様である。次に、ステップＳ１０８において制御装置１０３は、ステップＳ１０７で算出した制御パラメータに応じて冷水流量調整弁４０の開度を制御する。

このようにして、制御装置１０３は、外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０よりも高い場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、冷媒冷却塔７０の送風機７１及び散水ポンプ７２の駆動を停止する（Ｓ１０５，Ｓ１０６）。
この場合、水冷凝縮器５０における冷媒の凝縮量が、冷媒冷却塔７０における凝縮量よりも相対的に大きくなる。したがって、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２内は冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５内よりも相対的に低圧になり、冷媒ガスの大部分は配管ｂ４を介して水冷凝縮器５０に流入し、凝縮される。

＜効果＞
本実施形態に係る冷却システム１００によれば、外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０よりも高い場合、制御装置１０３は送風機７１及び散水ポンプ７２の駆動を停止し、水冷凝縮器５０側で冷媒ガスを凝縮させる。

例えば、外気温度Ｔが冷媒ガスの凝縮温度よりも高い場合に送風機７１等を駆動しても、冷媒ガスが冷媒冷却塔７０において凝縮せず、当該冷媒ガスが水冷凝縮器５０で凝縮した冷媒液と合流して放熱するため、冷却システム１００全体の冷却効率が低下する。
また、外気湿度Ｄが高い（例えば、９５％）場合に送風機７１及び冷媒ポンプ７２を駆動しても、外気が気化する量が少ないため、冷却システム１００全体の冷却効率が低下する。

これに対して、本実施形態では、外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０よりも高い場合、送風機７１などの駆動を停止する。したがって、配管ｂ３を介して上昇した冷媒ガスは水冷凝縮器５０に流入し、一次側伝熱管ｈ１からの冷水と熱交換して凝縮する。つまり、二次側システム１０２において冷媒の大部分は、配管ｂ１〜ｂ５，ｂ８〜ｂ１０を含む環状回路で自然循環し、冷媒冷却塔７０側では冷媒が循環しなくなる。
したがって、水冷凝縮器５０から流出した冷媒液が、冷媒冷却塔７０から流出した冷媒ガス（又は比較的高温の冷媒液）から吸熱することを防止できる。その結果、第１実施形態と比較して冷却システム１００のエネルギ効率を向上させることができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る冷却システム１００Ａは、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが直列接続されている点が第１実施形態と異なるが、その他の部分は第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態と重複する部分については説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る冷却システムの構成図である。
図４に示す一次側システム１０１は、第１実施形態で説明したものと同様である。また、水冷凝縮器５０、冷却装置６１，６２、及び冷媒冷却塔７０の構成についても第１実施形態で説明したものと同様である。したがって、前記各構成についての説明は省略し、各機器の接続関係について説明する。

図４に示すように、冷却装置６１の伝熱管ｈ３は、配管ｄ１，ｄ３を介して冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５に接続され、冷却装置６２の伝熱管ｈ４は、配管ｄ２，ｄ３を介して冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５に接続されている。
冷媒冷却塔７０は、冷却装置６１，６２よりも上方に設置されている。また、伝熱管ｈ５の流入口Ｃは流出口Ｄよりも上方に設置されている。これによって、外気（及び水）との熱交換によって凝縮した冷媒液が、重力により伝熱管ｈ５を下降する。

水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２（流入口Ａ）は、配管ｄ４を介して冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５（流出口Ｄ）に接続されている。なお、図３に示すように、冷媒冷却塔７０よりも水冷凝縮器５０を下方に設置することが好ましい。これによって、冷媒冷却塔７０の伝熱管ｈ５から流出した冷媒液が、配管ｄ４を介して重力により下降してくるからである。

また、水冷凝縮器５０は、冷却装置６１，６２よりも上方に配置され、二次側伝熱管ｈ２の流入口Ａは、流出口Ｂよりも上方に設置されている。これによって、二次側伝熱管ｈ２の流入口Ａから流入した冷媒液は重力により流出口Ｂから流出し、二次側伝熱管ｈ２、配管ｄ５〜ｄ７を介して冷却装置６１，６２に下降する。
また、配管ｄ５に冷媒液温度センサ９０が設置されている。

＜冷媒の流れ＞
冷却装置６１において、ファン６１ａから室内（被空調空間）の高温空気が送風されると、蒸発器６１ｂの伝熱管ｈ３を通流する冷媒液は、この高温空気と熱交換（吸熱）して蒸発し、冷媒ガスになる。このとき、このとき、ファン６１ａから送風された高温空気は冷媒に放熱することで冷却され、所定温度の冷温空気が送風される。一方、伝熱管ｈ３から流出した冷媒ガスは、配管ｄ１，ｄ３を介して上昇する。また、冷却装置６２においても前記と同様の変化が生じ、配管ｄ２，ｄ３を介して冷媒ガスが上昇する。

そして、配管ｄ３を介して伝熱管ｈ５に流入した冷媒ガスは、送風機７１から送風される外気、及び、配管ｃ２の下流側から散水される水と熱交換（放熱）して凝縮し、冷媒液になる。当該冷媒液は、重力により伝熱管ｈ５、配管ｄ４を下降し、水冷凝縮器５０の二次側伝熱管ｈ２に流入する。
二次側伝熱管ｈ２を通流する冷媒液は、一次側伝熱管ｈ１を通流する冷水と熱交換（放熱）してさらに温度が低下する。当該冷媒液は、重力により伝熱管ｈ２、配管ｄ５〜ｄ７を下降し、冷却装置６１，６２に向かう。
このようにして、二次側システム１０２において冷媒が自然循環する。

＜冷却システムの動作＞
冷却システム１００Ａの動作は第１実施形態で説明したものと同様である。すなわち、冷媒液温度センサ９０によって検出される冷媒液温度に基づいて制御装置１０３が制御パラメータを設定し、冷媒冷却塔７０の送風機７１などを優先的に駆動する。そして、冷媒冷却塔７０では足りない分の冷却を水冷凝縮器５０でアシストする。

＜効果＞
本実施形態に係る冷却システム１００Ａによれば、水冷凝縮器５０と冷媒冷却塔７０とが直列接続された構成において冷媒を自然循環させ、冷媒液温度に応じた空調（冷却）を行う。したがって、冷媒を圧送するためのポンプが不要であるため、その分ランニングコストを低減できる。

また、冷媒を冷却するための冷水の流量を最小限に抑えることができ、ひいては熱源機１０によって消費される熱原動力も最小限に抑えることができる。したがって、冷却システム１００全体のランニングコストを低減でき、省エネ性を向上できる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る冷却システムについて各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、前記各実施形態では冷水流量調整弁４０として三方弁を用いたが、これに限らず、水冷凝縮器５０に供給する冷水の流量を調整できるものであればよい。例えば、図１に示す配管ａ５，ａ６にそれぞれ二方弁を設置し、それぞれの開度に応じて冷水の流量を調整してもよい。

また、前記各実施形態では、冷媒冷却塔７０が散水ポンプ７２を備える構成としたが、散水ポンプ７２なしでも冷却能力が足りるのであれば、散水ポンプ７２（及び配管ｃ１，ｃ２）を省略してもよい。
この場合、制御装置１０３は、外気温度センサ（図示せず）によって検出される外気温度が所定温度（例えば、冷却システム１００の設計時に設定される冷媒の凝縮温度）よりも高い場合、送風機７１の駆動を停止し、冷水流量調整弁４０を介して水冷凝縮器５０に冷水を供給する。

仮に、外気温度が冷媒ガスの凝縮温度よりも高い場合に送風機７１を駆動すると、次のような事態が生じる。すなわち、水冷凝縮器５０から流出した冷媒液が、冷媒冷却塔７１から流出した冷媒ガス（又は、比較的高温の冷媒液）と合流して吸熱する。したがって、冷却システム１００のエネルギ効率が低くなる。
これに対して、前記した変形例では、外気温度が所定温度よりも高い場合に送風機７１の駆動を停止するため、冷媒が高温の外気と熱交換することを防止し、冷却システム１００のエネルギ効率を向上させることができる。また、散水ポンプ７２を使用しないぶん、設置コストを低減できる。

また、前記各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、第３実施形態に第２実施形態を適用し、外気条件パラメータＺが所定値Ｚ_０よりも高い場合、送風機７１及び散水ポンプ７２の駆動を停止させてもよい。この場合でも、冷媒と外気との不必要な熱交換を抑制するため、省エネ性を向上できる。

また、前記各実施形態では、冷却装置が２台並列に接続されている場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷却装置は１台であってもよいし、３台以上の冷却装置を並列接続してもよい。

また、前記各実施形態では、制御パラメータがＸ０以上Ｘ１未満の範囲において送風機７１の回転速度を変更し、制御パラメータがＸ１以上Ｘ２以下の範囲において流量制御弁４０の開度を変更する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、制御装置１０３が、送風機７１の回転速度と流量制御弁４０の開度とを同時に変更することとしてもよい。

また、前記各実施形態では、水冷凝縮器５０及び冷媒冷却塔７０がそれぞれ一つである場合について説明したが、これに限らない。例えば、第１実施形態において、複数の水冷凝縮器５０と、複数の冷媒冷却塔７０とを並列に接続する構成にしてもよい。この場合、冷水ポンプ３０を共通（一つ）とし、それぞれの冷水流量調整弁の開度に応じて水冷凝縮器に供給する冷水流量を調整することが好ましい。

１００，１００Ａ 冷却システム
１０１ 一次側システム
１０２ 二次側システム
１０３ 制御装置（制御手段）
４０ 冷水流量調整弁
５０ 水冷凝縮器
６１ 冷却装置
６１ａ，６２ａ ファン
６１ｂ，６２ｂ 蒸発器
７０ 冷媒冷却塔
７１ 送風機
７２ 散水ポンプ
８０ インバータ
９０ 冷媒液温度センサ（冷媒温度検出手段）

Claims (5)

1. 空調対象である室内空気との熱交換によって冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器よりも上方に配置され、配管を介して前記蒸発器から流入する冷媒を冷水との熱交換によって凝縮させる水冷凝縮器と、
   前記水冷凝縮器に供給する冷水の流量を調整する冷水流量調整弁と、
   前記蒸発器よりも上方に配置されるとともに、前記水冷凝縮器と直列又は並列に接続され、配管を介して前記蒸発器から流入する冷媒を外気との熱交換によって凝縮させる冷媒冷却塔と、
   前記冷媒冷却塔に設置され、前記外気を送風する送風機と、
   前記水冷凝縮器及び／又は前記冷媒冷却塔で凝縮され、配管を介して前記蒸発器に戻る冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
   前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度に応じて、前記冷水流量調整弁の開度、及び、前記送風機が有するモータの回転速度のうち少なくともいずれかを変更する制御手段と、を備えること
   を特徴とする冷却システム。
2. 前記制御手段は、
   前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度が、空調設定温度に対応する目標温度となるように、前記冷却システムの冷却能力に対応する制御パラメータを算出し、
   前記制御パラメータが所定値未満である場合、前記水冷凝縮器への冷水の供給を停止した状態で前記送風機を駆動させ、
   前記制御パラメータが所定値以上である場合、前記送風機を駆動させつつ、前記冷水流量調整弁の開度を調整して前記水冷凝縮器に冷水を供給すること
   を特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記外気温度検出手段によって検出される外気温度が所定温度よりも高い場合、前記送風機の駆動を停止し、前記冷水流量調整弁を介して前記水冷凝縮器に冷水を供給すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却システム。
4. 外気湿度を検出する外気湿度検出手段と、
   前記冷媒冷却塔において冷媒が通流する配管に散水する散水ポンプと、を備え、
   前記散水ポンプは、前記送風機とともに駆動又は停止され、
   前記制御手段は、
   前記外気温度検出手段によって検出される外気温度と、前記外気湿度検出手段によって検出される外気湿度と、によって決まる外気条件パラメータが所定値よりも高い場合、前記散水ポンプ及び前記送風機の駆動を停止し、前記冷水流量調整弁を介して前記水冷凝縮器に冷水を供給すること
   を特徴とする請求項３に記載の冷却システム。
5. 空調対象である室内空気との熱交換によって冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器よりも上方に配置され、配管を介して前記蒸発器から流入する冷媒を冷水との熱交換によって凝縮させる水冷凝縮器と、
   前記水冷凝縮器に供給する冷水の流量を調整する冷水流量調整弁と、
   前記蒸発器よりも上方に配置されるとともに、前記水冷凝縮器と直列又は並列に接続され、配管を介して前記蒸発器から流入する冷媒を外気との熱交換によって凝縮させる冷媒冷却塔と、
   前記冷媒冷却塔に設置され、前記外気を送風する送風機と、
   前記水冷凝縮器及び／又は前記冷媒冷却塔で凝縮され、配管を介して前記蒸発器に戻る冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
   制御手段と、
   を備える冷却システムで実行される冷却方法であって、
   前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段によって検出される冷媒温度に応じて、前記冷水流量調整弁の開度、及び、前記送風機が有するモータの回転速度のうち少なくともいずれかを変更すること
   を特徴とする冷却方法。

Images