JP4706836B2 - クーリングシステム - Google Patents

Description

本発明はクーリングシステムに係り、特に半導体製造工場等で用いられるクーリングシステムに関する。

半導体工場では、冷凍機によって約７〜１０℃の一次冷却水を作り、この冷水と熱交換することによって、一定温度（たとえば２０℃程度）の二次冷却水を作り、これを生産冷却水として使用している。

近年では、外気を利用する冷却塔で一次冷却水を作る、いわゆるフリークーリングシステムが開発されている。たとえば特許文献１や特許文献２のクーリングシステムは、冷却塔と冷凍機を設け、この冷却塔と冷凍機とを切り替えることによって一次冷却水を冷却している。

図３は従来のクーリングシステムを模式的に示した構成図である。同図に示すクーリングシステムは、クリーンルーム等の被空調部１に一定温度の（二次）冷却水を供給するものであり、主として冷却塔２、冷凍機３、及び、熱交換器４で構成される。熱交換器４には、一次冷却水が循環する循環ライン５と、二次冷却水が循環する循環ライン６とが接続されており、一次冷却水によって二次冷却水が冷却される。一次冷却水の循環ライン５は途中で分岐して冷却塔２と冷凍機３に接続されており、複数のバルブ７、７…を開閉制御することによって、一次冷却水の冷熱源を冷却塔２と冷凍機３とで切り替えるようになっている。このように構成されたクーリングシステムによれば、一次冷却水の冷熱源を冷却塔２に切り替えることによって、消費エネルギを大幅に削減することができる。
特開平７−１９５２３号公報 特開２００４−３４０４９２号公報

しかしながら、従来のクーリングシステムは、冷却塔２の冷凍能力が外気温度に大きく影響されるため、一次冷却水の温度を一定に保つことが難しく、冷却塔２によるフリークーリングシステムを利用できる期間が短いという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、冷却塔によるフリークーリングシステムを使用することのできる期間を延長できるクーリングシステムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、水の循環ラインが接続され、該循環ラインを流れる水を冷却する冷却塔と、前記循環ラインが接続され、前記冷却塔で冷却された水によって熱交換を行う熱交換器と、を備えたクーリングシステムにおいて、前記循環ラインの水の流れに対して前記熱交換器の上流側には、地下水の供給ラインが接続されると共に、前記熱交換器は複数個が並列に配設され、各熱交換器にそれぞれ前記循環ラインが分岐して接続され、前記地下水の供給ラインは、前記循環ラインの水の流れに対して各熱交換器の上流側に接続され、該地下水の供給ラインに各熱交換器に供給する地下水の流量を調整する流量調整弁が設けられ、前記複数の熱交換器に供給する地下水の供給量の総和が所定値以下になるように前記流量調整弁を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、外気温度に影響されて温度変動しやすい冷却塔の冷却水に、温度が安定している地下水（井戸水）を混合し、熱交換器に供給するようにしたので、温度の安定した冷却水を熱交換器に供給することができる。よって、外気温度によらず、通年を通してクーリングシステムを使用することができ、消費エネルギを削減することができる。
また、請求項１の発明は、前記熱交換器は複数個が並列に配設され、各熱交換器にそれぞれ前記循環ラインが分岐して接続されるとともに、前記地下水の供給ラインは、前記循環ラインの水の流れに対して各熱交換器の上流側に接続され、該地下水の供給ラインに各熱交換器に供給する地下水の流量を調整する流量調整弁が設けられるとともに、前記複数の熱交換器に供給する地下水の供給量の総和が所定値以下になるように前記流量調整弁を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。請求項１の発明によれば、複数の熱交換器を設けた場合であっても、地下水の総供給量を制御することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記循環ラインに設けられ、前記冷却塔で冷却された水の温度を測定する温度センサと、前記地下水の供給ラインに設けられ、供給される地下水の流量を調整する流量調整弁と、前記温度センサの測定値に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、冷却塔で冷却した水の温度に応じて地下水の供給量を制御するので、熱交換器に供給される冷却水の温度をより安定させることができる。

請求項３に記載の発明は請求項１又は２の発明において、前記冷却塔に対して並列に配設され、前記循環ラインが分岐して接続される冷凍機と、前記循環ラインに設けられ、前記冷却塔に流れる水の流量と前記冷凍機に流れる水の流量を調節する複数のバルブと、を備えたことを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、冷凍機を設けたので、熱負荷が冷却塔の許容範囲を超えた場合であっても、冷凍機を駆動することにより熱負荷に対応することができる。

本発明によれば、外気温度に影響されて温度変動しやすい冷却塔の冷却水に、温度の安定している地下水を混合するようにしたので、冷却水の温度を安定させることができ、通年を通してクーリングシステムを使用することができ、消費エネルギを削減することができる。

以下、添付図面に従って、本発明に係るクーリングシステムの好ましい実施形態について説明する。

図１は本発明のクーリングシステムの実施形態を示す構成図である。同図に示すクーリングシステム１０は、クリーンルームの空調機などの被空調部１２に一定温度（たとえば約２０℃）の（二次）冷却水を供給するシステムであり、主として冷却塔１４、冷凍機１６、及び、熱交換器１８で構成される。熱交換器１８は、一次冷却水の流れる循環ライン２０Ａ、２０Ｂと、二次冷却水が流れる循環ライン２２Ａ、２２Ｂとが接続されており、冷却塔１４や冷凍機１６で冷却した一次冷却水と、被空調部１２に循環させる二次冷却水とを熱交換させる構成になっている。

二次冷却水の循環ライン２２Ａ、２２Ｂは、熱交換器１８と被空調部１２に接続されており、ポンプ２４を駆動することによって二次冷却水が熱交換器１８とクリーンルーム１２とを循環する。そして、循環する二次冷却水が、熱交換器１８で所定の温度（たとえば２０℃）に冷却され、被空調部１２に供給される。

一方、一次冷却水の循環ライン２０Ａ、２０Ｂは、冷却塔１４に接続される分岐ライン２４Ａ、２４Ｂと、冷凍機１６に接続される分岐ライン２６Ａ、２６Ｂとに分岐されている。各分岐ライン２４Ａ、２４Ｂ、２６Ａ、２６Ｂにはそれぞれ、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂが配設されており、これらのバルブを開閉することによって、一次冷却水の循環先を冷却塔１４と冷凍機１６とで切り替えられる。すなわち、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂの開閉制御によって、一次冷却水の冷熱源を冷却塔１４と冷凍機１６とで切り替えられる。なお、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂは、後述の制御装置３２によって、その開閉操作、及び、開度の調節が行われる。

冷却塔１４は、その内部にコイル３４を備えており、このコイル３４に分岐ライン２４Ａ、２４Ｂが接続される。したがって、分岐ライン２４Ａ、２４Ｂを循環する一次冷却水がコイル３４の内部を通過するようになっている。コイル３４は、銅管、鋼管、ステンレス管などから成り、複数段にわたって水平に配列され、コイル３４同士の間には、熱交換率を上げるための充填材（不図示）が設けられている。コイル３４の上方には、散水管３６が設けられ、ポンプ３８を駆動することによって冷却塔１４の下部からくみ上げた水をコイル３４に散水できるようになっている。

冷却塔１４の上部にはファン４０が設けられ、このファン４０によって冷却塔１４の内部のエアが上方に送風される。さらに冷却塔１４の側壁には、ルーバー付きの開口（不図示）が設けられ、この開口を介して外気が内部に吸引される。したがって、ファン４０を駆動することによって、冷却塔１４の側面から外気が吸引され、上方に向けて送風される。これにより、コイル３４が空冷されるとともに、散水管３６から散水されてコイルに付着した冷却水の蒸発潜熱によってコイル３４が冷却される。よって、コイル３４の内部を通過する一次冷却水を冷却することができる。なお、コイル３４内の一次冷却水は、分岐ライン２４Ａに設けたポンプ４２を駆動することによって送液される。

冷凍機１６は、電気や熱を外部から与えて一次冷却水の熱を奪うように構成される。冷凍機１６の構成は特に限定するものではなく、たとえば不図示の圧縮機、凝縮器、蒸発器からなる熱媒体のサイクルを設け、蒸発器に一次冷却水の流れる配管を通すように構成する。このように構成された冷凍機１６は、一次冷却水を所望の温度（たとえば７℃）に冷却することができる。これにより、分岐ライン２８Ｂを介して供給される一次冷却水を、所定の温度に冷却して分岐ライン２８Ａに送液することができる。

分岐ライン２６Ａには、一次冷却水の流れに対してバルブ３０Ａの上流側にバイパスライン４４Ａが接続される。バイパスライン４４Ａの先端は、分岐ライン２４Ａのポンプ４２の上流側に接続されており、さらに分岐ライン２４Ａにはバルブ４６Ａが配設される。したがって、バルブ３０Ａを閉じ、バルブ４６Ａを開いた状態で、冷凍機１６から分岐ライン２６Ａに一次冷却水を供給すると、一次冷却水はバイパスライン４４Ａを介して分岐ライン２４Ａに流れ、冷却塔１４で冷却した一次冷却水に合流される。合流した冷却水は、ポンプ４２を通過した際に、ポンプ４２のミキシング効果によって均一に混合された状態で循環ライン２０Ａに供給される。

循環ライン２０Ａには、温度センサ５０が設けられており、この温度センサ５０によって循環ライン２０Ａを流れる一次冷却水の温度が測定される。また、循環ライン２０Ａには、温度センサ５０よりも下流側に、一次冷却水の排水ライン５２が接続され、さらにその排水ライン５２よりも下流側に地下水の供給ライン５４が接続される。

地下水の供給ライン５４には、不図示のポンプなどによってくみ上げられた地下水が供給される。また、地下水の供給ライン５４にはバルブ５６が配設されており、このバルブ５６を制御することによって、地下水の供給の開始及び停止、さらには、地下水の供給流量が調節される。同様に排水ライン５２にはバルブ５８が配設されており、このバルブ５８を制御することによって、一次冷却水の排水の開始及び停止、さらには、地下水の排水の流量が調節される。なお、排水ライン５２から排水される一次冷却水の流量は、供給ライン５４を介して供給される地下水の流量と等しくなるように制御される。これにより、循環ライン２０Ａ、２０Ｂ、及び分岐ライン２４Ａ、２４Ｂ、２６Ａ、２６Ｂを介して循環する一次冷却水の流量を常に一定に保つことができる。

上述した温度センサ５０、及び、各バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ、４４Ａ、５６、５８は制御装置３２に電気的に接続される。制御装置３２は、温度センサ５０の測定値に基づいて、各バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ、４４Ａ、４６Ａ、５６、５８の開閉を制御することにより、一次冷却水の冷熱源を冷却塔１４、冷凍機１６、地下水から選択し、自動的に切り替えるようになっている。

次に上記の如く構成されたクーリングシステム１０の作用について説明する。

冬期や中間期など、外気温度がある程度低い温度の場合には、冷凍機１６及び地下水は用いずに、冷却塔１４のみで一次冷却水を冷却する。すなわち、バルブ２８Ａ、２８Ｂを開き、バルブ３０Ａ、３０Ｂ、４６Ａ、５６、５８を閉じることによって、一次冷却水を、循環ライン２０Ａ、２０Ｂ、分岐ライン２４Ｂ、２４Ａに循環させる。これにより、一次冷却水は冷却塔１４で冷却され、熱交換器１８に供給される。このとき、外気温度が低いので、冷却塔１４のみでも一次冷却水を十分に（たとえば７〜１０℃に）冷却することができ、熱交換器１８において二次冷却水を確実に冷却することができる。

外気温度が低すぎる場合、たとえば外気温度が５℃以下の場合には、冷却塔１４で冷却した一次冷却水の温度が通常運転時よりも低くなる。このため、熱交換器１８において二次冷却水の温度も低く変動し、安定した空調が困難になる。そこで、外気温度が低すぎる場合には、冷却塔１４だけでなく、地下水も利用する。具体的には、温度センサ５０の測定値が７℃以下になった際に、バルブ３０Ａ、３０Ｂ、４６Ａを閉じ、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、５６、５８を開くことにより、冷却塔１４で冷却した一次冷却水に、安定した温度（通常１５℃程度）の地下水を混合させる。これにより、熱交換器１８に供給される一次冷却水の温度を、７℃以上の温度で安定させることができる。よって、熱交換器１８で熱交換した二次冷却水の温度変動を抑制することができ、被空調部１２において安定した空調を行うことができる。

夏季などの外気温度が高い場合には、冷却塔１４は一次冷却水を約３２℃までしか冷却できなくなり、冷凍能力が不足する。そこで、冷却塔１４だけではなく、地下水も利用する。すなわち、バルブ３０Ａ、３０Ｂ、４６Ａを閉じた状態で、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、５６、５８を開くことにより、冷却塔１４で冷却した一次冷却水に、安定して低い温度（通常１５℃程度）の地下水を混合させる。これにより、熱交換器１８に供給される一次冷却水の温度を低下させることができ、外気温度が高い場合にも、熱交換器１８で二次冷却水の温度を確実に低下させることができる。よって、被空調部１２において安定した空調を行うことができる。

外気温度がさらに高い場合には、地下水を所定量供給しても一次冷却水の温度を十分に低下させることができなくなる。その場合には、冷却塔１４、地下水だけでなく、冷凍機１６を利用する。すなわち、バルブ３０Ａを閉じた状態のまま、バルブ２８Ａ、２８Ｂ、３０Ｂ、４６Ａ、５６、５８を開く。これにより、冷却塔１４で冷却した一次冷却水に、冷凍機１６で冷却した一次冷却水が混合される。冷凍機１６は、常に安定した温度（たとえば７〜１０℃）の冷却水を得ることができるので、冷凍機１６で冷却した一次冷却水を混合することによって、冷却水の温度を十分に下げることができる。さらに、混合した一次冷却水に地下水を混合するので、冷却水の温度をさらに下げることができる。よって、温度の低い一次冷却水を熱交換器１８に供給することができるので、熱交換器１８でにおいて、二次冷却水を所定の温度に確実に冷却することができる。

なお、外気温度が高すぎるために冷却塔１４の熱効率が悪い場合には、冷凍機１６のみで一次冷却水を冷却してもよい。その場合、バルブ３０Ａ、３０Ｂを開き、その他のバルブ２８Ａ、２８Ｂ、４４Ａ、５６、５８を閉じる。これにより、温度の低い一次冷却水を熱交換器１８に確実に送液することができる。

以上説明したように本実施の形態のクーリングシステム１０によれば、温度の安定している地下水を一次冷却水に混合するようにしたので、外気温度によらず、一次冷却水の温度を安定させることができる。これにより、熱交換器１８において、二次冷却水を所定の温度に確実に冷却することができる。

なお、上述した実施の形態は、熱交換器１８を一つのみ設けたが、これに限定するものではなく、複数の熱交換器１８を設けてもよい。たとえば図２に示すクーリングシステムは、三個の熱交換器１８、１８、１８と、各熱交換器１８にそれぞれ循環ライン２２Ａ、２２Ｂを介して接続された三個の被空調部１２、１２、１２とを備える。各熱交換器１８にはそれぞれ、一次冷却水が流れる循環ライン２０Ａ、２０Ｂが分岐して接続される。各循環ライン２０Ａ、２０Ｂにはそれぞれ、バルブ６０Ａ、６０Ｂが配設され、このバルブ６０Ａ、６０Ｂによって、各循環ライン２０Ａ、２０Ｂに流れる一次冷却水の流量が制御される。

また、各循環ライン２０Ａにはそれぞれ、上述した温度センサ５０が設けられるとともに、一次冷却水の排水ライン５２と、地下水の供給ライン５４とが接続される。地下水の供給ライン５４は、三つに分岐して各循環ライン２０Ａ、２０Ａ、２０Ａに接続されており、この供給ライン５４の分岐部分にはそれぞれ、流量調整用のバルブ５６が配設されている。各バルブ５６、５６、５６は制御装置３２に接続されており、この制御装置３２によって各バルブ５６、５６、５６の開閉操作、及び開度の調整が行われる。また、制御装置３２は、各バルブ５６を流れる地下水の流量の総和が所定値（または規定値）以下となるように各バルブ５６を制御する。その際、制御装置３２は、各被空調部１２での熱負荷に応じて、各バルブ３２における流量の割合を制御する。たとえば、熱負荷の大きい被空調部１２に対応する熱交換器１８には、供給される地下水の流量が大きくなるようにバルブ５６を制御する。

上記の如く構成されたクーリングシステムによれば、地下水の流量の総和を制御するので、地下水の過剰な取水を防止することができる。また、上述した実施の形態によれば、地下水の流量の総和を制御しつつ、各熱交換器１８に供給する地下水の流量の割合を調節することによって、効率の良い空調を行うことができる。

なお、上述した実施の形態のクーリングシステム１０では、熱交換器１８を用い、被空調部１２に供給される二次冷却水を一次冷却水で間接的に冷却するようにしたが、被空調部１２に供給される冷却水をクーリングシステム１０によって直接、冷却しても良い。

本発明に係るクーリングシステムを示す構成図 複数の被空調部に対応させた実施形態のクーリングシステムを示す構成図 従来のクーリングシステムを示す構成図

符号の説明

１０…クーリングシステム、１２…被空調部、１４…冷却塔、１６…冷凍機、１８…熱交換器、２０Ａ、２０Ｂ…循環ライン、２４Ａ、２４Ｂ、２６Ａ、２６Ｂ…分岐ライン、２８Ａ、２８Ｂ、３０Ａ、３０Ｂ…バルブ、３２…制御装置、５０…温度センサ、５４…地下水の供給ライン、５６…バルブ

Claims (3)

1. 水の循環ラインが接続され、該循環ラインを流れる水を冷却する冷却塔と、
   前記循環ラインが接続され、前記冷却塔で冷却された水によって熱交換を行う熱交換器と、を備えたクーリングシステムにおいて、
   前記循環ラインの水の流れに対して前記熱交換器の上流側には、地下水の供給ラインが接続されると共に、
   前記熱交換器は複数個が並列に配設され、各熱交換器にそれぞれ前記循環ラインが分岐して接続され、
   前記地下水の供給ラインは、前記循環ラインの水の流れに対して各熱交換器の上流側に接続され、該地下水の供給ラインに各熱交換器に供給する地下水の流量を調整する流量調整弁が設けられ、
   前記複数の熱交換器に供給する地下水の供給量の総和が所定値以下になるように前記流量調整弁を制御する制御手段を備えたことを特徴とするクーリングシステム。
2. 前記循環ラインに設けられ、前記冷却塔で冷却された水の温度を測定する温度センサと、
   前記地下水の供給ラインに設けられ、供給される地下水の流量を調整する流量調整弁と、
   前記温度センサの測定値に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のクーリングシステム。
3. 前記冷却塔に対して並列に配設され、前記循環ラインが分岐して接続される冷凍機と、
   前記循環ラインに設けられ、前記冷却塔に流れる水の流量と前記冷凍機に流れる水の流量を調節する複数のバルブと、
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のクーリングシステム。

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