JP5043583B2 - 冷却水供給システムおよび流量制御システム - Google Patents

Description

本発明は、冷却水を負荷へ供給する冷却水供給システムに関する。

従来、湿式冷却器の後流側に乾式冷却器を配置し、乾式冷却器の上方に散水量の調節が可能な補助散水装置を設置した冷却塔がある（特許文献１を参照）。

また、冷却塔内に多段に設けられて供給された水を滞留しながら順次下方に移動させる受水部を備える、冷水の製造装置がある（特許文献２を参照）。

従来、冷却塔によって供給される冷却水を負荷と冷却塔との間で循環させるための主管路に、バイパス管路を設けることで冷却塔の水槽のオーバーフローを防止する技術がある（特許文献３を参照）。
実開昭５１−５６６４４号公報 特開２００４−２３２９２５号公報 特開昭６０−９３２９８号公報

近年、地球温暖化対策として、空調システムの省エネルギー化が重要な課題となっている。そして、空調システムのＣＯＰを向上させ、省エネルギー化を実現するために、冷凍機等の機器の高性能化や、冷凍機を運転せずに冷房を行うフリークーリングが実施されている。また、従来、建物等に設置された空調システムにおいて使用される冷却水の冷却を行うために冷却塔が用いられており、冷却塔から供給される冷却水の温度を低温化することによっても、空調システムのＣＯＰは向上する。なお、冷却塔は、空調以外にも、例えば空気圧縮機等の発熱機器の冷却や、洗浄水、食品処理水等の冷却といった用途に用いられている。

しかし、従来の冷却塔は、設計上の制約が多く、湿球温度に近い低温の冷却水を生成しようとすると、経済的に実現することが困難なほど大規模な冷却塔が必要となる、という問題があった。この問題に鑑み、冷却水供給システムにおいて、冷却水を散水して冷却を行うことを、冷却水の流れに沿って直列に複数回繰り返すことで、送風効率を低下させずに、外気湿球温度に近い冷却水を生成することが可能となる。

ここで、上記冷却水供給システムにおいて冷却塔の水槽内の水位を制御する方法として、従来の技術を応用した、下流側の水槽の水位を計測し、その上流側のポンプの能力を操作することで、下流側の水槽の水位を一定に制御する方法が考えられる。図５は、本発明に係る冷却水供給システムに従来の水位制御方法を適用したと仮定した場合の構成を示す図である（散水装置や送風機、充填材等の図示は省略する）。制御装置は、水位センサによって計測された水位に基づいて、ポンプの能力を操作する。また、下流側の水槽の水位が高く設定されることで、高温（上流側）の冷却水が低温（下流側）の冷却水に混入することが防止されている。

しかし、従来の技術を応用した上記の方法では、水位に基づいて冷却水の送水と取水との間のバランスを検知することとしているために、水位に変化が現れるまで送水と取水との間のバランスの変化を検知できない。また、直列に接続された水槽の数が多くなった場合に、上流側のポンプによる送水量の変化が下流側の水槽の水位に反映されるまでに若干
の時間を要する。特に、冷却塔においては、上部水槽や充填材等、送水された水が滞留する箇所が多いことから、上記制御が水位に反映されるまでの時間の遅れは更に大きくなる。この時間の遅れは、直列に接続された水槽の数に応じて長くなるため、上記した外気湿球温度に近い冷却水を生成する冷却水供給システムに従来技術の応用である上記水位制御方法を採用した場合、直列に接続された冷却塔の数に応じてこの時間の遅れが大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記した問題に鑑み、送風効率を低下させずに外気湿球温度に近い冷却水を生成し、且つ送水と取水との間のバランスの変化に即応可能な冷却水供給システムを提供することを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、負荷へ供給される冷却水の供給量に従って、上流側の冷却手段からの取水量を制御することで、送水と取水との間のバランスの変化に即応可能な冷却水供給システムを提供することを可能にした。

詳細には、本発明は、冷却水の流れにおける上流から下流に向けて一列に接続された複数の冷却手段と、上流側の冷却手段から冷却水を取水して下流側の冷却手段へ送る取水手段と、最下流の冷却手段から冷却水を負荷へ供給する供給手段と、前記供給手段によって前記負荷へ供給される冷却水の供給量を計測する供給量計測手段と、前記供給量計測手段によって計測された供給量に従って、前記取水手段による取水量を制御する制御手段と、を備える、冷却水供給システムである。

即ち、本発明に係る冷却水供給システムは、複数の冷却手段が冷却水の流れにおける上流から下流に向けて一列に接続されることで、低温の冷却水を生成することを可能とした冷却水供給システムである。更に、本発明に係る冷却水供給システムは、冷却水の負荷への供給量を計測し、この供給量に従って、上流側の冷却手段から下流側の冷却手段への取水量を制御することで、供給量に応じた取水量の制御を可能としている。これによって、複数の冷却手段を直列に接続した場合に生じる、送水と取水との間のバランス変化の検知の遅れや、取水量の制御が水位に反映されるまでの時間の遅れを防止することが可能となる。

また、前記取水手段は、前記複数の冷却手段の夫々に対して設けられた複数の取水ポンプを用いて冷却水を取水し、前記制御手段は、前記複数の取水ポンプによる取水量が同一となるように前記複数の取水ポンプの能力を操作し、前記取水量を制御してもよい。更に、前記制御手段は、前記取水手段による各冷却手段への取水量が、前記供給量計測手段によって計測された供給量と同一となるように、前記複数の取水ポンプの能力を操作してもよい。

このようにすることで、常に上流からの取水量が負荷への供給量と等しくなり、複数の冷却手段を直列に接続した場合にも、供給量と取水量とのバランスが崩れること無く、安定した冷却水の生成および供給を行うことが可能となる。

また、前記複数の冷却手段は、該複数の冷却手段の夫々に対して設けられ、各冷却手段によって冷却された冷却水を一時的に貯める水槽を有し、上流側の冷却手段に対して設けられた水槽と下流側の冷却手段に対して設けられた水槽とを、これらの水槽間で冷却水が移動可能とするように連通させる連通手段と、前記連通手段における冷却水の流れ方向を検出する流れ方向検出手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記流れ方向検出手段によって検出された流れ方向に基づいて、前記水槽における水位が所定の状態に保たれるように前記取水量を制御してもよい。

ここで、所定の状態とは、予め定められた、冷却水供給システムが安定的に冷却水の生成および供給を行うことが可能な範囲の水位である。本発明では、連通手段における冷却水の流れ方向を検出することで、水位が所定の状態から外れたか、または外れようとしていることを検知することとした。そして、制御手段は、検知された流れ方向に基づいて取水量を制御する。具体的には、例えば、連通手段において冷却水が流れて行く方向にある水槽で水位が下がっていると推定し、この水槽に係る冷却手段に対する取水量を増加させるか、この水槽の下流に接続された冷却手段に対する取水量を減少させることで、水位を所定の状態に保とうとする。

また、下流側の冷却手段に対して設けられた水槽における通常水位は、上流側の冷却手段に対して設けられた水槽における通常水位に比べて高く設定され、前記連通手段には、システム運用における保安機構として、前記下流側水槽から前記上流側水槽へ冷却水が流れることを禁止し、前記上流側水槽から前記下流側水槽へ冷却水が流れることを許可する逆止弁が設けられてもよい。

このようにすることで、部材の故障等の異常発生時に上流側水槽の水位が下流側水槽に比べて高くなった場合に、上流側水槽から下流側水槽へ連通手段を通って冷却水が流れ、水位を是正することが可能となる。

また、前記水槽には、該水槽における通常水位より高い位置に設けられる開口部であって、該水槽における水位が所定の水位に達した場合に、隣接する他の水槽へ該水槽内の冷却水を逃がすための開口部が設けられてもよい。

このようにすることで、開口部が設けられた高さまで水槽内の水位が上昇したときに、水槽内の水を外（例えば、隣接する冷却手段に係る水槽）へ逃がすことにより、水槽内の水位が異常な水位まで上昇することを防止することが可能となる。

なお、本発明は、冷却水の流れにおける上流から下流に向けて一列に接続された複数の冷却手段と、上流側の冷却手段から冷却水を取水して下流側の冷却手段へ送る取水手段と、を備え、最下流の冷却手段から冷却水を負荷へ供給する冷却水供給システムにおいて、前記冷却水の流量を制御する流量制御システムであって、前記最下流の冷却手段から前記負荷へ供給される冷却水の供給量を計測する供給量計測手段と、前記供給量計測手段によって計測された供給量に従って、前記取水手段による取水量を制御する制御手段と、を備える、流量制御システムであってもよい。

本発明によって、冷却水の冷却を直列に複数回繰り返す冷却水供給システムであって、送水と取水との間のバランスの変化に即応可能な冷却水供給システムを提供することが可能となる。

本発明に係る冷却水供給システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。冷却水供給システムは、建物に設けられた空調システムや生産装置の発熱部の冷却システム等において用いられる冷却水を冷却するシステムであり、ここでは主に空調システムより還流した冷却水を冷却して、再び空調システムへ供給することで、冷却水を空調システム内で循環させる。

図１は、実施形態に係る冷却水供給システムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る冷却水供給システムは、上流から下流に向けて一列に接続された冷却ブロック１０−
１、１０−２、１０−３と、上流側の冷却ブロックから冷却水を取水して下流側の冷却ブロックへ送るための取水ポンプ１１−２、１１−３と、最下流の冷却ブロック１０−３から冷却水を負荷へ供給するための送水ポンプ４１と、負荷へ供給される冷却水の供給量を計測するための供給流量センサ９２と、供給流量センサ９２による計測結果に従って取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する制御装置９０と、を備える。以降、本実施形態において、例えば冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３等、冷却水供給システムが複数備える構成のうちの一つを特定して示す場合には、符号に「−１」、「−２」等の番号を付して区別することとする。なお、複数備える構成のうち全部または特定されない何れかを示す場合には、「−１」、「−２」等の番号を付さずに示す。なお、本実施形態において、「ブロック」の語は、管理単位としての「区画」や「空間」を示す意味で用いられる。例えば、１台の冷却塔の送風機や充填材を、複数のブロックにおいて共用することとしてもよい。

冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３は、夫々、図示しない散水装置や送風機、充填材等、公知の冷却塔に設けられる部材を備える。冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３は、取水ポンプ１１−２、１１−３によって取水された冷却水を、散水装置を用いて充填材に散水することで、気化熱によって冷却水を冷却する。冷却された冷却水は、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３の下部に設けられた下部水槽１４−１、１４−２、１４−３に貯められる。本実施形態に係る冷却水供給システムは、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３が上流から下流に向けて一列に接続され、取水ポンプ１１によって上流側の冷却ブロック１０によって冷却された冷却水が取水されて下流側の冷却ブロック１０へ送られることで、冷却水を直列に複数回冷却し、低温の冷却水を生成することが可能である。

送水ポンプ４１は、最下流の冷却ブロック１０−３から負荷へ冷却水を供給する。この際、負荷側の冷却水需要の変動その他の要因により、送水ポンプ４１による送水量、即ち、冷却水の負荷への供給量は変動する。このため、冷却水の安定的な供給および適切な水位の維持を行う必要が発生する。

供給流量センサ９２は、送水ポンプ４１によって送水される冷却水の流量、即ち、最下流の冷却ブロック１０−３から負荷へ供給される冷却水の流量を計測する。計測された流量は、制御装置９０へ送られる。

制御装置９０は、供給流量センサ９２によって計測された流量に基づいて、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する。この際、制御装置９０は、取水流量センサ９１−２、９１−３による計測結果を取得し、ここで計測される流量が供給流量センサ９２によって計測された流量と同一となるように、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する。即ち、制御装置９０は、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作することで、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量を制御する。

このようにすることで、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３の下部水槽１４−１、１４−２、１４−３内の水位は一定に保たれる。また、水位センサによる計測結果に従って取水量を制御する方式では、水位が変化したことによって取水量を変化させなければならないことを検出するために、検出の遅れが発生し、更に、取水量が操作されてから最下流の下部水槽１４−３の水位に反映されるまでの遅れが発生するが、本実施形態に係る方式に拠れば、負荷への供給量（即ち、下部水槽１４−３から出て行く冷却水の量）が即座に取水量（即ち、下部水槽１４−２、１４−３に入る冷却水の量）に反映されるために、負荷への供給量の変動に対する即応性が高い。

但し、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量を送水ポンプ４１による送水量と同
一となるように制御した場合であっても、実際には送水量と取水量との間に微差が生じる場合がある。このため、常に送水量と取水量とが同一となるように制御していた場合であっても、微差が積み重なり、下部水槽間の水位にずれが生じる可能性がある。また、この水位のずれは、微差が積み重なり以外の要因によっても起こりうる。そこで、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３の下部に設けられた下部水槽１４−１、１４−２、１４−３は、一列に接続されたときに隣り合う下部水槽と、通常の水位よりも低い位置に設けられた連通配管１６で連通している。この連通配管１６には、流れ方向センサ９３が設けられる。

流れ方向センサ９３は、連通配管１６における冷却水の流れ方向を検出する。制御装置９０は、流れ方向センサ９３によって検出された冷却水の流れ方向に基づいて、連通された下部水槽同士の水位の高低関係を判定することが出来る。そして、制御装置９０は、判定した水位の高低関係に基づいて、下部水槽１４−１、１４−２、１４−３内の水位が所定の状態に保たれるように、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する。具体的には、制御装置９０は、下流側の下部水槽の水位が所定の水位よりも低い場合、下流側への取水量を増やし、下流側の下部水槽の水位が所定の水位よりも高い場合、下流側への取水量を減らす。

図２は、本実施形態における制御装置９０による流量制御処理を示すフローチャートである。本フローチャートに示された処理は、冷却水供給システムの起動とともに開始され、冷却水供給システムの起動中、繰り返し実行される。制御装置９０は、供給流量センサ９２による計測結果を取得する（ステップＳ１０１）。また、制御装置９０は、流れ方向センサ９３によって検出された冷却水の流れ方向を取得する（ステップＳ１０２）。流れ方向としては、「上流から下流へ」「下流から上流へ」または「流れ無し」の何れかが取得される。

そして、制御装置９０は、ステップＳ１０２において取得された流れ方向が上記の何れであるかを判定する（ステップＳ１０３およびステップＳ１０４）。「流れ無し」であった場合、制御装置９０は、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量が送水ポンプ４１による送水量と同一となるように、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量を設定する（ステップＳ１０５）。また、「上流から下流へ」であった場合、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量は、送水ポンプ４１による送水量より多い値に設定され（ステップＳ１０６）、「下流から上流へ」であった場合、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量は、送水ポンプ４１による送水量より少ない値に設定される（ステップＳ１０７）。その後、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量はステップＳ１０５からステップＳ１０７の何れかにおいて設定された設定値に向けて制御される（ステップＳ１０８）。

なお、上流側と下流側の下部水槽の水位の関係を是正するための方法としては、上記流れ方向センサ９３による手段の他、連通配管１６に逆止弁を設ける方法が採用されてもよい（図示は省略する）。具体的には、上流側の下部水槽の水位を低く、下流にいくにつれて下部水槽の水位を徐々に高く設定した上で、連通配管１６に逆止弁を設ける。逆止弁は、下流側下部水槽から上流側下部水槽へ冷却水が流れることを禁止し、上流側下部水槽から下流側下部水槽へ冷却水が流れることを許可するように設けられる。このようにすることで、異常時に上流側下部水槽の水位が下流側下部水槽に比べて高くなった場合に、上流側下部水槽から下流側下部水槽へ連通配管１６を通って冷却水が流れ、下部水槽内の水位が是正される。

また、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３の下部に設けられた下部水槽１４−１、１４−２、１４−３は、通常の水位よりも高い位置に設けられた開口部１７を、各冷却ブロック１０同士を仕切る仕切り壁に有する。この開口部１７は、開口部１７が設けら
れた高さまで下部水槽１４−１、１４−２、１４−３内の水位が上昇したときに、下部水槽１４−１、１４−２、１４−３内の水を外（本実施形態においては、隣接する下部水槽）へ逃がすことにより、下部水槽１４−１、１４−２、１４−３内の水位が異常水位まで上昇することを防止する。

以下、第一の実施形態および第二の実施形態として、上記説明した冷却水供給システムの構成をより詳細に説明する。

＜第一の実施形態＞
図３は、本実施形態に係る冷却水供給システムの詳細な構成を示す図である。本実施形態に係る冷却水供給システム１ａは、散水された冷却水が流れる方向と送風方向とが直交する、直交流型冷却塔である。また、本実施形態に係る冷却塔は開放式で、塔内に乾式熱交換器は有さず、送風機３０の直下を除く空間が気液直接接触空間である。

本実施形態に係る冷却水供給システム１ａは、建物内の空調対象である各領域に設けられた空調装置（図示は省略する）から還流した冷却水が流れる還水配管２０、冷却水の冷却が行われる３つの冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３、冷却水供給システム１ａの中心に位置し冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３に対して送風を行う送風機３０、および送風機３０によって送られる空気を外部より入れるためのルーバ３１を備える。以降、本実施形態において、冷却水供給システム１ａが複数備える構成のうちの一つを特定して示す場合には、符号に「−１」、「−２」等の番号を付して区別することとする。なお、複数備える構成のうち全部または特定されない何れかを示す場合には、「−１」、「−２」等の番号を付さずに示す。また、冷却水供給システム１ａには、冷却ブロック１０−２において冷却された冷却水を冷却負荷、ここでは建物内の冷凍機へ送り出す送水ポンプ４１、往水配管（分岐前の主管）４０、冷却および還水配管２０が設けられる。ここで、送水ポンプ４１および往水配管４０は、本発明の供給手段に相当する。

３つの冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３は、ブロックごとに、冷却対象の冷却水を散水する散水装置１２、散水装置１２によって散水された冷却水が一時的に滞留する充填材１３、および充填材１３から落下した冷却水が貯められる下部水槽１４を備える。また、ブロック間には、冷却ブロック１０−１の下部水槽１４−１から冷却水を取水するための取水ポンプ１１−２、冷却ブロック１０−２の下部水槽１４−２から冷却水を取水するための取水ポンプ１１−３、冷却ブロック１０−１において散水された冷却水と冷却ブロック１０−２において散水された冷却水とが混合しないように冷却水の飛散を防ぐエリミネータ（除水板）１５−１、および冷却ブロック１０−２において散水された冷却水と冷却ブロック１０−３において散水された冷却水とが混合しないように冷却水の飛散を防ぐエリミネータ１５−２が備えられる。冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３において、冷却水の冷却を行うための構成は互いに独立しており、更にエリミネータ１５によって散水の混合が防止されている。このため、冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３において処理される冷却水は処理の途中で互いに混合しない。

また、３つの冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３は、冷却水の流れにおける上流から下流へ一列に接続されている。本実施形態では、冷却水供給システム１ａの中心側、即ち送風機３０により近い側の冷却ブロック１０−１が冷却水上流側、冷却ブロック１０−２が冷却水下流側に接続される。即ち、還流した冷却水は、冷却ブロック１０−１に取り込まれて冷却された後、続いて取水ポンプ１１−２によって冷却ブロック１０−２に取り込まれて更に冷却される。

散水装置１２−１、１２−２は、冷却対象の冷却水を、充填材１３に対して均一に散布するための装置である。本実施形態における散水装置１２は、底に５０から１００ｍｍ間
隔で直径数ｍｍから十数ｍｍの孔が設けられた水槽（上部水槽）であり、この孔から冷却水を重力落下させる方式が用いられる。但し、充填材１３に対して冷却水を散布することが可能であれば、他の散水方式を採用してもよい。例えば、散水装置１２の他の方式として、スプレーノズル方式、特殊ノズル方式等が知られている。このようにして、冷却水は、塔体の内側から外気の取入口に向けて冷却ブロック１０ごとに直接空気と接触する。即ち、冷却ブロック１０を経るごとに、より温度および湿度の低い空気と直接気液接触する。

エリミネータ１５−１、１５−２は、散水装置１２によって散水された冷却水が、隣接する冷却ブロック１０の冷却水と混合しないように仕切るための板状の部材である。具体的には、散水装置１２によって散水された冷却水が、隣接する冷却ブロック１０の散水装置１２によって散水された冷却水と混合したり、隣接する冷却ブロック１０の充填材１３に供給されたりすることを防ぐことができる位置に設けられる。なお、ここでは間隔を置いて設けられた各冷却ブロック１０の充填材１３の中間位置に、充填材１３の高さ分を残してエリミネータ１５（遮蔽体）が設けられている。

充填材１３−１、１３−２、１３−３は、送風機３０によって送風された空気が冷却水に効率よく接触するように、散水装置１２によって散水された冷却水を一時的に滞留させ、冷却水と空気との接触面積を増やすための部材である。形状としては、一般に多孔質の部材や、櫛状の部材が用いられる。

下部水槽１４−１、１４−２、１４−３は、充填材１３において冷却された後に落下した冷却水が貯められる水槽である。

また、本実施形態に係る冷却水供給システム１ａは、ルーバ３１から取り込まれて送風機３０によって送られる空気が、冷却ブロック１０−３の充填材１３−３、冷却ブロック１０−２の充填材１３−２、冷却ブロック１０−１の充填材１３−１、の順に通る点で特徴を有する。即ち、送風機３０によって吸引される（送られる）無調整の外気は、冷却水供給システム１ａ内の冷却水の流れにおける下流側の冷却ブロック１０−３から上流側の冷却ブロック１０−１に向かって流れる。このようにすることで、全ての冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３において、冷却対象の冷却水の温度と、この冷却水に接触する空気の温度との温度差を大きくすることが出来、外気等の大気のみを冷却用冷熱源とした効率の良い冷却が可能となる。

また、冷却水供給システム１ａは、制御装置９０、供給流量センサ９２、取水流量センサ９１−２、９１−３、連通配管１６、連通配管１６に設けられた流れ方向センサ９３、および開口部１７を備える。供給流量センサ９２は、図１に関する説明の通り、送水ポンプ４１によって送水される冷却水の流量、即ち、最下流の冷却ブロック１０−０３から負荷へ供給される冷却水の流量を計測する。連通配管１６、流れ方向センサ９３、および開口部１７についても、図１に関する説明と概略同様である。なお、流れ方向センサ９３は、例えば、プロペラを内蔵するセンサとすることが出来る。この場合、プロペラの回転方向を検出することによって、連通配管１６における冷却水の流れ方向を検知する。

制御装置９０は、供給流量センサ９２によって計測された流量に基づいて、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する。この際、制御装置９０は、取水流量センサ９１−２、９１−３による計測結果を取得し（図２のステップＳ１０１を参照）、ここで計測される流量が供給流量センサ９２によって計測された流量と同一となるように、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作する（図２のステップＳ１０２を参照）。即ち、制御装置９０は、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作することで、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量を制御する。

本実施形態に拠れば、冷却水供給システム１ａにおいて、負荷への供給量が即座に取水量に反映されるために、負荷への供給量の変動に対する即応性が高い冷却水供給システムを提供することが可能となる。

次に、本実施形態に係る冷却水供給システム１ａにおける冷却水の冷却の流れを説明する。

はじめに、冷却対象の冷却水が取水される。冷却ブロック１０−１は、還水配管２０から冷却水を取水する。次に、取水された冷却水が散水される。冷却ブロック１０−１は、散水装置１２−１によって、取水した冷却水を充填材１３−１に対して散水する。散水された冷却水は、充填材１３−１に滞留する。

ここで、送風機３０によって送られる空気がルーバ３１を介して充填材１３−１を通ることで、空気と冷却水との間での熱交換、および冷却水が気化する際に奪われる気化熱によって、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、充填材１３−１より落下して下部水槽１４−１に貯められる。

冷却ブロック１０−２は、取水ポンプ１１−２によって、下部水槽１４−１から冷却水を取水する。取水された冷却水は、散水装置１２−２によって散水され、充填材１３−２において、送風機３０によって送られた空気との間での熱交換または気化熱によって冷却される。冷却された冷却水は、充填材１３−２より落下して下部水槽１４−２に貯めらる。

冷却ブロック１０−３は、取水ポンプ１１−３によって、下部水槽１４−２から冷却水を取水する。取水された冷却水が冷却される方法は、冷却ブロック１０−１、１０−２において説明した方法と同様である。冷却された冷却水は下部水槽１４−３に貯められ、送水ポンプ４１によって往水配管４０へ送り出される。

従来であれば経済的に実現性の低い巨大な冷却塔を必要としたところ、本実施形態に拠れば、一台の冷却塔からなる冷却水供給システム１ａとして、比較的小さな占有領域で、外気湿球温度に近い冷却水を生成することが可能となる。また、本発明に拠れば、充填材を分割配置し、冷却水を分割された充填材に順次散水することで、従来問題であった負荷側の条件と冷却塔の構造的による制約が解消され、最適な水負荷、空気負荷、水空気比の設計を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、３つの冷却ブロック１０−１、１０−２、１０−３を、冷却水の流れにおいて一列に接続することとしたが、２つまたは４つ以上の冷却ブロック１０を冷却水の流れにおいて一列に接続することとしてもよい。例えば、Ｎ個の冷却ブロック１０を接続することとし、冷却水の流れにおいて上流から順に冷却ブロック１０−１、１０−２、・・・１０−Ｎとした場合、送風機３０は、冷却ブロック１０−Ｎ・・・１０−２、１０−１の順に空気が通過するように送風を行う。なお、この場合、最上流の冷却ブロック１０−１を除く各冷却ブロック１０の取水側には、冷却水の流れにおいて上流から順に取水ポンプ１１−２、１１−３、・・・１１−Ｎが設けられる。

直交流型冷却塔の場合、空気側の断面積を比較的自由に設定することが可能であるが、水量については、負荷側の条件によって固定されており、このことが冷却塔を設計する上での制約となる。本実施形態に拠れば、充填材１３を任意の列数に分割し、冷却水を順次供給することで、水側の断面積の自由度を高めることが可能となる。

＜第二の実施形態＞
図４は、本実施形態に係る冷却水供給システムの詳細な構成を示す図である。本実施形態に係る冷却水供給システム１ｂは、散水された冷却水が流れる方向と送風方向とが対向する、向流型冷却塔である。

本実施形態に係る冷却水供給システム１ｂは、建物内の空調対象である各領域に設けられた空調装置（図示は省略する）から還流した冷却水が流れる還水配管２０、冷却水の冷却が行われる３つの向流型冷却塔５０−１、５０−２および５０−３、向流型冷却塔５０−３において冷却された冷却水を建物内の各空調装置へ送り出す送水ポンプ４１および往水配管（分岐前の主管）４０を備える。ここで、送水ポンプ４１および往水配管４０は、本発明の供給手段に相当する。以降、本実施形態において、冷却水供給システム１ｂが複数備える構成のうちの一つを特定して示す場合には、符号に「−１」、「−２」等の番号を付して区別することとする。なお、複数備える構成のうち全部または特定されない何れかを示す場合には、「−１」、「−２」等の番号を付さずに示す。なお、何れの冷却塔５０も、第一の実施形態と同様に開放式であり、塔内に乾式熱交換器を有さず、気液直接接触空間が内部の大部分を占める。

３つの向流型冷却塔５０−１、５０−２および５０−３は、互いにＵ／Ｎがほぼ等しい向流型冷却塔であり、冷却水の流れにおける上流から下流へ一列に接続されている。本実施形態では、冷却水上流から下流に向けて、向流型冷却塔５０−１、向流型冷却塔５０−２、向流型冷却塔５０−３の順に接続される。

また、夫々の向流型冷却塔５０は、冷却対象の冷却水を散水する散水装置１２、散水装置１２によって散水された冷却水が一時的に滞留する充填材１３、充填材１３に滞留する冷却水に向けて送風を行う送風機１９、送風機１９によって送られる空気を外部より入れるためのルーバ１８、および充填材１３から落下した冷却水が貯められる下部水槽１４を備える。また、最上流の向流型冷却塔５０−１を除く向流型冷却塔５０−２および５０−３は、上流側の向流型冷却塔５０の下部水槽１４から冷却水を取水するための取水ポンプ１１−２、１１−３を更に備える。

本実施形態における散水装置１２は、スプレーノズル方式の散水装置１２である。但し、充填材１３に対して冷却水を散布することが可能であれば、他の散水方式を採用してもよい。その他、充填材１３、下部水槽１４等の機能、構成は第一の実施形態に示したものと概略同様である。

また、本実施形態は、冷却塔が夫々個別にルーバ１８および送風機１９を有する点で、第一の実施形態と異なる。冷却塔が夫々個別にルーバ１８および送風機１９を有しているため、全ての向流型冷却塔５０において、冷却対象の冷却水の温度と、この冷却水に接触する空気の温度との温度差を大きくすることが出来る。

還水配管２０に還流した冷却水は、はじめに向流型冷却塔５０−１によって冷却され、その後順次向流型冷却塔５０−２、５０−３によって冷却され、外気湿球温度に近い水温の冷却水となる。

従来であれば経済的に実現性の低い巨大な冷却塔を必要としたところ、本実施形態に拠れば、比較的小さな占有領域で、外気湿球温度に近い冷却水を生成することが可能となる。また、本発明に拠れば、冷却塔を分割配置し、冷却水を順次冷却することで、従来、向流型冷却塔を設計する際に問題であった空気負荷の制約が解消され、最適な水負荷、空気負荷、水空気比の設計を行うことが可能となる。

また、冷却水供給システム１ｂは、冷却水供給システム１ａと同様、制御装置９０、供給流量センサ９２、取水流量センサ９１−２、９１−３、連通配管１６、および連通配管１６に設けられた流れ方向センサ９３を備える。制御装置９０は、取水ポンプ１１−２、１１−３の能力を操作することで、取水ポンプ１１−２、１１−３による取水量を制御する。処理の流れは、図２に示すフローチャートを用いて説明した処理の流れと概略同様である。即ち、本実施形態に拠れば、冷却水供給システム１ｂにおいて、負荷への供給量が即座に取水量に反映されるために、負荷への供給量の変動に対する即応性が高い冷却水供給システムを提供することが可能となる。

また、各向流型冷却塔５０の下部水槽１４に送水配管と送水ポンプ４１とを設け（図示は省略する）、低温冷却水が不要な場合に、最下流の向流型冷却塔５０よりも上流にある何れかの向流型冷却塔５０の下部水槽１４より、負荷側（空調装置等）に冷却水を供給することとしてもよい。このような構成とすることによって、低温冷却水を必要としない場合に、一部の向流型冷却塔５０の運転を停止し、エネルギー消費量を低減させることが可能となる。

なお、本実施形態では、３つの向流型冷却塔５０を、冷却水の流れにおいて一列に接続することとしたが、一列に接続される向流型冷却塔５０の数は、冷却水供給システム１ｂに要求される性能に応じて適宜最適な数が選択されることが好ましい。

＜その他の実施形態＞
上記第一、第二の実施形態では、充填材を使用する冷却塔（所謂開放式冷却塔）に本発明を適用した場合の実施形態について述べたが、本発明は、充填材に代えて多管式、フィン付き管式またはプレート式などの、熱交換器を設置して、熱交換器の外面に散布した水の蒸発潜熱を利用して管内の冷却水を冷却する方式を採用した冷却塔（所謂密閉型冷却塔）に適用されてもよい。

なお、散布水のキャリーオーバーや蒸発に応じて水の補給が必要となるが、図３の例では冷却ブロック１０−１、図４の例では冷却塔１４−１等、上流に一箇所給水管およびボールタップを設けることで対応可能である。

また、図３の還水配管２０と往水配管４０との間、図４の還水配管２０と往水配管４０との間、または取水ポンプ１１−２／１１−３系統と往水配管４０との間を、弁付きのバイパス管で結び、能力が出すぎる場合には、冷却された冷却水を下流の冷却ブロックまたは冷却塔へ通さず、最下流のブロックまたは最下流の冷却塔へ到達する前の冷却水を負荷側へ送水することとしてもよい。

更に、外気湿球温度等の条件を計測して、送風機３０の回転数（水温を制御）、取水ポンプ１１の回転数（水量を制御）、およびこれらの運転台数を制御することで、よりきめ細かい制御が可能となる。

実施形態に係る冷却水供給システムの概略構成を示す図である。 実施形態における制御装置による流量制御処理を示すフローチャートである。 実施形態に係る冷却水供給システムの詳細な構成を示す図である。 実施形態に係る冷却水供給システムの詳細な構成を示す図である。 本発明に係る冷却水供給システムに従来の水位制御方法を適用したと仮定した場合の構成を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ 冷却水供給システム
１０−１、１０−２、１０−３ 冷却ブロック
１１、１１−２、１１−３ 取水ポンプ
１２−１、１２−２ 散水装置
１３ 充填材
１４−１、１４−２、１４−３ 下部水槽
１５ エリミネータ（除水板）
１６ 連通配管
１７ 開口部
１８ ルーバ
１９ 送風機
２０ 還水配管
３０ 送風機
３１ ルーバ
４０ 往水配管
４１ 送水ポンプ
５０−１、５０−２、５０−３ 向流型冷却塔
９０ 制御装置
９１、９１−２、９１−３ 取水流量センサ
９２ 供給流量センサ
９３ 流れ方向センサ

Claims (7)

1. 冷却水の流れにおける上流から下流に向けて一列に接続された複数の冷却手段と、
   上流側の冷却手段から冷却水を取水して下流側の冷却手段へ送る取水手段と、
   最下流の冷却手段から冷却水を負荷へ供給する供給手段と、
   前記供給手段によって前記負荷へ供給される冷却水の供給量を計測する供給量計測手段と、
   前記供給量計測手段によって計測された供給量に従って、前記取水手段による取水量を制御する制御手段と、
   を備える、冷却水供給システム。
2. 前記取水手段は、前記複数の冷却手段の夫々に対して設けられた複数の取水ポンプを用いて冷却水を取水し、
   前記制御手段は、前記複数の取水ポンプによる取水量が同一となるように前記複数の取水ポンプの能力を操作し、前記取水量を制御する、
   請求項１に記載の冷却水供給システム。
3. 前記制御手段は、前記取水手段による各冷却手段への取水量が、前記供給量計測手段によって計測された供給量と同一となるように、前記複数の取水ポンプの能力を操作する、
   請求項２に記載の冷却水供給システム。
4. 前記複数の冷却手段は、該複数の冷却手段の夫々に対して設けられ、各冷却手段によって冷却された冷却水を一時的に貯める水槽を有し、
   上流側の冷却手段に対して設けられた水槽と下流側の冷却手段に対して設けられた水槽とを、これらの水槽間で冷却水が移動可能とするように連通させる連通手段と、
   前記連通手段における冷却水の流れ方向を検出する流れ方向検出手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記流れ方向検出手段によって検出された流れ方向に基づいて、前記水槽における水位が所定の状態に保たれるように前記取水量を制御する、
   請求項１から３の何れか一に記載の冷却水供給システム。
5. 下流側の冷却手段に対して設けられた水槽における通常水位は、上流側の冷却手段に対して設けられた水槽における通常水位に比べて高く設定され、
   前記連通手段には、前記下流側水槽から前記上流側水槽へ冷却水が流れることを禁止し、前記上流側水槽から前記下流側水槽へ冷却水が流れることを許可する逆止弁が設けられる、
   請求項４に記載の冷却水供給システム。
6. 前記水槽には、該水槽における通常水位より高い位置に設けられる開口部であって、該水槽における水位が所定の水位に達した場合に、隣接する他の水槽へ該水槽内の冷却水を逃がすための開口部が設けられる、
   請求項４または５に記載の冷却水供給システム。
7. 冷却水の流れにおける上流から下流に向けて一列に接続された複数の冷却手段と、上流側の冷却手段から冷却水を取水して下流側の冷却手段へ送る取水手段と、を備え、最下流の冷却手段から冷却水を負荷へ供給する冷却水供給システムにおいて、前記冷却水の流量を制御する流量制御システムであって、
   前記最下流の冷却手段から前記負荷へ供給される冷却水の供給量を計測する供給量計測手段と、
   前記供給量計測手段によって計測された供給量に従って、前記取水手段による取水量を制御する制御手段と、
   を備える、流量制御システム。

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