JP5180130B2 - 水蒸気圧縮冷凍機システム - Google Patents

Description

本発明は、フリークーリング割り込み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。

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、か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。

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５、図６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。

図５、図６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５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。

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６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。

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６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。

特開２００６−９７９８９号公報

ところで、図５、図６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。

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。

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とともに底部に仕切りで囲われた領域を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、凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と蒸発器の底部とに連結される第一の連通路と、第一の連通路より太径の配管に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプを設け、凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と蒸発器の底部とに連結され、フリークーリング運転時に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開にして強制循環ポンプを駆動して凝縮器内の冷水を蒸発器内に送る第二の連通路と、冷水ポンプ及び温度計を設け、蒸発器に連結される冷水往き管と、流量計、温度計及び第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、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、第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、冷水還り管の第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁より上流側から分岐し、冷水還り管の冷水が凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域に落下するように領域に対応する凝縮器の上面に連結され、フリークーリング運転時に冷水還り管の冷水を凝縮器に送るバイパス管路と、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、冷却水ポンプを設け、凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域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、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、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開き連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止して圧縮機を駆動して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制御弁を閉止し連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開いて、第二の連通路の強制循環ポンプを駆動して、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。

請求項２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とともに底部に仕切りで囲われた領域を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、凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と蒸発器の底部とに連結される第一の連通路と、第一の連通路より太径の配管に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプを設け、凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と蒸発器の底部とに連結され、フリークーリング運転時に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開にして強制循環ポンプを駆動して凝縮器内の冷水を蒸発器内に送る第二の連通路と、冷水ポンプ及び温度計を設け、蒸発器に連結される冷水往き管と、流量計、温度計及び全閉可能な第一の比例制御弁を設け、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、全閉可能な第二の比例制御弁を設け、冷水還り管の第一の比例制御弁より上流側から分岐し、冷水還り管の冷水が凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域に落下するように領域に対応する凝縮器の上面に連結され、フリークーリング運転時に冷水還り管の冷水を凝縮器に送るバイパス管路と、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、冷却水ポンプを設け、凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域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、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、連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第二の比例制御弁を全閉に第一の比例制御弁を全開にして圧縮機を駆動して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、連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び第二の比例制御弁を全開に第一の比例制御弁を全閉にして第二の連通路の強制循環ポンプを駆動してフリークーリング運転を行わせ、フリークーリング運転時に、蒸発器内の温度が所定の値以上の場合に、第二の比例制御弁及び第一の比例制御弁を流量調節しながら開くように動作させて圧縮機を駆動して冷凍サイクル運転を併用させる制御装置とを備えることを特徴とする。

請求項３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少なくとも連絡し、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、第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、圧縮機と、連通路のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプと、第二の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。

請求項４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少なくとも連絡し、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、負荷熱量が多くなり、蒸発器内の温度が所定の温度を超えた場合、演算した負荷熱量とフリークーリング熱量とから、冷凍サイクル運転回路の冷水流量と、フリークーリング運転回路の冷水流量とを演算した後、追っかけて圧縮機を運転させ、第一の比例制御弁と第二の比例制御弁の開度を調整制御する制御コントロール部と、第一の比例制御弁と、圧縮機と、連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプと、第二の比例制御弁とに連絡し、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又は追っかけ併用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。

請求項５の水蒸気圧縮冷凍機システムは、請求項１乃至４の何れか記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、冷却水配管及び密閉式冷却塔を、二組とするとともに、各冷却水配管にＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、フリークーリング運転時に、何れかの冷却水配管又は両方の冷却水配管に冷却水を供給できるようにＯＮ−ＯＦＦ制御弁の開閉を制御装置によって制御することを特徴とする。

本発明によれば、蒸発器の下部と凝縮器の下部とを連絡する第一の連通管と並行して第一の配管より太径の配管に搬送ポンプを設けた第二の連通管を配置して、負荷から冷却塔に流れる系を追加したことにより、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。

また、本発明によれば、負荷から蒸発器へ導かれる冷水還り管及び負荷から凝縮器へ導かれるバイパス管に制御弁を設けて開度制御することにより、フリークーリング回路を主に運転しつつ不足の能力をルーツ圧縮機を運転することで追いかけ運転で補充することも可能となった。

本発明の実施形態１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。 本発明の実施形態１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。 本発明の実施形態１に係る水蒸気圧縮冷凍機システムのフリークーリングに冷凍機運転を追加した状態を示す構成図である。 本発明の実施形態２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。 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。 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。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムは、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。
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２つの連通路６３，６５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４６と、蒸発器３５と凝縮器４６との相互間を接続する蒸気ダクトである連結配管４９に配設したインバータで制御されるルーツ圧縮機５０と、蒸発器３５に連絡する冷水配管３７の冷水還り管４１と凝縮器４６とを連絡するバイパス管６９とを有する。

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）４５が連結されている。

冷水配管３７の冷水往き管３８は、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、温度計４３及び全閉可能な第一の比例制御弁４４を設け、負荷４５と蒸発器３５の上部に連絡している。
この蒸発器３５内での沸騰蒸発にて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、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４６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４９を介して導入し、この蒸気に対し冷却水を噴霧してその蒸発潜熱で冷却し凝縮するものである。凝縮器４６は、底部に後述する冷却水配管５１の冷却水往き管５３を取り付ける部位の周囲を囲むように、仕切り４７が設けてある。この仕切り４７は、冷却水往き管５３のタッビングが凝縮器４６の底部から外側へ設けられていて、凝縮器４６の底部のタッビング孔を巻く形で設けられた背の低い仕切りである。この仕切りによって、後述するバイパス管６９を介して冷水還り管４１から吐出する水を、他の凝縮器内水冷媒液に優先して冷却水ポンプ５２が吸い込めるようになっている。

また、凝縮器４６には、配管を介して真空ポンプ４８が接続されている。
真空ポンプ４８は、凝縮器４６内の空気、つまり凝縮器４６に空間として繋がっている第１の連通路６３、第２の連通路６５、連結配管４９及び蒸発器３５と、さらに凝縮器４６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２０内を真空状態とする。
ルーツ圧縮機５０は、蒸発器３５と凝縮器４６とを相互に連結する連結配管に連結されている。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４６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。

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４６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４８によって、凝縮器４６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３５の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る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。

冷却水配管５１は、冷却水ポンプ５２を設けた冷却水往き管５３と、温度計５６を設けた冷却水還り管５３と、冷却水往き管５３と冷却水還り管５５とを繋ぐ熱交換器コイル５４とを有する。冷却水往き管５３は、凝縮器４６の底部に仕切り４７によって設けた領域に連絡し、冷却水還り管５５は、凝縮器４６内に設けた散水管５７に連絡している。熱交換器コイル５４は、密閉式冷却塔５８に内蔵されている。

密閉式冷却塔５８は、熱交換器コイル５４に散水管６２から循環水を散布して冷却するために、冷却水ポンプ６０を設け、下部水槽５９と散水管６２とを連結する外部水配管６１を設けている。
密閉式冷却塔５８では、凝縮器４６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５４を経て冷却した後、冷却水還り管５３を介して凝縮器４６内に導き、その上部に散水管５７より噴出することにより、連結配管４９を介して導入される蒸気を、散水管５７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４６内の底に溜まった冷却水を、冷却水往き管５３を介して再び密閉式冷却塔５８へ送る循環を行うように構成されている。

蒸発器３５の底部と凝縮器４６の底部とを繋ぐ第一の連通路６３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し、温度計６４を設けている。
蒸発器３５の底部と凝縮器４６の底部とを繋ぐ第二の連通路６５は、第一の連通管６３より太径の供給管で構成され、連通管ＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６、温度計６７及び強制循環ポンプ６８を設けている。

２つの連通路６３，６５は、並行して配置されている。そして、２つの連通路６３，６５は、冷却水往き管５３とは仕切り４７を隔てて凝縮器４６の底部に連結されている。
冷水還り管４１と凝縮器４６とを連絡するバイパス管６９は、全閉可能な第二の比例制御弁７０を設け、負荷４５から蒸発器３５へ戻る冷水還り管４１の温度計４３と全閉可能な第一の比例制御弁４４との間から分岐し、凝縮器４６の上面に連絡している。そして、バイパス管６９の端部７１は槽状の凝縮器４６の上部で切りっぱなしになっており、その下部には、冷却水往き管５３のタッピングが凝縮器底部から外側へ設けられていて、凝縮器底部のタッピング孔を巻く形で設けられた背の低い仕切り４７を設け、冷水還り管４１から吐出する水を、他の凝縮器内水冷媒液に優先して冷却水ポンプ５２が吸い込めるようになっている。

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７２は、負荷演算部７２ａと、制御コントロール部７２ｂと、信号出力部７２ｃとを有する。
負荷演算部７２ａ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７２ａ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。

制御コントロール部７２ｂには、蒸発器３５の温度計３６と、第一の連通路６３の温度計６４と、第二の連通路６５の温度計６７と、冷却水配管５１の冷却水還り管５５の温度計５６と、フリークーリングの冷却能力を司る外気湿球温度計７３とに連絡している。
制御コントロール部７２ｂでは、負荷演算部７２ａ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７３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５５の温度計５６の温度Ｔ４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７２ｃへ送る。

信号出力部７２ｃには、冷水配管３７の冷水還り管４１の全閉可能な第一の比例制御弁４４と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の連通路６５の連通管ＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６及び強制循環ポンプ６８と、バイパス管６９の全閉可能な第二の比例制御弁７０とに連絡している。信号出力部７２ｃでは、制御コントロール部７２ｂからの指令に基づいて、冷水配管３７の冷水還り管４１の全閉可能な第一の比例制御弁４４と、ルーツ圧縮機５０のモータ及びインバータ制御部と、第二の連通路６５の連通管ＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６及び強制循環ポンプ６８と、バイパス管６９の全閉可能な第二の比例制御弁７０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。

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４６、冷却塔５８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。

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４６に導かれる。凝縮器４６では、冷却塔５８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５８に送られ、その熱を冷却塔５８により外部へ放熱する。凝縮器４６内の凝縮水は、凝縮器４６と蒸発器３５とを連結した第一の連通路６３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。

本実施形態において、水蒸気は、蒸発器３５から連結配管４９内を流送し、ルーツ圧縮機５０に流れ、さらに、凝縮器４６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。
冷却塔５８は、冷却水配管５１に介設されており、この冷却水配管５１を経て冷却水を流送する。そして、凝縮器４６の入口側から冷却水が散水器５７で凝縮器４６内に散布する。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４６の底部に滞留する水冷媒液の温度が、例えば、３７℃であって、約６．３ｋＰａの飽和蒸気圧を有し、その出口側から３７℃の冷却水が冷却水ポンプ５２により密閉式冷却塔５８に流送される。

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４６の底部に滞留している水冷媒液は、連結配管４９から送給される蒸気が凝縮器４６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、第１の連通路６３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４６の圧力差を、凝縮器４６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７２によって常時下記のように監視する。

負荷演算部７２ａ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７３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７２ｂ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５５の温度計５６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、ルーツ圧縮機５０を停止し、連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁６６及び全閉可能な第二の比例制御弁７０を全開に全閉可能な第一の比例制御弁４４を全閉にして第二の連通路の強制循環ポンプを駆動して、フリークーリング運転に切り替える。

これによって、信号出力部７２ｃは、全閉可能な第一の比例制御弁４４を閉止し、同時にバイパス管６９の全閉可能な第二の比例制御弁７０を開放し、ルーツ圧縮機５０を停止した後、第二の連通路６５の連通管ＯＮ−ＯＦＦ弁６６を開放して強制循環ポンプ６８を運転する指令を出す。
制御装置７２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（２０℃で制御）と冷却水還り管４１の温度計４３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、負荷熱量と比較し続ける。

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（太径の第二の連通路６５の温度計６７の水温の計測値の方が応答性良好なので尚良い）が所定の温度を超えた場合、図３に示すように、追っかけてルーツ圧縮機５０を運転するため、演算した負荷熱量とフリークーリング熱量とから、制御コントローラ部７２ｂにてルーツ圧縮機５０により循環する冷凍サイクル回路と強制循環ポンプ６８によるフリークーリング回路との冷水流量を演算する。

なお、蒸発器３５内の温度計３６による温度は、蒸発器３５内の溜められた大きな容積の冷水の温度を蒸発器３５内中腹で計測しているため、強制循環ポンプ６８で蒸発器３５内の冷水溜めに温度変化した水が送られても冷水の容積で応答性が悪くなる。
そこで、蒸発器３５内の冷水溜めの水温を温度変化させる強制循環ポンプ６８で送られる水温をいち早く計測できるのが温度計６７の温度なので応答性が更に良好であるとした。
ただし、温度計６７の温度は変動も大きくはなる。

もし、外気湿球温度計７３の温度が所定の値以下のまま、負荷熱量が多くなり、蒸発器３５内の温度が所定の温度を超えた場合、演算した負荷熱量とフリークーリング熱量とから、冷凍サイクル運転回路の冷水流量と、フリークーリング運転回路の冷水流量とを演算した後、追っかけてツール圧縮機５０を運転させ、全閉可能な第一の比例制御弁４４及び全閉可能な第二の比例制御弁７０の開度を調整制御する追っかけ併用運転に切り替える。
フリークーリング熱量演算と負荷熱量演算との比較演算結果に従い、全閉可能な第一の比例制御弁４４、全閉可能な第二の比例制御弁７０の流量調整を行った後、ルーツ圧縮機５０を追加運転する。

この演算結果に従い、全閉可能な第一の比例制御弁４４及び全閉可能な第二の比例制御弁７０の流量調整を行った後、ルーツ圧縮機５０を追加運転する。
ここで、追いかけてルーツ圧縮機５０を運転する場合、演算した負荷熱量の方がフリークーリング熱量より大きくなっている。
つまり、全閉可能な第一の比例制御弁４４を流れる冷水量により、ルーツ圧縮機５０により循環する冷凍サイクル回路による、全閉可能な第一の比例制御弁４４の流量／定格流量の割合の冷水冷却が行われ、全閉可能な第二の比例制御弁７０を流れる冷水量により、強制循環ポンプ６８により循環されるフリークーリング回路による、全閉可能な第二の比例制御弁７０の流量／定格流量の割合の冷水冷却が行われ、この２つの冷却の合計が、負荷熱量と等しくなるように制御されるように演算して全閉可能な第一の比例制御弁４４、全閉可能な第二の比例制御弁７０の流量を決める。

ここで、全閉可能な第二の比例制御弁７０を流れる冷水量を調整するということは、強制循環ポンプ６８の流量をも調整して、全閉可能な第一の比例制御弁４４を流れる冷水量を確保し、その流量によるルーツ圧縮機５０により循環する冷凍サイクル回路による冷却熱量を制御コントローラ部７２ｂの演算とおり発生させることを意味する。

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５８の熱交換量の調整のため、密閉式冷却塔５８へ入る手前の冷却水往き管５３と、密閉式冷却塔５８から出る冷却水還り管５５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５６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。

この場合は、冷却水ポンプ５２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５２を回転数制御する場合は、冷却水ポンプ５２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５５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、蒸発器３５と凝縮器４６との間の下部に第一の連通管６３より太径の供給管から成る第二の連通路６５に強制循環ポンプ６８を設け、負荷４５から冷却塔５８に流れる系を追加したことにより、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。

また、負荷４５から蒸発器３５及び負荷４５から凝縮器４６へ導かれるバイパス管６９にある全閉可能な第二の比例制御弁７０を開度制御することにより、フリークーリング回路を主に運転しつつ不足の能力をルーツ圧縮機５０を運転することで追いかけ運転で補充することも可能である。
なお、本実施形態では、フリークーリング運転時と冷凍機追加運転とを併用する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、冷凍機運転とフリークーリング運転とを切り替えて運転するようにしても良い。この場合、全閉可能な第一の比例制御弁４４及び全閉可能な第二の比例制御弁７０は、それぞれ全閉可能な第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁４４及び全閉可能な第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁７０に弁形式を変更して、２位置動作にすれば良い。

（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２に係る水蒸気圧縮冷凍機システムを示す。
例えば、フリークーリングの冷却能力を司る外気湿球温度計７３が計測する温度が、中間期のようにフリークーリングのトリガが発せられるほど低いものの例えば１０〜１５℃ＷＢのような温度の場合、密閉式冷却塔５８の伝熱面積を大きくとらないと冷却熱量が確保できないこととなる。
これが湿球１０℃ＷＢ以下の外気温度の場合は、例えば冷凍サイクルの凝縮器３５からの熱処理をまかなう密閉式冷却塔５８の伝熱面積で十分となったりする。

そこで、外気湿球温度計７３の計測値に応じ、更に負荷熱量も演算考慮して密閉式冷却塔５８の伝熱面積を段階制御することができるように、２台目の密閉式冷却塔５８ａを制御弁７４，７４ａ、７５，７５ａによって切替又は併用できるようにしたものである。
従って、通常の運転時には、２台目の密閉式冷却塔５８ａは閉じられている。

なお、上記実施形態では、ルーツ圧縮機２５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。

３０ 水蒸気圧縮冷凍機
３５ 蒸発器
３６、４０、４３、５６、６４、６７ 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 全閉可能な第一の比例制御弁
４５ 負荷
４６ 凝縮器
４７ 仕切り
４８ 真空ポンプ
４９ 連結配管
５０ ルーツ圧縮機
５１ 冷却水配管
５２ 冷却水ポンプ
５３ 冷却水往き管
６９ バイパス管
５４ 熱交換器コイル
５５ 冷却水還り管
５７、６２ 散水管
５８ 密閉式冷却塔
６０ 冷却水ポンプ
６１ 外部水配管
６３ 第一の連通路
６５ 第二の連通路
６６ 連通管ＯＮ−ＯＦＦ制御弁
６８ 強制循環ポンプ
７０ 全閉可能な第二の比例制御弁
６９ バイパス管
７２ 制御装置
７２ａ 負荷演算部
７２ｂ 制御コントロール部
７２ｃ 信号出力部
７３ 外気湿球温度計

Claims (5)

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とともに底部に仕切りで囲われた領域を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、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、
   前記凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と前記蒸発器の底部とに連結される第一の連通路と、
   前記第一の連通路より太径の配管に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプを設け、前記凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と前記蒸発器の底部とに連結され、フリークーリング運転時に前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開にして前記強制循環ポンプを駆動して前記凝縮器内の冷水を前記蒸発器内に送る第二の連通路と、
   冷水ポンプ及び温度計を設け、前記蒸発器に連結される冷水往き管と、流量計、温度計及び第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、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、
   第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記冷水還り管の前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁より上流側から分岐し、前記冷水還り管の冷水が前記凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域に落下するように前記領域に対応する前記凝縮器の上面に連結され、フリークーリング運転時に前記冷水還り管の冷水を前記凝縮器に送るバイパス管路と、
   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、
   冷却水ポンプを設け、前記凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域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、
   前記冷却水配管に熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、
   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、前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開き前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を閉止して前記圧縮機を駆動して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制御弁を閉止し前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第二のＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開いて、前記第二の連通路の前記強制循環ポンプを駆動して、前記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。
2. 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とともに底部に仕切りで囲われた領域を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、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、
   前記凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と前記蒸発器の底部とに連結される第一の連通路と、
   前記第一の連通路より太径の配管に連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプを設け、前記凝縮器の底部に仕切りで囲われた領域以外の底部と前記蒸発器の底部とに連結され、フリークーリング運転時に前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁を開にして前記強制循環ポンプを駆動して前記凝縮器内の冷水を前記蒸発器内に送る第二の連通路と、
   冷水ポンプ及び温度計を設け、前記蒸発器に連結される冷水往き管と、流量計、温度計及び全閉可能な第一の比例制御弁を設け、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、
   全閉可能な第二の比例制御弁を設け、前記冷水還り管の前記第一の比例制御弁より上流側から分岐し、前記冷水還り管の冷水が前記凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域に落下するように前記領域に対応する前記凝縮器の上面に連結され、フリークーリング運転時に前記冷水還り管の冷水を前記凝縮器に送るバイパス管路と、
   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、
   冷却水ポンプを設け、前記凝縮器の底部の仕切りで囲われた領域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、
   前記冷却水配管に熱交換器の水側が連結される密閉式冷却塔と、
   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、前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第二の比例制御弁を全閉に前記第一の比例制御弁を全開にして前記圧縮機を駆動して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、前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び前記第二の比例制御弁を全開に前記第一の比例制御弁を全閉にして前記第二の連通路の前記強制循環ポンプを駆動して前記フリークーリング運転を行わせ、前記フリークーリング運転時に、前記蒸発器内の温度が所定の値以上の場合に、前記第二の比例制御弁及び前記第一の比例制御弁を流量調節しながら開くように動作させて前記圧縮機を駆動して前記冷凍サイクル運転を併用させる制御装置と
   を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
3. 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少なくとも連絡し、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、
   前記第一のＯＮ−ＯＦＦ制御弁と、前記圧縮機と、前記連通路のＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプと、前記第二の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。
4. 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少なくとも連絡し、
   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り、前記蒸発器内の温度が所定の温度を超えた場合、演算した負荷熱量とフリークーリング熱量とから、前記冷凍サイクル運転回路の冷水流量と、前記フリークーリング運転回路の冷水流量とを演算した後、追っかけて前記圧縮機を運転させ、第一の比例制御弁と第二の比例制御弁の開度を調整制御する制御コントロール部と、
   前記第一の比例制御弁と、前記圧縮機と、前記連通路ＯＮ−ＯＦＦ制御弁及び強制循環ポンプと、前記第二の比例制御弁とに連絡し、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又は追っかけ併用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。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおいて、
   前記冷却水配管及び前記密閉式冷却塔を、二組とするとともに、各前記冷却水配管にＯＮ−ＯＦＦ制御弁を設け、前記フリークーリング運転時に、何れかの前記冷却水配管又は両方の前記冷却水配管に冷却水を供給できるように前記ＯＮ−ＯＦＦ制御弁の開閉を前記制御装置によって制御する
   ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システム。
   

Images