JP5199161B2 - 水蒸気圧縮冷凍機システム - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (3)
- 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。
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