JP5345438B2 - 水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム - Google Patents
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Description
この通年で高温の冷却を要求するデータセンタのサーバには、例えば、特許文献1に開示されるように、冷却水の冷凍設備が備えられている。
データセンターのサーバラックに高密度に設置されたブレード型のサーバには、例えば、サーバラックに並列に冷却用に熱交換器が備わったり、サーバラックの周囲に気流の通過流路を設けその流路を流れる空気と熱交換する冷却用熱交換器が備わったりして、サーバのCPUなどからの24時間発生する高負荷の発熱を熱交換器の熱媒によって外部に取り出して冷却する場合がある。サーバに内蔵されたCPUや周辺ICは自身が熱を発するにもかかわらず、100℃未満の比較的低温で動作不良や回路故障を生じてしまう。そのため、CPUやその他ICの上記不具合を発生する虞のある温度から更に低い温度でサーバ運転自体を停止する安全回路を有していることが多い。
サーバに対する冷却用熱交換器が所定の性能を発揮できないと、サーバの破壊を防止する安全回路が働くこととなるが、サーバが停止してしまうと、上記ネットバンキングなどの各種サービスが停止し、顧客が商機を逸したり、顧客自身の客の信用を失ったりすることにより、サーバ運営会社に損害賠償を請求することも多い。
そこで、例えば、特許文献2に開示されるように、冷却用熱交換器に冷却水の供給制御を行う冷却制御装置にエラーが発生した場合、直ちに電源を落とさず、冷却制御装置に冷却制御を再度試行させてエラーの回復を行うシステムダウン回数を低減させることを目的として冷却水制御方式が備えられている。
そこで、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が提案されている。
そして、例えば、特許文献3には、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た水蒸気圧縮冷凍機システムが提案されている。
また、特許文献2のように、冷却ポンプの切替制御のみでは、水蒸気圧縮冷凍機に特化した安価な無停止対応はできない。
請求項4の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムは、請求項1乃至請求項3の何れか記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、前記負荷は、データセンタのサーバであ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における制御システムは、請求項1記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、前記冷水配管の切替制御部は、前記羽根車式冷水流量計に連絡するセレクタと、前記冷水配管系温度計及び前記蒸発器内部温度計に連絡するTIC(温度調節計機構)とを有し、前記セレクタは、前記冷水配管系温度計の計測する冷水還り温度の計測値が、所定の温度を超えた場合、還り温度に基づいた前記TICからの切替信号を前記冷水配管の操作系へ発信し、前記羽根車式冷水流量計の流量信号が、閾値を下回ったり閾値を超えた場合、流量信号に基づいた切替信号を前記冷水配管の操作系へ発信することを特徴とする。
請求項7の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムは、請求項2又は請求項3記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、前記冷却水配管の切替制御部は、前記羽根車式冷却水流量計に連絡するセレクタと、前記冷却水配管系温度計に連絡するTIC(温度調節計機構)とを有し、前記セレクタは、前記冷却水配管系温度計の計測する冷却水還り温度の計測値が、所定の温度を超えた場合、還り温度に基づいた前記TICからの切替信号を前記冷却水配管の操作系へ発信し、前記羽根車式冷却水流量計の流量信号が、閾値を下回ったり閾値を超えた場合、流量信号に基づいた切替信号を前記冷却水配管の操作系へ発信することを特徴とする。
(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における制御システムは、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10を有する。水蒸気圧縮冷凍機10は、密閉式の蒸発器15と、この蒸発器15の近傍位置に膨張弁を介設することなく直接に連通路30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20と、蒸発器15と凝縮器20との相互間を接続する蒸気ダクトである連結配管29に配設したインバータで制御される2つのルーツ圧縮機25と、凝縮器20に配管23aを介して接続された真空ポンプ23とで構成されている。
なお、羽根車式冷水流量計39は、冷水還り管40に設けても良い。また、羽根車式冷水流量計39は、本管と同じサイズのものでも良いが、コストを考えて、本管から分岐して又合流する小径のバイパス管を設けて、その小径サイズのバイパス管に羽根車式冷水流量計39を設置するのが望ましい。さらに、負荷側の冷水配管42の冷水還り管40は、温度計41を設けている。
凝縮器20は、密閉型に構成され、蒸発器15内での沸騰蒸発にて発生した蒸気を連結配管29を介して導入し、後述する密閉系冷却塔60で冷却された冷却水を散水管22から噴霧液滴とすることで、その蒸発潜熱により導入蒸気を冷却凝縮するものである。この凝縮器20には、冷却水往き管50と冷却水還り管55とを有する冷却水配管57を介して密閉式冷却塔60が連結されている。又、凝縮器20は、内部の水位を計測する、例えば、フロート式の水位計21を有する。
2つのルーツ圧縮機25は、入口側に圧縮機ON−OFF弁26を設けると共に、出口側に温度計27を設けた2つの圧縮機分岐管28を並列に配置させることによって構成されている。圧縮機分岐管28は、蒸発器15と凝縮器20とを相互に連結する連結配管29に連結している。
建設設備などの自動制御において、「計測器」からの計測信号を受けて操作量を演算する「調節器」からの信号を操作端の動作に変える機構を、「操作器」或いは「操作機構」という。「操作端」とは、自動制御で操作量を直接変化させるもので、弁本体、ダンパ本体などがこれに該当する。また、「操作部」は、自動制御装置の構成要素の1つで、「操作機構」、「操作端」より構成され、調節部からの信号を弁開度、ダンパ開度やインバータ出力回転数の操作量に変え、蒸気、水、空気などの制御対象に働きかける部分をいう。
「操作器」は、上記「操作部」と同義である。この「操作器」には、ポンプや圧縮機などのON−OFFできる各々の電力供給線にある電磁開閉器(電磁接触器)も含めている。
本実施形態に係る水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムは、膨張弁を排除しており、蒸発器15、ルーツ圧縮機25、凝縮器20、密閉式冷却塔60及び負荷側の冷水配管42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25を運転することで蒸発器15内の水蒸気が蒸発し、蒸発器15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における制御システムでは、負荷側の冷水配管42の切替制御部70、2つのルーツ圧縮機25で構成される冷凍機内系の切替制御分71、及び冷却水配管57の切替制御部72が常時下記のように監視する。
1つめは、ルーツ圧縮機25の運転信号を受けて、正常な運転をしているのにも拘わらず、蒸発器15内の温度計16の計測値が所定の設定温度を超過した場合に、TIC(温度コントローラ)からルーツ圧縮機25の操作器へ切替信号を送る。
3つめは、蒸発器15及び凝縮器20の水位計18、21の計測値を△LIC(レベル差コントローラ)に入力し内部で演算した結果、そのレベル差ΔLが所定の閾値を超えるかどうかを判断する判定回路による判定結果に基づいて、閾値を下回る(つまり、差圧がとれていない場合)はルーツ圧縮機25の操作器へ切替信号を送る。
実施形態1では、1台の密閉式冷却塔60に対し、冷却水ポンプ52、冷却水分岐ON−OFF弁51、羽根車式冷却水流量計53のセットを並列に配置した冷却水配管57を設置した場合について説明したが、本実施形態では、1台の密閉式冷却塔60に対し、冷却水ポンプ52、冷却水分岐ON−OFF弁51、羽根車式冷却水流量計53を設けた冷却水往き管54と冷却水分岐ON−OFF弁59及び温度計56を設けた冷却水還り管55とのセットを並列に配置した冷却水配管57を設置した点で実施形態1に係る水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムとは相違する。
本実施形態においても、実施形態1に係る水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムと同様の作用効果を奏することが可能である。
また、ルーツ圧縮機25の切替制御部71による切替を、運転中のルーツ圧縮機25、圧縮機ON−OFF弁26及び温度計27のセットを、停止していた予備のルーツ圧縮機25、圧縮機ON−OFF弁26及び温度計27のセットへの切替としたが、予備のルーツ圧縮機25、圧縮機ON−OFF弁26及び温度計27のセットは、複数台であっても良い。
同じく、冷却水配管57の切替制御部72による切替を、運転中の密閉式冷却塔60を含む冷却水ポンプ52、冷却水分岐ON−OFF弁51、羽根車式冷却水流量計53のセットを、停止していた予備の密閉式冷却塔60を含む冷却水ポンプ52、冷却水分岐ON−OFF弁51、羽根車式冷却水流量計53を設けた冷却水往き管54とON−OFF弁59及び温度計56を設けた冷却水還り管55とのセットへの切替としたが、停止していた予備の密閉式冷却塔60を含む冷却水ポンプ52、冷却水分岐ON−OFF弁51、羽根車式冷却水流量計53を設けた冷却水往き管54と冷却水分岐ON−OFF弁59及び温度計56を設けた冷却水還り管55とのセットは、複数台であっても良い。
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。
15 蒸発器
16、27、41、56 温度計
17 冷水溜まり
18、21 水位計
19、22、62 散水管
20 凝縮器
23 真空ポンプ
25 ルーツ圧縮機
26 圧縮機ON−OFF弁
28、38、54、66 分岐管
29 連結配管
30 連通路
35 冷水往き管
36 冷水分岐ON−OFF弁
37、52 冷水ポンプ
39 羽根車式冷水流量計
40 冷水還り管
42 冷水配管
45 負荷
50 冷却水往き管
51、59、65 冷却水分岐ON−OFF弁
53 羽根車式冷却水流量計
55 冷却水還り管
57 冷却水配管
58 熱交換器コイル
60 密閉式冷却塔
61 下部水槽
63 外部水配管
64 冷却水ポンプ
70 冷水配管42の切替制御部
71 ルーツ圧縮機25の切替制御部
72 冷却水配管57の切替制御部
Claims (7)
- 注水管及び蒸発器内温度計を内部に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、
入口側又は出口側に圧縮機ON−OFF弁を有する圧縮機分岐管を並列に配置し、前記蒸発器と前記凝縮器との冷媒液位のレベル差△Lを確保する複数の圧縮機と、
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、
前記蒸発器と前記凝縮器とを連結する連通路と、
冷水ポンプ及び冷水分岐ON−OFF弁を設けた複数の冷水分岐管を並列に配置し、前記蒸発器に連結される冷水往き管と、冷水配管系温度計を設け前記蒸発器の散水管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、
冷却水ポンプを配置し、前記凝縮器に連結される冷却水往き管と、冷却水配管系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部分が連結される密閉式冷却塔と、
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における制御システムであって、
前記蒸発器の内部には蒸発器水位計を、
前記凝縮器の内部には凝縮器水位計を、
前記圧縮機分岐管の圧縮機出口側にはそれぞれ圧縮機吐出温度計を、
前記冷水配管には、冷水往き管又は前記冷水還り管に羽根車式冷水流量計を、
前記冷水配管に関連して前記冷水ポンプ及び前記冷水分岐ON−OFF弁をON−OFF動作させる、前記冷水ポンプの電磁接触器及び前記冷水分岐ON−OFF弁の電磁接触器である前記冷水配管の操作器を、
前記圧縮機に関連して前記圧縮機、前記圧縮機ON−OFF弁をON−OFF動作させる、前記圧縮機の電磁接触器及び前記圧縮機ON−OFF弁の電磁接触器である前記圧縮機の操作器をそれぞれ備え、
前記冷水配管系温度計が計測する前記冷水配管の還り温度が所定の温度を超える場合、又は、前記羽根車式冷水流量計からの流量信号が、所定の閾値を下回る(つまり、所定の流量が出ていない)場合、又は、前記羽根車式冷水流量計からの流量信号が、閾値を超え、かつ、前記冷水配管の還り温度が所定の温度を超える場合に、前記冷水配管の操作器へ切替信号を発信することで、運転中の前記冷水ポンプ及び前記冷水分岐ON−OFF弁をOFFにし、停止していた別の前記冷水ポンプ及び前記冷水分岐ON−OFF弁をONにそれぞれ動作させる前記冷水配管の切替制御部と、
前記圧縮機の運転信号を受けて、正常な運転をしているのにもかかわらず、前記蒸発器内の温度が所定の設定温度を超える場合、又は、前記圧縮機の吐出温度が所定の温度を超える場合、又は、前記蒸発器水位計及び前記凝縮器水位計計測値から演算される前記蒸発器及び前記凝縮器の冷媒液位のレベル差△Lが所定の閾値を下回る(つまり、差圧がとれていない状態の)場合に、前記圧縮機の操作器へ切替信号を発信することで、運転中の前記圧縮機、前記圧縮機ON−OFF弁をOFFにし、停止していた別の前記圧縮機、前記圧縮機ON−OFF弁をONにそれぞれ動作させる前記圧縮機の切替制御部と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項1記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
冷却水分岐ON−OFF弁、冷却水ポンプ及び羽根車式冷却水流量計を設ける複数の冷却水分岐管を並列に配置し、前記凝縮器に連結される冷却水往き管と、冷却水配管系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、
前記冷却水配管の前記冷却水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をON−OFF動作させる、前記冷却水ポンプの電磁接触器及び前記冷却水分岐ON−OFF弁の電磁接触器である前記冷却水配管の操作器と、
前記冷却水の還り温度が所定の温度を超える場合、又は、前記羽根車式冷却水流量計からの流量信号が所定の閾値を下回る(つまり、所定の流量が出ていない)場合、又は、前記冷却水の還り温度が所定の温度を超え、前記羽根車式冷却水流量計からの流量信号が所定の閾値を超える場合に、前記冷却水配管の操作器へ切替信号を発信することで、運転中の前記冷却水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をOFFにし、停止していた別の前記冷水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をONにそれぞれ動作させる前記冷却水配管の切替制御部と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項1記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
冷却水分岐ON−OFF弁、冷却水ポンプ及び羽根車式冷却水流量計を設ける複数の冷却水分岐管を並列に配置し、前記凝縮器に連結される冷却水往き管と、冷却水配管系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複数の冷却水配管と、
前記複数の冷却水配管に熱交換器部分が連結される複数の密閉式冷却塔と、
前記冷却水配管の前記冷却水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をON−OFF動作させる、前記冷却水ポンプの電磁接触器及び前記冷却水分岐ON−OFF弁の電磁接触器である前記冷却水配管の操作器と、
前記冷却水の還り温度が所定の温度を超える場合、又は、前記羽根車式冷却水流量計からの流量信号が所定の閾値を下回る(つまり、所定の流量が出ていない)場合、又は、前記冷却水の還り温度が所定の温度を超え、前記羽根車式冷却水流量計からの流量信号が所定の閾値を超える場合に、前記冷却水配管の操作器へ切替信号を発信することで、運転中の前記冷却水ポンプ、前記密閉式冷却塔のファン及び冷却塔冷却水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をOFFにし、停止していた別の前記冷水ポンプ及び密閉式冷却塔のファン及び冷却塔冷却水ポンプ及び前記冷却水分岐ON−OFF弁をONにそれぞれ動作させる前記冷却水配管の切替制御部と
を備えることを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項1乃至請求項3の何れか記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
前記負荷は、データセンタのサーバである
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項1記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
前記冷水配管の切替制御部は、
前記羽根車式冷水流量計に連絡するセレクタと、
前記冷水配管系温度計及び前記蒸発器内部温度計に連絡するTIC(温度調節計機構)と
を有し、
前記セレクタは、
前記冷水配管系温度計の計測する冷水還り温度の計測値が、所定の温度を超えた場合、還り温度に基づいた前記TICからの切替信号を前記冷水配管の操作系へ発信し、
前記羽根車式冷水流量計の流量信号が、閾値を下回ったり閾値を超えた場合、流量信号に基づいた切替信号を前記冷水配管の操作系へ発信する
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項1記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
前記圧縮機の切替制御部は、
前記蒸発器内部温度計に連絡するTIC(温度調節系機構)と、
前記圧縮機吐出温度計に連絡するセレクタと、
前記蒸発器水位計及び前記凝縮器水位計に連絡する△LIC(レベル差コントローラ)と
を有し、
前記セレクタは、
前記蒸発器内部温度計測値が所定の設定温度を超えた場合には前記TICから前記圧縮機の操作器へ切替信号を発信させ、
前記圧縮機吐出温度計の計測値が所定の吐出温度を超えた場合には、前記圧縮機の操作器へ切替信号を発信し、
前記ΔLICは、
前記蒸発器水位計及び前記凝縮器水位計計測値から演算される前記蒸発器及び前記凝縮器の冷媒液位のレベル差△Lが所定の閾値を下回る(つまり、差圧がとれていない状態の)場合に、前記圧縮機の操作器へ切替信号を発信する
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。 - 請求項2又は請求項3記載の水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システムにおいて、
前記冷却水配管の切替制御部は、
前記羽根車式冷却水流量計に連絡するセレクタと、
前記冷却水配管系温度計に連絡するTIC(温度調節計機構)と
を有し、
前記セレクタは、
前記冷却水配管系温度計の計測する冷却水還り温度の計測値が、所定の温度を超えた場合、還り温度に基づいた前記TICからの切替信号を前記冷却水配管の操作系へ発信し、
前記羽根車式冷却水流量計の流量信号が、閾値を下回ったり閾値を超えた場合、流量信号に基づいた切替信号を前記冷却水配管の操作系へ発信する
ことを特徴とする水蒸気圧縮冷凍機システムにおける制御システム。
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