JP6866129B2

JP6866129B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP6866129B2
Application number: JP2016230210A
Authority: JP
Inventors: 哲也松上; 昌裕浦田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2036-11-28
Also published as: JP2018087652A

Description

本発明は、フリークーリングに用いられる冷却装置に関する。

従来、フリークーリングを利用した冷却システムは、冷凍機および第１冷却塔を備えており、冷凍機と第１冷却塔とに接続された冷凍機側循環路を冷却水が循環する。そして、冷凍機で昇温した冷却水が第１冷却塔で冷却されて、再度、冷凍機に導入される。

また、冷凍機には、負荷側循環路を介して、物品の冷却や、冷房（空調）に用いられる負荷熱交換器が接続されている。負荷側循環路内には負荷側熱媒が循環しており、負荷熱交換器で昇温した負荷側熱媒が冷凍機で冷却されて、再度、負荷熱交換器に導入される。

さらに、負荷側循環路には、予冷用熱交換器が設けられている。この予冷用熱交換器には、予冷側循環路を介して、第２冷却塔が接続されている。予冷用熱交換器においては、負荷熱交換器から冷凍機に向かう負荷側熱媒と、予冷側循環路内を循環する冷却水との間で熱交換がなされる。

上記の構成によれば、冬場等、負荷側循環路を循環する負荷側熱媒の冷却が、予冷用熱交換器のみで足りる場合には、冷凍機の稼働を停止させることができる。また、冷凍機の稼働が必要な場合にも、予冷用熱交換器で予冷した冷却水を冷凍機に導入することで、冷凍機の消費エネルギーを抑制することができる（例えば、特許文献１）。

特開２００４−１３２６５１号公報

ところで、既存の冷却システムでは、冷凍機および第１冷却塔のみが設けられている。これらの冷却システムにおいてフリークーリングを利用しようとすると、予冷用熱交換器および第２冷却塔を新たに配置するとともに、予冷側循環路を設置する必要がある。また、予冷用熱交換器に対して負荷側循環路を接続する必要がある。さらに、負荷側循環路において、負荷側熱媒を予冷用熱交換器に分配するために複数のバルブを設ける必要がある。

このように、冷凍機および第１冷却塔のみが設けられた冷却システムにおいて、フリークーリングを利用しようとすると、フリークーリングを行うための設備を設置するために様々な工程が必要となり、容易にフリークーリングを利用することが困難であった。

本発明は、このような課題に鑑み、従来と比して容易にフリークーリングを利用することが可能な冷却装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の冷却装置は、冷却塔と、前記冷却塔に対して予冷側循環路を介して接続された熱交換器と、負荷熱交換器を流通した冷却媒体が冷凍機に戻る負荷側排出路に接続され、前記熱交換器に冷却媒体を引き込むための引込路と、前記引込路上に設けられ、前記負荷側排出路を流通する冷却媒体を、該引込路を介して前記熱交換器に流通させる引込部と、前記引込路上において前記熱交換器の前後にそれぞれ設けられ、該引込路を開閉するバルブと、を備え、前記冷却塔、前記熱交換器および前記引込部が架台に搭載されている。

また、前記引込部は、前記負荷側排出路を流通する冷却媒体を前記引込路内に引き込む引込ポンプであるとよい。

また、前記冷却塔および前記引込部を制御する制御部を備えるとよい。

また、前記制御部は、前記冷凍機とは独立して、前記冷却塔および前記引込部を制御するとよい。

本発明によれば、従来と比して容易にフリークーリングを利用することが可能となる。

冷却システムを説明する図である。制御部による制御の一例を説明する図である。制御部による制御の一例を説明する図である。他の実施形態における冷却システムを説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、冷却システム１を説明する図である。図１に示すように、冷却システム１は、第１冷却装置１０および第２冷却装置（冷却装置）１００を含んで構成されている。第１冷却装置１０は、冷凍機１２、第１冷却塔１４、冷凍機側循環路１６、冷凍機側ポンプ１８、負荷側循環路２０、負荷側ポンプ２２、負荷バルブ２４、負荷熱交換器２６を含んで構成されている。

第１冷却装置１０では、冷凍機１２と第１冷却塔１４とが冷凍機側循環路１６を介して接続されており、冷却水Ｗ１が冷凍機側循環路１６を介して冷凍機１２と第１冷却塔１４との間で循環する。冷凍機側循環路１６は、冷凍機１２から第１冷却塔１４に向かって冷却水Ｗ１が排出される冷凍機側排出路１６ａと、第１冷却塔１４から冷凍機１２に向かって冷却水Ｗ１が供給される冷凍機側供給路１６ｂとによって構成される。

また、第１冷却装置１０では、冷凍機１２と負荷熱交換器２６とが負荷側循環路２０を介して接続されており、冷却水Ｗ２が負荷側循環路２０を介して冷凍機１２と負荷熱交換器２６との間で循環する。負荷側循環路２０は、冷凍機１２から負荷熱交換器２６に向かって冷却水Ｗ２が供給される負荷側供給路２０ａと、負荷熱交換器２６から冷凍機１２に向かって冷却水Ｗ２が排出される負荷側排出路２０ｂによって構成される。

冷凍機１２は、負荷側循環路２０内を循環する冷却水Ｗ２を冷却し、冷却水Ｗ２を冷却することで発生した熱を冷却水Ｗ１に伝達させる。

第１冷却塔１４は、筐体３０、ノズル群３２、ファン３４、貯水槽３６、モータ３８を含んで構成され、ノズル群３２、ファン３４、貯水槽３６、モータ３８が筐体３０内に収容されている。

ノズル群３２は、冷凍機側排出路１６ａに接続され、筐体３０内に冷却水Ｗ１を散布する。

ファン３４は、筐体３０内におけるノズル群３２よりも上方に設けられ、モータ３８によって回転駆動される。ファン３４は、回転駆動することにより、ノズル群３２から散布された冷却水Ｗ１を外空気に晒して、冷却水Ｗ１を冷却する。そして、ノズル群３２から散布され、ファン３４によって外空気に晒されて冷却された冷却水Ｗ１は、筐体３０の下部に設けられた貯水槽３６内に貯留される。

貯水槽３６には、冷凍機側供給路１６ｂが接続される。冷凍機側供給路１６ｂの途中には、冷凍機側ポンプ１８が設けられ、冷凍機側ポンプ１８によって、貯水槽３６内に貯留された冷却水Ｗ１が、冷凍機１２内に供給される。

負荷熱交換器２６は、発熱機器や物品を冷却するための熱交換器、または、空気を冷却するための冷房等であり、１つまたは複数設けられる。負荷熱交換器２６は、負荷バルブ２４を介して負荷側供給路２０ａに接続されているとともに、負荷側排出路２０ｂに接続されている。負荷側供給路２０ａの途中には、負荷側ポンプ２２が設けられ、負荷側ポンプ２２によって、冷凍機１２から負荷熱交換器２６に向けて冷却水Ｗ２が供給される。

負荷熱交換器２６は、負荷側供給路２０ａから供給された冷却水Ｗ２と、発熱機器や物品、または、空気等の冷却対象との間で熱交換を行い、冷却対象を冷却する。冷却対象を冷却することで温められた冷却水Ｗ２は、負荷側排出路２０ｂを介して冷凍機１２に排出される。なお、負荷バルブ２４は、負荷熱交換器２６ごとに設けられ、負荷熱交換器２６に対して冷却水Ｗ２の供給および非供給を切り替える。

このような構成でなる第１冷却装置１０では、不図示の制御部によって冷凍機１２、第１冷却塔１４、冷凍機側ポンプ１８および負荷側ポンプ２２が制御される。そして、第１冷却装置１０では、冷凍機１２から負荷熱交換器２６に供給される冷却水Ｗ２の温度が常に一定の温度（目標温度）に保たれている。

ここで、第１冷却装置１０のみが設けられた設備に対して、フリークーリングを利用すべく、新たな冷却装置を後から配備する場合、従来では、大掛かりな工事を行う必要があった。そこで、本実施形態では、既存の第１冷却装置１０に対して第２冷却装置１００を設けることで、フリークーリングを容易に利用することが可能となる。

第２冷却装置１００は、架台１０２、第２冷却塔（冷却塔）１０４、熱交換器１０６、予冷側循環路１０８、冷却側ポンプ１１０、引込路１１２、引込ポンプ１１４、制御部１１６、温度計１１８、湿度計１２０、引込前温度計１２２および引込後温度計１２４を含んで構成される。

架台１０２には、第２冷却塔１０４、熱交換器１０６、予冷側循環路１０８、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４、制御部１１６、温度計１１８および湿度計１２０が載置されており、第２冷却装置１００が全体としてパッケージング化されている。

第２冷却装置１００では、第２冷却塔１０４と熱交換器１０６とが予冷側循環路１０８を介して接続されており、冷却媒体としての冷却水Ｗ３が予冷側循環路１０８を介して第２冷却塔１０４と熱交換器１０６との間で循環する。予冷側循環路１０８は、熱交換器１０６から第２冷却塔１０４に向かって冷却水Ｗ３が排出される冷却側排出路１０８ａと、第２冷却塔１０４から熱交換器１０６に向かって冷却水Ｗ３が供給される冷却側供給路１０８ｂとによって構成される。

第２冷却塔１０４は、筐体１３０、ノズル群１３２、ファン１３４、貯水槽１３６、モータ１３８を含んで構成され、ノズル群１３２、ファン１３４、貯水槽１３６、モータ１３８が筐体１３０内に収容されている。

ノズル群１３２は、冷却側排出路１０８ａに接続され、筐体１３０内に冷却水Ｗ３を散布する。

ファン１３４は、筐体１３０内におけるノズル群１３２よりも上方に設けられ、モータ１３８によって回転駆動される。ファン１３４は、回転駆動することにより、ノズル群１３２から散布された冷却水Ｗ３を外空気に晒して、冷却水Ｗ３を冷却する。そして、ノズル群１３２から散布され、ファン１３４によって外空気に晒され冷却された冷却水Ｗ３は、筐体１３０の下部に設けられた貯水槽１３６内に貯留される。

貯水槽１３６には、冷却側供給路１０８ｂが接続される。冷却側供給路１０８ｂの途中には、冷却側ポンプ１１０が設けられ、冷却側ポンプ１１０によって、貯水槽１３６内に貯留された冷却水Ｗ３が、熱交換器１０６内に供給される。

熱交換器１０６は、予冷側循環路１０８内を循環する冷却水Ｗ３と、後述する引込路１１２内を流通する冷却水Ｗ２との間で熱交換を行い、引込路１１２内を流通する冷却水Ｗ２の熱を、予冷側循環路１０８内を循環する冷却水Ｗ３に伝達させる。これにより、熱交換器１０６は、引込路１１２内を循環する冷却水Ｗ２を冷却する。

引込路１１２は、引込供給路１１２ａおよび引込排出路１１２ｂによって構成され、第１冷却装置１０における負荷側排出路２０ｂの途中に接続される。引込供給路１１２ａは、負荷側排出路２０ｂの途中である上流側分岐点２０ｃと熱交換器１０６とを接続し、負荷側排出路２０ｂを流通する冷却水Ｗ２の一部または全部を熱交換器１０６に導く。引込排出路１１２ｂは、負荷側排出路２０ｂにおける上流側分岐点２０ｃよりも下流側の下流側分岐点２０ｄと熱交換器１０６とを接続し、熱交換器１０６から排出された冷却水Ｗ２を負荷側排出路２０ｂに戻す。

上流側分岐点２０ｃの途中には、引込部としての引込ポンプ１１４が設けられ、引込ポンプ１１４によって、負荷側排出路２０ｂを流通する冷却水Ｗ２を熱交換器１０６に引き込む（流通させる）。なお、引込供給路１１２ａおよび引込排出路１１２ｂの途中には、熱交換器１０６への冷却水Ｗ２の供給を止めるためのバルブ１４０、１４２がそれぞれ設けられている。

制御部１１６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータでなり、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を制御する。

制御部１１６には、外気温を計測する温度計１１８、外気の湿度を計測する湿度計１２０、負荷側排出路２０ｂにおける上流側分岐点２０ｃよりも上流の冷却水Ｗ２の温度を計測する引込前温度計１２２、および、負荷側排出路２０ｂにおける下流側分岐点２０ｄよりも下流の冷却水Ｗ２の温度を計測する引込後温度計１２４が接続されている。

そして、制御部１１６は、温度計１１８、湿度計１２０、引込前温度計１２２および引込後温度計１２４によって計測された温度および湿度に基づいて、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を制御する。以下では、制御部１１６による制御について具体的な数値とともに説明する。

図２および図３は、制御部１１６による制御の一例を説明する図である。制御部１１６は、第１冷却装置１０において負荷熱交換器２６に供給される冷却水Ｗ２の温度、つまり、冷凍機１２から排出される冷却水Ｗ２の温度（目標温度）を予め、または、計測により取得する。

そして、制御部１１６は、温度計１１８により計測される外気温、および、湿度計１２０により計測される外気の湿度に基づいて、湿球温度を導出する。また、制御部１１６は、導出した湿球温度および外気温（乾球温度）に基づいて、第２冷却塔１０４によって冷却水Ｗ３の温度を低下させることが可能な温度差を導出する。

また、制御部１１６は、引込前温度計１２２により計測される上流側分岐点２０ｃよりも上流の冷却水Ｗ２の温度を取得する。そして、制御部１１６は、これらの条件に基づいて、上流側分岐点２０ｃよりも上流の冷却水Ｗ２の温度を熱交換器１０６により低下させられるか否か判定する。

制御部１１６は、夏場等の外気温が高い時期では、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ２を冷却することができないと判定する。このような場合、制御部１１６は、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を停止させる。したがって、冷却システム１では、夏場等の外気温が高い時期には、冷凍機１２のみによって負荷側循環路２０を循環する冷却水Ｗ２が冷却されることになる。

一方、制御部１１６は、冬場等の外気温が低い時期では、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ２を冷却することができると判定する。このような場合、制御部１１６は、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を駆動させる。

具体的には、制御部１１６は、熱交換器１０６に供給される冷却水Ｗ２の流量、つまり、引込ポンプ１１４により引き込まれる冷却水Ｗ２の流量を一定に保つように駆動させる。また、制御部１１６は、引込後温度計１２４によって計測される冷却水Ｗ２の温度が、目標温度を下回らない範囲で、冷却側ポンプ１１０およびモータ１３８を最大限駆動させる。

例えば、図２に示す例では、目標温度が１８℃であり、第２冷却塔１０４によって冷却水Ｗ３の温度を低下させることが可能な温度差が３℃であり、湿球温度が５℃であり、かつ、上流側分岐点２０ｃよりも上流の冷却水Ｗ２の温度が２１℃であったとする。

このような場合、制御部１１６は、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ３を冷却することができると判定し、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を駆動させる。そして、制御部１１６は、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を最大限駆動させることで、例えば、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ２の温度が１９℃まで冷却され、引込後温度計１２４によって計測される冷却水Ｗ２の温度が１９℃になったとする。この場合、冷凍機１２は、冷却水Ｗ２の温度を１℃だけ低下させればよく、第２冷却装置１００が設けられていない場合（この場合は、２１℃−１８℃＝３℃）よりも冷却能力を低くして駆動することができる。

また、例えば、図３に示す例では、目標温度が１８℃であり、第２冷却塔１０４によって冷却水Ｗ３の温度を低下させることが可能な温度差が３℃であり、湿球温度が５℃であり、かつ、上流側分岐点２０ｃよりも上流の冷却水Ｗ２の温度が１９℃であったとする。

このような場合、制御部１１６は、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ３を冷却することができると判定し、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を駆動させる。そして、制御部１１６は、冷却側ポンプ１１０、引込ポンプ１１４およびモータ１３８を最大限駆動させることで、例えば、熱交換器１０６によって冷却水Ｗ２の温度が１８℃まで冷却され、引込後温度計１２４によって計測される冷却水Ｗ２の温度が１８℃になったとする。この場合、冷凍機１２は、冷却水Ｗ２の温度を低下させる必要がなく、駆動しなくてよい。

このように、第２冷却装置１００が稼働することで、冷却システム１では、冷凍機１２と熱交換器１０６とによって負荷側循環路２０を循環する冷却水Ｗ２を冷却することになる。そして、第２冷却装置１００が稼働することにより、冷凍機１２による冷却消費電力を低減することができ、冷却システム１全体として消費電力を低減することができる。

以上説明したように、冷却システム１は、既存の第１冷却装置１０に対して第２冷却装置１００を後から接続させる場合に、負荷側排出路２０ｂに引込路１１２を接続させるといった簡易な作業により、フリークーリングを容易に利用することができる。

また、第２冷却装置１００の制御部１１６は、第１冷却装置１０（冷凍機１２）とは独立した制御を行うことにより、既存の第１冷却装置１０の制御系を変更する必要がなく、フリークーリングを容易に利用することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

図４は、他の実施形態における冷却システム２００を説明する図である。図４に示すように、他の実施形態における冷却システム２００は、第１冷却装置２１０および第２冷却装置２２０を含んで構成される。なお、他の実施形態において、上記実施形態における冷却システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第１冷却装置２１０は、負荷側排出路２０ｂにおける上流側分岐点２０ｃと下流側分岐点２０ｄとの間に切替バルブ２１２が設けられる。また、第２冷却装置２２０は、上記実施形態の第２冷却装置１００における引込ポンプ１１４に代えて三方弁２２２が設けられる。引込部としての三方弁２２２は、上流側分岐点２０ｃから引込路１１２に流入した冷却水Ｗ２を、熱交換器１０６の上流および下流の一方または双方に流入させる。制御部１１６は、引込路１１２に冷却水Ｗ２を引き込む際、切替バルブ２１２を閉じた状態にする。そして、制御部１１６は、三方弁２２２の開度を調整することにより、熱交換器１０６に流通する冷却水Ｗ２の流量を調整する。このように、熱交換器１０６に冷却水Ｗ２を流通させる引込部は、上記実施形態の引込ポンプ１１４や、他の実施形態の三方弁２２２等が適用可能である。但し、流動抵抗等の観点から、引込ポンプ１１４がより好ましい。

例えば、上述した実施形態において、既存の第１冷却装置１０に対して第２冷却装置１００を設置する場合について説明したが、第１冷却装置１０を新規に設置する際に、第２冷却装置１００を一緒に設置するようにしてもよい。

また、上述した実施形態における制御部１１６の制御は、一例に過ぎず、他の制御方法により制御するようにしてもよい。

本発明は、フリークーリングに用いられる冷却装置に利用することができる。

１冷却システム
１０第１冷却装置
１２冷凍機
２０ｂ負荷側排出路
２６負荷熱交換器
１００第２冷却装置（冷却装置）
１０４第２冷却塔（冷却塔）
１０６熱交換器
１０８予冷側循環路
１１２引込路
１１４引込ポンプ
１１６制御部

Claims

冷却塔と、
前記冷却塔に対して予冷側循環路を介して接続された熱交換器と、
負荷熱交換器を流通した冷却媒体が冷凍機に戻る負荷側排出路に接続され、前記熱交換器に冷却媒体を引き込むための引込路と、
前記引込路上に設けられ、前記負荷側排出路を流通する冷却媒体を、該引込路を介して前記熱交換器に流通させる引込部と、
前記引込路上において前記熱交換器の前後にそれぞれ設けられ、該引込路を開閉するバルブと、
を備え、
前記冷却塔、前記熱交換器および前記引込部が架台に搭載されている冷却装置。
前記引込部は、
前記負荷側排出路を流通する冷却媒体を前記引込路内に引き込む引込ポンプである請求項１に記載の冷却装置。
前記冷却塔および前記引込部を制御する制御部を備える請求項１または２に記載の冷却装置。
前記制御部は、前記冷凍機とは独立して、前記冷却塔および前記引込部を制御する請求項３に記載の冷却装置。