WO2018066089A1 - 冷凍機及び空調システム - Google Patents

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WO2018066089A1
WO2018066089A1 PCT/JP2016/079640 JP2016079640W WO2018066089A1 WO 2018066089 A1 WO2018066089 A1 WO 2018066089A1 JP 2016079640 W JP2016079640 W JP 2016079640W WO 2018066089 A1 WO2018066089 A1 WO 2018066089A1
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flow path
refrigerator
heat exchanger
circulating water
air conditioning
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PCT/JP2016/079640
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English (en)
French (fr)
Inventor
勇人 堀江
守 濱田
Original Assignee
三菱電機株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/54—Free-cooling systems

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator and an air conditioning system.
  • Cooling water is cooled by cooling water from a cooling tower, and air conditioning is performed by exchanging heat between the cooling water and air. Under certain conditions, the cooling water is supplied to a load device such as an air conditioner without operating a refrigerator. There is known a technique called free cooling that is supplied to the vehicle.
  • Patent Document 1 includes a pre-cooling heat exchanger that exchanges heat with cooling water that is circulated between a cooling tower and a load-side heat medium that is sent to the refrigerator, and performs cooling in parallel with the operation of the refrigerator.
  • a pre-cooling heat exchanger that exchanges heat with cooling water that is circulated between a cooling tower and a load-side heat medium that is sent to the refrigerator, and performs cooling in parallel with the operation of the refrigerator.
  • the pre-cooling heat exchanger is provided outside the refrigerator, so that the water circuit becomes complicated and heat exchange loss occurs.
  • This invention was made in order to solve the said subject, and it aims at providing the refrigerator etc. which can extend the air-conditioning period using free cooling irrespective of a complicated structure.
  • a refrigerator includes: A refrigerant circuit; A first heat exchanger for exchanging heat between the first circulating water circulating between the cooling tower and the refrigerant circulating in the refrigerant circuit; A second heat exchanger that exchanges heat between the second circulating water circulating between the load device and the refrigerant; A first flow path through which all of the first circulating water passes through the first heat exchanger; A second flow path through which all of the first circulating water passes through the load device; A third flow path in which a portion of the first circulating water passes through the first heat exchanger and the remainder of the first circulating water mixes with the second circulating water; A refrigerator comprising: switching means for switching the flow path of the first circulating water to any one of the first flow path, the second flow path, and the third flow path.
  • a part of the first circulating water that circulates between the refrigerator and the cooling tower passes through the first heat exchanger, and the remainder of the first circulating water circulates with the load device. Since the third flow path to be mixed with the second circulating water is provided, the air conditioning period using free cooling can be extended without depending on a complicated configuration.
  • Block diagram showing the configuration of the refrigerator Diagram for explaining the flow path of the cooling water in the normal mode
  • the figure for demonstrating the flow path of the cooling water at the time of the 1st free cooling mode The figure for demonstrating the flow path of the cooling water at the time of 2nd free cooling mode
  • Block diagram showing the configuration of the air conditioner
  • Block diagram showing the hardware configuration of the control device Diagram showing the functional configuration of the control device
  • Flow chart showing the procedure of air conditioning control processing
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an air conditioning system according to an embodiment of the present invention.
  • This air conditioning system is a system that performs air conditioning of factories, office buildings, apartment houses, and the like, and includes a cooling tower 1, a refrigerator 2, an air conditioner 3, and a control device 4.
  • the cooling tower 1 is connected to the refrigerator 2 via the pipe 7, and cools the cooling water (first circulating water) circulating between the refrigerator 2 and the refrigerator 2 via the pipe 7.
  • the cooling tower 1 includes a fan (not shown) that supplies outside air to the inside, and employs a cooling system (sealed type) that exchanges heat by indirectly contacting the cooling water returned from the refrigerator 2 with the outside air. .
  • the operation of the fan is controlled according to a command from the control device 4.
  • the cooling water cooled by the cooling tower 1 is conveyed to the refrigerator 2 by the pump 5.
  • the pump 5 includes an inverter circuit, and the drive rotational speed is changed in accordance with a command from the control device 4. Thereby, the flow volume of the cooling water conveyed to the refrigerator 2 can be changed.
  • the refrigerator 2 is connected to the cooling tower 1 via the pipe 7 as described above, connected to the air conditioner 3 via the pipe 8, and chilled water (circulated via the pipe 8 between the air conditioner 3 ( The second circulating water) is cooled.
  • the refrigerator 2 includes a compressor 20, a first heat exchanger 21, an expansion valve 22, a second heat exchanger 23, three-way valves 24 and 25, and a control board 26.
  • the compressor 20, the first heat exchanger 21, the expansion valve 22, and the second heat exchanger 23 are connected in a ring shape, and thereby a refrigerant circuit for circulating a refrigerant such as CO 2 or HFC (hydrofluorocarbon) ( It is also called a refrigeration cycle circuit).
  • the compressor 20 compresses the refrigerant to increase the temperature and pressure.
  • the compressor 20 includes an inverter circuit that can change the capacity (the amount of delivery per unit) according to the drive frequency.
  • the drive frequency of the compressor 20 is changed according to a command from the control board 26.
  • the first heat exchanger 21 functions as a condenser, and performs heat exchange between the cooling water (first circulating water) supplied from the cooling tower 1 and the refrigerant discharged from the compressor 20, for example, plate type or two It is a heat exchanger such as a heavy pipe type.
  • the expansion valve 22 expands the refrigerant sent from the first heat exchanger 21 to lower the temperature and pressure.
  • the expansion valve 22 is, for example, an electronic expansion valve whose throttle opening can be adjusted by a stepping motor (not shown).
  • a mechanical expansion valve, a capillary tube, or the like that employs a diaphragm for the pressure receiving portion may be used as the expansion valve 22.
  • the opening degree of the expansion valve 22 is changed according to a command from the control board 26.
  • the second heat exchanger 23 is a heat exchanger such as a plate type or a double pipe type, and performs heat exchange between the refrigerant sent from the expansion valve 22 and the cold water returned from the air conditioner 3. By this heat exchange, the refrigerant absorbs heat, evaporates, and phase transitions to refrigerant gas. On the other hand, cold water dissipates heat and the temperature drops.
  • the cold water heat-exchanged by the second heat exchanger 23 is conveyed to the air conditioner 3 by the pump 6.
  • the pump 6 includes an inverter circuit, and the driving rotational speed is changed according to a command from the control device 4.
  • the three-way valves 24 and 25 are well-known electric three-way valves for switching the flow path of the cooling water from the cooling tower 1, and each direction is in accordance with a command from the control board 26 (switching control means). The valve opening is adjusted.
  • the refrigerator 2 is configured so that the first to third flow paths can be switched as cooling water flow paths.
  • the first channel is a channel through which all the cooling water from the cooling tower 1 passes through the first heat exchanger 21, and in this case, the valves 24a and 24b in the three-way valve 24 are used. Is opened, and the valve 24c is closed. Further, the valve 25a in the three-way valve 25 is closed, and the valve 25b and the valve 25c are opened.
  • the second flow path is a flow path through which all the cooling water from the cooling tower 1 passes through the air conditioner 3.
  • the valves 24a and 24c in the three-way valve 24 are opened.
  • the valve 24b is closed.
  • the valves 25a and 25c in the three-way valve 25 are opened, and the valve 25b is closed.
  • the third flow path is a flow path through which cooling water from the cooling tower 1 passes through the first heat exchanger 21 and the air conditioner 3.
  • the valves 24a to 24 in the three-way valve 24 are used.
  • 24c is opened, and the valves 25a to 25c in the three-way valve 25 are opened.
  • the control board 26 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a communication interface, a readable / writable nonvolatile semiconductor memory (none of which are shown).
  • the control board 26 is communicably connected to the compressor 20, the expansion valve 22, and the three-way valves 24 and 25 via communication lines (not shown). Further, the control board 26 is connected to the control device 4 so as to be communicable by wire or wirelessly.
  • the control board 26 controls each of the compressor 20, the expansion valve 22, and the three-way valves 24 and 25 in accordance with a command from the control device 4.
  • the air conditioner 3 (load device) is an air conditioner called a so-called fan coil unit, and adjusts the indoor air condition (temperature and humidity) by exchanging heat between the cold water from the refrigerator 2 and the indoor air. Do. As shown in FIG. 6, the air conditioner 3 includes a heat exchanger 30, a fan 31, and a control board 32.
  • the heat exchanger 30 performs heat exchange between the cold water flowing from the refrigerator 2 and the indoor air.
  • the fan 31 takes in (inhales) indoor air and sends the air after heat exchange into the room.
  • the control board 32 includes a CPU, a ROM, a RAM, a communication interface, a readable / writable nonvolatile semiconductor memory, and the like (all not shown).
  • the control board 32 is communicably connected to the control device 4 in a wired or wireless manner, and starts or stops driving the fan 31 according to a command from the control device 4.
  • the control device 4 is a so-called air-conditioning remote controller installed in the vicinity of the entrance / exit of the room to be air-conditioned. As shown in FIG. 7, the CPU 40, ROM 41, RAM 42, input device 43, display 44, communication An interface 45 and a secondary storage device 46 are provided. These components are connected to each other via a bus 47. The CPU 40 comprehensively controls the control device 4. Details of the functions realized by the CPU 40 will be described later.
  • the ROM 41 stores a plurality of firmware, data used when executing these firmware, and the like.
  • the RAM 42 is used as a work area for the CPU 40.
  • the input device 43 includes a push button, a touch panel, a touch pad, and the like, receives an operation by the user, and sends a signal related to the received operation to the CPU 40.
  • the display 44 is a display device such as a liquid crystal display or an organic EL display, for example, and displays information such as an operation screen related to indoor air conditioning and indoor air condition (temperature, humidity) under the control of the CPU 40.
  • the communication interface 45 includes a network card for wireless communication or wired communication with the cooling tower fan, the control board 26 of the refrigerator 2, the control board 32 of the air conditioner 3, and the pumps 5 and 6.
  • the secondary storage device 46 includes an EEPROM (Electrically-Erasable-Programmable-Read-Only Memory), a readable / writable non-volatile semiconductor memory, or the like.
  • the secondary storage device 46 stores one or more programs related to air conditioning control, data used when these programs are executed, and the like.
  • control device 4 includes a user interface processing unit 400, a mode determination unit 401, and an air conditioning control unit 402, as shown in FIG. Each of these functional units is realized by the CPU 40 executing a program related to air conditioning control stored in the secondary storage device 46.
  • the user interface processing unit 400 performs user interface processing via the input device 43 and the display 44. That is, the user interface processing unit 400 receives an operation from the user via the input device 43. In addition, the user interface processing unit 400 outputs information for presentation to the user on the display 44.
  • the mode determination unit 401 determines the type of mode (cooling water usage mode) when cooling water is used during the air conditioning operation. There are three types of cooling water use modes: a normal mode, a first free cooling mode, and a second free cooling mode. Among these modes, the mode determination unit 401 passes the outside air temperature, the target temperature, and the air conditioner 3. One mode is selected and determined based on the temperature or the like of the second circulating water returning to the refrigerator 2.
  • the air conditioning control unit 402 controls each of the cooling tower 1, the refrigerator 2, the air conditioner 3, and the pumps 5 and 6 so that the indoor air temperature becomes a target temperature set by the user. In addition, the air conditioning control unit 402 instructs the control board 26 of the refrigerator 2 to switch to the flow path according to the type of the coolant usage mode determined by the mode determination unit 401.
  • the air conditioning control unit 402 instructs the control board 26 of the refrigerator 2 to switch to the first flow path. Further, when the type of the cooling water use mode determined by the mode determination unit 401 is the first free cooling mode, the air conditioning control unit 402 instructs the control board 26 of the refrigerator 2 to switch to the second flow path. When the type of the coolant usage mode determined by the mode determination unit 401 is the second free cooling mode, the air conditioning control unit 402 instructs the control board 26 of the refrigerator 2 to switch to the third flow path.
  • ⁇ Normal mode> When the mode when using the cooling water is the normal mode, the refrigerator 2 has a first flow path through which all the cooling water from the cooling tower 1 passes through the first heat exchanger 21, as shown in FIG. Selected.
  • the relationship with the amount of heat Qc generated in one heat exchanger 21 is as follows.
  • the refrigerator 2 When the mode for using the cooling water is the first free cooling mode, the refrigerator 2 has a second flow path through which all the cooling water from the cooling tower 1 passes through the air conditioner 3 as shown in FIG. Selected. At this time, the control board 26 stops the operation of the compressor 20.
  • the relationship among the load Q, the amount of heat Qe, the amount of heat Q_CT, and the amount of heat Qc is as follows.
  • Q_CT1 and Q_CT2 change by adjusting the valve opening degree in the three-way valves 24 and 25. That is, Q_CT2 decreases and Q_CT1 increases as the flow rate of the cooling water flowing into the first heat exchanger 21 decreases.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the procedure of the air conditioning control process executed by the control device 4.
  • the air conditioning control process is started when the user performs an operation for starting the cooling operation via the input device 43, and is ended when the operation for stopping the operation is performed by the user.
  • the mode determination unit 401 determines the type of the coolant usage mode (step S101).
  • the air-conditioning control unit 402 instructs the refrigerator 2 to start operation and instructs switching to the flow path according to the type of the coolant usage mode determined by the mode determination unit 401 (step S102).
  • the air conditioning control unit 402 instructs the cooling tower to start operation (step S103). Thereby, the fan of the cooling tower 1 starts driving.
  • the air conditioning control unit 402 instructs the air conditioner 3 to start operation (step S104). Thereby, the fan 31 starts driving.
  • the air conditioning control unit 402 operates the pumps 5 and 6.
  • the mode determination unit 401 determines the type of the coolant usage mode (step S106).
  • the air conditioning control unit 402 instructs the refrigerator 2 to switch to the flow path according to the type of the coolant usage mode determined by the mode determination unit 401 (step S107).
  • the air-conditioning control unit 402 determines the type of the cooling water usage mode determined only when the type of the cooling water usage mode previously determined by the mode determination unit 401 is different from the type of the cooling water usage mode determined this time. Switching to the flow path according to the above may be instructed to the refrigerator 2.
  • the air conditioning control unit 402 includes the cooling tower 1 and the refrigerator so that the indoor air temperature approaches the target temperature. 2. Control the operation of the air conditioner 3 and the pumps 5 and 6.
  • the refrigerator 2 includes a part of the cooling water that circulates between the cooling tower 1 and the cooling water.
  • the remainder is provided with the 3rd flow path mixed with the cold water circulated between the air conditioners 3. For this reason, it becomes possible to extend the air-conditioning period using free cooling irrespective of a complicated structure.
  • the cooling tower 1 may employ a cooling system (open type) in which the cooling water returned from the refrigerator 2 is brought into direct contact with the outside air to exchange heat.
  • a cooling system open type
  • the cooling efficiency is increased, but there is also a demerit that the quality of the cooling water is lowered.
  • a dirt filter may be provided between the cooling tower 1 and the pump 5.
  • the refrigerator 2 may be configured to be able to cope with the heating operation.
  • a four-way valve 27 is provided in the refrigerant circuit of the refrigerator 2 and is switched as shown by the solid line in FIG. 10 during the cooling operation. Accordingly, the refrigerant circulates in the order of the compressor 20, the four-way valve 27, the first heat exchanger 21, the expansion valve 22, and the second heat exchanger 23.
  • the four-way valve 27 is switched as indicated by a broken line. Accordingly, the refrigerant circulates in the order of the compressor 20, the four-way valve 27, the second heat exchanger 23, the expansion valve 22, and the first heat exchanger 21.
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant can be flowed into the second heat exchanger 23, so that hot water can be supplied to the air conditioner 3.
  • electromagnetic valves 28 and 29 may be provided as shown in FIG.
  • a gas vent valve in order to ensure the stability of operation, a gas vent valve, a buffer tank, etc. may be provided as appropriate.
  • pumps 5 and 6 may be included in the configuration of the refrigerator 2.
  • the user instructs the type of the cooling water usage mode via the input device 43, and the air conditioning control unit 402 switches the flow path according to the type of the cooling water usage mode instructed by the user of the refrigerator 2.
  • the control board 26 may be commanded.
  • each function unit (see FIG. 8) of the control device 4 is realized by the CPU 40 executing a program related to air conditioning control.
  • all or part of the functional units of the control device 4 may be realized by dedicated hardware.
  • the dedicated hardware is, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the programs executed by the control device 4 are CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), DVD (Digital Versatile Disc), magneto-optical disc (Magneto-Optical Disc), USB (Universal Serial). It is also possible to store and distribute in a computer-readable recording medium such as a Bus) memory, a memory card, and an HDD (Hard Disc Drive). It is also possible to cause the computer to function as the control device 4 in the above-described embodiment by installing such a program on a specific or general-purpose computer.
  • the above program may be stored in a disk device or the like of a server on a network such as the Internet, and the program may be downloaded from the server to a computer.
  • the present invention can be suitably employed in an air conditioning system that performs air conditioning in a building.

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Abstract

冷凍機（２）は、冷媒回路と、冷却塔との間で循環する第１循環水と冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器（２１）と、空調機（３）との間で循環する第２循環水と冷媒の熱交換を行う第２熱交換器（２３）を備える。冷凍機（２）において、第１流路では、第１循環水の全てが第１熱交換器（２１）を通過し、第２流路では、第１循環水の全てが空調機（３）を通過し、第３流路では、第１循環水の一部が第１熱交換器（２１）を通過すると共に、第１循環水の残りが第２循環水と混合する。三方弁（２４，２５）は、第１循環水の流路を第１流路と第２流路と第３流路の内の何れか１つの流路に切り替える。

Description

冷凍機及び空調システム
　本発明は、冷凍機及び空調システムに関する。
　冷却塔からの冷却水によって冷水を冷却し、冷水と空気との間で熱交換することによって空調するシステムにおいて、一定の条件の下、冷凍機を稼働させずに冷水を空調機等の負荷装置に供給するフリークーリングと呼ばれる技術が知られている。
　フリークーリングは、外気温度が低いことが条件となるため、その利用期間は限定的である。そこで、フリークーリングの利用期間を延長する技術が提案されている。
　例えば、特許文献１には、冷凍機に送る負荷側熱媒を、冷却塔との間で循環させる冷却用水と熱交換させて冷却する予冷用熱交換器を設け、冷凍機の運転に並行して予冷用熱交換器で負荷側熱媒を冷却する構成が開示されている。
特開２００４－１３２６５１号公報
　しかし、上記の技術では、予冷用熱交換器が冷凍機の外側に設けられており、水回路が複雑になる上、熱交換ロスが発生する問題もある。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能な冷凍機等を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る冷凍機は、
　冷媒回路と、
　冷却塔との間で循環する第１循環水と前記冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器と、
　負荷装置との間で循環する第２循環水と前記冷媒の熱交換を行う第２熱交換器と、
　前記第１循環水の全てが前記第１熱交換器を通過する第１流路と、
　前記第１循環水の全てが前記負荷装置を通過する第２流路と、
　前記第１循環水の一部が前記第１熱交換器を通過すると共に、前記第１循環水の残りが前記第２循環水と混合する第３流路と、
　前記第１循環水の流路を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つに切り替える切替手段と、を備える、冷凍機。
　本発明によれば、冷凍機が、冷却塔との間で循環する第１循環水の一部が第１熱交換器を通過すると共に、第１循環水の残りが負荷装置との間で循環する第２循環水と混合する第３流路を備えるため、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る空調システムの構成を示す図 冷凍機の構成を示すブロック図 通常モード時の冷却水の流路を説明するための図 第１フリークーリングモード時の冷却水の流路を説明するための図 第２フリークーリングモード時の冷却水の流路を説明するための図 空調機の構成を示すブロック図 制御装置のハードウェア構成を示すブロック図 制御装置の機能構成を示す図 空調制御処理の手順を示すフローチャート 他の実施形態における冷凍機の構成を示すブロック図 他の実施形態における冷凍機の構成を示すブロック図
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る空調システムの構成を示す図である。この空調システムは、工場、オフィスビル、集合住宅等の空調を行うシステムであり、冷却塔１と、冷凍機２と、空調機３と、制御装置４とから構成される。
　冷却塔１は、配管７を介して冷凍機２と接続し、冷凍機２との間で配管７を介して循環する冷却水（第１循環水）を冷却する。冷却塔１は、外気を内部に供給する図示しないファンを備えており、冷凍機２から戻ってきた冷却水を外気と間接的に接触させて熱交換を行う冷却方式（密閉式）を採用する。ファンの運転は制御装置４からの指令に従って制御される。
　冷却塔１によって冷却された冷却水は、ポンプ５によって冷凍機２に搬送される。ポンプ５は、インバータ回路を備え、制御装置４からの指令に従って駆動回転数が変更される。これにより、冷凍機２に搬送する冷却水の流量を変化させることができる。
　冷凍機２は、上述のように配管７を介して冷却塔１と接続すると共に、配管８を介して空調機３と接続し、空調機３との間で配管８を介して循環する冷水（第２循環水）を冷却する。図２に示すように、冷凍機２は、圧縮機２０と、第１熱交換器２１と、膨張弁２２と、第２熱交換器２３と、三方弁２４，２５と、制御基板２６とを備える。圧縮機２０、第１熱交換器２１、膨張弁２２及び第２熱交換器２３は、環状に接続され、これにより、ＣＯ2やＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）等の冷媒を循環させるための冷媒回路（冷凍サイクル回路ともいう。）が形成されている。
　圧縮機２０は、冷媒を圧縮して温度及び圧力を上昇させる。圧縮機２０は、駆動周波数に応じて容量（単位当たりの送り出し量）を変化させることができるインバータ回路を備える。圧縮機２０の駆動周波数は、制御基板２６からの指令に従って変更される。
　第１熱交換器２１は、凝縮器として機能し、冷却塔１から供給される冷却水（第１循環水）と圧縮機２０から吐出された冷媒の熱交換を行う、例えば、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器である。
　膨張弁２２は、第１熱交換器２１から送られてきた冷媒を膨張させて温度及び圧力を下降させる。膨張弁２２は、例えば、ステッピングモータ（図示せず）によって絞りの開度を調整可能な電子膨張弁である。この他にも、膨張弁２２として、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁やキャピラリチューブ等を採用してもよい。膨張弁２２の開度は、制御基板２６からの指令に従って変更される。
　第２熱交換器２３は、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、膨張弁２２から送られてくる冷媒と空調機３から戻された冷水の熱交換を行う。この熱交換により、冷媒は吸熱して蒸発し冷媒ガスへと相転移する。一方、冷水は放熱して温度が下降する。第２熱交換器２３により熱交換された冷水は、ポンプ６によって空調機３に搬送される。ポンプ６は、インバータ回路を備え、制御装置４からの指令に従って駆動回転数が変更される。
　三方弁２４，２５（切替手段）は、冷却塔１からの冷却水の流路を切り替えるための電動式の周知の三方弁であり、制御基板２６（切替制御手段）からの指令に従って、各方向の弁開度が調整される。冷凍機２は、冷却水の流路として、第１～第３流路が切り替え可能となるように構成されている。
　第１流路とは、図３に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が第１熱交換器２１を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ及び弁２４ｂが開放され、弁２４ｃが閉止された状態となる。また、三方弁２５における弁２５ａが閉止され、弁２５ｂ及び弁２５ｃが開放された状態となる。
　第２流路とは、図４に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が空調機３を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ及び弁２４ｃが開放され、弁２４ｂが閉止された状態となる。また、三方弁２５における弁２５ａ及び２５ｃが開放され、弁２５ｂが閉止された状態となる。
　第３流路とは、図５に示すように、冷却塔１からの冷却水が第１熱交換器２１及び空調機３を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ～２４ｃが開放され、三方弁２５における弁２５ａ～２５ｃが開放された状態となる。
　制御基板２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板２６は、圧縮機２０、膨張弁２２、三方弁２４，２５のそれぞれと図示しない通信線を介して通信可能に接続する。また、制御基板２６は、制御装置４と有線又は無線にて通信可能に接続する。
　制御基板２６は、制御装置４からの指令に従って、圧縮機２０、膨張弁２２、三方弁２４，２５のそれぞれを制御する。
　空調機３（負荷装置）は、いわゆるファンコイルユニットと呼ばれる空調機であり、冷凍機２からの冷水と室内の空気の熱交換を行うことで、室内の空気状態（温度や湿度）の調整を行う。図６に示すように、空調機３は、熱交換器３０と、ファン３１と、制御基板３２とを備える。
　熱交換器３０は、冷凍機２から流入した冷水と室内の空気との間の熱交換を行う。ファン３１は、室内の空気を取り込む（吸い込む）と共に、熱交換後の空気を室内へ送出する。
　制御基板３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板３２は、制御装置４と有線又は無線により通信可能に接続し、制御装置４からの指令に従い、ファン３１の駆動を開始し、又は、停止する。
　制御装置４は、空調対象となる室内の出入口付近に設置される、いわゆる空調リモコンであり、図７に示すように、ＣＰＵ４０と、ＲＯＭ４１と、ＲＡＭ４２と、入力装置４３と、ディスプレイ４４と、通信インタフェース４５と、二次記憶装置４６とを備える。これらの構成部は、バス４７を介して相互に接続される。ＣＰＵ４０は、制御装置４を統括的に制御する。ＣＰＵ４０によって実現される機能の詳細については後述する。
　ＲＯＭ４１は、複数のファームウェアやこれらのファームウェアの実行時に使用されるデータ等を記憶する。ＲＡＭ４２は、ＣＰＵ４０の作業領域として使用される。入力装置４３は、押しボタン、タッチパネル、タッチパッド等を備え、ユーザによる操作を受け付け、受け付けた操作に係る信号をＣＰＵ４０に送出する。
　ディスプレイ４４は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスであり、ＣＰＵ４０の制御の下、室内の空調に関する操作画面や、室内の空気状態（温度、湿度）等の情報を表示する。通信インタフェース４５は、冷却塔のファン、冷凍機２の制御基板２６、空調機３の制御基板３２、ポンプ５，６と無線通信又は有線通信するためのネットワークカードを備える。
　二次記憶装置４６は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリ等の読み書き可能な不揮発性の半導体メモリ等から構成される。二次記憶装置４６は、空調制御に関する１又は複数のプログラムやこれらのプログラムの実行時に使用されるデータ等を記憶する。
　続いて、制御装置４の機能について説明する。制御装置４は、機能的には、図８に示すように、ユーザインタフェース処理部４００と、モード決定部４０１と、空調制御部４０２とを備える。これらの各機能部は、ＣＰＵ４０によって、二次記憶装置４６に記憶される空調制御に関するプログラムが実行されることで実現される。
　ユーザインタフェース処理部４００は、入力装置４３及びディスプレイ４４を介したユーザインタフェース処理を行う。即ち、ユーザインタフェース処理部４００は、ユーザからの操作を入力装置４３を介して受け付ける。また、ユーザインタフェース処理部４００は、ユーザに提示するための情報をディスプレイ４４に出力する。
　モード決定部４０１は、空調運転時において、冷却水を利用する際のモード（冷却水利用モード）の種別を決定する。この冷却水利用モードには、通常モード、第１フリークーリングモード及び第２フリークーリングモードの３種があり、これらの中から、モード決定部４０１は、外気温度や目標温度、空調機３を経て冷凍機２に戻ってくる第２循環水の温度等に基づいて何れか１つのモードを選択して決定する。
　空調制御部４０２は、室内の空気温度がユーザにより設定された目標温度となるように、冷却塔１、冷凍機２、空調機３、ポンプ５，６のぞれぞれを制御する。また、空調制御部４０２は、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。
　より詳細には、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が通常モードの場合、空調制御部４０２は、第１流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。また、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が第１フリークーリングモードの場合、空調制御部４０２は、第２流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。また、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が第２フリークーリングモードの場合、空調制御部４０２は、第３流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。
　以下、通常モード、第１フリークーリングモード及び第２フリークーリングモードのぞれぞれにおける空調システムの状態について説明する。
＜通常モード＞
　冷却水を利用する際のモードが通常モードの場合、冷凍機２では、図３に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が第１熱交換器２１を通過する第１流路が選択される。この場合、空調機３の熱交換器３０で発生する負荷Ｑと、第２熱交換器２３で発生する熱量Ｑｅと、冷却塔１において冷却水が間接的に大気に放熱する熱量Ｑ＿ＣＴと、第１熱交換器２１で発生する熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。
　Ｑ＝Ｑｅ　　　　　　　（式１）
　Ｑ＿ＣＴ＝Ｑｃ　　　　（式２）
＜第１フリークーリングモード＞
　冷却水を利用する際のモードが第１フリークーリングモードの場合、冷凍機２では、図４に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が空調機３を通過する第２流路が選択される。このとき、制御基板２６は、圧縮機２０の稼働を停止させている。この場合、負荷Ｑと、熱量Ｑｅと、熱量Ｑ＿ＣＴと、熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。
　Ｑ＝Ｑ＿ＣＴ　　　　　（式３）
　Ｑｅ＝Ｑｃ＝０　　　　（式４）
＜第２フリークーリングモード＞
　冷却水を利用する際のモードが第２フリークーリングモードの場合、図５に示すように、冷却塔１からの冷却水が第１熱交換器２１及び空調機３を通過する第３流路が選択される。この場合、負荷Ｑと、熱量Ｑｅと、熱量Ｑ＿ＣＴと、熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。
　Ｑ＝Ｑｅ＋Ｑ＿ＣＴ１　（式５）
　Ｑｃ＝Ｑ＿ＣＴ２　　　（式６）
　Ｑ＿ＣＴ＝Ｑ＿ＣＴ１＋Ｑ＿ＣＴ２　（式７）
　三方弁２４，２５における弁開度の調整により、Ｑ＿ＣＴ１、Ｑ＿ＣＴ２は変化する。即ち、第１熱交換器２１に流入する冷却水の流量が減少する程、Ｑ＿ＣＴ２が小さくなり、Ｑ＿ＣＴ１が大きくなる。
　図９は、制御装置４によって実行される空調制御処理の手順を示すフローチャートである。空調制御処理は、入力装置４３を介して、ユーザにより冷房運転開始の操作が行われることで開始され、ユーザにより運転停止の操作が行われることで終了する。
　モード決定部４０１は、冷却水利用モードの種別を決定する（ステップＳ１０１）。空調制御部４０２は、冷凍機２に運転の開始を指令すると共に、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを指令する（ステップＳ１０２）。
　また、空調制御部４０２は、冷却塔に運転開始を指令する（ステップＳ１０３）。これにより、冷却塔１のファンが駆動を開始する。
　また、空調制御部４０２は、空調機３に運転開始を指令する（ステップＳ１０４）。これにより、ファン３１が駆動を開始する。また、空調制御部４０２は、ポンプ５，６を稼働させる。
　一定時間（例えば、１分）が経過すると（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、モード決定部４０１は、冷却水利用モードの種別を決定する（ステップＳ１０６）。空調制御部４０２は、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２に指令する（ステップＳ１０７）。なお、空調制御部４０２は、モード決定部４０１により前回決定された冷却水利用モードの種別と今回決定された冷却水利用モードの種別とが異なる場合に限り、決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２に指令してもよい。
　図９では、説明を省略しているが、空調制御処理では、上記の流路の切り替えの他、空調制御部４０２は、室内の空気温度が目標温度に近づくように、冷却塔１、冷凍機２、空調機３、ポンプ５，６の動作を制御する。
　以上説明したように、本発明の実施形態に係る空調システムでは、冷凍機２は、冷却塔１との間で循環する冷却水の一部が第１熱交換器２１を通過すると共に、冷却水の残りが空調機３の間で循環する冷水と混合する第３流路を備える。このため、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能となる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。
　例えば、冷却塔１は、冷凍機２から戻ってきた冷却水を外気と直接的に接触させて熱交換を行う冷却方式（開放式）を採用してもよい。この場合、冷却効率が高まるメリットがある反面、冷却水の水質が低下するデメリットもある。このため、開放式を採用する場合は、冷却塔１とポンプ５の間に汚れ取りフィルタを設けるようにしてもよい。
　また、冷凍機２を暖房運転に対応できる構成にしてもよい。この場合、図１０に示すように、冷凍機２の冷媒回路に四方弁２７が設けられ、冷房運転の際には、図１０の実線で示すように切り替えられる。これにより、圧縮機２０、四方弁２７、第１熱交換器２１、膨張弁２２及び第２熱交換器２３の順序で冷媒が循環する。一方、暖房運転の際には、四方弁２７は、破線で示すように切り替えられる。これにより、圧縮機２０、四方弁２７、第２熱交換器２３、膨張弁２２及び第１熱交換器２１の順序で冷媒が循環する。
　上記のようにすると、暖房運転では、高温及び高圧の冷媒を第２熱交換器２３に流入させることができるので、空調機３に温水を供給することが可能となる。
　また、三方弁２４，２５に替えて、図１１に示すように電磁弁２８，２９を設けてもよい。
　また、運転の安定性を確保するため、ガス抜き弁、バッファタンク等を適宜設けてもよい。
　また、ポンプ５，６を冷凍機２の構成に含めるようにしてもよい。
　また、ユーザが入力装置４３を介して冷却水利用モードの種別を指示し、空調制御部４０２が、ユーザにより指示された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令してもよい。
　上記の実施形態では、ＣＰＵ４０によって空調制御に関するプログラムが実行されることで、制御装置４の各機能部（図８参照）が実現された。しかし、制御装置４の機能部の全部又は一部が、専用のハードウェアで実現されるようにしてもよい。専用のハードウェアとは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又は、これらの組み合わせ等である。
　また、上記の実施形態において、制御装置４によって実行されるプログラムは、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、光磁気ディスク（Magneto-Optical Disc）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、メモリカード、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布することも可能である。そして、かかるプログラムを特定の又は汎用のコンピュータにインストールすることによって、当該コンピュータを上記の実施形態における制御装置４として機能させることも可能である。
　また、上記のプログラムをインターネット等のネットワーク上のサーバが有するディスク装置等に格納しておき、当該プログラムがサーバからコンピュータにダウンロードされるようにしてもよい。
　本発明は、広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能である。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
　本発明は、建物内の空調を行う空調システムに好適に採用され得る。
　１　冷却塔、２　冷凍機、３　空調機、４　制御装置、５，６　ポンプ、７，８　配管、２０　圧縮機、２１　第１熱交換器、２２　膨張弁、２３　第２熱交換器、２４，２５　三方弁、２６，３２　制御基板、２７　四方弁、２８，２９　電磁弁、３０　熱交換器、３１　ファン、４０　ＣＰＵ、４１　ＲＯＭ、４２　ＲＡＭ、４３　入力装置、４４　ディスプレイ、４５　通信インタフェース、４６　二次記憶装置、４７　バス、４００　ユーザインタフェース処理部、４０１　モード決定部、４０２　空調制御部

Claims (6)

  1. 　冷媒回路と、
    　冷却塔との間で循環する第１循環水と前記冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器と、
    　負荷装置との間で循環する第２循環水と前記冷媒の熱交換を行う第２熱交換器と、
    　前記第１循環水の全てが前記第１熱交換器を通過する第１流路と、
    　前記第１循環水の全てが前記負荷装置を通過する第２流路と、
    　前記第１循環水の一部が前記第１熱交換器を通過すると共に、前記第１循環水の残りが前記第２循環水と混合する第３流路と、
    　前記第１循環水の流路を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つに切り替える切替手段と、を備える、冷凍機。
  2. 　外部からの切替指令を受け付けると共に、前記切替指令で指定された流路に切り替えるように前記切替手段を制御する切替制御手段をさらに備える、請求項１に記載の冷凍機。
  3. 　冷却塔と、冷凍機と、負荷装置とを備え、
    　前記冷凍機は、
    　冷媒回路と、
    　前記冷却塔との間で循環する第１循環水と前記冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器と、
    　前記負荷装置との間で循環する第２循環水と前記冷媒の熱交換を行う第２熱交換器と、
    　前記第１循環水の全てが前記第１熱交換器を通過する第１流路と、
    　前記第１循環水の全てが前記負荷装置を通過する第２流路と、
    　前記第１循環水の一部が前記第１熱交換器を通過すると共に、前記第１循環水の残りが前記第２循環水と混合する第３流路と、
    　前記第１循環水の流路を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つの流路に切り替える切替手段と、を備える、空調システム。
  4. 　前記冷凍機は、外部からの切替指令を受け付けると共に、前記切替指令で指定された流路に切り替えるように前記切替手段を制御する切替制御手段をさらに備える、請求項３に記載の空調システム。
  5. 　前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つの流路を指定した前記切替指令を前記冷凍機に送信する制御装置をさらに備える、請求項４に記載の空調システム。
  6. 　前記制御装置は、外気の温度に基づいて、通常モードと第１フリークーリングモードと第２フリークーリングモードの内から何れか１つのモードを決定し、決定したモードが前記通常モードの場合は、前記第１流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信し、決定したモードが前記第１フリークーリングモードの場合は、前記第２流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信し、決定したモードが前記第２フリークーリングモードの場合は、前記第３流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信する、請求項５に記載の空調システム。
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