JP4817073B2 - フリークーリングを用いた冷却システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に流れる冷水の循環経路に備えた冷却手段の省エネルギー化を図るフリークーリングを用いた冷却システムに関する。

半導体製造工場など一年を通じて冷熱源が必要な工場では、冷熱源に要する消費電力が多くなり、その省エネ化が望まれている。そこで冬期など気温の低い時期に冷凍機を稼動させずに、冷却塔による冷熱を空調に利用するフリークーリングを前述の工場の冷熱源に適用して省エネ化を図る試みが行われている。

従来のフリークーリングシステムを備えた冷却システムを図９に示す。従来の冷却システム１は、冷凍機２、冷凍機用冷却塔３、フリークーリング冷却塔４、冷水を貯蔵する冷水槽５を設けている。冷水は、冷凍機２により必要温度のうち、最低温度の冷水を製造し、一度冷水槽５に貯められる。この冷水槽５からポンプ６により各負荷７に供給している。このとき負荷ごとに冷水設定温度が異なるため、負荷ごとに設けた図示しない熱交換器によって冷水の温度調整を行っている。また、フリークーリング冷却塔４の運転は、外気温度が下がる冬期に設備担当者の判断により、天気予報等の情報に基づいてフリークーリングを実施していた。

しかし、従来の冷却システム１は、全冷水について最低温度の冷水を製造していたため、冷凍機２のＣＯＰ（成績係数：消費電力１ｋＷあたりの冷暖房能力ｋＷを表したもの）が悪化し、多くのエネルギーを消費するという問題がある。また負荷ごとに冷水の設定温度が異なるため最低温度の冷水を製造した後、熱交換器で温度調整を行う必要があり非効率的であるという問題が生じていた。

これを解決する冷却システムとして、特開２００３−１２１０２４号公報（特許文献１）に開示のシステムがある。特許文献１によれば、冷水温度別に冷凍機と配管を配置し、冷水温度を上げることやＩＮＶターボ冷凍機を採用し、冷凍機用冷却塔の統合による冷却水温度の低下などによる冷凍機のＣＯＰ向上や、流量制御などにより省エネ化を図っている。この場合においてフリークーリングは専用の冷却塔を設けず、冷却塔で冷却された冷却水と冷水の熱交換により行なわれている。また特許文献２によれば、フリークーリングの利用期間を長くして、省エネ効果を高める冷熱源設備が開示されている。
特開２００３−１２１０２４号公報 特開２００４−１３２６５１号公報

しかしながら、特許文献１による冷水循環経路では、冷却水の流量が制限される可能性がある。この理由として冷却水温度は、冷凍機側の制限により設定温度以下にすることができず、冷却水温度を調整して冷却水の戻りをバイパスさせ冷却塔で冷やされた冷却水と混合させている。しかし冷却塔で作られる冷却水温度と冷水設定温度の温度差が小さい場合、冷却塔へ向かう流量は、少量となる可能性が高く、冷却塔で冷却される冷水量が制限されてフリークーリングを有効に活用できていない。また特許文献２では単一の負荷に対しては有効であるが、冷水設定温度の異なる複数の負荷に対して適用した場合には負荷ごとに冷却塔を取り付ける構成となり、稼動効率が悪くなるおそれがある。
そこで本発明は上記従来技術の問題点を改善すべく、フリークーリング冷却塔を長期間稼動させて冷凍機の省エネ化を図ることを目的としている。

また本発明に係るフリークーリングを用いた冷却システムは、負荷と、負荷に流れる冷水の冷凍機を備え前記冷水を循環させる冷水循環経路を冷水設定温度の異なる前記負荷ごとに複数形成し、第１冷水循環経路は、戻り側配管の冷水を冷却して、前記第１冷水循環経路の冷水設定温度よりも低い第２冷水循環経路の戻り側配管に戻すフリークーリング冷却塔を備え、前記第２冷水循環経路の戻り側配管と前記第１冷水循環経路の往き側配管を直に接続する配管と、外気湿球温度に基づいて前記フリークーリング冷却塔で冷却した冷水を前記第２冷水循環経路の戻り側配管に戻して前記冷凍機で冷却し、前記第２冷水循環経路の戻り側配管の冷水を前記第１冷水循環経路の往き側配管に供給する制御手段を設けたことを特徴としている。
この場合において、前記冷凍機の冷却塔と前記フリークーリング冷却塔を統合するとよい。

また本発明に係るフリークーリングを用いた冷却方法は、負荷の冷水設定温度ごとに複数区分けした前記負荷と冷凍機の冷水循環経路のうち、第１冷水循環経路の戻り側配管を流れる冷水を冷却し、外気湿球温度に基づいて前記第１冷水循環経路の戻り側配管で冷却した冷水を前記第１冷水循環経路の冷水設定温度よりも低い第２冷水循環経路の戻り側配管に戻して前記冷凍機で冷却し、前記第２冷水循環経路の戻り側配管の冷水を前記第１冷水循環経路の往き側配管に供給することを特徴としている。

上記構成による本発明によれば、開閉弁により戻り側配管の冷水の一部をフリークーリング冷却塔に迂回させて冷却し、戻り側配管に再度戻して残りの冷水と合流させているので、冷水温度を制御できる。また温度調整後の冷水温度が冷水設定温度の場合には、冷水循環経路上の冷凍機の手前で戻り側配管から往き側配管に冷水をバイパスさせている。このため冷凍機によらずフリークーリング冷却塔のみで冷水を冷却させることができ、冷水冷却手段の稼動コストの低減化を図ることができる。また冷却した冷水を冷凍機に供給しないので戻り側配管のポンプの稼動負荷を低減できる。

本発明によれば、冷水設定温度ごとに形成した複数の循環経路のうち、冷水設定温度の低い第２循環経路の戻り側配管を設定温度の高い第１循環経路の往き側配管に接続しているので、第１循環経路の往き側配管の循環経路上に取り付けた冷凍機で冷却する必要がなく、冷凍機を停止させて稼動コストの低減化を図ることができる。

本発明によれば、冷水設定温度の異なる複数の負荷の冷凍機用冷却塔とフリークーリング冷却塔を統合した冷却塔を形成し、外気湿球温度に応じて冷却塔を冷凍機用とフリークーリング用に切り替えている。このため、フリークーリング冷却塔を長期稼動することができ、冷却手段の省エネ化を図るとともに、イニシャルコストを抑制することができる。

本発明に係るフリークーリングを用いた冷却システム及びその方法の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は第１実施形態に係るフリークーリングを用いた冷却システムの構成概略を示す図である。本発明のフリークーリングを用いた冷却システム１０は、図１に示すように負荷１２に流れる冷水の冷凍機２０を取り付けて冷水を循環させる冷水循環経路１４を複数備えた構成としている。

本発明の負荷１２は、一例として設定温度ごとに装置冷却負荷１２ａ、顕熱負荷１２ｂ、外気負荷１２ｃの３つの負荷を設けている。装置冷却負荷１２ａは、稼動する生産装置から発生する発熱を冷却するためのものである。顕熱負荷１２ｂは、顕熱によるものでクリーンルームなどの室内温度を上下させる原因となる生産装置の発熱のうちクリーンルーム内への放熱や、建物外壁からの熱移動、窓からの日射、室内照明器具、人体、取り入れ外気などの発熱により上昇したクリーンルーム内の温度を冷却するためのものである。外気負荷１２ｃは、換気のためにクリーンルーム内に取り入れる外気の保有熱量（温度、湿度）を冷却してコントロールするために必要なものをいう。

各負荷１２の冷水設定温度は、本実施形態では一例として装置冷却負荷１２ａを１７度（高温用）、顕熱負荷１２ｂを１２度（中温用）、外気負荷１２ｃを７度（低温用）として以下説明する。

冷水循環経路１４は、負荷１２の冷水排出口と冷凍機２０の冷水流入口を接続し、冷凍機２０の冷水排出口と負荷１２の冷水流入口を接続し、負荷１２と冷凍機２０の間で冷水を循環させている。

冷水循環経路１４は、負荷１２からの冷水が冷凍機２０に流入する方向を戻り側配管１６とし、冷凍機２０で冷却した冷水を負荷１２に送る方向を往き側配管１８としている。本実施形態に係る冷水循環経路１４は、負荷１２の冷水設定温度ごとに装置冷却負荷１２ａを高温用の冷水循環経路１４ｃ（Ｃ）とし、顕熱負荷１２ｂを中温用の冷水循環経路１４ｂ（Ｂ）とし、外気負荷１２ｃを低温用の冷水循環経路１４ａ（Ａ）としている。

各循環経路Ａ，Ｂ，Ｃに取り付けた冷水の冷凍機２０には冷凍機用冷却塔４０が接続している。本実施形態では３台の冷凍機２０に対し、３台並列に接続した冷凍機用冷却塔４０を、各循環経路Ａ，Ｂ，Ｃごとそれぞれの冷凍機２０と並列に接続する冷却水循環経路４２を形成している。

冷却水循環経路４２は冷凍機２０の冷却水排出口と冷凍機用冷却塔４０の冷却水流入口を接続し、冷凍機用冷却塔４０の冷却水排出口と冷凍機２０の冷却水流入口を接続し、冷凍機２０と冷凍機用冷却塔４０の間で冷却水を循環させている。

冷却水循環経路４２は、冷凍機２０からの冷却水が冷凍機用冷却塔４０に流入する方向を戻り側配管４４とし、冷凍機用冷却塔４０で冷却した冷却水を冷凍機２０に送る方向を往き側配管４６としている。冷却水の往き側配管４６には、冷凍機２０の手前の管路にポンプ４８を取り付けている。また冷却水の戻り側配管４４と、冷凍機用冷却塔４０とポンプ４８の間の往き側配管４６とを繋ぐバイパス管５１を設け、往き側配管４６との接続口には三方弁５３を取り付けている。

一方、冷水の戻り側配管１６には、フリークーリング冷却塔３０を取り付けている。フリークーリング冷却塔３０は、冷水の流入管３２を冷水の戻り側配管１６の負荷１２側に接続し、冷水の排出管３４を冷水の戻り側配管１６の冷凍機２０側に接続させて、戻り側配管１６を流れる冷水を迂回させるようにしている。

フリークーリング冷却塔３０は冷水と外気の間で熱交換を行い、冷凍機２０の熱交換の冷却負担を低減させるものである。フリークーリング冷却塔３０は一例として密閉式の冷却塔を用いることができる。

フリークーリング冷却塔３０の流入する冷水の流入管３２と冷水の戻り側配管１６との接続箇所には開閉弁となるバルブ３６を設けている。バルブ３６は一例として三方弁を用いることができる。このバルブ３６は戻り側配管１６を流れる冷水の一部をフリークーリング冷却塔３０に流入させている。バルブ３６はフリークーリング冷却塔３０に流す冷水の流量を調整可能としている。

戻り側配管１６にはポンプ３７を取り付け、負荷１２から冷凍機２０に向けて冷水を流すようにしている。また冷凍機２０の手前の戻り側配管１６には、負荷１２の戻り側配管１６と往き側配管１８を直接繋ぐバイパス管３８を設けている。バイパス管３８上には冷水の出入りを制御するバルブ３９を取り付けている。

制御手段５０は冷水の戻り側配管１６ａ〜１６ｃに取り付けたバルブ３６ａ〜３６ｃと、フリークーリング冷却塔３０と、バイパス管３８ａ〜３８ｃのバルブ３９ａ〜３９ｃに接続している。また制御手段５０は冷水の戻り側配管１６ａ〜１６ｃの冷水温度を測定する戻り側冷水温度センサ５２ａ〜５２ｃと、外気湿球温度を測定する外気湿球温度センサ５６に接続し、各設定温度に基づいて、冷水の冷却温度を制御している。

上記構成によるフリークーリングを用いた冷却システムの運転方法について以下に説明する。図２は本発明に係る冷却システムの運転フロー図である。冷却システム１０は、負荷１２の設定温度ごとに循環経路Ａ，Ｂ，Ｃを形成し、各冷水循環経路１４にフリークーリング冷却塔３０を備えている。まず冷却システム１０周辺の外気湿球温度を外気湿球温度センサ５６で測定する（Ｓ１００）。外気湿球温度の測定値が制御手段５０に送られる。

制御手段５０では予め定めた負荷ごとの冷水設定温度（１７度、１２度、７度）とを比較する。その結果、各循環経路の戻り側配管１６の冷水をフリークーリング冷却塔３０で冷やせる外気湿球温度のとき、戻り側配管１６に取り付けたバルブ３６を開放して、フリークーリング冷却塔３０に冷水の一部を流入させる。流入した一部の冷水は、フリークーリング冷却塔３０で、外気と冷水との間で熱交換されて冷水が冷却される。冷却された冷水がフリークーリング冷却塔３０から戻り側配管１６に排出される。

次にフリークーリング冷却塔３０で冷却された冷水が流入した戻り側配管の冷水温度（フリークーリング冷却塔出口温度）を、戻り側冷水温度センサ５２で測定する（Ｓ１１０）。そして戻り側配管の冷水温度と冷水循環経路の冷水設定温度を比較する（Ｓ１２０）。

その結果、戻り側配管の冷水温度が冷水設定温度以下の場合、冷水循環経路上の冷凍機２０入口側に設けたバイパス管３８のバルブ３９を開放し、冷凍機２０を経由せずに直接冷水を往き側配管１８に流入させる（Ｓ１３０）。Ｓ１００〜Ｓ１３０に示す運転フローは冬期運転の場合であり、例えば外気湿球温度が４度のとき、循環経路Ａ，Ｂ，Ｃのいずれの冷水設定温度（１７度、１２度、７度）よりも低くなる。このとき設定温度１７度の循環経路Ａでは冷水の過冷却となる。そこでフリークーリング冷却塔３０で冷却された冷水が戻り側配管１６に流入した後の冷水温度を測定し、測定値が冷水設定温度よりも低すぎる場合には、バルブ３６によりフリークーリング冷却塔３０へ流入させる冷水の流量を調整することにより冷却する冷水量を少なくして戻り側冷水温度センサの測定値が冷水設定温度１７度となるように制御している。

一方、Ｓ１２０の冷水戻り側温度と冷水設定温度の比較において、戻り側配管の冷水温度が冷水設定温度よりも高い場合、以下に示す操作を行う。フリークーリング冷却塔３０から流出した冷水と負荷から排出される冷水温度と比較する（Ｓ１４０）。その結果フリークーリング冷却塔３０から流出した冷水が負荷から排出される冷水温度よりも低い場合には、冷水を冷凍機２０に送る運転とする（Ｓ１５０）。Ｓ１００〜Ｓ１５０に示す運転フローは中間期運転の場合であり、例えば外気湿球温度が１５度であり、フリークーリング冷却塔で冷却された冷水温度も略１５度の場合、循環経路Ｃの冷水設定温度（１７度）よりも低くなるが、循環経路Ａ，Ｂの設定温度よりも高くなる。このときフリークーリング冷却塔で冷却された冷水は、循環経路Ｂの負荷から排出された冷水温度１７度より低くなる。そこで循環経路Ｃではフリークーリング冷却塔３０による冷水の冷却を行い、循環経路Ａではフリークーリング冷却塔３０に冷水を流入させずに直接冷凍機２０に流入させる。そして循環経路Ｂでは冷水をフリークーリング冷却塔３０に流入させるとともに、フリークーリング冷却塔３０で冷却した冷水を冷凍機２０に供給する。これにより循環経路Ｂでは、冷水をフリークーリング冷却塔３０により冷却することにより、冷凍機２０による冷水の冷却の負担を軽減することができる。

またＳ１４０の戻り側配管の冷水温度と負荷から排出される冷水温度の比較において、冷水戻り側温度が負荷から排出された冷水温度よりも高い場合、すなわちフリークーリング冷却塔により冷水を冷却できない場合には、冷水をフリークーリング冷却塔３０を経由させずに直接冷凍機２０に供給して冷水を冷却する（Ｓ１６０）。Ｓ１００〜Ｓ１６０に示す運転フローは夏期運転の場合である。

次に本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。図示のように、本発明の冷却システム１０ａと、第１実施形態と異なる構成は、循環経路Ａ（低温冷水）の戻り側配管１６ａと循環経路Ｂ（中温冷水）の往き側配管１８ｂを繋ぐ配管６０ａを形成し、循環経路Ｂ（中温冷水）の戻り側配管１６ｂと循環経路Ｃ（高温冷水）の往き側配管１８ｃを繋ぐ配管６０ｂを形成し、第１実施形態において循環経路ごとに取り付けたフリークーリング用の冷却塔を統合したフリークーリング冷却塔３０ａを設けた点である。その他の構成要素は第１実施形態と同一の構成であり、同一の符号を付してその詳細説明を省略する。
配管６０は、配管途中に冷水の流量を任意に調整可能なバルブ６２と、冷水の戻り側配管１６から往き側配管１８へ向けて冷水を流すポンプ６４を備えている。

また冷水の冷凍機２０ｂ，２０ｃと配管６０ａ，６０ｂが接続する往き側配管１８ｂ，１８ｃ上には、冷水の流量を任意に調整可能なバルブ６６ａ，６６ｂを取り付けている。また冷凍機２０ａ，２０ｂと配管６０ａ，６０ｂが接続する戻り側配管１６ａ，１６ｂ上には冷水の流量を任意に調整可能なバルブ６６ｃ，６６ｄを取り付けている。

さらに統合したフリークーリング冷却塔３０ａの冷水の排出側配管６７と各冷水循環経路の戻り側配管１６ａ〜１６ｃ上には冷水量を任意に調整可能なバルブ６６ｅ，６６ｆ，６６ｇをそれぞれ取り付けている。制御手段５０は、フリークーリング冷却塔３０ａ、バルブ３６、バルブ６２、バルブ６６と接続し、冷水の戻り側配管１６ａ〜１６ｃの冷水温度を測定する図示しない戻り側冷水温度センサと、外気湿球温度を測定する外気湿球温度センサ５６に接続し、各設定温度に基づいて、冷水の冷却温度を制御している。

上記構成による第２実施形態の冷却方法について以下説明する。図４は外気温度と外気湿度の関係を示す図である。図５は外気湿球温度に基づく冷却システムの運転切換の説明図である。図４は横軸に外気温度（度）、縦軸を外気湿度（％）とし、外気湿球温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を高温側から任意にＴ１＞Ｔ２＞Ｔ３と設定し、外気湿球温度Ｔ１以上の範囲をａ、外気湿球温度Ｔ１＞Ｔ２の範囲をｂ、外気湿球温度Ｔ２＞Ｔ３の範囲をｃ、外気湿球温度Ｔ３以下の範囲をｄとしている。

図５（ａ）は、外気湿球温度がＴ１以上の場合を示している。外気湿球温度センサにより外気湿球温度を測定し、測定温度がＴ１以上、例えば２２度以上の場合、各負荷１２から排出された冷水は冷水温度がそれぞれ２２度、１７度、１２度であり、冷水をフリークーリング冷却塔３０ａに通過させても冷却することができない。そこで制御手段により冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃに設けたバルブ３６でフリークーリング冷却塔３０ａへの冷水の供給を閉塞し、フリークーリング冷却塔３０ａの稼動を停止する。各負荷１２からの冷水は直接冷凍機２０ａ〜２０ｃに供給して冷却し、各冷水設定温度に冷却した冷水は、往き側配管１８ａ〜１８ｃに供給して各負荷１２に戻すようにしている。

図５（ｂ）は、外気湿球温度がＴ２以上Ｔ１以下の場合を示している。外気湿球温度がＴ２以上Ｔ１以下、例えば２０度の場合、装置冷却負荷１２ａから排出される冷水温度は２２度であり、フリークーリング冷却塔３０ａにより装置冷却負荷１２ａからの冷水を冷却することができる。そこで、冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水のみフリークーリング冷却塔３０ａで冷却する。すなわち制御手段により冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃのバルブ３６でフリークーリング冷却塔３０ａ側に開放し、戻り側配管１６ｃのポンプを稼動させて冷水をフリークーリング冷却塔３０ａに供給し迂回させる。そしてフリークーリング冷却塔３０ａで冷却後の冷水を戻り側配管１６ｃに再度導入する。このときフリークーリング冷却塔３０ａの排出口と戻り側配管１６ｂと間のバルブ６６ｆおよび戻り側配管１６ａのバルブ６６ｅは閉塞している。冷水温度が２０度前後の冷水を冷凍機２０ｃに導入して、冷水設定温度１７度まで冷却する。冷凍機２０ｃで冷却後の冷水は往き側配管１８ｃに導入されて装置冷却負荷１２ａに戻される。これにより予めフリークーリング冷却塔３０ａにより冷水を外気湿球温度まで冷却しているので、冷凍機２０ｃによる冷水冷却の負担を軽減することができる。その他の冷水循環経路１４ｂ、１４ａは、図５（ａ）と同様に冷凍機２０ｂ，２０ａによる通常の冷却を行っている。

図５（ｃ）は、外気湿球温度がＴ３以上Ｔ２以下の場合を示している。外気湿球温度がＴ３以上Ｔ２以下、例えば１５度の場合、装置冷却負荷１２ａから排出される冷水温度は２２度であり、フリークーリング冷却塔３０ａにより装置冷却負荷１２ａからの冷水を冷却することができる。そこで、冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水をフリークーリング冷却塔３０ａで冷却し、戻り側配管１６ｂに導入する。すなわち制御手段により冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃのバルブ３６でフリークーリング冷却塔３０ａ側に開放する。またフリークーリング冷却塔３０ａの排出口と戻り側配管１６ｃとの間のバルブ６６ｇおよび第３戻り側配管１６ａのバルブ６６ｅを閉塞し、戻り側配管１６ｂのバルブ６６ｆを開放する。戻り側配管１６ｂのポンプを稼動させて冷水をフリークーリング冷却塔３０ａに供給し迂回させる。そしてフリークーリング冷却塔３０ａで冷却後の冷水を戻り側配管１６ｂに導入する。冷水温度が１５度前後の冷水を冷凍機２０ｂに導入して、冷水設定温度１２度まで冷却する。冷凍機２０ｂで冷却後の冷水は往き側配管１８ｂに導入されて負荷１２ｂに戻される。

このとき冷水循環経路１４ｃの冷凍機２０ｃの稼動を停止し、冷水循環経路１４ｂの戻り側配管１６ｂと冷水循環経路１４ｃの往き側配管１８ｃを接続する配管６０ｂのバルブ６２を開放してポンプ６４により、顕熱負荷１２ｂから排出される冷水温度１７度の冷水を直接装置冷却負荷１２ａの往き側配管１８ｃに導入している。

これにより、冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水をフリークーリング冷却塔３０ａで冷却し、往き側配管１８ｃの冷水を冷水循環経路１４ｂの第２戻り側配管１６ｂからカスケードすることができ、冷水循環経路１４ｃの冷凍機２０ｃの稼動を停止させることができる。また予めフリークーリング冷却塔３０ａにより冷水を外気湿球温度１５度前後まで冷却しているので、冷凍機２０ｂによる冷水冷却の負担を軽減することができる。その他の冷水循環経路１４ａは、図５（ａ）と同様に冷凍機２０ａによる通常の冷却を行っている。

図５（ｄ）は、外気湿球温度がＴ３以下の場合を示している。外気湿球温度がＴ３以下、例えば１０度の場合、装置冷却負荷１２ａから排出される冷水温度は２２度であり、フリークーリング冷却塔３０ａにより装置冷却負荷１２ａからの冷水を冷却することができる。そこで、冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水をフリークーリング冷却塔３０ａで冷却し、第３戻り側配管１６ａに導入する。すなわち冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃのバルブ３６によりフリークーリング冷却塔３０ａ側に開放する。またフリークーリング冷却塔３０ａの排出口と第１戻り側配管１６ｃとの間のバルブ６６ｇおよび第２戻り側配管１６ｂのバルブ６６ｆを閉塞し、第３戻り側配管１６ａのバルブ６６ｅを開放する。第３戻り側配管１６ａのポンプを稼動させて冷水をフリークーリング冷却塔３０ａに供給し迂回させる。そしてフリークーリング冷却塔３０ａで冷却後の冷水を戻り側配管１６ａに導入する。冷水温度が１０度前後の冷水を冷凍機２０ａに導入して、冷水設定温度１０度まで冷却する。冷凍機２０ａで冷却後の冷水は往き側配管１８ａに導入されて負荷１２ｃに戻される。

このとき冷水循環経路１４ｃの冷凍機２０ｃおよび冷水循環経路１４ｂの冷凍機２０ｂの稼動を停止する。そして冷水循環経路１４ｂの戻り側配管１６ｂと冷水循環経路１４ｃの往き側配管１８ｃを接続する配管６０ｂのバルブ６２を開放してポンプ６４により、顕熱負荷１２ｂから排出される冷水温度１７度の冷水を直接装置冷却負荷１２ａの往き側配管１８ｃに導入している。

また冷水循環経路１４ａの戻り側配管１６ａと冷水循環経路１４ｂの往き側配管１８ｂを接続する配管６０ａのバルブ６２を開放してポンプ６４により、外気負荷１２ｃから排出される冷水温度１２度の冷水を直接顕熱負荷１２ｂの往き側配管１８ｂに導入している。

これにより、冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水をフリークーリング冷却塔３０ａで冷却し、往き側配管１８ｃの冷水を冷水循環経路１４ｂの戻り側配管１６ｂからカスケードすることができ、冷水循環経路１４ｃの冷凍機２０ｃの稼動を停止させることができる。往き側配管１８ｂの冷水を冷水循環経路１４ａの戻り側配管１６ａからカスケードすることができ、冷水循環経路１４ｂの冷凍機２０ｂの稼動を停止させることができる。

また予めフリークーリング冷却塔３０ａにより冷水を外気湿球温度１０度前後まで冷却しているので、冷凍機２０ａによる冷水冷却の負担を軽減することができる。
なお外気湿球温度の代わりにフリークーリング冷却塔３０ａで冷却した冷水温度を用いて冷却システムの運転を切り替えても良い。

このように第２実施形態に係る冷却システム１０ａは、フリークーリング冷却塔３０ａを統合し、外気湿球温度またはフリークーリング用冷却塔３０ａの出口温度により冷却後の冷水を戻す冷水循環経路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを変更している。そしてフリークーリング冷却塔３０ａで冷却した冷水を導入する冷水循環経路では、負荷から排出された戻り側配管の冷水を、当該冷水循環経路の冷水設定温度よりも高く設定している冷水循環経路の往き側配管に導入している。例えば中温冷水循環経路の戻り側配管の冷水を高温用冷水循環経路の往き側配管へ導入しカスケードしているため、高温用冷水循環経路の冷水を冷凍機で冷却する必要がなく、冷凍機の稼動を停止させることができる。また低温用冷水循環経路の戻り側配管の冷水を中温用冷水循環経路の往き側配管に導入するとともに、中温用冷水配管の戻り側配管の冷水を高温用冷水循環経路の往き側配管に導入しカスケードしている。このため高温用冷水循環経路および中温用冷水循環経路の冷水を冷凍機で冷却する必要がなく、２系統の冷凍機の稼動を停止させることができる。

図６に第３実施形態のフリークーリングを用いた冷却システムを示す。図示のように本発明の冷却システム１０ｂと、第２実施形態の冷却システム１０ａと異なる構成は、冷凍機用冷却塔４０とフリークーリング冷却塔３０を統合した冷却塔７０を設けた点である。その他の構成要素は第２実施形態と同一の構成であり、同一符号を付してその詳細説明を省略する。

冷却塔７０はフリークーリング冷却塔と冷凍機用冷却塔の役割を果たすべく、本実施形態では６台の各冷却塔の導入口および排出口を並列接続している。導入口及び排出口を接続する配管７１，７２には一対のバルブ７３ａ，７３ｂ、７４ａ，７４ｂを複数（本実施形態では２対）取り付けている。そして冷水循環経路１４ｃの戻り側配管１６ｃの冷水を迂回させて冷却する循環経路と、冷凍機の冷却水を冷却する循環経路を第２実施形態と同様に形成している。

第３実施形態の冷却システムが図４に示す外気湿球温度範囲で変化する場合のそれぞれの稼動切換を以下に示す。
外気湿球温度がＴ１以上の場合、冷却塔７０は冷凍機用冷却塔として機能する。冷水循環経路の冷水は図５（ａ）に示す流れとなる。したがって冷却塔７０は冷凍機２０に下限値７度の冷却水を供給する。

外気湿球温度がＴ２以上Ｔ１以下の場合、冷却塔７０はフリークーリング冷却塔および冷凍機用冷却塔として機能する。すなわちバルブ７４ａ，７４ｂを閉塞して冷凍機側を冷凍機用として下限値７度の冷却水を供給する。一方、フリークーリング側では外気湿球温度を利用したフリークーリング冷却塔としてＴ２以上Ｔ１以下の冷水を冷凍機２０ｃに供給する。冷水循環経路の冷水は図５（ｂ）に示す流れとなる。

外気湿球温度Ｔ３以上Ｔ２以下の場合、冷却塔７０は、フリークーリング冷却塔および冷凍機用冷却塔として機能する。すなわちバルブ７３ａ，７３ｂを閉塞して冷凍機側を冷凍機用として下限値７度の冷却水を供給する。一方、フリークーリング側では外気湿球温度を利用したフリークーリング冷却塔としてＴ３以上Ｔ２以下の冷水を冷凍機２０ｂに供給する。冷水循環経路の冷水は図５（ｃ）に示す流れとなる。

外気湿球温度Ｔ３以下の場合、冷却塔７０は、フリークーリング冷却塔として機能する。すなわち外気湿球温度を利用したフリークーリング冷却塔としてＴ３以下の冷水を冷凍機２０ａに供給するとともに、冷凍機２０ａにＴ３以下の冷却水を供給する。冷水循環経路の冷水は図５（ｄ）に示す流れとなる。

このように第３実施形態の冷却システムは、冷凍機用冷却塔とフリークーリング冷却塔を配管で統合し、冷却塔７０で冷水を製造しつつ必要な分だけ冷却水としても利用している。冷却用温度は、冷凍機により下限温度が決まる。冬期において冷凍機用冷却塔の能力をフルに発揮するため、できる限り低温の冷水（下限値７度）を製造する。冷却水としては、温度を一定以上にする必要があるため、冷凍機を出た冷却水の戻り温度をバイパス管５１でバイパスさせて、三方弁５３で開閉量を制御して低温度の冷水と混合して温度を調整している。

図７は本実施形態に係る冷却システムの第４実施形態を示す図である。図示のように、冷水循環経路１４ｂの戻り側配管１６ｂの冷水を冷水循環経路１４ｃの往き側配管１８ｃに送る配管６０ｂだけを設けている。そしてフリークーリング冷却塔３０の冷水の排出側配管６７を戻り側配管１６ａには接続せず、戻り側配管１６ｃ，１６ｂに接続させている。このような構成により、負荷の冷水温度を高く設定し、フリークーリング冷却塔の稼働時間を長期化することができる。なお第３実施形態に示す冷却塔を統合した構成に適用してもよい。

図８は本実施形態に係る冷却システムの第５実施形態を示す図である。第５実施形態は第１実施形態の変形例である。第１実施形態と異なる構成は、図示のように、各冷水循環経路にバイパス管３８を備えていない点である。このような構成により、主に冬期運転において、戻り側配管の冷水温度が冷水設定温度以下の場合に、バルブ３６によりフリークーリング冷却塔３０へ流入させる流量を調整するとともに冷凍機２０に流入させて冷水温度を調整するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係るフリークーリングを用いた冷却システムの構成概略を示す。 本発明に係る冷却システムの運転フロー図である。 本発明の第２実施形態を示す図である。 外気温度と外気湿度の関係を示す図である。 外気湿球温度に基づく冷却システムの運転切換の説明図である。 本発明の第３実施形態を示す図である。 本発明の第４実施形態を示す図である。 本発明の第５実施形態を示す図である。 従来の冷却システムの構成概略を示す図である。

符号の説明

１………冷却システム、２………冷凍機、３………冷凍機用冷却塔、４………フリークーリング冷却塔、５………冷水槽、６………ポンプ、７………負荷、１０………冷却システム、１２………負荷、１４………冷水循環経路、１６………戻り側配管、１８………往き側配管、２０………冷凍機、３０………フリークーリング冷却塔、３２………流入管、３４………排出管、３６………バルブ、３８………バイパス管、３９………バルブ、４０………冷凍機用冷却塔、４２………冷却水循環経路、４４………戻り側配管、４６………往き側配管、５０………制御手段、５１………バイパス管、５２………戻り側冷水温度センサ、５６………外気湿球温度センサ、６０………配管、６２………バルブ、６４………ポンプ。

Claims (3)

1. 負荷と、負荷に流れる冷水の冷凍機を備え前記冷水を循環させる冷水循環経路を冷水設定温度の異なる前記負荷ごとに複数形成し、
   第１冷水循環経路は、戻り側配管の冷水を冷却して、前記第１冷水循環経路の冷水設定温度よりも低い第２冷水循環経路の戻り側配管に戻すフリークーリング冷却塔を備え、
   前記第２冷水循環経路の戻り側配管と前記第１冷水循環経路の往き側配管を直に接続する配管と、
   外気湿球温度に基づいて前記フリークーリング冷却塔で冷却した冷水を前記第２冷水循環経路の戻り側配管に戻して前記冷凍機で冷却し、前記第２冷水循環経路の戻り側配管の冷水を前記第１冷水循環経路の往き側配管に供給する制御手段を設けたことを特徴とするフリークーリングを用いた冷却システム。
2. 前記冷凍機の冷却塔と前記フリークーリング冷却塔を統合したことを特徴とする請求項１記載のフリークーリングを用いた冷却システム。
3. 冷水設定温度の異なる負荷ごとに複数区分けした前記負荷と冷凍機の冷水循環経路のうち、第１冷水循環経路の戻り側配管を流れる冷水を冷却し、
   外気湿球温度に基づいて前記第１冷水循環経路の戻り側配管で冷却した冷水を前記第１冷水循環経路の冷水設定温度よりも低い第２冷水循環経路の戻り側配管に戻して前記冷凍機で冷却し、
   前記第２冷水循環経路の戻り側配管の冷水を前記第１冷水循環経路の往き側配管に供給することを特徴とするフリークーリングを用いた冷却方法。

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