(57)【要約】【課題】冷却設備の冷却に関与せずに排出される冷却水が有するエネルギーを有効に利用することができる機器設備への冷却水供給装置を提供する。【解決手段】ポンプ４からの冷却水を供給する供給管６と冷却水の戻り管７との間に設けた複数の分岐管８と、前記各分岐管８に設けた各機器設備の冷却設備１と、前記冷却水の供給管６の上流側部と前記冷却水の戻り管７の下流側部との間に設けたバイパス管１０と、このバイパス管１０の途中に設けた水車１１と、前記バイパス管１０の上流側に設けた弁１２と、前記水車１１に連結した発電機１３と、この発電機１３と前記水車１１との間に設けた動力伝達切換手段１４と、前記冷却水の供給管６におけるバイパス管１０下流側の圧力を検出する手段１９と、前記圧力検出手段１９からの検出信号に基づいて前記弁１２及び前記動力伝達切換手段１４に操作信号を出力する制御装置２０とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記冷却水の供給管の上流側部と前記冷却水の戻り管の下流側部との間に設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置。
【請求項２】
機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記各分岐管における冷却設備の上流側部と下流側部との間に設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置。
【請求項３】
機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記供給管の上流側部に分岐して設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置。
【請求項４】
前記発電機に接続するバッテリを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却設備の電力リサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所や工場等で使用されている電気機器や、空調用機器等の機器設備への冷却設備における電力リサイクル装置に係わり、更に詳しくはその冷却水の排出エネルギーを有効利用し得る冷却設備の電力リサイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電所や工場等で使用されている電気機器や、空調用機器等の機器設備は、機器から発生する熱を冷却水を介して冷却する冷却設備を備えている。この冷却設備は、一般的に機器で発生した熱を、冷却水で冷却する熱交換器を備えている。この熱交換器には、この熱交換器で温められた冷却水を冷却する冷却器が接続されている。この冷却器と熱交換器とには、循環水供給用のポンプで冷却水が循環させている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２１６０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した発電所や工場等で使用されている電気機器や、空調用機器等の機器設備は、複数台設置されている場合が多い。これに伴い、その冷却設備も同数設置されることになるが、このように冷却設備が複数台になると、各機器設備の使用負荷に応じて冷却設備を各々制御しなければならず、その制御が複雑になる。
【０００５】
そこで、複数台の機器設備に対する冷却設備への冷却水供給方策として、１つのポンプによって貯水槽内の冷却用水を複数台の冷却設備の全使用負荷に対応し得るように供給することが考えられる。この場合、各冷却設備はこれに接続する機器設備の使用状況により、冷却負荷がそれぞれ変動するが、特に、冷却設備全体での冷却負荷が小さい場合には、冷却設備側では供給される冷却水量を制限するので、その必要としない分の冷却水量は、貯水槽側に排出せざるを得ない。このことはポンプによって与えられたエネルギーを無用に放出することになるので、エネルギーの有効活用の観点から有効なものでないという憾みがあった。
【０００６】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、冷却設備の冷却に関与せずに排出される冷却水が有するエネルギーを有効に利用することができる冷却設備の電力リサイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するために、第１の発明は、機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記冷却水の供給管の上流側部と前記冷却水の戻り管の下流側部との間に設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置にある。
【０００８】
また、第２の発明は、機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記各分岐管における冷却設備の上流側部と下流側部との間に設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置にある。
【０００９】
更に、第３の発明は、機器設備に冷却水を供給する冷却設備において、ポンプからの冷却水を供給する供給管と冷却水の戻り管との間に設けた複数の分岐管と、前記各分岐管に設けた各機器設備の冷却設備と、前記供給管の上流側部に分岐して設けたバイパス管と、このバイパス管の途中に設けた水車と、前記バイパス管の上流側に設けた弁と、前記水車に連結した発電機と、この発電機と前記水車との間に設けた動力伝達切換手段と、前記冷却水の供給管におけるバイパス管下流側の圧力を検出する手段と、前記圧力検出手段からの検出信号を取り込み、前記弁及び前記動力伝達切換手段に操作信号を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置にある。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記発電機に接続するバッテリを備えたことを特徴とする冷却設備の電力リサイクル装置にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、工場や発電所等で使用されている機器や、空調用機器のための冷却設備の冷却に関与せずに排出される冷却水が有するエネルギーを、電気的エネルギーに変換することができるので、そのエネルギーを回収し、有効に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の機器設備に冷却水を供給する冷却設備における電力リサイクル装置の実施の形態を図面を用いて説明する。  
図１は本発明の冷却設備の電力リサイクル装置の第１の実施の形態を示すもので、この図１において、１は工場や発電所等で使用されている機器や空調用機器のための複数の冷却設備、２は冷却水の第１の貯留槽、３は冷却後の戻り冷却水を貯留する第２の貯留槽、４は第１の貯留槽２内の冷却水を各冷却設備１に供給するポンプ、５は第２の貯留槽３から第１の貯留槽２に移送する水を冷却するための冷却水設備である。
【００１３】
６はポンプ４に連結する冷却水の供給管、７は冷却後の冷却水を第２の貯留槽３から内に戻す戻り管、８，８は供給管６と戻り管７とを連通するように設けた分岐管で、これらの分岐管８，８には、前述した冷却設備１がそれぞれ設けられている。９は各分岐管８の上流側部（冷却設備１の入口側）に設けた冷却水供給制御用の弁で、この弁９は例えば冷却設備１の負荷状態に応じて開度を設定する制御手段（図示せず）からの信号により、開度を制御される。
【００１４】
１０は供給管６の上流側部と戻り管７の下流側部とを連通するように設けたバイパス管、１１はバイパス管１０に設けた水車、１２はバイパス管１０における上流側（水車１１の入口側）に設けた弁で、この弁１２は後述する制御装置からの信号により、開閉制御される。１３は水車１１に連結する発電機、１４はこの発電機１３と水車１１との間に設けた動力伝達手段で、この動力伝達手段１４は例えば複数のギヤ比に変えることができるギヤ装置で構成され、後述する制御装置からの信号により切換られる。１５は発電機１３に接続したインバータ、１６はインバータ１５に接続したバッテリ、１７はバッテリ１６に接続した配電盤、１８は配電盤１７に接続した電気負荷である。
【００１５】
１９は供給管６におけるバイパス管１０の下流側に設けた圧力検出手段で、この圧力検出手段１９は冷却設備１の全使用負荷に対応する圧力を検出する。２０は弁９及び動力伝達切換手段１４を制御する制御装置で、この制御装置２０は図２に示すように圧力検出手段１９からの信号を入力し、また演算結果に基づく信号を出力する入出力部２１と、弁９を開位置にするための予め設定した設定圧力値を記憶する第１の記憶部２２と、後述する供給管６内の圧力と動力伝達手段１４のギヤ比との関係を記憶する第２の記憶部２３と、圧力検出手段１９からの検出信号と第１の記憶部２２に記憶した設定圧力値とを比較して、検出信号が設定値以上であれば、弁９への開信号を演算し、また、圧力検出手段１９からの検出信号にもとづいて第１の記憶部２２に記憶した動力伝達手段１４のギヤ比を演算して出力する演算部２４とを備えている。
【００１６】
前述した第１の記憶部２２に記憶した設定値は、例えば、ポンプ４の送水量が１０００ｍ３／ｈｒで、供給管６の最高使用圧力が１ＭＰａの場合において、バイパス管８に送水を開始する供給管６内の圧力値を０．５ＭＰａに設定している。
【００１７】
前述した第２の記憶部２３に記憶した供給管６内の圧力と動力伝達手段１４のギヤ比との関係は、図３に示すように供給管６内の圧力Ｐが例えば０．５〜０．５５ＭＰａの圧力範囲Ｐ１、０．５５〜０．６ＭＰａの圧力範囲Ｐ２、０．６〜０．６５ＭＰａの圧力範囲Ｐ３、０．６５〜０．７５ＭＰａの圧力範囲Ｐ４、０．７５〜１．０ＭＰａの圧力範囲Ｐ５に対応して、ギヤ比Ｈがそれぞれギヤ比Ｈ１（高）から順次低くなるギヤ比Ｈ５（低）となるように設定されている。即ち、供給管６内の圧力Ｐが圧力範囲Ｐ１内の場合には、冷却設備１全体での使用負荷が大きいので、ギヤ比の高いギヤ比Ｈ１を選択して、水車１１の抵抗を大きくし、この水車１１に連結する発電機１３の発電量を小さくし、また、供給管６内の圧力Ｐが圧力範囲Ｐ５内の場合には、冷却設備１全体での使用負荷が小さいので、ギヤ比の高いギヤ比Ｈ５を選択して、水車１１の抵抗を小さくし、この水車１１に連結する発電機１３の発電量を大きくするような関係に設定されている。
【００１８】
次に、上述した本発明の冷却設備の電力リサイクル装置の第１の実施の形態の動作を図１乃至図３を用いて説明する。  
まず、ポンプ４を一定の出力で稼働させて、第１の貯留槽２に貯められた冷却水を供給管６に送り出し、この冷却水を供給管６から分岐した複数の分岐管８を通して冷却負荷となる冷却設備１に供給する。個々の冷却設備１への冷却水の送水量は、個々の分岐管８に設置した冷却水供給制御用の弁９により調整されている。
【００１９】
各冷却設備１はその使用条件によってその負荷が異なるので、冷却設備１全体での負荷変動が発生し、供給管６内では冷却水の圧力変動が発生する。一方、ポンプ４は一定の出力で稼動しているため、供給管６内の冷却水の圧力は、前述したように冷却設備１全体での負荷が増加すれば減少し、また、冷却設備１全体の負荷が減少すれば増加する。
【００２０】
上述した供給管６内の冷却水の圧力の変動は、圧力検出手段１９によって検出され、制御装置２０に入力される。制御装置２０は、圧力検出手段１９からの検出圧力値を取り込み、その演算部２４によって検出圧力値が第１の記憶部２２に記憶された設定値を超えているか否かを判断し、設定値を超えた場合にはバイパス管１０に設けた弁１２に開信号を出力する。これにより、バイパス管１０に設けた弁１２は、開位置に切り替わり、供給管６内の冷却水をバイパス管１０に送水する。これに伴い、冷却設備１側への送水量が減少する。
【００２１】
バイパス管１０に送り込まれた冷却水は、バイパス管１０に設置された水車１１により抵抗を受けることになる。水車１１には動力伝達手段１４を介して発電機１３が連結されているため、水車１１が受けた抵抗力は発電機１３の動力となる。そこで、制御装置２０は圧力検出手段１９からの検出圧力値を取り込み、その演算部２４によって検出圧力値が第２の記憶部２３に記憶された圧力範囲Ｐ１からＰ５のいずれに該当するかを判断するとともに、図３に示す関係から当該圧力範囲に対応するギヤ比Ｈを演算して、そのギヤ比信号を動力伝達手段１４に出力する。
【００２２】
これにより、動力伝達手段１４は設定されたギヤ比に切り替え、水車１１における冷却水の通過抵抗力を変化させる。前述した弁１２の開位置への切換により、冷却設備１側で必要としない分の冷却水の流量がバイパス管１０を通して水車１１に流れ込み、水車１１を駆動する。この水車１１の動力は、動力伝達手段１４を介して発電機１３に伝えられ、発電機１３を駆動する。
【００２３】
発電機１３は水車１１からの動力を電力に変換する。変換された動力は、インバータ１５によってバッテリ１６に蓄電される。バッテリ１６に蓄電された電力は、配電装置１７によって電気負荷１８に給電される。これにより、バイパス管１０に送り込まれる冷却水が持っているエネルギーを回収して再利用することができる。
【００２４】
次に、冷却設備１全体での使用条件が変化し、その負荷が減少すると、供給管６内の圧力が増加する。この圧力は圧力検出手段１９によって制御装置２０内に出力されているが、この圧力が制御装置２０の第２の記憶部２３に記憶された圧力範囲Ｐ２（０．５５〜０．６ＭＰａ）まで上昇すると、制御装置２０は図３に示す関係から圧力範囲Ｐ２に対応するギヤ比Ｈ２を演算し、そのギヤ比Ｈ２の信号を動力伝達手段１４に出力する。
【００２５】
これにより、動力伝達手段１４はそのギヤ比ＨをＨ２に切替えて、水車１１への負荷抵抗を軽減した状態にする。これに伴い、水車１１及び発電機１３はその回転数を上昇させ、供給管６内の圧力を減少させる方向で働くことになるので、発電機１３は、より多くの電力を出力することができる。
【００２６】
前述した冷却水供給系統おける各配管でのエネルギーは次のようになる。  
ＥＡ：「ポンプ４から排出される流体のエネルギー」、ＥＢ：「送液負荷６全体に送り出される流体のエネルギー」、ＥＣ：「バイパス配管８に送り出される流体のエネルギー」とすると、“ＥＡ＝ＥＢ＋ＥＣ”の式が成り立つ。
【００２７】
エネルギーＥＡは、出力を一定のままで稼動しているポンプ４から排出される冷却水のエネルギーであり、負荷側の状況に左右されずに一定の値となる。エネルギーＥＢは、送水負荷となる複数の冷却設備１に送られる冷却水の全体のエネルギーであり、負荷変動と共に増減する値となる。エネルギーＥＣは、負荷変動に伴いバイパス管１０に送られる冷却水のエネルギーである。
【００２８】
本発明では、バイパス管１０に送水を行うことで損失となっていたエネルギーＥＣの一一部を電力として回収するものである。本発明を用いない場合のバイパス管１０でのエネルギーをＥ１とし、本発明を用いた場合のバイパス管１０でのエネルギーをＥ２とすると、冷却設備１全体の負荷が同一の状態であり、エネルギーＥＢが一定として考えると、Ｅ１＝Ｅ２が成り立つ。
【００２９】
また、ベルヌイの定理・エネルギー保存則より、バイパス管１０内を通過する冷却水のエネルギーは、どの断面においても同じになるので、水車１１を通過後のある断面におけるエネルギーＥ２と、エネルギーＥ２と同じ断面におけるエネルギーＥ１をそれぞれ式で表すと、次のようになる。  
Ｅ１＝ｍ１ｖ１／２＋Ｐ１Ｖ１＋ｍ１ｇｈ１
Ｅ２＝ｍ２ｖ２２／２＋Ｐ２Ｖ２＋ｍ２ｇｈ２＋Ｗ
（本発明を用いない場合の当該断面を単位時間当たりに通過した冷却水の各値を〔ｍ１：流体の質量、ｖ１：流速、Ｐ１：圧力、Ｖ１：流体の体積、ｇ：重力加速度、ｈ１：高さ〕とし、本発明を用いた場合の当該断面を単位時間当たりに通過した冷却水の各値を〔ｍ２：流体の質量、ｖ２：流速、Ｐ２：圧力、Ｖ２：流体の体積、ｇ：重力加速度、ｈ２：高さ、Ｗ：水車１１及び発電機１３の動カエネルギー〕とする。）。
【００３０】
ここで、ｈ１とｈ２はバイパス管１０内における当該断面の高さであり、ｈ１＝ｈ２となるので、水車１１及び発電機１３の動カエネルギーＷは、  
Ｗ：（ｍ１ｖ１２−ｍ２ｖ２２）／２＋（Ｐ１Ｖ１−Ｐ２Ｖ２）十（ｍ１−ｍ２）ｇｈ１
のように表される。
【００３１】
発電機１３による発電効率、及び発電機１３以降のバッテリ１６に充電されるまでの全体の効率をｎとすると、電力としてバッテリに回収するエネルギーＷＥは、ＷＥ＝ｎＷ  のようになる。
【００３２】
これにより、バイパス管１０に送り込まれる冷却水から回収されるエネルギーがバッテリ１６に蓄電された電力は上記ＷＥとなり、この回収エネルギーが配電装置１７によって電気負荷１８に給電される。
【００３３】
次に、前述とは逆の状況として、バイパス管１０に冷却水の送水が行われている状態から、冷却設備１の負荷変動に伴ってバイパス管１０への送水が停止するまでを説明すると、負荷変動において冷却設備１全体で必要な送水量が増加し、供給管６内の圧力が設定された圧力値を下回ると、制御装置２０は圧力検出手段１９からの検出信号により、バイパス管１０に設けた弁１２に閉信号を出力する。これにより、バイパス管１０は閉じられ、ポンプ４からの冷却水は全て負荷側である冷却設備１に送水される。
【００３４】
この本発明の第１の実施の形態によれば、冷却設備１側で必要とせずに貯留槽に排出される冷却水によって駆動される水車の動力を、発電機により電力に変換し、バッテリに蓄電することができるので、損失となっていたエネルギーの有効活用が可能である。
【００３５】
図４は本発明の冷却設備の電力リサイクル装置の第２の実施の形態を示すもので、この図４において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分または相当する部分である。この実施の形態は、各分岐管８における冷却設備１の上流側部と下流側部との間に、バイパス管１０を設け、このバイパス管１０中に水車１１を設け、この水車１１に前述した第１の実施の形態と同様に動力伝達手段１４、発電機１３、インバータ１５、バッテリ１６等を連結して構成したものである。
【００３６】
なお、図４の最上位に位置する冷却設備１における動力伝達手段１４以降に連結する機器は、作図の関係上、省略している。
【００３７】
この本発明の第２の実施の形態実施でも、前述した第１の実施の形態と同様に冷却設備１側で必要とせずに貯留槽に排出される冷却水によって駆動される水車の動力を、発電機により電力に変換し、バッテリに蓄電することができるので、損失となっていたエネルギーの有効活用が可能である。
【００３８】
また、この実施の形態によれば、各負荷変動を生じる各冷却設備１側で必要とせずに貯留槽に排出される各冷却水の各損失エネルギーを、きめ細かく回収することができるので、エネルギーの有効活用がさらに向上する。
【００３９】
図５は本発明の冷却設備の電力リサイクル装置の第３の実施の形態を示すもので、この図５において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分または相当する部分である。この実施の形態は、バイパス管１０の一端を供給管６の上流側部に設け、その他端を第１の貯留槽２内に導入し、このバイパス管１０中に水車１１を設け、この水車１１に前述した第１の実施の形態と同様に動力伝達手段１４、発電機１３、インバータ１５、バッテリ１６等を連結して構成したものである。
【００４０】
この本発明の第３の実施の形態実施でも、前述した第１の実施の形態と同様に冷却設備１側で必要とせずに貯留槽に排出される冷却水によって駆動される水車の動力を、発電機により電力に変換し、バッテリに蓄電することができるので、損失となっていたエネルギーの有効活用が可能である。
【００４１】
また、この実施の形態によれば、バイパス管１０の管長を短くすることができるとともに、水車及びこれに連結する機器の配置レイアウトが容易である。
【００４２】
なお、上述の各実施の形態では、第１の貯留槽２及び第２の貯留槽３を設けたが、戻り管７を第１の貯留槽２に導入させることも可能である。この場合には第２の貯留槽３を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の機器設備への冷却水供給装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１に示す本発明の機器設備への冷却水供給装置の第１の実施の形態を構成する制御装置の構成図である。
【図３】図２に示す本発明の機器設備への冷却水供給装置の第１の実施の形態を構成する制御装置の第２の記憶部に記憶される供給管内の圧力と動力伝達手段のギヤ比との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の機器設備への冷却水供給装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明の機器設備への冷却水供給装置の第３の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００４４】
１        冷却設備
２        第１の貯留槽
３        第２の貯留槽
４        ポンプ
６        冷却水の供給管
７        戻り管
８        分岐管
９        冷却水供給制御用の弁
１０      バイパス管
１１      水車
１２      弁
１３      発電機
１４      動力伝達手段
１６      バッテリ
１７      配電盤
１８      電気負荷
１９      圧力検出手段
２０      制御装置
【図１】
2006094671.tif 000003
【図２】
2006094671.tif 000004
【図３】
2006094671.tif 000005
【図４】
2006094671.tif 000006
【図５】
2006094671.tif 000007