(57)【要約】【課題】本発明は、冷却塔における冷却水の低流量時においても冷却能力の低下を防止することができる冷却水製造設備を提供する。【解決手段】本発明の冷却水製造設備１０は、２台の冷却塔１２、１４、冷却水ポンプ１８、負荷部２０、冷却水を冷却塔１２、１４に分配して並列に通水する配管系統２２、及び冷却塔１２、１４に冷却水を直列に通水する配管系統２４を備え、この配管系統２４に、冷却水ポンプ２６が備えられている。冷却水の低流量時には、冷却水ポンプ１８、２６の運転停止を行う。冷却塔１２、１４の直列運転と並列運転を冷却水ポンプ１８、２６の発停で行う。この冷却水製造設備１０によれば、最大負荷時は冷却塔１２、１４を並列接続となる配管系統とし、冷却水の低流量時には直列接続となる用に冷却水ポンプ２６のＯＮ−ＯＦＦと切替バルブ２８Ａ、２８Ｂの開閉を行う。【選択図】図２
2011226680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却する複数の冷却塔と、
前記複数の冷却塔によって冷却された冷却水を前記複数の冷却塔と負荷部との間で循環させる第１のポンプと、
前記負荷部を通過した前記冷却水を前記複数の冷却塔に分配して並列に通水する第１の配管系統と、
前記複数の冷却塔に冷却水を直列に通水する第２の配管系統と、
前記第２の配管系統に冷却水を通水する第２のポンプと、
を備えたことを特徴とする冷却水製造設備。
【請求項２】
前記第１のポンプ及び第２のポンプの回転数を変更させる機能と、演算器とを有し、前記演算器の指令により前記第１のポンプを運転して複数の冷却塔を並列に通水する運転と、第１のポンプ及び第２のポンプを運転して冷却塔を直列に通水する運転とを行う請求項１に記載の冷却水製造設備。
【請求項３】
冷却負荷計測手段を有し、
前記演算器は、前記冷却負荷計測手段によって計測された冷却負荷と湿球温度計測値を入力条件として、前記複数の冷却塔、前記第１のポンプ、及び前記第２のポンプのエネルギー消費量が最小となるように、冷却水流量、冷却水温度、冷却塔の運転状態を演算して、第１のポンプと第２のポンプの発停を行い冷却塔の直列運転と並列運転を切り替えるとともに、第１のポンプと第２のポンプの回転数制御を行う請求項２に記載の冷却水製造設備。
【請求項４】
外気と冷却水を熱交換して冷却水を冷却する複数の冷却塔を備えて冷却水を製造する冷却水製造設備において、
前記複数の冷却塔を直列に通水する場合と並列に通水する場合に冷却水を分配する冷却水分配手段と、
前記冷却水分配手段によって分配された冷却水の水量を設定する水量設定手段と、を備えたことを特徴とする冷却水製造設備。
【請求項５】
冷却負荷と外気湿球温度又は乾球温度に対応して、前記直列と並列と冷却水の流量分配量を設定する流量分配量設定手段を備えた請求項４に記載の冷却水製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却水製造設備に係り、特に一年を通じて冷熱源が必要な半導体工場等の工場に設置される冷却水製造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、冷却塔の大型化、台数増設による冷却水の低温化が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１４６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の冷却水製造設備では、一般の冷凍機用冷却塔の台数を増やして伝熱面積を増加させれば、同一の外気条件における冷却水製造温度を低温化できるが、冷却水の流量が少ない場合には、冷却水を均一に滴下することが困難となり、所定の冷却能力を維持することができないという問題があった。
【０００５】
冷却塔の大型化と冷却水の変流量化による省エネ化のためには、冷却水の流量が少ない場合でも伝熱性能を維持して、風量、流量を削減する必要がある。しかし、空調用の冷却塔は型式毎に仕様が限られるため、広範囲の流量変化に対応することが困難であった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、冷却塔における冷却水の低流量時においても冷却能力の低下を防止することができる冷却水製造設備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、前記目的を達成するために、冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却する複数の冷却塔と、前記複数の冷却塔によって冷却された冷却水を前記複数の冷却塔と負荷部との間で循環させる第１のポンプと、前記負荷部を通過した前記冷却水を前記複数の冷却塔に分配して並列に通水する第１の配管系統と、前記複数の冷却塔に冷却水を直列に通水する第２の配管系統と、前記第２の配管系統に冷却水を通水する第２のポンプと、を備えたことを特徴とする冷却水製造設備を提供する。
【０００８】
本発明は、２台以上の冷却塔を並列に接続する配管系統に直列に冷却水を通水可能な系統を設け、冷却水の流量変化に対応させて、冷却塔の通水系統を並列運転と直列運転とに切り替えることにより、冷却塔における冷却水の低流量時においても冷却能力の低下を防止するものである。
【０００９】
本発明によれば、複数の冷却塔の直列運転と並列運転を、第１のポンプ及び第２のポンプの発停で行うことが可能である。また、第２のポンプを冷却塔の近傍に設置してバイパスすることで、ポンプ揚程小さくすることが可能となり、バイパス時の搬送動力を低減することができる。
【００１０】
本発明においては、前記第１のポンプ及び第２のポンプの回転数を変更させる機能と、演算器とを有し、前記演算器の指令により前記第１のポンプを運転して複数の冷却塔を並列に通水する運転と、第１のポンプ及び第２のポンプを運転して冷却塔を直列に通水する運転とを行うことが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、冷却塔の冷却水流量を最小流量以上に制御し、流量が減少した場合に直列運転を行うことで、冷却塔の充填材の散布水の分布が不均一になることを防止でき、伝熱面積の減少を防止することで、冷却性能の低下を防ぐことが可能となる。冷却水流量１００％で直列運転を行う場合には、ポンプの動力が並列時に比べて増加するが、直列運転は低流量時にのみ行うことでポンプ動力の増加を削減できる。また、伝熱面積を維持できる冷却水流量範囲を拡大し、冷却塔の風量と増加を防ぐことが可能となり、冷却塔のファン動力を低減できる。
【００１２】
本発明においては、冷却負荷計測手段を有し、前記演算器は、前記冷却負荷計測手段によって計測された冷却負荷と湿球温度計測値を入力条件として、前記複数の冷却塔、前記第１のポンプ、及び前記第２のポンプのエネルギー消費量が最小となるように、冷却水流量、冷却水温度、冷却塔の運転状態を演算して、第１のポンプと第２のポンプの発停を行い冷却塔の直列運転と並列運転を切り替えるとともに、第１のポンプと第２のポンプの回転数制御を行うことが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、外気湿球温度と冷却負荷に応じて、冷却水製造設備のエネルギー消費量を最小値に近づけることが可能となる。また、エネルギー消費量が小さくなる運転となるように、冷却塔を並列運転と直列運転での切り替えと冷却水変流量の変更が可能となる。
【００１４】
また、フリークーリング運転時には、冷却塔の伝熱面積を大きくすることで、冷却水が湿球温度に近づくため、冷却水出口温度を低温化でき、通常の冷却塔と使用した場合に比べて高い湿球温度まで、フリークーリングが可能となる。
【００１５】
また、本発明は、前記目的を達成するために、外気と冷却水を熱交換して冷却水を冷却する複数の冷却塔を備えて冷却水を製造する冷却水製造設備において、前記複数の冷却塔を直列に通水する場合と並列に通水する場合に冷却水を分配する冷却水分配手段と、前記冷却水分配手段によって分配された冷却水の水量を設定する水量設定手段と、を備えたことを特徴とする冷却水製造設備を提供する。
【００１６】
本発明においては、冷却負荷と外気湿球温度又は乾球温度に対応して、前記直列と並列と冷却水の流量分配量を設定する流量分配量設定手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、冷却水流量を変化させてポンプ動力を減少させながら、冷却塔の伝熱性能が極端に小さくなるような流量を下回らないように通水し、冷却水流量が少ない場合でも冷却水と空気の熱交換面積を確保し、冷却塔の冷却能力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態の冷却水製造設備の構成を示したブロック図
【図２】第２の実施の形態の冷却水製造設備において並列運転時の構成を示したブロック図
【図３】第２の実施の形態の冷却水製造設備において直列運転時の構成を示したブロック
【図４】第３の実施の形態の冷却水製造設備の構成を示したブロック図
【図５】第４の実施の形態の冷却水製造設備の構成を示したブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面に従って本発明に係る冷却水製造設備の好ましい実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施の形態の冷却水製造設備１０の構成を示したブロック図である。この冷却水製造設備１０は２台の冷却塔１２、１４、演算器１６によって回転数がインバータ制御された冷却水ポンプ（第１のポンプ）１８、及び負荷部２０を備えている。また、冷却水製造設備１０は、冷却水を冷却塔１２、１４に分配して並列に通水する配管系統（第１の配管系統）２２を備えるとともに、冷却塔１２、１４に冷却水を直列に通水する配管系統（第２の配管系統）２４を備え、この配管系統２４に、演算器１６によって回転数がインバータ制御された冷却水ポンプ（第２のポンプ）２６が備えられている。また、配管系統２２に切替バルブ２８Ａが設けられるとともに、配管系統２４に切替バルブ２８Ｂが設けられる。なお、冷却塔１２、１４の台数は２台に限定されるものではなく、３台以上であってもよい。冷却水は、冷却塔１２、１４に供給されるフリークーリング時において、外気と熱交換されて冷却される。
【００２１】
図１に示した冷却水製造設備１０は、冷却水の低流量時に、冷却水ポンプ１８、２６の運転停止を行うことが可能な構成である。この冷却水製造設備１０は、冷却塔１２、１４の直列運転と並列運転を冷却水ポンプ１８、２６の発停で行うことが可能である。すなわち、冷却水ポンプ１８を運転することにより、冷却塔１２、１４の並列運転が可能となり、冷却水ポンプ１８、２６を運転することにより冷却塔１２、１４の直列運転が可能になる。また、冷却水ポンプ２６を冷却塔１２の近傍に設置してバイパスすることで、冷却水ポンプ２６の揚程小さくすることが可能となり、バイパス時の搬送動力が低減される。
【００２２】
この冷却水製造設備１０によれば、最大負荷時は冷却塔１２、１４を並列接続となる配管系統２２とし、冷却水の低流量時には直列接続となる配管系統２４とるように、冷却水ポンプ２６のＯＮ−ＯＦＦを行う。
【００２３】
図２は、第２の実施の形態の冷却水製造設備３０の構成を示したブロック図であり、図１に示した冷却水製造設備１０と同一又は類似の部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図２の冷却水製造設備３０は、冷却塔１２、１４の並列運転時を示している。
【００２４】
冷却水製造設備３０の計画時に、最大負荷を処理するための流量を１００％の流量とした場合、１００％流量時には、並列接続の配管系統２２に切り替えて、冷却塔１２、１４に通水を行う。この場合、冷却水ポンプ１８はＯＮ、冷却水ポンプ２６はＯＦＦ、切替バルブ２８Ａは開、切替バルブ２８Ｂは閉である。
【００２５】
一方で、冷却水流量が５０％となった場合には、すなわち、冷却塔１２、１４の冷却能力が必要な冷却能力より小さく、冷却に必要な流量が低くなった場合には、図３に示すように、並列接続の配管系統２２から直列接続の配管系統２４に切り替えて、冷却塔１２から冷却塔１４に冷却水を通水する。この場合、冷却水ポンプ１８はＯＮ、冷却水ポンプ２６はＯＮ、切替バルブ２８Ａは閉、切替バルブ２８Ｂは開である。
【００２６】
なお、直列運転と並列運転を切り替える冷却水の流量は、冷却塔１２、１４の冷却水流量範囲で行う。例えば、冷却水の流量が１００％から８０％以下に低下すると、図３に示した直列運転に切り替える。また、冷却水が低流量から７０％以上になると、図２に示した並列運転に切り替える。
【００２７】
演算器１６は冷却水の流量に応じて、並列運転と直列運転の切り替えを行い、直列運転時には各々の冷却塔１２、１４の流量が同流量となる冷却水ポンプ２６のインバータ周波数を変化させる。冷却水配管の流量は、冷却水ポンプ２６のＩＮＶ周波数と流量の関係を予め計測しておき、主配管の冷却水流量に対応した冷却水ポンプ２６のＩＮＶ周波数を演算する。
【００２８】
この冷却水製造設備３０によれば、冷却塔１２、１４の冷却水流量を最小流量以上に制御し、流量が減少した場合に直列運転を行うことで、冷却塔１２、１４内の冷却水を均等に散水でき、伝熱面積の減少を防止することで、冷却性能の低下を防ぐことができる。
【００２９】
冷却水流量が１００％で直列運転を行う場合には、冷却水ポンプ２６の動力が並列時に比べて増加するが、直列運転は低流量時にのみ行うことでポンプ動力の増加を削減することができる。また、伝熱面積を維持できる冷却水流量範囲を拡大し、冷却塔１２、１４の風量と増加を防ぐことが可能となり、冷却塔１２、１４に設置されているファン１２Ａ、１４Ａの動力が低減する。
【００３０】
図４は、第３の実施の形態の冷却水製造設備４０の構成を示したブロック図であり、図２に示した冷却水製造設備３０と同一又は類似の部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３１】
この冷却水製造設備４０は、冷却水製造設備３０を基本構造とし、この基本構造に、負荷部２０に冷水を冷却水する熱交換器４２、外気湿球温度検出器４４、負荷部２０側の冷水の流量を計測する流量計４６、及び負荷部２０側の冷水の温度を検出する温度検出器４８Ａ、４８Ｂ、及びポンプ４９を負荷部２０側の冷水循環系統４７に付加し、冷水を製造する設備である。
【００３２】
演算器１６の演算部２は、冷却負荷と外気湿球温度に対応した冷水を製造するために必要な冷却塔ファン１２Ａ、１４Ａ、冷却水ポンプ１８、２６、冷却水ポンプ１８、２６のエネルギー消費量を演算するシミュレータを用いて、機器のエネルギー消費量の総和が最小となる冷却水出口温度、冷水出口温度、冷却塔の運転状態（直列運転、並列運転）の組み合せを算出する。冷却塔のシミュレータは、一般的な冷却塔のエンタルピー基準総括容積伝達係数と冷却塔性能近似式を用いて、冷却水入口温度、冷却水流量、外気湿球温度、外気風量から、冷却水出口温度を算出し、風量からファンのエネルギー消費量を演算する。ポンプのエネルギー消費量は、配管系等の流量に対する圧力損失の関係を予測又は実測した結果を基に、ポンプ揚程を算出し、流量と揚程との関係からポンプ動力を演算する。
【００３３】
演算部２は冷却水温度制御目標値、冷水製造温度目標値、冷却塔１２、１４の運転状態の最適値を演算部１と温度検出器に指示し、演算部１は冷却水ポンプ１８、２６のＩＮＶ周波数を変更して冷水製造温度の制御目標値になるように制御を行う。
【００３４】
演算部１は冷却水温度制御目標値に従って、冷却水温度が一定になるように、冷却塔ファン１２Ａ、１４Ａの回転数をＩＮＶ制御する。湿球温度と冷却負荷が小さく、１台の冷却塔１２で冷却可能な場合は、冷却塔１４のファン１４Ａを停止し冷却塔の運転台数を減少させる。この台数は、演算器１６が湿球温度と冷却負荷に対する冷却塔性能から求めた冷却塔の必要台数のデータベースをテーブルデータとして記憶し、負荷と湿球温度との計測値から台数、冷却水量を出力する。演算器１６は、台数、冷却水流量に対応して運転状態、流量を変更する。
【００３５】
この冷却水製造設備４０によれば、外気湿球温度と冷却負荷に応じて、冷却水製造設備のエネルギー消費量を最小値に近づけることが可能となる。また、エネルギー消費量が小さくなる運転となるように、冷却塔１２、１４を並列運転と直列運転での切り替えと冷却水変流量の変更が可能となる。
【００３６】
また、冷却水のフリークーリング運転時には、負荷が大きい場合、冷却塔を並列に運転することで伝熱面積を大きくして冷却性能を向上し、冷却水温度を湿球温度に近づけることができ、フリークーリングを長期化できる。また、負荷が小さい場合には、熱交換器の伝熱に必要な最低流量を維持して、流量を減少させることが可能になり、無駄な動力を削減できる。
【００３７】
図５は、第４の実施の形態の冷却水製造設備５０の構成を示したブロック図であり、図４に示した冷却水製造設備４０と同一又は類似の部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３８】
この冷却水製造設備５０は、熱交換器４２（図４参照）を冷凍機５２の凝縮器５４としている。また、冷凍機５２、冷却水ポンプ１８、２６、冷却塔１２、１４、冷却水ポンプ１８、２６の動力の合計値が最小となる冷却水流量の制御目標値を演算器１６で演算し、冷却水流量の制御目標値に基づいて、冷却塔１２、１４を並列運転と直列運転、冷却水ポンプ１８、２６のＩＮＶ周波数を切り替えるように構成されている。
【００３９】
この冷却水製造設備５０では、冷凍機５２の凝縮器５４の冷却水に用いる冷却塔１２、１４は伝熱面積を大きくすることで、冷却水が湿球温度に近づくため、冷却水の温度を低温化することで、冷凍機５２は冷却水温度が下がり成績係数が高くなってエネルギー消費量を削減できる。
【００４０】
なお、冷却塔１２、１４のファン１２Ａ、１４Ａを、冷却水の出口温度設定値が一定になるようにＯＮ−ＯＦＦ制御することにより、ＩＮＶを用いない温度制御が可能となり、温度の安定性は低くなるが、システムを簡素化できる。
【００４１】
また、負荷部２０側の流量計は、熱交換器４２を流れる冷水流量と冷水の差圧の関係を用いて、差圧の計測値から流量を演算してもよい。これにより、流量計を削減できる。
【００４２】
更に、冷水製造温度を優先し、外気湿球温度が高く、並列よりも直列運転の方が冷水製造温度制御目標値を満足できる場合には、直列運転に切り替えてもよい。これにより、負荷部２０や外気湿球温度が高くなり、並列のフリークーリングで冷水製造温度を満足できない場合に、直列運転でフリークーリングを行うことが可能となる。よって、冷凍機５２による冷水製造を行った場合よりもエネルギー消費量の小さいフリークーリング運転が可能となり、年間のフリークーリング運転期間を長期化できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０、３０、４０、５０…冷却水製造設備、１２、１４冷却塔、１２Ａ、１４Ａ…ファン、１６…演算器、１８…冷却水ポンプ、２０…負荷部、２２…並列に通水する配管系統、２４…冷却水を直列に通水する配管系統、２６…冷却水ポンプ、２８Ａ、２８Ｂ…切替バルブ、４２…熱交換器、４４…外気湿球温度検出器、４６…流量計、４７…冷却水循環系、４８Ａ、４８Ｂ…温度検出器、５２…冷凍機、５４…凝縮器
【図１】
2011226680.tif 000003
【図２】
2011226680.tif 000004
【図３】
2011226680.tif 000005
【図４】
2011226680.tif 000006
【図５】
2011226680.tif 000007