JP2651717B2 - 空気冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は主にコンピュータ室や無塵室などの空気を調
和するための空気冷却装置に関し、特に消費電力量を少
なくした空気冷却装置に関する。

［従来の技術］ コンピュータ室や無塵室、無菌室などでは、四季を問
わずに、例えば28℃程度に上昇した空気を18℃程度に冷
却する必要がある。そのような室内の空気を調和するた
めの空気冷却装置としては、従来例えば第６図に示すも
のがあり、これは室内６の空気を送風機４によって蒸発
器14を通過させて冷却して室内６に戻し、圧縮機11、水
冷式凝縮器12、膨張弁13及び前記蒸発器14の順に冷媒を
循環させて蒸発器14において空気と熱交換をさせ、密閉
式冷却塔20と前記水冷式凝縮器12との間に冷却水を循環
させて水冷式凝縮器12において冷媒と熱交換をさせ、冷
却塔20より放熱をさせた冷却装置である。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の空気冷却装置では、冷却塔20として例えば
空冷式冷却塔を使用する場合には、夏期には外気温が高
いため空冷式冷却塔による冷却水の冷却は30℃程度まで
が限度であり、この冷却水温度を条件として冷却装置と
しての各仕様が決定される。しかるに冬期外気温度が下
がったときには、冷媒循環量の過度の低下を防ぐため
に、冷却塔20出口の冷却水の温度を20℃程度以上に保つ
必要があり、そのために例えば冷却塔20を迂回する室外
機バイパス弁44などを使用し、冷却塔20出口の冷却水配
管41に取付けたサーモスタット43と組合わせて冷却塔20
が出口水温を所定の温度にコントロールする等の方法が
取られていた。

したがって圧縮機11は年間を通して作動することにな
り、その動力費は莫大なものとなってしまうという欠点
があり、冷却塔20を密閉蒸発式冷却塔としても事情は同
じである。

また上記と同様に室内に圧縮式冷凍機を、室外に冷却
塔を設置し、圧縮式冷凍機の圧縮機の起動・停止による
室温の急変を回避するために圧縮機を常時稼働させ、電
熱などによって空気を再熱して室温の調整を行うもの
や、室外の冷凍機によって得た冷水を室内に送り、室内
側で該冷水の通過量を制御することによって室温の調整
を行うものなどもあるが、これらも年間を通じて圧縮機
を運転しているために、消費動力が大きくなるという欠
点があった。

本発明は、上記欠点に鑑みてなされたもので、消費電
力量を低減した空気冷却装置を提供することを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ 通常の空気調和設備では除湿を必要とするために、快
適室内空気条件、例えば温度25℃相対湿度55％程度にす
るには、装置露点温度を15℃以下とする必要があり、こ
のためには空気を冷却するための冷熱源温度として10℃
程度が要求される。

これに対してコンピュータ室の空気調和設備では、コ
ンピュータ本体や周辺機器の動力消費量に比べて在室者
数が少なく外気取入量もわずかなため、除湿負荷がきわ
めて低い。また無塵室や無菌室などでは、清浄度を保つ
上から大風量が必要となり、その結果冷却して下げるべ
き空気温度の幅は小さい。したがって両者とも装置露点
温度は17℃以上で十分であり、このためには空気を冷却
するための冷熱源温度は15℃以上で済むこととなる。

しかして10℃の冷水を得るには冷凍機によるしかない
が、15℃程度の冷水で済むとなれば、少なくとも冬期に
は冷却塔で十分に該冷水を得ることができる。

本発明はこのことに着目してなされたものであり、す
なわち冷却すべき空気を空気冷却器及び蒸発器の順に通
過させ、圧縮機、水冷式凝縮器、膨張弁及び前記蒸発器
の順に冷媒を循環させ（以降においてこの系統を中間サ
イクルと称する。）、密閉式冷却塔、圧縮式チラー、前
記空気冷却器及び前記水冷式凝縮器の順に冷却水を循環
させた空気冷却装置である。密閉式冷却塔としては、密
閉空冷式冷却塔であると密閉蒸発式冷却塔であるとを問
わない。

ここで水冷式凝縮器の出口もしくは入口の冷却水配管
に直列に、又は水冷式凝縮器の冷却水配管と並列に空気
再熱器を配置し、冷却すべき空気を前記蒸発器の後、更
にこの空気再熱器に通過させることができる。

以上において中間サイクルの圧縮機と水冷式凝縮器と
の少なくともいずれか一方を、空気冷却器及び蒸発器、
並びに空気再熱器を配置したときはその空気再熱器と離
隔して配置することができ、また中間サイクルの圧縮
機、水冷式凝縮器及び圧縮式チラーを密閉式冷却塔の内
部に組み込むことも、空気冷却器及び中間サイクルの蒸
発器を複数台配置することもできる。

［作用］ 冬期に外気温度が低いときは、必要装置露点温度まで
空気を冷却することができる冷却水の温度、すなわち概
ね15℃以下に該冷却水を冷却するには、冷却塔のみの運
転で十分である。したがって圧縮式チラーと中間サイク
ルの圧縮機との運転は停止し、冷却塔のみを運転して冷
却水を空気冷却器に送ると、空気の熱は空気冷却器にお
いて冷却水に伝達され、冷却水の熱は冷却塔において外
気に放熱され、こうして空気を所定の温度まで冷却する
ことができる。

春秋期に外気の温度が上昇して、冷却塔のみの運転で
は前記概ね15℃の冷却水が得られなくなったときは、圧
縮式チラーの運転は停止したまま、冷却塔の他更に中間
サイクルの圧縮機を運転すると、空気の熱は空気冷却器
において冷却水に伝達され更に中間サイクルの蒸発器に
おいて冷媒に伝達され、冷媒の熱は中間サイクルの水冷
式凝縮器において冷却水に伝達され、冷却水の熱は冷却
塔において外気に放熱され、こうして空気を所定の温度
まで冷却することができる。

なお春秋期において中間サイクルの圧縮機の運転は停
止し、冷却塔と圧縮式チラーを運転することにより、空
気の熱を空気冷却器において冷却水に伝達し、冷却水の
熱を冷却塔と圧縮式チラーにおいて外気に放熱すること
もできる。

夏期に至り冷却塔と中間サイクルの圧縮器との運転、
又は冷却塔と圧縮式チラーとの運転によっては空気を十
分に冷却できないときは、冷却塔と圧縮式チラーと中間
サイクルとのすべてを運転すると、空気の熱は空気冷却
器において冷却水に伝達され更に中間サイクルの蒸発器
において冷媒に伝達され、冷媒の熱は中間サイクルの水
冷式凝縮器のおいて冷却水に伝達され、冷却水の熱は冷
却塔と圧縮式チラーとにおいて外気に放熱され、こうし
て空気を所定の温度まで冷却することができる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面に基づき説明する。第１図
は、本発明の一実施例を示す空気冷却装置の系統図であ
り、室内機１内には、空気濾過器２、空気冷却器３、送
風機４が設けられており、更に中間サイクル10の圧縮機
11、水冷式凝縮器12、膨張弁13及び蒸発器14が設けられ
ており、室内６の空気は空気濾過器２、空気冷却器３、
中間サイクルの蒸発器14を通過して送風機４によってダ
クト５を経由して室内６に戻るように構成されている。

中間サイクル10の圧縮機11、水冷式凝縮器12、膨張弁
13及び蒸発器14にはその順に冷媒が循環するように構成
されており、冷媒は膨張弁13を介して蒸発器14内で蒸発
して吸熱し、圧縮機11において圧縮されて高温となり、
水冷式凝縮器12において液化して放熱するサイクルを繰
り返す。

20は密閉式冷却塔であり、本実施例では該冷却塔20は
密閉蒸発式冷却塔によって構成されており、ファン22に
よって空気吸入口より外気を吸入して蒸発式冷却コイル
21に送風し、且つ散水ポンプ24によって散水槽23内の水
を散水ヘッダー25から冷却コイル21に散布して、冷却コ
イル21内の冷却水を冷却している。

30は圧縮式チラーであり、該圧縮式チラー30は圧縮機
31、凝縮器32、膨張弁33及び蒸発器34とこれらを循環す
る冷媒とを有し、冷媒は膨張弁33を介して蒸発器34内で
蒸発して冷却水を冷却し、圧縮機31において圧縮されて
高温となり、凝縮器32において液化して放熱するサイク
ルを繰り返す。

圧縮式チラー30の蒸発器34出口の冷却水は、ポンプ40
によって昇圧され、入口管41を通ってっ室内機１に至
り、空気冷却器３と中間サイクルの水冷式凝縮器12を通
過し、出口管42を通って室外に至り、冷却塔の冷却コイ
ル21を通過して圧縮式チラーの蒸発器34に戻る。

次にこの実施例の作用について説明すると冬期におい
ては、外気温度が10℃程度の場合に、通常冷却塔20のみ
の能力で15℃程度の冷却水が取り出せるから、中間サイ
クル10と圧縮式チラー30は停止し、冷却塔20のみを作動
させる。このとき室内６の28℃程度の空気は、空気冷却
器３を通過することによって18℃程度に冷却されて室内
６に戻る。他方入口管41の15℃程度の冷却水は、空気冷
却器３を通過することによって26℃程度に加熱されて出
口管42に入り、冷却塔20を通過することによって15℃程
度に冷却されて入口管41に戻る。

冷却負荷又は外気温度の変動に関する調整については
次のようにして行う。すなわち各室毎の冷却能力の調整
については、各室毎に設けたサーモスタット７による検
出温度に基づいて、電動混合３方弁で構成した空気冷却
器バイパス弁８の開度を調節する。外気温度の変動に伴
う装置全体の冷却能力の調整については、入口管41に設
けたサーモスタット43による検出温度に基づいて、冷却
塔のファン22もしくは散水流量又はその両方を調節す
る。但し装置全体の冷却能力は、入口管41と出口管42と
を連絡する室外機バイパス弁44の開度調節を併せて行っ
てもよく、またこれのみによって行ってもよい。

以上によって冬期には消費電力量の大きな中間サイク
ル10と圧縮式チラー30を停止したまま、必要な冷却効果
を得ることができる。

次に春秋期において、空気冷却器バイパス弁８を全閉
とし冷却塔20を全出力運転としても、いずれかの室内６
においてなお十分な冷却効果を得られないときは、当該
室内６の中間サイクル10を稼働させると、室内６の28℃
程度の空気は、空気冷却器３を通過することによって23
℃程度に冷却され、中間サイクルの蒸発器14を通過する
ことによって更に18℃程度に冷却されて室内６に戻る。
中間サイクル10では蒸発器14で吸熱した熱を水冷式凝縮
器12で放熱する。他方入口管41の21℃程度の冷却水は、
空気冷却器３を通過することによって25℃程度に加熱さ
れ、中間サイクルの水冷式凝縮器12を通過することによ
って更に29℃程度に加熱されて出口管42に至り、冷却塔
20を通過することによって21℃程度に冷却されて入口管
41に戻る。

この場合冷却負荷又は外気温度の変動に関する調整に
ついては、冬期のときと同様の調整のほか、中間サイク
ル10の冷却能力の調整を行うこともできる。また空気冷
却器３と中間サイクルの蒸発器14との２段によって空気
の冷却を行っているから、中間サイクル10の起動・停止
による影響度が小さく、すなわち該起動・停止に伴う空
気温度の過度変化は従来の冷却装置と比べて小さい。更
に該過渡変化の緩和については、中間サイクル10の起動
時にはこれと同期させて空気冷却器バイパス弁８を調節
して空気冷却器３への冷却水の流量を若干絞り込み、中
間サイクル10の停止時にはこれと同期させて空気冷却器
バイパス弁８を調節して空気冷却器３への冷却水の流量
を若干増すことよって容易に行うことができる。

なお室内機１が１台のとき、又は各室６毎の冷却負荷
に大きな相違がないときには、春秋期における運転方法
として、中間サイクル10の運転を停止して、冷却塔20と
圧縮式チラー30を運転することもできる。この場合冷却
塔10と圧縮式チラー30との２段によって冷却水の冷却を
行っているから、圧縮式チラー30の起動・停止に伴う冷
却水温度の過渡変化は小さい。また該過渡変化の緩和に
ついては、圧縮式チラー30の起動時にはこれと同期させ
て冷却塔20の送風量又は散水量を若干減少させ、圧縮式
チラー30の停止時にはこれと同期させて冷却塔20の送風
量又は散水量を若干増大させることによって容易に行う
ことができる。また圧縮式チラー30の起動・停止に伴う
過渡変化の緩和については、これと同期させた室外機バ
イパス弁44の開度調整を併せて行ってもよいし、これの
みによって行うこともできる。

次に夏期において冷却塔20と中間サイクル10との運
転、又は冷却塔20と圧縮式チラー30との運転によっては
十分な冷却効果が得られないときは、冷却塔20と中間サ
イクル10と圧縮式チラー30とのすべてを稼働させると、
室内６の28℃程度の空気は、空気冷却器３を通過するこ
とによって23℃程度に冷却され、中間サイクルの蒸発器
14を通過することによって更に18℃程度に冷却されて室
内６に戻る。中間サイクル10では蒸発器14で吸熱した熱
を水冷式凝縮器12で放熱する。他方入口管41の21℃程度
の冷却水は、空気冷却器３を通過することによって26℃
程度に加熱され、中間サイクルの水冷式凝縮器12を通過
することによって更に32℃程度に加熱されて出口管42に
至る。次いで冷却塔20において湿球温度26℃程度の外気
をファン22によって送風し、散水温度28℃程度の散布水
を散水ヘッダー25から散水すると、冷却水は冷却塔20の
冷却コイル21を通過することによって28℃程度に冷却さ
れ、更に圧縮式チラー20を通過することによって21℃程
度に冷却されて入口管41に戻る。

冷却負荷又は外気温度の変動に関する調整について
は、冬期又は春秋期のときと同様の調整が行え、更に圧
縮式チラーの冷却能力調整を行うこともできる。圧縮式
チラーの起動・停止を伴う過渡変化の緩和は、これと同
期させた冷却塔の送風量又は散水量の調節によって、又
は室外機バイパス弁の開度調整によって行うことがで
き、中間サイクル10の起動・停止に伴う過渡変化の緩和
は、これと同期させた空気冷却器バイパス弁の開度調整
によって行うことができる。

以上のように消費電力量の大きな中間サイクル10と圧
縮式チラー30とを共に作動させるのは夏期のみとなり、
春秋期には中間サイクルと圧縮式チラーとのいずれかを
運転する必要がなくなり、冬期には中間サイクルも圧縮
式チラーも運転する必要がなくなる。また冷却水は空気
冷却器３と中間サイクル水冷式凝縮器12とで加熱される
から、冷却塔20の熱効率が高まり、その結果圧縮式チラ
ーを運転させる必要が低くなる。これらの結果として年
間を通しての冷却装置の消費電力量を、従来方式に比べ
て約50％程度低減することができる。

また空気の冷却も冷却水の冷却も２段によって行って
いるから、中間サイクル10又は圧縮式チラー30の起動・
停止による影響度は小さく、且つ該起動・停止による過
渡変化を容易に緩和することができる。更に複数の室内
６の各々に対して空気冷却器３と中間サイクル10とを設
ければ、各室６毎の熱負荷の相違に容易に対処すること
ができるし、上記のように冷却塔10の熱効率が高くなっ
ているから、冷却水配管41,42の口径を小さくすること
ができ、循環ポンプ40の動力の節約や配管工事費の節減
なども図ることができる。

次に第２図から第４図は本発明の空気冷却装置の別の
実施例の要部系統図であり、空気冷却器３で若しくは中
間サイクルの蒸発器14で、又はその両方で除湿した後、
空気を所定温度まで再加熱するためのレヒート装置に関
し、中間サイクルの蒸発器14の空気流後段に空気再熱器
50を設けたものである。このうち第２図は中間サイクル
の水冷式凝縮器12出口の冷却水を空気再熱器50を介して
出口管42に導き、かつ空気再熱器50を迂回する空気再熱
器バイパス弁51を設けたものであり、本装置の冷却水と
して利用できる最も高い温度を熱源とし、かつその熱源
の量を調整自在としたものである。

また第３図は空気冷却器３出口の冷却水を空気再熱器
50を介して水冷式凝縮器12に導き、かつ空気再熱器バイ
パス弁51を設けたものであり、夏期・春秋期の中間サイ
クル10稼働時に、上記第２図の構成における熱源ほど高
温の熱源を要しない場合には、この第３図の構成とする
ことができる。

第４図は空気冷却器３出口の冷却水を分岐させて空気
再熱器50に導き、調整弁52を介して出口管42に合流させ
たものであり、冬期に中間サイクル10を運転しないとき
にのみ除湿が必要である場合には、このような構成によ
って水冷式凝縮器12を通過することによる圧力損失を回
避することができる。なおこの第４図の構成は水冷式凝
縮器12と空気再熱器50とを並列に配置しているから、前
者の圧力損失が後者の圧力損失よりも十分に大きいとき
には、上記調整弁52に代えて、空気再熱器50に直列に流
量制御弁を配置してもよい。

以上のように空気再熱器50を配置したときには、各室
毎の冷却能力の調整や、中間サイクル10の起動・停止に
伴う過渡変化の緩和は、空気冷却器バイパス弁８の開度
調整に代えて、又はそれと共に、上記空気再熱器バイパ
ス弁51又は調整弁52の開度調整によって行うこともでき
る。

また空気再熱器50の熱源については上記の他に、入口
管41の冷却水を調整弁を介して空気再熱器50に導き、出
口管42に合流させることもできる。また春秋期又は夏期
において中間サイクルの圧縮機11が運転している場合
に、従来と同様圧縮機11出口の冷媒を調整弁を介して空
気再熱器50に導き、水冷式凝縮器12出口の冷媒に合流さ
せることもできるし、更に空気再熱器50の熱源として電
熱を用いることもできる。

以上において本冷却装置の配置については、中間サイ
クルの圧縮機11を室外に配置すれば、室内機１の運転音
を減少させることができ、水冷式凝縮器12を室外に配置
すれば、室内機１がコンパクトとなる。また冷却塔20の
中に圧縮式チラー30を組み込めば、室外機の設置面積を
減少させることができる。これらの例として第５図に、
冷却塔20の中に圧縮式チラー30と中間サイクルの圧縮機
11及び水冷式凝縮器12を組み込んだものを示す。

また以上説明した各系統のいずれか又はすべての系統
を複数とすることができる。例えば室内機１について
は、各室６毎に空気冷却器３と中間サイクルの蒸発器14
を及び必要により空気再熱器50を配置することができる
し、室外機については、冷却塔20と圧縮式チラー30との
いずれか又は双方を複数台配置することができる。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明のごとく冷却塔によって中間サイ
クルの水冷式凝縮器の冷却のほか空気冷却器をも冷却
し、また冷却塔に圧縮式チラーを附設してあるから、中
間サイクルと圧縮式チラーとの運転時間を大幅に減らす
ことができ、年間当たりの冷却装置の消費電力を大幅に
低減できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図と第５図は本発明の一実施例を示す系統図、第２
図から第４図は本発明の別の実施例の要部を示す系統
図、第６図は従来の冷却システムの系統図である。 １……室内機、２……空気濾過器、３……空気冷却器 ４……送風機、５……ダクト、６……室内 ７……サーモスタット、８……空気冷却器バイパス弁 10……中間サイクル、11……圧縮機 12……水冷式凝縮器、13……膨張弁、14……蒸発器 20……密閉式冷却塔、21……冷却コイル、22……ファン 23……散水槽、24……散水ポンプ、25……散水ヘッダー 30……圧縮式チラー、31……圧縮機、32……凝縮器 33……膨張弁、34……蒸発器、40……循環ポンプ 41……入口管、42……出口管、43……サーモスタット 44……室外機バイパス弁、50……空気再熱器 51……空気再熱器バイパス弁、52……調整弁

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、水冷式凝縮器、膨張弁及び蒸発器
   の順に冷媒を循環させて前記蒸発器で空気と熱交換をさ
   せて該空気を冷却する空気冷却装置において、前記蒸発
   器を通過する空気流の前段側に空気冷却器を附設し、密
   閉式冷却塔、圧縮式チラー、前記空気冷却器及び前記水
   冷式凝縮器の順に冷却水を循環させて前記空気冷却器で
   前記空気と熱交換をさせると共に前記水冷式凝縮器で前
   記冷媒と熱交換をさせ、前記密閉式冷却塔及び前記圧縮
   式チラーにおいて放熱をさせたことを特徴とする空気冷
   却装置。
2. 【請求項２】前記空気冷却器と蒸発器とを通過する空気
   流の後段側に空気再熱器を附設し、前記水冷式凝縮器出
   口の前記冷却水を前記空気再熱器を介して前記密閉式冷
   却塔に導いた請求項１記載の空気冷却装置。
3. 【請求項３】前記空気冷却器と蒸発器とを通過する空気
   流の後段側に空気再熱器を附設し、前記空気冷却器出口
   の前記冷却水を前記空気再熱器を介して前記水冷式凝縮
   器に導いた請求項１記載の空気冷却装置。
4. 【請求項４】前記空気冷却器と蒸発器とを通過する空気
   流の後段側に空気再熱器を附設し、前記空気冷却器出口
   より分岐させた前記冷却水を前記空気再熱器に通過させ
   た後前記水冷式凝縮器出口の前記冷却水に合流させた請
   求項１記載の空気冷却装置。
5. 【請求項５】前記圧縮機と水冷式凝縮器との少なくとも
   いずれか一方を前記空気冷却器及び蒸発器より離隔して
   配置した請求項１、２、３又は４記載の空気冷却装置。
6. 【請求項６】前記圧縮機、水冷式凝縮器及び前記圧縮式
   チラーを前記密閉式冷却塔の内部に組み込んだ請求項
   １、２、３又は４記載の空気冷却装置。
7. 【請求項７】前記空気冷却器及び蒸発器を複数台配置し
   た請求項１から６のいずれかに記載の空気冷却装置。