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JP2024173281A - Cooling system, cooling method and program - Google Patents

Cooling system, cooling method and program Download PDF

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JP2024173281A
JP2024173281A JP2023091604A JP2023091604A JP2024173281A JP 2024173281 A JP2024173281 A JP 2024173281A JP 2023091604 A JP2023091604 A JP 2023091604A JP 2023091604 A JP2023091604 A JP 2023091604A JP 2024173281 A JP2024173281 A JP 2024173281A
Authority
JP
Japan
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refrigerant
expansion valve
temperature
evaporator
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2023091604A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
泰明 兼子
Yasuaki Kaneko
陽一 上藤
Yoichi Kamifuji
伸英 原
Nobuhide Hara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Priority to PCT/JP2024/003912 priority patent/WO2024247376A1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To evaporate a refrigerant in an evaporator at an intended temperature without generating dew condensation even when a temperature of outside air is lowered.
SOLUTION: A cooling system includes: a refrigerant circuit having a compressor that compresses a refrigerant flowing out from an evaporator, a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor by exchanging heat with cooling fluid, an expansion valve that decompresses the refrigerant condensed by the condenser and the evaporator that evaporates the refrigerant decompressed by the expansion valve for heat exchange; a pump for circulating the cooling fluid via the condenser so as to cool the cooling fluid by using outside air; a detection device that detects a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant; and a control device that regulates an opening of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value determined relative to the control amount and regulates a discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value when the regulation of the opening of the expansion valve reaches a limit.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本開示は、冷却システム、冷却方法、及びプログラムに関する。 This disclosure relates to a cooling system, a cooling method, and a program.

例えば、特許文献1、及び特許文献2に開示される圧縮機サイクルのような仕組みで、冷却を行うシステム(以下、冷却システムという)が知られている。このような冷却システムでは、冷媒を蒸発器によって蒸発させて、室内の空気との間で熱交換が行われる。これにより、室内の空気の冷却が行われる。その後、蒸発器から流出した冷媒は、圧縮機によって圧縮されることにより昇圧され、昇圧された冷媒は、凝縮器によって凝縮される。凝縮された冷媒は、膨張弁によって所望の温度で蒸発器において蒸発する状態になるまで減圧される。減圧された冷媒は、再び蒸発器において蒸発するということが繰り返し行われる。このように、圧縮機と膨張弁によって冷媒の圧力を変化させて冷却する方式は、直接膨張方式(以下、直膨式という)と呼ばれる。 For example, a cooling system (hereinafter referred to as a cooling system) is known that uses a mechanism similar to the compressor cycle disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. In such a cooling system, the refrigerant is evaporated by an evaporator, and heat is exchanged between the refrigerant and the indoor air. This cools the indoor air. The refrigerant that flows out of the evaporator is then compressed by a compressor to increase its pressure, and the increased pressure is condensed by a condenser. The condensed refrigerant is reduced in pressure by an expansion valve until it is in a state where it can evaporate in the evaporator at the desired temperature. The reduced pressure refrigerant evaporates again in the evaporator, and this process is repeated. This method of cooling by changing the pressure of the refrigerant using a compressor and an expansion valve is called a direct expansion method (hereinafter referred to as a direct expansion type).

特許第6509047号公報Patent No. 6509047 特許第6566705号公報Patent No. 6566705

上記した冷却システムにおいて用いられる凝縮器として、水冷によって冷媒を凝縮させる凝縮器がある。この凝縮器の場合、冷媒は、循環して流れる冷却水との間で熱交換されて凝縮する。循環して流れる冷却水は、外気によって冷却されるため、外気が低くなると、冷却水の温度は、外気の低下に伴って低下する。冷却水の温度が低下すると、凝縮器内の冷媒の温度も低下し、それによって凝縮器において冷媒の圧力が低下する現象が生じる。 One type of condenser used in the cooling system described above is a condenser that condenses the refrigerant by water cooling. In this type of condenser, the refrigerant is condensed by heat exchange with the circulating cooling water. The circulating cooling water is cooled by outside air, so when the outside air temperature drops, the temperature of the cooling water drops with the drop in outside air temperature. When the temperature of the cooling water drops, the temperature of the refrigerant in the condenser also drops, resulting in a phenomenon in which the pressure of the refrigerant in the condenser drops.

冷媒の圧力が、凝縮器において低下すると、膨張弁による減圧の幅が小さくなる。減圧幅が小さくなるということは、膨張弁において調節可能な圧力の範囲が狭くなることを意味する。そのため、減圧幅が小さくなると、膨張弁の開度を最大にしても、所望の温度で冷媒を蒸発器において蒸発させることができなくなる場合がある。 When the refrigerant pressure drops in the condenser, the degree of pressure reduction by the expansion valve decreases. A smaller pressure reduction means that the range of pressure that can be adjusted by the expansion valve becomes narrower. Therefore, when the pressure reduction degree becomes small, even if the expansion valve is opened to its maximum, it may not be possible to evaporate the refrigerant at the desired temperature in the evaporator.

この場合に、冷媒が蒸発器において蒸発する温度が、露点温度以下まで低下すると、蒸発器において結露が発生するという課題が生じる。蒸発器において結露が発生すると、例えば、ファンなどによって蒸発器に送り込まれる空気によって、結露が飛散して、水飛びが発生したりする。冷却システムが、例えば、データセンタのサーバラックの冷却や、電子回路の半導体素子の冷却のために用いられる場合、この水飛びのために、サーバラックに備え付けられているサーバ装置や、電子回路においてショート等が発生しないように、防水加工を行ったり、蒸発器の設置位置に制約を設けたりする必要があった。 In this case, if the temperature at which the refrigerant evaporates in the evaporator drops below the dew point temperature, a problem occurs in which condensation occurs in the evaporator. When condensation occurs in the evaporator, for example, the condensation can be scattered by air sent to the evaporator by a fan or the like, causing water splashing. When a cooling system is used, for example, to cool server racks in a data center or to cool semiconductor elements in electronic circuits, it has been necessary to waterproof the system or restrict the installation location of the evaporator in order to prevent short circuits in the server equipment or electronic circuits installed in the server racks due to water splashing.

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、外気の温度が低下した場合であっても、結露を発生させることなく、所望の温度で、蒸発器において冷媒を蒸発させることを可能にする冷却システム、冷却方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a cooling system, a cooling method, and a program that enable refrigerant to evaporate in an evaporator at a desired temperature without causing condensation, even when the outside air temperature drops.

上記問題を解決するために、本開示に係る冷却システムは、蒸発器から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮する冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮される冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁が減圧する冷媒を蒸発させて熱交換させる前記蒸発器と、を有する冷媒回路と、前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるポンプと、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出する検出装置と、前記検出装置が検出する前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節する制御装置と、を備える。 In order to solve the above problems, the cooling system according to the present disclosure includes a refrigerant circuit having a compressor that compresses the refrigerant flowing out of an evaporator, a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor by heat exchange with a cooling fluid, an expansion valve that reduces the pressure of the refrigerant condensed by the condenser, and the evaporator that evaporates the refrigerant reduced in pressure by the expansion valve and exchanges heat with it, a pump that circulates the cooling fluid so that it is cooled by outside air while passing through the condenser, a detection device that detects a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant, and a control device that adjusts the opening of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and adjusts the discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value when the adjustment of the opening of the expansion valve reaches its limit.

本開示に係る冷却方法は、圧縮機が、蒸発器から流出する冷媒を圧縮するステップと、
凝縮器が、前記圧縮機が圧縮した冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させるステップと、膨張弁が、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧するステップと、前記蒸発器が、前記膨張弁が減圧した冷媒を蒸発させて熱交換させるステップと、ポンプが、前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるステップと、検出装置が、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出するステップと、制御装置が、前記検出装置が検出した前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節するステップと、を含む。
The cooling method according to the present disclosure includes a step of compressing a refrigerant flowing out of an evaporator by a compressor;
The method includes the steps of: a condenser condensing the refrigerant compressed by the compressor by heat exchange with a cooling fluid; an expansion valve reducing the pressure of the refrigerant condensed by the condenser; an evaporator evaporating the refrigerant reduced in pressure by the expansion valve and exchanging heat with it; a pump circulating the cooling fluid so that it passes through the condenser and is cooled by outside air; a detection device detecting a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant; and a control device adjusting the opening of the expansion valve so that a control quantity obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control quantity, and, when the adjustment of the opening of the expansion valve reaches its limit, adjusting the discharge volume of the pump so that the control quantity becomes the target value.

本開示に係るプログラムは、蒸発器から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮する冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮される冷媒を減圧する膨張弁と、前記膨張弁が減圧する冷媒を蒸発させて熱交換させる前記蒸発器と、を有する冷媒回路と、前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるポンプと、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出する検出装置と、を備える冷却システムに、更に備えられる制御装置として機能するコンピュータに、前記検出装置が検出した前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節する手順、を実行させるためのプログラムである。 The program according to the present disclosure is a program for causing a computer functioning as a control device further provided in a cooling system including a compressor that compresses the refrigerant flowing out of an evaporator, a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor through heat exchange with a cooling fluid, an expansion valve that reduces the pressure of the refrigerant condensed by the condenser, and the evaporator that evaporates the refrigerant reduced by the expansion valve and exchanges heat with it, a pump that circulates the cooling fluid so that it is cooled by outside air while passing through the condenser, and a detection device that detects a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant, to execute a procedure of adjusting the opening of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and, when the adjustment of the opening of the expansion valve reaches its limit, adjusting the discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value.

本開示の冷却システム、冷却方法、及びプログラムによれば、外気の温度が低下した場合であっても、結露を発生させることなく、所望の温度で、蒸発器において冷媒を蒸発させることができる。 According to the cooling system, cooling method, and program disclosed herein, even if the outside air temperature drops, the refrigerant can be evaporated in the evaporator at the desired temperature without causing condensation.

本開示の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram illustrating a configuration example of a cooling system according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る蒸発器の設置例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of installation of an evaporator according to an embodiment of the present disclosure. 一般的な冷却システムにおける冷却水入口温度に対する、冷媒の飽和温度、過熱度、及び単位時間当たりの冷却水流量の変化を示すグラフである。1 is a graph showing changes in saturation temperature of a refrigerant, degree of superheat, and cooling water flow rate per unit time with respect to a cooling water inlet temperature in a typical cooling system. 本開示の実施形態に係る制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a flow of processing by a control device according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る冷却システムにおける冷却水入口温度に対する、冷媒の飽和温度、過熱度、及び単位時間当たりの冷却水流量の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in refrigerant saturation temperature, degree of superheat, and coolant flow rate per unit time versus coolant inlet temperature in a cooling system according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の他の実施形態に係る冷却システムの構成例を示す概略ブロック図である。FIG. 13 is a schematic block diagram illustrating a configuration example of a cooling system according to another embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態における直膨運転とフリークーリング運転の各々のモリエル線図の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a Mollier diagram for each of a direct expansion operation and a free cooling operation in an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態における冷却能力と、冷却水の水温と、直膨運転と、フリークーリング運転との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the cooling capacity, the temperature of the cooling water, the direct expansion operation, and the free cooling operation in an embodiment of the present disclosure. 少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a computer according to at least one embodiment.

以下、本開示に係る冷却システム、冷却方法、及びプログラムについて、図1、図2、図4~図9を参照して説明する。図1は、本開示の実施形態に係る冷却システム1の構成例を示す概略ブロック図である。図2は、本開示の実施形態に係る蒸発器11の設置例を示す図である。図4は、本開示の実施形態に係る制御装置5による処理の流れを示すフローチャートである。図5は、本開示の実施形態に係る冷却システム1における冷却水入口温度に対する、冷媒の飽和温度、過熱度、及び単位時間当たりの冷却水流量の変化を示すグラフである。図6は、本開示の他の実施形態に係る冷却システム1aの構成例を示す概略ブロック図である。図7は、本開示の実施形態における直膨運転とフリークーリング運転の各々のモリエル線図の一例を示す図である。図8は、本開示の実施形態における冷却能力と、冷却水の水温と、直膨運転と、フリークーリング運転との関係を示すグラフである。図9は、少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。 The cooling system, cooling method, and program according to the present disclosure will be described below with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 4 to FIG. 9. FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration example of a cooling system 1 according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 2 is a diagram showing an installation example of an evaporator 11 according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 4 is a flowchart showing a processing flow by a control device 5 according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 5 is a graph showing changes in the saturation temperature of the refrigerant, the degree of superheat, and the cooling water flow rate per unit time with respect to the cooling water inlet temperature in the cooling system 1 according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 6 is a schematic block diagram showing a configuration example of a cooling system 1a according to another embodiment of the present disclosure. FIG. 7 is a diagram showing an example of a Mollier diagram of each of the direct expansion operation and the free cooling operation in an embodiment of the present disclosure. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the cooling capacity, the water temperature of the cooling water, the direct expansion operation, and the free cooling operation in an embodiment of the present disclosure. FIG. 9 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one embodiment. Note that the same or corresponding configurations in each figure are designated by the same reference numerals and the description will be omitted as appropriate.

(冷却システムの構成例)
図1に示すように、冷却システム1は、冷媒が循環して流れる系統となる冷媒回路2と、冷媒を冷却する冷却水が流れる系統となる冷却水回路3と、制御装置5と、検出装置40とを備える。冷媒回路2は、蒸発器11、アキュムレータ12、圧縮機13、凝縮器14、レシーバ15、膨張弁16、及びポンプ17を備える。冷却水回路3は、ポンプ21、及び冷却塔22を備える。なお、凝縮器14は、内部を流れる冷却水によって、内部を流れる冷媒を冷却するため、冷却水回路3を構成する構成要素の1つでもある。
(Example of cooling system configuration)
1, the cooling system 1 includes a refrigerant circuit 2, which is a system through which a refrigerant circulates, a cooling water circuit 3, which is a system through which cooling water flows to cool the refrigerant, a control device 5, and a detection device 40. The refrigerant circuit 2 includes an evaporator 11, an accumulator 12, a compressor 13, a condenser 14, a receiver 15, an expansion valve 16, and a pump 17. The cooling water circuit 3 includes a pump 21 and a cooling tower 22. Note that the condenser 14 is also one of the components that make up the cooling water circuit 3, as the condenser 14 cools the refrigerant flowing therethrough by the cooling water flowing therethrough.

冷媒回路2は、更に、配管101~112と、後述するフリークーリング運転の際に用いられる配管121~124を備え、加えて、直膨式の運転(以下、直膨運転という)と、フリークーリング運転との切り替えに用いられる三方弁31~36を備える。三方弁31~36の各々は、1つの流入口から流入する冷媒を、2つの流出口の何れか一方から流出するように、流路の切り替えが可能になっている。 The refrigerant circuit 2 further includes pipes 101-112 and pipes 121-124 used during free cooling operation, which will be described later, as well as three-way valves 31-36 used to switch between direct expansion operation (hereinafter referred to as direct expansion operation) and free cooling operation. Each of the three-way valves 31-36 is capable of switching the flow path so that the refrigerant flowing in from one inlet flows out from one of two outlets.

直膨運転の際に、冷媒が流れる経路は、太線の実線で示す経路、すなわち蒸発器11、アキュムレータ12、圧縮機13、凝縮器14、レシーバ15、膨張弁16を経由する経路になり、当該経路において、太線の実線の矢印で示す向きに冷媒が循環する。フリークーリング運転の際には、以下のように、三方弁31~36が切り替えられる。三方弁31,32を切り替えることにより、配管102、アキュムレータ12、配管103、圧縮機13、配管104を経由する経路が、配管121を経由する太線の点線で示す経路に切り替わる。三方弁33,34を切り替えることにより、配管108を経由する経路が、配管122、ポンプ17、配管123を経由する太線の点線で示す経路に切り替わる。三方弁35,36を切り替えることにより、配管110、膨張弁16、配管111を経由する経路が、配管124を経由する太線の点線で示す経路に切り替わる。すなわち、フリークーリング運転の際に、冷媒が流れる経路は、アキュムレータ12、圧縮機13、膨張弁16を迂回する経路であって、蒸発器11、凝縮器14、レシーバ15、ポンプ17を経由する経路になり、当該経路において、太線の実線の矢印、及び太線の点線の矢印で示す向きに冷媒が循環する。 During direct expansion operation, the refrigerant flows through the path indicated by the thick solid line, i.e., the path passing through the evaporator 11, accumulator 12, compressor 13, condenser 14, receiver 15, and expansion valve 16, and the refrigerant circulates through the path in the direction indicated by the thick solid arrow. During free cooling operation, the three-way valves 31 to 36 are switched as follows. By switching the three-way valves 31 and 32, the path passing through the pipe 102, accumulator 12, pipe 103, compressor 13, and pipe 104 is switched to the path indicated by the thick dotted line passing through pipe 121. By switching the three-way valves 33 and 34, the path passing through the pipe 108 is switched to the path indicated by the thick dotted line passing through the pipe 122, pump 17, and pipe 123. By switching the three-way valves 35 and 36, the path passing through the pipe 110, the expansion valve 16, and the pipe 111 is switched to the path indicated by the thick dotted line passing through the pipe 124. That is, during free cooling operation, the path through which the refrigerant flows is a path that bypasses the accumulator 12, the compressor 13, and the expansion valve 16, and passes through the evaporator 11, the condenser 14, the receiver 15, and the pump 17, and the refrigerant circulates in the direction indicated by the thick solid arrow and the thick dotted arrow.

蒸発器11は、熱交換器であり、配管112から冷媒が流入し、配管101に冷媒を流出する。蒸発器11は、例えば、図2に示すように、平面形状になっており、データセンタの室内に設置されるサーバラック61のリアドア側に設置される。蒸発器11のサーバラック61のリアドア側に対向する面とは、逆の面側に、送風機62が設置される。送風機62による送風によって、サーバラック61の開口部から空気がサーバラック61の内部に流入し、サーバラック61内に流入した空気が、サーバラック61内に設置されたサーバ装置等を冷却する。サーバ装置等を冷却することによって温かくなった空気は、蒸発器11を通過することにより、蒸発器11において蒸発する冷媒との間で熱交換が行われて、冷却される。蒸発器11によって冷却された空気は、送風機62を介して、データセンタの室内に流出する。これにより、サーバ装置等から生じる熱によるデータセンタの室内の温度の上昇が抑えられる。 The evaporator 11 is a heat exchanger, into which the refrigerant flows from the pipe 112 and into which the refrigerant flows out to the pipe 101. The evaporator 11 has a planar shape, for example, as shown in FIG. 2, and is installed on the rear door side of the server rack 61 installed inside the data center. A blower 62 is installed on the side of the evaporator 11 opposite to the side facing the rear door side of the server rack 61. Air flows into the inside of the server rack 61 from the opening of the server rack 61 by the blowing of air by the blower 62, and the air that flows into the server rack 61 cools the server devices and the like installed in the server rack 61. The air that has become warm by cooling the server devices and the like passes through the evaporator 11, and is cooled by heat exchange with the refrigerant that evaporates in the evaporator 11. The air cooled by the evaporator 11 flows out into the data center room via the blower 62. This suppresses the rise in temperature inside the data center room due to heat generated by the server devices and the like.

アキュムレータ12は、配管102から冷媒が流入し、配管103に冷媒を流出する。アキュムレータ12は、蒸発器11から流出する気液二相の冷媒を、気液分離し、分離した気体の冷媒を流出する。圧縮機13は、例えば、回転数によって加える圧力が調節可能になっており、配管103を介して、アキュムレータ12から流出する気体の冷媒を吸入し、吸入した冷媒を圧縮して昇圧し、昇圧した冷媒を配管104に吐出する。凝縮器14は、熱交換器であり、配管105から冷媒が流入し、配管106に冷媒を流出する。凝縮器14は、配管105から流入する冷媒を、内部を流れる冷却水との間で熱交換させることにより凝縮させる。 The accumulator 12 receives refrigerant from the pipe 102 and discharges the refrigerant to the pipe 103. The accumulator 12 separates the two-phase gas-liquid refrigerant discharged from the evaporator 11 into gas and liquid, and discharges the separated gaseous refrigerant. The compressor 13 can adjust the pressure applied by, for example, the rotation speed, and draws in the gaseous refrigerant discharged from the accumulator 12 through the pipe 103, compresses the drawn refrigerant to increase its pressure, and discharges the pressurized refrigerant to the pipe 104. The condenser 14 is a heat exchanger, and receives refrigerant from the pipe 105 and discharges the refrigerant to the pipe 106. The condenser 14 condenses the refrigerant that flows in from the pipe 105 by exchanging heat with the cooling water flowing inside.

レシーバ15は、配管106から冷媒が流入し、配管107に冷媒を流出する。レシーバ15は、凝縮器14によって凝縮されて液体になった気体と、凝縮されずに気体の状態で留まっている冷媒を分離する。レシーバ15は、分離した液体の冷媒からフィルタ等によって水分等の不純物を除去し、余剰分の液体の冷媒を貯留しつつ、必要分の液体の冷媒を流出する。 Receiver 15 receives refrigerant from pipe 106 and outputs refrigerant to pipe 107. Receiver 15 separates the gas that has been condensed into liquid by condenser 14 from the refrigerant that has not been condensed and remains in gaseous state. Receiver 15 removes impurities such as moisture from the separated liquid refrigerant using a filter or the like, stores the excess liquid refrigerant, and outputs the required amount of liquid refrigerant.

膨張弁16は、流入する冷媒を減圧する弁であり、配管110から冷媒が流入し、配管111に冷媒を流出する。膨張弁16は、例えば、電子膨張弁であり、開度が変更可能になっており、開度が変わることにより、減圧量が変化する。なお、膨張弁16の開度が小さいほど、減圧量が大きくなり、逆に、開度が大きいほど、減圧量が小さくなる。ポンプ17は、例えば、回転数によって吐出量が調節可能になっており、配管122を介して、レシーバ15から流出する冷媒を吸入し、吸入した冷媒を配管123に吐出する。 Expansion valve 16 is a valve that reduces the pressure of the inflowing refrigerant. Refrigerant flows in from pipe 110 and flows out to pipe 111. Expansion valve 16 is, for example, an electronic expansion valve, and its opening is variable. Changing the opening changes the amount of pressure reduction. Note that the smaller the opening of expansion valve 16, the greater the amount of pressure reduction, and conversely, the greater the opening, the smaller the amount of pressure reduction. Pump 17 can adjust the discharge amount by, for example, the rotation speed, and sucks in the refrigerant flowing out of receiver 15 via pipe 122 and discharges the sucked refrigerant into pipe 123.

冷却水回路3は、更に、配管131~133を備える。冷却水回路3において、冷却水が流れる経路は、太線の破線で示す経路、すなわち冷却塔22、凝縮器14、ポンプ21を経由する経路になり、太線の破線の矢印で示す向きに冷却水が循環する。 The cooling water circuit 3 further includes pipes 131 to 133. In the cooling water circuit 3, the path through which the cooling water flows is shown by the thick dashed line, i.e., the path passes through the cooling tower 22, the condenser 14, and the pump 21, and the cooling water circulates in the direction shown by the thick dashed arrow.

冷却塔22は、配管131から冷却水が流入し、配管132に冷却水を流出する。冷却塔22は、内部にファンを備えており、ファンの回転数によって、外部から取り込む外気の量が調節可能になっている。冷却塔22は、取り込んだ外気を用いて、配管131から流入する冷却水を冷却する。凝縮器14は、配管132から冷却水が流入し、配管133に冷却水を流出する。ポンプ21は、例えば、回転数によって吐出量が調節可能になっており、配管133を介して、凝縮器14から流出する冷却水を吸入し、配管131に冷却水を吐出する。 Cooling tower 22 receives cooling water from pipe 131 and discharges it to pipe 132. Cooling tower 22 is equipped with a fan inside, and the amount of outside air taken in from outside can be adjusted by the fan's rotation speed. Cooling tower 22 uses the taken-in outside air to cool the cooling water that flows in from pipe 131. Cooling water flows in to condenser 14 from pipe 132 and flows out cooling water to pipe 133. Pump 21 can adjust the discharge amount by, for example, the rotation speed, and sucks in cooling water that flows out of condenser 14 via pipe 133 and discharges cooling water to pipe 131.

検出装置40は、蒸発器11において冷媒が蒸発する温度である蒸発温度、すなわち蒸発器11における冷媒の飽和温度に関連する検出値を検出する。検出装置40は、温度センサ41と、圧力センサ42とを備える。温度センサ41は、配管101内の冷媒の温度を検出する。圧力センサ42は、配管101内の冷媒の圧力を検出する。したがって、この場合、検出装置40が検出する冷媒の蒸発温度に関連する検出値とは、配管101内の冷媒の温度、及び圧力の値になる。 The detection device 40 detects a detection value related to the evaporation temperature, which is the temperature at which the refrigerant evaporates in the evaporator 11, i.e., the saturation temperature of the refrigerant in the evaporator 11. The detection device 40 includes a temperature sensor 41 and a pressure sensor 42. The temperature sensor 41 detects the temperature of the refrigerant in the pipe 101. The pressure sensor 42 detects the pressure of the refrigerant in the pipe 101. Therefore, in this case, the detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant detected by the detection device 40 is the temperature and pressure values of the refrigerant in the pipe 101.

制御装置5は、冷媒回路2及び冷却水回路3を制御する。図1では、一例として、制御装置5に接続する制御線として、膨張弁16、ポンプ21、温度センサ41、及び圧力センサ42の各々と、制御装置5とを接続する制御線を示している。これに加えて、図1には図示していないが、冷却システム1には、圧縮機13、ポンプ17、及び三方弁31~36の各々と、制御装置5とを接続する制御線が存在する。 The control device 5 controls the refrigerant circuit 2 and the coolant circuit 3. In FIG. 1, as an example, control lines connecting the expansion valve 16, the pump 21, the temperature sensor 41, and the pressure sensor 42 to the control device 5 are shown. In addition, although not shown in FIG. 1, the cooling system 1 has control lines connecting the compressor 13, the pump 17, and each of the three-way valves 31-36 to the control device 5.

制御装置5は、検出装置40が検出して制御線に出力する検出値を取り込む。なお、図1には図示していないが、冷媒回路2、及び冷却水回路3には、温度センサ41、及び圧力センサ42以外に様々なセンサが設置されている。制御装置5は、図示していない様々なセンサと制御線を介して接続しており、これらの様々なセンサが検出する検出値も取得する。制御装置5は、取得した検出値に基づいて、例えば、冷却システム1において、直膨運転が行われている場合、直膨運転に対応するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御により算出した各種の指令値を、指令値の各々に対応する制御対象、すなわち膨張弁16、圧縮機13、ポンプ21に対して出力する。これに対して、冷却システム1において、フリークーリング運転が行われている場合、制御装置5は、フリークーリング運転に対応するフィードバック制御を行い、当該フィードバック制御により算出した各種の指令値を、指令値の各々に対応する制御対象、すなわちポンプ17、ポンプ21に対して出力する。なお、膨張弁16に対する指令値は、開度であり、圧縮機13、ポンプ17、及びポンプ21に対する指令値は、回転数である。 The control device 5 takes in the detection value detected by the detection device 40 and output to the control line. Although not shown in FIG. 1, various sensors are installed in the refrigerant circuit 2 and the cooling water circuit 3 in addition to the temperature sensor 41 and the pressure sensor 42. The control device 5 is connected to various sensors not shown via control lines, and also acquires the detection values detected by these various sensors. Based on the acquired detection value, for example, when direct expansion operation is performed in the cooling system 1, the control device 5 performs feedback control corresponding to the direct expansion operation, and outputs various command values calculated by the feedback control to the control objects corresponding to each of the command values, i.e., the expansion valve 16, the compressor 13, and the pump 21. On the other hand, when free cooling operation is performed in the cooling system 1, the control device 5 performs feedback control corresponding to the free cooling operation, and outputs various command values calculated by the feedback control to the control objects corresponding to each of the command values, i.e., the pump 17 and the pump 21. The command value for the expansion valve 16 is the opening degree, and the command values for the compressor 13, pump 17, and pump 21 are the rotation speeds.

(課題の具体例について)
ここで、図1に示す冷却システム1の構成を一例として、上記した課題の具体例について説明する。一般的な冷却システムでは、制御装置5から冷却水回路3のポンプ21には、制御線が存在せず、ポンプ21は、自律して一定の回転数で動作する。図3は、このような一般的な冷却システムにおける各種のパラメータの変化を示すグラフであり、図3(a)~(c)において、横軸は、何れも凝縮器14における冷却水入口温度、すなわち凝縮器14と配管132とが接続する付近における配管132内の冷却水の温度である。横軸は、右方向に向かって温度が大きくなることを示している。図3(a)の縦軸は、冷媒の飽和温度であり、上方向に向かって冷媒の飽和温度が大きくなることを示している。図3(b)の縦軸は、過熱度であり、上方向に向かって過熱度が大きくなることを示している。図3(c)の縦軸は、単位時間当たりの冷却水流量であり、上方向に向かって単位時間当たりの冷却水流量が大きくなることを示している。
(Specific examples of issues)
Here, a specific example of the above problem will be described using the configuration of the cooling system 1 shown in FIG. 1 as an example. In a general cooling system, there is no control line from the control device 5 to the pump 21 of the cooling water circuit 3, and the pump 21 operates autonomously at a constant rotation speed. FIG. 3 is a graph showing changes in various parameters in such a general cooling system, and in FIGS. 3(a) to 3(c), the horizontal axis is the cooling water inlet temperature in the condenser 14, that is, the temperature of the cooling water in the pipe 132 near where the condenser 14 and the pipe 132 are connected. The horizontal axis indicates that the temperature increases toward the right. The vertical axis of FIG. 3(a) is the saturation temperature of the refrigerant, and indicates that the saturation temperature of the refrigerant increases toward the upward direction. The vertical axis of FIG. 3(b) is the degree of superheat, and indicates that the degree of superheat increases toward the upward direction. The vertical axis of FIG. 3(c) is the cooling water flow rate per unit time, and indicates that the cooling water flow rate per unit time increases toward the upward direction.

図3(c)のグラフにおいて、符号55で示す特性は、単位時間当たりの冷却水流量の変化を示す特性(以下、冷却水流量特性55という)である。上記したように、一般的な冷却システムでは、冷却水回路3のポンプ21は、一定の回転数で動作するため、冷却水流量特性55に示すように冷却水回路3の配管131~133を流れる単位時間当たりの冷却水流量は、冷却水入口温度の変化に関わらず一定になる。 In the graph of FIG. 3(c), the characteristic indicated by the reference symbol 55 is a characteristic showing the change in the coolant flow rate per unit time (hereinafter referred to as coolant flow rate characteristic 55). As described above, in a typical cooling system, the pump 21 of the coolant circuit 3 operates at a constant rotation speed, so that the coolant flow rate per unit time flowing through the pipes 131-133 of the coolant circuit 3 is constant, regardless of changes in the coolant inlet temperature, as shown in the coolant flow rate characteristic 55.

外気の温度が低下すると、それと共に冷却水入口温度も低下する。冷却水入口温度が低下すると、凝縮器14を流れる冷媒の温度が低下し、それにより、凝縮器14を流れる冷媒の圧力が低下する。冷媒の圧力が低下すると、冷媒の飽和温度は低下する。図3(a)のグラフにおいて、符号51で示す特性は、膨張弁16の入口の冷媒の飽和温度の変化を示す特性(以下、飽和温度特性51という)である。ここで、膨張弁16の入口の冷媒の飽和温度とは、膨張弁16と配管110とが接続する付近における配管110内の冷媒の飽和温度である。符号52で示す特性は、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度の変化を示す特性(以下、飽和温度特性52という)である。ここで、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度とは、膨張弁16と配管111とが接続する付近における配管111内の冷媒の飽和温度である。 When the temperature of the outside air drops, the cooling water inlet temperature also drops. When the cooling water inlet temperature drops, the temperature of the refrigerant flowing through the condenser 14 drops, and the pressure of the refrigerant flowing through the condenser 14 drops. When the pressure of the refrigerant drops, the saturation temperature of the refrigerant drops. In the graph of FIG. 3(a), the characteristic indicated by the symbol 51 is a characteristic (hereinafter referred to as saturation temperature characteristic 51) that shows the change in the saturation temperature of the refrigerant at the inlet of the expansion valve 16. Here, the saturation temperature of the refrigerant at the inlet of the expansion valve 16 is the saturation temperature of the refrigerant in the pipe 110 near where the expansion valve 16 and the pipe 110 are connected. The characteristic indicated by the symbol 52 is a characteristic (hereinafter referred to as saturation temperature characteristic 52) that shows the change in the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16. Here, the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16 is the saturation temperature of the refrigerant in the pipe 111 near where the expansion valve 16 and the pipe 111 are connected.

なお、圧縮機13の出口から膨張弁16の入口に至る経路における冷媒の圧力は、配管104~110による圧力損失等によって若干の違いが生じるものの、ほぼ同一になるため、飽和温度特性51は、圧縮機13が吐出する冷媒の飽和温度の特性とみなすことができる。同様に、膨張弁16の出口から圧縮機13の入口に至る経路における冷媒の圧力は、配管112,101~103による圧力損失等によって若干の違いが生じるものの、ほぼ同一になるため、飽和温度特性52は、圧縮機13が吸入する冷媒の飽和温度の特性とみなすことができる。 Note that the refrigerant pressure in the path from the outlet of the compressor 13 to the inlet of the expansion valve 16 is almost the same, although there are slight differences due to pressure losses in the pipes 104-110, and therefore the saturation temperature characteristic 51 can be regarded as the characteristic of the saturation temperature of the refrigerant discharged by the compressor 13. Similarly, the refrigerant pressure in the path from the outlet of the expansion valve 16 to the inlet of the compressor 13 is almost the same, although there are slight differences due to pressure losses in the pipes 112, 101-103, and therefore the saturation temperature characteristic 52 can be regarded as the characteristic of the saturation temperature of the refrigerant sucked into the compressor 13.

制御装置5は、蒸発器11における冷媒の蒸発温度が一定になるようにフィードバック制御を行うため、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度も一定になる。そのため、飽和温度特性52において、符号50で示すタイミング(以下、タイミング50という)より右側の部分では、冷媒の飽和温度が一定になる。これに対して、凝縮器14において冷媒の圧力が低下すると、膨張弁16における入口の冷媒の圧力は低下する。そのため、飽和温度特性51に示すように、膨張弁16における入口の冷媒の飽和温度は、冷却水入口温度が低下すると共に低くなる。 The control device 5 performs feedback control so that the evaporation temperature of the refrigerant in the evaporator 11 is constant, so the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16 is also constant. Therefore, in the saturation temperature characteristic 52, the saturation temperature of the refrigerant is constant in the portion to the right of the timing indicated by the symbol 50 (hereinafter referred to as timing 50). In contrast, when the refrigerant pressure in the condenser 14 decreases, the refrigerant pressure at the inlet of the expansion valve 16 decreases. Therefore, as shown in the saturation temperature characteristic 51, the saturation temperature of the refrigerant at the inlet of the expansion valve 16 decreases as the cooling water inlet temperature decreases.

同一の冷却水入口温度における飽和温度特性51と、飽和温度特性52との差は、膨張弁16による減圧によって生じている冷媒の飽和温度の差であり、この差が、間接的に、膨張弁16による減圧量を示すことになる。タイミング50の時点において、飽和温度特性51の値と、飽和温度特性52の値とが一致しており、このタイミング50において、膨張弁16の開度が最大になり、膨張弁16による減圧が行われず、膨張弁16の前後における冷媒の圧力に差が無くなる。したがって、冷却水入口温度が、タイミング50より左側の部分になると、タイミング50の時点で、膨張弁16の開度の調節が限界になっていることから、膨張弁16による減圧ができなくなり、飽和温度特性52は、飽和温度特性51と同様に、冷却水入口温度が低下すると共に減少する変化を示すことになる。その後、飽和温度特性52に示す膨張弁16における出口の冷媒の飽和温度が低下して、例えば、符号53で示す露点温度に到達すると、蒸発器11において冷媒は、露点温度で蒸発するため、蒸発器11において結露が発生する。 The difference between the saturation temperature characteristic 51 and the saturation temperature characteristic 52 at the same cooling water inlet temperature is the difference in the saturation temperature of the refrigerant caused by the pressure reduction by the expansion valve 16, and this difference indirectly indicates the amount of pressure reduction by the expansion valve 16. At the time of timing 50, the value of the saturation temperature characteristic 51 and the value of the saturation temperature characteristic 52 are the same, and at this timing 50, the opening of the expansion valve 16 is at its maximum, the pressure reduction by the expansion valve 16 is not performed, and there is no difference in the pressure of the refrigerant before and after the expansion valve 16. Therefore, when the cooling water inlet temperature is in the left part of the timing 50, the adjustment of the opening of the expansion valve 16 is at its limit at the time of timing 50, so the expansion valve 16 cannot reduce the pressure, and the saturation temperature characteristic 52, like the saturation temperature characteristic 51, shows a change that decreases as the cooling water inlet temperature decreases. Thereafter, when the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16, shown in the saturation temperature characteristic 52, drops and reaches, for example, the dew point temperature shown by the reference symbol 53, the refrigerant evaporates in the evaporator 11 at the dew point temperature, causing condensation in the evaporator 11.

(冷却システムの動作例)
図4を参照しつつ、冷却システム1の制御装置5による制御処理と、当該制御処理による冷却システム1の動作について説明する。なお、図4に示す処理は、冷媒回路2が、直膨運転を行っている場合に、行われる処理である。
(Example of cooling system operation)
The control process by the control device 5 of the cooling system 1 and the operation of the cooling system 1 by the control process will be described with reference to Fig. 4. Note that the process shown in Fig. 4 is performed when the refrigerant circuit 2 is performing a direct expansion operation.

温度センサ41と圧力センサ42の各々は、例えば、一定の間隔で、それぞれ配管101内の冷媒の温度と、圧力とを検出する。温度センサ41は、検出した温度の値を制御装置5に出力し、圧力センサ42は、検出した圧力の値を制御装置5に出力する。制御装置5は、温度センサ41が出力する温度の値と、圧力センサ42が出力する圧力の値とを取得する(S1)。 The temperature sensor 41 and the pressure sensor 42 each detect the temperature and pressure of the refrigerant in the pipe 101, for example, at regular intervals. The temperature sensor 41 outputs the detected temperature value to the control device 5, and the pressure sensor 42 outputs the detected pressure value to the control device 5. The control device 5 acquires the temperature value output by the temperature sensor 41 and the pressure value output by the pressure sensor 42 (S1).

制御装置5には、冷媒の圧力と、冷媒の飽和温度との関係を示す関数の演算を行う仕組みが組み込まれている。制御装置5は、取り込んだ圧力の値を、当該関数に代入して、冷媒の飽和温度を算出する。制御装置5は、取り込んだ温度の値、すなわち温度センサ41が検出した温度から、算出した冷媒の飽和温度を減算することにより得られる減算値を過熱度とする。制御装置5は、算出した過熱度を制御量とし、制御量が、過熱度に対して予め定められる目標値になるようにフィードバック制御を行う。ここで、過熱度に対して予め定められる目標値とは、例えば、以下のような値である。図3(b)のグラフにおいて、符号54で示す特性は、過熱度の変化を示す特性(以下、過熱度特性54という)である。過熱度特性54において、タイミング50よりも右側の部分は、一定値を示しており、この一定値が、例えば、過熱度に対して予め定められる目標値になる。 The control device 5 incorporates a mechanism for calculating a function that indicates the relationship between the pressure of the refrigerant and the saturation temperature of the refrigerant. The control device 5 substitutes the captured pressure value into the function to calculate the saturation temperature of the refrigerant. The control device 5 determines the degree of superheat by subtracting the calculated saturation temperature of the refrigerant from the captured temperature value, i.e., the temperature detected by the temperature sensor 41. The control device 5 determines the degree of superheat by using the calculated degree of superheat as a control amount and performs feedback control so that the control amount becomes a predetermined target value for the degree of superheat. Here, the predetermined target value for the degree of superheat is, for example, the following value. In the graph of FIG. 3(b), the characteristic indicated by the symbol 54 is a characteristic that indicates the change in the degree of superheat (hereinafter referred to as superheat characteristic 54). In the superheat characteristic 54, the part to the right of the timing 50 indicates a constant value, and this constant value becomes, for example, a predetermined target value for the degree of superheat.

制御装置5は、制御量が、目標値に一致しているか否かを判定する(S3)。制御装置5は、制御量が、目標値に一致していると判定した場合(S3、Yes)、制御装置5は、温度センサ41が温度の値を出力し、圧力センサ42が圧力の値を出力するのを待機し、温度センサ41が温度の値を出力し、圧力センサ42が圧力の値を出力すると、再びS1の処理を行う。 The control device 5 determines whether the controlled variable matches the target value (S3). When the control device 5 determines that the controlled variable matches the target value (S3, Yes), the control device 5 waits for the temperature sensor 41 to output a temperature value and the pressure sensor 42 to output a pressure value, and when the temperature sensor 41 outputs a temperature value and the pressure sensor 42 outputs a pressure value, the control device 5 performs the process of S1 again.

一方、制御装置5は、制御量が、目標値に一致していないと判定した場合(S3、No)、制御装置5は、制御量が、目標値を超過しているか否かを判定する(S4)。制御装置5は、制御量が、目標値を超過していないと判定したとする(S4、No)。この場合、制御量が、目標値未満になっており、過熱度が減少している状態、言い換えると、冷媒の圧力が高くなり、冷媒の飽和温度が上昇している状態になっている。そのため、制御装置5は、膨張弁16の開度を小さくして、膨張弁16の減圧量を増加させるフィードバック制御を行う。すなわち、制御装置5は、制御量と、目標値とに基づいて、制御量が目標値に近づくようにする膨張弁16の開度を示す指令値を算出し、算出した指令値を膨張弁16に出力する(S5)。膨張弁16は、制御装置5から指令値を受けると、指令値にしたがって、開度を小さくして、減圧量を増加させる。これにより、配管101内の冷媒の圧力は低くなり、冷媒の飽和温度は低下するため、過熱度が増加して、目標値に近づくことになる。 On the other hand, when the control device 5 determines that the controlled amount does not match the target value (S3, No), the control device 5 determines whether the controlled amount exceeds the target value (S4). Assume that the control device 5 determines that the controlled amount does not exceed the target value (S4, No). In this case, the controlled amount is less than the target value, and the degree of superheat is reduced, in other words, the refrigerant pressure is high and the saturation temperature of the refrigerant is rising. Therefore, the control device 5 performs feedback control to reduce the opening of the expansion valve 16 and increase the amount of pressure reduction of the expansion valve 16. That is, the control device 5 calculates a command value indicating the opening of the expansion valve 16 that makes the controlled amount approach the target value based on the controlled amount and the target value, and outputs the calculated command value to the expansion valve 16 (S5). When the expansion valve 16 receives a command value from the control device 5, it reduces the opening and increases the amount of pressure reduction according to the command value. This reduces the pressure of the refrigerant in the pipe 101 and lowers the saturation temperature of the refrigerant, increasing the degree of superheat and bringing it closer to the target value.

一方、制御装置5は、制御量が、目標値を超過していると判定したとする(S4、Yes)。この場合、制御量が、目標値を超過しており、過熱度が増加している状態、言い換えると、冷媒の圧力が低くなり、冷媒の飽和温度が低下している状態になっている。制御装置5は、膨張弁16の開度の調節が限界になっているか否かを判定する(S6)。例えば、制御装置5は、膨張弁16に指令値を出力するごとに、内部の記憶領域に、直近で、膨張弁16に対して出力した指令値、すなわち、直近の膨張弁16の開度を示す情報を記録している。制御装置5は、直近の膨張弁16の開度が、予め定められる閾値未満であるか否かに基づいて、膨張弁16の開度の調節が限界になっているか否かを判定する。すなわち、制御装置5は、直近の膨張弁16の開度が、閾値未満である場合、膨張弁16の開度の調節が限界になっていないと判定し、直近の膨張弁16の開度が、閾値未満でない場合、膨張弁16の開度の調節が限界になっていると判定する。なお、ここでは、予め定められる閾値は、例えば、膨張弁16の最大開度であるとする。 On the other hand, the control device 5 determines that the control amount exceeds the target value (S4, Yes). In this case, the control amount exceeds the target value, and the degree of superheat is increasing, in other words, the refrigerant pressure is decreasing, and the saturation temperature of the refrigerant is decreasing. The control device 5 determines whether the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has reached its limit (S6). For example, each time the control device 5 outputs a command value to the expansion valve 16, the control device 5 records information indicating the most recent command value output to the expansion valve 16, i.e., the most recent opening degree of the expansion valve 16, in an internal memory area. The control device 5 determines whether the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has reached its limit based on whether the most recent opening degree of the expansion valve 16 is less than a predetermined threshold value. That is, if the most recent opening degree of the expansion valve 16 is less than the threshold value, the control device 5 determines that the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has not reached its limit, and if the most recent opening degree of the expansion valve 16 is not less than the threshold value, the control device 5 determines that the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has reached its limit. Note that here, the predetermined threshold value is, for example, the maximum opening degree of the expansion valve 16.

制御装置5は、膨張弁16の開度が限界になっていないと判定したとする(S6、No)。この場合、膨張弁16の開度を大きくする余地があるので、制御装置5は、膨張弁16の開度を大きくして、膨張弁16の減圧量を減少させるフィードバック制御を行う。すなわち、制御装置5は、制御量と、目標値とに基づいて、制御量が目標値に近づくようにする膨張弁16の開度を示す指令値を算出し、算出した指令値を、膨張弁16に出力する(S7)。膨張弁16は、制御装置5から指令値を受けると、指令値にしたがって、開度を大きくして、減圧量を減少させる。これにより、配管101内の冷媒の圧力は高くなり、冷媒の飽和温度は上昇するため、過熱度が減少して、目標値に近づくことになる。 The control device 5 determines that the opening of the expansion valve 16 is not at its limit (S6, No). In this case, since there is room to increase the opening of the expansion valve 16, the control device 5 performs feedback control to increase the opening of the expansion valve 16 and reduce the amount of pressure reduction of the expansion valve 16. That is, the control device 5 calculates a command value indicating the opening of the expansion valve 16 that makes the control amount approach the target value based on the control amount and the target value, and outputs the calculated command value to the expansion valve 16 (S7). When the expansion valve 16 receives the command value from the control device 5, it increases the opening and reduces the amount of pressure reduction according to the command value. As a result, the pressure of the refrigerant in the pipe 101 increases and the saturation temperature of the refrigerant increases, so the degree of superheat decreases and approaches the target value.

一方、制御装置5は、膨張弁16の開度が限界になっていると判定したとする(S6、Yes)。この場合、制御装置5は、膨張弁16の開度を、更に、大きくすることができない状態になる。この状態において、制御装置5が何も制御も行わない場合、図3(b)の過熱度特性54のタイミング50より左側の部分に示すように、過熱度が、目標値よりも大きくなる。 On the other hand, the control device 5 determines that the opening of the expansion valve 16 has reached its limit (S6, Yes). In this case, the control device 5 is in a state where it cannot further increase the opening of the expansion valve 16. In this state, if the control device 5 does not perform any control, the degree of superheat becomes greater than the target value, as shown in the portion to the left of timing 50 in the superheat characteristic 54 in FIG. 3(b).

より詳細に説明すると、過熱度は、上記したように、蒸発器11の出口の冷媒の温度から、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度を減算して得られる値である。蒸発器11の出口の冷媒の温度は、蒸発器11が設置されている周辺の温度と、ほぼ同一になるため、ほぼ一定値になる。これに対して、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度は、蒸発器11の出口の冷媒の圧力が低下すると減少する。図3(a)の飽和温度特性52に示されるように、タイミング50より左側の部分において、冷却水入口温度の低下に伴って、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度は低下する。上記したように、膨張弁16の出口から圧縮機13の入口に至る経路における冷媒の圧力は、ほぼ同一になる。そのため、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度が低下する場合、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度も低下する。そのため、ほぼ一定値である蒸発器11の出口の冷媒の温度から、タイミング50より左側の部分において減少傾向を示す蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度を減算するため、図3(b)の過熱度特性54に示されるように、タイミング50より左側の部分において、過熱度が増加する。 To explain in more detail, the degree of superheat is a value obtained by subtracting the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 from the temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11, as described above. The temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 is almost the same as the temperature of the surroundings where the evaporator 11 is installed, so it is almost a constant value. In contrast, the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 decreases when the pressure of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 decreases. As shown in the saturation temperature characteristic 52 in FIG. 3(a), in the portion to the left of the timing 50, the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16 decreases with the decrease in the cooling water inlet temperature. As described above, the pressure of the refrigerant in the path from the outlet of the expansion valve 16 to the inlet of the compressor 13 becomes almost the same. Therefore, when the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16 decreases, the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 also decreases. Therefore, the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11, which shows a decreasing tendency in the portion to the left of timing 50, is subtracted from the refrigerant temperature at the outlet of the evaporator 11, which is a nearly constant value, so the degree of superheat increases in the portion to the left of timing 50, as shown in the superheat characteristic 54 in FIG. 3(b).

この増加した過熱度を目標値に近づけるために、本実施形態の制御装置5では、以下のような処理を行う。制御装置5は、膨張弁16の開度を維持した状態で、冷却水回路3のポンプ21の吐出量を減少させて、冷却水回路3を流れる単位時間当たりの冷却水流量を減少させるフィードバック制御を行う。より具体的には、制御装置5は、制御量と、目標値とに基づいて、制御量が目標値に近づくようにするポンプ21の回転数を示す指令値を算出し、算出した指令値をポンプ21に出力する(S8)。ポンプ21は、制御装置5から指令値を受けて回転数を減少させる。 In order to bring this increased degree of superheat closer to the target value, the control device 5 of this embodiment performs the following process. The control device 5 performs feedback control to reduce the discharge rate of the pump 21 of the cooling water circuit 3 while maintaining the opening of the expansion valve 16, thereby reducing the cooling water flow rate per unit time flowing through the cooling water circuit 3. More specifically, based on the control amount and the target value, the control device 5 calculates a command value indicating the rotation speed of the pump 21 that brings the control amount closer to the target value, and outputs the calculated command value to the pump 21 (S8). The pump 21 reduces its rotation speed upon receiving the command value from the control device 5.

S5,S7,S8の処理の後、制御装置5は、温度センサ41が温度の値を出力し、圧力センサ42が圧力の値を出力するのを待機し、温度センサ41が温度の値を出力し、圧力センサ42が圧力の値を出力すると、再びS1の処理を行う。 After processing S5, S7, and S8, the control device 5 waits for the temperature sensor 41 to output a temperature value and for the pressure sensor 42 to output a pressure value, and when the temperature sensor 41 outputs a temperature value and the pressure sensor 42 outputs a pressure value, it performs processing S1 again.

(作用・効果)
上記した実施形態によれば、冷却システム1において、図4のS6の判定処理において制御装置5が、「Yes」の判定をする場合、言い換えると、冷却システム1において、凝縮器14に流入する冷却水の温度が低下して、凝縮器14によって凝縮される冷媒の圧力が低下し、膨張弁16の開度を最大開度にしたとしても、制御量である過熱度を、目標値に維持することができなくなる場合がある。この場合に、制御装置5は、フィードバック制御の制御対象を膨張弁16から冷却水回路3のポンプ21に変更し、ポンプ21の回転数を減少させる。これにより、ポンプ21の吐出量が減少するので、冷却水回路3を流れる単位時間当たりの冷却水流量が減少し、凝縮器14を流れる単位時間当たりの冷却水流量も減少する。凝縮器14を流れる冷却水の流量が減少すると、凝縮器14における冷媒の温度の低下が抑えられ、それに伴い、冷媒の圧力の低下も抑えられる。そのため、膨張弁16の前後の冷媒の圧力が上昇し、それに伴い、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度が上昇して、過熱度が減少することになる。言い換えると、制御装置5は、図4のS6の判定処理において「Yes」の判定をする場合、S8の処理として、冷却水回路3を流れる単位時間当たりの冷却水流量が減少させて、凝縮器14による冷却の能力を意図的に低下させるようにしている。
(Action and Effects)
According to the above-described embodiment, in the cooling system 1, when the control device 5 judges "Yes" in the judgment process of S6 in Fig. 4, in other words, in the cooling system 1, the temperature of the cooling water flowing into the condenser 14 decreases, and the pressure of the refrigerant condensed by the condenser 14 decreases, and even if the opening degree of the expansion valve 16 is set to the maximum opening degree, the superheat degree, which is a controlled variable, may not be maintained at a target value. In this case, the control device 5 changes the control target of the feedback control from the expansion valve 16 to the pump 21 of the cooling water circuit 3 and reduces the rotation speed of the pump 21. As a result, the discharge amount of the pump 21 decreases, so the flow rate of the cooling water per unit time flowing through the cooling water circuit 3 decreases, and the flow rate of the cooling water per unit time flowing through the condenser 14 also decreases. When the flow rate of the cooling water flowing through the condenser 14 decreases, the decrease in the temperature of the refrigerant in the condenser 14 is suppressed, and accordingly, the decrease in the pressure of the refrigerant is also suppressed. As a result, the pressure of the refrigerant before and after the expansion valve 16 increases, and accordingly the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16 increases, and the degree of superheat decreases. In other words, when the control device 5 judges "Yes" in the judgment process of S6 in Fig. 4, it reduces the flow rate of the cooling water per unit time flowing through the cooling water circuit 3 in the process of S8, thereby intentionally lowering the cooling capacity of the condenser 14.

その結果、本実施形態の冷却システム1の場合、図3(b)に示すタイミング50より左側の部分において過熱度が増加することなく、目標値に維持されるため、過熱度の変化は、図3(b)の過熱度特性54に替えて、図5(b)の過熱度特性54aが示す変化になる。同様に、膨張弁16の前後の冷媒の飽和温度の変化は、タイミング50より左側の部分において膨張弁16の前後の冷媒の飽和温度が低下して露点温度に至るのではなく、一定値に維持されるため、図3(a)の飽和温度特性51,52に替えて、図5(a)の飽和温度特性51a,52aが示す変化になる。なお、飽和温度特性51aが、膨張弁16の入口の冷媒の飽和温度に対応し、飽和温度特性52aが、膨張弁16の出口の冷媒の飽和温度に対応する。単位時間当たりの冷却水流量の変化は、タイミング50より左側の部分において単位時間当たりの冷却水の流量が減少するため、図3(c)の冷却水流量特性55に替えて、図5(c)の冷却水流量特性55aが示す変化になる。 As a result, in the case of the cooling system 1 of this embodiment, since the degree of superheat does not increase in the portion to the left of the timing 50 shown in FIG. 3(b) and is maintained at the target value, the change in the degree of superheat is shown by the superheat characteristic 54a in FIG. 5(b) instead of the superheat characteristic 54 in FIG. 3(b). Similarly, the change in the saturation temperature of the refrigerant before and after the expansion valve 16 is shown by the saturation temperature characteristics 51a and 52a in FIG. 5(a) instead of the saturation temperature characteristics 51 and 52 in FIG. 3(a) since the saturation temperature of the refrigerant before and after the expansion valve 16 is maintained at a constant value rather than decreasing to the dew point temperature in the portion to the left of the timing 50. Note that the saturation temperature characteristic 51a corresponds to the saturation temperature of the refrigerant at the inlet of the expansion valve 16, and the saturation temperature characteristic 52a corresponds to the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion valve 16. The change in the cooling water flow rate per unit time decreases in the portion to the left of timing 50, so the change is as shown by the cooling water flow rate characteristic 55a in FIG. 5(c) instead of the cooling water flow rate characteristic 55 in FIG. 3(c).

したがって、本実施形態の冷却システム1を用いることにより、外気の温度が低下した場合であっても、結露を発生させることなく、所望の温度で、蒸発器11において冷媒を蒸発させることができる。これにより、例えば、データセンタのサーバラックの冷却や、電子回路の半導体素子の冷却に対して、本実施形態の冷却システム1を用いれば、ショート等の発生を防ぐために、防水加工を行ったり、蒸発器11の設置位置に制約を設けたりする必要もなくなる。 Therefore, by using the cooling system 1 of this embodiment, even if the outside air temperature drops, the refrigerant can be evaporated in the evaporator 11 at the desired temperature without causing condensation. As a result, if the cooling system 1 of this embodiment is used to cool server racks in a data center or semiconductor elements in an electronic circuit, for example, there is no need to waterproof or restrict the installation location of the evaporator 11 to prevent short circuits, etc.

(冷却システムの他の構成例)
上記した実施形態では、制御装置5は、フィードバック制御における制御量を、過熱度としている。ところで、図3(b)の過熱度特性54において、タイミング50より左側の部分において、過熱度が増加する理由は、図3(a)の飽和温度特性52が示すように、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度が低下するためである。したがって、制御装置5は、フィードバック制御における制御量を、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度とし、目標値を、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値としてフィードバック制御を行ったとしても、制御量を過熱度とする場合と同様の効果が得られることになる。ここで、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値とは、例えば、図3(a)の飽和温度特性52において、タイミング50よりも右側の部分に示される一定値である。
(Another configuration example of the cooling system)
In the above embodiment, the control device 5 uses the degree of superheat as the controlled variable in the feedback control. Incidentally, the reason why the degree of superheat increases in the portion to the left of the timing 50 in the superheat degree characteristic 54 in FIG. 3B is because the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 decreases as shown in the saturation temperature characteristic 52 in FIG. 3A. Therefore, even if the control device 5 performs feedback control with the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 as the controlled variable in the feedback control and the target value as a target value previously set for the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11, the same effect as when the controlled variable is the degree of superheat can be obtained. Here, the previously set target value for the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11 is, for example, a constant value shown in the portion to the right of the timing 50 in the saturation temperature characteristic 52 in FIG. 3A.

この場合、冷却システム1の検出装置40は、温度センサ41を備える必要はなく、圧力センサ42のみを備えればよいことになる。したがって、この場合、検出装置40が検出する冷媒の蒸発温度に関連する検出値とは、配管101内の冷媒の圧力の値になる。制御装置5は、図4のS1の処理において、圧力センサ42が出力する圧力の値を取得し、S2の処理において、過熱度を算出することに替えて、関数に圧力の値を代入して冷媒の飽和温度を算出して制御量とする。制御装置5は、S3,S4,S5,S7,S8の処理において、制御量を、冷媒の飽和温度とし、目標値を、蒸発器11の出口の冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値として、処理を行うことになる。 In this case, the detection device 40 of the cooling system 1 does not need to include a temperature sensor 41, and only needs to include a pressure sensor 42. Therefore, in this case, the detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant detected by the detection device 40 is the pressure value of the refrigerant in the pipe 101. In the process of S1 in FIG. 4, the control device 5 acquires the pressure value output by the pressure sensor 42, and in the process of S2, instead of calculating the degree of superheat, substitutes the pressure value into a function to calculate the saturation temperature of the refrigerant and sets it as the controlled variable. In the processes of S3, S4, S5, S7, and S8, the control device 5 performs processing with the saturation temperature of the refrigerant as the controlled variable and the target value as a target value that is predetermined for the saturation temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator 11.

上記した実施形態では、制御装置5は、フィードバック制御における制御量を、過熱度としている。ところで、一般的に、冷媒回路2において、膨張弁16の下流から蒸発器11の中間部までの範囲では、冷媒が気液二相の状態で存在する。そのため、当該範囲における冷媒の温度を過熱度の算出に用いる飽和温度とみなすことができる。したがって、例えば、図6に示す冷却システム1aを用いて、制御量となる過熱度を算出するようにしてもよい。冷却システム1aにおいて、冷媒回路2aは、図1の冷媒回路2において、検出装置40を検出装置40aに置き換え、制御装置5を制御装置5aに置き換えた構成を備える。検出装置40aは、温度センサ41と、温度センサ43とを備える。温度センサ43は、上記したように、膨張弁16の下流から蒸発器11の中間部までの範囲であれば、どの箇所の冷媒の温度を検出してもよいが、図6では、配管112内の冷媒の温度を検出する一例を示している。制御装置5aは、圧力センサ42が検出する圧力から冷媒の飽和温度を算出することに替えて、温度センサ43が検出した温度を、冷媒の飽和温度とする他は、制御装置5と同一の構成を備える。すなわち、制御装置5aは、図4のS1の処理において、温度センサ41と、温度センサ43とが出力する温度の値を取得し、S2の処理において、温度センサ41が検出した温度から、温度センサ43が検出した冷媒の飽和温度を減算することにより得られる減算値を過熱度とし、この過熱度を制御量としてS3以降の処理を行うことになる。 In the above embodiment, the control device 5 uses the degree of superheat as the controlled variable in the feedback control. Generally, in the refrigerant circuit 2, the refrigerant exists in a gas-liquid two-phase state in the range from the downstream of the expansion valve 16 to the middle part of the evaporator 11. Therefore, the temperature of the refrigerant in this range can be regarded as the saturation temperature used to calculate the degree of superheat. Therefore, for example, the cooling system 1a shown in FIG. 6 may be used to calculate the degree of superheat, which is the controlled variable. In the cooling system 1a, the refrigerant circuit 2a has a configuration in which the detection device 40 in the refrigerant circuit 2 of FIG. 1 is replaced with the detection device 40a, and the control device 5 is replaced with the control device 5a. The detection device 40a includes a temperature sensor 41 and a temperature sensor 43. As described above, the temperature sensor 43 may detect the temperature of the refrigerant at any point in the range from the downstream of the expansion valve 16 to the middle part of the evaporator 11, but FIG. 6 shows an example of detecting the temperature of the refrigerant in the pipe 112. The control device 5a has the same configuration as the control device 5, except that the temperature detected by the temperature sensor 43 is used as the saturation temperature of the refrigerant instead of calculating the saturation temperature of the refrigerant from the pressure detected by the pressure sensor 42. That is, the control device 5a acquires the temperature values output by the temperature sensors 41 and 43 in the process of S1 in FIG. 4, and in the process of S2, the control device 5a subtracts the saturation temperature of the refrigerant detected by the temperature sensor 43 from the temperature detected by the temperature sensor 41 to obtain the degree of superheat, and performs the process from S3 onward using this degree of superheat as a control amount.

図6に示す冷却システム1aの場合にも、温度センサ43が検出する飽和温度を制御量とし、目標値を、配管112内の冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値としてフィードバック制御を行ったとしても、制御量を過熱度とする場合と同様の効果が得られることになる。この場合、冷却システム1aの検出装置40aは、温度センサ41を備える必要はなく、温度センサ43のみを備えればよいことになる。したがって、この場合、検出装置40aが検出する冷媒の蒸発温度に関連する検出値とは、配管112内の冷媒の温度の値になる。制御装置5aは、図4のS1の処理において、温度センサ43が出力する温度の値を取得し、S2の処理において、温度センサ43から取得した温度、すなわち冷媒の飽和温度を制御量とする。制御装置5aは、S3,S4,S5,S7,S8の処理において、制御量を、冷媒の飽和温度とし、目標値を、配管112内の冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値として、処理を行うことになる。 In the case of the cooling system 1a shown in FIG. 6, even if feedback control is performed with the saturation temperature detected by the temperature sensor 43 as the controlled variable and the target value as the target value previously set for the saturation temperature of the refrigerant in the pipe 112, the same effect as when the controlled variable is the degree of superheat can be obtained. In this case, the detection device 40a of the cooling system 1a does not need to be equipped with the temperature sensor 41, and only the temperature sensor 43 is required. Therefore, in this case, the detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant detected by the detection device 40a is the temperature value of the refrigerant in the pipe 112. The control device 5a acquires the temperature value output by the temperature sensor 43 in the process of S1 in FIG. 4, and in the process of S2, the temperature acquired from the temperature sensor 43, i.e., the saturation temperature of the refrigerant, is the controlled variable. The control device 5a performs the processes in S3, S4, S5, S7, and S8 with the saturation temperature of the refrigerant as the controlled variable and the target value as the target value previously set for the saturation temperature of the refrigerant in the pipe 112.

(フリークーリング運転について)
図7(a)は、冷却システム1が、直膨運転を行う場合のモリエル線図(p-h(pressure-enthalpy)線図ともいう)であり、図7(b)は、冷却システム1が、フリークーリング運転を行う場合のモリエル線図である。なお、図7(a)と図7(b)において、モリエル線図に対して、温度を示すグラフを重ねて示している。図7(a)と図7(b)において、横軸は、冷媒のエンタルピーであり、右方向に向かってエンタルピーが大きくなることを示している。左側の縦軸は、冷媒の圧力であり、上方向に向かって冷媒の圧力が大きくなることを示している。右側の縦軸は、温度であり、上方向に向かって温度が大きくなることを示している。符号78で示す曲線は、飽和液線であり、符号79で示す曲線は、飽和ガス線である。符号70で示す実線の線分は、蒸発器11が設置されているデータセンタの室内の温度を示しており、符号71で示す一点鎖線の線分は、外気の温度を示している。なお、図7(a)と図7(b)の両方において、符号70で示す実線の線分によって示される右側の軸の温度の値、すなわち蒸発器11が設置されているデータセンタの室内の温度の値は、一致しているものとする。
(Free cooling operation)
FIG. 7(a) is a Mollier diagram (also called a p-h (pressure-enthalpy) diagram) when the cooling system 1 performs direct expansion operation, and FIG. 7(b) is a Mollier diagram when the cooling system 1 performs free cooling operation. In FIG. 7(a) and FIG. 7(b), a graph showing temperature is superimposed on the Mollier diagram. In FIG. 7(a) and FIG. 7(b), the horizontal axis is the enthalpy of the refrigerant, and indicates that the enthalpy increases toward the right. The vertical axis on the left side is the pressure of the refrigerant, and indicates that the pressure of the refrigerant increases toward the upward direction. The vertical axis on the right side is the temperature, and indicates that the temperature increases toward the upward direction. The curve indicated by the reference numeral 78 is a saturated liquid line, and the curve indicated by the reference numeral 79 is a saturated gas line. The solid line indicated by the reference numeral 70 indicates the temperature inside the data center where the evaporator 11 is installed, and the dashed line indicated by the reference numeral 71 indicates the temperature of the outside air. In both Figures 7(a) and 7(b), the temperature value on the right axis indicated by the solid line segment indicated by the symbol 70, i.e., the temperature value inside the data center in which the evaporator 11 is installed, is assumed to be the same.

図7(a)に示す符号70で示す実線の線分、及び符号71で示す一点鎖線の線分の位置から分かるように、図7(a)は、データセンタの室内の温度よりも、外気の温度が高くなっている場合を示している。この場合、直膨運転が行われる。直膨運転が行われる場合、図7(a)の矢印81で示すように、気体の冷媒は、圧縮機13による圧縮により昇圧されて高圧になる。高圧になった冷媒は、矢印82に示すように、凝縮器14において冷却水との間の熱交換により、凝縮して液体になる。高圧の液体の冷媒は、矢印83で示すように、膨張弁16によって減圧されて冷媒の飽和温度が低下し、矢印84で示すように、蒸発器11において蒸発して気体になる。したがって、直膨運転では、矢印81~84で示すサイクルで冷媒は変化する。 As can be seen from the positions of the solid line segment indicated by the symbol 70 and the dashed line segment indicated by the symbol 71 in FIG. 7(a), FIG. 7(a) shows a case where the temperature of the outside air is higher than the temperature inside the data center. In this case, direct expansion operation is performed. When direct expansion operation is performed, as shown by the arrow 81 in FIG. 7(a), the gaseous refrigerant is compressed by the compressor 13 and becomes high pressure. As shown by the arrow 82, the high-pressure refrigerant is condensed into liquid by heat exchange with the cooling water in the condenser 14. As shown by the arrow 83, the high-pressure liquid refrigerant is depressurized by the expansion valve 16 to lower the saturation temperature of the refrigerant, and as shown by the arrow 84, it evaporates into gas in the evaporator 11. Therefore, in direct expansion operation, the refrigerant changes in the cycle shown by the arrows 81 to 84.

図7(b)に示す符号70で示す実線の線分、及び符号71で示す一点鎖線の線分の位置から分かるように、図7(b)は、データセンタの室内の温度よりも、外気の温度が低くなっている場合を示している。この場合、フリークーリング運転が行われる。フリークーリング運転が行われる場合、冷却水回路3を流れる冷却水の温度は、外気によって冷却されているため、蒸発器11が設置されるデータセンタの室内の温度よりも低くなる。そのため、蒸発器11から流出する気体の冷媒は、圧縮機13によって圧縮されなくても、凝縮器14によって冷却されるだけで、凝縮して液体になる。更に、膨張弁16によって減圧されなくても、蒸発器11において所望の温度で蒸発する。そのため、フリークーリング運転の場合に、冷媒が流れる経路上の配管101,121、105~107、122,123,109,124,112による圧力損失等を補償し、蒸発器11において冷媒が所望の温度で蒸発するようにするだけの圧力を、ポンプ17によって加えさせすれば、直膨運転の場合よりも、低消費電力で、データセンタの室内の温度上昇を抑えることが可能になる。 As can be seen from the positions of the solid line segment indicated by the symbol 70 and the dashed line segment indicated by the symbol 71 in FIG. 7(b), FIG. 7(b) shows a case where the outside air temperature is lower than the temperature inside the data center. In this case, free cooling operation is performed. When free cooling operation is performed, the temperature of the cooling water flowing through the cooling water circuit 3 is cooled by the outside air, and is therefore lower than the temperature inside the data center in which the evaporator 11 is installed. Therefore, the gaseous refrigerant flowing out from the evaporator 11 condenses and becomes liquid simply by being cooled by the condenser 14, without being compressed by the compressor 13. Furthermore, it evaporates at the desired temperature in the evaporator 11, even without being depressurized by the expansion valve 16. Therefore, in the case of free cooling operation, if the pressure loss caused by the pipes 101, 121, 105-107, 122, 123, 109, 124, and 112 on the path through which the refrigerant flows is compensated for and the pump 17 applies enough pressure to evaporate the refrigerant at the desired temperature in the evaporator 11, it becomes possible to suppress the rise in temperature inside the data center with less power consumption than in the case of direct expansion operation.

フリークーリング運転の場合、矢印85で示すように、冷媒は、ポンプ17によって、昇圧された後、矢印86で示すように、蒸発器11において蒸発して気体になる。気体になった冷媒は、矢印87で示すように、凝縮器14において冷却水との間の熱交換によって、凝縮して液体になる。したがって、フリークーリング運転においては、矢印85~87で示すサイクルで冷媒は変化する。 In the case of free cooling operation, the refrigerant is pressurized by pump 17 as shown by arrow 85, and then evaporates into gas in evaporator 11 as shown by arrow 86. The gaseous refrigerant is condensed into liquid through heat exchange with cooling water in condenser 14 as shown by arrow 87. Therefore, in free cooling operation, the refrigerant changes in the cycle shown by arrows 85 to 87.

冷却システム1において、直膨運転と、フリークーリング運転との切り替えは、制御装置5によって行われる。冷却システム1は、図示しない冷却水の温度を検出する冷却水用温度センサを、例えば、凝縮器14と、配管132とが接続する付近に備えており、制御装置5は、冷却水用温度センサが、例えば、一定の間隔で検出する冷却水の温度を取得する。制御装置5は、冷却水用温度センサが検出する冷却水の温度と、冷却システム1に対して要求される冷却能力とに基づいて、直膨運転からフリークーリング運転への切り替えを行うか否かを判定する。制御装置5が、フリークーリング運転への切り替えを行うと判定した場合、三方弁31~36に対して切り替え用の指令値を出力して、冷媒回路2の経路を、上記したフリークーリング運転が行われる際の経路に切り替える。その上で、制御装置5は、直膨運転のフィードバック制御に替えて、フリークーリング運転のフィードバック制御を行う。 In the cooling system 1, the direct expansion operation and the free cooling operation are switched by the control device 5. The cooling system 1 is provided with a cooling water temperature sensor (not shown) for detecting the temperature of the cooling water, for example, near the connection between the condenser 14 and the pipe 132, and the control device 5 acquires the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature sensor, for example, at regular intervals. The control device 5 determines whether to switch from the direct expansion operation to the free cooling operation based on the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature sensor and the cooling capacity required for the cooling system 1. When the control device 5 determines to switch to the free cooling operation, it outputs a switching command value to the three-way valves 31 to 36 to switch the path of the refrigerant circuit 2 to the path when the above-mentioned free cooling operation is performed. Then, the control device 5 performs feedback control of the free cooling operation instead of the feedback control of the direct expansion operation.

フリークーリング運転の場合に、制御装置5が行うフィードバック制御は、直膨運転の場合と同様に、温度センサ41から取得する温度と、圧力センサ42から取得する圧力とに基づいて算出する過熱度を制御量とし、制御量を、過熱度に対して予め定められる目標値に維持する制御であってもよいし、圧力センサ42から取得する圧力に基づいて算出する冷媒の飽和温度を、冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値に維持する制御であってもよい。フリークーリング運転の場合に、制御装置5は、図4のS8に示す処理に相当する処理、すなわち制御量が目標値になるように、ポンプ21の回転数を調節するフィードバック制御を行うようにしてもよいし、行わないようにしてもよい。ポンプ21の回転数を調節するフィードバック制御を行わない場合、例えば、制御装置5は、冷却水回路3のポンプ21に対して、フリークーリング運転に切り替える前の直膨運転の際のポンプ21の回転数を維持する指令値を出力するようにしてもよいし、直膨運転において図4のS8の処理を行っている場合は、ポンプ21の回転数を、S8の処理を行う前のポンプ21の回転数に戻す指令値を出力するようにしてもよいし、ポンプ21の回転数を、予め定められる回転数にする指令値を出力するようにしてもよい。 In the case of free cooling operation, the feedback control performed by the control device 5 may be, as in the case of direct expansion operation, a control amount in which the degree of superheat calculated based on the temperature acquired from the temperature sensor 41 and the pressure acquired from the pressure sensor 42 is used as a control amount, and the control amount may be a control in which the degree of superheat is maintained at a predetermined target value, or a control in which the saturation temperature of the refrigerant calculated based on the pressure acquired from the pressure sensor 42 is maintained at a predetermined target value for the saturation temperature of the refrigerant. In the case of free cooling operation, the control device 5 may or may not perform a process equivalent to the process shown in S8 of FIG. 4, that is, a feedback control that adjusts the rotation speed of the pump 21 so that the control amount becomes the target value. When feedback control for adjusting the rotation speed of the pump 21 is not performed, for example, the control device 5 may output a command value to the pump 21 of the cooling water circuit 3 to maintain the rotation speed of the pump 21 during direct expansion operation before switching to free cooling operation, or when processing S8 in FIG. 4 is performed during direct expansion operation, output a command value to return the rotation speed of the pump 21 to the rotation speed of the pump 21 before processing S8 was performed, or output a command value to set the rotation speed of the pump 21 to a predetermined rotation speed.

上記したように、直膨運転からフリークーリング運転への切り替えは、冷却水の温度と、冷却システム1に対して要求される冷却能力とに基づいて判定される。図8は、冷却水の温度と、冷却能力と、直膨運転と、フリークーリング運転との関係を示すグラフの一例である。図8において、横軸は、冷却能力であり、右方向に向かって冷却能力が大きくなることを示している。縦軸は、冷却水の温度であり、上方向に向かって冷却水の温度が大きくなることを示している。符号210で示す冷却能力の値が、冷却システム1に要求される最小の冷却能力を示す値であり、符号211で示す冷却能力の値が、冷却システム1に要求される最大の冷却能力を示す値である。 As described above, the switch from direct expansion operation to free cooling operation is determined based on the cooling water temperature and the cooling capacity required for the cooling system 1. FIG. 8 is an example of a graph showing the relationship between the cooling water temperature, cooling capacity, direct expansion operation, and free cooling operation. In FIG. 8, the horizontal axis is the cooling capacity, and indicates that the cooling capacity increases toward the right. The vertical axis is the cooling water temperature, and indicates that the cooling water temperature increases toward the top. The value of the cooling capacity indicated by the reference symbol 210 is a value indicating the minimum cooling capacity required for the cooling system 1, and the value of the cooling capacity indicated by the reference symbol 211 is a value indicating the maximum cooling capacity required for the cooling system 1.

この場合に、符号200で示す線が、直膨運転を行う必要がある領域と、フリークーリング運転を行うのが好ましい領域の境界線(以下、境界線200という)になる。境界線200よりも上の領域が、直膨運転を行う必要がある領域であり、境界線200よりも下の領域が、フリークーリング運転を行うのが好ましい領域である。フリークーリング運転を行うのが好ましい領域において、直膨運転が可能であれば、直膨運転が行われてもよい。上記した、図4のS8の処理に示す冷却水回路3のポンプ21を制御対象とするフィードバック制御は、境界線200を超えて直膨運転の領域を拡張し、フリークーリング運転を行うのが好ましい領域において、直膨運転が可能な領域を増加させる処理ということもできる。 In this case, the line indicated by the symbol 200 is the boundary between the region where direct expansion operation is necessary and the region where free cooling operation is preferable (hereinafter referred to as boundary 200). The region above boundary 200 is the region where direct expansion operation is necessary, and the region below boundary 200 is the region where free cooling operation is preferable. If direct expansion operation is possible in the region where free cooling operation is preferable, direct expansion operation may be performed. The feedback control of the pump 21 of the cooling water circuit 3 as the control target shown in the process of S8 in FIG. 4 described above can also be said to be a process that extends the region of direct expansion operation beyond boundary 200 and increases the region where direct expansion operation is possible in the region where free cooling operation is preferable.

直膨運転を行う必要がある領域と、フリークーリング運転を行うのが好ましい領域との関係が、図8のようになっていることから、例えば、冷却システム1に対して要求される冷却能力は一定であるが、冷却水の温度が一定の範囲に留まらずに、境界線200にまたがって変化をしている状態になる可能性がある。この場合、制御装置5が、境界線200を基準にして、直膨運転と、フリークーリング運転との切り替えを判定すると、直膨運転と、フリークーリング運転とが頻繁に切り替わるという不安定な状態になる。 Since the relationship between the region where direct expansion operation is necessary and the region where free cooling operation is preferable is as shown in FIG. 8, for example, the cooling capacity required of the cooling system 1 is constant, but the cooling water temperature may not remain within a constant range but may change across the boundary line 200. In this case, if the control device 5 determines whether to switch between direct expansion operation and free cooling operation based on the boundary line 200, an unstable state will result in frequent switching between direct expansion operation and free cooling operation.

そこで、例えば、制御装置5は、境界線200に基づいて、その時点で冷却システム1に対して要求されている冷却能力に対応する冷却水の温度を検出し、所定時間内の冷却水の温度の最大値が、検出した温度以下の温度になるという条件を満たすまで、直膨運転を行うようにする。上記したように、本実施形態の冷却システム1では、膨張弁16の開度が最大開度になっても、ポンプ21の回転数を減少させることができる間は、直膨運転を行うことができるようになっているので、上記の条件を満たす程度であれば、直膨運転を行うことが可能である。その上で、制御装置5は、当該条件を満たした場合に、直膨運転からフリークーリング運転に切り替える。このようにすれば、直膨運転と、フリークーリング運転とが頻繁に切り替わるという不安定な状態になることを軽減することができる。 Therefore, for example, the control device 5 detects the temperature of the cooling water corresponding to the cooling capacity required for the cooling system 1 at that time based on the boundary line 200, and performs direct expansion operation until the condition that the maximum value of the cooling water temperature within a predetermined time is equal to or lower than the detected temperature is satisfied. As described above, in the cooling system 1 of this embodiment, even if the opening degree of the expansion valve 16 is at the maximum opening degree, direct expansion operation can be performed as long as the rotation speed of the pump 21 can be reduced, so that direct expansion operation can be performed to the extent that the above condition is satisfied. Then, when the condition is satisfied, the control device 5 switches from direct expansion operation to free cooling operation. In this way, it is possible to reduce an unstable state in which direct expansion operation and free cooling operation are frequently switched between.

また、制御装置5が、境界線200を基準として、直膨運転からフリークーリング運転に切り替えた場合に、キャビテーション、脈動、及び冷媒回路内のヘッド差による逆流などによって、ポンプ17が、動作しない場合がある。このような場合でも、本実施形態の冷却システム1では、境界線200を超えて、直膨運転を行うことが可能になっているので、制御装置5は、フリークーリング運転に切り替えた後に、ポンプ17が動作しないことを検出した場合、再び、直膨運転に戻して運用を継続することができる。その上で、直膨運転での運用を行いつつ、冷却システム1の運用者が、ポンプ17が動作しなかった原因を調べるといったことが可能になる。 In addition, when the control device 5 switches from direct expansion operation to free cooling operation based on the boundary line 200, the pump 17 may not operate due to cavitation, pulsation, and backflow due to head differences in the refrigerant circuit. Even in such cases, the cooling system 1 of this embodiment is capable of performing direct expansion operation beyond the boundary line 200, so if the control device 5 detects that the pump 17 is not operating after switching to free cooling operation, it can return to direct expansion operation and continue operation. Then, while operating in direct expansion operation, the operator of the cooling system 1 can investigate the cause of the pump 17 not operating.

なお、上記した、図6に示す冷却システム1aに対して、上記した冷却システム1が行うフリークーリング運転をさせてもよい。この場合に、制御装置5aが行うフィードバック制御は、直膨運転の場合と同様に、制御装置5aが、温度センサ41から取得する温度と、温度センサ43から取得する飽和温度とに基づいて算出する過熱度を制御量とし、制御量を、過熱度に対して予め定められる目標値に維持する制御であってもよいし、温度センサ43から取得する冷媒の飽和温度を、冷媒の飽和温度に対して予め定められる目標値に維持する制御であってもよい。 The cooling system 1a shown in FIG. 6 may be operated in the free cooling mode as described above. In this case, the feedback control performed by the control device 5a may be, as in the case of the direct expansion operation, a control amount calculated by the control device 5a based on the temperature acquired from the temperature sensor 41 and the saturation temperature acquired from the temperature sensor 43, and the control amount may be maintained at a predetermined target value for the superheat, or the saturation temperature of the refrigerant acquired from the temperature sensor 43 may be maintained at a predetermined target value for the saturation temperature of the refrigerant.

(その他の構成例)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
(Other configuration examples)
Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and design changes and the like that do not depart from the gist of the present disclosure are also included.

例えば、上記した実施形態では、冷却水回路3を流れるのは、水としているが、水以外の冷却用流体、すなわち不凍液などの冷却用の液体や冷媒であってもよい。 For example, in the above embodiment, water flows through the coolant circuit 3, but it may be a cooling fluid other than water, i.e., a cooling liquid such as antifreeze or a refrigerant.

上記の実施形態では、温度センサ41と、圧力センサ42とを配管101の内部の冷媒の状態を検出できるように設置しているが、温度センサ41と、圧力センサ42とを設置する位置は、配管101に限られず、蒸発器11の出口から、圧縮機13の入口までの間であれば、どの位置に設置するようにしてもよく、例えば、温度センサ41が、配管103に設置され、圧力センサ42が、配管101に設置されるなど、それぞれが異なる位置に設置されるようにしてもよい。 In the above embodiment, the temperature sensor 41 and the pressure sensor 42 are installed so as to detect the state of the refrigerant inside the pipe 101, but the positions at which the temperature sensor 41 and the pressure sensor 42 are installed are not limited to the pipe 101, and they may be installed at any position between the outlet of the evaporator 11 and the inlet of the compressor 13. For example, the temperature sensor 41 may be installed in the pipe 103, and the pressure sensor 42 may be installed in the pipe 101, and so on, and each may be installed at a different position.

なお、上記した過熱度は、温度センサ41が検出した配管101内の冷媒の温度から、圧力センサ42が検出した配管101内の冷媒の圧力から算出される冷媒の飽和温度を減算して得られる減算値であり、蒸発器11の出口における過熱度を示している。圧縮機13は、一般的に、蒸発器11と同じ室内に設置されることから、配管101,102,103を流れる冷媒の温度は、ほぼ同一になる。また、上記したように、膨張弁16の出口から圧縮機13の入口に至る経路における冷媒の圧力も、ほぼ同一になる。したがって、温度センサ41と、圧力センサ42とを設置する位置を、蒸発器11の出口から、圧縮機13の入口までの任意の位置にしたとしても、ほぼ同一の過熱度が得られることになる。 The above-mentioned degree of superheat is a subtraction value obtained by subtracting the saturation temperature of the refrigerant calculated from the pressure of the refrigerant in the pipe 101 detected by the pressure sensor 42 from the temperature of the refrigerant in the pipe 101 detected by the temperature sensor 41, and indicates the degree of superheat at the outlet of the evaporator 11. Since the compressor 13 is generally installed in the same room as the evaporator 11, the temperature of the refrigerant flowing through the pipes 101, 102, and 103 is almost the same. Also, as described above, the pressure of the refrigerant in the path from the outlet of the expansion valve 16 to the inlet of the compressor 13 is also almost the same. Therefore, even if the temperature sensor 41 and the pressure sensor 42 are installed at any position from the outlet of the evaporator 11 to the inlet of the compressor 13, almost the same degree of superheat can be obtained.

上記の実施形態では、蒸発器11は、図2に示すように、サーバラック61と、送風機62との間に設置される例を一例として示しているが、例えば、蒸発器11は、電子回路基盤上の半導体素子に備えられる程度の大きさの蒸発器11であって、半導体素子の冷却に用いられる蒸発器11であってもよい。 In the above embodiment, the evaporator 11 is shown as being installed between the server rack 61 and the blower 62 as shown in FIG. 2, but the evaporator 11 may be, for example, an evaporator 11 of a size large enough to be installed in a semiconductor element on an electronic circuit board and used to cool the semiconductor element.

上記の実施形態において、制御装置5のフィードバック制御の制御対象として、冷却塔22のファンが含まれていてもよい。この場合、制御装置5は、例えば、凝縮器14の入口の冷却水の温度を、予め定められる目標値にする冷却塔22のファンの回転数を算出し、算出した回転数を指令値として、冷却塔22のファンに対して出力することになる。また、上記の実施形態において、冷却水を冷却する冷却機器は、冷却塔22に限られず、冷却塔22以外の冷却水を冷却する冷却機器を備えるようにしてもよいし、配管131と、配管132との間に、冷却水を貯留する貯留タンク等を挿入し、貯留タンク等において冷却水が外気と接触するようにして、外気によって自然に冷却水が冷却されるようにしてもよい。 In the above embodiment, the fan of the cooling tower 22 may be included as a control target of the feedback control of the control device 5. In this case, the control device 5 calculates the rotation speed of the fan of the cooling tower 22 that brings the temperature of the cooling water at the inlet of the condenser 14 to a predetermined target value, and outputs the calculated rotation speed as a command value to the fan of the cooling tower 22. In the above embodiment, the cooling equipment that cools the cooling water is not limited to the cooling tower 22, and a cooling equipment that cools the cooling water other than the cooling tower 22 may be provided, or a storage tank or the like that stores the cooling water may be inserted between the pipes 131 and 132, and the cooling water may come into contact with the outside air in the storage tank or the like, so that the cooling water is naturally cooled by the outside air.

上記の実施形態において、冷媒回路2は、直膨運転と、フリークーリング運転とを切り替えて行うことができる構成になっているが、直膨運転のみを行う構成になっていてもよい。すなわち、冷媒回路2は、三方弁31~36、配管121~124、及びポンプ17を備えず、三方弁31~36の各々の箇所が、各々に接続する2つの配管を直結する構成、例えば、三方弁31の場合、配管101と、配管102とが直結する構成になっていてもよい。また、冷媒回路2は、アキュムレータ12、及びレシーバ15の両方、または、何れか一方を備えない構成であってもよい。 In the above embodiment, the refrigerant circuit 2 is configured to be able to switch between direct expansion operation and free cooling operation, but it may be configured to perform only direct expansion operation. That is, the refrigerant circuit 2 may not include the three-way valves 31-36, the pipes 121-124, and the pump 17, and each of the three-way valves 31-36 may directly connect the two pipes connected to each of them, for example, in the case of the three-way valve 31, the pipes 101 and 102 may be directly connected. The refrigerant circuit 2 may also be configured to not include both or either of the accumulator 12 and the receiver 15.

上記の実施形態では、図4のS6の処理において、膨張弁16の開度に対して、予め定められる閾値に基づいて、膨張弁16の開度の調節が限界になっているか否かを判定するようにしている。これに対して、例えば、膨張弁16の入口、及び出口の各々の冷媒の圧力を検出する2つの圧力センサを備え、制御装置5が、2つの圧力センサの各々が検出する圧力の値が一致したと判定した場合、または、2つの圧力センサの各々が検出する圧力の値の差が、予め定められる所定値未満、または、以下になったと判定した場合に、膨張弁16の開度の調節が、限界になったと判定するようにしてもよい。 In the above embodiment, in the process of S6 in FIG. 4, it is determined whether the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has reached its limit based on a predetermined threshold value for the opening degree of the expansion valve 16. In contrast, for example, two pressure sensors are provided to detect the refrigerant pressure at the inlet and outlet of the expansion valve 16, and the control device 5 may determine that the adjustment of the opening degree of the expansion valve 16 has reached its limit when it determines that the pressure values detected by the two pressure sensors match, or when it determines that the difference between the pressure values detected by the two pressure sensors is less than or equal to a predetermined value.

上記の実施形態では、図4のS6の処理における閾値を、例えば、膨張弁16の最大開度としている。これに対して、閾値を、膨張弁16の最大開度よりも少し小さい開度としてもよい。例えば、制御装置5が、S6の処理において「No」の判定をして、S7の処理を行った結果、当該S7の処理によって、膨張弁16の開度を最大開度にしても、制御量が目標値にならないような状態になることも想定される。このような状態を回避するためには、S7の処理における膨張弁16の開度の調節量に余裕を与える必要があり、そのために、閾値を膨張弁16の最大開度よりも少し小さい開度としてもよい。この場合、S6の処理において、膨張弁16の開度が、最大開度になっていない場合でも、制御装置5は、閾値未満でなくなれば、膨張弁16の開度の調節が限界になったと判定することになる。なお、制御装置5は、S6の処理において、例えば、膨張弁16の開度が、閾値未満であるか否かという処理を行っているが、設定する閾値によっては、膨張弁16の開度が、閾値以下であるか否かという判定をするようにしてもよい。 In the above embodiment, the threshold value in the process of S6 in FIG. 4 is, for example, the maximum opening of the expansion valve 16. In contrast, the threshold value may be set to an opening slightly smaller than the maximum opening of the expansion valve 16. For example, it is assumed that the control device 5 judges "No" in the process of S6 and performs the process of S7, and as a result, even if the opening of the expansion valve 16 is set to the maximum opening by the process of S7, the control amount will not be the target value. In order to avoid such a state, it is necessary to provide a margin for the adjustment amount of the opening of the expansion valve 16 in the process of S7, and therefore the threshold value may be set to an opening slightly smaller than the maximum opening of the expansion valve 16. In this case, even if the opening of the expansion valve 16 is not the maximum opening in the process of S6, the control device 5 will judge that the adjustment of the opening of the expansion valve 16 has reached its limit if it is no longer less than the threshold. In the process of S6, the control device 5 performs processing to determine, for example, whether the opening degree of the expansion valve 16 is less than a threshold value. However, depending on the threshold value set, it may be possible to determine whether the opening degree of the expansion valve 16 is equal to or less than the threshold value.

上記の実施形態では、制御装置5は、ポンプ21に対する指令値として、ポンプ21の回転数を適用し、回転数によってポンプ21の吐出量を調節するようにしている。これに対して、ポンプ21の種類によっては、回転数以外のパラメータを指令値として、ポンプ21の吐出量を調節するようにしてもよい。 In the above embodiment, the control device 5 applies the rotation speed of the pump 21 as a command value for the pump 21, and adjusts the discharge volume of the pump 21 according to the rotation speed. In contrast, depending on the type of pump 21, a parameter other than the rotation speed may be used as a command value to adjust the discharge volume of the pump 21.

(コンピュータ構成)
図9は、上記した実施形態、及び上記した他の構成例などに示す他の実施形態の中の少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ90は、プロセッサ91、メインメモリ92、ストレージ93、および、インタフェース94を備える。
上述の制御装置5は、コンピュータ90に実装される。そして、上述した制御装置5の動作は、プログラムの形式でストレージ93に記憶されている。プロセッサ91は、プログラムをストレージ93から読み出してメインメモリ92に展開し、当該プログラムに従って、上記した図4に示す処理などの各処理を実行する。また、プロセッサ91は、プログラムに従って、例えば、上記した制御装置5の内部の記憶領域に対応する記憶領域をメインメモリ92に確保する。インタフェース94には、上記した制御線が接続し、例えば、検出装置40等が出力する検出値を受信したり、制御対象である圧縮機13、膨張弁16、ポンプ17,21に対して指令値を送信したりする。
(Computer Configuration)
FIG. 9 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one of the above-described embodiment and other embodiments shown in the above-described other configuration examples.
The computer 90 comprises a processor 91 , a main memory 92 , a storage 93 , and an interface 94 .
The above-mentioned control device 5 is implemented in a computer 90. The operation of the above-mentioned control device 5 is stored in a storage 93 in the form of a program. The processor 91 reads the program from the storage 93, expands it in the main memory 92, and executes each process such as the process shown in FIG. 4 according to the program. The processor 91 also secures, for example, a storage area in the main memory 92 corresponding to the storage area inside the above-mentioned control device 5 according to the program. The above-mentioned control lines are connected to the interface 94, and, for example, the interface 94 receives detection values output by the detection device 40 and the like, and transmits command values to the compressor 13, the expansion valve 16, and the pumps 17 and 21 that are to be controlled.

プログラムは、コンピュータ90に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてPLD(Programmable Logic Device)などのカスタムLSI(Large Scale Integrated Circuit)を備えてもよい。PLDの例としては、PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。 The program may be for realizing some of the functions to be performed by the computer 90. For example, the program may be for realizing the functions by combining with other programs already stored in the storage, or by combining with other programs implemented in other devices. In other embodiments, the computer may include a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as a PLD (Programmable Logic Device) in addition to or instead of the above configuration. Examples of PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), etc. In this case, some or all of the functions realized by the processor may be realized by the integrated circuit.

ストレージ93の例としては、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ93は、コンピュータ90のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース94または通信回線を介してコンピュータ90に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ90に配信される場合、配信を受けたコンピュータ90が当該プログラムをメインメモリ92に展開し、上記した図4に示す処理などの各処理を実行してもよい。上記の実施形態、及び他の実施形態の中の少なくとも1つの実施形態において、ストレージ93は、一時的でない有形の記憶媒体である。 Examples of the storage 93 include a hard disk drive (HDD), a solid state drive (SSD), a magnetic disk, a magneto-optical disk, a compact disc read only memory (CD-ROM), a digital versatile disc read only memory (DVD-ROM), and a semiconductor memory. The storage 93 may be an internal medium directly connected to the bus of the computer 90, or an external medium connected to the computer 90 via an interface 94 or a communication line. In addition, when the program is distributed to the computer 90 via a communication line, the computer 90 that receives the program may expand the program into the main memory 92 and execute each process such as the process shown in FIG. 4 above. In the above embodiment and at least one of the other embodiments, the storage 93 is a non-transitory tangible storage medium.

<付記>
上記の実施形態に記載の冷却システム1、1aは、例えば、以下のように把握される。
<Additional Notes>
The cooling systems 1 and 1a described in the above embodiments can be understood, for example, as follows.

(1)第1の態様に係る冷却システム1は、蒸発器11から流出する冷媒を圧縮する圧縮機13と、前記圧縮機が圧縮する冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させる凝縮器14と、前記凝縮器によって凝縮される冷媒を減圧する膨張弁16と、前記膨張弁が減圧する冷媒を蒸発させて熱交換させる前記蒸発器と、を有する冷媒回路2と、前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるポンプ21と、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出する検出装置40,40aと、前記検出装置が検出する前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節する制御装置5,5aと、を備える。本態様、及び以下の各態様によれば、外気の温度が低下した場合であっても、結露を発生させることなく、所望の温度で、蒸発器において冷媒を蒸発させることができる。 (1) The cooling system 1 according to the first aspect includes a refrigerant circuit 2 having a compressor 13 for compressing the refrigerant flowing out of an evaporator 11, a condenser 14 for condensing the refrigerant compressed by the compressor through heat exchange between the refrigerant and a cooling fluid, an expansion valve 16 for reducing the pressure of the refrigerant condensed by the condenser, and the evaporator for evaporating the refrigerant reduced by the expansion valve and exchanging heat therewith, a pump 21 for circulating the cooling fluid so that it is cooled by outside air while passing through the condenser, a detection device 40, 40a for detecting a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant, and a control device 5, 5a for adjusting the opening of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and adjusting the discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value when the adjustment of the opening of the expansion valve becomes a limit. According to this aspect and each of the following aspects, even if the temperature of the outside air drops, the refrigerant can be evaporated in the evaporator at a desired temperature without causing condensation.

(2)第2の態様に係る冷却システム1,1aは、(1)の冷却システム1,1aであって、前記膨張弁の開度に対して、前記膨張弁の調節の限界を示す閾値が予め定められており、前記制御装置5,5aは、前記膨張弁の開度と、前記閾値とに基づいて、前記膨張弁の開度の調節が限界になっているか否かを判定する。 (2) The cooling system 1, 1a according to the second aspect is the cooling system 1, 1a according to (1), in which a threshold indicating the limit of adjustment of the expansion valve is set in advance for the opening degree of the expansion valve, and the control device 5, 5a determines whether the adjustment of the opening degree of the expansion valve has reached its limit based on the opening degree of the expansion valve and the threshold.

(3)第3の態様に係る冷却システム1,1aは、(2)の冷却システム1,1aであって、前記閾値は、前記膨張弁の開度の最大開度である。 (3) The cooling system 1, 1a according to the third aspect is the cooling system 1, 1a according to (2), in which the threshold value is the maximum opening degree of the expansion valve.

(4)第4の態様に係る冷却システム1は、(1)から(3)の何れか1つに記載の冷却システム1であって、前記検出装置40は、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の温度と、圧力とを検出し、前記制御装置5は、前記冷媒の圧力から飽和温度を算出し、前記冷媒の温度から、算出した前記飽和温度を減算して過熱度を算出し、算出した過熱度を制御量とする。 (4) The cooling system 1 according to the fourth aspect is the cooling system 1 according to any one of (1) to (3), in which the detection device 40 detects the temperature and pressure of the refrigerant present between the evaporator and the compressor as detection values related to the evaporation temperature of the refrigerant, and the control device 5 calculates a saturation temperature from the pressure of the refrigerant, calculates the degree of superheat by subtracting the calculated saturation temperature from the temperature of the refrigerant, and sets the calculated degree of superheat as a control amount.

(5)第5の態様に係る冷却システム1は、(1)から(3)の何れか1つに記載の冷却システム1であって、前記検出装置40は、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の圧力を検出し、前記制御装置5は、前記冷媒の圧力から飽和温度を算出し、算出した飽和温度を制御量とする。 (5) The cooling system 1 according to the fifth aspect is the cooling system 1 according to any one of (1) to (3), in which the detection device 40 detects the pressure of the refrigerant present between the evaporator and the compressor as a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant, and the control device 5 calculates a saturation temperature from the pressure of the refrigerant and sets the calculated saturation temperature as a control quantity.

(6)第6の態様に係る冷却システム1aは、(1)から(3)の何れか1つに記載の冷却システム1aであって、前記検出装置40aは、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の第1温度と、前記膨張弁の下流から前記蒸発器の中間部までの間に存在する前記冷媒の第2温度とを検出し、前記制御装置5aは、前記第1温度から前記第2温度を減算して過熱度を算出し、算出した過熱度を制御量とする。 (6) The cooling system 1a according to the sixth aspect is the cooling system 1a according to any one of (1) to (3), in which the detection device 40a detects a first temperature of the refrigerant present between the evaporator and the compressor and a second temperature of the refrigerant present between the downstream of the expansion valve and the middle part of the evaporator as detection values related to the evaporation temperature of the refrigerant, and the control device 5a calculates the degree of superheat by subtracting the second temperature from the first temperature, and sets the calculated degree of superheat as a control amount.

(7)第7の態様に係る冷却システム1aは、(1)から(3)の何れか1つに記載の冷却システム1aであって、前記検出装置40aは、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記膨張弁の下流から前記蒸発器の中間部までの間に存在する前記冷媒の飽和温度を検出し、前記制御装置5aは、前記飽和温度を制御量とする。 (7) The cooling system 1a according to the seventh aspect is the cooling system 1a described in any one of (1) to (3), in which the detection device 40a detects the saturation temperature of the refrigerant present between the downstream of the expansion valve and the middle part of the evaporator as a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant, and the control device 5a uses the saturation temperature as a control variable.

1 冷却システム
2 冷媒回路
3 冷却水回路
5 制御装置
11 蒸発器
12 アキュムレータ
13 圧縮機
14 凝縮器
15 レシーバ
16 膨張弁
17,21 ポンプ
22 冷却塔
31~36 三方弁
40 検出装置
41 温度センサ
42 圧力センサ
101~112,121~124,131~133 配管
Reference Signs List 1 Cooling system 2 Refrigerant circuit 3 Cooling water circuit 5 Control device 11 Evaporator 12 Accumulator 13 Compressor 14 Condenser 15 Receiver 16 Expansion valve 17, 21 Pump 22 Cooling tower 31-36 Three-way valve 40 Detection device 41 Temperature sensor 42 Pressure sensors 101-112, 121-124, 131-133 Pipes

Claims (9)

蒸発器から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機が圧縮する冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮される冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁が減圧する冷媒を蒸発させて熱交換させる前記蒸発器と、を有する冷媒回路と、
前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるポンプと、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出する検出装置と、
前記検出装置が検出する前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節する制御装置と、
を備える冷却システム。
a compressor that compresses the refrigerant flowing out from the evaporator;
a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor by heat exchange between the refrigerant and a cooling fluid;
an expansion valve for reducing the pressure of the refrigerant condensed by the condenser;
a refrigerant circuit including the evaporator for evaporating the refrigerant decompressed by the expansion valve and exchanging heat therewith;
a pump that circulates the cooling fluid through the condenser so that the cooling fluid is cooled by outside air;
A detection device for detecting a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant;
a control device that adjusts an opening degree of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and adjusts a discharge amount of the pump when the adjustment of the opening degree of the expansion valve reaches a limit so that the control amount becomes the target value;
A cooling system comprising:
前記膨張弁の開度に対して、前記膨張弁の調節の限界を示す閾値が予め定められており、
前記制御装置は、
前記膨張弁の開度と、前記閾値とに基づいて、前記膨張弁の開度の調節が限界になっているか否かを判定する、
請求項1に記載の冷却システム。
A threshold value indicating a limit of adjustment of the expansion valve is determined in advance for the opening degree of the expansion valve,
The control device includes:
determining whether or not the adjustment of the opening degree of the expansion valve has reached its limit based on the opening degree of the expansion valve and the threshold value;
The cooling system of claim 1 .
前記閾値は、前記膨張弁の開度の最大開度である、
請求項2に記載の冷却システム。
The threshold value is a maximum opening degree of the expansion valve.
The cooling system of claim 2 .
前記検出装置は、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の温度と、圧力とを検出し、
前記制御装置は、
前記冷媒の圧力から飽和温度を算出し、
前記冷媒の温度から、算出した前記飽和温度を減算して過熱度を算出し、算出した過熱度を制御量とする、
請求項1に記載の冷却システム。
The detection device includes:
Detecting a temperature and a pressure of the refrigerant present between the evaporator and the compressor as a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant;
The control device includes:
Calculating a saturation temperature from the pressure of the refrigerant;
Calculating a degree of superheat by subtracting the calculated saturation temperature from the temperature of the refrigerant, and setting the calculated degree of superheat as a control variable.
The cooling system of claim 1 .
前記検出装置は、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の圧力を検出し、
前記制御装置は、
前記冷媒の圧力から飽和温度を算出し、算出した飽和温度を制御量とする、
請求項1に記載の冷却システム。
The detection device includes:
detecting a pressure of the refrigerant present between the evaporator and the compressor as a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant;
The control device includes:
A saturation temperature is calculated from the pressure of the refrigerant, and the calculated saturation temperature is set as a control variable.
The cooling system of claim 1 .
前記検出装置は、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記蒸発器と前記圧縮機の間に存在する前記冷媒の第1温度と、前記膨張弁の下流から前記蒸発器の中間部までの間に存在する前記冷媒の第2温度とを検出し、
前記制御装置は、
前記第1温度から前記第2温度を減算して過熱度を算出し、算出した過熱度を制御量とする、
請求項1に記載の冷却システム。
The detection device includes:
detecting a first temperature of the refrigerant present between the evaporator and the compressor and a second temperature of the refrigerant present between a downstream of the expansion valve and an intermediate portion of the evaporator as detection values related to an evaporation temperature of the refrigerant;
The control device includes:
calculating a degree of superheat by subtracting the second temperature from the first temperature, and setting the calculated degree of superheat as a controlled variable;
The cooling system of claim 1 .
前記検出装置は、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値として、前記膨張弁の下流から前記蒸発器の中間部までの間に存在する前記冷媒の飽和温度を検出し、
前記制御装置は、
前記飽和温度を制御量とする、
請求項1に記載の冷却システム。
The detection device includes:
detecting a saturation temperature of the refrigerant present between the downstream of the expansion valve and a middle portion of the evaporator as a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant;
The control device includes:
The saturation temperature is a control variable.
The cooling system of claim 1 .
圧縮機が、蒸発器から流出する冷媒を圧縮するステップと、
凝縮器が、前記圧縮機が圧縮した冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させるステップと、
膨張弁が、前記凝縮器によって凝縮された冷媒を減圧するステップと、
前記蒸発器が、前記膨張弁が減圧した冷媒を蒸発させて熱交換させるステップと、
ポンプが、前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるステップと、
検出装置が、前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出するステップと、
制御装置が、前記検出装置が検出した前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節するステップと、
を含む冷却方法。
A compressor compresses the refrigerant flowing from the evaporator;
A step in which a condenser condenses the refrigerant compressed by the compressor by heat exchange between the refrigerant and a cooling fluid;
an expansion valve decompressing the refrigerant condensed by the condenser;
A step in which the evaporator evaporates the refrigerant decompressed by the expansion valve and exchanges heat;
a pump circulating the cooling fluid through the condenser so that the cooling fluid is cooled by outside air;
A detection device detects a detection value related to an evaporation temperature of the refrigerant;
a control device adjusting an opening degree of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and when the adjustment of the opening degree of the expansion valve reaches a limit, adjusting a discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value;
A cooling method comprising:
蒸発器から流出する冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機が圧縮する冷媒を冷却用流体との間で熱交換させて凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮される冷媒を減圧する膨張弁と、
前記膨張弁が減圧する冷媒を蒸発させて熱交換させる前記蒸発器と、を有する冷媒回路と、
前記冷却用流体を、前記凝縮器を経由しつつ、外気によって冷却されるように循環させるポンプと、
前記冷媒の蒸発温度に関連する検出値を検出する検出装置と、を備える冷却システムに、更に備えられる制御装置として機能するコンピュータに、
前記検出装置が検出した前記検出値から得られる制御量が、当該制御量に対して定められる目標値になるように前記膨張弁の開度を調節し、前記膨張弁の開度の調節が限界になった場合、前記制御量が前記目標値になるように前記ポンプの吐出量を調節する手順、
を実行させるためのプログラム。
a compressor that compresses the refrigerant flowing out from the evaporator;
a condenser that condenses the refrigerant compressed by the compressor by heat exchange between the refrigerant and a cooling fluid;
an expansion valve for reducing the pressure of the refrigerant condensed by the condenser;
a refrigerant circuit including the evaporator for evaporating the refrigerant decompressed by the expansion valve and exchanging heat therewith;
a pump that circulates the cooling fluid through the condenser so that the cooling fluid is cooled by outside air;
a detection device for detecting a detection value related to the evaporation temperature of the refrigerant; and a computer functioning as a control device further provided in the cooling system,
a step of adjusting an opening degree of the expansion valve so that a control amount obtained from the detection value detected by the detection device becomes a target value set for the control amount, and, when the adjustment of the opening degree of the expansion valve reaches a limit, adjusting a discharge amount of the pump so that the control amount becomes the target value;
A program for executing.
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