JP2010525773A - 電気機械用エアクリーナ - Google Patents

Abstract

【構成】
本発明は、電気機械（１）を冷却するために使用される強制空気通気システムに好適なエアクリーナ（２）を提供するものである。エアクリーナ（２）はエアチャンバ（１２）からなり、このエアチャンバの第１端部において、開放通気システムによって入り口（１６）を介して周囲から空気を取り込み、そしてこの第１端部に対向する第２端部において、開放通気システムによって第１出口（１８）を介して空気をエアチャンバ（１２）から取り出す。エアチャンバ（１２）内に収容配置した回転手段（１４）を駆動して、エアチャンバ（１２）の第１端部と第２端部との間に存在する軸（２２）の周りでこれを回転駆動する。回転駆動されると、回転手段（１４）が、エアチャンバ（１２）に流入する空気に粒子が存在する場合には、これら粒子に遠心力を作用させ、中心軸（２２）から半径方向外側に投げ出す。これら粒子は、回転手段（１４）の半径方向外側縁部に隣接して形成された少なくとも一つの第２出口（２０）を介して、開放通気システムの高速出口流れによってエアチャンバ（１２）から取り出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、空冷式電気機械に関する。より具体的には、本発明は、開放通気式電気機械を対象とする改良エアクリーナ装置に関する。

電気機械はいずれも運転時（動作時）に熱を発生する。過熱が発生すると機械の運転効率が下がり、また機械が損傷することすらあるため、この熱は、運転や動作に悪影響を与える。極端な場合、電気機械の過熱は、完全な故障の原因になる。従って、電気機械の場合いずれも冷却する必要がある。最も簡単なレベルでは、小型の低出力電気モータの場合、周囲の環境との熱接触により十分に冷却することができる。ところが、大半の電気機械の場合には、それよりもかなり高い冷却度が必要であり、従って適当な冷却システムを利用する必要がある。現在、数多くの異なる冷却システムが利用されている。例えば、液体冷媒を熱交換器に運ぶ閉鎖回路か、あるいは直接ガス冷却によって機械を冷却することができる。任意の電気機械に利用する具体的な冷却システムは、中でも、当該機械の大きさ、出力および構成に依存するものである。

冷却システムは、必然的に、電気機械の大きさ、重量およびコストに反映する。特に、小型、軽量、低コストでなければならない電気機械、具体的には、風力タービン発電機にとっては、冷却は特に大きな問題である。このような機械の場合には、冷却システムの大きさおよび重量を最小限に抑えることが好ましい。従って、このような機械の冷却システムでは、周囲の空気を利用して機械を冷却することが好ましいことが多い。即ち、このようなシステムでは、冷却システムの重量および大きさに大きく反映する重量のある液体冷媒を多量に利用して循環させる必要がないからである。また、嵩があり、重量のある熱交換器を利用せずに、周囲の空気を使用してこのような機械を直接冷却することがさらに好ましい場合もある。周囲の空気によって電気機械を直接冷却することは、しばしば、開放通気として知られている。

開放通気は、電気機械にとってきわめて効率の良い方法である。というのは、機械にとって利用できる温度上昇を下げる恐れがある熱交換システムがないからである。ところが、開放通気式電気機械を冷却するために使用する周囲の空気は、粉塵、湿気、塩分やその他の不純物を含んでいることが多いため、開放通気式システムの場合、通常、ある種の保護措置が必要である。周囲の空気がかなりの量の浮遊粒子を含んでいる場合には、この空気が開放通気システムを通過している間に、機械の露出部分に大きな損傷が出る傾向がある。粒子が機械の露出部分に衝突することが、この損傷の原因である。この問題は、開放通気しシステムの冷却度を上げるためには、機械的手段によって冷却空気を強制的に、比較的高速および／または高圧で、電気機械に送り込むことが好ましいという事実によってさらに複合化する。このため、機械の露出部分と衝突する粒子を原因とする損傷がさらに酷くなる。この結果、通常、開放通気システムに、電気機械に流入する空気から粒子の少なくとも一部を除去する手段を利用する必要が出てくる。

現在、粒子が開放通気式高出力電気機械に流入することを防ぐために、電気機械を通常ボックス形エンクロージャに封じ込めている。これらエンクロージャの場合、電気機械は、吹き込み式で入り口チャンバを介して開放通気する。最も普通に利用されているのは、米国電気製造者連盟（ＮＥＭＡ）のＩＩタイプエンクロージャである。これらエンクロージャの場合、機械に流入する前に、流入空気の方向をダクトにより少なくとも３度９０°変えて、低速エアチャンバに送り込む。この結果、空気が電気機械それ自体に流入する前に、流入空気に存在する浮遊粒子の一部が分離する。

ボックス形エンクロージャは、流入空気から粒子の一部を除去するが、多くの状況では効果が十分でないことが確認されている。例えば、ＮＥＭＡＩＩタイプエンクロージャを利用した機械は、周囲の空気が特に大量の固体粒子、具体的には砂を含有している砂漠環境で問題がある。さらに、ボックス形エンクロージャに流れる空気の速度を機械的に加速すると、空気から粒子を除去する効率が低下する。また、ボックス形エンクロージャには、エンクロージャに流れる空気から除去された粒状物が蓄積する問題がある。これは、エンクロージャが、方向変化および低速エアチャンバに依存する受動的な浄化方法で空気を浄化し、しかも粒子を周囲の空気に能動的噴射により戻す機能をもたないため、空気から除去される比較的多量の粒子がエンクロージャ内に蓄積するためである。時間が経つうちに、これがエンクロージャの運転効率の低下につながる。これは、また、蓄積した粒子を除去するためにボックス形エンクロージャを定期的に浄化する必要があることを意味する。

開放通気式機械において流入空気を浄化処理するために、フィルターも通常利用されている。フィルターは、空気を浄化処理する単独の方法として分離して使用されるか、あるいは他の空気浄化装置と一体化して使用される。例えば、通常は、フィルターは、上記のボックス形エンクロージャ内に装着される。代表例を挙げれば、フィルターは、開放通気システムに流入する空気のすべてが少なくとも一つのフィルターを通過するように設定された位置に設けた単純なメッシュスクリーンからなる。流入空気に存在する大きな粒子は、１つのフィルターまたは複数のフィルターを通過できないため、電機機械全体に広がることはない。

一部の電気機械は、２つ以上のフィルターセットを有する。具体的には、一部の機械は、流入空気がまずより大きな粒子を除去するように設計された比較的粗いフィルターを通過してから、直前のフィルターよりも小さな粒子を除去するより細かい一連のフィルターを通過するように、開放通気システムを設定することができる。

使用初期では、フィルターは、開放通気システムに流入する空気から大きな粒子を無理なく除去できる作用をもつが、この作用は、特に定期的に保守しない限り、時間が経つうちに劣化する。劣化度は、流入空気に存在する粒子の量および性質などの外部要因に依存するため、予測することが特に困難である。さらに、ボックス形エンクロージャなどの一部のフィルターは、流入空気から粒子を除去するものであるが、動作的には受動的に過ぎない。即ち、フィルターによって流入空気から除去された粒子の比較的大部分は、開放通気システム内に蓄積する。また、具体的には、開放通気システムに高速空気および／または高圧空気を使用しない限り、フィルターを使用して、流入空気から極端に小さい粒子を除去することも非常に難しい。

上記問題のため、周囲の空気の粒子含量が高い環境、あるいは空気が開放通気システムに高速および／または高圧で流れる環境では、ボックス形エンクロージャも、あるいはフィルターも、さらにこれら両者を組み合わせた場合も、浮遊粒子を除去する信頼性の高い方法とはいえない。従って、開放通気式電気機械において流入空気から粒子を除去する改良エアクリーナ装置が望まれている。このようの装置の場合、小型軽量であることが必要であり、加えて好ましくは低コストである必要がある。また、この装置は、現在利用されているエンクロージャおよび開放通気システムに利用できることも好ましい。さらにこの装置を、高速および／または高圧の開放通気システムにおいても、空気が大量の粒子を含む環境でも、利用できることも好ましい。さらに、開放通気システムから粒子を能動的に除去し、システム内のこのような粒子の蓄積を防止することも望ましい。

この必要性の結果、従来、ファンやその他の回転手段によって作用される、遠心力を使用して、開放通気システムに流入する空気から固体粒子または液体粒子を除去することが提案されている。このような装置の一例は、ＪＰ５６１２５９５０に開示されている。このような装置では、空気を周囲の環境から開放通気システムに送り込み、空気に存在する固体粒子を除去してから、この空気を電気機械に回す。具体的には、フィルターフレームの正面側の中心部に形成した入り口から開放通気システムに空気を送り込む。この空気は、次に、円錐形流路に流入し、回転力の作用を受ける。流入空気に存在する固体粒子は、半径方向外側に投げ出され、円錐形流路を取り囲むダスト回収チャンバに収まる。

浄化処理された空気は、次に、フィルターを通って、電気機械に流入する。このような方法で、ＪＰ５６１２５９５０の開放通気システムは、流入空気の能動的な浄化処理を行う。ところが、このシステムの場合、流入空気から除去された粒子を追い出すものではなく、その代わりに、これら粒子はダスト回収チャンバに集められるため、ダスト回収チャンバから定期的にダストを取り出す必要がある。

同様な開放通気システムを利用した電気機械は、ＧＢ１１０６５８９に開示されている。このシステムでは、電気機械のケースの一端に形成されたチャンバに冷却空気を吸引する。チャンバに流入した空気は、電気機械の駆動軸に取り付けられ、かつ周囲の空気を開放通気システムに吸引する作用をもつファンによって直ちに回転される。流入空気に存在する固体粒子は、遠心力がファンによって作用する結果、チャンバの半径方向外側縁部に投げ出される。これら粒子は、次に、電気機械に流れるのではなく、出口空気流れに混入する。出口空気流れは、チャンバの半径方向外側縁部のみに生成する。従って、流入空気の大部分が、電気機械に流入し、周囲を循環する。このような方法で、ＧＢ１１０６５８９の電気機械は、流入空気の浄化処理を能動的に行うものである。この電気機械は、流入空気から除去された固体粒子を完全に機械から追い出すものである。換言すれば、追い出された粒子は電気機械内に蓄積せず、従って運転効率が下がることもなく、また損傷も発生しない。

ＪＰ５６１２５９５０ ＧＢ１１０６５８９ ＧＢ９７７０４２

ＧＢ１１０６５８９の開放通気システムには、多くの問題がある。第１の問題は、流入空気に遠心力を作用させているファンが同時に電気機械に空気を吸引する作用をもつため、これら作用を分離できないことである。言い換えれば、流入空気に作用している遠心力と、電気機械に吸い込まれる空気の容量とを必要に応じて独立して制御できない。さらに、流入空気から除去された粒子が出口空気流れに向けて投げ出されるが、駆動シャフトファンからの遠心力以外に、これら粒子を出口空気流れに吸い込む能動的な力がほとんどない結果、ＧＢ１１０６５８９の開放通気システムに混入する比較的高い割合の固体粒子が、開放通気システムから除去されず、電気機械周囲で循環することになる。

上記問題があるため、古くから知られている考えにもかかわらず、流入空気から固体粒子を除去するために遠心力を利用する開放通気システムは、産業規模では、電気機械には利用されていない。例えば、基本的な考えは、かなり以前の１９６４年に上記のＧＢ９７７０４２に開示されている。

本発明は、電気機械の強制空気開放通気システムを対象とするエアクリーナであって、この開放通気システムが高速出口流れを有し、そして上記エアクリーナのエアチャンバが第１端部と、この第１端部に対向する第２端部とを任意に有するエアクリーナを提供するものである。本発明によれば、上記エアチャンバは、上記開放通気システムによって周囲から空気を取り入れることができる（例えば、第１端部に設けられた）少なくともの一つの入り口、上記開放通気システムによって上記エアチャンバから空気を取り出す（例えば、第２端部に設けられた）少なくとも一つの出口、および上記エアチャンバに収められ、軸を中心として回転する回転手段を有し、そして上記エアチャンバが、さらに、上記開放通気システムの上記高速出口流れによって上記エアチャンバから空気を取り出す少なくとも一つの第２出口を有する。

以下、本発明のエアクリーナの動作について説明する。除去すべき粒状物（例えば、固体粒子または液体粒子）を含有する空気を周囲の環境から電気機械の開放通気システムに取り入れる。次に、この空気は、上記の少なくとも一つの入り口からエアクリーナのエアチャンバの第１端部に流入する。次に、エアチャンバの空気およびこの空気に浮遊している粒子を回転手段によって回転し、これに遠心力を作用させて、半径方向外側に、かつエアクリーナの上記少なくとも一つの第２出口に向けて投げ出す。回転手段によって加えられる遠心力が、沈降作用によって、空気に存在する粒子があればこれらを分離する。換言すれば、上記の少なくとも一つの入り口からエアチャンバに流入した粒子が回転手段によって半径方向外側に投げ出され、回転手段の軸かその近傍にあるエアチャンバ内の空気から実質的に粒子が排除され、そして回転手段の半径方向外側縁部かその近傍にある空気が比較的高い密度の粒子を含有することになる。

強制空気開放通気システムは、上記の少なくとも一つの第１出口および上記の少なくとも一つの第２出口によりエアチャンバから空気を取り出す。開放通気システムに流れる強制空気流れによって、エアチャンバの第２端部の上記の少なくとも一つの第１出口から直接空気を取り出してから、高速出口流れによって開放通気システムから空気を排出する。さらに、エアチャンバの上記の少なくとも一つの第２出口を通過する高速出口流れによって、上記の少なくとも一つの第２出口に隣接するエアチャンバ内の空気が、エアチャンバから取り出され、出口流れに合流し、ここで、開放通気システムから排出される。なお、この場合、開放通気システムに戻されることはない。

重要なことは、エアチャンバの上記の少なくとも一つの第２出口を好ましくは、回転手段の半径方向外側縁部に隣接して形成することである。こうすると、エアチャンバに流入する粒子があれば、これら粒子が、回転手段の遠心作用によって上記の少なくとも第２出口に向けて投げ出されることになる。従って、粒子がエアチャンバから取り出され、上記の少なくとも一つの第２出口を介して高速出口流れに合流するため、開放通気システムに流れることはない。この結果、上記の少なくとも一つの第１出口によってエアチャンバから取り出され、開放通気システムに流れる空気は、周囲の環境からエアチャンバの第１端部に流入する空気に比較してきわめて少ない量の粒子を含むことになる。このようにして、本発明によれば、開放通気システムに流れる粒子によって発生する電気機械の損傷量を最小限に抑えることができる。

本発明のエアクリーナの一つの具体的な作用効果は、除去された粒子が開放通気システムに蓄積することなく、上記の少なくとも一つの第２出口および高速出口流れによって冷却システムから能動的に排出されることである。“ベルヌーイ作用”が、エアチャンバからの粒子の排除に役立ち、これによってエアクリーナの動作不良を最小限に抑えることができる。この結果、エアクリーナまたは開放通気システム内の粒子の蓄積が無視できる程度になる。これは、単独で使用した場合に、通常固体粒子の蓄積が見られるボックス型エンクロージャと対照をなすものである。

本発明のエアチャンバの場合、回転手段の回転軸が、エアチャンバの軸と同軸になり、そしてエアチャンバの円筒壁が、エアチャンバの半径方向外側縁部に隣接するように実質的に円筒形で構成するのが好ましい。また、エアチャンバの第１端部および第２端部を回転手段の軸方向端部に隣接させるのが好ましい。即ち、回転手段周囲にエアチャンバを密接配置するのが好ましい。なお、エアチャンバの第１端部および第２端部については、取り囲む必要はない。エアチャンバの第１端部または第２端部の実質的に全体が、それぞれ、エアチャンバに対する上記の少なくとも一つの第１入り口または上記の少なくとも一つの第１出口を構成すればよい。回転手段周囲に密接してエアチャンバを形成することが好ましい。というのは、こうすれば、大多数の用途において一つの重要な考慮対象であるエアチャンバの重量および容量を最小限に抑えることができるからである。

回転手段の半径方向外側縁部かその近傍においてエアチャンバの第１端部に空気が流入するように、エアチャンバに対する上記の少なくとも一つの入り口を形成するのが好ましい。このように構成すると、回転手段によって空気を十分回転でき、これによって実質的な遠心力を発生することを担保できる。即ち、流入空気が回転手段の半径方向外側縁部においてエアチャンバに流入する場合に、有意味な回転力の作用を受けて始めて、回転手段の軸にそって空気がエアチャンバを流れるからである。

エアチャンバに対して、一つの円錐形第１入り口を設けることも好ましい。例えば、第１入り口の場合、この入り口の外側端部または上流側端部に形成された円形開口を介して流入空気が円錐形入り口に吸入され、次に、円錐形入り口内に形成された円錐形流路にそって流れ、入り口の下流側端部に形成された環状開口および回転手段の半径方向外側縁部に隣接するエアチャンバの第１端部を介してエアチャンバに流入するように、第１入り口を形成することができる。第１入り口を円錐形状にした場合、回転手段に対して回転対称かつ同軸であるのが好ましい。

また、一般的には、エアチャンバに対する上記の少なくとも一つの第１出口を回転手段の軸かその近傍に形成するのが好ましい。このように構成すると、エアチャンバに導入され、そしてエアチャンバの半径方向外側縁部に投げ出された粒子がある場合、これらが上記の少なくとも一つの第１出口を介してエアチャンバに吸入されることがなく、これによって開放通気システムに流れることがなくなるからである。例えば、エアチャンバに対して一つの、実質的に円形の第１出口を、エアチャンバの第２端部に設けることができ、しかもこれを回転手段と同軸にかつ小さな半径に設定することができる。

また、一般的には、エアチャンバの上記の少なくとも一つの第２出口それぞれについて、回転手段の半径方向外側縁部に隣接するエアチャンバの壁に形成された第１端部即ち上流側端部および高速出口流れに隣接して形成された第２端部即ち下流側端部を有するように構成するのが好ましい。このように構成すると、上記の少なくとも一つの第２出口の第２端部それぞれに隣接して流れる出口流れが各第２出口間に圧力差を発生することになる。即ち、開放通気システムの運転時に、各第２出口の下流側端部の圧力が、“ベルヌーイ作用”によって、各出口の上流側端部の圧力よりも低くなる。従って、各第２出口を介してエアチャンバから空気が高速出口流れに吸入されることになる。当業者ならば理解できるように、この作用の程度は、各第２出口を通過するたびに、高速出口流れの圧力を低くすることによって強化することができる。これは、例えば、各第２出口に流れる直前に横断面積が小さくなるように、出口流れが流れる流路を形成することによって実現することができる。

なお、一般的にいって、上記の少なくとも一つの第２出口それぞれをエアチャンバの下側に形成することが好ましい。このように構成すると、回転手段の回転によって、あるいは単に運動エネルギー損失によって、空気から沈降した粒子がある場合、これら粒子が、エアチャンバの底に沈降し、上記の少なくとも一つの第２出口を通り、高速出口流れによって開放通気システムから排出されることになる。

また、開放通気システムを出る高温の空気を使用して、エアクリーナのエアチャンバを加温することも好ましい。このように構成すると、エアチャンバに流入する空気に含まれる湿気がエアチャンバ内で凝縮し、エアチャンバ内にダストや他の可溶性粒子がある場合にこれらと混合し、エアクリーナの動作不良を起こすことがなくなる。

上記とは別に、本発明のエアクリーナの場合、具体的な用途に応じて設計することも可能である。変更可能な設計ファクターには、第１入り口および第２入り口／出口の数に加えて、それらの大きさ、形状および設置位置がある。回転手段の大きさおよび特性についても可変である。本発明のエアクリーナを好適に設計すると、少なくとも一つの第１出口から出る清浄化空気量を最大化できると同時に、この出口から出る不純物を含む空気の漏れを最小限に抑えることができる。当業者ならば理解できるように、本発明による設計の評価や応用については、コンピュータ分析ツールを使用して実行することができる。

本発明のエアクリーナの場合、周囲の空気がエアクリーナの上記の少なくとも一つの第１入り口に直接流入するか、あるいは開放通気システムの何らかの予備的な部分に最初に流入するように、構成することができる。なお、一般的には、開放通気システムに何らかの予備的部分がある場合その長さは、最小限にすることが好ましい。というのは、このような予備的部分を通る空気は、エアクリーナによってまだ浄化処理されておらず、従って多量の粒子を含んでいる場合があるからである。これら粒子は、開放通気システムのこの予備的な部分に大きな損傷を引き起こす可能性がある。これは、特に、機械が、強制空気開放通気が、通常は、周囲の空気の高い粒子含量のために適用されないが、本発明のエアクリーナを利用することによって適用可能になる環境、例えば、砂漠地帯において稼動する場合に重要である。

開放通気システム内の空気強制手段は、このようなシステムに流れる空気が運ぶ粒子との衝突による損傷に特に弱い。従って、本発明のエアクリーナを強制空気開放通気システムに利用する場合、空気強制手段を高速出口流れかその近傍であって、エアチャンバの上記の少なくとも一つの第２出口の前に設けるのが好ましい。このような位置に空気強制手段を設置すると、エアクリーナが開放通気システムを通って上記の少なくとも一つの第１出口からエアチャンバに流れる空気から粒子を除去し、除去された粒子を、エアクリーナの上記の少なくとも一つの第２出口を介して高速出口流れに回すことになるため好ましい。従って、開放通気システムを通してこれら２つの点に流れる粒子の量が無視できる程度になるか、大きく減ることになる。即ち、空気強制手段は上記位置に設けることが好ましい。

本発明の場合、空気強制手段として直径の大きい高圧ファンを有する開放通気システムに利用するのが好ましい。

さらに、開放通気システムによって冷却されている空気強制手段または電気機械のいずれかを損傷から保護するために、開放通気システム内にさらに別な保護手段を設けることが好ましい。例えば、フィルターを開放通気システム内に内蔵させ、エアクリーナによって回収されないより小さな粒子がある場合にはこれらを回収するバックアップ保護手段としてもよい。このような保護手段の場合、空気が対応する電気機械に流れ、これを冷却する前に、開放通気システムに流れる空気から粒子を確実に除去できるように開放通気システムに内蔵させる。

本発明のエアクリーナを内蔵する開放通気システムに流れる粒子を原因とする損傷からさらに保護するためには、対応する電気機械の内部構成部品を保護することが好ましい。例えば、電気機械の巻き線を閉じ込め、他の内部構成部品を耐候保護処理してもよい。

運転時には、本発明の回転手段を回転駆動する。回転駆動は、数多くの異なる方法によって行えばよい。開放通気システムによって冷却されている電気機械が回転式電気機械の場合、エアクリーナの回転手段は、電気機械の回転によって駆動されるように、回転機械のシャフトに直接設ければよい。このように構成すると、回転手段の回転が確実になるため、エアクリーナの機能が、対応する回転式電気機械の稼動時にずっと変わらなく持続する。さらに上記のように構成すると、回転手段を回転させるために別な駆動機構が必要なくなるため、エアクリーナの重量を最小限に抑えることができる。なお、状況にもよるが、この構成が好ましくない場合もある。というのは、回転手段の回転速度が、電気機械の回転速度と必ずしも同じでないからである。また、このように構成した開放通気システム内の回転手段によって流入空気に加えられる遠心力を独立して調整することは不可能である。

あるいは、回転手段が対応する電気機械シャフトの回転によって間接的に駆動されるように、本発明のエアクリーナを構成することも可能である。例えば、電気機械シャフトの回転によってパワーを与えられるが、回転手段をシャフトとは異なる速度で回転させる駆動機構によってエアクリーナを駆動することができる。このような駆動機構については、回転手段が電気機械シャフトの回転速度の固定された比で常に回転するように設定することができる。さらに、駆動機構によって回転手段の回転速度をシャフトの回転速度から実質的に無関係に、例えば、ギア機構を使用して、制御できるようにしてもよい。

あるいは、回転手段が対応する電気機械とは実質的に別な駆動手段によって駆動されるように、本発明のエアクリーナを構成してもよい。例えば、別な独立したモータによって回転手段の回転を駆動制御してもよい。

また、本発明のエアクリーナの回転手段については、その回転速度が対応する電気機械の動作とは無関係に制御できるように駆動することが好ましい。これは、電気機械の動作速度を変更することなく、開放通気システムに流入する空気の浄化処理度を調節することが望ましい場合があるからである。例えば、多量の流入空気がある場合および／または流入空気の粒子含量が高い場合には、回転手段をより高速で回転させることが好ましく、また流入空気の粒子含量が低いか無視できる程度の場合には、回転手段を低速で回転させるか、場合によっては全く回転させないことが好ましい。

回転手段を電気機械とは無関係に制御する場合、回転手段の動作は、フィードバック機構によって制御することができる。流入空気の速度および粒子含量などの冷却システムに流入する空気の特性は、例えば一つかそれ以上のセンサなどのセンサ手段によって求めることができる。センサ手段は、制御ユニットへのフィードバックによって空気状態に適当な速度で動作するように回転手段を制御するものである。センサは、開放通気システム周囲の空気内に、あるいはエアクリーナまたは開放通気システム内に設ければよい。これらセンサは、システムに流入する空気の特性を直接求めるか、あるいは例えばシステムから流出する空気の特性または電気機械それ自体の出力から間接的に求めるものである。

同様に、当業者ならば理解できるように、対応する電気機械によって、本発明のエアクリーナの空気強制手段を直接あるいは間接的に駆動してもよく、あるいは電気機械とは無関係に駆動してもよい。

また、エアクリーナの回転手段および対応する開放通気システムの空気強制手段は、それぞれ独立して制御するのが好ましい。回転手段の回転速度は、一般に、開放通気システムに流入する空気に与えられる浄化度に比例する。空気強制手段が、開放通気システムに流れる空気の流量を制御し、従って開放通気システムによって与えられる冷却度を制御する。この結果、これら両者をそれぞれ無関係に制御することが望ましい場合がある。例えば、比較的不純物の少ない環境で、対応する電気機械が、その最大速度かその近傍で動作する場合、十分な冷却度を確保するためには、開放通気システムに空気を高速循環させる必要があるが、周囲の環境に不純物が少ないためエアクリーナを動作させる必要はない。

逆に、周囲の空気が多量の粒子を含む環境では、開放通気システムから比較的低い冷却度が求められている場合でも、エアクリーナを動作させる必要がある。

なお、エアクリーナの回転手段および開放通気システムの空気強制手段を別々に制御することが好ましいが、本発明のエアクリーナを内蔵した好適な開放通気システムについては、回転手段および空気強制手段が密接に関連した状態で制御されるように構成することも可能である。例えば、本発明のエアクリーナを内蔵した好適な開放通気システムの場合、エアクリーナの回転手段および開放通気システムの空気強制手段の両者を対応する回転式電気機械のシャフトに設けることができる。

本発明は、別な強制式空気開放通気システムに着脱できる独立した構成部品として構成することができる。あるいは、強制式空気開放通気システムの一体的な部品としても構成することができる。

本発明は、風力タービン発電機を冷却するために使用される開放通気システムに利用するのが特に好適である。

本発明の動作は、数学的モデルに単純化することができる。ごく近似的にいえば、第１入り口からエアチャンバの第１端部に粒子が流入する場合、回転手段の軸に平行に流動する。エアチャンバの上記の少なくとも一つの第２出口からこの粒子を追い出し、エアチャンバに直接流れないようにするためには、これを回転手段によって半径方向外側に偏向する必要がある。即ち、回転手段によって粒子に作用する遠心力によって、中心軸から、上記の少なくとも一つの第２出口を介して半径方向外側に粒子を偏向させる必要があるが、エアチャンバ内において半径方向内側に作用する空気速度圧力(ａｉｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ)は、遠心力とは正反対に作用する。従って、上記の少なくとも一つの第２出口によってエアクリーナから粒子を除去する場合、回転手段からの遠心力は、空気力学的半径方向内向き力を超える必要がある。

粒子に作用する遠心力（単位：ニュートン）は、次のように近似できる。
Ｆ_１＝Ｍω^２Ｒ
ただし、Ｍは粒子の質量（ｋｇ）、
Ｒは回転手段の中心軸からの粒子の距離（ｍ）、および
ωは回転手段の回転度（ｒａｄ／ｓｅｃ）である。

流体の速度圧力（単位：Ｐａ）は、次のように近似できる。
Ｐ＝０．５ρｖ^２
ただし、ρは流体の密度(ｋｇ／ｍ^３)、および
ｖは流体の半径方向速度(ｍ／ｓｅｃ)である。

従って、粒子には、Ｆ_２＝ＰＡの速度圧力により内向きの力（ニュートン）が作用することになる。ただし、Ａは粒子の空気力学的な表面積（ｍ^２）である。

例えば、空冷式回転機械の場合、回転速度は１，５００ｒｐｍ、出力定格は５ＭＷ、そして効率は９７．８％に設定することができる。この機械が空冷式であると、機械に流れる空気の温度上昇は、４５Ｋで許容できるものであり、従って冷却空気流量はほぼ２．４ｍ^３／ｓｅｃである必要がある。このような機械には、直径が１ｍのエアチャンバに実質的に同じ直径の回転手段を内蔵させた本発明のエアクリーナを利用することができる。

エアチャンバの半径方向外側縁部において上記機械のエアクリーナに粒子が流入すると、以下の遠心力が作用する。

エアチャンバ内の球状粒子は、以下の質量をもつことになる。

ただし、ｒは粒子の半径（ｍ）、そして
ρ_０は粒子の密度(ｋｇ／ｍ^３)である。

従って、以下の式が成立する。

エアチャンバ内の空気の平均ラジアル速度は、エアチャンバに流れる空気流量および上記の少なくとも一つの第１出口の空気流入面積に依存する。具体的には、平均ラジアル線速度は、ｖ＝ｆ／ａで近似することができる。
ただし、ｆはエアチャンバに流れる平均空気流量（ｍ^３／ｓｅｃ）、そして
ａは上記の少なくとも一つの第１出口の平均空気流入面積（ｍ^２）である。

エアチャンバ内において空気の半径方向内向き速度を発生するために、上記の少なくとも一つの第１出口の空気流入面積を最大化することが好ましい。例えば、エアチャンバ半径が１ｍの上記機械の場合、上記の少なくとも一つの第１出口の空気流入面積を０．８ｍ^２（即ち、ａ＝０．８）に設定することができる。空気の密度は、実質的に１．２ｋｇ／ｍ^３で近似でき、従って、上記機械のエアクリーナの内部では、以下の式が成立する。

粒子が球状の場合、その空気力学的面積は、
Ａ＝πｒ^２、および
Ｆ_２＝５．４（πｒ^２）＝１７．０ｒ^２
に等しい。

下記の条件：
Ｆ_１＞Ｆ_２
５１，７００ｒ^３ρ_０＞１７．０ｒ^２
ｒρ_０＞３．３×１０^−４
では、粒子は、回転手段によって半径方向外側に偏向することになる。

従って、エアチャンバに流入する粒子が回転手段によって偏向するかどうかは、その大きさおよび密度に依存する。上記計算式から、この具体的なエアクリーナに流れる砂粒子（密度：２，５００ｋｇ／ｍ^３）の場合、直径が０．２６μｍ未満でなければならず、回転手段による偏向は生じない。同様に、水粒子（密度：１，０００ｋｇ／ｍ^３）の場合、直径が０．６６μｍ未満でなければならず、回転手段による偏向は生じない。

なお、上記の計算式は、きわめて単純化され、また多くの仮定に依拠している。当業者ならば、本発明によるエアクリーナの設計を最適化するために、計算による詳しい流体力学的な検討が必要なことを理解できるはずである。

本発明によるエアクリーナを内蔵し、電気機械周囲に一体化した強制空気開放通気システムを示す概略横断面図である。 本発明によるエアクリーナの好適な実施態様を内蔵した強制空気開放通気システムを利用した電気機械を示す詳細な横断面図である。 エアクリーナを示す図２の開放通気システムの一部を示す拡大横断面図である。

図１を参照すれば、本発明のエアクリーナ２の動作を理解できると考えられる。エアクリーナ２が一部を構成する開放通気システムは、一方向システムである。即ち、円錐形入り口１６を介して周囲の環境からシステムに流入する空気は、次に、システム内を流れ、一つの出口６から外部に出る。出口６近傍に配置された直径の大きな高圧ファン８によって空気は、開放通気システム内を強制流動し、ダクト１０に流れ込む。開放通気システムを流れる空気の流れ方向は、図１に矢印で示す。

エアクリーナ２は、実質的に、空気回転手段１４を内蔵した円筒形エアチャンバ１２から構成する。このエアチャンバ１２は円錐形入り口１２、第１出口１８および第２出口２０をもつ。回転手段１４は、中心軸２２を中心として回転駆動される。入り口１６の下流側端部をエアチャンバの第１端部に設け、第１出口１８をエアチャンバの第２端部に設けるとともに、エアチャンバの第１端部と第２端部との間において、実質的に入り口１６および第１出口１８に対して同軸に中心軸を設定する。入り口１６と第１出口１８との間において、中心軸２２から半径方向外側であって回転手段１４の半径方向外側縁部に隣接してエアチャンバ１２の壁に第２出口２０を形成する。第１出口１８は、ダクト１０の一部を介して、電気機械１の上側に形成されたフィルターエンクロージャ２８まで延長する。また、第２出口２０は、ファン８の後であって出口６の前に設けられた開放通気システムの一部まで延長する。

開放通気システムの運転時、ファン８は、円錐形入り口１６からシステムに周囲の空気を取り入れ、これによってエアチャンバ１２に空気を導く。入り口１６が円錐形であるため、回転手段１４の半径方向外側縁部かあるいはその近傍において空気がエアチャンバ１２に流入する。

開放通気システムの運転時、エアクリーナ２の回転手段１４が回転駆動する。回転手段１４が回転する結果、遠心力がエアチャンバ１２に流入する空気に作用する。特に、エアチャンバ１２に導かれる空気に存在する固体粒子や液体粒子、あるいはその他の不純物粒子が存在する場合にこれらに遠心力が加わり、これら粒子を回転手段１４の中心軸２２から半径方向外側に投げ出す。このように構成すると、エアチャンバ１２に流入する粒子が、第１出口１８から離れているが、第２出口２０に隣接するエアチャンバの半径方向外側縁部近傍に留まることになる。

第１出口１８および第２出口２０を介してファン８の作用によってエアチャンバ１２から空気が取り出される。まず、ファン８の作用によって、第１出口１８を介してエアチャンバ１２から直接空気が吸引される。回転手段１４の中心軸２２かその近傍に第１出口１８が位置しているため、第１出口１８を介してエアチャンバ１２から吸引される空気は、実質的に粒子を含有しない。このように、電気機械１を流れる空気は、周囲から開放通気システムに流入する空気よりも不純物濃度がかなり低くなる。

第１出口１８から吸引される空気は、ダクト１０によって開放通気システムに導かれる。浄化処理された空気が第１出口１８を介してエアチャンバ１２から排出された後、電気機械１の上側に形成されたフィルターエンクロージャ２８にダクト１０を通じて導かれる。フィルターエンクロージャ２８は、空気からエアクリーナ２によって除去されなかった粒子がある場合にはこれら粒子を除去する大きなフィルター３０を内蔵している。さらに、フィルター３０は、エアクリーナ２が故障した場合に電気機械１を保護するバックアップとして作用することができる。フィルター３０については、その有効な表面積を最大化するために、空気の流れの方向に対して鋭角に設定する。フィルターエンクロージャ２８は外部から作業を行えるため、フィルター３０のモニターが簡単であり、また必要ならば交換が容易である。フィルター３０に、そしてその周囲に蓄積した粒子をモニターすると、エアクリーナ２の機能を監視することができる。例えば、空気から多量の粒子が出てくる場合には、エアクリーナ２の機能が十分でないことになる。

フィルターエンクロージャ２８を出た後、空気は、電気機械１に導かれ、当業者なら理解できるように、通常の方法で電気機械を冷却することになる。エアクリーナ２の故障に対するさらなるバックアップとして、電気機械１の巻き線を封止処理し、電気機械の他の内部構成部品に耐候保護処理を加えることができる。電気機械１を流れ、これを冷却した後、空気は、大きな直径の高圧ファン８に流れ、開放通気システムから高速出口流れとして排出される。

大きな直径の高圧ファン８は、第２出口２０を介してエアクリーナ２から空気を吸い出す間接的な作用ももつ。具体的には、ファン８は、高速出口流れを生成し、そして第２出口２０の下流側端部２４に流れるこの流れの作用が、“ベルヌーイ作用”によって第２出口２０の長さの間に圧力差を生み出す。この作用によって、下流側端部２４の圧力が低下し、エアチャンバ１２内に形成された上流側端部２６の圧力よりも低くなる。この圧力差の結果、第２出口２０を介して空気がエアチャンバ１２から吸い出され、高圧出口流れに合流する。回転手段１４の半径方向外側縁部に隣接するエアチャンバ１２内に第２出口２０の第１端部２６が形成されているため、流入空気のエアチャンバ１２に流入し、回転手段１４の半径方向外側縁部に投げ出される粒子が、第２出口２０を介してエアチャンバから吸い出されるため、これが開放通気システムの高速出口流れよって排出され、電気機械１に流れることがなくなる。

本発明の一つの好適な実施態様を図２および図３に示す。この実施態様の構成は、上記で説明し、かつ図１に概略を示した実施態様と実質的に同じである。従って、同じ参照符号を使用して、好適な実施態様の特徴を示す。なお、好適な実施態様のさらに具体的な特徴については、以下に説明する。

この好適な実施態様では、本発明のエアクリーナ２を内蔵した開放通気システムによって風力タービン発電機１を冷却する。風力タービン発電機１は、通常構成のものである。

エアクリーナ２の回転手段１４および開放通気システムの大きな直径の高圧ファン８を共に発電機１のシャフト３２に取り付ける。この構成により、発電機１の運転時、エアクリーナ２を始めとする開放通気システムの動作を確保でき、従って発電機が常に十分冷却されることになる。また、回転手段１４およびファン８が、常に、発電機１のシャフトと同じ速度で回転することを確保できる。

好適な実施態様において、円錐形入り口１６およびエアチャンバ１２については、エアチャンバ入り口に流入する空気が回転手段１４に流れることを確保するように、形成する。具体的には、エアチャンバ１２の中間壁３４をエアチャンバの外壁３６に対して同心構成する。この中間壁３４は、円錐形入り口１６に隣接するエアチャンバの第１端部からエアチャンバのほぼ中途まで存在する。中心軸２２を中心とする中間壁３４の半径は、エアチャンバ１２との交点において入り口１６の半径と実質的に等しく設定し、ここにおいて中間壁および入り口を結合する。この場合、エアチャンバ１２に流入する空気は、中間壁３４とエアチャンバの外壁との間に形成された環状チャネルを流れなければならない。

エアチャンバ１２の軸方向長さにそって形成した回転手段１４は、エアチャンバの中心軸の周りで回転できる複数の羽根３８で構成する。各羽根３８は、エアチャンバ１２の長さにそって軸方向に存在し、軸方向長さのほぼ半分にわたって存在するエアチャンバの中間壁３４と外壁３６との間に形成される環状チャネル内に収容配置する。従って、発電機１の運転時、エアチャンバ１２に吸引される空気は、必ず、回転手段１４の作用を受けることになる。

回転手段１４によって、あるいは単に運動エネルギーの損失によって空気から沈降し、かつエアチャンバ１２の底に降下する粒子がある場合に、これら粒子が第２出口通ってエアチャンバに流れ、開放通気システムから排出されるように、第２出口２０をエアチャンバ１２の下側に形成する。

エアチャンバ内の空気の半径方向内側方向の速度を最小化するために、エアチャンバ１２の第１出口１８の面積を最大化する。具体的には、第１出口１８を、エアチャンバ１２の第２端部に形成される円形開口とし、これをエアチャンバと同軸構成する。第１出口を介してエアチャンバ１２から出る粒子の数を最小限に抑えるためには、回転手段１４の羽根３８の内側縁部から半径方向内側に少しの距離に第１出口１８の半径方向外側縁部を形成する。半径方向内側方向における空気の速度を最小限に抑えると、エアチャンバ１２内の空気の速度圧力が最小化する。上記のように、また当業者にとっては明らかなように、空気の速度圧力は回転手段１４からの遠心力に対抗するため、これは重要である。

第１出口１８を通った後、空気はダクト１０を流れ、フィルターエンクロージャ２８に流れる。空気に残留している粒子がある場合、これら粒子は、空気が発電機１に流れ、これを冷却する前に、フィルターによって除去されることになる。次に、空気ファン８に流れてから、開放通気システムから出口６を通って出て行くことになる。

空冷式電気機械に、より具体的には開放通気式電気機械を対象とするエアクリーナ装置に適用可能である。

１：電気機械
２：エアクリーナ
６：出口
８：大きな直径の高圧ファン
１０：ダクト
１２：エアチャンバ
１４：空気回転手段
１６：入り口
１８：第１出口
２０：第２出口
２８：フィルターエンクロージャ
３０：フィルター

Claims (23)

1. 電気機械（１）の強制空気開放通気システムを対象とするエアクリーナ（２）であって、この開放通気システムが高速出口流れ（６）を有し、
   上記エアチャンバ（１２）は、上記開放通気システムによって周囲から空気を吸引できる少なくともの一つの入り口（１６）、上記開放通気システムによって上記エアチャンバ（１２）から空気を取り出す少なくとも一つの第１出口（１８）、および上記エアチャンバ（１２）に収められ、軸を中心として回転する回転手段（１４）を有し、そして上記エアチャンバ（１２）が、さらに、上記開放通気システムの上記高速出口流れ（６）によって上記エアチャンバ（１２）から空気を取り出す少なくとも一つの第２出口（２０）を有することを特徴とするエアクリーナ（２）。
   
2. 上記少なくとも一つの第２出口（２０）を、回転手段（１４）の半径方向外側縁部に隣接して形成した請求項１に記載のエアクリーナ（２）。
   
3. エアチャンバ（１２）が、実質的に円筒形である請求項１または２に記載のエアクリーナ（２）。
   
4. エアチャンバ（１２）が、回転手段（１４）の軸と同軸である請求項１〜３のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
   
5. エアチャンバ（１２）が、回転手段（１４）の半径方向外側縁部に隣接して形成した実質的に円筒形の壁を有する請求項１〜４に記載のエアクリーナ（２）。
   
6. エアチャンバ（１２）が、回転手段（１４）の隣接軸方向端部である対向端部を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
   
7. エアチャンバ（１２）の少なくとも一つの第１入り口（１６）を、回転手段（１４）の半径方向外側縁部に隣接して形成した請求項１〜６のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
   
8. エアチャンバ（１２）の少なくとも一つの第１入り口（１６）が、上流側端部の開口、実質的に円錐形の内部流路、および下流側端部に形成した環状開口を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
   
9. 少なくとも一つの第１入り口（１６）が、回転手段（４）に対して実質的に回転対称かつ同軸である請求項８に記載のエアクリーナ（２）。
   
10. 少なくとも一つの第１出口（１８）が、横断面において実質的に円形である請求項１〜９のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
    
11. 少なくとも一つの第１出口（１８）が、回転手段（１４）に対して実質的に同軸で、かつ半径が回転手段（１４）の半径よりも小さい請求項１０に記載のエアクリーナ（２）。
    
12. 少なくとも一つの第２出口（２０）が、エアチャンバ（１２）の壁部に第１端部（２６）を有し、かつ開放通気システムの高速出口流れ（６）に隣接して第２端部（２４）を有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
    
13. 少なくとも一つの第２出口（２０）を、運転時、エアチャンバ（１２）の下側に形成した請求項１〜１２のいずれか１項に記載のエアクリーナ（２）。
    
14. 請求項１〜１３のいずれか１項のエアクリーナ（２）を有する、出口流れ（６）を高速に設定した強制空気開放通気システムであって、エアチャンバ（１２）の少なくとも一つの第２出口（２０）を通過するさい、高速出口流れ（６）を減圧することを特徴とする強制空気開放通気システム。
    
15. エアチャンバ（１２）の少なくとも一つの第２出口（２０）の前であって、高速出口流れ（６）かその近傍に設けた空気強制手段（８）をさらに有する請求項１４に記載の強制空気開放通気システム。
    
16. 上記空気強制手段が、直径の大きい高圧ファン(８)である請求項１５に記載の強制空気開放通気システム。
    
17. 回転式電気機械の周囲に据えつけられる請求項１４〜１６のいずれか１項の強制空気開放通気システムであって、エアクリーナ（２）の回転手段（１４）がこの電気機械の回転シャフトによって駆動されることを特徴とする強制空気開放通気システム。
    
18. エアクリーナ（２）の回転手段（１４）を上記電気機械の回転シャフトに取り付けた請求項１７に記載の強制空気開放通気システム。
    
19. 空気強制手段（８）を上記電気機械の回転シャフトに取り付けた請求項１７または１８に記載の強制空気開放通気システム。
    
20. 上記電気機械の回転シャフトによって動力を与えられる駆動機構によって、エアクリーナ（２）の回転手段（１４）を駆動する請求項１７に記載の強制空気開放通気システム。
    
21. 回転式電気機械の周囲に据えつけられる請求項１４〜１６のいずれか１項の強制空気開放通気システムであって、エアクリーナ（２）の回転手段（１４）が、上記電気機械とは実質的に無関係に動作するように、駆動手段によって回転手段（１４）を駆動することを特徴とする強制空気開放通気システム。
    
22. 上記開放通気システムの動作特性を検出するセンサからのフィードバックによって上記駆動手段の動作を制御する請求項２１に記載の強制空気開放通気システム。
    
23. エアクリーナ（２）による電気機械の強制空気開放通気システムに取り込まれる空気の浄化処理方法であって、上記開放通気システムが高速出口流れ（６）を有し、そして上記エアクリーナが、上記開放通気システムによって周囲から空気を取り込む少なくとも一つの入り口（１６）、上記通気システムによって空気がエアチャンバ（１２）から取り出される少なくとも一つの第１出口（１８）、および少なくとも一つの第２出口（２０）を有するエアチャンバ（１２）からなる空気の浄化処理方法において、
    エアチャンバ（１２）内に粒子が存在する場合には、これら粒子が少なくとも一つの第２出口（２０）に向けて投げ出されるようにエアチャンバ（１２）内の空気に遠心力を作用させ、そして
    上記開放通気システムの高速出口流れ（６）を使用して、これら粒子を少なくとも一つの第２出口（２０）から取り出し、これによって、上記開放通気システムに最初に循環させることなく、上記開放通気システムからこれら粒子を排出することからなることを特徴とする空気の浄化処理方法。

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