JP5043382B2 - 冷却塔用送風機 - Google Patents

Description

本発明は、冷却用外気の冷却塔内への誘引通風に用いる冷却塔用送風機に関し、特に電動機と羽根車の直結構造を大型の冷却塔においても実現可能とし、メンテナンスの手間を大幅に削減でき、騒音も低く抑えられる冷却塔用送風機に関する。

一般に、工場や空気調和設備などで循環使用する水の冷却を目的として屋外に設置される冷却塔では、冷却塔内部の熱交換部において、送風機の作動に伴って外部から取込まれる空気と循環水とを、直接あるいは間接的に熱交換させ、冷却を行う仕組みとなっている。

こうした冷却塔で用いられる送風機は、通常、羽根車を交流電動機で回転駆動するものであり、従来から、羽根車と電動機との間に何らかの駆動力伝達機構を介在させたもの、あるいは、羽根車を電動機に直結して直接駆動させるものがそれぞれ利用されていた。多くは、電動機の出力軸回転数をこれより低い羽根車の適正回転数に適合させるために、電動機と羽根車は減速機構を介して連結され、駆動力を伝達する仕組みとなっていた。こうした減速機構としては、主に、羽根車側に大プーリ、電動機側に小プーリをそれぞれ配してベルトを巻掛けたベルト伝動機構や、減速歯車列による歯車伝動機構が用いられていた。

一方、小型の冷却塔においては、コンパクト性やコストの面を重視して、羽根車と電動機を直結した構成の送風機を利用することが多かった。このような冷却塔における送風機の一例として、特開平５−３４０６９０号公報に記載されるものがある。こうした直結構造の場合は、羽根車の回転数が高くならないよう、電動機と羽根車間に減速機構を介在させる場合よりも低い回転数の電動機が用いられる。
特開平５−３４０６９０号公報

従来の冷却塔用送風機は以上のような構成となっており、前記特許文献１に記載されるような直結型のものは、電動機と羽根車間に伝動機構が介在しない分、起動時や停止時の騒音が生じにくい上、単純な構造で低コストである点やベルト等のメンテナンスが不要である点などで優れているが、これは小型の冷却塔のみに用いられる方式であり、中〜大型のものに適用するためには、送風機の羽根車がより大径となり、羽根外周部の速度が速くなって騒音の面で条件が厳しくなる分、羽根車の回転数、すなわち、電動機の回転数を小型の場合以上に小さく抑え込む必要があった。

この電動機の回転数を小さくするには、巻線極数を１２、１４、１６と増やした電動機を用いるようにすることが考えられるものの、極数増大はそのまま電動機の大型化、構造複雑化とこれらに伴うコストアップを招くため、この手法にも限界があり、電動機の回転数を減速機構を介した場合の羽根車回転数（３００〜３５０ｒｐｍ）程度とすることは従来できなかった。そのため、現状で直結構造とするには電動機と直結状態の高回転数でも過度に騒音が大きくならないような特殊な羽根車を用いる他なかった。しかしながら、羽根車に汎用品を使用できないためコスト高となる上、回転数を十分小さくできない関係で、減速機構を介した場合の羽根車回転数における発生騒音程度に騒音を抑えることができないなど不利な点が多いため、中〜大型の冷却塔で直結構造が用いられることはほとんどなかった。

また、電動機の大型化は、これを取付けられる冷却塔支持部の大型化、高強度化をも要するため、冷却塔全体のコスト高につながる。さらに、回転する羽根車における各羽根の通過範囲の下流域は空気流の存在する領域（羽根車の送風領域）となっているが、大型化した電動機外周部がこの領域にはみ出した状態になると、羽根車からの空気流が電動機の抵抗を受けることとなり、この電動機による通風抵抗は送風機において大きな負荷となって冷却塔の性能低下を招くという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、適切な極数の電動機を用いて電動機自体の回転数を低くすると共に、電動機の駆動周波数を商用電源周波数より低く抑えて、電動機と羽根車を直結としても羽根車を低回転数で回転させられ、直結構造のメリットを最大限発揮できる冷却塔用送風機を提供することを目的とする。

本発明に係る冷却塔用送風機は、熱交換部に対して誘引通風で外気を導入する冷却塔用の送風機において、送風機羽根車駆動用の交流電動機が、冷却塔排気側開口所定箇所で、電動機出力軸を冷却塔内部側に向けて配設固定され、前記羽根車のハブ部が、前記電動機の出力軸に一体に連結固定され、羽根車が前記出力軸と一体に回動可能とされ、前記電動機が、巻線の極数を６ないし８極とされると共に、定常状態で商用電源周波数より低い所定周波数で駆動制御され、定常状態の羽根車回転数を羽根車自体の定格回転数範囲内とし、前記羽根車のハブ部における冷却塔内部側の端部に、ハブ部を覆って通風抵抗を低減するカバーが配設されると共に、前記電動機の外径を前記カバーより小さくして形成され、前記羽根車のハブ部と電動機の出力軸を除く本体部分との間隔が、羽根車外径の１０ないし２０％の所定寸法とされ、空気の主流が存在する羽根車の送風領域に対し、当該送風領域内側となる前記カバーの下流側領域で、電動機外面に沿って流れる気流を生じさせるものである。

このように本発明によれば、電動機の出力軸と羽根車を直結すると共に、電動機として極数が所定数のものを使用し、さらに電動機の駆動周波数制御を行って商用電源周波数より低い周波数で電動機を駆動することにより、電動機の回転数を従来の減速機構で減速したあとの回転数程度に抑えることができ、中・大型の冷却塔において羽根車を電動機直結で無理なく使用することができ、騒音等を従来送風機並に低く抑えられると共に、電動機と羽根車間の伝達機構を省略でき、コストダウンが図れる上、メンテナンスの手間も不要となる。また、冷却塔の羽根車下流側における駆動力伝達機構等の設置スペースが不要となるため、通風抵抗を低減でき、性能を向上させられる。

また、羽根車中央のハブ部カバー外径より電動機外径を小さくし、電動機をハブ部カバーの範囲内に収めて羽根車の送風領域へはみ出させないことにより、羽根車の回転に伴って生じた羽根車下流側の強い空気流に対し電動機が抵抗体とならず、スムーズに空気をより下流側へ導いて冷却塔からの排気に係る性能低下を防止できる。

さらに、羽根車のハブ部と電動機本体部分との間隔が羽根車外径に対し一定の割合とされ、羽根車の回転で生じた空気流が羽根車から電動機に達する間に、羽根車の送風領域内側となるハブ部カバーの下流側領域内にも空気の流れを生じる十分な区間が与えられることにより、カバーの下流側で電動機外面に沿って流れる気流を別途生じさせることとなり、送風領域における抵抗を増やすことなく、熱を発する電動機を気流で十分冷却可能となり、別途電動機冷却用のファンを配設せずに済み、冷却塔用送風機の構成を大幅に簡略化してコストダウンが図れる。
また、本発明に係る冷却塔用送風機は必要に応じて、前記電動機に対する駆動制御で、負荷条件によっては、定常状態の周波数より高い周波数で電動機を駆動するものである。

このように本発明によれば、電動機の駆動周波数を負荷の条件によっては定常運転時の周波数から高めて、羽根車の回転数を若干高めた状態で運転を行うことにより、回転数を増大させた分、送風性能を増大させて熱交換性能を強化でき、冷却水温度を低くして負荷側の能力向上が図れることとなり、羽根車回転数を上げても問題のない状況、例えば、許容騒音レベルの高い昼間等には、冷却システム全体の性能を重視した動作モードとしてエネルギー消費効率を向上させられる。
また、本発明に係る冷却塔用送風機は必要に応じて、前記電動機の駆動用制御回路を含む制御盤が、電動機と結線された状態で冷却塔と一体に配設されるものである。

このように本発明によれば、電動機の制御を行う制御盤が冷却塔に取付けられ、あらかじめ電動機と結線された状態で提供されることにより、冷却塔の使用者側では冷却塔側の制御盤と電力供給用の一次側制御盤との結線のみ行えばよく、冷却塔設置後、使用者側での煩雑な配線の手間を省けることとなり、適切な電動機制御状態が容易に得られる。

以下、本発明の一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る冷却塔用送風機を含む冷却塔の概略構成図、図２は本実施の形態に係る冷却塔用送風機を含む冷却塔の平面図である。

前記各図に示すように、本実施の形態に係る冷却塔用送風機１は、直交流式の熱交換部６０を有して誘引通風型とされる冷却塔５０の通風路排気側開口部に配設されるものであり、冷却塔５０の支持部５１に固定されて排気側開口中央に位置する電動機１０と、この電動機１０の出力軸端に取付けられて電動機１０の駆動により回転する羽根車２０と、冷却塔５０の所定箇所に配設され、電動機１０と接続されて電動機１０の駆動制御を行う制御盤３０とを備える構成である。なお、循環水と外気との間で熱交換を行わせる熱交換部６０や、熱交換部の上下に配設される上部水槽、下部水槽など、冷却塔５０の他部分については、公知の構成であり、詳細な説明を省略する。

前記電動機１０は、冷却塔５０の排気側開口中央の支持部５１上に配設され、出力軸１１を冷却塔内部側に向けて回動可能とする状態で支持されると共に、羽根車２０中心のハブ部２２から電動機１０本体部分の下端部までの間隔が、羽根車２０外径の１０ないし２０％の所定寸法となるようにして、電動機１０の出力軸１１端部に羽根車２０を直接連結固定してなる構成である。

電動機１０の内部構造は、巻線の極数を６ないし８極としているなど、減速伝動機構を介して羽根車と連結されるもので、通常は４極である従来の電動機に比べ、極数を増やして同じ入力周波数での軸回転数を低下させると共に、電動機１０がスムーズに回転可能な範囲で商用電源周波数を大きく下回る周波数、例えば、約２２Ｈｚを制御盤３０による周波数制御で入力することで、定常状態の回転数として、羽根車の定格回転数範囲（３５０ｒｐｍ以下）に抑えた低回転数（３１５ｒｐｍ）を得ている。

前記羽根車２０は、複数枚の羽根２１をハブ部２２を中心に放射状配置で連結して一体化し、ハブ部２２の冷却塔内に面する側には通風抵抗を減らすための曲面状のカバー２３を取付けた公知の構成であり、詳細な説明を省略する。中心のハブ部２２を電動機１０の出力軸１１に取付けられてこの出力軸１１と一体に回転する。この羽根車２０におけるハブ部２２のカバー２３外径は、電動機１０外径より大きくされており、電動機１０は、ハブ部２２のカバー２３の範囲内に収ってその外側で空気の主流が存在する羽根車２０の送風領域にははみ出さず、空気流に対し抵抗を与えない仕組みである。

前記制御盤３０は、電動機１０を可変周波数制御で駆動制御するインバータ回路を含むものであり、あらかじめ電動機１０と結線された状態で冷却塔５０に取付けられる構成である。冷却塔５０側にインバータが設けられることで、従来の電動機制御回路を冷却塔外の一次側制御盤に有して、冷却塔外から電動機１０までの結線を冷却塔設置後に冷却塔の使用者側で行う場合に比べて、使用者は冷却塔側の制御盤３０と冷却塔外の制御盤を結ぶ配線を行うのみでよく、冷却塔５０上の配線等が不要となり、煩雑な作業を行わずに済む。この制御盤３０のインバータによる電動機１０の周波数制御で、電動機１０の起動・停止を滑らかにしたり、負荷条件によって電動機１０の駆動周波数を定常運転時の周波数から若干変化させたりすることもできる。

次に、前記構成に基づく冷却塔用送風機の動作状態について説明する。公知の冷却塔同様に、通常の冷却塔運転状態では、熱交換媒体として冷凍機や空気調和機器等で熱を吸収し温まった冷却対象の循環水が所定の循環経路から取出されて熱交換部６０内側に流通し、熱交換後再び循環経路に戻る過程が繰返されている。そして、送風機１による誘引通風で熱交換部６０に横方向から外気が導入され、循環水は熱交換部６０において外気と熱交換して冷却される一方、熱交換後の外気は熱交換部６０から送風機１を経て冷却塔５０上方に排気される。

この運転状態では、負荷の状況（循環水温、循環水量他）に応じて送風機１のＯＮ・ＯＦＦ制御が行われるが、前記制御盤３０のインバータによる駆動制御により、起動時や停止時、電動機１０は可変周波数制御で回転数を少しずつ変化するようにして駆動される。スムーズに起動、停止が行われ、回転する羽根車２０からの騒音発生を小さくすることができる。

冷却塔５０の定格運転時は、制御盤３０のインバータからの商用電源周波数に比べて低い周波数の入力により、送風機１の電動機１０は、従来の電動機と羽根車間に減速機構を介在させた場合と同様の低回転数で、出力軸１１及びこれと一体の羽根車２０を回転させており、回転する羽根車２０からの騒音の発生は少ない。

また、制御盤３０のインバータによる電動機１０の周波数制御で、定格運転時は低い周波数（２２．５Ｈｚ）で制御を行っているが、循環水温や外気温度が高いなど、冷却塔の負荷条件によっては、電動機１０の駆動周波数を定常運転時の駆動周波数より高くし、羽根車２０の回転数を高くして通風量を大きくすることもある。羽根車２０の回転数を高めている分騒音レベルは大きくなるが、昼間など騒音条件が厳しくない場合には問題とはならないこともあり、通風量を増やして循環水温度を低くすることでエネルギー消費効率（ＣＯＰ）を向上させられる。

このように、本実施の形態に係る冷却塔用送風機では、電動機１０の出力軸１１と羽根車２０を直結すると共に、電動機１０として極数が所定数のものを使用し、さらに電動機１０の駆動周波数制御を行って商用電源周波数より低い周波数で電動機１０を駆動することから、電動機１０の回転数を従来の減速機構で減速したあとの回転数程度に抑えることができ、中・大型の冷却塔において羽根車２０を電動機１０直結で無理なく使用することができ、起動時の騒音発生を従来送風機より低く抑えると共に、電動機１０と羽根車２０間の伝達機構を省略でき、その設置スペースを不要として通風抵抗低減による性能向上とコストダウンが図れ、また、メンテナンスの手間も不要となる。

本発明の一実施形態に係る冷却塔用送風機を含む冷却塔の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る冷却塔用送風機を含む冷却塔の平面図である。

符号の説明

１ 送風機
１０ 電動機
１１ 出力軸
２０ 羽根車
２１ 羽根
２２ ハブ部
２３ カバー
３０ 制御盤
５０ 冷却塔
５１ 支持部
６０ 熱交換部

Claims (3)

1. 熱交換部に対して誘引通風で外気を導入する冷却塔用の送風機において、
   送風機羽根車駆動用の交流電動機が、冷却塔排気側開口所定箇所で、電動機出力軸を冷却塔内部側に向けて配設固定され、
   前記羽根車のハブ部が、前記電動機の出力軸に一体に連結固定され、羽根車が前記出力軸と一体に回動可能とされ、
   前記電動機が、巻線の極数を６ないし８極とされると共に、定常状態で商用電源周波数より低い所定周波数で駆動制御され、定常状態の羽根車回転数を羽根車自体の定格回転数範囲内とし、
   前記羽根車のハブ部における冷却塔内部側の端部に、ハブ部を覆って通風抵抗を低減するカバーが配設されると共に、前記電動機の外径を前記カバーより小さくして形成され、
   前記羽根車のハブ部と電動機の出力軸を除く本体部分との間隔が、羽根車外径の１０ないし２０％の所定寸法とされ、空気の主流が存在する羽根車の送風領域に対し、当該送風領域内側となる前記カバーの下流側領域で、電動機外面に沿って流れる気流を生じさせることを
   特徴とする冷却塔用送風機。
2. 前記請求項１に記載の冷却塔用送風機において、
   前記電動機に対する駆動制御で、負荷条件によっては、定常状態の周波数より高い周波数で電動機を駆動することを
   特徴とする冷却塔用送風機。
3. 前記請求項１又は２に記載の冷却塔において、
   前記電動機の駆動用制御回路を含む制御盤が、電動機と結線された状態で冷却塔と一体に配設されることを
   特徴とする冷却塔用送風機。

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