JPS6134076B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷凍機の凝縮器等より放出される熱量
を安定かつ効率的に吸収し、これを減圧蒸発によ
る潜熱を利用して冷却を行う冷却水の温度制御装
置を有する冷却塔装置に関する。

従来、ビルデイングあるいは大型冷凍設備に使
用される冷凍機にあつては、その凝縮器より放出
される熱を循環冷却水に吸収させ、その冷却水を
さらに冷却塔を介して大気に放熱させている。こ
の際、ある程度容量の大きい冷却塔を適用すれ
ば、冷凍機を常時稼動させていても冷却水が上昇
していく傾向にある場合必要以上に累積加熱され
ていくことは防げるが、逆に降下していく傾向の
場合には累積的に冷却して行き、過冷却になるこ
とがある。これを防止するため従来は冷却塔の入
口配管および出口配管間にバイパス路を設け、こ
のバイパス路と入口配管との接合点に備えた三方
弁を出口配管内の冷却水温度を測定して調節する
ことによつて出口冷却水の温度を一定に保つてい
た。しかしながら、この様な制御方法では、第一
に、冷却塔自身に供給される水量が変化してしま
う欠点がある。ところが冷却塔の送風フアンが定
速度で回転し一定空気が供給されていても、供給
水量が変化すると、充填材への散布状態が不規則
となるため冷却塔自体の冷却効率が一定の特性に
ならず著しく乱れ、そのため、出口冷却水の温度
を均一的に冷却させることが極めて難しく、一定
の時間間隔で大きな脈動を生じ、これがために冷
凍機コンプレツサに負担が掛つたり、あるいは、
庫内の食品等が凍結したりさらには除霜装置が頻
繁に働いてしまう如き欠点が多発している。さら
に第二に、冷蔵庫等は冬場でも使用されるが、冬
場と夏場では外気温度、湿度等で決るエンタルピ
量もしくはこれに近似する湿球温度が異なるため
冷却塔の効率も当然変化する。このため、特に冬
場などでは、冷却水は急速に冷されるため早ぐに
過冷却に達してしまい、三方弁によるバイパス路
法の制御では足りず、冷却塔の送風フアンの発停
をも制御しなければならない。このことは実質的
に冷却水温を一定化することが難かしく、冷凍機
自体の安定性を欠き各種の制御機器を損傷させる
だけでなく、冷凍機内でも蒸発器に至る冷媒量が
減少し冷凍能力が著しく低下する。また出口冷却
水の温度は大きな脈動を生ずるだけでなく、送風
フアンの発停に際しても大きな電力を必要とし、
送風電動機からフアンに動力を伝達しているベル
ト伝達器のベルト切断事故等の派生的事故が頻発
していた。

そこで近年上述の如く制御動作の安定化の目的
だけでなく、電力節減、省エネルギ化の意図を含
め、冷却塔装置の送風機を変速させることが検討
されている。

その一つの方法として、送風電動機のインバー
タ制御方式がある。この方式は電動機に加える電
源周波数をサイリスタによるスイツチング操作で
可変周波数電源として与えるものである。しかし
乍ら、この方式の最大の欠点は大電力をスイツチ
ング操作するため多大な高調波が発生し、送風電
動機以外の近隣地域に対して雑音を発生し、大型
計算機等に誤動作を与えてしまう。また他の機器
類に障害を及ぼすだけでなく、高周波の割合が多
いため送風電動機自体の節電が全く達成されず、
しかも大きな騒音を発生するという問題があつ
た。

本発明はこの様な欠点を無くすために為された
もので、冷却塔装置に適用される送風フアンと送
風電動機との間に可変径プーリを有するベルト動
力伝達機を適用し、しかもこの機械式の動力伝達
機を電気的な調節器で自動制御する新規な冷却塔
装置を提供することを目的としている。

すなわち、本発明では、冷却塔の送風フアンの
回転変速を行うための動力系については機械的な
可変径プーリによつて行い、また回転調節を行う
ための制御系については電気的に行うので、電気
的雑音も機械的騒音も充分に解決され、しかも送
風フアンの変速動作は極めて安定化し、節電のう
えからも効率的な制御が達成できる。

以下本発明の一実施例を図面とともに詳述す
る。

第１図は本発明の一実施例の計装例を示すもの
であり、１は冷却塔、２は凝縮器、３は蒸発器、
４はコンプレツサ、５は膨張弁であり、基本的に
これ等の構成により冷凍装置が図示の如く配置さ
れている。冷凍機の本体内では、コンプレツサ４
を介して冷媒が矢印の方向に循環している。この
場合、蒸発器３では吸熱によつて庫内に冷凍雰囲
気を作り、この吸収した熱を庫外の凝縮器２を介
して放熱している。大容量の冷凍機では、この放
熱を空冷によらず、冷却水による水冷方式を採用
するのが一般的である。この場合、同図の如く、
ポンプ１８によつて、入口配管１４、冷却塔１、
出口配管１５の順にこの冷却水を循環させてい
る。一方、冷却塔１には、送風フアン１１を回転
するためモータ９および可変無段変速機１０が取
り付けてあり、モータ９は定速回転をしている
が、無段変速機１０は、出口配管５もしくは水槽
１６内に設けた温度検出器１７によつて、その変
速率を可変となるように調節している。これによ
つて散水器１２を経て冷却水を散布された充填材
１３には、同時に送風フアン１１によつて空気が
供給される結果、水槽１６には冷却された水が貯
えられることになる。しかし、大気の気流を利用
している結果、我国のような気象条件では夏場と
冬場とで温度および湿度が全く異るため、外気乾
球温度も、また外気湿球温度も大幅に変わり冷却
塔１の熱交換性能も当然大きく変化する。

第２図は、本発明の機能と、従来の冷却塔の機
能の特性比較図であり、季節毎に冷却塔の熱交換
性能が変化する様子を示す特性図である。日本の
気象条件を例に採れば、夏場は高温多湿であるの
に対し、冬場は低温低湿であるため、熱交換率
（潜熱の利用率）は夏場の外気の方が冬場の外気
に比して低い。この場合、従来の冷却塔では供給
水量Ｌと供給空気量Ｇとの比（すなわちＬ／Ｇ）
は約1.5〜2.0前後の固定した値に設計されるのが
一般的であり、したがつて供給する水の量も、空
気量も冷却塔が定まるとほぼ一定している。しか
も、充填材１３を所定量としたときに熱交換性能
がほぼ100％となるように予じめ設計してあるも
のである。ところが冷却塔は主に夏場の重負荷時
を中心に設計しているため、夏場に第２図Ａ点に
設定されている冷却塔を春もしくは秋場、さらに
は冬場に使用すると極端に冷却性能がＢ点からＣ
点へと増加し、凝縮器２の発散熱を必要以上に吸
収してしまう欠点がある。そこで本発明では冷却
水の出口温度が変化しても、また外気条件が変化
してもこの外気条件に応じて冷却塔１の熱交換性
能を対応させるため塔内での水−空気比率Ｌ／Ｇ
を可変に自動もしくは手動調節することにより、
冷却塔１の冷却水出口温度を脈動させることなく
一定に保持させようとするものである。すなわ
ち、第２図中夏場に水−空気比Ｌ／Ｇがａの値で
あつたものも、春もしくは秋場にはa′へ、また冬
場には、a″に移項させ、冷却塔の熱交換性能をＡ
≒A′≒A″となる如く制御するものである。すな
わち、各季節での水−空気比はa″＞a′＞ａの関係
にあるため、空気Ｇの送風量の増減を制御すれば
良いことになる。さらに、これ等の関係は、各季
節毎の調節だけでなく、昼間と夜間との気象条件
に於いても全く同様の制御も可能である。

第３Ａおよび３Ｂ図ならびに第４図は、本実施
例における冷却塔１の空気送風量を、冷却水の温
度信号に応じて自動的に制御するため可変ベルト
動力伝達装置１０の断面図とその制御回路の接続
図を示している。なお、モータ９、送風フアン１
１、散水器１２および充填材１３等については従
来のものと変更する必要がないので、ここで詳述
することは省略する。第３Ａ図は可変ベルト動力
伝達装置の縦断面図を、また第３Ｂ図はその横断
面図を示す。この第３Ａ，３Ｂ図において、２０
はモータ軸であり、この種可変ベルト動力伝達装
置１０には一般にモータ（図示せず）を装着する
ことは公知の技術なので詳述することは省く。モ
ータ軸２０には固定プーリ２２が取り付けられ、
さらにこのプーリ２２はベルト２４を経て、中間
軸１９の上端に配設した可変プーリ２３に第一段
目の動力伝達が行われ、またさらに中間軸１９の
下端に配設した固定プーリ２７にはベルト２９を
経て送風機回転軸２１に配設した可変プーリ２８
に第二段目の動力伝達が行われる。本実施例で
は、２つの固定プーリ２２および２７、並びに２
つのベルト２４および２９、さらには可変プーリ
２３および２８は、それぞれほぼ同一の内径を有
している。また可変プーリ２３および２８は、摺
動円板２３ａおよび２８ａを、また非摺動円板２
３ｂおよび２８ｂとからそれぞれ構成されてい
る。なお、円板２３ａおよび２３ｂ、並びに２８
ａおよび２８ｂを両方とも外側に向つて摺動する
型式でも良く、その構造自体は公知である。中間
軸１９は摺動枠２６内で回転し、この摺動枠２６
はさらに第３Ｂ図に示す如く、左右に摺動縁２６
ａおよび２６ｂを有し、この摺動縁２６ａおよび
２６ｂが、さらに本体４０に取り付けたコ字状ガ
イド基体２５の内側溝２５ｂおよび２５ｄにそれ
ぞれ嵌合し、摺動枠２６の全体をこの溝２５ｂお
よび２５ｄに伴つて摺動できるようになしてい
る。３０はこの摺動枠２６の位置決めを制御する
ための調節棒であり、一端を、摺動枠２６と一体
成形した保持腕２６ｃに設けた穴に、回転可能に
取り付けられている。また他端にはネジ溝３２が
本体４０のネジ穴４１に係合している。調節棒３
０の中央部は六角断面を有しており、同じく六角
孔を有する大歯車３１を貫通している。制御電動
機３４は大および小歯車３１および３５による歯
車減速機構により調節棒３０を自動に回動させ
る。制御電動機３４の制御電力が可変プーリ２
３，２８に達するまでの歯車３１，３５並びに調
節棒３０は制御動力伝達機を構成しており、さら
にこの制御動力伝達機と制御電動機３４とは全体
として可変プーリ２３，２８を直接操作する変速
制御器を構成している。

一方補助歯車３６は摺動枠２６の位置を検出す
るために設けたものであり、検出軸３７を介して
調節器３８に送られる。一方、調節器３８はさら
に内部に歯車減速機構を有し、結果的には、摺動
枠２６の位置が指示目盛板３８ｂで表示できる如
く構成されている。また、３８ｃは調節器３８の
制御回路が内蔵されているものであり、回路の詳
細は後に述べるが、ここでは概略的に図示すもの
とする。

この様な動力伝達装置の動作は、図から明らか
な様に、中間軸１９の摺動枠２６が変速制御器に
よつて入出力軸２０，２１に接近していると、ベ
ルト２４，２９は可変プーリ２３，２８にて大き
な接触半径を有し、従つて大きな減速比にて動力
伝達装置１０は駆動される。また逆に中間軸１９
が入出力軸２０，２１から最も離れた位置にある
と、可変プーリ２３，２８は最小周円半径で接触
するため出力軸２１は最大回転数が得られる。制
御電動機３４は可逆電動機であるので、その回転
方向に応じて出力回転数を連続可変に制御できる
ことになる。

上述の実施例では、可変ベルト動力伝達装置１
０の二段階伝達機のそれぞれに１つの可変プーリ
２３又は２８を持つ実施を示してきたが、本発明
の冷却塔装置に適用される動力伝達装置は、第一
段目伝達機に２つの可変プーリを使用する場合で
あつてもよく、また第一段目又は第二段目のいず
れかに１つの可変プーリを使用する型式であつて
も良い。

次に第４図は、調節器３８の回路構成、ならび
に制御電動機３４の関係を示す回路接続図であ
る。第４図の調節装置に於いて、Ａがブリツジ回
路、Ｂが増幅回路、Ｃが禁止帯設定回路、Ｄが出
力リレー駆動回路、Ｅが電源回路、さらにＦが制
御電動機駆動回路である。ブリツジ回路Ａにおい
て、ｒ０，ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４は主なブロツ
ジ辺抵抗であり、ｒ０は特に第１図中の冷却水の
出口温度を検出する温度抵抗変換器１７′であ
り、抵抗として示してある。変換器１７′はサー
ミスタまたはPt、Ntバルブ等でも良い。ここで
はPtバルブを温度検出器としている。また、ｒ２
はこのPtバルブまたは熱電対の起動力特性を補償
するためのブリツジ平衡用抵抗であり、さらにｒ
４はフイードバツクポテンシヨメータ（FBP）で
ある。ｖ１およびｖ２は調整用の可変抵抗器であ
る。スイツチSW１は切換スイツチであり、第２
図における夏場、春（秋）場および冬場特性のそ
れぞれに対応する水−空気比Ｌ／Ｇをａ，a′およ
びa″に設定するために切換える手動スイツチであ
り、各々の特性に応じてra，rb，rcの異なる抵抗
値が設定される。これによつて各季節においても
冷却塔１の冷却容量を切換えて稼動できる様に制
御される。なお、本実施例では、各季節における
抵抗値を三段階に区分したが、この抵抗値を大気
の温度および湿度、すなわち大気エンタルピもし
くはこれに近似した信号として知られている湿球
温度信号に対応した連続変化量を得るために、湿
球温度、相対湿度等の既に周知の検出機器１７に
より、外気気候条件に自動的対応する抵抗値に設
定することも可能である。

一般にエンタルピ量は、実質的に温度と湿度に
依存しており、その依存の度合は、ほぼ温度と湿
度が６対１の割合であることが知られている。こ
のため精度を要しないラフな制御によつて外気補
償するときには、外気乾球温度だけで外気補償し
ても良い。しかし、所定の精度を望む場合は、そ
こに湿度を加味する必要がある。湿球温度検出器
はこの両者を加味したものとして知られており、
既に各種の検出器が市販されている。たとえば、
アスマン型乾湿計を使用して湿球温度を電気的に
検出しても良い。さらに、エンタルピ量を半導体
素子によつて計算するものも考えられているが、
その構造は本発明では重要でないので省略する。
これ等の場合は機器１７は高価となるが、手動操
作が全く不必要になる。このように外気条件に連
続自動応答する場合も、本発明の技術的範囲に含
むことは明らかである。次にスイツチSW２は保
守用のスイツチで常時は接点Ｓ１に接触している
が、ベルト２４および２９を交換するときに接点
Ｓ２に切換えし、摺動枠２６を最も本体４０の内
部に埋没させて入力軸２０，２１と中間軸２７を
接近させ、このベルトを容易に着脱できる様な位
置に設定するための小抵抗reが並設されている。
ツエナーダイオードZD１およびZD２はいずれ
も、このブリツジ回路に定電圧を供給するもので
ある。増幅回路Ｂは、出力から抵抗Ｒ２を介して
正帰還を加えられた直流増幅器Ｑ１から構成され
ている。禁止帯は、この帰還電圧ra／R2・VH
（＝αVH）のＲ２，raを変える事により設定され
る。禁止帯設定回路Ｃでは、臨界域でのハンチン
グを防止するためのもので、同抵抗値を有し、禁
止帯域幅を設定するためのバイアス抵抗Ｒ３およ
びＲ４と、ダイオードブリツジｄ１，ｄ２，ｄ３
およびｄ４からなる。出力リレー回路は制御電動
機３４を制御するリレー１Ｋおよび２Ｋと、これ
を付勢・消勢するスイツチングトランジスタＱ２
およびＱ３とで構成される。電源回路Ｅは通常使
用される倍電圧整流回路である。電動機回路Ｆは
２つの巻線Ｗ１およびＷ２のいずれかを励磁する
ことにより電動機Ｍの回転方向が決められる。ま
たこの電動機Ｍの回転は歯車減速機構Ｇを経て、
指示目盛板３８ｂにて、制御状態を指示すると同
時にフイードバツクポテンシヨメータｒ４のワイ
パにも連結している。リレー接点１Ｋ１および２
Ｋ１は、それぞれリレー１Ｋおよび２Ｋにより駆
動され、電動機Ｍの回転方向が決まる。

この第４図に示す調節器の回路動作を述べる。
夏場では、切換スイツチSW１は抵抗raに設定さ
れている。まず冷却水温度が所定の範囲内にあり
そこより上昇する傾向にある場合を考える。この
とき冷却水の出口温度が上昇し始めると、温度検
出用のPtバルブは抵抗ｒ０が増大し増幅器Ｑ１の
負側入力が正側入力より電位上昇し、出力ｐは負
電圧−VHに転ずる。するとダイオードｄ２が導
通しダイオードｄ１が非導通する。そのため正側
入力ｊは−αVH（＝−ra／R2・VH）の正帰還
が掛る。さらに出力ｐの負電圧−VHはトランジ
スタＱ３をONとなし、その結果リレー２Ｋを付
勢する。すると、このリレー接点２Ｋ１が閉成
し、電動機巻線Ｗ２が励磁され、制御電動機３４
は回転し、摺動枠２６を移動させ、ベルト変速機
の減速率が小さくなる方向すなわち中間軸２７が
入出力軸２０，２１から遠ざかる方向に動く。こ
のため送風機１１の回転数が大きくなり、送風量
が増大（水−空気比は減少）するため、より熱交
換能率が増大し、冷却水はより冷却される。制御
電動機３４の回転に伴い、歯車減速機構を介して
連動している。フイードバツクポテンシヨメータ
ｒ４のワイパが移動し、増幅器Ｑ１の正および負
側入力の偏差がなくなる位置まで移動すると、増
幅器Ｑ１の出力は再び零レベル（もしくはコモン
レベル）に戻るため、トランジスタＱ２，Ｑ３は
いずれもOFFとなる。このため冷却塔１は以前
より高い熱交換能率を与えられた状態で、冷却水
温度は正常の温度に戻される。次に、逆に、冷却
水温度が低下するときを考えると、上述とは反対
の動作を行う。すなわち、禁止帯の範囲を越えて
低下すると、増幅器Ｑ１の出力は正電圧＋VHに
転ずる。このためトランジスタＱ２が導通し、リ
レー１Ｋが付勢され、その接点１Ｋ１が閉成す
る。そこで制御電動機３４の巻線Ｗ１が励磁し、
制御電動機が前とは逆に回転するため、摺動枠２
６は本体１内に入り込み、ベルト変速機の減速率
は増大する。その結果、冷却塔１の送風量が減少
（水−空気比の増大）し、熱交換性能の割合を低
下する。このため冷却塔１は、出力冷却水の温度
が低いときは、低交換能率を持続する。増幅器Ｑ
１の正側入力は、制御電動機３４が回転し、ポテ
ンシヨメータｒ４のワイパｄの移動に伴つて、負
側入力との偏差がなくなる時点に達すると、トラ
ンジスタＱ２，Ｑ３がOFFし、制御電動機３４
の回動は停止する。

さて、第４図に示す如く、制御電動機３４の回
転軸はフイードバツクポテンシヨメータｒ４と連
動しているため温度変化はこのワイパと連結した
指針によつて指示することが可能である。しか
も、増幅器Ｑ１の負側入力Pvが−αVH＜Pv＜α
VHの範囲外では、このワイパｄで設定される電
圧より、はるかに大きい正帰還電圧が正側入力に
加えられているため、冷却水の温度状態はこれに
影響されず、いかなる範囲でもサーボ系が追従し
指示計器３８の指針に表示することが可能であ
る。本実施例装置では、制御電動機による自動平
衡計器として調節器３８の動作を説明してきた
が、位置比例型の周知の調節計を用いても良く、
またサーボ系に限られるものではなく、三位置調
節計として摺動枠２６の位置決めを制御すること
も可能である。また本発明の冷却塔装置は空調用
エバコン、工業用エアフインクーラ等の強制通風
装置にも適用できることは明白である。

以上の様に、本発明の冷却塔装置によれば、強
制通風用の送風機を可変速制御する際に送風フア
ンと送風電動機との動力伝達装置に可変径プーリ
を使用しているので、冷却塔装置の容量制御を単
に無段階に制御するだけでなく、特に無段変速制
御を行う際に変速動作は可変径プーリにより機械
的な変速機構を、また制御動作を電子的調節器に
より行つているので、従来の純電子的可変速制御
方式に比して電源雑音を周囲に漏出することがな
く、しかも冷却水温度を安定に制御し得るので冷
凍機の運転も平滑化かつ効率化を達成できる。こ
のため冷凍機を含めた系として節電効果が達成さ
れる。サイリスタ等を用いた従来の可変速制御方
式の如く、低速時ほど運転効率が低下ししかも騒
音を発生することがないので、住宅地域に設置す
る場合に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例装置が使用される
計装図を、第２図は同実施例装置と従来例との制
御特性の比較を示すための特性図を、さらに第３
Ａおよび３Ｂ図は、同実施例装置に使用される可
変動力伝達操作装置の一例を、それぞれ縦断面図
および横断面図で示している。さらに第４図ａ
は、同動力伝達操作装置を自動可変に制御するた
めの調節器の回路接続図を示している。 図に於いて、１……冷却塔、９……送風モー
タ、１０……可変ベルト動力伝達装置、１１……
送風機、１７……温度検出器、２２および２７…
…固定プーリ、２３および２８……可変プーリ、
１９……中間回転軸、３４……サーボ制御電動
機、３８……調節器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 散布された冷却水に空気を接触させる際に供
   給空気量を変化させることにより冷却水を所定の
   温度に自動制御する冷却塔装置において、送風フ
   アンとこの送風フアン駆動を駆動するための送風
   電動機との間に位置し、可変径プーリを有し、し
   かも単一の密閉筐体内にて入力軸から中間回転軸
   を経て出力軸へのベルト動力伝達を二段階に行う
   と共に上記密閉筐体は上記中間回転軸の周囲を開
   放可能とするための蓋体を保持するベルト動力伝
   達装置を装備し、さらに上記ベルト動力伝達装置
   は制御電動機とこの制御動力を上記可変径プーリ
   に伝達してベルトおよび上記可変径プーリの接触
   周円の半径を変化させる制御動力伝達機とからな
   る変速制御器を上記密閉筐体の壁面に有する一
   方、上記冷却塔装置によつて冷却された冷却水の
   温度に応じて上記変速制御機の駆動を制御して上
   記送風フアンの回転数を所定の大きさに自動調節
   する電子的調節器を上記変速制御器に連結するこ
   とにより、上記冷却塔装置に供給する水−空気比
   を連続的に可変することを特徴とする冷却塔装
   置。