JP2010048448A

JP2010048448A - 冷却塔及び熱源機システム

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Publication number: JP2010048448A
Application number: JP2008211780A
Authority: JP
Inventors: Motomi Inagaki; 元巳稲垣; Nakahiro Inagaki; 那加博稲垣
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP5264366B2

Abstract

【課題】ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制しつつ冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つ。
【解決手段】本発明の冷却塔は、熱負荷から戻される高温の冷却水を空気中に散布し、ファンの回転に伴う空気の通流による蒸発潜熱で冷却水を冷却して再び熱負荷に循環供給するものであり、冷却された冷却水の検出温度に応じてファンの回転数を複数段の周波数で段階制御する制御手段を備えて構成される。制御手段は、冷却水温度（ＣＴＩ）が、あらかじめ設定された冷却水の目標温度範囲（２５℃〜２８℃）に保たれるように下限値（２５℃）及び上限値（２８℃）においてそれぞれファンの周波数を切り替えるようにしている。なおかつ、ファンの周波数が一度に複数段切り替わらないように、目標温度範囲より高温側及び低温側で段階的にファンの周波数が切り替えられるようにしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却塔及び熱源機システムに係り、特に、冷却塔のファンの回転周波数の制御技術に関する。

例えば吸収式冷温水機などの熱源機で熱負荷を冷却して高温になった冷却水は、配管を介して冷却塔へ導かれ、冷却塔で冷却された後再び配管を介して熱源機の熱負荷に循環供給される。冷却塔は、熱源機から導かれた高温の冷却水をケーシング内に散布し、冷却塔に設けられたファンにより蒸発潜熱で冷却するものとして知られている。

ところで、近年の省エネルギー要求に対応すべく、熱源機と冷却塔からなる熱源機システムの省エネルギー研究がなされており、熱源機自体の効率向上はある程度なされてきた。

しかし、熱源機自体の省エネルギー化だけでは不十分であり、例えば冷却水を熱源機と冷却塔との間で搬送するポンプや冷却塔に用いられるファンの動力の効率向上が求められている。

この点、特許文献１に記載されているように、冷却塔で冷却された冷却水の温度を検出し、この検出温度に応じて冷却塔のファンの回転数をインバータで周波数可変に制御することによりファンの効率を高めることが知られている。

すなわち、従来は冷却水温度がある設定温度（例えば２７℃）以上になったらファンを１００％の周波数で駆動し、ある設定温度（例えば２４．５℃）以下になったらファンを停止する、いわゆるオン−オフ制御であったので、ファンの起動及び停止が頻繁に発生してファン効率の観点から好ましくなかった。これに対して、特許文献１では、検出温度が下限設定温度（例えば２４．５℃）と上限設定温度（例えば２７℃）との間にあるときは、検出温度に１対１に対応してほぼ比例するように設定された周波数でファンを駆動することにより、ファンの起動及び停止の回数を低減することができるとされている。

特開平５−３４０６９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているように、検出温度にほぼ比例するように設定されている周波数でファンを駆動すると、冷却水の温度変化に対してファンの周波数が敏感に変化することにより冷却水温度がハンチングして安定しないおそれがある。

この点、複数段の設定周波数のそれぞれに対して一定の温度幅をもたせて、これを階段状に連続させて段階的にファン周波数を制御することにより、検出温度がある一定の温度域にあるときには周波数が変化しないので、冷却水温度をある程度安定させることができると考えられる。

ところで、ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制するためには、複数段の設定周波数のそれぞれにおける温度幅を広げることが望ましいが、これには限界がある。例えば冷却水温度を目標温度範囲内に保つべく、目標温度範囲の下限値と上限値との間の範囲を各設定周波数における温度幅として設定すると、各設定周波数において同じ温度で周波数が切り替えられることとなるので、複数段にわたる周波数切り替えが一度に行なわれる場合が生じて好ましくない。

そこで、本発明は、ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制しつつ冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つことを課題とする。

本発明の冷却塔は、熱負荷から戻される高温の冷却水を空気中に散布し、ファンの回転に伴う空気の通流による蒸発潜熱で冷却水を冷却して再び熱負荷に循環供給するとともに、冷却された冷却水の検出温度に応じてファンの回転数を複数段の周波数で段階制御する制御手段を備えて構成される。

制御手段は、ファンの周波数を一段高い周波数に切り替えた後の冷却水の検出温度の上昇に対応して、あらかじめ設定された冷却水の目標温度範囲の上限値以上の高温側でファンの周波数を段階的に高く切り替えるとともに、ファンの周波数を一段高い周波数に切り替えた後冷却水の検出温度が冷却水の目標温度範囲の下限値まで下降した場合には、ファンを停止させる場合を除いてファンの周波数を一段低い周波数に切り替える。

一方、ファンの周波数を一段低い周波数に切り替えた後の冷却水の検出温度の下降に対応して、冷却水の目標温度範囲の下限値以下の低温側でファンの周波数を段階的に低く切り替えるとともに、ファンの周波数を一段低い周波数に切り替えた後冷却水の検出温度が冷却水の目標温度範囲の上限値まで上昇した場合には、ファンを停止状態から起動させる場合を除きファンの周波数を一段高い周波数に切り替えることを特徴としている。

すなわち、複数段の各周波数において、冷却水の目標温度範囲の下限値から上限値までの温度幅を持たせることにより冷却水の温度の変動によるファン周波数の切り替え頻度を低減させることができる。これに加えて、複数段の各周波数において、目標温度範囲の下限値及び上限値でファンの周波数の切り替えが行なわれるようにしているので、冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つことができる。

さらに、複数段の各周波数において、目標温度範囲の下限値及び上限値でファンの周波数の切り替えが行なわれるようにしているにも関わらず、例えば上限値での周波数の切り替えは周波数を一段低く切り替えた後に冷却水温度が上昇した場合にしか行なわれないというように条件を付けているので、複数段にわたる周波数切り替えが一度に行なわれることが回避される。その結果、ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制しつつ冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つことができる。

この場合において、制御手段は、ファンの周波数を設定上限周波数から一段低い周波数に切り替える設定温度を、冷却水の目標温度範囲の下限値よりも高温側へ設定することができる。

つまり、ファンの周波数が設定上限周波数になっているときは、熱源機の負荷が高負荷であることを示しており、検出温度がファンの周波数を設定上限周波数から一段下の周波数へ切り替える温度まで低下するのに時間がかかる。そこで、ファンの周波数を設定上限周波数から一段下の周波数へ切り替える設定温度を例外的に目標温度範囲の下限値よりも高温側へシフトさせて設定することにより、検出温度が下降してきたときにはなるべく早く周波数を一段下に切り替えてファンを低い動力で駆動することができる。その結果、ファンを設定上限周波数で駆動させ続けるという状態を極力回避することができ、省エネルギー化を図ることができる。

また、熱源機と、上述の冷却塔と、熱源機の熱負荷から戻される高温の冷却水を冷却塔へ導く配管と、冷却塔で冷却された冷却水を熱源機の熱負荷へ導く配管とを備えて熱源機システムを構成することができる。

本発明によれば、ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制しつつ冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つことができる。

以下、本発明を適用してなる冷却塔及び熱源機システムの実施形態を説明する。図１は、本実施形態の熱源機システムの全体構成を示す図である。図１に示すように熱源機システム１００は、冷却塔１０と、熱源機２０と、冷却水配管３０とを備えて構成されている。熱源機２０は例えば吸収式冷温水器など、冷却塔で冷却された冷却水を用いて熱負荷を冷却する必要があるような機器である。

冷却塔１０は、筒状のケーシング１１を備え、ケーシング１１の下部の側面に空気流入口１２が形成され、底部に冷却水の水槽１３が設けられている。空気流入口１２はルーバ状に形成されている。また、空気流入口１２の位置よりも上方のケーシング１１内に充填材１４が収容され、充填材１４の上方に、冷却水の散水ノズル１５が配設されている。

また、ケーシング１１の頂部に開口１６が設けられ、その開口１６には固定具１７によってファンモータ１８が固定されるとともに、ファンモータ１８の回転軸にはファン１９が固定されている。なお、冷却塔１０の水槽１３への冷却水の補給水は、図示しないボールタップ等を有する給水口から供給される。

冷却水配管３０は、往管３１及び復管３２から構成される。往管３１には、冷却塔１０から熱源機２０のほうへ向けて順に冷却水ポンプ３３と逆止弁３４が配置されている。冷却水ポンプ３３の吸引口は水槽１３の底部近傍に連通されている。冷却水ポンプ３３の吐出口は逆止弁３４を介して熱源機２０の熱負荷と熱交換可能な図示していない熱交換器に連結されている。往管３１の逆止弁３４と図示していない熱交換器との間（熱源機２０の入口部）には、冷却水温度センサー５１が設けられており、この冷却水温度センサー５１の出力信号は、後述する運転制御装置５０に入力される。

復管３２には電動三方弁４１と、この電動三方弁４１がバイパス指令で開放したときに復管３２の冷却水を水槽１３に導くバイパス配管４２が設けられている。

運転制御装置５０は、制御装置５３とインバータ装置５５とを備えて構成される。制御装置５３は、冷却水温度センサー５１の検出温度信号に応じてあらかじめ設定されている周波数でファンモータ１８及びファン１９を回転駆動させる周波数信号を形成してインバータ装置５５に与える。

また、制御装置５３は、冷却水温度センサー５１からの検出温度信号を基にバイパス指令信号を形成して電動三方弁４１に与えて冷却水をバイパスさせる。例えば、冷却水の検出温度が下限設定温度（例えば２４℃）以下になると、電動三方弁４１を切り替えて、熱源機２０からの戻り冷却水を直接冷却塔１０の水槽１３へ落下させることにより、冷却水が過冷却されることを防止する。

なお、本実施形態においては説明の便宜上、制御装置５３は冷却塔１０及び熱源機２０とは独立して設けているが、冷却塔１０に付属して設けて冷却塔１０の１構成要素とすることもできるし、或いは熱源機２０に付属して設けて熱源機システム１００の１構成要素とすることもできる。

図２は、制御装置５３の詳細構成を示すブロック図である。図２に示す制御装置５３は、中央処理装置５３１と、記憶装置５３２と、入力信号部５３３と、出力信号部５３４などから構成されている。制御装置５３は、冷却塔１０の運転開始にともなって動作を開始するようになっている。すると、中央処理装置５３１は、記憶装置５３２に記憶されているプログラムに基づいて動作し、冷却水温度センサー５１から入力信号部５３３を介して取り込まれたデータに応じて、あらかじめ設定されている周波数でファンモータ１８及びファン１９を回転駆動させる周波数信号を形成して、出力信号部５３４を介してインバータ装置５５に供給できるように構成されている。

このように構成される熱源機システム１００では、従来、冷却水の冷却水温度センサー５１による検出温度が下限設定温度（例えば２４．５℃）と上限設定温度（例えば２７℃）との間の設定温度に保たれるようにファン１９の回転周波数が制御される。例えば、設定温度より検出温度が高くなればファンの周波数を高く、検出温度が低くなればファンの周波数を低くするように、検出温度に比例するようにファン周波数を設定して、検出温度に対応する周波数でファン１９を駆動することが知られている。

ところが、このような従来技術では、冷却水の温度変化に対してファン１９の周波数が敏感に変化することにより、冷却水温度がハンチングして安定しないおそれがある。

しかしながら、ファン周波数の頻繁な切り替えを抑制しつつ冷却水温度を目標温度範囲内に安定して保つためには、複数段の設定周波数のそれぞれにおける温度幅を広げることが望ましいが、これには限界がある。例えば冷却水温度の目標温度範囲の下限値と上限値との間を各設定周波数の温度幅として設定すると、各設定周波数において同じ温度で周波数が切り替えられることとなるので、複数段にわたる周波数切り替えが一度に行なわれる場合が生じて好ましくない。

本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０は、このような問題に対応すべくなされたものである。以下、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０の特徴部である制御装置５３のファンの周波数制御内容について実施例ごとに詳細を説明する。

図３は、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０における制御装置５３の第１実施例のファンの周波数制御内容を示す図である。図３において、横軸は冷却水温度センサー５１で検出された冷却水入口温度（℃）（以下、適宜ＣＴＩという）であり、縦軸はファン１９の周波数の定格を１００％とした割合を示している。

図３における各矢印はそれぞれＣＴＩに対応してファン１９の周波数を一段高く或いは低く切り替える制御内容を示しており、周波数の切り替えがなされた後は、各矢印が指し示す制御ライン上の制御条件で次の周波数切り替えが行なわれる。例えばファン１９が７０％の周波数で駆動されている状態でＣＴＩが２８℃未満から２８℃まで上昇した場合、矢印にしたがってファン１９の周波数は８０％へと切り替えられ、その後は矢印が指し示す制御ライン上のＣＴＩが２５℃まで下降するか或いは２９℃まで上昇するかという制御条件を満たしたら周波数の切り替えが行なわれる。

なお、ファン１９の周波数８０％及び９０％をまたいでそれぞれ２本の制御ラインが示されているが、これは説明の便宜上の理由で８０％及び９０％からずらされているもので、実際には、８０％及び９０％上にそれぞれ２本の制御ラインがあるものとする。

まず、図３に示すように、本実施例の制御装置５３のファン周波数の制御は、冷却水の検出温度に対して、ファン１９をＯＦＦするか、或いは７０％，８０％，９０％，１００％のいずれかの周波数で回転駆動するようになっている。なお、本実施例ではファン１９の周波数を４段階に切り替える場合を例に説明するが、それ以外の段数でファン１９の周波数を設定してもよい。また、冷却水入口温度の設定値やファン１９の周波数の設定値は適宜変更して用いることができる。

また、本実施例の制御装置５３のファン周波数の制御は、複数段の周波数設定における各段で、一定の温度幅をもたせて、これを階段状に連続させて段階的にファン１９の周波数を切り替えるよう構成されている。

より具体的に、本実施例では、冷却水の目標温度が２５℃〜２８℃にあらかじめ設定されており、ファン１９をＯＦＦ状態から７０％周波数に切り替える場合は例外として、いずれの設定周波数においても目標温度範囲内では周波数が切り替わらないようになっている。言い換えれば、複数段の周波数設定における各段で、２５℃〜２８℃という温度幅をもたせている。

本実施例の制御装置５３のファン周波数の制御の動作の一例を示すと、例えばファン１９を７０％周波数で駆動している状態でＣＴＩが２８℃未満から２８℃まで上昇したら、ファン１９の周波数は８０％へと切り替えられる。この状態でさらにＣＴＩが２９℃まで上昇したらファン１９の周波数は９０％へと切り替えられる。この状態でさらにＣＴＩが３０℃まで上昇したらファン１９の周波数は１００％へと切り替えられる。

すなわち、ファン１９の周波数を一段高い周波数に切り替えた後のＣＴＩの上昇に対応して、冷却水の目標温度範囲の上限値（２８℃）以上の高温側でファンの周波数が段階的に高く切り替えられるようになっている。

また、例えばファン１９を７０％周波数で駆動している状態でＣＴＩが２８℃未満から２８℃まで上昇してファン１９の周波数が８０％へと切り替えられた状態でＣＴＩが２５℃まで下降した場合、ファン１９の周波数は７０％へと切り替えられる。同様に、ファン１９の周波数が８０％から９０％、９０％から１００％へと切り替えられた状態でＣＴＩが２５℃まで下降した場合も、ファン１９の周波数はそれぞれ８０％，９０％へと切り替えられる。

すなわち、ファン１９の周波数を一段高い周波数に切り替えた後ＣＴＩが冷却水の目標温度範囲の下限値（２５℃）まで下降した場合には、ファン１９の周波数が一段低い周波数に切り替えられるようになっている。なお、ファン１９を７０％で駆動している状態からＯＦＦする場合は例外として除かれており、ＣＴＩが２５℃まで下降してもファン１９をＯＦＦされず、２３℃まで下降してはじめてＯＦＦされる。

一方、例えばファン１９を１００％周波数で駆動している状態でＣＴＩが２５℃より高い状態から２５℃まで下降したら、ファン１９の周波数は９０％へと切り替えられる。この状態でさらにＣＴＩが下降したらファン１９の周波数は８０％，７０％，ＯＦＦへと順次切り替えられる。

すなわち、ファン１９の周波数を一段低い周波数に切り替えた後のＣＴＩの下降に対応して、冷却水の目標温度範囲の下限値（２５℃）以下の低温側でファン１９の周波数が段階的に低く切り替えられるようになっている。

また、例えばファン１９を１００％周波数で駆動している状態でＣＴＩが２５℃より高い状態から２５℃まで下降してファン１９の周波数が９０％へと切り替えられた状態でＣＴＩが２８℃まで上昇した場合、ファン１９の周波数は１００％へと切り替えられる。同様に、ファン１９の周波数が９０％から８０％、８０％から７０％へと切り替えられた状態でＣＴＩが２８℃まで上昇した場合も、ファン１９の周波数はそれぞれ９０％，８０％へと切り替えられる。

すなわち、ファン１９の周波数を一段低い周波数に切り替えた後ＣＴＩが冷却水の目標温度範囲の上限値（２８℃）まで上昇した場合には、ファン１９の周波数が一段高い周波数に切り替えられるようになっている。なお、ファン１９がＯＦＦの状態から周波数を７０％へ切り替える場合は例外として除かれており、ＣＴＩが２６℃まで上昇した時点でファン１９の周波数は７０％へと切り替えられる。

以上のように、本実施例の制御装置５３のファン周波数の制御は、ＣＴＩ２８℃においてファン１９の周波数を７０％から８０％，８０％から９０％，９０％から１００％へと切り替える段階が存在し、ＣＴＩ２５℃においてファン１９の周波数を１００％から９０％，９０％から８０％，８０％から７０％へと切り替える段階が存在する。

これによれば、複数段の各周波数において、冷却水の目標温度範囲の下限値から上限値までの温度幅を持たせているので、冷却水の温度の変動に対するファン１９の周波数の切り替えを低減することができる。

また、複数段の各周波数において、目標温度範囲の下限値及び上限値でファン１９の周波数の切り替えが行なわれるようにしているので、冷却水温度を目標温度範囲内に保つようにファン１９の周波数制御が行われる。

これに加えて、複数段の各周波数において、目標温度範囲の下限値及び上限値でファン１９の周波数の切り替えが行なわれるようにしているにも関わらず、これらは例えば目標温度範囲の上限値でのファン１９の周波数の切り替えはファン１９の周波数を一段低く切り替えた後にＣＴＩが上限値まで上昇した場合にしか行なわれない。言い換えれば、目標温度範囲の下限値及び上限値でファン１９の周波数の切り替えは条件付きで行なわれる制御である。これにより、一度に２段階或いはそれ以上の段階の周波数の切り替えが行なわれるのが回避されるようになっている。

図４は、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０における制御装置５３の第２実施例のファンの周波数制御内容を示す図である。

本実施例は、ファン１９の周波数を設定上限周波数（１００％）から一段低い周波数（９０％）に切り替える設定温度を変更する点、この変更に伴ってファン１９の周波数を一段下げた後さらにＣＴＩが下降した場合における周波数を低く切り替える温度条件を変更する点、及びファン１９の周波数が１００％から９０％に切り替えられた後における周波数を１００％へ切り替える温度条件を変更する点が第１実施例と異なるものである。第１実施例と同様の部分については説明を省略する。

図４に示すように、本実施例は、ファン１９の周波数を設定上限周波数（１００％）から一段低い周波数（９０％）に切り替える設定温度を、冷却水の目標温度範囲の下限値（２５℃）よりも高温側の２６℃へ設定している。また、ファン１９の周波数が９０％に一段下げられた後さらにＣＴＩが下降した場合におけるファン１９の周波数を低く切り替える設定温度を２５℃へ設定している。また、ファン１９の周波数が８０％に一段下げられた後さらにＣＴＩが下降した場合におけるファン１９の周波数を低く切り替える設定温度を２４℃へ設定している。さらに、ファン１９の周波数が１００％から９０％に切り替えられた後ＣＴＩが上昇した場合におけるファン１９の周波数を１００％へ切り替える設定温度を２９℃に設定している。

すなわち、ファン１９を定格の１００％の周波数で駆動しているということは、熱源機２０の負荷が高負荷であることがわかる。熱源機２０が高負荷の場合、ＣＴＩは低下し難いが、低下し始めたときにはなるべく早めにファン１９の周波数を上限周波数（１００％）から一段下の周波数（９０％）へ切り替えるのが好ましい。そこで、ファン１９を定格の１００％の周波数で駆動しているときには、ファン１９の周波数を上限周波数（１００％）から一段下の周波数（９０％）へ切り替えるＣＴＩの設定温度を２５℃から２６℃にシフトさせている。

これによれば、見かけ上のＣＴＩの目標温度を高めに設定することにより、ＣＴＩが下降してきたときにより早く周波数を一段下に切り替えてファン１９を低い動力で駆動することができる。その結果、ファンを設定上限周波数（１００％）で駆動させ続けるという状態を極力回避することができ、省エネルギーを図ることができる。

また、本実施例によれば、ファン１９の周波数を定格周波数より低い７０％，８０％，９０％で駆動して省エネルギー化を図りながら、冷却水温度を目標温度範囲内の２５℃〜２８℃に入るようにファン１９の周波数制御をすることが可能となる。

本実施形態の熱源機システムの全体構成を示す図である。制御装置の詳細構成を示すブロック図である。本実施形態の熱源機システム及び冷却塔における制御装置の第１実施例のファンの周波数制御内容を示す図である。本実施形態の熱源機システム及び冷却塔における制御装置の第２実施例のファンの周波数制御内容を示す図である。

符号の説明

１０冷却塔
１１ケーシング
１２空気流入口
１４充填材
１５散水ノズル
１６開口
１８ファンモータ
１９ファン
２０熱源機
３０冷却水配管
３１往管
３２復管
５０運転制御装置
５１冷却水温度センサー
５３制御装置
５５インバータ装置
１００熱源機システム

Claims

熱負荷から戻される高温の冷却水を空気中に散布し、ファンの回転に伴う空気の通流による蒸発潜熱で前記冷却水を冷却して再び前記熱負荷に循環供給するとともに、前記冷却された冷却水の検出温度に応じて前記ファンの回転数を複数段の周波数で段階制御する制御手段を備えてなる冷却塔において、
前記制御手段は、前記ファンの周波数を一段高い周波数に切り替えた後の前記冷却水の検出温度の上昇に対応して、あらかじめ設定された前記冷却水の目標温度範囲の上限値以上の高温側で前記ファンの周波数を段階的に高く切り替えるとともに、前記ファンの周波数を一段高い周波数に切り替えた後前記冷却水の検出温度が前記冷却水の目標温度範囲の下限値まで下降した場合には、前記ファンを停止させる場合を除いて前記ファンの周波数を一段低い周波数に切り替え、
前記ファンの周波数を一段低い周波数に切り替えた後の前記冷却水の検出温度の下降に対応して、前記冷却水の目標温度範囲の下限値以下の低温側で前記ファンの周波数を段階的に低く切り替えるとともに、前記ファンの周波数を一段低い周波数に切り替えた後前記冷却水の検出温度が前記冷却水の目標温度範囲の上限値まで上昇した場合には、前記ファンを停止状態から起動させる場合を除き前記ファンの周波数を一段高い周波数に切り替えることを特徴とする冷却塔。
前記制御手段は、前記ファンの周波数を設定上限周波数から一段低い周波数に切り替える設定温度を、前記冷却水の目標温度範囲の下限値よりも高温側へ設定する請求項１の冷却塔。
熱源機と、請求項１又は２の冷却塔と、前記熱源機の熱負荷から戻される高温の冷却水を前記冷却塔へ導く配管と、前記冷却塔で冷却された冷却水を前記熱源機の熱負荷へ導く配管とを備えて構成される熱源機システム。