特許 7149800 冷却塔システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-29

(45)【発行日】2022-10-07

(54)【発明の名称】冷却塔システム

(51)【国際特許分類】

   F28F 27/00 20060101AFI20220930BHJP

   F28C 1/04 20060101ALI20220930BHJP

【ＦＩ】

F28F27/00 501A

F28C1/04

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018194250

(22)【出願日】2018-10-15

(65)【公開番号】P2020063852

(43)【公開日】2020-04-23

【審査請求日】2021-05-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】浦田 昌裕

(72)【発明者】

【氏名】末吉 克也

【審査官】藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０７２２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００２８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５９２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１０１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２９２５１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２３６７２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ２７／００

Ｆ２８Ｃ １／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却前の冷却水に外気を接触させる複数のファンと、
複数の前記ファンのそれぞれに対して設けられ、前記ファンを駆動するモータと、
複数の前記モータのそれぞれに対して設けられ、前記モータに所望の周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータから前記モータに供給する電力の周波数を、冷却負荷に基づいて、２以上の前記モータで同期させて変化させる負荷分散制御部と、
を備え、
前記負荷分散制御部は、前記モータに供給する電力の周波数を、前記ファンの駆動下限値に対応する所定周波数以上とし、
複数の前記モータに供給する電力の周波数を合計した周波数が、合計周波数であり、
前記所定周波数を複数の前記モータ分だけ合計した周波数が、所定合計周波数であり、
前記所定周波数の電力を複数の前記モータ分だけ合計した電力が、所定合計電力であり、
複数の前記モータのうち一部の前記モータを停止させた場合の停止していない前記モータの合計電力が、複数の前記モータのうち一部の前記モータを停止させる前の複数の前記モータの前記所定合計電力と等しくなるときの前記合計周波数が、特定合計周波数であり、
前記負荷分散制御部は、
前記合計周波数が、前記所定合計周波数未満であっても、前記特定合計周波数以上であれば、複数の前記モータのうちの一部の前記モータの停止を行わず、前記所定周波数の電力を複数の前記モータにそれぞれ供給するように制御し、
前記合計周波数が、前記所定合計周波数未満であり、さらに、前記特定合計周波数未満であれば、複数の前記モータのうち一部の前記モータを停止させる冷却塔システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却塔システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、冷却塔における１台のファンの回転数を、冷却水温度にしたがって制御する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平５－３４０６９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

大規模な工場などでは、多くの設備に冷却水を供給する必要がある。このような場所には、１台のファンを有する冷却塔が複数台設けられたり、複数台のファンを有する冷却塔が１または複数台設けられることがある。このような場合、冷却すべき負荷（冷却負荷）の変化にしたがって、ファンの稼働台数を変化させる制御が行われることがある。

【0005】

例えば、比較例の冷却塔システムでは、１台のファンを有する冷却塔が３台設けられているとする。この比較例の冷却塔システムの制御装置は、冷却負荷が少ないときには、１台目のファンを回転数制御し、２台目および３台目のファンを停止させる。冷却負荷の増加にしたがって１台目のファンの回転数が上限に達し、さらに冷却負荷が増加すると、制御装置は、１台目のファンに加え、２台目のファンを起動させる。冷却負荷の増加にしたがって２台目のファンの回転数も上限に達し、さらに冷却負荷が増加すると、制御装置は、１台目および２台目に加え、３台目のファンを起動させる。

【0006】

しかし、ファンを駆動するモータに供給する電力は、モータに供給する電力の周波数の累乗（具体的には、３乗）で増加するため、ファンの回転数が上昇するに連れて大幅に大きくなる。このため、ファンの稼働台数を制御する冷却塔システムでは、ファンを駆動するモータに供給する電力を十分に抑制することができなかった。

【0007】

本発明は、このような課題に鑑み、ファンを駆動するモータに供給する電力を抑制することが可能な冷却塔システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の冷却塔システムは、冷却前の冷却水に外気を接触させる複数のファンと、複数のファンのそれぞれに対して設けられ、ファンを駆動するモータと、複数のモータのそれぞれに対して設けられ、モータに所望の周波数の電力を供給するインバータと、インバータからモータに供給する電力の周波数を、冷却負荷に基づいて、２以上のモータで同期させて変化させる負荷分散制御部と、を備え、負荷分散制御部は、モータに供給する電力の周波数を、ファンの駆動下限値に対応する所定周波数以上とし、複数のモータに供給する電力の周波数を合計した周波数が、合計周波数であり、所定周波数を複数のモータ分だけ合計した周波数が、所定合計周波数であり、所定周波数の電力を複数のモータ分だけ合計した電力が、所定合計電力であり、複数のモータのうち一部のモータを停止させた場合の停止していないモータの合計電力が、複数のモータのうち一部のモータを停止させる前の複数のモータの所定合計電力と等しくなるときの合計周波数が、特定合計周波数であり、負荷分散制御部は、合計周波数が、所定合計周波数未満であっても、特定合計周波数以上であれば、複数のモータのうちの一部のモータの停止を行わず、所定周波数の電力を複数のモータにそれぞれ供給するように制御し、合計周波数が、所定合計周波数未満であり、さらに、特定合計周波数未満であれば、複数のモータのうち一部のモータを停止させる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ファンを駆動するモータに供給する電力を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態による冷却塔システムの構成を示す概略図である。

【図2】ファンによる風量とモータに供給する電力との関係を示す図である。

【図3】周波数と風量との関係を実測によってプロットした図である。

【図4】負荷分散制御部による制御の概略を説明する説明図である。

【図5】第１実施形態の冷却塔システムの効果を説明する説明図である。

【図6】負荷分散制御部による制御の詳細を説明する説明図である。

【図7】合計周波数と合計電力との関係の一例を示す図である。

【図8】合計周波数と合計電力との関係の一例を示す図である。

【図9】第２実施形態による冷却塔システムの構成を示す概略図である。

【図10】比較例の冷却塔システムの動作を説明する説明図である。

【図11】第２実施形態の冷却塔システムの動作を説明する説明図である。

【図12】第２実施形態の変形例の動作を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0014】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による冷却塔システム１の構成を示す概略図である。冷却塔システム１は、例えば、工場などに適用される。なお、冷却塔システム１の適用場所は、工場に限らない。図１では、冷却水の流れの方向を実線の矢印で示し、空気の流れの方向を一点鎖線の矢印で示し、信号の流れの方向を破線の矢印で示している。

【0015】

冷却塔システム１は、複数の冷却塔１０（図１では、３台の冷却塔１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）、熱交換器３０、温度計３２、ポンプ３４、複数のインバータ３６（図１では、３台のインバータ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ）、制御装置４０を含んで構成される。

【0016】

冷却塔１０は、空調機器などの熱交換器３０から送られた冷却水を冷却する。冷却塔１０で冷却された冷却水は、熱交換器３０に供給される。熱交換器３０では、供給された冷却水を用いて熱交換が行われ、冷却水の温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、冷却塔１０に送られる。冷却塔システム１では、このように冷却水が循環する。

【0017】

冷却塔１０は、ケーシング１２、充填材１４、散水部１６、ファン１８、モータ２０、水槽２２を含んで構成される。

【0018】

ケーシング１２は、例えば、筒状に形成されている。ケーシング１２の側壁には、ケーシング１２の内外を連通させる複数の開口部２４が形成されている。ケーシング１２の天井部（鉛直上部）には、ケーシング１２の内外を連通させる複数の開口部２６が形成されている。

【0019】

充填材１４は、例えば、ケーシング１２内における側壁付近に設けられている。充填材１４は、複数の開口部２４に臨むように設けられている。充填材１４は、例えば、鉛直方向に延在する複数の板状部材を含んで構成される。複数の板状部材は、水平方向に互いに離隔して並べられている。

【0020】

散水部１６は、例えば、ケーシング１２内において充填材１４の上方に配置されている。散水部１６は、熱交換器３０から送られた冷却水（冷却前の冷却水）をケーシング１２内に散水する。散水された冷却水は、充填材１４における複数の板状部材の隙間を通じて落下する。

【0021】

ファン１８は、ケーシング１２内の天井付近に設けられている。ファン１８は、複数の開口部２６に臨むように設けられている。ファン１８は、モータ２０の回転軸に接続されている。モータ２０は、ファン１８を駆動する駆動源である。

【0022】

ファン１８およびモータ２０は、冷却塔１０毎に１台ずつ設けられている。具体的には、冷却塔１０ａには、ファン１８ａが設けられており、冷却塔１０ｂには、ファン１８ｂが設けられており、冷却塔１０ｃには、ファン１８ｃが設けられている。ファン１８ａは、モータ２０ａに接続されており、ファン１８ｂは、モータ２０ｂに接続されており、ファン１８ｃは、モータ２０ｃに接続されている。

【0023】

ファン１８は、ケーシング１２内の空気を、開口部２６を通じてケーシング１２外に（下方から上方に向かって）送出する。空気は、ファン１８の回転にしたがって、ケーシング１２の側壁の開口部２４からケーシング１２内に送入され、充填材１４を通過し、ケーシング１２の天井部の開口部２６からケーシング１２外に送出される。

【0024】

散水部１６によって散水された冷却水は、充填材１４を通じて落下する過程において、ケーシング１２内に送入された空気（外気）と接触することにより、一部が蒸発する。散水された冷却水は、この蒸発による気化熱（潜熱）によって冷却される。つまり、ファン１８は、冷却前の冷却水に外気を接触させて、その冷却水を冷却させる。

【0025】

水槽２２は、ケーシング１２の鉛直下方に設けられる。水槽２２は、充填材１４を通じて落下した冷却水、すなわち、冷却後の冷却水を貯留する。複数の冷却塔１０の水槽２２は、連通部２８によって連通している。これにより、水槽２２内の冷却水の温度は、複数の冷却塔１０で等しくなっている。

【0026】

温度計３２は、複数の冷却塔１０の水槽２２のうち、いずれかの水槽２２（図１では、冷却塔１０ａの水槽２２）内に設置されている。なお、温度計３２の設置される位置は、冷却塔１０ａの水槽２２内に限らず、冷却塔１０ｂの水槽２２内であってもよいし、冷却塔１０ｃの水槽２２内であってもよい。また、複数の冷却塔１０の水槽２２に複数の温度計３２が設けられてもよい。

【0027】

温度計３２は、水槽２２内の冷却水の温度を検出する。つまり、温度計３２は、冷却後の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部として機能する。ポンプ３４は、水槽２２に貯留された冷却水を熱交換器３０に送出する。

【0028】

インバータ３６は、商用電源の電力を所望の周波数の電力に変換してモータ２０に供給する。インバータ３６は、モータ２０毎に設けられている。具体的には、インバータ３６ａは、モータ２０ａに電力を供給し、インバータ３６ｂは、モータ２０ｂに電力を供給し、インバータ３６ｃは、モータ２０ｃに電力を供給する。

【0029】

制御装置４０は、中央処理装置、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。制御装置４０は、負荷分散制御部４２として機能する。

【0030】

負荷分散制御部４２は、温度計３２の検出結果に基づいて、インバータ３６からモータ２０に供給する電力の周波数を導出する。例えば、負荷分散制御部４２は、温度計３２の温度が目標温度になるように周波数を導出する。なお、複数の温度計３２が設けられる場合、負荷分散制御部４２は、複数の温度計３２の検出結果の平均値に基づいて周波数を導出してもよい。そして、負荷分散制御部４２は、導出された周波数を示す周波数指令をインバータ３６に送信する。

【0031】

インバータ３６は、商用電源の電力を、周波数指令にしたがった周波数の電力に変換して、モータ２０に供給する。モータ２０は、インバータ３６から供給された電力の周波数にしたがった回転数でファン１８を回転させる。

【0032】

図２は、ファン１８による風量とモータ２０に供給する電力との関係を示す図であり、図３は、周波数と風量との関係を実測によってプロットした図である。図２において、電力１００％は、モータ２０の定格電力を示す。風量１００％は、定格周波数（周波数１００％）で定格電力をモータ２０に供給したときのファン１８による定格風量を示す。

【0033】

ここで、ファン１８による風量は、図３に示すように、モータ２０に供給する電力の周波数に比例する。このため、ファン１８による風量は、図２の横軸においてかっこ書きで併記するように、モータ２０に供給する電力の周波数に置き換えることができる。つまり、周波数が増減した場合、同様の割合で、風量が増減することとなり、周波数と風量とを同じように扱うことができる。

【0034】

図２に示すように、モータ２０に供給する電力は、一般的に、モータ２０に供給する電力の周波数の３乗に等しい。このため、例えば、モータ２０に供給する電力の周波数を８０％とすれば、電力５１．２％で風量８０％の空気を通風させることができる。また、モータ２０に供給する電力の周波数を４０％とすれば、電力６．４％で風量４０％の空気を通風させることができる。

【0035】

ところで、比較例として、冷却すべき負荷（以下、冷却負荷という）の変化にしたがって、ファン１８（冷却塔１０）の稼働台数を変化させる冷却塔システムがある。

【0036】

例えば、比較例の冷却塔システムでは、１台のファンを有する冷却塔が３台設けられているとする。この比較例の冷却塔システムの制御装置は、冷却負荷が少ないときには、１台目のファン１８を回転数制御し、２台目および３台目のファン１８を停止させる。冷却負荷の増加にしたがって１台目のファン１８の回転数が上限に達し、さらに冷却負荷が増加すると、制御装置は、１台目のファン１８に加え、２台目のファン１８を起動させる。冷却負荷の増加にしたがって２台目のファン１８の回転数も上限に達し、さらに冷却負荷が増加すると、制御装置は、１台目および２台目に加え、３台目のファン１８を起動させる。

【0037】

しかし、ファン１８を駆動するモータ２０に供給する電力は、図２で説明したように、モータ２０に供給する電力の周波数の３乗で増加するため、ファン１８の回転数が上昇するに連れて大幅に大きくなる。このため、ファン１８の稼働台数を制御する冷却塔システムでは、ファン１８を駆動するモータ２０に供給する電力を十分に抑制することができなかった。

【0038】

そこで、第１実施形態の冷却塔システム１では、以下のように制御する。図４は、負荷分散制御部４２による制御の概略を説明する説明図である。図４の横軸の冷却負荷は、冷却水流量を一定とすると、冷却塔１０に送入される冷却水の温度と、冷却塔１０から送出される冷却水の目標温度との差分に比例する。図４の縦軸は、各モータ２０に供給する電力の周波数の合計である合計周波数を示している。合計周波数は、各ファン１８による風量の合計である合計風量に対応する。ハッチング領域Ａ１は、モータ２０ａに供給する電力の周波数を示し、ハッチング領域Ａ２は、モータ２０ｂに供給する電力の周波数を示し、ハッチング領域Ａ３は、モータ２０ｃに供給する電力の周波数を示している。

【0039】

図４に示すように、負荷分散制御部４２は、冷却塔システム１全体で必要となる合計風量に対応する合計周波数を、モータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃで等しく按分している。そして、負荷分散制御部４２は、冷却負荷に基づいて合計周波数が変化しても、按分の比率（３等分）を維持させる。具体的には、負荷分散制御部４２は、インバータ３６ａに送信する周波数指令の周波数と、インバータ３６ｂに送信する周波数指令の周波数と、インバータ３６ｃに送信する周波数指令の周波数とを共通にし、冷却負荷に基づいて並行して変化させる。

【0040】

このように、負荷分散制御部４２は、モータ２０に供給する電力の周波数を、冷却負荷に基づいて、２以上のモータ２０で同期させて変化させる。これにより、第１実施形態の冷却塔システム１では、複数のファン１８が並行して稼働することとなる。

【0041】

図５は、第１実施形態の冷却塔システム１の効果を説明する説明図である。なお、説明の便宜のため、図５では、冷却塔１０が２台（冷却塔１０ａ、１０ｂ）、すなわち、ファン１８が２台（ファン１８ａ、１８ｂ）の場合について説明する。

【0042】

図５（ａ）は、稼働台数の制御を行う比較例の冷却塔システムを示している。図５（ａ）では、２台の冷却塔１０のうち１台を単独で稼働させた場合を示している。具体的に説明すると、冷却塔１０ａのモータ２０ａには、周波数８０％の電力が供給されており、ファン１８ａの風量は、８０％となっている。一方、冷却塔１０ｂのモータ２０ｂには、電力が供給されておらず、ファン１８ｂの風量は、０％となっている。この場合、ファン１８ａの風量とファン１８ｂの風量を合計した合計風量は、８０％となる。

【0043】

また、図５（ａ）の場合、冷却塔１０ａのモータ２０ａに供給する電力は、５１．２％であり、冷却塔１０ｂのモータ２０ｂに供給する電力は、０％である。この場合、冷却塔１０ａのモータ２０ａに供給する電力と、冷却塔１０ｂのモータ２０ｂに供給する電力とを合計した合計電力は、５１．２％である。

【0044】

これに対し、図５（ｂ）は、第１実施形態の冷却塔システム１を示している。図５（ｂ）では、２台の冷却塔１０ａ、１０ｂが並行して稼働している。具体的に説明すると、冷却塔１０ａのモータ２０ａには、周波数４０％の電力が供給されており、ファン１８ａの風量は、４０％となっている。また、冷却塔１０ｂのモータ２０ｂには、冷却塔１０ａと同様に、周波数４０％の電力が供給されており、ファン１８ｂの風量は、４０％となっている。この場合の合計風量は、８０％となっている。つまり、合計風量は、図５（ａ）と図５（ｂ）とで等しくなっている。

【0045】

一方、図５（ｂ）の場合、冷却塔１０ａのモータ２０ａに供給する電力、および、冷却塔１０ｂのモータ２０ｂに供給する電力は、ともに６．４％である。この場合、合計電力は、１２．８％である。

【0046】

このように、第１実施形態の冷却塔システム１では、稼働台数を制御する比較例に比べ、ファン１８（冷却塔１０）が２台の場合、冷却塔システム１全体で、モータ２０に供給する電力を５１．２％から１２．８％に低減することができる。その結果、第１実施形態の冷却塔システム１では、稼働台数を制御する比較例に比べ、冷却塔システム１全体で、モータ２０に供給する電力を７５％削減（１／４に抑制）することができる。

【0047】

なお、ファン１８（冷却塔１０）が２台の場合について説明したが、ファン１８（冷却塔１０）が３台の場合（図１の場合）についても同様に、モータ２０に供給する電力を削減することができる。ファン１８が３台の場合、第１実施形態の冷却塔システム１では、稼働台数を制御する比較例に比べ、冷却塔システム１全体で、モータ２０に供給する電力を１／９に抑制することができる。

【0048】

また、ファン１８の台数は、２台あるいは３台に限らず、４台以上であってもよい。例えば、ファン１８の台数が４台の場合、第１実施形態の冷却塔システム１では、稼働台数を制御する比較例に比べ、冷却塔システム１全体で、モータ２０に供給する電力を１／１６に抑制することができる。つまり、第１実施形態の冷却塔システム１では、ファン１８の台数が多いほど、冷却塔システム１全体でのモータ２０に供給する電力の抑制効果を高くすることができる。

【0049】

ところで、モータ２０に供給する電力の周波数が所定周波数（下限周波数）を下回ると、ファン１８にかかるトルクが過大となり、ファン１８が適切に回転しないか、または、回転はするが駆動効率が悪くなるため意図的にファン１８の回転を停止させる。例えば、合計周波数が小さい場合、合計周波数をモータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃで按分したときの個々の周波数が、所定周波数を下回ることがある。この場合、ファン１８ａ、１８ｂ、１８ｃが適切に回転しないこととなる。

【0050】

そこで、第１実施形態の冷却塔システム１の負荷分散制御部４２は、モータ２０に供給する電力の周波数を、ファン１８の駆動下限値に対応する所定周波数（例えば、１５Ｈｚ）以上とする。つまり、負荷分散制御部４２は、所定周波数を下回る周波数の周波数指令をインバータ３６に送信しないようにし、ファン１８の稼働台数を減少させる。

【0051】

図６は、負荷分散制御部４２による制御の詳細を説明する説明図である。以下、所定周波数を複数のモータ２０分だけ合計した周波数を所定合計周波数と呼ぶこととする。例えば、所定周波数を１５Ｈｚとした場合、４５Ｈｚは、所定周波数を３台のモータ２０で合計した所定合計周波数に相当し、３０Ｈｚは、所定周波数を２台のモータで合計した所定周波数に相当する。

【0052】

負荷分散制御部４２は、冷却負荷が、４５Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ３以上の場合、合計周波数を３台のモータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃで等しく按分する。

【0053】

また、負荷分散制御部４２は、冷却負荷が、３０Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ２以上であり４５Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ３未満の場合、合計周波数を２台のモータ２０ａ、２０ｂで等しく按分する。そして、負荷分散制御部４２は、按分した周波数の周波数指令をインバータ３６ａ、３６ｂに送信し、インバータ３６ｃに停止信号を送信する。そうすると、モータ２０ｃは停止するが、モータ２０ａ、２０ｂに供給する電力の周波数は１５Ｈｚ以上となる。その結果、冷却塔システム１では、ファン１８ｃを停止させることで、ファン１８ａ、１８ｂを適切に回転させることができる。

【0054】

また、負荷分散制御部４２は、冷却負荷が、１５Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ１以上であり３０Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ２未満の場合、合計周波数を１台のモータ２０ａで按分する。そして、負荷分散制御部４２は、按分した周波数（この場合、合計周波数）の周波数指令をインバータ３６ａに送信し、インバータ３６ｂ、３６ｃに停止信号を送信する。そうすると、モータ２０ｂ、２０ｃは停止するが、モータ２０ａに供給する電力の周波数は１５Ｈｚ以上となる。その結果、冷却塔システム１では、ファン１８ｂ、１８ｃを停止させることで、ファン１８ａを適切に回転させることができる。

【0055】

また、負荷分散制御部４２は、冷却負荷が、０Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ０以上であり１５Ｈｚに対応する冷却負荷Ｌ１未満の場合、すべてのインバータ３６ａ、３６ｂ、３６ｃに停止信号を送信する。つまり、この場合、負荷分散制御部４２は、すべてのモータ２０（ファン１８）を停止させる。これは、冷却負荷Ｌ１未満では、必要となる合計周波数が１台のモータ２０の所定周波数よりも小さく、１台のファン１８も適切に回転させることができないからである。

【0056】

以上のように、第１実施形態の冷却塔システム１では、複数のファン１８が設けられており、複数のファン１８のそれぞれに対して、ファン１８を駆動するモータ２０が設けられている。そして、第１実施形態の冷却塔システム１では、モータ２０に供給する電力の周波数を、冷却負荷に基づいて、複数のモータ２０で同期させて変化させている。

【0057】

したがって、第１実施形態の冷却塔システム１によれば、ファン１８の稼働台数を制御する比較例に比べ、ファン１８を駆動するモータ２０に供給する電力を抑制することが可能となる。

【0058】

また、第１実施形態の冷却塔システム１の負荷分散制御部４２は、モータ２０に供給する電力の周波数を、ファン１８の駆動下限値に対応する所定周波数以上としている。このため、第１実施形態の冷却塔システム１では、ファン１８にかかるトルクが過大となってファン１８が適切に回転しない事態を防止できる。

【0059】

また、第１実施形態の冷却塔システム１の負荷分散制御部４２は、合計周波数が所定合計周波数未満の場合、複数のモータ２０のうち一部のモータ２０を停止させる。このため、第１実施形態の冷却塔システム１では、冷却負荷が小さい場合においても、ファン１８を適切に回転させることと、モータ２０に供給する電力を抑制することを両立できる。

【0060】

なお、第１実施形態の冷却塔システム１では、１台のファン１８を有する冷却塔１０が複数設けられていた。しかし、１台の冷却塔１０に複数のファン１８が設けられてもよい。この場合、１台の冷却塔１０における複数のファン１８の各モータ２０について、供給する電力の周波数を同期させて変化させてもよい。また、複数のファン１８を有する冷却塔１０が複数設けられてもよいし、１台のファン１８を有する冷却塔１０と複数のファン１８を有する冷却塔１０とが混在してもよい。

【0061】

また、第１実施形態において、所定周波数が適切に設定されていない場合、電力を抑制する効果が小さくなることがあるため、所定周波数を適切に設定することが好ましい。また、例えば、所定周波数を適切に設定したとして、ファン１８の稼働台数が切り替わる所定合計周波数付近において、合計周波数が所定合計周波数未満であっても稼働台数を切り替えた方が電力を抑制する効果をより大きくすることができる場合がある。

【0062】

図７は、合計周波数と合計電力との関係の一例を示す図である。なお、図７における合計周波数は、必要となる合計風量に基づいて決定される合計周波数の指令値を示しており、１台のモータ２０に供給する電力の定格周波数に対する割合で示している。ハッチング領域Ｂ１は、モータ２０ａに供給する電力を示し、ハッチング領域Ｂ２は、モータ２０ｂに供給する電力を示している。

【0063】

図７において、合計周波数約６０％は、所定合計周波数（２台のモータ２０の合計周波数３０Ｈｚ）に対応する。図７では、合計周波数約３０％から約６０％の間で、１台のモータ２０ａを稼働させている。そうすると、両矢印Ｃ１で示すように、合計周波数約３８％から約６０％の間（約１９Ｈｚから約３０Ｈｚの間）で、合計電力が、合計周波数６０％のときの合計電力よりも大きくなることがある。

【0064】

そこで、図８に示すように、両矢印Ｃ１の区間において、合計周波数の指令値に依らず、２台のモータ２０（ファン１８）を共に所定周波数（１５Ｈｚ）で稼働させてもよい。具体的には、負荷分散制御部４２は、必要となる合計風量に基づいて決定された合計周波数の指令値が、所定範囲（例えば、１９Ｈｚから３０Ｈｚまでの範囲）内となった場合、２台のインバータ３６のそれぞれに所定周波数（１５Ｈｚ）の周波数指令を送信する。つまり、この態様では、合計周波数の指令値が約３８％から約６０％の間において、合計周波数を実際に必要な量よりも意図的に多くして、複数のファン１８を最低回転数で回転させる。

【0065】

モータ２０に供給する電力が周波数の３乗で変化するため、複数のファン１８を最低回転数で回転させることで、所定合計周波数に到達するまで単独のファン１８を回転させる態様に比べ、合計電力の増加を抑えることができる。

【0066】

したがって、この態様では、図８に示すように、合計周波数約３８％から約６０％の区間（両矢印Ｃ１の区間）の合計電力を、合計周波数６０％のときの合計電力と同等にすることができる。また、この態様では、合計周波数約３８％から約６０％の区間の合計風量が、実際に必要な合計風量よりも大きくなるため、冷却水の冷却効果を増加させることができる。なお、合計周波数が３０％から３８％の間では、その合計周波数に応じて、１台のモータ２０（ファン１８）を１５Ｈｚから１９Ｈｚの間の周波数で稼働させる。

【0067】

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態による冷却塔システム１００の構成を示す概略図である。冷却塔システム１００は、温湿度計５０が追加され、制御装置４０が湿球温度制御部５２として機能する点において、第１実施形態の冷却塔システム１と異なる。したがって、第１実施形態と機能が等しい複数の冷却塔１０、熱交換器３０、温度計３２、ポンプ３４、複数のインバータ３６、制御装置４０については、その詳細な説明を省略し、機能が異なる湿球温度制御部５２について詳述する。

【0068】

温湿度計５０は、冷却塔１０付近の外気の湿球温度を検出する。温湿度計５０は、例えば、冷却水がかからず、直射日光が当たらない場所において、地表高約１．５ｍの位置に設置される。温湿度計５０は、外気の湿球温度を検出する湿球温度検出部として機能する。

【0069】

湿球温度制御部５２は、温度計３２の検出結果および温湿度計５０の検出結果に基づいて、インバータ３６からモータ２０に供給する電力の周波数を導出する。湿球温度制御部５２は、導出された周波数を示す周波数指令をインバータ３６に送信する。

【0070】

ところで、冷却塔１０では、外気の湿球温度が冷却水の目標温度よりも適度に低い場合、冷却水の温度が目標温度に下がり易い。しかし、冷却塔１０では、外気の湿球温度が冷却水の目標温度に近づくに連れて、冷却水が目標温度まで下がり難くなる。

【0071】

このことから、比較例として、外気の湿球温度が冷却水の目標温度に近づくに連れて、ファン１８を駆動するモータ２０に供給する電力を増加させる冷却塔システムがある。これは、モータ２０に供給する電力を増加させることで、外気の風量を増加させ、冷却水を目標温度に下げようとするものである。

【0072】

図１０は、比較例の冷却塔システムの動作を説明する説明図である。図１０（ａ）は、湿球温度と設定冷却水温度との関係、および、湿球温度と冷却水温度との関係を示している。湿球温度は、温湿度計５０により検出された温度である。設定冷却水温度は、冷却水の目標温度である。冷却水温度は、温度計３２により検出された温度である。図１０（ｂ）は、湿球温度とアプローチ温度との関係を示している。アプローチ温度は、温度計３２で検出された冷却後の冷却水温度と温湿度計５０で検出された湿球温度との差分である。図１０（ｃ）は、湿球温度とモータ２０に供給する電力を示している。電力は、定格電力に対する割合で示している。また、図１０（ａ）～図１０（ｃ）では、冷却負荷が一定であるとする。

【0073】

比較例の冷却塔システムでは、アプローチ温度が２．５℃となるまで冷却水を冷却できる能力があるとする。図１０（ａ）の実線Ｄ１１で示すように、比較例の冷却塔システムでは、湿球温度に依らず、設定冷却水温度が２８℃で一定に設定されている。この場合、図１０（ｂ）で示すように、アプローチ温度は、湿球温度が上昇するに連れて漸減する。

【0074】

このような比較例の冷却塔システムでは、図１０（ｃ）で示すように、湿球温度が設定冷却水温度（２８℃）に向かって上昇するに連れて、モータ２０に供給する電力が大幅に増加している。そして、湿球温度が２５．５℃以上となると、モータ２０に供給する電力は、供給可能な電力の上限（電力Ｐ２）に達して維持される。なお、湿球温度２５．５℃は、アプローチ温度２．５度に対応する温度（２８℃－２．５℃＝２５．５℃）である。

【0075】

そうすると、冷却水温度は、図１０（ａ）に示すように、湿球温度が２５．５℃（モータ２０に供給する電力が上限（電力Ｐ２）に達した温度）を超えて上昇するに連れて漸増する。例えば、湿球温度が２５．５℃から２．５℃上昇して２８℃となると、冷却水温度は、２８℃から２．５℃上昇して３０．５℃となる。この際、アプローチ温度は、図１０（ａ）に示すように、湿球温度が２５．５℃以上において２．５℃で一定となる。

【0076】

また、モータ２０に供給する電力が周波数（風量）の３乗で増加するため、図１０（ｃ）に示すように、湿球温度２５．５℃のときの電力Ｐ２は、湿球温度２５℃のときの電力Ｐ１に比べ、大幅に大きい。

【0077】

このため、例えば、比較例の冷却塔システムでは、湿球温度が２５℃から２５．５℃までの僅か０．５℃の範囲において、冷却水温度を設定冷却水温度（２８℃）に維持するために、電力Ｐ２と電力Ｐ１との差分の大電力が必要である。したがって、比較例の冷却塔システムでは、湿球温度が上昇するに連れて、モータ２０に供給する電力に対して得られる冷却水の冷却効果が小さくなり、効率が低下していた。

【0078】

そこで、第２実施形態の冷却塔システム１００の湿球温度制御部５２は、モータ２０に供給する電力が所定電力を超えないように、設定冷却水温度を変化させる。所定電力は、湿球温度が所定湿球温度（例えば、２５℃）となるときの電力である。所定湿球温度は、設定冷却水温度の基準値（例えば、２８℃）に基づいて設定される。また、所定湿球温度は、モータ２０に供給する電力が供給可能な電力の上限に達するときの湿球温度（例えば、２５．５℃）よりも低い温度に設定される。

【0079】

図１１は、第２実施形態の冷却塔システム１００の動作を説明する説明図である。図１１（ａ）は、湿球温度と設定冷却水温度との関係、および、湿球温度と冷却水温度との関係を示している。図１１（ｂ）は、湿球温度とアプローチ温度との関係を示している。図１１（ｃ）は、湿球温度と、モータ２０に供給する電力との関係を示している。図１１（ａ）～図１１（ｃ）では、冷却負荷が一定であるとする。

【0080】

湿球温度制御部５２は、湿球温度が２５℃未満において、図１１（ａ）の実線Ｄ２１に示すように、設定冷却水温度を２８℃に設定している。つまり、第２実施形態の冷却塔システム１００では、湿球温度が２５℃未満の場合、図１０に示す比較例と同様に動作する。第２実施形態の冷却塔システム１００は、湿球温度が２５℃以上の場合の動作が、比較例と異なる。

【0081】

湿球温度が２５℃以上の場合、湿球温度制御部５２は、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、アプローチ温度が所定アプローチ温度（例えば、３℃）を維持するように、設定冷却水温度を変化させる。所定アプローチ温度は、設定冷却水温度の基準値（２８℃）と、所定湿球温度（２５℃）とに基づいて設定される。また、所定アプローチ温度は、モータ２０に供給する電力が供給可能な電力の上限に達するときのアプローチ温度（例えば、２．５℃）よりも高い温度に設定される。

【0082】

具体的には、湿球温度制御部５２は、設定冷却水温度を、現在の湿球温度に所定アプローチ温度を加算した温度に更新する。例えば、湿球温度が２６℃の場合、湿球温度制御部５２は、設定冷却水温度を、２９℃（２６℃＋３℃）に更新する。

【0083】

これにより、湿球温度が２５℃以上において、現在のアプローチ温度は、図１１（ｂ）に示すように、所定アプローチ温度（例えば、３℃）に維持される。また、湿球温度２５℃以上において、現在の設定冷却水温度は、図１１（ａ）の実線Ｄ２１に示すように、湿球温度２５℃のときの設定冷却水温度（２８℃）よりも上昇する。その結果、冷却後の冷却水温度は、図１１（ａ）の一点鎖線Ｄ２２に示すように、設定冷却水温度に合わせて上昇することとなる。

【0084】

しかし、モータ２０に供給する電力は、図１１（ｃ）に示すように、湿球温度が２５℃以上となっても、湿球温度２５℃のときの電力Ｐ１を超えないこととなる。これは、湿球温度２５℃以上では、アプローチ温度が一定となるため、湿球温度２５℃のときの風量を超える風量を通風させなくとも、冷却水温度を設定冷却水温度にすることができるからである。

【0085】

より詳細には、湿球温度２５℃以上においてアプローチ温度を所定アプローチ温度に維持させると、湿球温度の上昇に連れて冷却水の蒸発が促進されて、冷却水温度が下がり易くなる。このため、湿球温度２５℃以上において、湿球温度の上昇に連れて、冷却水温度を設定冷却水温度にさせるための風量を減少させることができる。その結果、第２実施形態の冷却塔システム１００では、図１１（ｃ）に示すように、湿球温度２５℃以上において、湿球温度の上昇に連れて、モータ２０に供給する電力を、逆に徐々に減少させることができる。

【0086】

以上のように、第２実施形態の冷却塔システム１００の湿球温度制御部５２は、湿球温度が変化しても、モータ２０に供給する電力が所定電力を超えないように設定冷却水温度を変化させている。

【0087】

これにより、第２実施形態の冷却塔システム１００では、設定冷却水温度を湿球温度に依らず一定に設定する比較例に比べ、湿球温度が所定湿球温度（例えば、２５℃）を超えると、冷却水温度が少し（例えば、数℃）上昇する。しかし、第２実施形態の冷却塔システム１００では、設定冷却水温度を湿球温度に依らず一定に設定する比較例に比べ、モータ２０に供給する電力を大幅に（例えば、電力Ｐ２から電力Ｐ１に大幅に）抑制することができ、冷却効率の低下を抑制することが可能となる。

【0088】

したがって、第２実施形態の冷却塔システム１００によれば、非効率な運転を抑制することが可能となる。

【0089】

また、第２実施形態の冷却塔システム１００の湿球温度制御部５２は、湿球温度が所定湿球温度（例えば、２５℃）以上の場合に、アプローチ温度が所定アプローチ温度（例えば、３℃）に維持されるように、設定冷却水温度を変化させている。このため、第２実施形態の冷却塔システム１００では、モータ２０に供給する電力を確実に抑制することができる。

【0090】

なお、第２実施形態において、所定湿球温度は、２５℃に限らず、２５℃を超える値に設定されてもよいし、２５℃を下回る値に設定されてもよい。また、第２実施形態において、所定湿球温度以下における設定冷却水温度（設定冷却水温度の基準値）は、２８℃に限らず、２８℃を超える値に設定されてもよいし、２８℃を下回る値に設定されてもよい。また、第２実施形態において、所定アプローチ温度は、３℃に限らず、３℃を超える値に設定されてもよいし、３℃を下回る値に設定されてもよい。

【0091】

また、第２実施形態の冷却塔システム１００では、複数の冷却塔１０が設けられていた。しかし、第２実施形態の冷却塔システム１００は、１台の冷却塔１０を備えるものであってもよい。

【0092】

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態では、湿球温度が所定湿球温度（２５℃）を上回る場合、モータ２０に供給する電力が、所定電力（電力Ｐ１）よりも低下していた。しかし、モータ２０に供給する電力は、所定電力（電力Ｐ１）まで許容することができる。むしろ、モータ２０に供給する電力を所定電力（電力Ｐ１）まで許容することで、設定冷却水温度が高くなることを抑えたい場合がある。このような場合に鑑みて、第２実施形態の変形例を構成する。

【0093】

図１２は、第２実施形態の変形例の動作を説明する説明図である。図１２（ａ）は、湿球温度と設定冷却水温度との関係、および、湿球温度と冷却水温度との関係を示す図である。図１２（ｂ）は、湿球温度とアプローチ温度との関係を示す図である。図１２（ｃ）は、湿球温度とモータ２０に供給する電力との関係を示す図である。

【0094】

第２実施形態の変形例の湿球温度制御部５２は、湿球温度２５℃以上において、図１２（ｃ）に示すように、モータ２０に供給する電力を、所定電力（電力Ｐ１）に維持させる。このようにするために、湿球温度制御部５２は、図１２（ａ）の実線Ｄ３１に示すように、湿球温度２５℃以上において、設定冷却水温度を、湿球温度に所定アプローチ温度を加算した温度以下に変化させる。なお、図１２（ａ）では、湿球温度に所定アプローチ温度を加算した温度を破線Ｄ３３で示している。つまり、湿球温度制御部５２は、湿球温度が２５℃から上昇するに連れて、設定冷却水温度の上昇割合を徐々に減少させる。

【0095】

これにより、冷却水温度は、図１２（ａ）の一点鎖線Ｄ３２に示すように、湿球温度が２５℃から上昇するに連れて、設定冷却水温度に合わせて、上昇割合が徐々に減少することとなる。

【0096】

このとき、アプローチ温度は、図１２（ｂ）に示すように、湿球温度が２５℃から上昇するに連れて、所定アプローチ温度（３℃）から徐々に減少することとなる。

【0097】

以上のように、第２実施形態の変形例では、第２実施形態と同様に、湿球温度が変化しても、モータ２０に供給する電力が所定電力（所定湿球温度のときの電力）を超えないように設定冷却水温度を変化させている。したがって、第２実施形態の変形例によれば、第２実施形態と同様に、非効率な運転を抑制することが可能となる。

【0098】

さらに、第２実施形態の変形例の湿球温度制御部５２は、湿球温度が所定湿球温度（例えば、２５℃）以上の場合に、モータ２０に供給する電力が所定湿球温度のときの電力を維持するように設定冷却水温度を変化させている。このため、第２実施形態の変形例では、モータ２０に供給する電力の増加を抑えつつ、冷却後の冷却水温度の上昇を緩和させることができる。

【0099】

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【産業上の利用可能性】

【0100】

本発明は、冷却塔システムに利用することができる。

【符号の説明】

【0101】

１ 冷却塔システム
１０ 冷却塔
１８ ファン
２０ モータ
３６ インバータ
４２ 負荷分散制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】