(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的高い冷却効率を維持して生産の中断を防止するために効率的かつ信頼性の高い空冷式熱交換器システムのファン駆動システムを提供する。【解決手段】回転自在なシャフト１６を有する高トルク、低速度永久磁石モータ５２と、回転自在なシャフト１６に直接結合されたハブと該ハブに取り付けられた複数のファンブレードとから構成されるファン１５と、永久磁石モータ５２の回転速度を制御するように永久磁石モータ５２と電気信号で通信する可変周波数ドライブ装置とから構成される。【選択図】図１３
2015135233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業プロセスで用いられる、冷却液のための産業用空冷式熱交換器であって、
支持構造部と、
ファンと、
支持構造部により支持され、回転自在なシャフトとステータとを含み、該回転自在なシャフトは回転自在なシャフトの回転が空気流を作り出すファンの回転を生じるようにファンに連結されており、さらに（i）回転自在なシャフトを設置して支持し、（ii）ファン負荷を担い、そして（iii）ファンを順方向または逆方向に回転可能にするベアリングシステムを含む可変速度永久磁石モータと、
支持構造部に取り付けられそしてファンの回転によって生じた空気流が通過して流れるように配置され、冷却すべき液体を受容するように形成されそして空気流と冷却すべき液体との間の表面積を最大化するように通過する液体を均等に分配する液体分配構造部と、
可変速度永久磁石モータの回転自在なシャフトの回転を所定の回転速度、回転方向およびトルクに制御する電気信号を生成するモータ制御器と
を含み、
支持構造部は液体分配構造部、ファンおよび可変速度永久磁石モータを設置面から所定の高さに配置する、
産業用空冷式熱交換器。
【請求項２】
液体分配構造部は管束により構成される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項３】
管束はフィン付管束により構成される、請求項２に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項４】
モータ制御器は可変速度永久磁石モータの所望の回転速度、回転方向およびトルクを表わす制御信号を受けるための入力を有する、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項５】
モータ制御器は可変周波数ドライブ装置により構成される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項６】
可変周波数ドライブ装置は可変周波数制御器とユーザインターフェイスとにより構成される、請求項５に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項７】
可変速度永久磁石モータは回転シャフトが実質的に垂直になるように配向される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項８】
可変速度永久磁石モータは水、化学物質、塵埃および異物で汚染されるのを防止するように密閉される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項９】
ベアリングシステムは水、化学物質、塵埃および異物で汚染されるのを防止しかつ可変速度永久磁石モータの回転自在なシャフトが下向きに向けられたときに可変速度永久磁石モータがファンを回転できるように密閉される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１０】
モータ制御器は支持構造部により支持される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１１】
ベアリングシステムは複数のベアリングにより構成され、可変速度永久磁石モータはベアリングの振動を感知して感知した振動を表わす信号を出力する少なくとも１つの振動センサを備える、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１２】
少なくとも１つの振動センサはベアリング近傍にある、請求項１１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１３】
可変速度永久磁石モータはステータの熱を感知して感知した熱を表わす信号を出力する少なくとも１つの熱センサを備える、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１４】
ベアリングシステムはベアリングにより構成され、可変速度永久磁石モータはベアリングの熱を感知して感知した熱を表わす信号を出力する少なくとも１つの熱センサを備える、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１５】
空気流を測定して測定した空気流を表わす信号を出力するように空気流中に配置される少なくとも１つの空気流センサをさらに備える、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１６】
ベアリングシステムは複数のベアリングにより構成され、そして産業用空冷式熱交換器は、
ベアリングの振動を感知して感知した振動を表わす信号を出力する少なくとも１つの振動センサと、
ステータの熱を感知して感知したステータの熱を表わす信号を出力する少なくとも１つの熱センサと、
ベアリングの熱を感知して感知したベアリングの熱を表わす信号を出力する少なくとも１つの熱センサと、
空気流を測定して測定した空気流を表わす信号を出力するように空気流中に配置された少なくとも１つの空気流センサと、
モータ制御器およびすべてのセンサと電子信号で通信し、センサにより出力された信号を処理してモータ制御器の入力に入力される制御信号を生成する信号処理資源と
から構成されるフィードバック制御および監視システムを備える、請求項４に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１７】
信号処理資源はコンピュータにより構成される、請求項１６に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１８】
コンピュータとデータ信号で通信するディスプレイ装置をさらに備える、請求項１７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項１９】
ファンはファンハブと該ファンハブに取着されたブレードとから構成され、可変速度永久磁石モータの回転自在なシャフトはファンハブに結合される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２０】
ファンは可変速度永久磁石モータの上方に配置される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２１】
液体分配構造部はファンの上方に配置される、請求項２０に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２２】
液体分配構造部はファンの下方で可変速度永久磁石モータの上方に配置される、請求項２０に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２３】
液体分配構造部を通って延びそして可変速度永久磁石モータの回転自在なシャフトおよびファンに結合されるシャフトをさらに備える、請求項２２に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２４】
可変速度永久磁石モータはファンの上方に配置され、ファンは液体分配構造部の上方に配置される、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２５】
支持構造部はファンリングをさらに備え、ファンはファンリング内で回転する、請求項１に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２６】
産業プロセスで用いられる、冷却液のための産業用空冷式熱交換器であって、
支持構造部と、
ファンと、
支持構造部により支持され、空気流を作り出すようにファンを回転させるようにファンを直接駆動し、さらにファン負荷を担いそしてファンを順方向または逆方向に回転可能にするベアリングを含む可変速度永久磁石モータと、
支持構造部に取り付けられそしてファンの回転によって生じた空気流が通過して流れるように配置され、冷却すべき液体を受容するように形成されそして空気流と冷却すべき液体との間の表面積を最大化するように通過する液体を均等に分配する液体分配構造部と、
可変速度永久磁石モータの回転自在なシャフトの回転を所定の回転速度、回転方向およびトルクに制御する電気信号を生成するモータ制御器と
を含み、
支持構造部は液体分配構造部、ファンおよび可変速度永久磁石モータを設置面から所定の高さに配置する、
産業用空冷式熱交換器。
【請求項２７】
産業プロセスで用いられる、冷却液のための産業用空冷式熱交換器であって、
支持構造部と、
ファンと、
支持構造部により支持され、回転自在なシャフトとステータとを含み、該回転自在なシャフトは回転自在なシャフトの回転が空気流を作り出すファンの回転を生じるようにファンに連結されており、さらに（i）回転自在なシャフトを設置して支持し、（ii）ファン負荷を担い、そして（iii）ファンを順方向または逆方向に回転可能にする電動可変速度耐荷重モータと、
支持構造部に取り付けられそしてファンの回転によって生じた空気流が通過して流れるように配置され、冷却すべき液体を受容するように形成されそしてファンによって発生された空気流と冷却すべき液体との間の表面積を最大化するように通過する液体を均等に分配する液体分配構造部と、
電動可変速度耐荷重モータの回転自在なシャフトの回転を所定の回転速度、回転方向およびトルクに制御する電気信号を生成するモータ制御器と
を含み、
支持構造部は液体分配構造部、ファンおよび電動可変速度耐荷重モータを設置面から所定の高さに配置する、
産業用空冷式熱交換器。
【請求項２８】
電動可変速度耐荷重モータは永久磁石モータにより構成される、請求項２７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項２９】
液体分配構造部は管束により構成される、請求項２７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項３０】
管束はフィン付管束により構成される、請求項２７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項３１】
モータ制御器は可変周波数ドライブ装置により構成される、請求項２７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【請求項３２】
電動可変速度耐荷重モータは回転シャフトが実質的に垂直になるように配向される、請求項２７に記載の産業用空冷式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本発明は、２００８年３月２４日出願の米国暫定出願第６１／０３８,８５１号の特典を請求するものである。前記出願第６１／０３８,８５１号のすべての開示事項は本願おいて参照事項として組み込まれる。
【０００２】
〔技術分野〕
本発明は総体的に空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）と用いるためのファン駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）は技術的によく知られておりそして発電所、石油精製所、石油化学および化学プラント、天然ガス処理プラント、並びに実行エネルギ大量消費が行われるその他の産業施設を含む多岐の産業における冷却のために用いられる。ＡＣＨＥ交換器は典型的に水のないところ、または水使用許可が得られないとき、或いは冷却塔を建てるのに十分な土地がないところで用いられる。ＡＣＨＥは「湿式冷却塔」の冷却有効性を欠いている。
【０００４】
典型的に、ＡＣＨＥは、管の両端に長方形の箱状ヘッダを有するフィン付管束を使用する。冷却用空気は１つ以上の大型ファンにより供給される。通常、水平な管束を通って上向きに吹く。ファンは、空気が管束を通って推されるか引かれるかによって強制通風か誘引通風かのいずれかにできる。ファンと管束の間の空間は、管束アセンブリに空気（流動場）を指向して冷却を与えるプレナムチャンバによって囲まれる。アセンブリ全体は、通常、脚部または管ラックに取り付けられる。ファンは、通常、ある種の減速機を介して誘導電動機により駆動される。減速機は、典型的に、Ｖベルト、ＨＴＤドライブ、または直交軸型ギアである。ファン駆動アセンブリは鋼製機械的ドライブ支持システムにより支持される。それらは、通常、何らかの理由でアンバランスになったファンを自動的にシャットダウンするように各ファンにバイブレーションスイッチを備える。冷却を最大にするように空気が適切な「空気流」および速度を有することを確実にするために、ＡＣＨＥ冷却において空気流は非常に重要である。乱気流および「チョーク流れ」状態は冷却効率を悪くする。それ故、管および束システムから熱を取り除くには多量の空気流が主要パラメータである。ＡＣＨＥ冷却は、ＡＣＨＥシステムが管束を冷却するのに水を用いておらず、それ故、気化潜熱または「蒸発冷却」の恩恵を受けない点で、湿式冷却（すなわち、湿式冷却塔）と異なる。
【０００５】
従来のＡＣＨＥファン駆動システムは種々のファン駆動コンポーネントのいずれかを用いている。このようなコンポーネントの例では電動モータ、蒸気タービン、ガスまたはガソリンエンジン、或いは油圧モータを備える。最も一般的な駆動装置は電動モータである。蒸気およびガス駆動システムは電動モータが使用できないときに用いられる。油圧モータもまた限られた成果で用いられる。特に、油圧モータは可変速度制御を提供するが、相対的に低効率である。
【０００６】
ファン先端速度は機械的な理由で３６５８ｍ／分（12,000ft/m）を超えるべきでなく、低い騒音レベルを得るように減速される。モータおよびファン速度は時には可変周波数ドライブで制御される。最も一般的に用いられている減速機は、タイミングベルト歯と噛み合うスプロケットを用いる高トルク、ポジティブ型ベルトドライブである。５０または６０馬力までのモータと、直径約５．５ｍ（約18 ft）までのファンが用いられる。結合形Ｖベルトが中間サイズのファンにまだ頻繁に少量使用され、ギアドライブが非常に大きなモータおよびファン直径に使用される。ファン速度はスプロケットまたは綱車のサイズとタイミングベルトまたはＶベルトとの適切な組合せを用いることにより、そしてギアを用いた適切な減速比を選定することにより設定される。多くの場合、オフセット電動モータからのトルクを伝達および拡大するために直交軸型ギアボックスがファン駆動システムの一部として用いられる。しかしながら、ベルトドライブ、プーリおよび直交軸型ギアボックスは信頼性に乏しい。
【０００７】
上述の複雑な従来の機械的駆動システムは、容認可能なレベルの信頼性を達成するために厳しいメンテナンスの実施を必要とする。特に、ＡＣＨＥファンシステムの重要な問題はベルトのテンションに起因するベルトの低い信頼性である。一般的な方法は「タイミングベルト」にアップグレードしそして張力システムを加えることである。２００７年国際応用信頼性シンポジウムに提出された、インドネシア、リアウ州のＰＴシェブロンパシフィックインドネシアのラハディアン・バユ氏による技術論文「フィンファン冷却ユニットにおけるＶベルトの寿命改善への信頼性ツールの応用」は、従来の多くのファン駆動システムに用いられるＶベルトの信頼性および効率に焦点を当てている。
【０００８】
ＡＣＨＥファン駆動システムに用いられるベルトおよびプーリシステムやギア減速システムの信頼性不足は、石油精製、石油化学、発電および冷却に依存するその他の集約処理産業のような重要な使命の産業にとってしばしば有害である。さらに、ＡＣＨＥファン駆動システムに用いられるモータシステムは、複数の軸受け、補助オイルおよび潤滑システム、制御および作動のための複雑なバルブシステム、そして一定の間隔で取り替えねばならない交換部品を有して複雑である。多くの石油精製所、発電プラント、石油化学施設、化学プラント、そして従来のＡＣＨＥファン駆動システム利用するその他の産業施設は、ベルト駆動システムおよび直交軸型駆動システムの貧弱な信頼性が生産量に負の影響を与えることが報告されている。これらの産業はまた、ベルト駆動およびギアボックスシステムの点検および整備がライフサイクルコストにおいて主な支出であり、そして従来のモータが高圧水噴霧の誤用により障害を発生することが分かった。
【０００９】
ＡＣＨＥファン駆動システムに必要なデューティサイクルは、激しい湿気、塵埃および結氷条件、ウィンドシア力、腐食性水処理薬品、および厳しい機械的駆動要件により激しい。
【００１０】
ＡＣＨＥ冷却システムの効率を増加するために、いくつかのエンドユーザは、暑い日には、処理限界に追加の冷却を供給するようにＡＣＨＥシステムに直接水を散布している。さらに、ファンブレードは通常の点検で整備を怠ると「汚れ」または汚されてしまうので、多くのエンドユーザは冷却能力を維持するためにＡＣＨＥシステムを水洗浄する。しかしながら、高圧水噴霧に直接曝されるＡＣＨＥシステムは、特に従来の駆動システムが典型的に開放され、それにより水およびその他の流体による貫入を許容しているので、システムコンポーネントの時期尚早な整備および／または故障を引き起こす。
【００１１】
石油の精製は冷却なしには行うことができない。製油所は高い温度および圧力で炭化水素を処理する。製油所での冷却の喪失は、処理ユニットの迅速な停止を必要とする不安定で危険な動作状況を引き起こす。冷却システムは石油精製業にとって「重要な資産」となる。自動車および航空燃料のような高級製品の需要が上昇し、精製能力は縮小しているので、精製所は、低値の副産物から水素を取り出してより高価な燃料に再結合し、収率を向上する多くの新しいプロセスを取り入れている。これらのプロセスの多くは、製品の収率および品質を最適化するのに冷却に依存している。精製プロセスはまた、収益性を保護するために信頼性の高い冷却システムを必要とする多くの高度なプロセスを取り入れている。冷却信頼性は製油所の利益にとって重要であり、そして冷却水の使用における環境上の制限、非弾性的なサプライチェーン圧力および可変精製マージンのような多くのファクタにより影響を受ける。多くの製油所は、低級な石油製品をより航空機および自動車用ガソリンのような高級でより有益な製品に再生するプロセスを追加している。これらのプロセスは、製品の品質、処理収益および処理の安全性に影響を及ぼす処理温度および圧力を制御するために冷却システムに高度に依存する。加えて、これらのプロセスは、暑い日にいくつかの製油所で「冷却制限」および操業の妨げを逃れるための冷却能力の余裕の多くを抜き取っていた。アメリカのほとんどの製油所は優に９０％以上の能力で操業し、かくして途切れることのない精製作業は精製利潤にとって重要であり、プロセスの性能向上を実施するためにこの十年間以上投資している。石油製品価格の影響に関する冷却ユニットの稼動中止の影響は、アメリカエネルギー省、２００７年３月の報告書「製油所の停止：石油製品価格の説明と潜在的影響」において述べられている。
【００１２】
かくして、プロセスの効率および生産率はＡＣＨＥ冷却ファン駆動システムの効率並びにそのシステムからの熱除去能力に大きく依存する。
【００１３】
それ故、精製石油製品の非弾性的なサプライチェーンの供給中断を防止するために、ＡＣＨＥファン駆動システムの信頼性とその後の性能は改善され、そして製油所の生産と利益の鍵となる資産として管理されねばならない。比較的高い冷却効率を維持して生産の中断を防止するために効率的かつ信頼性の高いファン駆動システムが要求されている。
【発明の概要】
【００１４】
従って、本発明の目的は、従来のファン駆動システムに伴う前述の問題および不利を実質的に解消するファン駆動システムを提供することにある。本発明は、一形態において、回転自在なシャフトを有する高トルク、低速度永久磁石モータと、回転自在なシャフトに直接結合されたハブと該ハブに取り付けられた複数のファンブレードとから構成されるファンと、永久磁石モータの回転速度を制御するように永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波数ドライブ装置とから構成される空冷式熱交換器システムのファン駆動システムを企図する。
【００１５】
関連する形態において、本発明は、管束を支持する構造部と、構造部に回転自在に取り付けられかつ管束の下方に配置されるファンと、構造部ににより支持されかつファンに結合される回転自在なシャフトを有する高トルク、低速度永久磁石モータと、永久磁石モータの回転速度を制御するように永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波数ドライブ装置とから構成される、強制通風形態を有する空冷式熱交換器システムを企図する。
【００１６】
別の形態において、本発明は、管束を支持する構造部と、構造部に回転自在に取り付けられかつ管束の上方に配置されるファンと、構造部ににより支持されかつファンに結合される回転自在なシャフトを有する高トルク、低速度永久磁石モータと、永久磁石モータの回転速度を制御するように永久磁石モータと電気信号で通信する可変周波数ドライブ装置とから構成される、誘引通風形態を有する空冷式熱交換器システムを企図する。一実施形態において、高トルク、永久磁石モータは管束の上方に配置される。別の実施形態において、高トルク、永久磁石モータは管束の下方に配置される。
【００１７】
本発明のその他の目的は、その特定の特徴、要素および利点と同様に、後述する説明および添付の図面から明らかとなる。
【００１８】
本発明並びにその種々の形態は、本発明の範囲を限定するものではなく例示のために示された添付の図面を参照することにより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、従来のファン駆動システムを用いる誘引通風、空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システムの部分的に断面で示された基本的な線図である。
【図２】図２は、従来のファン駆動システムを用いる強制通風、空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システムの部分的に断面で示された基本的な線図である。
【図３】図３は、従来のギアボックス型ファン駆動システムの側面図である。
【図４】図４は、従来のギアボックス型ファン駆動システムの側面図である。
【図５】図５は、従来のベルト駆動型ファン駆動システムの部分平面図である。
【図６】図６は、従来の駆動スプロケット型ファン駆動システムの部分平面図である。
【図７】図７は、本発明のファン駆動システムを用いた強制通風式ＡＣＨＥの部分断面、部分側面図である。
【図８】図８は、本発明のファン駆動システムの回路図である。
【図９】図９は、複数の動作監視センサと共に本発明のファン駆動システムを示す回路図である。
【図１０】図１０は、本発明のファン駆動システムに用いられる高トルク、低速度永久磁石モータのモータ速度対馬力のプロット図である。
【図１１】図１１は、本発明のファン駆動システムと可変速度誘導モータを使用する従来のギアボックス式ファン駆動システムとの性能の比較を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明のファン駆動システムで用いられる高トルク、低速度永久磁石モータのモータ速度対モータトルクのプロットである。
【図１３】図１３は、本発明のファン駆動システムを用いた誘引通風型ＡＣＨＥの部分断面側面図である。
【図１４】図１４は、本発明のファン駆動システムを管束の上方に取り付けて用いた誘引通風型ＡＣＨＥの部分断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を参照すると、従来のファン駆動システムを用いた空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システム１０の基本的な線図が示されている。ＡＣＨＥシステム１０は誘引通風システムとして構成される。ＡＣＨＥシステム１０は総体的に複数の支柱１１を含む支持構造部を含む。管束１２はＡＣＨＥ支持構造部により支持される。プレナム１３は管束１２の上方に位置される。ファンリング１４はプレナム１３に取り付けられる。ファン１５はファンリング１４内で回転する。ファン１５はハブ１５Ａを有する。垂直に配向されたファンシャフト１６はプレナム１３および管束１２を通って延びて従来のファン駆動システム１７に結合される。ファン駆動システム１７は典型的に支柱１１および／またはＡＣＨＥ支持構造部のその他の部分に結合された支持部１８により支持される。図２を参照すると、従来のファン駆動システムを用いた別の空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システム２０の基本的な線図が示されている。ＡＣＨＥシステム２０は総体的に複数の支柱２１を含む支持構造部を含む。管束２２はＡＣＨＥ支持構造部により支持される。プレナム２３は管束２２の下方に位置される。ファンリング２４はプレナム２３の下方に取り付けられて配置される。ファン２５はファンリング２４内で回転する。ファン２５はハブ２５Ａを有する。垂直に配向されたファンシャフト２６が従来のファン駆動システム２７に結合される。ファン駆動システム２７は典型的に支柱２１および／またはＡＣＨＥ支持構造部のその他の部分に結合された支持部２８により支持される。図１および２にそれぞれ示される従来のファン駆動システム１７および２７は、前述の説明で述べられた従来のファン駆動システムのいずれかとして構成できる。図３、４、５および６は一般的に或いは広範に使用されているファン駆動システムを示す。図３および４は一般的なギアボックス型ファン駆動システムを示す。この従来のファン駆動システムは誘導モータ２９と直交軸型ギアボックス３０を含む。モータ２９のシャフトはカップリング３１により直交軸型ギアボックス３０に連結される。シャフト３２はギアボックス３０から延びる。カップリング３３はシャフト３２に結合される。誘導モータ２９およびギアボックス３０は支持板３４に取り付けられる。支持板３４は機台３５に取り付けられる。支持板３４および機台３５はＡＣＨＥシステムの構造部の一部である。ファンマウント３６はカップリング３３に取り付けられる。ファン（図示なし）はファンマウント３６に結合される。ファンマウント支持部材３７はファンマウント３６の支持を提供する。
【００２１】
図５はＡＣＨＥシステムのファンを駆動するのにベルト駆動機構を用いた従来のファン駆動システムを示す。このファン駆動システムは誘導モータ３８（仮想線で示される）、スプロケット３９およびベルト４０で構成される。スプロケット３９はファンマウント４２に結合される。誘導モータ３８のシャフトの回転はスプロケット３９を回転させてファン（図示なし）を回転させる。誘導モータ３８は、支持部材４４に調節可能に取り付けられた支持板４３に取り付けられる。ベルト張力調節装置４５はベルト４０の張力を調節するために支持部材４４に関して支持板４３の位置を調節できる。
【００２２】
図６はＡＣＨＥシステムのファンを駆動するのに駆動スプロケットを用いる従来のファン駆動システムを示す。このファン駆動システムは誘導モータ４６（仮想線で示される）、駆動スプロケット４７および従動スプロケット４８から構成される。駆動スプロケット４７は誘導モータ４６のシャフト４６Ａに結合されそして従動スプロケット４８と噛み合わされる。従動スプロケット４８はファン（図示なし）に結合されたファンマウント４２に結合される。駆動スプロケット４７の回転は従動スプロケット４８を回転させて、ファンを回転させる。モータ４６はモータ支持部材４９Ａに取り付けられる。モータ支持部材４９Ａは支持構造部４９Ｂに移動可能に取り付けられる。モータ位置調節装置４９Ｃは駆動スプロケット４７と従動スプロケット４８の好適な噛み合いを確実にするためにモータ支持部材４９Ａの位置を調節するように使用できる。
【００２３】
図７を参照すると、強制通風型ＡＣＨＥとして構成され、そして従来のファン駆動システムが本発明のファン駆動システムと置き換えられた点を除いて、図２に示されたＡＣＨＥと同様な一般的な構成要素を有するＡＣＨＥシステムの部分図が示されている。このＡＣＨＥシステムは強制通風型システムであるので、ファン２５は管束２２の下方にある。本発明のファン駆動システムは可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）装置５０とモータ５２を含む。本発明によれば、モータ５２は高トルク、低速度永久磁石モータである。永久磁石モータ５２は高磁束密度を有する。永久磁石モータ５２から生まれる優れた結果、利点および利益は後述の説明で行う。ＶＦＤ装置５０および永久磁石モータ５２はＡＣＨＥシステムの支持構造部２８に装着または支持される。ＶＦＤ装置５０はケーブルまたは導線５４を介して永久磁石モータ５２と電気信号で通信する。永久磁石モータ５２は、適切な電気信号が永久磁石モータ５２に供給されたときに回転するシャフト５６を有する。シャフト５６はファンハブ２５Ａに結合される。かくして、垂直なシャフト５６の回転はファン２５を回転させる。ファン２５はファンリング２３内で回転する。
【００２４】
図８を参照すると、ＶＦＤ装置５０は可変周波数制御器６０およびユーザーまたはオペレータインターフェイス６２を含んでいる。ＶＦＤ装置５０は永久磁石モータ５２の速度、方向（すなわち、時計方向または反時計方向）、およびトルクを制御する。ＡＣ入力電力は入力６４を介して可変周波数制御器６０に入力される。可変周波数制御器６０はＡＣ入力電力をＤＣ中間電力に変換する。次いで可変周波数制御器６０はＤＣ電力を、永久磁石モータ５２に供給される準正弦波のＡＣ電力に変換する。ユーザーインターフェイス６２は永久磁石モータ５２の起動および停止並びにモータ５２の作動速度を制御する手段をオペレータに提供する。好適な実施例において、ユーザーインターフェイス６２はマイクロプロセッサと、モータ５２の動作についての情報を提供するための英数字ディスプレイおよび／または表示灯およびメータとを含む。ユーザーインターフェイス６２は所望のモータ作動速度をユーザーが入力できるキーパッドおよびキーパッドディスプレイをさらに含む。ＶＦＤ装置５０は、押しボタン、スイッチおよびその他のオペレータインターフェイス装置または制御信号を接続するための入力および出力７０および７２を備える。好適な実施例において、ＶＦＤ装置５０はさらに、コンピュータを用いてＶＦＤ装置５０を設定、調整、監視および制御できるようにシリアルデータ通信ポート８０を備える。一実施例において、ＶＦＤ装置５０はセンサ出力信号を受けるためのセンサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９を備える。これらのセンサの目的は後述の説明で述べる。
【００２５】
図７および８を参照すると、永久磁石モータ５２はファンハブ２５Ａに直結されている。永久磁石モータはＶＤＦ装置により供給される電気信号によってのみ制御されるので、図３〜４に示された従来のギアボックス型ファン駆動システムに見られるようなカップリング、ギアボックス、駆動シャフトまたは関連部品はなく、そして図５に示された従来のファン駆動システムに見られるようなスプロケット、ベルト関連部品はなく、そして図６に示された従来のファン駆動システムに見られるような駆動スプロケット、従動スプロケット、および関連部品もない。本発明によれば、永久磁石モータ５２は高トルク、低速度モータである。永久磁石モータ５２は簡略化された設計であり、２つのベアリング９０および９２（図９参照）だけを使用する。永久磁石モータ５２はステータ９４を備える。このような簡略化された設計は相対的に高い信頼性だけでなく改善されたエネルギ効率も提供する。永久磁石モータ５２は潤滑間隔３年の相対的に低いメンテナンスを有する。永久磁石モータ５２は密封軸受で構成できる。永久磁石モータ５２は高効率誘導モータの効率と同じまたは超えている。永久磁石モータ５２は、従来の誘導モータファン駆動システムで通常必要であった点検および整備に伴うマンアワーを実質的に減少する。いくつかの場合、永久磁石モータ５２は１０００マンアワーまでの点検および整備を排除できる。このような信頼性はセル障害の量を減少して生産高を著しく改善する。
【００２６】
一実施形態において、永久磁石モータ５２は次のような運用および性能特性を有する。
速度範囲：                ０〜３５０ＲＰＭ
最大出力：                ７５ＨＰ
極    数：                １２
モータサービスファクタ：  １：１
定格電流：                ＸＸ  Ａ（ｒｍｓ）
最大電流：                １５０Ａ
定格電圧：                ２７７Ｖ
駆動入力：  ２７７Ｖ、３相、６０Ｈｚ、９０Ａ（ｒｍｓ最大、連続）
【００２７】
図１０は、高トルク、低速度永久磁石モータ５２の速度対馬力のプロットを示している。しかしながら、上述の運用および性能特性は永久磁石モータ５２の一例に関するだけのものであり、モータ５２は特定の適用形態に適したその他の運用および性能特性を提供するように変更され得ることを理解すべきである。
【００２８】
図１１を参照すると、本発明のファン駆動システムと可変速度誘導モータを用いる従来のファン駆動システムに関する「効率％」対「モータ速度（ＲＰＭ）」を示すグラフが示されている。曲線１００は本発明に関するものであり、曲線１０２は上述の従来のファン駆動システムに関するものである。このグラフから分かるように、本発明の効率は約１２５ＲＰＭと約３５０ＲＰＭの間のモータ速度で従来のファン駆動システムよりも高い。図１２を参照すると、モータトルク対モータ速度のプロットが示されている。永久磁石モータ５２は約７０ＲＰＭから約４２５ＲＰＭまで実質的に一定のトルクを示す。
【００２９】
図９を参照すると、好適な実施形態において、本発明のファン駆動システムは、ＶＦＤ装置５０のセンサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９にセンサ信号をそれぞれ供給する複数のセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８をさらに備えている。センサ２００および２０２は、振動および熱を検出するために永久磁石モータ５２のベアリング９０および９２にそれぞれ近接して配置される。センサ２０４はステータ９４での熱を監視するために永久磁石モータ５２のステータ９４に配置される。センサ２０６および２０８は気流を計測するためにＡＣＨＥシステムのファンによって発生される気流の下流に配置される。図９を簡略化するために、ＡＣＨＥシステムのファンは示されていない。センサ信号入力８２、８４、８６、８８および８９に供給されるすべてのセンサ出力信号はＶＦＤ装置５０のユーザーインターフェイス６２に入力され、ついでデータポート８０を介して、コンピュータ３００のような外部処理装置に送られる。コンピュータ３００は、ユーザまたはオペレータがセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８により出力されるデータを視覚的に監視できる表示スクリーン装置３０２を備える。コンピュータ３００は、オペレータが命令を入力できるユーザーインターフェイス、例えばキーボード（図示なし）をさらに備える。コンピュータ３００はセンサ２００、２０２、２０４、２０６および２０８により出力されるデータを用いて信頼性アルゴリズムを実装し、そしてそれに応じてデータポート８０を介してユーザーインターフェイス６２に入力される適当な制御信号を出力するように構成される。このような制御信号はモータ５２の速度を調節するように使用できる。かくして、センサおよびコンピュータ３００は次のようなフィードバックループを提供する。
ａ）  モータ５２のベアリングでの振動と熱を監視し、
ｂ）  モータ５２のステータでの熱を監視し、
ｃ）  ＡＣＨＥシステムのファンにより発生される気流を監視し、
ｄ）  冷却塔構造におけるファン不平衡慣性を補うようにトリムバランスを供給し、
ｅ）  「ブレードアウト」状態をオペレータに警告しかつモータ５２の速度を自動的    に減じ、そして
ｆ）  共鳴を生じる特定のモータ速度を排除し、
ｇ）  ファンブレードへの着氷のような不均衡をオペレータに警告しかつ是正処置を    自動的に開始する。
ｈ）  センサデータはシステムの「冷却性能管理」提供するようにシステムロジック    およびソフトウエアアルゴリズムにより用いられる。（冷却性能管理は、是正処置、    メンテナンス間隔を予測して予定を組み、そして冷却性能に基づく処理過程を調整す    るのに用いるために冷却性能評価をオペレータに提供するように、リアルタイム動作    、信頼性および性能データおよび冷却システムの分析を提供する）。
【００３０】
図１３を参照すると、誘引通風として構成され、本発明のファン駆動システムと置き換えられている点を除いて総体的に図１のＡＣＨＥと同様な構成要素を有するＡＣＨＥシステムが示されている。この構成において、可変周波数駆動（ＶＦＤ）装置５０およびモータ５２は支持部材１８により支持される。モータ５２は管束１２の下方に配置される。ファン１５は前述したようにプレナム１３の上方に配置されそしてファンリング１４内で回転する。垂直シャフト１６の一端はハブ１５Ａと連結されそして他端はカップリング１５０を用いてシャフト５６と連結される。ＶＦＤ装置５０はケーブルまたは導線５４を介して永久磁石モータ５２と電気信号で通信を行う。
【００３１】
図１４を参照とすると、誘引通風式ＡＣＨＥとして構成され、本発明のファン駆動システムを使用する別のＡＣＨＥが示されている。ＡＣＨＥシステム４００は総体的に、複数の支持柱４０２を含む支持構造部から構成される。管束４０４はＡＣＨＥ支持構造部により支持される。プレナム４０６は管束４０４の上方に配置される。ファンリング４０８はプレナム４０６およびＡＣＨＥ４００の支持構造部に取り付けられる。ファン４１０はファンリング４０８内で回転する。ファン４１０はハブ４１２を備える。プレナム４０６は、モータ５２およびＶＦＤ装置５０が装着される上方部分４１４を有する。モータ５２のシャフト５６はファン４１０のハブ４１２に直接結合される。ＶＦＤ装置５０はケーブルまたは導線５４を介して永久磁石モータ５２と電気信号で通信を行う。
【００３２】
かくして、本発明のファン駆動システムは次のような多くの利点および効能を備えている。
ａ）  ギアボックス、プーリ、ベルト、スプロケット、駆動シャフト、カップリング          、ベアリング、軸封等のような従来のファン駆動システムに見られた多くの部          品の省略、
ｂ）  オイル交換の省略、
ｃ）  点検および保守の大幅な減少、
ｄ）  相対的に広範な速度範囲で永久磁石モータを速度変化する能力、
ｅ）  いかなる追加の機械要素なしに永久磁石モータを逆回転する能力、
ｆ）  従来のファン駆動システムと比較して大幅に低い量のエネルギ消費、
ｇ）  現存ファンの改造の容易性、それによる新たなＡＣＨＥ冷却塔または構造体の          必要性の排除、
ｈ）  セル機能停止発生の大幅な減少、および
ｉ）  従来のギアボックス型ファン駆動と比較して大幅に大きな冷却能力の提供。
【００３３】
本発明の作動ロジックおよびシステムアーキテクチャは、エネルギ効率のために冷却塔を最適化し（例えば、夜間の寒いときに）そして暑い日または処理が冷却の追加を必要とするときに冷却を最大化し或いは凝縮器や熱交換器のような補助システムの付着を避ける性能を提供する。
【００３４】
本発明のファン駆動システムのその他の重要な利点は、従来のファン駆動システムと比較して、信頼性を改善され、「１アンペア当りの風量」が従来のファン駆動システムと比較して電気効率を改善し、そして歯車列オフセットの排除による相対的に小さな設置面積を有し、それにより、より大きな容積当りの通風空間およびより少ない構造的障害を提供し、流れ発生率の問題を解消する。本発明は単純な２つのベアリングの堅牢な設計を有する直接駆動の単純なものを提供する。本発明のファン駆動システムは相対的に組立て、保守および取外しが容易である。本発明のファン駆動システムの単純な少部品数の設計は現用のＡＣＨＥ設備に「取付け」でき、シャフト、ベルトおよびプーリを用いる従来のファン駆動システムに必要な張力調整装置を排除する。
【００３５】
永久磁石モータ５２は、現用の設備環境の冷却効率の最適化および高エネルギ効率化をかのうにする無限な可変速度制御を有する一定の高トルクを供給できる。永久磁石モータ５２は可変速度範囲全体を通して高い、一定のトルクおよび電気効率を提供する。かくして、本発明のファン駆動システムを備えることで、永久磁石モータ５２の高い、一定のトルクおよび可変速度を有する特定の適用形態で必要とする通風量により容易に適合する。このことは、速度を維持する間ファンを回転するのに必要なトルクを達成するためにモータトルクをプーリ（すなわち、従来のファン駆動システムの）に前もって適合させる、時間の掛かる反復アプローチとは対照的である。誘導モータおよびプーリまたはギアボックスを用いる従来のファン駆動システムは、本発明のファン駆動システムの可変速度範囲全体で一定の高トルク容量を有していない。現存の本発明のファン駆動システムで改良されたＡＣＨＥシステムは、従来の複雑な機械的システムを排除した結果、大きな省スペースを実現している。本発明のファン駆動システムは定格ＩＰ６５および／またはＩＰ６６湿潤環境である。さらに、本発明のファン駆動システムは、冷却性能管理ために可変冷却負荷制御を提供するようにフィードバックループと統合され得る。
【００３６】
従来の駆動システムの複雑な支持構造部および相対的に「場当たり」なものは、湿式冷却塔に示されるものと同様な「通過周波数」および通風障害問題を引き起こす。しかしながら、本発明の直接駆動システムはこのような問題を実質的に排除する。
【００３７】
速度に関係しない永久磁石モータ５２の高定常トルクは、より大きなファンピッチを可能にし、それ故、現用技術および誘導モータと比較したとき、与えられたプレナムについてより大きな風量を可能にする。かくして通風およびエネルギは与えられたプレナム（載せ買え）または新規な適用形態で与えられる要求および外部条件を効果的に適正化できる。かくして、本発明はより大きな設計の融通性を可能にする。
【００３８】
本発明によれば、永久磁石モータ５２は、周囲を開放されそして水、化学物質、塵埃および異物の混入を受け易い従来のモータ駆動システムと異なり、密封されたモータである。
【００３９】
上述の説明は本発明の石油産業への適用性の観点からのものであるが、本発明はＡＣＨＥ冷却システムを用いるいかなる産業においても利点を提供するこものであることを理解すべきである。かくして、本発明は、発電、石油化学、紙パルプ、化学、ガラス、採鉱、鉄鋼、およびアルミニウム産業のような、大量のエネルギを消費しそして集約的プロセスである多くの産業への適用性を有する。本発明を用い得るその他のシステム、産業および適用形態の例は、発電機のような大きな固定動力のための空気冷却器ファン、プロセス冷却器／凝縮器、ガス冷却器、ガス圧縮器中間／アフター冷却器、凝縮器、密封／潤滑油冷却器、閉ループ冷却水システム冷却器、ＨＶＡＣ、地熱プラント凝縮器、中間冷却器およびアフター冷却器、ＨＶＡＣおよび冷凍凝縮器、空冷式凝縮器、空冷式ラジエータだけでなく、鉄道機関車、舶用動力、鉱業および土木機械設備のような輸送用の適用形態も含む。
【００４０】
かくして、前述の目的、上述の説明から解明された目的またはそこから明らかとなった目的は有効に達成され、そしていくつかの変更は本発明の範囲を逸脱することなしに上記の構造および／または方法で行われ得るので、上述の説明に含まれるまたは添付の図面に示されたすべての事項は例示として理解されるべきであり、限定を意図するものではない。また、添付の請求の範囲はここで述べた本発明の包括的および特定の特徴のすべてを包括し、そして本発明の範囲の記述は言葉の問題として収まることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００４１】
１０    空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システム
１１    支柱
１２    管束
１３    プレナム
１４    ファンリング
１５    ファン
１５Ａ    ハブ
１６    ファンシャフト
１７    ファン駆動システム
１８    支持部
２０    空冷式熱交換器（ＡＣＨＥ）システム
２１    支柱
２２    管束
２３    プレナム
２５    ファン
２５Ａ    ハブ
２６    ファンシャフト
２７    ファン駆動システム
２８    支持部
２９    誘導モータ
３０    直交軸型ギアボックス
３１    カップリング
３２    シャフト
３３    カップリング
３４    支持板
３５    機台
３６    ファンマウント
３７    ファンマウント支持部材
３８    誘導モータ
３９    スプロケット
４０    ベルト
４２    ファンマウント
４３    支持板
４４    支持部材
４５    ベルト張力調節装置
４６    誘導モータ
４６Ａ    シャフト
４７    駆動スプロケット
４８    従動スプロケット
４９Ａ    モータ支持部材
４９Ｂ    支持構造部
４９Ｃ    モータ位置調節装置
５０    可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）装置
５２    永久磁石モータ
５４    ケーブルまたは導線
５６    シャフト
６０    可変周波数制御器
６２    ユーザーまたはオペレータインターフェイス
６４    入力
７０    入力
７２    出力
８０    シリアルデータ通信ポート
８２，８４，８６，８８，８９    センサ信号入力
９０，９２    ベアリング
９４    ステータ
１５０    カップリング
２００，２０２，２０４，２０６，２０８    センサ
２００    ＡＣＨＥシステム
２０２    支持柱
２０４    管束
２０６    プレナム
２０８    ファンリング
２１０    ファン
２１２    ハブ
３００    コンピュータ
【図１】
2015135233.tif 000003
【図２】
2015135233.tif 000004
【図３】
2015135233.tif 000005
【図４】
2015135233.tif 000006
【図５】
2015135233.tif 000007
【図６】
2015135233.tif 000008
【図７】
2015135233.tif 000009
【図８】
2015135233.tif 000010
【図９】
2015135233.tif 000011
【図１０】
2015135233.tif 000012
【図１１】
2015135233.tif 000013
【図１２】
2015135233.tif 000014
【図１３】
2015135233.tif 000015
【図１４】
2015135233.tif 000016