热交换器的制作方法

本实用新型涉及热交换器，特别是涉及冷却塔或者散热器等空冷式或者水冷式的热交换器。

背景技术：

以往，为了对在空调设备、工厂等使用的液体(例如冷却水)进行冷却，而使用冷却塔或者散热器等热交换器。这样的热交换器具有：热交换器主体、将液体导入至该热交换器主体的导入管、从热交换器主体排出液体的排水管、以及用于将外部空气导入至热交换器主体的内部的风扇装置。风扇装置具有马达以及与该马达的旋转轴连结的风扇，利用马达使风扇旋转，由此向热交换器主体的内部导入空气。从导入管导入到热交换器主体的液体，通过与导入到该热交换器主体的空气进行热交换而被冷却。被冷却的液体从热交换器主体通过排水管被排出。

热交换器通常具有：对在排水管流动的液体的温度亦即出口温度进行测定的温度传感器、和基于出口温度的测定值控制马达的动作的控制部。控制部收容于与马达分离配置的控制面板。另外，控制部存储使马达启动的启动温度和使马达停止的停止温度。控制部在出口温度的测定值高于启动温度时开始马达的运转，在出口温度的测定值成为停止温度以下时使马达的运转停止。

图9(a)是现有的热交换器，是表示伴随时间经过而变化的出口温度的测定值的一个例子的图，图9(b)是表示伴随图9(a)所示的出口温度的测定值的变化而被控制的马达的动作的一个例子的图。如图9(a)以及图9(b)所示，控制部在出口温度的测定值高于马达的启动温度亦即33℃时(时刻X)，启动马达使风扇旋转，在出口温度的测定值成为停止温度亦即31℃以下时(时刻Y)，使马达停止。控制部基于出口温度的测定值控制马达的启动以及停止，由此使液体的出口温度收敛为目标温度亦即32℃。

专利文献1：日本特表2011-517758号公报

现有的热交换器基于液体的出口温度的测定值，控制马达的启动以及停止。这样的热交换器在液体冷却的机械(例如锅炉、冷冻机或者空调机等)的负荷增加，从而导入到热交换器的液体的入口温度急剧升高的情况下，无法使热交换器的出口温度迅速收敛为目标温度。即，在现有的热交换器中，存在使从热交换器排出的液体的出口温度收敛为目标温度的温度控制延迟的问题。

专利文献1记载有具备风扇装置的热交换器，该风扇装置具有能够使马达变速的变频器。通过控制部控制变频器，由此变频器能够使马达以预期的旋转速度旋转，因此容易使液体的出口温度收敛为目标温度。然而，即便使用变频器来控制马达的旋转速度，消除温度控制的延迟，也存在极限。

另外，在现有的热交换器中，控制部收容于与马达分离配置的控制面板，因此需要准备单独的控制面板，另外，马达与控制部之间的布线变长。其结果热交换器的制造成本升高。进而若马达与控制部之间的布线变长，则电气噪声等增加，从而对控制部以及周边设备带来不良影响。

技术实现要素：

因此，本实用新型提供能够使液体的出口温度迅速收敛为目标温度的热交换器。

本实用新型的一个方式是一种热交换器，其特征在于，具备：热交换器主体，其在液体与空气之间进行热交换；导入管，其将液体导入至所述热交换器主体；排水管，其从所述热交换器主体排出液体；入口温度传感器，其对在所述导入管流动的液体的温度亦即入口温度进行测定；出口温度传感器，其对在所述排水管流动的液体的温度亦即出口温度进行测定；风扇，其用于将空气导入至所述热交换器主体；马达，其使所述风扇旋转；变频器，其能够使所述马达变速；以及控制部，其基于所述入口温度的测定值以及所述出口温度的测定值，经由所述变频器对所述马达的动作进行控制。

本实用新型的优选方式的特征在于，所述马达、所述变频器以及所述控制部收容于同一马达箱内。

根据本实用新型，控制部基于导入至热交换器的液体的入口温度的测定值以及从热交换器排出的液体的出口温度的测定值双方，控制马达的动作。因此控制部能够根据液体的入口温度的变化，预先预测液体的出口温度的变化，从而控制马达的动作。其结果能够使液体的出口温度迅速收敛为目标温度。

附图说明

图1是表示作为热交换器的冷却塔的一个实施方式的示意图。

图2是表示作为热交换器的冷却塔的其他实施方式的示意图。

图3(a)是表示作为热交换器的散热器的一个实施方式的示意图，图3(b)是表示在图3(a)所示的框体的内部空间蜿蜒的冷却管的示意图。

图4是一个实施方式的风扇装置的剖视图。

图5(a)是表示一个实施方式的输入至控制部的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化的一个例子的图，图5(b)是表示根据图5(a)所示的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化而控制的马达的动作的曲线图。

图6是基于图5(a)所示的出口温度的测定值，对马达的旋转速度进行控制的反馈控制的框图。

图7(a)是表示其他实施方式的输入至控制部的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化的一个例子的图，图7(b)是表示根据图7(a)所示的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化而控制的马达的动作的曲线图。

图8是基于图7(a)所示的入口温度的测定值与出口温度的测定值，对马达的动作进行控制的反馈控制的框图。

图9(a)是表示用现有的热交换器随着时间经过而变化的出口温度的测定值的一个例子的曲线图，图9(b)是表示随着图9(a)所示的出口温度的测定值的变化而控制的马达的动作的一个例子的图。

附图标记说明：1…风扇装置；2…填充材料；3…冷却塔主体；5…风扇；6…旋转轴；7…马达；8…变频器；10…导入管；11…排水管；12…水槽；13…入口温度传感器；14…叶片；15…导风板；16…轮毂；17…马达箱；18…风扇箱；19…出口温度传感器；20…螺旋管；22…洒水管；23、24…信号电缆；25…洒水排水管；27…马达室；28…变频器室；29…隔壁；30…冷却管；32…散热器主体；33…框体；35…上侧轴承；36…下侧轴承；40…盖；41…永久磁铁；42…电源电缆；43…转子；44…定子；46…马达电缆；50…动力元件；51…控制部。

具体实施方式

以下，参照附图对本实用新型的实施方式进行说明。

图1是表示作为热交换器的冷却塔的一个实施方式的示意图。图1所示的冷却塔具备：冷却塔主体(热交换器主体)3、配置于冷却塔主体3的内部的填充材料2、以及安装于冷却塔主体3的上部的风扇装置1。风扇装置1的详细结构后面叙述。若通过马达7使在风扇装置1的风扇箱18内配置的风扇5旋转，则空气经过设置在冷却塔主体3的侧面的导风板15被导入至冷却塔主体3。导入到冷却塔主体3的空气经过风扇装置1而从冷却塔排出。

冷却塔具有贯通冷却塔主体3而延伸的导入管10，液体(例如冷却水)经过该导入管10而导入到冷却塔主体3。在导入管10安装有对在该导入管10流动的液体的温度亦即入口温度进行测定的入口温度传感器13。在导入管10的末端形成有位于填充材料2上方的排出口10a，将液体从该排出口10a向填充材料2排出。排出到填充材料2的液体在填充材料2的内部流下来，并与借助风扇装置1导入到冷却塔主体3的空气接触。由此在液体与空气之间进行热交换，来冷却液体。

冷却的液体汇集到在冷却塔主体3的下部设置的水槽12，并从与该水槽12连接的排水管11向冷却塔主体3的外部排出。在排水管11安装有对在该排水管11流动的液体的温度亦即出口温度进行测定的出口温度传感器19。图1所示的冷却塔是通过空气直接冷却液体的水冷式的热交换器，被称为开放型冷却塔。

图2是表示作为热交换器的冷却塔的其他实施方式的示意图。未特别说明的本实施方式的结构与图1所示的冷却塔的结构相同，因此省略其重复的说明。

图2所示的冷却塔的导入管10与在冷却塔主体3的内部配置的螺旋管20的一端连接，将液体从冷却塔主体3排出的排水管11与螺旋管20的另一端连接。在本实施方式中，也是在导入管10安装对液体的入口温度进行测定的入口温度传感器13，在排水管11安装对液体的出口温度进行测定的出口温度传感器19。

液体从导入管10流入螺旋管20，并从螺旋管20向排水管11流出。此外，在该冷却塔具有用于将水向螺旋管20散布的洒水管22。洒水管22从冷却塔的外部延伸至螺旋管20的上方，在洒水管22的末端形成有散布水的洒水口22a。从洒水管22的洒水口22a散布的水通过与螺旋管20的表面接触，由此与在该螺旋管20流动的液体进行热交换。由此在螺旋管20流动的液体被冷却。

从洒水管22的洒水口22a散布的水被借助风扇装置1导入到冷却塔主体3的空气冷却。与螺旋管20接触而流下来的水汇集于水槽12，并从与该水槽12连接的洒水排水管25向冷却塔的外部排出。图2所示的冷却塔是在螺旋管20流动的液体被从洒水管22散布的水冷却的水冷式的热交换器，被称为密闭型冷却塔。

图3(a)是表示作为热交换器的散热器的一个实施方式的示意图，图3(b)是表示在图3(a)所示的框体的内部空间蜿蜒的冷却管的示意图。图3(a)所示的散热器具备：散热器主体(热交换器主体)32、安装有供液体流动的冷却管30的框体33、以及风扇装置1。

如图3(b)所示，冷却管30的一端与将液体导入至散热器主体32的导入管10连接，冷却管30的另一端与从散热器主体32排出液体的排水管11连接。在本实施方式中，也是在导入管10安装对液体的入口温度进行测定的入口温度传感器13，在排水管11安装对液体的出口温度进行测定的出口温度传感器19。冷却管30以该冷却管30的直管部30a沿铅直方向延伸的方式在框体33的内部空间蜿蜒。冷却管30也可以以该冷却管30的直管部30a沿水平方向延伸的方式，在框体33的内部空间蜿蜒。框体33嵌入于在散热器主体32的侧面形成的开口，从而固定于散热器主体32。虽未图示，但安装有冷却管30的框体33，也可以嵌入于在散热器主体32的上表面或者下表面形成的开口。

若借助马达7使风扇装置1的风扇5旋转，则空气通过在蜿蜒的冷却管30之间形成的间隙，被导入至散热器主体32。在冷却管30通常安装有散热片(未图示)，在冷却管30流动的液体的热量向散热片传递。在散热器的冷却管30流动的液体，经由冷却管30以及散热片，与借助风扇装置1导入到散热器主体32内部的空气进行热交换。由此在冷却管30流动的液体被冷却。图3(a)所示的散热器是在冷却管30流动的液体被空气冷却的空冷式的热交换器。

图4是一个实施方式的风扇装置1的剖视图。在图4中省略风扇箱18的图示。该风扇装置1设置于图1或图2所示的冷却塔或者图3(a)所示的散热器等热交换器。风扇装置1具备：风扇5、使该风扇5旋转的马达7、以及能够使马达7变速的变频器8。风扇5具有：轮毂16和从该轮毂16以放射状延伸的多个叶片14。通过将风扇5的轮毂16固定于马达7的旋转轴6的末端，由此将风扇5直接连结于马达7。

图4所示的风扇装置1具有收容马达7以及变频器8的马达箱17，由此变频器8与马达7被单元化。在本实施方式中，马达箱17具有圆筒形状。马达箱17的内部由隔壁29划分为马达室27和变频器室28，变频器室28位于马达室27的上侧。马达7收容于在马达箱17的内部形成的马达室27，变频器8收容于在马达箱17的内部形成的变频器室28。马达箱17的上壁由能够取下的盖40构成。盖40构成变频器室28的上部。

在马达箱17的侧壁17b形成有电源电缆孔17a，从电源(未图示)向变频器8供给电力的电源电缆42穿过该电源电缆孔17a而延伸。在隔壁29形成有马达电缆孔29a，从变频器8向马达7供给电力的马达电缆46穿过该马达电缆孔29a而延伸。

在变频器室28配置有与变频器8连接的控制部51。在本实施方式中，控制部51配置在变频基板8a上，该变频基板8a配置有构成变频器8的动力元件(例如IGBT等开关元件)50等。在一个实施方式中，也可以将控制部51配置为从变频器8离开。通过控制部51控制变频器8的动力元件50的开关动作，从而控制马达7的旋转速度即风扇5的旋转速度。此外，由入口温度传感器13测定出的液体的入口温度的测定值，经由信号电缆23而输入至控制部51，由出口温度传感器19测定出的液体的出口温度的测定值，经由信号电缆24而输入至控制部51。在图4中，入口温度传感器13、出口温度传感器19以及信号电缆23、24用假想线(虚线)表示。由入口温度传感器13测定出的液体的入口温度的测定值、以及由出口温度传感器19测定出的液体的出口温度的测定值，也可以使用无线通信而输入至控制部51。在该情况下，省略信号电缆23、24。

这样，马达7、变频器8以及控制部51收容于同一马达箱17而被单元化。因此无需单独准备收容有控制部51的控制面板，此外能够使马达7与控制部51之间的布线缩短。其结果能够减少热交换器的制造成本，并且能够减少电气噪声等对控制部51以及周边设备带来的不良影响。

在上述的实施方式中，对马达7、变频器8以及控制部51收容于同一马达箱17的风扇装置1进行了说明，但在一个实施方式中，也可以设置收容变频器8以及控制部51的控制面板，并且将该控制面板安装于热交换器主体3、32的侧面。或者也可以将控制面板配置于从热交换器主体3、32离开的位置。此外在一个实施方式中，也可以将变频器8安装于马达箱17的侧壁17b，另一方面，将收容控制部51的控制面板设置于热交换器主体3、32的侧面，或者设置于从热交换器主体3、32离开的位置。

马达7也可以是感应电动机，但马达7优选是具有配置有永久磁铁的转子和与该转子对置配置的定子的PM马达(Permanent Magnet Motor：永磁马达)。如图4所示，马达7特别优选是在转子43的内部配置有永久磁铁41的IPM马达(Interior Permanent Magnet Motor：内部永磁马达)。由于PM马达(特别是IPM马达)具有高效率，因此能够将马达7小型化。

转子43固定于旋转轴6，定子44固定于马达箱17的内表面。图4所示的马达7是定子44配置于转子43的径向外侧的径向间隙型马达。虽未图示，但马达7也可以是定子与转子沿着轴向排列的轴向间隙型马达。

图4所示的马达7的旋转轴6由沿铅直方向分离配置的两个轴承35、36支承为能够旋转。上侧轴承35安装于隔壁29的下表面(即，马达室27的上表面)，下侧轴承36安装于马达室27的下表面。

在上述的实施方式的热交换器中，控制部51基于由入口温度传感器13测定出的液体的入口温度的测定值、以及由出口温度传感器19测定出的液体的出口温度的测定值双方，经由变频器8控制马达7的动作。控制部51能够根据入口温度的测定值的变化，检测出液体冷却的机械(例如锅炉、冷冻机或者空调机等)的负荷发生变化的情况。例如，控制部51能够根据入口温度的测定值的增加，检测出液体冷却的设备的负荷增加的情况。此外，控制部51能够根据入口温度的测定值的减少，检测出液体冷却的设备的负荷减少的情况。因此控制部51能够根据液体的入口温度的测定值的变化预先预测液体的出口温度的变化，对马达7的动作进行控制。其结果，本实施方式的热交换器与仅基于液体的出口温度的测定值对马达7的动作进行控制的现有的热交换器相比较，能够使液体的出口温度迅速收敛于目标温度。以下，对控制部51基于入口温度的测定值以及出口温度的测定值双方控制马达的动作的具体例子进行说明。

在一个实施方式中，控制部51基于入口温度的测定值使马达7启动以及停止，基于出口温度的测定值而经由变频器8使马达7变速。图5(a)是表示一个实施方式的输入至控制部51的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化的一个例子的图，图5(b)是表示伴随图5(a)所示的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化，由控制部51控制的马达7的动作的图。在图5(a)中，横轴表示时间，纵轴表示温度。此外在图5(a)中，入口温度的测定值用实线描绘，出口温度的测定值用虚线描绘。在图5(b)中，横轴表示时间，纵轴表示马达的旋转速度。

由入口温度传感器13测定出的入口温度的测定值、以及由出口温度传感器19测定出的出口温度的测定值，经由信号电缆23、24(参照图4)或者通过无线通信而输入至控制部51。在入口温度的测定值超过规定的阈值时(时刻A)，控制部51使马达7启动，使风扇5旋转。该规定的阈值预先存储于控制部51，在本实施方式中被设定为28℃。

此外，控制部51存储有使从热交换器排出的液体的出口温度收敛的目标温度。在本实施方式中，目标温度被设定为32℃。规定的阈值(在本实施方式中为28℃)优选设定为目标温度(在本实施方式中为32℃)以下的温度。若将使马达7启动的温度亦即规定的阈值设定为目标温度以下的温度，则能够在液体的出口温度为目标温度以下的状态下使马达7旋转。即，控制部51在液体的入口温度超过规定的阈值时，判断为液体冷却的设备的负荷增加，在液体的出口温度超过目标温度之前，开始马达7的旋转。

若风扇5旋转将空气导入至热交换器主体3、32，则从导入管10导入到热交换器主体3、32的液体被该空气冷却。若液体冷却的机械的负荷进一步增加，则液体的入口温度以及出口温度逐渐增加。若由出口温度传感器19测定出的出口温度的测定值超过目标温度(32℃)(时刻B)，则控制部51以使出口温度的测定值与目标温度一致的方式，经由变频器8使马达7的旋转速度增加或者减小。更具体而言，控制部51基于输入至该控制部51的液体的出口温度的测定值，执行使液体的出口温度与目标温度一致的反馈控制(例如PID控制)。

图6是基于图5(a)所示的出口温度的测定值，控制马达7的旋转速度的反馈控制的框图。在图6所示的反馈控制中，控制部51基于液体的出口温度的测定值，对使液体的出口温度与目标温度一致的(即，使液体的出口温度的测定值与目标温度的偏差接近0)马达7的旋转速度的操作量进行计算。控制部51通过将该操作量向变频器8输出，由此控制马达7的旋转速度。若使马达7的旋转速度增加，则导入到热交换器的空气的流量增加，能够使液体的出口温度降低。另一方面，若使马达7的旋转速度减少，则导入到热交换器的空气的流量减少，从而能够使液体的出口温度增加。

在本实施方式中，控制部51在液体的出口温度的测定值开始降低时，以液体的出口温度收敛为目标温度的方式，使马达7的旋转速度逐渐减小(参照图5(b))。若液体的出口温度的测定值在比目标温度降低之后开始增加，则控制部51再次使马达7的旋转速度增加。这样，控制部51以由出口温度传感器19测定出的出口温度的测定值收敛为目标温度的方式，使马达7的旋转速度增加或者减小。

控制部51优选在出口温度的测定值超过目标温度时，使马达7的旋转速度增加到最高旋转速度。马达7以最高旋转速度运转，由此能够使液体的出口温度迅速降低。

在由入口温度传感器13测定出的液体的入口温度的测定值成为规定的阈值(28℃)以下时，控制部51判断为无需用热交换器对液体进行冷却，从而使马达7停止。通过使马达7停止，能够减少热交换器的耗电量。在入口温度的测定值超过规定的阈值时(参照图5(a)的时刻A)，控制部51再次使马达7启动。

图7(a)是表示其他实施方式的输入至控制部51的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化的一个例子的图，图7(b)是表示伴随图7(a)所示的入口温度的测定值与出口温度的测定值的变化，由控制部51控制的马达7的动作的图。在图7(a)中，横轴表示时间，纵轴表示温度。此外在图7(a)中，入口温度的测定值用实线描绘，出口温度的测定值用虚线描绘。在图7(b)中，横轴表示时间，纵轴表示马达的旋转速度。此外，图8是基于图7(a)所示的入口温度以及出口温度的测定值，控制马达7的旋转速度的反馈控制的框图。

在本实施方式中，控制部51不仅基于出口温度的测定值与目标温度的偏差，而且基于入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)，执行使马达7变速的反馈控制。更具体而言，控制部51对马达7的旋转速度执行使出口温度的测定值与目标温度的偏差接近0的马达7的旋转速度的操作量、与使入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)为最小的马达7的旋转速度的操作量双方的反馈控制。

即便控制部51执行使出口温度的测定值与目标温度的偏差接近0的反馈控制，若液体冷却的设备的负荷增加，则入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)也增加。或者，若液体冷却的设备的负荷减少，则入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)也减少。特别是若液体冷却的设备的负荷急剧增加或者减少，则入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)也急剧增加或者减少。

控制部51能够根据入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)的增加或者减少，判断设备负荷的增加或者减少。通过控制部51执行考虑了使入口温度的测定值与出口温度的测定值之差(AT)为最小的马达7的旋转速度的操作量的反馈控制，由此能够执行与设备的负荷的增加或者减少对应的更适当的马达7的旋转速度控制。其结果，能够使液体的出口温度迅速收敛为目标温度。

在本实施方式中，也是在由入口温度传感器13测定出的液体的入口温度的测定值为规定的阈值(28℃)以下时，控制部51使马达7的旋转停止。通过使马达7的旋转停止，能够减少热交换器的耗电量。

上述的实施方式是以具有本实用新型所属技术领域的通常知识的人能够实施本实用新型为目的而记载的。上述实施方式的各种变形例只要是本领域技术人员则当然能够实施，本实用新型的技术思想也能够应用于其他实施方式。因此本实用新型不限定于记载的实施方式，应为遵循权利要求书所定义的技术思想的最宽范围。