水動ファン冷却塔の発展と適用性についての簡単な考察

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水動ファン式冷却塔の発展と適用性についての簡単な考察

一、水動ファン式冷却塔の発展の概要
二、水動ファン式冷却塔の適用性（限界点）についての簡単な考察
三、水動ファン式冷却塔の省エネ技術と水ポンプの省エネ技術の比較

水動ファン式冷却塔の発展と適用性についての簡単な考察

一、水動ファン式冷却塔の発展の概要
20世紀70年代に、我が国ではグラスファイバー製の冷却塔が導入され、徐々に普及していきました。こうした冷却塔のファンは、一般的にモーターによって駆動されています。90年代後半、国内で「モーターに代わって水車を使って冷却塔のファンを駆動する」という考えが生まれ、関連製品の積極的な研究や試作が行われ、普及・応用が図られました。こうしてこの技術および関連産業は徐々に発展し、強化されていったのです。 今日に至るまで、「モーターの代わりに水車を使って冷却塔のファンを駆動する」という技術には、権威ある統一された名称がなく、呼び方は多種多様である。例えば、無電動冷却塔、電源不要の冷却塔、水車式冷却塔、省エネ冷却塔、水力ファン式冷却塔、水力換気冷却塔、水力エネルギー回収型冷却塔などがある。ここでは、この装置を一応「水動ファン冷却塔」と呼び、その中の水車を「冷却塔水車」と称する。 過去30年間の水動ファン式冷却塔技術の発展過程を見ると、それは実際には冷却塔用タービンを絶えず研究開発し、改良してより適用性が高く、より効率的なものにしていく過程であり、言い換えれば冷却塔用タービンの発展過程こそが水動ファン式冷却塔の発展過程を体現しているのである。 既存資料を調査した結果、国内における「水車を用いてモーター駆動の冷却塔ファンに代える」という記載で、確認できる最も古いものは、張飛狂による1998年10月29日付の特許出願公開説明書『免能冷塔』である。 名称から判断すると、この特許は冷却塔システム全体を対象に名付けられたもので、記述の中心は省エネ型冷却塔であり、システムの構成、動作プロセス、および省エネの原理について主に説明しており、あくまで一つの構想を示したものである。その権利要求には、「権利要求書1、免能冷塔とは、既存の冷却塔におけるモーター式ファンと散水装置を一体化し、モーターを廃止して液体の流動力を動力源として利用し、液体を散布しながら同時に空気を抽出する熱交換装置であり、その特徴は水車の原理に基づいて設計され、液体ポンプによって圧力をかける点にある」と記載されている；液体が水車を通過し、水車から出力された動力によって風車の羽根が回転し、風量が生み出される。” この特許では「水動ファン冷却塔」といった用語は明確に使われておらず、その具体的な記述も現在の水動ファン冷却塔に関する説明と完全に一致するわけではないが、実質的な内容から見ると、この特許は国内で初めて、水動ファン冷却塔における最も革新的で創造的な省エネ技術の核心を提案したものである。すなわち、ファン用モーターを廃止し、冷却塔への流入水の余剰エネルギーを動力として水車を回転させ、その水車がモーターに代わって冷却塔のファンを駆動するというものである。 客観的に言えば、この技術の核心は特に高度な理論というわけでもなく、長期間や多額の資金を要して研究しなければ得られない発明でもないが、申請者が最初に提案し特許を出願したことで、その権利範囲は保護期間中、後の水動ファン式冷却塔において避けて通れない基本原理となったのである。 その後数年間で、冷却塔の省エネや新型冷却塔に関する類似の特許が20件以上出願されたが、いずれも「タービンでモーターに代わって冷却塔のファンを駆動する」という技術的な核心を打破するものではなく、新規性に欠けており、単に類似の流れや原理を説明した図を新たに描き直したに過ぎないものが多かった。一部の特許の新規性、創造性、実用性の水準がここからうかがえる。ついでに言えば、いわゆる特許技術に過度に盲信する必要はない。 張飛狂は、水動ファン式冷却塔という技術のアイデアを最も早く提唱しただけでなく、さらに貴重なことに、自ら実践に移し、積極的に実験や研究を行い、その普及にも力を注ぎました。 今後数年間にわたり、張飛狂およびその会社の製品性能や改良プロジェクトが完璧であったかどうか、また特許権紛争はどのように評価されるべきかについては、コメントする立場にないし、コメントもしない。しかし筆者個人としては、張飛狂は水動ファン式冷却塔技術の先駆者であり、これは認め、尊重すべき点だと考えている。したがって、本稿ではその初期の研究開発や普及活動について多くを紹介している。 ここでは、雑誌や特許、インターネットから収集した資料、そして私自身の実務経験をもとに、冷却塔用水車の発展過程を簡単に整理し、皆さんと共有したいと思います。 冷却塔用水タービンの発展をよりよく紹介し理解するために、まず既存の冷却塔用水タービンの主な分類について説明します。動作原理によって、主にダブルクリック式、混流式、軸伸貫流式（一般的にパイプ式と呼ばれる）タービンに分けられます； 減速機の有無によって、減速機付きタイプと直結型（減速機なし）に分かれます。水車が風筒の内部にあるか外部にあるかによって、内蔵型と外置型に分かれます； 動力の有無によって、水力タービンとハイブリッドタービンに分けられます。 冷却塔用水タービンは、大まかに以下のような発展段階を経てきました。1、初期のダブルインパクト式タービン（内蔵型、直結型）（1997年～2005年） 張飛狂自身の話によると、彼は1997年初頭からすでに冷却塔用水タービンの研究や試験、開発を始めており、機種を完成させた際には特許も申請しました。 1999年9月19日の『浙江制冷』誌の内部刊行物「‘飛狂冷塔’の水力による送風の設計と応用」によると、既に20社以上で導入が進んでおり、冷却塔の水流量はほとんどが200 m3/h、300 m3/hである。その他、600 m3/hおよび400 m3/hの冷却塔もそれぞれ1基ずつある。 2001年に上海飛狂冷却設備有限公司が設立されました。同社は、コマーシャルサービス型の事業モデルを採用し、「無動力・無モーター」型の冷却塔やLシリーズの水車を主力製品として扱っています。 2004年3月20日の『工業水処理』誌の「冷却塔における微小水力タービンの応用」という記事には、江蘇省、浙江省、上海市周辺では「100基以上の冷却塔の改修において、モーターの代わりに水力タービンが使用され、すべて正常に稼働している」と記されている。”本稿の著者は上海飛狂冷却設備有限公司のマネージャーである張飛狂で、原稿受領日は2003年9月14日です。 2004年6月28日から7月1日まで、「冷却塔研究会設立および技術交流大会」が古都揚州で開催されました。上海飛狂冷却設備有限公司が会員となり、大会の「論文集」には張飛狂氏の論文「冷却塔の電力消費量をゼロに近づけるための検討」が収録されました。 この大会を通じて、より多くの人々が水動ファン冷却塔の省エネ技術を知るようになり、その影響は全国に広がったのでしょう。 2002年、張飛狂はこれまでの応用において発生したいくつかの問題をまとめ、改善を加え、2002年3月27日に「冷却塔水力タービン」という特許を出願しました。これは国内で初めて「冷却塔水力タービン」という名称で申請された特許であり、その構成や仕組みが具体的に記述されており、ダブルクリック方式に関する段階的なまとめと言えます。 張飛が最初の冷却塔用水力タービンを熱心に研究していた頃、実際の運用経験はなく、その作業条件の特殊性についても理解が不足していたため、単純に発電用のダブルクリック式水力タービンを基に応用したのである。発電用のダブルクリック式水車はもともと横置きで設置されていたが、冷却塔のファンを駆動するために、冷却塔用の水車は縦置きに改造され、そのため構造面で適切な改良が加えられた。 発電用のダブルクリック式水車は、水流に圧力がない状態で動作するのに適しているが、冷却塔用水車は圧力のかかった配管内で連結して動作するため、ダブルクリック式水車の基本的な条件が損なわれる。その結果、効果的なダブルクリック動作が得られず、さらに尾水の流れがタービンの回転を妨げることで、二つの大きな欠点が生じる。一つは効率が低く出力が小さいこと、もう一つはファンの回転速度が要求値に達しないため、十分な冷却効果が得られないことである；二つ目は、大きな振動と騒音が発生し、主軸のウォーターシールが破損して漏水したり、ベアリングが頻繁に故障したりするため、ファンを取り外して点検修理する必要があり、メンテナンスが非常に面倒であることです。 300 m3/h以下の小型冷却塔で使用する場合、上記の欠点はそれほど目立たないが、500 m3/h以上の冷却塔では様々な問題が生じる。 全体として見ると、この期間は理論研究が深まっていない。張飛狂は絶えず探求し、試行し、失敗し、研究し、普及させ、応用し、市場の影響を受けながら次々と革新や改善を重ねており、張飛狂にとって独自で模索する段階だと言える。 2、西華大学製外部軸流式冷却塔用水タービン（2005年） 2005年以前は、張飛狂が雑誌で何度か冷却塔用水タービンについて論文を発表した以外、西華大学が少数の関連論文を発表したのみで、他の個人や機関による研究報告は見られなかった。 2003年頃、四川省のある化学工場は省エネとコスト削減を目的として、同工場の流量が1500m3/h、残りの水頭が15mである循環水冷却塔について、西華大学に水力回収装置の研究開発を依頼しました。 西華大学はこの課題を中心に研究を行い、モーター駆動の冷却塔ファンに代わる軸流式水力タービンを開発し、水力エネルギーの回収を実現した。そして2004年12月および2005年上半期に関連する論文を発表した。そして2005年に試作機が開発され、同化学工場で実際に運用が開始された。2008年には、依然として正常に動作し、効果が良好であるとする記事が掲載されている。 2005年11月1日、西華大学は「水力回収装置」という特許を出願し、そこには外部軸流式冷却塔用水車が記載されている。 この課題は、四川省教育庁の自然科学重点プロジェクト（2005A123）「水力エネルギー回収技術および新製品の研究開発」としても取り組まれ、2006年6月に同省科学技術庁によって評価が行われた。 これは国内で最も早く1500 m3/hに達したもので、当時最大の冷却塔用水車であり、また軸流式冷却塔用水車としても初めてのもので、既に多くのユーザーがいるダブルタップ式とは異なります。本来であれば、冷却塔用水車の発展過程において重要な役割を果たすはずだったが、なぜか宣伝がほとんど行われず、その後も冷却塔用水車の研究開発は進まなかった。また、製造業者による製造や普及も見られず、知る人も少なく、話題に上ることも稀であったため、冷却塔用水車の発展史においてそれに見合う影響を与えることはなかった。筆者も繰り返し検索しているうちにたまたま知りました。 3. ダブルクリック式改良定型段階（2005年～2007年） 2005年から、一定の資金力を持ち、冷却塔水車の将来のビジネスチャンスに期待する人々がこの業界に参入し始めた。2005年、南京のある企業が特許を取得し、冷却塔用タービンの開発に投資を始めました。2006年8月には、既存の技術を基に改良型のダブルインパクト式タービンの開発に成功し、これを冷却塔の改修に利用することで、優れた省エネ効果と総合的なメリットが得られました。そして2006年9月28日には、南京で「水動ファン式冷却塔」の評価会が開催されました。 資料によると、同社は2007年に1億5000万元の売上高を記録し、当時2008年には5000万元以上の利益を上げる見通しだった。 言うまでもなく、資金と実力のあるメーカーの参入により、冷却塔用水車の発展速度と水準が向上し、ある程度の規模化の段階に入ったのである。 張プダ（張飛狂の娘）は2007年1月22日に「ダブルクリック式カエルの鳴き声のような水力タービン」という特許を出願し、これまでのダブルクリック式水力タービンに存在していたいくつかの問題点を指摘し、最適化と改良を行った。これにより、張飛狂系のダブルクリック式水力タービンの構造はより合理的になり、性能もより安定し、効率も向上して、徐々に完成度が高まっていった。 問題を発見し解決することを繰り返し、2005年から2006年にかけて経験や教訓をまとめ、継続的に改善を重ねることで、ダブルクリック式水車は徐々に完成形に近づき、効率は以前より向上し性能も安定した。これが2007年以前に実際に運用されていた主要な機種である。 これまでの7、8年間にわたる実際の運用経験の総括や理論的研究を経て、ダブルクリック式水車については、その構造がシンプルで性能が安定しており、設置やメンテナンスも容易であるという点で、概ね一致した見解が得られている。しかし、運転効率が低く出力も小さいため、大量の水を処理する冷却塔での使用には適しておらず、小型の冷却塔（300 m3/h以下）でのみ使用可能である。 4、高比速度混流式水輪機（内蔵型、減速機付き）の開発（2007—2008年） 双方向作用式水輪機が大量の冷却水を必要とする冷却塔には適さないことが判明したことから、新しいタイプの冷却塔用水輪機の研究開発が進められた。 2007.06.22に「冷却塔用反動式水車」の特許出願があり、これは減速機付きの反動混流式冷却塔水車に関する最も古い資料である。 ある企業のウェブサイトの資料によると、同社は2007年に「減速機付きの逆流型混流式水車を開発した、------。」 2007年、世界初の逆流混流式水力タービンが深セン市の**大院で正常に稼働し、この機種は業界の主流となっています。約半年後、多くの業者も反撃用の混流式水車の模倣を始めましたが、彼らの技術が不十分だったため、作り出された減速機の故障率は非常に高かったのです。 この機械は高比速度の混流式水車で、使用期間は短く、すぐに次世代の混流式水車に取って代わられました。減速機の故障率が高いことが、廃止される理由の一つです。 5、シャフトエクステンション型貫流式水車機（パイプライン型とも呼ばれ、外部搭載で減速機付き、2008～2009年） 2008年7月28日に出願された特許「水車機駆動ファン用冷却塔」では、シャフトエクステンション型貫流式水車機（パイプライン型とも呼ばれる）が紹介されている。 インターネット上の資料から分析すると、2009年2月にはこの方式で製造された水車が現場で稼働を開始していたことがわかる。 これは現在、実際に多く利用されている冷却塔用水力タービンの機種の一つです。 古いタワーの改修の場合、ダクト内の機器や基礎、配管などの構造に変更はあまりありません。 6、超低比转速混流式水輪機（内蔵型、直結型）（2008—2009年） 2008年初から、いくつかのメーカーが高等教育機関と連携して冷却塔専用の水輪機の研究開発を始め、理論研究と市場需要、資金と知識が結びつく好ましい発展期が迎えられました。主な研究を行っている高等学校には、華北水利水電学院、河海大学、西安理工大学などがある。研究者たちは冷却塔用タービンの動作特性および制御特性について、詳細な理論分析と実験研究を行った結果、発電用タービンと比べて2つの大きな特徴があることがわかった。1つ目は、圧力のかかった水流の中で動作する点である；むしろ、超低比速度特性を持っている。理論的指導のもと、冷却塔専用の全く新しい超低比速度の混流式水車（内蔵・直結型）が開発されました。 **発展改革委員会は2010年の第33号告示「**重点省エネ技術推進目録（第3批）」の第26項において、技術名として「工業用冷却塔用混流式水車技術」として、このタイプの冷却塔用水車を推進すべき技術として掲載した。その後、2014年、2015年、2016年にかけて「**重点節エネ低炭素技術推進目録」に連続して掲載された。 前述の紹介記事によると、循環冷却水システムに9～10mの落差がある場合、タービンを用いることで従来のファンモーターを完全に置き換えることができる。 説明しておく必要があるのは、公告には技術提供機関が明確に示されておらず、「この技術は南京市の科学技術成果評価を通過し、石油、化学、鉄鋼、繊維などの業界で既に利用されている」とだけ記載されている点です。全国の300社以上の企業の冷却塔に省エネ改修を施し、顕著な省エネ効果が得られました。” しかし、複数の水車メーカーが、自社の水車技術が**発展改革委員会の重点的な省エネ技術普及プロジェクトに選ばれたと主張している。 この機種は2009年頃から実際に運用が開始されました。 古いタワーの改修の場合、ダクト内の機器や基礎、配管などの構造に多くの変更が加えられます。 7、外部搭載型水平軸水車機（外部搭載、減速機付き、高比速度、2009年） 2009年2月26日、上海のある発明家が特許を出願した「冷却塔用駆動水車機装置およびその水車機を備えた冷却塔」は、水車機を外部に搭載し、混流式（または軸流式）で水平軸を設置する構成形式を初めて紹介したものである。 文中では、水車が混流式か軸流式かは明記されていない。図から判断すると、混流式でも軸流式でもあり得る。軸流式であれば、実際には「2、西華大学外置軸流式冷却塔水輪機」と同じです。混流式としては、新規性がある。 その特許明細書では、水車を外部に設置することの、水車を内部に設置する場合との利点が次のように説明されている。すなわち、内部型の冷却塔水車はダクトの中央に設置されるため換気面積を占有し、十分な換気面積を確保するためには水車の外径が制限され、それによって水車の出力や最適な設計も制約されてしまうのである。本発明では、横型駆動構造を持つ水車が採用されており、これは冷却塔の外部で動力を生み出すものです。インペラーのサイズを自由に拡大でき、取水口の面積などの水力パラメータも最適化しやすいため、損失を低減し、効率を向上させることができます。 ネット上の資料から分析すると、四川省のある企業は2009年の上半期にすでにこのタイプの混流式冷却塔用水力タービンを製造し、実際の運用を開始していた。 この機械の外形および配置形態は「2、西華大学外付け軸流式冷却塔水車（2005年）」とほぼ同じで、違いは一方のインペラが軸流式で、もう一方が混流式である点のみです。両者に関連があるかどうかはわからない。 同社は2011年7月5日に「冷却塔ファン用動力装置」という特許を出願しました。 8、水力・電気ハイブリッド冷却塔用水車（2009年～2012年） 水動ファン式冷却塔の改修導入が増えるにつれて、改修後にファンの回転速度が不十分で冷却効果が得られないという状況がますます多く見られるようになった。このような状況に対応し、水車の出力不足の問題を解決するため、水力とハイブリッドの冷却塔用水車が開発されました。 水力以外に、ハイブリッド型冷却塔用水車には電動モーターによる駆動装置も備わっており、水力だけではファンの回転速度が不十分な場合に、モーターを起動して水力を補助または置き換える。これにより冷却塔用水車の適用範囲が広がり、冷却塔でより少ない水位差でも省エネ的に利用することが可能になる。筆者は、これを大きな改良と見なすことができると考えている。 この分野で最も早い特許は、山東省徳州市のある企業が2012年3月6日に出願した「冷却塔水電ハイブリッド動力装置」です。 ある企業のウェブサイトによると、2009年に水力と電力を組み合わせたハイブリッド式の冷却塔用ファン用省エネ装置の開発が始まりました。2009年末には、最初の世代の冷却塔専用ハイブリッド式省エネファンが誕生しました。2010年には製品が安定し、改良が加えられた後、最初の世代のハイブリッド式省エネファンが正式に市場に投入されました。現在、製品は第5世代に進化しています。 筆者は、デュアルドライブには解決すべき重要な問題が一つあると考えている。それは、「電力補助駆動が水力駆動の不足分を補う補助的な役割を果たすだけであり、主役を奪ったり、本来の役割を超えたりしてはならない」という点である。まるで二人で馬車を引くようなもので、一人が主力、もう一人が補助役。まず主力の方のロープはしっかりと張られていなければならず、全力を尽くすのだ；逆に、主力となるロープが緩んでおり、車両を主に補助者が引く場合、省エネの本来の目的が失われます。さらに、補助者の牽引力が強く速度も速く、主力の速度を上回ってしまえば、主力は障害となり、エネルギーを消費する存在になってしまうのではないか。したがって、顧客が二重動力式冷却塔用水車を選定する際には、メーカーに対し、水の駆動力と補助駆動力がどのように適切にマッチし有機的に組み合わされているのか、駆動力の配分や適切かつタイムリーな補充がどのように制御されているのか、そして水の駆動力を最大限に活用しつつ、必要に応じて補助駆動力を供給するためにはどうすればよいのかを説明してもらうべきである。よく考えてみてください。これは決して簡単で容易なことではなく、案が理にかなっており、実施が確実であると感じられなければなりません。 私の理解によると（これは筆者個人の見解であり、必ずしも正確とは限りません）、現在多く使用されており性能も優れている冷却塔用タービンには主に2種類あります。1つ目は「6、超低比速度混流式タービン（内蔵型・直結型）」で、下図をご覧ください。 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif 二つ目は「5、軸伸貫流式水車機（別名パイプ式、外部搭載、減速機付き）」で、下図を参照。 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image003.jpg もちろん、これら2つはどちらもハイブリッド駆動と組み合わせることができます。 以上は、筆者が多数の資料を検索・研究した上で、時系列に沿って冷却塔用水車の発展過程および各種水車の特徴を簡潔にまとめたものです。一部のタイプの水車は、時間的に交差して出現し、同時に存在する。ある企業は、現在までに第8世代まで開発・最適化を進めてきたと主張している。筆者は、明確な基準も権威ある見解も存在しないと感じたため、本文において冷却塔用水車を世代別に紹介していない。 いつから水力冷却塔の市場が急速に発展し、かなり規模の大きな産業となり、メーカーも次々と参入してきたのか、はっきりとは分からない。現在、水動ファン式冷却塔の改修や冷却塔用タービンの製造を手がける企業は数十社に上り、その中には実力と技術を持つメーカーもいれば、後追いの模倣企業も少なくない。使用される水力タービンも多種多様だが、質の悪いものや偽物も混在している。 これまでの数年間にわたる普及活動を通じて、効果が非常に高かった成功例もあれば、多くの失敗から得られた教訓も存在する。大波が砂を洗い流すように、いくつかの模倣企業も淘汰された。近年、冷却塔用水車タービンに関する研究はますます深まり、その理解もより客観的かつ合理的になってきている。水動ファン式冷却塔の省エネ改修には適用性と限界があることが認識され、もはや盲目的に急いで改修を行うことはなくなった。 二、水動ファン冷却塔の適用性（限界性）についての簡単な考察（続く） 三、水動ファン冷却塔の省エネ技術と水ポンプの省エネ技術の比較（続く）