JP2005055159A - 換気システム用ファン - Google Patents

Abstract

【課題】共振音が発生しない住宅の換気システム用ファンを提供すること。
【解決手段】それぞれに給気口を有する複数の部屋に対して、個別に通じる排気用のダクトを設置し、該排気用ダクトを屋外に排気路を有する一つの排気装置に連結し、該排気装置に設置されたファンの駆動にブラシレス直流モータを使用して、マイコン制御により共振音の発生しない回転数に一定維持する。一部の部屋の排気口が全閉になった場合、屋外に排気路を有する排気装置の総排気量は靜圧が減少するので結果として総排気量は減少することになり、排気口が開いている部屋の排気量が特に増加するようなことにならず、消費電力も減少し省エネルギーに寄与するところ大である。
【選択図】図２

Description

本発明は、住宅等の複数の部屋を一つの排気装置を用いて換気するための換気システム用ファンに関するものである。

近年、住宅は省エネルギー化に基づいて気密性を重視してきたこともあり、いわゆる隙間換気が期待できない状態にあり、湿気によるカビの発生が増加している。一方建築資材が天然素材を用いているとはいえ、複合材として用いるために接着剤や塗剤から発生するホルムアルデヒトが部屋に滞留して健康障害の原因となっていることが報告されている。このような状況下において、建築基準法の改正もあり、住宅の各部屋に於ける換気量が定められ換気に対する関心が高まっている。部屋の換気を行うには窓の開閉が最も基本的な対処法であるが、天候の影響を受けたり、就寝時あるいは留守にする場合には不適であるから、部屋の壁、床、天井などに給気口と排気口を設けて強制的に換気を行うのが一般的である。

各部屋に給気口を設けて、排気を行う換気扇を取り付ければよいのであるが、部屋数が多くなれば、個々の換気扇の排気量を調整しなければならないから、これを手動で行うのでは煩雑であり消し忘れる心配もあるため、湿度や炭酸ガス濃度の感知器を設けてこれに対応する電気開閉装置を設置し集中管理することは可能である。しかし換気扇の個数が多くなることは電力の消費量が増大し、またメンテナンスも費用がかさむことになるため、部屋の使用目的に合わせて通気管を適宜配置し住宅全体に気流を作り要所に換気扇を配置する提案も多い。しかし永年の間に人の成長や家財道具の増減または配置の変更など部屋の使用目的が変化するから、各部屋に給気口と排気ダクトを配置し、排気ダクトを１箇所に集めて換気扇に接続し、一括排気するようにすれば設備が簡潔になり、部屋の排気口の開閉を自動的に行えば部屋の使用目的や要求される換気量が変更されても快適な環境を提供することが出来る。

部屋の排気口の開閉は温度センサーやガス濃度検知器の設定値に基づいて電気的にダンバーを開閉する方法とＡＥＲＥＣＯ社（仏）の合成繊維の湿気吸収の度合いにより伸縮する性質を利用した方法などがあるが、各部屋に通じる排気ダクトを一括排気する換気扇のファンはシロッコファンが一般的であり、これの駆動モーターは一般住宅用には１００ボルト単相のインダクションモーター（ＡＣモータ）が使用されている。従って各部屋の排気口の開口面積が小さくなるか全閉状態になるとファンは無負荷になり回転数が上昇する、騒音値は回転数に比例し不快感を与えている。これの対処法としてモーターの回転数を検出し所定回転数以上になれば電源を切るか電圧を下げるようなマイコン制御を行って対処している。しかしＡＣモータでは効率が低く消費電力が大きい。そこで効率の高い直流モータ（ＤＣモータ）を使用することで消費電力の低減を図り、さらにＤＣモータに内蔵されている回転パルス信号をマイコンにフィートバックすることで回転数制御を容易にしている。ＤＣモータを用いた場合の短所としてはモータとファンの共振音が解決されていないことである。本願発明はこの点に着目し提案するものである。住宅の換気について主な先行技術を検索した結果次の参考文献が挙げられる。
特開平６−２８８５８９号公報 特開平７−１０３５３６号公報 特開平１１−１８２４８９号公報 特開２０００−８８２９９号公報

解決しようとする問題点は、共振音が発生しない住宅の換気システム用ファンを提供することである。

本発明は、それぞれに給気口を有する複数の部屋に対して、個別に通じる排気用のダクトを設置し、該排気用ダクトを屋外に排気路を有する一つの排気装置に連結した換気システムにおいて、前記排気装置に設置されたシロッコファンの羽根車の回転数を所定の回転数に一定維持することを特徴とする。前記排気用ダクトの片方の端部は部屋に開口する排気口を構成し、該排気口には湿度を感知して開口面積を制御する開閉装置を設置するか、湿度センサー、炭酸ガス濃度センサーなどによりダンパーを開閉することで排気量を制御し、各部屋の排気口が全閉になったとき、排気装置のファンの羽根車を駆動するモータは負荷がかからなくなりモーターの回転数が上昇し騒音が発生しはじめる。このような騒音が発生しない範囲でモーター回転数を制御するためにモーターの電源をオンオフして行うこともできるがＡＣモータでは効率が悪く省エネが期待できない。

そこで、本発明ではファンを駆動するモータにブラシレス直流モータを用いて、これをマイコン制御することにより回転数を一定に維持するようにしている。一部の部屋の排気口が全閉になった場合、他の部屋の排気量が増加し給気量が増大するように見えるが、屋外に排気路を有する排気装置の総排気量は靜圧が減少するので結果として総排気量は減少することになり、排気口が開いている部屋の排気量が特に増加するようなことにならない。また消費電力も後述するように減少し省エネルギーに寄与するところ大である。

本発明に於ける換気システムを使用する場合に発生する不快な騒音は、シロッコファンの羽根車を駆動するモータの固有振動数及び前記ファンの固有振動周波数に相応する回転数で運転された時の騒音と、これら双方が一致したときの共振音が主な原因である。シロッコファンの羽根車を駆動するブラシレス直流モータ（ＤＣモータ）が１回転する間に回転磁界として発生するトルク変動は通電相と極数の積であることから、モータは回転数毎に固有振動数（ｎ／ｓｅｃ）が発生し固有振動数は、通電相×極数×回転数／ｓｅｃで算出される。ファンも各回転数毎に固有振動周波数（Ｈｚ）と称する騒音特性を潜在的に保有しているので、モータの固有振動数とファンの固有振動周波数が重なる条件が成立すれば、共振音となって異常な音が発生する。従って、ファンの羽根車を駆動するモータの固有振動数と前記シロッコファンの固有振動数を避けた回転数で前記モータの回転数を一定に維持するようにしている。

本発明の換気システム用ファンは、ブラシレス直流モーターを使用して回転数をマイコン制御により、固有振動数及び固有振動周波数に相応する回転数を避けて共振音の発生しない領域で回転数を一定に維持することで運転時の騒音がなく適切な靜圧を維持し、排気口の開口面積が変動しても換気量が安定する。

ブラシレス直流モーターを使用してシロッコファンの羽根車の回転数を一定に制御し、換気システムの騒音を排除すると共に、消費電力の削減を実現した。

図３（ａ）は、本発明の排気装置１の概略を示す斜視図であり、２は本体ケース、３は蓋でありケース本体の内部は防音材４で覆われている。本体ケース内にはシロッコファン５が設置され、排気口６からダクトを通じて本体ケース内の空気を屋外に排出する。また本体ケースには７箇所に吸気口７ａ〜７ｇが設けられ、これらの吸気口は各部屋に備えられた排気口（図示せず）とダクトで連結されている。前記の吸気口は７箇所に限定されず更に部屋数が多くなれば吸気口を増やすことができるが部屋数が少ない場合は閉じておけばよい。部屋数が少ない場合は設定回転数を低くして一定回転数を維持するようにしている。シロッコファンが作動すると本体ケース２の内部は負圧になり部屋の空気が吸引されて本体ケースに運ばれシロッコファンを通じて屋外に排出される。シロッコファンの内部には、図３（ｂ）に示す羽根車８がブラシレス直流モーター９の回転軸に固定されており、モーターの回転数と同じ回転数で羽根車が回転する。本実施例では羽根車の直径１９０ｍｍ、高さ７６ｍｍを使用しシロッコファンとしては両吸込み型を用いている。

図１は本発明の排気装置１のシロッコファンの羽根車の回転数を１１００、１２００、１３００ｒｐｍで運転した場合の消費電力（Ｗ）、靜圧（Ｐａ）、風量Ｑ（ｍ^３／ｈｒ）を測定した結果を示している。モータは電圧１４０Ｖ、出力２５Ｗのブラシレス直流モータを使用した。図２は羽根車の駆動にインダクションモータを使用し、上述のシロッコファンと本体ケースからなる排気装置を運転した結果を示したグラフである。吸気口を全開し靜圧を０にしたとき、最大風量は３９０ｍ^３／ｈｒでありこのときの回転数は１６００ｒｐｍである。また吸気口を全閉した場合の最大靜圧は４３０Ｐａであり、回転数は２０００ｒｐｍである。回転数が１６００を超える辺りから、空気がかき回される騒音やモータとシロッコファンなどの固有振動数が重なって生じる共振音が激しくなる。

住宅の換気が必要とされる一部屋の容積を約４０ｍ^３として７部屋を換気する場合容積の合計は２８０ｍ^３であり、時間（ｈ）当たり０．５〜０．７回換気するとすれば１９６ｍ^３／ｈの排気量が必要である。人が生活する場合部屋が密閉されるとは限らないから更に広い容積を換気する場合もあり、またダクトの長さが長くなることも考慮するとロスも生じるから排気量が２５０〜３５０ｍ^３は必要とされる。図２に本発明の排気装置１を１３００ｒｐｍで運転した場合とファンの駆動に従来のインダクションモータを用いた場合の排気量と消費電力及び靜圧の関係を図２にグラフとして示した。これによれば、夜間に使用されない部屋の排気口が閉じられ、他の部屋の排気口も開口面積が小さくなる様な場合には靜圧が上昇し、排気量も少なくなるので負荷が減少しインダクションモータの場合は回転数が上昇する。回転数が１６００ｒｐｍを越える辺りから騒音が大きくなり、不快感を抱くようになる。

これに対して、本発明の排気装置はファンの羽根車の駆動をブラシレス直流モータで行うため回転数の制御が容易であり、マイクロプロセッサ（マイコン）を用いて電圧制御を行って回転数を一定に維持することで、騒音の発生しない回転数の範囲で所要の風量を確保している。インダクションモータの場合は不必要な靜圧を生じており、この間の消費電力（Ｗ）は本発明の回転数を一定に制御した方が４０〜２０％節約していることが判る。

図４はファンの羽根車を駆動するブラシレス直流モータの制御システムの一例を示すブロック図である。モータ回転数の設定はモータ側に組み込まれたホールＩＣで磁束を検出して磁束フィードバック制御系を形成し、マイクロプロセッサで指令周波数とつきあわせて差異を修正しながらトランジスタインバータを駆動する方式を採用している。マイクロプロセッサ（マイコン）を備えた制御基板は任意の場所に配置して排気装置の回転数を指定することができる。パワーＩＣ及びホールＩＣは市販品を使用している。

図５（ａ）は本発明の概念を説明するためのグラフであり、モータの回転数とトルクの関係を示している。曲線Ｆは回転数が制御されない場合の回転数とトルクの関係を示し、回転数が１３００ｒｐｍで靜圧がゼロの状態から出発して、各部屋の排気口の開口面積が変化して、靜圧が順次変化したとき靜圧がＡＰａ時には点ａ、ＢＰａ時には点ｂ，ＣＰａ時には点ｃ，排気口の開口面積がゼロの時の靜圧最大Ｐａ時には点ｄとなり、回転数はａからｄへと回転数が上昇する。本発明の場合は、マイコンに１３００ｒｐｍを指示すると入力電圧が自動的に変化して曲線ＧからＪへと変更され回転数を設定値に維持するようにしている。なお入力電圧の変化は連続的に行われるが、靜圧が急激に変化した場合には若干遅れて設定回転数に復帰し実用上は問題にならない。また同（ｂ）図は靜圧と風量の関係を示しており、排気口の開口面積が小さくなるにつれて風量は減少し靜圧が高くなるが、回転数を一定に保つ場合は入力電圧が小さくなり最大靜圧を抑制する。一方回転数を制御しない場合は靜圧の変化に伴って回転数が上昇し不必要な靜圧が生じている。ファンの理論動力（ｋｗ）は最大風量（Ｑ）×全圧（Ｐｔ）で表されるから、図中ハッチングで示した部分Ｅは無駄になるエネルギーでありこれを省力化したことも大きな特徴である。

本発明の排気装置はファンの駆動にブラシレス直流モータを使用しているので、回転速度の調整が容易であり、用途により好ましい回転速度を一定に維持することができる。回転速度の調整はマイクロコンピュータで制御するので、時間の経過により条件が変わる環境に対しても、最適な排気量を自動制御できる。更に排気量が減少した場合には消費電力が減少するので省エネルギーには好適な排気装置を提供できる。

本発明の排気装置の排気量と消費電力（Ｗ）及び靜圧（Ｐａ）の関係を示すグラフである。（実施例１） 本発明の排気装置とインダクションモータを使用した場合の性能を比較したグラフである。（実施例１） （ａ）は本発明の排気装置の概略を示す斜視図であり、（ｂ）はファンの羽根車を示す斜視図である。 本発明の排気装置のモータ回転速度を制御するシステムのブロック図である。 モータ回転数を一定に制御した場合の利点を示す説明図であり、（ａ）図は回転数とトルク（負荷）の関係を示し、（ｂ）図は靜圧と風量の関係を示す。

符号の説明

１ 排気装置
２ 本体ケース
３ 蓋
４ 防音材
５ シロッコファン
６ 排気口
７ 吸気口
８ 羽根車
９ モーター

Claims (3)

1. それぞれに給気口を有する複数の部屋に対して、個別に通じる排気用のダクトを設置し、該排気用ダクトを屋外に排気路を有する一つの排気装置に連結した換気システムにおいて、前記排気装置に設置されたシロッコファンの羽根車の回転数を所定の回転数に一定維持することを特徴とする換気システム用ファン。
2. ファンの羽根車を駆動するモータがブラシレス直流モータであり、マイコン制御により共振音の発生しない回転数の範囲で一定維持することを特徴とする請求項１に記載の換気システム用ファン。
3. 前記ファンの羽根車を駆動するモータの固有振動数と前記シロッコファンの固有振動周波数を避けた回転数で前記モータの回転数が一定維持されることを特徴とする請求項２に記載の換気システム用ファン。

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