JP2008295267A - 送風機および送風機の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送風機の回転体の回転速度を減速する際に、慣性エネルギを回生エネルギとして回収して蓄積し、有効に活用できるようにした送風機を提供する。
【解決手段】送風機１は、モータＭから供給される駆動力によって回転体１０を回転させて送風するものであり、電源ＳとモータＭとの間に配設され、モータＭを制御して回転体１０の回転数を制御する制御装置Ｃと、この制御装置Ｃに接続されたバッテリーＢと、を備え、モータＭによる駆動力の供給を減じないし停止して回転体１０の回転速度を減速する際に、回転体１０が惰性で回転するときの慣性エネルギによってモータＭで発電された電気エネルギを、制御装置Ｃを介してバッテリーＢに蓄積する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータから供給される駆動力によって回転体を回転させて送風する送風機および該送風機の運転方法に関する。

送風機は、極めて広範な産業分野にわたって使用されており、出力の小さい小型のものから出力の大きい大型のものまで種々製造されている。大型の送風機には、数千ｋＷに及ぶものもある。大型の送風機としては、例えば特許文献１に記載されているようなものがある。

送風機は、大型になればそれだけ消費エネルギが大きくなり、例にあげたような大型のものでは、その消費エネルギは莫大なものとなる。このため、従来は、図４に示したように送風機の回転体の回転数を制御装置によって制御することにより、省エネルギに一定の効果をあげてきた。

特公昭５９−４９４３７号公報

しかし、回転体の回転速度を減速して低速で送風機を稼働させたり、あるいは停止させたりする際の減速中に発生するエネルギは、そのまま熱エネルギとして放出されている。

一般に送風機は、他の回転機械に比べて回転体の慣性モーメントが極めて大きいという特徴がある。また、他の回転機械に比べて回転体の回転速度が速いことも特徴としてあり、回転体の周速は例えば５０ｍ／ｓから２００ｍ／ｓを超えるものもある。

このため、回転体には大きな慣性力が働いており、回転体を減速させたり、停止させたりすることは容易ではない。このような送風機を減速するのに要する減速時間（慣性時間）は、次の式１で表される。

ここで、Δｔは減速時間、Ｉ_０は回転体の慣性モーメント、ｎは回転数、αは減衰係数、Ｔは、軸受損失トルクである。式１の中に現れる慣性モーメントは、回転数の大きさによって変化するので、回転体が大きくなるほど、また、回転体の回転が高速回転になるほど減速時間が長くなる。このため、大型送風機の中には、減速を開始してから停止するまでに２０分以上もかかるものがある。したがって、大型送風機の慣性エネルギは、非常に大きいものとなる。しかしながら、従来この慣性エネルギは、熱エネルギとして放出させているだけであり、無駄にされていた。

また、回転体の大きさや回転数の大きさ以外にも、集塵用送風機、自動車エンジンテスト用送風機などのように回転体の回転数の制御を頻繁に行うものでは、回転制御の頻度が大きくなるほど、慣性エネルギの無駄が大きくなっていた。

本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目してなされたもので、送風機の回転体の回転速度を減速する際に、慣性エネルギを回生エネルギとして回収して蓄積し、有効に活用できるようにした送風機およびその運転方法を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
［１］ モータ（Ｍ）から供給される駆動力によって回転体（１０）を回転させて送風する送風機（１）において、
前記回転体（１０）の回転速度を減速する際に、前記回転体（１０）が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータ（Ｍ）で発電された電気エネルギを蓄積するバッテリー（Ｂ）を備えたことを特徴とする送風機（１）。

［２］ モータ（Ｍ）から供給される駆動力によって回転体（１０）を回転させて送風する送風機（１）において、
電源（Ｓ）と前記モータ（Ｍ）との間に配設され、前記モータ（Ｍ）を制御して前記回転体（１０）の回転数を制御する制御装置（Ｃ）と、
前記制御装置（Ｃ）に接続されたバッテリー（Ｂ）と、を備え、
前記モータ（Ｍ）による駆動力の供給を減じないし停止して前記回転体（１０）の回転速度を減速する際に、前記回転体（１０）が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータ（Ｍ）で発電された電気エネルギを、前記制御装置（Ｃ）を介して前記バッテリー（Ｂ）に蓄積することを特徴とする送風機（１）。

［３］ 前記バッテリー（Ｂ）に蓄積された電気エネルギは、前記モータ（Ｍ）が給電される際に電力として前記モータ（Ｍ）に供給されることを特徴とする［２］に記載の送風機（１）。

［４］ 前記制御装置（Ｃ）は、前記回転体（１０）の回転数が設定した高速側回転数（ａ）に達した後に前記モータ（Ｍ）への給電をＯＦＦし、惰性で回転する前記回転体（１０）が設定した低速側回転数（ｂ）に達したときに前記モータ（Ｍ）への給電をＯＮする所定の制御運転を行い、前記モータ（Ｍ）による発電効果を高めることを特徴とする［２］または［３］に記載の送風機（１）。

［５］ 前記制御装置（Ｃ）は、前記設定した高速側回転数（ａ）から前記惰性で回転する回転体（１０）が前記設定した低速側回転数（ｂ）に達するまでの減速時間を前記回転体（１０）の慣性モーメントに基づいて算出し、前記給電をＯＦＦしてから前記減速時間が経過したときに前記モータ（Ｍ）への給電をＯＮすることを特徴とする［４］に記載の送風機（１）。

［６］ 前記回転体（１０）の回転数を検出する回転数センサ（６０）を備え、
前記制御装置（Ｃ）は、前記回転数センサ（６０）が前記設定した高速側回転数を検出した後に前記モータ（Ｍ）への給電をＯＦＦし、その後前記回転数センサ（６０）が前記設定した低速側回転数を検出したときに前記モータ（Ｍ）への給電をＯＮすることを特徴とする［４］に記載の送風機（１）。

［７］ 前記バッテリー（Ｂ）に蓄積された電気エネルギの供給をＯＮ／ＯＦＦ可能な、手動の切替スイッチ（ＳＷ）を備えたことを特徴とする［２］から［６］のいずれか一項に記載の送風機（１）。

［８］ 前記バッテリー（Ｂ）は、送風機（１）の本体に着脱可能に取り付けられるものであることを特徴とする［２］から［７］のいずれか一項に記載の送風機（１）。

［９］ モータ（Ｍ）から供給される駆動力によって回転体（１０）を回転させて送風する送風機（１）の運転方法であって、
前記回転体（１０）の回転速度を減速する際に、前記回転体（１０）が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータ（Ｍ）で発電された電気エネルギをバッテリー（Ｂ）に蓄積し、
前記モータ（Ｍ）に給電する際に、前記バッテリー（Ｂ）に蓄積した電気エネルギを前記モータ（Ｍ）に供給する、送風機（１）の運転方法。

前記本発明は次のように作用する。
送風機（１）の回転体（１０）は、モータ（Ｍ）から供給される駆動力によって回転する。送風機（１）を運転するときは、送風機（１）の制御装置（Ｃ）は、回転体（１０）が所定の回転数（回転速度）に達して所定の風力に達するまでモータ（Ｍ）に給電して回転体（１０）の回転速度を上げる。

回転体（１０）を所定の回転速度よりも低い回転速度で回転させるとき、あるいは、回転体（１０）を停止させるときは、制御装置（Ｃ）は、モータ（Ｍ）の回転数を減じるように給電したり、給電をＯＦＦにしたりする。モータ（Ｍ）への給電がＯＦＦになっても回転体（１０）は惰性で回転を続けるので、モータ（Ｍ）は回転体（１０）の惰性回転とともに回転する。外力である回転体（１０）の慣性力によって回転させられるモータ（Ｍ）には、誘導電圧が発生するので、インバータ等を備える制御装置（Ｃ）を介してバッテリー（Ｂ）に電気エネルギが蓄電される。これにより、回転体（１０）が惰性で回転するときの慣性エネルギが電気エネルギとしてバッテリー（Ｂ）に蓄積される。

制御装置（Ｃ）は、モータ（Ｍ）を稼働させるための給電の際に、バッテリー（Ｂ）に蓄積された電気エネルギを必要な電力として、あるいは必要な電力の一部としてモータ（Ｍ）に供給する。これによって、従来、単に熱放射として無駄にされていた回転体（１０）の慣性エネルギが有効利用されるとともに、バッテリー（Ｂ）から供給される電力の分だけ省エネルギを実現することができる。

送風機（１）の運転において、回転体（１０）の回転数として高速側回転数（ａ）と低速側回転数（ｂ）とを設定しておき、回転体（１０）の回転数が設定した高速側回転数（ａ）に達したときにモータ（Ｍ）への給電をＯＦＦし、惰性で回転する回転体（１０）が設定した低速側回転数（ｂ）に達したときにモータ（Ｍ）への給電をＯＮするように制御する所定の制御運転を行うことによって、回転体（１０）の回転数を所定範囲に維持しながらモータ（Ｍ）による発電効果を高めることができる。

この制御は、設定した高速側回転数（ａ）から惰性で回転する回転体（１０）が設定した低速側回転数（ｂ）に達するまでの減速時間を回転体（１０）の慣性モーメントに基づいて算出し、給電をＯＦＦしてから減速時間が経過したときにモータ（Ｍ）への給電をＯＮすることで実現することができる。回転体（１０）の回転数を検出する回転数センサ（６０）を備えたものでは、制御装置（Ｃ）は、回転数センサ（６０）による前記設定した高速側回転数（ａ）や前記設定した低速側回転数（ｂ）の検出に基づいて、給電をＯＦＦしたり、ＯＮしたりすることができる。

手動の切替スイッチ（ＳＷ）を設けたものでは、この切替スイッチ（ＳＷ）の操作によってバッテリー（Ｂ）に蓄積された電気エネルギの供給をＯＮ／ＯＦＦさせることができる。

本発明にかかる送風機および送風機の運転方法によれば、惰性で回転している回転体の慣性エネルギを回生エネルギとしての電気エネルギに変換してバッテリーに蓄積しておくことができるので、送風機の回転体の回転速度を減速する際に、慣性エネルギを回収して蓄積し、有効に活用することができる。

バッテリーに蓄積した電気エネルギをモータが給電される際に電力としてモータに供給することにより、省エネルギを実現することができる。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施の形態を説明する。
各図は本発明の一実施の形態を示している。
図１および図２に示すように、本発明の一実施の形態に係る送風機１は、回転体１０をモータＭの駆動力で回転することにより、風を起こして送風するものである。送風機１は、送風機１を制御するための制御装置Ｃ、および後述する回生エネルギを蓄積しておくためのバッテリーＢを備えている。

制御装置Ｃは、ＣＰＵやメモリを含む制御回路、コンバータ回路、インバータ回路などを備えたインバータである。回転体１０は、羽根車であり、その回転軸１１の軸端部１２，１２は、それぞれベース２０の軸受設置部２１，２１の上に設けた軸受２２，２２によって回転可能に保持されている。

軸受設置部２１と軸受設置部２１との間には、ケーシング２３が配設されており、このケーシング２３の内側に回転体１０が配置されている。ベース２０から離間してもう一つのベース３０が配設されている。

このベース３０の上に前記モータＭが設置されている。モータＭへの電力は制御装置Ｃの制御によって供給される。このモータＭの動力軸４０と回転体１０の回転軸１１とは、動力軸継手５０によって連結されている。これにより、モータＭの駆動力が回転体１０へ伝動される。

モータＭへ電力を供給する一次電源Ｓは商用電源であり、この一次電源ＳからモータＭへの給電は、制御装置Ｃによって制御される。これにより、回転体１０の回転速度（回転数）が制御される。この制御装置Ｃには、二次電源としてのバッテリーＢも接続されている。

このバッテリーＢは、送風機１から得られる回生エネルギを蓄積するものである。すなわち、回転体１０の回転速度を減速するためにモータＭによる駆動力の供給を減じたり、停止したりしたとき、回転体１０は、慣性力による惰性で回転を続け、このときモータＭは、外力である回転体１０の慣性力によって強制的に回転させられるので、モータＭには回転数に比例して大きくなる誘導電圧が発生する。バッテリーＢは、このモータＭで発生した電気エネルギを回生エネルギとして、制御装置Ｃで交流を直流に変換したものを蓄電するものである。

バッテリーＢに蓄積した回生エネルギは、制御装置Ｃの制御に基づいてモータＭに電力として供給することができる。制御装置Ｃには、回生エネルギを電力としてモータＭに供給する場合として、例えば、（１）送風機１の起動時、（２）送風機１の増速時、（３）送風機１の通常運転時、および（４）これらの組合せなどを選択可能に設定しておくことにより、必要に応じて回生エネルギを有効に使用することができる。これにより、送風機１の使用目的に応じて最適で最大の省エネルギ効果を得ることができる。

なお、図３には、制御装置ＣとバッテリーＢとの間に、バッテリーＢに蓄積された電気エネルギの供給を手動でＯＮ／ＯＦＦすることが可能な切替スイッチＳＷを設けたものを例示したが、切替スイッチＳＷを備えなくてもよい。

次に作用を説明する。
送風機１の運転を開始する際に送風機１を起動するときは、制御装置Ｃの制御によって一次電源ＳからモータＭに給電される。モータＭが回転すると、その駆動力は、動力軸継手５０によって回転体１０の回転軸１１に伝動され、回転体１０が回転する。このとき、制御装置Ｃにおいて、送風機１の起動時にバッテリーＢに蓄積されている回生エネルギを使用するように設定されているときは、制御装置Ｃは、バッテリーＢに蓄積された電気エネルギを必要な電力として、あるいは必要な電力の一部としてモータＭに供給する。送風機１の制御装置Ｃは、回転体１０が所定の回転数（回転速度）に達して所定の仕事を終了するまでモータＭに給電して回転体１０の回転速度を上げる。

回転体１０が所定の回転数に達した後、通常運転の間は、制御装置Ｃにおいて、送風機１の通常運転時にバッテリーＢに蓄積されている回生エネルギを使用するように設定されているときは、バッテリーＢからも給電される。このとき、一次電源Ｓからの給電とバッテリーＢからの給電を所定の割合にしてもよいし、バッテリーＢからの給電を優先し、不足分を一次電源Ｓからの給電によって補うようにしてもよい。

また、制御装置Ｃにおいて、回転体１０の回転速度を上げるときにバッテリーＢに蓄積されている回生エネルギを使用するように設定されているときは、バッテリーＢに蓄積された電気エネルギを増速に必要な電力として、あるいは必要な電力の一部としてモータＭに供給する。

回転体１０を所定の回転速度よりも低い回転速度で回転させるときは、モータＭの回転数を減じるように給電するか、給電をＯＦＦにするかして減速する。また、回転体１０を停止させるときは、制御装置Ｃは、モータＭへの給電をＯＦＦにする。モータＭの回転数を減じるように給電したり、給電をＯＦＦにしたりした後にも回転体１０は慣性力によって惰性の回転を続ける。

モータＭは、給電がＯＦＦされているときは自ら回転することはないが、惰性による回転体１０の回転が動力軸継手５０を介してモータＭに伝動するので、強制的に回転を続けさせられる。このように慣性エネルギによって強制的に回転させられるモータＭには、誘導電圧が発生する。この慣性エネルギの変換された電気エネルギは、制御装置Ｃのインバータ回路等を介してバッテリーＢに蓄電される。

これによって、従来、単に熱放射として無駄にされていた回転体１０の慣性エネルギが有効利用されるとともに、バッテリーＢから供給される電力の分だけ省エネルギを実現することができる。

このような、送風機１の所定の制御運転の一例として、図３〜５に示したような運転がある。これらの例は、制御装置Ｃによる回生エネルギを使用した回転体１０の回転数の制御であり、設定した高速側回転数ａと設定した低速側回転数ｂとの間で回転制御するものである。モータＭを起動してから回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａに達するまでは、一次電源ＳからモータＭに給電される。このとき、バッテリーＢからも給電されるように設定してもよい。

回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａに達したときは、モータＭへの給電をＯＦＦにする。給電は、回転体１０の回転数が設定した低速側回転数ｂに下がるまでＯＦＦにされる。回転体１０の回転数が低速側回転数ｂまで下がるとモータＭへの給電がＯＮとなる。このときの給電は、二次電源としてのバッテリーＢから行われる。なお、図３に例示したものでは、回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａに達した後、給電のＯＮ−ＯＦＦ動作を繰り返す。

この動作により、回転体１０は、回転数が高速側回転数ａよりも僅かに低い高速維持回転数ｃまで下がったときに再度、給電されるので回転数が上がる。これにより、回転体１０の回転数は、所定の時間だけ高速側回転数ａ付近に維持されるようになっている。このようにして、回転体１０の回転数を高速側回転数ａと低速側回転数ｂとの範囲に維持することができる。

これらモータＭへの給電をＯＦＦしている間は、回転する回転体１０の慣性エネルギは、回転体１０の回転として動力軸継手５０によってモータＭに伝動され、モータＭを強制的に回転させることによって誘導電圧の発生となって電気エネルギに変換され、バッテリーＢに蓄積される。

なお、回転体１０の回転数が高速側回転数ａから低速側回転数ｂや高速維持回転数ｃまで下がったことの判断は、回転体１０の回転軸１１の回転数を計数する回転数センサ６０を設けて該回転数センサ６０が検知する回転数によって直接に行ってもよいし、慣性エネルギによって回転する回転体１０の減速時間を慣性モーメントに基づいて算出して、算出した減速時間の経過をもって低速側回転数ｂや高速維持回転数ｃまで回転体１０の回転数が下がったものとしてもよい。

慣性エネルギによって回転している回転体１０の減速時間は、従来技術の説明でも記載した次の式１に基づいて算出すればよい。

このように、回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａに達したときに一次電源ＳからモータＭへの給電をＯＦＦとし、送風機１を回転体１０の惰性回転のみで減速させて、回転体１０の回転数が設定した低速側回転数ｂまで下がったときにバッテリーＢからの給電をＯＮして、再給電するように制御装置Ｃを設定する。モータＭの給電を再度ＯＮするときは、必要に応じて負荷の慣性エネルギとモータＭの消費エネルギを平衡させつつ運転を継続するノンストップ制御機能を備えている。これにより、モータＭの発電効果を極大化させることができる。

図４の例は、回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａに達した後、仕事が行われる所定の間はモータＭの給電を維持し、その後、回転体１０の回転数が設定した低速側回転数ｂに達するまで給電量を減じるようにした制御運転である。この例では、給電量を減じている間に発生する回生エネルギがバッテリーＢに蓄電される。

図５の例は、図４の例において、回転体１０の回転数が設定した高速側回転数ａから低速側回転数ｂに達するまでの間、モータＭへの給電量を減じるのではなく、給電をＯＦＦするようにした制御運転である。この例では、給電をＯＦＦしている間に発生する回生エネルギがバッテリーＢに蓄電される。

以上のように、送風機１を再加速するときは、商用電源（一次電源Ｓ）ないしバッテリーＢからインバータを介して供給される回生エネルギを混合して運転することにより、一次電源としての商用電源の消費量を大幅に削減でき、回転数制御頻度に応じてこの動作を繰り返すことにより、大きな省エネルギ効果を得ることができる。

なお、前記した構成と異なり、モータＭを発電機として使用せず、さらに発電機、インバータ、バッテリーＢを別に設けてもよい。

また、送風機１の停止時または減速時に、モータＭ（発電機）で発電された電力をバッテリーＢに蓄えることなく、直接に一次電源Ｓ側に戻し、回生エネルギを他の用途に使用するようにしてもよい。

本発明の送風機１およびその運転方法は、自動車の空力テスト用送風機、自動車エンジンテスト用送風機、集塵用送風機など、大型の送風機や回転体の回転数制御を頻繁に行うものにおいて著しい効果を発揮するが、大きさや回転制御の頻度の多少にかかわらず、広範にわたる送風機において実施することができる。

本発明の一実施の形態に係る送風機を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態に係る送風機を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る送風機の運連例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る送風機の他の運連例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る送風機の他の運連例を示す図である。 従来技術における送風機の概略を示すブロック図である。

符号の説明

ａ…高速側回転数
Ｂ…バッテリー
ｂ…低速側回転数
Ｃ…制御装置
ｃ…高速維持回転数
Ｍ…モータ
Ｓ…一次電源（電源）
ＳＷ…切替スイッチ
１…送風機
１０…回転体
１１…回転軸
１２…軸端部
２０…ベース
２１…軸受設置部
２２…軸受
２３…ケーシング
３０…ベース
４０…動力軸
５０…動力軸継手
６０…回転数センサ

Claims (9)

1. モータから供給される駆動力によって回転体を回転させて送風する送風機において、
   前記回転体の回転速度を減速する際に、前記回転体が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータで発電された電気エネルギを蓄積するバッテリーを備えたことを特徴とする送風機。
2. モータから供給される駆動力によって回転体を回転させて送風する送風機において、
   電源と前記モータとの間に配設され、前記モータを制御して前記回転体の回転数を制御する制御装置と、
   前記制御装置に接続されたバッテリーと、を備え、
   前記モータによる駆動力の供給を減じないし停止して前記回転体の回転速度を減速する際に、前記回転体が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータで発電された電気エネルギを、前記制御装置を介して前記バッテリーに蓄積することを特徴とする送風機。
3. 前記バッテリーに蓄積された電気エネルギは、前記モータが給電される際に電力として前記モータに供給されることを特徴とする請求項２に記載の送風機。
4. 前記制御装置は、前記回転体の回転数が設定した高速側回転数に達した後に前記モータへの給電をＯＦＦし、惰性で回転する前記回転体が設定した低速側回転数に達したときに前記モータへの給電をＯＮする所定の制御運転を行い、前記モータによる発電効果を高めることを特徴とする請求項２または３に記載の送風機。
5. 前記制御装置は、前記設定した高速側回転数から前記惰性で回転する回転体が前記設定した低速側回転数に達するまでの減速時間を前記回転体の慣性モーメントに基づいて算出し、前記給電をＯＦＦしてから前記減速時間が経過したときに前記モータへの給電をＯＮすることを特徴とする請求項４に記載の送風機。
6. 前記回転体の回転数を検出する回転数センサを備え、
   前記制御装置は、前記回転数センサが前記設定した高速側回転数を検出した後に前記モータへの給電をＯＦＦし、その後前記回転数センサが前記設定した低速側回転数を検出したときに前記モータへの給電をＯＮすることを特徴とする請求項４に記載の送風機。
7. 前記バッテリーに蓄積された電気エネルギの供給をＯＮ／ＯＦＦ可能な、手動の切替スイッチを備えたことを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の送風機。
8. 前記バッテリーは、送風機の本体に着脱可能に取り付けられるものであることを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の送風機。
9. モータから供給される駆動力によって回転体を回転させて送風する送風機の運転方法であって、
   前記回転体の回転速度を減速する際に、前記回転体が惰性で回転するときの慣性エネルギによって前記モータで発電された電気エネルギをバッテリーに蓄積し、
   前記モータに給電する際に、前記バッテリーに蓄積した電気エネルギを前記モータに供給する、送風機の運転方法。

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