JP2013096284A - 遠心式電動送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】遠心式羽根車を用いた電動送風機の流量を流速計は用いずに精度よく検出できる遠心式電動送風機を提供する。
【解決手段】電動機１の回転軸により遠心式羽根車２へ伝達される負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値Ｔｆを出力するトルク検出器４と、電動機１の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値ωｒｆを出力する回転速度検出器５と、ケーシング３の給気口３ａ又は排気口３ｂより給気又は排気される作動流体の密度に関係する物性値を測定する作動流体状態検出器６と、作動流体状態検出器６により測定された物性値から作動流体密度を算出し、作動流体密度フィードバック値ρｆを出力する作動流体密度演算器７と、これらフィードバック値Ｔｆ、ωｒｆ、ρｆを用いて流量を算出し、目標流量値と比較するための流量検出値Ｑｆとして出力する流量演算器８とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心式羽根車を有する遠心式電動送風機に関するものである。

電動送風機の流量を検出する装置としては、送風機の給気又は排気流路に流速計を設けて、流速と流路断面積の乗算により求めるものと、電動送風機そのものの特性値と流量との関係を予め把握しておき、運転中の特性値を計測して、一般流体における相似則に基づいた比例関係により流量を求めるものがある（例えば、特許文献１参照）。
これらの装置で検出した流量は、目標流量と一致するように電動機の出力を調整して、例えば、居室の換気量を配管圧損によらず一定に保ったり、あるいは燃焼用送風機として、燃焼の最適化を図ったりするのに用いられている。

特開２００２−１６５４７７号公報（要約書、図１）

一般流体における相似則に基づいたものは、流速計を用いる方法に比べ、流路に流速計を設ける必要がないために、流速計への埃の付着に対する保守が不要で、小型化に適しているが、いろいろな圧損条件での２つの比例定数を試験により求めて、その比例定数の関係を便宜上近似関数に置き換えて、近似関数計算を行うことで流量を求めるといったものである。この技術では、羽根車の細部形状が加味されておらず、また、作動流体の密度の変化も加味されていないために、精度の高いものではなかった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、遠心式羽根車を用いた電動送風機の流量を流速計は用いずに精度よく検出できる遠心式電動送風機を提供することを目的とする。

本発明に係る遠心式電動送風機は、電動機と、電動機の回転軸に装着された遠心式羽根車と、給気口及び排気口を有し、遠心式羽根車の周囲を覆うケーシングと、電動機の回転軸により遠心式羽根車へ伝達される負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値を出力するトルク検出器と、電動機の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値を出力する回転速度検出器と、ケーシングの給気口又は排気口より給気又は排気される作動流体から当該作動流体の密度に関係する物性値を測定する作動流体状態検出器と、作動流体状態検出器により測定された物性値から作動流体密度を演算し、作動流体密度フィードバック値を出力する作動流体密度演算器と、前記トルクフィードバック値、前記回転速度フィードバック値及び前記作動流体密度フィードバック値を用いて流量を算出し、目標流量値と比較するための流量検出値として出力する流量演算器とを備えたものである。

本発明によれば、トルクフィードバック値及び回転速度フィードバック値の他に、作動流体密度フィードバック値を用いて流量を算出するようにしているので、流速計を用いることなく、精度の良い流量検出を行うことができる。

実施の形態に係る遠心式電動送風機の流量検出装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る遠心式電動送風機の遠心式羽根車の断面を示す図である。

以下に、本発明に係る遠心式電動送風機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は実施の形態に係る遠心式電動送風機の流量検出装置の構成を示すブロック図である。
図において、遠心式電動送風機は、電動機１と、電動機の回転軸に装着された遠心式羽根車２と、給気口３ａ及び排気口３ｂを有し、遠心式羽根車２の周囲を覆うケーシング３とを備えている。

電動機１は、電源９から電力の供給を受けると回転力を発生し、電動機１の回転軸に装着された遠心式羽根車２を回転させる。この時、遠心式羽根車２の回転による遠心力により、遠心式羽根車２の側面に形成された排出口２ｂ（出口幅ｂ）から作動流体が放出され、遠心式羽根車２の排出口２ｂから放出された作動流体は、ケーシング３の排気口３ｂから排出される。その結果、遠心式羽根車２の吸引口２ａ近傍は負圧となり、ケーシング３の給気口３ａを経由して遠心式羽根車２の吸引口２ａから作動流体が吸引される。

また、遠心式電動送風機には、トルク検出器４と、回転速度検出器５と、作動流体状態検出器６と、作動流体密度演算器７と、流量演算器８とで構成される流量検出装置を備ええている。

トルク検出器４は、電動機１から遠心式羽根車２へ回転軸を通じて伝えられる負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値Ｔｆとして流量演算器８へ出力する。回転速度検出器５は、電動機１の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値ωｒｆとして、流量演算器８へ出力する。作動流体状態検出器６は、ケーシング３の給気口３ａ又は排気口３ｂより給気又は排気される作動流体から作動流体の密度に関係する物性値、例えば温度や気圧、湿度などの物性値を測定する。作動流体密度演算器７は、作動流体状態検出器６により測定された物性値から作動流体密度を算出し、作動流体密度フィードバック値ρｆとして、流量演算器８へ出力する。

次に、流量演算器８の動作について説明する。
まず、図２を用いて遠心式電動送風機の流量と負荷トルクとの関係について説明する。図２は実施の形態に係る遠心式電動送風機の遠心式羽根車の断面を示す図である。
図において、遠心式羽根車２に作用する負荷トルクＴは、作動流体の密度ρと、体積流量Ｑと、遠心式羽根車２の直径Ｄと、絶対流速ｃの旋回速度成分ｃθとを用いて、以下の式（１）のように表すことができる。

Ｔ＝ρ×Ｑ×Ｄ×ｃθ／２ …（１）

ここで、まず、羽根の枚数が無限で、羽根車を通る流れが流動損失がなく、軸方向および周方向に変化がない理想的な場合を考えると、羽根車出口（排出口２ｂ）の周速度ｕと、周速度ｕの方向と接線方向速度ｗの方向とでなす相対流出角βと、回転速度ωｒと、羽根車出口での径方向速度ｃｒと、羽根車の出口幅ｂ（排出口２ｂ）とを用いることにより、幾何学的に、絶対流速の旋回速度成分ｃθを式（２）で、羽根車出口の周速度ｕを式（３）で、羽根車出口での径方向速度ｃｒを式（４）で、それぞれ表すことができる。これにより、式（１）に示す負荷トルクＴを式（５）のように表すことができる。

ｃθ＝ｕ−ｃｒ／ｔａｎβ …（２）
ｕ＝π×Ｄ×ωｒ …（３）
ｃｒ＝Ｑ／（π×Ｄ×ｂ） …（４）
Ｔ＝ρ×（π×Ｄ² ×Ｑ×ωｒ−Ｑ² ／（π×ｂ））／（２×ｔａｎβ）…（５）
式(５)は流量Ｑの２次方程式なので、流量Ｑについて解くと、式（６）のようになる。なお、下記の式において（Ａ）^1/2 は、Ａの平方根を示すものとする。
Ｑ＝π² ×Ｄ² ×ｂ×ｔａｎβ×ωｒ＋（（π² ×Ｄ² ×ｂ×ｔａｎβ×ωｒ）² −（
２×π×ｂ×ｔａｎβ）×Ｔ／ρ）^1/2 …（６）
即ち、流量Ｑと、負荷トルクＴと、回転速度ωｒと、作動流体密度ρとの間には式（６）の関係が成り立っていることになる。

前記式（６）は、理想的な場合について展開しているので現実へ補正するために、羽根車の直径Ｄ、相対流出角β、出口幅ｂについてはそれぞれ補正係数ｋｄ、ｋβ、ｋｂを乗じたものを改めて羽根車の直径の相当値Ｄ、相対流出角の相当値β、出口幅の相当値ｂと置き換える。さらに、流動損失の影響を式全体に係数ηとして乗じて、実際の状態へ補正する。補正係数ｋｄ、ｋβ、ｋｂおよび流動損失の係数ηは、実機で圧損および回転速度を変化させて流量を測定した結果から求める。そして、式（６）の負荷トルクＴ、回転速度ωｒ、作動流体密度ρに、それぞれトルクフィードバック値Ｔｆ、回転速度フィードバック値ωｒｆ、作動流体密度フィードバック値ρｆを代入することにより得られる式（７）に基づいて、流量Ｑをその検出値Ｑｆとして流量演算器８にて演算を行い、出力する。

Ｑｆ＝η（π² ×Ｄ² ×ｂ×ｔａｎβ×ωｒｆ＋（（π² ×Ｄ² ×ｂ×ｔａｎβ×ωｒ
ｆ）² −（２×π×ｂ×ｔａｎβ）×Ｔｆ／ρｆ））^1/2 …（７）

以上説明したように、本実施の形態では、トルク検出器４により負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値Ｔｆとして流量演算器８へ出力し、回転速度検出器５により電動機１の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値ωｒｆとして流量演算器８へ出力する。また、作動流体状態検出器６によりケーシング３の給気口３ａ又は排気口３ｂより給気又は排気される作動流体から作動流体の密度に関係する物性値を測定し、作動流体密度演算器７により、作動流体状態検出器６から得た物性値を基に作動流体の密度を算出して、作動流体密度フィードバック値ρｆとして流量演算器８へ出力する。そして、流量演算器８により羽根車の形状にて決まる所定式（７）に、これらフィードバック値Ｔｆ、ωｒｆ、ρｆを変数として代入して演算により流量を算出し、目標流量値と比較するための流量検出値Ｑｆとして出力することとした。これにより、遠心式羽根車２の形状に則し、また、作動流体の密度変化も加味して演算を行うので、流速計を用いることなく、精度のよい流量検出を行うことができる。

なお、トルク検出器４としては、電動機１と遠心式羽根車２とを連結する回転軸に軸のねじれ応力を計測する装置を用いる以外に、永久磁石を界磁とするブラシ付きＤＣモーターやブラシレスＤＣモーターのような電動機の場合には、電機子電流が発生トルクに比例するため、軸ロスを無視して負荷トルクと発生トルクを等しいとみなして電機子電流から負荷トルクを検出する構成としてもよい。

また、誘導電動機をベクトル制御している場合には、例えば特公平５−４６７９４号公報に記載の式１２（Ｔｅ＝ｐ×Ｍ／Ｌｒ×ｉｑｅｓ×λｄｅｒ）により求められる発生トルクを用いて、永久磁石界磁電動機と同じように、負荷トルクは発生トルクと一致するとみなした負荷トルク検出器でもよい。

また、負荷トルクには遠心式羽根車２の送風のために必要なトルク以外に、回転速度が変動する場合の加減速トルクも含まれるため、回転速度の変化から加減速トルクを算出して、検出トルク（トルクフィードバック値Ｔｆ）から差し引くか、加減速が無いか、又は、小さいときの検出トルクを用いる必要がある。

また、回転速度検出器５は、一般的には電動機１の回転軸に連結したロータリーエンコーダーやタコジェネレーターがあるが、ブラシレスＤＣモーターの位相制御のために使われる磁極位置検出器から得られる回転速度情報を用いてもよく、また、誘導電動機の場合には速度センサレス制御にて得られる速度情報を用いてもよく、電動機の回転速度に関する情報が得られれば、その検出手段を問わない。

また、本実施の形態では、作動流体の密度変動による検出流量の精度への影響が少ない場合や無視できる場合には、式（７）の演算において作動流体密度フィードバック値ρｆに固定値を用いてもよく、その場合には作動流体状態検出器６及び作動流体密度演算器７を省略することができる。

上記で説明した遠心式電動送風機の流量検出装置は、流量検出精度のよい流量検出器として有用である。

１ 電動機、２ 遠心式羽根車、２ａ 遠心式羽根車２の吸引口、２ｂ 遠心式羽根車２の排出口、３ ケーシング、３ａ ケーシング３の給気口、３ｂ ケーシング３の排気口、４ トルク検出器、５ 回転速度検出器、６ 作動流体状態検出器、７ 作動流体密度演算器、８ 流量演算器、９ 電源、Ｔ 負荷トルク、Ｔｆ トルクフィードバック値、ωｒ 回転速度、ωｒｆ 回転速度フィードバック値、ρ 作動流体密度、ρｆ 作動流体密度フィードバック値、Ｑ 流量、Ｑｆ 流量検出値。

Claims (5)

1. 電動機と、
   前記電動機の回転軸に装着された遠心式羽根車と、
   給気口及び排気口を有し、前記遠心式羽根車の周囲を覆うケーシングと、
   前記電動機の回転軸により前記遠心式羽根車へ伝達される負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値を出力するトルク検出器と、
   前記電動機の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値を出力する回転速度検出器と、
   前記ケーシングの給気口又は排気口より給気又は排気される作動流体から当該作動流体の密度に関係する物性値を測定する作動流体状態検出器と、
   前記作動流体状態検出器により測定された物性値から作動流体密度を算出し、作動流体密度フィードバック値を出力する作動流体密度演算器と、
   前記トルクフィードバック値、前記回転速度フィードバック値及び前記作動流体密度フィードバック値を用いて流量を算出し、目標流量値と比較するための流量検出値として出力する流量演算器と
   を備えたことを特徴とする遠心式電動送風機。
2. 電動機と、
   前記電動機の回転軸に装着された遠心式羽根車と、
   給気口及び排気口を有し、前記遠心式羽根車の周囲を覆うケーシングと、
   前記電動機の回転軸により前記遠心式羽根車へ伝達される負荷トルクの大きさを検出し、トルクフィードバック値を出力するトルク検出器と、
   前記電動機の回転速度を検出し、回転速度フィードバック値を出力する回転速度検出器と、
   前記ケーシングの給気口又は排気口より給気又は排気される作動流体の物性値から得られた作動流体密度値をデータとして有し、前記トルクフィードバック値、前記回転速度フィードバック値及び前記作動流体密度値を用いて流量を算出し、目標流量値と比較するための流量検出値として出力する流量演算器と
   を備えたことを特徴とする遠心式電動送風機。
3. 前記流量演算器は、流量を算出する際に、前記遠心式羽根車の形状に則して補正された前記遠心式羽根車の直径の相当値、前記遠心式羽根車に形成された軸心方向の出口幅の相当値及び前記遠心式羽根車の周速度の方向と接線方向速度の方向とでなす相対流出角の相当値を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の遠心式電動送風機。
4. 前記流量演算器は、流量を算出する際に、流体の流動損失の影響を補正する係数を用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の遠心式電動送風機。
5. 前記流量演算器は、回転速度フィードバック値が変化すると、その回転速度フィードバック値の変化から加減速トルクを算出し、かつ算出した加減速トルクと前記トルクフィードバック値との差を求め、その差を負荷トルクとして流量の算出に用いることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の遠心式電動送風機。

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