JP2015034683A - 送風システム、風量制御方法、空気調和システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ省コストでファンの消費エネルギーを低減できる送風システム等を提供する。
【解決手段】空気調和システム１００では、ユニットダクト２内にフィルタ３、熱交換器４、給気ファン５が設置されるとともに、風量制御装置８が設けられる。風量制御装置８は、タイマ９ａを備えたＰＬＣ９とインバータ１０を有し、これらによって、給気ファン５の回転数を制御する。風量制御装置８は、予め定められた、フィルタ３を通じた送風開始時からの時間経過とモータ周波数の関係に基づいて給気ファン５のモータ周波数を設定し、フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて給気ファン５の回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィルタを通じた送風を行う送風システム等に関する。

冷暖房運転や送風運転などを実行する空気調和システムでは、一般に、外部から空気を吸い込む吸込口の内側に、空気中の塵埃を除去するためのフィルタが設けられる。空気調和システムの運転を続けるとフィルタに塵埃が堆積して目詰まりが生じ、送風量が減少して空調能力が低下するので、フィルタは定期的に清掃・交換する必要がある。目詰まりが進行するとこれに比例してフィルタ前後の差圧が上昇するので、フィルタの清掃・交換は、例えばフィルタ前後の差圧が所定値となった際に実行される。

一方、空気調和機はフィルタの目詰まりが進んでも一定の送風量を確保するために、ファンの動力（回転数）を余分に大きくして運転することが多い。しかしこの場合、フィルタの目詰まりが進んでいない時にはファンによる送風量が過剰であり、電力を過剰に消費している。またフィルタの目詰まりも促進され、清掃・交換時期を早めることになる。

従って、省エネルギーやメンテナンスコストの削減の観点からは必要最低限の送風量を常に維持するようにファンの運転を行うことが望ましい。特許文献１には、フィルタ部材の目詰り状態にかかわらず風量を一定に保つため、通風路の風速および静圧や室圧等を測定して基準値と比較し、ダンパやインバータで供給風量を所望の値に変化させる制御方法が記載されている。

実開平１−８３４１７号公報

しかしながら、通風路内は乱流であることが多く、特許文献１のようにセンサで風速等の検出を行う場合、正確な風量が検出できないこともある。これを防ぐためには高価なセンサが必要であり、システム構成が高価となる。また、通風路内へセンサを施工するには専門的な技術を要する。さらに、既存の空気調和システムへ施工する際にはシステムの運転を長時間停止する必要があるので、例えば２４時間稼働の工場等においては操業に支障が出る場合もある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、簡易かつ省コストでファンの消費エネルギーを低減できる送風システム等を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するための第１の発明は、ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段と、前記送風手段の制御を行う風量制御手段と、を備え、前記風量制御手段は、予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする送風システムである。

第１の発明によれば、時間経過によるフィルタの目詰まり進行を見越した制御値で送風手段の制御ができるので、フィルタが目詰まりしていない時に過剰な送風を行っていた従来に比べて、ファンが消費するエネルギーを低減できる。また、過剰な送風がないので目詰まりの進行も遅くなり、フィルタ清掃・交換までの期間を従来よりも長くでき、メンテナンスコストの低減、投資の抑制が期待できる。さらに、センサなどを制御に使用することなく風量制御手段の設定だけで一定量の送風を確保できるので、新規にシステムを構築する際にも既存のシステムを改変する際にも施工が容易であり短時間で済み専門的な技術を必要とせず、低コストである。

前記制御値は前記ファンの回転数であり、前記風量制御手段は、前記ファンを駆動するためのインバータを有し、前記インバータは、前記時間経過に応じた回転数で前記ファンの駆動を行うことが望ましい。
あるいは、前記送風手段はダンパをさらに含み、前記制御値は前記ダンパの開度であり、前記風量制御手段は、前記ダンパの開度調整器を有し、前記開度調整器は、前記時間経過に応じた開度へと前記ダンパの制御を行うことも望ましい。
こうして時間経過に伴う目詰まりの進行に応じて送風手段を適切に駆動し、一定量の送風を適切に確保することができる。前者の場合ではインバータを用いることでファンの消費エネルギーをさらに低減できる。後者の場合ではダンパの開度制御を行うことで、風量制御手段の構成を低コストとできる。

第２の発明は、ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段を制御する風量制御方法であって、前記送風手段の制御を行う風量制御手段が、予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする風量制御方法である。

第３の発明は、ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段と、前記送風手段の制御を行う風量制御手段と、空気調和を行う空気調和手段と、を備え、前記風量制御手段は、予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする空気調和システムである。

本発明によれば、簡易かつ省コストでファンの消費エネルギーを低減できる送風システム等を提供することができる。

空気調和システム１００の概略構成を示す図 時間経過とフィルタ前後の差圧、モータ周波数の関係を示す図 空気調和システム１００の処理を示すフローチャート 給気ファン５の消費エネルギーを示す図 空気調和システム１０１の概略構成を示す図 時間経過とダンパ開度の関係を示す図 給気ファン５の消費エネルギーを示す図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（１．空気調和システム１００）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る空気調和システム１００の概略構成を示す図である。この空気調和システム１００は、外部の空気を除塵して温度調整などの空気調和を行い、室内等に供給するものである。

空気調和システム１００は、ユニットダクト２、フィルタ３、熱交換器４、給気ファン５、風量制御装置８、空調制御装置１１等を有する。このうちユニットダクト２、フィルタ３、給気ファン５、風量制御装置８等は本発明における送風システムを構成する。

ユニットダクト２の一端には外部の空気を取り入れるための吸込口６が設けられる。他端には、室内等に空気を送り出す吹出口７が設けられる。ユニットダクト２内には、一端から他端へと順にフィルタ３、熱交換器４、給気ファン５が設けられる。

フィルタ３は、外部から取り入れた空気を通過させる際に、空気に含まれる塵埃を除去するものである。フィルタ３は、細孔等により通風と除塵が可能なものであれば特に問わない。

熱交換器４は、内部の熱媒体と通過する空気との間で熱交換を行い、空気の温度調整を行う空気調和手段である。

給気ファン５は、羽根を取付けた軸をモータにより回転させることで気流を発生させ、外部の空気をユニットダクト２の一端の吸込口６から取り入れてフィルタ３および熱交換器４を通過させ、ユニットダクト２の他端へと搬送して吹出口７から送り出すためのものである。

ユニットダクト２内には、この他必要に応じて空気調和手段として加湿器、除湿器などが設置されるが、ここでは説明を省略する。

風量制御装置８（風量制御手段）は、給気ファン５の回転数を送風量に関する制御値として制御するものであり、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）９とインバータ１０を有する。

ＰＬＣ９は時間をカウントするタイマ９ａを備え、タイマ９ａによって一定時間カウントを行うごとに、給気ファン５の回転数を制御するための制御信号をインバータ１０に出力する。また、タイマ９ａのカウントが所定数に達しフィルタ交換時間となった際には、これを示す信号を空調制御装置１１に出力する。

インバータ１０は、ＰＬＣ９から制御信号を取得して、これに基づいて給気ファン５の回転を行う。

空調制御装置１１は、熱交換器４の制御など、空気調和システム１００全体の制御を行う。

（２．給気ファン５の制御）
ＰＬＣ９では、フィルタ３を通じた送風開始時からの時間経過にしたがって給気ファン５の回転数を変化させるためのプログラムがあらかじめ設定されている。

このプログラムは、フィルタ３の目詰まりが進行しても一定量の送風を確保するために、給気ファン５のモータに印加する電源周波数（モータ周波数）が時間経過とともに増加するように設定したものである。ファンの回転数Ｎは下式（１）に示すようにモータ周波数ｆに比例するので、モータ周波数の設定は給気ファン５の回転数の設定に実質的に等しい。なお下式（１）においてＰはモータの極数である。
Ｎ＝１２０ｆ／Ｐ…（１）

本実施形態では、上記した時間経過とモータ周波数との関係が、フィルタ３の目詰まりの進行を見越した上で設定される。すなわち、一定の送風量でファンを駆動した際のフィルタの目詰まり度合いをフィルタ前後の差圧で表した場合、フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と差圧との関係は、図２（ａ）の実線４０に示すように比例関係となり、フィルタ取付時の値から、フィルタの目詰まりが進行したフィルタ交換直前の値まで時間経過に比例して上昇する。

前記したように、ファンは、このような目詰まりの進行を考慮してフィルタ交換直前でも一定量の送風を確保するように設定された所定の回転数で運転しつづけることが多い。しかし、前記したようにこの場合はフィルタの目詰まりが進行していない時に過剰に風量を供給しており、電力を過剰に消費している。

したがって、本実施形態では、図２（ａ）で示すフィルタの目詰まりの進行に合わせて一定量の送風を確保できるように、図２（ｂ）の線４１で示すようにモータ周波数が時間経過とともに上昇するように定めておく。この関係は、実験やシミュレーションの結果を基に、送風開始時やフィルタ交換直前でも一定量の送風が得られるように適切に定め、予めＰＬＣ９に設定入力しておく。また運転時に変更可能としておくことが望ましい。

（３．空気調和システム１００の処理の流れ）
次に、空気調和システム１００の処理の流れについて、図３を参照しながら説明する。図３は、空気調和システム１００の処理の流れを示すフローチャートである。

本実施形態では、空気調和システム１００にてフィルタ３を取付け、フィルタ３を通じた送風を開始した後、前記したようにタイマ９ａにより時間のカウントを行う。

ＰＬＣ９は、タイマ９ａが一定時間カウントを行うごとに（Ｓ１）、フィルタ交換時間に達していない場合（Ｓ２；Ｎ）、タイマ９ａのカウントによる時間経過の情報に従って、図２（ｂ）の実線４１で示す関係から、時間経過に対応する給気ファン５のモータ周波数を取得する。そして、取得したモータ周波数を制御信号としてインバータ１０に出力し、このモータ周波数で給気ファン５を駆動させる（Ｓ３）。これにより、給気ファン５がモータ周波数に応じた回転数で回転し、フィルタの取付けから交換までの期間において、目詰まりが進行しても、同時に給気ファン５の回転数が上昇することにより一定の送風量を確保することができる。

フィルタ３を通じた送風開始時からタイマ９ａによるカウントが所定数繰り返され、フィルタ交換時間に達すると（Ｓ２；Ｙ）、ＰＬＣ９はその旨を示す制御信号を空調制御装置１１に出力する。空調制御装置１１は、表示部（不図示）などにフィルタ交換時間に達した旨を表示するなどして、ユーザに通知する（Ｓ４）。上記の所定数は、例えばＰＬＣ９にて予め設定しておく。

図４は、給気ファン５の軸動力と回転数の関係を、それぞれ最大値に対する比を縦軸、横軸として模式的に示したものである。周知の通り、実線５０に示すように給気ファン５の軸動力は回転数の３乗におよそ比例し、上記の方法によれば目詰まりが進行していない時期の給気ファン５の回転数を従来より小さく設定できるので、給気ファン５の軸動力が少なくて済み省エネルギー効果が大きい。

（４．省エネルギー効果）
次に、本実施形態の空気調和システム１００における省エネルギー効果を試算した結果を示す。試算に用いた空気調和システム１００の特性を以下に示す。
定格送風量：６５１０ｍ^３／ｈ、給気ファン定格容量：５．５ｋＷ、給気ファンモータ電圧：２００Ｖ、力率：０．８、ダクト開口面積１．２ｍ^２

これに交換周期３年のフィルタを用いて、段ボールでフィルタを塞ぐことで目詰まりを再現し、フィルタ前後の差圧が１５０Ｐａ（フィルタ取付時）、３６０Ｐａ（交換時期のフィルタ）、５００Ｐａ（完全に目詰まりした状態）となるようにした。

そして、これらのケースで給気ファンの軸動力等を測定した。結果を以下に示す。
ｉ）差圧１５０Ｐａの場合
軸動力５．２６ｋＷ（電流１９Ａ）、風速７．９２ｍ／ｓｅｃ、風量３４２０ｍ^３／ｈ
ｉｉ）差圧３６０Ｐａの場合
軸動力４．９８ｋＷ（電流１８Ａ）、風速６．５９ｍ／ｓｅｃ、風量２８４５ｍ^３／ｈ
ｉｉｉ）差圧５００Ｐａの場合
軸動力４．５７ｋＷ（電流１６．５Ａ）

一方、上記ｉｉ）のフィルタ交換直前の風量２８４５ｍ^３／ｈをフィルタ取付時から維持するように、前記の方法でインバータ制御を行うことを想定した場合の省エネルギー効果を試算すると、軸動力の削減率が４８．１％となり、電力単価を１０円／ｋＷｈとすると年間２１６千円のコストダウンとなった。

以上説明したように、本実施形態では、時間経過によるフィルタ３の目詰まり進行を見越した回転数で給気ファン５の制御ができるので、フィルタ３が目詰まりしていない時に過剰な送風を行っていた従来に比べて、ファンが消費するエネルギーを低減できる。また、過剰な送風がないので目詰まりの進行も遅くなり、フィルタ清掃・交換までの期間を従来よりも長くでき、メンテナンスコストの低減、投資の抑制が期待できる。さらに、センサなどを制御に使用することなく風量制御装置８の設定だけで一定量の送風が確保できるので、新規にシステムを構築する際にも既存のシステムを改変する際にも施工が容易であり短時間で済み専門的な技術の必要とせず、低コストである。

なお、本実施形態では、図２（ａ）の線４０のような特性を持つフィルタを例に挙げたが、フィルタの種類・特性に応じて目詰まりの進行状況は異なり、時間経過とモータ周波数に関しては、フィルタの種類・特性に応じた関係を予め定めておき、制御に用いればよい。また、工場の稼働計画など、適用箇所における要求も考慮して上記の関係を定めることもできる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る空気調和システムについて説明する。図５は第２の実施形態の空気調和システム１０１の概略構成を示す図である。この空気調和システム１０１は、ダンパ１２の開度制御によりファンの省エネルギーを実現する点で第１の実施形態と異なる。その他の点については第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

すなわち、送風システム１０１では、ユニットダクト２内に前記のフィルタ３、熱交換器４、ファン５に加えてダンパ１２がさらに設けられる。また、風量制御装置８ａとしては、前記のＰＬＣ９に加え、送風量に関する制御値としてダンパ１２の開度を制御するための開度制御器１３が設けられる。

ダンパ１２は、その開閉によりダクト２内の流路抵抗を可変とするものである。本実施形態ではダンパ１２と給気ファン５が送風手段を構成し、給気ファン５については略一定の回転数で回転を行う。

風量制御装置８ａでは、タイマ９ａによって一定時間カウントを行うごとに、ＰＬＣ９が、ダンパ１２の開度を制御するための制御信号を開度制御器１３に出力する。

開度制御器１３はダンパ１２の開度を制御するものであり、ＰＬＣ９から制御信号を取得して、これに基づいてダンパ１２の開度を制御する。

本実施形態では、ＰＬＣ９に、フィルタ３を通じた送風開始時からの時間経過にしたがってダンパ１２の開度を変化させるためのプログラムがあらかじめ設定されている。

このプログラムは、フィルタ３の目詰まりが進行しても一定量の送風を確保するために、図６の線４４に示すように、ダンパ１２の開度が時間経過とともに増加するように設定したものである。この関係は、実験やシミュレーションの結果を基に、給気ファン５の回転数なども考慮して送風開始時やフィルタ交換直前でも一定量の送風が得られるように適切に定め、予めＰＬＣ９に設定入力しておく。

空気調和システム１０１の処理の流れについては図３で説明したものと同様であるが、前記のＳ３では、ＰＬＣ９が、タイマ９ａのカウントによる時間経過の情報に従って、図６の実線４４で示す関係から、時間経過に対応するダンパ１２の開度を取得する。そして、取得した開度を制御信号として開閉制御器１３に出力し、この開度にダンパ１２を制御する。これにより、フィルタの取付けから交換までの期間において、目詰まりが進行しても、同時にダンパ１２の開度が大きくなり流路抵抗が減少することにより一定量の送風を確保することができる。

図７は、給気ファン５の軸動力とダンパ１２の開度との関係を、それぞれ最大値に対する比を縦軸、横軸として模式的に示したものである。周知の通り、点線５１に示すように給気ファン５の軸動力はダンパの開度におよそ比例し、ダンパ１２の開度を小さくした際には同じ回転数でも給気ファン５の負荷が小さくなり軸動力が少なくて済む。上記の方法によれば目詰まりが進行していない時期のダンパ１２の開度を小さく設定できるので、給気ファン５の軸動力が少なくて済み第１の実施形態と同様の省エネルギー効果が得られる。

上記の方法でダンパ制御を行った場合の省エネルギー効果を、前記と同様の条件で、フィルタ交換直前の風量２８４５ｍ^３／ｈをフィルタ取付時から維持するようにして試算したところ、軸動力の削減率が６．３％となり、電力単価を１０円／ｋＷｈとすると年間１２千円のコストダウンとなった。

以上説明した第２の実施形態でも、簡易で低コストな構成にてファンの消費エネルギーを低減できるという、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、ダンパ１２の開度制御器を行うことで、第１の実施形態に比べ風量制御装置８ａの構成を低コストとできる利点がある。一方、インバータ制御を行う第１の実施形態では、省エネルギー効果がより大きいという利点がある。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１００、１０１：空気調和システム
２：ユニットダクト
３：フィルタ
４：熱交換器
５：給気ファン
８、８ａ：風量制御装置
９：ＰＬＣ
９ａ：タイマ
１０：インバータ
１１：空調制御装置
１２：ダンパ
１３：開度制御器

Claims (5)

1. ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段と、
   前記送風手段の制御を行う風量制御手段と、
   を備え、
   前記風量制御手段は、予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする送風システム。
2. 前記制御値は前記ファンの回転数であり、
   前記風量制御手段は、前記ファンを駆動するためのインバータを有し、
   前記インバータは、前記時間経過に応じた回転数で前記ファンの駆動を行うことを特徴とする請求項１に記載の送風システム。
3. 前記送風手段はダンパをさらに含み、
   前記制御値は前記ダンパの開度であり、
   前記風量制御手段は、前記ダンパの開度調整器を有し、
   前記開度調整器は、前記時間経過に応じた開度へと前記ダンパの制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の送風システム。
4. ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段を制御する風量制御方法であって、
   前記送風手段の制御を行う風量制御手段が、
   予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする風量制御方法。
5. ダクト内のフィルタを通じて送風を行うためのファンを含む送風手段と、
   前記送風手段の制御を行う風量制御手段と、
   空気調和を行う空気調和手段と、
   を備え、
   前記風量制御手段は、予め定められた、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過と送風量に関する制御値の関係に基づいて、前記フィルタを通じた送風開始時からの時間経過に応じて前記送風手段を制御することを特徴とする空気調和システム。

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