JP2016145679A - 換気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】換気装置において、設置される建物の標高や、季節、天候、外風圧によって所定の風量が得られないこと。【解決手段】本発明の換気装置は、強制的に室内の空気を排気できるファンモータ２と、大気圧を検知する気圧センサ９と、ファンモータ２による排気風量を制御する制御部１２を備えた換気装置であって、気圧センサ９によって検知された大気圧に基づいてファンモータ２の排気風量を補正制御することによって、精度の高い風量制御を実現する。【選択図】図９

Description

本発明は、住宅の換気装置の風量制御方法に関するものである。

近年、高気密住宅などのような気密性の高い家屋においては、新鮮空気を給気しながら常に一定の換気量を確保することができ、かつ必要な換気風量を得ながら無駄な換気をしない省エネの換気装置の要望が高まってきている。従来、この種の住宅の換気装置では室内外の温度差を利用したパッシブ換気システムが主流であるが、その一例として内外温度差から漏気による住居内の換気量或いは漏気量を考慮し、更にその内外温度差による換気量の変動を検知して換気装置の換気量を制御することで空気質を維持しつつエネルギー損失を最小限にすることが出来る住居の換気装置が知られている。（例えば下記特許文献１）

特開２００４−１９０９７３号公報

しかしながら、この従来の換気装置では、気密住宅の隙間によって生じる漏気量を季節や時刻に応じて予測するために、あらかじめその地域の季節に応じた外気風や温度変化などの地域情報をＣＰＵ装置に記憶させる作業が必要となる。そのため家屋がある地域だけでなく家屋内の構成を事前に把握しておくことが前提であり、換気量調整には非常に手間がかかるという課題がある。

本発明では、家屋がある地域や家屋内の構成に影響されることなく、どのような環境でも適正な換気風量を一定の精度で確保しかつエネルギー消費を最小限にすることが出来る住居の換気装置を提供するものである。

そして、この目的を達成するために、本発明の換気装置は、強制的に室内の空気を排気できる排気用ファンと、大気圧を検知する気圧検知器と、前記排気用ファンによる排気風量を制御する制御部を備えた換気装置であって、前記気圧検知器によって検知された大気圧に基づいて前記排気用ファンの排気風量を補正制御する構成としたものである。

本発明によれば、強制的に室内の空気を排気できる排気用ファンと、大気圧を検知する気圧検知器と、前記排気用ファンによる排気風量を制御する制御部を備えた換気装置であって、前記気圧検知器によって検知された大気圧に基づいて前記排気用ファンの排気風量を補正制御するもので、家屋が建てられる地域の標高や階数だけでなく天候の変化も大気圧の変化から読み取り、その検出結果から必要な換気量を算出して風量を増減させることができる。よって家屋の地域情報を事前に把握する必要がなく容易に適正な換気風量を確保することができエネルギー消費を抑えることができるという効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態における換気装置の取り付け構成図 本発明の第１の実施の形態における換気装置の構造図 本発明の第１の実施の形態における換気装置の取り付け状態図 本発明の第１の実施の形態における気圧センサの構成図 本発明の第１の実施の形態における回路ブロック構成図 本発明の第１の実施の形態における標高毎の換気風量の関係を示すグラフ 本発明の第１の実施の形態における気圧毎の換気風量の関係を示すグラフ 本発明の第１の実施の形態における気圧と回転数の関係を示すグラフ 本発明の第１の実施の形態におけるフローチャート図 本発明の第１の実施の形態における温度差と換気回数を示すグラフ 本発明の第２の実施の形態における換気装置の取り付け構成図 本発明の第２の実施の形態における換気装置の構造図 本発明の第２の実施の形態における回路ブロック構成図 本発明の第２の実施の形態における風量設定ＳＷを示す図 本発明の第２の実施の形態における気圧毎の換気風量と差圧の関係を示すグラフ 本発明の第２の実施の形態におけるフローチャート図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態における換気装置は、図１〜図３に示すように、室内と室外を連通するように壁部に設けられる風洞パイプ１と、内部にファンモータ２を設け前記風洞パイプ１内に装着できる筒状部３と、正面に開口部４を設け着脱自在に取り付け可能な室内グリル７と室外グリル８を有する。図３に示すように、この換気装置本体５は家屋１３の壁面に面して室内グリル７を室内側に有し、室外側には室外グリル８を有している。そして、ファンモータ２が回転することで室内の空気が開口部４を通じて吸引され、さらに風洞パイプ１と室外グリル８を通じて屋外へ排気される構成である。

また、換気装置本体５の室内側に取り付けられた室内温度センサ１７は、室内の温度ｔを計測する。筒状部３内部には、室外温度センサ１６が設けられ、室外の温度Ｔを計測する。

気圧センサ９は、室内グリル７の開口部であるセンサ窓１０を通して室内に面している。図４に示すように、この気圧センサ９は、ピエゾ抵抗型半導体圧力センサで構成されており、室内の大気圧に応じて内部のダイヤフラム１１が歪みを生じ、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗値が変化するよう構成されている。

そして、図５で示すように、換気装置本体５内部には、室内温度センサ１７、室外温度センサ１６、気圧センサ９の検出値を入力し、ファンモータ２に対して回転数の制御を行う制御部１２が設けられている。

気圧センサ９は、ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４をホイートストンブリッジ回路で構成し、そこに電流Ｉを印加することで、大気圧に比例した出力電位差Ｖ_Oを得ることが可能となる。ここで出力電位差Ｖ_Oは、次の式１によって示すことができる。

Ｖ_O＝（Ｒ１×Ｒ３−Ｒ２×Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）×Ｉ・・・・式１

そしてここで得られた出力電位差Ｖ_Oを増幅回路を通じて制御部１２で比較、演算することにより、室内の大気圧Ｐを検出することが可能となる。

ここで換気装置本体５が室内の大気圧Ｐからどのように換気風量を補正するかについて説明する。まず室内の空気密度ρは下記式２で求められる。

ρ＝１．２９３×２７３／（２７３＋ｔ）
×（Ｐ−０．３７８×ｈ×Ｐｔ）／１．０１３×１０⁵・・・式２
ρ・・・空気密度 ｋｇ／ｍ³
ｔ ・・・空気温度℃
Ｐ・・・大気圧（Ｐａ）
ｈ・・・相対湿度
Ｐｔ・・・ｔ℃時の飽和水蒸気圧

一般的に空気密度ρは、温度ｔ、大気圧Ｐ、相対湿度ｈ、温度ｔ℃時の飽和水蒸気圧Ｐｔによって決定される。空気密度ρは比重でもあり、例えば同じ比重でも空気密度ρが低い場合は、空気は大きく膨張していることを示し、また逆に空気密度ρが高い場合は空気が圧縮されていることになる。そのため換気装置が排出する換気風量を空気密度を使って空気の体積に換算してみれば、同じ換気装置であっても空気密度が低ければ換気風量は増え、空気密度が高ければ換気風量は減ることが分かる。

ここで空気密度ρにおいて、温度ｔと相対湿度ｈを一定値として変化しないと条件付けした場合、空気密度ρは大気圧Ｐのみに依存することになる。この大気圧Ｐは、測定される地域の標高や天候の変化によって変化することは周知の事実である。逆を言えば、大気圧Ｐを求めることができればその地域の標高や天候の変化を把握することができ、また換気風量も大気圧Ｐによって算出できることになる。

そこで、まず空気密度ρの数式において、相対湿度ｈと飽和水蒸気圧Ｐｔは、換気風量へ与える影響は小さいことから省略する。そして、換気装置本体５の本来の目標換気風量を基準換気風量Ｖとして、空気密度ρからその基準換気風量Ｖを計算する。さらに基準換気風量Ｖに大気圧Ｐと温度ｔを変数として補正する計算式を加えたのが下記式３となる。

Ｖ_R＝Ｖ×１．０１３×１０⁵×（２７３＋ｔ）／（Ｐ×２７３）・・・式３

ここで基準換気風量Ｖとは、換気装置本体５を標高５０ｍの地域でかつ空気温度２５℃時の条件で測定した際の換気風量を示すもので、Ｖ_Rはその基準換気風量Ｖが温度ｔと大気圧Ｐの影響により変化したときの換気風量を示したものである。また筒状部３は、直径１５ｃｍ、筒状部３の筒長さは１５ｃｍで一定とし、以降の説明においてこれらは変化がないものとする。

さらに、設置される部屋の条件として、換気装置の目標とする基準換気風量Ｖを１００ｍ³／ｈとする。そして、換気装置本体５が取り付けられる家屋の標高によってどのように換気風量Ｖ_Rが変化するかを示したグラフが図６である（空気温度ｔは２５℃で一定）。

図６から、例えば東京の三鷹市は標高５０ｍであり、三鷹市に換気装置本体５を取り付けた場合は本来の目標である換気風量１００ｍ³／ｈとなる。一方、標高７５０ｍの長野県諏訪市では、その換気風量は１０８ｍ³／ｈと大きくなり換気過多となることが分かる。図６が示すように、地域によって異なる標高が気圧差を生むことで、本来の換気装置の能力に影響を与え、目標換気風量が大きく変わってしまうという課題があることが分かる。

図７は、ファンモータ２の回転数と換気量の関係を、気圧（標高に対応）を変化させて示したものである。例えば、基準となる気圧１００７ｈＰａ、風量１００ｍ³／ｈを得るのにファンモータ２は、２５０ＲＰＭで運転すればよい。しかし、同じ回転数２５０ＲＰＭでも、大気圧が９１６ｈＰａの場合は、換気風量は１１０ｍ³／ｈとなり、基準風量に比べて換気過多の状態になることを示している。

また逆に大気圧が１１１７ｈＰａに上昇した場合、２５０ＲＰＭでファンモータ２を運転すると、換気風量は９０ｍ³／ｈとなり、基準風量に比べて換気不足の状態となることが分かる。

本発明の換気装置は上記の換気過多や換気不足の課題を解決するものであり、大気圧Ｐに応じてファンモータ２の回転数を調整することを特徴とする。図８は換気装置本体５が気圧センサ９によって計測する大気圧Ｐとファンモータ２の回転数制御値の関係を示したもので、大気圧毎に目標換気風量である１００ｍ³／ｈを満足するために必要な回転数を実測して求め、それをグラフ化したものである。本発明の換気装置は制御部１２にこの図８に示す大気圧Ｐ毎の回転数を記憶させることで、気圧センサ９の計測結果からファンモータ２の回転数を決定させる。

図９に示すフローチャートに基づいて本発明の換気装置の動作を説明する。まず、ＳＴＥＰ２１で気圧センサ９にて室内大気圧Ｐを計測する。ＳＴＥＰ２２では、室内大気圧が基準大気圧１００７ｈＰａより負圧かどうかを判断する。ここで室内大気圧Ｐが基準大気圧より負圧と判断した場合、ＳＴＥＰ２３では、気圧センサ９で計測した大気圧の回転数までファンモータ２の回転数を低下させて換気風量を低下させる。またＳＴＥＰ２２で室内大気圧Ｐが基準大気圧より負圧でないと判断した場合は、ＳＴＥＰ２４で室内大気圧Ｐが基準大気圧よりも正圧かどうか判断する。ここで、室内大気圧Ｐが正圧と判断した場合は、ＳＴＥＰ２５にて気圧センサ９で計測した大気圧の回転数までファンモータ２の回転数を増加させて換気風量を増加させる。また、ＳＴＥＰ２４で室内大気圧Ｐが基準大気圧よりも正圧でない判断した場合はＳＴＥＰ２６で室内大気圧Ｐと基準大気圧に差がないと判断し、ＳＴＥＰ２７で現行の回転数を維持するよう働く。ここでファンモータ２を制御するモータは回転数のばらつきや目標の回転数を精度よく制御するためにＤＣモータを使う構成にしてもよい。

このような動作により、例えば図７における大気圧９１６ｈＰａ時の換気過多の問題においては、換気装置本体５はファンモータ２の回転数を２２５ＲＰＭまで落とし、目標の換気風量１００ｍ³／ｈを確保するように働く。また図７における大気圧１１１７ｈＰａ時の換気不足の問題においては、換気装置本体５はファンモータ２の回転数を２７５ＲＰＭまで上げて目標の換気風量１００ｍ³／ｈを確保するように働く。

本発明の換気装置はこのようなファンモータの回転数の補正を行うことにより、大気圧の変化に関わらず目標とする換気風量を確保し、換気不足や換気過多による無駄な電気エネルギー消費の問題を回避することが可能となる。

また、大気圧に変化を与える天候も換気量に影響する。従って、季節や天候による大気圧変化も気圧センサ９によって検出し、その検出結果に基づいて同様に換気量を補正することが可能となる。

また、さらに家屋１３全体の換気風量を考慮した場合、建築基準法にて定められるように家屋の必要換気回数を満足させる必要がある。このような場合においては機械換気だけでなく自然換気風量も換気量として見込むことでさらなる省エネを見込むことができる。このような自然換気風量を取り入れた場合の換気回数は一般的に図１０に示すように室内外の温度差から求めることが可能である。このような自然換気風量を取り込むために室外温度センサ１６と室内温度センサ１７からの室内外の温度差を算出し、その大気圧Ｐと室内外の温度差に基づいて換気装置本体５の換気風量を補正することで、さらなる省エネ効果を得ることが可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態における換気装置は、図１１〜図１３に示すように、室内と室外を連通するように壁部に設けられる風洞パイプ５０と、内部にファンモータ５２と、前記風洞パイプ１内に装着できる筒状部５３とで構成される。風洞パイプ５０には風洞パイプ５０内部の静圧を測定する差圧センサ５６が設けられる。換気装置本体５５には、図１４に示す換気風量を手動で設定可能な風量設定ＳＷ５４と、室内の温度を測定可能な温度センサ５７が備えられている。そして、換気装置本体５５は、家屋１３の壁面に面して室内グリル７を室内側に、室外側には室外グリル８を取り付ける。換気装置本体５５は、ファンモータ５２が回転することで室内の空気が開口部４を通じて吸引され、さらに風洞パイプ５０と室外グリル８を通じて屋外へ排気される構成となる。

差圧センサ５６は、内部に圧力によって変形するダイヤフラムを設け、その変形によって変化する静電容量から圧力を換算・検出するものである。換気時において換気の風路となる筒状部３内部の２点間の差圧量を求め、その差圧量に基づいた差圧信号を制御部６２へ送信する。

まず、あらかじめ実測によって、換気装置の差圧量信号と換気風量の関係を把握しておく。この関係をもとにして、制御部６２は、差圧センサ５６からの差圧量信号から換気装置の換気風量を算出する。さらに、制御部６２は、目標換気風量に到達しているか否かを判断し、到達していなければファンモータ５２の回転数を制御し、目標換気風量に到達するように動作させる。

しかしながら、換気装置の実使用においては、あらかじめ実測によって差圧量信号と換気風量の関係を把握していても大気圧や温度によって空気密度ρが変化する。そのため、差圧量信号と換気風量の関係には非常にばらつきが大きいという課題がある。特に差圧センサ５６においては風路内のある２点間の差圧量という相対値検知であり、空気密度ρの変化を加味することができない課題がある。そのため、差圧センサ５６からの差圧量信号を使って正確に換気風量を読み取るためには、差圧量信号に対して空気密度ρの変化を制御部６２で加味して補正することが必要となる。

そこで、室内温度２５℃でかつ室内大気圧が１００７ｈＰａを基準大気圧とし、その条件下での差圧量信号を目標差圧Ｓと定義する。次に、大気圧Ｐと室内温度ｔが変化した条件下での差圧量信号を実差圧Ｓ_Rとすると、

Ｓ_R＝Ｓ×１．０１３×１０⁵×（２７３＋ｔ）／（Ｐ×２７３） ・・・式４

として求めることができる。ここで換気装置の風洞パイプ５０の断面積はΦ１５ｃｍ、風洞パイプ５０の筒長さは１５ｃｍで一定とし、以降の説明においてもこれらは変化しないものとする。

図１５は大気圧毎の換気風量と差圧センサ５６の差圧量信号の関係を示したものである。上記で説明したように差圧センサ５６の差圧量信号は、同じ換気風量であっても基準大気圧１００７ｈＰａ下とそれ以外の大気圧下において異なる。そのため、制御部６２は、まずこの差圧センサ５６からの差圧量信号と、気圧センサ９で測定された大気圧Ｐと、温度センサ５７で測定された温度ｔを用いて実際の換気風量に対応する実差圧Ｓ_Rを求め、目標差圧Ｓと比較することで実際の換気風量が目標換気風量に達成しているかどうかを間接的に把握することができる。

以下、本発明の第２の実施の形態の換気装置の動作を図１６のフローチャートに基づいて説明する。まず制御部６２はＳＴＥＰ３０において気圧センサ９と温度センサ５７で室内気圧Ｐと室内温度ｔを計測し、ＳＴＥＰ３１で式４に基づいて実差圧Ｓ_Rを求める。次に、ＳＴＥＰ３２で実差圧Ｓ_Rと目標差圧Ｓを比較し、実差圧Ｓ_R＞目標差圧Ｓの場合はＳＴＥＰ３３で換気装置の換気風量を減らすようにファンモータ５２の回転数を低下させる。

また、ＳＴＥＰ３２で実差圧Ｓ_R＞目標差圧Ｓ以外の場合は、ＳＴＥＰ３４で実差圧Ｓ_Rと目標差圧Ｓを比較し、実差圧Ｓ_R＜Ｓの場合は、ＳＴＥＰ３５で換気装置の換気風量を増加するようにファンモータ５２の回転数を増加させる。

一方、ＳＴＥＰ３４で実差圧Ｓ_R＜目標差圧Ｓ以外の場合は、ＳＴＥＰ３６でＳ_R＝Ｓと判断し、ＳＴＥＰ３７で現状のファンモータ５２の回転数を維持するよう働く。

上記動作により、本発明の換気装置は気圧センサ９によって大気圧Ｐと、温度センサ５７によって室内温度ｔを計測し、空気密度ρの変化を加味して実際の換気風量における実差圧Ｓ_Rを算出し、実差圧Ｓ_Rと目標差圧Ｓとの差を埋めるようにファンモータ５２を制御することで、実際の換気風量を目標換気風量に近けるように補正制御することが可能となるものである。

本発明にかかる建物に取り付けられる換気装置は、建物の標高や、季節、天候、外風圧に拘わりなく所定の風量が得られる製品のおいて広く有用である。

１ 風洞パイプ
２ ファンモータ
３ 筒状部
４ 開口部
５ 換気装置本体
７ 室内グリル
８ 室外グリル
９ 気圧センサ
１０ センサ窓
１２ 制御部
１３ 家屋
１６ 室外温度センサ
１７ 室内温度センサ
５０ 風洞パイプ
５２ ファンモータ
５３ 筒状部
５４ 風量設定ＳＷ
５５ 換気装置本体
６２ 制御部
５６ 差圧センサ
５７ 温度センサ

Claims (8)

1. 強制的に室内の空気を排気できる排気用ファンと、
   大気圧を検知する気圧検知器と、
   前記排気用ファンによる排気風量を制御する制御部を備えた換気装置であって、
   前記気圧検知器によって検知された大気圧に基づいて前記排気用ファンの排気風量を補正制御する換気装置。
2. 前記制御部は基準とする基準大気圧とその基準大気圧時の排気用ファンの回転数をあらかじめ記憶し、
   前記気圧検知器によって検知された大気圧と前記基準大気圧を比較して前記排気用ファンの回転数を制御し、排気風量を補正制御する請求項１記載の換気装置。
3. 室内温度を検知する温度検知器を備え、
   前記制御部は前記気圧検知器によって検知された大気圧と前記温度検知器によって検知された室内温度に基づいて排気風量を補正制御する請求項１または２記載の換気装置。
4. 予め記憶された基準大気圧よりも前記気圧検知器によって得られる大気圧が大きい場合は前記排気用ファンの回転数を増加して排気風量を増加させることを特徴とした請求項１〜３いずれかひとつに記載の換気装置。
5. 予め記憶された基準大気圧よりも前記気圧検知器によって得られる大気圧が小さい場合は前記排気用ファンの回転数を減少して排気風量を減少させることを特徴とした請求項１〜４いずれかひとつに記載の換気装置。
6. 前記気圧検知器は室内の気圧を検知することを特徴とした請求項１〜５いずれかひとつに記載の換気装置。
7. 室内の温度を検知する第一の温度検知器と屋外の温度を検知する第二の温度検知器を備え、前記制御部は前記温度検知器によって得られる室内外の温度差と、前記気圧検知器によって検知された大気圧の変化から排気風量を補正制御する請求項１記載の換気装置。
8. 前記排気用ファンは、筒状の風路を形成するパイプ内に設けられ、
   前記パイプ内で空気の流れが発生したときにパイプ内の差圧を計測する差圧センサを設け、
   この差圧センサの出力から、前記排気用ファンの排気風量を算出する請求項１〜７いずれかひとつに記載の換気装置。

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