JP2016540633A - エアフィルタの監視方法及び装置 - Google Patents

Abstract

装置のエアフィルタ(Filt1)の汚れを監視する方法において、装置ではモーター(M)に連動するファン(F)により生成されるエアフロー(A)がエアフィルタ(Filt1)を通過し、汚れは、モーター(M)へのモーター電流(I)、エアフィルタの圧力差(D1)、ファン(F)を介する圧力差(D2)を表すデータを利用することで決定される。本方法は、前記モーター(M)へのモーター電流(I)及び前記ファン(F)を介する圧力差(D2)を表すデータから、エアフィルタを介する流れを推定し；エアフィルタを介する圧力差(D1)及びエアフィルタを介する流れを表すデータから、エアフィルタのフィルタ抵抗を推定し；及び、エアフィルタのフィルタ抵抗を表すデータから、エアフィルタの汚れを推定する；ステップを有する。

Description

本発明は、エアフィルタを有する装置(例えば、掃除機又は空気清浄機)及びエアフィルタ監視方法に関連する。

掃除機は、ある期間使用するとフィルタが目詰まりしてしまう欠点を有する。この現象は、フィルタの汚れがゆっくりとした過程であることに起因して、ユーザにとって気付きにくい。通常の使用では、掃除機のパフォーマンスが支障をきたすまでに半年以上かかる。

ある種の掃除機は圧力スイッチを備え、フィルタを介する圧力差を測定する。この原理の欠点は、変動する流れに対して、圧力差がフィルタの汚れに直接的には関連しない点である。速度調節器の設定を変えることにより流れを小さくする場合、圧力差は減少し、従って、圧力スイッチにより生成される信号は「汚れている」から「きれいである」に変わってしまうかもしれないが、フィルタの汚れは変わっていない。また、掃除機がカーペット上で使用される場合、固い床の上で使用される場合と比較して、流れにかなりの相違が存在する。

JP2008301878は、フィルタの目詰まりを検出することが可能な掃除機を提供しており、そのフィルタを通じて、ゴミ収集室からの空気が電動ファン(扇風機)の方に進行する。扇風機の作用によりたまったゴミはダストカップの内側に蓄えられ、ダストカップからの空気がフィルタを介して電動ファンの方に進行する。ダストカップに蓄えられるゴミの量がダストセンサにより検出され、電動ファンの空気流速が、電動ファンにおける電流の変化に基づいて、空気流速検出部によって検出される。ゴミの量が指定された量より多くないことを、ゴミセンサの検出結果が示唆する場合、及び、空気流速が指定された小さな空気流速より大きくないことを空気流速検出部による検出結果が示唆する場合、フィルタ目詰まり判断部は、フィルタは詰まっている、と判断する。

US4294595は、「クリーンエア」タイプの掃除機に対する自動遮断手段を開示し、その場合、掃除機のファンが、汚れた空気の通路及び掃除機フィルタの下流にある。圧力差又は空気流応答スイッチが、掃除機の汚れた空気の通路のノズル入口とそのような空気流がフィルタバッグを通った後のきれいな空気の通路との間に接続される。圧力差スイッチは、システムを介する空気流の変化に応答して動作することが可能であり、掃除機モーターへの電力が中断されることを引き起こし、それと同時に、フィルタが一杯であるという警告、或いは、汚れた空気の通路の実質的に全体に沿う何処かに障害物が存在するという警告を作業者に与える。

US5294872は或る掃除機を開示しており、その掃除機では、掃除機に吸引力を与えるように構成される可変速度ファンモーターの回転速度及びその変化の範囲を検出することにより、フィルタが詰まっている状態及びきれいな表面の状態が判別され、ファンモーターの速度コマンドがその判別結果に基づいて訂正され、最適な吸引力で申し分のない掃除が実行される。

従来のフィルタモニタリングシステムは、流れの変動及び電力設定に有効に対処していない。これは、現時点で汚れているフィルタを通知し、電力を下げた後、再び汚れていないフィルタを示すが、フィルタは依然として汚れたままであるシステムを招いてしまう。一方、これらの機器は、例えばノズルが床に着いていない場合のように速い流速の場合に、汚れたフィルタであることを過剰に早期に示してしまう。

本発明の課題は、特に、改善されたエアフィルタモニタリングを提供することである。本発明は独立請求項により規定される。有利な形態は従属請求項で規定される。モーターに連動するファンにより生じるエアフローがエアフィルタを通過する装置のエアフィルタの汚れを監視する方法において、その汚れは、
ファンを介する圧力差、
エアフィルタを介する圧力差、及び、
モーターへのモーター電流
を表現するデータを利用して決定される。

ファンを越える圧力差の測定とモーター電流との結合は、電力設定によらず信頼できるフロー予測をもたらすことを示した。

フロー予測とフローを越える圧力降下との結合は、フィルタ抵抗(すなわち汚れ方)に関連するパラメータとの結合を可能にする。

エアフィルタは、モーターフィルタ、排気フィルタ、或いは、流れの経路にある他の任意のフィルタであってもよい。

本発明の上記及び他の側面は、以下に説明される実施形態から明らかになり、それらを参照しながら説明される。

本発明による装置の一形態を示す。 図1の装置におけるマイクロプロセッサの動作形態を示す。

図1は本発明による装置の一形態を示す。空気の流れ(エアフロー)Aは、モーターフィルタFilt1と、電力信号Pwrを受けるモーターMに連動するファンFと、排気フィルタFilt2とを通過する。第1圧力差センサD1は、モーターフィルタFilt1を越える圧力差を測定し、第2圧力差センサD2はファンFを越える圧力差を測定する。マイクロプロセッサMPは、圧力差センサD1及びD2からの信号に加えて、電力設定信号Pwrset、モーターMに流れる電流Iを受信し、モーターMに対する電力制御信号PwrCtrlを生成する。

本発明は以下の考察に基づく。フィルタが汚れた場合、フィルタ抵抗は増える。フィルタ抵抗は、エアフローと、モーターフィルタFilt1を介する圧力差とを知ることにより、知ることができる。フィルタFilt1を介する圧力差のみを、フィルタ汚染のインジケータとして測定しているのが既存の手段である。しかしながら、機器の電力設定Pwrsetはエンドユーザにより調整されることが可能であるので、流れは変動し、従って、フィルタFilt1を介する圧力差も変動する。従って、このような変動する環境の下では、フィルタの抵抗を定めるには、エアフローと圧力差との双方を知る必要がある。エアフローの直接的な測定は高価であり複雑化する。モーターファンコンビネーションの進入及び進出パラメータの組み合わせから流れを導出することが、研究された。ファンFを介する圧力の上昇Δpとモーター電流Iとの組み合わせは、電力設定Pwrsetによらない信頼できる流れの予測をもたらすことを示している。モーター電圧を測定することは比較的魅力的ではなく、その理由は、モーターは一定の電圧でも比較的温度に敏感だからである。モーター速度を測定することは一つの選択肢であるが、モーター電流の測定よりも高くつく。

エアフィルタを有する装置では、以下のパラメータが利用可能である。

U=主電圧
I=モーター電流
U^〜=速度調整のために提供されるモーターに対する電圧
ω=モーター及びファンの回転速度
T=モーター及びファンのトルク
Φ=ファンにより生成されるエアフロー
Δp=ファンにより生じる圧力
エアフローの測定はどちらかと言えば家庭掃除機において複雑であるが、本発明の一部は、エアフローの近似を、上記リストの他のパラメータから計算により導出する。好ましい方法は、Δp及びIの関数とした流れの計算である。別の方法は、(やや複雑化するが)Iの代わりにTを使用するために、Δp及びωの関数とする流れの計算であり；従って、ω又はTは、請求項に係る事項において、Iを表現するデータとして使用されることが可能である。フィルタ圧力差を示す測定値は、マイクロプロセッサに入力され、マイクロプロセッサは、決定されているアルゴリズムを利用して計算を実行し、フィルタの汚染度に関連するパラメータを生成する。このパラメータの値に依存して、フィルタの状態に関してユーザにフィードバックを与えるために使用可能な情報が生成される。この情報は、掃除機の機能を制御するために使用可能である(例えば、流れを制御することが可能である)。

数学的なアプローチは以下の通りである。掃除機のモーターフィルタが経時的に汚染されると、フィルタ抵抗が上昇する。フィルタの抵抗は、一般的な流体力学により次のように記述できる：

ここで：
R_Filt=フィルタ抵抗
Φ_Filt=フィルタを介するエアフロー
Δp_Filt=フィルタを介する圧力差
である。

これは、抵抗がエアフローと圧力差とを知ることにより計算できることを意味する。圧力差Δp_Filtは圧力センサを利用することにより測定されることが可能である。

フローΦ_Filtは測定可能であるが、それは比較的複雑である。従って、既知の又は同様に測定可能なシステムパラメータからフローを算出する、という発想である。

実験は、モーター電流とモーターにより生じる圧力との組み合わせが、十分な精度でフローを記述する数学的モデルを記述できることを示した。

一般に、この関係は次のように書ける：
Φ_Filt=Φ_Motor=f(I_Motor，Δp_Motor) [2]
ここで：
I_Motor=モーター電流
Δp_Motor=モーターにより生じる圧力
この関数fは、(Φ_Filt，I_Motor，Δp_Motor)空間内の表面を記述する。

測定により、その表面上の複数の点を発見することが可能である。非線形多重回帰(multiple nonlinear regression)により測定データを処理することにより、3次元多項式関数の形式で、その表面の近似を見出すことが可能である。

計算プロセス：
測定値：

ここで、qは測定回数である。

非線形多重回帰により、これらは多項式近似に変換できる：

ここで：
N=多項式の次数
a_mn=多項式係数
である。

一般に、近似は高次であるほど正確になる。実施の際には、次数(N)は、精度が要求に従うように選択される。

近似の具体例：
5％の精度の範囲内で流れ(エアフロー)を推定するには二次の近似(N=2)で十分であるように考えられることを、実験は示している。

N=2の場合、多項式は次のように書ける：
Φ_approximated=a₀₀+a₁₀・I+ a₂₀・I²+ a₁₁・I・Δp+ a₀₁・Δp+ a₀₂・Δp² [4]
係数a_mnは、説明されるような方法により決定されることが可能であり、固定数としてマイクロプロセッサに設定されることが可能である。数式もアルゴリズムとしてマイクロプロセッサに設定することにより、流れ(エアフロー)は、測定された電流及び生じた圧力を入力として算出されることが可能である。

個々の掃除機についての正確さが依然として条件を満足するように、係数を固定値としてマイクロプロセッサに設定できることに留意すべきである。これを行うため、複数の機器の測定値に基づいてアルゴリズムが演算され、その「平均的な('average')」アルゴリズムが個々の測定値と比較される。

係数が掃除機の実際の動作に依存することは、明らかである。モーター及びファンの特性は或る程度変化することを示すであろうが、ある製品の設計の範囲内で、その変動は、精度仕様に十分に合致する程度に十分低いことが期待される。これは、実施の際に、全ての製品設計が同じアルゴリズムを有するが、係数のみが異なることになることを意味する。これらの係数は、アルゴリズムをロードした後にマイクロプロセッサにロードされることが可能である。フィルタを介する圧力差の測定値及び数式[1]により、フィルタの抵抗が算出されることが可能である。抵抗が所定値を越えると速やかに、汚れたフィルタについての通知が生成される。

試験環境では、以下の数式を利用することにより、良好な結果が得られた(Φの単位は[1/s]であり、Δpの単位は[hPa]であり、Iの単位は[A]である)：
Φ_approximated= -15.612+13.434・I-0.29・Δp+ 0.039・I・Δp-0.877・I²- 0.00013・Δp² [5]
実際の環境では、近似的な流れた実際の流れに十分に近似されるまで、実際の流れを測定して係数を調整することにより、適切な係数を見出すことが可能である。これらの係数はマイクロプロセッサMPにプログラムされることが可能である。

上記の考察の観点から、図2は、図1の装置におけるマイクロプロセッサMPの動作を示す。マイクロプロセッサMPにおいて、係数Cを利用するアルゴリズムAmにより、流れΦ_Filtは、第2圧力差センサD2により決定されるようなファンを介する圧力差及びモーター電流から算出される。フィルタ抵抗R_filtは、第1圧力差センサD1により決定されるようなモーターフィルタFilt1を介する圧力差及びフローΦ_Filtから算出される。フィルタ抵抗は、エアフィルタの汚染を表現するものであり：汚染がひどいほど、フィルタ抵抗は高くなる。

(例えば、警告灯(ワーニングランプ)のスイッチを切り替えるような)エアフィルタは交換される必要があるか或いはきれいであるかについてのバイナリ出力をもたらすことが望まれる場合、プリセット抵抗PRがフィルタ抵抗R_filtから減算されることが可能である：差分が正である場合、フィルタは非常によごれており、置換又は洗浄されるべきである一方、その結果が負である場合、フィルタは未だ過剰には汚れておらず、置換や洗浄を未だ必要としていない。

上記の実施形態は本発明を限定するものではなく、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者は多くの代替的な形態の設計をすることが可能であることに、留意すべきである。特許請求の範囲において、括弧内に記載される如何なる符号も請求項を限定するように解釈されるべきではない。「有する(comprising)」という言葉は、請求項に記載された事項以外の要素又はステップの存在を排除していない。要素に先行する「ある(“a” or “an”)」という言葉は、そのような要素が複数個存在することを排除していない。本発明は、いくつかの個別的な要素を有するハードウェアにより、及び/又は、適切にプログラムされたプロセッサにより実現されてもよい。

Claims (4)

1. 装置のエアフィルタの汚れを監視する方法であって、前記装置ではモーターに連動するファンにより生成されるエアフローがエアフィルタを通過し、前記方法は：
   前記モーターへのモーター電流及び前記ファンを介する圧力差を表すデータから、前記エアフィルタを介する流れを推定し；
   前記エアフィルタを介する圧力差及び前記エアフィルタを介する流れを表すデータから、前記エアフィルタのフィルタ抵抗を推定し；
   前記エアフィルタのフィルタ抵抗を表すデータから、前記エアフィルタの汚れを推定する；
   ステップを有する方法。
2. 前記エアフィルタの汚れは、前記エアフィルタのフィルタ抵抗を閾値と比較することにより推定される、請求項1に記載の方法。
3. エアフィルタ：
   前記エアフィルタを介するエアフローを生成するファンに結合されたモーター；及び
   前記エアフィルタの汚れを判定するプロセッサ；
   を有する装置であって、前記プロセッサは：
   前記モーターへのモーター電流及び前記ファンを介する圧力差を表すデータから、前記エアフィルタを介する流れを推定し；
   前記エアフィルタを介する圧力差及び前記エアフィルタを介する流れを表すデータから、前記エアフィルタのフィルタ抵抗を推定し；
   前記エアフィルタのフィルタ抵抗を表すデータから、前記エアフィルタの汚れを推定する；
   ように構成される、装置。
4. 前記プロセッサは、前記エアフィルタのフィルタ抵抗を閾値と比較することにより前記エアフィルタの汚れを推定するように構成されている、請求項3に記載の装置。

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