JP2024532458A - ファンの現在の動作点依存変数、具体的には、現在の搬送体積流量を定量的に決定する方法およびその方法を適用するためのファン - Google Patents

Abstract

本発明は、モーター駆動式の羽根車を備えるファンの現在の搬送体積流量または他の動作点依存変数を定量的に決定する方法に関し、この方法は、モーター内部変数とモーター外部変数とを用いることで、搬送体積流量や他の現在の動作点依存変数が、アルゴリズムによって直接的または間接的に計算または決定される。

Description

本発明は、少なくとも１つのモーター駆動式の羽根車を備えるファンの現在の動作点依存変数、特に、現在の搬送体積流量を定量的に決定する方法に関する。
さらに、この方法は、この方法を適用するためのファンに関する。

ファンについて、より詳しい指定は、なされない。
したがって、ここで使用するファンは、基本的には任意の設計のファンであってもよく、具体的には、ラジアルファン、斜流ファンまたは軸流ファンであってもよい。

特に、ファンを制御するために、ファンの動作中に体積流量を継続的に決定する必要がある。
（例えば、現在の圧力上昇などの）他の動作状態依存変数も、現在の搬送体積流量の知識に基づいて、あるいは直接的に、決定可能である。
ファン速度を特定の体積流量に制御することに加えて、現在の搬送体積流量や他の動作状態依存変数がわかっていると、例えば、ファンの電力や換気システムの状態を監視する場合など、様々な態様でそれらを使用可能である。

ファンに関しては、圧力上昇がわかっていると、例えば、失速しやすいファンの予備圧力を監視可能である。
ファンの動作が許容動作範囲内かどうかを識別することができ、例えば、いわゆる、ドラムモーターが低すぎる圧力で動作しているかどうかも識別可能である。

他の有用な動作状態依存変数の例としては、現在の搬送質量流量、ファンの現在の騒音放出、ファンの現在のトルク、ファンの現在の効率、または、ファンが生成する現在の推力が挙げられる。

さらに、動作状態依存変数は、例えば、圧力上昇と搬送体積流量との関数など、すでに特定されている変数を組み合わせた変数であってもよい。
このようにすると、体積流量／圧力特性曲線をマッピング可能である。
実用上、前方に湾曲したラジアルファンにおける現在の搬送体積流量または搬送質量流量を、軸トルクを用いて決定することが知られている。
それ以外の場合では、体積流量は、差圧を測定することで、または、ベーン風速計を用いて、決定される。
この点において、一例として特許文献１を参照されたい。
しかし、実用上知られている空気の体積流量を測定および特定するプロセスは不正確であり、実行することが複雑である。

特に、ファンの羽根車の近くの流入側又は流出側に配置されているベーン風速計を用いて体積流量を決定する場合、搬送体積流量に加えて、ベーン風速計の速度も、流れパターンの影響を受け、この流れパターンは、風速計ホイールの流れ断面全体にわたって動作状態に依存し、不均一であり、かつ／または、渦巻き状であるため、体積流量の決定が不正確になる。

国際公開第２０１８／０３６８０２（Ａ１）号明細書

本発明は、動作中のファンの現在の搬送体積流量または他の現在の動作点依存変数を、高精度かつ比較的低い構造／技術的コストで定量的に決定するための方法を特定するという目的に基づいている。
また、この方法は、競合する方法とも異なる方法である。
この方法を用いるためのファンも特定される。

前述の目的は、方法に関しては、請求項１の特徴により達成され、ファンに関しては、請求項１１の特徴により達成される。
したがって、モーター内部変数とモーター外部変数とが決定され、そこから、搬送体積流量および／または他の現在の動作点依存変数が、アルゴリズムによって直接的または間接的に計算または決定される。

本発明によると、モーター内部変数およびモーター外部変数を使用して、現在の搬送体積流量または現在の他の動作点依存変数を、高い精度で比較的少ない技術的コストで定量的に決定可能であることを確認した。
共に検出が容易である、少なくとも１つのモーター内部変数と少なくとも１つのモーター外部変数とを組み合わせることが重要である。
２つの異なる変数を使用することにより、モーター外部信号に対する動作状態の純粋な依存性を排除可能である。

使用されるモーター内部変数は、電流、例えば、巻線電流、モーター電流またはモーター電圧であってもよい。
電力も、使用可能である。
これらのモーター内部変数は、モーター内および／またはそのモーター制御システム内の状況に関係している。
さらに、モーター速度をモーター内部変数として使用することもできる。

使用されるモーター外部変数は、ファンまたは羽根車のすぐ近くに配置されているセンサの測定値または信号であってもよい。
センサは、体積流量測定ホイールであってもよい。
その場合、モーター外部変数は、体積流量測定ホイールの速度になる。

体積流量測定ホイールは、流入側または流出側の構造体に、回転可能に取り付けられていると有利である。
この構造体は、流入格子または任意のハウジング部分であってもよい。
この点に関して、構造的に部品を追加する必要はない。

さらに、センサは、流速に敏感に反応する熱線式風速計などの熱センサである。

また、センサは、ファンの流れ領域における特定の２点間の圧力差を検出する差圧センサである。

計算に使用されるアルゴリズムは、モーター制御システムまたは外部評価ユニットで実行される。
このアルゴリズムには、通常、プロセッサとメモリとが含まれる。
センサ信号は、有線でまたは無線などを介して非接触式に、プロセッサに送信可能である。

ファンまたはファンのモーターは、決定された現在の搬送体積流量および／または決定された現在の他の動作点依存変数を上位システムに送信するために用いられるインターフェースを有する。
この点において、体積流量設定値、質量流量設定値、または、他の動作状態依存変数設定値の信号が、モーターおよび／または評価ユニットに送信され、この信号がモーター速度の制御に使用されることで、センサ信号を用いて決定される現在の搬送体積流量、搬送質量流量または他の動作点依存変数が、体積流量設定値、質量流量設定値または対応する設定値に可能な限り正確に一致する。

本発明によるファンは、前述の記載に従って、現在の搬送体積流量または他の動作点依存変数の制御に用いられる。

したがって、本発明を有利に構成および発展させるさまざまな可能性が存在する。
この点に関して、請求項１に従属する請求項を参照され、次に、図面を参照した本発明による方法の実施形態の以下の説明を参照されたい。
一般的に好ましい構成および教示の発展も、図面を参照した本発明の実施形態の説明と併せて説明される。

ファンの一実施形態を示す、羽根車の回転軸を通る平面での斜視断面図であり、現在の搬送体積流量や現在の動作点依存変数がベーン風速計を用いて決定される。 特定の搬送媒体密度におけるファンについて、４つの異なる一定の風速計速度および２つの一定のモーター速度について、それぞれの場合における圧力上昇Δｐの特性曲線を、搬送体積流量ＱＶの関数として示したグラフである。 特定の搬送媒体密度におけるファンについて、４つの異なる一定の風速計速度および５つの一定のモーター速度について、それぞれの場合における圧力上昇Δｐの特性曲線を、搬送体積流量ＱＶの関数として示したグラフである。

図１は、ファン１の一実施形態を示す、羽根車３の回転軸を通る平面での斜視断面図であり、現在の搬送体積流量や他の動作点依存変数が、体積流量測定ホイール２によって正確に決定される。
体積流量測定ホイール２は、本質的には、ハブ７とハブ７に固定されたブレード６とで構成されている。
この図は、体積流量測定ホイール２と、流入側構造体（この場合は、流入格子２６）上の体積流量測定ホイール２用の取付部とを明確に示している。
体積流量測定ホイール２を取り付けるための軸１３が、流入格子２６の中央領域３０に、受け入れ領域３１を介して取り付けられている。

体積流量測定ホイール２は、軸受を用いて軸１３に取り付けられ、この実施形態では、不図示の２つの軸受が設けられている。
軸受は、ハブ７内に設けられた軸受用受容部２０において体積流量測定ホイール２に取り付けられている。
こうすることで、体積流量測定ホイール２は、流入格子２６に対して、ファン１の羽根車３を駆動するモーター４のローター１１とは、独立して自由に回転可能である。
他のセンサ情報に加えて体積流量測定ホイール２の速度を測定することにより、現在の搬送媒体の搬送体積流量ＱＶや他の動作点依存変数を、かなりの精度で推測可能である。

ファン１の羽根車３は、この羽根車３内に封入されてローター１１に押し付けられている板金部材である固定装置１５を介して、モーター４のローター１１に取り付けられていれる。
体積流量測定ホイール２の速度ｎＡｎｅの測定および評価は、現在の搬送媒体の搬送体積流量ＱＶまたは現在の他の動作点依存変数を決定するための重要な基礎となっている。
現在の搬送媒体の搬送体積流量ＱＶまたは現在の他の動作点依存変数を高精度で決定したい場合は、速度ｎＡｎｅが搬送体積流量ＱＶに加えてファンの（内部の）動作状態にも依存するため、速度ｎＡｎｅに加えて、さらにセンサ情報が必要になる。
ファンの動作状態は変化する場合があり、例えば、ファンが搬送方向に蓄積させる静圧の上昇量は、搬送体積流量ＱＶが一定あっても変化する場合がある。
本発明では、モーター４またはモーター制御システムのモーター内部変数（場合によっては、電気的な変数）が、このような追加のセンサ情報として用いられる。

体積流量測定ホイール２は、一般的に、ファンの流入側または流出側に、例えば、流入格子２６上にまたはハウジング内に、取り付け可能である。
現在の搬送媒体の搬送体積流量ＱＶまたは他の動作点依存変数を決定するために、モーター外部変数であるベーン風速計速度ｎＡｎｅの代わりに、別のモーター外部センサ信号も使用可能である。
別のモーター外部変数の第１の例は、流速に敏感に反応するもう１つの熱線式風速計または同等の熱センサの信号である。
別のモーター外部変数の第２の例は、ファンの流れ領域内の２つの適切な点の間の圧力差（例えば、ファンの流入ノズルの横断面が最も狭い領域の静圧と流入ノズルのさらに流入側の点の静圧との間の差であるノズル圧力差）を測定する、差圧センサの信号である。

現在の搬送体積流量ＱＶまたは他の動作点依存変数の電流値は、モーター外部変数のセンサ信号とモーター内部変数（例えば、モーター電流ＩＭｏｔ、巻線電圧ＵＭｏｔまたは電力など）の第２センサ信号とから、適切なアルゴリズムによって決定される。
このアルゴリズムは、モーター制御システムで直接実行されると有利であるが、外部評価ユニットで実行されてもよい。
もちろん、これらのセンサ信号は、それぞれ対応する場所に送信される必要がある。

モーター４または外部評価ユニットが、現在の搬送体積流量ＱＶまたは現在の動作点依存変数Ｘを上位システムに送信するためのインターフェースを有すると有利である。
さらに、搬送体積流量の設定値または動作点依存変数Ｘの設定値の信号が、モーター４または外部評価ユニットに送信されることで、センサ信号を使用して決定される搬送体積流量ＱＶまたは現在の動作点依存変数Ｘが、体積流量設定値またはＸの設定値に可能な限り一致するように、モーター速度ｎＭｏｔが、自動的に制御されると有利である。

図１には、ファン１の全ての構成要素が示されているわけではないことを、理解を完全にするために留意されたい。
具体的には、わかりやすさのために、例えば、モーター４のステータ１２をノズルプレート２９に接続するモーターホルダは、図示されていない。
ファン１は、不図示の多数の他の構成要素を備えていてもよい。

図２は、任意のファンについて、横軸が搬送体積流量ＱＶ、縦軸が静圧上昇ｐｓＦであり、一定のモーター速度ｎＭｏｔにおける２つの特性曲線と、ファンの近くに取り付けられているベーン風速計の一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅごとの４つの特性曲線と、を示すグラフである。
搬送体積流量ＱＶは、一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅで正確には一定の値ではないことがわかり、このことは、追加の情報がなければ、ＱＶは、不正確にしか決定できないことを意味する。
特に、制御された家庭用換気装置など、多くの特定の用途では、その不正確性が高くなる。
これは、特に、コンパクトさの理由から風速計ホイールが羽根車の比較的近くに取り付けられているため、ファンの羽根車の（一定の搬送体積流量ＱＶでの）動作状態が風速計速度ｎＡｎｅに非常に大きな影響を与えるという事実によるものである。
このグラフでは、搬送体積流量ＱＶをより正確に決定するための補完情報の一部がモーター速度ｎＭｏｔに存在していることは明らかである。
例えば、一定のモーター速度ｎＭｏｔと一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅとの特性曲線の交点を決定し、曲線の交点で現在の搬送体積流量ＱＶのより正確な値を読み取り可能である。
両方のセンサ信号を組み合わせることで必要な情報を得られるということが重要である。
２つのセンサ信号のみを処理する場合、搬送体積流量ＱＶを決定する特定の種類のアルゴリズムを様々な態様で実行可能である。

しかし、モーター速度ｎＭｏｔの決定は、ホールセンサが必要になるなどの理由で、かなり複雑である。
モーター速度ｎＭｏｔの代わりに、センサによる検出が非常に容易な、（場合によっては、電気的な）モーター内部変数ＩＮＴも使用可能であることがわかっている。

図３は、図２のファンについて、横軸が搬送体積流量ＱＶ、縦軸が静圧上昇ｐｓＦであり、一定のモーター巻線電流ＩＭｏｔにおける５つの特性曲線と、ファンの近くに取り付けられているベーン風速計の一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅごとの４つの特性曲線と、を示すグラフである。
搬送体積流量ＱＶは、一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅで正確には一定ではないことがわかり、このことは、追加の情報がなければ、ＱＶは、不正確にしか決定できないことを意味する。
この不正確性は、多くの用途にとって許容できるものではない。
これは、特に、コンパクトさの理由から風速計ホイールが羽根車の比較的近くに取り付けられているため、ファンの羽根車の（一定の搬送体積流量ＱＶでの）動作状態がベーン風速計速度ｎＡｎｅに非常に大きな影響を与えるという事実によるものである。

このグラフでは、搬送体積流量ＱＶをより正確に決定するための補完情報の一部が、比較的少ない労力でセンサを介して検出可能なモーター巻線電流ＩＭｏｔに存在していることは明らかである。
例えば、一定のモーター巻線電流ＩＭｏｔと一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅとの特性曲線の交点を決定し、曲線の交点で現在の搬送体積流量ＱＶのより正確な値を読み取り可能である。
両方のセンサ信号を組み合わせることで情報を得られるということが重要である。
２つのセンサ信号、具体的には、モーター外部センサ信号（この場合は、ベーン風速計速度ｎＡｎｅ）とモーター内部センサ信号（この場合は、ＩＭｏｔ）のみを処理する場合、搬送体積流量ＱＶを決定する特定の種類のアルゴリズムを様々な態様で実行可能である。

計算アルゴリズムを定量的に確立するために、少なくともファンの各実施形態について、テストベンチでの測定データを使用した校正が必要であることに留意されたい。
例えば、関連するファンの場合、一定のモーター巻線電流ＩＭｏｔと一定のベーン風速計速度ｎＡｎｅとの特性曲線を決定し、モーター制御システムまたは外部評価ユニットに保存可能である。
他の計算アルゴリズムも実行可能であるため、結果として、別の校正も必要になる。
モーター外部変数ＥＸＴ（この場合は、ベーン風速計速度ｎＡｎｅ）とモーター内部変数ＩＮＴ（この場合は、モーター巻線電流ＩＭｏｔ）とがアルゴリズムにおいてセンサ変数／入力変数として処理され、現在の搬送体積流量ＱＶまたは他の動作点依存変数の現在値を決定することが重要である。

また、関連する用途における現在の搬送体積流量ＱＶまたは現在の他の動作点依存変数の値を決定する際に、精度をより高くするために、特定の用途または設置条件用の校正パラメータを検出することも考えられる。

本発明において、使用されるモーター外部変数は、局所的な空気速度に敏感に反応する熱線式風速計または同様の熱センサの信号であってもよく、ファンの領域内の特定の２つの点の間の静圧の差を測定する差圧センサの信号であってもよい。
どちらの場合も、センサ信号は、現在の搬送体積流量ＱＶに加えてファンの羽根車３の動作状態にも依存すると通常判断され、動作状態は、例えば、静圧上昇ｐｓＦの値で表すことができる。
この動作状態への依存性は、モーター内部の、場合によっては、電気的な変数を表すセンサ信号を追加することによって排除可能であり、これにより、現在の搬送体積流量ＱＶや、結果として他の動作点依存変数の現在の値を決定する際にも、大幅に高い精度を実現可能になる。

圧力差または熱線式風速計の信号をモーター外部信号として使用する場合、搬送体積流量ＱＶを決定するためのさらなる入力変数として現在の搬送媒体密度も必要になる。
この搬送媒体密度は、一定であると推定可能であり、また、さらなる（例えば、搬送媒体の温度および含水量に関する）センサ信号を利用してリアルタイムに決定可能であると有利である。

一方、搬送媒体密度を使用して決定した搬送媒体体積流量ＱＶを用いて、搬送媒体質量流量を求めることができる。
圧力差または熱線式風速計の信号をモーター外部信号として使用する場合、搬送媒体密度を知ることなく、搬送媒体質量流量を直接決定することも可能である。

本発明による方法のさらに有利な構成に関しては、繰り返しを避けるために、明細書の一般的部分および添付の特許請求の範囲を参照されたい。

最後に、上述した本発明による方法の実施形態は、特許請求される教示を説明することには純粋に役立つが、特許請求される教示を実施形態に限定するものではない。

１ ・・・ファン
２ ・・・体積流量測定ホイール（ベーン風速計）
３ ・・・ファン羽根車
４ ・・・モーター
５ ・・・流入ノズル
６ ・・・体積流量測定ホイールのブレード
７ ・・・体積流量測定ホイールのハブ
８ ・・・羽根車のトップリング
９ ・・・羽根車のブレード
１０ ・・・羽根車のハブリング
１１ ・・・モーターのローター
１２ ・・・モーターのステータ
１３ ・・・体積流量測定ホイールを取り付けるための軸
１５ ・・・羽根車をモーターに固定する装置
２０ ・・・体積流量測定ホイールにおける軸受用受容部
２６ ・・・流入格子
２９ ・・・ノズルプレート
３０ ・・・流入格子の中央領域
３１ ・・・流入格子のシャフト受け入れ領域

Claims (12)

1. モーター駆動式の羽根車を備えるファンの現在の搬送体積流量または他の動作点依存変数を定量的に決定する方法であって、
   モーター内部変数およびモーター外部変数が決定され、該モーター内部変数およびモーター外部変数から、前記現在の搬送体積流量または前記他の動作点依存変数が、アルゴリズムによって直接的または間接的に計算または決定される、ファンの現在の搬送体積流量または他の動作点依存変数を定量的に決定する方法。
2. 前記モーター内部変数が、モーター内または前記モーターのモーター制御システム内の、電流、例えば、巻線電流やモーター電流、モーター電圧または電力であることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
3. 前記モーター内部変数が、モーター速度であることを特徴とする、請求項１に記載された方法。
4. 前記モーター外部変数が、前記ファンまたは羽根車のすぐ近くに配置されているセンサの測定値または信号であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された方法。
5. 前記センサが、体積流量測定ホイールを含む風速計であり、
   前記モーター外部変数が、前記風速計の速度または前記体積流量測定ホイールの速度であることを特徴とする、請求項４に記載された方法。
6. 前記体積流量測定ホイールが流入側または流出側の構造体に、特に、流入格子またはハウジング部分に、回転可能に取り付けられていることを特徴とする、請求項５に記載された方法。
7. 前記センサが、流速に敏感に反応する熱センサ、例えば、熱線式風速計であることを特徴とする、請求項４に記載された方法。
8. 前記センサが、前記ファンの流れ領域における特定の２点間の圧力差を検出する差圧センサであることを特徴とする、請求項４に記載された方法。
9. 前記アルゴリズムが、プロセッサおよびメモリを有するモーター制御システムまたは外部評価ユニットで実行され、
   センサ信号が、前記プロセッサに有線でまたは非接触式に送信されることを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載された方法。
10. 前記ファンのモーターが、決定された前記現在の搬送体積流量または前記決定された現在の動作点依存変数を上位システムに送信するために用いられるインターフェースを有していることを特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載された方法。
11. 体積流量設定値または動作点依存変数設定値の信号が、前記モーターおよび／または前記外部評価ユニットに送信され、
    前記信号が前記モーター速度の制御に使用されることで、センサ信号を用いて決定される前記現在の搬送体積流量または前記他の動作点依存変数が、前記体積流量設定値または前記動作点依存変数設定値に可能な限り正確に一致することを特徴とする、請求項１０に記載された方法。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載された方法を適用するための、前記現在の搬送体積流量または前記他の動作点依存変数を制御するための、ファン。