JP4950163B2 - 換気装置 - Google Patents

Description

本発明は、建物に取り付けられ、室内空気の換気及び送風に供する換気装置に関し、特に、常時行われる小風量換気と一時的に行われる大風量換気とを切り替えて行う換気装置に関するものである。

近年、住宅の高気密、高断熱化により住宅からの排気と住宅内への給気を適切に行なう全般換気設備が必須となっている。全般換気の目的は、建物内の適切な室内環境の維持であり、絶えず必要な換気量の換気を行い、室内で発生する汚染物資を排出し、新鮮な外気を取り入れることにある。

この全般換気は、２４時間常時機能することが求められる。そのため、換気設備の中核ユニットとなる換気送風機には消費電力の小さいものが求められ、さらには、自然の力を利用した自然換気等の併用による省エネルギーの推進が求められている。このような要求に対し換気量を検出して常に設定された換気量を過不足なく確保する換気送風機が具現化されている。

上記全般換気は、一般に建物の換気設計において、換気回数が居室全体の０．５回／時程度となるように設計される。一方、このような換気装置においては、上記全般換気（小風量換気）のほかに、室内のホコリや熱気、湿気、臭気等の速やかな排出を行う大きな換気量の換気（大風量換気）が要求される。そして、近年の換気装置においては、この全般換気（小風量換気）と大きな換気量の換気（大風量換気）とが、建物の室内環境の状況に合せ切り換えて使用できることが求められている。

一方、建物に取り付けられ、建物内の空気の浮力や外風の誘引力を利用して住宅の換気を行なう住宅用換気装置の技術に関して、従来、風量調節部材や、風洞を流れる換気量を検出する差圧センサーを用いて建物の換気量を設定換気量となるように制御する換気装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−６５９３７号公報

特許文献１に示されたような構成の換気装置の場合、風量調節部材の機構の空気流通方向の寸法が大きくなるため換気装置が長大となって、設置部位が限られるとともに、製造コストが増大するという課題があった。

また、換気量を検出する差圧センサーは、適切な風量検出精度を確保するためには圧力を測定する圧力計測器の水準の精度が必要となり、風量調節部材と同様に製造コストが増大するという課題があった。

一方、上記大きな換気量の換気（大風量換気）を行う最大速度で運転する場合、１基の送風手段では換気量に制限があり、換気能力を増大するには、送風手段を構成する羽根及びモーターを大きくする必要があった。そして、これにより換気装置が更に長大化するという課題もあった。

本発明は、上記の課題を解決するため成されたもので、例えば、換気回数が居室全体の０．５回／時程度とする小風量換気と、例えば、室内のホコリや熱気、湿気、臭気等の速やかな排出を行う大風量換気とを切り替えて行う換気装置において、装置のコンパクト化を図ることができ、また装置の製造コストを抑制することができるとともに、換気量検出精度の高い換気を可能とし、これにより省エネルギー化を図ることができる換気装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる換気装置は、風路に直列に配置された第１の送風手段及び第２の送風手段と、第１の送風手段の空転時に、風路内の流通風により回転する第１の送風手段の羽根回転を検出する回転検出手段と、第１の送風手段及び第２の送風手段を制御する換気装置制御手段と、を備え、換気装置制御手段は、大風量換気時には、第１の送風手段及び第２の送風手段の双方を駆動し、小風量換気時には、第１の送風手段を空転させるとともに、第１の送風手段の空転時の羽根回転が設定回転となるように、第２の送風手段の羽根回転を制御することを特徴とする。

本発明にかかる換気装置によれば、小風量換気と大風量換気とを良好に行うことができるとともに、装置のコンパクト化を図ることができ、さらに、装置の製造コストを抑制することができるとともに、換気量検出精度の高い換気を可能とし、これにより省エネルギー化を図ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる換気装置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。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる換気装置の実施の形態１のブロック図である。図１において、本実施の形態の換気装置は、前段送風手段（第１の送風手段）６と、後段送風手段（第２の送風手段）９と、通風断面積調節手段３と、これら前段送風手段６、後段送風手段９及び通風断面積調節手段３を制御する換気装置制御手段２４とを備えている。換気装置制御手段２４は、換気量切替手段２６からの運転切替信号に基づいて、換気回数が居室全体の０．５回／時程度となる換気を行う小風量換気と、室内のホコリや熱気、湿気、臭気等の速やかな排出を大風量にて行う大風量換気と、の少なくとも２つの換気動作をするように、前段送風手段６、後段送風手段９及び通風断面積調節手段３の制御を行う。そして、大風量換気時には、前段送風手段６と後段送風手段９の双方を駆動する。小風量換気時には、後段送風手段９のみ、或いは通風断面積調節手段３のみを駆動する。

また、換気装置制御手段２４には、接続切替手段１４ａ及び回転検出手段１０を介して、空転時の前段送風手段６から羽根の回転量が入力される。前段送風手段６は、空転時（モーターの巻線に電力を供給しない状態、モーターが回転駆動力を発しない状態）風路を通過する流通風により羽根が回転する。そして、この空転時の羽根の回転量が、回転検出手段１０で検出できるようにされている。この空転時の前段送風手段６の羽根の回転量は、小風量換気時の風路を通過する換気量（風路を通過する流通風の空気量）の目安とされる。

換気装置制御手段２４には、使用者の操作により、換気量切替手段２６を介して、上記運転切替信号が入力される。換気量切替手段２６は、具体的には居室壁面等に設置される換気装置のコントロールパネルに設けられたスイッチであり、使用者は、このスイッチを操作することにより、運転モードを大風量換気と小風量換気との間で切り替える。

また、換気装置制御手段２４には、使用者の操作により、回転設定手段２５を介して、小風量換気を行う際の換気量が入力される。回転設定手段２５は、具体的には換気装置のコントロールパネルに設けられたボリュームであり、使用者は、このボリュームを操作することにより、小風量換気の換気量を変える。入力された小風量換気の換気量は、上記前段送風手段６の空転時の羽根の回転量に換算されて設定回転として換気装置制御手段２４に記憶される。換気装置制御手段２４は、前段送風手段６の空転時の羽根の回転量が設定回転となるように、後段送風手段９の羽根回転を制御する。

図２は、換気装置が設置される風路の様子を示す建物の断面図である。風路２は、例えば住宅などの建物５０の頂部の天井裏空間に縦方向に設けられる。そして、この風路２内に本実施の形態の換気装置１００が設置される。風路２には、空気の浮力や外風の誘引力によって、自然流（自然に発生する流通風）が発生する。本実施の形態の換気装置１００は、この自然流を有効に利用して消費電力を低減した換気を行う。

図３及び図４は、換気装置１００として、風路２内に設置される前段送風手段６、後段送風手段９及び通風断面積調節手段３の様子を示す断面図であり、図３は、通風断面積調節手段３が最大に開き通風断面積が最大となった様子を示し、一方、図４は、通風断面積調節手段３の開きが最小となり通風断面積が最小となった様子を示す。建物の天井裏空間に縦方向に設けられる風路２内に、風路２の通風断面積を全閉状態から全開状態まで調節する通風断面積調節手段３と、前段羽根４と前段モーター５で構成される前段送風手段６と、後段羽根７と後段モーター８で構成される後段送風手段９とが、居室側からこの順番で直列に配置されている。

通風断面積調節手段３は、同心円状の翼形状を有し、以下の構成を有している。すなわち、重なり度合いにより通風断面積が変えられる固定翼１６並びに可動翼１７、固定翼１６の中心に固定されたステッピングモーター１８、ステッピングモーター１８に着装された雄ネジ部１９を有する出力回転軸２０、可動翼１７の中心部に設けられ雄ネジ部１９と係合する可動翼雌ネジ部２１で構成され、固定翼１６に設けられた複数の半径方向のリブ部２２に係合するように設けられた可動翼１７のスリット部２３により、出力回転軸２０が回転したときに可動翼１７が自由回転することなく雄ネジ部１９と可動翼雌ネジ部２１により出力回転軸２０の軸方向に変位するように構成されている。

固定翼１６と可動翼１７の相対位置において、上記のように図３の状態で通風断面積が最大となり、図４の状態で通風断面積は最小となる。このように、通風断面積は、ステッピングモーター１８の回転による可動翼１７の軸方向変位によって任意に調節できるようにされている。

図５は、前段送風手段６及び後段送風手段９の斜視図である。風路２を構成する外筒１１の内部に、前段羽根４と前段モーター５で構成される前段送風手段６と、後段羽根７と後段モーター８で構成される後段送風手段９とが直列配置されている。

図６は、前段モーター及び回転検出切替手段の構成図である。前段羽根４に連結された前段モーター５には、交流電源１５を通電することによりに回転子(図示せず)を回転駆動させる複数の巻線１２ａ、１２ｂ及びコンデンサ１３が具備されている。回転子（図示せず）を回転駆動するとき、接続切替手段１４ａは、接点部１４ｂの接続状態を図６に示すものとして、交流電源１５の電力を巻線１２ａ、１２ｂに供給して前段モーター５を駆動させる。これにより、前段送風手段６は送風を行う。

一方、前段送風手段６を停止（空転）するときは、接続切替手段１４ａは、接点部１４ｂの接続状態を、図６に示す接続状態とは逆の接続状態に切り替えて、交流電源１５の電力を巻線１２ａ、１２ｂに供給しない。一方で、この接続状態により、巻線１２ａまたは１２ｂもしくは１２ａ及び１２ｂの双方に、前段モーター５の回転子(図示せず)の回転により発生する起電力が回転検出手段１０に出力されるように接続されて、この起電力が回転検出手段１０で検出される。このとき、回転検出手段１０で検出される電力が、風洞内を移動する自然流の流通量の目安とされる。

図７は、後段モーター８に関する信号の入出力信号図である。なお、図７においては、後段モーター８に関する信号の入出力のみを示し結線（図７中、破線の内部）は省略している。換気装置制御手段２４により、後段モーター８に対して、モーター電源、制御電源を供給し、速度指令電圧を適時変えることにより、回転パルスを検出しながらモーターの回転速度を調節することができる。

図８は、前段送風手段６の前段モーター５及び前段羽根４のモーターが通電駆動していないとき（空転時）の自然流だけで回転する場合の空転回転数と自然流の流通量の相関を示すグラフである。この相関関係に基づいて、回転検出手段１０で前段モーター５の回転数を検出し、これにより、後段送風手段９の回転速度を制御すれば任意の換気量で換気装置を運転することができる。

図９は、前段送風手段６が空転しているときの巻線１２ａの両端から出力される交番信号を示す測定機器の画面を示す図である。図９の上段は、前段モーター５の回転数が９０５ＲＰＭのときの交番信号の様子を示し、図９の下段は、前段モーター５の回転数が６５０ＲＰＭのときの交番信号の様子を示している。交番信号の周波数（Ｈｚ）は、前段モーター５の毎秒当たりの回転数と合致している。

小風量換気の運転モードにおいて、常時は、後段送風手段９が駆動することにより、設定された換気量となるように制御されることが多いが、空気の浮力や外風の誘引力等による自然流のみで換気が行われ、後段送風手段９を駆動しなくても設定された換気量に達する場合は、後段送風手段９も停止する。それでも自然流により換気量が増大して設定換気量を上回るときには、通風断面積調節手段３により、換気量が制限されて、設定された換気量となるように制御される。通風断面積調節手段３は、前述のように固定翼１６並びに可動翼１７で構成される同心円状の翼を有するため、流れる空気の偏りがなく、前段送風手段６で構成される回転検出手段１０の検出精度を向上させる。

通風断面積調節手段３は、前段送風手段６の回転検出手段で前段羽根４の回転数を検出しつつ、ステッピングモーター１８の回転角度を換気装置制御手段２４により調節することにより、図８に示す前段送風手段６の空転回転数と通風量の相関から、設定された換気量で換気装置を運転することができる。

以上のように、前段送風手段６の回転数を回転検出手段１０で検出しつつ、後段送風手段９又は通風断面積調節手段３により通風量を制御することにより小風量換気時に求められる住宅の居室容積の０．５回換気を安定して行うことができる。一方、上述のように室内のホコリや熱気、湿気、臭気等を速やかに排出するときには、急速な大風量換気が必要となり、前段送風手段６に接続切替手段１４ａによって電源が直結されて運転され、前段送風手段６と後段送風手段９の双方が駆動され大風量の換気が行われる。

なお、本実施の形態の換気装置１００においては、後段送風手段９に送風方向を変える制御手段を設けてもよい。例えば後段モーター８の回転方向を逆にすることにより、後段送風手段９に送風の方向を変える制御手段を設けた場合には、空気の浮力や外風の誘引力等により後段送風手段９を運転しなくても設定された換気量が確保される状況において、後段送風手段９を停止させ、更に換気量が増大して設定換気量を上回るときには、後段モーター８の回転方向を逆転させることにより、換気量を制限して設定換気量で運転するよう調節することができる。

図１に戻り、換気装置の動作についてまとめる。換気量切替手段２６により、小風量換気の運転が選択されている場合、設定された換気量に見合う回転数を設定する回転設定手段２５の設定回転数と、前段送風手段６から接続切替手段１４ａを介して回転検出手段１０で検出する前段送風手段６の前段羽根４の回転数とを比較し、両者が一致するように、換気装置制御手段２４が後段送風手段９の送風量を調節する。ここで、後段送風手段９が駆動しているときは、通風断面積調節手段３は通風断面積を最大とする。

後段送風手段９が駆動しているときに、空気の浮力や外風の誘引力等により後段送風手段９の換気量を増大するように圧力が加わると、風路の通気量が増大し、回転検出手段１０で検出する前段羽根４の回転数が設定回転数より高くなる（設定換気量より大きい換気量となる）。すると、換気装置制御手段２４は、後段送風手段９の出力を低減するように調節して、前段羽根４の回転数が設定回転数と一致するように動作する。

さらに、換気量を増大するように空気の浮力や外風の誘引力等により圧力が印加されると、後段送風手段９も停止し、後段送風手段９が停止してもなお、前段羽根４の回転数が設定回転数より高くなるときには、通風断面積調節手段３が通風断面積を徐々に閉鎖方向に変化させて前段羽根４の回転数が設定回転数と一致するように動作する（設定換気量と一致する換気量となる）。

なお、上記動作は、空気の浮力や外風の誘引力等により後段送風手段９の換気量を増大するように圧力が加わった場合であり、加わった圧力が減じていくと、逆の工程を辿って、通風断面積調節手段３の通風断面積は最大となり、後段送風手段９の出力は増大するように動作する。

一方、室内のホコリや熱気、湿気、臭気等を速やかに排出する大風量の急速換気が必要なときには、換気量切替手段２６により大風量換気の運転モードが選択され、換気装置制御手段２４を介して前段送風手段６に接続切替手段１４ａによって電源を直結して運転するとともに後段送風手段９の回転速度を適宜調節することで所定の換気量を確保する。

なお、上記実施の形態において、通風断面積調節手段３は、重なり度合いにより通風断面積が変えられる固定翼１６並びに可動翼１７により構成される例を説明したが、空気の浮力や外風の誘引力等により後段送風手段９を駆動しなくても設定された換気量が確保され、更に換気量が増大して設定換気量を上回るときには、後段送風手段９の回転方向を逆転して通風断面積調節手段３を用いずに換気量を制限することができる。

また、上記例において前段送風手段６と後段送風手段９の前後を入れ替えて構成しても、風路に直列に配置している構成であり、同様の効果を得ることができる。また、送風手段が３基の場合、小風量換気時においては、例えば、１基を本実施の形態の前段送風手段６と同じ動作をさせ、他の２基を本実施の形態の後段送風手段９と同じ動作をさせることで、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、１基を完全に停止させ、１基を本実施の形態の前段送風手段６と同じ動作をさせ、他の１基を本実施の形態の後段送風手段９と同じ動作をさせてもよい。

以上のように、本実施の形態の換気装置においては、風路に直列に配置された前段送風手段６及び後段送風手段９と、前段送風手段６の空転時に、風路内の流通風により回転する前段送風手段６の羽根回転を検出する回転検出手段１０と、前段送風手段６の空転時の羽根回転が設定回転となるように、後段送風手段９の羽根回転を制御する換気装置制御手段２４とを備えることにより、換気置の製造コストを抑制し、換気量検出精度の高い換気装置とすることができる。

また、前段送風手段６及び後段送風手段９の空転時に、前段送風手段６の羽根回転が設定回転となるように風路の通風断面積を可変する通風断面積調節手段をさらに備えているので、消費電量が少なく、信頼性の高い換気装置とすることができる。すなわち、過剰な換気による空調負荷の増大を抑制し、省エネルギーに寄与する。

さらにまた、通風断面積調節手段は、前段送風手段６及び後段送風手段９の上流側に配置され、翼形状が風路に対して同心円状であるので、同心円状の翼を有する通風断面積調節機構により、円周方向の空気の速度を平準化し、前段送風手段の回転検出精度を確保し、後段送風手段９が停止してもなお換気量が多いときにも換気量を抑制する換気装置とすることができる。

さらに前段送風手段６及び後段送風手段９を同時に駆動して大風量換気を行うことにより、速やかに室内のホコリや熱気、湿気、臭気等を排出する換気装置とすることができる。

以上のように、本発明にかかる換気装置は、住宅用換気装置に有用であり、特に、２４時間常時行われる小風量換気と、室内のホコリや熱気、湿気、臭気等を排出するために一時的に行われる大風量換気とを切り替えて行う換気装置に適している。

本発明にかかる換気装置の実施の形態１のブロック図である。 換気装置が設置される風路の様子を示す建物の断面図である。 風路内に設置される前段送風手段、後段送風手段及び通風断面積調節手段の様子を示す断面図であり、通風断面積調節手段が最大に開き通風断面積が最大となった様子を示す図である。 風路内に設置される前段送風手段、後段送風手段及び通風断面積調節手段の様子を示す断面図であり、通風断面積調節手段の開きが最小となり通風断面積が最小となった様子を示す図である。 前段送風手段及び後段送風手段の斜視図である。 前段モーター及び回転検出切替手段の構成図である。 後段モーターに関する信号の入出力信号図である。 前段送風手段の前段モーター及び前段羽根のモーターが通電駆動していないときの自然流だけで回転する場合の空転回転数と自然流の流通量の相関を示すグラフの図である。 前段送風手段が空転しているときの巻線の両端から出力される交番信号を示す測定機器の画面を示す図である。

符号の説明

３ 通風断面積調節手段
４ 前段羽根
５ 前段モーター
６ 前段送風手段（第１の送風手段）
７ 後段羽根
８ 後段モーター
９ 後段送風手段（第２の送風手段）
１０ 回転検出手段
１１ 外筒
１２ａ 巻線
１３ コンデンサ
１４ａ 接続切替手段
１４ｂ 接点部
１５ 交流電源
１６ 固定翼
１７ 可動翼
１８ ステッピングモーター
１９ 雄ネジ部
２０ 出力回転軸
２１ 可動翼雌ネジ部
２２ リブ部
２３ スリット部
２４ 換気装置制御手段
２５ 回転設定手段
２６ 換気量切替手段
５０ 建物
１００ 換気装置

Claims (5)

1. 風路に直列に配置された第１の送風手段及び第２の送風手段と、
   前記第１の送風手段の空転時に、前記風路内の流通風により回転する前記第１の送風手段の羽根回転を検出する回転検出手段と、
   前記第１の送風手段及び前記第２の送風手段を制御する換気装置制御手段と、を備え、 前記換気装置制御手段は、大風量換気時には、前記第１の送風手段及び前記第２の送風手段の双方を駆動し、小風量換気時には、前記第１の送風手段を空転させるとともに、前記第１の送風手段の空転時の羽根回転が設定回転となるように、前記第２の送風手段の羽根回転を制御する
   ことを特徴とする換気装置。
2. 前記第１の送風手段は、前段羽根と前段モーターで構成され、
   前記回転検出手段は、前記前段モーターが回転駆動力を発しない状態で、前記羽根回転を検出し、
   前記第２の送風手段は、後段羽根と後段モーターで構成され、
   前記換気装置制御手段は、前記後段モーターを制御して、前記第２の送風手段の羽根回転を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の換気装置。
3. 前記第１の送風手段は、後段羽根と後段モーターで構成され、
   前記回転検出手段は、前記後段モーターが回転駆動力を発しない状態で、前記羽根回転を検出し、
   前記第２の送風手段は、前段羽根と前段モーターで構成され、
   前記換気装置制御手段は、前記前段モーターを制御して、前記第２の送風手段の羽根回転を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の換気装置。
4. 前記第１の送風手段及び前記第２の送風手段の空転時に、前記第１の送風手段の羽根回転が設定回転となるように前記風路の通風断面積を可変する通風断面積調節手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の換気装置。
5. 前記通風断面積調節手段は、前記第１の送風手段及び前記第２の送風手段の上流側に配置され、翼形状が前記風路の軸線に対して同心円状である
   ことを特徴とする請求項４に記載の換気装置。

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