JP5187511B2

JP5187511B2 - 圧力制御用ダンパ

Info

Publication number: JP5187511B2
Application number: JP2008227222A
Authority: JP
Inventors: 真田中; 龍介後藤田; 浩二雪田
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: JP2010060220A

Description

本発明は、バイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などの室圧制御を行っている部屋において用いられる圧力制御用ダンパに関する。

バイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などでは、隣接する部屋間に圧力差をつけ、隣接する部屋からの微生物の進入を防止したり、部屋内の病原体が隣接する部屋に流出しないようにしている。ここで、隣接する部屋の圧力差は、通常１５〜３０Ｐａ程度である。

そして、個々の部屋の圧力は、特許文献１や特許文献２のように、部屋の換気を行う給気・排気のダクトにダンパを設け、ダンパ羽根の操作量を変えてダンパでの圧力損失を変えることで調節されている。例えば、部屋Ａ、部屋Ｂ、部屋Ｃがあり、部屋Ａの室圧＞部屋Ｂの室圧＞部屋Ｃの室圧としたい場合、図９に示すように、部屋Ａでは給気側ダンパでの圧力損失を小さくし、排気側ダンパでの圧力損失を大きくする。そして、部屋Ｃでは給気側ダンパでの圧力損失を大きくし、排気側ダンパでの圧力損失を小さくする。更に、部屋Ｂでは給気側ダンパでの圧力損失と排気側ダンパでの圧力損失とを部屋Ａと部屋Ｃの中間になるようにする。

尚、空調で圧力制御の用いられているダンパとしては、バタフライダンパと呼ばれているものや、多翼ダンパと呼ばれているものがある。
特開２００２−３９５８０号公報特開２００６−２２３２０７号公報

ところで、バタフライダンパや多翼ダンパ等の従来のダンパは、図１０に示すように、ダンパ羽根の操作量を１００％に近づける（ダンパを閉じるようにする）と、抵抗係数が急激に上昇する非線形な特性を持っている。即ち、風量が一定の場合、ダンパでの圧力損失は抵抗係数に比例しているので、ダンパ羽根の操作量とダンパでの圧力損失の関係も非線形となる。

従って、このような非線形の特性は、ダンパ羽根を操作して圧力を制御することが困難である。例えば、ＰＩＤ制御などでダンパを制御する場合、適切な制御パラメータがダンパ羽根の操作量によって変わるため、ダンパ羽根の操作量を５０％近傍でパラメータ調整をしても、操作量が２０％や８０％のときには満足できる制御性能が得られなかったり、制御が不安定になってしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、バイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などの重圧制御を行っている部屋においても、ダンパ羽根の操作量に依らず室圧を安定に制御することができる圧力制御用ダンパを提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、ケーシングと可動なダンパ羽根とから成り、前記ダンパ羽根の操作量に対して抵抗係数が略直線に変化するように、ケーシング入口の断面積をＡ_０（ｍ^２）、ダンパ羽根の操作量をθ（％）で表したとき、ケーシングとダンパ羽根との隙間からなる絞り部の流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）が下記式を満たすように成形され、前記ケーシングは、略９０°曲がったエルボ形状であって、ケーシング入口がケーシング出口よりも広く形成され、前記ダンパ羽根は、前記エルボ形状のコーナー部付近を軸として回動するようにケーシング内に設けられていることを特徴とする圧力制御用ダンパを提供する。

（但し、ｆは絞り部における風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）を基準とした抵抗係数、Ｃ_１，Ｃ_０は定数を表す。）
そして、本発明において、流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）は、前記式から求められる数値から１０％の誤差の範囲に入ることが好ましい。

このように圧力制御用ダンパを形成することで、ダンパ羽根の操作量に対して抵抗係数が直線的に変化する圧力制御用ダンパを実現することができるので、ダンパ羽根の操作量に依らず室圧を安定に制御することができる圧力制御用ダンパを提供することができる。

ダンパ羽根の操作量に依らず室圧を安定に制御することができる圧力制御用ダンパとしては、例えば、ケーシングは、略９０°曲がったエルボ形状であって、ケーシング入口がケーシング出口よりも広く形成され、ダンパ羽根は、前記エルボ形状のコーナー部付近を軸として回動するようにケーシング内に設けられていることで達成される。この圧力制御用ダンパは、ケーシングの外周が円弧形状と直線形状とで形成されていることが好ましく、ダンパ羽根の先端側がケーシング出口側へ向かうＲ形状となっていることが好ましい。

本発明の圧力制御用ダンパを用いた室圧制御システムは、部屋の室内圧力（室圧）を容易に且つ精度良く制御することができるので、より安全なバイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などの室圧制御システムを提供することができる。

本発明によれば、バイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などの室圧制御を行っている部屋においても、ダンパ羽根の操作量に依らず室圧を安定に制御することができる圧力制御用ダンパを提供することができる。

以下、添付図面に従って、バイオクリーンルーム、再生医療設備、動物実験飼育設備などの重圧制御を行っている部屋において用いられる本発明に係る圧力制御用ダンパの好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、ダンパのダクト断面積（ダンパ入口）をＡ_０（ｍ^２）、ダンパの絞り部（ダンパ出口）の断面積をＡ_ｔ（ｍ^２）として、ダンパ入口とダンパ出口とを示したダンパの概念図である。

本発明者は、図１のダンパの概念図をもとに、ケーシングと可動なダンパ羽根とから成る圧力制御用ダンパにおいて、ケーシング入口（ダンパ入口）の断面積をＡ_０（ｍ^２）、ダンパ羽根の操作量をθ（％）で表したとき、ケーシングとダンパ羽根との隙間からなる絞り部（ダンパ出口）の流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）が下記式を満たすように成形することで、ダンパ羽根の操作量に対して抵抗係数が略直線に変化するようにでき、室圧を安定に制御することができるという知見を得た。

（但し、ｆは絞り部における風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）を基準とした抵抗係数、Ｃ_１，Ｃ_０は定数を表す。）
図１に示したダンパでの圧力損失ΔＰ（Ｐａ）は、ダンパ出口（ケーシングとダンパ羽根との隙間）での風速Ｖｔ（ｍ／ｓ）を用いて、下記（１）式で表すことができる。

但し、ここで、ｆはダンパ出口での風速がＶｔを基準とした抵抗係数であり、ρは流体（空気）の密度（ｋｇ／ｍ^３）である。

ここで、ダンパ出口の流れを漸次縮流から急拡大となるようにすると、ｆは絞り量や風速によらず、ほぼ一定の値（ｆ＝１．０〜１．３）となる。

また、ダンパの圧力損失ΔＰは、ダクトの代表風速、即ち、ケーシング入口での風速Ｖ_０を基準とした抵抗係数Ｆを用いると、下記（２）式で表すことができる。

また、連続の式より、

となる。

また、（３）式を用いて（１）式のＶｔを消去すると、下記（４）式となる。

よって、ダクトの代表風速、即ち、ケーシング入口での風速Ｖ_０を基準としたＦは（１）式と（４）式より、

となる。

ところで、ダンパの操作量θ（％）に対して抵抗係数Ｆが直線的に変化する場合には、

と表すことができる。なお、Ｃ_１とＣ_０は定数である。

（５）式と（６）式より、操作量θとダンパ出口面積Ａｔの関係は、

となる。

以上より、本発明者は、絞り部（ダンパ出口）の断面積を（７）式に従って決定すれば、ダンパ羽根の操作量に対して略直線的に圧力損失が変化する圧力制御用ダンパを作成することができるとの知見を得た。

この知見から、ダンパ羽根の操作量に依らず室圧を安定に制御することができるダンパとして、例えば、図２に示すように、略９０°曲がったエルボ形状であるケーシング１２と、そのケーシング１２のエルボ形状のコーナー部付近を軸として回動するダンパ羽根１４と、から成り、ケーシング１２の外周を円弧形状と直線形状とで形成し、ダンパ羽根の先端側をケーシング出口側へ向かうＲ形状とする圧力制御用ダンパ１０を提案した。なお、ケーシング１２の外周は円弧形状と直線形状とで形成することで、容易に上記（７）式を満たす圧力制御用ダンパ１０を製造することができるが、上記（７）式を満たすように製造できればケーシング１２の外周が円弧形状と直線形状とで成ることに限られない。また、ダンパ羽根の先端側をケーシング出口側へ向かうＲ形状とすると、ケーシングとダンパ羽根の隙間を流れる際の気流の乱れを抑え、抵抗係数ｆを略一定値に保つ点で好ましいが必修ではない。

図３の（ａ）は、図２の圧力制御用ダンパ１０をケーシング入口１２ａ側から見た図であり、図３の（ｂ）は、圧力制御用ダンパ１０をケーシング出口側から見た図であり、図３の（ｃ）は、圧力制御用ダンパ１０をケーシング１２側面から見た図である。

図２と図３の（ｂ）から分かるように、先端がケーシング出口側へ向かうＲ形状のダンパ羽根１４は、ケーシング１２のエルボ形状のコーナー部１６付近を軸１４ａとして、図の網掛け部の範囲（９０°の範囲）を回動する。なお、ダンパ羽根１４は不図示のモータにより回動するようになっている。

そして、図３の（ｂ）に示したように、ケーシング１２の外周は、円弧部１３ａと直線部１３ｂとからなる。円弧部１３ａの円弧の中心は、コーナー部１６から少しケーシング入口１２ａ側にずらしている。また、図３の（ｂ）に示したように、ダンパ羽根１４はオフセット角θ_Ｗがあるように設定する。

このように図２と図３に示したようなダンパにすることで、ケーシングとダンパ羽根との隙間からなる流路断面積が上記（７）式を略満たすようにすることができる。

図４は、ダンパ羽根とケーシングとの隙間からなる流路断面積を（７）式を満たすように形成することでダンパ羽根の操作量に対して略直線的に圧力損失が変化する圧力制御用ダンパの別の実施形態である。図４の（ａ）は、ケーシング１２’側面から見た断面図を示しており、ケーシング１２’は円筒状になっている。そして、ダンパ羽根１４’は、動閉止部材２０と静閉止部材２２とからなり、動閉止部材２０はモータＭにより回転し、静閉止部材２２はケーシング１２’に固定されている。

図４の（ｂ）は、動閉止部材２０と静閉止部材２２を正面から見た図であり、この動閉止部材２０が静閉止部材２２の開口部２４を塞ぐことで風量を調整する。なお、動閉止部材２０の一部の部分は、図４の（ｂ）に示すように、開口率が４０％の部材を用いている。また、動閉止部材２０を回転させるモータＭは、開口部２４を塞ぐことのない空気の流れに影響のない箇所に設けている。

図５は、圧力制御用ダンパ１０’の動閉止部材２０を０°、１５°、３０°、…９０°と回転させてときのダンパ羽根１４’の様子を正面から見た図である。０°（ダンパ操作量０％）のときに最も開口（流路断面積）が大きく、９０°（ダンパ操作量１００％）のときに最も開口が小さくなる。

図６は、図２（及び図３）の圧力制御用ダンパ１０と図４（及び図５）の圧力制御用ダンパ１０’のダンパ操作量における抵抗係数をプロットしたグラフである。

なお、図２の圧力制御用ダンパ１０は、ダンパ羽根１４をケーシング入口１２ａ側に最も近づけたときがダンパ操作量０％であり、ダンパ羽根１４をケーシング出口１２ｂ側に最も近づけたときがダンパ操作量１００％である。そして、圧力制御用ダンパ１０の寸法は、図３において、Ｈ２を１００（ｍｍ）として、Ｗ’が９７（ｍｍ）、Ｈ１が１２９．９５（ｍｍ）、Ｌｗが８４．４（ｍｍ）、ｘが７．３４（ｍｍ）、ａが６．８３（ｍｍ）、ｂが２．８５（ｍｍ）、θｗが１．８（°）としている。また、ダンパ羽根１４のＲ形状は、半径１７．６（ｍｍ）の円弧である。図４の圧力制御用ダンパ１０’は、図４の中に示した通りの寸法のものである。但し、前記寸法は一例であり、これに限るものではない。

図６から分かるように、本発明の圧力制御用ダンパは、図１０の従来のダンパと比較して、ダンパ羽根の操作量に対して圧力制御用ダンパの抵抗係数が略直線に変化していることが分かる。ダンパ羽根とケーシングとの隙間からなる流路断面積が上記（７）式を満たすように形成した圧力制御用ダンパは、ダンパ羽根の操作量に対して圧力制御用ダンパの抵抗係数が略直線に変化するようにできることが分かる。

従って、ダンパでの圧力損失は抵抗係数に比例しているので、ダンパ羽根の操作量とダンパでの圧力損失の関係も略直線となる。

なお、本発明の圧力制御用ダンパは、流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）が上記（７）式から求められる数値から１０％の誤差の範囲に入るように形成されていることが好ましい。

図７は、本発明の圧力制御用ダンパ１０（又は１０’）を用いた室圧制御システム３０を示したものである。

図７の（ａ）は、ＣＡＶなどの定風量装置３２と組み合せて、給気ダクト３４又は排気ダクト３６に本発明の圧力制御用ダンパ１０を設置し、室圧に応じてダンパ開度を調整し室圧を一定に保つ方式のものである。なお、ここでは、室が３室の場合について示しているが、それに限定するものではなく各種態様を採りうる。また、定風量装置３２と圧力制御用ダンパ１０とのどちらが給気側又は排気側に設置するかについては場合に依る。

図７の（ｂ）は、給気ダクト３４と排気ダクト３６の両方に本発明の圧力制御用ダンパを設置し、室圧に応じて給気側の圧力制御用ダンパを調整し、排気側の圧力制御用ダンパは給気側の圧力制御用ダンパと反対方向に同量操作する。

本発明の圧力制御用ダンパは抵抗係数の変化がダンパ羽根の操作量に対して直線的に変化するので、給気側と排気側との両方に圧力制御用ダンパを設けて給気側と排気側とを逆方向に同量動かせば（図７の（ｃ）参照）、２つの圧力制御用ダンパの抵抗の和は略一定に保たれる。従って、図７の（ｂ）の室圧制御システム３０では、圧力制御による室の換気量変化を最小限にとどめることができるので、１台の圧力制御用ダンパで圧力制御するよりも高速に室圧を調整することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく各種態様を採りうる。例えば、図８に示すような圧力制御用ダンパ１０’’も考えられる。図８の（ａ）は圧力制御用ダンパ１０’’を正面から見た図であり、図８の（ｂ）は圧力制御用ダンパ１０’’を側面から見た図である。即ち、ケーシング１２’’の断面が長方形であり、ダンパ羽根１４’’を長軸と短軸を図に示した寸法で形成した楕円柱とし、中心軸をモータ（不図示）で回転させる態様である。このように形成された圧力制御用ダンパ１０’’でもダンパ羽根１４’’の操作量に対して圧力制御用ダンパの抵抗係数が略直線に変化することができる。

ダンパの概念図本発明の圧力制御用ダンパを示す斜視図本発明の圧力制御用ダンパを示す図本発明の第２の実施態様である圧力制御用ダンパを示す図本発明の第２の実施態様である圧力制御用ダンパの開口を示す図ダンパ操作量における抵抗係数をプロットしたグラフ本発明の圧力制御用ダンパを用いた室圧制御システムを示す図本発明の第３の実施態様である圧力制御用ダンパを示す図ダンパによる圧力制御の概要を示した図従来のダンパにおけるダンパ操作量と抵抗係数との関係を示すグラフ

符号の説明

１０…圧力制御用ダンパ、１２…ケーシング、１２ａ…ケーシング入口（ダンパ入口）、１２ｂ…ダンパ出口、１３ａ…円弧部、１３ｂ…直線部、１４…ダンパ羽根、１４ａ…軸、１６…コーナー部、２０…動閉止部材、２２…静閉止部材、２４…開口部、３０…室圧制御システム、３２…定風量装置、３４…給気ダクト、３６…排気ダクト

Claims

ケーシングと可動なダンパ羽根とから成り、
前記ダンパ羽根の操作量に対して抵抗係数が略直線に変化するように、ケーシング入口の断面積をＡ_０（ｍ^２）、ダンパ羽根の操作量をθ（％）で表したとき、ケーシングとダンパ羽根との隙間からなる絞り部の流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）が下記式を満たすように成形され、
前記ケーシングは、略９０°曲がったエルボ形状であって、ケーシング入口がケーシング出口よりも広く形成され、
前記ダンパ羽根は、前記エルボ形状のコーナー部付近を軸として回動するようにケーシング内に設けられていることを特徴とする圧力制御用ダンパ。

（但し、ｆは絞り部における風速Ｖ_ｔ（ｍ／ｓ）を基準とした抵抗係数、Ｃ_１，Ｃ_０は定数を表す。）
前記流路断面積Ａ_ｔ（ｍ^２）は、前記式から求められる数値から１０％の誤差の範囲に入ることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御用ダンパ。
前記ケーシングの外周は、円弧形状と直線形状とで形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力制御用ダンパ。
前記ダンパ羽根の先端側は、前記ケーシング出口側へ向かうＲ形状となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の圧力制御用ダンパ。
請求項１〜４の何れか１項に記載の圧力制御用ダンパを用いたことを特徴とする室圧制御システム。