JP5645195B1

JP5645195B1 - 給気装置

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Publication number: JP5645195B1
Application number: JP2013237799A
Authority: JP
Inventors: 嘉二郎渡邊
Original assignee: Hosei University
Current assignee: Hosei University
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-11-18
Also published as: JP2015098950A

Abstract

【課題】簡易な構造で室内外の差圧に応じて給気扇を動作させる給気装置を提供する。【解決手段】モーター７ａは給気扇７の回転速度に応じた電圧が発生する。給気扇７の受動的な回転速度は、給気口５を流れる流体の流速（流量）に依存する。また、給気口５を流れる流体の流速（流量）は、室内外の差圧に依存する。したがって、モーター７ａから発生する電圧を調べることで、室内外の差圧を知ることができる。差圧が所定を超えると、給気扇７が受動的に回転を開始する。このため、差圧の増加に伴い、電圧が上昇する。給気扇７から発生する圧力が所定値以上となると、制御部１３は、スイッチ１５を切り替える。スイッチ１５が切り替えられることで、給気扇７にはコンセント９からの電力が供給され、回転を開始する。【選択図】図１

Description

本発明は、室内へ給気を行う給気装置に関するものである。

従来、建材や家具から発生するガスや、暖房や調理などにおいて使用される燃料の燃焼により生じるガスなどによる身体への悪影響が知られている。このため、室内の換気が行われている。このような換気は、室内に水蒸気が滞留して結露することも抑制することができる。

通常、室内の換気は、換気扇によって室内の空気を室外に排出することで行われる。換気扇によって室内の空気が排気されると、部屋の隙間などから外気が給気されることで、室内が負圧になることがない。

近年、遮音や断熱を目的とした高気密住宅が増えつつある。高気密住宅は、隙間からの給気が行われにくいため、給気口が設置される。このようにすることで、換気扇で室内ガスが排気されるとともに、給気口から新鮮な空気が給気され、室内外のバランスが確保される。

しかし、使用者が、室内の温度を保つために給気口を塞いでしまう場合や、給気口前に荷物などを置いたままとなり、十分に給気が行われないケースがある。このように給気が十分に行われないと、室内が負圧となる。

このように室内が負圧となると、ドアなどが開きにくくなるという問題がある。また、隙間から室内への空気の流入による騒音の発生や、使用していない換気扇が、逆回転し、これによる騒音の発生の恐れもある。

また、室内が負圧であるため、換気扇による排気が十分に行われなくなる恐れがある。したがって、前述したような有害なガスや水蒸気が十分に排気されなくなる恐れがある。例えば、ストーブなどの排煙を行う煙突から、不完全燃焼した一酸化炭素が逆流して室内に充満するような事故も報告されている。このように、室内が負圧であると、室内で発生した有害ガスが十分に排気されずに中毒の原因となる恐れもある。

このように、室内が負圧となることを対策するため、例えば、換気扇とは別に給気扇を設け、換気扇と連動して給気扇を動作させる方法がある（特許文献１）。

特開平１１−２４８２３７号公報

しかし、特許文献１の方法では、給気口が機能していれば本来であれば不要な給気扇を常に使用することになり、無駄にエネルギーを消費するという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で室内外の差圧に応じて給気扇を動作させる給気装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために本発明は、室内換気用の給気装置であって、壁部に設けられる給気口に配置される給気扇と、前記壁部の内外の圧力差を検知する検知手段と、前記給気扇の動作を制御する制御部および前記給気扇のモーターに接続された電圧検出部を具備する検知手段と、を具備し、前記モーターはかご型インダクションモーターであり、前記電圧検出部は、室内外の差圧によって前記給気口を流れる流体の力を受けて前記給気扇が受動的に回転した際に、前記かご型インダクションモーターにより生じる電圧を検出することが可能であり、前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が所定値を超えると、あらかじめ設定された所定時間、前記給気扇を動作させることを特徴とする給気装置である。

前記制御部はタイマーを有し、前記タイマーによって前記所定時間、前記給気扇を動作させるようにしてもよい。

動作中の前記給気扇の負荷を検出する負荷検出部をさらに具備し、前記給気扇を動作させた際に、前記負荷検出部が所定値以上の負荷を検出すると、警報を発する警報部を具備してもよい。

前記給気口に配置されるフィルターをさらに具備してもよい。

前記給気口に配置される熱交換器をさらに具備してもよい。

本発明によれば、室内外の差圧を検知して、差圧が所定以上大きくなった場合に給気扇を動作する。したがって、無駄なエネルギーを消費することがなく、効率よく室内外の差圧を解消し、換気を促進することができる。

この際、室内外の差圧に応じて給気口を流れる流体によって、給気扇を受動的に回転させ、この際に生じる起電力によって、差圧を検知するようにすれば、小さな差圧も感度よく検知することができる。また、高価な圧力センサーなどを用いる必要もない。また、このような構成とすることで、瞬間的な差圧による誤動作も防止することができる。

例えば、扉の開閉によって、室内の圧力が瞬間的に小さくなることがある。通常の圧力センサーでは、このような圧力変化の影響を受けやすいが、本発明では、特別な制御を行うことなく、瞬間的な圧力変動を排除して給気扇の動作を制御することができる。

また、制御部は、電圧検出部で検出された電圧が所定値を超えると、タイマーによって所定時間だけ給気扇を動作させる。このため、短時間で給気扇のＯＮとＯＦＦとを繰り返すことによる騒音等を抑制することができる。

また、給気口にフィルターを設けることで、埃や花粉、水滴などを除去し、清浄な空気を室内に導入することができる。このため、室内に配置される空気清浄器のように、室内の埃等を取り除くだけではなく、室内へ有害なガスなどが含まれない空気を導入し、室内の空気を入れ替えることができる。

また、給気口に熱交換器を配置することで、給気口を流れる空気を暖め、または冷却することができる。

また、給気口の内側が塞がれていないことを、センサーによって検知して警報を発することで、使用者に対して、換気を行う必要があることを認知させることができる。

このように、本発明にかかる給気装置は、既存の給気口に設置できるものであり、設置に当たり特別の工事を必要としない。また、給気扇の中に圧力検知部や制御部などの構成を組み込むことで同じ特色を維持できる。
また、給気空間が負圧になり諸問題を引き起こす状況に陥った時のみ自動的に動作する。このため、温度差のある不要な外気を取り込むことがない。また、給気扇駆動時間も最低の必要時間で済み、かつ負圧に伴う排気扇の過負荷を低減でき、省エネルギーである。また、換気についての正しい知識がない居住者でも適正に換気ができ手間がかからない。排気する場合にこまめに窓を開ける人がいる。この操作が省ける。また、屋内の全体的な換気が効率的に行われる。
また、給気口がふさがっている場合、若干の換気ができるにしても排気扇モーターに過負荷がかかり電力を無駄に消費することを避けることができる。
また、フィルターを用いることで、自然給気に対してより、汚れの少ない外気を取り込む。また給気清浄機をより効果的に使うことができる。
また、熱交換器を用いれば、換気に伴う冷たい外気や暑い外気を取り込まない。
また、負圧に伴い扉が開閉できなくなることがなくなる。
また、厨房における一酸化炭素中毒を防ぐことができる。

本発明によれば、簡易な構造で室内外の差圧に応じて給気扇を動作させる給気装置を提供することができる。

給気装置１を示す概念図。（ａ）は、給気扇７の差圧に対する出力電圧を示す図、（ｂ）は給気扇７の差圧に対する出力電圧の２乗の関係を示す図。給気扇７の差圧に対する回転周波数の２乗の関係を示す図。給気装置１を示す概念図。給気装置２０を示す概念図。（ａ）、（ｂ）は、可動板２１近傍の拡大図。給気装置３０を示す概念図。給気装置４０を示す概念図。給気装置５０を示す概念図。給気装置６０を示す概念図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、給気装置１を示す側面図である。給気装置１は、主に、給気扇７、電圧検出部１１、制御部１３、スイッチ１５等から構成される。

室内外を仕切る壁部３には、室内外に連通する給気口５が設けられる。給気口５には、給気扇７が設置される。給気扇７は、モーター７ａとブレードからなり、室外（図中右側）から、室内（図中左側）へ送風することができる。

本発明の差圧検知手段は、電圧検出部１１、制御部１３、スイッチ１５で構成される。差圧検知手段によって、室内外の差圧を検知し、給気扇７の動作を制御することができる。なお、通常、給気口５の外壁にはフードが設けられるが、以下の図においてはフードの図示を省略する。

換気扇（図示省略）を動作させ、室内への給気が十分ではないと、室内が負圧となる。このように、室内外に差圧が生じると、室外から給気口５を介して室内へ空気が流入する。すなわち、給気口５に流体の流れが生じる。

給気扇７は、給気口５を流れる流体の抵抗を受けて、受動的に回転を開始する。モーター７ａでは、このような回転に対して所定の電圧が発生する。

なお、換気扇用などのインダクションモーターは、かご型でコンデンサ型モーターが多い。かご型インダクションモーターは、コイルと導体とからなるかごにより構成される。コイルで発生する回転磁界によって、かごの導体に渦電流が誘発され、回転力を得るものである。このように、かご型インダクションモーターでは、永久磁石は使用されない。

かご型インダクションモーターの回転子は、渦電流を流すかご状の導体とそれを支える鉄心からなる。鉄心は、複数の鋼板からなる。この鋼板は回転磁界中で常に同じ方向からの磁界にあるため、一度インダクションモーターを使用すると、鉄心が磁化され永久磁石となる。この結果、その後回転子を回転させると、この鉄心（磁石）が回転し、そこから発生する磁界がコイルを切ることで電圧が発生する。

このように、モーター７ａは給気扇７の回転速度に応じた電圧が発生する。給気扇７の受動的な回転速度は、給気口５を流れる流体の流速（流量）に依存する。また、給気口５を流れる流体の流速（流量）は、室内外の差圧に依存する。したがって、モーター７ａから発生する電圧を調べることで、室内外の差圧を知ることができる。

ここで、給気扇７に回転を起こさせる圧力ｐ_Ｄ、空気の密度をρ、給気扇７にあたる空気の流速をｖとすると、これらの間には、ベルヌーイの法則に従い、
ｐ_Ｄ＝１／２・ρ・ｖ^２
の関係が成立する。ここで、給気扇７の回転周波数（回転速度）は、流体の流速と比例する。このため、圧力ｐ_Ｄは、給気扇７の回転周波数（回転速度）の２乗に比例する。

図２（ａ）は、室内外の差圧と給気扇７により生じる電圧の関係を示す図であり、図２（ｂ）は、差圧と電圧の２乗の関係を示す図である。給気扇７としては、（三菱パイプ用ファン製品名Ｖ−０８ＰＣ７、消費電力：１．８Ｗ、風量：８０ｍ^３／ｈ、騒音：１８ｄＢ、質量：０．４２ｋｇ、電源１００Ｖ（以上全て５０Ｈｚ））を用いた。給気扇７をパイプ内に配置して、内外の差圧を変化させてこの際の出力電圧を調査した。前述したように、差圧と出力電圧の２乗はほぼ比例する。また、室内外の差圧が所定値以下では、給気扇７を回転させるだけの流量の流体が、給気口５を流れない。すなわち、給気扇７を回転させるためには、給気扇７の回転にかかる静摩擦を超える力が必要となる。このため、所定差圧以下では、給気扇７が回転せず、電圧は発生しない。

一方、差圧が所定（図中Ｃ）を超えると、給気扇７が受動的に回転を開始する。このため、差圧の増加に伴い、電圧が上昇する（図中Ａ）。例えば、３Ｐａで４０ｍＶ程度の出力電圧が発生する。一般的な換気扇用のファンでは、回転を開始する圧力は、２．５〜３Ｐａ程度であるが、給気扇７の機種等に応じて、この数値は変動する。このように、給気扇７が回転しない圧力（すなわち不感帯）があるため、微小な圧力変化や瞬間的な圧力変化によって、誤動作することがない。

図３は、差圧に対する回転周波数の２乗の関係を示す図である。前述したように、給気扇７を回転させる圧力（差圧に比例）は、回転周波数（回転速度）の２乗に比例する。

給気扇７から発生する圧力が所定値以上となると、制御部１３は、スイッチ１５を切り替える。図４は、スイッチ１５が切り替えられた状態を示す図である。スイッチ１５が切り替えられることで、給気扇７にはコンセント９からの電力が供給され、回転を開始する。

制御部１３は、スイッチ１５を切り替えて所定時間だけ給気扇７を動作させた後、再度スイッチ１５を切り替えて、給気扇７の運転を停止する。ここで、給気扇７の動作時間ｔは、以下の式で与えられる。
ｔ＝ｒ・Ｖ／（Ｒ・Ｔ・Ｋ）
（ｒ：室内の空気のもれ流量抵抗、Ｖ：換気空間の容積、Ｒ：気体定数、Ｔ：室内の絶対温度、Ｋ：空気のモル・体積変換係数）

給気扇７を所定時間動作させることで、室内外の差圧が解消する。なお、給気扇７の動作中に扉や窓などが開かれなければ、給気扇７の動作停止後、再度差圧が上昇する。この場合には、差圧が所定値を超えた際に、制御部１３は、再度給気扇７を動作させる。以上により、室内が負圧となることを防止することができる。なお、制御部１３は、電圧検出部１１で検出された電圧によって、スイッチ１５を動作させることができ、スイッチ１５を動作させる時間を設定可能なタイマー機能を有すれば、公知の機器を使用することができる。

以上、本実施の形態によれば、高価な圧力センサーを用いることなく、簡易な構造で給気扇７の動作を制御することができる。また、本実施形態の差圧検知手段は、瞬間的な圧力変動の影響を受けることがない。したがって、扉の開閉や人の移動などによってセンサー部が受ける圧力変化によって、誤動作を起こすことがない。

また、給気装置１は、既存の給気口に設置できるものであり、設置に当たり特別の工事を必要としない。また、給気扇７の中に電圧検出部１１等を組み込むことで同じ特色を維持できる。

また、本実施形態の圧力検知手段では、数Ｐａの極めて小さな差圧に対しても安定して検出することができる。このため、従来のベローズやダイアフラム型または半導体型圧力センサーと比較しても、微小な差圧を安定して検知することができる。

また、制御部１３は、所定以上の差圧を検知すると、タイマーによって、所定時間だけ給気扇７を動作させる。このため、短時間で給気扇７のＯＮとＯＦＦとを繰り返すことによる騒音等を抑制することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施の形態にかかる給気装置２０を示す図である。なお、以下の説明において、給気装置１と同一の機能を奏する構成については、図１等と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

給気装置２０は、給気装置１とほぼ同様の構成であるが、圧力検知手段が異なる。給気装置２０では、給気口５に仕切り２７が設けられる。仕切り２７で仕切られた流路２９には、流路２９を塞ぐように可動板２１が設けられる。可動板２１は、室外側から室内側への所定以上の力が付与されると、回動して流路２９を開く。なお、可動板２１は一方向にのみ開くため、室内側からの力では、可動板２１が開くことはない。

図６は、可動板２１近傍の拡大図である。可動板２１の先端には磁石２３ｂが配置される。可動板２１が重力によって鉛直方向に閉じた状態（図６（ａ））において、給気口５の内面の可動板２１の先端に対応する位置には、磁石２３ａが配置される。磁石２３ａと磁石２３ｂは隙間をあけて配置され、互いに引き合うように配置される。すなわち、通常時において、可動板２１は、閉じた状態で保持される。このように、磁石２３ａと磁石２３ｂは、可動板２１の閉じた状態を保持する保持機構として機能する。

可動板２１の室内側には接点２５が配置される。可動板２１と接点２５は、図示を省略した回路上に直列で配置される。したがって、可動板２１と接点２５とが接触すると閉回路となり、通電可能となる。

室内外の差圧が所定以上になり、磁石２３ａと磁石２３ｂとの引力による可動板２１の保持力よりも、可動板２１に対する室外からの圧力が大きくなると、可動板２１が開き、接点２５と接触する（図６（ｂ））。可動板２１と接点２５とが接触すると、給気扇７に電力が供給されて、給気扇７が動作する。この結果、室内外の差圧を解消することができる。差圧が解消されると、可動板２１は重力と磁石２３ａ、２３ｂの引力により元の位置に戻り流路を塞ぐ。すなわち、可動板２１と接点２５とが離れて給気扇７が停止する。

なお、図示した例では、電源を含む回路上に、接点２５と可動板２１とを直列に配置したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１に示したように、接点２５と可動板２１との接触を検知する検知部を別途設け、検知部で可動板２１と接点２５との接触が検知されると、別途配置された制御部によって、給気扇７の動作を制御することもできる。

本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、圧力検知手段が機械的な構造であるため、構造が簡易であり、高価な部材も不要である。

また、磁石２３ａ、２３ｂの引力を調整することで、給気扇７の動作を開始させる差圧を容易に調整することができる。なお、通常時は流路２９が閉じられているため、差圧が生じていない場合には、流路２９を介して室内に外気が入り込むことがない。

次に、第３の実施の形態について説明する。図７は、給気装置３０を示す図である。給気装置３０は、給気口５にフィルターが配置される。なお、以下の実施形態においては、圧力検知手段として給気装置１を適用した例を示すが、給気装置２０と組み合わせることもできる。

フィルター３１は、例えば水メッシュ素材で構成され、空気は透過するが、埃や花粉、水滴は透過させない。換気扇を動作させると、室内の空気（たとえば有害なガスを含む）が外部に排出されるとともに、給気口５から新鮮な空気が導入される。この際、外気に含まれている埃などが除去される。

従来使用されている空気清浄器では、室内の埃等は除去されるが、室内の有害ガスまでは除去されない、しかし、本実施形態では、換気扇を回すことで、埃や有害物質を含む空気が排出されるとともに、新鮮で清浄な空気が室内に導入される。このため、室内の空気を浄化することができる。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、単に室内外の差圧を解消するのみではなく、室内の空気の清浄も行うことができる。

次に、第４の実施の形態について説明する。図８は、給気装置４０を示す図である。給気装置４０は、給気口５に熱交換器４１が配置される。熱交換器４１には、例えば、水道水が流される。

通常、水道水の温度は、年間を通してほぼ一定である。したがって、夏季においては、外気温は水道水の温度より高くなり、冬季においては、外気温が水道水の温度よりも低くなる。このため、給気される空気を水道水と熱交換させることで、夏季は、外気温よりも低温の空気を室内に導入することができ、冬季は外気温よりも高温の空気を室内に導入することができる。

なお、熱交換器４１は、電気式（ヒーターまたはクーラー）であってもよい。

第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、室内に導入される空気を室温に近づけることができる。このため、暖房や冷房の効率の低下を抑制することができる。

次に、第５の実施の形態について説明する。図９は、給気装置５０を示す図である。給気装置５０は、給気口５近傍の壁部３の内面にセンサー５１が設けられる。センサー５１は、給気口５を塞ぐものの有無を検知する。

給気口５が塞がれていると、給気扇７が動作しても、室内に空気が流入せず、差圧が解消されない。また、給気扇７が必要以上に動作させるため、エネルギーの無駄や騒音の要因ともなる。

本実施形態では、センサー５１によって、例えば給気口５の前に荷物などが置かれていると検知すると、警報部５３によって警報を発する。警報は、音や光などいずれの警報であってもよい、警報部５３が動作することで、使用者は、十分な換気が行われていないことを認知することができる。

なお、センサー５１は、給気口５前に物が置かれているかどうかを検知するレーザ等のセンサーであってもよいが、図１０に示す給気装置６０のように、給気扇７の負荷を検知するものでもよい。給気装置６０は、センサーとして負荷検出部６１が用いられる。

給気口５が塞がれた状態で、給気扇７を回転させると、送風した空気が室内に十分に流入せずに、給気扇７の送風方向の圧力が上昇する。このため、給気扇７の運転負荷が増大する。

例えば、ある電圧で給気扇７を動作させた際の回転数を検知し、回転数が低い場合には負荷が大きいと判断して、給気口５が塞がれていることを検知することもできる。また、同様に、給気扇７を所定の回転数で回転させた際の電圧を検知し、電圧が所定以上である場合に、給気口５が塞がれていることを検知することもできる。

このように、負荷検出部６１がモーター７ａの負荷が通常時よりも大きいと判断すると、警報部６３を動作させて警報を発することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば、各実施形態の構成は互いに組み合わせることができることは言うまでもない。

１、２０、３０、４０、５０、６０………給気装置
３………壁部
５………給気口
７………給気扇
７ａ………モーター
９………コネセント
１１………電圧検出部
１３………制御部
１５………スイッチ
２１………可動板
２３ａ、２３ｂ………磁石
２５………接点
２７………仕切り
２９………流路
３１………フィルター
４１………熱交換器
５１………センサー
５３………警報部
６１………負荷検出部
６３………警報部

Claims

室内換気用の給気装置であって、
壁部に設けられる給気口に配置される給気扇と、
前記給気扇の動作を制御する制御部および前記給気扇のモーターに接続された電圧検出部を具備する検知手段と、
を具備し、
前記モーターはかご型インダクションモーターであり、
前記電圧検出部は、室内外の差圧によって前記給気口を流れる流体の力を受けて前記給気扇が受動的に回転した際に、前記かご型インダクションモーターにより生じる電圧を検出することが可能であり、
前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が所定値を超えると、あらかじめ設定された所定時間、前記給気扇を動作させることを特徴とする給気装置。
前記制御部はタイマーを有し、前記タイマーによって前記所定時間、前記給気扇を動作させることを特徴とする請求項１記載の給気装置。
動作中の前記給気扇の負荷を検出する負荷検出部をさらに具備し、
前記給気扇を動作させた際に、前記負荷検出部が所定値以上の負荷を検出すると、警報を発する警報部を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給気装置。
前記給気口に配置されるフィルターをさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の給気装置。
前記給気口に配置される熱交換器をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の給気装置。