JP7078867B2 - ファンユニット、およびそれを備えた空気処理システム - Google Patents
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Description
図1は、本開示の一実施形態に係るファンユニットを搭載した空気処理システム10の構成図である。図1において、空気処理システム10は、第1ユニット20と、複数の第2ユニット30と、ダクト40と、コントローラ50とを備えている。本願では、説明の便宜上、ファンユニットを第2ユニット30とし、図1平面視左側の第2ユニット30を左第2ユニット30Lと呼び、図1平面視右側の第2ユニット30を右第2ユニット30Rと呼ぶ。
(2-1)第1ユニット20
第1ユニット20は、第1ファン21、熱交換器22、第1風量検出手段23、温度センサ24及び水量調整弁25を有している。
熱交換器22には、熱源ユニット60から熱媒体として例えば冷水または温水が供給される。熱交換器22に供給される熱媒体は、冷水または温水以外のもの、例えばブラインであってもよい。
第1風量検出手段23には、例えば、風量センサ、風速センサまたは差圧センサを用いることができる。本実施形態では、第1風量検出手段23は、第1ファン21が送風する風量を検出する。
温度センサ24は、第1ファン21からダクト40に送られる第1空気SAの温度を検出する。温度センサ24は、第1コントローラ51に接続されている。温度センサ24が検出した値は、第1コントローラ51に入力される。
第1ユニット20は、通風路82を介して、対象空間100に繋がっている。通風路82を通って対象空間100から戻ってきた第2空気RAは、第1ファン21により、熱交換器22を通ってダクト40に送り出される。
第2ユニット30は、第2ファン31と、第2ファン31を回転させるファンモータ31bと、第2風量検出手段32とを有している。
複数のリモートセンサ70は、温度センサの機能を有している。各リモートセンサ70は、対応する第2コントローラ52に、対象空間100の第2空気RAの温度を示すデータを送信できるように構成されている。
図2は、コントローラ50の構成を説明するためのブロック図である。図2において、コントローラ50は、第1コントローラ51と複数の第2コントローラ52とを含んでいる。第1コントローラ51と複数の第2コントローラ52とは互いに接続されている。
第1コントローラ51は、プロセッサ51aと、メモリ51bとを含む。プロセッサ51aは、メモリ51bに記憶されている第1ファン21の風量制御プログラムを読み取り、第1ファン21、各第2コントローラ52に必要な指令を出力する。
第2コントローラ52は、プロセッサ52aと、メモリ52bとを含む。プロセッサ52aは、メモリ52bに記憶されている第2ファン31の風量制御プログラムを読み取り、第2ファン31に必要な指令を出力する。
各第2コントローラ52は、それぞれに接続されているリモートセンサ70から対象空間100の温度測定値を受信する。各第2コントローラ52は、設定温度を示すデータを温度設定値として保持している。
(4-1)ダクト抵抗の特性
第1ユニット20と第2ユニット30とを接続するダクト40の長さは、第2ユニット30の吹出口の位置によって異なり、また、第1ユニット20と第2ユニット30とが据え付けられる物件によっても異なる。
第2ユニット30の吹出口における静圧と吸込口における静圧の差を、第2ユニット30の前後差圧という。
上記の通り、第2ユニット30の風量制御には、ダクト抵抗、他の第2ユニット30の風量、および第1ユニット20の空気吐出圧を考慮した風量維持機能が必要であることは分かった。しかしながら、第1ユニット20および第2ユニット30が据え付けられる物件、または第2ユニット30の据え付け位置によってダクト長さは変わり、そのダクト抵抗もダクト長さ、そのダクト内を流れる空気の風量によって変動する。それゆえ、従来の試運転調整によってファンモータ31bの回転数と風量との関係をデータ化することは困難である。
図7は、前後差圧△Pをパラメータとして、風速Vとファンモータ31bの回転数Nとの関係を示すグラフである。図7において、前後差圧△Pが同じ場合、ファンモータ31bの回転数Nは、係数aおよび定数項bを用いて、風速Vの一次式で表すことができる。
N=a×V+b [1]
図7に示す通り、前後差圧一定の場合、少なくとも3点の値を得る試験を実施することにより、[1]式を導き出すことができる。
a=m×△P+n [2]
b=p×△P+q [3]
上記[1]、[2]および[3]式から、回転数N、風速V、前後差圧△Pの関係は、次式で表される。
N=(m×△P+n)×V+(p×△P+q) [4]
[4]式から、さらに次式が導き出される。
△P=(N-n×V-q)/(m×V+p) [5]
[5]式は、第2ファン31のファンモータ31bが回転数Nで運転したときの風速Vを計測すれば前後差圧△Pを計算することができることを意味している。
上記[5]式とファンの理論式とから、回転数目標値Nyを算出する計算式を導き出すことができる。現在の前後差圧△Px、現在の風量Qx、前後差圧目標値△Pyおよび風量目標値Qyの関係は、ファンの理論式より、
△Py/△Px=(Qy/Qx)2 [6]
となる。
(Ny-n×Vy-q)/(m×Vy+p)=(Qy/Qx)2×△Px [7]
となる。また、Vy=(Qy/Qx)×Vxであるので、
Ny=(Qy/Qx)2×△Px×{m×(Qy/Qx)×Vx+p}+n×(Qy/Qx)×Vx+q [8]
となる。以下、この[8]式を第1関数とよぶ。
ファンモータ31bの回転数が回転数目標値に到達した後も前後差圧△Pが変動しなければ、その回転数が維持されるが、他の第2ユニット30の風量や、第1ユニット20の空気吐出圧が変化した場合に、前後差圧△Pが変動する。
△N=a×(Vy-Vx) [9]
となる。以下、この[9]式を第2関数とよぶ。
先ず、第2コントローラ52は、ステップS1において、第1コントローラ51から風量目標値Qyを受信したか否かを判定する。第2コントローラ52は、風量目標値Qyを受信したときにステップS2へ進む。また、第2コントローラ52は、風量目標値Qyを受信していないときにステップS6へ進む。
次に、第2コントローラ52は、ステップS2において、風量目標値Qyを実現する風速目標値Vyを算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS3において、風速目標値VyをステップS2で算出した値に更新する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS4において、ステップS3で更新された風速目標値Vyを実現するファンモータ31bの回転数目標値Nyを、第1関数を用いて算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS5において、ファンモータ31bの回転数目標値をステップS4で計算された値Nyへ更新する。第2コントローラ52は、回転数目標値をNyへ更新した後、ファンモータ31bの回転数が目標値になるように制御する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS6において、第2風量検出手段32の検出値を現在の風速Vxとして取得する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS7において、風速目標値Vyと現在の風速Vxとの差を算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS8において、前後差圧△Pを算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS9において、制御パラメータとしての係数aを算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS10において、ステップS7で算出した風速目標値Vyと現在の風速Vxとの差と、ステップS9で算出した係数aとを第2関数に適用して回転数変更量△Nを算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS11において、ステップS10で算出した回転数変更量△Nに基づき回転数目標値Nyを算出する。
次に、第2コントローラ52は、ステップS12において、回転数をステップS11で算出した回転数目標値Nyへ更新する。そして、第2コントローラ52は、ステップS1へ戻る。
(5-4-1)逆流の発生要因
ここで言う逆流とは、空気が第2ユニット30のケーシング33の吹出口33bから吸込口33aへ流れる現象である。
逆流が発生していないときは吸込口33aの圧力は吹出口33bの圧力よりも小さいが、逆流が発生しているときは吸込口33aの圧力は吹出口33bの圧力よりも大きくなる。それゆえ、圧力センサまたは指向性のある風速センサを用いれば簡単に逆流を検知することができるが、経済的負担が大きい。
図13は、第2コントローラ52が逆流を検知して逆流を解消する逆流検知制御のフローチャートである。図13において、第2コントローラ52は、ステップS21からステップS26までの制御フローを、図11のステップS1からステップS12までの制御フローと並行して行っている。以下、左第2ユニット30Lにおいて逆流が発生する、という前提で説明する。
左第2コントローラ52Lは、ステップS21において、現在のファンモータ31bの回転数Nxを取得する。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS22において、第2風量検出手段32の検出値を現在の風速Vxとして取得する。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS23において、現在の前後差圧△Pxを算出する。前後差圧△Pxは、[5]式に、回転数Nxおよび風速値Vxを代入することで算出することができる。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS24において、前後差圧△Pxが負の値であるか否かを判断する。左第2コントローラ52Lは、前後差圧△Pが負の値であると判断したときはステップS25へ進む。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS25において、ファンモータ31bの回転数を、現在の回転数Nxに所定比率Cを乗じたC×Nxまで上昇させる。比率Cの初期の設定値は1.05であるが、ユーザー側で設定変更することができる。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS26において、所定時間だけ待機してステップS21へ戻る。所定時間だけ待機させる目的は、ファンモータ31bの回転数を上昇させてから風速値が変化するまでの応答時間を確保するためである。所定時間の初期の設定値は1秒であるが、ユーザー側で設定変更することができる。
(6-1)第1変形例
図13に記載の制御では、第2コントローラ52は逆流を検知後、第2コントローラ52単独で逆流を解消しているが、第1変形例では、第1コントローラ51と協業して逆流を解消する
図14は、第1変形例に係る逆流検知制御のフローチャートである。図14において、図13との相違点は、ステップS25およびステップS26がステップ25xおよびステップS26xに置き換わった点である。
左第2コントローラ52Lは、ステップS25xにおいて、前後差圧△Pxが負の値であることを第1コントローラ51に通知する。具体的には、予め設定された「前後差圧△Pxが負の値である」ことを示す信号Pを第1コントローラ51に送信する。
左第2コントローラ52Lから信号Pを受信した第1コントローラ51は、前後差圧△Pxが負の値であるので、逆流が発生していると判断し、逆流を解消するために、新たに風量目標値Qyを再設定する。
しかし、右第2ユニット30Rの風量が増大したことにより、第1ユニット20の第1ファン21が押し出す力よりも、右第2ユニット30Rに引っ張られる力の方が大きくなったので、左第2ユニット30Lに逆流が発生したと推定される。
図13に記載の制御では、第2コントローラ52は前後差圧△Pxが負の値か否かで逆流が発生しているか否かを判断しているが、第2変形例では、ファンモータ31bの実際の回転数Nxと計算上の回転数との比較によって逆流が発生しているか否かを判断する。
左第2コントローラ52Lは、ステップS23yにおいて、u×Vx+vを算出する。Vxは現在の風速である。
次に、左第2コントローラ52Lは、ステップS24yにおいて、Nx-u×Vx+vが負の値であるか否かを判断する。左第2コントローラ52Lは、Nx-u×Vx+vが負の値であると判断したときはステップS25へ進む。
(7-1)
第2ユニット30では、第2コントローラ52が、回転数、風量または風速、および前後差圧の内の2つの値から残り1つの値を導き出す関係式に、リアルタイムで取得可能な回転数と風量または風速を代入して前後差圧を算出し、算出した前後差圧が、正常ならば起こり得ない範囲にある場合に逆流が発生していると判断する。それゆえ、高価な圧力センサ、指向性風速センサを用いることなく、逆流の発生を検知することができる。
第2コントローラ52は、算出した前後差圧の値が負か否かによって、空気の逆流の発生・非発生を判断することができるので、高価な圧力センサ、指向性風速センサを用いることなく、逆流の発生を検知することができる。
第2コントローラ52は、逆流が発生していると判断したとき、関係式に基づき算出する前後差圧が正の値になるまで、ファンモータ31bの回転数を増加させる。その結果、逆流が発生しない限界の回転数に設定することもできる。
第2コントローラ52は、逆流が発生していると判断したとき、関係式に基づいて、空気の流れが吸込口33aから吹出口33bへの流れに切り換わる、ファンモータ31bの回転数を決定する。その結果、逆流発生から逆流解消までの回復時間を、漸近的に回転数を上げて逆流を解消する方法よりも、短くすることができる。
空気処理システム10では、第2ユニット30が単独で逆流を解消する風量を設定しても、他の第2ユニット30の風量変化、第1ユニット20の風量変化によって再発する可能性が高い。それゆえ、第1ユニット20が2つの第2ユニット30の風量目標値を設定する場合、空気処理の対象空間100に必要な総風量を考慮した上で、逆流を回避する風量目標値を決定するので、逆流解消の信頼性が高い。
第1ユニット20では、第1コントローラ51は、第2コントローラ52から「前後差圧△Pxが負の値である」ことを示す信号Pを受信したとき、第1ユニット20のファンモータ21bの回転数を段階的に増加させる。その結果、第2ユニット30に与える吐出圧が上昇し、逆流が解消される。
上記実施形態では、第1ユニット20が第1ファン21を有しているが、必ずしも第1ユニット20が第1ファン21を必要とするものではない。本開示の風量制御は、ファンを有しない第1ユニットにダクトを介して接続される第2ユニットにも適用可能である。
図16は、他の実施形態に係るファンユニットを搭載した空気処理システム110の構成図である。図16において、空気処理システム110は、建物BLの一フロアの天井裏に配置されており、部屋の換気を行う。空気処理システム110は、空気処理ユニットとしての第1ユニット120と、給気ファンユニットとしての第2ユニット130と、排気ファンユニットとしての第3ユニット135とを備えている。
図17は、さらに他の実施形態に係るファンユニットを搭載した空気処理システム210の構成図である。図17において、空気処理システム210は、建物の一フロアの天井裏に配置されている。
(9-1)
上記実施形態および変形例では、第2風量検出手段32から取得した風速または風量に基づき、前後差圧を算出している。但し、第2ユニットの吸込口と吹出口にそれぞれ圧力センサを配置し、前後差圧値をセンサ値から計算し、前後差圧と回転数とから風速を求めても良い。
図7では、5つの前後差圧において、ファンモータの回転数を変化させた場合の、ファンの風速変化をみている。これは、回転数、風速、前後差圧の関係式を導くためのデータとして利用されるが、必ずしも5つの前後差圧におけるデータを必要とするものではなく、少なくとも3つの前後差圧におけるデータがあれば当該関係式を導き出すことができる。
上記実施形態および変形例は、第2ユニット30における前後差圧が正の値のときは空気が吸込口33aから吹出口33bへの流れ、前後差圧が負の値のときは空気が逆流する、という領域で扱われる。
20 第1ユニット(空気処理ユニット)
21 第1ファン(メインファン)
21b ファンモータ
30 第2ユニット(ファンユニット)
30L 左第2ユニット(第1ファンユニット)
30R 右第2ユニット(第2ファンユニット)
31 第2ファン(ファン)
31b ファンモータ
32 第2風量検知手段(第2取得部)
33 ケーシング
40 ダクト
41 主管(メインダクト)
42L 第1枝管(第1ダクト)
42R 第2枝管(第2ダクト)
50 コントローラ(制御部)
51 第1コントローラ(第3取得部)
52 第2コントローラ(第2制御部、第1取得部)
52L 左第2コントローラ(第2制御部、第1取得部)
52R 右第2コントローラ(第2制御部、第1取得部)
Claims (6)
- ダクトを介して所定のユニットに接続されるファンユニットであって、
回転数可変のファン(31)と、
吸込口および吹出口を有し、前記ファン(31)を収容するケーシング(33)と、
前記ファン(31)を駆動するファンモータ(31b)の回転数(Nx)を取得する第1取得部と、
前記ファン(31)の風量(Qx)または風速(Vx)を取得する第2取得部(32)と、
前記ファンモータ(31b)の回転数を制御する制御部(50)と、
を備え、
前記制御部(50)は、前記回転数(Nx)、および前記風量(Qx)または前記風速(Vx)に基づいて、或いは前記ケーシング(33)の前記吸込口と前記吹出口との空気の圧力差である前後差圧(△Px)に基づいて、空気が前記ケーシング(33)の前記吹出口から前記吸込口へ流れる逆流が発生しているか否かを判断する、
ファンユニット(30)。 - 前記制御部(50)は、前記回転数(Nx)、前記風量(Qx)または前記風速(Vx)、および前記前後差圧(△Px)の内の2つの値から残り1つの値を導き出す関係式に基づき、前記回転数(Nx)と、前記風量(Qx)または前記風速(Vx)とから算出した前記前後差圧(△Px)が負の値のとき、前記逆流が発生していると判断する、
請求項1に記載のファンユニット(30)。 - 前記制御部(50)は、前記逆流が発生していると判断したとき、前記関係式に基づき算出する前記前後差圧(△Px)が正の値になるまで、前記ファンモータ(31b)の前記回転数(Nx)を増加させる、
請求項2に記載のファンユニット(30)。 - 前記制御部(50)は、前記逆流が発生していると判断したとき、前記関係式に基づいて、空気の流れが前記吸込口から前記吹出口への流れに切り換わる、前記ファンモータ(31b)の回転数を決定する、
請求項2に記載のファンユニット(30)。 - 空気に対し所定の処理を行う空気処理ユニット(20)と、
前記空気処理ユニット(20)に接続されるメインダクト(41)と、前記メインダクト(41)から分岐する第1ダクト(42L)および第2ダクト(42R)とを含むダクト(40)と、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のファンユニットであって、前記第1ダクト(42L)に接続される第1ファンユニット(30L)と、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のファンユニットであって、前記第2ダクト(42R)に接続される第2ファンユニット(30R)と、
を備え、
前記制御部(50)は、前記空気処理ユニット(20)に設けられた第1制御部(51)と、前記第1ファンユニット(30L)および前記第2ファンユニット(30R)それぞれに設けられた第2制御部(52L,52R)を含み、
前記第2制御部(52L,52R)は、前記逆流が発生していると判断したときは、前記第1制御部(51)に第1信号を送り、
前記第1制御部(51)は、前記第1信号を受信したとき、前記第2制御部(52L,52R)に対して前記逆流を解消する前記第1ファンユニット(30L)および前記第2ファンユニット(30R)それぞれの風量目標値を決定する、
空気処理システム(10)。 - 前記空気処理ユニット(20)は、メインファン(21)を有し、
前記第1制御部(51)は、前記メインファン(21)を駆動するファンモータ(21b)の回転数を制御し、
さらに前記第1制御部は、前記第1信号を受信したとき、前記ファンモータ(21b)の回転数を段階的に増加させる、
請求項5に記載の空気処理システム(10)。
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