JPH0220903B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気密性能が要求される施設の各室に
おいて定風量、定圧力を維持できるようにした空
調設備に関する。

バイオハザードの物理的封じ込めのレベルであ
るP₃またはP₄レベルの実験室などの高度安全設
備、高レベル放射性廃棄物処理施設、実験動物飼
育室、などのような気密性能が要求される室また
は室の集合に対する空調設備としては、清浄空気
の給気と排気の浄化、並びに各室での定風量定圧
力の維持が基本的に重要となる。従来において
は、前者の清浄空気の給気と排気の浄化は給排気
系統に高性能フイルタを介装することによつて、
また後者には定風量弁（CAVユニツト）の設置
によつて対処されてきた。

しかし、高性能フイルタの使用中の目詰りによ
り風量が低下し、給排気風量のバランスで決まる
室間圧力の変動を引き起こすことになる（ダクト
系の圧力損失経時変化）。また、このような施設
では、室を連設するのが通常であり、このような
室間で一室だけ給排気を停止すると（例えば、除
染、洗浄、消毒などのため）、他の室に設定風量
よりも多くの給排気風量が分配され、定風量、定
風圧の維持が困難になる。

これに対処すべく、先述のように定風量弁を使
用しても、定風量弁はその制御性を高めるにはこ
の弁前後の差圧が高いことが必要となるが、気密
性能を要求する施設と言えども、室内差圧は高々
５mmAq程度であるのが通常であるから、その制
御性に問題がある。例えば、このような低い差圧
で定風量弁を操作すると、差圧対風量の特性に見
られるヒステリシスに起因して、わずかな差圧変
動で、本来風量の変化を解消するための弁が履歴
曲線の間を乗り変えるために、定風量を維持でき
なくなる。

このような原因により、定風量定圧力制御仕様
が守れないと、その結果として、各室で行われる
実験や操作に対して相互汚染の問題が発生するこ
とになる。

本発明はこのような問題の解決を目的としてな
されたもので、定量量弁を全く使用せずに、給排
気フアンの可変風量制御によつて、高性能フイル
タの目詰りによるダクト系の圧力損失経時変化や
一室だけの給排気の停止操作などがあつても、室
間の相互汚染を防止できる定風量定圧力を維持す
る制御システム（室間微差圧制御システム）を提
供するものである。

図面に従つて本発明設備の機器構成をまず説明
する。

第１図は一次隔離室内にさらに４室の二次隔離
室を連設した例を示す。各室は完全気密構造に構
成されているが、ドアからの出入その他により、
もしも室間に圧力差が存在すると、室相互の空気
の出入が生じて相互汚染が発生することになる。
本実施例において、給気系統と排気系統は相互に
独立している。給気系統は、風量可変給気フアン
１と、この給気フアン１の吐出側に設置された高
性能フイルタ２と、この高性能フイルタ２から各
室近傍にまで施設された給気主ダクト３と、給気
主ダクト３から各室の空気吹出口に接続される給
気分岐ダクト４と、からなつている。また、排気
系統は、風量可変排気フアン５と、この排気フア
ン５の吸込側に設置された高性能フイルタ６と、
この高性能フイルタ６から各室近傍にまで延びる
排気主ダクト７と、この排気主ダクト７と各室の
空気吸込口とをつなぐ排気分岐ダクト８とからな
つている。そして、給気分岐ダクト４の全てには
室間微差圧計１０をもつた給気ダンパ１１が介装
されており、また排気分岐ダクト８の全てには室
の使用状況検出センサー１２によつてON・OFF
する排気ダンパ１３が介装されている（なお、図
において、この８〜１３の機器は全ての室に設け
られているが、左から２番目の二次隔離室につい
てのみこの符号を付してある）。また、給排気両
系統の高性能フイルタ２と６のそれぞれに、その
入側と出側の差圧を検出するためのフイルタ差圧
検出器１４と１５が設置してある。給気フアン１
は可変速モータ１６によつてその風量の増減がコ
ントロールされ、排気フアン５も同じく可変速モ
ータ１７によつてその風量の増減がコントロール
される。なお、図において、２０はリレー盤、２
１は制御用マイクロコンピユータ（以下μコンと
略称する）、２２は可変速モータ制御盤を示して
いる。この可変速モータ制御盤２２は、励磁電流
調整器速度制御盤（渦電流継手制御方式）あるい
はトランジスタインバータ盤もしくは電流型サイ
リスタインバータ盤（周波数制御方式）などが使
用できる。また、室の使用状況検出センサー１２
は、当該室を使用しているか否かを検出するもの
であり、使用しているとは当該室に給排気を行い
室圧を制御している状況、つまり、その室で実験
作業や動物の飼育等が行われていることであり、
使用していないとは、その室が使用状態になく給
排気が停止されている状況、つまり、その室で実
験作業や動物の飼育等が行われていないことを意
味する。室の消毒作業等は給排気を停止した状態
で行うので消毒作業時等はその室は使用していな
い状況にあると検出される。実際には、この室の
使用状況検出センサー１２は室内に設置された例
えば点消灯付きのオンオフスイツチからなり、作
業員がそのスイツチを室内で人為的に操作するも
のであつてもよいし、中央管理室から遠隔操作で
きるものであつてもよい。また無人室に近い特殊
な室では、室内の作業設備や機械等の起動や停止
に連動して発停するスイツチであつてもよい。い
ずれにしても本明細書において「室の使用状況」
とは、その室の本来の使用目的である実験作業や
動物の飼育等が行われている室の使用状態と、本
来の使用目的である実験作業や動物の飼育等が行
われていない不使用状態との二つの態様を言い、
その検出とは使用状態にあるか不使用状態にある
かを択一的に検出することを意味する。なお第１
図の設備においては排気系の高性能フイルタ６を
排気フアン５の近傍に設置した例を示したが、放
射線物質や細菌などの処理室に本発明を適用する
場合などにあつては、この高性能フイルタ６を各
室の吸込口近傍に設置し、この吸込口近傍に設置
した高性能フイルターの差圧変化を検出できるよ
うにフイルタ差圧検出器を設置する構成としてお
けば、ダクトの汚染が防止でき、ダクトの補修取
替も容易に行うことができる。

以上の設備構成によつて、従来の如く定風量弁
（例えばCAVユニツト）を一切使用せずに、給排
気フアンの可変風量制御を行い、高性能フイルタ
の目詰りによるダクト系の圧力損失経時変化があ
つても、また一室だけの除染、洗浄、消毒等のた
めにその室の給排気を停止する操作時でも、室間
の設定差圧および風量を、以下に述べる制御によ
り、効果的に維持することができる。

Ａ 制御システムのシーケンス内容 (1) 各室の使用状態を代表する特性を監視する。
具体的には使用状況検出センサー１２によつて
その室が本来の使用目的である実験作業や動物
の飼育等が行われているか否かの使用状態を検
出する。

(2) 該センサー１２からの情報は、リレー盤２０
で受けて、μコン２１への入力信号とする。こ
の入力信号は無電圧接点信号とする。同時に対
応する各室の排気分岐ダクト８のオン・オフダ
ンパ１３を全開にする。このダンパ１３の作動
は無電圧接点信号で行う。

(3) 室内外微差圧は給排気風量のバランスで行う
が、特に差圧制御は給気分岐ダクト４のダンパ
１１の開度調節による。もし、このダンパ１１
の開度調節時、ダンパ１１が全開になる場合
は、全開リミツトスイツチの信号をリレー盤２
０で受けてμコン２１の入力信号とする。入力
信号は無電圧接点信号とする。

(4) 高性能フイルタ２，６の経時変化を測定し、
その圧損の経時変化倍率をフイードバツクする
ために、フイルタ差圧検出器１４，１５のアナ
ログ信号（４〜20mAの制御信号）をμコン２
１に送信する。μコン２１はこのアナログ信号
をスキヤンニングし、サンプリング制御で信号
を読み取る。フイルタ差圧値はスキヤンニング
によつて、10回のサンプリング値を平均する。

Ｂ 室間微差圧制御の演算 (1) 予め登録された各室の必要給排気風量に使用
状態を掛けてシステム全体の所要給排気風量を
演算する。

所要排気風量 Ｒ＝_i 〓ⁱ⁼¹ r_i×a_i 所要給気風量 Ｑ＝_i 〓ⁱ⁼¹ q_i×a_i＋Q_c r_i；各室の必要排気量 q_i；各室の必要給気量 a_i；各室の使用状態（使用している時＝１
使用していない時＝０） Q_c；補正風量 給気分岐ダクト４のダンパ１１の全開リミツト
スイツチが「ON」の場合は補正風量Q_cを給気風
量に加算し、「OFF」の場合は、Q_c＝０とする。
補正風量Q_cを加算した後の給気風量は、その都
度、給気フアン設計風量を越えていないことをチ
エツクする。

(2) 給排気系のダクト・フイルタ圧損の合計を所
要排気風量で演算する。

排気系統の最大（設計時）の圧損（ΔP_R0） ΔP_R0＝ΔP_R1＋ΔP_F1＋ΔP_R2 ただし、 ΔP_R1；各室吸込口からフイルタ６に至るダクト
の圧損 ΔP_F1；フイルタ６の圧損（最終許容フイルタ差
圧） ΔP_R2；フイルタ６から排気口２５までのダクト
の圧損 排気系統の所要圧損（ΔP_R） ΔP_R＝ΔP_R1＋M₁ ^t×ΔP_F1（Ｒ／R₀）＋ΔP_R2（Ｒ／
R₀）² ただし、 M₁ ^t；フイルタ６の圧損の経時変化倍率 R₀；最大（設計時）の排気風量 給気系統の最大（設計時）の圧損（ΔP_Q0） ΔP_Q0＝ΔP_Q1＋ΔP_F2＋ΔP_Q2 ただし、 ΔP_Q1；フイルタ２から各室吹出口に至るダクト
の圧損 ΔP_F2；フイルタ２の圧損（最終許容フイルタ差
圧） ΔP_Q2；空気取入口２６からフイルタ２に至るま
でのダクトの圧損 給気系統の所要圧損（ΔP_Q） ΔP_Q＝ΔP_Q1＋M₂ ^t×ΔP_F2（Ｑ／Q₀）＋ΔP_Q2（Ｑ／
Q₀）² ただし、 M₂ ^t；フイルタ２の圧損の経時変化倍率 Q₀；最大（設計時）の給気風量 (3) 給排気所要量に対する給排気フアンの回転数
を演算する。

排気フアン５の回転数（フイードフオワード制
御） N_R＝K_R×N_R0×（ΔP_R／ΔP_R0）^1/2 →４〜20mAの信号出力 N_R0；排気フアンの設計回転数 N_R；排気フアン５の所要回転数 K_R＝係数（排気フアン静圧と回転数の関係によ
り決まる係数 給気フアン１の回転数（フイードフオワード制
御） N_Q＝K_Q×N_Q0×（ΔP_Q／ΔP_Q0）^1/2 →４〜20mAの信号出力 N_Q0；給気フアンの設計回転数 N_Q；給気フアン１の所要回転数 K_Q＝係数（給気フアン静圧と回転数の関係より
決まる係数 (4) 所要の風量に対する最終許容フイルタ差圧
と、所要の風量に対する現状のフイルタ差圧計
算値とを決める。

最終許容フイルタ差圧 ΔP_F1 ^*＝ΔP_F1（Ｒ／R₀）…排気系 ΔP_F2 ^*＝ΔP_F2（Ｑ／Q₀）…給気系 ΔP_F1 ^*；排気系統フイルタ６の所要の風量に対す
る最終許容フイルタ差圧 ΔP_F2 ^*；給気系統フイルタ２の所要の風量に対す
る最終許容フイルタ差圧 現状のフイルタ差圧計算値 ΔP_F1 ^**＝M₁ ^t×ΔP_F1（Ｒ／R₀）＝M₁ ^t×ΔP_F1 ^* ΔP_F2 ^**＝M₂ ^t×ΔP_F2（Ｑ／Q₀）＝M₂ ^t×ΔP_F2 ^* ΔP_F1 ^**；排気系統フイルタ６の現状のフイルタ
差圧計算値 ΔP_F2 ^**；給気系統フイルタ２の現状のフイルタ
差圧計算値 (5) フイルタの圧損の経時変化倍率を、測定した
フイルタ差圧で修正する。

経時変化倍率（M₁ ^t+dt：フイルタ６の使用時間ｔ
＋dtにおける経時変化倍率） M₁ ^t+dt＝（測定フイルタ差圧）／（最大許容
フイルタ差圧）＝ΔP_F1 ^M／ΔP_F1 ^* 測定フイルタ差圧（ΔP_F1 ^M） ΔP_F1 ^M＝（計算フイルタ差圧）±（総合的偏差値） ΔP_F1 ^**±e₁（or e₂） （測定値）＜（計算値）とき，e₁ ΔP_F1 ^M＝ΔP_F1 ^**−（ΔP_F1 ^**−ΔP_F1 ^M） したがつて、 M₁ ^t+dt＝M₁ ^t−（ΔP_F1 ^**−ΔP_F1 ^M）／ΔP_F1 ^* （測定値）＞（計算値）のとき、e₂ ΔP_F1 ^M＝ΔP_F1 ^**＋（ΔP_F1 ^M−ΔP_F1 ^**） したがつて、 M₁ ^t+dt＝M₁ ^t＋（ΔP_F1 ^M−ΔP_F1 ^**）／ΔP_F1 ^* 以上は排気系について記したが給気系も同様。

(6) 偏差値が所定の誤差範囲に入るまで修正計算
を繰返し、計算値が収束後、給排気ダクト、フ
イルタの合計静圧を所要給排気量で演算する。

排気系圧損 ΔP_R＝ΔP_R1＋M₁ ^t+dt×ΔP_F1（Ｒ／R₀）＋ΔP_R2（Ｒ／
R₀）² 給気系圧損 ΔP_Q＝ΔP_Q1＋M₂ ^t+dt×ΔP_F2（Ｑ／Q₀）＋ΔP_Q2（Ｑ／
Q₀）² (7) 所要給排気量に対する給排気フアンの回転数
を演算する。

排気フアン５の回転数（フイードバツク制御） N_R＝K_R×N_R0×（ΔP_R／ΔP_R0）^1/2 →４〜20mA信号出力 給気フアン１の回転数（フイードバツク制御） N_Q＝K_Q×N_Q0×（ΔP_Q／ΔP_Q0）^1/2 →４〜20mA信号出力 Ｃ 前記演算をμコンによつて行う場合のフロー
チヤートを第２〜５図に示す。

フローは大別して、起動時動作、定常時動作、
経時変化倍率変更動作に分類できる。

(1) 起動時動作（μコンの電源を投入した時） ・ 室の使用状態を監視する。

・ 給気系のダンパ１１のリミツトスイツチの状
態を監視する。

・ 室の使用状態に対応する所要風量を決定し、
フイードフオワード制御でフアンの回転数を決
める。

・ 予め運転されたフアンの回転数での各ダク
ト・フイルタの圧損からフイルタ差圧を検出し
て、演算値とのズレを偏差として最高５回の繰
返し計算でフイルタの経時変化倍率を決定した
後、フイードバツク制御でフアンの回転数を決
める。

(2) 定常時動作 起動時動作後、タイマーを作動させ、一定時間
のあいだ（例えば１時間）経時変化倍率を一定と
して室の使用状態、ダンパ１１のリミツトスイツ
チの状態を監視し、対応するフアンの回転数で運
転する。

(3) 経時変化倍率変更動作 定常時運転のタイマ（前例では１時間）終了
後、経時変化倍率を測定値と計算値のズレから検
出し、変化倍率を入れ替える。

例 １ 前記Ｂ項の「室間微差圧制御の演算」におい
て、数式中の記号並びに室の使用状態の意味を明
確にするために、室の数が２である場合を例とし
てその演算例を以下に示す。

・ Ｂ−(1)項の計算 (a) 室の数を２部屋とする。 ｉ＝１と２ 各部屋の必要排気量 r₁＝100m³／分 r₂＝200m³／分 各部屋の必要給気量 q₁＝100m³／分 q₂＝200m³／分 部屋が使用されているか不使用かは、センサー
１２で検出又は知らせる。例として、No.１の部屋
を使用していないとすると、a₁＝０、a₂＝１とな
る。ここで、補正風量Q_c＝０m³／分としておく、 所要排気風量 Ｒ＝_i 〓ⁱ⁼¹ r_i＋a_i ＝（r₁＋a₁＋r₂×a₂） ＝100×０＋200×１ ＝200m³／分 所要給気風量 Ｑ＝_i 〓ⁱ⁼¹ q_i×a_i＋Q_c ＝（q₁×a₁＋q₂×a₂）＋Q_c ＝100×０＋200×１＋０ ＝200m³／分 ・ Ｂ−(2)項の計算 (b)例として排気系統のダクト・フイルタの圧力損
失を次のようにする。

各室吸込口からフイルタ６に至るダクトの圧損 ；ΔP_R1＝30mmH₂O フイルタ６の圧損 ；ΔP_F1＝50mmH₂O フイルタ６から排気口２５までのダクトの圧損
；ΔP_R2＝40mmH₂O なお、ダクト・フイルタの圧力損失は(a)で示し
た２部屋が全部使用されているものとして設計さ
れている。

設計排気量R₀＝100＋200＝300m³／分 設計ダクト圧損ΔP_R0＝30＋50＋40＝120mmH₂O ところが、No.１の部屋が使用されていないので
所要ダクト（排気側）の圧損は、 ΔP_R＝ΔP_R1＋M₁ ^t×ΔP_F1（Ｒ／R₀）＋ΔP_R2（Ｒ／
R₀）² ＝30＋0.5×50（200／300）＋40×（200／300）²＝
64.4mmH₂O ここで、M₁ ^tはフイルタ６の経時変化倍率を
M₁ ^t＝0.5とする。

(c)同様にして給気系統のダクト・フイルタの圧損
を求めることができる。

フイルタ２から各室吹出口に至るダクト圧損 ；ΔP_Q1＝25mmH₂O フイルタ２の圧損；ΔP_F2＝25mmH₂O 空気取入口２６からフイルタ２に至るダクト圧
損 ；ΔP_Q2＝50mmH₂Oとすると 設計給気量Q₀＝100＋200＝300m³／分 設計ダクト圧損ΔP_Q0＝25＋50＋55＝130mmH₂O 所要ダクト（給気側）の圧損は、 ΔP_Q＝ΔP_Q1＋M₂ ^t×ΔP_F2（Ｑ／Q₀）＋ΔP_Q2（Ｑ／
Q₀）² ＝25＋0.5×50×（200／300）＋55×（200／300）² ＝66.1mmH₂O ・ Ｂ−(3)項の計算 (d) 排気フアン５の回転数は、設計時の回転数を
Ｎ＝_R0＝1000rpmとすると、 N_R＝K_R×N_R0×（ΔP_R／ΔP_R0）^1/2 ＝１×1000×（64.4／120）^1/2 ＝732.6rpm 制御信号のスパンを４〜20mAとして、
1000rpmを制御信号（20mA）で出力すると、
732.6rpmでは４＋16×（732.6／1000）＝
（15.72mA）を出力する。

(e) 給気フアン１の回転数は同様に設計時の回転
数をN_Q0＝1000rpmとすると、 N_Q＝K_Q×N_Q0×（ΔP_Q／ΔP_Q0）^1/2 ＝１×1000×（66.1／130）^1/2 ＝713.1rpm 制御信号のスパンを４〜20mAとして、
1000rpmを制御信号（20mA）で出力すると、
713.1rpmでは４＋16×（713.1／1000）＝15.41mA
を出力する。

ここで、K_R，K_Qはいずれも１としたが、比例
定数であるので、K_R＝１，K_Q＝0.9と設定してフ
アンの風量バランスを取る時に使用する。

・ Ｂ−(4)項の計算 前記(b)と(c)の計算でM₁ ^tは0.5として計算した
が、フイルタにはゴミが目詰まりして、最終的に
フイルタ差圧50mmH₂Oまで使用できるというよ
うな設計である。新しいフイルタは例で示したよ
うに25mmH₂Oであるが、測定値として、ΔP₁ ^M＝
17mmH₂Oであれば、 最大許容フイルタ差圧 ΔP_F1 ^*＝50×（200／300）＝33.33mmH₂O 現状のフイルタ差圧計算値 ΔP_F1 ^**＝0.5×50×（200／300）＝16.65mmH₂O であるので、 経時変化倍率の修正値は次のように計算され
る。

M₁ ^t+dt＝0.5＋（17−16.65）／33.33 ＝0.51 以上Ｂ−(4)項の計算が終わると(a)の計算にもど
り計算が続く。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の空調設備の１例を示す機器配
置系統図、第２〜５図はいづれも、第１図設備に
おける室間微差圧制御を実施する場合のμコンに
よる制御フローチヤートである。 １……給気フアン、２……高性能フイルタ、３
……給気主ダクト、４……給気分岐ダクト、５…
…排気フアン、６……高性能フイルタ、７……排
気主ダクト、８……排気分岐ダクト、１０……室
間微差圧計、１１……ダンパ、１２……室使用状
況センサー、１３……オン・オフダンパ（リミツ
トスイツチ付）、１４，１５……フイルタ差圧検
出器、１６，１７……可変速モータ、２０……リ
レー盤、２１……制御用マイクロコンピユータ、
２２……可変速モータ制御盤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 給気フアン１の吐出側に高性能フイルタ２を
   設置し、この高性能フイルタ２から給気主ダクト
   ３を施設し、この給気主ダクト３から各室の吐出
   口に通ずる給気分岐ダクト４を施設してなる給気
   系統と；排気フアン５の吸込側に高性能フイルタ
   ６を設置し、この高性能フイルタ６から排気主ダ
   クト７を施設し、この排気主ダクト７から各室の
   吸込口に通ずる排気分岐ダクト８を施設してなる
   排気系統と；からなる空調設備において、前記給
   気分岐ダクト４の各々に室間微差圧計付きダンパ
   １１を介装すると共に排気分岐ダクト８の各々に
   室の使用状況に応じて開閉するオン・オフダンパ
   １３を介装し、高性能フイルター２と６の各々の
   入側と出側の差圧を検出するためのフイルタ差圧
   検出器１４と１５を設置し、前記給気フアン１お
   よび排気フアン５を可変風量送風機を使用すると
   共に、これら給気フアン１および排気フアン５の
   風量の制御を、各室の使用状況およびフイルタの
   圧損経時変化に基づいて行うためのマイクロコン
   ピユーターを付設してなる室間微差圧制御空調設
   備。