JPH07505213A - 暖房，換気および空調システムにおける換気率および室内空気品質を制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 暖房、換気および空調システムにおける換気率および室内空気品質を制御する方 法および装置光肌Ω宜景 本発明は一般的には暖房、換気および空調システム（ＨＶＡＣ）における換気率 および室内空気品質を制御する方法および装置に関する。さらに詳細には、本発 明は微量ガス濃度感知を用いてＨＶＡＣシステムにおける室外空気流量を制御す る方法および装置に関する。

室内空気品質は問題なく必要な重要性を有する課題である。例えばオフィス・ス ペース等の建物の居住者が健康問題についてますます関心もちかつそれを意識す るようになってきているのみならず、技術的協会が許容室内空気品質のための最 低換気率を特定する基準を最近発行している。例えば、アメリカ暖房、冷房およ び空調技術者協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｈｅａｔｉｎｇ 、　Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ 　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、　Ｉｎｃ、　（ＡＳＨＲＡＥ））が「許容室内空気品質 のための換気」と題するＡＳＨＲＡＥ基準６２−１９８９を発行した。ＡＳＨＲ ＡＥ基準は一般に安全管理を示唆することによって産業界および一般大衆を援助 するために確立されているものであるが、それに合わせることはまったく随意で ある。とは言っても、この基準はＡＳＨＲＡＥの賛助の下に開発されたものであ り、その基準に含まれた課題についての関係各位が到達した合意を反映している 。

さらにＡＳＨＲＡＥ基準６２−１９８９のような多くのＡＳＨＲＡＥ基準は各地 のビルディング・コード（ｌｏｃａｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｃｏｄｅｓ）に早急 に取入れられるようになりつつある。

ＡＳＨＲＡＥ　６２−１９８９は室内に許容空気品質を室内に確保するための他 の手順、すなわち換気率手順および室内空気品質手順を指定している。許容空気 品質は指定された品質と量の換気空気を所定の空間に与えることによって換気率 手法に従って得られる。同様に、許容空気品質は既知の指定可能な汚染物質を制 御することによって室内空気品質手法に従ってその空間内で得られる。

さらに詳細には、ＡＳＨＲＡＥ　６２−１９８９は居住、会館および商業用の施 設に対する許容室内空気品質のために必要とされる許容外気の供給率を規定する 。その基準に示されているように、供給率は安全性の十分な余裕を含んでおりか つ人間のあいだの健康の変化を４酌する。°これらの率は特に環境のタイプ（す なわち喫煙室、オフィス・スペース）および居住者の数の関数である。換気のた めの５Ｓ）ＩＲＡＥ外気要件は、要求された許容外気の最低の所定供給量として １人当り約１５（例えば喫煙室で）から約６０立方フイート／分の範囲である。

室内空気品質も特に外気の品質、囲まれた空間の形状、換気装置の設計および保 守、ならびに汚染物質源の存在および強度を含む多くの変数の関数である。適切 に設計された換気装置は許容レベルの室内空気品質を維持するためにはこれらの 変数のすべてを糾酌しなければならない。

多くのスペース汚染物質源が存在する。人間と人間の活動が多くの種類の有機お よび無機化学物質を放出する。化粧用品、複写機、および他のオフィス用装置が 化学物質を放出する。菌性物質の成長が空気中に胞子を放出する。溜まった水が バクテリアを増殖する。事務室用家具、間仕切り、塗料、ジュータンおよび清掃 剤が化学物質を空気中に放出する。低級な壁および床における亀裂がラドンガス が建物に入り込むのを許容する。

外気自体が望まれない汚染物質源となりうる。これは大きな混雑した都市領域に ある建物に対して、あるいは外気の取入れ場所が荷積みドック、ガレージの近く またはビルの排気口の近くにある場合に特に言えることである。

はとんどの空気源汚染物質が下記の物質のうちの１つとして分類され得る。すな わち、粒子状物質、無機化合物、揮発性有機化合物あるいは微生物およびそれら の副産物。粒子状物質は特に煙草の煙、塵埃等を含む。無機空気汚染物質は二酸 化炭素、−酸化炭素、二酸化窒素、オゾンまたはラドンのようなガス、ならびに 粒子状のアスベストまたはガラスファイバを含む。揮発性有機化合物は例えば清 掃剤、化粧用品、家具、カーペット、接着剤、塗料および人間によって発生され るものを含む。

上述のように、換気率要件に合致する１つの許容モードは安全レベル以下の有害 物質を測定しかつ制御することによる（ＡＳＨＲＡＥ屋内空気品質手順で与えら れるような）。しかし、この方策は、すべての汚染物質を考慮するので本質的に 非常に厳密であり、かつ潜在的な室内汚染物質の何千もの組合せに対する安全濃 度レベルについての知識が不十分であるから実施が困難である。さらに、これら の汚染物質のすべてをモニタするためのセンサを購入することは現在ではコスト 的に効果的ではない。

換気要件を満たす他の許容モードは換気空気流量をそれが所定の率に調整され得 るように連続的に測定することである。１つの公知のやり方は、すべての動作モ ードにおいて十分な流れ調整を確保することが期待される屋外取入れ空気ダンパ に対する固定した最少位置を設定することである。しかし、観察された結果は定 容量ファン装置におけるようなある種の場合においては単に限界に許容され得る にすぎず、殆どの可変空気容量方式では許容され得ない。

したがって、ある空間に所定の量の換気空気が供給されるようにするためには、 換気空気流量の測定および閉ループ制御が非常に望ましい。しかし、換気空気流 量の測定を正確に行うのは非常に困難でかつ高価である。

例えば、換気空気（すなわち外気）流量は空気流量計を用いて測定することがで きる。空気流量を測定するための最も一般的な技法はピトー管空気流ステーショ ンである。このようなステーションは一般にピトー管の固定アレイを含む。これ らのステーションにおけるピトー管は空気がチューブのまわりを通過するときの その空気の速度圧を感知する。対応する空気速度は公知の態様で速度圧に関係し ている。外気流を測定するためには、これらの流れステーションは通常、最高空 気速度が一般に５００ｆｔ／ｍｉｎ以下である外気取入れ口の近くに設置される 。５００ｆｔ／ｍｉｎに関連した速度圧はＷ、Ｃ，で０．０１６（４Ｐａ）にす ぎないから、ピボットチューブ信号を評価するために必要とされる差圧トランシ ミツタの出力における非常に小さな誤差が計算される空気速度に非常に大きな誤 差を生ずるおそれがある。この理由のために、ピトー管ステーションは一般に、 オートゼロイング（ａｕｔｏ−ｚｅｒｏｉｎｇ）機能を有する例外的に正確な差 圧トランスミッタが設置されないかぎり、８００ｆｔ／ｍｉｎ　（４，１ｍ／ｓ ）より低い空気速度には対処でない。不都合なことには、このタイプのトランス ミッタに伴うコスト高は多くの設置において許されないであろう。したがって、 ホト−管空気流ステーションは典型的な外気取入れ口構成で設置された場合には 所要の感知精度を与えることができない。

それより一般的でないタイプの空気流ステーションは空気流を測定するために熱 的に感応する抵抗（被加熱サーミスタ）のアレイを利用する。サーミスタに電圧 が印加されると、空気速度、空気温度および電力消費間の関係が決定され得る。

このような量は一般にマイクロプロセッサを用いて決定される。これらのステー ションは５００ｆｔ／ｍｉｎ以下の空気速度を正確に測定することができる。し かし、低い空気流量におけるこれらの装置の高感度のために、低レベルの乱流が 空気流測定の精度に悪影響を及ぼすおそれがある。不都合なことには、外気取入 れ口は通常非常に乱流性の高い環境である。さらに、複雑なフィールド構成手順 が用いられなければならず、かつ変化する空気温度の効果を正確に補償すること は困難な場合が多い。したがって、熱空気流ステーションは外気流量を正確に直 接測定する問題に対する非常に優れた解決策ではない。

あるいは、外気または還気流が断熱的に混合された場合には、外気、還気および 混合空気の測定温度に基づいて換気空気流量を計算するために質量およびエネル ギ保存の法則が利用され得る。

例えば、外気流量（ＣＦＭ、、）は外気の温度（Ｔ、、）　、還気の温度（Ｔ、 、）　、混合空気の温度（Ｔ−、）　、ならびに混合空気流量（ＣＦＭ。

、）に基づいて欠きの関係式に従って決定され得る。

ＣＦＭ、、　＝　（Ｔ、、　−Ｔ、、）／Ｔ、、　−Ｔ、、）・ＣＦＭ、。

図１に示された典型的なファン装置レイアウトが上記の式を実施するために用い られ得る。Ｔｅａ、ＴｅａおよびＣＭＦ、、を測定するためのトランスミッタお よびセンサは図１に示されているように位置決めされるのが有益である。しかし 、Ｔ１．とＴａｇの差はが小さくなる場合には、ＴｒｍあるいはＴ６．のいずれ かの測定における小さい誤差でも計算される外気流量に非常に大きな誤差を生ず るおそれがある。±１°Ｆの温度感知誤差が産業界の基準であるかぎり、還気お よび外気温度間の差が１０６Ｆ以下である場合には許容できない測定値が得られ ることになる。外気と還気の温度差が１０度以下である場合には、殆どの環境が 大きな時間周期を有する。したがって、温度に基づいた熱エネルギ均衡は外気流 量を計算するための限界的に許容しうる方策であるにすぎない。

マルチポイント・サンプリング・プローブ（ｍｕｌｔｉ−ｐｏｉｎｔ　ｓａｍｐ ｌｉｎｇ　ｐｒｏｂｅ）も知られている。例えば、ゲールガーに対して１９６８ 年２月２０日に発行された米国特許第３３６９４０５号は多数の点からの同時サ ンプリングのためのサンプリング方式を開示している。サンプルは別々の容器に 貯蔵され、そして分析のためにアナライザに順次送られる。さらに、スミス外に 対して１９７８年５月２３日に発行された米国特許第４０９０３９２号は多数の サンプルについての順次的な分析を与える自動ガス・アナライザ方式を開示して いる。多数のサンプル・チューブとベント・ラインが、原子吸収スペクトロフォ トメータの形態のサンプル・アナライザの近傍の１つの点における新しいサンプ ルを表面上確保するために利用される。三方制御弁の形態をしたマルチプレクサ がサンプルをアナライザに順次的に通すために利用される。アナライザのオート ゼロおよびオートスパン調節のためのサンプル・インプットの使用も開示されて いる。大きいダクトおよびパイプにおけるガス・サンプリングのための類似のシ ステムがホール外に対して１９７７年１０月４日に発行された米国特許第４０５ １７３１号に示されている。

しかし、これらの方式は何れも、例えば屋内空気品質基準に対する適合を確保す るために必要とされるような外気、換気空気の流量を測定するための正確で間接 的な方法および装置を提供しない。したがって、換気レートおよび屋内空気品質 を制御するための正確でかつ信頼できる方法および装置を提供するするという長 い間感じられていてこれまで未解決の必要性が存在する。

発見ＦとＬ約 本発明は上述の技術の限界および難点を克服する外気、換気空気の流量を測定す るための正確で、間接的な方法および装置を提供する。本発明は、構造物に混合 空気を供給するための供給ダクト、還気をシステムから抽出するためのリターン ダクト、供給ダクトに還気を再循環させるための再循環ダクト、および外部の環 境と換気システムの間で空気を取入れるためあるいは通気するための取入れおよ び排出ダクトを具備した構造物のための換気システムに特に提供される。

本発明がこれを達成する態様は好ましい実施例の説明に関連して詳細に記述され るであろう。しかし、一般に、本発明の方法および装置は還気中のトレーサガス の濃度と供給空気中の濃度との差と還気中のトレーサの濃度と外気中の濃度の差 との比から外気（メークアップ）の流量を間接的に決定する。正確でかつ首尾一 貫した測定値を確保するために、自動較正方法および装置も開示される。

さらに、種々のトレーサガス濃度レベルを順次感知するように適当に構成された 単一のセンサを利用する外気流量計算の精度を高めるための方法および装置も提 示される。このよういして、従来のセンサに内在する感知誤差が最小限に抑えら れるかあるいは除去される。

本発明の好ましい実施例によれば、メークアップ流体と還流体の混合流体をある 容積内に循環させるために利用されているメークアップ流体の流量を決定するた めの方法および装置が提供される。この装置はメークアップ流体の１つの成分を 感知しかつそのメークアップ流体成分を表わす第１の出力を与え、還流体の同じ 成分を感知かつその還流体成分を表わす第２の出力を与え、そして供給流体の同 じ成分を感知しかつその供給流体成分を表わす第３の出力を与える少なくとも１ つのセンサを具備している。この装置はまた、上記容積内に供給流体を導入する ための循環装置をも具備している。このようにしてメークアップ流体の流量は第 ２の出力と第３の出力の差と第２の出力と第１の出力の差との比から決定され得 る。

本発明はまた、構造物内に外気と還気よりなる混合空気を循環させるためのシス テム内に導入される外気の流量を決定する方法をも提供する。この方法は、構造 物内で供給空気を循環させ、構造物から還気を除去し、還気の少なくとも一部分 をシステム中に再循環させる工程を含む。還気中の１つの成分の濃度が測定され 、そして還気成分濃度が得られ、外気中の同じ成分の濃度が測定されそして外気 成分濃度が得られ、そして供給空気中の同じ成分の濃度が測定され、そして供給 空気成分濃度が得られる。外気の流量が還気成分濃度と供給空気成分濃度の差と 還気成分濃度と外気成分濃度の差との比から決定される。

本発明はさらにまた、構造物内で供給空気を循環させるためにシステム中に導入 される外気の量を制御するための装置であって、取入れ制御手段、再循環制御手 段、外気センサ手段、還気センサ手段および供給空気センサ手段を具備するタイ プの装置を使用する方法をも提供する。この方法は供給空気センサ手段および還 気センサ手段を較正しかつ取入れ制御手段を開き、再循環制御手段を閉じ、供給 空気センサ手段を外気センサ手段に対して較正し、再循環手段を開き、そして還 気センサ手段を供給空気センサ手段に対して較正する工程を含む。

本発明の１つの態様に従って用いられる多数のセンサを較正するための制御シス テムも提供される。

区血立皿里ム説皿 本発明の好ましい実施例が添付図面に関連してこの後で説明されるが、添付図面 では同一の数字は同一の要素を示している。

図１は典型的な空気循環システム・レイアウトを示し、従来技術の１つの態様を 示している。

図２は本発明にようる空気循環システム・レイアウトを示している。

図３は空気循環システム・レイアウトを示し、ビルディング排気口からビルディ ング外気取入れ口への空気の短いサイクリングを示している。

図４は本発明が本発明の第１の好ましい実施例に従ってハードウェア形式で実施 されうる態様を示す概略図である。

図５は本発明が本発明の他の好ましい実施例に従って実施されつる態様を示す概 略図である。

図６は本発明が好ましい実施例に従って実施されうる態様を示す概略的な制御ロ ジック図である。

図７は単一センサ実施例を示す概略図である。

図８はゼロ・シフト誤差のグラフである。

図９はスパン・シフト誤差のグラフである。

図１０は本発明の１つの態様の多重化された単一センサ実施例を示す概略図であ る。

図１１は図１０に示されたマルチプレクサの他の好ましい実施例の詳細な概略図 である。

図１２は図１０および１１に示されたマルチプレクサに関するタイミング・シー ケンスのグラフである。

しい　の−　な１日 図２および３を参照すると、実施例の暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）空気流 回路２００は、外気ダクト２０２、供給空気ダクト２０４、還気ダクト２０６、 および再循環ダクト２０８を適当に具備する。通常の運転時には、外気が外気ダ クト２０２を通じて引き込まれ、外気が再循環ダクト２０８からの再循環される 空気と混合され、本明細書中で「供給空気」と呼ばれている外気と再循環空気と の混合物を生ずる。供給空気は供給空気ダクト２０４を通じて占有空間内に引き 込まれる。

還気は占有空間から還気ダクト２０６を通じて引かれる。還気ダクト２０６内の 空気の一部分が再循環空気ダクト２０８内に送られ、そして外気と混合されて供 給空気を生じ、再循環ダクト２Ｏ８内に送り込まれない還気ダクト２０６内の還 気の部分がシステムから排出される。

ＡＳＨＲＡＥ基準６２−１９８９のような適当なＡＳＨＲＡＥ基準に適合しかつ ビル居住者の全般的な快適さと健康を一般的に維持するために、供給空気を構成 する外気の量を制御することが望ましい。実際に、その地方のビルディング・コ ードにＡＳＨＲＡＥ基準６２−１９８９を採用した地方自治体では、ビル管理者 は供給空気中に予め定められた最小限のレベルの外気を維持することを要求され る。

前述のように、建物内への外気の容積流量は一般に、特に建物（例えば、オフィ ス用、産業用、住宅用の）内における環境の種類およびその建物内における居住 者の数の関数である。例えば、オフィス用建物に対するＡＳＨＲＡＥ基準は一人 当り２０立方フィート／分（ＣＦＭ）を必要とする。したがって、１００人の人 間が１つの特定のオフィス用建物内にいることが予想される場合には、２　、　 ＯＯＯＣＦＭの外気容積流量が維持されなければならない。建物の居住者数は変 動するから、例えば人が通常仕事のために到着する早朝時、昼休み時および人が 建物を去ることが多いその日の終業時には、所望の外気容積流量がそれに応じて 変動する。したがって建物の管理者は、適用可能なＡＳＨＲＡＥ基準をエネルギ の面で、したがってコストの面で効率的な態様で満足する必要性をもって、望ま しい温度、湿度および粒子濃度を維持することのような他の種々の配慮に所望の 外気容積流量を調和させなければならない。

本発明者等は、特にＨＶＡＣシステム２００内の種々の点におけるトレースまた はトレーサ（テスト）ガスの濃度に基づく外気容積流量の間接的な決定を可能に する質量均衡関係を提案した。

さらに詳細には、本発明の１つの態様によれば、非毒性で、生理的に無害のトレ ース・ガスが空気タクト２０６内の還気内に注入されうる。使用される特定のト レース・ガスは、外気中に既知の、一般に一定の濃度を有するもの、あるいは外 気中にはまったく存在しないものでなければならない。

還気中に注入されるトレース・ガスが還気内に均一に分布されているとすると、 再循環ダクト２０８内のトレース・ガスの濃度は還流ダクト２０６内のトレース ・ガスの濃度と同じになるであろう。外気中のトレース・ガスの濃度は既知であ るか、あるいは容易に決定され得るから、供給ダクト２０４内のトレース・ガス の濃度は供給導管２０４内における外気と（再循環される）還気の比を表わす。

下記の式がこの関係を示している。

ＣＦＭ、、＝　（Ｇ、、−Ｇ、、）／（Ｇ、、　−Ｇ、、）・ＣＦＭ、、　式（ １）ただしＣＦＭ、、およびＣＦＭ、、はそれぞれ外気（Ｏａ）および供給空気 （ｓａ）の容積流量（毎分当りの立方フィートで）に対応し、Ｇｒａは還気のト レース・ガス濃度に対応し、そしてＧｏｓは外気中のトレース・ガスの濃度に対 応する。

本発明者等は、人間が呼吸時に発生する二酸化炭素（ＣＯＷ）が多くの理由で特 に有用であることを決定した。例えば、外気のω２濃度は短い期間にわたってか なり一定であり、かつ米国全体にわたって場所に応じて約３７０から４４０パー ツ・パーミリオン（ｐｐｍ）の範囲、一般には約４００　（ｐｐｍ）とかなり均 一である。

したがって、ＨＶＡＣシステム２００内への外気の容積流量は、容易に直接測定 される供給空気の容積流量、および還気ｃｏ、濃度と供給空気ＣＯ１濃度の差と 還気ＣＯ７濃度と外気ｃｏ、濃度の差との比の関数として決定されうる。

ＣＦＭ、、＝（ＣＯｉ　ｒａ　−ＣＯｉ−）／（Ｃｏｔ　−−−Ｃ０２−）　・ ＣＦＭ、。

式（２） ただしＣＦＭ、、およびＣＦＭ、、は上記に定義されたものであり、ｃｏ、　ｒ ｅは還気中のＣＯ８濃度に対応し、ＣＯ，、、は供給空気中のＣＯ２濃度に対応 し、そしてＣＯ３，は外気中のＣＯ２濃度に対応する。

図２を続けて参照すると、供給空気容積流量センサ２１０は、還気と外気が互い に混合される点から十分な距離をもって供給ガツト２０４内に配置され、それに よってセンサ２１０の近傍における供給ダクト２０４の断面積全体にわたって実 質的に一定の空気速度（したがって速度圧）を確保するようにすることが有益で ある。

次に図３を参照すると、当業者は、図３において点２０６Ａで示されている還気 が建物から排出される点が、点２０２Ａで示されている外気がシステムに引き込 まれる点に接近して位置決めされることが多いことを理解するであろう。このよ うな設置では、点２０６Ａにおいて還気ダクト２０６から排出される還気は、取 入れ点２０２Ａに゛おいてシステム内に再度取入れられるが、この現象はショー ト・サイクリングとして知られている。ショート・サイクリングが起こると、外 気ダクト２０２に入る外気は実際に真の（新鮮な）外気と排出された還気との組 合せである。還気排出グリルが外気取入れグリルに近接している設備では、十分 なショート・サイクリングが生ずる。

本発明の１つの態様によれば、式（２）に示された質量流量関係が図３に示され たショート・サイクリング現象にも適用されうる。特に、図３の点Ｂにおける分 析は下記の関係式を与える。

ＣＦＭｔ−＝（Ｃｏｗ　−−−Ｃｏｔ。、）／（ＣＯｉ　ｒａ　−Ｃｏｔ　＋− ）・ＣＦＭ、。

の還気を含んでいない外気の容積流量に対応し、ＣＦＭ、、は新鮮な空気とショ ート・サイクリングの還気との混合物の容積流量に対応し、ＣＯ□１．は還気の Ｃ０２濃度に対応し、ｃｏ、　Ｉｍは新鮮な空気（ショート・サイクリングの還 気と混合していない）のＣＯ２濃度に対応し、モしてＣＯ□。、は外気、すなわ ちショート・サクリングを生じた還気と混合していない新鮮な空気のＣＯ２濃度 に対応する。式（２）および（３）が結合されかつ簡単にされると、式（４）が 得られる。

ＣＦＭｒ−＝　（Ｃｏ２ｒｅ　−Ｃ０２−）／ＣＯ２−、−ＣＯ２＋−）・ＣＦ Ｍ、。

式（４） 建物に入る新鮮な空気の量は式（４）によって計算することができる。供給ダク ト２０４に入る新鮮な外気のパーセンテージは式（４）における差の比によって 下記のようにして計算され得る。

％ＦＯＡ　＝　（Ｃｏｔ　、、　−ＣＯｓ　、、）／（Ｃｏ２ｒｅ　−Ｃｏｗ　 （−）　式（５）ただし、％ＦＯＡはシステムに入る新鮮な（ショート・サイク リングうけていない）外気のパーセンテージである。

直接流量測定技術は、それが典型的に空気速度および／または圧力をモニタする 限りにおいて、排気流と外気流との間のまたは還気流と混合気流との間の空気シ ョート・サイクリングの効果を検知または補償することはできないことに注目す ることが重要である。

さらに、外気中には存在しないまたは外気中では時間的に実質的に一定であるト レーサ・ガスが用いられている場合には、式（４）に関しては還気と供給空気中 のみのＣＯ２濃度をモニタすうるだけで十分である。可変のｃｏ、　ｆａの代り に既知の値が挿入されるだけでよい。

新鮮な外気のパーセンテージは式（５）中の比に等しいから、新鮮な外気の流量 は、この比に供給空気の流量を掛は算することによって（すなわち式（４））決 定され得る。前述のように、例えば環境要因（風、雪、雨、デブリ）によって必 要とされる低い新鮮な空気の取入れ速度のような要因に基因して、供給空気流量 は通常新鮮な空気の流量よりも遥かに容易に決定される。さらに、新鮮な空気の ダクトの長さが通常短いために、その新鮮な空気のダクト内に乱流性の圧力およ び速度特性を生ずる。それとは対照的に、供給空気ダクトはそれより高い空気速 度を有しており、通常は新鮮な空気ダクトより長さが相対的に長いので、供給ダ クトは空気圧（したがって空気速度）を相対的に容易に感知できるようにする流 れストレートナとして機能する。

次に図４を参照すると、本発明の好ましい実施例が例示としてのＨＡＶＡＣシス テム４００に関して例示的に実施される。システム４００は、協働的に配置され た供給ファン１８を有する供給空気ダクト１４、協働的に配置された還流ファン ２０を有する還気ダクト１６、機会的排出口１２を関連された構造物１０（例え ばオフィス用建物）、再循環ダクト２２、端部に排出出口２８を有する排出ダク ト２６、および端部に配置された外気取入れ口３４を有する外気ダクト３２を適 当に具備している。ＨＶＡＣシステム４００は、コントローラ４６、コントロー ル・バス４８、還気ダクト１６中の空気を感知するために配置された供給空気ダ クト、供給空気ダクト内の供給空気を感知するために配置された外気センサ４４ 、供給空気ダクト１４内の供給空気を感知するために配置された供給空気センサ ４４、および外気ダクト３２内の外気を感知するために配置された外気センサを 含んだコントロール・システム４３を具備している。ここで論述される実施例に 関連しては、再循環ダクト２２の「上流」の外気ダクト３２内の外気は、可変量 のショートサイクリングをうけた還気を含んでいる限り「外気」と呼ばれる。外 気はショート・サイクリングをうけた還気と混合していない「新鮮な空気」と区 別される。

コントロール・システム４３は、再循環ダクト２２と協働して配置された再循環 ダンパ２４、排気ダクト２６と協働して配置された排気ダンパ３０、および外気 ダクト３２と協働して配置された外気ダンパ３６をさらに具備している。構造物 １０内への供給空気の容積流量をモニタするために供給空気ダクト１４と協働し て空気流ステーション３８が適当に配置されている。

各ダンパ３０，２４および３６の閉塞角度を制御することによって、コントロー ラ４６は、特に式（４）に示された関係に従つて、構造物１０内への外気の容積 流量をコントロールする。

構造物１０は従来の換気ダクト網および他の公知の分布媒体（図示せず）を具備 することを当業者は理解するであろう。ＨＶＡＣシステム４００によって行われ る換気処理に加えて、ある量びドレイン・ベントのような１つ以上の機械的排気 構造物を介して構造物１０から不可避的に排出される。典型的な構造物は、種々 の亀裂、多孔質の面、格子、天井、床、壁、煙突、そして開いた窓を通じて出し 入れする。

供給ファン１８は供給空気を構造物１０内に引き込むのに適当な構造となされて おりかつ戻しファン２０は構造物１ｏから還気を引出す構造となされているが、 任意適当な構造のファン等が構造物１０を通じて換気用空気を満足に循環させう ろことを当業者は理解するであろう。例えば、各ファン１８および２０に加えて またはそれらに代えて、１つ以上のファンが１つ以上の供給空気ダクト１４、構 造物１０、および還気ダクト１６に沿った種々の点において使用されうる。

通常の動作時には、外気が外気ダクト３２に引き込まれ、それとともに、外気の トレース・ガス（例えばＣＯ，）濃度が外気センサ４４によって感知される。外 気センサ４４は外気のトレース・ガス濃度を表わす信号をコントローラ４６に送 る。外気が外気ダクト３２中を、すなわち図４において左から右へと通過すると 、再循環ダクト２２からの再循環された還気と混合され、それによって生じた供 給空気（すなわち外気と再循環される還気との混合物）が供給ダクト１４を通じ て引かれる。供給空気センサ４ｏは供給空気ダクト１４内のトレース・ガス濃度 を感知するようになされており、トレース・ガス濃度を表わす信号をコントロー ラ４６に送る。空気流れステーション３８で使用されているセンサの種類の応じ て、供給空気のパラメータが感知され、そしてそれを表わす信号が空気流れステ ーション３８によってコントローラ４６に伝送される。例えば、空気流れステー ション３８がピトー管よりなるものである場合には、容積流量（ＣＦＭ、、）を 表わす圧力信号が空気流れステーション３８からコントローラ４６に伝送されう る。

供給空気は供給空気ダクト１４を通じて構造物１０内に導入され、そして従来の 空気循環ダクト網（図示せず）によって構造物１０全体に循環される。還気セン サ４２は構造物１０がら排出されかつ還気ダクト１６を通って流れる還気のトレ ース・ガス濃度を感知するように構成されている。還気センサ４２は還気トレー ス・ガス濃度を表わす信号をコントローラ４６に伝送する。各ダンパ２４．３０ および３６の閉塞の程度に応じて、還気の一部分が再循環ダクト２２を通じて構 造物１０内に再循環され、再循環されない還気の残部は排気出口２８においてＨ ＶＡＣシステム４００から排出される。図３に関連して前述のように、排気出口 ２８から排出されたある量の還気が外気取入れ口にショート・サイクリングによ り戻りうろことが考えられうる。

前述のように、そして当業者には理解されるように、本発明ではトレースまたは テスト・ガスとして任意適当なガスが使用されうる。好ましい実施例では、トレ ース・ガスとしてＣｏｔが用いられる。状況に応じて、各センサ４０，４２およ び４４のうちの１つ以上が、センサのまわりの空気中の００２の濃度に対応した 電圧出力を発生するように適当に構成された非分散赤外線または光・音響を適当 に具備する。

コントロニラ４６は供給ファン１８、戻しファン２０、再循環ダンパ２４、排気 ダンパ３０．外気ダンパ３６、空気流れステーション３８、混合空気センサ４０ 、還気センサ４２および外気センサ４４にコントロール・バス４８によって結合 される。このようにして、コントローラ４６は供給ファン１８、戻しファン２０ 、再循環ダンパ２４、排気ダンパ３０、および外気ダンパ３６の動作を指令する ためにコントロール・バスを通じて制御信号を送る。

さらに、コントローラ４６は空気流れステーション３８、混合空気センサ４０． 還気センサ４２および外気センサ４４からコントロール・バスを通じて制御信号 を受取る。

図５を参照すると、本発明の他の実施例は、供給空気センサ４０が供給ファン１ ８と構造物１０の間で供給ダクト１４に結合される。図５に示された実施例は、 供給ダクト１４内での混合空気の層流が生じうる状況で好まれるであろう。例え ば、再循環ダンパ２４と外気ダンパ３６の両方が開いている場合には、混合空気 が層流となる傾向がある。混合空気は混合点から下流に相当な距離となるまで十 分混合されない。

供給ダクト内における温度の層状化はよく知られている。ガス中の熱伝達がガス 分子間の運動エネルギ伝達によって生ずるので、温度層状化はＣＯ２濃度の層状 化にさらに寄与する。このような次第で、拡散が生ずるための付加的な時間をも って結合される供給ファン１８によって導入される乱流が均一な空気混合と、混 合空気センサ４０によるＣＯ２濃度の正確な測定を確保する。

次に図６を参照すると、コントローラ４６の機能は任意適当なハードウェア構成 で実施されうる。本発明の好ましい実施例によれば、コントローラ４６の機能は 、オートゼロ論理回路６０２、オートゼロ、マニフォルド、コントロール７９、 各加算器６４．６６、各引算器６８．７０、割算器７２、および掛は算器７８よ りなる論理フロ二回路６００で実施される。

供給空気センサ４０は供給空気のトレース、ガス（例えばＣ０２）濃度を表わす 信号４０Ｓを発生しかつ出力し、還気センサ４２は還気中のトレース、ガス（例 えばＣ０３）濃度を表わす出力信号４２Ｓを発生する。各出力信号４０Ｓおよび ４２Ｓは下記に詳細に説明されるオートゼロ論理回路６０２に与えられる。さら に、還気出力信号４２しゃ加算器６６のピン１に与えられ、同様に、供給空気出 力信号４０Ｓは加算器６６のピン１に与えられる。オートゼロ論理回路６０２に 関連して下記にさらに詳細に説明されるように、第１のバイアス信号５８Ｓが加 算器６４のピン２に与えられ、そして第２のバイアス信号６０Ｓが加算器６６の ピン２に与えられる。

還気出力信号４２Ｓと第１のバイアス信号５８Ｓは適当に結合されて実効還気濃 度信号６４Ｓを生ずる。同様に、供給空気出力信号４０と第２のバイアス信号６ ０Ｓは加算器６６によって結合されて実効供給空気濃度信号６６ＳＷこ生ずる。

還気濃度信号６４Ｓと供給空気濃度信号６６Ｓは引算器６８に与えられる。引算 器６８は実効還気濃度信号６４Ｓと実効供給空気濃度信号６６Ｓの間の差（ＣＯ □、、−ＣＯ，、、）を表わす第１の差信号６８Ｓを発生する。引算器６８の出 力、すなわち第１の差信号６８Ｓは式（４）および（５）の分子に対応する。

式（４）および（５）の分母は下記の態様で引算器７０によって発生される。実 効還気濃度信号６４Ｓは引算器７０のピン１に与えられる。オートゼロ論理回路 ６０２に関して下記にさらに詳細に説明されるトレース、ガス濃度基準信号５９ Ｓが引算器７０のピン２に与えられる。引算器７０は実効還気濃度信号６４Ｓと 基準信号５９Ｓの差を計算し、そしてそれらの差（Ｃｏ、−、−Ｃｏ２＋、）を 表わす第２の差信号７０Ｓを発生する。式（４）および（５）の分子に対応する 第２の差信号７０Ｓは割算器７２のピン２に与えられる。

割算器７２は出力信号６８Ｓと出力信号７０Ｓの比、すなわち（ＣＯ□、、−Ｃ Ｏ□、）／（ｃｏｔ、、−Ｃ０ｘｒａ）を適当に計算する。割算器７２は第１の 差信号６８Ｓと第２の差７０Ｓの比に対応する出力信号７２Ｓを発生し、そして 出力信号７２Ｓを掛は算器７４のピン１に与える。

空気流センサ３８は供給空気ダクト１４中の供給空気の容積流量を表わす信号を 発生し、そして供給空気容積流量（ＣＦＭ、、）を表わす出力信号３８Ｓを掛は 算器７４のピン２に与える。掛は算器７４は出力信号７２Ｓに出力信号３８Ｓを 実効的に掛は算して、式（４）の量ＣＦＭｔ−に対応したアナログ外気容積信号 ７６を発生する。

アナログ外気容積信号７６の振幅は外気導管３２中を流れる新鮮な空気の容積流 量（ＣＦＭｌ、）に適当に直線的に比例する。循環ファン（例えばファン１８． ２０）の動作を制御するためおよびシステム４００内への新鮮な空気の所望の容 積流量を維持するように各ダンパ２４．３０および３６のうちの１つ以上の閉塞 の程度を制御するためにコントロール・システム４３によって利用されうろこと を当業者は理解するであろう。ここで議論される種々の出力信号は適当に電圧ま たは電流レベルよりなり、かつ回路６００を動作させるために選択された特定の ハードウェアに応じてディジタルまたはアナログ形式でありうることも当業者は 理解するであろう。

続いて図６を参照して、オートゼロ・ロジック６０２の機能について説明しよう 。

従来のトレース・ガス・センサ（例えばＣＯ，センサ）がある量を測定しかつそ の測定された量の大きさを表わす対応する出力信号を発生する精度は、オフセッ ト、バイアス、直線性等のような要因に基因しうる量子化可能な誤差で特定され ることが多い。オフセット誤差は全体のセンサ誤差の実質的な部分（例えば６７ ％）よりなりうるが、オフセットは従来の現場較正技術によって補正可能であり うる。本発明者等は、式（４）および（５）は非常に正確な理論的結果を与える が、建物に入れ込まれる新鮮な空気流の容積をモニタするのにこれらの式を使用 すると、種々のＣＯ３濃度レベルを測定するために用いられた感知装置の精度に おける比較的小さい誤差の結果として新鮮な空気流の計算値における大きい誤差 を受けることを認めた。

さらに詳細にはかつ図８および９を瞬間参照すると、現在公知のガス濃度センサ は通常幾つかの点でセンサによって異なる。例えば、典型的なセンサは実際の感 知されたパラメータにセンサ誤差をプラスまたはプラスしたものに等しい出力信 号を発生しうる。

ここで、センサ誤差は特にゼロシフト誤差（オフセ・ノド誤差）とスパン・シフ ト誤差を含む。

図８を詳細に参照して、理想的なセンサ１が実際のＣＯ２値に正確に等しい出力 を発生し、すなわちセンサ１はゼロシフト誤差もスパンシフト誤差も呈示しない と仮定しよう。他方、センサ２はゼロシフト誤差とスパンシフト誤差の両方を呈 示する。センサ１および２が式（４）で用いられている異なるパラメータを測定 するために用いられる場合には、センサ２が呈示するゼロシフト誤差とスパンシ フト誤差はＣＦＭｌ−の計算値に反映されるであろう。

特に、センサ１が還気ＣＯ２濃度を測定するために用いられ、そして例えば供給 空気ＣＯ２濃度レベル（点１０１０）を測定するためにセンサ２が用いられると しよう。さらに、還気Ｃｏｔ濃度の実際の値が点１００２によって定義され、か つ供給空気濃度レベルの実際の値が点１００４によって定義されると仮定しよう 。これら２つのＣＯ２レベルを測定するためにセンサ１および２を用０ると、セ ンサ２によって呈示されたゼロシフト誤差が計算された差（例えば（ＣＯｘ−、 、−Ｃ０２−）に取込まれることになるであろう。すんわち、還気と供給空気の ＣＯ２濃度レベル間の計算された差がセンサ２によって呈示されたゼロシフト誤 差に等しい誤差成分を呈示するであろう。

同様に、センサ２によって呈示される任意のスパンシフト誤差もセンサ１および ２によって感知された濃度レベル間の計算された差に反映されるであろう。図９ を詳細に参照して、還気Ｃｏｔ濃度レベル（点１０１６）を測定するためにセン サ１が用いられ、かつ供給空気ＣＯ７濃度レベル（点１０１８）を測定するため にセンサ２が用いられるとここでも仮定しよう。また、供給空気ＣＯ。

レベルの実際の値が点１００４によって定義され、かつ還気ＣＯ。

レベルの実際の値が点１００２によって定義されると仮定しよう。

還気と供給空気の濃度レベル間の差を計算するためにセンサ１および２を用いる と、センサ２によって呈示されるスパンシフト誤差が前記の全問の計算された差 に反映されるであろう。図９に見られるように、この差を計算する際の誤差の大 きさは、いずれかの量の値が増大するにつれて増加する。

本発明者等は例えばゼロシフト誤差に基因する固有のセンサ誤差が本発明のオー トゼロ機能に従って実質的に軽減されうろことを確認した。さらに、本発明者等 は図７〜１２に関連して下記に論述される単一センサの実施例ではスパンシフト 誤差が実質的に除去されうろことをも確認した。

本発明のオートゼロ機能は、両方のセンサが同じ供給源からの空気を感知してい るときに各出力信号４０Ｓおよび４２Ｓ間の任意の差を補償するのに必要なよう に加算器６４および６６のうちの１つの出力を本質的にバイアスする。

ここで図６に戻ると、オートゼロ論理回路６０２は適当に各引算器５０．５２と 、各トラック・アンド・ホールド回路５８．５９および６０よりなる。

１に適当に与えられ、供給空気出力信号４０Ｓは引算器５０のピン１と引算器５ ２のピン２に適当に印加される。引算器５０は供給空気と還気のＣＯ２濃度レベ ル間の差（Ｃｏｔ−、Ｃｏ２ｔ−）を表わす出力信号５４を発生する。引算器５ ２は還気と供給空気のＣＯ３濃度レベル間の差（ＣＯｉ−、−Ｃ０ａ−）を表わ す出力信号５６を発生する。

出力信号５４はトラック・アンド・ホールド・モジュール５８に印加され、出力 信号５６はトラック・アンド・ホールド・モジュール６０に印加される。図示さ れた実施例では、各引算器５０および５２はゼロより大きい値に対応する出力だ けを発生することができる。例えば、供給空気出力信号４０Ｓ（引算器５０のピ ン１に印加される）の値が還気出力信号４２Ｓ（引算器５０のピン２に印加され る）の値より大きい場合には、出力信号５４は各入力値間の差を表わす正の直流 電圧レベルよりなるであろう。他方、供給空気出力信号４０Ｓが還気出力信号４ ２Ｓより小さく、その差が負の数となるような場合には、引算器５０の出力信号 ５４はゼロの値を有するであろう。

コントロール・システム４３はオートゼロ・マニフオルド・コントロール７９と 協働してオートゼロ論理回路６０２の動作モードを制御する。すなわち、マニフ ォルド・コントロール７９が各トラック・アンド・ホールド・モジュール５８． ５９および６０のそれぞれにイネーブル信号６２を与える。イネーブル信号６２ が第１の値（例えば正の値または２進数「１」）を呈示する場合には、各トラッ ク・アンド・ホールド・モジュール５８．５９および６０のそれぞれが動作され 、そしてそれの対応する入力信号値に等しい出力信号を発生する。イネーブル信 号６２の値がトラック・アンド・ホールド回路が非動作状態となされるような値 である場合、例えば、イネーブル信号６２の値が負または２進数ゼロである場合 には、各トラック・アンド・ホールド・モジュール５８．５９および６０がそれ らのその時の電流値を「セーブ」（ｓａｖｅ）　Ｌ、そしてそれが非動作状態と なされた時点におけるそれの入力信号の値に等しい出力信号を発生し続ける。換 言すれば、トラック・アンド・ホールド・モジュールが動作状態となされると、 それの出力がそれの人力に追従し、トラック・アンド・ホールド・モジュールが 非動作状態となされると、それが非動作状態となされた時点における入力信号の 値に等しい一定の出力信号を、それが非動作状態にある間、発生する。

前述のように、トラック・アンド・ホールド・モジュール５８によって発生され た出力信号５８Ｓは加算器６４のピン２に印加され、そしてトラック・アンド・ ホールド・モジュール６０によって発生された出力信号６０Ｓは加算器６６のピ ン２に印加される。これはトラック・アンド・ホールド・モジュール５８．６０ が動作状態であるかあるいは非動作状態であるかに関係なく行われる。

オートゼロ・モードはコントローラ４６によって開始される。

さらに詳細には、コントローラ４６が下記の態様でゼロオート・マニフォルド７ ９を操作する。ここで図４および６を参照すると、マニフォルド・コントロール ７９は、供給ダクト１４に連結された供給空気サンプル・チューブ８４と、外気 ダクト３２に連結された外気サンプル・チューブ８６と、還気ダクト１６に連結 された還気サンプル・チューブ８８を具備するのが適当である。マニフォルド・ コントロール７９はさらに、供給空気サンプル・チューブ８４からの供給空気、 または外気サンプル・チューブ８６からの外気をセンサ４０に選択的に送るよう に構成された供給空気弁８０を具備している。この目的のために、マニフォルド ・コントロール７９は供給空気センサ４０を通る十分な空気流を確保するために 供給空気サンプル・ポンプを具備するのが適当である。

マニフォルド・コントロール７９はさらに、還気サンプル・チューブからの還気 、または外気サンプル・チューブ８６からの外気をセンサ４２に選択的に送るよ うに構成された還気弁８２を具備している。この目的のために、マニフォルド・ コントロール７９は還気センサ４２を通るサンプリングされた空気の十分な流量 を確保するように構成されたサンプル・ポンプ９２をさらに具備している。

ＨＶＡＣシステム４００の通常の定常状態の動作時（すなわちこのシステムがオ ートゼロ・モードでない場合）、弁８０は供給空気Ｓナブル・チューブ８４から の供給空気をセンサ４０に送るようになされ、そして弁８２は還気サンプル・チ ューブがらの還気をセンサ４２に送るようになされる。弁８ｏおよび８２の位置 は各作動体弁７８および７９Ａによって適当に制御される。それらの作動体弁の それぞれはコントローラ４６がらオートゼロ・イネーブル信号６２を受取るよう になされるのが好ましい。

オートゼロ動作モード時には、コントローラ４６は、答弁８゜および８２をオー トゼロ動作モードにするために、イネーブル信６２を特に各弁作動体７８および ７９Ａに与える。さらに詳細には、オートゼロ動作モードでは、弁８ｏは外気サ ンプル・チューブからの外気（供給空気ではなくて）をセンサ４ｏに送るように なされ、そして弁８２は外気（還気ではなくて）をセンサ４２に送るようになさ れる。定常（通常モード）およびオートゼロ・モードの動作時の弁８０および８ ２の位置が表１にそれぞれ示されている。

表１ 弁位置： 通常モード＝１−２ オートゼロ・モード：３−２ オートゼロ・マニフォルド・コントロール７９がオートゼロ動作モードにある場 合には、供給空気センサ４ｏと還気センサ４２は外気のＣＯ□濃度を表わす出力 信号を発生するように同時に較正される。またオートゼロ動作モード時には、ト ラック・アンド・ホールド・モジュール５８および６ｏがアンラッチ状態（動作 状態）となされ、かつそれらの入力値を追跡する。このシステムは、マニフォル ド・コントロール７９から還気および供給空気を放逐しかつ各センサ４０および ４２に対して外気の定常的な供給を確保するのに十分長い間、オートゼロ・モー ドにとどまるべきであることを当業者は理解するであろう。このシステムはまた 、各センサ４０および４２が外気のＣＯ２濃度と平衡状態に達し、各センサ４０ および４２によって発生された出力信号を「清算させる」のに十分なだけ長くオ ートゼロ動作モードにとどまらなければならない。使用された特定のセンサに応 じて、この放逐処理は約２０分から約５分の範囲にわたる。

供給空気センサ４０と還気センサ４２がそれらを通って流れる外気のＣＯ２濃度 レベルを同時に測定するので、還気センサ４２の出力信号４２Ｓと供給空気セン サ４０の出力信号４０Ｓが互いに理論的に等しくかつ外気のＣ０２レベルを表わ す電圧レベルを有する。しかし、これらのセンサに伴うことが多い固有のゼロス パン（オフセット）誤差のために、還気センサ４２および供給空気センサ４０の 出力値はオートゼロ動作モード時には必ずしも正確に等しくはならないであろう 。

さらに詳細には、オートゼロ動作モード時には、還気センサ４２の出力電圧はＣ Ｏ２゜ａ　＋　ｅｒａに対応し、そして供給空気センサ４０の出力電圧はＣＯ２ ゜ａ　＋　ｅｌｍに対応する。ただし、ｅｒａおよびｅ、。

は各センサ４２および４０の固有誤差を表わす。前述のように、引算器５０は供 給空気出力信号４０Ｓと還気出力信号４２Ｓの差を決定する。差（ＣＯ２−、− Ｃｏ□１．）が正である場合には、その差を表わす出力信号５４がトラック・ア ンド・ホールド・モジュール５８に印加される。その差が負である場合には、ゼ ロの電圧がトラック・アンド・ホールド・モジュール５８に印加される。

同様に、還気出力信号４Ｏ３と供給空気出力信号４０Ｓの差（Ｃｏｗ−、−Ｃｏ ｔ−−）が正である場合には、引算器５２がその差を表わす出力信号５６を発生 しかつ出力信号５６をトラック・アンド・ホールド・モジュール６０に印加する 。その差が負である場合には、ゼロの電圧がトラック・アンド・ホールド・モジ ュール６０に印加される。

オートゼロ・モード時には、還気出力信号４２Ｓは供給空気出力信号４０Ｓに等 しいかあるいはそれとは異なる。両方のセンサ４０および４２が同じ程度のゼロ シフト誤差を呈示するか、あるいは両方のセンサともゼロシフト誤差を呈示しな い場合には、出力信号４２Ｓと出力信号４０Ｌや等しくなるであろう。出力信号 ４２Ｓおよび４０Ｓが等しい場合には、各トラック・アンド・ホールド・モジュ ール５８および６０からの出力信号５８および６０Ｓと同様に、引算器５０およ び５２からの各出力はゼロとなるであろう。その場合には、センサ４０および４ ２は何れもバイアスされず、かつオートゼロ・モードから定常状態モードへの遷 移にともなって、加算器６４のピン２および加算器６６のピン２１；おける電圧 値は等しくゼロとなり、実効還気濃度信号６４Ｓと実効供給空気濃度信号６６Ｓ が両方ともそれぞれ還気センサ４２と供給空気センサ４０の実際の出力を反映す るようになる。換言すれば、両方のセンサが同じ出力に対する出力を生ずる場合 には、センサ４０またはセンサ４２の実際の出力をバイアスする必要はない。

他方、オートゼロ・モード時に還気出力信号４２Ｓが供給空気出力信号４０Ｓに 等しくない場合には、これは、センサ４０または４２の一方が他方のセンサに対 してゼロオフセット誤差を呈示することを意味する。本発明に関連して、両方の センサが実際のＣＯ２濃度を測定する精度は密接な関係はない。センサ４ｏおよ び４２間の相対誤差はオートゼロ・モードによって効果的に補償されるので、ま た式（４）がトレースガス（ＣＯＷ）濃度の絶対値ではなくて差の比を利用して いるので、本発明の１つの態様によれば実際のトレースガス（ＣＯ２）濃度レベ ルを正確に定量化することは不必要である。

オートゼロ・モード時に、還気出力信号４２Ｓの値が供給空気出力信号４０Ｓの 値より大きい場合には、引算器５０が還気信号４２Ｓと供給空気４２との差を表 わす出力信号５４を発生し、加算器５２はゼロ出力を発生する。他方、供給空気 出力信号４０Ｓが還気出力信号４２Ｓより大きい場合には、引算器５２がその差 を表わす出力信号５６を発生し、引算器５０はゼロを出力するであろう。いずれ にしても、還気出力信号４２Ｓが供給空気出力４ｏＳに等しくない場合には、引 算器５０および５２のうちの一方がゼロ値の信号を出力し、他方が差を表わす信 号を出力するであろう。オートゼロ・モード時には、トラック・アンド・ホール ド・モジュール５８が引算器５０の出力（すなわち信号５４）を加算器６４のピ ン２に印加し、かつトランスファー・アンド・ホールド・モジュール６０が引算 器５２の出力（すなわち信号５６）を加算器６６のピン２に効果的に印加するで あろう。

ＨＶＡＣシステム４００がオートゼロ・モードから定常動作に遷移すると、トラ ンスファー・アンド・ホールド・モジュール５８および６０が非動作状態となさ れる。トランスファー・アンド・ホールド・モジュール５８は加算器６４のピン ２における出力信号５８Ｓのその時の電流値を実効的にラッチする。同様に、ト ランスファー・アンド・ホールド・モジュール６０は加算器６６のピン２におけ る出力信号６０Ｓのその時の電流値を実効的にラッチする。これらのラッチ値は システムが再びオートゼロ動作モードに入るまで一定である。

加算器６４の出力信号６４Ｓは還気ＣＯ！濃度レベルの実効値を表わす。同様に 、加算器６６の出力信号６６Ｓは還気ＣＯ２濃度レベルの実効値を表わす。加算 器６４または６６のピン２に非ゼロ偏倚電圧を印加することにより（その偏倚信 号はオートゼロ・モード時における還気出力信号４２Ｓと供給空気出力信号４０ Ｓの差に等しい）、偏倚された加算器が、オートゼロ・モード時に低またはセン サ４２）を補償する。

上述したものの特定の例として、還気センサ４２がオートゼロ・モード時に４０ ０ｐｐｍを表わす出力信号４２Ｓを発生し、がっ供給空気センサ４０が３７０ｐ ｐｍを表わす出力信号４０Ｓを発生する場合には、引算器５０の出力はゼロとな り、引算器５２の出力は３０ｐｐｍの差（４００−３７０＝　３０ｐｐｍ）を表 わすであろう。このようにして、トラック・アンド・ホールド・モジュール６０ は３０ｐｐｍ誤差を表わす出力信号６０Ｓを加算器６６に印加するであろう。そ のようにすると、それに伴って加算器６６が、加算器６４の出力にちょうど等し い実効供給空気ＣＯ□濃度信号６６Ｓを発生するのに必要とされる程度だけ上方 に偏倚される。換言すると、オートゼロ・モード時に低い方の出力信号を有する センサ（すなわちセンサ４０または４２）はそれの実効出力を偏倚されないセン サの実効出力に等しい値にするのに十分な程度だけ上方に偏倚されなければなら ない。したがって、供給空気センサ４０に対する還気センサ４２のオフセット誤 差は最も低い出力を有するセンサを適当な程度だけ偏倚することによって除去さ れるであろう。

外気基準信号５９Ｓが確立される態様について次に説明しよう。

また、オートゼロ・モード時に、加算器６４からの信号６４Ｓがトラック・アン ド・ホールド・モジュール５９に印加される。

オートゼロ・モード時には、トラック・アンド・ホールド・モジュール５９が、 信号６４Ｓの値を追跡する出力信号５９Ｓを引算器７０のビン２に印加する。オ ートゼロ・モード時に（いったんセンサ４０および４２の出力が安定化すると） 、加算器６４の出力、したがって出力信号５９Ｓは外気のＣＯａ濃度を表わす。

したがって、オートゼロ・モードから定常状態の動作に移ると、出力信号５９Ｓ がそれのその時の電流値にトラック・アンド・ホールド・モジュール５９によっ てラッチされ、それに伴って、出力信号５９Ｓの一定値が、トラック・アンド・ ホールド・モジュール５９が再び非動作状態となされるまで（すなわちシステム が再びオートゼロ動作モードに入るまで）、引算器７０のピン２に連続して印加 される。外気のＣＯ３濃度レベルが地理的領域において短い期間にわたって比較 的一定であるかぎり、オートゼロ・モード時にだけ外気基準信号５９Ｓを「再較 正する」ことで一般に十分である。

オルトゼロ・モードから定常状態動作に移ると、加算器６４および６６のうちの 一方が還気センサ４２と供給空気センサ４ｏとの間の相対的差（もしあれば）を 補償するように適当に偏倚される。その後で、定常状態の動作時に、実効還気Ｃ Ｏ３濃度レベルを表わす出力信号６４Ｓと、実効供給空気濃度レベルを表わす出 力信号６６Ｓが引算器６８で引算されて式（４）の分子を表わす信号６８Ｓを発 生する。同時に、実効還気ＣＯ２濃度レベルを表わす出力信号６４Ｓと、外気Ｃ Ｏ２濃度レベルを表わす出力信号５９Ｓが引算器７０に印加されて式（４）の分 母を生ずる。分子（信号６８Ｓ）は割算器７２によって分母（信号７０Ｓ）によ り割算され、そしてその商（信号７２Ｓ）は供給空気容積流量（ＣＦＭ、、）を 表わす信号３８Ｓによって掛は算される。掛算器７４の出力、すなわちアナログ 外気容積信号７６は新鮮な空気流容積、すなわち式（４）におけるＣＦＭＩ、を 表わす。

オートゼロ・モードコントローラ４６によって開始されるのが望ましく、ランダ ムなセンサ・シフト、温度によって誘起されるセンサ・シフトを補償しかつ外気 Ｃ０２濃度を補償するのに十分な場合が多い。

さらに、供給空気センサ４０と還気センサ４２の出力は外気のＣＯ２濃度に整合 するようにバイアスされるのが好ましい。しだがって、絶対精度はシステムの相 対精度とともに実質的に増加される。

本発明の他の態様によれば、外気流は従来のシステムよりも少ないハードウェア でモニタされる。外気のＣＯ２レベルは短い時間にわたって一般に一定であるか ら、新鮮な外気のＣＯ２濃度のリアルタイム決定は建物に入る新鮮な外気の容積 を計算するためには必要とされない。と言うよりむしろ、上述のように、この決 定は、頻繁に行なわれる場合には、オートゼロ動作モードに関連して行なわれ得 る。それと対照的に、温度に基づいてエネルギ均衡モデルは、外気温度が連続し て測定されることを必要とする（一定でないため）。この付加的な入力を測定す る必要性がハードウェアのコストを増大させるとともに、エネルギ均衡の結果に 悪影響を及ぼす測定誤差の付加的なソースを生ずることにもなる。

特に温度をベースとしたモデルを利用するシステムと対比した場合に、本発明の 好ましい実施例によればセンサ設置も簡単でかつトラブルがない。マニフォルド ７９に利用されているような加熱および冷却コイル、加湿器および他の装置はサ ンプリングされた空気流のＣＯ２レベルに悪影響を及ぼさないので、ＣＯ２セン サは供給空気および還気ダクトの便利で容易にアクセスできる部分に配置され得 る。それと対照的に、エネルギをベースとしたモデルを利用するシステムのため の温度要素は、空気が任意の種類のコイルを通じて流れることができる前に、混 合空気室またはその近傍に配置されなければならないのが通常である。その結果 、空気流の層状化が大きな温度感知誤差を生ずるおそれがある。

本発明に従って構成されるシステムは、外気取入れダクト網または混合室のレイ アウトおよびデザインに対する特別のまたは異常な要件を要求しない。したがっ て、本発明を取入れた機械的システムの組み立て費用は悪影響を受けない。比較 すると、公知の直接流れ感知技術によって匹敵する精度を実現するためには、外 気ダクト網および混合室のデザインに異常なデザインおよび設置方法が取入れら れなければならない。

二酸化炭素濃度は外気、供給空気および還気流の測定のための好ましい成分であ る。ＣＯ２センサは容易にかつ商業的に入手可能である。ＣＯ２濃度は外気温度 または他の任意の独立した変数に関係なく正確な測定を確保するのに十分なだけ 高い。新鮮な外気のＣＯ２濃度は３７０〜４４０ｐｐｍの範囲内で比較的一定で あり、かつ還気のＣＯ３濃度は通常５００と１１０００ｐｐの間である。したが って、外気、還気および供給空気流で通常遭遇するＣＯ２レベルの差は、相当な 精度が与えられうるのに十分なだけ大きい。しかし、本発明はトレースまたはテ スト・ガスとしてＣＯ３に限定されるものではない。

実際、式（４）の関係は他の成分、パラメータ、および還気の特性にも等しく該 当する。

図６のＣＯ□モデルをベースとしたシステムも故障許容である。

還気のＣＯ２レベルが新鮮な外気のＣＯ２レベルに近づいた場合には、居住者自 身がＣＯｔを発生するので、建物または他の構造物は居住者が少ないといえるで あろう。したがって、換気コードが居住者密度に基づいているから、関連する計 算誤差はより小さくなる。

他の実施例では、オートゼロイングがディジタル・コンビュー夕で、例えばマイ クロプロセッサをベースにしたディジタル・コントローラで実施されうる。この 実施例はコストの軽減と信頼性の向上を可能にするであろう。このようなマイク ロプロセッサ実施例では、供給空気センサ４０と還気センサ４２の出力は、オー トゼロイング動作時に、新鮮な外気のＣＯ２濃度に整合するようにバイアスされ ることが好ましい。これがＣ０２濃度の絶対的測定値の精度を上げる既知の基準 に対する再較正の付加的な利益を与える。実施のためには高度の絶対精度は必要 とされないが、用いられるＣＯ７濃度間の相対的な差に加えて、実際の濃度を知 ることが好ましい。

しかし、本発明者等は、オートゼロ機能の利益をもってしても、式（４）の他セ ンサ実施はそれでも外気容積流量の計算に反映される許容できない程度に高い誤 差に基因して許容できない結果を生ずる。したがって、下記の実施例は単一セン サ構成で式４を実施し、それによってセンサ対センサの誤差を完全に除去する。

次に図７を参照すると、本発明の他の好ましい実施例が１つ以上のソースから空 気サンプルを順次感知するために単一のセンサの使用を包囲している。単一セン サの使用はセンサ対センサ誤差を必然的に除去し、そして式（４）が実施れうる 精度を劇的に高める。具体的には、単一センサの使用はゼロシフト、スパンシフ ト、ランダムおよび温度誘起センサ出力信号変化、ならびに多数のセンサを使用 した実施に影響する非直線性の効果を除去する。

図７を続いて参照すると、第１の単一センサ実施例は、外気ダクト３２（図４） に連結された外気サンプル・チューブ９４、還気ダクト１６に連結された還気サ ンプル・チューブ９６、答弁１００および１０２、サンプル・ポンプ１０６、お よびセンサ１゜４を通過する空気のトレース・ガス濃度を表わす出力信号１０４ Ａを発生するように構成さえた単一のトレース・ガス（例えばω２）センサ１０ ４を具備いているのが適当である。

前述の実施例のオートゼロ・モードはセンサがらセンサへの変化を軽減するよう に設計されているので、図７に示された単一センサ実施例に関してはオートゼロ 動作モードの機能は不必要となされる。したがって、単一センサ実施例の動作を 定常動作について説明する。

定常動作時には、コントローラ４６が、外気、還気および供給空気をセンサ１０ ４に順次送るために下記の表２に示された弁位置に従って弁１００および１０２ を操作する。

表２ サンプリングのための弁位置　ＶＩ　Ｖ２外気　１〜３　３〜５ 還気　２〜３　３〜５ 供給空気　４〜５ 先にサンプリングされた空気をセンサ１０４から放逐させかっセンサ１０４を現 在サンプリングされる空気に対して平衡状態に到達させるのに十分な時間のあい だ特定の弁位置が維持されなければならないことを当業者は理解するであろう。

各空気サンプル（例えば外気、還気および供給空気）が順次分析されるにつれて 、センサ１０４は感知されているガス中のＣＯ２レベルを表わす出力信号１０４ Ａを発生する。したがって、サンプリング・サイクリングの１つの部分の間、出 力信号１０４Ａは外気におけるＣ０２レベルに対応しうる。サンプリング・サイ クルの他の部分では、出力信号１０４Ａは還気のＣ０２濃度を表わしうる。コン トローラ４６は出力信号１０４Ａをモニタし、かつ特に式（４）に従って、シス テム内への新鮮な空気の容積流量を計算する。前述のように、コントローラ４６ は、所望の新鮮な空気の容積流ｆｉ（例えば、ＣＦＭｌ、）を得るために、排出 空気ダンパ３０．再循環ダンパ２４、外気ダンパ３６、供給ファン１８、および 戻しファン２０のうちの１つまたはそれ以上を調節しうる。

図７の単一センサ実施例は、外気Ｃｏｔレベルの長期変化を適切に補償するため に還気と供給空気だけを交互に感知しかつ外気を周期的に感知するように適当に 構成されうる。

次に図１０および１１を参照すると、本発明による単一センサ手法の他の実施例 は、第１の空気サンプリング導管２５２、第２の空気サンプリング導管２５４、 および空気流れ回路内の種々の予め定められた点からのサンプリングされた空気 をマルチプレクサ２５０に送るように構成された第３の空気サンプリング導管２ ５６を具備している。コントローラ４６は各シーケンス制御信号４６Ｓをマルチ プレクサ２５０に与える。シーケンス制御信号４６Ｓに応答して、マルチプレク サ２５０は導管２５２．２５４および２５６からセンサ１０４（例えばＣ０２セ ンサ）に空気を送り、それにともなってセンサ１０４がコントローラ４６に信号 １０４Ａを与える。上述のように、信号１０４Ａは、サンプリング・サイクルの 一部分の間における第１のサンプル導管２５２からの空気中のトレース・ガス濃 度レベルに対応し、信号１０４Ａはサンプリング・サイクルの他の部分の間にお けるそれぞれサンプル導管２５４および２６６からの空気中のトレース・ガス濃 度レベルに対応する。図１０に示された実施例は３つのサンプル導管を例示的に 具備しているが、このシステムは２つ、３つまたは任意所望の個数のサンプル導 管に対して構成されうることを当業者は理解するであろう。

次に図１１を参照すると、マルチプレクサ２５０は各ソレノイド弁２５８．２６ ０および２６２を適当に具備する。図１１に示された実施例では、コントローラ ４６は、分析のために種々の空気サンプルをセンサ１０４に順次送る態様でソレ ノイド２５８．２６０および２６２にシーケンス制御信号４６Ｓを送るように適 当に構成されている。さらに詳細にはかつ図１２を瞬時参照して、コントローラ ４６は、第１のサンプル導管２５２からの空気がセンサ１０４を通じて流れ、そ の間にソレノイド２６０および２６２が各サンプル導管２５４および２５６から の空気がそれらの関連したソレノイド弁を流れないようにしてソレノイド２５８ を作動させる構成となされうる。予め定められた放逐時間Ｐ、の後で、コントロ ーラ４６が、センサ１０４を現在通っている空気サンプルの濃度レベルに対応し た信号１０４Ａの値を読取る。前述のように、放逐時間Ｐ、の長さは出力信号１ ０４Ａを清算させるのに十分でなければならない。

さらに詳細には、典型的なＣＯ２センサは約３０秒の応答時間を呈示する。空気 ポンプまたはファンの適切な選択によって比較的短い時間で、例えば１０秒〜１ 分のオーダーでサンプリング導管を完全にパージさせることができるであろう。

このようにして、オントローラ４６は各ソレノイド２５８．２６０および２６２ をそれぞれ約１分間順次的に開くように有益に構成されうる。各１分のうちの最 後の５または１０秒の間、コントローラ４６が各サンプリング導管に対する信号 １０４Ａを読取る。このようにして、３つの感知場所に対する完全な感知サイク ルは約３０分継続する。

前述のように、本発明の単一センサ実施例はＨＶＡＣシステム４００内の異なる 場所からの２つ、３つまたはそれ以上の空気サンプルをサンプリングするように 構成されうる。式（４）が新鮮な空気流の容積流量を計算するのに利用される範 囲で、新鮮な空気流の容積流量を正確に決定するために各サンプルにおけるトレ ース・ガス濃度の絶対値を正確に測定する必要がある。それにもかかわらず、特 定のガス・サンプルの絶対値を正確に測定する能力を向上させるためにセンサを 定期的に較正することが多くの用途で望ましいであろう。このことは本発明に関 連して単一センサならびに複数センサの実施例について言える。

さらに詳細には、マルチプレクサ２５０（図１０〜１１）は複数の空気サンプリ ング・チャンネル（導管）でもって構成されうるちのであり、それらの空気サン プリング・チャンネルはそれぞれトレース・ガス、例えばＣＯ２の予め定められ た含有量（例えばＯｐｐｍ）を有するガス供給源に有益に連結されうる。他のサ ンプリング・チャンネルが他の既知のＣ０２濃度を有するガス供給源（例えば、 １ｏｏｏ　ｐｐｍのＣＯ□濃度を有する較正空気槽）に連結されうる。

これら２つの較正チャンネルから得られるＣＯｔ濃度定格は所望に応じてセンサ １０４を定期的に較正するために用いられうる。さらに、トレース・ガスの既知 の（例えば、０）濃度を有する単一の較正槽が単一センサ実施例ではハイブリッ ド・オートゼロイング技術として使用されうる。

センサ多重化は、バイアス、感度、直線性、ランダム・シフト・センサ誤差の効 果を打消すから、良好な精度を与える。それはまた、ハードウェア部品を単一の センサおよび単一の空気ポンプまで減少させる。オートゼロイングは、本発明に おいて使用される１つまたは複数のセンサを、既知の基準、例えば新鮮な空気の ＣＯ８濃度に対して較正することができるようにするから、絶対的なセンサ精度 を高めるために使用され得る。オートゼロイングはセンサに新鮮な外気を与える ために、コントローラ４６の指令のもとて調節可能な定期的なベースで実施され る。オートゼロイング時には、ＣＯ２センサの信号は既知の新鮮な外気基準のＣ Ｏ□濃度に等しい出力を与えるために一定の程度だけバイアスされる。

上記の説明は本発明の例示のための好ましい実施例についてのものであり、かつ 本発明はここに記載された特定の形式に限定されるものではないことが理解され るであろう。例えば、制御回路はハードウェア実施として示されたが、マイクロ プロセッサを含むがそれに限定されない任意適当なアナログまたはディジタル制 御システムが本発明を実施するように構成されうろことを当業者は理解するであ ろう。さらに、ＨＶＡＣシステムに関連してトレース・ガス・サンプリング技法 について説明したが、それの適用可能性はそのように限定されるものではない。

これらのおよび他の置換、修正、変更および省略が添付の請求の範囲に表現され た本発明の範囲から逸脱することなしに要素の設計および配列についてなされう る。

ＦＩＧ、８ フロントページの続き （７２）発明者　ドリーズ、カーク、エイチアメリカ合衆国インディアカ州４７ ９０６、ウェスト　ラフアイエツト、サミット　ドライブ　１５２０

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の容積内における供給流体と帰還流体の混合物を循環させるために利用 される前記供給流体の流量を決定する装置であって、前記供給流体の１つの成分 、前記帰還流体の１つの成分、および前記混合流体の１つの成分を感知しかつ前 記供給流体成分を表わす第１の出力、前記帰還流体成分を表わす第２の出力、お よび前記混合流体成分を表わす第３の出力を与えるセンサ手段と、前記混合流体 を前記容積内に導入するように構成された循環装置と、前記第２の出力と前記第 ３の出力の差と前記第２の出力と前記第１の出力の差との比から、前記利用され ている供給流体の流量を決定する手段を具備した装置。
2. ２．構造物内で供給空気を循環させるためにＨＶＡＣシステムに導入される外気 の流量を決定する装置であって、前記外気と通気の一部分よりなる供給空気を前 記構造物内に導入するために前記構造物に連結された供給空気ダクトと、前記構 造物から前記還気を除去するために前記構造物に連結された通気ダクトと、前記 供給空気ダクトに動作的に連結され、外気の１つの成分を測定しかつ前記成分を 表わす外気信号を発生し、前記還気の１つの成分を測定しかつ前記成分を表わす 還気信号を発生し、そして前記供給空気の成分を測定しかつ前記成分を表わす供 給空気信号を発生する少なくとも１つの外気センサと、前記構造物内で前記供給 空気の循環を生じさせる手段と、前記供給手段に連結されて換気流量を決定する 手段と、前記換気流量と、前記還気センサ手段出力と前記供給空気センサ手段出 力の差と前記還気センサ手段出力と前記外気センサ手段出力の差との比との積か ら前記外気の流量を決定する制御手段を具備した装置。
3. ３．前記成分が二酸化炭素よりなる請求の範囲第２項に定義された装置。
4. ４．外気と還気よりなる供給空気が内部で循環される構造物内に導入される外気 の流量を決定する方法であって、前記構造物から還気を除去し、前記還気の少な くとも一部分を再循環させ、前記還気中の１つの成分の濃度を測定しかつ還気成 分濃度を発生し、前記外気中の前記成分の濃度を測定しかつ外気成分濃度を発生 し、前記供給空気中の前記成分の濃度を測定しかつ供給空気成分濃度を発生し、 前記還気成分濃度と前記供給空気成分濃度の差と前記還気成分濃度と前記外気成 分濃度の差との比から外気の前記流量を決定する工程よりなる方法。
5. ５．前記システム内への前記供給空気の流量を測定しかつ供給空気流量を発生し そして前記供給空気流量と前記比との積から前記外気の前記流量を決定する他の 工程を含む請求の範囲第４項に定義された方法。
6. ６．前記成分が二酸化炭素である請求の範囲第４項に定義された方法。
7. ７．構造物内に換気用空気を循環させるためのシステム内に導入される外気の量 を制御する装置に使用する方法であって、前記装置は取入れ制御手段と、再循環 制御手段と、外気センサ手段と、還気センサ手段と、供給空気センサ手段を具備 しており、前記方法は前記取入れ制御手段を開き、前記再循環制御手段を閉じ、 前記供給空気センサ手段を前記外気センサ手段に対して較正し、前記取入れ制御 手段を閉じ、前記再循環制御手段を開き、そして前記還気センサ手段を前記供給 空気センサ手段に対して較正する工程よりなる方法。