JP2002098088A - 送風装置及び流体圧送装置の駆動装置 - Google Patents

送風装置及び流体圧送装置の駆動装置

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JP2002098088A
JP2002098088A JP2000286665A JP2000286665A JP2002098088A JP 2002098088 A JP2002098088 A JP 2002098088A JP 2000286665 A JP2000286665 A JP 2000286665A JP 2000286665 A JP2000286665 A JP 2000286665A JP 2002098088 A JP2002098088 A JP 2002098088A
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Hideharu Ono
比出晴 小野
Hitoshi Kikuchi
仁 菊地
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Mitsubishi Electric Corp
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  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 精度の高い定風量性能を備えた安
価な送風装置を得る。 【解決手段】 羽根車6を回転させるモーター5
の回転数を検知する回転数検知手段12と、モーター5
への通電を制御する演算制御部10と、モーター5の通
電電流を検知する電流検知手段13と、風量を設定する
風量設定手段14を備え、回転数検知手段12及び電流
検知手段13により検知したモーター5の回転数とモー
ターに通電する電流値を、風量設定手段14による設定
値に応じた回転数と電流値に、風量/回転数による作動
点で決まるCと、電流値/回転数の平方による作動点で
決まるKとの関係式に基づいて演算制御部10により通
電制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、送風装置及び送風
装置も含む流体圧送装置の駆動装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、ビルや高気密高断熱住宅におい
て、省エネルギー性の要請から換気量に関する風量制御
機能や、室内空気環境の改善要請を受け塵埃除去用の高
性能フィルターや脱臭用の機能性フィルターを搭載した
送風装置が開発されてきた。こうした要請に対して、こ
れまでの送風装置においては、ダクト配管形態による圧
力損失や外風圧、フィルター類の目詰まりによる圧力損
失の変化により風量が変化するため、微差圧センサーを
使って定風量制御が行われている。住宅用では高価な微
差圧センサーによらず、指示風量での一定運転が可能の
風量一定制御方式のDCブラシレスモーターによるファ
ンモーターが開発されている。この種のファンモーター
は例えば特開平8―140390号公報や特開平8―1
52165号公報に示されているような構成が多く採用
されている。この他にも、特願平12―7838号に示
されているような、風量一定制御方式のDCブラシレス
モーターを使ったアァンモーターも提案されている。
【0003】図7は、特開平8―140390号公報に
示されている風量一定制御方式のDCブラシレスモータ
ーを使ったファンモーター50を示したものであり、予
め各雰囲気温度毎に指示された風量でファンモーター5
0を運転するために、各印加電圧毎の必要な回転数を回
転数記憶手段51に記憶させている。雰囲気温度検出手
段52がファンモーター50の設置される雰囲気温度を
検出し、通電制御手段53のゲート信号の変化時間から
運転回転数を検出し、それを回転数記憶手段51の雰囲
気温度、印加電圧に対応する回転数と比較しながら、ス
イッチング電源によりDCブラシレスモーターへの印加
電圧を変化させ、ファンモーター50の風量を制御して
いる。
【0004】また、図8は特開平8―152165号公
報に示されている風量一定制御方式のDCブラシレスモ
ーター54を使ったファンモーター50を示したもので
あり、定電流制御手段55によって所定の電流でDCブ
ラシレスモーター54を駆動し、ファンモーター50の
回転数から換気負荷を算定し、目標風量に対する目標回
転数を設定するようにしている。DCブラシレスモータ
ーを使って定回転制御を行うものは、回転数出力端子か
らの回転パルス出力により速度指令電圧をフィードバッ
ク制御することにより高精度な定回転制御を行うことが
できる。
【0005】特願平12―7838号に示されている定
風量に関する技術は、風量一定制御方式のDCブラシレ
スモーターを使ったファンモーターの制御であり、回転
数検知手段により検知したモーターの回転数と、電流検
知手段により検知したDCブラシレスモーターの通電電
流と、制御ユニットに予め記憶させた風量ごとの電流―
回転数線から目標風量に漸近させるように回転数又は電
流を変化させる。即ち、変化する圧力損失に対して電流
値I/回転数N∝風量Qに着目し、風量設定手段によって
設定された風量Qに対して、羽根車の異なる回転数に応
じた異なる電流値Iで判定し、これに基づいてDCブラ
シレスモーターを制御することにより、定風量性を得る
ものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記した特開平8―1
40390号公報に示されている、印加電圧と回転数の
関係を温度補正センサーにより補正する仕方では、風量
は電流と回転数の関係によって決まる値であるため、電
圧と温度補正センサーによる補正では、モーター巻線コ
イルの製造時の抵抗のばらつきを補正し吸収することが
困難であり、これによりモーター駆動電流が変動し回転
数の誤差要因となってしまう。また、温度補正センサー
の設置に伴い配線系が複雑になるばかりでなく、補正を
行うプログラムや記憶するROMの容量も大きくなり、
多様な風量設定が困難なものとなる。
【0007】また、特開平8―152165号公報に示
されているような従来のファンモーター50において
は、ビルなどの換気送風路のように多様なダクト圧力損
失経路や、高層ビルのように外風圧が大きく変化する建
物や、高気密化住宅における各種フィルターの搭載によ
る異なる圧力損失系を、異なる設定風量に応じて一定風
量が高精度でかつ低価格で得られるように構成すること
は困難である。即ち、一定時間毎の定電流下における回
転数の判断から、圧力損失条件等の設置条件を推測し、
設定風量に対する目標回転数に補正を加えて風量を回転
数目標によって制御する仕方では、定電流制御が必要で
簡便な電圧制御のみでの制御が困難である。また、ダク
ト等の決まった圧力損失下では負荷状態が読取れるが、
外風など常に変動する圧力損失がある場合は正確な負荷
状態を読取れず定風量制御が難しくなる。
【0008】そして、特願平12―7838号に示され
ている、風量が電流と回転数の比に比例することを根拠
にした制御では、低風量設定の際には風量が電流と回転
数の比に比例しないため、定風量の運転ができなくな
る。
【0009】本発明は、係る従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、その課題とするところは、
精度の高い定風量性能を備えた安価な送風装置を得るこ
とであり、その送風装置のメンテナンス性の向上を推進
することであり、送風装置も含む流体圧送装置の精度の
高い定流量性能を備えた駆動装置を得ることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記課題を達成するため
に請求項1の発明は、羽根車を回転させるモーターの回
転数を検知する回転数検知手段と、モーターへの通電を
制御する制御手段と、モーターの通電電流を検知する電
流検知手段と、風量を設定する風量設定手段を備えさ
せ、回転数検知手段及び電流検知手段により検知したモ
ーターの回転数とモーターに通電する電流値を、風量設
定手段による設定値に応じた回転数と電流値に、風量/
回転数による作動点で決まるCと、電流値/回転数の平
方による作動点で決まるKとの関係式に基づいて制御手
段により通電制御するようにする手段を採用する。
【0011】前記課題を達成するために請求項2の発明
は、請求項1に係る前記手段における制御手段に、一定
圧力損失におけるモーターの回転数と電流値から、電流
検知手段の測定誤差や回路消費電流の誤差等を補正設定
する誤差補正設定手段を備えさせる手段を採用する。
【0012】前記課題を達成するために請求項3の発明
は、請求項1又は請求項2のいずれかに係る前記手段に
おける制御手段に、設定風量に対して基準を超える羽根
車の回転数や電流値のときに異常を判定し報知する異常
判定手段を備えさせる手段を採用する。
【0013】前記課題を達成するために請求項4の発明
は、流体を圧送する羽根を回転させるモーターの回転数
を検知する回転数検知手段と、このモーターへの通電を
制御する制御手段と、モーターの通電電流を検知する電
流検知手段と、流量を設定する流量設定手段を備えさ
せ、回転数検知手段及び電流検知手段により検知したモ
ーターの回転数とモーターに通電する電流値を、流量設
定手段による設定値に応じた回転数と電流値に、流量/
回転数による作動点で決まるCと、電流値/回転数の平
方による作動点で決まるKとの関係式に基づいて制御手
段により通電制御するようにする手段を採用する。
【0014】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1〜図5によっ
て示す本実施の形態は、圧力損失が異なる条件下におい
ても目標風量を得ることができる送風装置に関するもの
である。送風装置としては、室内の空気を室外へ排気し
て換気を行うものや、室外の空気を室内へ取入れ給気に
より換気を行うものや、給排気により換気を行うものの
他、給排気間で熱交換しながら換気を行うもの、室内の
空気を循環させるものなどが含まれる。本実施の形態の
送風装置は、説明の便宜のため室外の空気をダクト1を
介して吸込み、ダクト1を介して室内へ吹出し室内の換
気を行う送風装置を例示することにする(図1参照)。
【0015】送風装置は、送風ユニット2とフィルター
ユニット3と制御ユニット4とにより構成されている。
送風ユニット2はDCブラシレスモーター5(以降DC
モーターと称す)の出力軸に装着された羽根車6とから
なるファンモーター7を主体として構成され、その吸込
み側にフィルターユニット3が接続され、吹出し側に一
端が室内に連通されるダクト1が接続されている。フィ
ルターユニット3は、空気中の塵埃を除去する高性能フ
ィルターや、花粉除去フィルターや脱臭用の機能性フィ
ルター等のフィルター8を用途に応じて搭載したもので
あり、送風ユニット2に対しては、ダクト1とともに圧
力損失要素として位置付けられる。
【0016】制御ユニット4は、送風ユニット2を風量
制御するものであり、交流電圧を直流電圧に変換するコ
ンバーター部9と、DCモーター5への通電を制御する
演算制御部10と、DCモーター5を駆動させるインバ
ーター駆動部11と、回転数を検知する回転数検知手段
12と、DCモーター5の電流を検知する電流検知手段
13と、風量を設定する風量設定手段14と、状態出力
部15とから構成されている。演算制御部10には、プ
ログラムによって誤差補正設定手段16と異常判定手段
17が備えられ、異常判定手段17は状態出力部15に
状態報知信号を出力する。
【0017】送風ユニット2はダクト1やフィルターユ
ニット3等の圧力損失要素の変動にかかわらず風量設定
手段14により設定された風量で送風を行うように制御
ユニット4によって制御される。制御ユニット4の制御
動作は、回転数検知手段12により検知されるDCモー
ター5の回転数においてDCモーター5に通電する電流
を、電流検知手段13により検知したDCモーター5の
回転数における電流値から風量設定手段14による設定
値に応じた回転数と電流値に演算制御部10により通電
制御するものである。
【0018】送風機の風量関係式のなかに同一動作点
(圧力損失が同じ状態)で、P∝N3・D5、Q∝N・D
3、H∝N2・D2がある。これらの式において、Pはフ
ァンモーターの駆動力、Nはファンモーターの回転数、
Dは羽根車の羽根径、Hは静圧である。ここで、Q∝N
・D3よりQ/N=C・D3(Cは圧力損失によって決まる定
数)と表すことができる。また、ファンモーターの駆動
力となるモーターに関する原理式として、P=K・T・
Nが、DCモーターの特性としてK=KT・Iが知られて
いる。この二つの式からP=K・T・N=K・(KT
I)・N=K・KT・N・Iが導き出される。ここで、P
はファンモーターの駆動力、Kは各種定数、Tはトルク、
Nは回転数、KTはトルク定数、Iは電流値である。上記
の式(P∝N3・D5、P=K・KT・N・I)から、N3
5=K・KT・N・Iとなり、D5/K・K T=I/N2
表される。上記のように算出した二式(Q/N=C・D3
びD5/K・KT=I/N2)より、羽根車は各送風機に
ついて固有に設定するので、定数を整理すれば、Q/N
=C、I/N2=Kが導かれる。これらの定数CとKは
圧力損失に決まる定数であるので、任意の圧力損失の場
合のC及びKの関係から、電流Iと回転数Nから風量Q
を推定することができる。例えば、C=α・Kという関
係式であった場合(αは便宜上の定数)、Q/N=α・
I/N2となり、Q=α・I/Nといった具合に風量Q
を導き出せる。
【0019】送風機の風量関係においては、圧力損失が
変化したときには、定電流では羽根車6の回転数が変化
してしまい、定回転数制御では電流値が変化してしまう
ため、結果として定電流、定回転数では定風量性が得ら
れない。このことは、図2に示す送風機の静圧風量特性
(以降QH特性という)によっても説明できることであ
る。図2において分かり易くするために、羽根車6を定
電流駆動I1(もしくは温度変化しない条件下での定電圧
制御下のI1)において、例えばダクト1の圧力損失条件
1線(指定ダクト管径でダクト長10m相当と仮定)
で使用した場合、風量はQH特性I1とダクト損失曲線
1の交点Q11において唯一バランスする。このと
き、フィルター8の目詰まり等、圧力損失要因により圧
力損失が増加し増加線DXに移行すると、風量は交点QX
Xに移動し、モーター回転数は図2上部のモーター回
転曲線I1上のN1からNXにに増加するが、風量はQ1
からQXに低下してしまう。
【0020】本実施の形態の送風装置は、異なるダクト
配管情況や各種フィルターの選択、外風条件など刻々と
変化する換気条件等、変化する圧力損失に対して風量Q
が電流値Iと回転数Nによって決まることに着目し、風
量設定手段14によって設定された風量Qに対して、羽
根車6の異なる回転数に応じた異なる電流値Iで判定
し、これに基づいて制御することにより、定風量性を得
るものである。即ち、図2において設定風量Q1で前述の
ように定電流制御のみを行った場合、圧力損失の増加に
伴い交点QXXにおいてバランスしてしまうため、定風
量を維持するためにQH特性上、Q1Hm点に交点を移動さ
せる制御を行うわけである。これを図2における風量回
転数特性(以降QN特性という)から説明すると、圧力損
失の増加におけるQH特性上のQxHx点に対応するQN特性上
のNmIm点に交点を移動する制御を行うわけである。つま
り、風量低下してしまうNX1点ではなく、定風量交点
であるNmIm点を制御の目標値として収束させるのであ
る。
【0021】制御ユニット4の演算制御部10は、図3
に示すように任意の圧力損失の場合のC及びKの関係を
記憶していて、設定風量に応じて、回転数もしくは電流
値のどちらかを制御パラメーターとして制御し、制御パ
ラメーターとしなかった他方の電流検知結果もしくは回
転数検知結果を制御パラメーターと記憶された関係によ
る計算値と比較し、これに基づき制御パラメーター側を
変化させることにより目標とする風量に漸近させる。本
実施の形態においては、制御パラメーターを回転数とし
た場合について説明する。
【0022】図3に示すようなC及びKの関係は、予め
測定・設計され、近似式として演算制御部10に記憶設
定されている。この近似式は一つの近似式でも良いが二
つ以上の近似式にしても構わない。電源ONスタートし
安定状態での電流値及び回転数を読込み、演算制御部1
0に記憶している近似式により風量Qを計算し、設定風
量値と比較する。計算風量と設定風量との値が異なる場
合、インバーター駆動部11を増速側あるいは減速側へ
駆動させることにより回転数を変化させ、そのときの電
流値を随時読取り、計算風量と比較し収束させていく
(運転プログラムのフローチャートを示した図4のAで
示す標準動作フロー参照)。このとき、送風装置に求め
られる風量精度や即応性に応じて漸近の方法として判定
幅を設けたり、平均値を長くするなどして、回転数の変
動を最小限に抑え騒音の低減も図られる。
【0023】誤差補正設定手段16は、図4のBの動作
フローに示すように、一定圧力損失におけるDCモータ
ー5の回転数と電流値から、電流検知手段13の測定誤
差や回路消費電流の誤差等を補正設定するものであり、
例えば生産ラインにおいて誤差修正モードに回路セット
する。そして、送風装置についてはダクト接続無しの状
態や、規定された標準圧力治具等により、一定の圧力損
失を与え、このモードで運転させてファンモーター7の
所定の回転数と消費電流値から、電流検知手段13の測
定誤差や回路消費電流の誤差等を修正設定し、演算制御
部10に記憶させることにより風量精度の向上が図られ
る。
【0024】この誤差補正設定手段16においては圧力
損失が規定された条件なので、定回転数N1下におい
て、定風量Q1が保証されることから、定回転数N1にお
ける目標値I1を、補正プログラムにおいては、定回転
数N1に達したとき、回路が測定するDCモーター5の
消費電流値を不揮発性記憶素子等に記憶させる仕方や、
予め定義された基準電流値との差を不揮発性記憶素子等
に記憶させる仕方を採ることにより、容易に電流測定精
度、即ち風量精度を向上させることができる。なお、誤
差補正設定手段16としては、半固定VRなどにより電
流検知手段13の抵抗値設定により検知電流値を補正す
る方法を採ることもできる。
【0025】異常判定手段17は、設定風量に対して基
準を超える羽根車6の回転数や電流値のときに異常を判
定し状態出力部15によって報知する自己診断プログラ
ムであり、状態出力部15により視覚的や聴覚的な報知
が可能に構成されている。送風装置の想定された能力以
上での設置条件や、軸受等の経時的な磨耗等による回転
数の異常、消費電流の異常などを自己判定し、報知する
ことができる。図4のフローチャートにおけるCにおい
て風量指示値からセットされる回転数の上限や、下限に
対し羽根車6の回転数が異常に高いとき、また異常に低
いときの二通りの異常判定をすることにより、ファンモ
ーター7のその時々の状態を使用者にメンテナンス警報
や故障警報として発することができる。
【0026】フィルター8や熱交換器等を備えた送風装
置においては、初期の羽根車6の回転数を不揮発性記憶
素子等に記憶させておけば、フィルター8や熱交換器の
目詰まり等による圧力損失の増加に伴う回転数の上昇に
より、フィルター8や熱交換器の目詰まりを検知でき、
使用者に清掃や交換を促すなど広範な応用が可能であ
る。フィルター8や熱交換器等の装着忘れ等に対して
も、圧力損失が低下することになるため同様な仕方で検
知でき報知することができる。
【0027】なお、送風機やモーターに関する一般式が
成立する範囲においては、DCモーター5以外の各種の
モーターを使った送風装置に対しても適用でき、その定
風量性を向上させることができる。また、回転数を制御
の基本パラメーターとしていることから装置の共振点と
なる羽根車6の回転数を避ける回転数ジャンプ機能等も
容易に得ることができる。本実施の形態とは逆に制御パ
ラメーターを電流値とし、回転数を測定する制御も可能
であり、この場合、電圧制御下における消費電流を平均
化し、制御パラメーターとして用いることにより定電流
でなくても単純な電圧制御と制御時間中の平均電流測定
により、風量判断ができる。
【0028】実施の形態2.図6によって示す本実施の
形態は、実施の形態1で示した送風装置のDCモーター
5と制御ユニット4とによる構成を、送風装置も含む各
種の非容積式の流体圧送装置に適用できる駆動装置18
として構成したものであり、基本的な構成は実施の形態
1のものと同じである。従って、実施の形態1のものと
同じ部分については実施の形態1のものと同じ符号を用
いそれらについての説明は省略する。
【0029】流体を羽根(羽根車6)の回転により圧送
する非容積式の流体圧送装置としては、実施の形態1に
おいて示した送風装置の他にも各種の装置がある。流体
が気体であったり、液体であったり、さらには流体と略
同様な挙動をする粉体や粒体に対しても実施の形態1の
ファンモーター7に相応する駆動装置を持っている。本
実施の形態はこうした非容積式の流体圧送装置に適用で
きる駆動装置18に関するものであり、DCモーター5
と、対象となる流体の流量に応じたDCモーター5の回
転数とその消費電流値から演算し制御する制御ユニット
4とにより構成されている。
【0030】DCモーター5への回転指令入力は、端子
Sに与えられ、風量設定手段14に相当する流量設定
手段19から演算制御部10によりインバーター駆動部
11によってDCモーター5が回転指示される。回転数
検知手段12は、ホール素子などにより構成され、ロー
タ位置検知のためのホール素子等をそのまま利用するこ
とができる。制御ユニット4の演算制御部10は、実施
の形態1で示したように任意の圧力損失の場合のC及び
Kの関係を記憶していて、設定流量に応じて、回転数も
しくは電流値のどちらかを制御パラメーターとして制御
し、制御パラメーターとしなかった他方の電流検知結果
もしくは回転数検知結果を制御パラメーターと記憶され
た関係式(C=α・K)による計算値と比較し、これに
基づき制御パラメーター側を変化させることにより目標
とする流量に漸近させる。
【0031】本実施の形態の駆動装置18は、回転数指
令入力を入力する構成を採っているが、流量制御機能の
中核となる回転数と電流値の制御データを外部から通信
手段等により設定記憶させることで、流量設定入力モー
ドにするなど、これらの制御機能をモーターに一括内蔵
させることで、出力特性の変更可能な定流量用の汎用モ
ーターを得ることもできる。
【0032】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、圧力損失が異
なる条件下においても目標風量を得ることができる、精
度の高い定風量性能を備えた安価な送風装置が得られ
る。
【0033】請求項2の発明によれば、請求項1に係る
前記効果とともに風量精度が一層向上する。
【0034】請求項3の発明によれば、請求項1又は請
求項2のいずれかに係る前記効果とともに自己判断によ
り異常を判定し報知することができ、メンテナンス性が
向上する。
【0035】請求項4の発明によれば、負荷が異なる条
件下においても目標流量を得ることができる、精度の高
い定流量性能を備えた安価な流体圧送装置の駆動装置が
得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1の送風装置の構成を示すブロッ
ク構成図である。
【図2】 実施の形態1の送風装置の風量―静圧と風量
―回転数特性を示す説明図である。
【図3】 実施の形態1の送風装置の風量/回転数―電
流値/回転数の平方の特性を示す説明図である。
【図4】 実施の形態1の送風装置の運転プログラムを
示すフローチャートである。
【図5】 図4のフローチャートの説明図である。
【図6】 実施の形態2の流体圧送装置の駆動装置の構
成を示すブロック構成図である。
【図7】 従来の送風装置の構成を示すブロック構成図
である。
【図8】 従来の他の送風装置の構成を示すブロック構
成図である。
【符号の説明】
5 DCモーター、 6 羽根車、 7 ファンモータ
ー、 10 演算制御部、 12 回転数検知手段、
13 電流検知手段、 14 風量設定手段、16 誤
差補正設定手段、 17 異常判定手段、 19 風量
設定手段。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 羽根車を回転させるモーターの回転数を
    検知する回転数検知手段と、前記モーターへの通電を制
    御する制御手段と、前記モーターの通電電流を検知する
    電流検知手段と、風量を設定する風量設定手段を備え、
    前記回転数検知手段及び電流検知手段により検知したモ
    ーターの回転数とモーターに通電する電流値を、前記風
    量設定手段による設定値に応じた回転数と電流値に、風
    量/回転数による作動点で決まるCと、電流値/回転数
    の平方による作動点で決まるKとの関係式に基づいて前
    記制御手段により通電制御するようにした送風装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の送風装置であって、制
    御手段に、一定圧力損失におけるモーターの回転数と電
    流値から、電流検知手段の測定誤差や回路消費電流の誤
    差等を補正設定する誤差補正設定手段を備えさせた送風
    装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は請求項2のいずれかに記載
    の送風装置であって、制御手段に、設定風量に対して基
    準を超える羽根車の回転数や電流値のときに異常を判定
    し報知する異常判定手段を備えさせた送風装置。
  4. 【請求項4】 流体を圧送する羽根を回転させるモータ
    ーの回転数を検知する回転数検知手段と、このモーター
    への通電を制御する制御手段と、前記モーターの通電電
    流を検知する電流検知手段と、流量を設定する流量設定
    手段を備え、前記回転数検知手段及び電流検知手段によ
    り検知したモーターの回転数とモーターに通電する電流
    値を、前記流量設定手段による設定値に応じた回転数と
    電流値に、流量/回転数による作動点で決まるCと、電
    流値/回転数の平方による作動点で決まるKとの関係式
    に基づいて前記制御手段により通電制御するようにした
    流体圧送装置の駆動装置。
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