特開 2025-9435 室圧制御装置及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025009435

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】室圧制御装置及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   F24F 7/007 20060101AFI20250110BHJP

   F24F 7/08 20060101ALI20250110BHJP

   F24F 13/10 20060101ALI20250110BHJP

【ＦＩ】

F24F7/007 B

F24F7/08 Z

F24F13/10 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023112441

(22)【出願日】2023-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000149790

【氏名又は名称】株式会社大気社

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森重 公康

(72)【発明者】

【氏名】村上 裕紀

【テーマコード（参考）】

3L056

3L081

【Ｆターム（参考）】

3L056BF04

3L081AA03

3L081AB02

(57)【要約】

【課題】室圧の安定性を向上すること。
【解決手段】対象室に空気を供給する給気手段と、前記対象室から空気を排気する排気手段と、前記対象室と前記排気手段との間に設けられ、前記対象室の室圧を調整する室圧制御ダンパと、を備えた室圧制御装置であって、前記対象室の室圧を検知する検知手段と、前記対象室の設定室圧と、前記検知手段の検知結果とに基づいて、前記対象室が前記設定室圧に維持されるように、単純適応制御により前記室圧制御ダンパを制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象室に空気を供給する給気手段と、
前記対象室から空気を排気する排気手段と、
前記対象室と前記排気手段との間に設けられ、前記対象室の室圧を調整する室圧制御ダンパと、
を備えた室圧制御装置であって、
前記対象室の室圧を検知する検知手段と、
前記対象室の設定室圧と、前記検知手段の検知結果とに基づいて、前記対象室が前記設定室圧に維持されるように、単純適応制御により前記室圧制御ダンパを制御する制御手段と、を備える、
ことを特徴とする室圧制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の室圧制御装置であって、
前記室圧制御装置は、隣接する複数の対象室の室圧を制御し、
前記検知手段と前記室圧制御ダンパとは前記対象室毎に設けられ、
前記単純適応制御の規範モデルが、前記対象室毎に設定されている、
ことを特徴とする室圧制御装置。

【請求項3】

請求項２に記載の室圧制御装置であって、
前記複数の対象室の前記設定室圧が互いに異なり、
前記設定室圧が相対的に高い前記対象室に対応する前記規範モデルは、前記設定室圧が相対的に低い前記対象室に対応する前記規範モデルに比べて、制御開始時の室圧の立ち上がりが早い、
ことを特徴とする室圧制御装置。

【請求項4】

請求項１に記載の室圧制御装置であって、
前記制御手段は、
規範モデルに応じた目標値を演算する規範モデル適用部と、
前記設定室圧に応じた第一の制御値を演算する第一のフィードフォワード制御部と、
前記規範モデル適用部で演算された状態変数に応じた第二の制御値を演算する第二のフィードフォワード制御部と、
前記目標値と前記検知手段の検知結果との偏差に応じた第三の制御値を演算するフォードバック演算部と、
前記偏差に応じた第四の制御値を演算するＰＩ制御部と、
前記第一乃至第四の制御値を合算して、前記室圧制御ダンパの制御値を演算する制御値演算部と、を備える、
ことを特徴とする室圧制御装置。

【請求項5】

対象室に空気を供給する給気手段と、前記対象室から空気を排気する排気手段と、前記対象室と前記排気手段との間に設けられ、前記対象室の室圧を調整する室圧制御ダンパと、前記対象室の室圧を検知する検知手段と、を備えた装置を制御するコンピュータを、
前記対象室の設定室圧と、前記検知手段の検知結果とに基づいて、前記対象室が前記設定室圧に維持されるように、単純適応制御により前記室圧制御ダンパを制御する制御手段、
として機能させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、室圧制御技術に関する。

【背景技術】

【0002】

医薬品製造室、クリーンルーム等では、室圧を所定の圧力に維持することが要求される。室圧制御ダンパ（圧力制御ダンパ：ＰＣＤ）等によって室圧を制御することが提案されている（特許文献１～３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７－８３４７５号公報

【特許文献2】特開２０２１－４６９５４号公報

【特許文献3】特許第７１４５２７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

外部空気の圧力変動（屋外風圧の変動）により室圧が乱れる場合がある。室圧制御ダンパを設けた場合であっても、大きな外乱の影響を受ける場合があり、その改善が望まれる。

【0005】

本発明の目的は、室圧の安定性を向上することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によれば、
対象室に空気を供給する給気手段と、
前記対象室から空気を排気する排気手段と、
前記対象室と前記排気手段との間に設けられ、前記対象室の室圧を調整する室圧制御ダンパと、
を備えた室圧制御装置であって、
前記対象室の室圧を検知する検知手段と、
前記対象室の設定室圧と、前記検知手段の検知結果とに基づいて、前記対象室が前記設定室圧に維持されるように、単純適応制御により前記室圧制御ダンパを制御する制御手段と、を備える、
ことを特徴とする室圧制御装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、室圧の安定性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る室圧制御装置の概略図。

【図2】（Ａ）は制御ユニットのブロック図、（Ｂ）は制御ユニットが実行する処理例を示すフローチャート。

【図3】室圧制御ダンパの制御のブロック線図。

【図4】規範モデルの例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

【0010】

＜装置の概要＞
図１は本発明の一実施形態に係る室圧制御装置１の概略図である。室圧制御装置１は、互いに隣接した対象室１０１～１０３の室圧を所定の室圧に維持しつつ、それらの換気を行う換気装置である。対象室１０１と対象室１０３とは扉１１１の開放によって連通し、その閉鎖によって遮断される。対象室１０１と対象室１０２とは扉１１２の開放によって連通し、その閉鎖によって遮断される。対象室１０２と対象室１０３とは扉１１３の開放によって連通し、その閉鎖によって遮断される。対象室１０３と、その外部とは扉１１４の開放によって連通し、その閉鎖によって遮断される。対象室１０１～１０３は、例えば、医薬品製造室、食品加工室、細菌実験室、クリーンルーム等である。対象室１０１～１０３は、本実施形態の場合、大気圧よりも高い室圧に維持され、例えば、数十Ｐａである。

【0011】

室圧制御装置１は、給気ユニット２を備える。給気ユニット２は例えばファンである。給気ユニット２は、風量調整ダンパＶＤ１を介して外気を取り込み、給気ダクト１０～１３を介して対象室に空気を供給する。給気ダクト１０には、ダクト内の圧力を検知する圧力センサ４が設けられている。給気ユニット２は吐出側の給気ダクト１０内の圧力を圧力センサ４の検知結果に基づき調整することができる。

【0012】

給気ダクト１１～１３は、給気ダクト１０から分岐して対応する対象室１０１～１０３へ接続されている。給気ダクト１１は対象室１０１に接続されており、対象室１０１に供給される空気の風路を形成する。給気ダクト１１には定風量装置４１が設けられており、対象室１０１に供給される空気が一定量に調整される。給気ダクト１２は対象室１０２に接続されており、対象室１０２に供給される空気の風路を形成する。給気ダクト１２には定風量装置４２が設けられており、対象室１０２に供給される空気が一定量に調整される。給気ダクト１３は対象室１０３に接続されており、対象室１０３に供給される空気の風路を形成する。給気ダクト１３には定風量装置４３が設けられており、対象室１０３に供給される空気が一定量に調整される。

【0013】

室圧制御装置１は、排気ユニット３を備える。排気ユニット３は例えばファンである。排気ユニット３は、排気ダクト２０～２３及び風量調整ダンパＶＤ２を介して対象室１０１～１０３から空気を外部（大気）に排気する。排気ダクト２０には、ダクト内の圧力を検知する圧力センサ５が設けられている。排気ユニット３は吸込側の排気ダクト２０内の圧力を圧力センサ５の検知結果に基づき調整することができる。

【0014】

排気ダクト２１～２３は、排気ダクト２０から分岐して対応する対象室１０１～１０３へ接続されている。排気ダクト２１は対象室１０１に接続されており、対象室１０１から排気される空気の風路を形成する。排気ダクト２１には室圧制御ダンパ５１が設けられている。室圧制御ダンパ５１は、排気ユニット３と対象室１０１との間に設けられ、対象室１０１の室圧を調整する圧力制御ダンパである。

【0015】

排気ダクト２２は対象室１０２に接続されており、対象室１０２から排気される空気の風路を形成する。排気ダクト２２には室圧制御ダンパ５２が設けられている。室圧制御ダンパ５２は、排気ユニット３と対象室１０２との間に設けられ、対象室１０２の室圧を調整する圧力制御ダンパである。排気ダクト２３は対象室１０３に接続されており、対象室１０３から排気される空気の風路を形成する。排気ダクト２３には室圧制御ダンパ５３が設けられている。室圧制御ダンパ５３は、排気ユニット３と対象室１０３との間に設けられ、対象室１０３の室圧を調整する圧力制御ダンパである。

【0016】

室圧制御ダンパ５１～５３は、例えば、駆動源であるモータと、モータにより駆動され風路を開閉する開閉部材とを含む。開閉部材の開度を制御することで、対応する対象室１０１～１０３の室圧を調整できる。対象室１０１の室圧は室圧検知センサ６１で検知され、対象室１０２の室圧は室圧検知センサ６２で検知され、また、対象室１０３の室圧は室圧検知センサ６３で検知される。室圧検知センサ６１～６３の検知結果に基づいて室圧制御ダンパ５１～５３の開度を制御することで、より正確に対象室１０１～１０３の室圧を制御することができる。

【0017】

給気ユニット２と排気ユニット３との間には、循環ダクト３０が設けられている。循環ダクト３０は排気ユニット３から排気される空気の一部を給気ユニット２に還流する。これにより、対象室１０１～１０３の空気を循環させることができる。循環ダクト３０には風量調整ダンパＶＤ３が設けられており、空気の循環量は風量調整ダンパＶＤ３によって調整することができる。風量調整ダンパＶＤ１～ＶＤ３によって対象室１０１～１０３に導入する外気と、循環させる循環気との割合を調整できる。

【0018】

なお、室圧制御装置１は、対象室１０１～１０３に供給する空気を清浄化するフィルタ装置或いは空気清浄機や、空気の温度を調整する温調器を備えてもよい。

【0019】

室圧制御装置１は、装置全体を制御する制御ユニット７を備える。図２（Ａ）は制御ユニット７のブロック図である。制御ユニット７は、処理部７１、記憶部７２、インタフェース部（Ｉ／Ｆ部）７３を含む電子回路である。処理部７１は、ＣＰＵに代表されるプロセッサであり、記憶部７２に記憶されたプログラムを実行する。記憶部７２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクなどの記憶デバイスである。Ｉ／Ｆ部７３は、センサ７５の検知結果や入力装置７６の入力内容等が入力される入力インタフェースと、アクチュエータ７４に対する制御指示や表示装置７７に対する表示情報等を出力する出力インタフェースとを含む。

【0020】

センサ７５には、圧力センサ４及び５や室圧検知センサ６１～６３等、室圧制御装置１が備える各種のセンサが含まれる。アクチュエータ７４には、ファン２及び３、定風量装置４１～４３、室圧制御ダンパ５１～５３等、室圧制御装置１が備える各種のアクチュエータが含まれる。入力装置７６は、オペレータからの入力を受け付ける装置であり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル形式のデバイスであってもよい。表示装置７７は、室圧制御装置１の動作状態等の情報をオペレータに提示する装置である。

【0021】

＜制御例＞
制御ユニット７の制御例について説明する。ここでは処理部７１によって実行される室圧制御ダンパ５１～５３の制御例について説明する。図２（Ｂ）は室圧制御ダンパ５１～５３の制御例を示すフローチャートであり、室圧の立ち上げから維持する処理の例を示している。

【0022】

ステップＳ１では、各対象室１０１～１０３の設定室圧が取得される。本実施形態の場合、対象室１０１～１０３毎に室圧が設定される。各室圧値は例えばオペレータが予め入力装置７６を介して入力し、入力された室圧値は、対応する対象室１０１～１０３と対応づけて記憶部７２に保存される。ステップＳ１では例えば処理部７１が記憶部７２から各対象室１０１～１０３の設定室圧を読み出す。

【0023】

ステップＳ２では、室圧検知センサ６１～６３の検知結果が取得される。ステップＳ３ではステップＳ１で取得した設定室圧とステップＳ２で取得した検知結果とに基づいて、対象室１０１～１０３が対応する設定室圧に維持されるように、室圧制御ダンパ５１～５３の各制御量が演算される。

【0024】

ステップＳ４ではステップＳ３で演算した各制御量を、対応する室圧制御ダンパ５１～５３に適用してこれらを駆動する。ステップＳ５では制御の終了条件が成立したか否かが判定される。終了条件は、例えば、オペレータの指示があった場合である。終了条件が成立していないと判定した場合はステップＳ２に戻って同様の処理が繰り返される。以上の制御によって、各対象室１０１～１０３の室圧が、例えば、初期室圧（例えば大気圧）から設定室圧まで立ち上がり、その後、設定室圧に維持されることになる。

【0025】

＜室圧制御ダンパの制御手法＞
外部空気の圧力変動（屋外風圧の変動）により、対象室１０１～１０３の室圧が乱れる場合がある。室圧制御ダンパ５１～５３の制御手法としては、例えば、ＰＩＤ制御やＰＩ制御によるフィードバック制御が考えられるが、例えば、高周波域の圧力変動の低減の点で改善の余地がある。本実施形態では単純適応制御（ＳＡＣ）により室圧制御ダンパ５１～５３を制御することで室圧の安定性を向上する。

【0026】

図３は室圧制御ダンパ５１～５３の制御のブロック線図である。本実施形態では単純適応制御にＰＩ制御を組み合わせた制御を行う。以下、便宜的に室圧制御ダンパ５１を例にとってブロック線図の内容を説明するが、室圧制御ダンパ５２及び５３についても同様である。

【0027】

ｕm(t)は、時間ｔにおける対象室１０１の設定室圧である。本実施形態の場合、設定室圧は時間によらず一定の値（例えば数十Ｐａ）である。規範モデル適用部８０は、ｕm(t)を規範モデルに適用して、規範モデルに応じた制御の目標値ｙm(t)を演算する。図示の例では規範モデル適用部８０は伝達関数Ｇm(s)を有している。

【0028】

伝達関数Ｇm(s)を一次遅れ系とすると、目標値ｙm(t)は以下の式により演算される。
ｙm(t)＝Ｃ・Ｘm(t)
Ｘm(t)＝(Ｘm(t-1)＋Ｂ・Ｕ・Δt)／(1.0-Ａ・Δt)
ここで、Ｕ：設定圧力（但し、０～１の間のレンジ変換後の値）、Ａ～Ｃ：室圧の立ち上げ速度を規定する係数、Δt：制御周期、Ｘm(t-1)：一制御周期前のＸmの値、である。

【0029】

図４は、対象室１０１～１０３の規範モデルの例を示している。規範モデルＭ１は対象室１０１に対応し、規範モデルＭ２は対象室１０２に対応し、規範モデルＭ３は対象室１０３に対応する。ここでは、対象室１０１～１０３の各設定室圧の高低が、対象室１０１＜対象室１０２＜対象室１０３の関係にあることが想定されている。そして、相対的に設定室圧が高い対象室１０３に対応する規範モデルＭ３は制御開始時の室圧の立ち上がりが最も早く、相対的に設定室圧が低い対象室１０１に対応する規範モデルＭ１の立ち上がりが最も遅い。立ち上げ速度は上記のとおり係数Ａ～Ｃで調整できる。

【0030】

規範モデルＭ１～Ｍ３をこのように設定することで、室圧の立ち上がり途中で、対象室１０１～１０３間の室圧の高低関係が逆転することを防止できる。

【0031】

図３に戻る。偏差演算部８５は、目標値ｙm(t)と、対象室１０１の室圧ｙ(t)との偏差ｅ(t)を演算する。対象室１０１の室圧ｙ(t)は、室圧検知センサ６１の検知結果である。

【0032】

フィードフォワード制御部８１は、設定室圧ｕm(t)に応じた制御値（＝ｕm(t)・ｋum(t)）を演算する。ゲインｋum(t)は以下の式により演算される。
ｋum(t)＝（θps2(t)＋θie2(t)）
θps2(t)＝－1.0・γps2・Ｕ・Es(t)
θis2(t)＝θis2(t-1)－1.0・γis2・Ｕ・Es(t)・Δt
Es(t)＝PV－ｙm(t)
ここで、ＰＶ：室圧検知結果（センサ６１の検知結果）、γps2及びγis2：調整用パラメータ、である。

【0033】

フィードフォワード制御部８２は、規範モデル適用部８０で演算された状態変数Ｘm(t)に応じた制御値（＝Ｘm(t)・ｋxm(t)）を演算する。ゲインｋxm(t)は以下の式により演算される。
ｋxm(t)＝（θps1(t)＋θie1(t)）
θps1(t)＝－1.0・γps1・Ｘm(t)・Es(t)
θis1(t)＝θis1(t-1)－1.0・γis1・Ｘm(t)・Es(t)・Δt
ここで、γps1及びγis1：調整用パラメータ、である。

【0034】

フィードバック制御部８３は、偏差ｅ(t)に応じた制御値（＝ｅ(t)・ｋe(t)）を演算する。ゲインｋe(t)は以下の式により演算される。
ｋe(t)＝－（γpe＋γie・Δt）
ここで、γpe及びγie：調整用パラメータ、である。

【0035】

ＰＩ制御部８４は、偏差ｅ(t)に応じた制御値（＝Ｋp・ｅ(t)・＋Ｋi・∫ｅ(t)dt）を演算する。ここで、比例ゲインＫp、積分ゲインＫiは調整用パラメータである。

【0036】

制御値演算部８６は、フィードフォワード制御部８１及び８２、フィードバック制御部８３、並びに、ＰＩ制御部８４の各制御値を合算して室圧制御ダンパ５１に対する制御値ｕ(t)を演算する。制御値ｕ(t)で室圧制御ダンパ５１を駆動し、制御対象８７である対象室１０１の室圧がｙ(t)となる。制御対象８７は、制御値ｕ(t)に対する対象室１０１の室圧変化の伝達関数Ｇ(s)で表されている。

【0037】

以上の制御手法により、図２（Ｂ）のＳ３において各室圧制御ダンパ５１～５３の制御値が演算される。単純適応制御により室圧制御ダンパ５１～５３を制御することで、制御の応答性が向上し、高周波域の圧力変動を効果的に低減することができる。ＰＩ制御を併用することで、低周波域の圧力変動も効果的に低減することができる。

【0038】

＜他の実施形態＞
上記実施形態では、ＰＩ制御部８４を採用したが、ＰＩＤ制御部としてもよい。ＰＩＤ制御部は、偏差ｅ(t)に応じた制御値（＝偏差ｅ(t)・Ｋp＋Ｋi・∫ｅ(t)dt＋Ｋv・ｅ(t)／dt）を演算する（Ｋｖは微分ゲイン）。或いは、ＰＩ制御部８４をＰＤ制御部としてもよく、若しくは、ＰＩ制御部８４を無くしてもよい。

【0039】

上記実施形態では、３つの対象室１０１～１０３の室圧制御を例示したが、対象室の数は１つ、或いは、２つでもよく、若しくは、４つ以上であってもよい。

【0040】

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0041】

１ 室圧制御装置、２ 給気ユニット、３ 排気ユニット、７ 制御ユニット、５１～５３ 室圧制御ダンパ、６１～６３ 室圧検知センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】