(57)【要約】【課題】本発明は、少ない労力で室内の風の流れの三次元速度を高い空間分解能で計測可能な流速計測装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる流速計測装置は、計測対象の空間内を移動する台車と、台車に設置されて空間内の各点における風の流れを検出する流速センサと流速センサの出力信号を処理して風の流れの台車に対する相対的な三次元速度を算出する相対流速演算部とから構成される相対流速計測部と、台車の三次元速度を計測する車速計測部と、相対流速計測部と車速計測部の計測結果に基づいて空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出する絶対流速演算部と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象の空間内を移動する台車と、
前記台車に設置されて前記空間内の各点における風の流れを検出する流速センサと該流速センサの出力信号を処理して前記風の流れの前記台車に対する相対的な三次元速度を算出する相対流速演算部とから構成される相対流速計測部と、
前記台車の三次元速度を計測する車速計測部と、
前記相対流速計測部と前記車速計測部の計測結果に基づいて前記空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出する絶対流速演算部と、
を備えていることを特徴とする流速計測装置。
【請求項２】
前記台車は、前記計測対象の空間内に配設される軌道に基づいて走行することを特徴とする請求項１に記載の流速計測装置。
【請求項３】
前記軌道は磁気テープよりなり、前記台車は該台車に備えた磁気センサにより前記磁気テープを検出して走行することを特徴とする請求項２に記載の流速計測装置。
【請求項４】
前記相対流速計測部は、レーザドップラ流速計であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流速計測装置。
【請求項５】
前記流速センサは、前記台車に設けられた水平断面が流線形の支柱に取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流速計測装置。
【請求項６】
前記流速センサは、前記台車に設けられたボールねじに取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に室内の風の流れの三次元速度を計測する流速計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般住宅やビルなどの建築物においていわゆる省エネが推進されている。建築物において省エネを図るためには、例えば、空調を適正化してエネルギーの無駄な損失を低減することが有効である。このためには、建築物の空間内で設計通りの風量が確保されているかなどの検証を行うことが求められる。この検証を行うには、空間内の各点を計測して、風の流れの三次元速度の情報を得ることが必要である。
【０００３】
ところで、最近の建築物の内部においては、データサーバやパソコンなどの電子機器をはじめ、熱風を発する機器が増加している。そして、これらの機器の増加により、風の流れの様相が複雑化している。このため、省エネ推進のために空間内の風の流れの計測を行う際には、空間内の風の流れの様子を詳細に把握するために空間分解能を高くすることが望まれている。
【０００４】
従来、室内の風の流れを計測する方法として、音波を利用した方法、レーザドップラを利用した方法、トレーサを使用する方法、画像処理による方法、これらを組み合わせた方法など、さまざまな方法が用いられている。風の流れの計測によく用いられる音波を利用した方法として、例えば特許文献１や特許文献２がある。
【０００５】
特許文献１には、１個の超音波送受波器を残り３個の超音波送受波器と対となる共通の超音波送受波器として配置する構成を有する超音波風速計が開示されている。これにより、超音波送受波器の使用個数を低減し、装置全体の低価格化と、測定対象の風速の分布の攪乱を最小限度にとどめることができるとしている。
【０００６】
特許文献２には、流路外周に多数配備された音波送受信機と、音波発信を命令する発信トリガーを発しまた音波受信トリガーを受信して発信時刻と受信時刻を数値化するタイマーと、記録装置と、計算機を備えた音波式流速分布計測装置が開示されている。これにより、測定装置が流れに直接接触することなく、また被計測流体によって計測機器が影響を受けることなく、流体機器内の二次元流速分布および三次元流速分布を計測可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２５７８１８号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１や特許文献２に示されるような方法による風の流れの計測は、空間内の所定の各点に対して計測を行うものである。従って、これらの技術を適用して室内の風の流れを高い空間分解能で計測して風の流れの三次元速度を得るためには、計測点を大幅に増加させる必要がある。計測点を大幅に増加させると、各計測点への計測装置の移動および各点での計測のために多大な労力が必要になる。
【０００９】
本発明は、上記の課題に鑑み、少ない労力で室内の風の流れの三次元速度を高い空間分解能で計測可能な流速計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明にかかる流速計測装置の代表的な構成は、計測対象の空間内を移動する台車と、台車に設置されて空間内の各点における風の流れを検出する流速センサと流速センサの出力信号を処理して風の流れの台車に対する相対的な三次元速度を算出する相対流速演算部とから構成される相対流速計測部と、台車の三次元速度を計測する車速計測部と、相対流速計測部と車速計測部の計測結果に基づいて空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出する絶対流速演算部と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、台車を移動させ、空間内の各点における風の流れの台車に対する相対的な三次元速度を計測し、この計測結果と台車の三次元速度の計測結果に基づいて、空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出することができる。従って、少ない労力で空間内の風の流れの三次元速度を高い空間分解能で計測することができる。
【００１２】
上記の台車は、計測対象の空間内に配設される軌道に基づいて走行するとよい。かかる構成によれば、台車が軌道により案内されて走行することにより、所望の空間内の風の流れの計測を容易に行うことができる。
【００１３】
上記の軌道は磁気テープよりなり、台車は台車に備えた磁気センサにより磁気テープを検出して走行するとよい。かかる構成によれば、磁気テープという簡易な軌道により台車が案内されて走行することにより、所望の空間内の風の流れの計測を容易に行うことができる。
【００１４】
上記の相対流速計測部は、レーザドップラ流速計であるとよい。かかる構成によれば、高精度での計測が可能になるとともに、レーザドップラ流速計から発せられるレーザビームの照射範囲を狭くすることにより計測の空間分解能を高めることができる。
【００１５】
上記の流速センサは、台車に設けられた水平断面が流線形の支柱に取り付けられているとよい。かかる構成によれば、台車の移動により支柱が風の流れから受ける抵抗を最小にすることができるため、空間内の各点における自然な風の流れを計測することができる。
【００１６】
上記の流速センサは、台車に設けられたボールねじに取り付けられているとよい。かかる構成によれば、ボールねじの軸方向に流速センサを移動することにより、少ないセンサ数で空間分解能を高くして風の流れを計測することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、少ない労力で室内の風の流れの三次元速度を高い空間分解能で計測可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態にかかる流速計測装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】計測車の駆動部周りを説明する図である。
【図３】流速計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】ボールねじの支柱を有する計測車を説明する図である。
【図５】簡便な計測方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかる流速計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態にかかる流速計測装置の全体構成を示す概略図である。流速計測装置１は、計測車１０と計測端末６０を含んで構成される。計測車１０は、台車１１と、支柱１２と、レーザドップラ流速計（ＬＤＶ）センサ部（流速センサ）１３と、矢羽根状風向板（方向センサ）１４と、ロータリーエンコーダ４１（図３参照）と、速度センサ４２（図３参照）を含んで構成される。白抜き矢印は計測車１０の進行方向を示す。
【００２１】
台車１１は、例えば、一般的な無人搬送車（Automatic
Guided Vehicle：ＡＧＶ）を用いることができる。ＡＧＶを用いることにより、あらかじめ設定した経路を自動で走行させることができる。図１では、台車１１の簡略な形状として、上面が平らな台車１１を示しているが、台車１１の形状は、流速センサ１３を設置可能であれば特に限定されない。台車１１は、樹脂製でもステンレス鋼板製でもよいし、他の材料で作られていてもよい。台車１１は、空間内の床面を走行してもよいし、所定の手段により浮遊して移動してもよい。台車１１の進行に伴う計測点の数を多くすることにより、台車１１の進行方向における計測の空間分解能を高めることができる。
【００２２】
支柱１２は、台車１１に設けられている。本実施形態では、支柱１２は、台車１１の上面に直立して設けられている。ここで、支柱１２の水平断面は流線形であるとよい。流線形であることにより、台車１１の進行に伴い支柱１２が風の流れから受ける抵抗が最も小さくなる。このため、台車１１の進行により風の流れが支柱１２に衝突して計測へ与える影響を最小限に抑えることができるため、空間内の各点における自然な風の流れを計測することができる。
【００２３】
ＬＤＶセンサ部１３は、支柱１２に取り付けられている。ＬＤＶセンサ部１３から３種類の異なる波長のレーザビームを相互に異なる角度で照射することにより、空間内の所定の点における風の流れの三次元速度を精度よく検出することができる。３種類の異なる波長のレーザビームとして、例えば、紫、赤、緑のレーザビームを用いることができる。また、ＬＤＶセンサ部１３から発せられるレーザビームの照射範囲を狭くすることにより計測の空間分解能を高めることができる。
【００２４】
所定の数のＬＤＶセンサ部１３を支柱１２に取り付けて計測点を多くすることにより、計測の空間分解能を高めることができる。より高い位置まで計測する場合は、支柱１２をその高さに応じた長さのものにし、必要とされる空間分解能に応じた数のＬＤＶセンサ部１３を設置すればよい。図１には、４個のＬＤＶセンサ部１３を鉛直方向に所定間隔で取り付けて鉛直方向の空間分解能を高めた状態を示している。
【００２５】
複数のＬＤＶセンサ部１３を水平方向に設ければ、水平方向の空間分解能を高めることができる。なお、流速センサ１３には、ＬＤＶセンサ部１３の他にも例えば、熱式センサを用いることも可能である。熱式センサを適切に構成することにより、空間内の各点における風の流れの三次元速度計測が可能である。
【００２６】
矢羽根状風向板１４は、例えば台車１１に設置されていて、台車１１の進行に応じてその向きを変えることにより、任意の走行位置における台車１１の進行方向を検出することができる。すなわち、例えば台車１１が走行する空間内に所定の基準軸を設定し、台車１１の走行開始時の進行方向をその基準軸の方向とする。そして、台車１１の各走行位置においてロータリーエンコーダ４１により計測される基準軸からの偏差を走行開始時から積算する。その積算値である基準軸からの偏差に基づいてその走行位置における台車１１の進行方向を表すことができる。
【００２７】
矢羽根状風向板１４の向きは、ロータリーエンコーダ４１に伝達されて後述するように車速演算部４３への入力信号となる。なお、矢羽根状風向板１４は、台車１１の速度が比較的大きく矢羽根状風向板１４の向きが周囲の風の流れの影響を受けない場合に用いることができる。
【００２８】
矢羽根状風向板１４の代わりに、後述する２個の駆動輪１５のそれぞれにロータリーエンコーダを取り付けて、左右の駆動輪１５の回転数の差を検出することにより、台車１１の進行方向を検出することもできる。駆動輪１５にロータリーエンコーダを取り付ける場合も、ある走行位置における台車１１の進行方向は、走行開始時から積算された左右の駆動輪１５の回転数の差の、所定の基準軸との偏差に基づいて表すことができる。この場合は、周囲の風の流れに影響されることなく、台車１１の進行方向を検出することが可能となる。
【００２９】
速度センサ４２は台車１１の速度を検出するものであり、詳細は後述する。また、計測車１０が走行する床面には、計測車１０を案内する軌道として例えば磁気テープ２０が配設される。磁気テープ２０に関しても詳細は後述する。
【００３０】
図２は、計測車の駆動部周りを説明する図である。台車１１の底部には、例えば、２個の駆動輪１５と、４個の補助輪１６と、駆動部１７と、駆動部材１８と、磁気センサ１９と、速度センサ４２が備えられている。駆動部１７から出力される駆動力が駆動部材１８を介して駆動輪１５に伝達され、駆動輪１５が回転することにより、台車１１は走行する。駆動部１７は、例えばモータである。駆動部１７は、例えば制御部（図示せず）からの制御信号により制御されて駆動力を発生したり、駆動力の発生を停止したりする。補助輪１６は、台車１１が磁気テープ２０に沿って安定して走行するのを補助する。白抜き矢印は台車１１の進行方向を示す。
【００３１】
磁気テープ２０は、計測対象の空間内の例えば床面に配設されている。台車１１の底部に取り付けられた磁気センサ１９は、例えば可飽和コイルであり、磁気テープ２０を磁気的に検出することにより、磁気テープ２０に沿って台車１１を走行させる。磁気テープ２０という簡易な軌道により台車１１が案内されて走行することにより、所望の空間内の風の流れの計測を容易にすることができる。
【００３２】
なお、軌道は磁気テープ２０でなくてもよく、例えば、軌道を光の反射テープにより形成して、光の反射テープを光学センサにより光学的に検出するようにしてもよい。また、軌道は空間内の壁面に設けられたレールであってもよい。軌道がレールの場合は、台車１１の駆動輪１５が機構的にレール上を走行するようにして、レールを検出するセンサ類を不要にすることもできる。
【００３３】
速度センサ４２は、例えばリニアエンコーダとすることができる。速度センサ（リニアエンコーダ）４２は、位置センサとしても機能し、例えば床面に設けられた磁性体からなる標識を磁気的または電磁的に読み取って台車１１の走行位置を検出することができる。台車１１の走行位置の検出は、光学的に行われてもよい。速度センサ４２により検出された複数の検出位置から台車１１の走行距離を求め、この走行距離を時間計測部（図示せず）により計測した走行時間で除することにより台車１１の速度を算出することができる。
【００３４】
算出された台車１１の速度は、後述するように、風の流れの絶対的な三次元速度の算出に用いられる。速度センサ４２にはタコジェネを用いてもよい。また、台車１１をあらかじめ設定しておいた速度で移動させることにより、実際の速度の計測を不要にしてもよい。
【００３５】
台車１１の走行位置の検出は、リニアエンコーダ４２による他に、例えば台車１１に距離計測部（図示せず）を設けて、この距離計測部により空間内の所定箇所までの距離を計測することにより行うことができる。距離計測部としては、例えばレーザ距離計を用いることができる。すなわち、台車１１に備えられたレーザ距離計により台車１１が走行する空間内の四方の壁面までの距離や、計測の基準点となる所定の目標物までの距離を計測することにより、台車１１の走行位置を検出することができる。
【００３６】
距離計測部による走行位置の検出は、あらかじめ計測対象の空間の形状が把握されている場合や、所定の目標物がある場合に簡便に用いることができる。なお、台車１１の走行位置は、例えば台車１１が走行する空間に設定した所定のＸＹＺ座標空間上の位置として決定することができる。
【００３７】
図３は、流速計測装置の構成を示すブロック図である。計測端末６０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を含む半導体集積回路により実現することができる。計測端末６０は、相対流速演算部３１と、車速演算部４３と、絶対流速演算部５０と、表示部６１を含んで構成される。なお、相対流速計測部３０は、流速センサ１３と相対流速演算部３１から構成される。また、車速計測部４０は、矢羽根状風向板１４と、ロータリーエンコーダ４１と、速度センサ４２と、車速演算部４３から構成される。
【００３８】
相対流速演算部３１は、流速センサ１３からの出力信号を処理して計測点における風の流れの台車１１に対する相対的な三次元速度を算出する。すなわち、ＬＤＶセンサ部１３から照射した３種類の異なる波長のレーザビームが計測点の埃などの微粒子に当たって反射した反射光を検出し、その検出した反射光に基づく信号に対して演算処理を行うことにより、風の流れの相対的な三次元速度を算出することができる。
【００３９】
車速演算部４３は、矢羽根状風向板１４の向きに応じた信号が伝達されたロータリーエンコーダ４１と速度センサ４２の出力信号を処理して台車１１の各走行位置における三次元速度を算出する。すなわち、台車１１の各走行位置において、ロータリーエンコーダ４１から台車１１の進行方向に応じた出力信号を得るとともに、速度センサ４２から台車１１の速度に応じた出力信号を得ることにより、台車１１の三次元速度を算出することができる。
【００４０】
なお、矢羽根状風向板１４の代わりに２個の駆動輪１５にロータリーエンコーダを取り付けて、左右の駆動輪１５の回転数の差により台車１１の進行方向を検出する場合は、それぞれのロータリーエンコーダからの出力信号が車速演算部４３に入力される。車速演算部４３は、入力されたそれぞれのロータリーエンコーダからの出力信号の差を算出し、この算出結果と、速度センサ４２の出力信号とから台車１１の三次元速度を算出する。
【００４１】
このとき、台車１１がほぼ平面上を進行していて台車１１の速度の鉛直方向成分が小さい場合は、台車１１の速度の鉛直方向成分を無視して台車１１の三次元速度を算出しうる。台車１１の速度の鉛直方向成分を無視できない場合は、鉛直方向成分を計測するなどにより、必要に応じて台車１１の三次元速度を補正すればよい。
【００４２】
流速センサ１３から相対流速演算部３１への出力や、ロータリーエンコーダ４１と速度センサ４２から車速演算部４３への出力は、信号ケーブルを介して有線で行ってもよいし、無線で行ってもよい。
【００４３】
絶対流速演算部５０は、相対流速計測部３０と車速計測部４０の計測結果に基づいて空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出する。すなわち、相対流速計測部３０の計測結果として、風の流れの台車１１に対する三次元の相対流速が得られる。また、車速計測部４０の計測結果として、台車１１の床面に対する三次元速度が得られる。従って、風の流れの台車１１に対する三次元の相対流速と、台車１１の床面に対する三次元速度を用いて演算を行うことにより、床面を基準とした座標系における風の流れの三次元の絶対流速を算出することができる。
【００４４】
すなわち、風の流れの台車１１に対する三次元の相対流速（相対流速計測部３０の計測結果）がベクトルＶｒ、台車１１の床面に対する三次元速度（車速計測部４０の計測結果）がベクトルＶｃであったとすると、空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度のベクトルＶａは、Ｖａ＝Ｖｒ−Ｖｃとして求められる。
【００４５】
表示部６１は、絶対流速演算部５０の演算結果を表示する。例えば、パソコンの表示画面に計測対象の空間内の各計測点における風の流れの三次元速度の分布を表示することができる。
【００４６】
図４は、ボールねじの支柱を有する計測車を説明する図である。ボールねじ２１は、図１の支柱１２の代わりに台車１１に直立して設けられている。ＬＤＶセンサ部１３は、ねじ軸の外周に取り付けられたナット２２に取り付けられる。ボールねじ２１のねじ軸をモータ（図示せず）により回転させてナット２２をねじ軸方向に鉛直移動させることにより、ナット２２に取り付けられたＬＤＶセンサ部１３を鉛直移動させることができる。
【００４７】
ボールねじ２１の軸方向の各点で計測を行うことにより、少ないセンサ数で空間分解能を高くして風の流れを計測することができる。また、ねじ軸を回転させるモータの回転数や回転速度を制御してナット２２の停止位置の精度を高めることによっても、計測の空間分解能を高めることができる。
【００４８】
図５は、簡便な計測方法を説明する図である。図５（ａ）は、磁気テープ２０上を走行する計測車１０による計測を上から見た説明図である。図５（ａ）に示すように、磁気テープ２０が配設された床面の各計測位置（ＯからＥ）に例えば磁性体からなる標識（２３Ｏから２３Ｅ）が設置されている。磁気テープ２０に沿って走行する台車１１は、速度センサ（リニアエンコーダ）４２により各計測位置の標識（２３Ｏから２３Ｅ）を読み取って計測位置を記録するとともに、時間計測部（図示せず）により各計測位置を通過する時刻（ｔ０からｔ５）を計測して記録する。
【００４９】
一方、ＬＤＶセンサ部１３は、各計測位置における風の流れの三次元速度を検出するとともに、その検出の時刻（ｔ０からｔ５）を時間計測部により記録する。記録は、例えば計測端末６０の記憶部に計測データを格納することにより行う。
【００５０】
各計測位置をＬＤＶセンサ部１３が通過する時刻と、各計測位置における風の流れの三次元速度を検出する時刻を対応付けることにより、図５（ｂ）に示すように、各計測位置における風の流れの三次元速度は、各計測位置（ＯからＥ）に対応する時刻（ｔ０からｔ５）における風の流れの三次元速度として求めることができる。
【００５１】
また、各計測位置における台車１１の速度も、各計測位置を台車１１が通過する時刻と、各計測位置における台車１１の速度の検出時刻を対応付けることにより同様に求めることができる。この計測方法により、計測位置とその計測位置における風の流れの三次元速度の対応付けが容易になるため、計測点が多い場合でも簡便に計測を行うことができる。
【００５２】
風の流れの方向の表示は、例えば矢印を用いることができる。図５（ｂ）に示すように、例えば矢印の始めと終わりの幅を違えることにより、幅の太い方から幅の細い方への流れの向きを示すことができる。また、その幅の比率や矢印の胴体の長さを変化させることにより、その流れの向きの緩急を表すことができる。
【００５３】
上記説明した如く、本実施形態にかかる流速計測装置１においては、磁気テープ２０に沿って走行する台車１１に設置されたＬＤＶセンサ部１３により検出された風の流れの台車１１に対する相対的な三次元速度と、台車１１の三次元速度から、空間内の各点における風の流れの絶対的な三次元速度を算出することができる。これにより、少ない労力で容易に空間内の風の流れの三次元速度を高い分解能で計測することができる。
【００５４】
また、風の流れの検出にＬＤＶを用いてＬＤＶセンサ部１３から発せられるレーザビームの照射範囲を狭くすることにより計測の空間分解能を高めることができる。さらに、ＬＤＶセンサ部１３を取り付ける支柱１２の水平断面を流線形とすることにより、台車１１の進行に伴い支柱１２が風の流れから受ける抵抗を最小にして空間内の各点における自然な流れを計測することができる。支柱２１にボールねじ２１を用いる場合は、ＬＤＶセンサ部１３を取り付けたナット２２をボールねじ２１のねじ軸方向に鉛直移動させてボールねじ２１の軸方向の各点で計測を行うことにより、少ないセンサ数で空間分解能を高くして風の流れを計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、主に室内の風の流れの三次元速度を計測する流速計測装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  …流速計測装置
１０  …計測車
１１  …台車
１２  …支柱
１３  …レーザドップラ流速計センサ部（流速センサ）
１４  …矢羽根状風向板（方向センサ）
１５  …駆動輪
１６  …補助輪
１７  …駆動部
１８  …駆動部材
１９  …磁気センサ
２０  …磁気テープ（軌道）
２１  …ボールねじ（支柱）
２２  …ナット
２３  …標識
３０  …相対流速計測部
３１  …相対流速演算部
４０  …車速計測部
４１  …ロータリーエンコーダ
４２  …速度センサ
４３  …車速演算部
５０  …絶対流速演算部
６０  …計測端末
６１  …表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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