(57)【要約】【課題】本発明は、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で計測可能な風向風速計測装置および風向風速計測システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる風向風速計測装置は、所定の支持軸と、支持軸を中心として回転する回転体と、回転体の表面に支持軸に垂直な方向に向けて設けられた無指向性の風速検出器と、支持軸を介して回転体を回転させる駆動部と、駆動部を制御する駆動制御部と、風速検出器の出力信号と回転体の回転角度から、回転体が設置された場所の風向および風速を演算する風向風速演算部と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2011089844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の支持軸と、
前記支持軸を中心として回転する回転体と、
前記回転体の表面に前記支持軸に垂直な方向に向けて設けられた無指向性の風速検出器と、
前記支持軸を介して前記回転体を回転させる駆動部と、
前記駆動部を制御する駆動制御部と、
前記風速検出器の出力信号と前記回転体の回転角度から、前記回転体が設置された場所の風向および風速を演算する風向風速演算部と、
を備えたことを特徴とする風向風速計測装置。
【請求項２】
前記風向風速演算部は、前記風速検出器の出力信号と前記回転体の回転角度との関係を求め、前記出力信号が最小のときの前記回転体の回転角度に基づいて前記回転体が設置された場所の風向を演算することを特徴とする請求項１に記載の風向風速計測装置。
【請求項３】
前記駆動部は、ステッピングモータであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風向風速計測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風向風速計測装置を、それぞれの前記支持軸が互いに直交するように２つ備え、それぞれの当該風向風速計測装置の前記風向風速演算部から得られた風向および風速から、当該２つの風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める速度演算部を備えたことを特徴とする風向風速計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に室内の風向および風速を計測する風向風速計測装置および風向風速計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、データを格納するサーバーを集中的に配置したサーバールームや、サーバーのほかにルータなどの情報通信機器を備えてデータ通信を可能としたデータセンターの利用が増加している。
【０００３】
このようなサーバールームやデータセンターでは、大量の電子機器から多くの熱が発生するため、空調設備により室内の除熱が行われている。しかし、局所的には、熱だまりなどの温度が高い場所が生じる場合がある。局所的に温度が高い場所が生じると電子機器の過熱などにつながり、電子機器に悪影響を及ぼす。このため、局所的に温度が高い場所の発生の有無を確認することが重要である。
【０００４】
局所的に温度が高い場所の発生の有無は、室内の各所におけるエンタルピーを求めて、熱の出入りが適切になされているかを評価することにより確認できる。室内各所のエンタルピーを求めるためには、その場所の温度とともに、風向および風速の情報が必要となる。
【０００５】
室内の風速の計測には、熱線式や超音波式の風速計がよく用いられている。熱線式風速計と超音波式風速計はともに、微風域を含めて測定範囲が広く、応答性が良い点で優れる。熱線式風速計と超音波式風速計を比較すると、熱線式は超音波式に比べ構成が簡単で安価であるとの利点を有する。
【０００６】
また、超音波式風速計は、超音波の送信部と受信部の間の伝搬時間差を利用して風速を計測するため、送信部と受信部の間の空間に温度や圧力の不均一な場所があると、超音波の伝搬速度の変化やレンズ効果による超音波の散乱が生じることにより、計測誤差が発生しうる。このため、超音波式風速計は、サーバールームやデータセンターなどの空間的な温度変化が大きい領域での風速の計測には不適である。熱線式風速計にはこのような問題がない。
【０００７】
しかし、その一方で熱線式風速計は、計測できるのが一般に風速のみであり、単体では風向を計測することができない。熱線式風速計に工夫を施して、風向も計測可能にしたものに、特許文献１に開示される技術がある。特許文献１の技術は、温度に応じて抵抗値が変化する２本の直線状のヒータを、各々の一端で互いに接続して３０度〜９０度のかぎ型に配置した風向風速センサであり、電圧をかけられた各々のヒータからの信号を処理することにより風向と風速を検知できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９６２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１の技術では風向の計測に２本のセンサ（ヒータ）を用いており、これらのセンサをかぎ型に形成しているため、装置構成が複雑になる。また、２本のセンサの出力を比較、演算して風向を求めるため、信号処理も複雑になる。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑み、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で計測可能な風向風速計測装置および風向風速計測システム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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明にかかる風向風速計測装置の代表的な構成は、所定の支持軸と、支持軸を中心として回転する回転体と、回転体の表面に支持軸に垂直な方向に向けて設けられた無指向性の風速検出器と、支持軸を介して回転体を回転させる駆動部と、駆動部を制御する駆動制御部と、風速検出器の出力信号と回転体の回転角度から、回転体が設置された場所の風向および風速を演算する風向風速演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる構成によれば、計測された風速検出器の出力信号と回転体の回転角度から、支持軸に垂直な平面における風向を求めるとともに、回転体設置場所の風速を求めることにより、簡単な装置構成で、風向風速計測装置が設置された場所の風向および風速を計測することができる。
【００１３】
上記の風向風速演算部は、風速検出器の出力信号と回転体の回転角度との関係を求め、出力信号が最小のときの回転体の回転角度に基づいて回転体が設置された場所の風向を演算するとよい。これにより、風向演算が簡単になり、容易に風向を判断することができる。
【００１４】
上記の駆動部は、ステッピングモータであるとよい。ステッピングモータを用いることにより、簡単な回路構成で、回転体の位置決めを正確に行うことができるため、風向を精度良く求めることができる。
【００１５】
本発明にかかる風向風速計測システムの代表的な構成は、上記のいずれか１つに記載の風向風速計測装置を、それぞれの支持軸が互いに直交するように２つ備え、それぞれの風向風速計測装置の風向風速演算部から得られた風向および風速から、２つの風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める速度演算部を備えたことを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば、互いに直交する３軸上の風向および風速をベクトル合成することにより、簡単な装置構成で、風向風速計測装置が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、室内各所の風向および風速を、簡単な装置構成で計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における風向風速計測装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】回転角度と出力信号との関係を説明する図である。
【図３】風向風速計測の流れを示したフロー図である。
【図４】風の３次元速度ベクトルの計測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、本発明にかかる風向風速計測装置および風向風速計測システム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おける風向風速計測装置の全体構成を示す概略図である。風向風速計測装置１は、計測部１０と、風向風速演算部２０と、表示部４０とを含んで構成される。計測部１０は、回転体１１と、所定の支持軸１２と、風速検出器１３と、駆動部１４と、駆動制御部１５とを含んで構成される。
【００２１】
回転体１１は、所定の支持軸１２を中心として回転する。支持軸１２の軸線の延長と底面の円との交点をＱで示す。白抜き矢印は回転体１１の回転方向を示している。回転体１１の形状は、図１に示すように、略円柱である。このように、回転体１１の回転に伴い、支持軸１２に垂直な平面上の風速を同じ条件で検出するために、回転体１１の形状は支持軸１２に垂直な断面が円であることが好ましい。従って、回転体１１の他の形状として、例えば球でもよい。球の場合、風速検出器１３による風速の検出を同じ条件とするために、風速検出器１３は球の赤道上に設けられるとよい。
【００２２】
回転体１１は、風の流れを妨げて風向の計測に影響を与えることがないように、小型であることが好ましく、例えば、図１に示す円柱の形状の場合、支持軸１２に垂直な断面の円の直径は約３ｃｍであるとよい。また、回転体１１は、自らの回転により風を生成して風向の計測に影響を与えることがないように、所定の回転速度以下で回転することが好ましく、回転体１１の回転速度は、例えば、５秒／回転であるとよい。
【００２３】
風速検出器１３は、回転体１１の表面に支持軸１２に垂直な方向に向けて設けられている。風速検出器１３として、例えば、熱線式風速計を構成する検出器が用いられる。熱線式風速計は、その検出器である電熱線に電流を流して加熱しておく。その電熱線が風の流れにより冷却されると電熱線の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化を検出することにより風速を求める風速計である。熱線式風速計は、微風域での感度が高いため、室内の風速検出に適する。なお、風速検出器１３は、回転体１１の回転に伴って同じ条件で風速を検出するために、例えば球状の無指向性のものを適用する。
【００２４】
駆動部１４は、支持軸１２を介して回転体１１を回転させる。駆動部１４として、ステッピングモータが好適に用いられる。駆動制御部１５は、駆動部１４を制御する。駆動部１４にステッピングモータを用いることにより、駆動制御部１５からの制御信号に応じて、回転体１１の位置決めを正確に行うことができる。従って、簡単な回路構成で、風向を精度良く求めることができる。
【００２５】
風向風速演算部２０および駆動制御部１５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される。風向風速演算部２０は、風速検出器１３と接続され、風速検出器１３の出力信号が入力される。また、風向風速演算部２０は、駆動制御部１５と接続され、駆動制御部１５との間で回転体１１の回転角度情報などの信号の授受を行う。
【００２６】
風向風速演算部２０は、風速検出器１３の出力信号に基づいて回転体１１が設置された場所の風速を演算するとともに、風速検出器１３の出力信号と回転体１１の回転角度に基づいて、回転体１１が設置された場所の風向を演算する。風向の演算方法は図２を参照して後述する。風向は、回転体１１の回転角度θを利用して表すことができる。回転体１１の回転角度θは、例えば、支持軸１２にエンコーダを設けることにより計測することができる。また、駆動部１４にステッピングモータを用いる場合は、ステッピングモータに与えられたパルス信号の数から回転角度θを計測することができる。
【００２７】
表示部４０は、風向風速演算部２０に接続され、風向風速演算部２０の演算結果を表示する。例えば、回転体１１が設置された場所の風向および風速を表示する。表示部４０として、例えば、液晶表示装置を用いることができる。
【００２８】
上述の風向風速計測装置１を室内の風向風速の計測対象箇所に設置することにより、計測された風速検出器１３の出力信号と回転体１１の回転角度から、支持軸１２に垂直な平面における風向を求めるとともに、回転体１１設置場所の風速を求めることにより、簡単な装置構成で、風向風速計測装置１が設置された場所の風向および風速を計測することができる。
【００２９】
図２は、回転角度と出力信号との関係を説明する図である。図２（ａ）は、支持軸に垂直な平面上で回転体が回転する様子を表した図である。図２（ｂ）は、風の主流成分による風速検出器１３の出力信号（抵抗変化）の計測結果である。図２（ａ）において、実線の矢印は、支持軸１２に垂直な平面上に投影された風の流れのベクトル成分であり、本例では、支持軸１２に垂直な平面上での風の成分の向きは、北から南であることを表している。風の向きは、計測中は一定であるとする。白抜き矢印は、回転体１１が支持軸１２を中心として回転する回転方向を示す。
【００３０】
風向を回転体１１の回転角度θで表すこととし、風向計測の基準となる方向、すなわち基準となる回転角度θをθ＝０°とする。図２においては、θ＝０°をｙ軸の方向としている。図２（ｂ）に示すように、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲは、回転体１１の回転に伴って回転角度θがθ＝０°から大きくなるに従い、次第に増大する。そして、風速検出器１３が西を向くとき、すなわち、θ＝９０°となる少し手前で最大（ΔＲ＝ΔＲｍａｘ）となる。その後、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲは、やや急な傾きで減少し、θ＝１８０°の近辺で最小となる（ΔＲ＝ΔＲｍｉｎ）。なお、θ＝１８０°近辺での抵抗変化は小さい。
【００３１】
抵抗変化ΔＲは、θ＝１８０°を超えて、ある回転角度θからやや急な傾きで増大し、風速検出器１３が東を向くとき、すなわち、θ＝２７０°となる点を少し超えたところで再び最大（ΔＲ＝ΔＲｍａｘ）となる。その後、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲは、徐々に減少する。回転体１１の支持軸１２に垂直な断面が円であることにより、回転体１１の回転に伴う風速検出器１３の抵抗変化が同じ条件で検出されるため、上述の抵抗変化ΔＲは、θ＝０°〜１８０°と、θ＝１８０°〜３６０°とで対称になる。
【００３２】
実際に計測される風の流れには変動成分があり、この変動成分が図２（ｂ）に示される曲線上に重畳するが、室内の風においては変動成分は小さいため風向の算出においては無視しうる。従って、計測値から変動成分を取り除き、図２（ｂ）のように、風の主流成分のみを求め、これから風向を算出すればよい。
【００３３】
図２（ｂ）に示す通り、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲは、風速検出器１３が最も風下に位置するとき（図２の場合では回転角度θ＝１８０°の位置のとき）、最小値となる。従って、風向は、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲが最小のときの回転角度θに１８０°を加えた（または１８０°を減じた）回転角度θと判断することができる。すなわち、図２の場合では、風速検出器１３の抵抗変化ΔＲが最小となるθ＝１８０°に、例えば１８０°を加えたθ＝３６０°（θ＝０°）を風向と判断することができる。すなわち、北を風向と判断するのである。
【００３４】
このように、出力信号（抵抗変化）が最小のときの回転体１１の回転角度θに基づいて回転体１１が設置された場所の風向を演算することにより、風向演算が簡単になり、容易に風向を判断することができる。また、回転体１１は連続的に回転するため、θとΔＲの関係も連続して得られる。従って、ΔＲが最小のときのθを精度良く決定することができる。
【００３５】
なお、θとΔＲの関係を表す曲線から風向を判断する方法は、上述した方法に限られず、例えば、抵抗変化ΔＲに所定の閾値を定めておいて、その閾値を下回る頻度が高い回転体１１の回転角度θから風向を判断したり、計測値を移動平均処理して平滑化した後に風向を判断してもよい。
【００３６】
続いて、上述した風向風速計測装置１を用いた風向風速計測の流れについて説明する。図３は、風向風速計測の流れを示したフロー図である。まず、回転体１１の回転角度θを、計測の基準となる方向であり、かつ計測の開始位置であるθ＝０°に設定する（Ｓ０１）。具体的には、駆動制御部１５に内蔵された記憶部に設定された基準となる回転角度（θ＝０°）がＣＰＵにより呼び出され、その回転角度θに応じた駆動信号が駆動部１４に与えられる。その駆動信号を受けて、駆動部１４が回転体１１を駆動して、回転体１１の回転角度をθ＝０°に設定する。なお、計測の基準となる方向は任意に決定すればよい。
【００３７】
次に、ステップＳ０１で設定された回転角度における風速検出器１３の抵抗変化ΔＲを検出する。抵抗変化の検出は、例えば、風速検出器１３をブリッジ回路の一辺として構成することにより行うことができる。抵抗変化が風速に比例することから、検出された抵抗変化により検出箇所での風速を求めることができる（Ｓ０３）。なお、風速検出器１３周辺の温度を計測して風速検出器１３の抵抗変化の検出における温度を補償するための温度補償検出器（図示せず）を備えることにより抵抗変化の検出精度を高めることができる。
【００３８】
風速検出器１３の抵抗変化の検出後、回転体１１の回転角度θを変更する（Ｓ０４）。すなわち、風速検出器１３の出力信号が風向風速演算部２０に伝送され、所定の回転角度における風速検出器１３の抵抗変化の検出が終了したことをＣＰＵが判定する。そして、その抵抗変化検出終了信号が駆動制御部１５に伝送され、回転体１１を所定の角度Δθだけ回転させる駆動信号が駆動制御部１５から駆動部１４に出力される。このとき、駆動部１４にステッピングモータが用いられる場合は、駆動信号としてパルス信号をステッピングモータに与えることにより、θが変更される。
【００３９】
そして、回転体１１の回転角度θが計測の終了位置であるθ＝３６０°か否かを判定する（Ｓ０５）。具体的には、回転角度θの情報が駆動制御部１５に伝送され、駆動制御部１５の記憶部に設定されたθ＝３６０°と一致するか否かがＣＰＵにより判定される。θ＝３６０°でない場合（Ｓ０５のＮ）、ステップＳ０２に戻り、計測を継続する。なお、計測の終了位置は任意に決定すればよい。
【００４０】
θ＝３６０°の場合（Ｓ０５のＹ）、回転体１１の回転角度θと風速検出器１３の抵抗変化ΔＲの関係を表す曲線が作成され（Ｓ０６）、風向が算出される（Ｓ０７）。曲線の作成方法および風向の求め方は、上述の通りである。計測結果が表示されて計測は終了する（Ｓ０８）。計測結果は表示部４０に表示される。
【００４１】
図４は、風の３次元速度ベクトルの計測を説明する図である。風向風速計測システム２は、２つの風向風速計測装置１と、速度演算部３０と、表示部４０とを含んで構成される。２つの風向風速計測装置１は、それぞれの支持軸１２が互いに直交するように配置されている。図４では、２つの風向風速計測装置１の支持軸１２が、それぞれ、ｙ軸およびｚ軸に平行になるように設置された場合を例として示している。
【００４２】
それぞれの風向風速計測装置１は、支持軸１２に垂直な平面上での風の流れの成分を検出し、風向風速演算部２０での演算により、風速検出器１３の抵抗変化から風速を求めるとともに、回転角度θと風速検出器１３の抵抗変化に基づいて、その平面上での風向を求める。
【００４３】
速度演算部３０は、それぞれの風向風速計測装置１の風向風速演算部２０から得られた風向および風速をベクトル合成することにより、２つの風向風速計測装置１が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを求める。これにより、簡単な装置構成で、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。
【００４４】
風の３次元速度ベクトルの計測は以下のようにして行うことができる。例えば、ｉ、ｊ、ｋをそれぞれ、ｘ、ｙ、ｚ軸上の単位ベクトルとして、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルｖが、ｖ＝ａｉ＋ｂｊ＋ｃｋで表されるとする。このとき、ｙ軸に平行な支持軸１２を有する風向風速計測装置１において計測される風向および風速から、その場所での風の２次元速度ベクトルｖｙは、ｖｙ＝ａｉ＋ｃｋと求められる。同様に、ｚ軸に平行な支持軸１２を有する風向風速計測装置１において計測される風の２次元速度ベクトルｖｚは、ｖｚ＝ａｉ＋ｂｊと求められる。これにより、ａ、ｂ、ｃが求められるため、風の３次元速度ベクトルｖを求めることができる。
【００４５】
なお、実際の計測においては、計測されたｖｙのａの値と、ｖｚのａの値が異なる場合が考えられる。このような場合は、例えば、どちらかのａの値をｖのａの値と等しいと仮定し、もう一方のａの値を、ｖのａの値と等しいと仮定したａの値により補正すればよい。また、ｘ軸に平行な支持軸１２を有する風向風速計測装置１をさらに設置し、かかる風向風速計測装置１により計測される風の２次元速度ベクトルｖｘ＝ｂｊ＋ｃｋを求めることにより、ｖｙおよびｖｚにより求めた風の３次元速度ベクトルｖを検証することができる。
【００４６】
上記説明した如く、本実施形態にかかる風向風速計測装置１においては、所定の支持軸１２を中心として回転体１１を回転させ、風速検出器１３の抵抗変化から風速を求めるとともに、風速検出器１３の抵抗変化と回転体１１の回転角度θに基づいて風向を求めることにより、簡単な装置構成で、風向風速計測装置１が設置された場所の風向および風速を計測することができる。また、風向風速計測装置１を２つ、それぞれの支持軸１２が互いに直交するように配置して、それぞれの風向風速計測装置１から得られた風向および風速をベクトル合成することにより、簡単な装置構成で、風向風速計測システム２が設置された場所における風の３次元速度ベクトルを計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は，主に室内の風向および風速を計測する風向風速計測装置および風向風速計測システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  …風向風速計測装置
２  …風向風速計測システム
１０  …計測部
１１  …回転体
１２  …支持軸
１３  …風速検出器
１４  …駆動部
１５  …駆動制御部
２０  …風向風速演算部
３０  …速度演算部
４０  …表示部
【図３】
2011089844.tif 000003
【図１】
2011089844.tif 000004
【図２】
2011089844.tif 000005
【図４】
2011089844.tif 000006