風向風速計およびセンサ
【課題】本発明は、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に計測可能な風向風速計およびその風向風速計に用いられるセンサ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用センサは、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、熱線式風速計の検出部であって、絶縁部により所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする
【解決手段】本発明にかかる風向風速計用センサは、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、熱線式風速計の検出部であって、絶縁部により所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする
【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およびその風向風速計に用いられるセンサに関する。
【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】
風速の計測には、一般的に、熱線式、風杯型、ピトー管式、風車型、超音波式などの風速計が用いられている。このうち、風車型や超音波式の風速計は、風速のみならず風向も計測可能である。また、熱線式風速計は、小型、安価に構成することが可能であり、室内の風速計測に適する利点を有するが、単体では風向を計測することはできない。
【０００６】
これに対し、熱線式風速計を用いて風速だけでなく風向も計測可能とした風向風速計が特許文献１に開示されている。特許文献１の風向風速計は、風速判定用の熱式風速計部と、風向判定用の熱式風速計部と、この熱式風速計部に目標方向に開口して取り付けられ、目標方向以外からの風を遮る円錐形又は有底円筒形等の遮蔽体とを備えた風向風速計であり、例えば自動車道トンネル等の風洞内の風向風速の計測に用いられるものである。
【０００７】
また、複数の熱線式風速計を組み合わせることにより、風向を計測することも可能である。例えば、互いに直交する３軸上に、熱線式風速計の検出部をそれぞれ配置する構成により、三次元的に風向を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２８８１２１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、室内各所の風向風速の計測に上記特許文献１の風向風速計を用いる場合は、風向を三次元的に計測するために上記風向風速計を複数用いなければならず、また、上記風向風速計は遮蔽体を有するため、装置が大がかりになる。また、風向の変化に応じて、上記風向風速計の設置方向を設定し直す必要があり手数がかかる。
【００１０】
また、複数の熱線式風速計を組み合わせる方法では、風向の特定のためにベクトル演算が必要になるため、処理が複雑になるとともに、高い計測精度を得ることができない。
【００１１】
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三次元的に簡易に、かつ、精度良く計測可能な風向風速計およびその風向風速計に用いられるセンサ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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明にかかる風向風速計に用いられるセンサの代表的な構成は、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、熱線式風速計の検出部であって、絶縁部により所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明にかかる風向風速計に用いられるセンサの他の構成は、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である熱線式風速計の検出部と、絶縁材であって、検出部で所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
熱線式風速計は、その検出部である電熱線に電流を流し、その電熱線における発熱と風による冷却とが平衡したときの温度から風速を求める風速計であり、風速が変化すると、電熱線の抵抗値が変化することを利用したものである。上述した構成のセンサにおいては、網目状の骨組みが、熱線式風速計の検出部と、絶縁部との組み合わせで構成されている。かかる構成のセンサを、熱線式風速計による風速計測に用いることにより、その位置の風速が計測できる。
【００１５】
いま、一様な風の流れを想定すれば、外観が球殻状の構造体である風向風速計用センサの仮想表面において、仮想表面の法線と風の流れの方向が一致する点が２点存在し、その一方の点の近傍における熱線式風速計の計測値が、球殻状の構造体を構成するすべての熱線式風速計の中で最大になる。その点と球殻状の構造体の中央部を結ぶ方向、すなわち、仮想表面上のその点における法線の方向が、球殻状の構造体に向かって吹いてくる風の方向になる。
【００１６】
熱線式風速計の検出部から構成される上述した構造体は球殻状であるため、かかる構造体単体で、全方向の風に対して三次元的に風向を計測するセンサとして適用可能である。また、構造体の網目を細かくして風向の検出単位を小さくすることにより、計測の精度を高めることができる。従って、上記構成のセンサを熱線式風速計のセンサとして用いて風向風速を計測することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ、精度良く計測することができる。
【００１７】
上記の骨組みの中央部に熱線式風速計の球状の検出部を配置してもよい。かかる構成によれば、中央部の熱線式風速計の検出部をその点の風速を計測するセンサとして用いるとともに、球殻状の構造体を構成する熱線式風速計の検出部を、風向を計測するセンサとして用いることができる。従って、上記構成のセンサを熱線式風速計のセンサとして用いて風向風速を計測することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００１８】
特に、中央部に配置された検出部に高精度のセンサを用いることにより、球殻状の構造体を構成する経線方向および緯線方向の検出部に高精度のセンサを用いることなく、安価にかつ高精度に風向風速の計測を行うことができる。
【００１９】
上記の検出部にて検出された信号を処理して風向風速を計測する計測部を備えた風向風速計として構成してもよい。かかる風向風速計によれば、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの概略構成図である。
【図２】第二の実施形態にかかる風向風速計用センサを説明する図である。
【図３】風向の第一の計測方法を説明する図である。
【図４】風向風速計用センサの検出部の位置に応じた抵抗値の変化を説明する図である。
【図５】風向の第二の計測方法を説明する図である。
【図６】計測部の構成とセンサとの接続を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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およびセンサの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの概略構成図である。風向風速計用センサ１０は、網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１を形成する経線方向の線材１２と緯線方向の線材１３の各交点を絶縁部１４とし、絶縁部１４で区分される各線材をそれぞれ熱線式風速計の検出部１２，１３とした構成である。すなわち、球殻状の構造体１１は、線状の検出部１２、１３と絶縁部１４とにより構成されている。また、球殻状の構造体１１の中央部Ｏには熱線式風速計の検出部１５が支持部材１６により支持されている。球殻状の構造体１１は、支柱１７により支持されている。
【００２４】
経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３には、線状の検出部を用いて、中央部Ｏの検出部には、例えば球状の無指向性の検出部を用いることができる。いずれの検出部も、熱線式風速計の検出部（センサ）として機能するため、抵抗温度係数の大きな金属が適しており、例えば、白金、タングステン、ニッケルが好適に用いられる。
【００２５】
いずれの検出部によっても風速を計測することが可能であるが、例えば、中央部Ｏの検出部１５により風速を計測して、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３は主に風向の計測に用いることとしてもよい。かかる場合、中央部Ｏの検出部１５に高精度のセンサを用いる場合には、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３に高精度のセンサを用いなくても、安価に風向風速の高精度計測を行うことができる。
【００２６】
絶縁部１４に用いられる絶縁材は、絶縁機能を有するものであれば、どのようなものでもよいが、例えば、エポキシ樹脂が好適に用いられる。エポキシ樹脂は、電気絶縁性が高いとともに、寸法安定性、耐水性および耐薬品性が高く、接着剤としての機能も有するため、室内の風向風速の計測に適するばかりでなく、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３の接続部として用いるのにも優れる。
【００２７】
中央部Ｏの検出部１５、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３のそれぞれにおいて風速を計測し、互いに計測値を比較して、誤計測を排除することなどにより、計測値の信頼性を高めたり、中央部Ｏの検出部１５の計測値で、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３の計測値を補正することにより、計測値の正確性を増すことができる。中央部Ｏに検出部を設置せずに、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３のみにより風向風速を計測することも可能であるし、中央部Ｏに検出部を設置する代わりに、別の温度計測手段により検出部周囲の温度を計測して、検出部１２，１３において計測された抵抗値の変化を補正することにより、計測値の正確性を増してもよい。
【００２８】
風向風速計用センサは、例えば、サーバールームやデータセンターの局所的な温度上昇の有無を確認するため、室内の風向風速を計測すべき場所に設置される。室内に風の流れがあると、中央部Ｏの検出部１５により風速が計測され、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３により風向が計測される。風向の計測方法については、後述する。熱線式風速計の性質から、室内の風速が０．１ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓの風の流れに好適に用いられる。風向風速計用センサ１０は、球殻状の構造体１１の形状を有するため、全方向の風の流れに対して、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することが可能である。大きさは例えば直径が約１０ｃｍであり、支柱１７を備えることにより、持ち運びおよび設置が簡単にできる。
【００２９】
また、かかる構成の風向風速計用センサ１０は、直交する３軸上に複数の検出部を組み合わせて配置して構成した熱線式風速計用センサなどに比べて、ベクトル演算などの複雑な処理を必要としないため、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００３０】
図２は、第二の実施形態にかかる風向風速計用センサを説明する図である。図２では、本実施形態にかかる風向風速計用センサの一部を示している。本実施形態にかかる風向風速計用センサは、図１に示す第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの経線方向および緯線方向の線材を絶縁材により構成することにより絶縁部２２，２３とし、経線方向の線材と緯線方向の線材との交点を熱線式風速計の検出部２４としたものである。
【００３１】
絶縁部２２、２３を構成する絶縁材には、第一の実施形態と同様に、絶縁機能を有するものであれば、どのようなものを用いてもよいが、例えば、エポキシ樹脂が好適に用いられる。熱線式風速計の検出部２４には、例えば、球状の無指向性の検出部を用いることができる。検出部２４には、第一の実施形態と同様に、抵抗温度係数の大きな金属が適する。
【００３２】
本実施形態では、経線方向の線材２２と緯線方向の線材２３との交点に設けられた熱線式風速計の検出部２４により風向が計測される。中央部Ｏの検出部はあってもなくてもよいし、熱線式風速計の検出部２４により風速が計測可能であることは、第一の実施形態と同様である。本実施形態にかかる風向風速計用センサにより、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００３３】
図３は、風向の第一の計測方法を説明する図である。図３（ａ）は、風が流れる方向に平行で球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通る平面により、網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１を切り取った断面図である。室内の風の流れが一様である場合、球殻状の構造体１１の仮想表面の法線と風の流れの方向が一致する点が２点存在し、これらの点は、図３（ａ）に示す通り、Ａ１およびＡ２で示される。
【００３４】
風がＡ１から球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通り、Ａ２に向かう方向に吹いている場合は、Ａ１の近傍の熱線式風速計の検出部に生じる温度変化により、Ａ１近傍の検出部の抵抗値（抵抗率）が、同一の経線方向の線材１２を構成するすべての検出部の中で最も大きく変化する。Ａ１近傍の検出部では、風の流れの方向に直交する面に投影される面積が全ての検出部の中で最大となるからである。なお、経線方向の線材１２は絶縁部１４により、等しい長さに区分されているとする。
【００３５】
このとき、球殻状の構造体１１を構成する各交点にそれぞれ接続される４本の線材の抵抗値の変化の合計値を比較した場合、図３（ｂ）に示す通り、点Ａ１の近傍の点Ｐ１に接続される線材ア１、イ１、ウ１およびエ１の抵抗値の変化の合計値がすべての線材の中で最大となる。なお、点Ｐ２は、点Ａ１に対する点Ｐ１と同様、点Ａ２に対応する点Ａ２近傍の点である。
【００３６】
これにより、風の流れの方向は点Ａ１の近傍の線材ア１、イ１、ウ１およびエ１の交点Ｐ１と中央部Ｏを通る方向であると計測できる。実際の風向である点Ａ１と中央部Ｏを結ぶ方向と、計測により求めた点Ｐ１と中央部Ｏを結ぶ方向は異なるが、この相違の範囲は、図３（ｃ）に示す通り、交点Ｐ１を中心として一辺の長さが一区分の線材の長さである略四角形で表される。球殻状の構造体１１の網目を小さくして略四角形の面積を小さくし、風向の検出単位を小さくすることにより、実際の風向と計測による風向との相違を小さくし、風向計測の精度を高めることができる。
【００３７】
なお、抵抗値の変化の大きさを比較するために、線材を選択する際には、経線方向の線材１２と緯線方向の線材１３から少なくとも１辺を選択する必要がある。すなわち、交点Ｐ１に接続される直交する２辺、例えば、線材ア１とエ１や、線材ウ１とエ１の組み合わせを少なくとも選択する。交点Ｐ１に接続される平行な２辺、例えば、線材ア１とウ１の組み合わせを選択した場合は、その抵抗値の変化の大きさが、線材カ１とク１の組み合わせにおける抵抗値の変化の大きさと同じか、差違があっても小さい値となり、風の流れの方向は、点Ｐ１を含む緯線上の任意の点と中央部Ｏとを結ぶ方向に平行であることまでしか特定できない。
【００３８】
図４は、風向風速計用センサの検出部の位置に応じた抵抗値の変化を説明する図である。ある方向から風の流れがあるときに、球殻状の構造体１１の同一の経線を構成する線材（検出部）は、風の方向に対する線材の位置に応じて抵抗値の変化が異なることを示すものである。図４（ａ）は、風が流れる方向に平行で、球殻状の構造体１１の任意の経線を含み、球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通る平面により、球殻状の構造体１１を切り取った断面図であり、Ｐ１およびＰ２は、図３（ａ）に示されるＰ１およびＰ２と同じ点である。網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１の経線方向の線材（熱線式風速計の検出部）１２は等しい長さで区分されている。線材が等しい長さであれば、その長さを基準として抵抗値の変化を比較することができる。線材が等しい長さで区分されていない場合は、実際の長さを基準とする長さに合わせる補正を行えばよい。線材（検出部）の抵抗値の変化は、風の方向に直交する面に投影される線材の面積（以下、投影面積という）と、その線材における風の強さにより決まり、投影面積が大きく風の強さが強いほど抵抗値の変化は大きい。
【００３９】
図４（ｂ）に示すように、角度θ＝０°に位置する線材（検出部）は、風の方向と略平行な位置関係にあって、風の方向に直交する面への投影面積は最小となるため、抵抗値の変化は最小になる。角度θが増すに従い、風の方向に直交する面への投影面積が増すため、抵抗値の変化は大きくなる。そして、線材がＰ１（θ＝９０°）に位置するとき、風の方向に直交する面への投影面積は最大となり、抵抗値の変化も最大となる。θ＝９０°を越えると抵抗値の変化の大きさは減少し始め、θ＝１８０°で再び最小となる。その後、風の方向に直交する面への投影面積が増すに従い、抵抗値の変化も大きくなりθ＝２７０°で再びピークを示す。
【００４０】
θ＝２７０°における値がθ＝９０°における値よりも小さいのは、Ｐ２における風の強さが、Ｐ１に比べて小さいためである。すなわち、風は一様な強さで吹いているが、Ｐ１とＰ２を結ぶ方向の風の流れを考えると、風はＰ１に存在する線材（検出部）により流れを妨げられるため、Ｐ２ではその強さを弱める。このため、Ｐ２における抵抗値の変化は、Ｐ１における抵抗値の変化よりも小さくなる。
【００４１】
図５は、風向の第二の計測方法を説明する図である。図３では、ある交点に接続される４本の線材の抵抗値の変化を比較することにより、風の流れの方向を決定したが、図５に示す方法では、ある面を構成する４本の線材の抵抗値の変化を比較することにより風の流れの方向を決定するものである。すなわち、面を構成する４本の線材の抵抗値の変化に着目する本計測方法では、図３に示すのと同じ点Ａ１に関して、点Ａ１を囲む線材ア１、イ１、カ１およびキ１の検出部の抵抗値（抵抗率）が、すべての検出部の中で最も大きく変化する。従って、面Ｑと中央部Ｏとを結ぶ方向が、風の流れの方向であると決定することができる。この場合、４本の線材で構成される面の面積を小さくして風向の検出単位を小さくすることにより、風向計測の精度を高めることができる。
【００４２】
図６は、計測部の構成とセンサとの接続を説明する図である。球殻状の構造体１１を構成する経線方向および緯線方向の各検出部１２，１３は、絶縁部１４により互いに電気的に絶縁されてそれぞれ単体として電気的に独立している。各検出部１２、１３は、その両端にそれぞれリード線が接続され、計測部３０に接続されている。計測部３０は、各検出部１２，１３からのリード線が接続されたマルチプレクサ３１，マルチプレクサ３１からの信号が入力される抵抗計３２、抵抗計３２からの出力が入力される演算部３３，および演算部３３の演算結果を表示する表示部３４とから構成される。
【００４３】
マルチプレクサ３１には各検出部１２，１３からの信号が入力し、マルチプレクサ３１内のスイッチ（図示せず）による選択制御により選択された信号がマルチプレクサ３１から出力される。抵抗計３２では、入力されたマルチプレクサ３１からの信号をもとに、各検出部１２，１３の抵抗値が算出される。
【００４４】
抵抗計３２にて測定された各検出部１２，１３の抵抗値は演算部３３に入力され、演算部３３では、例えば、図３に示したように、ある交点に接続される４本の検出部１２，１３の抵抗値の変化の合計値を算出し、これらを各交点について比較して、抵抗値の変化が最大となる交点を特定する。そして、表示部３４では、各検出部１２，１３の抵抗値の変化の値や、その値が最大となる交点の情報などの演算部３３における演算結果が表示される。
【００４５】
なお、図６では、それぞれ２辺ずつの検出部１２，１３からの信号がマルチプレクサ３１に入力する様子を示しているが、実際には、球殻状の構造体１１を構成するすべての検出部１２，１３からの信号がマルチプレクサ３１に入力される。検出部１２，１３からの信号数がマルチプレクサ３１の入力数の上限を超える場合は、マルチプレクサ３１を複数設けて、検出部１２，１３からの信号を、複数のマルチプレクサ３１に適宜振り分けて入力するなどすればよい。
【００４６】
実際の風向風速の計測は次の通りとなる。各検出部１２，１３は熱線式風速計の検出部であるから、ある時間における温度に応じた抵抗値を有し、風の流れにより時々刻々とその抵抗値は変化している。マルチプレクサ３１を介して構成された各検出部１２、１３を含む電気回路に抵抗計３２から電流が供給されることにより、検出部１２，１３に通電される。マルチプレクサ３１により回路を切替選択して検出部１２，１３毎の電圧を測定することにより、各検出部１２、１３の抵抗値が抵抗計３２にて測定される。
【００４７】
演算部３３では、測定された各検出部１２、１３の時間毎の抵抗値から、時間経過に応じた抵抗値の変化を演算することにより、風の流れにより生じた温度変化による各検出部１２，１３における抵抗値の変化を算出する。そして抵抗値の変化の最大の位置が特定され、その位置と球殻状の構造体１１の中央部Ｏとを結ぶ方向が風の流れる方向と決定される。なお、中央部Ｏの検出部１５も別の計測部（図示せず）に接続され、独自に風速が計測される。かかる構成の風向風速計を室内に設置することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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およびその風向風速計に用いられるセンサに利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ …風向風速計用センサ
１１ …球殻状の構造体
１２、３２ …経線方向の線材（熱線式風速計の検出部）
１３ …緯線方向の線材（熱線式風速計の検出部）
１４、３４ …絶縁部
１５ …中央部の熱線式風速計の検出部
１６ …支持部材
１７ …支柱
２２ …経線方向の線材（絶縁部）
２３ …緯線方向の線材（絶縁部）
２４ …熱線式風速計の検出部
３０ …計測部
３１ …マルチプレクサ
３２ …抵抗計
３３ …演算部
３４ …表示部
Ｏ …球殻状の構造体の中央部
【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およびその風向風速計に用いられるセンサに関する。
【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】
風速の計測には、一般的に、熱線式、風杯型、ピトー管式、風車型、超音波式などの風速計が用いられている。このうち、風車型や超音波式の風速計は、風速のみならず風向も計測可能である。また、熱線式風速計は、小型、安価に構成することが可能であり、室内の風速計測に適する利点を有するが、単体では風向を計測することはできない。
【０００６】
これに対し、熱線式風速計を用いて風速だけでなく風向も計測可能とした風向風速計が特許文献１に開示されている。特許文献１の風向風速計は、風速判定用の熱式風速計部と、風向判定用の熱式風速計部と、この熱式風速計部に目標方向に開口して取り付けられ、目標方向以外からの風を遮る円錐形又は有底円筒形等の遮蔽体とを備えた風向風速計であり、例えば自動車道トンネル等の風洞内の風向風速の計測に用いられるものである。
【０００７】
また、複数の熱線式風速計を組み合わせることにより、風向を計測することも可能である。例えば、互いに直交する３軸上に、熱線式風速計の検出部をそれぞれ配置する構成により、三次元的に風向を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−２８８１２１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、室内各所の風向風速の計測に上記特許文献１の風向風速計を用いる場合は、風向を三次元的に計測するために上記風向風速計を複数用いなければならず、また、上記風向風速計は遮蔽体を有するため、装置が大がかりになる。また、風向の変化に応じて、上記風向風速計の設置方向を設定し直す必要があり手数がかかる。
【００１０】
また、複数の熱線式風速計を組み合わせる方法では、風向の特定のためにベクトル演算が必要になるため、処理が複雑になるとともに、高い計測精度を得ることができない。
【００１１】
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三次元的に簡易に、かつ、精度良く計測可能な風向風速計およびその風向風速計に用いられるセンサ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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明にかかる風向風速計に用いられるセンサの代表的な構成は、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、熱線式風速計の検出部であって、絶縁部により所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明にかかる風向風速計に用いられるセンサの他の構成は、網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である熱線式風速計の検出部と、絶縁材であって、検出部で所定の長さ毎に区分される線材と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
熱線式風速計は、その検出部である電熱線に電流を流し、その電熱線における発熱と風による冷却とが平衡したときの温度から風速を求める風速計であり、風速が変化すると、電熱線の抵抗値が変化することを利用したものである。上述した構成のセンサにおいては、網目状の骨組みが、熱線式風速計の検出部と、絶縁部との組み合わせで構成されている。かかる構成のセンサを、熱線式風速計による風速計測に用いることにより、その位置の風速が計測できる。
【００１５】
いま、一様な風の流れを想定すれば、外観が球殻状の構造体である風向風速計用センサの仮想表面において、仮想表面の法線と風の流れの方向が一致する点が２点存在し、その一方の点の近傍における熱線式風速計の計測値が、球殻状の構造体を構成するすべての熱線式風速計の中で最大になる。その点と球殻状の構造体の中央部を結ぶ方向、すなわち、仮想表面上のその点における法線の方向が、球殻状の構造体に向かって吹いてくる風の方向になる。
【００１６】
熱線式風速計の検出部から構成される上述した構造体は球殻状であるため、かかる構造体単体で、全方向の風に対して三次元的に風向を計測するセンサとして適用可能である。また、構造体の網目を細かくして風向の検出単位を小さくすることにより、計測の精度を高めることができる。従って、上記構成のセンサを熱線式風速計のセンサとして用いて風向風速を計測することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ、精度良く計測することができる。
【００１７】
上記の骨組みの中央部に熱線式風速計の球状の検出部を配置してもよい。かかる構成によれば、中央部の熱線式風速計の検出部をその点の風速を計測するセンサとして用いるとともに、球殻状の構造体を構成する熱線式風速計の検出部を、風向を計測するセンサとして用いることができる。従って、上記構成のセンサを熱線式風速計のセンサとして用いて風向風速を計測することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００１８】
特に、中央部に配置された検出部に高精度のセンサを用いることにより、球殻状の構造体を構成する経線方向および緯線方向の検出部に高精度のセンサを用いることなく、安価にかつ高精度に風向風速の計測を行うことができる。
【００１９】
上記の検出部にて検出された信号を処理して風向風速を計測する計測部を備えた風向風速計として構成してもよい。かかる風向風速計によれば、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの概略構成図である。
【図２】第二の実施形態にかかる風向風速計用センサを説明する図である。
【図３】風向の第一の計測方法を説明する図である。
【図４】風向風速計用センサの検出部の位置に応じた抵抗値の変化を説明する図である。
【図５】風向の第二の計測方法を説明する図である。
【図６】計測部の構成とセンサとの接続を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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およびセンサの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの概略構成図である。風向風速計用センサ１０は、網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１を形成する経線方向の線材１２と緯線方向の線材１３の各交点を絶縁部１４とし、絶縁部１４で区分される各線材をそれぞれ熱線式風速計の検出部１２，１３とした構成である。すなわち、球殻状の構造体１１は、線状の検出部１２、１３と絶縁部１４とにより構成されている。また、球殻状の構造体１１の中央部Ｏには熱線式風速計の検出部１５が支持部材１６により支持されている。球殻状の構造体１１は、支柱１７により支持されている。
【００２４】
経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３には、線状の検出部を用いて、中央部Ｏの検出部には、例えば球状の無指向性の検出部を用いることができる。いずれの検出部も、熱線式風速計の検出部（センサ）として機能するため、抵抗温度係数の大きな金属が適しており、例えば、白金、タングステン、ニッケルが好適に用いられる。
【００２５】
いずれの検出部によっても風速を計測することが可能であるが、例えば、中央部Ｏの検出部１５により風速を計測して、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３は主に風向の計測に用いることとしてもよい。かかる場合、中央部Ｏの検出部１５に高精度のセンサを用いる場合には、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３に高精度のセンサを用いなくても、安価に風向風速の高精度計測を行うことができる。
【００２６】
絶縁部１４に用いられる絶縁材は、絶縁機能を有するものであれば、どのようなものでもよいが、例えば、エポキシ樹脂が好適に用いられる。エポキシ樹脂は、電気絶縁性が高いとともに、寸法安定性、耐水性および耐薬品性が高く、接着剤としての機能も有するため、室内の風向風速の計測に適するばかりでなく、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３の接続部として用いるのにも優れる。
【００２７】
中央部Ｏの検出部１５、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３のそれぞれにおいて風速を計測し、互いに計測値を比較して、誤計測を排除することなどにより、計測値の信頼性を高めたり、中央部Ｏの検出部１５の計測値で、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３の計測値を補正することにより、計測値の正確性を増すことができる。中央部Ｏに検出部を設置せずに、経線方向および緯線方向の検出部１２，１３のみにより風向風速を計測することも可能であるし、中央部Ｏに検出部を設置する代わりに、別の温度計測手段により検出部周囲の温度を計測して、検出部１２，１３において計測された抵抗値の変化を補正することにより、計測値の正確性を増してもよい。
【００２８】
風向風速計用センサは、例えば、サーバールームやデータセンターの局所的な温度上昇の有無を確認するため、室内の風向風速を計測すべき場所に設置される。室内に風の流れがあると、中央部Ｏの検出部１５により風速が計測され、経線方向の検出部１２および緯線方向の検出部１３により風向が計測される。風向の計測方法については、後述する。熱線式風速計の性質から、室内の風速が０．１ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓの風の流れに好適に用いられる。風向風速計用センサ１０は、球殻状の構造体１１の形状を有するため、全方向の風の流れに対して、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することが可能である。大きさは例えば直径が約１０ｃｍであり、支柱１７を備えることにより、持ち運びおよび設置が簡単にできる。
【００２９】
また、かかる構成の風向風速計用センサ１０は、直交する３軸上に複数の検出部を組み合わせて配置して構成した熱線式風速計用センサなどに比べて、ベクトル演算などの複雑な処理を必要としないため、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００３０】
図２は、第二の実施形態にかかる風向風速計用センサを説明する図である。図２では、本実施形態にかかる風向風速計用センサの一部を示している。本実施形態にかかる風向風速計用センサは、図１に示す第一の実施形態にかかる風向風速計用センサの経線方向および緯線方向の線材を絶縁材により構成することにより絶縁部２２，２３とし、経線方向の線材と緯線方向の線材との交点を熱線式風速計の検出部２４としたものである。
【００３１】
絶縁部２２、２３を構成する絶縁材には、第一の実施形態と同様に、絶縁機能を有するものであれば、どのようなものを用いてもよいが、例えば、エポキシ樹脂が好適に用いられる。熱線式風速計の検出部２４には、例えば、球状の無指向性の検出部を用いることができる。検出部２４には、第一の実施形態と同様に、抵抗温度係数の大きな金属が適する。
【００３２】
本実施形態では、経線方向の線材２２と緯線方向の線材２３との交点に設けられた熱線式風速計の検出部２４により風向が計測される。中央部Ｏの検出部はあってもなくてもよいし、熱線式風速計の検出部２４により風速が計測可能であることは、第一の実施形態と同様である。本実施形態にかかる風向風速計用センサにより、風向風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【００３３】
図３は、風向の第一の計測方法を説明する図である。図３（ａ）は、風が流れる方向に平行で球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通る平面により、網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１を切り取った断面図である。室内の風の流れが一様である場合、球殻状の構造体１１の仮想表面の法線と風の流れの方向が一致する点が２点存在し、これらの点は、図３（ａ）に示す通り、Ａ１およびＡ２で示される。
【００３４】
風がＡ１から球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通り、Ａ２に向かう方向に吹いている場合は、Ａ１の近傍の熱線式風速計の検出部に生じる温度変化により、Ａ１近傍の検出部の抵抗値（抵抗率）が、同一の経線方向の線材１２を構成するすべての検出部の中で最も大きく変化する。Ａ１近傍の検出部では、風の流れの方向に直交する面に投影される面積が全ての検出部の中で最大となるからである。なお、経線方向の線材１２は絶縁部１４により、等しい長さに区分されているとする。
【００３５】
このとき、球殻状の構造体１１を構成する各交点にそれぞれ接続される４本の線材の抵抗値の変化の合計値を比較した場合、図３（ｂ）に示す通り、点Ａ１の近傍の点Ｐ１に接続される線材ア１、イ１、ウ１およびエ１の抵抗値の変化の合計値がすべての線材の中で最大となる。なお、点Ｐ２は、点Ａ１に対する点Ｐ１と同様、点Ａ２に対応する点Ａ２近傍の点である。
【００３６】
これにより、風の流れの方向は点Ａ１の近傍の線材ア１、イ１、ウ１およびエ１の交点Ｐ１と中央部Ｏを通る方向であると計測できる。実際の風向である点Ａ１と中央部Ｏを結ぶ方向と、計測により求めた点Ｐ１と中央部Ｏを結ぶ方向は異なるが、この相違の範囲は、図３（ｃ）に示す通り、交点Ｐ１を中心として一辺の長さが一区分の線材の長さである略四角形で表される。球殻状の構造体１１の網目を小さくして略四角形の面積を小さくし、風向の検出単位を小さくすることにより、実際の風向と計測による風向との相違を小さくし、風向計測の精度を高めることができる。
【００３７】
なお、抵抗値の変化の大きさを比較するために、線材を選択する際には、経線方向の線材１２と緯線方向の線材１３から少なくとも１辺を選択する必要がある。すなわち、交点Ｐ１に接続される直交する２辺、例えば、線材ア１とエ１や、線材ウ１とエ１の組み合わせを少なくとも選択する。交点Ｐ１に接続される平行な２辺、例えば、線材ア１とウ１の組み合わせを選択した場合は、その抵抗値の変化の大きさが、線材カ１とク１の組み合わせにおける抵抗値の変化の大きさと同じか、差違があっても小さい値となり、風の流れの方向は、点Ｐ１を含む緯線上の任意の点と中央部Ｏとを結ぶ方向に平行であることまでしか特定できない。
【００３８】
図４は、風向風速計用センサの検出部の位置に応じた抵抗値の変化を説明する図である。ある方向から風の流れがあるときに、球殻状の構造体１１の同一の経線を構成する線材（検出部）は、風の方向に対する線材の位置に応じて抵抗値の変化が異なることを示すものである。図４（ａ）は、風が流れる方向に平行で、球殻状の構造体１１の任意の経線を含み、球殻状の構造体１１の中央部Ｏを通る平面により、球殻状の構造体１１を切り取った断面図であり、Ｐ１およびＰ２は、図３（ａ）に示されるＰ１およびＰ２と同じ点である。網目状の骨組みを有する球殻状の構造体１１の経線方向の線材（熱線式風速計の検出部）１２は等しい長さで区分されている。線材が等しい長さであれば、その長さを基準として抵抗値の変化を比較することができる。線材が等しい長さで区分されていない場合は、実際の長さを基準とする長さに合わせる補正を行えばよい。線材（検出部）の抵抗値の変化は、風の方向に直交する面に投影される線材の面積（以下、投影面積という）と、その線材における風の強さにより決まり、投影面積が大きく風の強さが強いほど抵抗値の変化は大きい。
【００３９】
図４（ｂ）に示すように、角度θ＝０°に位置する線材（検出部）は、風の方向と略平行な位置関係にあって、風の方向に直交する面への投影面積は最小となるため、抵抗値の変化は最小になる。角度θが増すに従い、風の方向に直交する面への投影面積が増すため、抵抗値の変化は大きくなる。そして、線材がＰ１（θ＝９０°）に位置するとき、風の方向に直交する面への投影面積は最大となり、抵抗値の変化も最大となる。θ＝９０°を越えると抵抗値の変化の大きさは減少し始め、θ＝１８０°で再び最小となる。その後、風の方向に直交する面への投影面積が増すに従い、抵抗値の変化も大きくなりθ＝２７０°で再びピークを示す。
【００４０】
θ＝２７０°における値がθ＝９０°における値よりも小さいのは、Ｐ２における風の強さが、Ｐ１に比べて小さいためである。すなわち、風は一様な強さで吹いているが、Ｐ１とＰ２を結ぶ方向の風の流れを考えると、風はＰ１に存在する線材（検出部）により流れを妨げられるため、Ｐ２ではその強さを弱める。このため、Ｐ２における抵抗値の変化は、Ｐ１における抵抗値の変化よりも小さくなる。
【００４１】
図５は、風向の第二の計測方法を説明する図である。図３では、ある交点に接続される４本の線材の抵抗値の変化を比較することにより、風の流れの方向を決定したが、図５に示す方法では、ある面を構成する４本の線材の抵抗値の変化を比較することにより風の流れの方向を決定するものである。すなわち、面を構成する４本の線材の抵抗値の変化に着目する本計測方法では、図３に示すのと同じ点Ａ１に関して、点Ａ１を囲む線材ア１、イ１、カ１およびキ１の検出部の抵抗値（抵抗率）が、すべての検出部の中で最も大きく変化する。従って、面Ｑと中央部Ｏとを結ぶ方向が、風の流れの方向であると決定することができる。この場合、４本の線材で構成される面の面積を小さくして風向の検出単位を小さくすることにより、風向計測の精度を高めることができる。
【００４２】
図６は、計測部の構成とセンサとの接続を説明する図である。球殻状の構造体１１を構成する経線方向および緯線方向の各検出部１２，１３は、絶縁部１４により互いに電気的に絶縁されてそれぞれ単体として電気的に独立している。各検出部１２、１３は、その両端にそれぞれリード線が接続され、計測部３０に接続されている。計測部３０は、各検出部１２，１３からのリード線が接続されたマルチプレクサ３１，マルチプレクサ３１からの信号が入力される抵抗計３２、抵抗計３２からの出力が入力される演算部３３，および演算部３３の演算結果を表示する表示部３４とから構成される。
【００４３】
マルチプレクサ３１には各検出部１２，１３からの信号が入力し、マルチプレクサ３１内のスイッチ（図示せず）による選択制御により選択された信号がマルチプレクサ３１から出力される。抵抗計３２では、入力されたマルチプレクサ３１からの信号をもとに、各検出部１２，１３の抵抗値が算出される。
【００４４】
抵抗計３２にて測定された各検出部１２，１３の抵抗値は演算部３３に入力され、演算部３３では、例えば、図３に示したように、ある交点に接続される４本の検出部１２，１３の抵抗値の変化の合計値を算出し、これらを各交点について比較して、抵抗値の変化が最大となる交点を特定する。そして、表示部３４では、各検出部１２，１３の抵抗値の変化の値や、その値が最大となる交点の情報などの演算部３３における演算結果が表示される。
【００４５】
なお、図６では、それぞれ２辺ずつの検出部１２，１３からの信号がマルチプレクサ３１に入力する様子を示しているが、実際には、球殻状の構造体１１を構成するすべての検出部１２，１３からの信号がマルチプレクサ３１に入力される。検出部１２，１３からの信号数がマルチプレクサ３１の入力数の上限を超える場合は、マルチプレクサ３１を複数設けて、検出部１２，１３からの信号を、複数のマルチプレクサ３１に適宜振り分けて入力するなどすればよい。
【００４６】
実際の風向風速の計測は次の通りとなる。各検出部１２，１３は熱線式風速計の検出部であるから、ある時間における温度に応じた抵抗値を有し、風の流れにより時々刻々とその抵抗値は変化している。マルチプレクサ３１を介して構成された各検出部１２、１３を含む電気回路に抵抗計３２から電流が供給されることにより、検出部１２，１３に通電される。マルチプレクサ３１により回路を切替選択して検出部１２，１３毎の電圧を測定することにより、各検出部１２、１３の抵抗値が抵抗計３２にて測定される。
【００４７】
演算部３３では、測定された各検出部１２、１３の時間毎の抵抗値から、時間経過に応じた抵抗値の変化を演算することにより、風の流れにより生じた温度変化による各検出部１２，１３における抵抗値の変化を算出する。そして抵抗値の変化の最大の位置が特定され、その位置と球殻状の構造体１１の中央部Ｏとを結ぶ方向が風の流れる方向と決定される。なお、中央部Ｏの検出部１５も別の計測部（図示せず）に接続され、独自に風速が計測される。かかる構成の風向風速計を室内に設置することにより、室内各所の風向および風速を三次元的に簡易に、かつ精度良く計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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およびその風向風速計に用いられるセンサに利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ …風向風速計用センサ
１１ …球殻状の構造体
１２、３２ …経線方向の線材（熱線式風速計の検出部）
１３ …緯線方向の線材（熱線式風速計の検出部）
１４、３４ …絶縁部
１５ …中央部の熱線式風速計の検出部
１６ …支持部材
１７ …支柱
２２ …経線方向の線材（絶縁部）
２３ …緯線方向の線材（絶縁部）
２４ …熱線式風速計の検出部
３０ …計測部
３１ …マルチプレクサ
３２ …抵抗計
３３ …演算部
３４ …表示部
Ｏ …球殻状の構造体の中央部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、
前記骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、
熱線式風速計の検出部であって、前記絶縁部により所定の長さ毎に区分される前記線材と、
を備えることを特徴とする風向風速計用センサ。
【請求項２】
網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、
前記骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である熱線式風速計の検出部と、
絶縁材であって、前記検出部で所定の長さ毎に区分される前記線材と、
を備えることを特徴とする風向風速計用センサ。
【請求項３】
前記骨組みの中央部に熱線式風速計の球状の検出部を配置した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用センサ。
【請求項４】
前記検出部にて検出された信号を処理して風向風速を計測する計測部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風向風速計。
【請求項１】
網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、
前記骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である絶縁部と、
熱線式風速計の検出部であって、前記絶縁部により所定の長さ毎に区分される前記線材と、
を備えることを特徴とする風向風速計用センサ。
【請求項２】
網目状の骨組みを有する球殻状の風向風速計用センサであって、
前記骨組みを構成する経線方向の線材と緯線方向の線材との交点である熱線式風速計の検出部と、
絶縁材であって、前記検出部で所定の長さ毎に区分される前記線材と、
を備えることを特徴とする風向風速計用センサ。
【請求項３】
前記骨組みの中央部に熱線式風速計の球状の検出部を配置した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用センサ。
【請求項４】
前記検出部にて検出された信号を処理して風向風速を計測する計測部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の風向風速計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２３１５（Ｐ２０１１−２３１５Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４９３５（Ｐ２００９−１４４９３５）
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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