JP2005240376A - ポンプの運転制御装置及び給水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 騒音を発生することなく、余分なエネルギー消費を伴うことなく、寒冷地においても凍結防止を行うことができる小規模の給水装置に好適なポンプの運転制御装置を提供する。
【解決手段】 モータ１３ａと、モータにより駆動される該モータと一体となったポンプ１３ｂと、制御装置の指令によりモータに交流電源系統からオンオフ制御により断続的に電流を供給する無接点スイッチ２１と、ポンプの温度または周辺の気温を検出する温度センサ１８と、温度センサの検出した温度が一定値以下の低温となった時に、無接点スイッチの点弧制御によりモータにモータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度で、且つモータが十分に発熱する程度の電流を供給し、ポンプの凍結を防止するようにした制御装置２０を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流電源系統から電力の供給を受けて、オンオフ制御により断続的にポンプを運転するポンプの運転制御装置に係り、特に上記ポンプを寒冷地で用いる場合に好適なポンプの凍結防止保護装置に関するものである。

従来から、給水装置を寒冷地で用いる場合には、ポンプの凍結防止が常に問題となる。このポンプの凍結防止の最も一般的な方法は、ポンプにセメント抵抗等の抵抗発熱体を装着し、外気温を温度センサにより検出し、外気温が一定温度以下に低下した場合に、上記発熱体に電流を供給し、ポンプを加熱して、その凍結を防止するようにしたものである。しかしながら、この方法では、ポンプに抵抗発熱体を装着することを必要とし、コストアップの要因となると共に、ポンプ全体を暖めねばならず、省エネルギー的な観点からも好ましいものではなかった。

また、抵抗発熱体を用いることなく、ポンプの凍結防止を行う方法も種々検討されている。例えば、インバータを用いてポンプを可変速運転する給水装置においては、ポンプが凍結する程度の低温と判断される場合に、ポンプを強制的に通常の運転周波数より低い周波数で運転させることにより、ポンプの凍結を防止する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、通常の運転周波数よりも低い周波数で運転させるので、ポンプを運転することによる騒音の影響もあり、特に小規模の家庭用の給水装置等においては、住居等の近傍に設置される場合も多く、特に深夜の騒音の発生には問題があった。また、低速でもポンプを運転する以上、ある程度エネルギーを消費するのであり、省エネルギーの面からも問題があった。

また、凍結防止装置付給水装置として、外気温またはポンプの水温が一定温度以下になると、ポンプを締切運転させる給水装置が提案されている（特許文献２参照）。この給水装置では、ポンプの運転休止時にポンプが凍結しそうな低温になると、ポンプを締切運転させることにより発熱させ、ポンプの凍結を防止するようにしたものである。しかしながら、この給水装置においても、特に小規模の給水装置の場合には、住居等の近傍に配置される場合も多いことから、特に深夜の騒音の発生等の問題があり、また、ポンプを締切運転させるため、エネルギー損失も大きく、省エネルギーの面からも好ましいものではなかった。
特開平１０−１６９５６８号公報 特開平４−２０３３９２号公報

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、ヒータ等の外部発熱体を用いることなく、騒音を発生することなく、また余分なエネルギー消費を伴うことなく、給水装置の凍結防止を行うことができるポンプの運転制御装置を提供することを目的とする。特に、ポンプを単にオンオフ運転制御する小規模の給水装置に好適なポンプの運転制御装置を提供することを目的とする。

本発明のポンプの運転制御装置は、モータにより駆動される該モータと一体となったポンプをオンオフ運転制御する給水装置において、外気温または前記ポンプの温度を検出する温度センサと、該温度センサの検出した温度が一定値以下の低温となった時に、前記モータに該モータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度で、且つモータが十分に発熱する程度の電流を供給し、前記ポンプの凍結を防止するようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、交流電源からオンオフ制御により断続的に電流を供給して運転する給水装置のポンプにおいて、前記モータに該モータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度で、且つモータが十分に発熱する程度の電流を供給し、前記ポンプの凍結を防止するようにしたものである。すなわち、モータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度の始動トルクに満たない電流を供給することで、モータステータおよびロータを発熱体として用いるようにしたものであり、外部のヒータ等の発熱体を用いることなく、ポンプの凍結を防止することができる。そして、始動トルクに満たない程度の電流であるので、モータおよびポンプは殆ど回転せず、騒音の発生を防止することができる。また、モータポンプの内部から加熱するので、ポンプ凍結防止のための消費エネルギーを最小限とすることができる。

ここで、前記ポンプのオンオフ運転制御は、半導体素子による無接点スイッチを用いたものであることが好ましい。これにより、小規模の給水装置としての長寿命・高信頼性を実現できる。また、前記電流の制御は、半導体素子をゼロクロス制御により波数単位でオンオフ制御することが好ましく、また、前記電流の制御は、半導体素子のオン状態の位相角を制御するようにしてもよい。また、本発明による給水装置は、上記運転制御装置を備え、圧力センサにより検出された前記ポンプの吐出側圧力に基づいて前記ポンプを制御することを特徴とするものである。

総じて本発明によれば、抵抗発熱体等の外付けの部材を用いることなく、且つ騒音の発生もなく、消費エネルギーを最小限に抑えた小規模の給水装置に好適なポンプの運転制御装置が提供される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の給水装置の構成例を示す。この給水装置は、小規模集合住宅用の給水装置、或いは井戸水を汲み上げて使用する家庭用給水装置等の小規模給水装置として好適なものである。この給水装置では、モータ１３ａと一体となったポンプ１３ｂからなるモータポンプ１３により上記給水が行われ、モータポンプ１３は商用交流電源系統から電力の供給を受け、無接点スイッチ２１によりオンオフ運転制御される。そして、この給水装置では、モータポンプ１３に供給する交流電源のオンオフ制御をトライアック等の無接点スイッチを採用して行うことで、給水装置の長寿命・高信頼性を実現することができる。また、半導体素子を用いた無接点スイッチの採用によりオンオフ時のスイッチの投入音がなく、極めて騒音の低い給水装置とすることができる。

モータポンプ１３は、モータ１３ａとポンプ１３ｂとが一体として同一ケーシング内に収容されたもので、モータ１３ａは誘導電動機等により構成され、ポンプ１３ｂは渦流ポンプ等により構成されている。このモータポンプ１３は、例えば単相１００Ｖ、１００〜４００Ｗ程度、または３相２００Ｖ、２５０〜７５０Ｗ程度の定格を有している。

この給水装置においては、例えば、受水槽１１には需要家側に給水する配管１２を備え、その配管１２の途中にモータポンプ１３が配置され、受水槽１１に貯留された水を加圧して需要家側に供給する。ポンプ１３ｂの吐出側には圧力タンク１４が配置され、ポンプ吐出側圧力が圧力センサ１５により検出される。また、配管１２の給水先への経路には小流量等を検出する流量センサ１６が配置され、これらの信号は制御盤１７内のマイクロコンピュータ等から構成される制御装置２０に入力される。

モータポンプ１３には、商用交流電源より制御盤１７内のトライアック等の無接点スイッチ２１を介してモータ１３ａに交流電力が供給され、ポンプ１３ｂを回転駆動する。トライアック等の無接点スイッチ２１は、制御装置２０からの信号を受けて、交流電源系統からオンオフ制御により断続的にモータに電流を供給する。そして、このポンプの運転制御装置には、上述したようにマイクロコンピュータ等を備えた制御装置２０を有しており、圧力センサ１５の信号および流量センサ１６の信号等はそれぞれ入力コネクタを介して制御装置２０に入力される。また、外気温を検出する温度センサ１８を備え、検出した温度の信号が入力コネクタから制御装置２０に取り込まれる。

同様に、受水槽１１にはフロートスイッチ１９を備え、受水槽の水位がこのフロートスイッチ１９により検出され、制御装置２０に取り込まれる。したがって、このポンプの運転制御装置においては、圧力スイッチ１５により検出されたポンプ吐出側圧力がポンプの運転により上昇して一定値に到達すると、無接点スイッチ２１に信号を送出して交流電源系統からの電力の供給をオフ状態（阻止状態）にして、モータポンプ１３の運転を停止する。ポンプの運転を停止すると、圧力タンク１４内部の圧力は徐々に低下し、所定の下限値まで低下すると、無接点スイッチ２１に信号を送出し、これをオン状態（導通状態）としてモータポンプ１３に電力を供給し、その運転を再開する。したがって、モータポンプ１３は、圧力センサ１５で検出された圧力が上限値と下限値との範囲内にあるように、交流電力の供給がオンオフ制御され、モータポンプ１３の運転がオンオフ制御される。

また、受水槽１１におけるフロートスイッチ１９により検出された水位が、例えば一定値以下の減水位になると、強制的にモータポンプ１３の運転を停止し、モータポンプ１３が渇水運転状態になることを防止している。
なお、ポンプ吐出側圧力が一定値に到達するとモータポンプ１３の運転を停止させるのではなく、ポンプ運転中に一定の流量以下になったことを流量センサ１６を用いて検出してモータポンプ１３の運転を停止させるようにしてもよい。この場合もモータポンプ１３の運転再開は、圧力タンク１４内部の圧力が所定の下限値まで低下した時に行う。

温度センサ１８は外気温を検出する温度センサであり、検出した外気温が例えば５℃以下になると、ポンプが凍結するおそれがあるので、始動トルク以下の一定の電流をモータに供給するようにしている。すなわち、温度センサ１８の出力は、制御装置２０に取り込まれ、制御装置２０の内部において、所定の外気温以下が検出されると、無接点スイッチ２１を制御して、始動電流以下で且つモータステータおよびモータロータが発熱する程度の一定の電流値の電流をモータ１３ａに供給する。そして、この電流により、ポンプを回転させることなく、モータステータおよびモータロータを発熱させるようにしてポンプ内部の水温を上昇させ、ポンプの凍結を防止する。

そして、外気温が上昇し、例えば、１０℃以上になると、制御装置２０はこれを検出し、無接点スイッチ２１をオフ状態としてモータ１３ａへの一定電流値の電流の供給を停止する。このようにモータポンプ１３の凍結防止のための一定電流値の電流供給は、例えば５℃以下でオン状態とし、１０℃以上でオフ状態とするようにヒステリシス特性を持たせることが好ましい。これにより、凍結防止のための一定電流値の電流のオンオフ制御時のチャタリングを防止することができる。

図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態のポンプの運転制御装置の構成例を示す。この実施形態では、単相モータポンプを用いたもので、単相１００Ｖの商用交流電源に接続されている。モータ１３ａは上述したように誘導モータが使用され、ポンプ１３ｂは渦流ポンプが使用されている。単相電源のＲ相には無接点スイッチ２１およびＣＴ等の電流センサ２２が配置されている。そして、Ｒ−Ｓ間のＲＳ相間電圧はゼロクロス検出回路２３により検出される。この検出出力はマイクロコンピュータ等のＣＰＵ装置２７に取り込まれ、記憶装置２８に保存されたデータに基づいて、一定の平均電流が流れるようにＲ相点弧回路２４により無接点スイッチ２１が点弧のタイミング制御される。また、Ｒ相電流は電流センサ２２により検出され、検出回路２５を経てＣＰＵ装置２７に取り込まれる。

制御装置２０には、ＣＰＵ装置２７と接続した記憶装置２８を備えている。そして、記憶装置２８には、モータポンプ１３の設置環境に対応した凍結防止のための一定電流値のテーブルが設けられている。このテーブルには、例えば外気温が５℃以下、０℃以下、−５℃以下、−１０℃以下等の複数の外気温レベルに対応した好ましい一定電流値を記憶しておくこともできる。

また、記憶装置２８の他のテーブルとして、一定電流値供給のための無接点スイッチ２１の点弧のタイミング制御のためのデータを記憶しておく。上述したポンプ運転時のオンオフ制御は、ポンプ吐出側圧力等に基づいて、無接点スイッチ２１をオンまたはオフするのであり、オン状態においては定格電流が流れ、ポンプは定格速度で運転され、オフ状態においては電流は流れず、ポンプは停止する。

しかしながら、ポンプ凍結防止のために供給する一定電流は、モータが十分に発熱する程度の電流で、且つ始動トルク以下の電流でなければならない。このため、無接点スイッチ（トライアック）２１を波数単位のオンオフ制御または位相角制御することにより、上述したポンプ凍結防止のための一定電流値を形成している。

したがって、外気温が例えば５℃以下に低下し、本発明のモータポンプの凍結防止制御のための一定電流の供給を行う場合には、例えば図４（ａ）−（ｆ）に示すように、電圧波形がゼロをクロスする点を検出するゼロクロス制御方式により、一周期の波形を単位として無接点スイッチ２１を点弧制御する。図４（ａ）は５周期に１周期の割合で点弧させるようにしたもので、（ｂ）は４周期に１周期の割合で点弧させるようにしたもので、（ｃ）は３周期に１周期の割合で点弧させるようにしたもので、（ｄ）は２周期に１周期の割合で点弧させるようにしたものである。また、（ｅ）は１．５周期に０．５周期の割合で半波を＋側−側を交互に点弧させるようにしたもので、（ｆ）は３．５周期に０．５周期の割合で半波を＋側−側を交互に点弧させるようにしたものである。すなわち、ゼロクロス検出回路２３によりＲＳ間電圧のゼロクロスを検出し、予め記憶装置２８のテーブルに記憶された波数単位の点弧周期データに基づいて、ＣＰＵ装置２７の指令により、Ｒ相点弧回路２４から無接点スイッチ２１にオンオフ制御信号を送出する。これにより、始動電流以下でモータロータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度で、且つモータが十分に発熱する程度の一定の平均電流（電流実効値）を供給し続けることができる。

なお、平均電流（電流実効値）の好ましい値、すなわちゼロクロス制御の点弧周期は外気温に対応して制御装置２０内に例えばテーブルとして保存して、この外気温に対応した適当な平均電流（電流実効値）となるように点弧周期が制御される。なお、単相回路に流れる電流がＲ相電流検出回路２５により検出され、ＣＰＵ装置２７においてＲ相点弧回路２４にフィードバックして、点弧周期をＰＩＤ制御等により自動制御を行ってもよい。

また、点弧制御は、ゼロクロス制御に限らず、図５に示すように、半周期波形の一部分を点弧させる位相制御方式を採用するようにしても勿論よい。図５に示す例では、図中左側では半周期における点弧角が広く、右側に行くに従い点弧角が順次狭くなっている。これに伴い、平均電流（電流実効値）は左側から右側に行くに従い順次低減する。ここで、無接点スイッチ２１としてトライアックを用いた例について説明したが、ＩＧＢＴ、或いはパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を用いるようにしてもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態のポンプの運転制御装置の構成例を示す。この実施形態においては、三相モータポンプ３３を三相２００Ｖ商用交流電源に接続した場合を示す。この三相モータポンプ３３も、三相誘導モータ３３ａと渦流ポンプ３３ｂとが一体的に構成されたものであり、例えば２００Ｖ、２５０−７５０Ｗ程度の定格を有するモータポンプが用いられる。この実施形態では、商用交流三相電源に三相のモータポンプ３３を接続するのであり、このため無接点スイッチ３１，３２がそれぞれＲ相とＴ相に接続されている。そして、ＲＳ相間電圧はゼロクロス検出回路３５により検出され、ＳＴ相間電圧は同様にゼロクロス検出回路３６により検出される。そして、Ｒ相に接続される無接点スイッチ３１はＲ相点弧回路３７により点弧制御され、同様にＴ相に接続される無接点スイッチ３２はＴ相点弧回路３８により点弧制御される。また、Ｒ相の電流はＲ相電流検出回路３９により検出され、同様にＴ相の電流はＴ相電流検出回路４０により検出される。

そして、凍結防止のための一定電流の供給制御を行う際には、トライアック等の無接点スイッチ３１，３２を上述と同様のゼロクロス制御または位相制御により、モータ３３ａに該モータが回転しないか、あるいは僅かに回転する程度の始動電流以下の電流を供給する。この電流の供給により、モータステータおよびモータロータが発熱し、一体的に構成されたポンプ部の水温が上昇し、これによりポンプの凍結防止を行うことは上記実施形態と同様である。

この凍結防止のための電流値一定制御は、上述したゼロクロス制御方式および位相制御方式のいずれでも制御可能である。このように、外気温低下時に、ポンプに対して始動トルク以下になるような平均電流を供給し続けることにより、ポンプを回転させることなく、モータのステータ巻線およびモータロータに電流を供給することができ、この電流に伴う抵抗損失による発熱でモータ３３ａが温度上昇し、これと一体に構成されたポンプ３３ｂも加熱され、凍結防止を行える。したがって、モータポンプの回転に伴う騒音という問題が一切生ぜず、且つモータポンプを内部から発熱させるので、ポンプ部を効率的に加熱することができ、最小限の消費エネルギーでポンプの凍結防止を行うことができる。

なお、凍結防止のための一定電流値の大きさは、外気温によって大きく左右される。記憶装置２８に、外気温に対応した好ましい一定電流値のテーブルを備えておくことが好ましい。これにより、外気温の変化、換言すれば、冷え込み状態の変化に対応して、モータに供給する一定電流の大きさを変化させ、極度に冷え込んだ場合にも、省エネルギー化を図りつつ、ポンプの凍結防止が行える。

また、外気温の代わりに、ポンプケーシングまたはポンプの配管に温度センサを取り付ける、または外気温の温度センサと共に別の温度センサをさらに取り付け、ポンプケーシングまたはポンプ近傍の配管の温度がポンプ内部の水の凍結を防止できる一定温度となるように、上述した各種制御方法により制御してもよい。すなわち、ポンプケーシングまたは配管に取り付けた温度センサから温度を検出し、その温度が一定となるように無接点スイッチ３１，３２の波数単位のゼロクロス制御または位相角制御を行うようにすることで、フィードバック制御が行える。これによっても、外気温の変動に対応したポンプの凍結防止のための好ましい上記一定電流値の電流供給を行うことができる。
また、誘導電動機には始動コンデンサ、進相コンデンサ等の外付けのコンデンサを使用する場合が多い。モータに該モータが回転しないか、あるいは僅かに回転する程度の始動電流以下の電流を供給する時には、モータステータおよびモータロータのみならず、これらのコンデンサも発熱する。従って、これらのコンデンサを給水装置内のポンプ、配管等の凍結しやすい個所近傍に配置することにより、より効果的に給水装置の凍結防止を行うこともできる。

なお、上記実施形態においては、単相１００Ｖまたは三相２００Ｖ程度の比較的低い電圧で１００〜７５０Ｗ程度の比較的小さな電力のモータポンプの例について説明したが、より大型のモータポンプに本発明の趣旨を同様に適用できることは勿論である。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明に係る給水装置の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態のポンプの運転制御装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態のポンプの運転制御装置の構成例を示す図である。 ゼロクロス制御の制御パターン例を示す波形図である。 位相制御の制御パターン例を示す波形図である。

符号の説明

１１ 受水槽
１２ 配管
１３，３３ モータポンプ
１３ａ，３３ａ モータ
１３ｂ，３３ｂ ポンプ
１４ 圧力タンク
１５ 圧力スイッチ（圧力センサ）
１６ 流量センサ
１７ 制御盤
１８ 温度センサ
１９ フロートスイッチ
２０ 制御装置
２１，３１，３２ 無接点スイッチ（トライアック）
２２ 電流センサ
２３，３５，３６ ゼロクロス検出回路
２４，３７，３８ 相点弧回路
２５，３９，４０ 相電流検出回路
２７ ＣＰＵ装置
２８ 記憶装置

Claims (5)

1. モータにより駆動される該モータと一体となったポンプをオンオフ運転制御する給水装置において、外気温または前記ポンプの温度を検出する温度センサと、該温度センサの検出した温度が一定値以下の低温となった時に、前記モータに該モータが回転しないか、或いは僅かに回転する程度で、且つモータが十分に発熱する程度の電流を供給し、前記ポンプの凍結を防止するようにしたことを特徴とするポンプの運転制御装置。
2. 前記ポンプのオンオフ運転制御は、半導体素子による無接点スイッチを用いたものであることを特徴とする請求項１記載のポンプの運転制御装置。
3. 前記電流の制御は、半導体素子による無接点スイッチをゼロクロス制御により波数単位でオンオフ制御するものであることを特徴とする請求項１記載のポンプの運転制御装置。
4. 前記電流の制御は、半導体素子による無接点スイッチのオン状態の位相角を制御するものであることを特徴とする請求項１記載のポンプの運転制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の運転制御装置を備え、圧力センサにより検出された前記ポンプの吐出側圧力に基づいて前記ポンプを制御することを特徴とする給水装置。

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