JP2005248900A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトで安定した制御のできるポンプ装置を提供する。
【解決手段】 流体を昇圧するポンプ３１０と、ポンプ３１０を駆動する直流ブラシレス電動機２１０と、直流ブラシレス電動機２１０に供給される駆動用電力をコントロールするＤＣＢＬコントローラ２３５と、ＤＣＢＬコントローラ２３５に入力する、電動機２１０の回転速度を制御するための信号を出力する速度コントローラ部１３と、速度コントローラ部１３に入力する設定速度信号を出力する圧力コントローラ部１４とを備えるポンプ装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ポンプ装置に関し、特に、コンパクトで安定した制御の可能なポンプ装置に関する。

従来から、家庭に給水を行うために、受水槽に蓄えた水や井戸水を供給するのにポンプを使用して、供給水量や吐出圧力を検出して、それらに基づいて自動的にポンプを発停する自動給水装置が多く用いられている。このような従来の自動給水装置はインバータ装置を搭載しており、これを電源として誘導電動機を駆動し、吐出圧力一定制御を行っている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６０−１４２０９７号公報

しかしながら、誘導電動機を使用する装置では装置全体が大きくなり勝ちであり、また制御が安定しないことがあった。

そこで本発明は、コンパクトで安定した制御の可能なポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明によるポンプ装置は、例えば、図３に示すように、流体を昇圧するポンプ３１０と；ポンプ３１０を駆動する直流ブラシレス電動機２１０と；直流ブラシレス電動機２１０に供給される駆動用電力をコントロールするＤＣＢＬコントローラ２３５と；ＤＣＢＬコントローラ２３５に入力する、電動機２１０の回転速度を制御するための信号を出力する速度コントローラ部１３と；速度コントローラ部１３に入力する設定速度信号を出力する圧力コントローラ部１４とを備える。

また請求項２に記載のように、請求項１に記載のポンプ装置では、前記昇圧された流体の供給先の末端圧力をほぼ一定に調節するための、ポンプ３１０の吐出圧を演算し、演算結果を圧力コントローラ部１４に設定圧力として入力する、推定末端圧力一定制御用演算部１５を備えるようにしてもよい。

本発明のポンプ装置によれば、流体を昇圧するポンプと、ポンプを駆動する直流ブラシレス電動機と、直流ブラシレス電動機に供給される駆動用電力をコントロールするＤＣＢＬコントローラと、ＤＣＢＬコントローラに入力する、電動機の回転速度を制御するための信号を出力する速度コントローラ部と、速度コントローラ部に入力する設定速度信号を出力する圧力コントローラ部とを備えるので、コンパクトで安定した制御のできるポンプ装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１の平面図（ａ）と一部断面正面図（ｂ）を参照して、本発明の実施の形態のポンプ装置としての給水装置２０１を説明する。本実施の形態では、ポンプとしてカスケードポンプ３１０を備える。カスケードポンプは摩擦ポンプの名前でも呼ばれるポンプであり、周縁に多数の溝を切った円板として形成された羽根車３１１を備える。このポンプは小型であるが、１個の羽根車で数段の渦巻ポンプに匹敵する揚程を得られ、小容量高揚程の目的に適している。また自吸性を有するので、家庭に給水を行うために受水槽に蓄えた水や井戸水を供給するのに適している。羽根車３１１はポンプケーシング３１２に収納されている。ポンプケーシング３１２の羽根車の軸の方向から見た正面には、ポンプケーシングカバー３１３がボルトで取り付けられており、これを取り外すと羽根車３１１にアクセスでき、保守点検が容易である。

また自動給水装置２０１は、ポンプ３１０を駆動する電動機２１０を備える。ポンプ３１０は可変速運転を行なうことにより吐出圧を制御できるように、インバータ装置２３０を備える。インバータ装置２３０は、電動機２１０の近傍に配置されている。

ポンプ吸込口３２６と羽根車３１３との間の流路には、チェッキ弁３２１が配置されている。

羽根車３１１の下流側には、気水分離室１１２が設けられ、気水分離室１１２の下流側にフロースイッチ３２４、その近傍に圧力検出器（圧力センサ）（圧力発信器）３２３が配置されている。フロースイッチ３２４と圧力センサ３２３とは、気水分離室１１２の下流に設けられた吐出管３２５に配置されている。吐出管３２５の下流には、ポンプ装置の吐出口３２７が設けられている。吐出管３２５には圧力タンク３２２が接続されている。圧力タンク３２２の鉛直方向上部には呼水栓３２８が設けられている。圧力タンク３２２は、ポンプ３１０の吐出側で、フロースイッチ３２４よりも下流側に設けられている。

以上の構成機器、ポンプ３１０、電動機２１０、インバータ装置２３０、圧力タンク３２２は、ユニットベース３３２の上に載置されボルトで固定されており、全体としてコンパクトにまとめられている。またこれらの機器全体を覆う、樹脂製のユニットカバー３３１を備える。ユニットカバー３３１には、ポンプ３１０の吸込口３２６と吐出口３２７に外部からアクセスできる開口３３１ａ、３３１ｂがそれぞれ形成されているが、ユニットカバー３３１とユニットベース３３２とで、前記構成機器全体をほぼ密閉的に覆っている。したがって、風雨から構成機器を守ることができると共に、高い防音効果を与えている。

ポンプケーシング３１３の外側、ほぼ気水分離室の外側には、凍結防止ヒータ３３３が、吐出管３２５の外側には、凍結防止ヒータ３３４が、それぞれ貼り付けられている。

図２のフローシートを参照して、ポンプ装置としての給水装置２０１の各構成機器につき、水の流れに則した配置と作用を説明する。ここで給水装置２０１は自動給水装置であり、水の使用量に応じてポンプ３１０を自動的に発停し、また運転速度を自動的に可変速する。

図２において、地上Ｓから掘られた井戸Ｗｅｌｌには水ＷがレベルＬの所まで溜まっている。自動給水装置２０１は井戸Ｗｅｌｌに近接して、地上Ｓに据え付けられている。

吸込管３０９は給水装置２０１のポンプ３１０の吸込口３２６に接続されている。吸い込まれた水は、チェッキ弁３２１を経てポンプ３１０の羽根車３１１に吸い込まれる。チェッキ弁３２１は、ポンプ３１０が停止したときに、水が井戸Ｗｅｌｌに逆流しないようにする逆止弁である。ポンプ３１０はカスケードポンプであるので、始動時に吸込管３０９中に空気があっても、それを排出して水Ｗを吸い上げることができるが、チェッキ弁３２１が設けられているので、発停ごとに空気を追い出す必要がない。

フロースイッチ３２４は、ポンプ３１０の吐出水量を検出し、検出結果をインバータ装置２３０に送信し電動機２１０を発停する。圧力センサ３２３は、ポンプ３１０の吐出圧力を検出し、検出結果をインバータ装置２３０内のマイコン１１に送信する。

吐出管３２５に設けられた圧力タンク３２２は、耐圧容器内にゴム製のブラダが内蔵されており、吐出圧が上昇するとブラダの外側の空気を圧縮し水が加圧状態で貯留される。また、吐出圧が低下するにつれて、圧縮された空気が膨張し、貯留された水を吐出管３２５に押し出す。このようにして、ポンプ３１０が停止しても、しばらくは圧力タンク３２２から吐出管３２５に水が供給される。

図３のフロー図を参照して、本実施の形態の給水装置の制御装置及び作用につき説明する。図中信号ラインに（Ｄ）で示す信号はデジタル信号、（Ａ）で示す信号はアナログ信号である。インバータ装置２３０（二点鎖線で表示）は、電動機としての直流ブラシレスモータ２１０に駆動電力を供給するＩＰＭ（Intelligent Power Module）２３２、ＩＰＭ２３２をコントロールするＤＣＢＬコントローラ２３５、ＤＣＢＬコントローラ２３５をコントロールするマイコン１１を備える。

マイコン１１には、ＣＰＵ１２、ＣＰＵ１２で用いるプログラムを保存したメモリー１７、外部からの入力信号を受け付け、また外部に信号を出力する中継装置であるＩ／Ｏ１８を備える。

圧力タンク３２２は、フロースイッチ３２４よりも下流側に設置されているので、ポンプ３１０が停止しているときに圧力タンク３２２から供給される水流をフロースイッチ３２４が検出することはない。

ＩＰＭ２３２は、直流ブラシレスモータ２１０から磁極信号のフィードバックを受けて、駆動電力の周波数を直流ブラシレスモータ２１０の回転数に同期させ、モータ２１０の固定子に回転磁界を形成する。

ＤＣＢＬ（直流ブラシレス）コントローラ２３５は、ＩＰＭ２３２にＰＷＭ波形信号を送信する。ＩＰＭ２３２は、その信号に対応した（と同波形の）電力を直流ブラシレスモータ２１０に供給する。

圧力センサ３２３からの圧力信号は、圧力コントローラ部１４に入力され、圧力コントローラ部１４は速度コントローラ部１３に速度設定値を送る。速度コントローラ部１３は、モータ２１０の回転速度のフィードバックを受けて、設定速度と実際の運転速度との差に応じた制御信号（電圧信号Ｖｅ）をＤＣＢＬコントローラ２３５に出力する。

ＩＰＭ２３２は、先に説明したように電動機２１０に駆動電力を供給する。ＩＰＭ２３２は、ＤＣＢＬ（直流ブラシレス）コントローラ２３５からＰＷＭ駆動波形信号を受信して、その信号波形と同じ波形の電力を生成する。いわば増幅器である。ＩＰＭ２３２は、電力トランジスタを内蔵しており、そのゲートにオン／オフ信号が入力し、その信号と同じオン／オフの電力を出力する。電力トランジスタは、いわゆるスイッチング動作をする。

図４の模式図を参照して、本実施の形態で用いるブラシレス直流電動機２１０を説明する。ブラシレス直流電動機２１０は、図中ＮＳで示す永久磁石を組み込んだ回転子２１０ａと、コイルを備えて回転磁界を形成する固定子２１０ｂとを含んで構成される。回転子２１０ａと回転子２１０ｂからなる構成自体は、交流同期電動機と同様な構造である。但し磁極信号をＤＣＢＬコントローラ２３５に送信する点で交流同期電動機とは異なる。

図５を参照してＤＣＢＬモータ２１０で使用する信号波形と電力波形を説明する。図示のように、ＤＣＢＬコントローラ２３５は、オン・オフの直流信号をＩＰＭ２３２に送信する。オンとオフの発生周期ｔ１は一定であり、オンの継続時間ＷにＷ１、Ｗ２・・と広狭がある。オン／オフの広狭は周期Ｔで繰り返される。この継続時間幅Ｗの広狭の割合をデューティ比とよぶ。ＤＣＢＬコントローラ２３５は、速度コントローラ部１３から入力される電圧信号Ｖｅ（０〜５ボルト）に応じてデュティ比を変える。Ｖｅが高いときはデュティ比を、全体的にＷ幅が大きくなるように変える。

図３に戻って、本実施の形態の給水装置の制御装置及び作用の説明を続ける。ＩＰＭ２３２では、ＤＣＢＬコントローラ２３５からのオン・オフ信号と同じ周期で、電力トランジスタにスイッチング動作をさせる。この結果、オンとオフの発生周期が一定（ｔ１）で、オンの継続時間ＷにＷ１、Ｗ２・・と広狭があり、オン／オフの広狭が周期Ｔで繰り返される、電圧が一定の直流電力が得られる。直流ではあるが、時間幅Ｗの狭い箇所は実効値が低く、広い箇所は高い、全体的に周期がＴの交流電力と同等の電力となる。

また、信号電圧Ｖｅが高いときは、時間幅Ｗが全体的に広くなるので、交流電力と見たときの全体の実効値が高くなる。このようにして、ポンプ３１０の負荷が大きくなっても回転速度が維持される。

ＤＣＢＬコントローラ２３５は、ＣＰＵ１２中の速度コントローラ部１３から、電圧信号Ｖｅを受信する。電圧信号Ｖｅは、ＣＰＵ１２から出力されるときは、デジタル信号であるが、途中に備えられたＤ／Ａ（デジタルアナログ変換器）２０でアナログ信号（０〜５Ｖ）に変換されＤＣＢＬコントローラ２３５に入力する。ＣＰＵ１２はＩＣ構造を有する。電圧信号Ｖｅの定めるデューティ比は、広狭の幅を１山ずつではなく１周期分につき１セットで定める。

一方ＤＣＢＬコントローラ２３５は、電動機２１０から磁極信号のフィードバックを受けて、出力信号であるＰＷＭ駆動波形信号の周期Ｔを調節する。電動機２１０の回転子２１０ａの回転速度と固定子２１０ｂの回転磁界の回転速度が等しくないと、いわゆる脱調を起こすからである。

例えば、ポンプ３１０の負荷が増大してモータ２１０の回転子２１０ａの回転が落ちてくると、それはＤＣＢＬコントローラ２３５にフィードバックされて、固定子２１０ｂの回転磁界の回転速度も低下する。このときポンプの吐出圧力が低下するので、圧力コントローラ部１４と速度コントローラ部１３が働いて電圧信号Ｖｅが高くなり、先に説明したように、ＩＰＭ２３２からの駆動電力の実効電圧が高くなり、電動機２１０の出力が増大しポンプ３１０の回転速度が維持され、吐出圧力が維持されることになる。

ＤＣＢＬコントローラ２３５の出力であるＰＷＭ駆動波形の周期Ｔが可変、すなわち周波数が可変であり、結局電動機２１０の回転速度が可変であることにより、ポンプ３１０の流量に応じて適正な吐出圧力を得るような制御が可能となる。

ＣＰＵ１２は、速度コントローラ部１３と、圧力コントローラ部１４と、推定末端圧力一定制御用演算部１５を含んで構成されている。さらに自動発停制御部分１６も含む。推定末端圧力一定制御については、別図を参照して説明する。

速度コントローラ部１３には、圧力コントローラ部１４からの設定速度信号（デジタル信号）が入力される。またＤＣＢＬコントローラ２３５から出力されたデジタルの速度信号がフィードバックされる。ここでいうデジタルの速度信号は、回転数に比例した時間当たりパルス数のパルス出力である。

速度コントローラ部１３は、圧力コントローラ部１４からの設定速度とフィードバックされた速度との差が０になるようにＰＩ（比例積分）制御する。速度コントローラ部１３には圧力コントローラ部１４からの設定速度信号が入力する。圧力コントローラ部１４には、ポンプ３１０の吐出圧力を検出した圧力発信器３２３からのアナログの圧力信号がＡ／Ｄ変喚器１９でデジタル信号に変換されて入力する。一方、設定圧力信号（デジタル信号）が、推定末端圧力一定制御用演算部１５から入力する。

圧力コントローラ部１４は、ポンプ３１０の吐出圧力が設定圧力信号による設定圧力になるように、設定速度信号を調節する。すなわち、ポンプ吐出圧力が低下すると設定速度を高めるように調節する。これもＰＩ制御である。

速度コントローラ部１３が設けられているので、ポンプ３１０の最高回転速度の上限を抑えるような設定が可能となる。すなわちオーバースピードを防止する制御が可能である。

また、速度コントローラ部１３を設けたので、そこに入力する設定速度信号を推定末端圧力一定制御用演算部で用いる回転速度信号として利用することができる。なお、ＤＣＢＬコントローラ２３５からの速度信号を、上記目的に利用してもよい。推定末端圧力一定制御のための演算部１５については、後述する。

ＣＰＵ１２は自動発停制御部１６を有しており、自動発停信号を外部から受信して、停止信号を速度コントローラ部１３とＤＣＢＬコントローラ２３５に送信する。
自動発停には、大きく分けて次の２種類がある：
（１）流量・圧力に基づく運転・停止の切換（正常時の自動発停）
（２）異常時の保護のための停止及びリトライによる運転再開（異常時の自動発停）
（１）の場合は、ＤＣＢＬコントローラ２３５への発停信号は運転状態のままとなっている。停止するときは、Ｖｅ＝０とするだけで、発停信号は運転中の状態から変わらない。
（２）の場合は、一部の保護（例えばＩＰＭ２３２のエラー）では、ＤＣＢＬコントローラ２３５への発停信号を停止状態とするとともに、Ｖｅ＝０とするが、その他の保護では、Ｖｅ＝０とするだけである。

ＣＰＵ１２へ入力されるデジタル信号が、フロースイッチ３２４からのオン／オフ信号であるとき、ＣＰＵ１２に別途取り込まれる例えば圧力信号と組み合わせて発停がＣＰＵ１２によって決定される。

また、自動発停信号が、例えば電動機温度に関するものであるとき、ＣＰＵ１２に取り込まれる信号は温度信号であり、自動発停制御部１６が上限値を記憶しており、これに基づいて停止すべきか否かを判断し、必要に応じて停止信号を発信する。

ＣＰＵ１２はマイコンの中核部品である。ＣＰＵ１２が演算するためのプログラムは、マイコン１１内のメモリー１７に保存されている。

ＣＰＵ１２には、先に説明したように、圧力コントローラ部１４、速度コントローラ部１３、推定末端圧力一定制御用演算部１５、自動発停制御部１６があり、メモリー１７に保存されたコントロールプログラム、演算プログラムによって、演算処理が行なわれる。ＤＣＢＬコントローラ２３５は、ＩＣで構成されており、各種の情報信号が入力される。

図６のポンプ運転特性曲線図を参照して、推定末端圧力一定制御を説明する。横軸が水量であり、縦軸がヘッドすなわち揚程（以下適宜「圧力」ともいう）であり、曲線Ｈzxはポンプ回転速度一定の運転特性である。ここで抵抗曲線Ｒは、ポンプ３１０から需要先末端迄の使用水量に応じた管路損失であり、水量Ｑが０の点を原点としたとき使用水量の略二乗に比例した曲線となっている。したがって、ポンプ３１０の吐出側の圧力を一定に制御するためには、需要先末端の圧力Ｐｂが一定となるようにポンプ の回転速度をＨzoとＨzb’との間で制御すればよい。このような制御をすると最小流量では末端の圧力は必要以上の圧力となる。一方、推定末端圧力一定制御においては使用水量に応じた（抵抗曲線Ｒで示される）管路損失を見込む必要があるため、この損失を考慮してポンプ 回転速度をＨzoとＨzbとの間で制御する。中間の流量では、中間の回転速度Ｈzaで運転する。ポンプの吐出圧力は抵抗曲線Ｒに沿って変化する。

先に説明した推定末端圧力一定制御用演算部１５は、ポンプ３１０の回転速度Ｎに応じて抵抗曲線Ｒに乗るような設定圧力ｆ（Ｎ）を演算で求めて、その設定値ｆ（Ｎ）を圧力コントロ−ラ部１４に設定値として与えるものである。

本自動給水装置２０１は、水の使用量の下限を設定しておき、フロースイッチ３２４がその下限値を検出すると、マイコン１１が作動して電動機２１０を、ひいてはポンプ３１０を停止する。その後水が使用されるとしばらくは圧力タンク３２２から水が供給されるが、圧力タンク３２２内の水が少なくなり、さらに圧力が低下すると、圧力センサ３２３がこれを検出して、マイコン１１が電動機２１０を始動する。

このとき、水量が低下して電動機２１０を停止する際に、一時的にポンプの運転速度を上昇させることにより吐出圧力を上昇させ、圧力タンク３２２内に十分な水が貯留されるようにするとよい。水の流量低下によるポンプ３１０の停止は、フロースイッチ３２３によらず、回転速度の下限値に基づいて行なってもよい。

なお、本発明のポンプ装置は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、また図示例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは言うまでもない。

本発明の実施の形態による給水装置の平面図及び正面図である。 本発明の実施の形態による給水装置を説明するフロー図である。 本発明の実施の形態による給水装置の制御装置及び作用につき説明するフロー図である。 本発明の実施の形態による給水装置に用いるＤＣＢＬモータの原理を説明する模式図である。 ＤＣＢＬモータで使用する信号波形と電力波形を説明する波形図である。 推定末端圧力一定制御を説明するポンプの運転特性図である。

符号の説明

１１ マイコン
１２ ＣＰＵ
１３ 速度コントローラ部
１４ 圧力コントローラ部
１５ 推定末端圧力一定制御用演算部
１６ 自動発停制御部
１７ メモリー
１８ Ｉ／Ｏ
１９ Ａ／Ｄ
２０ Ｄ／Ａ
２０１ 給水装置
２１０ 電動機
２１１ 電動機本体
２１０ａ 回転子
２１０ｂ 固定子
２３０ インバータ装置
２３２ ＩＰＭ素子
３０９ 吸込管
３１０ ポンプ
３１１ 羽根車
３１２ ポンプケーシング
３１３ ポンプケーシングカバー
３２１ チェッキ弁
３２２ 圧力タンク
３２３ 圧力センサ
３２４ フロースイッチ
３２５ 吐出管
３２６ 吸込口
３２７ 吐出口
３２８ 呼水栓
３３１ ユニットカバー
３３１ａ ユニットカバー開口（吸込側）
３３１ｂ ユニットカバー開口（吐出側）
３３２ ユニットベース
３３３、３３４ 凍結防止ヒータ
Ｌ レベル
Ｓ 地上
Ｗ 水
Ｗｅｌｌ 井戸

Claims (2)

1. 流体を昇圧するポンプと；
   前記ポンプを駆動する直流ブラシレス電動機と；
   前記直流ブラシレス電動機に供給される駆動用電力をコントロールするＤＣＢＬコントローラと；
   前記ＤＣＢＬコントローラに入力する、前記電動機の回転速度を制御するための信号を出力する速度コントローラ部と；
   前記速度コントローラ部に入力する設定速度信号を出力する圧力コントローラ部とを備える；
   ポンプ装置。
2. 前記昇圧された流体の供給先の末端圧力をほぼ一定に調節するための、前記ポンプの吐出圧力を演算し、演算結果を前記圧力コントローラ部に設定圧力として入力する、推定末端圧力一定制御用演算部を備える、請求項１に記載のポンプ装置。

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