JP2009209893A - ポンプ及び給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根の破壊及びブラシレスＤＣモータのロータ減磁を起すことなく、ポンプ内の水の凍結を防止し、ポンプの破壊を防止することができるポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係るポンプ２は、水８を循環させるポンプ２において、巻線を有するステータ部と、磁石部が設けられるロータ部と、磁石部の位置を検出し位置検出信号を出力する位置検出回路と、ポンプ２の制御を行うポンプ制御回路７とを備え、ポンプ制御回路７は、ステータ部への通電時の位置検出信号によりポンプ２内の水８の凍結を判断し、凍結している場合は、巻線に所定の通電を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、ポンプ及び給湯装置に関するものである。

流体を流体循環回路内で循環させるようにポンプを制御するポンプ運転システムに関し、空運転によるポンプの破壊を防ぐことができるポンプ運転システムを提供する。ポンプで流体循環回路に流体を循環させるシステムで、ポンプの潤滑も当該流体を用いて行うようになっているシステムにおいて、ポンプを駆動するポンプ駆動部と、ポンプ駆動部を制御する制御部と、ポンプ内の流体液量を検出し、その出力を制御部に与える液量検出器とを設けるポンプ運転装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２６４６７号公報

解決しようとする課題は、特に冬場などポンプ及び給湯装置の周囲温度が低い環境下において、ポンプ内の水が凍結することによるポンプの破壊防止、ポンプ内の水の解凍方法、凍結防止である。

ポンプ内の水が凍結し、ポンプの羽根が拘束された状態でモータへ通電してその熱で解凍する場合、羽根の破壊、ブラシレスＤＣモータのロータ減磁などの課題があった。

この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、羽根の破壊及びブラシレスＤＣモータのロータ減磁を起すことなく、ポンプ内の水の凍結を防止し、ポンプの破壊を防止することができるポンプ及び給湯装置を提供することを目的とする。

この発明に係るポンプは、水を循環させるポンプにおいて、
巻線を有するステータ部と、
磁石部が設けられるロータ部と、
磁石部の位置を検出し位置検出信号を出力する位置検出回路と、
当該ポンプの制御を行うポンプ制御回路とを備え、
ポンプ制御回路は、ステータ部への通電時の位置検出信号により当該ポンプ内の水の凍結を判断し、凍結している場合は、巻線に所定の通電を行うことを特徴とする。

この発明に係るポンプは、ポンプ制御回路が、ステータ部への通電時の位置検出信号によりポンプ内の水の凍結を判断し、凍結している場合は、巻線に所定の通電を行うことにより、巻線に発生する熱を利用して、ポンプ内の水の凍結を防止し、ポンプ内の水が凍結することによるポンプの破壊を防止する効果を奏する。

実施の形態１．
図１乃至図４は実施の形態１を示す図で、図１は給湯装置１００の構成図、図２はポンプ２の断面図、図３は駆動回路７ａの構成図、図４はモータ電流波形図である。

図１に示すように、給湯装置１００は、図示しない冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒９と水８とが対向流となって熱交換を行い水８を加熱する熱交換器３等で構成され、冷媒９が流れる冷媒回路５を備える。

また、給湯装置１００は、熱交換器３で加熱された水８を貯留するタンク１と、水８を循環させるポンプ２と、水配管内を水８が流れる水回路４を備える。

さらに、ポンプ２は、ポンプ制御回路７を備える。ポンプ制御回路７は、速度指令信号とポンプ２からの温度信号を入力し加熱信号を出力する加熱判定回路７ｂと、速度指令信号と加熱判定回路７ｂからの加熱信号とポンプ２からの位置検出信号とが入力される駆動回路７ａとで構成される。ポンプ制御回路７は、ステータ部１７の回路基板１３に設けられる。

尚、給湯装置１００は、水回路４の水温度を検出して、水温情報を出力する水温検出部（図示せず）と、水温設定指令信号と水温検出部からの水温情報を入力し、速度指令信号をポンプ制御回路７に出力する水量制御部（図示せず）とを備える。

ポンプ２（ステータ部１７の巻線１１）と駆動回路７ａとは、ステータ部１７内でモータリード１１ａで電気的に接続されている。

図２を用いてポンプ２の構成を説明する。図２に示すように、ポンプ２は、ステータ部１７と、ロータ部２１と、ポンプ部２６と、軸２７とを備える。軸２７は固定されていて、その周囲をロータ部２１が回転する。

先ず、ステータ部１７の構成を説明する。ステータ部１７は、所定の形状に打ち抜いた電磁鋼板を複数枚積層して形成される略ドーナッツ形状の鉄心１０と、この鉄心１０のスロット（図示せず）にインシュレータ１２（絶縁部材）を介して挿入される巻線１１と、リード線１４を接続した回路基板１３と、略釜形状の第１のケーシング１５とを備える。回路基板１３は、ステータ部１７の一方の軸方向端部（ポンプ部２６と反対側の端部）付近に配置される。回路基板１３の構成については、後述する。

ステータ部１７は、巻線１１を巻いた鉄心１０と、回路基板１３と、第１のケーシング１５とをモールド樹脂１６を用いて一体に成形される。ステータ部１７の外郭はモールド樹脂１６にて形成されている。

略釜形状の第１のケーシング１５の凹部に、ロータ部２１が収まる。第１のケーシング１５は、ステータ部１７とロータ部２１とを仕切る。また、第１のケーシング１５の凹部の略中央部に、軸２７が嵌る軸孔１５ａが形成されている。尚、軸２７は回転しないように、軸孔１５ａに嵌合している。そのために、軸孔１５ａに嵌合する軸２７の円形の一部を切り欠いている。軸２７のポンプ部２６側端部も同じ形状にしている（長手方向が中央部に対して対称）。これは、ポンプ２の組立性を向上させるためである。軸孔１５ａも軸２７とほぼ同形状で、軸２７の径より一回り大きい径となっている。

ロータ部２１は、略中心部に軸受１８を備える。軸受１８の外側に、樹脂製のホイール１９が配置される。さらに、ホイール１９の外側に、磁石部２０が設けられる。磁石部２０は、フェライト等の磁性粉末と樹脂を混練して成形し、着磁されている。

ステータ部１７とロータ部２１とで、例えば、ブラシレスＤＣモータを構成する。

ポンプ部２６は、吸水口２２、吐出口２３を有する第２のケーシング２４と、羽根車２５とを備える。水回路４は、吸水口２２と吐出口２３とに接続される。

軸２７は、ロータ部２１の軸受１８とワッシャー２８との穴部を貫通する。そして、軸２７は、両端を第１のケーシング１５及び第２のケーシング２４で挟み込んで固定される。羽根車２５を固定したロータ部２１は、軸２７の周囲に回転自在に配置される。尚、軸２７のポンプ部２６側端部も、ワッシャー２８を介して第２のケーシング２４の軸孔２４ａに嵌合する。

第１のケーシング１５と第２のケーシング２４とで囲まれる空間は水回路４の水（湯）で満たされる。そのため、ロータ部２１、羽根車２５、軸２７、ワッシャー２８はポンプ２を流れる水（湯）に触れる構造となっている。ポンプ２は、ポンプ２内部を流れる水がブラシレスＤＣモータのロータ部２１に接するキャンド方式である。

回路基板１３には、図示しない位置検出回路と温度検出回路が搭載されている。位置検出回路は、磁石部２０の磁極位置を検出するためのものである。位置検出回路は、検出した位置情報を位置検出信号として駆動回路７ａへ出力する。

位置検出回路は、ホールＩＣとその出力信号を増幅する回路、あるいはホールＩＣ及び増幅回路を同一パッケージに実装したホールＩＣなどである。

ホールＩＣとは磁気センサであるホール素子とその出力信号をデジタル信号に変換するＩＣが１パッケージ化された素子で、入力端子、ＧＮＤ端子、出力端子の３端子構成となっている。ホールＩＣ内部のホール素子の駆動方式としては、常時通電しているタイプと省エネのためパルス駆動しているタイプがある。

第１のケーシング１５と第２のケーシング２４とで囲まれる空間は水回路４の水（湯）で満たされる。温度検出回路は、第１のケーシング１５と第２のケーシング２４とで囲まれる空間内の水の温度を検出するためのものである。温度検出回路は、検出した温度情報を温度検出信号として加熱判定回路７ｂに出力する。温度検出回路は、例えば、サーミスタ５１（図２参照）などである。

図２に示すように、サーミスタ５１は、モールド樹脂１６を介して第１のケーシング１５に接触させる。但し、ポンプ２内の水８の温度を精度良く検出するために第１のケーシング１５に直接接触させるように配置してもよい。また、サーミスタ５１と第１のケーシング１５との間にモールド樹脂１６より高い熱伝導率の樹脂を介して接触させる構造でもよい。

図３は駆動回路７ａの構成を示す図である。駆動回路７ａは、波形生成回路４２、プリドライバ回路４４、パワー回路３２、電流検出回路６０から構成される。駆動回路７ａは、ブラシレスＤＣモータを駆動する。

波形生成回路４２は、ロータ部２１の回転速度を指令する速度指令信号、回路基板１３の位置検出回路からの位置検出信号に基づいて、インバータ駆動するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を生成し、プリドライバ回路４４に出力する。

プリドライバ回路４４は、パワー回路３２のトランジスタ３０を駆動するトランジスタ駆動信号を出力する。

パワー回路３２は、直流電源入力部３３、インバータ出力部３５を備え、トランジスタ３０とダイオード３１とを並列接続し、更にこれらを直列接続したアームからなる。

直流電源入力部３３の片側には電流検出回路６０を備え、電流検出信号を波形生成回路４２へ出力する。ブラシレスＤＣモータは３相のため、３アームのインバータ出力部３５のＵ、Ｖ、Ｗがそれぞれの巻線１１のＵ、Ｖ、Ｗに接続されている。直流電源入力部３３には、商用電源の交流１００Ｖ又は２００Ｖを整流して得られる１４０Ｖ又は２８０Ｖの直流電源が接続される。

次に動作について説明する。
図１に示すように、タンク１の水８は、ポンプ２により水回路４内を流れる。水８は、冷媒回路５内を流れる冷媒９（圧縮機を搭載した熱源機からの高温高圧の冷媒）と熱交換器３において熱交換が行われる。このとき、熱交換器３において、熱交換効率を向上させるため、水８と冷媒９とは対向流となっている。

図３において、水量制御部からの速度指令信号が駆動回路７ａの波形生成回路４２に入力されると、波形生成回路４２は回路基板１３の位置検出回路からの位置検出信号に応じて３相の各巻線１１への通電タイミングを設定するとともに、速度指令信号の入力に応じたＰＷＭ信号を生成・出力し、そのＰＷＭ信号を入力したプリドライバ回路４４はパワー回路３２内のトランジスタ３０を駆動する。

トランジスタ３０の駆動により、インバータ出力部３５からリード線１４を介して巻線１１に電圧が印加される。すると巻線１１に電流が流れ、トルクが発生してロータ部２１と一体化した羽根車２５が回転する。

このとき水回路４内の水８は、吸水口２２よりポンプ２内へ流入し、羽根車２５を通り吐出口２３から流出する。

羽根車２５の回転速度は、速度指令信号に応じたブラシレスＤＣモータの回転速度となり、回転数に応じた流量制御が行われる。ポンプ２の停止も速度指令信号にて行う。

図４はブラシレスＤＣモータの１相分の電流波形の一部分を示す。ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ駆動しているため、トランジスタ３０のオン区間は電流が増加する。また、トランジスタ３０のオフ区間は電流が減少する。そのため、リップル電流が流れる。ブラシレスＤＣモータは、最大電流がロータ部２１の磁石部２０の減磁保護あるいはトランジスタ３０の電流保護にて決定される過電流レベル以下で駆動される。

冬場の長期間にわたり給湯装置１００を停止させる場合、水８の凍結による各部の故障を防止するために給湯装置１００の水抜きを行う。しかし、給湯装置１００内のポンプ２は、ポンプ２の水抜きが完全に行われる向きに設置されていない場合が多い。そのため、ポンプ２内に溜まった水８が凍結する場合がある。ポンプ２内の水８の凍結は、ブラシレスＤＣモータへの通電時にロータ部２１が回転しないことにより回路基板１３の位置検出回路からの位置検出信号が変化しないことで、ポンプ制御回路７が判断できる。

ポンプ２内の水８が凍結した場合、羽根車２５が破壊しない程度の小さい出力トルクとなるように、駆動回路７ａが巻線１１に通電（拘束通電という）する。この通電を所定の通電と呼ぶ。この通電の電流によるステータ部１７の巻線１１及びパワー回路３２の発熱により、第１のケーシング１５と第２のケーシング２４との間の空間内の凍結した水を解凍する。

この拘束通電の通電方法として、駆動回路７ａが、回路基板１３の位置検出回路からの位置検出信号に応じて３相の各巻線１１間に低い電圧（羽根車２５が破壊しない程度の小さい出力トルクとなるような電圧）を出力する。

図４のオフ区間に対してオン区間を短くする低デューティのＰＷＭ信号で低い電圧、例えば１００Ｖ電源では十数Ｖ、２００Ｖ電源では二十数Ｖ程度となるように、オン区間は巻線１１のＵ相に＋、Ｖ相及びＷ相に−を通電する。尚、オン区間は巻線１１のＵ相に＋、Ｖ相に−を通電し、Ｗ相をオープンにしてもよい。

駆動回路７ａが巻線１１に通電（拘束通電）を行うことにより、凍結した水が解凍される。この状態では、低デューティのＰＷＭ信号の低い電圧でも、ブラシレスＤＣモータのロータ部２１は回転するので、回路基板１３の位置検出回路からの位置検出信号が変化する。それによりポンプ制御回路７は、水が解凍されたと判断して、通常のシーケンスにてポンプ２の運転を行う。

冬場などポンプ２又は水回路４の水配管温度が低下して、温度検出回路（サーミスタ５１）が検出した温度検出信号が０℃に近づいた場合、加熱判定回路７ｂは設定した温度以下、例えば１℃を検出した場合に、加熱信号を駆動回路７ａに出力する。加熱信号が入力された駆動回路７ａは、一定時間ポンプ２を動作させ、タンク１内の水（湯）を循環させる。

ポンプ２を動作させる一定時間は、タンク１から流出した水８がポンプ２、熱交換器３を経由して再びタンク１に戻るまでの時間に設定する。水回路４の水配管の長さを考慮し、ブラシレスＤＣモータの回転速度、動作時間を設定する。

尚、冬場のポンプ２又は水回路４の水配管温度の低下は、給湯装置１００が設置させる外気温度のデータを用いて検出してもよい。

ポンプ２内の水８が凍結した場合、あるいはポンプ２又は水回路４の水配管温度が凍結温度近傍まで低下した場合、ポンプ制御回路７は凍結信号あるいは加熱信号を給湯装置の制御回路（図示せず）に出力し、「凍結」あるいは「凍結注意」を給湯装置の表示部（図示せず）で表示するようにしてもよい。

ここでは、冬場のポンプ２又は水回路４の水配管温度の低下の検出に、ブラシレスＤＣモータ（ステータ部１７）内の温度検出回路（サーミスタ５１）を使用したが、ほぼポンプ２の周囲温度の検出が可能である水回路４の水配管に設置した温度検出回路を用いてもよい。

以上のように、ポンプ２内に溜まった水８が凍結した場合、羽根車２５が破壊しない程度の非常に小さいトルクとなるよう巻線１１に通電し、電流による巻線１１及びパワー回路３２の発熱により第１のケーシングと第２のケーシング２４との間の空間内の凍結した水を解凍するようにしたので、ポンプ２の凍結した水８が解凍するまでの給湯装置１００の使用不可能な時間を大幅に短縮できる。

また、ポンプ２内に溜まった水８が凍結した場合、羽根車２５が破壊しない程度の非常に小さいトルクとなるよう巻線１１に通電するので、ポンプ２内の水８の凍結時にブラシレスＤＣモータを回転させ羽根車２５を破損させることを防止することができる。

冬場などポンプ２及び給湯装置１００の周囲温度の低下を検出して加熱判定回路７ｂから加熱信号を出力し、駆動回路７ａにて一定時間ポンプ２を動作させてタンク１内の水（湯）を循環させるようにしているので、ポンプ２、熱交換器３、水回路４の水配管内の水８の凍結を防止するとともに、凍結によるポンプ２の破壊防止ができる。

また、水回路４の水配管の長さを考慮し、ブラシレスＤＣモータの回転速度、動作時間を設定したので、確実にポンプ２、熱交換器３、水回路４の水配管内の水８の凍結を防止するとともに破壊防止ができる。

モータ電流は、ロータ部２１の磁石部２０の減磁保護あるいはトランジスタ３０の電流保護にて決定される過電流レベル以下に設定したので、ブラシレスＤＣモータの性能低下あるいは破壊（トランジスタ３０が）することがなく信頼性の高い給湯装置１００を提供することができる。

ポンプ２内の水８が凍結、あるいはポンプ２又は水回路４の水配管温度が凍結温度近傍（例えば、１℃）まで低下した場合、ポンプ制御回路７は凍結信号あるいは加熱信号を給湯装置の制御回路（図示せず）に出力し、「凍結」あるいは「凍結注意」を給湯装置の表示部（図示せず）で表示することにより、給湯装置１００の運転状態が容易に把握できサービス性が向上する。

ここでは、ブラシレスＤＣモータについて述べたが、誘導電動機など他の種類のモータでも同様の効果が得られる。

ここでは、ポンプ制御回路７をポンプ２に搭載したが、ポンプ２の外部、例えば給湯装置の制御回路など、に設けてもよい。

また、給湯装置１００の運転開始時に羽根車２５が破壊しない程度の非常に小さいトルクとなるよう巻線１１に通電する運転シーケンスを追加してもよい。

温度検出回路（サーミスタ５１）は、モールド樹脂１６を介して第１のケーシング１５に接触させるが、第１のケーシング１５に直接接触させるように配置するか、又はサーミスタ５１と第１のケーシング１５との間にモールド樹脂１６より高い熱伝導率の樹脂を介した構造にすることにより、ポンプ２内の水８の温度を精度良く検出し、誤動作を防止し信頼性の高い給湯装置１００を提供することができる。

ブラシレスＤＣモータ（ステータ部１７）内の温度検出回路（サーミスタ５１）に代えて、ほぼポンプ２の周囲温度の検出が可能である水回路４の水配管に設置した温度検出回路を用いることで、回路の小型化、部品点数削減という効果がある。

本発明の活用例として、給湯装置１００内の水を加熱する時に使用するポンプ２への適用例を示したが、給湯装置１００の水を利用して風呂水を加熱する時に使用するポンプや、その他、家庭用ポンプ、床暖房装置などに利用可能である。その場合は、熱交換器３では水同士が熱交換を行うものもある。

実施の形態１を示す図で、給湯装置１００の構成図。 実施の形態１を示す図で、ポンプ２の断面図。 実施の形態１を示す図で、駆動回路７ａの構成図。 実施の形態１を示す図で、モータ電流波形図。

符号の説明

１ タンク、２ ポンプ、３ 熱交換器、４ 水回路、５ 冷媒回路、７ ポンプ制御回路、７ａ 駆動回路、７ｂ 加熱判定回路、８ 水、９ 冷媒、１０ 鉄心、１１ 巻線、１１ａ モータリード、１２ インシュレータ、１３ 回路基板、１４ リード線、１５ 第１のケーシング、１５ａ 軸孔、１６ モールド樹脂、１７ ステータ部、１８ 軸受、１９ ホイール、２０ 磁石部、２１ ロータ部、２２ 吸水口、２３ 吐出口、２４ 第２のケーシング、２４ａ 軸孔、２５ 羽根車、２６ ポンプ部、２７ 軸、２８ ワッシャー、３０ トランジスタ、３１ ダイオード、３２ パワー回路、３３ 直流電源入力部、３５ インバータ出力部、４２ 波形生成回路、４４ プリドライバ回路、５１ サーミスタ、６０ 電流検出回路、１００ 給湯装置。

Claims (11)

1. 水を循環させるポンプにおいて、
   巻線を有するステータ部と、
   磁石部が設けられるロータ部と、
   前記磁石部の位置を検出し位置検出信号を出力する位置検出回路と、
   当該ポンプの制御を行うポンプ制御回路とを備え、
   前記ポンプ制御回路は、前記ステータ部への通電時の前記位置検出信号により当該ポンプ内の水の凍結を判断し、凍結している場合は、前記巻線に所定の通電を行うことを特徴とするポンプ。
2. 前記ポンプ制御回路は、当該ポンプ内の水の凍結を判断した場合、当該ポンプが破壊しない程度の小さい出力トルクとなるように前記巻線に通電を行うことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記ポンプ制御回路は、前記位置検出信号が変化する場合、通常のシーケンスにて運転することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のポンプ。
4. 冷媒と水または水同士とが熱交換を行う熱交換器と、水を貯留するタンクと、水を循環させるポンプとが水配管で接続された水回路とを備え、
   前記ポンプに、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のポンプを使用することを特徴とする給湯装置。
5. 前記温度検出回路を、前記水配管に設置したことを特徴とする請求項４記載の給湯装置。
6. 水を循環させるポンプにおいて、
   当該ポンプの温度を検出し温度検出信号を出力する温度検出回路と、
   当該ポンプの制御を行うポンプ制御回路とを備え、
   前記ポンプ制御回路は、前記温度検出信号により当該ポンプの温度が凍結温度に近づいたことを検出した場合、一定時間当該ポンプを動作させることを特徴とするポンプ。
7. 前記温度検出回路を、当該ポンプ内部に内蔵したことを特徴とする請求項６記載のポンプ。
8. 前記ステータ部と、前記ロータ部と、前記ステータ部と前記ロータ部とを仕切る略釜形状の第１のケーシングとを備え、前記温度検出回路を前記ステータ部に設け、さらに前記温度検出回路を前記第１のケーシングに接触させることを特徴とする請求項７記載のポンプ。
9. 前記略釜形状の第１のケーシングは前記ロータ部が収まる凹部を有し、前記凹部の底面に前記温度検出回路を接触させることを特徴とする請求項８記載のポンプ。
10. 冷媒と水または水同士とが熱交換を行う熱交換器と、水を貯留するタンクと、水を循環させるポンプとが水配管で接続された水回路とを備え、
    前記ポンプに請求項６に記載のポンプを使用し、
    前記ポンプ制御回路が前記ポンプを動作させる前記一定時間は、前記タンクから流出した前記水が、前記ポンプ、前記熱交換器を経由して再び前記タンクに戻るまでの時間に設定することを特徴とする給湯装置。
11. 前記温度検出回路を、前記水配管に設置したことを特徴とする請求項１０記載の給湯装置。

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