JP2012202317A - ポンプ装置及びこれを備えた液体循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 配管抵抗が既知である場合の配管抵抗に応じたポンプ出力調整を簡便に行うことができるものとする。
【解決手段】 所定の配管抵抗を持った循環経路の途中に設置されて液体を循環させるポンプ装置である。ポンプ駆動用のモータ４の動作をＰＷＭ制御するモータ制御部３と、循環経路の配管抵抗を検出する配管抵抗検出部１と、複数の規定の配管抵抗に対応したデューティ比が予め設定されているとともに上記配管抵抗検出部で検出された配管抵抗に対応するデューティ比を指示出力するデューティ比指示部２とを備える。モータ制御部３はデューティ比指示部２で指示されるデューティ比で上記モータを駆動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポンプ装置及びこれを備えた液体循環装置に関するものである。

複数の配管経路を並列に備える循環経路中にポンプを挿入しているとともに、各配管経路をバルブによって個別に開閉できる場合、各配管経路のバルブの開閉によって配管抵抗が変化することになる。

このような場合にも、ポンプ効率を常に高くするために、特許文献１において、流量変化をポンプ駆動用のモータの電流値から換算して読み取り、電流値の変化に応じてポンプ出力能力を制御することが示されている。モータ電流が低い時は流量が少ないとみなしてポンプ出力を低下させ、低流量時のポンプ揚程を下げるということを行うわけであり、配管のバルブ操作による配管抵抗の変化に応じた流量制御ができるために、ポンプの余分な圧力損失を抑えることができて、省エネルギー・小型化を実現できる。

しかし、上記特許文献１に示されたものでは、マイクロコンピュータ等からなる演算回路が必要で高価である上に、ポンプが接続される複数の配管経路の配管抵抗が既知の場合はオーバースペックである。

特開２００４−２３２６０７号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、配管抵抗が既知である場合の配管抵抗に応じたポンプ出力調整を簡便に行うことができるポンプ装置及びこれを用いた液体循環装置を提供することを課題とするものである。

本発明は、所定の配管抵抗を持った循環経路の途中に設置されて液体を循環させるポンプ装置であって、ポンプ駆動用のモータの動作をＰＷＭ制御するモータ制御部と、循環経路の配管抵抗を検出する配管抵抗検出部と、複数の規定の配管抵抗に対応したデューティ比が予め設定されているとともに上記配管抵抗検出部で検出された配管抵抗に対応するデューティ比を指示出力するデューティ比指示部とを備えて、上記モータ制御部は上記デューティ比指示部で指示されるデューティ比で上記モータを駆動するものであることに特徴を有している。

上記デューティ比指示部は、配管抵抗の変化の幅が所定の幅の範囲外となったときに指示出力するデューティ比を切り替えるものが好ましい。

また、上記配管抵抗検出部がモータ電流を検出する電流検知部である場合、該電流検知部は電流平滑回路を備えていることが好ましい。

さらに上記デューティ比指示部は、デューティ比の指示出力を時定数回路を介してモータ制御部に出力するものが好ましい。

そして本発明に係る液体循環装置は、上記のポンプ装置を備えていることに特徴を有している。

本発明においては、既定の配管抵抗に対応した既定のデューティ比にてモータをＰＷＭ制御するために、配管抵抗が既知の場合、流量に応じたポンプ出力制御を、簡単な構成によるデューティ比設定で行うことができ、安価で小型な省エネルギーのものを得ることができる。

本発明の実施の形態の一例におけるブロック回路図である。 同上の配管図である。 同上の動作を示すフローチャートである。 同上の動作説明図である。 同上の動作説明図である。 他例のブロック回路図である。 更に他例のブロック回路図である。

以下本発明を図示実施例に基づいて詳述する。図２は本発明に係る液体循環装置を示しており、並列に接続された複数の配管経路ｃａ，ｃｂ，ｃｃ，ｃｄを備えた循環経路中にポンプ７が設置されており、上記の各配管経路ｃａ，ｃｂ，ｃｃ，ｃｄには夫々個別に開閉できるバルブＶａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄが設けられている。このために、各バルブＶａ〜Ｖｄが開放、締め切りされることでポンプ７に接続される配管経路ｃａ〜ｃｄが変化することから、配管抵抗も変化する。

本発明に係るポンプ装置は、図１に示すように、上記の配管抵抗の変化を検出するための配管抵抗検出部１と、この配管抵抗検出部１から出力される電圧と規定の電圧値とを比較してＰＷＭ制御のデューティ比（以下、Ｄｕｔｙ比）を決定するための指示電圧を作成するデューティ比指示部２と、デューティ比指示部２から出力される電圧に対応するＤｕｔｙ比によるＰＷＭ制御を行うモータ制御部３と、モータ制御部３によって制御駆動されるモータ４と、モータ４により回転駆動して上記循環経路中の液体を循環させるポンプ７とからなる。

配管抵抗検出部１として、ここではポンプ７駆動用のモータ４の電流を電圧に変換する電流検知部を用いている。モータ電流はシャント抵抗によって電圧に変換された後、オペアンプＯＰ１により増幅され、複数の電流変化幅上下限決定回路２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を備えるデューティ比指示部２に出力される。

全てのバルブＶａ〜Ｖｄが締め切られた状態からまずバルブＶａが開放されてポンプが運転を開始するときを例にしてデューティ比指示部２の動作を説明する。ポンプ７の起動前は配管抵抗検出部１のシャント抵抗に電流が流れないために、配管抵抗検出部（電流検知部）１から出力される電圧値は０である。

このとき、デューティ比指示部２内の各電流変化幅上下限決定回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃにおけるオペアンプＯＰ２〜ＯＰ４は全て出力Ｈとなり、各オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の出力端に接続されている抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が全てプルアップされ、抵抗Ｒ４，Ｒ５とともに分圧されたＤｕｔｙ比指示電圧ａがモータ制御部３へと出力され、指示電圧ａに対応した最小Ｄｕｔｙ比ａによるＰＷＭ制御がモータ４になされる。

このとき各電流変化幅上下限決定回路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ内にあるトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３は全てＯＮしており、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３のコレクタとオペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の＋入力端子間に接続された抵抗Ｒ６〜Ｒ８がＧＮＤと接続される。各オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の＋入力端子には抵抗Ｒ６〜Ｒ８を含めた分圧抵抗による分圧値が入力される。このときのポンプは図４に示す動作点ａにて運転している。

ここでバルブＶｂが開放されると、配管抵抗が変化し、これに伴ってモータ電流値が図４に示す電流変化幅ａの上限に達すると、オペアンプＯＰ１の出力電圧が上昇し、オペアンプＯＰ２の−入力端子電圧が＋入力端子電圧を超えてオペアンプＯＰ２の出力がＬとなり、抵抗Ｒ１がプルダウンされる。よってＤｕｔｙ比指示電圧ａよりも低電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｂがモータ制御部３へと出力され、指示電圧ｂに対応したＤｕｔｙ比ｂによるＰＷＭ制御がモータ４になされる。このときのポンプは図４中の動作点ｂにて運転する。

またトランジスタＴｒ１がＯＦＦするため、抵抗Ｒ６がＧＮＤと非接続となり、抵抗Ｒ９、Ｒ１０、及びコンデンサＣ１によって決まる時定数と分圧によってオペアンプＯＰ２）の＋入力端子電圧が上昇する。このときの＋入力端子電圧は電流変化幅ｂの下限値を決める閾値となる。

以下、バルブＶｃ、バルブＶｄが開放されるごとにオペアンプＯＰ３、オペアンプＯＰ４の出力が順次Ｌとなり、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３も順次プルダウンされてＤｕｔｙ比指示電圧ｂよりも低電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｃ、及びＤｕｔｙ比指示電圧ｃよりもさらに低電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｄがモータ制御部３へと出力され、Ｄｕｔｙ比指示電圧ｃに対応したＤｕｔｙ比ｃによるＰＷＭ制御、及びＤｕｔｙ比指示電圧ｄに対応したＤｕｔｙ比ｄによるＰＷＭ制御がモータ４になされる。これに伴ってポンプ７は、動作点ｂから動作点ｃ、動作点ｄへ移行して運転する。

オペアンプＯＰ４は出力がＬとなりトランジスタＴｒ３もＯＦＦし抵抗Ｒ８がＧＮＤと非接続となり、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、及びコンデンサＣ２によって決まる時定数と分圧によってオペアンプＯＰ４の＋入力電圧が上昇する。このときの＋入力端子電圧は電流変化幅ｄの下限値を決める閾値となる。

次にバルブＶａ〜バルブＶｄが全て開放された状態にあってポンプ７が動作点ｄにて運転している状態からバルブＶｄが締め切られた場合について説明する。

バルブＶｄの締め切りによる配管抵抗の変化でモータ電流値が図５に示すように電流変化幅ｄの下限に達すると、オペアンプＯＰ１の出力電圧が下降し、オペアンプＯＰ４の−入力端子電圧が＋入力端子電圧を下まわり、オペアンプＯＰ４の出力がＨとなって、抵抗Ｒ３がプルアップされる。よってＤｕｔｙ比指示電圧ｄよりも高電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｃがモータ制御部３へと出力され、Ｄｕｔｙ比指示電圧ｃに対応したＤｕｔｙ比ｃによるＰＷＭ制御がモータ４になされる。このときのポンプは図５に示すように動作点ｃに移行して運転を行う。

またトランジスタＴｒ３がＯＮするため、抵抗Ｒ８がＧＮＤと接続され、抵抗Ｒ８、Ｒ１１、Ｒ１２及びコンデンサＣ２によって決まる時定数と分圧によってオペアンプＯＰ４の＋入力端子電圧が下降する。このときの＋入力端子電圧は電流変化幅ｃの上限値を決める閾値となる。

以下、バルブＶｃ、バルブＶｂが締め切られるごとにオペアンプＯＰ３、オペアンプＯＰ２の出力が順次Ｈとなり、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ１も順次プルアップされてＤｕｔｙ比指示電圧ｃよりも高電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｂ、及びＤｕｔｙ比指示電圧ｂよりもさらに高電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ａがモータ制御部へと出力され、指示電圧ｂに対応したＤｕｔｙ比ｂによるＰＷＭ制御、及び指示電圧ａに対応したＤｕｔｙ比ａによるＰＷＭ制御がモータ４になされる。

図６に他例を示す。これは電流検知部である配管抵抗検出部１に、電流平滑回路５を設けた点において上記実施例と相違する。電流平滑回路５はシャント抵抗の両端電圧を所定の時定数にて平滑化し、平滑されたシャント電圧をオペアンプＯＰ１による増幅の後、デューティ比指示部２へと出力する。

モータ４の起動時の突入電流や、バルブＶａ〜Ｖｄの急激な開放動作によるモータ電流の急増、及びＤｕｔｙ比を高Ｄｕｔｙ比へ切り替えたときに発生するモータ電流の急増を、そのまま電圧変換した出力電圧がデューティ比指示部２に入力されると、デューティ比指示部２内の全オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の＋入力端子電圧よりも大きい電圧が−入力端子に入力されるために、全オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４が一斉にＯＦＦしてＤｕｔｙ比指示電圧ｄを出力してしまうことが生じ、この場合、配管抵抗に関係なく指示電圧ｄに対応したＤｕｔｙ比ｄによるＰＷＭ制御がモータ４になされてしまう虞がある。

抵抗Ｒ１３とコンデンサＣ３により決定される時定数をもった電流平滑回路５を設けることで、上記虞を無くすことができる。上記時定数による所定の時間は、少なくともモータ起動時やバルブ開放時、及びＤｕｔｙ比切り替え時に発生する突入電流が納まる時間以上であり、好ましくは２倍程度である。時定数が長すぎるとモータ電流の変化に対してＤｕｔｙ比の切り替え動作が遅れてしまうことになる。

図７はデューティ比指示部２内に時定数回路６を設けて、時定数回路６によって平滑されたＤｕｔｙ比指示電圧がモータ制御部３へ出力されるようにした例を示している。抵抗Ｒ１〜Ｒ５により分圧されて作成されたＤｕｔｙ比指示電圧は、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、Ｒ１４、及びコンデンサＣ４により決定される時定数により平滑されてモータ制御部３へ出力される。

Ｄｕｔｙ比指示電圧の切り替わりに対して時定数を持たせることで、ＰＷＭ制御の急激なＤｕｔｙ比変化が無くなり、モータ制御の変化時に発生する振動や騒音を低減することができる。

いずれにしても、複数の既定の配管経路ｃａ〜ｃｄに設けられたバルブＶａ〜Ｖｄが開放、締め切りされて配管経路が変化する場合、各配管経路ｃａ〜ｃｄの配管抵抗が既知であることから、各配管経路に対応したＤｕｔｙ比を予め設定しておき、これらＤｕｔｙ比でのＰＷＭ制御でモータ４の制御を行うことから、高価な演算回路を必要とすることなく、配管抵抗に応じた適切なポンプ出力で動作させることができるものであり、安価で小型な構成で省エネルギーなポンプ装置及び液体循環装置とすることができる。

１ 配管抵抗検出部
２ デューティ比指示部
３ モータ制御部
４ モータ
５ 電流平滑回路
６ 時定数回路
７ ポンプ

Claims (5)

1. 所定の配管抵抗を持った循環経路の途中に設置されて液体を循環させるポンプ装置であって、ポンプ駆動用のモータの動作をＰＷＭ制御するモータ制御部と、循環経路の配管抵抗を検出する配管抵抗検出部と、複数の規定の配管抵抗に対応したデューティ比が予め設定されているとともに上記配管抵抗検出部で検出された配管抵抗に対応するデューティ比を指示出力するデューティ比指示部とを備えて、上記モータ制御部は上記デューティ比指示部で指示されるデューティ比で上記モータを駆動するものであることを特徴とするポンプ装置。
2. 上記デューティ比指示部は、配管抵抗の変化の幅が所定の幅の範囲外となったときに指示出力するデューティ比を切り替えるものであることを特徴とする請求項１記載のポンプ装置。
3. 上記配管抵抗検出部はモータ電流を検出する電流検知部であり、該電流検知部は電流平滑回路を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のポンプ装置。
4. 上記デューティ比指示部は、デューティ比の指示出力を時定数回路を介してモータ制御部に出力するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のポンプ装置を備えていることを特徴とする液体循環装置。

Images