JP2013047499A

JP2013047499A - ポンプ装置及びこれを備えた液体循環装置

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Publication number: JP2013047499A
Application number: JP2011186453A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Ueda; 英稔植田; Yoichi Shukuri; 陽一宿里
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-03-07
Also published as: EP2566041A2

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。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出力信号が予め設定されて検出された配管抵抗に対応する出力信号をモータ電圧制御部に指示出力するモータ電圧指示部２ａ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２ｂとを備え、モータ電圧指示部で指示されるモータ電圧と、デューティ比指示部で指示されるデューティ比と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電圧を制御するモータ電圧制御部と、前記モータの動作を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出力信号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出力信号を前記モータ電圧制御部に指示出力するモータ電圧指示部と、前記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、上記モータ電圧制御部は上記モータ電圧指示部で指示されるモータ電圧を上記モータに印加し、かつ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。

上記配管抵抗検出部で検出される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、上記モータ電圧指示部は出力信号を切り替え、かつ上記デューティ比指示部は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が好ましい。

さらに、上記モータ電圧指示部は、出力信号を時定数回路を介してモータ電圧制御部に出力するものであることが好ましく、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電圧及び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、流量に応じているとともに余分な圧力損失を抑えたポンプ出力制御を、簡単な構成による電圧設定及び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。同上のモータ電圧制御動作を示すフローチャートである。同上のＰＷＭ制御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。別の例のブロック回路図である。同上のモータを備えたポンプの一例を示す斜視図である。

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Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ，Ｂｄが設けられている。このために、各バルブＢａ〜Ｂｄ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出力信号を作成するモータ電圧指示部２ａと、モータ電圧指示部２ａから作成される出力信号により決定されるモータ電圧を作成してモータに印加するモータ電圧制御部２４と、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Ｄｕｔｙ比を決定するための指示電圧を作成するＤｕｔｙ比指示部２ｂと、Ｄｕｔｙ比指示部２ｂから出力される電圧によりＤｕｔｙ比を決定してモータのＰＷＭ制御を行うモータ制御部３と、モータ制御部３により回転制御されるモータ４と、モータ４により回転駆動され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。図中２１はモータ電圧指示部２ａとＤｕｔｙ比指示部２ｂとの共通回路である。

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２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える上記共通回路２１に出力される。

全てのバルブＢａ〜Ｂｄが締め切られた状態からまずバルブＢａが開放されてポンプが運転を開始するときを例にして動作を説明すると、図３は電圧制御のフローチャート、図４はＰＷＭ制御のフローチャートを示している。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、上記共通回路２１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、インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３によって反転されたＬ信号がトランジスタＴｒ４〜Ｔｒ６をＯＦＦするために、抵抗Ｒ１５〜Ｒ１７はＧＮＤと非接続となる。このためにモータ電圧制御部２４のトランジスタＴｒ７のベース端子には抵抗Ｒ１８〜Ｒ２０の分圧比による電圧が入力される。この分圧比で決定される所定のモータ電圧値Ｖａとなるべくモータ電圧制御部２４ではトランジスタＴｒ７がＯＮし、フォトカプラＰＣ１が発光することでスイッチング電源に信号をフィードバックし、所定のモータ電圧Ｖａをモータ４に印加する。

また、各オペアンプＯＰ２〜ＯＰ４の出力端に接続された抵抗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Ｄｕｔｙ比指示部２ｂからモータ制御部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と接続されることから、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。

このように、ポンプ７が動作点ａにて運転しているとき、バルブＢｂが開放されて配管抵抗が変化し、モータ電流値が図５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、インバータＩＮＶ３によって反転されたＨ信号がトランジスタＴｒ６をＯＮするため、抵抗Ｒ１７がＧＮＤに接続され、モータ電圧制御部２４のトランジスタＴｒ７のベース端子には抵抗Ｒ１７〜Ｒ２０の分圧比による電圧値が入力されると、この分圧比で決定されるモータ電圧値Ｖａよりも高い所定のモータ電圧値ＶｂとなるべくトランジスタＴｒ７がＯＮし、フォトカプラＰＣ１が発光することでスイッチング電源に信号をフィードバックし、所定のモータ電圧Ｖｂをモータ４に印加する。

また、抵抗Ｒ１がプルダウンされてＤｕｔｙ比指示電圧ａよりも低電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｂがＤｕｔｙ比指示部２ｂからモータ制御部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になされるために、ポンプ７は動作点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Ｂｃ、バルブＢｄ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、トランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ４が順次ＯＮされて抵抗Ｒ１６、抵抗Ｒ１５が順次ＧＮＤと接続されることでモータ電圧制御部２４内のトランジスタＴｒ７のベース端子に加わる電圧の分圧比も順次小さくなり、モータ電圧Ｖｂよりも高い電圧のモータ電圧Ｖｃ、さらにはモータ電圧Ｖｃよりも高い電圧のモータ電圧Ｖｄがモータ電圧制御部により順次作成されてモータへ印加される。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よりも低電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｄがモータ制御部へと出力され、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制御がモータになされる。つまり、ポンプは図５に示すように動作点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Ｂａ〜バルブＢｄが全て開放され、ポンプが動作点ｄにて運転している状態からバルブＢｄが締め切られた状態を説明すると、このバルブＢｄの締め切りで配管抵抗が変化して図６に示すようにモータ電流値が電流変化幅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となると、インバータＩＮＶ１により反転されたＬ信号がトランジスタＴｒ４をＯＦＦするために、抵抗Ｒ１５がＧＮＤと非接続となり、モータ電圧制御部２４のトランジスタＴｒ７のベース端子には抵抗Ｒ１６〜Ｒ２０による分圧比による電圧値が入力される。この分圧比により決定されるモータ電圧値Ｖｄよりも低い所定のモータ電圧値ＶｃとなるべくトランジスタＴｒ７がＯＮし、フォトカプラＰＣ１が発光することでスイッチング電源に信号をフィードバックし、所定のモータ電圧Ｖｃをモータに印加する。

また、抵抗Ｒ３がプルアップされることからＤｕｔｙ比指示電圧ｄよりも高電圧となるＤｕｔｙ比指示電圧ｃがＤｕｔｙ比指示部２ｂからモータ制御部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制御がモータになされるために、ポンプ７は動作点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Ｂｃ、バルブＢｂ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、トランジスタＴｒ５、トランジスタＴｒ６が順次ＯＦＦされて抵抗Ｒ１６、抵抗Ｒ１７が順次ＧＮＤと非接続となることでモータ電圧制御部２４内のトランジスタＴｒ７のベース端子に加わる電圧の分圧比も順次大きくなり、モータ電圧Ｖｃよりも低い電圧のモータ電圧Ｖｂ、さらにはモータ電圧Ｖｂよりも低い電圧のモータ電圧Ｖａがモータ電圧制御部２４により順次作成されてモータ４へ印加される。

同時に抵抗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よりも高電圧となる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７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、モータ電圧指示部２ａ及びデューティ比指示部２ｂへと出力する。

モータ４の起動時の突入電流や、バルブＢａ〜Ｂｄ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共通回路２１に入力されると、共通回路２１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してモータ電圧Ｖｄをモータ４に印加すると同時に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モータ電圧やＤｕｔｙ比の切り替え動作が遅れてしまうことになる。

図８はモータ電圧指示部２ａからの出力信号が時定数回路２６を介してモータ電圧制御部２４に入力されるようにしたものを示している。すなわち、抵抗Ｒ１５〜Ｒ２０の分圧比による電圧が、抵抗Ｒ１５〜Ｒ２０，Ｒ２１及びコンデンサＣ４で決定される時定数により平滑されてモータ電圧制御部２４のトランジスタＴｒ７のベース端子へ印加されるようにしている。抵抗Ｒ１５〜Ｒ２０による分圧比による電圧の切り替わりに対して時定数を持たせるために、モータ電圧制御による急激なモータ電圧変化が無くなり、モータ電圧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。

図９は上記時定数回路２６に加えて、デューティ比指示部２ｂにも時定数回路２７を設けて、時定数回路２７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Ｃ５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Ｂａ〜Ｂｄ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モータ電圧及びＤｕｔｙ比を予め設定しておき、これらモータ電圧の印加及びＤｕｔｙ比でのＰＷＭ制御によってモータ４の駆動を行うことから、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上に余分な圧力損失を抑え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。

図１０は上記モータ４を備えたポンプ７の一例を示しており、キャンドモータポンプである該ポンプ７は、モータ４によって回転駆動される羽根車（図示せず）を内蔵して、羽根車の回転中心の軸方向に位置する吸い込み口７１から吸い込んだ液体を、羽根車の外周に位置する吐出口７２へと送り出す。

１配管抵抗検出部
２ａモータ電圧指示部
２ｂデューティ比指示部
３モータ制御部
４モータ
７ポンプ

Claims

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電圧を制御するモータ電圧制御部と、前記モータの動作を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出力信号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出力信号を前記モータ電圧制御部に指示出力するモータ電圧指示部と、前記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、上記モータ電圧制御部は上記モータ電圧指示部で指示されるモータ電圧を上記モータに印加し、かつ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。
上記配管抵抗検出部で検出される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、上記モータ電圧指示部は出力信号を切り替え、かつ上記デューティ比指示部は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。
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。
上記モータ電圧指示部は、出力信号を時定数回路を介してモータ電圧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。
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１〜４のいずれか１項に記載のポンプ装置。
請求項１〜５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。