JP2014080874A

JP2014080874A - ポンプ及び液体循環装置

Info

Publication number: JP2014080874A
Application number: JP2012227687A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Shukuri; 陽一宿里
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-05-08

Abstract

【課題】ポンプ効率が低下した場合はロータの回転を停止させて流量低下による軸受の発熱を抑制する。
【解決手段】ロータ３の回転数が所定の値を維持するようにステータ５への給電電圧を制御する制御部７は、回転数に応じて変更する給電電圧を所定の閾値と比較して閾値σ以下に給電電圧が低下した際にポンプを停止させるとともに、給電電圧と閾値との差分が所定の差分値より小さい際には、前記停止から所定の時間の経過時に給電電圧の供給を再開する。ポンプ効率低下時のポンプ停止に加え、エア噛みに起因する場合の自動再起動を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸入した液体を加圧して吐出するポンプと、このポンプを備えた液体循環装置とに関するものである。

吸入口から吸入した液体を加圧して吐出するポンプとして、キャンドポンプと称されるものがある。これは、吸入口及び液体吐出用の吐出口とを有するケーシングと、該ケーシング内に配されて回転駆動されることで液体の吸入及び加圧を行って吐出口から液体を吐出する羽根車と、羽根車と一体に形成されて外周側にマグネットが配されたロータと、ロータのマグネットを回転駆動させる磁界を発生するステータと、ステータに供給する電圧を制御する制御部とを備えている。

この制御部として、特許文献１に示されたものでは、液体の流量を検出する流量検出手段によって検出した流量に応じた能力可変信号（給電電圧）によってステータへの供給電圧のＰＷＭ制御におけるデューティを決定し、そのデューティでポンプを駆動している。

また、上記特許文献１に示されたものでは、前記流量検出手段として、モータのコイルに流れる電流のピーク電流を検出するピーク電流検出手段を用いていることから、流量センサを必要とすることなく、流量に応じたポンプ能力の制御を行うことができる。また、広い流量域でポンプ効率を高くすることができ、特に流量が低下した際には、ロータの回転数を低くすることから、軸受の発熱を抑制することが可能となっている。

特開２０１２−８２６８８号公報

しかし、上記の構成では、流量が低下した際にロータの回転数が低くなるものの、回転自体は継続される。これは、ケーシング内に液体が存在しない空運転時や、ケーシング内に吸入された液体にエアが含まれている、いわゆるエア噛み運転時といったポンプ効率の低下時にも、回転が継続することになる。

吸入した液体の一部を羽根車及びロータの回転支持のための軸と軸受との間に導入することで回転支持部分の潤滑及び冷却を図っているもので上記回転継続がなされると、軸受と軸との間の液体が滞留する状態となり、軸受部分での発熱が増大してしまう。つまり、ポンプ効率の低下だけでなく、軸受の焼き付き等の動作不良の原因となる発熱の増大を招いてしまうことになる。

本発明は、このような点に鑑みたもので、空運転やエア噛み運転時に軸受部が発熱することを抑制することができるポンプと、このポンプを備えた液体循環装置を提供することを課題とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のポンプは、液体吸入用の吸入口と液体吐出用の吐出口とを備えるケーシングと、ケーシング内で回転駆動されて前記吸入口から吸入した液体を加圧して前記吐出口へ送り出す羽根車と、前記羽根車と一体に形成されているとともに外周側にマグネットが配されたロータと、前記ロータを軸の回りに回転自在に支持する軸受と、前記ロータのマグネットを回転駆動させる磁界を発生するステータと、前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出されたロータの回転数が所定の値を維持するように前記ステータへの給電電圧を制御する制御部とを備えて、前記軸と軸受との間に吸入された液体の一部を通して潤滑及び冷却を行うポンプにおいて、前記制御部は、前記回転数に応じて変更する前記給電電圧を所定の閾値と比較して前記閾値以下に前記給電電圧が低下した際に給電を停止してポンプを停止させるとともに、前記給電電圧と前記閾値との差分が所定の差分値より小さい際には、前記停止から所定の時間の経過時に前記給電電圧の供給を再開することに特徴を有している。

ポンプの空運転やエア噛み運転等のポンプ効率低下状態を給電電圧の低下から検出して対処を行うものである。

前記制御部は、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧とを乗算して平均電圧を算出し、該平均電圧を前記閾値と比較する給電電圧としているものを好適に用いることができる。

また、前記制御部は、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧のＰＷＭデューティとを乗算して平均電圧を算出し、該平均電圧を前記閾値と比較する給電電圧としているものであってもよい。

そして本発明に係る液体循環装置は、上記記載のポンプを備えるとともに、該ポンプから吐出された液体を循環路を介してポンプに流入させる液体循環装置であって、前記循環路中に配した開閉弁を閉じた状態でポンプを運転させた締切運転時の前記給電電圧と、予め設定した基準電圧値との差分に応じて、前記ポンプの制御部は前記閾値を補正することに特徴を有している。

本発明のポンプは、ポンプ効率が低下した状態になった際は、ロータの回転を停止させることができるとともに、軸受の発熱を確実に抑制することができる。

本発明の実施の形態の一例におけるブロック図である。同上のポンプの断面図である。同上のポンプの運転時の各信号波形を示すもので、(a)はエア噛み運転時のタイムチャート、(b)は空運転時のタイムチャートである。他の実施例におけるポンプの駆動電圧が変動する場合のタイムチャートである。本発明に係る液体循環装置のブロック図である。同上のポンプ性能のばらつきを示すタイムチャートである。

第１の発明は、液体吸入用の吸入口と液体吐出用の吐出口とを備えるケーシングと、ケーシング内で回転駆動されて前記吸入口から吸入した液体を加圧して前記吐出口へ送り出す羽根車と、前記羽根車と一体に形成されているとともに外周側にマグネットが配されたロータと、前記ロータを軸の回りに回転自在に支持する軸受と、前記ロータのマグネットを回転駆動させる磁界を発生するステータと、前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出されたロータの回転数が所定の値を維持するように前記ステータへの給電電圧を制御する制御部とを備えて、前記軸と軸受との間に吸入された液体の一部を通して潤滑及び冷却を行うポンプにおいて、前記制御部は、前記回転数に応じて変更する前記給電電圧を所定の閾値と比較して前記閾値以下に前記給電電圧が低下した際に給電を停止してポンプを停止させるとともに、前記給電電圧と前記閾値との差分が所定の差分値より小さい際には、前記停止から所定の時間の経過時に前記給電電圧の供給を再開する。

ポンプの空運転やエア噛み運転といったポンプ効率の低下時を検出してポンプを停止させることで、軸受部の発熱を確実に抑制することができるものであり、しかもエア噛みによるポンプ効率低下時にはエアが抜けた時点での通常運転への自動移行を行うことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のポンプにおける前記閾値と比較する給電電圧として、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧とを乗算して算出した平均電圧を用いる。これにより、電源電圧が変動した場合においても、精度よくポンプの空運転やエア噛み運転を検出することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明のポンプにおける前記閾値と比較する給電電圧として、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧のＰＷＭデューティとを乗算して算出した平均電圧を用いる。電源電圧が変動した場合においても、精度よくポンプの空運転やエア噛み運転を検出することができる。

第４の発明は、上記ポンプを備えるとともに、該ポンプから吐出された液体を循環路を介してポンプに流入させる液体循環装置であって、前記循環路中に配した開閉弁を閉じた状態でポンプを運転させた締切運転時の前記給電電圧と、予め設定した基準電圧値との差分に応じて、前記制御部は前記閾値を補正する。

これにより、ポンプ性能のばらつきを吸収して精度よくポンプの空運転やエア噛み運転を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図２は本発明に係るポンプの一例を示しており、カバー１０と分離板１１とからなるケーシング１のポンプ室１２内には、固定された軸１５に軸受１６を介してロータ３が回転自在に配設されている。

このロータ３は、その外周側にマグネット３０が配設されたもので、マグネット３０の更に外周側には上記分離板１１を挟んでコイル５０を備えるステータ５が位置している。

図中６はロータ３の磁極位置を検出するためのホールセンサ、７７は位置センサ６の出力に基づいて上記コイル５０への通電切り換えを行うとともに能力可変信号としての給電電圧に応じて通電量を決定してコイル５０に給電する制御回路７を実装した回路基板である。

上記ロータ３には羽根車４が一体に形成されており、ケーシング１内でロータ３及び羽根車４が回転する時、ケーシング１に設けられた吸い込み口１３から流入する液体は、回転する羽根車４の羽根による遠心力で内周側から外周側に加圧して押し出され、ケーシング１の内壁に沿って吐出口１４へ向かい、吐出口１４から吐出される。

この時、液体の一部はロータ３と仕切り板１１との間からロータ３における羽根車４と反対側に回り、軸１５と軸受１６との間やエア抜き用の孔３１を通じて羽根車４側に戻る。ロータ３と共に回転する軸受１６と、固定された軸１５とは、水中すべり軸受を構成し、液体によって潤滑及び冷却される。

図１はステータ５及びロータ３からなるモータＭにおけるステータ５のコイル５０が３相巻線として構成されている場合の一例を示しており、図中９は直流電源である。モータＭにおけるロータ３の磁極位置を３箇所で検出するホールセンサ６がその出力信号を制御回路７における分配回路７０に入力する。

分配回路７０は、回転トルクを発生させるために３相のコイル５０のうちのどの２相に通電（１２０度通電方式）するべきかを規定の真理値に基づいて決定し、この真理値表にあわせたゲート信号（ハイサイドゲート信号３本、ローサイドゲート信号３本）をゲート信号発生回路７１が出力する。

すなわち、分配回路７０からの６つの信号がゲート信号発生回路７１に入力される時、ゲート信号発生回路７１は、６つのスイッチング素子７６ａ〜７６ｆからなるインバータ回路７６におけるハイサイド側の３つのスイッチング素子７６ａ〜７６ｃの内の１つと、ローサイド側の３つのスイッチング素子７６ｄ〜７６ｆの内の１つをオンとしてＰＷＭデューティでモータＭに電流を流す。

また、上記のゲート信号発生回路７１は、上記分配回路７０からの信号と、給電電圧変更手段７４の出力信号（給電電圧）ＶＳと三角波信号との比較で生成したＰＷＭ制御信号との論理積をとってゲート信号を出力する。

６本のゲート信号の内、インバータ回路７６のハイサイド側の３つの信号は、ハイサイドドライバ７５によるレベルシフトの後、スイッチング素子７６ａ〜７６ｃに送られる。ローサイド側を構成するスイッチング素子７６ｃ〜７６ｆには、ゲート信号発生回路７１の出力信号が直接入力される。そして前記スイッチング素子７６ａ，７６ｅがオンした場合、コイル５０にはそのＵ相からＶ相に電流が流れることになる。

一方、上記ホールセンサ６の出力信号は前記分配回路７０を経て回転数信号発生回路７２に入力される。この回転数信号発生回路７２は、ロータ３の回転数に相当する信号を発生させるもので、ホールセンサ６及び回転数信号発生回路７２が本発明における回転数検出手段に相当する。

そして回転数信号発生回路７２から出力された回転数信号と、回転数制御のための回転数を出力する回転数指示発生回路７３の出力信号との差分が回転数差分検知回路８１において検知され、この差分量が回転数差分検知回路８１から前記給電電圧変更回路７４に出力される。給電電圧変更回路７４は入力される差分量が小さくなるようにＰＩＤ制御等を使ってその出力信号（給電電圧）ＶＳを変更する。

給電電圧変更回路７４からの出力信号（給電電圧）ＶＳは、前述のようにゲート信号発生回路７１に送られると同時に、給電電圧比較回路７９にも送られる。この給電電圧比較回路７９は、給電電圧変更回路７４が出力する給電電圧ＶＳと、異常検知用給電電圧閾値発生回路７８が出力する予め設定された異常時識別用の給電電圧閾値σとを比較する。

そして、異常時の給電電圧の閾値σよりも給電電圧ＶＳが低い場合、異常と判断して、一定時間Ｔ１（誤検知防止の為、1〜数秒）後も異常が継続していた場合、異常検知時処置回路８０にて給電電圧ＶＳを更に低下させることでポンプを停止させる。

更に上記閾値σとポンプ停止時の給電電圧ＶＳとの差分ｄがある値以下であれば、異常の原因がエア噛みであるとして、異常検知時処置回路８０は、エア抜きに必要な一定時間Ｔ２（２〜３秒）後に所用の給電電圧ＶＳを供給することでポンプを再起動させて正常運転に移行する。

この点について、図３に基づいて詳述すると、図３(a)は正常運転中にエアが流入し、エア噛み運転となったときの各信号波形を示している。なお、外部電源にはスイッチング電源等の電圧が安定している電源を用いていることから、駆動電源電圧ＶＭは一定である。

ポンプが正常運転している際にエアが流入すると、そのエア流量が増加するごとに流量が低下して負荷が軽くなるために、回転数一定制御を行っている場合、制御部である制御回路７は給電電圧ＶＳを下げることになる。

たとえば、エア噛みが原因で流量が２０ｌ／ｍｉｎ、１５ｌ／ｍｉｎ、１０ｌ／ｍｉｎ、４ｌ／ｍｉｎと漸次低下し、これに伴って給電電圧ＶＳを４．６Ｖ、３．７Ｖ、２．９Ｖ、２．５Ｖと漸次低下させる。

今、給電電圧の閾値σが３．０Ｖであれば、給電電圧ＶＳが２．５Ｖまで低下した時点から所定時間Ｔ１経過後も給電電圧ＶＳが閾値σ以下であれば、異常が発生したとして、給電電圧ＶＳをポンプが停止する電圧まで低下させる。

また上記閾値σと、この閾値σよりも低下したポンプ停止時の給電電圧ＶＳとの差分ｄが規定値より小さい場合、制御回路７は上記異常がエア噛みによるものと判断し、ポンプを停止させた時刻から所定時間Ｔ２後にはポンプ内のエアは吐出口よりポンプ外に排出されたとして、ポンプを再起動させる。なお、図中において、エア流入量が増加するごとに回転数が一時的に上がっているのは、制御の応答性に起因するものである。

図３(b)はポンプの初期設置時の試運転等で発生する空運転時の状態を示している。空運転も負荷が軽いために、給電電圧は低くなることから、給電電圧の閾値σよりも低い給電電圧が検出された時点から所定時間Ｔ１経過時にポンプを停止させる。

また、空運転時はエア噛み運転時よりもさらに負荷が軽いため、閾値σとポンプ停止時の給電電圧ＶＳとの差分ｄは大きくなる。たとえば閾値σが３．０Ｖ、給電電圧ＶＳが２．０Ｖとなる。この時には差分ｄが規定値（たとえば１Ｖ）以上であるから制御回路７は空運転であると判断し、停止後もポンプの再起動は実施しない。

従って空運転状態が断続して継続するということはなく、ポンプへのストレスは初期の１回だけとなる。空運転の解除にはポンプの設置状態の改善を必要とするためで、試運転時にポンプが停止して再起動しないことで異常状態を警告することになる。

このようにポンプ効率が低下した状態でポンプの運転が継続してしまうことがないために、水中すべり軸受を使った電動ポンプにおいて、軸受が水切れで高温になってしまうことを防ぐことができる。

（実施の形態２）
上記実施の形態では、出力電圧が安定している外部電源を用いた場合を示したが、そのような外部電源は高価なものになる。商用電源から全波整流回路と平滑回路を使ったＤＣ電源は安価であるが、その出力電圧は、周波数１００Ｈｚもしくは１２０Ｈｚで電圧変動する。またその変動幅は流れる電流が大きくなると大きくなる。

このために回転数一定制御を行った場合、駆動電源電圧Ｖ１が大きくなった時に給電電圧ＶＳは小さくなり、駆動電源電圧Ｖ１が小さくなった時に給電電圧ＶＳは大きくなる。

本実施形態は、このような電圧変動に対応させたもので、ここでは平均電圧の考えを導入し、平均電圧ＶＡとして駆動電源電圧Ｖ１×給電電圧ＶＳを設定している。この平均電圧ＶＡは前記実施形態での駆動電源電圧ＶＭが安定している時の給電電圧ＶＳのように、駆動電源電圧Ｖ１の変動に対し安定した値となる。

この平均電圧ＶＡが予め設定した平均電圧閾値σよりも低下した状態が一定時間Ｔ１連続した時、制御回路７の異常検知時処置回路８０は異常が生じたとして、給電電圧をポンプが停止する電圧まで低下させてポンプを停止させる。

そして平均電圧閾値σと平均電圧値ＶＡとの差分ｄが規定値より小さい場合、制御回路７はエア噛み運転と判断して、ポンプ停止から所定時間Ｔ２が経過すればポンプを再起動させて正常運転に移行する。上記差分ｄが規定値より大きい場合、制御回路７は空運転と判断し、ポンプの再起動は行わない。

これにより電圧が変動する安価な電源を使った場合でも安定して異常を検知することができる。

平均電圧ＶＡとしては、駆動電源電圧Ｖ１×Ｄ（ＰＷＭデューティ）を用いてもよい。この平均電圧ＶＡも前記実施形態での駆動電源電圧ＶＭが安定している時の給電電圧ＶＳのように、駆動電源電圧Ｖ１の変動に対し安定した値となることから、この場合も、電圧が変動する安価な電源を使っても安定して異常を検知することができる。

（実施の形態３）
図５は、上記のポンプＰを備えた液体循環装置の概要を示しており、ポンプＰから吐出された液体は、開閉弁３３と熱源３４とラジエータ３４とがこの順に配されている循環路３２内を循環する。熱源３４によって加熱された液体がラジエータ３５において熱を放出することから、この液体循環装置は暖房機として機能する。

ここで、前記開閉弁３３は、電磁弁制御装置３６によって開閉されるもので、ポンプＰの制御回路７は、この電磁弁制御装置３６を介して開閉弁３３を閉じた状態でポンプＰを回転数一定制御で運転させた時の給電電圧を検出し、前記給電電圧閾値σを補正する。

この補正は、次のように行う。すなわち、回転数一定制御を行う時、ポンプ毎のばらつきのために同じ回転数でも給電電圧ＶＳが異なってくる。図６は３つのポンプＰの給電電圧ＶＳ１の違いを示している。

ポンプＰが搭載された液体循環装置の吐出側に設けた開閉弁３３を閉めてポンプＰの締切運転を行えば、締切運転時のポンプＰは本来のポンプとしての仕事をしないために、ポンプＰの運転のばらつきが最も小さくなる。

このために、ポンプＰの制御回路７は、ポンプＰの初期設置時に上記電磁弁制御装置３６を介して開閉弁３３を閉じて締切運転を行う。そして制御回路７は、この締切運転時のポンプＰの給電電圧ＶＳ１を予め設定した標準ポンプの給電ＶＳ０とを比較し、その差分をポンプＰの異常判断のために設定した標準ポンプの給電電圧閾値σに加算して、この値をそのポンプに対する閾値σとし、次いで給電電圧ＶＳ１と補正後の閾値σとを比較する。

これによりポンプＰのばらつきを含めた精度のよい異常検知をすることができる。

なお、ここでは制御回路７が閾値σ側に補正を加えた例を示したが、閾値σと比較する給電電圧（前記平均電圧の場合を含む）側に上記差分に応じた補正を加えてもよいのはもちろんである。

本発明にかかるポンプ及びこれを備えた液体循環装置は、エア噛み運転時や空運転時のポンプ効率が低い状態での運転を回避し、不具合が発生しないようにすることが可能となるために、熱媒を用いた暖房システム、燃料電池、車載用モータ／ポンプ、ヒートポンプ装置等に好適に利用することができる。

１ケーシング
３ロータ
４羽根車
５ステータ
７制御回路
３０マグネット
７４給電電圧変更回路
７８異常検知用給電電圧閾値発生回路
７９給電電圧比較回路
８０異常検知時処置回路

Claims

液体吸入用の吸入口と液体吐出用の吐出口とを備えるケーシングと、ケーシング内で回転駆動されて前記吸入口から吸入した液体を加圧して前記吐出口へ送り出す羽根車と、前記羽根車と一体に形成されているとともに外周側にマグネットが配されたロータと、前記ロータを軸の回りに回転自在に支持する軸受と、前記ロータのマグネットを回転駆動させる磁界を発生するステータと、前記ロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出されたロータの回転数が所定の値を維持するように前記ステータへの給電電圧を制御する制御部とを備えて、前記軸と軸受との間に吸入された液体の一部を通して潤滑及び冷却を行うポンプにおいて、
前記制御部は、前記回転数に応じて変更する前記給電電圧を所定の閾値と比較して前記閾値以下に前記給電電圧が低下した際に給電を停止してポンプを停止させるとともに、前記給電電圧と前記閾値との差分が所定の差分値より小さい際には、前記停止から所定の時間の経過時に前記給電電圧の供給を再開することを特徴とするポンプ。
前記制御部は、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧とを乗算して平均電圧を算出し、該平均電圧を前記閾値と比較する給電電圧としていることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
前記制御部は、前記制御部は、制御部の電源としての電源部から制御部に供給される電源電圧と、前記給電電圧のＰＷＭデューティとを乗算して平均電圧を算出し、該平均電圧を前記閾値と比較する給電電圧としていることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプを備えるとともに、該ポンプから吐出された液体を循環路を介してポンプに流入させる液体循環装置であって、前記循環路中に配した開閉弁を閉じた状態でポンプを運転させた締切運転時の前記給電電圧と、予め設定した基準電圧値との差分に応じて、前記制御部は前記閾値を補正することを特徴とする液体循環装置。