JP2014141939A - 自吸式ポンプ及び自吸式ポンプの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い自吸性能を確保して自吸時間を短縮することが可能な自吸式ポンプ及び自吸式ポンプの制御方法を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る自吸式ポンプは、回転軸とともに回転する羽根車を有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記回転軸を駆動するモータと、自吸を行う自吸室と、ケーシング内の吐出し圧力を検出する圧力検出部と、ケーシング内を通過する流量を検出する流量検出部と、前記圧力検出部で検出された検出圧力及び前記流量検出部で検出された検出流量に基づき、前記検出圧力がポンプ起動圧力以下で、かつ、前記検出流量が停止流量以下である場合に、制御部の出力周波数が、定常の吐出し圧力一定制御における定格最高周波数の１１０％以上１５０％以下に設定された自吸用の高速運転を行わせる制御部と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自吸式ポンプ及び自吸式ポンプの制御方法に関する。

自吸式の井戸ポンプでは、自吸運転として、インペラの回転によりポンプ室内部の水を吐出側に押し出すことにより、吸込側に負圧を発生させ、吸込管内部の空気を吸引している。そして、水と撹拌・混合して気泡を分離して排出し、水をポンプ部の吸込側へ返流することにより、自給水を循環している。このため、ポンプ室及び自吸室内部に自吸水を充満する呼び水作業だけで、自吸運転により井戸からの揚水を完了することができるという利点がある。

特公平０７-５８０７８号公報

このような自吸式のポンプ装置では、高い自吸性能を確保して自吸時間を短縮することが求められる。

本発明の一形態にかかる自吸式ポンプは、回転軸とともに回転する羽根車を有するポンプ部と、前記ポンプ部の前記回転軸を駆動するモータと、自吸を行う自吸室と、ケーシング内の吐出し圧力を検出する圧力検出部と、ケーシング内を通過する流量を検出する流量検出部と、前記圧力検出部で検出された検出圧力及び前記流量検出部で検出された検出流量に基づき、前記検出圧力がポンプ起動圧力以下で、かつ、前記検出流量が停止流量以下である場合に、制御部の出力周波数が、定常の吐出し圧力一定制御における定格最高周波数の１１０％以上１５０％以下に設定された自吸用の高速運転を行わせる制御部と、を備える。

本発明の他の一形態にかかる自吸式ポンプの制御方法は、回転する羽根車を有するポンプ部にて、電源投入後に所定時間の間、吐出し圧力一定制御運転を行った後に、前記ポンプ部の吐出側の圧力及び流量を検出し、検出された検出圧力及び検出流量に基づき、前記検出圧力が起動圧力以下で、かつ、前記検出流量が停止流量以下の場合には、定常の吐出し圧力一定制御運転時の定格最高周波数よりも高い出力周波数で前記ポンプ部を運転するように制御する。

本発明によれば、高い自吸性能を確保して自吸時間を短縮することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる自吸式ポンプを一部切欠して示す側面図。 同自吸式ポンプを一部切欠して示す平面図。 同自吸式ポンプの流路を示す断面図。 同自吸式ポンプの制御方法を示すフローチャート。 同自吸式ポンプの運転周波数と自吸時間の関係を説明するグラフ。

以下、本発明の一実施形態にかかる自吸式ポンプ及び自吸式ポンプの制御方法について図１乃至図４を参照して説明する。図１は自吸式ポンプの構成を一部破断して模式的に示す側面図、図２は同平面図、図３は流路を示す説明図、図４は制御手順を示すフローチャート、図５は複数の電源周波数における自吸時間を示すグラフである。

図１乃至図３に示す自吸式ポンプ１０は、自吸式の井戸ポンプであって、ポンプケーシング１６と、ポンプ部１１に直結したモータ１２と、自吸を行う自吸室１４と、自吸室１４上部における流量及び圧力を検出する検出部１３と、ポンプの動作を制御する制御部１５と、を備えている。

ポンプ部１１としては自吸能力に優れたカスケードポンプ（渦流ポンプ）を用いる。ポンプケーシング１６は、ポンプ部１１と、吸込口部１９、自吸室１４、吐出口部２０が一体構造になっておりポンプベース２１上に縦型に据え付けられている。ポンプ部１１の内部には、モータ１２の駆動軸に連結される回転軸１７と、回転軸１７に固定され回転により流体を圧送する羽根車１８が収容され、吸込部２５ａ及び吐出部２５ｂを有するポンプ室２５が形成される。

ポンプ部１１の直上には回転軸１７と直結されたモータ１２が縦向きで配置されている。モータ１２は、円筒形のモータケーシング２２内に、回転子と、この回転子を支持するモータ軸と、を収容して構成されている。モータ１２が励磁されることにより、ポンプケーシング１６内の回転軸１７が回転駆動され、羽根車１８が一定に回転することにより、吸込口部１９から水などの流体を吸込み、吐出口部２０から吐出させるようになっている。

検出部１３には、自吸室１４上部においてポンプ流量を検出する流量センサ２３（流量検出部）と、自吸室１４上部においてポンプ吐出し圧力を検出する圧力検出センサ２４（圧力検出部）とが設けられている。これらのセンサ２３，２４は信号線Ｓ１を介して制御部１５に接続されている。

自吸室１４は、ポンプ部１１の吐出し側に連通して設けられ、内部に自吸室を構成するとともに、気液分離部２６を備えている。気液分離部２６は気液分離壁２６ａにより構成されている。自吸室１４の上面には自吸室を開閉するプラグＰが設けられている。このプラグＰを開閉して自吸室内に水を充満させる呼び水作業を行うことができるようになっている。自吸室１４はポンプ部１１の運転によって送られる流体を気液分離し、吐出口部２０を通して空気を外部に排出する一方で、水をポンプ部１１の吐出し側を通して自吸水戻し孔２７から吸込側に返流することにより、自吸水を循環させる。

作業現場においては、この自吸室内部に氷等により冷却した冷水を充填することにより、自吸室内部の水温を約１０℃以下にしてもよい。これにより、飽和水蒸気圧を低下し、気液分離作用を向上させて自吸時間の短縮を図ることができる。例えばここでは５℃の冷水を充填して自吸室内部の水温を１０℃以下とする。例えば２０℃の飽和水蒸気圧：０．２４ｍと比較して、１０℃の飽和水蒸気圧０．１３ｍに低下できる。

制御部１５は、例えばポンプベース２１の上面に据え付けた電装箱３１内に、パワーモジュール素子部を含む種々の電子機器が搭載された電流検出回路や周波数可変出力回路及び記憶装置を備えるインバータや各種記憶装置を備えて構成されている。制御部１５には、圧力センサ２４、及び流量センサ２３からの信号線Ｓ１が接続されている。制御部１５は、各センサ２３，２４における検出結果や負荷に応じて、初期運転制御、定常運転制御、自吸運転制御を行う。揚水完了後の自動運転に用いられる圧力センサ、流量センサ、電流検出回路、周波数可変出力回路、を利用して自吸用運転を行うこととした。

また、制御部１５は、定常運転時において、予め設定された所定の過負荷保護電流値を上回る出力状態が一定時間継続して検出された場合に、運転を停止する過負荷保護制御も行う。

以下、本実施形態にかかる自吸式ポンプ１０の制御部１５の制御方法とポンプ動作について図４のフローチャートに従って説明する。

まず最初に、自吸式ポンプ１０では、ユーザが自吸室１４のプラグＰを開けて自吸室１４に水を入れる呼び水作業を行う。

電源投入後、制御部１５は、まず記憶装置の自吸実施履歴データから、過去に自吸運転がなされたかどうかを検出する（ＳＴ１）。実施履歴はＳＴ９において自吸運転を行った場合に記録される。実施履歴が記録されていない場合、あるいは記録後にリセットされている場合には、自吸作業は終了していないと判定し、ＳＴ２に進む。一方、実施履歴がある場合（ＳＴ１のｙｅｓ）には、自吸作業は終了していると判定してＳＴ１０に進み、定常運転を行う。

実施履歴がない場合（ＳＴ１のｎｏ）には、予め設定された初期運転出力にてポンプ部１１を動作させるようにモータ１２を駆動する（ＳＴ２）。ここで、初期運転出力としては、例えば定常運転と同様に、所定の最高出力周波数を上限とする吐出し圧力一定制御でモータ１２を駆動してポンプ部１１を運転する。例えばここでは最高出力周波数を６０ＨＺに設定して初期運転を行わせる。

次に、制御部１５は運転時間があらかじめ設定された初期運転時間Ｔ１を経過したか否かを判定し（ＳＴ３）、初期運転時間Ｔ１が経過するまで（ＳＴ３のＮｏ）、初期運転を継続する。初期運転時間Ｔ１は、停電時等の再起動を自吸時として誤検出することを回避するために必要な所定時間であって、例えばここでは３秒に設定した。

初期運転時間Ｔ１が経過したら（ＳＴ３のＹｅｓ）、圧力センサ２４によって圧力を検出する（ＳＴ４）。さらに、流量センサ２３によって瞬時流量を検出する（ＳＴ５）。

自吸運転中は、羽根車１８の回転によりポンプ室内部の水を吐出側に押し出すことにより、吸込側に負圧を発生させ、吸込管内部の空気を少しずつ吸引して、ポンプ室内の水と撹拌・混合して気泡を分離して排出し、自吸室内部の水をポンプ部の吸込口へ返流することにより、自吸水を循環する。

この自吸運転が完了すると、揚水して井戸の水が上がって自吸室内部に圧力が発生するため圧力センサ２４にて一定の圧力が検出される。さらに自吸運転が完了すると水流も発生するので、流量センサ２３にて一定の流量が検出されることになる。したがって、この実施形態では、所定時間の初期運転終了後にも一定の圧力が検出されず、流量も検出されない場合に、揚水が完了しておらず自吸式ポンプ１０が自吸状態にあると判定する。

なお、例えば停電によって停止した後の再起動時には、自吸運転は終了していても、再電源投入直後には一定値以上の圧力及び流量が検出されないことがありうる。このため、本実施形態では、予め一定時間の初期運転を行った後の圧力及び流量を検出することで、再起動時などに揚水が完了しているにもかかわらず圧力及び流量がない場合に自吸状態として検出し、過負荷保護制御が動作してしまうことを回避できる。

制御部１５は、ＳＴ４で検出した検出圧力Ｐ１がポンプ起動圧力ＰON以下であって、ＳＴ５で検出した検出流量Ｑ１が停止基準流量Ｑ０以下である場合には、揚水が完了していない自吸時と判定する（ＳＴ６）。ここで、ポンプ起動圧力ＰONは、制御部１５または圧力センサ２４にあらかじめ設定された値であって、ここではたとえばポンプ起動圧力ＰON＝２０ｍに設定した。すなわち、検出圧力がＰ０以下である場合には、自吸室内部に圧力が発生していないか、または開放運転により圧力が低下している状態を示す。停止流量ＱOFFは、制御部１５または流量センサ２３にあらかじめ設定された値であって、ここではたとえば停止流量ＱOFF＝４L/minに設定した。すなわち、検出流量が停止流量ＱOFF以下である場合には、自吸室内部を水流が通過していない状態を示す。したがって、これら両方の条件を満たす場合に、揚水が完了しておらず、自吸運転を行っていると判定する。

なお、自吸が終了して揚水は完了している状態にあっても、蛇口が閉まっている場合には流量が０となることがある。本実施形態ではこのような状態を自吸状態として検出するのを防ぐために、圧力と流量の両方において基準値以下となることを自吸状態の条件とした。

制御部１５は、検出圧力Ｐ１がポンプ起動圧力ＰON以下であって、ＳＴ５で検出した検出流量Ｑ１が停止流量ＱOFF以下である場合には（ＳＴ６のＹｅｓ）、ポンプに備えられている過負荷保護装置の過負荷保護を回避する切り替え制御を行い（ＳＴ７）、自吸用の高速運転を行う（ＳＴ８）。

ＳＴ７としてはたとえば過負荷保護の対象となる電流値を上げるか、過負荷保護機能が働くための電流検出時間を延長することで、定常の吐出し圧力一定制御時の過負荷保護装置が働いてポンプ部１１が故障停止してしまうのを防止する。

すなわち、ＳＴ８の自吸用の高速運転にあっては定常の吐出し圧力一定制御用に設定された過負荷保護電流値を超える場合があるが、自吸用の高速運転の場合には過負荷保護装置が働かないように設定することで、過負荷保護によるミストリップを確実に防止する。

なお、自吸時は定常運転時よりも電源負荷が小さいため、定常の吐出し圧力一定制御時の最高出力周波数よりも高い出力周波数に設定することが可能である。したがって、自吸用の高速運転として、ＳＴ８では、定常の吐出し圧力一定制御時の最高出力周波数よりも高い出力周波数にて自吸運転を行うとともに、運転電流値が最大定格電流より高い場合は、前記の運転周波数を低減することとしている。

図４は自吸式ポンプ１０の制御部１５の出力周波数を変化させて自吸作業を行った実験結果を示すグラフであり、制御部１５の出力周波数を６０Ｈｚ、７０Ｈｚ，８０Ｈｚ，９０Ｈｚ，１００Ｈｚとした場合の吸上げ揚程と自吸時間の関係を示し、加えて９０Ｈｚでのポンプ運転電流値を示している。この自吸式ポンプ１０は、最大定格電流１．５Ａであって、定常の吐出し圧力一定制御時の最高出力周波数を６０Ｈｚとした。

図４に示すように、定格の最高出力周波数である６０Ｈｚから７０Ｈｚ、８０Ｈｚ、９０Ｈｚに出力周波数を上げて高出力にするほど自吸時間が早くなっているが、１００Ｈｚを超えると自吸時間が遅くなり、かえって自吸性能が低下する。すなわち、渦流ポンプの場合、出力周波数が定常の吐出し圧力一定制御時の定格最高周波数の１１０％以上において自吸性能向上の効果が表れ、１５０％で飽和し、それ以上では逆に自吸性能が低下することがわかる。

したがって、自吸運転は出力周波数が定常の吐出し圧力一定制御時の定格最高周波数の１１０％以上であって１５０％以下の範囲が好ましいことがわかる。また、これに対応する電流値は、最大定格電流の７０〜９０％の範囲に当たることがわかる。

図５においては、好適な目標出力周波数である９０Ｈｚにおける運転電流値を示している。ここで最大定格電流は１．５Ａであり、９０ＨＺで運転する場合には自吸完了時には電流値が１．２Ａになっていることがわかる。

したがって、本実施形態においては、自吸用の高速運転として、定常時の定格最高周波数６０Ｈｚの１５０％である９０ＨＺに目標周波数を設定して運転を行うこととした。このように自吸用の高速運転を行うことにより、定常時の最高周波数（ここでは６０ＨＺ）で運転する場合に比べて自吸時間を短縮することができる。

そして、自吸用の高速運転時には、最大定格電流の７０〜９０％の範囲となり、過負荷保護機能が動作することはないわけであるが、図５において、揚程が０ｍから−８ｍになる際に、電流値が上がり、負荷が重くなっていることがわかる。ここでは０．８Ａから１．２Ａに電流値が高くなっている。この運転電流増加現象に加えて、ポンプ寸法の製品毎のばらつきや、ポンプ出力による特性の相違などを考慮して、自吸用の高速運転時に最大定格電流を超えた場合は、目標周波数を低減して運転電流が最大定格電流以下になるようにしている。

そして、制御部１５は、検出圧力Ｐ１がポンプ起動圧力ＰONを上回るか、または検出流量Ｑ１が停止流量ＱOFF以上になるまで、自吸用の高速運転を継続し、検出圧力Ｐ１がポンプ起動圧力ＰONを上回るか、または検出流量Ｑ１が停止流量ＱOFF以上になった場合に（ＳＴ６のＮ０）、揚水が完了して自吸作業が終了したと判定する。

そして、自吸運転の実施履歴を記憶装置に記録する（ＳＴ９）。これにより、以後の停電や人為的な電源再投入時には、まず実施履歴の情報から自吸の完了が検出されることで、自吸完了後の不要な高速運転が回避できる。なお、この自吸運転の実施履歴はたとえばユーザの入力等によりリセット可能とする。したがって、吸込管の清掃・取り替えなどの種々の理由でポンプ運転後に自吸運転を行う必要があるときはリセット入力をすることで、実施履歴をリセットして再度の自吸用の高速運転を可能としている。

次に、定常運転に切り替える（ＳＴ１０）。定常運転としては、例えば電源周波数６０Ｈｚとして吐出し圧力一定制御にてポンプ部１１を運転させる。

本実施形態にかかる自吸ポンプ１０及び自吸ポンプの制御方法によれば、高い自吸性能を確保して自吸時間を短縮することができる。すなわち、流量及び圧力を検出して自吸運転時に高速回転で運転を行うこととしたことにより、自吸時間を短縮でき、確実かつ正確に自吸状態を検出することができる。例えば流量がない場合であっても蛇口が閉じている場合に、流量のみの検出では、運転状態を正確に検出することが困難であり、自吸運転ではない定常運転時にまで高速運転を行うと、結果として過電流運転となり過負荷保護機能が働くといった事故を招く恐れがあるが、上記実施形態では、流量と圧力を検出することにより、正確な揚水完了検出を行うことにより誤動作を防止できる。

また、停電時などには、自吸作業が終了しているにもかかわらず圧力や流量が検出されない場合が生じるが、上記実施形態においては初期運転として一定時間運転を行った後に圧力及び流量を検出することで、停電後の再電源投入の場合などにおいて、自吸作業が終了している場合の誤検出を防止でき、より正確な検出が可能となる。したがって、揚水完了後と同様に、自吸時以外に高速運転を行って過負荷状態になることを防止し、例えば過負荷保護防止のために運転停止状態となることを回避でき、安全性を高めることができる。

さらに、上記実施形態においては、自吸時と判定した場合に過負荷保護機能の動作を回避することで、確実にミストリップを防止できる。

上記実施形態における自吸運転制御は、通常の運転に用いられる装置のみで実現でき、新たな設備が不要である。すなわち、揚水完了後の定常運転に用いられる既存の圧力センサ（圧力検出器）、流量センサ（流量検出器）、及び電流検出回路、周波数可変出力回路等の制御装置を利用することができるため、ソフトウェアの改変だけで実現が可能となる。

また、制御部１５は、自吸用の高速運転の実施履歴を記録し、再電源投入時に履歴をチェックすることで、以降に不要な高速運転を行うことを回避できる。

なお、本発明は前記実施の形態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で種々変形実施可能である。また、各部の具体的構成や、各具体的な制御手順等は、上記実施形態に例示したものに限られるものではなく適宜変更可能である。さらに、上記実施形態の構成要件のうち一部を省略しても本発明を実現可能である。

１０…自吸式ポンプ、１１…ポンプ部、１２…モータ、１３…検出部、１４…自吸室、１５…制御部、１６…ポンプケーシング、１７…回転軸、１８…羽根車、１９…吸込口部、２０…吐出口部、２３…流量センサ（流量検出部）、２４…圧力センサ（圧力検出部）。

Claims (6)

1. 回転軸とともに回転する羽根車を有するポンプ部と、
   前記ポンプ部の前記回転軸を駆動するモータと、
   自吸を行う自吸室と、
   ケーシング内の吐出し圧力を検出する圧力検出部と、
   ケーシング内を通過する流量を検出する流量検出部と、
   前記圧力検出部で検出された検出圧力及び前記流量検出部で検出された検出流量に基づき、前記検出圧力がポンプ起動圧力以下で、かつ、前記検出流量が停止流量以下である場合に、制御部の出力周波数が、定常の吐出し圧力一定制御における定格最高周波数の１１０％以上１５０％以下に設定された自吸用の高速運転を行わせる制御部と、を備えたことを特徴とする自吸式ポンプ。
2. 前記制御部は、前記自吸用の高速運転時に、運転電流が最大定格電流を超えた場合は、運転電流が最大定格電流以下となるように、前記出力周波数を制御するとともに、
   前記制御部は、前記検出圧力が起動圧力を超え、または、前記検出流量が所定の停止流量より多くなった場合には、前記ポンプ部が吐出し圧力一定で定常運転を行うように制御することを特徴とする請求項１記載の自吸式ポンプ。
3. 電源投入後に、初期の所定時間の間、吐出し圧力一定制御運転を行った後に、前記圧力及び前記流量の検出を行うことを特徴とする請求項２に記載の自吸式ポンプ。
4. 前記ポンプ部は渦流ポンプであって、
   前記圧力検出部、前記流量検出部、及び前記制御部として、定常の吐出し圧力一定制御運転時の運転制御に用いられる圧力検出器、流量検出器、及び制御装置を用いることを特徴とする請求項３に記載の自吸式ポンプ。
5. 前記制御部は、前記自吸用の高速運転による自吸運転を行った場合に、自吸運転履歴を記録するとともに、
   電源投入後に前記自吸運転履歴の記録を検出し、自吸運転履歴がある場合には前記自吸用の高速運転は行わせないように制御することを特徴とする請求項４に記載の自吸式ポンプ。
6. 回転する羽根車を有するポンプ部にて、電源投入後に所定時間の間、吐出し圧力一定制御運転を行った後に、前記ポンプ部の吐出側の圧力及び流量を検出し、
   検出された検出圧力及び検出流量に基づき、前記検出圧力が起動圧力以下で、かつ、前記検出流量が停止流量以下の場合には、定常の吐出し圧力一定制御運転時の定格最高周波数よりも高い出力周波数で前記ポンプ部を運転するように制御する、ことを特徴とする自吸式ポンプの制御方法。

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