JP2017227194A - 排水システム、ポンプ設備の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプに大きな負荷を与えない排水システム、ポンプ設備の制御システムおよび制御方法を提供する。
【解決手段】出力軸（１１）を有する原動機（１）と、互いに異なる位置に第１被検知部（５Ａ）および第２被検知部（５Ｂ）が設けられた主軸（３１）を有するポンプ（３）と、前記原動機（１）の出力軸（１１）と前記ポンプ（３）の主軸（３１）とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える嵌合手段（２１）と、前記第１被検知部（５Ａ）および前記第２被検知部（５Ｂ）を検知する検知部（４１）と、前記第１被検知部（５Ａ）および前記第２被検知部（５Ｂ）の検知タイミングに基づいて、前記ポンプ（３）の主軸（３１）の回転方向を判定する判定部（４２）と、前記ポンプ（３）の主軸（３１）の回転方向を考慮して前記嵌合手段（２１）を制御する制御部（４３）と、を備える排水システムが提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、原動機によって駆動されるポンプで排水を行う排水システム、ポンプ設備の制御方法および制御方法に関する。

雨水排水を行う排水機場においては、突発的な豪雨（いわゆるゲリラ豪雨）による雨水幹線の急激な水位上昇に対し、ポンプの始動遅れを防ぐために、水位が上昇する前にポンプを運転させておく先行待機ポンプが採用されている。先行待機ポンプでは、水位が低い場合であっても原動機を運転させておく。水位が上昇した場合には、原動機とポンプとの間に設けられたクラッチをオンすることで迅速にポンプの運転を開始できる。

特許第５４７５６０７号公報

水位が低下してポンプを停止するとともにクラッチをオフにすると、ポンプ内の水が逆流する。実揚程が大きい場合には逆流量が多く、ポンプの主軸は排水時とは逆方向に回転する。ポンプの主軸が逆方向に回転しているときに水位が上昇してクラッチが再度オンすると、主軸に通常以上のトルクがかかり、負荷となる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、ポンプに大きな負荷を与えない排水システム、ポンプ設備の制御システムおよび制御方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、出力軸を有する原動機と、互いに異なる位置に第１被検知部および第２被検知部が設けられた主軸を有するポンプと、前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える嵌合手段と、前記第１被検知部および前記第２被検知部を検知する検知部と、前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定する判定部と、前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して前記嵌合手段を制御する制御部と、を備える排水システムが提供される。
ポンプの主軸の回転方向を考慮して原動機の主軸とポンプの主軸の嵌合／非嵌合を切り替えるため、ポンプへの負荷を低減できる。

前記制御部は、所定方向に前記主軸が回転している場合には前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを嵌合させないのが望ましい。
主軸の回転方向によっては両軸を嵌合させないことで、ポンプへの負荷を低減できる。

前記所定方向は、前記原動機の回転方向とは逆方向であるのが望ましい。
原動機の回転方向とは逆方向に主軸が回転している場合には、両軸を嵌合させないことで、主軸へのトルクが抑えられ、ポンプへの負荷を低減できる。

前記判定部は、前記第１被検知部が検知される周期における前半に前記第２被検知部が検知されるか、該周期における後半に前記第２被検知部が検知されるかによって回転方向を判定するのが望ましい。
これにより、精度よく主軸の回転方向を判定できる。

前記第１被検知部および前記第２被検知部は、前記ポンプの主軸の周方向および軸方向においてずれて設けられるのが望ましい。
第１および第２被検知部を主軸の軸方向にずれて設けることで、被検知部のそれぞれを精度よく検知できる。また、第１および第２被検知部を周方向にずれて設けることで、これらの検知タイミングがずれ、このずれ量に基づいて回転方向の検出を行うことができる。

前記第１被検知部および前記第２被検知部は、前記ポンプの主軸に貼り付けられた反射部材であってもよい。
前記検知部は回転パルス計を有してもよい。

また、本発明の別の態様によれば、ポンプの主軸の互いに異なる位置に設けられた第１被検知部および第２被検知部を検知する検知部と、前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定する判定部と、原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを、前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して制御する制御部と、を備えるポンプ設備の制御システムが提供される。

また、本発明の別の態様によれば、ポンプの主軸の互いに異なる位置に設けられた第１被検知部および第２被検知部を検知する検知ステップと、前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定ステップと、原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを、前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して制御する制御ステップと、を備えるポンプ設備の制御方法が提供される。

ポンプの主軸の回転方向を考慮して原動機の主軸とポンプの主軸の嵌合／非嵌合を切り替えるため、ポンプへの負荷を低減できる。

一実施形態に係る排水システムの構成図。 制御システム４の概略構成およびその動作を説明する図。 回転方向の判定手法を説明する図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、一実施形態に係る排水システムの構成図である。この排水システムは、例えば排水機場に設置されて吸込水槽５０内の水を吐出水槽６０に排出するものであり、原動機１、減速機２およびポンプ３などを有する先行待機型のポンプ設備１００と、その制御システム４とを備えている。本実施形態は、原動機１とは逆方向にポンプ３の主軸３１が回転している場合に、減速機２におけるクラッチ２１（嵌合手段）がオンしないようにするものである。

原動機１は、例えば一軸式ガスタービンやディーゼル機関であり、その出力軸１１を回転させる。

減速機２は、例えば直交軸傘歯車減速機であり、クラッチ２１と、入力軸２２と、傘歯車２３とを有する。

クラッチ２１は、原動機１とポンプ３との間、より詳しくは、原動機１の出力軸１１とポンプ３の主軸３１との間に設けられる。そして、クラッチ２１は、原動機１の回転による動力（トルク）をポンプ３に伝達するか否か、すなわち、原動機１の出力軸１１とポンプ３の主軸３１とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える。クラッチ２１が両軸を嵌合する（以下、「クラッチ２１がオンする」という）ことで動力が伝達され、両軸の嵌合を解除する（以下、「クラッチ２１がオフする」という）ことで動力が伝達されなくなる。

傘歯車２３は入力軸２２およびポンプ３の主軸３１に接続される。クラッチ２１を介して原動機１からの動力が入力軸２２に伝達されると傘歯車２３が回転し、これに伴ってポンプ３の主軸３１が回転する。

ポンプ３は、例えば立軸斜流ポンプであり、吸込水槽５０上部のポンプ設置床５１にポンプベース５２を介して設置される。ポンプ３は、主軸３１と、ケーシング３２と、羽根車３３とを有する。

ケーシング３２は、吸込水槽５０内に配置されて下端に吸込ベルマウス３２１が接続されたポンプケーシング３２２と、その上部に接続された吊り下げ管３２３と、その上部に接続された屈曲吐出管３２４、その先に吐出弁３２５を介して接続された吐出管３２６から構成される。吐出管３２６の先端には逆流防止弁３２７が設けられる。

主軸３１は屈曲吐出管３２４を貫通して吊り下げ管３２３およびポンプケーシング３２２内に配置され、回転自在に支持される。主軸３１の下部には羽根車３３が取り付けられている。また、主軸３１には回転方向検出用の反射テープが貼り付けられているが、この点は後述する。

制御システム４はクラッチ２１のオン・オフを制御する。すなわち、制御システム４がクラッチ２１をオンすると、原動機１の動力がポンプ３に伝達され、ポンプ３が排水を行う。一方、制御システム４がクラッチ２１をオフすると、原動機１の動力がポンプ３に伝達されなくなり、ポンプ３による排水は停止する。

このような構成の排水システムは次のように動作する。
吸込水槽５０内の水位が羽根車３３より下方（吸込開始水位ＬＷＬ未満）に位置し、かつ、クラッチ２１がオフした状態で、原動機１を予め運転する。吸込水槽５０内の水位が上昇して羽根車３３より上方の吸込開始水位ＬＷＬに達したことが検出されると、制御システム４はクラッチ２１をオンする。これにより原動機１の動力がポンプ３に伝達されて、ポンプ３の運転、より詳しくは羽根車３３の回転が開始する。その結果、吸込水槽５０の水が吸込ベルマウス３２１の下端開口から吸い込まれケーシング３２を通って吐出水槽６０に排出される。

このように吸込水槽５０内の水位が羽根車３３より下方にある状態で原動機１を予め運転させておくことで、始動遅れを防止できる信頼性の高いポンプ設備１００とすることができる。

水位が低下して吸込開始水位ＬＷＬを下回ると、制御システム４はクラッチ２１をオフする。これにより原動機１の動力がポンプ３に伝達されなくなり、ポンプ３の運転が停止する。この際、ケーシング３２内に残っていた水は下方（吸込ベルマウス３２１側）に向かって逆流する。そうすると、羽根車３３および主軸３１は逆流する水によって排水時の回転（以下、正回転という）方向とは逆方向に回転（以下、逆回転という）させられる。

仮に、主軸３１の逆回転中に水位が再び上昇し、これに対応して制御システム４がクラッチ２１をオンすると、主軸３１に通常以上の大きなトルクがかかり、負荷となる。

そこで、本実施形態の制御システム４は、主軸３１の回転方向を検出し、原動機１の回転方向とは逆方向にポンプ３の主軸３１が回転しているとき（逆回転しているとき）には、クラッチ２１をオフからオンに切り替えない。言い換えると、制御システム４は、原動機１の回転方向とは逆方向に回転していないとき（正回転しているとき）に、クラッチ２１のオン・オフを切り替える。

図２は、制御システム４の概略構成およびその動作を説明する図である。
図示のように、ポンプ３の主軸３１には２つの反射テープ５Ａ，５Ｂが互いに異なる位置に、より詳しくは周方向および軸方向においてずれて貼り付けられている。反射テープ５Ａ，５Ｂは近接配置されるのが望ましく、少なくとも両者の正回転方向を基準とする距離と逆回転方向を基準とする距離は異なっている。本例では、反射テープ５Ｂは正回転方向を基準として反射テープ５Ａの直後に配置されている。
なお、反射テープ５Ａ，５Ｂの面積は主軸３１に対して十分に小さいものとする。

制御システム４は、水位計４０と、検知部４１と、判定部４２と、制御部４３とを有する。これらのうち判定部４２および制御部４３はソフトウェアで実現されること、すなわちコンピュータが所定のプログラムを実行することによって実現されるのが望ましい。
水位計４０は吸込水槽５０の水位を計測し、計測結果を制御部４３に通知する。

検知部４１は主軸３１とともに回転する反射テープ５Ａ，５Ｂを検知し（この意味で、反射テープ５Ａ，５Ｂは被検知部と考えることができる）、検知結果を判定部４２に通知する。具体例として、検知部４１は反射テープ５Ａ，５Ｂの高さに合わせてそれぞれ設置された回転パルス計４１Ａ，４１Ｂを有する。回転パルス計４１Ａ，４１Ｂはそれぞれ反射テープ５Ａ，５Ｂからの反射光を受けるとパルスを生成する。

なお、反射テープ５Ａ，５Ｂは軸方向にずれて配置されるため、回転パルス計４１Ａは反射テープ５Ｂを検知せず、回転パルス計４１Ｂは反射テープ５Ａを検知しない。また、反射テープ５Ａ，５Ｂは周方向にずれて配置されるため、回転パルス計４１Ａ，４１Ｂが反射テープ５Ａ，５Ｂを同時に検知することはない。

判定部４２は反射テープ５Ａ，５Ｂの検知タイミングに基づいて、主軸３１の回転方向を次のようにして判定する。

図３は、回転方向の判定手法を説明する図である。短期間のみ着目すると、主軸３１はほぼ一定周期で回転していると考えることができ、反射テープ５Ａの検知に対応するパルスが周期Ｔで発生する。ここで、図２に示すように、反射テープ５Ｂは正回転方向を基準にして反射テープＡの後方側に設けられている。

よって、主軸３１が正回転している場合（図３（ａ））、反射テープ５Ａの検知に対応するパルス（ｔ１，ｔ３）の後に、反射テープ５Ｂの検知に対応するパルス（ｔ２，ｔ４）が発生する。より正確には、反射テープ５Ａが検知される周期Ｔにおける前半に反射テープ５Ｂが検知される。また、パルスの間隔（ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４）から回転速度を推定することもできる。

一方、主軸３１が逆回転している場合（図３（ｂ））、反射テープ５Ａの検知に対応するパルス（ｔ１２，ｔ１４）の前に、反射テープ５Ｂの検知に対応するパルス（ｔ１１，ｔ１３）が発生する。より正確には、反射テープ５Ａが検知される周期Ｔにおける後半に反射テープ５Ｂが検知される。また、パルスの間隔（ｔ１１〜ｔ１２，ｔ１３〜ｔ１４）から回転速度を推定することもできる。

このように、判定部４２は、反射テープ５Ａが検知される周期Ｔにおける前半に反射テープ５Ｂが検知されるか、周期Ｔにおける後半に反射テープ５Ｂが検知されるかによって回転方向を判定できる。なお、反射テープ５Ａ，５Ｂに対応するパルスが発生しない場合、判定部４２は主軸３１が回転していないことを把握できる。

図２に戻り、制御部４３は吸込水槽５０の水位および主軸３１の回転方向に応じたタイミングでクラッチ２１のオン・オフを切り替える。より具体的には、吸込水槽５０の水位が所定の吸込開始水位ＬＷＬに達し、かつ、主軸３１が逆回転していなければ、制御部４３はクラッチ２１をオンする。水位が吸込開始水位ＬＷＬに達した場合であっても主軸３１が逆回転していれば、制御部４３はすぐにはクラッチ２１をオンせず、主軸３１が停止あるいは正回転になるのを待って、クラッチ２１をオンする。また、吸込水槽５０の水位が低下して吸込開始水位ＬＷＬを下回ると、制御部４３はクラッチ２１をオフする。

このように、本実施形態では、ポンプ３の主軸３１の回転方向を検出し、逆回転中にはクラッチ２１をオンしないようにする。これにより主軸３１に大きな負荷がかかるのを防止できる。そして、減速機２に逆転防止装置を設けるのではなく、ソフトウェアを用いて主軸３１の逆回転を検出することで、コスト上昇や減速機２の重量増加を抑えることができる。

なお、本実施形態では、被検知部として反射テープを用いる例を示したが、これに限られるものではない。検知部４１によって検知可能なものであれば別の部材でもよいし、主軸３１と一体になったものであってもよい。
また、主軸３１が逆回転中にはクラッチ２１をオンしないこととしたが、逆回転中であっても低速であればクラッチ２１をオンしてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ 原動機
１１ 出力軸
２ 減速機
２１ クラッチ
３ ポンプ
３１ 主軸
４ 制御システム
４０ 水位計
４１ 検知部
４１Ａ，４１Ｂ 回転パルス計
４２ 判定部
４３ 制御部
５Ａ，５Ｂ 反射テープ
１００ ポンプ設備

Claims (9)

1. 出力軸を有する原動機と、
   互いに異なる位置に第１被検知部および第２被検知部が設けられた主軸を有するポンプと、
   前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える嵌合手段と、
   前記第１被検知部および前記第２被検知部を検知する検知部と、
   前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定する判定部と、
   前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して前記嵌合手段を制御する制御部と、を備える排水システム。
2. 前記制御部は、所定方向に前記主軸が回転している場合には前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを嵌合させない、請求項１に記載の排水システム。
3. 前記所定方向は、前記原動機の回転方向とは逆方向である、請求項２に記載の排水システム。
4. 前記判定部は、前記第１被検知部が検知される周期における前半に前記第２被検知部が検知されるか、該周期における後半に前記第２被検知部が検知されるかによって回転方向を判定する、請求項１乃至３のいずれかに記載の排水システム。
5. 前記第１被検知部および前記第２被検知部は、前記ポンプの主軸の周方向および軸方向においてずれて設けられる、請求項１乃至４のいずれかに記載の排水システム。
6. 前記第１被検知部および前記第２被検知部は、前記ポンプの主軸に貼り付けられた反射部材である、請求項１乃至５のいずれかに記載の排水システム。
7. 前記検知部は回転パルス計を有する、請求項１乃至６のいずれかに記載の排水システム。
8. ポンプの主軸の互いに異なる位置に設けられた第１被検知部および第２被検知部を検知する検知部と、
   前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定する判定部と、
   原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを、前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して制御する制御部と、を備えるポンプ設備の制御システム。
9. ポンプの主軸の互いに異なる位置に設けられた第１被検知部および第２被検知部を検知する検知ステップと、
   前記第１被検知部および前記第２被検知部の検知タイミングに基づいて、前記ポンプの主軸の回転方向を判定ステップと、
   原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを、前記ポンプの主軸の回転方向を考慮して制御する制御ステップと、を備えるポンプ設備の制御方法。