JP2018100652A - 井戸ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、給水装置に係わり、特に家庭用井戸水ポンプの運転制御に関する。キャビテーション現象による気泡が発生して揚水性能低下状態にある運転中のポンプ装置の消費電力を小さくする。【解決手段】所定の回転数における水量センサの検知結果を比較することにより、揚水性能が低下していると推定可能であり、揚水性能が低下している場合はモーターの回転数を通常の最高回転数より低い回転数で運転することにより、消費電力が低減可能となる。【選択図】 図６

Description

本発明は、給水装置に係わり、操作手段及び表示手段、制御手段が装置本体と一体化したコンパクトな構成であり、あらかじめ定められた圧力となるよう羽根車をケーシング内で高速回転させ、過流を起こし吸い上げ、押し上げする方式の、いわゆる過流式の家庭用井戸水ポンプに関する。

従来の技術は、例えば特許文献１では、ポンプ装置の運転時の電流値と圧力値から、特有の変化（回転数一定で、圧力低下及び電流減少）を検知することにより、よりキャビテーションが発生していると判断し、回転数を下げていき圧力及び電流が上昇したら、キャビテーションは解消されたこととし、キャビテーションの検知及びその発生を抑制する運転方法を用いたポンプ装置が発明されている。

また、特許文献２では、ポンプの振動データをセンサにより取得し、振動データをフーリエ変換することにより得られる周波数スペクトルを元に、キャビテーションの発生を検知する給水装置が発明されている。

特開２０１０−２４２５１１号公報 特開２００８−３０９０２３号公報

従来の技術である特許文献１では、単独のモーターを回転させ羽根車を高速回転させて揚水する渦流式ポンプ装置の特性上、回転数一定状態で運転中に吐き出し側で、複数取り付けられた水栓を更に開く等した場合、圧力が低下するとともに吐き出し側負荷が減り電流も減少するため、キャビテーションが発生していると誤検知してしまう可能性がある。誤検知すると、その後のキャビテーションの抑制動作として圧力及び電流を監視しつつ回転数を下げていくため、吐き出し側の圧力と流量が更に下がっていくことが考慮されていない。よって、吐き出し側圧力とポンプ装置の電流の低下を監視するだけでは、キャビテーションの発生を確実に検知することは不十分である。

更に、運転開始時からキャビテーションが発生する状態であった場合、吐き出し側の圧力及び流量は本来よりも少ないながらも一定となり、ポンプ装置は仕様上の最高回転数一定で運転されることとなり、明確な圧力低下および電流低下は期待できないのでキャビテーションの発生を確実に検知および抑制した制御をすることは困難である。

他の事例である特許文献２は、キャビテーションの発生を検知する為に振動センサが必要であるため、装置の製造コストは高いことは自明である。

また、振動データを変換及び演算する処理が必要であるが、特に家庭用で安価でコンパクトなポンプ装置においては、使用されるワンチップマイクロコンピュータのＣＰＵの処理能力及びプログラムのサイズの制限となるＲＯＭ容量等から、実現は難しいケースが想定される。

本発明は、振動センサ等に代表される特別なセンサは不要でありながら、キャビテーション現象による気泡の発生に代表される、ポンプ装置が揚水性能の低下状態にあることを確実に検知することが可能なポンプ装置を提供することを目的とし、好ましくは、前記状態が検知された場合は従来の技術では言及していない、前記状態となった場合は吐き出し側の水量を現状より減らすことなくモーターの回転数を下げることにより、消費電力を抑えた運転が可能なポンプ装置を提供することにある。

本発明は、羽根車と、前記羽根車をシャフトを介して回転させるモーターと、吐き出し側の水圧を検知する圧力検知手段と、吐き出し側に圧送される流水の水量を検知する水量検知手段と、前記モーターの回転数を検知する回転数検知手段と、吐き出し側の水圧が運転目標圧力となるように前記モーターの回転数を増減させるモーター制御手段と、を備え、モーターの回転数が制御上の上限値である最高回転数で回転しており、検知される圧力が所定の圧力値以下であり、検知される水量が所定の水量以上である場合にモーターの最高回転数を下げ、回転数を下げる前の水量Ｑ０と下げた後の水量Ｑ1とがＱ０≦Ｑ1の関係であった場合は、キャビテーション現象による気泡の発生により、ポンプ装置の揚水性能が低下していると推定し、更に最高回転数を所定量下げて運転を行うことを特徴とする。

本発明によれば、キャビテーション現象による気泡の発生が起因するポンプ装置の揚水性能の低下を、特別なセンサを用いることなく、自動的に検知することが可能である。揚水性能低下状態であると判断された場合は、吐き出し側の流量の低下を伴うことなくモーターの回転数を下げて運転することが可能であり、その結果ポンプ装置の消費電力の低減が可能となる。消費電力の低減はユーザーにとって電力量（kWh)といった形でランニングコストに反映されるため、コストメリットのあるポンプ装置を提供可能となる。また、副次的な効果として、キャビテーション現象により気泡が発生中のポンプ装置のモーターの回転数を下げるということは、気泡により生じる可能性のある振動及び騒音の低減、高速回転している羽根車と気泡との衝突時の衝撃を緩和することとなり、ポンプ装置の長寿命化につながり、メンテナンス費用の低減も期待できる。よって、信頼性が高くコスト的に有利なポンプ装置を提供可能となる。

本発明の実施の形態の一例のポンプ装置の概略図 本発明の実施の形態の一例のケーシング部の断面図 本発明の実施の形態の一例の操作コントローラの図 本発明の実施の形態の一例のブロック図 揚水性能低下検知処理の動作を示す図 揚水性能低下中運転処理の動作を示す図 ポンプ装置制御プログラム全体の流れ図 揚水性能低下検知処理の流れ図 揚水性能低下中運転処理の流れ図 通常運転処理の流れ図

以下、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態のポンプ装置は、水が汲み上げられる給水部と、円盤状の外形で表面に放射状に溝の切ってある羽根車と、羽根車が内部に取り付けられるケーシング部と、前記羽根車をシャフトを介して回転させる単独のモーターと、モーターを回転させ羽根車を高速回転させることにより、ケーシング内に満たされている清水に過流を発生させることにより給水部から水を汲み上げつつ、吐き出し側へ水を圧送し押し上げる吐出部と、吐出部に取り付けられ、汲み上げた水を一定量ためる事が可能な圧力タンクと、吐き出し側の水圧を検知する圧力検知手段と、吐き出し側に圧送される流水の水量を検知する水量検知手段と、前記モーターの回転数を検知する回転数検知手段と、ポンプ装置に流れる電流を検知する電流検知手段と、ケーシングの外壁に取り付けられ、温度によって電気抵抗が変化するサーミスタからの電気信号を元に温度を検知する温度検知手段と、前記の検知手段にて検知された情報を元に、所望する吐き出し側圧力が得られるように、モーターの回転数を増減させるモーター制御手段と、装置の起動及び停止や各種設定を行う為に複数のボタンで構成される操作手段と、装置の状態や検知した圧力や水量を表示する表示素子を有した表示手段と、検知手段あるいは操作手段から入力される情報を元に表示手段へ表示する情報を制御する操作・表示制御手段を主な構成要素とし、通常時は、吐き出し側での水の使用により低下する圧力値を検知して運転開始し、保有するデータである運転目標圧力となるようにモーターの回転数を増減する制御を行い、運転停止条件である運転目標圧力以上の圧力かつ運転停止水量未満の水量が検知されるまで運転制御を行うポンプ装置において、モーターの回転数が制御上の上限値である最高回転数一定で回転している時、検知される圧力が所定の圧力値以下、検知される水量が所定の水量以上であったら、そのときに検知される水量をＱ０として記憶する。次に、モーターの最高回転数を所定量下げ、検知される水量をＱ1として記憶し、回転数を下げる前の水量Ｑ０と下げた後の水量Ｑ1を比較し、水量に減少が無いＱ０≦Ｑ1の関係であった場合は、キャビテーション現象による気泡の発生により、ポンプ装置の揚水性能が低下していると推定し、更に最高回転数を所定量だけ下げて運転を行う。

以上の様に、キャビテーション現象による気泡の発生した状態におけるポンプ装置の揚水性能の低下を確実に検知可能であり、以降の運転はモーターの回転数は運転解除条件を満たすまで当初の最高回転数より低い回転数となるため、モーターの消費電力は小さくなるので、揚水性能低下状態で運転中のポンプ装置の消費電力が低減可能となる。

そして、最高回転数とは別に、キャビテーション現象により生じている気泡によって、ポンプ装置の揚水性能の低下を検知する為にデータとして定義された最高回転数未満の回転数データあるいは最高回転数との差分データを少なくとも３個以上保有し、定められた最高回転数から段階的に回転数をＮ１,Ｎ２，Ｎ３と降順に下げる。下げられた回転数で運転中の検知水量をＱ１，Ｑ２，Ｑ３として記憶し、前回の回転数における検知水量と現在の回転数の検知水量を比較する。比較はそれぞれＱ０≦Ｑ1、Ｑ1≦Ｑ２、Ｑ２≦Ｑ３と表せる。比較結果が全て成立（真）した場合は、回転数を下げても水量に減少は無いことになるので、吐き出し側の流量を減少させることなく、モーターの最高回転数を下限値であるＮ３として以降の運転を行う。

また、段階的に行う比較判定で、結果が不成立（偽）となった場合は、水量が減少したことになるので、前回の判定で条件が成立（真）したときの回転数あるいは本来の定められた最高回転数までモーターの回転数を上げて以降の運転を行うことにより、吐き出し側の流量を減少させることなく以降の運転を行う。

また、回転数を下げて水量を比較することで行う揚水性能の低下状態の判定を、数十秒から数分の範囲内で、一定の周期毎に行う。

また、揚水性能が低下していると推測され、本来の定められた最高回転数より低い回転数で運転中に、吐き出し側の水栓操作等により、所定の範囲外となる水量あるいは圧力が検知された場合は、回転数を本来の定められた最高回転数に戻し、最高回転数を超えない範囲で、目標とする圧力となるようにモーターの回転数が増減する、いわゆる通常運転時の制御に戻る。

キャビテーション現象により生じた気泡により揚水性能が低下状態にあると推測された場合は、回転数を下げた運転制御に切り替わるとともに、ポンプ装置の揚水性能が低下していることを外部に知らしめるために表示手段の表示内容を変える。

以下、本発明の一実施例について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本実施例のポンプ装置の構成概要を示す。ポンプ装置本体は、制御用コントローラ３、操作コントローラ４、モーター１０、モーター１０よって回転する羽根車１３を覆うケーシング１１、ケーシング１１の外壁に取り付けられるサーミスタ３０、揚水された水を取り込む吸込口1、吸込口１から揚水された水の逆流を防ぐ逆止弁１２、取り込んだ水を吐き出す吐出口２、吐出し側の水圧を検知する圧力センサ６、吐き出し側の水量を検知する水量センサ７、使用水量の急変による圧力変化を緩和する圧力タンク５、ポンプ装置への給電を行う電源コード８、ポンプ装置を覆うポンプカバー９を主な構成部品としている。

図２はポンプ装置のケーシング１１および周辺部の断面図である。羽根車１３は内部に放射状に溝が切ってある円盤状の形態であり、モーター１０によって高速回転し、ケーシング１１内に満たされている清水に過流を発生させることにより吸込口1を経て水を汲み上げつつ、吐出口２へ水を圧送し押し上げる。

図３はポンプ装置の操作及び表示手段である操作コントローラ４の図である。操作コントローラ４は、発光素子であるＬＥＤの一種で、記号、数字、アルファベット等を表示することが可能な３桁の７セグメントＬＥＤ２２、ポンプ装置の運転開始及び停止を行う運転／停止スイッチ１５、７セグメントＬＥＤ２２に表示させる内容の選択を行う表示切替えスイッチ１６、圧力表示が選択された場合に発光する圧力ＬＥＤ１８、水量表示が選択された場合に発光する水量ＬＥＤ１９、運転圧力の切替えを行う圧力切替スイッチ１７、切替え選択された圧力設定毎に発光する圧力設定"高"ＬＥＤ２０および圧力設定"標準・低（点滅）"ＬＥＤ２１、ポンプ装置の異常停止状態からの復帰を行うリセットスイッチ１４から構成される。

図４は、ポンプ装置の制御ブロック図を示す。サーミスタ３０は温度センサであり、ポンプ装置のケーシング１１の温度を検出し、その出力信号は制御部３４のＡ/Ｄ変換器へ入力され、デジタルデータに変換された結果は最終的にワンチップマイクロコンピュータ３５内のＲＡＭへ格納される。制御部３４はあらかじめワンチップマイクロコンピュータ３５内のＲＯＭ内にデータとして設定されている複数の温度閾値データと前記ＲＡＭに格納されている変換結果の値を比較することにより、低温、高温等の温度異常の判定を行い、必要に応じて、表示手段へ警告表示させたり、自動的にモーター１０を停止あるいは駆動させたりする。圧力センサ６は吐出し側の水圧を検出する手段であり、水量センサ７は同じく吐出し側の流路を流れる水量を検出する手段である。検知結果は電気信号として制御部３４へ入力され、前記の温度センサと同様に最終的にワンチップマイクロコンピュータ３５内のＲＡＭへ格納される。制御部３４は、検知された圧力及び水量の変化に応じて自動的に駆動回路３６を介しモーター１０の回転数を変化させ、吐出し圧力が一定あるいは所定の圧力となるよう制御する。また、必要に応じて表示手段へ警告表示、検出した圧力値または流量を表示させる。電流センサ３１はポンプ装置に流れる電流を検知し、検出結果は電気信号として制御部３４へ入力され、制御部３４は電流値を監視し、所定の電流値以上となるとポンプ装置を保護する為、モーター１０の回転数を抑える。

次にホールＩＣ３２はモーター１０の回転子の位置検出に用いられるが、単位時間当たりの出力信号のエッジをカウントすることにより、速度即ち回転数が得られる。制御部３４は最適な回転数となるよう駆動回路３６を介し、モーター１０を制御する。また、モーター１０がセンサレスタイプのモーターであれば、ホールＩＣ３２は不要となり、モーターのコイルの逆起電力から回転子の位置を推定し、回転数を推定算出して前記と同様な制御をする。

次に操作・表示手段３３は、図２の説明で述べたが、操作コントローラの形態となっており、制御部３４からの信号に応じて、表示手段へポンプ装置の状態を表示する。また、操作手段であるスイッチを押すことにより制御部３４へ入力される信号レベルは変化し、制御部３４はスイッチの状態を検知することが可能である。

制御部３４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，Ａ／Ｄ変換器等を内蔵するワンチップマイクロコンピュータ３５、モーター１０を駆動する駆動回路３６、ポンプ装置に流れる電流を検出する電流センサ３１、及び周辺回路から構成される。ポンプ装置の制御内容または固定的な閾値データはプログラムデータとして、ワンチップマイクロコンピュータ３５のＲＯＭへ格納されている。

また、ＥＥＰＲＯＭ３７はデータを電気的に消去、書き込みが可能なＲＯＭであり、ワンチップマイクロコンピュ−タ３５は通信インターフェースを介し、操作・表示手段３３で設定した情報をデータとして書き込みを行うことで記憶し、または記憶されているデータを読み出すことが可能である。値の変更が可能な閾値データ等はＥＥＰＲＯＭ３７へ記憶される。

また、ＥＥＰＲＯＭ３７に代表されるデータを電気的に消去かつ書き込みが可能な不揮発性メモリを同一パッケージに内蔵し、通信インターフェースを不要としたタイプのワンチップマイクロコンピュータ３５を使用した構成としても良い。

次に本実施形態を図５、図６を用いて説明する。図５は、揚水性能低下検知処理の動作を示しており、上段に水量、下段にモーター１０の回転数を示している。吐き出し側の任意の使用水量が一定状態であれば、モーター１０の回転数も一定とり、図示はしていないが吐き出し側圧力も一定状態となる。ポンプ装置は一般的に、回転数を上げていくと比例的に吐き出し側の圧力及び水量も増加するが、やがてモーター１０および羽根車１３の性能、配管抵抗の増加等により、増加は望めなくなる。そのため制御上、モーター１０の回転数の上限である最高回転数Ｎｍａｘを定めている。

図５では、例えば吐き出し側の水栓を全開にした場合、最高回転数Ｎｍａｘで回転させても圧力は制御目標圧であるＰｔまで上がらず、回転数一定であるため水量はＱ０で一定になる。

ここで揚水性能の低下とは、同一の吐き出し側の水栓の開き具合、同一の配管条件、同一の回転数で運転状態にあるとき、本来同一となるべき使用水量Ｑが減少することとする。原因は、据え付け環境および使用条件が同じで羽根車１３等の部品の摩耗が無い場合、キャビテーション現象による気泡の発生が考えられる。本実施形態のポンプ装置は、特にキャビテーション現象により生じた気泡が起因する揚水性能の低下を検知することができる。揚水性能が低下していない場合は、図５のように回転数を下げると水量も下がることに着目し、回転数をＮｍａｘからＮ１に一定周期Ｔ２秒で繰り返し行うこと特徴としている。

また、回転数を下げた場合、騒音、振動、あるいは圧力及び水量の検知結果の変動が想定されるため、減速開始してからＴ１秒後に水量Ｑ１を検知し、比較判定を行うこと特徴とする。回転数をＮ１に下げた時の水量検知のタイミングであるＴ1の決定は、実験を通して変動の少ない安定した水量の検知結果が得られる時間とする。

次にＴ２は、揚水性能低下状態に無い場合は、一定周期Ｔ２毎に繰り返し行われる動作であるあるため、短い間隔で頻繁に減速、加速が行われると装置が不安定であるといった印象を与えるため、Ｔ２はＴ１より十分に長い周期とすることを特徴とする。

また、図５は揚水性能の低下が検知されなかった場合を示している。

以上により、揚水性能の低下状態を検知する方法を実現している。

図６は、図５の揚水性能低下検知処理にて揚水性能が低下状態にあると判定された場合に切り替えられる揚水性能低下中運転処理の動作を示す。

図６(ａ)は、最高回転数Ｎｍａｘの時の水量Ｑ０が、回転数Ｎ１の時の水量Ｑ1との比較結果が、Ｑ０≦Ｑ1となり、水量が変化無しあるいは増加した場合であり、回転数を下げても吐き出し側流量は減少しない。続いて回転数をＮ１からＮ２に下げ、回転数Ｎ２における水量Ｑ２を検知し、Ｑ１との比較を行う。図６（ａ）の場合、回転数をＮ２に下げることで水量がＱ1＞Ｑ２となり、吐き出し側の水量が減少したこととなるので、Ｎ２まで下げられた最高回転数をＮ1まで上げて一定状態とすることで、吐き出し側の水量Ｑを最高回転数Ｎｍａｘの時の水量Ｑ０より減少させずに、モーター１０の回転数をＮｍａｘ−Ｎ１の差分だけ下げて運転を行うこととなる。

図６(ｂ)は、図６（ａ）と同様に、最高回転数をＮ１、Ｎ２と下げていき、回転数Ｎ２における水量Ｑ２を検知し、Ｑ１との比較を行い、結果がＱ1≦Ｑ２である為更に回転数をＮ３まで下げた時、水量がＱ２＞Ｑ３となり、水量が減少したため、吐き出し側の水量が減少することとなるので、回転数を水量の変化の無かったＮ２まで上げて一定状態とすることで、吐き出し側の水量Ｑは最高回転数Ｎｍａｘの時の水量Ｑ０より減少させずに、モーター１０の回転数をＮｍａｘ−Ｎ２の差分だけ下げて運転を行うこととなる。

図６(ｃ)は、図６（ｂ）と同様に、回転数はＮ１、Ｎ２、Ｎ３と下げていき、回転数Ｎ３における水量Ｑ２を検知し、Ｑ１との比較を行い、結果がＱ1≦Ｑ２である為更に回転数をＮ３まで下げた時、水量がＱ２＞Ｑ３となり、水量が減少したため、吐き出し側の水量が減少することとなるので、回転数を水量の変化の無かったＮ２まで上げて一定状態とすることで、吐き出し側の水量Ｑは最高回転数Ｎｍａｘの時の水量Ｑ０より減少させずに、モーター１０の回転数をＮｍａｘ−Ｎ２の差分だけ下げて運転を行うこととなる。

以上より、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示したように、キャビテーション現象による気泡の発生により、ポンプ装置の揚水能力が低下した状態で運転を継続した場合、吐き出し側の水量を減少させることなくモーター１０の回転数を下げて運転することが可能であることから、ポンプ装置の消費電力を低減することが可能となる。

なお、図５における揚水性能低下検知処理の開始条件は、吐き出し側圧力が制御開始圧力であるＰｓ未満かつ吐き出し側水量が制御開始水量Ｑｓ以上であることとする。

また、図６における揚水性能低下中運転処理の解除条件は、吐き出し側圧力が制御開始圧力であるＰｓ以上または吐き出し側水量が運転停止水量Ｑe未満であることとする。

次に本制御を実現するためのプログラムデータの概要を図７、図８、図９、図１０を用いて説明する。

図７は、ポンプ装置の制御部３４に搭載されたワンチップマイクロコンピュータ３５のＲＯＭに組み込まれているポンプ装置の制御プログラムの概略である。図８は揚水性能低下検知処理の詳細を示す。図９は揚水性能低下中運転処理の詳細を示す。図１０はポンプ装置の通常運転処理の概要を示す。

まず、図７のポンプ装置の制御プログラムは、電源が立ち上がるとワンチップマイクロコンピュータ３５にリセットがかかり、ＲＯＭに記録されているプログラムに従い動作を開始する。以下記号順に説明する。

（ａ１)は、初期化処理であり、マイクロコンピューターのＩ／Ｏポート設定、内蔵レジスタ設定、タイマ設定等を行う。また、ここでＥＥＰＲＯＭ３７からポンプ装置の運転に関する様々な設定データの読み出しも行い、読み出したデータは所定のＲＡＭにコピーされる。各種センサからの入力信号の取り込み、出力信号の出力、プログラムを所定の周期で実行させるのに必要なタイマを設定し動作を開始させる。通常はリセット毎に１度だけ行われる。

（ａ２）は表示・設定手段に設けられているスイッチからの入力信号、圧力センサ６、水量センサ７からの入力信号、電流センサ３１からの入力信号等を一定周期で検知し、検知結果をそれぞれに用意されたＲＡＭへ格納しているセンシング処理である。

（ａ３）センシング処理を構成する要素であり、圧力センサ６からの入力信号を元に、所定の周期で吐き出し側の圧力を算出し、結果を圧力データとして用意されたＲＡＭへ格納する。

（ａ４）センシング処理を構成する要素であり、水量センサ７からの入力信号を元に、所定の周期で吐き出し側の水量を算出し、結果を水量データとして用意されたＲＡＭへ格納する。

（ａ５）ポンプ運転動作制御処理であり、揚水性能低下検知処理及び揚水性能低下中運転処理と、通常運転処理で構成される。

（ａ６）揚水性能低下検知処理及び揚水性能低下中運転処理であり、検知圧力、検知水量、モーター１０の回転数が検知開始条件を満たしていれば、モーター１０の回転数を下げて水量の変化を確認し、揚水性能の低下を検知する。ここで、揚水性能の低下が検知された場合は、揚水性能低下中運転処理として図９に示す処理が実行される。詳細は後述する図８、図９の説明による。

（ａ７）揚水性能が低下していない場合の、ポンプ装置の通常運転処理であり、センシング処理によって検知された各種センサの検知結果を元に、吐き出し側の圧力が設定されている圧力となるよう、モーターを加減速する処理が行われる。概略を図１０に記載する。

（ａ５）は表示処理であり、操作・表示手段３３に設けられた７セグメントＬＥＤ２２またはＬＥＤを介し、それらを消灯または点灯させることにより、ポンプ装置の状態、圧力または水量等の検知結果の表示等を表現する為の出力信号データを生成する。

図７において、（ａ２），（ａ３），（ａ４），（ａ５），（ａ６），（ａ７），（ａ８）は一定の周期を持って繰返し行われる処理である。

次に、図８の揚水性能低下検知処理の流れ図を説明する。

（ｂ１）既に揚水性能が低下中か否かを（ｂ１４）でセットされるフラグを参照して判定する。揚水性能低下中であれば（ｂ１０）へ、低下中でなければ（ｂ２）へ移行する。

（ｂ２）揚水性能の低下を検知するために、通常運転時の最高回転数をＮｍａｘからＮ１に下げる処理が実施済みか否かを、（ｂ７）でセットされるフラグを参照して判定する。最高回転数をＮ１に変更済であれば、（ｂ１１）へ移行する。未変更であれば（ｂ３）へ移行する。

（ｂ３）揚水性能低下検知処理を開始する条件を満たしているか否かを判定する。前記条件とは、現在の検知圧力Ｐｘが、運転制御の目標圧であるＰｔ未満かつ制御開始圧力Ｐｓ以上であることと、現在の検知水量Ｑｘが、制御開始水量Ｑｓ以上であることと、モーターの最高回転数がＮｍａｘであることである。これらの条件が成立していれば（ｂ５）へ、成立していなければ（ｂ４）へ移行する。

（ｂ４）Ｔ２タイマは揚水性能低下検知処理の開始条件が継続している時間を計測するタイマであり、（ｂ３）で前記検知処理の開始条件が否定されたためクリアされ処理終了する。

（ｂ５）揚水性能低下検知処理の開始条件の継続時間がＴ２秒経過したか否かを、タイマＴ２を参照して判定する。Ｔ２秒経過していなければ処理終了する。経過すれば（ｂ６）へ移行する。

（ｂ６）最高回転数Ｎｍａｘで回転中の検知水量Ｑ０を所定のＲＡＭへ格納し（ｂ７）へ移行する。

（ｂ７）揚水性能低下の検知を目的とした最高回転数のＮｍａｘからＮ1への引き下げを示す検知中フラグをセットし（ｂ８）へ移行する。

（ｂ８）通常運転時は、最高回転数としてＲＡＭにコピーされているＮｍａｘのデータをＮ１に更新し（ｂ９）へ移行する。更新された最高回転数のＲＡＭは、後述する通常運転動作において、圧力差に応じて算出される回転数と最高回転数との比較判定に使用され、最高回転数を超えないように制御される。

（ｂ９）Ｔ1タイマをスタートし処理終了する。Ｔ1タイマは、最高回転数がＮ１で回転中の水量Ｑ1を取り込むタイミングを決定している。このとき、最高回転数ＮｍａｘからＮ１に下げるときは、所定の減速レート（ｒｐｍ/秒）にて回転数を下げるため、ある程度の時間を要する。よって、Ｔ1タイマの周期は、Ｎ１まで減速に要する時間はもちろん、減速による圧力及び水量の変動が安定するまでの時間とする。
（ｂ１０）性能低下中フラグがセットされている場合の処理であり、ポンプ装置は揚水性能低下中の運転制御を行う。詳細は後述する図９で説明する。

（ｂ１１）Ｔ1タイマのタイムアップ判定を行う。Ｔ1秒経過していなければ処理終了する。経過していれば（ｂ１２）へ移行する。
（ｂ１２）モーター１０が回転数Ｎ１一定状態で回転している時の吐き出し側水量Ｑ1をＲＡＭへ保存し、（ｂ１３）へ移行する。

（ｂ１３）（ｂ６）でＲＡＭへ保存された回転数Ｎｍａｘにおける水量Ｑ０と、（ｂ1２）で保存された水量Ｑ1を比較する。Ｑ０≦Ｑ1の判定式が真（Ｙ）の場合は、水量に変化無しとして（ｂ１４）へ移行する。偽（Ｎ）の場合は水量が減少したと判断し（ｂ１７）へ移行する。

（ｂ１４）回転数をＮｍａｘからＮ１に下げても、吐き出し側水量が低下していないことから、キャビテーション現象による気泡の発生によって揚水性能が低下していると判断し、性能低下中フラグをセットし（ｂ１５）へ移行する。
（ｂ１５）最高回転数のデータとしてＲＡＭにコピーされているＮ1のデータをＮ２に更新し（ｂ１６）へ移行する。

（ｂ１６）Ｔ1タイマをスタートし処理終了する。Ｔ1タイマは、最高回転数がＮ２で回転中の水量Ｑ２を取り込むタイミングを決定している。Ｑ２の取り込み処理は、後述する図９の揚水性能低下中処理で行われる。

（ｂ１７）（ｂ１３）の判定により、回転数を下げると水量も下がることから、揚水性能は低下していないと判断し、（ｂ７）でセットされた検知中フラグをクリアし（ｂ１８）へ移行する。

（ｂ１８）最高回転数のデータを通常の値であるＮｍａｘに更新する。また、図では省略しているが、再び最高回転数をＮｍａｘからＮ１に下げるタイミングである周期時間Ｔ２を得るために、タイマＴ２をリセットし処理終了する。

以上より、本実施例における処理内容は、吐き出し側に取り付けられた水栓等が開かれ一定量の流水の使用が想定される環境下でポンプ装置が運転中であり、検知される圧力Ｐが制御目標圧Ｐｔ未満かつ検知開始圧力Ｐｓ以上、検知される水量Ｑｘが制御開始水量Ｑｓ以上、モーター１０の回転数が最高回転数であるＮｍａｘでの状態が所定時間Ｔ２継続した場合、最高回転数をＮ１まで下げて水量の変化を確認することにより、揚水性能が低下しているか判断することを特徴としている。揚水性能が低下していない場合はモーター１０の回転数はＮ１から本来の最高回転数であるＮｍａｘへ上げられ、これら一連の動作は図５に示したように一定周期であるＴ２秒毎に検知開始条件が成立している間は繰り返されることとなる。ここで、回転数ＮｍａｘとＮ１の差は、揚水性能が低下していない状態であれば確実に流量が変化する回転数であることを特徴とする。

また、上記繰り返し動作の周期でもあるＴ２の時間は短いほど、回転数変動による、騒音、振動等の発生あるいは装置が不安定であるかのような印象を与える恐れがあるため、数十秒から数分の間に設定することとする。

次に、図９は図８（ｂ１０）からの分岐先であり、揚水性能低下中運転処理の流れ図を説明する。

（ｃ１）後述する（ｃ9）にて、揚水性能低下中における最高回転数が決定した場合にセットされるフラグを参照し、セットされていれば（ｃ１０）へ移行する。セットされていなければ（ｃ２）へ移行する。

（ｃ２）現在の最高回転数が図８（ｂ1５）で設定されたＮ２であるか判定する。Ｎ２であれば（ｃ３）へ移行する。それ以外は（ｃ１１）へ移行する。

（ｃ３）図８（ｂ１６）でスタートしたＴ１タイマを参照し、Ｔ１秒経過したか判定する。Ｔ1秒経過していなければ処理終了し、経過していれば（ｃ４）へ移行する。

（ｃ４）ここでは、最高回転数をＮ２に変更しＴ1秒経過しているため、回転数変化による及び吐き出し側圧力、水量の変動が少ない精度の高い水量を検知可能であり、であり、現在の検知水量ＱｘをＱ２としてＲＡＭへ保存し、（ｃ５）へ移行する。

（ｃ５）最高回転数Ｎ１における水量Ｑ1と、最高回転数Ｎ２における水量Ｑ２を比較する。回転数の関係はＮ1＞Ｎ２であり、Ｑ１≦ Ｑ２が真（Ｙ）の場合は、回転数を下げても水量は減少していないので、更に回転数を下げるために（ｃ６）へ移行する。Ｑ１≦ Ｑ２が偽（Ｎ）の場合は、水量が減少したことになるので、最高回転数を水量の減少が見られなかった回転数まで上げるために（ｃ８）へ移行する。

（ｃ６）最高回転数を現在のＮ２からＮ３に更新し（ｃ７）へ移行する。回転数の関係はＮ２＞Ｎ３である。

（ｃ７）Ｔ1タイマをスタートし処理終了する。この処理は図８（ｂ９）、（ｂ１６）と同じであり、減速による圧力及び水量の変動が次回検知する水量に影響しない時間とする。
（ｃ８）最高回転数を現在の回転数であるＮ２から図８（ｂ１３）の判定で水量の減少が見られなかった回転数Ｎ１に更新し、（ｃ９）へ移行する。

（ｃ９）回転数確定フラグをセットし処理終了する。最高回転数は、初期値でもある本来の値（Ｎｍａｘ）より低い回転数のＮ1、Ｎ２、Ｎ３いずれかに更新された値となっており以降の運転は、ポンプ装置の停止条件を満たすまで更新された最高回転数で行われることとなる。

（ｃ１０）図１０にて示されるポンプ装置の通常運転処理が行われる。

（ｃ１１）最高回転数がＮ３に更新されて、Ｔ1秒経過したか否かを判定する。Ｔ1秒経過していなければ処理終了し、Ｔ１秒経過で（ｃ１２）へ移行する。

（ｃ１２）最高回転数がＮ３で回転中の、現在の検知水量ＱｘをＱ３としてＲＡＭへ保存し、（１３）へ移行する。

（ｃ１３）最高回転数Ｎ２における水量Ｑ２と、最高回転数Ｎ３における水量Ｑ３を比較する。回転数の関係はＮ２＞Ｎ３であり、Ｑ２≦ Ｑ３が真（Ｙ）の場合は、回転数を下げても水量は減少していないので更に回転数を下げることも可能であるが、最高回転数Ｎ３は制御上の加減回転数でもあるため、減速は行わず（ｃ９）へ移行する。以降、最高回転数はＮ３で回り続けることとなる。一方、Ｑ２≦ Ｑ３が偽（Ｎ）の場合は、水量が減少したことになるので、最高回転数を水量の減少が見られなかった回転数Ｎ２まで上げるために（ｃ１４）へ移行する。

（ｃ１４）最高回転数を現在の回転数であるＮ３から（ｃ５）の判定で水量の減少が見られなかった回転数Ｎ２に更新し、（ｃ９）へ移行する。以降、最高回転数はＮ２で回り続けることとなる。
次に、図１０はポンプ装置の通常運転処理の内容を示す。 （ｄ１）ΔＰとは圧力偏差であり、制御目標圧であるＰｔと現在の検知圧力Ｐｘとの差を算出し、（ｄ２）へ移行する。

（ｄ２）圧力偏差ΔＰに応じたモーター１０の回転数操作量を算出し、（ｄ３）へ移行する。

（ｄ３）現在の回転数に対し回転数操作量を加算してモーター１０の目標回転数である回転数指令値Ｎｔを算出して（ｄ４）へ移行する。
（ｄ４）（ｄ３）で算出された回転数指令値Ｎｔと、データとして定められている所定の最高回転数Ｎｍａｘと比較を行う。
ここで、Ｎｔ≧Ｎｍａｘであれば（ｄ５）へ移行する。Ｎｔ＜Ｎｍａｘであれば（ｄ６）へ移行する。
（ｄ５）最高回転数Ｎｍａｘは運転制御上の上限値であるため、圧力偏差によって算出された回転数指令値Ｎｔが定められた最高回転数Ｎｍａｘ以上である場合は回転数指令値ＮｔをＮｍａｘと同値にして（ｄ６）へ移行する。一般的に、ポンプ装置においては、回転数と吐き出し側圧力が比例関係にある領域で運転されるため、回転数には制御上の上限の回転数が設けられる。
（ｄ６）モーター１０の回転数が回転数指令値Ｎｔとなるようにモーター１０の回転数を所定の加速レートあるいは減速レートで増減する。

以上の処理により、ポンプ装置は吐き出し側圧力が制御目標圧であるＰｔ以上となるまでは回転数は上がり続けようとするが、圧力が上がらない場合は所定の最高回転数Ｎｍａｘ一定で運転される。

以上より、本実施例における処理内容は、最高回転数Ｎｍａｘはプログラム上に固定データとして記述されているが、これをＲＡＭへコピーし、プログラム実行中はコピーされたＲＡＭの内容を参照することとする。これにより最高回転数のデータを必要に応じて自在に更新することが可能である。最高回転数を所定の値であるＮｍａｘからＮｍａｘより低い所定の回転数Ｎ１に切替え、それぞれの回転中に検知された水量を比較することで、ポンプ装置が揚水性能低下状態にあることを検知可能であり、更に回転数をＮ1から下げて運転する。

また，本事例では所定のデータである最高回転数Ｎｍａｘとは別に、揚水性能の低下を検知及び揚水性能低下状態におけるＮｍａｘより低い回転数で運転を行うために、３種類のデータを使用している。データは、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３（Ｎｍａｘ＞Ｎ1＞Ｎ２＞Ｎ３）と定義し、プログラムデータとして保有し、段階的に最高回転数の保存先のＲＡＭを前記データに更新することで回転数を下げ、それぞれの回転数における水量の検知結果を保存し、前段の回転数における水量との比較判定を行い、水量の変化が無ければ更に回転数を下げて比較判定を行う。回転数を下限値であるＮ３まで下げても水量Ｑが減少しなければ、以降の運転における最高回転数はＮ３となる。

一方、回転数を下げて水量が減少した場合は、水量の変化が無かった前段の判定時の回転数まで加速して以降の運転はその回転数を最高回転数として行われる。

また、回転数を変える前の水量と変えた後の水量を比較するタイミングである揚水性能低下検知処理の周期Ｔ1，Ｔ２を、数値データとしてプログラムに記述し、ワンチップマイクロコンピュータ３５に内蔵するタイマを制御することで一定の検知周期であるＴ１，Ｔ２を容易に生成可能である。

また、揚水性能が低下していると判定されセットされたフラグにより、本来の定められた最高回転数Ｎｍａｘより低い回転数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３のいずれかで運転中において、吐き出し側の水栓操作等により、所定の範囲外となる水量あるいは圧力が検知された場合は、直ちにセットされたフラグをクリアし、最高回転数の保存先のＲＡＭの内容を本来の定められた最高回転数Ｎｍａｘに戻すことで、揚水性能低下中運転処理から通常運転に戻る。

また、図９の（ｃ９）でセットされる回転数確定フラグにより、ポンプ装置は揚水性能の低下が検知され、Ｎｍａｘより低い回転数Ｎ１、Ｎ２，Ｎ３のいずれかで運転されることとなるので、図７の（ａ８）の表示処理にて、回転数確定フラグを参照し、フラグがセットされている間は、通常時は検知圧力あるいは検知水量等の数字データである７セグメントＬＥＤ２２に、その表示用データを例えばアルファベット等の文字データに置き換えることにより表示を更新し、ポンプ装置の運転状態を外部から視認可能とする。

１．吸込口
２．吐出口
３．制御用コントローラ
４．操作コントローラ
５．圧力タンク
６．圧力センサ
７．水量センサ
８．電源コード
９．ポンプカバー
１０．モーター
１１．ケーシング
１２．逆止弁
１３．羽根車
１４．リセットスイッチ
１５．運転／停止スイッチ
１６．表示切替スイッチ
１７．圧力切替スイッチ
１８．圧力ＬＥＤ
１９. 水量ＬＥＤ
２０. 圧力設定"高"ＬＥＤ
２１．圧力設定"標準・低(点滅)"ＬＥＤ
２２.７セグメントＬＥＤ
３０．サーミスタ
３１．電流センサ
３２．ホールＩＣ
３３．操作・表示手段
３４．制御部
３５．ワンチップマイクロコンピュータ
３６．駆動回路
３７.ＥＥＰＲＯＭ

Claims (6)

1. 羽根車と、
   前記羽根車をシャフトを介して回転させるモーターと、
   吐き出し側の水圧を検知する圧力検知手段と、
   吐き出し側に圧送される流水の水量を検知する水量検知手段と、
   前記モーターの回転数を検知する回転数検知手段と、
   吐き出し側の水圧が運転目標圧力となるように前記モーターの回転数を増減させるモーター制御手段と、を備え、
   モーターの回転数が制御上の上限値である最高回転数で回転しており、検知される圧力が所定の圧力値以下であり、検知される水量が所定の水量以上である場合にモーターの最高回転数を下げ、
   回転数を下げる前の水量Ｑ０と下げた後の水量Ｑ1とがＱ０≦Ｑ1の関係であった場合は、キャビテーション現象による気泡の発生により、ポンプ装置の揚水性能が低下していると推定し、更に最高回転数を所定量下げて運転を行うことを特徴とする井戸ポンプ装置。
2. 請求項１に記載の井戸ポンプ装置において、
   最高回転数とは別に、キャビテーション現象により生じている気泡によって、ポンプ装置の揚水性能の低下を検知するデータとして定義された最高回転数未満の回転数あるいは最高回転数との差分に関する回転数データを少なくとも３個保有し、
   前記最高回転数から段階的に回転数を下げた際に、前記３個の回転数データに対する各水量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がＱ０≦Ｑ１、Ｑ１≦Ｑ２、Ｑ２≦Ｑ３の関係である場合には、吐き出し側の流量を減少させることなく、モーターの最高回転数を前記３個の中で最も小さい回転数データに対応する回転数で運転を行うことを特徴とする井戸ポンプ装置。
3. 請求項２に記載の井戸ポンプ装置において、
   段階的に回転数を下げた結果、各水量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が請求項２に記載の関係を満たさない場合には、前記関係を満たすこととなる回転数データに対応する回転数で運転を行うことを特徴とする井戸ポンプ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の井戸ポンプ装置において、
   前記回転数を段階的に下げる判定を所定の周期毎に行うことを特徴とする井戸ポンプ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の井戸ポンプ装置において、
   揚水性能が低下していると推測され、本来の定められた最高回転数より低い回転数で運転中に、吐き出し側の水栓操作等により、所定の範囲外となる水量あるいは圧力が検知された場合は、回転数を前記最高回転数に戻し、前記最高回転数を超えない範囲で、目標とする圧力となるようにモーターの回転数を増減させることを特徴する井戸ポンプ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の井戸ポンプ装置において、
   井戸ポンプ装置の状態を表示する表示手段を備え、
   キャビテーション現象により生じた気泡により揚水性能が低下状態にあると推測される場合は、回転数を下げた運転制御に切り替わるとともに、ポンプ装置の揚水性能が低下していることを外部に知らしめるために表示手段の表示内容を変えることを特徴とする井戸ポンプ装置。

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