JP4569324B2 - ポンプおよびそれを備えた液体供給装置 - Google Patents

Description

モータにより駆動され、液体を吸入して吐出するポンプおよびそれを備えた液体供給装置に関する。

ポンプにおいてはポンプ部と、ポンプ部を駆動するモータ部と、モータ部を制御する制御部とを有しており、ポンプ部から吐出された液体が流れる通水路に設置されて、その液体の吐出を検知するフロースイッチと、同じく通水路に取り付けられた圧力センサと蓄圧のための圧力タンクとから構成されている（例えば特許文献１参照）。

前記制御部はフロースイッチが少水量検知信号を発生して、所定の少水量検知時間の間保持した後に、圧力タンクに一定時間所定の加圧圧力値または加圧周波数値で蓄圧を行い、モータを停止する機能とポンプ始動圧力設定値を有している。

そしてポンプが停止しているときに、圧力センサにより検知された圧力がポンプ始動圧力設定値以下になったときにポンプを始動し、少水量検知時間は前回ポンプが停止していた時間と、直前のポンプ運転時間およびフロースイッチの開閉回数とに基づいて自動設定する機能をもっている。
特開平９−９６２７８号公報

しかしながら前記従来の技術の（特許文献１）に記載のポンプでは、フロースイッチの特性上、低流量域（例えば毎分２〜４Ｌ程度）の制御を行うことができず、更にヒステリシス特性を有していたために流量が低い場合はポンプが停止してしまうことがあった。

また、止水を急峻に行った場合は、通水路内に急激な圧力上昇（ウォーターハンマー）を生じてしまい、配管に負担がかかるだけでなく騒音が生じることがあった。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、流量が低い場合でもポンプを使用することができ、また止水を急峻に行っても配管に負担を与えずかつ騒音が発生しないポンプを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、液体を吸排するポンプ部と、ポンプ部を駆動するモータ部と、モータ部の出力を制御する制御部とを有し、ポンプ部から吐出された液体の流量を検知する流量センサを備え、前記制御部は流量センサが流量に比例して発生した信号パルスにより検知された水量に応じてモータ部の出力を制御するために信号パルスを周波数／電圧変換（Ｆ／Ｖ変換と称する）する回路を設けたことを特徴としている。

この構成により、流量が低い場合でもポンプが停止することがなく、かつ止水を急峻に行った場合においてもウォーターハンマーが発生しないという作用が達成できる。

本発明は、流量が低い場合でもポンプを使用することができ、また止水を急峻に行っても配管に負担を与えずかつ騒音が発生しないおよびそれを備えた液体供給装置を提供できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態は、液体を吸排するポンプ部と、ポンプ部を駆動するモータ部と、モータ部の出力を制御する制御部とを有し、ポンプ部から吐出された液体の流量を検知する流量センサを備え、制御部は流量センサが流量に比例して発生した信号パルスにより検知された水量に応じてモータ部の出力を制御するために信号パルスをＦ／Ｖ変換する回路を設けたものである。

これにより流量が低い場合においても、モータが停止することなく常時液体を供給することができるポンプを提供できる。

また、制御部は、Ｆ／Ｖ変換されたアナログ信号出力を遅延する積分回路を設けてもよい。

この場合は、止水を急峻に行った場合においてもウォーターハンマーが発生しないため、配管に負担を与えずかつ騒音が発生しないポンプを提供できる。

また、制御部は、流量センサの信号パルスでパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号と称する）を発生する場合と所定のデューティ比のＰＷＭ信号を発生する場合とを切替える回路を設けてもよい。

この場合は、流量が低いときに通水路の圧力を確保し、また通水路を流れる液体の流量を維持することができる。

そして上記ポンプを給水装置等の液体供給装置に組み込むようにすれば、液体供給装置の使い勝手を大いに高めることができる。

以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。

（実施例１）
図１の実施例１に示すＤＣポンプのブロック図に示すように、１は入出力部であり外部との接続部である。２は前記入出力部１を介して供給されるＤＣモータの駆動電源である。３は前記入出力部１を介して供給されるＤポンプ内部回路の基準電位（ＧＮＤ）である。

４は前記入出力部１を介して供給されるＤＣモータ制御回路の制御電源である。５は前記入出力部１を介して供給される流量センサの出力パルス信号である。６は前記流量センサの出力パルス信号５を周波数／電圧変換（Ｆ／Ｖ変換）するＦ／Ｖ変換部である。

７は前記Ｆ／Ｖ変換部６で変換されたアナログ信号である。８は内部にＰＷＭ乗算変調回路と分配回路を備え、前記アナログ信号７の電圧レベルに応じたドライブ信号を出力する制御部である。９は半導体スイッチ（例えばトランジスタ）で構成され、前記制御部８から出力されたドライブ信号に応じた駆動電流を出力させ、巻線に流れる電流を切替える駆動部である。

１０は巻線とステータとマグネットステータから構成され、前記駆動部９から出力された駆動電流は、巻線に流れた電流によりステータに発生する磁界とマグネットロータの磁界の反発・吸引により回転トルクを発生させ、マグネットステータと一体化した羽根車が回転するモータ部である。

１１は前記モータ部１０が発生した回転トルクに応じて回転するマグネットステータと一体化した羽根車が液体（例えば水）を吸水、吐水するポンプ部である。また、前記ポンプ部１１は吸水する吸水口１１ａと吐水する吐水口１１ｂを備えている。

１２は前記モータ部１０の構成部品である前記マグネットの極性を検出し電圧信号に変換し、前記制御部８に出力する位置検出部である。

図２の実施例１に示すＤＣポンプ内のＦ／Ｖ変換回路図に示すように、前記流量センサの出力パルス信号５は抵抗１３〜１５、コンデンサ１９で構成された微分回路を介してトランジスタ２２をＯＮ／ＯＦＦさせ、更に、抵抗１６，１７を介してトランジスタ２３をＯＮ／ＯＦＦさせ抵抗１８、コンデンサ２０を介して前記アナログ信号７に変換するＦ／Ｖ変換部である。ダイオード２１は前記トランジスタ２２を逆バイアスから保護する。

次に図３の実施例１に示すＦ／Ｖ変換回路の各ポイントでの波形図に示すように、６１は流量センサの始動に同期して徐々にパルス周波数が上昇する前記流量センサの出力パルス信号５の波形である。前記流路センサの出力パルス信号波形６１は抵抗１３〜１５、コンデンサ１９で構成された微分回路を介しトランジスタ入力波形６２に変換される。

前記トランジスタ入力波形６２は前記トランジスタ２２をＯＮ／ＯＦＦさせ前記抵抗１６，１７を介して前記トランジスタ２３をＯＮ／ＯＦＦさせる。前記トランジスタ２３のＯＮ／ＯＦＦ出力は、前記抵抗１８、コンデンサ２０を介して、滑らかに電圧を上昇するアナログ信号７のポンプ始動のアナログ信号波形６３ａに変換される。この動作からＦ／Ｖ変換を実現することができる。

図４の実施例１に示すＤＣポンプ始動時／停止時のＦ／Ｖ変換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とＤＣポンプ始動時／停止時のドライブ波形図に示すように、６３ａはＤＣポンプ始動時の前期アナログ信号７のポンプ始動のアナログ信号波形である。６４は前記制御部８内部のＰＷＭキャリア波形である。前記ポンプ始動のアナログ信号波形６３ａは前記制御部８に入力され、前記制御部８内部のＰＷＭ乗算変調回路によって前記ＰＷＭキャリア波形６４と変調される。

次に、変調された信号は前記制御部８内部の分配回路によって前記駆動部９に始動のドライブ波形６５ａとして出力する。前記ドライブ波形６５ａは滑らかに電圧を上昇するポンプ始動の前記アナログ信号波形６３ａに応じて変調されているため、徐々にＤｕｔｙ比が１００％になり（徐々にＯＮ時間が長くなる）、ＤＣポンプの滑らかな始動を実現する。

また、６３ｂはＤＣポンプ停止時の前記アナログ信号７の波形であるポンプ停止のアナログ信号波。動作は前述と同じである。前記ドライブ波形６５ｂは滑らかに電圧を下降するポンプ停止のアナログ信号波形６３ｂに応じて変調されているため、徐々にＤｕｔｙ比が０％になり（徐々にＯＦＦ時間が長くなる）、ＤＣポンプの滑らかな停止を実現する。２４はＤＣポンプが滑らかに始動または、停止するときのＤＣ立上り下り期間である。

次に図５の実施例１に示すＤＣポンプ性能（流量と揚程）の特性図に示すように、２５は前記ドライブ波形６５のＤｕｔｙである。２６はＤＣポンプの滑らかな始動時の前記ドライブ波形６５のＤｕｔｙ変化期間である。ＤＣポンプは前記ドライブ波形６５のＤｕｔｙ比に応じて発生した回転トルクよってポンプ性能を滑らかに上昇させる。前記Ｄｕｔｙ２５が１００％に達したとき、ポンプ揚程も最大に達する。

２７はＤＣポンプの滑らかな停止時の前記ドライブ波形６５のＤｕｔｙ変化期間である。ＤＣポンプは前記ドライブ波形６５のＤｕｔｙ比に応じて発生した回転トルクよってポンプ性能を滑らかに下降させる。前記Ｄｕｔｙ２５が０％に達したとき、ポンプは停止する。また、ポンプ性能は始動時と停止時共に同一になる。

以上のように本実施例１によれば、低流量域でもポンプは機器の機能が停止することをなくすことができ、圧力一定制御の低流量域においては、必要以上の圧力発生を無くして無駄な電力を削減でき省エネを図ることができる。

（実施例２）
本実施例２において、実施例１と同じ構成および作用効果を有するものについては実施例１と同一の符号を付し、その詳細な説明については実施例１の説明を援用する。

図６の実施例２に示すコンデンサ容量変化に応じたＤＣポンプ始動時のＦ／Ｖ変換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とＤＣポンプ始動時のドライブ波形図に示すように、６６は前記コンデンサ２０の容量を小さく設定したときの前記アナログ信号７のポンプ始動のアナログ信号波形である。６９は前記制御部８によって変調され出力された始動のドライブ波形である。２８は前記始動のドライブ波形６９におけるＤＣポンプが滑らかに始動するときのＤＣポンプ立上り期間である。

６７は前記コンデンサ２０の容量を大きく設定したときの前記アナログ信号７のポンプ始動のアナログ信号波形である。

７０は前記制御部８によって変調され出力された始動のドライブ波形である。２９は前記始動のドライブ波形７０におけるＤＣポンプが滑らかに始動するときのＤＣポンプ立上り期間である。

前記コンデンサ２０の容量と、立上り期間２８、２９の関係より前記コンデンサ２０の容量設定を変えることによってＤＣポンプの立上り立下り期間を任意に設定でき、前記コンデンサ２０の容量を大きくすると立上り期間は長くなり滑らかになる。

図７の実施例２に示すコンデンサ容量変化に応じたＤＣポンプ性能（流量と揚程）の特性図に示すように、前記コンデンサ２０の容量大小のＤＣポンプ性能（流量と揚程）の特性図を示す。３１は前記コンデンサ２０の容量小の時のＤＣポンプ性能曲線である。３２は前記コンデンサ２０容量大の時のＤＣポンプ性能曲線である。

前記コンデンサ２０の容量大のときは、前述のとおり立上り期間が長くなりＤＣポンプの低流量域の性能が傾き、滑らかさが増す方向になる。また、前記コンデンサ２０の容量小のときは、容量大と逆に低流量域の性能が起き、滑らかさが減る方向になる。

以上のように本実施例２によれば、コンデンサ容量を機器に応じて設定することで急峻な止水を行っても、ＤＣポンプは滑らかに停止するため、配管内に急激な圧力上昇（ウォターハンマー）を生じず、配管にショックを与えて生じる雑音を解消できる。

（実施例３）
本実施例３において、実施例１と同じ構成および作用効果を有するものについては実施例１と同一の符号を付し、その詳細な説明については実施例１の説明を援用する。

図８の実施例３に示すＤＣポンプのブロック図に示すように、３５は前記入出力部１を介して供給される切換信号である。３６は信号を切換える切換部（例えば半導体スイッチ、リレー）である。３７は前記切換部３６が選択し出力する切換出力信号である。

図９の実施例３に示すＤＣポンプ内のＦ／Ｖ変換回路と切換回路とＤＣ電圧回路図に示すように、３８、３９は前記制御電源４の電圧を分圧する抵抗である。４０はドライブ波形が１００％になるように前記抵抗３８、３９で分圧設定されたＤＣ電圧である。前記切換信号３５によって前記切換部３６は前記アナログ信号７もしくは、前記ＤＣ電圧４０を選択し出力することができる。

次に図１０の実施例３に示す切換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とドライブ波形図に示すように、７１ａは前記切換部３６から前記アナログ信号７、前記ＤＣ電圧４０共に出力されていない切換部出力なし波形である。７１ｂは前記切換部３６が前記ＤＣ電圧４０を選択出力した切換部ＤＣ電圧出力波形である。７２ａは前記切換部３６の出力なし状態に対応したＤＣポンプ停止状態のドライブ波形である。

７２ｂは前記切換部３６が前記ＤＣ電圧４０を選択し出力した状態に対応したＰＷＭ１００％のドライブ波形である。前記切換部３６の切換え操作でＤＣポンプ最大能力を発生させることができる。

また、前記抵抗３８、３９の設定によって任意にＤＣポンプの能力を設定でき、切換部３６と、前記抵抗３８、３９の構成を複数化することによって任意のポンプ能力を設定することも可能である。

そして図１１の実施例３に示すＤＣポンプの性能（流量と揚程）の特性図に示すように、４１は前記切換部３６が前記ＤＣ電圧４０を選択出力した時のＰＷＭ１００％のＤＣポンプ性能曲線である。４２は前記切換部３６が前記アナログ信号７を選択出力した時の流量センサ出力パルス信号ＤＣポンプのＤＣポンプ性能曲線である。

低流量域においてポンプ性能が必要な場合は、前記切換部３６を操作し前記ＤＣ電圧４０を出力することで、ポンプ性能は前記ＰＷＭ１００％のＤＣポンプ性能曲線４１を実現することができる。

以上のように本実施例３によれば、低流量域で圧力または流量が必要となるポンプ（例えば自吸型ポンプ）を簡単に実現できる。

なお、本実施例１から３のいずれかに示されたポンプを例えば浴槽水の循環装置に組み込んだ場合は、図１２の実施例１、２および３に示すポンプを浴槽水の循環装置に組み込んだときの全体概要図に示すように、人工大理石やステンレスまたはＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等からなる浴槽４４があり、その浴槽４４の外側には浴槽４４内の浴槽水４５を吸入して吐出するためのポンプ４６と、浴槽水４５を加熱するためのガスや電気または灯油等を用いた加熱部４７が設置されている。

浴槽４４の下部の側面には浴槽水４５の流出口４８が取りつけられていて、その流出口４８には耐熱塩ビ（塩化ビニル）やステンレス等からなる循環往路４９が接続されている。

循環往路４９の途中にはポンプ４６が取りつけられていて、さらに循環往路４９は加熱部４７に接続されている。

そして加熱部４７には同じく耐熱塩ビ（塩化ビニル）やステンレス等からなる循環復路５０が接続されていて、その循環復路５０は浴槽４４の側面であって流出口４８の上方に取りつけられた流入口５１に接続されている。

本発明のポンプは、例えば燃料電池装置やヒートポンプ装置等に使用される様々なポンプへの応用が期待できる。

実施例１に示すＤＣポンプのブロック図 実施例１に示すＤＣポンプ内のＦ／Ｖ変換回路図 実施例１に示すＦ／Ｖ変換回路の各ポイントでの波形図 実施例１に示すＤＣポンプ始動時／停止時のＦ／Ｖ変換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とＤＣポンプ始動時／停止時のドライブ波形図 実施例１に示すＤＣポンプ性能（流量と揚程）の特性図 実施例２に示すコンデンサ容量変化に応じたＤＣポンプ始動時のＦ／Ｖ変換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とＤＣポンプ始動時のドライブ波形図 実施例２に示すコンデンサ容量変化に応じたＤＣポンプ性能（流量と揚程）の特性図 実施例３に示すＤＣポンプのブロック図 実施例３に示すＤＣポンプ内のＦ／Ｖ変換回路と切換回路とＤＣ電圧回路図 実施例３に示す切換回路出力波形とＰＷＭキャリア波形とドライブ波形図 実施例３に示すＤＣポンプの性能（流量と揚程）の特性図 実施例１、２および３に示すポンプを浴槽水の循環装置に組み込んだときの全体概要図

符号の説明

１ 入出力部
２ 駆動電源
３ 基準電位（ＧＮＤ）
４ 制御電源
５ 流量センサの出力パルス信号
６ 周波数／電圧変換部（Ｆ／Ｖ変換部）
７ アナログ信号
８ 制御部
９ 駆動部
１０ モータ部
１１ ポンプ部
１１ａ 吸水口
１１ｂ 吐水口
１２ 位置検出部
１３、１４、１５、１６、１７、１８ 抵抗
１９、２０ コンデンサ
２１ ダイオード
２２、２３ トランジスタ
２４ ＤＣポンプ立上り下り期間
２５ Ｄｕｔｙ
２６ 始動時のＤｕｔｙ変化期間
２７ 停止時のＤｕｔｙ変化期間
２８ ＤＣポンプ立上り期間（容量：小）
２９ ＤＣポンプ立上り期間（容量：大）
３１ ＤＣポンプ性能曲線（容量：小）
３２ ＤＣポンプ性能曲線（容量：大）
３３ 始動時のＤｕｔｙ変化期間（容量：小）
３４ 始動時のＤｕｔｙ変化期間（容量：大）
３５ 切替信号
３６ 切替部
３７ 切替部出力信号
３８、３９ 抵抗
４０ ＤＣ電圧
４１ ＰＷＭ１００％のＤＣポンプ性能曲線
４２ 流量センサ出力パルス信号のＤＣポンプ性能曲線
４３ トランジスタ入力波形の観測ポイント
４４ 浴槽
４５ 浴槽水
４６ ポンプ
４７ 加熱部
４８ 流出口
４９ 循環往路
５０ 循環復路
５１ 流入口
６１ 流量センサの出力パルス信号波形
６２ トランジスタ入力波形
６３ａ ポンプ始動のアナログ信号波形
６３ｂ ポンプ停止のアナログ信号波形
６４ ＰＷＭキャリア波形
６５ａ 始動のドライブ波形
６５ｂ 停止のドライブ波形
６６ ポンプ始動のアナログ信号波形（容量：小）
６７ ポンプ始動のアナログ信号波形（容量：大）
６９ 始動のドライブ波形（容量：小）
７０ 始動のドライブ波形（容量：大）
７１ａ 切換部出力なし波形
７１ｂ 切換部ＤＣ電圧出力波形
７２ａ ＤＣポンプ停止状態のドライブ波形
７２ｂ ＰＷＭ１００％のドライブ波形

Claims (4)

1. 液体を吸排するポンプ部と、ポンプ部を駆動するモータ部と、モータ部の出力を制御する制御部とを有し、ポンプ部から吐出された液体の流量を検知する流量センサーを備え、前記制御部は流量センサーが流量に比例して発生した信号パルスにより検知された水量に応じてモータ部の出力を制御するために信号パルスを周波数／電圧変換する回路を設けたことを特徴とするポンプ。
2. 前記制御部は、周波数／電圧変換されたアナログ信号出力を遅延する積分回路を設けたことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記制御部は、流量センサーの信号パルスでパルス幅変調信号を発生する場合と所定のデューティ比のＰＷＭ信号を発生する場合とを切替える回路を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプを備えたことを特徴とする液体供給装置。

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