JP4812327B2 - 給水装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、井戸から水を汲み上げるために用いられる給水装置に関し、特に、インバータなどの周波数変換器によって可変速運転されるモータポンプを備えた給水装置に関する。

例えば、井戸用のポンプの駆動源として、周波数変換器（インバータ）によって回転を制御することができるモータを用い、ポンプを可変速運転することが広く行われている。インバータを用いることによって、電源を問わず運転が可能であり、また、可変速運転することによって、水源や需要側の状況に応じた種々の制御が可能になる。

ところで、井戸のような水源の水位は必ずしも一定ではなく、季節や天候等の条件、あるいは揚水量等によって変動する。水位が低下している状況で運転を行うと、エネルギーの無駄となるだけでなく、ポンプの摺動部分に潤滑機能が無い状態で運転するために該当部分が過熱し、部品が損傷してしまう。

このような空運転を防止するために、水源に水位センサを設置して水位を検知し、これに応じて運転を制御する方法が有る。水位センサとしては、水位電極やフロートを利用する。しかしながら、このようなセンサを例えば深井戸に設置するのは、センサ自体、センサのための制御回路、さらには設置およびメンテナンス等のコストが必要となる。

他の方法として、ポンプの回転数と電流値の関係から空運転状態を検知して運転を制御する方法が提案されている。空運転状態であれば流量はゼロであって、ポンプの負荷は小さいので、通常運転時に比して回転数に対応する電流値も小さい。従って、電流値がある閾値以下であれば空運転状態であると判断できるからである。

この方法は、ポンプ自体のインバータの制御回路を用いて、すなわち、制御チップに制御プログラムを組み込むことで実行できるので、コストは僅かで済む。しかしながら、ポンプ摺動部に砂が詰まるなどした場合、摩擦によって負荷が低下せず、電流値が閾値以下にならない場合が有る。このように別の異常事態があると対応できないのでは、信頼性が低くなってしまう。

特開2002-195163号公報

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、余分なコストを掛けることなく、しかも信頼性の高い空運転防止機能を有する給水装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の給水装置は、ポンプと、該ポンプの駆動モータを可変速制御するインバータと、ポンプの運転周波数に対応して締切り運転電流値と空運転電流値の中間の値に設定され、ポンプの運転周波数がゼロに近い所定の領域ではゼロに設定された基準電流値を記憶し、ポンプの駆動電流値が前記基準電流値よりも低い場合にポンプの空運転状態を検出する第１の空運転検出手段と、ポンプの回転数、吐出し側の圧力および水量からポンプの空運転状態を検出する第２の空運転検出手段を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の空運転検出手段によってポンプの駆動モータの負荷に基づいてポンプの空運転状態を検出し、第２の空運転検出手段によってポンプの吐出し側の状況に基づいてポンプの空運転状態を検出する。このように、異なるデータを基にした２つの検出手段を併用し、あるいは組み合わせて用いることにより、精度の高い、あるいはより確実な空運転検出を行うことができる。

請求項２に記載の給水装置は、請求項１に記載の発明において、前記第１および第２の空運転検出手段の少なくとも一方が空運転を検出した場合に前記ポンプの運転を停止することを特徴とする。
請求項２に記載の発明によれば、２つの検出手段を併用することにより、一方の検出手段だけでは検出できない空運転の状況を他方が補って検出するので、より確実性の高い空運転防止を行うことができる。

請求項３に記載の給水装置は、請求項２に記載の発明において、空運転が検出されてポンプが停止した後、所定の時間経過後該ポンプの運転を再開することを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、空運転が一時的な原因である場合には、原因が解除された後に自動的に運転が復旧される。従って、復旧の作業の手間が省け、ポンプの効率的な運転が可能となる。

請求項４に記載の給水装置は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明において、前記第２の空運転検出手段は、ポンプの回転数が所定値以上であり、水量および圧力がそれぞれ所定値以下である状態が、所定の時間継続した場合にポンプを停止させることを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、空運転状態が瞬間的である場合には、ポンプを停止させることがないので、ポンプの効率的な運転が可能となる。

請求項１ないし請求項４に記載の給水装置によれば、ポンプの制御に通常用いられる機器を用いた２つの異なる検出手段を用いることにより、確実な空運転検出を低コストで行うことができ、安全性の高い給水装置を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、深井戸から揚水して需要者に供給する給水装置であり、井戸内に設置した水中ポンプ１０と、この水中ポンプ１０に設置された吐出し配管１２と、水中ポンプ１０に給電しかつこれを制御するための機器を収容する制御盤１４とを有している。吐出し配管１２には、逆止弁１６、フロースイッチ１８、圧力センサ２０、および圧力タンク２２が設けられ、これらと制御盤１４は地上ユニット２４内に収容されている。水中ポンプ１０はポンプ本体と駆動モータとを備えており、駆動モータには、制御盤１４内に設置されたインバータ２６から制御された周波数の交流がケーブル２８を介して供給される。圧力タンク２２内には所定のガスが封入されており、需要者側が不使用である場合に給水装置が稼動を続ければこの圧力が上昇する。圧力センサ２０はこの圧力を検出し、その出力信号を制御盤１４に設置された制御装置に送る。

この給水装置は、需要者側の使用態様によって異なる動作をする。第１のモードとして、需要者側に受水槽がある場合には、その水位によってＯＮ―ＯＦＦの動作が制御される。すなわち、受水槽の水位計が低レベル信号を発した場合にＯＮになり、高レベル信号を発した場合にＯＦＦとなる。この場合、圧力タンク２２の圧力は受水槽の高さへ揚水可能であるような値になるように、ポンプ１０の回転数が制御される。第２のモードとして、需要者側に受水槽が無い場合、例えばポンプ１０からの水が家庭用の蛇口から直接給水される場合には、例えば圧力センサ２０の値によってＯＮ―ＯＦＦされる。この場合、圧力タンク２２の圧力は各蛇口から安定して給水が可能であるように、ポンプ１０の回転数が制御される。

いずれの場合も、ポンプ１０の吐出し側の圧力が所定範囲に有るように、ポンプ１０の回転数、すなわち、インバータ２６の出力周波数が制御される。つまり、圧力が設定範囲以下であれば、制御装置はインバータ２６の出力周波数を上昇させ、設定範囲以上であれば、周波数を低下させる。圧力設定範囲の下限は、それぞれの受水槽へあるいは蛇口からの給水が行えるヘッドである。通常、圧力範囲の中間値を目標として回転数を制御するようにプログラムしている。第２のモードにおいて、使用水量が多い場合には、圧力が上昇しない場合が有るが、その場合は、モータの定格等から決められる最高回転数に達したらそれ以上回転数を上昇させることはせず、その回転数で運転を継続する。

次に、空運転による装置の破損を防止するための手段を、図２によって説明する。この給水装置は、２つの空運転検出手段を有しており、これらのいずれか一方が空運転を検出した場合には、ポンプ１０の運転を停止する。第１の検出手段は、ポンプ１０の負荷を検出して空運転を判断するもので、ポンプ１０の駆動電流を検出し、その値が締切運転時の値よりさらに小さい所定値以下である場合には、空運転であると判断するものである。この第１の検出手段は、この実施の形態では、専用又は汎用のコンピュータ等の制御装置３０によって実行される機能であり、以下の各部も、チップやパーソナルコンピュータ等の中に仮想的に構成される。

第１の検出手段は、運転状態が空運転であると判断される基準電流値記憶部３２を有している。基準電流値は、図３に示すように、運転周波数に対応して設定されている。これは、以下のように設定される。ある運転周波数において所定の圧力を出力する場合に、モータの負荷を表す電流値は流量が小さくなれば小さくなり、流量がゼロの場合は圧力の維持や摩擦による仕事を負荷するエネルギーだけとなる。これは、図３に締切運転電流値として表されている。空運転の場合は、水が無い状態で羽根車が空転するので、さらに電流値は低下し、これは図３に空運転電流値として表されている。これらの値は、実測することができ、データとして蓄積されている。ここで、これらの締切運転電流値と空運転電流値との中間の適当な値を基準電流値と定めれば、測定電流値がこれ以下であれば、空運転と判断できる。従って、これを記憶させている。

なお、この給水装置においては、ポンプ１０の回転数はインバータ２６の出力する運転周波数によって求めている。実際に回転数を測定するための計器を設置するのはコスト高になるためである。回転数がある値（通常f max/4程度）以下では、締切り運転電流値と空運転電流値の差が僅かとなる。そこで誤動作を避ける為、基準電流値は周波数がゼロに近い所定の領域ではゼロに設定しており、そのような範囲では空運転の判断はしないようになっている。

第１の検出手段は、さらに、インバータ２６の出力周波数を検出する周波数検出部３４と、インバータ２６からモータに供給される電流値を検出する電流検出部３６と、周波数検出部３４が検出した周波数に対応する基準電流値を基準電流値記憶部３２から取得する基準電流値取得部３８と、検出した電流値と取得した基準電流値とを比較し、検出電流値≦基準電流値の場合に空運転であると判断する第１の判定部４０とを有している。

次に第２の検出手段を説明する。これは、ポンプ１０の吐出し側の状況に基づいて空運転かどうかを判断するもので、ポンプ１０の回転数に対して流量が少ない場合及び／又は圧力が小さい場合に空運転と判断する。この実施の形態では、第２の検出手段は、吐出し配管１２に設置されたフローセンサ１８および圧力センサ２０と、これらの出力を受ける流量検出部４２および圧力検出部４４と、上述した周波数検出部３４と、これら流量検出部４２、圧力検出部４４、周波数検出部３４からの出力信号に基づいて空運転状態か否かを判断する第２の判定部４６とから構成されている。フローセンサ１８は、設定流量に対する実際の流量の大小を判断できれば良いので、連続値を測定する流量計だけでなく、特定の流量値に対してＯＮ−ＯＦＦするいわゆるフロースイッチ１８でもよい。流量計の場合は、測定値が検出部に入力され、フロースイッチ１８の場合はＯＮ−ＯＦＦ信号が入力される。

第２の判定部４６には、ポンプ１０が空運転をしていることを判断するための設定値が予め入力されている。これは、設定流量Ｑmin、設定圧力Ｈmin、設定周波数ｆ0である。設定周波数ｆ0は、先に説明したポンプ１０の最高回転数ｆmax又はこれに近い値に設定される。空運転の場合には、吐出し圧力が上昇しないので、制御装置３０はインバータ２６の出力周波数を上げるように制御するので、測定周波数もポンプ１０の最高回転数ｆmax又はこれに近い値になっているからである。設定流量Ｑminはゼロ又はこれに近い値である。設定圧力Ｈminは、先に説明したポンプ１０の運転目標圧力より小さい適当な値を設定する。第２の判定部４６では、空運転である状態が所定の時間継続した場合に、空運転と判断する。これは、一時的な空運転であれば、摺動部の過熱や破損等に到る可能性が小さいからである。このような待機設定時間ｔ0は制御装置３０の入力手段等によって予め設定しておく。

以下、このように構成された給水装置の動作を、空運転防止動作を中心に説明する。なお、この例では、需要者側に受水槽が有る第１のモードの場合であって、迅速に給水するために目標設定圧力は充分高い値に設定され、従って、定常的には運転周波数は最高回転数ｆmaxとなる場合を説明する。例えば、牧場等の過疎地の深井戸に設置され、太陽電池を電源として家畜の飲用水を受水槽に給水する場合である。

図４は、空運転防止のための制御工程を示すフロー図であり、制御装置３０は、ステップ１においてポンプ１０の運転周波数を検出し、ステップ２において基準電流記憶部の記憶データを基に測定された運転周波数に対応する基準電流値を取得する。次に、ステップ３において駆動モータの電流値を検出し、ステップ４において、測定電流値≦基準電流値かどうかを判断する。ＹＥＳであれば、第１の検出手段によって空運転が検出されたので、ステップ１１においてポンプ１０の運転を停止する。

ステップ４における判断がＮＯである場合には、第２の検出手段による判定を行う。ステップ５において、吐出し側の流量が設定流量以下であるかどうかを判断し、ＹＥＳであれば、ステップ６において、圧力センサ２０により検出された圧力が設定圧力以下であるかを判断する。ステップ６でＹＥＳであれば、さらにステップ７において、取得された運転周波数が設定周波数以上であるかを判断する。ステップ７でＹＥＳであれば、ステップ８において、制御装置３０内部のタイマーをスタートさせ、又は既にタイマーがスタートしている場合にはそれを継続させる。そして、ステップ１０において経過時間が設定時間ｔ0に達したかを判定し、ＹＥＳであれば、ステップ１１においてポンプ１０を停止する。ステップ１０において経過時間が設定時間ｔ0に達していない場合には、ステップ１に戻って以下の工程を繰り返す。ステップ５〜７においていずれかの判定がＮＯである場合は、ステップ９においてタイマーを解除し、ステップ１に戻る。

このように、この給水装置では、第１の検出手段および第２の検出手段を併用しているので、相互の欠点を補い合うことで、より確実に空運転を防止することができる。例えば、第１の検出手段では、ポンプ１０摺動部に砂が詰まるなどした場合には空運転を検出できないが、第２の検出手段では現実に低流量であれば検出することができる。一方、第２の検出手段では、吐出し圧力一定制御或いは推定末端圧力一定制御を行なう場合、空運転状態発生から空運転を検知しポンプ１０停止させるまでに、制御上一定時間が必要となるが、第１の検出手段は迅速に動作するので問題が無い。

なお、空運転が検出されて、ポンプ１０が停止した後、一定時間後に、自動的にポンプ１０の運転を再開させるようにしてもよい。これは、特に上述した過疎地における無人運転のような場合に好適である。人手による復旧には時間を要し、また、一定時間の経過後に、空運転の原因が解消している可能性が有り、原因が解消していない場合でも再度停止することができるからである。

この発明の給水装置を深井戸に設置した実施の形態を示す図である。 図１の実施の形態の給水装置の制御装置の構成を示すブロック図である。 第１の検出手段の制御方法を説明するグラフである。 図１の実施の形態の給水装置の空運転検出工程を説明するフロー図である。

符号の説明

１０ 水中ポンプ
１２ 吐出し配管
１４ 制御盤
１６ 逆止弁
１８ フロースイッチ
２０ 圧力センサ
２２ 圧力タンク
２４ 地上ユニット
２６ インバータ
２８ ケーブル
３０ 制御装置
３２ 基準電流値記憶部
３４ 周波数検出部
３６ 電流検出部
３８ 基準電流値取得部
４０ 第１の判定部
４２ 流量検出部
４４ 圧力検出部
４６ 第２の判定部

Claims (4)

1. ポンプと、
   該ポンプの駆動モータを可変速制御するインバータと、
   ポンプの運転周波数に対応して締切り運転電流値と空運転電流値の中間の値に設定され、ポンプの運転周波数がゼロに近い所定の領域ではゼロに設定された基準電流値を記憶し、ポンプの駆動電流値が前記基準電流値よりも低い場合にポンプの空運転状態を検出する第１の空運転検出手段と、
   ポンプの回転数、吐出し側の圧力および水量からポンプの空運転状態を検出する第２の空運転検出手段を備えたことを特徴とする給水装置。
2. 前記第１および第２の空運転検出手段の少なくとも一方が空運転を検出した場合に前記ポンプの運転を停止することを特徴とする請求項１に記載の給水装置。
3. 空運転が検出されてポンプが停止した後、所定の時間経過後該ポンプの運転を再開することを特徴とする請求項２に記載の給水装置。
4. 前記第２の空運転検出手段は、ポンプの回転数が所定値以上であり、水量および圧力がそれぞれ所定値以下である状態が、所定の時間継続した場合にポンプを停止させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の給水装置。

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