JP5921085B2 - ポンプ装置及びポンプ装置を搭載した作業車 - Google Patents

Description

本発明は、特に消防車に設けられるポンプ装置に関する。

ポンプ装置は、ポンプの運転中に、異音と振動を発し、吐出圧力が急激に低下することがある。
ポンプ内の水圧が局部的に下がり、その温度における飽和蒸気圧まで下がると、水が沸騰して流れの中に気泡が生じるためである。
このように、流れの中に気体が発生して空洞を作る現象をキャビテーションという。
消防ポンプの場合、利用する水源は不特定のため揚水落差が大きく、比較的細い吸管で大量の揚水を行う場合が多いため、キャビテーションが発生しやすい。キャビテーションが起こるとポンプの性能、効率を著しく低下させ、更には、激しい振動と騒音を発生し揚水不能となる。また、キャビテーションによる浸食によってポンプの寿命を短くする恐れがある。
キャビテーションは、その発生が分かり難い現象であるため、消防現場でそれを判定するには経験が必要となる。
また、ポンプの運転中に吐出圧力が低下する原因は、キャビテーション以外に、気密漏れやドレンの閉め忘れもある。
ところで、汎用のポンプ装置において、簡易にキャビテーション発生による極端な揚水量低下を防止できるポンプ装置が提案されている（特許文献１）。
特許文献１は、キャビテーションを、発生時の特有のモータ回転速度Ｎｍとポンプ運転電流値Ｉｍの特性から検知するとともに、さらに、モータ回転速度Ｎｍの増加時の圧力タンクの圧力Ｐの上昇、または、モータ回転速度Ｎｍの減少時の圧力タンクの圧力Ｐの低下を確認できないときに、キャビテーションが確実に発生していると判定し、ここでモータ回転速度を変速させ、キャビテーション発生を抑制するものである。

特開２０１０−２４２５１１号公報

しかし、特許文献１では、モータの電流値を用いるため、モータを用いないポンプ装置ではキャビテーションの発生を検知できない。
また、ポンプ部で加圧した水を蓄水する圧力タンクを備えたポンプ装置に関するものであり、消防車のポンプ装置のように、圧力タンクを持たない場合とでは、キャビテーション発生の状況が必ずしも同じとは言えない。

そこで本発明は、例えば消防車で用いられるポンプ装置のように、吸口から流体を吸い込み、圧力タンクに蓄水することなく放口から流体を放出するポンプ装置において、キャビテーションや気密漏れによるポンプ内異常を早期に警報することを目的とする。

請求項１記載の本発明のポンプ装置は、吸口から流体を吸い込み放口から前記流体を放出するポンプと、前記ポンプを回転する駆動源と、前記駆動源の駆動力を変更する操作手段と、前記ポンプ又は前記駆動源の回転数を検出する回転センサと、前記ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサとを有するポンプ装置であって、前記操作手段によって、前記駆動源に対してスロットルダウン指示及びスロットルアップ指示が行われているか否かを判断する操作判断手段と、前記圧力センサの検出値を記憶して、所定時間における圧力変動を演算する圧力変動演算手段と、前記圧力変動演算手段で演算した前記圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値とを比較する比較手段と、前記回転センサの検出値から、回転数上昇が通常の上昇値を越えた上昇にあるか否かを判断する回転数判断手段と、前記圧力センサの検出値から、圧力上昇が通常の上昇値を下回ったか否かを判断する圧力判断手段と、ポンプ内異常を判断する異常判断手段と、前記異常判断手段で前記ポンプ内異常を判断した場合に警報を発する警報手段と、を備え、前記異常判断手段では、前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルダウン指示及び前記スロットルアップ指示が行われていないと判断した場合に、前記比較手段によって前記圧力変動の前記値が前記設定値を越えたときにポンプ内異常を判断し、前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルアップ指示が行われたと判断した場合に、前記回転数判断手段によって前記回転数上昇が通常の上昇値を越えていると判断され、前記圧力判断手段によって前記圧力上昇が通常の上昇値を下回ったと判断されたときに前記ポンプ内異常を判断し、前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルダウン指示が行われていると判断した場合、及び前記駆動源に対して前記スロットルアップ指示が行われたと判断し、前記回転数判断手段によって前記回転数上昇が通常の上昇値を越えていないと判断した場合にはキャビテーションでないと判断することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のポンプ装置において、前記警報手段では、気密漏れ、空気の吸い込みなどの状態を検出して警告することを特徴とする。
請求項３記載の本発明のポンプ装置を搭載した作業車は、請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置を搭載した作業車であって、前記吸口及び前記放口が設けられていることを特徴とする。

本発明のポンプ装置によれば、キャビテーションや気密漏れなどによるポンプ内異常を早期に知ることができ、流体の放出を正常な状態に戻すことができる。

本発明の一実施例によるポンプ装置を搭載した消防車の側面図 同消防車の使用状態を示す概念図 同消防車に搭載するポンプ装置のブロック図 同消防車に搭載するポンプ装置のフロー図 同消防車に搭載するポンプ装置のフロー図 図４で示した第１の異常判断を行う処理流れを行う場合の圧力変動の値の変化を示す図 モータの回転数と圧力との変化によるキャビテーション発生を示す実験結果の図

本発明の第１の実施の形態によるポンプ装置は、操作手段によって、駆動源に対してスロットルダウン指示及びスロットルアップ指示が行われているか否かを判断する操作判断手段と、圧力センサの検出値を記憶して、所定時間における圧力変動を演算する圧力変動演算手段と、圧力変動演算手段で演算した圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値とを比較する比較手段と、回転センサの検出値から、回転数上昇が通常の上昇値を越えた上昇にあるか否かを判断する回転数判断手段と、圧力センサの検出値から、圧力上昇が通常の上昇値を下回ったか否かを判断する圧力判断手段と、ポンプ内異常を判断する異常判断手段と、異常判断手段でポンプ内異常を判断した場合に警報を発する警報手段とを備え、異常判断手段では、操作判断手段によって、駆動源に対してスロットルダウン指示及びスロットルアップ指示が行われていないと判断した場合に、比較手段によって圧力変動の値が設定値を越えたときにポンプ内異常を判断し、操作判断手段によって、駆動源に対してスロットルアップ指示が行われたと判断した場合に、回転数判断手段によって回転数上昇が通常の上昇値を越えていると判断され、圧力判断手段によって圧力上昇が通常の上昇値を下回ったと判断されたときにポンプ内異常を判断し、操作判断手段によって、駆動源に対してスロットルダウン指示が行われていると判断した場合、及び駆動源に対してスロットルアップ指示が行われたと判断し、回転数判断手段によって回転数上昇が通常の上昇値を越えていないと判断した場合にはキャビテーションでないと判断するものである。本実施の形態によれば、キャビテーションや気密漏れなどによるポンプ内異常を早期に知ることができ、流体の放出を正常な状態に戻すことができる。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるポンプ装置において、警報手段では、気密漏れ、空気の吸い込みなどの状態を検出して警告するものである。本実施の形態によれば、ドレンの閉鎖忘れを知ることができる。

本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるポンプ装置を搭載した作業車において、吸口及び放口が設けられているものである。本実施の形態によれば、放口からの水量が増えた場合に発生しやすい、キャビテーションや気密漏れを早期に知ることができる。

以下本発明の一実施例によるポンプ装置を搭載した作業車について説明する。
図１は本実施例によるポンプ装置を搭載した消防車の側面図、図２は同消防車の使用状態を示す概念図である。
本実施例による消防車は、車両フレーム１０上に、乗車キャビン１１とポンプ装置２０とを搭載している。
ポンプ装置２０は、車両両側面にそれぞれ吸口２１、放口２２、中継口２３を備えている。吸口２１には、吸水ホース２４が接続されており、この吸水ホース２４を用いて池やプールなどの貯水源２５から吸水を行う。
吸口２１とポンプ２６とは配管２７で接続され、ポンプ２６と放口２２とは配管２８で接続され、吸口２１で吸い込まれた水（流体）は、タンクに蓄水されることなくポンプ２６に導かれ、ポンプ２６から吐出される水（流体）も、タンクに蓄水されることなく、放口２２に導かれる。放口２２には、図２に示すように、放水ホース２９が接続される。
ポンプ装置２０には、ポンプ２６を回転する駆動源３０と、駆動源３０の駆動力を変更する操作手段３１が設けられている。ここで、駆動源３０には、車両に搭載しているエンジンが用いられる他、電動モータを用いてもよい。操作手段３１は、例えばエンジンへの燃料供給量を変更するスロットルである。
また、ポンプ装置２０内の配管には、複数のドレン３２が設けられ、ポンプ装置２０の使用後には、これらのドレン３２からポンプ装置２０内に残留する水を排出する。また、吸口２１には、放水を停止することなく複数の吸口を使用するために、エジェクタ３３が設けられている。なお、中継口２３は、消火栓に接続するもので、消火栓では圧力流体が供給される。

図３は同消防車に搭載するポンプ装置のブロック図である。
ポンプ装置２０には、ポンプ２６又は駆動源３０の回転数を検出する回転センサ３４と、ポンプ２６の吐出圧力を検出する圧力センサ３５と、制御手段４０とを有する。
ドレン３２は、図示のように、ポンプ２６、配管２７、及び配管２８に設けている。
制御手段４０は、圧力センサ３５の検出値を記憶する圧力記憶手段４１と、圧力記憶手段４１に記憶した検出値から所定時間における圧力変動を演算する圧力変動演算手段４２と、圧力変動演算手段４２で演算した圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値とを比較する比較手段４３と、操作手段３１による駆動源３０の駆動力の変更が行われていない場合に、比較手段４３によって圧力変動の値が設定値を越えたときにポンプ内異常を判断する異常判断手段４４とを備えている。
なお、異常判断手段４４は、駆動源３０の駆動力の変更が行われていないことを回転センサ３４で行うものであってもよい。
また、制御手段４０は、回転センサ３４の検出値を記憶する回転数記憶手段４５と、回転数記憶手段４５に記憶した検出値から回転数上昇を判断する回転数判断手段４６と、圧力センサ３５の検出値から圧力低下を判断する圧力判断手段４７とを備えている。異常判断手段４４では、回転数判断手段４６によって回転数上昇が判断され、圧力判断手段４７によって圧力低下が判断されたときにポンプ内異常を判断する。
警報手段５０は、異常判断手段４４でポンプ内異常を判断した場合に警報を発する。警報手段５０による警報は、キャビテーションや気密漏れによる吐出圧力低下だけでなく、ドレン３２やエジェクタ３３の閉め忘れによる吐出圧力低下を促すものであってもよい。

図４及び図５は同消防車に搭載するポンプ装置のフロー図である。
図４では、第１の異常判断を行う処理流れを示している。
ステップ１では、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われているか否かを判断する。ステップ１において、操作手段３１での操作が行われていないと判断した場合には、回転センサ３４からの検出値に基づいて回転数判断手段４６において回転数が降下していないかが判断される（ステップ２）。
ステップ２において、回転数が低下していないと判断された場合には、圧力センサ３５の検出値に基づいて圧力変動演算手段４２によって圧力変動が演算される（ステップ３）。
ステップ３において演算された圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値ΔＰ１とを比較手段４３で比較する（ステップ４）。
ステップ４において、演算された圧力変動の値が設定値ΔＰ１を越える場合には異常判断手段４４においてキャビテーションであると判断され、警報手段５０により警報が発せられる（ステップ５）。
なお、ステップ１において操作手段３１での操作が行われていると判断された場合、ステップ２において回転数が低下していると判断された場合、ステップ４において演算された圧力変動の値が設定値ΔＰ１以下の場合には、いずれも異常判断手段４４では、キャビテーションでないと判断する（ステップ６）。

図５では、第２の異常判断を行う処理流れを示している。
ステップ１１では、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われてスロットルダウン（回転数低下）指示が行われているか否かを判断する。ステップ１１において、操作手段３１での操作でスロットルダウン指示が行われていないと判断した場合には、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われてスロットルアップ（回転数上昇）指示が行われているか否かを判断する（ステップ１２）。ステップ１２において、操作手段３１での操作でスロットルアップ指示が行われていると判断した場合には、回転数判断手段４６によって回転数が回転数上限を越えているか否かが判断される（ステップ１３）。ここで回転数上限は現在の回転数＋ΔＲ２であり、回転数がΔＲ２を越えた上昇にあるか否かが判断される。
ステップ１３において、回転数がΔＲ２を越えた上昇にあると判断された場合には、圧力センサ３５の検出値に基づいて圧力判断手段４７によって圧力が圧力上限を下回っているか否かが判断される（ステップ１４）。ここで圧力上限は現在の圧力＋ΔＰ２であり、圧力がΔＰ２を下回った上昇に過ぎないか否かが判断される。
ステップ１４において、圧力が圧力上限を下回っている場合には異常判断手段４４においてキャビテーションであると判断され、警報手段５０により警報が発せられる（ステップ１５）。
なお、ステップ１１において操作手段３１での操作でスロットルダウン指示が行われていると判断された場合、ステップ１２において操作手段３１での操作でスロットルアップ指示が行われていないと判断された場合、ステップ１３において回転数がΔＲ２を越えた上昇にないと判断された場合、ステップ１４において圧力がΔＰ２を下回った上昇でない
場合には、いずれも異常判断手段４４では、キャビテーションでないと判断する（ステップ１６）。

図６は、図４で示した第１の異常判断を行う処理流れを行う場合の圧力変動の値の変化を示す図である。
図６では、時間Ｔ１まで、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われてスロットルアップ（回転数上昇）指示が行われていることを示している。図４におけるステップ１では、この状態においては、圧力センサ３５の検出値に基づいた圧力変動演算手段４２による圧力変動の演算は行われない。
スロットルアップ（回転数上昇）指示が無くなった時間Ｔ１の後、時間Ｔ２までは、圧力センサ３５の検出値は低下し、回転数も低下するが、この時間Ｔ１から時間Ｔ２の間は、圧力センサ３５の検出値に基づいた圧力変動演算手段４２による圧力変動の演算は行われない（ステップ２）。
時間Ｔ２から時間Ｔ３の間は、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われておらず、回転数が一定の状態を示している。ステップ３による演算とステップ４における比較は、この時間Ｔ２から時間Ｔ３の間で行われる。
ここで、設定値ΔＰ１を−４とすると、図６では時間Ｔ２から時間Ｔ３の間では異常検出は行われていない。図６に示す時間Ｔ２から時間Ｔ３の間で、演算された圧力変動の値が設定値ΔＰ１が−４を越える（下回る）場合には異常判断手段４４においてキャビテーションであると判断される。
なお、図６では、時間Ｔ３以降は、操作手段３１によって駆動源３０の操作が行われてスロットルダウン（回転数低下）指示が行われていることを示している。

図７は、モータの回転数と圧力との変化によるキャビテーション発生を示す実験結果の図である。
図７では、操作手段３１によって駆動源３０の操作を行い、スロットルアップ（回転数上昇）指示とスロットルダウン（回転数低下）指示によって変動する回転数と圧力を示している。
時間Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６は、いずれも、スロットルアップ指示を与えた場合に、圧力が圧力上限を下回っている場合である。
時間Ｔ７は、操作手段３１による駆動源３０の操作指示が行われていない期間に、演算された圧力変動の値が設定値ΔＰ１を越える場合である。

本実施例によるポンプ装置によれば、圧力センサ３５の検出値を記憶して、所定時間における圧力変動を演算する圧力変動演算手段４２と、圧力変動演算手段４２で演算した圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値とを比較する比較手段４３と、操作手段３１による駆動源３０の駆動力の変更が行われていない場合に、比較手段４３によって圧力変動の値が設定値を越えたときにポンプ内異常を判断する異常判断手段４４と、異常判断手段４４でポンプ内異常を判断した場合に警報を発する警報手段５０とを備えたことで、キャビテーションや気密漏れなどによるポンプ内異常を早期に知ることができ、流体の放出を正常な状態に戻すことができる。
また、本実施例によるポンプ装置によれば、吸口２１から放口２２までの間にドレン３２を有し、警報手段５０による警報をドレン３２の開放とすることで、ドレン３２の閉鎖忘れを知ることができる。
また、本実施例によるポンプ装置によれば、異常判断手段４４において、駆動源３０の駆動力の変更が行われていないことを回転センサ３４で行うことで、操作手段３１による駆動源３０の駆動力の変更を検出するために別途の検出器を設けることがなく、コスト面で優れている。
また、本実施例によるポンプ装置によれば、回転センサ３４の検出値から回転数上昇を判断する回転数判断手段４６と、圧力センサ３５の検出値から圧力低下を判断する圧力判断手段４７とを有し、異常判断手段４４では、回転数判断手段４６によって回転数上昇が判断され、圧力判断手段４７によって圧力低下が判断されたときにポンプ内異常を判断するものであり、キャビテーションや気密漏れなどによるポンプ内異常を早期に知ることができる。

本発明は、例えば消防車に用いられるポンプ装置に適している。

２１ 吸口
２２ 放口
２３ 中継口
２４ 吸水ホース
２７ 配管
２８ 配管
３０ 駆動源
３１ 操作手段
３２ ドレン
３３ エジェクタ
３４ 回転センサ
３５ 圧力センサ
４０ 制御手段
４１ 圧力記憶手段
４２ 圧力変動演算手段
４３ 比較手段
４４ 異常判断手段
４５ 回転数記憶手段
４６ 回転数判断手段
５０ 警報手段

Claims (3)

1. 吸口から流体を吸い込み放口から前記流体を放出するポンプと、前記ポンプを回転する駆動源と、前記駆動源の駆動力を変更する操作手段と、前記ポンプ又は前記駆動源の回転数を検出する回転センサと、前記ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサとを有するポンプ装置であって、
   前記操作手段によって、前記駆動源に対してスロットルダウン指示及びスロットルアップ指示が行われているか否かを判断する操作判断手段と、
   前記圧力センサの検出値を記憶して、所定時間における圧力変動を演算する圧力変動演算手段と、
   前記圧力変動演算手段で演算した前記圧力変動の値と、あらかじめ設定した設定値とを比較する比較手段と、
   前記回転センサの検出値から、回転数上昇が通常の上昇値を越えた上昇にあるか否かを判断する回転数判断手段と、
   前記圧力センサの検出値から、圧力上昇が通常の上昇値を下回ったか否かを判断する圧力判断手段と、
   ポンプ内異常を判断する異常判断手段と、
   前記異常判断手段で前記ポンプ内異常を判断した場合に警報を発する警報手段と、
   を備え、
   前記異常判断手段では、
   前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルダウン指示及び前記スロットルアップ指示が行われていないと判断した場合に、前記比較手段によって前記圧力変動の前記値が前記設定値を越えたときに前記ポンプ内異常を判断し、
   前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルアップ指示が行われたと判断した場合に、前記回転数判断手段によって前記回転数上昇が通常の上昇値を越えていると判断され、前記圧力判断手段によって前記圧力上昇が通常の上昇値を下回ったと判断されたときに前記ポンプ内異常を判断し、
   前記操作判断手段によって、前記駆動源に対して前記スロットルダウン指示が行われていると判断した場合、及び前記駆動源に対して前記スロットルアップ指示が行われたと判断し、前記回転数判断手段によって前記回転数上昇が通常の上昇値を越えていないと判断した場合にはキャビテーションでないと判断する
   ことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記警報手段では、気密漏れ、空気の吸い込みなどの状態を検出して警告することを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のポンプ装置を搭載した作業車であって、
   前記吸口及び前記放口が設けられていることを特徴とするポンプ装置を搭載した作業車。