JP6145528B1 - 給水ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高い凍結防止効果を得られる給水ユニットを提供する。【解決手段】本発明の一形態にかかる給水ユニットはベースと、ベースに一体に設けられ、樹脂材料で構成され、水中ポンプに揚水管を介して接続される所定の流路を形成する連結管と、前記連結管に設けられ、前記流路の圧力を検出する圧力センサと、前記連結管に設けられ、前記流路の流量を検出する流量センサと、前記連結管に設けられ、金属製の容器、及び前記容器内に設けられた抵抗器を有するヒータと、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、水中ポンプを用いた給水ユニットに関する。

井戸水揚水等に使用される給水ユニットにおいて、外気温の低下の影響による凍結を防防止するための保温技術が提供されている。

陸上ポンプを使用した給水ユニットでは、例えば外気温やケーシング内の水温をサーミスタ等の温度センサにより検出し、ポンプ停止中に電装部内が所定温度以下になると、ポンプを強制起動して凍結防止用の運転をする。あるいは、低温時にインバータによりポンプを低速運転することで凍結防止を図るものもある。

一方、水中ポンプを使用した給水ユニットにおいては、例えば水中ポンプと、地上に設置される自動運転ユニットと、が揚水管を介して接続される構成であるため、水中ポンプを運転しても自動運転ユニットの連結管内部の水温は上昇しない。したがって、ポンプの強制起動による凍結防止策は水中ポンプを使用した給水ユニットには適用できない。水中ポンプを使用した給水ユニットの保温技術として、例えばゴムをモールドしたＰＴＣ（positive temperature coefficient）ヒータを金属製の連結管に設け、サーモスタットや電装部内のリレーにより、交流電源をＯＮ／ＯＦＦすることでＰＴＣヒータを制御する技術が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２３１５４３号公報

上述した技術では以下のような問題がある。すなわち、熱伝導率の高い金属製の連結管では外気温の影響により水が凍結しやすい。

そこで、水中ポンプを用いた給水ユニットにおいて、高い凍結防止効果を得られる保温技術が望まれている。

本発明の一形態にかかる給水ユニットはベースと、ベースに一体に設けられ、樹脂材料で構成され、水中ポンプに揚水管を介して接続される所定の流路を形成する連結管と、前記連結管に設けられ、前記流路の圧力を検出する圧力センサと、前記連結管に設けられ、前記流路の流量を検出する流量センサと、前記連結管に設けられ、金属製の容器、及び前記容器内に設けられた抵抗器を有するヒータと、を備え、前記ヒータは、前記連結管の、前記圧力センサまたは前記流量センサの下方に配置され、前記容器は前記連結管内の前記流路に少なくとも一部が露出する、ことを特徴とすることを特徴とする。

本発明によれば高い保温効果が得られる給水ユニットを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる給水ユニットの構成を示す説明図。 同実施形態にかかる自動運転ユニットの構成を一部断面で示す平面図。 同給水ユニットの図１のIII―III線における断面図。 同給水ユニットの図１のIV―IVにおける断面図。

以下、本発明の一実施形態にかかる給水ユニット１について、図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施形態に係る給水ユニット１の構成を示す説明図である。図２は、自動運転ユニット３０の平面図であり、センサカバー４６を省略するとともに、カバー３９を断面で示し、カバー３９内の構成を示している。図３は図１のIII―III線における断面図であり、図４は、図１のIV―IV線における断面図である。

図１に示す給水ユニット１は、井戸の内部などの水中の設置箇所に設けられる水中ポンプ１０と、水中ポンプ１０に一端側が接続された揚水管２０と、陸上に設置され揚水管２０の他端に接続された自動運転ユニット３０と、を備える。

水中ポンプ１０は、例えばモータと、モータに接続されたインペラを有する１段または複数段のポンプ部を備え、流体を増圧して二次側に圧送する。

揚水管２０は、その一端が水中ポンプ１０の吐出側の配管に、その他端が自動運転ユニット３０の連結管３２に、それぞれ接続され、水中ポンプ１０から自動運転ユニット３０への流路を構成する。

図１乃至図４に示すように、自動運転ユニット３０は、底部３１と連結管３２とを一体に備える樹脂製のベース３３と、連結管３２に設けられた逆止弁３４と、センサユニット３５と、ヒータ３６と、アキュムレータ３７と、連結管３２の側方に配置される電装部３８と、これらの部品を覆うカバー３９と、を備える。

ベース３３は、樹脂材料から成形され、底部３１と、連結管３２と、を一体に備えている。
底部３１は、例えば矩形の板状に形成され電装部３８等の部品を支持する上面部を有する支持部３１ａと、支持部３１ａから下方に延びるリブ状の脚部３１ｂと、を備えている。
連結管３２は、所定の流路を形成する管状部材であり、その両端に配管接続用の吸込側フランジ３２ａ及び吐出側フランジ３２ｂが設けられている。吸込側フランジ３２ａは揚水管２０に接続され、吐出側フランジ３２ｂは供給側の配管に接続される。

連結管３２において、吸込側フランジ３２ａの近傍には、逆止弁３４が設けられている。また、連結管３２において、逆止弁３４の下流側に隣接する所定の領域には、センサユニット３５用の上部開口３２ｃが形成されている。上部開口３２ｃは例えば連結管３２の上壁が開口して形成される。上部開口３２ｃは、例えばセンサユニット３５の形状に対応する長孔形状に構成されている。上部開口３２ｃに、圧力センサ４２や流量センサ４３を備えるセンサユニット３５が設けられる。

連結管３２は、センサユニット３５が取付けられる第１の領域においては、図３及び図４に示すように上側が開口するとともに、一対の平面状の側壁部と、下方に凸となる円弧状に湾曲した底壁部と、とを有する断面Ｕ字状に形成され、センサユニット３５よりも下流側の第２の領域においては断面が円形状に構成されている。

連結管３２の、上部開口３２ｃと対向する底面部には、ヒータ３６が配される筒状の収容部３２ｄが形成されている。収容部３２ｄは例えば連結管３２の湾曲する壁面の底部がヒータに対応した例えば矩形状に開口し、その開口縁部には下方に延出する筒状の周壁部３２ｅが形成されている。
連結管３２の上部開口３２ｃよりも下流側には流路断面積が減少するテーパ状の縮径部３２ｆが形成されている。
連結管３２の、縮径部３２ｆの下流側であって吐出側フランジ３２ｂよりも上流側の所定位置には、アキュムレータ３７が設置される貫通孔部３２ｇが形成されている。

逆止弁３４は、吸込側フランジ３２ａの下流側に隣接する位置に設けられている。逆止弁３４は例えば連結管３２の上壁部分から下方に延びるとともに一端側が可動に構成された弁部３４ａを有し、この弁部３４ａが流体の流れによって回動することで、連結管３２内の流路を開閉可能に構成されている。

センサユニット３５は、上部開口３２ｃに設けられるセンサーボディ４１と、センサーボディ４１の孔部４１ａに取付けられた圧力センサ４２と、センサーボディ４１の取付け部４１ｂに取付けられた流量センサ４３と、センサーボディ４１の凸部４１ｃに設けられた温度センサ４５と、これらのセンサを覆うセンサカバー４６と、を備えている。

センサーボディ４１は上部開口３２ｃを覆う板状部材であって、例えば樹脂成形により各種センサの取り付け構造としての、孔部４１ａ、取付け部４１ｂ，凸部４１ｃが、一体に形成されている。は例えばその周縁部が上部開口３２ｃの外周縁に締結部材により組付けられる。

圧力センサ４２は、例えばピエゾ効果を利用した半導体式の圧力センサであって、センサーボディ４１の孔部４１ａに設けられたダイヤフラム４２ａと、ダイヤフラム４２ａの上部に設けられた歪みゲージ４２ｂと、ダイヤフラム４２ａ及び歪みゲージ４２ｂの間に設けられた液室４２ｃと、液室４２ｃに充填された非腐食性液体、例えばシリコンオイルと、を備える。
圧力センサ４２は、連結管３２内の圧力を検出し、アナログ電圧出力可能に構成されている。圧力センサ４２は、ダイヤフラム４２ａが連結管３２内の圧力により変化したときに、液室４２ｃ内のシリコンオイルによって歪みゲージ４２ｂに圧力が印加され、当該圧力に応じた歪みゲージ４２ｂの歪み量を信号に変換することで、圧力を検出する。圧力センサ４２は、信号線を介して電装部３８に接続され、検出した圧力信号を電装部３８に送信する。

流量センサ４３は例えばパドル式の流量センサであり、センサーボディ４１の取付け部４１ｂに支持される軸受け構造部４３ａと、軸受け構造部４３ａに支持されるパドル軸４３ｂと、パドル軸４３ｂに回動可能に支持されるパドル４３ｃと、パドル４３ｃに内蔵された磁石４３ｄと、磁気センサ４３ｅと、を備えている。流量センサ４３は、信号線を介して電装部３８に接続されている。

図１及び図４に示すように、磁気センサ４３ｅは、センサーボディ４１の凸部４１ｃに収納されたセンサー基板４１ｄに搭載される。磁気センサ４３ｅは、高感度ホール素子を備え、磁束密度を検出し、アナログ電圧出力可能に構成されている。磁気センサ４３ｅは、信号線を介して電装部３８に接続されている。

温度センサ４５は、CMOS構造の温度センサと定電流回路とオペアンプを備え、ケーシング内の水温を検出し、アナログ電圧出力可能に構成されている。温度センサ４５は、信号線を介して電装部３８に接続されている。

センサカバー４６は、各種センサを収容可能なカップ状に構成され、その周縁部がセンサーボディ４１の外周縁に組付けられる。

ヒータ３６は、金属製の容器４７を構成するケース体４７ａ及びカバー体４７ｂと、容器４７内に配された抵抗器４８と、を備える。ヒータ３６は、連結管３２のセンサユニット３５の下方である所定位置に、配されている。

ケース体４７ａは、例えばステンレス製であって、プレス成型により薄板から開口を有する箱状に形成され、モールド成形によって連結管３２と一体に構成され、ケース体４７ａの側壁が連結管３２の筒状の周壁部３２ｅによって覆われる。

カバー体４７ｂは、例えばPP樹脂製であって、発熱するヒータ３６と外気との断熱効果を高めている。カバー体４７ｂと連結管３２との間にはケース体４７ａの周縁部が介在している。

なお、ヒータ３６の上面、すなわちケース体４７ａの上面は、その周りに配される連結管３２の底壁の内面と、同じ高さ位置に配置されている。すなわちヒータ３６の流路に露出する面と連結管３２の内面の下端とが面一となるように配置されている。

抵抗器４８は、例えば電力用の巻線抵抗器である。抵抗器４８は、トランジスタによるＯＮ／ＯＦＦ回路(トランジスタ回路)を介して、電装部３８の直流電源に接続されている。

電装部３８は、制御部と、水中ポンプ１０に接続されたインバータと、各種情報を記憶する記憶部としての記憶装置と、を備える。

記憶装置は、例えば、制御に必要な情報として、各種プログラムや、ヒータ３６駆動用の基準温度等を含む各種基準値や閾値を記憶する。

制御部は、予め記憶装置に記憶された各種プログラムに従って、水中ポンプ１０の動作を制御する。具体的には、制御部は、各インバータに制御信号を送信し、水中ポンプ１０に対応するインバータを制御する。例えば制御部は、センサユニット３５の各センサによって検出される検出値に基づき、各種の演算処理を行い、インバータの周波数制御により、水中ポンプ１０のモータを変速運転または停止させる。

また、制御部は、例えば温度センサ４５の検出温度に基づいてヒータ３６を駆動する。例えば温度センサ４５により検出された水温があらかじめ設定された保温基準温度となる通電基準値以下になった場合に、抵抗器４８に通電し、検出された水温が保温基準温度となる停止基準値以上になった場合、抵抗器４８への通電を停止する。

例えば本実施形態において電装部３８の例えば２４Ｖの直流電源に、トランジスタによるＯＮ／ＯＦＦ回路を介して、例えば６８Ωの抵抗器４８を接続し、抵抗器４８をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
この場合、ＯＮ時の電流は０．３５Ａ，消費電力は８．５Ｗとなる。そして、水中ポンプ１０の停止中に検出した水温が、保温基準温度、例えば３℃、以下に低下した場合に、抵抗器４８に通電する。また、水温が保温解除基準温度、例えば６℃、以上になると抵抗器４８への通電を停止する。

インバータは、信号線によって水中ポンプ１０のモータに電気的に接続されている。インバータは制御部からの制御信号に応じた所定の周波数を出力することで、水中ポンプ１０のモータを所定の回転速度で回転させる。

以上の様に構成された給水ユニット１によれば、樹脂製の連結管３２に、ヒータ３６を設けることで、高い保温効果を得ることが可能となる。
すなわち、連結管３２を断熱性の高い樹脂製としたことにより、外気温が低下しても連結管内部の水温が低下しにくくなる。このため、抵抗器４８に通電する時間が短くなり、抵抗器４８の消費電力も低減できる。また、樹脂製の連結管３２は、金属製の連結管と比べ、外気温による凍結が抑制できるため、ヒータ３６の頻繁なＯＮ／ＯＦＦを防止できる。
また、一般的に、樹脂製の連結管に直接ヒータを装着する場合には高熱による溶解の恐れがあるが、本実施形態においてはヒータ３６の発熱を、熱伝導率の高い金属製の容器４７を構成するケース体４７ａに、伝えることにより、溶解を防止できる。

本実施形態においては、圧力センサ４２や流量センサ４３を備えるセンサユニット３５の下部の所定領域にヒータ３６を配置した。これにより、圧力センサ４２や流量センサ４３の下部で温められた水が上部に移動する対流により、圧力センサ４２や流量センサ４３やその下流のアキュムレータ３７を効果的に温めることができ、凍結による被害を効率的に抑制できる。
すなわち、一般的に、連結管内部の水は外壁より凍結が始まり、開口部が狭い圧力センサ部分や狭いギャップを有する流量センサのパドルの回転部位が特に凍結しやすく、またこれらの位置が凍結するとポンプ動作に与える影響が大きいが、本実施形態においてはこれらの圧力センサ４２，流量センサ４３の下方にヒータ３６を配置することで、効果的に保温することが可能となる。

さらに、本実施形態によれば、ヒータ３６の露出面は連結管３２の底部と同位置、すなわち面一に配置したことから、ヒータ３６が流路に突出しない構成となるため、流路抵抗が小さく、連結管３２の抵抗損失を少なくすることができる。
また、金属製の容器４７によって抵抗器４８の熱を拡散させて流路に露出させることができるため、保温効果が向上できる。

例えば、比較例として、ＰＴＣヒータを用い、サーモスタットにより外気温を検出してヒータをＯＮ／ＯＦＦする方式の場合、サーモスタットの特性は精度が悪く、ＯＮ／ＯＦＦヒステリシスが大きいといった難点がある。ＯＮ／ＯＦＦの基準を高い温度、例えばＯＮは５℃、ＯＦＦは１２℃に設定せざるを得ず、通電時間が増えることから電力を浪費する。また、例えばサーミスタ等の温度センサを連結管に取付けて水温に近似した温度を検出し、電装部に内蔵されたリレーなどによりヒータを制御する方式も考えられるが、この場合には、ヒータを制御するためにサージアブソーバなどを付加した交流回路を構成する必要があり、さらに温度センサの信号を入力してマイコンがヒータを制御する出力回路が電源入力部である交流回路と直結することになる。このため従来構成のヒータは、外来ノイズに対して脆弱になりやすく、ノイズ対策などの回路設計上の困難が伴う。
これに対し、本実施形態によれば、電装部３８の直流電源にトランジスタによるＯＮ／ＦＦ回路を介して抵抗器４８を接続し、抵抗器４８のＯＮ／ＯＦＦ制御をする構成としたため、安価な汎用パワートランジスタを用いるだけでヒータ３６の制御を実現できる。また、ヒータ３６の制御部を直流回路側に配置できるため、ノイズに強い回路構成が構築できる。さらに、例えば交流方式のヒータにおいては、電源が単相１００Ｖまたは三相２００Ｖの場合にはＡＣ１００Ｖ、ＡＣ２００ヒータとして、機種別に取り付ける必要があったが、本実施形態においては直流方式のヒータとすることにより電源電圧によらず電圧を統一することが可能となる。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその
要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

例えば、上記実施形態においては、ケース体４７ａを連結管３２にモールド成型する例を示したが、これに限られるものではなく、例えば、容器４７を連結管３２にフランジ締結する構成であってもよい。この場合、フランジ面をパッキン等でシールすることにより、容器４７内に電力用の巻線抵抗器を収納・封止する。

さらに、上記実施形態の構成要件のうち一部を省略しても本発明を実現可能である。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１）
ベースと、
ベースに一体に設けられ、樹脂材料で構成され、水中ポンプに揚水管を介して接続される所定の流路を形成する連結管と、
前記連結管に設けられ、前記流路の圧力を検出する圧力センサと、
前記連結管に設けられ、前記流路の流量を検出する流量センサと、
前記連結管に設けられ、金属製の容器、及び前記容器内に設けられた抵抗器を有するヒータと、
を備えることを特徴とする給水ユニット。
（２）
前記ヒータは、前記連結管の、前記圧力センサまたは前記流量センサの下方に配置され、
前記容器は前記連結管内の前記流路に少なくとも一部が露出する、ことを特徴とする（１）に記載の給水ユニット。
（３）
前記容器は前記連結管に一体に設けられ、または締結されることを特徴とする（１）または（２）に記載の給水ユニット。
（４）
前記連結管の、前記圧力センサまたは前記流量センサの下流側に配されるアキュムレータを備えることを特徴とする（２）に記載の給水ユニット。
（５）
前記連結管内の温度を検出する温度センサと、
前記水中ポンプに接続される制御部を有する電装部と、を備え、
前記抵抗器は、トランジスタ回路によって前記電装部の直流電源に接続され、
前記制御部は、前記温度センサにより前記水中ポンプの停止中に検出される検出温度が、所定の通電基準値以下であれば前記抵抗器へ通電させ、前記検出温度が所定の停止基準値以上であれば前記抵抗器への通電を停止させる、ことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の給水ユニット。

１…給水ユニット、１０…水中ポンプ、２０…揚水管、３０…自動運転ユニット、３１…底部、３２…連結管、３２ａ…吸込側フランジ、３２ｂ…吐出側フランジ、３２ｃ…上部開口、３２ｄ…収容部、３２ｅ…周壁部、３２ｆ…縮径部、３２ｇ…貫通孔部、３３…ベース、３４…逆止弁、３４ａ…弁部、３５…センサユニット、３６…ヒータ、３７…アキュムレータ、３８…電装部、３９…カバー、４１…センサーボディ、４１ａ…孔部、４１ｂ…取付け部、４１ｃ…凸部、４２…圧力センサ、４３…流量センサ、４３ａ…軸受け構造部、４３ｂ…パドル軸、４３ｃ…パドル、４３ｅ…磁気センサ、４５…温度センサ、４６…センサカバー、４７…容器、４７ａ…ケース体、４７ｂ…カバー体、４８…抵抗器。

Claims (4)

1. ベースと、
   ベースに一体に設けられ、樹脂材料で構成され、水中ポンプに揚水管を介して接続される所定の流路を形成する連結管と、
   前記連結管に設けられ、前記流路の圧力を検出する圧力センサと、
   前記連結管に設けられ、前記流路の流量を検出する流量センサと、
   前記連結管に設けられ、金属製の容器、及び前記容器内に設けられた抵抗器を有するヒータと、
   を備え、
   前記ヒータは、前記連結管の、前記圧力センサまたは前記流量センサの下方に配置され、
   前記容器は前記連結管内の前記流路に少なくとも一部が露出する、ことを特徴とする給水ユニット。
2. 前記容器は前記連結管に一体に設けられ、または締結されることを特徴とする請求項１に記載の給水ユニット。
3. 前記連結管の、前記圧力センサまたは前記流量センサの下流側に配されるアキュムレータを備えることを特徴とする請求項１に記載の給水ユニット。
4. 前記連結管内の温度を検出する温度センサと、
   前記水中ポンプに接続される制御部を有する電装部と、を備え、
   前記抵抗器は、トランジスタ回路によって前記電装部の直流電源に接続され、
   前記制御部は、前記温度センサにより前記水中ポンプの停止中に検出される検出温度が、所定の通電基準値以下であれば前記抵抗器へ通電させ、前記検出温度が所定の停止基準値以上であれば前記抵抗器への通電を停止させる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の給水ユニット。