JP6554337B2 - 給水装置 - Google Patents

Description

本発明は、羽根車式の流量検出装置、及び、羽根車式の流量検出装置を有する給水装置に関する。

ビル等の建造物には、蛇口やシャワーヘッド等の給水先に給水する給水装置が用いられている。給水装置は、ポンプの停止中に、ポンプの二次側に設けられた圧力検出装置で検出された圧力が起動圧力以下となった場合に、ポンプを駆動する。その後、流量検出装置により、流量が停止流量以下になったことを検出すると、ポンプを停止する。

流量検出装置として、羽根車式の流量検出装置が知られている。羽根車式の流量検出装置は、配管内に垂直となる姿勢で固定された主軸、主軸回りに回転可能に支持され、通過する水流によって回転する羽根車、及び、羽根車の回転を検出する検出部を有している。流量検出装置は、羽根車を通過した流量に比例した信号を取り出すことで、流量を検出可能となる。

羽根車は、その軸方向の長さにより、通過する水の流速が羽根車の部分によって異なる。例えば、羽根車の上端が流路壁面の近傍に位置し、羽根車の下端が流路断面の中心側に位置する場合では、羽根車の下端及びその近傍を通過する水流の流速は、羽根車の上端及びその近傍を通過する水流の流速よりも速くなる。

この為、流量が大きくなると、羽根車の下端の近傍が水流により二次側に押し出される。羽根車の下端の近傍が二次側に押し出されることにより、羽根車が垂直方向に対して傾く。

羽根車が傾くことによって、羽根車は水から上方へ押し上げる推力を受ける。この推力が所定値を越えると、羽根車は、支持部に支持されていた位置から浮上する。羽根車は、その後、流速の減少に伴い上方に押し上げる推力が減少すると、沈下する。

なお、羽根車が浮上する際の流速、及び、羽根車が浮上した状態から沈下する際の流速が異なることから、流量の増大時及び減少時で羽根車の回転数が異なる値となるヒステリシスが生じる。ヒステリシスが生じることにより、流量値を正確に検出することが難しくなる。

一方、測定精度の向上を目的として、羽根車が配管内に突出する突出量を羽根車の外径の半分以下にした構造が提案されており、主軸を水平方向となる姿勢で配管内に固定する構造となっているが、水平方向との際についてはなんら記載されていない（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１０１６６９号公報

上述のように、主軸が水平方向に平行となる姿勢で配管内に固定される流量検出装置では、以下のような問題があった。すなわち、主軸が配管に固定されているので、例えば損傷した主軸を交換する場合は、配管において主軸が固定される部分を含む管ごと交換する必要があり、交換作業の効率が悪くなる。

本発明は、流量を正確に検出でき、且つ、交換作業を簡単に行うことができる流量検出装置、及び、この流量検出装置を有する給水装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様として、給水装置は、水が流れる配管と、前記水を増圧するポンプと、主軸、前記主軸の一端側が固定され、且つ、前記主軸が前記配管内で水平方向に平行となる姿勢で前記配管に着脱可能に固定される基部、前記主軸に支持される羽根車、及び、前記羽根車の回転を検出する検出部を具備する流量検出装置と、を備える。前記配管は、前記羽根車の径よりも大きい径を有する円形に形成されて前記主軸の他端側の先端部を収容する収容孔が形成された端壁部を有し、前記端壁部の外縁より内側に前記羽根車を配置する。

本発明は、流量を正確に検出でき、且つ、交換作業を簡単に行うことができる流量検出装置、及び、この流量検出装置を有する給水装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る給水装置を示す概略図。 同給水装置の吐出配管の一部を示す平面図。 同吐出配管の第１の連結管を示す断面図。 同第１の連結管を示す断面図。

本発明の一実施形態に係る給水装置１を、図１〜４を用いて説明する。図１は、給水装置１を示す概略図である。給水装置１は、例えば、水道本管に直結され、水道本管から供給された水を増圧し、建造物の蛇口やシャワーヘッド等の給水先に給水する、所謂直結増圧型給水装置である。

図１に示すように、給水装置１は、吸込配管１０、吸込配管１０の二次側に連結される複数のポンプ装置２０、ポンプ装置２０のポンプ２１の二次側に連結される吐出配管３０、吐出配管３０に設けられた流量検出装置４０、吐出配管３０に設けられた圧力検出装置６０、及び、ポンプ装置２０のそれぞれを制御可能に構成された制御装置７０を有している。

吸込配管１０は、水道本管に連結された吸込管、及び、吸込管の二次側に連結される、ポンプ装置２０の数と同数の分岐管１１を有している。

ポンプ装置２０は、例えば２台用いられている。ポンプ装置２０は、分岐管１１の二次側に連結されるポンプ２１、及び、ポンプ２１を駆動するモータ２２を有している。ポンプ２１は、分岐管１１からの水を増圧して、二次側に揚水可能に形成されている。

図２は、吐出配管３０の一部を示す平面図である。図１，２に示すように、吐出配管３０は、ポンプ２１のそれぞれの二次側に連結された第１の連結管３１、第１の連結管３１の二次側に連結された逆止弁３２、逆止弁３２のそれぞれの二次側に連結された合流管３３、及び、合流管３３の二次側に連結された送水配管３４を有している。

図３は、第１の連結管３１を示す断面図である。図３に示すように、第１の連結管３１は、９０度屈曲する屈曲管である。具体的には、第１の連結管３１は、ポンプ２１の吐出口に連結されて上方に延びる第１の管部３１ａ、第１の管部３１ａから９０度屈曲する屈曲管部３１ｂ、及び、屈曲管部３１ｂから水平方向に延びる第２の管部３１ｃを有している。

第１の管部３１ａは、屈曲管部３１ｂに向かうにつれて縮径する形状を有している。第１の管部３１ａ内には、整流板３６が設けられている。整流板３６は、例えば断面形状が十字形状であり、第１の管部３１ａ内を４つの流路に区画している。

屈曲管部３１ｂは、第１の管部３１ａから９０度屈曲しており、例えば、その軸線に直交する流路断面が略一定に形成されている。

図４は、第２の管部３１ｃをその軸線方向に直交する断面で切断した断面図である。図２，３，４に示すように、第２の管部３１ｃは、収容部３７、及び、水平方向に開口する開口部３８を有している。

収容部３７は、例えば、屈曲管部３１ｂの壁部に連続して形成されている。換言すると、収容部３７は、屈曲管部３１ｂのすぐ二次側に配置されている。収容部３７は、周壁部３７ａ、及び、端壁部３７ｂを有している。周壁部３７ａは、第２の管部３１ｃの上部に設けられており、周壁部３７ａ以外の部分に対して上方に突出している。周壁部３７ａは、その内側空間内に、流量検出装置４０の羽根車４３の軸線を水平方向に平行な姿勢で且つ第２の管部３１ｃ内の流路よりも上方にオフセットさせて収容可能に形成されている。

周壁部３７ａは、例えば、半円筒形状を有している。周壁部３７ａの内面の曲率中心は、例えば、第２の管部３１ｃ内の流路から上方にオフセットされた位置に配置されている。

端壁部３７ｂは、周壁部３７ａの一端に設けられている。また、端壁部３７ｂの下端は、第２の管部３１ｃ内に突出している。端壁部３７ｂは、図３に示すように、例えば水平方向に見た形状が羽根車４３の径よりも大きい径を有する円形に形成されている。端壁部３７ｂには、流量検出装置４０の主軸４２の先端部を収容可能な、収容穴３７ｃが形成されている。

開口部３８は、第２の管部３１ｃにおいて収容部３７と同軸となる位置に形成されており、水平方向に開口している。開口部３８の内面には、雌ねじが形成されている。また、開口部３８には、Ｏリング等のシール構造が設けられている。

逆止弁３２は、二次側から一次側への水の流れを規制可能に形成されている。

合流管３３は、逆止弁３２のそれぞれの二次側に連結され、逆止弁３２のそれぞれからの水を合流可能に形成されている。送水配管３４は、合流管３３の二次側に連結されており、合流した水を蛇口やシャワーヘッド等の供給先に接続されている。

流量検出装置４０は、水を受けて回転する羽根車の回転を検出し、この回転に応じた信号を出力可能に形成された、羽根車式の流量検出装置である。

流量検出装置４０は、開口部３８に螺合可能な基部４１、基部４１に固定される主軸４２、主軸４２に設けられた座金４６、主軸４２に回転可能に支持された羽根車４３、羽根車４３に設けられた磁石４４、磁石４４の磁束を検出する磁気検出部４５を有している。

基部４１は、開口部３８に螺合可能に形成された円筒部４１ａ、円筒部４１ａ内に形成された仕切壁部４１ｂ、及び、円筒部４１ａの一端に形成されたフランジ部４１ｃを有している。円筒部４１ａは、その周面に開口部３８の雌ねじに螺合可能な雄ねじが形成されている。

フランジ部４１ｃと開口部３８との間は、上記のシール構造により、液密にシールされる。仕切壁部４１ｂは、円筒部４１ａの内面に形成されており、円筒部４１ａ内をその軸方向に二分している。基部４１は、開口部３８に固定されることによって、開口部３８を液密に塞ぐ。また、基部４１が開口部３８に固定されることによって、仕切壁部４１ｂは、円筒部４１ａ内を水平方向に２分する。

主軸４２は、仕切壁部４１ｂに固定されており、円筒部４１ａの軸方向に平行に延びている。また、主軸４２は、羽根車４３の主軸４２回りに１８０度より大きい範囲が、周壁部３７ａによって覆われる位置に配置される。具体的には、主軸４２は、その軸線が主流路１００よりも上方にオフセットする位置に配置される。主流路１００は、第２の管部３１ｃ内において水が主に流れる部分であり、収容部３７内の空間及び開口部３８内の空間を除いた部分となる。

この為、主軸４２は、図３に示すように、水平方向に見たときに、第２の管部３１ｃ内に面する、周壁部３７ａの一次側の縁Ｅ１、主軸４２の軸線Ｃ、及び、周壁部３７ａの二次側の縁Ｅ２が成す角度αが、１８０度未満となる。また、主軸４２は、第２の管部３１ｃ内の主流路１００の外周近傍に配置されている。言い換えると、図３に示すように、主軸４２は、一次側の縁Ｅ１及び二次側の縁Ｅ２を結ぶ直線に対して若干外側（上方）に位置している。先端部４２ａの外径は、収容穴３７ｃの内周面との間に隙間を有する径を有している。

座金４６は、主軸４２の先端部４２ａの近傍に固定されており、主軸４２の周面から周方向に突出している。

羽根車４３は、円筒形状の軸部４３ａ、軸部４３ａの周面に設けられた複数の羽根部４３ｂ、及び、軸部４３ａ内に設けられた軸受４３ｃを有している。軸部４３ａ内には、主軸４２を配置する、主軸４２より大径となる貫通孔が形成されている。羽根部４３ｂは、主軸４２から一方側が第２の管部３１ｃ内の主流路１００の中央または中央の近傍を通る大きさを有している。この為、羽根部４３ｂの主軸４２から一方側の部分は、主流路１００の中央または中央近傍を流れる水を受ける。

軸受４３ｃは、軸部４３ａ内に設けられている。軸受４３ｃは、内部に主軸４２を配置する。軸受４３ｃは、主軸４２に回転可能に支持されている。軸受４３ｃは、例えば、円筒ころ軸受けが用いられる。軸受４３ｃが座金４６に接触することによって、羽根車４３の主軸４２に沿う移動が規制される。なお、軸受４３ｃは、主軸４２に回転可能に支持されればよく、例えば、滑りのよい金属から形成される筒部材であってもよい。

磁石４４は、羽根車４３の軸部４３ａの基部４１側の端部に設けられている。磁石４４は、例えば、周方向に複数の偶数極が着磁されている。

磁気検出部４５は、例えば、ホールＩＣである。磁気検出部４５の一部は、仕切壁部４１ｂ内に設けられている。磁気検出部４５の残りの部分は、仕切壁部４１ｂを挟んで羽根車４３と反対側に設けられている。磁気検出部４５は、磁石４４の磁束を検出して、パルス信号を出力可能に形成されている。

このように構成された流量検出装置４０は、第２の管部３１ｃに対して着脱可能である。

圧力検出装置６０は、送水配管３４に設けられており、ポンプ２１の二次側の圧力を検出可能に形成されている。

制御装置７０は、流量検出装置４０の検出結果、及び、圧力検出装置６０の検出結果を受信可能に形成されている。制御装置７０は、流量検出装置４０及び圧力検出装置６０に、例えば、信号線で接続されており、この信号線を介して流量検出装置４０及び圧力検出装置６０の出力信号を受信する。

制御装置７０は、圧力検出装置６０の出力結果に基づき、送水配管３４内の圧力が起動圧力以下となったと判断すると、給水装置の吐出し圧力が一定となるように、ポンプ装置２０を可変速制御する。また、制御装置７０は、流量検出装置４０の検出結果に基づき、流量が停止流量以下となったと判断すると、ポンプ装置２０を停止する。

また、２台のポンプを運転する機種の制御装置７０は、流量検出装置４０の検出結果に基づき、並列運転より単独運転に移行する解列制御を行う。
また、推定末端圧一定制御を行う機種であれば、流量検出装置４０の検出結果に基づき、流量の増減に従い目標圧力を変化させている。

このように構成された流量検出装置４０では、主軸４２が水平方向に平行に配置されるので、流量増加に伴って第１の連結管３１内の水の流速が速くなっても、羽根車４３は、その軸方向に移動することがない。この為、羽根車４３がもともと接触して部分から離れることがないので、回転に伴う動摩擦力が変化せず、それゆえ、流量検出装置４０が流量を正確に検出することができる。

この効果について、具体的に説明する。主軸が垂直方向に平行となる流量検出装置では、羽根車は、自重により、その下端が主軸等に接触することにより支持される。流路断面の中心の流速は、流路壁面の流速よりも速い。この為、羽根車の下端が流路断面の中心近傍に位置し、羽根車の上端が流路壁面側に位置する場合、流速によっては羽根車の下端部が二次側に押し出され、羽根車が垂直方向に対して傾くこととなる。

羽根車が傾くと、羽根車は、水の流れから、上方に押し上げる推力を受ける。この為、推力によって羽根車が浮上すると、羽根車４３に作用する動摩擦力が減少するので、流量に対する羽根車の回転数の比率が高くなる。その後、流速が減少することによって羽根車が浮上していた状態から沈下すると、羽根車の下端が当該下端を支持していた部分に接触する。また、羽根車が沈下する際の流速が、羽根車が浮上する際の流速と異なるヒステリシスが生じる。このヒステリシスにより、流量を正確に検出することが難しくなる。

しかしながら、本実施形態の流量検出装置４０では、主軸４２は、水平方向に平行となる姿勢で配管内に配置され、羽根車４３の羽根部４３ｂの外周側が主流路１００の断面の中心または中心近傍に配置され、羽根部４３ｂの根元部分が主流路１００の断面の外周側に配置されるので、主流路１００の断面の中心または中心近傍を流れる水が羽根車４３の外周側を通過し、主流路１００の壁面近傍を流れる水が羽根車４３の内周側を通過するようになる。

この為、羽根車４３は、その内周側（軸部４３ａ側）から外周側においては流速が変化するが、軸方向一端から他端までは、流速の変化はない、または、流速の変化があっても少ない。具体的には、羽根部４３ｂの外周側では、その軸方向一端部を通過する水の流速と、軸方向他端部を通過する水の流速は、同じである、または、差異があってもその差異は、微小である。

この為、羽根車４３の軸方向端部が他の部分に対して二次側に押し出されるということがないので、上述のように羽根車４３が傾くことがない。羽根車４３が傾くがないので、羽根車４３をその軸方向に一方側または他方側に移動する推力が発生しない。

この為、本実施形態の流量検出装置４０は、流量に対する羽根車４３の回転数の関係が増大時と減少時とで異なるルートをたどるというヒステリシスが生じないので、流量検出装置４０は、流量を正確に検出することができる。

さらに、流量検出装置４０は、基部４１、主軸４２、及び、羽根車４３が一体に形成され、第１の連結管３１に着脱可能な構造を有している。この為、流量検出装置４０に不具合が生じた場合は、流量検出装置４０のみを交換すればよいので、流量検出装置４０の交換作業を簡単に行うことができる。

このように、本実施形態の流量検出装置４０は、流量を正確に検出でき、且つ、交換作業を簡単に行うことができる。

また、本実施形態では、流量検出装置４０は、第１の連結管３１において屈曲管部３１ｂのすぐ二次側となる部分の上部に設けられている。屈曲管部３１ｂの直ぐ二次側では、流路上部を流れる水の流速が下部を流れる流速よりも速い。

この為、流量検出装置４０は、流速が速くなる水の流れを受けるので、小水量域であっても、流量に対する羽根車４３の回転数の比率を高くすることができる。この為、流量検出装置４０は、小水量域であっても、安定して流量を検出できる。

また、主軸４２の先端部４２ａは、第１の連結管３１に設けられた収容穴３７ｃ内に収容され、且つ、収容穴３７ｃとの間に隙間を有している。この為、羽根車４３を通る水の流速が過渡的に過大となって異常な推力が発生したり、固形物が羽根車に衝突して、主軸４２がたわんだ場合、主軸４２の先端部４２ａは収容穴３７ｃの内面に当接する。主軸４２の先端部４２ａが収容穴３７ｃの内面に当接することによって、主軸４２がそれ以上たわむことが規制される。

また、羽根車４３は、収容部３７の周壁部３７ａによって、主軸４２の軸線回りに１８０度より大きい角度範囲で覆われている。この為、羽根車４３の主軸４２の軸線回りに１８０度より小さい角度範囲となる部分が主流路１００内に配置され、他の部分が収容部３７内に配置されるので、羽根車４３が主流路１００内を流れる水の流れを受けて一方向にスムースに回転するようになる。

また、収容部３７の端壁部３７ｂは、羽根車４３の外径よりも大きい径を有する円形であり、かつ、羽根車４３の軸方向に羽根車４３の端部と対向している。言い換えると、図３に示すように、羽根車４３は、端壁部３７ｂの外縁よりも内側に配置されている。

この為、端壁部３７ｂによって、羽根車４３にその軸方向から水が当たることを防止できるので、羽根車４３を安定して回転することができる。

なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではない。流量検出装置４０は、その設置場所が限定されるものではなく、例えば、垂直方向に延びる配管内に設けられてよい。

この発明は、上述した実施の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。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。
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と同等の記載を付記する。
［１］
主軸と、
前記主軸が固定され、且つ、前記主軸が配管内で水平方向に平行となる姿勢で前記配管に着脱可能に固定される基部と、
前記主軸に支持される羽根車と、
前記羽根車の回転を検出する検出部と、
を具備することを特徴とする流量検出装置。
［２］
水が流れる配管と、
前記水を増圧するポンプと、
主軸、前記主軸が固定され、且つ、前記主軸が前記配管内で水平方向に平行となる姿勢で前記配管に着脱可能に固定される基部、前記主軸に支持される羽根車、及び、前記羽根車の回転を検出する検出部を具備する流量検出装置と、
を具備することを特徴とする給水装置。
［３］
前記配管は、前記水の垂直方向上昇流を流す第１の管部、前記第１の管部の二次側から９０度屈曲する屈曲管部、及び、前記屈曲管部の二次側から水平方向に延びる第２の管部を有する管を具備し、
前記流量検出装置は、前記第２の管部の上部に設けられる
ことを特徴とする［２］に記載の給水装置。
［４］
前記配管内に、前記主軸の先端部を収容する収容穴が形成される
ことを特徴とする［２］に記載の給水装置。
［５］
前記配管は、前記羽根車を前記主軸回りに１８０度より大きくかつ３６０度未満の角度範囲を覆う壁部を具備する
ことを特徴とする［２］に記載の給水装置。

１…給水装置、２１…ポンプ、４０…流量検出装置、４１…基部、４３…羽根車、４５…磁気検出部（検出部）、３０…吐出配管（配管）、３１…第１の連結管（連結管）、３１ａ…第１の管部、３１ｂ…屈曲管部、３１ｃ…第２の管部、３７ａ…周壁部（壁部）、３７ｃ…収容穴。

Claims (3)

1. 水が流れる配管と、
   前記水を増圧するポンプと、
   主軸、前記主軸の一端側が固定され、且つ、前記主軸が前記配管内で水平方向に平行となる姿勢で前記配管に着脱可能に固定される基部、前記主軸に支持される羽根車、及び、前記羽根車の回転を検出する検出部を具備する流量検出装置と、
   を具備し、
   前記配管は、前記羽根車の径よりも大きい径を有する円形に形成されて前記主軸の他端側の先端部を収容する収容孔が形成された端壁部を有し、前記端壁部の外縁より内側に前記羽根車を配置する、
   ことを特徴とする給水装置。
2. 前記配管は、前記水の垂直方向上昇流を流す第１の管部、前記第１の管部の二次側から９０度屈曲する屈曲管部、及び、前記屈曲管部の二次側から水平方向に延びる第２の管部を有する管を具備し、
   前記流量検出装置は、前記第２の管部の上部に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水装置。
3. 前記配管は、前記羽根車を前記主軸回りに１８０度より大きくかつ３６０度未満の角度範囲を覆う壁部を具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水装置。