KR100533699B1 - 유체기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체기계에 관한 것으로, 모터에 의하여 구동되고, 임펠러가 회전함으로써 압력을 발생하는 유체기계에 있어서, 모터에 전력을 공급하는 주파수변환기(F)와, 주파수 및 전류치의 검출수단과, 주파수와 전류치의 관계를 미리 규정한 프로그램을 구비하고, 실제로 운전한 경우의 주파수 및 전류치와, 상기 규정프로그램을 비교하여 유체기계의 운전점을 상기 규정프로그램에 근접하도록 주파수 변환기(F)의 발생주파수가 변화하도록 하였다.

Description

유체기계{FLUID MACHINERY}

본 발명은 유체기계에 관한 것으로, 특히 순환용펌프에 있어서 가장 적합한 정유량특성을 용이하게 얻어지도록 한 원심펌프 및 급수용 펌프에 대하여 가장 적합한 정양정특성을 용이하게 얻어지도록 한 축류펌프를 포함하는 유체기계에 관한 것이다.

종래부터 난방, 냉방용의 냉온수 순환펌프에는 원심펌프가 사용되어 왔다. 이 용도에서 중요한 사항은 하기와 같다.

① 필요유량을 알고 있더라도, 계산상의 배관손실과, 실제의 배관손실에는 미묘한 차가 있기 때문에, 현지에서 밸브에 의한 유량조정이 필요하게 된다. 이 경우, 밸브의 손실분만큼 에너지손실이 있다.

② 배관의 경년변화나, 밸브에 대한 이물의 막힘 등에 의하여 배관손실이 증가하면, 유량이 줄어져 버린다. 따라서 정기적으로 밸브 등에 의하여 유량조정이 필요하게 된다.

③ 현지에는 일반적으로 유량을 측정하는 수단이 없기 때문에, 압력계 등에 의하여 압력을 파악하여, 유량을 펌프특성곡선에 의거하여 추정할 필요가 있다. 그러나 이 방법은 정밀도가 낮다.

이들 문제를 해결하는 종래부터의 기술로서는, 이하에 열거하는 것이 있다.

① 전자유량계의 신호를 제어반으로 처리하여 전자밸브의 개방도를 콘트롤한다. 이 방법은 고가이며, 또한 밸브의 손실을 수반하기 때문에 에너지 절약의 효과가 낮다는 단점이 있다.

② 전자유량계의 신호를 주파수변환기에 도입하여 가변속 운전한다. 이 방법은 에너지 절약은 되나, 고가이다.

③ 펌프에 회전수 전환손잡이가 설치되고 있고, 펌프의 Q-H 특성을 변화시킴과 동시에, 밸브를 병용하여 필요유량에 맞추어 사용한다. 이 방법은 밸브의 저항에 의한 에너지손실을 저감하는 효과는 있으나, 유량을 안정시키는 효과는 없다. 따라서 배관손실의 증가 등이 있는 경우에는, 그 때마다 유량을 조정할 필요가 있다.

도 1 A 및 B는 본 발명에 관한 유체기계의 기본개념을 설명하는 설명도,

도 2는 본 발명에 관한 유체기계의 기본개념을 설명하는 설명도,

도 3은 본 발명을 실시하기 위하여 가장 적합한 펌프장치를 나타내는 단면도,

도 4는 본 발명에 있어서의 주파수변환기의 회로도이다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 특별한 부대설비가 불필요하고, 배관저항의 변화에 상관없이 항상 안정된 유량을 공급하는 원심펌프 등의 유체기계를 제공하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.

또 본 발명은 유량이 변화하여도 발생양정이 일정하며, 급수용 펌프로서 가장 적합한 축류펌프 등의 유체기계를 제공하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 모터에 의하여 구동되고, 임펠러가 회전함으로써 압력을 발생하는 유체기계에 있어서, 모터에 전력을 공급하는 주파수변환기와, 주파수 및 전류치의 검출수단과, 주파수와 전류치의 관계를 미리 규정한 프로그램을 구비하고, 실제로 운전한 경우의 주파수 및 전류치와, 상기 규정프로그램을 비교하여, 유체기계의 운전점을, 상기 규정프로그램에 근접시키도록 주파수변환기의 발생주파수가 변화되도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 동일회전수 하에서는 유량이 증가함에 따라축동력이 증가하는 유체기계를 사용하여 발생압력이 변화되어도 유량이 대략 일정하게 되도록 하고 있다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 동일회전수 하에서는 유량이 증가함에 따라축동력이 감소하는 유체기계를 사용하여 유량이 변화되어도 발생압력이 대략 일정하게 되도록 하고 있다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 주파수(Hz)와 전류치(A)를 어느 일의적인 함수로 관련지어 프로그램하고 있다.

예를 들어, A = KHzⁿ(K 및 n은 양의 정수)에 의하여 나타낸다. 그리고 K 및 n의 값을 전환하는 수단을 주파수변환기에 설치하고 있다.

또 본 발명은 3상 유도전동기에 의하여 구동되는 원심펌프와, 그 3상 유도전동기에 전력을 공급하는 주파수변환기와, 주파수변환기에 설치된 주파수 및 전류치의 검출수단과, 주파수변환기에 기억된 주파수와 전류치의 관계를 규정하는 프로그램을 구비한 펌프장치에 있어서, 실제로 운전한 경우의 주파수 및 전류치와, 상기규정프로그램을 비교하여, 펌프의 운전점을 상기 규정프로그램에 근접시키도록 주파수변환기의 발생주파수가 변화되도록 하여, 펌프의 양정이 변화되어도 유량이 대략 동일하게 되도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 일 형태에 있어서는, 주파수변환기의 출력한 시간과 상기 일정유량의 값을 곱함으로써 유량을 적산하는 기능을 가지고 있다. 그리고 주파수변환기에 유량의 표시부를 설치하고 있다.

이하, 본 발명에 관한 유체기계의 실시형태에 관하여 설명한다.

도 1A 및 B는 본 발명의 기본개념을 설명하는 설명도이다. 도 1A는 유체기계의 일예인 원심펌프의 유량(Q)과 양정(H)과의 관계를 나타내는 도, 도 1B는 도 1 A의 I(b)부를 확대하여 나타내는 도이다. 도 1A에서 횡축은 유량비, 종축은 양정비를 나타낸다. 본 발명의 원심펌프를 구동하는 모터는 인버터를 구비하고 있다. 그리고 소요의 유량을 선택하는 복수의 손잡이(선택수단)를 구비하고 있다. 모터는 예를 들어 3상 유도전동기로 이루어진다.

도 1A 및 B 에서는, 인버터의 주파수(Hz)와 전류치(A(암페어))는,

손잡이 A A = 0.001 ×Hz²……유량비 O.7

손잡이 B A = 0.0014 ×Hz²……유량비 1.0

의 2가지 메모리되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다.

지금 가령, 손잡이 B를 선택한 것으로서 설명한다.

이 때 배관의 저항곡선은 도 1A의 ②였다고 한다.

펌프를 기동하면, 미리 기억해 둔 주파수 10OHz(6OOOrpm)로 운전된다. 운전점은 저항곡선 ②와의 교점[α1(100Hz-15A)]이 된다. 이 운전점은 미리 기억한 A = 0.0014Hz²(A = 0.0014 ×100²= 14A)와 비교하여 전류치가 높다. 즉 주파수 100Hz에 있어서는, 전류치가 과대임을 의미하고 있다.

그래서 인버터는 주파수와 전류치를 A = 0.0014 llz²에 맞추도록 감속운전한다. 즉 주파수를 낮추어 운전한다.

다음에 펌프가 감속한 결과, 90 Hz에서 운전되었다고 한다. 운전점은 저항곡선 ②와의 교점[β1(90Hz-10A)]이 된다. 이 운전점은 미리 기억한 A = 0.0014 Hz²(A = 0.0014 ×90² = 11.34A)와 비교하여 전류치가 낮다. 즉, 주파수 90Hz에 있어서는 전류치가 과소임을 의미하고 있다.

그래서 인버터는 주파수와 전류치를 A = O.0014 Hz²에 맞추도록 증속운전한다. 즉 주파수를 올려 운전한다.

상기의 결과, 펌프는 A = 0.0014 ×95² ≒ 12.5A(95Hz-12.5A)의 점(γ1)에서 운전된다.

즉, 선택한 손잡이 B의 유량에 의하여 운전되기 때문이다. 이 방법을 사용하면, 배관저항의 크기나 변동과는 무관하게 일정한 유량으로 운전되고, 또 필요최소한의 소비전력으로 운전되기 때문에, 순환용 펌프에 있어서 가장 적합하다.

또한 도 1A 및 도 1B에 참된 요항으로 기재한 점(δ)은 예를 들어 온수순환용으로 사용한 경우에, 가장 적합한 열량을 공급하는 운전점의 것이다. 이 점은 미리 계산한 운전열량과 약간 어긋나는 경우가 있다. 이는 계산상, 여유를 보기도 하기 때문이다.

이 문제를 해결하기 위하여 인버터의 유량선택 손잡이를 선택할 수 있는 종류를 늘릴 수도 있다(도 1A와같이 A, B 두 가지가 아니라, 예를 들어 8종류 정도).

이상은 일정회전수[일정주파수(Hz)]하에서 유량이 증가할 수도록 축동력(소비전력 및 전류치)이 증가하는 원심펌프의 사례이다.

도 2는 일정회전수[일정주파수(Hz)]하에서 유량이 증가할 수록 축동력이 저하하는 축류펌프를 일정한 압력으로 제어한 사례를 나타내는 설명도이다. 도 2에 있어서 횡축은 유량비, 종축은 양정비를 나타낸다.

도 2에 있어서는, 인버터의 주파수(Hz)와 전류치[A (암페어)]는,

A = 0.0012 ×Hz² …… 양정비 0.75

의 한 가지 메모리되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다.

이 때, 배관의 저항곡선은 도 2의 ①이었다고 한다.

펌프를 기동하면, 미리 기억하여 둔 주파수 10OHz(6000 rpm)로 운전된다. 운전점은 저항곡선 ①과의 교점[α2(100Hz-14A)] 이 된다. 이 운전점은 미리 기억한 A = 0.0012 ×Hz² (A = 0.0012 ×100² = 12 A)와 비교하여 전류치가 높다. 즉 주파수 1OOHz에 있어서는 전류치가 과대임을 의미하고 있다.

그래서 인버터는 주파수와 전류치를 A = 0.O012Hz²에 맞추도록 감속운전한다. 즉 주파수를 내려 운전한다.

다음에 펌프가 감속한 결과, 90Hz에서 운전된다고 한다. 운전점은 저항곡선 ①과의 교점[β2(90Hz-9A)]이 된다. 이 운전점은 미리 기억한 A = 0.0012Hz²(A = 0.0012 ×90² = 9.72A)와 비교하여 전류치가 낮다. 즉 주파수 90Hz에 있어서는, 전류치가 과소임을 의미하고 있다.

그래서 인버터는 주파수와 전류치를 A = 0.O012Hz²에 맞추도록 증속운전한다. 즉 주파수를 올려 운전한다.

상기의 결과, 펌프는 A = 0.0012 ×95²A ≒ 11A(95Hz-11A)의 점에서 운전된다. 즉 선택한 압력에 의하여 운전된다. 이 방법을 사용하면, 배관저항의 크기나 변동과는 무관하게 일정한 압력(양정)으로 운전되고, 또 필요 최소한의 소비전력으로 운전되기 때문에 급수용 펌프로서 적합하다.

도 1A, B 및 도 2에 나타내는 바와 같이 본 발명에 의하면, 전자유량계나 압력계(또는 압력센서)등을 사용하는 일 없이, 펌프단체로 유량 또는 압력을 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 사용자는 특별한 부대설비를 필요로 하지 않고, 또 밸브의 조정 등의 수고도 불필요하게 된다.

제3도는 본 발명을 실시하기 위한, 가장 적합한 펌프장치를 나타내고 있다. 본 펌프장치는 모터의 주위를 취급액이 흐르는 전주류형 캔드모터펌프이다.

본 실시예에 나타내는 전주류형 캔드모터펌프는 펌프케이싱(1)과, 이 펌프케이싱(1)내에 수용된 캔드모터(6)와, 이 캔드모터(6)의 주축(7)의 끝부에 고정된 임펠러(8)를 구비하고 있다. 펌프케이싱(1)은 펌프케이싱 바깥 통(배럴)(2)과, 이 펌프케이싱 바깥 통(2)의 양쪽 끝에 각각 접속된 흡입케이싱(3)과, 토출케이싱(4)으로 이루어지고 있다. 흡입케이싱(3)은 바깥 통(2)에 용접에 의하여 접속되고, 토출케이싱 (4)은 플랜지(61, 62)에 의하여 바깥 통(2)에 접속되어 있다. 펌프케이싱 바깥 통(2), 흡입케이싱(3) 및 토출케이싱(4)은 스테인레스 스틸등으로 이루어지는 판금에 의하여 형성되어 있다.

한편, 캔드모터(6)는 고정자(13)와, 이 고정자(13)의 바깥 둘레부에 설치된 모터프레임 바깥몸통(14)과, 모터프레임 바깥몸통(14)의 양 개방단에 용접고정되는 모터프레임측판(15, 16)과, 고정자(13)의 안둘레부에 끼워고정되어 상기 모터프레임측판(15, 16)에 용접고정되는 캔(17)을 구비하고 있다. 또 고정자(13)내에 회전가능하게 수용되어 있는 회전자(18)는 주축(7)에 수축끼워맞춰 고정되어 있다. 모터프레임 바깥몸통(14)과 바깥 통(2)과의 사이에는 고리형상의 공간(유로)(40)이 형성되어 있다. 모터의 주위에 처리액을 내포하는 바깥 통(배럴)(2)의 외면에는 인버터(주파수변환기)(F)가 고정되어 있다. 인버터(F)는 케이스(20)내에 수용되어 있고, 이 케이스(20)에는 유량표시계 및 유량설정 손잡이도 내장되어 있다.

또 캔드모터(6)의 모터프레임측판(15)에는 유체를 반지름방향 바깥쪽에서 안쪽으로 유도하는 가이드부재(11)가 유지되어 있다. 그리고 가이드부재(11)에는 임펠러(8)를 수용하는 내케이싱(12)이 고정되어 있다. 또 가이드부재(11)의 바깥 둘레부에는 시일부재(13)가 장착되어 있다.

가이드부재(11)의 내단에는 라이너링(51)이 설치되고, 이 라이너링(51)은 임펠러(8)의 전면부(흡입마우스측)와 슬라이딩하도록 되어 있다. 내케이싱(12)은 대략 돔형상을 가지고, 캔드모터펌프(6)의 주축(7)의 축단을 덮어 감추는 형상으로 되어 있다. 이 내케이싱(12)은 임펠러(8)로부터 토출된 유체를 안내하는 가이드 베인 또는 볼류트로 이루어지는 안내장치(12a)를 가지고 있다. 또 내케이싱(12)은 선단부에 공기뽑기구멍(12b)을 가지고 있다.

베어링은 실리콘카바이드제의 미끄럼 베어링이고, 모든 베어링이 모터회전자(18)와 임펠러(8) 사이의 공간에 수용되어 있다. 베어링은 자액으로 윤활된다.

베어링브래킷(21)은, 스테인레스주물제로, 축방향의 양측에 고정측 레디얼베어링(22, 23)이 수축끼워맞춰 고정되고, 또한 바깥 둘레부로부터 수지를 주입함으로써 회동정지되어 있다. 또 고정측 레디얼베어링(22, 23)의 축방향 끝부는, 회전측 스러스트베어링(24, 25)과 슬라이딩하도록 구성되어 있다. 회전측 스러스트베어링(24, 25) 및 회전측 레디얼베어링(26, 27)은 주축(7)에 임펠러(8) 및 디스턴스피스(28)를 적절하게 거쳐 블레이드고정 너트(29)에 의하여 고정되어 있다.

도 3에 나타내는 전주류형 캔드모터펌프의 작용을 간단하게 설명하면, 흡입케이싱(3)으로부터 흡입된 유체는, 바깥 통(2)과 캔드모터(6)의 모터프레임 바깥 몸통(14)과의 사이에 형성된 고리형상 유로(40)로 유입하고, 이 유로(40)를 통하여 가이드부재(11)에 안내되어 임펠러(8)내로 유도된다. 임펠러(8)로부터 토출된 유체는 안내장치(12a)를 거쳐 토출케이싱(4)으로부터 토출된다.

다음에 본 발명에 있어서의 주파수변환기의 실시예에 관하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 있어서는, 펌프 등의 유체기계는 M으로 표시되고, 주파수변환기는 F로 표시되어 있다. 3상 교류를 입력으로서 사용하는 경우, 주파수변환기 (F)는 교류를 직류로 하는 정류회로(41)와 정류된 전압을 평활화하는 평활콘덴서 (42)로 이루어지는 컨버터부분과, 직류로부터 교류로 변환하는 인버터부(43)로 이루어진다. 직류부분인 컨버터에는 보조전원부(44)와 컨버터부의 직류전압을 검출하는 전압검출부(45)가 접속되어 있다. 주파수변환기(F)는 또한 발생주파수와 전류치의 관계를 미리 기억한 제어부(46)를 구비하고, 제어부(46)로부터 PWM 신호를 출력하여 인버터부(43)를 드라이브한다.

3상 인버터(43)의 출력부에는 전류검출센서(48)가 설치되어 있고, 검출된 전류는 검출부(47)에 의하여 신호로 변환되어 제어부(46)에 입력된다. 3상 인버터 (43)의 출력측에는 모터(6)가 접속되어 있다. 또한 부호(49)는 온도센서이다.

제어부(46)에는 미리 발생주파수와 전류치를 특정하는 함수를 메모리한 ROM과 전류검출부(47)로부터의 신호와 ROM의 설정내용을 비교하여, 연산처리를 행하여 소정의 PWM 신호를 출력시키는 CPU와 제어 IC가 설치되어 있다.

주파수변환기(F)는 상기한 바와 같이 제어부(46)를 가지고, 스스로가 출력한 시간을 기억할 수 있다. 또 상기한 유량일정제어에 의한 운전을 행하면, 주파수변환기(F)는 펌프가 반송하고 있는 시시각각의 유량을 검지할 수 있다. 또 주파수변환기(F)에는 연산기능이 있다. 따라서 주파수변환기(F)는 시시각각의 유량에 더하여 적산유량을 표시할 수 있다. 즉, 이 펌프장치 그 자체를 유량계로서 사용할 수 있다.

또한 주파수변환기(F)의 메모리기능을 활용하여, 소정시간(예를 들어 24시 간)을 두고 소정량(예를 들어 1 m³)의 물을 반송하는 작업을 소정일수(예를 들어 5일간)연속으로 행하고, 소정일수(예를 들어 2일간) 휴지하고, 다시 소정일수(예를 들어 5일간) 연속으로 작업을 행하는 것 같은 자동운전을 행할 수 있다. 이 방법은 하루의 급수량을 제한하여, 절수를 행하는 경우 등에 적합하며, 특별한 부대시설을 설치하는 일 없이 자동급수할 수 있는 점이 특징이다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 특별한 부대시설이 불필요하고, 배관저항의 변화에 관계없이 항상 안정된 유량을 공급하는 원심펌프 등의 유체기계로 할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 유량이 변화되어도 발생양정이 일정한 축류펌프 등의 유체기계를 실현하는 것이 가능하다.

본 발명은 특히 순환용 펌프에 있어서 가장 적합한 정유량 특성을 용이하게 얻을 수 있도록 한 원심펌프 및 급수용 펌프에 있어서 가장 적합한 정양정 특성을 용이하게 얻을 수 있도록 한 축류펌프를 포함하는 유체기계에 적합하게 이용될 수 있다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 모터에 의하여 구동되고, 임펠러가 회전함으로써, 압력을 발생하는 유체기계에 있어서,

   모터에 전력을 공급하는 주파수변환기와, 주파수 및 전류치의 검출수단과, 주파수와 전류치의 관계를 미리 규정한 프로그램을 구비하고,

   실제로 운전한 경우의 주파수 및 전류치와, 상기 규정프로그램을 비교하여, 유체기계의 운전점을 상기 규정프로그램에 근접하도록 주파수변환기의 발생주파수가 변화되도록 하고, 동일회전수 하에서는, 유량이 증가함에 따라 축동력이 증가하는 유체기계를 사용하여 발생압력이 변화되어도 유량이 대략 일정하게 되도록 한 것을 특징으로 하는 유체기계.
3. 제 2항에 있어서,

   동일회전수 하에서는, 유량이 증가함에 따라 축동력이 감소하는 유체기계를 사용하여 유량이 변화되어도 발생압력이 대략 일정하게 되도록 한 것을 특징으로 하는 유체기계.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 주파수(Hz)와 상기 전류치(A)를 어느 일의적인 함수로 관련지어 프로그램한 것을 특징으로 하는 유체기계.
5. 제 4항에 있어서,

   A = KHzⁿ (K 및 n은 양의 정수)로 한 것을 특징으로 하는 유체기계.
6. 제 5항에 있어서,

   K 및 n의 값을 변환하는 수단을 주파수변환기에 설치한 것을 특징으로 유체기계.
7. 3상 유도전동기에 의하여 구동되는 원심펌프와, 그 3상 유도전동기에 전력을 공급하는 주파수변환기와, 주파수변환기에 설치된 주파수 및 전류치의 검출수단과, 주파수변환기에 기억된 주파수와 전류치의 관계를 규정하는 프로그램을 구비한 펌프장치에 있어서,

   실제로 운전한 경우의 주파수 및 전류치와, 상기 규정프로그램을 비교하여, 펌프의 운전점을 상기 규정프로그램에 근접하도록 주파수변환기의 발생주파수가 변화되도록 하여, 펌프의 양정이 변화되어도 유량이 대략 동일하게 되도록 한 것을 특징으로 하는 펌프장치.
8. 제 7항에 있어서,

   주파수변환기의 출력한 시간과 상기 일정유량의 값을 곱함으로써 유량을 적산하는 기능을 가지게 한 것을 특징으로 하는 펌프장치.
9. 제 8항에 있어서,

   주파수변환기에 유량의 표시부를 설치한 것을 특징으로 펌프장치.
10. 제 8항에 있어서,

    주파수변환기의 메모리기능을 활용하여, 소정시간 마다 소정량의 물을 반송하는 작업을 소정일수 연속으로 행하고, 소정일수 휴지하고, 다시 소정일수 연속으로 작업을 행하는 것 같은 자동운전을 행할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 펌프장치.