JP2014181556A - 流体移送システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン14と、クランク軸14bに連結されたモータジェネレータ16と、クランク軸に連結されたインペラ15aを有するポンプ15と、エンジンおよびモータジェネレータを制御可能な制御手段20とを備え、各制御手段は流量センサおよび圧力センサからの信号に基づいて、ポンプの仕事量を演算してエンジンの余力の有無を判断し、余力があるエンジンポンプのモータジェネレータは、発電機として動作させて、余力のないエンジンポンプへ電力を送り、余力のないエンジンポンプのモータジェネレータを、モータとして動作させて、インペラの回転駆動を補助するようにした。
【選択図】図2
Description
そこで、従来は、各エンジンポンプのスロットルバルブの開度を調整することで、各ポンプ間の能力を合わせ、送水効率を高めることが行われていた。しかし、この方法は、終端での送水量が、最も能力の低いポンプに制約されてしまうとともに、各ポンプのスロットルバルブの開度を一つずつ調整しなければならないため、時間と労力を要するという問題がある。
また、1つの消防ポンプに、有線通信線を介して異なる場所に配置された複数のコントローラを接続してネットワークを構築し、任意のコントローラからポンプへ指令を送って圧力や流量を制御できるようにした発明も提案されている(特許文献2)。
また、本発明の他の目的は、中継送水システム全体でのエネルギー効率を向上させることができる中継送水技術を提供することにある。
燃料を燃焼させて回転動力をクランク軸より出力するエンジンと、発電機とモータの機能を有し前記エンジンのクランク軸に連結されたモータジェネレータと、前記クランク軸に連結されたインペラを有するポンプと、前記エンジンおよび前記モータジェネレータを制御可能な制御手段とを備えた複数のエンジンポンプを、ホースを介して直列に接続した流体移送システムにおいて、
前記複数のエンジンポンプの各制御手段は、
各々前記ポンプに設けられている流量センサおよび圧力センサからの信号に基づいて前記ポンプの仕事量を演算して、エンジンに余力があるか否かを判断し、
エンジンに余力があるエンジンポンプのモータジェネレータは発電機として動作させてエンジンに余力のないエンジンポンプへ電力を送り、
エンジンに余力のないエンジンポンプのモータジェネレータはモータとして動作させてエンジンによる前記インペラの回転駆動を補助するように構成した。
上記構成によれば、終端での移送量が、最もエンジン能力の低いポンプに制約されてしまうことがない。また、各エンジンポンプのバッテリ間がケーブルによって電力の受け渡しが可能に接続されるため、蓄電量が多いバッテリから蓄電量が少ないバッテリ電力を回すことで、各バッテリ間で蓄電量がアンバランスになるのを回避でき、システム全体でのエネルギー効率を向上させることができる。
これにより、モータによる回生ブレーキをかけた際に発生した電気エネルギーがバッテリに蓄積されるので、エネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。
これにより、エンジンポンプの小型化が可能となる。
これにより、クランク軸の前後の重量バランスが良好となり、クラング軸の重量がアンバランスになることによって振動が発生するのを回避することができる。
図1は、図1は、発電機能を備えたエンジンポンプを使用した本発明の実施形態に係る中継送水システムの構成を示す概略図である。
図1に示すように、本実施形態の中継送水システムは、複数のエンジンポンプ10を、ホース30を介して直列につなぎ、遠距離の液体搬送を可能とする。エンジンポンプ10は、筐体内にガソリンエンジンのような内燃機関およびエンジンに駆動されるポンプ15を内蔵し、筐体の外部に流入口11および吐出口12が設けられている。そして、この流入口11および吐出口12に、それぞれ他のエンジンポンプ10へ送水するためのホース30の端部が係合、接続されている。
また、エンジンポンプ10の筐体の外面には、他のエンジンポンプ10との間で電源の融通を行うためのケーブル31を接続するための端子13が設けられている。
図2に示すように、本実施形態の中継送水システムを構成するエンジンポンプ10は、エンジン14のシリンダ14aの下方に配設されているクランク軸14bの一方の端部(図では右側の端部)に、ポンプ15のインペラ15aが装着されている。また、クランク軸14bの他方の端部(図では左側の端部)には、モータジェネレータ16およびリコイルスタータ17が装着されている。
なお、エンジン14は、ガソリンエンジンでもディーゼルエンジンでもよい。
本実施形態に使用されるモータジェネレータ16は、アキシャルギャップ型モータジェネレータ(以下、アキシャルモータと称する)である。アキシャルモータ16は、複数の磁石が周方向に整列して固定され回転軸に取り付けられている円盤状のロータ16aと、周方向に整列された複数のコイルを有し前記ロータ16aと回転軸方向に所定の間隔をおいて対向配置されたステータ16bとを備える。図2に示すアキシャルモータは、一対のロータ16aを備え、該ロータ16a間にステータ16bが配置されている。なお、アキシャルモータは、図2の構成に限定されることはなく、例えば、ロータ16aを一対のステータ16bで挟む構成や、ロータ16aとステータ16bがそれぞれ1つずつとする構成であってもよい。
アキシャルモータは薄型に構成できるとともに、発電機としてもモータとしても動作することができるため、発電機とモータとを別個に設ける必要がなく、エンジンポンプ全体を小型に構成できるという利点がある。また、アキシャルモータは、コギングトルクが小さいので、モータとして動作させる際の電力ロスを少なくすることができる。
また、図示しないが、インペラ15aが装着されている側のクランク軸14bの端部は、PTO軸(パワーテイクオフ)として動力を外部へ取り出せるように構成しても良い。
図3に示すように、コントローラ20には、筐体の外面の操作パネル等に設けられている始動スイッチ21や、ポンプ15の吐出口側に設けられている流量センサ22、送水圧力を検出する圧力センサ23からの検出信号が入力されている。また、コントローラ20には、ポンプ15のハウジング内に設けられ流入口11に水が来ていることを検出するための水センサ24、エンジンの回転数を検出する回転数センサ25からの検出信号が入力されている。
コントローラ20は、これらのスイッチやセンサからの信号に基づいて、前記モータジェネレータ16やインバータユニット18の他、エンジンのスロットルバルブ26、電源切替え用のスイッチSW1,SW2を制御するように構成されている。
また、エンジンの運転状態から現在の仕事量W=η×P×Q(ηは移送する流体の粘性係数)を演算し、エンジンの能力に余裕があると判断したときは、モータジェネレータ16を発電機として動作させることができるように構成されている。この場合、スイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフの状態にさせ、モータジェネレータ16により発電されインバータユニット18において変換された電力を、端子13より外部へ供給する。また、この際、コントローラ20は、エンジンの出力を上げて、送水圧力と送水量を維持したままモータジェネレータ16により発電を行わせる。
また、ポンプ15に水が来ていることを検出するための水センサ24を備えているため、コントローラ20は、水センサ24が水を検出した場合にエンジンを始動させたり、水を検出しなくなった場合にエンジンを停止させたりする制御を行う。なお、コントローラ20は、水が来ている場合と来ていない場合とでエンジンの出力を変化させる制御を行うようにしてもよい。また、ガソリンエンジンの場合には、コントローラ20は点火プラグへの給電/遮断の制御も行う。
なお、図4において、送水器1および送水器2は、図2に示されているエンジンポンプ10を意味しており、ここでは送水器1から送水器2側へ水を送るものとする。また、図4のうち、(A)は送水器1における送水量Q1と送水器2における送水量Q2がバランスしている場合、(B)は送水器1と送水器2における送水量Q1とQ2がアンバランスとなっている場合を表している。
また、このような状態で、例えば送水量を増加させる要求があった場合、送水器1と送水器2のコントローラ20は、送水圧Pと送水量Qとから自己のエンジンにおける仕事量W(=η×P×Q)を演算して能力に余裕があるか否か判断する。
そして、能力に余裕があれば自己のエンジンのスロットルバルブ26の開度を大きくして出力を増大させ、送水量を増加させる。一方、送水量を減少させる要求があった場合には、自己のスロットルバルブ26の開度を小さくして出力を低減させ、送水量を減少させる。
この際、コントローラ20は、他の送水器の送水圧Pや仕事量Wが分からないので、発電を開始する前に、端子13の電圧を見て他の送水器から電力が送られて来ていないか判断し、送られて来ていない場合に発電を行い、他の送水器へ送る。また、他の送水器へ電力を送り始めた直後に端子13の電圧を見て、他の送水器が電力を受け取っているか否か判断して、他の送水器が受け取っていない場合には発電を中止するようにしてもよい。これにより無駄な発電を回避することができる。
上記のように、余力のある送水器ではモータジェネレータ16を発電機として動作させて発電を行い、生成された電気エネルギーを余力のない送水器へ送ることで、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。なお、コントローラ20は、エンジンに余力がないと判断した場合には、端子13の電圧を見て他の送水器から電力が送られて来ているか判断して、電力が送られて来ている場合にのみモータジェネレータ16をモータとして動作させるようにしてもよい。
さらに、この実施例では、2台の送水器で中継送水システムを構築した場合を例にとって説明したが、3台以上の送水器で中継送水システムを構築した場合にも適用することができる。
さらに、各送水器のコントローラ20は、圧力センサ23からの信号に基づいて異常圧力の発生を検出した場合には、ポンプの仕事量の大小に関わらず、モータジェネレータ16を発電機として動作させてエンジンに回生ブレーキをかける。そして、発生した電力をバッテリ33へ送って充電させることができ、さらにエネルギー効率を向上させることができる。
また、例えばシステムの起動時すなわち送水開始時や圧力変動が大きい場合には、バッテリ33からの電力を供給してモータジェネレータ16をモータとして動作させ、エンジンをアシストするように制御してもよい。
図5(B)には、送水器(10)ごとにバッテリ27を設けた場合の中継送水システムの実施例が示されている。このシステムでは、余力のある送水器ではモータジェネレータ16を発電機として動作させて、ケーブル31を介しての他の送水器へ電力を供給したり自己のバッテリ27を充電したりすることができる。また、余力のない送水器では、自己のバッテリ27または他の送水器から電力の供給を受けてモータジェネレータ16をモータとして動作させ、エンジンをアシストすることができる。
また、モータジェネレータ16やポンプのインペラ15aの回転軸がクランク軸に直結されている構造について説明したが、モータジェネレータ16およびインペラ15aの回転軸がクランク軸にギヤ等を介して間接的に連結されている構造でも良い。
さらに、上記実施形態では、本発明を消防用のエンジンポンプを使用した中継送水システムに適用した場合について説明したが、本発明は、中継送水システムに限定されず、流体を遠方へ移送したい中継移送システム一般に広く利用することができる。
11 流入口
12 吐出口
13 外部端子
14 内燃機関(エンジン)
14a シリンダ
14b クランク軸
15 ポンプ
15a インペラ
16 モータジェネレータ(アキシャルモータ)
17 リコイルスタータ
18 インバータユニット
20 コントローラ(制御装置)
21 スタートスイッチ
22 流量センサ
23 圧力センサ
24 水センサ
25 回転数センサ
26 スロットルバルブ
27 バッテリ
30 ホース
31 ケーブル
33 共通バッテリ
Claims (6)
- 燃料を燃焼させて回転動力をクランク軸より出力するエンジンと、発電機とモータの機能を有し前記エンジンのクランク軸に連結されたモータジェネレータと、前記クランク軸に連結されたインペラを有するポンプと、前記エンジンおよび前記モータジェネレータを制御可能な制御手段とを備えた複数のエンジンポンプを、ホースを介して直列に接続した流体移送システムであって、
前記複数のエンジンポンプの各制御手段は、
各々前記ポンプに設けられている流量センサおよび圧力センサからの信号に基づいて前記ポンプの仕事量を演算して、エンジンに余力があるか否かを判断し、
エンジンに余力があるエンジンポンプのモータジェネレータは発電機として動作させてエンジンに余力のないエンジンポンプへ電力を送り、
エンジンに余力のないエンジンポンプのモータジェネレータはモータとして動作させてエンジンによる前記インペラの回転駆動を補助するように構成されていることを特徴とする流体移送システム。 - ケーブルを介して前記複数のエンジンポンプにそれぞれ接続された充放電可能な共通バッテリを備え、前記制御手段によりエンジンに余力があると判断されたエンジンポンプのモータジェネレータは発電機として動作されて前記共通バッテリへ電力を送って充電させ、エンジンに余力がないと判断されたエンジンポンプのモータジェネレータは前記共通バッテリから電力の供給を受けてモータとして動作されるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の流体移送システム。
- 前記複数のエンジンポンプにはそれぞれ充放電可能なバッテリがそれぞれ設けられ、前記複数のエンジンポンプは互いにケーブルを介して電力の受け渡しが可能に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の流体移送システム。
- 前記制御手段は、前記圧力センサからの信号に基づいて異常圧力の発生を検出した場合には、前記ポンプの仕事量の大小に関わらず、モータジェネレータをモータとして動作させてエンジンに回生ブレーキをかけることを特徴とする請求項2または3に記載の流体移送システム。
- 前記モータジェネレータはアキシャルギャップ型モータジェネレータであり、前記モータジェネレータおよび前記インペラが前記クランク軸に直結されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の流体移送システム。
- 前記モータジェネレータと前記インペラは、前記エンジンのシリンダを挟んで前記クランク軸の反対側にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の流体移送システム。
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