WO2014054554A1 - 給水装置 - Google Patents

Description

給水装置

　本発明は、水道本管からの水を加圧して集合住宅や商業ビルなどの建物に給水を行う給水装置に関するものである。

　図７は、従来の給水装置を示す模式図である。図７に示すように、給水装置は、水を加圧するポンプ１と、ポンプ１を回転させるモータ２と、モータ２に可変周波数の電圧を印加するインバータ３と、ポンプ１の吐出し側圧力を測定する吐出し側圧力センサ１６と、この圧力センサ１６によって測定された吐出し側圧力が予め設定された目標圧力に維持されるようにインバータ３およびモータ２を介してポンプ１の運転を制御する制御部５とを備えている。

　ポンプ１の吐出側には逆止弁１５が配置されている。逆止弁１５の吐出側にはフロースイッチ１９配置され、さらにその吐出側には圧力センサ１６および圧力タンク１８が配置されている。逆止弁１５は、ポンプ１が停止したときの水の逆流を防止するための弁である。フロースイッチ１９はポンプ１からの吐出流量が所定の値にまで低下したことを検出する流量検出器である。圧力タンク１８は、ポンプ１が停止している間の吐出し側圧力を保持するための圧力保持器である。フロースイッチ１９および圧力センサ１６は、制御部５に信号線を介して接続されている。

　図８は、従来の給水装置の性能曲線図である。図８の縦軸は吐出し側圧力［Ｐａ］を表し、横軸はポンプ１から吐き出される水の流量［Ｌ／ｍｉｎ］を表している。吐出側の圧力が所定の目標圧力ＰＡに維持されるように、ポンプ１の回転速度は流量に従って変化する（Ｎ４→Ｎ０）。流量が０のときの運転状態は、いわゆる締め切り運転と呼ばれる。この締切運転は、目標圧力ＰＡと現在の吐出し側圧力とが等しい平衡状態にあり、制御的には正常な状態である。しかしながら、ポンプ１から水は流れないため、無駄な運転となる。そこで、フロースイッチ１９により水の流量が所定の値にまで低下したこと（以下、これを少水量状態という）が検出されると、給水装置は少水量停止動作を行うように構成されている。具体的には、ポンプ１の運転速度を一時的に上げ、吐出し側圧力を所定の停止圧力にまで昇圧してからポンプ１の運転を停止させる。吐出側の圧力は、圧力タンク１８および逆止弁１５により保持される。

　吐出し側圧力が所定の始動圧力にまで低下すると、制御部５はポンプ１の運転を開始させる。ポンプ１は、圧力センサ１６の出力信号に基づいて可変速駆動される。一般的には、ポンプから吐き出される水の流量によらず圧力センサ１６により測定された圧力信号（すなわち、ポンプ１の吐出し圧力）が予め設定された一定の目標圧力に維持されるようにポンプ１の運転速度を制御する吐出圧力一定制御や、目標圧力を管路抵抗に応じて変化させることにより末端の給水栓における供給水圧を一定に制御する推定末端圧力一定制御などが行われる。

　フロースイッチ１９は、その検出信号によるだけで簡便に少水量状態を検出できるメリットはあるものの一般に高価であり、内部の検出フロートが動作の繰り返しにより摩耗すると固着等の動作不良を起こす場合がある。また、フロースイッチは異物噛み込みによる動作不良を起こす場合がある。これらの動作不良の状態では、給水装置が、実際には少水量状態ではないのに少水量状態であると誤判定して、停止動作し、吐出圧力低下を招いたり、逆に少水量状態であるのに少水量状態ではないと誤判定して停止動作をしないため、締切運転を継続して、ポンプ１を過熱させて機械的ストレスを与えたり、エネルギーを浪費する悪影響がある。

　そこで、特許文献１に開示されているように、フロースイッチを用いることなく少水量状態を検出することができる給水装置が提案されている。従来のフロースイッチレス給水装置は、ポンプの制御モードを吐出圧力一定制御などのフィードバック制御から固定回転速度制御に切り換え、締め切り圧力に対応する回転速度よりも低い回転速度でポンプを回転させ、吐出し側圧力が低下するか否かを検出することによって、少水量状態を検出する。

　しかしながら、このような従来の方法では、少水量状態を検出するために、ポンプの制御モードをフィードバック制御から固定回転速度制御に切り換える必要がある。このような制御モードの切り換えは、吐き出される水の圧力の急激な変動を引き起こすことがある。特に、固定回転速度制御からフィードバック制御に復帰したときにポンプの回転速度が急激に増加することがある。

特開２００２－１３０１４１号公報 特開２００２－５４５７７号公報

　本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、吐出圧力一定制御などのフィードバック制御を行いながら少水量状態を検出することができる給水装置を提供することを目的とする。

　上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプと、前記ポンプを回転させるモータと、前記モータに可変周波数の電圧を印加するインバータと、前記ポンプの吐出し側圧力を測定する吐出し側圧力センサと、前記吐出し側圧力の測定値に基づいて、前記ポンプの吐出し側圧力が予め定められた目標圧力に維持されるように、前記モータおよび前記インバータを介して前記ポンプの回転速度をフィードバック制御する制御部とを備えた給水装置であって、前記制御部は、締切状態で前記目標圧力を達成するために必要な締切回転速度よりも高い回転速度の第１の下限値と、前記締切回転速度よりも低い回転速度の第２の下限値とを記憶しており、前記制御部は、前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換え、所定の検出時間内に前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となった場合には、前記ポンプは少水量状態にあると判断することを特徴とする。

　本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記ポンプの回転速度が前記第１の下限値以下の状態が所定の確認時間継続したときに、前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換えることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記ポンプの回転速度が前記第１の下限値以下であり、かつ前記吐出し側圧力が所定の管理値よりも高い状態が前記所定の確認時間継続したときに、前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換えることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記管理値は、締切運転時の前記目標圧力と同じであることを特徴とする。

　本発明の好ましい態様は、前記制御部は、前記所定の検出時間内に前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となり、かつ前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となった状態が所定の監視時間の間継続された場合には、前記ポンプは少水量状態にあると判断することを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記目標圧力は、前記ポンプから吐き出される水の流量によらず一定であることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記目標圧力は、前記ポンプから吐き出される水の流量に従って変化することを特徴とする。

　ポンプが少水量状態または締切状態にあるとき、ポンプの動作点は第１の下限値を表すポンプ性能曲線上にある。この状態で、第１の下限値から第２の下限値に切り換えると、ポンプの回転速度はフィードバック制御に基づいて速やかに低下する。したがって、制御部は、このようなポンプの回転速度の低下から少水量状態を検出することができる。

本発明に係る給水装置の一実施形態を示す図である。 本発明に係る給水装置のポンプ性能曲線を示す図である。 少水量検出動作のフローチャートである。 推定末端圧力一定制御を示すポンプ性能曲線図である。 直結型給水装置を示す模式図である。 ２組のポンプ、モータ、およびインバータを備えた給水装置の実施形態を示す図である。 従来の給水装置を示す模式図である。 従来の給水装置の性能曲線図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明に係る給水装置の一実施形態を示す図である。図７に示す構成要素と同一の要素には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

　本実施形態の給水装置の基本的構成は、図７に示す給水装置と同じであるが、フロースイッチを備えていない点で図７に示す給水装置と異なっている。本実施形態の給水装置は、圧力センサ１６によって測定される吐出し側圧力に基づいて、モータ２およびインバータ３を介してポンプ１の回転速度を制御する制御部１０を備えている。より具体的には、制御部１０は、圧力センサ１６によって測定される吐出し側圧力に基づいて、ポンプ１の吐出し側圧力が予め設定された目標圧力となるように、ポンプ１の回転速度を制御するフィードバック制御を行なう。

　フィードバック制御の例としては、水の吐出し流量によらず吐出し側圧力を一定の目標圧力に維持するようにポンプ１の運転速度を制御する吐出圧力一定制御や、目標圧力を管路抵抗に応じて変化させることにより末端の給水栓における供給水圧を一定に維持する推定末端圧力一定制御などが挙げられる。

　制御部１０は、圧力センサ１６によって測定された現在の吐出し側圧力と予め設定された目標圧力との差をなくすためのポンプ１の回転速度の指令値をインバータ３に送信するようになっている。インバータ３は、回転速度の指令値に従ってモータ２を駆動し、これによりポンプ１は指令された回転速度で回転する。制御部１０は、さらに、上述したフィードバック制御に基づいて、ポンプ１から吐き出される水の流量が所定の下限値に達した状態（すなわち、少水量状態）を検出する機能を有している。

　図２は、本発明に係る給水装置のポンプ性能曲線を示す図である。図２は、流量によらず目標圧力が一定である吐出圧力一定制御の例を示している。制御部１０には、ポンプ１の回転速度の下限値である第１の下限値Ｌ１と第２の下限値Ｌ２とが記憶されている。第１の下限値Ｌ１は、締切運転時の目標圧力ＰＡに対応するポンプ１の回転速度Ｎ０（以下、締切回転速度Ｎ０という）よりも高い値に設定されており、第２の下限値Ｌ２は、締切回転速度Ｎ０よりも低い値に設定されている。具体的には、第１の下限値Ｌ１は、締切回転速度Ｎ０の１０５％の値（Ｎ０×１．０５）であり、締切回転速度Ｎ０よりもやや高い値である。第２の下限値Ｌ２は、締切回転速度Ｎ０の９５％の値（Ｎ０×０．９５）であり、締切回転速度Ｎ０よりもやや低い値である。これらの係数１０５％，９５％は例示であり、本発明はこれらの数値に限定されず、少水量状態の判定の時間が長すぎたりしないなど運転上支障のない範囲で変更することができる。締切回転速度Ｎ０は、ポンプ１の締切運転時、すなわち流量が０のときに、ポンプ１が所定の目標圧力ＰＡを達成するために必要なポンプ１の回転速度である。この締切回転速度Ｎ０は制御部１０に予め記憶されている。

　制御部１０は、ポンプ１の運転中にポンプ１の回転速度の下限値を第１の下限値Ｌ１と第２の下限値Ｌ２との間で切り換える機能を備えている。通常のポンプ運転では、ポンプ１の回転速度の下限値は第１の下限値Ｌ１に設定されており、ポンプ１はこの第１の下限値Ｌ１以上の速度範囲内でフィードバック制御される。すなわち、ポンプ１の吐出し側圧力が予め設定された目標圧力ＰＡに維持されるようにポンプ１の回転速度が制御部１０によって制御される。

　ポンプ１は、図２において黒丸で示す運転点で運転される。流量が低下してくると、ポンプ１の回転速度も低下していき、やがて第１の下限値Ｌ１に達する。さらに流量が低下すると、ポンプ１の運転点は、図２に示すように、第１の下限値Ｌ１を示すポンプ性能曲線上に乗る。少水量状態、特に締切状態（流量が０）では、圧力センサ１６によって測定される現在の吐出し側圧力は目標圧力ＰＡよりも必ず高くなる。制御部１０は、現在の吐出し側圧力と目標圧力ＰＡとの差を解消すべく、締切回転速度Ｎ０以下の回転速度指令値をインバータ３に送信する。したがって、ポンプ１の回転速度の下限値を第１の下限値Ｌ１から第２の下限値Ｌ２に切り替えると、ポンプ１の回転速度は速やかに低下し、締切回転速度Ｎ０以下となる。このようなポンプ１の回転速度の低下は、ポンプ１の回転速度の指令値の低下として表される。制御部１０は、自身が生成する回転速度の指令値からポンプ１の回転速度の低下を検出することができる。

　このように、少水量状態（および締切状態）のときにポンプ１の回転速度の下限値を第１の下限値Ｌ１から第２の下限値Ｌ２に切り替えると、目標圧力ＰＡを維持しようとするフィードバック制御に基づいてポンプ１の回転速度が速やかに低下する。したがって、制御部１０は、このようなポンプ１の回転速度の低下から少水量状態を検出することができる。

　従来の少水量検出方法では、制御モードをフィードバック制御から固定回転速度制御に切り換える。これに対し、本発明の制御部１０は、少水量検出時においても目標圧力ＰＡを保つためのフィードバック制御を行う。すなわち、給水装置の運転が通常の給水動作から少水量検出動作に切り替わるとき、および少水量検出動作から通常の給水動作に復帰するときも、フィードバック制御に従ってポンプ１の回転速度が制御される。したがって、ポンプ１の回転速度が急変せず、スムーズな給水運転を実現することができる。

　次に、少水量検出動作の詳細について図３を参照して説明する。図３は、少水量検出動作のフローチャートである。図３に示すように、制御部１０は、ポンプ１の回転速度の指令値が第１の下限値Ｌ１以下の値か否かを決定する（ステップ１）。ポンプ１の回転速度の指令値が第１の下限値Ｌ１以下の値の場合は、制御部１０は、圧力センサ１６から取得された現在の吐出し側圧力を所定の管理値と比較し、現在の吐出し側圧力がこの管理値よりも高い値か否かを決定する（ステップ２）。この管理値は、締切運転時の目標圧力ＰＡと同じ値である。

　ポンプ１の回転速度の指令値が第１の下限値Ｌ１以下の値であり、かつ現在の吐出し側圧力が所定の管理値より高い値の場合には、制御部１０は、予め設定された確認時間（例えば１０秒）が経過するまで、ステップ１およびステップ２の工程を繰り返す（ステップ３）。ポンプ１の回転速度の指令値が第１の下限値Ｌ１以下の値であり、かつ現在の吐出し側圧力が所定の管理値より高い値の状態が上記確認時間の間継続された場合には、制御部１０は、ポンプ１の回転速度の下限値を第１の下限値Ｌ１から第２の下限値Ｌ２に切り換える（ステップ４）。そして、制御部１０は、ポンプ１の回転速度の指令値が締切回転速度Ｎ０以下の値か否かを決定する（ステップ５）。制御部１０は、さらに、予め定められた検出時間（例えば２秒）以内にポンプ１の回転速度の指令値が締切回転速度Ｎ０以下の値まで低下したか否かを決定する（ステップ６）。第１の下限値Ｌ１から第２の下限値Ｌ２に切り替えた後であっても、水がある程度吐き出されている場合には、ポンプ１の回転速度はゆっくりと（例えば２秒よりも長い時間をかけて）低下する。したがって、このような場合には、少水量状態とは判断されない。

　検出時間内にポンプ１の回転速度の指令値が締切回転速度Ｎ０以下の値まで低下した場合は、制御部１０は、予め設定された監視時間（例えば２秒）が経過するまで、上記ステップ５およびステップ６を繰り返す（ステップ７）。ポンプ１が少水量状態または締切状態にある場合、吐出し側圧力は逆止弁１５によって保持されるので、現在の吐出し側圧力と目標圧力ＰＡとの差はなくならない。制御部１０は、現在の吐出し側圧力を目標圧力ＰＡにまで下げるためのポンプ１の回転速度の指令値を生成する。その結果、ポンプ１の回転速度は締切回転速度Ｎ０以下の値となる。そして、ポンプ１の回転速度の指令値が締切回転速度Ｎ０以下の値の状態が所定の監視時間継続された場合には、制御部１０は少水量状態を決定する（ステップ８）。少水量状態の決定後、制御部１０はポンプ１を一時的に増速させて圧力タンク１８内の圧力を増加させる蓄圧運転を行い（ステップ９）、その後、ポンプ１を停止させる（ステップ１０）。

　以上説明した制御部１０の少水量検出動作は、吐出圧力一定制御のみならず、推定末端圧力一定制御にも適用することができる。図４は、推定末端圧力一定制御を示すポンプ性能曲線図である。推定末端圧力一定制御は、目標圧力を管路抵抗に応じて変化させることにより末端の給水栓における供給水圧を一定に制御する制御方法である。図４に示す曲線Ｒは、管路抵抗に従って変化する目標圧力を示している。管路抵抗は、流量に従って増加する。ポンプ１の最高回転速度Ｎ３での目標圧力はＰＡであり、締切運転時の目標圧力はＰＢである。目標圧力は流量に従ってＰＢからＰＡまで徐々に増加する。

　この例においても、ポンプ１の回転速度の第１の下限値Ｌ１は、締切運転時の目標圧力ＰＢを達成するために必要な締切回転速度Ｎ０よりも僅かに高い値に設定され、第２の下限値Ｌ２は締切回転速度Ｎ０よりも僅かに低い値に設定されている。例えば、第１の下限値Ｌ１は締切回転速度Ｎ０の１０５％に設定され、第２の下限値Ｌ２は締切回転速度Ｎ０の９５％に設定される。

　流量が低下してくると、ポンプ１の回転速度も低下していき、やがて第１の下限値Ｌ１に達する。さらに流量が低下すると、ポンプ１の運転点は、図４に示すように、第１の下限値Ｌ１を示すポンプ性能曲線上に乗る。少水量状態、特に締切状態（流量が０）では、圧力センサ１６によって測定される現在の吐出し側圧力は流量に対応した目標圧力よりも必ず高くなる。制御部１０は、現在の吐出し側圧力と目標圧力との差を解消すべく、締切回転速度Ｎ０以下の回転速度指令値をインバータ３に送信する。したがって、ポンプ１の回転速度の下限値を第１の下限値Ｌ１から第２の下限値Ｌ２に切り替えると、ポンプ１の回転速度が速やかに低下し、締切回転速度Ｎ０以下となる。制御部１０は、このようなポンプ１の回転速度の低下から少水量状態を検出する。

　図１に示す給水装置は、受水槽内の水を吸引する給水装置であるが、本発明は、水道本管に直結された、いわゆる直結型給水装置にも適用することが可能である。図５は直結型給水装置を示す模式図である。直結型給水装置の基本的な構成は図１に示す給水装置と同じであるが、ポンプ１の吸込側に吸込側圧力を測定する吸込側圧力センサ２０を備えている点と、給水装置から水道本管への水の逆流を防止するための逆流防止装置２１を備えている点で異なっている。吸込側圧力センサ２０は制御部１０に接続されており、吸込側圧力の測定値が制御部１０に送られるようになっている。制御部１０は、上述した方法に従って少水量状態を検出する。

　本発明は、さらに複数のポンプを備えた給水装置にも適用することが可能である。図６は、複数のポンプ、モータ、およびインバータを備えた給水装置の実施形態を示す図である。この給水装置は、互いに並列に接続された２つのポンプ１，１と、これらポンプ１，１を回転させるモータ２，２と、これらモータ２，２に可変周波数の電圧を印加するインバータ３，３とを備えている。インバータ３，３は制御部１０に接続されている。ポンプ１，１の吐出し側には逆止弁１５，１５がそれぞれ設置されており、逆止弁１５，１５の吐出し側には圧力センサ１６および圧力タンク１８が設置されている。制御部１０は、上述した方法に従って各ポンプについての少水量状態を検出する。

　図６は、受水槽内の水を吸引する給水装置であるが、本発明は複数のポンプを備えた直結型給水装置にも適用することが可能である。この場合は、図５に示す吸込側圧力センサ２０および逆流防止装置２１がポンプ１，１の上流側に設置される。

　さらに本発明は、フロースイッチを備えていない、いわゆるフロースイッチレス給水装置に適用できるほか、フロースイッチを備えてある給水装置において、フロースイッチが動作不良を起こした場合にも適用できる。かかる場合に動作不良を起こしたフロースイッチを取り外すことなく当該フロースイッチからの検出信号によらないで本発明により少水量状態の検出をしてもよい。その後、フロースイッチが修理交換などにより正常になった場合でも、フロースイッチ又は本発明による少水量状態の検出を適宜選択して給水装置を運転することもできる。

　上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

　本発明は、水道本管からの水を加圧して集合住宅や商業ビルなどの建物に給水を行う給水装置に利用可能である。

　１　　ポンプ
　２　　モータ
　３　　インバータ
　５，１０　　制御部
１５　　逆止弁
１６　　吐出し側圧力センサ
１８　　圧力タンク
１９　　フロースイッチ
２０　　吸込側圧力センサ
２１　　逆流防止装置

Claims (7)

1. 　ポンプと、
   　前記ポンプを回転させるモータと、
   　前記モータに可変周波数の電圧を印加するインバータと、
   　前記ポンプの吐出し側圧力を測定する吐出し側圧力センサと、
   　前記吐出し側圧力の測定値に基づいて、前記ポンプの吐出し側圧力が予め定められた目標圧力に維持されるように、前記モータおよび前記インバータを介して前記ポンプの回転速度をフィードバック制御する制御部とを備えた給水装置であって、
   　前記制御部は、締切状態で前記目標圧力を達成するために必要な締切回転速度よりも高い回転速度の第１の下限値と、前記締切回転速度よりも低い回転速度の第２の下限値とを記憶しており、
   　前記制御部は、
   　　前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換え、
   　　所定の検出時間内に前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となった場合には、前記ポンプは少水量状態にあると判断することを特徴とする給水装置。
2. 　前記制御部は、前記ポンプの回転速度が前記第１の下限値以下の状態が所定の確認時間継続したときに、前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の給水装置。
3. 　前記制御部は、前記ポンプの回転速度が前記第１の下限値以下であり、かつ前記吐出し側圧力が所定の管理値よりも高い状態が前記所定の確認時間継続したときに、前記ポンプの回転速度の下限値を前記第１の下限値から前記第２の下限値に切り換えることを特徴とする請求項２に記載の給水装置。
4. 　前記管理値は、締切運転時の前記目標圧力と同じであることを特徴とする請求項３に記載の給水装置。
5. 　前記制御部は、前記所定の検出時間内に前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となり、かつ前記ポンプの回転速度が前記締切回転速度以下となった状態が所定の監視時間の間継続された場合には、前記ポンプは少水量状態にあると判断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の給水装置。
6. 　前記目標圧力は、前記ポンプから吐き出される水の流量によらず一定であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の給水装置。
7. 　前記目標圧力は、前記ポンプから吐き出される水の流量に従って変化することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の給水装置。

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