JP3142267B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、空調、給水設備
あるいは冷凍機に用いる液体圧送用のポンプ装置に関
し、特に、回転速度制御を加えない定速型ポンプを２台
以上並設しているポンプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来例を示しており、定速型ポン
プとして、いわゆる回転速度が変更できない単速度ポン
プ１，２を２台並設し、各ポンプ１，２の吐出管３，４
を共通吐出管５に合流して、空調設備の熱交換部等、負
荷が変化する負荷発生部９に連通している。

【０００３】図１０は、図９に示すポンプ装置の運転状
態図であり、縦軸Ｈは揚程（吐出圧力）、横軸Ｑは吐出
し量（水量）、曲線Ｐ1は１台運転時の揚程曲線、Ｐ1＋
Ｐ2は２台運転時の揚程曲線、曲線Ｒは２台運転時の定
格吐出し量２Ｑnに基づき計画された管路抵抗曲線であ
り、ポンプ装置は上記管路抵抗曲線Ｒに沿って運転され
る。計画通りに２台運転している時には、ポンプ運転点
はＢとなり、これを１台当りに直すと、曲線Ｐ1上で揚
程Ｈnと交わる点Ａが定格運転点となり、ポンプ動力
上、過負荷等、何等問題は生じない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１０において、２台
運転状態から負荷が減少して、１台運転となった時に
は、ポンプ運転点は管路抵抗曲線Ｒと曲線Ｐ1との交点
Ａ1となる。該運転点Ａ1の水量Ｑ1は上記定格運転点Ａ
の水量Ｑnよりもはるかに大きくなるから、過大水量で
の運転状態となり、ポンプ動力が過負荷になる可能性が
非常に高い。

【０００５】上記ポンプ動力の過負荷を防止するために
は、過負荷しない範囲までポンプ吐出口のバルブ絞りを
行って抑制することになるが、そうするとバルブ二次側
でのポンプ特性は破線で示す曲線Ｐ1´のようになり、
定格運転点Ａの水量Ｑnに不足することになる。この水
量不足を補い、かつ、前記過負荷が生じないようにする
ために、一般的にはポンプ駆動用の電動機として、出力
が１ランクあるいは数ランク上の大型電動機を採用して
いる。ところが、大型の電動機を採用すると、該電動機
を制御する機器も同様に大型化し、設備コストがかさむ
ばかりではなく、流量が過大化し、ポンプ効率が低下す
る。また、キャビテーションや騒音振動の増加の原因と
もなる。

【０００６】図１１は前記並列型のポンプ装置を冷凍機
に適用した従来例を示しており、並列配置された２つの
定速型ポンプ１,２は、吸込み側が共通の吸込みヘッダ
ー管２４に接続し、吐出側はそれぞれ冷凍機２１，２２
に接続し、両冷凍機２１，２２は共通の吐出ヘッダー管
２３に合流している。該吐出ヘッダー管２３は共通管２
９を介して共通の二次側負荷発生部２８に接続し、該二
次側負荷発生部２８の出口は還りヘッダー管２６に接続
し、さらに流量センサー３０を介して吸込みヘッダー管
２４へと戻されるように構成されている。吸込みヘッダ
ー管２４及び吐出ヘッダー管２３は、各ポンプ１，２の
単独管路以外の管路抵抗を共有している。

【０００７】一般に冷凍機の運転は、二次側負荷発生部
の負荷が減少しても、内部凍結や冷凍効率の大幅な下落
を防止するため、一定限度まで冷水量が減少した時点
で、断水リレーを動作させ、冷凍機の運転を停止するよ
うにしている。そのため、図１１に示すように吐出ヘッ
ダー管２３と還りヘッダー管２６の間にはバイパス管２
７が介装され、冷凍機を含める熱源側のポンプの運転
は、吐出ヘッダー管２３と還ヘッダー管２６とをバイパ
スさせることにより、ポンプ装置を定格運転させるいわ
ゆる定量運転となることが多い。しかし、上記のように
バイパスさせる構造であると、負荷の大小に関係なく、
エネルギーロスの多い運転が強いられ、燃料コストが高
くなる。

【０００８】

【発明の目的】本願発明の目的は、定速型ポンプを２台
以上並設したポンプ装置において、負荷が減少した場合
でも確実に定流量運転が行え、過大流量化による前記弊
害を防止することである。また、別の目的は、冷凍機等
において、従来のバイパス方式による非効率性を解消
し、電動機を大型化することなく、省エネ運転ができる
ポンプ装置を提供することである。

【０００９】前記目的を達成するために本願請求項１記
載の発明は、回転速度が一定に固定された定速型ポンプ
１，２を複数台並列に備え、各ポンプ１，２の吐出部１
ａ，２ａは、吐出管３，４及びこれらを集合した共通吐
出管５を介して共通の負荷発生部９（又は２８）に接続
し、各ポンプ１，２の吐出部１ａ，２ａ又は一次側吐出
管部分３ａ，４ａに、弁一次側圧力を一定圧に制御する
一次側圧力一定制御型二方弁１１，１２の弁一次側部分
を接続し、二方弁１１，１２の二次側出口を負荷発生部
９側に接続していることを特徴とするポンプ装置であ
る。これによりポンプの定流量運転が行え、過大流量化
による前記弊害を防止できる。また、ポンプに対し一次
側圧一定制御型の二方弁を接続するだけで実施でき、部
品コストも節約できる。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載のポ
ンプ装置において、上記二方弁は、一次側設定圧をポン
プ規定揚程以外の値に設定変更可能であることを特徴と
している。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１記載のポ
ンプ装置において、各ポンプにそれぞれ一次側圧力一定
制御型の二方弁を備え、一次側設定圧をポンプ毎に異な
る値に設定変更可能であることを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に示すポンプ装置は、本願発
明を適用した空調設備用の冷温水ポンプ装置であって、
２台の定速型ポンプ１，２を並設している。定速型ポン
プ１，２としては、回転速度が変更制御されないいわゆ
る単速度ポンプを使用しているが、可変速型ポンプであ
って、回転速度を固定したものを使用することも可能で
ある。

【００１３】各定速型ポンプ１，２の吐出口１a，２aに
は吐出管３，４がそれぞれ接続し、両吐出管３，４は共
通吐出管５に合流し、該共通吐出管５は流量センサー６
等を介して共通の負荷発生部９、たとえば熱交換部等に
接続している。

【００１４】各定速型ポンプ１，２の吐出管３，４又は
各吐出口１a，２aに、一次側圧力一定制御機能を有する
二方弁１１、１２を配置している。図１では両ポンプ
１，２共に二方弁１１,１２を接続しているが、仮に、
一方の定速型ポンプ１を先発とし、他方の定速型ポンプ
２を後発として、それらの運転順序を固定している場合
には、先発の定速型ポンプ１に二方弁１１を接続し、後
発の定速型ポンプ２の二方弁１２を省略することは可能
である。二方弁１１，１２は、通常の電動式制御弁、空
圧式制御弁、油圧式制御弁又は水力を利用した自己制御
弁が適しており、弁１１,１２の一次側圧力を一定圧に
制御する機能を有している。いいかえれば、定速型ポン
プ１，２の吐出口１a，２a及び吐出管３，４の一次側吐
出管部分３a，４aの圧力を一定圧に制御する機能を有し
ている。

【００１５】図３は、図１のポンプ装置の１台運転状態
（先発の定速型ポンプ１のみの運転状態）を示す揚程曲
線図であり、縦軸Ｈは揚程、横軸Ｑは吐出し量（水量）
であり、ポンプ全揚程は吐出圧力に等しいとしている。
曲線Ｐ1がポンプ１の揚程曲線であり、二方弁１１の一
次側設定圧をＨｎ、定格吐出し量をＱnとした時、点
（Ｑn，Ｈn）を定格運転点Ａとし、該定格運転点Ａを通
る管路抵抗曲線をＲfnとし、管路抵抗を順次少なくした
ものを、大きいものから順に、Ｒf1，Ｒf2，Ｒf3として
いる。

【００１６】定格運転点Ａで運転している時に、管路抵
抗（負荷）を曲線Ｒf1に下げたとすると、何の制御も加
えなければ、ポンプ運転点は、曲線Ｒf1と曲線Ｐ1との
交点Ａ1になり、ポンプ吐出圧力が上記点Ａ1に対応する
圧力まで低下することになる。しかし、本願発明のよう
に二方弁１１を備え、該弁１１の一次側圧力を一定圧力
に制御していると、ポンプ吐出圧力、すなわち二方弁１
１の一次側圧力の低下を検知することにより、二方弁内
部の絞り量を自動的に増大し、一次側圧力を定格運転点
Ａに対応する圧力Ｈnまで上昇させる。この時の二方弁
１１の絞り増大量は、管路抵抗曲線Ｒfnと同Ｒf1との差
に等しく、このため二方弁出口において仮想されるポン
プ性能（二次側圧力）は、ポンプの揚程曲線Ｐ１から、
抵抗曲線Ｒfnと同Ｒf1の差を、全吐出し量について差し
引いたものとなり、破線で示す揚程曲線Ｐ1-1となる。
したがってこの曲線Ｐ1-1と管路抵抗曲線Ｒf1との交点
Ａn1が、二方弁出口における仮想ポンプ性能の運転点と
なるから、この時の吐出し量はＱnとなり、前記定格運
転点Ａと同一の吐出し量になる。

【００１７】この状態でのポンプ本来の運転点は前記点
Ａに他ならないので、二次側管路抵抗が変化しても、ポ
ンプは当初と同一の運転点Ａで運転を続行していること
になる。

【００１８】続いて管路抵抗が低下して、曲線Ｒf2にな
ると、二方弁１１の一次側圧力は点Ａ2まで低下するた
め、二方弁１１の絞り量はさらに大きくなり、点Ａ2か
ら点Ａへと絞り調整される。この時の運転点は、曲線Ｒ
f1の時と同様である。すなわち、二方弁出口（二次側）
での揚程（仮想ポンプ性能）は曲線Ｐ1-2となり、該曲
線Ｐ1-2と曲線Ｒf2との交点Ａn2が仮想運転点となり、
この時の吐出し量はＱnとなり、前記定格運転点Ａと同
一の吐出し量になる。勿論、この時のポンプ本来の運転
点は、前記曲線Ｒf1の場合と同様、点Ａである。

【００１９】さらに管路抵抗が低下して、曲線Ｒf3にな
った場合でも、上記曲線Ｒf1,Ｒf2の場合と同様に、仮
想ポンプ性能の運転点はＡn3、ポンプ本来の運転点は
Ａ、吐出し量はＱnとなり、いずれの場合でも、二方弁
により一次側圧力を一定に制御する結果、ポンプ吐出し
量は一定値Ｑnに保たれる。すなわち、定流量運転され
ることが判る。

【００２０】図２は、定速型ポンプの２台並列運転状態
を示す図であり、図３と同様にポンプの定格揚程をＨn
とし、二方弁１１，１２の一次側設定圧力を同じＨnと
し、曲線Ｐ1＋Ｐ2は、２台運転時の揚程曲線である。こ
こで流量が２ＱnからＱnへ減少するときは、前述のよう
にポンプ出口側、すなわち二方弁１１の一次側圧力も低
下するので、二方弁１１は内部の絞りを増加させて圧力
Ｈnを維持しようとする。この結果ポンプ吐出圧は圧力
Ｈnに維持される。今、二方弁１１の全開時抵抗を無視
すると、二方弁全開時の曲線Ｐ1に対する抵抗は曲線Ｒ
のみとなるが、次第に流量が減少すると、二方弁１１は
一次側圧力の低下を防ぐため、内部絞りを増加する。ポ
ンプが一台運転となった時は、絞りの増加分は曲線ｒと
なり、ポンプ１は曲線Ｐ1と曲線ｒとの交点Ａで運転す
ることになる。そして二方弁１１の二次側でみると、仮
想ポンプ性能は曲線Ｐ1から弁抵抗増加分ｒを差し引い
た曲線Ｐ1-nとなり、この曲線Ｐ1-nと曲線Ｒとの交点Ａ
nが仮想ポンプ性能の運転点となり、吐出し量はＱｎと
なる。すなわち、二方弁１１の一次側設定圧力をＨnと
指定することにより、先発ポンプ１は吐出し量Ｑｎで固
定して運転されることになり、前記図１０の従来例のよ
うに運転点Ａ1での過大吐出し量Ｑ1を回避することがで
きる。

【００２１】このように、定速型ポンプ１，２の２台並
列運転において、従来では、１台のポンプを停止する
と、残る１台は定格を大きく上回る吐出し量で回転し、
過負荷、あるいは振動騒音増加などの諸問題が生じる
が、本願発明のように、少なくとも先発の定速型ポンプ
Ｐ1の吐出部に、一次側圧力一定制御型の二方弁１１を
配置し、弁一次側圧力を一定に制御することにより、ポ
ンプ１は定格水量Ｑnで運転され、上記不具合は生じな
い。

【００２２】

【発明の実施の形態２】図４は冷凍機２１,２２に対し
それぞれ定速型ポンプ１，２を接続した装置に、本願請
求項２記載の発明を適用したものである。基本的な構造
は前記図１１の装置と同様であり、同じ部品には同じ符
号を付し、重複する説明は省略する。

【００２３】各定速型ポンプ１，２の吐出部にそれぞれ
一次側圧力一定制御型の二方弁１１，１２が設けられ、
二方弁１１，１２の一次側圧力（ポンプ吐出圧）を一定
に制御するようになっており、かつ、上記二方弁１１，
１２は、設定圧がポンプ規定揚程Ｈｎ以外の値に設定変
更可能となっている。

【００２４】図５は定速型ポンプ１台の運転状態を示す
ものであり、横軸に流量Ｑを％で示し、縦軸に揚程（ポ
ンプ圧力）Ｈを同じく％で示している。Ｐ1はポンプ１
の揚程曲線、Ｒは管路抵抗を代表した曲線であり、両曲
線Ｐ1，Ｒの交点Ａはポンプ１の定格運転点を示してい
る。定格水量Ｑnを比率１００％とし、冷凍機の下限水
量Ｑbをたとえば６０％としている。Ｈnは比率１００％
の定格揚程、Ｈbは前記水量Ｑbに対応する揚程であり、
たとえば比率１３０％である。

【００２５】二次側負荷発生部２８の負荷減少に伴い、
水量がＱnから次第にＱbへと減少するとき、二方弁１
１，１２の一次側設定圧をＨｂと指定すれば、前記説明
と同様にポンプの運転点はＡ4、二方弁１１の二次側仮
想ポンプ性能はＰ1-n、仮想ポンプ性能の運転点はＡbと
なり、これにより吐出し量はＱbに固定される。

【００２６】このように、冷凍機下限水量Ｑbは、負荷
の連続的な減少にかかわらず、設定値通りに確実に維持
される。その他、従来のバイパス方式の定量運転に比べ
ると、負荷に応じた動力に節減される。たとえば、Ｌは
ポンプ動力（軸動力）の変化を示しているが、従来の定
量運転では軸動力がＬ1必要であるのに対し、本願では
Ｌ2に節減される。

【００２７】要するに、二方弁１１，１２を規定揚程以
外の設定圧に変更可能としていると、図４に示す冷凍機
において、水量１００％から下限水量６０％までの変化
に対応して、ポンプ圧力がそれぞれの水量に対応する圧
力（比％）になるように二方弁１１，１２を可変設定す
ることにより、いかなるときでも冷凍機の下限水量を確
保すると同時に、流量の低下に応じて運転動力が低下す
るポンプ特性を利用することで、従来の定量運転に比べ
て省エネを達成することができるのである。

【００２８】さらに図６により、定格水量Ｑn以下の小
水量において、二方弁１１，１２の制御作用で、ポンプ
の吐出し量に対応した圧力でポンプが運転できることを
説明する。

【００２９】冷房負荷が減少した場合に、空調機に対す
る冷水供給量を調整弁で絞りを増加させる等の方法によ
り、管路抵抗を増加して、抵抗曲線Ｒより大きな抵抗曲
線ｒ1になったとして、この時の水量がＱbであるとする
と、ポンプ特性上の圧力はＨｂであり、曲線ｒ1とポン
プの揚程Ｐ1との交点はＡ4となる。このような状態を設
定し、維持するためには、二方弁１１,１２の設定圧を
Ｈbと指示しておけば良い。そうすると、この時の弁二
次側で仮想したポンプ特性は、曲線Ｐ1から、各水量に
わたって曲線Ｒと曲線ｒ1との差をマイナスしたことで
得られる曲線Ｐ1-1となる。そして曲線Ｐ1-1と曲線Ｒと
の交点Ａn1が仮想ポンプ運転点となる。このことは、一
旦設定した圧力Ｈbを変更しない限り、上記仮想運転点
Ａn1、すなわち水量Ｑbでの運転が保証される。さら
に、負荷水量がＱcに減少した時も、二方弁１１，１２
の一次側圧力をＨcと指示している限り、ポンプ運転点
はＡ5、仮想ポンプ性能は曲線Ｐ1-2、仮想ポンプ運転点
はＡn2となり、水量Ｑcが吐出される。

【００３０】すなわち、水量Ｑcを下限水量とする時
は、二方弁１１，１２の一次側設定圧をその水量に対応
する圧力Ｈcに指定しておけば、この水量Ｑcよりも減少
することはなく、冷凍機に必要な下限水量は確保される
のである。

【００３１】図６の水量ＱnからＱcに亘って、対応する
ポンプ圧力を予め設定しておくことにより、定格水量Ｑ
nから下限水量Ｑcの範囲で、実流量に伴って二方弁１
１，１２の一次側設定圧が自動的に設定替えされること
になり、確実な運転状態を継続することができる。そし
て、下限水量を確実に守ることができるのである。

【００３２】

【発明の実施の形態３】図７において、４台の定速型ポ
ンプ４１，４２，４３，４４を並設し、各ポンプ４１，
４２，４３，４４の吐出部に一次側圧力一定制御型の二
方弁５１，５２，５３，５４を接続してなるポンプ装置
に、本願請求項３記載の発明を適用した場合を説明す
る。すなわち、各二方弁５１，５２，５３，５４は、設
定圧がポンプ毎に異なる値に設定変更可能としているの
である。

【００３３】図８は、図７のポンプ装置の４台運転状態
における揚程曲線図を示している。１台運転時におい
て、二方弁５１がない場合の運転点はＡ１となるが、本
願では二方弁５１の一次側圧力一定制御により、仮想ポ
ンプ性能の運転点はＡnとなり、吐出し量は定格のＱnと
なり、また、ポンプ吐出圧力はＨnに保たれる。

【００３４】同じく２台運転中は、前記説明と同様に、
二方弁５２がない場合の運転点はＢ1となるが、本願で
は二方弁５２の一次側圧力一定制御により、仮想ポンプ
性能の運転点はＢnとなり、吐出し量は２Ｑn、ポンプ吐
出圧力はＨnに保たれる。

【００３５】３台運転中は、前記説明と同様に、二方弁
５３がない場合の運転点はＣ1となるが、本願では二方
弁５３の一次側圧力一定制御により、仮想ポンプ性能の
運転点はＣnとなり、吐出し量は３Ｑn、ポンプ吐出圧力
はＨnに保たれる。

【００３６】４台運転中は、全ポンプが定格となる。以
上のように、何台が並列運転しても、二方弁の一次側圧
力をポンプのその時の定格吐出し量に相当する圧力に設
定しておけば、ポンプは定格水量一定に運転され、過大
水量運転や過負荷運転状態になることがない。

【００３７】また、各水量間の変化に応じた必要圧力設
定を予め行っておけば、連続した水量変化に対し、それ
ぞれの状態で二方弁に対して必要圧力設定が自動的に行
われることになるので、全水量範囲にわたり確実なポン
プ吐出し量が過不足なく得られることになる。この時の
圧力の上下限は、図８において、１台運転時、水量最小
時設定圧はＨs、水量最大時設定圧はＨnとなり、２台運
転時、水量最小時設定圧はＨ1、水量最大時設定圧はＨn
となり、３台運転時、水量最小時設定圧はＨ2、水量最
大時設定圧はＨnとなり、４台運転時、水量最小時設定
圧はＨ3、水量最大時設定圧はＨnとなる。このような最
大最小圧力間を、ポンプ揚程曲線に近似させた圧力設定
とすればよい。

【００３８】

【発明の効果】（１）複数台の定速型ポンプを並設し、
各ポンプの吐出管を合流させて共通の負荷発生部に接続
するポンプ装置において、ポンプの吐出部に、一次側圧
力を一定に制御する二方弁を設けているので、負荷が減
少して１台運転状態となった時でも、過大流量化を防
ぎ、ポンプ動力が過負荷になるのを防ぐことができる。

【００３９】（２）ポンプ駆動用の電動機等を大型化す
ることなく、小型のポンプを効率良く利用してポンプ動
力の過負荷を防ぐことができるので、設備コストが節約
できると共に、キャビテーションや騒音振動の発生も防
止することができる。

【００４０】（３）二方弁を規定揚程以外の設定圧に変
更可能としていると、たとえば冷凍機において、水量１
００％から下限水量までの変化に対応して、ポンプ圧力
がそれぞれの水量に対応する圧力になるように二方弁を
可変設定することにより、いかなるときでも冷凍機の下
限水量を確保すると同時に、流量の低下に応じて運転動
力が低下するポンプ特性を利用することで、従来の定量
運転に比べて省エネを達成することができるのである。

【００４１】（４）各二方弁を、設定圧がポンプ毎に異
なる値に設定変更可能としていると、何台が並列運転し
ても、二方弁の一次側圧力をポンプのその時の定格吐出
し量に相当する圧力に設定しておけば、ポンプは定格水
量一定に運転され、過大水量運転や過負荷運転状態にな
ることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本願発明を適用したポンプ装置の配管略図で
ある。

【図２】 図１のポンプ装置の揚程曲線図である。

【図３】 図１のポンプ装置の１台運転時の状態を示す
揚程曲線図である。

【図４】 本願請求項２記載の発明を冷凍機に適用した
配管略図である。

【図５】 図４のポンプ装置を１台運転した場合の揚程
曲線図である。

【図６】 図４のポンプ装置を２台運転した場合の揚程
曲線図である。

【図７】 本願請求項３記載の発明を適用したポンプ装
置の配管略図である。

【図８】 図７のポンプ装置の運転状態を示す揚程曲線
図である。

【図９】 従来例の配管略図である。

【図１０】 図９のポンプ装置の２台運転状態を示す揚
程曲線図である。

【図１１】 従来の冷凍機の配管略図である。

【符号の説明】

１，２，４１，４２，４３，４４ 定速型ポンプ ９，２８ 共通負荷発生部 １１，１２，５１，５２，５３，５４ 一次側圧力一定
制御型の二方弁

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転速度が一定に固定された定速型ポン
   プ１，２を複数台並列に備え、 各ポンプ１，２の吐出部１ａ，２ａは、吐出管３，４及
   びこれらを集合した共通吐出管５を介して共通の負荷発
   生部９（又は２８）に接続し、 各ポンプ１，２の吐出部１ａ，２ａ又は一次側吐出管部
   分３ａ，４ａに、弁一次側圧力を一定圧に制御する一次
   側圧力一定制御型二方弁１１，１２の弁一次側部分を接
   続し、 二方弁１１，１２の二次側出口を負荷発生部９側に接続
   していることを特徴とするポンプ装置。
2. 【請求項２】 上記二方弁１，２は、一次側設定圧をポ
   ンプ規定揚程以外の値に設定変更可能であることを特徴
   とする請求項１記載のポンプ装置。
3. 【請求項３】 上記各二方弁１，２は、ポンプ毎に異な
   る値に設定変更可能である規定揚程以外の値に設定変更
   可能であることを特徴とする請求項１記載のポンプ装
   置。