JP4843385B2 - 自動給水装置のポンプ渇水保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば井戸水位が一時的に低下することによる渇水状態からポンプを保護する自動給水装置のポンプ渇水保護装置に関する。

井戸水を給水する自動給水装置の多くは、井戸に、電動モータ駆動式の水中ポンプや陸上ポンプで構成される給水ポンプを据え付け、同ポンプの能力を制御部で需要側に応じて制御（インバータなどによる）することにより、所望の給水量、給水圧を確保している。

ところで、井戸の水位は、地下の水脈の状態や地下水の汲み上げ具合などで変動する。このため、給水運転の際、井戸の水位が渇水水位まで低下することがある。

ところが、給水運転中、井戸が渇水水位まで水位がすると、給水ポンプのポンプ部は、ポンプケーシング内の残水を撹拌するだけの運転となるため、過度（異常）な温度上昇が発生し、ポンプ部を悪化させてしまう。特に水中ポンプは、電動モータが大気中に露出すると、井戸水による冷却作用がなくなるために、電動モータが過度（異常）に温度上昇し、電動モータ自身が悪化したり、井戸の周壁を形成する樹脂製ケーシングを変形させたりするおそれがある。

この対策として、特許文献１に示されるような給水ポンプを渇水状態から保護する技術が提案されている。同技術は、給水運転中、井戸の水位が渇水水位へ低下すると、給水ポンプの運転を停止させ、予め設定した一定のインターバル時間が経過すると、給水ポンプを再始動させ、井戸の水位が回復するまで、ポンプ停止・ポンプ再始動を繰り返すという、制御を行なうとするものである。
特開平１０−２１３０７４号公報

ところで、電動モータは、再始動の段階では、前回の無負荷運転の影響による温度上昇が残る。

このため、給水ポンプが再始動となり、渇水状態から、再び無負荷運転が行なわれると、電動モータは、前回の温度上昇に加え、さらに温度上昇する要因が加わるために、過度（異常）に温度上昇するおそれがある。特に再始動の繰り返しは、前回の無負荷運転の影響により電動モータ自身が徐々に温度上昇するために、過度の温度上昇を招くことがある。

このような過度の温度上昇をきたすと、電動モータ自身を悪化させたり、井戸のケーシングを変形させたりするおそれがある。

そこで、本発明の目的は、渇水状態の継続時、ポンプ部や電動モータが過度に温度上昇するのを防げる自動給水装置のポンプ渇水保護装置を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ温度を検出する温度検出手段と、渇水状態時のモータ温度が所定値以上のとき、インターバル時間を延長させるインターバル時間変更手段とを設ける構成を採用した。

請求項２の発明は、温度検出手段として、渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ電流を検出するモータ電流値検出手段を用い、インターバル時間変更手段には、１回目の渇水状態時のモータ電流値を記憶する基準電流値記憶手段と、渇水状態が継続する２回目以降のモータ電流値を検出する変動電流値検出手段と、渇水状態が継続するたび、１回目で検出したモータ電流値と検出した２回目以降のモータ電流値とを比較するモータ電流変動検出手段と、比較したモータ電流値の差が所定値以上のとき、インターバル時間を延長させるインターバル設定手段を有する構成を採用した。

請求項３の発明は、温度検出手段として、渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ電流を検出するモータ電流値検出手段を用い、インターバル時間変更手段には、１回目の渇水状態時のモータ電流値を記憶する基準電流値記憶手段と、渇水状態が継続する２回目以降のモータ電流値を検出する変動電流値検出手段と、渇水状態が継続するたび、１回目のモータ電流値と検出した２回目以降のモータ電流値との変化率を求める変動率算出手段と、求めた変動率が所定値以上のとき、インターバル時間を変動率に応じて延長させるインターバル設定手段とを有する構成を採用した。

請求項４の発明は、渇水状態のポンプ運転が停止する直前のモータ電流値を検出するものとした。

本発明によれば、たとえ渇水状態が継続していても、電動モータ駆動式ポンプは、インターバル時間を延長する制御により、渇水状態が解消されるまでの間、過度にポンプ部や電動モータの温度が上昇せずにすむ。

それ故、高い信頼性下で、電動モータ駆動式ポンプの渇水保護を続けることができる。

しかも、モータ温度の同等の挙動を示すモータ電流値を用いて、インターバル時間を延長する構造を用いると、別途、温度センサなど専用部品を用いずに、インターバル時間の延長ができる。そのうえインターバル時間の延長は、予め設定してある延長インターバル時間を用いたり、モータ電流値の変化率に応じて延長させたりしてあると、容易にインターバル時間の変更ができたり、モータ温度の具合に応じて細やかにインターバル時間の変更ができる。特にモータ電流値をモータ温度のパラメータとして用いる場合、最も新しい情報であるポンプ運転（渇水状態）が停止する直前のモータ電流値を用いると、適切にポンプの渇水保護を行なうことができる。

［第１の実施形態］
以下、本発明を図１および図２に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。

図１は、ポンプ渇水保護装置Ａが組み込まれた自動給水装置Ｂを概略的に示している。同図１中１は井戸（取水源）、２は同井戸１内に据え付けられた電動モータ駆動式給水ポンプ、例えば水中ポンプ（給水ポンプ）である。なお、図中２ａは水中ポンプ２のポンプ部を示し、２ｂは該ポンプ部２ａを駆動する電動モータを示している。

一方、自動給水装置Ｂには、例えばケーシング５内に、通水モジュール６およびポンプ制御部１５を収めた構造が用いてある。通水モジュール６は、一端部を入口部７とし、他端部を出口部８とした通水配管９に、同通水配管９内を流れる流体の圧力を検出する圧力センサ１０、同じく流体の流量を検出する流量センサ１１を組み付けて構成される。そして、入口部７が、継手部７ａを介して、水中ポンプ２の吐出部から延びる中継配管１２に接続されている。また出口部８は、継手部７ｂを介して、蛇口など需要側につながる需要側の中継配管１３に接続され、水中ポンプ２から吐出した井戸水が、通水配管９を通じて、中継配管１３へ送られるようにしてある。

ポンプ制御部１５は、図示はしないマイクロコンピュータを有して構成してある。この制御部１５には、水中ポンプ２の電動モータ２ｂや圧力センサ１０や流量センサ１１などが接続される。ポンプ制御部１５には、圧力センサ１０や流量センサ１１で検出される需要状態にしたがい水中ポンプ２の運転を制御する給水用の制御プログラムが設定されている。さらにポンプ制御部１５には、水中ポンプ２を渇水から保護する渇水用の保護プログラムが設定されている。

渇水用の保護プログラムは、
・例えば圧力センサ１０、流量センサ１１の検出情報から、水中ポンプ２が渇水状態で運転するときを検出する検出機能（ポンプ渇水状態検出手段に相当）、
・渇水状態での運転が検出されると、当該ポンプの運転を停止させ、所定のインターバル時間ｔの経過後、該ポンプを再始動させる休止運転機能（ポンプ渇水保護制御手段に相当）、
・渇水状態の水中ポンプ２のモータ温度（電動モータ２ｂ）を検出する温度検出機能（温度検出手段に相当）、
・渇水状態時のモータ温度が高いとき（所定値以上のとき）、インターバル時間ｔを延長させるインターバル時間変更機能（インターバル時間変更手段に相当）
を組み合わせて構成されている。

このうち検出機能は、ポンプ渇水状態を検出するべく、吐出水量が一定水量以下で、吐出圧力が、予め設定されている下限の圧力以下となるときを検出するプログラムで形成されている。

休止運転機能は、ポンプ渇水状態が検出されると、予め設定された一定時間（インターバル時間ｔ）の間、水中ポンプ２の運転を停止させ、一定時間（インターバル時間ｔ）の経過後、水中ポンプ２の運転を再開させるプログラムで形成されている。

温度検出機能は、電動モータ２ｂのモータ巻線が発熱すると、同巻線抵抗が上昇し、それに反比例して電動モータ２ｂの渇水時電流（無負荷電流）が減少するという、モータ温度と同等に変化するモータ電流（巻線電流）を用いた機能で形成されている。具体的には、渇水状態時、電動モータ２ｂのモータ電流値を検出する機能、それも最も新しい情報である水中ポンプ２が停止する直前のモータ電流値を検出する機能で形成してある。

インターバル時間変更機能は、１回目（始めて）の渇水状態時のモータ電流値を記憶する機能（基準電流値記憶手段に相当）と、渇水状態が継続する２回目以降のモータ電値流を検出する機能（変動電流値検出手段に相当）と、渇水状態が継続するたび、１回目で検出したモータ電流値と検出した２回目以降のモータ電流値とを比較する機能（モータ電流変動検出手段に相当）と、比較したモータ電流値の差が所定値以上のとき、インターバル時間ｔを延長させる機能（インターバル設定手段に相当）とを組み合わせて形成してある。延長には、インターバル時間ｔから、延長インターバル時間ｔ＋α（インターバル時間より長い予め設定されたインターバル時間）へ変更する機能が用いてある。αは延長分の時間を示す。

このような保護機能が設定されたポンプ制御部１５から、ポンプ渇水保護装置Ａを構成している。

このポンプ渇水保護装置Ａの作用が図２のフローチャートに示されている。同フローチャートを参照してポンプ渇水保護装置Ａの作用について説明する。

今、図１に示されるように井戸１の水位が運転水位にあるとする。この状態では、稼動する水中ポンプ２により、所望に井戸水が揚水され、蛇口などへ給水される。

こうした給水運転中、井戸１の水位が図１中の渇水水位まで低下したとする。すると、水中ポンプ２は、大気中に露出する状況となり、ポンプケーシング内の残水を撹拌するだけの無負荷運転が行なわれる。これにより、ポンプ部２ａやモータ巻線の温度が上昇する。つまり、渇水状態になると、水中ポンプ２の各部の温度が上昇する。

ここで、この渇水時の運転は、ポンプ水量は一定値以下、吐出圧力が給水下限の設定圧力値以下となる。そのため、ポンプ制御部１５は、ステップＳ１に示されるように圧力センサ１０および流量センサ１１からの検出信号から、水中ポンプ２が渇水状態で運転していることが検出される。つまり、ポンプ渇水状態の検出が行なわれる。

このとき、ポンプ渇水状態の発生が最初、すなわち始めて発生する１回目のポンプ渇水状態であれば、ステップＳ２のポンプ渇水状態が最初か否かの判定から、ステップＳ４、５へと進み、水中ポンプ２の電動モータ２ｂを停止させ、同停止を一定な設定インターバル時間ｔの間、続ける制御が行なわれる。この休止中により、ポンプ部２ａや電動モータ２ｂは温度上昇から保護される（ポンプ部２ａや電動モータ２ｂが大気で冷却されることにもよる）。ポンプ制御部１５は、この水中ポンプ２の停止直前、ステップＳ３に示されるように電動機モータ２ｂ（水中ポンプ２）の巻線を流れるモータ電流値Ｉ１を検出し、同電流値Ｉ１を記憶する（基準値に利用するため）。そして、インターバル時間ｔが経過すると、電動モータ２ｂには通電がなされ、ステップＳ５に示されるように水中ポンプ２の再始動が行なわれる。

このとき、井戸２の水位が回復していれば、再び水中ポンプ２による給水が再開される。

この際、井戸２の水位が回復していないと、再び水中ポンプ２は、ポンプ水量が一定値以下で、かつ吐出圧力が給水下限の設定圧力値以下で運転される。つまり、無負荷運転が行なわれる。すると、ポンプ制御部１５は、このときの流量センサ１１や圧力センサ１０の検出信号により、前回に続いてポンプ渇水状態を検出する（ステップＳ１）。今回のポンプ渇水状態は、前回の渇水状態を継続した２回目の検出となるため、ステップＳ２からステップＳ３を経てステップＳ７へ進み、ステップＳ７以降のルーチンへ向かう。

ステップＳ７以降は、水中ポンプ２が停止するまでを利用して、インターバル時間の延長の設定を行い、ポンプ停止、再始動へと進むものである。このルーチンについて説明する。

ステップＳ７は、水中ポンプ２が停止する直前のモータ巻線のモータ電流値Ｉｎを検出するものである。

ここで、電動モータ２ｂのモータ巻線の抵抗値は、モータ巻線の発熱によって上昇すると、それに反比例して、電動モータ２の渇水時電流（無負荷電流）が減少するという特性がある。つまり、モータ電流値（モータ巻線を流れる電流）は、水中モータ２の温度変化と同等の挙動を示す。そのため、モータ温度の情報として、モータ電流値を用いている。

続くステップＳ８は、１回目に検出した基準となるモータ電流値Ｉ１と、前回の無負荷運転の影響でモータ温度が上昇する要因と今回の再始動の無負荷運転の影響でモータ温度が上昇する要因とが加わったモータ電流値Ｉｎとの差を比較するものである。このとき、差が、予め設定された所定温度値Δｉ（電動モータ２の温度状態を区別する値）以上であれば、電動モータ２ｂは、過度の温度上昇（異常な温度上昇）をまねきやすい温度に上昇していると判定して、ステップＳ９へ進み、インターバル時間ｔを、それより長く設定した延長インターバル時間ｔ＋αに変更する。αは延長分の時間を示す。そして、同延長インターバル時間ｔ＋αを用いて、水中ポンプ２を停止し続ける（ステップＳ１０）。インターバル時間ｔが経過すると、電動モータ２ｂは通電がなされ、ステップＳ１１に示されるように水中ポンプ２の再始動が行なわれる。なお、差が所定温度値Δｉを下回るときは、ステップＳ５へ進み、インターバル時間ｔの変更は行なわない（過度な温度上昇が発生しないから）。

かくして、ポンプ渇水保護のために、水中ポンプ２の再始動、さらには再始動が繰り返し行なわれても、モータ温度が過度の温度上昇を生じやすい所定温度以上にあるときは、渇水状態が解消されるまでの間、モータ停止時間が長く設定されるので、ポンプ部２ａや電動モータ２ｂが異常温度上昇するのを防ぐことができる。

それ故、高い信頼性のもとで、給水ポンプ（電動モータ駆動式ポンプ）の渇水保護を続けることができる。

しかも、モータ電流値Ｉ１，Ｉｎを用いて、インターバル時間を延長する構造は、別途、専用の温度センサなど専用部品を用いずにすむ。そのうえ、インターバル時間の延長は、予め設定してある延長インターバル時間ｔ＋αを用いるので、容易にインターバル時間の変更ができる。特に最も新しい情報であるポンプ運転（渇水状態）の停止直前のモータ電流値を検出すると、適切なポンプ渇水保護ができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の要部を示す。

第２の実施形態は、第１の実施形態のような単一の延長インターバル時間でなく、モータ温度の上昇具合に応じてインバータ時間の延長が行なえるようにしたものです。

これは、図２のインターバル時間変更機能を形成するルーチンのうち、ステップＳ７からステップＳ１１までの間を、図３のフローチャートに示されるようにステップＳ２０〜ステップＳ２３へと変更したものです。具体的には、ステップＳ２０には、渇水状態が継続するたび、１回目のモータ電流値Ｉ１と検出したＮ回目のモータ電流値Ｉｎの変化率Ｉｋ（Ｉ１／Ｉｎ）を算出する処理を行う機能（変動率算出手段に相当）を用いる。ステップＳ２１には、求めた変化率Ｉｋが、予め設定された所定変化率Δｋ（電動モータ２の温度状態を区別する値）以上であるか否かを比較して、過度な温度上昇（異常な温度上昇）が発生するおそれがあるか否かを判定する機能を用いる。ステップＳ２２には、このときの変化率Ｉｋが所定変化率Δｋ以上であるとき（過度な温度上昇が発生するおそれがあるとき）、変化率Ｉｋに応じてインターバル時間ｔを延長する設定を行なう機能が用いられている。具体的には、変化率Ｉｋにインターバル時間ｔを乗じた時間に変更する機能が用いられている［（ｔ）ｘ（Ｉｋ）］。つまり、これらステップＳ２１，２２からインターバル設定手段を構成して、変動率Ｉｋが所定値以上のとき、インターバル時間ｔを変動率Ｉｋに応じて延長させるようにしたものです。

なお、ステップＳ１〜Ｓ３、ステップＳ４〜Ｓ７、ステップＳ１１は、第１の実施形態と同じなので、図２のフローチャートと同じ符号を付して、その説明を省略しました。

このようなポンプ停止時間の延長時間αを設定する構造は、モータ温度の具合に応じて、細やかにインターバル時間ｔの延長ができる。しかも、モータ電流値Ｉ１，Ｉｎの変動率を用い、同変動率に応じてインターバル時間を延長するようにしたので、別途、専用の温度センサなど専用部品を用いずに、容易に延長したインターバル時間ｔの設定ができる。

なお、第１の実施形態でも、第２の実施形態のように延長時間を変えるようにしてもよい（例えば１回目のモータ電流値Ｉ１と２回目以降のＩｎとの差に応じて、インターバル時間ｔの延長分αの時間を変えることが考えられる）。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態の要部を示す。

第３の実施形態は、第１の実施形態や第２の実施形態のような水中ポンプ１５で給水する自動給水装置でなく、陸上に設置した陸上ポンプ２５（ポンプ部２５ａ，電動モータ２５ｂで構成される：給水ポンプ）を用いて、井戸水を揚水するようにした自動給水装置に本発明を適用したものである。但し、図４において、図１と同じ部分には同一符号を付してその説明を省略した。

このような給水装置でも第１、第２の実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本発明は上述したいずれの実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、井戸水を揚水する給水装置に本発明を用いたが、これに限らず、他の取水源の水を給水する給水装置に用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る自動給水装置の概略的な構成を示す図。 同自動給水装置に組み込まれた渇水保護装置の作用を説明するフローチャート。 本発明の第２の実施形態の要部となる渇水保護装置の作用を説明するフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る自動給水装置の要部の概略的な構成を示す図。

符号の説明

２…水中ポンプ、２ａ…ポンプ部、２ｂ…電動モータ、１０，１１…圧力センサ，流量センサ（ポンプ渇水状態検出手段）、１５…ポンプ制御部（ポンプ渇水保護制御手段、温度検出手段、インターバル時間変更手段）。

Claims (4)

1. 電動モータ駆動式ポンプが渇水状態で運転するときを検出するポンプ渇水状態検出手段と、
   前記電動モータ駆動式ポンプの渇水状態での運転が検出されると、当該ポンプの運転を停止させ、所定のインターバル時間の経過後、該ポンプを再始動させるポンプ渇水保護制御手段と
   を有した自動給水装置のポンプ渇水保護装置において、
   前記渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ温度を検出する温度検出手段と、
   前記渇水状態時のモータ温度が所定値以上のとき、前記インターバル時間を延長させるインターバル時間変更手段と
   を具備したことを特徴とする自動給水装置のポンプ渇水保護装置。
2. 前記温度検出手段は、渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ電流を検出するモータ電流値検出手段で構成され、
   前記インターバル時間変更手段は、
   １回目の渇水状態時のモータ電流値を記憶する基準電流値記憶手段と、
   渇水状態が継続する２回目以降のモータ電流値を検出する変動電流値検出手段と、
   渇水状態が継続するたび、前記１回目のモータ電流値と検出した２回目以降のモータ電流値とを比較するモータ電流変動検出手段と、
   前記比較したモータ電流値の差が所定値以上のとき、前記インターバル時間を延長させるインターバル設定手段と
   を有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の自動給水装置のポンプ渇水保護装置。
3. 前記温度検出手段は、渇水状態のポンプ運転時における電動モータのモータ電流を検出するモータ電流値検出手段で構成され、
   前記インターバル時間変更手段は、
   １回目の渇水状態時のモータ電流値を記憶する基準電流値記憶手段と、
   渇水状態が継続する２回目以降のモータ電流値を検出する変動電流値検出手段と、
   渇水状態が継続するたび、前記１回目のモータ電流値と検出した２回目以降のモータ電流値との変化率を求める変動率算出手段と、
   前記求めた変動率が所定値以上のとき、前記インターバル時間を変動率に応じて延長させるインターバル設定手段と
   を有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の自動給水装置のポンプ渇水保護装置。
4. 前記温度検出手段は、渇水状態のポンプ運転が停止する直前のモータ電流値を検出するものであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の自動給水装置のポンプ渇水保護装置。

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