(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機により回転駆動されるポンプと、
該ポンプが揚液する液面位置の高水位を検出する上部フロートスイッチ及び低水位を検出する下部フロートスイッチと、
該検出された液面位置の前記高水位／低水位にそれぞれ対応した始動／停止信号と、ポンプの始動速度及び上限速度、及びその間の速度変化を制御信号として出力する制御装置と、
該制御装置からの前記制御信号により前記電動機の始動／停止を制御すると共に、ポンプの運転速度を可変速する速度変換装置とを備え、
前記制御装置及び前記速度変換装置は、液面位置が前記高水位から低下するに従って前記ポンプの運転速度を予め設定された速度変化で前記始動速度から前記上限速度まで上昇させるように構成されていることを特徴とする浄化槽設備用のポンプ装置。
【請求項２】
前記ポンプには前記制御装置及び前記速度変換装置が内蔵されるとともに、前記上部フロートスイッチ及び前記下部フロートスイッチが取付けられた水中モータポンプ装置であることを特徴とする請求項１記載のポンプ装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記ポンプの閉塞時には始動後に一定時間休止後再度繰り返し始動を試行し、一定回数の試行後は前記電動機を停止させる制御信号を出力することを特徴とする請求項１又は２記載のポンプ装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記再度の繰り返し始動の際に、第２回目以降の始動を逆回転により行う制御信号を出力することを特徴とする請求項３記載のポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はポンプ装置に係り、特に小型合併浄化槽設備の流量調整槽などに設置されるポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、河川や湖沼の水質汚濁防止のために小型合併浄化槽の基準化が進められている。図８は、従来のポンプを設置した小型合併浄化槽設備の概要を示す図である。図示するように、原水槽１から流量調整槽２に流入した汚水をポンプ３により嫌気槽４に揚水し、この汚水を嫌気槽４と好気性接触曝気槽５とにより浄化したのち放流している。
【０００３】
従来は、この用途に用いられるポンプ３としては、ラバーベーン式の水中ポンプや小出力の汎用の汚水・汚物用水中ポンプが使用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記ラバーベーン式の水中ポンプは、低速で回転する容積式ポンプであるため、小水量化が容易であり又揚程にかかわらずほぼ一定の揚水量が得られるという特長を持っている。そのために、ポンプ３により嫌気槽４に送られる流水の流量を調整するための流量調整装置６を設けなくても小型合併浄化槽設備を構成できるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、このラバーベーン式水中ポンプのラバーベーンの摩耗を低減して一定の寿命を確保するためには、１２極モータのような多極構造の特殊モータを使用しなければならず、ポンプの製品価格が高いという課題があった。又、ラバーベーン部での摩擦による消費動力の増大が避けられず内部摩耗の克服も困難であるため、消費電力が大きく又長期運転寿命が期待できないという課題があった。更に、この種のポンプは運転音が高いので、住宅の近くに設置されることが多い小型合併浄化槽設備が騒音問題を引き起こすという課題もあった。
【０００６】
一方、汚水・汚物用水中ポンプを使用した場合には、小規模の小型合併浄化槽設備の流量調整槽２に使用されるポンプ３に必要な揚水量としては例えば２０lit／minであるのに対して、現在市販されている最も小型の汚水・汚物用水中ポンプでもその揚水量は１００lit／min程度であり揚水量が大きすぎることが課題となっていた。これは、汚水・汚物用水中ポンプの構造が一般の遠心式ポンプの構造を有しているために、難閉塞性能を確保しながら小型化して小水量化を図ることが困難であるからである。従って、このタイプのポンプを使用する場合には、図８に示すようにポンプ３の吐出側に流量調整装置６を設けて大部分の水は余分な水として流量調整槽２に還流させることにより、必要量だけ嫌気槽４に送水していた。このように、このタイプの水中ポンプは小型化が困難であるため流量調整装置６を必要とするとともに消費電力も大きいという課題があった。
【０００７】
そのため従来から、小型合併浄化槽設備に適合する小型の雑排水用ポンプ装置の実現が待たれていた。
【０００８】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、必要な揚水性能を発揮して流量及び揚程の調整を行うことができ、摩耗や騒音の問題がない小型のポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の浄化槽設備用のポンプ装置は、電動機により回転駆動されるポンプと、該ポンプが揚液する液面位置の高水位を検出する上部フロートスイッチ及び低水位を検出する下部フロートスイッチと、該検出された液面位置の前記高水位／低水位にそれぞれ対応した始動／停止信号と、ポンプの始動速度及び上限速度、及びその間の速度変化を制御信号として出力する制御装置と、該制御装置からの前記制御信号により前記電動機の始動／停止を制御すると共に、ポンプの運転速度を可変速する速度変換装置とを備え、前記制御装置及び前記速度変換装置は、液面位置が前記高水位から低下するに従って前記ポンプの運転速度を予め設定された速度変化で前記始動速度から前記上限速度まで上昇させるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記ポンプには前記制御装置及び前記速度変換装置が内蔵されるとともに、前記上下部フロートスイッチが取付けられた構造の水中モータポンプ装置であってもよい。
【００１１】
更に前記制御装置は、前記ポンプの閉塞時には始動後に一定時間休止後再度繰り返し始動を試行し、一定回数の試行後は前記電動機を停止させる制御信号を出力してもよいが、前記再度の繰り返し始動の際に、第２回目以降の始動を逆回転により行う制御信号を出力する場合であってもよい。
【００１２】
【作用】
本発明においては、液面位置が高く実揚程が低いときに液面検出器がこの液面位置を検出して信号を制御装置に出力すると、制御装置はこの信号と予め設定されている運転速度に基づいて始動をする制御信号を速度変換装置に出力する。これによりポンプは低い実揚程で運転されて液体を排出し始める。ポンプの揚水によって液面が徐々に低下するが、制御装置は予め設定されている速度変化設定に基づいて徐々に運転速度を上昇させる制御信号を速度変換装置に出力する。これにより、電動機の運転速度は徐々に上昇し、ポンプの実揚程の増加に伴う揚水量の低下を補うよう制御する。
【００１３】
そして、予め設定されている運転速度上限値に基づく制御信号が制御装置から出力されると、電動機はその上限値で一定に回転する。液面位置が最低位置に達したことを液面検出器が検出すると、制御装置を介して速度変換装置に電動機を停止する旨の制御信号が出力されてポンプは停止する。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１乃至図７を参照して説明する。図１は本実施例にかかるポンプ装置の外観図、図２は図１のポンプ装置を設置した小型合併浄化槽設備の概要図、図３はポンプの揚水性能を示すグラフ、図４は本実施例におけるポンプの動作フロー図である。図５はブラシレス直流電動機を有するポンプ装置の正面断面図、図６は誘導電動機を有するポンプ装置のブロック線図、図７は本実施例の動作を示すグラフである。
【００１５】
図１に示すように、ポンプ装置１０は、電動機１４により回転駆動される例えばボルテックス方式を含む通常の遠心式羽根車のような定流量特性を持たないポンプ１１と、液面位置としての水位を検出する液面検出器としての上部フロートスイッチ１２及び下部フロートスイッチ１３とを備えている。電動機１４としては誘導電動機または直流電動機が使用されている。上部フロートスイッチ１２は高水位ＨＷＬを、下部フロートスイッチ１３は低水位ＬＷＬをそれぞれ検出するようにしている。
【００１６】
更にポンプ装置１０は、予め設定されている始動時用、上限値用の運転速度及びその間の速度の変化設定と、上部、下部フロートスイッチ１２，１３からの出力信号とに基づいてポンプの始動／停止制御信号を出力する制御装置１５と、この制御装置１５からの制御信号により電動機１４の運転速度を可変速するための速度変換装置１６とを備えている。
【００１７】
ポンプ装置１０は、例えば図２に示すような小型合併浄化槽設備に設置して汚水・汚物用の水中モータポンプ装置として使用される。この小型合併浄化槽設備において、流入した汚水１７は原水槽１に一旦貯留されたのち、オーバーフロー管１８を通って流量調整槽２に流入する。流量調整槽２の水中には図１に示すポンプ装置１０が設置されており、このポンプ装置１０により汚水を嫌気槽４に送り込んでいる。ポンプ装置１０を制御することにより、流量調整槽２の水位は高水位ＨＷＬと低水位ＬＷＬの間で変動するようにしている。
【００１８】
嫌気槽４で嫌気性微生物による処理がなされた汚水は、オーバーフロー管１９を通って好気性接触曝気槽５に移動する。好気性接触曝気槽５では、ブロア２０により水中に空気を供給して曝気することにより好気性微生物による処理がなされ、そののち処理水２１として放流される。好気性接触曝気槽５には汚水の一部を嫌気槽４に返送するためのポンプ２２が設置されている。
【００１９】
図３に示すグラフの横軸は送水量を、縦軸は全揚程を示しており、小型合併浄化槽設備の流量調整槽２に設置されるポンプ装置１０として必要な揚水性能を表している。図中、特性Ａ１ は揚程にかかわらずほぼ一定の送水量を得ることのできる望ましいポンプ性能を示しており、特性Ａ２ は従来から使用されて２極電動機により駆動される一般的な汚水・汚物用水中ポンプで得られる最小限の性能を示している。
【００２０】
特性Ａ２ は特性Ａ１ と比べて送水量が大きすぎるのであるが、この特性Ａ２の一般的な遠心式の汚水・汚物用水中ポンプを送水量が更に少ない構造に設計変更すると、ポンプ揚程も低下することとなり、実用的な性能を実現することができない。
【００２１】
そこで、本発明に係るポンプ装置１０（図１）は、遠心式羽根車のような定流量特性を持たないポンプ１１を使用し、その運転速度を制御してポンプ性能を変化させることにより従来の課題を解決した。
【００２２】
ポンプ装置１０の動作を示す図４の横軸は時間を、縦軸は水位及び運転速度をそれぞれ示している。実線Ｎは運転速度の変化を示しており、符号Ｎｌ及びＮｒは、制御装置１５に予め設定された始動時用の運転速度及び上限値用の運転速度である。ポンプ装置１０の動作については後述する。
【００２３】
図５は、電動機１４としてブラシレス直流電動機を備えたポンプ装置１０の内部構造を示している。図示するように、ポンプ１１は、モータフレーム３１の中心に主軸３２が配設された電動機１４と、モータフレーム３１の下部に固定されたポンプケーシング３３と、ポンプケーシング３３内に配設されて主軸３２により回転駆動される遠心式羽根車３４と、電動機１４の上部を覆うモータカバー３５の内部に収納され、速度変換装置１６及びその制御装置１５とを備えている。
【００２４】
電動機１４の固定子３６はモータフレーム３１の内面に固定され、永久磁石を備えた回転子３７は主軸３２に固定されている。主軸３２は、モータフレーム３１に取付けられた上部軸受３８及び下部軸受３９により回転自在に軸支されている。主軸３２には、ポンプケーシング３３及び電動機１４の内部を密封するためのメカニカルシール４０が取付けられている。モータカバー３５の内部には、回転子３７の位置を検出するための位置検出装置４１が収納されている。
【００２５】
モータカバー３５の外部には上下方向に向けて支持棒４２が取付けられており、上下部フロートスイッチ１２，１３が支持棒４２に位置調節可能に支持されている。また、モータカバー３５には、速度変換装置１６に接続された電源ケーブル４３が貫通支持されている。
【００２６】
図６は、上述の電動機１４として電動機をポンプ装置１０が有している場合を示している。
【００２７】
交流電源５２の交流を整流・平滑化して直流５３を得るための単相ブリッジ整流回路を有する整流・平滑回路５１が設けられており、この整流・平滑回路５１により得られた直流５３は、速度変換装置１６に供給されるようになっている。この速度変換装置１６は電圧形インバータと呼ばれているもので、自己ターンオフ能力を持つ６個のスイッチング素子Ｑ１ 乃至Ｑ６ と６個の帰還ダイオード７７を３相ブリッジに接続したものからなり、出力周波数の制御は、スイッチング素子Ｑ１ 乃至Ｑ６ のＯＮ／ＯＦＦタイミングの制御により行われる。スイッチング素子Ｑ１ 乃至Ｑ６ としては本実施例ではパワートランジスタが使用されている。
【００２８】
上下部フロートスイッチ１２，１３で検出された液面位置信号５７はインターフェース５８に出力される。ＣＰＵ５９には、始動時用の運転速度としての初期運転速度Ｎｌと、上限用の運転速度としての最大運転速度Ｎｒおよび回転数変化設定が予め設定されて記憶されている。
【００２９】
共通バス６０によりインターフェース５８に接続されたＣＰＵ５９は、予め設定された運転速度Ｎｌ，Ｎｒ及び回転数変化設定と信号５７とに基づいて演算を行いその結果を共通バス６０を介してＤ／Ａ変換器６１に出力する。Ｄ／Ａ変換器６１は、入力したディジタル信号を電圧または電流に変換したのち速度変換装置制御部５６に速度指令を出力し、速度変換装置制御部５６は、駆動回路６２を介して制御信号を速度変換装置１６に出力する。なお、制御装置１５には、直流５３に接続されて制御装置１５の電源となる制御装置用電源回路６３が設けられている。
【００３０】
図７は本実施例の動作を示す図で、図中（Ａ）は時間対電動機運転速度の特性を示すグラフ、図中（Ｂ）は上下部フロートスイッチ１２，１３のＯＮ／ＯＦＦ動作を示すグラフである。図中、運転パターン（１）は正常な運転が行われている場合を、運転パターン（２）はポンプ内部での異物の閉塞事故発生時など異常時の状態を示している。
【００３１】
次に、図３，図４，図６及び図７により本実施例の動作について説明する。
図７の運転パターン（１）の場合において、まず最初に時間Ｔ１ の時に流量調整槽２の水位が高水位ＨＷＬより上にあるとする。この時は上下部フロートスイッチ１２，１３は共に上向きであり液面位置信号５７としてはＯＮ信号を出力しており実揚程が低い場合である。この場合には、速度変換装置１６がない通常の電動機運転速度（即ち、従来装置における電動機運転速度）よりも小さい運転速度Ｎｌでポンプ１１を起動させるように、制御装置１５から速度変換装置１６に制御信号を出力する。ポンプ起動後は、図２に示すようにポンプ装置１０が流量調整槽２の汚水を嫌気槽４に送るので、水位は徐々に下がっていき上部フロートスイッチ１２はＯＦＦ信号を出力する。その後ポンプ装置１０による排水動作によって水位が下がり流量調整槽２の実揚程は徐々に高くなっていくので、起動初期の運転速度Ｎｌのままでは実揚程増に対応したポンプ吐出圧を発生できなくなる。そこで、起動開始と同時に運転速度変化設定に基づく信号を出力する制御装置１５と速度変換装置１６からの指令で電動機１４の運転速度を段階的に又は一定の変化率で高めていき、一定時間後に最大運転速度Ｎｒを指令する。この最大運転速度Ｎｒは、小型合併浄化槽設備の最大実揚程に対応した運転速度とすればよい。
【００３２】
こうしてポンプ１１が運転されると、図４の破線Ｍに示すように水位は徐々に下がっていきやがて低水位ＬＷＬに達する。これにより下部フロートスイッチ１３が下向きになって液面位置信号５７をＯＦＦ信号にすると（時間Ｔ２ ）、制御装置１５は電動機１４を停止させるための制御信号を速度変換装置１６に出力する。これによりポンプ装置１０は停止し、そして、水位が再び高水位ＨＷＬに戻った時間Ｔ３ から時間Ｔ４ まで上述の動作を繰り返す（図４及び図７）。
【００３３】
このように、本実施例ではポンプ１１の運転速度を低速回転から徐々に高速回転に移行させることにより、ポンプ性能を、例えば図３の特性Ａ２ から特性Ａ１ に矢印Ｃに示すように変化させている。
【００３４】
従って、本実施例においては、流量調整槽２に使用されるポンプ装置として必要な揚水性能を実現することができるので、従来使用されていた流量調整装置は不要となり、ポンプ装置１０も小型で低価格なものとなる。又、ポンプ１１は遠心式羽根車３４を備えているので、摩耗や騒音の問題は発生しない。なお、前記動作は誘導電動機を用いた場合について説明したが、ブラシレス直流電動機の場合も同様である。
【００３５】
次に、図７に示す運転パターン（２）即ち異常状態の場合について説明する。例えばポンプ１１が異物により閉塞した場合など異常な状態のときには、図６の制御装置１５は、始動時に一定時間休止後、再度繰り返し始動を試行し、一定回数の試行後は電動機１４を停止させる制御信号を出力するようになっている。更に、制御装置１５は、前記再度の繰り返し始動の際に、第２回目以降の始動を逆回転により行う制御信号を出力させることも可能である。
【００３６】
即ち、水位の高いときには上下部フロートスイッチ１２，１３のＯＮ信号によって初期運転速度Ｎｌを指令するが、位置検出装置４１が回転子３７の回転運動を検知しない場合には一定時間をおいて再トライを行っている。このトライ回数が一定回数（図７では５回）に達しても正常運転にならない場合は、上下部フロートスイッチ１２，１３からのＯＮ信号のいかんにかかわらず、電動機１４を保護するために運転を停止させる。又、図７の鎖線Ｄに示すように異物閉塞を解除し易くする為に、再トライを逆回転で行うとさらに好ましい。
【００３７】
なお、本発明のポンプ装置は水中モータポンプ装置以外の地上設置型のポンプ装置にも適用することができ、また液体としては汚水以外のものであってもよい。
なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、必要な揚水性能を発揮して流量及び揚程の調整を行うことができ、摩耗や騒音の発生を防止して小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１乃至図７は本発明の一実施例を示す図で、図１はポンプ装置の外観図である。
【図２】図１のポンプ装置を設置した小型合併浄化槽設備の概要図である。
【図３】ポンプの揚水性能を示すグラフである。
【図４】  ポンプの動作フローを示す説明図である。
【図５】  図１に示すポンプ装置の正面断面図で、ブラシレス直流電動機を有する場合を示している。
【図６】  誘導電動機を有するポンプ装置のブロック線図である。
【図７】  ポンプ装置の動作を示すグラフで、図中（Ａ）は時間対電動機運転速度の特性の例を示しており、図中（Ｂ）は上下部フロートスイッチの動作を示している。
【図８】  従来のポンプを設置した小型合併浄化槽設備の概要図で、図２相当図である。
【符号の説明】
１０    ポンプ装置
１１    ポンプ
１２    上部フロートスイッチ（液面検出器）
１３    下部フロートスイッチ（液面検出器）
１４    電動機
１５    制御装置
１６    速度変換装置
３４    羽根車
５７    液面位置信号（液面検出器からの出力信号）
ＨＷＬ  高水位（液面位置）
ＬＷＬ  低水位（液面位置）
Ｎｌ    初期運転速度（始動時用の運転速度）
Ｎｒ    最大運転速度（上限値用の運転速度）
【図１】
0003642578.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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