(57)【要約】【課題】配管系の構成やバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの余分な圧力損失を抑え、省エネルギー化、小型化を実現し、汎用性の高いポンプ駆動装置を提供する。【解決手段】ポンプ駆動モータ６は、ポンプ室２を流れる流体の流量が変化すると回転羽根３体の回転数は、モータ電流の増減に応じて線形的に変化するという相関関係（数１）に基づいて、ポンプ圧力を流量に応じて制御可能なモータ制御回路７を備えている。【選択図】  図１
2004232607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室に配置され流体を送り出す回転体を備えたポンプと該回転体の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置において、
ポンプ駆動モータは、ポンプ室を流れる流体の流量が変化すると回転体の回転数は、モータ電流の増減に応じて線形的に変化するという相関関係（数１）に基づいて、ポンプ圧力を流量に応じて制御可能なモータ制御回路を備えていることを特徴とするポンプ駆動装置。
（数１）
ω＝ω０＋係数Ａ×モータ電流Ｉ（ω０；モータ基本回転数）
【請求項２】
前記モータ制御回路は、モータ電流値検出により電圧換算値で（数１）にしたがって算出された演算電圧値と、回転数検出部から検出されたロータの実回転数に対応する電圧換算値との差を零とするよう演算により得られたモータ指令電圧を出力する指令電圧演算回路を備えていることを特徴とする請求項１記載のポンプ駆動装置。
【請求項３】
前記演算電圧値は、モータ基本回転数ω０に対応する基準電圧値に電流検出部で検出されたモータ電流に係数Ａを乗算して換算された電圧換算値を加算した演算電圧値が用いられることを特徴とする請求項２記載のポンプ駆動装置。
【請求項４】
ポンプ室に配置され流体を送り出す回転体を備えたポンプと該回転体の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置の制御方法において、
ポンプ室を流れる流体の流量が変化すると回転体の回転数は、モータ電流の増減に応じて線形的に変化するという（数１）に示す相関関係に基づいてポンプ圧力を流量に応じて制御することを特徴とするポンプ駆動装置の制御方法。
（数１）
ω＝ω０＋係数Ａ×モータ電流Ｉ（ω０；モータ基本回転数）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、例えば、床暖房、給湯器などに用いられるポンプ駆動装置に係り、詳しくはポンプ室に配置され流体を送り出す回転体を備えたポンプと該回転体の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動するポンプ駆動モータとが組み付けられたポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
床暖房、給湯器などの電気製品には、流体を所定の圧力で送り出す遠心ポンプが用いられる。この遠心ポンプには、ポンプ室に流体を送り出す回転羽根を備えたポンプと該回転羽根を回転駆動するポンプ駆動モータとが組み付けられたポンプ駆動装置が開発されている。
【０００３】
図３にポンプ駆動装置の一例を示す。ポンプ５１は、流体が通過する配管５２の一部に設けられたポンプ室５３に回転羽根５４が回転可能に設けられている。回転羽根５４の回転軸とロータの回転軸とは連繋しており、ポンプ５１にポンプ駆動モータ（ブラシレスモータ）５５が一体に組み付けられている。ポンプ駆動モータ５５は、安価なことからＡＣ（交流）モータが用いられていたが、長時間運転を行うため省エネルギー化や効率の改善が図れ、更には制御性の点で優れているＤＣ（直流）モータが用いられるようになってきた。
【０００４】
直流モータを駆動制御するためには流体の圧力を測定するための圧力センサ５６や流量を測定するための流量センサ５７などの高価な部品を用いる必要があった。指令電圧演算回路５８は、予め設定された圧力指令値（電圧換算値）Ｐ０と圧力センサ５６の検出値（電圧換算値）Ｐ１との差が零になるように演算し（Ｐ０−Ｐ１＝０）、演算により得られた指令電圧をモータ制御回路５９へ出力する。モータ制御回路５９は、指令電圧値と基準電圧値との比較からモータ制御電圧を制御してポンプ駆動モータ５５の回転数を可変制御するようになっている。配管５２に設けられたバルブ部６０は、流体の流量を増減したり、配管系を切換えたりするため開閉が行われる。
【０００５】
上記ポンプ駆動装置においては、比較的高価な圧力センサ５６や流量センサ５７などの部品を用いるため製造コストが嵩み、また配管系の圧力損失は流量の二乗に比例して増大することから、ポンプに流れる定格流量を確保すべく駆動制御するＤＣポンプの駆動制御方法が提案されている（特許文献１参照）。この駆動制御方法は、定格電圧Ｖ０印加時の揚程Ｈ０、定格流量Ｑ０、電流Ｉ０との関係を示すポンプ特性データを記憶する記憶手段と、モータの巻線電流を検出する電流検出手段と、電流検出値と印加電圧の値から流量を演算する流量演算回路とを備え、該流量演算回路で演算された流量が定格流量Ｑ０になるように印加電圧を調整するものである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３４２９８９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されたＤＣポンプの駆動制御方法は、あくまでポンプを流れる流体の定格流量を確保するための駆動制御方法であり、配管系に設けられるバルブ操作が考慮されていない制御方法である。従って、配管系のバルブ開度が全て一定であれば成り立つ制御方法であるが、１箇所でもバルブ開度が異なれば、ポンプに流れる定格流量が異なり、予めバルブ開度が異なるポンプについて定格電圧Ｖ０の揚程Ｈ０及び流量Ｑ０との関係を記憶手段に記憶しておく必要がある。よって、制御手段の調整に手間取り、バルブ開閉操作に制約がかかることから、配管系としては限られた用途でしか使い難い面がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、配管系の構成やバルブ開閉などに起因する流量変化によるポンプの余分な圧力損失を抑え、省エネルギー化、小型化を実現し、汎用性の高いポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
ポンプ室に配置され流体を送り出す回転体を備えたポンプと該回転体の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置において、ポンプ駆動モータは、ポンプ室を流れる流体の流量が変化すると回転体の回転数は、モータ電流の増減に応じて線形的に変化するという相関関係（数１）に基づいて、ポンプ圧力を流量に応じて制御可能な制御回路を備えていることを特徴とする。
また、モータ制御回路は、モータ電流値検出により電圧換算値で（数１）にしたがって算出された演算電圧値と、回転数検出部から検出されたロータの実回転数に対応する電圧換算値との差を零とするよう演算により得られたモータ指令電圧を出力する指令電圧演算回路を備えていることを特徴とする。具体的には、演算電圧値は、モータ基本回転数ω０に対応する基準電圧値に電流検出部で検出されたモータ電流に係数Ａを乗算して換算された電圧換算値を加算した演算電圧値が用いられることを特徴とする。
【００１０】
また、ポンプ室に配置され流体を送り出す回転体を備えたポンプと該回転体の回転軸とロータの回転軸とが連繋してポンプを駆動する直流モータとが組み付けられたポンプ駆動装置の制御方法において、ポンプ室を流れる流体の流量が変化すると回転体の回転数は、モータ電流の増減に応じて線形的に変化するという（数１）に示す相関関係に基づいてポンプ圧力を流量に応じて制御することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。
本実施例のポンプ駆動装置は、一例としてポンプ室に回転羽根が設けられた遠心式ポンプを用いたポンプ駆動装置について説明するものとする。
図１はポンプ駆動装置の構成を示す回路図、図２は流体の圧力と流量、消費電力と流量との関係を示すグラフ図である。
【００１２】
先ず、図１を参照してポンプ駆動装置の概略構成について説明する。
ポンプ１は、ポンプ室２に流体を送り出す回転体の一例として回転羽根３を備えている。ポンプ１は、流体を圧送りする配管４の一部に接続されている。配管４は、ポンプ１に対して直列に接続される場合、並列に接続される場合の何れも含まれる。配管４の一部にはバルブ部５が設けられており、バルブ部５を開閉することにより、配管４を流れる流体の流量を調整したり、配管系を選択することができるようになっている。
【００１３】
ポンプ１にはポンプ駆動モータ（直流ブラシレスモータ）６が一体に組み付けられている。ポンプ駆動モータ６は、ロータの回転軸が回転羽根３の回転軸と連繋してポンプ１を駆動するようになっている。本実施例ではポンプ駆動モータ６として三相のブラシレスモータ（例えばアウターロータ型モータ）が用いられる。ポンプ駆動モータ６は、ポンプ室２を流れる流体の流量が増えると回転羽根３の回転数は、ステータコアのコイル６ａを流れるモータ電流の増減に応じて線形的に増減するという相関関係（数１）に基づいて、ポンプ圧力を流量に対して制御するモータ制御回路（インバータ）７を備えている。
（数１）
ω＝ω０＋係数Ａ×モータ電流Ｉ（ω０；モータ基本回転数）
ここで、モータ基本回転数ω０とは、配管４を含む流体が循環する配管系に設けられたバルブ部５をすべて閉じた状態におけるモータの回転数をいう。このモータ回転数と流量との相関関係は、直流モータの電動機軸トルクと電動機電流（モータ電流）は比例関係にあり、ポンプの搬送流量が増減すると軸トルクが増減することから、ポンプ１の搬送流量の増減はモータ電流より推測できる関係を前提として成り立つ。
【００１４】
また、モータ制御回路７は指令電圧演算回路８を備えており、該指令電圧演算回路８より出力された指令電圧に基づいてポンプ駆動モータ６の駆動動作を制御するようになっている。指令電圧演算回路８は、モータ電流値検出により電圧換算値で（数１）にしたがって算出された演算電圧値（モータ基本回転数ω０に対応する基準電圧値にモータ電流値に係数Ａを乗算した電圧換算値を加算した値）と、ロータの実回転数ω１の検出に基づく実回転電圧（電圧換算値）との差が零となるように演算する。この演算により得られた指令電圧をモータ制御回路７へ出力するようになっている。
【００１５】
指令電圧演算回路８には、モータ基本回転数ω０（指令電圧値）、電流検出部である電流検出回路９により検出されたモータ制御回路７を流れるモータ電流値が入力され、前述した演算電圧値が演算される。また、回転数検出部である回転数検出回路１０により検出された実回転数ω１に対応する実回転電圧（電圧換算値）が入力されて、演算電圧値との差が零となるように演算が行われて、演算により得られた指令電圧が出力される。
尚、ポンプ駆動モータ６の回転数は、ロータマグネットの磁極位置を対応する磁極検出素子（ホール素子）などの回転数検出器１１で検出される。この回転数検出器１１で検出された三相分の検出信号を合成器（ＦＧ）１２で合成し、合成信号を回転数検出回路１０でＦ−Ｖ変換して実回転数ω１に対応する実回転電圧値に換算される。
【００１６】
モータ制御回路７は、指令電圧演算回路８より入力された指令電圧と、三角波発信回路１３で生成した電圧とをコンパレータ１４により比較してＰＷＭ制御信号（パルス幅変調信号）を生成し、モータ印加電圧を制御する。三相分配回路１５は回転数検出器１１で検出されたポンプ駆動モータ６のロータ回転位置に応じて、トランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＮ／ＯＦＦし、ステータコイル６ａに交番磁界を発生させるように通電電流を切り換え制御する。過電流検出器１６はポンプ駆動モータ６に流れる過電流を検出すると、トランジスタＱ１〜Ｑ６をＯＦＦして保護するようになっている。
【００１７】
ここで、図２を参照して、ポンプ１を流れる流体の圧力と流量及び消費電力と流量との関係を示す。図２において曲線Ａは何らポンプ１の回転動作を制御しない場合の圧力Ｐ−流量Ｑ特性を示す。流量Ｑが増えるにしたがってポンプ内の圧力損失が大きくなったり、モータ負荷が増えてモータ回転数が低下するなどの様々な要因でポンプ圧力が減少する。
【００１８】
これに対し直線Ｂは、本発明に係る流量Ｑを検出しつつモータ回転数ωを可変制御した場合の圧力Ｐ−流量Ｑ特性を示す。前述した（数１）によるモータ回転数制御により、例えばバルブ部５が開けられて流量Ｑが増えるにしたがって、ポンプ駆動モータ６のモータ電流が増えるのでモータ回転数ωが上昇し、ポンプ出力（圧力Ｐ）が上昇する。また、バルブ部５が閉じられると流量Ｑが減り、ポンプ駆動モータ６のモータ電流が減るのでモータ回転数ωが減少するのでポンプ出力（圧力Ｐ）が低下する。よって、モータ基本回転数ω０（零を含む）及び係数Ａの値（制御ループが発散しないこと）をポンプ駆動モータ６の定格出力を維持できるように適性に選択することにより、流量Ｑの増減に応じてポンプ出力（圧力Ｐ）を増減制御できる。これにより、例えばバルブ部５の微調整でポンプ１を流れる流体の流量変化に追従してモータ回転数を変化させることができるので、ポンプで発生する圧力を流体の流量に応じて変化させることができ、バルブ部５を必要以上に絞ることなく流量が変化する。このため、バルブ部５で発生する圧力損失が少なく、モータの消費電流も抑えられるので省エネルギー化を実現できる。
【００１９】
図２で破線Ｃはポンプ１の回転動作を制御しない場合の入力電力Ｗ−流量Ｑ特性を示す。ポンプの回転動作を何ら制御しない場合には、流量Ｑが少なくなればなるほど、無駄な電力消費が発生する。これに対し破線Ｄは本発明に係る流量Ｑを検出しつつモータ回転数ωを可変制御した場合の入力電力Ｗ−流量Ｑ特性を示す。本発明に係る駆動制御を行えば、例えばバルブ部５をわずかに閉めるよう微調整するだけでポンプ１を流れる流体の流量Ｑの減少に追従してモータ回転数を減じるように制御できるので、バルブ部５に発生する圧力損失を減らすことができ、無駄な電力消費を抑えることができる。特に基本回転数ω０の値を低く設定するほど、破線Ｄの傾きが大きくなるため、省エネルギー効果は大きくなる。
また、モータ制御回路７に圧力センサや流量センサなどの高価な部品は不要であり、ポンプ駆動モータ６のモータ制御回路７内部だけでポンプ１の流量に追従した圧力制御が行え、ポンプ駆動装置全体をコンパクトに設計できる。また、ポンプ１に接続する配管４の接続形態は直列／並列を問わず、バルブの開閉状態やバルブ部の数も問わないため、汎用性の高いポンプ駆動装置を提供できる。
【００２０】
以上、本発明の好適な実施例について述べてきたが、上述した実施例に限定されるのものではなく、例えば、遠心式ポンプに用いられる直流モータはアウターロータ型でもインナーロータ型のいずれでも良い等、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変を施し得るのはもちろんである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係るポンプ駆動装置及びポンプ駆動装置の制御方法によれば、ポンプ駆動モータは、ポンプ室を流れる流体の流量が変化すると、回転体の回転数はモータ電流の増減に応じて線形的に変化するという相関関係（数１）に基づいて、ポンプ圧力を流量変化に追従して制御できるので、ポンプの流量変化に伴う余分な圧力損失が少なく、モータの消費電流も抑えられるので省エネルギー化を実現できる。
また、モータ制御回路は、モータ電流値検出により電圧換算値で（数１）にしたがって算出された演算電圧値と、回転数検出部からの検出されたロータの実回転数に対応する電圧換算値との差を零となるように指令電圧演算回路で演算を行い、演算により得られた指令電圧を出力してモータ印加電圧を制御するので、モータ制御回路内部だけでポンプの流量に追従した圧力制御が行え、圧力センサや流量センサなどの高価な部品は不要となる。従って、ポンプ駆動装置全体をコンパクトで安価に設計できる。また、ポンプに接続する配管の接続形態は直列／並列を問わず、バルブの開閉状態やバルブ部の数も問わないため、汎用性の高いポンプ駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【図２】流体の圧力と流量、消費電力と流量との関係を示すグラフ図である。
【図３】従来のポンプ駆動装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１  ポンプ
２  ポンプ室
３  回転羽根
４  配管
５  バルブ部
６  ポンプ駆動モータ
７  モータ制御回路
８  指令電圧演算回路
９  電流検出回路
１０  回転数検出回路
１１  回転数検出器
１２  合成器
１３  三角波発信回路
１４  コンパレータ
１５  三相分配回路
１６  過電流検出器
【図１】
2004232607.tif 000003
【図２】
2004232607.tif 000004
【図３】
2004232607.tif 000005