(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水槽と、
吐出槽と、
前記吸水槽内の水を前記吐出槽に揚水するポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管と、
前記ポンプを該ポンプの回転速度を制御可能に駆動する駆動手段と、
前記吐出槽に揚水した水の前記吐出配管方向への逆流を規制する逆流規制機構と、
揚水運転が終了した際に前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出器で検出し、この検出値を元に、前記ポンプの回転速度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように正回転を維持しつつ制御して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させる落水流量制御手段とを具備することを特徴とする揚水ポンプ装置。
【請求項２】
前記逆流規制機構は、前記吐出槽内に設けた堰を有するオーバーフロー機構からなることを特徴とする請求項１に記載の揚水ポンプ装置。
【請求項３】
前記逆流規制機構は、前記吐出配管の末端に設けた逆流防止弁からなることを特徴とする請求項１に記載の揚水ポンプ装置。
【請求項４】
前記逆流規制機構は、前記吐出配管に設けたサイフォン配管部からなることを特徴とする請求項１に記載の揚水ポンプ装置。
【請求項５】
吸水槽と、
吐出槽と、
前記吸水槽内の水を前記吐出槽に揚水するポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管と、
羽根車の翼角度を調整可能な可動翼機構を備えたポンプと、
前記吐出槽に揚水した水の前記吐出配管方向への逆流を規制する逆流規制機構と、
揚水運転が終了した際に前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出器で検出し、この検出値を元に、前記ポンプの羽根車の翼角度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように調整して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させる落水流量制御手段とを具備することを特徴とする揚水ポンプ装置。
【請求項６】
前記駆動手段が逆転するのを防止する逆転防止装置を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の揚水ポンプ装置。
【請求項７】
吸水槽内の水を、ポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管によって吐出槽に揚水する揚水ポンプ装置の運転制御方法において、
前記揚水運転終了後に、前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出し、
この検出値を元に、前記ポンプの回転速度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように正回転を維持しつつ制御して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させることを特徴とする揚水ポンプ装置の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雨水排水ポンプ場等に用いて好適な揚水ポンプ装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市の大深度利用が進み、雨水排水ポンプ場も地下深く設置される傾向にある。この種の大深度排水ポンプ場に用いる揚水ポンプ装置は、ポンプ吐出側に吐出弁と逆止弁とを設置しているものが標準的であった。図１は、大深度排水ポンプ場に用いる従来の揚水ポンプ装置を示す概略構成図である。図１に示すように、従来の揚水ポンプ装置は、ポンプ３００の吸水配管３０１を吸水槽３１０に接続し、ポンプ３００の吐出配管３０３を吐出槽３３０に接続し、前記ポンプ３００を変速機（減速機）３５０を介して内燃機関からなる駆動機３７０に接続して一般に構成されている。吐出配管３０３には逆止弁３０５と吐出弁３０７とが設置されている。雨が降ると、前記駆動機３７０を駆動することでポンプ３００の運転を開始し、これによって、吸水槽３１０に流入した雨水を吸水配管３０１及び吐出配管３０３を通して吐出槽３３０に揚水する。
【０００３】
前記揚水ポンプ装置において、吐出配管３０３に吐出弁３０７を設置しているのは以下の理由（１）〜（３）による。
（１）ポンプ停止時や保守点検時に、吐出配管３０３内の水と該吐出配管３０３の下流側（吐出槽３３０側）の水が逆流するのを防止する。
（２）吐出弁３０７を締め切った状態でポンプ３００を起動させ、ポンプ３００の起動完了後に吐出弁３０７を徐々に開くことで急激な流量変動を抑制する。
（３）吐出弁３０７の弁体開度を制御して流量を制御する。
【０００４】
またこの揚水ポンプ装置において、吐出配管３０３に逆止弁３０５を設置しているのは、ポンプ３００の運転後、吐出弁３０７が開いた状態での非常停止時に吐出配管３０３内の水と該吐出配管３０３の下流側（吐出槽３３０側）の水が逆流するのを防止するためである。
【０００５】
上述のような揚水ポンプ装置を用いた大深度排水ポンプ場の建設コストを低減するには、土木掘削量を低減することが効果的である。土木掘削量を低減するには、ポンプ場内に、ポンプ、バルブ及び配管をコンパクトに配置して機場平面スペースを縮小化することが有効となる。特に、上記揚水ポンプ装置においては、吐出弁３０７や逆止弁３０５等のバルブを削除してコンパクト化することは、土木掘削量の低減に極めて効果が大きい。
【０００６】
図２は、吐出弁と逆止弁の両方を省略して構成した、従来の他の揚水ポンプ装置を示す概略構成図である。図２において、図１に示す揚水ポンプ装置と同一又は相当部分には同一符号を付す。この揚水ポンプ装置において、図１に示す揚水ポンプ装置と相違する点は、吐出配管３０３に逆止弁３０５と吐出弁３０７とを設置する代りに、吐出配管３０３にサイフォン配管部３０３ａを設け、サイフォン配管部３０３ａの頂部にサイフォン破壊弁３０９を接続した点と、内燃機関からなる駆動機３７０の代りに、電動機からなる駆動機３７０を用いた点である。
【０００７】
そしてポンプ３００停止時（非常停止時を含む）や保守点検時は、サイフォン破壊弁３０９を開き吐出配管３０３のサイフォン配管部３０３ａ内に大気を導入してサイフォンを破壊し、これによって、吐出配管３０３内を水が逆流するのを防止する。この揚水ポンプ装置の場合、吐出配管３０３内の残水が無拘束に落水することでポンプ３００が高速に逆転する。内燃機関（ディーゼル機関、ガスタービン等）は大きな逆転は許容できず、何らかの対策なしに内燃機関を逆転させてしまった場合は、逆転トルクにより機器が損傷に至る。そこでこの揚水ポンプ装置においては、駆動機３７０として、逆転による機械的問題のない電動機を用いている。
【０００８】
しかしながら、駆動機として電動機を使用すると、電動機は、停電時の電力を確保するため、別途自家発電設備を必要とするので、駆動機として内燃機関を使用した場合に比べて、総合的な経済性からコストアップになってしまうという問題があった。
【０００９】
またこの揚水ポンプ装置の場合、吐出配管３０３内の落水を自然落下に任せ、ポンプ３００内の逆流を制御するようにしていないので、ポンプ３００及び駆動機３７０は無拘束に逆転し、深度の深さが深いほど、即ち揚程が高くてエネルギーが大きいほど、ポンプ３００や配管３０１，３０３、或いはポンプ３００を介した土木構造物そのものに与える影響が過大となり、その影響は大きな振動という形で表出してしまうという問題があった。そして前記影響が更に大きい場合、機器が損傷に至る場合もありうる。またポンプ３００や駆動機３７０の逆転や、吐出配管３０３内に逆流する際に機器から発生する騒音も過大で、不快感や不安感を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、吐出弁や逆止弁を省略して低コスト化が図れると共に、揚水運転終了後の落水による振動や騒音を抑制できる揚水ポンプ装置及びその運転制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の揚水ポンプ装置は、吸水槽と、吐出槽と、前記吸水槽内の水を前記吐出槽に揚水するポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管と、前記ポンプを該ポンプの回転速度を制御可能に駆動する駆動手段と、前記吐出槽に揚水した水の前記吐出配管方向への逆流を規制する逆流規制機構と、揚水運転が終了した際に前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出器で検出し、この検出値を元に、前記ポンプの回転速度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように正回転を維持しつつ制御して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させる落水流量制御手段とを具備する。
【００１２】
本発明によれば、吐出槽に揚水した水の吐出配管内への逆流を規制する逆流規制機構を備えることで、吐出配管の途中に吐出弁や逆止弁等のバルブを設置することが不要となり、コンパクト化が図れ、土木掘削量を効果的に低減できる。これによって、揚水ポンプ装置を用いた大深度排水ポンプ場の建設コストを効果的に低減できる。同時に、落水流量制御手段によって、吐出配管から吸水槽に落水してくる水の落水流量を制御することで、吐出配管内の水が自然落下で一気に落水することを防止できる。このため、駆動手段として逆転が許容できない内燃機関を使用することができる。また深度が深くて揚程が高い揚水ポンプ装置であっても、落水がポンプ、吸水配管または吐出配管、或いは土木構造物そのものに与える影響を少なくして、振動や騒音を問題のない範囲に抑制することができる。
【００１３】
前記逆流防止機構は、例えば、前記吐出槽内に設けた堰を有するオーバーフロー機構、前記吐出配管の末端に設けた逆流防止弁、または前記吐出配管に設けたサイフォン配管部からなる。
これにより、逆転防止機構の構造を簡単にすることができる。
【００１４】
前記落水流量制御手段は、前記ポンプの正回転を維持しつつ該ポンプの回転速度を制御することにより、ポンプの正回転で逆流する範囲の特性を利用して、吐出配管から吸水槽に落水してくる水の落水流量を容易かつ確実に制御することができる。
【００１５】
本発明の他の揚水ポンプ装置は、吸水槽と、吐出槽と、前記吸水槽内の水を前記吐出槽に揚水するポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管と、羽根車の翼角度を調整可能な可動翼機構を備えたポンプと、前記吐出槽に揚水した水の前記吐出配管方向への逆流を規制する逆流規制機構と、揚水運転が終了した際に前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出器で検出し、この検出値を元に、前記ポンプの羽根車の翼角度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように調整して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させる落水流量制御手段とを具備する。
ポンプとして、羽根車の翼角度を調整可能な可動翼機構を備えたものを使用した場合は、羽根車の翼角を制御することにより、ポンプの回転速度が一定の状態においても、揚程を低下させ、ポンプの回転速度を低下させた時と同じ効果を得て、落水差を低減させることができる。
【００１６】
本発明の好ましい一態様において、揚水ポンプ装置は、前記駆動手段が逆転するのを防止する逆転防止装置を更に有する。
例えば揚水ポンプ装置の非常停止時に、逆転防止装置を介して駆動手段が逆転することを防止することで、駆動手段として、逆転を許容できない、ディーゼル機関やガスタービン等の、自家発電装置を別途必要としない内燃機関や、機関及び軸受けの構造等の原因で逆転を許容できない電動機を使用することができる。
【００１７】
本発明の揚水ポンプ装置の運転制御方法は、水槽内の水を、ポンプ及びポンプの吐出側に接続される吐出配管によって吐出槽に揚水する揚水ポンプ装置の運転制御方法において、前記揚水運転終了後に、前記吐出配管から前記吸水槽に落水してくる水の前記吐出配管内の圧力、水位または流量を検出し、この検出値を元に、前記ポンプの回転速度を該ポンプ内にポンプ振動が許容できる範囲で逆流を生じさせるように正回転を維持しつつ制御して、前記吐出配管内の水位を徐々に低下させる。
これにより、揚水運転終了後に、ポンプの正回転を維持することで、容易に吐出配管から吸水槽に落水する水の落水流量を制御することができる。
【００１８】
前記揚水運転終了後に正回転させるポンプの回転速度を減少していくことで、前記吐出配管内または前記吐出槽内の水の水位を低くしていくことが好ましい。
この場合、ポンプの回転速度を正転に維持しつつ制御し、落水完了後又は逆流によるポンプ逆転の影響が小さくなった段階でポンプを停止する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】大深度排水ポンプ場に用いる従来の揚水ポンプ装置を示す概略構成図である。
【図２】大深度排水ポンプ場に用いる従来の他の揚水ポンプ装置を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の揚水時（ポンプ回転速度Ｎ０）における全体概略構成図である。
【図４Ａ】図３に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ０からＮ１に減速した時の状態を示す図である。
【図４Ｂ】図３に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ１からＮ２に減速した時の状態を示す図である。
【図５Ａ】図３に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ２からＮ３に減速した時の状態を示す図である。
【図５Ｂ】図３に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ３からゼロに減速した時の状態を示す図である。
【図６】図３に示す揚水ポンプ装置の運転制御方法をポンプ完全特性曲線上で示した図である。
【図７】図３に示す揚水ポンプ装置の他の運転制御方法をポンプ完全特性曲線上で示した図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の揚水時（ポンプ回転速度Ｎ０）における全体概略構成図である。
【図９Ａ】図８に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ０からＮ１に減速した時の状態を示す図である。
【図９Ｂ】図８に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ１からＮ２に減速した時の状態を示す図である。
【図１０Ａ】図８に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ２からＮ３に減速した時の状態を示す図である。
【図１０Ｂ】図８に示す揚水ポンプ装置のポンプ回転速度をＮ３からゼロに減速した時の状態を示す図である。
【図１１】本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の全体概略構成図である。
【図１２】複数のポンプを並列に設置して揚水するようにした例を示す平面図である。
【図１３】本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の全体概略構成図である。
【図１４】本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の全体概略構成図である。
【図１５】本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の全体概略構成図である。
【図１６】本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置の全体概略構成図である。
【図１７Ａ】本発明の揚水ポンプ装置に使用される翼角度を調整可能な可動翼機構を備えた斜流ポンプの例を示す縦断面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの可動翼機構を取出して示す斜視図である
【図１８】本発明の揚水ポンプに使用される変速機（減速機）の一例を示す概要図である。
【図１９】本発明の揚水ポンプに使用される変速機（減速機）の他の例を示す概要図である。
【図２０】本発明の揚水ポンプに使用される変速機（減速機）の更に他の例を示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-１の全体概略構成図である。
図３に示す揚水ポンプ装置１-１は、例えば、大深度排水ポンプ場に用いる揚水ポンプ装置であり、雨水等を集水する吸水槽１０と、吸水槽１０よりも高い位置に設置される吐出槽２０と、吸水槽１０内の水を吐出槽２０に揚水するポンプ３０を備えている。更に、揚水ポンプ装置１-１は、ポンプ３０の吸込側と吸水槽１０との間を接続する吸水配管４０と、ポンプ３０の吐出側と吐出槽２０との間を接続する吐出配管５０と、ポンプ３０を駆動する駆動手段６０と、駆動手段６０とポンプ３０の間に接続されて駆動手段６０の駆動回転速度を変速（減速）する変速機（減速機）７０と、吐出配管５０の端部を接続した吐出槽２０の下流側に設置されるオーバーフロー機構８０と、駆動手段６０（または、流体継手等の変速機能を有する変速機７０）の運転回転速度を制御する制御装置９０を備えている。
【００２１】
ポンプ３０は、ケーシング内に設置された羽根車３１を備え、ケーシングから突出するポンプ軸３３によって回転駆動されるように構成されている。ポンプ軸３３は、変速機（減速機）７０に接続されている。変速機７０は、この例では、図１８に示すように、駆動手段６０の出力軸６１に連結棒６２を介して接続される入力軸７１と、ポンプ軸３３（図３参照）に連結棒７２を介して連結される出力軸７３を有している。この例では、変速機７０にブレーキ１３０からなる逆転防止装置が設置されている。
【００２２】
このブレーキ（逆転防止手段）１３０は、変速機７０のハウジングから上方に突出する出力軸７３の上端に固着したブレーキディスク１３１と、このブレーキディスク１３１の周縁部に上下に位置して配置された一対のブレーキパッド１３２を有している。そして、例えば駆動機非常停止信号や駆動機軸に設置して該駆動機軸の回転速度を検出する低速検出器からの停止信号により、ブレーキパッド１３２を互いに近接する方向に移動させ、ブレーキディスク１３１の周縁部に圧接させて変速機７０の出力軸７３の回転を停止させることで、駆動手段６０の逆転を防止するようになっている。
【００２３】
この例では、駆動手段６０の逆転を防止する逆転防止手段としてのブレーキ１３０を備えることで、駆動手段６０として、大きな逆転を許容できない、ディーゼル機関やガスタービン等の、自家発電装置を別途必要としない内燃機関を使用することができる。駆動手段６０として、電動機を用いてもよく、この場合、電動機の回転速度は、例えば、ＶＶＶＦや二次抵抗方式により制御される。また、駆動手段６０の逆転を防止する逆転防止手段としてブレーキ１３０を備えることによって、機関及び軸受けの構造等の原因で逆転を許容できない電動機の使用が可能となる。
【００２４】
なお、羽根車３１として、翼角度を調整可能な可動翼機構を備えたものを使用しても良く、この場合、羽根車の翼角を制御することにより、ポンプの回転速度が一定の状態においても、揚程を低下させ、ポンプの回転速度を低下させた時と同じ効果を得て、落水差を低減させることができる。
【００２５】
吐出配管５０は、ポンプ３０から上方に伸びて吐出槽２０にその吐出口を上向きに開放した状態で接続されている。なお吐出配管５０には、その途中に各種バルブ（仕切り弁や逆止弁）は取り付けられていない。
【００２６】
吐出槽２０の下流側には、前記吐出配管５０から吐出された水をオーバーフローさせる堰８１を形成することでオーバーフロー機構８０が設置され、このオーバーフロー機構８０によって、吐出槽２０に揚水した水の吐出配管５０内への逆流を規制する逆流規制機構が構成されている。つまり、オーバーフロー機構（逆流規制機構）８０は、堰８１を越えて吐出先に吐出された水が、吐出先から堰８１を超えて吐出槽２０内に逆流し、更に吐出配管５０内に逆流するのを防止する。
【００２７】
制御装置９０は、ポンプ３０を、その揚水時と非揚水時の両方において、所望の回転速度で運転させるように駆動手段６０（または、変速機７０が流体継手等の変速機能を有する場合は変速機７０）の運転を制御する。この制御装置９０は、揚水終了後に更にポンプ３０を正転駆動することで、吐出配管５０内を逆流しようとする落水の流量を制御する落水流量制御手段を兼ねている。また吐出配管５０の所定位置には、吐出配管５０内の圧力を検出し水位（差）に換算するための圧力検出器５５が設置され、吐出配管５０内の圧力（水位）が前記制御装置９０に入力されるように構成されている。なお、この圧力検出器５５の代わりに、吐出槽２０または吐出配管５０内の水位と吸水槽１０内の水位の検出する水位計をそれぞれ設置し、これらの水位を制御装置９０にそれぞれ入力するようにしてもよい。
【００２８】
次に上記構成の揚水ポンプ装置１-１の運転制御方法を説明する。例えば雨が降ることで吸水槽１０内の水位が所定の水位に達すると、図３に示すように、制御装置９０によって駆動手段６０が駆動され、ポンプ３０の羽根車３１が所望の回転速度Ｎ０で回転駆動される。これによって、吸水槽１０内の水は、吸水配管４０、ポンプ３０、吐出配管５０を通して吐出槽２０内に揚水される。吐出槽２０内に揚水された水は、堰８１をオーバーフローすることによって吐出先に排水されていく。
【００２９】
吸水槽１０内の水位が所定の水位まで低下する等の理由によって、前記揚水運転を終了する場合は、まず図４Ａに示すように、制御装置９０は、ポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ０（正転）からＮ１（正転）に減少させ（Ｎ０＞Ｎ１）、吐出配管５０内の水の水位が、吐出配管５０の吐出口を満たす水位（吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差：Ｈ１）となるようにする。この実施の形態では、吐出配管５０の吐出口の高さと堰８１の高さが一致しているので、吐出配管５０内の水位は、堰８１によって吐出槽２０内に残された水の水位と同じ水位となる。言い換えれば、吐出配管５０内の水位が吐出口を満たす水位と同じになるように、羽根車３１の回転速度を制御装置９０によって制御する。これによって、吐出配管５０内で吐出側及び吸込側に向かって移動する水の流量Ｑ１はＱ１＝±０となる。
【００３０】
吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ１になったことを圧力検出器５５が検出すると、図４Ｂに示すように、制御装置９０はポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ１（正転）からＮ２（正転）に減少させ（Ｎ１＞Ｎ２）、これによって、吐出配管５０内の水の水位を、吐出配管５０の吐出口よりも落水差ｈ２分だけ低下させ、この落水差ｈ２分の水（総逆流容量Ｖ２）を落水流量Ｑ２として吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差はＨ２（Ｈ１＞Ｈ２）になる。このとき、逆流する総逆流容量Ｖ２は、吐出配管５０内にある水の総量に比べてかなり少ないので、落水流量Ｑ２は少なく、例え正転しているポンプ３０内を水が逆流しても問題は生じない。言い換えれば、正転しているポンプ３０内を水が逆流しても問題ない落水流量Ｑ２となるように、ポンプ３０の羽根車３１の回転速度を制御する。
【００３１】
同様に、吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ２になったことを圧力検出器５５が検出すると、図５Ａに示すように、制御装置９０は、ポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ２（正転）からＮ３（正転）に減少させ（Ｎ２＞Ｎ３）、これによって、吐出配管５０内の水の水位を、さらに落水差ｈ３分だけ低下させ、落水差ｈ３分の水（総逆流容量Ｖ３）を落水流量Ｑ３として吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差はＨ３（Ｈ２＞Ｈ３）になる。このとき逆流する総逆流容量Ｖ３は、吐出配管５０内にある水の総量に比べてかなり少ないので、落水流量Ｑ３は少なく、たとえ正転しているポンプ３０内を水が逆流しても問題は生じない。言い換えれば、正転しているポンプ３０内を水が逆流しても問題ない落水流量Ｑ３となるように、ポンプ３０の羽根車３１の回転速度を制御する。
【００３２】
そして、吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ３になったことを圧力検出器５５が検出すると、図５Ｂに示すように、制御装置９０は、ポンプ３０の羽根車３１の回転を停止、または徐々に停止させ、これによって、前記水位差Ｈ３分の水を吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差は０になる。このとき落下する総逆流容量Ｖ４はかなり少ないので、落水流量Ｑ４は少なく、たとえ正転（又は停止）しているポンプ３０内を水が逆流しても問題は生じない。
【００３３】
図６は、前記制御方法をポンプ完全特性曲線上で示した図である。なお、図６において、実線は等水頭線を、破線は等トルク線をそれぞれ示し、数字は正規運転時の値に対する百分率を示す。
【００３４】
まず揚水工程において、その運転点ａは、図３に示すように、ポンプ回転速度Ｎ＝Ｎ０（１００％），ポンプ排水量Ｄ＝１００％，ポンプ全揚程Ｈ＝Ｈ０（１００％）である。次に揚水が終了して、ポンプ回転速度Ｎ＝Ｎ１，ポンプ排水量Ｄ＝０％，ポンプ全揚程Ｈ＝Ｈ１になると運転点はｂに移り、ポンプ３０は運転しているが、吐出配管５０内の水は正流も逆流もしなくなる。次にポンプ回転速度Ｎ＝Ｎ２，ポンプ排水量Ｄ＝０％，ポンプ全揚程Ｈ＝Ｈ２になると運転点はｃに移るが、その間に吐出配管５０内の水は一部逆流し、総逆流容量Ｖ＝Ｖ２分の水が吸水槽１０に逆流（逆流量Ｑ＝Ｑ２）する。次にポンプ回転速度Ｎ＝Ｎ３，ポンプ排水量Ｄ＝０％，ポンプ全揚程Ｈ＝Ｈ３になると運転点はｄに移るが、その間に吐出配管５０内の水は一部逆流し、総逆流容量Ｖ＝Ｖ３分の水が吸水槽１０に逆流（逆流量Ｑ＝Ｑ３）する。そしてポンプ回転速度Ｎ＝０，ポンプ排水量Ｄ＝０％，ポンプ全揚程Ｈ＝０になると運転点はｅに移り、その間に吐出配管５０内の残水は全て逆流し、総逆流容量Ｖ＝Ｖ４分の水が吸水槽１０に逆流（逆流量Ｑ＝Ｑ４）する。
【００３５】
以上のように吐出配管５０内を落水する落水流量を制御すれば、ポンプ３０の羽根車３１を逆転することなく、即ち駆動手段６０を逆転することなく、このポンプ３０内に水を逆流させることができるので、駆動手段６０として大きな逆転が許容できない内燃機関を使用することができる。また深度が深くて揚程が高い揚水ポンプ装置であっても、落水がポンプ３０や吸水配管４０や吐出配管５０、或いはポンプ３０を介した土木構造物そのものに与える影響を少なくでき、振動や騒音も小さくなる。
【００３６】
上記制御方法では、吐出配管５０内の水位を複数の位置で停止しながら段階的に低下していく段階制御を行ったが、その代わりに吐出配管５０内の水位を連続的に低下させていく連続制御を行っても良い。この場合はポンプ３０の正転回転速度を、連続して徐々に減少させて、吐出配管５０内の水位を徐々に連続して低下させてゆけばよい。図７は、この連続制御方法をポンプ完全特性曲線上で示した図である。即ちまず揚水工程において、その運転点はａにある。そしてポンプ回転速度を、吐出配管５０内の落水流量が所定の流量で一定になるように、徐々に連続して減少させてゆき、吐出配管５０内の落水が全て吸水槽１０に落水した段階でポンプ３０を停止する。
【００３７】
また上記実施の形態では、圧力検出器５５によって、吐出配管５０内の圧力を検出して水位（差）に変換し、その結果を制御装置９０に入力することで、水位（差）と経過時間（揚水運転終了時からの経過時間）に応じたポンプ回転速度を設定してポンプを制御するようにしている。圧力検出器５５の代りに、ポンプ３０や吐出配管５０等に流量検出器を設置し、ポンプ３０や吐出配管５０等の内部を流れる落水流量を直接検出し、この落水流量と経過時間に応じたポンプ回転速度を設定してポンプを制御するようにしても良い。さらにこれら検出器を何ら設置することなく、予め経過時間とポンプ回転速度の関係を設定しておき、揚水運転終了時から前記予め設定した経過時間に相当する回転速度となるポンプを制御しても良い。
【００３８】
図８は、本発明の他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-２の全体概略構成図である。図８に示す揚水ポンプ装置１-２において、前記揚水ポンプ装置１-１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-２において、前記揚水ポンプ装置１-１と相違する点は、ポンプ３０をバイパスしてポンプ３０の上流側（吸水槽１０）と下流側（吐出配管５０）とを接続するバイパス配管１００と、バイパス配管１００を通過する落水流量を調整する落水流量調整弁１１０とを設置した点にある。落水流量調整弁１１０の開閉制御は、制御装置９０によって行う。
【００３９】
次に、この揚水ポンプ装置１-２の運転制御方法を説明する。通常、落水流量調整弁１１０は閉になっている。そして、例えば雨が降ることで吸水槽１０内の水位が所定の水位に達すると、図８に示すように、制御装置９０によって駆動手段６０が駆動され、ポンプ３０の羽根車３１が所望の回転速度Ｎ０で回転駆動され、これによって吸水槽１０内の水は、吸水配管４０、ポンプ３０、吐出配管５０を通して吐出槽２０内に揚水される。吐出槽２０内に揚水された水は、堰８１をオーバーフローすることによって吐出先に排水されていく。
【００４０】
吸水槽１０内の水位が所定の水位まで低下する等の理由によって、前記揚水運転を終了する場合は、まず図９Ａに示すように、制御装置９０によって落水流量調整弁１１０を所定の開度だけ開くことでバイパス配管１００を通して吐出配管５０内の水を吸水槽１０に落水させ、同時に制御装置９０によってポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ０（正転）からＮ１（正転）に減少させることで（Ｎ０＞Ｎ１）、吐出配管５０内の水の水位を吐出配管５０の吐出口を満たす水位（水位差Ｈ１）と同じにする。言い換えれば、吐出配管５０内の水位が吐出口を満たす水位となるように、バイパス配管１００から水を落水させると同時に、羽根車３１の回転速度を制御装置９０によって制御する。
【００４１】
吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ１になったことを圧力検出器５５が検出すると、図９Ｂに示すように、制御装置９０は落水流量調整弁１１０の開度を所定の落水流量となるように調整し、同時にポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ１（正転）からＮ２（正転）に減少させる（Ｎ１＞Ｎ２）。これによって、吐出配管５０内の水の水位を、吐出配管５０の吐出口よりも落水差ｈ２分だけ低下させ、この落水差ｈ２分の水（総逆流容量Ｖ２）を落水流量Ｑ２としてバイパス配管１００を通して吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差はＨ２（Ｈ１＞Ｈ２）になる。
【００４２】
同様に、吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ２になったことを圧力検出器５５が検出すると、図１０Ａに示すように、制御装置９０は落水流量調整弁１１０の開度を所定の落水流量となるように調整し、同時にポンプ３０の羽根車３１の回転速度をＮ２（正転）からＮ３（正転）に減少させる（Ｎ２＞Ｎ３）。これによって、吐出配管５０内の水の水位を、さらに落水差ｈ３分だけ低下させ、この落水差ｈ３分の水（総逆流容量Ｖ３）を落水流量Ｑ３としてバイパス配管１００を通して吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差はＨ３（Ｈ２＞Ｈ３）になる。
【００４３】
そして、吐出配管５０内の水位と吸水槽１０の水位の水位差がＨ３になったことを圧力検出器５５が検出すると、図１０Ｂに示すように、制御装置９０は落水流量調整弁１１０の開度を所定の落水流量となるように調整し、同時にポンプ３０の羽根車３１の回転を徐々に停止させ、これによって、前記水位差Ｈ３分の水をバイパス配管１００を通して吸水槽１０に逆流させる。これによって、吐出配管５０内の水の水位と吸水槽１０内の水の水位との水位差は０になる。その後落水流量調整弁１１０を閉じる。
【００４４】
上記制御方法をポンプ完全特性曲線上で示すと、前記図６と同じになるので、その詳細な説明は省略する。また上記制御方法では、吐出配管５０内の水位が複数の位置で停止しながら段階的に低下していく段階制御を行ったが、その代わりに吐出配管５０内の水位が連続的に低下していく連続制御を行っても良い。この場合は、落水流量調整弁１１０の開度を所定の落水流量となるように連続して調整し、同時にポンプ３０の正転回転速度を連続して徐々に減少させてゆくことで、吐出配管５０内の水位を徐々に連続して低下させてゆけばよい。この制御方法をポンプ完全特性曲線上で示すと、前記図７と同じになるので、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
以上のように吐出配管５０内を落水する落水流量を制御すれば、ポンプ３０内を水が逆流することはなく、従って駆動手段６０が逆転することはなく、駆動手段６０として大きな逆転が許容できない内燃機関を使用することができる。また深度が深くて揚程が高い揚水ポンプ装置であっても、落水時のエネルギーによって、ポンプ３０や吸水配管４０や吐出配管５０、或いはポンプ３０を介した土木構造物そのものに与えられる影響は少なく、これによって振動や騒音も小さくなる。
【００４６】
なお、上記の例では、落水の全流量がバイパス配管１００を通って吸水槽１０に逆流し、ポンプ３０内を水が逆流しないようにして、ポンプ３０内を水が逆流することによって振動が大きくなることを防止するようにした例を示している。落水が主にバイパス配管１００内を流れ、流水の一部がポンプ３０の内部を、振動やキャビテーションの発生量が運転に支障のない流量で逆流するようにしてもよいことは勿論である。
【００４７】
図１１は、本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-３を示す全体概略構成図である。図１１に示す揚水ポンプ装置１-３において、前記揚水ポンプ装置１-１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-３において、前記揚水ポンプ装置１-１と相違する点は、逆流規制機構として、オーバーフロー機構８０を用いる代わりに、吐出配管５０の末端にフラップ弁からなる逆流防止弁８３を設けることで、吐出槽２０に揚水した水の吐出配管５０内への逆流を規制した点である。この場合、逆流防止弁（逆流規制機構）８３を閉じた状態で吐出配管５０内の水を落水するのに必要な空気を導入する空気導入管８５を吐出配管５０の端部近傍に取り付けている。逆流規制機構をこのように構成しても、ポンプ停止時に逆流防止弁８３が閉じることで吐出槽２０に揚水した水の吐出配管５０内への逆流が防止できる。このように、逆流防止弁（逆流規制機構）８３を吐出配管５０の端部に設けることで、フラップ弁等、構造が簡単でコストの安価な弁を用いることができる。
【００４８】
図１２は、複数（図示では３台）のポンプ３０（図３等参照）を並列に設置して揚水するようにした例を示す。この例では、各ポンプ３０に接続される吐出配管５０から吐出槽２０内に揚水し、この各吐出槽２０内に揚水された水が各堰８１をオーバーフローして吐出先に吐出される。そして、矩形状の各吐出槽２０の各堰８１を除く３つの側壁８２の高さは、堰８１の高さより高く設定され、各吐出槽２０内に揚水された水は、側壁８２をオーバーフローすることなく、各堰８１のみをオーバーフローするようになっている。
【００４９】
これにより、例えば１台のポンプ３０を停止した時に、この停止したポンプ３０によって揚水された水が流入する吐出槽２０内に、運転中のポンプ３０によって揚水されて吐出槽２０内に流入した水が、側壁８２をオーバーフローして流入して、運転を停止したポンプ３０に接続された吐出配管５０内に逆流することを防止することができる。
【００５０】
図１３は、本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-４を示す全体概略構成図である。図１３に示す揚水ポンプ装置１-４において、前記揚水ポンプ装置１-１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-４において、前記揚水ポンプ装置１-１と相違する点は、逆流規制機構として、オーバーフロー機構８０を用いる代わりに、吐出配管５０の途中に、上方にＵ字状に突出するサイフォン配管部５０ａを設けるとともに、サイフォン配管部５０ａの頂部にサイフォン破壊弁５６を設置したものを使用して、吐出槽２０に揚水した水の吐出配管５０内への逆流を規制した点である。
【００５１】
この例にあっては、揚水運転が終了した時に、サイフォン破壊弁５６を開き吐出配管５０のサイフォン配管部５０ａ内に大気を導入してサイフォンを破壊し、これによって、吐出槽２０に揚水した水の吐出配管５０内への逆流を防止する。そして、前述の各例と同様に、ポンプ３０の回転速度を低下させて、吐出配管５０内の水を吸水槽１０に逆流させ、これによって、吐出配管５０内の残水が無拘束に落下するの防止して、駆動手段６０として、内燃機関（ディーゼル機関、ガスタービン等）を用いることができる。
【００５２】
図１４は、本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-５を示す全体概略構成図である。図１４に示す揚水ポンプ装置１-５において、前記揚水ポンプ装置１-１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-５において、前記揚水ポンプ装置１-１と相違する点は、吐出配管５０内の圧力を検出して水位（差）に検出する圧力検出器５５の代わりに、吐出配管５０内を逆流する流量を検出する、例えば超音波流量計からなる流量計５８を吐出配管５０の下部に設け、この流量計５８で検出した流量を基に、吐出配管５０及びポンプ３０を通って吸水槽１０内に逆流する流量を制御するようにした点にある。
【００５３】
すなわち、この例によれば、揚程運転終了後、先ず吐出配管５０内を吸水槽１０に向かって流れる流量（逆流量）がＱ５となるまで、制御装置９０はポンプ３０の羽根車３１の回転速度ＮをＮ０（正転）から徐々に減少させる。この逆流量Ｑ５は、ポンプ３０内を水が通過しても振動やキャビテーションの発生量が運転に支障のない流量とする。そして、吐出槽２０または吐出配管５０の水がポンプ３０内を逆流すると、吐出槽２０または吐出配管５０内の水位が低下するが、逆流量Ｑ５が常に一定になるよう、水位の低下とともにポンプ３０の羽根車３１の回転速度を低下させる。逆流量がゼロ、すなわち吐出配管５０内の水が全て吸水槽１０に逆流したときにポンプ３０を停止させる。
【００５４】
図１５は、本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-６を示す全体概略構成図である。図１５に示す揚水ポンプ装置１-６において、前記揚水ポンプ装置１-１と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-６において、前記揚水ポンプ装置１-１と相違する点は、ポンプ３０として、略軸方向に沿って延びる羽根車３１を有する、いわゆる斜流・軸流ポンプを使用し、このポンプ（斜流ポンプ）３０の回転に伴って揚水された水が、鉛直方向に延び直角に屈曲する吐出配管５０を通って、吐出槽２０の底部に設けたピット２０ａの側部から該吐出槽２０の内部に流入するようにした点である。更に、この例にあっては、吸水槽１０内の水位を検出する水位計１２０と、吐出槽２０のピット２０ａ内の水位を検出する水位計１２１が備えられ、これらの水位計１２０，１２１からの信号が制御装置９０に入力されて、吐出槽２０のピット２０ａ内の水位と吸水槽１０の水位の水位差が検出されるようになっている。
【００５５】
この実施の形態の揚水ポンプ装置１−６にあっては、揚水運転終了後に、ポンプ３０の羽根車３１の回転速度Ｎ０を減少させて、吐出槽２０のピット２０ａ内の水位が低下するようにする。
【００５６】
図１６は、本発明の更に他の実施の形態にかかる揚水ポンプ装置１-７を示す全体概略構成図である。図１６に示す揚水ポンプ装置１-７において、図１５に示す揚水ポンプ装置１-６と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。この揚水ポンプ装置１-７において、前記揚水ポンプ装置１-６と相違する点は、このポンプ（斜流ポンプ）３０の回転に伴って揚水された水が、鉛直方向に延び直角に屈曲した後、更に上方に延びる吐出配管５０を通って、吐出槽２０の底部に設けたピット２０ａの底部から該吐出槽２０の内部に流入するようにした点である。
【００５７】
この実施の形態の揚水ポンプ装置１−７にあっては、吐出槽２０のピット２０ａ底部に堆積した土砂を、吐出配管５０を通過させて吸水槽１０に逆流させ、これによって、吐出配管５０が土砂で閉塞されることを防止することができる。
【００５８】
なお、例えば、図１５に及び図１６に示す実施の形態におけるポンプ（斜流ポンプ）３０として、図１７Ａ及び１７Ｂに示すように、例えば、サーボモータ１５１と、このサーボモータ１５１の回転に伴って上下動するテンションロッド１５２と、このテンションロッド１５２の下端に連結したクロスヘッド１５３を備え、クロスヘッド１５３の回転によって、羽根車３１の翼角度が調整できるようにしたものを使用してもよい。この場合、羽根車３１の翼角を制御することにより、ポンプ３０の回転速度が一定の状態においても、揚程を低下させ、ポンプ３０の回転速度を低下させた時と同じ効果を得て、落水差を低減させることができる。
【００５９】
上記各実施の形態おいては、変速機７０として、図１８に示すように、逆転防止機構としてのブレーキ１３０を備えたものを使用している。逆転防止機構として、このブレーキの代わりに、図１９に示すように、変速機７０の出力軸７３に固定される内輪１４０と、この内輪１４０の周囲を囲繞する位置に固定して配置される外輪１４１と、この内輪１４０と外輪１４１との間に内輪１４０の一方向への回転を許容し、他方向への回転を阻止するスプラグ１４２を配置したスプラグクラッチ１４３等の一方向クラッチで逆転防止機構を構成してもよい。この場合、ポンプ３０が逆転しようとすると、変速機７０の出力軸７３がスプラグクラッチ１４３等の一方向クラッチでロックされて回転を停止し、これによって、内燃機関や原動機からなる駆動手段６０の逆転が防止される。
【００６０】
また、図２０に示すように、変速機７０として、変速機７０の入力軸７１と出力軸７３との間に、逆転防止機構としてクラッチ１４５を配置してものを使用し、前述のブレーキの場合と同様に、例えば駆動機非常停止信号や駆動機軸に設置して該駆動機軸の回転速度を検出する低速検出器からの停止信号により、クラッチ１４５を切り、変速機７０の出力軸７３から入力軸７１に回転が伝わらないようにして、内燃機関や原動機からなる駆動手段６０の逆転を防止するようにしてもよい。
【００６１】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施の形態では駆動手段６０として内燃機関を用いたが、その代わりに電動機等、他の駆動手段を用いても良い。
【００６２】
また上記実施の形態では、逆流規制機構として、吐出配管５０から吐出槽２０内に吐出された水がオーバーフローするオーバーフロー機構８０等を用いたが、これら以外の各種構造の逆流規制機構を設置しても良い。要は、吐出槽内に揚水した水の吐出配管内へのへの逆流を規制する機構であればどのような機構であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、雨水排水ポンプ場等に使用され、吐出弁や逆止弁を省略することができて低コスト化が図れると共に、揚水運転終了後の落水による振動、騒音を抑制できる揚水ポンプ装置及びその運転制御方法に関する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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