(57)【要約】      （修正有）【課題】管径が細く、また短い長さのバイパス管で安価、且つ、効果的に液体の温度上昇を抑制可能なポンプの過熱防止装置を提供する。【解決手段】ポンプの過熱防止装置２０は、ポンプ１４の吐出管１３と吸込管１２とを連通し、少なくとも締切運転時に吐出管１３から吸込管１５に向けて液体の一部を通流させるバイパス管２１と、バイパス管２１の経路に設置された密閉タンク２３と、密閉タンク２３に形成された空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整する真空ポンプ２４とを有する減圧機構２２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの吐出バルブより上流側の吐出管と吐出バルブより下流側の吸込管とを連通し、少なくとも締切運転時に、前記吐出管から前記吸込管に向けて液体の一部を通流させるバイパス管と、
前記バイパス管の経路に設置された液体貯留部と、前記液体貯留部に形成された空間部の圧力を大気圧より低い値に調整する減圧装置とを有する減圧機構と、を備えているポンプの過熱防止装置。
【請求項２】
前記減圧機構は、有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、前記ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように配置されている請求項１記載のポンプの過熱防止装置。
【請求項３】
前記減圧機構は、前記液体貯留部に貯留された液体の飽和温度が前記ポンプの耐熱温度以下となるように前記空間部の圧力を調整するように設定されている請求項１記載のポンプの過熱防止装置。
【請求項４】
前記減圧装置は、前記液体貯留部に接続された真空ポンプで構成されている請求項１から３の何れかに記載のポンプ過熱防止装置。
【請求項５】
前記バイパス管は、前記減圧機構の上流側に、前記減圧機構の作動に連動して開放され、停止に連動して閉止される過熱防止バルブを備えている請求項１から４の何れかに記載のポンプの過熱防止装置。
【請求項６】
少なくとも前記吐出管に設置された前記吐出バルブが閉止されたときに前記減圧機構を作動させる制御部を備えている請求項１から５の何れかに記載のポンプの過熱防止装置。
【請求項７】
吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、請求項１から６の何れかに記載されたポンプの過熱防止装置を備えているポンプシステム。
【請求項８】
吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、請求項１から５の何れかに記載されたポンプの過熱防止装置を備えているポンプシステムの運転方法であって、
前記吐出管に設置された吐出バルブを閉止する前記ポンプの締切運転時に、前記減圧機構を作動させて前記空間部の圧力を大気圧より低い値に調整し、その後、前記吸込管に設置された吸込バルブを閉止する締切運転制御と、
前記締切運転制御から給液運転制御への切替時に、前記吸込バルブを開放した後に前記吐出バルブを開放し、その後前記減圧機構を停止させる給液運転開始制御とを備えているポンプシステムの運転方法。
【請求項９】
吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、請求項１から５の何れかに記載されたポンプの過熱防止装置を備えているポンプシステムの運転方法であって、
前記吐出管からの液体の流量が所定の最小流量以下となると、前記減圧装置を作動させて前記空間部の圧力を大気圧より低い値に調整し、
前記流量が前記最小流量を超えると、前記減圧装置を停止させて、前記吸込バルブを開放するポンプシステムの運転方法。
【請求項１０】
少なくともポンプの締切運転時に、前記ポンプの吐出管と吸込管とを連通したバイパス管を介して、前記吐出管から前記吸込管に向けて液体の一部を通流させる液体循環工程と、
前記バイパス管の経路に設置された液体貯留部に形成された空間部の圧力を大気圧より低い値に調整する減圧工程と、
を備えているポンプの過熱防止方法。
【請求項１１】
前記減圧工程は、少なくとも有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、前記ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように実行される請求項１０記載の過熱防止方法。
【請求項１２】
前記空間部の圧力は、前記液体貯留部に貯留された液体の飽和温度が前記ポンプの耐熱温度以下となる圧力に設定される請求項１０または１１記載のポンプの過熱防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプの過熱防止装置、ポンプシステム、ポンプシステムの運転方法、及び、ポンプの過熱防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道設備、灌漑設備、製鉄所、発電所設備等の各種プラントに組み込まれる給配水システムでは、主に遠心ポンプや斜流ポンプが用いられている。これらの、給配水システムでは、給配水先の需要変動に応じてその都度ポンプの運転を断続することの非効率性に鑑み、一時的に給配水先への送水を停止した状態でポンプの運転を維持する締切運転が行なわれている。また、ポンプの起動時や停止時には安定して水を供給し、停止するためにポンプの吐出管に設置した吐出バルブを閉止する締切運転が行なわれている。
【０００３】
しかし、締切運転が長時間継続すると、ポンプのインペラで撹拌加熱された水によってポンプケーシング内が異常に加熱され、ゴムパッキンやメカニカルシール等のポンプ構成部品が劣化して故障に到り、或は、ポンプケーシング内で水が沸騰して、ドライ運転状態になると摺動部に焼付き等の異常が発生する虞がある。
【０００４】
そこで、通常は、ポンプの吐出管と取水源とを接続するバイパス管を設けて、締切運転状態になると加熱防止のためにポンプケーシング内の水の一部を、バイパス管を介して取水源に戻すように構成されている。通常、当該バイパス管はミニマムフローラインと呼ばれる。
【０００５】
特許文献１には、速度制御式ポンプの過熱防止方法として、バイパス管を介して戻される水の水量をポンプ速度に応じて可変に設定されるポンプシステムが開示されている。
【０００６】
図５に示すように、当該ポンプシステム５０は、ポンプＰの吐出口と需要バルブ５１ａ〜５１ｅを接続する吐出ライン５１に、逆止弁５２、流量計５３、圧力発信器５４が設けられ、逆止弁５２の下流側に、電磁弁Ｍ及びオリフィス５８が設けられた過熱防止用のバイパス管５５が接続され、ポンプＰケーシング内の水の一部を水槽５６に戻すように構成されている。
【０００７】
演算装置５９は、流量計５３で検出される吐出ライン５１の流量Ｑｉ及び圧力発信器５４で検出される吐出ライン５１の圧力Ｈｉに基づいて、水の上昇温度を目標温度以内に抑制するための最小流量Ｑを算出するとともに、指令装置６０を介して電磁弁Ｍを開閉制御して、算出した最小流量Ｑの水を水槽５６に戻すように構成されている。
【０００８】
また、特許文献２には、給水中の異物混入に関わりなく給水流量を正確に検出して、最小流量バイパス弁制御によるポンプ運転の信頼性を向上させることを目的としたポンプシステムが開示されている。
【０００９】
図６に示すように、当該ポンプシステム７０は、水槽７４と給水ポンプ７２とを吸込配管７３で接続し、給水ポンプ７２の水を流量制御弁７８が介挿された吐出配管７６を介して給水先７５に給水するように構成され、水の一部を水槽７４に戻す過熱防止用のバイパス管８０が、吐出配管７６と水槽７４との間に接続されている。給水ポンプ７２は作動モータ７１で作動され、バイパス管８０には、制御回路８９により制御される最小流量バイパス弁７９が介挿されている。
【００１０】
制御回路８９は、電流検出器８７により検知された供給ポンプ７２の最小流量に相当する電流検出信号８８に基づいて、最小流量バイパス弁７９を開閉することにより締切運転状態にならないように制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭５８−３２９９２号公報
【特許文献２】特開平７−２０８３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載されているように、水の温度上昇Δｔ（℃）は、ポンプケーシングより外部への放熱や、グランド部よりの漏洩を無視すると、下に示す数式で求められる。なお、数式中、Ｈはポンプ運転状態の全揚程、Ｃは水の比熱、ηはポンプ運転状態でのポンプ効率である。
Δｔ＝Ｈ／４２７Ｃ（１００／η−１）
【００１３】
ポンプの流量を横軸とし、全揚程Ｈ、効率η、温度上昇Δｔを縦軸とするポンプの特性曲線から、締切運転時に水温が所定の許容温度以上とならない最小流量Ｑを求め、その最小流量Ｑが吐出し管からバイパス管を介して水源に還流されている。
【００１４】
しかし、上述した締切運転時に水温が許容温度以上に上昇しないように、所定の最小流量の水を水源に戻すためのバイパス管を設ける場合には、当該最小流量に応じたある程度大径の配管を選択する必要があり、特に大容量の水が必要となる大型のポンプシステムでは、ポンプの吐出し管から水源まで大径のバイパス管を設置するための設備コストや施工コストが嵩むという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、管径が細く、また短い長さのバイパス管で安価、且つ、効果的に液体の温度上昇を抑制可能なポンプの過熱防止装置、ポンプシステム、ポンプシステムの運転方法、及び、ポンプの過熱防止方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の目的を達成するため、本発明によるポンプの過熱防止装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の請求項１に記載した通り、ポンプの吐出バルブより上流側の吐出管と吐出バルブより下流側の吸込管とを連通し、少なくとも締切運転時に、前記吐出管から前記吸込管に向けて液体の一部を通流させるバイパス管と、前記バイパス管の経路に設置された液体貯留部と、前記液体貯留部に形成された空間部の圧力を大気圧より低い値に調整する減圧装置とを有する減圧機構と、を備えている点にある。
【００１７】
上述の構成によれば、少なくとも締切運転時にポンプに滞留する液体の一部が吐出管からバイパス管を介して吸込管へと通流する際に、バイパス管の経路に設置された液体貯留部に形成された空間部の圧力が、減圧装置によって大気圧より低い圧力に調整されているため、液体貯留部に貯留された液体の飽和温度（飽和蒸気の温度である。）が大気圧での飽和温度より低下する。
【００１８】
つまり、減圧装置による前記空間部の圧力の調整によって、前記液体貯留部に貯留された液体の沸点を低下させることができる。つまり、液体の流量に関係なく、沸点以上に液温が上昇しないので、流量を減らし、管径の細いバイパス管を選択することができ、しかも、吐出管と吸込管の間を接続すればよいので、吐出管と水源とを接続する場合に比べて管長を短くすることも可能になる。
【００１９】
よって、設備コストを低減して安価、且つ、効果的に液体の温度上昇を抑制することができるようになる。さらに、従来のように、バイパス管で液体の温度が許容以上に上昇しない所定の最小流量の液体を水源に還流させる必要がなく、より少ない流量をバイパス管に戻すことで十分なので、軸動力が低減でき、還流のためにポンプで消費されるエネルギーを低減させることも可能になる。
【００２０】
なお、液体貯留部は、例えば、バイパス管に介挿配置されたタンクや、バイパス管の一部に形成した拡径部で具現化できる。
【００２１】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記減圧機構は、有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、前記ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように配置されている点にある。
【００２２】
キャビテーションが発生することなく安定して揚水するために、ポンプに要求される条件として、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）より大きな値である必要がある。しかし、上述した減圧機構によって、空間部の圧力が大気圧より低い飽和圧力に調整されると、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）以下になる虞がある。そこで、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように、液体貯留部の配置高さを調整する、または、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）の不足分を減圧機構の下流側のバイパス管に設置したブースターポンプにより昇圧して補う。つまり、液体貯留部の配置高さの調整、または、前記ブースターポンプによって必要吸込みヘッドより大きい有効吸込ヘッドを得ることで、ポンプの吸込部における静圧が確保でき、安定した揚水が可能になる。
【００２３】
Ｈｓ（ｍ）を減圧機構の設置高さ、Ｈａ（ｍ）を吸込面に働く圧力、Ｈｖ（ｍ）をある温度での水の飽和蒸気圧、ｈｌ（ｍ）を吸込管の全配管損失水頭とすると、
ＮＰＳＨａｖａ＝Ｈａ−Ｈｖ＋Ｈｓ−ｈｌ
であるので、
Ｈｓ＞ＮＰＳＨｒｅｑ−Ｈａ＋Ｈｖ＋ｈｌ
を満足するＨｓ（ｍ）に減圧機構を設置すればよい。
なお、一般的には安全のために余裕をみて、例えば、
ＮＰＳＨａｖａ＞ＮＰＳＨｒｅｑ＋０．５
に設定することが好ましい。
【００２４】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記減圧機構は、前記液体貯留部に貯留された液体の飽和温度が前記ポンプの耐熱温度以下となるように前記空間部の圧力を調整するように設定されている点にある。
【００２５】
上述の構成によれば、液体の温度が、ポンプの耐熱温度より高くなることが回避できるので、例えば、ポンプの耐熱温度がゴムパッキンやメカニカルシール等の耐熱温度に依存するような場合であっても、ゴムパッキンやメカニカルシール等の温度劣化を効果的に抑制することができるようになる。また、ポンプ内部で、温度上昇による摺動部のドライ焼付きも抑制できる。
【００２６】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記減圧装置は、前記液体貯留部に接続された真空ポンプで構成されている点にある。
【００２７】
上述の構成によれば、液体貯留部に接続された真空ポンプにより減圧機構を好適に実現できる。バイパス管の経路に設置された液体貯留部に液体を貯留させて気液分離し、前記液体貯留部に形成された空間部に溜まった蒸気は、前記真空ポンプにより前記空間部から吸引されて、前記空間部の圧力は大気圧より低い所定の圧力に維持されるので、液体貯留部内の液体の飽和温度を大気圧での液体の飽和温度より低下させることができる。真空ポンプは、液封式の真空ポンプが好ましく採用できる。
【００２８】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記バイパス管は、前記減圧機構の上流側に、前記減圧機構の作動に連動して開放され、停止に連動して閉止される過熱防止バルブを備えている点にある。
【００２９】
上述の構成によれば、減圧機構の作動に連動して過熱防止バルブを開放して、バイパス管に液体を通流するため、過熱防止バルブの開放により直ちに液体貯留部の液体の飽和温度を低下させることができ、良好な応答性を確保することができるようになる。
【００３０】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、少なくとも前記吐出管に設置された前記吐出バルブが閉止されたときに前記減圧機構を作動させる制御部を備えている点にある。
【００３１】
上述の構成によれば、制御部は、少なくとも吐出管に設置された吐出バルブが閉止されたときに減圧機構を作動させて、空間部の圧力を調整するように構成されているので、締切運転時に液体の温度が上昇しないように適切に制御でき、通常運転時等の、空間部の圧力を調整する必要がないときに減圧装置を作動させることがないので、不要なエネルギーロスの発生を回避することができる。
【００３２】
本発明によるポンプシステムの特徴構成は、同請求項７に記載した通り、吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、上述の第一から第六の何れかの特徴構成を備えたポンプの過熱防止装置を備えている点にある。
【００３３】
上述の構成によれば、ポンプが締切運転になるような場合であっても、過熱防止装置により、液体の異常な温度上昇を防止できるポンプシステムを提供することができる。
【００３４】
本発明によるポンプシステムの運転方法の第一の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、上述の第一から第五の何れかの特徴構成を備えたポンプの過熱防止装置を備えているポンプシステムの運転方法であって、前記吐出管に設置された吐出バルブを閉止する前記ポンプの締切運転時に、前記減圧機構を作動させて前記空間部の圧力を大気圧より低い値に調整し、その後、前記吸込管に設置された吸込バルブを閉止する締切運転制御と、前記締切運転制御から給液運転制御への切替時に、前記吸込バルブを開放した後に前記吐出バルブを開放し、その後前記減圧機構を停止させる給液運転開始制御とを備えている点にある。
【００３５】
上述の構成によれば、吐出バルブの開閉に応じて減圧機構を作動・停止させるので、過熱防止装置を運転するエネルギーコスト、例えば電気コストを低減することができ、締切運転時に吐出バルブ及び吸込バルブを閉塞しているため、安定的に空間部の圧力を大気圧より低い値に調整することができるようになる。
【００３６】
本発明によるポンプシステムの運転方法の第二の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、吸込管から吸引した液体を吐出管を介して給液するポンプと、上述の第一から第五の何れかの特徴構成を備えたポンプの過熱防止装置を備えているポンプシステムの運転方法であって、前記吐出管からの液体の流量が所定の最小流量以下となると、前記減圧装置を作動させて前記空間部の圧力を大気圧より低い値に調整し、前記流量が前記最小流量を超えると、前記減圧装置を停止させて、前記吸込バルブを開放する点にある。
【００３７】
上述の構成によれば、例えば、吐出管からの液体の流量に基づいて、締切運転または締切運転に近い状態となったと判断すると、その後減圧装置を作動させて空間部の圧力を大気圧より低い値に調整することにより、液体の温度上昇を抑制できるようになる。
【００３８】
本発明によるポンプの過熱防止方法の第一の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、少なくともポンプの締切運転時に、前記ポンプの吐出管と吸込管とを連通したバイパス管を介して、前記吐出管から前記吸込管に向けて液体の一部を通流させる液体循環工程と、前記バイパス管の経路に設置された液体貯留部に形成された空間部の圧力を大気圧より低い値に調整する減圧工程と、を備えている点にある。
【００３９】
同第二の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記減圧工程は、少なくとも有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、前記ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように実行される点にある。
【００４０】
同第三の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記空間部の圧力は、前記液体貯留部に貯留された液体の飽和温度が前記ポンプの耐熱温度以下となる圧力に設定される点にある。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明した通り、本発明によれば、管径が細く、また短い長さのバイパス管で安価、且つ、効果的に液体の温度上昇を抑制可能なポンプの過熱防止装置、ポンプシステム、ポンプシステムの運転方法、及び、ポンプの過熱防止方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるポンプシステムの第一の説明図
【図２】本発明によるポンプシステムの第二の説明図
【図３】別実施形態によるポンプシステムの説明図
【図４】別実施形態による減圧機構の説明図
【図５】従来の汚水処理装置の説明図
【図６】従来の汚水処理装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明によるポンプの過熱防止装置、ポンプシステム、ポンプシステムの運転方法、及び、ポンプの過熱防止方法の実施形態を説明する。
【００４４】
図１には、製鉄所の圧延工程で、鋼板の表面からスケールを除去するために、鋼板の上方から高圧水を噴射するためのポンプシステム１０が示されている。
【００４５】
ポンプシステム１０は、水槽１１と、吸込管１２から吸引した液体としての水を吐出管１３を介して給液するポンプ１４と、吸込管１２に設置された吸込バルブ１５と、吐出管１３に設置された単一または複数の吐出バルブ１６と、制御部２５等を備えている。
【００４６】
吐出管１３は、複数の経路１３ａ〜１３ｃに分岐して構成され、その夫々の先端に前記鋼板に高圧水を噴射するためのスプレーノズル１７ａ〜１７ｃを備えるとともに、吐出バルブ１６ａ〜１６ｃや逆止弁等が備えられている。
【００４７】
制御部２５は、ポンプ１４の運転・停止制御、吸込バルブ１５の開閉制御、及び、圧延工程で間歇的に搬送される鋼材に、スプレーノズル１７ａ〜１７ｃから高圧水を間歇的に噴射するため、吐出バルブ１６ａ〜１６ｃを夫々独立して開閉制御するように構成されている。
【００４８】
ポンプ１４は、スプレーノズル１７ａ〜１７ｃに給水する吐出バルブ１６ａ〜１６ｃの開閉に関わらず常に運転させる必要があるが、吐出バルブ１６ａ〜１６ｃがすべて閉じられた場合には締切運転となる。そこで、ポンプシステム１０には、ポンプ１４の過熱防止装置２０が備えられている。
【００４９】
なお、締切運転とは、ポンプ１３の吐出管１３に設置された吐出バルブ１６ａ〜１６ｃがすべて閉止され、吐出バルブ１６ａ〜１６ｃの下流側に水が流れない状態でのポンプ１４の運転のことを示す。
【００５０】
ポンプの過熱防止装置２０は、ポンプ１４の吐出管１３と吸込管１２とを連通し、少なくとも締切運転時に吐出管１３から吸込管１２に向けて水の一部を通流させるバイパス管２１と、バイパス管２１の経路に介挿設置された減圧機構２２を備えている。バイパス管２１は、吐出管１３の吐出バルブ１６よりポンプ１４側と、吸込管１２の吸込バルブ１５よりポンプ１４側に連通されている。
【００５１】
減圧機構２２は、バイパス管２１の経路に介挿設置された液体貯留部として、水を貯留する貯水部２３ａと、水蒸気が貯留される空間部２３ｂとを有する密閉タンク２３と、密閉タンク２３に自動バルブ２６を介して接続された、空間部２３ｂから水蒸気を吸引する減圧装置としての液封式の真空ポンプ２４で構成されている。なお、密閉タンク２３の上流側のバイパス管２１ａ（２１）は水の冷却の点から密閉タンク２３の貯水部２３ａに接続されている。
【００５２】
密閉タンク２３内では、水と水蒸気は、貯水部２３ａと空間部２３ｂに気液分離され、前記水蒸気は真空ポンプ２４で吸引され、空間部２３ｂの圧力は大気圧より低い所定の圧力に維持される。真空ポンプ２４としては、水を吸引しても安定運転できる液封式の真空ポンプが好ましく採用できる。
【００５３】
なお、真空ポンプ２４により前記水蒸気を吸引することで、密閉タンク２３内の水の水位が低下した場合には、外部から密閉タンク２３内に水が補給される構成となっている。
【００５４】
制御部２５は、吸込バルブ１５及び吐出バルブ１６の開閉制御に応じて真空ポンプ２４を作動・停止制御する。真空ポンプ２４の吸込管に備えられた自動バルブ２６は、制御部２５によって、真空ポンプ２４の作動・停止に対応して開閉するように制御されている。
【００５５】
真空ポンプ２４は、バイパス管２１の経路に介挿設置された密閉タンク２３内の空間部２３ｂの圧力が大気圧より低い一定値に調整するように制御され、これによって密閉タンク２３内の貯水部２３ａの水の飽和温度を低下させることができ、密閉タンク２３で発生した水蒸気は空間部２３ｂから真空ポンプ２４で吸引排気されるのである。
【００５６】
例えば、ポンプ１４の耐熱温度が６０℃であるとすると、水温Ｔは６０℃より低い温度にする必要がある。ある水温Ｔのときの飽和蒸気圧Ｅ（Ｔ）（ｈＰａ）は、Ｔｅｔｅｎｓ（１９３０）の式から求まり、水温Ｔを６０℃とすると、
Ｅ（Ｔ）＝６．１１×１０＾（（７．５Ｔ／（Ｔ＋２３７．３））＝１９９．４（ｈＰａ）となる。
このように、密閉タンク２３内は、大気圧での飽和蒸気圧より低い一定の圧力１９９．４（ｈＰａ）＝２．０３（ｍＨ２Ｏ）に調整されることになる。
【００５７】
なお、耐熱温度の６０℃とは例示であり、例えば、ゴムパッキンやメカニカルシールの耐熱温度であったり、その他の耐熱温度であってもよく、このように液体が水であり、大気圧で水を使う場合は、大気圧での水の沸点である１００℃より低い適当な温度が用いられる。
【００５８】
このとき、密閉タンク２３内では、水温６０℃で水が沸騰し、それ以上水の温度が上がらないので、ポンプ１４が吸い込む水の温度は６０℃以上に上がることはない。
【００５９】
つまり、水の温度は、ポンプ１４の耐熱温度より高くなることが回避できるので、例えば、ポンプ１４の耐熱温度がゴムパッキンやメカニカルシール等の耐熱温度に依存するような場合であっても、ゴムパッキンやメカニカルシール等の温度劣化を効果的に抑制することができるようになるのである。また、ポンプ内部で、温度上昇による摺動部のドライ焼付きも抑制できる。
【００６０】
このように、ポンプシステム１０は、ポンプ１４が締切運転になるような場合であっても、過熱防止装置２０により、ポンプ１４の耐熱温度以上への水の温度上昇を防止できるのである。
【００６１】
以上の構成により、少なくとも締切運転時にポンプ１４に滞留する水の一部が吐出管からバイパス管２１を介して吸込管１２へと通流する際に、空間部２３ｂの圧力が、減圧機構２２によって大気圧より低い所定の圧力に調整されているため、貯水部２３aに貯留された水の温度は、大気圧での飽和温度より低下し、減圧機構２２より下流のバイパス管２１ｂ（２１）を通流する水の温度も大気圧での飽和温度より低下する。
【００６２】
つまり、減圧機構２２を介した圧力の調整によって、バイパス管２１を通流する水の沸点を低下させることができる。よって、バイパス管２１内の流量に関係なく水の温度は沸点以上に上昇することはなく、管径の細いバイパス管２１を選択することができ、しかも、吐出管１３と吸込管１２の間を接続すればよいので、吐出管１３と水槽１１とを接続する場合に比べて管長を短くすることも可能になる。
【００６３】
よって、設備コストを低減して安価、且つ、効果的に液体としての水の温度上昇を抑制することができるようになる。さらに、従来のように、バイパス管で水温がポンプの耐熱温度以上に上昇しない所定の最小流量の水を水源に還流させる必要がなく、より少ない流量をバイパス管に戻すことで十分なので、軸動力が低減でき、還流のためにポンプで消費されるエネルギーを低減させることも可能になる。
【００６４】
キャビテーションが発生することなく安定して揚水するために、ポンプに要求される条件として、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、ポンプの必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）より大きな値である必要がある。しかし、上述した真空ポンプ２４によって、空間部２３ｂの圧力が大気圧より低い圧力に調整されると、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）以下になる虞がある。
【００６５】
そこで、ポンプ過熱防止装置は昇圧機構を備えている。昇圧機構は、密閉タンク２３が、少なくとも有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、ポンプ１４の必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるようにポンプ１４の吸込部より高い高さＨｓ（ｍ）に設置されることで実現される。
【００６６】
なお、昇圧機構は、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となるように、密閉タンク２３の配置高さを調整する以外に、有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）の不足分を減圧機構２２の下流側のバイパス管２１ｂに設置したブースターポンプにより昇圧して補い、必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）より大きい有効吸込ヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）を得ることで、ポンプの吸込部における静圧を確保するように構成しても良い。
【００６７】
ここで、ポンプ１４の有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）は、Ｈｓ（ｍ）をポンプ１４の設置高さ、Ｈａ（ｍ）を吸込面に働く圧力、Ｈｖ（ｍ）をある温度での水の飽和蒸気圧、ｈｌ（ｍ）をバイパス管２１の全配管損失水頭とすると、次式から求まる。
ＮＰＳＨａｖａ＝Ｈａ−Ｈｖ＋Ｈｓ−ｈｌ
よって、減圧機構２２の密閉タンク２３を設置高さＨｓ（ｍ）は、
Ｈｓ（ｍ）＞ＮＰＳＨｒｅｑ−Ｈａ＋Ｈｖ＋ｈｌを満足する必要がある。
【００６８】
例えば、密閉タンク２３内の吸込面に働く圧力Ｈａ（ｍ）及び６０℃での水の飽和蒸気圧Ｈｖ（ｍ）は、２０３．３（ｃｍＨ２Ｏ）＝約２（ｍ）であるため、バイパス管２１の全配管損失水頭ｈｌ（ｍ）を無視すれば、Ｈｓ＞ＮＰＳＨｒｅｑを満足する高さに密閉タンク２３を設置すればよい。なお、一般的には安全のために余裕をみて、Ｈｓ＞ＮＰＳＨｒｅｑ＋０．５とすることが好ましい。これにより、ポンプ１４の吸込部における静圧が確保でき、キャビテーションを生じない安定した揚水が可能になる。
【００６９】
上述の構成により、少なくとも締切運転時に、ポンプ１４の吐出管１３と吸込管１２とを連通したバイパス管２１を介して、吐出管１３から吸込管１２に向けて水の一部を通流させる液体循環工程と、バイパス管２１の経路に介挿設置された減圧機構２２により、空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い一定の値に調整する減圧工程と、を備えたポンプの過熱防止方法が実現されるのである。
【００７０】
減圧工程では、空間部２３ｂの圧力は、飽和温度がポンプ１４の耐熱温度以下となる一定の圧力に設定される。さらに、減圧工程は、少なくとも有効吸込みヘッド（ＮＰＳＨａｖａ）が、ポンプ１４の必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）よりも大きな値となる位置で実行されるか、ポンプ１４の必要吸込みヘッド（ＮＰＳＨｒｅｑ）より大きな値となるようにブースターポンプによる昇圧工程が実行されるのである。
【００７１】
次に、上述のように構成されたポンプシステム１０の運転方法について説明する。
【００７２】
ポンプシステム１０の運転方法は、少なくとも締切運転制御と、給液運転開始制御を備えている。締切運転制御では、制御部２５が吐出管１３に備えた吐出バルブ１６を閉止すると、減圧機構２２の真空ポンプ２４を作動させて空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い一定値に調整し、真空ポンプ２４を作動させた後に、吸込管１２に設置された吸込バルブ１５を閉止する。
【００７３】
給液運転開始制御では、締切運転制御からポンプ１４が吸込管から吸引した水を吐出管を介して給液する給液運転制御への切替時に、制御部２５は、吸込バルブ１５を開放した後に吐出バルブ１６を開放し、その後、減圧機構２２の真空ポンプ２４を停止させる。
【００７４】
このように、制御部２５は、少なくとも吐出管１３に設置された吐出バルブ１６が閉止されたときに減圧機構２２を作動させて、空間部２３ｂの圧力を調整するように構成されているので、締切運転時に水の温度が上昇しないように適切に制御でき、通常運転時等、空間部２３ｂの圧力を調整する必要がないときに減圧機構を作動させることがないので、不要なエネルギーロスの発生を回避することができる。
【００７５】
つまり、吐出バルブ１６の開閉に応じて減圧機構２２を作動・停止させるので、過熱防止装置２０を運転するエネルギーコスト、例えば電気コストを低減することができ、締切運転時に吐出バルブ１６及び吸込バルブ１５を閉止しているため、安定的に空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い一定値に調整することができるようになるのである。
【００７６】
なお、上述の実施形態では、制御部２５により、吐出バルブ１６の開閉に応じて減圧機構２２が制御される構成について説明したが、吐出バルブ１６の下流側に流量計を備えて、制御部２５は、流量計で計測された吐出管１３からの水の流量が所定の最小流量以下となると、減圧機構２２の真空ポンプ２４を作動させて空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整し、前記流量が前記最小流量を超えると、減圧機構２２の真空ポンプ２４を停止させるように構成してもよい。
【００７７】
このように構成すれば、例えば、制御部２５は、吐出管１３からの水の流量に基づいて、締切運転または締切運転に近い状態となったと判断すると、その後、減圧機構２２を作動して空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整することにより、貯水部２３ａの液体の温度上昇を抑制できるようになる。
【００７８】
次に、本発明の別実施形態について説明する。上述の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００７９】
図２に示すように、バイパス管２１には過熱防止バルブ２７（２７ａ，２７ｂ）が設置されている。制御部２５は、過熱防止バルブ２７（２７ａ，２７ｂ）を閉止したまま、真空ポンプ２４を予め作動させておき、少なくとも吐出管１３に設置された吐出バルブ１６が閉止されたときに過熱防止バルブ２７ａを開放するとともに、減圧機構２２の自動バルブ２６を開くように構成されている。なお、減圧機構２２は過熱防止バルブ２７（２７ａ，２７ｂ）により外部から閉ざされているので自動バルブ２６は備えていなくても動作上問題ないが、自動バルブ２６を備えている方が動作は安定する。
【００８０】
このように過熱防止バルブ２７（２７ａ，２７ｂ）を設置すると、真空ポンプ２４を常時運転することができる。
【００８１】
つまり、制御部２５は、予め減圧機構２２の真空ポンプ２４を作動させておき、締切運転制御では、吐出管１３に備えた吐出バルブ１６を閉止すると、バイパス管２１に備えた過熱防止バルブ２７ａを開放して、空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整し、その後、過熱防止バルブ２７ｂを開放し、吸込管１２に設置された吸込バルブ１５を閉止するのである。
【００８２】
さらに、給液運転開始制御では、締切運転制御からポンプ１４が吸込管から吸引した水を吐出管を介して給液する給液運転制御への切替時に、制御部２５は、吸込バルブ１５を開放した後に吐出バルブ１６を開放し、その後過熱防止バルブ２７を閉止するのである。
【００８３】
このように、予め減圧機構２２を作動させておき、締切運転時に過熱防止バルブ２７を開放すると同時に、空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整できるので、過熱防止バルブ２７の開放により直ちに水の飽和温度を低下させることができ、良好な応答性を確保することができるようになり、締切運転時に吐出バルブ１６及び吸込バルブ１５を閉塞しているため、安定的に空間部２３ｂの圧力を大気圧より低い値に調整することができるようになる。
【００８４】
また、バイパス管２１の減圧機構２２の下流側に過熱防止バルブ２７ｂを備えているので、バイパス管２１内の圧力をより良好な応答性で調整することができる。
【００８５】
なお、過熱防止バルブ２７（２７ａ，２７ｂ）は、制御部２５により吐出バルブ１６及び吸込バルブ１５の開閉に応じて開閉制御される電動弁であったり、吐出バルブ１６の下流側に流量計を備えて、流量計が検知する吐出管１３の流量が所定の最小流量以下になれば開くように制御される電動弁であったり、吐出バルブ１６が閉止され過熱防止バルブ２７ａの上流側の圧力が、予め設定した所定値より高くなると開く圧力制御弁であってもよい。また、過熱防止バルブ２７ｂは、逆止弁であってもよい。
【００８６】
上述した実施形態では、製鉄所の圧延工程で、鋼板の表面からスケールを除去するために、鋼板の上方から高圧水を噴射するためのポンプについて、本発明によるポンプの過熱防止装置、ポンプシステム、ポンプシステムの運転方法、及び、ポンプの過熱防止方法を適用する構成について説明したが、本発明は、水道設備、灌漑設備、発電所設備等の各種プラントに組み込まれる給配水システム、特に、末端の使用状況により締切運転となるシステムに適用することができる。
【００８７】
例えば、図３に示すように、水道設備のポンプシステム１０は、液体として消毒された上水を貯水する貯水槽１１と、吸込管１２から吸引した上水を吐出管１３を介して末端の配水槽１８などへと揚水するポンプ１４と、吸込管１２に設置された吸込バルブ１５と、吐出管１３に設置された吐出バルブ１６と、制御部２５等を備えている。なお、上述の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し説明を省略する。
【００８８】
このように、ポンプシステム１０のポンプ１４は、吐出バルブ１６の開閉に関わらず常に運転させる必要があるが、配水槽１８から配水される上水の需要に変動があり、末端の配水槽１８内が満水となり、直接送水している一般家庭等がほとんど水を使わないとき、例えば夜中に、吐出バルブ１６が閉じる場合には締切運転となる。このような場合でも本発明によるポンプの過熱防止装置２０を備えれば上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができるのである。
【００８９】
上述した実施形態では、液体貯留部が密閉タンク２３である場合について説明したが、液体貯留部は、図４に示すように、バイパス管２１の一部を拡径し、該拡径部２１ｃに真空ポンプ２４を接続する構成であってもよい。拡径部２１ｃの貯水部２３ａに貯留された液体は気液分離され、その蒸気は空間部２３ｂから真空ポンプ２４で吸引され、空間部２３ｂは大気圧より低い所定の飽和圧力に維持されるのである。
【００９０】
また、真空ポンプは、液封式の真空ポンプである場合に限らず、乾式の真空ポンプやブロワー、エジェクターであってもよい。
【００９１】
上述した実施形態では、制御部は吐出バルブ、吸込バルブ、減圧機構等を自動制御する構成について説明したが、オペレータが手動制御する構成であっても本発明を実現できる。
【００９２】
また、図１及び図２に示すように、バイパス管２１ａ（２１）は水の冷却の点から密閉タンク２３の貯水部２３ａに接続される構成について説明したが、バイパス管２１ａ（２１）は空間部２３ｂに接続されていてもよい。
【００９３】
上述した実施形態は、何れも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９４】
１０：ポンプシステム
１１：水槽
１２：吸込管
１３：吐出管
１４：ポンプ
１５：吸込バルブ
１６：吐出バルブ
２０：過熱防止装置
２１：バイパス管
２２：減圧機構
２３：密閉タンク
２４：真空ポンプ
２５：制御部
２６：自動バルブ
２７：過熱防止バルブ
【図１】
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【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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