(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動機によって駆動される流体機械と、
前記流体機械の内部を流れる取扱液の流量を制御する流量調整バルブと、
前記流量調整バルブを作動させる作動手段と、
前記駆動機の回転数を制御する回転数制御手段とを一体化して備えると共に、
前記回転数制御手段と前記作動手段とを制御する制御手段を備え、
前記制御手段は演算回路と記憶装置とを有し、
前記記憶装置には、流量及び揚程の関数として、所定の流量−揚程特性、前記流体機械の回転数ごとの流量−揚程特性、及び前記流量調整バルブの開度ごとの流量−揚程特性が記憶されており、
前記演算回路は、前記流体機械の回転数ごとの流量−揚程特性及び前記流量調整バルブの開度ごとの流量−揚程特性に基づいて、前記所定の流量−揚程特性上の点を通る前記流体機械の回転数及び前記流量調整バルブの開度を算出することを特徴とする流体機械ユニット。
【請求項２】
前記制御手段は、記憶媒体に保存されているデータを読み取る機構を有し、前記記憶媒体に保存されている前記所定の流量−揚程特性を読み取って前記記憶装置に入力することを特徴とする請求項１に記載の流体機械ユニット。
【請求項３】
前記記憶媒体は取り替え可能であることを特徴とする請求項２に記載の流体機械ユニット。
【請求項４】
前記駆動機は前記取扱液によって冷却されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体機械ユニット。
【請求項５】
前記駆動機は外部流体によって冷却されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体機械ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体機械ユニット、特に半導体製造、石油精製などにおいて用いられる産業用ポンプやコンプレッサー等の流体機械を含んだ流体機械ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、例えば半導体産業関連の冷却装置や恒温装置に使用する循環ポンプとして、いわゆる軸封部のないポンプが多く採用されている。これは、水蒸気の発生を嫌うユーザのニーズによって、従来一般に使用されてきた純水に替えて高価なフッ素系不活性液などが取扱液に採用されるようになったことが一つの要因である。即ち、このような高価な取扱液を無駄に漏らすことがないようにするため、軸封部からの液漏れの心配のないキャンドモータポンプやマグネットポンプが使用される。また、上述のフッ素系不活性液は表面張力が小さく、このためメカニカルシールでは漏れが生じ易いこと、コンパクト化の進んだ装置に使用されるポンプのメカニカルシール交換は非常に手間がかかることもキャンドモータポンプやマグネットポンプを採用する理由になっている。
【０００３】
このようなポンプにインバータを取付け、ポンプのモータに供給する電力の周波数を高めてポンプの回転数を増加させる場合がある。このようなインバータを設置することにより、ポンプの回転数を増加させてポンプの小型化を図ることが可能となる。また、このようなポンプの吸込口又は吐出口には流量調整バルブなどのバルブ及びこのバルブを作動させるバルブ作動機構が配置されることがある。このようなバルブ及びバルブ作動機構によってポンプの内部流体の流量が制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したポンプ、インバータ、バルブ、バルブ作動機構などの機器はそれぞれ独立して設置されている。即ち、ポンプとインバータ系（回転数制御系）とバルブ系（流量制御系）とは、それぞれ別々に製造される場合が多く、また別々に工事される場合が多い。特に、回転数制御系と流量制御系とは全くの別物として取扱われることが多い。このため、各機器の扱者や工事業者などが他のすべての機器を考慮して最適な設置を行うことが難しくなっており、またユーザにとっても、各機器が別工事によって設置されることによってシステムの不統一や保証境界などが生ずるため、大きな問題を抱える結果となっている。このような状況においては、ポンプの回転数とバルブの開度とを連動させて自在に制御してポンプの特性（流量−揚程特性）を自在に制御することは困難である。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、流体機械の設置工事を容易にすると共に該流体機械の特性を最適化して、省エネルギー及び省資源に大きく貢献することができる流体機械ユニットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、駆動機によって駆動される流体機械と、上記流体機械の内部を流れる取扱液の流量を制御する流量調整バルブと、上記流量調整バルブを作動させる作動手段と、上記駆動機の回転数を制御する回転数制御手段とを一体化して備えると共に、上記回転数制御手段と上記作動手段とを制御する制御手段を備え、上記制御手段は演算回路と記憶装置とを有し、上記記憶装置には、流量及び揚程の関数として、所定の流量−揚程特性、上記流体機械の回転数ごとの流量−揚程特性、及び上記流量調整バルブの開度ごとの流量−揚程特性が記憶されており、上記演算回路は、上記流体機械の回転数ごとの流量−揚程特性及び上記流量調整バルブの開度ごとの流量−揚程特性に基づいて、上記所定の流量−揚程特性上の点を通る上記流体機械の回転数及び上記流量調整バルブの開度を算出することを特徴とする流体機械ユニットである。
【０００７】
このような構成により、流体機械と回転数制御系と流量制御系とを１つのパッケージとすることができるので、流体機械の設置工事を簡略化することができ、省力化及び省資源化を図ることが可能となる。従来は、何種類もの羽根車、ケーシングなどを用意して対応する必要があったが、１つのポンプで対応できるようになるため集中生産が可能となる。また、ポンプの回転数と流量とを連動させて自在に制御することが可能となるので、ポンプの運転点を自在に制御して、出力としての流量−揚程特性を自在に変化させることが可能となる。
【０００８】
上記制御手段における制御は外部から入力されるデータによって変更可能であることが好ましい。
【０００９】
また、上記駆動機は上記取扱液によって冷却されることとしてもよく、あるいは、外部流体によって冷却されることとしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る流体機械ユニットの一実施形態について図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、以下では、流体機械としてポンプを例にして説明するが、あらゆる流体機械に本発明を適用することができることは言うまでもない。
【００１１】
図１は、本発明に係る流体機械ユニット１の構成を示す概略図である。図１に示すように、流体機械ユニット１は、ポンプ１０、ポンプ１０の回転数を制御する回転数制御手段としてのインバータ（周波数変換器）２０、ポンプ１０の内部を流れる取扱液の流量を制御する流量制御手段としての流量調整バルブ３０、流量調整バルブ３０を作動させる作動手段としてのバルブ作動機構３２、インバータ２０とバルブ作動機構３２とを制御する制御手段としての制御装置４０により構成されており、これらの機器は一体化されて１つの流体機械ユニット１が構成されている。
【００１２】
ポンプ１０は、モータ（駆動機）１２と、モータ１２の出力軸である主軸１４と、主軸１４に取付けられた羽根車１６とをケーシング１８の内部に備えており、このポンプ１０はいわゆる軸封部のないポンプとなっている。インバータ２０はポンプ１０の上部に設置されており、インバータ２０の出力はリード線２２を介してモータ１２のモータ固定子１２ａに供給されている。なお、このモータ１２は、ポンプ１０の取扱液によって冷却されることとしてもよく、取扱液だけでなく外部流体によって冷却されることとしてもよい。
【００１３】
流量調整バルブ３０はポンプ１０の下流側にポンプ１０と一体化されて設置されており、この流量調整バルブ３０にはバルブ作動機構３２が接続されている。このバルブ作動機構３２は流量調整バルブ３０と一体化されており、バルブ作動機構３２として適当なモータ等が用途に応じて使用される。このバルブ作動機構３２によって流量調整バルブ３０の開度を変えることができ、これによってポンプ１０の内部流体の流量を制御することができる。なお、図１では、ポンプ１０の下流側に流量調整バルブ３０を設置した例を示したが、ポンプ１０の上流側に設置することとしてもよい。
【００１４】
制御装置４０は、インバータ２０の上部に一体的に設けられており、インバータ２０及びバルブ作動機構３２のそれぞれにリード線４１，４２を介して接続されている。この制御装置４０はＣＰＵを含む演算回路を備えており、演算回路における演算結果に基づいてインバータ２０及びバルブ作動機構３２に対して信号をリード線４１，４２を介して出力し、これらの機器を制御する。即ち、制御装置４０は、インバータ２０を介してモータ１２の回転数を制御すると同時に、バルブ作動機構３２を介してポンプ１０の内部を流れる取扱液の流量を制御することができ、ポンプ１０の回転数と流量とを連動させて自在に制御することができるようになっている。なお、より安定な状態で運転を行うために、冷却機構（図示せず）の内部に制御装置４０を設置することとしてもよい。
【００１５】
図２は、本発明に係る流体機械ユニットの制御における流量−揚程曲線の一例を示すグラフである。上述した制御装置４０は、例えばメモリなどの記憶装置を備えており、この記憶装置には、図２に示すような所望の流量−揚程特性ＬＤが流量及び揚程の関数として記憶されている。また、この記憶装置には、ポンプ１０の回転数ごとの流量−揚程特性、及び流量調整バルブ３０の開度ごとの流量−揚程特性が記憶されている。図２においては、回転数Ｎ１における流量−揚程特性ＬＮ１、回転数Ｎ２における流量−揚程特性ＬＮ２、バルブ開度Ｏ１における流量−揚程特性ＬＯ１、バルブ開度Ｏ２における流量−揚程特性ＬＯ２を例として示した。なお、ポンプの原特性を記憶させて、必要な回転数を算出したり、バルブの開度を算出したりしてもよい。この場合において、流量−揚程特性ＬＤに対し流量又は揚程を与えればそれぞれ揚程、流量を算出することができ、この流量、揚程の点を通るポンプ回転数、バルブ開度を算出することができる。
【００１６】
例えば、流量−揚程特性ＬＤ上の運転点Ａ（流量ＱＡ，揚程ＨＡ）を実現しようとする場合、流量−揚程特性ＬＤ上の点Ａ（流量ＱＡ，揚程ＨＡ）を通る流量−揚程特性（ＬＮ１）における回転数（Ｎ１）を導出する。また、この点Ａを通る流量−揚程特性（ＬＯ１）におけるバルブ開度（Ｏ１）も導出する。これら導出された結果に基づいてインバータ２０及びバルブ作動機構３２が制御される。即ち、ポンプ１０の回転数がＮ１となるようにインバータ２０に制御信号を出力し、流量調整バルブ３０の開度がＯ１となるようにバルブ作動機構３２に制御信号を出力する。
【００１７】
また、流量−揚程特性ＬＤ上の運転点Ｂ（流量ＱＢ，揚程ＨＢ）を実現しようとする場合も同様に、点Ｂを通る流量−揚程特性（ＬＮ２）における回転数（Ｎ２）及び点Ｂを通る流量−揚程特性（ＬＯ２）におけるバルブ開度（Ｏ２）が導出され、この導出結果に基づいてインバータ２０及びバルブ作動機構３２が制御される。なお、このような制御方法に限らず、例えば、流量一定運転、圧力一定運転、時間により流量や圧力を任意に変化させる制御などを組合せて制御することもできる。
【００１８】
ここで、上述した所望の流量−揚程特性などのデータを、例えばフロッピー（登録商標）ディスクやその他の電子カードなどの記憶媒体に保存しておき、このフロッピー（登録商標）ディスクや電子カードに保存されたデータを必要に応じて制御装置４０の記憶装置に入力することとしてもよい。例えば、制御装置４０に電子カード読取機構を設け、所望の流量−揚程特性が保存された電子カードを取り替えることにより、制御装置４０における制御を必要に応じて変更することができる。
【００１９】
このようにした場合、任意のポンプ１０の特性を同一のポンプ１０で得ることが可能となる。例えば、上述した電子カード１枚の取り替えによって、ポンプ１０の取り替え工事をせずにポンプ１０の特性を変更することができる。従って、ポンプ１０の口径が合理的である範囲、且つ、モータ１２の出力が許容する範囲において、共通した流体機械ユニットによって幅広い需要に対応することができるようになる。
【００２０】
なお、本実施形態では、制御装置４０からの信号はリード線４１，４２を介してインバータ２０及びバルブ作動機構３２に出力される例を説明したが、制御装置４０からの信号は無線、有線のいずれの方法によって出力してもよい。また、例えば、中央制御室においてポンプ１０のすべての機能を制御することとしてもよい。また、ディスプレイなどの表示手段を設け、実際の運転点を輝点表示するなどして所望のポンプの特性が得られているかを確認できるようにしてもよい。
【００２１】
ここで、制御装置４０の演算回路の演算において利用するデータとして、ポンプ１０の温度、振動（ケーシング１８や主軸１４等の振幅、速度、加速度など）、ポンプ１０内の圧力、流量、その他の負荷電気データ（電圧、電流、欠相、オン・オフなど）、キャンドポンプの場合には軸受摩耗検知器からの信号なども活用することができ、このように各種のデータを活用することによって、ポンプ１０の機能及び性能を最大限に発揮させて、省エネルギー化及びメンテナンスのインテリジェント化を実現することができる。
【００２２】
ポンプ１０の吐出側の負荷条件として実揚程、配管抵抗、バルブ抵抗などがあるが、上記演算においてこれらの負荷条件を無視できる場合と無視できない場合とがある。これらの負荷条件を無視できない場合には、抵抗の予測曲線や実揚程の変化値を演算に導入することで、ポンプ１０を精度よく制御することができ、ポンプ１０の運転性能を向上することもできる。これらの予測曲線や実揚程の変化値は、一定のパターンを予め制御装置４０に記憶しておくか、あるいは、センサの計測データを直接取り込んで算出するか、あるいは手動で入力することができる。
【００２３】
上述の実施形態においては、ポンプ１０、インバータ２０、流量調整バルブ３０、バルブ作動機構３２、制御装置４０を一体化して流体機械ユニットを構成した例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、これらのすべてを一体化せず、使用条件に応じた好適な組合せで一体化することもできる。
【００２４】
また、上述の実施形態においては、１台のポンプを運転する場合について説明したが、これに限られるものではなく、複数台のポンプを運転する場合においても本発明を適用することができる。複数台のポンプを運転する場合においては、図３に示すように、並列運転される複数のポンプ１０を１つの制御装置４４によって集中的に制御してもよく、このような構成にした場合には、よりスムーズな制御が可能になると考えられる。
【００２５】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、流体機械と回転数制御系と流量制御系とを１つのパッケージとすることができるので、流体機械の設置工事を簡略化することができ、省力化及び省資源化を図ることが可能となる。従来は、何種類もの羽根車、ケーシングなどを用意して対応する必要があったが、１つのポンプで対応できるようになるため集中生産が可能となる。また、ポンプの回転数と流量とを連動させて自在に制御することが可能となるので、ポンプの運転点を自在に制御して、出力としての流量−揚程特性を自在に変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における流体機械ユニットの構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る流体機械ユニットの制御における流量−揚程曲線の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の他の実施形態における流体機械ユニットの構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１    流体機械ユニット
１０    ポンプ
１２    モータ
１２ａ  モータ固定子
１４    主軸
１６    羽根車
１８    ケーシング
２０    インバータ
２２，４１，４２    リード線
３０    流量調整バルブ
３２    バルブ作動機構
４０，４４    制御装置
【図１】
0003948917.tif 000002
【図２】
0003948917.tif 000003
【図３】
0003948917.tif 000004