(57)【要約】【課題】羽根車を気中運転することでポンプ装置の起動トルクを低減するために、羽根車の一部または全部が気中にさらされていることを正確に検知できる高信頼性のポンプ装置を提供する。【解決手段】ケーシング４と、ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸２と、主軸２に固定された羽根車３と、ケーシングに設けられた吸込部７と、羽根車により送水される送水部６とを備えているポンプ装置であって、ケーシングに圧縮空気を供給する給気管３０と、下端が吸込部より上方位置で開口し、上端が給気管３０、ケーシングまたはケーシング連通部の何れかに接続されている参照管４０と、ケーシング４と参照管４０との間の圧力差を検出する圧力検出部５０とを備え、圧力差が所定値になると羽根車３を始動するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部とを備えているポンプ装置であって、
前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、
下端が前記吸込部より上方位置で開口し、上端が前記給気管、前記ケーシングまたはケーシング連通部の何れかに接続されている参照管と、
前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差を検出する圧力検出部と、
を備えているポンプ装置。
【請求項２】
前記参照管に絞り機構が設けられ、前記圧力検出部は前記ケーシングと前記絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の前記参照管との間の圧力差を検出するように構成されている請求項１記載のポンプ装置。
【請求項３】
ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部とを備えているポンプ装置であって、
前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、
下端が前記ポンプ装置の起動水位より下方で開口し、上端が封止された参照管と、
前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差を検出する圧力検出部と、
を備えているポンプ装置。
【請求項４】
前記参照管の下端が前記ポンプ装置の停止水位より上方で開口するように構成されている請求項３記載のポンプ装置。
【請求項５】
前記ケーシング内の圧縮空気を排気する排気弁を備えている請求項１から４の何れかに記載のポンプ装置。
【請求項６】
圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を有し、前記切替弁は前記排気弁としても機能するように構成されている請求項５記載のポンプ装置。
【請求項７】
ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部と、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記吸込部より上方位置で開口し、上端が前記給気管、前記ケーシングまたはケーシング連通部の何れかに接続されている参照管と、を備えているポンプ装置の起動方法であって、
前記給気管から前記ケーシングへ圧縮空気を供給し、前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差が所定値に達したときに前記羽根車を起動させるポンプ装置の起動方法。
【請求項８】
前記参照管に絞り機構が設けられ、前記給気管または前記ケーシングと前記絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の前記参照管との間の圧力差を検出するように構成されている請求項７記載のポンプ装置の起動方法。
【請求項９】
ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部と、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記ポンプ装置の起動水位より下方で開口し、上端が封止された参照管と、を備えているポンプ装置の起動方法であって、
前記給気管から前記ケーシングへ圧縮空気を供給し、前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差が所定値に達したときに前記羽根車を起動させるポンプ装置の起動方法。
【請求項１０】
前記ポンプ装置は前記参照管の一端が前記ポンプ装置の停止水位より上方で開口するように構成されている請求項９記載のポンプ装置の起動方法。
【請求項１１】
前記ポンプ装置は前記ケーシング内の圧縮空気を排気する排気弁を備え、前記羽根車の起動後に前記排気弁を開放する請求項７から１０の何れかに記載のポンプ装置の起動方法。
【請求項１２】
前記ポンプ装置は圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を有し、前記切替弁は前記排気弁としても機能するように構成され、前記羽根車の起動後に前記切替弁を排気弁として機能させる請求項１１記載のポンプ装置の起動方法。
【請求項１３】
前記所定値は前記羽根車の少なくとも一部が気中に晒される圧力値に設定されている請求項７から１２の何れかに記載のポンプ装置の起動方法。
【請求項１４】
前記ポンプ装置は前記給気管に圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を備え、
前記羽根車の起動前に前記切替弁は前記給気管と前記ケーシングを連通させるように流路を切り替えて圧縮空気を前記ケーシングへ供給し、前記羽根車の起動後に前記切替弁は前記給気管と前記ケーシングを遮断するように流路を切り替えて前記ケーシング内の圧縮空気を排気する請求項７から１３の何れかに記載のポンプ装置の起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はポンプ装置及びポンプ装置の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
給配水設備や河川等の排水設備のポンプ井に設置されたポンプ装置は、ケーシング内で立軸心周りに回転可能に配設された主軸と、主軸の下端部に固定され主軸と一体回転する羽根車と、ケーシングの下側に連設された吸込ケーシングと、羽根車により吸い込まれた水を送水する揚水管とを備えている。
【０００３】
そして、ポンプ装置の主軸にはインダクションモータ等の電動モータやディーゼルエンジンやガスタービン等の内燃機関の出力軸が機械的に連結され、電動モータや内燃機関によってポンプ装置が起動されるように構成されている。
【０００４】
図４に示すように、停電時等に備えてディーゼルエンジン等の内燃機関によってポンプ装置を駆動する場合に、計画点で十分にポンプ装置を駆動可能な内燃機関を選定すると、低回転領域でポンプ装置の起動トルクよりもトルクが低くなるため、内燃機関の出力軸とポンプ装置の主軸とを直結できず、油圧クラッチ、遠心クラッチ、流体継手等の動力伝達機構を介して内燃機関の出力軸とポンプ装置の主軸とを連結する必要があり、構造が複雑になるという問題があった。
【０００５】
また、図５に示すように、電動モータを用いる場合に大きな始動電流の発生を回避するために減電圧始動すると、電動モータのトルクがポンプ装置の起動トルクより低下して安定的にポンプ装置を起動することができないという問題があった。そのため減電圧始動の程度が制限され、比較的大きな始動電流が流れるため、それに耐え得る高価な電源設備が必要になるという問題があった。
【０００６】
特許文献１には、フランシス形の多段ポンプ水車を用いて発電駆動し、或いはポンプ装置駆動する場合に、ランナ起動トルクの軽減を図るために、高圧空気の吸気により流路の水を押し下げてランナを空中で運転し、その後に流路を充水する運転制御方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−５８１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１に開示された運転制御方式では、吸出し管の水位がランナより下方に押し下げられた状態であるか否かを検知するために、吸出し管の水位を検知する水位センサを備えたり、ランナ室の圧力を検知する圧力検出器を備えたりする必要があった。
【０００９】
特許文献１に開示された運転制御方式をケーシング内で立軸心周りに回転可能に配設された主軸と、主軸の下端部に固定され主軸と一体回転する羽根車と、ケーシングの下側に連設された吸込ケーシングと、羽根車により吸い込まれた水を送水する揚水管とを備えたポンプ装置に適用して、水位センサや圧力検出器をケーシングに備える場合には、ポンプ装置で送水される水に浮遊する異物が水位センサや圧力検出器に接触して故障が生じ易いという問題や、水位センサや圧力検出器に異物が絡まって閉塞する虞があるという問題があった。
【００１０】
また、ケーシングに備えた圧力検出器で検出される圧力値は、ポンプ井の水位変動に応じて変動するため、当該圧力値のみに基づいてケーシング内の水位を正確に検出することは非常に困難であり、ポンプ装置を適切に起動できない場合が生じるという問題もあった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、羽根車を気中運転することでポンプ装置の起動トルクを低減するために、羽根車の一部または全部が気中にさらされていることを正確に検知できる高信頼性のポンプ装置及びポンプ装置の起動方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明によるポンプ装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部とを備えているポンプ装置であって、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記吸込部より上方位置で開口し、上端が前記給気管、前記ケーシングまたはケーシング連通部の何れかに接続されている参照管と、前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差を検出する圧力検出部と、を備えている点にある。
【００１３】
給気管を介してケーシングに圧縮空気が供給されると、ケーシング内の水面が次第に下降して羽根車が気中に露出するようになる。この状態で主軸に連結される駆動機を起動することで、羽根車が水中に没している場合よりも起動トルクが小さくなり、低回転領域でトルクの小さな駆動機や減電圧起動する必要がある電動モータであっても確実に羽根車を起動できるようになる。
【００１４】
このときケーシング内の圧力はケーシング内の水面とケーシングの外側の水面との差に対応する値になるので、ケーシングの外側の水面が変動するとケーシング内の水面と羽根車の位置との相対関係が把握できず、羽根車が没水状態で起動したりケーシング内の水位が必要な水位よりも大きく下降した状態で起動したりする虞がある。
【００１５】
しかし、圧力検出部によりケーシングと参照管との間の圧力差が検知されると、ケーシング内の水位と参照管の水位との相対的な水位差が求まるので、参照管の開放端の位置を予め把握しておけばケーシングの外側の水面の水位変動に関わらずケーシング内の水位が羽根車が気中に露出した水位に達したことを確実に把握することができるようになる。尚、ケーシングと参照管との間の圧力差とは、ケーシング内の圧力と参照管内の圧力差であり、ケーシング内の圧力はケーシングと連通する任意の空間の圧力で代替できる。つまり、吸込部の圧力、送水部の圧力、給気管の圧力を計測してもよい。
【００１６】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記参照管に絞り機構が設けられ、前記圧力検出部は前記ケーシングと前記絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の前記参照管との間の圧力差を検出するように構成されている点にある。
【００１７】
給気管からの圧縮空気がケーシングと参照管の双方に供給される場合、参照管に圧縮空気が流れてケーシング内の水位が低下しない虞がある。そのような場合でも、参照管に絞り機構を設けて、参照管内に少量の圧縮空気しか流れないようにすることにより、確実にケーシング内に圧縮空気を供給することができるようになり、ケーシング内の水位を低下させることができるようになる。このような場合、圧力検出部はケーシングと絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の参照管との間の圧力差を検出すればよい。
【００１８】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部とを備えているポンプ装置であって、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記ポンプ装置の起動水位より下方で開口し、上端が封止された参照管と、前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差を検出する圧力検出部と、を備えている点にある。
【００１９】
第一または第二の特徴構成のように参照管に圧縮空気を供給しなくても、参照管の開放下端をポンプ装置の起動水位より下方に位置するように設置しておけば、ポンプ装置の起動時に参照管の下端が確実に水没するので、ケーシングと参照管との間の圧力差に基づいてケーシング内の水位がポンプ装置の起動トルクが低下する水位に達したことを確実に把握することができるようになる。尚、ケーシング内の圧力はケーシングと連通する任意の空間の圧力で代替できることは上述した通りである。つまり、吸込部の圧力、送水部の圧力、給気管の圧力を計測してもよい。
【００２０】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三の特徴構成に加えて、前記参照管の下端が前記ポンプ装置の停止水位より上方で開口するように構成されている点にある。
【００２１】
参照管の下端が長時間没水していると参照管内の空気が水に溶けて空気の圧力が低下する。そのため参照管内の圧力が変動することがある。このような場合でも、水位がポンプ装置の停止水位より低下すると、参照管の開放下端が大気に開放されるので参照管内に新たな空気が導入され、次にポンプ装置の起動水位に上昇した場合に水面と参照管の下端との水位差を正確に計測することができるようになる。
【００２２】
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、前記ケーシング内の圧縮空気を排気する排気弁を備えている点にある。
【００２３】
羽根車を起動した後にケーシング内に空気が混入した状態ではポンプ装置の運転時に振動を生じる問題がある。そこで、排気弁を介してケーシング内の空気を排気するように構成すれば、ポンプ装置の安定した運転が可能になる。
【００２４】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第五の特徴構成に加えて、圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を有し、前記切替弁は前記排気弁としても機能するように構成されている点にある。
【００２５】
通常、揚水管等のケーシングに連なる送水部には揚水時にケーシング内の空気を排出する排気弁を備えている。そのような排気弁の機能を切替弁で代替し、起動時にはケーシングに圧縮空気を供給し、起動後にはケーシング内の圧縮空気を排気するように構成すれば、ケーシングに圧縮空気を供給するための別途の給気ポート設ける必要がなく、既存の排気弁が接続された排気ポートを給気ポートとして有効に活用できる。
【００２６】
本発明によるポンプ装置の起動方法の第一の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部と、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記吸込部より上方位置で開口し、上端が前記給気管、前記ケーシングまたはケーシング連通部の何れかに接続されている参照管と、を備えているポンプ装置の起動方法であって、前記給気管から前記ケーシングへ圧縮空気を供給し、前記給気管または前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差が所定値に達したときに前記羽根車を起動させる点にある。
【００２７】
羽根車の起動トルクが低下するケーシングと参照管との間の圧力差を予め把握しておけば外部水面の水位変動に関わらずケーシング内の水位が低下してポンプ装置の起動トルクが低下したことを圧力差で確実に把握することができるようになり、低回転領域で始動トルクの小さな駆動機や減電圧始動する必要がある電動モータであっても確実に羽根車を起動できるようになる。
【００２８】
同第二の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記参照管に絞り機構が設けられ、前記ケーシングと前記絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の前記参照管との間の圧力差を検出するように構成されている点にある。
【００２９】
同第三の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、ケーシングと、前記ケーシング内で回転駆動可能に配設された主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、前記ケーシングに設けられた吸込部と、前記羽根車により送水される送水部と、前記ケーシングに圧縮空気を供給する給気管と、下端が前記ポンプ装置の起動水位より下方で開口し、上端が封止された参照管と、を備えているポンプ装置の起動方法であって、前記給気管から前記ケーシングへ圧縮空気を供給し、前記ケーシングと前記参照管との間の圧力差が所定値に達したときに前記羽根車を起動させる点にある。
【００３０】
参照管に絞り機構を設けることで、圧縮空気の供給源から参照管とケーシングの双方に適切に圧縮空気を供給することができる。また、絞り機構を通過する圧縮空気の流れを抑制し、絞り機構の流れ方向の下流側の参照管内の圧力を参照管の下端の圧力とより等しい状態に保持することができる。そのため、ケーシングと絞り機構よりも圧縮空気の流れ方向下流側の参照配管との圧力差を検出することにより、確実にケーシング内の水位が、羽根車が気中に露出した水位に達したことを把握することができる。
【００３１】
同第四の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第三の特徴構成に加えて、前記ポンプ装置は前記参照管の一端が前記ポンプ装置の停止水位より上方で開口するように構成されている点にある。
【００３２】
同第五の特徴構成は、同請求項１１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、前記ポンプ装置は前記ケーシング内の圧縮空気を排気する排気弁を備え、前記羽根車の起動後に前記排気弁を開放する点にある。
【００３３】
同第六の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第五の特徴構成に加えて、前記ポンプ装置は圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を有し、前記切替弁は前記排気弁としても機能するように構成され、前記羽根車の起動後に前記切替弁を排気弁として機能させる点にある。
【００３４】
同第七の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記所定値は前記羽根車の少なくとも一部が気中に晒される圧力値に設定されている点にある。
【００３５】
同第八の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記ポンプ装置は前記給気管に圧縮空気の給気と排気とを切り替える切替弁を備え、前記羽根車の起動前に前記切替弁は前記給気管と前記ケーシングを連通させるように流路を切り替えて圧縮空気を前記ケーシングへ供給し、前記羽根車の起動後に前記切替弁は前記給気管と前記ケーシングを遮断するように流路を切り替えて前記ケーシング内の圧縮空気を排気する点にある。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明した通り、本発明によれば、羽根車の一部または全部が気中にさらされていることを正確に検知できる高信頼性のポンプ装置及びポンプ装置の起動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】
【００３７】
【図１】（ａ）はポンプ装置の起動前のポンプ装置の説明図、（ｂ）はポンプ装置の起動時のポンプ装置の説明図
【図２】（ａ）は別実施形態を示すポンプ装置の起動前のポンプ装置の説明図、（ｂ）は同ポンプ装置の起動時のポンプ装置の説明図
【図３】（ａ），（ｂ）はポンプ装置の排気弁の説明図
【図４】ポンプ装置のトルク特性曲線と駆動機のトルク特性の説明図
【図５】ポンプ装置のトルク特性曲線と電動機のトルク特性の説明図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下に本発明によるポンプ装置及びポンプ装置の起動方法を説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、ポンプ装置１００は、ケーシング４と、ケーシング４内で回転駆動可能に配設された主軸２と、主軸２に固定された羽根車３と、ケーシング４の先端に設けられた吸込部７と、羽根車３により送水される揚水管で構成される送水部６とを備えて構成される立軸ポンプＰ（以下、単に「ポンプＰ」と記す場合もある。）ケーシング４に圧縮空気を供給する給気管３０と、参照管４０と、ケーシング４と参照管４０との間の圧力差を検出する圧力検出部５０とを備えている。
【００３９】
立軸ポンプＰの主軸２は上端で減速機１５に接続され、駆動機１６からの軸動力が減速機１５で減速されて主軸２に伝達される。
【００４０】
参照管４０は、下端が吸込部７より上方位置で開口し、上端が給気管３０に接続されている。参照管４０の上端は給気管３０に接続されており、給気管３０から圧縮空気が供給される参照管４０には、絞り機構４１が設けられている。上端は給気管３０に接続される以外に、給気管３０と圧力が等しければ、ケーシング４またはケーシング４と連通している箇所であれば圧力が等しくなるため、例えば送水部６の何れかに接続されていてもよい。
【００４１】
圧力検出部５０によって検出されるケーシング４と参照管４０との間の圧力差とは、ケーシング４内の圧力と参照管４０内の圧力差であり、ケーシング４内の圧力はケーシング４と連通する任意の空間の圧力で代替可能である。つまり、吸込部４の圧力、送水部６の圧力、給気管３０の圧力の何れを計測してもよい。
【００４２】
ポンプ井１１０の水位が上昇してポンプ装置１００の起動水位ＨＷＬに達すると、給気弁Ｖ１が開放されてコンプレッサＣから供給される圧縮空気が給気管３０を介してケーシング４に供給される。
【００４３】
ポンプ井１１０の水位と同水位にあるケーシング４内の水位が圧縮空気により下方に押圧されて徐々に低下し、やがて没水していた羽根車３が気中に露出するまで低下する。一方、給気管３０に接続されている参照管４０内の水位も絞りを介して少量の空気が送られることによりケーシング４と同様に圧縮空気により下方に押圧されて徐々に低下する。最終的に参照管４０の下端から少量の空気が出る状態となり、下端がｈ２での水圧と等しい圧力に参照管４０内が保たれる。
【００４４】
このようにして、参照管４０内の空気は参照管４０の下端から出ることでｈ２地点での水圧を管内圧力として検出するので、参照管４０の下端はケーシング４内の測定したい水位より上にある必要がある。つまり、吸込部７より具体的には羽根車３の下端より上方位置で開口、より詳細には後述する羽根車３の起動水位以上に参照管４０の下端が位置する。
【００４５】
ポンプ井１１０の水位と参照管４０の下端との水位差ｈ２、換言すれば参照管４０下端における水圧が参照管４０の圧力により検知でき、ポンプ井１１０の水位とケーシング４内の水位の水位差ｈ１、換言すればケーシング４内の水位における水圧がケーシング４の圧力により検知できる。従って、参照管４０とケーシング４との圧力差により参照管４０内の水位とケーシング４内の水位との水位差Δｈが求まる。参照管４０内の水位は参照管４０の下端位置になり、参照管４０内の圧力は一定になるため、ポンプ井１１０の水位が変動しても既知の参照管４０の下端位置を基準として、ポンプ井１１０の水位を検出することなくケーシング４内の水位が適正に把握できる。
【００４６】
つまり、参照管４０とケーシング４との圧力差から水位差Δｈ＝ｈ１−ｈ２が求まり、一方参照管４０の下端と羽根車３の位置はポンプ装置１００の構造から変わることなく一定のため、参照管４０の下端を基準として、ケーシング４内のどこに水面があるのか求めることができる。
【００４７】
このようにして把握されたケーシング４内の水位が羽根車３より低い位置にあり、羽根車３が気中にさらされているときに駆動機１６を駆動することで、没水状態で羽根車３を起動する場合よりも低い起動トルクでポンプＰを起動することが可能になり、始動トルクの小さなエンジンや、大きな始動電流の発生を回避する減電圧始動回路を備えた電動モータであっても適切にポンプＰを起動することができるようになる。
【００４８】
尚、ポンプＰの起動時期つまり羽根車３の起動水位は羽根車３が完全に気中にさらされている必要はなく、ポンプＰつまり羽根車３の起動トルクが駆動機１６の始動トルク以下になっていれば、羽根車３の一部が没水下状態であってもよい。こうすることで、ポンプＰの起動トルクが駆動機１６の始動トルクより大きい状態で駆動し、その結果起動の失敗やケーシング４内の水位を必要以上に押し下げて、消費電力を無駄にすることもなくなる。
【００４９】
給気管３０から圧縮空気が供給される参照管４０には、絞り機構４１が設けられ、圧力検出部５０はケーシング４と絞り機構４１よりも圧縮空気の流れ方向下流側の参照管４０との間の圧力差を検出するように構成されている。
【００５０】
参照管４０に絞り機構４１を設けることで、給気管３０からの圧縮空気が専ら参照管４０に流れてケーシング４内の水位が低下しないようなことが無いように、圧縮空気の供給源から参照管４０とケーシング４の双方に適切に圧縮空気を供給することができる。これにより、参照管４０への圧縮空気の流れを抑制し、確実にケーシング４内に圧縮空気を供給することができるようになり、ケーシング４内の水位を低下させることができるようになる。また、絞り機構４１を通過する圧縮空気の流れを抑制し、参照管４０へ少量の空気を送ることで絞り機構４１の流れ方向の下流側の参照管４０内の圧力を参照管４０の下端の圧力とより等しい状態に保持することができる。そのため、参照管４０内の圧力変動を防止しケーシング４と絞り機構４１よりも圧縮空気の流れ方向下流側の参照管４０との圧力差を検出することにより、確実にケーシング４内の水位が、羽根車３が気中に露出した水位に達したことを把握することができる。
【００５１】
絞り機構４１として参照管４０に設けたバルブで構成してもよいし、部分的に設けた絞り流路で構成してもよい。さらに参照管４０の断面積を給気管３０の断面積よりも著しく小さく構成して、参照管４０そのものが絞り機構４１を構成するようにしてもよい。尚、給気管３０と参照管４０に夫々異なる経路で圧縮空気を供給してもよい。
【００５２】
図１（ｂ）に示すように、ポンプＰを起動する、つまり駆動機１６を駆動し羽根車３が回転を始めると、給気弁Ｖ１が閉塞されて給気管３０への圧縮空気の供給が停止され、排気弁Ｖ２が開放されてケーシング４内の空気が排気される。それに伴ってケーシング４内の水位はポンプ井１１０の水位に向けて上昇し、羽根車３が没水する水位となるとポンプ井１１０内の水は羽根車３によって送水部６に揚水される。尚、図示していないが、排気弁Ｖ２の先端側には逆止弁が設けられている。その後、水が送水されポンプ井１１０の水位がポンプ装置１００の停止水位ＬＷＬになると、駆動機１６が停止されてポンプ装置１００が停止する。
【００５３】
上述した例では参照管４０に圧縮空気が供給される例を説明したが、参照管４０に圧縮空気が供給されず、下端が羽根車３が起動するケーシング４内の水位より上方でポンプ装置１００の起動水位ＨＷＬより下方で開口し、上端が封止されたような構成であってもよい。
【００５４】
図２（ａ），（ｂ）にはそのような態様が示されている。参照管４０に圧縮空気を供給しなくても、参照管４０の下端をポンプ装置１００の起動水位ＨＷＬより下方に位置するように設置しておけば、ポンプ装置１００の起動時に参照管４０の下端が確実に水没するので、ケーシング４と参照管４０との間の圧力差に基づいてケーシング４０内の水位がポンプＰの起動トルクが低下する水位に達したことを確実に把握することができるようになる。
【００５５】
図２（ａ）は、ポンプ井１１０の水位がポンプ装置１００の起動水位ＨＷＬに達してポンプ装置１００を起動する必要がある場合に、給気管３０からケーシング４に圧縮空気を供給して、ケーシング４内の水面を低下させる過程が示されている。
【００５６】
この場合も、ポンプ井１１０の水位と参照管４０の下端との水位差ｈ２、換言すれば参照管４０下端における水圧が参照管４０の圧力と参照管４０の形状から求まり、ポンプ井１１０の水位とケーシング４内の水位との水位差ｈ１、換言すればケーシング４内の水位における水圧がケーシング４の圧力により検知できる。従って、参照管４０とケーシング４との圧力差により参照管４０内の水位とケーシング４内の水位との水位差Δｈが求まる。ポンプ井１１０の水位が変動しても参照管４０の下端位置が既知であればその位置を基準としてポンプ井１１０の水位を計測することなくケーシング４内の水位が適正に把握できる。
【００５７】
参照管４０の下端位置を基準としたケーシング４内の水面の位置は下記の通り求めることができる。
【００５８】
参照管４０の下端が大気に開放された状態から下端まで水位が上昇し、水面に接するまでは参照管４０内の圧力は大気圧(Ｐ０)となる。この時の参照管４０内の空気の体積Ｖ０とする。
【００５９】
上述の水位より更にポンプ井１１０の水位が上昇し、参照管４０の下端からポンプ井１１０の高さがｈ２となると、参照管４０内の圧力は、大気圧に加え水圧も考慮したＰ２が計測される。参照管４０内の空気の体積をＶ２としたとき、ボイルシャルルの法則（ＰＶ＝一定）に従い、Ｐ０Ｖ０＝Ｐ２Ｖ２が成り立ち、参照管４０の下端からポンプ井１１０の高さがｈ２の時の体積Ｖ２は、Ｖ２＝Ｐ０Ｖｏ／Ｐ２から求まる。
【００６０】
この求まった体積Ｖ２と参照管４０の高さや断面積等の形状寸法から参照管４０の下側から参照管４０内の水面までの高さｈａが求まる。例えば、底面積Ｓ、高さＬの円柱状の参照管４０を採用した時、参照管４０内の空気の体積Ｖ２、ｈａの間にはＶ２＝Ｓ（Ｌ−ｈａ）の関係が成り立つ。ｈａ＝Ｌ−Ｖ２／Ｓとなりｈａが求まる。
【００６１】
一方、参照管４０内の圧力Ｐ２は重力加速度＝ｇ、水の密度Ｐとすると下記の通り表せ、Ｐ２，ｈａが既知となり、ｈ２が求まる。
Ｐ２＝Ｐ０+ρｇ（ｈ２−ｈａ）・・・（１）
【００６２】
一方、ケーシング４内の圧力Ｐ１は下記の通り表せる。
Ｐ１＝Ｐ０+ρｇｈ１・・・（２）
ここで、差圧ΔＰは（１）、（２）より下記のとおりとなる。
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２
＝ρｇ｛ｈ１−（ｈ２−ｈａ）｝
＝ρｇ(Δｈ+ｈａ）
以上により、既知のｈａと、計測されるΔＰにより、参照管４０の下端位置を基準としたケーシング４内の水面の位置Δｈを求まる。没水深さｈ２に対してｈａが無視できるような高さである場合はｈ２−ｈａをｈ２と近似して本実施形態においてもΔＰの計測によりケーシング４内の水面の位置Δｈを求めることができる。
【００６３】
参照管４０の下端は、ポンプ装置１００の停止水位ＬＷＬより上方で開口するように構成するとより好適である。参照管４０の下端が長時間没水していると参照管４０内の空気が水に溶けて空気の圧力が低下する。そのため参照管４０内の圧力が変動することがある。このように参照管４０内の圧力が低下した場合でも、水位がポンプ装置１００の停止水位より低下すると、参照管４０の開放下端が大気に開放されるので参照管４０内に新たな空気が導入され、次にポンプ装置１００の起動水位に上昇した場合に水面と参照管４０の下端との水位差を正確に計測することができるようになる。
【００６４】
図３（ａ），（ｂ）には、ポンプ装置１００の具体例が示されている。図３（ａ）はポンプ井１１０の水位がポンプ装置１００の起動水位ＨＷＬに達し、ケーシング４内に圧縮空気を供給し羽根車３の起動水位に達している状態、図３（ｂ）はポンプＰを起動つまり羽根車３を起動しケーシング４内の水位が上昇している状態が示されている。
【００６５】
揚排水機場に設置される立軸ポンプＰは、複数の水中軸受（図示せず）に回転自在に支持された鉛直姿勢の主軸２と、主軸２に取り付けられた羽根車３と、羽根車３を回転自在に収容したケーシング４と、ケーシング４の上側に連設されるとともに、主軸２を貫通させた鉛直方向の揚水管５と、揚水管５の上側に連設され、主軸２を液密かつ回転自在に貫通させて上側に導出した吐出曲管６を備えている。
【００６６】
ケーシング４の下部に吸込部となる吸込ベル７が設けられ、吐出曲管６の流れ方向下流側に吐出管８が連設され、吐出管８の出口は吐出水槽の内部に臨み、出口に逆流防止用のフラップ弁９が取付けられている。揚水管５、吐出曲管６が羽根車３により送水される送水部６となる。
【００６７】
建屋の床部２２に形成された開口２０にアンカーボルトで位置決め固定された取付座に、止水ゴムを介して円環状の鋼板でなるポンプ台としてのベースプレート２３が固定され、ベースプレート２３を介して揚水管５及び吐出曲管６がフランジで連接されている。
【００６８】
吐出曲管６の上端側には、主軸２の周囲に封水機構と主軸２を支持する軸受機構が設けられ、上側に延出した主軸２はカップリングと連結軸を介して減速機１５の出力軸に連結されている。当該減速機１５は駆動機１６となる電動モータやディーゼル機関と接続されている。
【００６９】
コンプレッサＣからの圧縮空気の給気と、ケーシング４からの空気の排気とを切り替える切替弁Ｖ２が自動排気弁のポートを利用して組み込まれている。自動排気弁は手動弁Ｖ５と逆止弁４を備えて構成され、通常はポンプＰの吐出曲管６等に設置され、ポンプＰの起動後にケーシング４や揚水管５の内部空気を排気する機能を備えている。
【００７０】
そのような既存の排気弁のポートを利用すべく、手動弁Ｖ５と逆止弁Ｖ４との間に三方弁Ｖ３を設けて、ポンプ装置１００の起動時には三方弁Ｖ３を介して給気管３０からケーシング４に圧縮空気を供給し、ポンプＰつまり羽根車の起動後には三方弁Ｖ３を介してケーシング４から逆止弁４に圧縮空気が抜けるように構成されている。
【００７１】
以上説明したように、本発明によるポンプ装置１００の起動方法は、給気管３０から参照管４０及びケーシング４へ圧縮空気を供給し、ケーシング４と参照管４０との間の圧力差が所定値に達したときに羽根車３を起動させるように構成されている。
【００７２】
そして、ケーシング４内の圧縮空気を排気する排気弁Ｖ２を備え、羽根車３の起動後に排気弁Ｖ２を開放するように制御することが好ましい。こうすることで、ポンプ装置１００の運転時に振動を生じる問題が、排気弁Ｖ２を介してケーシング４内の空気を排気することで、ポンプ装置１００の安定した運転が可能になる。尚、排気弁Ｖ２以外に自動排気弁を備えている場合には、圧縮空気をケーシング４に供給する際に自動排気弁を閉止するように構成していることが好ましい。なぜなら、自動排気弁を作動状態とするとケーシング４に供給した圧縮空気を自動排気弁から排出してケーシング４内の水位降下に時間がかかる、または水位降下しないことがあるためである。
【００７３】
羽根車３の起動トルクが駆動機１６の始動トルク以下になっていれば、羽根車３を起動させる圧力差である所定値は、羽根車３の少なくとも一部が没水される圧力値に設定されていてもよい。
【００７４】
上述した実施形態では、主軸２を駆動する内燃機関や電動モータでなる駆動機１６がケーシング４の外部に設けられた立軸ポンプＰを説明したが、水中ポンプ装置のように、駆動機１６がケーシング４の内部に設けられ、減速機１５を有さない立軸ポンプＰにも本発明が適用可能である。
【００７５】
上述した実施形態では、立軸ポンプＰを例に本発明を説明したが、斜流ポンプであってもよいし軸流ポンプであってもよい。また、立軸ポンプとして、斜流渦巻ポンプ、水中ポンプ等にも本発明を適用することができる。
【００７６】
上述した実施形態は本発明の一態様であり、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】
【００７７】
２：主軸
３：羽根車
４：ケーシング
６：送水部
７：吸込部
３０：給気管
４０：参照管
４１：絞り機構
５０：圧力検出部
１００：ポンプ装置
【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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