(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水槽に貯留される水を揚水して前記貯水槽外へ排出するポンプと、
前記貯水槽の水位が予め設定された起動水位になるとポンプを起動し、その後、予め設定された停止水位になると前記ポンプを停止するポンプ制御装置と、を備えるポンプシステムの製造方法であって、
前記ポンプの１分間当たりの揚水量が、下記式（１）の関係式を満たすように、式（１）を用いた計算によって設定する、
ポンプシステムの製造方法。
【数１】
0006961905.tif 000011
ここで、Ｑは、前記ポンプの１分間当たりの揚水量であり、ｎは、前記ポンプの１時間当たりの許容起動回数であり、ｙは、前記貯水槽の貯水量の有効容量である
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ポンプシステムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  水位計で検出された貯水槽の水位が起動水位になるとポンプを起動し、その後停止水位になるとポンプを停止するポンプ制御装置を備えた複数のマンホールポンプ装置により汚水を下水処理施設に搬送するマンホールポンプシステムが提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、各ポンプ制御装置は、停止水位として、第１停止水位と、ポンプの単位送水量当たりの消費電力量に基づいて第１停止水位を基準にして起動水位側に設定された第２停止水位が設定可能に構成され、ポンプの所定時間当たりの起動頻度を指標にして、第１停止水位と第２停止水位の何れか一方を停止水位に設定するように構成されている。例えば、ポンプを停止した時から起動水位に達した時間が３分以内であれば、停止水位を第１停止水位に切り替え、３分以上であれば停止水位を第２停止水位に維持する。このように、各ポンプ制御装置は、ポンプの所定時間当たりの起動頻度に応じて単位送水量当たりの消費電力量の低い領域で運転することにより消費電力を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１９−１１３００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、特許文献１に記載されたマンホールポンプシステムの場合、貯水槽の容量およびポンプの揚水能力が、貯水槽に流れ込む単位時間当たりの予測水量に応じて適切に設定されていない場合、ポンプの起動頻度が増加してしまう。この場合、ポンプ制御装置が備えるポンプを駆動するポンプ駆動回路への負荷が増大してしまい、ポンプ駆動回路が故障してしまう虞がある。【０００５】  本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、ポンプを駆動するポンプ駆動回路への負荷を軽減することができるポンプシステムの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記目的を達成するために、本発明に係るポンプシステムの製造方法は、
貯水槽に貯留される水を揚水して前記貯水槽外へ排出するポンプと、
前記貯水槽の水位が予め設定された起動水位になるとポンプを起動し、その後、予め設定された停止水位になると前記ポンプを停止するポンプ制御装置と、を備えるポンプシステムの製造方法であって、
前記ポンプの１分間当たりの揚水量が、下記式（１）の関係式を満たすように、式（１）を用いた計算によって設定する。
【数１】
0006961905.tif 000002
ここで、Ｑは、前記ポンプの１分間当たりの揚水量であり、ｎは、前記ポンプの１時間当たりの許容起動回数であり、ｙは、前記貯水槽の貯水量の有効容量である。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によれば、ポンプの１分間当たりの揚水量が、上記式（１）の関係式を満たすように、式（１）を用いた計算によって設定するので、ポンプの１時間当たりの許容起動回数を貯水槽の有効容量に応じた適切な回数にすることができる。従って、ポンプ制御装置に加わる負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係るポンプシステムの構成図である。
【図２】実施の形態に係るポンプ制御装置が実行するポンプ制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態に係るポンプシステムの動作説明図である。
【図４】実施の形態に係るポンプシステムの動作説明図である。
【図５】実施の形態に係るポンプシステムの動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  以下、本発明の一実施の形態に係るポンプシステムについて図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係るポンプシステムは、貯水槽に貯留される水を揚水して貯水槽外へ排出するポンプと、ポンプ制御装置と、を備える。ポンプ制御装置は、ポンプを駆動するポンプ駆動回路を有し、貯水槽の水位が予め設定された起動水位になるとポンプ駆動回路からポンプへ電流を供給することによりポンプを起動させる。また、ポンプ制御装置は、ポンプの運転を開始させた後、予め設定された停止水位になるとポンプ駆動回路からポンプへの電流供給を遮断することにより前記ポンプを停止させるポンプ制御装置と、を備える。そして、ポンプの１分当たりの揚水量は、下記式（１）の関係式が成立するように設定されている。
【数２】
0006961905.tif 000003
ここで、Ｑは、ポンプの１分間当たりの揚水量であり、ｎは、ポンプに要求される１時間当たりの起動および停止を繰り返し回数であり、ｙは、貯水槽の貯水量の有効容量である。
【００１０】  本実施の形態に係るポンプシステムは、例えば雨水管、下水管等の管渠から濾過槽を通って流入する下水を貯水槽に貯留し、貯水槽に貯留した水をポンプで河川、海等に放出するシステムである。本実施の形態に係るポンプシステムは、例えば図１に示すように、濾過槽Ｓ２と、濾過槽Ｓ２に管渠ＰＩ１を介して連通する貯水槽Ｓ１と、貯水槽Ｓ１に貯留された水を排出するための管渠ＰＩ２と、とともに使用される。濾過槽Ｓ２は、矢印ＡＲ１に示すように、雨水管、下水管等の管渠（図示せず）から流入する下水に含まれる異物を濾過して除去するフィルタＦＭを有する。そして、下水は、フィルタＦＭの上側に流入し、フィルタＦＭで濾過処理された後、フィルタＦＭの下側から管渠ＰＩ１へ排出される。貯水槽Ｓ１は、その上側で管渠ＰＩ１に連通しその底側で管渠ＰＩ２に連通している。そして、濾過処理済の下水が、矢印ＡＲ２に示すように管渠ＰＩ１から貯水槽Ｓ１に流入する。
【００１１】  本実施の形態に係るポンプシステムは、管渠ＰＩ２に設置されたポンプ２と、ポンプ２の動作を制御するポンプ制御装置１と、貯水槽Ｓ１の水位を計測する水位計３と、を備える。ポンプ２は、内蔵する電動機（図示せず）の駆動電力の供給を受けるための給電線（図示せず）を介してポンプ制御装置１に接続されている。また、電動機のロータには、電動機の始動時にポンプ制御装置１から供給される電流を抑制することにより給電線を保護するための始動制御装置（図示せず）が設けられている。そして、ポンプ２は、ポンプ制御装置１から電動機の駆動電力が供給されると起動し、貯水槽Ｓ１に貯留される水を揚水して貯水槽Ｓ１外の管渠ＰＩ２へ排出する。水位計３は、フロート式の水位センサを有する。なお、水位計３としては、例えば投込圧力式の水位センサ、気泡式の水位センサ等を採用してもよい。水位計３は、信号線（図示せず）を介してポンプ制御装置１に接続されており、貯水槽Ｓ１の水位を示す水位検知信号を、信号線を介して定期的にポンプ制御装置１へ送信している。
【００１２】  ポンプ制御装置１は、ポンプ２を駆動するポンプ駆動回路１２と、ポンプ駆動回路１２を制御するポンプ制御部１１と、を有する。ポンプ駆動回路１２は、ポンプ制御部１１から入力される制御信号に基づいて、駆動電力をポンプ２へ供給する。ポンプ制御部１１は、マイクロコンピュータ（図示せず）と、マイクロコンピュータで実行される制御プログラムが格納されるとともにワーキング領域として利用されるメモリ（図示せず）と、を有する。ポンプ制御部１１は、そのメモリに、貯水槽Ｓ１の水位について、ポンプ２を起動させる際の基準水位である予め設定された起動水位を示す情報と、ポンプ２を停止させる際の基準水位である予め設定された停止水位を示す情報と、を記憶させている。そして、ポンプ制御部１１は、算出した水位と起動水位または停止水位とを比較した結果に応じて、ポンプ２を起動または停止させるための制御信号を生成してポンプ駆動回路１２へ出力する。ここで、停止水位は、貯水槽Ｓ１における管渠ＰＩ２に連通する部位よりも高い位置に設定されている。これにより、ポンプ２が空気を引き込むことに起因して故障してしまうことを防止している。
【００１３】  次に、本実施の形態に係るポンプ制御装置１が実行するポンプ制御処理について図２および図３を参照しながら説明する。なお、このポンプ制御処理は、ポンプ制御装置１へ電源が投入されたことを契機として開始される。まず、ポンプ制御部１１は、水位計３から前述の水位検知信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ここで、ポンプ制御部１１は、水位計３から水位検知信号が入力されない限り（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ステップＳ１０１の処理を繰り返し実行する。一方、ポンプ制御部１１は、水位計３から水位検知信号が入力されると（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、入力される水位検知信号に基づいて、貯水槽Ｓ１の水位を算出する（ステップＳ１０２）。次に、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが前述の起動水位ＬｖＨ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ここで、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが起動水位ＬｖＨ未満であると判定すると（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、再びステップＳ１０１の処理を実行する。一方、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが起動水位ＬｖＨ以上であると判定すると（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ポンプ２を起動させるための制御信号を生成してポンプ駆動回路１２へ出力する。これにより、ポンプ駆動回路１２が、ポンプ２へ駆動電力を供給することによりポンプ２を起動させる（ステップＳ１０４）。
【００１４】  続いて、ポンプ制御部１１は、ポンプ２が起動した後、水位計３から前述の水位検知信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、ポンプ制御部１１は、水位計３から水位検知信号が入力されない限り（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、ステップＳ１０５の処理を繰り返し実行する。一方、ポンプ制御部１１は、水位計３から水位検知信号が入力されると（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、入力される水位検知信号に基づいて、貯水槽Ｓ１の水位を算出する（ステップＳ１０６）。その後、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが前述の停止水位ＬｖＬ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ここで、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが停止水位ＬｖＬよりも高いと判定すると（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、再びステップＳ１０５の処理を実行する。一方、ポンプ制御部１１は、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖが停止水位ＬｖＬ以下であると判定すると（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、ポンプ２を停止させるための制御信号を生成してポンプ駆動回路１２へ出力する。これにより、ポンプ駆動回路１２が、ポンプ２への駆動電力の供給を遮断してポンプ２を停止させる（ステップＳ１０８）。次に、再びステップＳ１０１の処理が実行される。
【００１５】  このように、前述の一連のポンプ制御処理が実行されることにより、貯水槽Ｓ１の水位Ｌｖは、例えば図３に示すように、起動水位ＬｖＨと停止水位ＬｖＬとの間で経時的に上昇および下降を繰り返すように変動する。なお、図３は、下水の単位時間当たりの貯水槽Ｓ１への流入量は一定である場合を示している。ここで、下水の単位時間当たりの貯水槽Ｓ１への流入量が増加したとする。この場合、ポンプ２が停止している間における貯水槽Ｓ１の水位の増加率が大きくなることにより、貯水槽Ｓ１の水位が停止水位ＬｖＬから起動水位ＬｖＨに至るまでの時間ｄＴ１が短くなるとともに、ポンプ２の動作中における貯水槽Ｓ１の水位の減少率が小さくなることにより、貯水槽Ｓ１の水位が起動水位ＬｖＨから停止水位ＬｖＬに至るまでの時間ｄＴ２が長くなる。一方、下水の単位時間当たりの貯水槽Ｓ１への流入量が減少したとする。この場合、ポンプ２が停止している間における貯水槽Ｓ１の水位の増加率が小さくなり、貯水槽Ｓ１の水位が停止水位ＬｖＬから起動水位ＬｖＨに至るまでの時間ｄＴ１が長くなるとともに、ポンプ２の動作中における貯水槽Ｓ１の水位の減少率が大きくなることにより、貯水槽Ｓ１の水位が起動水位ＬｖＨから停止水位ＬｖＬに至るまでの時間ｄＴ２が短くなる。
【００１６】  ところで、単位時間当たりのポンプ２の起動回数が多くなると、その分、ポンプ駆動回路１２に加わる負荷が大きくなる。特に、ポンプ２の起動時には、ポンプ駆動回路１２からポンプ２へ比較的大きな電流を流す必要があり、ポンプ２の起動回数が多くなると、ポンプ制御装置１とポンプ２とを接続する給電線にジュール熱が蓄積して給電線が焼損してしまう場合がある。そこで、ポンプ２には、一般的に１時間当たりの起動の繰り返し回数について制限回数が設けられている場合が多い。従って、ポンプ２は、貯水槽Ｓ１への下水の流入量の変動に関わらず、常に、その起動の繰り返す回数が前述の制限回数以下となるようにその単位時間当たりの揚水量が設定される必要がある。
【００１７】  これに対して、発明者は、貯水槽Ｓ１の起動水位ＬｖＨと停止水位ＬｖＬとの差分に相当する水量である有効容量とポンプ２に許容される単位時間当たりの許容起動回数とに基づいて、下水の貯水槽Ｓ１への流入量の変動に関わらず、ポンプ２の単位時間当たりの起動回数を前述の許容起動回数以下にするための条件として、前述の式（１）で表される関係式を導出した。以下、その条件の導出方法について説明する。
【００１８】  ポンプ２の起動時刻の時間間隔（以下、「起動間隔」と称する。）は、下記式（２）の関係式で表される。
【数３】
0006961905.tif 000004
ここで、αは、ポンプ２の起動間隔であり、Ｘは、下水の貯水槽Ｓ１への１分当たりの流入量であり、ｙは、前述の有効容量であり、Ｑは、ポンプ２の１分当たりの揚水量である。
【００１９】  そして、ポンプ２に許容される１時間、即ち、６０分間当たりの許容起動回数がｎ回、即ち、ポンプ２に許容される起動時刻の時間間隔が（６０／ｎ）分間であるとすると、下記式（３）の関係式が成立する。
【数４】
0006961905.tif 000005
【００２０】  式（３）を変形すると、下記式（４）に示す関係式で表される。
【数５】
0006961905.tif 000006
【００２１】  ここで、式（４）の左辺をＦ（Ｘ）としたときに、Ｆ（Ｘ）＝０で表される二次方程式の解が、実根を持たない条件、即ち、Ｆ（Ｘ）＝０で表される二次方程式についての解の公式における平方根が虚数または０となる条件から、図４に示すように全てのＸに対してＦ（Ｘ）≧０となる下記式（５）の関係式が成立する。
【数６】
0006961905.tif 000007
【００２２】  式（５）を変形すると、下記の式（６）の関係式が成立する。
【数７】
0006961905.tif 000008
【００２３】  つまり、ポンプ２の１分間当たりの揚水量Ｑ［ｍ３／ｍｉｎ］は、ｎｙ／１５［ｍ３／ｍｉｎ］以下となるように設定されればよいことになる。ここで、例えばポンプ２の１分間当たりの揚水量Ｑが、２００［ｍ３／ｍｉｎ］であり、１時間当たりの許容起動回数ｎが「６」であるポンプ２の場合、貯水槽Ｓ１の有効容量ｙは、５００［ｍ３］以上であればよい。言い換えると、ポンプ２の１時間当たりの許容起動回数ｎが「６」であり且つ貯水槽Ｓ１の有効容量ｙが５００［ｍ３］である場合、ポンプ２の１分間当たりの揚水量Ｑは、図５の曲線Ｌ２のように全てのＸに対して１０ｍｉｎ以上（６回以下）を満足する。また、１時間当たりの許容起動回数ｎが「８」であるポンプ２の場合、貯水槽Ｓ１の有効容量ｙは、３７５［ｍ３］以上であればよい。この式（６）は、ポンプ２の１時間当たりの許容起動回数ｎと貯水槽Ｓ１の有効容量ｙが決まっている場合において、選定できるポンプ２の最大揚水能力を決めるのに利用できる。
【００２４】  ところで、ポンプ２の起動間隔αの貯水槽Ｓ１への下水の流入量Ｘに対する依存性は、図５に示すようなグラフで表される。図５の実線Ｌ１、破線Ｌ２、実線Ｌ３は、いずれも、ポンプ２の１分間当たりの揚水量が２００［ｍ３／ｍｉｎ］の場合の依存性を示している。また、実線Ｌ１は、貯水槽Ｓ１の有効容量が４００［ｍ３］の場合を示し、破線Ｌ２は、貯水槽Ｓ１の有効容量が５００［ｍ３］の場合を示し、一点鎖線Ｌ３は、貯水槽Ｓ１の有効容量が６００［ｍ３］の場合を示している。例えば、有効容量が４００ｍ３では、５５ｍ３／ｍｉｎ＜Ｘ＜１４５ｍ３／ｍｉｎの流入量の時、αは１０ｍｉｎ以内となり、ｎが６回を超えて焼損する虞がある。有効容量５００ｍ３では、曲線Ｌ１が曲線Ｌ２にシフトし、流入量Ｘの値に関わらずαが１０ｍｉｎ以上、即ち、ｎが６回以下となる。図５中の「使用できない範囲」とは、起動間隔αが１０分未満、即ち、ｎが６回を超えており、ポンプ２の許容起動回数を超えているために使用できない範囲を示している。
【００２５】  また、前述の式（１）は、下記式（７）に示す関係式に変形できる。
【数８】
0006961905.tif 000009
【００２６】  この式（７）の関係式は、ポンプ２の１時間当たりの許容起動回数ｎとポンプ２の揚水能力とが決まっている場合に、貯水槽Ｓ１における最適な有効容量ｙを設定するために利用できる。この式（７）に従って貯水槽Ｓ１の有効容量ｙを決めることにより、ポンプ２の始動制御装置を保護する観点から物理的に安全な最小有効容量を決定することができる。
【００２７】  更に、前述の式（１）は、下記式（８）に示す関係式に変形できる。
【数９】
0006961905.tif 000010
【００２８】  例えばポンプ２として、その揚水能力を式（１）で決まる揚水能力Ｑよりも大きいものを採用した場合、式（８）の関係式に基づいてポンプ２の１時間当たりの許容起動回数ｎが小さく（例えば６以下）なるように有効容量ｙ、即ち、起動水位ＬｖＨと停止水位ＬｖＬとの差を大きく設定すればよい。また、貯水層Ｓ１の有効容量ｙを式（７）で決まる有効容量ｙよりも小さくせざるを得ない場合、例えばポンプ２の揚水量Ｑを調節するための吐出弁（図示せず）と吐出弁の動作を制御する吐出弁制御部（図示せず）とをポンプ２に別途設けてもよい。そして、ポンプ２の吐出弁制御部が、ポンプ２の揚水量Ｑを小さくしてｎを小さく（例えば６以下）なるように吐出弁を制御してもよい。このような吐出弁を設けることは、図５に示す「使用できない範囲」においてポンプ２を適切に動作させるための解決策となる。
【００２９】  以上説明したように、本実施の形態に係るポンプシステムによれば、ポンプ２の１分当たりの揚水量Ｑが、上記式（１）の関係式が成立するように設定されているので、ポンプ２に要求される１時間当たりの起動および停止の繰り返し回数を貯水槽Ｓ１の有効容量に応じた適切な回数にすることができる。従って、ポンプ制御装置１に加わる負荷を軽減することができる。
【００３０】  また、始動制御装置を備えるポンプにおいては、始動抵抗器が発熱し損傷する危険性が高い。そこで、発明者は、始動抵抗器の損傷を防ぐため、貯留層Ｓ１に流入する水の流量がいかなる流量であっても始動抵抗器が損傷してしまうような起動頻度とならない最小有効容量を見出す方法を発見した。また、ポンプ２の揚水量Ｑと有効容量ｙと起動頻度ｎと起動間隔αとの関連性を見出し、この関連性に基づいてポンプシステムを構築した。本実施の形態に係るポンプシステムは、始動制御装置の始動抵抗器の発熱による損傷を防ぐ観点から発明したものであり、前述の判別式を用いた物理的に安全な最小有効容量の決定方法に関するものである。
【００３１】  以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。また、ポンプ２の１分間当たりの揚水量Ｑは、前述の式（６）の関係式を満たす最大値よりも小さい量に設定されてもよい。この場合、ポンプシステムは、管渠ＰＩ１から貯水槽Ｓ１への下水の流入を遮断するゲート（図示せず）と、貯水槽Ｓ１の水位が予め設定された上限水位に到達した場合にゲートを閉じるゲート駆動装置（図示）と、を備える構成とすればよい。
【００３２】  以上、本発明の実施の形態および変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
【産業上の利用可能性】
【００３３】  本発明は、ポンプの揚水量、貯水槽の有効容量およびポンプの起動回数との間で成立するこれらの最適値を決定するための関係式を見出したものであり、下水処理場等に設置されるポンプシステムとして好適である。
【符号の説明】
【００３４】１：ポンプ制御装置、２：ポンプ、３：水位計、１１：ポンプ制御部、１２：ポンプ駆動回路、ＰＩ１，ＰＩ２：管渠、Ｓ１：貯水槽、Ｓ２：濾過槽
【要約】      （修正有）【課題】ポンプを駆動するポンプ駆動回路への負荷を軽減することができるポンプシステムを提供する。【解決手段】ポンプシステムは、貯水槽Ｓ１に貯留される水を揚水して管渠ＰＩ２へ排出するポンプ２と、貯水槽Ｓ１の水位が予め設定された起動水位になるとポンプ２を起動し、その後、予め設定された停止水位になるとポンプ２を停止するポンプ制御装置１と、を備える。そして、ポンプ２の１分当たりの揚水量は、関係式（１）が成立するように設定されている。Ｑ＜＝ｎ*ｙ／１５（１）、ここで、Ｑは、ポンプ２の１分間当たりの揚水量、ｎは、ポンプ２に要求される１時間当たりの起動および停止を繰り返し回数、ｙは、貯水槽Ｓ１の貯水量の有効容量である。【選択図】図１【図１】
0006961905.tif 000012
【図２】
0006961905.tif 000013
【図３】
0006961905.tif 000014
【図４】
0006961905.tif 000015
【図５】
0006961905.tif 000016