特許 7432498 可変速運転スラリーポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-07

(45)【発行日】2024-02-16

(54)【発明の名称】可変速運転スラリーポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 15/00 20060101AFI20240208BHJP

【ＦＩ】

F04D15/00 A

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020211620

(22)【出願日】2020-12-21

(65)【公開番号】P2022098206

(43)【公開日】2022-07-01

【審査請求日】2023-03-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(72)【発明者】

【氏名】西村 和馬

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 賢

【審査官】中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－２７１８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１９４３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０９６２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２０２１４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １５／００－１５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スラリー液を揚程するスラリーポンプと、
前記スラリーポンプを駆動するモータと、
前記モータに電力を供給するインバータと、
前記インバータを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記スラリーポンプの吐出量及び圧力値が、予め設定された吐出量－全揚程曲線に一致するように、前記インバータに制御信号を出力する、可変速運転スラリーポンプであって、
前記制御信号は、前記モータの運転周波数を含み、
前記制御装置は、
前記モータの電流値が閾値以上になったとき、前記モータの電流値の上昇を一定の値までに制限すると共に、
前記スラリーポンプの吐出量が一定で、前記モータの電流値の上昇が前記一定の値までに制限されている場合、前記スラリーポンプの圧力値の低下に基づいて、前記スラリーポンプの摩耗を検知し、あるいは、
前記スラリーポンプの圧力値が一定で、前記モータの電流値の上昇が前記一定の値までに制限されている場合、前記スラリーポンプの吐出量の低下に基づいて、スラリーポンプの摩耗を検知する、ことを特徴とする可変速運転スラリーポンプ。

【請求項2】

前記制御装置が前記スラリーポンプの摩耗の発生を検知したことを、外部に報知する報知装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の可変速運転スラリーポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可変速運転スラリーポンプに関するものである。

【背景技術】

【0002】

スラリーポンプは、粒子が含まれる液体（以下スラリー液）を送水するポンプである。スラリーポンプは、例えば、切削油、研削液、洗浄液の再生処理の用途、各種廃水処理や雑排水の汲み上げの用途、漁業、養殖の海水取り入れや魚貝類加工の用途、製紙工業のパルプ、白水やクレーの移送用の用途などで使用される。このようなスラリーポンプとして、例えば、下記特許文献１及び２に記載のスラリーポンプが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開昭５９－６８６００号公報

【文献】特開２０１０－２６５９０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

スラリーポンプは、スラリー液に含まれる粒子によってポンプ内の構成部品（羽根車、ケーシングなど）が摩耗していく。従来のスラリーポンプは、用途的に一定の吐出量及び圧力で運転しているため、構成部品が摩耗していくと、徐々にポンプ性能が低下し、所望の吐出量や揚程が出力できなくなる。そのため、摩耗した構成部品は、定期的に交換しなければならないが、系統の停止や交換作業が必要となり、設備の生産性などが低下する。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構成部品の摩耗が発生し易いスラリーポンプにおいてポンプ性能を長期間に亘って維持することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る可変速運転スラリーポンプは、スラリー液を揚程するスラリーポンプと、前記スラリーポンプを駆動するモータと、前記モータに電力を供給するインバータと、前記インバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記スラリーポンプの吐出量及び圧力値が、予め設定された吐出量－全揚程曲線に一致するように、前記インバータに制御信号を出力する。

【0007】

上記可変速運転スラリーポンプにおいては、前記制御信号は、前記モータの運転周波数を含んでもよい。
上記可変速運転スラリーポンプにおいては、前記制御装置は、前記スラリーポンプの吐出量、前記スラリーポンプの圧力値、及び、前記モータの電流値の少なくともいずれか一つに基づいて、前記スラリーポンプの摩耗の発生を検知してもよい。
上記可変速運転スラリーポンプにおいては、前記制御装置が前記スラリーポンプの摩耗の発生を検知したことを、外部に報知する報知装置を備えてもよい。

【発明の効果】

【0008】

上記本発明の一態様によれば、構成部品の摩耗が発生し易いスラリーポンプにおいてポンプ性能を長期間に亘って維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係る可変速運転スラリーポンプの全体構成図である。

【図2】一実施形態に係るスラリーポンプの断面構成図である。

【図3】一実施形態に係る制御装置による制御フローである。

【図4】一実施形態に係るスラリーポンプの吐出量－全揚程曲線を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る可変速運転スラリーポンプ１の全体構成図である。
図１に示すように、可変速運転スラリーポンプ１は、スラリーポンプ１０と、モータ２０と、インバータ３０と、制御装置４０と、報知装置５０と、を備えている。

【0011】

図２は、一実施形態に係るスラリーポンプ１０の断面構成図である。
図２に示すように、スラリーポンプ１０は、水平方向に延びるポンプ軸１２と、ポンプ軸１２の一端に取り付けられた羽根車１３と、を備えている。なお、以下の説明において、ポンプ軸１２の中心軸Ｏが延びる方向を軸方向とし、また、中心軸Ｏと直交する方向を径方向とし、また、中心軸Ｏを周回する方向を周方向として説明することがある。

【0012】

スラリーポンプ１０は、軸方向からスラリー液を吸い込む吸込口１０Ａと、吸込口１０Ａから吸い込んだスラリー液を、羽根車１３の遠心力によって径方向に吐出する吐出口１０Ｂと、を備えている。吐出口１０Ｂは、羽根車１３の背面側及び側面側を囲うケーシング１４に形成されている。吸込口１０Ａは、羽根車１３の正面側を覆う吸込カバー１５に形成されている。

【0013】

羽根車１３は、正面側（吸込口１０Ａ側）に配置された表羽根１３ａと、背面側に配置された裏羽根１３ｂと、を備えている。裏羽根１３ｂは、羽根車１３の背面側に設けられた軸封部１７からの液漏れを抑制する。ポンプ軸１２の他端は、軸封部１７を介してケーシング１４の外部に延びている。ケーシング１４の背面側には、ケーシング１４の外部に延びたポンプ軸１２を軸支する軸受ケーシング１６が接続されている。

【0014】

軸受ケーシング１６は、軸受１８を収容した軸受胴体１６ａを備えている。軸受胴体１６ａは、軸方向に延びる有底筒状に形成され、その軸方向他方側の開口部には、軸受カバー１９が取り付けられている。軸受カバー１９を取り外すことで、軸受胴体１６ａ内に軸受１８を収容することが可能となる。ポンプ軸１２の他端は、軸受胴体１６ａ及び軸受カバー１９を軸方向に貫通して、スラリーポンプ１０の背面側に延びている。

【0015】

図１に示すように、ポンプ軸１２は、スラリーポンプ１０の背面側において、モータ２０の出力軸２１とカップリング２を介して接続されている。モータ２０は、ポンプ軸１２を回転させ、スラリーポンプ１０を駆動させる。インバータ３０は、モータ２０に電力を供給する。なお、本実施形態では、モータ２０にインバータ３０がユニット化（内蔵）されているが、モータ２０とインバータ３０がそれぞれ別体で設けられていても構わない。

【0016】

制御装置４０は、図示しないＣＰＵ等の演算部、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクドライブ（ＨＤＤ），ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）等の記憶部、各構成機器とデータのやり取りする出入力インターフェース等が、図示しないバスで接続されたものである。出入力インターフェースには、上述した各構成機器以外にも、図示しないディスプレイ等の表示装置、マウス、キーボード等の入力装置が接続されている。

【0017】

記憶部には、演算部が読み出して実行するためのプログラムが格納されており、制御装置４０はそのプログラムに従って、制御信号をインバータ３０に出力する。また、制御装置４０は、記憶部に格納されたプログラムに従って、後述するようにスラリーポンプ１０の摩耗を検知する。

【0018】

制御装置４０は、スラリーポンプ１０の吐出側に設けられた流量計４１からスラリーポンプ１０の吐出量を取得する。また、制御装置４０は、スラリーポンプ１０の吐出側に設けられた圧力計４２からスラリーポンプ１０の圧力値を取得する。また、制御装置４０は、モータ２０に設けられた電流計４３から、モータ２０の電流値を取得する。

【0019】

報知装置５０は、制御装置４０がスラリーポンプ１０の摩耗の発生を検知したことを、外部の管理者に報知する。報知装置５０は、例えば、管理者のディスプレイの他、管理者にメール等で知らせる通信器や、管理者に光や音で知らせる警報器などである。

【0020】

次に、上記のように構成された可変速運転スラリーポンプ１の動作、具体的には、制御装置４０の制御フローについて詳しく説明する。

【0021】

図３は、一実施形態に係る制御装置４０による制御フローである。図４は、一実施形態に係るスラリーポンプ１０の吐出量－全揚程曲線１００を示すグラフである。
図３に示すように、スラリーポンプ１０の運転が開始されると、制御装置４０は、スラリーポンプ１０の吐出量及び圧力値が、図４に示す予め設定された吐出量－全揚程曲線１００（所謂Ｑ－Ｈカーブ）に一致するように、インバータ３０に制御信号を出力する。

【0022】

吐出量－全揚程曲線１００は、商用電源でスラリーポンプ１０を運転したときの納入時における初期のポンプ性能を示している。スラリー液に含まれる粒子によってスラリーポンプ１０内の構成部品（羽根車１３、ケーシング１４など）が摩耗していくと、ポンプ性能が下がり、例えば、図４において点線で示すような吐出量－全揚程曲線１０１に変化する。

【0023】

この場合、モータ２０を定速回転させていると、スラリーポンプ１０において所望の吐出量及び揚程が得られなくなる。例えば、スラリーポンプ１０がスラリー液を循環送水し、送水先が要求するスラリー液量が一定の場合（吐出量が一定の場合）、スラリーポンプ１０の吐出側の圧力値が低下する。

【0024】

制御装置４０は、ステップＳ１において、スラリーポンプ１０の吐出量及び圧力値が初期の吐出量－全揚程曲線１００の許容範囲（例えば±１０％以内）であるか否か判定する。ステップＳ１がＮＯの場合、制御装置４０は、モータ２０の回転数を上昇させる制御信号をインバータ３０に出力する（ステップＳ３）。このように、制御信号には、モータ２０の運転周波数が含まれている。モータ２０の回転数が上昇すると、スラリーポンプ１０の吐出側の圧力値が上昇し、図４に示す初期の吐出量－全揚程曲線１００に復帰する。

【0025】

モータ２０の回転数を変更した場合、あるいは、ステップＳ１において、スラリーポンプ１０の吐出量及び圧力値が初期の吐出量－全揚程曲線１００の許容範囲である場合（ステップＳ１がＹＥＳの場合）、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、制御装置４０が、モータ２０の電流値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。

【0026】

モータ２０の回転数を上昇させると、つまりモータ２０の運転周波数を上昇させると、モータ２０の電流値が上昇する。そうすると、図４に示すように、モータ２０の回転数上昇後のモータ２０の電流値のカーブ１１１は、初期のモータ２０の電流値のカーブ１１０に比べて高くなる。

【0027】

ステップＳ４の閾値の上限は、モータ２０の運転限界である絶縁グレードに相当する値である。管理者は、当該絶縁グレードの上限に至るまで間で、任意の値に閾値を設定するとよい。例えば、モータ２０の電流値が、初期のモータ２０の電流値よりも３０％上昇したら、可変速運転で補い切れない摩耗がスラリーポンプ１０に発生したとして、構成部品の交換時期であると判定してもよい。

【0028】

なお、スラリーポンプ１０の吐出量が一定で、モータ２０の電流値の上昇が一定の値までに制限されている場合、摩耗が進むとスラリーポンプ１０の吐出側の圧力値が低下するため、当該圧力値の低下に基づいて、スラリーポンプ１０の摩耗を検知してもよい。
また、スラリーポンプ１０の圧力値が一定で、モータ２０の電流値の上昇が一定の値までに制限されている場合、摩耗が進むとスラリーポンプ１０の吐出量が低下するため、当該吐出量の低下に基づいて、スラリーポンプ１０の摩耗を検知してもよい。

【0029】

ステップＳ４においてＮＯの場合、ステップＳ１に戻り、スラリーポンプ１０の吐出量及び圧力値が初期の吐出量－全揚程曲線１００の許容範囲であるか否かを判定しつつ運転を継続する。
一方、ステップＳ４においてＹＥＳの場合、制御装置４０は、可変速運転で補い切れない摩耗がスラリーポンプ１０に発生したことを検知する（ステップＳ５）。そして、報知装置５０は、スラリーポンプ１０の構成部品の交換時期であることを外部に報知し（ステップＳ６）、運転終了となる。

【0030】

このように、本実施形態に係る可変速運転スラリーポンプ１は、スラリー液を揚程するスラリーポンプ１０と、スラリーポンプ１０を駆動するモータ２０と、モータ２０に電力を供給するインバータ３０と、インバータ３０を制御する制御装置４０と、を備え、制御装置４０は、スラリーポンプ１０の吐出量及び圧力値が、予め設定された吐出量－全揚程曲線１００に一致するように、インバータ３０に制御信号を出力する。この構成によれば、スラリーポンプ１０の構成部品の摩耗による性能低下を可変速運転にて補うことができる。これにより、スラリーポンプ１０において所望の流量及び揚程を得られる範囲が広くなるので、構成部品の交換頻度のスパンを長くすることができる。したがって、構成部品の摩耗が発生し易いスラリーポンプ１０においてポンプ性能を長期間に亘って維持することができる。

【0031】

また、本実施形態では、制御信号は、モータ２０の運転周波数を含んでいる。この構成によれば、インバータ制御によって、モータ２０の運転周波数を調整し、摩耗により低下したスラリーポンプ１０の吐出量や圧力値を可変速運転にて補うことができる。

【0032】

また、本実施形態では、制御装置４０は、スラリーポンプ１０の吐出量、スラリーポンプ１０の圧力値、及び、モータ２０の電流値の少なくともいずれか一つに基づいて、スラリーポンプ１０の摩耗の発生を検知する。この構成によれば、可変速運転にて補いきれないような摩耗を、スラリーポンプ１０の吐出量、スラリーポンプ１０の圧力値、及び、モータ２０の電流値を判断基準として検知することができる。

【0033】

また、本実施形態では、制御装置４０がスラリーポンプ１０の摩耗の発生を検知したことを、外部に報知する報知装置５０を備えている。この構成によれば、管理者などがスラリーポンプ１０の構成部品の交換時期を知ることができる。

【0034】

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

【0035】

例えば、図１に示す、モータ２０、インバータ３０、制御装置４０、及び報知装置５０は、同一のケーシングに収容されている一体型であっても構わない。この構成によれば、ケーシングが共通化されるため、コストダウンに寄与できる。

【0036】

また、例えば、インバータ３０及び制御装置４０の電子回路（制御部分）は、同一の基板に搭載されていても構わない。つまり、インバータ３０及び制御装置４０は、同一のケーシング内で混在していてもよい。

【0037】

また、例えば、制御装置４０は、流量計４１、圧力計４２、及び電流計４３の各種センサの出力を直接受けると説明したが、インバータ３０を経由して各種センサの出力を受ける構成であっても構わない。この構成によれば、スラリーポンプ１０、モータ２０、及びインバータ３０に対し制御装置４０が遠方にあるとき、センサの配線とインバータ制御信号用の配線を同一化することができる（例えば、特開２０２０－１４５８０４号公報の図２等参照）。例えば、各センサとインバータ３０とを信号線で接続し、インバータ３０と制御装置４０とを電力線で接続する。当該電力線には、電力の供給と通信とを行うことができるＰＬＣ（Power Line Communication）技術を用いた電力線通信方式を採用し、各センサの出力を、当該電力線を介して制御装置４０に送信できるようにする。これにより、配線の煩雑さを解消でき、また既存設備へのモータポンプ取り換えに対応できるようになる。

【0038】

また、上記特開２０２０－１４５８０４号公報に記載されているように、スラリーポンプ１０やモータ２０に振動センサを取り付けても構わない。なお、モータ２０とインバータ３０が一体型の場合は、振動センサはインバータ３０に内蔵してもよい。もちろん、振動センサはスラリーポンプ１０やモータ２０のケーシング外部に設置してもよい。すなわち、振動センサの測定効果が期待できる箇所であれば、設置箇所はこだわらない。一例として、ケーシング内部のインバータ３０の基板、モータ２０の出力軸２１を軸支する軸受、スラリーポンプ１０の吸込口１０Ａ、吐出口１０Ｂ、及び軸封部１７付近のケーシング外部に、振動センサを設置してもよい。
振動センサは、一般的には振動を測定し、ＦＦＴ解析により各周波数帯ごとの振動の大きさを出力する。この周波数帯と大きさから測定対象の状態を判断することができる。測定値から異常が見つかれば、故障検出や予防保全など、メンテナンスの省力化へ応用することができる。
さらに、一部の異常は、振動センサの検出のみでは、判定出来ない可能性があるため、上記実施形態で説明した流量計４１や圧力計４２等の情報と組み合わせ、総合的に状態量を判定することにより、より高精度に異常を特定することが可能になる。
例えば、上述した図３のフローチャートのステップＳ２とステップＳ４との間に、振動センサの検出値が所定の閾値を超えたか否かを判定するステップを追加してもよい。当該ステップにおいて、振動センサの検出値が所定の閾値を超えていない場合、上述したステップＳ１に戻り、一方で所定の閾値超えていた場合、上述したステップＳ４に移行してもよい。さらに、上述したステップＳ４の判定が「ＹＥＳ」の場合は、ステップＳ５にて羽根車１３の摩耗と判定するが、ステップＳ４の判定が「ＮＯ」の場合、羽根車１３以外の例えば出力軸２１を軸支する軸受の摩耗などの他の要因と判定し、外部報知してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１ 可変速運転スラリーポンプ
１０ スラリーポンプ
２０ モータ
３０ インバータ
４０ 制御装置
５０ 報知装置
１００ 吐出量－全揚程曲線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】