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【発明の名称】 水道用給液装置
【発明者】 【氏名】佐藤 幸一

【氏名】酒井 孝寿
【要約】 【課題】配水管への影響がなく、高置水槽内の水が濁水となることがなく、衛生的な給水を可能にする。

【解決手段】高置水槽１２に給水する水道用給液装置で、水道本管１に逆止弁９を介して直結給水用の配管２を接続し、高置水槽１２に送水する送水管を接続し、配管２に接続されこの配管２を通して水道本管１の水を吸い込み前記送水管側に吐き出すポンプ８を設けると共に、水圧を検出する圧力検出手段３と、高置水槽１２内の水位を検出する水位検出手段１４とを設け、ポンプ８を駆動する電動機の速度制御を行うインバータが、圧力検出手段３の検出圧力と水位検出手段１４の検出水位に応じた制御を行い、ポンプの可変速駆動を行う。
【特許請求の範囲】
【請求項１】上部が大気に開放された高置水槽に給水する水道用給液装置において、水道本管に接続される分岐管と、前記高置水槽に送水する送水管と、前記分岐管に接続され該分岐管を通して前記水道本管の水を吸い込み前記送水管側に吐き出すポンプと、前記ポンプを駆動する電動機と、該電動機を速度制御するインバータと、高置水槽内の水位を定期的に予め定めた低水位まで低下させる制御手段とを備えることを特徴とする水道用給液装置。
【請求項２】前記低水位は下限水位ＬＷＬとして定められた水位より若干高い低水位に定められ、計時手段により定期的に運転されることを特徴とする請求項１記載の水道用給液装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は水道用給液装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、水道用給液装置（給水ポンプ）は、逆流による水の汚染防止や、ウオータハンマーの影響による量水計（水道メータ）の誤計測防止の観点から、水道本管に直結して使用されることが規制されていた。このため、水道本管であるの配水管から分岐して一旦受水槽に注入し、この水を給水ポンプにより揚水してビル（又はアパート，マンション等）の屋上に設置された水槽（以下、高置水槽と略す。）に貯水し、そして落差を利用し各需要家に送水しているのが現状である。
【０００３】この例を図１により説明すると次の通りとなる。配水管１から分岐管２，量水計３，ボールタップ４を介して受水槽５に一旦注入する。受水槽５に貯水された水を給水ポンプ８により揚水し、建物１８の屋上に設置してある高置水槽１２に貯水する。この貯水した水を、落差を利用して、各戸メータ１７を介して需要家の水栓１６に給水する。この際、給水ポンプ８は高置水槽１２に設置してある液面リレー１４が、同水槽の下限水位ＬＷＬを検知した時に始動し、上限水位ＨＷＬを検知すると停止する。なお、６、１１は送水管、７、１０は仕切弁、９は逆止弁、１３はボールタップである。
【０００４】最近、水道の配水管の圧力を利用するとともに不衛生な受水槽を排除するために、給水装置を同本管に直結して給水する検討が始められている。この装置は図１に於いて、排除した受水槽の代わりに点線配管１９により給水装置に直結し、受水槽５を省略するものである。又、この給水装置は次の点で可変周波数電源としてのインバータを用いた給水装置が有効であると考えられている。
（１）インバータにはソフトスタート，ソフトストップの機能を有しており、始動，停止時の配水管側の圧力変動を押えることができ、配水管１側への影響を防止できる。
（２）水道配水管１の圧力が低下したら、インバータによりポンプ運転速度を下げて需要家への給水調整ができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】高置水槽式の給水装置を水道の配水管に直結して使用すると次の問題点がある。
（１）ポンプは常に一定の運転点Ｑ（ポンプ性能曲線Ａと管路抵抗曲線Ｆとの交点；図３参照）で数時間運転されるため、この間に大水量が消費される。従って、このシステムが普及し配水管に給水装置が多数直結されると、配水管圧力が低下する虞がある。又、ポンプは使用量大の状態で停止するため配水管圧力が上昇する。
【０００６】（２）計画最大水量Ｑ0（図３参照）以上の水量が消費される虞があり、この場合には配水管圧力が計画値より低下する。
（３）従来の高置水槽式給水装置の給水ポンプは定速運転であり、このポンプは水槽水位が下限水位ＬＷＬの時に始動し、上限水位ＨＷＬの時に停止する。この間の落差が大きいため、落下水によって、底に溜まっている異物が巻上げられ、給水が濁る。
（４）高置水槽は一般に余裕を大きく取ってあるため、水の停溜時間が長く、不衛生となる。
【０００７】本発明の目的は、配水管への影響がなく、高置水槽内の水が濁水となることがなく、衛生的な給水を可能にする水道用給液装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的は、高置水槽に給水する水道用給液装置において、水道本管に逆止弁を介して接続される直結給水用の配管と、前記高置水槽に送水する送水管と、前記配管に接続され該配管を通して前記水道本管の水を吸い込み前記送水管側に吐き出すポンプと、水圧を検出する圧力検出手段と、前記高置水槽内の水位を検出する水位検出手段と、前記ポンプを駆動する電動機と、該電動機を速度制御するインバータと、該インバータに前記圧力検出手段の検出圧力および前記水位検出手段の検出水位に応じた指令を出力する制御手段とを備えることで、達成される。
【０００９】上記目的はまた、高置水槽に給水する水道用給液装置において、水道本管に接続される直結給水用の配管と、前記高置水槽に送水する送水管と、前記配管に接続され該配管を通して前記水道本管の水を吸い込み前記送水管側に吐き出すポンプと、該ポンプの吐出側と前記送水管との間に設けられた逆止弁と、水圧を検出する圧力検出手段と、前記高置水槽内の水位を検出する水位検出手段と、前記ポンプを駆動する電動機と、該電動機を速度制御するインバータと、該インバータに前記圧力検出手段の検出圧力および前記水位検出手段の検出水位に応じた指令を出力する制御手段とを備えることでも、達成される。
【００１０】上記目的はまた、高置水槽に給水する水道用給液装置において、水道本管に第１の逆止弁を介して接続される直結給水用の配管と、前記高置水槽に送水する送水管と、前記配管に接続され該配管を通して前記水道本管の水を吸い込み前記送水管側に吐き出すポンプと、該ポンプの吐出側と前記送水管との間に設けられた第２の逆止弁と、水圧を検出する圧力検出手段と、前記高置水槽内の水位を検出する水位検出手段と、前記ポンプの駆動する電動機と、該電動機を速度制御するインバータと、該インバータに前記圧力検出手段の検出圧力および前記水位検出手段の検出水位に応じた指令を出力する制御手段とを備えることでも、達成される。
【００１１】
【作用】ポンプは水道本管である配水管に直結され、本管圧力の不足分を加圧して、ビル等の高所に設置されている高置水槽に給水する。水位検出手段は、高置水槽内の水位が、下限水位，上限水位，低水位運転水位のいずれにあるかを検出し水位信号を発する。圧力検出手段は、検出したの圧力に応じた圧力信号を発する。
【００１２】水位信号と圧力信号に基づき、制御手段は、インバータはポンプの速度を制御する。これにより、ポンプを下限水位で始動させ、上限水位で停止させ、あるいは圧力の立上り，立下り特性を図５に例示するように制御できる。また、ポンプを停止させるか減速運転し、高置水槽内水位をＬＷＬまで下げ、揚水量と需要水量とがこの水位付近で見合うようこの間でＬＷＬ一定制御を行うことができる。更に、減速運転に入った場合、ポンプ吐出し圧力が予め設定してある最低保証圧力ＨC以下に低下させないよう速度制御したり、増速運転に入った場合は、ポンプ吐出し圧力が予め設定してある全揚程ＨＴを越えないように速度制御することができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。図２は本発明の一実施例に係る給水設備に構成図であり、基本的には、図１に示した受水槽５を削除した構成である。なお、図１で説明した機器と同じ機器には同一符号を付け説明は省略する。２０は内部に空気溜まりを有する圧力変動吸収用の圧力タンク、２１はポンプ吐出し側圧力を検出する圧力センサ、２２は需要側からの汚染を防止する逆流防止弁、１４は高置水槽１２に装備され高置水槽１２内の水位を検出する水位検出手段であり、たとえば下限水位ＬＷＬと、上限水位ＨＷＬと、ＬＷＬより若干高い低水位での運転を行うための水位ＬＬを検出する。なお、６，１１は送水管、７，１０は仕切弁、９は逆止弁、１３はボールタップである。
【００１４】図４は図２に示すポンプ性能曲線図であり、縦軸に全揚程Ｈをとり、横軸に水量Ｑをとってある。同図に於いて、Ｆは管路抵抗曲線であり、給水系統により固有の値を示す。また、Ｑ0は計画最大給水量（瞬時最大水量）、ＨＴは全揚程である。一般には１００％Ｎ時（曲線Ａ）、このＱ0，ＨＴを満足するようにポンプを選定する。しかし汎用されるポンプは大量生産されるため、必らずしもＱ0とＨＴが一致しない。これに対して曲線Ｂは計画最大水量Ｑ0のとき全揚程ＨＴとなる特性を満足するポンプ運転速度がＮBの時のＱ−Ｈ性能である。曲線Ｄは任意の水量ＱD、揚程ＨDを満足する運転速度がＮDの時のＱ−Ｈ性能である。同様に曲線Ｃは水量が０の時に最低保証圧力ＨCを満足する運転速度ＮCの時のＱ−Ｈ性能である。尚、図４は、吸込側圧力を最小値で示してあるので、この圧力が変化すると前述した運転速度ＮB，ＮD，ＮCは変わるのは明らかである。これに対し、従来は図３に示すよう、ポンプは常に一定の運転点Ｑで運転される。
【００１５】図５は始動，停止時の立上げ，立下げ特性図を示したもので、横軸に時間、縦軸に速度、圧力を概念的に示す。また破線は従来の定速ポンプの例である。
【００１６】図２に示す水位検出手段の具体的実施例を図６，図７に示す。図６はフロート式水位検出器の例、図７は電極棒Ｅ1〜Ｅ4を使った水位検出器の例である。これらの水位検出器は公知であるので説明は省略する。
【００１７】図８は本発明の一例に係る制御回路の構成図である。３０は商用電源、３１は配線用しゃ断器、３２はヒューズ、Ｒ及びＳは制御電源、３３はインバータ、３４はインバータに加減速時間などの制御定数を設定するコンソール、３５はポンプを駆動するインダクションモートル、３６は入、切操作用のスイッチ、３７はコントロールユニットＣＵ用の電源用トランス、３８はインバータ運転指令用のリレーでありこれの接点Ｘ９が閉じるとインバータは始動し開くと停止する。３９は前記リレー３８を駆動するためのインターフェース回路、４０はＣＵの安定化電源、４１はＣＰＵからの指令によりインバータの速度Ｎを指令するためのインターフェース回路（デジタル／アナログ変換器Ｄ／Ａで構成される。）、４２はメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭで構成される）、４３は演算ユニットＣＰＵ、４４〜４８は入力用インターフェース回路、４９は定数ＨＴ，ＨC，ＬＷＬ，ＨＷＬ，ＬＬなどを設定するデジタルスイッチ、５０は同様に最高速度ＮB，時間ｔ1'，ｔ2，ｔ3，ｔ4'などを設定するディジタルスイッチ、５１は水位検出手段の液面リレーの例、５２は同じく水位センサ、５３は圧力センサ、５４は計時手段である。
【００１８】計時手段５４はΔｔ（例えば１０ｍｓｅｃ）の割込みタイマと図１４に示すタイムチャートのタイマーで構成してある。図９〜図１３は制御手順を示すフローチャートであり、予めプログラムとして、前述したメモリ４２に記述してある。
【００１９】次に、上述した構成の給水設備の動作について説明する。配線用しゃ断器３１を投入し、スイッチ３６を閉じると制御電源が確立し、コントローラＣＵは図９で示すステップ９００の初期設定までの処理を実行する。即ち、ここで、ＣＰＵのレジスタ、インターフェース回路４４〜４８、割込レジスターメモリ等の初期値の設定を行い、さらに、ディジタルスイッチ４９，５０から各設定値ＨＴ（計画最大水量Ｑ0に対応した全揚程），ＨC（水量０時保証揚程），ＬＷＬ（下限水位），ＬＬ（低水位運転開始水位）ＨＷＬ（上限水位），ＮB（最高速度），図５に示すタイムコンスタントｔ1'，ｔ2，ｔ3，ｔ4'を読み込みそれぞれの値をメモリ４２のＲＡＭに書込み記憶しておく。またメモリＴＲＯを００Ｈに設定しておく（ＴＲＯは低水位運転するかどうかのデータを入れておく）。
【００２０】次に、ステップ９０１で割込処理に必要な時間のソフトタイマΔｔ1を実行する。この処理中に最初の割込み処理（図１２，図１３）を実行する。先ずステップ１１０を実行して圧力センサ５３の検出した圧力（ポンプ吐出し圧力）をインターフェース回路４７より読込み、メモリ４２のＲＡＭに格納する。同様にして次のステップ１１１で高置水槽１４の水位を水位検出手段５１又は５２の信号をインターフェース４６，４７を介して読込みメモリ４２のＲＡＭに格納する。水位検出手段として一般には液面リレー５１がよく用いられ、きめ細い連続的な制御を行う際には水位センサを用いる。
【００２１】次に、割込処理のステップ１２０を実行する。ここで、Ｔ2がＯＮか判定し、ＯＮであれば、ステップ１２１へ進みＴＲＯの値を０ＦＦＨに設定し、Ｔ2がＯＮでなければＴＲＯの値をステップ１２２で００Ｈに設定して、このループから抜け、ステップ９０２へもどる。尚、このＴＲＯの設定は、計時手段４３のＴ1周期毎に発生するＴ2パルス毎に行う。また、この割込処理（図１２，図１３）は、ステップ９０２以降のメーンルーチンを実行中でも、計時手段のアクセスによりΔＴ時間毎に実行されるものである。
【００２２】ステップ９０２へ戻ると、ここで、ＴＲＯのデータが００Ｈか否か判定され、００Ｈであればステップ９０３へ進み、これ以降の処理が実行される。ステップ９０３では高置水槽の水位がＬＷＬか判定し、このレベルになければこれに達するまでステップ９０２〜９０３を実行し、達している場合には次のステップ９０４，９０５で、リレー３８のＯＮ信号を出力してインバータを駆動し、速度指令信号として最低速度ＮCの信号を出力する。また、インバータはコンソール３４により図５に示すように加速時間（ｔ1'−ｔ1）と減速時間（ｔ4−ｔ4'）が予め設定されている。これにより、インバータ３３及びポンプモートル３５は加速時間（ｔ1'−ｔ1）でソフトスタートにより運転を始める。
【００２３】ステップ９０６では初期設定時にメモリ４２に格納したＮB，ＮC，ｔ2，ｔ1'を読出し、（ＮB−ＮC）＝Ｎ，（ｔ2−ｔ1'）／Ｎ＝Δｔ2を求める。ステップ９０７では、圧力センサ５３の検出したポンプ吐出し圧力がＨＴを越えたか否かを判定し、越えている場合には増速せずにステップ９１１へジャンプし、計画最大水量以上の水が流れないよう抑制する。越えていない場合にはステップ９０８に進み、現状の速度より１Ｈｚ（制御上１ｂｉｔとしても良い）だけ増速し、ステップ９０９で前記求めたΔｔ2だけの待ち時間を実行し、ステップ９１０でＮだけ増速が終了したか否かを判定し、増速が終了するまでステップ９０７以降の処理を実行する。
【００２４】Ｎだけの増速が終了し最高速度に到達したら、ステップ９１１へ進む。ところで、この状態では、図４，図５に於いて、ポンプは速度Ｎｃの状態で運転を始め、徐々に増速して昇圧し、時刻ｔ1'から時刻ｔ2までに速度ＮB，揚程ＨＴに到達している。ステップ９１１では水槽水位がレベルＨＷＬに達したか否か判定し、達していない場合には、このレベルＨＷＬに達するまでステップ９１２〜９１１を実行する。レベルＨＷＬに達したら、図１０のステップ９１３へ進み、ここでＮB−ＮC＝Ｎ'（ｔ4'−ｔ4）／Ｎ'＝Δｔ3を求め、ステップ９１４へ進む。
【００２５】ステップ９１４ではポンプ吐出側圧力がＨC以下に到達していないかを判定し、到達している場合に減速せずにステップ９１９へジャンプし、ＨC以上の場合にはステップ９１５で現状の速度より１Ｈｚ（制御上１ｂｉｔとしても良い）だけ減速し、ステップ９１６で前記求めたΔｔ3だけの待時間処理を実行し、ステップ９１７では減速がＮ'だけ変化するか判定し、Ｎ'減速するまでステップ９１４以降の処理を実行する。そしてステップ９１９では、リレー３８をＯＦＦし、速度指令データを‘０’とする信号を出力して、インバータ３３及びポンプ８を停止させる。この時、減速時間は（ｔ4−ｔ4'）であり、ソフトストップとなる。
【００２６】尚、この状態を、図４，図５を用いて説明すると、ＮB，ＨＴの状態から徐々に減速，減圧を始め、時刻ｔ3から時刻ｔ4'までの時間でＮC，ＨCに到達した後停止する。この後、図９のステップ９０２へ戻り、これ以降の処理を繰返し実行する。
【００２７】ステップ９０２で判定した結果、ＴＲＯが０ＦＦＨの場合はステップ９２３へジャンプし、低水位状態でのＬＷＬ一定運転制御を行う。即ち、ステップ９２３で高置水槽水位がＬＷＬより上位か否かを判定し、上位でない場合はステップ９２６へジャンプし、上位にある場合にはステップ９２４へ進み、ここでステップ９１５と同様の減速処理を実行し、ステップ９２５で一定時間（例ば数秒）の待時間処理を実行し、再びステップ９０２へ戻る。ステップ９２６ではヒステリシスを設ける処理（ＬＷＬをＬＷＬ−ΔＬとする処理、例えば、数分程度最低速度近くで運転するように決める処理）を実行し、ステップ９２７では水位が更新後のＬＷＬより下位にあるか否かを判定する。下位にある場合はステップ９２８でステップ９０８と同様な増速処理を実行してステップ９２５へ進み、下位にない場合は変速せずにステップ９２５へ進む。
【００２８】このようにして、ここではＬＷＬ一定制御を行う。また、図１１では、図９のＸ部のＬＷＬ一定制御を水位センサではなく、液面リレーを用いた例を示したものである。ステップ９２９で水位がＬＬより上位であるか否かを判定し、ヒステリシス演算することなくステップ９３２で水位がＬＷＬより下位か否か判定する。他は図９と同じであるから説明を省く。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、次の効果が得られる。
（１）始動時に水面が低いと、揚水した水が高置水槽内で落下する量が多くなり、高置水槽内で水が濁るという問題が生じていたが、本発明では図５に示すように揚水量を絞って徐々に立上げることができるため、濁り防止ができる。
（２）高置水槽方式の場合には、従来は、一定の運転状態で停止されると圧力上昇が生じていた。しかし、本発明では、図５に示すように、停止させる前に水量を絞って、停止させることができるため、圧力上昇が生じない。
（３）定期的に高置水槽の水位をＬＷＬ近くまでに下げた状態で運転を行うことができるので、停溜水がなく衛生的である。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成５年１２月２２日（１９９３．１２．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００５９２６９
【弁理士】
【氏名又は名称】秋本 正実
【公開番号】 特開２００１−２１４４７７（Ｐ２００１−２１４４７７Ａ）
【公開日】 平成１３年８月７日（２００１．８．７）
【出願番号】 特願２０００−３７４６９０（Ｐ２０００−３７４６９０）