大神田 和巳
風水力機械カンパニー 標準ポンプ事業統括
開発設計統括部 システム機器開発設計室
by Kazumi OHKANDA
We discussed various water supply systems, their purposes and how to select them, in the first and second series of technical introduction of the water supply equipment (water supply unit) which comprises our company’s main products. Subsequently, we explained the “ON-OFF control system” and “variable frequency control system” for water supply equipment, which is used mainly in combination with a reception tank, in the third and fourth parts of the series. In the fifth part, we illustrated the “direct connecting booster pump system” that supplies water utilizing water main pipe pressure.
In this sixth part of the series, we will introduce product technologies related to water supply equipment, including countermeasures for vibration and electrical/non-electrical noise caused by operation of the equipment or the motor used in it, and maintenance of the equipment.
Keywords: Water supply equipment, Water supply system, Motor, Inverter, Noise, Vibration, Running cost, Maintenance, Electrical noise, Laws and regulations
当社の主力製品の一つである給水装置（給水ユニット）の技術紹介シリーズとして，第1回・第2回講座では給水方式の種類と用途，選定方法などについて，第3回・第4回講座では，主として受水槽と組み合わせて使用される給水装置の制御方式であるON/OFF制御方式と速度制御方式について，第5回講座では，水道本管圧力を利用して給水を行う増圧給水方式について説明を行った。
第6回となる本稿では，これら給水装置に使用される電動機や運転に伴って発生する振動や騒音，電気的ノイズの対策，給水装置の保守管理等，給水装置に関するその他の製品技術を紹介する。
給水装置のポンプ駆動用に使用される電動機には，主に誘導電動機と永久磁石同期電動機（PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor）がある。誘導電動機には，トップランナー規制が施行される2015年の4月以前では，従来の誘導電動機【効率クラス：IE1（標準効率）】の他に，米国エネルギー政策法（EPAct）やJIS C 4212「高効率低圧三相かご形誘導電動機」の規定を満足する高効率誘導電動機【同：IE2（高効率）】が使用されていたが，本規制が施行されたことによって，4月以降，徐々にJIS C 4213「低圧三相かご形誘導電動機−低圧トップランナーモータ」の規定を満足する高効率誘導電動機【同：IE3（プレミアム効率）】に切り替わっている。
PMSM【同：IE4（スーパープレミアム効率）】は更に高効率となるが，駆動には専用のインバータが必要で，誘導電動機に比較して高コストとなるため，一般のポンプでは普及が進んでいない。しかし，PMSMは回転子に永久磁石を配置しており，回転子側に誘導電動機のような磁気回路を構成する必要がないため，回転子の小型化が可能であること，さらに，負荷変化による効率変化が小さいことを特長としており，負荷変化の大きい給水装置には適した電動機であるといえる。給水装置においては，前回までの講座で説明したとおり，既にインバータの使用が主流となっており，PMSMを採用した場合のコストアップ分も高効率化による効果で比較的短期間での回収が可能であるため，ポンプメーカ各社が増圧給水方式でPMSMを採用している。また，電動機の小型化に合わせ，ポンプを小型化し，高速回転させることで，従来機種と同等以上の性能を出すことも可能であり，給水装置の省スペース化が実現できる。
給水装置の選定においては，第2回講座で次の5条件を考慮する必要があることを紹介した。
1）ランニングコスト
2）イニシャルコスト
3）信頼性
4）圧力変動
5）LCC（Life Cycle Cost）
ここでは，近年の省エネルギー志向において，重要視されるランニングコストについて記述する。ランニングコストは，給水装置の経済性を判断する場合の一つの目安であり，1日の給水変化に対するポンプの消費電力量を計算したものである。
ランニングコストを算出するためには，1日の給水変化を明確にしておく必要がある。集合住宅では一般的に，図1に示す（一財）ベターリビングの優良住宅部品認定基準に計画参考資料として掲載されている給水パターン（BL給水パターン），若しくは，お客様指定の給水パターンを使用して計算する。本講座では，より一般的な前者の給水パターンを参考にする。この給水パターンは1日を1時間ごとの給水率に分割している。
以下に，ランニングコスト算出の流れを記述する。
（1）
給水戸数，若しくは，居住人数から瞬時最大給水量を求める（瞬時最大給水量の算出は第2回講座を参照）。
（2）
瞬時最大給水量とBL給水パターンを組み合わせて，各時間平均給水量を求める。
（3）
時間平均給水量で1時間給水装置が運転すると想定し，代表性能曲線から各時間の軸動力を算出する。
（4）
時間平均給水量が，計算対象としている給水装置の小水量停止水量以下となる場合，その時間帯では給水装置が停止動作を行うと仮定し，圧力タンクの容量や封入圧力，停止圧力や始動圧力を考慮して，運転時間を算出する。さらに，停止時間と運転時間の関係から，運転時の給水量を想定し，代表性能曲線から軸動力を算出する。
（5）
（3）と（4）で求めた軸動力を元に，モータ効率，給水装置によっては，インバータ効率も勘案し，消費電力を算出する。
（6）
（5）で求めた消費電力と運転時間を勘案し，各時間帯の消費電力量を求める。
（7）
各時間帯の消費電力量を合計し，1日の消費電力量を求める。
（8）
所轄の電力会社の基本料金と電力料金によって，金額を算出する。
以上が概要となるが，給水装置によっては様々な制御が絡み合うため，上記のような流れで簡単に算出できないことも多い。当社では，給水装置の型式・機種ごとにデータベースを管理しており，給水パターンや給水条件，電気供給元の電力会社等を提示いただければ，それらを勘案したランニングコストの算出が可能となっている。
図1 1日の給水量の変化の一例（BL給水パターン） Fig. 1 Example of daily changes in water supply (BL water supply pattern)
近年では，省エネルギーの観点から，給水方式が速度制御方式や増圧給水方式に移行しつつあるが，これらの運転方式は，従来の高置水槽方式のように水の使用に給水装置の運転を伴わない方式と比較し，水の使用が給水装置の運転に直結する。さらに，ライフスタイルの多様化に伴い，深夜早朝に水が使用され，運転する頻度は増加する傾向にある。また，給水装置は一般的にポンプ小屋やポンプ室といった専用の機械室に設置することが理想であるが，土地，建物のスペースを有効利用するため，屋外に置かれるケースも少なくない。
給水装置に見られる騒音としては主に，給水装置自体の機械的騒音，水が流れることで発生する流水音，管路に設置された電磁弁等の開閉に伴うウォータハンマ音のような圧力変動に起因するものがある。設置場所に住居が隣接している場合，これらの騒音が問題となるケースがある。このような場合は，ポンプ室の扉や壁材へ遮音効果の高い材料の適用，配管やバルブ類の防音ラギング，吸音材などの防音対策，屋外では遮音壁の設置等の対策が必要である。
振動対策には防振装置が有効であり，屋上設置のような場合を除き，振動だけでトラブルになるケースはまれであるが，増圧給水方式や速度制御方式の給水装置では，中～低回転数で運転する場合に，配管の固有振動数で共振することがある。この振動が配管の貫通部から壁に伝搬し，住居にまで達する場合がある。対策としてはパイプサイレンサの設置や，共振周波数の飛び越し運転をさせる方法があるが，貫通部の振動対策や，計画時に適切な性能のポンプを選定し，定格運転周波数の60％以上の周波数で運転させることが最善の策である。
なお，当社の増圧給水装置PNF型では，カバーの内面にポンプユニットを取り囲むように，カバー本体及び蓋に吸音・制振材を貼り付けて騒音の発生を抑制するとともに，ポンプユニットを固定する配管架台側やカバー背面側の取付部に『防振パッド』（コイルスプリング＋外被ゴム）を使用し，振動の伝搬を抑制している（図2）。
図2 増圧給水装置PNF型の騒音・振動対策 Fig. 2 Anti-noise and anti-vibration measures for model PNF
増圧給水方式や速度制御方式の給水装置は，電動機をインバータ駆動しているため，電気的ノイズや高調波が発生する。インバータの代表的な基本構成を図3に示す。
商用電源（交流）から直流を得るための整流回路と直流平滑回路からなるコンバータ部と直流から可変電圧可変周波数交流を得るインバータ部と制御回路からなる。インバータ部はパワースイッチング素子である IGBT等を使用し，制御部からのPWM（Pulse Width Modulation）方式の信号によって所要の交流出力を得ている。このPWM制御に用いるパワースイッチング素子の高速のON/OFF動作によってスイッチングノイズが発生し，周辺機器の誤動作・誤検出・誤表示，雑音の増加等を招くことがある。また，電気的ノイズは伝わるルートによって，伝導ノイズ（①②③），誘導ノイズ（④），放射ノイズ（⑤）に分けられ，伝わる状況に応じた対策が必要になる（図4）。
給水装置では，ノイズフィルタの追加や，センサケーブルへのシールド線の適用，配線経路の変更等の対策を行うのが一般的である。
また，電力会社から供給される商用電源の正弦波を基本波といい，この基本波の奇数整数倍の周波数をもつ正弦波を高調波という。図5のように，基本波に高調波が加わった電源波形は，ひずみ波形となる。インバータのように回路に整流回路とコンデンサを利用した平滑回路がある場合，入力電流波形にひずみ高調波が発生する。高調波は電線を伝わり，他の電気設備や機器に次のような影響を及ぼす場合がある。
1）
機器への高調波電流の流入による異音，振動，損傷等
2）
機器へ高調波電圧が加わることによる誤動作等
給水装置では，インバータの一次側回路にACリアクトルを接続したり，インバータにDCリアクトルを接続したりして高調波を抑制し，（一社）日本電機工業会の定める「汎用インバータ（入力電流20 A以下）の高調波抑制指針（JEM-TR226）」に適合するものにしている。
図3 インバータの基本構成 Fig. 3 Basic configuration of inverter
図4 電気的ノイズの伝搬経路 Fig. 4 Propagation root of electrical noise
図5 基本波と高調波 Fig. 5 Fundamental and harmonic waveforms
給水装置が長期間にわたって安定した運転を続けるには，給水装置の品質はもちろんのこと，それ以外に，
1）正しい選定がされていること
2）正しい設置がなされていること
3）十分な保守が行われていること
が重要となる。
特に，「選定」，「設置」の不適合は，保守上の大きな障害となる。これから保守を行う給水装置が基本に沿った「正しい選定」，「正しい設置」であるかを，初めに確認し，不適合がある場合は修正しておく。また，修正が不可能な場合は，不適合部分があることを十分認識した上で日常点検を行う必要がある。
しかしながら，給水装置は運転時間の経過とともに，消耗や摩耗，経年劣化する部品もあるため，消耗部品の交換や定期的な点検は，事故を未然に防ぎ，給水装置の寿命を延ばし，かつ，効率的な運転を継続するために重要なことである。
点検は日常点検と定期点検に分けられる。給水装置における，主な点検内容を表に示す。
いずれの点検においても，異常が発見された場合は速やかに処置することが重要である。また，点検結果が正常であっても，運転条件が同じにもかかわらず，測定値が前回点検時と著しく異なる場合は，以後の運転に注意を払う必要がある。
このような現象の変化を把握するには，点検結果を継続的に記録しておくことが大切であり，管理台帳や運転日誌などを作成し，運転状況の傾向変化を常に捉えておく必要がある。予防保全はもちろん，定期点検時の重点点検項目決定にも大いに役立てることが可能となる。
| 点検項目 Inspection item |
日常点検 Daily inspection |
定期点検 Periodic inspection |
判定基準 Judgment criteria |
| 吐出し圧力（MPa） Discharge pressure (MPa) |
制御盤表示部又は吐出し配管に取り付けたゲージで計測 Measure with the gauge installed on the control panel display or discharge piping. |
同左 Same as daily inspection. |
所定の吐出し圧力となっていること The discharge pressure is as specified. |
| ポンプ停止時の圧力（MPa） Pressure at pump stop (MPa) |
― | 制御盤表示部又は吐出し配管に取り付けたゲージで計測 Measure with the gauge installed on the control panel display or discharge piping. |
所定の圧力で停止していること The pump is stopped at a specified pressure. |
| ポンプ始動時の圧力（MPa） Pressure at pump startup (MPa) |
― | 制御盤表示部又は吐出し配管に取り付けたゲージで計測 Measure with the gauge installed on the control panel display or discharge piping. |
所定の圧力で始動すること The pump is started at a specified pressure. |
| 圧力センサの作動確認 Pressure sensor operation check |
― | テスタ等で出力電圧の確認 Check output voltage with a tester, etc. |
既定の電圧が出力されていること Voltage output is as specified. |
| フロースイッチの動作確認 Flow switch operation check |
― | テスタ等でON/OFFの確認 Check ON/OFF with a tester, etc. |
所定の水量でON/OFFすること The flow switch is turned ON/OFF at a specified flow rate. |
| 軸封部の漏れ状態 Leakage at shaft seal |
目視 Check visually. |
同左 Same as daily inspection. |
水漏れがないこと No water leakage. |
| 交互運転の確認 Alternate operation check |
― | 小水量停止後の動作確認 Check operation after stop at low flow rates. |
停止後に他のポンプが運転すること Another pump operates after the stop of one pump. |
| 異常音の有無 Abnormal noise |
聴音による確認 Check for sounds. |
同左 Same as daily inspection. |
運転音が連続的で滑らかであること キャビテーション音のないこと The operation sound is consecutive and smooth, with no cavitation sound. |
| 配管などからの漏れの有無 Leakage from piping |
目視 Check visually. |
目視 Check visually. |
水漏れがないこと No water leakage. |
| 電動機フレーム温度 Motor frame temperature |
触手又は温度計で計測 Measure with a thermometer or by touching with a hand. |
同左 Same as daily inspection. |
温度が許容値以下であること The temperature does not exceed an allowable value. |
| ケーブルなどの損傷の有無 Damage (cables, etc.) |
― | 目視 Check visually. |
損傷がないこと No damage. |
| 盤内の異常の有無 Abnormality in panel |
― | 目視，作動確認 Check visually, and check operation. |
ビス類の緩み，さび，接点の劣化・摩耗がないこと No loosened screws, rust, or deterioration/wear of contact points. |
| 電流値（A） Current value (A) |
制御盤表示部又はテスタで計測 Measure with a tester or by checking the control panel display. |
同左 Same as daily inspection. |
所定の電流値以下であること The current does not exceed a specified value. |
| 電圧値（V） Voltage value (V) |
制御盤表示部又はテスタで計測 Measure with a tester or by checking the control panel display. |
同左 Same as daily inspection. |
相間の電圧不平衡がなく，定格電圧の±5%以内であること The voltage is within ± 5% of the rated voltage, with no voltage imbalance between phases. |
| 圧力タンク空気封入圧（MPa） Air-filling pressure for pressure tank (MPa) |
― | ゲージで計測 Measure with a gauge. |
所定の封入圧力となっていること The filling pressure is as specified. |
| 外観 Appearance |
目視 Check visually. |
目視 Check visually. |
破損・さびがないこと No breakage or rust. |
設置条件や運転条件によって大幅な差はあるが，事後保全としての分解整備（一部分に異常が発生した際に，併せて分解整備を行うこと）の時期は，一般建築設備用ポンプは3年経過後に件数が増加する傾向にあるため，給水装置も同様に，3年ごとの分解整備が一応の目安となっている。
分解整備の際は，給水装置における代表的な消耗品である，圧力タンクや圧力センサ，フロースイッチ，逆止め弁，制御基板，ポンプ部品（メカニカルシールや軸受，Oリング等）について，異常が認められた場合，又は交換時期の年数に従い，交換を推奨している。各部品の交換時期の年数については，各給水装置の取扱説明書を参照されたい。
給水装置に関する主な法令は，水道法（厚生労働省），建築基準法（国土交通省），電気用品安全法（経済産業省）があり，水道法と建築基準法の適用範囲を図6に示す（※図中の「給水装置」は法令上の定義であり，本稿で記載している給水装置とは異なる）。給水方式によって，給水装置に適用される法令が異なっており，増圧給水方式では水道法，受水槽方式では建築基準法となる。
水道法，同施行令では，給水装置の構造や材質を規定しており，建築基準法，同施行令では，給水管と縁の切れた受水槽以降の給水装置や高置水槽，揚水管等の給水系統の構成や構造について，規定している。
電気用品安全法については，旧来の電気用品取締法（通称：電取法）が抜本的に改正され，2001年4月1日に施行されている。家電製品をはじめ，コンセントや分電盤，小規模な発電・配電・蓄電設備を含めて，電気用品による危険と障害の発生を防止することを目的としており，給水装置では，消費電力が1500 W以下の機種が対象となる。
図6 水道法と建築基準法 Fig. 6 Water Supply Act and Building Standards Law
給水装置に関する主な規格・規定類は，JIS規格，日本水道協会規格，優良住宅部品認定（BL）基準等が挙げられる。JIS規格は，日本の工業標準化の促進を目的とする工業標準化法（昭和24年）に基づき制定される国家規格であり，給水装置に限らず，広く規定されている。日本水道協会規格においては，JWWA B 130（水道用直結加圧形ポンプユニット）として増圧給水装置の耐圧性能や逆流防止性能，浸出性能，圧力変動等が規定されており，規格を満足していない給水装置を水道本管に接続することはできない。（一財）ベターリビングで公表している優良住宅部品認定基準では，「給水ポンプシステム」として，受水槽方式に使用される給水装置の電気的安全性や浸出性能，圧力変動，運転方法，耐久性，給水量の算出方法等が規定されており，これらを満足することによって，品質，性能，アフターサービス等に優れた優良住宅部品として認定される。
最終回となる本稿では，各給水装置に共通して関係する項目を主に紹介した。近年は，省エネルギー化に注目されがちであるが，本稿の内容は，選定や運用を誤った場合，不適合に直結する内容も含まれており，十分な配慮をお願いしたい。前回までの講座内容と合わせ，給水装置の選定や運用，保守管理を進めていく上での一助となれば，幸いである。
1） 日本電機工業会技術資料JEM-TR226「汎用インバータ（入力20A以下）の高調波抑制指針」．
第1回
各種給水方式の特徴について（14年10月発行済み，No. 245）
第2回
給水装置の選定，設置，配管，配線方法（15年1月発行済み，No. 246）
第3回
ON/OFF制御方式について（15年4月発行済み，No. 247）
第4回
速度制御方式について（15年7月発行済み，No. 248）
第5回
増圧給水方式について（15年10月発行済み，No. 249）
第6回
給水装置に関するその他の製品技術紹介（本稿）
藤沢工場ものづくり50年の歴史
1966年頃の藤沢工場
縁の下の力持ち 高圧ポンプ －活躍場所編ー
100万kW火力発電所内で活躍する50％容量ボイラ給水ポンプ
RO方式海水淡水化用大容量、超高効率高圧ポンプの納入
長段間流路内の流線と後段羽根車入口の流速分布
縁の下の力持ち ドライ真空ポンプ －真空と真空技術の利用ー
真空の領域と用途例
座談会 エバラの研究体制
座談会(檜山さん、曽布川さん、後藤さん）
縁の下の力持ち 標準ポンプ －暮らしを支えるポンプー
標準ポンプの製品例
座談会 未来に向け変貌する環境事業カンパニー
座談会（三好さん、佐藤さん、石宇さん、足立さん）
世界市場向け片吸込単段渦巻ポンプGSO型
GSO型カットモデル
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