雨水と残り湯の再利用
貯水タンク・自動洗浄・メンテナンスフリー
Rev.
29
 Original :2014-09-21 Sun
 Updated :2014-11-09 Sun.
雨水タンク
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Key word 雨水タンク 自動洗浄 セルフクリーニング フィルター ノーメンテナンス 沈殿物 黄砂 砂塵 メン     ナンスフリー 
貯水タンク 自動清掃システムの製作
手作り 貯水量 
 雨水タンク 自作フィルター 残り湯タンク 
 常識として貯水タンクは定期的な清掃などのメンテナンスが必要だ。取水口にネットや布などのフィルターを
セットしていても、雨水タンクならば黄砂や砂塵、花粉など、残り湯タンクならば皮膚脂肪などが内壁面の汚れや
沈殿物となって蓄積される現象は避けられない。

 今回はこの貯水タンクのメンテナンスを代行する [ 貯水タンク自動洗浄装置 ] の製作を試み、期待以上の結果が
得られたので、ここリポートを挙げておく。

 これ(↓)は 500肇織鵐 ( 2009年8月20日に購入 )、に残り湯の貯水を開始。約10ヶ月後に内部を撮影した画像だ。
残り湯貯水タンク内の水位センサーの例
 撮影時点の貯水量は約200函中央のパイプは貯水量表示のためのセンサーパイルで、画像上部に見える塩ビパイプはオー
バーフロウした貯水を破棄するパスパイプ。その隣の金属球球は(現在は役目をマイクロプロセサーに移したため)使用していない
が、オーバーフロウ時のコントロール/インジケーター用のスイッチだ。


 蛇足だが、このタンクへの給水が満タンになった時、屋内のモニターには上画像の様なメッセージが表示され、給水側のポンプを
自動停止させる機能を持つ。


 最初の画像を回転 ( 90° CW ) したもので、今後の解説はこのアングルを使用する。約10ヶ月の使用では、僅かに底部に沈殿物が
見られる程度だ。しかし同じ期間でも雨水タンクの場合は沈殿物が比較にならないほど多く蓄積される。_


 そしてこれ()は2014年9月の、ほぼ同じアングルの画像だ。約4年間でこの程度まで汚れは進むのだ。画像で分かるように
2種類の汚れが見られる。

1、 壁面にこびりついた汚れ。 今回は 300箸凌絨魅譽戰襪ら500箸凌絨未糧楼呂諒斌未帯状に汚れていて、300箸
   水位以下のタンク内部壁面の汚れは殆ど見られない。 その理由は水位コントロールシステムが働いていたからだ。
   これは、マイクロプロセサーを利用したコントロールシステムで、水位が300醗焚爾砲覆襪伴動的に別のタンクから補充
   して、常時水位が 300〜500箸魄飮していたからだ。トイレットを利用することで水位が下がると、先ほどまで水中だった
   壁面が空気にさらされて乾き、壁面に僅かな汚れを残すのだが、その4年間の累積が壁面の帯状の汚れなのだ。
2、 底部の沈殿物だが、時には雨水を補充することもあるため、雨水に含まれていた黄砂や花粉などだろう。

 通常ならば、高圧洗浄機やデッキブラシで汚れを洗い流すのだが、私はその作業を [ 貯水タンク自動洗浄装置 ] に任せた
のだ。


 [ 貯水タンク自動洗浄装置 ] の基本動作は,、1、 壁面のクリーニングモード。 2、 沈殿物のフイルタリング・モードの2種類だ。
現時点のプログラムでは1、2、のプロセスは連動していない。


1、 壁面のクリーニングモード

作業現場の撮影は、猛烈な水しぶきなので、私が所有する防水機能を持たない安価なディジタルカメラでは撮影不可能なので、
イメージ図()で解説しよう。

 壁面のクリーニングモードは、ポンプの水流を壁面に吹き付け汚れを剥離させるのだが、簡単には汚れを取れぬため、
 ◆.好謄奪團鵐哀癲璽拭爾肇灰鵐肇蹇璽襯廛蹈哀薀爐如∈険45度(実質90度)の範囲に水流を5分間吹きつけ、壁面の汚れを剥離
   させる。
◆◆,修慮10分間の休止
、 45度隣のエリアで同様の動作を全周に行う。上記 銑を10〜12時間繰り返す。通常、1〜2時間で殆どの汚れは落ちるが
   一部に残る頑固な汚れに対応するため一晩行うことにしている。


 これ()が 貯水タンク壁面に水流を吹き付ける装置で、左はステッピング・モーター、右が AC 水中ポンプの出力ホースで
ある。ステッピング・モーターは受信したパルスの数に比例した回転を行う特徴を持つ。たとえば今回採用したタイプは、1発
のパルスで 1.8度回転し、回転方向はパルスのデータのパターンで決定される。
 補足 画像 ( ) のグリーンのドライバーボードはモーターを逆転できないため本番では再制作したドラーバーを使用した。

 ワンパルスで1.8度回転する。常時二組のコイルに通電
しているので、3.6 Amp' / Approx' 5Volt の電力を消費する。蛇足だがステッピングモーターは電力浪費型のモーターだ。

プログラムでステッピング・モーターに、 3秒ごとに25発のパルスを送ると、モーターシャフトに連結された水中ポンプの出力ホース
は水平方向に約2分半で45度回転する。このプロセスを回転方向を変えながら4回繰り返した後、10分間休止する。
 この作業を当初の位置から180度まで行い、その後逆方向の180度分を行う。
結果として水中ポンプの出力ホースは扇風機の様に首振りを続けるが、扇風機と異なるのは360度をカバーすることだ。


 ステッピング・モーターは停止位置で強力なブレーキを掛けることができるので、ホースノズルの反発力を受けてもぶれることなく
壁面に噴射を続けることが可能だ。
 噴射を繰り返すことで、1回の放射で取れない汚れも、最初の放射で汚れを濡らし⇒次回の放射までに汚れを浮き上がらせ⇒
次回の放射で吹き飛ばす事となり、頑固な汚れも剥離可能となるわけだ。

 後日、説明用に撮った画像なので貯水は汚れていない。(

 カメラを水滴で濡らさぬため、噴射力を弱める目的でホース先端の金属パイプを取り外した状態で撮った画像だ。噴射力を
高めれば、処理時間の短縮が可能なので噴射口のデザインを再考するつもりだ。


 その後、噴射口の高さを調整可能とした Next version モデルを製作した。


 これは我が工房の [ KAIZENN ] だ。2セットのスチールバンドでノズルをホールドする構造にしたので、噴射口は任意の高さに
調整可能となった。
 ソフトウエア面ではステッピングモーター停止中はブレーキ用電流を停止するなどの省エネを進めた。

 動作状況を示すため後日撮影した画像なので、本番とは細部で異なる個所があるが、イメージは掴めると思う。噴射方向はプロ
グラムで+/- 360度の範囲に制限されている。
Before the Injection.
 画像左下のブルーのホースはバスポンプで外部のフィリタリング・タワーへ送水するホース。コントローラーのスタートスイッチを
押すと、貯水の壁面への噴射、水平方向への回転、バスポンプによる汚水のフィルターへの送水が始まる。


 噴射中の様子だ。内壁にぶつかり周囲に飛び散る水滴が見て取れるだろう。一見、このままノズルを水平に回転させると、垂直
の塩ビパイプにぶつかりそうに見えるが、(カメラの画角による錯覚だ)実際はこのまま 360度回転可能だ。


 カメラを構える私の顔面にもしぶきはかかってくる。この噴射を貯水タンク内壁の水平方向に 360度行うのだ。

Terada SL-102 Pump
 タンク内の壁面噴射・貯水の攪拌に使用したポンプは、前回と同じ寺田ポンプ製作所の SL-102 だが、ノズル部分を
変更した関係で噴射力は大幅に強化された。
 

  これ()は、本番作業時の [ 壁面のクリーニングモード ] が終了した時点で撮影した画像だ。洗い落とされた壁面の汚れで貯水は
真っ黒だ。水中ポンプが3セット見える。1個は今回の壁面噴射・内部攪拌用、残り2個は1&2偕のトイレット用だ。現在の水深は約
20cm だが、あまりの汚れで、ポンプの水面から出た部分しか見えない。まだ沈殿物のフイルタリング・モードのプロセスはスタートして
いないので、水面は静かである。

 手っ取り早い方法は。この状態でドレーンコックを開き貯水を破棄して、新しく給水すればメンテナンス作業は『完了』
となるのだが・・・・・・・、


 今回は汚水をフィルターで回収する手段を選んだ。

 蛇足だが、、、。この(↑)赤いハンドル [ つまみ ] の電動化にも挑戦してみた。 ⇒⇒


2、 沈殿物のフイルタリング・モード

 沈殿物のフイルタリング・モードのイメージを示す。

 貯水の攪拌は()イラストの、右側のポンプが担っている。

  この()画像は前述の方法でタンク内壁面をクリーニングした後のものだ。洗い落とされた壁面の汚れで貯水は真っ黒だ。

 現在の水深は約 20cm だが、あまりの汚れで、ポンプの水面から出た部分しか見えない。まだ沈殿物のフイルタリング・モードのプロセス
はスタートしていないので、水面は静かである。


 プロセスがスタートした。攪拌ポンプの働きで貯水は「嵐」状態となった。汚れた貯水はバスポンプで画像( # R0017219)のフィルター
タワーへ送られる。画像中央部のブルーのホースは水中のバスポンプからタワーへ送水するホースだ。

 これ(↓)は本番の画像だ。撮影のため約6時間でプロセスを止め、残り湯タンクを覗いてみた。洗い落とされた壁面の汚れの一部
はフィルターで回収され、透明度はかなり向上していることが見て取れる。タンク底部には未回収の汚れが沈殿している。




 これがフィルター・タワー。円柱下部の 1/3 をフィルター部材が占める。


 フィルター・タワーのキャップを開けた様子。バスポンプで送られ、流入する汚水が見える。当然のことだが水位に応じて送水
は自動でスタート/ストップする。 FYI : フィルター・タワー製作の様子。⇒⇒


 さらに約6時間経過した状況。現在稼働中なので水面は小波が立っている。ここまでプロセスが進むと、タンク底部が明確に
見えてくる。沈殿物はフィルターで回収され消えていることが見て取れる。


 さらに数時間後の画像。コップでタンク内の水をすくって光にかざしても、汚れは全く見ることができない。

 壁面の汚れを画像 # R0010209 と比較していただきたい。
高圧洗浄機もデッキブラシも当然それに伴う『労働』も不要で、リビングでコーヒーを飲み、書斎で読書している間に [ 貯水タンク自動
洗浄装置 ] はこれだけのメンテナンス作業を行ってくれるのだ。


 もう一度 Before 画像をお見せしよう。物置のジャンクパーツを集め DIY で組み立てたアマチュアの作品でもこれだけの
機能を持たせることができるのだ。

今回のプロセスのプログラムのリスティングなどは Alliance pass word を使ってアクセスしていただきたい。

 例によって、これは完成形ではない。今後さらに改良を加えるつもりだ。残念なことは簡単にテストを繰り返すことができない
ことだ。テストのためには貯水タンク内の汚染の蓄積を待たなければならないが、そのためには最低でも1年以上の時間が必要
なのだ。

3、 ドライブ・コントロール回路

 製作する上で難度の高いパートは噴射ノズルを左右に各360度以上回転させるメカニズムだろう。私はシンプルに組み上げられる
点からステッピングモーターを採用した。試作初期には画像 14-R0017230 で示すように、ステッピングモータードライバー IC を使っ
たが、ドライバー ICの仕様が( web で調べても)不明でモーターの逆転も手動でしかできなかったのだ。
 その後PIC マイコンでコントロールする様に変更した。本来はドライバー ICを使えばデリケートなコントロールが可能なので、もし製
作を試みるのであれば、専用ドラーバー IC をお薦めしたい。


 現時点 ( As 2014年10月 ) のステッピングモーター ドライブ / コントロールモジュールだ。隣の AC アウトレットは水中モーター用
で、寺田ポンプ製作所の SL-102を繋いでいる。ポンプ On/Off 用のリレーは SSR (ソリッドステートリレー)はこの様な回路には不向
きなので、EMR:旧来のメカニカル・リレーを使っている。(リレーはAC アウトレットボックスに組み込んであり、画像では見えない。)


 以前野生動物の自動撮影用に作成した基板など、ジャンクボックスから拾い集めたコンポーネントで組み上げたため、今回の動作には
未使用のコンポーネントがボード上に残っていたり、画像左のステッピングモータードライバー用のトランジスターは4凅全てが異なる仕様
品が混在するなど、文字どおり、Back-yard built special である。
 緑と赤の LED も元のボードに付いていた物だが、緑はポンプ稼働中、赤はポンプ停止中を示す様に、隣の DIP スイッチも取り外す
のが煩わしいので残した物だが、1:スタート時に時計方向に回るか、反時計方向か、2:モーターが高トルクモードか低トルクモード
か、3:モーターが高速モードか低速モードかなどを選択できるようにプログラミングしておいた。



 PIC マイコンは1個で組み上げることも可能だろうが、将来のモデファイを考慮して2個使用した。モーターのドライブコントロールは
PIC 16F84A が担い、自動洗浄のプロセスコントロールは PIC12F683 で行っている。
 噴射ノズルの変更で噴射能力が向上したので、プログラムもモデファイを加えた。
現時点のプロセスは、Start ⇒ 壁面への噴射を時計方向に380度行い 10秒の停止。⇒ 同様の動作を反時計方向に380度行い
10秒の停止。⇒ この噴射作業が 1,080 回 ( 約6時間 )に届いた時点で自動停止する様にプログラムされている。1回転 ( 360度 ) で
なく、380度なのは、360度の場合、360度に届いた時点で噴射を停止するとその個所の洗浄が損なわれる可能性があるため、20度オ
ーバーラップすることで補っているのだ。


 『 噴射作業を 1,080 回 行ったら作業完了を示す赤い LED を点灯し後、停止しなさい。』 の指示を忠実に実行するのがこの MPU
:マイクロプロセサー PIC-12F683 だ。この画像は書斎でシミュレーションテストをスタート後、私は近所の DIY ショップの買い物や
庭仕事を終え、テスト開始から約6時間後に書斎に戻り記録した画像だ。背景にぼんやり見える緑色は噴射ポンプ動作中を示し、
アイテムカウンターはポンプ On/Off 動作を今まで 1,066回シミュレーションしたことを示している。


 数分後、テストの正常終了を示す赤い LED が On し、カウンターも 1.080 回を表示、6時間を越えるミッションを正常に終了した。
同じ機能をディスクリート:個々のコンポーネントで組み上げた場合の部品点数、スペース,製作時間・・・・etc,.を思うと、で改めて
MPU :マイクロプロセサーの威力を再認識させられた次第だ。


 今回のシミュレーションテストで使用したアイテムカウンターもMPU :マイクロプロセサーを使って自作した作品だ。ちなみに
PIC-12F683 の価格は 80〜120円程度だ。無論実務では 12F683 以外にリレーやトランジスターなどが必要だが、マイクロプロセサー
を使って組み上げたシステムの最大特徴は将来の改良や機能追加のマージンが広いことだ。たとえば今回の回数を変更したい時など
は、ドライバーやハンダゴテは不要でキーボードからパラメーターの変更作業で可能なのだ。


 工房で実機を使って行うシミュレーションテストはよりハードな状況を仮想して行った。例えば、水平に回転する噴射ノズルの通路が
妨げられ、回転できくなった場合とか、逆転できなくなり一方向へ回転を続けた場合の挙動を確かめるのだ。


 ほぼ3日間にわたる長時間運転テストも行った。画像()は、カウンターは4桁なので 3,324 回しか見えないが、実際は
13,324 回の噴射回数を示している。
 蛇足だが、PIC マイコンの web からダウンロードしたリファレンスマニュアルは、必要なセクションのみプリントアウトするように
心がけているが、それでも使用した各モデルのマニュアルは、現時点で厚さ 30cm を越えた。分厚すぎて不便なので、モデルや
フィーチャー毎に A4 フォルダーに部分けして使用している。 MICROCHIP 米国本社のパブリケーションなのだが以外とミスが多
いので要注意でもある。疑問を感じたら、異なるモデルの同じセクションで再確認することも有効だ。


4、 現時点の消費電力

 消費電力 40 mA / 12V MPU ロジック回路
        1.94 A / 5 V ステッピングモーター 回転中及び停止(ブレーキ)中、指定回数動作後のの停止時は 0.00 A
        これは電流計で測定した値。サージ電流は私の作業環境では測定できないが、ネミックラムダ社の 5 V / 3A の
パワーサプライではトルク不足で安定した回転が不可能なことから、数倍から10倍程度だと思われる。同社の  5 V / 15A の
パワーサプライでは2相励磁モード ( Typical 3.88 A / 5 V ) でも安定動作している。  
 


5、 パフォーマンス チェック

 指示したミッションを遂行しているかチェックするツールも自作した。 FYI ⇒⇒


 このテストツールを作る課程も楽しい作業だ。画像(↑)はステッピングモーターの累積回転数を磁気センサーを使ってチェック
している様子だ。


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