JP2004236479A - 遮断弁用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、開弁保持時の消費電力を少なくできる遮断弁用アクチュエータを提供する。
【解決手段】遮断弁の流路を閉じる方向に回転トルクが付与されている作動シャフト１８と、前記回転トルクに抗して作動シャフト１８を駆動する直流モータ２と、作動シャフト１８と直流モータ２を連結する動力伝達手段３を有する遮断弁用アクチュエータにおいて、動力伝達手段３は、直流モータ２の出力軸２１に連結され、円周方向に複数の爪４２ａを有する平歯車４２とその爪４２ａと係合する複数の爪４３ａを有するピニオン歯車４３とピニオン歯車４３を平歯車４２に対して進退自在に駆動する電磁駆動手段５を含むクラッチ４と、ピニオン歯車４３の回転を作動シャフト１８に伝達する歯車減速機構６を備えるとともに、前記遮断弁の開弁により直流モータ２が停止した時に直流モータ２で消費される保持電流を減少させる自己電流制御部材８１を有するモータ駆動回路８０を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、停電した時に閉弁する機能をもつ遮断弁用アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
停電した時に閉弁する機能をもつ遮断弁用アクチュエータとしては、例えば、バルブ開閉用シャフトと、減速機構を介してこのシャフトを回転させるモータと、このシャフトに巻回された閉弁用ばねと、シャフトの回転範囲を規制するストッパーを備えた構造のものが実用化されている。このアクチュエータでは、モータを駆動することにより、バルブを開弁すると同時に閉弁用のばねを巻き上げ、全開になるとストッパーによりモータを拘束・停止させ、全開でバルブを保持するようになっている。一方停電になると、モータへの通電が絶たれるので、巻き上げたばねの復元力によりバルブは閉弁となる。従来、この種モータとしては、構造が簡単で丈夫かつ保守点検が容易なリアクションモータが使用されている。このモータは、ロータの表面にステータと同極数の突極を設け、その反作用トルクによって同期速度で運転するブラシレス同期モータである。例えば特許文献１には、励磁コイルを有するステータと、励磁コイルの回転磁界により同期駆動される永久磁石ロータと、それと同軸に一体形成された駆動ギアと、ロータと一体にその軸線から放射状に突出された係合突子と、ステータに設けられ、駆動歯車に噛み合わされかつ複数の減速歯車を有する減速歯車機構と、減速歯車機構の最終段の減速歯車に取付けた出力軸と、減速歯車機構の最終段の減速歯車と同軸的に所定角度回動自在に設けられかつ係合突子の回転軌跡内に進入退出自在にされた回転方向規制板と備えた小型同期電動機が記載されている。この同期モータを使用する場合、リミットスイッチでバルブが全開になったことを検出し、モータへの通電を中止することが行われていた。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６３−５５３０１号公報（第２−３頁、図３〜図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアクチュエータによれば、全開保持時には、モータに絶えず駆動電流が流れるので、モータが発熱し、このため大きな電力が消費されるという問題がある。非通電時に大きな保持トルクをもつモータ（例えば保磁力の大なる磁石を備えたリアクションシンクロナスモータあるいは保持トルクの大きなＤＣモータ）を使用することにより、全開保持時のモータ駆動電流を低減することが可能となる。しかしこのようなモータを使用した場合でも、バルブが全開になったことを検出し、モータへの通電を断つための機械的な開弁検出手段（例えばリミットスィッチ）を設ける必要があるので、アクチュエータの大型化及びコスト増加を招来するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は上記の問題点を解消して、簡単な構造で、開弁保持時の消費電力を少なくできる遮断弁用アクチュエータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の遮断弁用アクチュエータは、遮断弁の流路を閉じる方向に回転トルクが付与されている作動シャフトと、前記回転トルクに抗して前記作動シャフトを駆動する直流モータと、前記作動シャフトと前記直流モータを連結する動力伝達手段を有する遮断弁用アクチュエータにおいて、前記動力伝達手段は、前記直流モータの出力軸に連結され、円周方向に複数の爪を有する平歯車とその爪と係合する複数の爪を有するピニオン歯車と、前記ピニオン歯車を前記平歯車に対して進退自在に駆動する電磁駆動手段を含むクラッチ部と前記ピニオン歯車の回転を前記作動シャフトに伝達する歯車減速機構を備えるとともに、前記遮断弁の開弁により前記直流モータが停止した時に前記直流モータで消費される保持電流を減少させる自己電流制御部材を有することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、前記駆動回路は前記ＰＴＣ部材と並列に接続されたバイパス抵抗を有することが好ましい。
【０００８】
本発明によれば、開弁保持時の消費電力を低減することができる。またアクチュエータの小型化及び簡素化を達成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の詳細を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係わる遮断弁用アクチュエータの断面図、図２はモータの駆動回路の一例を示すブロック図、図３（ａ）は図１の平歯車の断面図、図３（ｂ）は同底面図、図４（ａ）は図１のピニオン歯車の平面図、図４（ｂ）は同断面図、図５（ａ）はクラッチ噛み合い時の図１のＡ部の拡大図、図５（ｂ）は噛み合い時のクラッチの斜視図、図６（ａ）はクラッチ切断時の図１のＡ部の拡大図、図６（ｂ）は切断時のクラッチの斜視図である。
【００１０】
図１に示すアクチュエータ１００は、流体の流れを調節するボールバルブ１と、バルブを開閉する動力を与える直流モータ２と、モータの出力をバルブに伝達する動力伝達機構３を有する。ボールバルブ１は、流体流入口１２及び流体流出口１３を有するバルブ本体１１と、バルブ本体１１に内装されたリング状の弁座シート１４と、弁座シート１４に装着され、流体通路が形成された球状部材１５と、球状部材１５に嵌合する開閉シャフト１６と、開閉シャフト１６を駆動する駆動シャフト１８を含む。駆動シャフト１８には、ばね座７３が固定され、ばね座７３とバルブ本体１との間にねじりコイルばね７４が介装されている。駆動シャフト１８は、両端部が軸受７２−１、７２−２及びばね座７３に支持され、上部に駆動歯車７５が固定されている。１７はＯリングである。
【００１１】
直流モータ２は、上ベース１９ａと下ベース１９ｂとボルト２０ａ、２０ｂを含む締結部材で組立てられたケース１９の上面に固定され、動力伝達機構３はケース１９の内部に組み込まれている。直流モータ２は、例えば、磁束を通す鉄心と、電流を通ずる巻線と、外部から供給される直流電流を回転と同期した交流に変換する整流子及びブラシと、ロータマグネットと、これらを支持する構造部から構成される。この直流モータは、整流子とブラシの定期的な保守点検は必要であるが、速度制御が容易で、効率が高くまたトルク効率が良いという利点があるので、本発明の用途に好適である。
【００１２】
直流モータ２の駆動回路は、図２に示すように構成されている。直流モータ２は、モータ（Ｍ）に直列に接続されたＰＴＣ素子８１とＰＴＣ素子８１と並列に接続したバイパス抵抗８２を含む駆動回路８０と、外部に設けられたスイッチ（またはリレー接点）８３を介して直流電源８４に接続されている。ＰＴＣ素子８１は、正の抵抗温度係数を示すもので、一定の温度になると抵抗値が急激に増大し、電流を大幅に低減するという自己電流制御作用をもつ材料（例えばセラミックや高分子材料）で形成される。またバイパス抵抗８２は比較的高抵抗値の抵抗が選ばれ、ＰＴＣ素子８１が高抵抗となった時、バイパス抵抗８２を通し、わずかな電流がモータ２に流れるようにしている。
【００１３】
動力伝達機構３は、クラッチ４及び歯車減速機構６を含む。クラッチ４は、直流モータ２の出力軸２１に固定されたピニオン歯車２２と噛み合う、軸４１に回転自在に装着された平歯車４２と、軸４１の周囲に回転自在に装着されたピニオン歯車４３を有する。ピニオン歯車４３は圧縮コイルばね４４により平歯車４２から離間する方向に付勢されており、圧縮コイルばね４４を介して平歯車４２に対して接離自在に配置されている。軸４１の上端部は上ベース１９ａに軸支され、その下端部は、励磁コイル５１を有するソレノイド５のプランジャー５２に連結されている。平歯車４２は、図３に示すように軸孔４２ａの周囲に放射状に形成された複数の爪４２ｂと複数の溝４２Ｃを有し、爪４２ｂと溝４２Ｃは円周方向に交互に並ぶように構成されている。また図４に示すように、ピニオン歯車４３の軸孔４３ａの周囲にも、爪４２ｂと同数の爪４３ｂ及び溝４３Ｃが形成されている。平歯車４２とピニオン歯車４３は、ソレノイド５に通電した時に圧縮コイルばね４４が圧縮されて両歯車の爪と溝が噛み合うように配設される。
【００１４】
歯車減速機構６は、ピニオン歯車２２、平歯車４２及びピニオン歯車４３と、スパーギアとピニオンギアを有する減速歯車６１、６２、６３とを含み、各減速歯車は、上ベース１９ａ及び下ベース１９ｂに支持された軸６１ａ、軸６２ａ、軸６３ａに回転自在に設けられている。従ってピニオン歯車２２と平歯車４２、ピニオン歯車４３と減速歯車６１のスパーギア、減速歯車６１のピニオンギアと減速歯車６２のスパーギア、減速歯車６２のピニオンギアと減速歯車６３のスパーギア、減速歯車６３のピニオンギアと駆動歯車７５が各々噛み合うことにより、５段の減速が行われる。
【００１５】
上記のアクチュエータの動作は次の通りである。開弁時は、図２のスイッチ８３をＯＮして、モータ２とソレノイド５に通電することにより、ピニオン歯車４３はソレノイド５により持ち上げられる。ここで図５（ａ）（ｂ）に示すように圧縮コイルばね４４が圧縮されてピニオン歯車４３の爪４３ｂと平歯車４２の爪４２ｂが噛み合うことにより、クラッチ４が接続される。この状態で、モータ２は開弁方向に回転するとともに、ねじりコイルばね７４が巻き上げられて、図１に示すようにバルブ１は全開となる。バルブ１が全開となった時に、図示しないストッパーに突き当たり、モータ２は停止・拘束する。モータ２が拘束することで、モータに流れる駆動電流が急激に増大する。電流値の上昇に伴い、駆動回路８０に組み込まれたＰＴＣ素子８１が自己発熱して、抵抗値が急激に増大し、電流が低減し、自己発熱と放熱とのバランスがとれる値まで電流値が低下する。またこの時、バイパス抵抗８２を通しモータ２にわずかな電流が流れ、モータ２には、ＰＴＣ素子８１を通して流れる電流とバイパス抵抗８２を通して流れる電流によってモータ２には電流値に見合うトルクが発生しており、このトルクがねじりコイルばね７４の逆転トルクを保持することになる。バイパス抵抗８２はＰＴＣ素子８１を通して流れる電流だけでは所定の保持トルクが得られない場合、その保持トルクを得るのに必要な電流を補うようにその抵抗値が決定される。従ってＰＴＣ素子８１を通して流れる電流の値によっては、バイパス抵抗８２を省略することができる。図２の駆動回路によれば、このようにして開弁保持時の消費電力を低減することができる。
【００１６】
一方バルブを閉じる場合は、図２のスイッチ８３をＯＦＦにして、モータ２とソレノイド５を非通電とすることにより、圧縮コイルばね４４の復元力が作用してピニオン歯車４３の爪４３ａと平歯車４２の爪４２ａとの係合が外れ、図６に示すようにクラッチ４を切断することで、モータ２と動力伝達機構３との縁が切れ、ねじりコイルばね７４の復元力により、ボールバルブ１は閉弁となる。
【００１７】
上記の開弁動作を行うためには、常時ソレノイド５に通電し、クラッチ４を接続した状態とする必要があるが、クラッチ４は動力伝達機構３の１段目近傍に設けられているので、小さな推力でクラッチ４を接続することができる。本実施の形態によれば、開弁保持時にモータに流れる電流が抑制され、さらにクラッチを接続するために必要な電流も低減できるので、開弁保持時にアクチュエータで消費される電力を低減することができる。
【００１８】
【実施例】
図２に示す駆動回路を備えた図１に示すアクチュエータを２５〜９５℃の周囲温度の下で駆動した場合のモータの電流値と通電時間との関係を図７に示す。また比較のために、図２の駆動回路８０からＰＴＣ素子８１を外した場合のモータの電流値の変化を同じく図７に示す。図７から、２５℃の周囲温度でＰＴＣ素子８１がない場合は、モータ２の拘束によって保持電流値は、３０８ｍＡになるのに対し、ＰＴＣ素子８１を使用することで、保持電流値は４７ｍＡまで低減できることがわかる。即ち本発明によれば、消費電流を２６１ｍＡも低減できることがわかる。また図７から、本発明によれば、６０℃及び９５℃といった高温の周囲温度でも保持電流値を低減できることがわかる。
【００１９】
図８は、図２のバイパス抵抗８２の抵抗値を変化させた場合の電流値と周囲温度との関係を示す図である。また比較のためにバイパス抵抗８２を外した場合の電流値の変化を同じく図８に示す。図８から、バイパス抵抗８２が無い場合は、周囲温度が約４３℃を超えるとねじりコイルばね７４からの逆転トルクを保持するために必要な最低保持電流（本実施例では２６．７ｍＡ）が得られないが、バイパス抵抗８２の値が１．０〜１．８ＫΩの範囲ではそれよりも高い周囲温度の下でも最低保持電流を維持できることがわかる。但しバイパス抵抗８２の抵抗値が低くなるとモータ電流値が増加し、抵抗値が高くなるとモータ電流値が減少するとするので、本実施例の場合は、バイパス抵抗８２の値を１．５ＫΩに設定することにより、少ない消費電力で広い温度範囲にわたってねじりコイルばね７４からの逆転トルクを保持できることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上に記述の如く本発明によれば、モータの駆動回路にＰＴＣ素子などの自己電流制御部材を組み込みこと及びクラッチ機構を歯車減速機構の初段近傍に設けることにより、モータに流れる駆動電流を減少させることができ、もって開弁保持時の消費電力を低減することができる。また本発明によれば、クラッチ機構がコンパクトになるので、アクチュエータの小型化及び簡素化を達成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる遮断弁用アクチュエータの断面図である。
【図２】本発明のモータの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図３】図１の平歯車の断面図｛（ａ）｝、同底面図｛（ｂ）｝である。
【図４】図１のピニオン歯車の平面図｛（ａ）｝、同断面図｛（ｂ）｝である。
【図５】クラッチ噛み合い時の図１のＡ部の拡大図｛（ａ）｝、噛み合い時のクラッチの斜視図｛（ｂ）｝である。
【図６】クラッチ切断時の図１のＡ部の拡大図｛（ａ）｝、図６（ｂ）は切断時のクラッチの斜視図｛（ｂ）｝である。
【図７】モータ電流値と通電時間との関係を示す図である。
【図８】モータ電流値と周囲温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１００：アクチュエータ
１：ボールバルブ
１１：バルブ本体
１２：流入口
１３：流出口
１４：弁座シート
１５：球状部材
１６：開閉シャフト
１７：Ｏリング
１８：駆動シャフト
１９：ケース
１９ａ：上ベース
１９ｂ：下ベース
２：直流モータ
２１：出力軸
２２：ピニオン歯車
３：動力伝達機構
４：クラッチ
４１：軸
４２：平歯車
４２ａ：爪
４２ｂ：溝
４３：ピニオン歯車
４３ａ：爪
４３ｂ：溝
４４：圧縮コイルばね
５：ソレノイド
５１：励磁コイル
５２：プランジャー
６：歯車減速機構
６１：減速歯車
６１ａ：軸
６２：減速歯車
６２ａ：軸
６３：減速歯車
６３ａ：軸
７１：軸受
７２−１：軸受
７２−２：軸受
７３：バネ座
７４：ねじりコイルばね
７５：駆動歯車
８０：駆動回路
８１：ＰＴＣ素子
８２：バイパス抵抗
８３：スイッチ
８４：直流電源

Claims (2)

1. 遮断弁の流路を閉じる方向に回転トルクが付与されている作動シャフトと、前記回転トルクに抗して前記作動シャフトを駆動する直流モータと、前記作動シャフトと前記直流モータを連結する動力伝達手段を有する遮断弁用アクチュエータにおいて、前記動力伝達手段は、前記直流モータの出力軸に連結され、円周方向に複数の爪を有する平歯車とその爪と係合する複数の爪を有するピニオン歯車と前記ピニオン歯車を前記平歯車に対して進退自在に駆動する電磁駆動手段を含むクラッチ部と、前記ピニオン歯車の回転を前記作動シャフトに伝達する歯車減速機構を備えるとともに、前記遮断弁の開弁により前記直流モータが停止した時に前記直流モータで消費される保持電流を減少させる自己電流制御部材を有するモータ駆動回路を備えたことを特徴とする遮断弁用アクチュエータ。
2. 前記モータ駆動回路は前記ＰＴＣ部材と並列に接続されたバイパス抵抗を有することを特徴とする請求項１記載の遮断弁用アクチュエータ。

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