JP2009115220A - 電動コントロール弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで、信頼性の高い電動コントロール弁を提供する。
【解決手段】 流路を開閉する弁体２３を有するボール弁２と弁体２３にそれと同軸に連結された出力軸３１を駆動するモータ５を含む電動操作ユニット３とを備えた電動コントロール弁１において、電動操作ユニット３は、出力軸３１を機械的に制限される角度範囲よりも狭い有効角度範囲で回転させる制御回路８を支持するプリント基板７と、出力軸３１に直結されて有効角度範囲を定める全開位置および全閉位置を含む弁体２３の開度を検出してするポテンショメータ９とを有するとともに、制御回路８は現在開度と目標開度との差に基づいてモータ５の回転方向を判定する比較回路８４を有する。

【選択図】 図３

Description

本発明は、流量を連続的に制御するバルブの弁体を電動モータで駆動する電動コントロール弁に関する。

配管内を流れる流体の流量を調整するために、流路に直角な回転軸を持つ弁体を回転させることで流路の断面積を連続に変化できるバルブと、前述弁体の位置を回転移動させる電動モータと、前述電動モータを制御する制御回路とを備えた電動コントロール弁が使用されている。この電動コントロール弁においては、弁体の全開、全閉位置を検出するリミットスイッチ、および弁体の開度を連続して検出するポテンショメータを設けることにより、全開、全閉位置信号、および連続した中間開度信号は、モータの回転、停止および回転方向をコントロールする制御回路に入力され、制御回路は外部から入力された信号に従いモータを駆動し、所定の位置まで弁体を回転移動させて流路の断面積を変化させ、希望する流量を得ることが一般的に行われている。

例えば特許文献１には、制御弁（バルブ）の開度を制御する全開位置用リミットスイッチ（外部インターロック用と電動機のオーバーラン防止用）および全閉位置用リミットスイッチ（外部インターロック用と電動機のオーバーラン防止用）と、電動機の動作信号を検出するポテンショメータと、ポテンショメータおよびリミットスイッチの動作位置の相互関係を監視し、かつ制御異常発生前にポテンショメータおよびリミットスイッチの位置ずれを検出するチェック回路を設けた電動弁の開度制御装置が記載されている。

また特許文献２には、駆動用電動モータの回転を歯車装置および歯車列を介してバルブ駆動用出力軸に伝達し、出力軸の回転位置あるいはバルブの開度情報を与えるためのポテンショメータの軸まわりに、バルブの全開位置および全閉位置を与えるためのリミットスイッチ機構を設けるとともに、出力軸とポテンショメータとを連結する一対の歯車の歯車比を変更して、９０°回転式バルブおよび多回転式バルブ用に共用し得るようにした電動アクチュエータが記載されている。

特開昭６０−１７１５０８号公報（第２頁、図３） 特開平５−１４１５５８号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１および特許文献２に記載された電動コントロール弁は、バルブの弁体を駆動する出力軸の周囲に全開用および全閉用リミットスイッチを設け、さらにポテンショメータを設けるという複雑な機構となっているので、コストを低減することが困難である。コスト低減のために、単純にリミットスイッチを省略し、ポテンショメータのみで弁体を制御させる場合、信頼性が低下するという問題がある。電気的なリミットスイッチではなく、出力軸が制御範囲を超えて回転したとき、回転を機械的に制限する機械的ストッパを設けることで、弁体位置が制御範囲から外れることは回避できるが、きわめて頻繁に使用される全開、全閉端にて電動モータが機械的ストッパによって機械的に強制拘束させることは、望ましくない機械的ダメージが発生するし、電動モータの異常発熱を引き起こすという問題がある。

従って本発明の目的は、従来よりも低コストで、信頼性が向上した電動コントロール弁を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の電動コントロール弁は、流路断面積を連続的に可変できる弁体を有するバルブと、前記弁体回転軸を駆動する電動モータと、前記電動モータを制御する制御回路と、弁体位置を検出する機能とを有する電動コントロール弁において、出力軸が全開、全閉端を超えて回転したときに回転停止させるために設けた開側および閉側の機械的ストッパを有し、２つの機械的ストッパの角度範囲を超えて検出できる高信頼性ポテンショメータを有し、機械的に拘束した時にも異常発熱を起こさないインピーダンスプロテクトされたモータを有し、ポテンショ信号（バルブ開度信号）を基に外部信号に従い、電動モータを駆動し弁体を所定角度まで回転させ、希望とするバルブ開度を得るよう制御を行う制御回路を有することを特徴とするものである。

本発明の電動コントロール弁においては、さらに、前記制御回路は、前記全開位置および全閉位置に相当する角度データを記憶する記憶部を有するとともに、前記制御回路は必要に応じて、前記記憶部に記憶された全開位置および全閉位置に対応する角度データを、前記ポテンショメータで検出された現在開度に基づいて書き換える動作を実行できるように構成する。

本発明においては、前記ポテンショメータは、前記制御回路基板に実装することが好ましい。

本発明によれば、バルブの弁体を駆動する出力軸の周囲に全開位置検出用リミットスイッチおよび全閉位置検出用リミットスイッチを設ける代わりに、バルブの開度を検出するポテンショメータのみにより電動モータを制御するのでコスト低減を図ることができる。

また制御回路に全開位置および全閉位置に相当する角度データを記憶するとともに、制御回路が電動モータを回転中にもかかわらず出力軸の停止を検出した際に、その時のポテンショ信号（バルブ開度信号）が許容閉端範囲、もしくは許容開端範囲内であれば、ノイズなどに起因して前記記憶部の記憶内容に異常が発生して出力軸が機械的ストッパにて停止していると判断し、前記記憶部の全開位置もしくは全閉位置に相当する角度データを修正することでバルブ開度を再度所望の値に制御することが可能となり、信頼性をさらに向上することができる。

またポテンショメータを制御回路基板に実装することにより、簡素で単純な機械構成、配線を実現でき、なお、ギアなどを介さず出力軸とポテンショメータを直結することにより、バックラッシュが少なくなり弁体角度の計測精度を大幅に改善することができる。

また何らかの理由により、出力軸が機械的ストッパまで回転し、電動モータが強制的に停止、拘束されるようなことがあっても、インピーダンスプロテクトされた電動モータなので異常発熱することはないし、機械的ストッパ角度を超えて角度を検出できるポテンショメータの信号により、制御回路は弁体の異常停止を認識し即座に電動モータへの通電を中止することができる。弁体が機械的ストッパまで回転することは前記記憶部の全開、全閉角度記憶内容に異常が生じているので、前述の方法で前記記憶部の全開、全閉角度記憶内容を修正し、次回からは機械的ストッパまで過大に回転することは避けることができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる電動コントロール弁の断面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は機械的ストッパの位置を示す図、図４は本発明の実施の形態に係わる電動コントロール弁の構成を示すブロック図、図５は制御動作を示すフローチャート、図６は弁体角度と監視開度の関係を示す図、図７は演算部の詳細を示す図である。

［電動コントロール弁の全体構造］
図１、図２に示す電動コントロール弁１は、配管（不図示）に設置されたボール弁２（バルブ）と、その開閉操作を行う電動操作ユニット３を有する。ボール弁２（二方弁）は、一端から他端に向って流体が流動する本体２１とその内部に固設された一対の弁座２２と、外周面が弁座２２に当接する略球体状の弁体２３と、弁体２３を約９０°の範囲で回転させる弁棒２４を有する。

［電動操作ユニット］
電動操作ユニット３は、一端側（下端）が弁棒２４にそれと同軸に連結された出力軸３１と、複数列の減速歯車６ａ〜６ｅを有する減速部材６を介して出力軸３１を駆動するモータ５と、モータ５の回転方向を制御する制御回路８が設けられたプリント基板７（制御基板）を有するとともに、これらの部材はベース４１とその上端部に装着されたプレート４２とカバー４３とを組み合わせたケース４の内部に収容されている。出力軸３１は、その中間部においてベース４１に設けられた軸受３３及びプレート４２に設けられた軸受３４によりプレート４２に回転自在に支持されている。各減速歯車６ａ〜６ｅは、回転軸に２つの平歯車（大歯車と小歯車）が固定され、回転軸の下端側がベース４１に支持され、また上端側がプレート４２に支持されている。モータ５の回転が各減速歯車６ａ〜６ｅを介して出力軸３１に固定された駆動歯車３２に伝達されることにより、モータ出力は増力されて出力軸３１が回転駆動されるので、弁体の開閉動作を円滑に行うことができる。出力軸３１の周囲には、その回転範囲を所定の角度範囲（αmax−αmin、図５参照）に機械的に規制するストッパ（図３参照）が設置されている。なお、モータとしては、構造が簡単でかつ保守点検が容易な交流モータを使用することができる。

プリント基板７は、プレート４２に立設された複数（例えば２つ）のステイ４４で支持され、出力軸３１はプリント基板７を突き抜けるような長さを有する。出力軸３１の一端側（上端）には、その回転角度を検出してバルブの全開位置および全閉位置を含む現在開度に対応する角度データを取得するためにポテンショメータ９が直結されている。ポテンショメータ９を出力軸３１に直結することにより、バックラッシュが低減され、検出精度を高めることができる。

ポテンショメータ９は、符号を省略するが、絶縁基板の表面に固定された抵抗体とその
両端に電気的に接続された２つの固定側端子と可変側端子とを電気的に分離しうるように
固定し、また抵抗体上を出力軸により回動される可変側端子に電気的に接続した金属製摺
接子を設けることにより、固定側端子と可変側端子との抵抗値を変化させるようにした可
変抵抗器を使用することができる。この可変側端子を制御回路に接続することにより、現
在角度データに応じた電気信号を制御回路８に入力することができる。

（制御回路）
制御回路８は図４に示すように、外部から入力される目標開度を指示する開度指示信号（例えば４〜２０ｍＡの計装信号）を、内部処理のため補正、正規化する正規化回路８１と、ポテンショメータ９から出力された現在開度信号を、内部処理のため、補正、正規化する正規化回路８２と、全閉位置に対応する角度データと全開位置に対応する角度データを記憶する調整記憶テーブル８３（例えばＥＥＰＲＯＭ）と、正規化回路８１から出力された開度指示信号と正規化回路８２から出力された現在開度信号などに基づいてモータの回転、停止、および回転方向を判定する比較回路８４（例えばＣＰＵ）と、その比較結果に基づいて駆動電力をモータ３に供給するドライブ回路８５を備えている。

（制御動作）
上記の制御回路８によれば、例えば図５に示す手順によりバルブ２の開閉が行われる。 まず制御回路８に読み取られた目標とする開度（弁体角度）を指示する開度指示信号とポテンショメータ９で取得された現在の弁体角度に対応する現在開度信号が比較され（ステップＳ１〜Ｓ３）、開度指示信号と現在開度信号が略一致すると判断された場合は、モータ３が停止される（ステップＳ４）。

開度指示信号と現在開度信号が略一致しない場合は、開度指示信号が現在開度信号よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ５）。開度指示信号と現在開度信号との大小関係に応じてステップＳ６〜Ｓ９又はステップＳ１１〜Ｓ１４の動作が実行される。これらの動作手順を図６も含めて説明する。図６では、横軸が弁体の回転角度を示し、縦軸はポテンショメータから出力されるポテンショメータ出力を示す。ポテンショメータ出力は弁体角度の一次関数となる。同図に示すように、弁体は機械的ストッパで規制されるαminからαmaxの角度範囲で回転可能であるが、通常はαc:全閉位置とαo:全開位置の間の弁体有効角度内で制御される。αc:全閉位置とαo:全開位置の各々のポテンショメータ出力であるＲc,Ｒoの値を調整記憶部に記憶しておき、これらの値を基準にして例えば弁体をα１の位置にしたいときはポテンショメータ出力がＲ１となるように電動モータを制御する。

ステップＳ５で開度指示信号＞現在開度信号と判断された場合、モータ６は開弁方向に回転し（ステップＳ６）、次いでステップＳ７で現在開度が変化していないと判断された場合は、ステップＳ８で現在開度（Ｒstop_o）が許容開端範囲内か否かが判断される。現在開度（Ｒstop_o）が許容開端範囲内の場合には、ステップＳ９でテーブルに記憶されたＲo:全開位置をその現在開度（Ｒstop_o）にＲoff_o角度分引算した角度に修正する。ステップＳ７で現在開度が変化していると判断された場合は最初のステップに戻る。またステップＳ８で現在開度（Ｒstop_o）が許容開端範囲内でないと判断された場合には、モータ、バルブに異常が発生しているとみなし、図示はしていないがモータ停止、異常信号出力などの異常拘束時処理が行われる（ステップＳ１０）。

ステップＳ５で開度指示信号＞現在開度信号でないと判断された場合、モータ６は閉弁方向に回転し（ステップＳ１１）、次いでステップＳ１２で現在開度が変化していないと判断された場合は、ステップＳ１３で現在開度（Ｒstop_c）が許容閉端範囲内か否かが判断される。現在開度（Ｒstop_c）が許容閉端範囲内の場合には、ステップＳ１４でテーブルに記憶されたＲc:全閉位置を現在開度（Ｒstop_c）にＲoff_c角度分加算した角度に修正する。ステップＳ７およびＳ１２で現在開度が変化していると判断された場合は最初のステップに戻る。またステップＳ１３で現在開度（Ｒstop_c）が許容閉端範囲内でないと判断された場合には、モータ、バルブに異常が発生しているとみなし、図示はしていないがモータ停止、異常信号出力などの異常拘束時処理が行われる（ステップＳ１０）。

なお、比較回路におけるステップＳ３以降の処理は、複数のデジタルＩＣを組み合わせたデジタル回路を使用することにより行うことができる。例えば図７に示すように、３入力１出力のＡＮＤゲートＩＣ１およびＩＣ２を使用し、ＡＮＤゲートＩＣ１にモータを開方向に駆動中であるときに発生する信号（Ｐ１）と、現在開度が許容開端位置のときに発生する信号（Ｐ２）と、現在開度が変化してないときに発生する信号（Ｐ５）を入力することにより、全ての信号がＨレベルの場合にのみ、全開位置記憶値をＲ２に修正する信号が出力される。またＡＮＤゲートＩＣ２にモータを閉方向に駆動中であるときに発生する信号（Ｐ３）と、現在開度が許容閉端位置のときに発生する信号（Ｐ４）と、現在開度が変化してないときに発生する信号（Ｐ５）を入力することにより、全ての信号がＨレベルの場合に、全閉位置記憶値をＲ２に修正する信号が出力される。なお、比較回路におけるステップＳ３以降の処理はＣＰＵでのプログラム動作により実現することもできる。

本発明は、上記の構造に限らず種々の変更が可能である。例えばボール弁以外のバルブにも適用することができる。

本発明の実施の形態に係わる電動コントロール弁の断面図である。 図１をＡ方向から見た矢視図である。 機械的ストッパの位置を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる電動コントロール弁の制御ブロック図である。 本発明の実施の形態に係わる電動コントロール弁の制御動作を示すフローチャートである。 弁体開度と監視開度の関係を示す図である。 制御動作の詳細を示す図である。

符号の説明

１：電動コントロール弁、
２：バルブ、２１：本体、２２：弁座、２３：弁、２４：弁棒
３：操作ユニット、３１：出力軸、３２：駆動歯車、３３、３４：軸受、
４：ケース、４１：ベース、４２：プレート、４３：カバー、４４：ステイ、
４５：閉側機械的ストッパ、４６：開側機械的ストッパ、
５：モータ、６：減速部材、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ：減速歯車、
７：プリント基板、８：制御回路、８１，８２：正規化回路、８３：調整記憶テーブル、８４:比較回路、８５：モータドライブ回路、９：ポテンショメータ

Claims (3)

1. 弁体を回転することで流路の断面積を連続して変化できるバルブと、前記弁体の回転軸に連結された出力軸を駆動するモータを含む電動操作ユニットとを有する電動コントロール弁において、前記電動操作ユニットは、前記出力軸を機械的に規制される角度範囲よりも狭い有効角度範囲内で回転させる制御手段を有する制御基板と、前記出力軸に直結されて前記有効角度範囲を定める全開位置および全閉位置を含む前記弁体の現在開度を検出するポテンショメータを有し、前記制御手段は前記現在開度と目標開度との差に基づいて前記モータの回転方向を判定する演算部を有することを特徴とする電動コントロール弁。
2. 前記制御手段は、前記全開位置および全閉位置に相当する角度データを記憶する記憶部を有するとともに、前記演算部は、前記記憶部に記憶された角度データが消失した際に、前記ポテンショメータで検出された現在開度に基づいて前記全開位置および全閉位置に相当する角度データに書き換える動作を実行することを特徴とする請求項１に記載の電動コントロール弁。
3. 前記ポテンショメータは、前記制御基板上に実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動コントロール弁。