JP2011094794A - 流量制御弁および高温の金属ストリップまたは金属プレートの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度及び正確さに関して優れた流量制御弁を提供する。
【解決手段】流体導管を形成するハウジングと、ハウジング内を流れる流体に最大インピーダンスを与える第１の位置と導管内を流れる流体に最小インピーダンスを与える第２の位置との間で移動可能な隔壁と、軸を介して、隔壁を、前記第１の位置、第２の位置および第１の位置と第２の位置との中間の位置に動かすことができる空気圧式アクチュエータと、入力電気信号に比例し少なくとも２つの流路間で切換え可能な空気流を空気圧式アクチュエータに供給する空気圧比例弁と、隔壁の位置を表すフィードバック信号を発生する手段と、前記フィードバック信号と必要な隔壁位置によって決まる基準信号とを受信し、空気圧比例弁に制御信号を供給するコントローラとから構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、弁による正確かつ迅速な流体流量の制御に関する。本発明は、特に、高温の金属ストリップまたは金属プレートの冷却中における水流量の制御に有用であるが、流体流量の正確かつ迅速な制御が必要とされる他の領域にも用途が見出される。

産業界で用いられる極めて一般的なタイプの弁は図１に例示のバタフライ弁である。弁１の本体はパイプ内でフランジ間に締結される。バタフライとして知られる回転可能な隔壁２が軸３によって回転し、弁、従ってパイプを通る流れを制御する。

軸３を作動させる最も一般的な方法は空気圧を利用することである。図２には、典型的な設備が例示されている。バタフライ弁の軸は、継手５によって空気圧式アクチュエータ４に結合されている。

多種多様なタイプの空気圧式アクチュエータが市販されているが、図３には典型的な設計が例示されている。ピストン６，７は、チャンバ８，９，１０内の空気圧によって移動する。チャンバ９，１０内の空気圧によってピストンにかかる力が、チャンバ８内の空気圧によってピストンにかかる力より強い場合には、ピストンは閉位置に向かって移動する傾向にあり、その逆もまた同様である。ピストンの移動が軸に伝達されると、ラック１１，１２とピニオン１３（明瞭にするためピニオンの歯は省略されている）によって弁が作動する。

弁がただ単に流れのオンオフ制御のためだけに用いられる場合、アクチュエータチャンバ８，９，１０への空気圧は、例えば電磁操作式空気圧弁を用いて切り替えることが可能である。

しかしながら、流量制御に弁を利用するためには、バタフライの位置を制御することが必要になる。バタフライの位置を制御する最も一般的な方法は、ポジショナとして知られる電空装置を利用することである。多種多様な設計のポジショナが市販されているが、図４及び５には典型的な設計が例示されている。図４には、ポジショナ１４がアクチュエータ４に通常どのように取り付けられるかが示されている。

図５には、ポジショナの典型的な内部構成が例示されている。このユニットは、Ｉ−Ｐ（すなわち、電流−圧力）変換器（不図示）を含んでいる。これは、電流入力信号（一般に４〜２０ｍＡ）を受信して、電流入力信号に比例した空気圧を発生する。Ｉ−Ｐ変換器からの空気圧はダイヤフラム１５に作用する。これが制御力である。ダイヤフラムの他方の側には、フィードバックバネ１６と、スプール１８に取り付けられたバランスアーム１７がある。Ｉ−Ｐ変換器からの空気圧が増大すると、ダイヤフラム１５がフィードバックバネ１６に抗して下がる。これによって、バランスアーム１７、従ってスプール１８が移動する。スプールが移動するとポートが開き、アクチュエータの一方の側に空気を流入させ、アクチュエータの他方の側から流出させる。

スピンドル１９及びカム２０がフィードバック機構を形成している。スピンドル１９はアクチュエータ軸の延長部に結合され、アクチュエータが動くと、スピンドル１９も動く。スピンドルが回転すると、カム２０が回転し、それによって、次には下方アーム２１が上昇し、フィードバックバネ１６からダイヤフラム１５への力が増大する。下方アーム２１は、バネ３１または他の適切なバイアス手段によってカム２０に抗してバイアスがかけられている。フィードバック力が制御力とバランスすると、ダイヤフラム１５及びバランスアーム１７はゼロ位置に戻って、スプール１８が閉じ、アクチュエータの動きが停止する。異なるカム２０を用いて、（弁の位置）対（基準信号）に関する異なる特性曲線を生じさせることが可能である。

ポジショナの詳細設計は異なる供給業者間でさまざまであるが、一般的原理は、機械空気力の増幅を利用して、主スプール１８を作動させ、弁位置の機械的フィードバックを利用するという点において類似している。

多くの目的で、上述の先行技術による設計は満足のいくものであるが、数多い問題としては下記の点が挙げられる。
● 弁の応答時間が、極めて非線形になりがちであり、大きい動きに関しては一般にＯＫであるが、極めて小さい動きに関しては極めて不十分である。
● 応答時間が、弁の開放動作と閉鎖動作とで異なる傾向がある。
● 弁の位置制御が、機械的フィードバック構成と小さい動きに関する不十分な応答とのためにかなりのヒステリシスを持つ傾向がある。
● ポジショナのゼロ点調整及びスパン調整が多大の時間を要し、時間経過につれてドリフトする傾向がある。

先行技術の設計に関する他の問題は、応答速度と正確さとの要件が相反することである。弁から高速応答を得るには、小形アクチュエータ（すなわち、比較的直径の小さいピストンを備えたアクチュエータ）を用いて、ポジショナからの所定の空気流によって弁の高速動作を生じさせなければならない。あいにく、小形アクチュエータを用いると、限られたアクチュエータ力しか利用できず、正確な動作を実現するのが困難になる。逆に、弁の正確な位置決めを実現するには、大形アクチュエータを用いて、ポジショナからの空気流によって弁の小さい動きだけを生じるようにすることが可能になる。

先行技術には、電子位置フィードバック装置が組み込まれているかまたはアドオン方式で利用可能なポジショナの例が数多く存在する。しかしながら、これらの電子位置フィードバック装置は、弁の閉ループ位置制御には用いられず、一般に監視のためだけに用いられている。

先行技術において、空気圧で作動して位置決めされる弁に関するこれらの問題の解決法は、電気機械作動または油圧作動を利用することだけであった。

ソレノイドまたはステップモータまたは同様の技術を用いた電気機械作動は、小形弁に関して優れた性能を発揮することができるが、適度なサイズのソレノイドまたはステップモータによって発生可能な力は空気圧式アクチュエータによって発生可能な力に比べて小さいので、一般に、大形弁に関しては不可能であるかまたは極めてコストが高くつく。

弁の油圧作動は、作動油の圧縮性が空気よりもはるかに低いので、極めて迅速な応答及び高い正確さを実現することが可能である。しかしながら、油圧ポンプセットに油圧制御弁及びアクチュエータを加えたコストは、空気圧式の場合に比べて大幅に高くなる。

当該技術では、高性能の空気圧式比例弁が知られている − 例えば、Ｎｏｒｇｒｅｎ ＶＰ６０
http://www.norgren.com/virtualpresscentre/pressreleases/itemdetail.asp？ItemID-239

これらの弁は、入力電気信号にほぼ比例した空気流を発生する。一般に、それらは回転速度制御、速度制御等に用いられる。この場合、空気流が電気信号に比例するという事実が、空気圧式モータまたはアクチュエータの速度も電気信号にほぼ比例するであろうということを表わしている。

本発明の課題は、とりわけ応答速度及び正確さに関して先行技術に対する優位性をもたらす流量制御弁および高温の金属ストリップまたは金属プレートの冷却方法を提供することにある。

流量制御弁に関する課題は、本発明によれば、
流体導管を形成するハウジングと、
ハウジング内を流れる流体に最大インピーダンスを与える第１の位置と導管内を流れる流体に最小インピーダンスを与える第２の位置との間で移動可能な隔壁と、
軸を介して、隔壁を、前記第１の位置、第２の位置および第１の位置と第２の位置との中間の位置に動かすことができる空気圧式アクチュエータと、
入力電気信号に比例し少なくとも２つの流路間で切換え可能な空気流を空気圧式アクチュエータに供給する空気圧比例弁と、
隔壁の位置を表すフィードバック信号を発生する手段と、
前記フィードバック信号と必要な隔壁位置によって決まる基準信号とを受信し、空気圧比例弁に制御信号を供給するコントローラと
が含まれることにより解決される。

１つの望ましい実施態様において、フィードバック信号を発生する手段は、位置を測定してその位置を表す電気信号を発生する手段を含む。

他の望ましい実施態様において、位置を測定する手段は、空気圧式アクチュエータと軸との間の継手の隔壁側に取り付けられている。

コントローラは、フィードバック信号、基準信号、及び、制御信号と基準信号との差(差信号)のうちの少なくとも１つの信号の非線形関数である制御信号を送り出すように有利に構成することが可能である。

弁は回転弁とすることが可能であるが、その場合には隔壁は第１の位置と第２の位置との間で回転可能であり、弁は隔壁の角度位置を表すフィードバック信号を発生する手段を含んでいる。

本発明は、特に、高温の金属ストリップまたは金属プレートを冷却するための水の制御に有用である。
高温の金属ストリップまたは金属プレートの冷却方法に関する課題は、本発明によれば、本発明による流量制御弁を設けるステップと、流量制御弁を操作して、前記高温の金属ストリップまたは金属プレートに対する冷却液流の供給を制御するステップとを含むことにより解決される。

次に、付属の図を参照しながら、例によって本発明の説明を行う。なお、本発明はこの例に限定されない。

先行技術による「バタフライ」タイプの流量制御弁を例示した図である。 空気圧式アクチュエータと継手とを含む流量制御弁の設備を表す図である。 先行技術による典型的な空気圧式アクチュエータの機構を例示した図である。 バタフライの位置を制御するために用いられる典型的なポジショナ装置を例示した図である。 バタフライの位置を制御するために用いられる典型的なポジショナ装置を例示した図である。 本発明による流量制御弁を例示した図である。 本発明による流量制御弁に用いられるコントローラのいくつかの出力特性を例示した図である。

本明細書では、当該技術において良く知られている「バタフライ」型の弁に関連して本発明の説明が行われる。それにもかかわらず、当該技術者には明らかなように、本発明は、やはり当該技術において良く知られている例えば「ゲート」型の弁のような他の型の弁、または、流路内の位置と流路外の位置の間における隔壁の移動によって機能する他の型の弁にも適用可能である。

図６を参照すると、弁１は直接または継手５によって弁軸に機械的に結合された従来の空気圧式アクチュエータ４によって作動する。明瞭にするため、アクチュエータの取付けブラケットは省略されている。

空気圧式アクチュエータ４は空気圧パイプによって空気圧比例式弁２２に接続されている。この弁の細部は製造業者及びモデルタイプ間で異なるが、一般特性は、正の制御信号２３によって弁スプールが移動し、空気がＰからＡに流れるが、同時に空気がＢから排気口に流れることである。制御信号２３は一般に誤差信号から導き出されるが、誤差信号はさらに基準信号とフィードバック信号との差から導き出される。フィードバック信号は隔壁位置を表わしている。負の制御信号２３によって、空気がＰからＢに流れるが、同時に空気がＡから排気口に流れる。さらに、弁の開きは制御信号２３にほぼ比例し、信号の大きさが増すほど、空気流量も増す。

２４で示すように、弁にはエンコーダのような角度位置測定装置も取り付けられている。代替構成の場合、角度位置測定装置は２５で示すようにアクチュエータ軸の延長部に取り付けることもできるし、あるいは、２５ａで示すように弁１とアクチュエータ４との間に取り付けることも可能である。位置２４，２５ａには、弁１とアクチュエータ４との間における継手５または他の結合部の隙間が角度位置測定に影響しないという利点がある。

角度位置測定フィードバック装置がコントローラ２６に接続されている。コントローラ２６では、基準位置がフィードバック位置と比較され、基準位置とフィードバック位置との誤差をなくすように弁２２を動かすために、制御信号２３が発生される。

本発明の重要な利点は、コントローラ２６が電子式（一般にはＰＬＣまたは他のマイクロプロセッサベースのコントローラ）であり、従って、弁の性能を改善するために非線形関数を含むことができる点である。図７には概略図が示されている。この簡略化されたバージョンのコントローラは比例ゲイン２７を含み、この比例ゲイン２７は、この例の場合、誤差信号の符号および大きさの関数である非線形関数２８によって修正される。これを利用すると、例えば、小さい誤差（必要な弁設定値と実際の弁設定値との差異）に関するゲインをかなり高くし、大きい誤差に関するゲインを低くすることが可能になり、さらに、例えば、正の誤差と負の誤差とではゲインが異なるようにすることも可能になる。この例のコントローラは、フィードバック信号の変化率の関数である減衰項２９も含んでいる。この減衰項２９も、この場合、フィードバック信号の大きさおよび符号の関数である非線形関数３０によって修正される。

要約すると、本発明は、電子コントローラ及び空気圧比例式の流量制御弁と共に弁位置の電子フィードバックを利用して、バタフライ型の流量制御弁の位置を制御する。コントローラ内の非線形項を利用して、弁の性能（とりわけ、さまざまな大きさの動き及びさまざまな方向の動きに関する応答）が改善される。弁位置に関する電子フィードバック装置を位置２４または２５ａに取り付けることによって、弁とアクチュエータとの間における継手の隙間がフィードバック位置測定に影響しなくなる。

提供される利点には、大きい動きと小さい動き及び逆方向への動きに関するよりばらつきのない応答時間、ヒステリシスの低減、より容易な設定（ゼロ点調整及びスパン調整が電子的に行われる）、ゼロ点またはスパンの無ドリフトが含まれる。

１ 弁
４ 空気圧式アクチュエータ
５ 継手
２２ 空気圧比例式弁
２３ 制御信号
２６ コントローラ

Claims (6)

1. 流体導管を形成するハウジングと、
   ハウジング内を流れる流体に最大インピーダンスを与える第１の位置と導管内を流れる流体に最小インピーダンスを与える第２の位置との間で移動可能な隔壁と、
   軸を介して、隔壁を、前記第１の位置、第２の位置および第１の位置と第２の位置との中間の位置に動かすことができる空気圧式アクチュエータと、
   入力電気信号に比例し少なくとも２つの流路間で切換え可能な空気流を空気圧式アクチュエータに供給する空気圧比例弁と、
   隔壁の位置を表すフィードバック信号を発生する手段と、
   前記フィードバック信号と必要な隔壁位置によって決まる基準信号とを受信し、空気圧比例弁に制御信号を供給するコントローラと
   を含む流量制御弁。
2. 前記フィードバック信号を発生する手段は、位置を測定してその位置を表す電気信号を発生する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の流量制御弁。
3. 前記位置を測定する手段は、空気圧式アクチュエータと軸との間の継手の隔壁側に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載の流量制御弁。
4. コントローラは、前記フィードバック信号、前記基準信号、及び、前記制御信号と前記基準信号との差のうちの少なくとも１つの信号の非線形関数から制御信号を導き出す手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の流量制御弁。
5. 流量制御弁が回転弁であり、隔壁が前記第１の位置と前記第２の位置との間で回転可能であり、流量制御弁が隔壁の角度位置を表すフィードバック信号を発生する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の流量制御弁。
6. 高温の金属ストリップまたは金属プレートを冷却する方法であって、請求項１乃至５の１つに記載の流量制御弁を設けるステップと、流量制御弁を操作して、前記高温の金属ストリップまたは金属プレートに対する冷却液流の供給を制御するステップとを含む高温の金属ストリップまたは金属プレートの冷却方法。