JP2012167686A - 遮断弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、および電圧値の範囲で可動できる遮断弁装置を提案する。
【解決手段】
本発明の遮断弁３０は、回転軸４５を回転させるモータ３１と、回転軸４５に形成したリードスクリュー４６と、このリードスクリュー４６と螺合するためのリードナット４９を有し、回転軸４５の回転に応じて軸方向に移動する、流路を塞ぐための弁体３２とを備え、リードスクリュー４６とリードナット４９とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されており、モータ３１のインダクタンスに対して、該モータに印加する電流が燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、弁体３２を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となるように、リードスクリュー４６のねじ山のピッチ間隔が設定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置に備えられ該流路を遮断するための遮断弁装置に関するものである。

近年、ガスメータでは、ガスの適正かつ安全な使用態様を確保するために種々の保安機能が備えられている。特に、ガスメータでは、必要に応じて、ガスメータに内蔵された遮断弁によりガスを遮断することができるように構成されている。具体的には、ガスメータに内蔵されたマイクロコンピュータが、流量センサ、地震センサ、圧力センサ、ガス漏れ警報器等のセンシング結果に応じて、異常な状態にあると判断した場合、遮断弁によりガスを遮断する（例えば、特許文献１）。

また、比較的強い閉止力、復帰力を実現でき、非通電時は状態保持が可能なＰＭ型ステッピングモータを駆動源とする遮断弁が注目されており、なかでもロータをガス流路内、ステータをガス流路外とする気密隔壁を持った遮断弁が注目されている。

ところで、既に設置されているガスメータの中には上述した遮断弁を備えないものもある。そこで、このように遮断弁を備えないガスメータに対して、保安機能の面からのみならず、ガス料金不払い者に対するガス供給を停止するために遮断弁を設ける必要性が検討されている。

特開２００３−２０２２５９号公報

しかしながら、ガスメータの中にはガスの入口、流量計測部、出口に至る流路が独立して設けられておらず、入口から入ったガスが一旦、筐体内に解放された後、流量計測部に導入される様に構成されたガスメータがあり、このようなガスメータの入口近傍の内部に遮断弁を設ける場合、遮断弁全体がガスに曝されることとなる。つまり、遮断弁の弁体を弁座に対して移動させるために動作するモータにおいて電流が印加される部分（例えばステータ）までもがガス中に配置されることとなる。

したがって、遮断弁は、電流が印可されるステータが流路外になる通常の使用形態以外に、遮断弁全体がガスに曝される形態でも使用することができる構成とすることが求められる。すなわち、ガスの発火を防ぐ点で安全性を確保できる構成とする必要がある。

そこで、ガスの発火を防ぐように構成としては、遮断弁を稼動させるモータから火花がガス中に漏れないように全体をシーリングする構成が考えられる。しかしながら、このような構成の場合、シーリングするために新たな部材等を設けるなど、大きく構成を変更させた遮断弁を別途作成する必要がある。通常の使用形態で利用している遮断弁の構成を大きく変更させることなく遮断弁全体がガスに曝される形態でも利用できる方が製造コストの面で好適である。このため、大きな設計変更なくガスの発火を防ぎ安全性を確保できる遮断弁が求められている。

さらにまた、ガスメータは、内蔵電池で動作しており、電池交換なしでガスメータの交換時期（最大２０年間）まで動作し続ける必要がある。そこで、遮断弁は電池電圧で、かつ発火要因とならない電圧での動作が要求される。

ここで特許文献１に開示された遮断弁を、既設のガスメータに取り付けた場合、印加される電流等が発火要因となる場合があるという問題が生じる。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、および電圧値の範囲で可動できる遮断弁装置を実現することである。

本発明のある形態に係る遮断弁装置は、上記した課題を解決するために、流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置に備えられ、該流路を遮断するための遮断弁装置であって、回転軸を回転させるモータと、前記回転軸に形成した雄ねじ部と、前記雄ねじ部と螺合するための雌ねじ部を有し、前記回転軸の回転に応じて軸方向に移動する、前記流路を塞ぐための弁体とを備え、前記雄ねじ部と雌ねじ部とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されており、前記モータのインダクタンスに対して、該モータに印可する電流が、燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となるように、前記雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が設定されている。

ここで、乾性潤滑皮膜とは、潤滑性を有する固体により形成された膜である。潤滑性を有する固体としては、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト、雲母、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、あるいは軟質金属が挙げられる。

上記した構成によると、雄ねじ部と雌ねじ部とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されているため、この接触面において生じる動摩擦係数を小さくすることができる。また、グリスやオイルなどは酸化などの経年劣化により粘度が増して潤滑性が低下するといった不具合の懸念があるが、潤滑皮膜が乾性であるため、摩擦抵抗を経年劣化することなく小さくする。

また、雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が、モータに印加する電流と該モータのインダクタンスとの関係が燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となるように設定されている。

ここで、モータに印加する電流および電圧、該モータのインダクタンスとの関係が燃料ガス中で爆発を起こさない範囲としては、例えば、ＩＥＣ６００７９−１１:1999, Electrical apparatus for explosive gas atmospheres - Part 11:Intrinsic safety “i”、あるいは日本工業規格等の本質安全防爆の規格を利用することができる。

なお、本質安全防爆とは、正常時及び事故時に発生する火花や高温部によりガスが発火しないことが、公的機関において試験や確認された規格である。つまり、遮断弁の中の回路自身が、ガス（爆発性雰囲気）の環境で爆発を起こす能力がない機器に適用される規格である。

また、弁体を移動させるための推力と、雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔と、動摩擦係数と、モータトルクとは以下の関係にある。すなわち、ピッチ間隔と動摩擦係数とをそれぞれ小さくするとモータのトルクを下げても弁体を移動させるための推力は一定のまま維持することができる。つまり、ピッチ間隔と動摩擦係数とをそれぞれ小さくすることで、モータに印加する電流（および電圧）が小さくなっても弁体を移動させるための推力を維持することができる。

このように、前記ピッチ間隔を適切に設定することでモータに印加する電流および電圧を小さくすることができる。このため、本発明に係る遮断弁装置は、モータに印加する電流および電圧を燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内とすることができる。

よって、本発明に係る遮断弁装置は、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、および電圧値の範囲で可動できるという効果を奏する。

また、本発明の他の形態に係る遮断弁装置は、上記した構成において、前記モータのインダクタンスの値は、５から５０ｍＨであり、前記燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となる前記モータに印加する電流の最大値の範囲は、８０から２５０ｍＡであることが好ましい。

また、本発明の他の形態に係る遮断弁装置は、上記した構成において、前記ピッチの間隔は、０．３から１ｍｍの範囲で設定されることが好ましい。

また、本発明の他の形態に係る遮断弁装置は、流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置に備えられ、該流路を遮断するための遮断弁装置であって、回転軸を回転させるモータと、前記回転軸に形成した雄ねじ部と、前記雄ねじ部と螺合するための雌ねじ部を有し、前記回転軸の回転に応じて軸方向に移動する、前記流路を塞ぐための弁体とを備え、前記雄ねじ部と雌ねじ部とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されており、 前記モータのインダクタンスの範囲が５から５０ｍＨであり、かつモータの内部抵抗の抵抗値の範囲が８から１５Ωであって、前記インダクタンスの範囲、および抵抗値の範囲から、燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲として前記モータに印加する電流の最大値の範囲を、８０から２５０ｍＡに設定するとともに、前記雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が０．３から１ｍｍの範囲に設定されている。

上記した構成によると、モータのインダクタンスの範囲が５から５０ｍＨであり、内部抵抗の抵抗値の範囲が８から１５Ωであるとき、このモータに印可する電流の最大値の範囲を、８０から２５０ｍＡに設定し、雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が０．３から１ｍｍの範囲に設定する構成である。このため、遮断弁装置は、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、電圧値、およびインダクタンスの範囲で可動できるという効果を奏する。

また、本発明の他の形態に係る遮断弁装置は、上記した構成において、前記乾性潤滑皮膜は、前記接触面における雄ねじのねじ山と雌ねじのねじ山との間に形成される間隙部よりも小さい粒径のフッ素樹脂から形成されていることが好ましい。

また、本発明の他の形態に係る遮断弁装置は、上記した構成において、前記モータは、ステッピングモータであって、前記モータにパルス状電流を印加する電流印加手段と、前記電流印加手段によって印加するパルス状電流のパルス数とその周波数を変更して、前記モータの回転速度を変更する変更手段とを備えるように構成されていてもよい。

上記した構成によると、電流印可手段と変更手段とを備えるため、パルス状電流のパルス数とその周波数とを変更してモータに印可することができる。そして、モータの回転速度を変更することができる。

ここで、ステッピングモータは、回転速度が遅いとモータトルクが大きくなり、逆に回転速度が速くなるとモータトルクが小さくなる特性がある。このため、本発明に係る遮断弁装置は、モータの回転速度を自在に変更させることができるため、回転速度の制御により推力をコントロールすることができる。

したがって、本発明に係る遮断弁装置は、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、電圧値、およびインダクタンスの範囲で弁体を移動させるための推力をコントロールすることができる。

本発明に係る遮断弁装置は以上に説明したように構成され、燃料ガス中において発火要因とならない程度の電流値、および電圧値の範囲で可動できるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係るガス計測装置の要部構成の一例を示す概略図である。 図１に示すガス計測装置が備える遮断弁の開弁状態の一例を示す断面図である。 本実施の形態に係るガス計測装置の検定方式の概略の一例を示す図である。 リードスクリューのねじ山をつる巻き線で示した図であって、ねじリード角度を説明するための図である。 ＩＥＣ６００７９−１１の規格において定められたグループIIに属する誘導性回路におけるインダクタンスと最小点火電流との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態を示すものであり、ガス計測装置の要部構成の一例を示す概略図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する。

（ガス計測装置）
まず、図１、２を参照して本実施の形態に係るガス計測装置（流量計測装置）１の構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係るガス計測装置１の要部構成の一例を示す概略図である。図２は、図１に示すガス計測装置１が備える遮断弁の開弁状態の一例を示す断面図である。

本実施の形態に係るガス計測装置１は、燃料ガスを供給するためのガス配管の途中に設置されて、運用時（使用時）には、ガス使用量としてガス流量の積算値を算出するものである。また、ガス流量異常を検出して異常警報を出力したり、ガス流路の遮断を行ったりすることができる。

ガス計測装置１は図１に示すように、入口流路２、遮断部３、出口流路４、膜式流量計測部５、計測装置制御部６、無線アンテナ７、および電池８を備えてなる構成である。なお、ここでガスは、入口流路２からガス計測装置１内部に入って、膜式流量計測部５と連通している出口流路４からガス計測装置１の外部に流出する。

入口流路２は、需要者に供給するガスをガス計測装置１内部に流入させるための円筒状の管であって、図１に示すようにその端部に遮断部３が設けられている。

遮断部３は、無線により外部から受信した指示に応じて、入口流路２を塞ぎ、ガスの流れを遮断する機構である。この遮断部３は、入口流路２の下流側の端部に着脱自在に取り付けられている。また、遮断部３は、図２に示すように、入口流路２の内側に形成された、断面がＯ形の環型をした弁座５０と、該弁座５０の開口５１を塞ぐことで入口流路２内のガスの流れを遮断する遮断弁（遮断弁装置）３０とを備えている。

遮断弁３０は、弁座５０の開口５１よりも入口流路２の上流側に位置し、この開口５１と対向する位置に配置される。そして、遮断弁３０は、計測装置制御部６からの制御指示に基づき、入口流路２を塞ぐように構成されている。この遮断弁３０は、入口流路２に着脱可能となっている。また、遮断弁３０の動力源としてステッピングモータが利用されている。なお、遮断弁３０の詳細な構成と、その動作については後述する。

出口流路４は、需要者に供給するガスをガス計測装置１からその外部に導くための円筒状の管であって、図１に示すように下流側の端部で膜式流量計測部１０と接続され、上流側の端部がガス計測装置１の外部へとつながっている。

膜式流量計測部５は、ガス計測装置１内部におけるガスの流量を計測するものである。図１では特に図示しないが、膜式流量計測部５の内部は、可動式の膜で仕切られている２つの計量室Ａ，Ｂ、クランク、およびバルブで構成されている。そして、バルブの移動によりガスの充填および排出を計量室ＡおよびＢで交互に繰り返し、これらの計量室Ａ，Ｂの容積と動作回数からガスの流量を計測する。このような膜式ガスメータの計量原理は公知の技術であるため詳細な原理説明は省略する。

計測装置制御部６は、ガス計測装置１の各種制御を行うものであり、機能ブロックとして、計測処理部６１、遮断指示部６２、および無線部６３を備えてなる構成である。計測装置制御部６は、電池８から印可される電力により駆動する。

計測処理部６１は、膜式流量計測部５において計測されたガスの流量の計測結果に係る各種処理を行うものである。具体的には、計測処理部６１は、計測したガスの流量を不図示のメモリに記録したり、不図示のメモリに記録した流量を不図示の表示部などに出力したりする。

遮断指示部６２は、無線部６３から受信した通知に応じて、遮断部３における遮断弁３０に対して弁体を閉じるように指示するものである。

無線部６３は、無線アンテナ７を通じて、外部にある無線機と通信を確立するものである。外部の無線機から入口流路２を閉じる旨の指示を受信すると、その指示を遮断指示部６２に通知する。

以上のように、本実施の形態に係るガス計測装置１は、膜式流量計測部５によりガス流量を計測できる。また、外部からの指示により、遮断弁３０は入口流路２を塞ぐことができる。このため、入口流路２を流れるガスを遮断することができるため、ガスが漏れたり、ガスが発火したりするなどの事故を防止することができる。

ところで、本実施の形態に係る遮断部３は、ガス計測装置１に予め内蔵されているものではなく後で取り付けたものである。このため、遮断弁３０において電流が印加される部材（例えば、ステータ３４）を含めて遮断弁３０全体がガスに曝される。それゆえ、遮断弁３０に印加する電流および電圧を、発火要因とならない程度の電流値および電圧値として本質安全防爆で規定されている範囲となるようにする必要がある。また、モータ３１のインダクタンスも本質安全防爆で規定されている範囲となるようにする。なお、本質安全防爆とは、正常時及び事故時に発生する火花や高温部によりガスに点火しないことが、公的機関において試験や確認された規格である。具体的には、欧州規格のＩＥＣ６００７９−１１:1999, Electrical apparatus for explosive gas atmospheres - Part 11:Intrinsic safety “i”、またこの規格に基づき作成した日本工業規格がある。

さらにまた、ガス計測装置１は、内蔵電池で動作しており、電池交換なしでガスメータの交換時期（最大２０年間）まで動作し続ける必要がある。そこで、遮断弁３０は低消費電力で動作可能なものとなる必要がある。

（遮断弁の構成）
以下において、上記した本質安全防爆の規格に適合し、低消費電力で動作可能な構成となる遮断弁３０の詳細な構成について図２から図４を参照して説明する。

遮断弁３０は、図２に示すように、モータ３１と、該モータ３１により駆動されてガスの流れを遮断する弁体３２とを備える。さらにまた、遮断弁３０は、モータ３１と弁体３２との間に、遮断弁３０を入口流路２の側壁に取り付ける際に利用するフランジ部３６、およびモータ３１側から弁座５０側に向かって弁体３２を付勢するスプリング３５も備える。

モータ３１は、弁体３２を可動させるための動力源であり、パルス状電流の入力によって一定角度ずつ回転するステッピングモータである。モータ３１は、図２に示すように、ロータ３３、ステータ３４を備える。

ロータ３３は、軸受け４０、円管状で外周を分極着磁された永久磁石４４、金属性の回転軸４５、およびリードスクリュー（雄ねじ部）４６を備える。

回転軸４５は、弁体３２に向かって永久磁石４４を貫通するように配されており、その一端にリードスクリュー４６が軸受け４０を介して回転自在に支持されている。

回転軸４５およびその端部に設けられたリードスクリュー４６の表面には、乾性潤滑皮膜３７を塗布して摩擦抵抗を低減させる等の表面処理が施されている。ここで、乾性潤滑皮膜３７とは、潤滑性を有する固体により形成された膜である。潤滑性を有する固体としては、例えば、二硫化モリブデン、グラファイト、雲母、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、あるいは軟質金属が挙げられる。本実施の形態に係る遮断弁３０では、粒径が４ミクロン程度のフッ素樹脂からなる乾性潤滑皮膜３７が塗布される。

なお、この乾性潤滑皮膜３７は、上述したようにリードスクリュー４６だけに塗布するのではなく、該リードスクリュー４６と螺合する、弁体３２に形成されたリードナット（雌ねじ部）４９に塗布されていてもよい。リードスクリュー４６とリードナット４９とが摺動する接触面に乾性潤滑皮膜３７が形成されていればよい。

また上述のように摩擦抵抗を下げるためには、本実施形態に係る乾性潤滑皮膜３７ではなくグリスなどの潤滑剤も考えられるが、以下の理由により本実施形態では乾性潤滑皮膜を利用する。すなわち、本実施の形態に係る遮断弁３０は、通常では全く動作することなく放置されている。これは、異常状態となるような事態の発生頻度が少ないからである。しかしながら、長期間放置されていた状態であっても、異常状態を検知した場合は、適切に遮断弁３０は動作する必要がある。そこで、長期間の放置により固着する可能性のあるグリスなどの液状の潤滑剤より、上述したような乾性潤滑皮膜３７の方が好適なのである。

また、雄ねじとなるリードスクリュー４６は、上述のように金属で構成されており、一方、雌ねじとなるリードナット４９が形成されている弁シート保持部４８は、後述するが、合成樹脂から構成されている。つまり、リードスクリュー４６とリードナット４９とは線膨張係数が異なる材料で構成されており、温度変化時に伴う長さ変化の割合の違いから両者の摺動部分がロックしてしまう可能性がある。

そこで、温度変化時にロックして動かなくなることを防止するために、リードスクリュー４６を構成する材質とリードナット４９を構成する材質とが、遮断弁３０の用途として通常想定される材料の範囲でいかなる組合せであってもロックしないように、図３（ａ）に示す最小隙間（間隙）が設定されている。そして、本実施の形態に係る乾性潤滑皮膜３７として、フッ素樹脂を用いる場合、フッ素樹脂の粒径がこの最小隙間よりも小さくなるもの（具体的には４ミクロン以下のもの）を採用する。図３（ａ）、（ｂ）は、本実施の形態に係る遮断弁３０が備えるリードスクリュー４６とリードナット４９との螺合状態を模式的に示す図である。この図３（ａ）、（ｂ）では、説明の便宜上、リードスクリュー４６とリードナット４９とが螺合している部分の一部を拡大し、模式的に示している。また、図３（ｂ）では、リードスクリュー４６とリードナット４９との間隙に乾性潤滑皮膜３７が塗布された状態の一例を示す。

ステータ３４は、ロータ３３の外周に配され、該ロータ３３と相互作用して回転モーメントを発生させる固定子である。ステータ３４は、コイル４１、外電磁ヨーク４２、および内電磁ヨーク４３を備える。

コイル４１は、糸巻き状のコイルボビンに導線が巻線された励磁コイルである。ステータ３４では、外電磁ヨーク４２と内電磁ヨーク４３とがコイル４１に周設されている。すなわち、コイル４１を挟み込むような配置で、ステータ３４の外側に外電磁ヨーク４２が、ステータ３４の内側に内電磁ヨーク４３が設けられている。

弁体３２は、弁シート４７、弁シート保持部４８を備える。この弁体３２は、特に図示しないが、リードスクリュー４６の回転とともに自身も一緒に回転してしまわないように回転防止手段を備えている。すなわち、モータ３１と弁体３２との間には回転軸４５を中心に放射状に突出したフランジ部３６が設けられており、このフランジ部３６には複数の突起部（不図示）が形成されている。一方、弁体３２には、この突起部と係合して、回転軸４５を中心とする回転方向に弁体３２が回転できないようにするスリット状の回転防止手段が形成されている。このため、弁体３２は、回転軸４５の回転に伴いリードスクリュー４６が回転すると、回転することなく回転軸４５（リードスクリュー４６）の軸方向に移動することができる。

弁シート４７は、モータ３１により弁体３２が弁座５０に向かって移動したとき、弁座５０の開口５１を塞ぎガスの流れを遮断するための弁である。弁シート４７は、合成ゴム等の可撓性を有する材質から構成される。弁シート４７は、弁シート保持部４８の、モータ３１が配される側とは反対側の端部、すなわち、弁座５０が設けられている側の端部に設けられる。

弁シート保持部４８は、モータ３１と接合し、弁シート４７を保持するものであり、自己潤滑性を有する合成樹脂により構成される。より具体的には、弁シート保持部４８は、ポリオキシメチレン、ポリテトラフルオロエチレン、カーボングラファイト、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤が付与された合成樹脂により構成される。弁シート保持部４８は、その内部にリードナット４９が形成されており、このリードナット４９とモータ３１のリードスクリュー４６とが螺合することで弁体３２をモータ３１に取り付けることができる。なお、弁体３２は、スプリング３５によって弁座５０側に付勢された状態でリードスクリュー４６の先端部分に取り付けられている。

（遮断弁の動作）
上述した構成を有する遮断弁３０の開閉動作について説明する。なお、遮断弁３０によって入口流路２が塞がれ、ガスの流れが遮断された状態を閉弁状態、入口流路２が開放されており、ガスの流れが遮断されていな状態を開弁状態と称するものとする。

遮断弁３０の駆動機構は、回転軸４５の端部に支持されているリードスクリュー４６と弁シート保持部４８に形成されたリードナット４９とを螺合させることで実現できる構造であり、モータ３１の回転トルクをそのまま弁体３２の推力として使用できる構成となっている。

ここで、無線により外部から入口流路２の遮断指示を受信した場合、計測装置制御部６からの制御指示に応じて、電池８からステータ３４に電流が印加される。すなわち、電池８からステータ３４の各コイル４１に位相差を持ったパルス状電流が印加され、ロータ３３を正回転させる。このロータ３３の回転によりリードスクリュー４６が正方向に回転する。これにより弁体３２がモータ３１側から弁座５０側に前進し、弁シート４７の周端部が弁座５０に当接する。そして、開口５１を弁シート４７で塞ぎ、これにより、入口流路２においてガスの流れを遮断することができる。すなわち、遮断弁３０は閉弁状態となる。

なお、正方向の回転とは、上述したように弁体３２をモータ３１側から弁座５０側へ前進させるロータ３３の回転であり、具体的には、遮断弁３０から弁座５０に向かってみた場合、時計周りとは逆の回転である。

また、遮断弁３０が閉弁状態になり、通電が停止されると、遮断弁３０では、ロータ３３はディテントトルクによって静止しており、また弁体３２は弁座５０にスプリング３５により付勢され、この閉弁状態を保持する。

ところで、計測装置制御部６が、無線により外部からの復帰指示を受信した場合、遮断弁３０に対して開弁状態となるように制御している。

すなわち、計測装置制御部６からの制御指示に応じて、電池から遮断弁３０のステータ３４が備える各コイル４１に位相差をもったパルス状電流が印加される。そして、ロータ３３を逆回転させる。このロータ３３の回転によりリードスクリュー４６が逆方向に回転する。これにより弁体３２が弁座５０側からモータ３１側に移動して、弁座５０の開口部を開く。その後、計測装置制御部６からの指示に応じて電池からの通電が停止される。このように通電が停止された場合であっても、ロータ３３はディテントトルクのため静止し遮断弁３０は開弁状態を維持する。

なお、計測装置制御部６は、各コイル４１に印加するパルス状電流におけるパルス数とその周波数を決定し、ロータ３３の回転速度、回転角度を制御している。すなわち、計測装置制御部６により、パルス状電流のコイル４１への印加を指示する電流印加手段と、印加するパルス状電流のパルス数およびその周波数を変更する変更手段とを実現することができる。

ところで、推力は、モータ３１の回転により弁体３２を弁座５０に向かう方向、もしくは弁座５０からモータ３１に向かう方向におしすすめる力である。なお、後者の方が、ガスの流れる方向に逆らって弁体３２を移動させるため、推力は大きくなる。

推力（Ｆ）は以下数（１）に示すように表すことができる。なお、数（１）では、モータ３１のモータトルク（Ｔ）、リードスクリュー４６のねじリード（Ｌ）、ねじ山角度（α）、および、ねじリード角度（β）とする。

Ｆ＝Ｔ・２π・η／Ｌ・・・（１）
なお、
η＝（cos(α／２) − μtanβ）／（cos(α／２) − μcotβ）・・・（２）
ここで、μは動摩擦係数を示す。

上述した式において、ねじリード（Ｌ）は、ねじを１回転させた時の軸方向の移動量であり、ねじ山角度(α)は、リードスクリュー４６に形成されているねじ山の角度である。すなわち、リードスクリュー４６の軸線を含んだ断面形状において測った隣り合う２つのフランクがなす角度である。ねじリード角度（β）は、例えば、リードスクリュー４６を平行ねじとした場合、図４に示すように、ねじ山のつる巻き線と、その上の一点を通るねじの軸に直角な平面とがなす角度である。ねじは、図４に示すように、ごくゆるい傾きを持った三角形の紙を円筒に巻きつけたもの（つる巻き線）と想定することができる。図４は、リードスクリューのねじ山をつる巻き線で示した図であって、ねじリード角度（β）を説明するための図である。

ここで、数式（１）、（２）に示す関係より、ねじリード（Ｌ）、動摩擦係数（μ）それぞれの値を小さくすると推力（Ｆ）が一定でもモータトルク（Ｔ）を小さくすることができることがわかる。また、このように推力（Ｆ）が一定で、モータトルク（Ｔ）を小さくすることができるため、結果としてモータ３１の出力（＝電流×電圧）を小さくすることができる。

例えば、リードスクリュー４６をＭ３規格のねじであるとしたとき、ねじ山角度(α)は６０°、リードスクリュー４６の回転軸の直径は３ｍｍ、ねじリード（Ｌ）は０．５となるため、βは３°となる。ここで、例えば、μを０．２とすると、ηは０．１８となり、μ＝０．１とするとηは０．３１となる。このことから動摩擦係数（μ）が小さい方がηの値が大きくなる。また、ηが大きくなれば、数式（１）よりトルク（Ｔ）が一定でも推力（Ｆ）を大きくすることができる。つまり、推力（Ｆ）が一定であればモータトルク（Ｔ）を小さくすることができる。

つまり、数式（１）をＴについて書き換えると以下数式（３）となり、
Ｔ＝Ｆ×Ｌ／（２π・η）・・・（３）
この数式（３）から、推力（Ｆ）が一定のとき、ねじリード（Ｌ）が小さくなればモータトルク（Ｔ）が小さくなることが分かる。

そこで、本実施の形態に係る遮断弁３０では、リードスクリュー４６のねじリード（Ｌ）の長さ、すなわち、ピッチの長さを、通常使用されている遮断弁３０のリードスクリュー４６のねじリード（Ｌ）の長さよりも小さくする。さらにまた、乾性潤滑皮膜３７を塗布することで動摩擦係数（μ）を下げる。このようにして、モータトルク（Ｔ）を下げる、つまり、モータ３１に印加する電流および電圧を下げる構成である。

具体的には、通常、使用されている遮断弁のリードスクリューのねじリード（Ｌ）が２ｍｍ、動摩擦係数が０．１４のところを、本実施の形態に係る遮断弁３０は、ねじリード（Ｌ）を０．５ｍｍ、動摩擦係数を０．０４とする。この場合、通常使用されている遮断弁のモータトルクを約２５パーセントの大きさまで下げても推力（Ｆ）は変化しない。つまり、本実施の形態に係る遮断弁３０では、ねじリード（Ｌ）を小さくし、動摩擦係数（μ）を小さくすることで、より小さなモータトルクでモータトルクを下げる前と同様な推力（Ｆ）を得ることができる。

したがって、遮断弁３０のモータ３１に印加する電流および電圧の大きさを、通常、印加する電流および電圧の大きさから、本質安全防爆の規格に適合する範囲まで下げることができる。さらに電池電源の電圧１．５Ｖ以下であっても、弁体３２を移動させ閉弁状態とすることができる。

ここで、本質安全防爆の規格（IEC60079-11）では、例えば、遮断弁３０のモータ３１のような誘導性回路を有する機器では、図５に示すようにインダクタンスと最小点火電流の関係が定められている。図５は、ＩＥＣ６００７９−１１の規格において定められたグループIIに属する誘導性回路におけるインダクタンスと最小点火電流との関係を示すグラフである。図５は回路試験電圧を２４Ｖとした場合の、誘導性回路におけるインダクタンスと最小点火電流との関係を示す。この図５において、括弧内に示すエネルギーレベル（例えば（３２０μJ）・・・）は、曲線のエネルギー一定部分を表している。なお、図５では、曲線IIＡ（３２０μJ）の左側の領域が規格により安全であると定められている安全領域となる。ただし実際には、１．５倍の安全率を考慮するため、安全領域は図５の曲線IIＡ（３２０μＪ）の左側の領域よりもさらに小さい領域となる。

ところで、通常、本実施の形態に係るガス計測装置１のようなガス計測装置が備える遮断弁３０に利用するステッピングモータのインダクタンスの範囲は５から５０ｍＨである。そこで、図５に示すインダクタンスと最小点火電流との関係から、インダクタンスの範囲が５から５０ｍＨである場合、本質安全防爆の規格内となる電流の最大値は、１．５倍の安全率を考慮すると８０から２５０ｍＡとなる。すなわち、５ｍＨであれば最大２５０ｍＡまで、５０ｍＨの場合は、最大８０ｍＡまで可能となる。

また、通常、本実施の形態に係るガス計測装置１のようなガス計測装置が備える遮断弁３０に利用するステッピングモータの内部抵抗の抵抗値は、８から１５Ωである。本質安全防爆の規格内となる電流の値が８０から２５０ｍＡ程度であるため、電圧は０．６４から３．７５Ｖの範囲となる。ただし、本実施の形態に係るガス計測装置１の電源は動作電圧が１．５Ｖの電池である。このため、実際にモータ３１に印可できる電圧は、０．６４から１．５Ｖの範囲となる。

このように、遮断弁３０に利用するステッピングモータのインダクタンスに対して、本質安全防爆の規格内となる電流量が決まってくる。ただし、従来の遮断弁に印可していた電流量が本質安全防爆の規格を満たすような範囲に制限されると、モータトルク（Ｔ）が低下する。

しかしながら、本実施形態に係るガス計測装置１では、上述のように遮断弁３０におけるねじリード（Ｌ）と動摩擦係数（μ）とを小さくなるように構成することで、従来の遮断弁が有する推力を維持することができるのである。

したがって、本実施の形態に係るガス計測装置１では、ねじリード（Ｌ）を２ｍｍから０．３〜１ｍｍとすることで、モータ３１の推力（Ｆ）を維持したまま、上記した本質安全防爆の規格を満たすようなインダクタンス、電流、および電圧の範囲とすることができる。

なお、ねじリード（Ｌ）の範囲は、リードスクリュー４６の製作のし易さを考慮すると、０．５ｍｍとすることが好ましい。つまり、リードスクリュー４６の加工上、リードスクリュー４６の径（ねじ径）は２〜４ｍｍ程度となる。ここで、ねじ径を３ｍｍとし、ねじリード（Ｌ）を０．５ｍｍとするとＭ３規格のねじと合致するため、製造が容易となる。

また、モータ３１のようなステッピングモータは、回転速度が遅いとモータトルクが大きくなり、逆に回転速度が速くなるとモータトルクが小さくなる特性がある。ここで、ステッピングモータは、回転速度を自在に変化させることができるため、回転速度の制御により推力をコントロールすることができる。そこで、上述したように、ねじリード（Ｌ）と動摩擦係数（μ）の値を小さくするとともに、計測装置制御部６がモータ３１の回転速度を下げて印加する電流、電圧、インダクタンスを、本質安全防爆で規定された範囲に適合するように調整する構成としてもよい。なお、本質安全防爆で規定された範囲は、ここでは上述したようにモータ３１のインダクタンスの範囲が５から５０ｍＨであるのに対して、電流の最大値の範囲が８０〜２５０ｍＡとなる。また、モータ３１の内部抵抗の抵抗値から電圧の最大値の範囲が０・６４〜１・５Ｖの範囲となる。

また、本実施の形態に係るリードスクリュー４６では、本質安全防爆の基準を満たすようにねじリード（Ｌ）を０．３〜１ｍｍの範囲で設定する構成である。特に加工上の観点から、上述したようにねじ径を３ｍｍとし、ねじリード（Ｌ）を０．５ｍｍ、リード角度（β）を約３°とすることが好適である。

また、上述したように、遮断弁３０では、リードスクリュー４６とリードナット４９とを螺合する構成である。ここで、リードナット４９のねじ山が多くなればなるほど、リードスクリュー４６とリードナット４９の接触面が大きくなり締結強度は増すが、リードスクリュー４６の回転運動に対する抵抗が大きくなる。

したがって、抵抗を小さくするためには、リードナット４９に形成するねじ山の数を少なくする方がよいが、数が少なくなればなるほどリードスクリュー４６とリードナット４９と接触面が小さくなり締結強度が小さくなる。そこで、本実施形態では、上述した接触面において必要な締結強度を維持しつつ、できるだけねじ山の数を少なくするという観点からねじ山を４つ形成するように構成されている。

このように、ねじ山を４つとすることで、リードスクリュー４６とリードナット４９との締結強度を維持しつつ、リードスクリュー４６の回転運動に対する抵抗をできるだけ抑制することができる。

なお、遮断弁３０が有するモータとしてステッピングモータを例に上げ説明したが、利用するモータはこのステッピングモータに限定されるものではない。つまり、上述した、図５に示すインダクタンスと電流との関係はステッピングモータ以外の、例えば、ＤＣモータなどの他の種類のモータにも適用できるものである。そして、上記した数式（１）、（２）の関係もステッピングモータだけではなく他の種類のモータにも適用できる。

以下に本実施形態の変形例を説明する。

（変形例１）
また、本実施の形態に係るガス計測装置１は、膜式のガス計測メータであったが、図６に示すような構成を有する超音波式のガス計測装置１００にも適用できる。なお、図６は本発明の他の実施形態を示すものであり、ガス計測装置１００の要部構成の一例を示す概略図である。

すなわち、ガス計測装置１００は図６に示すように、図１に示すガス計測装置１が備える膜式流量計測部５の代わりに計測流路１０３、第一超音波センサ１０４、および第二超音波センサ１０５を備えた超音波式流量計測部１０２を備える構成である。

超音波式流量計測部１０２が備える計測流路１０３は、入口流路２からガス計測装置１００内部に流入したガスを外部に流出させるために導くための流路である。この計測流路１０３には、図６に示すようにその上流側から順に第一超音波センサ１０４、および第二超音波センサ１０５が設けられている。

第一超音波センサ１０４および第二超音波センサ１０５は、相互に超音波を送受信するものである。第一超音波センサ１０４は、計測流路１０３における上流側の側壁に、第二超音波センサ１０５は計測流路１０３における下流側の側壁に設けられている。計測装置制御部６からの駆動信号によって第一超音波センサ１０４から出力した超音波は、計測流路１０３内を下流側に向かって斜め下方向に進み、第二超音波センサ１０５に向かって伝搬する。一方、計測装置制御部６からの駆動信号によって第二超音波センサ１０５から出力した超音波は、計測流路１０３内を上流側に向かって斜め上方向に進み、第一超音波センサ１０４に向かって伝搬する。そして、それぞれの超音波の到達時間を、計測装置制御部１０６が計測し、到達時間の差から計測流路１０３を流れるガスの流速を計算する。

計測装置制御部６は、ガス計測装置１００の各種制御を行うものであり、計測処理部６１の機能のみ、図１に示すガス計測装置１の計測処理部６１と異なる。すなわち、ガス計測装置１が備える計測処理部６１は、膜式流量計測部５において計測したガスの流量をメモリに記録したり、表示部などに出力したりするものであった。これに対して、図６に示すガス計測装置１００が備える計測処理部６１は、以下のように流速を求め、流量を計算する機能を有する点で異なる。

すなわち、計測処理部６１は、第一超音波センサ１０４から出力された超音波が第二超音波センサ１０５に到達するまでの時間と、第二超音波センサ１０５から出力された超音波が第一超音波センサ１０４に到達するまでの時間との差から流速を求める。そして、計測処理部６１は求めた流速に計測流路１０３の断面積、補正係数をかけあわせて流量を求める。

上述した構成の超音波式のガス計測装置においても、入口流路２と計測流路１０３との間の空きスペースを利用して、該入口流路２の下流側の端部に遮断部３を設けることができる。

本実施の形態に係るガス計測装置１および本実施形態の変形例１に係るガス計測装置１００では、無線による外部からの指示に応じて遮断弁３０により入口流路２を遮断する構成であったがこれに限定されるものではない。

例えば、計測流路１０３中に異常検知センサを備え、このセンサのセンシング結果から異常の発生有無を計測装置制御部６が判定し、この判定結果に応じて遮断弁３０により入口流路２を遮断する構成としてもよい。この異常とは、例えば、ガス流量異常や、地震などが挙げられる。ガス流量異常を検知する場合、この異常検知センサは、計測流路１０３内を流れるガスの圧力を測定する圧力センサによって実現できる。また、地震を検知する場合は、この異常検知センサは、地震の揺れを検知する地震センサによって実現できる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の遮断弁装置は、流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置内に備え、必要に応じて該流路を遮断する際に有用である。

１ ガス計測装置（流量計測装置）
２ 入口流路
３ 遮断部
４ 出口流路
５ 膜式流量計測部
６ 計測装置制御部
８ 電池
１０ 膜式流量計測部
３０ 遮断弁（遮断弁装置）
３１ モータ
３２ 弁体
３３ ロータ
３４ ステータ
３５ スプリング
３６ フランジ部
３７ 乾性潤滑皮膜
４１ コイル
４２ 外電磁ヨーク
４３ 内電磁ヨーク
４４ 永久磁石
４５ 回転軸
４６ リードスクリュー（雄ねじ部）
４７ 弁シート
４８ 弁シート保持部
４９ リードナット（雌ねじ部）
５０ 弁座
５１ 開口
６１ 計測処理部
６２ 遮断指示部
６３ 無線部
１００ ガス計測装置（流量計測装置）
１０２ 超音波式流量計測部
１０３ 計測流路
１０４ 第一超音波センサ
１０５ 第二超音波センサ
１０６ 計測装置制御部

Claims (6)

1. 流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置に備えられ、該流路を遮断するための遮断弁装置であって、
   回転軸を回転させるモータと、
   前記回転軸に形成した雄ねじ部と、
   前記雄ねじ部と螺合するための雌ねじ部を有し、前記回転軸の回転に応じて軸方向に移動する、前記流路を塞ぐための弁体とを備え、
   前記雄ねじ部と雌ねじ部とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されており、
   前記モータのインダクタンスに対して、該モータに印可する電流が、燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となるように、前記雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が設定されている遮断弁装置。
2. 前記モータのインダクタンスの値は、５から５０ｍＨであり、
   前記燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲となる前記モータに印加する電流の最大値の範囲は、８０から２５０ｍＡである請求項１に記載の遮断弁装置。
3. 前記ピッチの間隔は、０．３から１ｍｍの範囲で設定される請求項２に記載の遮断弁装置。
4. 流路内を通過する燃料ガスの流量を計測する流量計測装置に備えられ、該流路を遮断するための遮断弁装置であって、
   回転軸を回転させるモータと、
   前記回転軸に形成した雄ねじ部と、
   前記雄ねじ部と螺合するための雌ねじ部を有し、前記回転軸の回転に応じて軸方向に移動する、前記流路を塞ぐための弁体とを備え、
   前記雄ねじ部と雌ねじ部とが接触する接触面に乾性潤滑皮膜が形成されており、
   前記モータのインダクタンスの範囲が５から５０ｍＨであり、かつモータの内部抵抗の抵抗値の範囲が８から１５Ωであって、
   前記インダクタンスの範囲、および抵抗値の範囲から、燃料ガス中で爆発を起こさない範囲内でかつ、前記弁体を移動させるために必要な推力を得ることができる範囲として前記モータに印加する電流の最大値の範囲を、８０から２５０ｍＡに設定するとともに、前記雄ねじ部のねじ山のピッチ間隔が０．３から１ｍｍの範囲に設定されている遮断弁装置。
5. 前記乾性潤滑皮膜は、前記乾性潤滑皮膜は、前記接触面における雄ねじのねじ山と雌ねじのねじ山との間に形成される間隙よりも小さい粒径のフッ素樹脂から形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の遮断弁装置。
6. 前記モータは、ステッピングモータであって、
   前記モータにパルス状電流を印加する電流印加手段と、
   前記電流印加手段によって印加するパルス状電流のパルス数とその周波数を変更して、前記モータの回転速度を変更する変更手段とを備える請求項１から５のいずれか１項に記載の遮断弁装置。