JP2012241768A - 自動開閉弁の保守管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体の動きを正確に捉え、機械的磨耗状態を常時把握してメンテナンス時期を予測するのに適した自動開閉弁を提供する。
【解決手段】本発明の自動開閉弁は、軸心周りに回転可能な弁体シャフト２と、弁体シャフト２に固定された弁体と、弁体シャフト２に連結部５を介して連結される駆動軸４と、駆動軸４を回転駆動させる駆動手段と、を備え、上記駆動手段の作動によって、弁体シャフト２が開位置と閉位置との間で往復回転し、上記弁体の開閉動作が自動的に行われるように構成された自動開閉弁であって、弁体シャフト２が上記開位置もしくは上記閉位置にあるか否かを検出する検出手段７を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、弁体の開閉動作が自動的に繰り返し行われるように構成された自動開閉弁、およびその保守管理方法に関する。

窒素ガス、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガスなどを分離精製するための手法として、吸着剤を充填した吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法によるガス分離では、ガスの流れを切り換えるための自動開閉弁を吸着塔の出入口部にそれぞれ設置し、各自動開閉弁において、弁体を閉状態から開状態へ、あるいは開状態から閉状態へと作動させるＰＳＡ操作を数十秒ないし数分間の間隔で行っている。このため、自動開閉弁における弁体の開閉作動回数は、年間で２０〜１００万回程度にも及んでいる。

自動開閉弁としては、例えばバタフライ弁が用いられる。当該バタフライ弁は、軸心周りに回転可能な弁体シャフトと、弁体シャフトに固定された円板状の弁体と、弁体シャフトにジョイント部を介して連結される駆動軸と、駆動軸を回転駆動させる駆動手段とを備えている。駆動手段は、例えば、モータや油圧あるいは空気圧シリンダなどのアクチュエータの動作が伝達機構を介して駆動軸の回転動作として伝達されるように構成されている。このような自動開閉弁（バタフライ弁）に関する技術は、例えば特許文献１に記載されている。

バタフライ弁を自動開閉弁としてＰＳＡ操作に用いる場合、上記したように弁体を長時間に亘って高い頻度で開閉させることによって、弁体と接触するシール部が摩耗し、弁体が閉状態にあるときの気密性が損なわれてしまうおそれがある。また、弁体の開閉動作を繰り返すことによって、弁体シャフトと駆動軸とを連結する連結部が摩耗し、当該連結部においてガタツキが生じる場合がある。連結部にガタツキが生じると、駆動軸を適切に回転駆動させたとしても、弁体シャフトは、弁体が完全に閉じた状態となる閉位置をとることができず、また、弁体が完全に開いた状態となる開位置をとることもできない。その結果、弁体の開閉動作時において、弁体が閉まりきらなくなったり、あるいは、開ききらなくなったりする事態が生じ得る。

このような自動開閉弁の機械的な摩耗に起因する不都合に対し、例えば弁体を閉じた状態で上流側と下流側の差圧変化を測定することによって機械的な摩耗が生じていることを間接的に検知し、自動開閉弁の部品交換等のメンテナンスを行うといった対策が講じられる場合がある。しかしながら、このような圧力変化の測定によるメンテナンスの対応では、運転時に自動開閉弁の機械的磨耗状態を把握し、自動開閉弁のメンテナンス時期を事前に予測することが困難であった。

実公平２−５４１号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、弁体の動きを正確に捉え、運転時に機械的磨耗状態を常時把握するのに適した自動開閉弁を提供することを課題としている。また、本発明は、そのような自動開閉弁のメンテナンス時期を事前に予測することが可能な保守管理方法を提供することを他の課題としている。

本発明の第１の側面によって提供される自動開閉弁は、軸心周りに回転可能な弁体シャフトと、弁体シャフトに固定された弁体と、上記弁体シャフトに連結部を介して連結される駆動軸と、上記駆動軸を回転駆動させる駆動手段と、を備え、上記駆動手段の作動によって、上記弁体シャフトが開位置と閉位置との間で往復回転し、上記弁体の開閉動作が自動的に行われるように構成された自動開閉弁であって、上記弁体シャフトが上記開位置もしくは上記閉位置にあるか否かを検出する検出手段を備えることを特徴としている。

好ましくは、上記検出手段は、上記弁体シャフトに固定された検出部と、上記弁体シャフトが上記開位置もしくは上記閉位置あるときに上記検出部の接近を検出する近接スイッチと、を備えて構成されている。

本発明の第２の側面によって提供される自動開閉弁の保守管理方法は、本発明の第１の側面に係る自動開閉弁を保守管理するための方法であって、上記弁体シャフトが上記開位置と上記閉位置との間を往復する回数を作動回数とし、上記検出手段の検出結果を用いて、上記各作動回数ごとに、上記弁体シャフトが上記閉位置から回転して上記開位置に至るまでの時間、あるいは上記開位置から回転して上記閉位置に至るまでの時間を作動時間として測定し、初回作動のときの作動時間を初期作動時間とし、当該初期作動時間に対して所定の作動回数において作動時間が減少する変化率（作動時間変化率）が所定値以下となったときにメンテナンス時期であると判定することを特徴としている。

本発明の第２の側面において、好ましくは、作動回数が３０万回の時点の上記作動時間変化率が１０％を超えて６０％以下の範囲にあり、かつ、その後の作動回数１０万回ごとの上記作動時間変化率が１０％以下となる場合に、メンテナンス時期であると判定する。

本発明の第２の側面において、好ましくは、上記作動時間が設定時間以上となったときに、上記弁体シャフトを上記閉位置まで回転させて上記弁体を閉状態とする。

本発明の第２の側面において、好ましくは、上記設定時間は、上記初期作動時間である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に係る自動開閉弁の一部を切欠いて表した概略正面図である。 図１の一部を切欠いて表した要部拡大図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部断面図である。 弁体シャフトの作動回数と作動時間との関係の一例を示すグラフである。 弁体シャフトの作動回数と作動時間との関係の他の例を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図３は、本発明に係る自動開閉弁の一例を示す。図１に表れているように、本実施形態の自動開閉弁Ｘは、弁ケース１と、弁体シャフト２と、円板状の弁体３と、駆動軸４とを備え、弁体３を開閉切換可能な偏心型バタフライ弁として構成されたものである。

弁体シャフト２は、所定の軸心周りに回転可能な状態で弁ケース１に支持されている。より詳細には、弁ケース１の下部にはシール部材１１を組み込んだフランジ１２が取り付けられており、弁体シャフト２は、その下端に設けられたリテーナ２１を介してフランジ１２に支持されている。弁ケース１と弁体シャフト２の上部との間には、シール部材１３が設けられている。シール部材１３は、弁ケース１の上部に取り付けられたフランジ１４によって押さえられている。上記のシール部材１１，１３によって、弁体シャフト２が回転しても、弁ケース１外部へのガス（流体）の漏洩が防止される。

弁体３は、弁体シャフト２に固定されており、当該弁体シャフト２を回転軸として開状態と閉状態との間を９０度回転するように構成されている。弁体３が閉状態をとるときに、当該弁体３の周縁は、弁ケース１に設けられたリング状のシート１５と密着する。

図１、図２に表れているように、駆動軸４は、弁体シャフト２の上部に設けられ、連結部５を介して弁体シャフト２と連結されている。連結部５は、図２、図３に表れているように、例えば、弁体シャフト２の上端に形成された凹部２２と、駆動軸４の下端に形成された凸部４１とを備え、凹部２２に凸部４１が相対回転不能に嵌挿された構成とされている。

駆動軸４の上部には、シリンダ６が設けられている。詳細な図示説明は省略するが、シリンダ６内には、例えば空気圧により水平方向に移動するピストンロッドが設けられており、当該ピストンロッドの水平方向の動きが伝達機構を介して駆動軸４の回転動作として伝達されるように構成されている。このようにシリンダ６（ピストンロッド）の動作が駆動軸４の回転動作として伝達される構成は、例えば実公平２−５４１号公報に記載れている。上記シリンダ６および上記伝達機構は、本発明でいう駆動手段を担う。

本実施形態の自動開閉弁Ｘは、検出手段７を更に備えている。検出手段７は、弁体シャフト２が開位置あるいは閉位置にあるか否かを検出するためのものであり、例えば、弁体シャフト２に固定された検出部７１と、ブラケット１６を介して弁ケース１に固定された近接スイッチ７２とを備えて構成されている。近接スイッチ７２としては、外部磁界の影響により金属の接近を検出する誘導形近接スイッチ、金属および非金属物体の存在を検出する静電容量型近接スイッチ、音の反射により物体の接近を検出する超音波形近接スイッチ、光反射により物体の接近を検出する光電形近接スイッチなどを挙げることができる。本実施形態では、近接スイッチ７２を誘導形近接スイッチとして構成した場合を例に挙げて説明する。

検出部７１は、金属棒からなり、弁体シャフト２を周方向に囲むバンド７３にビス締めや溶接などでしっかりと固定されている。当該バンド７３は、その両端部をボルト７４で締め付けることにより、弁体シャフト２に固定されている。

近接スイッチ７２は、弁体シャフト２が開位置および閉位置をとるときに検出部７１が対向接近する位置に配されており、弁体シャフト２の回転方向において９０度離れた２箇所に設けられている。検出部７１が近接スイッチ７２に対向接近するとき、検出部７１と近接スイッチ７２との距離Ｌは、２〜４ｍｍ程度とされる。

シリンダ６および近接スイッチ７２は、図示しない制御装置と連携している。シリンダ６は、制御装置からの制御信号に基づいて作動し、このシリンダ６の作動によって、例えば、駆動軸４が所定トルクで回転させられる。そして、駆動軸４に連結された弁体シャフト２が開位置と閉位置との間で往復回転し、弁体３の開閉動作が自動的に行われる。また、制御装置においては、弁体シャフト２が開位置と閉位置との間を往復する回数が作動回数として記録される。

弁体３が弁体シャフト２を回転軸として閉状態から開状態、あるいは開状態から閉状態へと回転するとき、弁体シャフト２に設けられた検出部７１も同時に動き、近接スイッチ７２に接近してくる。そして、検出部７１が近接スイッチ７２に対向接近して開位置あるいは閉位置に到達したとき、近接スイッチ７２は検出部７１の接近を検出し、検出信号を制御装置に出力する。制御装置においては、近接スイッチ７２からの検出信号に基づき、弁体シャフト２が開位置から回転して閉位置に至るまでの時間あるいは弁体シャフト２が閉位置から回転して開位置に至るまでの時間が、作動時間として記録される。当該作動時間は、例えば１／２０秒以下の精度で測定される。そして、弁体３の開閉動作にともなって各作動回数ごとに作動時間が測定され、制御装置に記録される。

上記構成の自動開閉弁Ｘは、例えば、吸着塔を用いて行うＰＳＡ法によるガス分離を行うための装置において、各吸着塔の出入口部に設けて用いられる。

次に、上記の自動開閉弁Ｘの使用状況および保守管理方法について説明する。

ＰＳＡ法によるガス分離では、各吸着塔におけるガス流れの切換えが所定のサイクルで繰り返し行われるので、自動開閉弁Ｘについては頻繁に開閉させる必要がある。自動開閉弁Ｘを新しく設置した後やメンテナンスした後において、初回作動の際（運転初期）には、作動時間（初期作動時間）は、比較的に長い時間となる。すなわち、運転初期には、弁体３がシート１５に食い込むのに時間がかかったり、弁体シャフト２のシール部材１３の締め付けが固かったりして動きが鈍く、作動時間が長い。弁体３の開閉を続けると、摺接部が次第に磨耗して弁体３の開閉がスムーズになり、作動回数が増えるにつれて作動時間が徐々に短くなる。そしてその作動時間は、やがて略一定に収斂して安定するようになる。さらに弁体３の開閉を続けると、シリンダ６が傷んだり、駆動軸４と弁体シャフト２との連結部５が緩んでがたつきが生じたりして、作動時間が極端に長くなる現象が生じ得る。

図４は、弁体シャフト２の延べ作動回数と閉から開への作動時間との関係の一例を示すグラフである。φ６００ｍｍのバタフライ弁として構成された自動開閉弁Ｘを用い、弁体シャフト２の閉位置から開位置への動作を１分間に１回と、開位置から閉位置への動作を１分間に１回とを行い、この１往復の開閉動作を作動回数１回として弁の開閉を繰り返した。図４においては、各作動回数における弁体シャフト２の閉位置から開位置への作動時間を示す。

図４から理解されるように、弁体シャフト２の作動回数が比較的少ない（数十万回程度以内）ときには、初期作動時間に対して所定の作動回数における作動時間の変化率（作動時間変化率）が相対的に大きく、弁体シャフト２の作動回数が多くなるにつれて、初期作動時間に対して所定の作動回数における作動時間変化率が相対的に小さくなる。このように、弁体シャフト２の作動回数が多くなると、作動時間変化率が漸次的に小さくなり、作動時間は、初期作動時間よりも短いある一定値に収斂する。

本実施形態の自動開閉弁Ｘの保守管理方法においては、作動回数が３０万回の時点で作動変化率が１０％を超えて６０％以下の範囲であり、その後の作動回数１０万回ごとの作動時間変化率が１０％以下となる場合に、メンテナンス時期であると判定する。例えば初期作動時間が１．９秒である場合には１．９秒の１０％は１．９×（１０／１００）＝０．１９秒であり、１．９秒の６０％は１．９×（６０／１００）＝１．１４秒であるので、３０万回の時点の初期作動時間に対する作動時間の変化幅は、０．１９秒を超えて１．１４秒以下の範囲にある。その後、作動回数１０万回ごとの初期作動時間に対する作動時間の変化幅が０．１９秒以下となったときにメンテナンスが必要であると判定する。

図４に示す場合においては、初回作動のときの作動時間（初期作動時間）は、１．９秒であり、作動回数が３０万回の時点の作動時間は初期作動時間に対して例えば０．８秒短くなり（作動時間の変化幅が０．８秒、作動時間変化率が０．８／１．９×１００＝約４２％）、さらに次の作動回数１０万回において作動時間が０．１秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．１秒、作動時間変化率が０．１／１．９×１００＝約５％）。そして、閉から開への作動時間が１．０秒に収斂する方向に向かって安定していき、延べ作動回数が５３万回のときに、作動時間が急激に増加し、当該作動時間が初期作動時間である１．９秒よりも長い２．８秒となった。この作動時間の急激な増加は、シリンダ６や連結部５のがたつきに起因するものと考えられる。

弁体シャフト２の作動回数が増えるにつれて作動時間が漸次的に短くなり、ある一定の値に収斂していくことが経験的に分かっているが、作動時間が短くなる変化の度合いは、自動開閉弁Ｘのサイズの相違や個体差等の諸条件によって異なるので、作動時間が収斂していく値を予測することは困難である場合が多い。

これに対し、本保守管理方法によれば、測定された弁体シャフト２の作動時間を管理しておけば、当該作動時間が収斂安定するタイミングを掴むことができ、メンテナンス時期を事前に予測することができる。

上記した図４に示す場合においては、作動回数が３０万回の時点の作動時間変化率が約４２％（１０％を超えて６０％以下の範囲）であり、その次の作動回数１０万回における作動時間変化率が約５％（１０％以下）であるので、延べ作動回数４０万回にてメンテナンス時期であると判定される。その一方、図４に示す場合と異なり、例えば、作動回数が３０万回の時点の作動時間変化率が図４に示す場合よりも小さく（例えば３０％台）、その次の作動回数１０万回においても作動時間変化率が１０％を超える場合がある。この場合、さらにその次の作動回数１０万回における作動時間変化率が１０％以下であれば、延べ作動回数が５０万回にてメンテナンス時期であると判定される。

図５は、弁体シャフト２の延べ作動回数と閉から開への作動時間との関係の他の例を示すグラフである。図５に示す場合においては、初回作動のときの作動時間（初期作動時間）は、１．９秒であり、作動回数が３０万回の時点の作動時間は初期作動時間に対して例えば０．６秒短くなり（作動時間の変化幅が０．６秒、作動時間変化率が０．６／１．９×１００＝約３１．６％）、さらに次の作動回数１０万回において作動時間が０．２秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．２秒、作動時間変化率が０．２／１．９×１００＝約１０．５％）。この場合、作動回数が３０万回を超えて４０万回までの１０万回における作動時間変化率が１０％を超えているので、延べ作動回数４０万回の時点では、まだメンテナンス時期が到来していないと判定される。そして、さらにその次の作動回数１０万回における作動時間変化率を監視する。図５に示す場合においては、その次の作動回数１０万回において作動時間が０．０５秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．０５秒、作動時間変化率が０．０５／１．９×１００＝約２．６％）。この場合、作動回数が４０万回を超えて５０万回までの１０万回における作動時間変化率が約２．６％（１０％以下）であるので、延べ作動回数５０万回にてメンテナンス時期であると判定される。

また、検出部７１は、弁体シャフト２に固定されており、検出部７１の回転位置を検出することにより、弁体シャフト２の作動時間が測定される。このように検出部７１が弁体シャフト２に固定された構成によれば、弁体３の動きを正確に捉えることができ、機械的磨耗によるがたつきが生じても、弁体３（弁体シャフト２）の開閉時の作動時間を正確に測定することができる。このことは、メンテナンス時期を正確に予測するうえで好ましい。

また、本実施形態の自動開閉弁Ｘの保守管理方法においては、弁体３（弁体シャフト２）が開閉動作を繰り返す際に、弁体シャフト２の作動時間が所定の設定時間（例えば初期作動時間）以上となったときに、制御装置からの制御信号によって、すべての自動開閉弁Ｘの弁体３を閉状態とするようにシリンダ６を作動させる。このような方法によれば、メンテナンス時期を過ぎてもメンテナンスを実施しなかった場合、あるいは自動開閉弁Ｘにて予期しない不具合が生じた場合等においても、緊急的にすべての自動開閉弁Ｘの弁体３を閉じることによって、ＰＳＡ法によるガス分離操作を安全に停止させることができる。

なお、上記したように、弁体シャフト２の作動回数の増加にともない、当該弁体シャフト２の作動時間は、初期作動時間よりも短い一定の時間に収斂する。このため、弁体３を緊急閉止する際の条件となる設定時間を初期作動時間としておくと、自動開閉弁Ｘを適切なタイミングで閉じることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々な変更が可能である。本発明に係る自動開閉弁の各部の具体的な形状や材質なども、上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、自動開閉弁を偏心型バタフライ弁として構成した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。本発明の自動開閉弁は、中心型バタフライ弁として構成してもよく、また、ボール弁などの他の形式のバルブとして構成してもよい。

Ｘ 自動開閉弁
１ 弁ケース
２ 弁体シャフト
３ 弁体
４ 駆動軸
５ 連結部
６ シリンダ
７ 検出手段
１１ シール部材
１２ フランジ
１３ シール部材
１４ フランジ
１５ シート
１６ ブラケット
２１ リテーナ
２２ 凹部
４１ 凸部
７１ 検出部
７２ 近接スイッチ
７３ バンド
７４ ボルト

本発明は、弁体の開閉動作が自動的に繰り返し行われるように構成された自動開閉弁の保守管理方法に関する。

窒素ガス、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガスなどを分離精製するための手法として、吸着剤を充填した吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）が知られている。ＰＳＡ法によるガス分離では、ガスの流れを切り換えるための自動開閉弁を吸着塔の出入口部にそれぞれ設置し、各自動開閉弁において、弁体を閉状態から開状態へ、あるいは開状態から閉状態へと作動させるＰＳＡ操作を数十秒ないし数分間の間隔で行っている。このため、自動開閉弁における弁体の開閉作動回数は、年間で２０〜１００万回程度にも及んでいる。

自動開閉弁としては、例えばバタフライ弁が用いられる。当該バタフライ弁は、軸心周りに回転可能な弁体シャフトと、弁体シャフトに固定された円板状の弁体と、弁体シャフトにジョイント部を介して連結される駆動軸と、駆動軸を回転駆動させる駆動手段とを備えている。駆動手段は、例えば、モータや油圧あるいは空気圧シリンダなどのアクチュエータの動作が伝達機構を介して駆動軸の回転動作として伝達されるように構成されている。このような自動開閉弁（バタフライ弁）に関する技術は、例えば特許文献１に記載されている。

バタフライ弁を自動開閉弁としてＰＳＡ操作に用いる場合、上記したように弁体を長時間に亘って高い頻度で開閉させることによって、弁体と接触するシール部が摩耗し、弁体が閉状態にあるときの気密性が損なわれてしまうおそれがある。また、弁体の開閉動作を繰り返すことによって、弁体シャフトと駆動軸とを連結する連結部が摩耗し、当該連結部においてガタツキが生じる場合がある。連結部にガタツキが生じると、駆動軸を適切に回転駆動させたとしても、弁体シャフトは、弁体が完全に閉じた状態となる閉位置をとることができず、また、弁体が完全に開いた状態となる開位置をとることもできない。その結果、弁体の開閉動作時において、弁体が閉まりきらなくなったり、あるいは、開ききらなくなったりする事態が生じ得る。

このような自動開閉弁の機械的な摩耗に起因する不都合に対し、例えば弁体を閉じた状態で上流側と下流側の差圧変化を測定することによって機械的な摩耗が生じていることを間接的に検知し、自動開閉弁の部品交換等のメンテナンスを行うといった対策が講じられる場合がある。しかしながら、このような圧力変化の測定によるメンテナンスの対応では、運転時に自動開閉弁の機械的磨耗状態を把握し、自動開閉弁のメンテナンス時期を事前に予測することが困難であった。

実公平２−５４１号公報

本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、弁体の動きを正確に捉え、運転時に機械的磨耗状態を常時把握するのに適した自動開閉弁において、そのメンテナンス時期を事前に予測することが可能な保守管理方法を提供することを課題としている。

本発明で対象となる自動開閉弁は、軸心周りに回転可能な弁体シャフトと、弁体シャフトに固定された弁体と、上記弁体シャフトに連結部を介して連結される駆動軸と、上記駆動軸を回転駆動させる駆動手段と、を備え、上記駆動手段の作動によって、上記弁体シャフトが開位置と閉位置との間で往復回転し、上記弁体の開閉動作が自動的に行われるように構成された自動開閉弁であって、上記弁体シャフトが上記開位置もしくは上記閉位置にあるか否かを検出する検出手段を備えることを特徴としている。

好ましくは、上記検出手段は、上記弁体シャフトに固定された検出部と、上記弁体シャフトが上記開位置もしくは上記閉位置あるときに上記検出部の接近を検出する近接スイッチと、を備えて構成されている。

本発明によって提供される自動開閉弁の保守管理方法は、上記構成の自動開閉弁を対象とするものであって、上記弁体シャフトが上記開位置と上記閉位置との間を往復する回数を作動回数とし、上記検出手段の検出結果を用いて、上記各作動回数ごとに、上記弁体シャフトが上記閉位置から回転して上記開位置に至るまでの時間、あるいは上記開位置から回転して上記閉位置に至るまでの時間を作動時間として測定し、初回作動のときの作動時間を初期作動時間とし、当該初期作動時間に対して所定の作動回数において作動時間が減少する変化率（作動時間変化率）が所定値以下となったときにメンテナンス時期であると判定することを特徴としている。

本発明の方法において、好ましくは、作動回数が３０万回の時点の上記作動時間変化率が１０％を超えて６０％以下の範囲にあり、かつ、その後の作動回数１０万回ごとの上記作動時間変化率が１０％以下となる場合に、メンテナンス時期であると判定する。

本発明の方法において、好ましくは、上記作動時間が設定時間以上となったときに、上記弁体シャフトを上記閉位置まで回転させて上記弁体を閉状態とする。

本発明の方法において、好ましくは、上記設定時間は、上記初期作動時間である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の方法が対象とする自動開閉弁の一部を切欠いて表した概略正面図である。 図１の一部を切欠いて表した要部拡大図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う要部断面図である。 弁体シャフトの作動回数と作動時間との関係の一例を示すグラフである。 弁体シャフトの作動回数と作動時間との関係の他の例を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図３は、本発明の方法が対象とする自動開閉弁の実施形態を示す。図１に表れているように、本実施形態の自動開閉弁Ｘは、弁ケース１と、弁体シャフト２と、円板状の弁体３と、駆動軸４とを備え、弁体３を開閉切換可能な偏心型バタフライ弁として構成されたものである。

弁体シャフト２は、所定の軸心周りに回転可能な状態で弁ケース１に支持されている。より詳細には、弁ケース１の下部にはシール部材１１を組み込んだフランジ１２が取り付けられており、弁体シャフト２は、その下端に設けられたリテーナ２１を介してフランジ１２に支持されている。弁ケース１と弁体シャフト２の上部との間には、シール部材１３が設けられている。シール部材１３は、弁ケース１の上部に取り付けられたフランジ１４によって押さえられている。上記のシール部材１１，１３によって、弁体シャフト２が回転しても、弁ケース１外部へのガス（流体）の漏洩が防止される。

弁体３は、弁体シャフト２に固定されており、当該弁体シャフト２を回転軸として開状態と閉状態との間を９０度回転するように構成されている。弁体３が閉状態をとるときに、当該弁体３の周縁は、弁ケース１に設けられたリング状のシート１５と密着する。

図１、図２に表れているように、駆動軸４は、弁体シャフト２の上部に設けられ、連結部５を介して弁体シャフト２と連結されている。連結部５は、図２、図３に表れているように、例えば、弁体シャフト２の上端に形成された凹部２２と、駆動軸４の下端に形成された凸部４１とを備え、凹部２２に凸部４１が相対回転不能に嵌挿された構成とされている。

駆動軸４の上部には、シリンダ６が設けられている。詳細な図示説明は省略するが、シリンダ６内には、例えば空気圧により水平方向に移動するピストンロッドが設けられており、当該ピストンロッドの水平方向の動きが伝達機構を介して駆動軸４の回転動作として伝達されるように構成されている。このようにシリンダ６（ピストンロッド）の動作が駆動軸４の回転動作として伝達される構成は、例えば実公平２−５４１号公報に記載れている。上記シリンダ６および上記伝達機構は、本発明でいう駆動手段を担う。

本実施形態の自動開閉弁Ｘは、検出手段７を更に備えている。検出手段７は、弁体シャフト２が開位置あるいは閉位置にあるか否かを検出するためのものであり、例えば、弁体シャフト２に固定された検出部７１と、ブラケット１６を介して弁ケース１に固定された近接スイッチ７２とを備えて構成されている。近接スイッチ７２としては、外部磁界の影響により金属の接近を検出する誘導形近接スイッチ、金属および非金属物体の存在を検出する静電容量型近接スイッチ、音の反射により物体の接近を検出する超音波形近接スイッチ、光反射により物体の接近を検出する光電形近接スイッチなどを挙げることができる。本実施形態では、近接スイッチ７２を誘導形近接スイッチとして構成した場合を例に挙げて説明する。

検出部７１は、金属棒からなり、弁体シャフト２を周方向に囲むバンド７３にビス締めや溶接などでしっかりと固定されている。当該バンド７３は、その両端部をボルト７４で締め付けることにより、弁体シャフト２に固定されている。

近接スイッチ７２は、弁体シャフト２が開位置および閉位置をとるときに検出部７１が対向接近する位置に配されており、弁体シャフト２の回転方向において９０度離れた２箇所に設けられている。検出部７１が近接スイッチ７２に対向接近するとき、検出部７１と近接スイッチ７２との距離Ｌは、２〜４ｍｍ程度とされる。

シリンダ６および近接スイッチ７２は、図示しない制御装置と連携している。シリンダ６は、制御装置からの制御信号に基づいて作動し、このシリンダ６の作動によって、例えば、駆動軸４が所定トルクで回転させられる。そして、駆動軸４に連結された弁体シャフト２が開位置と閉位置との間で往復回転し、弁体３の開閉動作が自動的に行われる。また、制御装置においては、弁体シャフト２が開位置と閉位置との間を往復する回数が作動回数として記録される。

弁体３が弁体シャフト２を回転軸として閉状態から開状態、あるいは開状態から閉状態へと回転するとき、弁体シャフト２に設けられた検出部７１も同時に動き、近接スイッチ７２に接近してくる。そして、検出部７１が近接スイッチ７２に対向接近して開位置あるいは閉位置に到達したとき、近接スイッチ７２は検出部７１の接近を検出し、検出信号を制御装置に出力する。制御装置においては、近接スイッチ７２からの検出信号に基づき、弁体シャフト２が開位置から回転して閉位置に至るまでの時間あるいは弁体シャフト２が閉位置から回転して開位置に至るまでの時間が、作動時間として記録される。当該作動時間は、例えば１／２０秒以下の精度で測定される。そして、弁体３の開閉動作にともなって各作動回数ごとに作動時間が測定され、制御装置に記録される。

上記構成の自動開閉弁Ｘは、例えば、吸着塔を用いて行うＰＳＡ法によるガス分離を行うための装置において、各吸着塔の出入口部に設けて用いられる。

次に、上記の自動開閉弁Ｘの使用状況および保守管理方法について説明する。

ＰＳＡ法によるガス分離では、各吸着塔におけるガス流れの切換えが所定のサイクルで繰り返し行われるので、自動開閉弁Ｘについては頻繁に開閉させる必要がある。自動開閉弁Ｘを新しく設置した後やメンテナンスした後において、初回作動の際（運転初期）には、作動時間（初期作動時間）は、比較的に長い時間となる。すなわち、運転初期には、弁体３がシート１５に食い込むのに時間がかかったり、弁体シャフト２のシール部材１３の締め付けが固かったりして動きが鈍く、作動時間が長い。弁体３の開閉を続けると、摺接部が次第に磨耗して弁体３の開閉がスムーズになり、作動回数が増えるにつれて作動時間が徐々に短くなる。そしてその作動時間は、やがて略一定に収斂して安定するようになる。さらに弁体３の開閉を続けると、シリンダ６が傷んだり、駆動軸４と弁体シャフト２との連結部５が緩んでがたつきが生じたりして、作動時間が極端に長くなる現象が生じ得る。

図４は、弁体シャフト２の延べ作動回数と閉から開への作動時間との関係の一例を示すグラフである。φ６００ｍｍのバタフライ弁として構成された自動開閉弁Ｘを用い、弁体シャフト２の閉位置から開位置への動作を１分間に１回と、開位置から閉位置への動作を１分間に１回とを行い、この１往復の開閉動作を作動回数１回として弁の開閉を繰り返した。図４においては、各作動回数における弁体シャフト２の閉位置から開位置への作動時間を示す。

図４から理解されるように、弁体シャフト２の作動回数が比較的少ない（数十万回程度以内）ときには、初期作動時間に対して所定の作動回数における作動時間の変化率（作動時間変化率）が相対的に大きく、弁体シャフト２の作動回数が多くなるにつれて、初期作動時間に対して所定の作動回数における作動時間変化率が相対的に小さくなる。このように、弁体シャフト２の作動回数が多くなると、作動時間変化率が漸次的に小さくなり、作動時間は、初期作動時間よりも短いある一定値に収斂する。

本実施形態の自動開閉弁Ｘの保守管理方法においては、作動回数が３０万回の時点で作動変化率が１０％を超えて６０％以下の範囲であり、その後の作動回数１０万回ごとの作動時間変化率が１０％以下となる場合に、メンテナンス時期であると判定する。例えば初期作動時間が１．９秒である場合には１．９秒の１０％は１．９×（１０／１００）＝０．１９秒であり、１．９秒の６０％は１．９×（６０／１００）＝１．１４秒であるので、３０万回の時点の初期作動時間に対する作動時間の変化幅は、０．１９秒を超えて１．１４秒以下の範囲にある。その後、作動回数１０万回ごとの初期作動時間に対する作動時間の変化幅が０．１９秒以下となったときにメンテナンスが必要であると判定する。

図４に示す場合においては、初回作動のときの作動時間（初期作動時間）は、１．９秒であり、作動回数が３０万回の時点の作動時間は初期作動時間に対して例えば０．８秒短くなり（作動時間の変化幅が０．８秒、作動時間変化率が０．８／１．９×１００＝約４２％）、さらに次の作動回数１０万回において作動時間が０．１秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．１秒、作動時間変化率が０．１／１．９×１００＝約５％）。そして、閉から開への作動時間が１．０秒に収斂する方向に向かって安定していき、延べ作動回数が５３万回のときに、作動時間が急激に増加し、当該作動時間が初期作動時間である１．９秒よりも長い２．８秒となった。この作動時間の急激な増加は、シリンダ６や連結部５のがたつきに起因するものと考えられる。

弁体シャフト２の作動回数が増えるにつれて作動時間が漸次的に短くなり、ある一定の値に収斂していくことが経験的に分かっているが、作動時間が短くなる変化の度合いは、自動開閉弁Ｘのサイズの相違や個体差等の諸条件によって異なるので、作動時間が収斂していく値を予測することは困難である場合が多い。

これに対し、本保守管理方法によれば、測定された弁体シャフト２の作動時間を管理しておけば、当該作動時間が収斂安定するタイミングを掴むことができ、メンテナンス時期を事前に予測することができる。

上記した図４に示す場合においては、作動回数が３０万回の時点の作動時間変化率が約４２％（１０％を超えて６０％以下の範囲）であり、その次の作動回数１０万回における作動時間変化率が約５％（１０％以下）であるので、延べ作動回数４０万回にてメンテナンス時期であると判定される。その一方、図４に示す場合と異なり、例えば、作動回数が３０万回の時点の作動時間変化率が図４に示す場合よりも小さく（例えば３０％台）、その次の作動回数１０万回においても作動時間変化率が１０％を超える場合がある。この場合、さらにその次の作動回数１０万回における作動時間変化率が１０％以下であれば、延べ作動回数が５０万回にてメンテナンス時期であると判定される。

図５は、弁体シャフト２の延べ作動回数と閉から開への作動時間との関係の他の例を示すグラフである。図５に示す場合においては、初回作動のときの作動時間（初期作動時間）は、１．９秒であり、作動回数が３０万回の時点の作動時間は初期作動時間に対して例えば０．６秒短くなり（作動時間の変化幅が０．６秒、作動時間変化率が０．６／１．９×１００＝約３１．６％）、さらに次の作動回数１０万回において作動時間が０．２秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．２秒、作動時間変化率が０．２／１．９×１００＝約１０．５％）。この場合、作動回数が３０万回を超えて４０万回までの１０万回における作動時間変化率が１０％を超えているので、延べ作動回数４０万回の時点では、まだメンテナンス時期が到来していないと判定される。そして、さらにその次の作動回数１０万回における作動時間変化率を監視する。図５に示す場合においては、その次の作動回数１０万回において作動時間が０．０５秒短くなっている（作動時間の変化幅が０．０５秒、作動時間変化率が０．０５／１．９×１００＝約２．６％）。この場合、作動回数が４０万回を超えて５０万回までの１０万回における作動時間変化率が約２．６％（１０％以下）であるので、延べ作動回数５０万回にてメンテナンス時期であると判定される。

また、検出部７１は、弁体シャフト２に固定されており、検出部７１の回転位置を検出することにより、弁体シャフト２の作動時間が測定される。このように検出部７１が弁体シャフト２に固定された構成によれば、弁体３の動きを正確に捉えることができ、機械的磨耗によるがたつきが生じても、弁体３（弁体シャフト２）の開閉時の作動時間を正確に測定することができる。このことは、メンテナンス時期を正確に予測するうえで好ましい。

また、本実施形態の自動開閉弁Ｘの保守管理方法においては、弁体３（弁体シャフト２）が開閉動作を繰り返す際に、弁体シャフト２の作動時間が所定の設定時間（例えば初期作動時間）以上となったときに、制御装置からの制御信号によって、すべての自動開閉弁Ｘの弁体３を閉状態とするようにシリンダ６を作動させる。このような方法によれば、メンテナンス時期を過ぎてもメンテナンスを実施しなかった場合、あるいは自動開閉弁Ｘにて予期しない不具合が生じた場合等においても、緊急的にすべての自動開閉弁Ｘの弁体３を閉じることによって、ＰＳＡ法によるガス分離操作を安全に停止させることができる。

なお、上記したように、弁体シャフト２の作動回数の増加にともない、当該弁体シャフト２の作動時間は、初期作動時間よりも短い一定の時間に収斂する。このため、弁体３を緊急閉止する際の条件となる設定時間を初期作動時間としておくと、自動開閉弁Ｘを適切なタイミングで閉じることができる。

以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々な変更が可能である。本発明で用いられる自動開閉弁の各部の具体的な形状や材質なども、上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、自動開閉弁を偏心型バタフライ弁として構成した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、中心型バタフライ弁として構成してもよく、また、ボール弁などの他の形式のバルブとして構成してもよい。

Ｘ 自動開閉弁
１ 弁ケース
２ 弁体シャフト
３ 弁体
４ 駆動軸
５ 連結部
６ シリンダ
７ 検出手段
１１ シール部材
１２ フランジ
１３ シール部材
１４ フランジ
１５ シート
１６ ブラケット
２１ リテーナ
２２ 凹部
４１ 凸部
７１ 検出部
７２ 近接スイッチ
７３ バンド
７４ ボルト

Claims (6)

1. 軸心周りに回転可能な弁体シャフトと、弁体シャフトに固定された弁体と、上記弁体シャフトに連結部を介して連結される駆動軸と、上記駆動軸を回転駆動させる駆動手段と、を備え、
   上記駆動手段の作動によって、上記弁体シャフトが開位置と閉位置との間で往復回転し、上記弁体の開閉動作が自動的に行われるように構成された自動開閉弁であって、
   上記弁体シャフトが上記開位置もしくは上記閉位置にあるか否かを検出する検出手段を備えることを特徴とする、自動開閉弁。
2. 上記検出手段は、上記弁体シャフトに固定された検出部と、上記弁体シャフトが上記開位置および上記閉位置のそれぞれの位置にあるときに上記検出部の接近を検出する近接スイッチと、を備えて構成されている、請求項１に記載の自動開閉弁。
3. 請求項１または２に記載の自動開閉弁を保守管理するための方法であって、
   上記弁体シャフトが上記開位置と上記閉位置との間を往復する回数を作動回数とし、
   上記検出手段の検出結果を用いて、上記各作動回数ごとに、上記弁体シャフトが上記閉位置から回転して上記開位置に至るまでの時間、あるいは上記開位置から回転して上記閉位置に至るまでの時間を作動時間として測定し、
   初回作動のときの作動時間を初期作動時間とし、当該初期作動時間に対して所定の作動回数において作動時間が減少する変化率（作動時間変化率）が所定値以下となったときにメンテナンス時期であると判定することを特徴とする、自動開閉弁の保守管理方法。
4. 作動回数が３０万回の時点の上記作動時間変化率が１０％を超えて６０％以下の範囲にあり、かつ、その後の作動回数１０万回ごとの上記作動時間変化率が１０％以下となる場合に、メンテナンス時期であると判定する、請求項３に記載の自動開閉弁の保守管理方法。
5. 上記作動時間が設定時間以上となったときに、上記駆動手段の作動によって上記弁体シャフトを上記閉位置まで回転させて上記弁体を閉状態とする、請求項３または４に記載の自動開閉弁の保守管理方法。
6. 上記設定時間は、上記初期作動時間である、請求項５に記載の自動開閉弁の保守管理方法。

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