JP2016023684A

JP2016023684A - 遮断弁

Info

Publication number: JP2016023684A
Application number: JP2014146933A
Authority: JP
Inventors: 藤原　茂樹; Shigeki Fujiwara; 茂樹藤原; 金高　浩春; Hiroharu Kanetaka; 浩春金高
Original assignee: Kawaden Co Ltd
Current assignee: Kawaden Co Ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-02-08
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: JP6426390B2

Abstract

【課題】遮断弁の遮断時の衝撃を緩和して出力軸及び駆動機構の各ギヤの損傷を防止し、かつ、ブレーキ機構のワンウェークラッチの損傷を防止する。
【解決手段】ブレーキ機構の入力軸２４に対して直角方向に伸縮可能で、かつ、縮小方向へ引っ張るスプリング２７を備え、ワンウェークラッチ３４を介して入力軸２４に対して対称に設けられる制動部材２５と、前記制動部材２５の伸長時に接する摺動面３７がリングの内周に形成され、前記ブレーキ機構の入力軸２４を中心として設けられた摺動リング２６を備える。そして、ゼンマイバネが解放されてブレーキ機構の入力軸２４が回転すると、遠心力により制動部材２５が伸長して、その先端が摺動リング２６の摺動面３７に接することで回転速度を規制してワンウェークラッチ３４の損傷を防止し、かつ、ブレーキ機構とギヤ接続された出力軸の回転速度を規制して出力軸及び駆動機構の各ギヤの損傷を防止する。
【選択図】図２

Description

この発明は、遮断時の衝撃を緩和するブレーキ機構を備えた遮断弁に関するものである。

信頼性の高い機械式の遮断弁として、例えば、特許文献１に記載された「ゼンマイバネ」を用いたバネリーン式のものがある。この遮断弁は、例えば、図９（ａ）に示すように、ブレーキ機構１を備えた構造となっていて、緊急時にブレーキ機構１が解除されると巻き締められたゼンマイバネ２が解放されて弁体３を回動して遮断する。
すなわち、この遮断弁は、弁体３とその駆動機構４及びブレーキ機構１で構成されている。弁体３は、出力軸（弁軸）５を９０度回転することにより開閉するボールバルブやバタフライ弁などである。駆動機構４は、モータ６の駆動により回転するインターナルギヤ７と、このインターナルギヤ７の内側の内周歯と噛みあう複数の遊星ギヤ８と、出力軸５の外周に回転自在に取り付けられて各遊星ギヤ８と噛みあう太陽ギヤ９と、その太陽ギヤ９と噛み合う各遊星ギヤ８を貫通する支軸１０の一端を出力軸５の外周から張り出す鍔部１１に接続し、かつ、出力軸５を通すスリーブ１２で太陽ギヤ９を中継ギヤ１３と連結した構造となっている。

一方、ブレーキ機構１は、弁体３の出力軸５に設けられた中継ギヤ１３とギヤ接続された巻き上げギヤ１４と、前記巻き上げギヤ１４を取り付けた軸に設けたゼンマイバネ２と、そのゼンマイバネ２を取り付けた巻き上げギヤ１４と噛みあう回転軸１５を停止させるブレーキ手段１６とで構成されており、ここでは、ブレーキ手段１６に電磁クラッチブレーキ（例えば、回転軸として出力軸にギヤを取り付けたもの）を用いた構成となっている。

このような遮断弁では、弁体３の全閉位置において、図９（ａ）に示すものでは、出力軸５に設けたストッパ板１７にストッパーボルト１８を当てて、出力軸５の右回りの回転を阻止し、かつ、電磁クラッチブレーキ（ブレーキ手段）１６をオフにした状態で、モータ６を作動してインターナルギヤ７を右回りに回転させる。すると、遊星ギヤ８は、出力軸５と一体の支軸１０に右回りの公転を阻止されて自転することになり、太陽ギヤ９と連動する中継ギヤ１３が回転する。その結果、中継（中間）ギヤ１３とギヤ接続された巻き上げギヤ１４が回転してゼンマイバネ２を巻き上げる。

そして、ゼンマイバネ２の巻き上げが完了すると、前記クラッチブレーキ１６を作動してゼンマイバネ２を蓄圧（巻き締めた）状態で保持する。この状態では、巻き上げギヤ１４、中継ギヤ１３、太陽ギヤ９は回転しないように保持されるので、図９（ｂ）のように、モータ６を逆転させてインターナルギヤ７を左回りに回転すると、各遊星ギヤ８は自転しながら左回りに公転して支軸１０を押すので、出力軸５と弁体３が左回りに回転し遮断弁を図９（ｃ）のように、開放することができる。また、モータ６を正転すると、出力軸５と弁体３が右回りに回転するので遮断弁を閉鎖することができる。このようにゼンマイバネ２を巻き締めた状態で、モータ６を回転して遮断弁の開閉ができる。

一方、遮断弁の使用中に事故などで通電が遮断されると、電磁クラッチブレーキ１６がオフになって、巻き締められたゼンマイバネ２が解放される。そのため、ゼンマイバネ２の弾性復元力（伸縮力）により、巻き上げギヤ１４、中継ギヤ１３、太陽ギヤ９が巻き上げ時と逆方向へ回転する。このとき、停電で停止したモータ６と係合するインターナルギヤ７は固定された状態になるため、太陽ギヤ９の回転とともに、各遊星ギヤ８は自転しながら右回りに公転して支軸１０を押す。その結果、出力軸５と弁体３も右回りに回動して出力軸５は、図９（ａ）に示すように、ストッパーボルト１８に回転を阻止された位置で停止する。このように、通電が遮断されると自動的に弁体３を回動させて遮断する。

ところで、上記のように、遮断時、出力軸５及び駆動機構４の各ギヤ７、８、９は、回転速度が速すぎるとストッパーボルト１８に回転を阻止された際、損傷を受ける問題がある。
この問題を解決する一つの方法として、例えば、図１０のように、電磁クラッチブレーキ１６の入力軸１９にワンウェークラッチ２０を介して錘２０ｗを取り付け、回転速度を規制することが行われている。
これは、電磁クラッチブレーキ１６の入力軸１９が、巻き上げ１４とギヤ接続された軸と内部で連結されていることを利用したものである。

特開２０１０−３８２３８号公報

しかしながら、上記のように、錘を取り付けたことで回転速度を規制して出力軸や駆動機構の各ギヤの損傷を防止することはできるが、錘を取り付けた電磁クラッチブレーキに問題が生じた。これは、錘の重さで錘とクラッチブレーキの間に介在するワンウェークラッチの寿命が極端に短くなるというものである。
このため、錘の重さを軽くすることも考えられるが、錘の重さを軽くすると、出力軸の速度が速くなって出力軸や駆動機構の各ギヤが損傷する。
また、ワンウェークラッチを使わないで、錘を直接クラッチブレーキの入力軸に取り付けることも考えられるが、逆の回転が加わった場合クラッチブレーキの軸受けに負荷が加わって破損することが考えられる。

そこで、この発明の課題は、出力軸や駆動機構の各ギヤの損傷を防止し、かつ、ワンウェークラッチ（クラッチブレーキの軸受）の損傷も防止することである。

上記の課題を解決するため、この発明では、弁体を設けた出力軸にギヤ接続された巻き上げギヤと、前記ギヤを取り付けた軸に設けたゼンマイバネと、そのゼンマイバネを取り付けたギヤと噛みあう回転軸を停止させるブレーキ手段とで構成されるブレーキ機構を備え、ブレーキ機構を作動して巻き締められたゼンマイバネを保持するとともに、緊急時にブレーキ機構を解除して巻き締められたゼンマイバネを解放し、弁体を回動して遮断する遮断弁であって、前記ブレーキ機構の回転軸に対して直角方向に伸縮可能で、かつ、縮小方向へ引っ張る弾性部材を備え、ワンウェークラッチを介し軸に対して対称に設けられる制動部材と、前記制動部材の伸長時に先端の接触部と接する摺動面がリングの内周に形成され、前記ブレーキ機構の回転軸を中心として設けられた摺動リングを備えた構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、ゼンマイバネが解放されてブレーキ機構の回転軸が回転すると、回転による遠心力で軸に対して直角方向に伸縮可能に設けられた制動部材が伸長する。そして、その伸長した制動部材の先端が、摺動リングの内側の摺動面に接することで回転速度を規制する。その結果、ブレーキ機構の回転軸と噛み合う巻き上げギヤを介して遮断弁の出力軸の回転速度を規制する。その際、制動部材は、速度の規制により伸縮を繰り返すことで回転速度を一定に規制する。このとき、制動部材は軸に対して対称に設けられているため「ぶれる」ことは無い。また、制動部材の回転速度に対する伸長量は制動部材に備えた弾性部材を調節することで変更できる。そのため、規制する速度を錘の重さに関係なく調整できるため、軸に負荷をかけないようにできる。

このとき、上記制動部材に回転時に風を受ける風受けを設けた構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、風受けによるブレーキを併用すれば、その分だけ摺動リングによるブレーキの負担を軽減できる。その結果、制動部材及び摺動リングの寿命を延ばしたり、制動部材及び摺動リングの構造を簡単に軽量化して軸の負担を軽減したりできるため、ブレーキ機構の寿命を延ばすことができる。

また、このとき、上記ブレーキ機構が、電磁クラッチと電磁ブレーキを心出しして突き合わせてセットしたクラッチブレーキユニットである構成を採用することができる。

この発明は、上記のように構成したことにより、遮断弁の寿命を延ばすことができる。

実施形態の構造図（ａ）ブレーキ機構の一部断面正面図、（ｂ）同図（ａ）の平面図実施形態の作用説明図実施形態の作用説明図実施形態の作用説明図（ａ）、（ｂ）実施形態の作用説明図実施形態の作用説明図（ａ）実施例１の平面図、（ｂ）実施例１のブレーキ機構の一部断面正面図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）従来例の作用説明図従来例のブレーキ機構の一部断面正面図

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図１の遮断弁は、図９（ａ）〜（ｃ）の従来の遮断弁と同様、弁体３とその駆動機構４及びブレーキ機構２１で構成されており、ブレーキ機構２１に本願の発明を適用したものである。そのため、同じ部材には同じ符号を使用する。

すなわち、弁体３は、出力軸（弁軸）５を９０度回転することにより開閉するボールバルブやバタフライ弁などで、駆動機構４は遊星歯車機構を用いたものである。
そのため、駆動機構４は、モータ６の駆動により回転するインターナルギヤ７と、このインターナルギヤ７の内側の内周歯と噛みあう複数の遊星ギヤ８と、出力軸５の外周に回転自在に取り付けられて各遊星ギヤ８と噛みあう太陽ギヤ９を配置し、各遊星ギヤ８を貫通する支軸１０の一端を出力軸５の外周から張り出す鍔部１１に接続し、かつ、出力軸５を通すスリーブ１２で太陽ギヤ９を中継（中間）ギヤ１３と連結した構造となっている。
また、出力軸５には、鍔部１１の下方にストッパ板１７が設けられ、このストッパ板１７がストッパーボルト１８と当接して出力軸５の回転範囲を９０度に規制するようになっている。

ブレーキ機構２１は、中継ギヤ１３にギヤ接続された巻き上げギヤ１４と、前記巻き上げギヤ１４を取り付けた軸に設けたゼンマイバネ２と、そのゼンマイバネ２を取り付けた巻き上げギヤ１４とギヤ接続した回転軸１５を停止させるブレーキ手段２２で構成されている。
ブレーキ手段２２は、ここでは、電磁クラッチブレーキを使用しており、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、電磁クラッチブレーキ（ブレーキ手段）２２の出力軸２３を回転軸１５としてギヤを取り付けた構成としている。この電磁クラッチブレーキ２２は、電磁クラッチと電磁ブレーキを心出しして突き合わせてセットしたクラッチブレーキユニットのことで、ここでは、電磁ブレーキのみを使用し、電磁クラッチに通電せずにオフ（クラッチを接続した状態）の状態で使用する。また、出力軸２３には、先述のように、巻き上げギヤ１４にギヤを介して接続されるギヤを取り付けてある。
そして、このようなブレーキ機構２１に加えて、電磁クラッチブレーキの入力軸２４に制動部材２５を設けるとともに、前記入力軸２４をリングの中心として設けられた摺動リング２６を備えた構成となっている。

制動部材２５は、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４に対して直角方向に伸縮可能で、かつ、縮小方向へ引っ張る弾性部材２７を備えたもので、前記入力軸２４に対して対称に設けられている。この形態では、制動部材２５は図２（ａ）、（ｂ）に示すように、内側ロッド２８、外側部材２９、弾性部材のスプリング２７で構成される伸縮部材３０と、伸縮部材３０を支持するハブ３１とで構成されている。

内側ロッド２８は、先端にスプリング止め３２が形成された断面Ｔ字型のもので、筒状（角筒も含む）の外側部材２９に挿入されている。筒状の外側部材２９は、先端が開放されており、開放された先端を接触部（ブレーキシュー）３８とした構成となっている。
一方、外側部材２９の後端部は閉じられていて中央に内側ロッド２８を挿通する挿通孔が設けられた形状となっており、例えば、外側部材２９の先端部の開口から、ロッドにスプリング２７を通した内側ロッド２８をロッド側から嵌入し、嵌入したロッドは挿通孔を通してハブ３１に取り付ける。このため、ハブ３１に取り付けられた伸縮部材３０の外側部材２９はスプリング２７の伸長により縮小する方向へ引っ張られるのである。

ハブ３１は円筒形で上部に伸縮部材３０の取り付け穴が設けられている。また、取り付け穴は、１８０度対称に設けることで、一組の伸縮部材３０をバランスさせて取り付けるようになっている。この円筒形のハブ３１には、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４を嵌入する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、図２（ａ）に示すように、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４よりも大径に形成された挿入口３３が形成されている。この挿入口３３は、挿入端から貫通孔の長さの半分程度まで形成してあって、ワンウェークラッチ３４を嵌入するようになっている。
このように構成される制動部材２５は、図２（ａ）のように、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４にワンウェークラッチ３４を嵌入しハブ３１を挿入してＣ型止め輪３５で取り付ける。すると、ワンウェークラッチ３４により、制動部材２５へは、後述のように、ゼンマイバネ２の巻き上げ時の回転が伝達されないようになっている。
なお、ここでは、一組の伸縮部材３０を取り付けたものについて述べたが、伸縮部材３０の組数は一組に限定されるものではない。組数は、制動の状況に合わせて適宜設定されるものである。

摺動リング２６は、図２（ｂ）のように、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４がリング２６の中心となるように電磁クラッチブレーキ２２のケースに支柱３６を設けて取り付けてある。また、摺動リング２６の内周には、摺動面３７が形成されており、摺動面３７は制動部材２５の伸長時に先端の接触部３８と接するように摺動リング２６の径と支柱３６の高さが決められている。

この形態は、上記のように構成されており、この遮断弁では、使用に際してゼンマイバネ２の巻き込み（巻き上げ）を行う。
すなわち、図３のように、遮断弁の出力軸５のストッパ板１７にストッパーボルト１８を当接させて出力軸５の左回りを阻止する。次に、電磁クラッチブレーキ２２をオフ（電磁ブレーキ）にした状態で、モータ６を作動してインターナルギヤ７を右回りに回転させる。すると、遊星ギヤ８は、出力軸５と一体の支軸１０に左回りの公転を阻止されて自転することになる。この結果、太陽ギヤ９と連動する中継ギヤ１３が回転し、中継ギヤ１３とギヤ接続された巻き上げギヤ１４が回転してゼンマイバネ２を巻き上げる。このとき、巻き上げギヤ１４と噛み合う電磁クラッチブレーキ２２の出力軸２３も回転するが、電磁クラッチブレーキ２２に取り付けられた制動部材２５は、ワンウェークラッチ３４により回転が伝えられないため回転しない。
そして、ゼンマイバネ２の巻き上げが完了すると、電磁クラッチブレーキ２２が作動して巻き上げギヤ１４に噛み合うギヤの回転を止めるため、ゼンマイバネ２は蓄圧（巻き締めた）状態で保持される。このとき、巻き上げギヤ１４に噛み合う中継ギヤ１３、太陽ギヤ９も回転しないように保持される。そのため、図４のように、モータ６を逆転させてインターナルギヤ７を右回りに回転すると、各遊星ギヤ８は自転しながら左回りに公転して支軸１０を押す。したがって、出力軸５及び弁体３が左回りに回転し、遮断弁を開放することができる。また、モータ６を正転すると、出力軸５及び弁体３が右回りに回転して遮断弁を閉鎖することができる。このように、モータ６を使って遮断弁の開閉ができる。

一方、遮断弁の使用中に事故などで通電が遮断されると、図５に示すように、電磁クラッチブレーキ２２がオフとなって、巻き締められたゼンマイバネ２は解放される。そのため、ゼンマイバネ２の弾性復元力（伸縮力）により、巻き上げギヤ１４、中継ギヤ１３、太陽ギヤ９が巻き上げ時と逆方向へ回転する。このとき、巻き上げギヤ１４と噛み合う電磁クラッチブレーキ２２の出力軸２３は巻き上げ時と逆向きに回転するため、回転はワンウェークラッチ３４により伝達されて制動部材２５を回転させる。

制動部材２５は回転を開始すると、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４に対して直角方向に設けた伸縮部材３０に遠心力が作用する。このとき、制動部材２５は入力軸２４に対して対称に設けられているため「ぶれる」ことはなく、入力軸２４に負荷をかけることは無い。
また、遠心力は、伸縮部材３０の外側部材２９を外向きに入力軸２４から遠ざける方向へ働くため、外側部材２９は弾性部材であるスプリング２７に抗して伸長する。そのため、スプリング２７≧遠心力では、図６（ａ）のように、外側部材２９は、縮小状態である。一方、スプリング２７＜遠心力では、図６（ｂ）のように伸長するのである。

すなわち、遠心力Ｔは、
Ｔ＝ｍα＝ｍＲω^２＝ｍＲ（２πｎ）^２＝４π^２ｍＲｎ^２
で示される。
ここで、スプリング（バネ）２７の反発力Ｐは、
Ｐ＝−κｘ
である。そのため、入力軸の回転数ｎ＞ｎ１のとき、Ｔ＞Ｐとなれば、外側部材２９は入力軸２４から遠ざかる方向へ移動し、摺動リング２６に接触してブレーキとして作用する。
このときの摩擦力Ｆは、
Ｆ＝−μ（Ｔ−Ｐ）＝ブレーキ力
となる。
但し、ｍ：外側部材の質量、
Ｒ：入力軸から外側部材の質量中心（重心）まで距離、
ω：入力軸の角速度、ｎ：入力軸の回転数、
ｎ１：入力軸の最高回転数、α：遠心加速度、
Ｐ：スプリングの反発力、κ：バネ定数、
ｘ：スプリングの圧縮距離、
μ：摩擦係数（外側部材の接触部と摺動リングの摺動面）
Ｆ：摩擦力（外側部材の接触部と摺動リングの摺動面間）
である。
このため、制動部材２５の回転速度に対する伸長量は制動部材２５に備えたスプリング２７を変更するなどして調節すれば、重さに関係なく規制する速度を簡単に調整できる。
また、制動部材２５の回転速度に対する伸長量は制動部材２５に備えたスプリング２７を変更するなどして調節すれば、重さに関係なく規制する速度を簡単に調整できる。

この動作を図７のグラフで説明する。
図７のグラフＡに示すように、遮断弁が遮断を開始すると、解放されたゼンマイバネ２の弾性復元力（伸縮力）により、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４の回転数は徐々に増加する。そして、回転数ｎがｎ１に達すると、遠心力により外側部材２９はスプリング２７の反発力に抗して伸長し、伸長した外側部材２９は摺動リング２６の内側の摺動面３７と接触する。すると、摺動面３７と外側部材２９の接触部３８と間に摩擦力Ｆが発生して回転にブレーキが掛かり、回転数ｎが低下する。このように、回転数ｎが低下すると遠心力も低下するため外側部材２９は縮小する。また、外側部材２９が縮小すると、外側部材２９の接触部３８と摺動リング２６の摺動面３７が離れ、ブレーキがかからなくなって遠心力が増加する。そのため、外側部材２９はスプリング２７の反発力に抗して伸長し、摺動リング２６の内側の摺動面３７と接触する。そして、摺動面３７と外側部材２９と間に摩擦力Ｆが発生して回転にブレーキがかかるため回転数ｎが低下し、外側部材２９は縮小する。
このように外側部材２９が、伸長と縮小の動作を繰り返すことで、電磁クラッチブレーキ２２の入力軸２４の回転速度を一定に保つことができる。
その結果、電磁クラッチブレーキ２２の出力軸２３と噛み合う巻き上げギヤ１４を介して遮断弁の出力軸５の回転速度を一定に規制するため、遮断完了時に遮断弁の出力軸５のストッパ板１７がストッパーボルト１８に当たる衝撃を緩和することができる。

ちなみに、従来の錘２０ｗを用いた場合は、図７に一点鎖線でプロットしたグラフＢのように、回転数が遮断完了時まで増加し、場合によっては最高回転数ｎ２まで増加する。そのため、遮断弁の出力軸５のストッパ板１７が遮断完了時にストッパーボルト１８に当たる際の衝撃を緩和することができない。しかも、ｎ２＞ｎ１となるため、本願に比べて重い錘２０ｗを使用する電磁クラッチブレーキ２２は、軸受けやワンウェークラッチ３４などに大きな慣性によるダメージを与える。

この実施例１は、図８（ａ）、（ｂ）のように、制動部材２５に風受け４０を設けたものについて説明する。
風受け４０は、例えば、ダリウス風車のような垂直な翼を移動部材２５の下方に設けたもので、伸縮部材３０と同様に１８０度対称に設けている。このような風受け４０を設けて、回転時の風を受けることでブレーキをかける。
したがって、風受け４０によるブレーキを併用すれば、その分だけ制動部材２５のブレーキの負担を軽減できる。その結果、制動部材２５及び摺動リング２６の寿命を延ばしたり、制動部材２５及び摺動リング２６の構造を簡単に軽量化して軸の負担を軽減してブレーキ機構の寿命を延ばしたりできる。

なお、実施形態では、弾性部材２７にスプリングを用いたが、弾性部材２７はこれに限定されるものではない。例えば、ゴムや樹脂などの弾性部材２７を用いることもできる。また、実施形態では、伸長方向のスプリングを用いたが、逆に、縮小方向のスプリングを用いた機構とすることができる。
なお、図中符号５０は、マイクロスイッチとカムとで構成され、遮断弁の開閉を検出するためのセンサ機構である。

１ブレーキ機構
２ゼンマイバネ
３弁体
５出力軸
１４巻き上げギヤ
１５回転軸
１６ブレーキ手段
１９入力軸
２１ブレーキ機構
２２電磁クラッチブレーキ
２３出力軸
２４入力軸
２５制動部材
２６摺動リング
２７スプリング
３０伸縮部材
３４ワンウェークラッチ
３７摺動面

Claims

弁体を設けた出力軸にギヤ接続された巻き上げギヤと、前記巻き上げギヤを取り付けた軸に設けたゼンマイバネと、そのゼンマイバネを取り付けたギヤと噛みあう回転軸を停止させるブレーキ手段とで構成されるブレーキ機構を備え、ブレーキ機構を作動して巻き締められたゼンマイバネを保持するとともに、緊急時にブレーキ機構を解除して巻き締められたゼンマイバネを解放し、弁体を回動して遮断する遮断弁であって、
前記ブレーキ機構の回転軸に対して直角方向に伸縮可能で、かつ、縮小方向へ引っ張る弾性部材を備え、ワンウェークラッチを介し軸に対して対称に設けられる制動部材と、
前記制動部材の伸長時に先端の接触部と接する摺動面がリングの内周に形成され、前記ブレーキ機構の回転軸を中心として設けられた摺動リングを備えたことを特徴とする遮断弁。
上記制動部材に回転時に風を受ける風受けを設けた請求項１に記載の遮断弁。
上記ブレーキ機構が、電磁クラッチと電磁ブレーキを突き合わせてセットしたクラッチブレーキユニットであることを特徴とする請求項１または２に記載の遮断弁。