JP2019027527A - 回生制動回路付き電動アクチュエータと緊急遮断弁用電動回転弁並びに緊急遮断システム - Google Patents

Abstract

【課題】全閉位置リミットスイッチが作動した際に早期にＤＣモータの回生制動回路を形成してオーバーランを極少化してハンチングの発生を防止するとともに、手動操作時にＤＣモータの回生制動回路を解除して操作トルクを軽減することができる回生制動回路付き電動アクチュエータ及び緊急遮断弁用電動回転弁を提供すること。【解決手段】検知手段が少なくとも全閉位置に達したことを検知した際に電源とＤＣモータ１２との接続を切り、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７とを接続して回生制動回路を形成する回生制動切り替えリレー１６を備えるとともに、回生制動切り替えリレー１６のコイル１６ａに流す電流の通電を制御するリレー動作点閾値回路手段１５を備え、このリレー動作点閾値回路手段１５を介して回生制動切り替えリレー１６を制御し、早期に回生制動回路を形成するようにした回生制動回路付き電動アクチュエータである。【選択図】図１

Description

本発明は、回生制動回路付き電動アクチュエータとこの電動アクチュエータを搭載した緊急遮断弁用電動回転弁並びにこの緊急遮断弁用電動回転弁を用いた緊急遮断システムに関する。

ビル、マンション等では、水道管からポンプにより揚水した水を貯留して内部に貯える給水タンクが屋上に設置されており、給水タンク内に貯えた水を建物内に分配給水している。この給水タンクの吐出部には緊急遮断弁が設置されていて、通常は開弁位置に維持され、給水タンク内に貯えた水を建物内に分配給水しているが、大規模地震が発生した緊急時には、短時間で閉弁して配管の損傷による給水タンク内の水の流出を防止し、飲料水等の生活用水を確保できるように設計的に配慮されている。

緊急遮断弁は給水タンクの吐出部に設置され、大流量の確保と圧損の低減に対応する必要があるため、口径の大きなバタフライバルブ又はボールバルブ等の回転弁が使用されている。

緊急時には商用電源が停電することが予想されるため、緊急遮断弁は商用電源によることなく閉弁することが求められており、電動アクチュエータは、二次電池（バッテリー、電気二重層コンデンサ）に電力を蓄えておき、緊急時にこの電力を使用してモータを駆動し、弁体を全閉弁位置に回転させるようにしている。また、二次電池を用いた電動アクチュエータでは、回路構成の簡素化、コストの観点からＤＣモータが採用されていることが一般的であり、このＤＣモータは、ギア部を介して緊急遮断弁の弁体を回転するバルブステムに接続されている。

図４において、現在、緊急遮断弁用バタフライバルブに使用されている電動アクチュエータの回路図を示す。この電動アクチュエータの回路１は、ブラシ構造のＤＣモータ２と、ＤＣモータの回転方向を操作する操作スイッチ３と、全開位置リミットスイッチ４、全閉位置リミットスイチ５、手動操作時にＤＣモータ２と電源（二次電池）との接続を切るインターロックスイッチ６とから構成されている。また、端子７、８は操作スイッチ３とＤＣモータ２を接続するための端子であり、ダイオード９、１０は、全開位置リミットスイッチ４、全閉位置リミットスイッチ５が切れた場合にＤＣモータ２の逆回転を可能とするため、全開位置リミットスイッチ４、全閉位置リミットスイッチ５をバイパスさせるためのダイオードである。

図４の電動アクチュエータの回路１において、全開位置に回転させる場合には、操作スイッチ３を開側に切り替えると、端子７の＋端子からインターロックスイッチ６、全開位置リミットスイッチ４、ＤＣモータ２を経由して端子８のマイナス（−）端子に回路が構成され、弁体が開方向に回転する。回転に伴って全閉位置リミットスイッチ５は作動を終了してＮＣ端子に切替わる。弁体が全開位置に達すると全開位置リミットスイッチ４が作動してＮＯ端子側に切替わり、ＤＣモータ２と電源（二次電池）との接続が切られ、バルブが全開位置にて停止する。

全閉位置に回転させるために操作スイッチ３を再度閉側に切り替えると、端子８のプラス（＋）端子から全閉位置リミットスイッチ５、ＤＣモータ２、ダイオード９、インターロックスイッチ６を経由して、端子７のマイナス（−）端子に回路が構成され、弁体が閉方向に回転する。回転に伴って全開位置リミットスイッチ４は作動を終了してＮＣ端子に切替わり、弁体が全閉位置に達すると全閉位置リミットスイッチ５が作動して、ＤＣモータ２と電源（二次電池）との接続が切られ、バルブが全開位置にて停止する。

また、バルブが全閉位置の場合に、手動操作でバルブを開放しようとすると、弁体を開方向に回転させた際に全閉位置リミットスイッチ５が通電状態、すなわち、作動を終了してＮＣ端子に切替わり、ＤＣモータ２と電源が接続された状態となって弁体を閉方向に回転させてしまうので、このような不具合を防止するために、電源とＤＣモータとの接続を切るため、インターロックスイッチ６を備えている。

このような回路１を有する電動アクチュエータが弁体を全開位置又は全閉位置に回転させると、全開位置リミットスイチ４あるいは全閉位置リミットスイチ５が全開位置あるいは全閉位置で作動した場合、ＤＣモータ２と電源との接続が切られるので、ＤＣモータ２は電磁トルクを消失し、回転の駆動力を失うが、回転していたＤＣモータ２のロータ（電機子）は慣性モーメントによるフライホイール効果により直ちに停止することなく、オーバーラン（惰走回転）することになる。

停止時にこの様な特性を有するＤＣモータを備えた電動アクチュエータを中心型バタフライバルブに搭載し、特に弁体を全閉位置に回転させた場合には、ＤＣモータ２のロータのオーバーランが原因となって、弁体が全閉位置で微開度の開閉を繰り返すハンチングが発生する。このハンチングは、ＤＣモータ２のオーバーランにより弁体が全閉位置で停止できずにシートゴムに食い込み、この食い込みにより生じるシートゴムの反発力で弁体が開方向に押し戻され、この押し戻しにより全閉位置リミットスイッチ５が通電してＤＣモータ２が閉弁方向に再び回転し、その後、全閉位置で全閉位置リミットスイッチ５が作動してＤＣモータ２への電源の接続が断たれた後、ＤＣモータ２のオーバーランにより弁体がシートゴムに食い込んで押し戻される動作を繰り返すために発生する。特に中心型バタフライバルブでは、円盤状の弁体外周を円筒状のシートゴムの内周に密着させて弁座シールを行う構造であることから、弁閉となる過程で弁体の回転トルクが変化しやすく、ハンチングが生じやすい。

例えば、バタフライバルブを緊急遮断弁として使用する給水タンクにこのハンチング現象が発生すると、シート漏れ、無駄な二次電池の電力消費が発生し、結果的にはバタフライバルブのタイトシャット状態を維持できなくなり、給水タンクが漏水状態となるという問題が発生する。

また、バタフライバルブの全閉位置においてオーバーランが過剰に発生すると、弁体のバルブシートゴムへの食い込みが深く生じ、弁開復旧時にアクチュエータが過負荷となり、開動作が不能となったり、弁開復旧時にバルブステム等の機構連結部品に捻じれが生じる結果、急に開動作が発生するジャンピングが発生し、電動アクチュエータにダメージを与えたりする問題もある。

これらハンチング、起動障害、ジャンピングは、ＤＣモータを使用することによるギア部の保持トルクの不足、及びロータのオーバーランの発生が複合的な原因となって発生するものである。

ＤＣモータを使用した電動アクチュエータのギア部の保持トルクの不足とモータのオーバーラン発生へ対処するため、特許文献１には、電気的制動によりＤＣモータを使用した電動アクチュエータのギア部の保持トルクの不足とモータのオーバーラン発生に対応する電動弁が開示されている。この電動弁は、弁体が所定位置に達して全開リミットスイッチあるいは全閉リミットスイッチが作動し、ＤＣモータへの電源の接続が断たれると同時に、リレースイッチによりＤＣモータのロータと抵抗とを短絡させて回生制動回路を形成し、電源との接続が断たれたＤＣモータを発電機として作用させることによってロータの惰走回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、抵抗での発熱により瞬時に消費させてロータを停止させ、オーバーランを防止するようにしている。

この電動弁は、電動アクチュエータの制動機構としてＤＣモータとリレー、抵抗を組み合わせた回生制動回路を構成するだけであり、従来のギア機構をそのまま流用して若干の回路を追加するだけで簡単かつ安価に回生制動を備えた電動アクチュエータを実現することができる特長があり、また電動アクチュエータの形状寸法が大型化することもない。

実開昭５３−１６２４２３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電動アクチュエータをバタフライバルブに搭載して使用した場合、閉弁時におけるハンチングの発生を完全に解消することができなかった。ハンチングが解消されなかった原因を探求した結果、原因はリレーの作動特性にあることを突き止めた。

電動アクチュエータの制動機構として、ＤＣモータ、抵抗、リレースイッチを組み合わせた回生制動回路を採用した場合、全閉位置リミットスイッチの作動によってＤＣモータと電源との接続が断たれた直後においては、ＤＣモータのロータは慣性モーメントによって回転（惰走）を続けており、この回転によって生じた起電力（惰走起電力）により生じた電流が配線を通じてリレーコイルに供給されるため、リレーコイルは保持状態を保って切替わらない。このためＤＣモータのロータと抵抗は短絡された状態とならず、回生制動回路は形成されていない。

一般的には、リレーコイルは、定格電圧の８０％以上で作動し、定格電圧の１０％以下で復帰する。このことは、ＤＣモータのロータの惰走起電力がリレーの定格電圧の１０％以下まで低下しないとリレーが復帰せず、それまでの間は回生制動回路が形成されないことを意味する。リレーがこのような作動特性を有しているため、リレー接点が回生制動回路側への切替わり、回生制動回路が形成されるまでの間はロータの惰走回転が続き、その結果、バタフライバルブの弁体にハンチングを発生させるのである。

以上のハンチング発生の問題に加え、回生制動回路を形成してＤＣモータを停止させた状態では、常時回生制動がかかった状態が維持されるため、手動でアクチュエータを操作することができない。このため、緊急時に商用電源が停電している際に、制御装置の故障、二次電池の消耗等の不測の事態となった場合には、手動で緊急遮断弁の開閉操作を行って、給水タンク内の水を取出し等が行えないという問題もある。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発したものであり、その目的とするところは、全閉位置リミットスイッチが作動した際に早期にＤＣモータの回生制動回路を形成してオーバーランを極少化してハンチングの発生を防止するとともに、手動操作時にＤＣモータの回生制動回路を解除して操作トルクを軽減することができる回生制動回路付き電動アクチュエータ及び緊急遮断弁用電動回転弁を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ＤＣモータと、少なくとも全閉位置に達したことを検知する検知手段を有する電動アクチュエータにおいて、検知手段が少なくとも全閉位置に達したことを検知した際に電源と前記ＤＣモータとの接続を切り、ＤＣモータと回生抵抗とを接続して回生制動回路を形成する回生制動切り替えリレーを備えるとともに、回生制動切り替えリレーのコイルに流す電流の通電を制御するリレー動作点閾値回路手段を備え、このリレー動作点閾値回路手段を介して回生制動切り替えリレーを制御し、早期に回生制動回路を形成するようにした回生制動回路付き電動アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、リレー動作点閾値回路手段は、この回路手段にかかる電圧を分圧する分圧回路と、回生制動切り替えリレーのコイルに流れる電流の通電を制御するスイッチングトランジスタとを備え、分圧回路で分圧した電圧をスイッチングトランジスタに印加してその導通を制御して回生制動切り替えリレーを切り替えることにより、早期に回生制動回路を形成することができるように構成されていることを特徴とする回生制動回路付き電動アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、ＤＣモータと回生抵抗との接続、又は電源からＤＣモータへの電力の供給を切断することができるインターロックスイッチをＤＣモータと回生制動切り替えリレーとの間に設け、回生制動回路が形成されている場合あるいは電源とＤＣモータとの間が接続されている場合にも手動操作を可能とした回生制動回路付き電動アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、回生制動回路付き電動アクチュエータを搭載した緊急遮断用電動回転弁である。

請求項５に係る発明は、電動回転弁は、シートゴムを用いた中心型バタフライバルブであり、リレー動作点閾値回路は、全閉位置に達した弁体がシートゴムによる押し戻しを生じない程度に回生制動切り替えリレーの動作点閾値が設定されていることを特徴とする緊急遮断用電動回転弁である。

請求項６に係る発明は、回生制動回路付き電動アクチュエータを搭載した緊急遮断用電動回転弁と、この緊急遮断用電動回転弁を感震器の作動により全閉状態とする制御部とを有する緊急遮断システムである。

請求項１に係る発明によると、検知手段が全開閉位置に達したことを検知した際に電源とＤＣモータとの接続を切り、ＤＣモータと回生抵抗とを接続して回生制動回路を形成する回生制動切り替えリレーを備えるとともに、回生制動切り替えリレーのコイルに流す電流の通電を制御するリレー動作点閾値回路手段を備え、このリレー動作点閾値回路手段を介して回生制動切り替えリレーを制御し、早期に回生制動回路を形成するようにしているため、電源とＤＣモータとの接続が切られた直後にリレー動作点閾値回路手段を介して回生制動切り替えリレーを復帰させ、早期に回生制動回路を形成することができる。

この回生制動回路が構成されることにより、ロータの惰走回転により発生する惰走電力が回生抵抗で熱に変換され、ロータの回転エネルギーを瞬時に消滅させることができるので、ＤＣモータのオーバーランを極少化してＤＣモータを停止させることができる。

また、回生制動回路が形成された状態ではＤＣモータの回転が強固に回生制動される結果、アクチュエータの出力軸も固定されるので、ＤＣモータを使用した場合のギア部の保持トルクの不足を補って弁体を全開位置あるいは全閉位置に維持することができる。

請求項２に係る発明によると、リレー動作点閾値回路手段は、この回路手段にかかる電圧を分圧する分圧回路と、回生制動切り替えリレーのコイルに流れる電流の通電を制御するスイッチングトランジスタとを備え、分圧回路で分圧した電圧をスイッチングトランジスタに印加してその導通を制御して回生制動切り替えリレーを切り替えることにより、早期に回生制動回路を形成することができるように構成されているため、ＤＣモータのロータの惰走回転が回転抵抗により減速し、惰走起電力が自然に低下することを待つことなく、スイッチングトランジスタにより回生制動切り替えリレーのコイルを流れる電流の通電を切って早期に回生抵抗回路を形成し、ＤＣモータのオーバーランを極少化することができる。

また、分圧回路を構成する抵抗を適宜に算定することにより、小型で信頼性が高く、スイッチングトランジスタのリレー動作点電圧（ＯＮ・ＯＦＦ切り替え電圧）に対応した分圧回路を簡単に構成することができる。

請求項３に係る発明によると、ＤＣモータと回生抵抗との接続、又は電源とＤＣモータとの接続を切ることができるインターロックスイッチをＤＣモータと回生制動切り替えリレーとの間に設けているため、回生制動回路が形成されている場合に、制御装置の故障や二次電池の消耗等の不測の事態が発生しても、回生制動回路を解除することで手動操作トルクを軽減させ、容易に電動アクチュエータの手動操作することができる。また、回生制動回路が形成されていない通常時には、手動操作する際や電動アクチュエータのカバーを開放して点検などを行う際に、直流電源とＤＣモータとの通電を切ることができるので、ＤＣモータが回転動作することによる怪我を防止することができる。

また、インターロックスイッチをＤＣモータへの直流電源の供給を遮断することができるとともに、ＤＣモータと回生抵抗の接続を遮断して回生制動の解除が行える位置に設けたので、１個のインターロックスイッチにより、通常の点検作業を安全に行うことができるとともに、緊急時には回生制動回路を解除して手動操作を行うことができる。

請求項４に係る発明によると、ＤＣモータのロータの惰走起電力の影響を排除して回生制動切り替えリレーを復帰させ、早期に回生制動効果を発揮することができる回生制動回路付き電動アクチュエータを回転に搭載して緊急遮断弁用電動回転弁を構成しているため、回生制動回路付き電動アクチュエータをバタフライバルブに搭載した場合には、ＤＣモータのオーバーランが原因となる弁体の全閉位置におけるハンチングを防止し、給水タンク内の水の流出を最小限に防ぎ、飲料水等の生活用水を確保することができる。

また、同様にＤＣモータのオーバーランが原因となる弁体のバルブシートゴムへの食い込みによる起動障害、開弁時のジャンピングを防止することができるので、アクチュエータへのダメージを防ぐことができる。

これらに加え、回生制動回路付き電動アクチュエータをボールバルブに搭載した場合には、ＤＣモータのオーバーランが原因となる全開位置におけるボール弁体のオーバシュートを防止することができる。

請求項５に係る発明によると、リレー動作点閾値回路は、全閉位置に達した弁体がシートゴムによる押し戻しを生じない程度に回生制動切り替えリレーの動作点閾値を設定しているため、全閉位置リミットスイッチが作動した際に電源とＤＣモータとの接続を切るとともに、速やかにＤＣモータと回生抵抗とを接続してＤＣ−モータのオーバーランを極少化することができるので、シートゴムを用いた中心型バタフライバルブを使用した電動回転弁であっても、全閉位置における弁体のハンチングの発生を防止して確実にバタフライバルブのタイトシャット状態を維持することができ、給水タンクが漏水状態となることがない。

請求項６に係る発明によると、大規模地震が発生した緊急時には、制御装置に設けた感震器が地震の発生を感知すると直ちに、又は商用電源が停電すると直ちに制御装置から緊急遮断弁用電動回転弁に閉弁指令が発せられ、給水タンクの吐出部が緊急遮断されるので、排水管の破損に伴う給水タンク内の生活用水の流出を防止し、ライフライン復旧までの間、生活用水を確保することができる。

特に、回転弁としてバタフライバルブを使用した場合には、弁体が全閉位置に達した際にＤＣモータのオーバーランが原因となって弁体が全閉位置で微開度の開閉を繰り返すハンチングの発生を防止することができるので、大規模地震発生直後に給水タンクの吐出部を確実に遮断して給水タンク内の水の流出を防ぎ、生活用水を確保することができる。

本発明における回生制動付き電動アクチュエータの回路の一実施形態を説明する図面である。 本発明における回生制動付き電動アクチュエータの一実施形態を説明する図面である。 本発明における緊急遮断システムの構成を説明する図面である。 従来の電動アクチュエータの回路図である。

以下に、本発明における回生制動付き電動アクチュエータの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、回生制動付き電動アクチュエータの回路図を示している。図１に示すように、回生制動付き電動アクチュエータの回路１１は、ＤＣモータ１２と、検知手段としての全開位置リミットスイッチ１３及び全閉位置リミットスイッチ１４と、リレー動作点閾値回路手段１５と、回生制動切り替えリレー１６と、回生制動抵抗１７と、これらの間を接続する配線とから構成されている。この図１では、全閉状態を示している。

端子２０、２１は、直流電源（図示せず）から操作スイッチ（図示せず）を介して回路１１に直流電力を供給するための端子である。端子２０と回生制動切り替えリレー１６との間は配線２２で接続されており、端子２０と回生制動切り替えリレー１６との間に全開位置リミットスイッチ１３を設けている。端子２１と回生制動切り替えリレー１６との間は配線２３で接続されており、端子２１と回生制動切り替えリレー１６との間に全閉位置リミットスイッチ１４を設けている。

また、全開位置リミットスイッチ１３の二次側の配線２２から配線２４を分岐するとともに、全閉位置リミットスイッチ１４の二次側の配線２３から配線２５をダイオードブリッジ２６の一次側に接続し、ダイオードブリッジ２６の二次側を配線３０、３１を介してリレー動作閾値回路手段１５に接続している。これらに加え、ＤＣモータ１２と回生制動切り替えリレー１６の間にインターロックスイッチ２７を設けている。

リレー動作点閾値回路手段１５と回生制動切り替えリレー１６との間は、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａに電流を供給する配線２８、２９により接続されている。

ＤＣモータ１２は、電源の極性を反対にすることで回転方向を変更できるブラシ構造のＤＣ（直流）モータである。本図に示した回路１１において、電動アクチュエータを全開方向に作動させるためにＤＣモータ１２を回転させる場合には、図示しない操作スイッチを介して端子２０がプラス（＋）、端子２１がマイナス（−）の極性となるように直流電源に接続する。また、電動アクチュエータを全閉方向に作動させるためにＤＣモータ１２を回転させる場合には、図示しない操作スイッチを介して端子２０がマイナス（−）、端子２１がプラス（＋）の極性となるように直流電源に接続する。

全開位置リミットスイッチ１３と、全閉位置リミットスイッチ１４は、弁体が全開位置あるいは全閉位置に達した時点で直流電願からＤＣモータ１２への通電を切り、ＤＣモータ１２の作動を停止させるためのスイッチである。なお、全開位置リミットスイッチ１３及び全閉位置リミットスイッチ１４と並列に設けられているダイオードＤ１、Ｄ２は、全開位置リミットスイッチ１３又は全閉位置リミットスイッチ１４が作動して開いている場合に、電流を流すためのものである。

リレー動作点閾値回路手段１５は、全開位置リミットスイッチ１３あるいは全閉位置リミットスイッチ１４が作動して電源とＤＣモータ１２との接続が切られた際、又は停電時において、電源と回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａへ通電を切り、直ちに回生制動切り替えリレー１６を復帰させるための回路である。

本実施例では、配線３０を分岐点３０ａで分岐して抵抗１５ａ、１５ｂにより分圧回路を構成し、配線３０、３１間の電圧Ｖｂを降圧した後、抵抗１５ａと抵抗１５ｂとの間の分岐点２５ｂからダイオード１５ｃ、１５ｄを経由してスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）に印加して、このベース（Ｂ）に印加する電圧により、コレクタ（Ｃ）と
エミッタ（Ｅ）との間の導通を制御して、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａを流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御している。

分岐点３０ａで分圧回路に分岐しなかった側の配線は、配線３０、配線２９を介して回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａに接続されており、更に配線２８を介して前記スイッチングトランジスタ１５ｅのコレクタ（Ｃ）に接続されている。スイッチングトランジスタ１５ｅのエミッタ（Ｅ）には、配線３１、ダイオードブリッジ２６を経由して配線２４が接続されている。

スイッチングトランジスタ１５ｅは、ベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧が規定値以上の場合にベース（Ｂ）に電流が流れてコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間が導通し、規定値より低い場合には導通しないので、このように構成することにより、ベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧が規定値を下回った場合には、直ちにスイッチングトランジスタ１５ｅがＯＦＦ状態となり、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａを流れる電流を停止させることができる。

また、抵抗１５ａ、１５ｂにより分圧回路を構成したことにより、抵抗１５ａの抵抗値と抵抗１５ｂの抵抗値を適宜に設定することにより、スイッチングトランジスタ１５ｅのＯＮ・ＯＦＦ状態が切り替わる電圧値である動作バイアス点（閾値）に近づけて配線３０、３１間の電圧Ｖｂを降圧し、スイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）に印加することができる。配線３０、３１間の電圧Ｖｂは、配線２４、２５間の電圧からダイオードブリッジ２６の順方向電圧を引いた電圧となる。

本実施例においては、抵抗１５ａと抵抗１５ｂの各抵抗値を９：１の比率で設定することにより、例えば、電源２４Ｖ仕様の場合に、電源定格電圧の７５％である１８Ｖ以上となった場合に、スイッチングトランジスタ１５ｅがＯＮとなるようにＶｂ（リレー動作点閾値電圧）を設定することができる。

なお、本実施例においては、Ｖｂを抵抗１５ａ１５ｂにより分圧した回路を構成しているが、さらに、抵抗１５ｂと並列に構成される、スイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）に接続する配線に二つのダイオード１５ｃ、１５ｄを直列に接続し、これらのダイオードの順方向電圧をそれぞれ０．６Ｖと０．６Ｖ（計１．２Ｖ）に設定の上、スイッチングトランジスタ１５ｅにおけるベース（Ｂ）、エミッタ（Ｅ）間の電圧０．６Ｖを加えた合計１．８Ｖでスイッチングトランジスタ１５ｅの動作点閾値を設けることにより、後述するように、ＤＣモータの接続を電源から回生抵抗１７に切り替える際などの過渡時におけるノイズによる誤動作を防止し、安定した動作を実現させている。

回生制動切り替えリレー１６は、全開位置リミットスイッチ１３あるいは全閉位置リミットスイッチ１４が作動してＤＣモータ１２への通電が切られた際に、内部に設けた接点１６ｂ及び接点１６ｃを切り替え、ＤＣモータ１２の接続を電源から回生抵抗１７に切り替え、回生抵抗回路を形成するための回路切り替え手段である。

回生制動切り替えリレー１６は、電源から回路１１に直流電力が供給されている間にはリレーコイル１６ａに電流が流れ、回生制動切り替えリレー１６は作動状態となり、直流電源とＤＣモータ１２との接続が維持される。直流電源から回路１１に直流電力が供給されなくなると、回生制動切り替えリレー１６は復帰し、回生抵抗回路を形成する。なお、前述したように、一般的には、リレーは定格電圧の８０％以上で作動し、定格電圧の１０％以下で復帰する。

回生抵抗１７は、回生制動切り替えリレー１６によりＤＣモータ１２に回生抵抗１７が接続される回生抵抗回路が形成された際に、ＤＣモータ１２のロータの惰走起電力により生じる電流を熱エネルギーに変換してロータの惰走回転エネルギーを消滅させ、ロータの惰走回転を極少化させてＤＣモータのオーバーランを防止するための電気抵抗である。

ダイオードブリッジ２６は、回生制動切り替えリレー１６を動作させるための電源を確保するためのダイオードブリッジであり、端子２０、２１に供給される電源の極性に関わらず直流電源を得るためのものである。

インターロックスイッチ２７は、通常時の点検作業の際には電源とＤＣモータ１２との間の接続を切り離し、また緊急時に回生制動回路が形成されている際には、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７との間を切り離し、回生制動回路を無効にする。

次いで、本発発明における回生制動回路付き電動アクチュエータの一実施形態を図面により説明する。
図２に示すように、アクチュエータ本体３２は、カバー３３とベース体３４とを有し、この内部には、ＤＣモータによる回転駆動源３５と、回転駆動源３５からの動力を減速回転する減速歯車機構３６とを有している。

図示しないボルト等の固着手段によりベース体３４の上面に固定されたＤＣモータの出力軸には、図示しないピニオンギアが設けられており、モータの回転を減速歯車機構３６に伝達している。減速歯車機構３６は、平歯車列等により構成された減速機構を有しており、減速歯車機構３６には出力軸３７が取り付けられ、減速歯車機構３６を介して回転駆動源３５から伝達されるＤＣモータの回転をバルブのステムに伝達し、バルブの弁体を回転させるようになっている。

また、出力軸３７の上部には、全開位置リミットスイッチ１３及び全閉位置リミットスイッチ１４を取り付けた制御軸３８が取り付けられており、バルブの弁体が全開位置又は全閉位置に達すると、電源から回転駆動源３５（ＤＣモータ）への通電を切るようになっている。

これらに加え、アクチュエータ本体３２には、アクチュエータを手動操作するための手動ハンドル３９が設けられており、手動操作する際にはこの手動ハンドル３９を上部に引くと、手動ハンドル３９の図示しない軸の下端に設けた図示しないギアが減速歯車機構３６のギアと係合するとともに、手動ハンドル３９の軸に取り付けた図示しない突起部と係合しているインターロックスイッチ２７が開いてＯＦＦ状態となり、緊急時に回生制動回路が形成されている際には、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７との間を切り離し、また、通常時の点検作業の際には電源とＤＣモータ１２との間の接続を切り離す。

このインターロックスイッチ２７を設けたことにより、回生制動回路が形成されている場合に回生制動回路とＤＣモータとの接続を解除することができるので、アクチュエータの手動操作トルクが軽減され、容易に手動操作することができる。また、回生制動回路が形成されていない通常時においては、電源とＤＣモータとの通電を切ることができるので、手動操作時やアクチュエータのカバー３３を開放して点検などを行う際に、ＤＣモータが回転動作することによる怪我の危険を排除することができる。

なお、図示していないが、アクチュエータ本体３２内には二次電源として電気二重層キャパシタが収納されており、緊急時に商業電源が停止した際にＤＣモータに直流電源を供給し、弁体を閉弁位置に回転させることができるように構成されている。

次に、本発発明における緊急遮断弁用電動回転弁と緊急遮断システムの一実施形態を図面により説明する。
図３に示すように、緊急遮断弁用電動回転弁４１は、アクチュエータ本体３２と、このアクチュエータ本体３２を搭載した中心型バタフライバルブ４２とから構成されており、アクチュエータ本体３２によりバタフライバルブ４２のステム４３を介してバタフライバルブ４２の弁体４４を駆動し、弁体４４を全開位置又は全閉位置へと回動させる。弁閉位置に対した円盤状の弁体４４は、略円筒状のバルブシートゴム４８に密着することで環状のシート部を形成し、弁座シールを行う。

緊急遮断システム４５は、緊急遮断弁用電動回転弁４１と制御装置４６とから構成されており、制御装置４６の図示しない操作部を通じて緊急遮断弁用電動回転弁４１の開閉操作をすることができるとともに、緊急時のアクチュエータ本体３２の作動条件を設定することができる。また、制御装置４６は感震器４７を備えており、感震器４７が事前に設定された震度以上の震度を検知した場合には、アクチュエータ本体３２に閉弁指令を送信してバタフライバルブ４２の弁体４４を全閉位置へと回転させ、バタフライバルブ４２を緊急遮断する。なお、感震器は電動アクチュエータに内蔵するようにしてもよい。

次いで、本発明における回生制動付き電動アクチュエータの動作について、このアクチュエータ本体３２をバタフライバルに搭載した緊急遮断用電動回転弁とこの緊急遮断用電動回転弁を使用した緊急遮断システムを例として、図１及び図３により詳細に説明する。

先ず、緊急遮断弁が給水タンクの吐出部を緊急遮断する動作について説明する。大規模地震が発生した緊急時には、商業電源が停電するか、あるいは地震を感知した制御装置４６からアクチュエータ本体３２に閉弁指令が発せられ、アクチュエータ本体３２の電源は商業電源からアクチュエータ本体３２自体が有する直流電源（二次電池）に切換えられると同時に、事前の設定に従ってアクチュエータ本体３２は弁体４４を閉弁位置に向けて回転させる全閉操作を開始する。

この時点では、全開位置リミットスイッチ１３は開状態であり、全閉位置リミットスイッチ１４は閉状態（導通）である。この状態では、端子２１から全閉位置リミットスイッチ１４、配線２５、ダイオードブリッジ２６、配線３０、リレー動作閾値回路手段１５を経由し、配線３１、ダイオードブリッジ２６、配線２４、ダイオードＤ１、端子２０に至る回路が構成され、配線３０と配線３１間の電圧Ｖｂは、直流電源の電圧からダイオードブリッジ２６の順方向電圧を引いた値に等しい。なお、手動操作を行う場合以外では、インターロックスイッチ２７は通電状態に維持されている。

リレー動作点閾値回路手段１５では、分圧回路により電圧Ｖｂを降圧してスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加しているが、この印加された電圧は動作バイアス点よりも高いので、この時点ではスイッチングトランジスタ１５ｅのコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間は通電している。このため、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａには、直流電源から電圧Ｖｂの電圧が供給され、回生制動切り替えリレー１６は作動状態にある。すなわち、接点１６ｂはＤＣモータ１２と配線２２を接続する側に、接点１６ｃはＤＣモータ１２と配線２３とを接続する側にあるため、直流電源とＤＣモータ１２は、端子２１、全閉位置リミットスイッチ１４、配線２３、回生制動切り替えリレー１６、配線２２、ダイオードＤ１、端子２０に至る回路により接続されており、ＤＣモータ１２は事前の設定に従って弁体を全閉位置に向けて回転させる。

弁体４４が全閉位置に達すると全閉位置リミットスイッチ１４が図１に示すように作動して導通状態を終了した開状態となり、直流電源とＤＣモータ１２との接続が切られるが、ＤＣモータ１２のロータは、慣性モーメントによるフライホイール効果により直ちに停止することなく惰走回転を行う。このロータの惰走回転によりＤＣモータ１２は直流発電機として機能することになり、惰走回転によって生じた起電力（惰走起電力）は、配線２２、２３、２４、２５、ダイオードブリッジ２６、配線３０、３１を介してリレー動作点閾値回路手段１５と回生制動切り替えリレー１６に供給される。

ここで、本発明の緊急遮断用電動回転弁とは異なり、リレー動作点閾値回路手段１５を備えていない場合には、惰走起電力は配線２２、２３を介し、回生制動回路に切り替えるためのリレーに直接供給されることになる。一般的にリレーは、定格電圧の８０％以上で作動し、定格電圧の１０％以下で復帰するため、ＤＣモータのロータの慣性モーメントによる惰走起電力が定格電圧の１０％以下、言い換えると、ＤＣモータの回転数が回転抵抗により自然に定格回転数の１０％以下まで低下するまでの間は、リレーの作動状態が継続し、回生制動回路への切り替えが行われず、ＤＣモータのオーバーランが発生する。

このＤＣモータのオーバーランに伴ってバタフライバルブを使用した緊急遮断用電動回転弁では、弁体は全閉位置に達してもなお回転を続け、弁体のバルブシートゴム４８への食い込みが生じる。ＤＣモータがある程度オーバーランした段階で、ＤＣモータのロータの惰走回転はエネルギーを失って停止するが、ＤＣモータを使用したアクチュエータのギア機構は保持トルクが不足しているため、食い込みにより圧縮されたバルブシートゴム４８の弾性力による弁体４４の押し戻しに対抗し、弁体４４をその位置で保持することができないので、弁体４４は弁開方向に押し戻される。

このため、全閉位置リミットスイッチ１４が再び導通してＤＣモータ１２に電源が供給され、弁体４４が全閉位置に向けて回転し、全閉位置で全閉位置リミットスイッチ１４が作動して導通状態が終了し、ＤＣモータ１２のオーバーランが発生する動作を繰り返し、弁体４４が全閉位置で微開度の開閉を繰り返すハンチングが発生する。

前述したように、ハンチングが発生すると、給水タンクが漏水状態になる重大な問題が発生するが、ＤＣモータのオーバーランが過度に発生すると、起動障害、ジャンピングが発生する原因にもなり、電動アクチュエータの故障原因にもなる。

これに対し、本発明における緊急遮断用電動回転弁では、ＤＣモータ１２のロータの惰走回転により発生した惰走起電力を配線２２、２３から分岐した配線２４、２５、ダイオードブリッジ２６、配線３０、３１を介してリレー動作点閾値回路手段１５に供給し、動作点閾値回路手段１５の分圧回路で降圧した電圧をスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加している。このスイッチングトランジスタ１５ｅは、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａに流れる電流の接続を制御しており、ベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧が動作バイアス点以上である場合には、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間は導通し、リレーコイル１６ａに電流が流れて回生制動切り替えリレー１６を動作状態（直流電源とＤＣモータとが接続され、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７が接続されていない状態）を維持する。

このように、リレー動作点閾値回路手段１５では、配線２２、２３間に印加される電圧
をダイオードブリッジ２６を介した電圧Ｖｂとし、このＶｂを分圧回路で降圧してスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加するようにしているため、直流電源とＤＣモータ１２との接続が切れた場合、ロータの惰走回転が回転抵抗により減速し、惰走起電力が電源定格電圧よりやや低下した時点でスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧が動作バイアス点（リレー動作点閾値電圧）以下となってコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との導通が切られ、リレーコイル１６ａを流れる電流を早期に遮断することができる。

本実施例では、スイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧が電源定格電圧の７５％以上である場合にスイッチングトランジスタ１５ｅのコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間が導通するようにリレー動作点閾値回路手段１５を構成している。

以上のようにリレー動作点閾値回路手段１５が構成されているため、直流電源とＤＣモータ１２との接続が切られた場合に発生するＤＣモータ１２の惰走起電力は、リレー動作点閾値回路手段１５に供給され、分圧回路で降圧された電圧がスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される。

直流電源とＤＣモータ１２との間の接続が切られた直後は、ＤＣモータ１２のロータの惰走回転は転がり摩擦抵抗等の影響により低下し、その結果、リレー動作点閾値回路手段１５に供給される電圧も低下する。スイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧は、分圧回路で降圧されているため、ベース（Ｂ）とエミッタ（Ｅ）との間に印加される電圧は直ちに動作バイアス点以下に低下し、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間が導通しなくなり、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａに電流が流れなくなる。

リレーを用いた一般的な回路では、前述のように、ＤＣモータの回転数が定格回転数の１０％以下まで低下しなければリレーの作動状態が継続するところ、本実施では、ＤＣモータの回転数が定格回転数の７５％以下に低下した時点で、リレーコイルに電流が流れなくなる。

このため、直ちに回生制動切り替えリレー１６は復帰動作を行い、接点１６ｂはＤＣモータ１２と回生抵抗１７とを接続する側に、接点１６ｃもＤＣモータ１２と回生抵抗１７とを接続する側に切替わる。これにより、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７との間には回生制動回路が形成され、ロータの惰走回転により発生した電気エネルギーが回生抵抗１７での発熱により瞬時に消費され、ロータの惰走回転を極少化してＤＣモータ１２のオーバーランが防止される。

従って、本発明における緊急遮断用電動回転弁では、バタフライバルブを使用した場合には、弁体４４がバルブシートゴム４８へ食い込むことにより生じるハンチング、起動障害、ジャンピングの発生を防止することができる。

さらに、回生制動回路を形成した場合の回生制動力は極めて大きいため、ＤＣモータを使用したアクチュエータのギア機構は保持トルクが不足するという欠点を補うことができる。

次に、緊急遮断用電動回転弁を手動操作する場合について説明する。緊急時に緊急遮断用電動回転弁が作動し、回生制動回路が形成されている場合に、制御装置４６の故障や二次電池の消耗等の不測の事態が発生し、手動操作でバルブを全開位置に回転しようとすると、手動操作に伴ってＤＣモータ１２のロータが回転して起電力が発生するため、回生制動力が作用する。この回生制動力が極めて大きく、手動操作でバルブを全開位置に戻すことは困難である。このような場合には、インターロックスイッチ２７によりＤＣモータ１２と回生抵抗１７との間の接続を切り離すと回生制動回路が解消されるため、アクチュエータ本体３２の手動操作トルクを軽減させ、容易に手動操作することができる。

さらに、回生制動回路が形成されていない通常時に、手動操作する際やアクチュエータ本体３２のカバー３３を開放して点検などを行う際に、インターロックスイッチ２７により直流電源とＤＣモータ１２との通電を切ることができるので、ＤＣモータが回転動作することによる怪我の危険を排除することができる。

このようにインターロックスイッチ２７をＤＣモータ１２への直流電源の供給を遮断することができるとともに、ＤＣモータ１２と回生抵抗１７の接続を遮断して回生制動の解除が行える位置に設けているので、１個のインターロックスイッチ２７を操作することにより、通常の点検作業を安全に行うことができるとともに、緊急時には回生制動回路を解除して手動操作を容易に行うことができる。

以上のとおり、本発明における緊急遮断用電動回転弁は、全開位置リミットスイッチあるいは全閉位置リミットスイッチが作動して直流電源とＤＣモータとの接続が切られた後、ＤＣモータのロータの惰走起電力が原因となってリレーの復帰動作が遅れ、そのために回生制動回路の形成が遅くなることを突き止め、この不具合を解決したものである。

すなわち、直流電源とＤＣモータとの接続が切られた後に、ＤＣモータの回転数が転がり摩擦により低下することを待つことなく、分圧回路とスイッチングトランジスタにより回生制動回路を形成するリレーの作動を速やかに制御し、早期に回生制動効果を発揮させてＤＣモータの惰走回転を極少化し、ＤＣモータのオーバーランによるハンチング等が生じる不具合の解決を図っている。

以上は、本発明における電動アクチュエータをバタフライバルに搭載した緊急遮断用電動回転弁について説明したが、本発明における電動アクチュエータはバタフライバルブと同様の回転弁であるボールバルブについても使用することができる。本発明における電動アクチュエータをボールバルブ搭載して使用した場合には、特に回転軸回りの慣性モーメントが大きい比較的大口径のボール弁体を開弁位置に誤差を極少化して回転させることができる。

本発明の回生制動回路付き電動アクチュエータと緊急遮断弁用電動回転弁及び緊急遮断システムは、緊急遮断弁として好適であるだけでなく、ＤＣモータのオーバーランを極少化して回転弁の全開位置、全閉位置を正しく制御することができるので、その適用範囲と利用価値は非常に大きいものがある。

１ 電動アクチュエータ
１１ 回生制動付き電動アクチュエータの回路
１２ ＤＣモータ
１３ 全開位置リミットスイッチ
１４ 全閉位置リミットスイッチ
１５ リレー動作点閾値回路手段
１６ 回生制動切り替えリレー
１７ 回生抵抗
２７ インターロックスイッチ
３２ アクチュエータ本体
４１ 緊急遮断弁用電動回転弁
４２ バタフライバルブ
４５ 緊急遮断システム
４６ 制御装置
４７ 感震器

図４の電動アクチュエータの回路１において、全開位置に回転させる場合には、操作スイッチ３を開側に切り替えると、端子７の＋端子からインターロックスイッチ６、全開位置リミットスイッチ４、ＤＣモータ２、ダイオード１０を経由して端子８のマイナス（−）端子に回路が構成され、弁体が開方向に回転する。回転に伴って全閉位置リミットスイッチ５は作動を終了してＮＣ端子に切替わる。弁体が全開位置に達すると全開位置リミットスイッチ４が作動してＮＯ端子側に切替わり、ＤＣモータ２と電源（二次電池）との接続が切られ、バルブが全開位置にて停止する。

また、バルブが全閉位置の場合に、手動操作でバルブを開放しようとすると、弁体を開方向に回転させた際に全閉位置リミットスイッチ５が通電状態、すなわち、作動を終了してＮＣ端子に切替わり、ＤＣモータ２と電源が接続された状態となって弁体を閉方向に回転させてしまうので、このような不具合を防止するために、電源とＤＣモータとの接続を切るためのインターロックスイッチ６を備えている。

このような回路１を有する電動アクチュエータが弁体を全開位置又は全閉位置に回転させると、全開位置リミットスイッチ４あるいは全閉位置リミットスイッチ５が全開位置あるいは全閉位置で作動した場合、ＤＣモータ２と電源との接続が切られるので、ＤＣモータ２は電磁トルクを消失し、回転の駆動力を失うが、回転していたＤＣモータ２のロータ（電機子）は慣性モーメントによるフライホイール効果により直ちに停止することなく、オーバーラン（惰走回転）することになる。

請求項４に係る発明によると、ＤＣモータのロータの惰走起電力の影響を排除して回生制動切り替えリレーを復帰させ、早期に回生制動効果を発揮することができる回生制動回路付き電動アクチュエータを回転弁に搭載して緊急遮断弁用電動回転弁を構成しているため、回生制動回路付き電動アクチュエータをバタフライバルブに搭載した場合には、ＤＣモータのオーバーランが原因となる弁体の全閉位置におけるハンチングを防止し、給水タンク内の水の流出を最小限に防ぎ、飲料水等の生活用水を確保することができる。

本実施例では、配線３０を分岐点３０ａで分岐して抵抗１５ａ、１５ｂにより分圧回路を構成し、配線３０、３１間の電圧Ｖｂを降圧した後、抵抗１５ａと抵抗１５ｂとの間の分岐点３０ｂからダイオード１５ｃ、１５ｄを経由してスイッチングトランジスタ１５ｅのベース（Ｂ）に印加して、このベース（Ｂ）に印加する電圧により、コレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間の導通を制御して、回生制動切り替えリレー１６のリレーコイル１６ａを流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御している。

Claims (6)

1. ＤＣモータと、少なくとも全閉位置に達したことを検知する検知手段を有する電動アクチュエータにおいて、前記検知手段が少なくとも前記全閉位置に達したことを検知した際に電源と前記ＤＣモータとの接続を切り、前記ＤＣモータと回生抵抗とを接続して回生制動回路を形成する回生制動切り替えリレーを備えるとともに、前記回生制動切り替えリレーのコイルに流す電流の通電を制御するリレー動作点閾値回路手段を備え、このリレー動作点閾値回路手段を介して前記回生制動切り替えリレーを制御し、早期に前記回生制動回路を形成するようにした回生制動回路付き電動アクチュエータ。
2. 前記リレー動作点閾値回路手段は、この回路手段にかかる電圧を分圧する分圧回路と、前記回生制動切り替えリレーのコイルに流れる電流の通電を制御するスイッチングトランジスタとを備え、前記分圧回路で分圧した電圧を前記スイッチングトランジスタに印加してその導通を制御して前記回生制動切り替えリレーを切り替えることにより、早期に前記回生制動回路を形成することができるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回生制動回路付き電動アクチュエータ。
3. 前記ＤＣモータと前記回生抵抗との接続、又は電源から前記ＤＣモータへの電力の供給を切断することができるインターロックスイッチを前記ＤＣモータと前記回生制動切り替えリレーとの間に設け、回生制動回路が形成されている場合あるいは電源とＤＣモータとの間が接続されている場合にも手動操作を可能とした請求項１又は２に記載の回生制動回路付き電動アクチュエータ。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載した回生制動回路付き電動アクチュエータを搭載した緊急遮断用電動回転弁。
5. 電動回転弁は、シートゴムを用いた中心型バタフライバルブであり、前記リレー動作点閾値回路は、全閉位置に達した弁体がシートゴムによる押し戻しを生じない程度に前記回生制動切り替えリレーの動作点閾値が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の緊急遮断用電動回転弁。
6. 請求項４又は請求項５に記載の緊急遮断用電動回転弁と、この緊急遮断用電動回転弁を感震器の作動により全閉状態とする制御部とを有する緊急遮断システム。

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