JP2019109184A - 流量演算装置、流量演算方法および流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流量の計測精度を高める。高精度な流量制御を実現する。【解決手段】流量制御バルブ（回転弁）２０８に弁開度補正部１０Ｃと補正テーブル記憶部１０Ｄと内圧検出部１０Ｇとを設ける。内圧検出部１０Ｇは、２次側圧力センサ５が検出する圧力Ｐ２を内圧ＰINとして検出する。補正テーブル記憶部１０Ｄに内圧ＰINに対応してその時の弁軸７のねじれ量に対応する補正値αを定めた補正テーブルＴＡを記憶させる。弁開度補正部１０Ｃにおいて、補正値取得部１０Ｃ１は、内圧検出部１０Ｇが検出する内圧ＰINに対応する補正値αを補正テーブルＴＡから取得し、弁開度実測値補正部１０Ｃ２へ送る。弁開度実測値補正部１０Ｃ２は、補正値取得部１０Ｃ１からの補正値αを用いて弁開度実測値θｐｖを補正する。【選択図】 図２

Description

本発明は、流路を流れる流体の流量を演算する流量演算装置、流量演算方法および演算された流量を用いて流路を流れる流体の流量を制御する流量制御装置に関する。

従来、配管路には流量計と弁の両者を配置し、流量計によって計測された流量に基づいて弁の開度（弁開度）を制御するようにしていた。しかし、このような方法では、流量計と弁の両者を配管しなければならず、コストもアップする。そこで、流量計測機能と弁開度の制御機能との両機能を具備した流量制御バルブが望まれ、実用化されている（例えば、特許文献１，２参照）。

この流量制御バルブは、流体が流れる流路を形成する管路とこの管路を流れる流体の流量（流路の開閉量）を調節する弁体とを備えた弁本体と、この弁本体に取り付けられ弁体の開度を制御するアクチュエータとを備えている。アクチュエータは弁体に結合された弁軸を回転させるモータを備えている。また、アクチュエータには、ＣＰＵやメモリが搭載されている。弁本体には、弁体の上流側の流体圧力Ｐ１を計測する第１の圧力センサと、弁体の下流側の流体圧力Ｐ２を計測する第２の圧力センサと、弁軸の回転位置から弁体の開度θを検出する弁開度センサが設けられている。

アクチュエータのＣＰＵは、第１の圧力センサからの流体圧力Ｐ１と第２の圧力センサからの流体圧力Ｐ２との圧力差として検出される弁体の前後差圧（差圧）ΔＰを差圧検出値として取得し、弁開度センサからの弁開度θと差圧ΔＰとの組合せに応じた流量係数Ｃｖをメモリに格納されている特性テーブルから読み出し、この流量係数Ｃｖと差圧ΔＰとから弁本体の管路内を流れる流体の流量Ｑを下記（１）式により算出する。そして、この算出した流量Ｑを計測流量Ｑｐｖとして設定流量Ｑｓｐと比較し、計測流量Ｑｐｖが設定流量Ｑｓｐに一致するように弁軸の回転量を制御する。

Ｑ＝Ａ・Ｃｖ・（ΔＰ）^1/2 ・・・・（１）
但し、Ａは定数。

図１４に特許文献３に示された流量制御バルブの要部の構成を示す。この流量制御バルブ１０１は、流体１０２の流路１０３を形成する弁本体１０４と、この弁本体１０４の内部に配設された弁体（ボール弁体）１０５と、この弁体１０５を弁本体１０４の外部から回転させる弁軸１０６等で構成されている。

弁体１０５は、弁軸１０６の軸線と直交する方向に貫通流路１０７を有し、弁本体１０４の内部中央に前後２つのシートリング１０８を介して弁軸１０６を中心として回転可能に配設され、外周面がシートリング１０８に接触する球面着座部を形成している。流体１０２は図示左(上流側)から右(下流側)へ流れる。

弁体１０５の貫通流路１０７は、弁軸１０６の軸線と直交する通路からなり、この通路(貫通流路)１０７の上流側の開口部１０７₁が流量調整窓とされ、下流側の開口部１０７₂が直径Ｄの円形とされている。

図１５Ａに弁体１０５を貫通流路１０７の上流側から見た図を示し、図１５Ｂに弁体１０５を貫通流路１０７の下流側から見た図を示す。上流側の開口部（流量調整窓）１０７₁は、所定の流量特性を示す形状、この例では断面形状が弁体１０５の回転方向（矢印Ｒ方向）におおむね扇形となる形状とされている。また、流量調整窓１０７₁の下流側は、円形の開口部１０７₂に同径でつながる空洞(円柱状の空洞)とされている。

弁体１０５には、その上面中央に凹部１０９が形成されており、この凹部１０９に弁軸１０６の下端１０６ａが嵌合固定されている。弁軸１０６は、弁本体１０４の中央の筒部１１０にＯリング１１１を介して回転可能に挿通されており、その上端１０６ｂが筒部１１０の上方に突出している。この弁軸１０６がモータによって駆動されることにより、弁軸１０６を中心として弁体１０５が矢印Ｒ方向またはその逆方向にほゞ９０゜の角度範囲内で回動される。

図１４は流量制御バルブ１０１を全開とした状態を示している。この状態から弁体１０５を９０゜回動させると、上流側の開口部１０７₁と下流側の開口部１０７₂が全閉状態となる。全閉と全開との中間開度においては、弁本体１０４内を流れる流体に対する上流側の開口部（流量調整窓）１０７₁の開き量に応じた量の流体が流れる。

なお、図１４に示した流量制御バルブ１０１では、弁体１０５の上流側に流量調整窓１０７₁が設けられているが、図１６に示すように、弁体１０５の下流側に流量調整窓１０７₁が設けられるタイプもある。例えば、特許文献４に示された流量計測機能付きボールバルブでは（図１７参照）、弁体１０５の下流側に流量調整窓１０７₁が設けられている。

特開２００９−１１５２７１号公報 特開２０１０−１０８３３８号公報（特許第５２８６０３２号公報） 特開２００３−１１３９４８号公報 特開２０１３−１５１６０号公報（特許第５９２６００９号公報） 特開２０１７−０６７５８５号公報

しかしながら、弁体に結合された弁軸を回転させるタイプの流量制御バルブ（回転弁）では、流体を閉止するためのシートや軸受と弁体間の摩擦抵抗により、弁体を回転させる際に弁軸にねじれが生じる。さらに、内圧（流体の圧力）が発生すると、弁体または弁軸が弁本体に押し付けられ、その摩擦抵抗によって弁軸のねじれがさらに増加する。

弁軸にねじれが生じると、弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）と弁体の実際の開度（弁開度実値）との間に誤差が発生する。このため、上記（１）式によって求められる計測流量Ｑｐｖに弁軸のねじれに起因する誤差が生じ、流量制御の精度が低下してしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、流量の計測精度を高めることが可能な流量演算装置および流量演算方法を提供することにある。また、高精度な流量制御を実現することが可能な流量制御装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に係る流量演算装置は、流体が通過する通路（６）を備えた弁体（３）によりその流量が調整される流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部（１０Ｇ）と、弁体の通路に設けられた流量調整窓（６₁）の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部（１０Ｂ）と、弁体に結合された弁軸（７）の回転位置から検出される弁体の開度を弁開度実測値とし、内圧検出部によって検出された内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部（１０Ｃ）と、弁開度補正部によって補正された弁開度と差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部（１０Ｅ）とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る流量演算方法は、流体が通過する通路（６）を備えた弁体（３）によりその流量が調整される流体の圧力を内圧として検出する内圧検出ステップ（１０Ｇ）と、弁体の通路に設けられた流量調整窓（６₁）の前後の流体の圧力差を差圧として取得する差圧取得ステップ（１０Ｂ）と、弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される弁体の開度を弁開度実測値として取得する弁開度取得ステップ（９）と、内圧検出ステップによって検出された内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて弁開度実測値を補正する弁開度補正ステップ（１０Ｃ）と、弁開度補正ステップによって補正された弁開度と差圧取得ステップによって取得された差圧とに基づいて流路を流れる流体の流量を算出する流量算出ステップ（１０Ｅ）とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る流量制御装置は、流体が通過する通路（６）を備えた弁体（３）によりその流量が調整される流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部（１０Ｇ）と、弁体の通路に設けられた流量調整窓（６₁）の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部（１０Ｂ）と、弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される弁体の開度を弁開度実測値とし、内圧検出部によって検出された内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部（１０Ｃ）と、弁開度補正部によって補正された弁開度と差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部（１０Ｅ）と、流量算出部によって算出される流体の流量を計測流量とし、この計測流量が設定流量に一致するように弁軸の回転量を制御するように構成された弁開度制御部（１０Ａ）とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、流体の圧力が内圧として検出され、この検出された内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値が求められ、この求められた補正値を用いて弁開度実測値（弁開度）が補正される。そして、この補正された弁開度とその時の差圧とに基づいて、流路を流れる流体の流量が算出される。これにより、弁体の実際の開度（弁開度実値）と弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）との間に発生する誤差がなくなり、流量の計測精度が高められるものとなる。

本発明では、流体の圧力を内圧として検出する。この内圧は、例えば、流量調整窓の前後の流体の圧力の内、弁軸がある方の圧力として定義することができ、例えば、流量調整窓が弁体の上流側に設けられている場合には、弁体の下流側の流路内の流体の圧力を内圧として検出するものとし、流量調整窓が弁体の下流側に設けられている場合には、弁体の上流側の流路内の流体の圧力を内圧として検出するものとする。

本発明において、弁体の開度の変更を判断し、内部検出部によって検出された内圧および判断した弁開度の変更方向からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて弁開度実測値を補正するようにしてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、流体の圧力を内圧として検出し、この検出した内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この求めた補正値を用いて弁開度実測値を補正するようにしたので、弁体の実際の開度（弁開度実値）と弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）との間に発生する誤差をなくすようにして、流量の計測精度を高めることが可能となる。また、流量の計測精度を高めることによって、高精度な流量制御を実現することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る流量演算装置を用いた空調制御システムの一例を示す計装図である。 図２は、図１に示した空調制御システムに用いられている流量制御バルブの一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。 図３は、図２に示した流量制御バルブで用いる補正テーブルを例示する図ある。 図４は、図２に示した流量制御バルブで用いる特性テーブルを例示する図である。 図５は、図２に示した流量制御バルブにおいて弁体の実際の弁開度（弁開度実値）θｐｒと弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）θｐｖとの間に生じる誤差δが無くなる様子を説明する図である。 図６は、実施の形態２の流量制御バルブの要部を示す図である。 図７Ａは、実施の形態２の流量制御バルブで用いる閉方向変更用の補正テーブルを例示する図である。 図７Ｂは、実施の形態２の流量制御バルブで用いる開方向変更用の補正テーブルを例示する図である。 図８Ａは、実施の形態２の流量制御バルブにおいて閉方向に開度を変更した場合の図５に対応する図である。 図８Ｂは、実施の形態２の流量制御バルブにおいて開方向に開度を変更した場合の図５に対応する図である。 図９は、内圧とねじれ量との関係を示す図である。 図１０は、弁体の開度とねじれ量との関係を示す図である。 図１１は、弁体の前後差圧とねじれ量との関係を示す図である。 図１２は、実施の形態１において流量調整窓が下流側に設けられているタイプとした場合の図２に対応する図である。 図１３は、実施の形態２において流量調整窓が下流側に設けられているタイプとした場合の図６に対応する図である。 図１４は、特許文献３に示された流量制御バルブの要部の構成を示す図である。 図１５Ａは、図１４に示した流量制御バルブにおける弁体を貫通流路の上流側から見た図である。 図１５Ｂは、図１４に示した流量制御バルブにおける弁体を貫通流路の下流側から見た図である。 図１６は、弁体の下流側に流量調整窓が設けられているタイプの流量制御バルブを例示する図である。 図１７は、特許文献４に示された流量計測機能付きボールバルブの要部を示す図である。

〔発明の経緯〕
本出願人は、先に、弁体の開度および弁体の前後差圧の両方あるいは何れか一方に基づいて、その時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この求めた補正値を用いて弁開度実測値を補正することにより、弁体の実際の開度（弁開度実値）と弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）との間に発生する誤差を無くすことを考えた（特許文献５参照）。

その後、本出願人は、検証の結果、弁体の開度や弁体の前後差圧の他にもねじれ要因があることを発見した。具体的には、内圧（弁体の内方から外方に向かって作用する流体の圧力）が発生すると、弁体または弁軸が弁本体に押し付けられ、その摩擦抵抗によって弁軸のねじれがさら増加することを見出した。

そこで、本発明では、流体の圧力を内圧として検出し、この検出した内圧からその時の弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この求めた補正値を用いて弁開度実測値を補正することによって、弁体の実際の開度（弁開度実値）と弁軸の回転位置から検出される弁体の開度（弁開度実測値）との間に発生する誤差をなくすようにする。

〔実施の形態〕
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る流量演算装置を用いた空調制御システムの一例を示す計装図である。

図１において、２０１は冷温水を生成する熱源機、２０２は熱源機２０１が生成する冷温水を搬送するポンプ、２０３は複数の熱源機２０１からの冷温水を混合する往ヘッダ、２０４は往水管路、２０５は往ヘッダ２０３から往水管路２０４を介して送られてくる冷温水の供給を受ける空調機、２０６は還水管路、２０７は空調機２０５において熱交換され還水管路２０６を介して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、２０８は往ヘッダ２０３から空調機２０５に供給される冷温水の流量を制御する流量制御バルブ（回転弁）、２０９は空調機２０５から送り出される給気の温度を計測する給気温度センサ、２１０は空調制御装置、２１１は空調機２０５のコイル、２１２は送風機である。

この空調制御システムにおいて、ポンプ２０２より圧送され熱源機２０１により熱量が付加された冷温水は、往ヘッダ２０３において混合され、往水管路２０４を介して空調機２０５へ供給され、空調機２０５を通過して還水管路２０６により還水として還ヘッダ２０７へ至り、再びポンプ２０２によって圧送され、以上の経路を循環する。例えば、冷房運転の場合、熱源機２０１では冷水が生成され、この冷水が循環する。暖房運転の場合、熱源機２０１では温水が生成され、この温水が循環する。

空調機２０５は、制御対象エリアから空調制御システムに戻る空気（還気）と外気との混合気を、冷温水が通過するコイル２１１によって冷却または加熱し、この冷却または加熱された空気を給気として送風機２１２を介して制御対象エリアに送り込む。空調機２０５は、冷房運転と暖房運転で共通のコイル２１１を用いるシングルタイプの空調機であり、この空調機２０５へ循環させる冷温水の還水管路２０６に本発明に係る流量制御装置が流量制御バルブ２０８として設けられている。

〔実施の形態１〕
図２はこの空調制御システムに用いられている流量制御バルブ２０８の要部を示す図である。流量制御バルブ２０８は、弁本体１−１と、この弁本体１−１に取り付けられたアクチュエータ１−２とで構成されている。この例において、流量制御バルブ２０８としては、図１４に示したタイプ（流量調整窓が上流側に設けられているタイプ）が用いられている。

弁本体１−１は、空調機２０５を通過した冷温水が流入する流路を形成する管路２と、この管路２を流れる流体の流量（流路の開閉量）を調節する弁体３とを備えており、弁体３の上流側にはその管路２内の流体圧力（１次側の流体の圧力）Ｐ１を検出する１次側圧力センサ４が設けられ、弁体３の下流側にはその管路２内の流体圧力（２次側の流体の圧力）Ｐ２を検出する２次側圧力センサ５が設けられている。弁体３は、管路２を流れる流体が通過する通路６を有し、この通路６の上流側の開口部が流量調整窓６₁とされている。

アクチュエータ１−２は、弁体３に結合された弁軸７を回転させるモータ８と、このモータ８の駆動軸８−１に連結された弁軸７の回転位置（駆動軸８−１付近の回転位置）から弁体３の開度θｐｖを検出する弁開度検出器９と、処理部１０とを備えている。

処理部１０は、弁開度制御部１０Ａと、差圧検出部１０Ｂと、弁開度補正部１０Ｃと、補正テーブル記憶部１０Ｄと、流量算出部１０Ｅと、特性テーブル記憶部１０Ｆと、内圧検出部１０Ｇとを備えている。弁開度補正部１０Ｃは、補正値取得部１０Ｃ１と、弁開度実測値補正部１０Ｃ２とを備えている。流量算出部１０Ｅは、Ｃｖ値決定部１０Ｅ１と、実流量算出部１０Ｅ２とを備えている。

内圧検出部１０Ｇは、２次側圧力センサ５が検出する弁体３の下流側の管路２内の流体の圧力Ｐ２を内圧Ｐ_INとして検出する。すなわち、２次側圧力センサ５が検出する弁体３の下流側の管路２内の流体の圧力Ｐ２を、弁体３の通路６の壁面６₂に作用する流体の圧力に置き換え、これを内圧Ｐ_INとして検出する。

差圧検出部１０Ｂは、１次側圧力センサ４からの流体の圧力（１次圧力）Ｐ１と、２次側圧力センサ５からの流体の圧力（２次圧力）Ｐ２とを入力とし、１次圧力Ｐ１と２次圧力Ｐ２との圧力差を弁体３の前後差圧（本質的には流量調整窓６₁の前後の流体の圧力差（差圧））ΔＰとして検出する。なお、差圧検出部１０Ｂは、１次圧力Ｐ１と２次圧力Ｐ２との差を差圧ΔＰとして演算する構成も含まれ、本発明ではこのような構成を含めて差圧検出部１０Ｂに相当する構成を差圧取得部と呼んでいる。

補正テーブル記憶部１０Ｄには、内圧Ｐ_INに対応してその時の弁軸７のねじれ量に対応する補正値αを定めた補正テーブルＴＡ（図３参照）が記憶されている。この補正テーブルＴＡにおいて、補正値αは、実験によって求められた値であり、内圧Ｐ_INから推定されるその時の弁軸７のねじれ量を開度〔％ＦＳ〕で表した値である。

なお、補正テーブルＴＡにおいて、弁軸７のねじれ量に対応する補正値αは、他にも角度〔゜〕、動作時間〔ｓ〕、動作量〔ｍｍ〕、制御信号量〔ＶやＡ〕などで表した値としてもよい。この実施の形態では、弁軸７のねじれ量を％ＦＳ（フルスケールに対する割合）で表した開度値とする。

特性テーブル記憶部１０Ｆには、弁体３の弁開度と弁体３の前後差圧との組合せに対応してその時の流量係数Ｃｖを定めた特性テーブルＴＢ（図４参照）が記憶されている。この例では、弁体３の前後差圧（差圧）を３種類とし、弁体３の弁開度と３種類の差圧との組合せに対応してその時の流量係数Ｃｖを定めた特性テーブルＴＢが記憶されている。

また、本実施の形態において、処理部１０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。

以下、処理部１０における弁開度制御部１０Ａ、弁開度補正部１０Ｃおよび流量算出部１０Ｅの機能を交えながら、この流量制御バルブ２０８における特徴的な処理動作について説明する。

なお、この例では、制御対象エリアの温度を設定温度に保つべく、設定流量Ｑｓｐが空調制御装置２１０より流量制御バルブ２０８へ与えられるものとする。この場合、空調制御装置２１０からの設定流量Ｑｓｐは、弁開度制御部１０Ａへ送られる。

流量制御バルブ２０８において、差圧検出部１０Ｂは、１次側圧力センサ４からの流体の１次圧力Ｐ１と、２次側圧力センサ５からの流体の２次圧力Ｐ２とを入力とし、１次圧力Ｐ１と２次圧力Ｐ２との圧力差を弁体３の前後差圧（差圧）ΔＰとして検出する。この差圧検出部１０Ｂが検出する弁体３の前後差圧ΔＰは差圧検出値として流量算出部１０Ｅへ送られる。

弁開度検出器９は、モータ８の駆動軸８−１に連結された弁軸７の回転位置（駆動軸８−１付近の回転位置）から弁体３の弁開度θｐｖを検出する。この弁開度検出器９が検出する弁開度θｐｖは、弁開度実測値として弁開度補正部１０Ｃへ送られる。弁開度補正部１０Ｃには、内圧検出部１０Ｇが検出する内圧Ｐ_INも送られてくる。

弁開度補正部１０Ｃにおいて、補正値取得部１０Ｃ１は、内圧検出部１０Ｇから送られてくる内圧Ｐ_INに対応する補正値αを補正テーブルＴＡから取得し、この取得した補正値αを弁開度実測値補正部１０Ｃ２に送る。

弁開度実測値補正部１０Ｃ２は、弁開度検出器９からの弁開度実測値θｐｖと補正値取得部１０Ｃ１からの補正値αとを入力とし、弁開度検出器９からの補正値αを用いて弁開度実測値θｐｖを補正して弁開度θｐｖ’とする。

この流量制御バルブ２０８では、流れる流体の圧力により弁軸７にねじれが生じる。このため、弁軸７の回転位置から検出される弁体３の弁開度（弁開度実測値）θｐｖと弁体３の実際の開度（弁開度実値）θｐｒとの間に誤差δが発生する（図５参照）。そこで、本実施の形態では、この誤差δが生じないように、弁開度実測値補正部１０Ｃ２において弁開度実測値θｐｖを補正値αを用いて補正し、補正後の弁開度θｐｖ’と弁開度実値θｐｒとを一致させる。

例えば、図５に示した状態において、弁軸７の回転位置から検出される弁体３の弁開度（弁開度実測値）θｐｖが５０％、内圧Ｐ_INが１０００ｋＰａである場合、補正値取得部１０Ｃ１では補正テーブルＴＡ（図３）から補正値αとして０．３％ＦＳが取得される。これにより、弁開度実測値補正部１０Ｃ２で補正された弁開度θｐｖ’は、θｐｖ’＝θｐｖ−α＝５０％−０．３％＝４９.７％となり、弁開度実値θｐｒ＝４９.７％と一致するものとなる。

弁開度実測値補正部１０Ｃ２で補正された弁開度θｐｖ’は流量算出部１０Ｅに送られる。流量算出部１０Ｅにおいて、Ｃｖ値決定部１０Ｅ１は、差圧検出部１０Ｂからの差圧検出値ΔＰと弁開度実測値補正部１０Ｃ２からの補正された弁開度θｐｖ’とを入力とし、差圧検出値ΔＰと補正された弁開度θｐｖ’との組合せに対応する流量係数Ｃｖを特性テーブルＴＢから取得し、実流量算出部１０Ｅ２に送る。

実流量算出部１０Ｅ２は、Ｃｖ値決定部１０Ｅ１からの流量係数Ｃｖと差圧検出部１０Ｂからの差圧検出値ΔＰとを入力とし、この流量係数Ｃｖと差圧ΔＰとから管路２内を流れる流体の流量ＱをＱ＝Ａ・Ｃｖ・（ΔＰ）^1/2として算出し、この算出した流量Ｑを計測流量Ｑｐｖとして弁開度制御部１０Ａへ送る。

弁開度制御部１０Ａは、流量算出部１０Ｅからの計測流量Ｑｐｖと空調制御装置２１０からの設定流量Ｑｓｐとを入力とし、計測流量Ｑｐｖが設定流量Ｑｓｐに一致するようにモータ８へ指令を送る。これにより、弁軸７が回転し、弁体３の開閉量が調節され、計測流量Ｑｐｖが設定流量Ｑｓｐに一致するものとなる。

このように、本実施の形態によれば、補正テーブルＴＡから求められるその時の弁軸７のねじれ量に対応する補正値αで弁開度実測値θｐｖを補正することにより、弁体３の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと弁軸７の回転位置から検出される弁体３の弁開度（弁開度実測値）θｐｖとの間に発生する誤差δを無くすようにして、流量の計測精度を高め、高精度な流量制御を実現することができるようになる。

なお、補正テーブルＴＡに設定する補正値αを開度〔％ＦＳ〕ではなく、角度〔゜〕、動作時間〔ｓ〕、動作量〔ｍｍ〕、制御信号量〔ＶやＡ〕などの他の値として表した場合でも、同様にして弁開度実測値θｐｖを補正することによって、弁体３の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと弁軸７の回転位置から検出される弁体３の弁開度（弁開度実測値）θｐｖとの間に発生する誤差δを無くすようにすることが可能である。

なお、本実施の形態において、１次側圧力センサ４及び２次側圧力センサ５の代わりに差圧センサを設け、この差圧センサによって弁体３の前後差圧ΔＰを直接検出するようにしてもよい。この場合、内圧Ｐ_INを検出するために、２次側圧力センサ５に相当する圧力センサを別に設ける必要がある。これに対し、上下流の圧力センサを配置した流量制御バルブに本発明を適用すれば、専用のセンサや検出用の回路を持つ必要がなくなり、ハードウェアによるコストアップが無く、流量制御の高精度化が実現できる。

例えば、特許文献４に示された流量計測機能付きボールバルブでは（図１７参照）、上流側の圧力Ｐ１を検出する上流側圧力センサＳ１と下流側の圧力Ｐ２を検出する下流側圧力センサＳ２が設けられており、弁体１０５の流量調整窓１０７₁が上流側にあるものとした場合、下流側圧力センサＳ２を内圧Ｐ_INを検出するための圧力センサとして用いることができる。

〔実施の形態２〕
図２に示した例（実施の形態１）では、補正テーブル記憶部１０Ｄに記憶させる補正テーブルを１つとしているが、図６に実施の形態２として示すように、弁開度の変更方向を考慮し、閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）ＴＡ１（図７Ａ参照）と開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）ＴＡ２（図７Ｂ参照）の２つの補正テーブルを補正テーブル記憶部１０Ｄに記憶させるようにしてもよい。

この場合、閉方向変更用の補正テーブルＴＡ１には、内圧Ｐ_INに対応した第１の補正値α１を設定するものとし、この第１の補正値α１の各々を正の値（プラス値）とする。また、開方向変更用の補正テーブルＴＡ２には、内圧Ｐ_INに対応した第２の補正値α２を設定するものとし、この第２の補正値α２の各々を負の値（マイナス値）とする。

また、補正値取得部１０Ｃ１において、弁開度の変更方向を判断するようにし、弁開度が減少する方向（閉方向）に変更される場合には、内圧検出部１０Ｇによって検出された内圧Ｐ_INに対応する第１の補正値α１を閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）ＴＡ１から取得するようにする。

また、弁開度が増大する方向（開方向）に変更される場合には、内圧検出部１０Ｇによって検出された内圧Ｐ_INに対応する第２の補正値α２を開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）ＴＡ２から取得するようにする。

そして、取得した第１の補正値α１あるいは第２の補正値α２をその時の弁軸７のねじれ量に対応する補正値αとして弁開度実測値補正部１０Ｃ２に送るようにする。

なお、閉方向変更用の補正テーブルＴＡ１における第１の補正値α１の各々をプラス値とし、開方向変更用の補正テーブルＴＡ２における第２の補正値α２の各々をマイナス値とするのは、次のような理由による。

図８Ａに弁開度を例えば６０％から５０％へ変更した場合の図５に対応する図を示す。この場合、弁体３の実際の弁開度（弁開度実値）θｐｒと弁軸７の回転位置から検出される弁体３の弁開度（弁開度実測値）θｐｖとの間に誤差δが生じ、この誤差δを無くすためには弁開度を増加させる必要がある。このため、第１の補正値α１をプラス値として、弁開度実値θｐｒと補正後の弁開度θｐｖ’とを一致させるようにする。

図８Ｂに弁開度を例えば４０％から５０％へ変更した場合の図５に対応する図を示す。この場合、弁体３の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと弁軸７の回転位置から検出される弁体３の開度（弁開度実測値）θｐｖとの間に誤差δが生じ、この誤差δを無くすためには弁開度を減少させる必要がある。このため、第２の補正値α２をマイナス値として、弁開度実値θｐｒと補正後の弁開度θｐｖ’とを一致させるようにする。

なお、実施の形態１（図２に示した例）において、弁開度の変更方向を考慮するものとした場合、弁開度実測値補正部１０Ｃ２において弁開度の変更方向を判断するようにし、弁開度が減少する方向に変更される場合には、弁開度実測値θｐｖに補正値αをプラス値として加えるようにし、弁開度が増大する方向に変更される場合には、弁開度実測値θｐｖに補正値αをマイナス値として加えるようにすればよい。

また、上述した実施の形態では、弁軸７のねじれ量に対応する補正値を内圧Ｐ_INに対応する値としたが、内圧Ｐ_INに弁体３の開度θｐｖや弁体３の前後差圧ΔＰを組み合わせ、この組み合わせに対応する値を弁軸７のねじれ量に対応する補正値とするようにしてもよい。このようにすることによって、流量計測精度の更なる向上を実現することができる。

例えば、弁軸７のねじれ量は、内圧Ｐ_INとねじれ量との関係（図９参照）だけではなく、弁体３の開度θｐｖとねじれ量との関係（図１０参照）や弁体３の前後差圧ΔＰとねじれ量との関係（図１１参照）から知ることも可能である。このような関係を利用し、内圧Ｐ_INと開度θｐｖとの組み合わせに対応する値として弁軸７のねじれ量に対応する補正値を定めるようにしたり、内圧Ｐ_INと前後差圧ΔＰとの組み合わせに対応する値として弁軸７のねじれ量に対応する補正値を定めたり、内圧Ｐ_INと開度θｐｖと前後差圧ΔＰとの組み合わせに対応する値として弁軸７のねじれ量に対応する補正値を定めるようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、弁軸７のねじれ量に対応する補正値をテーブルから取得する（テーブル方式）ようにしたが、式を定めて計算によって求める（算術方式）ようにしたりしてもよい。

例えば、補正開度（％ＦＳ）＝ａ×Ｐ_IN（ａ：補正係数、Ｐ_IN：内圧（kPa））として、弁軸７のねじれ量に対応する補正値αを算出するようにする。この場合、実施の形態２では、補正係数ａとして第１の補正係数ａ１（プラス値）と第２の補正係数ａ２（マイナス値）とを定め、弁開度設定値θｓｐの変更方向に応じて弁軸７のねじれ量に対応する補正値α１，α２を算出するようにする。

また、内圧Ｐ_INから弁軸７に発生するトルク値を求め、このトルク値と弁軸７や駆動軸８−１の材質・形状（部材長さ、弾性係数、断面二次極モーメント）からねじれ量を算出し、この算出したねじれ量をその時の弁軸７のねじれ量に対応する補正値としてもよい。また、このねじれ量を算出する際、弁体３の弁開度の変更方向を判断し、この判断した弁開度の変更方向を算出されるねじれ量に反映するようにしてもよい。下記に一般的なねじれ角の演算式を示す。また、このトルク値から算出されるねじれ量を補正値とした補正テーブルを補正テーブル記憶部１０Ｄに記憶させておくようにしてもよい。

θ＝ＴＩ／ＧＩｐ ・・・・（２）
θ：ねじれ角、Ｔ：トルク、Ｉ：部材長さ、Ｇ：横弾性係数、Ｉｐ：断面二次極モーメント。

また、上述した実施の形態では、流量制御バルブ２０８を図１４に示したようなタイプ（流量調整窓が上流側に設けられているタイプ）とした例で説明したが、図１７に示したようなタイプ（流量調整窓が下流側に設けられているタイプ）としてもよい。実施の形態１において、流量調整窓が下流側に設けられているタイプとした場合の図２に対応する図を図１２に示す。実施の形態２において、流量調整窓が下流側に設けられているタイプとした場合の図６に対応する図を図１３に示す。

図２および図６に示した例では、流量調整窓６₁の前後の流体の圧力の内、弁軸７がある方の圧力として、弁体３の下流側の管路２内の流体の圧力Ｐ２を内圧Ｐ_INとして検出するようにしているが、図１２および図１３に示した例では、流量調整窓６₁の前後の流体の圧力の内、弁軸７がある方の圧力として、弁体３の上流側の管路２内の流体の圧力Ｐ１を内圧Ｐ_INとして検出するようにする。

なお、効果は劣るが、流量調整窓６₁の前後の流体の圧力の内、弁軸７がない方の圧力を内圧として検出するようにしてもよい。本発明でいう内圧には、流量調整窓６₁の前後の流体の圧力の内、弁軸７がある方の圧力だけではなく、弁軸７がない方の圧力も含まれるものである。

また、上述した実施の形態では、空調制御システムにおける使用例として説明したが、工業分野への応用が可能である。特に、プロセス制御の流量制御システムに適用可能である。また、流体も冷水・温水に限らず、気体など様々な流体に応用が可能である。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１−１…弁本体、１−２…アクチュエータ、２…管路、３…弁体、４…１次側圧力センサ、５…２次側圧力センサ、６…通路、６₁…流量調整窓、７…弁軸、８…モータ、９…弁開度検出器、１０…処理部、１０Ａ…弁開度制御部、１０Ｂ…差圧検出部、１０Ｃ…弁開度補正部、１０Ｃ１……補正値取得部、１０Ｃ２…弁開度実測値補正部、１０Ｄ…補正テーブル記憶部、ＴＡ…補正テーブル、ＴＡ１…閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）、ＴＡ２…開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）、１０Ｆ…特性テーブル記憶部、ＴＢ…特性テーブル、１０８…流量制御バルブ。

Claims (13)

1. 流路を流れる流体の流量を演算する流量演算装置において、
   前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部と、
   前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
   前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値とし、前記内圧検出部によって検出された内圧からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部と、
   前記弁開度補正部によって補正された弁開度と前記差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部と
   を備えることを特徴とする流量演算装置。
2. 請求項１に記載された流量演算装置において、
   前記内圧検出部は、
   前記流量調整窓の前後の流体の圧力の内、前記弁軸がある方の圧力を前記内圧として検出する
   ことを特徴とする流量演算装置。
3. 請求項１に記載された流量演算装置において、
   前記流量調整窓は、
   前記弁体の通路の上流側に設けられており、
   前記内圧検出部は、
   前記弁体の下流側の流路内の流体の圧力を前記内圧として検出する
   ことを特徴とする流量演算装置。
4. 請求項１に記載された流量演算装置において、
   前記流量調整窓は、
   前記弁体の通路の下流側に設けられており、
   前記内圧検出部は、
   前記弁体の上流側の流路内の流体の圧力を前記内圧として検出する
   ことを特徴とする流量演算装置。
5. 流路を流れる流体の流量を演算する流量演算方法において、
   前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出する内圧検出ステップと、
   前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得する差圧取得ステップと、
   前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値として取得する弁開度取得ステップと、
   前記内圧検出ステップによって検出された内圧からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する弁開度補正ステップと、
   前記弁開度補正ステップによって補正された弁開度と前記差圧取得ステップによって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出ステップと
   を備えることを特徴とする流量演算方法。
6. 流路を流れる流体の流量を制御する流量制御装置において、
   前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部と、
   前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
   前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値とし、前記内圧検出部によって検出された内圧からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部と、
   前記弁開度補正部によって補正された弁開度と前記差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部と、
   前記流量算出部によって算出される流体の流量を計測流量とし、この計測流量が設定流量に一致するように前記弁軸の回転量を制御するように構成された弁開度制御部と
   を備えることを特徴とする流量制御装置。
7. 請求項１〜４の何れか１項に記載された流量演算装置において、
   前記内圧に対応してその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を定めた補正テーブルを記憶する補正テーブル記憶部を備え、
   前記弁開度補正部は、
   前記内圧検出部によって検出された内圧に対応する補正値を前記補正テーブルから取得し、この取得した補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する
   ことを特徴とする流量演算装置。
8. 請求項１〜４の何れか１項に記載された流量演算装置において、
   前記弁開度補正部は、
   前記内圧検出部によって検出された内圧から前記弁軸に発生するトルク値を求め、このトルク値を所定の演算式に代入してその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この求めた補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する
   ことを特徴とする流量演算装置。
9. 流路を流れる流体の流量を演算する流量演算装置において、
   前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部と、
   前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
   前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値とし、前記弁体の開度の変更方向を判断し、前記内圧検出部によって検出された内圧および前記判断した弁開度の変更方向からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部と、
   前記弁開度補正部によって補正された弁開度と前記差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部と
   を備えることを特徴とする流量演算装置。
10. 流路を流れる流体の流量を演算する流量演算方法において、
    前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出する内圧検出ステップと、
    前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得する差圧取得ステップと、
    前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値として取得する弁開度取得ステップと、
    前記弁体の開度の変更方向を判断する弁開度変更方向判断ステップと、
    前記内圧検出ステップによって検出された内圧および前記弁開度変更方向判断ステップによって判断された弁開度の変更方向からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する弁開度補正ステップと、
    前記弁開度補正ステップによって補正された弁開度と前記差圧取得ステップによって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出する流量算出ステップと
    を備えることを特徴とする流量演算方法。
11. 流路を流れる流体の流量を制御する流量制御装置において、
    前記流体が通過する通路を備えた弁体によりその流量が調整される前記流体の圧力を内圧として検出するように構成された内圧検出部と、
    前記弁体の通路に設けられた流量調整窓の前後の流体の圧力差を差圧として取得するように構成された差圧取得部と、
    前記弁体に結合された弁軸の回転位置から検出される前記弁体の開度を弁開度実測値とし、前記弁体の開度の変更方向を判断し、前記内圧検出部によって検出された内圧および前記判断した弁開度の変更方向からその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この補正値を用いて前記弁開度実測値を補正するように構成された弁開度補正部と、
    前記弁開度補正部によって補正された弁開度と前記差圧取得部によって取得された差圧とに基づいて前記流路を流れる流体の流量を算出するように構成された流量算出部と、
    前記流量算出部によって算出される流体の流量を計測流量とし、この計測流量が設定流量に一致するように前記弁軸の回転量を制御する弁開度制御部と
    を備えることを特徴とする流量制御装置。
12. 請求項９に記載された流量演算装置において、
    前記内圧と前記弁体の開度の変更方向との組み合わせに対応してその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を定めた補正テーブルを記憶する補正テーブル記憶部を備え、
    前記弁開度補正部は、
    前記補正テーブルから前記内圧検出部によって検出された内圧と前記判断した弁開度の変更方向との組み合わせに対応した補正値を取得し、この取得した補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する
    ことを特徴とする流量演算装置。
13. 請求項９に記載された流量演算装置において、
    前記弁開度補正部は、
    前記内圧検出部によって検出された内圧から前記弁軸に発生するトルク値を求め、前記弁体の開度の変更方向を判断し、前記トルク値、および前記判断した弁開度の変更方向を所定の演算式に代入してその時の前記弁軸のねじれ量に対応する補正値を求め、この求めた補正値を用いて前記弁開度実測値を補正する
    ことを特徴とする流量演算装置。

Images