JP2019196815A - 電動弁 - Google Patents
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Abstract
Description
電動モータに通電すると、電動モータの回転は、伝達機構を介して出力軸に伝達され、それによって、弁体が流路を開く。それと同時に、電動モータの回転は、伝達機構を介してゼンマイバネに伝達され、このゼンマイバネを巻き締める。これにより、ゼンマイバネは、伝達機構に対して、弁体を閉方向に付勢する力を与える。弁体が全開に達すると、電動モータへの通電を停止するとともに、電磁クラッチブレーキに通電して制動状態とし、電動モータ軸を固定する。それにより、ゼンマイバネの付勢力に抗して、弁体が開状態に保持される。
そこで、この発明の一つの目的は、安価な構成で、停電の有無に拘わらず、外部信号に応答するバネ式緊急作動を実現できる電動弁を提供することである。
この発明の一実施形態では、前記電動弁は、前記外部電源から供給される電力によって前記蓄電ユニットを充電する充電回路をさらに含む。
この構成により、電動モータを駆動するための外部電源によって蓄電ユニットを充電できるので、充電型の蓄電ユニットを用いることができる。したがって、小容量で小型の蓄電ユニットを適用できるから、一層容易に蓄電ユニットを電動弁に組み込むことができる。さらに、充電型の蓄電ユニットを用いることにより、蓄電ユニットの交換等のメンテナンスの手間を軽減できる。
この構成によれば、蓄電ユニットの蓄電残量が残量閾値または残量閾値未満に低下すると、弁作動指令信号の有無によらずに、蓄電ユニットからの電力供給によって無励磁作動型電磁ブレーキが非制動状態となり、バネ力を利用した緊急作動が行われる。これにより、蓄電ユニットの蓄電残量不足に起因して緊急作動ができなくなることがなくなる。
この発明の一実施形態では、前記伝達機構は、前記バネが巻き上げられ、前記無励磁作動型電磁ブレーキが無励磁状態(制動状態)のときに、前記電動モータの回転を前記出力軸に伝達可能に構成されている。この構成によれば、バネが巻き上げられた状態で、電動モータを駆動することにより、弁体を開閉作動させることができる。したがって、弁体を開閉したり、その開度を全開と全閉との間の任意の開度に調整したりすることができる。
図1は、この発明の一実施形態に係る電動弁の構造を説明するための斜視図である。電動弁100は、弁体1と、弁体1が先端に結合された出力軸2(弁棒)と、電動モータMと、電動モータMの回転を出力軸2に伝達する伝達機構3と、伝達機構3に結合されたバネ4と、無励磁作動型の電磁ブレーキBとを含む。
電磁ブレーキBは、この実施形態では、電動モータMに結合されており、電動モータMの回転軸を制動するように構成されている。電磁ブレーキBは、無励磁作動型の電磁クラッチブレーキで構成されている。すなわち、励磁電流を通電していない無励磁状態において、電動モータMの回転軸を制動し、当該回転軸を非回転状態に固定する制動状態となる。一方、励磁電流を通電した励磁状態では、電磁ブレーキBは、非制動状態となり、電動モータMの回転軸を解放して、当該回転軸の回転を許容する。
図2は、電動弁100の電気的構成を説明するためのブロック図である。電動弁100は、電源回路U1と、充電回路K2と、電気二重層キャパシタECと、制御回路K1と、第1〜第3スイッチSW1〜SW3とを含む。第1〜第3スイッチSW1〜SW3は、電界効果型トランジスタ等の半導体スイッチであってもよい。電動モータMは、たとえば交流モータ(誘導モータ)である。たとえば、電動モータMは、主巻線および補助巻線を備えており、それらの一端は共通接続されており、それらの他端の間には進相用コンデンサCが接続されている。
充電回路K2と第3スイッチSW3との間において、第2直流電源線32に、電気二重層キャパシタECが接続されている。したがって、電気二重層キャパシタECは、充電回路K2からの電流によって充電される。また、第3スイッチSW3が導通状態であれば、電気二重層キャパシタECは、電磁ブレーキBに励磁電流を供給する。
一方、電源回路U1と第1ダイオードD1との間において、第1直流電源線31に第3直流電源線33が接続されている。第3直流電源線33は、第1直流電源線31からの電力を制御回路K1に供給する。第3直流電源線33には、逆流防止のための第2ダイオードD2が介装されている。制御回路K1には、さらに、第4直流電源線34が接続されている。第4直流電源線34は、電気二重層キャパシタECから制御回路K1に動作電力を供給する。第4直流電源線34には、逆流防止のための第3ダイオードD3が接続されている。
停電時には、電源回路U1が直流電圧を発生しない。このとき、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2は、電気二重層キャパシタECから電源回路U1に向かう電流を阻止し、電気二重層キャパシタECの放電を抑制する。
電源回路U1の出力電圧が電源電圧閾値を超えており(ステップS11:YES)、したがって、停電が生じていないときには、信号接点ESが導通状態(検出状態)となると(ステップS12:YES)、制御回路K1は、第2スイッチSW2を導通させ、電磁ブレーキBを励磁する(ステップS13)。それにより、電磁ブレーキBは、非制動状態となるので、伝達機構3のロック状態が解除される。そのため、バネ4の付勢力によって伝達ギヤ11が回転し、その回転が平歯車10を介して出力軸2に伝わり、弁体1を閉方向に回動させる。それにより、緊急遮断動作(緊急作動)が達成される。制御回路K1は、弁体1が全閉状態となるのに充分な時間以上に定めた作動時間だけ第2スイッチSW2を導通させた後(ステップS14:YES)、この第2スイッチSW2を遮断して、電磁ブレーキBへの電力供給を遮断する(ステップS15)。
信号接点ESが導通すると、制御回路K1は、これを弁作動指令信号の入力と解釈して、第2スイッチSW2または第3スイッチSW3を導通させる。それにより、電源回路U1または電気二重層キャパシタECから、電磁ブレーキBに励磁電流が供給される。それにより、電磁ブレーキBの制動状態が解除され、バネ4に蓄積されたエネルギーが解放される。バネ4が発生する回転力は、伝達機構3を介して出力軸2へと伝達され、出力軸2が閉方向(バネ作動方向)に作動する。こうして、信号接点ESからの入力(弁作動指令信号の入力)に応答して、バネ4の付勢力を利用した緊急遮断動作(緊急作動)を実現できる。
また、電気二重層キャパシタECは、化学反応を伴わずに充放電する仕組みを有しているため、一般的な蓄電池と比較して遥かに長寿命であり、充放電による劣化や寿命短縮がほとんどないので、実質的にメンテナンスフリーである。しかも、急速充電が可能であるため、電磁ブレーキBを作動させるのに必要な電力を速やかに蓄積できる。また、電気二重層キャパシタECは、電動弁100が備えるハウジング14内のスペースに容易に収容することができるので、小型の電動弁100を構成できる。
図5は、この発明の第2の実施形態に係る電動弁200の構成を説明するための断面図であり、図6A〜図6Cは動作を説明するための要部斜視図である。この実施形態を説明する図面において、前述の第1の実施形態の電動弁100に関して説明した各部の相当部分は同一参照符号で示し、重複した説明を省く。
中継ギヤ70は、バネ駆動ギヤ71に噛合している。バネ駆動ギヤ71は、バネ4(この実施形態ではゼンマイバネ)の中心軸72に固定されている。バネ中心軸72(バネ駆動軸)には、ギヤ73が設けられている。このギヤ73は、カム軸74に固定された別のギヤ75が噛合している。カム軸74にはカム76が固定されており、このカム76に巻き上げ検出リミットスイッチLS13が係合している。巻き上げ検出リミットスイッチLS13は、バネ4の巻き上げが完了すると、カム76に押されて、バネ4の巻き上げ完了を検出する。
出力軸2には、複数のカム79が結合されている。さらに、複数のカム79にそれぞれ対応する複数のリミットスイッチが設けられている。複数のリミットスイッチは、出力軸2の全開位置で作動して遮断される全開検出リミットスイッチLS11、出力軸2の全閉位置で作動して遮断される全閉検出リミットスイッチLS12などを含む。
この電動弁200の動作の概要は、図6A〜図6Cに示されており、以下に概説するとおりである。なお、理解を容易にするために、複数の状態をそれぞれ示す図6A〜図6Bにおいて、回転が規制されている部材には、斜線が付されている。
4本の電力線81〜84が設けられている。第1電力線81は、電動モータMの開駆動端子91と開指令端子T11とを接続している。開駆動端子91は、電動モータMを開方向に駆動するときに電力を供給すべき端子である。開指令端子T11は、操作盤50に設けられる操作スイッチCS2の開指令接点101に電力ケーブル95を介して接続される。第2電力線82は、電動モータMの閉駆動端子92と閉指令端子T12とを接続している。閉駆動端子92は、電動モータMを閉方向に駆動するときに電力を供給すべき端子である。閉指令端子T12は、操作盤50に設けられる操作スイッチCS2の閉指令接点102に電力ケーブル95を介して接続される。操作スイッチCS2の共通接点103は、交流電源51の一方の端子に接続されている。第3電力線83は、電動モータMのコモン駆動端子93とコモン端子T13とを接続している。コモン端子T13は、電力ケーブル95を介して、交流電源51の他方の端子に接続される。電源回路U1は、第3電力線83および第4電力線84に接続されている。第4電力線84は、交流電源51の操作スイッチCS2の共通接点103に電力ケーブル95を介して接続される共通接点端子T14に接続されている。
その他の構成については、前述の第1の実施形態の場合と同様である。
図8は、制御回路K1の動作を説明するためのフローチャートであり、準備動作を示している。電源が供給されていない初期状態では、弁体1は初期位置(全開位置または全閉位置。ここでは全閉位置とする。)にある。無励磁作動型の電磁ブレーキBは、無励磁状態、すなわち作動状態であり、バネ中心軸72および太陽ギヤ65の回転を制動している。
制御回路K1は、まず、バネ4を巻き上げるための動作を実行する。制御回路K1は、巻き上げ検出リミットスイッチLS13の状態を調べる(ステップS31)。巻き上げ検出リミットスイッチLS13が巻き上げ完了を検出していなければ(ステップS31:NO)、制御回路K1は、第5スイッチSW5を遮断状態に制御し、第1スイッチSW1を導通状態に制御する(ステップS32)。それにより、電動モータMに通電するための準備を行う。第5スイッチSW5を遮断状態とすることにより、操作スイッチCS2の開指令操作が無効になる。
巻き上げ検出リミットスイッチLS13がバネ4の巻き上げ完了を検出すると(ステップS31:YES)、制御回路K1は、第4スイッチSW4を遮断して電動モータMへの通電を停止する(ステップS35)。さらに、制御回路K1は、第2スイッチSW2を遮断して、電磁ブレーキBへの通電を停止させる(ステップS36)。これにより、電磁ブレーキBは無励磁状態となって、バネ中心軸72および太陽ギヤ65の回転を規制する制動状態となる。
操作スイッチCS2が開指令接点101側に操作されると、第1電力線81から電動モータMの開駆動端子91に電力が供給されるので、電動モータMが開方向に駆動する。また、操作スイッチCS2が閉指令接点102側に操作されると、第2電力線82から電動モータMの閉駆動端子92に電力が供給されるので、電動モータMが閉方向に駆動する。電動モータMが駆動されることで、太陽ギヤ65の回転が規制された状態でインターナルギヤ62が回転するので、遊星ギヤ63の公転によってキャリヤ64とともに出力軸2が回転する。それにより、弁体1の開度調整が達成される(図6B参照)。
電源回路U1の出力電圧が電源電圧閾値を超えており(ステップS41:YES)、したがって、停電が生じていないときには、信号接点ESが導通状態(検出状態)となると(ステップS42:YES)、制御回路K1は、第1スイッチSW1を遮断して、電動モータMの回路を遮断して、電動モータMへの通電を禁止する(ステップS43)。その後、制御回路K1は、第3スイッチSW3は遮断状態のままで、第2スイッチSW2を導通させ、電磁ブレーキBを励磁する(ステップS44)。それにより、電磁ブレーキBは、非制動状態となるので、バネ中心軸72および太陽ギヤ65の制動状態(ロック状態)が解除される。そのため、バネ4の付勢力によって太陽ギヤ65が回転する。インターナルギヤ62の回転は電動モータMによって規制されているので、太陽ギヤ65の回転によって、遊星ギヤ63が公転し、それによって、キャリヤ64とともに出力軸2が閉方向に回転する(図6C参照)。それにより、バネ4の付勢力によって弁体1を全閉状態とすることができ、緊急遮断動作(緊急作動)を達成できる。
電源回路U1の出力電圧が電源電圧閾値以下であり、停電状態と判断されるときには(ステップS41:NO)、制御回路K1は、電気二重層キャパシタECの出力電圧が所定のキャパシタ電圧閾値を超えているかどうかを判断する(ステップS47)。この判断は、第1の実施形態の場合と同じく、電気二重層キャパシタECの蓄電残量が所定の残量閾値を超えているかどうかの判断に相当する。
電気二重層キャパシタECの出力電圧がキャパシタ電圧閾値以下であるときは(ステップS47:NO)、制御回路K1は、信号接点ESの状態によらずに、第1スイッチSW1を遮断し(ステップS49)、第3スイッチSW3を導通させる(ステップS50)。それにより、前述の場合と同様にして、電気二重層キャパシタECからの電力供給によって、電磁ブレーキBが励磁されて非制動状態となり、バネ4の付勢力による緊急遮断動作が行われる。制御回路K1は、弁体1が全閉状態となるのに充分な時間以上に設定された作動時間だけ第3スイッチSW3を導通させた後(ステップS51:YES)、第3スイッチSW3を遮断して、電磁ブレーキBへの電力供給を遮断する(ステップS52)。
このように、この実施形態では、電磁ブレーキBを制動状態(無励磁状態)に保持しながら、操作スイッチCS2の操作によって電動モータMを開方向または閉方向に駆動して、弁体1を開閉したり、その開度を全閉と全開との間で調整したりすることができる。その一方で、信号接点ESからの入力に応答して、バネ力を利用した緊急遮断(緊急作動)を行わせることができる。
以上、この発明の2つの実施形態について詳細に説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することができる。たとえば、前述の実施形態では、信号接点ESの入力に応答して流路を緊急遮断する構成について主として説明したが、電動弁100,200の用途によっては、信号接点ES等の入力に応答して流路を緊急開放すべき場合もある。たとえば、消火用散水のためのスプリンクラーの給水路に電動弁100,200が配置されるときには、緊急信号に応答して電動弁の緊急開放(緊急作動)が要求される場合もある。このような場合には、巻き上げ状態のバネ4が弁体1を開方向に付勢するようにしておけばよい。
また、前述の実施形態では、停電が生じていないときには、信号接点ESからの入力に応答して第2スイッチSW2を導通させて、電源回路U1から電磁ブレーキBに励磁電流が供給されている。しかし、電源回路U1と電磁ブレーキBの直接接続は必ずしも必要ではなく、停電が生じていないときであっても、電気二重層キャパシタECから電磁ブレーキBに励磁電流を供給してもよい。つまり、第1直流電源線31を電磁ブレーキBに直接接続する回路およびこのような回路に介装される第2スイッチSW2を省いてもよい。
また、前述の実施形態では、電気二重層キャパシタECの蓄電残量の指標として、電気二重層キャパシタECの出力電圧を検出している。これに代えて、またはこれに加えて、停電検出時からの経過時間(停電継続時間)を計測して、この計測時間に基づいて電気二重層キャパシタECの蓄電残量を求めるか、または当該計測時間を蓄電残量の代替指標として用いてもよい。
1 弁体
2 出力軸
3 伝達機構
4 バネ
5 流路
14 ハウジング
15 配線基板
41,42 電圧検出線
50 操作盤
51 交流電源
60 伝達機構
61 遊星歯車機構
71 バネ駆動ギヤ
72 バネ中心軸
B 電磁ブレーキ
CS1,CS2 操作スイッチ
EC 電気二重層キャパシタ
ES 信号接点
M 電動モータ
K1 制御回路
K2 充電回路
U1 電源回路
SW1〜SW5 スイッチ
Claims (8)
- 流路を開閉する弁体と、
前記弁体に結合され、前記弁体により前記流路を閉じる閉方向、および前記弁体により流路を開く開方向に作動可能な出力軸と、
外部電源により駆動される電動モータと、
前記電動モータの駆動力を前記出力軸に伝達する伝達機構と、
前記伝達機構に結合され、前記電動モータの回転によって巻き上げられ、巻き上げられた状態で、前記伝達機構を介して前記出力軸を前記閉方向および前記開方向のうちのいずれか一方であるバネ作動方向に付勢するバネと、
無励磁状態において前記バネの付勢力による前記出力軸の作動を禁止する制動状態となり、励磁状態において制動状態を解除した非制動状態となる無励磁作動型電磁ブレーキと、
前記無励磁作動型電磁ブレーキに供給すべきブレーキ励磁電力を蓄電する蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットと前記無励磁作動型電磁ブレーキとの間の回路を開閉する第1制動解除スイッチと、
弁作動指令信号に応答して、前記第1制動解除スイッチを導通させることにより、前記蓄電ユニットから前記無励磁作動型電磁ブレーキに励磁電流を供給させる制御回路と、
を含む、電動弁。 - 前記外部電源から供給される電力によって前記蓄電ユニットを充電する充電回路をさらに含む、請求項1に記載の電動弁。
- 前記外部電源と前記無励磁作動型電磁ブレーキとを接続する回路を開閉する第2制動解除スイッチをさらに含み、
前記制御回路は、前記外部電源からの電力が供給されているときには、前記弁作動指令信号に応答して、前記第2制動解除スイッチを導通させることにより、前記外部電源から前記無励磁作動型電磁ブレーキに励磁電流を供給させ、前記外部電源からの電力が供給されていないときには、前記弁作動指令信号に応答して、前記第1制動解除スイッチを導通させることにより、前記蓄電ユニットから前記無励磁作動型電磁ブレーキに励磁電流を供給させる、請求項2に記載の電動弁。 - 前記制御回路は、前記蓄電ユニットの蓄電残量を検出し、前記蓄電残量が残量閾値または当該残量閾値未満に低下すると、前記弁作動指令信号が入力されなくても、前記第1制動解除スイッチを導通させて、前記蓄電ユニットから前記無励磁作動型電磁ブレーキに励磁電流を供給させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電動弁。
- 前記制御回路の動作電力が、前記蓄電ユニットから供給される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電動弁。
- 前記伝達機構は、前記バネが巻き上げられ、前記無励磁作動型電磁ブレーキが無励磁状態のときに、前記電動モータの回転を前記出力軸に伝達可能に構成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電動弁。
- 前記蓄電ユニットが、電気二重層キャパシタを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電動弁。
- 前記蓄電ユニットが、前記無励磁作動型電磁ブレーキとともにハウジングに収納されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電動弁。
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