JP2020134993A

JP2020134993A - 制御弁装置

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Publication number: JP2020134993A
Application number: JP2019023153A
Authority: JP
Inventors: 中川　哲; Satoru Nakagawa; 哲中川; 陽介中川; Yosuke Nakagawa; 修元田; Osamu Motoda
Original assignee: SHOWA VALVE CO Ltd
Current assignee: SHOWA VALVE CO Ltd
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: JP6687205B1

Abstract

【課題】流量制御弁を含む配管網を構築するに当たって、設計から施工までに要する労務と時間を軽減でき、且つ、流体の移送運転中においてもオペレータの作業を軽減できる、一連の装備品として予め準備可能な制御弁装置を提供する。【解決手段】制御弁装置１は、アクチュエータ３を備える流量制御弁２と、流量制御弁２のボディ本体から上流側に延出する一次側接続部４と、下流側に延出する二次側接続部５と、一次側接続部４に設けられる一次側検出センサー７と、二次側接続部５に設けられる二次側検出センサー８と、各々の検出センサーから送信される流体の状態信号を受信し、アクチュエータ３に指令信号を送信する制御ユニット６を備える。流体を移送する配管網に制御弁装置１を配置し、流体の状態を検出し、得られた状態信号を基に、制御ユニット６にて演算処理し、アクチュエータ３に信号を送信し、流量制御弁２の開度を自動制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、制御弁装置に関する

従来から、工場やプラントにおいて、水や蒸気、その他各種流体を所定場所へ供給する配管網を有している。このような配管網において、流体の供給源近傍にはポンプ、配管途中には流量制御弁などの各種弁、流量や圧力を計測する計測機器などが配置され、制御室からの操作により、ポンプの起動停止、流量制御弁の開度制御などが実行される。このような配管網において流量を制御する場合は、バタフライ弁や仕切弁などの流量制御弁を用いるが、配管途中に設けられた流量センサーや圧力センサーから送信される流量や圧力などのデータを制御室でモニターしながら、所定の流量になるように操作する。このため、操作を行うオペレータが必要となり、逐次監視を続けなければならない。

また、配管網の構築に当たっては、工場やプラントで各々仕様が異なるため、流量制御弁などの個々の制御機器や配管部品の、仕様の確認や選定を含め、制御系を含めて十分な検討と緻密な設計を要する。設計を終えた後も、流量制御弁の他、各種センサーの準備、配管への組付け、各種制御機器との配線、制御プログラムの作成など、繁雑な準備と作業が必要となり、多くの労務と時間を要する。

特許文献1には、手動バルブ、自動開閉バルブ、流量制御バルブなどのバルブや流量計を設けた配管網において、バルブを集中管理するバルブ管理システムが開示されている。本文献に記載のバルブの管理システムは、製油所のタンクから船舶へ油を移送する配管網において、オペレータがコンピュータの画面上に表示される情報を元に、バルブの開閉を操作するシステムが記載され、安全面と運用面で効率的であることが示されている。しかしながら、逐次、オペレータによる監視と操作が必要であり、複雑な配管網であるほど、オペレータによる判断に依存することが多くなり、オペレータへの負荷が増大する。またこのシステムでは、オペレータが操作するのはバルブの開閉とされているが、さらに複数の流量制御弁の開度を操作し流量を制御するともなると、オペレータの操作数が増えて負荷が増大する。また、流量、圧力、温度など制御すべき状態が多くなるほど、オペレータが適切に操作をすることが困難になり、人的ミスが増えることが予想される。

特許第５３４２２５０号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、流量制御弁を含む配管網を構築するに当たって、設計から施工までに要する労務と時間を軽減でき、一連の装備品として予め準備可能な、自らに流体の状態を検出できる検出機能と、弁の開度を自動制御できる制御機能と、を有する制御弁装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、複雑の配管網において、流量制御などを従来操作していたオペレータの負荷を軽減でき、人的ミスを削減できる、自らに弁の開度を自動制御できる制御機能を有する制御弁装置を提供することを目的とする。

本発明に係る制御弁装置は、流体の状態を検出し、検出した状態信号を基に弁の開度を制御する制御弁装置であって、弁箱に弁体と弁座を収容し、該弁体を弁棒を介して開閉駆動するアクチュエータと、前記弁箱から流入路として上流側に延出する一次側接続部と、前記弁箱から流出路として下流側に延出する二次側接続部と、を備える流量制御弁と、前記一次側接続部に配設され、前記流体の状態を検出する一次側検出センサーと、前記二次側接続部に配設され、前記流体の状態を検出する二次側検出センサーと、前記一次側検出センサー及び二次側検出センサーから受信した状態信号を演算処理し、少なくとも前記アクチュエータを駆動する指令信号を送信する制御ユニットと、を予め装備品として具備し、前記制御ユニットにトリガー信号が入力された後に、前記検出センサーから受信する状態信号を基に弁の開度を自動制御することを特徴とする。

また、本発明に係る制御弁装置は、前記一次側接続部は、弁箱と分離した、少なくとも一の一次側配管ユニットであることを特徴とする。

さらに、本発明に係る弁制御装置は、前記二次側接続部は、弁箱と分離した、少なくとも一の二次側配管ユニットであることを特徴とする。

また、本発明に係る制御弁装置は、前記制御ユニットは、前記流量制御弁以外の他の装置との信号を送受信するための出入端子を有していることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る制御弁装置は、前記流量制御弁を全閉にした時、少なくとも弁体と弁箱の内周面で囲われる閉鎖空間に、該閉鎖空間の状態を検出する検出センサーを設けることを特徴とする。

さらに、本発明に係る制御弁装置は、バタフライ弁、仕切弁、ボール弁、玉形弁から選択されることを特徴とする。

本発明によれば、自らに流体の状態を検出する検出機能と弁の開度を自動制御する制御機能を有する流量制御弁を、装備品として製品化できるため、設計段階における検討や決定および施工段階における迅速な手配や作業が容易となり、配管網の構築に要する労務と工数を大幅に低減できる。

また、本発明によれば、複雑な配管網に、制御弁装置として自ら流体の状態を検出する機能と弁の開度を自動制御する制御機能を有する流量制御弁を配置できるため、流量制御などの操作に従事するオペレータの負荷を大幅に軽減でき、人的ミスを低減できる。

本発明の実施形態に係る流量制御弁に仕切弁を用いた制御弁装置の概略図。本発明の実施形態に係る流量制御弁にバタフライ弁を用いた制御弁装置の概略図。本発明の実施形態に係る流量制御弁に、弁箱と分離した一次側配管ユニットと二次側配管ユニットを設けた制御弁装置の概略図。本発明の実施形態に係る制御弁装置を用いた配管網。本発明の実施形態に係る制御弁装置の駆動時におけるフローチャート。本発明の実施形態に係る制御弁装置の駆動時におけるフローチャート。本発明の実施形態に係る制御弁装置を用いた配管網。本発明の実施形態に係る制御弁装置を用いた配管網。本発明の実施形態に係る流量制御弁において、弁全閉時に形成される閉鎖空間に検出センサーを設けた制御弁装置の概略図。図９に示す流量制御弁に仕切弁を用いた制御弁装置の概略図。

本発明の実施形態について、図に基づいて詳細に説明する。なお、各図に亘って示される同じ符号は、同一または同様のものを示す。

また、本発明で示される流体とは、液体、気体、粒体、粉体、または気体と液体、液体と粉体などの混合体であり、配管内を移送できる物体をいう。流体の状態とは、圧力、流量、温度、電気伝導度、透明度、色、ＰＨ度などを示し、流体の状態信号とは、その状態を検出した時に得られる信号であり、圧力信号、流量信号、温度信号、電気伝導度信号、透明度信号、色信号、ＰＨ度信号などを示す。

本発明の実施形態を図１及び図２の断面を含む概略図に基づいて説明する。図１に示す制御弁装置１は、流量制御弁２としてアクチュエータ３を備えた仕切弁２０を採用している。仕切弁２０のボディ本体を構成する弁箱２１から一次側（上流側）、二次側（下流側）に延出するように、一次側接続部４と二次側接続部５が設けられている。

仕切弁２０の弁箱２１内には、弁体２２と弁座２３が収容され、弁体２２を接続する弁棒２４を、アクチュエータ３で直線的に作動させることにより開度を調整する。弁箱２１から一次側に延出する一次側接続部４には、配管内を流れる流体の状態を検出する一次側検出センサー７として、圧力センサー７１と流量センサー７２が設けられる。同様に弁箱２１から二次側に延出する二次側接続部５にも、二次側検出センサー８として、圧力センサー８１と流量センサー８２が設けられる。上記の構成に加え、一次側接続部４と二次側接続部５に設けられた一次側検出センサー７と二次側検出センサー８からの状態信号を受信し、演算処理した後、開度を決定するアクチュエータ３に指令信号を送信する制御ユニット６が設けられている。制御ユニット６と検出センサー７、８との間、制御ユニット６とアクチュエータ３との間は、信号を送受信する伝送ケーブルで接続されている。伝送ケーブル（有線）に替えて無線による接続でも良い。

一次側接続部４と二次側接続部５に設ける検出センサー７、８は、検出すべき状態に応じて適宜選択され、１個〜複数個の範囲で選ばれる。予め複数の検出センサーを取付け可能なように一次側接続部４と二次側接続部５に取付け用の螺子部、またはセンサー取付け部の位置やスペースを確保しておく。複数の螺子部を前もって形成していた場合、実際に使用しない螺子部ができた場合は、流体が漏れないように漏れ防止用の螺子栓で塞ぐようにしてもよい。

流量センサー７２、８２は、図１では配管の外周に取り付けられる電磁式流量センサーを設けた状態を表示しているが、配管への取付け容易性や流体の種類等の必要条件に応じて、適宜選択して設ければよい。流量センサー７２、８２は、差圧式流量センサー、羽根車式流量センサー、超音波式流量センサー、電磁式流量センサーなどの各種流量センサーから選択される。

弁体２２を駆動するアクチュエータ３は、直線的に作動すればよく、電動、油圧、空圧による直動のアクチュエータ３が用いられる。正逆転可能な電動モータ、またはステッピングモータやサーボモータなどの制御モータを、ギヤ等を用い、直動に変換し弁体２２の開閉駆動に用いてもよい。アクチュエータ３には、リニアスケール等の位置センサーや、エンコーダ等の回転位置検出センサーを設けて、弁体２２の位置を検出し、制御ユニット６に位置信号を送信しても良い。

制御ユニット６は、演算処理部と記憶部を備えるマイクロコンピュータ６１と、流量制御弁２の開度を決定するアクチュエータ３に指令信号を送信する駆動回路６２と、を有する。一次側検出センサー７と二次側検出センサー８から送信される状態信号を受信し、あらかじめ記憶部に保存された制御プログラムにて演算処理を実行し、駆動回路６２を介してアクチュエータ３に指令信号を送信し作動させる。制御ユニット６には、流量制御弁２の開度を制御するアクチュエータ３以外の、他の制御機器と信号を送受信するための出入端子（不図示）を設けることができる。例えば、制御弁装置外に設置される流体供給用のポンプ(不図示)と制御ユニット６の出入端子とを伝送ケーブルで接続し、ポンプを起動したときの信号を制御ユニット６に送信し、制御弁装置１を起動するためのトリガー信号にしてよい。トリガー信号により制御弁装置１を起動後、流量制御弁２の一次側接続部４と二次側接続部５に配置される一次側検出センサー７と二次側検出センサー８で測定された状態信号を基に開度制御を実施する。また、本発明に用いる制御弁装置外に設けられる電動制御弁（不図示）と制御ユニット６を伝送ケーブルとで接続し、制御弁装置１から送信される信号により、電動制御弁を開度制御してもよい。

制御弁装置１の制御を実行する制御プログラムとしては、設定する目標値を達成するように、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御、フィードフォーワード制御、最適制御、また複数の状態変数を制御する多変数制御などの制御プログラムを採用でき、適宜保存し実行すればよい。制御プログラムや、流量、圧力、温度などの制御目標値は、マイクロコンピュータ６１の記憶部に書き込み可能に設けておいて、適宜変更すれば良い。データやプログラムを送受信する伝送ケーブルを配することにより、遠隔のパソコンからプログラムや目標値を制御ユニット６に送信したり、制御弁装置１の作動データや流体の検出データをパソコンに取り入れたりすることができる。記憶部に保存されるデータは、逐次更新するようにして、最新のデータを保存するようにしてよい。

制御ユニット６に、スマートフォンなどの通信機器にデータを送信する送信機能を設け、マイクロコンピュータ６１の記憶部に保存されたデータを送信するようにしてよい。スマートフォンなどの通信機器やパソコンに移送されたデータは、インターネットを介して遠隔のウェブサーバーに接続して保存し、監視や管理に利用することができる。

一次側接続部４と二次側接続部５に、各々圧力センサー７１，８１と流量センサー７２，８２を設け、例えば、開度を全開にし流体の状態を測定すれば、一次側、二次側の圧力データ、流量データを比較することにより、センサーの故障や不具合の確認をすることができる。すなわち、弁全開の時、通過する流体が流量制御弁内部で抵抗を受けなければ、一次側の圧力データ、流量データと、二次側の圧力データ、流量データは、ほぼ同値であると考えられる。ほぼ同値でなく差があればセンサーの故障や不具合と考えられる。

本発明の制御弁装置１に用いられる流量制御弁２は限定されるものではないが、図１に示す仕切弁２０の他、バタフライ弁、ボール弁、玉型弁などが採用できる。図２に示す制御弁装置１は、流量制御弁２にバタフライ弁２５を採用した実施形態である。本実施形態において、制御弁装置１は、弁体２２を回動して開閉させるアクチュエータ３を備え、弁箱２１から一次側に延びる一次側接続部４と二次側に延びる二次側接続部５を設けたバタフライ弁２５と、一次側接続部４と二次側接続部５に配設された検出センサー７、８と、検出センサー７，８からの状態信号を受信し、演算処理後、アクチュエータ３に指令信号を送信する制御ユニット６を備えて構成される。

図３に基づいて、本発明の一実施形態である、流量制御弁２のボディ本体と分離した一次側配管ユニット９と二次側配管ユニット１０を備える制御弁装置１について説明する。本実施形態の制御弁装置１は、アクチュエータ３により弁体２２を回動させて開度を調整するバタフライ弁３５を備え、バタフライ弁３５の弁箱２１の両端部を挟み込むように、弁本体と別体の一次側配管ユニット９の端部及び二次側配管ユニット１０の端部とが、フランジ部１１を介して螺子１２により締結されている。さらに制御弁装置１は、一次側配管ユニット９に一次側検出センサー７として圧力センサー７１と流量センサー７２を備え、二次側配管ユニット１０に二次側検出センサー８として圧力センサー８１と流量センサー８２を備え、これらの検出センサー７、８で検出した状態信号を受信し、演算処理後、アクチュエータ３に指令信号を送信する制御ユニット６を備える。弁体２２を回動させ開度を決定するアクチュエータ３は、電動、油圧、空圧による回転制御可能なアクチュエータ３であればよい。アクチュエータ３には、エンコーダなどの回転位置検出センサー（不図示）を設け、弁体２２の位置を検出し、回転位置制御してもよい。また、流体供給を停止した場合に、弁体２２が原点復帰するように流量制御弁２を作動させて、全閉、全開になるように回転位置制御しても良い。

本実施形態の制御弁装置１に用いられる流量制御弁２は限定されるものでなく、仕切弁、バタフライ弁、ボール弁、玉形弁などから適宜選択すればよい。さらに、一次側配管ユニット９、二次側配管ユニット１０は、各々１ユニットを配置するに限らず、それぞれ複数のユニットを配置してもよい。さらに検出センサー７，８は、流体の状態を検出するセンサーであればよく、１個〜複数個の範囲で検出対象に応じて適宜選択すればよい。

図１〜図３で示した本発明の制御弁装置１の動作について図４〜図６を用いて説明する。図４は、制御弁装置１を配管網１３に用いた実施例である。配管網１３は、上流側から順にタンクＴ１、インバータを介して回転数制御可能なポンプＰ１、本発明の制御弁装置１を配置し、タンクＴ１からポンプＰ１で流体を汲み上げ、流量制御して下流側に移送するラインである。制御弁装置１の一次側配管ユニット９には、一次側検出センサー７として圧力センサー７１と流量センサー７２が設けられ、二次側配管ユニット１０にも、二次側検出センサー８として圧力センサー８１と流量センサー８２が設けられている。図４〜図６では、一次側配管ユニット９と二次側配管ユニット１０は、便宜上、流量制御弁２のボディ本体と分離したユニットとして説明しているが、ボディ本体と一体化した一次側接続部と二次側接続部と置き換えてよい。

図５は、図４の配管網１３において、制御弁装置１を構成する流量制御弁２が、全閉した状態から制御が開始される場合のフローチャートを示している。最初にポンプＰ１が起動される。ポンプＰ１の起動信号が、トリガー信号として制御弁装置１に送信され、制御弁装置１が起動される。流体がタンクＴ１から汲み上げられ、移送が開始される。流体は、制御弁装置１を構成する流量制御弁２まで到達する。弁体が全閉の状態であるため、一次側配管ユニット９の流体圧力が上昇する。一次側検出センサー７（圧力センサー７１）で検出された圧力信号が制御ユニット６に送信される。所定圧力に達すると、制御ユニット６にて一次側配管ユニット９に流体が存在すると認識され、制御ユニット６の開度制御がスタートする。制御ユニット６から、流量制御弁２のアクチュエータ３に指令信号が送信され、弁体の開き動作が開始されて、流体が二次側配管ユニット１０を通過し始める。二次側配管ユニット１０に配される二次側検出センサー８（流量センサー８２）が、流量を逐次検出し、制御ユニット６に状態信号として送信する。制御ユニット６に送信された状態信号は、演算処理部において、流量の制御目標値と比較演算される。流量が制御目標値に到達したと演算処理された場合には、制御ユニット６からアクチュエータ３に指令信号が送信され、その時の開度を維持するように作動する。二次側配管ユニット１０を流れる流量に変化があり、設定目標値を外れることがあれば、制御目標値に到達するように自動的に開度が制御される。

図６は、図４の配管網１３において、制御弁装置１を構成する流量制御弁２が、全開した状態から制御が開始される場合のフローチャートを示している。最初にポンプＰ１が起動される。ポンプＰ１の起動信号が、トリガー信号として制御弁装置１に送信され、制御弁装置１が起動される。制御弁装置１を構成する流量制御弁２は全開の状態にあるため、流体は一次側配管ユニット９を通過し、下流側の二次側配管ユニット１０に到達する。二次側配管ユニット１０内の圧力が増加する。二次側検出センサー８（圧力センサー８１）により検出された圧力値が所定圧力に達すると、制御ユニット６にて流体が存在すると判断され、流量制御弁２の開度制御が開始される。スタート時点で全開状態にあるので、閉動作が開始される。二次側配管ユニット１０に配される二次側検出センサー８（流量センサー８２）にて流量を逐次検出し、制御ユニット６に状態信号として送信する。制御ユニット６に送信された状態信号は、演算処理部において、流量の制御目標値と比較演算される。流量が制御目標値に到達したと演算処理された場合には、制御ユニット６からアクチュエータ３に指令信号が送信され、その時の開度を維持するように作動する。二次側配管ユニット１０を流れる流量に変化があり、設定目標値を外れることがあれば、制御目標値に到達するように自動的に開度が制御される。

このように、自ら流体の状態を検出する検出機能と弁の開度を自動制御する制御機能を有する制御弁装置１を配管網１３に配置すれば、流量の制御目標値を制御ユニット６に入力することにより、ポンプＰ１を起動するだけで流量の目標値を達成でき、オペレータの流量制御の操作を低減できる。また、制御弁装置１は、自ら流体の状態を検出する検出機能と弁の開度を自動制御する制御機能を有する装備品として予め準備されるため、一から流量制御弁の選定や制御系の設計を行う必要がなく、配管系の設計や制御系の設計、施工が容易となる。

さらに、制御弁装置１において、流体の流量だけでなく、流量と圧力の２つの状態を制御できる。例えば、制御弁装置１から下流に、流量値Ｑ１と圧力値Ｚ１の状態である流体を移送する場合、以下の動作をする。制御弁装置１が、全閉の状態から動作を開始する。ポンプＰ１を起動する。一次側配管ユニット９が流体で満たされて圧力が上昇する。一次側配管ユニット９に備えられる圧力センサー７１で検出された圧力が、圧力値Ｚ１に近づく。制御ユニット６は、圧力値Ｚ１に近づいたと判断をした時、アクチュエータ３に指令信号を送信し、開度制御を開始する。弁体が開き、二次側配管ユニット１０に流体が通過する。二次側配管ユニット１０に設けられた流量センサー８２と圧力センサー８１で流量と圧力を検出する。開度制御開始時は、二次側配管ユニット１０における流体の圧力値は、Ｚ１より低い状態に落ちる。ポンプＰ１に制御ユニット６から指令信号を送信し、ポンプＰ１の回転数を上げ、流体の移送量を増加させる。最終的に、二次側配管ユニット１０を通過する流体の流量と圧力が、制御目標値の流量Ｑ１と圧力Ｚ１の状態になるように流量制御弁２の開度制御とポンプ３の回転数制御を実施する。

このように、制御弁装置１の一次側配管ユニット９または二次側配管ユニット１０に複数の検出センサー７、８を備えることができるため、例えば、圧力、流量、温度などの複数の状態量を制御できる。また、一次側配管ユニット９と二次側配管ユニット１０の両方に複数の検出センサーを設けてよい。

図７及び図８において、配管網に本発明の制御弁装置１を適用した実施形態を示す。図７に示す配管網１４は、タンクＴ２から常温水Ａを回転数制御可能なポンプＰ２にて供給し、熱水タンクＴ３から熱水Ｂを回転数制御可能なポンプＰ３にて供給し、混水した後、制御弁装置１を用いて流量制御し、所定温度の混水を所定流量で下流側に供給することを目的とする。

この配管網１４に用いる制御弁装置１は、流量制御弁２の近傍上流側に１本の一次側配管ユニット９（一次側検出センサー７として圧力センサー７１と温度センサー７３を備える）と、流量制御弁２と離れた上流側の位置に１本の一次側配管ユニット１５（一次側検出センサー７として流量センサー１５２を備える）と、流量制御弁２の近傍下流側に１本の二次側配管ユニット１０（二次側検出センサー８として流量センサー８２を備える）と、を備える。また、制御弁装置１の制御ユニット６から指令信号を受けて開度制御可能な電動流量制御弁３０が、ポンプＰ３の下流に設けられる。

上述の配管網１４の動作について説明する。制御ユニット６内のマイクロコンピュータに、下流側に移送する流体の制御目標値を流量Ｑｍと温度Ｈｍとして入力し設定する。ポンプＰ２とポンプＰ３の起動前において、制御弁装置１の流量制御弁２は全閉の状態とする。ポンプＰ２とポンプＰ３の一方を起動することにより、制御弁装置１が起動される。ポンプＰ２、Ｐ３を起動した後、常温水Ａが、タンクＴ２から下流側に移送され、熱水Ｂが、タンクＴ３から一次側配管ユニット１５を通過し、下流側に移送される。常温水Ａと熱水Ｂは、合流点Ｙで混水され、温度Ｈ１の温水となり下流側に移送される。熱水Ｂの流量は一次側配管ユニット１５通過時に、流量センサー１５２から状態信号として制御ユニット６に送信され、逐次データとして採取される。温水は、一次側配管ユニット９に到達し、圧力センサー７１と温度センサー７３で圧力と温度が計測される。圧力と温度は状態信号として逐次制御ユニット６に送信される。圧力が所定圧力に達すると、制御ユニット６から流量制御弁２のアクチュエータ３に指令信号が送信され、開度制御が始動する。流量制御弁２は、開方向に動作する。温水は、二次側配管ユニット１０を経由して、下流側に移送される。二次側配管ユニット１０に配置される流量センサー８２により、流量が計測され、状態信号として逐次、制御ユニット６に送信される。ポンプＰ２の移送流量を一定とする場合、温水の温度Ｈ１は温水の目標温度Ｈｍに到達するように、制御ユニット６からポンプＰ３または電動流量制御弁１６の電動アクチュエータ１７に指令信号が送信され、温度Ｈｍになるように熱水Ｂの流量が制御される。また、制御目標の流量ＱｍになるようにポンプＰ２または流量制御弁２のアクチュエータ３に指令信号を送信し、流量を制御する。最終的に、制御目標である流量Ｑｍ、温度Ｈｍの温水を下流側に供給する。

このように、自らに流体の状態を検出する検出機能と開度を制御する制御機能を有する制御弁装置１を配管網に配置すれば、流量の制御目標値を制御ユニット６に入力しておけば、ポンプＰ３を起動する操作を行うことにより、制御目標値の流量を達成でき、オペレータが流量を制御するための操作を低減できる。また、一次側検出センサー７を備える一次側配管ユニット９を複数備えた制御弁装置１を装備品として準備しておくことにより、流量制御弁２と制御系の選定や設計を一から行うことを省くことができ、流量制御弁２を含む配管網の設計、施工が容易となる。さらに、一次側配管ユニット９、二次側配管ユニット１０に複数の検出センサー７、８を備えることにより、流体の複数の状態量を制御できる。

図８に示す配管網１６は、タンクＴ４から流体を回転数制御可能なポンプＰ４にて汲み上げて移送し、制御弁装置１により流量制御し、下流側に設けられた分岐ラインＥａ、Ｅｂ，Ｅｃ、Ｅｄへ流量Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄで分配する分配管路システムである。

この配管網１６に用いる制御弁装置１は、複数の二次側配管ユニットを備える。配管ユニットは、流量制御弁２の上流側近傍に１個の一次側配管ユニット９（圧力センサー７１を備える）と、流量制御弁２の下流側近傍に１個の二次側配管ユニット１０（圧力センサー８１と流量センサー８２を備える）と、本流量制御弁２の下流側に位置する４本の分岐ラインＥａ、Ｅｂ，Ｅｃ、Ｅｄに設けられた４個の二次側配管ユニット１０１、１０２、１０３、１０４（流量センサー８２１、８２２、８２３、８２４を備える）よりなる。

上述の配管網１６の動作について説明する。制御ユニット６内のマイクロコンピュータに、下流側に移送する流体の制御目標値を、分岐ラインＥａ、Ｅｂ，Ｅｃ、Ｅｄでの流量Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄとし、流量制御弁２の二次側配管ユニット１０での流量を（Ｑａ＋Ｑｂ＋Ｑｃ＋Ｑｄ）以上と設定し入力する。また、配管網１６に配置する制御弁装置１の流量制御弁２は、制御前は全開の状態にあるとする。ポンプＰ４が起動され、制御弁装置１が起動される。同時に、タンクＴ４から下流側に、流体の移送が開始される。流体が制御弁装置１の二次側配管ユニット１０に到達する。二次側検出センサー（圧力センサー８１）が検出した信号を基に、制御ユニット６で所定圧力に達したと処理された時、制御弁装置１の開度制御がスタートする。二次側配管ユニット１０を通過した流体は、分岐ラインＥａ、Ｅｂ，Ｅｃ、Ｅｄへと流れる。それぞれの分岐ラインには、制御弁装置１の制御ユニット６と送受信可能な電動流量制御弁３１、３２、３３、３４が設けられている。各分岐ラインに配置される二次側検出センサー（流量センサー８２１、８２２、８２３、８２４）で検出された流量信号は、制御ユニット６に送信される。制御ユニット６で比較演算され、各二次側配管ユニットでの流量が制御目標値に達したと判断された時に、流量制御弁２及び電動流量制御弁３１、３２、３３、３４は、開度を維持するように制御される。各分岐ラインにおいて流量の変動があり、流量が制御目標値と差があると判断された場合は、制御ユニット６からの指令信号により、ポンプＰ４の回転数制御、流量制御弁２及び電動流量制御弁３１、３２、３３、３４の開度制御の適切な制御が行われる。

分岐ラインＥａ、Ｅｂ，Ｅｃ、Ｅｄでの制御目標値の流量が、各々Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄとして制御ユニット６のマイクロコンピュータに書き換えられた場合は、ポンプＰ４に指令信号を送信し、流量を（Ｑａ′＋Ｑｂ′＋Ｑｃ′＋Ｑｄ′）以上になるように回転数を制御し流量を増減する。

このように、自ら流体の状態を検出する検出機能と弁の開度を自動制御する制御機能と、を有する制御弁装置１を配管網に配置すれば、流量の制御目標値を制御ユニット６に入力しておけば、ポンプＰ４を起動する操作を行うことにより、制御目標値の流量を達成でき、オペレータが流量を制御するための操作を低減できる。また、二次側検出センサー８を備える二次側配管ユニット１０を複数備えた制御弁装置１を装備品として準備しておくことにより、流量制御弁２と制御系の選定や設計を一から行うことを省くことができ、流量制御弁２を含む配管網の設計、施工が容易となる。

図９〜図１０に基づいて、弁全閉時に、少なくとも弁箱２１の内周面３６と弁体２２と弁座２３で囲われて形成される閉鎖空間２７に、状態を検出する検出センサー２８、２９が設けられた流量制御弁２を有する制御弁装置１を説明する。図示する流量制御弁２は、弁本体から延出する一次側接続部４、二次側接続部５としているが、弁本体と分離した一次側配管ユニット、二次側配管ユニットとしてもよい。

図９に示す制御弁装置１は、流量制御弁２としてボール弁２６を用いて構成され、一次側接続部４に圧力センサー７１と流量センサー７２、二次側接続部５に圧力センサー８１と流量センサー８２が設けられている。ボール弁２６は、全閉時と全開時に、弁箱２１の内周面３６と弁座２３と弁体２２に囲われた閉鎖空間２７が形成される。ボール弁２６の場合、閉鎖空間２７は、周方向に３６０度に亘って環状に形成される。閉鎖空間２７に対応する弁箱２１の部位には、閉鎖空間２７の状態を検出する検出センサー２８、２９が設けられる。下方の閉鎖空間２７に対応する弁箱２１の部位には圧力センサー２８が設けられ、上方の閉鎖空間２７に対応する弁箱２１の部位には、検出センサーとして温度センサー２９が設けられている。

ボール弁２６が流量制御を終えて全閉となり、閉鎖空間２７に流体が滞留したとき、例えば流体が水の場合、外気温度が０℃以下になると氷に状態変化する。水から氷に変化する時、液体と比べて体積が膨張する。体積が膨張することにより閉鎖空間２７の内圧が高まり、閉鎖空間２７を覆う弁箱２１の強度限界を超えると破損する。下方の閉鎖空間２７のように、圧力センサー２８を設けておけば、所定の圧力値に達した時に、制御ユニット６からアクチュエータ３に指令信号を送信し、弁体２２を自動的に所定の角度、回動させて閉鎖空間２７を開放させる。閉鎖空間２７を開放して水を流通させることにより、内圧が緩和され弁箱２１の破損を防ぐことができる。例として水が氷に状態変化する場合をあげたが、水が高温になり膨張する場合も、弁を開いて閉鎖空間２７の内圧を下げることにより、弁箱２１などの破損を防ぐことができる。

また、上方の閉鎖空間２７のように、温度センサー２９を設けることができる。マイクロコンピュータ６１の記憶部に、例えば流体が水である場合、水が氷に状態変化する手前の温度を所定値として保存しておく。閉鎖空間内２７の温度が所定値に達したと検出された時、制御ユニット６からアクチュエータ３に指令信号が送信され、弁体２２が自動的に回動され、閉鎖空間２７が開放される。閉鎖空間２７が開放され、流体が流出することにより、閉鎖空間２７の内圧を緩和することができる。また、水が高温になり蒸気に変化し内圧が高くなる場合も、所定温度に到達した時に制御ユニット６からアクチュエータ３に指令信号を送信し、弁を開いて閉鎖空間２７の蒸気を逃して内圧を下げ、弁箱２１などの破損を防ぐことができる。

図１０は、図９のボール弁に代えて、仕切弁２０を用いた制御弁装置１を示す。制御弁装置１において、弁全閉時における閉鎖空間２７が、弁箱２１の上方と下方に２箇所形成される。下方の閉鎖空間２７は、弁箱２１の内周面３６と、弁体２２と、弁座２３に囲われて形成され、検出センサーとして圧力センサー２８が設けられている。上方の閉鎖空間２７は、弁箱２１の内周面３６と、弁蓋３８の内周面３７と、弁体２２と、弁座２３に囲われて形成され、検出センサーとして温度センサー２９が設けられている。このように閉鎖空間２７に圧力センサー２８を設けることにより、閉鎖空間２７の内圧が所定圧力を超えたときに、弁を開いて圧力を逃し、弁箱２１等の破損を防ぐことができる。また、閉鎖空間２７に温度センサー２９を設けることにより、所定温度に到達した時、弁を開いて流体の状態変化により上昇した内圧を下げ、弁箱２１等の破損を防ぐことができる。

図９〜図１０に示す制御弁装置１に用いる流量制御弁２は限定されるものでなく、仕切弁、バタフライ弁、ボール弁、玉形弁などから適宜選択すればよい。さらに、検出センサー２８，２９は、一の閉鎖空間に一個設けても複数個設けてもよく、検出対象に応じて各種センサーを適宜選択すればよい。例えば、閉鎖空間２７に対応する弁箱２１の外周部に歪ゲージを設ければ、閉鎖空間２７の内圧が高くなり弁箱２１に所定の歪を生じさせた時に状態信号を送信し、弁を開くことができる。また、流量制御弁２の一次側接続部４、二次側接続部５に検出センサー７、８を配設せずに、閉鎖空間２７の状態を検出する検出センサーのみを取り付けるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものであり、これらの態様はいずれも本発明の範囲に属するものである。

本発明によれば、自らに流体の状態を検出できる検出機能と、弁の開度を自動制御できる制御機能と、を有する制御弁装置１を予め準備しておけば、流量制御を要する多種多様な配管網の設計から施工までを、効率よく、柔軟に構築できる。また、流量制御に要する操作と監視に従事するオペレータの負荷を低減できる。

１：制御弁装置
２：流量制御弁
３：アクチュエータ
４：一次側接続部
５：二次側接続部
９、１５：一次側配管ユニット
１０、１０１、１０２、１０３、１０４：二次側配管ユニット
６：制御ユニット
７：一次側検出センサー
８：二次側検出センサー
２０：仕切弁
２１：弁箱
２２：弁体
２３：弁座
２４：弁棒
２５、３５：バタフライ弁
２６：ボール弁
２７：閉鎖空間
２８：圧力センサー
２９：温度センサー
３６、３７：内周面
３８：弁蓋

Claims

流体の状態を検出し、検出した状態信号を基に弁の開度を制御する制御弁装置であって、
弁箱に弁体と弁座を収容し、該弁体を弁棒を介して開閉駆動するアクチュエータと、前記弁箱から流入路として上流側に延出する一次側接続部と、前記弁箱から流出路として下流側に延出する二次側接続部と、を備える流量制御弁と、
前記一次側接続部に配設され、前記流体の状態を検出する一次側検出センサーと、
前記二次側接続部に配設され、前記流体の状態を検出する二次側検出センサーと、
前記一次側検出センサー及び二次側検出センサーから受信した状態信号を演算処理し、少なくとも前記アクチュエータを駆動する指令信号を送信する制御ユニットと、
を予め装備品として具備し、
前記制御ユニットにトリガー信号が入力された後に、前記検出センサーから受信する状態信号を基に弁の開度を自動制御することを特徴とする制御弁装置。
前記一次側接続部は、弁箱と分離した、少なくとも一の一次側配管ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の制御弁装置。
前記二次側接続部は、弁箱と分離した、少なくとも一の二次側配管ユニットであることを特徴とする請求項１〜２に記載の制御弁装置。
前記制御ユニットは、前記流量制御弁以外の他の装置との信号を送受信するための出入端子を有していることを特徴とする請求項１〜３に記載の制御弁装置。
前記流量制御弁を全閉にした時に、少なくとも弁箱の内周面と弁体と弁座で囲われて形成される閉鎖空間に、該閉鎖空間の状態を検出する検出センサーを設けることを特徴とする請求項１〜４に記載の制御弁装置。
前記流量制御弁は、バタフライ弁、仕切弁、ボール弁、玉形弁から選択されることを特徴とする請求項１〜５に記載の制御弁装置。