JP4171021B2

JP4171021B2 - ウォータハンマーレスバルブ

Info

Publication number: JP4171021B2
Application number: JP2005368730A
Authority: JP
Inventors: 英行宮川; 勇樹清水; 幹夫井上
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: CN101341359B; EP1965115A1; WO2007072602A1; US20090065718A1; IL192120A0; TW200724810A; TWI306494B; CN101341359A; CA2632282A1; US8210493B2; JP2007170542A; KR20080083284A; KR101190308B1

Description

本発明は、空圧式アクチュエータの作動により流路を開閉する空圧作動式バルブにおいて、ウォータハンマーの発生による流路の開放を抑制することができるウォータハンマーレスバルブに関する。

水等の流体が流通する配管においてバルブを急激に閉鎖すると、閉鎖地点から上流側の圧力が急激に上昇し、その時に生じる圧力波が配管内を一定の速度で伝わり、配管を振動させたり騒音を生じさせたりする、所謂ウォータハンマーが生じることは良く知られている。

空圧式アクチュエータの作動により流路を開閉する空圧作動式バルブを用いた配管において、ウォータハンマーが生じると、ウォータハンマーの圧力によってアクチュエータ内部に収容されたスプリングが収縮してステムが上昇し、その結果、流路が僅かに開いて流体が逆流してしまう場合があった。

このようなウォータハンマーの圧力による流路の開放を防ぐための方法としては、ステムを上方から強制的に押圧することによってバルブの開放を制限する方法が考えられる。
この種の従来技術としては、例えば下記特許文献１の開示技術が公知である。
特許文献１の開示技術は、ステムの上部に雌ねじを有する筒状部を設け、該筒状部にボルトを螺合して該ボルトによりステムの上端部を押圧するように構成されているものである。

しかしながら、特許文献１の開示技術は、ボルトを手動で螺合することによりステムを押圧するものであるから、作業者が現場に出向いて操作する必要があり、操作が面倒である上に、緊急時に迅速な対応を行うことが困難であった。

一方、特許文献２には、弁部の開度を一定に制限するストッパ部と、このストッパ部を作動させるストッパ操作部と、このストッパ操作部に遠隔信号を送る遠隔制御手段からなり、ストッパ部によりステムの上端部を押圧するように構成されたバルブが開示されている。

この特許文献２の開示技術は、遠隔操作が可能である点においては特許文献１の開示技術に比して優れているといえるものの、通常時のバルブ開度を一定量に制限するための技術であって、バルブ閉鎖時におけるウォータハンマーの圧力による流路の開放を防止し得る技術ではなかった。

実願昭５８−４８４７９号（実開昭５９−１５２２５５号）のマイクロフィルム実願昭６３−１３５４９８号（実開平２−５６９８４号）のマイクロフィルム

本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、空圧式アクチュエータの作動により流路を開閉する空圧作動式バルブにおいて、ウォータハンマー発生時におけるステムの上昇を自動的に防止して流路の開放を抑制することができるウォータハンマーレスバルブを提供するものである。

請求項１に係る発明は、空圧式アクチュエータの作動により弁体を上下動して流路を開閉する空圧作動式バルブと、ウォータハンマー発生時に前記弁体の上昇を抑制する抑制機構とからなり、該抑制機構は、回転軸を下方に向けて前記アクチュエータの上方に固定されたステッピングモータと、該ステッピングモータの回転軸に連結されて該回転軸の一方向回転に伴って上昇し逆方向回転に伴って下降する上下動部材と、該上下動部材が下降して前記弁体と連結されたステム上端部に接触したときにこれを検知する下端検知部材と、前記アクチュエータへのエアー供給開始時に該ステッピングモータを一方向に回転させ、エアー供給停止時に該ステッピングモータを逆方向に回転させるとともに、前記下端検知部材が前記検知を行ったときに該ステッピングモータに停止信号を送信する制御装置とからなることを特徴とするウォータハンマーレスバルブに関する。

請求項２に係る発明は、前記上下動部材が上昇してその下端部が前記ステム上端部の最上昇位置よりも高い所定位置に達したときにこれを検知する上端検知部材を具備し、前記制御装置が、該上端検知部材が前記検知を行ったときに前記ステッピングモータに停止信号を送信することを特徴とする請求項１記載のウォータハンマーレスバルブに関する。

請求項３に係る発明は、前記ステッピングモータの回転軸の下端部に雄ねじ部材が固定され、前記上下動部材が該雄ねじ部材に螺合する雌ねじ部材からなることを特徴とする請求項１又は２記載のウォータハンマーレスバルブに関する。

請求項１に係る発明によれば、アクチュエータへのエアーが停止するとアクチュエータのステムが下降するとともに、ステッピングモータの回転軸が逆方向に回転して上下動部材が下降し、アクチュエータのステム上端部に接触したときにステッピングモータが停止する。これにより、流路の閉鎖時において、アクチュエータのステムが上方から押圧された状態で停止することとなり、ウォータハンマー発生時において、ステムの上昇を防止して流路の開放を抑制することができる。また、アクチュエータにエアーが入るとステムが上昇するとともに、ステッピングモータの回転軸が一方向に回転して上下動部材が上昇するため、流路の開放動作が上下動部材によって阻害されることがない。

請求項２に係る発明によれば、上下動部材が上昇してその下端部がステム上端部の最上昇位置よりも高い所定位置に達したときに、ステッピングモータを停止させることができるので、上下動部材をステム上端部が接触しない所定位置において自動的に停止させることが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、ステッピングモータの回転軸と上下動部材とがねじ構造によって接続されていることにより、ステムに上方向の大きな圧力が加わっても、ステムが上昇することが防がれ、流路の開放を確実に抑制することが可能となる。

以下、本発明に係るウォータハンマーレスバルブの好適な実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本発明に係るウォータハンマーレスバルブの全体構成を示す概要図であり、図１はバルブ閉鎖状態、図２はバルブ開放状態を示している。
本発明に係るウォータハンマーレスバルブは、弁本体の上部に設けられた空圧式アクチュエータの作動により流路を開閉する空圧作動式バルブ（１）と、ウォータハンマー発生時において該空圧作動式バルブの弁体の上昇を抑制する抑制機構（２）とから構成されている。

空圧作動式バルブ（１）は、弁箱（１０）、ステム（１１）、弁体（１２）、ボンネット（１３）、コンプレッサ（１４）からなる弁本体と、該弁本体の上部に設けられたスプリング（１５）及びキャップ（１６）からなる空圧式アクチュエータから構成された公知の構造のものであって、弁箱（１０）には流路（１０ａ）とシール座（１０ｂ）が設けられ、キャップ（１６）にはエアー（圧縮空気）を導入するためのインレットポート（１７）と該インレットポート（１７）から供給されたエアーをスプリング（１５）の下方に導くエアー通路（１８）が設けられている。

かかる構造の空圧作動式バルブ（１）は、インレットポート（１７）からエアーがキャップ（１６）内に供給されると、エアー通路（１８）に導入されたエアーの圧力によりスプリング（１５）が収縮し、これによってスプリング（１５）により下方に押圧されていたステム（１１）及びコンプレッサ（１４）が上昇し、弁体（１２）がシール座（１０ｂ）から離間し、流路（１０ａ）が開放される。

一方、インレットポート（１７）からのエアー供給が停止されると、エアー通路（１８）に導入されたエアーの圧力が低下してスプリング（１５）が伸長し、これによりステム（１１）及びコンプレッサ（１４）が下降し、弁体（１２）がシール座（１０ｂ）へと当接し、流路（１０ａ）が閉鎖される。

空圧作動式バルブ（１）の空圧式アクチュエータへのエアーの供給と停止の切り替えは、電磁弁（図３に示す）により行われる。

図３は本発明に係るウォータハンマーレスバルブの全体構成を示すブロック線図、図４は図１から抑制機構（２）を抽出して示す拡大図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。
抑制機構（２）は、空圧式アクチュエータの上方に固定されたステッピングモータ（２０）と、ステッピングモータ（２０）の回転軸に取り付けられた上下動部材（２１）と、上下動部材（２１）が下端部に達したときにこれを検知する下端検知部材（２２）と、上下動部材（２１）が上端部に達したときにこれを検知する上端検知部材（２３）と、これら下端検知部材（２２）及び上端検知部材（２３）並びに上記電磁弁からの信号に基づいてステッピングモータ（２０）の駆動を制御する制御装置（２４）とから構成されている。

ステッピングモータ（２０）は、空圧式アクチュエータのキャップ（１６）上面に載置固定された基台（３）の上部に固定されており、その回転軸（２０ａ）は、下方に向いて且つ弁本体のステム（１１）と同一軸線上に配置されている。

ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）の下端部には、雄ねじ部材（４）が回転軸（２０ａ）と同軸に固定されており、この雄ねじ部材（４）はステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）と共に回転する。
雄ねじ部材（４）は、上部分が回転軸（２０ａ）の下端部が嵌入固定される穴を有する取付部（４ａ）、下部分が外周面に雄ねじが形成された雄ねじ部（４ｂ）となっている。

上下動部材（２１）は、内周面に雌ねじが形成された有底円筒体（２１ａ）と、該有底円筒体（２１ａ）の外周面の同高さ位置から左右両方向に水平に延出された棒体（２１ｂ）とから構成されている。
有底円筒体（２１ａ）の雌ねじ部には雄ねじ部材（４）の雄ねじ部（４ｂ）が上方から螺合されており、左右の棒体（２１ｂ）の先端は基台（３）の側面に設けられたスリット（３１）から側方に突出している。

基台（３）に設けられたスリット（３１）は上下方向に延びており、その幅は棒体（２１ｂ）の直径と略等しく設定されている。これにより、棒体（２１ｂ）はスリット（３１）に沿った上下方向の移動のみが許容され、棒体（２１ｂ）と一体となっている有底円筒体（２１ａ）も上下方向の移動のみが許容され、回転は許容されない。

上記構成によって、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）が一方向に回転すると、雄ねじ部材（４）も一方向に回転し、これに伴って雄ねじ部材（４）に螺合された有底円筒体（２１ａ）が棒体（２１ｂ）と共に上昇する。一方、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）が逆方向に回転すると、雄ねじ部材（４）も逆方向に回転し、これに伴って雄ねじ部（４）に螺合された有底円筒体（２１ａ）が棒体（２１ｂ）と共に下降する。

下端検知部材（２２）は、上下動部材（２１）の下端部に取り付けられた接触センサからなり、上下動部材（２１）の下端部がステム（１１）の上端部に接触したとき（図１参照）にこれを検知し、制御装置（２４）へと検知信号を送る。

上端検知部材（２３）は、基台（３）の側面のスリット（３１）上方に取り付けられたリミットスイッチからなり、該上下動部材（２１）が上昇して棒体（２１ｂ）がリミットスイッチに接触したときにこれを検知し、制御装置（２４）へと検知信号を送る。
棒体（２１ｂ）がリミットスイッチに接触するときの上下動部材（２１）の下端部の高さ（上限高さ）は、ステム（１１）上端部の最上昇位置よりも高く設定される。即ち、上下動部材（２１）は、ステム（１１）が最も上昇した状態（流路が完全に開放された状態）においても、下端検知部材（２２）がステム上端部に接触しない位置を上限高さとして上昇する。

制御装置（２４）は、下端検知部材（２２）からの検知信号を受信したとき及び上端検知部材（２３）からの検知信号を受信したときに、ステッピングモータ（２０）を停止するための制御信号を送る。
これにより、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）の回転が停止し、上下動部材（２１）の上下方向への移動が停止する。

制御装置（２４）は、更に電磁弁（５）からの信号に基づいてステッピングモータ（２０）の駆動を制御する。
具体的には、空圧式アクチュエータへのエアー供給を開始するために電磁弁（５）がＯＮになると、該ＯＮ信号を受けてステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）を一方向に回転させるための制御信号を送る。そして、空圧式アクチュエータへのエアー供給を停止するために電磁弁（５）がＯＦＦになると、該ＯＦＦ信号を受けてステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）を逆方向に回転させるための制御信号を送る。

図５及び図６は本発明に係るウォータハンマーレスバルブの動作を示すフローチャートである。
最初に、図５に基づいて、バルブ開放時の動作について説明する。
先ず、バルブが閉鎖されている初期状態（図１参照）から電磁弁がＯＮになると、電磁弁からの信号を受けた制御装置（２４）からステッピングモータ（２０）に制御信号が送られる。これにより、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）が一方向に回転を開始し、これにより上下動部材（２１）の下端部がステムの上端部から離れて上昇を開始する。

ステッピングモータ（２０）から少し遅れて、空圧式アクチュエータへのエアーの供給が開始されてステム（１１）が上昇を開始し、ステム（１１）の上昇に伴って弁体（１２）がシール座（１０ｂ）から離間して流路（１０ａ）が開放される。

ステム（２１）が上昇している最中にも上下動部材（２１）は上昇を継続する。
そして、上下動部材（２１）が上端に達して上端検知部材（２３）に検知されると、上端検知部材（２３）から制御装置（２４）に検知信号が送られ、制御装置（２４）はこの検知信号を受けてステッピングモータ（２０）に停止信号を送信する。これにより、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）の回転が停止し、上下動部材（２１）の上昇が停止する。

その後、流路（１０ａ）の開放が完了した時点でステム（１１）の上昇が停止し、バルブ開放動作が終了する。この終了状態では、上下動部材（２１）の下端部はステム（１１）の上端部から離れている（図２参照）。

次に、図６に基づいて、バルブ閉鎖時の動作について説明する。
バルブが開放されている初期状態（図２参照）から電磁弁がＯＦＦになると、空圧式アクチュエータへのエアーの供給が停止され、ステム（２１）が下降を開始する。

続いて、電磁弁からの信号を受けた制御装置（２４）からステッピングモータ（２０）に制御信号が送られ、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）が逆方向に回転を開始する。これにより、上下動部材（２１）の下端部はステムの上端部から離れた状態のままで下降する。

ステム（２１）は下降を続けて、弁体（１２）がシール座（１０ｂ）に当接して流路（１０ａ）が閉鎖される（図１参照）。
上下動部材（２１）はこれに遅れて下降を続けて、その下端部がステム上端に接触して下端検知部材（２２）に検知されると、下端検知部材（２２）から制御装置（２４）に検知信号が送られ、制御装置（２４）はこの検知信号を受けてステッピングモータ（２０）に停止信号を送信する。これにより、ステッピングモータ（２０）の回転軸（２０ａ）の回転が停止し、上下動部材（２１）の下降が停止する。
この状態では、上下動部材（２１）の下端部がステム（１１）の上端部に当接している（図１参照）から、ウォータハンマーが発生した場合においても、ステムの上昇が防止されて流路の開放を抑制することができる。

本発明は、空圧式アクチュエータの作動により流路を開閉する空圧作動式バルブにおいて、ウォータハンマーの発生による流路の開放を抑制するための技術として利用される。

本発明に係るウォータハンマーレスバルブの全体構成を示す概要図であり、バルブ閉鎖状態を示している。本発明に係るウォータハンマーレスバルブの全体構成を示す概要図であり、バルブ開放状態を示している。本発明に係るウォータハンマーレスバルブの全体構成を示すブロック線図である。図１から抑制機構を抽出して示す拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明に係るウォータハンマーレスバルブの動作を示すフローチャートであり、バルブ開放時の動作を示す。本発明に係るウォータハンマーレスバルブの動作を示すフローチャートであり、バルブ閉鎖時の動作を示す。

符号の説明

１空圧作動式バルブ
１１ステム
１２弁体
２抑制機構
２０ステッピングモータ
２０ａ回転軸
２１上下動部材
２２下端検知部材
２３上端検知部材
２４制御装置
４雄ねじ部材

Claims

空圧式アクチュエータの作動により弁体を上下動して流路を開閉する空圧作動式バルブと、ウォータハンマー発生時に前記弁体の上昇を抑制する抑制機構とからなり、該抑制機構は、回転軸を下方に向けて前記アクチュエータの上方に固定されたステッピングモータと、該ステッピングモータの回転軸に連結されて該回転軸の一方向回転に伴って上昇し逆方向回転に伴って下降する上下動部材と、該上下動部材が下降して前記弁体と連結されたステム上端部に接触したときにこれを検知する下端検知部材と、前記アクチュエータへのエアー供給開始時に該ステッピングモータを一方向に回転させ、エアー供給停止時に該ステッピングモータを逆方向に回転させるとともに、前記下端検知部材が前記検知を行ったときに該ステッピングモータに停止信号を送信する制御装置とからなることを特徴とするウォータハンマーレスバルブ。
前記上下動部材が上昇してその下端部が前記ステム上端部の最上昇位置よりも高い所定位置に達したときにこれを検知する上端検知部材を具備し、前記制御装置が、該上端検知部材が前記検知を行ったときに前記ステッピングモータに停止信号を送信することを特徴とする請求項１記載のウォータハンマーレスバルブ。
前記ステッピングモータの回転軸の下端部に雄ねじ部材が固定され、前記上下動部材が該雄ねじ部材に螺合する雌ねじ部材からなることを特徴とする請求項１又は２記載のウォータハンマーレスバルブ。