JP4295024B2

JP4295024B2 - 遮断弁用アクチュエータ

Info

Publication number: JP4295024B2
Application number: JP2003186087A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎風間; 聡西谷
Original assignee: 日立バルブ株式会社
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005020967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、停電した時に閉弁する機能をもつ遮断弁用アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
停電した時に閉弁する機能をもつ遮断弁用アクチュエータとしては、例えば、バルブ開閉用シャフトと、減速機構を介してこのシャフトを回転させるモータと、このシャフトに巻回された閉弁用ばねと、シャフトの回転範囲を規制するストッパーを備えた構造のものが実用化されている。このアクチュエータでは、モータを駆動することにより、バルブを開弁すると同時に閉弁用のばねを巻き上げ、全開になるとストッパーによりモータを拘束・停止させ、全開でバルブを保持するようになっている。一方停電になると、モータへの通電が絶たれるので、巻き上げたばねの復元力によりバルブは閉弁となる。従来、この種モータとしては、構造が簡単で丈夫かつ保守点検が容易なリアクションモータが使用されている。このモータは、ロータの表面にステータと同極数の突極を設け、その反作用トルクによって同期速度で運転するブラシレス同期モータである。例えば特許文献１には、励磁コイルを有するステータと、励磁コイルの回転磁界により同期駆動される永久磁石ロータと、それと同軸に一体形成された駆動ギアと、ロータと一体にその軸線から放射状に突出された係合突子と、ステータに設けられ、駆動歯車に噛み合わされかつ複数の減速歯車を有する減速歯車機構と、減速歯車機構の最終段の減速歯車に取付けた出力軸と、減速歯車機構の最終段の減速歯車と同軸的に所定角度回動自在に設けられかつ係合突子の回転軌跡内に進入退出自在にされた回転方向規制板と備えた小型同期電動機が記載されている。この同期モータを使用する場合、リミットスイッチでバルブが全開になったことを検出し、モータへの通電を中止することが行われていた。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６３−５５３０１号公報（第２−３頁、図３〜図６）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアクチュエータによれば、全開保持時には、モータに絶えず駆動電流が流れるので、モータが発熱し、このため大きな電力が消費されるという問題がある。非通電時に大きな保持トルクをもつモータ（例えば保磁力の大なる磁石を備えたリアクションシンクロナスモータあるいは保持トルクの大きなＤＣモータ）を使用することにより、全開保持時のモータ駆動電流を低減することが可能となる。しかしこのようなモータを使用した場合でも、バルブが全開になったことを検出し、モータへの通電を断つための機械的な開弁検出手段（例えばリミットスィッチ）を設けただけでは、全開保持時のモータ駆動電流を大幅に低減することはできず、消費電力の低減が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は上記の問題点を解消して、簡単な構造で、開弁保持時の消費電力を少なくできる遮断弁用アクチュエータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の遮断弁用アクチュエータは、遮断弁の流路を閉じる方向に回転トルクが付与されている作動シャフトと、前記回転トルクに抗して前記作動シャフトを駆動する直流モータと、前記作動シャフトと前記直流モータを連結する動力伝達手段を有する遮断弁用アクチュエータにおいて、前記動力伝達手段は、前記直流モータの出力軸に連結され、円周方向に複数の爪を有する平歯車とその爪と係合する複数の爪を有するピニオン歯車と、前記ピニオン歯車を前記平歯車に対して進退自在に駆動するソレノイドを含むクラッチ部と前記ピニオン歯車の回転を前記作動シャフトに伝達する歯車減速機構を備えるとともに、前記直流モータ及び前記ソレノイドと直列に接続されたマイクロスィッチとそれと並列に接続された抵抗を含む制御回路を有し、前記マイクロスィッチは前記遮断弁の全開によりオンされて、前記抵抗を介して前記直流モータ及び前記ソレノイドに全開を保持する電流が通電されることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明においては、前記クラッチ部は、前記平歯車の爪と前記ピニオン歯車の爪とを噛み合わせる圧縮コイルバネを有することが好ましい。
【０００８】
本発明によれば、アクチュエータの小型化及び簡素化を損なわずに、開弁保持時の消費電力を低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の詳細を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態に係わる遮断弁用アクチュエータの断面図、図２（ａ）は図１の平歯車の断面図、図２（ｂ）は同底面図、図３（ａ）は図１のピニオン歯車の平面図、図３（ｂ）は同断面図、図４（ａ）はクラッチ噛み合い時の図１のＡ部の拡大図、図４（ｂ）は噛み合い時のクラッチの斜視図、図５（ａ）はクラッチ切断時の図１のＡ部の拡大図、図５（ｂ）は切断時のクラッチの斜視図、図６はアクチュエータの制御回路の一例を示すブロック図である。
【００１０】
図１に示すアクチュエータ１００は、流体の流れを調節するボールバルブ１と、バルブを開閉する動力を与える直流モータ２と、モータの出力をバルブに伝達する動力伝達機構３を有する。ボールバルブ1は、流体流入口１２及び流体流出口１３を有するバルブ本体１１と、バルブ本体１１に内装されたリング状の弁座シート１４と、弁座シート１４に装着され、流体通路が形成された球状部材１５と、球状部材１５に嵌合する開閉シャフト１６と、開閉シャフト１６を駆動する駆動シャフト１８を含む。駆動シャフト１８には、ばね座７３が固定され、ばね座７３とバルブ本体１との間にねじりコイルばね７４が介装されている。駆動シャフト１８は、両端部が軸受７２−１、７２−２及びばね座７３に支持され、上部に駆動歯車７５が固定されている。１７はＯリングである。
【００１１】
直流モータ２は、上ベース１９ａと下ベース１９ｂとボルト２０ａ、２０ｂを含む締結部材で組立てられたケース１９の上面に固定され、動力伝達機構３はケース１９の内部に組み込まれている。直流モータ２は、例えば、磁束を通す鉄心と、電流を通ずる巻線と、外部から供給される直流電流を回転と同期した交流に変換する整流子及びブラシと、ロータマグネットと、これらを支持する構造部から構成される。この直流モータは、整流子とブラシの定期的な保守点検は必要であるが、速度制御が容易で、効率が高くまたトルク効率が良いという利点があるので、本発明の用途に好適である。
【００１２】
動力伝達機構３は、クラッチ４及び歯車減速機構６を含む。クラッチ４は、直流モータ２の出力軸２１に固定されたピニオン歯車２２と噛み合う、軸４１に回転自在に装着された平歯車４２と、軸４１の周囲に回転自在に装着されたピニオン歯車４３を有する。ピニオン歯車４３は圧縮コイルばね４４により平歯車４２から離間する方向に付勢されており、圧縮コイルばね４４を介して平歯車４２に対して接離自在に配置されている。軸４１の上端部は上ベース１９ａに軸支され、その下端部は、励磁コイル５１を有するソレノイド５のプランジャー５２に連結されている。平歯車４２は、図２に示すように軸孔４２ａの周囲に放射状に形成された複数の爪４２ｂと複数の溝４２Ｃを有し、爪４２ｂと溝４２Ｃは円周方向に交互に並ぶように構成されている。また図３に示すように、ピニオン歯車４３の軸孔４３ａの周囲にも、爪４２ｂと同数の爪４３ｂ及び溝４３Ｃが形成されている。平歯車４２とピニオン歯車４３は、ソレノイド５に通電した時に図４に示すように圧縮コイルばね４４が圧縮されて両歯車の爪と溝が噛み合い（クラッチ４が接続された状態となる）、またソレノイド５に非通電の時には図５に示すように圧縮コイルばね４４が圧縮されずに両歯車の爪と溝との噛み合が外れる（クラッチ４が切断された状態になる）ように配設される。
【００１３】
歯車減速機構６は、ピニオン歯車２２、平歯車４２及びピニオン歯車４３と、スパーギアとピニオンギアを有する減速歯車６１、６２、６３とを含み、各減速歯車は、上ベース１９ａ及び下ベース１９ｂに支持された軸６１ａ、軸６２ａ、軸６３ａに回転自在に設けられている。従ってピニオン歯車２２と平歯車４２、ピニオン歯車４３と減速歯車６１のスパーギア、減速歯車６１のピニオンギアと減速歯車６２のスパーギア、減速歯車６２のピニオンギアと減速歯車６３のスパーギア、減速歯車６３のピニオンギアと駆動歯車７５が各々噛み合うことにより、５段の減速が行われる。
【００１４】
アクチュエータ１００は、図６に示す制御回路８によりその駆動が制御される。制御回路８は、直流モータ２の巻線と並列になるように結線されたソレノイドの励磁コイル５１と、直流モータ２と直列に接続されたマイクロスィッチ８１とマイクロスィッチ８１と並列に接続されたバイパス抵抗８２を含み、マイクロスィッチ８１のプラス側端子と直流モータ２のマイナス側端子との間にはスイッチ（またはリレー接点）８３を介して直流電源８４が接続されている。図６の破線で囲まれた領域が、アクチュエータの内部に形成された回路８０である。上記バイパス抵抗８２の抵抗値は、直流モータ２とソレノイドコイル５１に全開を保持するために必要な保持電流が流れるように設定されている。
【００１５】
上記のアクチュエータの動作は次の通りである。開弁時は、図６に示すスイッチ８３をＯＮして、モータ２とソレノイド５に通電することにより、直流モータ２はボールバルブ１が開く方向に回転すると共に、ピニオン歯車４３はソレノイド５により持ち上げられる。すなわちソレノイド５のプランジャー５２が上昇するため、図４（ａ）（ｂ）に示すように圧縮コイルばね４４が圧縮されてピニオン歯車４３の爪４３ｂと平歯車４２の爪４２ｂが噛み合うことにより、クラッチ４が接続される。クラッチ４が接続された状態になると、直流モータ２は開弁方向に回転するとともに、ねじりコイルばね７４が巻き上げられて、図１に示すようにバルブ１は全開となる。バルブ１が全開となった時には、マイクロスィッチ８１がオンされて、バイパス抵抗８２を介して直流モータ２とソレノイド５への通電が行われる。このようにバルブが全開状態の場合は、バイパス抵抗８２を介して直流モータ２とソレノイド５に全開を保持するために必要な保持電流が流れる。バイパス抵抗８２を通しモータ２に流れるわずかな保持電流によってモータ２には電流値に見合うトルクが発生しており、このトルクがねじりコイルばね７４の逆転トルクを保持することになる。従って図６の制御回路によれば、開弁保持時には、モータ２に流れる保持電流が減少するので、消費電力を大幅に低減することができる。
【００１６】
一方バルブを閉じる場合は、図２のスイッチ８３をＯＦＦにして、モータ２とソレノイド５を非通電とすることにより、圧縮コイルばね４４の復元力が作用してピニオン歯車４３の爪４３ａと平歯車４２の爪４２ａとの係合が外れ、図５（ａ）（ｂ）に示すようにクラッチ４を切断することで、モータ２と動力伝達機構３との縁が切れ、ねじりコイルばね７４の復元力により、ボールバルブ１は閉弁状態となる。
【００１７】
上記の開弁動作を行うためには、常時ソレノイド５に通電し、クラッチ４を接続した状態とする必要があるが、クラッチ４は動力伝達機構３の１段目近傍に設けられているので、小さな推力でクラッチ４を接続することができ、ソレノイド５に流す電流を少なくできる。本実施の形態によれば、開弁保持時にモータに流れる電流が抑制され、さらにクラッチを接続するために必要な電流も低減できるので、開弁保持時にアクチュエータで消費される電力を低減することができる。
【００１８】
図６に示す制御回路を備えた図１に示すアクチュエータによれば、モータ２とソレノイド５に２４Ｖの直流電圧を供給した時に、開弁動作中の電流は約２５０ｍＡ、全開保持時の電流は５０ｍＡになり、全開保持時の消費電力は１．２Ｗになることが確認された。これに対して、図６でバイパス抵抗がない場合は、全開保持時の電流は１８０ｍＡであった。
【００１９】
【発明の効果】
以上に記述の如く本発明によれば、アクチュエータの制御回路にマイクロスィッチとバイパス抵抗を組み込みこと及びクラッチ機構を歯車減速機構の初段近傍に設けることにより、開弁保持時に直流モータに流れる保持電流が減少して、開弁保持時の消費電力を低減することができる。また本発明によれば、クラッチ機構がコンパクトになるので、アクチュエータの小型化及び簡素化を達成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる遮断弁用アクチュエータの断面図である。
【図２】図１の平歯車の断面図｛（ａ）｝、同底面図｛（ｂ）｝である。
【図３】図１のピニオン歯車の平面図｛（ａ）｝、同断面図｛（ｂ）｝である。
【図４】クラッチ噛み合い時の図１のＡ部の拡大図｛（ａ）｝、噛み合い時のクラッチの斜視図｛（ｂ）｝である。
【図５】クラッチ切断時の図１のＡ部の拡大図｛（ａ）｝、図６（ｂ）は切断時のクラッチの斜視図｛（ｂ）｝である。
【図６】本発明のアクチュエータの制御回路の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００：アクチュエータ、１：ボールバルブ、１１：バルブ本体、１２：流入口１３：流出口、１４：弁座シート、１５：球状部材、１６：開閉シャフト、１７：Ｏリング、１８：駆動シャフト、１９：ケース、１９ａ：上ベース、１９ｂ：下ベース
２：直流モータ、２１：出力軸、２２：ピニオン歯車、３：動力伝達機構
４：クラッチ、４１：軸、４２：平歯車、４２ａ：爪、４２ｂ：溝、４３：ピニオン歯車、４３ａ：爪、４３ｂ：溝、４４：圧縮コイルばね、５：ソレノイド
５１：励磁コイル、５２：プランジャー
６：歯車減速機構、６１：減速歯車、６１ａ：軸、６２：減速歯車、６２ａ：軸６３：減速歯車、６３ａ：軸、７１：軸受、７２−１：軸受、７２−２：軸受
７３：バネ座、７４：ねじりコイルばね、７５：駆動歯車
８：制御回路、８０：アクチュエータ回路、８１：マイクロスィッチ、８２：バイパス抵抗、８３：スイッチ、８４：直流電源

Claims

遮断弁の流路を閉じる方向に回転トルクが付与されている作動シャフトと、前記回転トルクに抗して前記作動シャフトを駆動する直流モータと、前記作動シャフトと前記直流モータを連結する動力伝達手段を有する遮断弁用アクチュエータにおいて、前記動力伝達手段は、前記直流モータの出力軸に連結され、円周方向に複数の爪を有する平歯車とその爪と係合する複数の爪を有するピニオン歯車と前記直流モータと並列に接続され、前記ピニオン歯車を前記平歯車に対して進退自在に駆動するソレノイドとを含むクラッチ部と、前記ピニオン歯車の回転を前記作動シャフトに伝達する歯車減速機構を備えると共に、前記直流モータ及び前記ソレノイドと直列に接続されたマイクロスィッチとそれと並列に接続された抵抗を含む制御回路を有し、前記マイクロスィッチは前記遮断弁の全開によりオンされて、前記抵抗を介して前記直流モータ及び前記ソレノイドに全開を保持する電流が通電されることを特徴とする遮断弁用アクチュエータ。
前記クラッチ部は、前記平歯車の爪と前記ピニオン歯車の爪とを噛み合わせる圧縮コイルバネを有することを特徴とする請求項１記載の遮断弁用アクチュエータ。