JP5032084B2

JP5032084B2 - 電動バルブアクチュエータ

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Publication number: JP5032084B2
Application number: JP2006271803A
Authority: JP
Inventors: 仁唐沢
Original assignee: Kitz Corp
Current assignee: Kitz Corp
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: JP2008089109A

Description

本発明は、電動バルブアクチュエータに係り、特に、停電時にバルブを緊急に開動作や閉動作させることが可能な電動バルブアクチュエータに関する。

例えば空調用の配管中を流れる冷水や温水、高温の蒸気等の流れを配管に装着されたボール弁やバタフライ弁等をモータ等の回転により開動作や閉動作させて制御する装置として、電動バルブアクチュエータが知られている（例えば特許文献１等参照）。

このような電動バルブアクチュエータでは、停電時のバルブの緊急開閉手段としてバルブの開閉軸やそれを回動させる出力軸にスプリングを備え、通常の稼動時にはバルブを回動駆動する駆動モータの回転力を利用してスプリングを巻き上げておき、停電時に駆動モータの回転力がなくなると巻き上げられたスプリングの付勢力でバルブに必要な開動作や閉動作をさせる電動バルブアクチュエータが知られている（例えば特許文献２等参照）。

しかし、緊急開閉手段としてこのようなスプリングを用いた電動バルブアクチュエータでは、バルブの緊急な開動作や閉動作が非常に迅速に行われるという利点があるが、開閉時に比較的大きな音がする、通常稼動時にスプリングを巻き上げるために大きなモータが必要となり消費電力が大きくなる、緊急開閉時にスプリングがオーバーランすなわち必要量以上に開動作や閉動作をして装置に大きなダメージを与える等の問題点を有していた。

この問題を解消するために、例えばバルブの通常の開閉操作を行う電動バルブアクチュエータとは別に停電時専用のバルブやそれを動作させるアクチュエータを設けることも考えられる。しかし、コストアップにつながると同時に、通常時には開動作や閉動作を行わないため、通常時には冷水や温水、高温の蒸気等に曝されながら緊急時に実際に的確に動作するか否かの確実性が必ずしも保証されない。

そこで、通常時に装置内に備えた二次電池を充電し、停電時にこの２次電池から電力を可変電圧／可変周波数インバータに供給して３相誘電モータを緊急駆動してバルブを自動的に開動作や閉動作をさせる電動バルブアクチュエータが提案されている（特許文献３参照）。
特開２００６−１１２５０１号公報特開２００１−３７１５３号公報特開平９−１４４７８号公報

しかしながら、電動バルブアクチュエータは、配管中を冷水が流れると冷水の低温が伝わって装置内に結露を生じるため内部にヒータが備えられていたり、電源部からの発熱等もあり、その内部の温度が上昇する。そのため、二次電池の温度も上昇して電池自体の寿命が著しく短縮してしまう。また、二次電池が加熱や過充電により出火する場合があることは、今日、よく知られている。

また、ニッケル・カドミウム蓄電池等の蓄電池では、完全に放電し切らない状態で充電を繰り返し行うと容量が残っているにもかかわらず放電電圧が低下してしまう、いわゆるメモリ効果を有することが知られている。そのため、停電時に緊急駆動しようとしても駆動電圧が不足してしまう場合が生じ得る。

さらに、上記のような二次電池であると、その交換を頻繁に行うことが必要となりコストアップの要因となると同時に、交換のたびに電動バルブアクチュエータやそれが用いられている空調設備等の運転を止めなければならず、運転停止による費用や頻繁な交換作業に伴う費用の増大を招いてしまう。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、二次電池の温度が上昇することを確実に防止し、装置の稼動中に二次電池を交換することが可能な電動バルブアクチュエータを提供することを目的とする。また、メモリ効果の影響の少ない二次電池を用いた電動バルブアクチュエータを提供することをも目的とする。

前記の問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
バルブを電動で開動作または閉動作させる電動バルブアクチュエータにおいて、
前記バルブを回動駆動させる駆動モータと、
外部設備から入力される制御信号に従って前記駆動モータの動作を制御して、前記バルブを開動作または閉動作させる制御部と、
交流電源を直流電源に変換して前記駆動モータおよび前記制御部に電力を供給する電源部と、
前記駆動モータ、制御部および電源部を内蔵するカバー体に着脱可能に外付けされ、前記電源部から供給された電力を充電するコンデンサと
前記電源部から供給された電圧が電源電圧監視閾値以上の場合には前記制御部にＯＮ電圧を出力し、前記電圧が前記電源電圧監視閾値未満の場合には前記制御部にＯＦＦ電圧を出力する回路と、
を備え、
前記制御部は、前記回路から前記ＯＦＦ電圧が入力されて停電を検出すると、前記外部設備からの前記制御信号に関わりなく、前記コンデンサに充電された電力を用いて前記駆動モータを駆動して、前記バルブを予め設定された状態に開動作または閉動作させ、
前記コンデンサには、停電時における前記バルブの開動作または閉動作に必要なだけの電力が充電されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、電動バルブアクチュエータの制御部は、停電時に、カバー体に着脱可能に外付けされ停電時におけるバルブの開動作や閉動作に必要なだけの電力が充電されたコンデンサに充電された電力を用いて駆動モータを駆動して、バルブを予め設定された状態に開動作または閉動作させる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記コンデンサは、電気二重層コンデンサで構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、電動バルブアクチュエータの制御部には、停電時に、電気二重層コンデンサに充電された電力が供給される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記コンデンサは、カートリッジに内蔵されており、前記カバー体に複数設けられた取付口のいずれかの取付口にねじ込みにより脱着可能とされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、停電時には、電動バルブアクチュエータのカバー体に複数設けられた取付口のいずれかに取り付けられたカートリッジに内蔵されたコンデンサから電力が供給される。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記電源部には、前記複数の取付口に対応する位置にそれぞれ可動電極が設けられており、前記複数の可動電極のうち前記コンデンサが装着される取付口に対応する可動電極のみが接続可能な状態に変形されて前記コンデンサの電極に接続されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、電動バルブアクチュエータの取付口にコンデンサを装着すると、電源部に取付口に対応する位置に設けられた可動電極が例えば起立するなど接続可能な状態に変形されて、装着されたコンデンサの電極に接続される。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記可動電極は、前記コンデンサの装着の際に、前記電源部において自動的に接続可能な状態に起立することを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、電動バルブアクチュエータの取付口にコンデンサを装着すると、電源部に取付口に対応する位置に設けられた可動電極が例えば起立するなど接続可能な状態に自動的に変形されて、装着されたコンデンサの電極に接続される。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記コンデンサは、その静電容量が、停電時における前記バルブの１回の開動作または１回の閉動作に必要な電力が充電される静電容量とされていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、停電時に、バルブの開動作や閉動作に必要なだけの電力が充電されるコンデンサにより電力が制御部に効果的に供給されるため、バルブを全閉状態等の予め設定された停電時の状態に確実に開動作または閉動作をさせることが可能となる。

また、二次電池としてコンデンサを用い、コンデンサを電源部等を内蔵するカバー体に着脱可能に外付けしたことにより、コンデンサが電源部やヒータ等の熱で加熱されることが防止され、しかもコンデンサが外気で冷やされるため、コンデンサの温度が上昇することを確実に防止することが可能となる。そのため、コンデンサの温度の上昇によるコンデンサの寿命の短縮が防止され、コンデンサの交換の頻度が低減され、保全維持費用等が軽減され、コスト面でも有利なものとなる。また、コンデンサの加熱等による出火を確実に防止することが可能となる。

さらに、コンデンサを取り外しても電源部から駆動モータ等に供給される電力に影響を及ぼさないように制御部を構成すれば、コンデンサをカバー体に着脱可能に外付けしたことで、電動バルブアクチュエータの稼動中にコンデンサを交換することが可能となる。そのため、交換のたびに電動バルブアクチュエータやそれが用いられている空調設備等の運転を止める必要がなくなり、電動バルブアクチュエータや空調設備等の運転コストや交換作業のコストの改善を図ることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、前記発明の効果に加え、コンデンサとしてメモリ効果を生じない電気二重層コンデンサを用いることで、完全に放電し切らない状態で充電を繰り返し行っても放電電圧が低下せず、確実に駆動モータ等の駆動電力を確保して停電時に確実にバルブを緊急駆動させることが可能となる。また、コンデンサに急速に充電することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、コンデンサをカートリッジ式とし、カバー体の取付口にねじ込みにより脱着可能とされていれば、非常に容易に交換作業を行うことが可能となり、前記各発明の効果がより的確に発揮される。

請求項４に記載の発明によれば、前記各発明の効果に加え、コンデンサが装着された取付口付近では可動電極が起立するなどしてコンデンサの電極と電気的に接触すると同時に、コンデンサが取り付けられていない取付口付近では可動電極は転倒した状態のままであるので、転倒した状態の可動電極の上方空間が広くなり、ケーブルや電線等を配置するスペースを十分に確保することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、前記請求項４に記載の発明において、可動電極がコンデンサの装着に伴って自動的に起立するなど接続可能な状態に変形されるので、コンデンサの交換の際に手動で可動電極を起立させるためにカバー体を開ける必要がなくなり、手間が省け、コンデンサの交換作業を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明に係る電動バルブアクチュエータの実施の形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る電動バルブアクチュエータ１は、図１および図２に示すように、主に電源駆動部２とバルブ本体３とで構成されている。なお、電動バルブアクチュエータ１は必ずしも電動駆動部２の下方にバルブ本体３が配置されるように配管Ｔに取り付けられるとは限らないが、以下では図１中における上下方向を電動バルブアクチュエータ１における上下方向として説明する。また、図２ではコンデンサ４０等の部分以外は上カバー体が取り外された状態での電動駆動部の上面図が示されている。

電源駆動部２には、内部の部材を保護するための略筐型のカバー体４が配置されており、カバー体４は、上カバー体４ａが下カバー体４ｂにガスケット４ｃを介して例えばネジ止め等により固定されて形成されている。

カバー体４の内部には、上部支持板５および下部支持板６がそれぞれ水平方向に配設されている。下部支持板６は、カバー体４の底面から立設されたリブ状の支持体７上に載置されるように固定されており、下部支持板６に立設された円筒状のスペーサ８にネジ９等を介して上部支持板５が固定されることにより、上部支持板５が下部支持板６に対して一定距離上方に配設されるようになっている。また、上部支持板５は、カバー体４の内面に形成されたリブ状の押圧体１０からカバー体４の内部に向かう向きに押圧を受けるようになっており、キャビテーション等による振動の影響を受けることなく固定されるようになっている。

カバー体４内部の一端側には、駆動モータ１１が上部支持板５の上面側に取り付けられており、駆動モータ１１の出力軸１２は上部支持板５を貫通して上部支持板５の下方に突出されるように配置されている。本実施形態では、駆動モータ１１は、励磁電流により回転が制御されるＤＣステッピングモータで構成されている。

駆動モータ１１の出力軸１２が突出された上部支持板５と下部支持板６との間の領域には、互いに噛合しあう回転自在に軸支された複数のギヤからなるギヤ機構１３が設けられており、ギヤ機構１３は、駆動モータ１１の出力軸１２の回転を減速しながらバルブ本体３への出力軸１４のギヤ１５に伝達して出力軸１４を回動させるようになっている。

なお、ギヤ機構１３において、中間ギヤ１３ａは下部支持板６と中間ギヤ１３ａとの間に配設されたバネ１３ｂにより上方に付勢されている。また、この中間ギヤ１３ａは、その上面にクラッチロッド１６が摺接されている。クラッチロッド１６は、上部支持板５を貫通し、その上端がカバー体４の上面から垂設されたクラッチ挿通孔１７に挿通されている。また、クラッチロッド１６の上方には、環状輪１８やスプリング１９等を介してクラッチボタン２０が上下方向に移動可能に取り付けられており、クラッチボタン２０を押し下げてクラッチロッド１６を介して中間ギヤ１３ａの噛合を解除することにより、ギヤ機構１３が駆動モータ１１から切り離された状態となり、電源駆動部２を手動で操作することが可能となる。

また、バルブ本体３への出力軸１４は、上部支持板５と下部支持板６とにそれぞれ取り付けられた上軸受２１と下軸受２２とにより上部支持板５と下部支持板６とに回動自在に支持されている。また、カバー体４の出力軸１４の上方には、出力軸１４の挿通孔２３が設けられており、挿通孔２３には出力軸１４が挿通されていて、その上側２４が出力軸１４の手動操作部とされている。

出力軸１４のギヤ１５の上面の一端部には、ストッパピン２５が上向きに立設されており、ストッパピン２５の上端部が上部支持板５に円弧状に形成された円弧孔２６に遊嵌されるようになっている。出力軸１４は、このように円弧孔２６に遊嵌されたストッパピン２５によりその回動角度が規制されるようになっている。バルブ本体３内に設けられた図示しないボール弁やバラフライ弁等の回転弁を開動作させ閉動作させるには、出力軸１４がそれを中心として９０°回動可能とすることが必要であるが、本実施形態では、回転弁の開閉方向にそれぞれ５°ずつ余裕を持たせて出力軸１４が１００°回動できるように円弧孔２６が形成されている。

また、出力軸１４の下端は、カバー体４の前記下軸受２２に対応する位置に設けられた挿通孔２７に挿通されており、バルブ本体３の支軸２８に挿通された回転弁を開動作させ閉動作させるための開閉軸２９に連結されている。なお、図示を省略するが、カバー体４の下面および下部支持板６の所定の位置には、バルブ本体３の支軸２８と一体成形された取付片を固定するためにバルブ接続ナットが挿通されており、それとボルトとを螺合させてカバー体４の下面と取付片とを共締めすることでバルブ本体３が電動駆動部２に取り付けられるようになっている。

出力軸１４上端側の上部支持板５とカバー体４の上面との間の領域には、電源部３０の配線基板３０ａが、上部支持板５の上面に立設されたスペーサ３１に支持されて上部指示板５に略平行に配設されている。電源部３０の配線基板３０ａには、出力軸１４が挿通される孔３２が形成されている。

配線基板３０ａ上方の出力軸１４の周囲には、１８０°の範囲でＳ極とＮ極に磁極分けされた環状のマグネット３３が装着されており、その内側の配線基板３０ａ上には、マグネット３３と対向する位置にマグネット３３の磁性を検出する磁気素子３４が設けられている。磁気素子３４は、出力軸１４の回動による回転弁の開動作や閉動作に伴って変化するマグネット３３の磁性を検出して電動バルブアクチュエータ１の動作を制御する図示しない制御部にその情報を送信するようになっている。

なお、電動バルブアクチュエータ１の電源投入時に駆動モータ１１を駆動させて出力軸１４を回動させ、それに伴って回動するマグネット３３の磁性を磁気素子３４で検出することでバルブの開閉制御の基準となる原点を検出するようになっている。また、その情報は図示しないＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）等のメモリに書き込まれるようになっている。本実施形態では、バルブが開状態から全閉状態すなわち出力軸１４の回動角度が０°となるときにマグネット３３のＳ極とＮ極とが切り替わるようになっており、前記原点はバルブが全閉状態となる出力軸１４の回動角度として記憶される。

本実施形態では、電源部３０は、スイッチングトランス３５等を有するスイッチング電源で構成されている。図示を省略するが、電源部３０は、スイッチングトランス３５により回路の入力側と出力側とが絶縁されると同時にエネルギを蓄積し電圧を変換し、５０／６０Ｈｚ、９０〜２４０Ｖ程度の商用交流電源を直流電源に変換して駆動モータ１１や制御部等に電力を供給するようになっている。なお、本実施形態では、電源部３０は、スイッチングトランス３５の一次側と二次側との間にコモンモードノイズを低減するための図示しないＹコンデンサが装着されている。

電源部３０の配線基板３０ａには、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等で構成される発光部材３６が実装されている。本実施形態では、それぞれ発光色が異なる２機の発光部材３６が取り付けられており、バルブ本体３の回転弁の開閉等にあわせてそのいずれかが発光するようになっている。発光部材３６の発光は、その上方のカバー体４に設けられた導光リブ３７を伝って視認カバー３８全体に伝達されるようになっており、視認カバー３８の発光色により外部からバルブ本体３の回転弁の開閉等の状況を把握できるようになっている。

また、カバー体４の一側面には、複数の取付口３９が設けられている。本実施形態では、取付口３９は上カバー体４ａに２箇所設けられており、外部から電動駆動部２に接続する電源線や信号線等の電線を挿通させるための電線管口を兼ねている。

複数の取付口３９の１つには、二次電池としてのコンデンサ４０を内蔵したカートリッジ４１が外付けされている。本実施形態では、カートリッジ４１の取付端に雄ネジ部が形成されており、それを取付口３９に形成された雌ネジ部にねじ込むことでカートリッジ４１が着脱可能に取り付けられるようになっている。

コンデンサ４０は、メモリ効果を生じない電気二重層コンデンサで構成されている。本実施形態では、コンデンサ４０は、この電気二重層コンデンサを８個直列に接続して構成されており、合計の静電容量が約１０Ｆとされている。なお、電動バルブアクチュエータ１の配設場所等の関係で電源線や信号線等の電線を挿通させるべき取付口３９が決まるため、カートリッジ４１を取り付ける取付口３９は、その取付口３９以外の取付口３９が選ばれる。

本実施形態では、コンデンサ４０の電極４２と電源部３０の配線基板３０ａから延びる給電電極４３とが接続されることでコンデンサ４０と電源部３０とが電気的に接続されるようになっている。

また、本実施形態では省略したが、冷房・冷凍用の低温流体を供給するような場合に電動駆動部２やバルブ本体３に結露が発生することを防止するために、電動駆動部２やバルブ本体３に保温材やヒータ等を備えるように構成することも可能である。

次に、本実施形態に係る電動バルブアクチュエータ１の前記制御部の構成について説明する。

制御部５０は、電動駆動部２のカバー体の内部に内蔵されており、図３のブロック図に示すように、主に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１やモータ駆動部５２等で構成されている。また、制御部５０には、前述した電源部３０やコンデンサ４０、駆動モータ１１等に電気的に接続されている。さらに、ＣＰＵ５１には、前記磁気素子３４からの検出結果が入力されるようになっており、さらに、前述したＥＰＲＯＭ等のメモリ５３が接続されていてメモリ５３からの情報の読み出し、メモリ５３への情報の書き込みができるようになっている。

より具体的には、制御部５０には、前記スイッチングトランス３５等を有する電源部３０で交流電源Ｖ_ＡＣから変換された直流電源Ｖ_ＤＣが供給されるようになっており、その電力が整流素子５４を経由し、シリーズレギュレータ５５を介してＣＰＵ５１に、モータ駆動部５２に、またカレントダウン用抵抗５６を介して駆動モータ１１にそれぞれ供給されるようになっている。

また、電源部３０から供給された電力は、コンデンサ保護抵抗５７を介して前述したコンデンサ４０に供給されてコンデンサ４０に蓄積され充電されるようになっており、コンデンサ４０からは、電源部３０から供給される場合と同様に、整流素子５８を介してＣＰＵ５１やモータ駆動部５２、駆動モータ１１に電力を供給できるようになっている。

さらに、電源部３０から供給された電力は、ＡＴＴ回路５９やフィルタ６０を介して電源電圧監視信号としてＣＰＵ５１に入力されるようになっている。本実施形態では、ＡＴＴ回路５９およびフィルタ６０からは、電源電圧監視信号Ｖ_Ｗとして、電源部３０から供給された電圧が電源電圧監視閾値以上の場合には正の一定値であるＯＮ電圧が、電源部３０から供給された電圧が電源電圧監視閾値未満の場合には０ＶであるＯＦＦ電圧がそれぞれ出力されるようになっている。

また、制御部５０には、電動バルブアクチュエータ１が適用された例えば空調設備の図示しない制御手段からバルブ４４の開動作や閉動作を指示する制御信号Ａ_ＣＳが入力されるようになっており、制御信号Ａ_ＣＳはＡＴＴ回路６１やフィルタ６２を介してＣＰＵ５１に入力されるようになっている。

ＣＰＵ５１は、制御信号Ａ_ＣＳが入力されると、モータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を制御してギヤ機構１３を介してバルブ本体３への出力軸１４を回動させ、磁気素子３４により環状のマグネット３３の磁性を検出しながら所定の回動角度だけバルブ４４を開動作や閉動作させるようになっている。

本実施形態では、ＣＰＵ５１は、バルブ４４の開閉動作に関する制御信号Ａ_ＣＳが４ｍＡのとき駆動モータ１１を制御して出力軸１４の回動角度が０°すなわちバルブ４４が全閉となるようになっており、制御信号Ａ_ＣＳの増加分に比例して出力軸１４の回動角度を大きくしてバルブ４４を開いていき、制御信号Ａ_ＣＳが２０ｍＡの時点で回動角度が９０°すなわちバルブ４４が全開となるように駆動モータ１１を制御するようになっている。

また、ＣＰＵ５１は、ＡＴＴ回路５９やフィルタ６０から電源電圧監視信号Ｖ_ＷとしてＯＦＦ電圧が入力された場合に停電を検出するようになっている。ＣＰＵ５１は、停電を検出すると、コンデンサ４０に充電された電力を用いてモータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を駆動し、バルブ４４を予め設定された状態に開動作または閉動作するようになっている。本実施形態では、停電時にはバルブが全閉状態となるように設定されており、ＣＰＵ５１は出力軸１４の回動角度が０°となるように駆動モータ１１を駆動するようになっている。

また、ＣＰＵ５１は、停電が復帰し、電源部３０から電力が供給されてくると、メモリ５３からバルブ４４の開閉制御の基準となる原点の情報を読み出し、その情報に基づいてモータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を駆動させ、出力軸１４の回動位置が原点の位置になるように出力軸１４を回動させるようになっている。なお、本実施形態では、停電時にはすでにバルブ４４が全閉状態となっているから、停電復帰時には原則的に出力軸１４は回動されない。

なお、コンデンサ４０には、このような停電時におけるバルブ４４の開動作または閉動作に必要なだけの電力が充電されるようになっている。

いま、緊急遮断時のバルブ４４における全開から全閉への閉動作時間をｔ［ｓ］、コンデンサ４０の静電容量をＣ［Ｆ］、コンデンサ４０の充電電圧をＶ_Ｃ［Ｆ］、駆動モータ１１の動作限界電圧をＶ１［Ｖ］、緊急遮断時の消費電流をＩ［Ａ］、コンデンサ４０の漏れ電流をＩＬ［Ａ］とすると、
ｔ＝Ｃ×（Ｖ_Ｃ−Ｖ１）／（Ｉ＋ＩＬ） …（１）
が成り立つ。いま、緊急遮断時にバルブ４４の動作時間ｔが４５秒かかるとした場合、仮にＶ０＝１２Ｖ、Ｖ１＝１０Ｖ、Ｉ＝０．４５Ａ、ＩＬ＝１０×１０^−６Ａであるとすると、前記（１）式にそれらを代入して解いてＣ≒１０Ｆが得られる。そのため、本実施形態では、前述したようにコンデンサ４０は電気二重層コンデンサを８個接続して合計の静電容量が約１０Ｆとなるように構成されている。

次に、本実施形態に係る電動バルブアクチュエータ１の作用について、図４の動作タイミングチャートに基づいて説明する。

電動バルブアクチュエータ１の電源部３０が商用交流電源Ｖ_ＡＣにつながれると（タイミングＴ１）、電源部３０から供給される直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣが徐々に上昇し、制御部５０のコンデンサ保護抵抗５７を介してコンデンサ４０が充電され充電電圧Ｖ_Ｃが上昇する。そして、電源部３０からの電圧値Ｖ_ＤＣが電源電圧監視閾値Ｖ_ＴＨに達すると（タイミングＴ２）、制御部５０では、それまで電源電圧監視信号Ｖ_ＷとしてＯＦＦ電圧すなわち０Ｖを出力していたＡＴＴ回路５９やフィルタ６０からＣＰＵ５１に対してＯＮ電圧が出力される。

制御部５０のＣＰＵ５１は、ＡＴＴ回路５９やフィルタ６０からＯＮ電圧が入力されて電源の投入を検出すると、磁気素子３４の検出結果を監視しながらモータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を駆動して出力軸１４を原点の位置である回動角度０°まで回動させてバルブ４４を全閉状態とする（タイミングＴ３）。

そして、タイミングＴ３では、ＣＰＵ５１には電動バルブアクチュエータ１が適用された空調設備等の制御手段からＡＴＴ回路６１やフィルタ６２を介してバルブ４４を閉じることを指示する４ｍＡの制御信号Ａ_ＣＳが入力されているから、ＣＰＵ５１は、バルブ４４を動作させずそのままの状態で待機させる。なお、出力軸１４を原点の位置まで回動させたタイミングＴ３でバルブ４４を開ける制御信号Ａ_ＣＳが入力されていれば、ＣＰＵ５１は即座にその制御信号Ａ_ＣＳに応じた回動角度θまで出力軸１４を回動させる動作を開始させる。

ＣＰＵ５１は、空調設備等でＯＮ操作が行われその制御手段からの制御信号Ａ_ＣＳが上昇し始めると（タイミングＴ４）、その増加分に比例して出力軸１４の回動角度θを増加させてバルブ４４を開動作させ（タイミングＴ５）、制御信号Ａ_ＣＳがバルブ４４の全開を指示する２０ｍＡになった時点で出力軸１４の回動角度θを９０°としてバルブ４４を全開にさせる（タイミングＴ６）。ここまでは電動バルブアクチュエータ１の通常の稼動動作である。

電動バルブアクチュエータ１に給電される商用交流電源Ｖ_ＡＣが停電状態になると（タイミングＴ７）、今度は、電源部３０から供給される直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣが徐々に下降するが、その電圧値Ｖ_ＤＣが電源電圧監視閾値Ｖ_ＴＨ以上であれば、制御部５０は電動バルブアクチュエータ１のその時点での状態を維持する。

しかし、電源部３０から供給される直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣが電源電圧監視閾値Ｖ_ＴＨを下回ると（タイミングＴ８）、それまで電源電圧監視信号Ｖ_ＷとしてＯＮ電圧を出力していたＡＴＴ回路５９やフィルタ６０からＣＰＵ５１に対してＯＦＦ電圧すなわち０Ｖが出力される。

電源部３０から供給される直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣはその後下降し続けるが、コンデンサ４０からは充電されていた充電電圧Ｖ_Ｃが整流素子５８を介して制御部５０に供給される。そこで、ＣＰＵ５１は、ＡＴＴ回路５９やフィルタ６０からＯＦＦ電圧の電源電圧監視信号Ｖ_Ｗが入力されて停電を検出するとモードを切り替えて、空調設備等の制御手段からの制御信号Ａ_ＣＳに関わりなく、電源部３０からの直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣやコンデンサ４０の充電電圧Ｖ_Ｃが０Ｖになる（タイミングＴ１０、Ｔ１１）前に、コンデンサ４０に充電された電力を用いてモータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を駆動して、バルブ４４を予め設定された状態すなわち本実施形態では全閉状態にする（タイミングＴ９）。

停電が復帰して電源部３０から制御部３０に電力が供給されてくると（タイミングＴ１２）、電源部３０から供給される直流電源の電圧値Ｖ_ＤＣが再び徐々に上昇し、制御部５０のコンデンサ保護抵抗５７を介してコンデンサ４０が充電され充電電圧Ｖ_Ｃが上昇する。そして、電源部３０からの電圧値Ｖ_ＤＣが電源電圧監視閾値Ｖ_ＴＨに達すると（タイミングＴ１３）、ＣＰＵ５１には、ＡＴＴ回路５９やフィルタ６０から電源電圧監視信号Ｖ_ＷとしてＯＮ電圧が入力される。

すると、ＣＰＵ５１は、今度はメモリ５３からバルブ４４の開閉制御の基準となる原点の情報を読み出して、その情報に基づいてモータ駆動部５２を介して駆動モータ１１を駆動させ、出力軸１４の回動位置が原点の位置になるように出力軸１４を回動させる。なお、図４のようにそのタイミングＴ１３ですでにバルブ４４が全閉状態となっていれば、ＣＰＵ５１は改めて出力軸１４を回動させない。

以上のように、本実施形態に係る電動バルブアクチュエータ１によれば、停電時に、バルブ４４の開動作または閉動作に必要なだけの電力が充電されるコンデンサ４０により電力が制御部５０に効果的に供給されるため、バルブ４４を全閉状態等の予め設定された停電時の状態に確実に開動作や閉動作することが可能となる。

また、二次電池としてコンデンサ４０を用い、コンデンサ４０を電源部３０等を内蔵するカバー体４に着脱可能に外付けしたことにより、コンデンサ４０が電源部３０やヒータ等の熱で加熱されることが防止され、しかもコンデンサ４０が外気で冷やされるため、コンデンサ４０の温度が上昇することを確実に防止することが可能となる。そのため、コンデンサ４０の温度の上昇によるコンデンサ４０の寿命の短縮が防止され、コンデンサ４０の交換の頻度が低減され、保全維持費用等が軽減され、コスト面でも有利なものとなる。また、コンデンサ４０の加熱等による出火を確実に防止することが可能となる。

さらに、コンデンサ４０をカバー体４に着脱可能に外付けし、しかも図３に示した制御部５０の構成から分かるように電動バルブアクチュエータ１の稼動中にコンデンサ４０を取り外しても電源部３０からＣＰＵ５１やモータ駆動部５２等に供給される電力には影響を及ぼさないから、電動バルブアクチュエータ１の稼動中にコンデンサ４０を交換することが可能となる。そのため、交換のたびに電動バルブアクチュエータ１やそれが用いられている空調設備等の運転を止める必要がなくなり、電動バルブアクチュエータ１や空調設備等の運転コストや交換作業のコストの改善を図ることが可能となる。

また、コンデンサ４０を、例えば本実施形態のように電動バルブアクチュエータ１のカバー体４に対して配管Ｔに平行に外付けすることで、外付けされたコンデンサ４０と配管Ｔ等とが干渉しない状態で電動駆動部２付近の空いたスペースを有効に活用することが可能となる。そのため、コンデンサ４０をカバー体４に内蔵させることで電動駆動部２が拡大して電動バルブアクチュエータ１が所定の設置場所に収容できなくなることを防止することが可能となる。

また、本実施形態のように、コンデンサ４０をカートリッジ式とし、カバー体４の取付口３９にねじ込みにより脱着可能とされていれば、非常に容易に交換作業を行うことが可能となり、前記効果がより的確に発揮される。

また、コンデンサ４０としてメモリ効果を生じない電気二重層コンデンサを用いることで、完全に放電し切らない状態で充電を繰り返し行っても放電電圧が低下せず、確実に駆動モータ１１等の駆動電力を確保して停電時に確実にバルブ４４を緊急駆動させることが可能となる。また、コンデンサ４０に急速に充電することが可能となる。

また、駆動モータ１１にＤＣステッピングモータを用いることで、出力軸１４の回動角度θを精度よく制御してバルブ４４の開動作や閉動作を的確に行うことが可能となるとともに、負荷の大きさに関わらず開閉時間すなわちモータの回転速度やモータ電流値が一定となり、緊急遮断時のモータ消費電力量を予測してコンデンサ４０の静電容量を必要最小限に抑え、コンデンサ４０の小型化や低価格化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、カバー体４に外付けされたコンデンサ４０と制御部５０とをコンデンサ４０の電極４２と電源部３０の配線基板３０ａから延びる給電電極４３とを接続することで電気的に接続する場合について述べた。しかし、コンデンサ４０の接続法はこれに限らず、種々の機構で取り付けるように構成することが可能である。

例えば、図５に示すように、複数の取付口３９に対応するように各取付口３９付近の電源部３０の配線基板３０ａに給電電極７０、７１をそれぞれ立設させておき、雄ネジ部にコンデンサ４０の電極７２、７３が設けられたカートリッジ４１をねじ込むことで、給電電極７０、７１と電極７２、７３とがそれぞれ接触されるように構成することも可能である。

このように構成すれば、本実施形態のようにコンデンサ４０の交換の際にいちいちカバー体４の上カバー体４ａを取り外して電極４２と給電電極４３とを外したりつなぎ合わせたりする手間を省くことが可能となり、コンデンサ４０の交換作業を容易に行うことができる。

また、図６に示すように、複数の取付口３９に対応するように各取付口３９付近の電源部３０の配線基板３０ａに設ける各給電電極をそれぞれ可動電極７４、７５とし、複数の可動電極７４、７５のうちコンデンサ４０が装着される取付口３９に対応する可動電極７４、７５のみが接続可能な状態に変形されてすなわち図６では起立して、コンデンサ４０の電極７６、７７に接続されるように構成することも可能である。

その際、図７に示すように、電源部３０の配線基板３０ａと可動電極７４、７５との蝶番部７８にバネ７９を設ければ、可動電極７４、７５がコンデンサ４０のねじ込みにより起立する際にバネ７９に蓄えられた付勢力で可動電極７４、７５とコンデンサ４０の電極７６、７７とが確実に接触するようになるとともに、コンデンサ４０を取り外した際には可動電極７４、７５が配線基板３０ａの基板面まで転倒する。

このように構成すれば、コンデンサ４０が取り付けられた取付口３９付近では可動電極７４、７５が起立してコンデンサ４０の電極７６、７７と電気的に接触すると同時に、コンデンサ４０が取り付けられていない取付口３９付近では可動電極７４、７５は転倒した状態であるので、転倒した状態の可動電極７４、７５の上方空間が広くなり、ケーブルや電線等を配置するスペースを十分に確保することが可能となる。

なお、図６や図７に示した変形例では、コンデンサ４０やカートリッジ４１のねじ込みにより自動的に可動電極７４、７５が起立する場合について述べたが、カバー体４の上カバー体４ａを取り外して手動で可動電極７４、７５を起立させるように構成することも可能である。

本実施形態に係る電動バルブアクチュエータの構成を示す正面一部断面図である。図１の電動バルブアクチュエータの上カバー体を取り外した状態での電動駆動部の上面図である。本実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電動バルブアクチュエータの動作を示す動作タイミングチャートである。給電電極の変形例を示す図である。給電電極を可動電極とした変形例を示す図である。図６の変形例で可動電極の起立、転倒を説明する図である。

符号の説明

１電動バルブアクチュエータ
４カバー体
１１駆動モータ
３０電源部
３９取付口
４０コンデンサ
４１カートリッジ
４２、７６、７７コンデンサの電極
４４バルブ
５０制御部
５９ＡＴＴ回路（回路）
７４、７５可動電極
ＡＣＳ制御信号
Ｃ静電容量
ＶＡＣ交流電源
ＶＤＣ直流電源、電圧値（電圧）
ＶＴＨ電源電圧監視閾値

Claims

バルブを電動で開動作または閉動作させる電動バルブアクチュエータにおいて、
前記バルブを回動駆動させる駆動モータと、
外部設備から入力される制御信号に従って前記駆動モータの動作を制御して、前記バルブを開動作または閉動作させる制御部と、
交流電源を直流電源に変換して前記駆動モータおよび前記制御部に電力を供給する電源部と、
前記駆動モータ、制御部および電源部を内蔵するカバー体に着脱可能に外付けされ、前記電源部から供給された電力を充電するコンデンサと
前記電源部から供給された電圧が電源電圧監視閾値以上の場合には前記制御部にＯＮ電圧を出力し、前記電圧が前記電源電圧監視閾値未満の場合には前記制御部にＯＦＦ電圧を出力する回路と、
を備え、
前記制御部は、前記回路から前記ＯＦＦ電圧が入力されて停電を検出すると、前記外部設備からの前記制御信号に関わりなく、前記コンデンサに充電された電力を用いて前記駆動モータを駆動して、前記バルブを予め設定された状態に開動作または閉動作させ、
前記コンデンサには、停電時における前記バルブの開動作または閉動作に必要なだけの電力が充電されることを特徴とする電動バルブアクチュエータ。
前記コンデンサは、電気二重層コンデンサで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動バルブアクチュエータ。
前記コンデンサは、カートリッジに内蔵されており、前記カバー体に複数設けられた取付口のいずれかの取付口にねじ込みにより脱着可能とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動バルブアクチュエータ。
前記電源部には、前記複数の取付口に対応する位置にそれぞれ可動電極が設けられており、前記複数の可動電極のうち前記コンデンサが装着される取付口に対応する可動電極のみが接続可能な状態に変形されて前記コンデンサの電極に接続されることを特徴とする請求項３に記載の電動バルブアクチュエータ。
前記可動電極は、前記コンデンサの装着の際に、前記電源部において自動的に接続可能な状態に起立することを特徴とする請求項４に記載の電動バルブアクチュエータ。
前記コンデンサは、その静電容量が、停電時における前記バルブの１回の開動作または１回の閉動作に必要な電力が充電される静電容量とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電動バルブアクチュエータ。