JP5577534B2

JP5577534B2 - 電動弁

Info

Publication number: JP5577534B2
Application number: JP2011097957A
Authority: JP
Inventors: 浩春金高; 丈二田中; 均松永
Original assignee: 株式会社カワデン
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: JP2012229735A

Description

この発明は、電動弁に関するものである。

電動弁（バルブ）は、閉動作の際に弁体が異物を噛みこむと、流量の制御ができなくなる。
この問題を解決する一つの方法として、特許文献１に記載のガス遮断弁がある。この遮断弁は、図４のように、パルスモータ１に取り付けたピニオンギヤ２と弁体３を軸に連結した大歯車４とを歯合させたもので、前記大歯車４にフォトセンサ５ａ、ｂを備えることにより、弁体３が全閉と全開位置にあることを検出できるようにしてある。
このような電動弁では、遮断動作の際に、弁体３を全閉するのに必要とする規定の数のパルス信号をパルスモータ１へ出力して（全閉に要する時間内に）、弁体３が全閉位置にあることを検出するセンサ５ａから検出信号が検出されないと、弁体３が異物を噛みこんだと判定する。そして、弁体３を開放方向に所定の角度だけ戻したのち、再度、弁体３を閉弁方向へ動かすことにより、弁体３の固着や異物の噛みこみを解消するというものである。

特開２００９−２９９８０３号公報

しかしながら、上記の遮断弁では、弁体が異物を噛みこんだことを検出するのに、弁体を全閉するのに必要とする規定のパルス数の信号をパルスモータへ出力してからでないと判定できない。そのため、噛みこむ異物の大きさの大小に関わらず検出時間は一定である。
したがって、検出に時間が掛かる。しかも、検出までの間に弁体が異物に噛み込むことで破損することが考えられる。

そこで、この発明の課題は、異物の噛みこみの検出を短時間で行って、排出動作をスムースに行えるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、弁体とモータを複数のギヤを組み合わせた伝達機構を介して接続し、前記モータによって弁体の開閉を行う電動弁において、前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段を設け、前記電流検出手段が、閉弁時に過負荷による過電流を検出すると、モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻したのち、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かすという構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、モータ電流検出手段は、閉弁中のモータに流れる電流を検出しており、過負荷による過電流（ロック電流）を検出するとモータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻す。
このように、過電流を検出することで異物の噛みこみと同時に、噛みこんだことを検出できるので、直ちにモータを逆転あるいは停止したのち逆転し、異物の排出や異物への弁体の噛みこみを防止して排出動作がスムースに行うことができる。
また、このように、弁体がロックした点から一定角度戻すことにより、異物の大きさに関わらず、異物と逆転させた弁体との間に一定の隙間を設けて弁体からの異物の排出を促すことができる。
そして、解放された異物が弁体から外れるのに十分な時間が経過すると、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かすことにより閉弁する。

また、このとき、上記モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻したのち、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かした際、過負荷による過電流を検出すると、モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻したのちモータを正転して閉弁方向へ動かす排出動作をＮ（≧２）回繰り返すという構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻したのちモータを正転して閉弁方向へ動かす排出動作を何回か繰り返すことで、弁体からの異物の排出を促すことができる。

また、このとき、上記モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻したのち、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かした際、あるいは前記排出動作をＮ（≧２）回繰り返したのち、過負荷による過電流を検出するとモータを停止するという構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、所定の排出動作を行っても、過電流が検出されることで、異物を弁体から外せないと判定する。そして異物を噛みこんだ状態でモータを停止することにより、弁体の破損、モータの過熱を防ぐ。

この発明は、上記のように構成したことにより、異物の噛みこみを素早く検出して、スピーディーに異物の排出動作を行える。

実施形態の機構を示す模式図実施形態の回路ブロック図（ａ）実施例１の回路ブロック図、（ｂ）実施例２の回路ブロック図従来例の作用説明図

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
この形態の電動弁は、図１に示すように、弁体１０とモータＭを複数のギヤを組み合わせた伝達機構１２を介して接続したもので、前記モータＭを作動して弁体１０の開閉を行うようになっている。

弁体１０は、円盤状のゲートバルブで出力軸１３の先端に取り付けられている。出力軸１３は、図１のように、後端に２個のカム１４が９０度の位相差でもって取り付けられており、そのカム１４に係合する２個のマイクロスイッチを取り付けて弁体１０の全閉、全開状態を検出するようになっている。
また、出力軸１３は、弁体１０とカム１４の間に平歯車１５が取り付けられ、伝達機構１２の歯車と歯合するようになっている。
伝達機構１２は、ピッチの異なる伝達ギヤを組み合わせて、所要のトルクが得られるようにしたものである。
モータＭは、直流モータで制動用の電磁クラッチブレーキ１６を搭載したもので、前記クラッチブレーキ１６でモータ軸をスライドさせてピニオンギヤを取り付けたギヤヘッド１７を伝達機構１２のギヤに係合したり、モータ軸を固定して伝達機構１２に接続した弁体１０をロックしたりできるようになっている。
このモータＭは、図２のコントロール回路と接続され、閉弁時の異物の検出と異物の排出動作を行うようになっている。

コントロール回路は、コントローラ部２１とパワードライブ部２２とからなっている。コントローラ部２１は、マイクロコンピュータＣ１によって構成されている。マイクロコンピュータＣ１は、ＣＰＵ、メモリ回路、Ｉ／Ｏ回路、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、コンパレータ、タイマ・・・等を備えたワンチップマイコンを使用しており、パワードライブ部２２と接続されている。

パワードライブ部２２は、モータ制御回路Ｃ２、フルブリッジ回路Ｃ３及びモータ電流検出回路Ｃ４で構成されている。

モータ制御回路Ｃ２は、マイクロコンピュータＣ１のＩ／Ｏ出力と接続して、前記Ｉ／Ｏ出力からの正転、逆転信号に基づいて、後述のフルブリッジ回路Ｃ３のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のオンとオフを制御する信号ΦＡ、ΦＢを出力するトランジスタロジック回路で構成されている。また、モータ制御回路Ｃ２は、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のオン・オフ時の短絡を防止するため短絡防止期間（デッドタイム）の生成回路等も備える。

フルブリッジ回路Ｃ３は、２個のＮＰＮトランジスタＴＲ１とＴＲ３、ＴＲ２とＴＲ４のエミッタ端子とコレクター端子を接続した直列回路を２本並列に接続したもので、直列回路の一端のエミッタ端子同士と他端のコレクター端子同士を接続して並列回路としたものである。また、この並列回路の一端のコレクター端子同士の接続点に直流電源Ｅを接続し、他端のエミッタ端子同士の接続点にモータ電流検出回路Ｃ４を接続するとともに、並列回路を構成する２本の直列回路のエミッタ端子とコレクター端子の接続点間にモータＭを接続することにより、モータＭの正転・逆転を単一電源で行える構成になっている。
このように、ＮＰＮトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のみでフルブリッジ回路Ｃ３を構成することにより、高耐圧なブリッジ回路を安価に構成できる。

モータ電流検出回路Ｃ４は、シャント抵抗ＲＳとオペアンプＡで構成されており、図２のように、ブリッジの並列回路の他端に接続されたシャント抵抗ＲＳの両端の電圧をオペアンプＡに入力することで、モータＭの正転・逆転に関わらず、モータＭに流れる電流ＩＭを検出できるようにしてある。
このオペアンプＡの出力はマイクロコンピュータＣ１のＡ／Ｄ変換入力に接続されており、モータ電流ＩＭの値を検出できるようになっている。

この形態は上記のように構成されており、次に、本願発明の異物の検出及び異物の排出動作（リトライ）について説明する。
この形態では、マイクロコンピュータＣ１は、メモリに検出及び排出動作用のプログラムが書き込まれている。前記プログラムには、例えば、過電流検出用の閾値が設定されている。
なお、前記閾値は、使用する電動弁のモータＭの定格などに合わせて後で設定できるようにしたり、選択できるようにしたりすることは当然である。

この電動弁では、弁体１０を閉じる際には、前述のプログラムが起動して排出（リトライ）動作を行う。
すなわち、マイクロコンピュータＣ１は、閉弁時に、閉弁方向へ弁体１０を動かすために正転指令をモータ制御回路Ｃ２へ出力する。すると、モータ制御回路Ｃ２は、例えば、制御信号ΦＡを出力してブリッジ回路Ｃ３のトランジスタＴＲ１とＴＲ４をオン、ＴＲ２とＴＲ３をオフにすることでモータＭを正転（弁体１０を閉弁方向へ動かす向き）させる。このとき、モータＭに流れる電流ＩＭは、図２のように、シャント抵抗ＲＳによって電圧（ＶＲ＝ＩＭ×Ｒｓ）に変換され、オペアンプＡによってマイクロコンピュータＣ１に入力され、閾値と比較することにより監視している。

いま、閉弁中の弁体１０が異物を噛みこむと負荷が増大してモータ電流ＩＭが増加する。そして、弁体１０が停止すると過電流（ロック電流）が流れる。そのため、監視中の電圧が閾値を超えた時点で（このとき、過電流の弁別のため所定時間待機するようにしても良い）、まず、モータを一時停止させる。例えば、マイクロコンピュータＣ１は、正転指令と逆転指令の出力を“０”にしてトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフにする。
次に、逆転指令を出力し、モータ制御回路Ｃ２から制御信号ΦＡを出力して（ＴＲ１とＴＲ４Ｔがオフ、ＴＲ２とＴＲ３をオン）、モータＭを逆転させて弁体を開弁方向へ動かす。
ちなみに、ここで、モータＭを一時停止しないで、逆転指令を出力することも出来るが、そうすると、逆転の際に大きな電流を吸収しなければならないため、ここではモータＭの一時停止を行うようにしている。
その際、弁体１０の逆転は、例えば、電動弁の開閉角度（９０度）のうち、１０度に相当する時間Ｔ１だけモータＭを逆転して開弁方向へ動かし停止した後、再び、正転指令を出力してモータＭを正転して閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かす。このとき、過電流を検出しなければそのまま閉弁動作を継続する。
一方、閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かしたときに過電流を検出した場合は、モータＭを一時停止する。そして、逆転指令を出力してモータＭを逆転させて弁体１０を開弁方向へ時間Ｔ１だけ動かし停止したのち、正転指令を出力してモータＭを閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かす。そして、過電流を検出しなければそのまま正転動作を継続する。
このとき、再度過電流を検出した場合は、モータＭを一時停止させる。そして、もう一度逆転指令を出力してモータＭを逆転させて弁体１０を開弁方向へ時間Ｔ１だけ動かし停止したのち、正転指令を出力してモータＭを閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かす。そして、過電流を検出しなければそのまま閉弁動作を継続する。さらに、このとき、この形態では、過電流を検出した場合は、モータＭを停止してエラーとしてその状態を保持し、弁体１０の破損とモータＭの加熱を防ぐ。また、エラー報知を行う。

このように、この形態では、閉弁時に異物の噛みこみによる過電流を検出すると、モータＭを逆転させて弁体１０を開弁することにより、異物との間に一定の隙間を設けて異物の排出を促す。そして、そののち、モータＭを正転させて弁体１０を閉弁する。さらに、このとき、噛みこみによる過電流を検出すると、先の逆転→正転動作を繰り返す排出（リトライ）動作により、異物の排出を試みる。
その結果、異物の噛みこみの検出を短時間で行って、異物の排出動作をスピーディーに行える。

ところで、上記の異物の噛みこみによる過電流を検出した際、モータＭを逆転させて弁体１０を開弁することについては、例えば、弁体１０が異物を噛みこんだ際に、過電流（ロック電流）を検出してモータＭが停止すると、再度通電を行って、異物を破砕する方法も考えられる。特に、この方法は、起動トルクの大きな直流モータＭを用いた電動弁では有利である。
しかしながら、この方法は、異物が破砕されない場合は、弁体を破損する恐れがある。
すなわち、例えば、直流モータＭは起動時の突入電流が大きく（定格の５〜１０倍）、その突入電流の継続期間中（例えば、０．５秒程度）は不感帯を設けて過電流を検出しないようにしなければ起動できない。
そのため、異物を突入電流の継続期間中に破砕できれば問題は発生しないが、破砕できない場合は、過電流が再び流れてモータＭへの通電を停止するため、モータＭへの通電を繰り返すことになる。
その結果、弁体１０が異物に押し付けられて、除々に圧迫されることになり、ついには弁体１０を破損する恐れがある。
したがって、本願発明では、監視中の電圧が閾値を超えた時点で、まず、モータを一時停止させる。次に、逆転指令を出力してモータＭを逆転させて弁体１０を開弁方向へ動かす。あるいは、監視中の電圧が閾値を超えた時点で、逆転指令を出力してモータＭを逆転させて弁体１０を開弁方向へ動かすのである。

なお、この形態では、リトライ動作を３回試みるものについて述べたが、前記動作を繰り返す回数は、電動弁の形状、設置状態などに合わせて最適な回数に適宜設定されるべきものである。

この実施例１は、実施形態の直流モータＭに換えて、図３に示すように、交流モータＭ´としたもので、ここでは、交流モータとしてＡＣレバーシブルモータを使用している。
前記レバーシブルモータＭ´は、図３（ａ）のコントロール回路と接続され、実施形態のものと同様に、閉弁の際に噛みこみの検出及び排出動作を行うようになっている。

コントロール回路は、コントローラ部２１´とパワードライブ部２２´とからなっており、コントローラ部２１´は、ＣＰＵ、メモリ回路、Ｉ／Ｏ回路、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、コンパレータ、タイマ・・・等を備えた実施形態と同じワンチップマイコンを使用したマイクロコンピュータＣ１´で構成されており、パワードライブ部２２´と接続されている。
パワードライブ部２２´は、モータ制御回路Ｃ２´とリレー回路ＲＬ１、ＲＬ２及びモータ電流検出回路Ｃ４´−１で構成されている。
モータ制御回路Ｃ２´は、２個のリレーＲＬ１、ＲＬ２とそのリレーＲＬ１、ＲＬ２をオン・オフする２個のトランジスタスイッチ回路ＴＲ１０、ＴＲ２０で構成されている。
トランジスタスイッチ回路ＴＲ１０、ＴＲ２０は、マイクロコンピュータＣ１´のＩ／Ｏ出力に接続されている。
すなわち、トランジスタスイッチ回路ＴＲ１０、ＴＲ２０は、モータＭ´への正転信号を出力するＩ／Ｏ出力と、モータＭ´への逆転信号を出力するためのＩ／Ｏ出力に接続されている。
また、２個のリレーＲＬ１、ＲＬ２は、そのリレー接点ｒｌ１、ｒｌ２が後述のように、交流電源ＶとＡＣレバーシブルモータＭ´間に設けられ、ＡＣレバーシブルモータＭ´の正逆転の制御を行う。
ＡＣレバーシブルモータＭ´は、回転方向を瞬時に変更できるコンデンサラン型の可逆モータで、主巻線、補助巻線、コモンの３つの入力端子を備えており、コモン端子を交流電源Ｖの一方と接続し、交流電源Ｖの他方を主巻線、補助巻線のいずれか一方と接続することにより、モータＭ´を正転あるいは逆転できるというものである。
この実施例１では、交流電源Ｖの他端を前記モータＭ´の主巻線端子と補助巻線端子に、それぞれ、リレー接点ｒｌ１、ｒｌ２を介して接続する構成となっており、どちらかの接点をオン、残りをオフとすることで、モータＭ´の正転あるいは逆転の制御をするようになっており、両方の接点をオフとすることで、モータＭ´停止の制御ができるようになっている。
また、前記リレー接点ｒｌ１、ｒｌ２と交流電源Ｖの他端との間にモータ電流検出回路Ｃ４´−１を設けてモータ電流の検出を行うようになっている。
モータ電流検出回路Ｃ４´−１は、変流器ＣＴとシャント抵抗Ｒ５及びオペアンプＡで構成されており、図３（ａ）のように、リレー接点ｒｌ１、ｒｌ２と交流電源Ｖとの間に配置した変流器ＣＴのコイルと並列にシャント抵抗Ｒ５を設けて、その両端の電圧をオペアンプＡに入力することにより、交流であるモータ電流を検出できるようになっている。
このオペアンプＡの出力は、整流回路Ｄを介してマイクロコンピュータＣ１´のＡ／Ｄ変換入力と接続したり、整流回路＋積分フィルタを介してマイコンのＡ／Ｄ変換入力と接続したりすることで、平均電流を算出するようにしてある。

このコントロール回路は、上記のように構成されており、マイクロコンピュータＣ１´は、メモリに交流モータＭ´に対応した異物の検出と排出用のプログラムが書き込まれており、前記プログラムには、過電流検出のための閾値が設定されている。

すなわち、閉弁時に、マイクロコンピュータＣ１´は、閉弁方向へ弁体１０を動かすために正転指令をモータ制御回路Ｃ２´に出力する。すると、モータ制御回路Ｃ２´は、例えば、ＴＲ１０をオン、ＴＲ２０をオフとすることでモータＭ´を正転（弁体１０を閉弁方向へ動かす向き）させる。このとき、モータＭ´に流れる電流はモータ電流検出回路Ｃ４´−１のシャント抵抗Ｒ５とオペアンプＡによって電圧（〜ＶＲ＝〜ＩＭ×Ｒｓ）に変換され、全波整流回路Ｄで直流に変換されてマイクロコンピュータＣ１´に入力されるため、マイクロコンピュータＣ１´は前記入力値と閾値を比較することによって監視している。

いま、閉弁中の弁体１０が異物を噛みこむと電流が増加する。そして、弁体１０が停止すると過電流（ロック電流）が流れる。そのため、監視中の電圧が閾値を超えた時点で（このとき、過電流の弁別のため所定時間待機するようにしても良い）、まず、マイクロコンピュータＣ１´は、モータＭ´を一時停止させる（ＴＲ１０とＴＲ２０をオフ）。次に、逆転指令を出力して（ＴＲ１０をオフ、ＴＲ２０をオン）、モータＭ´を逆転させて弁体１０を開弁方向へ動かす（この際、モータを一時停止しないで、逆転指令を出力しても良い）。
その際、弁体１０の逆転は、例えば、電動弁の開閉角度（９０度）のうち、１０度に相当する時間Ｔ１だけモータＭ´を逆転させて停止した後、再び、正転指令（ＴＲ１０をオン、ＴＲ２０をオフ）を出力してモータＭ´を閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かす。このとき、過電流を検出しなければそのまま正転動作を継続する。
一方、閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かした際に、過電流を検出した場合はモータＭ´を一時停止させる（ＴＲ１０をオフ、ＴＲ２０をオフ）。そののち、逆転指令（ＴＲ１０をオフ、ＴＲ２０をオン）を出力してモータＭ´を逆転させて弁体１０を開弁方向へ時間Ｔ１だけ動かし、停止したのち、正転指令を出力してモータＭ´を閉弁方向へ時間Ｔ１だけ動かす。そして、過電流を検出しなければそのまま正転動作を継続する。
このように、噛みこみによる過電流を検出すると、先の逆転→正転動作を所定の回数繰り返すリトライ動作により、異物の排除を試みる。
その結果、異物の排出ができなかった場合は、モータＭ´を停止して弁体１０の破損とモータＭ´の加熱を防止する。

以上のように、交流モータＭ´を使用した場合でも、閉弁時に異物の噛みこみによる過電流を検出すると、前記モータＭ´を逆転させて弁体１０を開弁方向へ動かし、異物との間に一定の隙間を設けて異物の排出を促す。そして、そののち、モータＭ´を正転させて弁体１０を閉弁することができる。
したがって、異物の噛みこみの検出を短時間で行って、異物の排出をスピーディーに行うことができる。

ちなみに、ＡＣレバーシブルモータＭ´は、インダクションモータの一種である。そのため、定格電流とロック電流との差が少なく、例えば電源の変動などのノイズや個体差の誤差で、検出ミスを起こしてしまうという問題が考えられる。
しかしながら、この問題は、例えば、本出願人が出願した「特開２００８−０６１４５０号公報」に記載の過電流検出方法を採用すれば、解決できる。

この実施例２は、図３（ａ）の変流器ＣＴに換えて、図３（ｂ）に示すように、モータ電流検出回路Ｃ４´−２にシャント抵抗Ｒ５を採用したものである。
この場合、シャント抵抗Ｒ５は、変流器ＣＴに換えて交流電源Ｖとリレー接点ｒｌ１、ｒｌ２間に直列に挿入する。そのため、アイソレーションアンプＩＳを使用することで、絶縁を保った状態で、検出値をマイクロコンピュータＣ１´へ入力できるようにしたものである。
このようにすることで、変流器ＣＴを使わないので、小型化が図れるというメリットがある。
他の構成及び作用効果は、実施例１と同じなので、説明は省略する。

１０弁体
１２伝達機構
Ｃ１マイクロコンピュータ
Ｃ１´ マイクロコンピュータ
Ｃ４モータ電流検出回路
Ｃ４´ モータ電流検出回路
ＭＤＣモータ
Ｍ´ ＡＣレバーシブルモータ

Claims

弁体とモータを複数のギヤを組み合わせた伝達機構を介して接続し、前記モータによって弁体の開閉を行う電動弁において、
前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段を設け、
前記電流検出手段が、閉弁時に過負荷による過電流を検出すると、その点からモータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻し停止して、前記弁体と噛みこんだ異物との間に一定の隙間を設けて異物の排出を促し、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かすことを特徴とする電動弁。
上記モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻し停止して、前記弁体と噛みこんだ異物との間に一定の隙間を設けて異物の排出を促し、モータを正転して弁体を動かした際、過負荷による過電流を検出すると、モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻して停止したのちモータを正転して閉弁方向へ動かす閉弁動作をＮ（≧２）回繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の電動弁。
上記モータを逆転して弁体を開弁方向へ一定角度戻し停止して、前記弁体と噛みこんだ異物との間に一定の隙間を設けて異物の排出を促し、モータを正転して弁体を閉弁方向へ動かした際、あるいは前記閉弁動作をＮ（≧２）回繰り返したのち、過負荷による過電流を検出するとモータを停止することを特徴とする請求項１または２に記載の電動弁。