JP6305956B2

JP6305956B2 - 回転弁

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Publication number: JP6305956B2
Application number: JP2015071286A
Authority: JP
Inventors: 智文大橋; 秀明染谷
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: KR20160117356A; US9996088B2; KR101811946B1; US20160291607A1; CN106015686B; CN106015686A; JP2016191417A

Description

この発明は、弁体に結合された弁軸を回転させて流路を流れる流体の流量を調節する回転弁に関するものである。

従来より、空調機への冷温水の流量を制御する空調制御システムがある（例えば、特許文献１，２参照）。この空調制御システムでは、空調機への冷温水の供給通路に流量制御バルブを設置し、この流量制御バルブ内の弁体を駆動して、冷温水が流れる流路の開閉量を調節するようにしている。

通常、流量制御バルブは、空調制御装置から設定開度（弁開度設定値）を入力する一方、弁開度検出器によって検出される弁体の実開度を弁開度実測値とし、この弁開度実測値が弁開度設定値に一致するように弁体の駆動を制御する。

例えば、特許文献３に示された流量制御バルブでは、弁体に結合された弁軸を回転させるモータと、弁軸の回転位置から弁体の実開度を検出する弁開度検出器とを設け、弁開度検出器によって検出される弁体の実開度を弁開度実測値とし、この弁開度実測値が弁開度設定値に一致するようにモータによる弁軸の回転量を制御するようにしている。

特開平１１−２１１１９１号公報特開平０６−２７２９３５号公報特開２００９−２４５０９６号公報特開２００９−１１５２７１号公報

しかしながら、特許文献３に示されているような弁体に結合された弁軸を回転させるタイプの流量制御バルブ（回転弁）では、流れる流体の圧力により弁軸にねじれが生じる。すなわち、前後差圧（流体の圧力）が発生すると、弁体に圧力がかかり、弁軸を支えている軸受との間に摩擦力が生じる。その摩擦力によって弁軸にトルクが生じ、トルクに応じたねじれが発生する。

弁軸にねじれが生じると、弁軸の回転位置から検出される弁体の実開度（弁開度実測値）と弁体の実際の開度（弁開度実値）との間に誤差が発生する。このため、弁体の実際の開度（弁開度実値）と所望の開度（弁開度設定値）との間に誤差が発生し、開度制御の精度が低下してしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高精度な開度制御を実現することが可能な回転弁を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、流体が流れる流路の開閉量を調節する弁体と、弁体に結合された弁軸と、弁軸を回転させる駆動部と、弁軸の回転位置から弁体の実開度を検出する弁開度検出器と、弁開度検出器によって検出される弁体の実開度を弁開度実測値とし、この弁開度実測値が弁開度設定値に一致するように駆動部による弁軸の回転量を制御する弁開度制御部と、弁開度設定値を弁軸のねじれ量を考慮した補正値で補正する弁開度設定値補正部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、弁開度設定値が弁軸のねじれ量を考慮した補正値で補正され、この補正された弁開度設定値に弁開度実測値が一致するように弁軸の回転量が制御される。弁軸のねじれ量は、弁体の開度とねじれ量との関係や弁体の前後差圧とねじれ量との関係から知ることが可能である。また、弁体の開度と弁体の前後差圧との組み合わせとねじれ量との関係から知ることも可能である。

本発明では、このような関係から知ることが可能な弁軸のねじれ量に着目し、このねじれ量を考慮した補正値で弁開度設定値を補正し、この補正された弁開度設定値に弁開度実測値が一致するように弁軸の回転量を制御することによって、実際の開度（弁開度実値）と所望の開度（弁開度設定値）との間に発生する誤差を無くすようにする。

本発明によれば、弁軸のねじれ量を考慮した補正値で弁開度設定値を補正するようにしたので、実際の開度（弁開度実値）と所望の開度（弁開度設定値）との間に発生する誤差を無くすようにして、高精度な開度制御を実現することが可能となる。

本発明に係る回転弁を用いた空調制御システムの一例を示す計装図である。この空調制御システムに用いられている流量制御バルブ（回転弁）の一実施の形態（実施の形態１）の要部を示す図である。この流量制御弁バルブで用いる補正テーブルを例示する図である。この流量制御弁バルブにおいて補正値が０であると仮定した場合に弁体の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に生じる誤差δを説明する図である。この流量制御弁バルブにおいて弁体の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に生じる誤差δが無くなる様子を説明する図である。実施の形態２の流量制御弁バルブの要部を示す図である。実施の形態２の流量制御弁バルブで用いる補正テーブルを例示する図である。実施の形態２の流量制御弁バルブにおいて閉方向および開方向に開度を変更する場合の図４に対応する図である。弁体の開度とねじれ量との関係を示す図である。弁体の前後差圧とねじれ量との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る回転弁を用いた空調制御システムの一例を示す計装図である。

図１において、１は冷温水を生成する熱源機、２は熱源機１が生成する冷温水を搬送するポンプ、３は複数の熱源機１からの冷温水を混合する往ヘッダ、４は往水管路、５は往ヘッダ３から往水管路４を介して送られてくる冷温水の供給を受ける空調機、６は還水管路、７は空調機５において熱交換され還水管路６を介して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、８は往ヘッダ３から空調機５に供給される冷温水の流量を制御する流量制御バルブ（回転弁）、９は空調機５から送り出される給気の温度を計測する給気温度センサ、１０は空調制御装置、１１は空調機５のコイル、１２は送風機である。

この空調制御システムにおいて、ポンプ２より圧送され熱源機１により熱量が付加された冷温水は、往ヘッダ３において混合され、往水管路４を介して空調機５へ供給され、空調機５を通過して還水管路６により還水として還ヘッダ７へ至り、再びポンプ２によって圧送され、以上の経路を循環する。例えば、冷房運転の場合、熱源機１では冷水が生成され、この冷水が循環する。暖房運転の場合、熱源機１では温水が生成され、この温水が循環する。

空調機５は、制御対象エリアから空調制御システムに戻る空気（還気）と外気との混合気を、冷温水が通過するコイル１１によって冷却または加熱し、この冷却または加熱された空気を給気として送風機１２を介して制御対象エリアに送り込む。空調機５は、冷房運転と暖房運転で共通のコイル１１を用いるシングルタイプの空調機であり、この空調機５へ循環させる冷温水の還水管路６に本発明に係る回転弁が流量制御バルブ８として設けられている。

〔実施の形態１〕
図２はこの空調制御システムに用いられている流量制御弁バルブ８の要部を示す図である。流量制御弁バルブ８は、空調機５を通過した冷温水が流入する流路を形成する管路１３と、この管路１３を流れる流体の流量（流路の開閉量）を調節する弁体１４と、この弁体１４に結合された弁軸１５と、この弁軸１５を回転させるモータ１６と、このモータ１６の駆動軸１６−１に連結された弁軸１５の回転位置（駆動軸１６−１付近の回転位置）から弁体１４の実開度θｐｖを検出する弁開度検出器１７と、管路１３内の弁体１４の１次側の流体の圧力を１次圧力Ｐ１として検出する１次側圧力センサ１８と、管路１３内の弁体１４の２次側の流体の圧力を２次圧力Ｐ２として検出する２次側圧力センサ１９と、処理部２０とを備えている。

処理部２０は、弁開度制御部２０Ａと、差圧検出部２０Ｂと、弁開度設定値補正部２０Ｃと、補正テーブル記憶部２０Ｄとを備えている。弁開度設定値補正部２０Ｃは、設定値補正部２０Ｃ１と、補正値取得部２０Ｃ２とを備えている。

差圧検出部２０Ｂは、１次側圧力センサ１８からの流体の１次圧力Ｐ１と、２次側圧力センサ１９からの流体の２次圧力Ｐ２とを入力とし、１次圧力Ｐ１と２次圧力Ｐ２との差圧を弁体１４の前後差圧ΔＰとして検出する。なお、１次側圧力センサ１８及び２次側圧力センサ１９の代わりに差圧センサを設けて差圧ΔＰを差圧センサによって直接検出することも可能である。

補正テーブル記憶部２０Ｄには、弁体１４の開度と弁体１４の前後差圧との組み合わせに対応した弁開度補正値αを示す補正テーブルＴＡ（図３参照）が記憶されている。この補正テーブルＴＡにおいて、弁開度補正値αは、実験によって求められた値であり、弁体１４の開度と弁体１４の前後差圧とに対応する弁軸１５のねじれ量を開度〔％ＦＳ〕で表した値である。

なお、補正テーブルＴＡにおいて、弁軸１５のねじれ量を示す弁開度補正値αは、他にも角度〔゜〕、動作時間〔ｓ〕、動作量〔ｍｍ〕、制御信号量〔ＶやＡ〕などで表した値としてもよい。この実施の形態では、弁軸１５のねじれ量を％ＦＳ（フルスケールに対する割合）で表した開度値とする。

また、本実施の形態において、処理部２０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。

以下、処理部２０における弁開度制御部２０Ａおよび弁開度設定値補正部２０Ｃの機能を交えながら、この流量制御弁バルブ８における特徴的な処理動作について説明する。

なお、この例では、制御対象エリアの温度を設定温度に保つべく、０〜１００％の値をとる設定開度（弁開度設定値）θｓｐが空調制御装置１０より流量制御弁バルブ８へ与えられるものとする。

流量制御弁バルブ８において、空調制御装置１０からの弁開度設定値θｓｐは、弁開度設定値補正部２０Ｃを通してθｓｐ’とされ、弁開度制御部２０Ａへ送られる。ここでは、説明を分かり易くするために、最初は弁開度設定値補正部２０Ｃでの補正値αを０と仮定し、弁開度設定値θｓｐがそのままθｓｐ’として弁開度制御部２０Ａへ送られるものとする。

弁開度制御部２０Ａは、弁開度検出器１７からの実開度θｐｖを弁開度実測値とし、この弁開度実測値θｐｖが弁開度設定値θｓｐ’（＝θｓｐ）に一致するように、モータ１６に指令を送る。これにより、弁軸１５が回転し、弁開度実測値θｐｖが弁開度設定値θｓｐ’（＝θｓｐ）に一致する（図４参照）。

しかし、この流量制御弁バルブ８では、流れる流体の圧力により弁軸１５にねじれが生じる。このため、弁開度検出器１７が弁軸１５の回転位置から検出する弁体１４の実開度（弁開度実測値）θｐｖと弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒとの間に誤差δが発生する。このため、弁体１４の実開度（弁開度実測値）θｐｖが所望の開度（弁開度設定値）θｓｐに一致したとしても、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間には誤差δが生じる。

しかし、本実施の形態では、弁開度制御部２０Ａの前段に弁開度設定値補正部２０Ｃが設けられており、この弁開度設定値補正部２０Ｃでの弁開度設定値θｓｐの補正によって、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に生じる誤差δが無くなるものとなる。以下、この弁開度設定値補正部２０Ｃでの弁開度設定値θｓｐの補正について説明する。

弁開度設定値補正部２０Ｃにおいて、補正値取得部２０Ｃ２は、入力される弁開度検出器１７によって検出された弁体１４の実開度θｐｖと差圧検出部２０Ｂによって検出された弁体１４の前後差圧ΔＰとに対応する弁開度補正値αを補正テーブルＴＡから取得し、この取得した弁開度設定値αを弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値αとして設定値補正部２０Ｃ１に送る。

設定値補正部２０Ｃ１は、補正値取得部２０Ｃ２から送られてきた弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値αで空調制御装置１０からの弁開度設定値θｓｐを補正し、この補正した弁開度設定値θｓｐを弁開度設定値θｓｐ’として弁開度制御部２０Ａへ送る。この例では、弁開度設定値θｓｐに弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値αを加算し、この補正値αを加算した弁開度設定値θｓｐを補正された弁開度設定値θｓｐ’（θｓｐ’＝θｓｐ＋α）とする。

弁開度制御部２０Ａは、弁開度検出器１７からの実開度θｐｖを弁開度実測値とし、この弁開度実測値θｐｖが補正された弁開度設定値θｓｐ’（＝θｓｐ＋α）に一致するようにモータ１６に指令を送る。

これにより、弁軸１５が回転し、弁開度実測値θｐｖが弁開度設定値θｓｐ’（＝θｓｐ＋α）に一致する（図５（ａ）参照）。この場合、弁体１４も弁軸１５の回転に伴って、弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値α分だけ回転する（図５（ｂ）参照）。これにより、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に生じる誤差δが無くなるものとなる。

例えば、図４に示した状態において、弁体１４の実開度θｐｖが５０％（θｓｐ＝５０％）、弁体１４の前後差圧ΔＰが３００ｋＰａである場合、補正値取得部２０Ｃ１では補正テーブルＴＡから弁開度補正値αとして０．１％ＦＳが取得され、設定値補正部２０Ｃ１で補正された弁開度設定値θｓｐ’はθｓｐ’＝θｓｐ＋α＝５０％＋０．１％＝５０.１％となる。その結果、弁体１４の実開度θｐｖが５０.１％となるまで、弁開度制御部２０Ａがモータ１６を駆動し、弁軸１５を回転させる。これにより、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒが所望の開度（弁開度設定値）θｓｐ＝５０％に一致するものとなる。

このように、本実施の形態によれば、弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値で弁開度設定値θｓｐを補正することにより、実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に発生する誤差δを無くすようにして、高精度な開度制御を実現することができるようになる。

なお、補正テーブルＴＡに設定する弁開度補正値αを開度〔％ＦＳ〕ではなく、角度〔゜〕、動作時間〔ｓ〕、動作量〔ｍｍ〕、制御信号量〔ＶやＡ〕などの他の値として表した場合でも、同様にして弁開度設定値θｓｐを補正することによって、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に生じる誤差δを無くすようにすることが可能である。

また、特許文献３や特許文献４などに示されているような上下流の圧力センサを配置した流量制御バルブに本発明を適用すれば、専用のセンサや検出用の回路を持つ必要がなくなり、ハードウェアによるコストアップが無く、開度制御の高精度化が実現できる。

〔実施の形態２〕
図２に示した例（実施の形態１）では、補正テーブル記憶部２０Ｄに記憶させる補正テーブルを１つとしているが、図６に実施の形態２として示すように、弁開度設定値θｓｐの変更方向を考慮し、閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）ＴＡ１（図７（ａ）参照）と開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）ＴＡ２（図７（ｂ）参照）の２つの補正テーブルを補正テーブル記憶部２０Ｄに記憶させるようにしてもよい。

この場合、閉方向変更用の補正テーブルＴＡ１には、弁体１４の開度と弁体１４の前後差圧との組み合わせに対応した第１の弁開度補正値α１を設定するものとし、この第１の弁開度補正値α１の各々を負の値（マイナス値）とする。また、開方向変更用の補正テーブルＴＡ２には、弁体１４の開度と弁体１４の前後差圧との組み合わせに対応した第２の弁開度補正値α２を設定するものとし、この第２の弁開度補正値α２の各々を正の値（プラス値）とする。

また、補正値取得部２０Ｃ２において、弁開度設定値θｓｐの変更方向を判断するようにし、弁開度設定値θｓｐが減少する方向（閉方向）に変更された場合には、弁開度検出器１７によって検出された弁体１４の実開度θｐｖと差圧検出部２０Ｂによって検出された弁体１４の前後差圧ΔＰとに対応する第１の弁開度補正値α１を閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）ＴＡ１から取得するようにする。また、弁開度設定値θｓｐが増大する方向（開方向）に変更された場合には、弁開度検出器に１６よって検出された弁体の実開度θｐｖと差圧検出部２０Ｂによって検出された弁体１４の前後差圧ΔＰとに対応する第２の弁開度補正値α２を開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）ＴＡ２から取得するようにする。そして、取得した第１の弁開度設定値α１あるいは第２の弁開度設定値α２を弁開度設定値αとして設定値補正部２０Ｃ１に送るようにする。

なお、閉方向変更用の補正テーブルＴＡ１における第１の弁開度補正値α１の各々をマイナス値とし、開方向変更用の補正テーブルＴＡ２における第２の弁開度補正値α２の各々をプラス値とするのは、次のような理由による。

図８（ａ）に開度設定値θｓｐを例えば６０％から５０％へ変更する場合の図４に対応する図を示す。この場合、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に誤差δが生じ、この誤差δを無くすためには弁開度設定値θｓｐ＝５０％を減少させる必要がある。このため、第１の弁開度補正値α１をマイナス値として、弁開度設定値θｓｐを減少させるようにする。

図８（ｂ）に開度設定値θｓｐを例えば４０％から５０％へ変更する場合の図４に対応する図を示す。この場合、弁体１４の実際の開度（弁開度実値）θｐｒと所望の開度（弁開度設定値）θｓｐとの間に誤差δが生じ、この誤差δを無くすためには弁開度設定値θｓｐ＝５０％を増大させる必要がある。このため、第２の弁開度補正値α２をプラス値として、弁開度設定値θｓｐを増大させるようにする。

なお、実施の形態１（図２に示した例）において、弁開度設定値θｓｐの変更方向を考慮するものとした場合、設定値補正部２０Ｃ１において弁開度設定値θｓｐの変更方向を判断するようにし、弁開度設定値θｓｐが減少する方向に変更された場合には、弁開度設定値θｓｐに補正値αをマイナス値として加えるようにし、弁開度設定値θｓｐが増大する方向に変更された場合には、弁開度設定値θｓｐに補正値αをプラス値として加えるようにすればよい。

また、上述した実施の形態では、弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値を弁体１４の実開度θｐｖと弁体１４の前後差圧ΔＰとに対応する値としたが、必ずしも弁体１４の実開度θｐｖと弁体１４の前後差圧ΔＰとに対応する値としなくてもよい。

例えば、弁軸１５のねじれ量は、弁体１４の開度とねじれ量との関係（図９参照）や弁体１４の前後差圧とねじれ量との関係（図１０参照）から知ることも可能である。このような関係を利用し、弁体１４の実開度θｐｖに対応する値として弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値を定めるようにしたり、弁体１４の前後差圧ΔＰに対応する値として弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値を定めるようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、弁軸１５のねじれ量を考慮した補正値をテーブルから取得する（テーブル方式）ようにしたが、式を定めて計算によって求める（算術方式）ようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、空調制御システムにおける使用例として説明したが、工業分野への応用が可能である。特に、プロセス制御の流量制御システムに適用可能である。また、流体も冷水・温水に限らず、気体など様々な流体に応用が可能である。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

８…流量制御バルブ（回転弁）、１３…管路、１４…弁体、１５…弁軸、１６…モータ、１７…弁開度検出器、１８…１次側圧力センサ、１９…２次側圧力センサ、２０…処理部、２０Ａ…弁開度制御部、２０Ｂ…差圧検出部、２０Ｃ…弁開度設定値補正部、２０Ｃ１…設定値補正部、２０Ｃ２…補正値取得部、２０Ｄ…補正テーブル記憶部、ＴＡ…補正テーブル、ＴＡ１…閉方向変更用の補正テーブル（第１の補正テーブル）、ＴＡ２…開方向変更用の補正テーブル（第２の補正テーブル）。

Claims

流体が流れる流路の開閉量を調節する弁体と、
前記弁体に結合された弁軸と、
前記弁軸を回転させる駆動部と、
前記弁軸の回転位置から前記弁体の実開度を検出する弁開度検出器と、
前記弁開度検出器によって検出される前記弁体の実開度を弁開度実測値とし、この弁開度実測値が弁開度設定値に一致するように前記駆動部による前記弁軸の回転量を制御する弁開度制御部と、
前記弁開度設定値を前記弁軸のねじれ量を考慮した補正値で補正する弁開度設定値補正部と
を備えることを特徴とする回転弁。
請求項１に記載された回転弁において、
前記弁体の１次側の流体の圧力と２次側の流体の圧力との差圧を弁体の前後差圧として検出する差圧検出部を備え、
前記弁開度設定値補正部は、
前記弁開度検出器によって検出された弁体の実開度と前記差圧検出部によって検出された弁体の前後差圧とに基づいて前記弁軸のねじれ量を考慮した補正値を求め、この求めた補正値で前記弁開度設定値を補正する
ことを特徴とする回転弁。
請求項２に記載された回転弁において、
前記弁体の開度と前記弁体の前後差圧との組み合わせに対応した弁開度補正値を示す補正テーブルを備え、
前記弁開度設定値補正部は、
前記弁開度検出器によって検出された弁体の実開度と前記差圧検出部によって検出された弁体の前後差圧とに対応する弁開度補正値を前記補正テーブルから取得し、この取得した弁開度補正値を前記弁軸のねじれ量を考慮した補正値とする
ことを特徴とする回転弁。
請求項２に記載された回転弁において、
前記弁体の開度と前記弁体の前後差圧との組み合わせに対応した第１の弁開度補正値を示す第１の補正テーブルと、
前記弁体の開度と前記弁体の前後差圧との組み合わせに対応した第２の弁開度補正値を示す第２の補正テーブルとを備え、
前記弁開度設定値補正部は、
前記弁開度設定値が減少する方向に変更された場合には、前記弁開度検出器によって検出された弁体の実開度と前記差圧検出部によって検出された弁体の前後差圧とに対応する第１の弁開度補正値を前記第１の補正テーブルから取得し、
前記弁開度設定値が増大する方向に変更された場合には、前記弁開度検出器によって検出された弁体の実開度と前記差圧検出部によって検出された弁体の前後差圧とに対応する第２の弁開度補正値を前記第２の補正テーブルから取得し、
この取得した弁開度補正値を前記弁軸のねじれ量を考慮した補正値とする
ことを特徴とする回転弁。
請求項４に記載された回転弁において、
前記第１の補正テーブルに設定されている第１の弁開度補正値の各々は負の値であり、
前記第２の補正テーブルに設定されている第２の弁開度補正値の各々は正の値である
ことを特徴とする回転弁。