JP6640510B2

JP6640510B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP6640510B2
Application number: JP2015190721A
Authority: JP
Inventors: 克通平岡
Original assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Current assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP2017067110A

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

従来、流量制御弁としては、流路を開閉する弁体を備え、電動機により弁体を回転駆動させ流体の流量を制御するように構成したものがある。また、流量制御弁は、弁体の全閉位置をマイクロスイッチにより電気的に検出し、電動機により弁体を回転駆動する際に、マイクロスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて電動機の駆動を制御している。かかる流量制御弁に関する技術としては、例えば、特許文献１や特許文献２等に開示されたものが既に提案されている。

特許文献１は、弁を開閉させるための電動バルブアクチュエータにおいて、ロータとステータとを備え、弁を開放位置と閉止位置との間で往復移動させるモータと、前記モータにおけるロータに接続され、前記モータによる回転運動を、弁に接続された移動部材を往復移動させるための往復運動に変換する変換部材と、前記移動部材を、弁が閉止位置に移動する方向に付勢する弾性部材と、回生抵抗と、前記モータへの給電が停止されたときに、前記モータに前記回生抵抗を接続させる接続回路と、を備えるように構成したものである。

また、特許文献１は、給電が停止されることにより前記開放位置から前記閉止位置に向けて移動を開始した弁が、前記閉止位置に到達する前の所定位置に到達したことを検出する検出部材を備え、検出部材は、前記弁が前記所定位置に到達したときに、前記移動部材に付設された検出片と当接することにより開放されるマイクロスイッチより構成される態様を含んでいる。

特許文献２は、第１の流体を別個に流通するための第１および第２の室と、前記第１および第２の室を仕切り、かつ前記第１および第２の室に流通する前記第１の流体の圧力差によって変形可能なダイヤフラムと、一方端および他方端を有し、前記一方端側に前記ダイヤフラムが接続され、かつ前記ダイヤフラムの変形によって軸方向に移動可能な弁ロッドと、第２の流体を流通するための流路と、前記流路に通じる通路と、前記通路の周囲に設けられた弁座とを有する弁本体と、前記流路内において前記弁ロッドの前記他方端側に配置され、前記弁ロッドの移動により前記弁座に離着することによって前記通路を開閉可能な弁体と、前記弁ロッドに接続され、前記弁ロッドの軸方向の移動を検知する移動検知装置とを備え、前記弁体は、それぞれが凸状に形成された第１および第２の閉止部を含み、前記第１の閉止部は、前記第２の閉止部よりも前記弁座側に突出するように構成されており、前記第１および第２の閉止部の双方は、前記弁座に着座するように構成されており、前記移動検知装置は、前記第１の閉止部が前記弁座に着座したときに前記弁ロッドの軸方向の移動を検知するように構成したものである。

また、特許文献２は、前記移動検知装置が、前記弁ロッドの軸方向の移動をマイクロスイッチのオンオフで検知するように構成した態様をも含んでいる。

特開２０１３−７９７３０号公報特開２０１５−８３８５９号公報

本発明は、弁体の位置をマイクロスイッチにより検出する場合に比較して、弁体の回転角の検出精度を向上させ、流体の流量を精度良く制御することが可能な流量制御弁を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、流体の流量を制御する弁体と、前記弁体と一体に回転する回転軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転角を検出する角度検出手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた流量制御弁において、
前記回転軸に対して直交するよう配置される基準面を備え、
前記基準面の前記回転軸を挟んだ両側に一対の直方体形状に形成された支柱部材をそれぞれ配置するとともに、前記一対の支柱部材の上端に取付用基板を前記基準面に対して平行に配置し、
前記取付用基板の前記回転軸に対応した位置に前記角度検出手段を取り付けるとともに、前記回転軸の上端部を前記角度検出手段の作動部に挿入することで直接接続したことを特徴とする流量制御弁である。

請求項２に記載された発明は、流体の流量を制御する弁体と、前記弁体と一体に回転する回転軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転角を検出する角度検出手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた流量制御弁において、
前記回転軸に対して直交するよう配置される第１の取付用基板を備え、
前記第１の取付用基板の前記回転軸を挟んだ両側に一対の直方体形状に形成された支柱部材をそれぞれ配置するとともに、前記一対の支柱部材の上端に第２の取付用基板を前記第１の取付用基板に対して平行に配置し、
前記第２の取付用基板の前記回転軸に対応した位置に前記角度検出手段を取り付けるとともに、前記回転軸の上端部を前記角度検出手段の作動部に挿入することで直接接続したことを特徴とする流量制御弁である。

請求項３に記載された発明は、前記一対の支柱部材の上端面及び下端面と前記第１及び第２の取付用基板には、前記回転軸と平行に位置決めピンを挿入する挿入孔がそれぞれ開口され、前記第１及び第２の取付用基板は、前記挿入孔に挿入される位置決めピンによって位置決めされることを特徴とする請求項２に記載の流量制御弁である。

請求項４に記載された発明は、前記弁体は、前記回転軸の回転角に応じて直線状に流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御弁である。

請求項５に記載された発明は、前記制御手段は、前記弁体が全閉位置に位置する際における前記角度検出手段の第１の検出値、及び前記駆動手段を所定量だけ駆動した際における前記角度検出手段の第２の検出値を予め記憶していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流量制御弁である。

本発明によれば、弁体の位置をマイクロスイッチにより検出する場合に比較して、弁体の回転角の検出精度を向上させ、流体の流量を精度良く制御することが可能な流量制御弁を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る流量制御弁を示す断面構成図である。同図（ａ）は弁体を示す断面構成図、同図（ｂ）は弁体の動作を示すグラフである。角度センサを示す構成図である。回転軸と角度センサの取付構造を示す分解構成図である。回転軸と角度センサの取付構造を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の制御回路を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の制御回路を示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示す構成図である。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の動作を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

[実施の形態１]
図１は本発明の実施の形態１に係る流量制御弁の一例としての流量制御用モータバルブを示す断面図である。

流量制御用モータバルブ１は、回転型２方向弁として構成されている。流量制御用モータバルブ１は、図１に示すように、大別して、下部に配置されたバルブ部２と、上部に配置されたアクチュエータ部３と、バルブ部２とアクチュエータ部３の間に配置されたシール部４及びカップリング部５とから構成されている。

バルブ部２は、ＳＵＳ等の金属により略直方体状に形成されたバルブ筐体６を備えている。バルブ筐体６には、その下端面に水等の流体が流入する円筒状の流入口７が開口されている。また、バルブ筐体６には、その一側面（図中左側面）に流体が流出する円筒状の流出口８が開口されている。流入口７及び流出口８は、例えば、その口径が直径１２．７ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／２に設定される。但し、流入口７及び流出口８の口径は、これに限定されるものではなく、他のサイズに設定しても勿論良い。流体としては、例えば、圧力が０〜１ＭＰａ、温度が０〜８０℃の温度制御用媒体としての水が用いられる。バルブ筐体６の内部には、流入口７と流出口８を連通する流路９を開閉することにより流体の流量を制御する略円柱形状の弁体１０が回転自在に収容されている。弁体１０の上端部には、円柱形状の弁軸１１が一体に設けられている。弁体１０は、図２（ａ）に示すように、その回転角に応じて流路９の開閉面積を調節することにより、同図（ｂ）に示すように、流体の流量係数（例えばＣｖ値）をリニア（直線状）に制御するよう構成されている。なお、弁軸１１は、弁体１０と一体に設けずに、弁体１０と別体として構成した後に結合しても良い。

シール部４は、弁軸１１を液密状態に密封するものである。シール部４は、ＳＵＳ等の金属によって弁軸１１を挿通する挿通孔１３を有する円筒形状に形成されたシール筐体１４を有している。シール筐体１４は、バルブ筐体６の上端面に設けられた円柱形状の凹部１４ａにシール剤を塗布した状態で挿入固定されるか、外周に設けられた図示しない雄ネジ部によりシール部材１５を介して凹部１４ａに螺着される等の手段によりバルブ筐体６に密封された状態で装着される。シール筐体１４の内周面には、弁軸１１を密封するＯリング等からなる２つの環状のシール部材１６，１７が上下に配置されている。シール部材１６，１７としては、例えば、耐熱性、耐油性、耐候性に優れた水素化されたアクリロニトリル・ブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）製のＯリングが用いられる。また、上部のシール部材１６は、断面矩形に形成された環状の押圧部材１８によって押圧されている。

カップリング部５は、シール部４が内蔵されたバルブ筐体６とアクチュエータ部３との間に配置されている。カップリング部５は、弁軸１１と当該弁軸１１を介して弁体１０を一体に回転させる回転軸２０とを連結するためのものである。カップリング部５は、シール部４とアクチュエータ部３の間に配置されたスペーサ部材２１と、スペーサ部材２１に形成された円柱形状の凹部２２に収容され、弁軸１１と回転軸２０とを連結するカップリング部材２３とから構成されている。スペーサ部材２１は、ＳＵＳ等の金属によりバルブ本体６と略同一の平面形状を有する比較的薄い板状に形成されている。スペーサ部材２１は、ネジ止め等の手段によってバルブ本体６に固定される。カップリング部材２３は、金属や耐熱性を有する合成樹脂等により円筒形状に形成されたものである。弁軸１１の上端には、水平方向に沿って貫通するように凹溝２４が設けられている。そして、弁軸１１は、カップリング部材２３に貫通するように設けられた連結ピン２５により凹溝２４を介してカップリング部材２３に連結固定されている。一方、回転軸２０の下端部は、カップリング部材２３と連結ピン（例えばスプリングピン）２６によって連結固定されている。スペーサ部材２１は、シール部材１６、１７から液体が漏洩した際、挿通孔１３を通じて漏洩した液体を検知するための開口部２７を有している。開口部２７は、例えば、その口径が直径約３．２ｍｍのテーパー付き雌ネジであるＲｃ１／８に設定される。

アクチュエータ部３は、上端面が全面にわたり開口した平面矩形の高さが相対的に低い箱体状に形成された筐体３０と、下端面が筐体３０と同一形状に開口した平面矩形の高さが相対的に高い箱体状に形成された蓋体３１とを備えている。アクチュエータ部３の筐体３０は、ＳＵＳ等の金属からなり、カップリング部５又はバルブ部２に図示しないネジ止め等の手段により取り付けられている。アクチュエータ部３の筐体３０には、当該筐体３０の底壁３２に一体的に設けられた軸受部３３及び軸受部材３４を介して回転軸２０の下端部が回転自在に保持されている。回転軸２０は、筐体３０の底壁３２に対して直交するよう配置されている。

アクチュエータ部３の筐体３０には、その上端の開口部に位置するように第１の取付用基板３５が設けられている。第１の取付用基板３５の表面は、基準面を構成している。なお、基準面は、第１の取付用基板３５の表面から構成せずに、筐体３０の開口部の内周に設けられたフランジ部等から構成しても良い。第１の取付用基板３５は、筐体３０の底壁３２又は筐体３０の開口部に設けられた図示しないフランジ部に図示しないネジ止め等の手段で固定されている。また、第１の取付用基板３５は、筐体３０の外側の底面３２ａに平行に配置されている。第１の取付用基板３５には、回転軸２０が軸受部材３６を介して回転自在に支持されている。その結果、第１の取付用基板３５は、回転軸２０に対して直交するように配置されている。回転軸２０には、その軸方向に沿った中間位置に外径が僅かに大きく形成されたフランジ部３７が設けられている。フランジ部３７は、軸受部材３６の下端面に接触している。

第１の取付用基板３５には、回転軸２０を回転駆動する駆動手段の一例としての駆動モータ４０が取り付けられている。駆動モータ４０としては、ステッピングモータを使用することが好ましい。また、筐体３０の底壁３２と第１の取付用基板３５との間には、駆動モータ４０の回転駆動力を減速するとともにトルクを増加させて回転軸２０に伝達する減速機４１が配設されている。減速機４１は、駆動モータ４０の出力軸に固定された出力ギア４２と、出力ギア４２と噛み合う第１の従動ギア４３と、第１の従動ギア４３と同軸に設けられた第２の従動ギア４４と、第２の従動ギア４４と図示しない中間ギアを介して噛み合う直径の大きな第３の従動ギア４５と、第３の従動ギア４５と同軸に設けられた第４の従動ギア４６と、第４の従動ギア４６と噛み合う回転軸２０に取り付けられた駆動ギア４７等から、所定の減速比に応じて回転軸２０を回転するよう構成されている。第１及び第２の従動ギア４３，４４の回転軸は、軸受部材４８を介して筐体３０の底壁３２及び第１の取付用基板３５にそれぞれ回転自在に支持されている。また、第３及び第４の従動ギア４５，４６の回転軸は、軸受部材４９を介して筐体３０の底壁３２及び第１の取付用基板３５にそれぞれ回転自在に支持されている。

第１の取付用基板３５の上部には、支柱部材の一例としての一対の支柱ブロック５１，５２を介して第２の取付用基板５３が第１の取付用基板３５と平行に設けられている。第２の取付用基板５３には、回転軸２０の回転角を検出する角度検出手段の一例としての角度サンサ５０が取り付けられている。角度サンサ５０は、図３（ａ）に示すように、その中央に回転軸２０の上端部が直接接続される平面円形状の作動部５４を備えている。角度サンサ５０の作動部５４には、Ｄカット面や２面取り等が設けられた回転軸２０の上端部を挿入することで直接接続されるように構成されている。なお、角度サンサ５０としては、非接触式のものであっても良い。本実施の形態における直接接続との文言は、回転軸２０の上端部が角度サンサ５０の作動部５４に非接触状態で挿入される場合をも含む（角度センサが変形する虞を有するため、回転軸２０の上端部は通常接触させない）。角度サンサ５０は、３つの端子＃１，＃２，＃３を有しており、第１及び第３の端子＃１，＃３間に所定の電圧を印加することにより、図３（ｂ）に示すように、第２の端子＃２から出力される出力電圧が回転軸２０の回転角に応じてリニア（直線状）に変化することにより、回転軸２０の回転角θを検出する。

角度センサ５０は、図３（ａ）に示すように、その基準となる取付面５５が第２の基板５１の表面に接触するように取付孔５６を介してネジ止め等の手段により固定されている。角度センサ５０としては、その検出精度が例えば１０〜６０分（０．１〜０．６°）程度のものが使用されるが、これに限定されるものではない。図１中、符号５７は、角度センサ５０の端子＃１，＃２，＃３に接続された配線ケーブルを示している。角度センサ５０としては、種々のものが使用可能である。

一対の支柱ブロック５１，５２は、図４に示すように、ＳＵＳ等の金属からなり、同一の高さＨを有し且つ上端面５１ａ，５２ａと下端面５１ｂ，５２ｂが平行に形成された直方体状の部材からなる。一対の支柱ブロック５１，５２の上端面５１ａ，５２ａ及び下端面５１ｂ，５２ｂと第１及び第２の取付用基板３５，５３には、図５に示すように、回転軸２０と平行となるように、当該回転軸２０から等しい距離だけ離れた位置に位置決めピン５８，５９を挿入する挿入孔５１ｃ，５２ｃ，５１ｄ，５２ｄ及び６０，６１がそれぞれ開口されている。そして、第１及び第２の取付用基板３５，５３は、挿入孔５１ｃ，５２ｃ，５１ｄ，５２ｄ及び６０，６１にそれぞれ挿入される位置決めピン５８，５９によって位置決めされることで互いに平行に配置されている。また、一対の支柱ブロック５１，５２は、当該支柱ブロック５１，５２に埋設された長尺な第１の取付ネジ６２によって第１の取付用基板３５に固定されている。また、一対の支柱ブロック５１，５２は、当該支柱ブロック５１，５２に挿通された長尺な第２の取付ネジ６３によって第１の取付用基板３５及び第２の取付用基板５３に固定されている。

さらに、第２の取付用基板５３の上部には、図１に示すように、流量制御用モータバルブ１を制御する制御基板７０が設けられている。制御基板７０は、第２の取付用基板５３にネジ７１，７２等により立設された複数本の支持パイプ７３，７４等を介して取り付けられている。

図６は制御基板を示すブロック図である。

制御基板７０は、図６に示すように、角度センサ５０からの検出信号が入力される角度センサ入力部７５と、駆動モータ４０を駆動するモータ出力部７６と、流量制御用モータバルブ１を使用するユーザが操作する外部装置７７の電源７８から所要の電力が供給される電源入力部７９と、外部装置７７の調節計８０から基準電流等が入力される調節計入力部８１と、流量制御用モータバルブ１の開度に応じた開度出力電流を出力する開度出力部８２と、流量制御用モータバルブ１が正常な状態か否かを示す信号を出力するオープンコレクタ出力部８３を備えている。また、角度センサ入力部７５は、角度センサ５０から出力される出力電圧をデジタル信号に変化する図示しないＡ／Ｄ変換器を有している。

また、制御基板７０は、図７に示すように、外部装置７７の調節計８０からの指示に基づいて後述するように、設定モード及び動作モードを実行する制御手段としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１と、ＣＰＵ１０１で実行する設定モード及び動作モードのプログラムを予め記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）１０２と、ＣＰＵ１０１で実行されたパラメータ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）１０３と、これらＣＰＵ１０１やＲＯＭ１０２等を接続するバス１０４と、ＣＰＵ１０１と角度センサ入力部７５、モータ出力部７６、調整計入力部８１、開度出力部８２及びオープンコレクタ出力部８３とを図示しない切替回路などを介して接続するインタフェース部１０５などを備えている。なお、ＣＰＵ１０１は、図示しないコントローラにより操作される。

＜流量制御用モータバルブの動作＞
本実施の形態に係る流量制御用モータバルブでは、次のようにして流体の流量が制御される。

流量制御用モータバルブ１は、組立時、バルブ部２の流路９の面積が可能な限り最小となるよう機械的に調整する操作が行われる。具体的には、流量制御用モータバルブ１に外部装置７７の電源７８から電源入力部７９を介して電力を供給する以前に、図１及び図２に示すように、バルブ部２の弁体１０が流路９を閉塞した全閉位置に位置するように調整される。この操作は、図１に示すように、連結ピン２５の位置を治具によって固定し、その状態でバルブ部２を組み合わせることで弁体１０が流路９を閉塞した位置になるように調整することで実行される。このとき、弁体１０の全閉位置は、流体の流量が最小となる位置であるとともに、弁体１０が所定方向（開方向）に回転を開始したときに流体の流量が増加する開始点となる位置であり、精度良く位置合わせされる必要がある。

次に、流量制御用モータバルブ１では、図８に示すように、設定モードが実行されて各種の値がＲＡＭ１０３に記憶された後、当該流量制御用モータバルブ１により流体の流量を制御する実動作モードが実行される。設定モードは、角度センサ５０のｍｉｎ／ｍａｘ設定と、調節計８０のｍｉｎ／ｍａｘ設定と、Ｄ／Ａ出力のｍｉｎ／ｍａｘ設定とからなる。また、実動作モードは、クローズループ制御又はオープンループ制御のいずれかからなる。

角度センサ５０のｍｉｎ／ｍａｘ設定は、図９に示すように、ＣＰＵ１０１が制御基板７０の電源投入直後における角度センサ５０の出力電圧の値を角度センサ入力部７５を介して読み出し、読み出した角度センサ５０の原点位置である出力電圧値（デジタル値）をＲＡＭ１０３に記憶する（ステップ１０１）。次に、ＣＰＵ１０１は、モータ出力部７６から駆動モータ４０に対して所定数の駆動パルスを出力し、減速機４１を介して回転軸２０を回転駆動させる。その後、ＣＰＵ１０１は、回転後の角度センサ５０の出力電圧値を読み出し、読み出した出力電圧値をＲＡＭ１０３に全開位置の値として記憶し（ステップ１０３）、当該角度センサのｍｉｎ／ｍａｘ設定動作を終了する。

このように、流量制御用モータバルブ１では、角度センサ５０のｍｉｎ／ｍａｘ設定動作を実行することにより、図１０に示すように、駆動モータ４０に対する出力パルスがゼロのとき弁体１０が全閉位置（原点位置）に位置し、原点位置における角度センサ５０の出力値が記憶されるとともに、駆動モータ４０に対する出力パルスが固定された所定数（最大値）のとき弁体１０が全開位置に位置し、全開位置における角度センサ５０の出力値が記憶されることで校正される。そのため、流量制御用モータバルブ１の弁体１０の位置や角度センサ５０の取付位置などに誤差が存在する場合であっても、図３（ｂ）に示すように、駆動モータ４０に対する出力パルスがゼロのときの角度センサ５０の出力値と、駆動モータ４０に対する出力パルスが最大値のときの角度センサ５０の出力値とが、常に一対一に対応し、弁体１０に一体的に取り付けられた回転軸２０の回転角が精度良く検出可能となる。

調節計８０のｍｉｎ／ｍａｘ設定は、図１１に示すように、外部装置７７の調節計８０から調節計入力部８１を介して予め定められた最小値の入力電流を制御基板７０に入力し、ＣＰＵ１０１は、当該電流値をＲＡＭ１０３に記憶する（ステップ２０１）。次に、外部装置７７の調節計８０から調節計入力部８１を介して予め定められた最大値の入力電流を制御基板７０に入力し、ＣＰＵ１０１は、当該電流値をＲＡＭ１０３に記憶する（ステップ２０２）。この調節計８０のｍｉｎ／ｍａｘ設定は、図１２に示すように、外部装置７７の調節計８０から入力する入力電流を弁体１０の全閉位置と全開位置に一致させるための動作である。即ち、外部装置７７の調節計８０から入力する入力電流が最小値のとき弁体１０が全閉位置となり、外部装置７７の調節計８０から入力する入力電流が最大値のとき弁体１０が全開位置となるように校正される。

Ｄ／Ａ出力のｍｉｎ／ｍａｘ設定は、図１３及び図１４に示すように、制御基板７０の開度出力部８２からの出力電流を調整計入力部８１に直接入力し、制御基板７０の開度出力部８２からの出力電流が調整計入力部８１に設定された入力電流と等しくなるように設定するものである。制御基板７０の開度出力部８２は、角度センサ入力部７５に入力する角度センサ５０からの出力電圧に応じて、弁体１０の開度（回転角）に応じた出力電流を外部装置７７に出力し、外部装置７７においてフィードバック制御などを実行する際に使用される。

ＣＰＵ１０１は、図１４に示すように、開度出力部８２からの所定の出力電流を出力し（ステップ３０１）、開度出力部８２からの調整計入力部８１に入力される出力電流が予め設定された最小値及び最大値にそれぞれ等しいか否かを判定し（ステップ３０２）、開度出力部８２からの出力電流と調整計入力部８１に入力されＲＯＭ１０３に記憶された最小値及び最大値との差が許容範囲以内となるまで、開度出力部８２からの出力電流を調整する動作を繰り返し、両者が等しくなった（誤差が許容範囲以内となった）時点で当該Ｄ／Ａ出力のｍｉｎ／ｍａｘ設定動作を終了する。このＤ／Ａ出力のｍｉｎ／ｍａｘ設定は、上述した調節計８０のｍｉｎ／ｍａｘ設定と併せることで、外部装置７７の調節計８０から入力する入力電流と、当該入力電流に応じて駆動モータ４０を駆動した場合における角度センサ５０からの出力電圧に対応した開度出力部８２からの所定の出力電流とを常に一対一に精度良く対応させることが可能となる。

その後、流量制御用モータバルブ１では、図８に示すように、実動作モードが実行される。実動作モードは、オープンループ制御又はクローズループ制御のいずれかが実行される。

流量制御用モータバルブ１は、オープンループ制御又はクローズループ制御のいずれにおいても、図１９に示すように、ステッピングモータ４０により減速機４１及びカップリング部５を介して弁軸１１を駆動するとともに、回転軸２０の回転角が角度センサ５０により検出される。また、流量制御用モータバルブ１は、図２０に示すように、調節計８０からの信号を制御基板７０が受け（ステップ４０１）、制御基板７０からモータ出力部７６を介して駆動モータ４０に駆動パルス信号を出力する（ステップ４０２）。これに伴って、駆動モータ４０が回転し、減速機４１に駆動力が伝達され（ステップ４０３）、角度センサ５０の回転軸２０と弁軸１１が回転する（ステップ４０４）。

その後、流量制御用モータバルブ１では、弁軸１１の回転に伴って開口部である流路９の面積が変化し（ステップ４０５）、図２１（ａ）に示すように、調節計８０から出力される出力電流を調節することにより流路９の開口面積に応じて流量係数Ｃｖ値が変化する（ステップ４０６）。このとき、調節計８０から出力される出力電流が最小値である場合、流量係数Ｃｖ値がゼロとなることが理想であるが、流量係数Ｃｖ値が完全にゼロとならずに約５％程度の値に留まることがある。このように、流量係数Ｃｖ値の最小値が約５％程度の値に止まる場合であっても許容される。

また、流量制御用モータバルブ１では、図２０に示すように、角度センサ５０の回転軸２０の回転角に伴って角度センサ５０の出力電圧が変化し（ステップ４０７）、図２１（ｂ）に示すように、制御基板７０の開度出力部８２から出力される出力電流の値が変化する（ステップ４０８）。

＜オープンループ制御＞
実動作モードをオープンループ制御で実行する場合には、図１５に示すように、流量制御用モータバルブ１に外部装置７７の調節計８０から流量を制御するため出力電流が入力される。外部装置７７の調節計８０から入力された電流に基づいて制御基板７０から駆動モータ４０に駆動パルスが出力され、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、入力電流に応じたモータパルス数の位置に弁体１０が回動し、調節計８０からの入力電流に応じた流量係数Ｃｖ値に制御される。また、流量制御用モータバルブ１は、弁体１０の位置での角度センサ５０の電圧に応じて、開度出力部８２より出力電流が出力される。

その際、流量制御用モータバルブ１が未調整状態の場合には、外部装置７７の調節計８０から出力される出力電流と、制御基板７０の調節計入力部８１に入力されて当該制御基板７０で検出される入力電流との間にずれが存在すると、外部装置７７の調節計８０から例えば弁体１０の全閉位置に相当する電流を出力しても、制御基板７０の調節計入力部８１で検出される入力電流が弁体１０の全閉位置に相当する電流と等しくならない場合が生じる。

これに対して、本実施の形態では、図１２に示すように、外部装置７７の調節計８０から出力される最小値の出力電流及び最大値の出力電流が制御基板７０のＲＯＭ１０３に予め記憶されている。そのため、外部装置７７の調節計８０から最小値の出力電流を出力することにより、制御基板７０は、弁体１０の全閉位置であることを検出し、駆動モータ４０に出力する駆動パルスをゼロの位置に設定する。また、外部装置７７の調整計８０から最大値の出力電流を出力することにより、制御基板７０は、弁体１０の全開位置であることを検出し、駆動モータ４０に出力する駆動パルスを最大値の位置に設定する。さらに、外部装置７７の調節計８０から所定の出力電流を出力することにより、制御基板７０は、図１６（ａ）に示すように、当該所定の出力電流に応じた数の駆動パルスを駆動モータ４０に出力する。

したがって、本実施の形態に係る流量制御用モータバルブ１では、オープンループ制御で動作される場合、図１６（ｂ）に示すように、外部装置７７の調整計８０から出力される出力電流に応じた位置に弁体１０を回転させることができ、当該弁体１０の回転角に応じて決定される流量係数Ｃｖ値に基づいて流体の流量が制御される。

このとき、オープンループ制御においては、図１６（ａ）に示すように、調節計８０の出力電流に応じて駆動モータ４０に出力される駆動パルスが直線状に制御され、駆動モータ４０によって減速機４１を介して回転軸２０が安定して駆動される。また、オープンループ制御においては、図１６（ｂ）に示すように、角度センサ５０の出力が駆動モータ４０の駆動にフィードバックされないため、弁体１０の開放位置への駆動と、開閉位置から閉塞位置への駆動で流量係数Ｃｖ値が異なるというヒステリシス現象が現れる。

＜クローズループ制御＞
一方、本実施の形態に係る流量制御用モータバルブ１では、実動作モードをクローズループ制御で実行する場合、図１７に示すように、調節計８０から入力電流が制御基板７０の調節計入力部８１に入力される。

そして、制御基板８０のＣＰＵ１０１は、調節計８０からＲＡＭ１０３に記憶させた入力電流の最小値及び最大値のデジタル値と、角度センサ５０からＲＡＭ１０３に記憶させた原点位置の出力電圧及び全開位置の出力電圧のデジタル値に基づいてリニアな補正式を作成し、図１８に示すように、調節計８０からの入力電流に応じて角度センサ５０の出力電圧が不感帯内に収まるように駆動モータ４０を回動させる。ここで、不感帯とは、出力値の変化として感知できる変化を、まったく生じることのない入力変化の有限範囲をいう。

このように、クローズループ制御においては、駆動モータ４０の駆動に起因した回転軸２０の回転角を角度センサ５０によって検出し、当該角度センサ５０の出力電圧をフィードバックさせて駆動モータ４０の駆動量を制御することができるため、弁体１０の回転角を精度良く調整することが可能となる。

また、本実施の形態に係る流量制御用モータバルブ１では、図２２に示すように、駆動モータ４０の駆動を開始する際に出力する単位時間当たりの駆動パルスを減少させて低速で駆動するように構成されている。その後、駆動モータ４０の駆動を開始した後は、通常の速度で単位時間当たりの駆動パルスが出力される。同様に、本実施の形態に係る流量制御用モータバルブ１では、駆動モータ４０の駆動を停止する際に出力する単位時間当たりの駆動パルスを減少させて低速で駆動するように構成されている。

このように構成することにより、原点位置直前では、単位時間当たり出力する駆動パルスの数を再び減少させることにより低速で動作が行われることにより、原点位置で弁体１０を停止させるにあたって、調整計８０からの入力電流に応じた駆動パルスを駆動モータ４０に出力し、駆動モータ４０によって弁体１０を回動させるとともに、当該弁体１０の位置に応じて角度センサ５０からの出力電圧をフィードバックさせる際に、角度センサ５０からの出力電圧に基づいて駆動モータ４０が過剰に回動するオーバーシュートと、過剰に回動した駆動モータ４０を逆方向に回動させるアンダーシュートが繰り返されてハンチングが発生するのを抑制することが可能となる。

このように、上記実施の形態１に係る流量制御弁では、弁体の位置をマイクロスイッチにより検出する場合に比較して、弁体の回転角度を精度良く制御することが可能となる。

また、上記実施の形態１に係る流量制御用モータバルブ１では、マイクロスイッチのようにＯＮ／ＯＦＦ動作を行う接点を有していないため、接点の摩耗等が生じることがなく、長寿命化が図られる。

さらに、上記実施の形態１に係る流量制御用モータバルブ１では、図４に示すように、第１の取付用基板３５上にピンで位置決めされた一対の支柱ブロック５１，５２を介して角度センサ５０が取り付けられる第２の取付用基板５３を配設するように構成したので、回転軸２０に対して角度センサ５０を直交するよう精度良く取り付けることができ、回転軸２０の回転角を角度センサ５０によって精度良く検出することが可能となる。

本実施の形態１に係る流量制御用モータバルブ１を用いて温度制御を行うことにより、被温度制御対象物の温度を制御することが可能となる。

なお、前記実施の形態では、流体として主に水等の液体に適用した場合について説明したが、本発明は、空気等の気体に対しても広く適用することができる。

１…流量制御用モータバルブ
２…バルブ部
３…アクチュエータ部
４…シール部
５…カップリング部
６…バルブ筐体
７…流入口
８…流出口
９…流路
１０…弁体
１１…弁軸
１３…挿通孔
１４…シール筐体
１６，１７…シール部材
１８…押圧部材
２０…回転軸
２１…スペーサ部材
２３…カップリング部材
２４…凹溝
２５…連結ピン
２６…固定ネジ
２７…開口部
３０…筐体
３１…蓋体
３２…底壁
３３…軸受部
３４…軸受部材
３５…第１の取付用基板
３６…軸受部材
３７…フランジ部
４０…駆動モータ
４１…減速器
５０…角度センサ
５１，５２…支柱ブロック

Claims

流体の流量を制御する弁体と、前記弁体と一体に回転する回転軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転角を検出する角度検出手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた流量制御弁において、
前記回転軸に対して直交するよう配置される基準面を備え、
前記基準面の前記回転軸を挟んだ両側に一対の直方体形状に形成された支柱部材をそれぞれ配置するとともに、前記一対の支柱部材の上端に取付用基板を前記基準面に対して平行に配置し、
前記取付用基板の前記回転軸に対応した位置に前記角度検出手段を取り付けるとともに、前記回転軸の上端部を前記角度検出手段の作動部に挿入することで直接接続したことを特徴とする流量制御弁。
流体の流量を制御する弁体と、前記弁体と一体に回転する回転軸と、前記回転軸を回転駆動する駆動手段と、前記回転軸の回転角を検出する角度検出手段と、前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた流量制御弁において、
前記回転軸に対して直交するよう配置される第１の取付用基板を備え、
前記第１の取付用基板の前記回転軸を挟んだ両側に一対の直方体形状に形成された支柱部材をそれぞれ配置するとともに、前記一対の支柱部材の上端に第２の取付用基板を前記第１の取付用基板に対して平行に配置し、
前記第２の取付用基板の前記回転軸に対応した位置に前記角度検出手段を取り付けるとともに、前記回転軸の上端部を前記角度検出手段の作動部に挿入することで直接接続したことを特徴とする流量制御弁。
前記一対の支柱部材の上端面及び下端面と前記第１及び第２の取付用基板には、前記回転軸と平行に位置決めピンを挿入する挿入孔がそれぞれ開口され、前記第１及び第２の取付用基板は、前記挿入孔に挿入される位置決めピンによって位置決めされることを特徴とする請求項２に記載の流量制御弁。
前記弁体は、前記回転軸の回転角に応じて直線状に流体の流量を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流量制御弁。
前記制御手段は、前記弁体が全閉位置に位置する際における前記角度検出手段の第１の検出値、及び前記駆動手段を所定量だけ駆動した際における前記角度検出手段の第２の検出値を予め記憶していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流量制御弁。