JP6827013B2

JP6827013B2 - 電動バルブアクチュエータ

Info

Publication number: JP6827013B2
Application number: JP2018103100A
Authority: JP
Inventors: 優清水; 哲行浦田
Original assignee: 日本ギア工業株式会社
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2038-05-30
Also published as: JP2019207010A

Description

本発明は、火力発電所や石油化学工場等の各種プラントに使用される電動バルブアクチュエータに関する。

火力発電所や石油化学工場等のプラントでは、配管内を流れる水や蒸気など流体の流れを制御するため、数多くの電動バルブアクチュエータ（以下、単にアクチュエータともいう。）が使用される。そのような数多くのアクチュエータは、通常の運転状態では、中央制御室から制御信号を送り、モータによって電動操作される。

しかし、プラントにおいて高い運転信頼性を確保するためには、アクチュエータを含む機器について定期的または一時的に保守点検作業を行う必要がある。そのため図４に示す従来のアクチュエータでは、モータによりバルブを駆動する電動操作と、保守点検作業用として手動ハンドルを回転させてバルブを駆動する手動操作の双方が可能な構成とされている。具体的構成としては、モータ軸と減速歯車列の入力軸とを結合するクラッチ50と、そのクラッチを噛み合い状態から離脱状態に切り替えるための機構（デクラッチ機構51）をアクチュエータに内蔵している。もっとも、アクチュエータのどの部位にクラッチを設けるかは、アクチュエータの形式やサイズによって異なり、モータ軸と減速歯車列の入力軸との間以外の部位に設けることもある（特許文献１、２参照）。

アクチュエータを手動操作する場合、安全性を確保するため、中央制御室において運転モードをリモートモードからローカルモードに切り替えた後、手動ハンドルを回転させてバルブを操作する。その際、モータと減速歯車列との間に設けられているクラッチを噛み合い状態から解除状態に切り替える必要があり、手動でデクラッチレバーを操作してクラッチの噛み合いを解除した後、手動ハンドルを回転させてバルブを操作する。なお、手動操作から電動操作へ移行する際には、クラッチは自動的に解除状態から噛み合い状態に復帰する構造になっているため、デクラッチレバーを操作する必要はない。このように従来のアクチュエータでは、電動操作と手動操作を切り替え可能とするため、クラッチおよびデクラッチ機構を備えることが必須と考えられていた。

しかしながら、近年のアクチュエータの制御部品は、バルブの開度制御やトルク制御に関しても機械的なスイッチ類から電子部品に移行している。また、制御方式もプラント内に設けられた通信回線を利用してデジタル制御する方式に移行している。このような事情から、開度制御やトルク制御の設定値の変更もデジタル値としての設定変更だけで済むようになっている。そのため、アクチュエータを定期的または一時的に保守点検した後に必要となる開度制御値やトルク制御値の適否を確認する作業も、手動ハンドルを用いてバルブを操作する必要はなく、デジタル化された開度制御値やトルク制御値を予め想定した値で設定し、ローカルモードで電動操作して試行することで足りる。仮に予め想定した設定値が適切でない場合、修正した開度制御値やトルク制御値で再設定し、電動操作により開度制御値やトルク制御値が適正であるか再確認することができる。

このような近年のアクチュエータの制御方式の進化により、通常の運転操作だけでなく定期的または一時的にアクチュエータを保守点検する場合においても、手動ハンドルを回転させてバルブを手動操作する機会は少なくなっている。かかる事情から、従来技術によるアクチュエータのように、モータ軸と減速歯車列の入力軸とを結合するクラッチと、そのクラッチを電動操作から手動操作に切り替えるためのデクラッチ機構をアクチュエータに内蔵することは必須でなくなっている。

特開２０１６−１６０９６９号公報特開２０１２−２４７０６９号公報

従来技術によるアクチュエータのように、クラッチやデクラッチ機構を備えると、アクチュエータの製造コストが高くなる。また、部品点数が多くなることから故障率も高くなり、アクチュエータの形状が大きくなるとともに重量も増加する。そのことにより、プラントの配管ラインに作用する荷重も増加し、強固な支持部材が必要になることもある。さらに、アクチュエータの据え付けや取り外しにも手数を要するなどの問題がある。

そこで、本発明はアクチュエータを手動操作する機会が少なくなった現場の実情に鑑み、手動操作機能を果たす構成を極力簡素化して上記の問題を解決できるアクチュエータを提供することを課題とする。

請求項１の発明は、モータ軸の回転を減速歯車列により減速してスラストユニットに伝達し、前記スラストユニットを介してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータにおいて、前記モータ軸と前記減速歯車列の入力軸との間にクラッチ機構を備えず、前記モータ軸の一端と前記入力軸とを結合し、前記モータ軸の他端は手動回転手段を着脱可能とし、前記モータ軸に前記手動回転手段を装着しないときはモータケースの端面をエンドキャップで閉蓋し、前記エンドキャップを取り外すとモータの電源回路が遮断されるインターロックスイッチを備えたことを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項２の発明は、モータ軸の回転を減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、前記ドライブスリーブを介してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータにおいて、前記モータ軸と前記減速歯車列の入力軸との間にクラッチ機構を備えず、前記モータ軸の一端と前記入力軸とを結合し、前記モータ軸の他端は手動回転手段を着脱可能とし、前記モータ軸に前記手動回転手段を装着しないときはモータケースの端面をエンドキャップで閉蓋し、前記エンドキャップを取り外すとモータの電源回路が遮断されるインターロックスイッチを備えたことを特徴とする電動バルブアクチュエータである。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータにおいて、前記モータ軸の一端と前記入力軸とを軸継手を介して結合したことを特徴とするものである。

本発明によれば部品点数を削減できることから、アクチュエータの製造コストを抑制できる。また、部品点数が少なくなることからアクチュエータの形状がコンパクトとなり、故障率も低下する。さらに、アクチュエータが軽量化されることからプラントの配管ラインに作用する荷重も減少し、強固な支持部材が不要になる。また、アクチュエータの据え付けや取り外しにも容易になる。さらに、手動操作時においてもモータ軸を回転させてウォーム歯車を介してバルブを駆動するため、ウォーム歯車による自動締り機能を確保することができる。

本発明によるアクチュエータの電動操作時を示す構造断面図である。本発明によるアクチュエータの手動操作時を示す構造断面図である。本発明によるアクチュエータの外観正面図である。従来技術によるアクチュエータの外観正面図である。

アクチュエータの駆動対象であるバルブには種々の形式があり、サイズも多様であるが、実施例として仕切弁を駆動するアクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１、図２は、バルブステム（以下、単にステムという。）に直交し、モータの軸心を含む位置におけるアクチュエータの断面図である。図１は電動操作時の構成を、図２は手動操作時の構成を示す。駆動対象が仕切弁の場合、アクチュエータの減速歯車列に求められる減速比は、４０〜６０程度の範囲であることから、減速歯車列として１対のウォーム歯車が使用される。減速比が６０を大きく超えるような場合、モータとウォーム軸との間にヘリカルギア等を用いた前段減速部が追加される。

図１〜図３に示すようにアクチュエータ１の主要部は、モータ２と、このモータ２の回転を減速する減速歯車列３を内蔵したアクチュエータ本体４とで構成されている。モータ２は、その軸がバルブ５のステム６と直交する姿勢でアクチュエータ本体４の側面に取り付けられている。モータ軸７の一端7aと減速歯車列３の入力軸８とは、軸継手９を介して結合されている。多くの場合、モータ２には耐久性など信頼性に優れる三相誘導モータが用いられる。

アクチュエータ本体４の機構部品収納部11には、モータ軸７に結合されたウォーム軸８と、該ウォーム軸８に噛み合うウォームホイール12が収納され、機構部品収納部11の下面にはウォームホイール12の回転をステム６の往復動作に変換するスラストユニット13が取り付けられている。かかる構成によりモータ軸７の回転をステム６の往復動作に変換することができる。

また、機構部品収納部11にはウォームホイール12の回転量からステム６の移動量を検出するロータリーエンコーダ（図示省略）が設けられると共に、ウォーム軸８に作用するスラストを検出するスラストセンサ14が設けられている。このスラストセンサ14は、直接的にはウォーム軸８に作用するスラストを検出するものであるが、ウォーム軸８のスラストはウォーム軸８と噛み合うウォームホイール12の回転トルクに対応することから、ステム６に作用する負荷情報として用いられる。

モータ２が取り付けられたアクチュエータ本体４の反対側の側面には、制御回路基板15などを収納する電気部品収納部16が設けられている。この実施例では機構部品収納部11と電気部品収納部16とが一部品として構成されているが、これらを別々の部品として構成することもできる。

電気部品収納部16にはＣＰＵが搭載された制御回路基板15のほか、制御電源としての直流電源装置17やモータ２への供給電源を開閉する電磁開閉器18が収納されている。また、仕様によってはモータ２の回転数を可変制御するインバータ装置が収納されることもある。制御回路基板15には前述したロータリーエンコーダとスラストセンサ14の信号線が接続され、ステム６の位置情報およびステム６に作用する負荷情報として供される。さらに、制御回路基板15には後述するインターロックスイッチ19の信号線が接続されている。

電気部品収納部16の開口部には操作箱21が取り付けられ、この操作箱21の外面にはアクチュエータ１をローカルモードで操作するためのスイッチ22等が設けられている。また、バルブ５の開度を表示するための開度表示器23や、バルブ５の全開・全閉等の開度情報を示すインジケータ24などが備えられている。

電気部品収納部16の開口部への操作箱21の取り付けは密封構造とされる。さらに、操作箱21とスイッチ22や開度表示器23の取り付けも密封構造とされる。例えばロータリースイッチには、スイッチ軸を操作箱21に貫通させる必要のない磁気感知式のものを用いて密封構造を実現している。

制御回路基板15には、アクチュエータ１をリモートモードで操作するための遠隔入力信号が接続可能とされている。また、ＣＰＵが搭載された制御回路基板15では、バルブ５の開度情報である全開や全閉状態をリレー出力信号として生成し、中央制御室など外部へも送信可能とされている。これらの遠隔入力信号やリレー出力信号は、制御回路基板15から端子台収納部25に設けられた外部端子台26を経由して外部と接続されるようになっている。これらの構成は、従来のアクチュエータと同じである。

次に、本発明に係るアクチュエータ１の特徴的構成について説明する。本発明に係るアクチュエータ１は、従来技術によるアクチュエータと異なり、モータ軸７と減速歯車列３の入力軸８との間にクラッチやデクラッチ機構を備えない。モータ軸７の一端7aと減速歯車列３の入力軸８とを軸継手９で結合し、モータ軸７の他端7bは手動回転手段27を着脱可能なように角軸とされている。モータ軸７に手動回転手段27を装着しないときはモータケース28の端面をエンドキャップ29で閉蓋し、該エンドキャップ29を取り外すとモータ２の電源回路が遮断されるインターロックスイッチ19を備えている。

電動操作時においては、図１に示すようにモータ軸７の他端7bに手動回転手段27を装着することなく、モータケース28の端面をエンドキャップ29で閉蓋し、該エンドキャップ29を取り付けることでインターロックスイッチ19は解除状態にされている。このことによりモータ軸７を外部に露出することなく、インターロックスイッチ19が確実に解除状態にされることから、安全性の高い電動操作が可能となる。

手動操作時においては、図２に示すようにモータケース28の端面からエンドキャップ29を取り外し、代わりに手動回転手段27をモータ軸７の他端7bに設けられた角軸に取り付ける。モータケース28の端面からエンドキャップ29を取り外すことで、インターロックスイッチ19は確実にロック状態にされる。したがって、操作ミス等によりモータ２に電動操作信号が与えられてもモータ２が回転することはない。

前述したように近年は、アクチュエータの制御方式の進展により、定期的または一時的にアクチュエータを保守点検する場合においても、手動ハンドルを回転させてバルブを手動操作する機会は少なくなっている。しかし、何らかの事情によりアクチュエータを手動操作する必要が生じた場合であっても、モータケース28の端面からエンドキャップ29を取り外し、モータ軸７の他端7bに設けられた角軸に手動回転手段27を取り付けることによりアクチュエータ１を手動操作することができる。ここで、手動回転手段はアクチュエータに備えられたモータ以外の回転手段を意味し、電動、空圧等の携帯型回転手段も含まれる。

本発明に係るアクチュエータは、クラッチやデクラッチ機構を備えないきわめて簡易な構成であり、アクチュエータ全体としての部品点数を大幅に削減できることから、アクチュエータの製造コストを抑制できる。また、部品点数が少ないことからアクチュエータの形状がコンパクトとなり、故障率も低下する。さらに、アクチュエータが軽量化されることからプラントの配管ラインに作用する荷重も減少し、強固な支持部材が不必要になる。また、アクチュエータの据え付けや取り外しにも容易になる効果を奏する。

（第２の実施の形態）
アクチュエータの駆動対象であるバルブのサイズは種々あり、比較的小型のバルブを駆動する場合、第１の実施の形態で説明したように、アクチュエータの機構部品収納部の下面にスラストユニットが取り付けられる。このスラストユニットによりモータ軸の回転をステムの往復動作に変換することができる。他方、比較的大型のバルブを駆動する場合、スラストユニットに替えて周知技術であるドライブスリーブ方式（図示省略）が採用される。すなわち、モータ軸の回転を減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、このドライブスリーブに内嵌されたステムナットを介して、該ステムナットと螺合するステムを駆動するようになっている。

この実施の形態におけるアクチュエータ１も、モータ軸７と減速歯車列３の入力軸８との間にクラッチやデクラッチ機構を備えない。モータ軸７の一端7aと減速歯車列３の入力軸８とを軸継手９で結合し、モータ軸７の他端7bは手動回転手段27を着脱可能なように角軸とされている。モータ軸７に手動回転手段27を装着しないときはモータケース28の端面をエンドキャップ29で閉蓋し、該エンドキャップ29を取り外すとモータ２の電源回路が遮断されるインターロックスイッチ19を備えている。スラストユニット14に替えてドライブスリーブ方式を採用した点以外は、第１の実施の形態と共通するので、説明については省略する。

上記各実施例では、仕切弁に適用したアクチュエータについて説明したが、駆動対象となるバルブは仕切弁に限定されるものではない。また、ボールバルブなど９０度回転型のバルブを駆動する場合のように、補助減速機と組み合わせて使用するアクチュエータにも適用できる。

本発明に係るアクチュエータは、各種プラントの配管等に設けられるバルブの駆動装置として利用することができる。

１電動バルブアクチュエータ（アクチュエータ）
２電動モータ（モータ）
３減速歯車列
５バルブ
７モータ軸
８入力軸（ウォーム軸）
９軸継手
13 スラストユニット
19 インターロックスイッチ
27 手動回転手段
28 モータケース
29 エンドキャップ

Claims

モータ軸の回転を減速歯車列により減速してスラストユニットに伝達し、前記スラストユニットを介してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータにおいて、前記モータ軸と前記減速歯車列の入力軸との間にクラッチ機構を備えず、前記モータ軸の一端と前記入力軸とを結合し、前記モータ軸の他端は手動回転手段を着脱可能とし、前記モータ軸に前記手動回転手段を装着しないときはモータケースの端面をエンドキャップで閉蓋し、前記エンドキャップを取り外すとモータの電源回路が遮断されるインターロックスイッチを備えたことを特徴とする電動バルブアクチュエータ。
モータ軸の回転を減速歯車列により減速してドライブスリーブに伝達し、前記ドライブスリーブを介してバルブを駆動する電動バルブアクチュエータにおいて、前記モータ軸と前記減速歯車列の入力軸との間にクラッチ機構を備えず、前記モータ軸の一端と前記入力軸とを結合し、前記モータ軸の他端は手動回転手段を着脱可能とし、前記モータ軸に前記手動回転手段を装着しないときはモータケースの端面をエンドキャップで閉蓋し、前記エンドキャップを取り外すとモータの電源回路が遮断されるインターロックスイッチを備えたことを特徴とする電動バルブアクチュエータ。
前記モータ軸の一端と前記入力軸とを軸継手を介して結合したことを特徴とする請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータ。