JP7485425B1

JP7485425B1 - 蒸気制御弁システム

Info

Publication number: JP7485425B1
Application number: JP2023104850A
Authority: JP
Inventors: 成雄吉川
Original assignee: 株式会社ミヤワキ
Priority date: 2023-06-27
Filing date: 2023-06-27
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2043-06-27
Also published as: JP2025004937A

Abstract

【課題】蒸気制御弁の弁部の温度に基づいて弁部の開度を調整することによってウォーターハンマを防止することが可能な蒸気制御弁システムを得る。
【解決手段】蒸気制御弁システムは、蒸気制御弁と制御部と記憶部とを備え、前記蒸気制御弁は、弁部と、前記弁部の開度を調整するために前記弁部を駆動する電動モータと、前記弁部の温度を検出する温度センサと、を有し、前記記憶部は、前記一次側蒸気配管又は前記二次側蒸気配管においてウォーターハンマを発生させない前記弁部の温度と前記弁部の開度との関係を規定する制御情報を保持し、前記制御部は、前記温度センサから取得した温度検出信号と前記記憶部から取得した前記制御情報とに基づいて前記電動モータの駆動を制御することにより、前記弁部の温度に応じて前記弁部の開度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気制御弁システムに関する。

特許文献１には、混合器で蒸気と水とを混合して温水を製造する温水製造装置において、蒸気制御弁と混合器との間の配管に真空破壊弁を設けることによって、ウォーターハンマの発生を防止する技術が開示されている。混合器には吐出管が設けられており、吐出管には温度検出器が設けられている。温度検出器の検出結果に基づいて蒸気制御弁を開閉制御することによって、混合器に流入する蒸気量が調節される。

特開平６－２０１１８９号公報

特許文献１では、蒸気制御弁の弁部の温度に基づいて弁部の開度を調整することによってウォーターハンマを防止することについて、何ら検討されていない。

本発明は、蒸気制御弁の弁部の温度に基づいて弁部の開度を調整することによってウォーターハンマを防止することが可能な蒸気制御弁システムを得ることを目的とする。

本発明の一態様に係る蒸気制御弁システムは、一次側蒸気配管から二次側蒸気配管へ流れる蒸気の量を調整する蒸気制御弁と、前記蒸気制御弁を制御する制御部と、前記制御部に接続された記憶部と、を備え、前記蒸気制御弁は、弁部と、前記弁部の開度を調整するために前記弁部を駆動する電動モータと、前記弁部内に配置され、前記弁部の温度を検出する温度センサと、を有し、前記記憶部は、前記一次側蒸気配管又は前記二次側蒸気配管においてウォーターハンマを発生させない前記弁部の温度と前記弁部の開度との関係を規定する制御情報を保持し、前記制御部は、前記温度センサから取得した温度検出信号と前記記憶部から取得した前記制御情報とに基づいて前記電動モータの駆動を制御することにより、前記弁部の温度に応じて前記弁部の開度を調整する。

この態様によれば、記憶部は、ウォーターハンマを発生させない弁部の温度と弁部の開度との関係を規定する制御情報を保持し、制御部は、温度センサから取得した温度検出信号と記憶部から取得した制御情報とに基づいて電動モータの駆動を制御することにより、弁部の温度に応じて弁部の開度を調整する。これにより、一次側蒸気配管又は二次側蒸気配管においてウォーターハンマの発生を防止することが可能となる。

上記態様において、前記制御情報は、前記弁部の温度が低い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が小さく、前記弁部の温度が高い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が大きい制御プロファイルを有すると良い。

この態様によれば、制御情報が、弁部の温度が低い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が小さく、弁部の温度が高い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が大きい制御プロファイルを有することにより、ウォーターハンマの発生を効果的に防止することが可能となる。

上記態様において、前記制御情報は、複数の前記制御プロファイルを有し、前記蒸気制御弁の機種に応じて、又はユーザの設定によって、複数の前記制御プロファイルの中から一の前記制御プロファイルが選択されると良い。

この態様によれば、蒸気制御弁の機種又はユーザの個別事情に応じた最適な制御プロファイルを用いた制御が可能となる。

本発明によれば、蒸気制御弁の弁部の温度に基づいて弁部の開度を調整することによってウォーターハンマを防止することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る蒸気制御弁の構成を簡略化して示す図である。本発明の実施の形態に係る蒸気制御弁の構成を簡略化して示す図である。弁部の温度と弁部の開度との関係を規定する制御プロファイルを示す図である。制御部による弁部の開度の制御シーケンスの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

図１，２は、本発明の実施形態に係る蒸気制御弁１の構成を簡略化して示す図である。図１には、弁部１４の開度が０％に調整された全閉状態を示しており、図２には、弁部１４の開度が１００％に調整された全開状態を示している。蒸気制御弁１、制御部１９、及び記憶部２０を含めて、本発明の実施形態に係る蒸気制御弁システムが構成される。

本実施形態の例において、蒸気制御弁１は、いわゆる電動二方ボール弁を用いて構成されているが、この例に限定されない。

蒸気制御弁１は、上流側である一次側蒸気配管３１に接続される蒸気流入路１７と、下流側である二次側蒸気配管３２に接続される蒸気流出路１８とを備えている。

一次側蒸気配管３１の下流端にはフランジ部３１Ｆが形成されており、蒸気流入路１７の上流端にはフランジ部１７Ｆが形成されている。一次側蒸気配管３１と蒸気流入路１７とは、フランジ部３１Ｆ，１７Ｆ同士を互いに固定することによって接続されている。

二次側蒸気配管３２の上流端にはフランジ部３２Ｆが形成されており、蒸気流出路１８の下流端にはフランジ部１８Ｆが形成されている。二次側蒸気配管３２と蒸気流出路１８とは、フランジ部３２Ｆ，１８Ｆ同士を互いに固定することによって接続されている。

また、蒸気制御弁１は、蒸気流入路１７と蒸気流出路１８とを接続可能な接続流路Ｌを有するボール型の弁部１４を備えている。接続流路Ｌは、一次側開口２１と二次側開口２２との間で弁部１４の内部を貫通している。

図１に示した開度０％の全閉状態では、接続流路Ｌの延在方向（紙面奥行き方向）と、蒸気流入路１７及び蒸気流出路１８の延在方向（紙面左右方向）とが直交しており、接続流路Ｌは蒸気流入路１７及び蒸気流出路１８に接続されない。この状態では、矢印Ａ１で示すように、一次側蒸気配管３１から蒸気流入路１７に流入してきた蒸気は、弁部１４の外面によって遮断されて蒸気流出路１８側へは流れない。

図２に示した開度１００％の全開状態では、接続流路Ｌの延在方向（紙面左右方向）と、蒸気流入路１７及び蒸気流出路１８の延在方向（紙面左右方向）とが完全に一致しており、接続流路Ｌは蒸気流入路１７及び蒸気流出路１８に完全に接続される。この状態では、矢印Ａ２で示すように、一次側蒸気配管３１から蒸気流入路１７に流入してきた蒸気は、接続流路Ｌの内部を通過して蒸気流出路１８側へ流れる。

図１に示した開度０％の全閉状態と図２に示した開度１００％の全開状態との間で弁部１４の向き（回転角度）によって開度を任意に調整することにより、一次側蒸気配管３１及び蒸気流入路１７側から接続流路Ｌを介して蒸気流出路１８及び二次側蒸気配管３２側へ流れる蒸気の量を自在に調整することができる。

また、蒸気制御弁１は、垂直Ｚ方向に延在するＺ軸を中心として弁部１４を回転駆動する電動モータ１１を備えている。電動モータ１１は、例えばＶＣモータ（トルクモータ）を用いて構成される。

また、蒸気制御弁１は、弁部１４と電動モータ１１とを接続する接続部材１２を備えている。接続部材１２は、弁部１４の上面に固定されてＺ方向に延在する中空のステム１２Ｂと、電動モータ１１の駆動力をステム１２Ｂに伝達するためのカップリングが内部に収容された架台１２Ａとを有している。

また、蒸気制御弁１は温度センサユニット１５を備えている。

温度センサユニット１５は、弁部１４の温度（以下の例では接続流路Ｌの温度）を検出する温度検出素子１５Ａを有している。検出対象である弁部１４の温度は、接続流路Ｌの中心の内面温度であっても良いし、接続流路Ｌの蒸気流入路１７寄りの内面温度であっても良いし、接続流路Ｌの蒸気流出路１８寄りの内面温度であっても良い。また、温度検出素子１５Ａの検出対象の温度は、蒸気流入路１７又は一次側蒸気配管３１の内面温度であっても良いし、蒸気流出路１８又は二次側蒸気配管３２の内面温度であっても良い。温度検出素子１５Ａは、例えば熱電対を用いて構成される。

また、温度センサユニット１５は、温度検出素子１５Ａの出力信号に対して所定の信号処理を行う電気回路１５Ｂを有している。所定の信号処理は、例えば信号の増幅を含む。電気回路１５Ｂは、ステム１２Ｂの内部に配置されている。

また、温度センサユニット１５は、電気回路１５Ｂと蒸気制御弁１の外部の制御部１９とを結線するためにステム１２Ｂの内部から外部に引き出された配線１５Ｃを有している。ステム１２Ｂから引き出された配線１５Ｃは、制御部１９の入力端子に接続される。

制御部１９は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）を用いて構成される。制御部１９には、半導体メモリ等の記憶部２０が接続されている。記憶部２０は、予め設定された制御情報４０を保持する。制御情報４０は、一次側蒸気配管３１又は二次側蒸気配管３２においてウォーターハンマを発生させない弁部１４の温度と弁部１４の開度との関係を規定する。制御情報４０は、温度と開度との対応関係が記述されたルックアップテーブルであっても良いし、温度に基づいて開度を算出する関数式であっても良い。制御部１９は、温度センサユニット１５から取得した温度検出信号と記憶部２０から取得した制御情報４０とに基づいて電動モータ１１の駆動をシーケンス制御することにより、弁部１４の温度に応じて弁部１４の開度を調整する。

図３は、制御情報４０の一例として、弁部１４の温度と弁部１４の開度との関係を規定する制御プロファイルＫを示す図である。ある温度においてウォーターハンマを発生させない開度の上限値が実験又はシミュレーション等によって求められ、複数の温度に関して求めた複数の上限値を繋げた曲線として制御プロファイルＫが得られる。制御プロファイルＫは、複数（図３の例では３つ）の制御プロファイルＫ１～Ｋ３を有する。蒸気制御弁１の機種に応じて、又はユーザの設定によって、複数の制御プロファイルＫ１～Ｋ３の中から一の制御プロファイルが選択される。

制御プロファイルＫ１では、通気開始時の初期温度Ｔ０から温度Ｔ１までは、開度は最小値のＶ１で一定である。温度Ｔ１を超えると、下に凸の放物線に沿って温度の上昇に応じて開度も大きくなり、温度Ｔ４において開度は最大値の１００％となる。

制御プロファイルＫ２では、通気開始時の初期温度Ｔ０から温度Ｔ２（＞Ｔ１）までは、開度は最小値のＶ１で一定である。温度Ｔ２を超えると、下に凸の放物線に沿って温度の上昇に応じて開度も大きくなり、温度Ｔ５（＞Ｔ４）において開度は最大値の１００％となる。

制御プロファイルＫ３では、通気開始時の初期温度Ｔ０から温度Ｔ３（＞Ｔ２）までは、開度は最小値のＶ１で一定である。温度Ｔ３を超えると、下に凸の放物線に沿って温度の上昇に応じて開度も大きくなり、温度Ｔ６（＞Ｔ５）において開度は最大値の１００％となる。

制御プロファイルＫ１～Ｋ３のいずれにおいても、弁部１４の温度が低い低温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が小さく、弁部１４の温度が高い高温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が大きい特性を有する。

低温領域では一次側蒸気配管３１及び二次側蒸気配管３２の温度も低いため、弁部１４の開度が急激に変化すると、配管温度及び配管内圧力の急激な変化に起因してウォーターハンマが発生しやすい。従って、低温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量を小さく設定することにより、ウォーターハンマの発生を防止している。

一方、高温領域では一次側蒸気配管３１及び二次側蒸気配管３２の温度も高いため、弁部１４の開度を大きく変化させても配管温度及び配管内圧力の変化量は小さく、ウォーターハンマは発生しにくい。従って、高温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量を大きく設定することにより、１００％までの開度上昇を最短時間で実現している。

図４は、制御部１９による弁部１４の開度の制御シーケンスの一例を示す図である。図４には、開度を６段階（０％，Ｖ１～Ｖ４，１００％）に制御する例を示しているが、この例に限定されず、５段階未満又は７段階以上で制御しても良いし、シームレスに制御しても良い。

以下、制御プロファイルＫ１が選択された場合の例について説明する。

通気開始の時刻Ｐ０において、制御部１９は、弁部１４の開度を０％からＶ１まで徐々に上昇させる。時刻Ｐ１において開度がＶ１となると、制御部１９は、弁部１４の温度が、制御プロファイルＫ１において開度Ｖ１に対応する第１規定温度（図３の例ではＴ１）に上昇するまで、開度Ｖ１を維持した状態で待機する。

時刻Ｐ２において弁部１４の温度が第１規定温度となると、制御部１９は、弁部１４の開度をＶ１からＶ２まで徐々に上昇させる。時刻Ｐ３において開度がＶ２となると、制御部１９は、弁部１４の温度が、制御プロファイルＫ１において開度Ｖ２に対応する第２規定温度に上昇するまで、開度Ｖ２を維持した状態で待機する。なお、開度Ｖ１から開度Ｖ２までの変化量は、開度０％から開度Ｖ１までの変化量よりも大きく設定される。また、時刻Ｐ２から時刻Ｐ３までの時間間隔は、時刻Ｐ０から時刻Ｐ１までの時間間隔に対して、同一に設定されても良いし、短く設定されても良い。

時刻Ｐ４において弁部１４の温度が第２規定温度となると、制御部１９は、弁部１４の開度をＶ２からＶ３まで徐々に上昇させる。時刻Ｐ５において開度がＶ３となると、制御部１９は、弁部１４の温度が、制御プロファイルＫ１において開度Ｖ３に対応する第３規定温度に上昇するまで、開度Ｖ３を維持した状態で待機する。なお、開度Ｖ２から開度Ｖ３までの変化量は、開度Ｖ１から開度Ｖ２までの変化量よりも大きく設定される。また、時刻Ｐ４から時刻Ｐ５までの時間間隔は、時刻Ｐ２から時刻Ｐ３までの時間間隔に対して、同一に設定されても良いし、短く設定されても良い。

時刻Ｐ６において弁部１４の温度が第３規定温度となると、制御部１９は、弁部１４の開度をＶ３からＶ４まで徐々に上昇させる。時刻Ｐ７において開度がＶ４となると、制御部１９は、弁部１４の温度が、制御プロファイルＫ１において開度Ｖ４に対応する第４規定温度に上昇するまで、開度Ｖ４を維持した状態で待機する。なお、開度Ｖ３から開度Ｖ４までの変化量は、開度Ｖ２から開度Ｖ３までの変化量よりも大きく設定される。また、時刻Ｐ６から時刻Ｐ７までの時間間隔は、時刻Ｐ４から時刻Ｐ５までの時間間隔に対して、同一に設定されても良いし、短く設定されても良い。

時刻Ｐ８において弁部１４の温度が第４規定温度となると、制御部１９は、弁部１４の開度をＶ４から１００％まで徐々に上昇させる。時刻Ｐ９において開度が１００％となると、制御部１９は、閉弁命令が入力されるまで、開度１００％を維持する。なお、開度Ｖ４から開度１００％までの変化量は、開度Ｖ３から開度Ｖ４までの変化量よりも大きく設定される。また、時刻Ｐ８から時刻Ｐ９までの時間間隔は、時刻Ｐ６から時刻Ｐ７までの時間間隔に対して、同一に設定されても良いし、短く設定されても良い。

なお、以上の説明では、制御部１９は、温度センサユニット１５から取得した温度検出信号を、弁部１４の開度調整に活用した。この例に限らず、制御部１９は、温度センサユニット１５から取得した温度検出信号を、蒸気制御弁１の故障検知に活用しても良いし、一次側蒸気配管３１又は二次側蒸気配管３２の故障検知に活用しても良い。

本実施形態によれば、蒸気制御弁１は温度センサユニット１５を備え、温度センサユニット１５は弁部１４の接続流路Ｌの温度を検出する温度検出素子１５Ａを有する。従って、接続部材１２のステム１２Ｂの内部から外部に引き出された配線１５Ｃを制御部１９に接続し、温度検出素子１５Ａで検出された接続流路Ｌの温度に基づいて制御部１９が電動モータ１１を制御することによって、弁部１４の開度を自在に調整することが可能となる。

また、本実施形態によれば、記憶部２０は、ウォーターハンマを発生させない弁部１４の温度と弁部１４の開度との関係を規定する制御情報４０を保持し、制御部１９は、温度センサユニット１５から取得した温度検出信号と記憶部２０から取得した制御情報４０とに基づいて電動モータ１１の駆動を制御することにより、弁部１４の温度に応じて弁部１４の開度を調整する。これにより、一次側蒸気配管３１又は二次側蒸気配管３２においてウォーターハンマの発生を防止することが可能となる。

また、本実施形態によれば、制御情報４０が、弁部１４の温度が低い低温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が小さく、弁部１４の温度が高い高温領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が大きい制御プロファイルＫを有することにより、ウォーターハンマの発生を効果的に防止することが可能となる。

また、本実施形態によれば、蒸気制御弁１の機種又はユーザの個別事情に応じた最適な制御プロファイルＫ１～Ｋ３を用いた制御が可能となる。

１蒸気制御弁
１１電動モータ
１２接続部材
１４弁部
１５温度センサユニット
１５Ａ温度検出素子
１５Ｂ電気回路
１５Ｃ配線
１７蒸気流入部
１８蒸気流出部
１９制御部
２０記憶部
２１，２２開口部
３１一次側蒸気配管
３２二次側蒸気配管
４０制御情報
Ｌ接続流路

Claims

一次側蒸気配管から二次側蒸気配管へ流れる蒸気の量を調整する蒸気制御弁と、
前記蒸気制御弁を制御する制御部と、
前記制御部に接続された記憶部と、
を備え、
前記蒸気制御弁は、
弁部と、
前記弁部の開度を調整するために前記弁部を駆動する電動モータと、
前記弁部内に配置され、前記弁部の温度を検出する温度センサと、
を有し、
前記記憶部は、前記一次側蒸気配管又は前記二次側蒸気配管においてウォーターハンマを発生させない前記弁部の温度と前記弁部の開度との関係を規定する制御情報を保持し、
前記制御部は、前記温度センサから取得した温度検出信号と前記記憶部から取得した前記制御情報とに基づいて前記電動モータの駆動を制御することにより、前記弁部の温度に応じて前記弁部の開度を調整する、蒸気制御弁システム。
前記制御情報は、前記弁部の温度が低い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が小さく、前記弁部の温度が高い温度領域ほど温度の変化量に対する開度の変化量が大きい制御プロファイルを有する、請求項１に記載の蒸気制御弁システム。
前記制御情報は、複数の前記制御プロファイルを有し、
前記蒸気制御弁の機種に応じて、又はユーザの設定によって、複数の前記制御プロファイルの中から一の前記制御プロファイルが選択される、請求項２に記載の蒸気制御弁システム。