JPH11101359A - 電動遮断弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スプリングリターン式遮断弁や、かつバッテリ
を用いたアクチュエータ弁の課題を解決し、開閉頻度が
高い用途に用いた場合でも信頼性が高く故障がなく寿命
の長い電動遮断弁を提供することを目的とする。 【構成】停電時に自動的にモータが駆動して閉弁する電
動遮断弁において、前記モータの駆動エネルギー回路に
電解液内の正極活性炭と負極活性炭間を陰イオンと陽イ
オンが吸着移動して充放電を繰り返す電気二重層コンデ
ンサを用い、該電気二重層コンデンサに蓄えられた電気
エネルギーにより前記モータを駆動して閉弁する電動遮
断弁である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動弁装置に係り、
特に信頼性の高い停電時に自動閉弁する機能を有する電
動遮断弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】停電時に閉弁するバルブとして、電磁弁
や、開弁時に巻き上げたスプリング力によって閉弁する
スプリングリターン弁が用いられてきた。電磁弁は流路
が弁部で狭いため異物を容易に噛み込み、不作動となる
ことがある。このため弁部に異物の噛み込みにくいボー
ル弁を用いたスプリングリターン弁が多く用いられてき
た。図６にその構造を示すが、弁はボール弁であるため
全開時は配管口径とほぼ同等の流路が確保でき、異物の
噛み込みの問題は解決ができた。しかしながら寿命が数
万回と短いことと形状が大形であることの問題が残って
いる。

【０００３】これらの問題はスプリングリターン弁のア
クチュエータ構造に起因している。すなわち図７に示す
ように通電されるとモータ31が回転し、平歯車32で構成
された減速機で増力されたモータトルクでバルブの弁棒
を回転せしめ開弁する。このとき同時にアクチュエータ
主軸27上に設けたスプリング33を巻き上げ、該スプリン
グに蓄力する。そして弁が全開となったとき主軸上に設
けた全開ストッパ35にアクチュエータ主軸27に固着して
いるストップ板34が全開側ストッパ35に突き当たり、モ
ータ31が拘束され停止する。通電を維持することでバル
ブは全開を維持する。次に非通電とすると、巻き上げら
れたスプリング33の蓄力によりアクチュエータ主軸27は
ストップ板34が閉ストッパ（図示せず）に突き当たるま
で閉方向に回転し閉弁する。

【０００４】以上の通り作動することからモータ31には
弁の開閉に必要なトルクの他、スプリング33の巻き上げ
に必要なトルクが必要となり、必然的に大形のモータが
必要となり、アクチュエータ全体が大形となる。さらに
非通電時、スプリング33に蓄力された力が開放され、急
激に閉方向にアクチュエータ主軸27が回転させられると
同時に減速機の平歯車32やモータ31も共に回転すること
になる。そして閉側ストッパに突き当たった時、減速機
の回転が急激に止められるため、減速機の各歯車の歯面
に衝撃力がかかる。このことがアクチュエータの寿命を
短くする原因となっている。この衝撃力を緩和すべくス
プリング力で閉弁するときの回転数を低く抑えるため、
ヒステリシスブレーキ36を設けたものもあるが、本質的
な解決には至っていないのが現状である。

【０００５】他方、従来バッテリに蓄電されたエネルギ
ーを用いて非通電時にバッテリでモータを作動させ、閉
弁する機能を持った遮断弁があり、このバッテリにより
遮断する方式の回路を図８に示す。上記のスプリングリ
ターン方式での課題である寿命が短いことと、弁の急閉
止による水撃作用防止などには効果があるが、充電回路
が複雑なこととバッテリそのものが大形であることか
ら、製品全体が大形で高価となり、またバッテリのメン
テナンスが必要という別の問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題を
解決した寿命の長くかつ小形の停電時閉弁の機能を持っ
た電動遮断弁を得ることにある。すなわち、前者の停電
時スプリング33の蓄力により閉弁するスプリングリター
ン方式では、通電時に電動機がほぼ一定の速度で回転
し、全開で機械的ストッパ35に突き当たり弁の弁棒は急
停止される。また非通電時はスプリングの蓄力で弁棒が
閉方向に次第に加速しながら回転し、全閉の直前ではモ
ータ31の回転軸は非常に速い回転状態となり、この高速
回転状態から全閉側ストッパに突き当たって急停止され
る。従ってモータやスプリングの蓄力によって回転駆動
中に前記急停止され、減速機構の各歯車32も急停止され
るため、モータ31のロータの慣性力や減速機歯車32軸の
慣性力により、噛み合った減速機構の各歯車32が衝撃を
受け、欠けたり損傷したりする。またこの急停止の衝撃
によって歯車同志が食いついて動かなくなる場合があ
り、この場合次にモータ31やスプリング33の駆動力で逆
回転して弁の開閉作動を行おうとしても作動しない問題
がある。

【０００７】さらにスプリング33の蓄力による閉弁時は
スプリング力で次第に回転速度が加速されて高速状態に
なり、そのとき減速機構の歯車32が異常音が発生した
り、油切れを起こして歯車の寿命が低下することがあ
る。この問題を解決するためにスプリング力による閉弁
時に一定速度以下に制動するヒステリシスブレーキ36を
装着した装置も見られるが、ヒステリシスブレーキ36の
制動力は磁気ギャップ長に強く依存するため、ギャップ
長を精度よく調整することが必要となり、実用上の問題
がある。さらに高速回転状態から急停止されると弁内の
流体も急閉止されるため、例えば水撃作用が生じて配管
系に異常音が発生したり、配管系に付属した機器類を損
傷させる問題がある。

【０００８】他方、後者のバッテリに蓄電されたエネル
ギーでモータを作動させて閉弁する遮断弁の場合、バッ
テリに充電する方法は大きく分けて微小電流を流し続け
るトリクル充電と、比較的大きな電流で充電する急速充
電がある。トリクル充電は常時充電電流を流し続けるべ
く、充電電流はバッテリの容量の３〜５％が一般的で、
簡単な充電回路で充電できる。しかしながら充電に要す
る時間が十数時間と長く、バッテリの使用頻度が高い場
合（遮断弁の場合は開閉頻度が高い場合が相当する）、
使用時の放電量が充電量に勝つため開閉頻度が高い遮断
弁では実用にならない。従ってトリクル充電による方法
は非常灯など限られた用途で実用化されている。

【０００９】一方急速充電は、１時間程度の短時間で充
電を完了する方法であるが、充電の完了時期を正確に検
出することが必要となる。具体的にはバッテリの温度上
昇を温度センサにより検出して充電を終了する簡便な方
法があるが、バッテリを機器に組み込み、充放電を繰り
返す必要がある用途には向かない。こうした用途には図
９に示すように充電末期にバッテリの電圧がラクダのこ
ぶ状に変化することを検出し、充電を停止する回路とバ
ッテリ電圧があるレベル以下まで低下したとき、再び充
電を開始する回路で構成した回路、例えば図10の回路が
必要となる。

【００１０】この回路は比較回路などの電子回路を駆動
するための電源回路が必要となり、複雑でかつ大形とな
るため、遮断弁に適用することは困難である。さらにバ
ッテリを用いた場合の課題はメンテナンスが定期的に必
要であることである。通常、２〜３年毎に新しいバッテ
リに交換することが必要となる。本発明は上記のスプリ
ングリターン式遮断弁や、かつバッテリを用いたアクチ
ュエータ弁の課題を解決し、開閉頻度が高い用途に用い
た場合でも信頼性が高く故障がなく寿命の長い電動遮断
弁を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、停電時
に自動的にモータが駆動して閉弁する電動遮断弁におい
て、前記モータの駆動エネルギー回路に電解液内の正極
活性炭と負極活性炭間を陰イオンと陽イオンが吸着移動
して充放電を繰り返す電気二重層コンデンサを用い、該
電気二重層コンデンサに蓄えられた電気エネルギーによ
り前記モータを駆動して閉弁することを特徴とする電動
遮断弁である。また前記停電時は電気二重層コンデンサ
に蓄えられた電気エネルギーでモータが弁を閉止し、非
停電時には商用電源で前記モータを駆動して弁を開およ
び閉止することを特徴とする電動遮断弁である。また前
記電気二重層コンデンサと該電気二重層コンデンサを充
電するための回路を前記非停電時に商用電源で弁を開お
よび閉止する回路とは別の筐体に収納したことを特徴と
する電動遮断弁である。また前記電気二重層コンデンサ
と該電気二重層コンデンサを充電するための回路と前記
非停電時に商用電源で弁を開および閉止する回路とをア
クチュエータ部とは別の筐体に収納したことを特徴とす
る電動遮断弁である。

【００１２】

【発明の実施形態】本発明の一実施例を図１ないし図５
に示す。本発明では前記従来のバッテリに代えて、適用
した電気二重層コンデンサ10を用いたことに最大の特徴
がある。該コンデンサの構造のモデル図を図２に示す。
図２で正極活性炭12と負極活性炭13の間に電解液14を配
置し、充電サイクルでは正極活性炭12と電解液14の界面
では陰イオン17が吸着し、負極活性炭13と電解液14の界
面では陽イオン18が吸着し、放電サイクルでは正極活性
炭12と負極活性炭13に吸着した吸着イオン17と18が電解
液14内を移動することで電流を取り出すことができる。
このように該コンデンサの充放電サイクルの原理はバッ
テリのような化学反応によるものでなく、イオンの吸着
によるものであるため、本質的に充放電の回数に制限が
ない。

【００１３】この電気二重層コンデンサ10は図３に示す
ようにきわめて簡単な充電回路で実用できる。図３で商
用電源（図示せず）から定電圧源20を作り、該定電圧源
から充電電流制限用の抵抗21を通し、電気二重層コンデ
ンサ10に充電される。図３の充電回路による充電の状況
を図４に示す。図３の抵抗21の抵抗値と電気二重層コン
デンサ10の容量で決まるスピードで充電され、該コンデ
ンサの端子間電圧は図４に示すように上昇する。該コン
デンサの端子間電圧は最終的には定電圧源の出力電圧Ｖ
o に一致する電圧値まで上昇するが、端子間電圧の上昇
とともに充電スピードは急激に低下する。しかしながら
実際に使用する電圧を図４に示すように、最終到達電圧
Ｖo より低い電圧となるよう実使用電圧Ｖu を落とすこ
とで、充電時間はＴc となり、実質的な充電スピードは
十分速くすることができる。

【００１４】上記の電気二重層コンデンサの充電回路を
用いた本発明の実施例を図１に示す。図１を用いて本発
明の動作概要を説明する。商用電源１を入切するスイッ
チ２をＯＮすると、簡単な定電圧源３から規定の電圧が
出力され、リレー４が励磁され、リレーＣＲの接点８と
９がそれぞれ８ａ、９ａ側に切換わり、ドッグによって
全開で６ａ側に切換わる開側リミットスイッチ６が作動
するまで直流モータ５が回転し、全開で停止する。また
スイッチ２がＯＮ時には抵抗12を通じ、電気二重層コン
デンサ10に該コンデンサの端子間電圧がほぼ定電圧源３
の出力電圧値に到達するまで充電される。次にスイッチ
２をＯＦＦすると、リレー４の励磁が解けてリレー４の
接点８と９がそれぞれ８ｂと９ｂ側に切換わる。このと
き電気二重層コンデンサ10の蓄電された電荷はダイオー
ド11と全閉で７ａ側に切換わる閉側リミットスイッチ７
を通じ、直流モータ５に流れ、直流モータ５が逆回転
し、ドッグによって閉側リミットスイッチ７が７ａ側に
切換わった時点、すなわち全閉で停止する。

【００１５】電気二重層コンデンサ10の端子間電圧は閉
弁作動時に低下するが、該端子間電圧を閉弁作動の間、
直流モータ５の最低動作電圧に対して十分高い電圧が維
持できるよう電気二重層コンデンサ10の容量を選ぶ必要
がある。またスイッチ２をＯＮし、開弁作動中に該コン
デンサ10の端子間電圧が実使用電圧Ｖｕ以上となるよう
充電スピードを決める抵抗12の抵抗値を決めれば、連続
開閉しても該コンデンサ10の端子間電圧の低下はない。

【００１６】図５は図１の抵抗12の値を変えて、連続開
閉した結果である。図５は連続開閉したときの電気二重
層コンデンサ10における端子間電圧の変化を示したグラ
フであり、全開から全閉へ操作する間は該コンデンサ10
の放電サイクルで、全閉から全開へ操作する間は該コン
デンサ10の充電サイクルに相当する。図５の線図24は充
電スピードが遅いため放電サイクルで消費した電荷の補
充が完全にできず、開閉とともに該コンデンサの端子間
電圧が低下している。一方、線図23は全閉から全開へ操
作する間の充電サイクル中に該コンデンサの端子間電圧
はほぼ初期値に戻っており、連続開閉が可能であること
を示している。このように図３の充電時間Ｔc が全閉か
ら全開への操作時間より小さくなるよう回路定数を選べ
ば、容易に連続開閉が可能とすることができる。

【００１７】また図１において定電圧源３、リレー４、
抵抗12、ダイオード11、電気二重層コンデンサ10をアク
チュエータ内に内蔵せず別の筐体に収納し、メンテナン
スのしやすい外部に設置することにより、万一電気二重
層コンデンサ10に不具合が生じた場合、簡単に取り替え
が可能となる。この場合、別の筐体は構成部品が少な
く、かつ小形であるため小さな筐体に収納でき、コスト
も安価である。また万一、電気二重層コンデンサ10が故
障した場合を想定して、電気二重層コンデンサ10の周辺
回路を商用電源とアクチュエータ本体の間に配置し、コ
ネクタで電気的に接続できるよう構成することが、電気
二重層コンデンサ10の周辺回路が小型化できるため可能
となる。電動遮断弁が配管される場所によっては、電気
二重層コンデンサ10の周辺回路をアクチュエータから離
れた場所に別置きすることによってメンテナンス性が大
幅に向上する。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明のごとく本発明によれば、停
電時等非通電時には電気二重層コンデンサに蓄電したエ
ネルギーにより閉弁する。電気二重層コンデンサを用い
たことで従来のバッテリ方式に比べて充電回路が簡素化
できるため、小形で安価な非通電時に自動閉弁する電動
遮断弁が得られる。また電気二重層コンデンサはバッテ
リと異なり、長寿命であるためメンテナンスが不要とな
り、さらに充電スピードの最適化を図ることだけで連続
開閉が可能となる。したがって開閉頻度が高い遮断弁の
用途にも容易に適用できる。また開弁および閉弁時とも
電動モータで駆動し、弁が全開又は全閉時にリミットス
イッチが作動してモータが停止するため、駆動時以外は
減速機構に機械的ストレスが加わらず、従来のスプリン
グリターン方式に比べて圧倒的に機械的寿命が優位であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す電動遮断弁のモータ
駆動回路図である。

【図２】 本発明の一実施例で用いる電気二重層コンデ
ンサの充電、放電サイクルを示すモデル図である。

【図３】 本発明の一実施例の電気二重層コンデンサを
用いた充電回路を示す図である。

【図４】 図３の充電回路による充電の状況を示す図で
ある。

【図５】 本発明の一実施例の連続開閉したときの電気
二重層コンデンサにおける端子間電圧の変化を示す図で
ある。

【図６】 従来のスプリングリターン弁を示す図であ
る。

【図７】 従来のスプリングリターン弁のアクチュエー
タ部の構造を示す図である。

【図８】 従来のバッテリを用いた電動遮断弁のモータ
駆動回路図である。

【図９】 従来のバッテリを用いた電動遮断弁の用いら
れるバッテリの充電時におけるバッテリ電圧の変化を示
す図である。

【図１０】 従来のバッテリを用いた電動遮断弁に用い
られるバッテリの充電回路を示す図である。

【符号の説明】

３ 定電圧源 ４ リレー ５ モータ ６ 開側リミットスイッチ ７ 閉側リミットスイッチ ８、９ リレーの接点 10 電気二重層コンデンサ 12 抵抗 20 定電圧源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 停電時に自動的にモータが駆動して閉弁
   する電動遮断弁において、前記モータの駆動エネルギー
   回路に化学反応で充放電するバッテリに代えて、正極活
   性炭と負極活性炭間を陰イオンと陽イオンが吸着移動し
   て充放電を繰り返す電気二重層コンデンサを用い、該電
   気二重層コンデンサに蓄えられた電気エネルギーにより
   前記モータを駆動して閉弁することを特徴とする電動遮
   断弁。
2. 【請求項２】 前記停電時は電気二重層コンデンサに蓄
   えられた電気エネルギーでモータが弁を閉止し、非停電
   時には商用電源で前記モータを駆動することを特徴とす
   る請求項１記載の電動遮断弁。
3. 【請求項３】 前記電気二重層コンデンサと該電気二重
   層コンデンサを充電するための回路を前記非停電時に商
   用電源で弁を開および閉止する回路とは別の筐体に収納
   したことを特徴とする請求項１ないし２記載の電動遮断
   弁。
4. 【請求項４】 前記電気二重層コンデンサと該電気二重
   層コンデンサを充電するための回路と前記非停電時に商
   用電源で弁を開および閉止する回路とをアクチュエータ
   部とは別の筐体に収納したことを特徴とする請求項１な
   いし２記載の電動遮断弁。