JPWO2018180481A1 - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種電子機器を搭載可能で、配線や電池交換の問題が解消されたガス駆動式のバルブ装置を提供する。【解決手段】ダイヤフラム１５を駆動するピストン部材１３と、高圧のエアの供給を受けてピストン部材１３を駆動するアクチュエータ部１０と、アクチュエータ部１０の駆動方向とは逆方向にピストン部材１３を付勢するコイルばね３０と、アクチュエータ部１０への高圧の空気の供給経路である発電ユニット収容部５内に設けられ、エアの流れによって回転するスクリュー１２０と、スクリュー１２０が連結された整流子ジェネレータ１１０とを含む発電ユニット１００と、を有し、発電ユニット１００は、アクチュエータ部１０に供給された高圧のエアおよびコイルばね３０に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ガス駆動式のバルブ装置に関する。

バルブ装置の分野においても、圧力センサや無線モジュール等の電子機器を搭載して装置の高機能化が図られようとしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０２０５３０号公報

しかしながら、空圧を用いたエア駆動式のバルブ装置においては、各種電子機器を動作させるための電源を確保する必要がある。電源のための配線を外部からバルブ装置内に導き入れる必要がある。電源として電池を用いれば、配線の問題は解消されるが、電池交換作業が必要となる。

本発明の目的の一つは、各種電子機器を搭載可能で、配線や電池交換の問題が解消されたガス駆動式のバルブ装置を提供することにある。

本発明に係るバルブ装置は、駆動ガスで開閉されるバルブ装置であって、
弁体を駆動する駆動部材と、
駆動ガスの供給を受けて前記駆動部材を駆動するアクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動方向とは逆方向に前記駆動部材を付勢するばね部材と、
前記アクチュエータへの駆動ガスの供給経路に設けられ、ガスの流れによって回転するスクリューと、前記スクリューが連結されたジェネレータとを含む発電ユニットと、を有し、
前記発電ユニットは、前記アクチュエータに供給された駆動ガスおよび前記ばね部材に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する、ことを特徴とする。

好適には、前記発電ユニットは、前記アクチュエータに供給される駆動ガスが外部に放出される際に前記供給経路を流れるガスによる前記スクリューの回転により発電する、構成を採用できる。

さらに好適には、前記発電ユニットは、前記アクチュエータへの駆動ガスの供給の際に、供給されるガスの圧力損失を抑制すべく、スクリューを空転させる、構成を採用できる。この場合には、前記アクチュエータに供給される駆動ガスが当該アクチュエータの外部に解放される際に前記供給経路を流れるガスによる前記スクリューの回転により発電される電力のみを取り出すための回路を有する、構成を採用できる。

さらに好適には、前記ジェネレータにより発電した電圧を昇圧する電源回路と、前記電源回路から供給される電力により作動する負荷と、を有し、電源回路から電力供給を受ける二次電池又はキャパシタを有する構成も採用可能である。

本発明によれば、本来外部に放出されるアクチュエータに供給された駆動ガスおよびばね部材に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電するので、発電ユニットがアクチュエータの動作を妨げず、かつ、追加のエネルギーを供給することなく発電可能なバルブ装置が得られる。

本発明の一実施形態に係るバルブ装置の外観斜視図。 バルブ開状態にある図１Ａのバルブ装置の縦断面図。 バルブ閉状態にある図１Ａのバルブ装置の縦断面図。 発電ユニット収容部および発電ユニットの一部に縦断面を含む斜視図。 図２Ａの縦断面図。 図２Ａの発電ユニット収容部の上面図。 図１Ａのバルブ装置を作動させるバルブシステムの一例の概略構成図。 図３Ａのシステムにおいて、アクチュエータ駆動時(弁開時)のエネルギーの流れを説明するための図。 図３Ａのシステムにおいて、圧力解放時(弁閉時)のエネルギーの流れを説明するための図。 負荷回路の一例を概略的に示す機能ブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面においては、機能が実質的に同様の構成要素には、同じ符号を使用することにより重複した説明を省略する。
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に係るバルブ装置の構成を示す図であって、図１Ａは外観斜視図、図１Ｂは開状態にある縦断面図、図１Ｃは閉状態にある縦断面図である。なお、図１Ｂ、図１Ｃにおいて、矢印Ａ１，Ａ２は上下方向を示しており、Ａ１が上方向、Ａ２が下方向を示している。

バルブ装置１は、管継手３、発電ユニット収容部５、アクチュエータ部１０、バルブボディ２０と、回路収容部５０とを有する。管継手３は、エアの流通路３ａを有し、図示しない配管と接続され、流通路３ａを通じてアクチュエータ部１０へ駆動ガスとしての圧縮エアが供給され、又は、アクチュエータ部から解放されたエアが流通路３ａを通じて外部に放出される。
発電ユニット収容部５は円筒状部材で形成され、円筒状の接続部材４により管継手３と接続されている。発電ユニット収容部５は、発電ユニット１００を収容するとともにエアの流通路を兼ねている。

図２Ａ〜図２Ｃに、発電ユニット収容部５の内部構造を示す。
発電ユニット１００は、整流子ジェネレータ１１０と、整流子ジェネレータ１１０の回転軸に固定されたスクリュー１２０と、整流子ジェネレータ１１０のケーシングを発電ユニット収容部５の内腔５ａに固定するための４枚の支持板１３０とを有する。内腔５ａはエアの流通路を兼ねる。
４枚の支持板１３０は、整流子ジェネレータ１１０の周囲に等間隔に固定され、接続部材４と発電ユニット収容部５との間で保持されている。また、４枚の支持板１３０は、エアの流通する４つの流通路５ｃを画定している。これにより、接続部材４と発電ユニット収容部５の流通路５ｂとの間でエアが流通可能になる。
スクリュー１２０は、接続部材４側から発電ユニット収容部５に向かうエアの流れによって一方向に回転するとともに、流通路５ｂから接続部材４側に向かうエアの流れにより前記とは逆方向に回転する。スクリュー１２０の回転は、整流子ジェネレータ１１０に伝達されるが、後述するように、整流子ジェネレータ１１０が負荷回路に電気的に接続された状態では電力が発電するが、整流子ジェネレータ１１０が負荷回路と電気的に接続されていない状態では、電力は発電されずスクリュー１２０は空転する。

回路収容部５０には、後述する、ダイオードＤ１、電源ＩＣ６０１、マイクロコンピュータ６０３、無線部６０５、二次電池６０２等が収容される。また、発電ユニット１００の電気配線等が発電ユニット収容部５に形成された連通孔５ｈを通じて回路収容部５０へ導かれる。
アクチュエータ部１０は、円筒状のアクチュエータキャップ１１、アクチュエータボディ１２、ピストン部材１３および操作部材としてのダイヤフラム押え１４を有する。
アクチュエータキャップ１１は、天井部の中心部に、上記した発電ユニット収容部５の下端部が接続されており、この天井部から下方向Ａ２に向けて延びる円筒部１１ａを有する。円筒部１１ａの内周面はエアの流通路１１ｂを画定しており、流通路１１ｂは発電ユニット収容部５の流通路５ｂと連通している。
アクチュエータボディ１２は、その下側にダイヤフラム押え１４を上下方向Ａ１，Ａ２にガイドするガイド孔１２ａを有し、ガイド孔１２ａの上側に連通して貫通孔１２ｂが形成されている。アクチュエータボディ１２の上側には、ＯリングＯＲを介してピストン部材１３のピストン部１３ｂを摺動自在に上下方向Ａ１，Ａ２に案内するシリンダ室１２ｃが形成されている。
ピストン部材１３は、中心部にシリンダ室１２ｃに連通する流通路１３ａを有する。流通路１３ａは、管継手３の流通路３ａと連通している。ピストン部材１３は、ピストン部１３ｂおよび先端軸部１３ｃがＯリングＯＲを介してシリンダ室１２ｃおよび貫通孔１２ｂを上下方向Ａ１，Ａ２に移動自在となっている。
ダイヤフラム押え１４はアクチュエータボディ１２のガイド孔１２ａにより上下方向Ａ１，Ａ２に移動自在となっている。

バルブボディ２０は、上側がアクチュエータボディ１２の下側と接続され、その底面に開口部２１ａ，２２ａを有するガス等の流路２１，２２を画定している。流路２１，２２は他の流路部材と図示しないシール部材を介して接続される。
バルブシート１６は、バルブボディ２０の流路２１の周囲に設けられている。バルブシート１６は、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の樹脂で弾性変形可能に形成されている。
ダイヤフラム１５は、弁体として機能し、バルブシート１６よりも大きな直径を有し、ステンレス、ＮｉＣｏ系合金などの金属やフッ素系樹脂で球殻状に弾性変形可能に形成されている。ダイヤフラム１５は、押えアダプタ１８を介してアクチュエータボディ１２の下端面によりバルブボディ２０に向けて押し付けられることによりバルブシート１６に対して当接離隔可能にバルブボディ２０に支持されている。図１Ｃにおいて、ダイヤフラム１５はダイヤフラム押え１４により押圧されて弾性変形し、バルブシート１６に押し付けられている状態にある。ダイヤフラム押え１４による押圧を開放すると、球殻状に復元する。ダイヤフラム１５がバルブシート１６に押し付けられている状態では、流路２１が閉鎖され、図１Ｂに示すように、ダイヤフラム１５がバルブシート１６から離れると、流路２１は開放され、流路２２と連通する。
コイルばね３０は、アクチュエータキャップ１１の天井部とピストン部材１３のピストン部１３ｂとの間に介在し、ピストン部材１３を常に下方向Ａ２に向けて復元力により付勢している。これにより、ダイヤフラム押え１４の上端面がピストン部材１３により下方向Ａ２に付勢され、ダイヤフラム１５をバルブシート１６に向けて押圧する。

図３Ａは、上記構成のバルブ装置１を作動させるシステムの一例を示している。図３Ａにおいて、バルブ作動部５００とは、バルブ装置１が作動する際にエネルギーの流れに関連する部分であり、アクチュエータ部１０やコイルばね３０を指す。ガス供給源３００は、バルブ装置１の管継手３に流体接続されるエアラインＡＬを通じてバルブ装置１に駆動ガスを供給する機能を有し、例えばアキュムレータやガスボンベである。エアラインＡＬの途中には電磁弁ＥＶ１が設けられ、電磁弁ＥＶ１の下流側で分岐するエアラインＡＬには電磁弁ＥＶ２が設けられる。制御回路３１０は、電磁弁ＥＶ１，ＥＶ２の開閉を制御すべく、制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を電磁弁ＥＶ１，ＥＶ２へ出力する。
負荷回路６００は、発電ユニット１００の整流子ジェネレータ１１０に負荷として電気的に接続される電気回路である。負荷回路６００は、電気配線ＥＬにより発電ユニット１００に電気的に接続されている。

図４に負荷回路６００の一例を示す。なお、ＧＮＤ線は図中では省略している。
負荷回路６００は、ダイオードＤ１、電源ＩＣ６０１、二次電池６０２、マイクロコンピュータ６０３、圧力センサ、温度センサなどの各種センサ６０４、各種センサ６０４で検出したデータを外部に送信することができる無線部６０５を含む。
負荷回路６００のダイオードＤ１は、コイルばね３０に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する際にのみ、負荷回路６００を整流子ジェネレータ１１０に電気的に接続させる役割を果たす。発電ユニット１００は、スクリュー１２０が正逆のいずれの方向に回転しても発電可能であり、正および負の直流電力が発電されうるが、バルブ装置１に供給された駆動ガスが解放される際（正方向とする）にのみ発電された電力を消費させるために、ダイオードＤ１が設けられている。
電源ＩＣ６０１は、整流子ジェネレータ１１０からの電力を昇圧して二次電池６０２に蓄えつつ、マイクロコンピュータ６０３、各種センサ６０４、無線部６０５等の電力供給先へ送る電力を調節する電力管理ＩＣとしての機能を兼ねている。例えば、エナジーハーベスティング用として一般的に流通しているものを採用できる。
二次電池６０２は、電源ＩＣ６０１から供給される直流電力を蓄える。容量の比較的大きいキャパシタを代用することも可能である。
各種センサ６０４以外は、上記した回路収容部５０に収容され、各種センサ６０４は圧力や温度を検出すべく、バルブ装置１の流路近辺等に配置され、
電源ＩＣ６０１やマイクロコンピュータ６０３と配線によって電気的に接続される。

次に、図３Ｂおよび図３Ｃを参照して、図３Ａのシステムにおけるエネルギーの概略的な流れおよび発電ユニット１００による発電動作を説明する。
バルブを開くときには、アクチュエータ部１０を駆動する必要があり、このため、図３Ｂに示すように、電磁弁ＥＶ１を開き、電磁弁ＥＶ２を閉じる。これにより、ガス供給源３００から駆動ガスがバルブ装置１に供給される。駆動ガスは例えば圧縮空気であり、バルブ装置１を駆動するのに十分高い圧力を持つ。
このとき、発電ユニット１００内を通過する駆動ガスにより、スクリュー１２０は負方向に回転する。このため、負荷回路６００では、電力が消費されない。負荷回路６００で電力が消費されていないので、スクリュー１２０には負荷がかからずスクリューは空転する。この結果、供給された駆動ガスの圧力損失をほとんど発生させずに、ピストン部材１３を所望に作動させることができる。
バルブ装置１への駆動ガスの供給により、図１Ｂに示したように、ピストン部材１３が上方向Ａ１に押し上げられ、コイルばね３０が圧縮されてコイルばね３０にエネルギーが蓄えられる。このとき、図１Ｂに示したように、ピストン部材１３の当接面１３ｆは、アクチュエータキャップ１１の当接面１１ｆに非弾性衝突するため、ガス供給源３００からバルブ装置１に供給されたエネルギーの一部は、熱や振動に変換されて放出される。

バルブを閉じるときには、バルブ装置１に蓄えられた駆動ガスを解放して、コイルばね３０に蓄えられたエネルギーを放出する。図３Ｃに示すように、電磁弁ＥＶ１を閉じるとともに、電磁弁ＥＶ２を開く。駆動ガスがバルブ装置１内からエアラインＡＬ，電磁弁ＥＶ２を通じて外部に放出される際に、駆動ガスは、発電ユニット１００のスクリュー１２０を正方向に駆動させ、これにより、負荷回路６００に電力が供給される。供給された電力は、各種センサ６０４等により消費されつつ二次電池６０２に充電される。
バルブを使用しながら二次電池６０２が充電されるため、一次電池を用いる場合と比べて小さな容量の二次電池６０２で、長期間動作させることができる。電池に蓄えられているエネルギーを小さくできるため、仮に電池に起因する故障が発生したとしても周囲への被害を最小限に抑えることができる。

本実施形態によれば、バルブ装置１に蓄えられた駆動ガスを解放してバルブ装置１を閉じる際に、バルブ装置１に蓄えられたエネルギー、すなわち、駆動ガスやコイルばね３０に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電するので、発電ユニット１００がアクチュエータ部１０の動作を妨げることなく、かつ、追加のエネルギーを供給することなく発電可能なバルブ装置１が得られる。これにより、供給するエア圧力を維持したまま、バルブの応答速度を保つことができる。また、本実施形態に係るバルブ装置１では、電磁弁ＥＶ２を通じた外部への放出分、ダイヤフラム押え１４がダイヤフラム１５を介してバルブシート１６に衝突する非弾性衝突分などにより本来消費されるエネルギーの一部を利用して発電するので、当該非弾性衝突における衝撃の緩和にも寄与する。この結果、ダイヤフラム１５の割れの発生を抑え、バルブ装置１の寿命を延ばすという格別顕著な効果がもたらされる。

上記実施形態では、いわゆるノーマリークローズのバルブを例示したが、これに限定されるわけではなく、いわゆるノーマリーオープンのバルブにも適用可能である。

上記実施形態では、バルブ装置１を圧縮エアで駆動する場合を例示したが、空気以外の他のガスを用いることも可能である。

上記実施形態では、ダイヤフラム式のバルブについて例示したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の方式のバルブにも適用可能である。

１ バルブ装置
３ 管継手
５ 発電ユニット収容部
１０ アクチュエータ部（アクチュエータ）
１１ アクチュエータキャップ
１２ アクチュエータボディ
１３ ピストン部材（駆動部材）
１４ ダイヤフラム押え
１５ ダイヤフラム
１６ バルブシート
１８ 押えアダプタ
２０ バルブボディ
３０ コイルばね（ばね部材）
５０ 回路収容部
１００ 発電ユニット
１１０ 整流子ジェネレータ
１２０ スクリュー
１３０ 支持板
３００ ガス供給源
３１０ 制御回路
５００ バルブ作動部
６００ 負荷回路

Claims (7)

1. 弁体を駆動する駆動部材と、
   駆動ガスの供給を受けて前記駆動部材を駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータへの駆動ガスの供給経路に設けられ、ガスの流れによって回転するスクリューと、前記スクリューが連結されたジェネレータとを含む発電ユニットと、を有するバルブ装置。
2. 前記アクチュエータの駆動方向とは逆方向に前記駆動部材を付勢するばね部材を有し、
   前記発電ユニットは、前記アクチュエータに供給された駆動ガスおよび前記ばね部材に蓄えられたエネルギーの一部を利用して発電する、請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記発電ユニットは、前記アクチュエータに供給される駆動ガスが外部に放出される際に前記供給経路を流れるガスによる前記スクリューの回転により発電する、請求項２に記載のバルブ装置。
4. 前記発電ユニットは、前記アクチュエータへの駆動ガスの供給の際に、前記スクリューを空転させる、請求項３に記載のバルブ装置。
5. 前記アクチュエータに供給される駆動ガスが当該アクチュエータの外部に解放される際に前記供給経路を流れるガスによる前記スクリューの回転により発電される方向の電流のみを取り出すための回路を有する、請求項４に記載のバルブ装置。
6. 前記ジェネレータにより発電した電力の電圧を昇圧する電源回路と、
   前記電源回路から供給される電力により作動する負荷と、を有する請求項５に記載のバルブ装置。
7. 前記電源回路から電力供給を受ける二次電池又はキャパシタを有する請求項６に記載のバルブ装置。

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