(57)【要約】【課題】  調節弁の開度を、(1)安定的(2)高精度かつ(3)高応答に駆動することができ、更に軽量かつコンパクトでしかも高効率な弁駆動用アクチェータを提供すること。【解決手段】  エアシリンダ１１のスラストにより出力軸１０Ａを直線駆動する弁駆動用空油圧式アクチュエータ１０において、エアシリンダ１１の両側に油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂを設け、エアシリンダ１１の両側ピストンロッド１３Ａ、１３Ｂのそれぞれを各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂのピストン２２Ａ、２２Ｂに連結することにより、各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂの油圧をエアシリンダ１１への供給空気圧力より増圧可能にし、両油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂに接続される油圧シリンダ３１を設け、油圧シリンダ３１のピストンロッド３３に出力軸１０Ａを連結し、各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂの油圧を油圧シリンダ３１のピストン３２を挟む両側油室３４Ａ、３４Ｂのそれぞれに供給可能にしたもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアシリンダのスラストにより出力軸を直線駆動する弁駆動用空油圧式アクチュエータにおいて、
エアシリンダの両側に油圧ブースタを設け、エアシリンダの両側ピストンロッドのそれぞれを各油圧ブースタのピストンに連結することにより、各油圧ブースタの油圧をエアシリンダへの供給空気圧力より増圧可能にし、
両油圧ブースタに接続される油圧シリンダを設け、油圧シリンダのピストンロッドに出力軸を連結し、各油圧ブースタの油圧を油圧シリンダのピストンを挟む両側油室のそれぞれに供給可能にしたことを特徴とする弁駆動用空油圧式アクチュエータ。
【請求項２】
前記エアシリンダのピストンが仕切る空気室への供給空気圧力を、上位制御装置からの制御指令信号と、出力軸の位置フィードバック信号との偏差に基づき調節するポジショナを有する請求項１に記載の弁駆動用空油圧式アクチュエータ。
【請求項３】
前記エアシリンダのピストンが仕切る一方側には、ポジショナにより調節された空気圧力が供給される空気室を設け、他方側にはピストンを付勢するバネ体を設けた請求項２に記載の弁駆動用空油圧式アクチュエータ。
【請求項４】
前記油圧シリンダの両側油室の少なくとも一方に、手動油圧ポンプの吐出油圧を供給可能にする請求項１〜３のいずれかに記載の弁駆動用空油圧式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水処理又は工業用プロセス制御のための高負荷用調節弁等を高精度に駆動するに好適な弁駆動用空油圧式アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、事業用火力発電プラント等の高温高圧調節弁等に用いられる空気式アクチュエータは、プラント全体に数多く使用されているが、近年、ボイラ設計条件の超々臨界圧化や、高頻度な起動・停止運転及び負荷変動化に伴ない、常時過酷な運転条件にさらされるようになっている。
【０００３】
従って、空気式アクチュエータは、そのような過酷な運転条件下においてもプラント統括制御装置から要求される指令信号に基づき、(1)安定的(2)高精度かつ(3)高応答に調節弁の開度をポジション制御する必要がある。更に、プラント設備全体の低コスト化のニーズより、空気式アクチュエータは、(1)軽量かつコンパクト(2)省エネルギーで調節弁を連続的に駆動制御することが望まれる。
【０００４】
しかるに、従来、弁駆動用アクチュエータとして、特許文献１又は特許文献２に記載の如くのものが提案されている。
【０００５】
特許文献１に記載のものは、パワーシリンダのスラストにより出力軸を直線駆動する弁駆動用アクチュエータにおいて、パワーシリンダの作動軸と出力軸の間に、可動ラックと固定ラックとピニオン型の可動子で構成される歯車減速装置を配設したものである。
【０００６】
特許文献２に記載のものは、パワーシリンダのスラストにより出力軸を直線駆動する弁駆動用アクチュエータにおいて、パワーシリンダの作動軸とアクチュエータの出力軸との間に、ボールねじ式減速装置を配設したものである。
【特許文献１】特許2715258
【特許文献２】特開平8-28745
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の従来技術には以下の問題点がある。
(i)パワーシリンダ作動軸とアクチュエータ出力軸との間にラック・ピニオン方式による歯車減速装置やボールねじ式減速装置を配設しているため、減速装置内の各機構部分に存在するバックラッシュ分が、調節弁の(1)安定的かつ(2)高精度なポジション制御に悪影響を及ぼし易い。特に調節弁の負荷の大きさ及び方向が頻繁に変化する可能性があるプラントの起動・停止或いは変圧運転中にポジション制御のガタが生じ易く、調節弁の流量制御が不連続になり易い。
【０００８】
(ii)上述(i)の減速装置がアクチュエータの質量及びサイズに占める割合が大きくかつ、各減速部において比較的大きな動力損失（伝達効率は小）を生ずるため、(1)軽量かつコンパクトで(2)省エネルギー型のアクチュエータを得にくい。
【０００９】
本発明の課題は、調節弁の開度を、(1)安定的(2)高精度かつ(3)高応答に駆動することができ、更に軽量かつコンパクトでしかも高効率な弁駆動用アクチェータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、エアシリンダのスラストにより出力軸を直線駆動する弁駆動用空油圧式アクチュエータにおいて、エアシリンダの両側に油圧ブースタを設け、エアシリンダの両側ピストンロッドのそれぞれを各油圧ブースタのピストンに連結することにより、各油圧ブースタの油圧をエアシリンダへの供給空気圧力より増圧可能にし、両油圧ブースタに接続される油圧シリンダを設け、油圧シリンダのピストンロッドに出力軸を連結し、各油圧ブースタの油圧を油圧シリンダのピストンを挟む両側油室のそれぞれに供給可能にしたものである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、前記エアシリンダのピストンが仕切る空気室への供給空気圧力を、上位制御装置からの制御指令信号と、出力軸の位置フィードバック信号との偏差に基づき調節するポジショナを有するものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２の発明において更に、前記エアシリンダのピストンが仕切る一方側には、ポジショナにより調節された空気圧力が供給される空気室を設け、他方側にはピストンを付勢するバネ体を設けたものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において更に、前記油圧シリンダの両側油室の少なくとも一方に、手動油圧ポンプの吐出油圧を供給可能にするようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の本発明によれば、下記(a)〜(c)の作用効果を奏する。
(a)エアシリンダのストロークが油圧ブースタにより大幅に減速・倍力された後、油圧シリンダ、換言すればアクチュエータの出力スラストとなる。従って、アクチュエータの出力スラストは負荷側の高頻度な圧力変動に対しても充分に大となり、調節弁のポジションを高精度かつスムーズに制御できる。
【００１５】
(b)アクチュエータの減速比は油圧ブースタと油圧シリンダの断面積比に比例しかつ一定のため、弁開度指令の変化に対する出力軸の変化も一定となり、出力軸のリニアリティ精度を確保できる。
【００１６】
(c)アクチュエータの減速部に歯車やねじ等の機械伝達部がないのでバックラッシュそのものが存在せず、また、動力伝達は空気及び油圧を介して行なうため、動力伝達損失は殆ど無視でき、従ってアクチュエータの機械効率はほぼ100％となる。
【００１７】
尚、本アクチュエータは歯車やねじ等の機械的減速部を持たないから、軽量かつコンパクトで省エネ型のアクチュエータが提供可能となる。
【００１８】
請求項２に記載の本発明によれば、下記(d)の作用効果を奏する。
(d)上位の制御装置からの指令信号と調節弁の現在ポジションとの間の偏差に基づき弁開度を調節するポジショナがエアシリンダへの供給空気圧力を連続制御するので、高精度かつスムーズで安定した調節弁のポジション制御が得られる。
【００１９】
請求項３に記載の本発明によれば、下記(e)の作用効果を奏する。
(e)エアシリンダのピストンを挟む一方側のみの空気圧をポジショナにて連続制御し、反対側はバネ等の一定の反力にてバランスさせる構成としているため、より簡便なアクチュエータを構成できる。
【００２０】
請求項４に記載の本発明によれば、下記(f)の作用効果を奏する。
(f)油圧シリンダの両側油室の少なくとも一方に手動油圧ポンプの吐出ラインを接続する構成としているため、アクチュエータのメンテナンス等やエアシリンダのための供給空気源が喪失した場合にも調節弁の開度を手動にて操作することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は弁駆動用空油圧式アクチェータを示す模式図、図２は図１の要部拡大図である。
【実施例】
【００２２】
アクチュエータ１０は、図１に示す如く、例えば調節弁１の弁棒１Ａを駆動する。調節弁１は、入口流路２及び出口流路３並びに弁室４を備えるケーシング５と、ケーシング５の弁室４に形成される弁座６と、ケーシング５に移動可能に支持されて弁体１Ｂを備える弁棒１Ａとを有する。
【００２３】
アクチュエータ１０は、図１、図２に示す如く、エアシリンダ１１のスラストにより出力軸１０Ａを直線駆動し、出力軸１０Ａにコネクタ１０Ｂを介して弁棒１Ａを接続している。エアシリンダ１１はピストン１２の両側にピストンロッド１３Ａ、１３Ｂをもつ複動式をなし、ピストン１２が仕切る断面積Ａ1の上下の空気室１４Ａ、１４Ｂを備える。
【００２４】
アクチュエータ１０は、エアシリンダ１１の同軸延長上の上下両側に上下一対の油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂを設け、エアシリンダ１１の両側ピストンロッド１３Ａ、１３Ｂのそれぞれを各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂのピストン２２Ａ、２２Ｂに連結する。本実施例では、ピストンロッド１３Ａ、１３Ｂの先端部自体をピストン２２Ａ、２２Ｂとする。各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂはピストン２２Ａ、２２Ｂが仕切る断面積Ａ2（Ａ2＜Ａ1）の油室２３Ａ、２３Ｂを備え、各油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂの油圧をエアシリンダ１１への供給空気圧力より増圧可能にする。
【００２５】
アクチュエータ１０は、両油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれに油圧配管２４Ａ、２４Ｂを介して接続される油圧シリンダ３１を設ける。油圧シリンダ３１はピストン３２の下片側にピストンロッド３３をもつ複動式をなし、ピストン３２が仕切る断面積Ａ31、Ａ32（Ａ31、Ａ32＞Ａ2）の上下の油室３４Ａ、３４Ｂを備える。上油圧ブースタ２１Ａの上油室２３Ａの油圧は油圧配管２４Ａにより油圧シリンダ３１の上油室３４Ａに供給され、下油圧ブースタ２１Ｂの下油室２３Ｂの油圧は油圧配管２４Ｂにより油圧シリンダ３１の下油室３４Ｂに供給される。油圧シリンダ３１のピストンロッド３３に出力軸１０Ａを連結する。本実施例ではピストンロッド３３自体を出力軸１０Ａとする。
【００２６】
アクチュエータ１０は、両油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂの油室２３Ａ、２３Ｂのそれぞれを油圧配管２５Ａ、２５Ｂを介してリザーバ２６に連通し、油圧シリンダ３１に進入／退出するピストンロッド３３の容積分の作動油を補償可能にする。
【００２７】
アクチュエータ１０のポジション制御（油圧シリンダ３１のピストンロッド３３（出力軸１０Ａ）の位置制御）は、ポジショナ４０により行なわれる。ポジショナ４０は位置検出器４１を付帯的に備え、位置検出器４１はピストンロッド３３（出力軸１０Ａ）と弁棒１Ａとのコネクタ１０Ｂにリンク連結され、出力軸１０Ａの位置フィードバック信号ＦＳを出力する。ポジショナ４０は、上位制御装置（上位コントローラ）からの制御指令信号ＤＳと、位置検出器４１からのピストンロッド３３（出力軸１０Ａ）の位置フィードバック信号ＦＳとの偏差に基づき、エアシリンダ１１の上下の空気室１４Ａ、１４Ｂへの供給空気圧力Ｃ1、Ｃ2をフィードバック制御して調節する。ＳＡは供給空気圧である。
【００２８】
アクチュエータ１０は、手動油圧ポンプ５０の吐出ライン５１を、切換弁５０Ａの切換操作によって選択的に、油圧シリンダ３１の両側油室３４Ａ、３４Ｂ（油圧配管２４Ａ、２４Ｂ）のそれぞれに接続し、手動油圧ポンプ５０の吸込ルート５２をリザーバ２６に接続する。アクチュエータ１０のメンテナンス時や、エアシリンダ１１の動力源喪失に伴なう復旧運転時に、手動油圧ポンプ５０の手動操作により油圧シリンダ３１を可動とする。この手動油圧ポンプ５０の手動操作に先立ち、エアシリンダ１１の上下の空気室１４Ａ、１４Ｂがバイパス回路５３の手動開閉弁（均圧弁）５４により導通される。
【００２９】
アクチュエータ１０は以下の如く動作する。
(1)ポジショナ４０は上位制御装置からの弁開度指令ＤＳと、位置検出器４１からのアクチュエータ出力軸１０Ａ（油圧シリンダ３１のピストンロッド３３）の現在開度位置フィードバック信号ＦＳを受け、現在開度が指令開度となるように、エアシリンダ１１の上下の空気室１４Ａ、１４Ｂの圧力を調節する。
【００３０】
(2)図１は、エアシリンダ１１内のピストンの上限位置（弁開度で0％（全閉））を示すが、このとき、上位の制御装置からポジショナ４０に開方向（例えば50％等）の開度指令ＤＳが入力されると、この指令に基づきポジショナ４０はエアシリンダ１１の上空気室１４Ａの圧力を上昇するとともに下空気室１４Ｂの圧力を下降させ、結果としてエアシリンダ１１内のピストンロッド１３Ａ、１３Ｂに下向き推力を発生させる。この推力は上下の空気室１４Ａ、１４Ｂの圧力差にピストン１２の断面積Ａ1を乗じて得られる値である。
【００３１】
(3)下向き推力を得たエアシリンダ１１のピストンロッド１３Ｂは下油圧ブースタ２１Ｂ内の作動油を増圧する。尚、このときの下油圧ブースタ２１Ｂの作動油圧力Ｐは前記エアシリンダ１１のピストンロッド１３Ｂの推力を下油圧ブースタ２１Ｂのピストン２２Ｂの断面積Ａ2で除して得られる値である。油圧ブースタ２１Ｂで増圧された作動油は出力用油圧シリンダ３１の下油室３４Ｂに導かれ、結果として出力用油圧シリンダ３１のピストンロッド３３に上向き推力を発生させる。尚、このときの推力は油圧ブースタ２１Ｂのピストン２２Ｂと出力用油圧シリンダ３１のピストン３２の断面積比Ａ32／Ａ2に作動油の圧力Ｐを乗じて得られる。
【００３２】
(4)一方、出力用油圧シリンダ３１の上油室３４Ａ内の作動油は、上油圧ブースタ２１Ａ内に戻り、上油圧ブースタ２１Ａはアクチュエータ全開時（開度100％）にリザーバ２６と導通する。
【００３３】
本実施例によれば以下の作用効果を奏する。
(a)エアシリンダ１１のストロークが油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂにより大幅に減速・倍力された後、油圧シリンダ３１、換言すればアクチュエータ１０の出力スラストとなる。従って、アクチュエータ１０の出力スラストは負荷側の高頻度な圧力変動に対しても充分に大となり、調節弁１のポジションを高精度かつスムーズに制御できる。
【００３４】
(b)アクチュエータ１０の減速比は油圧ブースタ２１Ａ、２１Ｂと油圧シリンダ３１の断面積比Ａ2／Ａ32に比例しかつ一定のため、弁開度指令の変化に対する出力軸１０Ａの変化も一定となり、出力軸１０Ａのリニアリティ精度を確保できる。
【００３５】
(c)アクチュエータ１０の減速部に歯車やねじ等の機械伝達部がないのでバックラッシュそのものが存在せず、また、動力伝達は空気及び油圧を介して行なうため、動力伝達損失は殆ど無視でき、従ってアクチュエータ１０の機械効率はほぼ100％となる。
【００３６】
尚、本アクチュエータ１０は歯車やねじ等の機械的減速部を持たないから、軽量かつコンパクトで省エネ型のアクチュエータ１０が提供可能となる。
【００３７】
(d)上位の制御装置からの指令信号と調節弁１の現在ポジションとの間の偏差に基づき弁開度を調節するポジショナ４０がエアシリンダ１１への供給空気圧力を連続制御するので、高精度かつスムーズで安定した調節弁１のポジション制御が得られる。
【００３８】
(e)油圧シリンダ３１の両側油室３４Ａ，３４Ｂの少なくとも一方に手動油圧ポンプ５０の吐出ライン５１を接続する構成としているため、アクチュエータ１０のメンテナンス等やエアシリンダ１１のための供給空気源が喪失した場合にも調節弁１の開度を手動にて操作することが可能となる。
【００３９】
尚、アクチュエータ１０にあっては、エアシリンダ１１のピストン１２が仕切る一方側には、ポジショナ４０により調節された空気圧力が供給される空気室を設け、他方側にはピストン１２を付勢するバネ体を設けるものとしても良い。これによれば、エアシリンダ１１のピストン１２を挟む一方側のみの空気圧をポジショナ４０にて連続制御し、反対側はバネ等の一定の反力にてバランスさせる構成としているため、より簡便なアクチュエータ１０を構成できる。
【００４０】
また、アクチュエータ１０にあっては、手動油圧ポンプ５０の吐出油圧を、使用目的によっては、油圧シリンダ３１の両側油室３４Ａ、３４Ｂの両方でなく、いずれか一方にだけ供給可能にするものでも良い。
【００４１】
従って、本発明によれば、弁駆動用アクチュエータにおいて、調節弁の開度を、(1)安定的(2)高精度かつ(3)高応答に駆動することができる。更に、重厚長大な機械的減速機構が無いため、軽量かつコンパクトでしかも動力伝達損失が殆ど無い高効率な弁駆動用アクチュエータを得ることができる。
【００４２】
以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は弁駆動用空油圧式アクチェータを示す模式図である。
【図２】図２は図１の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  アクチュエータ
１０Ａ  出力軸
１１  エアシリンダ
１２  ピストン
１３Ａ、１３Ｂ  ピストンロッド
１４Ａ、１４Ｂ  空気室
２１Ａ、２１Ｂ  油圧ブースタ
２２Ａ、２２Ｂ  ピストン
３１  油圧シリンダ
３２  ピストン
３３  ピストンロッド
３４Ａ、３４Ｂ  油室
４０  ポジショナ
５０  手動油圧ポンプ
【図１】
2006009875.tif 000003
【図２】
2006009875.tif 000004