(57)【要約】【課題】  緊急時に確実にバルブを全閉または全開動作させることができ、設備コストも低減させることのできる電動アクチュエータを提供する。【解決手段】  制御部２２と、蓄電装置１４とを備えてなり、制御部２２は、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量を計測し、計測された蓄電エネルギ量が開度指令値に基づいてバルブの開度位置からバルブを全閉または全開できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉または全開できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉または全開にできる位置を開方向または閉方向の上限位置として、バルブ開度位置の制御を行うものである。【選択図】  図２
2011102609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開度指令値およびバルブの開度位置に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令値に対応した開度にバルブを開閉制御する制御装置と、
前記電動モータを回転駆動するための電力を供給する蓄電装置と、を備え、
前記制御装置は、前記蓄電装置の蓄電エネルギ量を計測し、計測された蓄電エネルギ量が開度指令値に基づいて前記バルブの開度位置からバルブを全閉または全開できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉または全開できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉または全開にできる位置を開方向または閉方向の上限位置として、前記バルブ開度位置の制御を行うものであることを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項２】
前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の電動アクチュエータ。
【請求項３】
前記電動モータを収容し前記バルブが装着される本体に対して、前記制御装置と前記蓄電装置を収容する制御ケースを着脱自在に設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動アクチュエータに係り、特に、ボールバルブ、バタフライバルブ等の回転バルブなどに搭載され、バルブの弁体を電動により開閉動作させる電動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転バルブなどを電動により回転制御する電動アクチュエータが多く用いられており、この電動アクチュエータは、電動モータを回転駆動させて歯車伝達機構を介してバルブの開閉軸を回転動作させることにより、バルブの開閉動作を行うようになっている。
【０００３】
そして、このような電動アクチュエータにおいては、例えば、停電時などの緊急時に、システムを保護するためにバルブを全閉または全開にすることが要求されている。このように緊急時のバルブの全閉または全開動作を行うために、従来から、スプリングを用いて、緊急時における開閉動作を行う技術があるが、緊急開閉時に騒音が発生してしまうという問題を有している。しかも、スプリングを巻き上げるための大きなモータが必要であるという問題を有している。
【０００４】
そのため、従来から、電動モータを駆動するために蓄電装置を搭載し、緊急時に蓄電装置の電力により電動モータの全閉または全開動作を行わせるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−０８９１０９号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１３８５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の技術においては、電源投入直後などのように蓄電装置の蓄電エネルギ量が少ない場合、開度指令値に基づいて蓄電エネルギで動作できる開度範囲より大きい開度でバルブを開いた場合に、電源の供給が絶たれるとバルブを完全に閉じることができないという問題を有している。このことは、充電速度を高めることにより、より早く遮断用蓄電エネルギを蓄えることは可能であるが、充電電流を高く設定する必要があり、電動アクチュエータや電動アクチュエータへの給電設備コストが高くなってしまうという問題を有している。
【０００７】
本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、緊急時に確実にバルブを全閉または全開動作させることができ、設備コストも低減させることのできる電動アクチュエータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る電動アクチュエータは、開度指令値およびバルブの開度位置に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令値に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置と、
前記電動モータを回転駆動するための電力を供給する蓄電装置と、を備え、
前記制御装置は、前記蓄電装置の蓄電エネルギ量を計測し、計測された蓄電エネルギ量が開度指令値に基づいて前記バルブの開度位置からバルブを全閉または全開できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉または全開できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉または全開にできる位置を開方向または閉方向の上限位置として、前記バルブ開度位置の制御を行うものであることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記電動モータを収容し前記バルブが装着される本体に対して、前記制御装置と前記蓄電装置を収容する制御ケースを着脱自在に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、制御装置により、蓄電装置の蓄電エネルギ量を計測し、計測された蓄電エネルギ量が開度指令値に基づいてバルブの開度位置からバルブを全閉または全開できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉または全開できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉または全開にできる位置を開方向または閉方向の上限位置として、バルブ開度位置の制御を行うようにしているので、停電などの緊急時に蓄電装置の蓄電エネルギにより、電動モータを駆動して確実にバルブを全閉または全開動作させることができる。しかも、蓄電装置の高電流化などが不要であり、設備コストの低減を図ることができる。また、蓄電装置の蓄電エネルギ量がバルブが開度指令値に基づいて開度位置から全閉または全開できるだけのエネルギ量を有していない場合であっても、再度の停電などの緊急時にも確実に全閉または全開動作が可能な状態を確保しつつ、電源復帰時には、直ちにバルブの開閉制御をわずかずつでも開始することができ、給水設備などのライフラインの早期復旧を行うことができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、蓄電装置を電気二重層キャパシタとしているので、蓄電エネルギ量が０となった場合でも、充放電性能が低下してしまうことがなく、効率のよい蓄電を行うことができる。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、電動モータを収容しバルブが装着される本体に対して、制御装置と蓄電装置を収容する制御ケースを着脱自在に設けるようにしているので、本体に制御ケースを装着するだけで、従前の電動アクチュエータを利用して本発明の制御を行うことが可能となり、電動アクチュエータ自体の設計変更が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る制御装置が適用される電動アクチュエータの実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る電動アクチュエータの制御装置の実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る電動アクチュエータによる全閉可能開度が開度指令値より小さい場合の制御を示す説明図である。
【図４】本発明に係る電動アクチュエータによる全閉可能開度が徐々に大きくなる状態を示す説明図である。
【図５】本発明に係る電動アクチュエータによる全閉可能開度が開度指令値より大きい場合の制御を示す説明図である。
【図６】本発明に係る電動アクチュエータによる手動操作によりバルブが強制的に開動作させれた場合の制御を示す説明図である。
【図７】本発明に係る電動アクチュエータによる制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る電動アクチュエータの実施形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明に適用される電動アクチュエータの実施形態を示したものであり、本発明に係る電動アクチュエータ１は、基台２と、この基台２の上方に所定の空間が確保されるように基台２の上面を被覆するカバー部材３とを備えている。この基台２とカバー部材３とにより電動アクチュエータ１の本体４を構成するものである。また、基台２の上方には、地板５が基台２との間に所定間隙を有するように設置されており、地板５の上面には、例えば、ステッピングモータなどからなる電動モータ６が搭載されている。また、基台２には、図示しない出力軸が配設されており、この基台２と地板５の間には、電動モータ６の回転駆動力を出力軸に伝達するための図示しない歯車伝達機構が収容されている。
【００１７】
出力軸の上端部には、カバー部材３の上面まで延設された制御軸７が連結されており、制御軸７の外周下方には、出力軸および制御軸７の回転動作によりバルブの全開位置および全閉位置に対応する全開検知カム部材８および全閉検知カム部材９がそれぞれ２つずつ取付けられている。また、地板５の上面であって制御軸７の近傍には、全開検知カム部材８および全閉検知カム部材９によりＯＮ・ＯＦＦ動作されるマイクロスイッチからなる全開位置検出スイッチおよび全閉位置検出スイッチ（いずれも図示せず）がそれぞれ重ねて配置されている。
【００１８】
また、制御軸７の近傍には、開度検出器１０（図２参照）が取り付けられており、制御軸７に取り付けられたギアにより回転力が開度検出器１０に伝達されてバルブの開度を検出することができるように構成されている。さらに、制御軸７の上端部には、上面が球面とされたバルブの開度インジケータ１１が取付けられており、カバー部材３には、開度インジケータを視認するための視認窓１２が形成されている。
【００１９】
また、基台２の一側下面には、基台２の下面からカバー部材３の側方に沿って上方に延在する制御ケース１３が取付けられており、この制御ケース１３の内部には、電気二重層キャパシタからなる蓄電装置１４が収容されている。さらに、制御ケース１３の内部下方には、制御回路基板１５が設けられており、制御回路基板１５には、制御装置１６が搭載されている。この制御ケース１３は、基台２に対して着脱自在に形成されており、基台２に設置された電動モータ６や全開位置検出スイッチおよび全閉位置検出スイッチなどの電機部品と、制御ケース１３に収容された制御装置１６および蓄電装置１４とを電気的に接続させることにより、所定動作を行うように構成されている。すなわち、本実施形態においては、従前の電動アクチュエータ１の基台２に制御ケース１３を装着することにより、所定の制御を行うことができるものである。
【００２０】
また、電動アクチュエータ１の基台２の下方には、バタフライバルブ１７が装着されている。このバタフライバルブ１７は、円筒状のボディ１８を備えており、ボディ１８の上方には、電動アクチュエータ１の下面に連結されるステム支持部１９が一体に形成されている。ステム支持部１９の内部には、上端部が電動アクチュエータ１の出力軸に連結されるステム（図示せず）が回転動作自在に挿入されており、ボディ１８の内部には、ステムの下端部に連結された弁体としての円板状のジスク２０が回転自在に収容されている。
【００２１】
図２は本発明に係る電動アクチュエータ１の制御装置１６の実施形態を示した回路図である。
【００２２】
図２に示すように、制御回路基板１５に搭載される制御装置１６は、制御部２２を備えており、制御部２２には、電動モータ６の回転駆動制御を行うためのモータ駆動回路２３が接続されている。制御部２２には、電源供給回路２４が接続されており、電源供給回路２４は、制御部２２に制御部２２を動作させるための電源を供給するとともに、蓄電装置１４に蓄電させるための電力を供給するように構成されている。
【００２３】
また、制御部２２には、図示しない制御システムのホスト側から送られるバルブの開度指令値ＳＰ１が入力されるものであり、開度検出器１０からの開度検出値ＰＶは、制御部２２に入力されるように構成されている。
【００２４】
本実施形態においては、制御部２２は、ホスト側から送られるバルブの開度指令値ＳＰ１に基づいて、開度検出器１０から送られる開度検出値に応じてモータ駆動回路２３に制御信号を出力し、モータ駆動回路２３により電動モータ６の回転駆動制御を行うものである。このとき、本実施形態においては、制御部２２は、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量を計測し、計測された蓄電装置１４の蓄電エネルギ量が開度指令値ＳＰ１に基づいてバルブの開度位置からバルブを全閉できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉にできる位置を開方向の上限として、バルブ開度位置の制御を行うように構成されている。
【００２５】
すなわち、バルブを全閉にできる開方向動作の上限値を全閉可能開度ＬＭとすると、この全閉可能開度ＬＭは、キャパシタの蓄電エネルギから算出することができる。
ここで、キャパシタの蓄電エネルギ量は、
Ｑｃ［ｃ］＝Ｃ［Ｆ］×Ｖ［Ｖ］・・・（１）
ここで、Ｑｃは蓄えられた電荷、Ｃはキャパシタ容量、Ｖはキャパシタ電位である。
電荷Ｑｃは、キャパシタ電位Ｖに比例することから、キャパシタ電位Ｖを計測することにより、蓄電エネルギ量を推定することができる。
【００２６】
このキャパシタ電位Ｖと全開可能開度が比例関係にあることを述べる。
バルブ開度位置［°］は、動作時間ｔ［秒］と動作速度ｖ［°／秒］で決まり、下記式で表される。
バルブ開度位置［°］＝ｔ［秒］×ｖ［°／秒］
ここで、バルブを駆動するのに必要な電荷量ＱＬは、消費電流をＩＬとすると、
ＱＬ［ｃ］＝ＩＬ［Ａ］×ｔ［秒］
ここで、バルブ開度と動作時間の関係を代入すると、
ＱＬ［ｃ］＝ＩＬ［Ａ］×ｔ［秒］＝ＩＬ［Ａ］×バルブ開度位置［°］／ｖ［°／秒］・・・（２）
【００２７】
バルブを駆動するのに必要な電荷量ＱＬは蓄電装置１４に蓄えられる電荷量Ｑｃに等しいか、それ以下である必要がある。ＱｃがＱＬより小さいとエネルギ不足となるためである。給電のロスなどを考慮し、蓄電量に余裕をみるため、余裕度αとすると、
Ｑｃ［ｃ］＝αＱＬ［ｃ］
よって、式（１）を左辺、式（２）を左辺に代入すると、
Ｃ［Ｆ］×Ｖ［Ｖ］＝（α×ＩＬ［Ａ］×バルブ開度位置［°］）／ｖ［°／秒］
Ｖ［Ｖ］＝（α×ＩＬ［Ａ］×バルブ開度位置［°］）／（ｖ［°／秒］×Ｃ［Ｆ］）
【００２８】
ここで、α、ＩＬ、ｖ、Ｃは定数であり、
β＝（α×ＩＬ［Ａ］）／（ｖ［°／秒］×Ｃ［Ｆ］）とおくと、
Ｖ［Ｖ］＝β×バルブ開度位置［°］
となり、キャパシタ電位Ｖはバルブ開度に比例するといえる。
このときのバルブ開度を全閉可能開度ＬＭと定義すると、
Ｖ［Ｖ］＝β×ＬＭ
【００２９】
よって、全閉可能開度ＬＭは、
全閉可能開度ＬＭ［°］＝キャパシタ電位Ｖ［°］／β
として算出され、キャパシタ電位すなわち、蓄電エネルギ量ＱＣと全閉可能開度ＬＭは比例関係にあるといえる。
【００３０】
このように蓄電エネルギ量を測定することにより、全閉可能開度を算出することができ、このことを利用して蓄電エネルギ量に応じた開度制御を行うものである。
【００３１】
具体的には、例えば、図３に示すように、６０％の開度指令値に対して蓄電装置１４の蓄電エネルギ量から算出した全閉可能開度ＬＭが３０％の場合、バルブ開度の開度指令値ＳＰ１にかかわらず、３０％までの開度に開動作させる。この場合に、開度指令値ＳＰ１に対しては少ない開度で開動作させるものであるが、流体を流すことは可能であり、例えば、停電などにより緊急遮断を行う場合でも、確実にバルブの全閉が可能である。そして、図４に示すように、蓄電装置１４は、電源供給元からの通電が再開した際、徐々に蓄電エネルギ量が増加していく。そのため、蓄電エネルギ量の増加に伴って全閉可能開度ＬＭは徐々に大きくなり、この全閉可能開度ＬＭに応じてバルブ開度も大きくなるように制御されるものである。このとき、充電速度がバルブの動作速度よりも遅く、全閉可能開度ＬＭはサンプリングされたキャパシタ電位により算出されるため、バルブの開動作速度は、キャパシタ電位のサンプリング間隔に応じて断続的なインチング動作となる。
【００３２】
また、全閉可能開度ＬＭより開度指令値ＳＰ１が小さい場合には、図５に示すように、開度指令値ＳＰ１に応じてバルブの開度制御が行われる。例外として、緊急遮断後に手動操作により強制的にバルブが開動作された場合があるが、この場合は、復電時に、図６に示すように、手動操作によるバルブの開度位置から全閉可能開度ＬＭまで、閉動作させるものである。
【００３３】
ここで、電動モータ６を駆動する際には、一定の電圧が必要とされる。一方、電気二重層キャパシタはエネルギを消費した分だけ電圧降下するので、キャパシタ単体だけでは定電圧源として使用することができない。そこで、蓄電装置１４により電動モータ６を駆動する場合には、電源供給回路２４内に設けた定電圧回路を介して一定の電圧値で駆動するようになっている。定電圧回路により電圧値を一定値にするためには、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量が０ボルトになるまで使用することは困難である。そのため、本実施形態においては、全閉可能開度を算出するための蓄電エネルギ量は、このことを考慮して算出することが好ましい。また、前述の場合、蓄電装置１４として電気二重層キャパシタを用いた場合の例を示したものであり、蓄電エネルギ量が０となった場合でも、充放電性能が低下してしまうことはないが、蓄電装置１４としてリチウムイオンキャパシタを用いた場合には、蓄電装置１４の電圧値が特定の下限電圧を下回ると、定電圧を得ることができず、しかも、下限電圧を下回ると、充放電性能が低下してしまうという問題がある。特に、建築設備として設置されるバルブは、建築中の建築物に設置されることが多く、バルブを設置した後、長期間電源を供給されない場合があるので、リチウムイオンキャパシタの自然放電により下限電圧を下回る可能性がある。そのため、蓄電装置１４としてリチウムイオンキャパシタを用いる場合には、乾電池と昇圧回路を用いて、下限電圧を下回らないようにすることが好ましい。
【００３４】
次に、本発明に係る電動アクチュエータ１の動作について図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３５】
まず、制御部２２により、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量を計測し（ＳＴ１）、蓄電エネルギ量に基づいてバルブが動作できる時間を算出する（ＳＴ２）。このバルブの動作可能時間に基づいて、全閉まで動作できる全閉可能開度ＬＭを算出する（ＳＴ３）。そして、開度指令値ＳＰ１と、現在のバルブ開度ＰＶを検出し（ＳＴ４）、開度指令値ＳＰ１と全開可能開度ＬＭとを比較する（ＳＴ５）。
【００３６】
そして、全閉可能開度ＬＭが開度指令値ＳＰ１以下の場合は、全閉可能開度ＬＭを開度指令値ＳＰ２に置き換える（ＳＴ６）。一方、全閉可能開度ＬＭが開度指令値ＳＰ１より大きい場合は、開度指令値ＳＰ１を開度指令値ＳＰ２に置き換える（ＳＴ７）。そして、開度指令値ＳＰ２と現在のバルブ開度ＰＶとを比較し（ＳＴ８）、開度指令値ＳＰ２が現在のバルブ開度ＰＶより小さい場合には、バルブを閉動作させる（ＳＴ９）。また、開度指令値ＳＰ２が現在のバルブ開度ＰＶより大きい場合は、バルブを開動作させる（ＳＴ１０）。さらに、開度指令値ＳＰ２が現在のバルブ開度ＰＶと等しい場合は、バルブの動作を停止させる（ＳＴ１１）。以上の動作は、緊急時など電源供給が断たれるまで繰り返し行われる。
【００３７】
以上述べたように、本実施形態においては、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量が開度指令値に基づいてバルブの開度位置からバルブを全閉できるだけのエネルギ量を有しているか否か判定し、全閉できるだけのエネルギ量を有していない場合は、バルブを全閉にできる位置を開方向の上限として、バルブ開度位置の制御を行うようにしているので、停電などの緊急時に蓄電装置１４の蓄電エネルギにより、電動モータ６を駆動して確実にバルブを全閉動作させることができる。しかも、蓄電装置１４の高電流化などが不要であり、設備コストの低減を図ることができる。また、本体４に制御ケース１３を装着するだけで、従前の電動アクチュエータ１を利用して本発明の制御を行うことが可能となり、電動アクチュエータ１自体の設計変更が不要となる。また、蓄電装置の蓄電エネルギ量がバルブが開度指令値に基づいて開度位置から全閉できるだけのエネルギ量を有していない場合であっても、再度の停電などの緊急時にも確実に全閉動作が可能な状態を確保しつつ、電源復帰時には、直ちにバルブの開閉制御をわずかずつでも開始することができ、給水設備などのライフラインの早期復旧を行うことができる。
【００３８】
なお、前記実施形態においては、制御システムのホスト側から開度指令値が送られる場合について説明したが、電動アクチュエータ１の制御装置１６内に保存したプログラムに基づいて、バルブの開度検出値に応じて自動的に開度指令値を付与するいわゆる自律型のシステムから送るようにしてもよい。また、バルブの開度検出値は、バルブの開度検出器から送られる場合の他、ステッピングモータのように電動モータ６の絶対回転位置に応じて、電動アクチュエータの制御装置１６内で付与するようにしてもよい。さらに、蓄電装置１４の蓄電エネルギ量を判定する場合に、前述の算出式に基づいて判定する場合の他、あらかじめ保存したデータテーブルに基づいて判定するようにしてもよい。
【００３９】
また、本発明は、ボールバルブやバタフライバルブなどの回転弁の他、他のバルブ例えば、ゲートバルブやニードルバルブなどのリフト弁にも適用することが可能である。
【００４０】
また、前記実施形態において、緊急時にバルブを全閉動作させる場合の制御について説明したが、緊急時にバルブを全開動作させる場合の制御にも適用することが可能である。すなわち、バルブを全閉動作させる場合としては、例えば、空調、給湯、給水用の設備に用いられるバルブを駆動する場合に好適であり、バルブを全開動作させる場合としては、スプリンクラーなどの消防設備に用いられるバルブを駆動する場合に好適である。
【００４１】
また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  電動アクチュエータ
２  基台
３  カバー部材
４  本体
５  地板
６  電動モータ
７  制御軸
１０  開度検出器
１３  制御ケース
１４  蓄電装置
１５  制御回路基板
１６  制御装置
１７  バタフライバルブ
１８  ボディ
２０  ジスク
２２  制御部
２３  モータ駆動回路
２４  電源供給回路
【図１】
2011102609.tif 000003
【図２】
2011102609.tif 000004
【図３】
2011102609.tif 000005
【図４】
2011102609.tif 000006
【図５】
2011102609.tif 000007
【図６】
2011102609.tif 000008
【図７】
2011102609.tif 000009