JP4954964B2 - 流体弁駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、弁制御用駆動機構に関し、特に、ガスタービン設備における燃料供給の流量制御弁における緊急安全装置に関する。

ガスタービン技術は、高効率な発電特性により急速に導入が進められているＬＮＧ複合発電（コンバインドサイクル）において、中核技術として採用されている。地球温暖化対策が国際的に重要な課題として認識されてきている近年、炭酸ガス排出量が多い火力発電における高効率発電技術はますます重要性が認識されるようになり、ガスタービン温度（燃焼温度）の上昇による更なる高効率化の技術開発が進められ、近年ではガスタービン温度１５００℃級の大型で高効率な発電設備も稼動するようになってきた。そのため、ガスタービンへの燃料供給を制御する燃料流体弁に対する制御の信頼性の向上、緊急時の確実なフェイルセーフ機能の実現は、ますます重要な課題となっている。

ガスタービンへの燃料供給を制御する従来の流体弁駆動機構の例を図１２に示す。該装置は、弁箱５０８、連結フレーム５０７、ばね箱５０６を固定部として有し、該ばね箱５０６の上部に駆動装置である油圧アクチュエータ５０１が固定されている。弁箱５０８内の弁体５０９は、弁棒５１０、連結棒５０３、出力軸５０２を介して、油圧アクチュータ５０１に連結され、図示しない油圧供給ユニットの油圧力により出力軸５０２を上下に駆動して弁体５０９を昇降させ、弁の開度を調節する。ばね箱５０６内にその上端をばね箱上部に固定されたコイルばね５０４を有し、コイルばね５０４の自由端である下端はばね座５０５に固定され、ばね座５０５は連結棒５０３と連結している。油圧力が作用していない初期状態において、弁体５０９が弁座に所定の押圧力で押圧した弁閉状態を維持するように、コイルばね５０４は所定の長さ圧縮された状態となるように構成されている。通常運転時には、油圧アクチュエータ５０１の駆動力により、出力軸５０２、連結棒５０３を介して、ばね座５０５を上昇させてコイルばね５０４を圧縮することにより、弁の開閉操作が行われる。油圧装置の故障により油圧力が遮断されると、コイルばね５０４のばね反力により、弁閉状態に強制的に復帰し、外部の駆動力によらず弁を遮断する、緊急遮断機構を有する。

また、弁体を前後進させるタイプの流体弁における緊急遮断機構に関しては、以下のような従来技術が開示されている。

特許文献１は、特に蒸気タービンに使用され、弁体を前後進させて弁の開閉をする蒸気弁の操作装置であって、皿ばね２１に蓄えられたばねエネルギーの解放による緊急遮断を可能とする蒸気弁の操作装置を開示している。該装置は、皿ばね２１及びコレットチャック１９からなる蓄圧装置７、コレットチャック１９と係合する駆動部５のラム４９を有する。該装置の通常の使用時には、ラム４９内の電磁コイル１３に通電することによる電磁力でコレットチャック１９をラム４９に磁着して固定しコレットチャック１９内の皿ばね２１を圧縮した状態で維持したまま、弁の開閉操作をする。非常時には、ラム４９内の電磁コイル１３の通電が停止し、コレットチャック１９のラム４９との磁着が解除され、蓄圧されていた皿ばね２１が開放され、弁棒３を介して弁体が前進し、蒸気弁を緊急遮断する機構を有する。また、緊急遮断の際、弁ばねの急激な前進による弁体および弁座に与える衝撃エネルギーを緩和するため、弁棒３を駆動部５のラム４９と機械的に直接固定せず、油等の流体が充填されている密閉室内に弁が動作する方向に可動な状態で配置された可動アクチュエータ板６７に弁棒３を接続し、急激な弁棒３の移動時には、可動アクチュエータ板６７で二分された密閉室間の流体移動の抵抗により、衝撃エネルギーを吸収することができる蒸気弁の操作装置が開示されている。

特許文献２は、弁の変位装置に関し、駆動装置２，３の回転による弁棒４の前後進による通常運転時の弁の開閉操作と、スプリングばね１４に蓄えられたばねエネルギーの解放による緊急遮断を可能とする弁の変位装置を開示している。該装置においては、駆動装置に接続したねじ構造を有するシャフトが、伸張リンク式カートリッジ１６の後端に螺合し、伸張リンク式カートリッジ１６内にはその後端がカートリッジ１６内で固定されたばね１４を有し、ばね１４先端は、弁体２３と接続する弁棒と接続しているフランジと接続している。変位装置の通常使用時には、フランジが後退してばね１４が圧縮された状態であり、フランジ先端とカートリッジ１６先端の間にはトグル機構１０，１１が介在して、ラッチピン１８により伸長した状態で維持されたトグルリンクによりばね１４を圧縮した状態に維持している。通常運転時は、ばね１４が圧縮している状態のまま、駆動装置によるシャフト２，３の回転で、カートリッジ１６が前後進し、弁を開閉する。非常時には、ソレノイドコイル２７への電源が遮断されて引き戻しばねによりラッチピン１８が引き戻され、トグルリンク１０，１１は屈曲してばね１４が伸長し、ばねエネルギーにより弁体は弁遮断位置に移動する、という変位装置が記載されている。

特許文献３は、緊急遮断の際には速やかに閉鎖方向に作動させることが可能な蒸気タービン用バルブを開示している。該バルブにおいて、弁体２４を作動させる駆動機構１４は、電動機１６、電磁継手１８、ボールスクリュー２０、アキュムレータ２８で構成される。ボールスクリュー２０を構成するブッシュ２０ａは電磁継手１８を介して電動機１６に接続され、ボールスクリュー２０を構成するロッド２０ｂの先端部は弁棒２２の基部に接続される。該ロッド２０ｂの先端のフランジ部２６とブッシュ２０ａとの間にはばねで構成されるアキュムレータ２８が組み込まれる。電動機１６を駆動して電磁継手１８を介してブッシュ２０ａを回転させ、アキュムレータ２８を蓄圧しながらロッド２０ｃを上昇させることによりバルブは開放され、緊急時には、電磁継手１８を開放することにより、蓄圧されたアキュムレータ２８によってブッシュ２０ａを回転させながらロッド２０ｃを下降させ、バルブは急速に遮断される蒸気タービン用バルブが開示されている。

国際公開第０２／０３５１２３号 国際公開第２００４／０７６８９９号 特開平０８−２３２６０７号

本発明は、ガスタービンの燃料制御弁において、燃料制御弁内を流れる高温流体（燃料）に接触する弁体からの熱影響を受けにくい構造を有し、コンパクトで簡易な構造でありながら緊急時には強力な押圧力で弁体を緊急遮断できる信頼性の高いフェイルセーフ機能を有する、流体弁駆動機構に関する。

本発明は、流体弁の弁体１２を弁座に対して前後進させる流体弁駆動機構であって、該流体弁駆動機構は、駆動手段１と緊急駆動手段を有し、該緊急駆動手段は、ばねユニット（ばね手段）と緊急解除ユニット（ばね保持手段）１００を含み、該ばねユニットは、ばね６とばね上支持部（上ばね箱）４とばね下支持部（下ばね箱）５と、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間に配置されたばね６から構成され、該ばね上支持部４は駆動手段１と接続し、該ばね下支持部５は弁体１２に接続し、該緊急解除ユニット１００は、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間の間隔を固定することが可能であり、該駆動手段１は、該ばね上支持部４を昇降させる流体弁駆動機構であって、該弁体１２が該弁座に当接し、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間で該ばね６は自由長から所定長さだけ圧縮された初期状態から、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔を狭めることにより所定の長さまで該ばね６を圧縮した後、該緊急解除ユニットにより該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔を固定し、該駆動手段１を駆動することにより、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間で該ばね６を圧縮した状態に保持したまま、該弁体１２を昇降させて弁の開閉を制御し、緊急時には、該緊急解除ユニット１００による該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間の間隔の固定を解除し、該ばね６が圧縮状態から伸張し、該ばね下支持部５を介して該弁体１２を下降させ、該弁体１２を該弁座に押圧することにより、該流体弁を閉止するよう緊急駆動することを可能とする、というものである。

本発明の流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該緊急解除ユニット１００は、該ばね上支持部４に固定された軸上支持部及び該ばね下支持部５に固定された軸下支持部を貫通して延在する、緊急解除ユニット軸１０４と、該軸上支持部と該軸下支持部と該緊急解除ユニット軸１０４の相互間の相対的な位置を固定することができるばね支持部間隔固定手段１０１を含むことを特徴とする。

本発明の流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該緊急解除ユニット軸１０４はねじ構造を有する軸１０４であり、該軸上支持部及び該軸下支持部の一方は、ナット１１１であって該軸１０４と螺合し、該軸上支持部及び該軸下支持部の他方は、サポートベアリング１０７であって、該軸１０４を回動可能な状態で、該軸上支持部及び該軸下支持部の該他方に対して、該軸１０４の軸方向において固定し、該ばね支持部間隔固定手段１０１は、該軸１０４と該ナット１１１の間の相対的な回動が可能な状態と不可能な状態を切り替える回動可否制御部１０１であり、該軸１０４と該ナット１１１との相対的な回動により、前記ばね上支持部４と前記ばね下支持部５の間隔が変更可能であり、該軸１０４が回動可能な状態では、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間に働く、前記駆動装置１による押圧力又は前記ばね６のばね反力により、該軸１０４と該ナット１１１は相対的に回動させられ、該ばね上支持部４及び該ばね下支持部５の可動範囲内で、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔が変更される、ことを特徴とする。

本発明の流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、前記ねじ構造を有する軸１０４はボールねじ軸１０４であり、前記ナット１１１はボールねじナット１１１であることを特徴とする。

本発明の流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該回動可否制御部１０１は、電磁クラッチ１０１であることを特徴とする。

本発明の流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該緊急駆動手段は、直動案内手段（リニアガイド）２００をさらに含み、該直動案内手段２００は、該弁体１２が前後進する方向に対して、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５が滑らかに摺動するよう案内することを特徴とする。

本発明の該流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該緊急駆動手段は、前記ばね下支持部５と前記弁体１２の間に、衝撃緩衝手段３００を更に有し、該衝撃緩衝手段３００に含まれる流体３０１の流体抵抗により、急激な該弁体１２の昇降を緩和する、ことを特徴とする。

本発明の該流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、前記駆動手段１を固定し内部に前記緊急駆動手段を有する主フレーム３と、弁体１２を含む弁箱と該主フレーム３との間に中空構造を有する断熱フレーム８を有し、さらに、該断熱フレーム８と該主フレーム３との間に断熱接続部７をさらに有することを特徴とする。

本発明の該流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、前記駆動手段１は直動駆動手段（油圧リニアサーボモータ）であることを特徴とする。

本発明の該流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該駆動手段１は、回転駆動手段（電動アクチュエータ、電動サーボモータ）２４であり、該回転駆動手段の駆動力により回転する駆動シャフト２と前記ばね上支持部４との接続部に、回転直動変換機構（駆動シャフト昇降ナット）２３を有し、該回転直動変換機構２３は、駆動シャフト２の回転により、該ばね上支持部４を昇降させることを特徴とする。

本発明の該流体弁駆動機構の更なる実施形態においては、該回転駆動手段は電動サーボモータ２４であり、該流体弁駆動機構は、累積負荷評価手段４００を更に有し、該累積負荷評価手段４００は、該電動サーボモータ２４の回転を検出する回転検出手段（エンコーダ）４０１と、該電動サーボモータ２４を駆動する電流を検出する駆動電流センサ４０４を有し、該駆動電流センサ４０４から検出されるモータ推力と該回転数の積を算出して累積し、累積値が所定の値よりも大きい場合には、警報を発する、ことを特徴とする。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る流体弁駆動機構を説明する。

図１、２は、本発明に係る流体弁駆動機構の実施例１の正面概略図、側面概略図であり、図３は図２の断面Ａ−Ａから見た正面概略断面図を示す。

実施例１の流体弁駆動機構は、駆動部１、主フレーム３、断熱フレーム８、弁箱１３、コイルばね６、上ばね箱４、下ばね箱５、ばね保持ユニット１００の主要な構成部を有する。

主フレーム３の上部に駆動部１が固定され、駆動部１は、弁体１２を弁箱１３内で上下方向（弁体を弁座に対して前後進させる方向）に駆動するための駆動力を供給する。主フレーム３の下部は、断熱接続部７を介して断熱フレーム８に接続し、断熱フレーム８の下部は弁箱１３に接続している。主フレーム３内には上ばね箱４および下ばね箱５を有し、上ばね箱４と下ばね箱５の間にはコイルばね６が設置されている。下ばね箱５は連結棒１０を介して弁棒１１に接続し、弁棒１１は弁箱１３内の弁体１２に接続している。駆動部１は駆動シャフト２を介して上ばね箱４に接続されている。

上ばね箱４と下ばね箱５は、コイルばね６の他に、上ばね箱４および下ばね箱５の外周で１８０度対称の位置関係で配置されている二つのばね保持ユニット１００によって接続されている。

図４に、ばね保持ユニット（緊急解除ユニット）１００の拡大断面図を示す。ばね保持ユニット１００のそれぞれは、上ブラケット１０６を介して上ばね箱４に固定されたサポートベアリング１０７を含み、サポートベアリング１０７は、ボールねじ軸１０４を回転可能に保持している。サポートベアリング１０７の上部に電磁クラッチ１０１を備え、ボールねじ軸１０４の上端１１２は、電磁クラッチ１０１のアーマチュア１０３に固定されている。電磁クラッチ１０１は、上ばね箱４に固定されている上ブラケット１０６に固定されている。ばね保持ユニット１００のそれぞれは、下ブラケット１１０を介して下ばね箱５に固定されたボールねじナット１１１を含み、該ナット１１１は、それぞれ対応するボールねじ軸１０４のねじ部１０５と螺合している。

以下、本発明に係る流体弁駆動機構の実施例１の特徴的構成を、流体弁の動作に基づいて説明する。

初期状態（図３）では、駆動部１による駆動力は付与されず、電磁クラッチ１０１には通電されず、該クラッチ１０１は開放状態であり、ボールねじ軸１０４はボールねじナット１１１に対して回転可能な状態である。また、コイルばね６は、主フレーム内における上ばね箱４及び下ばね箱５の可動範囲内での最大長の状態である（上ばね箱４と下ばね箱５の間隔は、図３に示す長さＬ１の状態である）。また、弁体１２はコイルばね６により所定の圧力で弁座に押圧された、弁の閉じた状態である。

この初期状態から駆動部１を駆動し、駆動シャフト２を下方向に移動させ、上ばね箱４を押し下げる。弁体１２は弁座に接触していて下ばね箱５は下降できないため、下ばね箱５、連結棒１０、弁棒１１の位置は変わらず、上ばね箱４はコイルばね６を圧縮しながら、所定位置まで下降する（図５）。ボールねじ軸１０４は、サポートベアリング１０７部分で、上ばね箱４に対して回転可能な状態で上下方向（ボールねじ軸の軸方向）に対して固定されているため、上ばね箱４が下降しながらコイルばね６を圧縮している間、下ブラケット１１０に固定されたボールねじナット１１１と係合しているねじ部１０５によって、ボールねじ軸１０４は回転しながら上ばね箱４と下ばね箱５の間隔が狭められる。

上ばね箱４が所定位置まで下降すると、駆動部１による上ばね箱４の下降を停止し、電磁クラッチ１０１のステータ１０２の内部の電磁石に通電して、電磁力によってアーマチュア１０３をステータ１０２に固定し、ボールねじ軸１０４の回転を拘束することにより、コイルばね６の圧縮反力を保持して、上ばね箱４と下ばね箱５の間隔を長さＬ２（＜Ｌ１）に固定する（図５）。

このようにコイルばね６を圧縮してばねの弾性エネルギーを高く保持した状態で、駆動部１を作動させて、上ばね箱４と下ばね箱５の間隔を長さＬ２に固定したまま、弁体１２を昇降させて流体弁の開度を制御する（図６）。

（電磁クラッチによるコイルばね圧縮維持機構）
本発明においては、コイルばね６を圧縮した状態での上ばね箱４と下ばね箱５の間隔を、ばね保持機構１００によって維持している。コイルばね６のバネ反力は、例えば、口径２５０ｍｍの弁体の場合には８トンもの強大な力となる場合がある。上下方向に働くこのばね反力に抗する本発明のばね保持機構１００では、ねじ部１０５のリードを１０ｍｍ、ねじの効率を１と仮定した場合、ボールねじ軸１０４のねじ部１０５により、１２．７ｋｇ・ｍという小さなトルクで８トンのバネ反力を保持することが可能となり、ばね反力を保持するために必要な装置を簡易化し、コンパクト化できるという利点を有する。

駆動部１に異常が発生し、駆動部１による流体弁の制御ができなくなった場合には、緊急に流体弁を遮断することが必要である。その場合は、電磁クラッチ１０１への通電を停止して電磁クラッチを開放する。これにより、ボールねじ軸１０４は回転可能となる。正常運転中、コイルばね６は圧縮された状態で保持されているため、緊急時には、弁体１２の位置に関わらず、コイルばね６は急速に伸張してボールねじ軸１０４を回転させながら上ばね箱４と下ばね箱５の間隔を押し広げ、弁体１１を弁座に押圧して、弁を緊急遮断する（図３）。

図１２に例示した従来の流体弁駆動機構においては、弁体にかかる流体力とそれよりもはるかに大きなばね反力との和に相当する力で駆動部を操作して、コイルばねを伸縮させながら通常運転での弁の開閉操作をする必要があった。しかし、本発明の構成を採用することにより、弁体にかかる流体力に相当する力のみで駆動部を操作して通常運転での弁の開閉操作ができるため、弁の通常運転時に必要な駆動部の定常的な負荷が軽減され、駆動部をコンパクト化できるという効果を有する。

尚、本実施例において例示した流体弁駆動機構においては、ボールねじ軸１０４とボールねじナット１１１を有するばね保持ユニット（緊急解除ユニット）１００を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ローラーねじ軸とローラーねじナット、或いは、台形ねじ軸と台形ねじナットなど、あらゆるねじ構造を有する軸とナットによっても同様の効果を奏することができることに留意されたい。

本実施例において例示した流体弁駆動機構においては、コイルばね６を有する緊急駆動手段を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、皿ばね、板ばね、空気ばねなど、あらゆる弾性エネルギーを蓄積することができるばね要素によっても同様の効果を奏することができることに留意されたい。

また、本実施例においては、ばね保持ユニット１００は、上ばね箱４に電磁クラッチ１０１が固定され、下ばね箱５側にボールねじナット１１１が固定される構造を例示したが、本発明はこの構成に限定されることはなく、下ばね箱５側に電磁クラッチ１０１を有し、上ばね箱側にボールねじナット１１１を有する、本実施例と上下方向が逆転したばね保持ユニット１００においても、同様の効果を得ることができる。

（衝撃緩衝機構）
緊急遮断時に、電磁クラッチ１０１が開放され、急速にコイルばね６が伸張し弁体１２が弁座に衝突すると、弁体１２及び弁座を損傷、破損させるおそれがある。これを未然に防止するため、本発明の流体弁駆動機構は衝撃緩衝機構３００を備える（図７）。衝撃緩衝機構３００は、オイルダンパーであって、主フレーム３或いは断熱フレーム８に固定された衝撃緩衝ポット３０５を有し、衝撃緩衝ポット３０５の内部にはオイル３０１（粘性流体）が充填され、連結棒１０はＯリング３０４（シール部材）を介して衝撃緩衝ポット３０５に対して摺動可能に接続される。衝撃緩衝ポット３０５内に位置する連結棒１０の部分にオリフィス３０３を有するプレート３０２が固定される。弁の開閉、すなわち、連結棒１０の昇降により衝撃緩衝ポット３０５内でプレート３０２が昇降する際には、プレート３０２は、オイル３０１がオリフィス３０３を通過する流体抵抗を受ける。流体抵抗は、オリフィスを通過する流体の流速の二乗に比例するため、弁の緊急遮断時の弁体１２の急速な下降速度は、連結棒１０に固定されたプレート３０２により緩和され、弁に与える損傷、破損の危険を低減することができる。

また、駆動部１の異常時、電力の緊急遮断により電磁クラッチ１０１が開放された場合には、コイルばね６のばね反力により上ばね箱４も急速に上昇移動するが、上ばね箱４の上端が主フレーム３に衝突して装置に損傷を与えることがないよう、主フレーム３には衝撃緩衝体９を有する。

（断熱構造）
ガスタービンの燃料温度が最高２８０℃にも達することがある環境下において、高温で劣化しやすいグリス類の早期劣化を防止するため、弁駆動機構の温度上昇を抑制することは、装置のメンテナンス性を改善し緊急時の確実なファイルセーフ機能を信頼性維持するために、極めて重要である。そのため、従来のガスタービン燃料用の流体制御弁の弁箱１３には、しばしば弁体を冷却するためのフィン５１１が備え付けられていた（図１２）。このため、制御弁装置全体の高さが高くなり大型化する問題があった。本発明においては、中空構造を有する断熱フレーム８を主フレーム３と弁箱１３の間に介在させるように構成し、弁箱１３から主フレーム３側に伝熱しにくい構造を採用した。更に、主フレーム３と断熱フレーム８との連結部に、伝熱断面積を小さくするため断熱接続部７を備えて熱抵抗を上げ、弁箱１３から主フレーム３側に伝熱しにくくし（図１、２）、断熱効果を高めることにより、装置の機能信頼性をさらに向上させることができる。

（リニアガイドによる信頼性の高いファイルセーフ機構）
駆動部１の異常等、何らかの理由により流体弁の緊急閉鎖の必要が生じたときや、二つある電磁クラッチ１０１装置のいずれかに異常が発生した場合でも、確実な弁の遮断操作を可能とするため、本発明の流体弁駆動機構は、リニアガイド（直動案内機構）機構２００を備える。図８（図２のＢ−Ｂ断面）は、リニアガイド機構２００の配置と構造を示す断面図である。リニアガイド機構２００は、主フレーム３に設けられ、駆動シャフト２の軸方向（上下方向）に延びるレール２０１と、上ばね箱４に設けられた上スライダ２０２、下ばね箱５に設けられた下スライダ２０３とからなる。スライダはレールと係合し、一般的にはレールとスライダの溝部に鋼球２０４を有し、上ばね箱４および下ばね箱５のそれぞれが、主フレーム３内で上下方向（該弁体１２を前後進する方向）に滑らかに摺動可能となるよう直動案内する。電磁クラッチ１０１のいずれかに異常が発生した場合は、片側のばね保持機構１００でコイルばね６のバネ反力を保持するが、リニアガイド機構２００のレール２０１は強固な主フレーム３に固定されているので、バネ反力は８トンにもなる場合があるにも関わらず、円筒型の支柱によるブッシュ等を使用したガイド機構の場合に比べて変形も少なく、片側のみでの支持によるモーメント荷重が働いても上ばね箱４および下ばね箱５は主フレーム３に対して所定の角度から傾斜することはなく、リニアガイド機構２００によって信頼性が高い緊急遮断を実現することができる。

さらに、本発明の流体弁駆動機構は、コイルばね６を圧縮した状態のまま、ばね保持機構１００により、上ばね箱４と下ばね箱５の間隔を固定した状態で通常運転される。従って、片側のばね保持機構１００に異常が生じた場合でも、正常に動作している他方のばね保持機構１００のみで確実にコイルばね６を圧縮状態に維持することが可能であり、必要時以外の弁の遮断操作を未然に防止することができるという効果も有する。

図１２に示した従来型のガスタービンの流体弁駆動機構においては、実施例１で記載したように、通常運転時においては、弁体にかかる流体力とそれよりもはるかに大きなばねの圧縮反力の和に相当する力で弁の開閉操作を行わなければならず、そのため、駆動部は通常運転時に定常的に大きな駆動力を必要とする。駆動装置の油圧アクチュエータから電動アクチュエータへの変更は、潜在的な油漏れの問題を回避し、油圧配管を配設することの煩雑さを回避することができるという、運用上及び設計上の大きな利点を有する。しかし、電動アクチェエータによって上記のような強大なコイルばねの圧縮反力に抗する必要駆動力を得るためには、電動アクチュエータ自体が巨大となるため、特に大型弁への適用においては現実的ではなく、実現が困難であった。しかし、本発明においては、通常運転時において、弁体にかかる流体力に相当する力のみで弁の開閉操作ができるため、定常的に必要な弁の開度調整のための駆動力は小さくなり、駆動部を電動アクチュエータで設計することを現実的なものとすることができるという格別な効果を有する。

図９に本発明の実施例２である流体弁駆動機構の正面概略断面図を示す。図中において、実施例１で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いて記載し、詳細な説明は省略する。

本実施例においては、駆動部１に回転駆動手段である電動アクチュエータ２４を使用し、駆動部１の駆動シャフト２は上下動せず、回転する。また、駆動シャフト２は、主フレーム３に固定された主サポートベアリング２１とナット２２によって、主フレーム３に対して上下方向には移動不能で、かつ、回転可能に固定されている。図１０に駆動シャフト２の支持部分の拡大断面図を示す。駆動シャフト２はねじ部２０を有し、上ばね箱４に固定された駆動シャフト昇降ナット２３に螺合している。

実施例1における流体弁の動作では、初期状態から駆動部１を駆動すると、駆動シャフト２が下降して上ばね箱４を下降させたが、実施例２においては、電動アクチュエータ１が駆動して駆動シャフト２が回転する。駆動シャフト２の回転により、駆動シャフト２のねじ部２０と螺合している駆動シャフト昇降ナット２３が押し下げられ、上ばね箱４を下降させる。その他の基本的な動作は実施例１と同様であり、実施例１と同様な発明の効果を得ることが可能となる。更に、実施例２においては、特に、駆動部１に電動サーボモータ２４を使用することにより、ロータの角度を検出することにより常に最適な駆動電流に制御可能となり、脱調のない高精度な位置決めができるので、流体弁の開度を高精度に制御することが可能となる。

（ねじ部及びベアリング部の累積負荷検出）
更に、駆動部１に電動サーボモータ２４を使用する実施例２においては、電動サーボモータの特徴を利用し、ねじ部及びベアリング部の機械的な累積負荷の検出が可能となる。図１１に示す累積負荷検出ユニットの概略構成図を参照しながら、累積負荷検出について説明する。

本実施例２のように、駆動部１に電動アクチュエータを使用した場合、流体弁の開閉動作に使用されるねじ部２０や主サポートベアリング２１を正常に機能できる状態に維持することは、装置の信頼性を維持するために非常に重要である。

電動サーボモータ２４のロータの回転角度は内蔵されたエンコーダ（回転検出手段）４０１により検出される。電動サーボモータ２４はドライバ４０２を有し、ドライバ４０２はエンコーダ４０１からフィードバックされた位置信号をもとに、電動サーボモータのロータの回転角度に応じて最大トルクを発生させる最適な回転磁界がステータに発生するように、電動サーボモータ２４に電流を供給する。ドライバ４０２の上位である上位コントローラ４０３は、リニア位置センサ４０６からの弁体１２の上下位置信号を監視しながら弁体１２の上下位置を制御し、適切な流体流量に制御する。ドライバ４０２は、モータ駆動電流センサ４０４を内蔵し、モータの駆動電流をモニタする。

一般に、ねじ部２０と主サポートベアリング２１への機械的な累積負荷は、推力と回転数の積で推定可能である。推力はモータ電流に比例するので、上位コントローラ４０３に内蔵された累積負荷演算部４０５において、モータ電流とエンコーダ４０１からそれぞれ算出される推力と回転数から、その積である機械的な累積負荷を演算し累積する。累積負荷演算値が所定の値を超えた場合には、アラーム表示部４０７に警報を表示することにより、装置ごとに稼動状態にばらつきがある場合であっても、装置の可動実績に応じた適切な整備タイミングを認知することができる。

尚、実施例において例示した流体弁駆動機構は、二つのばね保持機構１００を有しているが、本発明はこれに限定されることはなく、三以上のばね保持機構を有することによっても同様の効果を奏することができることに留意されたい。この場合、三以上のばね保持機構は、駆動シャフト２の中心軸に対して対称に配置されることが好ましい。また、ばね保持機構の数を増やすと、ばね保持機構一つに必要なコイルばね６の反力に対する保持力が減少するため、電磁クラッチ、サポートベアリング等のコンパクト化が可能となるというメリットを有する。

さらに、実施例において例示した流体弁駆動機構は、二つのリニアガイド機構２００を有しているが、本発明はこれに限定されることはなく、三以上のリニアガイド機構を有することによっても同様の効果を奏することができることに留意されたい。この場合、三以上のリニアガイド機構は、駆動シャフト２の中心軸に対して対称に配置されることが好ましい。

また、実施例において例示した流体弁駆動機構は、非常時に弁を閉鎖する動作をすることを前提に記載したが、本発明はこれに限定されることはなく、非常時に、流体弁を開放する動作をする用途にも適用できることに留意されたい。非常時に弁を緊急開放する場合には、衝撃緩衝機構によって、弁体の開放限位置での弁箱への衝突等による弁の損傷・破損を未然に防止することが可能であり、実施例と同様の効果を奏することが可能である。

尚、明細書中での本発明の説明においては、上下左右等の表現により方向を指定して発明を記載したが、これは明細書に添付した図面の記載に基づいて説明するための便宜的な記載であり、本発明の装置を設置する方向を規定するものではないことに留意されたい。

実施例１に係る流体弁駆動機構の正面概略図を示す。 実施例１に係る流体弁駆動機構の側面概略図を示す。 実施例１に係る流体弁駆動機構の初期状態（緊急遮断後の状態）を示す概略図であり、図２の断面Ａ−Ａから見た正面概略断面図を示す。 ばね保持機構を示す部分拡大図である。 実施例１に係る流体弁駆動機構において、駆動シャフトが所定位置まで下降し、電磁クラッチが閉じられた状態を示す図である。 実施例１に係る流体弁駆動機構において、電磁クラッチが作動している通常弁操作の状態を示す概略図である。 衝撃緩衝機構を示す部分拡大断面図である。 リニアガイド機構を示し、図２の断面Ａ−Ａから見た拡大断面図である。 実施例２に係る流体弁駆動機構の正面概略断面図を示す。 実施例２に係る流体弁駆動機構における、駆動シャフトのサポートベアリング、上ばね箱部分の拡大断面図である。 実施例２に係る流体弁駆動機構における累積負荷検出ユニットの概略構成図を示す。 従来のガスタービンで使用されていた流体制御弁の一例を示す概略図である。

符号の説明

１：駆動部
２：駆動シャフト
３：主フレーム
４：上ばね箱
５：下ばね箱
６：コイルばね
７：断熱接続部
８：断熱フレーム
９：衝撃緩衝体
１０：連結棒
１１：弁棒
１２：弁体
１３：弁箱
２０：ねじ部
２１：主サポートベアリング
２２：ナット
２３：駆動シャフト昇降ナット
２４：回転駆動手段（電動サーボモータ）
１００：ばね保持機構
１０１：電磁クラッチ
１０２：ステータ
１０３：アーマチュア
１０４：ボールねじ軸
１０５：ねじ部
１０６：上ブラケット
１０７：サポートベアリング
１０８：ベアリングカバー
１０９：ナット
１１０：下ブラケット
１１１：ボールねじナット
１１２：ボールねじ軸上端
２００：リニアガイド機構
２０１：レール
２０２：上スライダ
２０３：下スライダ
２０４：鋼球
３００：衝撃緩衝機構
３０１：オイル
３０２：邪魔板
３０３：オリフィス
３０４：Oリング
３０５：衝撃緩衝ポット
４００：累積負荷推定部
４０１：エンコーダ
４０２：ドライバ
４０３：上位コントローラ
４０４：モータ駆動電流センサ
４０５：累積負荷演算部
４０６：リニア位置センサ
４０７：アラーム表示部
５０１：油圧アクチュエータ
５０２：出力軸
５０３：連結棒
５０４：コイルばね
５０５：ばね座
５０６：ばね箱
５０７：連結フレーム
５０８：弁箱
５０９：弁体
５１０：弁棒
５１１：弁箱冷却用フィン

Claims (9)

1. 流体弁の弁体１２を弁座に対して前後進させる流体弁駆動機構であって、該流体弁駆動機構は、駆動手段１と、緊急駆動手段を有し、
   該緊急駆動手段は、ばねユニットと緊急解除ユニット１００を含み、
   該ばねユニットは、ばね上支持部４とばね下支持部５と、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間に配置されたばね６から構成され、該ばね上支持部４は該駆動手段１と接続し、該ばね下支持部５は弁体１２と接続し、
   該緊急解除ユニット１００は、該ばね上支持部４に固定された軸上支持部と、該ばね下支持部５に固定された軸下支持部と、該軸上支持部と該軸下支持部を貫通して延在し、ねじ構造を有する緊急解除ユニット軸１０４と、ばね支持部間隔固定手段１０１と、を含み、
   該軸上支持部及び該軸下支持部の一方は、該緊急解除ユニット軸１０４と螺合するナット１１１であり、他方は、該緊急解除ユニット軸１０４を回動可能な状態で該緊急解除ユニット軸１０４の軸方向において固定する軸受１０７であり、
   該ばね支持部間隔固定手段１０１は、該緊急解除ユニット軸１０４と該ナット１１１の間の相対的な回動を拘束することにより該軸上支持部と該軸下支持部の間隔を固定して該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間の間隔を固定すること、及び、該緊急解除ユニット軸１０４と該ナット１１１の間の相対的な回動を可能とすることにより該軸上支持部と該軸下支持部の間隔を変更可能として該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間の間隔を変更可能とすること、が可能であり、
   該弁体１２が弁座に当接し、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間で該ばね６は自由長から所定の長さだけ圧縮された初期状態から、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔を狭めることにより所定の長さまで該ばね６を圧縮した後、該緊急解除ユニットにより該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔を固定し、該駆動手段１を駆動することにより、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間で該ばね６を圧縮した状態に保持したまま該弁体１２を昇降させて弁の開閉を制御し、
   緊急時には、該緊急解除ユニット１００による該ばね上支持部４と該ばね下支持部５の間隔の固定を解除し、該ばね６が圧縮状態から伸張し、該ばね下支持部５を介して該弁体１２を下降させ、該弁体１２を該弁座に押圧することにより、該流体弁を閉止するよう緊急駆動する、
   流体弁駆動機構。
2. 前記緊急解除ユニット軸１０４はボールねじ軸１０４であり、前記ナット１１１はボールねじナット１１１である、請求項１の流体弁駆動機構。
3. 前記ばね支持部間隔固定手段１０１は、電磁クラッチ１０１である、請求項１又は２の流体弁駆動機構。
4. 前記緊急駆動手段は直動案内手段２００をさらに含み、該直動案内手段２００は、該弁体１２が前後進する方向に、該ばね上支持部４と該ばね下支持部５が滑らかに摺動するように案内する、
   請求項１乃至３のいずれか１項の流体弁駆動機構。
5. 前記緊急駆動手段は、前記ばね下支持部５と前記弁体１２の間に、衝撃緩衝手段３００を有し、
   該衝撃緩衝手段３００に含まれる流体３０１の流体抵抗により、急速な該弁体１２の昇降を緩和する、
   請求項１乃至４のいずれか１項の流体弁駆動機構。
6. 前記駆動手段１を固定し内部に前記緊急駆動手段を有する主フレーム３と、
   前記弁体１２を含む弁箱と該主フレーム３との間に中空構造を有する断熱フレーム８と、
   該断熱フレーム８と該主フレーム３との間に断熱接続部７
   を有する請求項１乃至５のいずれか１項の流体弁駆動機構。
7. 前記駆動手段１は直動駆動手段である、請求項１乃至６のいずれか１項の流体弁駆動機構。
8. 前記駆動手段１は回転駆動手段であり、
   該回転駆動手段の駆動力により回転する駆動シャフト２と前記ばね上支持部４との接続部に、回転直動変換機構２３を有し、
   該回転直動変換機構２３は、駆動シャフト２の回転により、該ばね上支持部４を昇降させる、
   請求項１乃至６のいずれか１項の流体弁駆動機構。
9. 前記回転駆動手段は電動サーボモータ２４であり、
   前記流体弁駆動機構は、累積負荷評価手段４００を更に有し、
   該累積負荷評価手段４００は、該電動サーボモータ２４の回転を検出する回転検出手段４０１と、該電動サーボモータ２４を駆動する電流を検出する駆動電流センサ４０４を有し該駆動電流センサ４０４から検出されるモータ推力と該回転数の積を算出して累積し、累積値が所定の値よりも大きい場合には警報を発する、
   請求項８に記載の流体弁駆動機構。

Images