JP6161902B2 - 電動遮断弁 - Google Patents

Description

この発明は、制動時のモータ軸の折損やクラッチ・ブレーキの消耗を防止することのできる電動遮断弁に関するものである。

バネリターン式の電動遮断弁は、出力軸１とモータ２を複数のギヤを組み合わせた伝達機構３を介して連結する構造となっている。例えば、特許文献１のバルブ用アクチュエータでは、図６に示すように、伝達機構３に付勢用のゼンマイバネ（以下、バネ）４を備えた構成となっている。ちなみに、バネ４には、捻りバネを用いることもできる。

図６では、出力軸１に平歯車が取り付けられ、平歯車下方の出力軸１の先端に弁５が取り付けられている。また、平歯車の上方となる出力軸１の後端には、２個のカムを９０°の位相差でもって取り付け、図６のように、リミットスイッチ７ａ、７ｂを取り付けて、弁５の開閉を検出できるようにしてある。

モータ２は、直流あるいは交流モータのモータ軸に減速用のギヤヘッドを取り付け、制動用の電磁クラッチ・ブレーキ８を搭載したもので、前記クラッチ・ブレーキ８でモータ軸を固定してロックする構造となっている。

伝達機構３は、ピッチの異なる伝達ギヤを組み合わせたもので、このようなギヤを使用することで、所要のトルクが得られるようになっており、出力軸１と係合する伝達歯車に、バネ４を取り付けている。
前記バネ４は、弁５が閉じる方向へ出力軸１を付勢するように取り付け、このバネ４を取り付けた歯車の軸の後端にギヤを取り付けてある。そして、この後端のギヤに、カムを取り付けたギヤを歯合させて、前記カムに係合させたリミットスイッチ９でバネ４が巻き終わったことを検出するようにしてある。

このような遮断弁では、モータ２を作動して弁５を開放状態にすると、伝達機構３に設けたバネ４も同時に巻き取られる。そして、弁５が開放状態であることがリミットスイッチ７ａ、７ｂで検出され、かつ、バネ４を巻き終わったことがリミットスイッチ９によって検出されると、クラッチ・ブレーキ８を作動させてモータ軸をロックし、モータ２への通電を停止する。そして、弁５を開放した状態で保持するとともに、バネ４を巻き取った状態で保持する。

一方、停電などの緊急時にクラッチ・ブレーキ８への通電が途絶えると、クラッチ・ブレーキ８のロックが解除されてバネ４が伸長する。そのため、バネ４の伸長によって伝達機構３のギヤが回転し、出力軸１を回転させて弁５を閉じる仕組みになっている。

なお、上記電動遮断弁では、図６に示すように、ゼンマイバネ４を取り付けたギヤに無励磁作動形電磁ブレーキ１０を歯合させてある。この電磁ブレーキ１０は、非通電時にゼンマイバネ４の巻戻しを防止する。そして、この電磁ブレーキ１０に、外部からの緊急信号で通電して巻戻しを解除することで、緊急時に弁５を開閉できるようにしている。

特開２００４−１５０６２０号公報

しかしながら、上記のものでは、例えば、通常のメンテナンス作業などでモータを使って弁を開閉する際、モータを停止するため通電をオフにしても、慣性力で回転する。特に、交流の誘導モータはステータがコイルで通電が停止するとロータを制御できない。そのため、ステータにマグネットを用いた直流モータに比べて完全に停止するまでに時間が掛かる。
一方、クラッチ・ブレーキは、モータへの通電オフとほぼ同時に通電し、モータの回転を止める。
このとき、リターン用のゼンマイバネは、機構上モータやクラッチ・ブレーキと繋がっているので、バネの復帰回転力は、モータ内のロータの慣性力を増大する。
さらに、ゼンマイバネを取り付けたギヤに歯合させた無励磁作動形電磁ブレーキもバネの復帰回転力の慣性を増加させることになる。
このため、クラッチ・ブレーキを作動すると、モータを急激に停止させることになる。すると、モータ軸へ過大な負荷がかかり、軸の折損を誘発する問題がある。
また、クラッチ・ブレーキとモータの接触部分についても、摩擦による消耗が激しく、部品の交換を必要とする問題も生じる。

そこで、この発明の課題は、モータとゼンマイバネにより発生した慣性力をクラッチ・ブレーキに依らずに低下させることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、弁を接続した出力軸と誘導モータを複数のギヤを組み合せた伝達機構を介して連結し、前記弁を閉じる方向に付勢するバネと制動用のクラッチ・ブレーキを設け、前記モータを作動してバネを巻きながら弁を開放し、弁が開放すると制御用のクラッチ・ブレーキを作動したのち、前記モータをオフにして弁を開放状態で保持し、緊急時にバネの付勢力でもって弁を閉じるようにした電動遮断弁において、前記モータを作動して弁が開放した際、前記モータをオフにして直流電流を入力したのち、クラッチ・ブレーキを作動するという構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、回転している誘導モータへ直流電流を入力し、ステータコイルに磁界を生じさせてロータに電気的制動を加える。このように電気的制動を加えてから、クラッチ・ブレーキによりモータを停止させる。

また、このとき、上記モータを作動して弁が閉じた際、前記モータをオフにして直流電流を入力したのち、クラッチ・ブレーキを作動する構成を採用することもできる。

このような構成を採用したことにより、モータを使って弁を閉じる際にも慣性力を低減できる。

また、このとき、上記モータが、交流電源に第１のスイッチ手段を介して並列に接続された主巻線と補助巻線をロータに直交させて配置し、前記補助巻線と直列に進相用コンデンサを挿入した単相誘導モータに、前記進相用コンデンサと並列に、ダイオードのカソード端子同士を接続したダイオード直列回路を接続し、そのコンデンサと並列に接続したダイオード直列回路のカソード端子同士の接続点を第２のスイッチ手段を介して交流電源と接続されたものとし、前記第１のスイッチ手段をオンにして弁が開放した際、第１のスイッチ手段をオフにして、第２のスイッチ手段をオンにしたのち、クラッチ・ブレーキを作動するという構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、第１のスイッチ手段と第２のスイッチ手段を切り換えることで、ダイオードで整流した直流電流を誘導モータの主巻線と補助巻線に入力して電気的な制動を加えてからクラッチ・ブレーキによりモータを停止させることができる。

また、このとき、上記補助巻線と直列に挿入されたコンデンサとの接続点を、第３のスイッチ手段を介して交流電源と接続し、前記スイッチ手段をオンすることでモータを逆転する構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、モータを逆転できるので、弁を閉じる際にも慣性力を低減できる。

上記のように構成したことにより、モータ軸に大きな捩り力が発生しないためモータの寿命を延ばすことができる。また、クラッチ・ブレーキが制動時にスリップせず、磨り減らないためクラッチ・ブレーキの寿命を飛躍的に長くできる。したがって、製品寿命を格段に長くできる。また、モータの停止精度があがるため、回転角度制御の性能を向上させることができる。

実施形態の斜視図 実施形態の駆動回路 実施形態の作用説明図 実施形態の作用説明図 実施形態の作用説明図 従来例の斜視図

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
この形態の電動緊急遮断弁は、図１，２に示すような遮断弁本体と駆動回路とから成っている。

遮断弁本体は、図１に示すように、先端に弁１９が取り付けられた出力軸２０と開閉モータ（以下、モータ）２１を複数のギヤを組み合わせた伝達機構２２を介して接続し、前記伝達機構２２に付勢用のバネ（例えば、ゼンマイバネ）２３を取り付けた構造となっている。

すなわち、出力軸２０は、平歯車が取り付けられ、その平歯車を取り付けた出力軸２０の先端に弁１９を取り付ける構成となっている。また、出力軸２０の後端には、２個のカムを９０度の位相差でもって取り付け、そのカムに、全開位置設定マイクロスイッチＬＳ１と全閉位置設定マイクロスイッチＬＳ２の２つのマイクロスイッチを取り付けて、弁１９の開閉が検出できるようにしてある。
ここでは、全開位置設定マイクロスイッチＬＳ１と全閉位置設定マイクロスイッチＬＳ２に常閉接点（ｂ接点）タイプのものを使用しており、常時はオンで弁の開放（または閉鎖）時にオフとなる。

モータ２１は、交流モータ（誘導モータ）の軸にギヤヘッド２６を取り付けたものに、制動用の電磁式クラッチ・ブレーキ２７を搭載したもので、前記クラッチ・ブレーキ２７でモータ軸を固定して伝達機構２２に接続した弁１９をロックできるようになっている。

伝達機構２２は、ピッチの異なる伝達ギヤを組み合わせて、所要のトルクが得られるようにしたもので、先に述べたバネ２３を伝達歯車に取り付けることにより、弁１９が閉じる方向に付勢するようになっている。

このように構成される遮断弁本体は、モータ２１を作動して弁１９を開放状態にすると、伝達機構２２のバネ２３が巻き取られる（巻き締められる）。また、巻き取られたバネ２３は、後述するように、前記クラッチ・ブレーキ２７を解放すると、伸長して弁１９を閉鎖する。

一方、駆動回路は、図２に示すように、クラッチ・ブレーキ回路３０とモータ回路３１で構成されている。
クラッチ・ブレーキ回路３０は、トランジスタＴ０で構成されるスイッチ回路を用いたもので、トランジスタＴ０をオン・オフすることでクラッチ・ブレーキ２７を作動したり、作動したクラッチ・ブレーキ２７を解除したりする。
モータ回路３１は、スイッチ手段Ｓ１〜Ｓ３とダイオードＤ１、Ｄ２及び進相用コンデンサＣ１で構成されており、スイッチ手段Ｓ１〜Ｓ３は、第１のスイッチ手段Ｓ１、第２のスイッチ手段Ｓ２、第３のスイッチ手段Ｓ３の３つから成っている。この各スイッチ手段Ｓ１〜Ｓ３は、例えば、電力制御素子に双方向サイリスタを使用した交流フォトリレー（ＳＳＲ：ソリッドステートリレー）を用いたもので、図２の第１〜第３のトランジスタスイッチ回路Ｔ１〜Ｔ３をオン・オフすることで弁１９の開閉と制動を制御する。

図２のモータ回路３１は図３のように示すことができる。
すなわち、前記モータ２１は単相誘導モータで、交流電源ＡＣに第１のスイッチ手段Ｓ１を介して並列に接続された主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２をロータＲに直交させて配置し、前記補助巻線Ｌ２と直列に進相用コンデンサＣ１を挿入した構成となっており、前記進相用コンデンサＣ１と並列に、ダイオード直列回路Ｄを接続した構成となっている。前記ダイオード直列回路Ｄは、ダイオードＤ１とＤ２のカソード端子同士を接続したもので、前記ダイオードＤ１とＤ２のカソード端子同士の接続点を第２のスイッチ手段Ｓ２を介して交流電源ＡＣと接続するようになっている。
さらに、前記補助巻線Ｌ２とコンデンサＣ１（並列に接続したダイオード直列回路Ｄ）との接続点を、第３のスイッチ手段Ｓ３を介して交流電源ＡＣと接続する構成となっている。

このように構成されるモータ回路３１では、図２の回路で、第１のトランジスタスイッチ回路Ｔ１をオン（第２、３のトランジスタスイッチ回路Ｔ２、Ｔ３はオフ）して第１のスイッチ手段Ｓ１をオン（第２、３のスイッチ手段Ｓ２、Ｓ３はオフ）にする。すると、交流電流は、図３の矢印Ａのように、「交流電源ＡＣ−節ａ−主巻線Ｌ１−第１のスイッチ手段Ｓ１−交流電源ＡＣ」と、矢印Ｂのように、「交流電源ＡＣ−節ａ−補助巻線Ｌ２−第１のスイッチ手段Ｓ１−交流電源ＡＣ」と流れることでモータ２１を正転させる。そして、ゼンマイバネ２３を巻締めながら開弁する。
また、図２の第３のトランジスタスイッチ回路Ｔ３をオン（第１、２のトランジスタスイッチ回路Ｔ１、Ｔ２はオフ）して第３のスイッチ手段Ｓ３をオン（第１、２のスイッチ手段Ｓ１、Ｓ２はオフ）にすると、交流電流は、図４の矢印Ｃのように、「交流電源ＡＣ−主巻線Ｌ１−進相用コンデンサＣ１−第３のスイッチ手段Ｓ３−交流電源ＡＣ」と、矢印Ｄのように「交流電源ＡＣ−節ａ−補助巻線Ｌ２−第３のスイッチ手段Ｓ３−交流電源ＡＣ」と流れることでモータ２１を逆転させる。そして、ゼンマイバネ２３を緩めながら閉弁する。
さらに、図２の第２のトランジスタスイッチ回路Ｔ２をオン（第１、３のトランジスタスイッチ回路Ｔ１、Ｔ３はオフ）して、第２のスイッチ手段Ｓ２をオン（第１、３のスイッチ手段Ｓ１、Ｓ３はオフ）にすると、電流は、図５の矢印Ｅの「交流電源ＡＣ−節ａ−主巻線Ｌ１−ダイオードＤ１−第２のスイッチ手段Ｓ２−交流電源ＡＣ」と、矢印Ｆの、「交流電源ＡＣ−節ａ−補助巻線Ｌ２−ダイオードＤ２−第２のスイッチ手段Ｓ２−交流電源ＡＣ」のように流れる、そのため、ダイオードＤ１とＤ２で整流した直流電流（脈流）が主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２に流れる。その結果、直流電流の流れた主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２は磁界を発生し、発生した磁界はロータＲに制動をかけてモータ２１を急速に停止させる。

このように、この回路では、第３のスイッチ手段Ｓ３を設けただけの簡単な回路で、誘導モータ２１に直流電流を入力して急停止させることができる。そのため、装置の小型化、低コスト化が可能である。
また、急停止することで、モータの停止精度が向上するため、例えば、弁１９の開度を調整するような場合には、回転角度制御の性能を向上させることができる。

この形態は上記のように構成され、この遮断弁は、クラッチ・ブレーキ回路３０とモータ回路３１の作動タイミングを「ずらす」ことで、モータ２１とゼンマイバネ２３により発生した慣性力を低下させる。
例えば、弁１９を開放した際、つまり、モータ２１を正転させた場合は、第１のトランジスタスイッチ回路Ｔ１へ前記回路Ｔ１をオンする信号を入力する。すると、第１のスイッチ手段Ｓ１はオン（第２、３のスイッチ手段Ｓ２、Ｓ３はオフ）となり、図３の矢印ＡとＢのように、交流電流が流れる。その結果、モータ２１が正転し、ゼンマイバネ２３を巻締めながら開弁する。次に、開弁したことが全開位置設定マイクロスイッチＬＳ１で検出されると、第１のトランジスタスイッチ回路Ｔ１をオフする。このオフと同時か、若干（例えば、ｔｍ秒）遅れて、第２のトランジスタスイッチ回路Ｔ２へ前記回路Ｔ２をオンする信号を入力する。このように、第２のトランジスタスイッチ回路Ｔ２へオン信号を入力すると、第２のスイッチ手段Ｓ２がオン（第１、３のスイッチ手段Ｓ１、Ｓ３はオフ）となり、図５の矢印ＥとＦのように、主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２にダイオードＤ１とＤ２で整流した直流（脈流）が流れる。そのため、直流電流が流れた主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２は磁界を発生し、発生した磁界がロータＲに制動を掛けてモータ２１を急停止させる。
このようにして、モータ２１が停止したのち、クラッチ・ブレーキ回路３０のトランジスタＴ０をオンして、クラッチ・ブレーキ２７を作動させることで開弁状態を保持する。

また、モータ２１を使って弁１９を閉じる場合も同様に、クラッチ・ブレーキ回路３０とモータ回路３１の作動タイミングを「ずらす」ことで、モータ２１とゼンマイバネ２３により発生した慣性力を低下させる。
すなわち、閉弁のため、モータ２１を逆転させる場合は、第３のトランジスタスイッチ回路Ｔ３へオン信号を入力する。すると、第３のスイッチ手段Ｓ３がオン（第１、２のスイッチ手段Ｓ１、Ｓ２はオフ）となり、図４の矢印ＣとＤのように交流電流が流れて、モータ２１が逆転し、ゼンマイバネ２３を緩めながら閉弁する。次に、閉弁したことが全閉位置設定マイクロスイッチＬＳ２で検出されると、第３のトランジスタスイッチ回路Ｔ３をオフにする。そして、このオフと同時か、若干（例えば、ｔｍ秒）遅れて第２のトランジスタスイッチ回路Ｔ２へオン信号を入力して、第２のスイッチ手段Ｓ２をオン（第１、３のスイッチ手段はオフ）すると、図５の矢印ＥとＦのように、主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２にダイオードＤ１とＤ２で整流した直流（脈流）が流れて、主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２は磁界を発生する。そのため、その磁界によってロータＲに制動がかかり、モータ２１が急停止する。このようにモータ２１が停止したのち、クラッチ・ブレーキ回路３０のトランジスタＴ０をオンして、クラッチ・ブレーキ２７を作動させれば、閉弁状態を保持することができる。
ちなみに、このような制御は、マイコンなどを用いた制御装置やシーケンサなどを設けることで簡単に実現できる。

このように、モータ２１に直流電流を入力して制動をかけることで、モータ２１とゼンマイバネ２３により発生する慣性力を低下させることができる。そのため、このようにして慣性力を低下させたのち、クラッチ・ブレーキ２７を作動させることで、クラッチ・ブレーキ２７が制動時にスリップせず、磨り減らない。その結果、クラッチ・ブレーキ２７の寿命を飛躍的に長くできる。また、このとき、機械的では無く、電気的な制動によってエネルギーを吸収するため、モータ軸に大きなよじりを生じない。そのため、モータ２１の寿命を延ばすことができる。したがって、製品寿命を格段に長くできる。

なお、ここで、クラッチ・ブレーキ回路３０のトランジスタＴ０をオンするタイミングは、例えば、クラッチ・ブレーキ２７の作動遅れ（タイムラグ）を考慮して、全開位置設定マイクロスイッチＬＳ１や全閉位置設定マイクロスイッチＬＳ２が開弁あるいは閉弁を検出した際に、その検出した時点や検出した時点を基に、装置の特性に合わせて決めることで、慣性力を効果的に低減できる。

また、実施形態では、モータ２１を誘導モータとしてクラッチ・ブレーキ２７を設けたものについて述べたが、本願発明は、誘導モータに簡易ブレーキを内蔵したレバーシブルモータにも適用されるものである。この場合、内蔵ブレーキをクラッチ・ブレーキ２７として使用しても良いし、内蔵ブレーキを使用せずに別にクラッチ・ブレーキ２７を設けても良い。

１９ 弁
２０ 出力軸
２１ モータ
２２ 伝達機構
２３ ゼンマイバネ
２７ クラッチ・ブレーキ
Ｃ１ 進相用コンデンサ
Ｄ ダイオード直列回路
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ 主巻線
Ｌ２ 補助巻線
Ｓ１ 第１のスイッチ手段
Ｓ２ 第２のスイッチ手段
Ｓ３ 第３のスイッチ手段

Claims (4)

1. 弁（１９）を接続した出力軸（２０）と誘導モータ（２１）を複数のギヤを組み合せた伝達機構（２２）を介して連結し、前記弁（１９）を閉じる方向に付勢するバネ（２３）と制動用のクラッチ・ブレーキ（２７）を設け、前記誘導モータ（２１）を作動してバネ（２３）を巻きながら弁（１９）を開放し、弁（１９）が開放すると制動用のクラッチ・ブレーキ（２７）を作動すること、前記誘導モータ（２１）をオフにすること、により弁（１９）を開放状態で保持し、緊急時にバネ（２３）の付勢力でもって弁（１９）を閉じるようにした電動遮断弁において、
   前記誘導モータ（２１）を作動して弁（１９）が開放すると、前記誘導モータ（２１）をオフにして、オフにした前記誘導モータ（２１）のステータコイル（Ｌ１、Ｌ２）に直流電流を入力したのち、前記制動用のクラッチ・ブレーキ（２７）を作動するようにしたことを特徴とする電動遮断弁。
2. 上記誘導モータ（２１）を作動して弁（１９）が閉じると、前記誘導モータ（２１）をオフにして、オフにした前記誘導モータ（２１）のステータコイル（Ｌ１、Ｌ２）に直流電流を入力したのち、クラッチ・ブレーキ（２７）を作動するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動遮断弁。
3. 上記誘導モータ（２１）が、交流電源（ＡＣ）に第１のスイッチ手段（Ｓ１）を介して並列に接続された主巻線（Ｌ１）と補助巻線（Ｌ２）をロータ（Ｒ）に直交させて配置し、前記補助巻線（Ｌ２）と直列に進相用コンデンサ（Ｃ１）を挿入した単相誘導モータ（２１）に、
   前記進相用コンデンサ（Ｃ１）と並列に、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）のカソード端子同士を接続したダイオード直列回路（Ｄ）を接続し、そのコンデンサ（Ｃ１）と並列に接続したダイオード直列回路（Ｄ）のカソード端子同士の接続点を第２のスイッチ手段（Ｓ２）を介して交流電源（ＡＣ）と接続されたものとし、
   前記第１のスイッチ手段（Ｓ１）をオンにし、前記誘導モータ（２１）を作動して弁（１９）が開放すると、第１のスイッチ手段（Ｓ１）をオフにして前記誘導モータ（２１）をオフにし、第２のスイッチ手段（Ｓ２）をオンにして、オフにした前記誘導モータ（２１）の主巻線（Ｌ１）と補助巻線（Ｌ２）に直流電流を入力したのち、クラッチ・ブレーキ（２７）を作動することを特徴とする請求項１に記載の電動遮断弁。
4. 上記補助巻線（Ｌ２）と直列に挿入されたコンデンサ（Ｃ１）との接続点を、第３のスイッチ手段（Ｓ３）を介して交流電源（ＡＣ）と接続し、前記第３のスイッチ手段（Ｓ３）をオンすることで誘導モータ（２１）を逆転するようにしたものとし、前記第３のスイッチ手段（Ｓ３）をオンにして、誘導モータ（２１）が作動し弁（１９）が閉じると、上記第３のスイッチ手段（Ｓ３）をオフにして前記誘導モータ（２１）をオフにし、第２のスイッチ手段（Ｓ２）をオンにして、前記オフにした誘導モータ（２１）の主巻線（Ｌ１）と補助巻線（Ｌ２）に直流電流を入力したのち、クラッチ・ブレーキ（２７）を作動することを特徴とする請求項３に記載の電動遮断弁。

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