特開2019-215023(P2019-215023A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2019-215023流量制御弁および伝達トルク計算方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-215023(P2019-215023A)
(43)【公開日】2019年12月19日
(54)【発明の名称】流量制御弁および伝達トルク計算方法
(51)【国際特許分類】
   F16K 37/00 20060101AFI20191122BHJP
   F16K 31/04 20060101ALI20191122BHJP
【FI】
   F16K37/00 D
   F16K31/04 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2018-111421(P2018-111421)
(22)【出願日】2018年6月11日
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】成田 浩昭
【テーマコード(参考)】
3H062
3H065
【Fターム(参考)】
3H062AA14
3H062BB33
3H062CC01
3H062CC02
3H062DD01
3H062EE07
3H062FF07
3H062FF25
3H065BA01
3H065BA07
3H065BB02
3H065BB11
(57)【要約】
【課題】流量制御弁における弁体とこれを回動させるモータとを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算する。
【解決手段】アクチュエータ20の出力軸25の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサ26と、弁本体10の弁軸13の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサ14とから算出された弁体負荷トルクTpと、モータ電流Imとトルク定数KTとから算出されたモータ回転トルクTmとから、動力伝達部の伝達トルクTpdを計算する。
【選択図】 図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体が流れる流路が内部に形成されているとともに、前記流路の途中に前記流体の流量を制御する弁体が回動自在に取り付けられている弁本体と、前記弁体の弁軸と接続されている出力軸をモータで回動させて前記弁軸を回動制御することにより前記流体の流量制御を行うアクチュエータとを備える流量制御弁であって、
前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサと、
前記弁軸の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサと、
前記モータを駆動して前記弁体を一定角度だけ回動させた際に、回動開始時から回動停止時まで間における、前記出力側開度の変化量と前記弁側開度の変化量との偏差に基づいて、前記弁体に生じた負荷トルクを計算する弁体負荷トルク計算部と、
前記モータの回転トルクを算出するモータ回転トルク計算部と、
前記負荷トルクと前記モータの回転トルクとから前記弁体と前記モータとを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算する伝達トルク計算部と
を備えることを特徴とする流量制御弁。
【請求項2】
請求項1に記載の流量制御弁において、
前記弁体負荷トルク計算部は、前記回動開始時に検出した出力側開度を示す出力側開度開始値θa1と、前記回動停止時に検出した出力側開度を示す出力側開度停止値θa2とから、これらの変化量を示す出力側開度偏差値Δθaを求めるとともに、前記回動開始時に検出した弁側開度を示す弁側開度開始値θv1と、前記回動停止時に検出した弁側開度を示す弁側開度停止値θv2とから、これらの変化量を示す弁側開度偏差値Δθvを求め、前記出力側開度偏差値Δθaと前記弁側開度偏差値Δθvの偏差を示す開度偏差値Δθavと、前記弁体に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、および前記アクチュエータから前記弁体までの軸の長さLとに基づいて、前記負荷トルクTpを計算することを特徴とする流量制御弁。
【請求項3】
流体が流れる流路が内部に形成されているとともに、前記流路の途中に前記流体の流量を制御する弁体が回動自在に取り付けられている弁本体と、前記弁体の弁軸と接続されている出力軸をモータで回動させて前記弁軸を回動制御することにより前記流体の流量制御を行うアクチュエータとを備える流量制御弁で用いられる伝達トルク計算方法であって、
出力側角度センサが、前記アクチュエータの前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側開度検出ステップと、
弁側角度センサが、前記弁本体の前記弁軸の回動角度を弁側開度として検出する弁側開度検出ステップと、
弁体負荷トルク計算部が、前記モータを駆動して前記出力軸を一定角度だけ回動させた際の回動開始時および回動停止時に検出した、前記出力側開度の変化量と前記弁側開度の変化量との偏差に基づいて、前記弁体に生じた負荷トルクを計算する弁体負荷トルク計算ステップと、
前記モータの回転トルクを計算するモータ回転トルク計算ステップと、
計算された前記負荷トルクと前記モータの回転トルクとから前記モータと前記弁体とを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算する伝達トルク計算ステップと
を備えることを特徴とする伝達トルク計算方法。
【請求項4】
請求項3に記載の伝達トルク計算方法において、
前記弁体負荷トルク計算ステップは、
前記回動開始時に検出した出力側開度を示す出力側開度開始値θa1と、前記回動停止
時に検出した出力側開度を示す出力側開度停止値θa2とから、これらの変化量を示す出
力側開度偏差値Δθaを求めるステップと、
前記回動開始時に検出した弁側開度を示す弁側開度開始値θv1と、前記回動停止時に
検出した弁側開度を示す弁側開度停止値θv2とから、これらの変化量を示す弁側開度偏
差値Δθvを求めるステップと、
前記出力側開度偏差値Δθaと前記弁側開度偏差値Δθvの偏差を示す開度偏差値Δθ
avと、前記弁体に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、および前記アクチ
ュエータから前記弁体までの軸の長さLとに基づいて、前記負荷トルクTpを計算するス
テップと
を有することを特徴とする伝達トルク計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流量制御弁における伝達トルク計算技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
流量制御弁は、空調システム等の設備で用いられて、配管を流れる冷温水の流量を制御する電動バルブであり、主に弁本体とアクチュエータとから構成されている。弁本体は、流体が流れる流路が内部に形成された金属管からなり、流路の途中には流体の流量を制御するための弁体が回動自在に取り付けられている。アクチュエータは、この弁体の実際の弁開度を検出し、得られた弁開度に基づいて弁体を回動制御することにより、流量制御を行うものとなっている(例えば、特許文献1など参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2015−194166号公報
【特許文献2】特開2015−114188号公報
【特許文献3】特開2015−125038号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来、流量制御弁では、流体温度などの影響を抑制するため、弁体の実際の弁開度を検出するための角度センサが、アクチュエータ内部に設けられており、弁軸と接続されているモータさらには減速機などの出力軸の回動角度に基づいて弁開度を検出するものとなっている。
【0005】
一方、流量制御弁では、弁体を回動させる際、流路の口径が大きい場合、差圧が大きい場合、あるいは、流体流量が多い場合には、弁体に大きな負荷トルクが発生する場合がある。このような負荷トルクは、アクチュエータ側の出力軸と弁軸との間にねじれを生じさせ、流量制御に誤差が生じる原因となる。特に、出力軸、弁軸、弁体の材質のヤング率が低い場合、このようなねじれが発生しやすい。
【0006】
また、前述した流量制御弁では、弁開度を検出するための角度センサが、アクチュエータ内部に設けられているため、アクチュエータから弁体までの距離が長くなる。このため、出力軸、継手、弁軸からなる一連の駆動軸で大きなねじれが生じる可能性も考えられる。したがって、弁体に生じたねじれを検出することで弁体にかかる負荷トルクを算出し、この値を追跡できれば、流量制御弁の予防保全に役立てることができる。
【0007】
さらに、この算出された弁体にかかる負荷トルクを用いて、流量制御弁を構成する各部分のトルク、例えばアクチュエータが備える駆動源としてのモータと弁体とを接続する部分(以下、「動力伝達部」という。)の伝達トルクを算出してこれを追跡できれば、流量制御弁に対するよりきめの細かい詳細な予防保全を実施することができる。
【0008】
本発明は、このような課題を解決するためのものであり、動力伝達部の伝達トルクを計算する技術を提供するとともに、このことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
このような目的を達成するために、本発明にかかる流量制御弁は、流体が流れる流路が内部に形成されているとともに、前記流路の途中に前記流体の流量を制御する弁体が回動自在に取り付けられている弁本体と、前記弁体の弁軸と接続されている出力軸をモータで回動させて前記弁軸を回動制御することにより前記流体の流量制御を行うアクチュエータとを備える流量制御弁であって、前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサと、前記弁軸の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサと、前記モータを駆動して前記弁体を一定角度だけ回動させた際に、回動開始時から回動停止時まで間における、前記出力側開度の変化量と前記弁側開度の変化量との偏差に基づいて、前記弁体に生じた負荷トルクを計算する弁体負荷トルク計算部と、前記モータの回転トルクを算出するモータ回転トルク計算部と、前記負荷トルクと前記モータの回転トルクとから前記弁体と前記モータとを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算する伝達トルク計算部とを備えている。
【0010】
また、本発明にかかる上記流量制御弁の一構成例は、前記弁体負荷トルク計算部が、前記回動開始時に検出した出力側開度を示す出力側開度開始値θa1と、前記回動停止時に検出した出力側開度を示す出力側開度停止値θa2とから、これらの変化量を示す出力側開度偏差値Δθaを求めるとともに、前記回動開始時に検出した弁側開度を示す弁側開度開始値θv1と、前記回動停止時に検出した弁側開度を示す弁側開度停止値θv2とから、これらの変化量を示す弁側開度偏差値Δθvを求め、前記出力側開度偏差値Δθaと前記弁側開度偏差値Δθvの偏差を示す開度偏差値Δθavと、前記弁体に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、および前記アクチュエータから前記弁体までの軸の長さLとに基づいて、前記弁体負荷トルクTpを計算するようにしたものである。
【0011】
また、本発明にかかる伝達トルク計算方法は、流体が流れる流路が内部に形成されているとともに、前記流路の途中に前記流体の流量を制御する弁体が回動自在に取り付けられている弁本体と、前記弁体の弁軸と接続されている出力軸をモータで回動させて前記弁軸を回動制御することにより前記流体の流量制御を行うアクチュエータとを備える流量制御弁で用いられる伝達トルク計算方法であって、出力側角度センサが、前記アクチュエータの前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側開度検出ステップと、弁側角度センサが、前記弁本体の前記弁軸の回動角度を弁側開度として検出する弁側開度検出ステップと、弁体負荷トルク計算部が、前記モータを駆動して前記出力軸を一定角度だけ回動させた際の回動開始時および回動停止時に検出した、前記出力側開度の変化量と前記弁側開度の変化量との偏差に基づいて、前記弁体に生じた負荷トルクを計算する弁体負荷トルク計算ステップと、前記モータの回転トルクを計算するモータ回転トルク計算ステップと、計算された前記負荷トルクと前記モータの回転トルクとから前記モータと前記弁体とを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算する伝達トルク計算ステップとを備えている。
【0012】
また、本発明にかかる上記伝達トルク計算方法の一構成例は、前記弁体負荷トルク計算ステップが、前記回動開始時に検出した出力側開度を示す出力側開度開始値θa1と、前記回動停止時に検出した出力側開度を示す出力側開度停止値θa2とから、これらの変化量を示す出力側開度偏差値Δθaを求めるステップと、前記回動開始時に検出した弁側開度を示す弁側開度開始値θv1と、前記回動停止時に検出した弁側開度を示す弁側開度停止値θv2とから、これらの変化量を示す弁側開度偏差値Δθvを求めるステップと、前記出力側開度偏差値Δθaと前記弁側開度偏差値Δθvの偏差を示す開度偏差値Δθavと、前記弁体に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、および前記アクチュエータから前記弁体までの軸の長さLとに基づいて、前記弁体負荷トルクTpを計算するステップとを有している。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、従来より流量制御弁のアクチュエータ側に搭載されている出力側角度センサに加えて、弁本体に弁側角度センサを追加するだけで流量制御弁における弁体の負荷トルクを計算することが可能となり、この算出された弁体の負荷トルクを用いて、弁体とこれを回動させる駆動源としてのアクチュエータが備えるモータとを接続する動力伝達部の伝達トルクを計算することが可能となる。さらに、流量制御弁で伝達トルクを定期的に計算して追跡すれば、動力伝達部の異常を速やかに検知することができるため、装置の破損を未然に防止し、故障部品の早期交換など流量制御弁に対する予防保全に役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】流量制御弁の構成を示す説明図である。
図2】流量制御弁の他の構成を示す説明図である。
図3】流量制御処理(弁側角度センサ)を示すフローチャートである。
図4】弁側センサ出力値と弁側開度との関係を示すグラフである。
図5】出力側開度計算処理を示すフローチャートである。
図6】伝達トルク算出処理を示すフローチャートである。
図7】伝達トルク算出動作を示す説明図である。
図8】伝達トルク算出動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
[流量制御弁]
まず、図1を参照して、本実施の形態にかかる流量制御弁1について説明する。図1は、流量制御弁の構成を示す説明図である。
この流量制御弁1は、空調システム等の設備で用いられて、配管を流れる冷温水の流量を制御する電動バルブであり、主に弁本体10とアクチュエータ20とから構成されている。
【0016】
[弁本体]
弁本体10は、流体が流れる流路11が内部に形成された金属管からなり、流路11の途中には流体の流量を制御するための弁体12が回動自在に取り付けられている。弁体12には、弁本体10の外部へ一端が導出された弁軸13が結合されており、この弁軸13の回動操作により弁体12が回動し、流路11の断面積、すなわち弁開度が変化して、流体の流量が制御される。
【0017】
流路11の内壁11Aのうち、弁体12の一次側(流体上流側)には圧力センサS1が配置されており、弁体12の二次側(流体下流側)には圧力センサS2が配置されている。これら圧力センサS1,S2は、それぞれ流路11の一次側圧力P1および二次側圧力P2を検出し、得られた検出結果を示す圧力検出信号をアクチュエータ20へ出力する。これら一次側圧力P1および二次側圧力P2と、検出温度Tvに基づき弁側開度θvを補正して得られた開度現在値θとに基づいて流路11を流れる流体の流量が計測される。
【0018】
弁本体10の外側である本体上面10Aには、弁軸13の回動角度を検出し、回動角度に応じた弁側センサ出力値Svをアクチュエータ20へ出力する弁側角度センサ14が配置されている。弁側角度センサ14は、断熱材を介して弁本体10に取り付けられており、流体温度の影響が抑制されている。また、弁側角度センサ14には温度センサS3が取り付けられており、温度センサS3で検出された検出温度Tvに基づいて、弁側角度センサ14の弁側開度θvが開度現在値θに温度補正される。なお、弁側開度θvの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサ14のセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。
【0019】
弁側角度センサ14としては、例えば円形差動トランス型角度センサ(特許文献2)や磁気抵抗型角度センサ(特許文献3)を用いればよい。本発明は、これら特許文献2および特許文献3に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、弁側角度センサ14は、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを弁側角度センサ14として用いてもよい。
【0020】
円形差動トランス型角度センサは、弁軸13の回動に応じて円弧状の管内を移動する可動鉄心の位置を、円弧状の管の外周面に巻回された2つの検出コイルを有する差動トランスで検出出力するセンサである。
また、磁気抵抗型角度センサは、弁軸13とともに回動するロータと、ロータを囲うように配置された環状のステータとのギャップを、ステータからロータ側に突出して設けられた2つの検出用巻線で検出出力するセンサである。
【0021】
[アクチュエータ]
アクチュエータ20は、ヨーク31を介して弁本体10の本体上面10Aに取り付けられており、継手30を介して弁軸13と接続されている出力軸25を回動制御することにより、弁体12の弁開度を制御して、流体の流量制御を行う機能を有している。
アクチュエータ20には、主な構成として、流量目標設定部21、モータ駆動部22、
モータ23、減速機24、出力軸25、出力側角度センサ26、特性テーブル記憶部27、および制御部28が設けられている。
【0022】
流量目標設定部21は、上位装置(図示せず)から出力された流量目標信号を受信して、流量目標信号に含まれる流量目標値Qrefを取得し、制御部28へ出力する機能を有している。
モータ駆動部22は、制御部28から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ23を駆動する機能を有している。
【0023】
モータ23は、モータ駆動部22からの駆動信号により、指定された方向へ指定された角度分だけシャフト23Aを回転させる機能を有している。
減速機24は、端数の異なる複数の歯車が噛合されたギヤボックスからなり、モータ23のシャフト23Aの回転速度を減速して出力軸25を回動させる機能を有している。
【0024】
これにより、制御部28から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ駆動部22から駆動信号がモータ23に出力される。また、この駆動信号に応じてモータ23のシャフト23Aが回転し、その回転出力が減速機24で減速されて出力軸25を回動させ、継手30および弁軸13を介して弁体12が所定の回動角度すなわち弁開度まで回動することになる。
【0025】
ここで、モータ23と弁体12の間に介在する、(モータ) シャフト23A、減速機24、ならびに継手30を介して接続する出力軸25および弁軸13によって、動力伝達部Dが構成されている。
【0026】
出力側角度センサ26は、減速機24または出力軸25の回動角度を検出し、回動角度に応じた出力側センサ出力値Saを制御部28へ出力する角度センサである。
【0027】
特性テーブル記憶部27は、不揮発性の半導体メモリからなり、流量現在値Qの計算に用いる弁体12に固有の流量係数Cvを特定するための特性テーブルを記憶する機能を有している。この特性テーブルには、流路11の一次側圧力P1および二次側圧力P2の差圧ΔP=P1−P2と弁体12の開度現在値θとの組み合わせごとに、弁体12に固有の流量係数Cvが予め登録されている。これら特性テーブルの各データは、形状や材質などの弁体12の特徴に基づいて別途計算されたものである。
【0028】
制御部28は、流路11を流れる流体の流量現在値Qと、流量目標設定部21からの流量目標値Qrefとの偏差ΔQに基づいて、弁体12の弁開度を調整することにより流量現在値Qを制御する機能を有している。
制御部28には、主な処理部として、流量制御部28Aと弁体負荷トルク計算部28Bとモータ回転トルク計算部28Cと伝達トルク計算部28Dとが設けられている。これら処理部は、中央処理装置(CPU)と予め登録されているプログラムとが協働することにより実現されている。
【0029】
流量制御部28Aは、圧力センサS1,S2から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力P1および二次側圧力P2と、補正後の開度現在値θとに基づいて、流路11を流れる流体の流量現在値Qを計算する機能と、この流量現在値Qと流量目標値Qrefとの偏差ΔQに基づいて、所定のモータ制御信号をモータ駆動部22へ出力することにより、弁体12の弁開度を調整して流量現在値Qを制御する機能とを有している。
【0030】
弁体負荷トルク計算部28Bは、弁体12を一定角度だけモータ23により回動させた場合に、弁側角度センサ14からの弁側センサ出力値Svに基づき検出された弁側開度θvの弁側開度偏差値Δθvと、出力側角度センサ26からの出力側センサ出力値Saに基づき検出された出力側開度θaの出力側開度偏差値Δθaとの偏差を示す開度偏差値Δθavに基づいて、弁体12で生じている弁体負荷トルクTpを計算する機能を有している。
【0031】
モータ回転トルク計算部28Cは、例えばモータ23に通電されるモータ電流Imと、モータ23のトルク定数KTとから、モータ23の回転トルクTmを計算する機能を有している。
【0032】
伝達トルク計算部28Dは、弁体負荷トルク計算部28Bで算出された弁体12の弁体負荷トルクTpとモータ回転トルク計算部28Cで算出されたモータ23の回転トルクTmとから、動力伝達部D(モータ23と弁体12の間に介在する、(モータ) シャフト23A、減速機24ならびに継手30を介して接続する出力軸25および弁軸13)における伝達トルクTpdを計算する機能を有している。
【0033】
図2は、流量制御弁の他の構成を示す説明図である。図1では、弁側角度センサ14を本体上面10Aに取り付けた場合を例として説明したが、取り付け位置については弁本体10の外側である本体底面10Bであってもよい。
弁体12を弁本体10内の流路11に回動自在に取り付ける際、内壁11Aの上側部と下側部とで弁軸13を係止している。このため、弁軸13の下端を本体底面10Bから弁本体10の外部へ導出することが可能であり、弁本体10の外側へ導出した弁軸13の下端の回動角度を弁側角度センサ14で検出すればよい。
【0034】
[流量制御動作]
次に、図3を参照して、弁側角度センサ14を用いた、本実施の形態にかかる流量制御弁1の流量制御動作について説明する。図3は、流量制御処理(弁側角度センサ)を示すフローチャートである。
制御部28は、弁側角度センサ14を用いて流路11を流れる流体の流量を制御する場合、図3の流量制御処理を実行する。なお、弁側角度センサ14に代えて同じく差動型の出力側角度センサ26を用いてもよい。
【0035】
図3の流量制御処理の開始時において、流量目標設定部21には、予め流量目標値Qrefが設定されているものとする。また、特性テーブル記憶部27には、弁体12に関する特性テーブルが予め登録されているものとする。
また、制御部28内の記憶部(図示せず)には、弁側角度センサ14の弁側センサ出力値Svと弁体12の弁開度との対応関係の基準となる弁側出力基準値Ssが予め設定されているものとする。弁側出力基準値Ssは、弁体12の50%開度分のスパンに相当する、弁側角度センサ14の弁側センサ出力値Svを示している。
【0036】
図4は、弁側センサ出力値と弁側開度との関係を示すグラフである。弁側角度センサ14として用いられる、これら円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサは、前述したように、弁軸13の中間位置角度すなわち50%開度を中心として、全閉方向および全開方向に対称となる弁側センサ出力値Svを出力する構造を有している。したがって、図4に示すように、弁側センサ出力値Svと弁側開度θvとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、50%開度を示す電圧値=0vを中心として、等しい電圧幅Ssだけ離れた電圧値−Ss,Ssとなる。
【0037】
まず、流量制御部28Aは、弁側角度センサ14から弁側センサ出力値Svを取得し(ステップ100)、予め設定されている弁側出力基準値Ssに基づいて、Svから弁側開度θv=50×(1+Sv/Ss)[%]を計算する(ステップ101)。
【0038】
続いて、流量制御部28Aは、温度センサS3から検出温度Tvを取得し(ステップ102)、Tvに基づいて弁側開度θvを補正する(ステップ103)。温度補正については、予め設定されている弁側角度センサ14に固有の温度特性式に基づいて補正すればよい。
【0039】
次に、流量制御部28Aは、圧力センサS1,S2から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力P1および二次側圧力P2を取得し(ステップ104)、これらP1,P2の差圧ΔP=P1−P2を計算する(ステップ105)。
続いて、流量制御部28Aは、ΔPとθに対応する流量係数Cvを特性テーブル記憶部27の特性テーブルから取得し(ステップ106)、CvとΔPに基づいて、流路11を流れる流体の流量現在値Qを計算する(ステップ107)。この際、流路11の口径などによって定まる定数をAとした場合、流量現在値Qは、Q=A・Cv・(ΔP)1/2で求められる。
【0040】
この後、流量制御部28Aは、QとQrefの偏差ΔQ=Q−Qrefを計算し(ステップ108)、ΔQとゼロとを比較する(ステップ109)。
ここで、ΔQがゼロと等しくΔQ=0である場合(ステップ109:ΔQ=0)、流量制御部28Aは、弁開度を変更することはないが、流量目標値Qrefが変更にならなくても、管路の状態により流量現在値Qが変化するため、ステップ100に戻る。
【0041】
一方、ΔQがゼロより小さくΔQ<0である場合(ステップ109:ΔQ<0)、流量制御部28Aは、所定のモータ制御信号をモータ駆動部22へ出力することにより、モータ23をΔQに相当する弁開度分だけ開方向に駆動し(ステップ110)、ステップ100に戻る。
また、ΔQがゼロより大きくΔQ>0である場合(ステップ109:ΔQ>0)、流量制御部28Aは、所定のモータ制御信号をモータ駆動部22へ出力することにより、モータ23をΔQに相当する弁開度分だけ閉方向に駆動し(ステップ111)、ステップ100に戻る。
【0042】
[出力側開度計算動作]
次に、図5を参照して、流量制御部28Aにおける出力側開度θaの計算動作について説明する。図5は、出力側開度計算処理を示すフローチャートである。ここでは、出力側角度センサ26が、弁側角度センサ14と同様に、円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサからなり、弁軸13の中間位置角度すなわち50%開度を中心として、全閉方向および全開方向に対称となる出力側センサ出力値Saを出力する構造を有しているものとする。
【0043】
出力側角度センサ26の出力側センサ出力値Saと弁体12の弁開度との対応関係の基準となる出力側出力基準値Sbが予め設定されているものとする。したがって、前述の図4と同様に、出力側センサ出力値Saと出力側開度θaとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、50%開度を示す電圧値=0vを中心として、等しい電圧幅Sbだけ離れた電圧値−Sb,Sbとなる。
【0044】
まず、流量制御部28Aは、出力側角度センサ26からの出力側センサ出力値Saを取得し(ステップ200)、予め設定されている出力側出力基準値Sbに基づいて、Saから出力側開度θa=50×(1+Sa/Sb)[%]を計算する(ステップ201)。
これにより、出力側角度センサ26からの出力側センサ出力値Saから、出力側開度θaが計算される。
【0045】
この際、弁側角度センサ14と同様に、出力側角度センサ26に温度センサを取り付け、この温度センサで検出された検出温度に基づいて、出力側角度センサ26の出力側開度θaを温度補正してもよい。なお、出力側開度θaの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、出力側角度センサ26のセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。また、出力側角度センサ26は、円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを出力側角度センサ26として用いてもよい。
【0046】
[伝達トルク算出動作]
次に、図6ないし図8を参照して、本実施の形態にかかる流量制御弁1の伝達トルク算出動作について説明する。図6は、伝達トルク算出処理を示すフローチャートである。図7および8は、伝達トルク算出動作を示す説明図である。
【0047】
制御部28は、弁体12で生じる弁体負荷トルクTpを算出する場合、図6の伝達トルク算出処理を実行する。なお、モータ23を駆動して弁体12を一定角度だけ回動させる場合として、流量現在値Qを流量目標値Qrefへ制御するために弁体12を回動させる場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。
【0048】
まず、弁体負荷トルク計算部28Bは、弁体12の回動開始時に出力側角度センサ26で出力側開度開始値θa1を検出するとともに、弁側角度センサ14で弁側開度開始値θv1を検出し、これらを例えば半導体メモリ(図示せず)で記憶しておく(ステップ120)。
次に、流量制御部28Aは、圧力センサS1,S2で検出した一次側圧力P1および二次側圧力P2と、補正後の開度現在値θとに基づいて、流路11を流れている流量現在値Qを計算し(ステップ121)、流量目標値Qrefと比較する(ステップ122)。
【0049】
ここで、QがQrefと異なる場合(ステップ122:NO)、流量制御部28Aは、QがQrefに近づく方向にQとQrefとの偏差ΔQ分だけモータ23を駆動し(ステップ123)、ステップ121へ戻る。
これにより、QがQrefと等しくなるまでモータ23が繰り返し駆動されるため、弁体12が回動してQがQrefに近づくことになり、QがQrefと等しくなった時点で弁体12の回動が停止することになる。
【0050】
このようにして、QがQrefと等しくなった場合(ステップ122:YES)、弁体負荷トルク計算部28Bは、弁体12の回動停止後に出力側角度センサ26で出力側開度停止値θa2を検出して取得し(ステップ130)、θa1とθa2の偏差を示す出力側開度偏差値Δθa(=θa2−θa1)を計算する(ステップ131)。
続いて、弁体負荷トルク計算部28Bは、弁体12の回動停止後に弁側角度センサ14で弁側開度停止値θv2を検出して取得し(ステップ132)、θv1とθv2の偏差を示す弁側開度偏差値Δθv(=θv2−θv1)を計算する(ステップ133)。
【0051】
この後、弁体負荷トルク計算部28Bは、これらΔθaとΔθvの偏差を示す開度偏差値Δθav(=Δθv−Δθa)を計算し(ステップ134)、Δθavと、弁体12に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、およびアクチュエータ20から弁体12までの一連の駆動軸の長さを示す軸長Lとに基づいて、弁体負荷トルクTp(=Δθav・G・Ip/L)を計算する(ステップ135)。
【0052】
なお、軸長Lは、図7に示すように、アクチュエータ20から弁体12を回動させるための一連の駆動軸の長さに相当し、予め計算して、制御部28内の記憶部(図示せず)に設定しておけばよい。この際、図1に示したように、弁側角度センサ14が弁本体10の本体上面10Aに取り付けられている場合、軸長Lは、出力軸25、継手30、および弁軸13からなる一連の駆動軸の長さに相当する。
【0053】
一方、図2に示したように、弁側角度センサ14が弁本体10の本体底面10Bに取り付けられている場合、軸長Lは、アクチュエータ20から弁体12を回動させるための駆動軸、すなわち出力軸25、継手30、弁軸13、弁体12、および弁体12から弁側角度センサ14までの弁軸13の下側部分からなる一連の駆動軸の長さに相当する。
また、横弾性係数Gおよび断面二次極モーメントIpは、予め、弁体12および上記駆動軸を統合化してモデリングすることにより計算し、制御部28内の記憶部(図示せず)に設定しておけばよい。
【0054】
また、弁側角度センサ14は、弁本体10の外側ではなく本体内部、例えば弁本体10を構成する管壁内部のうち弁軸13を支持するガイド部に配置してもよい。この際、軸長Lは、出力軸25、継手30、および弁軸13のうち上端から弁側角度センサ14までの部分からなる一連の駆動軸の長さに相当する。
【0055】
弁体負荷トルク計算部28Bで弁体負荷トルクTpが計算された後、モータ回転トルク計算部28Cにおいて、モータ23の回転トルクが所定の計算式に基づいて算出される(ステップ136)。モータ23は、例えばDCモータからなり、この場合のモータ回転トルクTmは、モータ電流Imとトルク定数KTとの積(Tm=Im ×KT)として算出される。
【0056】
弁体の弁体負荷トルクTpおよびスモータ回転トルクTmが計算されると、伝達トルク計算部28Dにおいて、これら2つの値から伝達トルクTpdが計算される(ステップ137)。具体的には、トルクの釣合い式(Tpd+Tm+Tp=0)に基づき、Tpd=−Tm―Tpから伝達トルクTpdが算出される(図8参照)。以上のステップにより、一連の伝達トルク算出処理は終了する。
【0057】
[本実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、アクチュエータ20の出力軸25の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサ26と、弁本体10の弁軸13の回動角度を弁側開度として検出する弁側角度センサ14とを設け、弁体負荷トルク計算部28Bが、モータ23を駆動して出力軸25を一定角度だけ回動させた際の回動開始時および回動停止時に検出した、出力側開度および弁側開度の変化量の偏差に基づいて、弁体12に生じた弁体負荷トルクTpを計算し、さらに、モータ23の回転トルクTmを算出した上で、弁体負荷トルクTpとモータ回転トルクTmとから動力伝達部Dの伝達トルクTpdを計算するようにしたものである。
【0058】
より具体的には、弁体負荷トルク計算部28Bが、出力側開度開始値θa1と出力側開度停止値θa2とから出力側開度偏差値Δθaを求めるとともに、弁側開度開始値θv1と弁側開度停止値θv2とから弁側開度偏差値Δθvを求め、出力側開度偏差値Δθaと弁側開度偏差値Δθvの偏差を示す開度偏差値Δθavと、弁体12に関する横弾性係数G、断面二次極モーメントIp、およびアクチュエータ20から弁体12までの軸の長さLとに基づいて、弁体負荷トルクTpを計算し、また、DCモータの回転トルクTmを、モータ電流Imとトルク定数KTとの積から算出し、これら2つのトルク値とトルクの釣合いの式とから動力伝達部Dの伝達トルクTpdを計算するようにしたものである。
【0059】
これにより、従来より流量制御弁1のアクチュエータ20側に搭載されている出力側角度センサ26に加えて、弁本体10に弁側角度センサ14を追加するだけで、流量制御弁1で弁体12の弁体負荷トルクTpを計算することが可能となり、さらに、この弁体負荷トルクTpと所定の計算式で算出したモータ23の回転トルクTmとから、動力伝達部Dの伝達トルクTpdを計算することが可能となる。
したがって、流量制御弁1において弁体負荷トルクTp、モータ回転トルクTmおよび伝達トルクTpdをそれぞれ定期的に計算して追跡すれば、弁体12およびこれを含む弁本体10、弁体12を回動させるモータ23、ならびに弁体12とモータ23とを接続する動力伝達部Dの異常を個別に検知することができ、各構成部品の故障の早期発見と故障部品の早期交換とった形で流量制御弁1の予防保全に役立てることが可能となる。
【0060】
[実施の形態の拡張]
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【0061】
例えば、前記実施の形態のなかで述べたモータ23を構成するDCモータは、モータ回転トルクTmが、TI特性(モータ回転トルクTmとモータ電流Imとの相関関係)に基づいて算出できる全てのDCモータ、すなわち、ブラシ付きDCモータ、ブラシレスDCモータ等を含み、特定の形式のDCモータに限定されない。さらに、モータ23は、モータ回転トルクTmが所定の計算式から算出できるものであれば前記DCモータに限定されず、例えば同期モータ、誘導モータおよびステッピングモータ等から構成されてもよい。
【0062】
また、前記実施の形態では、流量目標設定部21が流量目標値Qrefを取得する方法(流量目標設定部21において流量目標値Qrefが設定される方法)に関し、上位装置から送信される流量目標信号を受信することでこの信号に含まれる流量目標値Qrefを取得する(流量目標値Qrefが設定される)としたが、この方法に限定されるわけではない。例えば、上位装置から送信された流量目標コマンドを流量目標設定部21が受信し、この流量目標コマンドを流量目標設定部21が処理することで流量目標値Qrefを取得するように構成してもよい。この場合、流量目標設定部21は、流量目標値Qrefを算出するための各種パラメータ、例えば配管を流れる冷温水の温度(空調装置の出口温度と戻り温度)や比熱、空調装置の設定温度といったパラメータを記憶または前記コマンドとともに上位装置等から取得し、これらパラメータに基づいて流量目標値Qrefを算出するように構成されてもよい。
【符号の説明】
【0063】
1…流量制御弁、10…弁本体、10A…本体上面、10B…本体底面、11…流路、
11A…内壁、12…弁体、13…弁軸、14…弁側角度センサ、20…アクチュエータ、21…流量目標設定部、22…モータ駆動部、23…モータ、24…減速機、25…出力軸、26…出力側角度センサ、27…特性テーブル記憶部、28…制御部、28A…流量制御部、28B…弁体負荷トルク計算部、28C…モータ回転トルク計算部、28D…伝達トルク計算部、30…継手、31…ヨーク、S1,S2…圧力センサ、S3…温度センサ、Qref…流量目標値、Q…流量現在値、ΔQ…偏差、Sv…弁側センサ出力値、Sa…出力側センサ出力値、Ss…弁側出力基準値、Sb…出力側出力基準値、θv…弁側開度、Tv…検出温度、P1…一次側圧力、P2…二次側圧力、ΔP…差圧、θa…出力側開度、θa1…出力側開度開始値、θa2…出力側開度停止値、Δθa…出力側開度偏差値、θv1…弁側開度開始値、θv2…弁側開度停止値、Δθv…弁側開度偏差値、Δθav…開度偏差値、Tp…負荷トルク、G…横弾性係数、Ip…断面二次極モーメント、L…軸長、D…動力伝達部。


図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8