特許 6413344 接点信号変換装置における防爆バリア

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6413344

(24)【登録日】2018年10月12日

(45)【発行日】2018年10月31日

(54)【発明の名称】接点信号変換装置における防爆バリア

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/06 20060101AFI20181022BHJP

   H01F 7/18 20060101ALI20181022BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/06 310Z

   H01F7/18 Z

   H01F7/18 K

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-105928(P2014-105928)

(22)【出願日】2014年5月22日

(65)【公開番号】特開2015-222085(P2015-222085A)

(43)【公開日】2015年12月10日

【審査請求日】2017年3月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】金谷 信宏

【審査官】 加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０６５４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−０５０４０８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６０−００２０７０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６３−１６４６７７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５１−０１７５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−１６５３９７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特許第６００７９２２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第５５４５５１１（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ ３１／０６−３１／１１

Ｈ０１Ｆ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

オンオフの接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置において前記ソレノイド型電磁弁の動作電源の電圧と電流とを制限する防爆バリアであって、
電圧を制限する電圧制限部品の後段に、電流を制限する電流制限部品を配置したことを特徴とする防爆バリア。

【請求項2】

前記電圧制限部品の前段に、前記接点信号に基づいてオンオフが切り替えられるスイッチを配置したことを特徴とする請求項１に記載の防爆バリア。

【請求項3】

前記電圧制限部品は、ツェナーダイオードであり、前記電流制限部品は、抵抗であることを特徴とする請求項１または２に記載の防爆バリア。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブ動作を指示する接点信号を電磁弁制御信号に変換する接点信号変換装置に係り、特に、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置における防爆バリアに関する。

【背景技術】

【0002】

プラント等においてバルブの開閉を遠隔操作する場合は、操作を行なう端末装置からバルブ駆動装置にバルブの開閉を指示する制御信号が送られる。従来、操作装置とバルブ駆動装置との通信は、端末装置とバルブ駆動装置との間に敷設した制御信号線を介した有線通信で行なわれていたが、近年では無線で通信が行なわれことも多くなっている。

【0003】

図６は、無線通信を行なう端末装置とバルブ駆動装置との構成を示す図である。本図に示すように、操作を行なう端末装置５１には、端末側無線通信装置５２が接続され、バルブ開閉動作を行なうバルブ駆動装置６０にはバルブ側無線通信装置５３が接続されている。

【0004】

ここでは、バルブ開動作を例に説明する。オペレータが端末装置５１でバルブ駆動装置６０の開動作を指示すると、端末側無線通信装置５２からバルブ側無線通信装置５３にバルブ開接点信号のオンが無線で送られ、バルブ駆動装置６０に伝達される。

【0005】

バルブ駆動装置６０は、信号変換装置６１０、電磁弁６２０、空気圧開閉器６３０を備えている。信号変換装置６１０は、バルブ側無線通信装置５３から開接点信号のオンが伝達されると、電磁弁６２０を動作させる開制御信号のオンに変換して、電磁弁６２０に出力する。電磁弁６２０が開制御信号のオンにしたがって電磁弁を切り替えると、空気圧開閉器６３０がバルブ７０を駆動し、バルブ７０を開にする。電磁弁６２０、空気圧開閉器６３０は、バルブ７０の個数に対応して複数個設けることができ、信号変換装置６１０は、バルブ７０毎に開制御信号を出力する。

【0006】

オペレータが端末装置５１でバルブ駆動装置６０の動作停止を指示すると、端末側無線通信装置５２からバルブ側無線通信装置５３に開接点信号のオフが無線で送られ、バルブ駆動装置６０に伝達される。バルブ駆動装置６０の接点信号変換装置６１０は、バルブ開接点信号のオフを開制御信号のオフに変換して、電磁弁６２０に出力する。電磁弁６２０が開制御信号のオフにしたがって電磁弁を切り替えると、バルブ７０の開動作が停止する。

【0007】

電磁弁６２０は、小電力で動作が可能なピエゾ型電磁弁が広く用いられている。しかしながら、ピエゾ型電磁弁は、一般的でなく、選択の自由度が低い。また、国内では本質安全防爆仕様の認定を受けているものが無いため、使用場所の制約がある。

【0008】

無線通信によるバルブの遠隔操作は、特に、危険場所において有益であるため、一般的で選択の自由度が高く、また、国内で本質安全防爆仕様の認定を受けている製品もあるソレノイド型電磁弁を使用したいという要望がある。

【0009】

ただし、ソレノイド型電磁弁は、ピエゾ型電磁弁と比較して動作させるためにより大きな電力が必要である。具体的には、ピエゾ型電磁弁が６Ｖ、０．５ｍＡの０．００３Ｗ程度で動作させることができるのに対し、ソレノイド型電磁弁は、ＤＣ１２Ｖ、３４ｍＡ、４０８ｍＷ程度の電力が必要となる。したがって、無線通信によるバルブの遠隔操作でソレノイド型電磁弁を用いる場合には、接点信号変換装置において、電力供給と防爆仕様とを両立させなければならない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特表２００３−５２８２６９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

図７は、ソレノイド型電磁弁を用いたとした場合のバルブ駆動装置６０の接点信号変換装置６１０の構成例を示している。本例では、２系統のソレノイド型電磁弁６２０（６２０ａ、６２０ｂ）を動作させるものとする。

【0012】

本図に示すように、接点信号変換装置６１０は、ソレノイド型電磁弁６２０の動作電源となる電池６１１、防爆バリア６１２、スイッチ６１３（６１３ａ、６１３ｂ）、ＯＲゲート６１４を備えている。

【0013】

電池６１１は、ソレノイド型電磁弁６２０を駆動する電力を供給するため、例えば、公称電圧３．６Ｖ（最大開路電圧３．９Ｖ）の電池を８個直列にして構成する。これにより、公称電圧２８．８Ｖ（最大開路電圧３１．２Ｖ）となる。

【0014】

防爆バリア６１２は、ソレノイド型電磁弁６２０に供給する電圧と電流とを、それぞれソレノイド型電磁弁６２０の本安回路最大電圧、本安回路最大電流以下に制限する回路である。

【0015】

スイッチ６１３（６１３ａ、６１３ｂ）は、防爆バリア６１２の出力とソレノイド型電磁弁６２０（６２０ａ、６２０ｂ）との間に配置され、バルブ側無線通信装置５３からの開接点信号に応じてオンオフが切り替えられる。オンになったスイッチ６１３に接続されたソレノイド型電磁弁６２０に、電池６１１からの電力が防爆バリア６１２を介して供給される。

【0016】

ＯＲゲート６１４は、２系統の開接点信号のいずれかがオンになるとハイとなる防爆バリア制御信号を防爆バリア６１２に出力する。

【0017】

図８は、防爆バリア６１２の構成例を示している。ここでは、ソレノイド型電磁弁６２０の本安回路最大電圧が２９．４Ｖであり、本安回路最大電流が９３．８ｍＡであるとし、防爆バリア６１２は、電圧を２９．４Ｖに制限し、電流を９３．８ｍＡに制限するものとする。

【0018】

本図に示すように防爆バリア６１２は、電池６１１側に電流制限部品である抵抗Ｒ１１とスイッチＳＷ１１を配置し、スイッチ６１３およびソレノイド型電磁弁６２０側に電圧制限部品であるツェナーダイオードＺＤ１１、ＺＤ１２を配置している。これは、電流を制限してから電圧を制限した方が、より大きな電力をソレノイド型電磁弁６２０に供給することができるからである。

【0019】

ツェナーダイオードＺＤ１１、ＺＤ１２は、本安回路最大電圧Ｕｏを２９．４Ｖに制限するため、例えば、ツェナー電圧Ｖｚが２６．７〜２８．１Ｖのものを用いる。抵抗Ｒ１１は、本安回路最大電流Ｉｏを９３．８ｍＡに制限するため、電池６１１の最大開路電圧３１．２Ｖ／９３．８ｍＡ≒３３３Ω以上の抵抗を用いる。スイッチＳＷ１１は、防爆バリア制御信号がハイになるとオンに切り替わるスイッチであり、例えば、ＦＥＴを用いる。

【0020】

図９は、防爆バリア６１２の電圧−電流特性を示す図である。防爆バリア６１２は、電流を制限してから電圧を制限しているため、出力電流が小さい領域で、出力電圧がツェナー電圧Ｖｚで一定に制限され、本図に示すように、電圧−電流特性は非線形となる。

【0021】

一般に、防爆バリアを介して供給される電力の電圧−電流特性が線形であれば、既存の計算式を用いて、認証機関の防爆構造規格を満たす防爆設計を容易に行なうことができる。

【0022】

しかしながら、電圧−電流特性が非線形の場合には、計算法が確立されておらず、より厳しい条件で実験的に本質安全性の評価を行なわざるを得ない。このため、防爆設計が複雑で困難な作業となる。

【0023】

そこで、本発明は、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0024】

上記課題を解決するため、本発明の防爆バリアは、オンオフの接点信号を、ソレノイド型電磁弁を動作させる制御信号に変換する接点信号変換装置において前記ソレノイド型電磁弁の動作電源の電圧と電流とを制限する防爆バリアであって、電圧を制限する電圧制限部品の後段に、電流を制限する電流制限部品を配置したことを特徴とする。
ここで、前記電圧制限部品の前段に、前記接点信号に基づいてオンオフが切り替えられるスイッチを配置してもよい。
例えば、前記電圧制限部品は、ツェナーダイオードとし、前記電流制限部品は、抵抗とすることができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、ソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置において防爆設計を容易化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本実施形態に係るバルブ駆動装置の接点信号変換装置の構成例を示す図である。

【図2】本実施形態の防爆バリアの構成例を示す図である。

【図3】防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。

【図4】本実施形態の防爆バリアの電圧−電流特性と負荷線を示す図である。

【図5】本実施形態の変形例の防爆バリアの電圧−電流特性と負荷線を示す図である。

【図6】無線通信を行なう端末装置とバルブ駆動装置との構成を示す図である。

【図7】ソレノイド型電磁弁を用いたとした場合のバルブ駆動装置の接点信号変換装置６１０の構成例を示す図である。

【図8】防爆バリアの構成例を示す図である。

【図9】防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るバルブ駆動装置１０の接点信号変換装置１１０の構成例を示している。本実施例では、２系統のソレノイド型電磁弁１２０（１２０ａ、１２０ｂ）を動作させるものとする。なお、バルブ駆動装置１０は、図６に示した構成と同様に、無線通信でバルブの開閉を遠隔操作する構成において、バルブ側無線通信装置とバルブとの間に配置される。

【0028】

本図に示すように、接点信号変換装置１１０は、ソレノイド型電磁弁１２０の動作電源となる電池１１１、防爆バリア１１２、スイッチ１１３（１１３ａ、１１３ｂ）、ＯＲゲート１１４を備えている。図６に示したように、それぞれのソレノイド型電磁弁１２０（１２０ａ、１２０ｂ）は、バルブを動作させる空気圧開閉器を駆動する。

【0029】

電池１１１は、ソレノイド型電磁弁１２０を駆動する電力を供給するため、例えば、公称電圧３．６Ｖ（最大開路電圧３．９Ｖ）の電池を８個直列にして構成する。これにより、公称電圧２８．８Ｖ（最大開路電圧３１．２Ｖ）となる。ただし、ソレノイド型電磁弁１２０を動作させる電力を供給可能な外部供給電源を用いるようにしてもよい。

【0030】

防爆バリア１１２は、ソレノイド型電磁弁１２０に供給する電圧と電流とを、それぞれソレノイド型電磁弁１２０の本安回路最大電圧、本安回路最大電流以下に制限する回路である。

【0031】

スイッチ１１３（１１３ａ、１１３ｂ）は、防爆バリア１１２の出力とソレノイド型電磁弁１２０（１２０ａ、１２０ｂ）との間に配置され、バルブ側無線通信装置からの開接点信号に応じてオンオフが切り替えられる。オンになったスイッチ１１３に接続されたソレノイド型電磁弁１２０に、電池１１１からの電力が防爆バリア１１２を介して供給される。

【0032】

ＯＲゲート１１４は、２系統の開接点信号のいずれかがオンになるとハイとなる防爆バリア制御信号を防爆バリア１１２に出力する。開接点信号の系統数に対応した入力数を有するものとし、開接点信号が１系統の場合は不要である。

【0033】

図２は、本実施形態の防爆バリア１１２の構成例を示している。ここでは、ソレノイド型電磁弁１２０の本安回路最大電圧が２９．４Ｖであり、本安回路最大電流が９３．８ｍＡであるとし、防爆バリア１１２は、電圧を２９．４Ｖに制限し、電流を９３．８ｍＡに制限するものとする。

【0034】

本図に示すように防爆バリア１１２は、電池１１１側にスイッチＳＷ１と電圧制限部品であるツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２を配置し、スイッチ１１３およびソレノイド型電磁弁１２０側に電流制限部品である抵抗Ｒ１を配置している。すなわち、電圧制限部品の後段に電流制限部品である抵抗Ｒ１を配置している。
スイッチＳＷ１は、防爆バリア制御信号がハイになるとオンに切り替わるスイッチであり、例えば、ＦＥＴを用いる。トランジスタ、フォトカプラ等を用いてもよい。スイッチＳＷ１により、いずれかの接点信号がオンになって防爆バリア制御信号がハイとなった場合にのみ、電池１１１から電流が流れるため、電池１１１の寿命を伸ばすことができる。

【0035】

ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２は、本安回路最大電圧Ｕｏを２９．４Ｖに制限するため、例えば、ツェナー電圧Ｖｚが２６．７〜２８．１Ｖのものを用いる。もちろん、複数個のツェナーダイオードを直列に接続して本安回路最大電圧Ｕｏを２９．４Ｖに制限するようにしてもよい。

【0036】

抵抗Ｒ１は、本安回路最大電流Ｉｏを９３．８ｍＡに制限するため、電圧制限部品の最大電圧２８．１Ｖ／９３．８ｍＡ≒３００Ω以上の抵抗を用いる。本実施形態では、電圧制限部品の後段に電流制限部品である抵抗Ｒ１を配置しているため、電池１１１の最大開路電圧３１．２Ｖではなく、電圧制限部品の最大電圧２８．１Ｖに基づいて抵抗Ｒ１の下限値が定められる。もちろん、複数個の抵抗を用いて３００Ω以上の電流制限部品を構成してもよい。

【0037】

なお、スイッチＳＷ１のオン抵抗や電池１１１の内部抵抗が極めて小さい場合には、電圧制限部品と電池１１１との間に小さな抵抗を挿入することが望ましい。

【0038】

図３は、防爆バリアの電圧−電流特性を示す図である。本図における実線が本実施形態の防爆バリア１１２の電圧−電流特性であり、破線が電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア６１２の電圧−電流特性である。

【0039】

本実施形態の防爆バリア１１２は、電圧を制限してから電流を制限しているため、本図に示すように、電圧−電流特性は線形となる。このため、既存の計算式を用いて、認証機関の防爆構造規格を満たす防爆設計を容易に行なうことができる。

【0040】

また、本実施形態の防爆バリア１１２において、電流制限部品である抵抗Ｒ１の値は、３００Ω以上の範囲で選択することができる。これは、電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア６１２の電流制限部品の下限値３３３Ωよりも小さい値である。このため抵抗値の選択範囲が広くなり、回路設計の自由度が増すことになる。

【0041】

ただし、本図に示すように、本実施形態の防爆バリア１１２は、同一の出力電流での出力電圧は、電流を制限してから電圧を制限する防爆バリア６１２に比べて低くいため、出力できる電力は小さくなる。

【0042】

しかしながら、図４に示す、電力が４０８ｍＷとなる負荷線と本実施形態の防爆バリア１１２の電圧−電流特性との関係から分かるように、本実施形態の防爆バリア１１２でも、ソレノイド型電磁弁１２０の動作に必要な４０８ｍＷ以上の電力を出力することができる。このため、無線によるバルブの遠隔操作システムにおけるソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置の防爆バリアとして用いることが可能である。

【0043】

なお、上記の実施形態では、電圧制限部品により本安回路最大電圧Ｕｏを２９．４Ｖに制限するようにしていたが、本安回路最大電圧Ｕｏを２４Ｖ以下に制限することにより、点火限界曲線による本質安全性の評価を行なうことができるようになるため、一層防爆設計が容易となる。

【0044】

この場合、図２におけるツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２として、例えば、ツェナー電圧Ｖｚが２０．９〜２３．１Ｖのものを用いればよい。このとき、抵抗Ｒ１は、本安回路最大電流Ｉｏを９３．８ｍＡに制限するため、電圧制限部品の最大電圧２３．１Ｖ／９３．８ｍＡ≒２５６Ω以上の抵抗を用いるようにする。

【0045】

これにより、本安回路最大電圧Ｕｏが２４Ｖ以下に制限されるため、点火限界曲線による本質安全性の評価を行なうことができるようになる。すなわち、点火限界曲線で本質安全性の評価を行なうことで、接点信号変換装置１１０内部キャパシタンスおよび内部インダクタンスによっては、試験装置を用いた評価を省略することができる。

【0046】

なお、本安回路最大電圧Ｕｏを２４Ｖ以下に制限した場合であっても、図５に示すように、ソレノイド型電磁弁１２０の動作に必要な４０８ｍＷ以上の電力を出力可能な動作点が存在する。このため、無線によるバルブの遠隔操作システムにおけるソレノイド型電磁弁を駆動可能な接点信号変換装置の防爆バリアとして用いることが可能である。

【符号の説明】

【0047】

１０…バルブ駆動装置
１１０…接点信号変換装置
１１１…電池
１１２…防爆バリア
１１３…スイッチ
１１４…ＯＲゲート
１２０…ソレノイド型電磁弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】