電動アクチュエータをさまざまなバルブタイプに適合させる方法

2026-01-16 11:12:41

正しい電動アクチュエータを選択するためにバルブの動作タイプを理解する

ロータリー、リニア、マルチターン動作：基本的な違いと対応するバルブ

電動アクチュエーターは電気信号を受けて実際の動きに変換しますが、バルブの動作においては適切な種類の運動を得ることが非常に重要です。回転式はボールバルブやバタフライバルブなどのクォーターターンバルブに必要な約90度の回転を提供します。一方、リニアアクチュエーターは直線的な動きを生み出し、ゲートバルブやピンチバルブに最適です。ねじ式ステムを持つ globe バルブや大型ゲートバルブの場合、360度を超えて連続的に回転できるマルチターンアクチュエーターが使用されます。これらを誤って組み合わせてしまうことは、実は非常に一般的な問題です。2023年のPonemon Instituteの調査によると、産業用バルブの故障の約4件に1件は、不適切なアクチュエーターとバルブの組み合わせが原因で発生しています。したがって、正しくマッチングすることは本当に大きな違いを生むのです。

ローター ：コンパクトな設置面積、高速サイクル時間（90°あたり2～6秒）、軽量で高サイクル用途に最適
リニア : 高推力出力（最大50,000 lbf）、高圧用ゲート弁およびダイヤフラム弁向けに設計
マルチターン : 精密な位置決め（±0.1°の繰り返し精度）、グローブ弁におけるスロットル制御および比例制御に不可欠

なぜボール弁およびバタフライ弁にはクォーターターン電動アクチュエーターが最適なのか

クォーターターン電動アクチュエーターは、ボールバルブやバタフライバルブと組み合わせて使用する場合に最も適しています。これらのバルブは通常、正確に90度回転する必要があるためです。このようなアクチュエーターはバルブのステムに直接接続でき、中間部品を必要としないため、摩耗したり定期的なメンテナンスが必要な箇所が少なくなります。適切なサイズを選定すれば、閉じた状態のバルブを開ける際の初期抵抗を克服できる十分な動力を発生できます。特にHVAC用のバタフライバルブでは、この点が非常に重要です。なぜなら、緊急時に素早く遮断できるだけでなく、バルブが勢いよく閉じてしまったり、閉後に跳ね返るといった現象を防げるからです。多くの最新モデルにはブラシレスDCモーターが搭載されており、バックアップバッテリーや自動切替開閉器（ATS）と連携して動作するため、他の場所で停電が発生しても重要なシステムを継続的に稼働させることができます。

ゲートバルブおよびグローブバルブにマルチターン電動アクチュエーターが必要とされる理由

ゲートバルブやグローブバルブの操作には、長距離にわたる回転動作が必要で、大口径のゲートバルブの場合、500回から1,000回もの回転を要することもあります。多回転用に設計された電動アクチュエータは、全行程にわたり圧力を安定させながら、グローブバルブを調整用途で使用する際に極めて重要な、各ポイントでの確実なシールを維持するために高い性能を発揮します。これらのアクチュエータには特別なギアが装備されており、精密な位置決め作業中にステムがずれることを防ぎます。その結果、薬品注入システムなどの重要作業において流体の流量をはるかに正確に制御できるようになります。流量制御の精度をわずか2％以内に抑えることにより、経済的にも大きな効果が得られ、2023年にPonemon Instituteが発表した研究によれば、企業では年間約74万ドルのコスト削減が可能になります。

トルク、推力、ストローク仕様を使用して電動アクチュエータのサイズを正確に決定

回転弁のトルク要件と直動弁の推力要件

適切なサイズを選定するには、まずアクチュエータがバルブに必要な機械的負荷を確実に扱えるようにすることが重要です。ボール、バタフライ、プラグなどの回転式バルブでは、ニュートン・メートル（Nm）またはポンド・フィート（lb-ft）で測定されるトルクが必要になります。このトルクは、シートの荷重、シールによる摩擦、および流体から生じる圧力などに対して克服しなければなりません。ゲート、グローブ、ダイアフラムなどの直動式バルブは異なり、システムの圧力やパッキング抵抗に逆らってステムを上下に動かすために、ニュートン（N）またはポンド力（lbf）で測定される推進力（スラスト）が必要です。必要な推進力を過小評価すると、バルブが完全に閉じず、漏れが発生する可能性があります。トルクが不足すれば、応答が遅くなるか、あるいは完全に座りきらない事態になることがあります。優れたエンジニアは、動作開始時の静的負荷と運転中の動的負荷の両方を常に考慮します。また、シールの劣化やプロセスの不安定性を想定して、通常25～50％程度の余裕を持たせます。最近の業界レポートによると、すべてのバルブシステムの問題の約3分の1は、設置時の不適切なサイズ選定に起因しています。

電動アクチュエータの機能を制御要件に適合させる：オン／オフ動作対モジュレーティング動作

正確なモジュレーション制御のための信号互換性、位置フィードバックおよびポジショナの統合

標準的なオン/オフアクチュエータは、24ボルト直流または120ボルト交流などの基本的なデジタル信号を使用して、バルブを完全に開いたり完全に閉じたりするように動作します。これらは位置監視や特別な信号処理を必要としません。しかし、モジュレーティング（連続制御）アクチュエータの場合、状況が変わります。これらの装置は、4～20ミリアンペアのアナログ信号に対応したり、Modbus RTUやProfibus DPなどのデジタルフィールドバスシステムで動作したりする必要があります。この接続により、さまざまな設定値を受け取り、きめ細かな制御調整が可能になります。正確な結果を得るために、これらのアクチュエータには通常ロータリーエンコーダや非常に高精度なポテンショメータなどの詳細な位置検出技術が搭載されています。この報告機能により、バルブの実際の位置が最大ストロークの±0.5％以内という精度で把握できます。インテリジェントポジショナーを追加すると、いわゆるクローズドループ（閉ループ）システムが構成されます。つまり、装置は指令された位置とバルブの実際の位置を常時比較し、差異があればモーターを調整して補正します。この構成により、目標位置付近での継続的な振動、所望の設定値を超える急激な飛び越し、時間経過による応答のばらつきといった問題を回避できます。このような問題は、蒸気圧力を制御するような変化の速い状況で特に顕著になります。部分的に繰り返し開閉する従来のオン/オフバルブと比較すると、適切に設定されたモジュレーティングシステムは、温度制御操作中に20～30％の範囲で消費電力を削減できます。また、位置データを利用可能にすることで、ストロークに要する時間の変化や長期間にわたる位置決めの徐々なずれを監視することにより、メンテナンス時期の予測が可能になります。