控制阀与测量功能一体化为节能作贡献的阀门
带流量测量控制功能的电动二通阀ACTIVAL+™
阿自倍尔于2009年面向楼宇空调系统开发出了带流量测量控制功能的电动二通阀“ACTIVAL+”（以下称为带流量测量控制功能的ACTIVAL+）。以往的阀门只能控制开度，不过现在已经能够在小型阀门中内置流量测量功能，根据构成空调系统的线圈（换热器）特性来控制冷热水的流量。作为能够实现楼宇空调节能化和能源消耗可视化的设备，受到了高度评价。
背景/需求
超出换热器特性的多余流量成为课题
节能工作正在各个领域中推进。尤其是能源消耗较多的办公楼、商业建筑、医院、学校等的“业务部门”，有着更高的节能需求。
阿自倍尔所关注的是楼宇空调系统传送动力的节能化。该系统使来自于冷冻机、锅炉的冷水或热水循环起来，通过线圈（换热器）使其转化成冷气或暖气后提供给各楼层及区域。有人指出由于线圈的特性，此时即使流经的冷热水再多，热交换能力达到极限后，超出的部分只能是一种浪费（图1）。为了改善，开始着手开发配备了新功能的阀门。
虽然最为理想的情况是结合线圈的特性，对冷热水的流量进行精密的控制，但是以往的阀门只能通过开度（打开角度）进行控制。此外，如果为每台空调机增加流量计来控制流量的话，管道将变长，会产生安装空间及费用等问题。
为了解决这些问题，开发出了能够高精度测量、控制流量的带流量测量控制功能的ACTIVAL+（图2）。其特点是将阀门、执行器及流量测量控制功能进行了小型化和一体化。
图１．中央空调系统的构成（左）和空调机线圈的热交换能力（右）
图2．阿自倍尔开发的带流量测量控制功能的电动二通阀“ACTIVAL+”（左），还有兼容大容量空调的大口径类型（右）。并有显示流量及阀门开度的显示器可供选择
开发的要点
实现全部开度状态下的高精度差压测量
在流量计的众多测量方式中，带流量测量控制功能的ACTIVAL+采用了差压式。在管道内部垂直于流向放置带孔的薄板（叫做孔板）后，孔板的下游压力比上游压力低，根据两边的压力差使用伯努利定理求出流量，这就是原理的概要。
开发带流量测量控制功能的ACTIVAL+时，提出了在不改变阀门长度的情况下安装流量测量功能的目标，所以利用了调节流量的节流部分（塞子）前后的压力差。并且在开发时解决了以下三点技术课题。
首先第一点是“稳定测量塞子的上游压力”。第二点是“稳定测量塞子的下游压力”。第三点是“正确掌握根据塞子开度改变流量的特性”。
- 塞子上游的压力测量
楼宇空调由于管道的布线，有时会在阀门的前后安装弯头和减速器等直管以外的管。因此，通过流体解析[*1]确认其影响时，发现在阀门正前方连接弯头（弯曲90度）管时，在阀门的入口处会产生最大4kPa左右的压力不均匀（图3）。
[*1]流体解析：在电脑上通过数值来解开流体方程式，求出空间内的流动状态。
图3．上游压力测量单元
普通流量计为了排除上游弯头等的流动不均匀所带来的影响，需要在前端安装长度约为管径5倍的直管，导致管道变长，对施工等产生制约。阿自倍尔研究发现，如果使管内部多个点的压力平均化，即使流动不均匀也能够实现高精度测量，不是在阀门入口的一个点进行测量，而是在四个位置设置压力测量口（小孔），并采用在内部结合这些口来平均压力的结构（图4）。
试制了具有这种结构的阀门，并比较连接直管时的流量和连接弯头时的流量，测量误差在0.7％以下，证明该结构是有效的。
图4．上游压力测量单元的结构
- 塞子下游的压力测量
由于阀门的流量会随着开度变化而发生变化，因此应用流体解析，对开度变化时阀门内部流动的状态进行了确认（图5）。结果显示，即使开度变化，在塞子的背面仍存在压力不受流量影响的领域（死水域），可以作为稳定测量塞子下游压力的点。
图5. 下游的压力测量单元
- 根据阀门开度制成的Cvv表
普通差压流量计的孔板大小（开口面积）是不变的，但是把阀门的塞子当作孔板的话，孔板的大小会随着开度发生实质性的变化，即使能够测量差压，也无法将其原样转换为流量。
因此，提前准备好不同开度时实际测量的表示液体流动性的容量系数（Cvv）表，按照图6所示算法，根据开度计算出流量。
图6．带流量测量控制功能的ACTIVAL+的流量测量算法概要
此外，零部件尺寸不统一或组装不统一都会影响Cvv，进而影响流量测量精度。为了确保稳定的高流量测量精度，在产品出厂时进行实际流量检查，纠正这些不统一，保证精度。
通过以上这些努力，在不改变以往阀门执行器尺寸的情况下，实现了阀门所有开度下流量的高精度测量。
成果和今后的展望
在阿自倍尔办公楼中证实冷热水泵的节能效果
阿自倍尔将带流量测量控制功能的ACTIVAL+引进到自己公司藤泽技术中心（神奈川县藤泽市）的空调设备上，并进行了节能效果的确证实验。
该设备的线圈在每分钟80升左右时，热交换性能达到峰值，而仅靠阀门开度进行控制的以往设备，每分钟超过100升时还会继续有冷热水流动，超出的部分是一种浪费。
试验中将带流量测量控制功能的ACTIVAL+的上限值设为每分钟80升运行时，由于不再需要超出线圈性能来供应冷热水，所以冷热水泵的电量实现了供热时8%、供冷时12%的削减（图7）。
图7．阿自倍尔藤泽技术中心办公楼的带流量测量控制功能的ACTIVAL+的节能确证实验结果
通过安装这种带流量测量控制功能的ACTIVAL+，只需根据线圈特性来设定最大流量就能够实现自动节能，同时实现消耗能源的可视化。可以安装在以往阀门的空间内，由于实现节能还能够回收安装费用，所以受到了自行管理空调系统的设计事务所及空调设备公司等的高度评价。
此外，带流量测量控制功能的ACTIVAL+的独创性得到了认可，获得测量自动控制学会颁发的2015年度“技术奖”。擅长测量控制的阿自倍尔为满足人们的节能需求，今后也将继续致力于高附加价值解决方案的开发与提案。
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