JP6096302B2 - 線形制御動作を有する３次元の流れ適正化制御スライダシステム - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングを有する調整スライドバルブ装置に関し、該ハウジングはガス又は液体が通って流れることが出来るダクトを形成し、少なくとも１つの入口長手部と１つの出口長手部を有し、ダクトの流れ断面を変え、流量を調整する調整可能要素を有する。

前記したタイプの調整スライドバルブ装置は例えば、汚水プラントにて通気処理を調整するのに用いられる。汚水プラントの約６０％のエネルギ消費が汚水盆(basin)の通気に消費されなければならないから、特にエネルギ消費を減じることに大きなポテンシャルがある。

従って、本発明の目的は、汚水プラントの汚水盆の通気のエネルギ消費を減じることにある。特に、エネルギの面から汚水を制御するのに必要な調整要素を最適化するのが目的である。

導入部で述べた調整スライドバルブ装置の場合にて、前記の目的はダクト内にシートリングを配備し、調整要素は長手方向に変化する直径を有する環状断面を備えた第１の長手部分を備え、調整要素はダクトの長手方向に調整可能であり、調整要素は閉位置にてシートリング要素に対して横たわり、ダクトを閉じ、開位置にてシートリング要素とともに流れが通る環状のギャップを形成する。
調整要素の第１の長手部分に沿う直径の変化は、流れが通る環状のギャップの断面領域の変化が、長手方向の調整要素の調整と共に線形に変化するのが好ましい。特に、動的プラントの圧力損失を考慮に入れて、環状のギャップを通る体積流量が調整移行路に沿って調整要素の調整と共に大凡線形に変化する。

流れが通るダクトが流れ方向に直交するプレートの変位によって変えられる、通気を調整するのにこれまで用いられたプレートタイプのスライドバルブとは対照的に、本発明に従って、調整流路における圧力損失用の溶液は可成り減じられ、結果的にエネルギコストが節約される。更に、本発明に従った調整スライドバルブ装置を用いて、調整されるべき制御変化と空気の質量流量の間の流体特性は作業レンジの全体に亘って線形であることが実行される。

流れ方向に直交して変位するプレートタイプのスライドバルブとは対照的に、調整要素の調整は流れ方向に生じ、開き工程時に、調整要素とシートリング要素の間に環状のギャップが生じ、入口長手部から出口長手部への空気流れを許す。前記の環状のギャップの領域内の乱流は、これまで用いられたプレートタイプのスライドバルブにおける乱流よりも可成り低減され、圧力損失の低減に帰する。

この場合において、線形の調整特性は外部輪郭の特定の構成から生じ、外部輪郭はシートリング要素とともに、調整要素の環状のギャップのサイズを規定する。調整要素の外部輪郭は調整可能であるのが好ましい。これは動作状況に適合され、又は統合される。
好ましい実施形態において、出口長手部は長手方向から見て円錐形を有し、ダクトの流れ断面領域は流れ方向において増加する。

この方策は調整スライドバルブ装置内の圧力損失の更なる低減に繋がり、この方法ではエネルギ消費は更に減る。特に、この方策により、圧力の改善及び環状のギャップにおける圧力損失の下流での圧力回復が構築される。
好ましい改善例において、入口長手部において、更に流れを条件付ける流れガイドプレートが配備される。

調整要素が入口長手部の領域に配置され、開く目的から流れ方向と反対方向に動くように保持される場合が好ましい。更に調整要素が空隙を囲む流れ最適化外部輪郭を有する場合が好ましい。出力シャフトの一端部が空隙の中に突出し、他端部が出口長手部に配置されたギアハウジングに位置する場合が好ましい。ギアハウジングの外形は流れを最適化する構成であるのが好ましい。

調整要素とギアハウジングの両方がダクト内にて中心に位置し、ダクトを通る空気流れはこのように調整要素とギアハウジングの周りを流れる。２つの要素の流れ最適化形状によって、圧力損失とエネルギ損失は更に減じられる、何故なら流れは出口長手部の内壁を区切るように目標付けられて導入されるからである。出口長手部の内壁は１０°以下の開口角度を有するのが好ましく、５°から６°がより好ましい。調整要素及びギアハウジングは多数の部分から形成され、特に多数のセグメントから形成され、最適な形が製造態様から容易に実現される。

ギアハウジング内に長軸に対して斜めに案内される入力シャフトを出力シャフトに連結する角度駆動部を備える場合が好ましい。出力シャフトは、調整要素からギアハウジングまで延びるシャフトハウジング内で延びるのが好ましい。出力シャフトは調整要素内で転換要素に結合されるのが好ましく、出力シャフトの回転運動は調整要素の並進運動に転換される。入力シャフトは油圧、空気圧又は電気で作動するモータに連結されるのが好ましい。

これらの方策は、全体としてエネルギ消費の更なる改善に繋がる、何故なら調整要素、シャフトハウジング及びギアハウジングから構成されるユニットはダクト内に形成され、通過する空気は非常に低い摩擦を以てユニットの周りを流れるからである。
好ましい工夫にて、転換要素はネジ付きスピンドル要素を含む。これは回転運動を並進運動に転換する簡単で効率的な手段である。
転換要素はネジ付きスピンドル要素だけでなく、ネジ付きスピンドル要素にて生じる摩耗が補償される遊び(play)再調整手段をも含むのが好ましい場合である。

好ましい工夫にて、フランジがハウジングの各端部に配置される。更に、端部のパイプ径がパイプラインの通常の径に適しているのが好ましい。
これは、調整スライドバルブ装置が既存のパイプラインに容易に組み込まれ得るとの利点がある。
好ましい工夫にて、少なくとも１つのセンサ要素が入口長手部に配備される。

入口長手部と調整要素の特殊な構成により、調整要素がどの程度開いているかに拘らず、ダクト内の周方向における非常に低い乱流及び非常に均一な流れ条件に帰結する。これにより、非常に正確で信頼性がある測定が、例えば圧力及び/又は流れの測定が可能となる。
ダクトの周方向に均一に分布され同様に流れを最適化する形状を有する少なくとも３つの案内要素が配備される場合が好ましい。
上記の構成及び以下に記載される構成は夫々特定された組合わせのみに用いられず、本発明の範囲を離れることなく、他の組み合わせや個々にも用いられ得ることは自明である。

更なる利点と発明の実施形態は、明細書の記載と図面に現れる。
調整スライドバルブ装置の斜視図である。 図１からの調整スライドバルブ装置を示し、分解図の形式にて幾つかの要素は除去されている。 図１の調整スライドバルブ装置を示し、フランジを除去している。 調整スライドバルブ装置の断面図である。 調整スライドバルブ装置のアセンブリの斜視図である。 汚水プラントの概略図である。

図１は、符号１０によって表示される調整スライドバルブ装置を示す。調整スライドバルブ装置１０(以下、調整スライドバルブと略して言及する)は、流れダクト要素１２及び嵌合要素１４を含み、流れダクト要素１２は、汚水処理プラントの汚水盆へ例えば空気を導入する通気パイプに挿入される。嵌合要素は、流れダクト要素に機械的に接続され、以下に記載される流れダクト要素で構成要素の調整を許すのに役立つ。

流れダクト要素１２は、長手方向の端部にてフランジ１８を支持するハウジング１６を有し、流れダクト要素１２はパイプラインに容易に取り付けられる。
ハウジング１６は、多数のハウジング長手部分に分割され、特に、入口長手部２０及び出口長手部２２である。２つの長手部の間には、更なる長手部２４が配備され、該長手部の領域にて入口側から出口側へ流れダクト要素を通る空気流量の調整が実行される。前記の３つのハウジングは別個のハウジング部として配備されるのが好ましい。
図１から見ることが出来るように、出口長手部は円筒形であり、直径は流れ方向に増加し、円錐形となる。出口長手部２２の円錐形は図２に再度且つより明瞭に見られる。

出口長手部２２と同様に、入口長手部２０は回転方向に対称であり、長手部２４の方向にテーパ付けられた部分２６を有する。
第３長手部２４はシートリング２８として役立ち、入口長手部のテーパ部２６と相互作用する外部輪郭３１を有する。該テーパ部２６の前端部は長手部２４に取り付けられ、テーパ部２６の端部は外部輪郭３１に対して封止されて支えられる。
図２に見られるように、シートリング２８は図２にて符号４０で示される調整要素のシートとして役立つリング面３０を更に有する。

調整要素４０は、縦軸に関して回転方向に対称的であるように構成されるのが好ましく、多数のセクション、特にバルブセクション４２及び略半球状のセクション４４に分割される。縦方向に見られるように、バルブセクション４２は階段状又は連続的に変化する直径を備えた外部輪郭を有し、該直径はシートリング２８の方向に小さくなる。
最大の直径は半球状のセクション４４に隣接している領域にあり、シートリング２８のリング面３０の直径に合致する。リング面３０はいわば、バルブセクション４２用のバルブ・シートとして構成されている。
調整要素４０は、バルブセクション４２がシートリング２８及びリング面３０に対して移動する長手方向に移動される。図2に示される典型的な実施形態では、移動は流れ方向とは反対に、右に起こり、それは、バルブセクション４２がリング面３０のシートから出て環状のギャップを開く。環状のギャップは、シートリング２８のリング面３０とバルブセクション４２の反対側領域の間でこのように形成される。
環状のギャップ、即ち流れが通る断面領域のサイズは調整要素４０が右に動くにつれて増加し、バルブセクション４２の直径は小さくなり、このようにリング面３０の反対側との距離は大きくなる。

シートリング２８と調整要素４０の移動可能なバルブセクション４２の相互作用によって、流れが通る断面領域が変えられ、流量及び/又は調整が実行される。
流れが通ることが出来る環状のギャップの断面領域は、調整要素の移動、即ち調整要素の長手方向の調整と共に線形に変わるのが好ましい。この線形性は、バルブセクション４２の様々な直径を適切に選択することによって達成される。
特に直径は動力プラント圧力損失、調整移行路に沿う調整要素の調整とともに略線形に変化する環状のギャップを通る流量を考慮して選択される。様々な直径が計算され得る。
好ましい実施形態では、バルブセクション４２の外側輪郭は調整可能であり、、様々な直径が適用される。

図２から見られるように、多数、好ましくは３つのガイドプレート、即ちは流れガイドプレート５２が入口長手部２０内に配備される。前記のガイドプレート５２は入口長手部２０の内側に取り付けられ、内向きに半径方向に広がるのが好ましい。多数のガイドプレート５２は周方向に一様に分配される。
ハウジング１６内にて特に、出口長手部２２内に、出口長手部２２の内側から半径方向内向きに延びる更なるガイドプレート５３が配備される。図２ではスロット５５がハウジング１６、即ち出口長手部２２に形成され、スロットにガイドプレート５３が係合する。
ガイドプレート５３の各半径方向内側は内側シャフトハウジングに接続され、これは図５を参照して以下により詳細に述べられる。前記のガイドプレートはシャフトハウジングをハウジング１６に固定し回転可能に取り付けるのに役立つ。

図３は、入口長手部２０を再び示し、稍異なる角度から見た斜視図である。ここで、半径方向内向きに突出し更に調整要素４０に向かって長手方向に延びたガイドプレート５２を明瞭に見ることが出来る。
入口長手部において、センサ８５が配備され、それは特に入口長手部の開口を通って内側空間に突出する測定プローブ８５である。
長手方向に調整要素４０を調整する駆動部は、図４を参照して以下に記載される。

図４は、調整スライドバルブ１０を破断して示し、長軸に平行に延びる面にて破断している。
第１に図４から明らかなように、調整要素４０は中空に形成されて、空隙内に様々な要素を受け入れる。例えば、２つの長手部２０、２２の中心に延び他端部がギアハウジング６２にて止まる出力シャフト５８の一端部が、調整要素４０の空隙内に突出している。
調整要素４０の空隙内に、出力シャフト５８の回転運動を調整要素４０の長手方向の並進運動に変換するように構成されたネジ付きスピンドル６６が配備されるのが好ましい。この目的から、出力シャフト５８はスピンドルナット６８と相互作用するネジ付き部を有し、スピンドルナット６８は調整要素４０に固定されて連結される。出力シャフト５８が回転すると、スピンドルナット６８は対応して長手方向に移動する。スピンドルナット６８は遊び(play)再調整手段を備えるのが好ましく、それはバネであるのが好ましい。

出力シャフト５８は転換装置７０によってギアハウジング６２内で駆動され、該転換装置は楕円又は長手方向に対して垂直に構成された入力シャフト７２を出力シャフト５８に連結する。好ましい実施形態において、転換装置はかさ歯車機構７４である。
しかし、接合点において、他の転換装置が考えられ、その例はウォームギア駆動、遊星歯車セット、螺旋形のカップリングを備えた、あるいはそのカップリングがないシャフトジョイントあるいはベクセル(Vexier)ジョイントを含む。
出力シャフト５８は、調整要素４０とギアハウジング６２の間を延びるシャフトハウジング７８内を案内される。この構成は図５を参照して詳細に述べられる。

入力シャフト７２は嵌合要素１４内に延び、調整要素４０を長手方向に動かすことが出来るように、機械的またはモータ駆動される作動要素に接続される。
図４から明瞭に見られるように、調整要素４０とシャフトハウジング７８及びギアハウジング６２はユニットを形成し、入口長手部及び/又は出口長手部内及び流れダクト内で中心に配置されるのが好ましい。この理由から、前記のユニットは流れ最適化の最大限に可能な範囲であるべきであり、流れダクト要素１２を通る空気流れの流れ挙動に、良い影響を有する。
特に、シャフトハウジング７８及びギアハウジング６２は流れを鎮める動作を行い、環状のギャップを通る空気流れはその後、出口長手部２２の内壁に沿って可能性がある最小の摩擦を以て流れ、出口長手部２２の流れ方向の円錐形の輪郭は更に、流速の減速によって圧力が再び構築されるとの効果を有する。

流れダクト要素１２の入口側と出口側の間の圧力降下は非常に小さいことが達成された。環状のギャップにて生じる圧力損失は、上記の方策によって出口長手部２２にて殆ど補償される。従って、選択された形状によって圧力回復が実現される。
ギアハウジング６２、シャフトハウジング７８及び調整要素４０からなるユニットは、入口長手部と出口長手部によって形成される流れダクト内にて、出口長手部２２上のギアハウジング６２の領域にてユニットを支持する支持要素８０によって、中心に配備されるのが好ましい。支持要素８０は半径方向内向きに延びて、流れ抵抗が可能な限り低いように流れ最適化構成を有するのが好ましい。更に、支持要素８０はその形状によって、流れ沈静化及び方向決定動作を付与するのに用いられる。

圧力又は流速の測定のために、測定センサが流れダクト要素１２内に付与される。前記のタイプの測定センサは図２に概略的に示され、符号８５で示される。前記測定センサ８５は入口長手部に配備され、前記測定センサは所望の如く、周方向に位置する。これは、入口長手部内の流れ条件及び圧力条件が、非常に均質であるという事実による。これは、空気は環状のギャップを通って周方向に均一に流れ、安定した流れ条件のための調整要素４０のセンサ４４の半球状の形はラム効果による均一な圧力分布を確実にするとの事実から生じる。更に測定センサは流れダクト要素、例えば出口長手部２２内に配備される。

とりわけ、調整要素４０、出力シャフト５８、ギアハウジング６２及びシャフトハウジング７８を含む駆動アセンブリが再び示され、より詳細に図５に示される。シャフトハウジング７８は、互いに移動可能に支持された２つのハウジング部７８.１、７８.２を含み、ハウジング部７８.１はギアハウジング６２に接続され、他のハウジング部７８.２は調整要素４０、特にセクション４４に接続される。ハウジング部７８.２の内径は、ハウジング部７８.１の外径より大きい。この寸法により、ハウジング部７８.２がハウジング部７８.１に押しつけられることを可能にする。この実施形態によって、特に案内された状態で、ハウジング部７８.２が他のハウジング部７８.１に対して長手方向に移動することが出来る。２つのハウジング部７８が良好に案内されるために、例えば１又は両方のハウジング部に滑りストリップを配備することも可能である。

２つのハウジング部７８の相対的な回転を阻止すべく、既に記載したガイドプレートが配備され、該ガイドプレートはハウジング部７８.１に取り付けられ、ハウジング部７８.２に対応して設けられたスロット５６と相互作用する。スロット５６は長手方向に延び、ギアハウジング６２と対向する縁にて開くように構成されている。
調整要素４０が長手方向に調整されると、ハウジング部７８.２は同様に、ハウジング部７８.１に対して移動し、要求される案内と相対回転の阻止を確実にする。

要するに、調整スライドバルブ装置はこのように実現され、以前の解決策よりも可成り低い圧力損失にて作動し、よりエネルギ効率的である。前記のエネルギ効率化は調整要素と駆動部の特別な配置によって達成される。シャフトハウジング７８とギアハウジング６２は、流れが環状のギャップを通過した後の流れを改善し、大きな圧力が非常に速く、且つ短距離内で構築される。これは調整スライドバルブ装置が短い構成となるように構成されるとの結果を有する。
記載された調整スライドバルブ装置は、汚水プラントの通気システムでの使用に適している。図６は通気システム９２を備えた汚水プラント９０を示し、少なくとも１つのコンプレッサシステム９６、パイプライン９８及び汚水盆９４を含む。調整スライドバルブ装置１０は、従前の装置に対して比較的少ない出費を伴って、既存のパイプライン９８に組み込まれて、既存の汚水プラントであっても述べたエネルギ節約は達成され得る。圧力損失が低い故に、空気をパイプライン９８に導入するコンプレッサシステム９６は低い出口圧、ひいては低電力で作動される。

Claims (17)

1. ガス又は液体が通って流れることができ、少なくとも１つの入口長手部と１つの出口長手部を有するダクトを形成するハウジングと、
   前記ダクトの流れ断面を変え、流量を調整する調整要素とを有する調整スライドバルブ装置であって、
   前記ダクト内にはシートリング要素が配備され、
   前記調整要素は長手方向に変化する直径を有する環状断面を備えた第１の長手部分を備え、
   前記調整要素は調整移行路に沿ってダクトの長手方向に調整可能であり、
   前記調整要素は閉位置にて前記シートリング要素に対して横たわり、前記ダクトを閉じ、開位置にて前記シートリング要素とともに流れが通る環状のギャップを形成し、
   前記調整要素の第１の長手部分に沿う直径の変化は、調整要素の長手方向の調整に伴う流れが通る環状のギャップの断面領域の変化が、環状のギャップを通る体積流量が調整移行路に沿う調整要素の調整と共に線形に変化するように構成されている、調整スライドバルブ装置。
2. 前記出口長手部は長手方向から見て円錐形を有し、前記ダクトの流れ断面領域は流れ方向において増加する、請求項１に記載の調整スライドバルブ装置。
3. 前記入口長手部には、流れを条件付ける流れガイドプレートが配備される、請求項１又は２に記載の調整スライドバルブ装置。
4. 前記調整要素が入口長手部の領域に配置され、開く目的から流れ方向と反対方向に動く、請求項１乃至３の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
5. 前記調整要素が空隙を囲む流れ最適化外部輪郭を有する、請求項１乃至４の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
6. 出力シャフトの一端部が空隙の中に突出し、他端部が前記出口長手部に配置されたギアハウジングに位置する、請求項５に記載の調整スライドバルブ装置。
7. 前記ギアハウジングの外形は流れを最適化する構成である、請求項６に記載の調整スライドバルブ装置。
8. 前記ギアハウジング内に、長軸に対して斜め又は垂直に案内される入力シャフトを出力シャフトに連結する角度駆動部が配備される、請求項７に記載の調整スライドバルブ装置。
9. 前記出力シャフトは、前記調整要素から前記ギアハウジングまで延びるハウジング内で延びる、請求項６乃至８の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
10. 前記出力シャフトは前記調整要素内で転換要素に結合され、前記出力シャフトの回転運動は前記調整要素の並進運動に転換される、請求項６乃至９の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
11. 前記転換要素はネジ付きスピンドル要素を含む、請求項１０に記載の調整スライドバルブ装置。
12. 前記入力シャフトは、嵌合駆動部に接続される、請求項８乃至１１の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
13. フランジが前記ハウジングの各端部に配置される、請求項１乃至１２の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
14. 少なくとも１つのセンサ要素が前記入口長手部に配備される、請求項１乃至１３の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
15. 前記入口長手部における前記ハウジングの構成は、少なくとも一部において、前記調整要素の構成に適合している、請求項１乃至１４の何れかに記載の調整スライドバルブ装置。
16. 前記入口長手部にて、前記ハウジングは前記シートリング要素に向かってテーパ付けられている、請求項１５に記載の調整スライドバルブ装置。
17. コンプレッサ要素と、該コンプレッサ要素にて搬送される活性空気を汚水盆に導入するように構成された通気パイプ装置を有する、活性空気を生物的汚水盆に導入する汚水プラントの通気システムにおいて、
    請求項１乃至１６の何れか１つに記載された調整スライドバルブ装置を備え、該調整スライドバルブ装置は、質量流量を制御すべく、前記通気パイプ装置に配備されている、通気システム。

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