用于切换阀的电动齿轮马达驱动的制作方法

专利名称：用于切换阀的电动齿轮马达驱动的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于切换阀的电动齿轮马达驱动。
背景技术：
再生式热氧化器通常用于破坏来自工业设备和发电设备的高流动性且低浓度排放物中的挥发性有机化合物(VOC)。这种氧化器通常需要较高的氧化温度以便实现较高的VOC破坏性。为了实现高的热回收效率，待处理的“脏”的过程气体在氧化之前进行预热。热交换器塔(column)通常设置用来预热这样的气体。该塔一般填充有具有良好热稳定性和机械稳定性以及足够的热容量(thermal mass)的热交换材料。在操作中，过程气体输送经过先前被加热的热交换器塔，该热交换器塔反过来将该过程气体加热到接近或达到其VOC氧化温度。该预热的过程气体随后流向燃烧区，在燃烧区中任何不完全的VOC氧化物通常完全氧化。此刻，被处理过的“干净”气体随后流出燃烧区并经热交换器塔或第二热交换器塔返回。当该热的被氧化的气体流经该塔时，该气体将其热量传递给该塔中的热交换介质，以便使得该气体冷却，并预热该热交换介质，从而使得另一股过程气体在氧化处理之前被预热。通常，再生式热氧化器具有至少两个热交换器塔，它们交替地接受过程气体和处理过的气体。这种处理过程连续进行，以便高效地处理大量的过程气体。
再生式氧化器的性能可通过增大VOC破坏效率和通过降低运行成本和投资成本来优化。增大VOC破坏效率的技术已经由技术文献提出，其中例如使用改进的氧化系统和吹净系统(例如引流腔)的装置，以及三个或多个热交换器以便在氧化器切换过程中处理在氧化器中的没有被处理的气体。运行成本可通过增加热回收效率和通过减小流经氧化器的压力降来降低。运行成本和投资成本可通过适当地设计氧化器和通过选择适当的传热填料来降低。
高效的氧化器的一重要因素是用于将过程气体流从一个热交换器塔或床切换到另一个热交换器塔或床的阀。未处理的过程气体经该阀的任何泄漏将降低该设备的效率。此外，在阀切换时在该系统中可能产生压力和/或流动上的紊流和波动，这些是不希望的。阀的磨损也可能引起问题，特别是对于在再生式热氧化器中的高频率阀切换的应用场合。
美国专利No.6,261,092的内容通过引证在此引入，其中披露了一种能解决上述问题的用于再生式热氧化器的切换阀。在该’092专利中披露的驱动系统是带有气动缸致动的齿轮和齿条形式。
由气动方式提供动力的齿轮和齿条驱动系统具有多种限制。首先，由于气动空气源通常调节成处于恒定压力，由于这是一种恒定大小的力结构。然而，作用于旋转式切换阀的状态是变化的并且导致施加给阀密封表面的力是变化的。在阀的顶密封表面处所产生的摩擦是决定使得阀旋转所需的力的主要因素。由于该力不是恒定的，并且气动缸致动力是相对恒定的，因此该驱动系统的性能是变化的。在一些情况下，不能使得该阀旋转。在另外的情况下，可能使得阀过快地旋转并且克服使得该阀制动的装置。
该气动致动的驱动系统的第二限制是气动缸的最小程度的制动能力。通常，只有气动的气垫和橡胶垫可用于吸收该运动的驱动系统和阀的能量。只有小型阀可以由这些装置安全地制动。大型阀需要外界能量吸收装置例如振动吸收器来制动该阀。这些装置增加了成本并且降低了该驱动系统的可靠性。
该气动致动的驱动系统的第三限制是在较冷环境中使用时需要非常干燥的空气源以便防止空气管路中形成冰堵。这需要增加昂贵的空气干燥装置。
最后，齿轮和齿条的气动驱动系统具有用于使得该阀准确定位的机械止挡。然而，阀制动装置的失效或者阀旋转过快并超过制动装置的制动能力可能使得该装置和/或该阀与所述止挡碰撞而损坏。
所希望的是，提供一种用于旋转阀的替代性的驱动系统，该旋转阀例如为’092专利中披露的阀，以便获得平滑且可靠的运行，并且该驱动系统成本合理且仅需少量维护。另外，所希望的是提供一种使用设置有该驱动系统的阀的再生式热氧化器。

发明内容
借助本发明解决了现有技术中的问题，本发明提供了用于切换阀的电动驱动系统，该切换阀具有这样的驱动系统，并且本发明提供了包括该切换阀和该驱动系统的再生式热氧化器。该电动驱动系统使得旋转阀的旋转的起动和停止具有准确的定位。该阀的停止包括借助电气装置使得该阀的动能排散消耗。可允许该阀垂直移动，并可以来回旋转运动。
该驱动系统优选为包括齿轮、齿轮组、具有动力制动性能的变频驱动的马达、以及至少一个位置传感器。该系统使得旋转阀的旋转可准确地进行频繁的起动和停止；以可控制且可重复的方式实现阀的加速和减速，以便在不使用机械止挡的情况下使得阀的最终端点位置保持一致。可容纳该阀的垂直运动也落在本发明的保护范围内。
在优选实施例中，与驱动系统一起使用的阀具有密封板，该密封板限定出两个腔，每一腔是流向氧化器的两个再生床中的一者的流动端口。该阀还包括流动切换分配器，其提供了流向密封板的每一半部的入口或出口过程气体的交替引导。该阀在两个模式之间操作静止模式和阀移动模式。在静止模式中，用做紧密的气体密封以便使得过程气体的泄漏最小化，或消除该泄漏。在阀移动过程中，该气体密封也起密封作用。该阀具有紧凑结构，由此省去了在常规结构中通常所需的管道。对于过程气体而言，这提供了在转换过程中所占用的更小体积，使得在转换过程中使得不太脏的过程气体保持未处理。相应的缓冲装置使得未处理的过程气体在切换中经阀的泄漏减至最小，或消除该泄漏。该单个阀的使用，而不需要使用常规的两个或四个阀，可显著地减小需要密封的区域。流动切换分配器的几何形状减小了流经的过程气体经过的行程和折返数，这是因为该流动分配器可更靠近热交换床。这在阀切换过程中降低了截流的未处理的气体的容积。由于过程气体流经入口周期和出口周期中的同一阀端口，因此改善了流向热交换床的气体分配。
本发明实现了阀切换的最小压力波动、优良的密封、和在切换过程中最小程度的旁通或没有该旁通，并且省去了用于在切换过程中存储系统中的未处理气体的容积的常规引流腔，由此节省了大量的成本。


参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明，在附图中图1是设置有依据本发明的电动齿轮马达驱动系统的阀的示意图；图2A和2B示出了依据本发明的电动齿轮马达的运行；图3是依据本发明的电动齿轮马达和阀的立体图；图4是设置有依据本发明的电动齿轮马达驱动系统的阀的另一实施例的示意图；图5是依据本发明另一实施例的借助齿条的电动马达驱动系统的示意图；图6是依据本发明另一实施例的使用斜齿轮组的电动马达驱动系统的阀的示意图；和图7是本发明的驱动系统的操作的实施例的流程逻辑图。
具体实施例方式
首先参照图1和2，其中示意性地示出了依据本发明的一个实施例的电动齿轮马达的驱动系统，其与旋转阀10连接。该阀包括连接到齿轮组21上的轴20。齿轮组21由容纳在齿轮箱22中的齿轮来驱动，该齿轮箱由如图所示的AC(交流)电力源提供动力的马达23来驱动。在所示的实施例中，齿轮箱22由齿轮箱安装板7(参见图3)来支承，该安装板又由一对间隔开的基础支架安装梁5来支承。这种结构能够承受在该系统运行过程中产生的扭矩。齿轮组21由齿轮30和31形成。齿轮30与安装到该阀上例如安装到轴20上的齿轮31啮合。齿轮30由齿轮箱22中的齿轮来驱动，所述齿轮箱又由马达23来驱动。优选的是，齿轮30和31是正齿轮，以便该组件能够容纳该阀10的垂直运动。垂直运动通常在使用气动缸时出现。然而，可采用其它的装置在垂直方向上定位该阀，包括螺杆式致动器或压缩弹簧。还可使用斜齿轮组，但是这样使得该阀仅在图6所示的唯一方向上可允许垂直运动。
齿轮箱22是主要功能在于增大扭矩输出并降低用于致动该阀的电动马达23的速度。这样，对于高速马达23而言，齿轮箱22提供合适的扭矩和输出速度。例如，5马力的1800rpm的马达以及125∶1的齿轮减速机构可以提供大约14rpm的输出速度和大约2000ft-lbs的起动扭矩，(在没有该齿轮减速机构的情况下，扭矩仅仅为15-16ft-lbs)。配合的齿轮30、31不需要具有相同的尺寸。这些齿轮可用于第二减速齿轮组，尤其是当所希望的减速机构需要超过一个减速级时。
适当的齿轮箱22包括直角齿轮箱和同轴(即行星式)齿轮箱，对于空间受限制的情况下而言直角齿轮箱是优选的。在直角齿轮组中，输入轴和输出轴的轴线是垂直的，而不是同轴的，并且齿轮系的总体高度小于同轴齿轮系的总体高度。直角齿轮组还允许马达沿垂直输出轴的方向安装，如图3所示。三级螺旋斜齿轮形式的直角齿轮箱是特别优选的，尽管本领域的普通技术人员应当理解也可采用其它的直角齿轮箱，例如螺旋蜗杆形式的齿轮箱。
来自电动马达的所希望的扭矩增大可借助除了带有适当齿轮减速机构的齿轮箱之外的其它装置来实现。例如，可采用与带驱动系统组合的齿轮箱。或者，可采用多级的带传动。另外，图5示出了驱动一具有蜗轮传动的螺杆式致动器50的电动马达23。螺杆式致动器50使得由导向件53导向的齿条51移动，该齿条又驱动安装在阀10的阀杆上的齿轮52。
电动马达23通常是大约460伏特、60周、1800rpm，并且又适当的电源提供动力。
一个或多个传感器例如感应式接近传感器优选地用于感测该阀的位置，以便准确地且可重复地使得该阀在所需位置处停止，从而确保合适的密封。优选的是，第一传感器定位成便于触动该马达减速，第二传感器定位成便于使得马达停机。本领域的普通技术人员可获知这些传感器的精确位置。确定该阀的位置的替代性的适当装置包括限位开关和致动器，例如凸轮、编码器、带有接近传感器的齿轮齿数的计数装置、光电传感器和光源、以及霍尔效应叶片开关。
如果递增编码器或齿轮齿数的计数装置用于控制该阀的运动，则存在计数丢失的风险。一旦出现这种情况，阀的定位随时间而变得不正确。优选的装置是绝对编码器，其将角度位置转变成4-20ma信号。这消除了丢失计数和不能适当定位该阀的风险。
使得该阀制动是重要的，以便确保该阀在每次切换操作之后都合适地并精确地定位。如果该阀在切换之后不合适地定位，则导致氧化器中的泄漏以及VOC破坏的效率降低。因此，优选的是，制动使得该阀在遇到停止传感器之前接近慢行速度。交流变频驱动系统优选为包括用于更好的制动能力的额外能力功率消耗电阻以及热保护电路。然而，也可使用大马力的马达和没有外界制动电阻的变频驱动系统。该驱动系统必须有效地使得该旋转阀的动能以电气方式排散。对于排散电能的电阻的替代方案是给例如电池的储能装置充电。或者，可使用马达制动、机械式阀止挡、向马达注入直流电流、或阀与RTO(再生式热氧化器)的密封板之间的摩擦力来使得该阀制动。
图2A和2B概括了本发明的电动齿轮马达的运行。在运行中，马达加入到运转速度，在所示的实施例中该速度是大约1750rpm、60赫兹。马达随后以该预定运转，直到减速传感器被触动，这时该马达借助交流驱动系统减速到慢行速度，通常为150rpm、5赫兹。马达以慢行速度运转，直到该停止传感器被触动。例如，对于切换过程的阀旋转180度而言，该阀在慢行模式过程中旋转的实际量大约为2度。一旦停止传感器被触动，马达从慢行速度惯性制动到停止。这个过程也在图2B的曲线中示出。
图7示出了借助停止传感器和减速或慢行传感器实现的优选运行的流程图。逻辑程序的启动部分是必需的，以便使得该阀定向成选择为A的基准位置。一旦找到基准位置，阀在从位置A移动到位置B时准确地定位。注意，零空间意味着停止传感器和减速传感器均没有在该阀旋转位置处感测到目标。在已经启动的状态中，停止传感器和减速传感器发现它们的目标。该启动过程仅仅使得该阀沿一个方向旋转直到阀到达位置A。传感器和目标布置成便于该系统可区别开位置A和B，从而确保总是能实现正确的开始位置。
在从位置A到位置B的旋转过程中，阀加速到给定速度并以该速度运行，直到感测到减速目标。随后，该阀减速到慢行速度并以该速度运行，直到停止目标与停止传感器接合。从位置B到位置A的旋转以相反的旋转方向进行并且具有相同的逻辑程序。注意，启动仅仅在阀驱动运行从断电状态首次起动时才出现。
在PLC(可编程逻辑控制)装置与变频驱动系统之间的典型互动(interaction)涉及与位置传感器信号相关的信息的交换。例如，基于位置传感器信号，PLC使得马达驱动系统改变旋转的方向或旋转的速度。此外，PLC通常提供待评价的故障信息，以便用于诊断设备运行中的问题。然而，一些交流驱动系统能够处理传感器信号并且能独立于PLC装置进行操作。
阀切换时间规范可选择成使得再生式热氧化器中的引流腔(capture chamber)的体积最小化。引流腔防止在阀切换操作中没有被清洁化处理的气体的释出。阀切换越快，则引流腔可以更小。因此，对于阀切换时间而言没有时间规范的下限限制。其上限取决于该驱动系统的性能，并且大致设定为小于5秒，这不包括慢行模式中的时间。在慢行模式中，密封板已经充分地对准以便防止没有被清洁化处理的气体的释出。
一个或多个传感器25可适当地定位成便于感测该阀10的垂直运动。因此，参照图4，可使用气动缸40例如空气缸以及用于将电信号转变为压力输出的电-气动调节器41来使得阀10垂直移动。这可以在阀旋转运动的同时来实施。给出一信号，以便表明该阀以正确的压力准备就绪以便进行旋转。如果旋转由于过大的阻力而受阻，还可通过减小气动缸40的提升力从而使得上述装置辅助该阀的旋转。当该阀触发停止传感器时还可借助增大该提升压力来辅助该阀的停止和定位。
该系统允许加速率、减速率、马达运行速度、慢行速度、和位置传感器角度位置可改变，以便实现所希望的阀旋转速度、运行平滑度、和最终位置的准确度，尽管这种起动/停止操作是频繁的。例如，一组适当的运行参数使用了1.1秒的加速率、0.5秒的减速率、55赫兹的最大马达速度、以及3赫兹的慢行速度。使用电力使得该阀致动还避免了气动系统的压缩空气中的水分带来的问题。
本发明的电动驱动对安装和更换而言是简单的，仅需要齿轮箱和配合齿轮的安装和组件的调水平。在阀速度增加和降低过程中借助减小冲击负荷和振动，实现了该阀的平滑运行和安静的加速和制动。该交流驱动参数可遥控进行改变，并且还可实现遥控诊断。没有线性导向的部分以及几乎没有机械连接，这导致几乎没有需要对准和所产生的部件过早磨损的考虑因素。该装置对于阀/密封板界面连接不敏感，这是由于驱动系统调节马达输出以便使得加速率和减速率保持为预定限度。
权利要求
1.一种用于致动一阀的电动马达驱动系统，其包括电动马达；与该马达连接以便增大该马达的扭矩输出的装置；马达制动装置；当该阀到达预定位置时用于使得该马达停机的位置传感器。
2.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，该马达制动装置包括具有变频驱动的马达制动装置。
3.如权利要求2所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括功率排散电阻。
4.如权利要求2所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括外界能力储存装置。
5.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括用于使得该阀垂直移动的装置。
6.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括第二传感器，当该阀到达第二预定位置时，该第二传感器用于使得该马达减速。
7.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，所述位置传感器是编码器。
8.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括用于测量阀旋转速度的传感器。
9.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，还包括与该阀接合的齿轮组。
10.如权利要求10所述的电动马达驱动系统，其特征在于，该齿轮组包括正齿轮、斜齿轮、或者齿轮和齿条式齿轮组。
11.如权利要求5所述的电动马达驱动系统，其特征在于，所述用于使得该阀垂直移动的装置包括气动缸。
12.如权利要求11所述的电动马达驱动系统，其特征在于，该气动缸包括压力调节装置。
13.如权利要求12所述的电动马达驱动系统，其特征在于，该压力调节装置是电子控制的。
14.如权利要求1所述的电动马达驱动系统，其特征在于，该阀致动可沿角度方向反向，并包括180度来回旋转或反向运动。
15.一种用于驱动一阀的阀和电动马达驱动系统，其包括具有齿轮组的阀轴；与该齿轮组连接的电动马达；当该阀到达第一预定位置时用于使得该马达减速的第一位置传感器；当该阀到达第二预定位置时用于使得该马达停止的第二位置传感器。
16.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，还包括具有变频驱动的马达制动装置。
17.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，还包括外界能力储存装置。
18.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，还包括用于使得该阀垂直移动的装置。
19.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，还包括用于测量阀旋转速度的传感器。
20.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，还包括与该阀接合的齿轮组。
21.如权利要求20所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，该齿轮组包括正齿轮、斜齿轮、或者齿轮和齿条式齿轮组。
22.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，该阀可沿角度方向反向致动，并包括180度来回旋转或反向运动。
23.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，该阀以给定速度驱动直到感测到该第一位置传感器。
24.如权利要求15所述的阀和电动马达驱动系统，其特征在于，在感测到该第一位置传感器之后，该阀以小于该给定速度的速度驱动直到感测到该第二位置传感器。
25.一种再生式热氧化器，其至少包括均与燃烧区连通的第一和第二热交换塔、用于引导空气流入和流出所述塔的阀、和用于致动该阀的电动马达驱动系统，该马达驱动系统包括电动马达、与该马达连接以便增大该马达的扭矩输出的装置、马达制动装置、和当该阀到达预定位置时用于使得该马达停机的位置传感器。
26.如权利要求25所述再生式热氧化器，其特征在于，该电动马达驱动系统还包括当该阀到达第一预定位置时用于使得该马达减速的位置传感器。
全文摘要
本发明提供了用于切换阀的电动驱动系统，该切换阀具有这样的驱动系统，并且本发明提供了包括该切换阀和该驱动系统的再生式热氧化器。该电动驱动系统使得旋转阀的旋转的起动和停止具有准确的定位。该阀的停止包括借助电气装置使得该阀的动能排散消耗。可允许该阀垂直移动，并可以来回旋转运动。该驱动系统优选为包括齿轮、齿轮组、具有动力制动性能的变频驱动的马达、以及至少一个位置传感器。该系统使得旋转阀的旋转可准确地进行频繁的起动和停止；以可控制且可重复的方式实现阀的加速和减速，以便在不使用机械止挡的情况下使得阀的最终端点位置保持一致。可容纳该阀的垂直运动也落在本发明的保护范围内。
文档编号F16K31/04GK101061339SQ200580038769
公开日2007年10月24日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年11月12日
发明者M·P·布里亚, G·D·格伦, R·M·施奈德 申请人:美格特克系统公司