专利名称：用于真空排水系统的真空控制阀门的制作方法
技术领域：
本发明涉及在过滤运行期间并且尤其在造纸机中用来控制施加到抽吸装置的负压量的真空阀。本发明尤其涉及包括可调整孔的真空控制阀门，使得所述可调整孔的开口面积的变化率相对于所述调整非线性增加，同时提供大致线性可变的真空压力。
背景技术：
如本文所使用，术语“真空”、“抽吸”和“负压”具有相同意义并且是指在有限空间(例如管道、抽吸腔室等)中形成的低于周围环境空气压力的空气压力量。如上所述，本发明适用于各种类型的过滤运行，但尤其适用于造纸过程中的过滤。虽然下文主要参考造纸过程来描述本发明，但应了解本发明的原理不限于此，并且可以应用到具有与造纸过程类似的要求的其它过滤过程。·在现代造纸过程中，在约99%的水中包括约1%造纸固体的非常稀的纸浆(称为“原料”)以高的速度和精度从流浆箱喷射到被称为成形网布的旋转环带上。瞄准原料喷射使其在网布经过时降落在成形网布上而与成形元件滑动接触。来自原料的水通过成形网布排出，留下造纸纤维和固体的初始浆层。成形网布和其上的浆层通过一个或多个排水装置、搅拌装置和抽吸装置，所述装置用来排水并且随机化纤维分布，以便提供纤维纸幅。这个纸幅在所述成形区段的端部传送到下游压榨区段，其中另一部分水通过机械构件除去；湿纸张随后被传送到造纸机的干燥区段，其中纸幅中剩余的水通过蒸发构件来除去。受控真空源用于造纸机的形成和压榨区段中以协助从纸幅中除去水并且帮助控制原料的搅拌。由于成形区段中原料的高度流体性质，通过排水装置和搅拌装置对施加到成形网布和初始纸幅的真空压力的精确控制对于成品纸张的性质而言十分重要。下文注明提高在造纸机的压榨区段中的精确控制要求的其它因素。目前有两种通用种类的抽吸辅助型排水装置用于造纸过程中a)所谓的低真空单元，其供应O”到60”(Omm到1500mm)的水真空到成形网布和纸幅,和b)高真空单元，其供应比低真空单元高的真空级到所述网布和纸幅。已发现目前在这两种类型的抽吸辅助型排水装置中使用的阀门在其运行范围的中间部分外不提供可接受的一致真空控制。按照惯例，已经使用不同尺寸的一系列标准且专用阀门来完成对这些装置的真空控制，全部阀门旨在控制低真空气流或高真空气流。这些阀门在其开口的中间范围处通常提供适度良好的流量控制，但当所述阀门最初打开时，或当所述阀门接近其最大开口时，存在极少可用的控制(如果有)。在造纸过程中使用的相对较低的真空应用中，存在跨阀门的高压降和相对较低的流率，然而在相对较高的真空应用中，跨所述阀门的压降极小且流率很高。在一般运行中，为了避免上述问题，优选的是使用在其冲程的中间部分(40%到60%开启)运行的控制阀门来实现精确的真空控制。接着这需要一系列阀门尺寸和对排水元件的运行状况的精确评估，所述状况可能随时间和所制造的纸张等级而变化。尤其可靠地控制施加到成形网布的真空压力的问题在纸张形成过程期间建立造纸纤维浆层时更加复杂化。在造纸过程期间存在于成形网布上的纤维和填料量将取决于制造的纸张等级。相对“较重”的等级(即，具有相对较高基重的产品)(诸如箱纸板或纸板)将包括比相比“较轻”纸张等级(即，具有相比较低基重的产品)(诸如新闻用纸或纸巾，或高级纸张)更大量的纤维。较重的纸张等级将形成较厚的浆层，这与对于较轻等级应用形成的浆层相比将提供更大的气流阻力。这个现象是指“过滤阻力”并且在造纸技术中广为人知((例如)，见 Wildfong 等人的 “Filtration Mechanics of Sheet Forming,第 I 部分:Apparatus for Determination of Constant-Pressure FiItrationResistance^, T. PulpPaper Sci..第26卷，第7期(2000年7月)，第250页到254页)。随着浆层的过滤阻力增加，施加的真空量必须相应地调整来维持纸张的充分排水。施加到成形网布的真空的精确线性调整难以使用目前可用的真空控制阀门来实现，这是因为造纸纤维浆层的过滤阻力基于制造的纸张产品等级的这种变化。这个问题因造纸过程的真空控制 系统中所使用的各种管道尺寸而进一步加剧。在这些系统中常见各种不同尺寸和设计的阀门；已知这些复杂性，难以在造纸过程期间实现充分的真空控制。因此，本发明解决结合抽吸辅助型排水装置使用的阀门尺寸和设计选择的问题，并且尤其针对其中这些真空装置位于造纸过程中的独特运行条件和环境。本发明尤其涉及一种阀门设备，其用来控制施加到抽吸辅助型排水元件的真空量使得施加的真空在所述阀门响应从极低真空压力水平到极高真空压力水平的调整而打开或闭合时线性变化。所述阀门被设计来提供开口面积的非线性持续增加的变化率，其提供与达到其运行范围的至少约90%的阀孔位置成正比的线性真空响应。本发明的阀门的阀孔或开口面积的独特构造容许流体流率(真空)响应所述阀门从完全闭合到完全打开的逐步线性调整的线性变化。这容许单一阀门用于高流量环境和低流量环境，在两种状况下具有更有效的真空控制。在造纸真空系统中针对所有位置使用单一阀门，运行条件的变化不需要阀门尺寸的变化，因此显著降低了备件成本。本发明的阀门响应其调整提供了施加到造纸过程的真空压力量的相对线性变化；取决于被控制的真空范围，这个变化与当所述阀门打开或闭合时提供给真空源的开口面积的量成正比。本发明的单一阀门可以提供为转筒式阀门，其中通过调整呈现给阀体出口的转筒的孔的运行区域来调节流率，或者可以提供为其它类型的可移动阀门，例如通过提供可移动部件中的孔使得呈现给阀体出口的运行区域通过在所选方向上相对于所述出口移动所述部件予以调整。
发明概要如上所述，已经发现已知的真空阀的许多问题可以通过提供一种阀门来解决和克月艮，其中阀孔被构造成使得响应阀门的可移动部件的线性调整以增大开口面积，开口面积的变化率以非线性方式增大，但提供通过所述孔的流率的线性变化。真空控制孔被定形以便对呈现给真空源的开口面积量和通过阀门施加到抽吸盒的真空量提供平滑、线性的真空响应。还发现如果真空控制孔被定形使得(例如)通过阀套从完全闭合旋转到完全打开而在可移动部件的任何移动点处呈现给真空控制孔所连接的真空排水系统的真空控制开口的开口面积量的变化率可由至少二次多项式方程所决定，那么这是尤其有利的。这个构造提供从完全闭合位置到部分打开位置的初始调整时开口面积的相对较慢增加，且同时在所述调整使阀门接近完全打开位置时提供开口面积的快速增加。
为了提供这个变化率，且如下文尤其参考附图进一步讨论，还发现尤其有利的是提供以下开口构造，所述开口构造大致是三边形，且尤其具有两条直边和第三条曲边，所述曲边呈现面向外的凹面并且具有可由至少三次多项式方程所决定的曲率，使得由日益暴露的孔提供的开口面积的变化率将可由至少二次多项式方程所决定。还发现尤其有利的是提供这种三边形孔，其中第三边的曲率可由至少四次多项式方程所决定；且如果开口面积的变化率可由四次多项式方程所决定，那么更为有利。因此，本发明致力于提供一种用于真空排水系统中的阀门，其包括i)阀体，其具有(a)外壁，其包括可运行地连接到抽吸装置的输出端的入口、可运行地连接到真空源的出口，和(b)内部腔室； (ii)可移动部件，其可移动地固定在所述内部腔室内并且包括至少一个可移动的部件出口孔来选择性地提供可运行开口面积，所述可运行开口面积被构造和配置以容许流体流动穿过其中，和(a)被定位以与所述阀体出口协作，使得所述可移动部件移动通过完全闭合孔位置与完全打开孔位置之间的多个位置的所选位置的行进距离会为所述阀体出口呈现所述至少一个孔的至少一部分，来调整呈现给所述阀体出口的所述孔的所述有效可运行开口面积并且在运行时调节通过所述至少一个孔和所述阀体出口的对应流率；和(b)具有一种构造使得在所述可移动部件的移动以增加所述至少一个孔的所述有效可运行区域期间，所述有效可运行区域的变化率相对于所述行进距离的线性增加而非线性增加。优选地，所述至少一个孔具有一种构造使得在运行中所述可移动部件的移动期间，所述行进距离的线性增加提供通过所述至少一个孔的所述有效可运行区域的流体流量的大致线性增加。在一个方面，所述内部腔室包括大致圆筒内部，所述可移动部件是固定在所述大致圆筒内部内并且具有大致圆筒外壁的可旋转套筒，所述出口孔被提供到所述大致圆筒外壁，且所述套筒移动通过所述行进距离包括绕着轴的旋转。或者，所述可移动部件是可滑动板部件。优选地，所述有效可运行区域的所述变化率根据包括至少一个指数因子的方程而增加，且更优选的是根据至少二次多项式方程而增加。视情况，所述多项式方程是三次或四次的。在一个方面，所述多项式方程是y=ax4+bx3+cx2+dx+e,其中y是所述有效可运行开口面积的所述变化率，且X是所述可移动部件的所述行进距离，表示成在O. O处的完全闭合孔位置到1.0处的完全打开孔位置的范围内的小数。在一些实施方案中，优选的是所述多项式方程是 y=ax4+bx3+cx2+dx+e,常数具有以下值a=0. 00008 ± 10% ；b=-0. 0013 ± 10% ；c=0. 0027±10%;d=-0. 0052 ±10% ;且 e=_0. 0009 ±10%。在本发明的一个方面，所述阀门包括单一孔。优选地，所述单一孔具有大致三边形的构造，且更优选地包括至少一条曲边。在这个方面，所述孔构造优选地由大致线性的第一边和第二边以及连接到各所述第一边和所述第二边并且具有朝向各所述第一边和所述第二边的曲率的第三边所界定，且在这个方面，所述第一边优选地大致平行于所述轴，且所述第二边大致垂直于所述第一边；更优选地，所述第一边和所述第二边具有大致相等长度。优选地，所述曲率选自部分抛物线形、弓形和由多个相互连接的线段界定的曲线。在一个方面，所述曲率是根据包括至少一个指数因子的方程来定义，优选的是根据至少三次，更优选的是四次多项式方程来定义。在这个方面，优选的是，所述多项式方程是 y=fx4+gx3+hx2+jx+k,其中y是所述曲率，且X是所述可移动部件的所述行进距离，表示成在O. O处的完全闭合孔位置到I. O处的完全打开孔位置的范围内的小数。在一些实施方案中，优选的是，所述多项式方程是y =fx4+gx3+hx2+jx+k,常数具有以下值f = I. 18 ；g=-0. 39 ；h=-0. 16 ； j=0. 37 ;且 k=0。在本发明的替代方面，所述孔构造包括界定多个子孔的多个壁连接部件，所述子孔优选地具有选自狭槽和穿孔的至少一个的构造。·在一些实施方案中，所述阀体的所述外壁还包括可运行地连接到周围环境空气源的排放口 ；且所述可移动部件还包括可与所述排放口运行地对齐的可移动部件入口。优选地，这个可移动部件入口具有四边形构造，且其中所述可移动部件是可旋转套筒，优选地，所述可移动部件入口具有梯形构造，其中两条平行边定向为大致平行于所述可移动部件的所述旋转方向。附图简述将通过参考附图来更全面地描述本发明，其中图I是根据本发明的第一实施方案的阀门的分解图；图2是图I中所示的组装阀门的示意图,其指示通过阀门和阀体出口流动到真空源的流体方向；图3是图I中所示的组装阀门的示意图，其示出从阀体出口到抽吸装置的气流的方向；图4a到图4d示出当阀套通过阀体内的致动器而旋转时阀体出口开口的渐变，其中图4a示出初始开口且图4d示出处于接近完全打开位置的阀门；图5示出处于完全打开位置的阀体出口，其中至其它管道的附接构件被移除；图6是示出旨在用于图I至图5所示的阀门中的阀套的图,所述阀套包括入口孔和出口孔；图7是示出依据阀套位置的根据本发明的第一实施方案的阀孔的开口面积百分比的曲线图；图8是示出依据阀套位置的根据本发明的第二实施方案的阀孔的开口面积百分比的曲线图；图9是示出造纸真空系统中的本发明的阀门的位置的示意图；
图10示出本发明的第三实施方案中的阀门；图11示出图10的实施方案中的滑动部件；图12示出图10的实施方案中的阀门的调整的渐变步骤；图13是示出与本发明的实施方案中的阀孔比较的现有技术的阀门的开口面积百分比的曲线图；和
图14是示出与本发明的实施方案中的阀孔比较的现有技术的阀门的开口面积百分比变化率的曲线图；具体实施方式
图I至图3分别示出根据本发明的实施方案的阀门的分解图，和处于可运行位置的阀门的两幅局部剖示图。如图I至图3中所示，阀门100包括阀体112，所述阀体112具有在造纸过程中用于连接到真空源(未示出)的出口凸缘110和用于连接到设备(未示出冲的适当位置的入口凸缘113。可选排放口 111使周围环境空气得以进入。本发明的阀门可取决于预期最终用途而不具备这类排放口，或者如果具备，那么所述排放口可以选择性地封闭或者另外堵塞来防止或限制周围空气进入。阀套105可运行地固定到致动器200 (见图2)、通过驱动凸缘106保护性地位于阀盖102下方，使得当阀盖102固定在阀体112上时，阀套105可在阀体112内选择性地旋转，所述旋转由致动器200控制。套筒105的壁具备出口孔107，所述出口孔107根据本发明加以构造并且被定位以便被可运行地带至在凸缘110处与所述出口对齐和不对齐，并且因此与真空源连接，从而容许在箭头250 (见图2) 方向上的流径。在提供排放口 111的情况下，阀套105的壁可以相应地具备入口孔108，所述入口孔108被构造和定位以便在阀套105旋转时被可运行地带至与排放口 111对齐和不对齐，来选择性地容许或限制周围空气通过箭头350 (图3)方向上的流径经过排放口 111 流入阀套105。
参考图4a至图4d，这些图示出当阀套105旋转而造成出口孔107从图4a中的闭合位置移动到图4d中的完全打开位置时，阀体112内的阀套出口孔107的逐步打开。在提供排放口 111的情况下，阀套105的壁中的入口孔108和出口孔107的位置分隔开使得在阀套105旋转以闭合入口孔108且闭合周围空气进气口，并且打开出口孔107来连接到真空源时，入口孔108优选地在出口孔107开始打开之前完全闭合。然而，在必须满足特殊运行条件的某些情况下，若需要出口孔107和入口孔108可以位于阀套105上使得两者可以在较小程度上同时打开流动。
图5示出阀门100，其中凸缘110被移除使得可见出口孔107处于类似于图4d中的位置的完全打开位置。
图6示出阀套105，其包括出口孔107和入口孔108。当完全组装时，阀门底部115 将位于凸缘113上并且邻近凸缘113。开口 114提供致动器200 (图2)经由驱动凸缘106 (图I)至套筒105的运行连接，来实现旋转力的传输。
图7是示出依据阀门出口孔107从完全闭合旋转到完全打开的根据本发明的实施方案的阀门出口孔107的开口面积量的曲线图。所述曲线示出必须暴露在真空压力下以便依据阀套旋转和递增的开口面积变化率在施加的真空提供大致线性响应的阀套出口孔107 的开口面积量。参照图7的曲线图，其示出当阀套105旋转使得其位置从在位置(O)处完全闭合变化到在位置(I)处完全打开时，表示成可用孔总面积的百分比的阀门出口孔的开口面积沿着曲线从O变化到100%。已发现阀门出口孔的开口面积的这个变化将提供阀门出口孔的开口面积的适当变化率来依据套筒旋转在施加到真空排水系统的真空压力中供应大致线性响应。这个信息在下文表I中予以总结。
表I-依据阀门旋转/位置的阀门入口孔的开口面积
权利要求
1.一种用于真空排水系统中的阀门，其包括 i)阀体，其具有 (a)外壁，其包括可运行地连接到来自抽吸装置的输出端的入口、可运行地连接到真空源的出口，和 (b)内部腔室； ( )可移动部件，其可移动地固定在所述内部腔室内并且包括至少一个可移动部件出口孔来选择性地提供可运行开口面积，所述可运行开口面积被构造和配置以容许流体流动穿过其中，和 (a)被定位以与所述阀体出口协作，使得所述可移动部件移动通过完全闭合孔位置与完全打开孔位置之间的多个位置的所选位置的行进距离会为所述阀体出口呈现所述至少一个孔的至少一部分，来调整呈现给所述阀体出口的所述孔的所述有效可运行开口面积并且在运行中调节通过所述至少一个孔和所述阀体出口的对应流率；和 (b)具有一种构造使得在所述可移动部件的移动期间增加所述至少一个孔的所述有效可运行区域，所述有效可运行区域的变化率相对于所述行进距离的线性增加呈非线性增加。
2.根据权利要求I所述的阀门，其中所述至少一个孔具有一种构造使得在运行中所述可移动部件的移动期间，所述行进距离的线性增加提供通过所述至少一个孔的所述有效可运行区域的流体流量的大致线性增加。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的阀门，其中所述内部腔室包括大致圆筒内部，所述可移动部件是固定在所述大致圆筒内部内并且具有大致圆筒外壁的可旋转套筒，所述出口孔被提供到所述大致圆筒外壁，且所述套筒移动通过所述行进距离包括绕着轴旋转。
4.根据权利要求I或权利要求2所述的阀门，其中所述可移动部件是可滑动板部件。
5.根据权利要求I到4中任一项所述的阀门，其中所述有效可运行区域的所述变化率根据包括至少一个指数因子的方程而增加。
6.根据权利要求I所述的阀门，其中所述有效可运行区域的所述变化率根据至少二次多项式方程而增加。
7.根据权利要求6所述的阀门，其中所述多项式方程是三次的。
8.根据权利要求6所述的阀门，其中所述多项式方程是四次的。
9.根据权利要求8所述的阀门，其中所述多项式方程是y=ax4+bx3+cx2+dx+e,其中 y是所述有效可运行开口面积的所述变化率，且 X是所述可移动部件的所述行进距离，表示成在O. O处的完全闭合孔位置到I. O处的完全打开孔位置的范围内的小数。
10.根据权利要求9所述的阀门，其中a=0.00008 ±10% ;b=-0. 0013 ±10% ;c=0. 0027 ±10% ；d=-0. 0052 ±10% ;且 e=_0. 0009 ±10%。
11.根据权利要求I至10中任一项所述的阀门，其包括单一孔。
12.根据权利要求11所述的阀门，其中所述孔具有大致三边形的构造。
13.根据权利要求12所述的阀门，其中所述孔构造包括至少一条曲边。
14.根据权利要求13所述的阀门，其中所述孔构造由大致线性的第一边和第二边以及连接到每条所述第一边和所述第二边并且具有朝向每条所述第一边和所述第二边的曲率的第三边所界定。
15.根据权利要求14所述的阀门，其中所述第一边大致平行于所述轴，且所述第二边大致垂直于所述第一边。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的阀门，其中所述第一边和所述第二边具有大致相等长度。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的阀门，其中所述曲率选自部分抛物线形、弓形和由多个相互连接的线段界定的曲线。
18.根据权利要求17所述的阀门，其中所述曲率是根据包括至少一个指数因子的方程来定义。
19.根据权利要求18所述的阀门，其中所述曲率是根据至少三次多项式方程来定义。
20.根据权利要求19所述的阀门，其中所述多项式方程是四次的。
21.根据权利要求20所述的阀门，其中所述多项式方程是y=fx4+gx3+hx2+jx+k,其中 y是所述曲率，且 X是所述可移动部件的所述行进距离，表示成在O. O处的完全闭合孔位置到I. O处的完全打开孔位置的范围内的小数。
22.根据权利要求21所述的阀门，其中f= I. 18 ；g=-0. 39 ；h=-0. 16 ；j=0. 37 ;且1^=0。
23.根据权利要求I至10中任一项所述的阀门，其中所述孔构造包括界定多个子孔的多个壁连接部件。
24.根据权利要求23所述的阀门，其中所述子孔具有选自狭槽和穿孔的至少一个的构造。
25.根据权利要求I所述的阀门，其中所述阀体的所述外壁还包括可运行地连接到周围环境空气源的排放口 ；且所述可移动部件还包括可与所述排放口可运行地对齐的可移动部件入口。
26.根据权利要求25所述的阀门，其中所述可移动部件入口具有四边形构造。
27.根据权利要求26所述的阀门，其中所述可移动部件是可旋转套筒，且所述可移动部件入口具有梯形构造，其中两条平行边定向为大致平行于所述可移动部件的所述旋转方向。
全文摘要
一种用于真空排水系统的阀门(100)，其包括阀体(112)，所述阀体(112)具有可运行地连接到抽吸装置并且通过出口(110)连接到真空源的内部腔室。具有孔(107)的可移动部件(105)固定在所述腔室内并且可移动通过闭合位置与打开位置之间的点来调整所述孔的开口面积和穿过所述出口的流体流量。所述孔被构造成使得在调整期间增加所述孔的有效可运行区域，所述有效可运行区域的变化率相对于行进距离的线性增加呈非线性增加，同时提供对施加的真空的有利且更可控制的线性调整。所述孔可呈包括至少一条曲边的三边形状，或包括多个子孔，并且所述可移动部件可包括转筒。
文档编号F16K5/12GK102947630SQ201180026661
公开日2013年2月27日 申请日期2011年4月29日 优先权日2010年4月30日
发明者D·R·麦克弗森, G·C·曼德腊拉, J·罗宁, J·A·尚兹 申请人:阿斯顿约翰逊公司