專利名稱：旋轉閥的制作方法
麟閥
駄領域
本發明涉及一種旋轉閥，特別地，本發明涉及一種用于變壓吸附系統的旋 轉閥。
背景技術：
旋轉閥廣泛應用于加工工業，用來在可重復進行的循環工藝步驟中將流體 從一個或多個加工源頭引導至一個或多個加工目的地。這些閥，也被稱為麟
順序閥，用于循環或可重復進行的工藝中，例如 :變壓吸附或變溫吸附 行氣體分離、艦變濃度吸附鄉彌體分離、，鵬微析離相色齢析、
再生催虹藝、氣動^MEJIW^制系統以及其它循環工藝。
廣泛應用類型的旋轉閥具有平坦的圓形結構，其中平的且帶有開口的轉子 在平的且帶有開口的定子上面同軸地旋轉，從而使得定子和轉子上的開口 (pons)以預先確定的循環,或，齊或是被阻斷。一mm:平的轉子表面 在平的定子表面上的直^M配合來JI^封。偉i臘這，的表面需要高的加 工精度以便防止在,面上產生過多泄漏。剛性材料例如金屬、陶，減M 常用雅些轉子和定子，但是因為驢弓l起的部件磨損或扭曲變形會導驗面 形bt的改變，由此會導致^M表面之間形成的密封件上面產生泄漏。
具有平的圓形旋轉密封結構的旋轉閥對變壓吸附(psa)系統特別有用，
psa系^^用多^F行的以包皿料、壓力均衡、 、吹掃和再增壓步驟的 ^#循環步^行的吸附床。在一種典 用中，具有多個開口的定子用^!i 用多，附床的進料端一起連^^料氣體和0，，同時也連接多個吸附床 的產品端以,壓力均衡、吹掃和其它床與床t間的傳遞步驟。具有多個開口 的轉子在定子上密封麟，從而使敏轉子旋轉從而引導氣 動用以進行所
需的psa工藝循環步驟時，定子表面上的開口 ji(W地與轉子表面上的開口對齊。 在一種典型的psa循環中，麟閥的內部鵬鄉行psa循環時具有不同 的壓力。當psa循環包括IEJE和負壓工藝步驟時，如果閥口之間發生泄漏，那 么由連接至多個吸附床的進料端和產品端的多個閥口之間的壓差產生的泄漏可能導致出現多,作問題。
旋轉順序閥，其中平的且帶有開口的轉子在平的且帶有開口的定子上面同 軸地旋轉，這樣定子和轉子上的開口以1^fe確定的循環順序或^f齊或是被阻 斷，臓旋轉順序闊棚于在具有多個可重復步驟的循環工藝中弓l導流體。在
此鄉弓閱作為參考的2005年5月8日敬的美國^l抻請11/197,859 (在下 i^iB為，859申請)公開了一種雙轉子/定子旋轉閥系統，其采用單鋪向對 準彈魏幫助接合轉子表面和定子表面以幫助轉子表面和定子表面相互密封， 并防止定子開口和轉子開口之間的泄漏。轉子開口位于轉子表面不同的圓周位 置并在不同的壓力下運行。
'859申請中公開的現有fe^中的旋轉閥運行期間，開口之間的壓差產生了 一個穿過轉子和定子配合面的一幽向力。當需要高的運行壓力時，需要大的彈 簧力來密封轉子和定子以防止泄漏。轉動轉子所必須的力的大小將與彈簧向定 子壓縮轉子的力的大/J嗜直接關系。如果在轉子和定子之間需要大的彈簧力以 防止泄漏，轉動轉子就需要大的力。鵬大的力增大了轉子的磨損，需要駄 的轉子電動機，并增大了轉，承磨損。
例如，859申請中發現的現有技術旋轉閥1的1布置的分解圖如圖1所 示。在實際的運行中，閥1的各部件相互劍蟲。如同圖1中看到的，現有技術 中的旋轉閥1包^t料定子10、進料轉子20、產品轉子30、產品定子40和壓 縮彈簧50。現有技術的這^例性實施例中，如圖1麻，進料轉子20和產品 轉子30被容納在由進料定子10和產品定子40形成的殼體中。
在鄉吸附(PSA)工藝中，吸附床(標出)驗到進料定子10的開口 lla、 llb、 llc、 11d和產品定子40的開口41a、 41b、 41c、 41d。各吸附床(未 示出)的進料端通常ii^到進料定子10的開口lla、 Ub、 llc、 lld，各吸附床 (未示出)的產品端通常^到產品定子40的相應開口41a、 41b、 41c、 41d。
從圖1中可看出，進料轉子20和產品轉子30被構造為互相接合并互鎖。 鵬彈簧50布置^a料轉子20和產品轉子30之間。JB1S彈簧50朝難料定 子10壓縮進料轉子20以相對進料定子10密封進料轉子20。 JBH彈簧10同樣 朝著產品定子40 M產品轉子30以相對產品定子40密封產品轉子30。
已公知的閥1還包括倉辦 料轉子20和產品轉子30旋轉的驅動軸60。 驅動軸60包括主動驅動端62，，主動驅動端被構造為與進料轉子20上的配^P件(未示出)接合，其接合方式為當驅動軸60旋轉時，進料轉子20和產 品轉子30同樣繞垂直于轉子表面的軸旋轉，進料轉子20和產品轉子30內的各 個槽和進料定子10和產品定子40內的^h開口分別對準，以 工藝線路的 預定連接。
已公知的旋轉閥1包括多個流體開口和通道，這些開口和通道的作用已 在'859申請中更加充，公開。不需要全部解釋具體循環工藝例如PSA的運 行來離閥的運行，本領域駄人員條理解這一點。通常，工徵作包括改 變已公知的閥1的進料轉子20和產品轉子30的,位置以允許 ^^循環 的流 。下面將對現有M中J辦閥1的運 ^^描述。
當進料轉子20和產品轉子30旋轉到預定位置，轉T^面上的開口與它們 各自定子對齊，允許流體M31預定的連接路徑^A和離開閥1。用這樣的方式， 作為均衡、吹掃或其它循環工藝步驟所必需的，流體可以在連接到進料定子10 和產品定子40的各床之間流動。
在PSA工藝中，各床中的壓力在高壓和低壓之間交替改變，以此分別發生 吸附和解吸。在工藝操作期間，^^槽中的壓力施加j力^^^轉子20和產 品轉子30，促使它們分別離開進料定子10和產品定子40。由于這個原因，需 要MI彈簧50相對進料定子10保^S料轉子20和相)^產品定子40保持產品 轉子30以防止泄漏。因為彈簧力和槽內的壓力相對轉子的中心，轉不對稱， 轉子上的合成力并不位^t料轉子20和產品轉子30的中心。這個非，力載
荷導致需要增大的彈簧力來維持轉子/定子的,，以及需要增大的a^動閥
和轉動軸60。
圖2A、 2B和2C顯示了在典型的PSA循環工藝中作用,轉閥的轉子200 上的力的簡化圖。轉子200的旋轉中心軸用垂直的虛線A'^。彈簧力F，， 簧(未示出)在它向定子(未示出)推動轉子200時施加到轉子200的力。壓
力F2絲自多個開口的壓力的合成力。反作用力F3,簧力R和壓力F2之間
的差。F3也是轉子200和定子(未示出)之間的 *力。反作用力F3不是作用 在單個點。反作用力F3以某種誠髓轉子200分布，娜配合面的平面度、 力的大小和由于施加載荷導致的轉子200的輕微娜，該分布方式非常復雜。 盡管如此，為了簡單，這個分布力可以被分解為單一的合成反作用力F3。如果 轉子200和定子(未示出)皿,就必須總有—一零的反作用力F3。如果反作用力F3為零鞭小，將會開始膝子分離轉子200,并在轉子和定子(標出) 的多個開口之間發生泄漏。承擔轉子和定子之間的摩^矩的是反作用力F3， M它的大小和定位，來確定轉動轉子200所必需的艦大小。
圖2A示出了如果壓力F2位于轉子200的中心作用在轉子200上的力。在 這^h^子中，所有的力都是共線的，反作用力F3是彈簧力Fi和壓力R的差。 只有當壓力F2是圍繞轉子200的對稱平衡壓力的合^Bt^會發生這種結果。 因為在典型的PSA工藝操作期間轉子的多個槽內的壓力不會產生作用在轉子 200中心的最終壓力，因jifc^種對稱分布并，在。
圖2B示出了發生在典型PSA工藝操作期間，當壓力不位于轉子200中心 時作用在轉子200上的力的分布。與上面圖2A的討論類似，反作用力F3， 簧力F,和壓力&之間的差，但是現在，為了維持轉子200的均衡以 平衡，反作用力F3也必須從轉子200的中心,到離開轉子中心的徑向位置。 反作用力F3的位置和大小 于彈簧力F,和壓力F2的位置和大小。而且，因 為彈簧力R必須等于壓力F2和反作用力F3的和，所以彈簧力F,必須總是大于 壓力F2，無論何時彈簧力Ft和壓力F2都不是共線的。
當彈簧力R和壓力F2不共線時，它們在轉子200內引起圖2B中用虛驗 示的彎矩210。如，，殊的轉子材料和厚度，力具有足夠的大小，彎矩210 就可能會勝子200變形。^^鄉中，M3i利用更硬,料或增大轉子厚 度而使得轉子更^^將這種變形抑制到足夠小以防止泄漏。對于較大的轉子， 這可肖蹴不切實際了。另外，F3的偏移將增大虹藝操作期間轉動轉子200所 需的扭矩。
因此，要求如圖2C麻的那1TOB離旋轉A，的中心軸一領定徑向距離的 ^S重置彈簧力F!， ^壓力F2相對，以消除轉子200的彎矩。反作用力F3 M作用&E力F2的同樣CT。這種布置使得所需要的彈簧力F,和反作用力F3 最小以及,轉子200所需的,較小。
即iffl彎矩和撓曲不是M點關注的應用M， M電動機和使轉子旋轉 所需要的,也可能是需要重點關注的，特別是當轉子開口內有高壓時。通常 地，要求麟該艦最小，這是因為減小的^E減小了尺寸和減增加了糊轉
子必須的電動Wo齒輪驅動器的a。
因此，需要一種能夠無泄漏運行并具有使閥轉子旋轉所需鄉減小的旋轉閥。
本發明提供了一種倉辦在不產生大量泄漏的條件下運行并具有轉動轉子所
需的最小扭矩的旋轉閥。接^M3i例殊圖解說明本發明的原理的相應附圖， 其它特點和優點將從雌鄉例的更詳細說明中顯而易見。
發明內容
公開了一種具有處于密^h滑動旋^i動的轉子和定子的旋轉閥。該旋轉閥 包括ffi^縮彈簧，其形成為,子旋轉的扭^4減小同時防止泄漏。該閥可用在 包括PSA工藝的循環工藝中，在可重復的循環工藝步驟中把流體從一個或多個 加工源頭弓l導到一個或多個加工目的地。
公開的本發明的一個實施例提供了一種用于執行循環工藝操作的旋轉閥， 其包括具有進料定子配合面、進f4定子背面和多，接^S茅斗定子配合面和背
面之間的開口的進料定子；鄰,料定子的進料轉子，^有進料轉子配合面、
進料轉子背面以及布置在進料轉子配合面上、用來弓l導流^a料定子的多個 定子開口之間流動的多個開口，進料轉子繞垂直《料轉子表面的軸旋轉；與 進料轉子接合的產品轉子，其具有產品轉子配合面、產品轉子背面、產品出口 以及布置在配合面上用來引導流體在產品定子的多個開口之間流動的多個開
口，產品轉子可繞垂直于產品轉子表面的軸旋轉；鄰近產品轉子的產品定子， 包括產品定子配合面、產品定子背面、連接在產品定子配合面和產品定子背面
之間的多個開口；以及布置^a料轉子和產品轉子之間的至少一個壓縮彈簧，
其形成為在進料轉子背面和產品轉子背面施加一個具有力心的彈簧力-該彈簧 力形成為在閥運行時鵬動進料轉子和產品轉子所需的扭矩最小化。
旋轉閥的進料轉子和產品轉子形成為繞旋轉中心軸旋轉，彈簧力力心位于 離旋轉軸的距離大于零的一，，離的位置。
該旋轉閥還進一步包括，料轉子背面布置的至少一個彈簧定位部件，其 與在進料轉子背面上布置的至少一個彈簧定位部件相沐這些彈簧定位部件形 成為在一個固定位置固定和定位進料轉子和產品轉子之間的至少一個壓縮彈 簧。"^le說，樹可驢的彈簧定位部件可位^ffi料轉子背面上，與產品轉子 背面上類似的結構相對。
公開的本發明另一個 例皿了一種用于執行循環工藝操作的旋轉閥，包括具有多個開口的定子殼體，包括多個開口和背面的轉子，該轉子相對于旋 轉中心軸與定子殼 面可旋轉地接觸，至少一個壓縮彈簧，其彈簧力力
心體在轉子背面和推力滑塊(他rust runner)之間；布置在推力滑塊和定子 殼體之間的止推軸承。該旋轉閥皿一步包括至少一個壓縮彈簧，該壓縮彈簧 施加的彈簧力被形成為在閥運行時對M定的彈簧力轉動轉子所需的扭矩最小 化。
旋轉閥進一步包括使得彈簧力力心位于離旋轉軸的距離大于零的一賴定 距離動位置，轉子背面具有用來定，少一個壓,簧的至少一個彈簧定位部 件。旋轉閥還可進一步包括使得轉子背面的兩個或多個彈簧定位部件與推力滑 塊上類似布置的兩個或多個彈簧定位部件相對，以在固定位置固定和定^t料 轉子和推力滑塊之間的兩個或多個iBll彈簧。
公開的本發明的另一實施例,了一種變壓吸附系統，包括多個吸附自 具有一個或多個轉子的旋轉閥，該旋轉閥連接到多個吸附床并形成為在變壓吸 附工藝中把流體弓l導至多個吸附床。
旋轉閥包括一個或多個形成為繞旋轉軸旋轉的轉子；和至少一個形成為對 一個或多個轉子施加具有力心的彈簧力的壓縮彈簧，，使得施加的彈簧力轉 動一個或多個轉子所需的ffl^4最小化。
變壓吸附系統還可包繊料定子，其具有進料定子配合面、進料定子背面 以及多個連接 料定子配合面和進料定子背面之間的進料定子開口、 一個或 多條子，其包括與產品轉子接合的進料轉子。進料轉賴繊料轉子配合面、 進料轉子背面以及M^料轉子配合面上方布劉以弓l導流條多^ffi料定子口 之間流動的多，料轉子開口， ^*1斗轉子形成為^直 1斗轉，面的, 軸旋轉。產品轉^&括產品轉子配合面、產品轉子背面、產品出口和多個從配 合面上方布置用以引導流體在多個產品定子開口之間流動的產品轉子開口 。產 品轉子形成為繞垂直于產品轉子表面的旋轉軸旋轉。產品定^括產品定子配 合面、產品定子背面和多個開口，皿多個開口iSi在產品定子配合面和與產 品轉子可旋轉地,的產品定子背面之間。
布置在進料轉子和產品轉子之間的至少一個壓縮彈簧在進料轉子背面和產 品轉子背面上施加一個具有力心的彈簧力，這樣當閥運行時彈簧力形成轉動轉 子的最小扭矩。彈簧力的力心位于離旋轉軸距離大于零的預定距離的位置。布
10置在iffi茅斗轉子背面的至少一個彈簧定位部件與相)^布置在產品轉子背面的至少 一個彈簧定位部件對^#列。這些彈簧定位部件形成為在一個固定位置固定和 定位進茅斗轉子和產品轉子之間的壓縮彈簧。變壓吸附系統還可進一步包括與推 力滑塊上類似布置的兩個或多個彈簧定位部件相對的轉子背面的兩個或多個彈 簧定位部件，以在一個固定位置固定和定位進料轉子和產品轉子之間的兩個或 多個壓縮彈簧。
可^#3&，變壓吸附系統可以包括具有多個開口的定子殼體；包括多個開 口和背面的轉子，該轉子相對于旋轉中心軸在接觸面與定子殼體可旋轉 的接觸；與定子殼體接觸的止推軸承；與止推軸承接觸的推力滑塊；和 布置在轉子背面和推力滑塊之間的至少一個壓縮彈簧。所述至少一個壓 縮彈簧形成為在轉子上施加一個具有力心的彈簧力，這樣對于給定的彈 簧力在閥運行時使轉動轉子的扭矩最小化。所述彈簧力力心位于離旋轉 軸的距離大于零的一個預定距離的位置。
布置在產品轉子背面的至少一個彈簧定位部件，其與在推力滑塊上的至少 一個彈簧定位部件相對并對齊。這些彈簧定位部件形成為在固定位置固定和定 ^t料轉子和推力渭訣之間的壓縮彈簧。
在此公開了本發明方法的更多方面。通過舉例的方式，結合圖解說明本發
明原理的相應附圖，本發明的其它特點和優點將從im實施例的以下更詳細的
說明中顯而易見。
圖1示出了一種示例性的現有fe^旋轉閥的，視圖。
圖2A圖解說明了當壓力和彈簧力都設置在轉子中心時作用在^N^例性 轉子上的作用力的簡化視圖。
圖2B圖解說明了當沒有對到轉子中心施加壓力時作用在示例性轉子上的作 用力的簡化視圖。
圖2C圖解說明了當彈簧力OT在轉子上與壓力相同的位置時作用在示例 性轉子上的作用力的簡化視圖。
圖3是根據本發明的旋轉閥的示例性實施例的放大頂視圖。 圖4是根據本發明的旋轉閥的示例性實施例的放大底視圖。圖5是根據本發明的旋轉閥的單個轉子 例的截面示意圖。 圖6是根據本發明的示例14S料轉子的進料轉子表面的視圖。 圖7是根據本發明的示例性產品轉子的產品轉子表面的視圖。 圖8是 本發明的示出了彈簧力力心的徑向定位與,轉子以獲得不同 彈簧力所需ffl^之間的關系的曲線圖。
具體實驗式
以下將參考附圖更加全面地描述本發明，其中示出了本發明的一個，實 施例。盡管如此，本發明可以具有不同的形式，》能看作是局限在此陳述的 具體實施例；相反地，這些具體實施例是為了公開的充分和完全而提供的，并
將對本領^^人員充分^ii本發明的范圍。
本發明的具體實施例著手于可以用于ffi3i在旋轉閥內部使轉子旋轉而循環 運轉的，吸附系統(PSA)的,閥的運轉。PSA系統包括具有超大氣壓的 壓力或低于大氣壓的壓力或者超大氣壓、低于大氣壓兩者組合的混合壓力的 PSA系統。本發明的具體鄉例為改善的麟閥設計和SSfi—個能砂轉動旋
轉閥所需,的旋轉閥的方、;^m準備。
ffl3i圖3、 4所示的兩^子、兩個定子旋轉閥300對本發明的具#^￡例 進斗，釋說明。旋轉閥300可以用于例如在PSA系統中從利用四層吸附床的空 氣中回收氧和用于PSA循環，在0M循環中，W5Sl附床依皿行如下步驟(1) 制^品，(2)進料席斷品和ll^產品再增壓氣體，(3)壓力均衡下降，(4) 提供吹掃，(5)排空，(6)接收吹掃，(7)壓力均衡上升，以及(8)接收產品 再增壓氣體。旋轉閥300的針開口與在此全部弓閱作為參考的，859申請類似 M^到PSA系統。并且，PSA系統的運轉，包括閥300的運轉，將與在此全 部弓間作為參考的，859申請^l^似。
圖3、 4示出了概本發明旋轉閥300的示例性鄉例的俯圖的總圖。圖 3是麟閥300的頂部透視圖，圖4是閥300的底部透視圖。旋轉閥300包繊 料定子310、進料轉子320、產品轉子330、產品定子340和兩個jBi彈簧350。 該旋轉閥300具有中心軸A。
進料定子310包括配合面312和背面314。進料定子310還包^M3i不同線 路(未示出)連接到工藝床(未示出)進料端的多個開口 316。進料定子310
12還包括原料進給口319。原料a^口319將,到進料管(^出)以 氣體^^料定子310。原料皿口 319還允許驅動軸(未示出)穿過進料定子 310到iiS料轉子320。進料定子310還包^Si到真空管線(未示出)的廢料 口317。廢料口317連接到環狀槽318。
進料轉子320包括配合面321和背面322。進料轉子320的配合面321與進 料定子310的配合面312可旋^k,。進料轉T^包括排出/吹掃口 323、進 料口 324和在配合面321上的開口 325。進料定子310的原料進給口 319 ,原 料氣體給開口325，其經由內部逝直(標出)連接到進料口324。開口325還 允許穿過進料定子310的原料ffl^口 319的驅動軸(未示出)穿進料轉子320 的內部并M31， 328接合。應該注意到，原料進口 319和開口 325應該在具 有驅動軸(未示出)的情況下具有允許原3^氣 經口 319和開口 325的尺寸。
排出/吹掃口 323被設置為總是與進料定子310的環狀槽318流體超通。當 排出/吹掃口 323位，料定子310內的多個口 316中的一個的上方時，來自床 (標出)的氣鵬衄口316， SA排出/吹掃口 323，然;g^AJf狀槽318， 最MfflA廢料口317,雜氣體M:真空系統(未示出);!A^^4口排出。進料轉 子背面322包括驅動凸緣326。驅動凸緣326傳illffl矩給產品轉子330。進料轉 子320被設置為利用來自接合在，328內的驅動軸的扭矩傳遞，料轉子320 而鰂A麟。
如圖3、 4際，在該具體鄉例中，進料轉子320具有位于與產品轉子330 上的6個彈簧定位器361相對的6 ，簧定位器327。位^^料轉子320上的所 述6個彈簧定位器327由3個定位部件為一組的2組組成，其中每組的各定位 部件相對于穿過旋轉軸的~^￥面 定位。位于產品轉子330的彈簧定位器 361與進料轉子320上的彈簧定位器327相對并類l!^k布置。通常，,布置的 ^r數量的彈簧定位部件都可用TOi,需要的彈簧力和在所要求的地點合成 彈簧力的要求隨。
彈簧定位器327在固定位置固定ffit料轉子320和產品轉子330之間的至 少一^hM彈簧上。如同在本 例中^ ，兩個彈簧350 MM料轉子320 上的兩個彈簧定位器327相對于產品轉子330上的兩個彈簧定位器361定位。 進料轉子320的兩個彈簧定位器相對^13 轉軸線的一^面對稱布置。相 應的產品轉子330上相對的兩個彈簧定位器也類似布置。通常，應該可以M樹可數量的定位部件327、 361 fimr布置在轉子320、 330上以允許圍繞中心軸 A的彈簧350具有不同M和位移。而且，具有己公知彈^f力的,數目的彈 簧350都可以^ffl并布置在定位部件327、 361，只要它們達到所要求的總彈 簧力和力的合成中心以最小化,轉子320、 330所需要的,，同時,一個 力來密封轉子320、 330與各自的定子310、 340，以防止縫閥泄漏。另外，當 麻定位部件327、 361為凸起部件時，也可以翻凹型鵬它能朝著軒背面 定位和布置彈簧350的皿。
進料定子310和進料轉子320被設置為如圖3、 4所示的接合。當接合時， 進料定子配合面312與進料轉子配合面321在彈簧350的力作用下可旋,接 觸和密封。進料定子配合面312和進料轉子配合面321之間的密封允許閥300 ^S料定子310和進料轉子320之間基本不泄漏;^行。此處以及本說明書其 它地方所用的用語" ^泄漏",欲包括小的和運行上可接受的泄漏量。例如， 小于1%的流體泄漏就可以 ^運行上被接受，同時小于5%的流#^漏可以 在不同的運行餅下鵬受。
如在圖3、 4中可以看到地，M:,料轉子320繞軸A旋轉，進料氣體可 以 ^ 料定子310的進料口 319并經由中心進料口 325和進料轉子320的 進料口 324分mSM^擇的進料定子310內的(一個或多個)口 324。在 示 例性PSA循環中的針閥運行不再進一步解釋，^jJfc鄉弓間參考的，859申
請中,了f ^g行。
產品轉子330包括配合面331和背面332。產品轉子330進一步包括供^: 掃口333，接收吹掃口334，平衡上行口335，產品再增壓口336，產品口337, 和平衡下行口 338。產品口 337通過內部fflM(未示出)連接到中心腔(未示出)， 臓中心腔連接到產品出口339。不同的口 (333, 334， 335, 336， 337， 338)
布置在配合面331上并M:中間M3i (未示出)彼jtfc^i和/^^接到產品出口
339，如同在作為參考全部引用的'859申請中公開的那樣。
產品轉子330的背面332包括驅動凸緣360和彈簧定位器361。產品轉子 330的驅動凸緣360具有如圖3、4中所示與進料轉子驅動凸緣326接合的機構。 ^g^a料轉子320的驅動凸緣326傳g產品轉子330的驅動凸緣360,， 使產品轉子330 ■ A旋轉。其它的驅動凸緣幾何皿可以用于^a料轉子320 接合到產品轉子330。背面332還包括環部件362，用于當進料轉子320和產品轉子330接合時，進料轉子320的，328。
產品定子340包括配合面342和背面344。產品定子進一步包^^在配合 面342和背面344之間的口 346。 口 346連接至產品管線(未示出)，其連接到 本領域已公知的吸附床(未示出)的產品端。產品定子340還包括具有接^ 品轉子330的產品出口 339的結構的中心開口 348。
產品定子340和產品轉子330構成為如圖3、 4ff^的接合。當接合時，產 品定子配合面342 ilii^簧350的作用力與產品轉子配合面331可^te, 并密封。產品定子配^^面342和產品轉子配合面331之間的密封允許閥300在 產品定子340和產品轉子330之間基本無泄漏皿行。從圖3、 4可以看出，當 產品轉子330旋轉時，不同的產品轉子口 (333, 334， 335, 336, 337， 338) 與定子產品口 346對齊以集中產品、吹掃或向在此作為參考全部引用的'859 申請中描述的那樣給吸收床(未示出)再增壓。
閥300可安驗誠的殼體(未示出)中，臓殼體可以是本領職術人 員辦的能支持、連接和密封閥300的鍋。進料轉子320和產品轉子330適 于在殼體(未示出)內,A同軸旋轉。可選擇地，可M6Wt^^定子310 和減產品定子340形成殼體來構成閥室，對本領m^人員來說這同樣可以理 解。驅動軸(未示出)穿過密封的殼體并軸向糊穿3i^料定子310以及4鎖 ,^a料轉子320， ^^以于圖1所示的布置。驅動軸(未示出)可以被電動 機(未示出)驅動以皿料轉子320旋轉。
進料轉子驅動凸緣326與產品轉子配合凸緣360接合以^a料轉子310的 旋^g動^ftiiS產品轉子320。驅動凸緣326和配合凸緣360也在轉子之間, 角對準，雜當進料定子口316^t料轉子320覆蓋和^a^時，適當的產品 定子口 346同時也被定子轉子330,^^。驅動凸緣326和配合凸緣360
的特殊布置不是必需的，其它布置方法和同軸驅動都是可能的，例如，通過合 適的銷和/^i孔。對準和驅動系統構成為從一個轉子到另一，子傳,^
動，維持轉賴分之間的角對準，并允許各轉子相互之間軸向移動，雜它們 與各自的定子皿密封。
如圖5 ， 一個具體 例中可選的旋轉閥500具W^子510和定子殼 體520。在該鄉例，鵬閥500既可用^S料也可用于產品旋轉閥。轉子510 的口 (未示出)和定子殼體520的口 (未示出)可形成為與圖3、 4中^以及如上，的當用于PSA系統工藝時相應的進料和產品轉子和定子口相同或相 似。對鵬，口可以形鵬轉子510和定子殼體520的配合面(未示出)，與圖 3、 4所示的旋轉閥300的轉子和定子的配合面相同^似。
旋轉閥包括目彈簧530，其可以ffl3a力'm 540相對轉子510固定就位。 推力,540皿銷560連接到軸550。可選,，銷560可用于把推力, 540 到轉子510。在推力m^和定子殼體520之間OT止推軸承570以允許 推力滑塊540在軸550旋轉時以軸B旋轉。當允i佛力、微540以最小量的摩 擦旋轉時，止糊承570承載彈簧530的彈簧力。
彈簧530 了在轉子510和定子殼體520之間在,面515維^S4的 彈簧力。轉子510在,面515與定子殼體520可旋轉地,棘封。彈簧力 應 閥500運行時足以防止在,面515從轉子和定子口 (未示出)的 ; 泄漏。彈簧530定位在定位部件(未示出)，這與，的旋轉閥300相類似。 在該 例，示出了布置在轉子510和推力,540之間的具有不同彈簧力的 兩個彈簧530。
以下11 定合成彈簧力的大小和位置以使糊轉子所需要的艦最小化 的示例性方法。當彈簧力位于轉子的中心軸時糊轉子所需的扭矩由公式1給 出
ffl^E=2/3//FR，其中-(1)
// =摩擦系數
F-轉子和定子之間的^力(圖2中的F3) R,子雜
而且，可以表明，當轉子和定子之間的,力位于轉子,時，轉動轉子
需要的扭矩將是/^FR。
為了簡化定義，假定轉動轉子所需要的扭矩是轉子和定子間的接觸力位置
舉徑的線性函數，基于這，定，轉動轉子所需的,由公式2給出 扭矩^F (2R/3+r/3) - (2)
f,反作用力的判5
由這些分析，很明顯看出要使轉動轉子所需的,最小化，反作用力應該 位于轉子中心。盡管如此，因為轉子上的合成壓力由于轉子上不同高壓口和低 壓口的皿并^于轉子的中心，,反作用力也 于中心。因此，在具有已公知合成壓力的0f^循環工藝中為了確定能最小化,同 時防止泄漏的彈簧力的大小和位置，使用下面的方法
(a) 提供一個旋轉閥，其包括一個或多個具有一個或多個彈簧定位部件的 轉子；
(b) 確定作用在用^^擇的變壓吸附工藝的一個或多個轉子的具有大小和 錢的合鵬力；
(c) 選擇一個大小足以在變壓吸附工藝中密封一個或多個轉子而不泄漏的
彈簧力；
(d) 為施加在一個或多條子上的力的彈簧中心選擇一個位置；
(e) 計算合成機力和^#簧力和合腿力的腿；
(f) 用公式2計^^一個或多個轉子的^^子所需要的,；
(g) 將,一個或多個轉子的^W子所需的,相加確定總扭矩；
(h) 重復步驟(d)到(g)來找到那些導致轉動一個或多^子所需的總 ,最低的力的彈簧中心的，；
(i)把一個或多個彈簧布置在彈簧定位部件上，這樣總的彈簧力等于在(c) 中皿的彈簧力，并 簧力心如在(h)中，的定位；
(j)如果在變壓吸附工藝中，彈簧力不足以密封一個或多個轉子而發生泄 漏，回到(c)并逐鵬鄉簧力直到旋轉閥沒有^M漏鵬行。
下面,計算彈簧位置的例子，其中^#簧的隨能使驗標準PSA工 藝操作釗牛下運行的示例14^轉子/定子旋轉閥所需的扭矩最小。在PSA工藝中 多種槽壓力選為典型操作壓力。
圖6示出了一個具# 例的進料轉子600，其具有在面630上的進3N^f 610和一個排出敗掃槽620。轉子600具有半徑R。例如，半徑R可以大約為1 英寸。進料轉子600具有中心軸C，當在工徵作運行期間被轉動，進料軒 600將以軸C旋轉。中心軸C與閥中心軸A (圖3、 4)對齊。在PSA工藝中， 進f灘610以7磅凍寸(psig)的平均高jBg行，排出/糊槽620以一7磅/英 寸的平均低壓運行。進茅4 610中的壓力、排出/吹掃槽620內的壓力和其， 子表面上的壓力結果形成使轉子600與定子(未示出)分離的大約6.8磅的壓力。 這個力作用在圖6中指示的位置FP1，該位置大概從中心軸A偏移的距離大約 為0.5英寸。， 有供給吹掃口733，接收吹掃 口734、均衡上行口735、產品再增壓口736、產品口 737和均衡下行口 738以 及容納轉賴柳產品出口的中心孔739。各槽733 , 734 ， 735， 736， 737, 738， 739內和其它轉子表面的壓力形^C約9J磅的壓力，該壓力起作用使得產品700 從產品定子(未示出)分離。如圖7中顯示，施加在產品轉子700的力作用在 從中心軸C偏移的距離為大約0.3英寸的位置Fr2。產品槽737和中心孔739具 有最高的平均運行壓力，大約7磅凍寸，后面^^著的是產品再增壓口 736、 均衡下行口 738、均衡上行口 735、皿吹掃口 733和接收吹掃口 734內的較低 壓力。產品轉子700具有虹藝運行期間其敏旋轉的中心軸C。中心軸C與 閥中心軸A (圖3、 4)對齊。
圖8示出了因為不同彈簧力和力的彈簧中心(COF)，范圍而確定的使 進料轉子600 (圖6)和產品轉子700 (圖7)旋轉所需要的TO結果。水平軸 是彈簧力施力位置的半^^偏心距。垂直軸是轉動兩，子所需要的,。每 條曲線代表圖示的不同彈簧力。
所需要的彈簧力的確定皿首先確定作用在各轉子上的壓力來執行。壓力 的確定因為不同的原因而不同。第一，作為吸附床內的壓力改變和轉子位置改 變的結果，轉子口內的工藝壓力是連續變化的。第二，當往復泵用于給系統提 供原料氣體和真空時，在轉子口壓力可能會產生其它波動，這可能^些口引 起壓力脈動。第三，非閥口位置處的轉子面上部分的壓力分布是基于轉子面和 定子面之間的,模式估算的，兩個都不是非常的平坦。這種不平坦可能會允 許部分壓力泄漏到轉子面上并改變壓力發生作用的面積。由于這些原因，戰 行中難以確定實際需要什么樣的彈簧力。理論上，彈簧力只需要剛好大于壓力 和,力的總和以,轉子和定子SM。實際上，皿的彈簧力稍微比壓力和 ,力的總和大幾磅，此時閥會被觀察到泄漏。如果閥的泄漏皿本申請可接 受的量，縦,大彈簧力1JIJ大部分的泄漏被消除。因此，fflii利用圖8，當 彈簧力增加，合成彈簧力的腿就會被調整以維持糊轉子所需要的最小鵬。
圖8中每條曲線的端點f^在該點在其中一，子的,上會出現反作用 力。在這些端點以外，不可膨隹持轉子的靜針衡，因為壓力開始將轉子/定子 對中的一個分離。圖8表明，對于一僧定的彈簧力，具有一傾優的徑向定 位，在該皿應用該彈簧力可以使轉動轉子所需要的扭矩最小化。對于最小的
18,的徑向定位不是固定的，而是隨著應用的彈簧力發生變化。如圖8所示， 布置彈簧力的最適合判5隨著彈簧力的增大而減小。對于前面描述的彈^^擇 方法，體增大彈簧力直到閥泄漏已被消除，從圖8中能找到對辨定彈簧力 的力的彈簧中心的ft^合^S。
可以選擇不同力的彈^fefe到預先確定的總彈簧力和位置。例如，轉子可 以具有布置在不同位置的彈簧定位器，這樣允許 隨后確定的，來確定力 的彈簧中心。
本發明的一般實施例包括旋轉閥，其具有增壓的原料氣體、排氣聯管的真 空廢氣管和產品出口，以及用于連接多個吸附，料端和產品端的多個開口。 在可重復的循環工藝步驟中，所述閥可用于,工序以把流體從一個或多個加 工源頭引導到一個或多個加工目的地。
盡管通過雌實施例闡述了本發明，m本領域駄人員來說應該理解， 在不脫離本發明范圍的情況下，各種改變和同等物可以用于,其中的元件。 另外，在不脫離本發明實質范圍的情況下，在本發明的啟示下，可以作出許多 改變以適應特定情況。因此，本發明不能被限定為意圖執行本發明的作為最優 模式公開的特定實施例，本發明包括所，入所附權利要求書范圍內的所有實 施例。
權利要求
1、一種執行循環工藝操作的旋轉閥，包括進料定子，所述進料定子包括進料定子配合面、進料定子背面和連接在進料定子配合面和進料定子背面之間的多個開口；鄰近所述進料定子的進料轉子，所述進料轉子包括進料轉子配合面、進料轉子背面和布置在進料轉子配合面上用來引導流體在進料定子的多個定子開口之間流動的多個開口，所述進料轉子能夠繞垂直于進料轉子表面的軸旋轉；與進料轉子接合的產品轉子，所述產品轉子包括產品轉子配合面、產品轉子背面、產品出口以及布置在配合面上用來引導流體在產品定子的多個開口之間流動的多個開口，產品轉子能夠繞垂直于產品轉子表面的軸旋轉；鄰近產品轉子的產品定子，所述產品定子包括產品定子配合面、產品定子背面、連接在產品定子配合面和產品定子背面之間的多個開口；和布置在進料轉子和產品轉子之間的至少一個壓縮彈簧，所述壓縮彈簧被構造用以施加力心在進料轉子背面和產品轉子背面上的彈簧力，該彈簧力用于在閥運行時使轉動進料轉子和產品轉子所需的扭矩最小化。
2、 如權利要求1 g的旋轉閥，其中0Ma料轉子和0f^產品轉子被構造用以繞旋轉中心軸旋轉。
3、 如權利要求1 TO的鵬閥，其中彈簧力辦iMi于離旋糊的距離大于 零的預頓離腿。
4、 如權利要求1節悉的旋轉閥，進一步包括布置在進料轉子背面上的至少一個彈簧定位部件，其與布置在產品轉子背面上的至少一個彈簧定位部件相對，0M彈簧定位部件被構造用以在固定位置固定和定^a料轉子和產品轉子之間 的至少一個壓縮彈費。
5、 如權利要求1折悉的旋轉閥，其中在進料轉子背面上兩個或更多彈簧定 位部件相對于穿過旋,的平面對稱定位，這與類似形，產品轉子背面上的 兩個#多彈簧定位部件相對，用以在固定位置固定和定位 料轉子和產品 轉子之間的兩個^S多壓縮彈簧。
6、 一種執擺環工藝操作的旋轉閥，包括 具有多個開口的定子殼體；包括多個開口和背面的轉子，該轉子會辦相對于旋轉中心軸與定子殼,,面可麟地,；至少一個ra彈簧，其彈^^力心，在轉子背面和推力m^i之間； 布置在推力滑塊和定子殼體之間的止推軸承；0MM少一個ra彈簧被構娜以施加力心在轉子背面上的彈簧力，對于給定的彈簧力來說使驗閥運行時糊轉子所需的鄉最小化。
7、 如權利要求6臓的旋轉閥，其中彈簧力力A啦于離旋,的距離大于 零的預^E離位置。
8、 如權利要求6臓的旋轉閥，進一步包括轉子背面上的至少一個彈簧定 位部件。
9、 如權利要求6臓的旋轉閥，其中至少一個彈簧定位部件的鏡像對相對 于穿過旋,的平面 位于轉子背面上。
10、 一種鄉吸附系統，包括 多^NW床；和具有一個或多條子的麟閥，織轉閥連接到多個吸附床上并且被構造 用以在，吸附工藝中把流體弓I導至多個吸附床； 其中^^閥包括一個或多，^A旋轉的轉子;和至少一^"被構造用以對一個或多 偉子施加彈簧力的臓彈簧，該彈簧力的力心使得糊一個或多個轉子 的彈簧力所需的,量最小化。
11、 如權利要求10臓的艦吸附系統，^^轉閥進一步包括 進料定子，包括進料定子配合面； 進料定子背面；和多4Si接,料定子配合面和進料定子背面之間的進料定子開口 ； 一個或多怖子，包括與產品轉子接合的進料轉子；其中0Mit料轉，^^^轉子配合面、^^轉子背面和被布置 料轉子配合面上用以引導流,多，料定子開口之間流動的多 料轉子開口，進料轉子被構造用以^直^^料轉子表面的旋轉軸旋轉；并且其中產品轉T^括產品轉子配合面、產品轉子背面、產品出口和被布 置在配合面上用以弓l導流條多個產品定子開口之間流動的多個產品 轉子開口，產品轉子被構造用以,直于產品轉子表面的旋,旋轉; 產品定，括產品定子配合面、產品定子背面和多^Hi接在產品定子配合面和產品定子背面之間的開口，產品定子背面與產品轉子可旋^,;并且 其中至少一個目彈費被布置在進料轉子和產品轉子之間。
12、 如權利要求10臓的變壓吸附系統，其中0f^轉閥包括 具有多個開口的定子殼體；包括多個開口和背面的轉子，該轉子相對于旋轉中心軸在,面與定子殼 體可旋 ;與定子殼#@觸的止 ^承； 與止推軸承,的推力滑塊；和至少一個ra彈簧，皿體在轉子背面和推力滑塊之間。
13、 如權利要求10臓的頓吸附系統，其中彈簧力力心位于離鵬軸的距離大于零的預頓離緣
14、 如權利要求11臓的變壓吸附系統，進一步包括布置ffit料轉子背面 上的至少一個彈簧定位部件，^在產品轉子背面上布置的至少一個彈簧定位 部件相對，這^#簧定位部件被構翻以在固定隨固定進料轉子和產品轉子 之間的 彈簧。
15、 如權利要求12臓的頓吸附系統，進一步包括布置在轉子背面上的 多個彈簧定位部件，其與布置在推力m^上的多個彈簧定位部件對齊，被構造 用以固定轉子和推力m^之間的JBg彈簧。
全文摘要
公開了一種旋轉閥，所述旋轉閥具有轉子和定子，所述旋轉閥利用至少一個壓縮彈簧在轉子和定子之間提供接觸。彈簧被構造用以對抗使轉子和定子分開的壓力，并減小閥內轉動轉子所需要的扭矩大小，同時防止轉子和定子之間產生泄漏。所述彈簧可通過彈簧定位部件布置在閥內。
文檔編號F16K11/06GK101446361SQ200810184268
公開日2009年6月3日 申請日期2008年10月29日 優先權日2007年10月29日
發明者G·P·瓦格納 申請人:氣體產品與化學公司