迴轉閥及使用該迴轉閥的色譜分析系統的製作方法
2023-07-12 08:08:51
專利名稱：迴轉閥及使用該迴轉閥的色譜分析系統的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種用於流體分析系統的迴轉閥，尤其涉及一種性能改進的迴轉閥。本發明還涉及一種使用這種迴轉閥的色譜分析系統。
背景技術：
在各種分析方法中，即，色譜法、在線測量等等，許多科學儀器需要流體控制裝置。通常，這可以通過使用不同類型的流體流動路徑開關閥而實現。作為非限制性的例子，這些閥門的功能可以例如是注射試樣、樣品流選擇、流體重新定向、殘留物收集、溶劑選擇、分離柱選擇或組合以及實現特殊分析方法所需的其它流體轉換流體路徑。
在這些系統中，流體壓力的範圍可以從真空到大約10,000磅/平方英寸(psig)的數值。流體相可以是氣體或液體。在確定待識別和量化的雜質時，為了使分析方法具有準確度、精確度和可重複性，至關重要的是，在分析方法中使用的閥門需要滿足最嚴格的參數，如內部汙染、交叉埠滲漏、從系統的內側向外側的滲漏、死滯體積，惰性和吸附性等。在某些情況中，閥門要在比如400℃這樣的高溫下進行操作，而其性能不會下降。
幾種這樣的分析法在致力於置入在工業過程控制設備中的科學儀器中得到應用。在這樣的應用中，分析系統必須在無人幹預的情況下連續運行。為了獲得滿足這些標準的分析系統和方法，閥門必須在對其進行任何維修之前能夠在優選為兩年或更多年的長時間內正常工作。
在下文中，將要解釋幾個分析法的例子，來幫助讀者理解閥門性能是怎樣影響系統的總體性能的。它們不是單獨的，而是在用於任何特定應用的分析法的基礎上具有許多的閥門和柱的組合。然而，在所有可能使用的方法中，閥門性能是決定系統性能的關鍵參數。
參見圖1A到1D，其中示出了現有技術中用於氣相色譜法中的六埠閥。這是色譜法最簡單的應用。需要分析的樣品流入樣品環路。如圖1A和1B所示，分離柱和檢測器被非常純淨的載氣吹掃過。如圖1C和1D所示，當閥門的轉子在定子表面旋轉時，新的凹槽對準產生新的流體流動路徑。這一位置通常稱作″注射試樣″位置。在這一位置上，樣品環路的物質通過載氣先被傳送到分離柱中，然後傳送到檢測器中。各種雜質在分離柱中被分離，然後從檢測器單獨產生一高斯峰(Gaussian peak)形狀的信號。這一峰值的表面通過通常稱為″積分器″的支持硬體和軟體，來積分計算它的面積。然後計算的面積被按比例放大來報告某些工程單位中的雜質的含量。然後閥門恢復到圖1A和1B所示的採樣位置，開始新的分析循環。
圖2A到2C示出了使用兩個六埠閥和兩個分離柱的另一個常用結構。這一結構經常用在樣品基質，即樣品背景，不同於載氣的情形下。在該情況中，如果樣品背景到達檢測器，就會產生一巨大的峰值，掩蓋一些所關心的雜質，並且有些型號的檢測器會因為過載而受損害。為了避免這種情況，大多數樣品背景首先被第一分離柱″中心切割(heartcuted)″或排出到系統外。如圖2B所示，這是通過在樣品注入位置旋轉閥門V1的轉子來注射樣品而得到的。然後，在適當的時候，如圖2C所示，閥門V2的轉子旋轉，以將來自第一分離柱的流出物導出系統外。當大部分樣品背景已經排出，並在所關心的雜質流出第一分離柱之前，閥門V2就恢復到它的原始位置。然後，在作為分析柱的第二分離柱中，雜質將被分離，並且隨之被引導進入檢測器。由於極少或不存在樣品背景，故不會發生檢測器過載。
市場上有許多兩個或多個位置的迴轉閥，他們都有一定子和一轉子，這兩個部分通常由平坦表面組成。大多數時候，一平坦表面比另一平坦表面要硬。為了便於討論，參見圖1A到1D，其中示出了用於色譜法的一典型樣品注射迴轉閥。通過在定子表面上轉動轉子來改變流體流動路徑。圖1A和1B示出了處於採樣位置的閥門，而圖1C和1D示出了處於注射樣品位置的閥門。通過將轉子強有力地按壓到定子表面上可以起到密封作用。多數時候，轉子由比定子更軟的材料組成。為了得到一個平整表面和具有最小粗糙度，定子通常被拋光。定子和轉子用各種不同的材料來製作，如金屬、陶瓷和各種聚合物。當流體是液態時，滲漏比起流體是氣態時低得多，即使在同樣的工作壓力下也如此。液體比起氣體來，分子尺寸大得多，它們的形狀也更加複雜。
在使用液體介質的色譜儀應用中，工作壓力相當高，有時達到10,000磅/平方英寸。這樣高的工作壓力要求有好的密封表面以使滲漏最小化。
對於氣態的應用，工作壓力要低得多，多數時候低於300磅/平方英寸，典型地在100到150磅/平方英寸。然而，當載氣或樣品是氫氣或氦氣時，非常難以得到好的密封。
氦分子的直徑大約為0.26nm。在定子或轉子表面上由於表面打磨缺陷引起的最小的刮痕也會導致從埠至埠的滲漏。表面打磨可以被看作隨機分布的凹槽網絡。這使得要得到長時間的良好密封變得困難。現今，使用這種閥門的分析方法和系統更有效率了。這意味著整個分析周期的時間在某些情況下已經被縮減了十倍。所以閥門更加頻繁地啟動，它們的使用壽命縮短，並且時常要求維修。如美國專利6,453,946所披露的，這樣的維修以前要求每六個月進行一次，但是現在可能要求每個星期進行一次。而設備停工是人們所不願意的。
在實驗室環境下，頻繁的停工期可以處在可接受的限度內。在這種環境中，通常有技師來照管分析設備並且對它們重新配置來進行一種新的分析方法。然而，對於流程色譜儀而言，頻繁的停工是一個嚴重的問題。流程氣相色譜儀必須作為一個獨立單元進行連續操作。流程氣相色譜儀的分析結果是複雜的過程控制迴路的輸入值。當閥門開始慢慢地滲漏時，分析結果就變得不穩定和不準確。這也許會在特定生產過程中產生嚴重後果。
現有技術中使用的迴轉閥有一固定部分和一活動部分，通常稱作定子和轉子。這樣的組件的一個例子示出在圖3A到3D中。通常，轉子中有一些通道，來允許定子埠的各種氣體連通。通過在定子表面上轉動轉子來改變流體流動路徑。從定子的埠看，旋轉運動改變了轉子上通道的位置。因此，通過改變轉子中的通道構造和定子中的埠數目可以得到不同的流體路徑。
現在參見圖4A到4D，分別示出了10通閥和12通閥的兩種結構。圖5A和5B示出了一種用於樣品流選擇的結構。這些結構不是限定性的或排它性的，可以有許多其它結構。
現有技術中已公知迴轉閥系統的幾種實施例。它們中的有些僅為樣品迴路注射設計，另一些用於注射試樣載荷，還有一些用於多位置流體路徑轉換。埠數為從4到典型的12。對於樣品流選擇而言，埠數目可以較多。由於粒子汙染，或者僅僅是通過在各平坦表面之間的摩擦，它們全部都經受較快磨損。目前還沒有方法來防止或延遲隨著時間產生的交叉埠流汙染。這樣的迴轉閥系統披露在下列美國專利中3,203,249；3,223,123；3,297,053；4,068,528；4,182,184；4,242,909；4,243,071；4,393,726；4,476,731；4,506,558；4,577,515；5,207,109；5,803,117；6,012,488；6,155,123和6,672,336。它們全部都依靠平面密封，其最多維持9個月左右。
在現有技術中，有些閥門是呈圓錐形，如圖6A和6B所示，或者是呈球形，但是它們都面臨同樣的問題。如圖6A和6B所示的錐形閥構思大量地用於大多數實驗室色譜儀中。這種閥門由瓦科(Valco)公司製造，並且美國專利No.4,222,412對這樣的閥門進行了說明。
在美國專利No.2,519,574披露了克服前述問題的早期嘗試，即，在該情況下是內部或外部滲漏。即使所述的4路閥不是專門設計來用於分析系統，但所示的構思也可以被用於此。所示的位於兩個平坦表面之間的循環流體O環類密封件可以避免從閥門內部到其外部的滲漏，並且也可以防止內側受到汙染。然而，這類密封件要求時常更換。密封效果取決於兩平坦表面施加在密封件上的恆定壓力，粒子汙染導緻密封件磨損而發生滲漏。當壓力和/或溫度變化時，所用的材料(通常為彈性體，但也可能是其它材料)還可以釋放或吸附一些樣品分子。而且，當表面被流體的粒子或來自密封件磨損的粒子刮擦時，沒有方法來避免交叉埠滲漏。
在現有技術中還知道，美國專利No.5,193,581描述了一種通過未選擇的樣品流來消除選擇樣品的汙染的方法。在轉子中有一排空凹槽，運走來自未選擇的通道的滲漏，但是也存在著嚴重的缺點。這一方法並不能夠解決在未選擇的埠之間存在交叉埠滲漏的問題。如果各種樣品是活性的並且不兼容，那麼這就很重要。轉子中也存在死滯體積。在轉子和閥門外殼之間還有一O形環，起密封作用，因此會發生漏氣並且O形環磨損會導致滲漏。
在現有技術中還知道，美國專利文獻No.6,067,864描述了一種選樣迴轉閥，其試圖通過未選擇的樣品來除去一選擇樣品的汙染。該方法使用一真空源通過一公共埠來清空全部未選擇的通道。在選擇的通道和未選擇的排空體積之間總是存在正的壓力差。然而，由於系統使用O形環來密封，因此還存在嚴重的缺陷。所以，會發生漏氣並且由於磨損會引起的滲漏。此外，全部未選擇的樣品流必須是兼容的，因為它們混合在一起。
在現有技術中還知道，美國專利No.6,453,946描述了一種延長閥門的使用壽命的方法。這一方法建議使用維斯伯(vespel)作為轉子的材料和塗覆有碳化鎢/碳(WC/C)的不鏽鋼。即使這一方法有助於在滲漏發生前保持較長的壽命，但它也不會維持二或三年。其報告可達200,000次循環，然而，在流程氣相色譜法系統中閥門每兩分鐘啟動一次，在一年之後也將超過200,000次循環。因此滲漏還是會發生，並要求進行維修。
因此，需要提供一種迴轉閥，能夠克服現有迴轉閥的缺點，卻具有在過程分析設備中所需的較長壽命。
發明內容
本發明的目的是提供一種滿足上述需要的迴轉閥。
因此，本發明提供一種迴轉閥，該迴轉閥具有定子，該定子具有定子界面和多個流體敞開埠，每一埠具有位於定子界面上的開口。迴轉閥還具有轉子，該轉子與定子共軸，且可在多個轉子位置中的每一個之間相對於定子繞一軸線旋轉。轉子有轉子界面，與定子界面位置相對。轉子還具有至少一個流體通道，該流體通道具有在轉子界面上延伸的開口，用以與定子的流體敞開埠可操作地相互作用。迴轉閥還具有流體循環線路，該線路包括在轉子界面上延伸的環形凹槽狀流體迴路。環形流體迴路有一外部環形槽和一內部凹槽，二者均在轉子界面上延伸。流體迴路還有多個分隔凹槽，在轉子界面上徑向地延伸。每一分隔凹槽連接在每一個內部和外部凹槽上，以限定多個彼此隔離的轉子界面部分。每一轉子界面部分包含著至多一個流體通道。流體循環線路還具有流體入口和流體出口，二者都具有位於定子界面上的開口。每一入口和出口與內部和外部凹槽中的相應一個連續地流體連通，以在環形凹槽狀流體迴路中提供連續的流體流動。
在本發明的一種優選實施例中，每一流體通道在各轉子界面部分中的相應一個上延伸。每一流體通道特別地成形為，當轉子處於各轉子位置中的一個位置處時，連接兩個相鄰的埠，從而在所述位置上在兩個相鄰的埠之間提供流體流動路徑。優選地，各埠圓形地布置在一埠圓上，該埠圓與轉子的內部和外部凹槽之間的定子界面同心，並且每一流體通道在轉子界面上與所述圓一致地彎曲地延伸。
在本發明的另一優選實施例中，內部凹槽有一環形部分，該環形部分在其上限定了一中心轉子界面部分。各埠特別地布置成，在各轉子位置中的任何位置處，其中一個埠與各轉子界面部分中的一個對準。流體通道具有在轉子界面上延伸的第一和第二開口。第一開口在中心轉子界面部分上延伸，並且得以與和其對準的相應埠連續流體連通。第二開口在其餘的各轉子界面部分中的一個上延伸，並且得以在指定的轉子位置處與和其對準的相應埠流體連通，從而在兩埠之間提供流體流動路徑，同時與第一和第二開口流體連通。
在本發明的再一優選實施例中，其中一個埠與中心轉子界面部分對準。其餘各埠布置成第一和第二埠對，每一埠對都與各轉子界面部分中的一個對準。流體通道在轉子界面上延伸的第一和第二開口。第一個開口在中心轉子界面部分上延伸，並且得以與和其對準的相應埠連續流體連通。第二開口在其餘的各轉子界面部分中的一個上延伸，並且得以在指定的轉子位置處與和其對準的相應埠對中的一個埠流體連通，從而在兩埠之間提供流體流動路徑，同時與第一和第二開口流體連通。轉子還具有多個凹槽。每一凹槽在其餘的各轉子界面部分中相應的一個上延伸，以分別將相應的一對埠對中的每一個埠一起連接在各轉子位置中的一個位置處，從而在相應的埠對中的每一個埠之間提供一排出流體流動路徑。
按照本發明的另一方面，提供一種具有所述迴轉閥的色譜分析系統。該色譜分析系統還具有監視裝置，該監視裝置可操作地連接到流體出口來監測在其中流過的流體。
有利地，本發明的迴轉閥防止交叉埠滲漏，並能夠通過排空滲漏來消除任何可能的滲漏所引起的後果。此外，轉子的分隔凹槽和相應的流動流體的掃除作用有利於消除堆積和聚集粒子的可能性，不然，這些聚集的粒子會劇烈地損害轉子和定子表面。在轉子的分隔凹槽上的清掃液有利於提供自清潔作用。本發明的迴轉閥還改善了使用壽命。
通過閱讀詳細說明並參考附圖，本發明的這些和其它的目的和優點將更加清楚，其中圖1A(現有技術)是公知技術的處於採樣位置的傳統迴轉閥的分解透視圖。
圖1B(現有技術)是使用圖1A所示的處於採樣位置的迴轉閥的注射試樣系統的略圖。
圖1C(現有技術)是如圖1A所示處於注射試樣位置的迴轉閥的分解透視圖。
圖1D(現有技術)是圖1B所示的注射試樣系統處於注射試樣位置的略圖。
圖2A(現有技術)是使用圖1A中迴轉閥的另一注射試樣系統的略圖，系統處於採樣位置。
圖2B(現有技術)是如圖2A所示的注射試樣系統的略圖，系統處於注射試樣位置。
圖2C(現有技術)是如圖2A所示的注射試樣系統的略圖，系統處於中心切割位置。
圖3A(現有技術)是公知技術的處於採樣位置的另一迴轉閥的分解透視圖。
圖3B(現有技術)是圖3A所示的迴轉閥的轉子的前視平面圖。
圖3C(現有技術)是圖3A所示的迴轉閥處於注射試樣位置的分解透視圖。
圖3D(現有技術)是圖3C所示的迴轉閥的轉子的前視平面圖。
圖4A(現有技術)是公知技術的另一迴轉閥的分解透視圖。
圖4B(現有技術)是圖4A所示的迴轉閥的轉子的前視平面圖。
圖4C(現有技術)是公知技術的另一迴轉閥的分解透視圖。
圖4D(現有技術)是圖4C所示的迴轉閥的轉子的前視平面圖。
圖5A(現有技術)是公知技術的另一迴轉閥的分解透視圖。
圖5B(現有技術)是圖5A所示的迴轉閥的前視平面圖。
圖6A(現有技術)是公知技術的另一迴轉閥的分解透視圖。
圖6B(現有技術)是圖6A所示的迴轉閥的轉子的詳細透視圖。
圖7A是根據本發明優選實施例的迴轉閥的分解透視圖。
圖7B是圖7A所示的迴轉閥的定子的透視圖。
圖7C是圖7A所示的迴轉閥的轉子的透視圖。
圖7D是圖7C所示的轉子的前視平面圖。
圖8A到8E是圖7A所示的迴轉閥在不同位置的前視平面圖。
圖9A是根據本發明的另一實施例的另一個迴轉閥的分解透視圖。
圖9B是圖9A所示的迴轉閥的前視平面圖。
圖10是根據本發明的另一實施例的另一個迴轉閥的分解透視圖。
圖11是根據本發明實施例的一注射試樣系統的略圖。
圖12A是根據本發明的另一實施例的另一個迴轉閥的分解透視圖。
圖12B是圖12A所示的迴轉閥的轉子的放大透視圖。
儘管本發明要結合實施例來進行描述，但是應該理解，其無意將本發明的保護範圍限制於這些實施例中。相反地，其目的在於覆蓋了由所附的權利要求所限定的內容所包括的所有替換方式、修改和等同物。
具體實施例方式
在下面的說明書中，圖中的類似特徵採用類似的附圖標記來標記，並且為了使圖形簡潔，如果有些元件已經在前面的附圖中被標識，那麼它們在有些附圖中就不再被標記了。
本發明涉及一種用於將樣品流體注入到流動流體中或從多個處理樣本點單獨選擇處理流體的迴轉閥。它還可以用於多功能流體和氣相色譜法中的流徑。因此，本發明提供一種多埠和多位置的迴轉閥和一種能用於樣品流選擇、注射試樣或多功能的閥門上的方法，該閥門用於分析系統中或如液壓和氣動系統等的工業應用中。應該理解，在整個說明書中，表達用語″流體″旨在包括比如氣體或液體的任何流體。換句話說，本發明的迴轉閥可用於氣體分析系統或液體分析系統中。
本發明通過提供一種具有以下特徵的改進的迴轉閥來減小現有技術中存在的最令人關注的問題沒有死滯體積，也不存在交叉埠滲漏。閥門是惰性的，也就是既不吸附也不排氣。迴轉閥在高達每平方英寸數千磅的真空下均可操作。迴轉閥在高溫下也可操作，並防止內部和外部滲漏。迴轉閥有利地具有自清洗作用。即使在連續使用的情況下，迴轉閥也有較長使用壽命，即，三年或更長。此外，本發明的迴轉閥在臨界的流體流徑中並不依靠彈性體或O環類型的密封件。此外，本發明的迴轉閥可以有利地用於能自診斷的色譜分析系統中，因此迴轉閥的終止壽命能夠實時確定。此外，本發明提供一替換方法，可用於翻新現有設計，並因其具有前述特徵而使其能夠維持更長使用壽命。
本方法的核心是以在轉子上增加額外的凹槽和在定子上增加額外的埠為基礎的。這些凹槽通過排空滲漏能夠消除任何可能滲漏的影響。它們還能排除堆積的顆粒。優選地，用來製造轉子和定子的材料具有良好的惰性和耐高溫能力。凹槽邊緣的形狀和轉子和定子使用的材料有利地具有較長的機械壽命。
參考圖7A到7D，示出了一種六埠迴轉閥20，其採用了實現本發明目的的構思。迴轉閥20包括一定子22，該定子有一定子界面24和多個流體敞開埠26。每一埠26在定子界面24上有一開口28。迴轉閥還具有一與定子22共軸的轉子30，該轉子可在多個轉子位置中的每一個位置之間相對於定子22圍繞一軸線旋轉。轉子30有一轉子界面32，與定子界面24位置相對，還有至少一個流體通道34，其上有一在轉子界面32上延伸的開口36，用於與定子22的流體敞開埠26可操作地相互作用。在所示的實施例中，每一定子界面24和轉子界面32具有平面形狀。但是，這些界面還可以是圓錐形的或球形的。這些界面還可以具有本領域已知的適宜的任何形狀。
迴轉閥20還具有一流體循環線路，該流體循環線路具有一在轉子界面32上延伸的環形凹槽狀流體迴路38。環形流體迴路38有一外部環形槽40和一內部凹槽42，二者均在轉子界面32上延伸。流體迴路38還有多個分隔凹槽44，在轉子界面上32徑向地延伸。每一分隔凹槽44連通至內外部凹槽42，40中的每一個上，限定了多個彼此隔離的轉子界面部分46。
每一轉子界面部分46包含著各流體通道34的至多一個。由此可以理解，任何給定的轉子界面部分可以包括一完全的流體通道、流體通道的一部分或完全沒有流體通道。然而，在單個轉子界面部分內不會找到兩條不同的流體通道的部分；如此，轉子界面部分的邊界能夠提供防止在不同的流體通道之間發生交叉汙染的屏障。流體循環線路還具有一流體入口48和一流體出口50，每一個在定子界面24上有一開口52。每一入口和出口48，50與內外部凹槽42，40中的相應的一個連續地流體連通，以在環路凹槽流體迴路38中提供一種連續的流體流動。如所示，凹槽42優選地具有一圓形形狀，其徑向地與流體入口和出口48，50中相應的一個的開口52對應。
還是參見圖7A到7D，在說明的優選實施例中，優選地，三個流體通道34中的每一個在三個轉子界面部分46中的相應的一個中延伸。每一流體通道34特別地成形，以便當轉子30處於一個轉子位置時，連接兩個相鄰的埠26，從而在所述位置上在兩個相鄰埠26之間提供一流體流動路徑。優選地，各埠26圓形地布置在一埠圓上，該埠圓與在轉子30的內外凹槽42，40之間的定子界面24同心。每一流體通道34優選地在轉子界面32上與所述圓一致地彎曲延伸。從該所示的實施例中可知，每一流體通道34優選地具有其開口36，該開口在轉子界面32上縱向地敞開，來精確連接兩個相鄰的埠26。但是，應該注意到，每一流體通道34還可以在轉子30內部延伸，並具有在轉子界面32上延伸的第一和第二開口，該第一和第二開口中的每一個都和相應的埠26對準，以連接兩個相鄰的埠26。
因此，在這一優選方案中，如任何其它常規的注射試樣六埠閥門系統一樣，閥門20的流體敞開埠26具有連接到並且通過閥門20的一載氣迴路和一樣氣迴路。可以理解的是，對於特定的應用，可以想到採用任何適當數量的埠26。
但是，環形凹槽狀流體迴路38中的連續流體流動提供了進入到閥門20中的額外氣體迴路。載氣在入口48處引入，掃過外部環形槽40和分隔凹槽44，然後在出口50處流出閥門20。當然，應該理解，入口48和出口50的位置是可以互換的。
當閥門需要被旋轉或啟動時，這通過採用與其它六埠迴轉閥一樣的方法來完成，即，如圖8A到8E所示，通過在定子22上旋轉轉子30來完成。
轉子30從圖8A所示的位置旋轉到8B、8C和8D所示的中間位置，並終止於8E所示的最終位置。位置8B、8C和8D顯示，一次只有一個分隔凹槽44通過定子22的任何埠26。因此，在該優選實施例中，如圖7D所示，每一分隔凹槽44優選地在預定的位置延伸，以使得當轉子30相對於定子20在任何方位時，各埠26中的至多一個與環形流體迴路38流體連通。這就防止了在定子臨界埠26之間的短路或連接，這在不同埠之間的交叉汙染可能會導致爆炸或其它的危險反應的情形下，是特別有利的。
當閥門20處於它的其中一個最終位置時，也就是說8A或8E，從三對埠26中的任意一個中發生的任何滲漏都會到達各分隔凹槽44中的一個中，並會被循環線路上的純淨吹掃載氣帶走離開閥門20。可見，從閥門20處排出的滲漏不會與閥門的雜質識別和量化的過程或其它主要功能發生幹涉。因此，分隔凹槽44能夠消除由於轉子或定子界面24，32的磨損而可能隨時間出現的任何交叉埠滲漏帶來的後果。此外，外部環形槽40防止從閥門20發生的任何內部或外部滲漏。如果發生了，外部和內部滲漏從閥門20排出，而不會到達關鍵的分析流體路徑。此外，外部環形槽40可以起有效密封的作用。因此，它能同時密封和排出滲漏。
在又一具體實施例中，迴轉閥優選地具有一密封外殼，將轉子30和定子22封裝在其中。外殼由載氣淨化。因此，其將閥門的關鍵分析流體路徑從其環境完全隔離開。
再參見圖7A到7D，在該實施例中，轉子30和定子22優選地由超硬陶瓷製成，例如氧化鋁或氧化鋯。轉子和定子界面32，24優選地被很好地拋光，這樣將轉子30設置在定子22上就能排空在兩面之間的環境空氣，從而產生一真空。此外，這些界面34，32可以塗覆有各種作為潤滑劑的材料，來提高表面的質量。所用的塗覆層的種類取決於使用的閥門的工作條件，也即，流體的溫度和種類。這些參數是本領域技術人員所公知的，在此不再作進一步描述。
本發明優選實施例中的閥門20的另一個有利的特徵是由陶瓷製成的凹槽和埠的邊界上沒有鋒銳的邊緣。取代鋒銳邊緣的是，定子22的每一流體敞開埠26優選地具有一向下的斜邊緣或一圓形。流體通道34的開口36也優選地具有一向下的斜邊緣或一圓形。內部凹槽42、外部凹槽40和分隔凹槽44中的每一個也有利地具有一向下的斜邊緣或一圓形。這樣就消除了當轉子界面32在定子界面24上旋轉時，在界面24，32的邊緣上的″刀片″效果。由此避免了在界面上的刮屑堆積引起的過度磨損及由此產生的滲漏。在又一優選實施例中，每一分隔凹槽44可以有利地具有在其邊緣上伸展的翼片，來增加機械清除效應。翼片優選由聚四氟乙烯製成，但是任何其它柔軟的和非吸收性材料都可以採用。還可以設想，在每一分隔凹槽44的相對的兩邊緣上設置一翼片，或者在分隔凹槽44的其中一個上設置單個翼片。
過去限制採用陶瓷來製造定子的原因是將配合管連接到定子上很困難。在本發明的一種優選實施例中，定子具有金屬基部元件和提供定子界面24的陶瓷元件。陶瓷元件設置在金屬基部元件上，以提供較長的預期壽命。各定子元件密封在一起，陶瓷元件與金屬基部元件具有對準的通道。然而，如美國專利6,453,946中所描述的那樣，這樣的組件存在一些缺點。特別是，閥門的體積被加大，引起了離散和在高溫下滲漏的風險。這樣的閥門由Rheodyne L.P公司製造，型號為7750E-020。
在本發明的優選實施例中，流體管銅焊到定子的陶瓷元件上。該銅焊在真空下進行，提供了不具有死滯體積並且防漏的連接。通過將管穿送至閥座上的它們對應的埠，直到陶瓷元件就位於閥座的平坦表面上，從而使得陶瓷定子管組件安裝到閥外殼的基部上。優選地，定子22還有一組保持銷，例如三個，並且有緊密的配合公差。這些銷能夠將陶瓷元件保持並定位在閥座上。保持銷阻止了定子22由於轉子30的旋轉運動而可能引起的任何旋轉，並且保持定子埠26相對於轉子通道34準確對準。
在又一優選實施例中，迴轉閥還具有一驅動機構，該驅動機構可操作地連接到轉子30上，以在各轉子位置中的一個期望位置驅動轉子。然後，轉子30連接到驅動機構上，並且以適當的和精確的角度與定子22對準。優選地，每一流體通道34精確地連接各定子埠26中的兩個埠。閥蓋和其基部的金屬襯墊安裝在閥座上，並且被適當地緊固。轉子的軸伸出閥蓋。在閥門安裝在烘箱中的情況下，任何長度的驅動軸都能得以安裝。這樣，驅動機構可以處在環境溫度中。驅動機構可以是一電動機、螺線管、氣動工具，或者簡單的用手轉動的把手。
因此，參見圖7A到7D，在本發明的其中一個最優選實施例中，轉子30和定子22優選為由超硬材料，即陶瓷(氧化鋁或氧化鋯)製成。轉子和定子的凹槽和埠優選地具有一平滑的圓邊緣，而不是一鋒銳的邊緣。轉子和定子界面32，24有利地被高度拋光，並具有與應用情況相適應的潤滑塗覆層。定子管優選地銅焊在其上。定子22和轉子30有利地被安裝在密封的外殼上，通過載氣得到淨化。分隔凹槽44設置成彼此呈適當的角度，以使一次只有一個分隔凹槽44通過一個定子埠26。這樣的閥門有利地用於色譜系統中。在該系統中，載氣和樣氣以一種常規的方式連接。載氣連接到入口48上，與外部環形槽40對準。該載氣吹掃過外部環形槽40和分隔凹槽44，然後在定子的流體出口50處流出。此外，閥門20有利地具有由載氣淨化的密封外殼。具有了這些特徵，就獲得了一種極高性能的閥門。這種閥門是惰性的，沒有死滯體積，並且不受長時間發展的滲漏的影響。這種閥門的使用壽命與現有技術中已知的閥門比起來變得很長。
此外，參見圖11，本發明還提供一種使用了如前所述的迴轉閥20的色譜分析系統54。這樣的分析系統54設有監視裝置，該監視裝置可操作地連接到流體出口50上，以監視在其中流過的流體。優選地，監視裝置包括一純度檢測器56，用來探測所述流體的汙染。因此，優選地，定子22的流體出口50連接到純度檢測器56上。這就使得當臨界滲漏由於元件不可避免的磨損隨時間延續而發生時，閥門診斷系統可以警告用戶。任何滲漏都會改變在純度檢測器56中流動的氣體的純度，流體純度的改變程度給出了磨損的指示，用戶能因此採取適當的措施。這在以往是做不到的，並且在流程色譜儀停工要付出高昂代價的情況下具有難以置信的價值。現在，有了這樣的系統，只有在需要的時候才進行維修。從實驗室的測試來看，這樣的閥門系統展示了它能在用氦作為載氣的氣相色譜儀中，每三分鐘注射一次試樣的情況下，運行三年以上的能力。系統性能通過觀察分析檢測器和安裝在流體出口50上的純度檢測器56而得到監測。
甚至在通過連續驅動閥門來加速使用期的測試期間，也沒有記錄到內部汙染，並且沒有出現分析性能降低。即使純度檢測器56開始檢測到一些內部滲漏，還是取得了使系統的有效壽命顯著延長的效果。優選地，純度檢測器56以一種同步的方式讀取數據，即，當一個分隔凹槽44經過樣品埠26時，在致動之前有些延遲，以避免讀取常規的″樣值脈衝″。還看得出來，分隔凹槽44不但有在各種工作壓力下消除內部滲漏的作用，而且還有一種潔淨效應。氣體通過內外凹槽42，40及通過分隔凹槽44得到淨化，並帶走任何來自汙染試樣或者界面磨損的微粒。因此，由於有了以上特徵，色譜閥門就不再是一種簡單的損害系統性能的而且必須被頻繁更換以避免分析系統退化的機械部件。相反地，當它和純度檢測器連接起來時，成了系統的智能部分。這是本發明的一個有利的特點，因為系統可以變得能夠自診斷，這對於各種處理分析設備而言都是一大優點。
在其它應用情況的其它閥門的埠布置中，本發明的構思也是非常有用的。例如，在分析系統中一項重要的功能是測量各種樣品流中的某些雜質。因此要求依次選擇各種樣品流。故而就需要一樣品流選擇閥。
圖9A和9B示出了用於這種應用情況的本發明的閥門20的第一優選實施例。這一具體實施例示出了四樣品流選擇閥，但應當理解的是，其並非限於四個，而是可以擴展至更多的樣品通道。在這一優選實施例中，內部凹槽42有一環形部分，其限定了一中心轉子界面58部分。埠26特別地設置成，在任一轉子位置處，其中一個埠26與轉子界面部分46，58的其中一個對準。流體通道34具有在轉子界面32上延伸的第一和第二開口60，62。第一個開口60在中心轉子界面部分58上延伸，並且得以與和其對準的相應埠26連續地流體連通。第二開口62在其餘的轉子界面部分46中的一個上延伸，並且得以在給定的轉子位置處與和其對準的相應埠26流體連通，從而在兩埠26之間提供一流體流動路徑，同時地與第一和第二開口60，62的流體連通。如所示，埠26和其餘的轉子界面部分44對準，優選為成圓形地布置在一埠圓上，該埠圓與轉子30的內外凹槽42，40之間的轉子界面32同心。有利地，閥門20還可以安裝在一淨化外殼中，同前述的注射閥類似。這些特徵使得樣品流選擇閥門不具有死滯體積，也不會有交叉埠滲漏。再者，這種閥門的使用期比本領域任何已知的樣品流選擇迴轉閥的使用期長得多。通過使轉子30在定子22上轉動來選擇樣品流。內外凹槽42，40和分隔凹槽44通過清潔的和高純度的氣體得到淨化。這一淨化過程可以在正壓下或者真空下進行。該淨化的目的是再一次排空任何可能汙染選定的位於閥門20外面的樣品的滲漏。通過外部環形槽40和包裹閥門的淨化外殼來清除內部和外部汙染。
在如前所述的一優選實施例中，並參見圖11，還可以提供這樣一種分析系統，其能夠通過監視在流體出口50處流出閥門的淨化氣體的純度進行自診斷。在條件極其苛刻(高度危機)的應用場合中，比如爆炸物檢測或者有毒氣體中，圖9A和9B中所示的閥門20具有很高的價值，因為用戶可以確保系統的完好性。樣品不會由樣品流選擇系統被汙染。
仍然參考圖11，還應該理解，在特殊的應用中，本發明的多個閥門還可以組合在一個分析系統中。每一閥門都具有自己的純度檢測器56。然而，在使用連接到每一個其它閥門上的附加樣品流選擇閥門時，連接到樣品流選擇閥門上的單個純度檢測器56也能用於監測通過每一閥門的流體。這一特殊的布置能夠檢測到每一流體的汙染，而不會顯著地增加系統的成本。
圖10示出了基於該方法的樣品流選擇的另一個有利的變型。在這一情形下，未選定的樣品被繞開，以保持一恆流，並且被單獨地排出到系統的外面。當各種樣品的類型不一樣並且不兼容時，這是非常有用的。在所描述的實施例中，其中一個埠26與中心轉子界面部分58對準。其餘埠26優選地設置成第一和第二埠對64。每對64都在一指定位置和各轉子界面部分46中的一個對準。流體通道34具有在轉子界面32上延伸的第一和第二開口60，62。第一開口60在中心轉子界面部分58上延伸，並且得以與和其對準的相應埠26連續流體連通。第二開口62在其餘的各轉子界面部分46中的一個上延伸，並且得以在指定的轉子位置處與和其對準的相應的埠對64中的一個埠26流體連通，從而在兩埠26之間提供一流體流動路徑，同時與第一和第二開口60，62流體連通。有利地，轉子30上還有多個凹槽66，每一凹槽66在其餘的各轉子界面部分46中相應的一個上延伸，以分別將相應的埠對64中的每一埠26一起連接在其中一個轉子位置上，從而在相應的埠對64中的每一個埠26之間提供一排出流體流動。如所述，每埠對64中的每個第一埠優選地成環形布置在與轉子界面32同心的第一埠圓上。每埠對64中的每個第二埠優選地成環形布置在與轉子界面32同心的第二圓上。當然，根據特定的應用情況，還可以構想任何其它適當的埠26布置。
圖12A和12B說明了本發明的另一個優選實施例。該實施例示出了一種與瓦科(Valco)公司製造的閥門類似的錐形閥，但是它是按照本發明的構思來製造的。這一閥門20已經在實驗室中進行了測試，並且在選用氦氣作為載氣的情形下展示了優秀的性能。已經證明，它的預期使用壽命比未改進的產品至少長三倍。這對於在本領域安裝使用的眾多系統是一次真正的改善。
雖然在此是對本發明的優選實施例作了詳細描述，並在附圖中示出，但應該理解，本發明並不限於這些特定的實施例，而是可以在不脫離本發明的範圍或者實質的情況下對其作出各種變化和修改。
權利要求
1.一種迴轉閥，包括定子，該定子具有定子界面和多個流體敞開埠，每個所述埠具有位於所述定子界面上的開口；轉子，該轉子與所述定子共軸，並且可在多個轉子位置中的每一個位置之間相對於所述定子繞一軸線旋轉，所述轉子具有一與所述定子界面位置相對的轉子界面，還具有至少一個流體通道，該流體通道設有在所述轉子界面上延伸的開口，用以與定子的流體敞開埠可操作地相互作用；以及流體循環線路，其包括在所述轉子界面上延伸的環形凹槽狀流體迴路，所述環形流體迴路包括外部環形凹槽和內部凹槽，二者均在所述轉子界面上延伸，所述流體迴路還包括多個在所述轉子界面上徑向地延伸的分隔凹槽，每一所述分隔凹槽連接到所述內部和外部凹槽中的每一個上，以限定多個彼此隔離的轉子界面部分，每一所述轉子界面部分包含著至多一個流體通道；以及流體入口和流體出口，二者都具有位於所述定子界面上的開口，所述入口和出口中的每一個與所述內部和外部凹槽中的相應一個連續流體連通，以在所述環形凹槽狀流體迴路中提供連續的流體流動。
2.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一所述流體通道在所述轉子界面部分中的相應一個上延伸，每一所述流體通道特別地成形為，當所述轉子處於所述轉子位置中的一個位置時，連接兩個相鄰的埠，從而在所述位置上在所述的兩個相鄰的埠之間提供流體流動路徑。
3.如權利要求2所述的迴轉閥，其特徵在於，所述各埠圓形地布置在一埠圓上，該埠圓與在所述轉子的所述內部和外部凹槽之間的所述定子界面同心，每一所述流體通道在所述轉子界面上與所述圓一致地彎曲地延伸。
4.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一所述分隔凹槽在一預定的位置處延伸，以使得對於所述轉子相對於所述定子的任何方位，至多一個所述埠與所述環形流體迴路流體連通。
5.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述內部凹槽具有圓形形狀，該圓形徑向地與所述流體入口和出口中相應的一個的開口對應。
6.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述內部凹槽包括一環形部分，該環形部分在其中限定了一中心轉子界面部分。
7.如權利要求6所述的迴轉閥，其特徵在於，所述埠特別地布置成，在所述轉子位置中的任一位置處，所述各埠中的一個與所述轉子界面部分中的一個對準。
8.如權利要求7所述的迴轉閥，其特徵在於，所述流體通道包括在所述轉子界面上延伸的第一和第二開口，所述第一開口在所述中心轉子界面部分上延伸，並且得以與和其對準的相應埠連續流體連通，所述第二開口在其餘的各轉子界面部分中的一個上延伸，並且得以在指定的轉子位置處與和其對準的相應埠流體連通，從而在兩埠之間提供流體流動路徑，同時與所述第一和第二開口流體連通。
9.如權利要求8所述的迴轉閥，其特徵在於，與所述其餘的各轉子界面部分對準的所述埠圓環形地布置在一埠圓上，該埠圓與所述轉子的所述內部和外部凹槽之間的所述轉子界面同心。
10.如權利要求6所述的迴轉閥，其特徵在於，所述各埠中的一個與所述中心轉子界面部分對準，其餘各埠布置成第一和第二埠對，所述埠對中的每一個在指定的位置都和所述轉子界面部分中的一個對準，所述流體通道包括在所述轉子界面上延伸的第一和第二開口，所述第一開口在所述中心轉子界面部分上延伸，並且得以與和其對準的相應埠連續流體連通，所述第二開口在其餘的各轉子界面部分中的一個上延伸，並且得以在指定的轉子位置處與和其對準的相應埠對中的一個埠流體連通，從而在兩埠之間提供流體流動路徑，同時與所述第一和第二開口流體連通，所述轉子還包括多個凹槽，每一所述凹槽在所述其餘的各轉子界面部分中相應的一個上延伸，以分別將相應的埠對中的每一個埠一起連接在所述各轉子位置中的一個位置上，從而在相應的埠對中的每一個埠之間提供排出流體的流動路徑。
11.如權利要求10所述的迴轉閥，其特徵在於，每個所述埠對的每個第一埠圓形地布置在與所述轉子界面同心的第一埠圓上，每個所述埠對的每個第二埠圓形地布置在與所述轉子界面同心的第二圓上。
12.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個所述定子界面和所述轉子界面都為平面形。
13.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個所述定子界面和所述轉子界面都為圓錐形。
14.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個所述定子界面和所述轉子界面都為球形。
15.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個所述流體敞開埠的開口都有一平滑的斜邊緣。
16.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述流體通道的開口有一平滑的斜邊緣。
17.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個所述內部凹槽、外部凹槽和分隔凹槽都有一平滑的斜邊緣。
18.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述迴轉閥還包括一可操作地連接於所述轉子的驅動機構，用以在所述各轉子位置中的所需位置處驅動所述轉子。
19.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述迴轉閥還包括一密封外殼，用於將轉子和定子密封在其中，所述外殼用一流體淨化。
20.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個定子和轉子都由超硬陶瓷製成。
21.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個定子界面和轉子界面都被拋光。
22.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，每一個定子界面和轉子界面都具有塗覆層。
23.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述定子包括提供所述定子界面的陶瓷元件和金屬基部元件，所述定子還包括提供流體敞開埠的多個流體管，所述流體管銅焊到所述的陶瓷元件上。
24.如權利要求23所述的迴轉閥，其特徵在於，所述定子還包括一組在其中延伸的保持銷，用來將陶瓷元件和金屬基部元件保持並定位在一起。
25.如權利要求1所述的迴轉閥，其特徵在於，所述迴轉閥還包括至少一個翼片，每一個所述翼片在各分隔凹槽中的一個的邊緣上延伸。
26.一種色譜分析系統，包括如權利要求1所述的迴轉閥；以及監視裝置，其可操作地連接到流體出口用以監測流過的流體。
27.如權利要求25所述的色譜分析系統，其特徵在於，所述監視裝置包括用來檢測所述流體的汙染的純度檢測器。
28.如權利要求25所述的色譜分析系統，其特徵在於，所述監視裝置同步地監測所述流體。
全文摘要
本發明提供一種用於流體分析系統的迴轉閥。本發明的迴轉閥具有改善了的性能，例如延長了使用壽命。該閥能夠實現不同的流體分析功能，且可以是多埠和/或多位置的閥門。該閥在轉子上具有額外的凹槽，在定子上具有額外的埠。這些凹槽能夠通過排出滲漏而消除任何可能的滲漏帶來的後果。這樣的閥還能防止交叉埠滲漏，並且有利地被用於條件極其苛刻的場合。而且，本發明的閥還可用於能夠有利地進行自診斷的分析系統中。
文檔編號F16K11/074GK101044346SQ200480044192
公開日2007年9月26日 申請日期2004年8月25日 優先權日2004年8月25日
發明者Y·加馬什, A·福捷 申請人:機械分析公司