CN101446361B - 旋转阀 - Google Patents

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Abstract

公开了一种旋转阀，所述旋转阀具有转子和定子，所述旋转阀利用至少一个压缩弹簧在转子和定子之间提供接触。弹簧被构造用以对抗使转子和定子分开的压力，并减小阀内转动转子所需要的扭矩大小，同时防止转子和定子之间产生泄漏。所述弹簧可通过弹簧定位部件布置在阀内。

Description

旋转阀
技术领域
本发明涉及一种旋转阀，特别地，本发明涉及一种用于变压吸附系统的旋转阀。
背景技术
旋转阀广泛应用于加工工业，用来在可重复进行的循环工艺步骤中将流体从一个或多个加工源头引导至一个或多个加工目的地。这些阀，也被称为旋转顺序阀，用于循环或可重复进行的工艺中，例如通过变压吸附或变温吸附来进行气体分离、通过变浓度吸附来进行流体分离、气相色谱分析或液相色谱分析、再生催化工艺、气动或液压顺序控制系统以及其它循环工艺。
广泛应用类型的旋转阀具有平坦的圆形结构，其中平的且带有开口的转子在平的且带有开口的定子上面同轴地旋转，从而使得定子和转子上的开口(ports)以预先确定的循环顺序或是对齐或是被阻断。一般地通过平的转子表面在平的定子表面上的直接接触配合来提供密封。制造这些平的表面需要高的加工精度以便防止在接触面上产生过多泄漏。刚性材料例如金属、陶瓷和/或碳通常用于这些转子和定子，但是因为温差引起的部件磨损或扭曲变形会导致表面形状的改变，由此会导致在所述表面之间形成的密封件上面产生泄漏。
具有平的圆形旋转密封结构的旋转阀对变压吸附(PSA)系统特别有用，PSA系统采用多个平行的以包括进料、压力均衡、减压、吹扫和再增压步骤的交叠循环步骤运行的吸附床。在一种典型应用中，具有多个开口的定子用来利用多个吸附床的进料端一起连接进料气体和废气管线，同时也连接多个吸附床的产品端以提供压力均衡、吹扫和其它床与床之间的传递步骤。具有多个开口的转子在定子上密封旋转，从而使得在转子旋转从而引导气体流动用以进行所需的PSA工艺循环步骤时，定子表面上的开口顺序地与转子表面上的开口对齐。
在一种典型的PSA循环中，旋转阀的内部通道在进行PSA循环时具有不同的压力。当PSA循环包括正压和负压工艺步骤时，如果阀口之间发生泄漏，那么由连接至多个吸附床的进料端和产品端的多个阀口之间的压差产生的泄漏可能导致出现多种操作问题。
旋转顺序阀，其中平的且带有开口的转子在平的且带有开口的定子上面同轴地旋转，这样定子和转子上的开口以预先确定的循环顺序或是对齐或是被阻断，所述旋转顺序阀被用于在具有多个可重复步骤的循环工艺中引导流体。在此全部引用作为参考的2005年5月8日提交的美国专利申请11/197,859(在下文标记为’859申请)公开了一种双转子/定子旋转阀系统，其采用单个轴向对准弹簧来帮助接合转子表面和定子表面以帮助转子表面和定子表面相互密封，并防止定子开口和转子开口之间的泄漏。转子开口位于转子表面不同的圆周位置并在不同的压力下运行。
’859申请中公开的现有技术中的旋转阀运行期间，开口之间的压差产生了一个穿过转子和定子配合面的非轴向力。当需要高的运行压力时，需要大的弹簧力来密封转子和定子以防止泄漏。转动转子所必须的力的大小将与弹簧向定子压缩转子的力的大小有直接关系。如果在转子和定子之间需要大的弹簧力以防止泄漏，转动转子就需要大的力。这些大的力增大了转子的磨损，需要较大的转子电动机，并增大了转子轴承磨损。
例如’859申请中发现的现有技术旋转阀1的一般布置的分解图如图1所示。在实际的运行中，阀1的各部件相互接触。如同图1中看到的，现有技术中的旋转阀1包括进料定子10、进料转子20、产品转子30、产品定子40和压缩弹簧50。现有技术的这个示例性实施例中，如图1所示，进料转子20和产品转子30被容纳在由进料定子10和产品定子40形成的壳体中。
在变压吸附(PSA)工艺中，吸附床(未示出)连接到进料定子10的开口11a、11b、11c、11d和产品定子40的开口41a、41b、41c、41d。各吸附床(未示出)的进料端通常连接到进料定子10的开口11a、11b、11c、11d，各吸附床(未示出)的产品端通常连接到产品定子40的相应开口41a、41b、41c、41d。
从图1中可看出，进料转子20和产品转子30被构造为互相接合并互锁。压缩弹簧50布置在进料转子20和产品转子30之间。压缩弹簧50朝着进料定子10压缩进料转子20以相对进料定子10密封进料转子20。压缩弹簧10同样朝着产品定子40压缩产品转子30以相对产品定子40密封产品转子30。
已公知的阀1还包括能够使进料转子20和产品转子30旋转的驱动轴60。驱动轴60包括主动驱动端62，所述主动驱动端被构造为与进料转子20上的配合部件(未示出)接合，其接合方式为当驱动轴60旋转时，进料转子20和产品转子30同样绕垂直于转子表面的轴旋转，进料转子20和产品转子30内的各个槽和进料定子10和产品定子40内的各个开口分别对准，以选择工艺线路的预定连接。
已公知的旋转阀1包括多个流体开口和通道，这些开口和通道的作用已在’859申请中更加充分地公开。不需要全部解释具体循环工艺例如PSA的运行来理解阀的运行，本领域技术人员将会理解这一点。通常，工艺操作包括改变已公知的阀1的进料转子20和产品转子30的旋转位置以允许选择要被循环的流体流。下面将对现有技术中旋转阀1的运行进行综合描述。
当进料转子20和产品转子30旋转到预定位置，转子表面上的开口与它们各自定子对齐，允许流体通过预定的连接路径流入和离开阀1。用这样的方式，作为均衡、吹扫或其它循环工艺步骤所必需的，流体可以在连接到进料定子10和产品定子40的各床之间流动。
在PSA工艺中，各床中的压力在高压和低压之间交替改变，以此分别发生吸附和解吸。在工艺操作期间，每个槽中的压力施加一个力给进料转子20和产品转子30，促使它们分别离开进料定子10和产品定子40。由于这个原因，需要压缩弹簧50相对进料定子10保持进料转子20和相对产品定子40保持产品转子30以防止泄漏。因为弹簧力和槽内的压力相对转子的中心或旋转不对称，转子上的合成力并不位于进料转子20和产品转子30的中心。这个非对称力载荷导致需要增大的弹簧力来维持转子/定子的接触，以及需要增大的扭矩致动阀和转动轴60。
图2A、2B和2C显示了在典型的PSA循环工艺中作用在旋转阀的转子200上的力的简化图。转子200的旋转中心轴用垂直的虚线A’表示。弹簧力F1是弹簧(未示出)在它向定子(未示出)推动转子200时施加到转子200的力。压力F2是来自多个开口的压力的合成力。反作用力F3是弹簧力F1和压力F2之间的差。F3也是转子200和定子(未示出)之间的接触力。反作用力F3不是作用在单个点。反作用力F3以某种方式沿着转子200分布，根据配合面的平面度、力的大小和由于施加载荷导致的转子200的轻微变形，该分布方式非常复杂。尽管如此，为了简单，这个分布力可以被分解为单一的合成反作用力F3。如果转子200和定子(未示出)保持接触就必须总有非零的反作用力F3。如果反作用力F3为零或更小，将会开始从定子分离转子200，并在转子和定子(未示出)的多个开口之间发生泄漏。承担转子和定子之间的摩擦转矩的是反作用力F3，通过它的大小和定位，来确定转动转子200所必需的扭矩大小。
图2A示出了如果压力F2位于转子200的中心作用在转子200上的力。在这个例子中，所有的力都是共线的，反作用力F3是弹簧力F1和压力F2的差。只有当压力F2是围绕转子200的对称平衡压力的合成力时才会发生这种结果。因为在典型的PSA工艺操作期间转子的多个槽内的压力不会产生作用在转子200中心的最终压力，因此这种对称分布并不存在。
图2B示出了发生在典型PSA工艺操作期间，当压力不位于转子200中心时作用在转子200上的力的分布。与上面图2A的讨论类似，反作用力F3是弹簧力F1和压力F2之间的差，但是现在，为了维持转子200的均衡以保持扭矩平衡，反作用力F3也必须从转子200的中心转移到离开转子中心的径向位置。反作用力F3的位置和大小依赖于弹簧力F1和压力F2的位置和大小。而且，因为弹簧力F1必须等于压力F2和反作用力F3的和，所以弹簧力F1必须总是大于压力F2，无论何时弹簧力F1和压力F2都不是共线的。
当弹簧力F1和压力F2不共线时，它们在转子200内引起图2B中用虚线表示的弯矩210。如果对于特殊的转子材料和厚度，力具有足够的大小，弯矩210就可能会使转子200变形。在某些应用中，通过利用更硬的材料或增大转子厚度而使得转子更硬来将这种变形抑制到足够小以防止泄漏。对于较大的转子，这可能就不切实际了。另外，F3的偏移将增大在工艺操作期间转动转子200所需的扭矩。
因此，要求如图2C所示的那样在距离旋转A’的中心轴一个预定径向距离的位置重置弹簧力F1，其与压力F2相对，以消除转子200的弯矩。反作用力F3将会作用在压力F2的同样位置。这种布置使得所需要的弹簧力F1和反作用力F3最小以及转动转子200所需的扭矩较小。
即使在弯矩和挠曲不是被重点关注的应用场合，转动电动机和使转子旋转所需要的扭矩也可能是需要重点关注的，特别是当转子开口内有高压时。通常地，要求保持该扭矩最小，这是因为减小的扭矩减小了尺寸和/或增加了转动转子必须的电动机和齿轮驱动器的寿命。
因此，需要一种能够无泄漏运行并具有使阀转子旋转所需扭矩减小的旋转阀。
本发明提供了一种能够在不产生大量泄漏的条件下运行并具有转动转子所需的最小扭矩的旋转阀。接合通过例子来图解说明本发明的原理的相应附图，其它特点和优点将从优选实施例的更详细说明中显而易见。
发明内容
公开了一种具有处于密封滑动旋转运动的转子和定子的旋转阀。该旋转阀包括压缩弹簧，其形成为使转子旋转的扭矩量减小同时防止泄漏。该阀可用在包括PSA工艺的循环工艺中，在可重复的循环工艺步骤中把流体从一个或多个加工源头引导到一个或多个加工目的地。
公开的本发明的一个实施例提供了一种用于执行循环工艺操作的旋转阀，其包括具有进料定子配合面、进料定子背面和多个连接在进料定子配合面和背面之间的开口的进料定子；邻近进料定子的进料转子，其具有进料转子配合面、进料转子背面以及布置在进料转子配合面上、用来引导流体在进料定子的多个定子开口之间流动的多个开口，进料转子绕垂直于进料转子表面的轴旋转；与进料转子接合的产品转子，其具有产品转子配合面、产品转子背面、产品出口以及布置在配合面上用来引导流体在产品定子的多个开口之间流动的多个开口，产品转子可绕垂直于产品转子表面的轴旋转；邻近产品转子的产品定子，包括产品定子配合面、产品定子背面、连接在产品定子配合面和产品定子背面之间的多个开口；以及布置在进料转子和产品转子之间的至少一个压缩弹簧，其形成为在进料转子背面和产品转子背面施加一个具有力心的弹簧力。该弹簧力形成为在阀运行时使转动进料转子和产品转子所需的扭矩最小化。
旋转阀的进料转子和产品转子形成为绕旋转中心轴旋转，弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的一个预定距离的位置。
该旋转阀还进一步包括在进料转子背面布置的至少一个弹簧定位部件，其与在进料转子背面上布置的至少一个弹簧定位部件相对，这些弹簧定位部件形成为在一个固定位置固定和定位进料转子和产品转子之间的至少一个压缩弹簧。一般来说，任何数量的弹簧定位部件可位于进料转子背面上，与产品转子背面上类似的结构相对。
公开的本发明另一个实施例提供了一种用于执行循环工艺操作的旋转阀，包括具有多个开口的定子壳体，包括多个开口和背面的转子，该转子相对于旋转中心轴与定子壳体在接触面可旋转地接触，至少一个压缩弹簧，其弹簧力力心设置在转子背面和推力滑块(thrust runner)之间；布置在推力滑块和定子壳体之间的止推轴承。该旋转阀还进一步包括至少一个压缩弹簧，该压缩弹簧施加的弹簧力被形成为在阀运行时对于给定的弹簧力转动转子所需的扭矩最小化。
旋转阀进一步包括使得弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的一个预定距离动位置，转子背面具有用来定位至少一个压缩弹簧的至少一个弹簧定位部件。旋转阀还可进一步包括使得转子背面的两个或多个弹簧定位部件与推力滑块上类似布置的两个或多个弹簧定位部件相对，以在固定位置固定和定位进料转子和推力滑块之间的两个或多个压缩弹簧。
公开的本发明的另一实施例提供了一种变压吸附系统，包括多个吸附床和具有一个或多个转子的旋转阀，该旋转阀连接到多个吸附床并形成为在变压吸附工艺中把流体引导至多个吸附床。
旋转阀包括一个或多个形成为绕旋转轴旋转的转子；和至少一个形成为对一个或多个转子施加具有力心的弹簧力的压缩弹簧，这样使得施加的弹簧力转动一个或多个转子所需的扭矩量最小化。
变压吸附系统还可包括进料定子，其具有进料定子配合面、进料定子背面以及多个连接在进料定子配合面和进料定子背面之间的进料定子开口、一个或多个转子，其包括与产品转子接合的进料转子。进料转子包括进料转子配合面、进料转子背面以及从进料转子配合面上方布置用以引导流体在多个进料定子口之间流动的多个进料转子开口，进料转子形成为绕垂直于进料转子表面的旋转轴旋转。产品转子包括产品转子配合面、产品转子背面、产品出口和多个从配合面上方布置用以引导流体在多个产品定子开口之间流动的产品转子开口。产品转子形成为绕垂直于产品转子表面的旋转轴旋转。产品定子包括产品定子配合面、产品定子背面和多个开口，所述多个开口连接在产品定子配合面和与产品转子可旋转地接触的产品定子背面之间。
布置在进料转子和产品转子之间的至少一个压缩弹簧在进料转子背面和产品转子背面上施加一个具有力心的弹簧力，这样当阀运行时弹簧力形成转动转子的最小扭矩。弹簧力的力心位于离旋转轴距离大于零的预定距离的位置。布置在进料转子背面的至少一个弹簧定位部件与相对布置在产品转子背面的至少一个弹簧定位部件对齐排列。这些弹簧定位部件形成为在一个固定位置固定和定位进料转子和产品转子之间的压缩弹簧。变压吸附系统还可进一步包括与推力滑块上类似布置的两个或多个弹簧定位部件相对的转子背面的两个或多个弹簧定位部件，以在一个固定位置固定和定位进料转子和产品转子之间的两个或多个压缩弹簧。
可选择地，变压吸附系统可以包括具有多个开口的定子壳体；包括多个开口和背面的转子，该转子相对于旋转中心轴在接触面与定子壳体可旋转的接触；与定子壳体接触的止推轴承；与止推轴承接触的推力滑块；和布置在转子背面和推力滑块之间的至少一个压缩弹簧。所述至少一个压缩弹簧形成为在转子上施加一个具有力心的弹簧力，这样对于给定的弹簧力在阀运行时使转动转子的扭矩最小化。所述弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的一个预定距离的位置。
布置在产品转子背面的至少一个弹簧定位部件，其与在推力滑块上的至少一个弹簧定位部件相对并对齐。这些弹簧定位部件形成为在固定位置固定和定位进料转子和推力滑块之间的压缩弹簧。
在此公开了本发明方法的更多方面。通过举例的方式，结合图解说明本发明原理的相应附图，本发明的其它特点和优点将从优选实施例的以下更详细的说明中显而易见。
附图说明
图1示出了一种示例性的现有技术旋转阀的分解视图。
图2A图解说明了当压力和弹簧力都设置在转子中心时作用在一个示例性转子上的作用力的简化视图。
图2B图解说明了当没有对到转子中心施加压力时作用在示例性转子上的作用力的简化视图。
图2C图解说明了当弹簧力设置在转子上与压力相同的位置时作用在示例性转子上的作用力的简化视图。
图3是根据本发明的旋转阀的示例性实施例的放大顶视图。
图4是根据本发明的旋转阀的示例性实施例的放大底视图。
图5是根据本发明的旋转阀的单个转子实施例的截面示意图。
图6是根据本发明的示例性进料转子的进料转子表面的视图。
图7是根据本发明的示例性产品转子的产品转子表面的视图。
图8是根据本发明的示出了弹簧力力心的径向定位与转动转子以获得不同弹簧力所需扭矩之间的关系的曲线图。
具体实施方式
以下将参考附图更加全面地描述本发明，其中示出了本发明的一个优选实施例。尽管如此，本发明可以具有不同的形式，而不能看作是局限在此陈述的具体实施例；相反地，这些具体实施例是为了公开的充分和完全而提供的，并将对本领域技术人员充分表达本发明的范围。
本发明的具体实施例着手于可以用于通过在旋转阀内部使转子旋转而循环运转的变压吸附系统(PSA)的旋转阀的运转。PSA系统包括具有超大气压的压力或低于大气压的压力或者超大气压、低于大气压两者组合的混合压力的PSA系统。本发明的具体实施例为改善的旋转阀设计和配置一个能减少转动旋转阀所需扭矩的旋转阀的方法做准备。
通过图3、4所示的两个转子、两个定子旋转阀300对本发明的具体实施例进行解释说明。旋转阀300可以用于例如在PSA系统中从利用四层吸附床的空气中回收氧和用于PSA循环，在所述循环中，每个吸附床依次进行如下步骤(1)制造产品，(2)进料/制造产品和提供产品再增压气体，(3)压力均衡下降，(4)提供吹扫，(5)排空，(6)接收吹扫，(7)压力均衡上升，以及(8)接收产品再增压气体。旋转阀300的各个开口与在此全部引用作为参考的’859申请类似地连接到PSA系统。并且，PSA系统的运转，包括阀300的运转，将与在此全部引用作为参考的’859申请相类似。
图3、4示出了根据本发明旋转阀300的示例性实施例的分解图的总图。图3是旋转阀300的顶部透视图，图4是阀300的底部透视图。旋转阀300包括进料定子310、进料转子320、产品转子330、产品定子340和两个压缩弹簧350。该旋转阀300具有中心轴A。
进料定子310包括配合面312和背面314。进料定子310还包括通过不同线路(未示出)连接到工艺床(未示出)进料端的多个开口316。进料定子310还包括原料进给口319。原料进给口319将连接到进料管(未示出)以提供原料气体给进料定子310。原料进给口319还允许驱动轴(未示出)穿过进料定子310到达进料转子320。进料定子310还包括连接到真空管线(未示出)的废料口317。废料口317连接到环状槽318。
进料转子320包括配合面321和背面322。进料转子320的配合面321与进料定子310的配合面312可旋转地接触。进料转子还包括排出/吹扫口323、进料口324和在配合面321上的开口325。进料定子310的原料进给口319提供原料气体给开口325，其经由内部通道(未示出)连接到进料口324。开口325还允许穿过进料定子310的原料进给口319的驱动轴(未示出)穿进料转子320的内部并通过轮毂328接合。应该注意到，原料进口319和开口325应该在具有驱动轴(未示出)的情况下具有允许原料气体流经口319和开口325的尺寸。
排出/吹扫口323被设置为总是与进料定子310的环状槽318流体连通。当排出/吹扫口323位于进料定子310内的多个口316中的一个的上方时，来自床(未示出)的气体将流过口316，进入排出/吹扫口323，然后进入环状槽318，最后进入废料口317，这样气体通过真空系统(未示出)从废料口排出。进料转子背面322包括驱动凸缘326。驱动凸缘326传递扭矩给产品转子330。进料转子320被设置为利用来自接合在轮毂328内的驱动轴的扭矩传递给进料转子320而绕轴A旋转。
如图3、4所示，在该具体实施例中，进料转子320具有位于与产品转子330上的6个弹簧定位器361相对的6个弹簧定位器327。位于进料转子320上的所述6个弹簧定位器327由3个定位部件为一组的2组组成，其中每组的各定位部件相对于穿过旋转轴的一个平面对称定位。位于产品转子330的弹簧定位器361与进料转子320上的弹簧定位器327相对并类似地布置。通常，任何布置的任何数量的弹簧定位部件都可用于达到所需要的弹簧力和在所要求的地点合成弹簧力的要求位置。
弹簧定位器327在固定位置固定在进料转子320和产品转子330之间的至少一个压缩弹簧上。如同在本实施例中所示，两个弹簧350通过进料转子320上的两个弹簧定位器327相对于产品转子330上的两个弹簧定位器361定位。进料转子320的两个弹簧定位器相对于通过旋转轴线的一个平面对称布置。相应的产品转子330上相对的两个弹簧定位器也类似布置。通常，应该可以理解任何数量的定位部件327、361都可布置在转子320、330上以允许围绕中心轴A的弹簧350具有不同数量和位移。而且，具有已公知弹簧力的任何数目的弹簧350都可以被选用并布置在定位部件327、361，只要它们达到所要求的总弹簧力和力的合成中心以最小化转动转子320、330所需要的扭矩，同时提供一个力来密封转子320、330与各自的定子310、340，以防止大量阀泄漏。另外，当所示定位部件327、361为凸起部件时，也可以选用凹型或其它能朝着转子背面定位和布置弹簧350的形状。
进料定子310和进料转子320被设置为如图3、4所示的接合。当接合时，进料定子配合面312与进料转子配合面321在弹簧350的力作用下可旋转地接触和密封。进料定子配合面312和进料转子配合面321之间的密封允许阀300在进料定子310和进料转子320之间基本不泄漏地运行。此处以及本说明书其它地方所用的用语“基本不泄漏”意欲包括小的和运行上可接受的泄漏量。例如，小于1％的流体泄漏就可以在某些运行上被接受，同时小于5％的流体泄漏可以在不同的运行条件下被接受。
如在图3、4中可以看到地，通过使进料转子320绕轴A旋转，进料气体可以提供给进料定子310的进料口319并经由中心进料口325和进料转子320的进料口324分配至所选择的进料定子310内的(一个或多个)口324。在此对示例性PSA循环中的整个阀运行不再进一步解释，在此全部引用参考的’859申请中提供了所述运行。
产品转子330包括配合面331和背面332。产品转子330进一步包括供给吹扫口333，接收吹扫口334，平衡上行口335，产品再增压口336，产品口337，和平衡下行口338。产品口337通过内部通道(未示出)连接到中心腔(未示出)，所述中心腔连接到产品出口339。不同的口(333，334，335，336，337，338)布置在配合面331上并通过中间通道(未示出)彼此连接和/或连接到产品出口339，如同在作为参考全部引用的’859申请中公开的那样。
产品转子330的背面332包括驱动凸缘360和弹簧定位器361。产品转子330的驱动凸缘360具有如图3、4中所示与进料转子驱动凸缘326接合的机构。扭矩从进料转子320的驱动凸缘326传递给产品转子330的驱动凸缘360，这样使产品转子330绕轴A旋转。其它的驱动凸缘几何形状可以用于把进料转子320接合到产品转子330。背面332还包括环部件362，用于当进料转子320和产品转子330接合时容纳进料转子320的轮毂328。
产品定子340包括配合面342和背面344。产品定子进一步包括连接在配合面342和背面344之间的口346。口346连接至产品管线(未示出)，其连接到本领域已公知的吸附床(未示出)的产品端。产品定子340还包括具有接收产品转子330的产品出口339的结构的中心开口348。
产品定子340和产品转子330构成为如图3、4所示的接合。当接合时，产品定子配合面342通过弹簧350的作用力与产品转子配合面331可旋转地接触并密封。产品定子配合面342和产品转子配合面331之间的密封允许阀300在产品定子340和产品转子330之间基本无泄漏地运行。从图3、4可以看出，当产品转子330旋转时，不同的产品转子口(333，334，335，336，337，338)与定子产品口346对齐以集中产品、吹扫或向在此作为参考全部引用的’859申请中描述的那样给吸收床(未示出)再增压。
阀300可安装在合适的壳体(未示出)中，所述壳体可以是本领域技术人员理解的能支持、连接和密封阀300的结构。进料转子320和产品转子330适于在壳体(未示出)内绕轴A同轴旋转。可选择地，可通过改造进料定子310和/或产品定子340形成壳体来构成阀室，对本领域技术人员来说这同样可以理解。驱动轴(未示出)穿过密封的壳体并轴向转动穿过进料定子310以及传递扭矩给进料转子320，这类似于图1所示的布置。驱动轴(未示出)可以被电动机(未示出)驱动以使进料转子320旋转。
进料转子驱动凸缘326与产品转子配合凸缘360接合以把进料转子310的旋转运动传递至产品转子320。驱动凸缘326和配合凸缘360也在转子之间保持角对准，这样当进料定子口316被进料转子320覆盖和未覆盖时，适当的产品定子口346同时也被定子转子330覆盖或未覆盖。驱动凸缘326和配合凸缘360的特殊布置不是必需的，其它布置方法和同轴驱动都是可能的，例如，通过合适的销和/或插孔。对准和驱动系统构成为从一个转子到另一个转子传递旋转运动，维持转子部分之间的角对准，并允许各转子相互之间轴向移动，这样它们与各自的定子保持密封。
如图5所示，一个具体实施例中可选的旋转阀500具有转子510和定子壳体520。在该实施例，旋转阀500既可用于进料也可用于产品旋转阀。转子510的口(未示出)和定子壳体520的口(未示出)可形成为与图3、4中所示以及如上所述的当用于PSA系统工艺时相应的进料和产品转子和定子口相同或相似。类似地，口可以形成在转子510和定子壳体520的配合面(未示出)，与图3、4所示的旋转阀300的转子和定子的配合面相同或类似。
旋转阀包括压缩弹簧530，其可以通过推力滑块540相对转子510固定就位。推力滑块540通过销560连接到轴550。可选择地，销560可用于把推力滑块540连接到转子510。在推力滑块和定子壳体520之间使用止推轴承570以允许推力滑块540在轴550旋转时以轴B旋转。当允许推力滑块540以最小量的摩擦旋转时，止推轴承570承载弹簧530的弹簧力。
弹簧530提供了在转子510和定子壳体520之间在接触面515维持接触的弹簧力。转子510在接触面515与定子壳体520可旋转地接触并密封。弹簧力应该选择在阀500运行时足以防止在接触面515从转子和定子口(未示出)的大量泄漏。弹簧530定位在定位部件(未示出)，这与上述的旋转阀300相类似。在该实施例，示出了布置在转子510和推力滑块540之间的具有不同弹簧力的两个弹簧530。
以下提供确定合成弹簧力的大小和位置以使转动转子所需要的扭矩最小化的示例性方法。当弹簧力位于转子的中心轴时转动转子所需的扭矩由公式1给出：
扭矩＝2/3μFR ，其中——(1)
μ＝摩擦系数
F＝转子和定子之间的接触力(图2中的F3)
R＝转子半径
而且，可以表明，当转子和定子之间的接触力位于转子边缘时，转动转子需要的扭矩将是μFR。
为了简化定义，假定转动转子所需要的扭矩是转子和定子间的接触力位置半径的线性函数，基于这个假定，转动转子所需的扭矩由公式2给出：
扭矩＝μF(2R/3+r/3)——(2)
r＝接触反作用力的半径
由这些分析，很明显看出要使转动转子所需的扭矩最小化，反作用力应该位于转子中心。尽管如此，因为转子上的合成压力由于转子上不同高压口和低压口的位置并不位于转子的中心，接触反作用力也不位于中心。
因此，在具有已公知合成压力的所选循环工艺中为了确定能最小化扭矩同时防止泄漏的弹簧力的大小和位置，使用下面的方法：
(a)提供一个旋转阀，其包括一个或多个具有一个或多个弹簧定位部件的转子；
(b)确定作用在用于选择的变压吸附工艺的一个或多个转子的具有大小和位置的合成压力；
(c)选择一个大小足以在变压吸附工艺中密封一个或多个转子而不泄漏的弹簧力；
(d)为施加在一个或多个转子上的力的弹簧中心选择一个位置；
(e)计算合成接触力和所选弹簧力和合成压力的位置；
(f)用公式2计算转动一个或多个转子的每个转子所需要的扭矩；
(g)将转动一个或多个转子的每个转子所需的扭矩相加确定总扭矩；
(h)重复步骤(d)到(g)来找到那些导致转动一个或多个转子所需的总扭矩最低的力的弹簧中心的位置；
(i)把一个或多个弹簧布置在弹簧定位部件上，这样总的弹簧力等于在(c)中所选的弹簧力，并且弹簧力心如在(h)中所选的定位；
(j)如果在变压吸附工艺中，弹簧力不足以密封一个或多个转子而发生泄漏，回到(c)并逐渐增大弹簧力直到旋转阀没有大量泄漏地运行。
下面提供计算弹簧位置的例子，其中所述弹簧的位置能使得在标准PSA工艺操作条件下运行的示例性双转子/定子旋转阀所需的扭矩最小。在PSA工艺中多种槽压力选为典型操作压力。
图6示出了一个具体实施例的进料转子600，其具有在面630上的进料槽610和一个排出/吹扫槽620。转子600具有半径R。例如，半径R可以大约为1英寸。进料转子600具有中心轴C，当在工艺操作运行期间被转动，进料转子600将以轴C旋转。中心轴C与阀中心轴A(图3、4)对齐。在PSA工艺中，进料槽610以7磅/英寸(psig)的平均高压运行，排出/吹扫槽620以-7磅/英寸的平均低压运行。进料槽610中的压力、排出/吹扫槽620内的压力和其它转子表面上的压力结果形成使转子600与定子(未示出)分离的大约6.8磅的压力。这个力作用在图6中指示的位置FP1，该位置大概从中心轴A偏移的距离大约为0.5英寸。
图7示出了一个示例性的产品转子700，其具有供给吹扫口733，接收吹扫口734、均衡上行口735、产品再增压口736、产品口737和均衡下行口738以及容纳转子轴承和产品出口的中心孔739。各槽733，734，735，736，737，738，739内和其它转子表面的压力形成大约9.3磅的压力，该压力起作用使得产品700从产品定子(未示出)分离。如图7中显示，施加在产品转子700的力作用在从中心轴C偏移的距离为大约0.3英寸的位置FP2。产品槽737和中心孔739具有最高的平均运行压力，大约7磅/英寸，后面接连跟着的是产品再增压口736、均衡下行口738、均衡上行口735、供给吹扫口733和接收吹扫口734内的较低压力。产品转子700具有在工艺运行期间其绕之旋转的中心轴C。中心轴C与阀中心轴A(图3、4)对齐。
图8示出了因为不同弹簧力和力的弹簧中心(COF)半径范围而确定的使进料转子600(图6)和产品转子700(图7)旋转所需要的扭矩结果。水平轴是弹簧力施力位置的半径或偏心距。垂直轴是转动两个转子所需要的扭矩。每条曲线代表图示的不同弹簧力。
所需要的弹簧力的确定通过首先确定作用在各转子上的压力来执行。压力的确定因为不同的原因而不同。第一，作为吸附床内的压力改变和转子位置改变的结果，转子口内的工艺压力是连续变化的。第二，当往复泵用于给系统提供原料气体和真空时，在转子口压力可能会产生其它波动，这可能在某些口引起压力脉动。第三，非阀口位置处的转子面上部分的压力分布是基于转子面和定子面之间的接触模式估算的，两个都不是非常的平坦。这种不平坦可能会允许部分压力泄漏到转子面上并改变压力发生作用的面积。由于这些原因，在运行中难以确定实际需要什么样的弹簧力。理论上，弹簧力只需要刚好大于压力和接触力的总和以保持转子和定子接触。实际上，所选的弹簧力稍微比压力和接触力的总和大几磅，此时阀会被观察到泄漏。如果阀的泄漏超过本申请可接受的量，就逐渐增大弹簧力直到大部分的泄漏被消除。因此，通过利用图8，当弹簧力增加，合成弹簧力的位置就会被调整以维持转动转子所需要的最小扭矩。
图8中每条曲线的端点代表在该点在其中一个转子的边缘上会出现反作用力。在这些端点以外，不可能维持转子的静态平衡，因为压力开始将转子/定子对中的一个分离。图8表明，对于一个给定的弹簧力，具有一个最优的径向定位，在该位置应用该弹簧力可以使转动转子所需要的扭矩最小化。对于最小的扭矩的径向定位不是固定的，而是随着应用的弹簧力发生变化。如图8所示，布置弹簧力的最适合半径随着弹簧力的增大而减小。对于前面描述的弹簧选择方法，试着增大弹簧力直到阀泄漏已被消除，从图8中能找到对于特定弹簧力的力的弹簧中心的最适合位置。
可以选择不同力的弹簧来达到预先确定的总弹簧力和位置。例如，转子可以具有布置在不同位置的弹簧定位器，这样允许根据随后确定的应用来确定力的弹簧中心。
本发明的一般实施例包括旋转阀，其具有增压的原料气体、排气联管的真空废气管和产品出口，以及用于连接多个吸附床进料端和产品端的多个开口。在可重复的循环工艺步骤中，所述阀可用于任何工序以把流体从一个或多个加工源头引导到一个或多个加工目的地。
尽管通过优选实施例阐述了本发明，但对本领域技术人员来说应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，各种改变和同等物可以用于替代其中的元件。另外，在不脱离本发明实质范围的情况下，在本发明的启示下，可以作出许多改变以适应特定情况。因此，本发明不能被限定为意图执行本发明的作为最优模式公开的特定实施例，本发明包括所有落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种执行循环工艺操作的旋转阀，包括：
进料定子，所述进料定子包括进料定子配合面、进料定子背面和连接在进料定子配合面和进料定子背面之间的多个开口；
邻近所述进料定子的进料转子，所述进料转子包括进料转子配合面、进料转子背面和布置在进料转子配合面上用来引导流体在进料定子的多个定子开口之间流动的多个开口，所述进料转子能够绕垂直于进料转子表面的轴旋转；
与进料转子接合的产品转子，所述产品转子包括产品转子配合面、产品转子背面、产品出口以及布置在配合面上用来引导流体在产品定子的多个开口之间流动的多个开口，产品转子能够绕垂直于产品转子表面的轴旋转；
邻近产品转子的产品定子，所述产品定子包括产品定子配合面、产品定子背面、连接在产品定子配合面和产品定子背面之间的多个开口；和布置在进料转子和产品转子之间的至少一个压缩弹簧，所述压缩弹簧被构造用以施加力心在进料转子背面和产品转子背面上的弹簧力，该弹簧力用于在阀运行时使转动进料转子和产品转子所需的扭矩最小化。
2.如权利要求1所述的旋转阀，其中所述进料转子和所述产品转子被构造用以绕旋转中心轴旋转。
3.如权利要求1所述的旋转阀，其中弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的预定距离位置。
4.如权利要求1所述的旋转阀，进一步包括布置在进料转子背面上的至少一个弹簧定位部件，其与布置在产品转子背面上的至少一个弹簧定位部件相对，所述弹簧定位部件被构造用以在固定位置固定和定位进料转子和产品转子之间的至少一个压缩弹簧。
5.如权利要求2所述的旋转阀，包括在进料转子背面上的、相对于穿过旋转中心轴的平面对称定位的两个或更多弹簧定位部件，以及在产品转子背面上的、相对于穿过旋转中心轴的平面对称定位的两个或更多弹簧定位部件，所述在进料转子背面上的两个或更多弹簧定位部件相对于所述在产品转子背面上的两个或更多弹簧定位部件定位，使得所述弹簧定位部件在固定位置固定和定位在进料转子和产品转子之间的两个或更多压缩弹簧。 
6.一种执行循环工艺操作的旋转阀，包括：
具有多个开口的定子壳体；
包括多个开口和背面的转子，该转子能够相对于旋转中心轴与定子壳体在接触面可旋转地接触；
至少一个压缩弹簧，其弹簧力力心设置在转子背面和推力滑块之间；
布置在推力滑块和定子壳体之间的止推轴承；
所述至少一个压缩弹簧被构造用以施加力心在转子背面上的弹簧力，对于给定的弹簧力来说使得在阀运行时转动转子所需的扭矩最小化。
7.如权利要求6所述的旋转阀，其中弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的预定距离位置。
8.如权利要求6所述的旋转阀，进一步包括转子背面上的至少一个弹簧定位部件。
9.如权利要求6所述的旋转阀，其中至少一个弹簧定位部件的镜像对相对于穿过旋转轴的平面对称位于转子背面上。
10.一种变压吸附系统，包括：
多个吸附床；和
具有一个或多个转子的旋转阀，该旋转阀连接到多个吸附床上并且被构造用以在变压吸附工艺中把流体引导至多个吸附床；
其中所述旋转阀包括：
一个或多个绕旋转轴旋转的转子；和至少一个被构造用以对一个或多个转子施加弹簧力的压缩弹簧，该弹簧力的力心使得转动一个或多个转子的弹簧力所需的扭矩量最小化。
11.如权利要求10所述的变压吸附系统，所述旋转阀进一步包括：
进料定子，包括：
进料定子配合面；
进料定子背面；和
多个连接在进料定子配合面和进料定子背面之间的进料定子开口；
一个或多个转子，包括：
与产品转子接合的进料转子；
其中所述进料转子包括进料转子配合面、进料转子背面和被布置在进 料转子配合面上用以引导流体在多个进料定子开口之间流动的多个进料转子开口，进料转子被构造用以绕垂直于进料降子表面的旋转轴旋转；
并且
其中产品转子包括产品转子配合面、产品转子背面、产品出口和被布置在配合面上用以引导流体在多个产品定子开口之间流动的多个产品转子开口，产品转子被构造用以绕垂直于产品转子表面的旋转轴旋转；
产品定子包括：
产品定子配合面、产品定子背面和多个连接在产品定子配合面和产品
定子背面之间的开口，产品定子背面与产品转子可旋转地接触；并且其中至少一个压缩弹簧被布置在进料转子和产品转子之间。
12.如权利要求10所述的变压吸附系统，其中所述旋转阀包括
具有多个开口的定子壳体；
包括多个开口和背面的转子，该转子相对于旋转中心轴在接触面与定子壳体可旋转地接触；
与定子壳体接触的止推轴承；
与止推轴承接触的推力滑块；和
至少一个压缩弹簧，其被设置在转子背面和推力滑块之间。
13.如权利要求10所述的变压吸附系统，其中弹簧力力心位于离旋转轴的距离大于零的预定距离位置。
14.如权利要求11所述的变压吸附系统，进一步包括布置在进料转子背面上的至少一个弹簧定位部件，其与在产品转子背面上布置的至少一个弹簧定位部件相对，这些弹簧定位部件被构造用以在固定位置固定进料转子和产品转子之间的压缩弹簧。
15.如权利要求12所述的变压吸附系统，进一步包括布置在转子背面上的多个弹簧定位部件，其与布置在推力滑块上的多个弹簧定位部件对齐，被构造用以固定转子和推力滑块之间的压缩弹簧。 
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