CN101044346B - 回转阀及使用该回转阀的色谱分析系统 - Google Patents

回转阀及使用该回转阀的色谱分析系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于流体分析系统的回转阀。本发明的回转阀具有改善了的性能，例如延长了使用寿命。该阀能够实现不同的流体分析功能，且可以是多端口和/或多位置的阀门。该阀在转子上具有额外的凹槽，在定子上具有额外的端口。这些凹槽能够通过排出渗漏而消除任何可能的渗漏带来的后果。这样的阀还能防止交叉端口渗漏，并且有利地被用于条件极其苛刻的场合。而且，本发明的阀还可用于能够有利地进行自诊断的分析系统中。

Description

回转阀及使用该回转阀的色谱分析系统
技术领域
本发明一般地涉及一种用于流体分析系统的回转阀，尤其涉及一种性能改进的回转阀。本发明还涉及一种使用这种回转阀的色谱分析系统。
背景技术
在各种分析方法中，即，色谱法、在线测量等等，许多科学仪器需要流体控制装置。通常，这可以通过使用不同类型的流体流动路径开关阀而实现。作为非限制性的例子，这些阀门的功能可以例如是注射试样、样品流选择、流体重新定向、残留物收集、溶剂选择、分离柱选择或组合以及实现特殊分析方法所需的其它流体转换流体路径。
在这些系统中，流体压力的范围可以从真空到大约10,000磅/平方英寸(psig)的数值。流体相可以是气体或液体。在确定待识别和量化的杂质时，为了使分析方法具有准确度、精确度和可重复性，至关重要的是，在分析方法中使用的阀门需要满足最严格的参数，如内部污染、交叉端口渗漏、从系统的内侧向外侧的渗漏、死滞体积，惰性和吸附性等。在某些情况中，阀门要在比如400℃这样的高温下进行操作，而其性能不会下降。
几种这样的分析法在致力于置入在工业过程控制设备中的科学仪器中得到应用。在这样的应用中，分析系统必须在无人干预的情况下连续运行。为了获得满足这些标准的分析系统和方法，阀门必须在对其进行任何维修之前能够在优选为两年或更多年的长时间内正常工作。
在下文中，将要解释几个分析法的例子，来帮助读者理解阀门性能是怎样影响系统的总体性能的。它们不是单独的，而是在用于任何特定应用的分析法的基础上具有许多的阀门和柱的组合。然而，在所有可能使用的方法中，阀门性能是决定系统性能的关键参数。
参见图1A到1D，其中示出了现有技术中用于气相色谱法中的六端口阀。这是色谱法最简单的应用。需要分析的样品流入样品环路。如图1A和1B所示，分离柱和检测器被非常纯净的载气吹扫过。如图1C和1D所示，当阀门的转子在定子表面旋转时，新的凹槽对准产生新的流体流动路径。这一位置通常称作″注射试样″位置。在这一位置上，样品环路的物质通过载气先被传送到分离柱中，然后传送到检测器中。各种杂质在分离柱中被分离，然后从检测器单独产生一高斯峰(Gaussian peak)形状的信号。这一峰值的表面通过通常称为″积分器″的支持硬件和软件，来积分计算它的面积。然后计算的面积被按比例放大来报告某些工程单位中的杂质的含量。然后阀门恢复到图1A和1B所示的采样位置，开始新的分析循环。
图2A到2C示出了使用两个六端口阀和两个分离柱的另一个常用结构.这一结构经常用在样品基质，即样品背景，不同于载气的情形下.在该情况中，如果样品背景到达检测器，就会产生一巨大的峰值，掩盖一些所关心的杂质，并且有些型号的检测器会因为过载而受损害.为了避免这种情况，大多数样品背景首先被第一分离柱″中心切割(heartcuted)″或排出到系统外.如图2B所示，这是通过在样品注入位置旋转阀门V1的转子来注射样品而得到的.然后，在适当的时候，如图2C所示，阀门V2的转子旋转，以将来自第一分离柱的流出物导出系统外.当大部分样品背景已经排出，并在所关心的杂质流出第一分离柱之前，阀门V2就恢复到它的原始位置.然后，在作为分析柱的第二分离柱中，杂质将被分离，并且随之被引导进入检测器.由于极少或不存在样品背景，故不会发生检测器过载.
市场上有许多两个或多个位置的回转阀，他们都有一定子和一转子，这两个部分通常由平坦表面组成。大多数时候，一平坦表面比另一平坦表面要硬。为了便于讨论，参见图1A到1D，其中示出了用于色谱法的一典型样品注射回转阀。通过在定子表面上转动转子来改变流体流动路径。图1A和1B示出了处于采样位置的阀门，而图1C和1D示出了处于注射样品位置的阀门。通过将转子强有力地按压到定子表面上可以起到密封作用。多数时候，转子由比定子更软的材料组成。为了得到一个平整表面和具有最小粗糙度，定子通常被抛光。定子和转子用各种不同的材料来制作，如金属、陶瓷和各种聚合物。当流体是液态时，渗漏比起流体是气态时低得多，即使在同样的工作压力下也如此。液体比起气体来，分子尺寸大得多，它们的形状也更加复杂。
在使用液体介质的色谱仪应用中，工作压力相当高，有时达到10,000磅/平方英寸。这样高的工作压力要求有好的密封表面以使渗漏最小化。
对于气态的应用，工作压力要低得多，多数时候低于300磅/平方英寸，典型地在100到150磅/平方英寸。然而，当载气或样品是氢气或氦气时，非常难以得到好的密封。
氦分子的直径大约为0.26nm。在定子或转子表面上由于表面打磨缺陷引起的最小的刮痕也会导致从端口至端口的渗漏。表面打磨可以被看作随机分布的凹槽网络。这使得要得到长时间的良好密封变得困难。现今，使用这种阀门的分析方法和系统更有效率了。这意味着整个分析周期的时间在某些情况下已经被缩减了十倍。所以阀门更加频繁地启动，它们的使用寿命缩短，并且时常要求维修。如美国专利6,453,946所披露的，这样的维修以前要求每六个月进行一次，但是现在可能要求每个星期进行一次。而设备停工是人们所不愿意的。
在实验室环境下，频繁的停工期可以处在可接受的限度内。在这种环境中，通常有技师来照管分析设备并且对它们重新配置来进行一种新的分析方法。然而，对于流程色谱仪而言，频繁的停工是一个严重的问题。流程气相色谱仪必须作为一个独立单元进行连续操作。流程气相色谱仪的分析结果是复杂的过程控制回路的输入值。当阀门开始慢慢地渗漏时，分析结果就变得不稳定和不准确。这也许会在特定生产过程中产生严重后果。
现有技术中使用的回转阀有一固定部分和一活动部分，通常称作定子和转子。这样的组件的一个例子示出在图3A到3D中。通常，转子中有一些通道，来允许定子端口的各种气体连通。通过在定子表面上转动转子来改变流体流动路径。从定子的端口看，旋转运动改变了转子上通道的位置。因此，通过改变转子中的通道构造和定子中的端口数目可以得到不同的流体路径。
现在参见图4A到4D，分别示出了10通阀和12通阀的两种结构。图5A和5B示出了一种用于样品流选择的结构。这些结构不是限定性的或排它性的，可以有许多其它结构。
现有技术中已公知回转阀系统的几种实施例.它们中的有些仅为样品回路注射设计，另一些用于注射试样载荷，还有一些用于多位置流体路径转换.端口数为从4到典型的12.对于样品流选择而言，端口数目可以较多.由于粒子污染，或者仅仅是通过在各平坦表面之间的摩擦，它们全部都经受较快磨损.目前还没有方法来防止或延迟随着时间产生的交叉端口流污染.这样的回转阀系统披露在下列美国专利中：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.它们全部都依靠平面密封，其最多维持9个月左右.
在现有技术中，有些阀门是呈圆锥形，如图6A和6B所示，或者是呈球形，但是它们都面临同样的问题。如图6A和6B所示的锥形阀构思大量地用于大多数实验室色谱仪中。这种阀门由瓦科(Valco)公司制造，并且美国专利No.4,222,412对这样的阀门进行了说明。
在美国专利No.2,519,574披露了克服前述问题的早期尝试，即，在该情况下是内部或外部渗漏。即使所述的4路阀不是专门设计来用于分析系统，但所示的构思也可以被用于此。所示的位于两个平坦表面之间的循环流体O环类密封件可以避免从阀门内部到其外部的渗漏，并且也可以防止内侧受到污染。然而，这类密封件要求时常更换。密封效果取决于两平坦表面施加在密封件上的恒定压力，粒子污染导致密封件磨损而发生渗漏。当压力和/或温度变化时，所用的材料(通常为弹性体，但也可能是其它材料)还可以释放或吸附一些样品分子。而且，当表面被流体的粒子或来自密封件磨损的粒子刮擦时，没有方法来避免交叉端口渗漏。
在现有技术中还知道，美国专利No.5,193,581描述了一种通过未选择的样品流来消除选择样品的污染的方法。在转子中有一排空凹槽，运走来自未选择的通道的渗漏，但是也存在着严重的缺点。这一方法并不能够解决在未选择的端口之间存在交叉端口渗漏的问题。如果各种样品是活性的并且不兼容，那么这就很重要。转子中也存在死滞体积。在转子和阀门外壳之间还有一O形环，起密封作用，因此会发生漏气并且O形环磨损会导致渗漏。
在现有技术中还知道，美国专利文献No.6,067,864描述了一种选样回转阀，其试图通过未选择的样品来除去一选择样品的污染。该方法使用一真空源通过一公共端口来清空全部未选择的通道。在选择的通道和未选择的排空体积之间总是存在正的压力差。然而，由于系统使用O形环来密封，因此还存在严重的缺陷。所以，会发生漏气并且由于磨损会引起的渗漏。此外，全部未选择的样品流必须是兼容的，因为它们混合在一起。
在现有技术中还知道，美国专利No.6,453,946描述了一种延长阀门的使用寿命的方法。这一方法建议使用维斯伯(vespel)作为转子的材料和涂覆有碳化钨/碳(WC/C)的不锈钢。即使这一方法有助于在渗漏发生前保持较长的寿命，但它也不会维持二或三年。其报告可达200,000次循环，然而，在流程气相色谱法系统中阀门每两分钟启动一次，在一年之后也将超过200,000次循环。因此渗漏还是会发生，并要求进行维修。
因此，需要提供一种回转阀，能够克服现有回转阀的缺点，却具有在过程分析设备中所需的较长寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足上述需要的回转阀。
因此，本发明提供一种回转阀，该回转阀具有定子，该定子具有定子界面和多个流体敞开端口，每一端口具有位于定子界面上的开口。回转阀还具有转子，该转子与定子共轴，且可在多个转子位置中的每一个之间相对于定子绕一轴线旋转。转子有转子界面，与定子界面位置相对。转子还具有至少一个流体通道，该流体通道具有在转子界面上延伸的开口，用以与定子的流体敞开端口可操作地相互作用。回转阀还具有流体循环线路，该线路包括在转子界面上延伸的环形凹槽状流体回路。环形流体回路有一外部环形槽和一内部凹槽，二者均在转子界面上延伸。流体回路还有多个分隔凹槽，在转子界面上径向地延伸。每一分隔凹槽连接在每一个内部和外部凹槽上，以限定多个彼此隔离的转子界面部分。每一转子界面部分包含着至多一个流体通道。流体循环线路还具有流体入口和流体出口，二者都具有位于定子界面上的开口。每一入口和出口与内部和外部凹槽中的相应一个连续地流体连通，以在环形凹槽状流体回路中提供连续的流体流动。
在本发明的一种优选实施例中，每一流体通道在各转子界面部分中的相应一个上延伸。每一流体通道特别地成形为，当转子处于各转子位置中的一个位置处时，连接两个相邻的端口，从而在所述位置上在两个相邻的端口之间提供流体流动路径。优选地，各端口圆形地布置在一端口圆上，该端口圆与转子的内部和外部凹槽之间的定子界面同心，并且每一流体通道在转子界面上与所述圆一致地弯曲地延伸。
在本发明的另一优选实施例中，内部凹槽有一环形部分，该环形部分在其上限定了一中心转子界面部分。各端口特别地布置成，在各转子位置中的任何位置处，其中一个端口与各转子界面部分中的一个对准。流体通道具有在转子界面上延伸的第一和第二开口。第一开口在中心转子界面部分上延伸，并且得以与和其对准的相应端口连续流体连通。第二开口在其余的各转子界面部分中的一个上延伸，并且得以在指定的转子位置处与和其对准的相应端口流体连通，从而在两端口之间提供流体流动路径，同时与第一和第二开口流体连通。
在本发明的再一优选实施例中，其中一个端口与中心转子界面部分对准。其余各端口布置成第一和第二端口对，每一端口对都与各转子界面部分中的一个对准。流体通道在转子界面上延伸的第一和第二开口。第一个开口在中心转子界面部分上延伸，并且得以与和其对准的相应端口连续流体连通。第二开口在其余的各转子界面部分中的一个上延伸，并且得以在指定的转子位置处与和其对准的相应端口对中的一个端口流体连通，从而在两端口之间提供流体流动路径，同时与第一和第二开口流体连通。转子还具有多个凹槽。每一凹槽在其余的各转子界面部分中相应的一个上延伸，以分别将相应的一对端口对中的每一个端口一起连接在各转子位置中的一个位置处，从而在相应的端口对中的每一个端口之间提供一排出流体流动路径。
按照本发明的另一方面，提供一种具有所述回转阀的色谱分析系统。该色谱分析系统还具有监视装置，该监视装置可操作地连接到流体出口来监测在其中流过的流体。
有利地，本发明的回转阀防止交叉端口渗漏，并能够通过排空渗漏来消除任何可能的渗漏所引起的后果。此外，转子的分隔凹槽和相应的流动流体的扫除作用有利于消除堆积和聚集粒子的可能性，不然，这些聚集的粒子会剧烈地损害转子和定子表面。在转子的分隔凹槽上的清扫液有利于提供自清洁作用。本发明的回转阀还改善了使用寿命。
附图说明
通过阅读详细说明并参考附图，本发明的这些和其它的目的和优点将更加清楚，其中：
图1A(现有技术)是公知技术的处于采样位置的传统回转阀的分解透视图。
图1B(现有技术)是使用图1A所示的处于采样位置的回转阀的注射试样系统的略图。
图1C(现有技术)是如图1A所示处于注射试样位置的回转阀的分解透视图。
图1D(现有技术)是图1B所示的注射试样系统处于注射试样位置的略图。
图2A(现有技术)是使用图1A中回转阀的另一注射试样系统的略图，系统处于采样位置。
图2B(现有技术)是如图2A所示的注射试样系统的略图，系统处于注射试样位置。
图2C(现有技术)是如图2A所示的注射试样系统的略图，系统处于中心切割位置。
图3A(现有技术)是公知技术的处于采样位置的另一回转阀的分解透视图。
图3B(现有技术)是图3A所示的回转阀的转子的前视平面图。
图3C(现有技术)是图3A所示的回转阀处于注射试样位置的分解透视图。
图3D(现有技术)是图3C所示的回转阀的转子的前视平面图。
图4A(现有技术)是公知技术的另一回转阀的分解透视图。
图4B(现有技术)是图4A所示的回转阀的转子的前视平面图。
图4C(现有技术)是公知技术的另一回转阀的分解透视图。
图4D(现有技术)是图4C所示的回转阀的转子的前视平面图。
图5A(现有技术)是公知技术的另一回转阀的分解透视图。
图5B(现有技术)是图5A所示的回转阀的前视平面图。
图6A(现有技术)是公知技术的另一回转阀的分解透视图。
图6B(现有技术)是图6A所示的回转阀的转子的详细透视图。
图7A是根据本发明优选实施例的回转阀的分解透视图。
图7B是图7A所示的回转阀的定子的透视图。
图7C是图7A所示的回转阀的转子的透视图。
图7D是图7C所示的转子的前视平面图。
图8A到8E是图7A所示的回转阀在不同位置的前视平面图。
图9A是根据本发明的另一实施例的另一个回转阀的分解透视图。
图9B是图9A所示的回转阀的前视平面图。
图10是根据本发明的另一实施例的另一个回转阀的分解透视图。
图11是根据本发明实施例的一注射试样系统的略图。
图12A是根据本发明的另一实施例的另一个回转阀的分解透视图。
图12B是图12A所示的回转阀的转子的放大透视图。
尽管本发明要结合实施例来进行描述，但是应该理解，其无意将本发明的保护范围限制于这些实施例中.相反地，其目的在于覆盖了由所附的权利要求所限定的内容所包括的所有替换方式、修改和等同物.
具体实施方式
在下面的说明书中，图中的类似特征采用类似的附图标记来标记，并且为了使图形简洁，如果有些元件已经在前面的附图中被标识，那么它们在有些附图中就不再被标记了。
本发明涉及一种用于将样品流体注入到流动流体中或从多个处理样本点单独选择处理流体的回转阀。它还可以用于多功能流体和气相色谱法中的流径。因此，本发明提供一种多端口和多位置的回转阀和一种能用于样品流选择、注射试样或多功能的阀门上的方法，该阀门用于分析系统中或如液压和气动系统等的工业应用中。应该理解，在整个说明书中，表达用语″流体″旨在包括比如气体或液体的任何流体。换句话说，本发明的回转阀可用于气体分析系统或液体分析系统中。
本发明通过提供一种具有以下特征的改进的回转阀来减小现有技术中存在的最令人关注的问题：没有死滞体积，也不存在交叉端口渗漏。阀门是惰性的，也就是既不吸附也不排气。回转阀在高达每平方英寸数千磅的真空下均可操作。回转阀在高温下也可操作，并防止内部和外部渗漏。回转阀有利地具有自清洗作用。即使在连续使用的情况下，回转阀也有较长使用寿命，即，三年或更长。此外，本发明的回转阀在临界的流体流径中并不依靠弹性体或O环类型的密封件。此外，本发明的回转阀可以有利地用于能自诊断的色谱分析系统中，因此回转阀的终止寿命能够实时确定。此外，本发明提供一替换方法，可用于翻新现有设计，并因其具有前述特征而使其能够维持更长使用寿命。
本方法的核心是以在转子上增加额外的凹槽和在定子上增加额外的端口为基础的。这些凹槽通过排空渗漏能够消除任何可能渗漏的影响。它们还能排除堆积的颗粒。优选地，用来制造转子和定子的材料具有良好的惰性和耐高温能力。凹槽边缘的形状和转子和定子使用的材料有利地具有较长的机械寿命。
参考图7A到7D，示出了一种六端口回转阀20，其采用了实现本发明目的的构思。回转阀20包括一定子22，该定子有一定子界面24和多个流体敞开端口26。每一端口26在定子界面24上有一开口28。回转阀还具有一与定子22共轴的转子30，该转子可在多个转子位置中的每一个位置之间相对于定子22围绕一轴线旋转。转子30有一转子界面32，与定子界面24位置相对，还有至少一个流体通道34，其上有一在转子界面32上延伸的开口36，用于与定子22的流体敞开端口26可操作地相互作用。在所示的实施例中，每一定子界面24和转子界面32具有平面形状。但是，这些界面还可以是圆锥形的或球形的。这些界面还可以具有本领域已知的适宜的任何形状。
回转阀20还具有一流体循环线路，该流体循环线路具有一在转子界面32上延伸的环形凹槽状流体回路38。环形流体回路38有一外部环形槽40和一内部凹槽42，二者均在转子界面32上延伸。流体回路38还有多个分隔凹槽44，在转子界面上32径向地延伸。每一分隔凹槽44连通至内外部凹槽42，40中的每一个上，限定了多个彼此隔离的转子界面部分46。
每一转子界面部分46包含着各流体通道34的至多一个.由此可以理解，任何给定的转子界面部分可以包括一完全的流体通道、流体通道的一部分或完全没有流体通道.然而，在单个转子界面部分内不会找到两条不同的流体通道的部分；如此，转子界面部分的边界能够提供防止在不同的流体通道之间发生交叉污染的屏障.流体循环线路还具有一流体入口48和一流体出口50，每一个在定子界面24上有一开口52.每一入口和出口48，50与内外部凹槽42，40中的相应的一个连续地流体连通，以在环路凹槽流体回路38中提供一种连续的流体流动.如所示，凹槽42优选地具有一圆形形状，其径向地与流体入口和出口48，50中相应的一个的开口52对应.
还是参见图7A到7D，在说明的优选实施例中，优选地，三个流体通道34中的每一个在三个转子界面部分46中的相应的一个中延伸。每一流体通道34特别地成形，以便当转子30处于一个转子位置时，连接两个相邻的端口26，从而在所述位置上在两个相邻端口26之间提供一流体流动路径。优选地，各端口26圆形地布置在一端口圆上，该端口圆与在转子30的内外凹槽42，40之间的定子界面24同心。每一流体通道34优选地在转子界面32上与所述圆一致地弯曲延伸。从该所示的实施例中可知，每一流体通道34优选地具有其开口36，该开口在转子界面32上纵向地敞开，来精确连接两个相邻的端口26。但是，应该注意到，每一流体通道34还可以在转子30内部延伸，并具有在转子界面32上延伸的第一和第二开口，该第一和第二开口中的每一个都和相应的端口26对准，以连接两个相邻的端口26。
因此，在这一优选方案中，如任何其它常规的注射试样六端口阀门系统一样，阀门20的流体敞开端口26具有连接到并且通过阀门20的一载气回路和一样气回路。可以理解的是，对于特定的应用，可以想到采用任何适当数量的端口26。
但是，环形凹槽状流体回路38中的连续流体流动提供了进入到阀门20中的额外气体回路。载气在入口48处引入，扫过外部环形槽40和分隔凹槽44，然后在出口50处流出阀门20。当然，应该理解，入口48和出口50的位置是可以互换的。
当阀门需要被旋转或启动时，这通过采用与其它六端口回转阀一样的方法来完成，即，如图8A到8E所示，通过在定子22上旋转转子30来完成。
转子30从图8A所示的位置旋转到8B、8C和8D所示的中间位置，并终止于8E所示的最终位置。位置8B、8C和8D显示，一次只有一个分隔凹槽44通过定子22的任何端口26。因此，在该优选实施例中，如图7D所示，每一分隔凹槽44优选地在预定的位置延伸，以使得当转子30相对于定子20在任何方位时，各端口26中的至多一个与环形流体回路38流体连通。这就防止了在定子临界端口26之间的短路或连接，这在不同端口之间的交叉污染可能会导致爆炸或其它的危险反应的情形下，是特别有利的。
当阀门20处于它的其中一个最终位置时，也就是说8A或8E，从三对端口26中的任意一个中发生的任何渗漏都会到达各分隔凹槽44中的一个中，并会被循环线路上的纯净吹扫载气带走离开阀门20。可见，从阀门20处排出的渗漏不会与阀门的杂质识别和量化的过程或其它主要功能发生干涉。因此，分隔凹槽44能够消除由于转子或定子界面24，32的磨损而可能随时间出现的任何交叉端口渗漏带来的后果。此外，外部环形槽40防止从阀门20发生的任何内部或外部渗漏。如果发生了，外部和内部渗漏从阀门20排出，而不会到达关键的分析流体路径。此外，外部环形槽40可以起有效密封的作用。因此，它能同时密封和排出渗漏。
在又一具体实施例中，回转阀优选地具有一密封外壳，将转子30和定子22封装在其中.外壳由载气净化.因此，其将阀门的关键分析流体路径从其环境完全隔离开.
再参见图7A到7D，在该实施例中，转子30和定子22优选地由超硬陶瓷制成，例如氧化铝或氧化锆。转子和定子界面32，24优选地被很好地抛光，这样将转子30设置在定子22上就能排空在两面之间的环境空气，从而产生一真空。此外，这些界面34，32可以涂覆有各种作为润滑剂的材料，来提高表面的质量。所用的涂覆层的种类取决于使用的阀门的工作条件，也即，流体的温度和种类。这些参数是本领域技术人员所公知的，在此不再作进一步描述。
本发明优选实施例中的阀门20的另一个有利的特征是由陶瓷制成的凹槽和端口的边界上没有锋锐的边缘。取代锋锐边缘的是，定子22的每一流体敞开端口26优选地具有一向下的斜边缘或一圆形。流体通道34的开口36也优选地具有一向下的斜边缘或一圆形。内部凹槽42、外部凹槽40和分隔凹槽44中的每一个也有利地具有一向下的斜边缘或一圆形。这样就消除了当转子界面32在定子界面24上旋转时，在界面24，32的边缘上的″刀片″效果。由此避免了在界面上的刮屑堆积引起的过度磨损及由此产生的渗漏。在又一优选实施例中，每一分隔凹槽44可以有利地具有在其边缘上伸展的翼片，来增加机械清除效应。翼片优选由聚四氟乙烯制成，但是任何其它柔软的和非吸收性材料都可以采用。还可以设想，在每一分隔凹槽44的相对的两边缘上设置一翼片，或者在分隔凹槽44的其中一个上设置单个翼片。
过去限制采用陶瓷来制造定子的原因是将配合管连接到定子上很困难。在本发明的一种优选实施例中，定子具有金属基部元件和提供定子界面24的陶瓷元件。陶瓷元件设置在金属基部元件上，以提供较长的预期寿命。各定子元件密封在一起，陶瓷元件与金属基部元件具有对准的通道。然而，如美国专利6,453,946中所描述的那样，这样的组件存在一些缺点。特别是，阀门的体积被加大，引起了离散和在高温下渗漏的风险。这样的阀门由Rheodyne L.P公司制造，型号为7750E-020。
在本发明的优选实施例中，流体管铜焊到定子的陶瓷元件上。该铜焊在真空下进行，提供了不具有死滞体积并且防漏的连接。通过将管穿送至阀座上的它们对应的端口，直到陶瓷元件就位于阀座的平坦表面上，从而使得陶瓷定子管组件安装到阀外壳的基部上。优选地，定子22还有一组保持销，例如三个，并且有紧密的配合公差。这些销能够将陶瓷元件保持并定位在阀座上。保持销阻止了定子22由于转子30的旋转运动而可能引起的任何旋转，并且保持定子端口26相对于转子通道34准确对准。
在又一优选实施例中，回转阀还具有一驱动机构，该驱动机构可操作地连接到转子30上，以在各转子位置中的一个期望位置驱动转子。然后，转子30连接到驱动机构上，并且以适当的和精确的角度与定子22对准。优选地，每一流体通道34精确地连接各定子端口26中的两个端口。阀盖和其基部的金属衬垫安装在阀座上，并且被适当地紧固。转子的轴伸出阀盖。在阀门安装在烘箱中的情况下，任何长度的驱动轴都能得以安装。这样，驱动机构可以处在环境温度中。驱动机构可以是一电动机、螺线管、气动工具，或者简单的用手转动的把手。
因此，参见图7A到7D，在本发明的其中一个最优选实施例中，转子30和定子22优选为由超硬材料，即陶瓷(氧化铝或氧化锆)制成.转子和定子的凹槽和端口优选地具有一平滑的圆边缘，而不是一锋锐的边缘.转子和定子界面32，24有利地被高度抛光，并具有与应用情况相适应的润滑涂覆层.定子管优选地铜焊在其上.定子22和转子30有利地被安装在密封的外壳上，通过载气得到净化.分隔凹槽44设置成彼此呈适当的角度，以使一次只有一个分隔凹槽44通过一个定子端口26.这样的阀门有利地用于色谱系统中.在该系统中，载气和样气以一种常规的方式连接.载气连接到入口48上，与外部环形槽40对准.该载气吹扫过外部环形槽40和分隔凹槽44，然后在定子的流体出口50处流出.此外，阀门20有利地具有由载气净化的密封外壳.具有了这些特征，就获得了一种极高性能的阀门.这种阀门是惰性的，没有死滞体积，并且不受长时间发展的渗漏的影响.这种阀门的使用寿命与现有技术中已知的阀门比起来变得很长.
此外，参见图11，本发明还提供一种使用了如前所述的回转阀20的色谱分析系统54。这样的分析系统54设有监视装置，该监视装置可操作地连接到流体出口50上，以监视在其中流过的流体。优选地，监视装置包括一纯度检测器56，用来探测所述流体的污染。因此，优选地，定子22的流体出口50连接到纯度检测器56上。这就使得当临界渗漏由于元件不可避免的磨损随时间延续而发生时，阀门诊断系统可以警告用户。任何渗漏都会改变在纯度检测器56中流动的气体的纯度，流体纯度的改变程度给出了磨损的指示，用户能因此采取适当的措施。这在以往是做不到的，并且在流程色谱仪停工要付出高昂代价的情况下具有难以置信的价值。现在，有了这样的系统，只有在需要的时候才进行维修。从实验室的测试来看，这样的阀门系统展示了它能在用氦作为载气的气相色谱仪中，每三分钟注射一次试样的情况下，运行三年以上的能力。系统性能通过观察分析检测器和安装在流体出口50上的纯度检测器56而得到监测。
甚至在通过连续驱动阀门来加速使用期的测试期间，也没有记录到内部污染，并且没有出现分析性能降低。即使纯度检测器56开始检测到一些内部渗漏，还是取得了使系统的有效寿命显著延长的效果。优选地，纯度检测器56以一种同步的方式读取数据，即，当一个分隔凹槽44经过样品端口26时，在致动之前有些延迟，以避免读取常规的″样值脉冲″。还看得出来，分隔凹槽44不但有在各种工作压力下消除内部渗漏的作用，而且还有一种洁净效应。气体通过内外凹槽42，40及通过分隔凹槽44得到净化，并带走任何来自污染试样或者界面磨损的微粒。因此，由于有了以上特征，色谱阀门就不再是一种简单的损害系统性能的而且必须被频繁更换以避免分析系统退化的机械部件。相反地，当它和纯度检测器连接起来时，成了系统的智能部分。这是本发明的一个有利的特点，因为系统可以变得能够自诊断，这对于各种处理分析设备而言都是一大优点。
在其它应用情况的其它阀门的端口布置中，本发明的构思也是非常有用的。例如，在分析系统中一项重要的功能是测量各种样品流中的某些杂质。因此要求依次选择各种样品流。故而就需要一样品流选择阀。
图9A和9B示出了用于这种应用情况的本发明的阀门20的第一优选实施例.这一具体实施例示出了四样品流选择阀，但应当理解的是，其并非限于四个，而是可以扩展至更多的样品通道.在这一优选实施例中，内部凹槽42有一环形部分，其限定了一中心转子界面58部分.端口26特别地设置成，在任一转子位置处，其中一个端口26与转子界面部分46，58的其中一个对准.流体通道34具有在转子界面32上延伸的第一和第二开口60，62.第一个开口60在中心转子界面部分58上延伸，并且得以与和其对准的相应端口26连续地流体连通.第二开口62在其余的转子界面部分46中的一个上延伸，并且得以在给定的转子位置处与和其对准的相应端口26流体连通，从而在两端口26之间提供一流体流动路径，同时地与第一和第二开口60，62的流体连通.如所示，端口26和其余的转子界面部分44对准，优选为成圆形地布置在一端口圆上，该端口圆与转子30的内外凹槽42，40之间的转子界面32同心.有利地，阀门20还可以安装在一净化外壳中，同前述的注射阀类似.这些特征使得样品流选择阀门不具有死滞体积，也不会有交叉端口渗漏.再者，这种阀门的使用期比本领域任何已知的样品流选择回转阀的使用期长得多.通过使转子30在定子22上转动来选择样品流.内外凹槽42，40和分隔凹槽44通过清洁的和高纯度的气体得到净化.这一净化过程可以在正压下或者真空下进行.该净化的目的是再一次排空任何可能污染选定的位于阀门20外面的样品的渗漏.通过外部环形槽40和包裹阀门的净化外壳来清除内部和外部污染.
在如前所述的一优选实施例中，并参见图11，还可以提供这样一种分析系统，其能够通过监视在流体出口50处流出阀门的净化气体的纯度进行自诊断。在条件极其苛刻(高度危机)的应用场合中，比如爆炸物检测或者有毒气体中，图9A和9B中所示的阀门20具有很高的价值，因为用户可以确保系统的完好性。样品不会由样品流选择系统被污染。
仍然参考图11，还应该理解，在特殊的应用中，本发明的多个阀门还可以组合在一个分析系统中。每一阀门都具有自己的纯度检测器56。然而，在使用连接到每一个其它阀门上的附加样品流选择阀门时，连接到样品流选择阀门上的单个纯度检测器56也能用于监测通过每一阀门的流体。这一特殊的布置能够检测到每一流体的污染，而不会显著地增加系统的成本。
图10示出了基于该方法的样品流选择的另一个有利的变型。在这一情形下，未选定的样品被绕开，以保持一恒流，并且被单独地排出到系统的外面。当各种样品的类型不一样并且不兼容时，这是非常有用的。在所描述的实施例中，其中一个端口26与中心转子界面部分58对准。其余端口26优选地设置成第一和第二端口对64。每对64都在一指定位置和各转子界面部分46中的一个对准。流体通道34具有在转子界面32上延伸的第一和第二开口60，62。第一开口60在中心转子界面部分58上延伸，并且得以与和其对准的相应端口26连续流体连通。第二开口62在其余的各转子界面部分46中的一个上延伸，并且得以在指定的转子位置处与和其对准的相应的端口对64中的一个端口26流体连通，从而在两端口26之间提供一流体流动路径，同时与第一和第二开口60，62流体连通。有利地，转子30上还有多个凹槽66，每一凹槽66在其余的各转子界面部分46中相应的一个上延伸，以分别将相应的端口对64中的每一端口26一起连接在其中一个转子位置上，从而在相应的端口对64中的每一个端口26之间提供一排出流体流动。如所述，每端口对64中的每个第一端口优选地成环形布置在与转子界面32同心的第一端口圆上。每端口对64中的每个第二端口优选地成环形布置在与转子界面32同心的第二圆上。当然，根据特定的应用情况，还可以构想任何其它适当的端口26布置。
图12A和12B说明了本发明的另一个优选实施例。该实施例示出了一种与瓦科(Valco)公司制造的阀门类似的锥形阀，但是它是按照本发明的构思来制造的。这一阀门20已经在实验室中进行了测试，并且在选用氦气作为载气的情形下展示了优秀的性能。已经证明，它的预期使用寿命比未改进的产品至少长三倍。这对于在本领域安装使用的众多系统是一次真正的改善。
虽然在此是对本发明的优选实施例作了详细描述，并在附图中示出，但应该理解，本发明并不限于这些特定的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围或者实质的情况下对其作出各种变化和修改。

Claims (28)

1.一种回转阀，包括：
定子，该定子具有定子界面和多个流体敞开端口，每个所述端口具有位于所述定子界面上的开口；
转子，该转子与所述定子共轴，并且可在多个转子位置中的每一个位置之间相对于所述定子绕一轴线旋转，所述转子具有一与所述定子界面位置相对的转子界面，还具有至少一个流体通道，该流体通道设有在所述转子界面上延伸的开口，用以与定子的流体敞开端口可操作地相互作用；以及
流体循环线路，其包括：
在所述转子界面上延伸的环形凹槽状流体回路，所述环形流体回路包括外部环形凹槽和内部凹槽，二者均在所述转子界面上延伸，所述流体回路还包括多个在所述转子界面上径向地延伸的分隔凹槽，每一所述分隔凹槽连接到所述内部和外部凹槽中的每一个上，以限定多个彼此隔离的转子界面部分，每一所述转子界面部分包含着至多一个流体通道；以及
流体入口和流体出口，二者都具有位于所述定子界面上的开口，所述入口和出口中的每一个与所述内部和外部凹槽中的相应一个连续流体连通，以在所述环形凹槽状流体回路中提供连续的流体流动。
2.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一所述流体通道在所述转子界面部分中的相应一个上延伸，每一所述流体通道成形为，当所述转子处于所述转子位置中的一个位置时，连接两个相邻的端口，从而在所述位置上在所述的两个相邻的端口之间提供流体流动路径。
3.如权利要求2所述的回转阀，其特征在于，所述各端口圆形地布置在一端口圆上，该端口圆与在所述转子的所述内部和外部凹槽之间的所述定子界面同心，每一所述流体通道在所述转子界面上与所述圆一致地弯曲地延伸。
4.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一所述分隔凹槽在一预定的位置处延伸，以使得对于所述转子相对于所述定子的任何方位，至多一个所述端口与所述环形流体回路流体连通。
5.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述内部凹槽具有圆形形状，该圆形径向地与所述流体入口和出口中相应的一个的开口对应。
6.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述内部凹槽包括一环形部分，该环形部分在其中限定了一中心转子界面部分。
7.如权利要求6所述的回转阀，其特征在于，所述端口布置成，在所述转子位置中的任一位置处，所述各端口中的一个与所述转子界面部分中的一个对准。
8.如权利要求7所述的回转阀，其特征在于，所述流体通道的在所述转子界面上延伸的开口包括第一和第二开口，所述第一开口在所述中心转子界面部分上延伸，并且得以与和其对准的相应端口连续流体连通，所述第二开口在其余的各转子界面部分中的一个上延伸，并且得以在指定的转子位置处与和其对准的相应端口流体连通，从而在两端口之间提供流体流动路径，同时与所述第一和第二开口流体连通。
9.如权利要求8所述的回转阀，其特征在于，与所述其余的各转子界面部分对准的所述端口圆环形地布置在一端口圆上，该端口圆与所述转子的所述内部和外部凹槽之间的所述转子界面同心.
10.如权利要求6所述的回转阀，其特征在于，所述各端口中的一个与所述中心转子界面部分对准，其余各端口布置成第一和第二端口对，所述端口对中的每一个在指定的位置都和所述转子界面部分中的一个对准，所述流体通道的在所述转子界面上延伸的开口包括第一和第二开口，所述第一开口在所述中心转子界面部分上延伸，并且得以与和其对准的相应端口连续流体连通，所述第二开口在其余的各转子界面部分中的一个上延伸，并且得以在指定的转子位置处与和其对准的相应端口对中的一个端口流体连通，从而在两端口之间提供流体流动路径，同时与所述第一和第二开口流体连通，所述转子还包括多个凹槽，每一所述凹槽在所述其余的各转子界面部分中相应的一个上延伸，以分别将相应的端口对中的每一个端口一起连接在所述各转子位置中的一个位置上，从而在相应的端口对中的每一个端口之间提供排出流体的流动路径。
11.如权利要求10所述的回转阀，其特征在于，每个所述端口对的每个第一端口圆形地布置在与所述转子界面同心的第一端口圆上，每个所述端口对的每个第二端口圆形地布置在与所述转子界面同心的第二圆上。
12.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个所述定子界面和所述转子界面都为平面形。
13.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个所述定子界面和所述转子界面都为圆锥形。
14.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个所述定子界面和所述转子界面都为球形。
15.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个所述流体敞开端口的开口都有一平滑的斜边缘。
16.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述流体通道的开口有一平滑的斜边缘。
17.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个所述内部凹槽、外部凹槽和分隔凹槽都有一平滑的斜边缘。
18.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述回转阀还包括一可操作地连接于所述转子的驱动机构，用以在所述各转子位置中的所需位置处驱动所述转子。
19.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述回转阀还包括一密封外壳，用于将转子和定子密封在其中，所述外壳用一流体净化。
20.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个定子和转子都由超硬陶瓷制成。
21.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个定子界面和转子界面都被抛光。
22.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，每一个定子界面和转子界面都具有涂覆层。
23.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述定子包括提供所述定子界面的陶瓷元件，所述定子还包括金属基部元件和提供流体敞开端口的多个流体管，所述流体管铜焊到陶瓷元件上。
24.如权利要求23所述的回转阀，其特征在于，所述定子还包括一组在其中延伸的保持销，用来将陶瓷元件保持并定位在阀座上。
25.如权利要求1所述的回转阀，其特征在于，所述回转阀还包括至少一个翼片，每一个所述翼片在各分隔凹槽中的一个的边缘上延伸。
26.一种色谱分析系统，包括：
如权利要求1所述的回转阀；以及
监视装置，其可操作地连接到流体出口用以监测流过的流体。
27.如权利要求26所述的色谱分析系统，其特征在于，所述监视装置包括用来检测所述流体的污染的纯度检测器。
28.如权利要求26所述的色谱分析系统，其特征在于，所述监视装置同步地监测所述流体。
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