CN102933883A - 用于高压分析系统的阀 - Google Patents

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Abstract

一种高压阀，包括定子和转子，所述定子具有定子密封表面，所述定子密封表面具有至少一个定子端口，所述转子具有转子密封表面，所述转子密封表面具有至少一个转子端口或沟道。所述转子能够相对于所述定子移动以将所述转子端口或沟道选择性地移动成与所述定子端口对准和/或不对准，由此打开和/或关闭所述阀。所述定子端口由通道提供，所述通道具有第一部分和第二部分，所述第一部分从所述定子密封表面垂直地延伸，所述第二部分从所述第一部分沿着不同于垂直于所述定子密封表面的方向延伸。

Description

用于高压分析系统的阀
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年6月16日提交的美国临时申请No. 61/355,330的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文中。
技术领域
本发明一般地涉及阀，并且更具体地涉及用于诸如高压液体层析系统的高压分析系统的阀。
背景技术
许多分析系统包括用于控制流体流量的阀。一个例子是在一些层析系统中使用的剪切阀。这些阀通常必须保持流体的完整性，也就是说，此类阀不应当泄漏流体。然而，当阀循环工作时，在各个位置之间，运动部件上的负载导致磨损。
一些阀经受高压。例如，高性能液体层析（HPLC）设备中的示例性的喷射器阀暴露于由普通溶剂泵产生的大约1000至5000磅每平方英寸（psi）的压力。诸如超高性能液体层析（UHPLC）设备的更高压力的层析设备所具有的溶剂泵在高达15000 psi或更大的压力下操作。
随着系统的压力增大，阀部件（例如转子和定子）的磨损和变形趋向于增加，并且阀的预期寿命可能减少。
发明内容
本发明部分地来自于对于如下情况的认识：可通过减小旋转剪切阀的定子端口的尺寸来延长旋转剪切阀的操作寿命。因此，例如，本发明尤其适合于提供用于在HPLC或高压设备中输送样本的改进的旋转剪切注射阀。
本发明的第一方面提供了一种阀（例如高压阀），其包括定子和转子，所述定子具有定子密封表面，所述定子密封表面具有至少一个定子端口，所述转子具有转子密封表面，所述转子密封表面具有至少一个转子端口或沟道，所述转子能够相对于所述定子移动以将所述转子端口或沟道选择性地移动成与所述定子端口对准和/或不对准，由此打开和/或关闭所述阀，其中，所述定子端口由通道提供，所述通道具有第一部分和第二部分，所述第一部分从所述定子密封表面垂直地延伸，所述第二部分从所述第一部分沿着不同于垂直于所述定子密封表面的方向延伸。
优选地，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面等于或小于所述第二通道部分的尺寸或直径或截面。更优选地，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面是小于所述第二通道部分的尺寸或直径或截面的例如10％到90％或20％到80％，例如30％到70％，优选地40％到60％，更优选地45％到55％并且最优选地大约50％。所述通道或通道部分中的一个或两个可具有圆形截面。例如，第一通道部分的直径可以是0.15 mm或0.006或0.0055英寸和/或第二通道部分的直径可以是0.30 mm或0.011英寸。
所述第二通道部分优选地以相对于所述第一部分的一角度延伸，所述角度例如在1度和90度之间或者在1度和70或80度之间，例如在1度和60度之间，优选地在10度和50度之间，更优选地在20度和40度之间，并且最优选地为大约30度。
所述定子可包括突起，例如圆形或截头圆锥形突起，其可以是圆形的和/或其可包括或包含所述定子密封表面。所述转子可包括凹处或凹陷，其可与所述定子的突起协作或相对应。所述转子优选地能够相对于所述定子旋转以将所述转子端口或沟道选择性地移动成与所述定子端口对准和/或不对准，由此打开和/或关闭所述阀。所述定子和/或转子可包括两个或更多个端口或沟道或通道。
所述第一通道部分的轴线可以在例如所述第一和第二通道部分相遇或相交或结合处与所述第二通道部分的轴线对准。所述阀或定子可进一步包括配件或配件孔，例如，所述配件或配件孔联接或流体联接到所述通道（例如所述第二通道部分），和/或所述配件或配件孔与所述通道（例如所述第二通道部分）共轴。
本发明的第二方面提供了一种用于上述阀的定子。
本发明的第三方面提供了一种加压（例如高压）流体控制系统，其包括在前面六个段落的任一个中限定的阀或定子。
本发明的第四方面提供了一种分析仪器或设备或机器或系统，例如层析仪或者层析仪器或设备或机器或系统，例如液体层析仪器或设备或机器或系统，所述仪器或设备或机器或系统包括在紧邻的前面段落中限定的阀或定子或加压流体控制系统。
其他方面、特征和优点在描述、附图和权利要求中。
附图说明
图1是现有技术高压阀的定子部分的平面图，示出了定子密封表面；
图2是穿过图1的线A-A的剖视图；
图3是旋转剪切阀的分解透视图，该旋转剪切阀具有定子，该定子具有减小尺寸的定子部分；
图4A是图3的旋转剪切阀的定子的该部分的平面图，示出了定子密封表面；
图4B是穿过图4A的线B-B的剖视图；并且
图5A和5B是高性能液体层析系统的示意图，其包括图3的旋转剪切阀。
相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
通过选择性地将运动转子中的端口或沟道与定子中的端口对准而进行操作的高压阀经受了强烈的循环加载。申请人已经发现，定子密封表面端口几何结构和尺寸对于阀的寿命具有较大的影响。在转子滑动或旋转经过孔时，较小的定子端口似乎较少地导致转子表面的变形。
图1和2示出了用于高精度应用的已知高压阀的定子1。定子1包括主体2，主体2具有截头圆锥形突起3，截头圆锥形突起3提供了定子密封表面30，六个通道4以及第一和第二配件孔5从定子密封表面30延伸。
突起3从主体2的面20延伸并且从主体面20直径减小地渐缩到定子密封表面30。定子密封表面30相对较小，具有4.826 mm（0.190英寸）的直径并且包括六个端口31。
每个通道4以相对于定子密封表面30约60度的角度从端口31之一延伸，并且通向各自的配件孔5。这样就使得用于连接流体的标准尺寸配件供应到端口31和/或从端口31返回（未示出），其中，如果通道4从定子密封表面30垂直地延伸，则这种配件可能太大而无法并排安装。通道4具有大约0.2794 mm（0.011英寸）的直径和大约2.54 mm（0.1英寸）的长度。
使用时，阀的转子能够相对于定子旋转以将一个或多个转子端口或沟道选择性地移动成与定子端口中的一个或多个或每个对准和/或不对准，由此打开和/或关闭阀。申请人已经观察到与该布置有关的两个问题，所述问题限制了端口31的有效尺寸。
第一，通道4的直径受限于实际钻孔的要求，其通常要求钻头直径为钻头深度的至少0.1倍。因此，为了减小通道4的直径，它们的长度也需要减小，使得配件孔5更加接近于定子密封表面30。然而，配件必须与定子密封表面30充分地间隔开以防止可能由于来自管段的压力造成的变形。
第二，在该布置中，由于通道4延伸时的角度，端口31是椭圆的。这导致较高的有效端口尺寸，因为椭圆的长轴比短轴长大约15％，并且通常较不对称的布置导致转子表面中的疲劳增加。
参照图3，示出了用于高压液体层析系统的六端口旋转剪切阀90。阀90包括定子100和转子200。如图4A和4B所示，定子100包括主体102，主体102具有突起103，在该实施例中，突起103是截头圆锥形的，从而提供定子密封表面130，六个通道104以及第一和第二配件孔105从定子密封表面130延伸。
突起103从主体102的面120延伸并且从主体面120直径减小地渐缩到定子密封表面130。在该实施例中，定子密封表面130具有4.826 mm（0.190英寸）的直径并且包括六个端口131a-f。
每个通道104包括第一部分140和第二部分141，第一部分140从定子密封表面30垂直地延伸，并且第二部分141以相对于第一部分140约30度的角度或相对于定子密封表面130约60度的角度从第一部分140延伸，并且通向各自的配件孔105。
在该实施例中，第一通道部分140具有大约0.1524 mm（0.006英寸）的直径和大约1.524 mm（0.06英寸）的长度，而第二通道部分141具有大约0.2794 mm（0.011英寸）的直径和大约2.54 mm（0.1英寸）的长度。第一通道部分140的轴线在第一和第二通道部分140、141相遇处与第二通道部分141的轴线对准。定子100可由不锈钢或其他耐腐蚀合金制造。定子密封表面130可涂覆有耐磨损材料，例如类金刚石碳（DLC）。
形成为两部分140、141的通道104的使用提供了极大的灵活性。例如，端口131a-f不再如现有技术设计那样是椭圆的，并且它们的直径可显著减小。该布置初看起来是违反直觉的，因为其在制造过程中添加了一些复杂性。然而，所增加的灵活性远远超过了这样的缺点，对于高压和高精度应用而言尤为如此。
在此参照图3，转子200具有转子密封表面230，转子密封表面230包括弓形沟道形式的三个流体导管244、245、246，三个流体导管244、245、246连接成对的相邻端口131a-f。当被组装时，转子密封表面230例如通过由弹簧施加在转子200上的压力而被促使与定子界面定子密封表面130接触，以帮助确保它们之间的流体不透密封。转子200能够绕轴线148旋转并且具有相对于定子100的两个分离的位置。在第一位置，沟道244与端口131a和131b重叠并且连接端口131a和131b，沟道245与端口131c和131d重叠并且连接端口131c和131d，而沟道246与端口131e和131f重叠并且连接端口131e和131f。在第二位置，沟道244与端口131b和131c重叠并且连接端口131b和131c，沟道245与端口131d和131e重叠并且连接端口131d和131e，而沟道246与端口131f和131a重叠并且连接端口131f和131a。
转子13可由诸如PEEKTM聚合物（可从英国Lancashire的Victrex PLC获得）的聚醚醚酮制造，填充有20％和50％之间的碳纤维。替代地或另外，转子13可由聚酰亚胺（可作为DuPont™ VESPEL®聚酰亚胺从E. I. du Pont de Nemours and Company获得）或聚苯硫醚（PPS）制造。
具有该构造的阀可用于将样本注射到流体流中，以便进行后续层析分析。例如，图5A和5B示出了高压液体层析（HPLC）系统300，其包括了图3的六端口旋转剪切阀90。参照图5A和5B，载体流体贮器310容纳了载体流体。载体流体泵312用于产生和计量载体流体的特定流率，通常是毫升每分钟。载体流体泵312将载体流体输送到阀90。来自样本源314（例如样本瓶）的样本被引入阀90，在那里，其可与载体流体的流组合，载体流体然后携载着样本进入层析柱316。在这方面，可通过吸引器318（例如注射器组件）的动作将样本从样本源314吸出。探测器320用于在所分离的复合物带从层析柱316洗提时探测所分离的复合物带。载体流体离开探测器320并且可根据需要被送到废料容器322或被收集起来。探测器320通过线路连接到计算机数据站324，计算机数据站324记录电信号，该电信号被用于在其显示器326上产生层析图。
使用时，当阀90处于第一位置（图5A）时，端口131a与端口131b流体连通，端口131c与端口131d流体连通，并且端口131e与端口131f流体连通。在该第一位置，样本经由端口131b流入阀90，然后经由端口131a流入样本环路328（例如，空心管），并且载体流体经由端口120被输送到阀100中，然后经由端口131e被输送朝向层析柱316和探测器320。
当阀的转子旋转到第二位置（图5B）时，端口131a被定位成与端口131f流体连通，端口131b被定位成与端口131c流体连通，并且端口131d被定位成与端口131e流体连通。在该第二位置，载体流体被传输通过样本环路328，在那里，其与样本混合，然后携载样品向下游流到层析柱316和探测器320。
对于一些液体层析应用，阀30可能必须在高于10000磅每平方英寸（psi）的压力下操作。在这些极端压力条件下，阀定子和转子上的机械磨损和破坏会降低阀的操作寿命。然而，在这些高于工作条件下，通过减小定子端口的尺寸，可延长阀的操作寿命。具体地，较小的定子端口可在转子滑动或旋转经过孔时导致转子表面的较少变形。转子变形导致材料的疲劳，而材料的疲劳在使用塑料材料的情况下更加恶化。
本领域技术人员应当意识到在不偏离本发明范围的情况下设想了许多变形。例如，阀不必是高压阀，尽管本发明在此类阀中尤其有用。第二通道部分141可以以任何角度从第一通道部分140延伸，和/或通道104可包括过渡部分（未示出），例如弯曲的过渡部分（未示出）。本文所使用的尺寸是示例性的，虽然所公开的布置是有利的，但尺寸不应被认为受限于本文示出的示例。
因此，其他实施方式也在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于高压分析设备的阀，所述阀包括定子和转子，所述定子具有定子密封表面，所述定子密封表面具有至少一个定子端口，所述转子具有转子密封表面，所述转子密封表面具有至少一个沟道，所述转子能够相对于所述定子移动以将所述转子沟道选择性地移动成与所述定子端口对准或不对准，由此打开或关闭所述阀，其中，所述定子端口由通道提供，所述通道具有第一部分和第二部分，所述第一部分从所述定子密封表面垂直地延伸，所述第二部分从所述第一部分沿着不同于垂直于所述定子密封表面的方向延伸。
2.如权利要求1所述的阀，其中，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面等于或小于所述第二通道部分的尺寸或直径或截面。
3.如权利要求1所述的阀，其中，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面是所述第二通道部分的尺寸或直径或截面的10％到90％。
4.如权利要求3所述的阀，其中，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面是所述第二通道部分的尺寸或直径或截面的40％到60％。
5.如权利要求4所述的阀，其中，所述第一通道部分的尺寸或直径或截面是所述第二通道部分的尺寸或直径或截面的大约50％。
6.如权利要求1所述的阀，其中，所述第二通道部分优选地以相对于所述第一部分的一角度延伸。
7.如权利要求6所述的阀，其中，所述角度在1度和90度之间。
8.如权利要求7所述的阀，其中，所述角度在10度和50度之间。
9.如权利要求8所述的阀，其中，所述角度在20度和40度之间。
10.如权利要求9所述的阀，其中，所述角度为大约30度。
11.如权利要求1所述的阀，其中，所述定子包括突起，所述突起限定了所述 所述转子，所述转子能够相对于所述定子旋转以将所述沟道选择性地移动成与所述定子端口对准或不对准，由此打开或关闭所述阀。
12.如权利要求1所述的阀，其中，所述定子或转子包括两个或更多个端口或沟道或通道。
13.一种在根据前述任一权利要求的阀中使用的定子，所述定子具有定子密封表面，所述定子密封表面具有至少一个定子端口，其中，所述定子端口由通道提供，所述通道具有第一部分和第二部分，所述第一部分从定子密封表面垂直地延伸，所述第二部分从所述第一部分沿着与其不同的方向延伸。
14.一种分析系统，包括根据权利要求1的阀。
15.根据权利要求14的分析系统，其中，所述系统是液体层析系统。
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