CN103518092B - 具有可变压力加载的高压流体切换阀 - Google Patents

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Abstract

所描述的是旋转剪切密封阀和用于切换高压流体的方法。该方法包括在转子的平面表面与定子的平面表面之间施加固定力。转子的平面表面包括流体通道，并且定子的平面表面具有用于接收和提供流体的一对端口。控制信号被施加到联接至转子的线性致动器上，以在转子的平面表面与定子的平面表面之间生成可控制的力。控制信号响应于转子的旋转状态。在转子的平面表面和定子的平面表面之间的总力大体上等于固定力和可控制的力之和。该方法减小了磨损并且延长了旋转剪切密封阀中构件的寿命。

Description

具有可变压力加载的高压流体切换阀
相关申请
本申请请求享有2011年5月5日提交且题为"具有可变压力加载的高压流体切换阀(High Pressure Fluidic Switching Valve Having Variable Pressure Loading)"的美国临时专利申请序列第61/482,647号的在先提交日期的权益，通过引用将该申请的全部内容并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及用于切换高压流体的阀。更具体而言，本发明涉及一种应用于液相色谱系统中的旋转剪切密封阀。
背景技术
诸如高性能液相色谱(HPLC)和超HPLC(UPLC®)系统的液相色谱测量系统通常使用具有旋转剪切密封的喷射阀。几百磅或更大的力施加在转子与定子之间来对抗可超过15,000psi的压力进行密封。当转子在阀开关位置之间旋转时力被保持，从而对密封表面的质量提出了严格的要求。喷射阀通常旨在操作好几万次循环而没有过大的磨损和泄漏。
HPLC和UPLC器具制造者预计未来的器具将需要超过20,000psi的喷射阀密封压力。定子且特别是聚合物转子的材料性能的固有局限性不可能随着在材料和设计上的渐增改善而被克服。
美国专利第6,193,213号公开了一种用于在常规旋转剪切喷射阀中的转子旋转期间改变定子与转子之间施加的力或压力的方法。具体而言，当所需的密封压力较低时或当喷射阀在两个开关位置之间旋转时，施加较低的力，以减小磨损。在为了保持适当密封的其它时间以及当阀未在开关位置之间过渡时，生成较大的力。施加在定子与转子之间的力由供应至喷射阀的流体的压力来控制。该技术需要高压流体控制和密封来操作。一个显著的缺点在于用于改变所施加力的液压流体的潜在泄漏。
本发明解决了对高压旋转密封阀的需要，该阀克服了上文提到的问题，并且可在大于20,000psi的压力下密封好几万次循环。
发明内容
在一方面，本发明以一种旋转剪切密封阀为特征，该旋转剪切密封阀包括转子轴、线性致动器、转子和定子。线性致动器被装固到转子轴上，并且被构造成响应于施加的电信号来施加力，该力被定向为平行于转子轴的轴心线(shaft axis)。该力具有响应于施加的电信号的大小。转子具有其中带有流体通道的平面表面。转子被联接到线性致动器上，并且被构造成围绕着轴心线旋转。定子具有被设置成与转子的平面表面平行且接触的平面表面。定子的平面表面具有用于接收流体的第一端口和用于提供流体的第二端口。当转子处于第一开关位置时，流体通道将在第一端口处接收到的流体引导至第二端口，而当转子处于第二开关位置时，流体被阻止从第一端口流至第二端口。
在另一方面，本发明以一种用于切换高压流体的方法为特征。该方法包括在转子的平面表面与定子的平面表面之间施加固定力。转子的平面表面具有在其中的流体通道，而定子的平面表面具有用于接收流体的第一端口和用于提供流体的第二端口。该方法还包括将控制信号施加到被联接到转子上的线性致动器，从而在转子的平面表面与定子的平面表面之间生成可控制的力。控制信号响应于转子的旋转状态。在转子的平面表面和定子的平面表面之间的总力大体上等于固定力和可控制的力之和。
在又一方面，本发明以一种用于切换高压流体的方法为特征。根据该方法，第一力和第二力的组合被施加到转子表面与定子表面的界面上。第一力大体上恒定，并且第二力具有响应于电控制信号的大小。转子的平面表面具有在其中的流体通道，而定子的平面表面具有用于接收流体的第一端口和用于提供流体的第二端口。电控制信号的状态被改变以减小第二力的大小。转子从第一开关位置被旋转至第二开关位置，同时第二力的大小被减小。当转子处于第二开关位置时，电控制信号的状态被改变以增大第二力的大小。
附图说明
通过结合附图参看以下描述将更好地理解本发明的以上和其它优点，其中在各种附图中相似的参考标号表示相似的元件和特征。为了清楚起见，可能不是每一个元件都在每个图中标出。附图不必按比例绘制，重点而是放在图示出本发明的原理上。
图1A和图1B分别为HPLC6端口喷射阀的截面视图和顶视图。
图2A和图2B示出了根据本发明的用于旋转剪切密封阀的子组件的实施例的视图。
图3为包括图2A和图2B的子组件的旋转剪切密封阀的实施例的图示。
图4为最大流体密封压力如何根据施加到用于不同预载力的压电致动器上的电压而变化的实例的图解描绘。
图5为根据本发明的用于切换高压流体的方法的实施例的流程图。
图6为在图5的方法执行期间施加到定子和转子的平面表面的界面上的力的实例的图解描绘。
图7为根据本发明的旋转剪切密封阀的另一个实施例的图示。
图8为采用叠层压电环形元件形式的压电叠层致动器的图示。
具体实施方式
在说明书中提到的"一个实施例(one embodiment)"或"实施例(an embodiment)"意指结合实施例所描述的细节、特征、结构或特点被包括在教导的至少一个实施例中。对于说明书内具体实施例的参考不必都参考同一实施例。
参考如附图中所示的示例性实施例，现在将更详细地描述本教导。尽管连同各种实施例和实例描述了本教导，但是并非旨在使本教导限于这些实施例。相反，本教导涵盖了如本领域的技术人员将认识到的各种备选、改型和等同方案。有权使用本文教导的普通技术人员将认识到附加的实施方式、改型和实施例，以及使用的其它领域，其在如本文所述的本公开的范围内。
简要概述，本发明涉及旋转剪切密封阀，其能够在诸如用作HPLC和UPLC系统中的喷射阀时所遇到那些高压的高压下操作来延长寿命。将认识到的是，本文所述的方法和设备可适用于其它应用中的高压流体通路的切换。旋转剪切密封阀包括线性致动器，其被构造成将可变的力施加到密封表面的界面上。线性致动器可以是诸如压电致动器的电致动器。作为备选，线性致动器可以是诸如活塞驱动或凸轮驱动致动器的机械致动器。可使用的另外一些致动器实例包括液压致动器和气动致动器。因此，可变的力可以是电动势、电磁力和/或其它的适合类型的力。
阀可使用类似于常规喷射阀中那些材料的材料制成。例如，转子或定子由诸如聚醚醚铜(PEEK)或碳增强的PEEK的坚固的聚合材料制成，而其它的构件由涂覆有金刚石类涂层(DLC)的金属制成。聚合物和DLC涂层产生低摩擦系数，并且随着时间流逝导致减小的磨损和泄漏。
旋转剪切密封阀被组装，以使得被称为预载力的固定力施加在转子与定子之间。在下文所述的各种实施例中，线性致动器为压电致动器。有利的是，压电致动器在组装期间可用作传感器，以测量预载力并将预载力设置成期望值。在组装之后，压电致动器用于在转子与定子之间产生附加的可变力。可变的力的大小由通过高电压低电流电源供应至压电致动器的电信号确定。当期望用于阀的密封压力较小时，诸如当转子在阀的角状态之间旋转时，由压电致动器所施加的可变力被设置成零或较小的值，以使得密封表面上的总力大体上等于预载力。尽管这可允许密封表面之间的泄漏，但是阀旋转通常是快速的；发生在几毫秒或几十毫秒内，因此泄漏量是小的。当转子静止时，即，当旋转剪切阀未改变状态时，由压电致动器所施加的可变力大于预载力。总力为预载力和可变力之和，并被设置成大到足够实现针对所期望压力的所需密封。有利的是，在阀旋转期间较低的力导致较小的磨损，并且因此延长了转子和定子的寿命。
图1A和图1B分别示出了基于旋转剪切密封的HPLC6端口喷射阀10的截面视图和顶视图。
定子14被装固到阀壳22上，并且具有六个端口18和大体上平面的定子面(不可见)。每一个端口18均被构造成用于联接到流体管(或通道)上，该流体管(或通道)将流体供应至阀10或接收来自于阀10的流体。壳22大体上包围转子26、转子轴30、贝氏弹簧垫圈(显示为每个叠层具有三个垫圈34的四个叠层)、轴承垫圈38、止推轴承42、加载垫圈46、加载支套50和加载螺母54。
转子26被装固到转子轴30上，并且具有大体上平面的转子面，该转子面与定子面平行且接触。轴向力通过贝氏弹簧垫圈34施加到转子26上，贝氏弹簧垫圈由负载螺母54锁定就位。轴向力用于促使转子面抵靠定子面，从而保持定子面和定子面的界面处的流体密封。轴向力的大小可通过调节加载螺母54来调整。
转子面中的凹槽被构造成在转子26和定子14处于一定旋转对准时使转子14的各种端口18与其它端口18联接。在UPLC器具中，循环穿过端口的流体的压力可超过15,000psi，并且可达到20,000psi或更大。贝氏弹簧垫圈34提供力来形成定子面与转子面之间的流体密封。泄漏率通常为几百纳升每分钟。由弹簧垫圈34所施加的力可以是几百磅，并且可达到500lb或更大。
转子26相对于定子14的旋转改变了端口18的连接性。通过止推轴承42便于旋转。由贝氏弹簧垫圈34所施加的力在旋转期间得到保持。结果，较高的剪切力被施加到密封表面上。在各种实施例中，转子面采用PEEK或碳增强的PEEK材料形成，并且定子面采用涂覆有薄DLC层的金属材料形成，薄DLC层极大地减小了定子面与转子面之间的摩擦。这些材料组合已被证实实现了好几万次阀旋转循环的优异密封。
较大操作压力的趋势可超过喷射阀10的常规设计和材料的能力。有可能增大由贝氏弹簧垫圈34所施加的力；然而，增大的力通常导致转子面和定子面的较快磨损，以及相关联的增大的泄漏和缩短的阀寿命。
磨损主要由在改变喷射阀10的旋转状态时转子26旋转期间所施加的高剪切力引起。高剪切力归因于施加在定子14与转子26之间以产生高压流体密封的高轴向力。
图2A图示出了根据本发明的旋转剪切密封阀的子组件62。子组件62包括转子轴30'、致动器壳66和致动器盖70。图2B图示出了子组件62的截面视图，其中压电致动器74以及销78A和78B是可见的。
从致动器盖70延伸的三个销82用于将转子26定位和固定到盖70上。设置在转子轴30'、致动器壳60和致动器盖70中的其它销78确保了子组件62作为单个单元旋转，并且防止了在其它情况下由于压电致动器74的扭转而会发生的破坏。下销78A以及它们对应的孔大小被确定为形成过盈配合，以使得致动器壳66与转子轴30'之间不存在相对旋转运动。上销78B以及它们对应的孔大小被确定为形成滑动配合，以使得致动器盖70可自由地平移，而不会相对于致动器壳66旋转。
在一些实施例中，压电致动器74包括压电叠层，该压电叠层具有许多压电陶瓷材料层。适用于各种实施例的压电叠层是可市售的，并且具有通常小于100μm厚的压电材料层。每一层均通过薄的导电金属层与相邻的层分开。金属层以交错方式连接到正导体或负导体上。正导体与负导体之间的电压施加导致了每一层的伸长，并且因此导致了压电叠层的伸长。在一个实施例中，压电叠层为10mm*10mm乘18mm的可市售装置(来自于Physik Instrumente(PI)L.P的P888.50)，其具有与18μm的最大伸长相对应的120V的最大操作电压。在最大伸长下，阻挡力为800lb的力，或者相等地，需要800lb的压缩力来防止在最大操作电压下的伸长。
压电致动器74由施加在两个导体之间的电压控制，导体经由两个开口86离开压电壳66。当压电致动器74由所施加的电压激励时，压电叠层的伸长致使致动器盖70朝向定子14推动转子26。当减小或消除电压时，在转子旋转期间由压电致动器74所施加力的减小导致了定子面与转子面之间的剪切力减小。因此，定子面和转子面的磨损被显著减小，导致了喷射阀10的较长操作寿命。
图3示出了根据本发明的旋转剪切密封阀90的实施例。阀90包括被包围在阀壳22'内的图2A和图2B中的子组件62。在所示实施例中没有弹簧垫圈。阀90通过转动加载螺母54并将压电致动器74用作测量合力的传感器来进行预载。当实现了所期望的预载力时，压电叠层致动器74被电联接到电源上。在一个实施例中，电源生成0V到120V的范围内的电压。在定子面和转子面保持被密封处的最大流体压力Pmax 可以实验方式进行确定。
压电叠层致动器由它们的小的最大位移或伸长进行限制。结果，保持压电致动器74的机械结构被优选为尽可能地坚硬。包括了加载支套50、垫圈、止推轴承38、转子轴30'、壳22'和致动器盖70的各种构件的刚性不足可限制推动转子26抵靠定子14的力。
旋转剪切密封阀90的最大密封力取决于压电致动器74的几何形状以及可施加的最大电压。例如，压电致动器的长度可随阀壳22'的长度增大，以获得更大的密封力。
图4图解示出了一个实例，其示出了根据施加到用于不同预载力的压电致动器74上的电压而变化的最大流体密封压力Pmax 。密封压力Pmax 的增大相对于施加到压电致动器74上的电压增大为大体上线性的。此外，由压电致动器74所施加的预载力和力的贡献是加性的(additive)。在所图示的实施例中，压电致动器74在120V下使密封压力增大大约5000psi。例如，为了使用致动器74实现20,000psi的静密封压力，预载力被设置成15,000psi。
使用根据图4响应的压电致动器能够使得密封用于下述流体压力，该流体压力通过组合由致动器施加的可控制的力、结合用常规喷射阀实现的典型预载力而超过20,000psi，这些常规喷射阀操作达到超过15,000psi的流体压力。
图5为用于切换高压流体的方法100的实施例的流程图，该切换高压流体可用例如图3的旋转剪切密封阀90进行实施。图6图解描绘出了在方法100执行期间施加到定子14和转子26的平面表面的界面上的力。
根据方法100，第一力和第二力的组合促使(步骤110)转子26的平面表面抵靠转子14的平面表面，同时转子26处于第一开关位置。第一力是预载力FPLD ，而第二力是在被电控制信号激励时由压电致动器所施加的力FACT 。
在时间t1 处，施加到压电致动器74上的电控制信号的状态的变化(步骤120)引起致动器力FACT 的减小或消除。因此，总力FTOTAL 大体上等于预载力FPLD 。例如，控制信号的电压可减小至零以去除致动器力FACT 。在时间t2 处，转子26从第一开关位置旋转(步骤130)至第二开关位置，同时只有朝向定子14推动转子26的力是预载力FPLD 。例如，旋转可以是用于液相测量过程的样本加载序列或喷射序列的一部分。因此，在定子平面表面和转子平面表面上的磨损类似于出现在常规旋转剪切密封阀的这些表面上的磨损。
图6示出了在控制信号改变状态时的时间t1 与在转子26开始旋转时的时间t2 之间的延迟。这容许致动器减少或去除力FACT 的有限时间(例如，几毫秒)。
在时间t3 处，转子到达第二开关位置，并且在时间t4 处，控制信号返回到(步骤140)最大操作电压。因此，压电致动器74再施加致动力FACT ，以使得推动转子26抵靠定子14的总力FTOTAL 为两个力FPLD 和FACT 之和。
方法100可被重复，例如在时间t5 至t8 处，以实现后续的切换操作。
应当注意的是，在一些实施例中，压电致动器74对控制信号的响应可足够快，以使得旋转的开始和终止可与控制信号状态的变化同步。在此实施例中，时间t1 与时间t2 之间的差为零，并且时间t3 与时间t4 之间的差为零。
由于总力FTOTAL 减小，因此泄漏可在阀切换期间出现。总体来讲，在转子26在开关位置之间移动的时间短时且如果致动力FACT 的减小和再施加是快速的(例如，几毫秒)，则泄漏是可忽略的。举例来说，在常规旋转剪切密封阀的可市售模型中，转子在开关位置之间移动的时间通常小于500ms。在根据本发明的旋转剪切密封阀中使用类似的转子构件导致了类似的切换时间，对于大多数应用而言泄漏不明显。压电致动器74进行收缩和伸长的时间，即，总力FTOTAL 在图6中所示的两个值之间进行过渡的非零时间，取决于致动器控制信号的电流水平的大小。举例来说，在120V的最大电压下操作的各种可市售的压电致动器可响应于1.6A控制信号而在大约1ms内完全收缩或伸长，并且在0.16A的控制信号下在大约10ms内发生完全收缩或伸长。在电压保持在120V下时的稳态下，致动器74由于装置的电容性能而需要小电流或不需要电流(例如，几毫微安培)。相反，能够生成大的力的致动器的备选形式，诸如AC或DC电机，在稳态操作期间使用相当更大的电流来保持所施加的力。有利的是，压电叠层致动器诸如在此应用中当受预压缩时具有实际上无限的寿命。
图7图示出了根据本发明的旋转剪切密封阀94的另一个实施例。阀94包括与图3的旋转剪切密封阀90相类似的构件；然而，贝氏弹簧垫圈98被布置在支承垫圈102下方，以便在阀组件的预载期间提供额外的屈从性，并且改善了设置所期望预载的能力。在设置了所期望的预载之后，使围绕着阀壳22''的边缘定位的许多固定螺钉106变紧。固定螺钉106接触了支承垫圈102的底部成角度的表面以将其装固在适当位置。在没有固定螺钉106的情况下，压电致动器74的小位移将几乎全部通过贝氏弹簧98被吸收，并且结果，仅较小的附加的加载力将施加到定子14与转子26的界面上。
以上所述的压电叠层致动器可采用多种形式。在一些实施例中，压电叠层致动器是如图8中所示的叠层114的压电环形元件118的形式。在这些实施例中的一些实施例中，中空内核122容许转子轴通过。
尽管以上所述的实施例总体上使用了压电致动器，但是也可使用多种其它类型的线性致动器。在一个实例中，线性致动器包括步进电机或DC电机，其直接地或者经由凸轮、活塞或其它机械的特征或装置联接到转子或定子之一上，以在转子和定子界面处提供所期望的可变力。在另一个实例中，线性致动器包括一个或多个空气活塞或气动装置，其用于响应于电控制信号而生成转子与定子之间的可变力。在又一个实例中，一个或多个液压致动器用于在液压控制系统的控制下生成可变的力。施加到液压控制系统的控制信号是独立于液相色谱系统的流动控制的，但是液压控制信号和流动控制信号可同步或者以其它的方式实时关联。用于这些实施例的电控制信号可由电子压力控制器提供，以采用与以上基于压电致动器的实施例所述相一致的方式来实现旋转剪切密封阀的操作。
尽管已经参考具体的实施例来示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解的是，在没有脱离如所附权利要求中叙述的本发明精神和范围的情况下，本文可做出形式和细节上的各种变化。

Claims (15)

1.一种旋转剪切密封阀，其包括：
转子轴，其具有轴心线；
电或机械线性致动器，其被装固到所述转子轴上并被构造成响应于施加的电信号来施加力，所述力被定向为平行于所述轴心线，所述力具有响应于所述施加的电信号的大小；
转子，其具有其中带有流体通道的平面表面，所述转子被联接到所述线性致动器上并被构造成围绕着所述轴心线旋转；以及
定子，其具有被布置成与所述转子的平面表面平行且接触的平面表面，所述定子的平面表面具有用来接收流体的第一端口和用来提供所述流体的第二端口，
其中，当所述转子处于第一开关位置时，所述流体通道将在所述第一端口处接收到的所述流体引导至所述第二端口，并且其中，当所述转子处于第二开关位置时，所述流体被阻止从所述第一端口流至所述第二端口。
2.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其还包括阀机构用以在所述定子的平面表面与所述转子的平面表面之间施加大体上固定的力，其中，在所述转子的平面表面与所述定子的平面表面之间的总力大体上等于所述固定的力与由所述电或机械线性致动器施加的所述力之和。
3.根据权利要求2所述的旋转剪切密封阀，其中，所述阀机构包括弹簧机构。
4.根据权利要求3所述的旋转剪切密封阀，其中，所述弹簧机构包括至少一个弹簧垫圈。
5.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其中，所述第一端口和所述第二端口被构造成联接到液相系统的移动相路径上。
6.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其中，所述施加的电信号为电压调制信号。
7.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其中，所述电或机械线性致动器包括压电致动器。
8.根据权利要求7所述的旋转剪切密封阀，其中，所述压电致动器包括叠层的压电致动元件。
9.根据权利要求8所述的旋转剪切密封阀，其中，所述压电元件为环形压电元件。
10.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其中，所述电或机械线性致动器包括步进电机。
11.根据权利要求1所述的旋转剪切密封阀，其中，所述电或机械线性致动器包括磁性致动器。
12.一种用于切换高压流体的方法，所述方法包括：
在转子的平面表面与定子的平面表面之间施加固定力，所述转子的平面表面具有在其中的流体通道，并且所述定子的平面表面具有用来接收流体的第一端口和用来提供所述流体的第二端口；以及
将控制信号施加到被联接到所述转子上的电或机械线性致动器上，以便由此在所述转子的平面表面与所述定子的平面表面之间产生可控制的力，所述控制信号响应于所述转子的旋转状态，在所述转子的平面表面与所述定子的平面表面之间的总力大体上等于所述固定力和所述可控制的力之和。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，当所述转子在第一开关位置和第二开关位置之一处静止时所述可控制的力被施加，并且其中，当转子在所述第一开关位置与所述第二开关位置之间移动时所述可控制的力未被施加。
14. 一种用于切换高压流体的方法，所述方法包括：
将第一力和第二力的组合施加到转子的表面和定子的表面的界面处，所述第一力大体上恒定，而所述第二力由电或机械线性致动器产生并且具有响应于施加到所述电或机械线性致动器上的电控制信号的大小，所述转子的平面表面具有在其中的流体通道，并且所述定子的平面表面具有用于接收流体的第一端口和用于提供所述流体的第二端口；
改变所述电控制信号的状态以减小所述第二力的大小；
在所述第二力的大小被减小的同时，将所述转子从第一开关位置旋转至第二开关位置；以及
当所述转子处于所述第二开关位置时，改变所述电控制信号的状态以增大所述第二力的大小。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二力的大小的减小包括将所述第二力的大小减小至零。
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