CN1269480A - 旋转阀 - Google Patents

Abstract

一种旋转阀,其带有第一和第二入口/出口流体通道、以及一个或多个流体孔口。阀有多个同时将第一和第二流体通道与选定流体孔口进行互连的位置。在一个优选实施例中,阀有一外壳,而流体孔口布置于壳的外侧周边上。阀可进一步包括一个内部的旋转柱塞,其可围绕纵轴旋转以在所述位置之间移动,并包含将所述通道连接于所述流体孔口上的开口。柱塞可被分成两个位于阀中的腔,其可或者不可彼此独立移动。

Description

旋转阀

本发明涉及用于工业加的阀。

具体说，本发明涉及带有多个入口和出口的阀。

更具体地说，本发明涉及一种带有三个或更多个孔口的旋转阀。

许多工业加工在流体循环中要求使用阀。这些过程包括烘干、吸附、气体脱硫和烟尘焚化。这些过程通常采用某种类型的流体来移动如泵、鼓风机和/或压缩机以及众多的阀等设备，这些设备是将气流在合适的时间导入合适的容器所必需的。

用于循环过程的合适阀的选择取决于许多标准。这些标准包括流动、操作和密封特性、孔口结构、物理尺寸、能量输入(如电力、水力或气力)和成本。因为这些过程一般采用较低的压力(比如，在1psia至100psia的范围内)，因此形成大容量的流量。所以在这种情况下，有一个伴随的低的压降是必需的，其数量级为0.05psi至2psi。

阀操作特性包括快速打开和关闭时间，其数量级为0.25至2秒。密封特性包括密封类型、配对表面和打开与关闭阀以防止在全闭位置时发生任何泄漏所需的动力。至于孔口结构，应说明的是，大多数阀处理单一流体，因此这些阀有一个进入流体的孔口、一个排出流体的孔口。

众多的这种类型的阀早就用于循环过程的控制，正如其给定的特性，需要无数的阀。相互连接这些阀是必需的，因此需要大量的互连管道。为了在使用双重阀时维持一个较低的压降，需要较大尺寸的阀(如直径大于10英寸)，这导致较慢的打开/关闭时间和较高的成本。

Kice在美国专利3,489,178中提出了一种阀设计，其带有垂直于旋转轴的入口和出口方向。这种设计不使用阀外径大的部分，因此需要一个尺寸和成本增加的阀。

Tucker在美国专利2,312,941中提出了一种阀，带有非常小的间隙以密封有不同压力的孔口。这需要以额外的代价来提供一个大型的阀体。此外，与厚壁阀鼓相关的惯性导致阀响应时间增加，结果导致增加大量操作成本。

因此，需要在本技术领域中改善阀设计，以更接近地满足循环服务的所有标准。

因此，本发明的一个目的是提供一种用于循环过程中的阀设计。

本发明的另一个目的是提供一种阀，当其用于低压时，只产生较小的压降。

本发明的再一个目的是提供一种多孔口阀，以尽可能减少循环过程所需的管道数量。

本发明包括一个带有第一和第二入口/出口流体通道的旋转阀，以及一个或多个(最好是在6至8个之间)流体孔口。阀有多个位置，可同时将第一和第二流体通道互相连接，以选择流体孔口。因此，位于第一位置的阀可连接一个第一或第二流体通道和一个第一流体孔口，而位于第二位置的阀可连接一个第一或第二流体通道和一个第二流体孔口。很明显，提供许多将流体通道和流体孔口相连的位置是可能的，其数目随着流体孔口数目而增加。

在一个优选实施例中，阀有一个壳，流体孔口布置在壳的外侧周壁上。阀可进一步包括一个内部的旋转柱塞，其可围绕一个纵轴旋转，并在各位置之间移动，并包含将流体通道与流体孔口相连的开口或通道。

柱塞在阀内部可分成两个腔，其中一个腔与第一阀部分相对应，另一个腔与第二阀部分相对应。每个腔可彼此独立移动，或者彼此相连后一起移动。

阀可进一步包括一个位于壳和内部柱塞部件之间的可移动密封件，该内部柱塞部件可缩进，以允许柱塞在上述位置之间的自由运动。

从下述对优选实施例和附图的描述中，本领域的普通技术人员可了解其它目的、特征和优点，其中：

图1是为本发明的一个旋转阀的示意图。

图2阐述了本发明一个多孔阀的两个截面部分。

图3是使用于本发明旋转阀中的阀密封件的示意图。

图4是用于本发明实践中的阀密封件促动器的示意图。

图5是本发明三孔旋转阀的截面图。

本发明提供了适用于循环服务操作的阀设计。所发明的阀有一个小于0.5psi的低压降(从进入入口3a或3b(下文将描述)至排出出口C-J(下文将描述)之间测量)，当使用于低压操作(如小于30psia)时，压降优选为小于0.2psi。在不过度限制其机械部件的情况下，阀可设计得用于小至500cfm或大至100,000cfm的流量。此外，因为所发明的阀是多孔的，系统中装有阀的互连管道数量减到了最少。实际上，本设计中的孔口数目只受孔口尺寸和阀体周围外侧可用的机械空间的限制。因此，每个阀腔的设计中可布置三个、四个或更多个孔口。可以以任何需要的方式在阀外部的歧管中提供孔口。

在图1中显示了旋转控制阀1的一个机械示意图。阀体2的外侧阀结构(如壳)是圆柱形的，在其外侧周围包含多个流体(排泄)孔口C-J(E和G图中未示)。外侧的壳结构2的厚度小于0.3英寸，最好小于0.2英寸。阀有两个入口/出口通道，即位于阀体两端的3a和3b。入口/出口通道是可互换的。

柱塞4相对来说是一个薄壁筒(比如，壁厚小于约0.2英寸，最好壁厚小于0.1英寸)。薄壁的益处在于阀有较小的质量。这允许高速下的操作(即每个孔口切换的时间小于1秒，或甚至每个孔口切换时间小于0.5秒)。

柱塞应该用重量较轻、高弹性强度和高扬氏模量的材料来制成。这些材料的例子如高强度钢、铝或碳纤维。

柱塞4通过居于阀体两端中央的轴承5来支承。轴承又由延伸至阀壳2的内表面的支杆6来支承。柱塞的控制杆7延伸穿过阀两端，使得可通过旋转杆来定位柱塞4。阀壳2的一端或两端可安装一个弯管8，柱塞杆可穿过弯管延伸，以使得气动或液力控制机构的附装变得容易；这些机构如通过齿轮箱10来驱动的伺服电机或其它装置9。柱塞的这些操作可通过计算机编程，以任何需要的次序来实现。

柱塞4的中心可以被至少一个隔板11分隔开，以便形成两个或更多个圆柱腔(4a和4b)，以允许处理两种或多种隔开的流体。柱塞可被设计得使腔能够独立或协调操作。柱塞4a在朝向入口3a的一端有一个开口12a，在柱塞的外侧周围有一个与开口12a在内部连通的开口13a。同样，柱塞4b在朝向空气入口3b的一端有一个开口12b，在柱塞的外侧周围有一个与开口12b在内部连通的开口13b。在旋转柱塞4a、4b时，外开口13a、13b可以被索引至与所需孔口(C-J)对齐的位置，以使真空和/或馈入空气流至与孔口连通的系统部件。

提供一个下文将介绍的密封件14以防止泄漏，并使操作柱塞所需的扭矩减为最小。密封件的设计也使密封件的磨损减为最小。

如图所示，有两个入口，一个(3b)通过弯管8，另一个在3a处通过阀的另一端。两套各四个排出孔附装于阀壳2上。该视图显示了排出孔D、F、H和J(C和I背离纸面向外)的位置。该视图中未显示孔口E和G(其位于孔口C和I的对面)。然而，所显示的阀操作正位于允许通过孔口C和I流动的位置。

因此，流体以下述方式通过阀，即流体以轴向进入阀体(通过进口3a和/或3b)，并通过孔口(C-J)径向流出。周向密封件14连同纵向密封件15(见图2)围绕着柱塞2中的每一开口，以保证密封操作。

图2显示了图1中阀的两个截面视图。注意：在图2-5中，与图1中使用的相同参考数字和字母表示相同的特征。所发明的旋转阀的该例子具有公共的入口/出口的两套孔口，各有四个互成90度角布置的孔口。多孔口旋转阀带有一个包含一个相匹配的中空圆柱形柱塞4的圆柱形壳2。阀壳1包括多个孔口C、D、E、F和G、H、I和J，管道凸缘附装于这些孔口上。柱塞上制有开口(13a)，其与所对应的阀体上的孔口相同。柱塞可以绕着中心轴旋转。所示的柱塞的旋转是逆时针的，然而，可以以任何需要的次序进行顺时针或逆时针的旋转。该图还显示了纵向密封件17的位置。

该阀的密封件设计解决了现有技术中的一个难题。除了典型的磨损、操作便利性和动作速度问题外，还有薄壁柱塞的扭曲问题。为了解决该问题，为所发明的旋转阀开发了一种独特的密封件。其显示于图3中。

如此所述，为一个较硬的密封件框架20提供了一个较软的密封件21。密封总成须容纳至多0.25英寸的总挠度，其中在外壳和内筒之间最好为约0.125英寸的挠度。密封件框架由带有弹性橡胶或TEFLON(商标名)脱开式密封件的钢制成。该总成位于阀体的阀孔口内侧。气动圆柱形促动器22在阀筒开始旋转之前将密封件总成缩回，在旋转停止后将其伸出。这种方式不但为有效的密封提供了足够的挠性来跟随筒的变形，而且通过消除密封件21和阀筒2之间的滑动磨损，也防止了密封件的大的磨损。柱塞的动作会加速，因为在柱塞的运动过程中，阀体和柱塞之间没有摩擦。该设计的另一个明显优势是：其使密封件周边减为最小，因此也将穿过密封件的泄漏区减为最小。密封件的材料须有极好的耐久性、密封性和成型性。这些材料的例子包括VICON、TEFLON或氨基甲酸乙酯。

操作密封件驱动系统所使用的设备显示于图4中。图中示出了以数字1表示的阀体的一个截面，其上固定有圆柱形阀促动器22。促动器22可以是气动或液力的。圆柱形促动器22和外侧导杆23或者焊接或者用螺栓固定于喷管19上。外侧导向器23和内侧导向器24规定了密封件框架20和密封件21的往复运动路线的方向。密封发生于密封件21和阀筒(柱塞)2之间以及密封件21和外侧导向器23之间。密封件的密封面21可以是平滑的，或可带有迷宫型的凹槽以改善操作。开口密封件和柱塞之间的驱动间隙的典型数量级为约0.5英寸至约0.1英寸，有利的量级为约0.25英寸，最好为约0.125英寸。柱塞的外侧壁和壳的内侧壁之间的运行间隙的典型量级为约0.5英寸至约0.1英寸，有利的量级为约0.25英寸，最好为0.125英寸。

该阀的设计允许在磨损特性极度重要的情况下进行繁重的反复使用。低质量的柱塞设计和无摩擦特性允许阀快速动作(量级小于0.5秒)、非常短的循环时间(如在1.0秒和0.1秒之间，较好的时间为0.2秒至0.6秒，最好为0.3秒至0.5秒)和低维护费用。在实践中，高频操作和有效定位要求基本上无摩擦、相对阀体无滑动和支承的密封设计。本发明的阈带有所有这些特性。

有多种改动可以包容于上述公开的设计中。比如，设计可以是带有三个或更多个孔口的阀。图5显示了一种设计，其中轴向流动路径可被导向阀体1的外径中三个开口的任何一个。阀的柱塞2能被设计成一个单一旋转件，或者被设计成两个独立动作的轴向柱塞，每一个由其自己的促动器操纵。

此外，柱塞的旋转方向可以是顺时针、逆时针或顺、逆时针旋转的任何组合。阀的三个孔口K、L和M，以及管道凸缘30，可以以任何特定加工方案所需的方式结合在一起。孔口的间隔和尺寸一般由加工的需要来决定，但典型范围为50平方英寸至2000平方英寸。

再次参考图5，柱塞2由支杆7和轴承4所支承。所示的柱塞2上的开口朝向孔口L，其中阀密封件32(与图4中的密封件21相对应)位于密封位置。阀密封件促动器31(与图4中促动器22相对应)响应控制机构而将密封件32定位。柱塞2的操纵可以通过气动、液力或通过齿轮用马达来控制。

对于努力减少系统成本及其操作成本的本领域普通技术人员来说，本发明的优点是明显的。通过减少阀、促动器数量以及简化互连管道，系统成本将会降低。

我们还发现，在驱动马达和齿轮箱的成本、降低损失所需的最小循环时间和密封要求之间有一种关系。具体说，如果筒壁保持得较薄以减小惯性，当总成受到工作压力时，将导致大的挠曲。阀筒2(图1)的壁厚将变形，杆3(图1)将偏离其原始位置。当然，增加壁厚和杆的直径将减小挠曲，但也将显著增加驱动器成本和/或增加循环时间。总的来说，我们发现：阀筒的壁厚最好小于阀直径的10％，有利的范围是0.5～5％。

本发明的阀可使用于许多不同的应用中，包括空气分离、空气预净化和气体(即CO₂、H₂和Ar)净化。一种有利的应用是用于生产氧气的压力摇摆吸附(PSA)系统。这样一个系统可有每天生产100至400吨氧气的能力。通常，阀尺寸范围的名义直径从12英寸到48英寸，孔口长度范围为12英寸到60英寸。一种优选的PSA过程公开于共同申请的并一同转让的美国专利申请No.＿＿，律师案卷号为D-20,411；其内容在这儿作为参考。

应理解：上述描述只是示例性地阐述了本发明。在不背离本发明的情况下，本领域的普通技术人员可作出多种替换、修改和用于其他加工条件(如操作压力范围)。

Claims (10)

1.一种旋转阀，其带有第一和第二入口/出口流体通道、以及一个或多个流体孔口，其中所述阀有多个同时将第一和第二流体通道与选定的流体孔口进行互连的位置。

2.根据权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，阀有一个外壳，而流体孔口布置于所述外壳的外侧周边上。

3.根据权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，所述阀进一步包括一个内部的旋转柱塞，其可围绕纵轴旋转以在所述位置之间移动，并包含将所述流体通道连接于所述流体孔口上的开口。

4.根据权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，所述柱塞分成两个腔。

5.根据权利要求4所述的旋转阀，其特征在于，所述腔可彼此独立移动。

6.根据权利要求4所述的旋转阀，其特征在于，所述腔可彼此不独立移动。

7.根据权利要求3所述的旋转阀，其特征在于，所述阀进一步包括一个位于所述外壳和所述内部柱塞部件之间的可缩回的密封件。

8.根据权利要求7所述的旋转阀，其特征在于，所述密封件只在所述柱塞不旋转时才与所述柱塞接触。

9.根据权利要求3所述的旋转阀，其特征在于，所述柱塞通过轴承支承于所述阀的任一侧上。

10.根据权利要求3所述的旋转阀，其特征在于，在所述壳和所述柱塞之间有一个间隙。

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