JP4625006B2 - マルチポートバルブ組立体を用いて流体を処理するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は流体処理システムに関し、詳細には、流体処理システムに設けることができるマルチポートバルブ組立体に関する。本発明は、ガス精製又はガス分離を行う上で、例えば水素源を提供する上で特に有利である。

流体処理システムは、代表的には、流体流れの制御、流れの賦勢及び消勢、及び／又は流体システム間の流路の変更を行うため、一つ又はそれ以上のバルブ又はバルブシステムを必要とする。重要性が益々大きくなっている一つの流体システムは、ガソリン等の従来の燃料に対する代替物として純粋な又は実質的に純粋な水素を使用できるように、水素の分離又は精製を行うためのシステムである。例えば、環境及び環境保護主義者の関心により、将来の主要なエネルギ源として化石燃料が徐々に排除されてきた。従って、水素燃料電池の使用を広範に押し広げるため、現在、様々な方法が捜し求められている。本明細書中で使用するように、純粋な又は実質的に純粋な水素というのは、水素が十分に純粋であるか或いは所期の純度であるということを意味しようとするものである。これは、絶対に又は完全に純粋であるということが、明らかに、実際的でないためである。

従来の圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムでは、水素分が多い供給ガスから水素を分離するのに５工程プロセスを使用する。第１「吸着」工程では、吸着材を含む第１容器に供給ガスを通す。ここで不純物を選択的に吸着する。純水素製品が容器を高圧で出る。不純物で飽和した第１容器を再生しなければならない。第２「順流減圧」工程では、第１容器を順流方向で（即ち、供給ガスが元々第１容器に導入される方向で）減圧することによって、第１容器の空所空間に捕捉された水素を別の容器に差し向ける。第３「向流減圧」工程では、向流方向（即ち順流方向を逆方向）で第１容器の減圧を行う。第４「パージ」工程では、順流減圧中に別の容器から得られた水素分の多い流れを使用して第１容器を低圧でクリーニングし、これによって不純物を更にテール流れ内に移送する。第５「向流再加圧」工程では、第１容器を二つの他の容器からの純水素製品で再加圧する。これらの二つの容器のうちの一方の容器では順流減圧工程が行われており、他方の容器では吸着工程が行われている。明らかであるように、このプロセスを実施するため、流路又は流れ関係を繰り返し変更する。このプロセスを商業的規模で実施しようとする場合には、流れ関係を長期間に亘って確実に繰り返し変更するための流れシステム又はバルブ構成の設備を設けることにより、現存のバルブシステムによる解決が満足になされていないことに対して挑戦する。

図９は、上文中に説明したＰＳＡプロセスで使用できるガスプロセスシステム５２の一例を示す。システム５２は、線型をなして配置されており、５個の容器５３を含む。これらの容器の各々は、作動中の任意の所与の時期に５つのＰＳＡ工程のうちの一つの工程を専ら行う。各容器５３は、導管５４から供給流体を受け取り、各容器５３が供給流体を加工し、導管５５を通して移送されるテール（即ち廃棄）流体及び導管５６を通して移送される製品流体（水素燃料製品）を製造する。容器５３は、導管６２を介して互いに連通するように形成されている。導管５４−５６に流入する流体又はこれらの導管から流出する流体を制御するため、各容器５３に４つのバルブ５７（これは、例えばボールバルブ又はバタフライバルブであってもよい）が取り付けられている。各バルブ５７は空気圧アクチュエータ５８によって制御され、このアクチュエータは、動力ライン５９及び計器空気配管６０によって動力が与えられ且つ制御される。ガスプロセスシステム５２を適切な順序で作動するためには、バルブ５７の開閉を制御するのに複雑なコンピュータアルゴリズムを使用しなければならない。

プロセスシステム５２は多くの構成要素を必要とし、及び従って、その形成及び作動が煩雑であり、複雑であり、費用がかかり、そのため、このようなシステム５２は、流体を加工する上で、例えば水素を効率的に得るために使用するのは望ましくない。

幾つかのマルチポートシステムが提案されてきた。これらのシステムには、米国特許第４，９２５，４６４号、米国特許第５，８１４，１３０号、米国特許第５，８１４，１３１号、米国特許第５，８０７，４２３号、及び米国特許第６，４５７，４８５号に記載されたシステムが含まれる。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。しかしながら、これらの開示のシステムの各々は複雑な形状の構成要素を使用し、これは、費用の掛かる製造プロセスを必要とし、その結果、作動に信頼性がない。従って、こうした設計は、特に水素の精製を行う上で最適でない。

設計を複雑にする一つの要因は、これらのシステムのマルチポートバルブが連続的に回転するため、大きく及び／又は複雑な有孔プレートが、所望の時間間隔に亘って連通関係又は流路を制御する必要があるということである。有孔プレートが連続的に回転し、そして漏れが起こらないように密封関係を維持しなければならないため、構成は、比較的大きな構成要素の密封関係を維持するのに必要な大きな力、及び組立体の構成要素を回転するのに必要な関連したトルクと戦わなければならない。

従って、本発明は、有利には、上文中に説明したシステムと比べて信頼性がある費用対効果に優れた安価な方法で流体を処理するための新規なマルチポートバルブシステムを提供する。

本発明の第１の特徴によれば、第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々有する複数の容器を含む、ガス精製システム用バルブ組立体が提供される。好ましい例示の形体によれば、バルブ組立体は、連続的に回転するようになったモータ及びモータの連続運動を断続運動に変換する変換機構を含む。更に、複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を第１バルブエレメントの出口に選択的に連結する第１孔を含む第１バルブエレメントが設けられている。第１バルブエレメントは、更に、複数の容器のうちの一対の容器の第１ポート開口部同士を選択的に相互連結するための第１通路を含む。ガス精製システムの作動中、第１バルブエレメントは、モータ及び変換機構によって断続的に移動される。各断続的移動により、第１孔に連結された容器を変更し、第１通路によって連結された対をなした容器を変更する。ガス精製システムは、更に、複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結する第２孔を持つ第２バルブエレメントを含む。第２バルブエレメントもまた、モータ及び変換機構によって断続的に移動される。各断続的移動により、第２孔に連結された容器を変更する。

本発明の別の特徴によれば、バルブエレメント又は組立体が提供される。バルブ組立体は、二つの穴を持つ第１ディスク及びこの第１ディスクと隣接して配置された第２ディスクを含む。第２ディスクは二つの穴と整合するように配置された二つの孔を有し、第１通路がこれらの二つの孔間を流体連通できるように構成されている。バルブ組立体は、更に、二つの穴と二つの孔との間の位置関係を変更するように、第２ディスクを第１ディスクに対して断続的に回転するように構成された駆動ユニットを含む。

本発明の別の特徴によれば、流体処理システムが提供される。この流体処理システムは、第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々有する複数の容器を含む。更に、複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を第１バルブエレメントの出口に選択的に連結する第１孔を含む第１バルブエレメントが設けられている。流体処理システムは、更に、複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結する第２孔を持つ第２バルブエレメントを含む。流体処理システムは、更に、連続的に回転するようになったモータ及びこのモータの連続運動を断続運動に変換するように形成された変換機構を含む。第１及び第２のバルブエレメントはモータ及び変換機構によって断続的に移動され、断続的移動により、第２孔に連結された容器及び第１孔に連結された容器を変更する。

本発明の別の特徴によれば、第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々有する複数の容器を含むガス精製システム用バルブ組立体が提供される。バルブ組立体は、第１孔乃至第５孔が第１表面に円形をなして配置された第１バルブエレメントを含む。第１孔は、複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を第１バルブエレメントの出口に選択的に連結するように構成されている。出口は、第１バルブエレメントの第２表面に配置されている。第４孔は第２孔に第１通路によって連結され、第５孔は第１孔に第２通路によって連結され且つ第２孔に第３通路によって連結される。バルブ組立体は、更に、第６孔乃至第８孔が第１表面に設けられた第２バルブエレメントを含む。第６孔は、複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結するように構成されている。入力部は、第２バルブエレメントの第２表面に配置されている。第７孔及び第８孔は、複数の容器のうちの二つの容器の第２ポートを第２バルブエレメントの第３表面に配置された二つの出口に選択的に夫々連結するように構成されている。

別の特徴によれば、流体をガス精製システムで取り扱うための方法が提供される。好ましい方法によれば、複数の容器が設けられ、第１バルブエレメントの孔に選択的に連結される。先ず最初に、第１バルブエレメントを第１位置に配置し、複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部から製品流体を取り出す。次いで、第１バルブエレメントを断続的に回転によって第２位置まで移動し、第１容器を減圧する。この減圧は、第１方向での流体流れによって行うことができる。次に、第１バルブエレメントを断続的に移動し、第１バルブエレメントを第３位置まで移動し、第１容器を第１方向とは逆方向の第２方向で減圧する。次いで、第１バルブエレメントを断続的回転によって、第４位置まで再度移動し、第１容器から不純物をパージする。その後、第１バルブエレメントを再び断続的回転によって第５位置まで移動し、第１容器の再加圧を行う。

冒頭に論じたように、本発明は、特に有利には、水素の精製で使用できるけれども、この他の用途に使用することができるということは理解されよう。

本願に組み込まれ且つ本願の一部を構成する添付図面は、本発明の現在の好ましい実施形態を例示し、上述の概括的説明及び以下の好ましい実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

次に添付図面を参照すると、幾つかの図面に亘って同じ又は対応する部品に同じ参照番号が付してあり、次に本発明の幾つかの実施形態を説明する。

図１Ａ及び図２Ｂは、様々な流体処理の用途で使用できる流体処理システム１を示す。例えば、流体処理システム１は、流体処理システム１に含まれる容器３ａ乃至３ｅの機能に応じて気体形態の流体（例えば空気や天然ガス）や液体形態の流体の処理に使用できる。例えば、流体処理システム１の容器３ａ乃至３ｅの各々に水素精製用の吸着材を含んでいてもよい。更に、流体処理システム１は広範な温度−圧力作動条件で使用できる。

流体処理システム１は、容器３ａ乃至３ｅ及びバルブ組立体２を含む。バルブ組立体２は、第１バルブエレメント８、第２バルブエレメント１３、及び駆動ユニット１２を含む。第１バルブエレメント８は、処理されるべき流体を取り扱うのに必要な性質を示す、金属、ポリマー、又は任意の他の形成可能な材料でできていてもよい。第１バルブエレメント８は、好ましくは円筒形形状であり、様々な形体を含むように大型化してもよいし小型化してもよい。第１バルブエレメント８は、第１ディスク１６及び第２ディスク１７を含む。第２ディスク１７は、第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂの二つの別々の部分として示してある。第２ディスク１７は、第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂが別々に製造された構成要素であり、これらの構成要素がピン１８（図２参照）又は別の態様ではファスナ、接着剤結合、鑞付け、はんだ付け、溶接、又は流体処理システムで使用するのに適した任意の他の取り付け手段によって固定的に取り付けられるように形成されていてもよい。第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂが別々に製造された構成要素である場合には、これらの部分は実質的に気密に取り付けられる。本明細書の目的において、「実質的に気密」であるという用語は、当該技術分野で既知のように、流体が全く又はほんの最小量しか漏れない状態に関する。別の態様では、第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂが形成可能な材料から鋳造、型成形、機械加工、又は他の方法で単一の構成要素として形成されるように、第１部分１７ａ及び第２部分１７ｂを、一体の構成要素として形成してもよい。

図３Ｂに示すように、第１部分１７ａの第１表面１９ａに孔９ａ−９ｅが配置されており、これらの孔は、第２表面１９ｂまで貫通している。本明細書中で参照番号を付した全ての孔は、形成プロセス中又は後形成プロセスで形成できる。第１部分１７ａは５個の孔９ａ−９ｅを持つように示してあるが、この数は、実施される流体プロセスに応じてこれよりも多くてもよいし少なくてもよい。第２表面１９ｂに三つの通路１１ａ−１１ｃが配置されており、連結された孔間を流体連通する。通路１１ａは孔９ａと９ｅとを連結し、通路１１ｂは孔９ｂと９ｅとを連結し、通路１１ｃは孔９ｂと９ｄとを連結する。勿論、通路の数及び形体は、別の態様では、実施される流体プロセスに応じて変化させてもよい。更に、通路１１ａ−１１ｃは、第１部分１７ａの形成（例えば鋳造プロセス）中に、又は後形成機械加工プロセス時に形成してもよく、通路１１ａ−１１ｃは、流体を輸送するのに適した任意の輪郭を備えていてもよい。通路１１ｂ内の流体流れを制御するため、バルブ組立体２に含まれる流れ制御部材２１（例えばボール−ばね逆止弁）を収容するための凹所２０が第２表面に設けられている。

図２に示すように、第２部分１７ｂは、孔９ａと整合した出口１０を含む。第１部分１７ａと第２部分１７ｂとの間が実質的に気密にシールされているため、孔９ａ及び出口１０は、本質的に単一の流体導管として機能する。

第１ディスク１６は、第１表面２３ａから第２表面２３ｂまで延びる５個の穴２２ａ−２２ｅを含み、フレーム１５に固定的に取り付けられる（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。穴２２ａ−２２ｅの数は、図２に示す実施形態と異なっていてもよいが、好ましくは第２ディスク１７の孔９ａ−９ｅと同数である。更に、穴２２ａ−２２ｅは、第１バルブエレメント８が、図８Ａ乃至図８Ｅに示すように、その所定の位置の一つの位置にあるとき、各穴が孔９ａ−９ｅのうちの一つの孔と整合するように配置される。第１ディスク１６の第１表面２３ａには、穴２２ａ−２２ｅの各々の周囲に配置された円形の凹所２４が設けられている。これらの凹所２４の各々は、シーリング構成要素２５及び着座構成要素２６を受け入れるようになっている。シーリング構成要素２５及び着座構成要素２６は、バルブ組立体２の作動中、第１及び第２のディスク１６と１７との間を常に実質的に気密にシールするようになっている。

更に、着座構成要素２６は、第１及び第２のディスク１６及び１７を互いに対して容易に移動できる（例えば駆動ユニット１２による断続的回転時に）ようになっている。例えば、着座構成要素２６は、低摩擦材料（例えばプラスチック）で形成されていてもよく、又は当該技術分野で既知のように低摩擦面を提供するのに必要な程度まで研磨されていてもよい。別の態様では、又は追加として、第１表面２３ａ及び第１表面１９ａは、第１及び第２のディスク１６及び１７を互いに対して容易に移動できるようになっていてもよい（例えば研磨されていてもよい）。

バルブ組立体２には、第２ディスク１７を第２バルブエレメント１３の第２ディスク２９に連結するロッド２７が設けられている。ロッド２７は、金属、ポリマー、又は駆動ユニット１２が生成するトルク負荷を取り扱うのに必要な性質を示す任意の他の適当な材料でできていてもよい。ロッド２７の一端は、第２ディスク１７の凹所３０ａと界面をなすようになっており、ロッド２７の他端は、第２ディスク２９の凹所３０ｂと界面をなすようになっており、ロッド２７を回転すると、第２ディスク１７及び２９の両方が回転する。

第２バルブエレメント１３は、好ましくは円筒形形状であり、様々な形体に合わせて大型化してもよいし小型化してもよい。第２バルブエレメント１３は、第１ディスク２８及び第２ディスク２９を含む。第２ディスク２９は第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂの二つの別々の部分として示してある。第２ディスク２９は、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂが別々に製造された構成要素であり、これらの構成要素がピン１８（図４参照）又は別の態様ではファスナ、接着剤結合、鑞付け、はんだ付け、溶接、又は流体処理システムで使用するのに適した任意の他の取り付け手段によって固定的に取り付けられるように形成されていてもよい。第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂが別々に製造された構成要素である場合には、これらの部分は実質的に気密に取り付けられる。別の態様では、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂが形成可能な材料から鋳造、型成形、機械加工、又は他の方法で単一の構成要素として形成されるように、第１部分２９ａ及び第２部分２９ｂを、一体の構成要素として形成してもよい。

図５Ａに示すように、第１部分２９ａの第１表面３１ａに孔９ｆ−９ｈが配置されており、これらの孔は第２表面３１ｂまで貫通している。第１部分２９ａは３個の孔９ｆ−９ｈを持つように示してあるが、この数は、実施される流体プロセスに応じてこれよりも多くてもよいし少なくてもよい。第２表面３１ｂには二つのチャンネル３２ａ−３２ｂが配置されており、これらのチャンネルは、夫々、流体の流れを９ｇ及び９ｈから第２バルブエレメント１３の外に第３表面３１ｃを通して差し向ける。勿論、チャンネルの数及び形体は、別の態様では、実施される流体プロセスに応じて変化させてもよい。更に、チャンネル３２ａ及び３２ｂは、第１部分２９ａの形成（例えば鋳造プロセス）中に、又は後形成機械加工プロセス時に形成してもよく、チャンネル３２ａ及び３２ｂは、流体を輸送するのに適した任意の輪郭を備えていてもよい。

第１ディスク２８は、形体及び機能が第１ディスク１６と実質的に同じであり、フレーム１５に固定的に取り付けられる。第１ディスク２８は、５個の穴２２ｆ−２２ｊを含み、第２バルブエレメント１３がその所定の位置（以下に説明する）のうちの一つにあるとき、これらの穴のうちの３個の穴が孔９ｆ−９ｈと整合する。シール構成要素２５及び着座構成要素２６は、第１バルブエレメント８に関して上文中に説明したように機能する。

図５、及び図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第２部分２９ｂは、孔９ｆと整合した入口３３を含む。第１及び第２の部分２９ａと２９ｂとの間が実質的に気密にシールされているため、孔９ｆ及び入口３３は本質的に一体の流体導管として機能する。第２部分２９ｂは、更に、チャンネル３２ｃ及び３２ｄを含み、これらのチャンネルは、夫々、第１部分２９ａのチャンネル３２ａ及び３２ｂと整合する。このようにして、チャンネル３２ａ−３２ｄは、流体を孔９ｇ及び９ｈから第２バルブエレメント１３の外に第３表面３１ｃを通して差し向ける二つの流体導管として機能する。

第２部分２９ｂは、更に、ロッド３５の端部を受け入れるための凹所３４を含む。ロッドの他端は駆動ユニット１２に連結される。このロッドは、形体及び機能がロッド２７と同様である。ロッド３５を回転すると同時に第２バルブエレメント１３、ロッド２７、第１バルブエレメント８が回転する。第１ディスク１６及び２８は、フレーム１５に固定的に取り付けられているため、回転しない。

容器３ａ−３ｅは円筒形形状であり、これらの容器の長さ方向軸線は互いに実質的に平行に（例えば図１Ａにｚ軸に沿って）配置されている。本明細書の目的において、「実質的に平行」という用語は、当該技術分野で既知のように、構成要素が許容可能な平行の範囲内にある状態に関する。別の態様では、容器３ａ−３ｅは、以下に説明する流体取り扱い方法を可能にする当該技術分野で既知の任意の他の形状及び配向であってもよい。更に、容器３ａ−３ｅは、当該技術分野で既知のように、所望の流体処理作業に適した任意の材料及び方法で製造できる。

容器３ａ−３ｅは、所望のプロセスに応じて様々な流体処理材料を含むことができる。例えば、容器３ａ−３ｅは、空気、天然ガス、又は当該技術分野で既知の任意の他の流体を、吸着材を使用して処理するのに使用できる。吸着材又は吸着材の床は、流体流れから汚染物を選択的に除去する様々な既知の材料を単一で又は組み合わせて使用してもよい。例示の汚染物／吸着材システムは、炭化水素蒸気／活性炭、硫化水素／金属及び金属酸化物をドーピングした活性炭、メルカプタン及び他の硫黄含有有機物／上述の吸着材又はゼオライト、水／シリカゲルである。例示の実施形態では、容器３ａ−３ｅは、各々、ＰＳＡプロセスで水素精製を行うようになった吸着材を含んでいてもよい。

容器３ａ−３ｅは、各々、第１ポート開口部４及び第２ポート開口部５を含み、これらの第１及び第２のポート開口部４及び５の各々は、入口ポート又は出口ポートとして使用できる。第１ポート開口部４の各々は、導管１４ａによって第１ディスク１６の穴２２ａ−２２ｅの一つに取り付けられている。各第２ポート開口部５は、導管１４ｂによって第１ディスク２８の穴２２ｆ−２２ｊの一つに取り付けられている。導管１４ａ及び１４ｂは容器３ａ−３ｅと第１ディスク１６及び２８との間を流体連通するために設けられており、図１Ａ及び図１Ｂに示すようにエルボー配管として形成されていてもよいし、当該技術分野で既知のように、流体を輸送するための任意の他の手段として形成されていてもよい。更に、導管１４ａ及び１４ｂは、プラスチック、金属、又は所望の流体処理プロセスに適した任意の他の形成可能な材料で形成されていてもよい。第１及び第２のポート開口部４及び５、及び第１ディスク１６及び２８の夫々を、例えばねじ山を備えた構成要素及びシーリングゲル等の当該技術分野で既知の任意の実質的気密連結手段によって導管１４ａ及び１４ｂに取り付けてもよい。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、駆動ユニット１２がフレーム１５に固定的に取り付けられており、ロッド３５を断続的に回転するようになっている。図７は、モータ３６及び変換機構３７を含む駆動ユニット１２の内部エレメントを示す。モータ３６は、当該技術分野で既知のように電動モータであってもよく、シャフト４０を連続的に回転するように構成されている。

変換機構３７は、モータ３６の連続運動を断続運動に変換するようになっており、ホイール３８及びクランク３９を含み、ジュネーブ歯車機構として従来既知の組み合わせを含む。ホイール３８は、四つのスロット４３を含むように示してあるが、バルブ組立体２の他の構成要素の構成及び所望の断続運動に応じてこれよりも多くても少なくてもよい。例えば、ホイール３８は、第１ディスク１６及び２８の各々の５個の穴と対応する５個のスロットを含んでもよい。更に、クランク３９は一本のピン４２を含むように示してあるが、別の態様では、所望の断続運動に応じてこれよりも多くのピンを設けてもよい。シャフト４０はブラケット４１によって支持されており、シャフト４０に固定的に取り付けられたクランク３９をモータ３６の駆動によって連続的に回転する。クランク３９が回転すると、ピン４２がスロット４３と交互に向き合い、クランク３９の各回転毎にホイール３８が１／４回転する。ピン４２がスロット４３と係合していない場合には、クランク３９に設けられたプレート４４が凹所４５の一つと関連し、ホイール３８はピン４２がスロット４３の一つと係合するまで回転しない。このようにして、モータ３６が生成する連続運動を変換機構３７の断続運動に変換する。ロッド３５がホイール３８に固定的に取り付けられているため、断続的回転運動が第２ディスク２９及び１７に伝達される。

図７に示す非限定的例に対する変形例として、駆動ユニット１２は、所望の流体処理プロセスに適した当該技術分野で既知の任意の他の手段によって断続運動を提供してもよい。例えば、図７に示すエレメントを使用する代わりに、駆動ユニット１２は、線型アクチュエータが生成する連続運動を断続運動に変換する多バーリンク機構を含んでいてもよい。更に、例えば、駆動ユニット１２は、断続運動を直接的に生成するため、調時式液圧又は空気圧アクチュエータを使用してもよい
バルブ組立体２を使用し、容器３ａ−３ｅとバルブ組立体２の入口及び出口との間の関係及び容器３ａ−３ｅ自体の間の関係を第１及び第２のバルブエレメント８及び１３の位置に基づいて選択的に変化させることができる。例えば、第１ポート開口部４の各々を、第１バルブエレメント８の位置に基づいて、孔９ａを介して出口１０に選択的に連結でき、又は通路１１ａ−１１ｃのうちの一つの通路を介して第１ポート開口部４の別の一つのポート開口部に連結できる。

次に、本発明の一つの特徴による流体取り扱い方法を図８Ａ乃至図８Ｅを参照して論じる。非限定的例として、本方法を当該技術分野で既知のＰＳＡプロセスに関して説明する。しかしながら、バルブ組立体２は、その形体に適した任意の他の流体処理プロセスに使用してもよい。

第１及び第２のバルブエレメント８及び１３は、駆動ユニット１２の断続的駆動に基づいて５つの位置（図８Ａ乃至図８Ｅ参照）のうちの一つの位置に選択的に配置されるように構成されている。詳細には、各バルブエレメントの位置は、関連した第２ディスクを、バルブ組立体２の作動中に亘って定置の対応する第１ディスクに対して断続的に回転することによって変更される。各位置は、特定の容器に対する位置であり、更に詳細には第１ポート開口部４の又は第２ポート開口部５のうちの特定の一つのポート開口部に対する位置である。例えば、図８Ａに示すように、第１バルブエレメント８は、容器３ａに関する第１位置；容器３ｂに関する第２位置；容器３ｃに関する第３位置；容器３ｄに関する第４位置；容器３ｅに関する第５位置にある。ＰＳＡプロセスに関し、第１位置は吸着工程と対応し、第２位置は順流減圧工程と対応し、第３位置は向流減圧工程と対応し、第４位置はパージ工程と対応し、及び第５位置は再加圧工程と対応する。

この方法には、第１バルブエレメント８（図８Ａ乃至図８Ｅに第１部分１７ａの第１表面１９ａによって示す）を第１位置に配置し、製品流体（例えば純水素）を容器３ａの第１ポート開口部４から取り出す工程を含む。第１位置では、孔９ａは、容器３ａの第１ポート開口部４に連結された穴２２ａと整合し、入口３３は、容器３ａの第２ポート開口部５に連結された穴２２ｆと整合する。

第１位置では、供給流体（例えば空気又は天然ガス）が流体処理システム１に入口３３を介して導入され、第２バルブエレメント１３を介して容器３ａに移送される。この例では、容器３ａ−３ｅは、水素を精製するようになった吸着材を各々含み、供給流体中の不純物は容器３ａ内で吸着され、高純度の製品流体を形成する。第１位置で発生した製品流体は容器３ａを出口１０及び通路１１ａの二つの経路を通って出る。出口１０に進入する製品流体は導管５１を介して別体のリザーバ（例えば純水素を貯蔵するために消費者が使用するリザーバ）に移送される。通路１１ａに進入する製品流体は、孔９ｅに差し向けられ、次いで容器３ｅに差し向けられ、ここで再加圧工程（第５位置に関して以下に説明する）で使用される。通路１１ａ内での製品流体の流れは、構成要素６１（図２参照）を調節することによって制御できる。この調節構成要素６１は、ねじ型部材として形成されていてもよいし、流体の流量を制御するための当該技術分野で既知の任意の他の手段として形成されていてもよい。調節構成要素６１は通路１１ｃにも設けられている。

図８Ｂは、第１バルブエレメント８を容器３ａに関して第２位置で示す。この位置は、第１バルブエレメント８を断続的回転により第２位置まで移動し、容器３ａを第１ポート開口部４に向かう方向である第１方向４６（図１のＢ参照）で減圧する工程により得られる。この工程では、流体が容器３ａの第２ポート開口部５に出入りできないように、孔９ｂが容器３ａの第１ポート開口部４と整合し、穴２２ｆが第１表面３１及びシーリング部材４９（例えばＯ−リングとして形成されている）によって実質的に気密にシールされるように、駆動ユニット１２が第１及び第２のバルブエレメントを回転方向４８に断続的に移動する。

第２位置では、容器３ａは、容器３ａの空所空間に捕捉された製品流体が容器３ａから容器３ａの第１ポート開口部４を通って引き出されるように第１方向４６で減圧される（図１Ｂ参照）。引き出された製品流体は、通路１１ｂを通して孔９ｅに差し向けられ、次いで容器３ｄに差し向けられ、ここで再加圧工程（第５位置に関して以下に説明する）で使用される。

図８Ｃは、第１バルブエレメント８を容器３ａに関して第３位置で示す。この位置は、第１バルブエレメント８を断続的回転によって第３位置まで移動し、容器３ａを第１方向４６と逆方向の第２方向４７（図１Ｂ参照）で減圧する工程により得られる。この工程では、孔９ｃが容器３ａの第１ポート開口部４と整合し且つ孔９ｈが容器３ａの第２ポート開口部５（図４参照）に連結された穴２２ｆと整合するように、駆動ユニット１２が第１及び第２のバルブエレメントを回転方向４８に断続的に移動する。このようにして、流体が容器３ａの第１ポート開口部４を通って出入りしない（即ち、孔９ｃが出口又は他の孔に連結されていない）ようにするが、容器３ａの第２ポート開口部５を通って出ることができるようにする。

第３位置では、容器３ａは、テール流体が容器３ａの第２ポート開口部５を通過するとき、供給流体から吸着された不純物が容器３ａから引き出されるように第２方向４７に沿って減圧される。テール流体は、次いで、孔９ｈを通過し、チャンネル３２ｂ及び３２ｄによって第２バルブエレメント１３の第３表面３１ｃの外に差し向けられる。テール流体は、次いで、導管５０（図１Ａ参照）を介して、流体処理システム１とは別に配置されたリザーバに移送できる。

図８Ｄは、第１バルブエレメント８を容器３ａに関して第４位置で示す。この位置は、第１バルブエレメント８を断続的移動によって第４位置まで移動し、不純物を容器３ａからパージする工程により得られる。この工程では、駆動ユニット１２は、孔９ｄが容器３ａの第１ポート開口部４と整合し、孔９ｇが容器３ａの第２ポート開口部５に連結された穴２２ｆと整合する（図４参照）ように、第１及び第２のバルブエレメントを断続的に回転方向４８に移動する。このようにして、流体を容器３ａの第１ポート開口部４を通して通路１１ｃを介して容器３ａに入れ、穴２２ｆ及び孔９ｇを介して容器３ａの第２ポート開口部５を通して出すことができる。

第４位置では、容器３ｄから引き出された製品流体を孔９ｂ及び通路１１ｃを通して移送し、孔９ｄ内に一定の圧力で差し向け、残った不純物を容器３ａからパージする。不純物は、容器３ａの第２ポート開口部５の外にテール流体として移動され、これは、次いで、孔９ｇを通過し、チャンネル３２ａ及び３２ｃによって第２バルブエレメント１３の第３表面１３ｃの外に差し向けられる。テール流体は、次いで、導管５０（図１Ａ参照）を介して流体処理システム１とは別個に配置されたリザーバに移送される。

図８Ｅは、第１バルブエレメント８を容器３ａに関して第５位置で示す。この位置は、第１バルブエレメント８を断続的回転によって第５位置まで移動し、容器３ａを再加圧する工程により得られる。この工程では、駆動ユニット１２が第１及び第２のバルブエレメントを断続的に回転方向４８に移動し、孔９ｅを容器３ａの第１ポート開口部４と整合し、穴２２ｆを第１表面３１及びシーリング部材４９によって実質的に気密にシールし、流体が容器３ａの第２ポート開口部５に出入りできないようにする。第５位置では、流体を容器３ａの第１ポート開口部４を通して孔９ｅ及び通路１１ａ及び１１ｂを介して容器３ａに入れることができる。

第５位置では、パージされた容器３ａを容器３ｂ及び３ｃから通路１１ａ及び１１ｂの夫々を介して製品流体で再加圧する。通路１１ｂ内の流体流れは、流れ制御部材２１によって制御され、これにより、例えば、容器３ａの内部圧力が容器３ｃの内部圧力よりも大きい場合に流体が流れないようにできる。

容器３ａを所望の吸着圧力まで再加圧した後、駆動ユニット１２が第１及び第２のバルブエレメントを第１位置まで断続的に回転し、プロセスを新たに開始する。流体処理システム１は、例示の例において５個の容器を含むため、５個の別個のＰＳＡプロセスを流体処理システム１で異なる段階で難なく行うことができる。

上述の非限定的例によって、既知のシステム（例えば図９に示すシステム）の多くの欠点が無くされる。例えば、流体処理システム１は断続的な運動を生成する駆動ユニットを使用するため、第１バルブエレメント８の形状は、流体を容器間で（即ち通路内で）比較的簡単に向流移送できる。更に、断続的移動を使用することにより、容器の第１及び第２のポート開口部の開閉手順についての複雑な制御アルゴリズムの必要をなくす。更に、流体処理システム１は、プロセスの回転的特徴のため、既知のシステムよりも遙かにコンパクトであり、必要な構成要素が既知のシステムよりも少ない。例えば、本発明は、多数の流体処理プロセスを異なる段階で同時に実行する単一の駆動ユニットを使用する。

本発明は、その精神及び要旨から逸脱することなく、この他の特定の形体でも実施できるということは当業者には明らかになるであろう。従って、ここに開示した実施形態は、全ての特徴において、例示であって限定ではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、以上の説明でなく添付の特許請求の範囲によって示され、本発明の意味及び等価性の範囲内の全ての変更は特許請求の範囲に含まれる。

本発明の例示の実施形態による流体処理システムの斜視図である。 本発明の例示の実施形態による流体処理システムの側面図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第１バルブエレメントの分解図である。 図２に示す第１バルブエレメントの第２ディスクの第１部分の斜視図である。 図２に示す第１バルブエレメントの第２ディスクの第１部分の斜視図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２バルブエレメントの分解図である。 図４に示す第２バルブエレメントの第１ディスクの斜視図である。 図４に示す第２バルブエレメントの第１ディスクの斜視図である。 図４に示す第２バルブエレメントの第２ディスクの斜視図である。 図４に示す第２バルブエレメントの第２ディスクの斜視図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの駆動ユニットのエレメントの斜視図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２ディスク及び容器の様々な位置の概略図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２ディスク及び容器の様々な位置の概略図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２ディスク及び容器の様々な位置の概略図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２ディスク及び容器の様々な位置の概略図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す流体処理システムの第２ディスク及び容器の様々な位置の概略図である。 従来のバルブを使用するガス処理システムの概略図である。

Claims (30)

1. 第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々有する複数の容器を含むガス精製システムのためのバルブ組立体において、
   連続的に回転するようになっているモータ、
   前記モータの連続運動を断続運動に変換する変換機構、
   第１孔を持つ第１バルブエレメントであって、前記第１孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を前記第１バルブエレメントの出口に選択的に連結し、前記第１バルブエレメントは、前記複数の容器のうちの一対の容器の第１ポート開口部同士を選択的に相互連結するための第１通路を更に含み、前記第１バルブエレメントは、前記モータ及び前記変換機構によって断続的に移動され、各断続的移動が、前記第１孔に連結された容器を変更し、前記第１通路によって連結された対をなした容器を変更する、第１バルブエレメント、
   第２孔を持つ第２バルブエレメントであって、前記第２孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を前記第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結し、前記第２バルブエレメントは、前記モータ及び前記変換機構によって断続的に移動され、各断続的移動が、前記第２孔に連結された容器を変更する、第２バルブエレメント、及び
   前記第１バルブエレメントに連結され且つ前記第２バルブエレメントに連結されたロッド、を含む、バルブ組立体。
2. 請求項１に記載のバルブ組立体において、前記第１孔及び前記第２孔は、前記複数の容器のうちの同じ一つの容器の第１ポート開口部及び第２ポート開口部の夫々に同時に連結される、ことを特徴とするバルブ組立体。
3. 請求項１に記載のバルブ組立体において、前記第１通路内の流体流れを制御するように構成された流れ制御部材を更に有する、ことを特徴とするバルブ組立体。
4. 請求項１に記載のバルブ組立体において、前記第２バルブエレメントは、前記複数の容器の別の一つの容器の第２ポート開口部を前記第２バルブエレメントの出力に選択的に連結する第３孔を含み、前記モータ及び前記変換機構の各断続運動が、前記第３孔に連結された容器を変更する、ことを特徴とするバルブ組立体。
5. バルブシステムにおいて、
   二つの穴を持つ第１ディスクと、前記第１ディスクと隣接して配置された第２ディスクであって、前記二つの穴と整合して配置された二つの孔、及び前記二つの孔間を流体連通できるように配置された第１通路を含む、第２ディスクと、前記二つの穴と前記二つの孔との間の位置関係が変更されるように、前記第２ディスクを前記第１ディスクに対して断続的に回転するように構成された駆動ユニットと、を備えた第１バルブエレメント、
   第２バルブエレメント、及び
   前記第１バルブエレメントに連結され且つ前記第２バルブエレメントに連結されたロッド、を含む、ことを特徴とするバルブシステム。
6. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、前記第１通路内の流体流れを制御するように構成された流れ制御部材を更に含む、ことを特徴とするバルブシステム。
7. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、前記駆動ユニットは、前記二つの孔のうちの一方の孔が前記二つの穴のうちの一方の穴から前記二つの穴のうちの他方の穴まで回転するように前記第２ディスクを断続的に回転するように構成されている、ことを特徴とするバルブシステム。
8. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、前記駆動ユニットは、
   連続回転運動を生成するように構成されたモータ、及び
   前記連続回転運動を断続的回転に変換するように構成された変換機構を含む、ことを特徴とするバルブシステム。
9. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、
   前記第１ディスクは前記二つの穴を含む５つの穴を含み、及び
   前記第２ディスクは前記二つの孔を含む５つの孔を含み、これらの５つの孔は、前記５つの穴と夫々整合するように配置された第１孔、第２孔、第３孔、第４孔、及び第５孔を含む、ことを特徴とするバルブシステム。
10. 請求項９に記載のバルブシステムにおいて、
    前記第１及び第５孔は第２通路によって連結され、
    前記第２及び第４孔は第３通路によって連結され、及び
    前記二つの孔は前記第２孔及び前記第５孔と対応する、ことを特徴とするバルブシステム。
11. 請求項１０に記載のバルブシステムにおいて、前記第２及び第３通路内の流体の流量を変化させるように構成された調節構成要素を更に含む、ことを特徴とするバルブシステム。
12. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、
    前記第１ディスクは前記駆動ユニットと前記第２ディスクとの間に配置され、
    前記第１ディスクは中央穴を含み、及び
    前記駆動ユニットは、前記中央穴に配置されたシャフトを介して前記第２ディスクに回転自在に連結されている、ことを特徴とするバルブシステム。
13. 請求項５に記載のバルブシステムにおいて、前記第１及び第２のディスク間に配置されたシーリング構成要素を更に含み、このシーリング構成要素は、前記第１及び第２ディスク間の断続的回転中、前記第１及び第２ディスク間の流体シールを維持するように構成されている、ことを特徴とするバルブシステム。
14. 流体処理システムにおいて、
    第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々有する複数の容器、
    第１孔を持つ第１バルブエレメントであって、前記第１孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を前記第１バルブエレメントの出口に選択的に連結する、第１バルブエレメント、
    第２孔を持つ第２バルブエレメントであって、前記第２孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を前記第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結する、第２バルブエレメント、
    連続的に回転するようになされたモータ、
    前記モータの連続運動を断続運動に変換する変換機構であって、前記第１及び第２バルブエレメントは、前記断続運動が前記第２孔に連結された容器及び前記第１孔に連結された容器を変更するように、前記モータ及び前記変換機構によって断続的に移動される、変換機構、及び
    前記第１バルブエレメントに連結され且つ前記第２バルブエレメントに連結されたロッド、を含む、流体処理システム。
15. 請求項１４に記載の流体処理システムにおいて、前記複数の容器は前記ロッドの異なる側部に且つ前記第１及び第２バルブエレメント間に配置される、ことを特徴とする流体処理システム。
16. 請求項１４に記載の流体処理システムにおいて、前記複数の容器のうちの少なくとも一つの容器は吸着材を含む、ことを特徴とする流体処理システム。
17. 請求項１４に記載の流体処理システムにおいて、前記第１及び第２バルブエレメントの各々は円筒形状である、ことを特徴とする流体処理システム。
18. 第１ポート開口部及び第２ポート開口部を各々含む複数の容器を含むガス精製システムのためのバルブ組立体において、
    第１乃至第５孔を持つ第１バルブエレメントであって、前記第１乃至第５孔は前記第１バルブエレメントの第１表面に円形をなして配置されており、
    前記第１孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第１ポート開口部を前記第１バルブエレメントの出口に選択的に連結するように構成されており、前記出口は前記第１バルブエレメントの第２表面に配置されており、
    前記第４孔は前記第２孔に第１通路によって連結されており、
    前記第５孔は、前記第１孔に第２通路によって連結され、及び前記第２孔に第３通路によって連結されている、第１バルブエレメント、
    第６乃至第８孔を持つ第２バルブエレメントであって、前記孔は前記第２バルブの第１表面に配置されており、
    前記第６孔は、前記複数の容器のうちの一つの容器の第２ポート開口部を前記第２バルブエレメントの入力部に選択的に連結し、前記入力部は前記第２バルブエレメントの第２表面に配置されており、
    前記第７孔及び前記第８孔は、前記複数の容器のうちの二つの容器の第２ポートを前記第２バルブエレメントの第３表面に配置された二つの出口に選択的に且つ夫々連結するように構成されている、第２バルブエレメント、及び
    前記第１バルブエレメントに連結され且つ前記第２バルブエレメントに連結されたロッド、を含む、ことを特徴とするバルブ組立体。
19. 請求項１８に記載のバルブ組立体において、前記第１及び第２バルブエレメントは、前記複数の容器に対して回転自在である、ことを特徴とするバルブ組立体。
20. 請求項１８に記載のバルブ組立体において、前記複数の容器は前記ロッドの異なる側部に配置されている、ことを特徴とするバルブ組立体。
21. 請求項１８に記載のバルブ組立体において、前記第３通路内の流体流れを制御するようになされた流れ制御部材を更に含む、ことを特徴とするバルブ組立体。
22. 第１バルブエレメントの複数の孔に選択的に連結される複数の容器を含むガス精製システムで流体を取り扱う方法において、
    (i) ロッドを介して前記第１バルブエレメントを第２バルブエレメントに連結する工程、
    (ii) 前記第１バルブエレメントを第１位置に配置し、前記複数の容器のうちの第１容器の第１ポート開口部から製品流体を取り出す工程、
    (iii) 前記第１バルブエレメントを断続的回転によって第２位置まで移動し、前記第１容器を第１方向で減圧する工程、
    (iv) 前記第１バルブエレメントを断続的回転によって第３位置まで移動し、前記第１容器を前記第１方向とは逆の第２方向で減圧する工程、
    (v) 前記第１バルブエレメントを断続的回転によって第４位置まで移動し、不純物を前記第１容器からパージする工程、及び
    (vi) 前記第１バルブエレメントを断続的回転によって第５位置まで移動し、前記第１容器を再加圧する工程を含む、ことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法において、前記工程(ii)は、供給流体から不純物を除去し、前記製品流体を形成する工程を含む、ことを特徴とする方法。
24. 請求項２２に記載の方法において、モータの連続運動を、前記第１バルブエレメントを前記第２位置、前記第３位置、前記第４位置、及び前記第５位置のそれぞれまで移動するための断続的回転に変換する工程を更に含む、ことを特徴とする方法。
25. 請求項２２に記載の方法において、前記工程(v)は、前記複数の容器のうちの第２容器から前記第１バルブエレメントの第１通路を介して移送された製品流体で前記第１容器から前記不純物をパージする工程を含み、前記第１バルブエレメントは前記第２容器に関して前記第２位置に配置されている、ことを特徴とする方法。
26. 請求項２５に記載の方法において、前記工程(vi)は、前記複数の容器のうちの第３容器及び第４容器の夫々から前記第１バルブエレメントの第２及び第３通路を介して移送された製品流体で前記第１容器を再加圧する工程を含み、
    前記第１バルブエレメントは、前記第３容器に関して前記第１位置に配置され且つ前記第４容器に関して前記第２位置に配置される、ことを特徴とする方法。
27. 請求項２６に記載の方法において、前記工程(vi)は、前記第３通路内の前記製品流体の流れを逆止弁で制御する工程を含む、ことを特徴とする方法。
28. 請求項２２に記載の方法において、前記工程（ii）は、前記第２バルブエレメントを前記第１位置に配置し、前記供給流体を前記第１容器の第２ポート開口部に提供する工程を含む、ことを特徴とする方法。
29. 請求項２８に記載の方法において、前記工程(iv)は、前記第２バルブエレメントを前記第３位置に配置し、初期テール流体を前記第１容器の前記第２ポート開口部から除去する工程を含む、ことを特徴とする方法。
30. 請求項２９に記載の方法において、前記工程(v)は、前記第２バルブエレメントを前記第４位置に配置し、パージされたテール流体を前記第１容器の前記第２ポート開口部から除去する工程を含む、ことを特徴とする方法。

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