KR101097507B1

KR101097507B1 - 회전 밸브

Info

Publication number: KR101097507B1
Application number: KR1020080106380A
Authority: KR
Inventors: 글랜 폴 와그너
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2011-12-22
Also published as: US20090107332A1; ES2423280T3; KR20090043467A; EP2573435A1; US7819948B2; EP2573434A1; TW200925474A; EP2573434B1; EP2056005A2; JP2009150533A; EP2573435B1; CN101446361A; EP2056005B1; TWI350356B; ES2533689T3; ES2627520T3; EP2056005A3; JP4944080B2; CN101446361B

Abstract

회전자와 고정자를 지니고, 이들 회전자와 고정자 사이에서 접촉하는 적어도 하나의 압축 스프링을 이용하는 회전 밸브가 개시된다. 스프링(들)은 회전자와 고정자를 떨어뜨리게 강제하는 압력 힘에 대항하고, 회전자와 고정자 사이로부터의 누설을 방지하면서 밸브에 있는 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 저감하도록 구성된다. 스프링(들)은 스프링 배치 특징부에 의해 밸브 내에 배치될 수 있다.

Description

회전 밸브{ROTARY VALVE}

본 발명은 일반적으로는 회전 밸브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 압력 변동 흡착(Pressure Swing Absorption; PSA) 장치용의 회전 밸브에 관한 것이다.

회전 밸브는 반복 가능한 주기적인 공정 단계에서 하나 이상의 공정 소스로부터 하나 이상의 공정 종착지로 유체를 안내하는 공정 산업에서 널리 사용된다. 연속 회전 밸브(rotary sequencing valve)라고도 불리우는 이러한 밸브는 압력 또는 온도 변동 흡착에 의한 가스 분리, 농도 변동 흡착에 의한 액체 분리, 가스 또는 액체 크로마토그래피, 재생 촉매 공정, 공압 또는 유압 순차 제어 시스템과 같은 주기적인 또는 반복 가능한 공정 및 다른 주기적인 공정에서 사용된다.

널리 사용되는 타입의 회전 밸브는 고정자와 회전자에 있는 포트가 미리 정해진 주기적인 순서로 정렬되거나 차단되도록 편평한 포트형 회전자가 편평한 포트형 고정자 상에서 동축으로 회전하는 평면형 원형 구성을 갖는다. 실링은 통상적으로 편평한 고정자 면 위에 편평한 회전자 면이 직접 접촉하여 결합하는 것에 의해 이루어진다. 결합면에서의 과도한 누설을 방지하기 위해서 이들 편평한 면의 제조에 있어서 고도의 정밀도가 요구된다. 금속, 세라믹, 및/또는 탄소와 같은 강 성재가 통상적으로 이들 회전자 및 고정자용으로 사용되지만, 온도차에 의해 야기되는 변형 및 부품들의 마모로 인해 상기 편평한 면들 사이에 형성되는 시일을 통한 누설이 허용된다.

편평한 회전 원형 시일 구성을 지닌 회전 밸브는 특히, 공급, 압력 평형, 감압, 퍼지 및 재가압 단계를 포함하는 중복하는 주기적인 단계로 작동하는 복수 개의 평행한 흡착기 베드를 이용하는 압력 변동 흡착(PSA)에 유용하다. 전형적인 용례에서, 복수 개의 포트를 지닌 고정자는, 압력 평형, 퍼지, 및 다른 베드 대 베드 이송 단계를 제공하기 위해 공급 가스 라인과 폐가스 라인을 복수 개의 흡착기 베드의 공급 단부에 연결하고, 또한 복수 개의 베드의 생성 단부에 연결하는 데 사용된다. 복수 개의 포트를 지닌 회전자는, 이 회전자가 소망하는 PSA 공정의 사이클 단계를 위해 가스 흐름을 안내하도록 회전할 때 고정자 면 상의 개구가 순차적으로 회전자에 있는 개구와 맞춰지도록 고정자 상에서 밀봉식으로 회전한다.

전형적인 PSA 사이클에서, 회전 밸브의 내부 통로는 PSA 사이클이 진행함에 따라 압력이 다르다. PSA 사이클이 정압(positive pressure)에서의 단계와 진공하에서의 단계를 포함하는 경우, 베드의 공급 단부와 생성 단부에 연결된 밸브의 포트들 사이의 압력차에 의해 일어나는 누설로 인해, 이들 포트 사이에 누설이 발생하는 경우에 다양한 작동 문제가 초래될 수 있다.

고정자와 회전자에 있는 포트가 미리 정해진 주기적인 순서로 정렬되거나 차단되도록 편평한 포트형 회전자가 편평한 포트형 고정자 상에서 동축으로 회전하는 연속 회전 밸브는 여러 개의 반복 가능한 단계를 갖는 주기적인 공정에서 유체를 안내하는 데 사용된다. 그 개시물 전체가 참고에 의해 본원에 포함되는, 2005년 5월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/197,859호(이하에서는, '859 출원이라고 칭함)에는, 회전자 면과 고정자 면을 서로에 대해 실링하는 데 기여하고 고정자 포트와 회전자 포트 사이의 누설을 방지하도록 고정자 면에 대해 회전자 면을 결합하는 데 기여하는 축방향 정렬 단일 스프링을 사용하는 이중 회전자/고정자 회전 밸브 장치가 개시되어 있다. 회전자의 포트는 회전자 면 상에서 상이한 원주 부위에 배치되고 상이한 압력에서 작동한다.

'859 출원에 개시되어 있는 종래 기술의 회전 밸브의 작동 중에, 포트 압력의 차이는 회전자와 고정자의 결합면 전반에 걸친 비축방향 힘을 초래한다. 높은 작동 압력이 필요한 경우, 고정자에 대해 회전자를 시일하고 누설을 방지하기 위해 큰 스프링 힘이 필요할 수 있다. 회전자를 회전시키는 데 필요한 힘의 크기는 스프링이 고정자에 대해 회전자를 가압하는 힘의 크기와 직접적인 관련이 있을 것이다. 회전자와 고정자 사이의 누설을 방지하기 위해 높은 스프링 힘이 필요한 경우, 회전자를 회전시키는 데 큰 힘이 필요할 것이다. 이러한 큰 힘은 회전자의 마모를 증가시키고, 보다 큰 회전자 모터를 필요로 하며, 회전자 베어링의 마모를 증가시킨다.

'859 출원에서 확인되는 바와 같은 종래 기술의 회전 밸브의 일반적인 구성에 관한 분해도가 도 1에 도시되어 있다. 실제 작동에 있어서, 밸브(1)의 구성 요소는 서로 접촉한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 기술의 회전 밸브(1)는, 공급 고정자(10), 공급 회전자(20), 생성 회전자(30), 생성 고정자(40) 및 압 축 스프링(50)을 포함한다. 본 예시적인 종래 기술의 실시예에서, 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30)는 도 1에 도시한 바와 같이 공급 고정자(10)와 생성 고정자(40)에 의해 형성되는 하우징 내에 수납된다.

압력 변동 흡착(PSA) 공정에서는, 흡착기 베드(도시하지 않음)가 공급 고정자(10)의 포트(11a, 11b, 11c, 11d)와 생성 고정자(40)의 포트(41a, 41b, 41c, 41d)에 연결된다. 베드의 공급 단부(도시하지 않음)는 통상적으로 공급 고정자(10)의 포트(11a, 11b, 11c, 11d)에 연결되고, 베드의 생성 단부(도시하지 않음)는 통상적으로 생성 고정자(40)의 대응하는 포트(41a, 41b, 41c, 41d)에 연결된다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30)는 서로 결합하고 인터로킹하도록 구성된다. 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30) 사이에는 압축 스프링(50)이 배치된다. 압축 스프링(50)은 공급 고정자(10)에 대하여 공급 회전자(20)를 압박하여 공급 고정자(10)에 대해 공급 회전자(20)를 시일한다. 이와 유사하게, 압축 스프링(50)은 생성 고정자(40)에 대해 생성 회전자(30)를 압박하여 생성 고정자(40)에 대해 생성 회전자(30)를 시일한다.

공지의 밸브(1)는 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30)를 회전시킬 수 있는 구동 샤프트(60)를 더 포함한다. 구동 샤프트(60)는, 미리 정해진 공정 라인의 연결을 선택하기 위해, 이 구동 샤프트(60)가 회전될 때 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30)가 회전자 면에 수직인 축을 중심으로 함께 회전하고, 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30) 내에 있는 슬롯이 공급 고정자(10)와 생성 고정자(40)에 있는 포트와 각각 정렬되도록 공급 회전자(20)에 있는 결합 특징부(도시하지 않음)와 맞물 리게 구성되는 포지티브(positive) 구동 단부(62)를 포함한다.

공지의 회전 밸브(1)는 다양한 유체 포트와 통로를 포함하며, 이들의 기능은 '859 출원에 보다 상세히 개시되어 있다. PSA와 같은 특정 주기적인 공정의 실시는 본 명세서에서 완벽하게 설명할 필요는 없으며, 이는 당업자라면 이해할 것이다. 일반적으로, 공정의 실시는 선택된 유체 스트림이 순환되는 것을 허용하도록 공지의 밸브(1)의 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30)의 회전 위치를 변경하는 것을 포함한다. 이제, 종래 기술의 회전 밸브의 작동에 관해 개괄적으로 설명하겠다.

공급 회전자(20)와 생성 회전자(20)가 미리 정해진 위치로 회전될 때, 회전자 면에 있는 포트는 그들 각각의 고정자에 있는 포트와 정렬되어, 미리 정해진 연결 경로를 통한 밸브 내외로의 흐름을 허용한다. 그러한 방식으로, 유체는 압력 평형, 퍼지 또는 다른 주기적인 공정 단계를 위해 필요하다면 공급 고정자(10)와 생성 고정자(40)에 연결된 베드들 중 어느 하나로 흐를 수 있다.

PSA 공정에서, 흡착과 탈착이 각각 일어나는 베드 내에서의 압력은 고압과 저압 사이에서 교호(交互)한다. 공정 실시중에, 각각의 슬롯 내의 압력은 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30) 상에 힘을 인가하여, 이들 회전자를 공급 고정자(10)와 생성 고정자(40)의 반대 방향으로 각각 강제한다. 이러한 이유로, 공급 고정자(10)에 대하여 공급 회전자(20)를 유지하고 생성 고정자(40)에 대하여 생성 회전자(30)를 유지하는 압축 스프링(50)이 필요하다. 슬롯 내의 압력과 스프링 힘이 회전자의 중앙 또는 회전을 중심으로 비대칭이기 때문에, 회전자 상의 합력은 공급 회전자(20)와 생성 회전자(30) 모두의 중앙에 위치되지 않는다. 이러한 비대칭인 힘 하중으로 인해 회전자/고정자 접촉을 유지하는 데 요구되는 증가된 스프링 힘과 밸브를 작동시키고 샤프트(60)를 회전시키는 데 요구되는 증가된 토크가 필요하다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 전형적인 주기적인 PSA 공정 동안에 회전 밸브의 회전자(200) 상에 작용하는 힘에 관한 간단한 도면이다. 회전자(200)의 회전 중심축은 수직 점선(A')으로 나타낸다. 스프링 힘(F₁)은 스프링이 고정자(도시하지 않음)에 대하여 회전자(200)를 압박할 때 스프링(도시하지 않음)에 의해 회전자(200) 상에 인가되는 힘이다. 압력 힘(F₂)은 다양한 포트에 있어서의 압력의 합력이다. 반력(F₃)은 스프링 힘(F₁)과 압력 힘(F₂) 간의 차이다. F₃는 또한 회전자(200)와 고정자(도시하지 않음) 사이의 접촉력이다. 반력(F₃)은 단일 지점에 위치되지 않는다. 반력(F₃)은 결합면의 평탄도, 힘의 크기, 인가되는 하중에 의해 야기되는 회전자(200)의 경미한 변형에 따라 매우 복잡할 수 있는 어떠한 방식으로 회전자(200)를 따라 분포된다. 그러나, 단순화를 위해서, 이러한 분배된 힘은 하나의 반력(F₃)의 합력으로 변경할 수 있다. 회전자(200)와 고정자(도시하지 않음)를 접촉 상태로 유지하고자 하는 경우에는 0이 아닌 반력(F₃)이 항상 존재한다. 반력(F₃)이 0 이하이면, 압력은 고정자로부터 회전자(200)를 분리하기 시작할 것이고, 회전자와 고정자(도시하지 않음)의 다양한 포트들 사이에서 누설이 발생할 것이다. 그 크기와 위치를 통해 회전자와 고정자 사이의 마찰 토크를 유발하고 회전자(200)를 회전 시키는 데 필요한 토크의 크기를 결정하는 것은 반력(F₃)이다.

도 2a에는 압력 힘(F₂)이 회전자(200)의 중앙에 위치되는 경우에 회전자(200) 상에 작용하는 힘이 도시되어 있다. 이 예에서, 모든 힘은 동일선상에 있으며, 반력(F₃)은 스프링 힘(F₁)과 압력 힘(F₂)의 차이다. 이러한 결과는 단지 압력 힘(F₂)이 회전자(200)를 중심으로 한 대칭의 균형 잡힌 압력 힘들의 합력인 경우에 발생한다. 전형적인 PSA 공정 작동 중에 회전자(200)의 다양한 슬롯의 압력이 회전자(200)의 중앙에 작용하는 순(純)압력을 초래하지 않을 것이기 때문에, 이러한 대칭 분포는 존재하지 않는다.

도 2b에는 전형적인 PSA 공정 작동 중에 일어나는 바와 같이 압력 힘이 회전자(200)의 중앙에 위치되지 않을 때 회전자(200) 상에 작용하는 힘의 분포가 도시되어 있다. 상기 도 2a에 관한 논의와 유사하게, 반력(F₃)은 스프링 힘(F₁)과 압력 힘(F₂)의 차이지만, 이제 모멘트를 균형 잡힌 상태로 유지하도록 회전자(200)의 평형을 유지하기 위해, 반력(F₃)은 또한 회전자(200)의 중앙에서부터 이 회전자 중심에서 떨어진 반경 방향 위치로 변위되어야 한다. 반력(F₃)의 위치 및 크기는 스프링 힘(F₁)과 압력 힘(F₂)의 위치 및 크기에 좌우된다. 또한, 스프링 힘(F₁ )은 압력 힘(F₂)과 반력(F₃)의 합과 동일해야 하기 때문에, 스프링 힘(F₁ )은 이 스프링 힘(F₁ )과 압력 힘(F₂)이 동일선상에 있지 않을 때는 반드시 항상 압력 힘(F₂)보다 커야 한다.

스프링 힘(F₁)과 압력 힘(F₂)이 동일선상에 있지 않을 때, 이들 스프링 힘과 압력 힘은 도 2b에서 점선으로 나타낸 바와 같이 회전자(200)에 벤딩 모멘트(210)를 생성한다. 벤딩 모멘트(210)는 힘이 특정 회전자 재료와 두께에 대해 충분한 크기의 것일 경우 회전자(200)를 변형시킬 수 있다. 몇몇 용례에서, 이러한 변형은 더욱 강성인 재료의 사용을 통해 회전자를 더욱 강성으로 제조하는 것에 의해서나 회전자의 두께를 증가시키는 것에 의해서 누설을 방지할 만큼 충분히 적게 유지될 수 있다. 보다 큰 회전자의 경우, 이것은 비실용적일 것이다. 추가적으로, F₃의 편심률이 공정 작동 중에 회전자(200)를 회전시키는 데 필요한 토크를 증가시킬 것이다.

따라서, 회전자(200)에서 벤딩 모멘트를 제거하기 위해 도 2c에 도시한 바와 같이 스프링 힘(F₁)을 압력(F₂) 힘의 반대측에서 회전 중심축(A')에서부터 미리 정해진 반경 방향 거리만큼 이동시키는 것이 바람직할 것이다. 다음에, 반력(F₃)은 압력(F₂)과 동일한 위치에서 작용할 것이다. 이러한 구성은 필요한 가장 낮은 스프링 힘(F₁)과 반력(F₃), 그리고 회전자(200)를 회전시키는 데 필요한 보다 낮은 토크를 초래할 것이다.

벤딩 모멘트와 편향이 중요한 관심사가 아닌 용례에서도, 특히 회전자 포트에 고압이 존재할 때 모터를 회전시키고 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크는 중 요한 관심사이다. 통상적으로, 이러한 토크를 최소로 유지하는 것이 바람직한데, 그 이유는 토크를 저감함으로써 회전자를 회전시키는 데 필요한 모터와 기어 구동부의 크기가 감소되고 및/또는 회전자를 회전시키는 데 필요한 모터와 기어 구동부의 수명이 증가하기 때문이다.

이에 따라, 밸브 회전자를 회전시키는 데 필요한 감소된 토크를 갖고 누설 없이 작동할 수 있는 회전 밸브가 필요하다.

본 발명은 회전자를 회전시키는 데 필요한 최소 토크를 지니고 실질적으로 누설이 없는 조건 하에서 작동 가능한 회전 밸브를 제공한다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은 예로서 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예에 관한 이하의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

회전자와 고정자가 밀봉식 슬라이딩 회전 동작하는 회전 밸브가 개시되어 있다. 회전 밸브는 누설을 방지하면서 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 저감하도록 구성된 압축 스프링을 포함한다. 회전 밸브는 반복 가능한 주기적인 공정 단계에서 하나 이상의 공정 소스로부터 하나 이상의 공정 종착지로 유체를 안내하는 PSA 공정을 포함하는 주기적인 공정에 사용될 수 있다.

공급 고정자 결합면, 공급 고정자 후면 및 이들 공급 고정자 결합면과 공급 고정자 후면 사이를 연결하는 복수 개의 포트를 지닌 공급 고정자; 공급 회전자 결합면, 공급 회전자 후면, 및 공급 고정자의 복수 개의 고정자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 공급 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 포트를 지니고, 공급 회전자 면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능한, 상기 공급 고정자에 인접한 공급 회전자; 상기 공급 회전자와 맞물리고, 생성 회전자 결합면, 생성 회전 자 후면, 생성물 유출구, 및 생성 고정자의 복수 개의 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 생성 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 포트를 지니며, 생성 회전자 면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능한 생성 회전자; 생성 고정자 결합면, 생성 고정자 후면, 및 이들 생성 고정자 결합면과 생성 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 포트를 포함하는, 상기 생성 회전자에 인접한 생성 고정자; 및 힘의 중심이 상기 공급 회전자 후면과 생성 회전자 후면에 있는 스프링 힘을 인가하도록 구성된, 공급 회전자와 생성 회전자 사이에 배치되는 압축 스프링을 포함하는, 주기적인 공정 작업을 수행하는 회전 밸브를 제공하는 본 발명의 실시예가 개시되어 있다.

회전 밸브의 공급 회전자와 생성 회전자는 회전 중심축을 중심으로 회전하도록 구성되고, 스프링 힘의 힘 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 예정된 거리를 두고 위치된다.

회전 밸브는 적어도 하나의 압축 스프링을 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 유지하도록 구성된, 생성 회전자 후면 상에 위치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부 맞은 편에 있는 공급 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부를 포함한다. 보다 일반적으로, 임의의 개수의 스프링 배치 특징부가 생성 회전자 후면 상에 있는 유사한 구성의 맞은 편의 공급 회전자 후면 상에 위치될 수 있다.

포트를 지닌 고정자 하우징; 포트와 후면을 포함하고 인터페이스에서 고정자 하우징과 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 접촉하는 회전자; 회전자 후면과 트러스트 러너(thrust runner) 사이에 배치되는, 스프링 힘의 힘의 중심을 갖는 적어도 하나의 압축 스프링; 및 트러스트 러너와 고정자 하우징 사이에 배치되는 트러스트 베어링을 포함하는, 주기적인 공정 작동을 수행하는 회전 밸브를 제공하는 본 발명의 다른 실시예가 개시되어 있다. 회전 밸브는 이 회전 밸브가 작동할 때 주어진 스프링 힘에 대해서 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 최소화도록 구성된 스프링 힘을 인가하는 적어도 하나의 압축 스프링을 갖는 것을 더 포함한다.

회전 밸브는 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 정해진 거리를 두고 위치되는 스프링 힘의 힘 중심을 갖고, 적어도 하나의 압축 스프링을 배치하기 위해 회전자 후면 상에 적어도 하나의 스프링 배치 특징부를 갖는 것을 더 포함한다. 회전 밸브는 공급 회전자와 트러스트 러너 사이의 고정된 위치에 2개 이상의 압축 스프링을 유지하고 배치하도록 트러스트 러너 상에 유사하게 배치되는 2개 이상의 스프링 배치 특징부의 맞은 편의 회전자 후면 상에 2개 이상의 스프링 배치 특징부를 갖는 것을 더 포함한다.

복수 개의 흡착 베드와, 하나 이상의 회전자를 구비하고, 상기 복수 개의 흡착 베드에 연결되며, 압력 변동 흡착 공정 중에 복수 개의 흡착 베드로 흐름을 안내하도록 구성된 회전 밸브를 포함하는 압력 변동 흡착 장치를 제공하는 본 발명의 다른 실시예가 개시되어 있다.

회전 밸브는 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 하나 이상의 회전자; 및 인가되는 스프링 힘에 대하여 하나 이상의 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 최소화하는 힘의 중심을 갖는 스프링 힘을 하나 이상의 회전자에 인가하도록 구성 된 적어도 하나의 압축 스프링을 포함한다.

압력 변동 흡착 장치는 공급 고정자 결합면; 공급 고정자 후면; 및 이들 공급 고정자 결합면과 공급 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 공급 고정자 포트를 지닌 공급 고정자를 포함할 수 있고, 하나 이상의 회전자가 생성 회전자와 맞물리는 공급 회전자를 포함한다. 공급 회전자는 공급 회전자 결합면, 공급 회전자 후면, 및 복수 개의 공급 고정자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 공급 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 공급 회전자 포트를 포함하고, 공급 회전자는 공급 회전자 면에 수직인 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 생성 회전자는 생성 회전자 결합면, 생성 회전자 후면, 생성물 유출구, 및 복수 개의 생성 회전자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 생성 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 생성 회전자 포트를 포함한다. 생성 회전자는 생성 회전자 면에 수직인 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 생성 고정자는 생성 고정자 결합면, 생성 고정자 후면, 및 생성 회전자와 회전 가능하게 접촉하는 생성 고정자 결합면과 생성 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 포트를 포함한다.

공급 회전자와 생성 회전자 사이에 배치되는 적어도 하나의 압축 스프링은 공급 회전자 후면과 생성 회전자 후면 상에 회전 밸브가 작동할 때 스프링 힘에 대하여 회전자를 회전시키는 데 필요한 최소의 토크를 초래하는 힘의 중심을 갖는 스프링 힘을 인가한다. 스프링 힘의 힘의 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 정해진 거리를 두고 위치된다. 공급 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부가 생성 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부의 맞은 편에 정렬된다. 스프링 배치 특징부(들)는 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 압축 스프링(들)을 유지하도록 구성된다. 압력 변동 흡착 장치는 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 2개 이상의 압축 스프링을 유지 및 배치하도록 생성 회전자 후면 상에 유사하게 위치되는 2개 이상의 스프링 배치 특징부의 맞은 편의 공급 회전자 후면 상에 배치되는 2개 이상의 스프링 배치 특징부를 더 포함한다.

대안으로서, 압력 변동 흡착 장치는 포트를 지닌 고정자 하우징; 포트와 후면을 포함하고, 인터페이스에서 고정자 하우징과 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 접촉하는 회전자; 고정자 하우징과 접촉하는 트러스트 베어링; 트러스트 베어링과 접촉하는 트러스트 러너; 및 회전자 후면과 트러스트 러너 사이에 배치되는 적어도 하나의 압축 스프링을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 압축 스프링은 회전 밸브가 작동될 때 주어진 스프링 힘에 대해서 회전자를 회전시키기 위한 최소의 토크를 초래하는 힘의 중심을 갖는 스프링 힘을 회전자 상에 인가하도록 구성된다. 스프링 힘의 힘의 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 정해진 거리를 두고 위치된다.

적어도 하나의 스프링 배치 특징부가 트러스트 러너 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부의 맞은 편에서 이 스프링 배치 특징부와 정렬되게 회전자 후면 상에 배치된다. 스프링 배치 특징부는 회전자와 트러스트 러너 사이에 압축 스프링을 유지 및 배치하도록 구성된다.

본 명세서에는 본 발명의 방법의 다른 양태 및 장치가 개시되어 있다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은 예로서 본 발명의 원리를 예시하는 첨부 도면과 함께 바람직한 실시예에 관한 이하의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 밸브 회전자를 회전시키는 데 필요한 감소된 토크를 갖고 누설 없이 작동할 수 있는 회전 밸브가 제공된다.

이제, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 충분히 설명하겠다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들로 제한되는 것으로 해석해서는 않된다. 더 정확히 말하자면, 이들 실시예는 본 개시물이 완전하고 완벽하도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 알리기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예는 회전 밸브 내에서 회전자를 회전시키는 것에 의해 주기적으로 작동하는 압력 변동 흡착(PSA) 장치에서 이용될 수 있는 회전 밸브의 작동을 다룬다. PSA 장치는 대기압 초과(super-atmospheric) 압력이나 대기압 미만(sub-atmospheric) 압력 또는 대기압 초과 압력과 대기압 초과 압력의 조합을 갖는 PSA 장치를 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시예는 개선된 회전 밸브 구성과, 회전 밸브를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 저감하는 회전 밸브를 구성하는 방법을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 2개의 회전자와 2개의 고정자를 포함하는 회전 밸브(300)에 의해 예시되어 있다. 회전 밸 브(300)는, 예컨대 4개의 흡착 베드와, 각각의 베드가 (1) 생성물 형성 단계 (2) 생성물을 공급/형성하고 생성물 재가압 가스를 제공하는 단계, (3) 압력 평형 하강 단계, (4) 퍼지 제공 단계, (5) 배기 단계, (6) 퍼지 수용 단계, (7) 압력 평형 상승 단계, 및 (8) 생성물 재가압 가스를 수용하는 단계를 겪는 PSA 사이클을 이용하여 공기로부터 산소를 회수하는 PSA 장치에서 사용될 수 있다. 회전 밸브(300)의 다양한 포트는 '859 출원- 전체가 참고에 의해 본 명세서에 포함됨 -에 개시되어 있는 것과 유사하게 PSA 장치에 연결될 것이다. 추가적으로, 밸브(300) 작동을 포함하는 PSA 장치의 작동은 '859 출원- 전체가 참고에 의해 본 명세서에 포함됨 -에 개시되어 있는 작동과 유사할 것이며, 그 전체가 참고에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 발명에 따른 회전 밸브(300)에 관한 예시적인 실시예의 일반적인 구성의 분해도가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3은 회전 밸브(300)의 사시 평면도이고, 도 4는 회전 밸브(300)의 사시 저면도이다. 회전 밸브(300)는 공급 고정자(310), 공급 회전자(320), 생성 회전자(330), 생성 고정자(340), 및 2개의 압축 스프링(350)을 포함한다. 회전 밸브(300)는 중심축(A)을 갖는다.

공급 고정자(310)는 결합면(312)과 후면(314)을 포함한다. 공급 고정자(310)는 다양한 라인(도시하지 않음)을 통해 공정 베드(도시하지 않음)의 공급 단부에 연결되는 복수 개의 포트(316)를 포함한다. 공급 고정자(310)는 또한 재료 공급 포트(319)를 포함한다. 재료 공급 포트(319)는 공급 가스를 공급 고정자(310)에 제공하는 공급 라인(도시하지 않음)에 연결될 것이다. 재료 공급 포 트(319)는 또한 구동 샤프트(도시하지 않음)가 공급 고정자(310)를 통해 공급 회전자(320)에 도달하는 것을 허용한다. 공급 고정자(310)는 또한 진공 라인(도시하지 않음)에 연결될 폐기물 포트(317)을 포함한다. 폐기물 포트(317)는 환형 홈(318)에 연결된다.

공급 회전자(320)는 결합면(321)과 후면(322)을 포함한다. 공급 회전자(320)의 결합면(321)은 공급 고정자(310)의 결합면(312)과 회전 가능하게 접촉한다. 공급 회전자는 결합면(321) 상에 배기/퍼지 포트(323), 공급 포트(324) 및 개구(325)를 더 포함한다. 공급 고정자(310)의 재료 공급 포트(319)는 개구(325)에 공급 가스를 제공하며, 상기 개구는 내부 통로(도시하지 않음)를 통해 공급 포트(324)에 연결된다. 개구(325)는 또한 재료 공급 포트(319)를 통과한 구동 샤프트(도시하지 않음)가 공급 회전자(320)에 도달하여 보스(328)와 맞물리는 것을 허용한다. 재료 공급 포트(319)와 개구(325)는 구동 샤프트(도시하지 않음)가 존재할 때 공급 가스가 재료 공급 포트(319)와 개구(325)를 통과하여 흐르는 것을 허용하도록 크기가 정해진다는 점에 유념해야 한다.

배기/퍼지 포트(323)는 항상 공급 고정자(310)의 환형 홈(318)과 유체 소통하도록 구성된다. 배기/퍼지 포트(323)가 공급 고정자(310)에 있는 복수 개의 포트(316) 중 하나 위에 배치될 때, 베드(도시하지 않음)로부터 나온 가스는 포트(316)를 통해 배기/퍼지 포트(323)로 흐른 다음, 환형 공동(318)으로 흐르고, 종국에는 폐기물 포트(317)로 흐를 것이며, 가스가 진공 장치(도시하지 않음)에 의해 이 폐기물 포트로부터 배기된다. 공급 회전자 후면(322)은 구동 러그(326)를 포함 한다. 구동 러그(326)는 생성 회전자(330)로 토크를 전달한다. 공급 회전자(320)는 보스(328) 내에 맞물리는 구동 샤프트(도시하지 않음)로부터의 구동 회전자(320)의 토크를 전달하도록 축(A)을 중심으로 회전하게 구성된다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 예시적인 실시예의 공급 회전자(320)는 생성 회전자(330) 상의 6개의 스프링 로케이터(361)의 맞은 편에 배치되는 6개의 스프링 로케이터(327)를 갖는다. 공급 회전자(320) 상에 배치되는 6개의 스프링 로케이터(327)는 회전축을 통과하는 평면에 대해 대칭으로 위치되는, 각기 3개의 배치 특징부로 이루어진 2개 그룹으로 구성된다. 생성 회전자(330) 상에 배치되는 스프링 로케이터(361)는 공급 회전자(320) 상의 스프링 로케이터(327)와 유사하게 이 스프링 로케이터의 맞은 편에 위치된다. 일반적으로, 임의의 구성에 있어서의 임의의 개수의 스프링 배치 특징부를 사용하여 소망하는 스프링 힘을 얻고 필요한 부위에 최종 스프링 힘을 배치할 수 있다.

스프링 로케이터(327)는 공급 회전자(320)와 생성 회전자(330) 사이의 고정된 위치에 적어도 하나의 압축 스프링을 유지한다. 본 실시예에 제시한 바와 같이, 생성 회전자(330) 상의 2개의 스프링 로케이터(361) 맞은 편에 있는 공급 회전자(320) 상의 2개의 스프링 로케이터(327)에 의해 2개의 스프링(350)이 위치 설정된다. 공급 회전자(320) 상의 2개의 스프링 로케이터는 회전축을 통과하는 평면에 대해 대칭으로 위치된다. 생성 회전자(330) 상의 대응하는 2개의 대향 로케이터는 유사하게 위치된다. 일반적으로, 스프링(350)의 상이한 개수와 중심축(A)을 중심으로 한 스프링(350)의 배치를 허용하도록 임의의 개수의 배치 특징부(327, 361)가 회전자(320, 330) 상에 위치될 수 있다는 점에 유념해야 한다. 더욱이, 회전자(320, 330)을 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 최소화하는 소망하는 총 스프링 힘과 힘의 합력의 중심을 달성하면서 실질적인 밸브 누설을 방지하도록 고정자(310, 340)에 대하여 회전자(320, 330)를 각각 시일하는 힘을 제공하기만 하면, 기지의 스프링 힘을 갖는 임의의 개수의 스프링(350)을 선택하고 배치 특징부(327, 361)에 배치할 수 있다. 추가적으로, 배치 특징부(327, 361)가 융기된 재료로 도시되어 있지만, 배치 특징부는 대안으로서 만입부일 수도 있고, 회전자 후면 상에 스프링(350)을 배치하고 위치 설정하는 다른 형상일 수도 있다.

공급 고정자(310)와 공급 회전자(320)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 결합하도록 구성된다. 공급 고정자 결합면(312)은 결합되었을 때 스프링(350)의 힘에 의해 공급 회전자의 결합면(321)에 대해 회전 가능하게 접촉하고 시일된다. 공급 고정자 결합면(312)과 공급 회전자 결합면(321) 간의 시일은 공급 고정자(310)와 공급 회전자(320) 사이에서 실질적으로 누설이 없는 밸브(300)의 작동을 허용한다. 여기에서, 그 이외에 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 "실질적으로 누설이 없다"는 용어는 작동적으로 허용 가능한 소량의 누설을 포함하는 것으로 의도된다. 예컨대, 1 % 미만의 흐름 누설은 어떠한 작동에서도 허용 가능할 수 있는 한편, 5 % 미만의 흐름 누설은 다른 작동 조건 하에서 허용 가능할 수 있다.

도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전 중심축(A)을 중심으로 공급 회전자(320)를 회전시키는 것에 의해, 공급 가스가 공급 고정자(310)의 공급 포트(319)에 제공되어 공급 고정자(310)에 있는 선택된 포트(들)(316)로 분배되며, 중앙 공급 개구(325)를 통해 공급 회전자(320)의 공급 포트(324)로 분배된다. 예시적인 PSA 사이클에서의 완전한 밸브 작동은 참고에 의해 전체가 본 명세서에 포함되는 '859 출원에 제시되어 있기 때문에 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않는다.

생성 회전자(330)는 결합면(331)과 후면(332)을 포함한다. 생성 회전자(330)는 퍼지 공급 포트(333), 퍼지 수용 포트(334), 평형 상승 포트(335), 생성물 재가압 포트(336), 생성물 포트(337) 및 평형 하강 포트(338)를 더 포함한다. 생성물 포트(337)는 내부 통로(도시하지 않음)에 의해 생성물 유출구(339)에 연결된 중앙 공동(도시하지 않음)에 연결된다. 여러 포트(333, 334, 335, 336, 337, 338)가 결합면(331) 상에 배치되고, 참고에 의해 전체가 본 명세서 포함되는 '859 출원에 개시되어 있는 바와 같이 내부 통로(도시하지 않음)에 의해 서로 및/또는 생성물 유출구(339)에 연결된다.

생성 회전자(330)의 후면(332)은 구동 러그(360)와 스프링 로케이터(361)를 포함한다. 생성 회전자(330)의 구동 러그(360)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 공급 회전자(320)의 구동 러그(326)와 정합하도록 구성된다. 토크가 공급 회전자(320)의 구동 러그(326)로부터 생성 회전자(330)의 구동 러그(360)로 전달되어 생성 회전자(330)를 회전 중심축(A)을 중심으로 회전시킨다. 공급 회전자(320)가 생성 회전자(330)에 맞물리게 하는 다른 구동 러그 구성을 사용할 수 있다. 후면(332)은 또한 공급 회전자(320)와 생성 회전자(330)가 맞물릴 때 공급 회전자(320)의 보스(328)를 수용하는 링 특징부(362)를 포함한다.

생성 고정자(340)는 결합면(342)과 후면(344)을 포함한다. 생성 고정자는 결합면(342)과 후면(344)을 연결하는 포트(346)를 더 포함한다. 포트(346)는 당업계에 공지되어 있는 바와 같이 흡착기 베드(도시하지 않음)의 생성 단부에 연결된 생성물 라인(도시하지 않음)에 연결된다. 생성 고정자(340)는 생성 회전자(330)의 생성물 유출구(339)를 수용하도록 구성된 중앙 개구(348)를 더 포함한다.

생성 고정자(340)와 생성 회전자(330)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 결합하도록 구성된다. 생성 고정자 결합면(342)은 결합되었을 때 스프링(350)의 힘에 의해 생성 회전자 결합면(331)에 대해 회접 가능하게 접촉하고 시일된다. 생성 고정자 결합면(342)과 생성 회전자 결합면(331) 간의 시일은 생성 고정자(340)와 생성 회전자(330) 사이에서 실질적으로 누설이 없는 밸브(300)의 작동을 허용한다. 도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 생성 회전자(330)가 회전할 때, 다양한 생성 회전자의 포트(333, 334, 335, 336, 337, 338)는 참고에 의해 전체가 본 명세서에 포함되는 '859 출원에서 설명한 바와 같이 고정자의 생성물 포트(346)와 정렬되어 생성물을 수집하거나, 흡착기 베드(도시하지 않음)를 퍼지하거나 재가압한다.

밸브(300)는 당업자가 이해하는 바와 같이 밸브(300)를 지지하고, 연결하며 시일하도록 구성된 적절한 하우징(도시하지 않음) 내에 설치할 수 있다. 공급 회전자(320)와 생성 회전자(330)는 하우징(도시하지 않음) 내에서 축(A)을 중심으로 동축으로 회전하도록 되어 있을 것이다. 대안으로서, 하우징은 마찬가지로 당업자가 이해하는 바와 같이 밸브 챔버를 형성하도록 공급 고정자(310) 및/또는 생성 고 정자(340)를 변경하는 것에 의해서 형성될 수 있다. 도 1에 개시되어 있는 것과 같은 구성과 유사하게, 구동 샤프트(도시하지 않음)가 시일된 하우징을 관통하고, 공급 고정자(310)를 축방향으로 가로질러 공급 회전자(320)에 토크를 전달할 것이다. 구동 샤프트(도시하지 않음)는 모터(도시하지 않음)에 의해 구동되어 공급 회전자(320)를 회전시킬 것이다.

공급 회전자의 구동 러그(326)는 공급 회전자(320)의 회전 동작을 생성 회전자(330)에 전달하도록 생성 회전자의 결합 러그(360)와 맞물린다. 구동 러그(326)와 결합 러그(360)는 또한, 공급 고정자의 포트(316)가 공급 회전자(320)에 의해 덮히거나 덮히지 않을 때 이와 동시에 적절한 생성 고정자의 포트(346) 또한 생성 회전자(330)에 의해 덮히거나 덮히지 않도록 회전자들 간의 각정렬(angular alignment)을 유지한다. 구동 러그(326)와 결합 러그(360)의 특정 형상은 중요하지 않으며, 예컨대 적절한 핀 및/또는 소켓 등에 의한 다른 정렬 및 동축 구동 방법도 가능하다. 정렬 및 구동 장치는 회전자에서 회전자로 회전 운동을 전달하고 회전자 부분들 간의 각정렬을 유지하며, 회전자가 그 각각의 고정자에 대하여 안착된 상태로 유지되도록 서로에 대하여 축방향으로 이동하는 것을 허용하도록 구성된다.

회전자(510)와 고정자 하우징(520)을 지닌 대안의 회전 밸브(500)의 예시적인 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 회전 밸브(500)는 공급 회전 밸브 또는 생성 회전 밸브 중 하나로 사용될 수 있다. 회전자(510)의 포트(도시하지 않음)와 고정자 하우징(520)의 포트(도시하지 않음)는 도 3 및 도 4에 도시하고 PSA 장치 공정에서 사용될 때에 관하여 앞서 논의한 바와 같은 회전 밸브(300)의 대응하는 공급 및 생성 회전자 및 고정자의 포트와 동일하거나 유사하게 구성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 포트는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 회전 밸브(300)의 회전자 및 고정자의 결합면 상에 있는 구성과 동일하거나 유사하게 회전자(510) 및 고정자 하우징(520)의 결합면(도시하지 않음) 상에 구성될 수 있다.

회전 밸브는 트러스트 러너(540)에 의해 회전자(510)에 대하여 적소에 유지되는 압축 스프링(530)을 포함한다. 트러스트 러너(540)는 핀(560)에 의해 샤프트(550)에 부착된다. 대안으로서, 핀(560)은 트러스트 러너(540)를 회전자(510)에 부착하는 데 사용할 수 있다. 트러스트 베어링(570)이 트러스트 러너와 고정자 하우징(520) 사이에 사용되어, 샤프트(550)가 회전될 때 트러스트 러너(540)가 축(B)을 중심으로 회전하게 한다. 트러스트 베어링(570)은 스프링(530)의 스프링 힘을 전하는 한편, 트러스트 러너(540)가 최소량의 마찰로 회전하게 한다.

스프링(530)은 회전자(510)와 고정자 하우징(520)이 인터페이스(515)에서 접촉하는 것을 유지하는 스프링 힘을 제공한다. 회전자(510)는 인터페이스(515)에서 고정자 하우징(520)에 대하여 회전 가능하게 접촉하고 시일된다. 스프링 힘은 밸브(500)가 작동될 때 인터페이스(515)에 있어서 회전자와 고정자 포트로부터의 실질적인 누설을 방지하기에 충분하게 선택되어야 한다. 스프링(530)은 앞서 논의한 회전 밸브(300)의 스프링과 유사하게 배치 특징부(도시하지 않음) 상에 위치된다. 본 실시예에서는, 스프링 힘이 다른 2개의 스프링(350)이 회전자(510)와 트러스트 러너(540) 사이에 배치되는 것으로 제시되어 있다.

이제, 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 최소화하도록 스프링 힘의 합력의 크기 및 위치를 결정하는 예시적인 방법이 제공된다. 스프링 힘이 회전자의 중심축에 위치될 때 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크는 식 1에 의해 주어진다.

[식 1]

이 식에서,

μ= 마찰 계수

F = 회전자와 고정자 사이의 접촉력(도 2의 F₃)

R = 회전자의 반경

더욱이, 회전자의 고정자 사이의 접촉력이 회전자의 에지에 위치되는 경우에 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크는 μFR이 될 것이라는 것을 알 수 있다.

결정을 단순화하기 위해서, 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크는 회전자와 고정자 사이의 마찰력의 위치의 변경에 관한 선형 함수라는 것을 가정할 수 있다. 이러한 가정을 한 경우, 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크는 식 2에 의해 주어진다.

[식 2]

이 식에서, r = 접촉 반력의 반경이다.

이들 계산의 결과로부터, 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 최소화하기 위해서는 반력을 회전자의 중앙에 배치해야 한다는 것이 자명하다. 그러나, 회전 자 상의 다양한 고압 및 저압 포트들의 위치로 인해 회전자 상의 압력의 합력이 회전자의 중앙에 위치되지 않을 것이기 때문에, 접촉 반력 역시 중앙에 위치되지 않을 것이다.

따라서, 공지의 압력의 합력을 갖는 선택된 주기적인 공정에 있어서 누설을 방지하면서 토크를 최소화하는 스프링 힘의 크기와 위치를 결정하기 위해서, 다음 방법이 사용된다.

(a) 하나 이상의 스프링 배치 특징부를 지닌 하나 이상의 회전자를 포함하는 회전 밸브를 마련;

(b) 선택된 압력 변동 흡착 공정에 대해서 하나 이상의 회전자 상에 작용하는, 크기 및 위치를 갖는 압력의 합력을 결정;

(c) 압력 변동 흡착 공정 동안에 누설에 대비하여 하나 이상의 회전자를 시일하기에 충분한 크기를 갖는 스프링 힘을 선택;

(d) 하나 이상의 회전자 상의 스프링 힘의 중심을 위한 위치 선택;

(e) 선택된 스프링 힘과 압력의 합력에 대하여 접촉력의 합력과 위치를 계산;

(f) 식 2를 이용하여 하나 이상의 회전자 중 각각의 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 계산;

(g) 총 토크를 결정하기 위해서 하나 이상의 회전자의 각각의 회전자를 함께 회전시키는 데 필요한 토크를 가산;

(h) 회전자(들)를 회전시키는 데 필요한 최소의 총 토크를 초래하는 스프링 힘의 중심을 위한 위치를 찾기 위해 단계 (d) 내지 (g)를 반복;

(i) 총 스프링 힘이 단계 (c)에서 선택된 스프링 힘과 동일하고 스프링 힘의 중심의 위치가 단계 (h)에서 선택된 바와 같이 위치되도록 하나 이상의 스프링을 스프링 배치 특징부에 위치 설정;

(j) 압력 변동 흡착 공정 동안에 스프링 힘이 누설에 대비하여 하나 이상의 회전자를 시일하기에 불충분할 경우, 단계 (c)로 돌아가 밸브가 실질적인 누설 없이 작동할 때까지 선택된 스프링 힘을 점차적으로 증가시킴.

이제, 공칭 PSA 공정 조건 하에서 작동하는 예시적인 이중 회전자/고정자 회전 밸브에 있어서 최소 토크를 초래하는 스프링의 위치를 계산하는 예를 제시하겠다. 다양한 슬롯의 압력은 PSA 공정 동안의 통상적인 작동 압력으로 선택된다.

도 6에는 표면(630) 상에 공급 슬롯(610)과 배기/퍼지 슬롯(620)을 지닌 예시적인 공급 회전자(600)가 도시되어 있다. 회전자(600)는 반경(R)을 갖는다. 예컨대, 반경(R)은 대략 1 인치일 수 있다. 공급 회전자(600)는 중심축(C)을 가지며, 공급 회전자(600)는 공정 작동 동안에 회전될 때 이 중심축을 중심으로 회전할 것이다. 중심축(C)은 밸브 중심축(A)(도 3 및 도 4)과 정렬된다. PSA 공정에서, 공급 슬롯(610)은 7 psig의 평균 고압으로 작동하며, 배기/퍼지 슬롯(620)은 -7 psig의 평균 저압으로 작동한다. 공급 슬롯(610) 내의 압력, 배기/퍼지 슬롯(620) 내의 압력, 및 다른 회전자 면 상에서의 압력은 고정자(도시하지 않음)로부터 공급 회전자(600)를 분리하도록 작용하는 대략 6.8 파운드의 압력 힘을 초래한다. 이 힘은 도 6에 나타낸 바와 같이, 중심축(A)으로부터 대략 0.5 인치의 거리만큼 오프 셋되어 있는 위치(F_p1)에 작용한다.

도 7에는 퍼지 공급 포트(733), 퍼지 수용 포트(734), 평형 상승 포트(735), 생성물 재가압 포트(736), 생성물 포트(737), 평형 하강 포트(738), 및 회전자 베어링과 생성물 유출구를 수용하는 중앙 구멍(739)를 지닌 예시적인 생성 회전자(700)가 도시되어 있다. 슬롯(733, 734, 735, 736, 737, 738, 739)과 다른 회전자 면의 압력은 생성 고정자(도시하지 않음)로부터 생성 회전자(700)를 분리하도록 작용하는 대략 9.3 파운드의 압력 힘을 초래한다. 이 힘은 도 7에 도시한 바와 같이 생성 회전자(700) 상에서 중심축(C)으로부터 대략 0.3 인치의 거리만큼 오프셋되어 있는 위치(F_p2)에 작용한다. 생성 슬롯(737)과 중앙 구멍(739)은 대략 7 psig의 최고 평균 작동 압력 갖고, 이어서 생성물 재가압 포트(736), 평형 하강 포트(738), 평형 상승 포트(735), 공급 퍼지 포트(733), 및 수용 퍼지 포트(734)는 연속적으로 보다 낮은 압력을 갖는다. 생성 회전자(700)는 중심축(C)을 가지며, 생성 회전자는 공정 작동 동안에 회전될 때 이 중심축을 중심으로 회전한다. 중심축(C)은 밸브의 중심축(A)(도 3 및 도 4)과 정렬된다.

상이한 스프링 힘과 스프링의 힘의 중심(COF)의 반경의 범위에 대하여 공급 회전자(600)(도 6)와 생성 회전자(700)(도 7)을 회전시키는 데 필요한 토크를 결정한 결과를 도 8에 나타낸다. 수평축은 스프링 힘이 인가되는 반경 또는 편심이다. 수직축은 회전자 모두를 회전시키는 데 필요한 토크이다. 각각의 곡선은 표기한 바와 같이 상이한 스프링 힘을 나타낸다.

필요한 스프링 힘을 결정하는 것은 우선 회전자 상에 작용하는 압력 힘을 결정하는 것에 의해 수행된다. 압력 힘의 결정은 몇가지 이유로 인해 어렵다. 첫째, 회전자에서의 공정 압력은 흡착 베드에서의 압력 변화와 회전자 위치에 있어서의 변화의 결과로서 연속적으로 변한다. 둘째, 왕복 운동 펌프를 사용하여 장치에 공급 가스를 공급하고 진공화할 때 회전자 포트의 압력에 있어서 다른 변동이 발생할 수 있고, 이로 인해 몇몇 포트에서 압력 맥동(脈動)이 야기될 수 있다. 셋째, 포트가 없는 부위에서의 회전자 면 상의 압력 분포는 완전히 편평하지 않은 회전자 면과 고정자 면 사이의 접촉 패턴에 좌우되는 추정치이다. 이러한 비평탄도는 회전자 면 상으로 약간의 압력이 누설되게 하고 압력이 힘을 인가하는 영역이 변경되게 한다. 이들 이유로 인해, 작동 중에 실제적으로 스프링 힘이 얼마나 필요한지를 결정하는 것이 어렵다. 이상적으로, 스프링 힘은 회전자와 고정자가 접촉 상태를 유지하도록 압력 힘과 접촉력의 합보다 미소하게만 커야 할 것이다. 실제로, 스프링 힘은 압력 힘과 접촉력의 합보다 2, 3 파운드 정도로 약간 크게 선택되며, 밸브의 누설이 관찰된다. 밸브가 어플리케이션에 대해 허용 가능한 양을 넘어 누설하는 경우, 스프링 힘은 실질적인 누설이 제거될 때까지 점차적으로 증가된다. 따라서, 도 8을 이용하는 것에 의해, 스프링 힘이 증가될 때, 회전자를 회전시키는 데 필요한 최소 토크를 유지하도록 스프링 힘의 합력의 위치가 조정된다.

도 8에 있는 각각의 커브의 종점은 회전자들 중 하나의 회전자의 에지에서 반력이 발생하는 지점을 나타낸다. 이러한 종점을 지나면, 압력 힘이 회전자/고정자 쌍 중 하나를 분리하기 시작할 것이기 때문에 회전자의 정적 평형(static equalibrium)을 유지하는 것이 불가능하다. 도 8은 주어진 스프링 힘에 있어서 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 최소화하도록 스프링 힘을 인가하는 최적의 반경 방향 위치를 보여준다. 최소 토크를 위한 반경 방향 위치는 일정한 것이 아니라 인가되는 스프링 힘에 따라 변한다. 도 8에 도시한 바와 같이, 스프링 힘이 위치되는 최적 반경은 스프링 힘이 증가함에 따라 감소한다. 전술한 스프링 선택 방법에 있어서, 밸브 누설이 제거될 때까지 스프링 힘의 증가가 시도되며, 특정 스프링 힘에 대한 스프링 힘의 중심의 최적 위치는 도 8로부터 확인할 수 있다.

힘이 다른 스프링을 선택하여 미리 정해진 총 스프링 힘과 위치를 얻을 수 있다. 예컨대, 회전자는 복수 부위에 배치되고, 차후의 결정된 어플리케이션에 기초하여 스프링 힘의 중심의 변위를 허용하는 스프링 배치 로케이터를 가질 수 있다.

본 발명의 일반적인 실시예는 압축 공급 공기, 진공 폐기 또는 배기 연결부 및 생성물 유출구와, 복수 개의 흡착기 베드의 공급 단부와 생성 단부에 연결되는 포트를 지닌 회전 밸브를 포함한다. 회전 밸브는 반복 가능한 주기적인 공정 단계에서 하나 이상의 공정 소스로부터 하나 이상의 공정 종착지로 유체를 안내하는 임의의 공정에 사용될 수 있다.

바람직한 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위에서 벗어나는 일 없이 본 발명을 다양하게 변경할 수 있고, 본 발명의 요소를 등가물로 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가적으로, 본 발명의 기본적인 범위에서 벗어나는 일 없이 특정 상황을 본 발명의 교시에 맞게 여러 가지로 변형 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 최상의 모드로 계획된 것으로 개시되어 있는 특정 실시예로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구 범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

도 1은 예시적인 종래 기술의 회전 밸브의 분해도.

도 2a는 압력 힘과 스프링 힘 모두가 회전자의 중앙에 위치될 때 예시적인 회전자 상에 작용하는 힘에 관한 단순화된 개략도.

도 2b는 압력이 회전자의 중앙에 인가되지 않을 때 예시적인 회전자 상에 작용하는 힘에 관한 단순화된 개략도.

도 2c는 스프링 힘이 압력과 같은 회전자 상의 부위에 위치될 때 예시적인 회전자 상에 작용하는 힘에 관한 단순화된 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 회전 밸브의 예시적인 실시예의 분해 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 회전 밸브의 예시적인 실시예의 분해 저면도.

도 5는 본 발명에 따른 회전 밸브의 단일 회전자 실시예의 개략적인 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 예시적인 공급 회전자의 공급 회전자 면의 도면.

도 7은 본 발명에 따른 예시적인 생성 회전자의 생성 회전자 면의 도면.

도 8은 본 발명에 따른 스프링 힘의 힘의 중심의 반경 방향 위치와 다양한 스프링 힘에 대하여 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크 사이의 관계를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300, 500 : 회전 밸브

310 : 공급 고정자

320, 600 : 공급 회전자

330, 700 : 생성 회전자

340 : 생성 고정자

350, 530 : 압축 스프링

510 : 회전자

520 : 고정자 하우징

540 : 트러스트 러너

570 : 트러스트 베어링

Claims

공급 고정자 결합면, 공급 고정자 후면, 및 이들 공급 고정자 결합면과 공급 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 포트를 포함하는 공급 고정자;

공급 회전자 결합면, 공급 회전자 후면, 및 공급 고정자의 복수 개의 고정자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 공급 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 포트를 포함하고, 공급 회전자 면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능하며, 상기 공급 고정자에 인접한 공급 회전자;

상기 공급 회전자에 맞물리고, 생성 회전자 결합면, 생성 회전자 후면, 생성물 유출구 및, 생성 고정자의 복수 개의 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 결합면 상에 배치되는 복수 개의 포트를 포함하며, 생성 회전자 면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능한 생성 회전자;

생성 고정자 결합면, 생성 고정자 후면, 및 이들 생성 고정자 결합면과 생성 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 포트를 포함하고 생성 회전자에 인접한 생성 고정자; 그리고

스프링 힘을 힘의 중심이 공급 회전자 후면과 생성 회전자 후면에 있도록 인가하도록 구성되고 상기 공급 회전자와 생성 회전자 사이에 배치되는 적어도 하나의 압축 스프링

을 포함하고, 스프링 힘의 힘의 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 예정된 거리를 두고 위치하여, 스프링 힘은 밸브가 작동할 때 공급 회전자와 생성 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크를 저감하도록 구성되는 것인 회전 밸브.
제1항에 있어서, 상기 공급 회전자와 생성 회전자는 회전 중심축을 중심으로 회전하도록 구성되는 것인 회전 밸브.
제1항에 있어서, 상기 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 적어도 하나의 압축 스프링을 유지 및 배치하도록 구성된, 생성 회전자 후면 상에 위치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부의 맞은편의 공급 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부를 더 포함하는 회전 밸브.
제1항에 있어서, 2개 이상의 스프링 배치 특징부가, 2개 이상의 압축 스프링을 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 유지 및 배치하도록 생성 회전자 후면 상에 유사하게 구성된 2개 이상의 스프링 배치 특징부의 맞은편의 공급 회전자 후면 상에 회전 중심축을 통과하는 평면에 대해 대칭으로 배치되는 것인 회전 밸브.
주기적인 공정 작동을 수행하는 회전 밸브로서,

포트를 지닌 고정자 하우징;

포트와 후면을 포함하고, 인터페이스에서 고정자 하우징과 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 접촉하는 회전자;

스프링 힘의 힘의 중심을 갖는, 회전자 후면과 트러스트 러너(thrust runner) 사이에 배치되는 적어도 하나의 압축 스프링; 그리고

상기 트러스트 러너와 고정자 하우징 사이에 배치되는 트러스트 베어링

을 포함하고, 상기 적어도 하나의 압축 스프링은 힘의 중심을 갖는 스프링 힘을 회전자 후면 상에 인가하도록 구성됨으로써 회전 밸브가 작동될 때 주어진 스프링 힘에 대해서 회전자를 회전시키는 데 필요한 저감된 토크를 발생시키는 것인 회전 밸브.
제5항에 있어서, 상기 스프링 힘의 힘의 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 정해진 거리를 두고 위치되는 것인 회전 밸브.
제5항에 있어서, 상기 회전자 후면 상에 적어도 하나의 스프링 배치 특징부를 더 포함하는 회전 밸브.
제5항에 있어서, 적어도 한쌍의 스프링 배치 특징부가 회전 중심축을 통과하는 평면에 대해 대칭으로 회전자 후면 상에 위치되는 것인 회전 밸브.
복수 개의 흡착 베드; 그리고

하나 이상의 회전자를 구비하고, 상기 복수 개의 흡착 베드에 연결되며, 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption) 공정 동안에 복수 개의 흡착 베드로 흐름을 안내하도록 구성된 회전 밸브

를 포함하는 압력 변동 흡착 장치로서, 상기 회전 밸브는

회전축을 중심으로 회전하도록 구성된 하나 이상의 회전자; 그리고

스프링 힘을 하나 이상의 회전자에 인가하도록 구성된, 힘의 중심을 갖는 스프링 힘을 지닌 적어도 하나의 압축 스프링

을 포함하고, 스프링 힘의 힘의 중심은 회전 중심축으로부터 0보다 큰 미리 예정된 거리를 두고 위치하여 스프링 힘에 대하여 하나 이상의 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 저감하는 것인 압력 변동 흡착 장치.
제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 회전자는 생성 회전자와 맞물리는 공급 회전자를 포함하며, 이 공급 회전자는 공급 회전자 결합면, 공급 회전자 후면, 및 복수 개의 공급 고정자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 공급 회전자 결합면 상에 배치되는 복수 개의 공급 회전자 포트를 포함하며,

상기 공급 회전자는 상기 공급 회전자 면에 수직인 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되고, 상기 생성 회전자는 생성 회전자 결합면, 생성 회전자 후면, 생성물 유출구, 및 상기 복수 개의 생성 고정자 포트 중 어느 하나로 유체 흐름을 안내하도록 결합면 상에 배치되는 복수 개의 생성 회전자 포트를 포함하며, 생성 회전자 면에 수직인 회전축을 중심으로 회전하도록 구성되고,

상기 회전 밸브는 공급 고정자 결합면, 공급 고정자 후면, 및 이들 공급 고정자 결합면과 공급 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 공급 고정자 포트를 포함하는 공급 고정자; 그리고

생성 고정자 결합면, 생성 고정자 후면, 및 이들 생성 고정자 결합면과 생성 고정자 후면을 연결하는 복수 개의 포트를 포함하며, 생성 회전자와 회전 가능하게 접촉하는 생성 고정자를 더 포함하고,

상기 적어도 하나의 압축 스프링은 공급 회전자와 생성 회전자 사이에 배치되는 것인 압력 변동 흡착 장치.
제9항에 있어서, 상기 회전 밸브는

포트를 지닌 고정자 하우징;

포트와 후면을 포함하고, 인터페이스에서 상기 고정자 하우징과 회전 중심축을 중심으로 회전 가능하게 접촉하는 회전자;

상기 고정자 하우징과 접촉하는 트러스트 베어링;

상기 트러스트 베어링과 접촉하는 트러스트 러너; 및

상기 회전자 후면과 트러스트 러너 사이에 배치되는 적어도 하나의 압축 스프링

을 포함하는 것인 압력 변동 흡착 장치.
제9항에 있어서, 상기 스프링 힘은 하나 이상의 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 최소화하도록 구성되는 것인 압력 변동 흡착 장치.
제10항에 있어서, 생성 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부의 맞은편의 공급 회전자 후면 상에 배치되는 적어도 하나의 스프링 배치 특징부를 더 포함하고, 이 스프링 배치 특징부는 상기 공급 회전자와 생성 회전자 사이의 고정된 위치에 압축 스프링을 유지하도록 구성되는 것인 압력 변동 흡착 장치.
제11항에 있어서, 상기 회전자와 트러스트 러너 사이에 압축 스프링을 유지하도록 구성된, 상기 트러스트 러너 상에 배치되는 복수 개의 스프링 배치 특징부와 정렬되는 회전자 후면 상에 배치되는 복수 개의 스프링 배치 특징부를 더 포함하는 압력 변동 흡착 장치.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 스프링 힘은 밸브가 작동할 때 주어진 스프링 힘에 대해서 회전자를 회전시키는 데 필요한 토크의 크기를 최소화하도록 구성되는 것인 회전 밸브.