专利名称：旋转阀和吸附分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过旋转部件与固定部件相互的滑动旋转运动来切换 流体流路的旋转阀，进一步涉及对将空气中的氧分离并将氣供给呼吸 器官疾病患者等的压力变动吸附型氧浓缩装置的流路进行切换的旋转 阀。本发明进而涉及使用这样的旋转阀的吸附分离装置。
背景技术：
近年来出现了被肺气肿病、慢性支气管炎等呼吸器官系统疾病折 磨的患者增加的趋势。作为对这样的疾病最有效的治疗方法的一个， 有氧吸入疗法。另一方面开发了从空气中直接分离氣浓缩气体的氧浓 缩器，由于使用时方便并且维修管理容易，所以该氧浓缩器作为氧吸 入疗法用的治疗装置逐渐普及。
作为该氧浓缩器，已知有填充了能够选择性地吸附氮的吸附剂的 吸附型氧浓缩器，其中使用空气压缩机作为空气供给机构的压力变动 吸附型的氧浓缩器作为家庭氧吸入疗法的装置使用。该装置通常以一 定的循环反复进行吸附工序和解吸工序，所述吸附工序从压缩机对填 充了能够选择性地吸附氮的吸附剂的一个或多个吸附床供给压缩空
气，以加压状态吸附氮，从而获得氧浓缩气体；所述解吸工序降低吸 附床的内压并将氮解吸从而进行吸附剂的再生，进而根据需要，出于 提高吸附剂的再生效率和升压的目的，而在解吸工序即将结束之前增 加使已经生成的干燥氧浓缩气体一部分逆流的均压工序，通过以一定 循环依次进行来获得氧浓缩气体。通常一般是，通过由配管连接压缩 机与吸附床并在它们之间设置阀机构，来进行切换对吸附床的加压空 气的供给路径的流路控制，但是在这样的流路切换装置中，存在部件 个数增加和维修出现不良情况的问题。
作为改善这些不良情况的装置，已知的有日本特表平7-508205号 公报(专利文献1)和日本特开2004-209263号公报(专利文献2 )中 记栽的模块化的氧浓缩装置，其中将加压空气经由内置有旋转阀的流 体分开装置供给吸附床。该氧浓缩装置为了用于家庭和医疗用途而必须小型化，这样的流体分开装置中使用的机械密封的旋转阀和固定阀 部的结构为了实现该模块的小型化，而难以在阀内取得足够的机构空
间，在机械密封的机构上为这样的结构即，设置在旋转轴侧与旋转 轴一起旋转的作为滑动部件的转子、和设置在非旋转的壳体侧的定子 的与轴心正交的面紧贴并滑动，由此防止流体从轴周泄漏，使用弹黃 等按压机构对轴心沿轴向作用栽荷。
在通常使用的机械密封中使用润滑油等润滑材料，来抑制滑动面 的滑动阻力，但是氧浓缩装置等的切换呼吸用气体的流路的阀不能使 用这样的润滑油。因此，为了优化阀的滑动性，设计为通过使滑动面 的平面性极其平滑来抑制滑动阻力。
本申请的发明者发现在含有水分的加压空气等具有凝缩性的气体 与这样的阀连接的情况下，由于水分等液体在流路内凝集的现象、或 在阀的滑动面上由于毛细管凝缩而产生凝缩水，在微量液体进入滑动 面的情况下，表面张力暂时处于支配地位，滑动阻力非常大，会引起 旋转转矩的上升。如果使用具有超过该转矩上升量的旋转转矩的马达， 则不会出现这样的问题，但是在以装置的小型化和轻质化等为目的而 搭载以最小转矩旋转的马达的装置中，高湿度环境下的运转会引起旋 转速度的降低或停止。
发明内容
本发明作为解决上述课题的手段，提供以下的旋转阀和搭栽有旋 转阀的吸附分离装置，
本发明的旋转阀具备机械密封机构，该机械密封机构具有两个滑 动部件，这两个滑动部件具有相互滑动的滑动面并且流路在该滑动面 开口 ，该机械密封机构通过对该滑动面施压来密封流体并切换上述流 路，其特征在于，上述两个滑动部件都具有以下结构滑动面侧由疏 水性部件构成，该滑动面的相反側由刚性高于上述疏水性部件的部件 构成，这些疏水性部件和高刚性部件接合从而一体化。
此外，本发明的旋转阀具备机械密封机构，该机械密封机构具有两 个滑动部件，这两个滑动部件具有相互滑动的滑动面并且流路在该滑
动面开口 ，该机械密封机构通过对该滑动面施压来密封流体并进行滑 动，从而切换上述流路，其特征在于，上迷两个滑动部件的各自的至少滑动面侧具有疏水性并且刚性彼此不同。
此外，本发明的压力变动吸附型的吸附分离装置具备多个吸附 床，其中填充有吸附刑；供给机构，对该吸附床供给处理气体；和流 路切换部件，在一定的时机对吸附床依次加压供给来自该供给机构的 处理气体从而进行吸附和解吸，其特征在于，上述流路切换部件是上 述旋转阀，具备具有相互滑动的滑动面的两个滑动部件，用来供给处 理气体的气体供给口和将处理后的气体排出的气体出口在一方的滑动 部件的滑动面上开口，在另一方的滑动部件的滑动面上形成有分配槽， 并且滑动面在被机械密封的同时滑动，由此来切换流路，即，两个滑
动部件的各自的至少滑动面侧具有疏水性并且刚性彼此不同.
图1是作为本发明的实施方式的优选实施例的、含有滑动面的表 层部的一部分由具有水的疏水性的材料构成的、滑动阀的第1实施例 的构成图。
图2是本发明的含有滑动面的表层部全部由具有水的疏水性的材 料构成的、滑动阀的第2实施例的构成图。 图3是现有的滑动阀的构成图。 图4是滑动转矩湿度依存性试验装置的方框图。 图5是滑动转矩湿度依存性试验结果。 标号说明
1固定部件(刚性高的材料)
2固定部件(具有疏水性的材料)
3固定部件的粘结面
4旋转部件(具有疏水性的材料)
5旋转部件的粘结面
6旋转部件(刚性高的材料)
7旋转轴
8气体供给口 (流路)
9处理气体分配槽
10处理气体出口 (流路)
具体实施例方式
以下参照附图详细说明本发明的实施方式，
本发明的旋转阀由在表面具有与流体流路连接的多个端口孔的定 子(固定部件)、和用来通过其旋转运动切换该端口孔彼此的连接且 在表面具有连接流路的转子(旋转部件)构成，该定子和该转子分别 以具有该端口孔(流路)的面和具有该连接流路的面作为滑动面滑动 同时旋转，从而切换该流体流路彼此的连接。转子的连接流路的形状 可以根据定子的端口孔的数量或配置而采用各种形状，本发明的旋转 阀的特征在于，该定子和转子即滑动部件的至少包含该滑动部件的滑 动面的表层部由具有疏水性的材料构成.在含有水分的加压空气等具 有凝缩性的气体与这样的阀连接的情况下，由于水在流路内的液化凝 集现象，或在阀的滑动面上由于毛细管凝缩而产生凝缩水，在微量液 体进入滑动面的情况下，表面张力暂时处于支配地位。在本发明中， 通过为具备疏水性材料的滑动面的旋转阀，能够防止该现象的发生， 从而抑制滑动阻力的异常上升和旋转转矩的上升。
该旋转阀在切换含有水分的空气等具有凝缩性的气体的流路时特 别有效，端口孔的位置在该凝缩性气体的流路周围，特别是在切换含
有水蒸气的空气的阀的情况下，通过在该空气的加压流路周围具备出 口端口孔，将空气从中心的入口端口孔借助连接流路引导到周围的出
口端口孔，能够防止产生结露水的情况下的转矩上升。
在该旋转阀中，在端口数量少的情况下，单一的连接流路设置在 转子表面上，但是在端口数量多的情况下，在转子的滑动面的同一半 径上具备多个开口部，能够使该开口部间成为由滑动面的后背部连接 的流路。
作为定子和转子即该滑动部件所使用的疏水性材料，有氟类材料
和硅类材料等，可以使用聚四氟乙烯树脂(PTFE)、聚鍵醚酮树脂 (PEEK)、聚缩醛树脂(POM)等。特别优选的可以举出PTFE等 氟类疏水性树脂材料。进而也可以举出通过填充材料提高强度或滑动 性的材料，可以使用添加了聚酰亚胺纤维作为填料的PTFE树脂、添 加了碳或聚乙烯纤维的PTFE树脂.此外，作为表示这些材料的疏水 性的指标， 一般使用水滴接触角，优选的是水滴接触角为90°以上.作为满足该条件的材料有上述PTFE树脂。
在两个滑动部件的滑动面由相同部件构成的情况下，由于材料硬 度相同，所以会出现滑动面一起磨损的现象。此外，通过共用材料有 时会发生凝固磨损等异常磨损，通过使一方的硬度比另一方柔软，使 单方磨损并进行更换，通过使定子侧为材料硬度略高的添加了聚酰亚 胺的PTFE树脂，使转子侧为添加了碳的PTFE树脂，能够使转子侧为
更换部件。
滑动面由如上所述的疏水性树脂部件构成，即使添加了如上所述 的填充材料仅以树脂部件在强度上也弱，在机械密封那样的由弹簧等 按压以进行密封的情况下，在施加栽荷的情况下，会引起变形.受到 栽荷的结构体部分使用SUS、铝、黄铜等金属或陶瓷、复合材料等刚性 高的材料.
疏水性材料与刚性高于该疏水性材料的材料的接合通过表面改 性、涂敷、浸渍、粘结等方法进行。作为表面改性，有将自组织单分 子膜、DLC膜附着在基材上的方法，特别优选的是将氟添加DLC膜附着 在基材上的方法等。作为涂敷一般是PTFE涂敷。浸渍一般是在基材表 面的空隙.空孔部浸渍疏水性材料的方法。
粘结有在金属上特别优选的是在不生锈的材料上粘结PTFE树脂或 PTFE类树脂从而构成滑动部件的方法。 一般来说，PTFE树脂或PTFE 类树脂的粘结性不好，所以对粘结表面进行碱腐蚀处理，以除去表面 的氟基，从而能够确保与环氧类等粘结剂的润湿性。进而，为了增加 粘结面积，采取空气鼓风加工来粘结的方法.
本发明的旋转阀可以应用于压力变动吸附型氧浓缩装置。即，一 种压力变动吸附型氧浓缩装置具备填充有可选择性地吸附氮而非氧 的吸附剂的吸附床；对该吸附床供给加压空气的空气供给机构；和将 从吸附床生成的氧浓缩空气供给使用者的氧供给机构，在流路切换阀 中具有旋转阀，特别在将来自压缩机等空气供给机构的加压空气供给 该吸附床的流路上具备上述的本发明的旋转阀， (实施例)
以下参照
作为本发明的实施方式的优选实施例的旋转 阀。图1是本发明的旋转阀的实施例1的构成图，图2是实施例2的构 成图，图3是作为比较例表示现有技术的旋转阀的构成图。实施例1
按照图1的构成图说明本发明的旋转阀的实施例1。本实施例1的 旋转阀是滑动阀，用于对多个处理工序供给从大气取入的含有水蒸气 的空气，并且含有滑动面的表层部的一部分由具有疏水性的材料构成.
旋转部件4、 6、 7被未图示的弹簧的反作用力垂直地按压在固定 部件l、 2上.旋转部件4、 6是由粘结面5粘结的一体部件，同样， 固定部件l、 2也是由粘结面3粘结的一体部件。
在旋转部件4、 6中，作为滑动面侧的部件4使用PTFE类树脂. 作为本PTFE类树脂，使用添加了碳作为填料的PTFE树脂(日本匕' ，一工业林式会社制H4C级).此外，在旋转部件4、 6中，作为滑 动面相反侧的部件6使用SUS304。旋转部件4和6的粘结通过对部件 4的PTFE类树脂的粘结表面进行碱腐蚀处理并将其粘结在SUS304的 部件6上来进行。
在固定部件1、 2中，作为滑动面侧的具有疏水性的部件2使用 PTFE类树脂。作为本PTFE类树脂，使用添加了聚酰亚胺纤维作为填 料的PTFE树脂(日本匕。， 一 工业林式会社制Y2A级).
在固定部件l、 2中，滑动面相反侧的部件l作为刚性高于具有疏 水性的部件2的材料，使用SUS304。固定部件1、 2的粘结通过对构 成具有疏水性的部件2的PTFE类树脂的粘结表面进行碱腐蚀处理并 将其粘结在SUS304的部件1上来进行。
进而，未图示的上述弹簧施加使空气不从滑动面泄漏到系统外的 密封压力。从同样未图示的马达驱动装置(动力源)产生的驱动转矩 经由旋转轴7传递，使得旋转部件4、 6以一定转速(例如2 5rpm左 右)旋转。使用未图示的压缩机压缩含有水蒸气的空气，并从设置在 固定部件l、 2上的密封面(图1 (b))的气体供给口 (端口孔)8供 给空气.在设置于固定部件l、 2上的气体出口 (端口孑L) IO的位置与 分配槽9的位置一致的时刻，将处理气体从气体出口 IO经由设置在旋 转部件4、 6上的密封面(图1 (c))的分配槽(连接流路)9供给到 四个处理工序。
本实施例1的旋转阀在从大气取入的含有水蒸气的空气的温度、 湿度以及固定部件1、 2和旋转部件4、 6的温度变化的环境中运转的 情况下，即使发生水的凝缩、结露现象，因凝缩力引起的转矩上升也微小，空气也不会从滑动面泄漏，能够长期进行稳定的连续运转.
实施例2
接下来按照图2的构成图说明本发明的旋转阀的第2实施例，本 实施例2的旋转阀是滑动阀，用于对多个处理工序供给从大气取入的 含有水蒸气的空气，并且含有滑动面的表层部全部由具有水的疏水性 的材料构成。
固定部件1由PTFE类树脂的单一材料制成，在本实施例中使用 日本匕° ，—工业林式会社制Y2A级.此外，旋转部件2也同样由PTFE 类树脂的单一材料制成，在本实施例中使用日本t'，一工业株式会社 制H4C级。其他结构与实施例1的情况相同，
本实施例2的旋转阀与实施例1相同，也在从大气取入的含有水 蒸气的空气的温度、湿度以及固定部件1和旋转部件2的温度变化的 环境中运转的情况下，即使发生水的凝缩、结露现象，几乎不会因凝 缩力而引起转矩上升，空气也不会从滑动面泄漏，能够长期进行稳定 的连续运转。
比较例1
接下来按照图3的构成图，说明作为本发明的旋转阀的比较例1、 在现有技术中使用的滑动部件使用亲水性材料的旋转阀。固定部件2， 使用陶瓷材料。旋转部件4，使用通用为固体润滑刑的碳素材料(碳或 石墨)。
本比较例1的旋转阀在从大气取入的含有水蒸气的空气的温度、 湿度以及固定部件2，和作为旋转部件的固体润滑材料4，的温度变化的 环境中运转时，当发生水的凝缩、结露现象时，会发生因凝缩力而引 起的转矩上升，从而超过马达驱动装置(动力源)的最大转矩，引起 旋转不良。
[变形例
以上参照
了本发明的实施例，但是本发明不限于上述的 实施例1和实施例2，可以在本发明的精神或范围内实施各种方式、变 形和修正等。例如，在上述的本发明的旋转阀的各实施例中，各实施 例的构成也可以用作对具有多个吸附筒、反应器或集尘器的系统分配 处理气体的滑动阀。
此外，也可以将上述实施例1和实施例2中使用的滑动部件组合，例如固定部件像实施例1那样是滑动面侧的疏水性部件2与滑动面相 反侧的高刚性部件1接合的一体结构，旋转部件像实施例2那样由单 一的疏水性部件4构成.此外，也可以反过来，固定部件像实施例2 那样由单一的疏水性部件2构成，旋转部件像实施例1那样是滑动面 侧的疏水性部件4与滑动面相反侧的高刚性部件6接合的一体结构。 [效果的证明
使用实施例l、实施例2和比较例1的旋转阀，定量地评价凝缩水 在滑动面上的表面张力的影响.具体来说，使滑动部件的环境湿度变 化，通过测量滑动转矩，对在高湿度环境下在滑动面之间产生的凝缩 水的表面张力的影响进行实验。图4表示转矩测量装置的方框图。在 恒温恒湿的室内，使温度一定，仅阶梯状地改变相对湿度，来比较观 察高湿度环境下的滑动转矩的变化。
图5表示实验结果。与比较例1相比，在本发明的实施例1和实 施例2中，大幅改善了在滑动面之间产生的凝缩水的表面张力导致的 滑动转矩上升。
在本发明的旋转阀和搭栽有该旋转阀的吸附分离装置中，对于低 湿度环境和高湿度环境之间的运转环境的变化，能够抑制旋转阀的滑 动阻力的变动，能够实现压力变动吸附型氧浓缩器等使用本发明的旋 转阀的吸附分离装置的稳定运转。
权利要求
1. 一种旋转阀，具备机械密封机构，该机械密封机构具有两个滑动部件，这两个滑动部件具有相互滑动的滑动面并且流路在该滑动面开口，该机械密封机构通过对该滑动面施压来密封流体并切换上述流路，其特征在于，上述两个滑动部件都具有以下结构滑动面侧由疏水性部件构成，该滑动面的相反侧由刚性高于上述疏水性部件的部件构成，这些疏水性部件和高刚性部件接合从而一体化。
2. 如权利要求1所述的旋转阀，其特征在于，上述疏水性部件是聚 四氟乙烯树脂部件。
3. 如权利要求1或2所述的旋转阀，其特征在于，上述两个滑动 部件的上述疏水性部件的硬度彼此不同。
4. 如权利要求3所述的旋转阀，其特征在于，上述两个滑动部件 的一方是固定部件，另一方是旋转部件，旋转部件的上述疏水性部件 由添加了碳作为填料的聚四氟乙烯树脂构成，固定部件的上述疏水性 部件由添加了聚酰亚胺作为填料的聚四氟乙烯树脂构成。
5. 如权利要求1至4中的任一项所述的旋转阀，其特征在于，上 述高刚性部件由金属材料制成。
6. —种旋转阀，具备机械密封机构，该机械密封机构具有两个滑动 部件，这两个滑动部件具有相互滑动的滑动面并且流路在该滑动面开 口，该机械密封机构通过对该滑动面施压来密封流体并进行滑动，从 而切换上述流路，其特征在于，上述两个滑动部件的各自的至少滑动 面侧具有疏水性并且刚性彼此不同。
7，如权利要求6所述的旋转岡，其特征在于，上述两个滑动部件 的一方是固定部件，另一方是旋转部件，旋转部件由添加了碳作为填 料的聚四氟乙烯树脂构成，固定部件由添加了聚酰亚胺作为填料的聚 四氟乙烯树脂构成。
8.如权利要求6所述的旋转阀，其特征在于，上述两个滑动部件 的一方具有以下结构滑动面侧由疏水性部件构成，该滑动面的相反 侧由刚性高于上述疏水性部件的部件构成，这些疏水性部件和高刚性 部件接合从而一体化。
9. 一种吸附分离装置，是压力变动吸附型的吸附分离装置，具备 多个吸附床，其中填充有吸附剂；供给机构，对该吸附床供给处理气 体；和流路切换部件，在一定的时机对吸附床依次加压供给来自该供 给机构的处理气体从而进行吸附和解吸，其特征在于，上述流路切换部件是旋转阀，具备具有相互滑动的滑动面的两个 滑动部件，供给处理气体的气体供给口和将处理后的气体排出的气体 出口在一方的滑动部件的滑动面上开口，在另一方的滑动部件的滑动 面上形成有分配槽，并且滑动面被机械密封机构密封并滑动，从而切 换流路，两个滑动部件的各自的至少滑动面側具有疏水性并且刚性彼 此不同。
全文摘要
本发明提供一种具备用来将含有水蒸气的处理气体供给多个处理工序的滑动部件的旋转阀、以及使用这样的旋转阀的吸附分离装置。该旋转阀包括具备滑动部件(1、2；4、6)的机械密封机构，该滑动部件具有相互滑动的滑动面并且流路(8、9、10)在该滑动面开口，该机械密封机构通过对滑动面施压来密封流体同时滑动，从而切换上述流路(8、9、10)，其特征在于，该滑动部件(1、2；4、6)的滑动面侧由硬度不同的疏水性部件(2、4)构成。
文档编号F16K3/08GK101432557SQ20078001571
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月26日 优先权日2006年5月2日
发明者下里满, 二宫正信, 布施敏彦, 武政贤治 申请人:帝人制药株式会社;日本皮拉工业株式会社