用于控制阀的三维曲折路径流量元件的制作方法

用于控制阀的三维曲折路径流量元件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月8日提交的美国临时申请no.62/958,437的优先权，该美国临时申请的内容通过引用明确并入本文。
3.声明回复：联邦资助的研究/开发
4.不适用
技术领域
5.本公开总体上涉及一种流量控制元件，更具体地说，本公开涉及一种通过增材制造形成的流量控制元件，该流量控制元件中形成有多个独特轮廓的流量控制通道。


背景技术：

6.控制阀中的多级阀内件用于辅助流经控制阀的流体的压降。这种控制阀的先前设计包括使用往复式阀内件，该阀内件在一系列堆叠的板内移动，这些板具有与形成曲折流动路径的交替的纵向和横向元件连接的流动路径。流动路径的几何构造可能需要将每个流动路径分割成其自身在板内的体积空间。结果，为了提供所需的级数和流量，板可能具有通常较大的外径和竖直高度，或阀行程。
7.堆叠板设计有两种常规类型。在一种类型中，通过在板上切割面内弯曲(in-plane bends)形成流动路径。在另一种类型中，通过在两个配合的板中切割一系列偏移的槽来形成流动路径，以限定从槽到槽上下蜿蜒或弯曲的流动路径。偏移类型可以利用第三板来分隔相邻的流动路径。在这两种类型中，可以通过钎焊将板连接在一起。
8.尽管堆叠板设计可以有效形成期望的流动路径，但会存在若干相关缺陷。例如，形成常规堆叠板设计的材料利用率可能相对较高。沿着这些路线，每个流动路径可能需要相邻的毛坯材料，以在制造过程中以及在组装到阀中的盘堆叠组件中时提供结构支撑。结果，包含流体路径的材料远远超过控制流量和承受工作压力所需的材料。
9.堆叠板设计可能还要求阀内的盘堆叠保持压缩状态。压缩可以通过将周围阀壳体的一部分阀盖螺栓载荷传递到盘堆叠来实现。在带有螺栓阀盖的阀门中，可能需要对阀主体和阀内件进行高成本的精密加工，以保持堆叠板上的压缩。在带有压力激励的阀盖密封的阀门中，可以使用额外的机械装置来保持堆叠板上的压缩。
10.因此，本领域需要一种改进的不是由堆叠盘形成的多路径流量控制元件。本公开的各个方面解决了这一特定需求，这将在下面更详细地讨论。


技术实现要素：

11.本公开涉及一种多级、多路径流量控制调整元件，其对增材制造方法进行了优化。流量控制元件包括套叠的(nested)流动路径，该套叠的流动路径可以使控制元件的外径和/或高度相对于常规的盘堆叠减小大约30％。结果，控制元件和控制阀的尺寸和成本都可以降低。
12.根据本公开的一个实施例，提供了一种流量控制元件，该流量控制元件包括形成为整体结构并围绕主体轴线设置的元件主体。元件主体包括第一表面、与第一表面间隔开的第二表面、以及在第一表面和第二表面之间延伸并限定了沿着主体轴线延伸的中心孔的内周表面。元件主体还包括在第一表面和第二表面之间延伸的外周表面，该外周表面与内周表面成间隔关系。多个通道在内周表面和外周表面之间延伸。每个通道具有以彼此大致对置的关系延伸的一对侧表面和从该对侧表面中的相应侧表面朝向彼此延伸的一对斜表面。
13.多个通道可布置成多个轴向阵列，每个阵列平行于主体轴线。每个通道可包括在外周表面处的开口，相邻阵列中的通道的开口在平行于主体轴线的方向上相对于彼此偏移。
14.每个通道可沿着至少两条轴线延伸。每个侧表面可包括至少两个彼此相邻成角度以限定顶点的区段。这对侧表面可包括第一侧表面，该第一侧表面具有沿着公共轴线对齐的第一组顶点。这对侧表面还可包括第二侧表面，该第二侧表面具有沿着公共轴线对齐的第二组顶点。
15.每个通道的宽度可被限定为一对侧表面之间的垂直距离，其中每个通道的宽度沿着通道变化。
16.根据另一实施例，提供了一种形成流量控制元件的方法。该方法包括以连续的材料层形成元件主体，每层与下面的层整体形成。
17.当结合附图阅读时，通过参考以下详细说明，可更好地理解本公开。
附图说明
18.根据以下说明和附图，将更好地理解本文公开的各种实施例的这些和其他特征和优点，其中：
19.图1为根据本公开示例性实施例形成的流量控制元件的上侧透视剖视图，该流量控制元件集成在流体控制阀中；
20.图2为图1所示流量控制元件的上侧透视图；
21.图3为图2中流量控制元件的上侧透视剖视图；
22.图4为图3中流量控制元件的上侧透视放大局部图；
23.图5为沿图4中的线5-5截取的流量控制元件的一部分的剖视图；
24.图6为流量控制元件中包括的一对通道的平面图；
25.图7为通道的示例性构造的上侧透视图；和
26.图8为图7所示通道的仰视图。
27.在所有附图和详细说明中，使用相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
28.下文结合附图所述的详细说明旨在说明流量控制元件的某些实施例，而非仅代表可开发或可利用的形式。说明书结合所示实施例阐述了各种结构和/或功能，但是应当理解，相同或等同的结构和/或功能可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也旨在包含在本公开的范围内。还应当理解，诸如第一和第二等关系术语的使用仅用于将一个实体与另
一个实体区分开来，而不一定要求或暗示这些实体之间的任何实际的这种关系或顺序。
29.现参考附图，其中图示用于说明本公开的优选实施例，而非用于限制本公开的优选实施例，附图示出了具有多个三维曲折流动通道12的流量控制元件10，流量控制元件10可针对增材制造方法进行特别优化。流动通道12的构造可以构造成在流量控制元件10的增材制造过程中为流量控制元件10提供支撑。流动通道12可以以套叠结构布置在流量控制元件10内，这可以使给定流量控制元件10内的流动通道12的数量最大化。流量控制元件10的独特构造可以允许流量控制元件10的外径和/或高度的尺寸相对于常规装置减小大约30％。因此，可以实现流量控制元件10以及容纳流量控制元件10的相应控制阀的整体尺寸和成本的降低。这样，流量控制元件10可以适用于较小的流量控制系统或具有空间限制的流量控制系统。
30.现在具体参考图1，流量控制元件10被示出为结合在具有阀主体16的示例性控制阀14中。阀主体16包括入口18、出口20和位于入口18和出口20之间的廊道22。流量控制元件10位于廊道22中，使得当流体从入口18流向出口20时，流体穿过流量控制元件10。阀塞24可相对于流量控制元件10以往复的方式定位，以控制可穿过流量控制元件10的流体的量，从而控制可流过出口20的流体的量。包括在图1所示的控制阀14中的阀塞24位于流量控制元件10的内部，并且被升高以露出形成在流量控制元件10中的通道12，从而允许流体从中流过。可将阀塞24相对于阀塞24降低，以覆盖形成在流量控制元件10中的通道12，从而阻止流体从中流过。因此，通过升高或降低阀塞24，可以控制通过流量控制元件10的流体的量。阀塞24可以连接到轴向往复运动的阀杆26上，以便于阀塞24相对于流量控制元件10的选择性升高和降低。
31.现参考图2，流量控制元件10包括元件主体28，元件主体28可以形成为整体结构，如下文更详细描述的。元件主体28可以是大致环形的结构，其限定主体轴线30并因此围绕主体轴线30设置。元件主体28具有第一(顶部)表面32和相对的第二(底部)表面34。元件主体28还包括内周表面34和外周表面36，内周表面34和外周表面36两者都在第一表面32和第二表面34之间延伸。内周表面34限定了沿着主体轴线30延伸的中心孔，即轴线30也是具有大致圆形横截面轮廓的中心孔的轴线。从图1中可以看出，在示例性的控制阀14中，上述阀塞24能够在元件主体28的中心孔内往复运动。
32.元件主体28中形成的多个通道12在内周表面34和外周表面36之间延伸。每个通道12限定了内周表面34上的内部开口38和外周表面36上的外部开口40。每个通道12还可以限定在内部开口38和外部开口40之间的曲折构造，并且因此每个通道12可以沿着或平行于至少两条轴线延伸。曲折构造导致每个通道12在内周表面34和外周表面36之间的一系列弯曲或扭曲。
33.通道12可以以如下的方式布置：优化流量控制元件10上的空间，同时还允许增材制造流量控制元件10(例如，以逐层方式形成流量控制元件10)。在一个实施例中，通道12可以布置成多个轴向阵列。在图2所示的实施例中，围绕流量控制元件10的圆周，通道12沿轴向竖直对齐成阵列。换言之，当从图2所示的透视图观察时，通道12呈现为跨越元件主体28的圆周的多个大致竖直的列的阵列，每个这种列中的通道12彼此竖直对齐。这些列中的每一个均沿着各自的列轴线延伸，该列轴线大致平行于主体轴线30。就此而言，对于给定的通道12的阵列或列，阵列上每个通道12的内部开口38沿着大致平行于列轴线和轴线30的公共
的内部轴线。以类似的方式，阵列上每个通道12的外部开口40沿着大致平行于列轴线和轴线30的公共的外部轴线。这样，在每个阵列或列中，通道12可以堆叠在彼此之上。为了说明阵列的构造，在图2所示的实施例中，第一阵列与第一列轴线42对齐，第二阵列与第二列轴线44对齐。可以看出，这些阵列彼此间隔开，并且位于元件主体28的整个圆周上。
34.可以设想的是，一个阵列或列中的通道12的布置可相对于相邻阵列或列中的通道12的布置略微间隔开、偏移或交错。换言之，相邻阵列中的通道12可沿平行于主体轴线30的方向相对于彼此略微偏移。就此而言，由于该偏移布置，垂直于主体轴线30的给定圆周轴线可以穿过一个通道12，而不穿过相邻的通道12。通道12的偏移构造可导致通道12呈现为大致螺旋状或螺旋阵列，例如当从图2至图4所示的透视图观察时那样。换言之，通道12的偏移或交错可导致通道12沿着围绕元件主体28延伸的螺旋轴线对齐。
35.当阀塞24在阀14内打开或关闭时，相邻阵列中通道12的偏移或交错可消除或减少共面间隙和死区。例如，当阀塞24在流量控制元件10的中心孔内升高或降低时，相邻阵列中的通道12可以被依次覆盖或打开，而不是被同时覆盖或打开。
36.尽管流量控制元件10的示例性实施例包括以上述方式偏移或交错的通道12，但本公开的范围不限于此。因此，在其它实施例中，可以设想，相邻阵列或列中的通道12可以对齐，使得当从类似于图2所示的视角观察时，这些相邻阵列或列中的通道12呈现为一系列堆叠的大致圆形的行，每行沿着围绕轴线30的相应的公共的圆周延伸。因此，在该替代布置中，并且再次参考图2所示的透视图，通道12与同一列中的通道竖直对齐，并且还与同一周向行中的通道水平对齐。
37.图3为元件主体28的竖直剖视图，用于说明沿公共的竖直列或阵列对齐的通道12的内部结构，虚线箭头表示通过每个通道12的示例性流体流动，其中流体沿径向向外方向流动。
38.图4为部分流量控制元件10的局部上部透视图，其中各种通道12以虚线示出，表示通道12在元件主体28内的内部套叠和布置。通道12在构造上可以是相同的或基本上相似的，以允许通道12彼此相邻地套叠，从而使可适配在流量控制元件10内的通道12的数量最大化。例如，一个通道12可包括套叠在相邻通道12的向内延伸或凹陷的区段内的突出或凸起的区段。
39.现参考图5至图8，每个通道12可具有有助于获得流经该通道的流体的期望的流体特性的构造，并允许通道12在通过增材制造技术形成的结构中套叠在一起。根据一个实施例，并且根据图2至图4和图6所示的透视图/参照系，每个通道12包括基部表面46、一对侧表面48、50和一对斜表面52、54。基部表面46可以是大致平面的，并且相对于主体轴线30垂直延伸。该对侧表面48、50可以均从基部表面46以彼此大致对置的关系延伸。在一个实施例中，侧表面48、50在构造上是相似的，并且彼此大致平行。如图6所示，可以设想，根据被应用于辅助制造流量控制元件10的优选的增材制造工艺，基部表面46和相应的侧表面48、50之间的接合处将不会由尖锐的90度角来限定。相反，每个过渡区域将具有弓形或弧形轮廓。
40.斜表面52、54从各自的侧表面48、50延伸。斜表面52、54朝向彼此延伸，以在斜表面52、54的相交处限定峰。如图6中进一步示出的，可以设想，根据用于辅助流量控制元件10制造的优选的增材制造过程，斜表面52、54之间的接合处将不会由尖锐的90度角来限定。相反，上述过渡区域或峰将具有弓形或弧形轮廓。斜表面52、54的形状和布置可以有助于为相
应的通道12提供强度和结构完整性，尤其是在流量控制元件10的制造过程中。此外，斜表面52、54可以为在流量控制元件10中叠置通道12提供结构支撑。
41.侧表面48、50可将通道12的宽度w限定为侧表面48、50在垂直于两个侧表面48、50的方向上的距离。通道12的宽度w可以沿着通道12变化，从而包括窄部和宽部，以有利于期望的流体特性。在图8所示的示例性实施例中，宽度从内向外(即，从内周表面34处的内部开口38到外周表面36处的外部开口40)增加，以控制流体膨胀。就此而言，通道12可在内部开口38处限定第一宽度w1，在外部开口40处限定比第一宽度更大的第二宽度w2。然而，取决于流体流过集成有流量控制元件10的控制阀14的方向，可以设想，也可采用相反的构造，其中宽度从外向内(即，从外周表面36处的外部开口40到内周表面34处的内部开口38)增加。
42.现特别参考图8，如上所述，每个通道12部分地由第一侧表面48和第二侧表面50限定。第一侧表面48包括靠近宽度为w1的端部开口(内部或外部)的内部区段56和靠近宽度为w2的端部开口(内部或外部)的外部区段62。多个中间区段60在内部区段56和外部区段62之间延伸。对于公共的参考轴线64，内部区段56与公共轴线64重合，而中间区段60和外部区段62相对于公共轴线64各自以规定的角度延伸。相邻对的中间区段60可限定一系列顶点a
1-3
和谷点v
1-4
，即每个顶点a
1-3
和每个谷点v
1-4
由相邻对的中间区段60限定。顶点a
1-3
限定了第一组顶点，该第一组顶点可以定位成位于公共轴线64上。每个谷点v
1-4
可与公共轴线64间隔开相应的距离d。具体地，谷点v1与公共轴线64间隔开距离d1，谷点v2与公共轴线64间隔开距离d2，谷点v3与公共轴线64间隔开距离d3，谷点v4与公共轴线64间隔开距离d4。d1的大小小于d2，d2小于d3，d3小于d4。就此而言，谷点v
1-4
与公共轴线64的分隔距离随着与宽度为w1的端部开口(内部或外部)的分隔距离的增加而增加。
43.第二侧表面50与第一侧表面48相似。特别地，第二侧表面50包括靠近宽度为w1的端部开口(内部或外部)的内部区段66和靠近宽度为w2的端部开口(内部或外部)的外部区段70。多个中间区段68在内部区段66和外部区段70之间延伸。对于公共的参考轴线64，内部区段66以间隔开的、大致平行的关系延伸，而中间区段68和外部区段70相对于公共轴线64各自以规定角度延伸。相邻对的中间区段68可限定一系列顶点a
4-7
和谷点v
5-7
，即每个顶点a
4-7
和每个谷点v
5-7
由相邻对的中间区段68限定。顶点a
4-7
限定了第二组顶点，该第二组顶点可以定位成位于公共轴线64上。每个谷点v
5-7
可与公共轴线64间隔开相应的距离d。具体地，谷点v5与公共轴线64间隔开距离d5，谷店v6与公共轴线64间隔开距离d6，谷点v7与公共轴线64间隔开距离d7。d5的大小小于d6，d6小于d7。就此而言，谷点v
5-7
与公共轴线64的分隔距离随着与宽度为w1的端部开口(内部或外部)的分隔距离的增加而增加。
44.通过配置通道12使得两个侧表面48、50的所有顶点a
1-7
位于公共轴线64上，防止流体以恒定的线性路径流过通道12的中部。因此，流过通道12的全部流体在流过曲折构造时被迫改变路线，从而有利于流体中的期望压降。本领域的普通技术人员将会认识到，尽管每个通道12是曲折的，但是也可以替代地构造成使得其宽度沿着其整个长度(即，在由此限定的内部开口和外部开口之间)是恒定的，使得d
1-d7之间没有变化。
45.除了通道12的宽度w的变化外，可以设想，也可将通道12的高度的变化并入流量控制元件10，以有利于流过通道12的流体的期望的流体特性。通道12的高度h可以指基部表面46和由斜表面52、54限定的顶点55之间的距离。通道12的高度h可以沿着通道12变化，以包括低部分和高部分，从而有利于期望的流体特性。在图7所示的示例性实施例中，高度h从内
向外(即，从内周表面34处的内部开口38到外周表面36处的外部开口40)增加，以控制流体膨胀。就此而言，通道12可以限定在内部开口38处的第一高度h1，限定在外部开口40处的更大的第二高度h2。然而，取决于流体流过集成有流量控制元件10的控制阀14的方向，可以设想，也可采用相反的构造，其中高度h从外向内(即，从外周表面36处的外部开口40到内周表面34处的内部开口38)增加。
46.流量控制元件10的构造可通过显著减少用于容纳通道12的材料的量，使流量控制元件10的整体尺寸相对于由圆盘堆叠形成的常规流量控制元件减小。就此而言，容纳流量控制元件10的控制阀14的尺寸可以减小。此外，减小的尺寸可有助于在具有严格空间限制的设施(诸如海上平台和海洋船只)中安装曲折路径阀。
47.上文描述了可通过增材制造形成的流量控制元件10的各种实施例，增材制造可包括但不限于3d打印、激光烧结或本领域技术人员已知或以后开发的其他逐层制造技术。按照这些思路，例如在申请人的美国专利no.8,826,938中，描述了可潜在用于辅助流量控制元件10的制造的成形技术，该美国专利的公开内容通过引用并入本文。
48.本文所示的细节仅出于说明性讨论的目的以示例的方式示出，而不是为了提供对本公开的各种实施例的原理和概念方面的被认为是最有用和易于理解的描述的原因而呈现的。就此而言，除了基本理解各种实施例的不同特征所必需的细节之外，没有试图示出任何更多的细节，结合附图进行的描述使本领域的技术人员清楚了解如何在实践中实施这些特征。