CN114585843A

CN114585843A - 增材制造的控制阀流量元件

Info

Publication number: CN114585843A
Application number: CN202080070695.4A
Authority: CN
Inventors: 谢卡尔·萨米
Original assignee: Control Components Inc
Current assignee: Control Components Inc
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-06-03
Also published as: EP4042048A1; WO2021071738A1; EP4042048A4; US20210108739A1; US11060635B2

Abstract

一种调节流体流动的阀，其包括限定流体入口和流体出口的壳体。流动控制元件布置在壳体内并且构造成耗散从流体入口流过流动控制元件、流到流体出口的流体中的能量。阀座定位在壳体内并且包括多个涡流发生器，在流体流过阀座时，该涡流发生器在流体中引起涡流。塞布置在壳体内并且能够相对于壳体在关闭位置和打开位置之间移动。在塞从关闭位置朝向打开位置移动时，塞远离阀座移动，使得在塞从关闭位置朝向打开位置移动时，流过流动控制元件和阀座的流体增加。

Description

增材制造的控制阀流量元件

相关申请的交叉引用

不适用

声明：联邦资助的研究/开发

不适用

背景技术

1.技术领域

本公开总体涉及流体控制阀，并且更具体地涉及经由增材制造而形成的流体控制阀，并且该流体控制阀具有有助于热管理的属性并且使用轻质设计来提供强度。

2.相关技术的描述

处理高压下的流动流体可能需要使用控制设备来达到能量损失或高压降。然而，流过这种控制设备的流体的极端条件可能由于气蚀(可以是指流体对控制设备部件的高速内爆)造成控制设备的腐蚀。控制设备的腐蚀可能会降低控制设备达到期望的能量损失或高压降的能力的有效性。

除腐蚀问题之外，流体的高压和高速流动还可能导致阀内的流动特性变得不可预测和不稳定。极端的流动特性还可能产生不希望的噪音，该不希望噪音在一些情况下可能导致距阀出口三英尺处的声压级达到110dB至170dB。这种程度的声级可能会对位于流体流附近的人造成危害，并且可能导致当地居民投诉。

为了解决上述问题，已经开发了这样的控制设备：该控制设备通过将流细分至具有突然转向以在流体中产生摩擦和压降的多个小通路中，从而导致能量损失。通路可以设置在盘的环形堆叠中，该盘的环形堆叠可以安装在阀壳体的流体通道中。塞可以在环形结构内移动以控制堆叠中可以流过流体的通路数量。

尽管这种控制设备可能在实现期望能量损失方面是有用的，但是可能存在与这种传统控制设备相关联的限制。传统控制设备的一个具体缺陷是该控制设备的构造可能允许在某些流体压力条件下流过控制设备中的流体相对于相邻固体边界发生流动分离。流动分离可能产生振动能量，这可能引起气蚀和噪声。传统控制设备的另一个常见缺点是部件可能较为沉重，因此可能与操作期间的大量能量需求相关联。

因此，本领域需要一种改良的控制设备，该改良的控制设备在提供了轻量化设计的同时，还解决了可能发生在传统控制设备中出现的气蚀和振动的问题。如下详述的，本公开的各个方面解决了该特定需求。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种调节流体流动的阀。该阀包括限定流体入口和流体出口的壳体。流动控制元件布置在壳体内、位于流体入口和流体出口之间，其中流动控制元件构造成耗散从流体入口流过流动控制元件、流到流体出口的流体中的能量。阀座定位在壳体内并且包括多个涡流发生器，在流体流过阀座时，涡流发生器在流体中引起涡流。塞布置在壳体内并且可以相对于壳体在关闭位置和打开位置之间移动。在阀塞从关闭位置朝向打开位置移动时，阀塞远离阀座移动，使得在阀塞从关闭位置朝向打开位置移动时，通过流动控制元件和阀座的流体流量增加。

可以经由增材制造来形成阀座。

多个涡流发生器可以包括至少一对反向旋转涡流发生器、同向旋转涡流发生器或直涡流发生器。阀座包括第一表面、第二表面和从第一表面延伸至第二表面的内表面，该内表面限定流体流动通过的中心开口。每个涡流发生器可以从内表面延伸以限定高度，其中，每个涡流发生器的邻近第一表面的高度与该涡流发生器的邻近第二表面的高度不同。每个涡流发生器整体还能够从内表面延伸出均匀的距离以限定均匀的高度。

阀座可以是绕中心轴线延伸的环部，其中该环部具有外表面和从外表面延伸至阀座中的多个孔。

塞可以包括第一表面以及与第一表面相反的第二表面，其中塞在第一表面和第二表面之间具有多个贯通开口。塞可以包括从第二表面朝向第一表面部分延伸穿进塞的多个部分开口。第二表面可以包括凹入区段，其中多个部分开口从凹入区段延伸。贯通开口和部分开口中的每一个可以是六边形的。

流动控制元件可以包括外表面、限定中心开口的内表面以及在内表面和外表面之间延伸的多个径向通路。流动控制元件可以包括第一端面、与第一端面相反的第二端面、第一区以及第二区。第一区可以定位于第二区和第一端面之间。多个径向通路可以包括位于第一区中的第一组径向通路和位于第二区中的第二组径向通路。第一组径向通路的尺寸可以与第二组径向通路的尺寸不同。每个径向通路可以在外表面上限定泪滴形开口。每个径向通路还可以限定诸如菱形等四边形形状。阀还可以包括从外表面延伸至流动控制元件中的多个孔。

当结合附图阅读时，通过参照以下详细描述将最好地理解本公开。

附图说明

参照以下描述和附图，将更好理解本文中公开的各种实施例的这些特征和优点和其它特征和优点，其中：

图1是根据本公开的实施例构造的包括流动控制元件、塞和阀座的控制阀的截面图；

图2是图1的流动控制元件和阀座的上部分解透视图；

图2A是流动控制元件的上部透视图，该流动控制元件包括通向延伸穿过该流动控制元件的径向通路的菱形开口；

图2B是反向旋转涡流发生器的示意图；

图2C是同向旋转涡流发生器的示意图；

图3是图1的塞的截面图；

图4是塞的顶视图；并且

图5是塞的底视图。

在所有附图和详细描述中使用共同的附图标记来指示相同的元件。

具体实施方式

现在参照附图，其中附图所示仅出于对本公开的优选实施例进行说明目的而非出于进行限制的目的，本公开描述了一种控制阀10，该控制阀10具体构造为并且适用于向流过控制阀10的流体赋予期望的流动特性，以及使用轻质部件来实现控制阀10的期望热管理特性。更具体地，控制阀10可以包括涡流发生器，该涡流发生器延伸至流体流中以在流体中施加涡流，从而使相对于固体边界的流动分离最小化，以便使系统内的振动和噪声最小化。控制阀10还可以包括热管理孔，以帮助减少控制阀10内的热量积聚。此外，控制阀10的一部分可以由蜂窝结构来形成以在不损害强度的情况下提供轻质设计。在这方面，相对于传统控制阀，控制阀10可以提供与流体流动以及热管理相关的优点。在控制阀10的一个或多个部件的制造期间，特别是当这种制造包括增材制造时，由控制阀10提供的热管理可能是有利的。

现在具体参照图1，控制阀10包括限定流体入口14和流体出口16的壳体12。流体入口14和流体出口16分别与由壳体12限定的内腔18流体连通。壳体12还可以限定沿轴向延伸以容纳阀塞22的孔口20，该阀塞22连接至用于致动阀塞22的阀杆24。如下详述的，阀塞22与流动控制元件26连接(interface，对接)以控制流体在流体入口14和流体出口16之间通过控制阀10的流动。

流动控制元件26布置在壳体12的内腔18内并且构造成耗散流过流动控制元件26的流体中的能量。在示例性实施例中，流动控制元件26是绕中心轴线27布置的环形体，并且包括第一端面28、相反的第二端面30、外表面32和内表面34，该内表面34限定了在第一端面28和第二端面30之间延伸的中心开口36。流动控制元件26还可以包括在外表面32和内表面34之间延伸的多个径向通路38。

径向通路38可以具有设计成实现期望压降并且适应特定流量的特定几何构造。例如，径向通路38可以是直线状的，或者可替代地，该径向通路38包括在外表面32和内表面34之间的一个或多个转弯部或直角弯曲部。在这方面，通路38可以提供多路径、多级流体控制，类似于由Control Components，Inc提供的

trim技术。可以沿流动控制元件26的长度(即，在第一端面28和第二端面30之间)将流动控制元件26分为多个区或级。第一区40的位置可以邻近第一端面28，第二区42的位置可以邻近第一区40，并且第三区44的位置可以邻近第二区42，使得第二区42可以位于第一区40和第三区44之间。给定区40、42、44内各自的径向通路38可以在尺寸和构造上相似，而不同区40、42、44中的径向通路38可以彼此不同。例如，第一区40中的径向通路38可以小于第二区42中的径向通路38，并且第二区42中的径向通路38可以小于第三区44中的径向通路38，等等。

每个径向通路38可以在外表面32处限定外表面开口46并且在内表面34处限定内表面开口48。外表面开口46和内表面开口48可以是泪滴形，但是在不脱离本公开的要旨和范围的情况下，还可以采用诸如椭圆形、圆形等其它形状。在示例性实施例中，每个泪滴的尖端取向成指向第一端面28，然而，还可以考虑到的是泪滴的取向可以反转成指向第二端面30。

除上述区40、42、44之外，流动控制元件26还可以包括在第三区44和第二端面30之间的辅助区45。辅助区45可以构造成包括多路径、多级流体控制，类似于由ControlComponents，Inc提供的

trim技术。在这方面，辅助区可以包括在流动控制元件26的外表面32和流动控制元件26的内表面34之间延伸的多个曲折通路47。

流动控制元件26还可以包括从流动控制元件26的外表面32延伸至流动控制元件26中的多个孔50。根据一个实施例，孔50可以仅部分延伸穿进流动控制元件26，并且在到达内表面34之前终止。孔50可以绕流动控制元件26的周部定位并且布置成一个或多个周部组，其中，给定组中的孔50沿共同周部对准。在图2所示的实施例中，第一组的孔50位于第一端面28和第一区40中的径向通路38之间。流动控制元件26还包括与第二端面30邻近的两组孔50。

孔50通过促进与流动控制元件26的热传递而可以有助于流动控制元件26的热管理。如下详述的，可以经由增材制造技术来形成流动控制元件26，因此，孔50的存在可以减少形成流动控制元件26所需的材料量。

如上所述，控制阀10还包括塞22，该塞22布置在壳体12内并且可以相对于流动控制元件26在关闭位置和打开位置之间移动，以控制通过流动控制元件26的流体流。塞22可以是大体柱形的并且绕中心轴线51延伸。塞22可以包括第一表面52、与第一表面52相反的第二表面54、以及在第二表面54的至少一部分和第一表面52之间延伸的外壁56。塞22还可以包括从第一表面52延伸至塞22中的杆接合凹部55，以便于塞22和阀杆24之间的接合。第一表面52可以为大体平面的，而第二表面54可以包括环形端部58、从环形端部58延伸至塞22中的弧形部60、以及相对于环形端部58凹入塞22内的中心部62。弧形部60可以为凹形的并且在环形端部58和中心部62之间延伸。塞22还可以包括在第一表面52和外壁56之间延伸以及在第二表面54的环形端部58和外壁56之间延伸的斜面边缘。

多个贯通开口64可以在第一表面52和第二表面54之间完全延伸。在示例性实施例中，贯通开口64从第一表面52延伸至第二表面54的弧形部60。

塞22还可以包括多个部分开口66，该多个部分开口66从第二表面54朝向第一表面52部分延伸穿进塞22。在示例性实施例中，部分开口66从第二表面54的弧形部60朝向第一表面52延伸，并且在未到达第一表面52处终止。在这方面，每个部分开口66在位于第一表面52和第二表面54之间的端壁处终止。

贯通开口64和部分开口66中的每一个可以具有六边形的周边构造。此外，如图5的底视图所示，开口之间的间隔可以是大体均匀的，使得贯通开口64和部分开口66共同限定蜂窝状结构。蜂窝构造可以提供高强度和低重量。特别地，蜂窝构造连同第二表面54的弧形构造可以导致总重量比由实心棒或锻件加工的传统塞的总重量低40％。塞22的由六边形开口限定的壁在内部和外部加压时提供支撑强度。此外，限定蜂窝结构的开口64、66对流动引起的振动提供机械和声阻尼特性。

塞22的外表面32限定了外径，该外径基本等于但略小于由流动控制元件26的内表面34限定的流动控制元件26的内径。在这方面，塞22和流动控制元件26之间的尺寸关系允许塞22相对于流动控制元件26在关闭位置和打开位置之间往复运动。当塞22处于关闭位置时，塞22的外表面32覆盖流动控制元件26的内表面34以阻塞通路38、47，从而防止流体流过阻塞的径向通路38、47。当塞22处于打开位置时，塞22移动至由壳体12限定的孔口20中，以露出通路38、47并且允许流体从通路38、47中流过。如下详述的，塞22可以在关闭位置和打开位置之间逐步移动，以选择性露出通路47和38。

流量控制设备26和塞22均可以与布置在壳体12的内腔18内的环形阀座68连接。阀座68可以是围绕中心轴线70延伸的环部，并且阀座68包括第一表面72、相反的第二表面74以及外表面76和内表面78，其中外表面76和内表面78均在第一表面72和第二表面74之间延伸。

内表面78可以限定圆形构造的内开口80，当塞22处于打开位置时，流体可以在流体流过阀座68时流过该内开口。阀座68可以包括从内表面78延伸的多个涡流发生器82，其中涡流发生器82构造成在流体流过阀座68时在流体中引起涡流。每个涡流发生器82从内表面78向外延伸以限定涡流发生器高度。根据一个实施例，每个涡流发生器82的高度可以变化，其中涡流发生器82的一端限定最小高度，并且涡流发生器82的另一端限定最大高度。最小高度可以邻近第一表面72(即，上游)布置，并且最大高度可以邻近第二表面74(例如，下游)布置。最小高度可以在0.5mm至10mm之间，并且最大高度可以在1mm至15mm之间。尽管涡流发生器82的高度可以是可变的，但是该高度可以近似等于流过该涡流发生器82的流体的边界层的高度。

根据一个实施例，每个涡流发生器82还可以与中心轴线70略微成角度(例如，不平行)。此外，多个涡流发生器82可以成对布置，其中给定对的涡流发生器82相对于中心轴线70在相反方向上成角度。图2示出了环绕单对涡流发生器82的虚线圆84。在这方面，对于给定对的涡流发生器82，涡流发生器82之间的距离可以在邻近第一表面72处为最小值，并且在邻近第二表面74处为最大值。

涡流发生器82可以将期望的流体流动特性赋予流过控制阀10的流体并且提供若干优点。由涡流发生器82赋予的流动特性可以使由于逆压梯度而相对于固体边界的流动分离最小化。此外，涡流发生器82对的反向旋转构造还可以有助于迫使或推动来自主喷嘴的流体朝向壳体12的主体轮廓，这有助于减少流动分离。将流体引向限定流道的壳体12的轮廓导致流体在更下游处抵靠壳体12的表面或沿壳体12的表面流动，这减少了来自分离的流的振动能量。结果，可以降低由于阀座68的下游区域中的流动分离而产生的气蚀、噪音和振动。

图2B和图2C是涡流发生器82的不同构造的示意图。图2B是一对反向旋转涡流发生器82的示意图，其中，涡流发生器82相对于彼此以不平行并且成角度的构造延伸。在流体流过反向旋转涡流发生器时，可以产生在相反方向上旋转的涡流。图2C是一对同向旋转涡流发生器82的示意图，该对同向旋转涡流发生器82相对于彼此以大体平行的构造延伸，其中涡流发生器均相对于流体流的方向成角度，该流体流的方向从图2B中所示的透视图可以为大体水平的。在流体流过同向旋转涡流发生器82时，可以产生在共同方向上旋转的涡流。应当注意的是，图2B和图2C示出了给定对中的涡流发生器82的位置彼此略微偏移，例如，一个涡流发生器82在另一个涡流发生器82的稍下游处。可以设想的是，在其它实施例中，给定对中的涡流发生器82可以相对于流体流彼此不偏移，使得涡流发生器82的端部彼此对准，例如，沿大体垂直于流动方向的轴线对准。

阀座68还可以包括从阀座68的外表面76延伸至阀座68中的多个孔86。孔86可以是盲孔，因此可以在到达表面78之前终止。孔86可以形成为增强与阀座68的热传递，从而通过减少阀座68中的热量积聚来帮助阀座68的热管理。当经由增材制造来制造阀座68时，由孔86促进的热管理可以是特别有用的。在图2所示的阀座68中，阀座68包括沿第一周部对准的第一组孔86以及沿与第一周部间隔开的第二周部对准的第二组孔86。沿第二周部的孔86还与沿第一周部的孔86径向偏移以产生交替图案。

可以设想的是，可以经由可以包括三维打印的增材制造来形成塞22、流动控制元件26和阀座68。在这方面，可以通过逐层连续添加材料来形成塞22、流动控制元件26和阀座68。可以用于形成控制阀10的各种部件的增材制造的示例是选择性激光烧结，其中，使用高功率密度激光器将粉末熔化并且熔合在一起。在形成处理期间使用激光可以产生热量，可以经由流动控制元件26中的孔50以及阀座68中的孔86使该热量耗散。除了提供热管理益处之外，孔50、86的结合还可以减少材料的使用和打印时间。

在使用中，可以操作控制阀10以控制流体在流体入口14和流体出口16之间流过壳体12。当塞22处于关闭位置时，塞22的远端部(例如，邻近第二表面54的部分)可以与阀座68接触，并且塞22的外表面56可以覆盖第一区40、第二区42和第三区44中的径向通路38以及辅助区45中的曲折通路47，以便限制流体流过流动控制元件26。

在塞22远离关闭位置移动时，塞22远离阀座68，塞22移动至阀壳体12中的孔口20中，并且可以使定位在最靠近阀座68的通路露出。在图2所示的实施例中，辅助区45中的曲折通路47最靠近阀座68，因此将首先露出该曲折通路47。因此，流体可以流过通路47，而可以使第一区40、第二区42和第三区44中的剩余通路38保持被覆盖并且阻挡流体流动。

当塞22继续朝向打开位置移动时，塞22进一步移动至孔口20中，从而使第三区44中的通路38露出，而第二区42和第一区40中的通路保持被覆盖。塞22可以进一步朝向打开位置前进，以便露出第二区42中的通路38，以及之前在第三区44中露出的那些通路38和辅助区45中的通路47。最后，在塞22移动至完全打开位置时，第一区40、第二区42和第三区44中的所有通路38以及辅助区45中的通路47均露出。

塞22从完全打开位置朝向关闭位置的移动可以以相反顺序发生，尽管以类似的逐步方式选择性覆盖或露出各个区40、42、44、45中的通路38、47。塞22中的贯通开口64可以允许塞22的相反两侧的压力平衡，以允许在关闭位置和打开位置之间易于移动塞22。

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。在这方面，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。

Claims

1.一种调节流体流动的阀，所述阀包括：

壳体，其限定流体入口和流体出口；

流动控制元件，其布置在所述壳体内、位于所述流体入口和所述流体出口之间，所述流动控制元件构造成耗散从所述流体入口流过所述流动控制元件、流到所述流体出口的流体中的能量；

阀座，其定位在所述壳体内并且具有多个涡流发生器，所述涡流发生器在所述流体流过所述阀座时在所述流体中引起涡流；以及

塞，其布置在所述壳体内并且能够相对于所述壳体在关闭位置与打开位置之间移动，在所述塞从所述关闭位置朝向所述打开位置移动时，所述塞远离所述阀座移动，使得在所述塞从所述关闭位置朝向所述打开位置移动时，通过所述流动控制元件和所述阀座的流体流量增加。

2.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座经由增材制造形成。

3.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个涡流发生器包括至少一对反向旋转涡流发生器。

4.根据权利要求1所述的阀，其中，所述阀座包括第一表面、第二表面以及从所述第一表面延伸至所述第二表面的内表面，所述内表面限定所述流体流过的中心开口，每个涡流发生器从所述内表面延伸以限定高度，其中，每个涡流发生器的邻近所述第一表面的高度与该涡流发生器的邻近所述第二表面的高度不同。

5.根据权利要求1所述的阀，其中，每个阀座是围绕中心轴线延伸的环部，所述环部具有外表面和从所述外表面延伸至所述阀座中的多个孔。

6.根据权利要求1所述的阀，其中，所述塞包括第一表面以及与所述第一表面相反的第二表面，所述塞具有在所述第一表面和所述第二表面之间的多个贯通开口。

7.根据权利要求6所述的阀，其中，所述塞包括从所述第二表面朝向所述第一表面部分延伸穿进所述塞的多个部分开口。

8.根据权利要求7所述的阀，其中，所述第二表面包括凹入区段，所述多个部分开口从所述凹入区段延伸。

9.根据权利要求7所述的阀，其中，所述贯通开口和所述部分开口中的每一个是六边形的。

10.根据权利要求1所述的阀，其中，所述流动控制元件包括外表面、限定中心开口的内表面、以及在所述内表面和所述外表面之间延伸的多个径向通路。

11.根据权利要求10所述的阀，其中，所述流动控制元件包括第一端面、与所述第一端面相反的第二端面、第一区以及第二区，所述第一区位于所述第二区和所述第一端面之间，所述多个径向通路包括位于所述第一区中的第一组径向通路和位于所述第二区中的第二组径向通路，所述第一组径向通路的尺寸与所述第二组径向通路的尺寸不同。

12.根据权利要求11所述的阀，其中，每个径向通路在所述外表面上限定泪滴形开口。

13.根据权利要求10所述的阀，还包括从所述外表面延伸至所述流动控制元件中的多个孔。

14.一种调节流体流动的阀，所述阀包括：

壳体，其限定流体入口和流体出口；

流动控制元件，其布置在所述壳体内、位于所述流体入口和所述流体出口之间，所述流动控制元件构造成耗散从所述流体入口流过所述流动控制元件、流到所述流体出口的流体中的能量；以及

塞，其布置在所述壳体内并且具有第一表面、相反的第二表面、在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的多个贯通开口、以及从所述第二表面朝向所述第一表面部分延伸穿进所述塞的多个部分开口，所述塞能够相对于所述壳体在关闭位置和打开位置之间移动，在所述塞从所述关闭位置朝向所述打开位置移动时，通过所述流动控制元件的流体流量增加。

15.根据权利要求14所述的阀，其中，所述第二表面包括凹入区段，所述多个部分开口从所述凹入区段延伸。

16.根据权利要求14所述的阀，其中，所述贯通开口和所述部分开口中的每一个是六边形的。

17.根据权利要求14所述的阀，其中，所述流动控制元件包括外表面、限定中心开口的内表面、以及在所述内表面和所述外表面之间延伸的多个径向通路。

18.根据权利要求17所述的阀，其中，所述流动控制元件包括第一端面、与所述第一端面相反的第二端面、第一区以及第二区，所述第一区位于所述第二区和所述第一端面之间，所述多个径向通路包括位于所述第一区中的第一组径向通路和位于所述第二区中的第二组径向通路，所述第一组径向通路的尺寸与所述第二组径向通路的尺寸不同。

19.根据权利要求18所述的阀，其中，每个径向通路在所述外表面上限定泪滴形开口。

20.根据权利要求14所述的阀，还包括从所述外表面延伸至所述流动控制元件中的多个孔。