專利名稱：直接金屬激光燒結(jié)的流量控制元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及流量控制，特別是涉及一種節(jié)流裝置或流量控制元件，該節(jié)流裝 置或流量控制元件用于降低流體流過的速度，且它可以經(jīng)濟地批量生產(chǎn)成具有多個多軸線 內(nèi)部流動通道。流量控制元件通過連續(xù)層粉末材料的直接金屬激光燒結(jié)而形成為高強度整 體結(jié)構(gòu)，使得多軸線流動通道可以形成有非常復雜的幾何形狀。
背景技術(shù)：
可以包括流量控制元件的示例用途類似于在共同所有的美國專利No. 5687763中 所述。5687763專利公開了一種流體控制裝置，該流體控制裝置包括閥結(jié)構(gòu)，該閥結(jié)構(gòu)有布 置于其中的流量控制元件?？奢S向運動的閥塞可滑動地安裝在閥殼體的內(nèi)部。在5687763 專利中所述的流量控制元件包括環(huán)形盤的堆垛，這些環(huán)形盤共同限定了一系列基本沿徑向 指向的通道，這些通道在盤的內(nèi)徑和外徑表面或邊緣之間延伸。各基本沿徑向指向的通道 具有形成于其中的多個直角轉(zhuǎn)彎，以便降低流過該流量控制元件的流體的速度。如5687763專利中所述，各盤可以形成有局部或完整的通道。抵靠或相鄰布置的、 具有局部通道的盤可以相互配合，以便完全限定流量控制元件的徑向通道。同樣，具有沿徑 向方向形成的完整通道的抵靠盤可以與上下堆垛的相鄰盤配合，以便完全限定流量控制元 件的徑向通道。這樣，抵靠的盤用于通過利用相鄰盤的平面來關(guān)閉在該盤的通道內(nèi)的流體 連通。理想的是，徑向通道為曲折的，其中，通道包含相當多的轉(zhuǎn)彎，以便降低流體流過 流量控制元件的速度。如5687763專利中所述，流量控制元件可以設(shè)置成降低流體沿向內(nèi) 方向流動的速度。也可選擇，流量控制元件可以設(shè)置成用于降低流體沿向外方向流動的速度。在制造這樣的流量控制元件時，目前的一種實踐類型是預先機械加工各個硬化的 盤，然后使得硬化的盤對齊和裝配成堆垛，以便形成具有多個通道的流量控制元件。硬化盤 的堆垛通過使用拉伸桿(如5687763專利中所示)或者通過使用釬焊材料來固定，在使用 釬焊材料固定的方法中，支承表面例如相鄰盤的外周邊釬焊在一起，以便裝配盤的堆垛。當 為碳化鎢的盤或圓柱體時，裝配的堆垛可以看起來象整體或單件式元件，盡管該元件實際 上包括釬焊或以其它方式相互附接的多個盤或圓柱體。利用碳化鎢來形成流量控制元件的一個優(yōu)點是它超級耐腐蝕。特別是，在苛刻條 件的用途中(其中，在流過閥組件的流體中可能攜帶有夾帶的砂)，流量控制元件必須有很 高的、抵抗由夾帶的砂產(chǎn)生的腐蝕的能力。在這方面，碳化鎢是具有抗壓強度的、最硬的已知元件，它的抗壓強度大于任意其它金屬或合金，這使得碳化鎢非常適用于耐磨損的用途。不過，在流量控制元件中使用碳化鎢和其它材料的明顯缺點是與機械加工該材 料相關(guān)的困難，因為它非常硬。例如，某些合金例如不銹鋼和碳化鎢合金只能通過使用金 剛砂研磨裝置來機械加工。而且，使用碳化鎢盤的相當大成本是需要在裝配成盤堆垛之 前將它們磨平。盤必須磨平，以便保證盤在堆垛結(jié)構(gòu)中合適配準和對齊，從而防止“卷曲 (tacoing)”效果(其中，在堆垛中的盤可能彎曲)。當不銹鋼金屬板用于放電加工(EDM) 或沖壓盤時也可能出現(xiàn)卷曲效果。在相鄰盤之間的彎曲可能導致在相鄰盤之間產(chǎn)生間隙，這可能使得流體逸出。逸 出的流體可能導致盤堆垛的能量消耗能力總體降低。此外，當高壓流體流過在彎曲的盤之 間的間隙時，相鄰盤可能產(chǎn)生腐蝕，經(jīng)過一段時間后，這可能進一步降低盤堆垛的能量消耗 能力，并可能損害流量控制元件的總體性能，且最終損害閥的總體控制，這將對整個系統(tǒng)產(chǎn) 生影響。為了克服與裝配預先機械加工的硬化材料盤相關(guān)的上述缺陷，在現(xiàn)有技術(shù)中 還開發(fā)了用于制造流量控制元件的可選實際方案，包括使用濕態(tài)技術(shù)(green state technology)。更具體地說，在濕態(tài)制造方法中，流量控制元件由一系列預先形成的各環(huán)形 濕態(tài)盤來形成，這些環(huán)形濕態(tài)盤由處于未燒結(jié)濕態(tài)的金屬或陶瓷粉末混合物(例如不銹鋼 或碳化鎢粉末混合物)來制造。粘接劑材料添加在粉末混合物中，以便幫助在濕態(tài)盤的燒 結(jié)過程中永久性地粘接粉末混合物的顆粒。各濕態(tài)盤有形成于其中的局部或完整的盤通道。該系列濕態(tài)盤裝配成堆垛結(jié)構(gòu)， 這樣，相鄰布置的濕態(tài)盤的局部或完整的盤通道形成基本徑向的裝置通道。在裝配各個濕 態(tài)盤之前，局部通道形成于盤中。各濕態(tài)盤在該盤通過加熱而硬化之前裝配成堆垛結(jié)構(gòu)。濕 態(tài)盤的裝配堆垛作為一個單元而燒結(jié)或加熱，以便將各濕態(tài)盤一起合成為流量控制元件。盡管上述濕態(tài)制造方法克服了與硬化材料的機械加工和裝配相關(guān)的一些困難，但 是濕態(tài)方法包括與形成內(nèi)部流動通道相關(guān)的固有限制。更具體地說，在一些流量控制元件 中，希望在內(nèi)部流動通道中提供高度復雜的流動通路，使得內(nèi)部流動通道具有多個多軸線 直角轉(zhuǎn)彎，以便對于給定用途優(yōu)化流體控制特征。不幸的是，因為所需的工具投資和較長的制造和裝配時間，使用普通盤堆垛技術(shù) 或使用濕態(tài)技術(shù)形成多軸線流動通路或者不可能，或者非常昂貴。而且，使用已知的盤堆垛 技術(shù)或使用濕態(tài)技術(shù)的制造實踐導致總體強度受到限制(例如盤堆垛抵抗環(huán)向應(yīng)力的能 力)，且釬焊強度有限。而且，在普通盤堆垛技術(shù)中材料浪費相當大，因為丟棄了用于制造處 理中的支承材料。用于裝配盤堆垛的普通釬焊操作還有與盤中的通道的堵塞或局部阻塞相 關(guān)的某些缺陷以及釬焊強度的限制。如上所述，使用普通盤堆垛技術(shù)也可能由于“卷曲”效 果而產(chǎn)生流體泄漏，該“卷曲”效果可能由于波紋形或非平面的板原料、在流量控制元件中 的過大流體壓力或者由于低質(zhì)量的釬焊而產(chǎn)生。由于在將各零件或盤堆垛之后對盤堆垛的 熱處理，也可能產(chǎn)生應(yīng)力差的積累?？梢灾溃绢I(lǐng)域需要一種用于制造以下類型的流量控制元件的改進技術(shù)，該流 量控制元件可以用于閥組件或流量控制裝置。更具體地說，本領(lǐng)域需要一種流量控制元件， 它可以制造成在整體結(jié)構(gòu)中具有多個復雜的多軸線或多方向的內(nèi)部流動通道。而且，本領(lǐng) 域需要一種流量控制元件，它能夠經(jīng)濟地批量生產(chǎn)，具有高度的精確性和可重復性，并有提高的強度特性。

發(fā)明內(nèi)容
通過這里所述的本發(fā)明各個方面可以特別解決和減輕與現(xiàn)有技術(shù)的流量控制元 件相關(guān)的上述缺陷和需要。特別是，在一個方面，本發(fā)明包括一種通過直接金屬激光燒結(jié)而 形成的流量控制元件，其中，可以在流量控制元件中形成各種復雜的流動通道。例如，流動 通道可以沿至少兩個軸線形成，這兩個軸線可以彼此正交定向(即垂直)，盡管流動通道可 以在流量控制元件中沿任意軸線或沿相對彼此的任意方向來定向。流動通道可以各自限定 多個基本直角的轉(zhuǎn)彎，以便降低通過該流量控制元件的流體速度。通過使用直接金屬激光 燒結(jié)處理來制造流量控制元件，流量控制元件可以形成為整體結(jié)構(gòu)，具有很高的精確性和 提高的強度。在一個實施例中，流量控制元件可以制造為用于具有可往復運動閥塞本體的閥組 件中，以便能夠選擇性地調(diào)節(jié)流過的流體。流量控制元件可以包括多個流動通道，流體大致 沿徑向通過該流動通道而流過流量控制元件。在一個結(jié)構(gòu)中，流量控制元件可以包括圓柱 形元件本體，該圓柱形元件本體有穿過其形成的孔，該孔與閥塞本體的圓柱形形狀互補。元 件本體限定了內(nèi)周邊和外周邊，并包括多個曲折的、在內(nèi)周邊和外周邊之間沿徑向延伸的 流動通道。不過，流量控制元件也可以利用直接金屬激光燒結(jié)處理來與閥組件結(jié)合制造。而且，應(yīng)當知道，流量控制元件并不局限于圓柱形流量控制裝置，也不局限于用于 具有往復運動閥塞本體的閥組件。例如，閥組件可以設(shè)置為球閥、蝶形閥和本領(lǐng)域已知的各 種其它類型流量控制裝置。而且，應(yīng)當知道，流量控制元件并不局限于需要復雜多軸線流動 通道的用途，也可以制造成具有單個平面和/或單個軸線的流動通道。此外，流量控制元件 可以設(shè)置成使得流體能夠從流量控制元件的任意表面進入或離開，并可以在流量控制元件 的容積內(nèi)沿任意方向運行。在這一點，直接金屬激光燒結(jié)能夠精確形成多軸線內(nèi)部流動通 道。使用直接金屬激光燒結(jié)處理來制造流量控制元件的方法可以包括以下步驟提供 初始層的粉末材料，例如金屬材料，盡管可以使用任意合適材料。激光能量可以施加給該層 粉末材料的預定部分，直到該部分固化。激光能量聚集的位置對應(yīng)于流量控制元件的計算 機模型，例如計算機輔助設(shè)計模型(例如SolidWorks ，STL)。有利的是，在制造之前產(chǎn) 生流量控制元件的計算機模型的能力將能夠進行有限元強度分析和計算流體動力學分析， 用于評估流量控制元件的強度和流動性能。此外，塑料樣品可以制造為金屬模型的便宜代 替品，用于測試目的。此外，形成流量控制元件的計算機模型的能力將最小化或減少畫圖、 紙件工作和處理的量(與普通制造技術(shù)所需相比)。制造流量控制元件的方法包括連續(xù)施加粉末材料層，激光能量引導至該粉末材料 層的特定部分上，直到流量控制元件形成為具有多個流動通道的整體結(jié)構(gòu)。如上所述，各流 動通道優(yōu)選地限定多個基本直角的轉(zhuǎn)彎，以便降低流體流過流動通道的速度。在這一點，流 動通道還可以包括凸起形式(即抬高的元件或減速塊(bump))，這些凸起可以定向成大體 上橫向于流體流過流動通道的方向，以便進一步增加流動的阻力?？梢灾圃炝髁靠刂圃牟牧习ǜ鞣N任意合適的粉末材料，例如金屬粉末材 料。特別是，不銹鋼為優(yōu)選材料，因為它有很高的耐腐蝕性和很高硬度(例如Rockwell硬度)。特別是，17-4不銹鋼可以有利地以粉末金屬的形式用于激光燒結(jié)處理中以便制造流 量控制元件。其它優(yōu)選材料包括因康鎳合金、鈷_鉻、鈦和DM20 (該DM20是青銅基的專利 材料，它可以以粉末形式用于直接金屬激光燒結(jié)處理中)。一旦在激光燒結(jié)處理中形成一 體，流量控制元件可以進行熱處理，以便進一步提高硬度。所形成的流量控制元件形成為高 強度的整體結(jié)構(gòu)，使得多軸線流動通道可以經(jīng)濟地形成為具有非常復雜的幾何形狀。


通過下面的說明和附圖，可以更好地理解這里所述的各種實施例的這些和其它特 征和優(yōu)點，附圖中，相同參考標號表示相同部件，且附圖中圖1是可以在其中使用流量控制元件的閥組件的剖視圖；圖2是設(shè)置為圓柱形元件本體的流量控制元件的俯視透視圖，該圓柱形元件本體 有穿過其形成的孔；圖2A是圖2的流量控制元件的仰視透視圖；圖3是流量控制元件的局部剖切透視圖，表示了在圓柱形元件本體的內(nèi)周邊和外 周邊之間徑向延伸的多個曲折流動通道；圖4是流量控制元件的側(cè)視圖，表示了柱形本體元件的頂部、中間和底部部分，并 進一步表示了在流量控制元件的外周邊上形成的多個外部開口；圖5是沿圖4中的線5-5剖開的剖視圖，表示了形成于流量控制元件中的徑向布 置的流動通道的一個實施例；圖6是沿圖4中的線6-6剖開的剖視圖，表示了該多個徑向布置的流動通道的還 一實施例；圖7是沿圖4中的線7-7剖開的剖視圖，表示了形成于流量控制元件中的徑向布 置的流動通道的還一實施例；圖8是流量控制元件的俯視圖，表示了形成于本體元件中的環(huán)形臺階和孔；圖9是沿圖8中的線9-9剖開的剖視圖，表示了形成于本體元件的底部部分中的 多個迷宮槽，還表示了形成于本體元件的中間部分中的流動通道；圖10是流量控制元件的剖視圖，表示了穿過本體元件延伸的流動通道的可選結(jié) 構(gòu)；圖11是圓柱形流量控制元件的實施例的剖視圖，該流量控制元件有沿軸線方向 穿過流量控制元件延伸的至少一個曲折流動通道；以及圖12是閥組件的剖視圖，其中，根據(jù)本發(fā)明還一可選實施例構(gòu)成的流量控制元件 可以用于該閥組件中。
具體實施例方式下面參考附圖，其中，附圖的目的是表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是用于限制本 發(fā)明，圖1表示了閥組件10，流量控制元件24可以用于該閥組件10中。如后面更詳細所述， 流量控制元件24可以利用連續(xù)層粉末材料的直接金屬激光燒結(jié)來形成。與濕態(tài)技術(shù)不同 (在濕態(tài)技術(shù)中，粉末材料可以在燒結(jié)和整體化濕態(tài)盤堆垛之前預先形成它的最終形狀，如 上所述)，直接金屬激光燒結(jié)處理使用原始粉末材料。激光能量根據(jù)流量控制元件24的計算機模型而連續(xù)施加在連續(xù)施加層的原始粉末材料上。計算機模型和(因此)最終的流量 控制元件形成有多個曲折的流動通道54，用于當流體流過流量控制元件24時降低流體速 度以及降低壓力和動能。在燒結(jié)處理中，粉末金屬材料順序地施加成薄層，激光能量使得粉末材料連續(xù)固 化。這樣，連續(xù)層熔合在先前燒結(jié)的層上，直到將流量控制元件24形成為整體結(jié)構(gòu)。直接 金屬激光燒結(jié)處理能夠制造具有沿任意數(shù)目的多軸線定向的復雜流動通道54的流量控制 元件24。優(yōu)選地，流動通道54可以低成本地形成為具有大大提高的尺寸精度，且對于某些 結(jié)構(gòu)明顯減少了時間量(與目前用于流量控制元件的制造實際情況相比)。圖1中表示了閥組件10，流量控制元件24布置于該閥組件10中。閥組件10包 括閥殼體12，該閥殼體12有上部部分14和底部部分18。底部部分18限定了內(nèi)部腔室20 和流動開口 22。流動開口 22設(shè)置成與內(nèi)部腔室20流體連通。內(nèi)部腔室20在其中接收流 體，流動開口 22允許流體選出內(nèi)部腔室20。環(huán)形套筒26和流量控制元件24布置在閥殼體12的內(nèi)部腔室20中。流量控制元 件24卡在套筒26和閥殼體12的底部部分18之間。閥組件10還可以包括閥塞34，該閥塞 34可滑動地布置在流量控制元件24中。閥塞34附接在細長軸或桿30的一端上。閥塞34 和桿30都可以為大致圓柱形結(jié)構(gòu)，盡管可以考慮各種其它結(jié)構(gòu)。應(yīng)當知道，流量控制元件 24和套筒26可以設(shè)置成各種可選形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)，包括使得流量控制元件24和套筒26 形成為單個元件。如圖1中所示，閥塞34可以設(shè)置成與流量控制元件24互補，從而在它們 之間提供滑動配合。還應(yīng)當知道，在某些情況下，可能需要后處理(例如研磨)來提供合適 的配件。如上所述，桿30附接在閥塞34上，并從它的一端軸向延伸，該桿30通過形成于閥 殼體12的上部部分14中的孔16而前進。桿30與促動器32連接，該促動器操作成使得閥 塞34在關(guān)閉位置和打開位置之間往復運動。促動器32可以設(shè)置為活塞促動器32，也可選 擇，可以包括任意類型的促動器32 (例如空氣、隔膜、電子、液壓)。閥塞34優(yōu)選地包括端面 38，該端面38與桿30伸出的一端相對布置。閥塞34可以沿交替方向在打開位置和關(guān)閉位 置之間運動，如圖1中的箭頭A所示。在關(guān)閉位置，閥塞34的端面38可以布置成與鄰近流 動開口 22設(shè)置在底部部分18中的閥座28密封接合。可以知道，當桿30運動至打開位置時，閥塞34可以通過該桿30沿相反方向的運 動而選擇地返回它的關(guān)閉位置。閥塞34與閥座28的接合有效阻擋流體流過流動開口 22。 這樣，閥塞34可以在閥組件10內(nèi)沿方向A往復運動，從而可以調(diào)節(jié)流體通過閥組件10的 流速。在圖1所示的示例結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部腔室20接收流體，該流體沿大致徑向向內(nèi)的方向 從閥殼體12的外部朝著它的內(nèi)部流入閥殼體12中。當閥塞34從它的關(guān)閉位置朝它的打 開位置運動時，流體能夠向內(nèi)流動通過流量控制元件24以及向下越過閥座28和通過流動 開口 22。根據(jù)一個可選流動結(jié)構(gòu)，當閥塞34從它的關(guān)閉位置朝著它的打開位置運動時，流 體能夠向上流動通過流動開口 22，越過閥座28并流入流量控制元件24內(nèi)部，然后通過流量 控制元件24向外流動和流出閥殼體12。在各種情況下，流體流過流量控制元件24，其中， 流體的能量由于形成于流量控制元件24中的多個曲折流動通道54而降低，如后面更詳細 所述。
盡管流量控制元件24表示為結(jié)合在圖1的閥組件10結(jié)構(gòu)中，但是流量控制元件 24也可以結(jié)合在任意數(shù)目的可選流體控制裝置中，而并不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如， 流量控制元件24的尺寸和形狀可以設(shè)置成布置在蝶形閥中，如本領(lǐng)域公知。此外，閥組件 10可以利用這里所述的直接金屬激光燒結(jié)處理而與流量控制元件24同時形成。在這一點， 可以考慮流量控制元件24(如后面更詳細所述)可以形成為閥殼體12的整體部分。流量控制元件24限定了多個流動通道54，各流動通道54限定了曲折流動通路。 不過，應(yīng)當知道，流動通道54可以限定相對無曲折的流動通路或者曲折和無曲折流動通路 的組合。流動通道54設(shè)置成用于降低流體流過流量控制元件24的壓力和速度。流量控制 元件24可以設(shè)置成降低沿徑向向內(nèi)方向和/或徑向向外方向流動的流體的能量。在圖2和2A中表示了流量控制元件24的實施例的透視圖，表示包括圓柱形元件 本體36的結(jié)構(gòu)，該元件本體36有穿過其形成的孔16。元件本體36限定了外周和內(nèi)周表面 46、48，具有在外周和內(nèi)周表面之間徑向延伸的多個曲折流動通道54。如前所述，流量控制 元件24利用直接金屬激光燒結(jié)而形成為具有曲折流動通道54的整體結(jié)構(gòu)。這樣，流動通道 54可以沿任意數(shù)目的軸線或任意數(shù)目的方向而穿過流量控制元件24形成。例如，流動通道 54的方向可以沿至少兩個軸線弓I導，這兩個軸線在一個結(jié)構(gòu)中可以彼此相互正交或垂直定 向。在還一實施例中，流動通道54的方向可以沿至少三個軸線引導，這三個軸線彼此相互 正交定向。各流動通道54限定了在元件本體36的外周表面46處的外部開口或外開口 58 以及在元件本體36的內(nèi)周表面48處的內(nèi)部開口或內(nèi)開口 60。例如，如圖2和2A中所示，任意一個流動通道54可以沿著復雜通路，該復雜通路 引導平行于流量控制元件24的縱向軸線B的流動以及引導沿徑向軸線C和橫向軸線D中 的任意一個的流動。不過，流動通道54可以布置成這樣，使得流體沿各種不同的兩維或三 維方向引導。還如圖3-7中所示，流動通道54可以限定多個基本直角的轉(zhuǎn)彎，以便降低流 體在其中流動的速度。流動通道54還可以沿單個平面或單個軸線/方向形成，其中，流體 可以從本體元件的內(nèi)周和/或外周表面48、46進入和離開。這樣，流動通道54可以形成為 使得流體可以沿任意方向在流量控制元件24中行進。參考圖4，圖中表示了流量控制元件24的側(cè)視圖，表示了多個外部開口 58，流動通 道54在外周表面46處從這些外部開口 58離開或進入。如圖所示，流量控制元件24的元 件本體36可以分成頂部部分38、中間部分40和底部部分42，盡管流量控制元件24也可以 分成任意數(shù)目的部分。頂部部分38以及底部部分42可以各自包括環(huán)形臺階44，最好如圖 2和2A中所示。環(huán)形臺階44可以用作定位機構(gòu)，用于使得流量控制元件24固定地定位在 位于閥組件10中的閥座28上。如圖2、3、9和10所示，內(nèi)部開口 60可以處在沿元件本體 36的中間部分40限定于孔16的內(nèi)周表面48中的各槽或槽道內(nèi)。這些槽或槽道(當包括 時)通過減小閥塞34在它在打開和關(guān)閉位置之間運行的過程中的振動而執(zhí)行壓力平衡的 功能。不過，如上所述，這些槽選擇性地包含于元件本體36中。主要參考圖2A和9，流量控制元件24還可以包括多個環(huán)形的迷宮槽50，這些迷宮 槽50沿流量控制元件24的孔16的內(nèi)周表面48而形成。如圖9中所示，迷宮槽50可以沿 底部部分42在流量控制元件24的內(nèi)周表面48處垂直間隔開。迷宮槽50可以形成為任意 間距和任意形狀，例如局部段或者周向槽，如圖所示，并可以另外或者作為布置在底部部分 42中的代替形式而布置于頂部部分38處。迷宮槽50還可以形成于流量控制元件24的外周表面46上。迷宮槽50可以在非常低流速下提高流體調(diào)節(jié)，例如當閥組件10的閥塞34 位于底部部分42處時。參考圖4-7，示出了穿過流量控制元件24的不同截面，表示了可以形成于流量控 制元件24的中間部分40中或任意其它部分中的各種通道圖形56。圖5表示了成角度布置 在流量控制元件24周圍的通道圖形56的示例結(jié)構(gòu)。在這一點，圖5表示了這樣的結(jié)構(gòu)，其 中，流體大致沿著兩個軸線流過流動通道54-流體沿徑向軸線C和沿橫向軸線D流動，而當 迂回流過流動通道54時形成多個直角轉(zhuǎn)彎。特別是，圖5表示了一種結(jié)構(gòu)，其中，流體在對 稱通道圖形56的各側(cè)執(zhí)行大約10個直角轉(zhuǎn)彎。圖形56重復為9個成角度間隔開的通道圖 形56，各通道圖形有兩個流動通道54，盡管可以有任意數(shù)目的、處于任意不同結(jié)構(gòu)的圖形。圖6表示了還一實施例，它與圖5中所示的流動通道54的實施例比較的區(qū)別在 于盡管圖形56在幾何形狀上類似，但是流動通道54在它的外部開口 58處有變化的幾何 形狀。在圖6的通道圖形56中，流體沿通道圖形56的各對稱側(cè)執(zhí)行大約12個直角轉(zhuǎn)彎。 圖6的流動通道54布置為8個成角度間隔開的圖形56，各圖形56有兩個流動通道54。圖6中還表示了可選地包括一系列凸起52，這些凸起52進一步提供了阻擋流體流 過流動通道54的阻力。在這一點，各凸起52用作一種減速塊，其中，流體流在通過流動通 道54時暫時沿縱向軸線B向上引導。此外，凸起52相對于流過流動通道54的流體流的方 向橫向地定位。不過，可以考慮，凸起52可以相對于流體流定向成任意方向，例如相對于流 動流體稍微成角度。而且，凸起52可以位于流動通道54的任意部分中，并不嚴格限制為形 成在流動通道54的底表面或頂表面。例如，凸起52可以形成為從流動通道54的側(cè)壁伸出 的長釘或栓柱。在這一點，凸起52可以布置在任意圖形56中，而并不局限于嚴格對稱或均 勻分布。參考圖7，圖中表示了流動圖形56的幾何形狀的還一實施例，它表示為10個成角 度間隔開的通道圖形56。圖7中所示的各流動通道54構(gòu)成為這樣，流體從流動通道54的 內(nèi)部開口 60至它的外部開口 58必須執(zhí)行大約16個直角轉(zhuǎn)彎。盡管圖5-7中所示的流動 通道54結(jié)構(gòu)表示為位于中間部分40內(nèi)，但是應(yīng)當知道，流動通道54可以形成為垂直伸入 頂部和/或底部部分38、42中。在這一點，還可以知道，流動通道54可以沿任意方向(即 沿任意軸線或由其產(chǎn)生的變型)形成。而且，流動通道54可以設(shè)置成沿任意方向降低流體 速度，且并不局限于流體沿徑向向外方向流動。圖7的流動通道54布置為10個成角度間 隔開的圖形56，各圖形有單個流動通道54。主要參考圖8和9，圖中表示了流量控制元件24的俯視圖(即圖8)以及穿過流量 控制元件24的垂直剖視圖。這樣，圖9表示了迷宮槽50以及流動通道54結(jié)構(gòu)在中間部分 40中的相關(guān)位置。圖9的底部部分42表示了環(huán)形臺階44，該環(huán)形臺階44的尺寸和結(jié)構(gòu)優(yōu) 選地設(shè)置成與閥組件10的閥座28接合。在這一點，應(yīng)當知道，閥組件10的閥座28可以與 流量控制元件24 —體形成(即通過直接金屬層燒結(jié))。而且，整個閥組件10可以利用直接 金屬激光燒結(jié)而形成，包括形成閥塞34和流量控制元件24，如上所述。還參考圖9，部分流動通道54處于流量控制元件24的中間部分40中?？梢钥匆?， 通道54設(shè)有實際上垂直的截面形狀。不過，應(yīng)當知道，流動通道54的截面形狀可以提供成 任意形狀，例如成可選的形狀(即正方形、矩形、菱形、三角形等)和/或圓角結(jié)構(gòu)例如圓形 或橢圓形結(jié)構(gòu)或者它們的任何導出結(jié)構(gòu)。
主要參考圖10，圖中表示了流量控制元件24，其中，除了沿徑向軸線C運行外，流 動通道54形成為使得流過流動通道54的流體的至少一部分平行于縱向軸線B運行(即垂 直運動)。此外，盡管圖10中未示出，當流體從流量控制元件24的內(nèi)周邊48向外周邊46 運動時，流動通道54還可以允許流體沿橫向軸線D直角轉(zhuǎn)彎。不過，如前所述，流量控制元 件24可以設(shè)置為使得流體可以沿任意方向(即徑向向內(nèi)或徑向向外)流動。而且，對于某 些用途，流量控制元件24可以允許基本垂直方向(即沿縱向軸線B)的流體流流過流量控 制元件24。流動通道54可以包括類似于圖5-7中所示的結(jié)構(gòu)，其中，流體執(zhí)行與徑向軸線C 和/或橫向軸線D平行的多個直角轉(zhuǎn)彎。甚至進一步地，流動通道54可以形成為沿流量控 制元件24的高度變化的各種不同通道圖形56。例如，如圖4和9中所示，圖5-7中所示的 通道圖形56有三種不同的通道圖形56，它們形成于元件本體36的中間部分40中。流動通 道54可以形成為使得它的橫截面積大致沿流體流過流動通道54的方向膨脹(即橫截面積 增大)。不過，穿過流動通道54的橫截面積可以設(shè)置成保持相對恒定和/或從內(nèi)周表面48 至外周表面46減小，或者相反。而且，任何流動通道54可以形成為使得流過該通道54的 流體分離成兩個流體流，它們相互碰撞，用于能量消散效果。這樣的碰撞也可以通過以合適 方式設(shè)置相鄰通道54來實現(xiàn)。主要參考圖11，圖中表示了設(shè)置為排放銷(bleed pin)的流量控制元件24，該流 量控制元件24設(shè)置為細長部件，它優(yōu)選地可以布置成圓柱形結(jié)構(gòu)，盡管任意結(jié)構(gòu)或形狀也 認為在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。如圖11中所示的曲折流動通道54可以沿流量控制元件24 軸向延伸，并可以處于它的中心，盡管可以考慮其它非中心或偏移的結(jié)構(gòu)用于流動通道54。 流動通道54可以設(shè)置成具有從流量控制元件24的一端向相對端膨脹的橫截面積，如圖所 示，不過也可以考慮恒定的橫截面積。圖11中所示的流量控制元件24可以設(shè)有頭部部分， 并可以選擇地包括環(huán)形槽。流動通道54可以包括任意數(shù)目的轉(zhuǎn)彎，這些轉(zhuǎn)彎可以沿任意方 向或沿任意軸線定向。而且，除了圖11中所示的單個流量控制元件24之外，多個流動通道 還可以形成于流量控制元件24中。如前所述，這里所述的流量控制元件24可以利用直接金屬層燒結(jié)作為制造方法 來進行生產(chǎn)。在這一點，流量控制元件24首先產(chǎn)生為計算機模型。計算機模型包括流量控 制元件24的總體幾何形狀以及流動通道54的結(jié)構(gòu)。如上所述，直接金屬激光燒結(jié)處理能 夠以連續(xù)層粉末材料制造流量控制元件24，該連續(xù)層粉末材料連續(xù)固化，以便使得流量控 制元件24形成為整體結(jié)構(gòu)。與普通方法例如電子放電機械加工即EDM相比，由這種制作方 法獲得的一些優(yōu)點包括更高強度特性、更少材料浪費、最小工具需求和在減少的時間中提 高了不同部件之間的可重復性。使用直接金屬激光燒結(jié)處理還使后處理要求以及重新加工 和測試最小化。下面參考圖12，圖中表示了具有流量控制元件24的可選實施例的閥組件，該流量 控制元件24設(shè)置為布置于閥組件中的閥塞。閥組件62包括閥殼體64，該閥殼體64限定了 進口腔室66和出口腔室68。進口和出口腔室66、68可布置成通過在它們之間延伸的流動 開口 70而相互流體連通。流動開口 70由環(huán)形密封環(huán)72來確定，該環(huán)形密封環(huán)72附接在 由閥殼體62限定并在進口和出口腔室66、68之間延伸的壁上。在閥組件62中，流量控制元件24可選擇地相對于密封環(huán)72在打開位置和關(guān)閉位置之間運動。流量控制元件24附接在細長軸或桿74的一端上，該細長軸或桿74再與促動 器(未示出)連接。該促動器操作成使得流量控制元件24在它的打開位置和關(guān)閉位置之 間往復運動，該關(guān)閉位置在圖12中表示。當流量控制元件24處于它的關(guān)閉位置時，該流量 控制元件限定的環(huán)形凸肩76以圖12中所示的方式與密封環(huán)72密封接合。除了凸肩76，流量控制元件24還限定了環(huán)形的、大致圓柱形的裙緣部分78。盡管 圖12中未示出，多個上述流動通道54布置在流量控制元件24的裙緣部分78內(nèi)。在閥組 件62中，流量控制元件24從它的關(guān)閉位置驅(qū)動至它的打開位置導致凸肩76向上運動而脫 開與密封環(huán)72的密封接合。因此，進口腔室66內(nèi)的流體能夠流入流量控制元件24的裙緣 部分78中，并通過它的流動通道54而向外流入出口腔室68。流體流過流動通道54將有效 耗散它的能量。如上面對于流量控制元件24的其它實施例所述，流動通道54可以包括任 意數(shù)目的轉(zhuǎn)彎，該轉(zhuǎn)彎可以沿任意方向或沿任意軸線定向。還如上所示，在圖12所示的閥 組件62中，流量控制元件24大體設(shè)置為普通閥塞并提供了普通閥塞的一些功能。根據(jù)本 發(fā)明的教導，圖12中所示的流量控制元件24的形式為優(yōu)選，因為通過使用普通的盤釬焊或 螺栓連接方法裝配的盤堆垛通常缺乏用于相對圖12所述用途所需的強度。用于制造流量控制元件24的方法通常包括以下步驟提供一層粉末材料例如金 屬材料或任意其它合適材料。激光能量施加給該層粉末金屬材料的、與計算機模型相對應(yīng) 的特定幾何形狀部分或區(qū)域。向該層粉末金屬材料提供激光能量，直到該部分固化。然后， 第二層粉末材料施加在燒結(jié)層上面，且激光能量再次施加給第二層的特定部分，直到該部 分固化并與先前燒結(jié)層熔合。重復這些步驟，其中，利用激光能量燒結(jié)連續(xù)層的粉末金屬材 料，直到流量控制元件24形成為與計算機模型一致的、具有多個流動通道54的整體結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，形成的流動通道54的幾何形狀可以定向成相對于水平方向稍 微成角度或傾斜(即大約3-5° )，以便防止形成制造物(artifacts)，否則可能產(chǎn)生該制造 物。該制造物可能在直接金屬激光燒結(jié)處理過程中出現(xiàn)在流動通道54的上表面上。該制 造物可能阻礙流體流離開外部開口 58。在這一點上，該制造物可能對流量控制元件24的性 能產(chǎn)生不利影響。不過，通過使流動通道54形成為稍微角度或傾斜，或者具有大致圓角或 圓形截面形狀，相信可以最小化或消除制造物的產(chǎn)生。在直接金屬激光燒結(jié)處理中，粉末優(yōu)選地是合適組分的金屬粉末。由于流量控制 目的，通常希望流量控制元件24有很高的耐腐蝕和侵蝕的能力。此外，還希望流量控制元 件24有很高的強度特征和相對較高硬度。在這一方面，鐵碳合金例如不銹鋼是以粉末形式 用于直接金屬層燒結(jié)處理中的優(yōu)選材料。一個示例不銹鋼材料包括17-4不銹鋼，它有很高 的強度特性，具有用于流量控制目的的合適的耐腐蝕性。另一實例包括市場上稱為PHl的 材料，它的機械特性類似于17-4不銹鋼所具有的機械特性。因康鎳合金、鈷-鉻、鈦和青銅基材料(市場上稱為DM20)是適合在直接金屬激光 燒結(jié)制造處理中用于流量控制元件24和/或閥組件10的另外材料。鈷鉻可以合適地代替 普通因康鎳合金材料用途，因為它在升高溫度時有更高的比重和提高的機械特性。在這一 方面，任意合適的原材料可以用于直接金屬激光燒結(jié)處理中。理想的是，粉末組分優(yōu)化成這 樣，在形成流量控制元件24后，流量控制元件24需要最少的后處理，例如去毛刺、精整和熱 處理例如退火。如前所述，利用直接金屬激光燒結(jié)處理制造的流量控制元件24能夠有很高的部件可重復性和相對較小的幾何形狀公差(大約0. 001-0. 002英寸)。理想的是，最小壁厚保 持為不小于0. 008英寸至0. 010英寸。流量控制元件24的總體尺寸并不限制，但優(yōu)選地保 持在大約10英寸長度乘以10英寸寬度乘以9英寸高度。如前所述，使用直接金屬激光燒結(jié)處理來制造流量控制元件24的方法包括根據(jù) 流量控制元件24的計算機模型而選擇性地向部分粉末材料施加激光能量。在這一點，計算 機模型可以提供為任意合適的機器可讀格式。首先產(chǎn)生計算機模型的能力能夠有其它優(yōu) 點，例如使用有限元強度分析技術(shù)的應(yīng)力分析和使用計算流體動力學(CFD)技術(shù)的流動分 析，以便在制造之前檢驗其性能。由直接金屬激光燒結(jié)處理提供的還一優(yōu)點包括提高了流量控制元件24的強度特 性，特別是有很高的抗環(huán)向應(yīng)力(即沿周向方向的應(yīng)力)能力。其它優(yōu)點可以包括更大的 縱向和周向支承區(qū)域、流動通道54的幾何形狀的更大柔性(沒有普通工具的限制)和提高 的產(chǎn)品外觀(由于提高了尺寸精度)。其它優(yōu)點包括降低的隔膜負載和每單位閥塞本體沖 程的更高的流速。利用直接金屬激光燒結(jié)來制造流量控制元件24和/或閥組件10包括多個優(yōu)點， 這些優(yōu)點包括與普通制造實際情況例如高速機械加工(例如CNC)或插入式電子放電機械 加工(EDM)相比降低了成本和減少了制造時間。流量控制元件24能夠有更大的精度來控 制通過該流量控制元件24的流速，因為更好地控制流動通道54的公差和幾何形狀。死區(qū) (即在流量控制元件24內(nèi)的閥塞本體運動的非線性響應(yīng))的消除是由直接金屬激光燒結(jié)處 理提供的還一改進。在流動通道54內(nèi)包括凸起52可以提高流動阻力，增強流量控制元件 24的性能。上面的說明只是作為實例，而不是限制。通過上面的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè) 計在所述本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的變化形式。而且，這里所述實施例的各種特征可以單獨 使用，或者彼此進行不同組合，且并不局限于這里所述的特定組合。因此，權(quán)利要求的范圍 并不由所示實施例來限定。
權(quán)利要求
一種流量控制元件，其包括元件本體，該元件本體具有穿過該元件本體形成的孔，并限定了內(nèi)周表面和外周表面，在該內(nèi)周表面和外周表面之間具有沿徑向延伸的多個曲折流動通道；其中流量控制元件設(shè)置為由燒結(jié)的粉末材料層形成的整體結(jié)構(gòu)；以及各流動通道沿至少兩個軸線延伸穿過該流量控制元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中各流動通道沿至少三個軸線延伸穿過 該流量控制元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中所述軸線定向成相互正交。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中所述流動通道中的至少一個限定沿所 述軸線中的至少一個的多個基本上直角的轉(zhuǎn)彎。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中所述流動通道中的至少一個包括凸起， 該凸起定向成基本橫向于流體流過流動通道的方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中所述孔包括內(nèi)周表面，該內(nèi)周表面具有 形成于其內(nèi)的至少一個環(huán)形迷宮槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中流量控制元件包括頂部部分、中間部分和底部部分；以及流動通道布置在所述中間部分中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中流動通道形成為至少兩種不同的通道 圖形，該通道圖形沿元件本體的高度和寬度中的至少一個變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量控制元件，其中各流動通道具有形成為正交和圓角結(jié) 構(gòu)中的至少一個的橫截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流量控制元件，其中流動通道的橫截面大體上沿流體流過 流動通道的方向膨脹。
11.一種閥組件，其包括如權(quán)利要求1所述的流量控制元件，該閥組件包括閥殼體，該閥殼體具有安裝于其內(nèi)的流量控制元件，從而使流過閥殼體的流體通過流 動通道。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的閥組件，還包括閥塞，該閥塞可滑動地布置在元件本體的孔內(nèi)，閥塞設(shè)置成調(diào)節(jié)流體可以通過的流動 通道的量。
13.—種制造流量控制元件的方法，該方法包括以下步驟(a)提供一層粉末金屬材料；(b)向該層粉末金屬材料的部分施加激光能量，直到該部分固化；以及(c)通過連續(xù)層的粉末金屬材料來重復步驟(a)和(b)，直到流量控制元件形成為具有 多個形成于其內(nèi)的流動通道的整體結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(b)包括根據(jù)流量控制元件的計算機模 型而選擇性地向粉末金屬材料的部分施加激光能量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(c)包括形成流量控制元件，從而使所述 流動通道中的至少一個限定沿三個軸線中的至少一個的多個基本直角轉(zhuǎn)彎。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(c)包括形成流量控制元件，從而使所述 流動通道中的至少一個包括凸起，該凸起定向成基本上橫向于流體流過流動通道的方向。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(c)包括形成流量控制元件，以便包括內(nèi) 周表面，該內(nèi)周表面具有形成于其內(nèi)的至少一個環(huán)形迷宮槽。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(c)包括形成流量控制元件，以便包括頂 部部分、中間部分和底部部分，該中間部分具有布置于其內(nèi)的流動通道。
19.一種流量控制元件，包括元件本體，該元件本體具有至少一個曲折流動通道，該曲折流動通道沿至少兩個軸線 穿過該元件本體沿軸向延伸； 其中元件本體由連續(xù)施加的粉末材料層形成，這些層連續(xù)燒結(jié)，以便使元件本體形成一體。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的閥殼體，其中流量控制元件的流動通道沿相互正交定向 的至少三個軸線延伸。
全文摘要
一種流量控制元件包括圓柱形元件本體，該圓柱形元件本體具有穿過其形成的孔。圓柱形元件本體可以包括內(nèi)周和外周表面，并限定了在該內(nèi)周和外周表面之間延伸的多個曲折流動通道。流量控制元件形成為整體結(jié)構(gòu)，其中，流動通道沿至少兩個軸線定向。流量控制元件可以通過直接金屬激光燒結(jié)而形成，其中，連續(xù)層的粉末金屬材料通過向選定部分施加激光能量而固化，直到流量控制元件形成為具有穿過其延伸的多個流動通道的整體結(jié)構(gòu)。激光能量根據(jù)流量控制元件的計算機模型而選擇地施加給粉末金屬材料。
文檔編號F16K47/08GK101910696SQ200880123747
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者J·M·穆爾 申請人:控制元器件公司