用于改进小流量控制的包括具有阀针的阀内件的控制阀

摘要

根据本发明，提供了一种线性位移控制阀，其包括阀体和阀盖，该阀盖与阀体配合地接合。阀体和阀盖共同收容阀内件，该阀内件包括流动控制元件和互补的阀针。阀针优选地借助于阀杆转接器附接至控制阀的可往复移动的阀杆。阀杆转接器适合于允许阀针与流动控制元件之间存在一定测量值的“浮动”，可能需要这些浮动来适应阀针与流动控制元件之间的任意失准。阀针独特地构造成：使得当与流动控制元件结合地使用时，阀内件能够以较高水平的精度和/或较宽的可调范围度提供低端流量控制。

说明书

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦政府资助的研究/开发的声明

不适用

技术领域

本发明大致涉及一种流量控制装置，并且更具体地说涉及一种 线性位移控制阀，其包括配备有独特构造的阀针的阀内件，阀针适 合于以较高水平的精度和/或较宽的可调范围度来提供低端流量控 制。

背景技术

在现有技术中，一个当前已知的控制阀包括在阀门的正常工作 期间线性地移动的插塞或阀针。在这些阀门(常常称为线性位移阀 门)中，插塞布置在盘形叠件(diskstack)或阀箱中并可以在盘形 叠件或阀箱中移动，该盘形叠件或阀箱限定多个弯曲和/或非弯曲的 流体通道。这些阀门的阀内件包括插塞和阀箱的组合。某些线性位 移阀门构造用于“过塞流(overplugflow)”，其中，在流体因通 过阀箱通道的流动而发生压降的情况下，流体从阀箱的外部沿径向 向内地流动到阀箱的内部中。在该构造中，通过提升插塞远离阀座 环来打开阀门，这允许流体从阀箱的内部流出并经由开启的阀座环 离开阀门。与之相反，使插塞的座面移动成与阀座环的互补的座面 密封地接合有助于阀门的闭合或截流情况。

作为过塞流的替代，其他线性位移阀门构造用于“欠塞流(under plugflow)”，其中，在流体因沿径向向外地通过阀箱流体通道的 流动而发生压降的情况下，流体沿轴向向上地流动到阀箱的内部中 以流到阀箱的外部。在该构造中，通过提升插塞远离前述阀座环来 打开阀门，这因此允许流体流动到阀箱的内部并随后沿径向向外地 流动通过阀箱的流体通道。与之相反，使插塞的座面移动成与阀座 环的互补的座面密封地接合有助于阀门的闭合或截流情况。

常常使用线性位移控制阀以控制过程中的流量和压力。然而， 这种控制阀具有降低其整体实用性的某些缺陷。更具体地说，在那 些需要可控低流量的应用中，在很大程度上因结合在阀内件中的插 塞或阀针的现有设计中的缺点，阀内件通常不能够精确地控制流量。 此外，在某些应用中，控制阀中的压降严重到足以在阀针与阀箱或 盘形叠件的内径部之间产生高速流动。高速流动最终侵蚀阀针的末 端，由此造成与使用阀门的小流量控制相关的其它问题。因此，在 线性位移控制阀的现有技术中存在如下需要：能够以较高水平的精 度和/或较宽的可调范围度来提供低端流量控制。本发明解决了这种 特定需要，并且将在下文更详细地描述本发明的各种特征和优点。

发明内容

根据本发明，提供了一种线性位移控制阀，其包括阀体且具有 阀盖，该阀盖与阀体配合地接合。阀体和阀盖共同限定壳体，壳体 收容包括流动控制元件和互补的阀塞或阀针在内的阀内件。阀针优 选地借助于阀杆转接器附接至控制阀的可往复移动的阀杆。阀杆转 接器适合于允许阀针与流动控制元件之间存在一定测量值的“浮 动”，可能需要这些“浮动”来适应阀针与流动控制元件之间的任 意失准。流动控制元件优选地被包括在控制阀中的内部过滤器包围。

在控制阀的阀内件中，插塞或阀针独特地构造成：使得当插塞 或阀针与流动控制元件结合地使用时，阀内件能够以较高水平的精 度和/或较宽的可调范围度提供低端流量控制。在示例性实施例中， 阀内件的可调范围度是50至1。为了帮助增强功能，阀针(尤其是 阀针的外径)优选地与流动控制元件的内径交叠，从而在阀针与流 动控制元件之间提供非常紧的配合或公差。阀针与流动控制元件的 内径之间的该紧公差实质地减少或消除在某些应用中可能在阀针与 流动控制元件之间发生的任意高速环形流体流动，由此使阀针不易 被侵蚀。

此外，阀针的大部分设置有至少一个且优选地为一连串的曲径 式凹槽，该曲径式凹槽以预定形状、预定宽度和深度以及相对于彼 此的预定空间关系形成在阀针中。更具体地说，每个曲径式凹槽的 优选的深度均为约0.02英寸，且优选的宽度为约0.02英寸。此外， 每个曲径式凹槽均优选地具有带有锐利边缘的大致方形的轮廓。

在控制阀中，形成在阀内件的阀针中的曲径式凹槽具有两个功 能。在控制阀工作期间，当从第一压力级至第二压力级的压降在阀 针的外径与叠件的内径之间的环形区域中产生高速时，曲径式凹槽 用作使这种流动减速并由此使对阀针的侵蚀最小化的“曲径”。此 外，在流体因例如内部过滤器的任意损伤而被污染的情况下，最终 进入阀针与流动控制元件之间(尽管采用交叠配合)的任意小颗粒 通常将被圈闭在曲径式凹槽中，由此防止阀针附着或堵塞流动控制 元件。这样，在阀针相对于流动控制元件移动以帮助打开和关闭控 制阀期间，曲径式凹槽提供压力平衡并进一步减小阀针与流动控制 元件之间的任意余流的速度，从而增强阀针与流动控制元件之间的 紧公差的减少侵蚀的效果。就这一点而言，除了以上内容之外，曲 径式凹槽与阀针和流动控制元件的内径之间的紧公差协作来对阀内 件提供如下功能：将流体流速减小至在控制阀工作期间不会发生阀 针的侵蚀的程度。

通过结合附图阅读下面的详细描述，可以最好地理解本发明。

附图说明

通过参考附图，本发明的这些以及其它特征将变得更加清楚， 其中：

图1是根据本发明构成的线性位移控制阀的纵截面图，示出了 线性位移控制阀的插塞位于闭合位置；

图2是图1所示的线性位移控制阀的透视纵截面图，示出了线 性位移控制阀的插塞位于闭合位置；

图3是结合到图1和图2所示的控制阀的阀内件中的阀塞或阀 针的侧视图；以及

图4是图3所示阀针的可能变型的侧视图，该阀针可以选择性 地整合到图1和图2所示的控制阀的阀内件中。

在全部附图和详细描述中使用相同的附图标记表示相同的元 件。

具体实施方式

现在参考附图，其中，附图只是为了示出本发明的优选实施例， 而并不是为了限制本发明，图1是根据本发明构成的线性位移控制 阀10的纵截面图。如下文将要更详细地描述那样，图1和图2所示 的阀门10位于闭合或截流位置。

阀门10包括限定有流入通道14和流出通道16的阀体12。流 入通道14和流出通道16均与由阀体12限定的内腔或阀廊(valve gallery)18流体地连通。除了阀体12之外，阀门10还包括阀盖20， 阀盖20附接至阀体12并将阀廊18部分地封闭起来。阀体12和阀 盖20共同限定控制阀10的壳体。如图1所看到的，通过使用包括 螺母和螺栓组合的机械紧固件22来优选地帮助将阀盖20附接至阀 体12，但是其他附接方法被认为也落入本发明的精神和范围中。阀 盖20限定有孔24，该孔24沿轴向延伸通过阀盖20，将在下文中更 详细地描述孔24的使用。阀盖20的限定孔24的内表面优选地被氮 化处理以使表面硬化。

在阀体12的阀廊18中布置有环形阀座环26。阀座环26限定 有圆形构造的流出开口28，流出开口28的顶端(当从图1所示的透 视图观察时)被渐缩的座面30包围。阀座环26在阀体12中取向， 并且尤其是在阀体12的阀廊18中取向，使得流出开口28与流出通 道16同轴地对准。如同样从图1所示的透视图中看到的，除了限定 有流出开口28之外，阀座环26还限定有环形的底部凹槽以及一对 环形、同心定位的顶部凹槽，顶部凹槽和底部凹槽布置在阀座环26 的相反的顶面和底面中的相应一者上。在顶部凹槽和底部凹槽中的 每一者中布置有密封部件，例如，O形环32或垫圈。布置在底部凹 槽中的O形环32锁卡在阀座环26和阀体12之间，从而防止流体从 阀廊18流入到阀体12与阀座环26之间的流出通道16中。

除了布置有阀座环26之外，在阀廊18中还布置有流动控制元 件34。流动控制元件34具有环形、大致圆筒形的构造并限定有中心 孔36，该中心孔36沿轴向延伸通过流动控制元件34并具有大致圆 形的横截面构造。流动控制元件34还包括沿径向延伸通过流动控制 元件34(即，在流动控制元件34的内周表面与外周表面之间)的多 个弯曲和/或非弯曲的流体能量分散流动通道。这些流动通道每者的 一端均与孔36流体地连通，而相反端与阀廊18流体地连通。当从 图1所示的透视图观察时，流动控制元件34的底面与阀座环26的 顶面配合地接合，使得如下的O形环32被有效地卡合住并形成位于 阀座环26与流动控制元件34之间的流体密封的密封件，该O形环 32布置在形成在阀座环26的顶面中的同心定位的凹槽中的靠内的一 个凹槽中。此外，流动控制元件34定位在阀廊18中并相对于阀座 环26进行定位，使得流动控制元件34的孔36与阀座环26的流出 开口28同轴地对准，并因此与阀体12的流出通道16同轴地对准。 优选地使用在2008年1月22日提交的发明名称为“DIRECT METALLASERSINTEREDFLOWCONTROLELEMENT(直接金属 激光烧结的流动控制元件)”的本发明申请人的同时待审的美国专 利申请No.12/018,088中具体地描述的直接金属激光烧结(DMLS) 方法来制造本发明的控制阀10的流动控制元件34，上述美国专利申 请的全部内容通过引用并入本文中。使用有助于制造流动控制元件 34的DMLS方法允许在流动控制元件34中创造出更精巧和复杂的 流体通道。这种增强的精巧性/复杂性在控制阀10中提供了更好的流 量范围/可调范围度。然而，本领域普通技术人员应认识到：与使用 前述DMLS方法的制造相反，作为选择，流动控制元件34可以包括 更普通的盘形叠件或阀箱。

此外，阀廊18中布置有内部过滤器38。过滤器38具有管状的 横截面构造，且过滤器38的内径尺寸比流动控制元件34的外径尺 寸稍大。就这一点而言，如在图1和图2中所看到的，流动控制元 件34优选地同心嵌入到过滤器38的内部中，使得过滤器38包围并 由此遮挡流动控制元件34的外径或表面，因此，流体能量分散流动 通道的这些端部延伸至过滤器38。当从图1所示的透视图观察时， 过滤器38的底面与阀座环26的顶面配合地接合，使得如下的O形 环32被有效地卡合住并形成位于阀座环26与过滤器38之间的流体 密封的密封件，该O形环32布置在形成在阀座环26的顶面中的同 心定位的凹槽中的靠外的一个凹槽中。以类似的方式，过滤器38的 上表面与阀盖20的底面配合地接合，使得如下的O形环32被有效 地卡合住并形成位于过滤器38与阀盖20之间的流体密封的密封件： 该O形环32布置在形成在阀盖20的底面中的互补、圆形构造的凹 槽中。在示例性实施例中，过滤器38可以包括具有多个孔的管子， 这些孔布置在管子中并在管子的内表面与外表面之间延伸。管子的 外径或表面优选地被一个或多个网孔层覆盖，且具有一个或多个网 孔层的管子彼此被焊接在一起。

根据本发明构造的控制阀10还包括细长、大致圆柱形的插塞或 阀针40(在图3中具体地示出)。当从图1至图3所示的透视图中 观察时，阀针40限定有近侧端或顶端42以及相反的远侧端或底端 44。顶端42由圆柱形构造的柄部46限定。柄部46不具有均一的外 径。确切的说，柄部46包括具有第一外径的上方第一段48以及一 体的下方第二段50，第二段50的外径比第一段48的外径小。因此， 柄部46的第一段48和第二段50借助于连续、环形肩部51来彼此 分开。

除了限定有柄部46之外，阀针40还限定有细长、大致圆柱形 的针部52。选择针部52的外径以实现与流动控制元件36的内径的 预定空间关系，下文中将更详细地描述原因。同样由阀针40限定的 上部的第一斜切部54有助于柄部46的第二段50与针部52之间的 过渡。类似地，阀针40的下部的第二斜切部56有助于从针部52至 底端44的过渡。

在阀针40的针部52中形成有至少一个且优选为一连串的连续 的曲径式凹槽58。每个曲径式凹槽58均优选地具有带有锐利边缘的 大致方形的轮廓。更具体地说，每个曲径式凹槽58均优选地形成为 具有约0.02英寸的深度以及约0.02英寸的宽度。曲径式凹槽58以 彼此大致等距的间隔的关系布置在针部52中，且曲径式凹槽58中 的最顶一个曲径式凹槽58布置在第一斜切部54附近，而曲径式凹 槽58中的最低一个曲径式凹槽58布置在第二斜切部56附近。在下 文将更详细地讨论曲径式凹槽58的功能。

阀针40(尤其是阀针40的柄部46)与控制阀10的细长阀杆 60的一端(即，当从图1所示的透视图看到的下端)有效地联接。 阀杆60前进通过由阀盖20限定的孔24。虽然图1和图2没有具体 地示出，但是应该认为：阀杆60的从阀盖20凸出的部分可以与致 动器机械地联接，该致动器用于使阀杆60相对于阀体12和阀盖20 沿上下方向(当从图1和图2所示的透视图观察时)选择性地移动。 就这一点而言，孔24和阀杆60在尺寸上彼此相关，使得阀杆60可 以在孔24中以往复的方式滑动地移动。本领域普通技术人员将认识 到，阀杆60的沿上下方向的选择性运动还有助于阀针40相对于阀 体12和阀盖20沿上下方向的同时运动，并因此有助于阀针40相对 于流动控制元件34沿上下方向的同时运动。这样，如将在下文更详 细的描述的那样，阀针40可以借助于阀杆60在图1和图2所示的 闭合或截流位置与打开位置之间选择性地移动。

优选地借助于阀杆转接器62来帮助使控制阀10中的阀杆60与 阀针40有效地联接。阀杆转接器62具有大致圆筒形、管状的构造， 并具体地构造成以使阀针40和分开的阀杆60彼此配合地接合在一 起的方式来与阀针40的柄部46以及阀杆60的下部这两者接合。更 具体地说，应该认为：阀杆60的下部将具有外螺纹并与阀杆转接器 62的对应内螺纹的上部进行螺纹啮合。阀针40的柄部46停留在阀 杆转接器62的内部，且肩部51与阀杆转接器62接合，使得阀针40 被阀杆转接器62支撑但能够相对于阀杆转接器62移动某预定移动 量。因此，阀杆转接器62的结构属性适合于允许阀针40与流动控 制元件34之间存在一定测量值的“浮动”，出于一些原因可能需要 这些“浮动”来适应阀针40与流动控制元件34之间的任何失准， 将在下文中更详细地讨论这些原因。如进一步在图1和图2所看到 的以及从图1和图2所示的透视图所看到的，阀杆转接器62的大致 下部三分之一的外表面优选地包括形成于其中的一连串细长的通道 64，通道64围绕阀杆转接器62周向地延伸，并且通道64彼此以预 定的空间关系进行设置并均以与阀杆转接器62的轴线大致平行的间 隔开的关系延伸。当控制阀10(尤其是控制阀10的阀针40)在打 开位置与闭合位置之间被致动时，通道64适合于允许阀盖22的孔 24中的任意流体容易地通过阀廊18，将在下文中更详细地讨论原因。

在控制阀10中，在阀针40在图1和图2所示的闭合位置与完 全打开位置之间运动期间，阀杆转接器62仅停留在阀盖20的孔24 中。在阀针40的整个运动范围中，阀针40的针部52的至少一部分 在流动控制元件34的孔36中保留下来。更具体地说，当阀针40位 于其闭合位置时，实际上针部52的整个长度停留在流动控制元件34 的孔36中。当阀针40从其闭合位置被致动至打开位置时，针部52 的至少一部分将从孔36中退回，并收回到阀盖20的孔24中。

如上所述，阀门10(尤其是阀门10的阀针40)示出为位于图 1和图2中的闭合或截流位置。当阀针40位于闭合位置时，由阀针 40的第二斜切部56限定的座面被牢固地安置且密封在由阀座环26 限定的互补的座面30上。因此，阀针40有效地阻止流动通过阀体 12的流入通道14、通过过滤器38、通过流动控制元件34的流动通 道并进入到过滤器34的孔36中的流体流入到流出开口28中(并因 此流入到阀体12的流出通道16中)。当从图1和图2所示的透视 图观察时，借助于阀杆60的任意量(其足以使阀针40的第二斜切 部56升高到由阀座环26限定的互补的座面30上方)的向上运动来 帮助使阀针40运动至打开位置。应认识到的是，阀杆60的这种向 上运动帮助使阀针40的第二斜切部56与座面30分开，由此允许流 体从孔36进入到流出开口28。

因此，当阀针40移动至其打开位置时，流体能够从流入通道 14流动到阀廊18中。流体从阀廊18沿径向向内地穿过过滤器38， 该过滤器38用于过滤来自流体的例如小颗粒等任意污染物。在穿过 过滤器38之后，流体沿径向向内地流动通过流动控制元件34的弯 曲和/或非弯曲的能量分散流动通道并进入由流动控制元件34限定 的孔36中。在流体离开流动控制元件34的限定孔36的内周表面处 的流动通道之后，流体能够经由阀座环26的露出的流出开口28流 动到由阀体12限定的流出通道16中。从前述中可以明显看出，该 操作模式表示为如上所述的“过塞流”。作为线性位移阀门的共同 特性，控制阀10的开口程度是可变的并取决于阀针40的第二斜切 部56与座面30分开的程度。就这一点而言，利用因阀针40的第二 斜切部56远离座面30的逐步运动而露出的流动通道的数量来调节 流体流动通过流动控制元件34的程度以及流动控制元件34的能量 分散功能。

如上所述，当阀针40/阀杆60在打开位置与闭合位置之间被致 动或往复运动时，阀杆转接器62中的通道64允许流体在阀廊18与 阀盖20的孔24之间自由地移动。这种通过阀杆转接器62的通道64 的流动有效地在阀门10中产生“平衡”状态。更具体地说，通道64 用于防止当控制阀10在打开位置与闭合位置之间被致动时的液压锁 定。就这一点而言，在控制阀10工作期间，流体通常将填充孔24。 在不存在通道64的情况下，这种流体可能引起液压锁定发生。如上 所述，通道64通过允许孔24中的流体穿过通道64来防止这种锁定， 由此释放积累在孔24中的任何压力。

同样如上所述，基于对流体流动通过阀门10的以上描述，这种 阀门10构造用于过塞流。然而，本领域普通技术人员将认识到：在 不脱离本发明的精神和范围的情况下，阀门10也可以构造用于欠塞 流。在欠塞流的条件下，应该想到：可以去除过滤器38，且流出通 道16变成流入通道而流入通道14变成流出通道。就这一点而言， 当阀针40移动至其打开位置时，流体能够从流入通道经由阀座环26 的开口28流入到流动控制元件34的孔36中。然后，流体沿径向向 外地穿过流动控制元件34的弯曲和/或非弯曲的能量分散流动通道， 进入阀廊18并随后进入流出通道。

在控制阀10中，阀针40(尤其是阀针40的针部52的外径) 优选地与流动控制元件34的内径(即，孔36的直径)匹配或交叠， 以在阀针40与流动控制元件34的内径之间提供非常紧的配合或公 差。阀针40的针部52与流动控制元件34的内径之间的该紧公差实 质地减少或消除了任意高速环形流体流动，然而在某些应用中当阀 针40从其闭合位置被致动至打开位置时，在针部52与流动控制元 件34之间可发生任意高速环形流体流动。如先前说明的那样，针部 52的停留在孔36中的任意部分与流动控制元件34之间的任何高速 环形流体流动的减少和消除使阀针40不易被侵蚀。

此外，形成在阀针40的针部52中的曲径式凹槽58有两种功能。 在控制阀10的工作期间，当从第一压力级至第二压力级的压降在针 部52的外径与流动控制元件34的内径之间的环形区域中产生高速 流动时，曲径式凹槽58用于使这种余流(residualflow)减速，由此 与针部52和流动控制元件34之间的紧公差配合一致地工作，以使 对阀针40的侵蚀最小化。此外，在流体因例如过滤器38的任意损 伤而被污染的情况下，最终进入阀针40的针部52与流动控制元件 34的内径之间(尽管针部52与流动控制元件34的内径之间存在紧 公差配合)的任意小颗粒通常将被圈闭在曲径式凹槽58中，由此防 止阀针40附着或堵塞流动控制元件34，这也可能妨碍合适地打开和 关闭控制阀10。因此，曲径式凹槽58与阀针40的该针部52和流动 控制元件34的内径之间的紧公差协作而提供如下功能：将流体流速 减小至在控制阀10工作期间不会发生阀针40的侵蚀的程度。即使 在针部52与流动控制元件34之间存在紧公差，通过使用阀杆转接 器62将阀针40附接至阀杆60而给予的前述“浮动”防止针部52 与流动控制元件34之间的任意失准，否则该失准可能导致针部52 堵塞在孔36中。因此，虽然阀杆转接器62支撑阀针40，但为了对 准的目的阀杆转接器62也允许阀针40来回移动。此外，在控制阀 10的阀内件(阀内件包括流动控制元件34和阀针40的组合)中， 阀针40的前述结构特征以及阀针40与流动控制元件34的匹配给予 阀内件如下能力：以高水平的精度和/较宽的可调范围度提供低端流 量控制。在示例性实施例中，阀内件的可调范围度是50至1。

本领域普通技术人员应认识到，形成在阀针40的针部52中的 曲径式凹槽58的尺寸、形状和/或间隔可以基于预定应用来改变，且 图3中具体地示出的实施例仅用作一个示例性构造。就这一点而言， 图4示出了阀针40a，该阀针40a可以替代阀针40来结合到控制阀 10中。阀针40和40a之间的区别在于：与包括在阀针40中的曲径 式凹槽58的间隔/数量相比，阀针40a中的曲径式凹槽58彼此间隔 较远并具有较小的数量。

本公开内容提供本发明的示例性实施例。本发明的范围不受这 些示例性实施例的限制。本领域的技术人员可以根据本说明书实现 多种变型，例如结构、尺寸、材料类型和制造方法的变型，无论这 些变型是由说明书明确提出的还是由说明书暗示的。