变流可变形限流器装置及相关方法

专利名称：变流可变形限流器装置及相关方法
变流可变形限流器装置及相关方法技术领域0001本发明涉及一种用于以已知可测流速分配液体或气体的装置及相关方法。本发明更具体地涉及具有可变形腔的限流器。该腔的变形为压力的函数，其产生流速大约4次幂量级的增加。10发明内容0002所公开的是通过使用可变形内腔来控制流体通过限流器 的新装置及相关方法。内腔按照限流器上压力差的函数变形。因为流 速与内腔直径的4次幂成正比，所以压力差的微小改变允许了与传统限 5流器系统相比流速的更大改变并提供了对流速的实时调节和微调节。0003本文同样公幵的是包含至少一个可变形内腔的限流器， 其中每个内腔按照内腔内部压力的函数变形。0004同样，公开了变化经由限流器的流速的方法，其包含的 步骤有提供具有至少一个可变形内腔的限流器，其中内腔按照内腔 20内部压力的函数变形；以及允许流体物质的压力在每个内腔内增加， 压力的增加引起每个内腔的变形并导致增加流体物质的流速。0005还公开了变化经由限流器的流速的方法，其包含的步骤 有提供一种具有可变形内腔的限流器，其中流速按照内腔直径和内腔 内压力的结合变化至少约4次幂。20006最后，还根据本公开教导了通过提供可变形内腔，变化经由限流器的流体物质的流速的方法，其中流体物质的流速a)按照 可变形内腔内压力的函数变化，以及b)按照可变形内腔的直径变化。


0007结合附图并参考下文的说明，本公开公开的上述特点和 30目的将变得更加明显，其中参考标号代表相应的元件，其中-0008图1是本公开的限流器系统的实施例的说明；0009图2是图示说明本公开中教导的系统的改进使用的图表；0010图3A和3B是本公开的带有静息态和变形态圆形腔的限 流器实施例的说明；0011图4A和4B是本公开的带有静息态和变形态非圆形腔的限流器实施例的说明；0012图5A和5B是本公开的带有静息态和变形态的多个腔的 限流器实施例的说明；0013图6A和6B是本公开的带有可变形内腔的限流器实施例 10的说明；0014图7是本公开的带有按照流体物质的压力增加而变形的 一组机械盘的限流器实施例的说明；以及0015图8是本公开的使用机械反馈机制从而按照流体物质的 压力增加来增加内腔截面面积的限流器实施例的说明。1具体实施方式
0016出于本公开的意图，用于限流器内腔的术语"变形"或 "可变形"应被定义为包括内腔截面面积的增加或减小并保持相同或 不同的整体形状。200017用于本公开的术语"直径"应解释为从对象一边到另一边并通过其中心的直线的长度，所测量的这一长度就是直径。0018本发明人发现通过使用压力不仅能改变压力差，也能变 化限流器内腔直径，很小的压力改变可实现流速的大改变。此外，通 过变化内腔形状，还可以实现对流速的微调。20019在流速调节重要的许多应用中，限流器是普遍的。限流器允许气体或液体以受控的速率输送，并且这一速率可以预定或变化。 通常，可通过下述等式计算流速<formula>formula see original document page 7</formula>其中AP是限流器端的压力差，n是流体物质的粘度，d是限流器内腔 的直径，以及L是限流器的长度。流体物质可以是技术人员已知的气 体、液体或其混合物。0020当流体物质流经限流器，流体速度与流体粘度成正比。即粘度增加，流速增加。然而在多数系统中，流体物质的粘度是常量。 同样，限流器的长度也是常量。从内腔的一端到另一端测量这一长度。0021在本公开的教导之前，使用固定直径的限流器来提供不 变的，预定流量的流体物质。与这些限流器相关的一个普遍问题是如 10何控制流经限流器的流体速度。在本公开前，通过控制限流器两端中 一端的压力来控制流体。因为流速与压力差成线性关系，通过增加输 入库中的压力可增加流速。同样，减小限流器输出端的压力可增加压 力差并使流速增加。0022在另一个传统系统中，用户希望变化的流速。自然，压 15力差与流速1:1的比例提供了流速变化控制的有效方法。然而，实际 的限制避免了流速的大改变。例如，如果期望的流速是原流速的50 倍，压力应增加50倍，这样需要建立可承受大压力摆动的系统。这类 系统在许多环境中由于成本、尺寸以及材料限制或其他原因通常无法 实现。此外，传统系统通常使用减慢流速的方法来减少流体。200023本公开通过变化直径改进并解决了包括压力的这些问题，所述直径是测量的限流器内腔截面面积的函数。外加使用可提供所分 配流体物质的流量的反馈的泵，本公开的限流器提供除大流速范围外还 提供可产生微调的稳定流速的工具。0024现在转向图1说明的本公开的实施例，图1 一般地示出 25限流器系统IOO。更具体地，限流器系统100部分地包含限流器110。 限流器110可以是设计为含有按照压力函数变化的限流器内腔120的 任何传统的限流器，如毛细管。如本领域技术人员己知，当流体物质 流经限流器内腔120，限流器内腔壁的摩擦力阻止了流体物质的自由 流动。0025在图1说明的示例性实施例中，限流器110由软的、生 物相溶性适应材料制作，如硅胶、天然橡胶、聚异戊二烯或乙烷。因 为这些材料是软的，所以限流器内腔110是可变形的。然而，依照实 施例，可塑剂可被加入限流器110以软化校硬材料从而使限流器内腔 5更加可变形。任何可被用于提供全部适应材料生物相溶性的可塑剂被 保留。然而，本领域技术人员将理解并发现也可以使用非生物相溶性 材料。0026再次参考图1说明的实施例，其一般地显示了限流器系 统100。限流器系统100包含限流器110的长度，如允许限流器100 io形成适当连接的管和连接器的长度。限流器110包含限流器内腔120。 限流器内腔120的内截面面积可依照应用而极大的变化并且潜在地用 于从纳米管到花园洒水以及滴灌系统到油田泵等各个领域。0027通过为限流器110使用软材料或为限流器110增加可塑 齐lj，限流器内腔120的截面变得易变并且可变形。因此，当耦合到流 15体反馈机制，可通过操控较小的压力差来控制更大的流速。依照实施 例，编号为7,008,403的美国专利公开了适当的反馈机制，这一专利的 全文作为参考并入本文。使用反馈机制并结合本公开的教导允许与传 统限流器可提供的流速范围相比更大的流速范围。0028图2显示了用于控制流经限流器110的优于传统系统的 20本公开采用的实施例。所说明的图表显示流速是压力差的函数。斜率 越平，也就是斜率越趋近于零，流速对压力差的改变就越不敏感。相 反，斜率越陡，流速对压力差的改变就越敏感。较陡的斜率具有可输 送更大范围的流体物质的优势。0029如所指明，本公开允许以小于传统限流器的压力差范围 25来操控流速。例如，因为传统限流器的斜率较平，为了增加流量，传 统限流器需要更大的压力差。相反，如图2所示，本公开教导的改进 的限流器系统100引起斜率斜度的增加，这允许与相当的传统限流器 相比更大的流量范围。此外，通过引入使用反馈机制来监视流速，流 速可以被调节以满足期望的流速。 300030因为流速变化4次幂的量，压力的小调节产生流速的大改变。确实，流速相对压力的斜率越陡，小调节压力对流速的影响就 越明显。因此，反馈机制的使用允许通过压力差的细调节来微调流速。 因此，本公开应用更大范围的流速而不牺牲敏感流速控制的能力。0031依照图3A和3B说明的实施例，限流器110包含静息态 5和变形态，其分别在图3A和图3B中显示。增加限流器内腔120的压 力差引起其截面面积从如图3A所示的其静息态增加到如图3B所示的 其变形态，其中限流器内腔120的截面面积被增加。限流器变形的实 际程度是压力差的函数。0032类似地，压力差的减小导致在变形态的限流器内腔120 io返回到图3A所示的静息态。当然，压力差的改变可以被实现，这将 造成限流器内腔120截面面积的改变。流速将因此而变化，这一变化 不仅因为流速与压力差成正比，也因为流速与限流器内腔120的直径 (作为截面面积的函数测量)的4次幂成正比，其中限流器内腔120 的截面面积由限流器内腔120内的压力决定。10033本公开进一步公开了带有图2所示的可制定改进斜率的限流器IIO。图4A和图4B每个分别说明了系统中的实施例，其中当 给出作为压力函数的流速的额外范围，作为压力差函数的流速的斜率 可被进一步增加。通过变化限流器内腔120的形状，流速相对压力差 的斜率可以被微调。例如，在图4A公开的实施例中，图4A的限流器20内腔120是椭圆的。自然，通过在静息态的椭圆内腔的流速与通过在 内腔变形态的圆形内腔的流速不同，这是由于圆形内腔截面面积的增 力口。当压力差增加，限流器内腔120变形，在这一过程中变得更圆。 因此，作为压力差函数的流速斜率还按照内腔形状与圆形内腔比较的 结果来修正。20034依照已知、公开的典型实施例，限流器内腔120可以结合使内腔120截面面积增加的变形内腔120的效果和使内腔120截面 面积增加的内腔扩张，从而对流速进行更精准的控制。0035类似地，图5A和图5B说明包含多个限流器腔120的其 它和进一步的实施例。图5A所示实施例显示包含处于静息态的多个 30腔120的限流器110。当压力差增加，限流器腔l20变形。腔UO的壁变薄，这允许每个内腔以变形的情况扩张而不引起限流器外径的增 力口。在变形结构中，由于腔的变形截面面积，实现了额外的流量。因 此，作为压力差函数的流速斜率可以作为内腔数量和内腔形状的函数 被进一步操控。0036依照图6A和图6B显示的实施例，公开了包含完全可变形限流器内腔120的限流器110。如图6A所示，在静息情况下，限流 器内腔120包含许多内腔延伸125。当流体物质的压力增加，压力迫 使内腔延伸125变形成图6B显示的结构，因此由于截面面积依照前 面公开的原理变形，极大的增加了流量。内腔延伸125可以是内腔120io内的皱襞(rugae)或其它延伸，或者在一些情况下甚至是不平滑的内腔 壁。0037本公开考虑的额外次要的特点允许通过在内腔120内使 用内腔延伸125来增加对流体的阻力，从而进一步控制流体，其与图 6A和图6B所示的实施例相似。除前文讨论的内腔直径变化提供的益15处，诸如图6A和图6B中皱襞的内腔延伸125延伸到内腔120并增加 了阻力，这是因为增加了边界层容积，其引起湍流。流体物质在通过 在非扩张态的内腔120移动时，内腔120增加的表面积引起组成边界 层的流体物质更大的比率。换句话说，当内腔延伸125促使流体物质 表面面积与截面面积的比增加，这导致流体物质流内更大的湍流。当20流体物质内的紊乱增加，流体物质的内部阻力增加并减小流速。0038当内腔120内的压力增加，内腔延伸125如图6B所示 变形。 一旦变形，内部阻力降低，这允许增加的流速。使用内腔延伸 125的最终结果是可能流速的更宽范围。本领域技术人员将意识并了 解到由内腔120内内腔延伸125造成的流速变化仅是本公开预期可能 25的流速变化中的小的成分。主要的流速变化是由与内腔120内压力增 加或减小相关的直径变化造成的。0039类似地，图7是使用机械系统来实现限流器截面面积按 照压力函数增加的实施例。依照图7所示实施例，限流器可由非可变 形材料制作，如非柔性(noncompliant)金属和塑料，同时提供与本公 30开描述的限流器相同的功能。限流器110包含如本公开前文描述的其他限流器系统的限流器内腔130。因为图7的限流器是非可变形的， 限流器内腔板125被安装在限流器110内流体将被限制的点。0040限流器内腔板125连接到限流器弹簧130。限流器弹簧 130保持限流器板125在未变形位置。在未变形结构下，限流器板1255处于每个限流器板125之间的距离被最小化的结构中，或在实施例中， 限流器板125和内腔120壁之间的距离被最小化。因此，当限流器板 125处于未变形结构时，限流器110的截面面积被最小化。当流体物 质的压力增加，限流器板125呈现变形结构。在变形结构中，由于施 加在限流器板125上增加的压力，流体物质的压力压縮限流器弹簧io 130，扩张了限流器内腔120的截面面积以实现前文描述的更大流速。0041限流器弹簧130连接到限流器支架135。限流器支架135 关于限流器100保持固定，这样当限流器弹簧被压縮，限流器支架135 相对于改变位置的限流器弹簧130和限流器板125保持固定。因此， 限流器板125和限流器弹簧130都是可移动的，但限流器支架135关 15于限流器板125和限流器弹簧130固定。因此，当没受到流体物质的 压力时，限流器弹簧130将限流器板125返回到未变形结构。0042依照图8所示相关实施例，其显示了带有用于增加限流 器110截面面积的机械装置的限流器110。依照图8的示例性实施例， 限流器110包含机械杠杆系统140。除限流器内腔120外，副限流器20内腔142从限流器内腔120分支出来。从限流器内腔130流入副限流 器内腔142的流体物质的压力与在限流器内腔120内流体物质的压力 相同。然而，如图8所示，副限流器内腔142与杠杆146的近端相邻。 杠杆146防止更多的流体物质流。然而，流体材料的压力施加到杠杆 146的近端。杠杆146的近端位于副限流器内腔142和机械杠杆系统25弹簧144之间以利用流体物质施加到杠杆146近端的压力。0043机械杠杆系统弹簧144对杠杆146施加向副限流器内腔 142的力。因此，流体物质和机械杠杆系统弹簧144施加彼此相对的 力，这决定杠杆146的位置。依照示例性实施例，杠杆146支撑在机 械杠杆系统支点148上。然而，本领域技术人员将了解图8所示实施 30例中机械杠杆系统支点148不需要变化。0044杠杆远端包含复装物150。在实施例中，复装物150将 压力施加到限流器110下游限流器内腔120和副限流器内腔142的汇 合处。机械杠杆系统弹簧144将压力施加到杠杆146的近端，引起复 装物150将压力施加到限流器UO。复装物150施加压力到限流器110 5的作用较小的改变了限流器内腔120的截面面积，这减小了流体物质 的流速。相反，杠杆146上来自流体物质的压力表现与机械杠杆系统 弹簧144相反的力，这引起复装物150减小限流器IIO上的压力，这 样实现限流器内腔120更大的截面面积。0045如图8所示，复装物150可直接将压力施加到限流器110， io其也可以结合到限流器内腔120中作为流体的物理阻碍。例如，复装 物150可通过限流器120的壁被结合。当被施加来自机械杠杆系统弹 簧144的力，复装物150推进限流器内腔120，这造成对流体物质流 的物理阻碍并减小限流器内腔120的截面面积。相反，流体物质增加 的压力抵消机械杠杆系统弹簧144的力，引起复装物150离开限流器 15内腔120，这增加了限流器内腔120的截面面积。0046本公开也公幵了使用限流器系统100的方法。如本领域 技术人员所了解，限流器系统100被连接到反馈机制。 一旦连接，流 体材料被加入包含限流器系统100的系统。当流体材料流经限流器 110，压力差决定在静息态限流器110中的流速。当通过在流体进入限 20流器IIO前增加流体内的压力或通过减少限流器IIO末端的压力来使 压力差增加，限流器内腔120变形并引起除直接由增加压力引起的流 速增加外，流速的进一步增加。本领域技术人员熟知如何操控限流器 两端中任一端的压力的方法。0047通过使用连接的反馈机制，流体可以被精确控制。当实 25现了压力的修正，流速发生变化。因为压力差很小的改变会使流量变 化，反馈机制被用来将流速调节到希望的级别。此外，作为压力差函 数的流速的斜率越大(即接近垂直斜率)，流速对压力差微小的改变就越敏感。这样，通过提供反馈机制来提供利用陡斜率限流器iio控制流体的方法，其中小的压力调节引起大的流速改变。 300048当按照目前被认为是最可行和优选的实施例来描述装置和方法，应了解本公开不受限于所公开的实施例。其意图覆盖权利要 求的精神和范围包括的多个变形和相似安排，该范围应依照最宽的解 释以包围全部类似的变形和相似的结构。本公开包括所附权利要求的 任何和全部实施例。
权利要求
1.一种限流器，其包含至少一个可变形内腔；其中每个内腔按照所述内腔内压力的函数变形。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中适应性生物相容材料由适应 性生物相容材料制作，其中所述适应性生物相容材料优选地是由硅胶、10天然橡胶、聚异戊二烯和乙烷组成的组中的一种。
3. 根据权利要求l所述的限流器，其中所述限流器由非生物相溶 性材料制作。
4.根据权利要求1或3所述的限流器，其中所述限流器被用于石油生产的钻井和输送。
5. 根据权利要求l、 2、 3、或4所述的限流器，其进一步包含反 馈机制，其中所述反馈机制至少测量流体物质的流速，其中所述反馈20机制优选地实时地提供至少流速数据。
6. 根据权利要求1、 2、 3、 4或5所述的限流器，其中所述可变 形内腔还包含机械内腔变形器。
7.根据权利要求6所述的限流器，其中所述机械内腔变形器包含至少一个板，所述板被连接到至少一个弹簧，所述弹簧被安装在相对 于所述限流器固定的基底上；其中当所述内腔的压力增加，所述板将额外的压力施加到其连接 的所述至少一个弹簧，压縮所述弹簧并实现所述腔的增加的截面面积。
8.根据权利要求6所述的限流器，其中所述机械内腔变形器进一步包含弹簧驱动的内腔复装物和辅助流体通道；其中所述辅助流体通道将压力以与所述至少一个弹簧大约相反的 方向施加到所述复装物，其中所述内腔复装物优选地将压力施加到所述 限流器并实现与所述内腔压力的下降成比例的减小的截面面积。
9.根据权利要求1、 2、 3、 4、或5所述的限流器，其中所述至 少一个可变形内腔包含至少一个内腔延伸，其中所述至少一个内腔延 伸优选地是至少一个皱襞。
10. —种变化流经限流器的流体速度的方法，其包含的步骤有提供了具有至少一个可变形内腔的限流器，其中所述内腔按照所 述内腔内压力的函数变形；允许流体物质的压力在每个内腔内变化，其中压力的变化引起每 个内腔变形并导致所述流体材料流速的增加或减小。15
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述限流器由适应性生物 相容材料和非生物相容材料中的一种制作。
12. 根据权利要求10或11所述的方法，其中增塑剂被加入未修 20改的由适应性生物相容材料制成的限流器，以生产所述限流器；其中每个限流器是生物相容材料。
13. 根据权利要求10、 11或12所述的方法，其进一步包含提供 反馈机制来实时监视流速。25
14. 根据权利要求13所述的方法，其中通过使用由反馈机制给出 的数据计算所述对流速的调节。
15. 根据权利要求10、 11、 12、 13或14所述的方法，其中所述 流速的改变大约与每个内腔截面的直径改变的4次幂成正比。
16. 根据权利要求10、 11、 12、 13、 14或15所述的方法，其中 5所述每个内腔的合成的变形包含更大的截面面积。
17. 根据权利要求10、 11、 12、 13、 14、 15或16所述的方法， 其进一步包含提供至少一个内腔延伸，所述至少一个内腔延伸优选地 包含至少一个皱襞。10
18. —种变化流经限流器的流体速度的方法，其包含的步骤有提 供具有可变形内腔的限流器，其中所述流速按照所述内腔的直径与所 述内腔内的压力的结合来变化。
19. —种通过提供可变形内腔变化流经限流器的流体物质的流速的方法，其中所述流体物质的流速按照以下函数来变化a)所述可 变形内腔内压力的函数，以及b)所述可变形内腔的直径。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中内腔按照流体物质的所述 20压力的函数变形。
21. 根据权利要求19或20所述的方法，其中流速被反馈机制监 视，其中所述反馈机制至少测量所述流体物质的流速。
22.根据权利要求19、 20或21所述的方法，其中所述流体物质的流速进一步按照c)至少一个内腔延伸变化，所述内腔延伸增加表 面面积，并在表面面积上形成边界层。
全文摘要
通过使用可变形内腔的限流器来控制流体的新装置及相关方法。内腔按照限流器上压力差的函数变形。因为流速与内腔直径的4次幂成正比，所以压力差的微小改变允许了与传统限流器系统相比流速的更大改变并提供了对流速的实时调节和微调节。
文档编号A61M29/00GK101405041SQ200780008288
公开日2009年4月8日 申请日期2007年1月17日 优先权日2006年1月27日
发明者P·M·迪普尔那 申请人:泰坦姆糖尿病护理公司