流体操作阀的制作方法

专利名称：流体操作阀的制作方法
专利说明流体操作阀 本发明涉及一种流体操作阀(fluid operated valve)。准自控阀(quasi-autonomous valve)有许多应用，在这些应用中，流体系统使开启和闭合事件的时机和持续时间相协调。
此阀的一种应用是高压隔离系统(high pressure isolation system)内的阀。阀将会与诸如内燃机的燃烧室一起使用，由此当在室内燃烧以隔离高压气体时，阀允许向室内充气，然后准自控地闭合。室内的高压气体随后可以用于工作。
在本发明最广泛的方面，提供了阀体和可移动元件(movable element)，该可移动元件在开启位置和闭合位置之间具有无限数目的位置。可移动元件对阀两侧的压差做出响应，以开启或闭合阀。
在本发明的又一个方面，提供了阀体和可移动元件，该可移动元件在开启位置和闭合位置之间具有无限数目的位置。可移动元件对阀两侧的压差做出响应，以开启或闭合阀，其中利用了工作流体的流动特征来推动可移动元件移动，这改变了阀开启或闭合的响应时间。
在本发明的又一个方面，提供了阀体和可移动元件，该可移动元件在开启位置和闭合位置之间具有无限数目的位置。可移动元件对阀两侧的压差做出响应，以开启或闭合阀，其中利用了工作流体的流动特征来推动可移动元件移动，这改变了阀开启或闭合的响应时间，并利用了工作流体的流动特征来增大通过阀的流体流动的阻抗(impedance)或者使该阻抗最小。
在阀的一种形式中，通过使可移动元件形成具有连接到阀体的固定外部定子(stator)的流线型形状来使开启方向时的流体流动或流出的阻抗最小。可移动元件由引导套管(guide spigot)引导。在相反方向，即在闭合期间，流体流动或流出遭受增大的阻抗。在闭合期间，定子提供给流入流一排非流线型体(an array ofbluff bodies)，且其次，除了完全开启位置之外的所有位置处的可移动元件形成了不连续表面，即具有固定定子的非流线型表面。定子由一系列类似弯曲金字塔(或多面体)的几何形状组成，其顶端对着开启的流动方向。相反方向上的流撞击这些金字塔，即一排非流线型体的底部。集成到定子上的是一系列弯曲表面，以使一排若干元件上有弯曲表面和相应的金字塔作为元件，从而形成从平面视图看的圆形阵列。当可移动元件在完全开启位置时，其连同弯曲表面一起呈现椭圆形或流线型截面，这使开启方向的流动的阻抗最小。就其他任何位置的可移动元件而言，圆形阵列的弯曲表面保持固定成为定子的一部分，且可移动元件的截面呈现为左边是定子的流线型弯曲表面的锋利边缘。
改变沿着阀的流路的流动区域，以使流动效果可以用于使从阀的高压侧到阀的低压侧的压力差最大，从而造成阀尽可能快地闭合。可移动元件的底座区域从可移动元件向外突出一小段距离。阀体的底座区域向阀体内凹陷一小段距离，使得当两个底座表面几乎靠拢时，两个底座表面之间容纳小型流体贮器。在流体流出此贮器之前，靠拢速度已经被显著减小。
现在解释有关流体特征和非流线型体的定子如何用于增大阀闭合方向上的流动的阻抗。当足够的压力差迅速施加到阀的两侧，就像燃烧事件或阶跃函数压力施加到阀的上游，且可移动元件未处于闭合位置时，流体流动以飞快的速率开始，这产生形成在流体中的冲击前沿(shock front)。形成流的时间演变是复杂的，且是瞬时流动现象。流动演化也通过由可移动元件提供给流的移动边界而得到改变。
冲击前沿以某种速度非常迅速地到达阀的入口处或形成在阀的入口处。阀的入口和出口取决于流体流动的方向。冲击前沿是非常陡的，且在沿着阀的流体流路的某些位置处可以被看作是压力的阶跃函数。在冲击前沿之前且确实非常接近冲击前沿时，流体不受前沿的干扰。这意味着在压缩流情形时的这种前沿几乎能够完全通过阀，而不会发生通过阀的质量排放(mass discharge)。
当冲击前沿穿过阀时，在冲击前沿前行的某些位置处，其到达可移动元件的前沿面。可移动元件之上(即，此阶段的冲击面)和之下的区域(即，产生压力的力量)总和所增大的压力将显示为净压力，这开始加快阀朝向闭合方向。可移动元件的惯性使得前沿将通过阀，而不会使元件朝向闭合发生任何可察觉的移动。然而，冲击前沿撞击非流线型体，即集成到定子上的一排倒置金字塔的底部，且部分地沿着阀体返回。这还造成对穿过邻近非流线型体的流动区域的流的扰动。
由冲击前沿撞击非流线型体产生的对流的一般扰动引起了复杂事件的发生。其中之一是这使得上游压力增大，且因此，可移动元件上侧的压力增大，这增大了加速度，且因此增大了元件朝向闭合的速度。这还使得通过邻近非流线型体的流动区域的流排放减少，这降低了非流线型体下游的排放。净效果在于对任意时段，通过阀的确定的质量排放来说，可移动元件将比若此处没有非流线型体时的情况更快行进到达闭合点。从两个方面理解较高速度的闭合事件的重要性。首先，闭合时段越短，质量排放的时段就越短。第二点重要性在于以较高速度行进的可移动元件以较快的速度暴露其之后的容积，使得一些即将到来的流填充此容积。填充此刚刚提到的容积的质量将会以其他方式排放通过阀，即当可移动元件的速度增大时，阀的质量容量相对于质量排放增大。如果可移动元件能够行进得足够快，那么当闭合时，就不会有质量通过阀。
当可移动元件朝向闭合移动时，添加到流排放中的液滴是集成到暴露于流的定子上的额外的锋利边缘表面。
为了增大从可移动元件的上表面到下表面的压力差，沿着从定子的流路的流动区域在下表面(如，座的内径处)上的某一位置处聚集成最小，并从此位置又开始分开直至出口。阀的此区域可以被看作是缩放喷嘴(convergent divergent nozzle)。通过实施这种几何形状，在冲击前沿已经穿过定子之后，通过阀的流允许压力差最大，使阀两侧的压力比高达约0.8(压力比是阀出口处的压力对阀入口处的压力之比)。对压力比低于0.8来说，驻冲击前沿(standing shock front)将会定位在喉部和出口之间的某一位置，且就压力差而言，最佳情况是定位在出口处的驻冲击前沿。
为了确保闭合或开启时的冲击不会产生问题，可移动元件的突出容积(protruding volume)进入阀体的凹陷容积(recessed volume)，以形成贮器。侧面间隙是成比例的，以便阻止流体流出由这些容积的动力学匹配形成的缩小的贮器。流体以变化的压力排出缩小的贮器。由排出流体的容积而增大的压力的总和在减慢可移动元件方面是起作用的。
如果材料性能允许对闭合产生一定程度的冲击应力，那么底座区域可以是成比例的，使得可移动元件的质量对底座区域的商是足够低的，假设商越低，接近闭合的速度越低。数学模型已经表明，具有约22或更小的商值，冲击应力应该是低的。具有如前一段所描述的缩小的贮器可能并不是必须的。
通过阀的流体可以是可压缩的或不可压缩的。阀两侧的压力差可以是任意量级。
在此说明书中，定子被认为具有一排多面体，以形成非流线型体来增大阀的流动阻抗，然而，如果需要的话，定子可以具有若干排非流线型体或无序设置的非流线型体，或者采用阻挡或阻抗或扰动流体流动的任何系统，从而允许可移动元件的速度相对于排放通过阀的质量增大，由此降低闭合过程中的排放。非流线型体可以具有任何形式。
可以在阀体或可移动元件上采用动力学控制表面，以获得所要求的响应时间和质量排放特征。通过内部的流体流动或通过外部装置可以改变控制表面。
如果需要的话，可以在阀内部或外部采用机械闭合或开启帮助。此处的机械意指压电、磁、电磁、液压、气动、凸轮驱动、磁感应场。
在此说明书中，可移动元件被描述为由引导套管引导，应该理解，可移动元件要求其几何形状与阀体的几何形状准确对准，且可以按照许多方式实现这种对准。可移动元件被引导的方式与本发明关系不大。
应该理解，可以使用形成在阀体和可移动元件，或连接到可移动元件或阀体上的其他任何元件之间的任何空腔，当为了制动可移动元件而闭合，空腔体积减小时，空腔俘获流体以便使此流体在压力下泵送出，而不偏离本发明的主旨和范围。
应该理解，在某些流动条件下，可以省略定子和非流线型体。在一种形式中，可移动元件于是形成流线型体，其在开启和闭合过程中的所有时间都提供给流体流动。
在本发明的另一种形式中，可移动元件并不阻抗开启过程中的流动，而是阻抗闭合过程中的流动。这可以通过设置各种流动扰动表面，如湍流断开(turbulence trip)、流分离断开(flow separation trip)和产生涡流的表面(vortex generating surface)来实现，在流通过阀时，这些流动扰动表面对流体起到主导作用，同时阀闭合。这些流动扰动表面可以设置在可移动元件上或者阀体上或者其上都被设置。
虽然在此说明书中，已经描述了本发明的具体形式，但是应该理解，流体动力学或流体工程领域的技术人员可以对这些方面的其中一些适当地做出改变，而并不偏离本发明的主旨和范围。
权利要求
1.一种阀，其由阀体和可移动元件组成，其中所述阀两侧的压力差决定所述可移动元件的位置。
2.一种阀，其中所述阀两侧的压力差决定所述阀的开启或闭合状态。
3.一种阀，其中优选方向上的流是不受限制的。
4.一种阀，其中优选方向上的流是受到限制的。
5.如权利要求3所述的阀，其中所述优选方向是开启方向。
6.如权利要求3和5所述的阀，其中在沿着流路的所有位置处，阀体和可移动元件以流线型体呈现给流。
7.如权利要求4所述的阀，其中所述优选方向是闭合方向。
8.如权利要求4和7所述的阀，其中在沿着流路的各位置处，连接到阀体的流动抑制器提供给流。
9.如权利要求4和7所述的阀，其中在沿着流路的各位置处，连接到可移动元件的流动抑制器提供给流。
10.如权利要求7所述的阀，其中在沿着流路的各位置处，连接到阀体和可移动元件的流抑制器提供给流。
11.如权利要求6所述的阀，其中设置有固定到所述阀体的定子，当所述可移动元件处于开启位置以将流线型路径提供给穿过所述阀的开启方向的流时，所述定子与所述可移动元件相匹配。
12.如权利要求11所述的阀，其中所述定子由一排倒置的多面体组成，所述多面体的顶点面向穿过所述阀的开启方向的流。
13.如权利要求12所述的阀，其中流动区域存在于多面体旁边。
14.如权利要求7和13所述的阀，其中所述定子由一排倒置的多面体组成，所述多面体的底部从闭合方向面朝流，以形成提供给流的非流线型体。
15.一种阀，其中可移动元件在沿着流路的所有位置处，沿着任一方向都是流线型的。
16.一种阀，其中阀体在沿着流路的所有位置处，沿着任一方向都是流线型的。
17.一种阀，其中流抑制器设置在可移动元件上和/或阀体上。
18.如权利要求17所述的阀，其中所述流抑制器由集成到所述可移动元件和/或所述阀体上的湍流断开或流分离断开或涡流产生器组成。
19.一种阀，其中沿着流路的区域变化，以使可移动元件的上侧和底座侧之间的压力差最大。
20.如权利要求19所述的阀，其中提供给在闭合方向上沿着流路的流的流动区域聚集到沿着流路的一些点，且之后分开直至出口。
21.一种阀，其中存在用于流体泵送出阀体和可移动元件之间形成的动力学变化容积以降低所述可移动元件的闭合速度的设置。
22.一种阀，其中存在用于流体泵送出阀体和可移动元件之间形成的动力学变化容积以降低所述可移动元件的开启速度的设置。
23.一种阀，其中存在用于阀体或可移动元件上的动力学控制表面的设置。
24.一种阀，其中存在用于阀体或可移动元件上的动力学控制表面的设置，且所述控制表面可以通过内部流体流动或通过外部装置改变。
25.一种阀，其中存在用于可移动元件通过外部施加装置来帮助自身移动的设置。
26.一种阀，其中存在用于可移动元件通过外部施加机械装置来帮助自身移动的设置。
全文摘要
本发明涉及一种流体操作阀，由此通过阀中流体的流动来控制阀的开启或闭合状态。阀的几何形状使得其利用流体和占优势的流体流动特征来确定对开启和闭合事件的周期以及随后在这些事件过程中通过阀的质量排放的控制。阀的几何形状还用于当可移动元件接近完全开启或完全闭合位置时降低阀体与可移动元件之间的相对速度。
文档编号F16K15/08GK101449090SQ200780018468
公开日2009年6月3日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月21日
发明者迈克尔·帕特里克·狄克逊 申请人:迈克尔·帕特里克·狄克逊