本公开内容总体涉及流体减压设备，更具体而言，涉及制造更有效和高效地减小过程控制系统中的流体压力的设备的方法。
背景技术
在过程控制系统中，诸如通常在化学、石油、发电或其它工业过程中找到的分布式或可扩展的过程控制系统，通常需要减小流体的压力。但是，压力减小通常会导致不想要的噪音和/或振动水平增加，如美国专利no.6,935,370(“370专利”)的背景部分所讨论的。因此，过程控制系统通常采用流量限制设备，其旨在以不会导致噪声和/或振动水平增加的方式减小流体压力，这样的流量限制设备可以包括例如流量控制阀、流体调节器\阀笼、扩散器、消音器。
“370专利”例示了流体压力限制设备的几个不同示例，每个示例采取多个堆叠盘的形式，当在流体流量控制阀中使用时，减小流过其中的流体的压力。一个示例(如“370专利”的图5中所示)的特征是多个堆叠的环形盘100彼此相对旋转以创造各自提供多级减压的流动路径62。堆叠100的每个盘60具有激光切割轮廓，其限定了水平的螺旋流动路径62，该流动路径62从入口部分68延伸，穿过由一系列平坦腿部部分形成并且包括限制部74、76的中间部分70，并且延伸到具有比入口部分68更大的横截面面积的出口部分72。“370专利”的图8中例示的另一个示例的特征是环形盘130限定相交的流体流动路径136、138，使得流动在其中的流体碰撞，由此释放能量并减小流体压力。
技术实现要素：
根据本发明的第一示例性方面，提供了一种用于流体流动控制设备中的流体减压设备。所述流体减压设备包括一体式本体、多个第一流动路径和多个第二流动路径。所述一体化本体具有内壁和与所述内壁径向向外间隔开的外壁。所述第一流动路径限定在所述本体的所述内壁与所述外壁之间。所述第一流动路径中的每个第一流动路径包括入口部分、出口部分和在所述入口部分与所述出口部分之间的弯曲中间部分，其中，所述第一流动路径中的每个第一流动路径的所述入口部分沿着第一入口轴线定向。所述第二流动路径限定在所述本体的所述内壁与所述外壁之间。所述第二流动路径中的每个第二流动路径包括入口部分、出口部分和在所述入口部分与所述出口部分之间的弯曲中间部分，其中，所述第二流动路径中的每个第二流动路径的所述入口部分沿着平行于所述第一入口轴线但是与所述第一入口轴线间隔开的第二入口轴线定向。
根据本发明的第二示例性方面，提供了一种用于流体流动控制设备中的流体减压设备。所述流体减压设备包括一体化本体、多个第一流动路径和多个第二流动路径。所述一体化本体包括中心开口和围绕所述中心开口的基本上圆柱形的周边，所述中心开口限定中心纵向轴线，并且所述周边具有内壁和与所述内壁径向向外间隔开的外壁。所述第一流动路径限定在所述本体的所述内壁与所述外壁之间。所述第一流动路径中的每个第一流动路径包括入口部分、出口部分和在所述入口部分与所述出口部分之间的弯曲中间部分，其中，所述第一流动路径中的每个第一流动路径的所述入口部分沿着垂直于所述中心纵向轴线的第一入口轴线定向。所述第二流动路径限定在所述本体的所述内壁与所述外壁之间。所述第二流动路径中的每个第二流动路径包括入口部分、出口部分和在所述入口部分与所述出口部分之间的弯曲中间部分，其中，所述第二流动路径中的每个第二流动路径的所述入口部分沿着平行于所述第一入口轴线但与所述第一入口轴线间隔开的第二入口轴线定向。
根据本发明的第三示例性方面，一种定制制造用于过程控制阀的流体减压设备的方法。所述方法包括使用增材制造技术来创造所述流体减压设备，所述创造总体包括形成本体并且在所述本体中形成多个流动路径。所述本体具有内壁和与所述内壁径向向外间隔开的外壁。所述流动路径形成在本体中在所述本体的所述内壁与所述外壁之间。所述流动路径中的每个流动路径包括形成在所述内壁和所述外壁中的一个中的入口部分、弯曲中间部分以及形成在所述内壁和所述外壁中的另一个中的出口部分。
进一步根据前述第一、第二和第三示例性方面中的任何一个或多个示例性方面，流体减压设备和/或制造流体减压设备的方法可以包括以下进一步优选形式中的任何一个或多个优选形式。
在一个优选形式中，所述第一流动路径的所述入口部分和所述第二流动路径的所述入口部分形成在所述内壁中，并且所述第一流动路径的所述出口部分和所述第二流动路径的所述出口部分形成在所述外壁中。
在另一个优选形式中，所述一体化本体包括中心开口和围绕所述中心开口的基本上圆柱形的周边，所述中心开口限定所述一体化本体的中心纵向轴线，并且所述第一轴线和所述第二轴线垂直于所述中心纵向轴线。
在另一优选形式中，所述多个第二流动路径相对于所述多个第一流动路径围绕中心纵向轴线旋转，使得所述多个第二流动路径从所述多个第一流动路径偏移。
在另一个优选的形式中，对于所述第一流动路径和所述第二流动路径中的每个流动路径，所述入口部分的横截面面积小于与所述入口部分相关联的相应出口部分的横截面面积。
在另一优选形式中，所述第一流动路径和所述第二流动路径中的每个流动路径的所述弯曲中间部分包括一对环，每个环包括平行于所述一体化本体的中心纵向轴线的分量。
在另一优选形式中，所述第一流动路径中的每个第一流动路径的所述出口部分沿着第一出口轴线定向，所述第一出口轴线平行于相应入口部分的所述第一入口轴线但与所述第一入口轴线间隔开。
在另一优选形式中，所述多个第一流动路径和所述多个第二流动路径中的相邻流动路径共享共同入口和共同出口。
在另一优选形式中，所述第一流动路径和所述第二流动路径中的每个流动路径的所述弯曲中间部分包括渐变的半圆形形状，所述渐变的半圆形形状不包括任何突然的方向改变。
在另一优选形式中，所述第一流动路径中的每个第一流动路径与一个或多个相邻的第一流动路径相交，并且所述第二流动路径中的每个第二流动路径与一个或多个相邻的第二流动路径相交。
在另一个优选的形式中，所述增材制造技术包括3d打印。
附图说明
被认为是新颖的本发明的特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考以下结合附图的描述，可以最好地理解本发明，其中相同的附图标记表示几个附图中的相同元件，其中：
图1是根据本公开内容的教导的用于制造流体减压设备的过程或方法的一个示例的示意图；
图2a是根据图1的过程制造的流体减压设备的第一示例的透视图；
图2b是图2a的流体减压设备的横截面图；
图2c例示了当流体减压设备的其余部件被移除时从图2a的流体减压设备的内径观察的两排流动路径。
图2d例示了当流体减压设备的其余部件被移除时从图2a的流体减压设备的外径观察的六排流动路径；
图2e例示了图2a的流体减压设备的一个流动路径；
图3a是根据图1的过程制造的流体减压设备的第二示例的透视图；
图3b是图3a的流体减压设备的横截面图；
图3c例示了当流体减压设备的其余部件被移除时图3a的流体减压设备的多个流动路径；和
图4是根据图1的过程制造的流体减压设备的第三示例的横截面图。
具体实施方式
本公开内容总体涉及制造设备的方法，该设备比传统的流体减压设备(例如，上述的堆叠盘100)更高效和有效地减小流体压力，并且同时比这种传统的流体减压设备制造更容易且成本更低。本文所述的方法利用先进制造技术(例如，增材制造)以促进流体减压设备的定制制造，使得取决于给定的应用，可以开发任何数量的不同的复杂的流动路径并将其结合到一体化(unitary)本体或单个本体中。
图1是根据本发明的教导的方法或过程100的示例的图。在图1中示意性描绘的方法或过程100是定制制造诸如阀内件部件的流体减压设备的方法或过程。类似于上述传统流体减压设备(例如，盘100的堆叠)，根据方法或过程100制造的流体减压设备构造为减小流过其中的流体的压力，但是如上所述，其更有效和高效，并且同时，更容易制造且成本更低。
更具体地，方法100包括基于给定应用而使用增材制造技术来创造定制流体减压设备的动作104。增材制造技术可以是通过在材料上增加连续材料层来构建三维物体的任何增材制造技术或过程。增材制造技术可以通过任何合适的机器或机器的组合来执行。增材制造技术通常可涉及或使用计算机、三维建模软件(例如，计算机辅助设计或cad软件)、机器装备和层叠材料。一旦产生了cad模型，机器装备可以从cad文件读取数据并以逐层方式层叠或者增加(例如)液体、粉末、片材的连续层，以制造三维物体。增材制造技术可以包括几种技术或过程中的任何一种，诸如，举例来说，立体光刻(“sla”)过程、熔融沉积建模(“fdm”)过程、多喷射建模(“mjm”)过程、选择性激光烧结(“sls”)过程、电子束增材制造过程和电弧焊增材制造过程。在一些实施例中，增材制造过程可以包括定向能量激光沉积过程。这样的定向能量激光沉积过程可以由具有定向能量激光沉积能力的多轴计算机数字控制(“cnc”)车床执行。
创造定制流体减压设备的动作104包括形成一体化本体或单个本体(动作108)并在一体化本体或单个本体中形成多个流动路径(动作112)。一体化本体可以由一种或多种合适的材料制成，诸如，举例来说，不锈钢、铝、各种合金，并且由于可定制，可以是任何数量的不同形状和/或尺寸。作为示例，一体化本体可以采取由内壁和与内壁径向向外间隔开的外壁限定的中空圆柱体的形式。形成在本体中的流动路径通常构造成减小流过其中的流体的压力。如上所述，使用增材制造技术来定制制造流体减压设备允许基于期望的应用来形成流动路径。换而言之，流动路径基于期望的应用是可定制的。由于可定制，流动路径可以是独特且复杂的，具有任意数量的不同长度，具有任何数量的不同的横截面尺寸和/或形状，和/或可以以任何数量的不同模式布置。作为结果，一个或多个流动路径可以形成为与一个或多个其它流动路径相交，一个或多个流动路径可形成为包括或限定多个不同的压力级(例如，第一压力级和其中压力小于第一压力级中的压力的第二压力级)，一个或多个流动路径可以是非水平的(即，包括垂直分量，使得流动路径不仅仅是水平的)，一个或多个流动路径可以随着流体从中穿过而在形状和/或尺寸上变化，一个或多个流动路径可以与一个或多个其它流动路径不同，一个或多个流动路径的长度可以最大化，流动路径可以贯穿一体化本体彼此(水平地或垂直地)错开或偏移，或以上情况的组合。
应该理解，动作104(以及动作108、112)可以被执行任意数量的不同次数。动作104可以例如多次执行，以创造用于单个过程控制阀的多个流体减压设备，其中为特定应用创造每个流体减压设备。替代地或附加地，动作104可以多次执行，以便创造用于多个相似或不同的过程控制阀的流体减压设备。
图2a-2e例示了使用该方法或过程100定制制造的流体减压设备200的第一示例。该示例中的流体减压设备200采取阀笼的形式，该阀笼可以用在过程控制阀中。流体减压设备200具有单个本体或一体化本体204以及在一体化本体204中形成或限定的多个流动路径208。流动路径208以最大化它们的长度的方式形成在一体化本体204中，从而最大化(或至少增强)设备200的减压能力。
本体204具有中心开口212和围绕中心开口212的基本上圆柱形的周边216。中心开口212沿着中心纵向轴线218延伸并且其尺寸被设计成接收阀塞(未示出)，该阀塞可移动地设置在其中以控制流体流过过程控制阀。基本上圆柱形的周边216由内壁220和与内壁220径向向外间隔开的外壁224限定。
如图2b中最佳例示的，流动路径208形成在基本上圆柱形的周边216的一部分中。流动路径208跨越周边216的程度通常取决于设置在流体减压设备200中阀塞的行进范围。在该示例中，流动路径208仅跨越周边216的大约50％，流动路径208仅形成在周边216的底端228与周边216的大约位于周边216的底端228与顶端232之间的中间位置(halfway)的部分之间。在其它示例中，可以增加或移除流动路径，使得流动路径208可以相应地跨越周边216的更多或更少。作为示例，可以增加额外排的流动路径208，使得流动路径208跨越整个周边216(即，可以形成在底端228与顶端232之间)。
如图2a-2d最佳例示的，流动路径208围绕中心开口212周向布置。流动路径208布置在本体204内的多个排234中，流动路径208的交替排234相互错开或偏移。因此，作为示例，排234a中的流动路径208a从邻近排234a的排234b中的流动路径208b错开或偏移。以这种方式错开流动路径208有助于实现贯穿流体减压设备200的平衡流体流动，然而流动路径208不必以这种方式错开或者流动路径208根本不需要错开。
如图所例示，每个流动路径208具有基本上圆形形状的横截面，并且包括入口部分236、出口部分240以及在入口部分236与出口部分240之间延伸的弯曲中间部分244。入口部分236形成在内壁220内并且靠近内壁220(并且因此靠近中心开口212)，并且沿着基本垂直于(例如，垂直于)纵向轴线218的第一轴线(例如，轴线248)定向。出口部分240形成在外壁224内并靠近外壁224。在这个示例中，中间部分244采用两个相同的螺旋形环250的形式，每个螺旋形环250将入口部分236连接到出口部分240(反之亦然)。如图2b和2e最佳例示的，每个环250在向内和向上延伸到出口部分240之前从入口部分236向外和向上延伸，使得出口部分240径向对齐入口部分236但位于入口部分236的上方(即，出口部分240比入口部分236更靠近顶端232)。换而言之，出口部分240沿着第二轴线(例如，轴线252)定向，第二轴线与纵向轴线218基本上垂直(例如，垂直)且平行于第一轴线(例如，轴线248)但是位于第一轴线竖直上方。以这种方式，环250用于增加(并且最大化)每个流动路径208的长度。还如图2b和2e所例示，每个环250具有随着环250从入口部分236延伸到出口部分240而增加(例如，逐渐增加)的横截面流动面积。因此，出口部分240的横截面面积大于入口部分236的横截面面积。在该示例中，出口部分240的横截面面积大约是入口部分236的横截面面积的3倍。
在其它示例中，入口部分236可以形成在外壁224中并且靠近外壁224(而不是内壁220)，并且出口部分240可以形成在内壁220中并靠近内壁220(而不是外壁224)，使得流体在相反方向上流过流体减压设备200。此外，在其它示例中，环250可以与图2b-2e中所例示的环250不同地延伸。作为示例，环250可以向下延伸到出口部分240，使得出口部分240位于入口部分236下方(并且第二轴线252位于第一轴线248下方)。替代地或另外地，入口部分236和出口部分240的横截面面积可以分别改变。在一些情况下，出口部分240的横截面面积与入口部分236的横截面面积的比率可以从本文所述的3:1比率变化。例如，比率可以是4：1，2：1或其它值。在其它情况下，入口部分236的横截面面积可以等于出口部分240的横截面面积。
在任何情况下，当如上所述进行配置时，每个流动路径208限定多级减压。更具体地，每个流动路径208限定三级减压，其中，由入口部分236限定第一压力级，由中间部分244(即，环250)限定第二压力级以及由中间部分244的端部和出口部分240限定第三压力级。当设备200(在过程控制阀的阀体中)运行时，并且阀塞移动到部分打开位置(暴露部分入口部分236)或完全打开位置(暴露所有入口部分236)时，具有第一流体压力的流体经由中心开口212流入流动路径208的暴露的入口部分236中。流体然后将流入每个流动路径208的中间部分244。中间部分244将流体分配到两个环250中，使得流体被分开或分离并且环绕环250行进。当发生这种情况时，环250在流体向上行进到出口部分240的同时迫使流体跨越或沿着环250的外部轮廓拖动，使得重力作用在流体上，由此减小流体的速度，减小流体的动能，并且进而，将流体的压力减小到小于第一流体压力的第二流体压力。当环250朝向共同出口部分240汇聚，由此重新聚合分离的流体时，已经穿过环250中的一个环的流体将与已经穿过每个流路径208的另一个环250的流体碰撞。流体碰撞耗散流体中的能量，实现流体压力的进一步减小，即，将流体压力减小至小于第二流体压力的第三流体压力。
图3a-3c例示使用方法或过程100定制制造的流体减压设备300的第二示例。该示例中的流体减压设备300也采用阀笼的形式，阀笼可用于过程控制阀。类似于减压设备200，流体减压设备300具有单个本体或一体化本体304和多个流动路径308，多个流动路径308以使其长度最大化的方式形成或限定在一体化本体304中，从而最大化(或至少增强)设备300的压力能力。
单个或一体化本体304与上面讨论的单个或一体化本体204基本相同，其中，共同的附图标记用于指代共同的部件。与流动路径208类似，多个流动路径308被分成彼此错开或偏移的排(例如，流动路径308的排334a从流动路径308的排334b偏移)，但是流动路径308以下面讨论的方式不同于多个流动路径208。
与减压设备200不同，流体减压设备300包括用于相关联的(例如，相邻的)流动路径308的共同入口部分312和共同出口部分316。每个入口部分312用作两个相关联的(例如，相邻的)流动路径308的共同入口部分，而每个出口部分316用作相同的两个相关联的(例如，相邻的)流动路径308的共同出口部分。作为示例，入口部分312a用作彼此相邻的流动路径308a、308b的共同入口部分，而出口部分316a用作流动路径308a、308b的共同出口部分。
每个流动路径308然后包括中间部分320，该中间部分320在共同入口部分312中的一个入口部分与共同出口部分316中的一个出口部分之间延伸。如图所例示，每个流动路径308的中间部分320具有不包括任何突然的方向变化(如本领域已知的那样，倾向于引起流动不平衡，降低通道效率，并且在某些情况下，导致闪蒸(flashing)和气蚀)的渐变的半圆形形状。
如此配置，每个流动路径308具有与一个或多个相邻流动路径308相交的渐变的弯曲的流动路径，使得流过一个流动路径308的流体与流过一个或多个相邻流动路径308的流体碰撞，由此耗散流体中的能量并减小流体压力。在该示例中，每个流动路径308在两种情况下与一个相邻流动路径308相交-一次是在流动从入口部分312过渡到中间部分320时，并且再一次是在流动从中间部分320过渡时。例如，当流动路径308b、308c中的每个流动路径中的流体从相应的入口部分312过渡到相应的中间部分320，并且再次当流动路径308b、308c中的每个流动路径中的流体从相应的中间部分320过渡到相应的出口部分316时，经由流动路径308b流动的流体将与经由流动路径308c流动的流体相交。然而，在其它示例中，每个流动路径308可以与另外的或不同的流动路径308相交，可以与一个或多个流动路径308相交仅一次或多于两次以上，和/或可以在本体304中不同位置处与一个或多个流动路径308相交。
图4例示了使用方法或过程100定制制造的流体减压设备400的第三示例。该示例中的流体减压设备400也采用可用于过程控制阀的阀笼的形式。与减压设备200一样，流体减压设备400具有单个或一体化本体404以及形成或限定在一体化本体404中的多个流动路径408。
单个或一体化本体404与上面讨论的单个或一体化本体204基本相同，其中，共同的附图标记用于指代共同的部件。然而，多个流动路径408与多个流动路径208的不同之处在于：(1)随着流动路径408远离本体404的底端228并且朝向本体404的顶端232移动，流动路径408的入口部分412的长度减小，(2)随着流动路径408远离本体404的底端228并朝向本体404的顶端232移动，流动路径408的出口部分416的长度增加，以及(3)随着流动路径408远离本体404的底端228并朝向本体404的顶端232移动，出口部分416相对于纵向轴线218的定向改变(在这种情况下，其间的角度减小)。结果，入口部分412a将具有比更靠近底端232的入口部分412b更小的行程范围，并且出口部分416a(例如，与入口部分412a相关联)将具有比更靠近底端228的出口部分416b更大的行程范围。
应该理解，当流体流过流动路径408时，流动路径408以与上述流动路径208类似的方式减少流体的压力。然而，在某些情况下，因为流动路径408比流动路径208(利用设备200的轮廓)利用更多的设备400的轮廓，并且因为流动路径408具有比流动路径208更大的竖直分量，所以设备400实际上可以比设备200更有效地减小流体的压力。并且有利地，尽管出口部分416比出口部分240展开更多(以帮助实现减压)，但是设备400不需要使用较大的致动器(即，具有较长行程的致动器)，因为入口部分412的定位与出口部分236的定位一致。
本文描述了本发明的优选方面，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式或多个模式。虽然本文示出并描述了许多示例，但本领域技术人员将容易理解，各个方面的细节不必相互排斥。相反，本领域技术人员在阅读本文的教导后应该能够将一个方面的一个或多个特征与其余方面的一个或多个特征组合。此外，还应该理解的是，所例示方面仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的范围。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有指示或者与上下文明显矛盾。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明的一个或多个方面，而不是对本发明的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的特征对于本发明的实践是必不可少的。