Elemento de control de flujo de sinterizado directo de metal por láser.

Elemento de control de flujo (24) que comprende:

un cuerpo de elemento (36) que tiene un orificio (16) formado a través de éste y que define superficies periféricas internas y externas (48,

46) con una pluralidad de pasos de flujo tortuosos (54) que se extienden radialmente los mismos; en donde: el elemento de control de flujo (24) está configurado como una estructura unitaria formada a partir de capas sinterizadas de material en polvo; y

cada uno de los pasos de flujo (54) se extiende a través del elemento de control de flujo (24) a lo largo de al menos dos ejes; caracterizado porque los pasos de flujo tortuosos (54) están formados como al menos dos patrones diferentes de paso (56) que varían a lo largo de al menos uno de una altura y una anchura del cuerpo del elemento (36).

Elemento de control de flujo de sinterizado directo de metal por láser

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un elemento de control de flujo de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y a un método de fabricación de un elemento de control de flujo. El elemento de control de flujo está formado como una estructura unitaria de alta resistencia por la sinterización del metal por láser directo de capas sucesivas de material en polvo de tal manera que los pasos de flujo de ejes múltiples se pueden formar con geometrías altamente complejas.

Un ejemplo de una aplicación ejemplar en la cual el elemento de control de flujo puede estar integrado, es similar a aquella la cual se describe en la patente estadounidense de propiedad común Nº. 5, 687, 763. La patente '763 describe un dispositivo de control de fluido que incluye una estructura de válvula que tiene un elemento de control de flujo dispuesto dentro éste. Un obturador de válvula axialmente móvil está montada de manera deslizante en el interior de la carcasa de la válvula. El elemento de control de flujo descrito en la patente '763, está compuesto de una pila de discos anulares que colectivamente definen una serie de vías de paso directas que se extienden sustancial y radialmente entre las superficies o bordes radiales internos y externos de los discos. Cada una de las vías de paso sustancial y radialmente dirigidas, tiene una pluralidad de giros en ángulo recto formados entre estos para reducir la velocidad de fluido que está fluyendo a través del elemento de control.

Tal y como se describe en la patente '763, los discos individuales se pueden formar con pasos parciales o completos. Discos dispuestos adyacentemente o colindantes que tienen vías de paso pueden cooperar entre sí para definir completamente las vías de paso radiales del elemento de control de flujo. Del mismo modo, los discos colindantes que tienen pasos completos formados en una dirección radial, pueden cooperar con discos adyacentes apilados por encima o por debajo para definir completamente las vías de paso radiales del elemento de control de flujo. En este sentido, los discos colindantes actúan de tope para cerrar la comunicación del fluido dentro de las vías de paso del disco indicado mediante la utilización de caras planas de los discos adyacentes.

Idealmente, las vías de paso radiales son tortuosas en naturaleza ya que los pasos contienen un número sustancial de giros para reducir la velocidad del fluido que fluye a través del elemento de control. Corno se describe en la patente '763, el elemento de control de flujo puede ser configurado para reducir la velocidad del flujo que fluye en una dirección hacia el interior. Alternativamente, el elemento de control de flujo puede ser configurado para reducir la velocidad del fluido que fluye en una dirección hacia el exterior.

Un tipo de práctica hasta la fecha en la fabricación de tales elementos de control de flujo, ha sido pre-mecanizar discos individuales endurecidos y después alinear y ensamblar los discos endurecidos en una pila para formar el elemento de control de flujo que tiene la pluralidad de pasos. La fijación de la pila de discos endurecidos se ha hecho ya sea por el uso de varillas de tensión como se muestra en la patente '763 o por el uso de materiales de soldadura en donde las superficies de soporte tales como los bordes periféricos externos de los discos adyacentes se sueldan en conjunto para ensamblar la pila de discos. En el caso de discos o cilindros de carburo de tungsteno, la pila ensamblada puede aparecer como un elemento unitario o de una pieza, aunque el elemento esté realmente compuesto de varios discos o cilindros múltiples que se sueldan o de otro modo se unen entre sí.

Una de las ventajas de la utilización de carburo de tungsteno para formar el elemento de control de flujo, es su resistencia superior a la erosión. Particularmente en aplicaciones de servicio severo en donde la arena arrastrada puede ser capturada en el fluido que fluye a través de un conjunto de válvula, el elemento de control de flujo debe tener una resistencia muy alta a la erosión por arrastre de arena. En este sentido, el carburo de tungsteno es el elemento conocido más duro con una resistencia a la compresión que es mayor que aquella de cualquier otro metal

o aleación haciendo al carburo de tungsteno muy adecuado para aplicaciones resistentes a la abrasión.

Sin embargo, un inconveniente significativo para el uso del carburo de tungsteno y otros materiales en un elemento de control de flujo, es la dificultad asociada con el mecanizado del material debido a su dureza extrema. Por ejemplo, ciertas aleaciones tales como aleaciones de acero inoxidable y carburo de tungsteno, solo pueden ser mecanizadas utilizando dispositivos de trituración de grano de diamante. Además, un costo sustancial en usar discos de carburo de tungsteno es la necesidad de triturarlos planos antes del ensamble en la pila de disco. Los discos deben ser triturados planos para asegurar el registro y alineamiento apropiado de los discos en la formación de pila para prevenir un efecto de "formación de taco" en donde los discos en la pila pueden deformarse. El efecto de formación de taco puede también ocurrir cuando se usan hojas de metal de acero inoxidable con electrones de descarga mecanizada (EDM) o discos de perforación.

Pueden resultar deformaciones entre los discos adyacentes en espacios entre los discos, que pueden permitir el escape de fluido. El escape del fluido puede dar lugar a una reducción general en la capacidad de disipación de la energía de la pila de disco. Además, como el fluido de alta presión fluye a través de los espacios entre los discos deformados, puede ocurrir que con la erosión de los discos adyacentes, con el tiempo, puede además reducir la capacidad de disipación de energía de la pila de disco y puede comprometer el desempeño total del elemento de control de flujo y, finalmente, el control total de la válvula el cual podría tener un efecto en el sistema completo.

En un intento por superar los inconvenientes indicados anteriormente asociadas con el ensamble de discos premecanizados de material endurecido, se han desarrollado en la técnica anterior, prácticas alternativas para la fabricación de elementos de control de flujo que incluye el uso de tecnología en estado inmaduro. Más específicamente, en un proceso de fabricación en estado inmaduro, el elemento de control de flujo se forma por una serie de discos anulares individuales pre-formados en estado inmaduro fabricados de mezcla de polvo de cerámica o metálico (tal como la mezcla en polvo de acero inoxidable o carburo de tungsteno) , en un estado inmaduro no sinterizado. Se agrega material aglutinante a la mezcla en polvo para ayudar en unir permanentemente partículas de la mezcla en polvo durante la sinterización de los discos en estado inmaduro.

Los discos individuales en estado inmaduro tienen pasos de disco completos o parciales formados allí mismo. La serie de discos en estado inmaduro son ensamblados en una formación apilada de manera que los pasos de discos completos o parciales de discos en estado inmaduro adyacentemente dispuestos, forman los pasos del dispositivo sustancialmente radial. Los pasos parciales se forman en los discos, previo al ensamble de los discos en estado inmaduro individual. Los discos individuales en estado inmaduro son ensamblados en la formación apilada, previo al endurecimiento de los discos por calor. La pila ensamblada de discos en estado inmaduro es sinterizada o calentada como una unidad para unificar los discos individuales en estado inmaduro en conjunto en el elemento de control de flujo.

Aunque el proceso de manufacturación en estado inmaduro descrito anteriormente supera algunas de las dificultades asociadas con el mecanizado y montaje del material endurecido, el proceso en estado inmaduro incluye limitaciones inherentes relacionadas con la formación de los pasos de flujo interno. Más específicamente, en algunos elementos de control de flujo, es deseable proporcionar trayectorias de flujo altamente completas en los pasos de flujo internos, de tal manera que los pasos de flujo interno tengan una pluralidad de giros en ángulo recto de ejes múltiples para optimizar las características de control de flujo para una aplicación dada.

Desafortunadamente, la formación de trayectorias de flujo de varios ejes utilizando la tecnología de pila de discos convencional o usando tecnología de estado inmaduro o bien no es posible o es muy costoso debido a la inversión requerida en herramientas y al tiempo sustancial de fabricación y montaje. Además, las prácticas de fabricación usando tecnología conocida de apilado de discos o usando tecnología... [Seguir leyendo]

1. Elemento de control de flujo (24) que comprende:

un cuerpo de elemento (36) que tiene un orificio (16) formado a través de éste y que define superficies periféricas internas y externas (48, 46) con una pluralidad de pasos de flujo tortuosos (54) que se extienden radialmente los mismos; en donde:

el elemento de control de flujo (24) está configurado como una estructura unitaria formada a partir de capas sinterizadas de material en polvo; y

cada uno de los pasos de flujo (54) se extiende a través del elemento de control de flujo (24) a lo largo de al menos dos ejes;

caracterizado porque los pasos de flujo tortuosos (54) están formados como al menos dos patrones diferentes de paso (56) que varían a lo largo de al menos uno de una altura y una anchura del cuerpo del elemento (36) .

2. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 1 en el que cada uno de los pasos de flujo (54) se extiende a través del elemento de control de flujo (24) a lo largo de al menos tres ejes (B, C, D) .

3. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 2 en el que los ejes (B, C, D) están orientados ortogonalmente uno con relación a otro.

4. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 1 en el que al menos uno de los pasos de flujo (54) :

• define una pluralidad de giros de ángulos sustancialmente rectos a lo largo de al menos uno de los ejes (B, C, D) ; o • incluye una protuberancia (52) orientada de manera sustancialmente transversal respecto a una dirección de flujo de fluido a través del paso de flujo (54) .

5. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 1 en el que el orificio (16) incluye una superficie periférica interior (48) que tiene al menos una ranura de laberinto anular (50) formado en el mismo.

6. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 1 en el que:

el elemento de control de flujo (24) incluye una parte superior (38) , una porción intermedia (40) y una parte inferior (42) ; y

los conductos de flujo (54) se disponen dentro de la parte intermedia (40) .

7. El elemento de control de flujo (24) de la reivindicación 1 en el que cada uno de los conductos de flujo (54) tiene una sección transversal formada en al menos uno de una configuración ortogonal y redondeada; preferiblemente la sección transversal de paso de flujo está generalmente en expansión a lo largo de una dirección de fluido fluir a través del conducto de flujo (54) .

8. Un conjunto de válvula (10) que incluye el elemento de control de flujo (24) como se define en las reivindicaciones 1-7, que comprende:

una carcasa de válvula (12) que tiene el elemento de control de flujo (24) montado dentro de la misma, de que manera tal que el fluido que fluye a través de la carcasa de la válvula (12) pasa a través de los conductos de flujo (54) .

9. El conjunto de válvula (10) de la reivindicación 8 que comprende además: un obturador de válvula (34) dispuesto de forma deslizable dentro del orificio del cuerpo del elemento (36) , el obturador de la válvula (34) está configurado para regular la cantidad de pasos de flujo (54) que pasan a través del cual el fluido puede pasar.

10. Una carcasa de válvula (12) que tiene un elemento de control de flujo (24) como se define en las reivindicaciones 1-7, montado dentro de la misma, de manera que el fluido que fluye a través de la carcasa de la válvula (12) pasa a través de los pasos de flujo (54) en el que el paso de flujo del flujo del elemento de control se extiende a lo largo de al menos tres ejes (B, C, D) orientados ortogonalmente uno con relación al otro.

11. Un método de fabricación de un elemento de control de flujo (24) que comprende las etapas de:

(a) proporcionar una capa de material metálico potente;

(b) la aplicación de energía láser a las porciones de la capa de material metálico en polvo hasta que las porciones solidifican; y

(c) repetir las etapas (a) y (b) con capas sucesivas de material metálico potente hasta que el elemento de control de flujo (24) se forma como una estructura unitaria con una pluralidad de pasos de flujo tortuosos

(54) formados en el mismo;

caracterizado porque los pasos de flujo tortuosos (54) están formados como al menos dos patrones diferentes de paso (56) que varían a lo largo de al menos uno de una altura y una anchura del cuerpo del elemento (36) .

12. El método de la reivindicación 11 en el que la etapa (b) comprende aplicar selectivamente energía láser a las porciones de material metálico en polvo de acuerdo con un modelo de ordenador del elemento de control de flujo (24) .

13. El método de la reivindicación 11 en el que la etapa (c) comprende:

• formar el elemento de control de flujo (24) de tal manera que al menos uno de los pasos de flujo (54) define una pluralidad de una pluralidad de giros de ángulo sustancialmente rectos a lo largo de al menos uno de tres ejes.

• formar el elemento de control de flujo (24) de tal manera que al menos uno de los pasos de flujo (54) incluye una protuberancia (52) orientada de manera sustancialmente transversal respecto a una dirección de flujo de fluido a través del paso de flujo (54) .

• formar el elemento de control de flujo (24) para incluir una superficie periférica interior (48) que tiene al menos una ranura de laberinto anular (50) formada en el mismo; o

• formar el elemento de control de flujo (24) para incluir una parte superior (38) , una porción intermedia (40) que tiene los pasos de flujo (54) dispuestos en su interior, y una parte inferior (42) .