JP5503553B2 - 直接金属レーザ焼結された流れ制御要素 - Google Patents

Description

本発明は、概して、流れ制御装置に関し、特に、内部を流れる流体の速度を低下させるように適合されると共に、複数の多軸内部流路を備えて経済的に大量生産され得る絞り器又は流れ制御要素に関する。流れ制御要素は、多軸流路が極めて複雑な外形を備えて形成され得るように、粉末材料の連続層の直接金属レーザ焼結によって、高強度の一体構造として形成される。

流れ制御要素が組み込まれ得る例示的な適用は、所有者の共通する特許文献１に開示されたものと同様である。特許文献１は、弁構造体を含む流れ制御装置を開示しており、弁構造体には、流れ制御要素が内部に配置される。軸方向へ移動可能な弁プラグは、弁ハウジングの内部に摺動可能に取り付けられる。特許文献１に開示される流れ制御要素は、積み上げられた環状円板を含み、環状円板は、この円板の半径方向面の内側と外側との間又は端縁の間に延びる一連の実質的に半径方向へ向けられた通路を集合的に画定する。実質的に半径方向へ向けられた通路の各々は、流れ制御要素を通って流れる流体の速度を低下させるための、内部に形成される複数の直角な湾曲部を有する。

特許文献１に開示されるように、個々の円板は、部分的又は完全な通路を備えるように形成されてもよい。部分通路を有する円板は、当接して又は隣接して配置され、互いに協働して流れ制御要素の半径方向通路を完全に画定し得る。同様に、半径方向に形成された完全通路を有する当接する円板は、上方又は下方に積み重ねられた隣接する円板と協働して流れ制御要素の半径方向の通路を完全に画定し得る。この点に関して、当接する円板は、隣接する円板の平坦面を利用することにより、対象の円板の通路内における流体の連通を封鎖するように作用する。

理想的には、半径方向の通路は、流れ制御要素を通って流れる流体の速度を低下させるための相当な数の湾曲部を有するため、本質的に蛇行状である。特許文献１に開示されるように、流れ制御要素は、内側方向に流れる流体の速度を低下させるように構成されてもよい。或いは、流れ制御要素は、外側方向に流れる流体の速度を低下させるように構成されていてもよい。

このような流れ制御要素の作製において、今までの実践の一つは、個々の硬化円板を予め機械加工し、次に、複数の通路を有する流れ制御要素を形成するために、積み重ねられた硬化円板を整列させて組み立てることであった。硬化円板の積重ねの固定は、特許文献１に示されるようなテンションロッドを使用するか、或いは蝋付け材料を使用して、円板の積重ねを組み立てるために、隣接する円板の外側周囲縁等の支持面を互いに蝋付けするものであった。炭化タングステンの円板又は円柱体の場合には、組み立てられた積重ねは一体型即ち単一部品からなる要素のように見え得るが、実際には、その要素は互いに蝋付けされ、或いは取り付けられた多数の円板又は円柱体からなる。

流れ制御要素を形成するために炭化タングステンを使用することの利点の一つは、その優れた耐腐食性にある。特に、混入した砂が、弁アセンブリを通って流れる流体中に捕らえられ得る過酷な業務用途において、流れ制御要素は、混入した砂からの腐食に対して、極めて高い耐性を有していなければならない。この点に関して、炭化タングステンは最も硬い周知の要素であり、他の金属又は合金よりも高いその圧縮強度は、炭化タングステンを耐磨耗用途に良く適するものにしている。

しかしながら、流れ制御要素に炭化タングステン及び他の材料を使用することの重大な欠点は、材料のその極度な硬さに起因する機械加工に関連した困難性である。例えば、ステンレス鋼及び炭化タングステンの合金等の特定の合金は、ダイヤモンド粒研磨機を使用することでのみ機械加工され得る。更に、炭化タングステンの円板の使用におけるかなりの費用は、円板束に組み立てる前に、それら円板を平坦に研磨するための要件である。円板は、積み重ねの円板が撓んでしまう「タコス化（ｔａｃｏｉｎｇ）」効果を阻止するべく、積み重ねにおいて、円板の適切な位置合わせ及び整列を保証するために、平坦に研磨されなければならない。タコス化効果はまた、ステンレス鋼シート金属を使用して放電機械加工（ＥＤＭ）又は円板の穴抜き加工を行う時にも生じ得る。

隣接する円板の間における撓みは、流体の漏出を許容しかねない円板間の間隙をもたらし得る。漏出した流体は、結果的に円板束のエネルギ分散性能の全体的な低下をもたらす。加えて、撓んだ円板の間の間隙を通って高圧の流体が流れるにつれて、隣接する円板の腐食が生じ得、これは徐々に円板束のエネルギ分散性能を更に低下させ得ると共に、流れ制御要素の全体的な性能を損なわせ、最終的には、システム全体に影響を及ぼし得る弁の全体的な制御を損なわせ得る。

予め機械加工された硬化材料の円板を組み立てることに関連する上記の欠点を克服する試みにおいて、未焼結状態（ｇｒｅｅｎ ｓｔａｔｅ）技術の使用を含む流れ制御要素を機械加工するための代替の実践が、従来技術において開発されている。より具体的には、未焼結状態製造法において、流れ制御要素は、焼結されていない未焼結状態の金属又はセラミック粉末混合物（ステンレス鋼又は炭化タングステン粉末混合物等）から作られる、予備成形された一連の個々の未焼結状態の環状円板から形成される。未焼結状態の円板の焼結の間に、粉末混合物の粒子を恒久的に結合させるのを助けるために、結合材料が粉末混合物に加えられる。

個々の未焼結状態の円板は、その内部に形成された部分的又は完全な円板通路を有する。一連の未焼結状態の円板は、隣接して配置される未焼結状態の円板の部分的又は完全な円板通路が実質的に半径方向のデバイス通路を形成するように、積み重ねられた形態に組み立てられる。部分通路は、個々の未焼結状態の円板の組立てに先立ち、円板中に形成される。個々の未焼結状態の円板は、熱による円板の硬化に先立ち、積み重ねられた形態に組み立てられる。組み立てられた未焼結状態の円板の束は、個々の未焼結状態の円板を合わせて流れ制御要素に使用するために、単一体として焼結又は加熱される。

上述の未焼結状態製造法は、硬化材料の機械加工及び組立てに関連する幾つかの問題点を克服するが、未焼結状態法は、内部流路の形成に関する固有の制限を含む。より具体的には、所定の用途について流れ制御特性を最適化するために、幾つかの流れ制御要素において、内部流路が複数の多軸直角湾曲部を有するように、内部流路に極めて複雑な流路を設けることが好ましい。

残念ながら、従来の円板積み重ね技術を使用して、或いは未焼結状態技術を使用して多軸流路を形成することは、必要とされる工具設備の投資並びにかなりの製造及び組立て時間に起因して、不可能であるか、或いは極度に高価である。更に、周知の円板積み重ね技術を使用し、或いは未焼結状態技術を使用する製造の実施は、周応力に抵抗するための円板の能力等の全体的な強度の限界、及び蝋付け強度の限界をもたらす。更に、製造工程で使用される支持材料の廃棄の結果として、従来の円板積み重ね技術において、材料浪費が比較的多い。円板の積み重ねを組み立てる際に使用される従来の蝋付け工程はまた、円板通路の閉塞又は部分的な閉鎖、及び蝋付け強度の限界に関連する特定の欠点をもたらす。上述されるように、流体の漏出はまた、従来の円板積み重ね技術を使用することにより、波状又は平坦でないシート素材の結果として生じ得る「タコス化」効果、流れ制御要素内における過剰な流体圧、又は低品質の蝋付けの結果として生じ得る。内部での個々の部品又は円板の積み重ね工程の後に円板の積み重ねを処理する熱により、応力差の蓄積も生じかねない。

米国特許第５６８７７６３号明細書

以上のように、当該技術分野において、弁アセンブリ又は流体制御装置において使用され得るタイプの流れ制御要素を製造するための改良された技術が必要とされる。より具体的には、当該技術分野において、複数の複雑な多軸又は多方向内部流路を備える、一体構造として製造され得る流れ制御要素が必要とされる。更に、当該技術分野において、高い精度及び再現性を伴うと共に、改良された強度特性を備える、経済的に大量生産され得る流れ制御要素が必要とされる。

従来技術の流れ制御要素に関連する上述の欠点及び要望は、本明細書に開示される本発明の様々な態様によって、とりわけ対処されると共に解消される。特に、一態様において、本発明は、直接金属レーザ焼結によって形成される流れ制御要素を含み、多様な複雑な流路が、流れ制御要素内に形成され得る。例えば、流路は、各々が相互に直交して（即ち直角に）配向され得る少なくとも２つの軸に沿って形成され得るが、流路は、流れ制御要素内において、互いに対して任意の軸又は方向に沿って配向されてもよい。流路は各々、流れ制御要素を通る流体の速度を低下させるために、実質的に直角な複数の湾曲部を画定し得る。直接金属レーザ焼結法を使用して、流れ制御要素を製造することにより、流れ制御要素は、高い精度及び改良された強度を伴う一体構造として形成され得る。

一実施形態において、流れ制御要素は、弁アセンブリでの使用のために製造されてもよく、弁アセンブリは、内部を流れる流体の選択的な調整を可能にするために、往復移動可能なプラグ本体を有する。流れ制御要素は多数の流路を含み、流体は、この流路を通り、流れ制御要素を概して半径方向に流れる。ある組合せにおいて、流れ制御要素は、円柱状の要素本体を含み得、この要素本体には、プラグ本体の円柱状形態と相補的なボアが内部を貫通して形成される。要素本体は、内側及び外側周囲部を画定すると共に、この内側及び外側周囲部の間に半径方向に延びる複数の蛇行状流路を含む。しかしながら、流れ制御要素は、直接金属レーザ焼結法を使用して、弁アセンブリと合わせて製造されてもよい。

更に、流れ制御要素は、円柱状流れ制御装置に制限されるものではなく、また、往復移動するプラグ本体を有する弁アセンブリとの使用に制限されるものでもない点に注意すべきである。例えば、弁アセンブリは、ボール弁、蝶弁、及び当該技術分野において周知の様々な他のタイプの流れ制御装置として構成されてもよい。また、流れ制御要素は、複雑な多軸流路を必要とする用途に限定されるのではなく、単一面及び単一軸の少なくとも一方を有する流路を備えるように製造されてもよい点に注意すべきである。加えて、流れ制御要素は、流体が流れ制御要素の任意の面から流入又は流出し得ると共に、流れ制御要素の体積内において任意の方向に沿って移動し得るように構成され得る。この点に関して、直接金属レーザ焼結法は、多軸内部流路の精確な形成を可能にする。

直接金属レーザ焼結法を使用して流れ制御要素を製造する方法は、金属材料等の粉末材料の初期層を供給する工程を含み得るが、あらゆる適当な材料を使用することができる。レーザエネルギが粉末材料層の所定部分に、その部分が固化するまで適用され得る。レーザエネルギを集中させる位置は、流れ制御要素のコンピュータによる設計モデル（例えばソリッドワークス（ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ）（登録商標）、ＳＴＬ）等のコンピュータモデルに対応する。有利には、製造の前に流れ制御要素のコンピュータモデルを生成する能力は、流れ制御要素の強度及び流動性能を評価するための、有限要素強度解析及び計算による流動力学解析を可能にする。加えて、プラスチック原型は、試験目的のための金属実物大模型よりも安価な代替物として製造され得る。加えて、流れ制御要素のコンピュータモデルを作成する能力は、従来の製造技術において必要とされるよりも、図面、記録作業、及び加工の量を最小化又は減少させる。

流れ制御要素の製造方法は、粉末材料層を連続的に適用する工程を含み、流れ制御要素が複数の流路を備えた一体構造として形成されるまで、この粉末材料層上の特定の部分にレーザエネルギが向けられる。上述されたように、流路の各々は、好適には、流路を通って流れる流体の速度を低下させるために、実質的に直角な複数の湾曲部を画定する。この点に関して、流路は更に、流れに更なる抵抗を付加するために、流路を通る流体の方向に対して概ね横断方向に配向される突起（即ち隆起要素又はスピードバンプ）の形成を含む。

流れ制御要素を製造し得る材料は、金属粉末材料等の適切な種々の粉末材料を含む。特にステンレス鋼は耐食性が高く、且つ硬度（例えばロックウェル硬さ）が高いことから好ましい材料である。特に、１７‐４ステンレス鋼が、流れ制御要素を製造するために、レーザ焼結法において、粉末金属の状態で有利に使用され得る。好ましい他の材料は、インコネル、コバルトクロム、チタン、及び直接金属レーザ焼結法において粉末状で使用され得る青銅系の専売材料であるＤＭ２０を含む。レーザ焼結法で使用された後、流れ制御要素は、硬度を更に増加させるために熱処理されてもよい。結果的に得られる流れ制御要素は、極めて複雑な外形を備える多軸流路を経済的に形成可能な、高強度の一体構造として形成される。

本明細書に開示される様々な実施形態の特徴及び利点、並びにその他の特徴及び利点は、以下の説明及び図面に関してより良く理解されるであろう。図面において、同様の符号は、全体に亘り同様の部品を参照している。

流れ制御要素を内部に採用し得る弁アセンブリの断面図。 内部を貫通するボアが形成された円柱状要素本体として構成される流れ制御要素の上面斜視図。 図２の流れ制御要素を示す底面斜視図。 円柱状要素本体の内側及び外側周辺部の間に半径方向に延びる複数の蛇行状流路を示す流れ制御要素の一部破断斜視図。 円柱状体要素の上部、中間部、及び下部を示すと共に、更に流れ制御要素の外側周辺部に形成される複数の外部開口を示す流れ制御要素の側面図。 流れ制御要素に形成された、半径方向に配列された流路の一実施形態を示す図４の５−５線視断面図。 複数の半径方向に配列された流路の更なる実施形態を示す図４の６−６線視断面図。 流れ制御要素に形成された、半径方向に配列された流路の更なる実施形態を示す図４の７−７線視断面図。 本体要素に形成された環状段及びボアを示す流れ制御要素の上面図。 本体要素の下部に形成された複数のラビリンス溝を示すと共に、更に本体要素の中間部に形成された流路を示す図８の９−９線視断面図。 本体要素を通って延びる流路の代替の配列を示す流れ制御要素の断面図。 流れ制御要素を通って軸方向に延びる少なくとも１つの蛇行状流路を有する円柱状流れ制御要素の一実施形態を示す断面図。 本発明の更なる代替実施形態に従い構成される流れ制御要素を内部に採用し得る弁アセンブリを示す断面図。

次に、図面を参照するが、図は本発明の好適な実施形態を例示することを目的とするものであり、それらを限定することを目的とするものではない。図１は、弁アセンブリ１０を示しており、この中で流れ制御要素２４が使用され得る。以下に更に詳細に説明されるように、流れ制御要素２４は、粉末材料の連続層の直接金属レーザ焼結法を使用して形成され得る。未焼結状態の円板の積み重ねを焼結させると共に一体化させる前に、粉末材料を最終形状に予備成形させるという上述した未焼結状態技術と区別されるように、直接金属レーザ焼結法は未加工の粉末材料を使用する。レーザエネルギは、流れ制御要素２４のコンピュータモデルと一致する未加工粉末材料の連続的に適用された層に対し連続的に適用される。コンピュータモデル、ひいては完成した流れ制御要素２４は、流体速度を減少させると共に、流体が流れ制御要素２４を通って流れるときの圧力及び運動エネルギを減少させるための複数の蛇行状流路５４を備えて形成される。

焼結工程において、粉末金属材料は、薄層に順次適用され、且つ、レーザエネルギは、粉末材料を連続して固化させる。この点に関して、一連の層は、流れ制御要素２４が一体構造として形成されるまで、その前に焼結された層に溶着される。直接金属レーザ焼結法は、任意の数の多数の軸に沿って配向された複雑な流路５４を有する流れ制御要素２４の製造を可能にする。有利には、流路５４は、流れ制御要素の現行の製造方法と比較して、特定の形態について、低コスト且つ実質的に短い期間で、著しく改良された寸法精度で形成され得る。

図１に示されるのは、弁アセンブリ１０であり、流れ制御要素２４が内部に配置される。弁アセンブリ１０は、上部１４及び下部１８を有する弁ハウジング１２からなる。下部１８は、内室２０及び流通開口２２を画定する。流通開口２２は、内室２０と連通するように構成される。内室２０は内部で流体を受容し、また流通開口２２は、流体が内室２０から出るのを許容する。

弁ハウジング１２の内室２０内部には、環状スリーブ２６及び流れ制御要素２４が配置される。流れ制御要素２４は、スリーブ２６と弁ハウジング１２の下部１８との間に捕捉される。弁アセンブリ１０は更に、流れ制御要素２４内に摺動可能に配置される弁プラグ３４を含んでいてもよい。弁プラグ３４は、長手軸即ちステム３０の一端に取り付けられる。弁プラグ３４及びステム３０の両方が概ね円柱状に構成されるが、他の多様な形状も考慮される。また、流れ制御要素２４及びスリーブ２６は、流れ制御要素２４及びスリーブ２６を単一要素として形成することを含む多様な代替の形状、寸法、及び構造に構成されることができる点にも注意すべきである。図１に示される弁プラグ３４は、流れ制御要素２４と弁プラグ３４との間に滑り嵌めが提供されるように、流れ制御要素２４と相補的に構成されてもよい。また、場合によっては、適切な嵌合がもたされるように、後処理（例えば研磨）が必要とされ得る点に注意すべきである。

上記のように、ステム３０は弁プラグ３４に取り付けられると共に、弁プラグ３４の一端から軸方向に延びており、ステム３０は、弁ハウジング１２の上部１４内に形成されるボア１６を通って進められる。ステム３０は、弁プラグ３４を閉鎖位置及び開放位置の間で往復移動させるように作動するアクチュエータ３２に連結される。アクチュエータ３２は、ピストンアクチュエータ３２として構成されてもよく、或いは、あらゆるタイプのアクチュエータ３２（例えば空気、ダイヤフラム、電子、液圧）からなり得る。弁プラグ３４は、好適には、ステム３０が延出する端面とは反対側に配置される端面３８を含む。弁プラグ３４は、図１に示される矢印Ａによって指示されるように、開放及び閉鎖位置の間で、選択される方向に移動され得る。閉鎖位置において、弁プラグ３４の端面３８は、流通開口２２に隣接して下部１８内に配置される弁座２８と密封係合するように配置されてもよい。

当然のことながら、ステム３０が開放位置へ移動されると、弁プラグ３４は、ステム３０の反対方向への移動によって、閉鎖位置へ選択的に戻され得る。弁プラグ３４の弁座２８への係合は、流通開口２２を通る流体の流れを効果的に阻止する。このようにして、弁プラグ３４は、弁アセンブリ１０を通過する流体の流速が調整されるように、弁アセンブリ１０内において、方向Ａに沿って往復移動され得る。

図１に示される例示的な構成において、内室２０は、弁ハウジング１２の外部から内部へ、弁ハウジング１２内に概して半径方向内向きに流入する流体を受入れる。弁プラグ３４が閉鎖位置から開放位置に移動された時、流体は、流れ制御要素２４を通って内側へ、且つ弁座２８を横切り、流通開口２２を通って下方へ流れることが可能である。ある可能な代替の流れ配列によれば、弁プラグ３４が閉鎖位置から開放位置に移動された時、流体は、流通開口２２を上に向かって通り、弁座２８を横切って流れ制御要素２４の内部まで流れ、且つその後に、流れ制御要素２４を外側に向かって通り、弁ハウジング１２の外まで流れることが可能である。各々の場合において、流体は、流れ制御要素２４を通って流れ、流体のエネルギは、以下に更に詳細に説明されるように、流れ制御要素２４内に形成された複数の蛇行状流路５４により低下させられる。

図１の弁アセンブリ１０の形態に組み込まれて示されているが、流れ制御要素２４はまた、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、任意の数の代替流体制御装置に組み込まれてもよい。例えば、流れ制御要素２４は、当該技術分野において周知である蝶バルブ内に配置されるように寸法が決められて構成されてもよい。加えて、弁アセンブリ１０は、本明細書に説明される直接金属レーザ焼結法を使用して、流れ制御要素２４と同時に形成されてもよい。この点に関して、以下に更に詳細に説明される流れ制御要素２４は、弁ハウジング１２の一体部分として形成されてもよい。

流れ制御要素２４は、複数の流路５４を画定し、各流路５４は、蛇行状流路を画定する。しかし、流路５４は、相対的に非蛇行状の流路、又は蛇行状流路及び非蛇行状流路の組合せを画定してもよい点に注意すべきである。流路５４は、流れ制御要素２４を通って流れる流体の圧力及び速度を減少させるように構成される。流れ制御要素２４は、半径方向内向き及び半径方向外向きの少なくともいずれか一方へ流れる流体のエネルギを減少させるように構成されていてもよい。

図２及び図２Ａには、流れ制御要素２４の一実施形態が斜視図で示されており、且つ内部を貫通するように形成されたボア１６を有する円柱状要素本体３６を含む構成を例示している。要素本体３６は、複数の蛇行状流路５４を有する外側及び内側周辺面４６，４８を画定しており、蛇行状流路５４は、外側及び内側周辺面４６，４８の間に半径方向に延びている。前述されたように、流れ制御要素２４は、直接金属レーザ焼結法を使用して、蛇行状流路５４を備えた一体構造として形成される。このようにして、流路５４は、任意の数の軸又は任意の数の方向に沿って、流れ制御要素内を通るように形成され得る。例えば、流路５４は、少なくとも２つの軸に沿って方向付けられてもよく、これらの軸は、一つの配列において、相互に直交して、又は直角に配向されていてもよい。更なる実施形態において、流路５４は、相互に直交して配向される少なくとも３つの軸に沿って方向付けられていてもよい。流路５４の各々は、要素本体３６の外側周辺面４６に、外側又は外部開口５８を、また、要素本体３６の内側周辺面４８に、内側又は内部開口６０を画定する。

例えば、図２及び図２Ａに示されるように、流路５４のいずれか１つは、流れ制御要素２４の長手軸Ｂと平行に、且つ半径方向軸Ｃ及び横断軸Ｄの任意の１つに沿って流れを方向付ける複雑な経路をたどる。しかしながら、流路５４は、流体が多様な異なる二次元又は三次元方向に沿って方向付けられるように配列されてもよい。また、図３〜図７に示されるように、流路５４は、流路５４内を流れる流体の速度を減少させるために、複数の略直角な湾曲部を画定してもよい。流路５４はまた、単一の平面又は単一の軸／方向に沿って形成されてもよく、流体は、本体要素の内側周辺面４８及び外側周辺面４６の少なくともいずれか一方から出入りし得る。この点に関して、流路５４は、流体が流れ制御要素２４内において、任意の方向に移動し得るように形成され得る。

図４を参照すると、流れ制御要素２４が側面図で示されており、流路５４が外側即ち外部周辺面４６に出入りするための複数の外部開口５８が例示されている。図に示すように、流れ制御要素２４の要素本体３６は、上部３８、中間部４０、及び下部４２に分割され得るが、流れ制御要素２４は、任意の数の部分に分割されることができる。上部３８及び下部４２の各々は、図２及び図２Ａに最良に示されるように、環状段４４を含んでいてもよい。環状段４４は、弁アセンブリ１０内に配置される弁座２８に対し、流れ制御要素２４を位置決めして固定するための配置機構として使用されてもよい。図２、図３、図９、及び図１０に示されるように、内部開口６０は、要素本体３６の中間部４０に沿ったボア１６の内側周辺面４８内に画定される夫々の溝又は導管内に存在し得る。これらの溝又は導管が含まれる場合、それらは弁プラグ３４の開放位置と閉鎖位置との間における移動中に、弁プラグ３４の振動を最小化することにより、均圧化機能を果たす。しかしながら、上記のように、これらの溝を包含させることは要素本体３６において任意事項である。

図２Ａ及び図９を簡単に参照すると、流れ制御要素２４は更に、流れ制御要素２４のボア１６の内側周辺面４８に沿って形成される複数の環状ラビリンス溝５０を含んでいてもよい。図９に示されるように、ラビリンス溝５０は、流れ制御要素２４の内側周辺面４８において、下部４２に沿って垂直方向に間隔をあけられていてもよい。ラビリンス溝５０は、例えば部分セグメントとして、又は周方向の溝としてなど、任意の間隔で、且つ任意の形態で形成されることができ、また、下部４２に設けられることに加え、或いはそれに代えて、上部３８に設けられてもよい。ラビリンス溝５０はまた、流れ制御要素２４の外側周辺面４６上に形成されていてもよい。ラビリンス溝５０は、弁アセンブリ１０の弁プラグ３４が下部４２に位置決めされている時など、極めて低い流速において流体の調整を向上させ得る。

図４〜図７を参照すると、流れ制御要素２４の様々な断面が示されており、流れ制御要素２４の中間部４０又は他の任意の部分に形成される様々な通路パターン５６を例示している。図５は、流れ制御要素２４の周りに角度をなして配置される通路パターン５６の例示的な配列を示す。この点に関して、図５に示す配列では、流路５４を通る流体の流れは、概ね２つの軸に沿う。即ち、流体は流路５４を通って進む時に、半径方向軸Ｃ並びに横断軸Ｄに沿って流れながら、複数の直角な湾曲部を形成する。より特定的には、図５は、対称的な通路パターン５６の各側において、流体が約１０回直角にターンするような配列を示す。パターン５６は、角度をなして間隔があけられた９個の通路パターン５６として繰り返され、各々が２つの流路５４を有するが、任意の多様な形態における任意の数のパターンが設けられてもよい。

図６は、図５に示される流路５４の実施形態と比較した更なる実施形態を示しており、パターン５６は外形において類似するが、流路５４は、流路５４の外部開口５８において、変更された外形を有する。図６の通路パターン５６において、流体は、流路パターン５６の対称的な各側に沿って、約１２回直角にターンする。図６の流路５４は、各々２つの流路５４を有する角度をなして間隔があけられた８個のパターン５６として配置される。

また図６には、流路５４を通って流れる流体に更なる抵抗をもたらす一連の突起５２を任意に包含させたものが示されている。この点に関して、突起５２の各々は、スピードバンプの一種として作用し、流体が流路５４を通る時に、長手軸Ｂに沿って一時的に上方に向けられる。加えて、突起５２は、流路５４を通る流体の流れの方向に対して、横断方向に配向される。しかしながら、突起５２は、流体の流れに対して僅かな角度をなす等、流体の流れに対して任意の方向に配向され得るように意図されている。更に、突起５２は、流路５４の任意の部分に配置されることができ、且つ、流路５４の底面又は上面への形成に厳密に制限されるものではない。例えば、突起５２は、流路５４の側壁から外へ延出するスパイク又はスタッドとして形成され得る。この点に関して、突起５２は、いかなるパターン５６に配置されてもよく、且つ、対称的な又は同一の配置に厳密に制限されるものではない。

図７を参照すると、流路パターン５６の外形の更なる実施形態が示されており、角度をなして間隔があけられた１０個の通路パターン５６として示されている。図７に例示される流路５４の各々は、流路５４の内部開口６０から、その外部開口５８まで、流体が約１６回直角にターンしなければならないように構成される。図５〜図７に例示される流路５４の形態は、中間部４０内に配置されて示されるが、流路５４は、上部３８及び下部４２の少なくとも一方まで垂直方向に延長するように形成され得る点に注意すべきである。この点に関して、流路５４は任意の配向で（即ち、任意の軸又はそれらの変形に沿って）形成され得る点にも注意すべきである。更に、流路５４は、任意の方向において流体速度を減少させるように構成されてもよく、また、半径方向外向きへの流体の流れに制限されるものではない。図７の流路５４は、各々が単一の流路５４を有する角度をなして間隔があけられた１０個のパターン５６として配列される。

図８及び図９を簡単に参照すると、流れ制御要素２４の上面図（即ち図８）、並びに流れ制御要素２４を垂直に切断したときの断面図で示されている。この点に関して、図９は、中間部４０におけるラビリンス溝５０及び流路５４形態の相対的な位置決めを例示する。図９の下部４２は、弁アセンブリ１０の弁座２８と係合するように、好適に寸法決め且つ構成された環状段４４を示す。この点に関して、弁アセンブリ１０の弁座２８は、流れ制御要素２４と一体形成され得る（即ち、直接金属層焼結を介する）点に注意すべきである。更に、同じく上述されたように、弁プラグ３４及び流れ制御要素２４の形成を含め、弁アセンブリ１０全体が直接金属レーザ焼結法を使用して形成されてもよい。

依然図９を参照すると、流れ制御要素２４の中間部４０には、流路５４の一部が示されている。図示されるように、流路５４には、本質的に直角な断面形状が備えられる。しかしながら、流路５４の断面形状は、代替の形状（即ち、正方形、矩形、菱形、三角形等）等のあらゆる形態、及び、円形又は楕円形等の丸形の形態又はそれらの派生物の少なくともいずれかで設けられてもよい点に注目すべきである。

図１０を簡単に参照すると、流れ制御要素２４が示されており、流路５４は、流路５４を通って流れる流体の少なくとも一部が、半径方向軸Ｃに沿って移動するのに加えて、長手軸Ｂと平行に移動（即ち、垂直方向に移動）するように形成される。加えて、図１０には示されていないが、流路５４は更に、流体が流れ制御要素２４の内側周辺部４８から外側周辺部４６へ移動する時に、横断軸Ｄに沿った流体の直角な湾曲を可能にする。しかし、前述のように、流れ制御要素２４は、流体がいずれかの方向（即ち、半径方向内向き又は半径方向外向き）に流れるように構成されてもよい。更に、流れ制御要素２４は、特定の用途に関し、流れ制御要素２４を通る実質的に垂直（即ち、長手軸Ｂに沿った）方向への流れを可能にし得る。

流路５４は、図５〜図７に示されるものと同様の構成を含んでいてもよく、流体は、半径方向軸Ｃ及び横断方向軸Ｄの少なくとも一方と平行に複数回直角にターンする。また更に、流路５４は、流れ制御要素２４の高さに沿って変化する様々な通路パターン５６として形成されてよい。例えば、図４及び図９に示されるように、図５〜図７に例示される通路パターン５６は、要素本体３６の中間部４０内に形成される３つの異なる通路パターン５６を表す。流路５４は、その断面積が、流路５４を通る流体の流れの方向に沿って、概して拡張（即ち、断面積が増加）するように形成されてもよい。しかしながら、流路５４の断面積は、相対的に一定のままであるか、又は内側周辺面４８から外側周辺面４６に向かって減少するか、或いはその反対の少なくともいずれかであるように構成されてもよい。更に、流路５４は、この流路５４を通って流れる流体をエネルギ消散作用のために互いに衝突する２つの流れに分離させるように形成されていてもよい。この衝突はまた、隣接する通路５４を適切な状態に構成することにより達成されてもよい。

図１１を簡単に参照すると、放出（ｂｌｅｅｄ）ピンとして構成される流れ制御要素２４が示されており、長尺状の部材として形成されてもよく、また好適には、円柱状の形態で設けられるが、任意の形態又は形状が、本発明の趣旨及び範囲内にあると考えられる。図１１に示される蛇行状流路５４は、流れ制御要素２４に沿って軸方向に延びていてもよく、また中央に集められていてもよいが、流路５４の他の集中させない配列又はオフセット配列も考えられる。流路５４は、図示されるような流れ制御要素２４の一端から他端へ拡大する断面積を有するように構成されてもよいが、一定の断面積も考えられる。図１１に示される流れ制御要素２４には、頭部が備えられていてもよく、また任意で環状溝を含んでいてもよい。流路５４は、任意の方向に、又は任意の軸に沿って配向され得る任意の数の湾曲部を含むことができる。更に、多数の流路が、図１１に示される単一の流れ制御要素２４以外の流れ制御要素２４に形成されてもよい。

前述のように、本明細書に開示される流れ制御要素２４は、直接金属層焼結法を製造機構として使用して製造され得る。この点に関して、流れ制御要素２４は先ずコンピュータモデルとして作製される。コンピュータモデルは、流路５４の構造並びに流れ制御要素２４の全体の外形を含む。同じく上述のように、直接金属レーザ焼結法は、流れ制御要素２４を一体構造として形成するために、連続して固化される粉末材料の連続層によって流れ制御要素２４を製造することを可能にする。この製造法により提供される幾つかの効果には、放電加工法（即ちＥＤＭ）等の従来の方法と比較して短い期間において、より高い強度特性、より少ない材料の浪費、最小の工具設備の必要性、及び改善された部分ごとの（ｐａｒｔ−ｔｏ−ｐａｒｔ）再現性を含む。後処理並びに再加工、及び検査の必要性もまた、直接金属レーザ焼結法を使用することにより最小限に抑えられる。

次に図１２を参照すると、弁プラグが内部に配置されるように構成された流れ制御要素２４の代替実施形態を有する弁アセンブリが示される。弁アセンブリ６２は、入口室６６及び出口室６８を画定する弁ハウジング６４を含む。入口室及び出口室６６，６８は、それらの間に延在する流通開口７０を介して、互いに連通するように配置可能である。流通開口７０は、環状密封リング７２によって画定され、環状密封リング７２は、弁ハウジング６２によって画定されると共に、入口室及び出口室６６，６８の間に延出する壁に取り付けられる。

弁アセンブリ６２において、流れ制御要素２４は、密封リング７２に対して、開放及び閉鎖位置の間で選択的に移動可能である。流れ制御要素２４は、長手軸即ちステム７４の一端に取り付けられ、ステム７４は更に、アクチュエータ（図示なし）と結合される。そのようなアクチュエータは、流れ制御要素２４を、その開放及び閉鎖位置の間で往復移動させるように作動可能であり、閉鎖位置が、図１２に示されている。流れ制御要素２４がその閉鎖位置にある時、それによって画定される環状肩部７６は、図１２に示されるように、密封リング７２と密封係合される。

肩部７６に加えて、流れ制御要素２４は、環状且つ概ね円柱状のスカート部７８を画定する。図１２には示されていないが、流れ制御要素２４のスカート部７８内には複数の上記流路５４が配置される。弁アセンブリ６２において、流れ制御要素２４のその閉鎖位置から開放位置への駆動により、結果的に肩部７６は、密封リング７２との密封係合から外れて、上方へ移動する。その結果、入口室６６内の流体は、流れ制御要素２４のスカート部７８内に流れ込み、且つその流路５４を通り出口室６８まで外向きに流れることが可能である。流路５４を通る流体の流れは、そのエネルギを効果的に消失する。流れ制御要素２４の他の実施形態に関連して上述されたように、流路５４は、任意の方向に、又は任意の軸に沿って配向され得る任意の数の湾曲部を含むことができる。また、図１２に示される弁アセンブリ６２に関連して上述されたように、流れ制御要素２４は、一般に従来の弁プラグとして構成されると共に、その機能の幾つかを提供する。従来の円板蝋付け又はボルト締め法を使用することによって組み立てられる円板束は、概して、図１２に関連して説明される用途での使用に必要とされる強度を欠いているので、本発明の教示に従う図１２に示される流れ制御要素２４の形成は有利である。

流れ制御要素２４の製造方法は概して、金属材料又は他の任意の適切な材料等の粉末材料の層を設ける工程を含む。レーザエネルギが、コンピュータモデルに対応する粉末金属材料層の特定の外形の部分又は領域に適用される。レーザエネルギは、その部分が固化するまで、粉末金属材料層に提供される。次に、焼結層の上方に粉末材料の第２層が適用され、レーザエネルギが再度、第２層の特定部分に適用されると、この部分が固化すると共に、既に焼結した層に溶着する。この工程が繰り返され、流れ制御要素２４が、コンピュータモデルに従い、複数の流路５４を備えた一体構造として形成されるまで、レーザエネルギを使用して、粉末金属材料の連続層が焼結される。

一実施形態において、完成した流路５４の外形を水平に対して僅かな角度をなすように、即ち傾斜するように（即ち、約３〜５度）配向させ、そのようにしない場合に生じ得る人工物の形成を阻止することができる。この人工物は、直接金属レーザ焼結工程の間に、流路５４の上面に現れ得る。そのような人工物は、外側開口５８を出る流体の流れに対する障害物として作用し得る。この点に関して、そのような人工物は、流れ制御要素２４の性能に対する有害な作用を有しかねない。しかしながら、流路５４を僅かな角度をなして即ち傾斜させて形成するか、或いは概ね丸くされるか又は円形の断面形状を備えるように形成することにより、人工物の生成は最小限となるか、或いは排除されると考えられる。

直接金属レーザ焼結法において、粉末は好適には、適切な組成の金属粉末である。流れ制御の目的に関し、流れ制御要素２４は高い耐侵食性及び耐腐食性を呈することが概して望ましい。加えて、流れ制御要素２４は、相対的に高い硬度を伴う高強度特性を呈することが望ましい。この点に関して、ステンレス鋼等の鉄‐炭素合金は、直接金属層焼結工程において、粉末形態での使用に好適な材料である。一つの例示的なステンレス鋼材料は、流れ制御目的に適切な耐腐食性を備えた高強度特性を呈する１７−４ステンレス鋼を含む。別の例は、１７−４ステンレス鋼によって呈されるものと同様の機械特性を有するＰＨ１として市場で知られている材料を含む。

インコネル、コバルト‐クロム、チタン、及びＤＭ２０として市場で知られている青銅系材料は、流れ制御要素２４及び弁アセンブリ１０の少なくとも一方の直接金属レーザ焼結製造法での使用に適切な他の材料である。コバルトクロムは、より高い比重及び高温における改良された機械特性に起因して、典型的なインコネル材料用途の適切な代替品である。この点に関して、任意の適切な未加工材料が、直接金属レーザ焼結法で使用され得る。理想的には、粉末組成物は、形成後に、流れ制御要素２４がバリ取り、仕上げ加工、及び焼きなましのような熱処理等の後処理の必要性を最小限にするように最適化される。

上述されたように、直接金属レーザ法を使用して製造された流れ制御要素２４は、約０．０２５ミリメートル（約０．００１インチ）〜０．０５１ミリメートル（０．００２インチ）の比較的小さい幾何公差を伴う高度な部分再現性を可能にする。理想的には、最小の壁厚さは０．２０３ミリメートル（０．００８インチ）から０．２５４ミリメートル（０．０１０インチ）未満に保たれる。流れ制御要素２４の全体の寸法は制限されるものではないが、好適には、およそ長さ２５４ミリメートル（１０インチ）×幅２５４ミリメートル（１０インチ）×高さ２２９ミリメートル（９インチ）に保たれる。

上述されたように、直接金属レーザ焼結法を使用する流れ制御要素２４の製造法は、流れ制御要素２４のコンピュータモデルに従い、粉末材料の一部にレーザエネルギを適用する工程を選択的に含む。この点に関して、コンピュータモデルは、適切な機械読み取り可能なフォーマットで提供され得る。コンピュータモデルを最初に作製する能力は、製造に先立ち性能を確かめるための、有限要素強度解析技術を使用する応力解析、並びに計算による流動力学（ＣＦＤ）技術を使用する流動解析等、他の利点を可能にする。

直接金属レーザ焼結法によってもたらされる更なる利点は、特に、周応力（即ち、円周方向への応力）に対する高い耐性に関して、流れ制御要素２４によって呈される改良された強度特性を含む。他の利点は、より大きな長手方向及び円周方向支持領域、従来の工具設備上の制限を受けない流路５４の外形におけるより高い柔軟性、及び高められた寸法精度に起因する製品の改良された外観を含み得る。更なる利点は、ダイヤフラム荷重の低下、及びプラグ本体の単位ストローク当たりのより早い流速を含み得る。

流れ制御要素２４及び弁アセンブリ１０の少なくとも一方を製造するために、直接金属レーザ焼結法の使用は、高速（例えばＣＮＣ）加工又はプランジ型放電加工（ＥＤＭ）等の従来からの製造の実施と比較して、費用の減少、及び製造時間の減少における改善等、多くの利点を含む。流れ制御要素２４は、流路５４の公差及び外形のより優れた制御に起因して、流れ制御要素２４を通る流速の制御において、より優れた精度を可能にする。不感帯（即ち、流れ制御要素２４内におけるプラグ本体の移動に対する非線形応答）の排除は、直接金属レーザ焼結法によってもたらされる更なる改良点である。流路５４内における突起５２の包含は、流れへの抵抗を向上させると共に、流れ制御要素２４の性能を増進させ得る。

上述の説明は、例示として示されたものであり、限定ではない。上記開示を考慮すれば、当業者は本明細書に開示される本発明の範囲及び趣旨に含まれる変形物を考案し得るであろう。更に、本明細書に開示される実施形態の様々な特徴は、単独で、或いは相互に様々な組合せで使用され得るものであり、本明細書で説明される特定の組み合わせに制限されるように意図されたものではない。従って、特許請求の範囲は、例示された実施形態によって制限されるものではない。

Claims (19)

1. 流れ制御要素であって、
   内部を貫通するボアが形成されると共に、内側周辺面及び外側周辺面を画定する要素本体を含み、且つ内側周辺面と外側周辺面との間に半径方向に延びる複数の蛇行状流路を備え、
   前記流れ制御要素は、粉末材料のレーザ焼結層からなる一体構造として、円板の積み重ねに依らずに構成され、
   前記流路の各々は、少なくとも２つの軸に沿って前記流れ制御要素内に延びており、且つ、
   前記流路は、前記要素本体の高さに沿って変化する少なくとも２つの異なる通路パターンとして形成されることを特徴とする流れ制御要素。
2. 前記流路の各々は、少なくとも３つの軸に沿って前記流れ制御要素内に延びていることを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
3. 前記軸は、相互に直交して配向されることを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
4. 前記流路の少なくとも１つは、前記軸の少なくとも１つに沿って、実質的に直角な複数の湾曲部を画定することを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
5. 前記流路の少なくとも１つは、前記流路を通る流体の流れる方向に対して実質的に横断方向に配向される突起を含むことを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
6. 前記ボアは、内部に少なくとも１つの環状ラビリンス溝が形成された内側周辺面を含むことを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
7. 前記流れ制御要素は、上部、中間部、及び下部を含み、
   前記流路は、前記中間部内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
8. 前記流路の各々は、直角な形状及び丸形の形状の少なくとも一方に形成される断面を有することを特徴とする請求項１に記載の流れ制御要素。
9. 前記流路の断面は、前記流路を通る流体の流れる方向に沿って概して拡大することを特徴とする請求項８に記載の流れ制御要素。
10. 請求項１に記載の流れ制御要素を含む弁アセンブリであって、
    内部に前記流れ制御要素が取り付けられた弁ハウジングを含み、前記弁ハウジングを通って流れる流体が前記流路を通過することを特徴とする弁アセンブリ。
11. 前記要素本体のボア内部に摺動可能に配置される弁プラグを更に含み、前記弁プラグは、流体が通過する流路の量を調整するように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の弁アセンブリ。
12. 流れ制御要素の製造方法であって、
    （ａ）粉末金属材料の層を提供する工程と、
    （ｂ）前記粉末金属材料の層の一部分に、前記部分が固化するまでレーザエネルギを適用する工程と、
    （ｃ）前記流れ制御要素の高さに沿って変化する少なくとも２つの異なる通路パターンとして複数の流路が内部に形成された前記流れ制御要素が、粉末金属材料の焼結層からなる一体構造として形成されるまで、粉末金属材料の連続層と共に工程（ａ）及び（ｂ）を繰り返す工程と
    を含むことを特徴とする方法。
13. 工程（ｂ）は、前記流れ制御要素のコンピュータモデルに従い、前記粉末金属材料の一部分にレーザエネルギを選択的に適用する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 工程（ｃ）は、前記流路の少なくとも１つが、３つの軸のうち少なくとも１つに沿って実質的に直角な複数の湾曲部を画定するように、前記流れ制御要素を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 工程（ｃ）は、前記流路の少なくとも１つが、前記流路を通る流体の流れる方向に対して実質的に横断方向に配向される突起を含むように、前記流れ制御要素を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 工程（ｃ）は、内部に少なくとも１つの環状ラビリンス溝が形成された内側周辺面を含むように、前記流れ制御要素を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 工程（ｃ）は、上部、内部に前記流路が配置される中間部、及び下部を含むように、前記流れ制御要素を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 流れ制御要素であって、
    複数の蛇行状流路を有する要素本体であって、前記複数の蛇行状流路のそれぞれは、前記要素本体内を、少なくとも２つの軸に沿って延び、前記複数の蛇行状流路はさらに前記要素本体の高さに沿って変化する少なくとも２つの異なる通路パターンとして形成されている要素本体を含み、
    前記要素本体は、円板の積み重ねに依らずに連続的に適用された粉末材料の層から形成され、前記層は、レーザエネルギを適用することにより、前記要素本体を一体化させるように連続的に焼結されていることを特徴とする流れ制御要素。
19. 前記流れ制御要素の流路は、相互に直交して配向された少なくとも３つの軸に沿って延びることを特徴とする請求項１８に記載の弁ハウジング。

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