(57)【要約】  本発明のコールドガス・スプレーガンは加熱対象のガス流が貫流する圧力容器(１)と該圧力容器(１)の内部に配置された加熱ヒーター(３)とを有する高圧ガス加熱器を備え、更に内部を通過するガス流に外部から粒子供給管(１１)を介して粒子を供給可能な混合チャンバー(６，１４)を備えている。ガス流の下流側には、収斂通路(７，１２，１５)とノズルスロート部(９)と拡散通路(１０)とを連設したラバルノズル(８)が配置されている。高圧ガス加熱器と混合チャンバー(６，１４)の内部においてガス流との接触面が少なくとも部分的に断熱されている。
2009531167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象のガス流が貫流する筒状圧力容器(１)及び該圧力容器(１)の内部に配置された加熱ヒーター(３)を有する高圧ガス加熱器と、
内部を通過する前記ガス流に外部から粒子供給管(１１)を介して粒子を供給可能な混合チャンバー(６，１４)と、
下流へ向かって収斂する収斂通路(７，１２，１５)、次いでノズルスロート部(９)を介して拡散通路(１０)へと続くラバルノズル(８)とを備え、
前記高圧ガス加熱器と、前記混合チャンバー(６，１４)と、前記ラバルノズル(８)とが前記ガス流の上流側から順に連設され、
前記高圧ガス加熱器と混合チャンバー(６，１４)の内部における前記ガス流との接触面の少なくとも一部が断熱されていることを特徴とするコールドガス・スプレーガン。
【請求項２】
前記高圧ガス加熱器の圧力容器又は前記混合チャンバー(６，１４)又はこれら両者が硬質又は可撓性のセラミック断熱材料で内張りされていることを特徴とする請求項１に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項３】
前記高圧ガス加熱器の圧力容器又は前記混合チャンバー又はこれら両者の内殻と外殻の間にガス封入断熱間隙が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項４】
前記高圧ガス加熱器と混合チャンバー(６，１４)とラバルノズル(８)が互いに同心状に一直線上に整列して連設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項５】
前記高圧ガス加熱器から前記混合チャンバーへ流入する間に前記ガス流が下流側へ向かって最大６０°の角度で方向転換されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項６】
前記混合チャンバー(１４)が前記ラバルノズル(８)の収斂通路(１５)の少なくとも一部を兼ねていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項７】
前記ラバルノズルの収斂通路(１５)が５０〜２５０mmの長さ範囲に亘って円錐面状又は放物面状又は逆放物面状の内面形状を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項８】
前記収斂通路(１２，１５)が内面を断熱されているか、或いはその全体が断熱材又はセラミックスで構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項９】
前記圧力容器、前記混合チャンバー、前記収斂通路、及び前記拡散通路の少なくとも一つが全体的又は部分的にチタニウム、アルミニウム、又はそれらの合金で構成された外殻を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１０】
前記混合チャンバー(６，１４)内における前記粒子供給管(１１)の出口と前記ノズルスロート部(９)との間の区間長が４０〜４００mm又は１００〜２５０mmの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１１】
前記混合チャンバーと前記収斂通路の内部におけるガス流のための流路断面積が前記粒子供給管の出口位置から前記ノズルスロート部に至る区間の７０％以上に亘って前記ノズルスロート部の流路断面積の５〜５０倍又は８〜３０倍又は１０〜２５倍であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１２】
前記ノズルスロート部の開口径が２〜４mmであり、前記拡散通路が前記ノズルスロート部の開口径の３０〜９０倍に相当する長さを有し、前記ノズルスロート部の開口面積に対する前記拡散通路の出口端の開口面積の比が３〜１５の範囲内であり、前記拡散通路が円錐面状又は放物面状又は逆放物面状の内面形状を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１３】
前記粒子供給管が前記高圧ガス加熱器の下流側末端部又は前記混合チャンバーに側方から外殻を貫通して引き込まれた管(１１)からなり、該管の出口に一つ又は複数の出口孔が設けられていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１４】
前記ノズルスロート部の開口面積に対する前記加熱ヒーター(３)の放射強度の比が１．５〜７．５kW/mm2又は２〜４kW/mm2の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１５】
前記加熱ヒーター(３)の加熱容量が１０〜４０MW/m3又は２０〜３０MW/m3の範囲内であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガンを備えたコールドガス吹き付け装置であって、最高２３０℃に予熱された加熱対象のガス流を供給可能な別のガス加熱器がプラスチックス製又はフッ素樹脂製のホースを介して前記コールドガス・スプレーガンに連結されていることを特徴とするコールドガス吹き付け装置。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガンを備えたコールドガス吹き付け装置であって、最高７００℃に予熱された加熱対象のガス流を供給可能な別のガス加熱器が高温ガス用金属ホースを介して前記コールドガス・スプレーガンに連結されていることを特徴とするコールドガス吹き付け装置。
【請求項１８】
前記ノズルスロート部の開口面積に対する前記高圧ガス加熱器と前記別のガス加熱器の合計の放射強度の比が４〜１６kW/mm2又は５〜９kW/mm2の範囲内であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のコールドガス吹き付け装置。
【請求項１９】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のコールドガス・スプレーガン又は請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のコールドガス吹き付け装置を使用したコールドガス吹き付け方法であって、前記スプレーガンに加熱対象のガス流を１５〜１００bar又は２０〜６０bar又は２５〜４５barの圧力範囲内及び３０〜６００m3/hの流量範囲内で供給することを特徴とするコールドガス吹き付け方法。
【請求項２０】
前記高圧ガス加熱器を出たガス流を前記混合チャンバー(６，１４)に６００℃以上又は８００℃以上又は１０００℃以上の温度で供給することを特徴とする請求項１９に記載のコールドガス吹き付け方法。
【請求項２１】
前記混合チャンバー(６，１４)に供給される量の８０重量％以上の粒子を前記ノズルスロート部(９)内におけるガス流の温度に対して絶対温度で少なくとも７０％の温度に到達させることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記粒子として粒子全体の８０重量％以上が粒度５〜１５０μｍ又は１０〜７５μｍ又は１５〜５０μｍの粒子からなる混合粒子を使用することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコールドガス吹き付け方法のための装置に関する。本発明は、特にコールドガス・スプレーガンと、係るコールドガス・スプレーガンを備えたコールドガス吹き付け装置、更には本発明に従うコールドガス・スプレーガンを使用したコールドガス吹き付け方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コールドガス吹き付け法或いはキネティック吹き付け法と呼ばれるスプレー被覆法においては、粒径１〜２５０μｍの被覆材料粒子をガス流中で融着や溶融を起こすこと無く２００〜１６００ｍ／ｓの速度に加速し、被覆対象表面、即ち基板材料に吹き付ける。高速の粒子は基板表面に衝突することによって初めて極めて大きな伸び率で塑性変形を起し、これによる衝突面の温度上昇によって被覆材料粒子と基板表面との融着並びに粒子同士の融着が生じる。しかしながら、そのためには被覆材料粒子の速度が最小衝突速度、いわゆる臨界速度を超えていなければならない。この融着のメカニズムとそれによって得られる被覆品質は爆圧溶着に匹敵する。この場合、プロセスガスを加熱することによってガスの音速が高められ、それに伴ってスプレーノズル内のガス流速、従って衝突時の粒子速度を高めることができる。例えばラバルノズル、即ち入口側で１箇所のノズルスロート部に向かって収斂し、次いで下流側の出口へ向かって拡散する流路構成のノズルを用いることによりプロセスガス流をノズル内で超音速にまで加速することが可能であり、この場合、被覆材料粒子はノズルスロート部の上流側又は下流側で超音速のプロセスガス流中に注入され、ノズル出口から基板材料表面へ向かって加速噴射される。
【０００３】
プロセスガスを加熱すると基板材料表面への衝突時の粒子温度も高くなり、被覆材料粒子の熱による軟化と延性の付与がもたらされるので、衝突する粒子の臨界速度の値が低下する。従って、プロセスガス温度を高くすることにより粒子速度だけでなく衝突時の粒子温度も高くなり、これら両者とも、作業効率並びに被覆層の品質に好ましい影響を与える。但し、この場合のプロセスガスは、使用する被覆材料の融点よりも必ず低い温度に保たれていなければならない。この理由から、コールドガス吹き付け法では、被覆材料粒子がプロセスガスで溶融を起こす他の吹き付け法に比べて「低温」のガスが使用される。つまりコールドガス吹き付け法といえども、随伴被覆材料が高温のプロセスガスで溶融を起こす他の吹き付け法と同様に、プロセスガスは低温ではあるがやはり加熱する必要がある。
【０００４】
被覆材料粒子、特に粒径が２５〜１００μｍの粗い粒子を強力に加速するにはプロセスガスを高圧で送る必要がある。そのためには、コールドガス吹き付け法に用いられる装置の構造部分が相応の耐圧性能を備えていなければならない。定置運転用の装置の殆どは圧力３０barで運転するように指定されており、これに応じて個々の構成部品は約３５barの耐圧性能を備えることが規定されている。しかしながら、幾つかの部品はそのままでは１５bar以下、あるいは７bar以下の圧力でしか使用できない。従って、要求されるような高い運転圧力で、しかも構成部品におけるプロセスガスとの接触面が高温度に曝されるような条件下で所要の耐圧性能をもたせるには、個々の構成部品に高価で加工の困難な耐熱材料を使用せざるを得ず、或いは構成部品、特にスプレーガンが大きさと必要な肉厚のためにかなり重くならざるを得ないという事態に至る。また、プロセスガスとの接触面を通じて熱が外部へ搬出されることにより熱損失が不可避となり、更には特にラバルノズルのノズルスロート部よりも上流側におけるプロセスガス温度の低下が生じる結果となる。
【０００５】
ノズルスロート部の前後に入口側収斂通路と出口側拡散通路を配置したラバルノズルを有するスプレーガンは特許文献１により公知である。このラバルノズルには、高圧の空気流が空気加熱器及び混合チャンバーを通じて供給され、混合チャンバーの中で空気流に被覆材料粒子が混合される。この場合、被覆材料粒子は超音速ノズルとして機能するラバルノズル内で加速される間に既に空気加熱器で加熱された空気流によって加熱されるが、加熱空気流中で溶融するには至らない。
【特許文献１】米国特許第６６２３７９６号明細書
【０００６】
特許文献１に記載された従来技術は、スプレーガンを高温高圧に耐え得るようにするには、高温下では材料強度が著しく減殺されるため、スプレーガン構造部品の材料強度及び材料厚さを極めて大きく選ばなければならないことが欠点である。
【０００７】
また特許文献２には、噴出されるガス流並びに被覆材料粒子を加速するためのノズル構造を有するコールドガス・スプレーガンが記載されている。このスプレーガンは、下流側へ向かって収斂するノズル入口通路部からノズルスロート部を通じて移行するノズル噴出口を備え、ノズル入口通路部の内部でノズルスロート部よりも上流側へ４０mm以上離れた位置に被覆材料粒子注入管の開口端が配置されている。
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００５００４１１６号明細書
【０００８】
また特許文献３には、ノズルとガス加熱用の加熱器とを備えたコールドガス吹き付け装置が記載されている。この場合、ガス加熱用の加熱器は二つ以上のヒーターに区分され、そのうちの下流側の再加熱ヒーターはスプレーガンに直接装着され、これとは独立して上流側の予備加熱ヒーターは導管を通じてスプレーガンの入口に連結されている。
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００５００４１１７号明細書
【０００９】
更に特許文献４には、プロセスガスが貫流する圧力容器と、圧力容器内に配置された加熱ヒーターと、圧力容器のための断熱部材とを有する高圧ガス加熱器が記載されている。断熱部材は圧力容器の内壁面に配置されており、圧力容器には放熱機構が存在するので、圧力容器自体は内部の加熱されたプロセスガスの温度よりも低温である。
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２００５０５３７３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決すべき課題は、高温高圧のプロセスガスで運転することができ、しかも軽量で、取り扱いが容易なコールドガス・スプレーガンとそれを用いたコールドガス吹き付け装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有するコールドガス・スプレーガン、請求項１６に記載の特徴を有するコールドガス吹き付け装置、及び請求項１９に記載の特徴を有するコールドガス吹き付け方法によって解決される。これら本発明の有利な発展形態はそれぞれの従属請求項に記載されている通りである。
【００１２】
好都合なことに、本発明によるコールドガス・スプレーガンでは、材料強度並びに肉厚の増大によってコールドガス・スプレーガンの重量を過度に増大させることなく、利用可能なプロセスガス圧を３５barを遙かに超える値にまで高めることができる。高圧ガス加熱器と混合チャンバー、場合によっては混合チャンバーの少なくとも一部で兼用されるラバルノズルの入口側収斂通路をも、それぞれ内部のガス流との接触面を断熱構造とすることにより、運転状態で圧力負荷を受ける構造部品は内部の高温度よりも著しく低い温度に維持され、従って高い材料強度を維持したまま運転に耐えることができる。更に内面の断熱構造により周囲環境への余計な熱損失も回避され、ガス加熱に要するコストの低減にも有効である。また、比較的大重量の器壁材料を加熱する必要がないため、コールドガス・スプレーガンの運転を開始する際に必要な起動時間が短縮され、構造材料の温度負荷が小さくなるために耐用寿命も延長される。プロセスガス圧を高めることは、それに伴うガス密度の増大によりプロセスガス温度が高くなることと、粒径の比較的大きな被覆材料粒子を使用できるようになることとに相俟って、被覆対象表面に形成される被膜の品質に特に有利な影響を及ぼすが、これは本発明に従ってコールドガス・スプレーガンの内部における高温のプロセスガス流との接触面を断熱することによって初めて可能になる。同時に高いプロセスガス圧及びプロセスガス温度にも拘わらず高い吹き付け効率を達成することができ、低いガス密度と小さなノズル断面による不利益が回避される。この不利益をもたらす問題点は、内部断熱構造を採用しない限りコールドガス・スプレーガンを小型化する際に必然的に生じる。コールドガス・スプレーガンの小型化は、取り扱いと運搬の観点で規制される重量の限度を遵守し、同時に所要の材料強度を保つためには不可欠である。
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、高圧ガス加熱器の圧力容器、混合チャンバー、又はこれら両者が硬質又は可撓性のセラミック断熱材料からなる断熱層で内張りされている。
【００１４】
本発明の別の有利な実施形態によれば、高圧ガス加熱器の圧力容器、混合チャンバー、又はこれら両者の内殻と外殻の間にガス封入断熱間隙が設けられている。
【００１５】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、高圧ガス加熱器と混合チャンバーとラバルノズルが互いに同心状に一直線上に整列して連設されている。
【００１６】
即ち、従来から市販されているスプレーガンの曲がりくねったガス供給路は、不均一な熱負荷、構造部品の歪み、そして熱に起因する応力変化の誘因となり、要求される高いガス温度においては、極めて急速にスプレーガンに損傷をもたらす結果となっている。これらの誘因は、スプレーガン内部でプロセスガスを直線的通路に沿って導くことにより回避される。
【００１７】
但し、高圧ガス加熱器から混合チャンバーへ流入する間においては、ガス流の向きは下流側へ向かって最大６０°までの角度で方向転換されてもよい。
【００１８】
即ち、被覆材料粒子が供給された後の二相流が通過する領域における通路さえ曲折部の無い連続直線通路あれば、通路中で粒子が沈積する虞は小さくなる。従って粒子が注入される混合チャンバーよりも上流側でプロセスガス流の向きを６０°以下の角度で方向転換させ、それによりコールドガス・スプレーガンの長さ寸法を短縮してコンパクトな構造を実現することができる。これにより高圧ガス加熱器からはプロセスガス流を互いに向かい合う収束流として混合チャンバーへ流入させることができる。
【００１９】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、混合チャンバーがラバルノズルの収斂通路の少なくとも一部を兼ねている。
【００２０】
本発明において、ラバルノズルの収斂通路は５０〜２５０mmの長さ範囲に亘って円錐面状、放物面状、又は逆放物面状の内面形状を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、ノズルの収斂通路は内面を断熱されているか、或いはその全体が断熱材、特に耐熱セラミックスで構成されている。
【００２２】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、圧力容器、混合チャンバー、収斂通路、及び拡散通路の少なくとも一つが全体的又は部分的にチタニウム、アルミニウム、又はそれらの合金で構成された外殻を備えている。
【００２３】
即ち、主要部の構造材料としてチタニウム系構造材料を使用することにより、スプレーガンを特に軽量に製作することが可能である。アルミニウム系構造材料を使用しても同様である。後者はコールドガス・スプレーガンの構造材料として特にコスト面で有利であることが判っている。
【００２４】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、混合チャンバー内における粒子供給管の出口とノズルスロート部との間の区間長は４０〜４００mm、好ましくは１００〜２５０mmの範囲内にある。
【００２５】
これにより、プロセスガスの流速に応じて、高温のプロセスガス流中における被覆材料粒子の滞留時間を確保して該粒子を充分高温に加熱することができる。
【００２６】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、混合チャンバーと収斂通路の内部におけるガス流のための流路断面積は、粒子供給管の出口位置からノズルスロート部に至る区間の７０％以上に亘って、ノズルスロート部の流路断面積の５〜５０倍、好ましくは８〜３０倍、特に好ましくは１０〜２５倍とされている。
【００２７】
これにより、粒子供給管出口位置からノズルスロート部に達する領域全体に亘って流速がプロセスガスと粒子とから成る二相流系を維持するに充分な速度となり、例えばこの領域でノズル閉塞に陥ってコールドガス・スプレーガンの運転を致命的に妨げるような粒子の凝集と内壁への沈着を防止することができる。
【００２８】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、ノズルスロート部の開口径は２〜４mmであり、拡散通路はノズルスロート部の開口径の３０〜９０倍に相当する長さを有し、ノズルスロート部の開口面積に対する拡散通路の出口端の開口面積の比は３〜１５の範囲内であり、拡散通路は円錐面状、放物面状、又は逆放物面状の内面形状を有している。
【００２９】
加熱対象のプロセスガス流は、１５〜１００bar、好ましくは２０〜６０bar、特に好ましくは２５〜４５barの圧力範囲内及び３０〜６００m3/hの流量範囲内でスプレーガンに供給することが好ましい。
【００３０】
それにより、従来よりも比較的粒径の大きな被覆材料粒子を所要の速度にまで加速することができる。
【００３１】
被覆材料粒子の供給系は、高圧ガス加熱器の下流側末端部又は混合チャンバーに側方から外殻を貫通して或る角度で引き込まれた粒子供給管で構成することが有利であり、この粒子供給管の出口には一つ又は複数の出口孔を設けることができる。
【００３２】
本発明の更に別の有利な実施形態においては、ノズルスロート部の開口面積に対する加熱ヒーターの放射強度の比が１．５〜７．５kW/mm2、好ましくは２〜４kW/mm2の範囲内である。
【００３３】
また、加熱ヒーターの加熱容量（単位体積当たりの放射強度）は１０〜４０MW/m3、好ましくは２０〜３０MW/m3の範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
このような加熱ヒーターの能力選定により高圧ガス加熱器をコンパクトな構造とすることが可能になる。
【００３５】
本発明の更に別の有利な実施形態によれば、最高２３０℃に予熱されたガス流を供給可能な別のガス加熱器がプラスチックス製、特に好ましくはテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素樹脂製の耐熱ホースを介してスプレーガンに連結され、或いは最高７００℃に予熱されたガス流を供給可能な別のガス加熱器が高温ガス用金属製耐熱ホースを介してスプレーガンに連結され、このようにして予熱されたプロセスガス流がスプレーガンの高圧ガス加熱器に供給される。
【００３６】
この場合、ノズルスロート部の開口面積に対する高圧ガス加熱器と前記別のガス加熱器の合計の放射強度の比は４〜１６kW/mm2、好ましくは５〜９kW/mm2の範囲内とすることが有利である。
【００３７】
本発明によるコールドガス・スプレーガン又はそれを装備したコールドガス吹き付け装置を使用して行うコールドガス吹き付け方法では、高圧ガス加熱器を出たガス流を混合チャンバーに６００℃以上、好ましくは８００℃以上、特に好ましくは１０００℃以上の温度で供給することが有利である。
【００３８】
この場合、混合チャンバーに供給される量の８０重量％以上の粒子をノズルスロート部におけるガス流の温度に対して絶対温度で少なくとも７０％の温度に到達させることが好ましい。
【００３９】
これにより、充分な分量の粒子に対して、被覆対象表面への衝突時に充分な被膜の発達に必要なエネルギーが与えられ、従って高品質な被膜の形成を保証することができる。
【００４０】
本発明によるコールドガス吹き付け方法では、被覆材料粒子として粒子全体の８０重量％以上が粒度５〜１５０μｍ、好ましくは１０〜７５μｍ、特に好ましくは１５〜５０μｍの粒子からなる混合粒子を使用することが有利である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明のコールドガス・スプレーガン又はそれを装備したコールドガス吹き付け装置或いはそれらを使用したコールドガス吹き付け方法によれば、随伴粒子を高温のプロセスガス流中で効果的に予熱することができるため、比較的粒度の大きな粒子（例えば１５μｍ以上）の衝突温度を著しく上昇させることができる。このような粒度の大きな粒子は膨張しつつある噴射ガス中でさほど急速に温度を失うことはなく、定性的に高価値で厳密に規格化された粒子から成る被覆材料の使用は、粒度の大きな分画（−38＋11μｍ；−45＋15μｍ；−75＋25μｍ；−105＋45μｍ）の方が問題がなく、コスト的にも有利である。また吹き付けの際の取り扱い及び輸送面でも、従来普通であった22μｍと−25＋5μｍの粉末分画を用いる場合よりも明らかに容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明に係る有利な実施形態を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。
【００４３】
図１は、本発明の第１の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。圧力容器１と混合チャンバー６は、それらの内壁面が一体的な断熱層２で内張りされている。圧力容器１の内部には加熱ヒーター３が配置され、この場合の加熱ヒーターは多数のフィラメント形態の電熱線から成るフィラメントヒーターである。加熱されるべきガス流は、圧力容器１に入口ガス導入管４を通じて供給される。本実施形態では、圧力容器は回転対称形の両側で窄んだ筒状容器である。圧力容器のガス出口５はヒーター３で加熱されたガス流を混合チャンバー６へ導入する窄まった孔である。混合チャンバーにはラバルノズル８の収斂通路７が接続されている。ラバルノズル８は、この入口側の収斂通路に続くノズルスロート部９及び拡散通路１０から成る。粒子供給管１１が側方から外殻を貫通して或る角度で混合チャンバー６に引き込まれており、外部から被覆材料粒子を供給することができるようになっている。この場合、粒子供給管１１の出口は混合チャンバー内の軸心上で下流側に向けて開口している。
【００４４】
ガス流は、矢印で示すように圧力容器１及びこれと同心状に一直線上に整列配置されている混合チャンバー６とラバルノズル８を貫流するが、この際に加熱ヒーター３の横断面全体に均一に分配される。内壁面に内張りされている断熱層２により、圧力容器１及び混合チャンバー６の外殻には僅かな熱エネルギーしか到達しない。また圧力容器１及び混合チャンバー６は周囲環境に熱を放出するので、圧力容器１並びに混合チャンバー６の外面温度は内部の高温ガス流の温度よりも著しく低い温度となる。従って圧力容器１及び混合チャンバー６の外殻は肉厚を比較的薄くすることができ、製作が容易である。混合チャンバー６内において、被覆対象表面へ吹き付けられるべき粒子が粒子供給管１１を通じて高温のガス流に添加され、高速で流れるガス流に混合される。この添加と混合のメカニズムは、被覆材料粒子がキャリヤーガスの流れにのって粒子供給管を通じて輸送されることにより行われる。粒子供給管の出口とラバルノズル８の流路断面が最も狭くなる位置、即ちノズルスロート部９との間の区間で高温のプロセスガスにより粒子が加熱され、ノズルスロート部においては粒子全量の８０重量％以上の粒子がこの位置におけるプロセスガスの温度に対して絶対温度で約７０％の温度に達する。本実施形態において、この加熱区間の長さは、使用される粒子及びプロセスガスの種類に応じて４０〜４００mm、好ましくは１００〜２５０mmの範囲内で増減する。この場合、粒子をなるべく早期に注入すれば、大粒径の粒子の使用並びに高いガス温度の適用と共に、形成される被膜の品質向上とコーティング作業の効率向上に特に顕著な効果を奏することができ、その理由は、それによって粒子の衝突温度を顕著に上昇させることができるからである。
【００４５】
ラバルノズル８の拡散通路１０内で膨張するガス流は音速を超える速度にまで加速される。この超音速ガス流中で粒子が強力に加速され、２００〜１０００m/sの速度に達する。この場合、本発明によれば適用可能なガス温度及びガス圧を従来よりも高めておくことができるから、それと共にノズルの拡散通路１０の長さを充分長くしておくことによって粒子の加速を著しく効果的に果たすことが可能となる。換言すれば、長さを充分に長くしたノズル拡散通路１０を有効に活用するためには、ノズルから噴射されるガス流に高いエンタルピーが必要である。この場合、ノズル拡散通路１０の長さは１００mm以上、好ましくは１００〜３００mm、特に好ましくは１５０〜２５０mmとすることが有利である。
【００４６】
加熱ヒーターを通過するガス流を流路横断面で均一な分布で貫流させることは、カートリッジ式の加熱ヒーターの横断面寸法がノズルスロート部９の開口断面積の１５００倍以下、好ましくは１０００倍以下であることによって保証される。そのようなコールドガス・スプレーガンの際立った特徴は、構造がコンパクトで出力密度が高いことである。加熱ヒーターの直径に対する長さ寸法の比率は３〜６倍である。係るコールドガス・スプレーガンの出力密度、即ちヒーターの放射強度を総重量で除した商は１〜８kW/kgの範囲内、特に２〜４kW/kgの範囲内とすることが実施面で好適である。この場合、使用する加熱ヒーター３の加熱容量（単位体積当たりの放射強度）１０〜４０MW/m3である。これに関連して高圧ガス加熱器の入口ガス導管におけるプロセスガスの許容温度は４００〜７００℃である。この温度には、ホースを通じてコールドガス・スプレーガンの入口に接続された図示しない別の加熱器による予熱によって到達可能である。この場合、金属製の高温ガス用耐熱ホースを使用すれば７００℃の予熱温度が可能となる。
【００４７】
図２は、本発明の第２の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。図１と同一又は相当する部分には同一符号が付されている。圧力容器１と混合チャンバー６は、それらの内壁面が一体的な断熱層２で内張りされている。圧力容器１の内部には加熱ヒーター３が配置されている。混合チャンバー６にはラバルノズル８の収斂通路１２が接続されており、更にノズルスロート部９を介して拡散通路１０がノズル出口端まで続いている。この実施形態においては、収斂通路１２も同様に断熱層１３で内張りされている。粒子供給管１１は第１の実施形態と同様に側方から外殻を貫通して或る角度で混合チャンバー６に引き込まれ、外部から被覆材料粒子を供給することができるようになっている。
【００４８】
このような構成により、特にラバルノズルの熱負荷と熱損失が低減されている。
【００４９】
図３は、本発明の第３の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。図１及び図２と同一又は相当する部分分には同一符号が付されている。圧力容器１は内壁面が断熱層２で内張りされており、その内部に加熱ヒーター３が配置されている。この実施形態においては、混合チャンバー１４がラバルノズル８の収斂通路１５を兼ねており、この収斂通路にはラバルノズルのノズルスロート部９を介して拡散通路１０がノズル出口端まで続いている。粒子供給管１１は第１の実施形態と同様に側方から外殻を貫通して或る角度で混合チャンバー１４に引き込まれ、外部から被覆材料粒子を供給することができるようになっている。混合チャンバーで兼用されている収斂通路１５も断熱層１６で内張りされており、この収斂通路の長さは５０〜２５０mmの範囲内である。本実施形態では、混合チャンバーでラバルノズルの収斂通路を兼用しているので、コールドガス・スプレーガンの特にラバルノズル部分の構造が単純化可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態によるコールドガス・スプレーガンの構成を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：圧力容器
２：断熱層
３：加熱ヒーター
４：入口ガス導管
５：ガス出口
６：混合チャンバー
７：収斂通路
８：ラバルノズル
９：ノズルスロート部
１０：拡散通路
１１：粒子供給管
１２：収斂通路
１３：断熱層
１４：混合チャンバー
１５：収斂通路
１６：断熱層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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