(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体微粒子を作動ガスとともに噴射するノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出方法であって、
前記ノズルとスロート及びスロート周辺の形状がほぼ同一で、かつ、スロート径を計測可能な検定ノズルのスロート径と、大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の作動ガスの圧力及び流量とを含む前記検定ノズルに関する計測結果に基づいて、前記検定ノズルのスロートを流れる前記作動ガスの境界層の排除厚さを検出する排除厚さ検出ステップと、
大気温度で前記ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記ノズル内の作動ガスの圧力及び流量の計測結果に基づいて、前記排除厚さが形成する円環状の面積である排除厚さ面積を除く前記ノズルのスロート断面積を算出する断面積算出ステップと、
前記排除厚さ検出ステップで検出された前記排除厚さと、前記断面積算出ステップで算出された前記排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記ノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出ステップと、
を含むノズル摩耗量検出方法。
【請求項２】
前記排除厚さ検出ステップでは、
前記検定ノズルのスロート径を、接触式または非接触式の計測装置から取得する第１のステップと、
大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の前記作動ガスの圧力及び流量を計測する第２のステップと、
前記第２のステップで計測された作動ガスの圧力及び流量に基づいて、前記検定ノズルにおける前記排除厚さ面積を除くスロート断面積を算出する第３のステップと、
前記第１のステップで算出されたスロート径から得られる前記排除厚さ面積を含むスロート断面積と、前記第３のステップで算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記排除厚さを算出する第４のステップと、
を含む、
請求項１に記載のノズル摩耗量検出方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のノズル摩耗量検出方法を用いて検出された前記ノズルのスロートの摩耗量に応じて、前記ノズルの出口での前記固体微粒子の粒子速度が一定に保たれるように、前記作動ガスの圧力及び／又は温度を制御する制御ステップを含む、
制御方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のノズル摩耗量検出方法を用いて検出された前記ノズルのスロートの摩耗量が閾値を超えた場合に、前記ノズルの交換情報を外部出力する出力ステップを含む、
請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
固体微粒子を作動ガスとともに噴射するノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出装置であって、
前記ノズルとスロート及びスロート周辺の形状がほぼ同一で、かつ、スロート径を計測可能な検定ノズルのスロート径と、大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内における前記作動ガスの圧力及び流量とを含む前記検定ノズルに関する計測結果に基づいて、前記検定ノズルのスロートを流れる前記作動ガスの排除厚さを検出する排除厚さ検出部と、
大気温度で前記ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記ノズル内における作動ガスの圧力及び流量の計測結果に基づいて、前記排除厚さ面積を除く前記ノズルのスロート断面積を算出する断面積算出部と、
前記排除厚さ検出部で検出された前記排除厚さと、前記断面積算出部で算出された前記排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記ノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出部と、
を備えるノズル摩耗量検出装置。
【請求項６】
前記排除厚さ検出部は、
前記検定ノズルのスロート径を計測装置から取得する径取得部と、
大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の前記作動ガスの圧力及び流量を計測する計測部と、
前記計測部で計測された前記作動ガスの圧力及び流量に基づいて、前記検定ノズルにおける前記排除厚さ面積を除くスロート断面積を算出する検定ノズル断面積算出部と、
前記径取得部で取得されたスロート径から得られる前記排除厚さ面積を含むスロート断面積と、前記検定ノズル断面積算出部で算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記排除厚さを検出する排除厚さ検出部と、
を備える、
請求項５に記載のノズル摩耗量検出装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のノズル摩耗量検出装置と、
前記ノズル摩耗量検出装置で検出された前記ノズルのスロートの摩耗量に応じて、前記ノズルの出口での前記固体微粒子の粒子速度が目標値としての一定値に保たれるように、前記作動ガスの圧力及び／又は温度を制御する制御部と、
を備える制御装置。
【請求項８】
前記ノズル摩耗量検出装置で検出された前記ノズルのスロートの摩耗量が閾値を超えた場合に、前記ノズルの交換指示を外部出力する出力部を備える、
請求項７に記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノズル摩耗量検出方法、制御方法、ノズル摩耗量検出装置及び制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コールドスプレーとは、固体微粒子を溶融させること無く不活性ガスと共に超音速流で固相状態のまま基材に衝突・塑性変形させて皮膜を形成する方法である。この方法では、最大１０００℃程度まで電気加熱した数十気圧のガスと、常温のガス（固体微粒子を巻き込み搬送する常温ガス）とをノズル内に供給し、ガス流によって、固体微粒子をノズルから５００ｍ／ｓ程度以上の高速で噴射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５３０２４２４号明細書
【特許文献２】欧州特許第０４８４５３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コールドスプレー装置では、ノズルの中で最も細い箇所、すなわち直径２ｍｍ程度のスロートを通過する固体微粒子が、スロートを少しずつ削っていき、スロートが摩耗する。スロートが摩耗すると、スロート径が大きくなって、ガスの噴射速度が低下する。ガスの噴射速度が低下すると、固体微粒子の噴射速度が低下し、皮膜の密着力や緻密さが低下する。したがって、皮膜を良好に生成するためには、使用の都度スロート径を測定するなどスロート径の管理を行う必要がある。
【０００５】
しかしながら、ノズルは非常に細長く、スロートはノズルの軸方向の中ほどにあるため、スロート径を直接計測するのは困難である。ピンゲージを用いて計測することはできるが、ピンケージによってスロートやノズルの内面を傷つけてしまうおそれもある。
【０００６】
スロート径を、作動ガスの質量流量（以下、単に流量と記す）、ノズル内の圧力及び温度から流体力学の算出式を用いて算出することは可能である。しかしながら、一般にコールドスプレー装置では、ヒータ出口からノズルまでの熱損失が不明であるため、ノズル内の実際のガスの温度は未知であるので、流体力学の算出式を用いてスロート径を求めるのは困難である。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、スロートの摩耗量を正確に検出することができるノズル摩耗量検出方法、制御方法、ノズル摩耗量検出装置及び制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係るノズル摩耗量検出方法は、
固体微粒子を作動ガスとともに噴射するノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出方法であって、
前記ノズルとスロート及びスロート周辺の形状がほぼ同一で、かつ、スロート径を計測可能な検定ノズルのスロート径と、大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の作動ガスの圧力及び流量とを含む前記検定ノズルに関する計測結果に基づいて、前記検定ノズルのスロートを流れる前記作動ガスの境界層の排除厚さを検出する排除厚さ検出ステップと、
大気温度で前記ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記ノズル内の作動ガスの圧力及び流量の計測結果に基づいて、前記排除厚さが形成する円環状の面積である排除厚さ面積を除く前記ノズルのスロート断面積を算出する断面積算出ステップと、
前記排除厚さ検出ステップで検出された前記排除厚さと、前記断面積算出ステップで算出された前記排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記ノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出ステップと、
を含む。
【０００９】
ここで、「形状がほぼ同一」とは、スロートで検出される排除厚さが同じになる程度に形状が同一であることをいう。
【００１０】
この場合、前記排除厚さ検出ステップでは、
前記検定ノズルのスロート径を、接触式または非接触式の計測装置から取得する第１のステップと、
大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の前記作動ガスの圧力及び流量を計測する第２のステップと、
前記第２のステップで計測された作動ガスの圧力及び流量に基づいて、前記検定ノズルにおける前記排除厚さ面積を除くスロート断面積を算出する第３のステップと、
前記第１のステップで算出されたスロート径から得られる前記排除厚さ面積を含むスロート断面積と、前記第３のステップで算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記排除厚さを算出する第４のステップと、
を含む、
こととしてもよい。
【００１１】
ここで、理論的には、排除厚さとは、後述の図４（Ｂ）に示すように、以下の（Ａ）と（Ｂ）とが等しくなる厚さδ１*である。
（Ａ）スロートの壁面からスロート断面の中心までの[作動ガスの流速]×[ガス密度]の分布ρＶの面積積分値（質量流量）
（Ｂ）[スロート断面の中心での作動ガスの流速（一定値）]×[スロート断面の中心での作動ガスのガス密度（一定値）]に、スロートの壁面の上方δ１*の位置からスロート断面中心までの面積を掛けた値（質量流量）
つまり、このとき、図４（Ｂ）において、面積Ｂ１と面積Ｂ２は等しくなり、排除厚さは、ガス流の流量の観点から考えたスロート断面積の幾何的断面積からの減少分に対応する厚さを表す。排除厚さは、実験的には、検定ノズルに任意の圧力、任意の温度の作動ガスを供給したときに流れる流量と、スロート２１Ａの既知の断面積から、後述の式（４）〜（７）を用いて計算することができる。
【００１２】
本発明の第２の観点に係る制御方法は、
本発明のノズル摩耗量検出方法を用いて検出された前記ノズルのスロートの摩耗量に応じて、前記ノズルの出口での前記固体微粒子の粒子速度が一定に保たれるように、前記作動ガスの圧力及び／又は温度を制御する制御ステップを含む。
【００１３】
この場合、本発明のノズル摩耗量検出方法を用いて検出された前記ノズルのスロートの摩耗量が閾値を超えた場合に、前記ノズルの交換情報を外部出力する出力ステップを含む、
こととしてもよい。
【００１４】
本発明の第３の観点に係るノズル摩耗量検出装置は、
固体微粒子を作動ガスとともに噴射するノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出装置であって、
前記ノズルとスロート及びスロート周辺の形状がほぼ同一で、かつ、スロート径を計測可能な検定ノズルのスロート径と、大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内における前記作動ガスの圧力及び流量とを含む前記検定ノズルに関する計測結果に基づいて、前記検定ノズルのスロートを流れる前記作動ガスの排除厚さを検出する排除厚さ検出部と、
大気温度で前記ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記ノズル内における作動ガスの圧力及び流量の計測結果に基づいて、前記排除厚さ面積を除く前記ノズルのスロート断面積を算出する断面積算出部と、
前記排除厚さ検出部で検出された前記排除厚さと、前記断面積算出部で算出された前記排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記ノズルのスロートの摩耗量を検出する摩耗量検出部と、
を備える。
【００１５】
この場合、前記排除厚さ検出部は、
前記検定ノズルのスロート径を計測装置から取得する径取得部と、
大気温度で前記検定ノズルから前記作動ガスを噴射したときの前記検定ノズル内の前記作動ガスの圧力及び流量を計測する計測部と、
前記計測部で計測された前記作動ガスの圧力及び流量に基づいて、前記検定ノズルにおける前記排除厚さ面積を除くスロート断面積を算出する検定ノズル断面積算出部と、
前記径取得部で取得されたスロート径から得られる前記排除厚さ面積を含むスロート断面積と、前記検定ノズル断面積算出部で算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積とに基づいて、前記排除厚さを検出する排除厚さ検出部と、
を備える、
こととしてもよい。
【００１６】
本発明の第４の観点に係る制御装置は、
本発明のノズル摩耗量検出装置と、
前記ノズル摩耗量検出装置で検出された前記ノズルのスロートの摩耗量に応じて、前記ノズルの出口での前記固体微粒子の粒子速度が目標値としての一定値に保たれるように、前記作動ガスの圧力及び／又は温度を制御する制御部と、
を備える。
【００１７】
この場合、前記ノズル摩耗量検出装置で検出された前記ノズルのスロートの摩耗量が閾値を超えた場合に、前記ノズルの交換指示を外部出力する出力部を備える、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ノズルのスロートにおける作動ガスの流れを、壁面近傍の排除厚さとそれ以外の領域とに分けて、スロートの大きさ及びスロート周辺の形状がほぼ同一の検定ノズルを用いて排除厚さを正確に求める。そのうえで、大気温度での作動ガスの圧力及び流量に基づいて、排除厚さ面積を除く断面積を求め、排除厚さと、排除厚さ面積を除く断面積とから、排除厚さ面積を含むスロートの断面積（幾何学的なスロート断面積）を求める。このようにすれば、未知数をなくした状態で作動ガスの流量、圧力及び大気温度に基づいて、流体力学の関係式を用いて排除厚さ面積を含むスロート断面積を求めることができる。この結果、ノズルのスロートの摩耗量を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るコールドスプレー装置及び制御装置を含む全体構成を示す模式図である。
【図２】図１のコールドスプレー装置を構成するノズルの断面図である。
【図３】図１の制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
【図４】図４（Ａ）は、スロート付近の作動ガスの流速分布を示す模式図である。図４（Ｂ）は、スロート付近の作動ガスの[ガス密度]×[ガス速度]の分布を示す模式図である。
【図５】図５（Ａ）は、スロート近傍における境界層及びその他の領域を示す図である。図５（Ｂ）は、スロート断面における排除厚さδ1*を示す図である。
【図６】制御装置のソフトウエア構成を示すブロック図である。
【図７】制御装置の動作のフローチャートである。
【図８】排除厚さ検出部の動作のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
（コールドスプレー装置の全体構成）
図１に示すように、コールドスプレー装置１は、基材２に対して、作動ガスとともに固体微粒子を噴射する装置である。コールドスプレー装置１は、ガス源１０と、電動バルブ１１と、第１のガス供給路１２と、ガス流量計１３と、パウダフィーダ１４と、第２のガス供給路１５と、ガス流量計１６と、ヒータ１７と、ノズル２０と、圧力計２２と、温度計２３と、を備える。
【００２２】
（ガス源）
ガス源１０は、作動ガスの供給源である。このような作動ガスとしては、例えば、空気、窒素、ヘリウム、あるいはそれらの混合ガスを用いることができる。また、固体微粒子の酸化防止の観点からすれば、作動ガスとして不活性ガスを用いることが好ましい。不活性ガスとしては、例えば、窒素、ヘリウム又はそれらの混合ガス等が挙げられる。
【００２３】
（電動バルブ１１）
電動バルブ１１は、ガス源１０と、第１のガス供給路１２及び第２のガス供給路１５との間に挿入されている。電動バルブ１１は、制御信号（開閉指令）により開閉が可能である。電動バルブ１１が閉じると、ガス源１０から第１のガス供給路１２及び第２のガス供給路１５への作動ガスの供給が停止し、電動バルブ１１が開くと、ガス源１０の作動ガスが、第１のガス供給路１２及び第２のガス供給路１５に供給される。電動バルブ１１は、制御信号（開閉指令）に従って、開閉状態を制御して、作動ガスの圧力及び流量を制御可能である。
【００２４】
（第１のガス供給路）
第１のガス供給路１２は、電動バルブ１１からノズル２０まで延びている。第１のガス供給路１２は、電動バルブ１１を介してガス源１０から供給される常温の作動ガスをノズル２０へ供給する。ガス流量計１３は、第１のガス供給路１２を流れる作動ガスの流量を計測する。第１のガス供給路１２には、パウダフィーダ１４が接続されている。パウダフィーダ１４は、固体微粒子を第１のガス供給路１２に供給する。固体微粒子は、目的に応じたものとなるが、例えばＡｌ、Ｃｕなどのコーティング用の金属微粒子である。
【００２５】
（第２のガス供給路）
第２のガス供給路１５は、電動バルブ１１からノズル２０まで延びている。第２のガス供給路１５は、電動バルブ１１を介してガス源１０から供給される作動ガスをノズル２０へ供給する。ガス流量計１６は、第２のガス供給路１５を流れる作動ガスの流量を計測する。第２のガス供給路１５には、ヒータ１７が挿入されている。ヒータ１７は、数十気圧の作動ガスを最大１０００℃程度まで電気加熱する。第２のガス供給路１５内の高温高圧の作動ガスは、ノズル２０内に供給される。
【００２６】
（ノズル）
ノズル２０は、図２に示すように、先細部２０Ｅ、スロート２０Ａ、末広部２０Ｄを備えており、粒子噴射管２０Ｃを有する貯気室２０Ｂにねじ等で固定されている。第１のガス供給路１２から供給された固体微粒子は、固体微粒子を搬送する常温のガスとともに粒子噴射管２０Ｃを介して貯気室２０Ｂ内に注入される。第２のガス供給路１５から供給される高温高圧の作動ガスは、貯気室２０Ｂに注入される。貯気室２０Ｂ内の固体微粒子は、高温高圧の作動ガスのガス流によって、先細部２０Ｅ、スロート２０Ａ、末広部２０Ｄを通って、例えば５００ｍ／ｓ以上の高速で噴射される。ノズル２０から噴射された固体微粒子は基材２に衝突し、塑性変形する。これにより、基材２上に固体微粒子の皮膜が形成され、基材２に対してコーティングが行われる。なお、スロート２０Ａから先細部２０Ｅの上流端まので長さは例えば５０ｍｍであり、末広部２０Ｄの長さＬは、例えば１００ｍｍである。
【００２７】
（固体微粒子の速度）
コーティングの目的は、銅微粒子による高い電気伝導性または高い放熱性の付与や、合金微粒子によるスパッタリングターゲットの肉盛り再生（コーティングというより成形）などである。固体微粒子を固体表面に衝突させたときに固体微粒子と固体表面とに塑性変形を生じさせるために、ノズル２０では、固体微粒子をある速度以上で固体表面に吹き付ける必要がある。固体微粒子の速度は、ノズル２０の内面形状、ガス温度Ｔ０、ガス圧力Ｐ０に依存する。ガス温度Ｔ０を上げるほど又はガス圧力Ｐ０を上げるほど、固体微粒子の粒子速度は大きくなる。
【００２８】
（スロート）
ノズル２０の内面形状のうち最も重要な部分が、ノズル２０内で最も細い場所であるスロート２０Ａ（図２参照）である。スロート２０Ａの断面は、一般的に円形状であり、スロート２０Ａの設計上の直径ｄ＊は約２ｍｍ（例えば１．５ｍｍ）程度である。スロート２０Ａの直径は、固体微粒子の粒子速度を規定する重要な寸法であり、摩耗などによりスロート２０Ａの直径が大きくなると、固体微粒子の粒子速度は低下する。
【００２９】
（スロートの摩耗）
固体微粒子は、スロート２０Ａを通過するときに、スロート２０Ａの壁面を少しずつ削っていくため、スロート２０Ａは次第に摩耗する。本実施の形態に係るノズル摩耗量検出方法では、このスロート２０Ａの摩耗量を検出する。
【００３０】
（圧力計、温度計）
圧力計２２は、貯気室２０Ｂにおける作動ガスの圧力Ｐ０を計測する。圧力計２２は、例えば半導体圧力センサである。作動ガスの圧力Ｐ０は、例えば、１ＭＰａである。温度計２３は、熱電対であり、ヒータ１７の出口温度を計測する。
【００３１】
（その他の設備）
コールドスプレー装置１のスロート２０Ａの摩耗量を検出するために、図１に示すように、温度計（熱電対）３、接触式または非接触式の計測装置４、検定ノズル２１及び制御装置５０が設けられている。温度計３は、大気温度を計測する。接触式または非接触式の計測装置４は、検定ノズル２１のノズル形状、特にスロート２１Ａの直径ｄ＊’を計測する。
【００３２】
（検定ノズル）
検定ノズル２１は、スロート径及びスロート２１Ａ周辺の形状が、ノズル２０とほぼ同じである。ここで、スロート２１Ａの周辺とは、スロートでの作動ガスの流速に影響を与える部分である。すなわち、「形状がほぼ同じ」とは、ノズルの先細部の入口からスロートを経て、スロート直径と同程度まで下流までの区間の形状が同じであることをいう。これにより、スロートで検出される排除厚さが同じになる。検定ノズル２１は、ノズル２０と交換可能となっている。また、検定ノズル２１は、接触式または非接触式の計測装置４により、スロート径を直接計測可能となっている。検定ノズル２１として、ノズル２０と同じ工程で製造され、スロート径を計測可能にするために末広部を短く加工したものを用いることができる。
【００３３】
（制御装置）
制御装置５０は、ガス流量計１３、１６から送られるそれぞれのガス流量（これらのガス流量の和をｍとする）、圧力計２２から送られるガス圧力Ｐ０、温度計３から送られる大気温度Ｔａ、接触式または非接触式の計測装置４で計測される検定ノズル２１のノズル形状（特にスロート２１Ａの直径ｄ＊’）等の情報等を収集し、それらの情報に基づいて、ノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量を検出する。
【００３４】
（制御装置のハードウエア）
制御装置５０のハードウエア構成である図３に示すように、制御装置５０は、制御部３１、主記憶部３２、外部記憶部３３、操作部３４、表示部３５及び通信部３６を備える。主記憶部３２、外部記憶部３３、操作部３４、表示部３５及び通信部３６はいずれも内部バス３０を介して制御部３１に接続されている。
【００３５】
（制御部）
制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成されている。このＣＰＵが、外部記憶部３３に記憶されているプログラム３９を実行することにより、図６に示す制御装置５０の各構成要素が実現される。
【００３６】
（主記憶部）
主記憶部３２は、ＲＡＭ（Random-Access Memory）等から構成されている。主記憶部３２には、外部記憶部３３に記憶されているプログラム３９がロードされる。この他、主記憶部３２は、制御部３１の作業領域（データの一時記憶領域）として用いられる。
【００３７】
（外部記憶部）
外部記憶部３３は、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＤＶＤ−ＲＡＭ（Digital Versatile Disc Random-Access Memory）、ＤＶＤ−ＲＷ（Digital Versatile Disc ReWritable）等の不揮発性メモリから構成される。外部記憶部３３には、制御部３１に実行させるためのプログラム３９があらかじめ記憶されている。また、外部記憶部３３は、制御部３１の指示に従って、このプログラム３９の実行の際に用いられるデータを制御部３１に供給し、制御部３１から供給されたデータを記憶する。
【００３８】
（操作部）
操作部３４は、キーボード及びマウスなどのポインティングデバイス等と、キーボード及びポインティングデバイス等を内部バス３０に接続するインターフェイス装置から構成されている。操作部３４を介して、操作者が操作した内容に関する情報が制御部３１に入力される。
【００３９】
（表示部）
表示部３５は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）又はＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などから構成される。表示部３５には、例えばノズル２０の交換指示などが表示される。
【００４０】
（通信部）
通信部３６は、通信線のシリアルインターフェイス又はパラレルインターフェイスから構成されている。この通信部３６を介して、温度計３、接触式または非接触式の計測装置４、ガス流量計１３、１６、圧力計２２、温度計２３からの情報や、電動バルブ１１、ヒータ１７への制御信号が出力される。
【００４１】
（プログラム）
図１に示す制御装置５０の各種構成要素は、図３に示すプログラム３９が、制御部３１、主記憶部３２、外部記憶部３３、操作部３４、表示部３５及び通信部３６などをハードウエア資源として用いて実行されることによってその機能を発揮する。
【００４２】
（境界層）
制御装置５０において摩耗量を検出するための基本事項である、スロート２０Ａでの作動ガスの流れについて説明する。図４（Ａ）の流速分布Ｖに示すように、作動ガスがノズル２０を流れると、ノズル２０の内壁に沿って速度の遅い領域が発生する。これを境界層という。スロート２０Ａでは、境界層の厚さδ＊は、例えば１０μｍ以下である。
【００４３】
（排除厚さ）
境界層厚さδ＊は、図４（Ａ）に示すようにスロート２０Ａの壁面（壁面上で作動ガスの速度ゼロ）からスロート２０Ａの断面中心へ向かったときの作動ガスの流速分布Ｖが、断面中心の流速Ｖｍａｘの９９％に達した位置から壁面までの距離である。また、図４（Ｂ）に示すように、スロート２０Ａの壁面からスロート２０Ａの断面中心へ向かったときの作動ガスの流速Ｖと作動ガスの密度ρとの積（ρＶ）の分布を考え、積分値Ｂ１と、（ρＶ）の最大値（ρＶ）ｍａｘと（ρＶ）との差分の積分値Ｂ２とが、等しくなるときの厚さδ１＊を、境界層排除厚さ、または排除厚さともいう。すなわち、排除厚さとは、境界層も含めて（ρＶ）の分布が断面方向に沿って（ρＶ）ｍａｘで一定であるとしたときの、壁面に隣接するガスが流れない部分の厚さのことである。なお、流れのマッハ数（速度÷音速）が０．３以下であるような低速の流れであれば、ガス密度は一定とみなしてよいため、排除厚さの計算にガス密度を考慮する必要はない。しかし、スロート２０Ａ及び２１Ａでは、流れのマッハ数が１であり、スロート２０Ａ及び２１Ａの境界層内の断面方向に沿ってガス密度が変化する。そのため、排除厚さδ１＊はガス速度とガス密度の積に基づいて考える必要がある。
【００４４】
（スロート断面）
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、スロート２０Ａの断面が円形状である場合、排除厚さは、スロート２０Ａの内壁に沿って環状であり、下流方向へ厚くなる。その排除厚さの内側に作動ガスが高速で流れる領域が存在する。この領域を流れる作動ガスが、固体微粒子のコーティングに寄与する。スロート２０Ａにおいて、この部分の断面積を流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊という。
【００４５】
実際のスロート２０Ａの断面積を、幾何学的なスロート断面積Ａ＊とすると、以下の関係が成り立つ。
［幾何学的なスロート断面積］＝［排除厚さ面積］＋［流体力学的なスロート断面積］  …（１）
この式は、排除厚さの存在により、コーティングに寄与する作動ガスの断面積が減少したことを示している。なお、言い換えると、幾何学的なスロート断面積Ａ＊は、排除厚さ面積を含むスロート断面積であり、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊は、排除厚さ面積を除くスロート断面積である。
【００４６】
（断面積の変化）
スロート２０Ａの摩耗を求めるには、その直径を計測すればよいが、ノズル２０は細長いため、スロート２０Ａの直径を正確に計測するのは困難である。よって、制御装置５０では、式（１）を用いて幾何学的なスロート２０Ａの断面積Ａ＊を間接的に求め、その断面積の変化でノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊を検出する。
【００４７】
（流体力学的な断面積について）
まず、流体力学的な断面積Ａｇ＊について説明する。図５（Ｂ）の排除厚さ面積以外の部分のノズル２０のスロート２０Ａ内の作動ガスの流れには、一般に以下の関係が成り立つ。
【数１】
0006618181.tif 000002
ここで、ｍはスロート２０Ａを通る作動ガスの流量であり、Ｐ０は、前述のようにノズル２０の貯気室２０Ｂ内の作動ガスの圧力（図２参照）である。また、Ｔ０は、ノズル２０の貯気室２０Ｂ内の作動ガスの混合温度（図２参照）である。また、Ｒは作動ガスの気体定数である。σ＊は、臨界流れ係数であり、以下の式で表される。
【数２】
0006618181.tif 000003
ここで、γは作動ガスの比熱比である。
【００４８】
（流量、圧力、温度）
上記式（２）から、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊は、以下のように表される。
【数３】
0006618181.tif 000004
上記式（４）によれば、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊は、作動ガスの流量ｍ、作動ガスの圧力Ｐ０、作動ガスの温度Ｔ０によって定まる。
【００４９】
（幾何学的なスロート断面積）
続いて、排除厚さδ１＊はスロート２０Ａの直径の１／１００程度以下であるため、スロート２０Ａでの排除厚さ面積は、近似的に次式で表される。
【数４】
0006618181.tif 000005
ここで、ｄｇ＊は、排除厚さを除くスロート２０Ａの流体力学的な断面の直径である（図５（Ｂ）参照）。したがって、幾何学的なスロート断面積Ａ＊は、上述の式（１）、式（５）に基づいて、近似的に以下の式で表される。
【数５】
0006618181.tif 000006
【００５０】
（スロートの直径）
流体力学的なスロート径ｄｇ＊（図５（Ｂ））は、以下の式のように、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊から求めることができる。
【数６】
0006618181.tif 000007
【００５１】
（流体力学的な断面積の変数）
上述の式（４）に示すように、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊は、ノズル２０のスロート２０Ａを通るガス流量ｍ、ガス圧力Ｐ０、ガス温度Ｔ０で定まる。
また、上記式（６）及び式（７）に示すように、排除厚さ面積は、排除厚さδ１＊と、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊で定まる。したがって、幾何学的なスロート断面積Ａ＊を求めるには、ガス流量ｍ、ガス圧力Ｐ０、ガス温度Ｔ０、排除厚さδ１＊が必要になる。
【００５２】
（ガス温度）
ここで、ガス流量ｍ、ガス圧力Ｐ０は、ガス流量計１３、１６及び圧力計２２を用いて正確に測定することができる。しかしながら、ガス温度Ｔ０は、図１に示すヒータ１７を経由して貯気室２０Ｂに供給される高温ガスと、第１のガス供給路１２を通って粒子噴射管２０Ｃから貯気室２０Ｂに供給される常温のガスとの混合温度である。この混合温度は、図１に示すヒータ１７の出口の温度計（熱電対）２３で測定した温度と、第１のガス供給路１２、第２のガス供給路１５のそれぞれのガス流量からある程度の予測はできるものの、ノズル２０のスロート２０Ａに到るまでの熱損失が不明であるため、正確な温度を把握するのは困難である。
【００５３】
（ノズル摩耗量検出方法の特徴）
そこで、本実施の形態に係るノズル摩耗量検出方法では、ガス温度Ｔ0を直接求めず、まず検定ノズル２１を貯気室２０Ｂに取り付け、大気温度Ｔａでの作動ガスの噴射を行って排除厚さδ１＊’を求め、次に検定ノズル２１をノズル２０に代えて貯気室２０Ｂに取り付け、コーティングに先立って大気温度Ｔａでの作動ガスの噴射を行って、流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊”を求めたうえで、ノズル２０の幾何学的なスロート断面積Ａ＊”を正確に求め、スロート断面積Ａ＊”の新品時からの変化でスロート２０Ａの摩耗量を検出する。
【００５４】
（制御装置のＳＷ）
制御装置５０は、ある日のノズル２０の幾何学的なスロート断面積Ａ＊”を求めるために、以下の構成要素を有する。図６に示すように、制御装置５０は、排除厚さ検出部５１と、断面積算出部５２と、摩耗量検出部５３と、指令生成部５４と、記憶部５５と、を備える。
【００５５】
（排除厚さ検出部）
排除厚さ検出部５１は、スロート２１Ａ及びスロート２１Ａ周辺の形状がノズル２０とほぼ同一の検定ノズル２１のスロート径ｄ＊’、大気温度Ｔａでの検定ノズル２１のスロート２１Ａの上流におけるガス圧力Ｐ０’及びガス流量ｍ’を含む検定ノズル２１に関する計測結果に基づいて、検定ノズル２１のスロート２１Ａを流れる作動ガスの排除厚さδ１＊’を算出する。排除厚さ検出部５１は、径取得部５１Ａ、計測部５１Ｂ、断面積算出部５１Ｃ及び排除厚さ算出部５１Ｄを備える。
【００５６】
（スロート径計測）
径取得部５１Ａは、接触式または非接触式の計測装置４で計測される検定ノズル２１のスロート２１Ａの直径ｄ＊’を、接触式または非接触式の計測装置４から取得する。取得されたスロート２１Ａの直径ｄ＊’は、記憶部５５に記憶される。
【００５７】
（大気温度での検定ノズルの計測）
続いて、検定ノズル２１をノズル２０に代えてコールドスプレー装置１の貯気室２０Ｂに取り付け、ガス圧力Ｐ０’、大気温度Ｔａで作動ガスを流し、検定ノズル２１から噴射する。計測部５１Ｂは、このときの作動ガスの圧力Ｐ０’、流量ｍ’を計測する。このとき、パウダフィーダ１４による固体微粒子の供給及びヒータ１７の加熱は停止している。
【００５８】
（断面積の算出）
断面積算出部５１Ｃは、この計測結果に基づいて、検定ノズル２１についての流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊’を、式（４）と同様に次式を用いて算出する。すなわち、ガス温度をＴａとして、式（９）でＡｇ＊’を算出する。
【数７】
0006618181.tif 000008
【００５９】
（排除厚さδ１＊’の算出）
排除厚さ算出部５１Ｄは、式（６）と同様に、検定ノズル２１のスロート径ｄ＊’から得られる幾何学的なスロート断面積Ａ＊’と、式（９）から得られる流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊’と、Ａｇ＊’から求められる流体力学的なスロート径ｄｇ＊’を、式（１０）に代入して、検定ノズルの排除厚さδ１＊’を算出する。
【数８】
0006618181.tif 000009
算出された排除厚さδ１＊’は、記憶部５５に記憶される。排除厚さδ１＊’は，スロート径が多少変わっても変化しないので、ノズル２０の摩耗量を検出する際に用いることができる。
【００６０】
（断面積算出部）
断面積算出部５２は、大気温度Ｔａでノズル２０から作動ガスを噴射させたときのノズル２０内の作動ガスの圧力Ｐ０”及び流量ｍ”の計測結果に基づいて、排除厚さ面積を除くノズル２０のスロート断面積Ａｇ＊”を算出する。具体的には、検定ノズル２１をノズル２０に戻し、コーティング作業に先だって、大気温度Ｔａの状態で、ガス圧力Ｐ０”で、コールドスプレー装置１のノズル２０に作動ガスを流す。流れたガス流量をｍ”とする。このとき、ガス温度をＴａとして、上記式（４）から
【数９】
0006618181.tif 000010
が得られ、ノズル２０の流体力学的なスロート断面積Ａｇ＊”（流体力学的なスロート径ｄｇ＊”）が求められる。
【００６１】
（摩耗量検出部）
摩耗量検出部５３は、排除厚さ検出部５１で算出された排除厚さδ１＊’と、断面積算出部５２で算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積Ａｇ＊”とに基づいて、ノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊を検出する。排除厚さδ１＊’は、スロート２０Ａの直径が多少変わっても変わらない。よって、ある日のスロート２０Ａの幾何学的なスロート断面積Ａ＊”は、式（１０）と同様に
【数１０】
0006618181.tif 000011
と求められる。摩耗量検出部５３は、コーティング作業に入る前に、ノズル２０の新品状態からのスロート断面積の拡大量ΔＡ＊＝Ａｇ＊”−Ａnew＊を検出する。ただし、Ａnew＊は新品状態でのノズル２０のスロート断面積である。
【００６２】
（指令生成）
指令生成部５４は、検出されたノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊に応じて、ノズル２０の出口での固体微粒子の粒子速度が一定に保たれるように、作動ガスの圧力Ｐ０、温度Ｔ０を制御する電動バルブ１１の制御信号（開閉指令）及びヒータ１７の制御信号（温度指令）を生成する。
【００６３】
（計測手順）
ノズル２０の出口での固体微粒子の粒子速度の計算手順を以下に示す。なお、ノズル２０の出口の断面積Ａｅは計測により既知である。さらに、コールドスプレー装置１では、ノズル２０の出口から基材２の被コーティング面までの距離が１０ｍｍ程度と短いため、基材２の被コーティング面に衝突する固体微粒子の粒子速度は、ノズル２０の出口の粒子速度に等しいと近似する。
【００６４】
（マッハ数）
まず、指令生成部５４は、スロート２０Ａとノズル２０の出口での断面積の比から、以下の公知の理論式によりノズル出口でのガスのマッハ数Ｍg,e（＝ノズル出口でのガス速度÷音速）を求める。
【数１１】
0006618181.tif 000012
【００６５】
（ノズル出口のガス温度）    
続いて、指令生成部５４は、以下の公知の理論式から、ノズル２０の出口でのガス温度Ｔeを算出する。
【数１２】
0006618181.tif 000013
【００６６】
（ノズル出口のガス速度）
さらに、指令生成部５４は、以下の公知の理論式を用いて、Ｍg,eとＴeを用いてノズル２０の出口でのガス速度ｕg,e［ｍ／ｓ］ を求める。
【数１３】
0006618181.tif 000014
【００６７】
さらに、指令生成部５４は、例えば以下の公知の実験式を用いて、ノズル２０の出口の固体微粒子の粒子速度ｕP,eを算出する。ただし、Ｌは、末広部２０Ｄの軸方向長さであり、ｄｐは固体微粒子の直径、ρｐは固体微粒子の密度、Ｐ０は、作動ガスの貯気室２０Ｂの圧力、ｕg,eは、ノズル２０の出口のガス速度である。
【数１４】
0006618181.tif 000015
【００６８】
指令生成部５４は、ノズル２０の出口の固体微粒子の粒子速度ｕP,eが目標値を維持するように、電動バルブ１１への制御信号（開閉指令）及び／又はヒータ１７への制御信号（温度指令）を出力する。
【００６９】
（動作）
次に、制御装置５０の動作について説明する。
【００７０】
図７に示すように、まず、排除厚さ検出部５１は、上述のようにして、スロート２０Ａの排除厚さδ１＊’を検出する（ステップＳ１）。
【００７１】
（スロート径計測）
ステップＳ１において、図８に示すように、排除厚さ検出部５１（径取得部５１Ａ）は、検定ノズル２１のスロート径ｄ＊’を、接触式または非接触式の計測装置４から取得する（ステップＳ１１）。検定ノズル２１のスロート径ｄ＊’は、記憶部５５に記憶される。
【００７２】
（排除厚さ算出）
続いて、排除厚さ検出部５１（計測部５１Ｂ）は、大気温度Ｔａで検定ノズル２１から作動ガスを噴射させたときの検定ノズル２１内の作動ガスの圧力Ｐ０’、流量ｍ’を計測する（ステップＳ１２）。さらに、排除厚さ検出部５１（断面積算出部５１Ｃ）は、計測された作動ガスの圧力Ｐ０’及び流量ｍ’に基づいて、式（９）を用いて、検定ノズル２１のスロート２１Ａにおける排除厚さ面積を含まない断面積Ａｇ＊’を算出する（ステップＳ１３）。排除厚さ検出部５１（排除厚さ算出部５１Ｄ）は、算出されたスロート径ｄ＊’から得られる排除厚さ面積を含む断面積Ａ＊’と、算出された排除厚さ面積を含まない断面積Ａｇ＊’とに基づいて、式（１０）を用いて、排除厚さδ１＊’を算出する（ステップＳ１４）。
【００７３】
（断面積算出）
図７に戻り、コーティングに先立って、断面積算出部５２は、大気温度Ｔａでノズル２０から作動ガスを噴射させたときのノズル２０内の作動ガスの圧力Ｐ０”及び流量ｍ”の計測結果に基づいて、式（１１）を用いて、排除厚さ面積を除くノズル２０のスロート断面積Ａｇ＊”を算出する（ステップＳ２）。
【００７４】
（摩耗量検出）
続いて、摩耗量検出部５３は、排除厚さδ１＊’と、算出された排除厚さ面積を除くスロート断面積Ａｇ＊”とに基づいて、ノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊を検出する（ステップＳ３）。
【００７５】
（交換判定）
続いて、摩耗量検出部５３は、摩耗量ΔＡ＊が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。摩耗量ΔＡ＊が閾値以上である場合（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、指令生成部５４は、ノズル交換指示を、外部出力する（ステップＳ６）。外部出力としては、例えば、表示部３５に表示させたり、音声出力したりする方法がある。この後、ノズル２０は、摩耗していない新しいものに交換され、コールドスプレー装置１を用いて、コーティングが開始される。
【００７６】
（指令生成）
スロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊が閾値未満である場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、指令生成部５４は、ノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊に基づいて、ノズル２０の出口の固体微粒子の粒子速度ｕP,e（式（１６））が目標値の一定値に保たれるように、作動ガスの圧力Ｐ０、温度Ｔ０を制御する電動バルブ１１への制御信号（開閉指令）又はヒータ１７への制御信号（温度指令）を出力する（ステップＳ５）。その後、電動バルブ１１及びヒータ１７が指令通りに設定され、目標値に維持された噴射速度で固体微粒子が噴射され、コーティングが行われる。
【００７７】
（まとめ）
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、ノズル２０のスロート２０Ａにおける作動ガスの流れを、壁面近傍の排除厚さとそれ以外の領域とに分けて、スロート２０Ａの大きさ及びスロート２０Ａ周辺の形状がほぼ同一の検定ノズル２１を用いて作動ガスの温度が大気温度Ｔａでの排除厚さδ１＊’が正確に求められる。そのうえで、大気温度Ｔａでの作動ガスの圧力Ｐ０”及び流量ｍ”に基づいて、ノズル２０の排除厚さ面積を除く断面積Ａｇ＊”が求められ、排除厚さδ１＊’と、排除厚さ面積を除く断面積Ａｇ＊”とから、排除厚さ面積を含むスロートの断面積（幾何学的なスロート断面積）Ａ＊”が求められる。このようにすれば、未知数をなくした状態で作動ガスの流量ｍ”、圧力Ｐ０”及び大気温度Ｔａに基づいて、流体力学の関係式を用いて排除厚さ面積を含むスロート断面積Ａ＊”を求めることができる。この結果、ノズル２０のスロート２０Ａの摩耗量ΔＡ＊を正確に検出することができる。
【００７８】
また、本実施の形態に係るノズル摩耗量検出方法によれば、新品のノズル２０のスロート径が図面通りに仕上がっているか否かを簡単かつ高精度に点検することができる。また、使用中のノズル２０についても、スロート径を簡単かつ高精度に点検することができる。また、最適なガス条件（圧力、温度）でコーティングを行うことができるので、品質が向上する。また、ノズル２０を交換すべきか否かを適切に判断することができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係るノズル摩耗量検出方法は、スロート断面が円形でなくても（例えば摩耗により円形でない形になっても）、スロート断面を等価円に置き換えて、スロート２０Ａの摩耗量を精度よく検出することが可能である。
【００８０】
なお、上記実施の形態では、作動ガスの圧力及び温度を調整したが、本発明はこれには限られず、作動ガスの圧力又は温度の一方を調整するようにしてもよい。
【００８１】
その他、制御装置５０のハードウエア構成やソフトウエア構成は一例であり、任意に変更および修正が可能である。
【００８２】
制御部３１、主記憶部３２、外部記憶部３３、操作部３４、表示部３５及び通信部３６、内部バス３０などから構成される制御装置５０の処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等）に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行する制御装置５０を構成してもよい。また、インターネット等の通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロード等することでコンピュータを構成してもよい。
【００８３】
制御装置５０の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担、またはＯＳとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体や記憶装置に格納してもよい。
【００８４】
搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して配信することも可能である。たとえば、通信ネットワーク上の掲示板（BBS, Bulletin Board System）にコンピュータプログラムを掲示し、ネットワークを介してコンピュータプログラムを配信してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、前記の処理を実行できるように構成してもよい。
【００８５】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、コールドスプレー装置のノズルのスロートの摩耗量の検出に適用することができる。コールドスプレー装置は、機械部品や電気・電子部品の特定の面の電気伝導や放熱を促進したい場合に有用である。この用途には、当該の面に銅粒子をコーティングするのが最適であるが、銅粒子は酸化しやすく、酸化するとコーティング面の電気伝導率や熱伝導率が低下する。しかし、コールドスプレー装置は、銅粒子を酸化させずにコーティングすることができる。また、コールドスプレー装置は、スパッタリングターゲット（円筒状）の肉盛り再生にも有用である。加えて、熱に弱いマグネシウム合金の部品の補修に好適である。
【符号の説明】
【００８７】
１  コールドスプレー装置、２  基材、３  温度計、４  接触式または非接触式の計測装置、１０  ガス源、１１  電動バルブ、１２  第１のガス供給路、１３  ガス流量計、１４  パウダフィーダ、１５  第２のガス供給路、１６  ガス流量計、１７  ヒータ、２０  ノズル、２０Ａ  スロート、２０Ｂ  貯気室、２０Ｃ  粒子噴射管、２０Ｄ  末広部、２０Ｅ  先細部、２１  検定ノズル、２１Ａ  スロート、２２  圧力計、２３  温度計、３０  内部バス、３１  制御部、３２  主記憶部、３３  外部記憶部、３４  操作部、３５  表示部、３６  通信部、３９  プログラム、５０  制御装置、５１  排除厚さ検出部、５１Ａ  径取得部、５１Ｂ  計測部、５１Ｃ  断面積算出部、５１Ｄ  排除厚さ算出部、５２  断面積算出部、５３  摩耗量検出部、５４  指令生成部、５５  記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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