(57)【要約】【課題】粒子がノズル内壁に付着せず、しかもガス流速によって得られる微粒化効果と粒子加速効果を有効に活用することができる加速ノズルを提供する。【解決手段】ノズルの先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁２ｋに、高速ガス流ＳＧｓをノズル先端側に向けて略筒状に噴射するための噴射口Ｔが形成されるとともに、この噴射口Ｔが上記ノズル孔の筒軸方向に複数段設けられていることを特徴とする加速ノズル。【選択図】図１
2008080323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルの先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、
上記ノズル孔における周方向内壁に、高速ガス流をノズル先端側に向けて略筒状に噴射するための噴射口が形成されるとともに、この噴射口が上記ノズル孔の筒軸方向に複数段設けられていることを特徴とする加速ノズル。
【請求項２】
内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結し、連結された上流側および下流側リング状部品の内壁段差部分に、上記噴射口が環状に開口している請求項１記載の加速ノズル。
【請求項３】
先端の上記リング状部品を除く各リング状部品を貫通して、上記高速ガス流形成用のガスを供給するガス供給路が設けられ、このガス供給路から、上記各段の噴射口に上記ガスを個別に供給するためのガス通路が形成されている請求項２記載の加速ノズル。
【請求項４】
上記ガス通路が、連結された上流側および下流側リング状部品の間に間隙を設けることによって形成され、このガス通路における上記噴射口近傍に、ガス通路の幅を絞って上記高速ガス流を形成する高速ガス流形成部が形成されている請求項３記載の加速ノズル。
【請求項５】
溶射装置のノズル出口に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とする溶射装置用加速ノズル。
【請求項６】
微粉製造装置のノズル出口に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とする微粉製造装置用加速ノズル。
【請求項７】
コールドスプレー装置のノズル出口に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速ノズルを接続するように構成されたことを特徴とするコールドスプレー用加速ノズル。
【請求項８】
ノズル入口側に導入したキャリアガスを、上記ノズル内のスロート部を通過させることにより高速ガス流とし、ノズル内で溶融状態にある材料をその高速ガス流によって微粒化し、微粒化した粒子をノズル出口側から噴射する噴射ノズル装置において、
上記スロート部下流側のノズル孔における周方向内壁にノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けてシールドガスを噴射する噴射口を有し、上記高速ガス流の周囲に筒状のシールドガスの流れを形成するシールドガス供給部を備えてなることを特徴とする噴射ノズル装置。
【請求項９】
上記ノズルは上記スロート部からノズル出口に向けて内径が連続的または段階的に拡大する末広ノズルに形成されている請求項８記載の噴射ノズル装置。
【請求項１０】
上記ノズルは、複数のリング状部品をリング中心軸方向に連結した集合体から構成されている請求項８または９記載の噴射ノズル装置。
【請求項１１】
上記ノズルは上記スロート部からノズル出口に向けて内径が段階的に拡大する末広ノズルに形成され、連結されたリング状部品における各隣り合った内壁段差部分に、上記シールドガス噴射口としてのスリットが環状に形成されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１２】
上記スリット上流側のシールドガス供給路に、シールドガスの流速を上記高速ガス流の流速に揃えるためのシールドガス用スロート部が形成されている請求項１１記載の噴射ノズル装置。
【請求項１３】
上記リング状部品の下流側内周縁部に、上記シールドガスの流れを上記ノズルの中心軸と略平行に且つ下流側に向けて揃えるためのガス流偏向部を有する請求項８〜１２のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１４】
上記ノズルのスロート部近傍に、溶射材料をワイヤの形態で供給する一対のワイヤガイドが配設され、これらのワイヤガイドの先端からノズル内に突出した一対のワイヤに対し、陽極と陰極の各電極として電荷を印加するように構成されている請求項８〜１３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１５】
上記高速ガス流の流れ方向において最上流側に配置される上記リング状部品をセラミックスで構成し、このセラミックスに、溶射材料としてのワイヤを供給する一対のワイヤガイドを挿通し、これらのワイヤガイドの先端からノズル内に突出した一対のワイヤに対し、陽極と陰極の各電極として電荷を印加するように構成されている請求項８〜１３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１６】
上記高速ガス流の流れ方向において最上流側に配置される上記リング状部品をセラミックスで構成し、このリング状部品に、ワイヤガイドから上記スロート部を通して供給されたワイヤとの間でアーク溶解を行うための固定電極が配設されている請求項８〜１３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１７】
上記スロート部を通して、上記ノズル中心軸上に溶湯を供給する溶湯ノズルが設けられている請求項８〜１３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【請求項１８】
上記リング状部品を貫通して設けられた溶湯ノズルから上記ノズル内の高速ガス流に対して交差する方向から溶湯を供給するように構成されている請求項８〜１３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを衝突させることによって微粒化した粒子を、冷却または溶融状態で成膜対象に衝突させ皮膜を形成するのに好適である加速ノズルおよびその加速ノズルを備えた噴射ノズル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスを用いて金属材を微粒化する主な技術として、(1) 微粉製造、(2) スプレーフォーミング、(3) 溶射が知られており、これらの溶射技術には各種構造からなる噴射ノズルが使用されている。
【０００３】
(1) 微粉製造
粉末冶金に利用される微粉製造は、容器から注がれる溶湯流に対し、円周上に配置された複数のノズルからその溶湯流に向けてジェットガスを衝突させ、金属材を微粒化する（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、上記複数のノズルに代えて円錐状のラバルノズルを配置し、そのラバルノズルでガスを加速させ、高速に加速されたガス中に金属材等を溶融状態で導入することにより、微粒化する方法も知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
上記ラバルノズルの長さは短いものを使用しているため、ノズル内壁に微粒化された粒子が付着することは少ないが、ノズルの長さが短いと高速気流となっているノズル内を溶湯や微粒子が通過する時間が極めて短いため、ガス流速によって引き出すことのできる本来の微粒化効果を十分に活用することはできない。
【０００６】
(2) スプレーフォーミング
プリフォームを製造するスプレーフォーミングにおいても上記微粉製造と同様な構成の微粒化装置（アトマイザー）が使用されている。
【０００７】
この種の微粒化装置においても、ノズル孔から放出されて減速してしまったガスを溶湯に衝突させるものはガス流によって粒子を十分加速させることができず、その結果として得られた堆積物の密度は低くなり、材料は多孔質になりがちである。
【０００８】
例えば、特許文献３に記載のスプレー形成方法では、金属材が噴霧前に凝固しないように、ノズル温度を十分高い温度に維持するための加熱エレメントがノズル周囲に設けられている。
【０００９】
この微粒化装置によればノズル内壁に金属粒子が付着することを防止できる。ところが、ノズル内壁を構成している材料と、ノズルに供給した金属材とが濡れ性のよい場合には、金属粒子がノズル内壁に膜状に付着し、ノズル中央を流れるガスに引っ張られてゆっくりとノズル出口側に押し出されるため、ノズル中央を飛行する微粒子と比べると非常に大きな粒径のままノズル出口から吐き出されることになる。その結果、成膜の品質が悪化したり、堆積物の品質が低下する。
【００１０】
さらに、ノズル内壁と接触した後に吐き出された金属粒子は、ノズル壁材料の成分が混入しているため、微粒化した金属粒子を汚染する可能性もある。
【００１１】
(3) 溶射
上記スプレーフォーミングが大容量の溶湯を供給して塊の堆積物や成型体を得るのに対し、溶射は同様の原理によって少量の材料を供給し皮膜を形成するコーティング技術であり、溶射の方式としては電気を熱源とするアーク溶射や燃焼ガスを熱源とするフレーム溶射等がある。
【００１２】
(3-1) ノズル内で金属材を溶融させるもの
アーク溶射は、金属材を２本のワイヤの形態で供給し、それぞれのワイヤを陽極と陰極として電荷を付加し、両ワイヤ間でアークを発生させ金属材を溶融する（例えば特許文献４参照）。
【００１３】
この特許文献４に記載の溶射ノズル装置では、ノズルに粒子が付着することを予め考慮してノズル壁の温度を金属材の融点以上まで加熱している。
【００１４】
この溶射ノズル装置を含め、多くのアーク溶射では、金属粒子の加速性能を犠牲にしてノズル内壁に溶融状態の粒子が付着しない方法を選択している。
【００１５】
また、特許文献５に記載のアーク溶射装置は、図２８に示すように、霧化部の下流において高速の噴霧流を促進するように構成されている。
【００１６】
詳しくは、線材ガイド１１０，１１０を通した線材１１１，１１１を、ノズル中心軸上で互いに接触させるようにし、その中心軸と同軸に、先細のテーパ区画１１２ａと先広がりのテーパ区画１１２ｂが連通するガスキャップ１１２を設け、テーパ区画１１２ａにガスを通過させることにより溶融金属噴霧用の一次ガス流Ｇ１を発生させ、テーパ区画１１２ｂに設けられた複数のオリフィス１１２ｃから二次ガス流Ｇ２を発生させている。
【００１７】
二次ガス流Ｇ２は互いに内側に向けられており、溶融金属の霧化を妨害しないように、線材１１１の接触点から下流側に十分に間隔を置いた位置で合流するようにし、それにより、一次ガス流Ｇ１が二次ガス流Ｇ２によって狭められ、かつ加速されるようになっている。
【００１８】
上記アーク溶射装置のノズル構造は粒子速度を高めることを意図しているが、ガスキャップ１１２のテーパ区画１１２ｂにおける半頂角（ノズル中心軸とノズル内壁がなす角度）が極めて大きくしかも長さが短いため、ガスキャップ１１２内で流れの剥離が生じ、超音速のガス流を形成することは困難である。
【００１９】
(3-2) ノズル外で金属材を溶融させるもの
ノズルを使用することによって溶射面に向けて高速フレームを形成するとともに、その高速フレーム（燃焼炎）の途中に溶射材を投入する溶射装置（例えば特許文献６参照）が知られている。
【００２０】
また、同じく高速フレームによる溶射ガンバレルにガスシュラウドを付加し、そのガスシュラウドにおいて円周状に形成されたスリットより不活性ガスをシュラウド内に供給し、ガンバレルより溶射される金属粒子の速度を加速させ、大気から遮断した状態で基材表面に金属粒子を衝突させるものもある（例えば特許文献７参照）。
【００２１】
金属粒子の加速が得られた理由は、ガスシュラウドが存在することによってノズルの長さが延長され粒子の加速距離が増加したことと、高温のフレームに対して周囲から不活性ガスが供給されことと考えられる。超音速で流れている気流は加熱されると減速し、冷却されると加速する性質を持っているからである。
【００２２】
また、不活性ガスを供給するスリットの傾斜面は、シュラウド筒部の中心軸への直交線に対して７０°以内に傾斜させることが好ましいとある。７０°を超えると、シュラウド中央を流れるフレームに対し不活性ガスを混合させることが難しくなるからと思われる。
【００２３】
(3-3) ３次元の造形
微粒化した溶融金属を標的に向けて噴射し凝固させることにより３次元の造形を行う方法である。
【００２４】
金属材を線材にし、この線材の端部を放電によって溶融させ、形成された溶融球をガス流で飛翔させるが、ガスで噴射された溶融金属がノズル内壁に付着することを避けるため、ノズルの外部で線材を溶解させている（例えば特許文献８参照）。
【００２５】
この造形方法では、ノズルから噴射し拡散するガスによって溶融金属が吹き飛ばされるため、基材に対する溶融金属滴の命中精度が低いという問題がある。
【００２６】
仮に、溶融金属の粒子を長いノズル内で飛行させ、直進性を保った状態でノズルから噴射することができれば、命中精度を格段向上させることが期待できるが、このようなノズルは実現されていない。
【００２７】
(3-4) コールドスプレー
材料を溶融またはガス化させることなくガスとともに超音速流で固相状態のまま基材に衝突させて皮膜を形成する方法である（例えば特許文献９参照）。超音速で衝突した材料は粒子自体が塑性変形することによって皮膜となるため、他の溶射方法とは異なり、熱による材料の特性変化や酸化が抑制される。
【特許文献１】特公昭６２−２４４８１号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１０７３８号公報
【特許文献３】特表２００４−５０３３８５号公報
【特許文献４】特開２００６−１７５４２６号公報
【特許文献５】特開平１１−２７９７４３号公報
【特許文献６】特開２００１−１８１８１７号公報
【特許文献７】特開２００３−１８３８０５号公報
【特許文献８】特開２０００−２４８３５３号公報
【特許文献９】特開２００６−５２４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上記微粉製造、スプレーフォーミング、溶射に使用されている従来の噴射ノズルのいずれについても、粒子がノズル内壁に付着するという問題は解消されていない。また、長さの短いノズルを使用して、あるいはノズル外部で金属材を微粒化する方法では、ガス流速によって引き出すことのできる本来の微粒化効果を十分に活用することができないという問題がある。
【００２９】
本発明は以上のような従来の噴射ノズルにおける課題を考慮してなされたものであり、粒子がノズル内壁に付着せず、しかもガス流速によって得られる微粒化効果および粒子の加速効果を有効に活用することができる加速ノズルおよび噴射ノズル装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の加速ノズルは、ノズルの先端に向けて内径が連続的または段階的に拡大するノズル孔を有し、上記ノズル孔における周方向内壁に、高速ガス流をノズル先端側に向けて略筒状に噴射するための噴射口が形成されるとともに、この噴射口が上記ノズル孔の筒軸方向に複数段設けられていることを要旨とする。
【００３１】
上記加速ノズルにおいて、内径が異なる複数のリング状部品を筒状に連結した場合、連結された上流側および下流側リング状部品の内壁段差部分に、上記噴射口を環状に開口させることができる。
【００３２】
上記加速ノズルにおいて、先端の上記リング状部品を除く各リング状部品を貫通して、上記高速ガス流形成用のガスを供給するガス供給路を設け、このガス供給路から、上記各段の噴射口に上記ガスを個別に供給するためのガス通路を形成することができる。
【００３３】
上記加速ノズルにおいて、連結された上流側および下流側リング状部品の間に間隙を設けることによって上記ガス通路を形成し、このガス通路における上記噴射口近傍に、ガス通路の幅を絞って上記高速ガス流を形成する高速ガス流形成部を形成することができる。
【００３４】
上記構成を有する加速ノズルは、溶射装置のノズル出口に接続することができ、また、微粉製造装置のノズル出口に接続することができ、さらにまた、コールドスプレー装置のノズル出口に接続することができる。
【００３５】
本発明の噴射ノズル装置は、ノズル入口側に導入したキャリアガスを、上記ノズル内のスロート部を通過させることにより高速ガス流とし、ノズル内で溶融状態にある材料をその高速ガス流によって微粒化し、微粒化した粒子をノズル出口側から噴射する噴射ノズル装置において、
上記スロート部下流側のノズル孔における周方向内壁にノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けてシールドガスを噴射する噴射口を有し、上記高速ガス流の周囲に筒状のシールドガスの流れを形成するシールドガス供給部を備えてなることを要旨とする。
【００３６】
上記筒状のシールドガスの流れを形成するとは、実質的に筒状の流れが形成されるものであればよく、例えば環状の噴射口からシールドガスを噴射することによって筒状の流れを形成してもよく、または、円周上に配置された多数の複数口からシールドガスを噴射することによって筒状に形成するものであってもよい。
【００３７】
上記噴射ノズル装置において、上記ノズルは上記スロート部からノズル出口に向けて内径が連続的または段階的に拡大する末広ノズルに形成することができる。
【００３８】
上記噴射ノズル装置において、上記ノズルは、複数のリング状部品をリング中心軸方向に連結した集合体から構成することができる。
【００３９】
上記噴射ノズル装置のノズルを、上記スロート部からノズル出口に向けて内径が段階的に拡大する末広ノズルで形成した場合、連結されたリング状部品における各隣り合った内壁の段差部分に、上記シールドガス噴射口としてのスリットを環状に形成することができる。
【００４０】
上記噴射ノズル装置において、上記スリット上流側のシールドガス供給路に、シールドガスの流速を上記高速ガス流の流速に揃えるためのシールドガス用スロート部を形成すれば、例えばラバルノズル等のガスを高速に加速するタイプの噴射ノズル装置についても、導入したシールドガスによって上記高速ガス流を促進させることができる。
【００４１】
上記噴射ノズル装置において、上記リング状部品の下流側内周縁部に、上記シールドガスの流れを上記ノズルの中心軸と略平行に且つ下流側に向けて揃えるためのガス流偏向部を設けることができる。
【００４２】
上記噴射ノズル装置において、上記ノズルのスロート部近傍に、溶射材料をワイヤの形態で供給する一対のワイヤガイドを配設し、これらのワイヤガイドの先端からノズル内に突出した一対のワイヤに対し、陽極と陰極の各電極として電荷を印加するように構成することができる。
【００４３】
上記噴射ノズル装置において、上記高速ガス流の流れ方向において最上流側に配置される上記リング状部品をセラミックスで構成し、このセラミックスに、溶射材料としてのワイヤを供給する一対のワイヤガイドを挿通し、これらのワイヤガイドの先端からノズル内に突出した一対のワイヤに対し、陽極と陰極の各電極として電荷を印加するように構成することができる。
【００４４】
上記噴射ノズル装置において、上記高速ガス流の流れ方向において最上流側に配置される上記リング状部品をセラミックスで構成し、このリング状部品に、ワイヤガイドから上記スロート部を通して供給されたワイヤとの間でアーク溶解を行うための固定電極を配設することができる。
【００４５】
上記噴射ノズル装置において、上記スロート部を通して、上記ノズル中心軸上に溶湯を供給する溶湯ノズルを設けることができる。
【００４６】
上記噴射ノズル装置において、上記リング状部品を貫通して設けられた溶湯ノズルから上記ノズル内の高速ガス流に対して交差する方向から溶湯を供給するように構成することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の加速ノズルおよび噴射ノズル装置によれば、粒子がノズル内壁に付着せず、しかもガス流速によって得られる微粒化効果および粒子加速効果を有効に活用することができるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００４９】
1  加速ノズルの原理
図１は本発明に係る加速ノズルの原理を示したものであり、同図(ａ)は正面断面図を示し、同図(ｂ)は図１(ａ)のＢ部拡大図である。
【００５０】
両図において、加速ノズル１は、ノズル２の入口側３にキャリアガスを導入するようになっている。
【００５１】
導入されたキャリアガスは、内径が絞られたスロート部４を通過することによって高速ガス流（以下、主流ガスＧｓと呼ぶ）を形成し、その主流ガスＧｓ流によって固体もしくは液体の粒子を微粒化し、その微粒化した粒子をノズル２の出口側５から噴射するようになっている。
【００５２】
また、上記ノズル２は、主流ガスＧｓを流すための貫通孔を備えた複数のリング状部品２ａ〜２ｊを、ノズル中心軸方向に連結することによって構成されている。
【００５３】
詳しくは、主流ガスＧｓの流れ（Ａ方向）において最も上流側に、例えばベースとなるセラミックス製リング状部品２ａが配置され、最も下流側にノズルエンドとなるＳＵＳ製リング状部品２ｊが配置され、それらのリング状部品２ａおよび２ｊの間に連結用のＳＵＳ製リング状部品２ｂ〜２ｉが多段に配置されている。
【００５４】
また、６は各リング状部品２ａ〜２ｉを貫通して穿設されたシールドガス供給路（ガス供給路）であり、このシールドガス供給路６は、リング状部品２ａ〜２ｊの連結部分に間隙部分として設けられた環状通路（ガス通路）６ａと連通し、各環状通路６ａはさらにノズル内壁円周位置に形成された環状のスリット（噴射口）Ｔと連通している。このスリットＴは、図１(ｂ)に示すように、連結された上流側リング状部品２ａと下流側リング状部品２ｂの内壁段差部分に環状に開口しており、図１(ａ)に示すように、ノズル孔の筒軸方向に複数段設けられている。
【００５５】
それにより、シールドガス供給路６に導入されたシールドガスＳＧｓは、環状通路６ａで合流し、その環状通路６ａを通じて各段の噴射口としてのスリットＴに個別に供給され、スリットＴ全体から筒状となってノズル２内に噴射されるようになっている。
【００５６】
上記シールドガス供給路６およびスリットＴは、シールドガス供給部として機能する。
【００５７】
次に、上記構成を有する加速ノズル１の動作について溶射を例に取り説明する。
【００５８】
リング状部品２ａには、溶射材料としてのワイヤをノズル２内に供給するワイヤガイド（後述する）が一対挿通されており、各ワイヤガイドから突出した２本のワイヤは、スロート部４の出口側近傍で互いに接触するようになっている。
【００５９】
加速ノズル１は、ノズル２内を流れる主流ガスＧｓと略同じ流速でフレッシュなガスを各リング状部品２ａ〜２ｉからノズル２内に順次送り込むことによりノズル２内壁を覆う新気（シールドガスＳＧｓ）の膜を形成し、それにより、ノズル２内壁に金属粒子が付着する機会を大幅に減少させている。
【００６０】
また、シールドガスＳＧｓは、理想的にはノズル中心軸と平行に噴射させることが好ましく、さらに、ノズル内壁２ｋ全周にわたって一様に供給することが好ましい。
【００６１】
したがって、円形断面を有するノズル２では、全周にわたって同一幅で構成された環状のスリットからシールドガスＳＧｓを供給することにより、シールドガスＳＧｓを筒状の流れに形成し、ノズル２内に供給することが理想となる。
【００６２】
このシールドガスＳＧｓをノズル中心軸と平行に供給するには、助走区間として、ガス流偏向部７が必要になる。
【００６３】
詳しくは、上流側のリング状部品２ａと下流側のリング状部品２ｂの間にシールドガスＳＧｓ供給用の環状通路６ａが形成されている。
【００６４】
ガス流偏向部７は、リング状部品２ａにおける下流側内周縁が顎状に突出形成されたものであり、リング状部品２ｂにおける上流側端面８を超えてさらに下流側に延設されている（図中、突出し長さＮ参照）。それにより、上記環状通路６ａと連通するスリットＴが環状に形成されている。このような環状通路６ａと環状スリットＴが、リング状部品２ａ〜２ｉのそれぞれに形成されている。
【００６５】
1-1  加速ノズルの構成
図２はリング状部品２ａの下流側側面を示した斜視図である。
【００６６】
リング状部品２ａの中心部に設けられた貫通孔の周縁にガス流偏向部７が筒状に形成され、その裾部に環状通路６ａが凹設されている。この環状通路６ａには、シールドガス供給路６が円周上に等間隔に（本実施形態では８個）形成されている。
【００６７】
すなわち、シールドガス供給路６から供給されるシールドガスＳＧｓは、環状通路６ａに流れて合流し、ガス流偏向部７によってガス流の向きがノズル中心軸方向に変更されるとともに筒状の流れに形成され、ノズル２内に供給されるようになっている。なお、図中９はスタックボルト孔である。
【００６８】
図１に戻って説明する。
【００６９】
各リング状部品２ａ〜２ｊにおいて、上流側のリング状部品に対し下流側のリング状部品のノズル孔径は大きく形成されており、その孔径の違いによって生じる段差を利用して上記スリットＴを確保している。また、下流側に向けてノズル孔径を段階的に拡径していることにより、同時に、溶融状態の粒子が多く飛行するノズル中心軸付近からノズル内壁を遠ざけることを可能にしている。
【００７０】
ノズル中心軸に溶融金属を導入するか、若しくはノズル中心軸上にワイヤの形態で供給された金属材をアーク溶解した場合、通常、ノズル中心軸上での粒子濃度が最も高く、周辺（径方向）に至るほど粒子濃度は減少するガウス分布に従うと言われている。
【００７１】
したがって、ノズル内壁をノズル中心軸から遠ざけると、粒子がノズル内壁２ｋに接触する確率を減少させることができる。
【００７２】
また、ノズル中心軸上から供給された粒子は、上記したようにノズル下流側に飛行する間にノズル径方向に広がっていくが、この広がりはノズル内の流れの乱れによって影響される。
【００７３】
ノズル２内の流れは、速度勾配（空間上で速度が変化する割合）が大きいほど大きな乱れとなって現れるため、ノズル２内のガス流速は極力一様であることが好ましい。
【００７４】
本発明の加速ノズル１は、シールドガスの速度を主流ガスのそれと一致させるという大きな課題を克服し、上記ノズル２内に一様なガス流れを形成することに成功している。
【００７５】
以下、詳しく説明する。
【００７６】
（ａ）ノズルが、ノズル内流れのマッハ数が１未満の亜音速で作動するノズルの場合
スリットＴを通過するシールドガスの流速ｕはスリット前側の圧力ｐ１とスリット後側の圧力ｐ２より、ガスの密度ρを用いて
【００７７】
【数１】
2008080323.tif 000003
で表される。
【００７８】
ノズル内圧力はスリット後側の圧力と等しく、ｐ２であるから、最も上流側のスリットＴを含めてリング状部品２ａ〜２ｊのすべてのスリット前側圧力をｐ１にすればよい。
【００７９】
これを実現するために、全てのスリットＴに個別のシールドガス供給路を用意し、圧力をすべて所定値となるように調整することもできるが、より簡単にこれを実現する方法としては、一カ所のガス貯留タンク（通常ヘッダーと呼ばれる）から分岐させて各スリットＴにシールドガスＳＧｓを供給する方法を採用することができる。
【００８０】
図１に示した加速ノズル１は上記ヘッダーからの分配方式を採用しており、各リング状部品２ａ〜２ｊのスリットＴに対して同一圧力ｐ１のシールドガスを供給している。
【００８１】
（ｂ）ノズルが、ノズル内流れのマッハ数が１以上の超音速で作動するノズルの場合
超音速ノズルを使用する場合、ラバルノズルのように拡大部を有するノズル形状を通過させなければ、主流ガスＧｓと同一の流速でシールドガスＳＧｓをノズル２内に供給することができない。
【００８２】
図１(ｂ)ではそのための構成として、スリットＴ出口の開口幅Ｃ＞スリット最狭部２ｍの開口幅Ｄとなるように、下流側リング状部品２ｂの内周縁に曲面が加工されている。
【００８３】
スリット最狭部（シールドガス用スロート部）２ｍは、最終的にはノズル内壁と連絡するのに対し、スリット最狭部２ｍと対向しているガス流偏向部７は直線的な平面に形成されている。このように、直線部分と円弧部分がある隙間を持って流路を形成することにより、シールドガスＳＧｓ噴射用のスリットＴは、中間に最狭部スロートを有し下流側にいくほど開口幅が広がるラバルノズルを構成していることになる。
【００８４】
なお、スリットＴをラバルノズル構造とするにあたっては、必ずしも、上記したように直線部分と円弧部分の組み合わせに限定されるものではなく、例えば円弧と円弧の組み合わせであってもよい。
【００８５】
1-2  粒子速度分布
図３は上記加速ノズル１によって得られる粒子速度分布を示したグラフである。
【００８６】
同図において、横軸のゼロはノズル２の中心を示し、＋値および−値はそのノズル中心からの相反する方向のＸ方向距離およびＹ方向距離を示し、縦軸は粒子速度を示している。
【００８７】
ノズル２の出口径はφ１５ｍｍであり、従って、横軸における＋７．５ｍｍ〜−７．５ｍｍの範囲がノズル領域内を示していることになる。
【００８８】
また、同グラフの測定結果は、アーク溶解機構を備えたノズル（図７参照）を用いて亜鉛の溶射を行ったものであり、溶射条件は以下の通りである。
【００８９】
窒素ガスのガス圧力は１．３ＭＰａ，ガス流量は０．１７ｋｇ／ｓ，ガスマッハ数は１．８であり、亜鉛の供給量は１．７×１０−４ｋｇ／ｓである。
【００９０】
レーザー位相ドップラー流速計によって計測した結果、ノズル出口における平均速度は４２０ｍ／ｓ程度であった。また、ノズル出口径φ１５ｍｍに対して、粒子が存在していた部位はφ１２ｍｍ（＋６〜−６ｍｍ）の範囲内であり、粒子速度はほぼ一定であった。
【００９１】
また、堆積物のミクロ観察写真を分析すると、基材に衝突した粒子径はφ１０〜３０μｍであった。
【００９２】
また、堆積物厚さ方向のＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）ライン分析を行ったところ、リング状部品の主成分であるＦｅが所々で検出されている。これはリング状部品の内壁面と衝突した粒子のあることを意味しているが、その濃度は極めて僅かであり、しかも散発的にしか発生していないことから、ノズル２を溶融金属から保護するシールドガスＳＧｓが機能していたことがわかる。
【００９３】
また、キャリアガスが亜鉛と反応して窒化した可能性を確認すべく窒素の存在を調査したが窒素は全く検出されなかった。このことは窒化する間もなく急速に亜鉛粒子が冷却されたためと考えられる。
【００９４】
また、酸素が検出されたが、これはワイヤの酸化皮膜による持ち込みである可能性が高い。
【００９５】
1-3  ノズル長さの調節
なお、一つのスリットＴからノズル２内にシールドガスＳＧｓを供給しても、ある距離についてガスと粒子が移動すると、やがてはノズル２内に少なからず存在する乱れによって粒子がノズル内壁２ｋ近くまで拡散してしまう。
【００９６】
そこで、本実施形態の加速ノズル１では、複数のリング状部品２ａ〜２ｊを連結することによってノズル２を構成するとともに、リング状部品の各連結部分に形成されたスリットＴからそれぞれシールドガスＳＧｓを、ノズル中心軸と略平行な方向でノズル２内に供給しており、シールドガスＳＧｓの供給動作を、粒子の加速に必要な長さまで繰り返し行っている。
【００９７】
また、ノズル２内にシールドガスＳＧｓを供給する間隔は、リング状部品２ａ〜２ｉの厚みによって決定されるが、通常は５〜２０ｍｍの範囲内で選択することができる。
【００９８】
リング状部品２ａ〜２ｉについて必要な厚さを事前に予測することは困難なため、各種厚みのリング状部品を用意して微粒化を行い、試行錯誤によってリング状部品の厚さを決定する。
【００９９】
例えば、ノズル内壁に粒子の付着が見られた場合には厚みの薄いリング状部品に交換し、粒子の付着がない場合にはリング状部品の厚さを増すといった厚み調整を行う。
【０１００】
また、粒子の加速に必要なノズル長さは、金属材料によって、また、金属材料の供給方法（溶解炉から融点以上の十分高い温度で材料を供給するか、材料をワイヤの形態で供給し、アーク溶解させるか）によって、或いはまた、ノズル内ガス流速によって異なるため、リング状部品の連結枚数を変更することによってノズル長さを調節している。
【０１０１】
すわなち、ノズル２を長くすると、粒子の速度は増加するが、粒子の温度はガスによって冷却され低下する。
【０１０２】
溶射では付着する歩留まりと気孔率、スプレーフォーミングと３次元造形では堆積する歩留まりと密度に関係するため、ノズル長さは重要なパラメータである。
【０１０３】
本実施形態ではそのノズル長さを、リング状部品の連結枚数を変えるという簡単な方法で調整できるようにしているため、ノズル２全体を製作し直すことなくノズル長さを変更することが可能になっている。
【０１０４】
また、微粒化作業の後には必ず、ノズル２の分解清掃が必要になるが、本実施形態のリング状部品２ａ〜２ｊはどの部位にも指が届くように構成されているため、メンテナンスが簡便に行え、メンテナンスに要する時間を大幅に短縮することが可能になっている。
【０１０５】
1-4  シールドガスの供給方法
次に、主流ガスＧｓの流速にシールドガスＳＧｓの流速を一致させてそのシールドガスＳＧｓをノズル２内に供給する方法について説明する。
【０１０６】
亜音速の流れについても超音速の流れについても、流速を音速で割って無次元化したマッハ数によってガス流れの速度を表すことができるため、ここではマッハ数Ｍを用いて流速を説明する。
【０１０７】
図１に示したスロート部４を経てノズル２内に噴射される主流ガスＧｓも、各スリットＴを経てノズル２内に噴射されたシールドガスＳＧｓも、ノズル２内で圧力（静圧）が釣り合う状態になるまで膨張する。なお、超音速流れの場合には圧力波がノズル２内で複雑に反射することになるが、この影響は無視する。
【０１０８】
もし、スロート部４からの主流ガスＧｓも各スリットＴからのシールドガスＳＧｓも同じ全圧（淀み点圧力）と全温を持つのであれば、両ガスの流速が一致する条件は、マッハ数Ｍが一致することである。この時、同時にスロート部４からの流れも各スリットＴからの流れも同一の圧力（静圧）を持つことになり、ノズル２内で釣り合った状態とすることができる。
【０１０９】
これを最も簡単に実現する方法として、図１に示したように、同一箇所の亜音速部（スロート部４の上流側）よりガスを取り出すことにより、主流ガスＧｓおよびシールドガスＳＧｓを含むすべてのガスの全圧と全温を等しくすることができる。
【０１１０】
具体的には、リング状部品２ａのスロート部４上流側から各リング状部品２ａ〜２ｉを貫通するようにしてシールドガス供給路６を穿設することによってシールドガスＳＧｓを分岐すればよい。
【０１１１】
図４はノズル内ガス流れをモデル化したものである。
【０１１２】
なお、説明を簡単にするため、リング状部品の連結数を６段とし、スリットＴ１〜Ｔ５とする。
【０１１３】
同図に示すように、スロート部４からのガス流れＧ０、およびスリットＴ１〜Ｔ５からのガス流れＧ１〜Ｇ５がそれぞれ同一のマッハ数になって噴出しているとし、さらにそのままマッハ数が変わらずにノズル２内を平行に流れ、ノズル２内に円筒状のガス流れを形成すると考える。
【０１１４】
実際にはノズル２内の乱れによってガスは拡散しようとするが、Ｇ０〜Ｇ５間で圧力が平衡状態になっているならば各スリットＴ１〜Ｔ５からの噴射されるガスは膨張することも、また、収縮することもないため、各スリットから噴射されるガスが占有する断面積が変わらず、ノズルの断面積を決めるためには妥当な仮定である。
【０１１５】
通常、マッハ数を一定に維持するためのノズルは、Ｇ０で表されるほぼ直管からなる長いノズルであるのに対し、本発明の加速ノズルでは、シールドガスＳＧｓをＧ１〜Ｇ５で示されるように段階的に噴射するように構成しているため、ノズル内壁面をノズル中心軸から段階的に遠ざけることが可能であり、粒子の付着を防止する上で有効である。
【０１１６】
次に、スロート部４および各スリットＴ１〜Ｔ５から同一のマッハ数でガスを噴射させるための条件について図５を参照しながら説明する。
【０１１７】
スロート最狭部の面積をＡ０＊、スロート出口の面積をＡ０とすると、スロート出口でのマッハ数Ｍ０は、式(2)で表される。
【０１１８】
【数２】
2008080323.tif 000004
ただし、κは比熱比である。
【０１１９】
同様に、スリット最狭部２ｍの面積をＡｉ＊、スリット出口での面積をＡｉとすると、
スリット出口でのマッハ数Ｍｉは、式(3)で表される。
【０１２０】
【数３】
2008080323.tif 000005
ここで、ｉ＝１，２，３……。
【０１２１】
スロート部４およびスリットＴ１，Ｔ２，Ｔ３……の出口におけるマッハ数が等しいためには、
【０１２２】
【数４】
2008080323.tif 000006
が成り立つ必要があり、すなわち、最狭部と出口における面積比がスロート部４および各スリットＴ１〜Ｔ５について等しくすればよい。
【０１２３】
それにより、主流ガスＧｓの流速とシールドガスＳＧｓの流速を一致させることができる。
【０１２４】
図６は、主流ガスＧｓと、リング状部品２ａとリング状部品２ｂの連結部分に形成されたスリットＴから噴射されたシールドガスＳＧｓの速度ベクトルを代表的に示したものである。
【０１２５】
同図に示されるように、シールドガスＳＧｓは主流ガスＧｓと平行に流れ、流速が略一致していることがわかる。
【０１２６】
2  加速ノズルの種類
図７〜図１２は本発明に係る加速ノズルの他の実施形態を示す原理図である。
【０１２７】
まず、図７に示す加速ノズル２０は、最上流側に配置されたリング状部品２１ａに形成されているスロート部２１ｄ上流側近傍に、溶射材料としてのワイヤを供給するワイヤガイド２２，２３を配設し、これらのワイヤガイド２２，２３を通して陽極と陰極の電極を兼用するワイヤ２４，２５をノズル２６内に供給し、スロート部２１ｄの上流側で溶解させるように構成したものである。
【０１２８】
図８に示す加速ノズル３０は、最上流側に配置されるリング状部材３１ａをセラミックスで構成し、このリング状部材３１ａに、溶射材料としてのワイヤを供給するワイヤガイド３２，３３を挿通し、これらのワイヤガイド３２，３３を通した、陽極と陰極の電極を兼用するワイヤ３４，３５をノズル３６内に供給し、スロート部３１ｄの下流側で溶解させるように構成したものである。
【０１２９】
図９および図１０は、図８に示した加速ノズル３０の変形例を示したものである。
【０１３０】
図９に示す加速ノズル３７は、アーク点の上流側ノズル孔を絞る（例えば、図８に示したスロート部３１ｄの孔径がφ３．５ｍｍとすると、スロート部３１ｆの孔径をφ１．３ｍｍに絞る）ことによりそのノズル内を流れる気流を亜音速に加速できるようにしたものである。
【０１３１】
また、図１０に示す加速ノズル３８は、アーク点の上流側近傍まで細径のノズル通路３１ｇ（φ１．３ｍｍ）とすることにより、亜音速の気流をアーク点近傍で噴射するようにしたものである。
【０１３２】
図９に示した加速ノズル３７の構成によれば、超音速気流によってアークが吹き飛ばされたり、あるいはワイヤ３４，３５がＡｌ等の比較的軟らかい素材で構成され超音速気流を受けて振動することによってアークが不安定になるような場合にアークを安定させる効果がある。
【０１３３】
また、図１０に示した加速ノズル３８によれば、アーク点に近づけて亜音速の気流を噴射することができるため、図９の加速ノズル３７に比べ、アークをより安定させることができる。
【０１３４】
上記加速ノズル３７，３８によれば、細く且つエネルギ密度の高いスプレーを実現することができる。
【０１３５】
図１１に示す加速ノズル４０は、最上流側に配置されたリング状部材４１ａをセラミックスで構成し、このリング状部材４１ａに、ワイヤガイドからノズルのスロート部４１ｄを通して供給されたワイヤ４２との間でアーク溶解を行うための固定電極４３，４４を配設したものである。
【０１３６】
図１２に示す加速ノズル５０は、垂直方向に配列されたリング状部材５１ａ〜５１ｃからなるノズル５２を有し、金属材料をそのノズル５２内に供給する手段として、ノズル５２のスロート部５１ｄを通して、溶湯を供給する溶湯ノズル５３を設けたものである。
【０１３７】
図１３に示す加速ノズル６０は、水平方向に配列されたリング状部材６１ａ〜６１ｃからなるノズル６２を有し、金属材料をそのノズル６２内に供給する手段として、スロート部６１ｄの下流側近傍に配置されているリング状部材６１ｂを貫通して溶湯ノズル６３を、主流ガスＧｓの流れと略直交する方向（下向きに）から挿入し、その溶湯ノズル６３からノズル６２内の高速ガス流に対して溶湯を供給するようにしたものである。
【０１３８】
なお、加速ノズルは上記した垂直方向、水平方向姿勢で配置する場合に限らず、傾斜姿勢で配置することもできる。
【０１３９】
3  加速ノズルを用いた噴射ノズル装置
次に、溶射材に応じた噴射ノズル装置の構成について説明する。
【０１４０】
3-1  亜鉛用噴射ノズル装置
Ｚｎは融点が低い（６９２．７Ｋ）ため、４００ｍ／ｓまで十分に加速できれば、衝突時の塑性変形熱で表面が溶け、基材上に付着させることができる。したがって、この場合、図１４に示すように加速を重視した長いノズルを使用する。また、ガス圧力は１．２ＭＰａ、ガス温度は常温とした。
【０１４１】
同図(ａ)は噴射ノズル装置１０の全体平面図を断面で表したものであり、同図(ｂ)はその正面図を断面図で示したものである。
【０１４２】
両図において、噴射ノズル装置１０は、本体部１１と、この本体部１１から突出して設けられるノズル１２とを有している。
【０１４３】
本体部１１内にはノズル１２に向けて主流ガスＧｓを流すためのガス通路１３が形成されている。このガス通路１３は平面から見ると下流側に向けて先細形状に構成されており、また、左右方向からガスを供給するためのガス供給路１３ａと連通している。
【０１４４】
上記ガス通路１３内には一対のワイヤガイド１４，１４が鋭角（下流側に向けて）に配置されており、これらのワイヤガイド１４，１４から送り出されるワイヤ１５，１５は、リング状部品１２ａに形成されているガイド孔を通過してノズル部１２内に突出し、突出した各先端は、スロート部１２ｍの下流側で互いに接触するようになっている。
【０１４５】
上記ワイヤ１５，１５の先端は、陽極と陰極を兼用しており電荷が付加されることによってアーク溶解されるようになっている。
【０１４６】
ノズル１２は、複数のリング状部品１２ａ〜１２ｋをノズル中心軸方向に連結することによって構成されている。
【０１４７】
図１５はノズル１２の基端を構成しているリング状部品１２ａの構成を示したものであり、同図(ａ)は平面断面図、同図(ｂ)は右側面図、同図(ｃ)は図１５(ｂ)のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【０１４８】
リング状部品１２ａの中心部には主流ガスＧｓの流れるガス流路１２ｎが形成され、このガス流路１２ｎの途中にスロート部１２ｍが形成されている。
【０１４９】
このスロート部１２ｍの下流側近傍には、ワイヤを供給するためのガイド孔１２ｐ，１２ｐが開口し、ガス流路１２ｎの下流側端部は筒状に突出するガス流偏向部１２ｑが形成され、シールドガスＳＧｓの流れを主流ガスＧｓの流れと略平行にするようになっている。
【０１５０】
このガス流偏向部１２ｑの周囲には凹溝１２ｒが環状に形成されており、この凹溝１２ｒとリング状部品下流側端面１２ｓとの間には凹溝１２ｒよりも大径に形成された係合凹部１２ｔが環状に形成されている。
【０１５１】
また、凹溝１２ｒにはシールドガスＳＧｓを供給するためのシールドガス供給路１２ｕが円周上に等間隔に配設されており、各シールドガス供給路１２ｕから供給されたシールドガスＳＧｓは、凹溝１２ｒで合流し、ガス流偏向部１２ｒの外壁に沿って筒状の流れを形成するようになっている（図１５(ｃ)のシールドガス流ＳＧｓ参照）。
【０１５２】
なお、図中、１２ｖはスタック用ボルトを通すための孔部である。
【０１５３】
図１６は上記リング状部品１２ａの下流側に連結されるリング状部品１２ｂの構成を示したものであり、同図(ａ)は平面断面図、同図(ｂ)は右側面図である。
【０１５４】
なお、リング状部品１２ｂ〜１２ｊについてはガス流路１２ｎの内径が順次拡大される点を除いては基本的に同じ構成であるため、上記リング状部品１２ｂを代表してそれらの構成を説明する。
【０１５５】
リング状部品１２ｂにおける上流側端面１２ｗの中心部には筒状の係合凸部１２ｘが形成されており、この係合凸部１２ｘは上記したリング状部品１２ａの係合凹部１２ｔと嵌合するようになっている。
【０１５６】
また、リング状部品１２ｂにおけるガス流路１２ｎの内径ｄ２＞リング状部品１２ａのガス流偏向部１２ｑにおける外径ｄ１となっている。
【０１５７】
なお、環状溝１２ｙにはシール材としてのＯリングが装着される。また、図中、１２ｑ′はガス流偏向部、１２ｒ′は環状の凹溝、１２ｔ′はさらに下流側に連結されるリング状部品の係合凸部が嵌合される係合凹部である。
【０１５８】
図１７は、ノズル１２の先端に配置されるリング状部品１２ｋの構成を示したものであり、同図(ａ)は平面断面図、同図(ｂ)は右側面図である。
【０１５９】
リング状部品１２ｋはその中心部にガス流路１２ｎが形成され、上流側端面１２ｗ′に係合凸部１２ｘ′が形成されている。リング状部品１２ａから段階的に拡大されたガス流路１２ｎの内径ｄは、最終的にこのリング状部品１２ｋの内径、本実施形態では１５ｍｍとなっている。
【０１６０】
3-2  チタン用噴射ノズル装置
Ｔｉは融点が高い（１９５３Ｋ）ため、粒子が冷え過ぎた場合７００ｍ／ｓ程度まで加速しないと衝突時の塑性変形熱による熱で表面を溶かし付着させることができない。この粒子の加速に必要なガス圧力は、空気の場合、５０ＭＰａを超えることになる。したがって、Ｔｉの溶射では粒子が冷え過ぎないように短いノズルを使用する。また、ガス圧力は１．８ＭＰａ、ガス温度は常温とした。
【０１６１】
図１８(ａ)は噴射ノズル装置１０′の全体平面図を、同図(ｂ)はその正面図をそれぞれ断面図で示したものである。
【０１６２】
両図において、噴射ノズル装置１０′は、本体部１６と、この本体部１６から突出して設けられるノズル部１７とを有している。
【０１６３】
本体部１６内にはノズル部１７に向けて主流ガスを流すためのガス通路１８が形成されており、このガス通路１８に対して左右方向からガスを供給するガス供給路１８ａが形成されている。
【０１６４】
このガス通路１８内には一対のワイヤガイド１９，１９が鋭角に配置されており、これらのワイヤガイド１９，１９から送り出されるワイヤ１９ａ，１９ａはリング状部品１２ａに形成されているガイド孔を通過してノズル部１７内に突出し、突出した各先端は、スロート部１７ｉの下流側で互いに接触するようになっている。
【０１６５】
ノズル部１７は、各リング状部品１７ａ〜１７ｈを筒軸方向に連結することによって構成されており、各リング状部品１７ａ〜１７ｈにおける連結部分に形成されているスリットからシールドガスＳＧｓがノズル１７内に向け、主流ガスＧｓの流れと平行に噴射されるようになっている。
【０１６６】
なお、上記実施形態では溶射材としてＺｎとＴｉを例に取り説明したが、溶射材としてはこれ以外に、Ａｌ，Ｃｕ，ＳＵＳ鋼等の金属／合金，セラミックス，サーメット等を使用することもできる。
【０１６７】
また、上記実施形態では同じ厚さのリング状部品を複数枚連結することによってノズルを構成したが、異なる厚さのものを混在させて連結することもできる。
【０１６８】
また、上記実施形態では上記ノズルを上記スロート部からノズル出口に向けて内径が段階的に拡大する末広ノズルで構成したが、連続的に拡大する末広ノズルで構成することもできる。この場合、ノズル内壁円周位置に噴射口を多数配列することによってノズル中心軸と略平行に且つ下流側に向けてシールドガスを噴射することになる。
【０１６９】
3-3  溶射性能
図１９に示すグラフは、異なる溶射材を使用した場合の溶射性能を比較したものであり、(ａ)のグラフは溶射によって形成された皮膜の密度を、(ｂ)のグラフは皮膜の歩留まりをそれぞれ示している。
【０１７０】
テストピースとして使用した溶射材は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ，ＳＵＳ３０４である。なお、溶射試験に際してはリング状部品の連結枚数を変更することにより、溶射材毎にノズル長さを調節した。具体的には、融点が低い溶射材については加速を重視した長いノズル、例えばＡｌ，Ｃｕについては２００ｍｍ長さのノズルを使用した。一方、融点の高い溶射材については粒子が冷え過ぎないように短いノズル、例えばＴｉについては４０ｍｍ、ＳＵＳ３０４については７０ｍｍを使用した。
【０１７１】
(ａ)のグラフに示すように、各溶射材によって得られた皮膜密度は９０〜９４％と高密度であり良好な成膜状態が確認できた。
【０１７２】
また、(ｂ)のグラフに示すように、ノズル長さを４０〜２００ｍｍの範囲で変更し、皮膜の歩留まりを調べた。その結果、ノズル長さが長くするにつれて各溶射材ともに、歩留まりが低下する傾向が確認された。これは、飛行中の粒子が冷え過ぎると基材に付着しにくくなるからであると考えられる。
【０１７３】
なお、Ａｌについてはノズル長さを２００ｍｍとしても４０％程度の歩留まりが得られるが、Ｃｕついては１５％程度、ＳＵＳ３０４やＴｉについては５〜１０％程度の歩留まりしか得られない。このことから、溶射材に融点の低い材料を使用する場合は長さ２００ｍｍまでのノズルを使用することができるが、融点の高い材料を使用する場合はノズル長さの上限を７０ｍｍ以下に設定することが好ましい。より好ましくは４０ｍｍ程度である。
【０１７４】
図２０に示すグラフは、４０ｍｍ長さのノズルを用いて成膜されたＴｉ溶射皮膜をＥＰＭＡによってφ１μｍ程度の点について成分分析したものであり、横軸はエネルギ、縦軸はＸ線強度を示している。
【０１７５】
同グラフから分かるように、溶射皮膜を構成している元素としてＴｉが検出されている。分析結果に酸素は検出されておらず、それにより、酸化のない状態でＴｉ皮膜を形成できることが実証された。
【０１７６】
なお、ＮおよびＣも極めて僅かな量、検出されているが、Ｎはキャリアガスとしての窒素が検出されたものであり、Ｃはテストピースを成形するための樹脂が成分として検出されたものであり、無視することができる。
【０１７７】
4  コールドスプレー
次に、本発明の加速ノズルをコールドスプレーに適用する場合の構成について説明する。
【０１７８】
コールドスプレーは、溶射材の融点よりも低い温度の超音速ガス流に粉末状態の溶射材を投入し、固相状態のままその溶射材を基材に衝突させて皮膜を形成する方法である。
【０１７９】
溶射材としては、金属、合金、サーメット、セラミックス等を使用することができる。また、溶射材の粒径は、一般的に、１〜５０μｍのものを使用することができる。
【０１８０】
図２１に示すように、コールドスプレー用の噴射ノズル装置７０は、本体部７１と、この本体部７１の先端に接続される加速ノズル７２とから主として構成されている。
【０１８１】
上記本体部７１は中空室７１ａを有し、この中空室７１ａのスプレー方向前側には先細部７１ｂが形成されている。また、中空室７１ａには高圧ガスを供給する第１供給孔７１ｃと、高圧ガスと粉体とを供給する第２供給孔７１ｄがそれぞれ連通しており、各高圧ガスは共通のガス源（窒素、ヘリウム、空気等）から分岐させて供給するようになっている。
【０１８２】
上記加速ノズル７２の構成は、図１に示した加速ノズル１の構成と基本的に同じものであり、ノズル内を飛行する溶射材に対しその周囲に筒状のシールドガスを形成することができるように構成されている。
【０１８３】
上記噴射ノズル装置７０によれば、第１供給孔７１ｃを通じて供給される高圧ガスと第２供給孔７１ｄを通じて供給される溶射材を含む高圧ガスとが中空室７１ａ内で合流し、先細部７１ｂを通過することによって超音速流となる。
【０１８４】
加速ノズル７２を構成している各リング状部品７２ａ〜７２ｋの各スリットＴからはその内壁に沿ってガスが順次噴射され略筒状のガス流を形成している、それにより、加速ノズル７２内を飛行する溶射材は、略筒状に流れるガス流によってシールドされる。
【０１８５】
それにより、本体部７１から超音速で噴射された溶射材は、加速ノズル７２の内壁に接触することなく、すなわち、内壁に堆積することなく加速され、基材に衝突し、その結果、皮膜が形成される。
【０１８６】
上記噴射ノズル装置７０によれば、例えば部品の必要範囲にだけを狙って部分加工を行なうことが可能になるとともに、緻密な皮膜を形成することができる。
【０１８７】
5  高速フレーム溶射
図２２は、本発明の加速ノズルを高速フレーム溶射に適用する場合の構成を示したものである。
【０１８８】
同図に示すように、高速フレーム溶射装置の溶射ガン８０は、燃焼チャンバ８０ａとノズル部８０ｂとバレル部８０ｃとからなっている。
【０１８９】
燃焼チャンバ８０ａで燃料と酸素が混合、着火されることにより燃焼炎（フレーム）が発生し、この燃焼炎はノズル部８０ｂに形成されたスロート部８０ｄで一旦、絞られることにより高速流となり、さらにバレル部８０ｃを通過する。
【０１９０】
従来技術としての高速フレーム溶射では、一般的に粉末溶射材を供給するようになっており、バレル部８０ｃの長さは長い方が粒子を加速させることができ、基材に堆積される皮膜中の気孔を減らす上で有利である。しかしながら、バレル部８０ｃを長くすると、燃焼炎中を加速中の粒子はその火炎熱によって溶融し始め、やがてバレル部８０ｃの内壁に付着してしまう。
【０１９１】
そこで、図２２に示した高速フレーム溶射装置では、バレル部８０ｃの先端に、さらに、図１に示した加速ノズル１の構成と基本的に同じ構成からなる加速ノズル８１を接続している。
【０１９２】
上記加速ノズル８１をバレル部８０ｃの先端に接続することにより、粒子が溶融を開始してからもノズル内で粒子の加速を維持することが可能になる。その結果、粒子がバレル内壁に付着するという従来の高速フレーム溶射の問題点を解消することができる。
【０１９３】
なお、本発明の加速ノズルは、上記した高速フレーム溶射に限らず、プラズマ溶射等、高温ガスによって粒子を溶解させるタイプの溶射装置の後段に接続することも可能であり、ノズル内での加速を維持させてノズル内壁への粒子の付着を解消することができる。
【０１９４】
なお、図中、８２は溶射粒子、８３は基材、８４はその基材８３上に堆積される溶射皮膜を示している。
【０１９５】
6  微粒化装置
図２３は、溶融金属流を微細化することにより金属粉を製造する微粒化装置に、本発明の加速ノズルを適用する場合の構成を示したものである。
【０１９６】
同図において、微粒化装置９０は、溶解炉９１の下方に配置されたハウジング９２内に収納されている。
【０１９７】
微粒化装置９０は、中空の環状部９０ａと、その外周壁から直径方向に延設された支持体９０ｂおよび９０ｃを有し、一方の支持体９０ｃは中空からなり、環状部９０ａに連通して高圧ガスの供給路として機能するようになっている。
【０１９８】
また、支持体９０ｂ，９０ｃはそれらの軸まわりに回動するようになっており、それにより、環状部９０ａを紙面厚さ方向に揺動させることができる。
【０１９９】
環状部９０ａの底面には、図１に示した加速ノズル１の構成と基本的に同じ構成からなる加速ノズル９３が垂設されている。
【０２００】
上記構成において、支持体９０ｃを通じて環状部９０ａに供給された高圧ガスは、噴射ノズル装置９３の各リング部品９３ａ〜９３ｈのスリットＴからも噴射されるようになっている。
【０２０１】
なお、上記環状部９０ａが揺動動作する微粒化装置では、微粒化装置９０が溶解炉９１に固定されない構造上、溶解炉９１とその微粒化装置９０との間には空間９４が存在しており、この空間９４は通常、ほぼ大気圧となっている。
【０２０２】
上記構成を有する微粒化装置９０において、溶湯ノズル９１ａから吐出された溶湯９５は、重力によって鉛直方向に流下し、環状部９０ａの中心を通過する際に、高圧ガス（アトマイズガス）ＡＧｓによって微粒化される。
【０２０３】
微粒化された粒子はさらに加速ノズル９３内を通過する際にスリットＴから噴射される高圧ガスによって加速され、基材に衝突する衝突速度が高められる。
【０２０４】
基材上に粒子が堆積して形成されたビレットの密度は、粒子の衝突速度にほぼ比例するため、粒子を加速させることができる上記加速ノズル９３を付加することにより、密度の高いビレットを成形することができる。
【０２０５】
なお、上記構成では空間９４が加速ノズル９３のノズル中央に連通しているため、加速ノズル９３は、ノズル中央から大気圧のガスを吸い込んで粒子とともに加速することになる。したがって、ノズル中央に高圧ガスを導入する場合と比較すると、粒子を加速する能率は低くなる。
【０２０６】
そこで、ノズル内の粒子速度とガスマッハ数を実験により測定すると、例えば０．６ＭＰａのガスをリング状部品の各スリットＴから噴射した場合、ノズル中央を飛行する粒子の速度は３００ｍ／ｓ（ノズル中央に高圧ガスを供給した場合は４００ｍ／ｓ）となり、ガスのマッハ数は１．０〜１．５程度まで加速することができた。それにより、実用上、満足できる加速効果の得られることが確認された。
【０２０７】
7  水実験モデルを用いた粒子速度測定
図２４は加速ノズル内を飛行する粒子の速度および速度分布を測定するために構成された水実験モデルである。
【０２０８】
同図において、水タンク９１′は図２３に示した溶解炉９１に相当し、環状部９０ａ′は同じく環状部９０ａに相当し、加速ノズル９３′は加速ノズル９３に相当する。９６は水タンク９１′から垂下されたノズルである。また、中空の環状部９０ａ′から高圧ガスを供給した。
【０２０９】
なお、図２４に示した水実験モデルは、図２３に示した微粒化装置を高圧ガス供給方向から見た配置となっている。したがって、加速ノズル９３′は左右方向に揺動動作する。
【０２１０】
図２５の示すグラフは上記水実験モデルを用い、スプレー方向と直交する方向の粒子速度分布を測定したものである。
【０２１１】
同グラフにおいて、横軸はスプレー中心Ｓからの距離を示し、縦軸は粒子速度を示している。なお、本水実験モデルで使用した加速ノズル９３′のノズル出口の孔径はφ１６ｍｍである。
【０２１２】
グラフ中、特性Ｍ１はノズル出口から２５ｍｍの距離において粒子速度を測定したものであり、ノズル内壁に近いスプレー周辺部では粒子速度が速く（３５０ｍ／ｓ）、スプレー中心部では粒子速度が遅くなる（２５０ｍ／ｓ）という速度分布が得られた。これは、スプレー中心部では大気圧のガスを吸い込みながら加速しなければならないことによって生じた遅れと考えれる。
【０２１３】
特性Ｍ２は、ノズル出口から２５０ｍｍの距離において粒子速度を測定したものであり、スプレー中心部の粒子速度が特性Ｍ１に比べて加速される一方でスプレー周辺部についてはスプレー中心からの距離が拡がるとともに粒子速度も減衰していく。
【０２１４】
特性Ｍ３は、ノズル出口から５５０ｍｍの距離において粒子速度を測定したものである。上記特性Ｍ２と比較し、スプレー中心部の粒子速度はやや減衰し、スプレーがさらに裾拡がりとなる。
【０２１５】
図２６に示すグラフは、スプレー方向における粒子速度分布を測定したものである。
【０２１６】
同グラフにおいて、横軸はスプレー高さを、左縦軸は粒子速度を、右縦軸は粒子径をそれぞれ示している。
【０２１７】
特性Ｎ１はスプレー高さ６０〜１２５０ｍｍの範囲で粒子速度の変化を測定したものであり、スプレー高さが約３００ｍｍまでは粒子は加速途中であるため、３１０ｍ／ｓ程度まで速度が増加するが、それ以後は徐々に減衰していく。
【０２１８】
また、粒子径については、スプレー高さ５００ｍｍまでは２１μｍ前後で安定するが、スプレー高さ５００ｍｍを超えるとやや粒子径が大きくなる傾向がある。これは飛行する粒子同士が合体することによるものと推定される。
【０２１９】
また、水実験モデルにおける水を塗料に変更すれば、本発明の加速ノズルを塗装にも利用することができるようになる。
【０２２０】
上記各実施形態を用いて説明したように、本発明の加速ノズルは、微粉製造、スプレーフォーミング、溶射、成膜、３次元造形、塗装等のいずれの分野にも幅広く適用することができる。
【０２２１】
なお、上述した各実施形態では円筒状加速ノズルを例に取り説明したが、加速ノズルは上記円筒形に限らず、例えば図２７に示すように、角型部品１００ａ〜１００ｄを接続した角筒状ノズル１００であってもよい。角筒状ノズル１００に構成する場合、ノズル孔１００ｅの開口形状は偏平な矩形であってもよく、また、正方形であってもよい。なお、図中１００ｆは、スロート部である。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】(ａ)は本発明に係る加速ノズルの原理を示す正面断面図、(ｂ)はそのＢ部拡大図である。
【図２】図１のリング状部品の下流側側面を示す斜視図である。
【図３】本発明の加速ノズルによって得られる粒子速度分布を示すグラフである。
【図４】本発明の加速ノズルによるガス流れを示す説明図である。
【図５】本発明に係る加速ノズルの流速調整方法を示す説明図である。
【図６】ノズル内の主流ガスとシールドガスの速度ベクトルを示した説明図である。
【図７】本発明の加速ノズルの第二実施形態を示した原理図である。
【図８】本発明の加速ノズルの第三実施形態を示した原理図である。
【図９】図８に示す加速ノズルの変形例を示した原理図である。
【図１０】図８に示す加速ノズルの別の変形例を示した原理図である。
【図１１】本発明の加速ノズルの第四実施形態を示した原理図である。
【図１２】本発明の加速ノズルの第五実施形態を示した原理図である。
【図１３】本発明の加速ノズルの第六実施形態を示した原理図である。
【図１４】(ａ)は亜鉛用噴射ノズル装置の構成を示す平面断面図、(ｂ)はその正面断面図である。
【図１５】(ａ)は図１１に示した基端側リング状部品の構成を示す正面断面図、(ｂ)はその右側面図、(ｃ)は同図(ｂ)のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【図１６】(ａ)は連結されるリング状部品の正面断面図、(ｂ)はその右側面図である。
【図１７】(ａ)はノズル先端のリング状部品の正面断面図、(ｂ)はその右側面図である。
【図１８】(ａ)はチタン用噴射ノズル装置の構成を示す平面断面図、(ｂ)はその正面断面図である。
【図１９】(ａ)は溶射性能を密度で比較したグラフ、(ｂ)は溶射性能を歩留まりで比較したグラフである。
【図２０】本発明によって形成された溶射皮膜の成分を分析したグラフである。
【図２１】本発明の加速ノズルをコールドスプレーに適用した場合の構成を原理図で示した断面図である。
【図２２】本発明の加速ノズルを高速フレーム溶射に適用した場合の構成を原理図で示した断面図である。
【図２３】本発明の加速ノズルを微粒化装置に適用した場合の構成を示す断面図である。
【図２４】微粒化装置における粒子速度を測定する水実験モデルの構成図である。
【図２５】水実験モデルによる、スプレー方向と直交する方向の粒子速度分布を示すグラフである。
【図２６】水実験モデルによる、スプレー方向の粒子速度分布および粒子径の変化を示すグラフである。
【図２７】加速ノズルを角筒状にした場合の構成を示す斜視図である。
【図２８】従来の噴射ノズル装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０２２３】
１    加速ノズル
２    ノズル
２ａ〜２ｊ  リング状部品
２ｋ  ノズル内壁
２ｍ    スリット最狭部
３    入口側
４    スロート部
５    出口側
６    シールドガス供給路
７    ガス流偏向部
８    上流側端面
９    スタックボルト孔
１１    本体部
１２    ノズル部
１２ａ〜１２ｋ  リング状部品
１３    ガス通路
１４    ワイヤガイド
１５    ワイヤ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２８】
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