(57)【要約】【課題】インジェクタ管の詰まり無しに長期間に亘って機能する流動噴霧ノズルシステムを提供する。【解決手段】流動噴霧ノズルシステムはインジェクタ管５０とスリーブ７２とを有する粉末インジェクタを備え、インジェクタ管はスリーブ内に収容され、スリーブに固定される。インジェクタはスリーブの内径部とインジェクタ管の外径部との間に形成された空気ギャップ７６を更に備え、空気ギャップは約２５から約２００ミクロンの範囲に亘る。インジェクタは従来設計では数分以内に完全に詰まる噴霧条件の下で、長期間、詰まり無しに硬質で「粘着性」の粉末を含む様々な粉末材料を噴霧できる。本設計は、改善したコーティング形成及び堆積効率を達成するためより高い主要ガス温度の使用を可能にする。本設計は粉末インジェクタの詰まりに関連した問題により引き起こされる妨害無しに、製造設備で幅広い粉末材料を用いた流動噴霧システムの使用を可能にする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動噴霧ノズルのための粉末インジェクタであって、
スリーブと、
前記スリーブ内に収容されて該スリーブに固定されたインジェクタ管と、
前記スリーブの内径部と前記インジェクタ管の外径部との間に形成された空気ギャップであって、該空気ギャップは、約２５から約２００ミクロンの範囲に亘っている、前記空気ギャップと、
を備える、粉末インジェクタ。
【請求項２】
前記スリーブは、前記インジェクタ管が形成されている材料の熱伝導度よりも低い熱伝導度を有する材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項３】
前記スリーブは、１５．００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導度を有する材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項４】
前記スリーブは、５．００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導度を有する材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項５】
前記スリーブは、機械加工可能なセラミック材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項６】
前記機械加工可能なセラミック材料は、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｋ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３及びＦを含んでいる、請求項４に記載の粉末インジェクタ。
【請求項７】
前記スリーブは、焼結又は鋳造により形成される、請求項４に記載の粉末インジェクタ。
【請求項８】
前記スリーブは、少なくとも４００℃の連続使用温度を有する材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項９】
前記スリーブは、少なくとも５００℃の連続使用温度を有する材料から形成されている、請求項８に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１０】
前記スリーブは、セラミック材料から形成されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１１】
前記インジェクタ管は、接着剤により前記スリーブに固定されている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１２】
前記インジェクタ管は出口端部を有し、該インジェクタ管の該出口端部は前記スリーブの端部と面一である、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１３】
前記スリーブは、前記インジェクタ管の出口端部を超えて延在する端部を有する、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１４】
前記スリーブの前記端部は、前記インジェクタ管の直径の１ないし５倍の距離だけ前記インジェクタ管の前記出口端部を超えて延在する、請求項１３に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１５】
前記スリーブの前記端部は、前記インジェクタ管の直径の１ないし２倍の距離だけ前記インジェクタ管の前記出口端部を超えて延在する、請求項１３に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１６】
前記スリーブは、凹部を持つ端部を有し、前記インジェクタ管は、拡散部を備えた出口端部を有し、該拡散部は前記凹部内に収容され、これによって前記インジェクタを前記スリーブに固定する、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１７】
前記スリーブの一部分の回りにコイル巻きされた冷却コイルを更に備える、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１８】
前記空気ギャップは、約２５から約２００ミクロンの範囲に亘っている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【請求項１９】
前記空気ギャップは、約５０から約１５０ミクロンの範囲に亘っている、請求項１に記載の粉末インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動噴霧の分野に係り、より詳しくは、本発明は、流動噴霧ノズルシステムのための改善された粉末インジェクタに関する。本粉末インジェクタは、従来の粉末インジェクタに伴う詰まりの問題を克服し、これと同時に流動噴霧プロセスによるコーティング形成を改善する。
【０００２】
「流動噴霧コーティング法及び装置」と題された米国特許番号６，１３９，９１３号及び「流動噴霧コーティング装置」と題された米国特許番号６，２８３，３８６号は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
アルキモフらにより、１９９４年４月１２日に付与された米国特許番号５，３０２，４１４号では、超音波ノズル及び噴霧技術を使用して１乃至５０ミクロンの粒子サイズを有する粉末粒子を備えた濃密連続層コーティングを生成するためのプロセスが開示されている。本技術は、流動噴霧又は冷却動的ガス噴霧として当該技術分野で知られるようになったものである。
【０００４】
当該技術の基礎は、１９９９年、１月１０日に、「表面及びコーティング技術」の第１１１号、６２〜７１頁で公開され、「流動噴霧コーティング」と題された、Ｔ．Ｈ．ヴァン・スティーンキステらによる論文で報告された。この論文は、低い多孔率、高い粘着性、低い酸化物含有量及び低い熱的応力を有する連続層を生成する工程を説明している。当該論文は、ダ・ラバル式ノズルを収束及び発散させ、金属粉末をターゲットとなる基板に対して放出することにより、加速されたガス流れ内に金属粉末を飛沫同伴させることによりコーティングが生成される工程を説明している。これらの粒子は、ひきずり効果により高速度ガス流れ内で加速される。使用されるガスは、空気、窒素、ヘリウム又は他の希ガスを始めとした様々な任意ガスであってもよい。コーティングを形成した粒子は、基板上に高速する前に、溶解せず、熱的に柔らかくもならないことが発見された。それらの運動エネルギーが十分なレベルの熱エネルギー及び機械的変形に変換されるとき当該粒子は基板に接着することが理論化されている。かくして、当該粒子の速度は、該粒子が基板を打つとき接着することを可能にするため臨界的な速度を超えるのに十分に高くなければならないと考えられる。これは、熱的噴霧の全ての形態とは完全に異なる流動噴霧工程を作り上げている。全ての熱的噴霧システムは、噴霧される材料が噴霧装置内で溶解し、該材料が基板を溶解状態で当たるという特徴を一般に持っている。かくして、全ての材料は、それらが熱的噴霧法で噴霧された粉末、固体状態粒子等であろうが、噴霧プロセスの間に位相変化を受ける。
【０００５】
与えられた粒子混合物の堆積効率は、入口ガスの温度が流動噴霧プロセスで増大されたときに増大されたということが見出された。入口ガス温度を増大させることは、その密度を減少させ、その速度を増大させる。ガス速度は、入口ガス温度の平方根として概略変化する。粒子の基板表面への結合の実際の機構は、このときには完全に理解されていなかった。当該粒子は、基板への結合を形成するため基板上へに当接する前に臨界速度を超えなければならないと考えられている。臨界速度は、粒子の材料に依存しており、より堅い材料は、より高い臨界速度を持つ傾向にある。最初の粒子は、基板に接着するため基板材料上の酸化物シェルを破壊し、続いて接着される金属が、可塑的に変形した粒子及び基板の間の金属結合を形成することを可能にしている。一旦、粒子の初期層が基板上に形成されたならば、引き続くコーティング形成は、粒子間の結合も引き起こす。結合プロセスは、粒子の温度が常にそれらの融解温度より低いので、ガス流れ中の粒子の溶解には起因していない。粒子温度は、通常、ガス流れ温度よりも低い。このことは、ガス流れへの粒子のさらし時間が比較的短いが故に典型的となる。
【０００６】
ヴァン・スティーンキステの論文は、より早期のアルキモフプロセス及び装置に関して改善するため、製造科学のための国立センター（ＮＣＭＳ）により実施された仕事に関して報告している。ヴァン・スティーンキステらは、アルキモフの装置及びプロセスが、５０ミクロンより大きく約１０６ミクロン以内である粒子サイズを使用して流動噴霧コーティングを生成するように変更することができるということを実証した。
【０００７】
上記のようなより大きい粒子サイズの流動噴霧連続層コーティングを生成するためのこの変更プロセス及び装置は、米国特許番号６，１３９，９１３号及び６，２８３，３８６号で開示されている。当該プロセス及び装置は、高圧ガス流れを約６５０℃まで加熱し、加熱流れを粒子の流れと結合させる。加熱されたガス及び粒子は、約３００ｍ／ｓ（メートル／秒）から約１０００ｍ／ｓまでの粒子流出速度を生成するため、ダ・ラバル式のノズルを通して差し向けられる。このようにして加速された粒子は、粒子を基板の表面に結合させるため十分な運動エネルギーでターゲット基板に向けられ、該基板上に衝突する。使用されている温度は、選択された粒子の粒子溶解又は熱軟化を引き起こすため必要となる温度よりも十分に低い。従って、結合前及び結合プロセスの間に粒子には相転移が発生しない。各々の種類の粒子材料は、閾値臨界速度を持ち、該閾値臨界速度は、材料が与えられた基板に接着する前に、超えられなければならない。
【０００８】
全ての流動噴霧システムは、ノズル内に噴霧される粉末粒子を噴射するための粉末インジェクタを使用する。該ノズルでは粉末粒子は、ガス流れと混合され、ガス流れ中に捕捉され、ガス流れ中で加熱され、該ノズルから基板上に噴霧される。粒子を捕捉するため使用されるガス流れは、粒子をノズル内に噴射するため使用される噴射ガス流れから区別するため主要ガスとして通常知られている。主要ガス流れ内に捕捉された粉末を得るための典型的なシステム内の駆動力は、主要ガス流れの圧力を超えて、噴射ガス流れ内で約１３７．９から約３４４．７ｋＰａ（２０から５０ｐｓｉ）の圧力差である。主要ガス流れの圧力は、約１３７９から約３４４７ｋＰａ（平方インチ当たり２００から５００ポンド（ｐｓｉ））であり、より好ましくは、約１９３０．５から約２４１３．２ｋＰａ（２８０から３５０ｐｓｉ）である。典型的には、主要ガスは、約２５０から約１０００℃以上の温度まで加熱され、噴霧される粒子の要求された加速を生成する。かくして、粉末インジェクタは、非常に高い温度にさらされ、それ自身が高温にまで加熱される。粒子を実際に運搬するインジェクタ管を備える粉末インジェクタは、しばしば、ステンレス鋼から作られている。主要ガスによる加熱の故に、インジェクタ管は、噴霧される粒子でしばしば詰まるようになり得る。これは、加熱されるとき「粘着性」となる粒子に関して非常に重要な問題となり得る。加熱された粒子は、インジェクタ管の内壁にくっつくことができ、多くの場合には、インジェクタ管は、噴霧される材料に応じて、２乃至１０分間で詰まるようになりかねない。通常は周囲温度から加熱されないインジェクタのガスの流れは、最初にインジェクタ管を冷却するように作用するという点で、無際限に継続し得る。インジェクタにおける十分な粉末ガスの流量は、粒子がインジェクタ管の内壁上に堆積することを防止するため必要となる。高いインジェクタガス流量は、しかし、それらの温度差の故に主要ガスの有効温度を低下させる傾向を持つ。これは、しばしばノズル性能の劣化を引き起こす。従って、詰まりを防止するためインジェクタ管を通る高いガス流量の使用は実用的ではない。粒子がインジェクタ管の内壁に堆積されるとき、インジェクタの有効断面積は更に拘束ガス流れを増大させ、上記したサイクル内の冷却効果を更に減少させる。これは、インジェクタ管の内側への粒子の堆積率を加速させ、これにより、インジェクタガスの流れを更に減少させ、最終的にインジェクタを完全に詰まらせる。一旦、インジェクタ管が詰まったならば、全システムは、停止されなければならず、インジェクタは、新しいインジェクタと交換されなければならず、詰まったインジェクタは詰まり物を除去されるか又は廃棄されなければならない。明らかに、産業セッティングにおいて有用なプロセスとなるため流動噴霧に対して、この制限を克服することが必要となろう。今日まで全体的に満足のいく解決法は出現していない。
【特許文献１】米国特許番号５，３０２，４１４号
【特許文献２】米国特許番号６，１３９，９１３号
【特許文献３】米国特許番号６，２８３，３８６号
【非特許文献１】「表面及びコーティング技術」の第１１１号、６２〜７１の「流動噴霧コーティング」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上により、粉末インジェクタが高温でさえ、並びに、従来からの「粘着性」材料を用いてさえもインジェクタ管を詰まらせることなく長期間に亘って機能することができるシステムを開発することが有利となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施態様では、本発明は、流動噴霧ノズルのための粉末インジェクタであり、該粉末インジェクタは、スリーブと、前記スリーブ内に収容されて該スリーブに固定されたインジェクタ管と、前記スリーブの内径部と前記インジェクタ管の外径部との間に形成された空気ギャップとを備え、該空気ギャップは、約２５から約２００ミクロンの範囲に亘っている。
【実施例】
【００１１】
最初に図１を参照すると、本発明に係る流動噴霧システムが全体として１０で指し示されている。システム１０は、支持テーブル１４又は他の支持手段が配置されているエンクロージャ１２を備えている。テーブル１４に固定された取り付けパネル１６は、３次元内での運動を可能にすると共に、被覆されるべき基板材料から形成された適切な半加工品を支持することができるワークホルダー１８を支持する。ワークホルダー１８は、システム１０を通して基板材料を供給することもできる。エンクロージャ１２は、図示しない少なくとも１つの空気入口を有する周囲壁と、排気導管２２によって図示しないダスト収集器に接続される空気出口２０と、を備えている。コーティング作業の間、ダスト収集器は、エンクロージャ１２から空気を連続的に引き込み、排出空気内に含まれているダストや粒子を次工程で処分するため収集する。
【００１２】
噴霧システム１０は、約３．４Ｍｐａ（メガパスカル）、即ち、約５００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）までのガス圧力を、高圧ガスバラストタンク２６に供給することができるガスコンプレッサ２４を更に備えている。ガスバラストタンク２６は、ライン２８を解して粉末供給器３０及び別個のガスヒーター３２に接続されている。粉末供給器３０は、典型的には、高圧粉末供給器である。ガスヒーター３２は、高圧加熱ガス、即ち後述される主要ガスを流動噴霧ノズル３４に供給する。ノズル３４に、ワークホルダー１８に加えて、又は、ワークホルダーとは別に、３次元内での運動能力を提供することが可能である。主要ガスの圧力は、約１０３４．２から約３４４７．４ｋＰａ（１５０から５００ｐｓｉ）に設定される。粉末供給器３０は、噴霧粉末の粒子を、明らかに主要ガスの圧力よりも高い所望の圧力のガスと混合させ、粒子の混合物をノズル３４に供給する。コンピュータ制御部３５は、ガスヒーター３２及び粉末供給器３０に供給されるガスの圧力を制御するように動作し、ガスヒーター３２から出る加熱された主要ガスの温度を制御する。有用なガスは、空気、窒素、ヘリウム及び他の希ガスを含んでいる。
【００１３】
図２は、ノズル３４と該ノズルのガスヒーター３２及び高圧粉末供給器３０への接続とを示す従来技術の実施例の断面図である。主要ガス通路３６は、ガスヒーター３２をノズル３４に接続する。通路３６は、ガスコリメーター４０を介して混合チャンバー３８へと主要ガスを差し向ける予備混合チャンバー３８と接続される。加熱された主要ガスの温度及び圧力は、通路３６内に配置されたガス入口温度熱電対４４と、混合チャンバー４２に接続された圧力センサー４６とによって監視される。主要ガスは、噴霧される粒子のノズル３４内での溶解を引き起こすのに常に不十分な温度しか持っていない。主要ガス温度は、９３℃ないし１０００℃の範囲に亘っている。ガスの温度は、ガスがノズル３４を通って移動するとき急激に低下する。実際、ガスがノズル３４から出たとき測定されたガスの温度は、その初期温度が５５０℃を優に超えるときでさえ室温以下であり得る。インジェクタ管５０を有する粉末インジェクタ４８は、ノズル３４に、好ましくは、ねじにより固定されている。インジェクタ管５０は、ガスコリメーター４０を通って延在し、出口端部５２は、混合チャンバー４２内に突出している。インジェクタ管５０は、粒子６４を混合チャンバー４２内に分配し、該粒子は加熱された主要ガスと混合する。インジェクタ４８及びインジェクタ管５０は、好ましくはステンレス鋼から形成され、好ましくは、インジェクタ管の内径は、０．４ないし３．０ｍｍである。使用されているステンレス鋼は、約１６．３（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導度を有する。
【００１４】
チャンバー４２は、ダ・ラバル式の超音波ノズル５４と流体連通している。ノズル５４は、スロート部５８に向って直径が減少する入口円錐部５６を有する。入口円錐部５６は、ノズル５４の収束領域を形成する。スロート５８からの下流は、出口端部６０であり、発散領域６２は、スロート５８と出口端部６０との間に形成されている。入口円錐部５６の最大直径は、約５ないし約２０ｍｍの範囲に亘っていてもよく、約７．５ｍｍであるのが好ましい。入口円錐部５６は、スロート部５８に向って狭まっていく。スロート部５８は、約０．５ないし約５．５ｍｍの直径を持っていてもよく、約３ないし約２ｍｍが好ましい。スロート部５８の下流から出口端部６０までのノズル５４の発散領域は、様々な形状を持っていてもよいが、好ましい実施例では、発散領域は、矩形断面形状を有する。出口端部６０では、ノズル５４は、長い寸法が約６ないし約２０ｍｍで短い方の寸法が約２から約６ｍｍである矩形計上を持つのが好ましい。発散領域は、約５０ｍｍから約５００ｍｍの長さを持っていてもよい。
【００１５】
ノズル５４は、毎秒３００ｍから毎秒１２００ｍ程度までの捕捉粒子６４の吐出速度を生成する。捕捉粒子６４は、該粒子がこのノズル５４を通って流れる間に運動エネルギー及び熱エネルギーを得る。主要ガス流れ内の粒子６４の温度は、粒子サイズ及び主要ガス温度に依存して変化することが当業者により認められよう。主要ガス温度は、加熱された高圧ガスの温度として定義され、熱電対４４により測定される。主要ガスの温度は、噴霧されるべき材料の種類に基づいて選択される。比較的高い堆積効率で噴霧することがより困難となる傾向を有する硬質材料は、しばしば、より高い主要ガス温度を必要とする。主要ガスで加熱されてからの粒子６４の温度は、衝突したときでさえも粒子６４の溶解温度よりも低く、運動エネルギー及び熱エネルギーの転換に起因した元々の粒子６４の固体相において変化が存在せず、従って、それらの元々の物理的特性に変化が存在しない。粒子それ自身は、常に、それらの溶解温度より低い温度にある。ノズル５４から出る粒子６４は、被覆されるべき基板の表面に向って差し向けられる。
【００１６】
上記したように、現在の粉末インジェクタ４８に関して継続した問題は、噴霧プロセスの間に粉末粒子６４により詰まるようになる傾向である。この問題は、より高い主要ガス温度の使用を制限するが、このより高い主要ガス温度は、材料を噴霧することを困難にさせる高い堆積効率を達成する上で、しばしば望ましいものとなる。最も重要には、詰まり問題は、頻繁な介入無しに噴霧システムの長期間の作動を必要とする製造環境において流動噴霧プロセスを利用する能力を制限する。流動噴霧のための一つの一般的な使用形態は、ろう付け合金を塗布するためであった。これらは、特にインジェクタ管５０を詰まらせる傾向にある。テスト材料として本発明で使用される、そのような合金の一つは、７８重量％のＡｌ、１２重量％のＺｎ、及び１０重量％のＳｉの合金である。後述される実験では、この合金が使用され、その粒子サイズの範囲は、５３から１０６ミクロンであった。当業者の一人により理解されるように、他の任意の粒子材料を本発明で使用することができ、サイズ範囲は、１から５００ミクロンとすることができる。詰まりの問題は、例えば上記した合金、銅及び銅合金等のより可撓性を持つ材料で特に問題となる。この特定の合金は、効率的な堆積のため必要となる温度で噴霧されるとき２ないし１０分以内でインジェクタ管５０を詰まらせる傾向を持ち、よって理想的なテスト粉末であるが故に選択された。
【００１７】
図３Ａは、未使用のインジェクタ管５０の出口端部５２の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。図３Ｂは、インジェクタ管５０の出口端部５２の断面のＳＥＭ顕微鏡写真であり、５３７℃の主要ガス温度で１０分間使用した後における粉末粒子７０のほとんど完全な詰まり状態を示している。テスト粉末は、上述したＡｌ−Ｚｎ−Ｓｉ合金であり、インジェクタ４８上に使用された圧力は、２．２１ＭＰａであり、主要ガスの圧力は２．０７ＭＰａである。出口端部５２は、インジェクタ管５０の最も高温の部分である傾向を持っている。
【００１８】
図４は、本発明の一実施例に従って設計されたインジェクタ管の断面図である。従来技術のインジェクタ管４８は、インジェクタ管５０のスリーブ７２内に挿入されることにより変形される。本実施例では、スリーブ７２は、接着剤７８により複数の点でインジェクタ管５０に固定されている。任意の高温接着剤を使用することができるが、そのような接着剤は当該技術分野で知られているため、本明細書では説明しない。空気ギャップ７６が、スリーブ７２の内径部とインジェクタ管５０の外径部との間で形成されている。本実施例では、インジェクタ管５０の出口端部はスリーブ７２の端部７４と面一である。空気ギャップ７６は、多くの理由のため必要であることが見出された。第１には、スリーブ７２内の破断無しでスリーブ７２の熱的サイクルが可能となる。これは、緊密に適合したスリーブ７２が、異なる材料の熱膨張率の不一致に起因した熱的応力の故により多くの破損を受けるからである。更に加えて、図７Ａの下線に示されるように、参照線８４で示された空気ギャップ７６が存在する状況は、参照線８４で示されるような空気ギャップが存在しない状況と比べてインジェクタ管５０を比較的低い壁温度に維持するスリーブ７２の能力を向上させる。好ましくは、空気ギャップ７６は、約２５から約２００ミクロンであり、より好ましくは約５０から約１５０ミクロンである。接着剤７８は、本実施例では、空気ギャップ７６を形成するように機能する。スリーブ７２は、インジェクタ管５のものよりも低い熱伝導度を持ち、これによって管５０を熱的に絶縁する材料から形成されている。好ましくは、スリーブ７２は、約１５．００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導度、好ましくは約５．００Ｗ／ｍＫ以下、最も好ましくは約２．００Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導度を有する。これらの詳細事項に合致する材料は、幾つかのセラミック材料を含んでいる。好ましくは、スリーブ７２は、セラミック材料又は機械加工可能なガラス−セラミック材料から形成されている。好ましくは、当該材料は、５００℃以上の高温用途で使用することができる。一つの特に有用な材料は、ドウ・コーニングから入手可能な機械加工可能なセラミックである「Ｍａｃｏｒ（Ｒ）」である。この材料は、１．４６Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する。「Ｍａｃｏｒ（Ｒ）」の組成は以下の通りである。即ち、全ておおよその重量％とすると、４６％のＳｉＯ２、１７％のＭｇＯ、１６％のＡｌ２Ｏ３、１０％のＫ２Ｏ、７％のＢ２Ｏ３、及び、４％のＦである。該材料は、容易に機械加工可能であり、８００℃までの高温で使用することができ、それでもなお、その機能的性能を維持している。他の高温で使用する材料を使用することもできる。スリーブ７２は、当業者に知られているような焼結又は鋳造プロセスにより形成することもできる。
【００１９】
図５は、本発明の別の実施例に従って設計された粉末インジェクタスリーブ７２の断面図である。本実施例では、スリーブ７２は、その端部７４の近傍の凹部８０を備えている。インジェクタ管５０は、その出口端部５２で拡散部８２を備える。拡散部８２は、凹部８０内に受け入れられ、スリーブ７２をインジェクタ管５０に固定する。空気ギャップ７６は、上記したように、インジェクタ管５０の外径部とスリーブ７２の内径部との間に形成されている。本実施例は、実施するのが非常に簡単で、耐久性がある。
【００２０】
図６は、本発明の別の実施例に従って設計された粉末インジェクタスリーブ７２の断面図である。本実施例では、スリーブ７２は、インジェクタ管５０の出口端部５２を超えて延在する端部７４を有する。図７Ｂに関して以下で説明するように、出口端部５２を超えて端部７４を延在させることは、スリーブ７２の冷却効果を増大させる。好ましくは、端部７４は、インジェクタ管５０の直径の１倍から５倍の、出口端部５２を超えた距離へと延長される。最も好ましい範囲は、インジェクタ管５０の直径の１倍から２倍である。同様の延長構成は、スリーブ７２の長さ及び凹部８０の深さに応じて、図５に示される実施例で達成することができる。
【００２１】
幾つかの設計変更の効果は、フルエント社から市販されているコンピュータ流体力学（ＣＦＤ）的コンピュータプログラム「ＦＬＵＥＮＴ」を使用してシュミレーションすることができる。流動噴霧プロセスにおいて定常状態流れ及び熱輸送プロセスを支配する方程式は、質量保存則、運動量保存則及びエネルギー保存則である。流動性ＣＦＤコードは、運動量及びエネルギーの点で気相と粒子との間の相互作用を取り扱うことができる。ガス流れにおける乱流を記述するため、ｋ−ε乱流モデルが用いられた。このモデルは、１９７４年、Ｂ．Ｅ．ラウンダー及びＤ．Ｂ．スパルディングによる「応用力学及び工学におけるコンピュータ法、乱流の数値計算」第３号、２６９〜２８９頁に記載されている。粉末インジェクタ管５０の周りのガス流れ及び熱輸送をシミュレートするため軸対称モデルが導入された。境界条件に対して、０．０１６３ｋｇ／ｓの流量及び５９０℃の主要ガス温度が、ノズル３４の入口において、特定化された。インジェクタ４８に関して、０．００３ｋｇ／ｓの粉末流量及び８０℃の粉末ガス流れ温度が使用された。ノズル３４の壁において、スリップ無しの条件が特定化された。空気ギャップ７６は、１００ミクロンに設定された。熱輸送を活用するのための計算モデルは、インジェクタ５０、「Ｍａｃｏｒ（Ｒ）」スリーブ７２の温度、及び、インジェクタ５０の回りのガス温度の温度を予測することができる。モデルで使用されている材料特性は、以下の表１で与えられている。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
図７Ａは、ＦＬＵＥＮＴプログラムを使用して、インジェクタ温度対スリーブ材料の熱伝導度に関して１００ミクロンの空気ギャップ７６が有る場合と無い場合との効果をシミュレートした結果を示すグラフである。図７Ａでは、参照線８４は、空気ギャップ７６が無い場合を表し、参照線８６は、１００ミクロンの空気ギャップ７６が存在する場合を表している。予想されるように、スリーブ材料の熱伝導度が低くなればなるほど、インジェクタ温度はより低くなることを理解することができる。更に加えて、空気ギャップ７６の存在もまた、全ての熱伝導度においてインジェクタ温度を低下させることを援助する。従って、空気ギャップ７６は、インジェクタ管５０を高温度から保護する際に非常に有益である。
【００２４】
図７Ｂでは、図６に示されるようにスリーブ７２の端部７４をインジェクタ管５０の出口端部５２を超えてインジェクタ管５０の直径の１．２倍の距離だけ延ばしたときのインジェクタ管５０の温度に関する効果が、ＦＬＵＥＮＴプログラムを使用して計算された結果として示されている。なお、水平軸は、インジェクタ管５０内の正規化された距離である。参照線８８は、図４に示されるようなスリーブ７２を表し、スリーブ７２の端部７４は、インジェクタ管５０の出口端部５２と面一である。参照線９０は、図６に示されるようなスリーブ７２を表し、スリーブ７２の端部７４は、インジェクタ管５０の出口端部５２を超えて、インジェクタ管５０の直径の１．２倍の距離だけ延長される。第１の事項として、インジェクタ管５０の温度は、インジェクタ管がノズル３４へと更に延ばされるとき上昇することを理解することができる。第２には、端部７４が出口端部５２と面一であるとき、出口端部５２の極く近傍の温度において劇的な上昇が存在している。比較の結果、参照線９０は、スリーブ７２を延長する際の劇的な利点を示している。延長した実施例では、温度は、出口端部５２の近傍で実際に低下する。
【００２５】
図７Ｃも、ＦＬＵＥＮＴを使用した結果を示している。その目的は、Ｍａｃｏｒ（Ｒ）から作られたスリーブに対する、冷却効果に関するスリーブ壁厚の効果を試験することであった。参照線９２は０．５ｍｍの壁厚を表し、参照線９４は１．１ｍｍの壁厚を表し、参照線９６は１．７ｍｍの壁厚を表している。図面から理解することができるように、このシステムでは、Ｍａｃｏｒ（Ｒ）に対して０．５ｍｍを超えて壁厚を増大させることはほとんど益がない。これは、Ｍａｃｏｒ（Ｒ）の壁厚が増大するとき、周囲の高温主要ガスにさらされたＭａｃｏｒ（Ｒ）の表面積もまた増大するからである。従って、さらされた表面積を通した熱輸送率は、Ｍａｃｏｒ（Ｒ）の壁厚を増大させることにより引き起こされた熱絶縁の効果を超える。
【００２６】
図８Ａ及び図８Ｂは、図５に従って設計されたインジェクタ管の断面のＳＥＭ顕微鏡写真であり、スリーブ７２は凹部８０を備え、インジェクタ管は拡散部８２を備える。このインジェクタ管５０は、上記したＡｌ−Ｚｎ−Ｓｉ合金を用いて、５９３℃の温度で４時間に亘って使用された。図８Ａは、内側区分から撮影されたものであり、内側部分９８は、インジェクタ管５０に接着された粒子を持っていないことが理解できる。図８Ｂは、出口端部１００から撮影されたものであり、少数の粒子１０２がインジェクタ管５０の内部に接着されていることを理解することができる。これは、より低い温度でたった１０分間に亘って動作された図３Ｂとは顕著な対照をなしている。図８Ａ及び図８Ｂは、本発明のスリーブ７２の利点を示している。引き続いて実行された、１００時間を優に超えるテストは、本発明に従ってスリーブ７２と連結されたときインジェクタ管５０の有効性が減少していないことを示している。
【００２７】
図９は、本発明の別の実施例を表している。本実施例では、インジェクタ管５０は、粉末６４を非同軸態様で混合チャンバー内に噴射しているので、高温度にさらされない。スリーブ７２は、インジェクタ管５０の回りになおも組み込むことができる。加えて、延長した粉末／ガス調整チャンバー１０６が、混合チャンバー４２と、ダ・ラバル式ノズル５４との間に備えられている。この交換チャンバー１０６は、粉末６４を捕捉することを援助する。好ましくは、交換チャンバー１０６の長さ方向の長さＬは，約２０ないし約１０００ｍｍの範囲に亘っている。高い粒子温度がコーティング形成のため要求されるとき、延長した粉末／ガス調整チャンバー１０６を、図示していないが当該技術分野で知られている、炉、加熱コイル又は他の加熱装置を使って加熱することができる。高い温度に関連するこれらの場合には、オプションの冷却コイル１０４を、適切なインジェクタ管５０の温度を維持するため使用することもできる。
【００２８】
前記した発明は、関連する法的標準に従って説明されているので、本記載内容は、本質上、本発明を限定するものではなく、その一例を示すものである。開示された実施例に対して、本発明の範囲に属する様々な変更及び変形をなすことができることは当業者には明らかである。従って、本発明を提供する法的保護の範囲は、添付された請求の範囲によってのみ決定される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明に係る典型的な流動噴霧システムの線図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来技術の粉末インジェクタを備えた流動噴霧ノズルの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１に示された従来技術の粉末インジェクタの分解図である。
【図３Ａ】図３Ａは、未使用の従来技術の粉末インジェクタ管の出口端部の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、１０分間使用した後における従来技術の粉末インジェクタ管の出口端部の断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図４】図４は、本発明の一実施例に従って設計された粉末インジェクタ管スリーブの断面図である。
【図５】図５は、本発明の別の実施例に従って設計された粉末インジェクタ管スリーブの断面図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施例に従って設計された粉末インジェクタ管スリーブの断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、粉末インジェクタ管スリーブの熱伝導度の関数として、スリーブとインジェクタ管との間の１００ミクロンの空気ギャップの粉末インジェクタ管の温度への理論的効果を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、インジェクタ管上の様々な位置におけるインジェクタ管の温度に関する、粉末インジェクタ管の出口端部を超えて粉末インジェクタ管スリーブを延長させる理論的効果を示すグラフである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、粉末インジェクタ管を低温に維持するその能力に関する、粉末インジェクタ管スリーブの厚さを変化させた際の理論的効果を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明に従って設計された粉末インジェクタ管の内部断面の、数時間使用した後におけるＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明に従って設計された粉末インジェクタ管の出口端部の断面の、数時間使用した後における内部断面のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】図９は、本発明の別の実施例に従って設計された粉末インジェクタ管の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
５０    インジェクタ管
５２    出口端部
７２    スリーブ
７４    スリーブ端部
７６    空気ギャップ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図９】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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