(57)【要約】【課題】  本発明は、水を含む圧縮空気および／または水を含む燃料を、ＨＶＡＦ溶射装置の燃焼室に供給する構成とすることにより、低コストの方法で燃焼ガスの温度を低下させ、燃焼室の耐久性を向上させるとともに、燃料を完全燃焼させることができるＨＶＡＦ溶射装置を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、燃料と圧縮空気を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃焼室に連結され、燃焼室で生成された燃焼ガスを整流する整流室と、整流された燃焼ガスに、金属、セラミックスまたは樹脂を供給する粉末供給路とを備えたＨＶＡＦ溶射装置であって、水を含む圧縮空気を燃焼室に供給する空気供給口および／または水を含む燃料を燃焼室に供給する燃料供給口とを備える、ＨＶＡＦ溶射装置に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と圧縮空気を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室と、
燃焼室に連結され、燃焼室で生成された燃焼ガスを整流する整流室と、
整流された燃焼ガスに、金属、セラミックスまたは樹脂を供給する粉末供給路とを備えたＨＶＡＦ溶射装置であって、
水を含む圧縮空気を燃焼室に供給する空気供給口および／または水を含む燃料を燃焼室に供給する燃料供給口とを備える、ＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項２】
燃焼室の上流側から下流側にかけて、複数の空気供給口を備える、請求項１に記載のＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項３】
燃焼室が外管と内管とによって二重管構造を形成し、外管の空気供給部から供給される圧縮空気および水が、内管の空気供給口から内管の中に供給され、内管の中において燃料が燃焼する構成である、請求項１または２に記載のＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項４】
水を霧状にして圧縮空気と混合することにより、水を含む圧縮空気を製造する混合機構を備える、請求項１〜３のいずれかに記載のＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項５】
燃料供給口に灯油とエマルジョン燃料とを切り替えて供給可能な切替機構を備える、請求項１〜４のいずれかに記載のＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項６】
燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長が、燃焼室の内径の４〜１０倍の長さを有する、請求項１〜５のいずれかに記載のＨＶＡＦ溶射装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のＨＶＡＦ溶射装置に、水を含む燃料として、水５〜１５重量％を含むエマルジョン燃料を供給する、ＨＶＡＦ溶射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスの温度を低下させることにより、燃焼室の耐久性を向上させるとともに、燃料を完全燃焼させることができる低温溶射用のＨＶＡＦ溶射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属や金属酸化物を溶射することにより、材料の変質を抑制しつつ、金属、セラミックスまたは樹脂（以下、金属等という。）の皮膜を基材にコーティングする方法については、様々な方法が提案されている。
【０００３】
金属等の皮膜を基材にコーティングする方法としては、例えば、酸素を燃焼の酸化剤（助燃剤）として使用する高速フレーム溶射（Ｈｉｇｈ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、フレームが高温であるため、金属が酸化されてしまうという欠点があった。
【０００４】
上記欠点を克服すべく、不活性ガスを混合することにより、燃焼ガス温度を制御した高速フレーム溶射が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかし、この方法では、金属の溶融温度未満での溶射が可能であるものの、燃焼の酸化剤に純酸素を用い、ガス温度低下のために大量の不活性ガスを用いるため、コストが高くなるという欠点があった。
【０００５】
上記欠点を克服すべく、比較的コストを低く抑えて溶射することが可能であり、金属の酸化や金属酸化物の変質を抑え、基材との密着性に優れた緻密な溶射皮膜を形成することができるＨＶＡＦ（Ｈｉｇｈ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ａｉｒ−Ｆｕｅｌ）溶射装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００６】
しかし、上記のような構成のＨＶＡＦ溶射装置を用いても、燃料の不完全燃焼によって煤が発生し、溶射皮膜に煤が付着してしまうことがあった。また、燃料を完全燃焼させて煤の発生を抑制するためには、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長を長くすることが好ましいものの、燃焼室の全長を長くすると燃焼室の耐久性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
加えて、燃焼室の耐久性を向上させるためには、燃焼室を水冷等によって冷却することが好ましいものの、水冷するとＨＶＡＦ溶射装置の構造が複雑になってしまい、ＨＶＡＦ溶射装置の製造コストが大幅に増加してしまうという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２１４０２０号公報
【特許文献２】特開２００６−２７４３２６号公報
【特許文献３】特開２００７−２９９５０号公報
【特許文献４】特開２０１２−９２３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、水を含む圧縮空気および／または水を含む燃料を、ＨＶＡＦ溶射装置の燃焼室に供給する構成とすることにより、低コストの方法で燃焼ガスの温度を低下させ、燃焼室の耐久性を向上させるとともに、燃料を完全燃焼させることができるＨＶＡＦ溶射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、燃焼室の耐久性を向上させることによって、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長を長くして、燃料の完全燃焼を更に促進することも目的とする。さらに、燃焼室に供給される空気（酸素）の量を低減し、溶射する金属等の酸化を防止しやすくするとともに、水性ガス反応によって煤の更なる低減を実現することも目的とする。加えて、燃焼ガス中の気体Ｈ2Ｏの比率を増して、燃焼ガスの平均音速を高めることにより、金属等の更なる加速を実現することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、燃料と圧縮空気を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃焼室に連結され、燃焼室で生成された燃焼ガスを整流する整流室と、整流された燃焼ガスに、金属、セラミックスまたは樹脂を供給する粉末供給路とを備えたＨＶＡＦ溶射装置であって、水を含む圧縮空気を燃焼室に供給する空気供給口および／または水を含む燃料を燃焼室に供給する燃料供給口とを備える、ＨＶＡＦ溶射装置に関する。
【００１２】
本発明は、さらに、燃焼室の上流側から下流側にかけて、複数の空気供給口を備える、請求項１に記載のＨＶＡＦ溶射装置であることが好ましい。
【００１３】
本発明は、さらに、燃焼室が外管と内管とによって二重管構造を形成し、外管の空気供給部から供給される圧縮空気および水が、内管の空気供給口から内管の中に供給され、内管の中において燃料が燃焼する構成である、ＨＶＡＦ溶射装置であることが好ましい。
【００１４】
本発明は、さらに、水を霧状にして圧縮空気と混合することにより、水を含む圧縮空気を製造する混合機構を備える、ＨＶＡＦ溶射装置であることが好ましい。
【００１５】
本発明は、さらに、燃料供給口に灯油とエマルジョン燃料とを切り替えて供給可能な切替機構を備える、ＨＶＡＦ溶射装置であることが好ましい。
【００１６】
本発明は、さらに、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長が、燃焼室の内径の４〜１０倍の長さを有する、ＨＶＡＦ溶射装置であることが好ましい。
【００１７】
本発明は、上記ＨＶＡＦ溶射装置に、水を含む燃料として、水５〜１５重量％を含むエマルジョン燃料を供給する、ＨＶＡＦ溶射方法に関する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水を含む圧縮空気および／または水を含む燃料を、ＨＶＡＦ溶射装置の燃焼室に供給する構成とすることにより、低コストの方法で燃焼ガスの温度を低下させ、燃焼室の耐久性を向上させるとともに、燃料を完全燃焼させることができる。
【００１９】
また、燃焼室の耐久性を向上させることによって、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長を長くすることも可能となり、燃料の完全燃焼を更に促進することができる。さらに、燃焼室に供給される酸素の量を低減し、溶射する金属等の酸化を防止しやすくできるとともに、水性ガス反応によって煤の更なる低減を実現することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するが、本発明の趣旨に反しない限り、本発明は実施形態に限定されない。図１は、本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００の模式的な断面図である。
【００２２】
ＨＶＡＦ溶射装置１００は、燃料と圧縮空気を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼室（チャンバー）１０と、燃焼室１０に連結され、燃焼室１０で生成された燃焼ガスを整流する整流室２０と、整流された燃焼ガスに、金属等を供給する粉末供給路２１と、粉末供給路２１の外周を覆う二重管部分から不活性ガスを供給することによって粉末供給路２１の出口近傍を負圧化させる不活性ガス供給菅２２と、整流室２０の正面方向に連結されたラバルノズル３０と、ラバルノズル３０に連結されたバレル４０とを備えている。
【００２３】
燃焼室１０は、さらに、燃料供給口１１、スワール流供給菅１２、外管１３、内管１４、空気供給部１５、空気供給口１６を備えている。
【００２４】
燃料供給口１１は、燃焼室１０の上流側に設けられ、燃焼室１０に灯油等の燃料を供給する。燃焼室１０において燃料が燃焼する際に、燃焼室１０が高温になりすぎると、燃焼室１０が溶融しやすくなるなど、燃焼室１０の耐久性が低下する傾向にある。したがって、燃焼室１０の耐久性を向上させる観点からは、燃焼ガスの温度を低くすることが好ましい。
【００２５】
燃焼ガスの温度を低くする観点から、燃焼室１０に供給する燃料は、水を含むエマルジョン燃料であることが好ましい。水を含む燃料としてエマルジョン燃料を燃焼室１０に供給する構成とすることにより、低コストの方法で燃焼ガスの温度を低下させ、燃焼室１０の耐久性を向上させることができるとともに、燃料を完全燃焼させることができる。
【００２６】
また、燃焼ガスの温度が低下して燃焼室１０の温度が低下することにより、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長を長くすることも可能となり、燃料の完全燃焼を更に促進することができる。さらに、燃焼室１０に供給する圧縮空気の量も低減させることが可能となるため、燃焼室１０に供給する酸素の量も低減させることが可能となり、溶射する金属等の酸化を防止しやすくなる。加えて、燃料由来の未燃炭素が、燃焼室１０に供給される水分と水性ガス反応を起こして除去されるため、溶射皮膜に付着する煤の更なる低減が可能となる。
【００２７】
なお、水性ガス反応とは、Ｃ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋Ｈ2という反応式によって表される反応である。上式の通り、燃料中の未燃炭素が、燃焼室１０内の水分と反応することにより、一酸化炭素として燃焼除去されるため、溶射皮膜に未燃炭素由来の煤が付着しにくくなる。
【００２８】
エマルジョン燃料の主成分には、灯油等の公知の燃料を用いることができる。なお、エマルジョン燃料の主成分とは、エマルジョン燃料を構成する組成成分のうち、含有される重量の割合が最も大きいものをいう。
【００２９】
エマルジョン燃料に含有される水分量は、５〜１５重量％であることが好ましく、５〜１０重量％であることがより好ましい。エマルジョン燃料に含有される水分量が５重量％未満であると、燃焼室１０に供給される水分量が少なくなり、燃焼ガスの温度を低下させたり、水性ガス反応を起こしたりする効果が低下される傾向にある。エマルジョン燃料に含有される水分量が１５重量％を超えると、燃焼室１０内における燃料の燃焼が不安定となる傾向にある。
【００３０】
なお、エマルジョン燃料には、本発明の趣旨に反しない範囲で、界面活性剤等の種々の添加物を添加することができる。
【００３１】
また、エマルジョン燃料は、公知のものを購入して用いてもよいし、燃焼室１０への供給前に灯油と水とを混合してエマルジョン化したものを用いる構成としてもよい。
【００３２】
燃焼室１０に供給される燃料は、点火機構１７によって点火されて燃焼する。ただし、エマルジョン燃料は、一般的に点火しにくい性質があるため、燃焼開始時には、灯油等の水分を含まない燃料を用い、燃焼状態が安定した後に、エマルジョン燃料などの水分を含む燃料に切り替える構成とするなど、燃料への点火がしやすくなる構成によってＨＶＡＦ溶射装置１００を構成することが好ましい。
【００３３】
燃焼室１０に供給される燃料の流量は、５０〜４００ｍｌ／ｍｉｎであることが好ましい。燃焼室１０に供給される燃料の流量が５０ｍｌ／ｍｉｎ未満であると、燃料が安定して燃焼しにくくなる傾向にある。燃焼室１０に供給される燃料の流量が４００ｍｌ／ｍｉｎを超えると、金属等の加熱温度が高くなりすぎるため、金属等の変質や酸化が起こりやすくなる傾向にある。
【００３４】
燃料供給口１１の近傍には、スワール流供給菅１２が設けられており、燃焼室１０内に圧縮空気等を供給することにより、燃焼室１０の内部でスワール流（旋回流）を発生させることができる。スワール流を発生させることにより、流れの中心部に還流域が形成されて火炎が安定するため、燃料が完全燃焼しやすくなる。
【００３５】
スワール流を発生させるためのスワール流供給菅１２の設置態様は、特に限定されないが、例えば、燃焼室１０の垂直断面が略円筒形状である場合は、該円筒の略接線方向からスワール流を供給可能とする位置にスワール流供給菅１２を設置することが好ましい。また、スワール流供給菅１２は複数設置してもよい。
【００３６】
燃焼の開始時においては、燃焼を開始しやすくするために、スワール流供給菅１２から酸素を供給する構成とすることが好ましい。酸素を供給する構成とする場合は、スワール流供給菅１２に酸素と圧縮空気等とを切り替えて供給可能な切替機構をＨＶＡＦ溶射装置１００が備える構成とすることが好ましい。
【００３７】
また、燃焼室１０には、空気供給口１６が設けられており、空気供給部１５から供給される圧縮空気および霧状水が、空気供給口１６から燃焼室１０に供給される構成となっている。霧状水を含む圧縮空気を外筒１３と内筒１４の間を通過させ、燃焼室１０に供給する構成とすることにより、低コストの方法で燃焼ガスの温度を低下させ、燃焼室１０の耐久性を向上させることができるとともに、燃焼助剤の加熱により、燃料を完全燃焼させることができる。
【００３８】
また、燃焼ガスの温度が低下して燃焼室１０の温度が低下することにより、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室の全長を長くすることも可能となり、燃料の完全燃焼を更に促進することができる。さらに、燃焼室１０に供給する圧縮空気の量も低減させることが可能となるため、燃焼室１０に供給する酸素の量も低減させることが可能となり、溶射する金属等の酸化を防止しやすくなる。加えて、燃料由来の未燃炭素が、燃焼室１０に供給される水分と水性ガス反応を起こして除去されるため、溶射皮膜に付着する煤の更なる低減が可能となる。
【００３９】
なお、上記のように、酸素ではなく、圧縮空気を供給する構成とすることにより、溶射する金属等の酸化を防止しやすくなる。
【００４０】
燃焼室１０に供給される圧縮空気の流量は、燃焼室１０および整流室２０の容量、ラバルノズル３０およびバレル４０の形状や接合口径などに影響されるが、１〜４ｍ３／ｍｉｎであることが好ましい。燃焼室１０に供給される圧縮空気の流量が１ｍ３／ｍｉｎ未満であると、金属等の加速が不十分となり、溶射皮膜の剥離が発生しやすくなったり、燃焼ガスの温度が十分に下がらなくなったりする傾向にある。燃焼室１０に供給される圧縮空気の流量が４ｍ３／ｍｉｎを超えると、金属等の加熱温度が低くなるため、緻密な溶射皮膜が得られにくくなる傾向にある。
【００４１】
燃焼室１０に供給される圧縮空気に含まれる水分量は、５０〜３００ｍｌ／ｍ３であることが好ましい。圧縮空気に含まれる水分量が５０ｍｌ／ｍ３未満であると、燃焼ガスの温度が低下しにくくなったり、水性ガス反応が起こりにくくなったりする傾向にある。圧縮空気に含まれる水分量が３００ｍｌ／ｍ３を超えると、燃焼室１０における燃料の燃焼を妨げる傾向にある。
【００４２】
本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００は、燃焼室１０が外管１３と内管１４とによって二重管構造を形成し、外管１３の空気供給部１５から供給される圧縮空気および霧状水が、内管１４の空気供給口１６から内管１４の中に供給され、内管１４の中において燃料が燃焼する構成であることが好ましい。
【００４３】
上記構成とすることにより、圧縮空気が、燃焼室１０の外管１３と内管１４との間隙を流れる間に、燃焼室１０の熱量を奪うことができるようになる。その結果、圧縮空気は加熱され、燃焼室１０内における燃焼を促進しやすくなるとともに、燃焼室１０は空冷されて、燃焼室１０の耐久性が向上されるようになる。さらに、圧縮空気中の霧状水が、燃焼室１０の外管１３と内管１４との間隙において水蒸気化するため、燃焼室１０の中に拡散しやすくなり、燃焼ガスの温度の低下や水性ガス反応が好適に起こりやすくなる。
【００４４】
燃焼室１０に供給する圧縮空気および霧状水は、二流体ノズル等によって水を霧状にして圧縮空気と混合する混合機構によって製造したものを用いることが好ましい。二流体ノズル等によって水を霧状にして圧縮空気と混合することにより、霧状水が好適に圧縮空気内に分散するとともに、霧状水の液滴を微細化することが可能となる。
【００４５】
混合機構における二流体ノズル等の設置態様は、特に限定されないが、例えば、混合機構の垂直断面が略円筒形状であるときは、該円筒の略接線方向から霧状水を供給可能とする位置に各ノズルをそれぞれ設置するとともに、各ノズルがそれぞれ略平行となるような設置態様とすることが好ましい。
【００４６】
本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００は、さらに、燃焼室１０の上流側から下流側にかけて、空気比が徐々に高くなるように、水を含む圧縮空気を燃焼室１０に供給可能な空気供給口１６を複数備える構成であることが好ましい。
【００４７】
燃焼室１０が、上記構成であることにより、燃焼室１０の上流側では燃焼を促進させ、燃焼室１０の下流側では燃焼ガスの冷却を促進させることができる。
【００４８】
なお、燃焼室１０の上流側とは、燃焼室１０内において燃料供給口１１が位置する側を意味し、燃焼室１０の下流側とは、燃焼室１０内において整流室２０が位置する側を意味する。
【００４９】
また、空気比とは、燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気量に対する、実際に供給する空気量のことを意味する。ここで、実際に供給する空気量とは、空気供給口が複数ある場合は、ある空気供給口から供給される空気量だけでなく、該空気供給口より上流側に位置する空気供給口において既に供給された空気量も含めた空気量を意味する。
【００５０】
燃焼室１０を上記構成とするための燃焼室１０の具体的な構造を、図１を用いて説明する。
【００５１】
図１に示すように、本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００においては、燃焼室１０は、上流側から下流側にかけて、第１燃焼室１０ａ、第２燃焼室１０ｂ、および第３燃焼室１０ｃに区画されている。
【００５２】
なお、本実施形態においては、燃焼室１０を３つに区画した態様を示しているが、燃焼室１０を区画しない態様としてもいいし、３以外の区画数によって燃焼室１０を区画する態様としてもよい。また、区画の態様については、本実施形態におけるように、区画部に凸部を設ける態様としてもよいが、特に限定はされない。
【００５３】
第１燃焼室１０ａにおいては、内管１４に空気供給口１６ａが設けられており、外管１３に設けられた空気供給部１５ａから供給される圧縮空気および霧状水が、流路Ｆａが示すように内管１４と外管１３の間隙を通り、空気供給口１６ａから第１燃焼室１０ａに供給される構成となっている。
【００５４】
第１燃焼室１０ａに供給される圧縮空気の空気比は、０．８〜１．２であることが好ましい。第１燃焼室１０ａに供給される圧縮空気の空気比が０．８未満であると、第１燃焼室１０ａ内における燃料の燃焼が不十分になる傾向にある。第１燃焼室１０ａに供給される圧縮空気の空気比が１．２を超えると、燃焼ガス中の残存酸素が増加する傾向にある。
【００５５】
第２燃焼室１０ｂにおいては、内管１４に空気供給口１６ｂが設けられており、外管１３に設けられた空気供給部１５ｂから供給される圧縮空気および霧状水が、流路Ｆｂが示すように内管１４と外管１３の間隙を通り、空気供給口１６ｂから第２燃焼室１０ｂに供給される構成となっている。
【００５６】
第２燃焼室１０ｂに供給される圧縮空気の空気比は、１．０〜２．０であることが好ましい。第２燃焼室１０ｂに供給される圧縮空気の空気比が１．０未満であると、燃料が完全燃焼しにくくなる傾向にある。
【００５７】
第３燃焼室１０ｃにおいては、内管１４に空気供給口１６ｃが設けられており、外管１３に設けられた空気供給部１５ｃから供給される圧縮空気および霧状水が、流路Ｆｃが示すように内管１４と外管１３の間隙を通り、空気供給口１６ｃから第３燃焼室１０ｃに供給される構成となっている。
【００５８】
第３燃焼室１０ｃに供給される圧縮空気の空気比は、１．３〜４．０であることが好ましい。第３燃焼室１０ｃに供給される圧縮空気の空気比が１．３未満であると、第３燃焼室１０ｃ内の燃焼ガスの冷却が不十分となる傾向にある。第３燃焼室１０ｃに供給される圧縮空気の空気比が４．０を超えると、第３燃焼室１０ｃ内に供給される空気量の増加に伴って酸素の供給量も増加するため、溶射する金属等が酸化されやすくなる傾向にある。
【００５９】
本発明の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００においては、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長が、燃焼室１０の内径の４〜１０倍の長さであることが好ましい。燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長が上記範囲にあることにより、燃焼中の炭素が完全燃焼しやすくなり、溶射皮膜における煤の付着を低減することができる。
【００６０】
なお、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長とは、燃料供給口１１側から整流室２０側に向かう方向の燃焼室１０の長さを意味しており、通常、燃焼室１０の長手方向の長さを意味する。すなわち、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長とは、燃焼室１０の上流側から下流側にかけての長さを意味するものである。また、燃焼室が複数に区分されている場合は、複数の燃焼室の全長の合計を意味する。
【００６１】
また、燃焼室１０の内径とは、燃焼室１０が略円筒形状である場合は、燃焼室１０の垂直断面図の直径で表される。燃焼室１０が略円筒形状でない場合は、燃焼室１０の垂直断面図の外周と同じ長さの円周を有する円形状を想定し、該円形状の直径を内径と評価して差し支えない。
【００６２】
燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長を上記構成のように長くすることは、燃料を完全燃焼させる観点からは好ましいものの、単なる設計変更によって燃焼室１０の全長を長くするだけでは、燃焼室１０の溶融等の故障リスクが増加して、燃焼室１０の耐久性が低下することとなる。
【００６３】
したがって、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長を、燃焼室１０の内径の４〜１０倍の長さとするためには、水を含む圧縮空気および／または水を含む燃料を燃焼室１０に供給して、燃焼ガスの温度を低下させることが必要となる。
【００６４】
さらに、燃焼ガスの通過方向に沿った燃焼室１０の全長を、燃焼室１０の内径の４〜１０倍の長さとするためには、燃焼室１０が外管１３と内管１４とによって二重管構造を形成し、外管１３の空気供給部１５から供給される圧縮空気および水が、内管１４の空気供給口１６から内管１４の中に供給され、内管１４の中において燃料が燃焼する構成としたり、水を含む燃料として、水５〜１５重量％を含むエマルジョン燃料を供給する構成としたりすることにより、燃焼ガスの温度をさらに低下させる構成とすることが好ましい。
【００６５】
整流室２０の温度センサ２４において計測される温度は、５００〜１１００Ｋであることが好ましい。
【００６６】
燃焼室１０におけるチャンバー圧力は、整流室２０の圧力センサ２３において計測される圧力に近似できる。燃焼室１０におけるチャンバー圧力は０．４〜０．６ＭＰａであることが好ましい。燃焼室１０におけるチャンバー圧力が０．４ＭＰａ未満であると、金属等の加速が不十分となり、緻密な溶射皮膜が得られにくくなる傾向にある。燃焼室１０におけるチャンバー圧力が０．６ＭＰａを超えると、圧縮空気を供給するコンプレッサーが特殊仕様となってしまい、コスト上昇の要因となる。
【００６７】
燃焼室１０において生成した燃焼ガスは、整流室２０において整流された後、ラバルノズル３０内に供給される。整流室２０には、不活性ガス供給菅２２から窒素ガス等の不活性ガスが粉末供給路２１の外周に沿って供給され、粉末供給路２１の出口近傍が負圧化される。
【００６８】
粉末供給路２１は、整流室２０の背面から粉末状の金属等を圧縮空気または不活性ガスとともに、ラバルノズル３０の直前に供給する。また、粉末供給路２１は、燃焼ガス噴射方向に水平で、且つ金属等がバレル４０から噴射される際のバレル４０の噴射口の略中心軸上、すなわち、ラバルノズル３０を構成する円錐部略中心軸上に沿って設置されている。
【００６９】
粉末供給路２１を通過して、ラバルノズル３０内に直接供給された金属等は、粉末供給路２１の先端から排出され、ラバルノズル３０内の燃焼ガスの流れに乗って噴射される。その結果、金属等の粒子に付与される運動エネルギーが、燃焼ガス噴射方向とは異なる方向へ分散されることがなくなる。また、ラバルノズル３０やバレル４０の内壁の汚染および損耗を防ぐこともできる。加えて、粉末供給路２１において、金属等は小流量の圧縮空気または不活性ガスとともに供給されるため、金属等の酸化や変質に影響を及ばさない。
【００７０】
超音速の燃焼ガスとともにラバルノズル３０を通過した金属等は、バレル４０内を通過することでさらに加速され、基材に向かって排出される。このような過程を経て、金属等が基材に衝突して堆積することにより、溶射皮膜が形成される。
【００７１】
粉末供給路２１から供給される金属等の供給量は、１０〜２００ｇ／ｍｉｎであることが好ましく、２０〜１５０ｇ／ｍｉｎであることがより好ましい。金属等の供給量が１０ｇ／ｍｉｎ未満であると、高速成膜のメリットが少なくなる傾向にある。金属等の供給量が２００ｇ／ｍｉｎを超えると、溶射皮膜が好適に形成されにくくなる傾向にある。
【００７２】
ラバルノズル３０は、底面が整流室２０に隣接して配置された略円錐台形状の短円錐部と、底面がバレル４０と隣接して配置された略円錐台形状の長円錐部から構成される。
【００７３】
粉末供給路２１は、ラバルノズル３０の直前まで水平方向に伸びており、ラバルノズル３０の入口部分である短円錐部の底面の直前まで伸びていることが好ましい。金属等が粉末供給路２１から供給されると、ラバルノズル３０を通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるため、ラバルノズル３０の内壁は金属等で汚染および損耗されにくく、ラバルノズル３０の耐久性が向上する。
【００７４】
バレル４０は、略円柱形状に成形されており、ラバルノズル３０を通過した金属等が超音速燃焼ガスとともに通過し、基材に向かって排出される。バレル４０の周囲には、冷却水が循環しており、バレル４０を通過する超音速ガスおよび飛行粒子の速度減少および温度上昇を防ぐ働きをする。さらに、金属等は、バレル４０を通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるため、バレル４０内は金属等で汚染および損耗されにくく、バレル４０の耐久性も向上する。
【００７５】
バレル４０の先端から基材までの溶射距離は、適宜調整されることが好ましい。溶射距離が短くなると、燃焼ガスの影響により基材の過熱が生じるなど悪影響を及ぼし、溶射距離が長くなると、金属等の基材に対する衝突速度が不十分となり、溶射皮膜の剥離が発生しやすい傾向にある。
【００７６】
本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できる金属は、特に限定されないが、例えば、亜鉛、アルミニウム、チタン、銅、もしくはニッケルなどの金属、または、アルミニウム亜鉛、青銅、黄銅、もしくはニッケルクロムなどの合金などが挙げられる。
【００７７】
本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できるセラミックスは、特に限定されないが、例えば、チタニア（酸化チタン）などの金属酸化物などが挙げられる。酸化チタンを通常の方法で溶射した場合はルチル型の結晶構造を有する溶射皮膜となるが、本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００では、比較的低温で溶射することが可能であるため、アナターゼ型の結晶構造を有した溶射皮膜（すなわち、光触媒活性を有した溶射皮膜）が得られる。また、これらセラミックスを溶射することで、タイル等の建築資材とすることも可能である。
【００７８】
本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できる樹脂は、特に限定されないが、例えば、高分子ポリエチレンなどの熱可塑性エンジニアリングプラスチックが挙げられる。
【００７９】
本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００によって溶射皮膜ができる基材としては、例えば、アルミニウム、鉄、またはステンレスなどが挙げられる。また、上記基材には、アンダーコート処理やブラスト処理などの前処理を行っても良い。なお、基材の厚さは必要に応じて、適宜調整することが好ましく、基材の厚さが薄くなると、溶射をした後に基材に歪みが生じてしまう傾向にある。
【００８０】
本実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００のトラバース速度は、溶射する金属等の材料により大幅に変化するが、１００〜１００００ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましく、５００〜８００００ｍｍ／ｍｉｎであることがより好ましく、１０００〜６０００ｍｍ／ｍｉｎであることがさらに好ましい。ＨＶＡＦ溶射装置１００のトラバース速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎ未満であると、基材に衝突した金属等の温度が低減しにくく、金属等の変質や酸化が進みやすくなる傾向にある。ＨＶＡＦ溶射装置１００のトラバース速度が８００００ｍｍ／ｍｉｎを超えると、均一な溶射皮膜が得られにくくなる傾向にある。
【符号の説明】
【００８１】
１００    ＨＶＡＦ溶射装置
１０      燃焼室
１０ａ    第１燃焼室
１０ｂ    第２燃焼室
１０ｃ    第３燃焼室
１１      燃料供給口
１２      スワール流供給菅
１３      外管
１４      内管
１５ａ    空気供給部ａ
１５ｂ    空気供給部ｂ
１５ｃ    空気供給部ｃ
１６ａ    空気供給口ａ
１６ｂ    空気供給口ｂ
１６ｃ    空気供給口ｃ
１７      点火機構
２０      整流室
２１      粉末供給路
２２      不活性ガス供給菅
２３      圧力センサ
２４      温度センサ
３０      ラバルノズル
４０      バレル
１        ＨＶＡＦ溶射装置（従来型）
２        燃焼室（従来型）
３        冷却室
４        金属等供給路
４ａ      金属等供給口
４ｂ      金属等排出口
５        ラバルノズル（従来型）
６        バレル（従来型）
７        燃料導入口
８        圧縮空気導入口
９        冷却ガス導入管
【図１】
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