(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のノズル本体と、
前記ノズル本体を冷却可能な冷却部材とを有することを、
特徴とするコールドスプレー用ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体は熱伝導性の材質から成り、
前記冷却部材は前記ノズル本体の内側面を冷却可能に、前記ノズル本体の外側面を冷却するよう構成されていることを、
特徴とする請求項１記載のコールドスプレー用ノズル。
【請求項３】
前記冷却部材は流体を循環させて前記ノズル本体の外側面を冷却するよう設けられていることを、特徴とする請求項２記載のコールドスプレー用ノズル。
【請求項４】
前記冷却部材は前記ノズル本体の外側面を０℃乃至５０℃に冷却するよう設けられていることを、特徴とする請求項２または３記載のコールドスプレー用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー用ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料から構成される輸送機器のき裂等を補修するために、低圧型コールドスプレー法が適用されている。この低圧型コールドスプレー法は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属の粒子を、図７に示すような、ノズル１０１を取り付けたコールドスプレー装置１００によりき裂等に噴射し、金属被膜を形成してき裂等を補修するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、図７に示すように、コールドスプレー装置１００により純金属（例えば、純Ａｌ）の粒子を数分間噴射し続けると、ノズル１０１の内部に金属粒子が付着・堆積してノズル１０１を閉塞し、作動ガスの流れを変化させるという問題があった。また、図８に示すように、ノズル（Nozzle）の内部に付着した堆積物（Deposit）は、非常にポーラスで、作動ガスによってはじき出されて補修箇所に衝突し、形成された被膜層が均一組織とならない等の問題もあった。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するために、ノズルの内部に付着する堆積物を吹き飛ばすための粒子を、純金属の粒子に混ぜて、噴射する方法が推奨されている。例えば、Ａｌ粒子の場合には、Ａｌ２Ｏ3粒子を、Ａｌ：５０ｗｔ％＋Ａｌ２Ｏ３：５０ｗｔ％の割合で混ぜるよう推奨されている。この場合、Ａｌ２Ｏ3粒子が、ノズルの内部に付着するＡｌ堆積物を吹き飛ばすため、ノズルの閉塞を抑えることができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９５８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ａｌ粒子にＡｌ２Ｏ3粒子を混ぜて使用する場合、噴射し続けるとＡｌ２Ｏ3粒子がノズルの内側を削り取り、ノズルの側面に穴が開いて、ノズルが使用できなくなるという課題があった。一例では、穴が開いたときのノズルの重量が４．８０ｇとなり、使用前の重量の４０．３％までノズルの内部が減肉しているものもあった。なお、このＡｌ粒子を噴射する場合、補修箇所にＡｌ金属だけでなく、Ａｌ２Ｏ3のようなセラミックスが混入することは、補修箇所の健全性から考えても好ましくない。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、寿命を延ばすことができ、内部への金属粒子の付着を抑えることができるコールドスプレー用ノズルを提供することを目的としている。
【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、本発明に係るコールドスプレー用ノズルは、筒状のノズル本体と、前記ノズル本体を冷却可能な冷却部材とを有することを、特徴とする。
【０００９】
本発明に係るコールドスプレー用ノズルは、コールドスプレー装置に装着して使用される。コールドスプレー装置により純金属の粒子を噴射するとき、冷却部材で筒状のノズル本体を冷却することにより、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を抑えることができる。このため、Ａｌ粒子などの純金属粒子に、ノズル本体の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3などの粒子を混ぜる必要がない。このため、Ａｌ２Ｏ3などの粒子によりノズル本体の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体の寿命を延ばすことができる。
【００１０】
冷却部材は、ノズル本体を冷却可能であれば、いかなるものから成っていてもよい。冷却部材は、特にノズル本体の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えるよう、ノズル本体の内側面を冷却可能であることが好ましい。なお、噴射する純金属粒子は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｔｉなどの金属の粒子から成る。
【００１１】
本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記ノズル本体は熱伝導性の材質から成り、前記冷却部材は前記ノズル本体の内側面を冷却可能に、前記ノズル本体の外側面を冷却するよう構成されていることが好ましい。この場合、ノズル本体の内側面を効率的かつ容易に冷却することができ、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができる。
【００１２】
本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記冷却部材は流体を循環させて前記ノズル本体の外側面を冷却するよう設けられていてもよい。また、本発明に係るコールドスプレー用ノズルで、前記冷却部材は前記ノズル本体の外側面を０℃乃至５０℃に冷却するよう設けられていてもよい。これらの場合、ノズル本体の内部への金属粒子の付着を、特に効果的に抑えることができる。流体を循環させて冷却する場合、流体は液体であっても気体であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、寿命を延ばすことができ、内部への金属粒子の付着を抑えることができるコールドスプレー用ノズルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態のコールドスプレー用ノズルを示している。
図１に示すように、コールドスプレー用ノズル１０は、コールドスプレー装置１に装着して使用され、ノズル本体１１と冷却部材１２とを有している。
【００１５】
図１に示すように、ノズル本体１１は、ステンレス製で熱伝導性を有し、円筒状を成している。ノズル本体１１は、一端１１ａから他端１１ｂにかけて、段階的に内径が大きくなるよう形成されている。ノズル本体１１は、一端１１ａがコールドスプレー装置１の噴射口１ａに取り付けられている。
【００１６】
図１に示すように、冷却部材１２は、コールドスプレー装置１の噴射口１ａから突出したノズル本体１１の外側面を覆うよう設けられている。冷却部材１２は、導水路１２ａと供給口１２ｂと排出口１２ｃとを有している。導水路１２ａは、ノズル本体１１の外側面全体に接するよう設けられ、冷却水をノズル本体１１の外側面に沿って循環可能になっている。供給口１２ｂは、導水路１２ａに連通するようノズル本体１１の一端１１ａ側に設けられ、導水路１２ａに冷却水を供給可能になっている。排出口１２ｃは、導水路１２ａに連通するようノズル本体１１の他端１１ｂ側に設けられ、導水路１２ａの内部の冷却水を排水可能になっている。
【００１７】
冷却部材１２は、供給口１２ｂから導水路１２ａに供給された冷却水が、導水路１２ａの内部を循環し、排出口１２ｃから排水されるようになっている。冷却部材１２は、冷却水がノズル本体１１の外側面全体に接する導水路１２ａの内部を循環して、ノズル本体１１の外側面を冷却可能になっている。また、冷却部材１２は、ノズル本体１１がステンレス製で熱伝導性を有しているため、ノズル本体１１の内側面を冷却可能である。
【００１８】
図１および図２に示すように、コールドスプレー装置１は、エアーコンプレッサー（Air Compressor）２とヒーター（Heater）３と粒子供給部（Powder Feeder）４とコントロールユニット（Control Unit）５とを有している。エアーコンプレッサー２は、作動ガスの空気を供給可能になっている。ヒーター３は、エアーコンプレッサー２により供給された作動ガスを温めるようになっている。粒子供給部４は、作動ガスと共に金属粒子を噴射するよう、噴射口１ａ近傍で作動ガス中に金属粒子を供給可能になっている。粒子供給部４は、内部に設けられた振動機を振動させて粒子を供給するよう構成されている。
【００１９】
コントロールユニット５は、エアーコンプレッサー２からの作動ガスの供給量を調節可能なガス調整弁６を制御するエアーバルブコントローラ（Air Valve Controller）５ａと、ヒーター３の温度を制御する温度コントローラ（Temperature Controller）５ｂと、粒子供給部４からの金属粒子の供給率を制御する粒子供給率コントローラ（Powder Feed Rate Controller）５ｃと、粒子供給部４からの金属粒子の供給量を調整可能な粒子調整弁７を制御する供給バルブコントローラ（Feeder Valve Controller）５ｄとを有している。
【００２０】
なお、図１に示す具体的な一例では、ノズル本体１１は、長さが１２０ｍｍで、内径が一端１１ａ側から順に４．０ｍｍ、４．２ｍｍ、４．４ｍｍ、４．８ｍｍと４段階に変化している。ノズル本体１１のコールドスプレー装置１の噴射口１ａからの突出量は、１０３ｍｍである。冷却部材１２は、長さが１０３ｍｍ、外径が３５ｍｍである。
【００２１】
次に、作用について説明する。
コールドスプレー用ノズル１０は、コールドスプレー装置１により純金属の粒子を噴射するとき、冷却部材１２でノズル本体１１の内側面を効率的かつ容易に冷却することができ、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができる。このため、Ａｌ粒子などの純金属粒子に、ノズル本体１１の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3などの粒子を混ぜる必要がない。このため、Ａｌ２Ｏ3などの粒子によりノズル本体１１の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体１１の寿命を延ばすことができる。
【００２２】
図７に示す従来のコールドスプレー装置１００で、ノズル１０１の内部に金属粒子が付着するメカニズムは、金属粒子が高速でノズル１０１の内側面に衝突することにより、金属粒子およびノズル１０１が塑性変形して金属粒子表面およびノズル１０１の内側面の酸化膜が破壊され、金属粒子およびノズル１０１の新生面同士が接触して金属結合するものであると考えられる。これに対し、コールドスプレー用ノズル１０では、ノズル本体１１を冷却することにより、ノズル本体１１の内側面の温度が冷却する前と比較して低下するため、金属粒子が衝突しても付着するのに十分な塑性変形量が得られず、金属粒子がノズル本体１１の内部に付着しにくくなると考えられる。
【００２３】
ノズル本体１１の内部のガス温度などの各種条件が変化しないと仮定すると、ノズル本体１１の外側の条件のみが変化する。ノズル本体１１を冷却しない場合、ノズル本体１１の外側には自然対流の空気が存在し、冷却する場合、強制対流の冷却水が存在する。熱伝達率は流体の熱伝導度に比例することが知られており、自然対流の空気の熱伝達率は約100〜101W/m2K、強制対流の冷却水の熱伝達率は約103〜104W/m2Kと、約100倍の差がある。このため、冷却するノズル本体１１の内側面の温度は、冷却しない場合と比較して大きく低下し、このことが金属粒子の付着に大きく影響を及ぼしていると考えられる。
【実施例１】
【００２４】
ノズル本体１１を冷却することにより、噴射される作動ガスの温度が低下して、金属粒子によるき裂等の補修能力が低下する可能性がある。そこで、ノズル本体１１の冷却による作動ガスの温度変化を調べる試験を行った。
【００２５】
コールドスプレー装置１として、ＯＣＰＳ社製の低圧型コールドスプレー装置「ＤＹＭＥＴ４０３ｊ」を使用した。ヒーター３による作動ガスの温度は５段階、粒子供給部４からの粒子の供給量は１４段階で調整可能になっている。本試験では、金属粒子は噴射せず、作動ガスの温度を中央値に固定して、作動ガスのみで噴射を行った。その他の試験条件を、表１に示す。
【００２６】
【表１】
0005004171.tif 000002
【００２７】
図３に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合、および、比較例として冷却部材１２を有さないノズル本体１１のみの比較用ノズルを使用した場合で試験を行った。いずれの場合も、ノズルの出口から５ｍｍの位置に白金熱電対（Thermo couple）５１を固定し、白金熱電対５１からのデータを温度データ収集システム（Data acquision system；ＫＥＹＥＮＣＥ社製、製品名「ＧＲ−３５００」）５２により収集し、パソコン（Personal computer）５３で解析して温度測定を行った。温度の測定精度は０．１℃であり、サンプリング周期は１０point/secとした。コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合の冷却水の温度は、約２０℃とした。
【００２８】
作動ガスの温度の測定結果を、図４に示す。図４に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合（図４中の「Water cooling」の曲線）および比較用ノズルを使用した場合（図４中の「No cooling」の曲線）ともに、噴射開始から作動ガスの温度が定常になるまでの温度勾配および定常温度は、ほぼ等しいことが確認された。なお、作動ガスの定常温度は、約３２０℃であった。このことから、ノズル本体１１の冷却が作動ガス温度に与える影響はほとんどないと考えられ、ノズル本体１１の冷却によりき裂等の補修能力が低下するおそれはないと考えられる。
【実施例２】
【００２９】
ノズル本体１１を冷却することによる、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を抑える効果を調べる試験を行った。コールドスプレー装置１は、実施例１と同じものを使用した。金属粒子として、平均粒径が２６．５μｍの純Ａｌ粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、製品名「Ｇ−Ａｔ」）を使用した。粒子の供給量を中央値に固定し、その他の試験条件を、実施例１と同様とした。
【００３０】
コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合、および、比較例として冷却部材１２を有さないノズル本体１１のみの比較用ノズルを使用した場合で試験を行った。いずれの場合も、ノズル本体１１の重量を、金属粒子の噴射前、３０秒噴射後、６０秒噴射後、９０秒噴射後、１２０秒噴射後に測定した。重量の測定には、電子天秤（ＭＥＴＴＬＥＲ  ＴＯＬＥＤＯ社製、製品名「ＰＧ５００２−Ｓ」）を使用した。電子天秤の測定精度は、０．０１ｇである。また、いずれの場合も、３本のノズル本体１１を使用して測定を行った。
【００３１】
ノズル本体１１の重量の測定結果を、図５に示す。図５中の点は、３本のノズル本体１１の測定値の平均値を示し、エラーバーは、測定値の分布範囲を示している。図５に示すように、コールドスプレー用ノズル１０を使用した場合（図５中の「Water cooling」）、ノズル本体１１の重量増加は確認されなかった。本試験と同様の条件で、コールドスプレー用ノズル１０を使用して１０時間以上噴射した後のノズル本体１１の断面を観察しても、Ａｌ金属粒子の付着、堆積は確認されなかった。
【００３２】
また、図５に示すように、比較用ノズルを使用した場合（図５中の「No cooling」）、噴射開始から３０秒以内にノズル本体１１の内部にＡｌ金属粒子が付着して堆積し、その後噴射を続けても堆積量はほとんど変化しないことが確認された。１２０秒噴射後の金属粒子の堆積による質量増加は、約０．１７ｇであった。試験後のノズル本体１１の断面を観察すると、Ａｌ金属粒子の堆積物はノズル本体１１の出口付近に存在していることが確認された。試験後のノズル本体１１を１本輪切りにし、最もＡｌ金属粒子が堆積していた部分を選定して樹脂に埋め込み、観察断面を耐水研磨紙（320, 600, 1000, 1500, 4000番の順）で湿式研磨を行い、光学顕微鏡（Nikon製、製品名「SMZ-U」）で撮影した結果を、図６（ａ）に示す。また、撮影された堆積物の断面を、画像処理ソフトを用いて二値化したものを、図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）から、堆積物の断面積は、5.52mm2であり、堆積物がノズル本体１１の内部の断面積（2.4×2.4×π=18.1mm2）の30.5%を占めていることが確認された。
【００３３】
ノズル本体１１の出口付近に金属粒子が付着する理由については、以下のように考えられる。一般的に、ノズル内部の粒子速度は、ノズルの出口に向かうにつれて対数的に上昇しているのに対して、粒子温度はノズル内で大きな差はない。このため、粒子の持つ全エネルギーは、出口に近いほど大きくなっている。図１に示すように、本試験で使用したノズル本体１１は、入口から出口にかけて段階的に内径が大きくなるよう形成されており、内径が変化する部分が連続的に変化しないため、作動ガスの流れが乱れることが推測される。作動ガスの流れの乱れにより、金属粒子がノズル本体１１の内側面に衝突しやすくなるとともに、運動エネルギーが大きいノズル本体１１の出口付近で、金属粒子が付着しやすくなると考えられる。一旦、ノズル本体１１の内側面に金属粒子が付着すると、作動ガスの流れがさらに乱れ、加速度的に金属粒子が付着、堆積し、最終的にはノズル本体１１を閉塞してしまう。
【００３４】
本試験の結果、ノズル本体１１を冷却することにより、ノズル本体１１の内部への金属粒子の付着を効果的に抑えることができることが確認された。このため、ノズル本体１１を冷却することにより、金属粒子によるノズル本体１１の閉塞を大幅に改善することができる。また、Ａｌ金属粒子に、ノズル本体１１の内部に付着する堆積物を吹き飛ばすためのＡｌ２Ｏ3粒子を混ぜる必要がなく、Ａｌ２Ｏ3粒子によりノズル本体１１の内側が削り取られて穴が開くのを防ぐことができ、ノズル本体１１の寿命を延ばすこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態のコールドスプレー用ノズルの使用状態を示す断面図である。
【図２】図１に示すコールドスプレー用ノズルを取り付けたコールドスプレー装置を示す構成図である。
【図３】作動ガスの温度測定試験を行うためのシステムを示す（ａ）比較用ノズルを使用する場合の構成図、（ｂ）図１に示すコールドスプレー用ノズルを使用する場合の構成図である。
【図４】図３に示すシステムによる、図１に示すコールドスプレー用ノズルを使用した場合（Water cooling）、および比較用ノズルを使用した場合（No cooling）の、作動ガスの温度測定結果を示すグラフである。
【図５】図１に示すコールドスプレー用ノズルを使用した場合（Water cooling）、および比較用ノズルを使用した場合（No cooling）の、金属粒子の噴射時間に対するノズル本体の質量増加量の測定結果を示すグラフである。
【図６】１２０秒噴射後の比較用ノズルのノズル本体の断面を示す（ａ）光学顕微鏡写真、（ｂ）堆積物の二値化画像である。
【図７】従来のノズルを取り付けたコールドスプレー装置を示す断面図である。
【図８】数分間噴射後の図７に示すノズルの断面を示す（ａ）光学顕微鏡写真、（ｂ）一部を拡大した光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３６】
１    コールドスプレー装置
１ａ  噴射口
２    エアーコンプレッサー
３    ヒーター
４    粒子供給部
５    コントロールユニット
１０  コールドスプレー用ノズル
１１  ノズル本体
１２  冷却部材
１２ａ  導水路
１２ｂ  供給口
１２ｃ  排出口
【図４】
0005004171.tif 000003
【図５】
0005004171.tif 000004
【図１】
0005004171.tif 000005
【図２】
0005004171.tif 000006
【図３】
0005004171.tif 000007
【図６】
0005004171.tif 000008
【図７】
0005004171.tif 000009
【図８】
0005004171.tif 000010