(57)【要約】コールドスプレー装置（２）で使用されるコールドスプレー用ノズル（２５）を、筒状のノズル本体（２５２）と、ノズル本体（２５２）を囲繞して、ノズル本体（２５２）との間に冷媒（Ｒ）の流路（２５ｅ）を形成する冷却ジャケット（２５３）とから構成し、冷却ジャケット（２５３）に流路（２５ｅ）のＯリング（２５３ｂ）を保持するシール保持部（２５３ｃ）を設けるとともに、このシール保持部（２５３ｃ）とノズル本体（２５２）とをインロー結合する。
2020008637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性を有し、コールドスプレー装置から供給された原料粉末を噴射する筒状のノズル本体と、
前記ノズル本体を囲繞して前記ノズル本体との間に冷媒の流路を形成し、前記流路を流れる前記冷媒によって前記ノズル本体を冷却する冷却ジャケットと、を備え、
前記冷却ジャケットは、前記流路のシール部材を保持するとともに、前記ノズル本体にインロー結合するシール保持部を備えるコールドスプレー用ノズル。
【請求項２】
前記ノズル本体の前記シール保持部とインロー結合する被結合部は、前記原料粉末の噴射方向に向かって徐々に先細になるテーパ形状とされ、
前記シール保持部の前記被結合部とインロー結合する結合部は、前記被結合部に沿うテーパ形状とされている請求項１に記載のコールドスプレー用ノズル。
【請求項３】
前記ノズル本体の先端側から後端側にかけて設けられた前記流路に対し、前記ノズル本体の先端側から前記冷媒を導入する冷媒導入部と、前記ノズル本体の後端側から前記冷媒を排出する冷媒排出部とを備える請求項１または２に記載のコールドスプレー用ノズル。
【請求項４】
前記冷却ジャケットは、前記コールドスプレー装置の本体部に取り付けられており、前記ノズル本体は、前記冷却ジャケットと前記本体部との間に挟まれて支持されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のコールドスプレー用ノズル。
【請求項５】
前記原料粉末を供給する原料粉末供給手段と、
前記原料粉末供給手段から供給された前記原料粉末を搬送する搬送ガスと、前記原料粉末を噴射する作動ガスとを供給するガス供給手段と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のコールドスプレー用ノズルを有し、前記搬送ガスにより搬送された前記原料粉末を、前記作動ガスによって前記コールドスプレー用ノズルから超音速流として噴射する噴射手段と、
を備えるコールドスプレー装置。
【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及びコールドスプレー装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基材に金属粒子を噴射し、金属粒子の塑性変形により金属皮膜を形成するコールドスプレー装置が知られている。また、このコールドスプレー装置による金属粒子の噴射に用いられるノズルとして、筒状のノズル本体と、このノズル本体を冷却可能な冷却部材とを備えるコールドスプレー用ノズルが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
このコールドスプレー用ノズルは、熱伝導性の材質で構成したノズル本体の外側面を、冷却部材に循環させた流体によって冷却することにより、ノズル本体の内側面を冷却する。これにより、ノズル本体内への金属粒子の付着を抑制し、金属粒子の付着、堆積によってノズル本体が閉塞するのを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０００６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のコールドスプレー用ノズルでは、冷媒として用いた流体が冷却部材から漏れるという問題があった。例えば、流体として水を利用し、この水がコールドスプレー用ノズルから漏れて金属皮膜に付着すると、金属皮膜の品質不良、密着不良等の原因となる。この流体の漏れは、金属粒子の噴射に伴うノズル本体の振動や、コールドスプレー用ノズルの移動や移動停止によるノズル本体のブレ等により、流体が流れる通路のシールに隙間が生じることにより発生する。【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ノズル本体の振動やブレ等に起因する冷媒の漏れを防ぐことができるコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、コールドスプレー用ノズルを、筒状のノズル本体と、ノズル本体を囲繞して冷媒の流路を形成する冷却ジャケットとを含むように構成し、冷却ジャケットに流路のシール部材を保持するシール保持部を設けるとともに、このシール保持部をノズル本体にインロー結合することにより、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ノズル本体と冷却ジャケットとのインロー結合により、ノズル本体の振動やブレ等が抑えられるので、冷媒の漏れを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置及びコールドスプレー用ノズルを用いてバルブシート膜を形成したシリンダヘッドを備える内燃機関の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置及びコールドスプレー用ノズルを用いてバルブシート膜を形成したシリンダヘッドを備える内燃機関のバルブ周辺の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー用ノズルを示す斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー用ノズルをコールドスプレーガンから取り外した状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー用ノズルの構成を示す分解斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー用ノズルを原料粉末の噴射方向に沿って切断した断面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿うコールドスプレー用ノズルの断面図である。
【図９】図７に示すコールドスプレー用ノズルのインロー結合部分を拡大して示す断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー装置及びコールドスプレー用ノズルを用いてシリンダヘッドを製造する手順を示す工程図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係るコールドスプレー装置及びコールドスプレー用ノズルを用いてバルブシート膜が形成されるシリンダヘッド粗材の斜視図である。
【図１２Ａ】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う吸気ポートを示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの吸気ポートに切削工程で環状バルブシート部を形成した状態を示す断面図である。
【図１３】図１０の被覆工程でシリンダヘッド粗材の移動に使用するワーク回転装置の構成を示す斜視図である。
【図１４】図１２Ｂの吸気ポートに本実施形態のコールドスプレー用ノズルでバルブシート膜を形成する状態を示す断面図である。
【図１５Ａ】本実施形態のコールドスプレー用ノズルによりバルブシート膜が形成された吸気ポートを示す断面図である。
【図１５Ｂ】図１０の仕上工程後の吸気ポートを示す断面図である。
【図１６】ノズル本体の先端部にテーパ部を設けた、本発明の第２実施形態に係るコールドスプレー用ノズルを示す斜視図である。
【図１７】本発明の第２実施形態に係るコールドスプレー用ノズルのインロー結合部分を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず初めに、本実施形態のコールドスプレー用ノズル及びコールドスプレー装置により形成したバルブシート膜を備える内燃機関１について説明する。図１は、内燃機関１の断面図であり、主にシリンダヘッド周りの構成を示している。
【００１１】
内燃機関１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に組み付けたシリンダヘッド１２とを備える。この内燃機関１は、例えば、４気筒のガソリンエンジンであり、シリンダブロック１１は、図面奥行き方向に配列した４つのシリンダ１１ａを有する。各シリンダ１１ａは、図中の上下方向に往復移動するピストン１３を収容している。各ピストン１３は、コネクティングロッド１３ａを介して、図面奥行き方向に延びるクランクシャフト１４と連結している。
【００１２】
シリンダヘッド１２のシリンダブロック１１への取付面１２ａには、各シリンダ１１ａに対応する位置に、各気筒の燃焼室１５を構成する４つの凹部１２ｂが設けられている。燃焼室１５は、燃料と吸入空気との混合気を燃焼するための空間であり、シリンダヘッド１２の凹部１２ｂと、ピストン１３の頂面１３ｂと、シリンダ１１ａの内周面とで構成されている。
【００１３】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の一方の側面１２ｃとを連通する吸気用のポート（以下、吸気ポートという）１６を備える。吸気ポート１６は、屈曲した略円筒形状をしており、側面１２ｃに接続したインテークマニホールド（図示せず）からの吸入空気を燃焼室１５内へ供給する。
【００１４】
また、シリンダヘッド１２は、燃焼室１５と、シリンダヘッド１２の他方の側面１２ｄとを連通する排気用のポート（以下、排気ポートという）１７を備える。排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に屈曲した略円筒形状をしており、燃焼室１５での混合気の燃焼によって生じた排気を、側面１２ｄに接続したエキゾーストマニホールド（図示せず）へ排出する。なお、本実施形態の内燃機関１は、１つのシリンダ１１ａに対し、吸気ポート１６と排気ポート１７とを２つずつ備えている。
【００１５】
シリンダヘッド１２は、燃焼室１５に対して吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１８と、燃焼室１５に対して排気ポート１７を開閉する排気バルブ１９とを備える。吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、丸棒状のバルブステム１８ａ、１９ａと、バルブステム１８ａ、１９ａの先端に設けた円盤状のバルブヘッド１８ｂ、１９ｂとを備えている。バルブステム１８ａ、１９ａは、シリンダヘッド１２に組み付けた略円筒形状のバルブガイド１８ｃ、１９ｃにスライド自在に挿通している。これにより、吸気バルブ１８及び排気バルブ１９は、燃焼室１５に対し、バルブステム１８ａ、１９ａの軸方向に沿って移動自在となっている。
【００１６】
図２に、燃焼室１５と、吸気ポート１６及び排気ポート１７との連通部分を拡大して示す。吸気ポート１６は、燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１６ａを備える。この開口部１６ａの環状縁部に、吸気バルブ１８のバルブヘッド１８ｂと当接する環状のバルブシート膜１６ｂを備える。吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面がバルブシート膜１６ｂに当接して吸気ポート１６を閉塞する。また、吸気バルブ１８は、バルブステム１８ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１８ｂの上面とバルブシート膜１６ｂとの間に隙間を形成して吸気ポート１６を開放する。
【００１７】
排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に燃焼室１５との連通部分に略円形の開口部１７ａを備えており、この開口部１７ａの環状縁部に、排気バルブ１９のバルブヘッド１９ｂと当接する環状のバルブシート膜１７ｂを備えている。排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って上方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面がバルブシート膜１７ｂに当接して排気ポート１７を閉塞する。また、排気バルブ１９は、バルブステム１９ａの軸方向に沿って下方に移動した場合に、バルブヘッド１９ｂの上面とバルブシート膜１７ｂとの間に隙間を形成して排気ポート１７を開放する。
【００１８】
たとえば、４サイクルの内燃機関１は、ピストン１３の下降時に吸気バルブ１８のみが開き、吸気ポート１６からシリンダ１１ａ内に混合気が導入される。続いて吸気バルブ１８および排気バルブ１９を閉じた状態でピストン１３が上昇してシリンダ１１ａ内の混合気を圧縮し、ピストン１３が略上死点に達したときに図示しない点火プラグにより点火して混合気が爆発する。この爆発によりピストン１３は下死点まで下降し、連結されたクランクシャフト１４を介して爆発を回転力に変換する。ピストン１３が下死点に達し、再び上昇を開始すると、排気バルブ１９のみが開き、シリンダ１１ａ内の排気を排気ポート１７へ排出する。内燃機関１は、以上のサイクルを繰り返し行うことにより出力を発生する。
【００１９】
バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって直接形成したものである。コールドスプレー法とは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に搬送ガスによって搬送された原料粉末を投入してノズル先端より噴射し、固相状態のまま基材に衝突させ、原料粉末の塑性変形により皮膜を形成するものである。このコールドスプレー法は、材料を溶融させて基材に付着させる溶射法に比べ、大気中で酸化のない緻密な皮膜が得られ、材料粒子への熱影響が少ないので熱変質が抑えられ、成膜速度が速く、厚膜化が可能であり、付着効率が高いといった特性を有する。特に成膜速度が速く、厚膜が可能なことから、内燃機関１のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのような構造材料としての用途に適している。
【００２０】
図３は、上記のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂの形成に用いられる本実施形態のコールドスプレー装置２の概略構成を示している。従来のコールドスプレー装置は、金属製の機械部品や構造部品の補修等に用いられ、比較的大きな面積への成膜に利用されることが多かった。これに対し、本実施形態のコールドスプレー装置２は、シリンダヘッド１２のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのように、面積が比較的小さな部位への成膜に適用するために、従来のコールドスプレー装置よりも小型化したコールドスプレー用ノズルを備えている。
【００２１】
本実施形態のコールドスプレー装置２は、作動ガス及び搬送ガスを供給するガス供給部２１と、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの原料粉末を供給する原料粉末供給部２２と、原料粉末をその融点以下の作動ガスを用いて超音速流として噴射するコールドスプレーガン２３とを備える。ガス供給部２１、原料粉末供給部２２及びコールドスプレーガン２３は、本発明に係るガス供給手段、原料粉末供給手段及び噴射手段に相当する。
【００２２】
ガス供給部２１は、圧縮ガスボンベ２１ａ、作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃを備える。作動ガスライン２１ｂ及び搬送ガスライン２１ｃは、それぞれ圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇを備えている。圧力調整器２１ｄ、流量調節弁２１ｅ、流量計２１ｆ及び圧力ゲージ２１ｇは、圧縮ガスボンベ２１ａからの作動ガス及び搬送ガスの圧力及び流量の調整に供される。
【００２３】
作動ガスライン２１ｂには、電力源２１ｈにより加熱されるヒータ２１ｉを設置している。作動ガスは、ヒータ２１ｉによって原料粉末の融点又は軟化点より低い温度に加熱した後、コールドスプレーガン２３のチャンバ２３ａ内に導入される。チャンバ２３ａには、圧力計２３ｂと温度計２３ｃが設置され、圧力及び温度のフィードバック制御に供される。
【００２４】
一方、原料粉末供給部２２は、原料粉末供給装置２２ａと、これに付設される計量器２２ｂ及び原料粉末供給ライン２２ｃを備えている。圧縮ガスボンベ２１ａからの搬送ガスは、搬送ガスライン２１ｃを通り、原料粉末供給装置２２ａに導入される。計量器２２ｂにより計量された所定量の原料粉末は、原料粉末供給ライン２２ｃを経て、チャンバ２３ａ内に搬送される。
【００２５】
コールドスプレーガン２３は、その先端部に本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５を備える。コールドスプレーガン２３は、搬送ガスによりチャンバ２３ａ内に搬送された原料粉末Ｐを、作動ガスにより超音速流としてコールドスプレー用ノズル２５の先端から噴射し、固相状態又は固液共存状態で基材２４に衝突させて皮膜２４ａを形成する。本実施形態では、基材２４としてシリンダヘッド１２を適用し、このシリンダヘッド１２の開口部１６ａ、１７ａの環状縁部にコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射することにより、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成している。
【００２６】
シリンダヘッド１２のバルブシートには、燃焼室１５内におけるバルブからの叩き入力に耐え得る高い耐熱性及び耐磨耗性と、燃焼室１５の冷却のための高い熱伝導性とが要求される。これらの要求に対し、例えば、析出硬化型銅合金の粉末により形成したバルブシート膜１６ｂ、１７ｂによれば、鋳物用アルミ合金で形成したシリンダヘッド１２よりも硬く、耐熱性及び耐磨耗性に優れたバルブシートを得ることができる。
【００２７】
また、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂは、シリンダヘッド１２に直接形成しているので、ポート開口部に別部品のシートリングを圧入して形成する従来のバルブシートに比べ、高い熱伝導性を得ることができる。さらには、別部品のシートリングを利用する場合に比べ、冷却用のウォータジャケットとの近接化を図ることができる他、吸気ポート１６及び排気ポート１７のスロート径の拡大、ポート形状の最適化によるタンブル流の促進などの副次的効果も得ることができる。
【００２８】
バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの形成に用いる原料粉末Ｐとしては、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属であることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、析出硬化型銅合金としては、ニッケル及びケイ素を含むコルソン合金や、クロムを含むクロム銅、ジルコニウムを含むジルコニウム銅等を用いてもよい。さらに、例えば、ニッケル、ケイ素及びクロムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金、ニッケル、ケイ素、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型合金、クロム及びジルコニウムを含む析出硬化型銅合金等を適用することもできる。
【００２９】
また、複数種類の原料粉末、例えば、第１の原料粉末と第２の原料粉末とを混合してバルブシート膜１６ｂ、１７ｂを形成してもよい。この場合、第１の原料粉末には、鋳物用アルミ合金よりも硬質で、バルブシートに必要な耐熱性、耐磨耗性及び熱伝導性が得られる金属を用いることが好ましく、例えば、上述した析出硬化型銅合金を用いることが好ましい。また、第２の原料粉末としては、第１の原料粉末よりも硬質な金属を用いることが好ましい。この第２の原料粉末には、例えば、鉄基合金、コバルト基合金、クロム基合金、ニッケル基合金、モリブデン基合金等の合金や、セラミックス等を適用してもよい。また、これらの金属の１種を単独で、または２種以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
【００３０】
第１の原料粉末と、第１の原料粉末よりも硬質な第２の原料粉末とを混合して形成したバルブシート膜は、析出硬化型銅合金のみで形成したバルブシート膜よりも優れた耐熱性、耐磨耗性を得ることができる。このような効果が得られるのは、第２の原料粉末により、シリンダヘッド１２の表面に存在する酸化皮膜が除去されて新生界面が露出形成され、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためと考えられる。また、第２の原料粉末がシリンダヘッド１２にめり込むことによるアンカー効果により、シリンダヘッド１２と金属皮膜との密着性が向上するためとも考えられる。さらには、第１の原料粉末が第２の原料粉末に衝突したときに、その運動エネルギの一部が熱エネルギに変換され、あるいは第１の原料粉末の一部が塑性変形する過程で発生する熱により、第１の原料粉末として用いた析出硬化型銅合金の一部における析出硬化がより促進されるためとも考えられる。
【００３１】
《第１実施形態》
次に、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５について説明する。従来のコールドスプレー装置では、原料粉末の噴射を例えば数分間以上続けると、コールドスプレー用ノズル内に原料粉末が付着して堆積し、コールドスプレー用ノズル内が閉塞することがあった。また、従来のコールドスプレー装置では、コールドスプレー用ノズル内から剥がれた原料粉末の堆積物が作動ガスにより噴射され、皮膜の一部を構成することがあった。原料粉末の堆積物は、非常にポーラスな構造を有するので、形成された皮膜は組織が不均一なものとなる。
【００３２】
コールドスプレー用ノズルの内部に原料粉末が付着するのは、原料粉末が高速でコールドスプレー用ノズルの内面に衝突することにより、原料粉末とコールドスプレー用ノズルとが塑性変形し、原料粉末とコールドスプレー用ノズルの酸化膜が破壊され、原料粉末とコールドスプレー用ノズルの新生面同士が接触して金属結合するためである。そのため、上述したバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのように、面積が比較的小さな部位への成膜に用いる小型のコールドスプレー用ノズルは、ノズル内部面積に対する壁面の割合が大きく、相対的にノズルと原料粉末との摩擦が顕著となり、ノズル温度が上昇し、原料粉末との衝突による塑性変形が起こりやすくなり、原料粉末の付着、堆積がより顕著に発生する。また、原料粉末の流速は、コールドスプレー用ノズル内で超音速まで上昇するので、流速が最も速くなるノズル先端部分で原料粉末の付着が顕著となる。
【００３３】
本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５は、面積が比較的小さな部位への成膜に適用するために、従来のコールドスプレー装置よりも小型化したものであるが、原料粉末Ｐの付着、堆積を防ぐために、コールドスプレー用ノズル２５を冷却する機能を備えている。コールドスプレー用ノズル２５を冷却することにより、コールドスプレー用ノズル２５内の温度が冷却する前と比較して低下するので、原料粉末Ｐが衝突しても付着するのに十分な塑性変形量が得られなくなり、原料粉末Ｐが付着しにくくなる。
【００３４】
図４は、コールドスプレーガン２３のノズル装着部２３１に、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５を取り付けた状態を示す斜視図である。ノズル装着部２３１は、円筒形状をしており、その先端側にコールドスプレー用ノズル２５を保持している。このノズル装着部２３１は、本発明における、コールドスプレー装置の本体部に相当する。ノズル装着部２３１の先端側には、コールドスプレー用ノズル２５をノズル装着部２３１に固定するノズル固定リング２３２が取り付けられている。ノズル装着部２３１は、コールドスプレー用ノズル２５と、コールドスプレーガン２３のチャンバ２３ａとを接続する。したがって、コールドスプレーガン２３は、チャンバ２３ａ内の原料粉末Ｐと作動ガスとを、ノズル装着部２３１を通じてコールドスプレー用ノズル２５に供給し、コールドスプレー用ノズル２５の先端に設けた噴射口２５ａから噴射する。
【００３５】
コールドスプレー用ノズル２５は、原料粉末Ｐの噴射口２５ａを先端に有する噴射部２５ｂと、ノズル装着部２３１に取り付けられるベース部２５ｃとを備える。噴射部２５ｂは、円筒形状をしており、ノズル装着部２３１の先端側から突出している。噴射部２５ｂ内には、チャンバ２３ａから供給された原料粉末Ｐを作動ガスとともに超音速流まで加速する噴射通路２５ｄが設けられている。この噴射通路２５ｄの末端には、噴射口２５ａが設けられている。噴射部２５ｂは、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂ等の面積が比較的小さな部位へ原料粉末Ｐを噴射するために、従来のコールドスプレー用ノズルよりも小径化されている。ベース部２５ｃは、噴射部２５ｂよりも大きな径を有する円筒形状をしており、ノズル装着部２３１に取り付けられている。ノズル固定リング２３２は、コールドスプレー用ノズル２５がノズル装着部２３１から脱落しないようにベース部２５ｃを固定する。
【００３６】
コールドスプレー用ノズル２５は、その内部に冷媒（例えば、水）Ｒが流れる流路２５ｅ（図７参照）を備える。コールドスプレー用ノズル２５は、噴射部２５ｂの先端側の上部に、流路２５ｅへ冷媒Ｒを導入する冷媒導入部２５１を備えている。さらに、ノズル装着部２３１の下部には、流路２５ｅ内の冷媒Ｒを排出する冷媒排出部２３３を備えている。コールドスプレー用ノズル２５は、冷媒導入部２５１から流路２５ｅに冷媒Ｒを導入し、流路２５ｅ内で冷媒Ｒを流動させ、冷媒排出部２３３により流路２５ｅから冷媒Ｒを排出することにより、コールドスプレー用ノズル２５の噴射通路２５ｄを冷却する。
【００３７】
図５は、コールドスプレーガン２３のノズル装着部２３１から、コールドスプレー用ノズル２５を取り外した状態を示す斜視図である。ノズル装着部２３１の先端側には、コールドスプレー用ノズル２５のベース部２５ｃを挿入する凹状のノズル収容部２３１ａを備えている。ノズル装着部２３１の先端側の外周面には、ノズル固定リング２３２を取り付けるネジ部２３１ｂを備えている。
【００３８】
ノズル装着部２３１は、ノズル収容部２３１ａの後端側の底面部２３１ｃに、コールドスプレー用ノズル２５と接続する円筒形状のノズル接続部２３１ｄを備える。ノズル接続部２３１ｄの中央部には、コールドスプレーガン２３のチャンバ２３ａと、コールドスプレー用ノズル２５とを接続するチャンバ接続路２３１ｅを備えている。
【００３９】
ノズル接続部２３１ｄの下方には、コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅと、冷媒排出部２３３とを接続する排出路２３１ｆを備えている。排出路２３１ｆの外周には、コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅと、排出路２３１ｆとの接続部分をシールするＯリング２３１ｇが組み込まれている。
【００４０】
ノズル固定リング２３２は、円筒形状をしており、その内周面にノズル装着部２３１のネジ部２３１ｂと螺合するナット部２３２ａを備える。ノズル固定リング２３２の先端側には、コールドスプレー用ノズル２５の噴射部２５ｂが挿入される孔が設けられたノズル押さえ部２３２ｂを備えている。ノズル固定リング２３２は、ノズル装着部２３１に取り付けた際に、ノズル押さえ部２３２ｂによってコールドスプレー用ノズル２５のベース部２５ｃを押圧し、コールドスプレー用ノズル２５の後端部をノズル収容部２３１ａの底面部２３１ｃへ押し付ける。これにより、噴射通路２５ｄとチャンバ接続路２３１ｅとが隙間なく接続され、流路２５ｅと排出路２３１ｆとが隙間なく接続される。
【００４１】
コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅに冷媒Ｒを導入する冷媒導入部２５１は、コールドスプレー用ノズル２５の噴射部２５ｂに設けられた導入管接続部２５１ａと、この導入管接続部２５１ａに接続する導入管２５１ｂと、導入管２５１ｂを導入管接続部２５１ａに固定する固定ナット２５１ｃとを備える。導入管接続部２５１ａは、鋼管やホースなどで構成した導入管２５１ｂに挿入される円筒形状の管挿入部２５１ｄと、この管挿入部２５１ｄの下方に設けられた固定ネジ２５１ｅとを備える。管挿入部２５１ｄの内径部は、コールドスプレー用ノズル２５内まで貫通して流路２５ｅと接続している。固定ナット２５１ｃは、導入管接続部２５１ａの固定ネジ２５１ｅに螺合し、管挿入部２５１ｄが挿入された導入管２５１ｂの外周を管挿入孔２５１ｆにより押圧して固定する。導入管２５１ｂは、冷媒Ｒを冷媒導入部２５１と冷媒排出部２３３との間で循環させる冷媒循環回路２７（図３参照）に接続されており、この冷媒循環回路２７から導入管２５１ｂに冷媒Ｒが導入される。
【００４２】
コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅから冷媒Ｒを排出する冷媒排出部２３３は、ノズル装着部２３１に設けられた排出管接続部２３３ａと、この排出管接続部２３３ａに接続する排出管２３３ｂと、排出管２３３ｂを排出管接続部２３３ａに固定する固定ナット２３３ｃとを備える。排出管接続部２３３ａは、鋼管やホースなどで構成した排出管２３３ｂに挿入される円筒形状の管挿入部２３３ｄと、この管挿入部２３３ｄの上部に設けられた固定ネジ２３３ｅとを備える。管挿入部２３３ｄの内径部は、ノズル装着部２３１の底面部２３１ｃに配された排出路２３１ｆと接続している。固定ナット２３３ｃは、排出管接続部２３３ａの固定ネジ２３３ｅに螺合し、管挿入部２３３ｄが挿入された排出管２３３ｂの外周を管挿入孔２３３ｆにより押圧して固定する。排出管２３３ｂは、冷媒循環回路２７に接続されており、排出管２３３ｂから冷媒循環回路２７へ冷媒Ｒが排出される。
【００４３】
図６は、コールドスプレー用ノズル２５の構成を示す分解斜視図である。コールドスプレー用ノズル２５は、噴射口２５ａ及び噴射通路２５ｄを有するノズル本体２５２と、噴射部２５ｂ及びベース部２５ｃを有する冷却ジャケット２５３とを備える。ノズル本体２５２は、冷却ジャケット２５３の後端側から冷却ジャケット２５３内に挿入され、噴射口２５ａを有する先端部が、冷却ジャケット２５３の先端から突出される。
【００４４】
ノズル本体２５２は、細長い円筒形状をしており、その内部に噴射通路２５ｄを備えている。ノズル本体２５２は、噴射口２５ａと反対側の後端部に、他の部分よりも大きな径を有する接続部２５２ａを備えている。接続部２５２ａは、ノズル本体２５２を冷却ジャケット２５３に挿入した際に、冷却ジャケット２５３内でノズル本体２５２の位置を規定する。また、ノズル本体２５２は、コールドスプレー用ノズル２５をノズル装着部２３１に取り付けた際に、接続部２５２ａが冷却ジャケット２５３とノズル装着部２３１とに挟み込まれるようにして支持される。さらに、ノズル本体２５２の接続部２５２ａは、ノズル接続部２３１ｄと当接することにより、噴射通路２５ｄとチャンバ接続路２３１ｅとを接続する。ノズル本体２５２は、熱伝導性を有する材質、例えば、ステンレス鋼等の金属で構成されている。これにより、ノズル本体２５２の外周面を冷媒Ｒによって冷却することにより、内部の噴射通路２５ｄを冷却することができる。
【００４５】
冷却ジャケット２５３は、噴射部２５ｂの先端側の上部に導入管接続部２５１ａを備える。また、冷却ジャケット２５３は、その内部にノズル本体２５２が挿入可能な内径部２５３ａを備えている。冷却ジャケット２５３は、後端側から挿入されたノズル本体２５２を囲繞し、ノズル本体２５２の外周面との間に冷媒Ｒの流路２５ｅを形成する。
【００４６】
図７は、コールドスプレーガン２３のノズル装着部２３１に取り付けられたコールドスプレー用ノズル２５を、原料粉末Ｐの噴射方向において切断した断面図である。ノズル本体２５２の噴射通路２５ｄには、後端側から順に、コンバージェント部２５２ｂ、スロート部２５２ｃ、及びダイバージェント部２５２ｄが設けられている。コンバージェント部２５２ｂは、断面積を先端に向かうに従って徐々に小さくした円錐形状の通路である。ダイバージェント部２５２ｄは、断面積を先端に向かうに従って徐々に大きくした円錐形状の通路である。スロート部２５２ｃは、コンバージェント部２５２ｂとダイバージェント部２５２ｄとの接続部であり、ノズル本体２５２内において最小の断面積を有する。ノズル本体２５２は、チャンバ２３ａから原料粉末Ｐとともに供給された作動ガスをコンバージェント部２５２ｂで圧縮し、ダイバージェント部２５２ｄで作動ガスの圧力を開放することにより、原料粉末Ｐを噴射口２５ａから超音速流で噴射する。
【００４７】
冷却ジャケット２５３の内径部２５３ａは、ノズル本体２５２の外径よりも大きな内径を有する。したがって、冷却ジャケット２５３は、後端側から挿入されたノズル本体２５２を囲繞し、内径部２５３ａとノズル本体２５２との間に、冷媒Ｒの流路２５ｅとなる空隙を形成する。流路２５ｅは、ノズル本体２５２の先端側から後端側まで延在するように設けられている。また、流路２５ｅは、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う図８の断面図に示すように、ノズル本体２５２の全周を取り囲むように設けられている。
【００４８】
図９に拡大して示すように、冷却ジャケット２５３の内径部２５３ａの先端側には、Ｏリング２５３ｂを保持するシール保持部２５３ｃを備えている。Ｏリング２５３ｂは、本発明のシール部材に相当し、ノズル本体２５２の外周面に密接して流路２５ｅをシールする。シール保持部２５３ｃは、冷却ジャケット２５３の内径部２５３ａの内周面から、冷却ジャケット２５３の中心軸に向かって環状に突出した前壁２５３ｄと後壁２５３ｅとを備える。Ｏリング２５３ｂは、この前壁２５３ｄと後壁２５３ｅとの間に設けられた環状溝内に保持されている。
【００４９】
ノズル本体２５２には、原料粉末Ｐを噴射する作動ガスと噴射通路２５ｄとの摩擦力により、原料粉末Ｐの噴射方向へ動く力が働く。したがって、ノズル本体２５２は、図９中の矢印Ｖ方向に沿って振動する。また、コールドスプレーガン２３は、コールドスプレー用ノズル２５を成膜位置へ向けるために移動及び移動停止されるが、その際に、ノズル本体２５２の先端部には、コールドスプレーガン２３の移動及び移動停止時の慣性力によって、ノズル本体２５２の中心軸と略直交するＩ方向にブレが生じる。
【００５０】
シール保持部２５３ｃの前壁２５３ｄ及び後壁２５３ｅは、成膜時にノズル本体２５２の先端部で発生するＶ方向の振動と、Ｉ方向のブレとを抑えるために、ノズル本体２５２の外周面にインロー結合している。ここで、インロー結合とは、凹部と凸部に代表されるように、２つの部材を隙間なく嵌合させることにより、互いの相対的な位置を規定し、嵌合後にガタを生じないような結合をいう。
【００５１】
ここで、ノズル本体２５２とシール保持部２５３ｃの寸法及び公差として、ノズル本体２５２の外径Ｄ１は、例えば、φ１１．２ｍｍ、その外径公差は最小＋０．０２〜＋０．０４ｍｍとする。また、ノズル本体２５２にインロー結合するシール保持部２５３ｃの前壁２５３ｄ及び後壁２５３ｅの内径Ｄ２は、例えば、φ１１．３、その内径公差は−０．０１〜−０．０３ｍｍとする。
【００５２】
このような寸法及び公差でインロー結合することにより、ノズル本体２５２とシール保持部１５２ｃとの間に生じる隙間は、０．０１５〜０．０３５ｍｍという非常に微小なものとなる。したがって、ノズル本体２５２とシール保持部２５３ｃとを、互いに相対的な位置を規定しながら、嵌合後にガタが生じないように結合することができる。
【００５３】
また、ノズル本体２５２と、シール保持部２５３ｃとをインロー結合しているので、例えば、ノズル本体２５２が閉塞して交換が必要になった場合や、シール保持部２５３ｃのＯリング２５３ｂが劣化して交換が必要になった場合には、コールドスプレー用ノズル２５を分解して、冷却ジャケット２５３からノズル本体２５２を取り外すことができる。なお、上述したノズル本体２５２とシール保持部２５３ｃの寸法及び公差は、一例であり、ノズル本体２５２とシール保持部２５３ｃとの寸法に応じて、インロー結合となるような公差を適宜設定することが望ましい。
【００５４】
なお、コールドスプレー用ノズル２５の分解が不要な場合、あるいは分解頻度が低い場合には、インロー結合に代えて、締り嵌めを利用してノズル本体と冷却ジャケットとを結合してもよい。ここで、締り嵌めとは、凹部と凸部に代表される２つの部材について、凸部のサイズを凹部のサイズよりもわずかに大きくし、凸部を凹部に押し込んで嵌合させることにより、互いの相対的な位置を規定し、嵌合後にガタを生じないような結合をいう。この締り嵌めをコールドスプレー用ノズル２５に適用する場合には、ノズル本体２５２の外径Ｄ１を、シール保持部２５３ｃの前壁２５３ｄ及び後壁２５３ｅの内径Ｄ２よりもわずかに大きくし、ノズル本体２５２をシール保持部２５３ｃに押し込んで嵌合させる。このように、締り嵌めを用いても、冷却ジャケット２５３のシール保持部２５３ｃと、ノズル本体２５２とは、互いの相対的な位置を規定し、嵌合後にガタを生じないように結合することができる。
【００５５】
図７に示すように、冷却ジャケット２５３は、内径部２５３ａの後端側にもＯリング２５３ｆを保持したシール保持部２５３ｇを備えている。しかしながら、ノズル本体２５２の後端側は、接続部２５２ａが冷却ジャケット２５３とノズル装着部２３１とに挟み込まれるようにして支持されているため、ノズル本体２５２の先端側に比べ、発生する振動やブレは非常に小さい。したがって、冷却ジャケット２５３の後端側のシール保持部２５３ｇは、ノズル本体２５２にインロー結合させていない。冷却ジャケット２５３のベース部２５ｃには、流路２５ｅをノズル装着部２３１の排出路２３１ｆに接続する排出接続路２５３ｈが設けられている。
【００５６】
次に、図３を参照して、コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅに冷媒Ｒを循環させる冷媒循環回路２７について説明する。冷媒循環回路２７は、上述した導入管２５１ｂ、排出管２３３ｂと、冷媒Ｒを貯留するタンク２７１と、導入管２５１ｂに接続され、タンク２７１とコールドスプレー用ノズル２５との間で冷媒Ｒを流動させるポンプ２７２と、冷媒Ｒを冷却する冷却器２７３とを備える。冷却器２７３は、例えば、熱交換機等からなり、ノズル本体２５２を冷却して温度が上昇した冷媒Ｒを空気や水、ガスなどの冷媒との間で熱交換させて、冷媒Ｒを冷却する。
【００５７】
冷媒循環回路２７は、ポンプ２７２によってタンク２７１の冷媒Ｒを吸引し、冷却器２７３を介して冷媒導入部２５１に供給する。冷媒導入部２５１に供給された冷媒Ｒは、コールドスプレー用ノズル２５内の流路２５ｅを先端側から後端側に向かって流動し、その間にノズル本体２５２と熱交換して冷却する。流路２５ｅの後端側まで流れた冷媒Ｒは、冷媒排出部２３３によって排出管２３３ｂに排出され、タンク２７１に戻る。このように、冷媒循環回路２７は、冷媒Ｒを冷却しながら循環させてノズル本体２５２を冷却するので、ノズル本体２５２の噴射通路２５ｄへの原料粉末Ｐの付着を抑制することができる。
【００５８】
次に、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂを備えるシリンダヘッド１２の製造方法について説明する。図１０は、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法におけるバルブ部位の加工工程を示す工程図である。この図に示すように、本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法は、鋳造工程（ステップＳ１）と、切削工程（ステップＳ２）と、被覆工程（ステップＳ３）と、仕上工程（ステップＳ４）とを備える。なお、バルブ部位以外の加工工程は、説明の簡略化のため省略する。
【００５９】
鋳造工程Ｓ１では、砂中子がセットされた金型に鋳物用アルミ合金を流し込み、本体部に吸気ポート１６や排気ポート１７等が形成されたシリンダヘッド粗材を鋳造成形する。吸気ポート１６及び排気ポート１７は砂中子で形成され、凹部１２ｂは金型で形成される。
【００６０】
図１１は、鋳造工程Ｓ１で鋳造成形したシリンダヘッド粗材３を、シリンダブロック１１への取付面１２ａ側から見た斜視図である。シリンダヘッド粗材３は、４つの凹部１２ｂと、各凹部１２ｂに２つずつ設けた吸気ポート１６及び排気ポート１７等を備える。各凹部１２ｂの２つの吸気ポート１６、及び２つの排気ポート１７は、シリンダヘッド粗材３内で１本に集合し、シリンダヘッド粗材３の両側面に設けた開口にそれぞれ連通している。
【００６１】
図１２Ａは、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿うシリンダヘッド粗材３の断面図であり、吸気ポート１６を示している。吸気ポート１６には、シリンダヘッド粗材３の凹部１２ｂ内に露呈された円形の開口部１６ａが設けられている。
【００６２】
次の切削工程Ｓ２では、シリンダヘッド粗材３にエンドミルやボールエンドミル等によるフライス加工を施し、図１２Ｂに示すように、吸気ポート１６の開口部１６ａに環状バルブシート部１６ｃを形成する。環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂのベース形状となる環状溝であり、開口部１６ａの外周に形成される。本実施形態のシリンダヘッド１２の製造方法では、環状バルブシート部１６ｃにコールドスプレー法によって原料粉末Ｐを噴射して皮膜を形成し、この皮膜を基にしてバルブシート膜１６ｂを形成する。そのため、環状バルブシート部１６ｃは、バルブシート膜１６ｂよりも一回り大きなサイズで形成されている。
【００６３】
被覆工程Ｓ３では、シリンダヘッド粗材３の環状バルブシート部１６ｃに、本実施形態のコールドスプレー装置２を利用して原料粉末Ｐを噴射し、バルブシート膜１６ｂを形成する。より具体的には、この被覆工程Ｓ３では、環状バルブシート部１６ｃと、コールドスプレーガン２３のコールドスプレー用ノズル２５とを同じ姿勢で一定距離に保ちながら、原料粉末Ｐが環状バルブシート部１６ｃの全周に吹き付けられるように、シリンダヘッド粗材３とコールドスプレー用ノズル２５とを一定速度で相対移動する。
【００６４】
この実施形態では、例えば、図１３に示すワーク回転装置４を利用して、固定配置したコールドスプレーガン２３のコールドスプレー用ノズル２５に対し、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３を保持するワークテーブル４１と、チルトステージ部４２と、ＸＹステージ部４３と、回転ステージ部４４とを備える。
【００６５】
チルトステージ部４２は、ワークテーブル４１を支持し、ワークテーブル４１を水平方向に配したＡ軸の周りで回動させて、シリンダヘッド粗材３を傾けるステージである。ＸＹステージ部４３は、チルトステージ部４２を支持するＹ軸ステージ４３ａと、Ｙ軸ステージ４３ａを支持するＸ軸ステージ４３ｂとを備える。Ｙ軸ステージ４３ａは、水平方向に配したＹ軸に沿ってチルトステージ部４２を移動する。Ｘ軸ステージ４３ｂは、水平面上においてＹ軸に直交するＸ軸に沿って、Ｙ軸ステージ４３ａを移動する。これにより、ＸＹステージ部４３は、シリンダヘッド粗材３をＸ軸及びＹ軸に沿って任意の位置に移動する。回転ステージ部４４は、その上面にＸＹステージ部４３を支持する回転テーブル４４ａを有し、この回転テーブル４４ａを回転することにより、シリンダヘッド粗材３を略垂直方向のＺ軸の周りで回転する。
【００６６】
コールドスプレーガン２３のコールドスプレー用ノズル２５の先端は、チルトステージ部４２の上方で、回転ステージ部４４のＺ軸の近傍に固定配置されている。ワーク回転装置４は、図１４に示すように、チルトステージ部４２により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが垂直になるようにワークテーブル４１を傾ける。また、ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３により、バルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するようにシリンダヘッド粗材３を移動する。この状態で、コールドスプレー用ノズル２５から環状バルブシート部１６ｃに原料粉末Ｐを吹き付けながら、回転ステージ部４４によりシリンダヘッド粗材３をＺ軸周りで回転することにより、環状バルブシート部１６ｃの全周に皮膜を形成する。
【００６７】
この被覆工程Ｓ３が実施されている間、コールドスプレー用ノズル２５は、冷媒供給部から供給された冷媒Ｒを、冷媒導入部２５１によって流路２５ｅに導入する。冷媒Ｒは、流路２５ｅの先端側から後端側に向かって流れる間にノズル本体２５２を冷却する。流路２５ｅの後端側まで流れた冷媒Ｒは、冷媒排出部２３３によって流路２５ｅから排出され、冷媒回収部により回収される。
【００６８】
また、ノズル本体２５２は、原料粉末Ｐを噴射する作動ガスと噴射通路２５ｄとの摩擦により、原料粉末Ｐの噴射方向、すなわち、図９のＶ方向に沿って振動する。また、ノズル本体２５２の先端部には、コールドスプレー用ノズル２５を移動及び移動停止する際の慣性力によって、ノズル本体２５２の中心軸と略直交する方向、すなわち、図９のＩ方向にブレが生じる。ノズル本体２５２のＶ方向の振動及びＩ方向のブレは、ノズル本体２５２の外周面と、冷却ジャケット２５３のシール保持部２５３ｃとのインロー結合により抑えられる。
【００６９】
ワーク回転装置４は、シリンダヘッド粗材３がＺ軸の周りで１回転してバルブシート膜１６ｂの形成が終了すると、回転ステージ部４４の回転を一旦停止する。この回転停止中に、ＸＹステージ部４３は、次にバルブシート膜１６ｂが形成される吸気ポート１６の中心軸Ｃが回転ステージ部４４のＺ軸に一致するように、シリンダヘッド粗材３を移動する。ワーク回転装置４は、ＸＹステージ部４３によるシリンダヘッド粗材３の移動終了後、回転ステージ部４４の回転を再開させ、次の吸気ポート１６にバルブシート膜１６ｂを形成する。以降、この動作を繰り返すことにより、シリンダヘッド粗材３の全ての吸気ポート１６及び排気ポート１７にバルブシート膜１６ｂ、１７ｂが形成される。なお、吸気ポート１６と排気ポート１７との間でバルブシート膜の形成対象が切り替わる際には、チルトステージ部４２によってシリンダヘッド粗材３の傾きが変更される。
【００７０】
仕上工程Ｓ４では、バルブシート膜１６ｂ、１７ｂと、吸気ポート１６及び排気ポート１７の仕上加工が行われる。バルブシート膜１６ｂ、１７ｂの仕上加工では、ボールエンドミルを用いたフライス加工によりバルブシート膜１６ｂ、１７ｂの表面を切削し、バルブシート膜１６ｂを所定形状に整える。
【００７１】
また、吸気ポート１６の仕上加工では、開口部１６ａから吸気ポート１６内にボールエンドミルを挿入し、図１５Ａに示す加工ラインＰＬに沿って吸気ポート１６の開口部１６ａ側の内周面を切削する。加工ラインＰＬは、吸気ポート１６内に原料粉末Ｐが飛散して付着した余剰皮膜ＳＦが比較的厚く形成される範囲、より具体的には、余剰皮膜ＳＦが吸気ポート１６の吸気性能に影響を及ぼす程度に厚く形成される範囲である。
【００７２】
このように、仕上工程Ｓ４により、鋳造成形による吸気ポート１６の表面荒れが解消されるとともに、被覆工程Ｓ３で形成された余剰皮膜ＳＦを除去することができる。図１５Ｂに、仕上工程Ｓ４後の吸気ポート１６を示す。
【００７３】
なお、排気ポート１７は、吸気ポート１６と同様に、鋳造成形による排気ポート１７内への小径部の形成、切削加工による環状バルブシート部の形成、環状バルブシート部へのコールドスプレー、仕上加工を経てバルブシート膜１７ｂが形成される。そのため、排気ポート１７に対するバルブシート膜１７ｂの形成手順については、詳しい説明を省略する。
【００７４】
以上で説明したように、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２５によれば、ノズル本体２５２の外周面と、冷却ジャケット２５３のシール保持部２５３ｃとを隙間が生じないようにインロー結合しているので、ノズル本体２５２に発生する、原料粉末Ｐの噴射方向（図９のＶ方向）の振動と、ノズル本体２５２の中心軸と略直交する方向（図９のＩ方向）のブレとを抑制することができる。また、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２５は、ノズル本体２５２にＶ方向の振動や、Ｉ方向のブレが発生した場合でも、ノズル本体２５２の外周面とシール保持部２５３ｃとのインロー結合により、シール保持部２５３ｃに隙間が生じないので、コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅから冷媒Ｒが漏れるのを防ぐことができる。
【００７５】
また、ノズル本体２５２の先端側では、原料粉末Ｐ及び作動ガスの流速が速くなり、噴射通路２５ｄと原料粉末Ｐ及び作動ガスとの摩擦が大きくなるので、ノズル本体２５２の後端側よりも温度は高くなる。そのため、ノズル本体２５２の先端側は、後端側に比べて原料粉末Ｐが付着しやすくなる。しかしながら、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２５は、コールドスプレー用ノズル２５の先端側に設けた冷媒導入部２５１により、ノズル本体２５２の先端側から流路２５ｅに冷媒Ｒを導入するので、ノズル本体２５２との熱交換による温度低下が生じていない冷媒Ｒを使用して、ノズル本体２５２の先端側を効果的に冷却することができる。したがって、ノズル本体２５２の噴射通路２５ｄへの原料粉末Ｐの付着、堆積を抑制することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２５は、冷却ジャケット２５３をコールドスプレー装置２の本体部であるノズル装着部２３１に装着し、ノズル本体２５２は、後端側の接続部２５２ａを冷却ジャケット２５３とノズル装着部２３１との間に挟み込むことにより支持している。すなわち、冷却ジャケット２５３は、ノズル本体２５２に取り付けられていないので、ノズル本体２５２の振動及びブレの影響を受けない。したがって、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５は、冷却ジャケット２５３によってノズル本体２５２の振動及びブレを効果的に抑制することができる。
【００７７】
また、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２５は、冷媒Ｒの流路２５ｅがノズル本体２５２の先端側から後端側まで延在するように設けられ、かつ、ノズル本体２５２の全周を取り囲むように設けられているので、ノズル本体２５２の全体をその外側から冷却することができる。したがって、ノズル本体２５２の噴射通路２５ｄへの原料粉末Ｐの付着、堆積を抑制することができる。
【００７８】
《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態に係るコールドスプレー用ノズルについて説明する。なお、この実施形態は、ノズル本体と、冷却ジャケットのシール保持部とのインロー結合部分の形態が第１実施形態と異なるが、それ以外の構成は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。
【００７９】
図１６は、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２６の構成を示す分解斜視図である。コールドスプレー用ノズル２６は、ノズル本体２６１と、冷却ジャケット２６２とを備える。ノズル本体２６１の先端側の外周面には、原料粉末Ｐの噴射方向に向かって徐々に先細になる、すなわち、原料粉末Ｐの噴射方向に向かうにしたがって徐々に直径が小さくなるテーパ部２６１ａが設けられている。このテーパ部２６１ａは、本発明の被結合部に相当する。
【００８０】
図１７は、コールドスプレー用ノズル２６を原料粉末Ｐの噴射方向において切断した断面図のうち、コールドスプレー用ノズル２６の先端部分を示している。冷却ジャケット２６２の内径部２６２ａの先端側には、Ｏリング２６２ｂを保持するシール保持部２６２ｃを備えている。Ｏリング２６２ｂは、本発明のシール部材に相当し、ノズル本体２６１のテーパ部２６１ａに密接して流路２５ｅをシールする。シール保持部２６２ｃは、冷却ジャケット２６２の内径部２６２ａの内周面から、冷却ジャケット２６２の中心軸に向かって環状に突出した前壁２６２ｄと後壁２６２ｅとを備える。Ｏリング２６２ｂは、この前壁２６２ｄと後壁２６２ｅとの間に設けられた環状溝内に保持されている。シール保持部２６２ｃの前壁２６２ｄ及び後壁２６２ｅは、本発明の結合部に相当する。
【００８１】
シール保持部２６２ｃの前壁２６２ｄ及び後壁２６２ｅは、成膜時にノズル本体２６１の先端部で発生するＶ方向の振動と、Ｉ方向のブレとを抑えるために、ノズル本体２６１のテーパ部２６１ａにインロー結合している。すなわち、シール保持部２６２ｃの前壁２６２ｄ及び後壁２６２ｅは、ノズル本体２６１のテーパ部２６１ａに沿うテーパ形状を有しているので、冷却ジャケット２６２のシール保持部２６２ｃと、ノズル本体２６１のテーパ部２６１ａとは、互いの相対的な位置を規定し、嵌合後にガタを生じないように結合する。
【００８２】
ここで、ノズル本体２６１とシール保持部２６２ｃの寸法及び公差として、ノズル本体２６１は、テーパ部２６１ａの長さＬ１が１０ｍｍ、テーパ部２６１ａの大径部の外径Ｄ１ａがφ１１．２ｍｍ、小径部の外径Ｄ１ｂがφ１０．２ｍｍとする。また、外径Ｄ１ａ、Ｄ１ｂの外径公差は、それぞれ＋０．０２〜＋０．０４ｍｍとする。さらに、ノズル本体２６１にインロー結合するシール保持部２６２ｃは、長さＬ２が５ｍｍ、大径部の内径Ｄ２ａがφ１１．２ｍｍ、小径部の内径Ｄ２ｂがφ１０．７ｍｍとする。また、内径Ｄ２ａの内径公差は、−０．０１〜−０．０３ｍｍ、内径Ｄ２ｂの内径公差は、＋０．０２〜＋０．０４ｍｍとする。
【００８３】
このような寸法及び公差でインロー結合することにより、ノズル本体２５２とシール保持部１５２ｃとの間に生じる隙間は、数十μｍという非常に微小なものとなる。したがって、ノズル本体２６１とシール保持部２６２ｃとを、互いに相対的な位置を規定しながら、嵌合後にガタが生じないように結合することができる。
【００８４】
以上で説明したように、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２６によれば、ノズル本体２６１に、原料粉末Ｐの噴射方向に向かって徐々に先細になるテーパ部２６１ａを形成し、冷却ジャケット２６２のシール保持部２６２ｃをノズル本体２６１のテーパ部２６１ａに沿うテーパ形状としているので、ノズル本体２６１に、原料粉末Ｐの噴射方向（図１７のＶ方向）の振動が発生すると、テーパ部２６１ａとシール保持部２６２ｃとのインロー結合がより強固に結合することになる。したがって、本実施形態のコールドスプレー用ノズル２５は、流路２５ｅから冷媒Ｒが漏れるのを防ぐことができる。
【００８５】
また、コールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２６によれば、ノズル本体２６１のテーパ部２６１ａと、冷却ジャケット２６２のシール保持部２６２ｃとを隙間が生じないようにインロー結合しているので、ノズル本体２６１に発生するＶ方向の振動と、ノズル本体２６１の中心軸と略直交する方向（図１７のＩ方向）のブレとを抑制することができる。また、本実施形態のコールドスプレー装置２及びコールドスプレー用ノズル２６は、ノズル本体２５２にＶ方向の振動や、Ｉ方向のブレが発生した場合でも、ノズル本体２５２の外周面とシール保持部２５３ｃとのインロー結合により、シール保持部２５３ｃに隙間が生じないので、コールドスプレー用ノズル２５の流路２５ｅから冷媒Ｒが漏れるのを防ぐことができる。
【００８６】
なお、上記の第１実施形態では、ノズル本体２５２と、冷却ジャケット２５３の後端側のシール保持部２５３ｇとをインロー結合していないが、この部分からの冷媒Ｒの漏れが懸念される場合には、ノズル本体２５２とシール保持部２５３ｇとをインロー結合してもよい。また、第１実施形態では、シリンダヘッド１２のバルブシート膜１６ｂ、１７ｂのように、面積が比較的小さな部位への成膜に適した小型のコールドスプレー用ノズル２５を例に説明したが、本発明は、金属製の機械部品や構造部品の補修等に用いられ、比較的大きな面積への成膜に利用されるコールドスプレー用ノズルへの適用も可能である。さらに、冷媒Ｒとして、水を例に説明したが、水以外の液体、あるいはガスなどの気体を冷媒として用いてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１…内燃機関
１２…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６ａ…開口部
１６ｂ…バルブシート膜
１６ｃ…環状バルブシート部
１７…排気ポート
１７ａ…開口部
１７ｂ…バルブシート膜
１８…吸気バルブ
１９…排気バルブ
２…コールドスプレー装置
２１…ガス供給部
２２…原料粉末供給部
２３…コールドスプレーガン
２３１…ノズル装着部
２３２…ノズル固定リング
２３３…冷媒排出部
２５…コールドスプレー用ノズル
２５ａ…噴射口
２５ｄ…噴射通路
２５ｅ…流路
２５１…冷媒導入部
２５２…ノズル本体
２５２ａ…接続部
２５３…冷却ジャケット
２５３ｂ…Ｏリング
２５３ｃ…シール保持部
２５３ｄ…前壁
２５３ｅ…後壁
２６…コールドスプレー用ノズル
２６１…ノズル本体
２６１ａ…テーパ部
２６２…冷却ジャケット
２６２ｂ…Ｏリング
２６２ｃ…シール保持部
２６２ｄ…前壁
２６２ｅ…後壁
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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