JP2009136870A - Ejection nozzle device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ejection nozzle device which prevents particles from adhering to the inner wall of the nozzle and in which an atomization effect and a particle acceleration effect obtained by the speed of gas flow can be effectively used. <P>SOLUTION: The ejection nozzle device in which a carrier gas introduced into a nozzle inlet side is passed through a throat part in the nozzle to form a high speed gas stream, a material in a melted state in the nozzle is atomized by the high speed gas stream and the atomized particle is ejected from a nozzle discharge side includes an ejection port for ejecting a shield gas parallel to the nozzle center axis and toward the downstream side on the peripheral directional inner wall of the nozzle hole in the throat part downstream side and includes a shield gas supply part forming a cylindrical shield gas flow around the high speed gas stream. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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噴射ノズル装置に関するものである。   The present invention relates to an injection nozzle device suitable for forming a film by colliding particles atomized by gas collision with a film formation target in a cooled or molten state.

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。   Conventionally, (1) fine powder production, (2) spray forming, and (3) thermal spraying are known as the main technologies for atomizing metal materials using gas. Nozzle is used.

(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）。 (1) Fine powder production Fine powder production used in powder metallurgy is made by colliding jet gas from a plurality of nozzles arranged on the circumference against the molten metal flow poured from a container toward the molten metal flow. Is atomized (see, for example, Patent Document 1).

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）。   In addition, a conical Laval nozzle is arranged in place of the plurality of nozzles, gas is accelerated by the Laval nozzle, and a metal material or the like is introduced in a molten state into the gas accelerated at a high speed, and a method of atomizing is also available. It is known (see, for example, Patent Document 2).

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。   Since the length of the Laval nozzle is short, atomized particles are less likely to adhere to the inner wall of the nozzle. Since the time required for passing is extremely short, the original atomization effect that can be extracted by the gas flow rate cannot be fully utilized.

(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。 (2) Spray forming In spray forming for producing a preform, an atomizer (atomizer) having the same configuration as that of the fine powder production is used.

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。   Even in this kind of atomization apparatus, the gas that has been released from the nozzle hole and decelerated and collides with the molten metal cannot sufficiently accelerate the particles by the gas flow. The density tends to be low and the material tends to be porous.

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。   For example, in the spray forming method described in Patent Document 3, a heating element for maintaining the nozzle temperature at a sufficiently high temperature is provided around the nozzle so that the metal material does not solidify before spraying.

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。   According to this atomization apparatus, metal particles can be prevented from adhering to the inner wall of the nozzle. However, when the material constituting the inner wall of the nozzle and the metal material supplied to the nozzle have good wettability, the metal particles adhere to the inner wall of the nozzle in a film shape and are slowly pulled by the gas flowing in the center of the nozzle. Therefore, the particles are ejected from the nozzle outlet with a very large particle size as compared with the fine particles flying in the center of the nozzle. As a result, the quality of film formation deteriorates or the quality of deposits decreases.

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。   Further, the metal particles discharged after coming into contact with the inner wall of the nozzle may contaminate the atomized metal particles because the components of the nozzle wall material are mixed therein.

(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。 (3) Thermal spraying While the above spray forming supplies a large volume of molten metal to obtain lump deposits and molded bodies, thermal spraying is a coating technology that forms a film by supplying a small amount of material according to the same principle, Thermal spraying methods include arc spraying using electricity as a heat source and flame spraying using combustion gas as a heat source.

(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）。 (3-1) Melting metal material in the nozzle In arc spraying, a metal material is supplied in the form of two wires, each wire is added as an anode and a cathode, and an electric charge is added between both wires. The metal material is generated and melted (see, for example, Patent Document 4).

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。   In the thermal spray nozzle device described in Patent Document 4, the temperature of the nozzle wall is heated to the melting point of the metal material or more in consideration of the fact that particles adhere to the nozzle.

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。   In many types of arc spraying including this thermal spray nozzle device, a method is selected in which molten particles do not adhere to the inner wall of the nozzle at the expense of the acceleration performance of the metal particles.

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。   Moreover, the arc spraying apparatus described in Patent Document 5 is configured to promote a high-speed spray flow downstream of the atomization section, as shown in FIG.

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。 Specifically, the wire rods 111 and 111 that have passed through the wire rod guides 110 and 110 are brought into contact with each other on the nozzle central axis, and the tapered tapered section 112a and the tapered tapered section 112b communicate with each other coaxially with the central axis. the gas cap 112 is provided to generate a primary gas flow G 1 for molten metal spray by passing the gas into the tapered section 112a, generate secondary gas flow G 2 of a plurality of orifices 112c provided in the tapered section 112b I am letting.

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。 Secondary gas flow G 2 is directed towards the inside each other, so as not to interfere with the atomization of the molten metal, so as to merge in a position spaced sufficiently apart downstream from the contact point of the wire 111, whereby , so that the primary gas stream G 1 is narrowed by a secondary gas flow G 2, and are accelerated.

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。   The nozzle structure of the arc spraying apparatus is intended to increase the particle velocity, but the half apex angle (angle formed by the nozzle central axis and the nozzle inner wall) in the tapered section 112b of the gas cap 112 is extremely large and the length is short. Therefore, separation of the flow occurs in the gas cap 112, and it is difficult to form a supersonic gas flow.

(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。 (3-2) Melting metal material outside the nozzle By using a nozzle, a high-speed flame is formed toward the sprayed surface, and a thermal spraying device that puts the thermal spray material in the middle of the high-speed flame (combustion flame) ( For example, see Patent Document 6).

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）。   Similarly, a gas shroud is added to the spray gun barrel using a high-speed flame, and an inert gas is supplied into the shroud through a circumferentially formed slit in the gas shroud to accelerate the velocity of the metal particles sprayed from the gun barrel. In some cases, metal particles collide with the surface of the base material in a state of being shielded from the atmosphere (see, for example, Patent Document 7).

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。   The reason for the acceleration of the metal particles was that the presence of the gas shroud extended the nozzle length and increased the acceleration distance of the particles, and the inert gas was supplied from the surroundings to the hot flame. it is conceivable that. This is because the airflow flowing at supersonic speed decelerates when heated and accelerates when cooled.

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。   In addition, it is preferable that the inclined surface of the slit for supplying the inert gas is inclined within 70 ° with respect to a line perpendicular to the central axis of the shroud cylinder portion. If it exceeds 70 °, it seems that it becomes difficult to mix the inert gas into the frame flowing in the center of the shroud.

(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。 (3-3) Three-dimensional modeling This is a method of performing three-dimensional modeling by injecting and solidifying atomized molten metal toward a target.

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）。   A metal material is used as a wire, the ends of the wire are melted by electric discharge, and the formed molten spheres are caused to fly by a gas flow, but in order to avoid the molten metal injected by the gas from adhering to the inner wall of the nozzle, The wire is dissolved outside (see, for example, Patent Document 8).

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。   In this modeling method, since the molten metal is blown away by the gas that is jetted from the nozzle and diffused, there is a problem that the accuracy of the molten metal droplet hitting the substrate is low.

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。   If it is possible to fly molten metal particles in a long nozzle and inject it from the nozzle while maintaining straightness, it is expected to improve the accuracy of hitting, but such a nozzle has not been realized. .

(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。 (3-4) Cold spraying is a method of forming a film by colliding with a base material in a solid state in supersonic flow with a gas without melting or gasifying the material (see, for example, Patent Document 9). Since the material that collided at supersonic speed becomes a film by plastic deformation of the particles themselves, unlike other thermal spraying methods, changes in material properties and oxidation due to heat are suppressed.

特公昭６２−２４４８１号公報Japanese Examined Patent Publication No. 62-24481 特開昭６２−１１０７３８号公報JP-A-62-110738 特表２００４−５０３３８５号公報JP-T-2004-503385 特開２００６−１７５４２６号公報JP 2006-175426 A 特開平１１−２７９７４３号公報JP-A-11-279743 特開２００１−１８１８１７号公報JP 2001-181817 A 特開２００３−１８３８０５号公報JP 2003-183805 A 特開２０００−２４８３５３号公報JP 2000-248353 A 特開２００６−５２４４９号公報JP 2006-52449 A

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。   In any of the conventional spray nozzles used for the fine powder production, spray forming, and thermal spraying, the problem that particles adhere to the inner wall of the nozzle has not been solved. In addition, the method of atomizing a metal material using a short nozzle or outside the nozzle has a problem that the original atomization effect that can be extracted by the gas flow rate cannot be fully utilized.

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噴射ノズル装置を提供するものである。   The present invention has been made in consideration of the problems in the conventional injection nozzle as described above, and the particles do not adhere to the inner wall of the nozzle, and the atomization effect and particle acceleration effect obtained by the gas flow velocity are effectively utilized. It is an object of the present invention to provide an injection nozzle device that can be used.

本発明は、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、その噴射口が上記ノズル孔の筒軸方向に複数段備えられ、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構成してなることを要旨とする。 In the present invention, the carrier gas introduced to the nozzle inlet side is passed through the throat portion in the nozzle to form a high-speed gas flow, and the material in a molten state in the nozzle is atomized by the high-speed gas flow and atomized. In an injection nozzle device for injecting particles from the nozzle outlet side,
The inner wall in the circumferential direction of the nozzle hole on the downstream side of the throat portion has an injection port for injecting shield gas substantially parallel to the nozzle central axis toward the downstream side, and a plurality of injection ports are provided in the cylinder axis direction of the nozzle hole. The gist of the invention is that a shield gas supply unit is provided which is provided with a step and forms a cylindrical shield gas flow around the high-speed gas flow.

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。   The cylindrical shield gas flow may be formed as long as a substantially cylindrical flow is formed. For example, a cylindrical flow is formed by injecting a shield gas from an annular injection port. Alternatively, it may be formed in a cylindrical shape by injecting shield gas from a plurality of plural ports arranged on the circumference.

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。   In the spray nozzle device, the nozzle may be formed as a divergent nozzle having an inner diameter that continuously or gradually expands from the throat portion toward the nozzle outlet.

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。   In the spray nozzle device, the nozzle can be constituted by an assembly in which a plurality of ring-shaped parts are connected in the ring central axis direction.

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。   When the nozzle of the injection nozzle device is formed of a divergent nozzle whose inner diameter gradually increases from the throat portion toward the nozzle outlet, the shield is formed on the step portion of each adjacent inner wall of the connected ring-shaped part. A slit as a gas injection port can be formed in an annular shape.

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。   In the jet nozzle device, if a shield gas throat portion is formed in the shield gas supply path on the upstream side of the slit to make the flow velocity of the shield gas equal to the flow velocity of the high-speed gas flow, for example, gas such as a Laval nozzle can be made at high speed. The acceleration type jet nozzle device can also promote the high-speed gas flow by the introduced shield gas.

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。   In the jet nozzle device, a gas flow deflector for aligning the flow of the shielding gas substantially parallel to the central axis of the nozzle and toward the downstream side is provided on the inner peripheral edge on the downstream side of the ring-shaped component. it can.

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。   In the spray nozzle device, a pair of wire guides for supplying a thermal spray material in the form of wires is disposed in the vicinity of the throat portion of the nozzle, and a pair of wires protruding from the tips of these wire guides into the nozzle, It can comprise so that an electric charge may be applied as each electrode of an anode and a cathode.

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。   In the spray nozzle device, the ring-shaped part disposed on the most upstream side in the flow direction of the high-speed gas flow is made of ceramics, and a pair of wire guides for supplying a wire as a thermal spray material is inserted into the ceramics. The charge can be applied to the pair of wires protruding from the tips of these wire guides into the nozzle as the anode and cathode electrodes.

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。   In the jet nozzle device, the ring-shaped component disposed on the most upstream side in the flow direction of the high-speed gas flow is made of ceramics, and the ring-shaped component is connected to the wire supplied from the wire guide through the throat portion. A fixed electrode for performing arc melting can be provided between the electrodes.

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。   The said injection nozzle apparatus WHEREIN: The molten metal nozzle which supplies a molten metal on the said nozzle central axis through the said throat part can be provided.

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。   In the injection nozzle device, the molten metal can be supplied from a direction intersecting with the high-speed gas flow in the nozzle from a molten metal nozzle provided through the ring-shaped component.

本発明の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。   According to the spray nozzle device of the present invention, particles do not adhere to the inner wall of the nozzle, and there is an advantage that the atomization effect and particle acceleration effect obtained by the gas flow rate can be effectively utilized.

(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。(a) is front sectional drawing which shows the principle of the acceleration nozzle which concerns on this invention, (b) is the B section enlarged view. 図１のリング状部品の下流側側面を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the downstream side surface of the ring-shaped component of FIG. 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。It is a graph which shows the particle velocity distribution obtained by the acceleration nozzle of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the gas flow by the acceleration nozzle of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the flow velocity adjustment method of the acceleration nozzle which concerns on this invention. 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。It is explanatory drawing which showed the velocity vector of the mainstream gas and shield gas in a nozzle. 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。It is the principle figure which showed 2nd embodiment of the acceleration nozzle of this invention. 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。It is a principle figure showing a third embodiment of the acceleration nozzle of the present invention. 図８に示す加速ノズルの変形例を示した原理図である。FIG. 9 is a principle diagram showing a modification of the acceleration nozzle shown in FIG. 8. 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。FIG. 9 is a principle diagram showing another modification of the acceleration nozzle shown in FIG. 8. 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。It is a principle figure showing a fourth embodiment of the acceleration nozzle of the present invention. 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。It is a principle figure showing a fifth embodiment of the acceleration nozzle of the present invention. 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。It is a principle diagram showing a sixth embodiment of the acceleration nozzle of the present invention. (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。(a) is a plane sectional view showing the composition of an injection nozzle device for zinc, and (b) is the front sectional view. (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。(a) is a front sectional view showing the configuration of the base-side ring-shaped part shown in FIG. 11, (b) is a right side view thereof, and (c) is a sectional view taken along arrow EE in FIG. is there. (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。(a) is front sectional drawing of the ring-shaped components connected, (b) is the right view. (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。(a) is front sectional drawing of the ring-shaped component of a nozzle tip, (b) is the right view. (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。(a) is a plane sectional view showing the composition of an injection nozzle device for titanium, and (b) is the front sectional view. (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。(a) is a graph comparing thermal spray performance by density, and (b) is a graph comparing thermal spray performance by yield. 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。It is the graph which analyzed the component of the thermal spray coating formed by this invention. 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。It is sectional drawing which showed the structure at the time of applying the acceleration nozzle of this invention to cold spray with the principle figure. 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。It is sectional drawing which showed the structure at the time of applying the acceleration nozzle of this invention to high-speed flame spraying with the principle figure. 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。It is sectional drawing which shows a structure at the time of applying the acceleration nozzle of this invention to the atomization apparatus. 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。It is a block diagram of the water experiment model which measures the particle | grain velocity in an atomization apparatus. 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。It is a graph which shows the particle velocity distribution of the direction orthogonal to a spray direction by a water experiment model. 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。It is a graph which shows the change of the particle velocity distribution and particle diameter of a spray direction by a water experiment model. 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。It is a perspective view which shows the structure at the time of making an acceleration nozzle into a square cylinder shape. 従来の噴射ノズル装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional injection nozzle apparatus.

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。
1 加速ノズルの原理
図１は本発明の噴射ノズル装置に用い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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
1 Principle of Accelerating Nozzle FIG. 1 shows the principle of an accelerating nozzle used in the injection nozzle apparatus of the present invention. FIG. 1 (a) shows a front sectional view and FIG. 1 (b) shows FIG. 1 (a). FIG.

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。   In both figures, the acceleration nozzle 1 introduces a carrier gas into the inlet side 3 of the nozzle 2.

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。   The introduced carrier gas forms a high-speed gas flow (hereinafter referred to as mainstream gas Gs) by passing through the throat portion 4 with a narrowed inner diameter, and solid or liquid particles are atomized by the mainstream gas Gs flow. The atomized particles are jetted from the outlet side 5 of the nozzle 2.

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。   The nozzle 2 is configured by connecting a plurality of ring-shaped components 2a to 2j provided with through holes for flowing the mainstream gas Gs in the nozzle central axis direction.

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。   Specifically, for example, a ceramic ring-shaped component 2a serving as a base is disposed on the most upstream side in the flow (direction A) of the mainstream gas Gs, and a SUS ring-shaped component 2j serving as a nozzle end is disposed on the most downstream side. SUS ring-shaped parts 2b to 2i for connection are arranged in multiple stages between the ring-shaped parts 2a and 2j.

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。   Reference numeral 6 denotes a shield gas supply path (gas supply path) drilled through each of the ring-shaped parts 2a to 2i. The shield gas supply path 6 has a gap between the ring-shaped parts 2a to 2j. The annular passage (gas passage) 6a provided as a portion communicates with each other, and each annular passage 6a further communicates with an annular slit (injection port) T formed at the circumferential position of the nozzle inner wall. As shown in FIG. 1 (b), the slit T is annularly opened in the inner wall step portion of the connected upstream ring-shaped component 2a and downstream ring-shaped component 2b, as shown in FIG. 1 (a). As described above, a plurality of stages are provided in the direction of the cylinder axis of the nozzle hole.

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。   As a result, the shield gas SGs introduced into the shield gas supply path 6 joins in the annular passage 6a, and is individually supplied to the slits T as the injection ports of the respective stages through the annular passage 6a. And is injected into the nozzle 2.

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。   The shield gas supply path 6 and the slit T function as a shield gas supply unit.

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。   Next, the operation of the accelerating nozzle 1 having the above configuration will be described by taking thermal spraying as an example.

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。   A pair of wire guides (described later) for supplying a wire as a thermal spray material into the nozzle 2 is inserted into the ring-shaped component 2a, and the two wires protruding from each wire guide are on the outlet side of the throat portion 4. They are in contact with each other in the vicinity.

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。   The accelerating nozzle 1 is a fresh gas (shield gas SGs) that covers the inner wall of the nozzle 2 by sequentially feeding fresh gas from the ring-shaped parts 2a to 2i into the nozzle 2 at a flow rate substantially equal to that of the mainstream gas Gs flowing in the nozzle 2. Thus, the chance of metal particles adhering to the inner wall of the nozzle 2 is greatly reduced.

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。   The shield gas SGs is ideally injected in parallel with the nozzle central axis, and is preferably supplied uniformly over the entire circumference of the nozzle inner wall 2k.

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。   Therefore, in the nozzle 2 having a circular cross section, the shield gas SGs is formed into a cylindrical flow by supplying the shield gas SGs from an annular slit having the same width over the entire circumference, and is supplied into the nozzle 2. Is ideal.

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。   In order to supply the shield gas SGs in parallel with the nozzle center axis, the gas flow deflector 7 is required as a running section.

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。   Specifically, an annular passage 6a for supplying the shielding gas SGs is formed between the upstream ring-shaped component 2a and the downstream ring-shaped component 2b.

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。   The gas flow deflecting portion 7 is formed such that the downstream inner peripheral edge of the ring-shaped part 2a protrudes in a jaw shape, and extends further downstream beyond the upstream end face 8 of the ring-shaped part 2b ( In the figure, refer to the protruding length N). Thereby, a slit T communicating with the annular passage 6a is formed in an annular shape. Such an annular passage 6a and an annular slit T are formed in each of the ring-shaped components 2a to 2i.

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。 1-1 Configuration of Acceleration Nozzle FIG. 2 is a perspective view showing the downstream side surface of the ring-shaped component 2a.

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。   A gas flow deflecting portion 7 is formed in a cylindrical shape at the periphery of a through-hole provided at the center of the ring-shaped component 2a, and an annular passage 6a is recessed at the bottom thereof. In the annular passage 6a, shield gas supply passages 6 are formed on the circumference at equal intervals (eight in this embodiment).

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。   That is, the shield gas SGs supplied from the shield gas supply path 6 flows into the annular passage 6a and merges, and the gas flow deflecting unit 7 changes the direction of the gas flow to the nozzle central axis direction and also into a cylindrical flow. It is formed and supplied into the nozzle 2. In the figure, 9 is a stack bolt hole.

図１に戻って説明する。   Returning to FIG.

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。   In each of the ring-shaped components 2a to 2j, the nozzle hole diameter of the downstream ring-shaped component is larger than that of the upstream ring-shaped component, and the slit T is secured by using a step generated by the difference in the hole diameter. ing. Further, by gradually increasing the nozzle hole diameter toward the downstream side, the inner wall of the nozzle can be moved away from the vicinity of the central axis of the nozzle where a large amount of molten particles fly.

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。   When molten metal is introduced into the central axis of the nozzle or a metal material supplied in the form of a wire is melted on the central axis of the nozzle, the particle concentration on the central axis of the nozzle is usually the highest, and the periphery (radial direction) ), The particle concentration is said to follow a Gaussian distribution that decreases.

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。   Therefore, if the nozzle inner wall is moved away from the nozzle central axis, the probability that the particles come into contact with the nozzle inner wall 2k can be reduced.

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。   Further, as described above, the particles supplied from the nozzle center axis spread in the nozzle radial direction while flying downstream of the nozzle, but this spread is affected by the disturbance of the flow in the nozzle.

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。   Since the flow in the nozzle 2 appears more turbulent as the velocity gradient (the rate at which the velocity changes in space) increases, it is preferable that the gas flow velocity in the nozzle 2 is as uniform as possible.

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。   The acceleration nozzle 1 of the present invention overcomes the major problem of matching the velocity of the shielding gas with that of the mainstream gas and succeeds in forming a uniform gas flow in the nozzle 2.

以下、詳しく説明する。   This will be described in detail below.

（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 (A) the nozzle, the flow velocity u of the shielding gas Mach number in the nozzle flow through the case slit T nozzle operating at subsonic less than one than the pressure p 2 in the pressure p 1 and the slit rear side of the slit front Using the gas density ρ

で表される。 It is represented by

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。 Nozzle pressure equal to the pressure slit rear, because it is p 2, all slit front pressure ring parts 2a~2j can I p 1, including the slit T on the most upstream side.

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。   In order to realize this, individual shield gas supply paths can be prepared for all the slits T, and the pressure can be adjusted so that all the pressures become predetermined values. A method of branching from a gas storage tank (usually called a header) and supplying the shield gas SGs to each slit T can be adopted.

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。 The accelerating nozzle 1 shown in FIG. 1 employs a distribution system from the header, and supplies a shielding gas having the same pressure p 1 to the slits T of the ring-shaped components 2a to 2j.

（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。 (B) When the nozzle is a nozzle that operates at a supersonic speed where the Mach number of the flow in the nozzle is 1 or more When using a supersonic nozzle, the mainstream gas must be passed through a nozzle shape having an enlarged portion such as a Laval nozzle. The shield gas SGs cannot be supplied into the nozzle 2 at the same flow rate as Gs.

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。   In FIG. 1B, as a configuration for that purpose, a curved surface is machined on the inner peripheral edge of the downstream ring-shaped component 2b so that the opening width C of the exit of the slit T> the opening width D of the narrowest slit portion 2m.

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。   The narrowest slit (shield gas throat) 2m finally communicates with the inner wall of the nozzle, whereas the gas flow deflector 7 facing the narrowest slit 2m is formed in a linear plane. ing. Thus, by forming the flow path with a gap between the straight portion and the arc portion, the slit T for injecting the shield gas SGs has the narrowest portion throat in the middle and the opening width increases toward the downstream side. It will constitute a spreading Laval nozzle.

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。   In addition, when making slit T into the Laval nozzle structure, it is not necessarily limited to the combination of a linear part and an arc part as mentioned above, For example, the combination of an arc and an arc may be sufficient.

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。 1-2 Particle velocity distribution FIG. 3 is a graph showing the particle velocity distribution obtained by the acceleration nozzle 1.

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。   In the figure, zero on the horizontal axis indicates the center of the nozzle 2, + value and − value indicate the X direction distance and Y direction distance in opposite directions from the nozzle center, and the vertical axis indicates the particle velocity. .

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。   The outlet diameter of the nozzle 2 is φ15 mm, and accordingly, the range of +7.5 mm to −7.5 mm on the horizontal axis indicates the inside of the nozzle region.

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。   Moreover, the measurement result of the same graph is obtained by spraying zinc using a nozzle (see FIG. 7) equipped with an arc melting mechanism, and the spraying conditions are as follows.

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。 The gas pressure of nitrogen gas is 1.3 MPa, the gas flow rate is 0.17 kg / s, the gas Mach number is 1.8, and the supply amount of zinc is 1.7 × 10 −4 kg / s.

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。   As a result of measuring with a laser phase Doppler velocimeter, the average velocity at the nozzle outlet was about 420 m / s. Further, with respect to the nozzle outlet diameter of φ15 mm, the portion where the particles were present was in the range of φ12 mm (+6 to −6 mm), and the particle velocity was almost constant.

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。   Moreover, when the micro observation photograph of a deposit was analyzed, the particle diameter which collided with the base material was (phi) 10-30 micrometers.

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。   Further, when an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) line analysis in the thickness direction of the deposit is performed, Fe which is a main component of the ring-shaped part is detected in various places. This means that there are particles that have collided with the inner wall of the ring-shaped part, but the concentration is very small and only occurs sporadically, thus protecting the nozzle 2 from the molten metal. It can be seen that the shield gas SGs was functioning.

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。   Further, the presence of nitrogen was investigated to confirm the possibility that the carrier gas reacted with zinc and nitrided, but no nitrogen was detected. This is presumably because the zinc particles were rapidly cooled before nitriding.

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。   In addition, oxygen was detected, which is likely to be brought in by an oxide film on the wire.

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。 1-3 Adjustment of the nozzle length Note that even if the shielding gas SGs is supplied into the nozzle 2 from one slit T, if the gas and particles move for a certain distance, eventually due to the disturbance present in the nozzle 2 Particles diffuse to near the nozzle inner wall 2k.

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。   Therefore, in the accelerating nozzle 1 of the present embodiment, the nozzle 2 is configured by connecting a plurality of ring-shaped parts 2a to 2j, and the shield gas SGs is respectively supplied from the slits T formed in each connection part of the ring-shaped parts. Then, the gas is supplied into the nozzle 2 in a direction substantially parallel to the central axis of the nozzle, and the supply operation of the shield gas SGs is repeatedly performed to a length necessary for particle acceleration.

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。   Moreover, although the space | interval which supplies shield gas SGs in the nozzle 2 is determined by the thickness of the ring-shaped components 2a-2i, it can select normally in the range of 5-20 mm.

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。   Since it is difficult to predict in advance the necessary thickness for the ring-shaped parts 2a to 2i, ring-shaped parts having various thicknesses are prepared and atomized, and the thickness of the ring-shaped parts is determined by trial and error.

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。   For example, the thickness adjustment is performed such that when particles adhere to the inner wall of the nozzle, the ring-shaped component is replaced with a thin one, and when no particles adhere, the thickness of the ring-shaped component is increased.

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。   In addition, the nozzle length required for particle acceleration depends on the metal material, and the metal material supply method (the material is supplied at a sufficiently high temperature above the melting point from the melting furnace, or the material is supplied in the form of a wire, The nozzle length is adjusted by changing the number of connected ring-shaped parts because it varies depending on whether the arc is melted or depending on the gas flow velocity in the nozzle.

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。   In other words, when the nozzle 2 is lengthened, the speed of the particles increases, but the temperature of the particles is cooled and lowered by the gas.

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。   The nozzle length is an important parameter because it is related to the yield and porosity to be adhered in spraying, and to the yield and density to be deposited in spray forming and three-dimensional modeling.

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。   In this embodiment, the nozzle length can be adjusted by a simple method of changing the number of connected ring-shaped parts, so that the nozzle length can be changed without remanufacturing the entire nozzle 2. It has become.

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。   In addition, after the atomization work, the nozzle 2 must be disassembled and cleaned, but the ring-shaped parts 2a to 2j of the present embodiment are configured so that the finger can reach any part, so that maintenance is easy. The time required for maintenance can be greatly reduced.

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。 1-4 Shield Gas Supply Method Next, a method of supplying the shield gas SGs into the nozzle 2 by matching the flow rate of the shield gas SGs with the flow rate of the mainstream gas Gs will be described.

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。   For both subsonic and supersonic flows, the velocity of the gas flow can be expressed by the Mach number obtained by dividing the flow velocity by the sonic velocity to make it dimensionless, so the flow velocity will be described here using the Mach number M.

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。   The main flow gas Gs injected into the nozzle 2 through the throat portion 4 shown in FIG. 1 and the shield gas SGs injected into the nozzle 2 through each slit T are balanced in pressure (static pressure) in the nozzle 2. It expands until it reaches a state. In the case of supersonic flow, the pressure wave is reflected in the nozzle 2 in a complicated manner, but this influence is ignored.

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。   If the main gas Gs from the throat section 4 and the shield gas SGs from each slit T have the same total pressure (stagnation point pressure) and total temperature, the conditions for the flow rates of the two gases to match are the Mach number M Is a match. At this time, the flow from the throat portion 4 and the flow from each slit T have the same pressure (static pressure), and the nozzle 2 can be balanced.

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。   As a method of realizing this most simply, as shown in FIG. 1, all gases including the mainstream gas Gs and the shield gas SGs are obtained by taking out the gas from the subsonic part (upstream of the throat part 4) at the same location. The total gas pressure and the total temperature can be made equal.

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。   Specifically, the shield gas SGs may be branched by drilling the shield gas supply path 6 from the upstream side of the throat portion 4 of the ring-shaped component 2a so as to penetrate the ring-shaped components 2a to 2i.

図４はノズル内ガス流れをモデル化したものである。   FIG. 4 shows a model of the gas flow in the nozzle.

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。   In addition, in order to simplify the description, the number of connected ring-shaped parts is six, and the slits are T1 to T5.

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。   As shown in the figure, it is assumed that the gas flow G0 from the throat section 4 and the gas flows G1 to G5 from the slits T1 to T5 are ejected at the same Mach number, and the Mach number remains unchanged. It is considered that the gas flows in parallel in the nozzle 2 to form a cylindrical gas flow in the nozzle 2.

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。   Actually, the gas tends to diffuse due to the turbulence in the nozzle 2, but if the pressure is in an equilibrium state between G0 to G5, the gas injected from each of the slits T1 to T5 may expand, Since the gas does not shrink, the cross-sectional area occupied by the gas injected from each slit does not change, which is a reasonable assumption for determining the cross-sectional area of the nozzle.

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。   Normally, the nozzle for maintaining the Mach number constant is a long nozzle composed of a substantially straight pipe represented by G0, whereas in the acceleration nozzle of the present invention, the shield gas SGs is represented by G1 to G5. Therefore, the inner wall surface of the nozzle can be moved away from the central axis of the nozzle in steps, which is effective in preventing the adhesion of particles.

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。   Next, conditions for injecting gas with the same Mach number from the throat portion 4 and the slits T1 to T5 will be described with reference to FIG.

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。 When the area of the narrowest throat portion is A 0 * and the area of the throat outlet is A 0 , the Mach number M 0 at the throat outlet is expressed by the following equation (2).

ただし、κは比熱比である。 However, (kappa) is a specific heat ratio.

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。 Similarly, if the area of the slit narrowest part 2m is A i * and the area at the slit exit is A i ,
The Mach number M i at the slit exit is expressed by Equation (3).

ここで、ｉ＝１，２，３……。 Here, i = 1, 2, 3...

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、   In order for the Mach numbers at the exits of the throat part 4 and the slits T1, T2, T3.

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。 In other words, the area ratio between the narrowest portion and the outlet may be equal for the throat portion 4 and the slits T1 to T5.

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。   Thereby, the flow velocity of the mainstream gas Gs and the flow velocity of the shield gas SGs can be matched.

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。   FIG. 6 representatively shows the velocity vector of the mainstream gas Gs and the shield gas SGs injected from the slit T formed at the connecting portion between the ring-shaped part 2a and the ring-shaped part 2b.

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。   As shown in the figure, it can be seen that the shield gas SGs flows in parallel with the mainstream gas Gs, and the flow velocities are substantially the same.

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。 2 Types of Acceleration Nozzles FIGS. 7 to 12 are principle diagrams showing another embodiment of the acceleration nozzle according to the present invention.

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。   First, in the acceleration nozzle 20 shown in FIG. 7, wire guides 22 and 23 for supplying a wire as a thermal spray material are arranged in the vicinity of the upstream side of the throat portion 21d formed in the ring-shaped component 21a arranged on the most upstream side. The wires 24 and 25 that serve as anode and cathode electrodes are supplied into the nozzle 26 through these wire guides 22 and 23, and are melted on the upstream side of the throat portion 21d.

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。   In the acceleration nozzle 30 shown in FIG. 8, the ring-shaped member 31a disposed on the most upstream side is made of ceramics, and wire guides 32 and 33 for supplying a wire as a thermal spray material are inserted into the ring-shaped member 31a. Wires 34 and 35 that serve as anode and cathode electrodes through these wire guides 32 and 33 are supplied into the nozzle 36 and melted on the downstream side of the throat portion 31d.

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。   9 and 10 show a modification of the acceleration nozzle 30 shown in FIG.

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。   The accelerating nozzle 37 shown in FIG. 9 narrows the nozzle hole upstream of the arc point (for example, if the hole diameter of the throat portion 31d shown in FIG. 8 is φ3.5 mm, the hole diameter of the throat portion 31f is reduced to φ1.3 mm). Thus, the airflow flowing through the nozzle can be accelerated to subsonic speed.

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。   Further, the accelerating nozzle 38 shown in FIG. 10 is a nozzle passage 31g (φ1.3 mm) having a small diameter up to the vicinity of the upstream side of the arc point, so that a subsonic air flow is injected in the vicinity of the arc point. is there.

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。   According to the configuration of the accelerating nozzle 37 shown in FIG. 9, the arc is blown off by the supersonic air flow, or the wires 34 and 35 are made of a relatively soft material such as Al and receive the supersonic air flow and vibrate. This has the effect of stabilizing the arc when it becomes unstable.

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。   Further, according to the acceleration nozzle 38 shown in FIG. 10, the subsonic air stream can be injected close to the arc point, so that the arc can be made more stable than the acceleration nozzle 37 of FIG.

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。   According to the acceleration nozzles 37 and 38, it is possible to realize a fine spray with a high energy density.

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。   In the acceleration nozzle 40 shown in FIG. 11, the ring-shaped member 41a arranged on the most upstream side is made of ceramics, and the ring-shaped member 41a is connected to the wire 42 supplied from the wire guide through the nozzle throat portion 41d. The fixed electrodes 43 and 44 for performing arc melting are disposed.

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。   The acceleration nozzle 50 shown in FIG. 12 has a nozzle 52 composed of ring-shaped members 51a to 51c arranged in a vertical direction, and as a means for supplying a metal material into the nozzle 52, through a throat portion 51d of the nozzle 52, A molten metal nozzle 53 for supplying molten metal is provided.

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。   The acceleration nozzle 60 shown in FIG. 13 has a nozzle 62 composed of ring-shaped members 61a to 61c arranged in the horizontal direction, and is provided in the vicinity of the downstream side of the throat portion 61d as means for supplying a metal material into the nozzle 62. The molten metal nozzle 63 is inserted from the direction substantially orthogonal to the flow of the main flow gas Gs (downward) through the ring-shaped member 61b arranged, and the molten metal nozzle 63 is connected to the high-speed gas flow in the nozzle 62. The molten metal is supplied.

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。   In addition, the acceleration nozzle is not limited to the case where the acceleration nozzle is arranged in the vertical direction and the horizontal direction, and can be arranged in an inclined posture.

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。 3 Injection nozzle apparatus using acceleration nozzle Next, the structure of the injection nozzle apparatus according to the thermal spray material will be described.

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。 3-1 Zinc injection nozzle device Since Zn has a low melting point (692.7 K), if it can be sufficiently accelerated to 400 m / s, the surface can be melted by the plastic deformation heat at the time of collision, and can be deposited on the substrate. Therefore, in this case, as shown in FIG. 14, a long nozzle that emphasizes acceleration is used. The gas pressure was 1.2 MPa, and the gas temperature was normal temperature.

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。   FIG. 2A is a cross-sectional view of the entire injection nozzle device 10, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the front view thereof.

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。   In both figures, the injection nozzle device 10 has a main body portion 11 and a nozzle 12 provided so as to protrude from the main body portion 11.

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。   A gas passage 13 for flowing the mainstream gas Gs toward the nozzle 12 is formed in the main body 11. The gas passage 13 is formed in a tapered shape toward the downstream side when viewed from the plane, and communicates with a gas supply passage 13a for supplying gas from the left-right direction.

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。   A pair of wire guides 14 and 14 are arranged in the gas passage 13 at an acute angle (toward the downstream side), and the wires 15 and 15 fed from these wire guides 14 and 14 are connected to the ring-shaped part 12a. It passes through the formed guide hole and protrudes into the nozzle portion 12, and the protruding tips contact each other on the downstream side of the throat portion 12m.

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。   The tips of the wires 15 and 15 serve both as an anode and a cathode and are arc-melted by adding electric charge.

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。   The nozzle 12 is configured by connecting a plurality of ring-shaped components 12a to 12k in the nozzle central axis direction.

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。   FIG. 15 shows the structure of a ring-shaped part 12a constituting the base end of the nozzle 12, wherein FIG. 15 (a) is a plan sectional view, FIG. 15 (b) is a right side view, and FIG. ) Is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.

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。   A gas channel 12n through which the mainstream gas Gs flows is formed at the center of the ring-shaped part 12a, and a throat portion 12m is formed in the middle of the gas channel 12n.

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。   In the vicinity of the downstream side of the throat portion 12m, guide holes 12p, 12p for supplying wires are opened, and a gas flow deflecting portion 12q protruding in a cylindrical shape is formed at the downstream end portion of the gas flow path 12n. The flow of the shield gas SGs is made substantially parallel to the flow of the main gas Gs.

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。   A concave groove 12r is formed in an annular shape around the gas flow deflecting portion 12q, and between the concave groove 12r and the ring-shaped component downstream end face 12s, a diameter larger than the concave groove 12r is formed. The joint recess 12t is formed in an annular shape.

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）。   Further, shield gas supply passages 12u for supplying the shield gas SGs are arranged on the circumference at equal intervals in the concave groove 12r, and the shield gas SGs supplied from each shield gas supply passage 12u is recessed. The gas flows are joined at the groove 12r to form a cylindrical flow along the outer wall of the gas flow deflector 12r (see the shield gas flow SGs in FIG. 15C).

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。   In the figure, 12v is a hole for passing the stacking bolt.

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。   FIG. 16 shows the structure of a ring-shaped part 12b connected to the downstream side of the ring-shaped part 12a. FIG. 16 (a) is a plan sectional view and FIG. 16 (b) is a right side view.

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。   Since the ring-shaped parts 12b to 12j have basically the same configuration except that the inner diameter of the gas flow path 12n is sequentially enlarged, the structure of the ring-shaped parts 12b will be described as a representative. .

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。   A cylindrical engagement convex portion 12x is formed at the center of the upstream end face 12w of the ring-shaped component 12b, and the engagement convex portion 12x is fitted with the engagement concave portion 12t of the ring-shaped component 12a. It is like that.

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。   Further, the inner diameter d2 of the gas flow path 12n in the ring-shaped part 12b> the outer diameter d1 in the gas flow deflection portion 12q of the ring-shaped part 12a.

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。   An O-ring as a sealing material is attached to the annular groove 12y. In the drawing, 12q 'is a gas flow deflecting portion, 12r' is an annular concave groove, and 12t 'is an engaging concave portion into which an engaging convex portion of a ring-shaped component connected further downstream is fitted.

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。   FIG. 17 shows the configuration of the ring-shaped component 12k disposed at the tip of the nozzle 12, where FIG. 17 (a) is a plan sectional view and FIG. 17 (b) is a right side view.

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。   The ring-shaped part 12k has a gas flow path 12n formed at the center thereof, and an engaging convex part 12x ′ formed on the upstream end face 12w ′. The inner diameter d of the gas flow path 12n expanded stepwise from the ring-shaped part 12a is finally the inner diameter of the ring-shaped part 12k, which is 15 mm in this embodiment.

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。 3-2 Titanium injection nozzle device Since Ti has a high melting point (1953K), if the particles are too cold, the surface cannot be melted and adhered by heat from plastic deformation heat at the time of collision unless accelerated to about 700 m / s. In the case of air, the gas pressure required for accelerating the particles will exceed 50 MPa. Therefore, a short nozzle is used so that the particles are not too cold in the thermal spraying of Ti. The gas pressure was 1.8 MPa and the gas temperature was normal temperature.

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。   FIG. 18 (a) is an overall plan view of the injection nozzle device 10 ', and FIG. 18 (b) is a sectional view of the front view thereof.

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。   In both figures, the injection nozzle device 10 ′ has a main body portion 16 and a nozzle portion 17 provided so as to protrude from the main body portion 16.

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。   A gas passage 18 for flowing mainstream gas toward the nozzle portion 17 is formed in the main body portion 16, and a gas supply passage 18 a for supplying gas from the left and right directions to the gas passage 18 is formed. .

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。   A pair of wire guides 19 and 19 are disposed at an acute angle in the gas passage 18, and the wires 19a and 19a delivered from the wire guides 19 and 19 pass through guide holes formed in the ring-shaped part 12a. Thus, the protruding tips protrude into the nozzle portion 17 and come into contact with each other on the downstream side of the throat portion 17i.

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。   The nozzle portion 17 is configured by connecting the ring-shaped components 17a to 17h in the cylinder axis direction, and the shield gas SGs is introduced into the nozzle 17 from the slits formed in the connecting portions of the ring-shaped components 17a to 17h. In this direction, it is injected in parallel with the flow of the mainstream gas Gs.

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。   In the above embodiment, Zn and Ti have been described as examples of the thermal spraying material. However, as the thermal spraying material, metals / alloys such as Al, Cu, SUS steel, ceramics, cermet, and the like can be used. .

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。   Moreover, in the said embodiment, although the nozzle was comprised by connecting two or more ring-shaped components of the same thickness, the thing of different thickness can also be mixed and connected.

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。   In the above embodiment, the nozzle is composed of a divergent nozzle whose inner diameter gradually increases from the throat portion toward the nozzle outlet, but may be composed of a divergent nozzle that continuously expands. In this case, by arranging a large number of injection ports at the circumferential position of the inner wall of the nozzle, the shielding gas is injected toward the downstream side substantially in parallel with the nozzle central axis.

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。 3-3 Thermal spray performance The graph shown in Fig. 19 compares the thermal spray performance when different thermal spray materials are used. The graph in (a) shows the density of the coating formed by thermal spraying, and the graph in (b). Indicates the film yield.

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。   The thermal spray materials used as the test pieces are Al, Cu, Ti, and SUS304. In the thermal spraying test, the nozzle length was adjusted for each thermal spray material by changing the number of ring-shaped parts connected. Specifically, a long nozzle that emphasizes acceleration was used for the thermal spray material having a low melting point, for example, a nozzle having a length of 200 mm was used for Al and Cu. On the other hand, for the spray material having a high melting point, a short nozzle such as 40 mm for Ti and 70 mm for SUS304 was used so as not to cool the particles too much.

(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。   As shown in the graph of (a), the film density obtained by each spray material was as high as 90 to 94%, and a good film formation state was confirmed.

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。   Further, as shown in the graph of (b), the nozzle length was changed within the range of 40 to 200 mm, and the film yield was examined. As a result, it was confirmed that the yield of each sprayed material tends to decrease as the nozzle length increases. This is thought to be because particles in flight are too cold to adhere to the substrate.

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。   For Al, a yield of about 40% can be obtained even when the nozzle length is 200 mm. However, for Cu, only a yield of about 15% is obtained, and for SUS304 and Ti, only a yield of about 5 to 10% is obtained. From this, when a material having a low melting point is used as the thermal spray material, a nozzle having a length of up to 200 mm can be used. However, when a material having a high melting point is used, the upper limit of the nozzle length is set to 70 mm or less. It is preferable. More preferably, it is about 40 mm.

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。   The graph shown in FIG. 20 is a component analysis of a Ti sprayed film formed using a 40 mm long nozzle with respect to a point of about φ1 μm by EPMA. The horizontal axis indicates energy and the vertical axis indicates X-ray intensity. ing.

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。   As can be seen from the graph, Ti is detected as an element constituting the sprayed coating. In the analysis results, oxygen was not detected, thereby demonstrating that a Ti film can be formed without oxidation.

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。   N and C were also detected in very small amounts, but N was detected as nitrogen as a carrier gas, and C was detected as a component of resin for molding a test piece. Yes, can be ignored.

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。 4 Cold Spray Next, the configuration when the acceleration nozzle of the present invention is applied to cold spray will be described.

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。   Cold spraying is a method in which a powdered thermal spray material is introduced into a supersonic gas flow having a temperature lower than the melting point of the thermal spray material, and the thermal spray material is made to collide with a substrate in a solid state to form a coating.

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。   As the thermal spray material, metals, alloys, cermets, ceramics, or the like can be used. Moreover, the particle size of a thermal spray material can generally use a 1-50 micrometers thing.

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。   As shown in FIG. 21, the spray nozzle device 70 for cold spray mainly includes a main body 71 and an acceleration nozzle 72 connected to the tip of the main body 71.

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。   The main body 71 has a hollow chamber 71a, and a tapered portion 71b is formed on the front side of the hollow chamber 71a in the spraying direction. The hollow chamber 71a communicates with a first supply hole 71c for supplying high-pressure gas and a second supply hole 71d for supplying high-pressure gas and powder, and each high-pressure gas has a common gas source (nitrogen). , Helium, air, etc.).

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。   The configuration of the accelerating nozzle 72 is basically the same as that of the accelerating nozzle 1 shown in FIG. 1, and a cylindrical shield gas can be formed around the sprayed material flying in the nozzle. It is configured as follows.

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。   According to the injection nozzle device 70, the high-pressure gas supplied through the first supply hole 71c and the high-pressure gas containing the thermal spray material supplied through the second supply hole 71d merge in the hollow chamber 71a, and the tapered portion 71b is formed. It becomes supersonic flow by passing.

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。   From the slits T of the ring-shaped parts 72a to 72k constituting the acceleration nozzle 72, gas is sequentially ejected along the inner wall to form a substantially cylindrical gas flow. The thermal spray material that flies is shielded by a gas flow that flows in a substantially cylindrical shape.

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。   As a result, the thermal spray material sprayed from the main body 71 at supersonic speed is accelerated without contacting the inner wall of the acceleration nozzle 72, that is, without being deposited on the inner wall, and collides with the base material. It is formed.

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。   According to the injection nozzle device 70, for example, it is possible to perform partial processing aiming only at a necessary range of parts, and it is possible to form a dense film.

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。 5 High-speed flame spraying FIG. 22 shows a configuration when the acceleration nozzle of the present invention is applied to high-speed flame spraying.

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。   As shown in the figure, the spray gun 80 of the high-speed flame spraying apparatus includes a combustion chamber 80a, a nozzle portion 80b, and a barrel portion 80c.

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。   A combustion flame (frame) is generated by mixing and igniting fuel and oxygen in the combustion chamber 80a, and this combustion flame is once squeezed by a throat portion 80d formed in the nozzle portion 80b to become a high-speed flow. It passes through the barrel portion 80c.

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。   In the conventional high-speed flame spraying, a powder spray material is generally supplied, and the longer the barrel portion 80c, the faster the particles can be accelerated. This is advantageous in reducing pores. However, if the barrel portion 80c is lengthened, the particles that are accelerating in the combustion flame start to melt by the flame heat and eventually adhere to the inner wall of the barrel portion 80c.

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。   Therefore, in the high-speed flame spraying apparatus shown in FIG. 22, an acceleration nozzle 81 having basically the same configuration as that of the acceleration nozzle 1 shown in FIG. 1 is further connected to the tip of the barrel portion 80c.

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。   By connecting the acceleration nozzle 81 to the tip of the barrel portion 80c, it becomes possible to maintain the acceleration of the particles in the nozzle even after the particles start to melt. As a result, the problem of the conventional high-speed flame spraying that the particles adhere to the inner wall of the barrel can be solved.

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。   The accelerating nozzle of the present invention is not limited to the high-speed flame spraying described above, and can be connected to a subsequent stage of a thermal spraying device of a type that melts particles with a high-temperature gas such as plasma spraying. It can be maintained to eliminate the adhesion of particles to the inner wall of the nozzle.

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。   In the figure, reference numeral 82 denotes thermal spray particles, 83 denotes a base material, and 84 denotes a thermal spray coating deposited on the base material 83.

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。 6 Atomization apparatus FIG. 23 shows a configuration in which the acceleration nozzle of the present invention is applied to a atomization apparatus for producing metal powder by refining a molten metal flow.

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。   In the figure, the atomizer 90 is housed in a housing 92 disposed below the melting furnace 91.

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。   The atomization device 90 includes a hollow annular portion 90a and supports 90b and 90c extending in a diametrical direction from an outer peripheral wall thereof. One support 90c is hollow and communicates with the annular portion 90a. It functions as a high-pressure gas supply path.

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。   Further, the supports 90b and 90c are configured to rotate around their axes, whereby the annular portion 90a can be swung in the paper thickness direction.

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。   An acceleration nozzle 93 having basically the same configuration as that of the acceleration nozzle 1 shown in FIG. 1 is suspended from the bottom surface of the annular portion 90a.

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。   In the above configuration, the high-pressure gas supplied to the annular portion 90a through the support 90c is also ejected from the slits T of the ring components 93a to 93h of the ejection nozzle device 93.

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。   In the atomization apparatus in which the annular portion 90a swings, a space 94 exists between the melting furnace 91 and the atomization apparatus 90 because the atomization apparatus 90 is not fixed to the melting furnace 91. The space 94 is normally at almost atmospheric pressure.

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。   In the atomization apparatus 90 having the above-described configuration, the molten metal 95 discharged from the molten metal nozzle 91a flows down in the vertical direction by gravity, and atomizes by high-pressure gas (atomizing gas) AGs when passing through the center of the annular portion 90a. Is done.

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。   The atomized particles are further accelerated by the high-pressure gas ejected from the slit T when passing through the acceleration nozzle 93, and the collision speed of colliding with the base material is increased.

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。   Since the density of the billet formed by depositing particles on the base material is almost proportional to the collision speed of the particles, the billet having a high density is formed by adding the acceleration nozzle 93 capable of accelerating the particles. can do.

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。   In the above configuration, since the space 94 communicates with the nozzle center of the acceleration nozzle 93, the acceleration nozzle 93 sucks atmospheric pressure gas from the nozzle center and accelerates it together with the particles. Therefore, the efficiency of accelerating the particles is lower than when high pressure gas is introduced into the center of the nozzle.

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。   Therefore, when the particle velocity and gas Mach number in the nozzle are measured by experiment, for example, when 0.6 MPa gas is injected from each slit T of the ring-shaped part, the velocity of particles flying in the nozzle center is 300 m / s (nozzle center). When the high-pressure gas was supplied to 400 m / s), the Mach number of the gas could be accelerated to about 1.0 to 1.5. As a result, it was confirmed that a satisfactory acceleration effect was obtained in practical use.

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。 7 Particle Velocity Measurement Using Water Experimental Model FIG. 24 is a water experimental model configured to measure the velocity and velocity distribution of particles flying in the acceleration nozzle.

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。   In this figure, a water tank 91 ′ corresponds to the melting furnace 91 shown in FIG. 23, an annular portion 90 a ′ corresponds to the annular portion 90 a, and an acceleration nozzle 93 ′ corresponds to the acceleration nozzle 93. A nozzle 96 is suspended from the water tank 91 '. Further, high-pressure gas was supplied from the hollow annular portion 90a ′.

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。   Note that the water experiment model shown in FIG. 24 is an arrangement in which the atomization apparatus shown in FIG. 23 is viewed from the high-pressure gas supply direction. Accordingly, the acceleration nozzle 93 'swings in the left-right direction.

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。   The graph shown in FIG. 25 is obtained by measuring the particle velocity distribution in the direction orthogonal to the spray direction using the water experimental model.

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。   In the graph, the horizontal axis indicates the distance from the spray center S, and the vertical axis indicates the particle velocity. In addition, the hole diameter of the nozzle outlet of the acceleration nozzle 93 ′ used in this water experimental model is φ16 mm.

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られる。   In the graph, the characteristic M1 is obtained by measuring the particle velocity at a distance of 25 mm from the nozzle outlet. The particle velocity is fast (350 m / s) at the spray peripheral portion near the nozzle inner wall, and the particle velocity is slow at the spray central portion ( A velocity distribution of 250 m / s) was obtained. This is considered to be a delay caused by having to accelerate while sucking gas at atmospheric pressure in the center of the spray.

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。   Characteristic M2 is obtained by measuring the particle velocity at a distance of 250 mm from the nozzle outlet. The particle velocity at the spray center is accelerated as compared with the characteristic M1, while the distance from the spray center is increased at the spray periphery. The particle velocity also decays.

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。   Characteristic M3 is obtained by measuring the particle velocity at a distance of 550 mm from the nozzle outlet. Compared to the characteristic M2, the particle velocity at the center of the spray is slightly attenuated, and the spray is further expanded.

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。   The graph shown in FIG. 26 is obtained by measuring the particle velocity distribution in the spray direction.

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。   In the graph, the horizontal axis represents the spray height, the left vertical axis represents the particle velocity, and the right vertical axis represents the particle diameter.

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。   Characteristic N1 is a measurement of the change in particle velocity in the range of spray height of 60 to 1250 mm. Since the particles are being accelerated up to a spray height of about 300 mm, the velocity increases to about 310 m / s. After that, it gradually decays.

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。   The particle diameter is stable at around 21 μm up to a spray height of 500 mm, but the particle diameter tends to increase slightly when the spray height exceeds 500 mm. This is presumably due to the coalescence of flying particles.

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。   Further, if the water in the water experiment model is changed to paint, the acceleration nozzle of the present invention can be used for painting.

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。   As described using the above embodiments, the acceleration nozzle of the present invention can be widely applied to any fields such as fine powder production, spray forming, thermal spraying, film formation, three-dimensional modeling, and painting.

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。   In each of the above-described embodiments, the cylindrical acceleration nozzle has been described as an example. However, the acceleration nozzle is not limited to the cylindrical shape, and for example, as illustrated in FIG. 27, a rectangular tube shape in which square-shaped parts 100a to 100d are connected. The nozzle 100 may be used. When the rectangular tube nozzle 100 is configured, the opening shape of the nozzle hole 100e may be a flat rectangle or a square. In addition, 100f in a figure is a throat part.

噴射ノズル内の高速ガス流を延長することによって粒子加速効果を有効に活用することができる噴射ノズル装置であり、粒子の微粒化とノズル内壁への粒子付着防止を両立させることが必要な用途に適用できる。   This is an injection nozzle device that can effectively utilize the particle acceleration effect by extending the high-speed gas flow in the injection nozzle. For applications that require both particle atomization and prevention of particle adhesion to the nozzle inner wall. Applicable.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Acceleration nozzle 2 Nozzle 2a-2j Ring-shaped part 2k Nozzle inner wall 2m Slit narrowest part 3 Inlet side 4 Throat part 5 Outlet side 6 Shield gas supply path 7 Gas flow deflection part 8 Upstream side end face 9 Stack bolt hole 11 Main body part 12 Nozzle portions 12a to 12k Ring-shaped component 13 Gas passage 14 Wire guide 15 Wire

Claims (11)

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、その噴射口が上記ノズル孔の筒軸方向に複数段備えられ、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構成してなることを特徴とする噴射ノズル装置。 The carrier gas introduced to the nozzle inlet side passes through the throat portion in the nozzle to make a high-speed gas flow, the material in the molten state in the nozzle is atomized by the high-speed gas flow, and the atomized particles are discharged from the nozzle In the injection nozzle device that injects from the side,
The inner wall in the circumferential direction of the nozzle hole on the downstream side of the throat portion has an injection port for injecting shield gas substantially parallel to the nozzle central axis toward the downstream side, and a plurality of injection ports are provided in the cylinder axis direction of the nozzle hole. An injection nozzle device comprising a stage and a shield gas supply unit configured to form a cylindrical shield gas flow around the high-speed gas flow. 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１記載の噴射ノズル装置。   2. The injection nozzle device according to claim 1, wherein the nozzle is formed as a divergent nozzle whose inner diameter continuously or stepwise increases from the throat portion toward the nozzle outlet. 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１または２記載の噴射ノズル装置。   The injection nozzle device according to claim 1 or 2, wherein the nozzle is constituted by an assembly in which a plurality of ring-shaped parts are connected in the ring central axis direction. 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１〜３のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   The nozzle is formed as a divergent nozzle whose inner diameter gradually increases from the throat portion toward the nozzle outlet, and a slit as the shield gas injection port is formed in each adjacent inner wall step portion in the connected ring-shaped part. The injection nozzle device according to any one of claims 1 to 3, wherein the spray nozzle device is formed in an annular shape. 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４記載の噴射ノズル装置。   The injection nozzle device according to claim 4, wherein a shield gas throat portion is formed in the shield gas supply path on the upstream side of the slit to make the flow velocity of the shield gas equal to the flow velocity of the high-speed gas flow. 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１〜５のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   6. The gas flow deflecting portion for aligning the flow of the shielding gas substantially parallel to the central axis of the nozzle toward the downstream side at the downstream inner peripheral edge of the ring-shaped component. 2. The injection nozzle device according to item 1. 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１〜６のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   A pair of wire guides for supplying thermal spray material in the form of wires is disposed in the vicinity of the throat portion of the nozzle, and each of an anode electrode and a cathode electrode with respect to the pair of wires protruding from the tips of these wire guides into the nozzle The spray nozzle device according to claim 1, wherein the spray nozzle device is configured to apply a charge. 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１〜６のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   The ring-shaped part arranged on the most upstream side in the flow direction of the high-speed gas flow is made of ceramics, and a pair of wire guides for supplying a wire as a thermal spray material is inserted into the ceramics, The injection nozzle device according to any one of claims 1 to 6, wherein a charge is applied as a positive electrode and a negative electrode to a pair of wires protruding from the tip into the nozzle. 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１〜６のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   The ring-shaped part disposed on the most upstream side in the flow direction of the high-speed gas flow is made of ceramics, and arc melting is performed between the ring-shaped part and a wire supplied from a wire guide through the throat portion. The injection nozzle device according to any one of claims 1 to 6, wherein a fixed electrode is disposed. 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１〜６のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   The injection nozzle device according to any one of claims 1 to 6, wherein a molten metal nozzle is provided to supply molten metal onto the nozzle central axis through the throat portion. 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１〜６のいずれか１項に記載の噴射ノズル装置。   The melt is supplied from a melt nozzle provided through the ring-shaped component so as to be supplied from a direction intersecting with a high-speed gas flow in the nozzle. Injection nozzle device.
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