JP5852131B2 - サスペンションプラズマ溶射用の圧力式液体供給システム - Google Patents

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Description

溶射は、航空宇宙産業、自動車産業、石油及び石油化学産業、生物医学産業等をはじめとする産業用途向けのコーティングに幅広く使用されてきた（本明細書で参照によりその開示の全体を明示的に援用するMateyja D.「Plasma spraying of metallic and ceramic coatings」、1989、New York: John Wiley & Sonsを参照）。溶射セラミック・コーティングは、通常は粉末原料を用いて行われる。しかし、超微粒子（通常は５μｍ未満）の溶射は、従来の粉末供給法を使用しては行えない。プラズマ・ジェットに超微粒子を注入するためには、キャリア・ガス流量を大きくする必要がある。このような冷却ガスの流量により、プラズマ・ジェットは劇的に不安定になる（本明細書で参照によりその開示の全体を明示的に援用するFauchais, P.他「Parameters controlling liquid plasma spraying: Solutions, sols, or suspensions」、Journal of Thermal Spray Technology、2008、17(1)、31〜59頁を参照）。その一方で、これらの超微粒子は、粉末供給装置から溶射トーチに送出される間にホース及び継手に詰まりを生じさせる（本明細書で参照によそれぞれの開示の全体を明示的に援用するLima, R.S.、B.R. Marple「Thermal spray coatings engineered from nanostructured ceramic agglomerated powders for structural, thermal barrier and biomedical applications: A review」、Journal of Thermal Spray Technology、2007、16(1)、40〜63頁、並びにChen, Z.他「Air-plasma spraying colloidal solutions of nanosized ceramic powders」、Journal of Materials Science、2004、39(13)、4171〜4178頁を参照）。
近年、ナノ構造を有するコーティングを堆積させるためにサスペンション（懸濁液）プラズマ溶射（suspension plasma spray:ＳＰＳ）が開発された（本明細書で参照によりそれぞれの開示の全体を明示的に援用するChen, Z.他「Air-plasma spraying colloidal solutions of nanosized ceramic powders」、Journal of Materials Science、2004、39(13)、4171〜4178頁、Fauchais, P.他「Suspension and solution plasma spraying of finely structured layers: potential application to SOFCs」、Journal of Physics D-Applied Physics、2007、40(8)、2394〜2406頁、Burlacov, I.他「Induction plasma-sprayed photocatalytically active titania coatings and their characterisation by micro-Raman spectroscopy」、Surface & Coatings Technology、2006、201(1-2)、255〜264頁、Tomaszek, R.他「Microstructural characterization of plasma sprayed TiO2 functional coating with gradient of crystal grain size」、Surface & Coatings Technology、2006、201(1-2)、45〜56頁、Toma, F.L.他「Nanostructured photocatalytic titania coatings formed by suspension plasma spraying」、Journal of Thermal Spray Technology、2006、15(4)、587〜592頁、Berghaus, J.O.、B. Marple、C. Moreau「Suspension plasma spraying of nanostructured WC-12Co coatings」、Journal of Thermal Spray Technology、2006、15(4)、676〜681頁、Fauchais, P.他「Understanding of suspension DC plasma spraying of finely structured coatings for SOFC」、Ieee Transactions on Plasma Science、2005、33(2)、920〜930頁、Wittmann-Teneze, K.他「Nanostructured zirconia coatings processed by PROSOL deposition」、Surface & Coatings Technology、2008、202(18)、4349〜4354頁、Chen, D.Y.、E.H. Jordan、M. Gell「Microstructure of Suspension Plasma Spray and Air Plasma Spray Al2O3-ZrO2Composite Coatings」、Journal of Thermal Spray Technology、2009、18(3)、421〜426頁、並びにChen, D.Y.、E.H. Jordan、M. Gell「Suspension plasma sprayed composite coating using amorphous powder feedstock」、Applied Surface Science、2009、 255(11)、5935〜5938頁を参照されたい）。ＳＰＳでは、超微粒子サイズ又はナノサイズの粒子を水又はエタノールなどの液体媒質中に分散させて懸濁液を形成し、次いでその懸濁液をプラズマ・トーチに注入する。懸濁液滴は、プラズマ・ジェット内で液体が蒸発し、粒子が溶融して、基材に衝突した後に被覆を形成する。Chen, D.Y.、E.H. Jordan、M. Gell「Microstructure of Suspension Plasma Spray and Air Plasma Spray Al2O3-ZrO2Composite Coatings」、Journal of Thermal Spray Technology、2009、18(3)、421〜426頁、並びにChen, D.Y.、E.H. Jordan、及びM. Gell「Suspension plasma sprayed composite coating using amorphous powder feedstock」、Applied Surface Science、2009、255(11)、5935〜5938頁では、分子混合非晶質粉末を原料として使用しており、サスペンションプラズマ溶射を使用して均相分散セラミック・コーティングを調製した。本明細書で参照によりその開示の全体を明示的に援用するWaldbillig, D.、O. Kesler「The effect of solids and dispersant loadings on the suspension viscosities and deposition rates of suspension plasma sprayed YSZ coatings」、Surface & Coatings Technology、2009、203(15)、2098〜2101頁では、サスペンションプラズマ溶射によるＹＳＺコーティングの堆積率に対する固形物及び分散剤の量の影響を調べた。報告されたサスペンションプラズマ溶射では、蠕動ポンプを使用した手作りの送出システムを使用して、懸濁液をプラズマ・ジェットに送出した。
プラズマへの液体ジェット注入は、観察および研究された（本明細書で参照によりそれぞれの開示の全体を明示的に援用するP. Fauchais、G.Montavon「Latest Developments in Suspension and Liquid Precursor Thermal Spraying」、Thermal Spray 2009 Proceedings of the ITSC、2009、ASM International、136〜149頁、R. Etchart-Salas、V. Rat、J.F. Coudert、P. Fauchaus「Parameters controlling properties of coatings sprayed by suspension plasma spraying」、Procedings of the ITSC、2008、506〜511頁、C. Marchand、C. Chazelas、G Mariaux、A. Vardelle「Liquid precursor plasma spraying: observation of liquid feedstock break-up」、Procedings of the ITSC、2008、512〜516頁、並びにR. Vassen、H. Kassner、G. Mauer、D. Stover、「Suspension plasma spraying: Process Development and Applications」、Thermal Spray 2009、 Proceedings of the ITSC、2009、ASM International、162〜167頁を参照されたい）が、懸濁液が管路及び注入器のオリフィスを詰まらせる傾向は、研究者及び実務家の間で同様に知られており、そのためにＳＰＳプロセスが非常に信頼できないく実用的でないものと考えられている。サブミクロン及びナノサイズの原料と合わせて、管路洗浄又はノンストップ運転による材料の著しい損失があるため、実用的なＳＰＳプロセスの実施のＲＯＩ及び可能性がさらに小さくなる。安定した強固なコーティングを行うために、懸濁液／溶液溶射用の商用の液体送出システムを開発する必要性が大きい。
Mateyja D.、「Plasma spraying of metallic and ceramic coatings」、1989年、 Ｎｅｗ York: John Wiley & Sons Fauchais, P.他、「Parameters controlling liquid plasma spraying: Solutions, sols, or suspensions」、Journal of Thermal Spray Technology、2008年、第17(1) 巻、第31〜59頁 Lima, R.S.、B.R. Marple、「Thermal spray coatings engineered from nanostructured ceramic agglomerated powders for structural, thermal barrier and biomedical applications: A review」、Journal of Thermal Spray Technology、2007年、第16(1) 巻、第40〜63頁 Chen, Z.他、「Air-plasma spraying colloidal solutions of nanosized ceramic powders」、Journal of Materials Science、2004年、第39(13) 巻、第4171〜4178頁 Fauchais, P.他、「Suspension and solution plasma spraying of finely structured layers: potential application to SOFCs」、Journal of Physics D-Applied Physics、2007年、第40(8) 巻、第2394〜2406頁 Burlacov, I.他、「Induction plasma-sprayed photocatalytically active titania coatings and their characterisation by micro-Raman spectroscopy」、Surface & Coatings Technology、2006年、第201(1-2) 巻、第255〜264頁 Tomaszek, R.他、「Microstructural characterization of plasma sprayed TiO2 functional coating with gradient of crystal grain size」、Surface & Coatings Technology、2006年、第201(1-2) 巻、第45〜56頁 Toma, F.L.他、「Nanostructured photocatalytic titania coatings formed by suspension plasma spraying」、Journal of Thermal Spray Technology、2006年、第15(4) 巻、第587〜592頁 Berghaus, J.O.、B. Marple、C. Moreau、「Suspension plasma spraying of nanostructured WC-12Co coatings」、Journal of Thermal Spray Technology、2006年、第15(4) 巻、第676〜681頁 Fauchais, P.他、「Understanding of suspension DC plasma spraying of finely structured coatings for SOFC」、Ieee Transactions on Plasma Science、2005年、第33(2) 巻、第920〜930頁 Wittmann-Teneze, K.他、「Nanostructured zirconia coatings processed by PROSOL deposition」、Surface & Coatings Technology、2008年、第202(18) 巻、第4349〜4354頁 Chen, D.Y.、E.H. Jordan、M. Gell、「Microstructure of Suspension Plasma Spray and Air Plasma Spray Al2O3-ZrO2 Composite Coatings」、Journal of Thermal Spray Technology、2009年、第18(3)巻、第421〜426頁 Chen, D.Y.、E.H. Jordan、M. Gell、「Suspension plasma sprayed composite coating using amorphous powder feedstock」、Applied Surface Science、2009年、第255(11)巻、第5935〜5938頁 Waldbillig, D.、O. Kesler、「The effect of solids and dispersant loadings on the suspension viscosities and deposition rates of suspension plasma sprayed YSZ coatings」、Surface & Coatings Technology、2009年、第203(15)巻、第2098〜2101頁 P. Fauchais、G.Montavon、「Latest Developments in Suspension and Liquid Precursor Thermal Spraying」、Thermal Spray 2009、Proceedings of the ITSC、2009年、ASM International、第136〜149頁 R. Etchart-Salas、V. Rat、J.F. Coudert、P. Fauchaus、「Parameters controlling properties of coatings sprayed by suspension plasma spraying」、Procedings of the ITSC、2008年、第506〜511頁 C. Marchand、C. Chazelas、G Mariaux、A. Vardelle、「Liquid precursor plasma spraying: observation of liquid feedstock break-up」、Procedings of the ITSC、2008年、第512〜516頁 R. Vassen、H. Kassner、G. Mauer、D. Stover、「Suspension plasma spraying: Process Development and Applications」、Thermal Spray 2009、Proceedings of the ITSC、2009年、ASM International、第162〜167頁
上記の背景となる研究を念頭に置きつつ、ＳＵＬＺＥＲ ＭＥＴＣＯ ５ＭＰＥ粉末供給装置プラットフォームに基づく液体原料供給装置のプロトタイプが開発された。ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２のコーティングが、ＳＵＬＺＥＲ ＭＥＴＣＯ ９ＭＢプラズマ銃を使用してこの液体送出システムによって行われた。溶射された状態でのコーティングの相組成及びミクロ組織が調査された。これに関する詳細な説明は、Elliot M. Cotler、Dianying Chen、Ronald J. Molzによる論文「Pressure-Based Liquid Feed System for Suspension Plasma Spray Coatings」(2011年5月に印刷された、Journal of Thermal Spray Technology、 第20巻、第4号、第967〜973頁)に記載されている。この文献の開示は、本明細書で参照によりその全体を明示的に援用する。
注入器がプラズマ・プルームの近くにあると、常時、温度管理を維持する必要があるということが研究によりわかった。注入器の上流に詰まりが生じると、注入器オリフィスを通る懸濁液の流れが減少し、そのため、内面への原料による冷却効果が低下する。その結果、温度上昇が生じることにより、液相が沸騰し、凝集固形物の析出物が残される。これはさらに焼結されて事実上取り除けない栓になる可能性がある。その点を念頭に置き、特にプラズマ銃の始動及び停止時に、原料が供給されないときにガス・パージに切り替えることによって、注入器を冷却された清浄な状態に保つことを試みた。驚いたことに、ガス・パージ作業によりガス・パージ中に注入器は清浄な状態に保たれていたが、（懸濁液供給に切り替えるとすぐに）数秒以内に注入器オリフィスは相変わらず詰まりが発生した。注入器を分解して原因調査を行ったところ、ガス・パージにより、ガス流に曝された内側表面で固形物が乾燥されて凝集物が生成されることがわかった。その後に原材料が流れると、析出物の薄片が壁から浮き上がり、下方の注入器オリフィスの方へと運ばれた。これらの薄片のサイズ及び形状は、注入器の急速な詰まりを促進するものであった。パージ後の詰まりの問題を克服するために、新規開発されたパージ・システムは、ミスト・パージ装置を備え、これにより、少量の液体をパージ・ガスに注入することが、原料注入器に入る前に行われる。この微量の液体は、空気圧作動式プランジャー・ポンプによってミスト発生デバイスに導入され、そこで液体の小滴が形成され、パージ・ガスに混合された。生成された混合物は、ミストの高冷却容能力を有する高パージ・ガス速度による効果と、液体による湿潤性及び洗浄特性とを併せ持つものである。
本発明の非限定的な一態様によれば、（例えば、プラズマ又はＨＶＯＦ）熱溶射銃の領域に液体を注入する装置が提供される。この装置は、少なくとも１つの原料供給管路に接続可能な入口、少なくとも１つのガス供給管路に接続可能な入口、及び少なくとも１つの液体媒質供給管路に接続可能な入口を有する注入器洗浄デバイスを備える。注入器オリフィスは、注入器洗浄デバイスに流体連通しており、溶射銃の領域（例えば、この領域に生成される高温流又はプラズマ）に液体ジェットを注入すること、並びにこの入口に入る原料、ガス、及び液体を受け入れることのうちの少なくとも一方を行うように適合される。
ある具体例では、少なくとも１つの原料供給管路、少なくとも１つのガス供給管路、及び少なくとも１つの液体媒質供給管路が、注入器オリフィスの上流に配置される。
ある具体例では、この装置は、注入器洗浄デバイスをプラズマ溶射銃の一部に結合するように適合された装着部をさらに備える。
ある具体例では、注入器洗浄デバイスは、パージ・ブロック部とミスト・チャンバー部とを備える。
ある具体例では、注入器洗浄デバイスは、ミスト・チャンバー部を備え、少なくとも１つのガス供給管路に接続可能な入口及び少なくとも１つの液体媒質供給管路に接続可能な入口は、ミスト・チャンバー部に配置されること、及びミスト・チャンバー部に結合されることのうちの少なくとも一つが行われる。
ある具体例では、注入器洗浄デバイスは、パージ・ブロック部を備え、少なくとも１つの原料供給管路に接続可能な入口は、パージ・ブロック部に配置されること、及びパージ・ブロック部に結合されることのうちの少なくとも一つが行われる。
ある具体例では、装置は、注入器洗浄デバイスをプラズマ溶射銃の放出端部に結合するように適合された装着部をさらに備える。
ある具体例では、装着部は、プラズマ溶射銃に固定可能な銃架を備える。
ある具体例では、装着部は、プラズマ溶射銃に取外し可能に固定可能な銃架を備える。
ある具体例では、装着部は、プラズマ溶射銃に固定可能な銃架、装着ブロック、及び装着ブロックを注入器洗浄デバイスに接続するように適合された支持板のうちの少なくとも１つを備える。
本発明の非限定的な一態様によれば、プラズマ溶射銃用の注入器洗浄装置が提供される。この装置は、少なくとも１つの原料供給管路、少なくとも１つのガス供給管路、及び少なくとも１つの液体媒質供給管路を備える。少なくとも１つの原料供給管路、少なくとも１つのガス供給管路、及び少なくとも１つの液体媒質供給管路が、プラズマ溶射銃の領域に配置されている注入器オリフィスの上流に配置される。
ある具体例では、原料供給管路、ガス供給管路、及び液体媒質供給管路のうちの少なくとも１つは、注入器組立体に取外し可能に接続される。
ある具体例では、少なくとも１つの液体媒質供給管路が、液体媒質を含む液体媒質供給部に接続される。
ある具体例では、液体媒質は水洗（リンス）剤である。
ある具体例では、液体媒質は、原料を注入するための注入器を洗浄する構造を有し、洗浄するように構成された液体である。
ある具体例では、原料供給管路は、原料を収容するホッパーに接続される。
ある具体例では、原料は、懸濁液、前駆体、及び溶液のうちの少なくとも１つである。
ある具体例では、この装置は、液体媒質が原料を注入するための注入器内に入る前に液体媒質を霧状化するミスト発生装置をさらに備える。
ある具体例では、この装置は、２つの切替え可能なモードを有するパージ部をさらに備え、第１のモードでは液体原料が注入器オリフィスに供給され、第２のモードでは液体媒質が注入器オリフィスに供給される。
ある具体例では、この装置は、注入器オリフィスの上流に液体媒質とパージ・ガスとを組み合わせるように適合された注入器洗浄デバイスをさらに備える。
ある具体例では、この装置は、原料、ガス、液体媒質、及びパージ流体のうちの少なくとも１つの流れを制御するように適合されたコントローラをさらに備える。
ある具体例では、液体ジェットをプラズマ溶射銃のプラズマに注入するシステムが提供される。このシステムは、プラズマ溶射銃、及び上記で説明されたいずれかのタイプの注入器洗浄用装置を備える。
ある具体例では、液体ジェットをプラズマ溶射銃のプラズマに注入する方法が提供される。この方法は、プラズマ溶射銃に上記で説明されたいずれかのタイプの注入器洗浄用装置を配置すること、及び注入器オリフィスを介して液体を放出することを含む。
ある具体例では、液体ジェットをプラズマ溶射銃のプラズマに注入する方法が提供される。この方法は、プラズマ溶射銃に、上記で説明されたいずれかのタイプの注入器洗浄用装置を配置すること、及び注入器オリフィスを介して液体ジェットをプラズマ溶射銃の領域に生成されたプラズマに注入することを含む。
本発明の非限定的な別の態様によれば、上記で説明されたタイプのうちのいずれか１つのタイプの装置又はシステムを使用する方法が提供される。この方法は、液体原料の流れが停止されると、ガス分散剤中の液体洗浄流体の流れを活性化すること、液体原料の流れを停止した後に噴霧化された液体洗浄流体の流れを自動的に発生させること、及び液体原料の流れが停止又はシャットダウンされる毎にガス分散剤中の液体洗浄流体の流れを活性化することのうちの少なくとも１つを含む。この活性化又は発生により、実質的に、注入器オリフィスの上流に配置された少なくとも１つの流れの表面に閉塞物質が蓄積するか、又は析出物が形成されることが防がれる。
ある具体例では、好ましくはできる限り少ない液体を使用して、システムをパージ又は洗浄する。ガスの選択としては、アルゴン、窒素、ヘリウム、メタン、及び他の好適なガスのうちの少なくとも１つが挙げられる。液体媒質の選択として、水、アルコール、グリコール、グリセリン、有機液体（例えば、ケロシン）、及び他の洗浄溶媒が挙げられる。パージ・ショット当たりの液体媒質の量の実例として、最小約０．００１ｃｃから無制限（その結果、ほとんど連続又は連続流れとなる）、好ましくは約０．０１〜約１ｃｃの液体が挙げられる。使用される最小量の液体は、好ましくは、使用されるガスの少なくとも露点に達するものである。ミストは、液体よりも好ましいが、それは、オリフィスを通り抜けるのに液体では遅すぎるのに対し、ミストはより大きな圧力をかけることが可能だからである。ミスト発生又はミスト発生に類似の他の手段も使用できる。パージ・ショットは、毎分約１〜約４００ショット、好ましくは毎分約２０〜約１００ショットの範囲とすることができる。ガス噴霧器は、ミスト発生の代わりに使用でき、注入器の洗浄を行う別の手段である。好ましい一実施例では、ショット頻度を増やして少ない液体を使用することが好ましい。
本発明の他の例示的な例及び効果は、本開示及び添付図面を検討することによって確認できる。
本発明は、本発明の非限定的な例示として示されている図面を参照しながら、以下の詳細な説明においてさらに説明される。
本発明による実験的プロトタイプの加圧式液体供給システムの概略図。 図１に概略が例示されている実験的プロトタイプの写真。 室温の脱イオン水に対する液体供給送出速度を示すグラフ。上側の曲線は、内径０．３ｍｍ（０．０１２インチ）の注入器オリフィスに関するものであり、下側の曲線は、内径０．２ｍｍ（０．００８インチ）の注入器オリフィスに関するものである。 本発明による９ＭＢプラズマ溶射銃に装着されたアイドリング状態の懸濁液ジェットの写真。 本発明による、図１の加圧液体供給システムとともに使用できる注入器原料洗浄用装置の斜視図。 図５の正面図。 図５の装置で使用される注入器洗浄デバイスの斜視図。 図７の注入器洗浄デバイスの正面図。 図８の切断面Ａ−Ａの側断面図。 例示的な一動作モードにより本発明の装置を使用する非限定的な方法を示す図。 例示的な別の動作モードにより本発明の装置を使用する非限定的な方法を示す図。
この明細書に示されている詳細は一例であり、本発明の具体例をわかりやすく説明することのみを目的としており、本発明の原理及び態様の最も有用で理解しやすい説明であると確信される内容を示すために提示されている。この点において、本発明の基本的な理解に必要である以上に詳しく本発明の構造の詳細を示すことは試みておらず、図面とともに示された説明が本発明のいくつかの形態が実際にどのように具現化されうるかを当業者に対して明らかにしている。
液体供給装置の概念実証プロトタイプの開発及び試験が首尾よく行われ、液体系原料供給装置の連続的な安定した運転が可能であることが実証された。半自動注入器洗浄の新たな試みが行われ、産業用溶射用途に必要なロバスト性を有することが証明された。
プロトタイプの供給システムを使用して、アルミナ、チタニア、及びＹＳＺの液体原料懸濁液から超微細なスプラットによる皮膜を形成した。その結果得られた皮膜構造及び組成を分析したところ、特定の用途についてさらなる最適化の可能性を有する好ましい結果が示された。
図１は、本発明の非限定的な一実施例による開発されたプロトタイプのシステム又は配置構成の主概略図である。このシステムでは、原料は、粉末供給量計（Ｐｏｗｄｅｒ Ｆｅｅｄ Ｒａｔｅ Ｍｅｔｅｒ（ＰＦＲＭ））微分解析器に接続されたロード・セルから離して設置された加圧原料貯蔵槽に収容される。これは、原料貯蔵槽の実際の重量減少を、操作者の選択に従ってｇ／分又はｌｂ／時により表示する。
貯蔵槽の頂部カバーには、空気圧式駆動撹拌機モーターが組み込まれている。これは、原料懸濁液を穏やかな攪拌状態に保ち、沈殿を防ぎ、全体を通して固体濃度を均一に維持する。撹拌機は、工場空気供給管路から導入した圧縮空気によって動作し、撹拌機制御ソレノイドを介してオン、オフ、速度調整を行うことができる。この操作を円滑にするために、システムは前面パネル圧力調整器を利用する。圧力計の読み取り値が撹拌機の速度の間接的指標として使用される。
単一のガス供給源（アルゴン又は窒素）が、注入器のパージ及び原料供給機能の両方に使用される。供給制御ソレノイドがオンの場合、圧力調整器は貯蔵槽に印加される圧力を所望のレベルに調整する。加圧された原料が原料管路１８に充填され、注入器３０を通ってプラズマ・プルームに放出される。供給を停止するために、供給制御ソレノイドがオフにされ、パージ制御ソレノイド及び排気ソレノイドがオンにされて、パージ・ガス管路１６の加圧並びに原料貯蔵槽及び原料管路１８が減圧される。ディレイ・オン・ブレイク・タイマーがパージ及び排気ソレノイドをオンに保ち、貯蔵槽を完全に減圧させる。それと同時に、リサイクリング・タイマーが、液体注入器ポンプに圧力パルスを供給するパルス制御ソレノイドをオン、オフする。ストローク毎に送出される液体の量は、ポンプ・プランジャーの移動量を制限する調整ネジによって約０〜約０．１ｃｃの範囲で調整できる。ポンプ貯蔵槽からの洗浄用液体が、洗浄用液体管路２０に充填され、ミスト発生装置に入り、そこで、パージ・ガスと混合され、原料注入器の内部通路を洗浄する。原料管路１８の逆止弁により、パージ混合物が原料に入ることによる希釈が防がれる。
製造および使用された完全なシステムを図２に示す。すべての試験は、容量２リットルの原料貯蔵槽及び内径１．６ｍｍ（０．０６２インチ）、長さ７．６２ｍ（２５フィート）の原料管路により実施された。実際の送出速度は、原料の粘性並びに注入器のサイズ及び内面形状に大きく依存する。図３は、オリフィスのサイズが０．２ｍｍ（０．００８インチ）及び０．３ｍｍ（０．０１２インチ）の注入器を通る脱イオン水の流量の基準比較を示している。９ＭＢプラズマ銃ノズルから離れて設けられた注入器３０からの懸濁液ジェットを図４に示す。
システムの性能試験
図１及び図２の液体供給システムの実験的プロトタイプは、すべての試験された懸濁液についてかなりのロバスト性を示した。新たなパージ・システムは、注入器を清浄に保ち、原料管路を完全に充填されたままにし、短い作業中断の間に注入器を取り外すことなく１〜１．５時間待つことができた。休止時間が一晩におよぶ場合には、注入器装着部全体を銃から外し、水を満たした容器に入れた。翌日、プラズマ銃ノズルに装着し直すと、直ちに動作可能な状態になった。より長期間の貯蔵又は原料の交換では、原料貯蔵槽、管路、及び注入器装着具の完全な清浄化が必要であった。
注入器原料洗浄用装置
図１の非限定的なシステムとともに使用できる非限定的な注入器原料洗浄用装置を、図５〜図９に示す。装置１は、プラズマ溶射銃１００の領域に液体を注入するために使用される（図１を参照）。図５に示されるように、装置１は、３つの主要要素を有する。第１の要素は、少なくとも１つの原料供給管路１８のコネクタ１９に接続可能な入口（図９を参照）、少なくとも１つのガス供給管路１６のコネクタ１７に接続可能な入口、及び少なくとも１つの液体媒質供給管路２０のコネクタ２１に接続可能な入口を備える注入器洗浄デバイス１０である。また、管路１６及び２０が接続されるミスト・チャンバー部１２及び管路１８が接続されるパージ・ブロック部１１も含まれる。内部通路２２（図９を参照）が、管路１６及び２０に結合された内部空間と注入器３０に至るパージ・ブロック部１１のアウトプット通路との間に流体接続経路を形成する。管路１６及び２０は、ガス及び液体を噴霧（アトマイジング）チャンバー２３に供給する。管路２０からの液体が管路１６からのガスに分散されると、これは逆止弁２４を通り、次いで通路２２を通過することができる。逆止弁２４は、原料が注入器３０から送出される際に逆流を防ぎ、特に、原料がチャンバー２３に入ることを防ぐ一方向弁である。管路１８は、原料を別の逆止弁２５を含むチャンバーに供給し、次いで、フィルター２６、例えば、注入器３０を詰まらせる可能性のある粒子又は汚染物質を捕捉できる最終スクリーン・フィルターを含む通路を通って移動させる。逆止弁２５は、分散された洗浄用流体が注入器３０から送出される際の逆流を防ぎ、特に、通路２２を通過する流体が原料管路１８内に入ることを防ぐ一方向弁である。
注入器３０が、装置１の第２の主要要素を形成する。Ｌ字管コネクタ１３が、パージ・ブロック１１のアウトプット・ポートを注入器３０のインプット３１に接続するコネクタ１４及び１５を有する。このようにして、パージ・ブロック１１から出た原料及び／又は流体は、注入器本体部３２を通過して、注入器オリフィス３３から出ることができる。
装置１の第３の要素は、装着部４０である。装着部４０は、注入器洗浄デバイス１０及び注入器３０をプラズマ溶射銃１００の一部又は放出端部に結合する（図１及び図２を参照）。装着部４０は銃架４１を備え、その開口部４８がプラズマ溶射銃１００の一部の上を摺動し、プラズマ溶射銃１００に固定又は取外しできるようにクランプ締付け可能である。留め具４７を使用して、締付け力を調整し、銃架４１の取外しを行うことができる。銃架４１は、装着ブロック４２に結合され、これに、注入器アウトプット又はオリフィス３３とブロック４１との間の所望の又は所定の距離を維持する形で、注入器本体部３２も装着される。支持板４３は、装着ブロック４２を注入器洗浄デバイス１０に接続するが、より具体的には、デバイス１０のパージ・ブロック１１に接続する。留め具４６は、板４３を装着ブロック４２に接続する。留めナット４５の形態の調整デバイスは、板４３をパージ・ブロック１１に調整可能に接続するが、スロット４４により摺動の調整が可能になる。
次に、図１及び図５〜図９を参照して装置１の動作について、図１０及び図１１に示されている非限定的なモードにより説明する。図１０において、この装置は、銃が稼働している間に液体原料の間欠的に停止する時に、注入器を洗浄および冷却する方法により使用することができる。すなわち、液体原料が注入器３０を通過し導管１８を介して送られる動作が停止され、溶射銃を停止することなく再始動される。それに加えて、又は代替的に、溶射銃を停止し、注入器の過熱を防がなければならない場合、図１１で説明されているモードを利用することができる。しかし、液体原料流の析出及び詰まりを引き起こす可能性があるため、注入器が高温である場合に液体原料流を流す場合の問題に留意しなければならない。
より具体的には、図１０のモードでは、段階１００で、液体原料が管路１８を介して送られた後、注入器３０から排出され、洗浄デバイス１０を通るという動作が停止される。次いで、段階２００で、ガス及び洗浄用液体が管路１６及び２０を介して送られた後、デバイス１０を通過し、注入器３０から排出される。これは、タイマーを介した、又は操作者からの入力により所定の時間にわたって行うことができる。デバイス１０は、ガス及び液体がパージ・ミストを生成し、これが注入器３０に入り、そして出て、注入器を清浄化し冷却することを確実にする。その後、段階３００で、パージ・ミストが停止され、段階４００で、デバイス１０が液体原料を注入器３０に供給し排出する動作を再開する。
図１１のモードでは、段階１０００でも、液体原料が管路１８を介して到達した後、注入器３０から排出され、洗浄デバイス１０を通るという動作が、同様に停止される。次いで、段階２０００で、ガス及び洗浄用液体が、管路１６及び２０を介して到達した後、デバイス１０を通過し、注入器３０から排出される。次いで、段階３０００で溶射銃１００を停止できる。停止後、段階４０００で、パージ・ミストを停止する。これは、タイマーを介して所定時間の後に行うことができる。次いで、しばらくしてから、又は後日、デバイス１０は注入器３０に液体原料を供給し排出する動作を再開することができる。
例示的な一実施例では、流体が注入器３０のオリフィスから出る流量は、１２０ｐｓｉで０．３ｍｍ（０．０１２インチ）のオリフィスを使用して約４５３リットル／時（１６ｓｃｆｈ（標準立方フィート／時））である。例示的な別の実施例では、流体が注入器３０のオリフィスから出る流量は、１２０ｐｓｉで０．２ｍｍ（０．００８インチ）のオリフィスを使用して約２０４リットル／時（７．２ｓｃｆｈ）である。例示的なさらに別の実施例では、流体が注入器３０のオリフィスから出る流量は、１２０ｐｓｉで０．１ｍｍ（０．００４インチ）のオリフィスを使用して約５１リットル／時（１．８ｓｃｆｈ）である。いくつかの実施例では、コーティング環境において機能する場合には、いずれかの液体ポンプを使用して、洗浄用流体をミスト・ノズルに供給することができる。
以上の例は、説明することのみを目的として提供されており、本発明を限定するものとしていっさい解釈されないことに留意されたい。本発明は、例示的な具体例を参照しつつ説明されているが、本明細書で使用されている文言は、限定文言ではなく、説明と例示の文言であることは理解される。付属の請求項の範囲内で、本明細書で述べられ、修正された通りに、その態様において本発明の範囲及び原理から逸脱することなく変更がなされうる。本発明は、特定の手段、材料、及び実施例を参照しつつ本明細書で説明されているが、本発明は、本明細書で開示されている詳細に限定されることを意図しておらず、むしろ、本発明は、付属の請求項の範囲内にあるような、すべての機能的に同等の構造、方法、及び使用に及ぶ。

Claims (27)

  1. 溶射銃の領域内に液体を注入する装置であって、該装置が、注入器洗浄デバイスと、前記注入器洗浄デバイスと流体連通する注入器オリフィスとを有し、
    前記注入器洗浄デバイスが、
    少なくとも１つの原料供給管路に接続可能な入口、
    少なくとも１つのガス供給管路に接続可能な入口、
    少なくとも１つの液体媒質供給管路に接続可能な入口、及び
    前記少なくとも１つのガス供給管路を通じてガスを受容し、前記少なくとも１つの液体媒質供給管路を通じて洗浄液を受容して、原料供給通路に供給するパージ・ミストを生成する噴霧チャンバー
    を備え、
    前記注入器オリフィスが、前記注入器洗浄デバイスの前記噴霧チャンバーに流体連通して、
    前記溶射銃の前記領域内に液体ジェットを注入すること、並びに
    前記入口に入る原料、ガス及び液体を受け入れること
    のうちの少なくとも一つに適合されている、装置。
  2. 前記噴霧チャンバーが、前記注入器オリフィスの上流に配置された前記原料供給通路に管路を通じて結合されている、請求項１に記載された装置。
  3. 前記少なくとも１つの原料供給管路、前記少なくとも１つのガス供給管路、及び前記少なくとも１つの液体媒質供給管路が、前記注入器オリフィスの上流に配置されている、請求項１に記載された装置。
  4. 前記注入器洗浄デバイスを前記溶射銃の一部に結合するように適合された装着部をさらに備える、請求項１に記載された装置。
  5. 前記注入器洗浄デバイスが、
    パージ・ブロック部及び／又はミスト・チャンバー部を備え、
    前記ミスト・チャンバー部が、逆止弁の上流に配置された前記噴霧チャンバーを備え、
    前記パージ・ブロック部が、
    液体又はガスに伴う汚染物質が前記注入器オリフィスから排出されることを防ぐための逆止弁及びフィルターを備えるか、あるいは
    前記液体媒質及びガス供給管路の前記入口の下流に配置された逆止弁と流体連通し、前記原料供給管路の下流に配置された別の通路と流体連通する通路を備える、請求項１に記載された装置。
  6. 前記注入器洗浄デバイスが、ミスト・チャンバー部を備え、前記少なくとも１つのガス供給管路に接続可能な入口及び前記少なくとも１つの液体媒質供給管路に接続可能な入口が、
    前記ミスト・チャンバー部に配置されること、及び
    前記ミスト・チャンバー部に結合されること
    のうちの少なくとも一つを施される、請求項１に記載された装置。
  7. 前記注入器洗浄デバイスが、パージ・ブロック部を備え、前記少なくとも１つの原料供給管路に接続可能な入口が、
    前記パージ・ブロック部に配置されること、及び
    前記パージ・ブロック部に結合されること
    のうちの少なくとも一つを施される、請求項１に記載された装置。
  8. 前記注入器洗浄デバイスを前記溶射銃の放出端部に結合するように適合された装着部をさらに備える、請求項１に記載された装置。
  9. 前記装着部が、前記溶射銃に固定可能な銃架を備える、請求項８に記載された装置。
  10. 前記装着部が、前記溶射銃に取外し可能に固定可能な銃架を備える、請求項８に記載された装置。
  11. 前記装着部が、
    前記溶射銃に固定可能な銃架、
    装着ブロック、及び
    前記装着ブロックを前記注入器洗浄デバイスに接続するように適合された支持板
    のうちの少なくとも１つを備える、請求項８に記載された装置。
  12. 溶射銃のための注入器洗浄装置であって、
    原料供給通路に連結された少なくとも１つの原料供給管路と、
    前記原料供給通路の下流に配置され、前記原料供給通路に流体連通する注入器オリフィスと、
    少なくとも１つのガス供給管路と、
    洗浄液を供給するように構成された少なくとも１つの液体媒質供給管路と
    前記ガス供給管路および前記液体媒質供給管路を通じて、それぞれガスおよび洗浄液を受容する噴霧チャンバーと
    を備え、
    前記噴霧チャンバーは、パージ・ミストを、前記原料供給管路と前記注入器オリフィスとの間に位置する前記原料供給通路に供給するように構成され、
    前記少なくとも１つの原料供給管路、前記少なくとも１つのガス供給管路、及び前記少なくとも１つの液体媒質供給管路が、前記溶射銃の領域に配置された前記注入器オリフィスの上流に配置される、
    装置。
  13. 前記原料供給管路、前記ガス供給管路、及び前記液体媒質供給管路のうちの少なくとも１つが、注入器組立体に取外し可能に接続される、請求項１２に記載された装置。
  14. 前記少なくとも１つの液体媒質供給管路が、洗浄液を含む液体媒質供給部に接続される、請求項１２に記載された装置。
  15. 前記洗浄液が水洗剤である、請求項１４記載された装置。
  16. 前記洗浄液が、原料を注入するための注入器を洗浄するように構造化され構成された液体である、請求項１４に記載された装置。
  17. 前記原料供給管路が、原料を収容するホッパーに接続される、請求項１２に記載された装置。
  18. 前記原料が、懸濁液、前駆体、及び溶液のうちの少なくとも１つである、請求項１７に記載された装置。
  19. ２つの切替え可能なモードを有するパージ部をさらに備え、
    第１のモードでは液体供給物が前記注入器オリフィスに供給され、
    第２のモードでは液体媒質が前記注入器オリフィスに供給される、
    請求項１２から請求項１８までのいずれか一項に記載された装置。
  20. 原料、
    ガス、
    液体媒質、及び
    パージ流体
    のうちの少なくとも１つの流れを制御するように適合されたコントローラをさらに備える、請求項１２から請求項１９までのいずれか一項に記載された装置。
  21. 溶射銃の高温流又はプラズマ中に液体ジェットを注入するシステムであって、該システムが、
    溶射銃と、
    請求項１２に記載された注入器洗浄装置と
    を備える、システム。
  22. 溶射銃の高温流又はプラズマ中に液体ジェットを注入するシステムであって、
    溶射銃と、
    請求項１に記載された装置と
    を備える、システム。
  23. 溶射銃の高温流又はプラズマに液体ジェットを注入する方法であって、該方法が、
    溶射銃に請求項１２に記載された注入器洗浄装置を配置すること、及び
    注入器オリフィスを介して液体を放出することと、
    ２つの異なる時点において注入器オリフィスを介して原料及び洗浄用液体のそれぞれを放出することと、
    原料供給サイクルにおいて注入器オリフィスを介して原料を放出し、洗浄用流体洗浄サイクルにおいて注入器オリフィスを介して洗浄用流体を放出することと
    のうちの少なくとも１つ
    を含む、方法。
  24. 溶射銃の高温流又はプラズマに液体ジェットを注入する方法であって、
    溶射銃に請求項１に記載された装置を配置すること、及び
    注入器オリフィスを介して、液体ジェットを前記溶射銃の領域内に生成された高温流又はプラズマに注入すること
    を含む、方法。
  25. 請求項１から請求項２２までのいずれか一項に記載の装置又はシステムを使用する方法であって、
    液体原料の流れを停止した後に、噴霧された液体洗浄流体の流れを発生させることを含み、
    前記発生により、実質的に、注入器オリフィスの上流に配置された少なくとも１つの流れの表面での閉塞物質の蓄積又は析出が防がれる、方法。
  26. 溶射銃の領域内に液体を注入する装置であって、該装置が、注入器オリフィスと、注入器洗浄デバイスと、逆止弁とを有し、
    前記注入器オリフィスが、
    原料供給管路に受容された原料、および
    パージ・ミスト
    のうちのいずれかを放出するように構成され、
    前記注入器洗浄デバイスが、
    少なくとも１つのガス供給管路に接続可能な入口、
    少なくとも１つの液体媒質供給管路に接続可能な入口、及び
    前記少なくとも１つのガス供給管路を通じてガスを受容し、前記少なくとも１つの液体媒質供給管路を通じて洗浄液を受容して、パージ・ミストを生成する噴霧チャンバー
    を備え、
    前記逆止弁が、原料供給管路と前記注入器オリフィスとの間の原料供給通路に配置され、
    前記パージ・ミストが、前記逆止弁の下流かつ前記注入器オリフィスの上流に位置する前記原料供給通路に供給されるようになっている、装置。
  27. 前記噴霧チャンバーが、前記原料供給通路に通路を介して結合しており、
    他の逆止弁が、該通路と前記噴霧チャンバーとの間に配置されている、請求項２６に記載された装置。
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