コールドスプレー測定装置およびこれを用いる測定方法
【課題】コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定を実現する。
【解決手段】コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置１０であって、噴射体の温度を検出する熱電対１１と、熱電対１１を支持するノーズコーン１５と、を具備し、ノーズコーン１５の頂部１５Ａの半頂角θ１は、コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数Ｍによって表したとき、マッハ数Ｍに対応するマッハ角θＭ以下の角度となるように形成され、熱電対１１は、ノーズコーン１５に内設され、ノーズコーン１５の頂部１５Ａに熱電対１１が配置される。
【解決手段】コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置１０であって、噴射体の温度を検出する熱電対１１と、熱電対１１を支持するノーズコーン１５と、を具備し、ノーズコーン１５の頂部１５Ａの半頂角θ１は、コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数Ｍによって表したとき、マッハ数Ｍに対応するマッハ角θＭ以下の角度となるように形成され、熱電対１１は、ノーズコーン１５に内設され、ノーズコーン１５の頂部１５Ａに熱電対１１が配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定する測定装置およびこれを用いる測定方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コールドスプレーは、金属部材に皮膜を形成する新しい溶射方法の技術として公知である。コールドスプレーは、固相状態のまま原料粉末の皮膜を形成する方法として注目されている。より詳しくは、コールドスプレーとは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に原料粉末を投入してノズルより噴射し、固相状態のまま金属部材に衝突させて皮膜を形成する溶射方法である。言い換えれば、コールドスプレーとは、金属、合金、金属間化合物またはセラミックス等の原料粉末を超音速で金属表面に固相状態で衝突させて皮膜を形成するものである。例えば、特許文献１はコールドスプレーのノズルの構成を開示している。
【０００３】
しかし、コールドスプレーが注目されている一方で、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定については実現できていないのが現状である。その原因として、超音速で飛行する微粒子を捉えなければならないこと、通常の溶射（１０００℃〜４０００℃）よりも温度が低い（６００℃）ため溶射の測定技術が適用できないこと、測定環境が超音速場であるため測定装置が衝撃波等の影響を受けること、等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４２６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定を実現することである。
【０００６】
即ち、請求項１においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記測定装置は、前記噴射体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、円錐形状に形成され、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、前記温度検出手段は、温度検出部と、前記温度検出部から延出する電線部と、を具備し、前記ノーズコーンに内設され、前記ノーズコーンの頂部に温度検出部が配置されるものである。
【０００７】
請求項２においては、請求項１記載のコールドスプレー測定装置であって、前記ノーズコーンは、前記円錐形状の側面周囲に複数のスリットが前記頂部に向かって放射状に形成され、前記温度検出手段の前記電線部は、前記スリットに埋設されるものである。
【０００８】
請求項３においては、請求項１または２記載のコールドスプレー測定装置であって、前記ノーズコーンの頂部には、前記コールドスプレーの噴射方向に対して垂直な平面が形成され、前記平面の直径は、前記ノズルの口径以下に形成されるものである。
【０００９】
請求項４においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記コールドスプレー測定装置は、前記噴射体の流速を検出するピトー管と、前記ピトー管を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、円錐形状に形成され、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、前記ピトー管は、その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、前記ピトー管の前記コールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、前記マッハ数に対応するマッハ角以下に形成されるものである。
【００１０】
請求項５においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記コールドスプレー測定装置は、前記噴射体の温度を検出するシース熱電対と、前記シース熱電対を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下となるように形成され、前記シース熱電対は、その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、前記シース熱電対のコールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、前記マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成されるものである。
【００１１】
請求項６においては、請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、前記ノーズコーンの側面には、前記円錐軸を中心とするリングがマーキングされ、前記スプレーガンのノズル近傍には、リング状のレーザを放射するレーザポインタが配置され、前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、前記レーザポインタのリング状のレーザを前記ノーズコーンの側面に照射し、前記リング状のレーザと前記ノーズコーンの側面にマーキングされたリングとを一致させ、前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングするものである。
【００１２】
請求項７においては、請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、前記スプレーガンのノズル近傍には、水平方向と平行な線分のレーザを放射する水平レーザポインタと、鉛直方向と平行な線分のレーザを放射する鉛直レーザポインタと、が配置され、前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、前記水平レーザポインタによるレーザと前記鉛直レーザポインタによるレーザとを前記ノーズコーンに照射し、前記水平レーザポインタによるレーザと、前記鉛直レーザポインタによるレーザと、の交点を前記ノーズコーンの頂点に一致させ、前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコールドスプレー測定装置およびこれを用いる測定方法によれば、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るコールドスプレーシステムの構成を示した模式図。
【図２】実施形態１のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図３】実施形態２のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図４】実施形態３のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図５】実施形態４のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図６】実施形態５のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図７】測定方法１の構成を示す模式図。
【図８】同じく測定方法１の流れを示すフロー図。
【図９】測定方法２の構成を示す模式図。
【図１０】同じく測定方法２の流れを示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を用いて、コールドスプレーシステム１００について説明する。
コールドスプレーシステム１００は、原料粉末としての銅の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスとしての窒素ガスを超音速流とし、銅粉末と共にノズル１１０から噴射体として噴射し、固相状態のまま金属部材１２０に衝突させて皮膜を形成する溶射方法である「コールドスプレー」を実現する装置である。コールドスプレーシステム１００は、ノズル１１０と、ガス加熱装置１１２と、粉末供給装置１１４と、を具備している。
【００１６】
ガス加熱装置１１２は、ガス導入管１１７より導入される窒素ガスを銅の融点又は軟化点よりも低い温度まで加熱し、ガス導入管１１６よりノズル１１０に供給する装置である。粉末供給装置１１４は、ホッパー１１３に貯溜された銅を粉末状に粉砕し、粉末導入管１１５よりノズル１１０に供給する装置である。
【００１７】
ノズル１１０は、ガス導入管１１６より導入される窒素ガスを超音速流とするとともに、粉末導入管１１５より導入される銅粉末を窒素ガス中に投入することにより、銅粉末を窒素ガスとともに超音速流として噴射して固相状態のまま金属部材１２０に衝突させるものである。なお、金属部材１２０には、マスキング治具１２１・１２１が設けられ、マスキング治具１２１・１２１が設けられた箇所以外の部分、すなわち金属部材１２０の必要な部分のみに皮膜が形成される。
【００１８】
本実施形態のコールドスプレーシステム１００では、原料粉末を銅とし、作動ガスを窒素とする構成としたが、これに限定されない。原料粉末をアルミニウムまたはニッケルとし、作動ガスを空気とする構成としても良い。
【００１９】
図２を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態１であるコールドスプレー測定装置１０について説明する。
なお、図２〜図６では、上述したコールドスプレーシステム１００のノズル１１０の噴射方向Ｓを矢印Ｓで示し、コールドスプレー測定装置１０が具備するノーズコーン１５の円錐軸を軸Ｐで示している。また、図２（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図２（Ｂ）は、ノーズコーン１５の頂部１５Ａを拡大して示しており、コールドスプレーの測定中に銅粉末が頂部１５Ａに堆積する状態を示している。
【００２０】
コールドスプレー測定装置１０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置１０は、温度検出手段としての熱電対１１と、熱電対１１を支持するノーズコーン１５と、を具備している。
【００２１】
ノーズコーン１５は、多孔質セラミックを円錐形状に形成して構成されている。また、円錐形状に形成されるノーズコーン１５の円錐軸Ｐは、ノズル１１０の噴射方向Ｓ（図２における矢印Ｓ）と同軸上に配置される。さらに、ノーズコーン１５は、ノズル１１０の噴射方向Ｓに対向して円錐形状の頂部１５Ａが配置される。特記すべき事項として、ノーズコーン１５の半頂角θ１は、後述するマッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度となるように形成されている。ここで、マッハ角θＭとは、コールドスプレーによって形成される超音速場の音速であるマッハ数Ｍを用いて、以下の式で表される。
【数１】
【００２２】
熱電対１１は、先端の温度検出部１１Ａと、温度検出部１１Ａから延出する電線部１１Ｂと、を具備している。また、熱電対１１は、極細（本実施形態ではφ０．０１３ｍｍ〜０．２５ｍｍ）の熱電対が採用されている。電線部１１Ｂは、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに挿設されている。温度検出部１１Ａは、ノーズコーン１５の頂部１５Ａに配置されている。
【００２３】
実施形態１のコールドスプレー測定装置１０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置１０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に温度検出部１１Ａが存在している。そのため、コールドスプレーによる超音速場では、飛行中の航空機のように、温度検出部１１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。また、銅粉末は、ノズル１１０よってマッハ数Ｍの超音速流として噴射され、ノーズコーン１５の頂部１５Ａにてノーズコーン１５およびマッハコーン領域と同様の円錐形状となって堆積する（図２（Ｂ）参照）。
【００２４】
実施形態１のコールドスプレー測定装置１０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置１０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン１５によって形成されているため、衝撃波が緩和され、超音速場においても安定して熱電対１１を支持することができる。また、ノズル１１０より超音速流として噴射された銅粉末は、ノーズコーン１５の頂部１５Ａにて円錐形状となって堆積するため、最初に堆積した粒子は、超音速場の影響を受けることがない。そのため、温度検出部１１Ａは、周囲の影響を受けずに、最初に堆積した粒子の温度を計測することができる。
【００２５】
つまり、コールドスプレー測定装置１０によれば、コールドスプレーシステム１００による銅粉末または窒素ガスの温度測定を実現することができる。
【００２６】
また、ノーズコーン１５は、多孔質セラミックによって形成されているため、低熱伝導率、低熱膨張率、耐熱性および絶縁性を兼ね備えている。そのため、コールドスプレーシステム１００における高温のガスや堆積粒子の影響を受けることがない。
【００２７】
さらに、熱電対１１は、極細の熱電対が採用されているため、応答速度が速く、熱容量の小さい堆積粒子の温度を正確に測定できる。また、熱電対自身の熱容量も小さいため、熱容量の小さい堆積粒子の温度を正確に測定できる。
【００２８】
さらに、熱電対１１は、ノーズコーン１５に内設されているため、コールドスプレーシステム１００における高温ガスまたは堆積粒子の影響を受けることがない。
【００２９】
図３を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態２であるコールドスプレー測定装置２０について説明する。
なお、図３（Ａ）は、コールドスプレー測定装置２０の全体構成を示している。図３（Ｂ）は、ノーズコーン２５の頂部２５Ａを噴射方向Ｓから示している。
【００３０】
コールドスプレー測定装置２０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置２０は、温度検出手段としての熱電対２１と、熱電対２１を支持するノーズコーン２５と、を具備している。
【００３１】
ノーズコーン２５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため、重複する構成については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン２５には、円錐形状の側面周囲に複数のスリット２６・２７が頂部２５Ａに向かって放射状に形成されている（図３（Ｂ）参照）。各スリット２６・２６・・・は、それぞれノーズコーン２５の側面における底部側端から頂部側端にかけて形成されており、互いに周方向の位相位置をずらして配置されている。同様に、各スリット２７・２７・・・は、それぞれノーズコーン２５の側面における底部側端から頂部側端にかけて形成されており、互いに周方向の位相位置をずらして配置されている。特記すべき事項として、スリット２７は、スリット２６よりも幅の広いスリットとして円錐形状の側面周囲に形成されている。
【００３２】
熱電対２１は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１の熱電対１１と同様の構成であるため、重複する構成については説明を省略する。すなわち、電線部２１Ｂは、スリット２６に埋設されている。電線部２１Ｂは、熱電対２１に一対備えられており、各電線部２１Ｂがそれぞれ個別のスリット２６に埋設されている。温度検出部２１Ａは、ノーズコーン２５の頂部２５Ａに配置されている。
【００３３】
実施形態２のコールドスプレー測定装置２０の作用は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００３４】
実施形態２のコールドスプレー測定装置２０の効果は、以下に説明する効果を除いて、実施形態１の効果と同様であるため、重複する効果については説明を省略する。すなわち、電線部２１Ｂがスリット２６に埋設されているため、熱電対２１が衝撃波等の外力の影響を受けることがない。また、ノーズコーン１５にはスリット２６・２７を加工するのみの構成であるため、ノーズコーン１５が加工しやすくなり、加工コストを抑えることができる。
【００３５】
また、ノーズコーン２５は絶縁体であるセラミックスにて構成されており、一対の電線部２１Ｂはそれぞれ個別のスリット２６に埋設されているため、各電線部２１Ｂを絶縁被覆を施さない素線の仕様に構成した場合でも、各電線部２１Ｂ同士の絶縁を図ることが可能となる。
【００３６】
また、ノーズコーン２５には、複数のスリット２６・２７が形成されているため、例えば埋設した熱電対２１が破損しても、破損した熱電対２１が埋設されていたスリット２６・２７とは別のスリット２６・２７に熱電対２１を埋設することで、新たな熱電対２１をノーズコーン２５に装着することができ、ノーズコーン２５を再利用することが可能となる。さらに、スリット２６とスリット２７とは互いに幅が異なるため、様々な線径の熱電対を埋設することができる。
【００３７】
図４を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態３であるコールドスプレー測定装置３０について説明する。
なお、図４（Ａ）は、コールドスプレー測定装置３０の全体構成を示している。図４（Ｂ）は、ノーズコーン３５の頂部３５Ａを拡大して示しており、コールドスプレーの計測中に銅粉末が頂部１５Ａに堆積する状態を示している。
【００３８】
コールドスプレー測定装置３０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置３０は、温度検出手段としての熱電対３１と、熱電対３１を支持するノーズコーン３５と、を具備している。
【００３９】
ノーズコーン３５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため説明を省略する。すなわち、ノーズコーン３５の頂部３５Ａには、コールドスプレーの噴射方向Ｓに対して垂直な平面３６が形成されている。また、平面３６（円錐形状の平面であるため円形状）は、ノズル口径Ｄ１よりも大きい直径Ｄ２で形成されている。
【００４０】
熱電対３１は、実施形態１の熱電対１１と同様の構成であるため説明を省略する。
【００４１】
実施形態３のコールドスプレー測定装置３０の作用は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００４２】
実施形態３のコールドスプレー測定装置３０の効果は、以下に説明する効果を除いて、実施形態１の効果と同様であるため、重複する効果については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン３５の頂部３５Ａには平面３６が形成されているため、効率良く銅粉末を頂部３５Ａの平面３６に堆積させることができる。特に、平面３６の直径Ｄ２はノズル口径Ｄ１よりも大きく形成されているため、銅粉末の堆積効率を向上する（銅粉末を平面３６以外の部分に堆積させない）ことが可能となっている。そのため、銅粉末の堆積粒子の温度を正確に測定できる。
【００４３】
図５を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態４であるコールドスプレー測定装置４０について説明する。
なお、図５（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図５（Ｂ）は、ピトー菅４１の頂部４５Ａを拡大して示している。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣＣ´断面を示している。また、コールドスプレー測定装置４０は、超音速流である窒素ガスの流速を計測するものとする。
【００４４】
コールドスプレー測定装置４０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される窒素ガスの流速を計測する装置である。コールドスプレー測定装置４０は、ピトー菅４１と、ピトー菅４１を支持するノーズコーン４５と、を具備している。
【００４５】
ノーズコーン４５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため、重複する部分については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン４５は、ベース４６に支持されている。ベース４６は、三角柱形状に形成されている。ベース４６の断面形状（三角形状）のノズル１１０の噴射方向Ｓに対向する側の半頂角θ３は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている（図５（Ｃ）参照）。
【００４６】
ピトー菅４１は、Ｌ字形状に形成され、先端部４１Ａと、水平部４１Ｂと、鉛直部４１Ｃと、を具備している。水平部４１Ｂは、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに沿って挿設されている。鉛直部４１Ｃは、ベース４６に内設されている。先端部４１Ａは、水平部４１Ｂのコールドスプレーのノズル１１０に対向する側であって、ノーズコーン４５の頂部４５Ａに配置されている。つまり、ピトー菅４１の先端部４１Ａは、ノーズコーン４５の頂部４５Ａから先端側へ向かって突出している。特記すべき事項として、先端部４１Ａの半頂角θ２は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている（図５（Ｂ）参照）。
【００４７】
実施形態４のコールドスプレー測定装置４０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置４０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に先端部４１Ａが存在している。そのため、飛行中の航空機のように、コールドスプレーによる超音速場における先端部４１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。
【００４８】
実施形態４のコールドスプレー測定装置４０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置４０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン４５によって形成されているため、衝撃波が緩和され、超音速場においても安定してピトー菅４１を支持することができる。また、ピトー菅４１の先端部４１Ａがマッハ角θＭ以下の半頂角θ２となるように形成されているため、超音速場においても安定して流速を測定できる。つまり、コールドスプレー測定装置４０によれば、コールドスプレーシステム１００による窒素ガスの流速測定を実現することができる。
【００４９】
図６を用いて、実施形態５であるコールドスプレー測定装置５０について説明する。
なお、図６（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図６（Ｂ）は、ノーズコーン５５の頂部５５Ａを拡大して示している。
【００５０】
コールドスプレー測定装置５０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置５０は、シース熱電対５１と、シース熱電対５１を支持するノーズコーン５５と、を具備している。
【００５１】
ノーズコーン５５は、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため説明を省略する。
【００５２】
シース熱電対５１は、先端部５１Ａと、温度検出部５１Ｂと、電線部５１Ｃと、を具備している。また、シース熱電対５１は、極細（本実施形態ではφ０．１ｍｍ）のシース熱電対が採用されている。シース熱電対５１は、ノーズコーン５５の円錐軸Ｐに沿って挿設されている。先端部５１Ａは、温度検出部５１Ｂのコールドスプレーのノズル１１０に対向する側であって、ノーズコーン５５の頂部５５Ａに配置されている。つまり、シース熱電対５１の先端部５１Ａは、ノーズコーン５５の頂部５５Ａから先端側へ向かって突出している。特記すべき事項として、先端部５１Ａの半頂角θ２は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている。
【００５３】
実施形態５のコールドスプレー測定装置５０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置５０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に先端部５１Ａが存在している。そのため、飛行中の航空機のように、コールドスプレーによる超音速場における先端部５１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。
【００５４】
実施形態５のコールドスプレー測定装置５０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置５０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン５５によって形成されているため、衝撃波を緩和し、超音速場においても安定してシース熱電対１１を支持することができる。また、シース熱電対５１の先端部５１Ａがマッハ角θＭ以下の半頂角θ２となるように形成されているため、超音速場においても安定して温度を測定できる。つまり、コールドスプレー測定装置５０によれば、コールドスプレーシステム１００による銅粉末または窒素ガスの温度測定を実現することができる。
【００５５】
図７を用いて、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法（以下、測定方法１）の構成について説明する。
測定方法１とは、温度測定を行う際のコールドスプレーによる噴射の前に、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリング（中央位置合わせ）する方法である。測定方法１では、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法としたが、これに限定されない。実施形態２〜５のコールドスプレー測定装置２０・３０・４０・５０による測定方法とする構成としても良い。
【００５６】
ノズル１１０は、レーザポインタ７０と、を具備している。レーザポインタ７０は、ノズル１１０の先端側に設けられている。レーザポインタ７０は、リング状レーザＲＬを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。
【００５７】
ノーズコーン１５は、リング状マーキング１８を具備している。リング状マーキング１８は、ノーズコーン１５の側面周囲に円形状にマーキングされている。リング状マーキング１８は、リング状マーキング１８を通る面がノーズコーン１５の円錐軸Ｐに対する垂直面となるように配置されている。
【００５８】
図８を用いて、測定方法１の流れについて説明する。
なお、以下では、コールドスプレー測定装置１０による測定を行う者を測定者として説明する。
【００５９】
測定者は、ステップＳ１１０において、コールドスプレーシステム１００に対して、コールドスプレー測定装置１０を設置する。このとき、コールドスプレー測定装置１０は、ノズル１１０に対して、垂直かつ平行に設置されるものとする。次に、測定者は、ステップＳ１２０において、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５に向けてレーザポインタ７０からリング状レーザＲＬを照射する。
【００６０】
測定者は、ステップＳ１３０において、照射されたリング状レーザＲＬとノーズコーン１５の側面周囲にマーキングされるリング状マーキング１８とを一致させる。このとき、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐとノズル１１０の軸心とが一致する。次に、測定者は、ステップＳ１４０において、ノズル１１０に対して、コールドスプレー測定装置１０の温度検出部１１Ａの距離を調整する。
【００６１】
測定方法１の効果について説明する。
すなわち、測定方法１によれば、簡易な構成で、確実にコールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリングできる。また、リング状レーザＲＬをリング状マーキング１８に一致させる方法なので、測定者は、どの方向からもリング状レーザＲＬとリング状マーキング１８との一致を確認できる。
【００６２】
図９を用いて、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による別の測定方法（以下、測定方法２）の構成について説明する。
測定方法２とは、温度測定を行う際のコールドスプレーによる噴射の前に、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリング（中央位置合わせ）する方法である。測定方法２では、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法としたが、これに限定されない。実施形態２〜５のコールドスプレー測定装置２０・３０・４０・５０による測定方法とする構成としても良い。
【００６３】
ノズル１１０は、レーザポインタ８０Ｘと、レーザポインタ８０Ｙと、を具備している。レーザポインタ８０Ｘおよびレーザポインタ８０Ｙは、ノズル１１０の先端側に設けられている。レーザポインタ８０Ｘは、水平方向に平行な線分の水平レーザＬＸを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。レーザポインタ８０Ｙは、鉛直方向に平行な線分の鉛直レーザＬＹを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。
【００６４】
図１０を用いて、測定方法２の流れについて説明する。
なお、以下では、コールドスプレー測定装置１０によって測定を行う者を測定者として説明する。
【００６５】
測定者は、ステップＳ１１０において、コールドスプレーシステム１００に対して、コールドスプレー測定装置１０を設置する。このとき、コールドスプレー測定装置１０は、ノズル１１０に対して、垂直かつ平行に設置されるものとする。次に、測定者は、ステップＳ１２０において、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５に向けてレーザポインタ８０Ｘ・８０Ｙからそれぞれ水平レーザＬＸ・鉛直レーザＬＹを照射する。
【００６６】
測定者は、ステップＳ１３０において、照射された水平レーザＬＸと鉛直レーザＬＹとの交点ＬＰと、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに配置される熱電対１１の温度検出部１１Ａと、を一致させる（図１０の下方に示す図参照）。このとき、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐとノズル１１０の軸心とが一致する。次に、測定者は、ステップＳ１４０において、ノズル１１０に対して、コールドスプレー測定装置１０の温度検出部１１Ａの距離を調整する。
【００６７】
測定方法２の効果について説明する。
すなわち、測定方法１によれば、簡易な構成で、確実にコールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリングできる。
【符号の説明】
【００６８】
１０ コールドスプレー測定装置
１１ 熱電対（温度検出手段）
１１Ａ 先端部
１５ マッハコーン
１５Ａ 頂部
１００ コールドスプレーシステム
１１０ ノズル
Ｍ マッハ数
Ｓ 噴射方向
θＭ マッハ角
θ１ 半頂角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定する測定装置およびこれを用いる測定方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コールドスプレーは、金属部材に皮膜を形成する新しい溶射方法の技術として公知である。コールドスプレーは、固相状態のまま原料粉末の皮膜を形成する方法として注目されている。より詳しくは、コールドスプレーとは、原料粉末の融点又は軟化点よりも低い温度の作動ガスを超音速流とし、作動ガス中に原料粉末を投入してノズルより噴射し、固相状態のまま金属部材に衝突させて皮膜を形成する溶射方法である。言い換えれば、コールドスプレーとは、金属、合金、金属間化合物またはセラミックス等の原料粉末を超音速で金属表面に固相状態で衝突させて皮膜を形成するものである。例えば、特許文献１はコールドスプレーのノズルの構成を開示している。
【０００３】
しかし、コールドスプレーが注目されている一方で、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定については実現できていないのが現状である。その原因として、超音速で飛行する微粒子を捉えなければならないこと、通常の溶射（１０００℃〜４０００℃）よりも温度が低い（６００℃）ため溶射の測定技術が適用できないこと、測定環境が超音速場であるため測定装置が衝撃波等の影響を受けること、等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４２６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定を実現することである。
【０００６】
即ち、請求項１においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記測定装置は、前記噴射体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、円錐形状に形成され、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、前記温度検出手段は、温度検出部と、前記温度検出部から延出する電線部と、を具備し、前記ノーズコーンに内設され、前記ノーズコーンの頂部に温度検出部が配置されるものである。
【０００７】
請求項２においては、請求項１記載のコールドスプレー測定装置であって、前記ノーズコーンは、前記円錐形状の側面周囲に複数のスリットが前記頂部に向かって放射状に形成され、前記温度検出手段の前記電線部は、前記スリットに埋設されるものである。
【０００８】
請求項３においては、請求項１または２記載のコールドスプレー測定装置であって、前記ノーズコーンの頂部には、前記コールドスプレーの噴射方向に対して垂直な平面が形成され、前記平面の直径は、前記ノズルの口径以下に形成されるものである。
【０００９】
請求項４においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記コールドスプレー測定装置は、前記噴射体の流速を検出するピトー管と、前記ピトー管を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、円錐形状に形成され、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、前記ピトー管は、その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、前記ピトー管の前記コールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、前記マッハ数に対応するマッハ角以下に形成されるものである。
【００１０】
請求項５においては、コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、前記コールドスプレーは、材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、前記コールドスプレー測定装置は、前記噴射体の温度を検出するシース熱電対と、前記シース熱電対を支持するノーズコーンと、を具備し、前記ノーズコーンは、前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下となるように形成され、前記シース熱電対は、その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、前記シース熱電対のコールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、前記マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成されるものである。
【００１１】
請求項６においては、請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、前記ノーズコーンの側面には、前記円錐軸を中心とするリングがマーキングされ、前記スプレーガンのノズル近傍には、リング状のレーザを放射するレーザポインタが配置され、前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、前記レーザポインタのリング状のレーザを前記ノーズコーンの側面に照射し、前記リング状のレーザと前記ノーズコーンの側面にマーキングされたリングとを一致させ、前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングするものである。
【００１２】
請求項７においては、請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、前記スプレーガンのノズル近傍には、水平方向と平行な線分のレーザを放射する水平レーザポインタと、鉛直方向と平行な線分のレーザを放射する鉛直レーザポインタと、が配置され、前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、前記水平レーザポインタによるレーザと前記鉛直レーザポインタによるレーザとを前記ノーズコーンに照射し、前記水平レーザポインタによるレーザと、前記鉛直レーザポインタによるレーザと、の交点を前記ノーズコーンの頂点に一致させ、前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコールドスプレー測定装置およびこれを用いる測定方法によれば、コールドスプレーによる噴射体の物理量の測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るコールドスプレーシステムの構成を示した模式図。
【図２】実施形態１のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図３】実施形態２のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図４】実施形態３のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図５】実施形態４のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図６】実施形態５のコールドスプレー測定装置の構成を示す模式図。
【図７】測定方法１の構成を示す模式図。
【図８】同じく測定方法１の流れを示すフロー図。
【図９】測定方法２の構成を示す模式図。
【図１０】同じく測定方法２の流れを示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１を用いて、コールドスプレーシステム１００について説明する。
コールドスプレーシステム１００は、原料粉末としての銅の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスとしての窒素ガスを超音速流とし、銅粉末と共にノズル１１０から噴射体として噴射し、固相状態のまま金属部材１２０に衝突させて皮膜を形成する溶射方法である「コールドスプレー」を実現する装置である。コールドスプレーシステム１００は、ノズル１１０と、ガス加熱装置１１２と、粉末供給装置１１４と、を具備している。
【００１６】
ガス加熱装置１１２は、ガス導入管１１７より導入される窒素ガスを銅の融点又は軟化点よりも低い温度まで加熱し、ガス導入管１１６よりノズル１１０に供給する装置である。粉末供給装置１１４は、ホッパー１１３に貯溜された銅を粉末状に粉砕し、粉末導入管１１５よりノズル１１０に供給する装置である。
【００１７】
ノズル１１０は、ガス導入管１１６より導入される窒素ガスを超音速流とするとともに、粉末導入管１１５より導入される銅粉末を窒素ガス中に投入することにより、銅粉末を窒素ガスとともに超音速流として噴射して固相状態のまま金属部材１２０に衝突させるものである。なお、金属部材１２０には、マスキング治具１２１・１２１が設けられ、マスキング治具１２１・１２１が設けられた箇所以外の部分、すなわち金属部材１２０の必要な部分のみに皮膜が形成される。
【００１８】
本実施形態のコールドスプレーシステム１００では、原料粉末を銅とし、作動ガスを窒素とする構成としたが、これに限定されない。原料粉末をアルミニウムまたはニッケルとし、作動ガスを空気とする構成としても良い。
【００１９】
図２を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態１であるコールドスプレー測定装置１０について説明する。
なお、図２〜図６では、上述したコールドスプレーシステム１００のノズル１１０の噴射方向Ｓを矢印Ｓで示し、コールドスプレー測定装置１０が具備するノーズコーン１５の円錐軸を軸Ｐで示している。また、図２（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図２（Ｂ）は、ノーズコーン１５の頂部１５Ａを拡大して示しており、コールドスプレーの測定中に銅粉末が頂部１５Ａに堆積する状態を示している。
【００２０】
コールドスプレー測定装置１０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置１０は、温度検出手段としての熱電対１１と、熱電対１１を支持するノーズコーン１５と、を具備している。
【００２１】
ノーズコーン１５は、多孔質セラミックを円錐形状に形成して構成されている。また、円錐形状に形成されるノーズコーン１５の円錐軸Ｐは、ノズル１１０の噴射方向Ｓ（図２における矢印Ｓ）と同軸上に配置される。さらに、ノーズコーン１５は、ノズル１１０の噴射方向Ｓに対向して円錐形状の頂部１５Ａが配置される。特記すべき事項として、ノーズコーン１５の半頂角θ１は、後述するマッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度となるように形成されている。ここで、マッハ角θＭとは、コールドスプレーによって形成される超音速場の音速であるマッハ数Ｍを用いて、以下の式で表される。
【数１】
【００２２】
熱電対１１は、先端の温度検出部１１Ａと、温度検出部１１Ａから延出する電線部１１Ｂと、を具備している。また、熱電対１１は、極細（本実施形態ではφ０．０１３ｍｍ〜０．２５ｍｍ）の熱電対が採用されている。電線部１１Ｂは、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに挿設されている。温度検出部１１Ａは、ノーズコーン１５の頂部１５Ａに配置されている。
【００２３】
実施形態１のコールドスプレー測定装置１０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置１０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に温度検出部１１Ａが存在している。そのため、コールドスプレーによる超音速場では、飛行中の航空機のように、温度検出部１１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。また、銅粉末は、ノズル１１０よってマッハ数Ｍの超音速流として噴射され、ノーズコーン１５の頂部１５Ａにてノーズコーン１５およびマッハコーン領域と同様の円錐形状となって堆積する（図２（Ｂ）参照）。
【００２４】
実施形態１のコールドスプレー測定装置１０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置１０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン１５によって形成されているため、衝撃波が緩和され、超音速場においても安定して熱電対１１を支持することができる。また、ノズル１１０より超音速流として噴射された銅粉末は、ノーズコーン１５の頂部１５Ａにて円錐形状となって堆積するため、最初に堆積した粒子は、超音速場の影響を受けることがない。そのため、温度検出部１１Ａは、周囲の影響を受けずに、最初に堆積した粒子の温度を計測することができる。
【００２５】
つまり、コールドスプレー測定装置１０によれば、コールドスプレーシステム１００による銅粉末または窒素ガスの温度測定を実現することができる。
【００２６】
また、ノーズコーン１５は、多孔質セラミックによって形成されているため、低熱伝導率、低熱膨張率、耐熱性および絶縁性を兼ね備えている。そのため、コールドスプレーシステム１００における高温のガスや堆積粒子の影響を受けることがない。
【００２７】
さらに、熱電対１１は、極細の熱電対が採用されているため、応答速度が速く、熱容量の小さい堆積粒子の温度を正確に測定できる。また、熱電対自身の熱容量も小さいため、熱容量の小さい堆積粒子の温度を正確に測定できる。
【００２８】
さらに、熱電対１１は、ノーズコーン１５に内設されているため、コールドスプレーシステム１００における高温ガスまたは堆積粒子の影響を受けることがない。
【００２９】
図３を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態２であるコールドスプレー測定装置２０について説明する。
なお、図３（Ａ）は、コールドスプレー測定装置２０の全体構成を示している。図３（Ｂ）は、ノーズコーン２５の頂部２５Ａを噴射方向Ｓから示している。
【００３０】
コールドスプレー測定装置２０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置２０は、温度検出手段としての熱電対２１と、熱電対２１を支持するノーズコーン２５と、を具備している。
【００３１】
ノーズコーン２５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため、重複する構成については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン２５には、円錐形状の側面周囲に複数のスリット２６・２７が頂部２５Ａに向かって放射状に形成されている（図３（Ｂ）参照）。各スリット２６・２６・・・は、それぞれノーズコーン２５の側面における底部側端から頂部側端にかけて形成されており、互いに周方向の位相位置をずらして配置されている。同様に、各スリット２７・２７・・・は、それぞれノーズコーン２５の側面における底部側端から頂部側端にかけて形成されており、互いに周方向の位相位置をずらして配置されている。特記すべき事項として、スリット２７は、スリット２６よりも幅の広いスリットとして円錐形状の側面周囲に形成されている。
【００３２】
熱電対２１は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１の熱電対１１と同様の構成であるため、重複する構成については説明を省略する。すなわち、電線部２１Ｂは、スリット２６に埋設されている。電線部２１Ｂは、熱電対２１に一対備えられており、各電線部２１Ｂがそれぞれ個別のスリット２６に埋設されている。温度検出部２１Ａは、ノーズコーン２５の頂部２５Ａに配置されている。
【００３３】
実施形態２のコールドスプレー測定装置２０の作用は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００３４】
実施形態２のコールドスプレー測定装置２０の効果は、以下に説明する効果を除いて、実施形態１の効果と同様であるため、重複する効果については説明を省略する。すなわち、電線部２１Ｂがスリット２６に埋設されているため、熱電対２１が衝撃波等の外力の影響を受けることがない。また、ノーズコーン１５にはスリット２６・２７を加工するのみの構成であるため、ノーズコーン１５が加工しやすくなり、加工コストを抑えることができる。
【００３５】
また、ノーズコーン２５は絶縁体であるセラミックスにて構成されており、一対の電線部２１Ｂはそれぞれ個別のスリット２６に埋設されているため、各電線部２１Ｂを絶縁被覆を施さない素線の仕様に構成した場合でも、各電線部２１Ｂ同士の絶縁を図ることが可能となる。
【００３６】
また、ノーズコーン２５には、複数のスリット２６・２７が形成されているため、例えば埋設した熱電対２１が破損しても、破損した熱電対２１が埋設されていたスリット２６・２７とは別のスリット２６・２７に熱電対２１を埋設することで、新たな熱電対２１をノーズコーン２５に装着することができ、ノーズコーン２５を再利用することが可能となる。さらに、スリット２６とスリット２７とは互いに幅が異なるため、様々な線径の熱電対を埋設することができる。
【００３７】
図４を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態３であるコールドスプレー測定装置３０について説明する。
なお、図４（Ａ）は、コールドスプレー測定装置３０の全体構成を示している。図４（Ｂ）は、ノーズコーン３５の頂部３５Ａを拡大して示しており、コールドスプレーの計測中に銅粉末が頂部１５Ａに堆積する状態を示している。
【００３８】
コールドスプレー測定装置３０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置３０は、温度検出手段としての熱電対３１と、熱電対３１を支持するノーズコーン３５と、を具備している。
【００３９】
ノーズコーン３５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため説明を省略する。すなわち、ノーズコーン３５の頂部３５Ａには、コールドスプレーの噴射方向Ｓに対して垂直な平面３６が形成されている。また、平面３６（円錐形状の平面であるため円形状）は、ノズル口径Ｄ１よりも大きい直径Ｄ２で形成されている。
【００４０】
熱電対３１は、実施形態１の熱電対１１と同様の構成であるため説明を省略する。
【００４１】
実施形態３のコールドスプレー測定装置３０の作用は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。
【００４２】
実施形態３のコールドスプレー測定装置３０の効果は、以下に説明する効果を除いて、実施形態１の効果と同様であるため、重複する効果については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン３５の頂部３５Ａには平面３６が形成されているため、効率良く銅粉末を頂部３５Ａの平面３６に堆積させることができる。特に、平面３６の直径Ｄ２はノズル口径Ｄ１よりも大きく形成されているため、銅粉末の堆積効率を向上する（銅粉末を平面３６以外の部分に堆積させない）ことが可能となっている。そのため、銅粉末の堆積粒子の温度を正確に測定できる。
【００４３】
図５を用いて、コールドスプレー測定装置の実施形態４であるコールドスプレー測定装置４０について説明する。
なお、図５（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図５（Ｂ）は、ピトー菅４１の頂部４５Ａを拡大して示している。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＣＣ´断面を示している。また、コールドスプレー測定装置４０は、超音速流である窒素ガスの流速を計測するものとする。
【００４４】
コールドスプレー測定装置４０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される窒素ガスの流速を計測する装置である。コールドスプレー測定装置４０は、ピトー菅４１と、ピトー菅４１を支持するノーズコーン４５と、を具備している。
【００４５】
ノーズコーン４５は、以下に説明する構成を除いて、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため、重複する部分については説明を省略する。すなわち、ノーズコーン４５は、ベース４６に支持されている。ベース４６は、三角柱形状に形成されている。ベース４６の断面形状（三角形状）のノズル１１０の噴射方向Ｓに対向する側の半頂角θ３は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている（図５（Ｃ）参照）。
【００４６】
ピトー菅４１は、Ｌ字形状に形成され、先端部４１Ａと、水平部４１Ｂと、鉛直部４１Ｃと、を具備している。水平部４１Ｂは、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに沿って挿設されている。鉛直部４１Ｃは、ベース４６に内設されている。先端部４１Ａは、水平部４１Ｂのコールドスプレーのノズル１１０に対向する側であって、ノーズコーン４５の頂部４５Ａに配置されている。つまり、ピトー菅４１の先端部４１Ａは、ノーズコーン４５の頂部４５Ａから先端側へ向かって突出している。特記すべき事項として、先端部４１Ａの半頂角θ２は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている（図５（Ｂ）参照）。
【００４７】
実施形態４のコールドスプレー測定装置４０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置４０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に先端部４１Ａが存在している。そのため、飛行中の航空機のように、コールドスプレーによる超音速場における先端部４１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。
【００４８】
実施形態４のコールドスプレー測定装置４０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置４０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン４５によって形成されているため、衝撃波が緩和され、超音速場においても安定してピトー菅４１を支持することができる。また、ピトー菅４１の先端部４１Ａがマッハ角θＭ以下の半頂角θ２となるように形成されているため、超音速場においても安定して流速を測定できる。つまり、コールドスプレー測定装置４０によれば、コールドスプレーシステム１００による窒素ガスの流速測定を実現することができる。
【００４９】
図６を用いて、実施形態５であるコールドスプレー測定装置５０について説明する。
なお、図６（Ａ）は、コールドスプレー測定装置１０の全体構成を示している。図６（Ｂ）は、ノーズコーン５５の頂部５５Ａを拡大して示している。
【００５０】
コールドスプレー測定装置５０は、コールドスプレーシステム１００によってマッハ数Ｍの超音速流で噴射される銅粉末の温度を計測する装置である。コールドスプレー測定装置５０は、シース熱電対５１と、シース熱電対５１を支持するノーズコーン５５と、を具備している。
【００５１】
ノーズコーン５５は、実施形態１のノーズコーン１５と同様であるため説明を省略する。
【００５２】
シース熱電対５１は、先端部５１Ａと、温度検出部５１Ｂと、電線部５１Ｃと、を具備している。また、シース熱電対５１は、極細（本実施形態ではφ０．１ｍｍ）のシース熱電対が採用されている。シース熱電対５１は、ノーズコーン５５の円錐軸Ｐに沿って挿設されている。先端部５１Ａは、温度検出部５１Ｂのコールドスプレーのノズル１１０に対向する側であって、ノーズコーン５５の頂部５５Ａに配置されている。つまり、シース熱電対５１の先端部５１Ａは、ノーズコーン５５の頂部５５Ａから先端側へ向かって突出している。特記すべき事項として、先端部５１Ａの半頂角θ２は、マッハコーンのマッハ角θＭ以下の角度とされている。
【００５３】
実施形態５のコールドスプレー測定装置５０の作用について説明する。
すなわち、コールドスプレー測定装置５０では、コールドスプレーによって形成される超音速場に先端部５１Ａが存在している。そのため、飛行中の航空機のように、コールドスプレーによる超音速場における先端部５１Ａを頂点として後方にマッハ角θＭの半頂角である円錐形状の衝撃波領域ができる(マッハコーン領域)。
【００５４】
実施形態５のコールドスプレー測定装置５０の効果について説明する。
コールドスプレー測定装置５０は、マッハコーン領域内において、マッハコーン領域よりも小さい円錐形状であるノーズコーン５５によって形成されているため、衝撃波を緩和し、超音速場においても安定してシース熱電対１１を支持することができる。また、シース熱電対５１の先端部５１Ａがマッハ角θＭ以下の半頂角θ２となるように形成されているため、超音速場においても安定して温度を測定できる。つまり、コールドスプレー測定装置５０によれば、コールドスプレーシステム１００による銅粉末または窒素ガスの温度測定を実現することができる。
【００５５】
図７を用いて、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法（以下、測定方法１）の構成について説明する。
測定方法１とは、温度測定を行う際のコールドスプレーによる噴射の前に、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリング（中央位置合わせ）する方法である。測定方法１では、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法としたが、これに限定されない。実施形態２〜５のコールドスプレー測定装置２０・３０・４０・５０による測定方法とする構成としても良い。
【００５６】
ノズル１１０は、レーザポインタ７０と、を具備している。レーザポインタ７０は、ノズル１１０の先端側に設けられている。レーザポインタ７０は、リング状レーザＲＬを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。
【００５７】
ノーズコーン１５は、リング状マーキング１８を具備している。リング状マーキング１８は、ノーズコーン１５の側面周囲に円形状にマーキングされている。リング状マーキング１８は、リング状マーキング１８を通る面がノーズコーン１５の円錐軸Ｐに対する垂直面となるように配置されている。
【００５８】
図８を用いて、測定方法１の流れについて説明する。
なお、以下では、コールドスプレー測定装置１０による測定を行う者を測定者として説明する。
【００５９】
測定者は、ステップＳ１１０において、コールドスプレーシステム１００に対して、コールドスプレー測定装置１０を設置する。このとき、コールドスプレー測定装置１０は、ノズル１１０に対して、垂直かつ平行に設置されるものとする。次に、測定者は、ステップＳ１２０において、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５に向けてレーザポインタ７０からリング状レーザＲＬを照射する。
【００６０】
測定者は、ステップＳ１３０において、照射されたリング状レーザＲＬとノーズコーン１５の側面周囲にマーキングされるリング状マーキング１８とを一致させる。このとき、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐとノズル１１０の軸心とが一致する。次に、測定者は、ステップＳ１４０において、ノズル１１０に対して、コールドスプレー測定装置１０の温度検出部１１Ａの距離を調整する。
【００６１】
測定方法１の効果について説明する。
すなわち、測定方法１によれば、簡易な構成で、確実にコールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリングできる。また、リング状レーザＲＬをリング状マーキング１８に一致させる方法なので、測定者は、どの方向からもリング状レーザＲＬとリング状マーキング１８との一致を確認できる。
【００６２】
図９を用いて、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による別の測定方法（以下、測定方法２）の構成について説明する。
測定方法２とは、温度測定を行う際のコールドスプレーによる噴射の前に、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリング（中央位置合わせ）する方法である。測定方法２では、実施形態１のコールドスプレー測定装置１０による測定方法としたが、これに限定されない。実施形態２〜５のコールドスプレー測定装置２０・３０・４０・５０による測定方法とする構成としても良い。
【００６３】
ノズル１１０は、レーザポインタ８０Ｘと、レーザポインタ８０Ｙと、を具備している。レーザポインタ８０Ｘおよびレーザポインタ８０Ｙは、ノズル１１０の先端側に設けられている。レーザポインタ８０Ｘは、水平方向に平行な線分の水平レーザＬＸを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。レーザポインタ８０Ｙは、鉛直方向に平行な線分の鉛直レーザＬＹを噴射方向Ｓに向けて照射するレーザポインタである。
【００６４】
図１０を用いて、測定方法２の流れについて説明する。
なお、以下では、コールドスプレー測定装置１０によって測定を行う者を測定者として説明する。
【００６５】
測定者は、ステップＳ１１０において、コールドスプレーシステム１００に対して、コールドスプレー測定装置１０を設置する。このとき、コールドスプレー測定装置１０は、ノズル１１０に対して、垂直かつ平行に設置されるものとする。次に、測定者は、ステップＳ１２０において、コールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５に向けてレーザポインタ８０Ｘ・８０Ｙからそれぞれ水平レーザＬＸ・鉛直レーザＬＹを照射する。
【００６６】
測定者は、ステップＳ１３０において、照射された水平レーザＬＸと鉛直レーザＬＹとの交点ＬＰと、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐに配置される熱電対１１の温度検出部１１Ａと、を一致させる（図１０の下方に示す図参照）。このとき、ノーズコーン１５の円錐軸Ｐとノズル１１０の軸心とが一致する。次に、測定者は、ステップＳ１４０において、ノズル１１０に対して、コールドスプレー測定装置１０の温度検出部１１Ａの距離を調整する。
【００６７】
測定方法２の効果について説明する。
すなわち、測定方法１によれば、簡易な構成で、確実にコールドスプレー測定装置１０のノーズコーン１５の円錐軸Ｐと、ノズル１１０の軸心と、をセンタリングできる。
【符号の説明】
【００６８】
１０ コールドスプレー測定装置
１１ 熱電対（温度検出手段）
１１Ａ 先端部
１５ マッハコーン
１５Ａ 頂部
１００ コールドスプレーシステム
１１０ ノズル
Ｍ マッハ数
Ｓ 噴射方向
θＭ マッハ角
θ１ 半頂角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記測定装置は、
前記噴射体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
円錐形状に形成され、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、
前記温度検出手段は、
温度検出部と、
前記温度検出部から延出する電線部と、
を具備し、
前記ノーズコーンに内設され、
前記ノーズコーンの頂部に温度検出部が配置される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のコールドスプレー測定装置であって、
前記ノーズコーンは、
前記円錐形状の側面周囲に複数のスリットが前記頂部に向かって放射状に形成され、
前記温度検出手段の前記電線部は、
前記スリットに埋設される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のコールドスプレー測定装置であって、
前記ノーズコーンの頂部には、
前記コールドスプレーの噴射方向に対して垂直な平面が形成され、
前記平面の直径は、
前記ノズルの口径以下に形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項４】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記コールドスプレー測定装置は、
前記噴射体の流速を検出するピトー管と、
前記ピトー管を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
円錐形状に形成され、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、
前記ピトー管は、
その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、
前記ピトー管の前記コールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、
前記マッハ数に対応するマッハ角以下に形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項５】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記コールドスプレー測定装置は、
前記噴射体の温度を検出するシース熱電対と、
前記シース熱電対を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下となるように形成され、
前記シース熱電対は、
その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、
前記シース熱電対のコールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、
前記マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、
前記ノーズコーンの側面には、
前記円錐軸を中心とするリングがマーキングされ、
前記スプレーガンのノズル近傍には、
リング状のレーザを放射するレーザポインタが配置され、
前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、
前記レーザポインタのリング状のレーザを前記ノーズコーンの側面に照射し、
前記リング状のレーザと前記ノーズコーンの側面にマーキングされたリングとを一致させ、
前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングする、
コールドスプレー測定装置を用いた測定方法。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、
前記スプレーガンのノズル近傍には、
水平方向と平行な線分のレーザを放射する水平レーザポインタと、
鉛直方向と平行な線分のレーザを放射する鉛直レーザポインタと、
が配置され、
前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、
前記水平レーザポインタによるレーザと前記鉛直レーザポインタによるレーザとを前記ノーズコーンに照射し、
前記水平レーザポインタによるレーザと、前記鉛直レーザポインタによるレーザと、の交点を前記ノーズコーンの頂点に一致させ、
前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングする、
コールドスプレー測定装置を用いた測定方法。
【請求項１】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記測定装置は、
前記噴射体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
円錐形状に形成され、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、
前記温度検出手段は、
温度検出部と、
前記温度検出部から延出する電線部と、
を具備し、
前記ノーズコーンに内設され、
前記ノーズコーンの頂部に温度検出部が配置される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のコールドスプレー測定装置であって、
前記ノーズコーンは、
前記円錐形状の側面周囲に複数のスリットが前記頂部に向かって放射状に形成され、
前記温度検出手段の前記電線部は、
前記スリットに埋設される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のコールドスプレー測定装置であって、
前記ノーズコーンの頂部には、
前記コールドスプレーの噴射方向に対して垂直な平面が形成され、
前記平面の直径は、
前記ノズルの口径以下に形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項４】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記コールドスプレー測定装置は、
前記噴射体の流速を検出するピトー管と、
前記ピトー管を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
円錐形状に形成され、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
前記コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成され、
前記ピトー管は、
その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、
前記ピトー管の前記コールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、
前記マッハ数に対応するマッハ角以下に形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項５】
コールドスプレーによる噴射体の物理量を測定するコールドスプレー測定装置であって、
前記コールドスプレーは、
材料粉末の融点未満又は軟化温度以下の作動ガスを超音速流とし、前記材料粉末と共にスプレーガンのノズルから噴射体として噴射する溶射方法であって、
前記コールドスプレー測定装置は、
前記噴射体の温度を検出するシース熱電対と、
前記シース熱電対を支持するノーズコーンと、
を具備し、
前記ノーズコーンは、
前記コールドスプレーの噴射方向と同軸上に前記円錐形状の円錐軸が配置され、
コールドスプレーの噴射方向に対向して前記円錐形状の頂部が配置され、
前記ノーズコーンの頂部の半頂角は、
前記コールドスプレーによる噴射体の超音速流をマッハ数によって表したとき、該マッハ数に対応するマッハ角以下となるように形成され、
前記シース熱電対は、
その先端部が前記ノーズコーンの先端部から突出するように、前記ノーズコーンの円錐軸に沿って挿設され、
前記シース熱電対のコールドスプレーの噴射方向に対向する側の先端形状は、
前記マッハ数に対応するマッハ角以下の角度となるように形成される、
コールドスプレー測定装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、
前記ノーズコーンの側面には、
前記円錐軸を中心とするリングがマーキングされ、
前記スプレーガンのノズル近傍には、
リング状のレーザを放射するレーザポインタが配置され、
前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、
前記レーザポインタのリング状のレーザを前記ノーズコーンの側面に照射し、
前記リング状のレーザと前記ノーズコーンの側面にマーキングされたリングとを一致させ、
前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングする、
コールドスプレー測定装置を用いた測定方法。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のコールドスプレー測定装置を用いた測定方法であって、
前記スプレーガンのノズル近傍には、
水平方向と平行な線分のレーザを放射する水平レーザポインタと、
鉛直方向と平行な線分のレーザを放射する鉛直レーザポインタと、
が配置され、
前記コールドスプレー測定装置を用いた測定方法は、
前記水平レーザポインタによるレーザと前記鉛直レーザポインタによるレーザとを前記ノーズコーンに照射し、
前記水平レーザポインタによるレーザと、前記鉛直レーザポインタによるレーザと、の交点を前記ノーズコーンの頂点に一致させ、
前記スプレーガンと前記コールドスプレー測定装置とをセンタリングする、
コールドスプレー測定装置を用いた測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９７３４７（Ｐ２０１２−９７３４７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４８７４３（Ｐ２０１０−２４８７４３）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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