コールドスプレー装置用エジェクタノズル及びコールドスプレー装置
【課題】噴射する皮膜材料（原料粉末）の速度分布の適正化を可能にし、これによって所望品質の皮膜が得られるようにしたコールドスプレー装置用エジェクタノズルと、このエジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置を提供する。
【解決手段】皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置１におけるエジェクタノズル３である。皮膜材料及び作動ガスを供給する側となるコンバージェント部１１と、コンバージェント部１１の先端側に設けられたダイバージェント部１２とを有する。コンバージェント部１１は内管１３と外管１４とからなる二重配管構造とされ、ダイバージェント部１２は外管１４に連続して形成されている。内管１３内には皮膜材料及び作動ガスが供給されるように構成され、内管１３と外管１４との間には作動ガスが供給されるように構成されている。
【解決手段】皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置１におけるエジェクタノズル３である。皮膜材料及び作動ガスを供給する側となるコンバージェント部１１と、コンバージェント部１１の先端側に設けられたダイバージェント部１２とを有する。コンバージェント部１１は内管１３と外管１４とからなる二重配管構造とされ、ダイバージェント部１２は外管１４に連続して形成されている。内管１３内には皮膜材料及び作動ガスが供給されるように構成され、内管１３と外管１４との間には作動ガスが供給されるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー装置用エジェクタノズル及びコールドスプレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば製鉄プロセスで用いる鋳型やロール、自動車のホイール、ガスタービンの構成部品等の各種金属部材の、減肉の修復や耐摩耗性や耐食性を向上させて金属部材の長寿命化を図ることを目的とし、ニッケル、銅、アルミニウム、クロム又はこれらの合金等の皮膜を形成することが知られている。このような皮膜を形成する方法として、金属メッキ法や溶射法が用いられている。
【０００３】
しかし、金属メッキ法を用いた場合には、大面積に施工することが困難であり、また、クラックが発生しやすいといった課題がある。
また、溶射法で皮膜を形成した場合には、溶射中に金属が酸化するため緻密な皮膜の形成が難しく、さらに、形成した皮膜の導電率及び熱伝導率が低くなるといった課題がある。また、付着率が低く、不経済である等の課題もある。
【０００４】
そこで、これらに代わり皮膜を形成する新たな技術として、近年、固相状態の原料粉末（皮膜材料）を用いて皮膜を形成する「コールドスプレー」が注目されている。このコールドスプレーでは、原料粉末の融点よりも低い温度の作動ガス中に原料粉末を投入する。そして、このように作動ガスで搬送した原料粉末をコンバージョントノズルに供給し、さらにダイバージョントノズルで原料粉末を超音速に加速し固相状態のまま基材（対象物）に噴射し、衝突させることにより、皮膜を形成する技術である。つまり、金属、合金、金属間化合物、セラミックス等の原料粉末を、固相状態のまま高速（超音速）で基材表面に噴射し、衝突させて皮膜を形成する技術である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８９１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３６８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記のコールドスプレーを実施するコールドスプレー装置では、形成する皮膜の品質等に応じて超音速ノズルの形状やその形状に適した作動ガスの圧力を設定し、作動ガスの速度（流速）を決定している。すなわち、基材表面に形成する皮膜の品質は、原料粉末を衝突させる速度、つまり超音速ノズルから噴射する速度によって決定される。このとき、超音速形状ノズルの形状により膨張比が決定され、適正膨張した場合の粉末のマッハ数が決定されるため、超音速ノズルの形状とその形状により決定される作動ガスの膨張比及びノズルに供給する作動ガスの圧力が重要になっている。従来は、超音速ノズルとして形状のシンプルなコニカル超音速ノズルを使用している。
【０００７】
しかし、コニカルノズルでは、その出口から噴射される作動ガス（原料粉末を含む）の流速に分布が生じ、通常はノズル出口の中央部では流速が遅く、外周部では流速が速くなる。したがって、このような流速の分布により、特にノズル出口の中央部では、必ずしも設定した圧力に対応した所望の速度が得られない。なお、前記の流速は、コニカルノズル内を流れてこれから噴射される作動ガスの膨張比により、主に決定される。この膨張比は、コニカルノズルにおいて最も内径が小となるスロート部の開口面積と、出口部における開口面積との比（面積比）によって決まる。
【０００８】
また、コニカルノズルは、これに供給する作動ガスの圧力は調整可能であるものの、通常、スロート部と出口部との面積比が一定である１種類のものに固定されている。そのため、例えば作動ガスの圧力を変えた場合では、コニカルノズルから噴射する作動ガス（原料粉末を含む）の速度が変えた圧力に対応する所望の速度にならず、この所望の速度と大きく異なる速度になってしまうことがある。
【０００９】
これは、使用するコニカルノズルが供給する作動ガスの圧力に対応しておらず、したがってコニカルノズルに供給された作動ガスが適正膨張することなく不適切な膨張比で膨張し、これによってコニカルノズル内を流れる原料粉末の速度が適正にならなくなってしまうからである。そして、このように原料粉末の速度が適正にならなくなると、結果的に所望品質の皮膜が得られなくなってしまう。
【００１０】
また、一般に原料粉末は、コニカルノズルの内壁面が高温になっているとここに付着してしまう。すると、作動ガスの流れに乱れが生じることで原料粉末の速度分布が目的とする速度分布と異なってしまい、前記したように所望品質の皮膜が得られなくなってしまう。
【００１１】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、形成する皮膜の品質の低下を防止するべく、噴射する皮膜材料（原料粉末）の速度分布の適正化を可能にし、これによって所望品質（高品質）の皮膜が得られるようにしたコールドスプレー装置用エジェクタノズルと、このエジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は前記課題を解消するべく鋭意検討した結果、従来のコールドスプレー装置では使用されていなかったエジェクタノズルを、従来のコニカルノズルに代えて使用することに思い至り、さらに研究を重ねて結果、本発明を完成した。
すなわち、本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズルは、皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置におけるエジェクタノズルであって、
前記皮膜材料及び前記作動ガスを供給する側となるコンバージェント部と、該コンバージェント部の先端側に設けられたダイバージェント部とを有し、
前記コンバージェント部は内管と外管とからなる二重配管構造とされ、
前記ダイバージェント部は前記コンバージェント部の外管に連続して形成され、
前記内管内には前記皮膜材料及び前記作動ガスが供給されるように構成され、
前記内管と前記外管との間には、前記作動ガスのみが供給されるよう構成されていることを特徴としている。
【００１３】
このコールドスプレー装置用エジェクタノズルによれば、コンバージェント部の内管内にインナー流路を形成し、内管と外管との間にアウター流路を形成し、インナー流路には作動ガスとともに皮膜材料を供給し、アウター流路には作動ガスのみを供給するようにしたので、アウター流路に供給する作動ガスの流量をインナー流路に供給する皮膜材料及び作動ガスの流量に対して適宜に設定することにより、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスの膨張が適正化される。すなわち、アウター流路を出てダイバージェント部に流入した作動ガスにより、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスの流れがサポートされ、これにより、皮膜材料及び作動ガスの流れの膨張が適正化されて皮膜材料の速度分布も適正化される。
【００１４】
また、アウター流路を出てダイバージェント部に流入した作動ガスも、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスと同様に超音速で流れるので、ダイバージェント部ではこれらの流れが混ざりにくくなっている。したがって、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料は、アウター流路を出た作動ガスの流れに遮られ、ダイバージェント部の内壁面に接触することが妨げられることから、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのが防止される。
【００１５】
また、本発明のコールドスプレー装置は、前記コールドスプレー装置用エジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置であって、
前記内管内に供給する作動ガスの圧力を調整する第１圧力調整部と、前記内管と前記外管との間に供給する作動ガスの圧力を調整する第２圧力調整部と、を有してなることを特徴としている。
【００１６】
このコールドスプレー装置によれば、前記コールドスプレー装置用エジェクタノズルを備え、さらに第１圧力調整部と第２圧力調整部とを有しているので、これら第１圧力調整部と第２圧力調整部とによって内管内（インナー流路）に供給する作動ガスの圧力と内管と外管との間（アウター流路）に供給する作動ガスの圧力とを適宜に調整することで、インナー流路を出た皮膜材料及び作動ガスの、ダイバージェント部での膨張を良好に適正化することができる。
【００１７】
また、前記コールドスプレー装置においては、前記作動ガスを加熱するヒーターが備えられ、前記ヒーターは、前記内管内に供給される作動ガスの温度を、前記内管と前記外管との間に供給される作動ガスの温度より高くするように構成されているのが好ましい。
このようにすれば、ヒーターにより、前記インナー流路（内管内）に供給される作動ガスの温度が、前記アウター流路（内管と外管との間）に供給される作動ガスの温度より高くされ、したがってアウター流路に供給される作動ガスの温度が、インナー流路に供給される作動ガスの温度より低くされているので、フィルム冷却と同様の冷却効果が得られるためダイバージェント部の内壁面が加熱されるのが抑えられ、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのがより確実に防止される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズル、及びこれを備えたコールドスプレー装置にあっては、インナー流路を出た皮膜材料及び作動ガスの膨張を適正化し、皮膜材料の速度分布を適正化することができるので、所望品質、すなわち高品質の皮膜を形成することができる。
また、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのを防止することができるので、作動ガスの流れの乱れを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、したがって高品質の皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るコールドスプレー装置の概略構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズル、及びこれを備えたコールドスプレー装置について詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に係るコールドスプレー装置の概略構成を模式的に示す図である。図１において符号１はコールドスプレー装置である。
【００２１】
このコールドスプレー装置１は、作動ガス及び原料粉末（皮膜材料）を供給する装置本体２と、この装置本体２に接続されたエジェクタノズル３とを備えて構成されたものである。
装置本体２は、作動ガス供給源４と、粉末供給部５と、複数のヒーター８ａ〜８ｃと、複数のバルブ７ａ〜７ｄと、これらを接続する配管系６ａ〜６ｄとを有して構成されている。
【００２２】
作動ガス供給源４は、窒素やヘリウムなどの不活性ガスを貯留するガスボンベもしくはカードル等からなるもので、作動ガスとなる不活性ガスを例えば４０気圧以上の高圧状態で貯留し、したがって不活性ガスを高圧で導出可能にしたものである。なお、ヘリウムは、音速が速いため窒素に比べてその流速をより高速（超音速）にすることができ好ましい。
【００２３】
作動ガス供給源４には、第１配管系６ａと第２配管系６ｂとが接続されており、第１配管系６ａには、第１バルブ７ａを介して第１ヒーター８ａ、粉末供給部５がこの順に設けられている。第１バルブ７ａは、作動ガス供給源４から導出される作動ガス（不活性ガス）の圧力を調整し、したがって第１配管系６ａに流れる不活性ガスの流量を決定するようになっている。
【００２４】
第１ヒーター８ａは、作動ガス供給源４から導出された作動ガスを加熱するためのものである。すなわち、作動ガス供給源４から導出された作動ガスは、高圧状態から所定圧に急激に減圧され膨張するため、温度が低下する。したがって、後述するようにエジェクタノズル３から比較的高温で作動ガスを噴射するべく、不活性ガスを、後述する原料粉末の融点よりも低い温度となる所定温度、例えば８００℃に加熱するようになっている。
【００２５】
粉末供給部５は、皮膜材料の原料粉末を貯留し、この貯留した原料粉末（皮膜材料）を作動ガス供給源４から導入された作動ガスに搬送（同伴）させて、エジェクタノズル３のインナー流路２０に導入させるものである。皮膜材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｃｒ等の金属や、ニッケルクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金等の合金、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスなど、各種の材料が用いられる。
【００２６】
そして、第１配管系６ａは、この粉末供給部５を介してエジェクタノズル３のインナー流路２０に接続されている。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第１配管系６ａに導出された作動ガスは、第１ヒーター８ａで加熱され、さらに粉末供給部５で原料粉末（皮膜材料）を同伴し、その後エジェクタノズル３のインナー流路２０に流入するようになっている。
【００２７】
第２配管系６ｂには、第２バルブ７ｂを介して第２ヒーター８ｂが設けられている。また、この第２配管系６ｂは、第２ヒーター８ｂを出た後、第３配管系６ｃと第４配管系６ｄとに分岐している。第２バルブ７ｂは、作動ガス供給源４から導出される作動ガスの圧力を調整し、したがって第２配管系６ａに流れる不活性ガスの流量を決定するようになっている。
【００２８】
第２ヒーター８ｂは、前記第１ヒーター８ａと同様に、作動ガス供給源４から導出された作動ガスを加熱するためのものである。ただし、この第２ヒーター８ｂでは、これに接続する第３配管系６ｃから作動ガスを、後述するようにエジェクタノズル３のアウター流路に流入させるため、比較的低い温度、例えば４００℃に加熱するようになっている。
【００２９】
第３配管系６ｃは、第３バルブ７ｃを介してエジェクタノズル３のアウター流路３０に接続されている。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第２配管系６ｂに導出され、さらに第２ヒーター８ｂで加熱された不活性ガス（作動ガス）の一部は、第３配管系６ｃを経て例えば４００℃程度の温度でアウター流路３０に流入するようになっている。
【００３０】
第４配管系６ｄは、第４バルブ７ｄを介して第３ヒーター８ｃに接続し、その後、エジェクタノズル３のインナー流路２０に接続されている。第３ヒーター８ｃは、前記第２ヒーター８ｂで４００℃程度に加熱された作動ガスを、前記第１ヒーター８ａと同様に前記原料粉末の融点よりも低い温度となる所定温度、例えば８００℃程度にまで加熱するものである。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第２配管系６ｂを経て第４配管系６ｄに導出され、さらに第３ヒーター８ｃで加熱された不活性ガス（作動ガス）は、例えば８００℃程度の温度でインナー流路２０に流入するようになっている。
【００３１】
なお、第１ヒーター８ａ、第２ヒーター８ｂ、第３ヒーター８ｃとしては、例えば一般的な抵抗加熱式のものが用いられ、加熱温度の設定も可変なものが用いられる。そして、本実施形態では、これら３つのヒーターにより、本発明のヒーターが構成されている。
すなわち、これら３つのヒーターにより、エジェクタノズル３のインナー流路２０に導入される不活性ガスは、エジェクタノズル３のアウター流路３０に導入される不活性ガスより高い温度に加熱されるようになっている。
【００３２】
また、第１バルブ７ａ、第２バルブ７ｂ、第３バルブ７ｃ、第４バルブ７ｄは、本発明における第１圧力調整部、第２圧力調整部を構成するものとなっている。第１圧力調整部は、後述するエジェクタノズル３の内管１３内に形成されるインナー流路２０に供給する作動ガスの圧力を調整するものであり、第２圧力調整部は、後述するエジェクタノズル３の内管１３と外管１４との間に形成されるアウター流路３０に供給する不活性ガスの圧力を調整するものである。
【００３３】
したがって、本実施形態では、第１配管系６ａから原料粉末とともに作動ガスをインナー流路２０に導入するための第１バルブ７ａと、第２配管系６ｂを経て第４配管系６ｄから作動ガスをインナー流路２０に導入するための第２バルブ７ｂ及び第４バルブ７ｄにより、第１圧力調整部が構成されている。また、第２配管系６ｂを経て第３配管系６ｃから不活性ガスをアウター流路３０に導入するための第２バルブ７ｂ及び第３バルブ７ｃにより、第２圧力調整部が構成されている。
【００３４】
エジェクタノズル３は、前記装置本体２に接続する側となるコンバージェント部１１と、該コンバージェント部１１の先端側に設けられたダイバージェント部１２とを有するものである。コンバージェント部１１は、内管１３とこれに外挿された外管１４とからなる二重配管構造のもので、内管１３内に前記のインナー流路（メイン流路）２０を形成し、内管１３と外管１４との間に前記のアウター流路（サブ流路）３０を形成したものである。このコンバージェント部１１は、装置本体２に接続する側では内管１３及び外管１４はほぼ円筒状になっており、その後、ダイバージェント部１２側に向かうに連れて、内管１３及び外管１４は共に漸次縮径するテーパー形状（先細り形状）になっている。
ここで、本実施形態では内管１３の先端部が、内管１３において最も内径が小となるスロート部１３ａとなっており、このスロート部１３ａの開口面積Ａ１が、後述するようにインナー流路２０を流出した作動ガス（原料粉末を含む）の膨張比を決定する要素の一つとなっている。
【００３５】
ダイバージェント部１２は、コンバージェント部１１の外管に連続して形成されたもので、漸次拡径するテーパー形状（先太り形状）になっている。
このような構成のもとに、インナー流路２０に導入された不活性ガスは、コンバージェント部１１を通過してダイバージェント部１２に流入し、その後ダイバージェント部１２の出口１２ａから噴射されるようになっている。また、アウター流路３０に導入された不活性ガスは、コンバージェント部１１を通過してダイバージェント部１２に流入し、その後ダイバージェント部１２の出口１２ａから噴射されるようになっている。
【００３６】
ここで、インナー流路２０、アウター流路３０に導入される不活性ガスは、いずれも４０気圧〜５０気圧程度の高圧で流入させられるため、エジェクタノズル３出口ではその流速が例えばマッハ３程度の超音速になる。したがって、このような超音速では、図１中に矢印で示すようにインナー流路２０を流出した一次流れ２１とアウター流路３０を流出した二次流れ３１とは互いに混ざりにくくなっている。すなわち、ダイバージェント部１２では、図１中二点鎖線で示すようにその内壁面側に、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５が形成されるようになる。
【００３７】
このような境界１５が形成されることにより、特にダイバージェント部１２の出口１２ａから流出する一次流れ２１の断面積Ａ２は、出口１２ａの開口面積より小さくなる。また、境界１５が形成される位置を適宜に変化させることにより、出口１２ａでの一次流れ２１の断面積Ａ２も変化するようになる。よって、この断面積Ａ２を変化させることで、エジェクタノズル３での一次流れ２１の膨張比を、適宜に調整することができるようになっている。すなわち、一次流れ２１の膨張比は、前記のスロート部１３ａの開口面積Ａ１と前記断面積Ａ２との比（面積比）によって決まる。したがって、開口面積Ａ１は固定されているため、断面積Ａ２を変化させること、つまり境界１５の形成位置を変化させることにより、一次流れ２１の膨張比を調整し、この一次流れ２１の速度分布を適正化することができるようになっている。
【００３８】
また、前記第１バルブ７ａ、第２バルブ７ｂ及び第４バルブ７ｄからなる第１圧力調整部と、第２バルブ７ｂ及び第３バルブ７ｃからなる第２圧力調整部とは、これらを適宜に調整することにより、前記インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量と、前記アウター流路３０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量との比（以下、流量比と記す）を、所望の比、例えば２０：１〜１：１となるように調整できるようになっている。
【００３９】
すなわち、インナー流路２０とアウター流路３０との間の流量比は、基本的（近似的）には、インナー流路２０に流入する作動ガスの圧、及びインナー流路２０のスロート部１３ａの開口面積Ａ１によって決まる流量と、アウター流路３０に流入する作動ガスの圧、及びダイバージェント部の途中に空力的に形成されるアウター側の境界１５によって形成される二次流れ３１のスロート断面積Ａ３（二次流れ３１の断面積が最小になる点の断面積）によって決まる流量との比によって決まる。したがって、インナー流路２０のスロート部１３ａの開口面積Ａ１は予め設計され、形成されて固定されていることから、第１圧力調整部と第２圧力調整部とを適宜に調整して前記境界１５によって形成される二次流れ３１のスロート断面積Ａ３を調節することで、前記の流量比を所望の比、例えば２０：１〜１：１となるように調整することができる。これにより、ダイバージェント部１２の内壁面に対する前記境界１５の形成位置も、適宜に調整することができる。つまり、アウター流路３０での流量をインナー流路２０での流量に対して相対的に大きくすることにより、前記境界１５の形成位置をダイバージェント部１２の内壁面側からダイバージェント部１２の中心側に移動させることができる。逆に、アウター流路３０での流量をインナー流路２０での流量に対して相対的に小さくすることにより、前記境界１５の形成位置をダイバージェント部１２の中心側からダイバージェント部１２の内壁面側に移動させることができる。
【００４０】
このような構成からなるコールドスプレー装置１によって対象物９の対処箇所に皮膜を形成するには、まず、対象物９に形成する皮膜の品質等を考慮し、作動ガスの圧力を設定する。すなわち、前記の一次流れ２１の膨張比が適正膨張となるようにし、この一次流れ２１の速度分布を適正化するべく、前記第１圧力調整部と前記第２圧力調整部とを制御し、インナー流路２０を流れる作動ガスの流量とアウター流路３０を流れる作動ガスの流量との比を適宜に設定する。具体的には、前記各バルブ７ａ〜７ｄを適宜な開度で開くことにより、作動ガスをインナー流路２０及びアウター流路３０の両方に流入させつつ、原料粉末を所定の量（濃度）でインナー流路２０に流入させる。
【００４１】
その際、前記の流量比については、２０：１〜１：１となるように調整するのが好ましい。流量比が２０：１より大きくなると、アウター流路３０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量が、インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量より相対的に小さくなり過ぎることにより、アウター流路３０を出た二次流れ３１によってインナー流路２０を出た一次流れ２１を十分にサポート（規制）できなくなり、一次流れ２１を適正に膨張させられなくなるおそれがあるからである。また、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５が良好に形成されず、一次流れ２１中の原料粉末がダイバージェント部１２の内壁面に接触し、ここに付着するおそれが生じるからである。
【００４２】
また、流量比が１：１より小さくなると、インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量が、全噴射流量に対して相対的小さくなり過ぎ、インナー流路２０を出た一次流れ２１中の原料粉末の噴射量が少なくなり、原料粉末の噴射効率が低下するからである。
【００４３】
このように前記流量比を適宜に設定し、その状態で作動ガス供給源４から作動ガスを導出すると、作動ガスは一部粉原料粉末を同伴し搬送してエジェクタノズル３に流入し、設定した流量比でインナー流路２０、アウター流路３０を超音速で流れる。
そして、コンバージェント部１１を出てダイバージェント部１２に出ると、アウター流路３０を出た作動ガスは二次流れ３１を作り、ダイバージェント部１２の内壁面に沿うようにして流れる。すると、アウター流路３０に流入する作動ガスは、前記したようにインナー流路２０に流入する作動ガスより低温（例えば４００℃）になっており、ダイバージェント部１２で膨張することによってさらに低温下するため、ダイバージェント部１２を流れることでその内壁面を冷却する効果を発揮する。
【００４４】
一方、インナー流路２０を出た原料粉末及び作動ガスは、一次流れ２１を作り、ダイバージェント部１２の中央部を流れる。その際、この一次流れ２１は、前述したように二次流れ３１と混ざりにくくなっているため、二次流れ３１との間に境界１５を形成する。したがって、一次流れ２１は、ダイバージェント部１２において二次流れ３１の影響を受け、これにサポートされることにより、その膨張が規制される。
【００４５】
すなわち、第１圧力調整部と第２圧力調整部とで前記流量比を適宜に調整しておくことにより、一次流れ２１に対する二次流れ３１の影響力（規制力）を適正に発揮させ、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５を、ダイバージェント部１２の内壁面に対して適宜な位置に形成させておく。これにより、一次流れ３１を形成する作動ガスの膨張を適正化し、これに搬送される原料粉末の速度分布を適正化することができる。そして、このように原料粉末は適正化された速度分布で噴射され、作動ガスとともに対象物９に衝突させられることにより、対象物９に形成される皮膜は、その厚さ等について、予め設定された通りの良好な品質のものとなる。
【００４６】
したがって、本実施形態のエジェクタノズル３及びこれを備えたコールドスプレー装置１によれば、インナー流路２０を出た原料粉末（皮膜材料）及び作動ガスの膨張を適正化し、原料粉末の速度分布を適正化することができるので、所望の高品質の皮膜を形成することができる。
【００４７】
また、二次流れ３１を形成することで、原料粉末を同伴する一次流れ２１がダイバージェント部１２の内壁面に接触するのを抑制し、該内壁面に原料粉末が付着するのを防止することができる。したがって、作動ガスの流れの乱れを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、これにより、高品質の（所望の）皮膜を形成することができる。
【００４８】
また、ヒーター８ａ〜８ｃにより、アウター流路３０に供給する作動ガスの温度をインナー流路２０に供給する作動ガスの温度より低くし、したがってアウター流路３０に流入する作動ガスがダイバージェント部１２の内壁面を冷却する効果を発揮するようにしたので、ダイバージェント部１２の内壁面が加熱されるのを抑えて原料粉末（皮膜材料）がダイバージェント部１２の内壁面に付着するのをより確実に防止することができる。よって、作動ガスの流れの乱れや、つまりを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、所望の高品質の皮膜を形成することができる。
【００４９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では本発明に係るヒーターを、第１ヒーター８ａ、第２ヒーター８ｂ、第３ヒーター８ｃによって構成したが、本発明はこれに限定されることはない。基本的には、インナー流路２０に供給する作動ガスの温度が、アウター流路３０に供給する作動ガスより高くなるように加熱できる構成であれば、いずれの構成も採用可能である。
【００５０】
また、作動ガス供給源４からエジェクタノズル３への作動ガスの流路についても、第１配管系６ａ〜第４配管系６ｄに限定されることなく、種々の構成が採用可能である。
さらに、第１圧力調整部、第２圧力調整部についても、これらを構成する各バルブが前記した第１バルブ７ａ〜第４バルブ７ｄに限定されることなく、種々の構成が採用可能である。
【００５１】
また、前記実施形態では、エジェクタノズル３のコンバージェント部１１を構成する内管１１を、コンバージェント部１１とダイバージェント部１２との境目まで延びるように形成しているが、例えばダイバージェント部１２側に僅かに延び出て形成してもよい。このように構成しても、インナー流路２０とアウター流路３０とを形成し、これによって一次流れ２１と二次流れ３１を形成することにより、前述したように高品質の皮膜を形成することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…コールドスプレー装置、２…装置本体、３…エジェクタノズル、４…作動ガス供給源、５…粉体供給部、６ａ…第１配管系、６ｂ…第２配管系、６ｃ…第３配管系、６ｄ…第４配管系、７ａ…第１バルブ、７ｂ…第２バルブ、７ｃ…第３バルブ、７ｄ…第４バルブ、８ａ…第１ヒーター、８ｂ…第２ヒーター、８ｃ…第３ヒーター、９…対象物、１１…コンバージェント部、１２…ダイバージェント部、１３…内管、１４…外管、１５…境界、２０…インナー流路、２１…一次流れ、３０…アウター流路、３１…二次流れ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー装置用エジェクタノズル及びコールドスプレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば製鉄プロセスで用いる鋳型やロール、自動車のホイール、ガスタービンの構成部品等の各種金属部材の、減肉の修復や耐摩耗性や耐食性を向上させて金属部材の長寿命化を図ることを目的とし、ニッケル、銅、アルミニウム、クロム又はこれらの合金等の皮膜を形成することが知られている。このような皮膜を形成する方法として、金属メッキ法や溶射法が用いられている。
【０００３】
しかし、金属メッキ法を用いた場合には、大面積に施工することが困難であり、また、クラックが発生しやすいといった課題がある。
また、溶射法で皮膜を形成した場合には、溶射中に金属が酸化するため緻密な皮膜の形成が難しく、さらに、形成した皮膜の導電率及び熱伝導率が低くなるといった課題がある。また、付着率が低く、不経済である等の課題もある。
【０００４】
そこで、これらに代わり皮膜を形成する新たな技術として、近年、固相状態の原料粉末（皮膜材料）を用いて皮膜を形成する「コールドスプレー」が注目されている。このコールドスプレーでは、原料粉末の融点よりも低い温度の作動ガス中に原料粉末を投入する。そして、このように作動ガスで搬送した原料粉末をコンバージョントノズルに供給し、さらにダイバージョントノズルで原料粉末を超音速に加速し固相状態のまま基材（対象物）に噴射し、衝突させることにより、皮膜を形成する技術である。つまり、金属、合金、金属間化合物、セラミックス等の原料粉末を、固相状態のまま高速（超音速）で基材表面に噴射し、衝突させて皮膜を形成する技術である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８９１号公報
【特許文献２】特開２００９−１３６８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記のコールドスプレーを実施するコールドスプレー装置では、形成する皮膜の品質等に応じて超音速ノズルの形状やその形状に適した作動ガスの圧力を設定し、作動ガスの速度（流速）を決定している。すなわち、基材表面に形成する皮膜の品質は、原料粉末を衝突させる速度、つまり超音速ノズルから噴射する速度によって決定される。このとき、超音速形状ノズルの形状により膨張比が決定され、適正膨張した場合の粉末のマッハ数が決定されるため、超音速ノズルの形状とその形状により決定される作動ガスの膨張比及びノズルに供給する作動ガスの圧力が重要になっている。従来は、超音速ノズルとして形状のシンプルなコニカル超音速ノズルを使用している。
【０００７】
しかし、コニカルノズルでは、その出口から噴射される作動ガス（原料粉末を含む）の流速に分布が生じ、通常はノズル出口の中央部では流速が遅く、外周部では流速が速くなる。したがって、このような流速の分布により、特にノズル出口の中央部では、必ずしも設定した圧力に対応した所望の速度が得られない。なお、前記の流速は、コニカルノズル内を流れてこれから噴射される作動ガスの膨張比により、主に決定される。この膨張比は、コニカルノズルにおいて最も内径が小となるスロート部の開口面積と、出口部における開口面積との比（面積比）によって決まる。
【０００８】
また、コニカルノズルは、これに供給する作動ガスの圧力は調整可能であるものの、通常、スロート部と出口部との面積比が一定である１種類のものに固定されている。そのため、例えば作動ガスの圧力を変えた場合では、コニカルノズルから噴射する作動ガス（原料粉末を含む）の速度が変えた圧力に対応する所望の速度にならず、この所望の速度と大きく異なる速度になってしまうことがある。
【０００９】
これは、使用するコニカルノズルが供給する作動ガスの圧力に対応しておらず、したがってコニカルノズルに供給された作動ガスが適正膨張することなく不適切な膨張比で膨張し、これによってコニカルノズル内を流れる原料粉末の速度が適正にならなくなってしまうからである。そして、このように原料粉末の速度が適正にならなくなると、結果的に所望品質の皮膜が得られなくなってしまう。
【００１０】
また、一般に原料粉末は、コニカルノズルの内壁面が高温になっているとここに付着してしまう。すると、作動ガスの流れに乱れが生じることで原料粉末の速度分布が目的とする速度分布と異なってしまい、前記したように所望品質の皮膜が得られなくなってしまう。
【００１１】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、形成する皮膜の品質の低下を防止するべく、噴射する皮膜材料（原料粉末）の速度分布の適正化を可能にし、これによって所望品質（高品質）の皮膜が得られるようにしたコールドスプレー装置用エジェクタノズルと、このエジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は前記課題を解消するべく鋭意検討した結果、従来のコールドスプレー装置では使用されていなかったエジェクタノズルを、従来のコニカルノズルに代えて使用することに思い至り、さらに研究を重ねて結果、本発明を完成した。
すなわち、本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズルは、皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置におけるエジェクタノズルであって、
前記皮膜材料及び前記作動ガスを供給する側となるコンバージェント部と、該コンバージェント部の先端側に設けられたダイバージェント部とを有し、
前記コンバージェント部は内管と外管とからなる二重配管構造とされ、
前記ダイバージェント部は前記コンバージェント部の外管に連続して形成され、
前記内管内には前記皮膜材料及び前記作動ガスが供給されるように構成され、
前記内管と前記外管との間には、前記作動ガスのみが供給されるよう構成されていることを特徴としている。
【００１３】
このコールドスプレー装置用エジェクタノズルによれば、コンバージェント部の内管内にインナー流路を形成し、内管と外管との間にアウター流路を形成し、インナー流路には作動ガスとともに皮膜材料を供給し、アウター流路には作動ガスのみを供給するようにしたので、アウター流路に供給する作動ガスの流量をインナー流路に供給する皮膜材料及び作動ガスの流量に対して適宜に設定することにより、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスの膨張が適正化される。すなわち、アウター流路を出てダイバージェント部に流入した作動ガスにより、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスの流れがサポートされ、これにより、皮膜材料及び作動ガスの流れの膨張が適正化されて皮膜材料の速度分布も適正化される。
【００１４】
また、アウター流路を出てダイバージェント部に流入した作動ガスも、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料及び作動ガスと同様に超音速で流れるので、ダイバージェント部ではこれらの流れが混ざりにくくなっている。したがって、インナー流路を出てダイバージェント部に流入した皮膜材料は、アウター流路を出た作動ガスの流れに遮られ、ダイバージェント部の内壁面に接触することが妨げられることから、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのが防止される。
【００１５】
また、本発明のコールドスプレー装置は、前記コールドスプレー装置用エジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置であって、
前記内管内に供給する作動ガスの圧力を調整する第１圧力調整部と、前記内管と前記外管との間に供給する作動ガスの圧力を調整する第２圧力調整部と、を有してなることを特徴としている。
【００１６】
このコールドスプレー装置によれば、前記コールドスプレー装置用エジェクタノズルを備え、さらに第１圧力調整部と第２圧力調整部とを有しているので、これら第１圧力調整部と第２圧力調整部とによって内管内（インナー流路）に供給する作動ガスの圧力と内管と外管との間（アウター流路）に供給する作動ガスの圧力とを適宜に調整することで、インナー流路を出た皮膜材料及び作動ガスの、ダイバージェント部での膨張を良好に適正化することができる。
【００１７】
また、前記コールドスプレー装置においては、前記作動ガスを加熱するヒーターが備えられ、前記ヒーターは、前記内管内に供給される作動ガスの温度を、前記内管と前記外管との間に供給される作動ガスの温度より高くするように構成されているのが好ましい。
このようにすれば、ヒーターにより、前記インナー流路（内管内）に供給される作動ガスの温度が、前記アウター流路（内管と外管との間）に供給される作動ガスの温度より高くされ、したがってアウター流路に供給される作動ガスの温度が、インナー流路に供給される作動ガスの温度より低くされているので、フィルム冷却と同様の冷却効果が得られるためダイバージェント部の内壁面が加熱されるのが抑えられ、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのがより確実に防止される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズル、及びこれを備えたコールドスプレー装置にあっては、インナー流路を出た皮膜材料及び作動ガスの膨張を適正化し、皮膜材料の速度分布を適正化することができるので、所望品質、すなわち高品質の皮膜を形成することができる。
また、皮膜材料がダイバージェント部の内壁面に付着するのを防止することができるので、作動ガスの流れの乱れを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、したがって高品質の皮膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るコールドスプレー装置の概略構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のコールドスプレー装置用エジェクタノズル、及びこれを備えたコールドスプレー装置について詳しく説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に係るコールドスプレー装置の概略構成を模式的に示す図である。図１において符号１はコールドスプレー装置である。
【００２１】
このコールドスプレー装置１は、作動ガス及び原料粉末（皮膜材料）を供給する装置本体２と、この装置本体２に接続されたエジェクタノズル３とを備えて構成されたものである。
装置本体２は、作動ガス供給源４と、粉末供給部５と、複数のヒーター８ａ〜８ｃと、複数のバルブ７ａ〜７ｄと、これらを接続する配管系６ａ〜６ｄとを有して構成されている。
【００２２】
作動ガス供給源４は、窒素やヘリウムなどの不活性ガスを貯留するガスボンベもしくはカードル等からなるもので、作動ガスとなる不活性ガスを例えば４０気圧以上の高圧状態で貯留し、したがって不活性ガスを高圧で導出可能にしたものである。なお、ヘリウムは、音速が速いため窒素に比べてその流速をより高速（超音速）にすることができ好ましい。
【００２３】
作動ガス供給源４には、第１配管系６ａと第２配管系６ｂとが接続されており、第１配管系６ａには、第１バルブ７ａを介して第１ヒーター８ａ、粉末供給部５がこの順に設けられている。第１バルブ７ａは、作動ガス供給源４から導出される作動ガス（不活性ガス）の圧力を調整し、したがって第１配管系６ａに流れる不活性ガスの流量を決定するようになっている。
【００２４】
第１ヒーター８ａは、作動ガス供給源４から導出された作動ガスを加熱するためのものである。すなわち、作動ガス供給源４から導出された作動ガスは、高圧状態から所定圧に急激に減圧され膨張するため、温度が低下する。したがって、後述するようにエジェクタノズル３から比較的高温で作動ガスを噴射するべく、不活性ガスを、後述する原料粉末の融点よりも低い温度となる所定温度、例えば８００℃に加熱するようになっている。
【００２５】
粉末供給部５は、皮膜材料の原料粉末を貯留し、この貯留した原料粉末（皮膜材料）を作動ガス供給源４から導入された作動ガスに搬送（同伴）させて、エジェクタノズル３のインナー流路２０に導入させるものである。皮膜材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｃｒ等の金属や、ニッケルクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金、銅合金等の合金、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスなど、各種の材料が用いられる。
【００２６】
そして、第１配管系６ａは、この粉末供給部５を介してエジェクタノズル３のインナー流路２０に接続されている。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第１配管系６ａに導出された作動ガスは、第１ヒーター８ａで加熱され、さらに粉末供給部５で原料粉末（皮膜材料）を同伴し、その後エジェクタノズル３のインナー流路２０に流入するようになっている。
【００２７】
第２配管系６ｂには、第２バルブ７ｂを介して第２ヒーター８ｂが設けられている。また、この第２配管系６ｂは、第２ヒーター８ｂを出た後、第３配管系６ｃと第４配管系６ｄとに分岐している。第２バルブ７ｂは、作動ガス供給源４から導出される作動ガスの圧力を調整し、したがって第２配管系６ａに流れる不活性ガスの流量を決定するようになっている。
【００２８】
第２ヒーター８ｂは、前記第１ヒーター８ａと同様に、作動ガス供給源４から導出された作動ガスを加熱するためのものである。ただし、この第２ヒーター８ｂでは、これに接続する第３配管系６ｃから作動ガスを、後述するようにエジェクタノズル３のアウター流路に流入させるため、比較的低い温度、例えば４００℃に加熱するようになっている。
【００２９】
第３配管系６ｃは、第３バルブ７ｃを介してエジェクタノズル３のアウター流路３０に接続されている。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第２配管系６ｂに導出され、さらに第２ヒーター８ｂで加熱された不活性ガス（作動ガス）の一部は、第３配管系６ｃを経て例えば４００℃程度の温度でアウター流路３０に流入するようになっている。
【００３０】
第４配管系６ｄは、第４バルブ７ｄを介して第３ヒーター８ｃに接続し、その後、エジェクタノズル３のインナー流路２０に接続されている。第３ヒーター８ｃは、前記第２ヒーター８ｂで４００℃程度に加熱された作動ガスを、前記第１ヒーター８ａと同様に前記原料粉末の融点よりも低い温度となる所定温度、例えば８００℃程度にまで加熱するものである。このような構成のもとに、作動ガス供給源４から第２配管系６ｂを経て第４配管系６ｄに導出され、さらに第３ヒーター８ｃで加熱された不活性ガス（作動ガス）は、例えば８００℃程度の温度でインナー流路２０に流入するようになっている。
【００３１】
なお、第１ヒーター８ａ、第２ヒーター８ｂ、第３ヒーター８ｃとしては、例えば一般的な抵抗加熱式のものが用いられ、加熱温度の設定も可変なものが用いられる。そして、本実施形態では、これら３つのヒーターにより、本発明のヒーターが構成されている。
すなわち、これら３つのヒーターにより、エジェクタノズル３のインナー流路２０に導入される不活性ガスは、エジェクタノズル３のアウター流路３０に導入される不活性ガスより高い温度に加熱されるようになっている。
【００３２】
また、第１バルブ７ａ、第２バルブ７ｂ、第３バルブ７ｃ、第４バルブ７ｄは、本発明における第１圧力調整部、第２圧力調整部を構成するものとなっている。第１圧力調整部は、後述するエジェクタノズル３の内管１３内に形成されるインナー流路２０に供給する作動ガスの圧力を調整するものであり、第２圧力調整部は、後述するエジェクタノズル３の内管１３と外管１４との間に形成されるアウター流路３０に供給する不活性ガスの圧力を調整するものである。
【００３３】
したがって、本実施形態では、第１配管系６ａから原料粉末とともに作動ガスをインナー流路２０に導入するための第１バルブ７ａと、第２配管系６ｂを経て第４配管系６ｄから作動ガスをインナー流路２０に導入するための第２バルブ７ｂ及び第４バルブ７ｄにより、第１圧力調整部が構成されている。また、第２配管系６ｂを経て第３配管系６ｃから不活性ガスをアウター流路３０に導入するための第２バルブ７ｂ及び第３バルブ７ｃにより、第２圧力調整部が構成されている。
【００３４】
エジェクタノズル３は、前記装置本体２に接続する側となるコンバージェント部１１と、該コンバージェント部１１の先端側に設けられたダイバージェント部１２とを有するものである。コンバージェント部１１は、内管１３とこれに外挿された外管１４とからなる二重配管構造のもので、内管１３内に前記のインナー流路（メイン流路）２０を形成し、内管１３と外管１４との間に前記のアウター流路（サブ流路）３０を形成したものである。このコンバージェント部１１は、装置本体２に接続する側では内管１３及び外管１４はほぼ円筒状になっており、その後、ダイバージェント部１２側に向かうに連れて、内管１３及び外管１４は共に漸次縮径するテーパー形状（先細り形状）になっている。
ここで、本実施形態では内管１３の先端部が、内管１３において最も内径が小となるスロート部１３ａとなっており、このスロート部１３ａの開口面積Ａ１が、後述するようにインナー流路２０を流出した作動ガス（原料粉末を含む）の膨張比を決定する要素の一つとなっている。
【００３５】
ダイバージェント部１２は、コンバージェント部１１の外管に連続して形成されたもので、漸次拡径するテーパー形状（先太り形状）になっている。
このような構成のもとに、インナー流路２０に導入された不活性ガスは、コンバージェント部１１を通過してダイバージェント部１２に流入し、その後ダイバージェント部１２の出口１２ａから噴射されるようになっている。また、アウター流路３０に導入された不活性ガスは、コンバージェント部１１を通過してダイバージェント部１２に流入し、その後ダイバージェント部１２の出口１２ａから噴射されるようになっている。
【００３６】
ここで、インナー流路２０、アウター流路３０に導入される不活性ガスは、いずれも４０気圧〜５０気圧程度の高圧で流入させられるため、エジェクタノズル３出口ではその流速が例えばマッハ３程度の超音速になる。したがって、このような超音速では、図１中に矢印で示すようにインナー流路２０を流出した一次流れ２１とアウター流路３０を流出した二次流れ３１とは互いに混ざりにくくなっている。すなわち、ダイバージェント部１２では、図１中二点鎖線で示すようにその内壁面側に、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５が形成されるようになる。
【００３７】
このような境界１５が形成されることにより、特にダイバージェント部１２の出口１２ａから流出する一次流れ２１の断面積Ａ２は、出口１２ａの開口面積より小さくなる。また、境界１５が形成される位置を適宜に変化させることにより、出口１２ａでの一次流れ２１の断面積Ａ２も変化するようになる。よって、この断面積Ａ２を変化させることで、エジェクタノズル３での一次流れ２１の膨張比を、適宜に調整することができるようになっている。すなわち、一次流れ２１の膨張比は、前記のスロート部１３ａの開口面積Ａ１と前記断面積Ａ２との比（面積比）によって決まる。したがって、開口面積Ａ１は固定されているため、断面積Ａ２を変化させること、つまり境界１５の形成位置を変化させることにより、一次流れ２１の膨張比を調整し、この一次流れ２１の速度分布を適正化することができるようになっている。
【００３８】
また、前記第１バルブ７ａ、第２バルブ７ｂ及び第４バルブ７ｄからなる第１圧力調整部と、第２バルブ７ｂ及び第３バルブ７ｃからなる第２圧力調整部とは、これらを適宜に調整することにより、前記インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量と、前記アウター流路３０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量との比（以下、流量比と記す）を、所望の比、例えば２０：１〜１：１となるように調整できるようになっている。
【００３９】
すなわち、インナー流路２０とアウター流路３０との間の流量比は、基本的（近似的）には、インナー流路２０に流入する作動ガスの圧、及びインナー流路２０のスロート部１３ａの開口面積Ａ１によって決まる流量と、アウター流路３０に流入する作動ガスの圧、及びダイバージェント部の途中に空力的に形成されるアウター側の境界１５によって形成される二次流れ３１のスロート断面積Ａ３（二次流れ３１の断面積が最小になる点の断面積）によって決まる流量との比によって決まる。したがって、インナー流路２０のスロート部１３ａの開口面積Ａ１は予め設計され、形成されて固定されていることから、第１圧力調整部と第２圧力調整部とを適宜に調整して前記境界１５によって形成される二次流れ３１のスロート断面積Ａ３を調節することで、前記の流量比を所望の比、例えば２０：１〜１：１となるように調整することができる。これにより、ダイバージェント部１２の内壁面に対する前記境界１５の形成位置も、適宜に調整することができる。つまり、アウター流路３０での流量をインナー流路２０での流量に対して相対的に大きくすることにより、前記境界１５の形成位置をダイバージェント部１２の内壁面側からダイバージェント部１２の中心側に移動させることができる。逆に、アウター流路３０での流量をインナー流路２０での流量に対して相対的に小さくすることにより、前記境界１５の形成位置をダイバージェント部１２の中心側からダイバージェント部１２の内壁面側に移動させることができる。
【００４０】
このような構成からなるコールドスプレー装置１によって対象物９の対処箇所に皮膜を形成するには、まず、対象物９に形成する皮膜の品質等を考慮し、作動ガスの圧力を設定する。すなわち、前記の一次流れ２１の膨張比が適正膨張となるようにし、この一次流れ２１の速度分布を適正化するべく、前記第１圧力調整部と前記第２圧力調整部とを制御し、インナー流路２０を流れる作動ガスの流量とアウター流路３０を流れる作動ガスの流量との比を適宜に設定する。具体的には、前記各バルブ７ａ〜７ｄを適宜な開度で開くことにより、作動ガスをインナー流路２０及びアウター流路３０の両方に流入させつつ、原料粉末を所定の量（濃度）でインナー流路２０に流入させる。
【００４１】
その際、前記の流量比については、２０：１〜１：１となるように調整するのが好ましい。流量比が２０：１より大きくなると、アウター流路３０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量が、インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量より相対的に小さくなり過ぎることにより、アウター流路３０を出た二次流れ３１によってインナー流路２０を出た一次流れ２１を十分にサポート（規制）できなくなり、一次流れ２１を適正に膨張させられなくなるおそれがあるからである。また、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５が良好に形成されず、一次流れ２１中の原料粉末がダイバージェント部１２の内壁面に接触し、ここに付着するおそれが生じるからである。
【００４２】
また、流量比が１：１より小さくなると、インナー流路２０を流れる作動ガスの単位時間当たりの流量が、全噴射流量に対して相対的小さくなり過ぎ、インナー流路２０を出た一次流れ２１中の原料粉末の噴射量が少なくなり、原料粉末の噴射効率が低下するからである。
【００４３】
このように前記流量比を適宜に設定し、その状態で作動ガス供給源４から作動ガスを導出すると、作動ガスは一部粉原料粉末を同伴し搬送してエジェクタノズル３に流入し、設定した流量比でインナー流路２０、アウター流路３０を超音速で流れる。
そして、コンバージェント部１１を出てダイバージェント部１２に出ると、アウター流路３０を出た作動ガスは二次流れ３１を作り、ダイバージェント部１２の内壁面に沿うようにして流れる。すると、アウター流路３０に流入する作動ガスは、前記したようにインナー流路２０に流入する作動ガスより低温（例えば４００℃）になっており、ダイバージェント部１２で膨張することによってさらに低温下するため、ダイバージェント部１２を流れることでその内壁面を冷却する効果を発揮する。
【００４４】
一方、インナー流路２０を出た原料粉末及び作動ガスは、一次流れ２１を作り、ダイバージェント部１２の中央部を流れる。その際、この一次流れ２１は、前述したように二次流れ３１と混ざりにくくなっているため、二次流れ３１との間に境界１５を形成する。したがって、一次流れ２１は、ダイバージェント部１２において二次流れ３１の影響を受け、これにサポートされることにより、その膨張が規制される。
【００４５】
すなわち、第１圧力調整部と第２圧力調整部とで前記流量比を適宜に調整しておくことにより、一次流れ２１に対する二次流れ３１の影響力（規制力）を適正に発揮させ、一次流れ２１と二次流れ３１との間の境界１５を、ダイバージェント部１２の内壁面に対して適宜な位置に形成させておく。これにより、一次流れ３１を形成する作動ガスの膨張を適正化し、これに搬送される原料粉末の速度分布を適正化することができる。そして、このように原料粉末は適正化された速度分布で噴射され、作動ガスとともに対象物９に衝突させられることにより、対象物９に形成される皮膜は、その厚さ等について、予め設定された通りの良好な品質のものとなる。
【００４６】
したがって、本実施形態のエジェクタノズル３及びこれを備えたコールドスプレー装置１によれば、インナー流路２０を出た原料粉末（皮膜材料）及び作動ガスの膨張を適正化し、原料粉末の速度分布を適正化することができるので、所望の高品質の皮膜を形成することができる。
【００４７】
また、二次流れ３１を形成することで、原料粉末を同伴する一次流れ２１がダイバージェント部１２の内壁面に接触するのを抑制し、該内壁面に原料粉末が付着するのを防止することができる。したがって、作動ガスの流れの乱れを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、これにより、高品質の（所望の）皮膜を形成することができる。
【００４８】
また、ヒーター８ａ〜８ｃにより、アウター流路３０に供給する作動ガスの温度をインナー流路２０に供給する作動ガスの温度より低くし、したがってアウター流路３０に流入する作動ガスがダイバージェント部１２の内壁面を冷却する効果を発揮するようにしたので、ダイバージェント部１２の内壁面が加熱されるのを抑えて原料粉末（皮膜材料）がダイバージェント部１２の内壁面に付着するのをより確実に防止することができる。よって、作動ガスの流れの乱れや、つまりを防止して原料粉末の速度分布を目的とする速度分布にすることができ、所望の高品質の皮膜を形成することができる。
【００４９】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では本発明に係るヒーターを、第１ヒーター８ａ、第２ヒーター８ｂ、第３ヒーター８ｃによって構成したが、本発明はこれに限定されることはない。基本的には、インナー流路２０に供給する作動ガスの温度が、アウター流路３０に供給する作動ガスより高くなるように加熱できる構成であれば、いずれの構成も採用可能である。
【００５０】
また、作動ガス供給源４からエジェクタノズル３への作動ガスの流路についても、第１配管系６ａ〜第４配管系６ｄに限定されることなく、種々の構成が採用可能である。
さらに、第１圧力調整部、第２圧力調整部についても、これらを構成する各バルブが前記した第１バルブ７ａ〜第４バルブ７ｄに限定されることなく、種々の構成が採用可能である。
【００５１】
また、前記実施形態では、エジェクタノズル３のコンバージェント部１１を構成する内管１１を、コンバージェント部１１とダイバージェント部１２との境目まで延びるように形成しているが、例えばダイバージェント部１２側に僅かに延び出て形成してもよい。このように構成しても、インナー流路２０とアウター流路３０とを形成し、これによって一次流れ２１と二次流れ３１を形成することにより、前述したように高品質の皮膜を形成することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１…コールドスプレー装置、２…装置本体、３…エジェクタノズル、４…作動ガス供給源、５…粉体供給部、６ａ…第１配管系、６ｂ…第２配管系、６ｃ…第３配管系、６ｄ…第４配管系、７ａ…第１バルブ、７ｂ…第２バルブ、７ｃ…第３バルブ、７ｄ…第４バルブ、８ａ…第１ヒーター、８ｂ…第２ヒーター、８ｃ…第３ヒーター、９…対象物、１１…コンバージェント部、１２…ダイバージェント部、１３…内管、１４…外管、１５…境界、２０…インナー流路、２１…一次流れ、３０…アウター流路、３１…二次流れ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置におけるエジェクタノズルであって、
前記皮膜材料及び前記作動ガスを供給する側となるコンバージェント部と、該コンバージェント部の先端側に設けられたダイバージェント部とを有し、
前記コンバージェント部は内管と外管とからなる二重配管構造とされ、
前記ダイバージェント部は前記コンバージェント部の外管に連続して形成され、
前記内管内には前記皮膜材料及び前記作動ガスが供給されるように構成され、
前記内管と前記外管との間には、前記作動ガスのみが供給されるよう構成されていることを特徴とするコールドスプレー装置用エジェクタノズル。
【請求項２】
請求項１記載のコールドスプレー装置用エジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置であって、
前記内管内に供給する作動ガスの圧力を調整する第１圧力調整部と、前記内管と前記外管との間に供給する作動ガスの圧力を調整する第２圧力調整部と、を有してなることを特徴とするコールドスプレー装置。
【請求項３】
前記作動ガスを加熱するヒーターが備えられ、
前記ヒーターは、前記内管内に供給される作動ガスの温度を、前記内管と前記外管との間に供給される作動ガスの温度より高くするように構成されていることを特徴とする請求項２記載のコールドスプレー装置。
【請求項１】
皮膜材料を作動ガスとともに固相状態のまま対象物に衝突させ、皮膜を形成するコールドスプレー装置におけるエジェクタノズルであって、
前記皮膜材料及び前記作動ガスを供給する側となるコンバージェント部と、該コンバージェント部の先端側に設けられたダイバージェント部とを有し、
前記コンバージェント部は内管と外管とからなる二重配管構造とされ、
前記ダイバージェント部は前記コンバージェント部の外管に連続して形成され、
前記内管内には前記皮膜材料及び前記作動ガスが供給されるように構成され、
前記内管と前記外管との間には、前記作動ガスのみが供給されるよう構成されていることを特徴とするコールドスプレー装置用エジェクタノズル。
【請求項２】
請求項１記載のコールドスプレー装置用エジェクタノズルを備えたコールドスプレー装置であって、
前記内管内に供給する作動ガスの圧力を調整する第１圧力調整部と、前記内管と前記外管との間に供給する作動ガスの圧力を調整する第２圧力調整部と、を有してなることを特徴とするコールドスプレー装置。
【請求項３】
前記作動ガスを加熱するヒーターが備えられ、
前記ヒーターは、前記内管内に供給される作動ガスの温度を、前記内管と前記外管との間に供給される作動ガスの温度より高くするように構成されていることを特徴とする請求項２記載のコールドスプレー装置。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−５２１８６（Ｐ２０１２−５２１８６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９５７４８（Ｐ２０１０−１９５７４８）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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