動的スプレー処理による、高速被覆溶着のための連続インライン製造工程
【課題】改良された動的スプレーシステムと、それを高速製造環境内で使用するための方法を提供する。
【解決手段】改良された動的スプレーノズルシステムは、粉末／ガス調整チャンバ８０の第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバ４９と、集束発散超音波ノズル５４とを備えており、超音波ノズルは、喉部５８によって発散区画から分離されている集束区画を有しており、発散区画は第１部分５９Ａと第２部分５９Ｂを備えており、集束区画は、粉末／ガス調整チャンバの第１端部とは反対側の第２端部に接続されている。本方法は、本開示のノズルシステムを、ノズルを詰まらせないようにしながら粒子温度を最大に高めることができる硬い粒子を加えて使用すること；所望の非常に速い送り速度と整合するように粒子供給速度を制御すること；及び基板を洗浄し粒子の結合性を高めるために基板を予加熱すること、を含んでいる。
【解決手段】改良された動的スプレーノズルシステムは、粉末／ガス調整チャンバ８０の第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバ４９と、集束発散超音波ノズル５４とを備えており、超音波ノズルは、喉部５８によって発散区画から分離されている集束区画を有しており、発散区画は第１部分５９Ａと第２部分５９Ｂを備えており、集束区画は、粉末／ガス調整チャンバの第１端部とは反対側の第２端部に接続されている。本方法は、本開示のノズルシステムを、ノズルを詰まらせないようにしながら粒子温度を最大に高めることができる硬い粒子を加えて使用すること；所望の非常に速い送り速度と整合するように粒子供給速度を制御すること；及び基板を洗浄し粒子の結合性を高めるために基板を予加熱すること、を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動的スプレー処理による基板の被覆に関しており、より具体的には、動的スプレーシステムを使って、高速連続インライン被覆溶着を行うことのできる改良したノズルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，１３９，９１３号「動的スプレー被覆法及び装置」と第６，２８３，３８６号「動的スプレー被覆装置」を参考文献としてここに援用する。
動的スプレーシステムに関する先行技術は、一般的に、集束発散ｄｅＬａｖａｌ型超音波ノズルに直接接続されているガス／粉末交換チャンバを含むノズルシステムを有する動的スプレーシステムを開示している。システムは、粉末粒子のストリームを、正の圧力の下で交換チャンバへ導く。通常、粉末を交換チャンバへ駆動するのに用いられる粉末ガスは、粉末が粉末パイプラインを目詰まりさせないようにするため加熱されない。加熱されたメインガスも、粉末粒子ストリームの圧力より低く設定されている圧力の下で、交換チャンバに導かれる。交換チャンバでは、加熱されたメインガスと粒子が混じり合い、滞留時間が極めて短いため、粉末粒子は、僅かに加熱されるだけで、メインガスが、或る低融解温度材料の融解温度を何倍か上回る温度にあるときでも、融解点より相当に低い。加熱されたメインガスと粒子は、交換チャンバから超音波ノズルへ流れ、そこで、粒子は、毎秒２００から１３００メートルの速度に加速される。粒子は、ノズルを出て、臨界速度を超えていれば、ノズルに対面して配置された基板に接着する。
【０００３】
粒子の臨界速度は、その材料の組成と寸法で決まる。一般的に、硬い粒子ほど、接着させるには高速にしなければならず、大きな粒子ほど、高速に加速するのは難しい。先行技術のシステムは、多様な異なる種類の粒子と共に作動するように示されているが、粒子の寸法及び材料組成によっては、現在のところ上手くスプレーできないものもある。本発明以前に、より硬い粒子又はより大きい粒子で基板を被覆するため、数多くの試みが行われてきた。これらの試みは、大抵不首尾だった。更に、粒子をスプレーするのが難しいので、粒子の被覆密度と溶着効率は、非常に低い。ノズルから出るときの粒子速度は、粒子寸法と粒子密度にほぼ逆比例する。温度を上げることによってメインガスの速度を上げると、出るときの粒子の速度が上がる。しかしながら、システム内で達成可能なメインガスの速度と温度には限界がある。メインガスの温度が高すぎると、粉末粒子は、ノズルの内側に接着し始め、溶着性能が低下し、ノズルの洗浄が必要になる。
【０００４】
溶着させるのが難しい粒子をスプレーする能力における最近の改良は、２００４年３月２４日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／８０８，２４５号に開示されている。この同時係属中の出願は、粉末／ガス調整チャンバをノズルに組み込んでいる改良型ノズル設計を開示している。これは、以前はスプレーするのが難しかった粉末をより高い溶着効率でスプレーする劇的な能力に結びついている。この同時係属中のシステムは、スプレーするのが難しい粉末を、粒子温度を上げることによってその溶着効率を改良したが、或る種の非常に硬い粉末、即ち、融解温度が低いか又は非常に大きな粒子の硬い粉末には限界がある。例えば、アルミニウム、シリコン及び亜鉛で形成された蝋付け合金の様な或る種の粒子集団は、粒子温度が高すぎるとノズル内で粘着質になって内側にくっつき、溶着効率を低下させるので、未だに溶着させるのが難しい。その結果、適切な厚さと質量付着を実現した被覆とするため、基板の送り速度を大幅に下げなければならない。例えば、単層のスプレーされた粒子と等価なＡＬ−Ｓｎ−Ｚｉの三元蝋付け合金を溶着させるには、送り速度を、毎秒１．２５から２．５センチメートルとしなければならない。そのような送り速度はあまりにも遅くて、製造環境が、毎秒２５から２５０センチメートルの範囲の高い送り速度を備えた高い溶着効率を必要とするときには、使えない。従って、ノズルを清浄に保ちながら、毎秒２５センチメートル以上の高い送り速度で、広範囲な材料に高い溶着効率を可能にする適切な動的スプレーシステムを開発する必要に迫られている。
【特許文献１】米国特許第６，１３９，９１３号
【特許文献２】米国特許第６，２８３，３８６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
或る実施形態では、本発明は、基板を被覆する動的スプレーの方法であって、粉末の粒子を提供する段階と；粒子をガス／粉末交換チャンバに噴射して、粒子を、ガス／粉末交換チャンバ内の、粒子の融解温度を超える温度まで粒子を加熱するには不十分な温度であるメインガスの流れに巻き込ませる段階と；ガス／粉末交換チャンバ内のメインガスに巻き込まれた粒子を、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上の粉末／ガス調整チャンバへ送る段階と；調整チャンバからの、ガスの流れに巻き込まれた粒子を、収束発散超音波ノズルに送る段階であって、前記ノズルは、第１部分と第２部分を備えた発散区画を有しており、前記第１部分は前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有している、段階と；粒子を、粒子がノズルに相対して配置されている基板上に接着できるだけの速度に加速させる段階と、から成る方法である。
【０００６】
別の実施形態では、本発明は、動的スプレーノズルシステムであって、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上である粉末／ガス調整チャンバの第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバと；収束発散超音波ノズルであって、前記超音波ノズルは、喉部によって発散区画から分離されている収束区画を有しており、前記発散区画は第１部分と第２部分を備えており、前記第１部分は、前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有しており、前記集束区画は、前記粉末／ガス調整チャンバの前記第１端部とは反対側の第２端部に接続されている超音波ノズルと、を備えている、動的スプレーノズルシステムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に概説されている動的スプレー処理とノズルシステムに対する飛躍的な改良を備えている。
先ず図１では、本発明に従って設計されたノズルを使用するための動的スプレーシステム全体を、参照番号１０で示している。システム１０は、中に支持テーブル１４又は他の支持手段が配置されている囲壁１２を含んでいる。テーブル１４に固定されている取り付けパネル１６は、ワークホルダー１８を支持している。ワークホルダー１８は、被覆対象の基板の型式次第で様々な形態を取ることができる。例えば、ワークホルダー１８は、本発明では、基板に毎秒２５０センチメートルを超える送り速度でノズル３４を通過させることができる複数の高速ローラーとして構成することができる。別の実施形態では、ワークホルダー１８は、三次元で動き、被覆対象の基板材料で形成された適切な工作物を支持することができる。囲壁１２は、少なくとも１つの空気入口（図示せず）と、適切な排気導管２２によって集塵器（図示せず）に接続されている空気出口２０とを有する取り囲む壁を含んでいる。被覆作業中、集塵器は、囲壁１２から空気を継続的に引き出し、その後で廃棄又は循環使用するために、排気内に含まれている埃又は粒子を集める。
【０００８】
スプレーシステム１０は、ガスを３．４ＭＰａ（５００ｐｓｉ）までの圧力で高圧ガスバラストタンク２６に供給することのできるガス圧縮器２４を含んでいる。本発明では、空気、ヘリウム、アルゴン、窒素及び他の希ガスを含む多くのガスを使用することができる。ガスバラストタンク２６は、配管２８によって、高圧粉末供給器３０と分離型ガス加熱器３２に接続されている。ガス加熱器３２は、高圧の加熱済みのガス、即ち、以下で述べるように加熱済みのメインガスを動的スプレーノズル３４に供給する。粉末供給器３０は、スプレー対象の粉末の粒子を、加熱済み又は未加熱の高圧ガスと混ぜ合わせ、その混合物を、ノズル３４の補助導入配管４８に供給する。或る実施形態では、粉末ガスが加熱され、別の実施形態では、粉末ガスは、粉末配管が詰まらないように加熱されない。コンピューター制御器３５は、ガス加熱器３２に供給されるガスの圧力、粉末供給器３０に供給されるガスの圧力、粉末供給器３０へ供給されるガスの温度、及びガス加熱器３２を出る加熱済みメインガスの温度を制御するように作動する。
【０００９】
図２は、システム１０で使用するために本発明に従って設計されたノズル３４と、そのガス加熱器３２及び補助導入配管４８との接続部の断面図である。メインガス経路３６は、ガス加熱器３２をノズル３４に接続している。経路３６は、予混合チャンバ３８に接続され、予混合チャンバ３８は、ガスを、整流器４０を経由して混合チャンバ４２に送る。加熱済みメインガスの温度と圧力は、経路３６のガス入口温度熱電対４４と、混合チャンバ４２に接続されている圧力センサー４６とで監視されている。予混合チャンバ３８、整流器４０及び混合チャンバ４２は、ガス／粉末交換チャンバ４９を形成している。
【００１０】
高圧ガスと被覆粉末の混合物は、補助導入配管４８を通して、望ましくはガス／粉末交換チャンバ４９の中心軸５１と同じ中心軸５２を有する粉末噴射管５０に送られる。チャンバ４９の長さは、４０から８０ミリメートルであるのが望ましい。噴射管５０は約０．３から３．０ミリメートルの内径を有しているのが望ましい。管５０は、予混合チャンバ３８と整流器４０を通過して、混合チャンバ４２へと伸張している。
【００１１】
混合チャンバ４２は、ガス／粉末交換チャンバ４９と超音波ノズル５４の間に配置されている粉末／ガス調整チャンバ８０と連通している。粉末／ガス調整チャンバ８０は、その長手方向の軸に沿って長さＬを有している。軸５２は、この実施形態では軸５１と同じである。粉末／ガス調整チャンバ８０の内部は、円筒形８２を有しているのが望ましい。更に、内径が、超音波ノズル５４の集束区画の入口と一致しているのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０は、超音波ノズル５４とガス／粉末交換チャンバ４９の両方と解除可能に係合している。解除可能な係合は、ガス／粉末交換チャンバ４９、ノズル５４及び粉末／ガス調整チャンバ８０（図示せず）上の対応する係合ねじを介して行われる。解除可能な係合は、スナップ嵌め、バイオネット式接続及びこの他の当業者には既知の接続の様な他の手段で行ってもよい。長手方向軸に沿う長さＬは、少なくとも２０ミリメートル又はそれ以上であるのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０の最適な長さは、スプレー対象の粒子と、粒子をスプレーする対象の基板とに依る。長さＬは、２０から４５０ミリメートルの範囲にあるのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０を挿入すると、噴射管５０の出口と隣接するノズル５４の端部との間の距離は、先行技術と比べて相当に長くなる。調整チャンバ８０によって距離が長くなったため、粒子が超音波ノズル５４に入る前に、メインガス内に滞留する時間が長くなる。滞留時間が長くなると、粒子温度が高くなり、メインガスと粉末の相互混合が更に均質になり、ガス粉末混合物の流れが更に均質になる。従って、粒子は更に高温になり、超音波ノズル５４に入る前に、融点に近付くが、なお融点より相当に低い。
【００１２】
超音波ノズル５４は、ｄｅＬａｖａｌ式の収束発散ノズル５４である。ノズル５４は、喉部５８に向かって直径が減少する入口円錐５６を有している。入口円錐５６は、ノズル５４の収束区画を形成している。喉部５８の下流に出口端部６０がある。入口円錐５６の最大直径は、１０から６ミリメートルの範囲にあり、７．５ミリメートルであるのが望ましい。入口円錐５６は、喉部５８に向かって狭くなっている。喉部５８は、１．０から６．０ミリメートルの直径を有しており、２から５ミリメートルであるのが望ましい。ノズル５４は、更に、喉部５８の下流側から出口端部６０まで伸張する発散区画を含んでいる。本発明では、発散区画は、先行技術から修正されている。発散区画は、喉部５８に隣接する第１部分５９Ａと、第１部分５９Ａに隣接する第２部分５９Ｂを含んでいる。ノズル５４の断面積は、第１部分５９Ａで急に拡大する。ノズル５４の断面積は、第２部分５９Ｂでは、実質的には一定のままであり、拡大しない。先行技術は、ノズル５４の第１部分５９Ａだけを有している。発散区画の全長は、３５０から１０００ミリメートルであるのが望ましく、４００から８００ミリメートルであるのが更に望ましい。第１部分５９Ａは、２００から４００ミリメートルの長さにあるのが望ましく、第２部分５９Ｂは、１５０から８００ミリメートルの長さであるのが望ましい。発散区画の形状は様々であってもよいが、好適な実施形態では、長方形断面である。ノズル５４は、出口端部６０で、長い方の辺が６から２４ミリメートルで、短い方の辺が１から６ミリメートルの長方形であるのが望ましい。
【００１３】
米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に開示されているように、粉末噴射管５０は、経路３６からの加熱済みメインガスの圧力を超える圧力の下で、粒子粉末混合物をシステム１０に供給する。粉末供給器３０に供給されるガスは、粉末粒子が、メインガス圧力より毎平方インチ１５から１５０ポンド高い圧力で、更に望ましくはメインガス圧力より毎平方インチ１５から７５ポンド高い圧力で、噴射管５０を離れるほど高い圧力にあるのが望ましい。或る実施形態では、粉末供給器に供給されるガスは、４０から２００℃の温度に加熱される。
【００１４】
ノズル５４は、同伴粒子の出口速度を、毎秒２００メートルから毎秒１３００メートルにまでする。同伴粒子は、基本的に、ノズル５４を通過して流れる間に運動エネルギーを得る。当業者には理解頂けるように、ガスストリーム内の粒子の温度は、粒子の寸法とメインガスの温度に依って変わる。メインガスの温度は、ノズル５４への入口における加熱済み高圧ガスの温度と定義される。メインガスの温度は、スプレー対象粒子の融解温度より実質的に高い。実際、メインガスの温度は、約２００℃から２０００℃で変化し、スプレー対象の粒子の溶解点より、粒子材料に依って違うが、何倍も高い。この様にメインガス温度が高いにも関わらず、粒子温度は、粒子の融解点より常に低い。これは、粉末が、粉末ガスによって加熱済みのガスストリーム内に噴射され、粒子の、加熱済みメインガスに曝される時間が比較的短いからである。従って、衝撃を受けても、運動及び熱エネルギーの伝達によって、元の粒子の固相に変化は無く、元々の物理的特性にも変化は無い。粒子は、常に、粒子の融解点を下回る温度になっている。ノズル５４を出る粒子は、基板の表面に向かって送られ、これを被覆する。
【００１５】
粒子は、ノズル５４に相対する基板に当たると、一般的にはスプレーされる材料の種類によって縦横比が変わる、小塊状の構造に広がる。基板が金属で粒子が金属の場合、基板表面に当たる粒子は、表面の酸化物層を壊し、次に金属粒子と金属基板の間に直接の金属対金属結合を形成する。動的にスプレーされる粒子は、衝突すると、その全ての運動及び熱エネルギーを基板表面に伝達して基板に接着する。先に述べたように、所与の粒子が基板に接着するには、粒子がノズル５４を出た後、基板に当たるときに基板に接着する速度と定義される臨界速度に達しているか、それ以上である必要がある。この臨界速度は、粒子の材料組成と、基板の材料組成によって決まる。一般的には、硬い材料ほど、所与の基板に接着する前に高い臨界速度に達していなければならず、硬い基板ほど、高い速度で衝突させる必要がある。粒子対基板結合の特性が何であるかは、現時点では正確には分からないが、金属基板に衝突する金属粒子では、粒子が、基板に当たると塑性変形し、それによって酸化物の層を壊して下層の金属を露出させるため、結合部分は金属質、即ち金属対金属であると考えられる。
【００１６】
米国特許第６，１３９，９１３号に開示されているように、基板材料は、金属、合金、プラスチック、ポリマー、セラミック、木、半導体及びこれらの材料の混合物を含む多種多様な材料の何れで構成されていてもよい。これらの基板は、全て本発明の処理によって被覆することができる。基板から離れている距離は、５から６０ミリメートルであるのが望ましく、１０から５０ミリメートルであると更に望ましい。本発明で用いる粒子は、既知の他の粒子に加えて、米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に開示されている材料の何れでもよい。これらの粒子は、概括的には、金属、合金、セラミック、ポリマー、ダイヤモンド、金属被覆セラミック、半導体、又はこれらの材料の混合物である。粒子は、約１から２５０ミクロンの平均呼び直径を有しているのが望ましい。本発明の１つの好ましい用途は、蝋付け合金を表面に溶着させることである。蝋付け合金は、アルミニウム、シリコン及び亜鉛の混合物であるのが望ましい。或る実施形態では、合金は、全重量に対し、５０から７８重量％のアルミニウムと、５から１０重量％のシリコンと、１２から４５重量％の亜鉛で構成されているのが好ましい。
【００１７】
図３は、先行技術による動的スプレー処理を使って動的にスプレーした基板の顕微鏡写真である。レーンａとｂは、図５Ａに示すようにノズルを洗浄した直後にスプレーしたものである。レーンｃ−ｈは、レーンａとｂの直後にスプレーしたものである。レーンｈの後のノズルの内側を図５Ｂに示している。重い粒子がノズル内に付着し、溶着品質が低下していることに注目頂きたい。スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３５０ｐｓｉ、メインガス温度６５０℃、粉末供給速度０．５グラム／秒、離間距離２０ミリメートル、送り速度毎秒１．２５センチメートルであった。粉末の粒子は、アルミウム、シリコン及び亜鉛の蝋付け合金混合物であった。図４Ａと図４Ｂは、レーンａとｇの被覆表面走査顕微鏡写真を示している。図４Ａに対し、図４Ｂの基板に接着している粒子の密度が低いことに注目頂きたい。図４Ａでは、粒子は、大きく変形し、密に詰め込まれており、粒子速度と溶着効率が高いことを明確に示している。図４Ｂの場合、基板に当たった粒子の大部分は、衝突後に落下しており、これは、高密度のクレーター痕跡で証明されている。図５Ｂに示すように、ノズルの壁に合金が付着すると、境界層が厚くな頃粒子の速度が低下すると考えられる。
【００１８】
これらの蝋付け合金をスプレーする能力を改良する試みの中で、本発明の発明人は、合金に、追加の硬い構成要素、即ちセラミックを組み込んだ。ダイヤモンド又は他の硬い材料も、適していると考えられる。選択したセラミックは、炭化ケイ素であったが、他のセラミックでもよい。重要なのは、粒子の第２集団は、スプレー条件の下で基板に接着するには硬すぎて、代わりに、ノズルの内側を削って清浄に保つ働きをすることである。炭化ケイ素のような硬い粒子を、全重量に対し１から２０重量％で含ませるのが望ましい。同じ粒子寸法を用いることもできる。図６Ａと図６Ｂは、本発明に従って設計したノズルと炭化ケイ素を使ったときの大幅な改良を示している。先行技術のノズルを使った場合、メインガス温度は６５０℃に、送り速度は毎秒１．２５センチメートルに、溶着効率は３から５％に限定された。図６Ａと図６Ｂに示している結果では、スプレーパラメーターは以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３２０ｐｓｉ、メインガス温度１０００℃、粉末供給速度１．００グラム／秒、離間距離２０ミリメートル、送り速度毎秒６０センチメートルであった。基準線１００、１０２、１１０、１１２では、炭化ケイ素の粒子は、平均呼び直径が２５から４５ミクロンである。他の基準線では、平均呼び直径は６３から９０ミクロンである。基準線１００と１１０は、炭化ケイ素４重量％の効果を示している。基準線１０２と１１２は、炭化ケイ素７重量％の効果を示している。基準線１０４と１１４は、炭化ケイ素４重量％の効果を示している。基準線１０６と１１６は、炭化ケイ素７重量％の効果を示している。基準線１０８と１１８は、炭化ケイ素１０重量％の効果を示している。概括的には、コンデンサー管上の付着量は、平方メートル当たり４０から８０グラムであるのが望ましい。結果は、少量の硬い炭化ケイ素が、アルミニウム、シリコン及び亜鉛の合金のような粘着質材料を溶着させる能力を大幅に改良することを示している。送り速度は２４倍高く設定し、メインガス温度は４００℃上げることができ、溶着効率は少なくとも１２倍高く、付着量はコンデンサー管を効果的に被覆するのに必要なレベルを大きく上回った。
【００１９】
図６Ａと図６Ｂに示した種類のデータを使えば、幾つかの想定される溶着効率及び送り速度の何れにおいても、１８ミリメートル幅のコンテンサー管に平方メートル当たり少なくとも８０グラムの付着量を持続するのに必要な粉末供給速度を計算することができる。そのような計算結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
本発明によって、非常に速い送り速度で効率的に被覆を溶着させる能力が大幅に改良されるので、高速の製造環境でこれを使用できることが分かる。そのような例を図７及び図８に示している。図７は、コンデンサー管の押出成形ラインに、本発明をインラインで組み込んだ概略図である。基板は、どの様な高速押出成形材料であってもよい。図７で、押出成形器１２０は、略５５０℃の温度でコンデンサー管１２２を連続して押し出す。押し出された管１２２は、一対の空気冷却器１２４を通過し、次に、本発明に従って設計された一対の動的スプレーノズル３４を通過し、そこで、管１２２はノズル３４によって被覆される。被覆された管１２２は、冷却水槽１２６を通過し、巻きスプール１２８に巻き取られる。巻き取られた管は、その後まっすぐ伸ばされ、所定の寸法に裁断１３０される。別の実施形態では、本発明のノズル３４は、図８に示すように、スプール対スプールの工程に用いられる。スプール１４０の中には、巻き取られた押出成形管１４２が入っており、管１４２は、駆動ローラー１４４によってスプール１４０から引き出される。駆動ローラー１４４は、管１４２を、加熱器１４６を通し、次いで本発明に従って設計された一対のノズル３４を通して送る。ノズル３４は、管１４２を被覆し、次いで管１４２は別のスプール１４６に巻き取られる。後で、被覆された管１４２は、まっすぐ伸ばされ、所定の長さに裁断１４８される。進歩した動的スプレー処理と組み合わせて提案している連続インライン製造工程は、被覆品質と溶着効率を改善する一方で、サイクルタイムと製造コストを最小化できるキー技術である。更に、この連続インライン処理であれば、基板を予加熱する必要も無い。基板を予加熱すれば、溶着効率を改良することができる。図７に示している例では、基板の温度は押出の直後はかなり高く、５５０℃近くで、このインライン処理では、基板がノズル５４の正面を通過する前に予加熱する必要はない。
【００２２】
図９は、本発明に従って蝋付けされたラジエーターコア１５４の断面の顕微鏡写真を示している。本発明に従って利用された蝋付け合金は、硬い炭化ケイ素と事前に混合されたアルミニウム、シリコン及び亜鉛の合金であった。スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３３０ｐｓｉ、メインガス温度１１００℃、粉末供給速度毎秒４．００グラム、離間距離２２ミリメートル、粉末／ガス調整チャンバの長さ１３１ミリメートル、送り速度毎秒２００センチメートルであった。コンデンサー管１５０は、コア１５４への優れた蝋付け接続部を示している。
【００２３】
図１０は、基板の穏やかな加熱の効果を示している。何れの場合も、基板はコンテンサー管であり、スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３３０ｐｓｉ、メインガス温度１１００℃、粉末供給速度毎秒４．００グラム、離間距離２２ミリメートル、粉末／ガス調整チャンバ長さ１３１ミリメートル、送り速度毎秒２００センチメートルであった。基準線１６０では、管は、スプレー時は室温であった。基準線１６２では、管を４０℃に加熱してからスプレーした。基準線１６４では、管を１６０℃に加熱してからスプレーした。結果は、スプレー前に基板を加熱すると、付着量が増し、従って溶着効率を上がることを示している。本発明の連続インライン製造工程は、部分的には押出成形による基板温度が高いために、被覆品質と溶着効率を改良している。重要な利点には、改良されたサイクルタイム、改良された溶着効率、改良された被覆品質、基板を予加熱する必要が無いこと、が含まれる。
【００２４】
以上、本発明を、高速製造環境で使用すること、具体的には、コンデンサー管を被覆するのに本発明を利用することに関して説明してきた。しかしながら、本発明は、これに限定されない。当業者には想起頂けるように、実際に全ての高速製造環境で使用することができる。
【００２５】
上記発明は、関連する法基準に従って説明しているので、その説明は、本質的に制限を加えるものではなく例示的なものである。開示している実施形態に対する変更と修正は、当業者には自明であろうし、本発明の範囲内にある。従って、本発明に与えられる法的な保護の範囲は、特許請求の範囲を精査することによってのみ判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】 本発明のノズルを使用するための動的スプレーシステムを示す概略配置図である。
【図２】 動的スプレーシステムで使用するための本発明に従って設計されたノズルシステムの拡大断面図である。
【図３】 先行技術に従って設計された動的スプレーノズルによってスプレーされた基板の顕微鏡写真である。
【図４】 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図３のストリップａ及びｇに示している被覆の走査電子顕微鏡写真である。
【図５】 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図３のストリップａを噴射する前と、図３のストリップｈを噴射した後の、先行技術による動的スプレーノズルの出口端部の顕微鏡写真である。
【図６】 図６Ａは、本発明による、基板を被覆する能力に関する、炭化ケイ素添加のレベルの効果を示すグラフである。 図６Ｂは、本発明による、基板への被覆溶着効率に関する、炭化ケイ素添加のレベルの効果を示すグラフである。
【図７】 コンデンサー管に押出工程にインラインで追加された、本発明の１つの使用法を示す概略図である。
【図８】 コンデンサー管のスプール対スプールの工程にインラインで追加された、本発明の１つの使用法を示す概略図である。
【図９】 本発明により準備された、コンデンサー管対コンデンサーコアの蝋付け接続部の断面の走査顕微鏡写真である。
【図１０】 本発明によりスプレーされた基板に接着する被覆の量に関する、基板を予加熱する効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
３４、５４ ノズル
４９ ガス／粉末交換チャンバ
５８ 喉部
５９Ａ 第１部分
５９Ｂ 第２部分
８０ 粉末／ガス調整チャンバ
１２８、１４０ スプール
１５０ コンデンサー管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動的スプレー処理による基板の被覆に関しており、より具体的には、動的スプレーシステムを使って、高速連続インライン被覆溶着を行うことのできる改良したノズルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，１３９，９１３号「動的スプレー被覆法及び装置」と第６，２８３，３８６号「動的スプレー被覆装置」を参考文献としてここに援用する。
動的スプレーシステムに関する先行技術は、一般的に、集束発散ｄｅＬａｖａｌ型超音波ノズルに直接接続されているガス／粉末交換チャンバを含むノズルシステムを有する動的スプレーシステムを開示している。システムは、粉末粒子のストリームを、正の圧力の下で交換チャンバへ導く。通常、粉末を交換チャンバへ駆動するのに用いられる粉末ガスは、粉末が粉末パイプラインを目詰まりさせないようにするため加熱されない。加熱されたメインガスも、粉末粒子ストリームの圧力より低く設定されている圧力の下で、交換チャンバに導かれる。交換チャンバでは、加熱されたメインガスと粒子が混じり合い、滞留時間が極めて短いため、粉末粒子は、僅かに加熱されるだけで、メインガスが、或る低融解温度材料の融解温度を何倍か上回る温度にあるときでも、融解点より相当に低い。加熱されたメインガスと粒子は、交換チャンバから超音波ノズルへ流れ、そこで、粒子は、毎秒２００から１３００メートルの速度に加速される。粒子は、ノズルを出て、臨界速度を超えていれば、ノズルに対面して配置された基板に接着する。
【０００３】
粒子の臨界速度は、その材料の組成と寸法で決まる。一般的に、硬い粒子ほど、接着させるには高速にしなければならず、大きな粒子ほど、高速に加速するのは難しい。先行技術のシステムは、多様な異なる種類の粒子と共に作動するように示されているが、粒子の寸法及び材料組成によっては、現在のところ上手くスプレーできないものもある。本発明以前に、より硬い粒子又はより大きい粒子で基板を被覆するため、数多くの試みが行われてきた。これらの試みは、大抵不首尾だった。更に、粒子をスプレーするのが難しいので、粒子の被覆密度と溶着効率は、非常に低い。ノズルから出るときの粒子速度は、粒子寸法と粒子密度にほぼ逆比例する。温度を上げることによってメインガスの速度を上げると、出るときの粒子の速度が上がる。しかしながら、システム内で達成可能なメインガスの速度と温度には限界がある。メインガスの温度が高すぎると、粉末粒子は、ノズルの内側に接着し始め、溶着性能が低下し、ノズルの洗浄が必要になる。
【０００４】
溶着させるのが難しい粒子をスプレーする能力における最近の改良は、２００４年３月２４日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／８０８，２４５号に開示されている。この同時係属中の出願は、粉末／ガス調整チャンバをノズルに組み込んでいる改良型ノズル設計を開示している。これは、以前はスプレーするのが難しかった粉末をより高い溶着効率でスプレーする劇的な能力に結びついている。この同時係属中のシステムは、スプレーするのが難しい粉末を、粒子温度を上げることによってその溶着効率を改良したが、或る種の非常に硬い粉末、即ち、融解温度が低いか又は非常に大きな粒子の硬い粉末には限界がある。例えば、アルミニウム、シリコン及び亜鉛で形成された蝋付け合金の様な或る種の粒子集団は、粒子温度が高すぎるとノズル内で粘着質になって内側にくっつき、溶着効率を低下させるので、未だに溶着させるのが難しい。その結果、適切な厚さと質量付着を実現した被覆とするため、基板の送り速度を大幅に下げなければならない。例えば、単層のスプレーされた粒子と等価なＡＬ−Ｓｎ−Ｚｉの三元蝋付け合金を溶着させるには、送り速度を、毎秒１．２５から２．５センチメートルとしなければならない。そのような送り速度はあまりにも遅くて、製造環境が、毎秒２５から２５０センチメートルの範囲の高い送り速度を備えた高い溶着効率を必要とするときには、使えない。従って、ノズルを清浄に保ちながら、毎秒２５センチメートル以上の高い送り速度で、広範囲な材料に高い溶着効率を可能にする適切な動的スプレーシステムを開発する必要に迫られている。
【特許文献１】米国特許第６，１３９，９１３号
【特許文献２】米国特許第６，２８３，３８６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
或る実施形態では、本発明は、基板を被覆する動的スプレーの方法であって、粉末の粒子を提供する段階と；粒子をガス／粉末交換チャンバに噴射して、粒子を、ガス／粉末交換チャンバ内の、粒子の融解温度を超える温度まで粒子を加熱するには不十分な温度であるメインガスの流れに巻き込ませる段階と；ガス／粉末交換チャンバ内のメインガスに巻き込まれた粒子を、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上の粉末／ガス調整チャンバへ送る段階と；調整チャンバからの、ガスの流れに巻き込まれた粒子を、収束発散超音波ノズルに送る段階であって、前記ノズルは、第１部分と第２部分を備えた発散区画を有しており、前記第１部分は前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有している、段階と；粒子を、粒子がノズルに相対して配置されている基板上に接着できるだけの速度に加速させる段階と、から成る方法である。
【０００６】
別の実施形態では、本発明は、動的スプレーノズルシステムであって、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上である粉末／ガス調整チャンバの第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバと；収束発散超音波ノズルであって、前記超音波ノズルは、喉部によって発散区画から分離されている収束区画を有しており、前記発散区画は第１部分と第２部分を備えており、前記第１部分は、前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有しており、前記集束区画は、前記粉末／ガス調整チャンバの前記第１端部とは反対側の第２端部に接続されている超音波ノズルと、を備えている、動的スプレーノズルシステムである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に概説されている動的スプレー処理とノズルシステムに対する飛躍的な改良を備えている。
先ず図１では、本発明に従って設計されたノズルを使用するための動的スプレーシステム全体を、参照番号１０で示している。システム１０は、中に支持テーブル１４又は他の支持手段が配置されている囲壁１２を含んでいる。テーブル１４に固定されている取り付けパネル１６は、ワークホルダー１８を支持している。ワークホルダー１８は、被覆対象の基板の型式次第で様々な形態を取ることができる。例えば、ワークホルダー１８は、本発明では、基板に毎秒２５０センチメートルを超える送り速度でノズル３４を通過させることができる複数の高速ローラーとして構成することができる。別の実施形態では、ワークホルダー１８は、三次元で動き、被覆対象の基板材料で形成された適切な工作物を支持することができる。囲壁１２は、少なくとも１つの空気入口（図示せず）と、適切な排気導管２２によって集塵器（図示せず）に接続されている空気出口２０とを有する取り囲む壁を含んでいる。被覆作業中、集塵器は、囲壁１２から空気を継続的に引き出し、その後で廃棄又は循環使用するために、排気内に含まれている埃又は粒子を集める。
【０００８】
スプレーシステム１０は、ガスを３．４ＭＰａ（５００ｐｓｉ）までの圧力で高圧ガスバラストタンク２６に供給することのできるガス圧縮器２４を含んでいる。本発明では、空気、ヘリウム、アルゴン、窒素及び他の希ガスを含む多くのガスを使用することができる。ガスバラストタンク２６は、配管２８によって、高圧粉末供給器３０と分離型ガス加熱器３２に接続されている。ガス加熱器３２は、高圧の加熱済みのガス、即ち、以下で述べるように加熱済みのメインガスを動的スプレーノズル３４に供給する。粉末供給器３０は、スプレー対象の粉末の粒子を、加熱済み又は未加熱の高圧ガスと混ぜ合わせ、その混合物を、ノズル３４の補助導入配管４８に供給する。或る実施形態では、粉末ガスが加熱され、別の実施形態では、粉末ガスは、粉末配管が詰まらないように加熱されない。コンピューター制御器３５は、ガス加熱器３２に供給されるガスの圧力、粉末供給器３０に供給されるガスの圧力、粉末供給器３０へ供給されるガスの温度、及びガス加熱器３２を出る加熱済みメインガスの温度を制御するように作動する。
【０００９】
図２は、システム１０で使用するために本発明に従って設計されたノズル３４と、そのガス加熱器３２及び補助導入配管４８との接続部の断面図である。メインガス経路３６は、ガス加熱器３２をノズル３４に接続している。経路３６は、予混合チャンバ３８に接続され、予混合チャンバ３８は、ガスを、整流器４０を経由して混合チャンバ４２に送る。加熱済みメインガスの温度と圧力は、経路３６のガス入口温度熱電対４４と、混合チャンバ４２に接続されている圧力センサー４６とで監視されている。予混合チャンバ３８、整流器４０及び混合チャンバ４２は、ガス／粉末交換チャンバ４９を形成している。
【００１０】
高圧ガスと被覆粉末の混合物は、補助導入配管４８を通して、望ましくはガス／粉末交換チャンバ４９の中心軸５１と同じ中心軸５２を有する粉末噴射管５０に送られる。チャンバ４９の長さは、４０から８０ミリメートルであるのが望ましい。噴射管５０は約０．３から３．０ミリメートルの内径を有しているのが望ましい。管５０は、予混合チャンバ３８と整流器４０を通過して、混合チャンバ４２へと伸張している。
【００１１】
混合チャンバ４２は、ガス／粉末交換チャンバ４９と超音波ノズル５４の間に配置されている粉末／ガス調整チャンバ８０と連通している。粉末／ガス調整チャンバ８０は、その長手方向の軸に沿って長さＬを有している。軸５２は、この実施形態では軸５１と同じである。粉末／ガス調整チャンバ８０の内部は、円筒形８２を有しているのが望ましい。更に、内径が、超音波ノズル５４の集束区画の入口と一致しているのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０は、超音波ノズル５４とガス／粉末交換チャンバ４９の両方と解除可能に係合している。解除可能な係合は、ガス／粉末交換チャンバ４９、ノズル５４及び粉末／ガス調整チャンバ８０（図示せず）上の対応する係合ねじを介して行われる。解除可能な係合は、スナップ嵌め、バイオネット式接続及びこの他の当業者には既知の接続の様な他の手段で行ってもよい。長手方向軸に沿う長さＬは、少なくとも２０ミリメートル又はそれ以上であるのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０の最適な長さは、スプレー対象の粒子と、粒子をスプレーする対象の基板とに依る。長さＬは、２０から４５０ミリメートルの範囲にあるのが望ましい。粉末／ガス調整チャンバ８０を挿入すると、噴射管５０の出口と隣接するノズル５４の端部との間の距離は、先行技術と比べて相当に長くなる。調整チャンバ８０によって距離が長くなったため、粒子が超音波ノズル５４に入る前に、メインガス内に滞留する時間が長くなる。滞留時間が長くなると、粒子温度が高くなり、メインガスと粉末の相互混合が更に均質になり、ガス粉末混合物の流れが更に均質になる。従って、粒子は更に高温になり、超音波ノズル５４に入る前に、融点に近付くが、なお融点より相当に低い。
【００１２】
超音波ノズル５４は、ｄｅＬａｖａｌ式の収束発散ノズル５４である。ノズル５４は、喉部５８に向かって直径が減少する入口円錐５６を有している。入口円錐５６は、ノズル５４の収束区画を形成している。喉部５８の下流に出口端部６０がある。入口円錐５６の最大直径は、１０から６ミリメートルの範囲にあり、７．５ミリメートルであるのが望ましい。入口円錐５６は、喉部５８に向かって狭くなっている。喉部５８は、１．０から６．０ミリメートルの直径を有しており、２から５ミリメートルであるのが望ましい。ノズル５４は、更に、喉部５８の下流側から出口端部６０まで伸張する発散区画を含んでいる。本発明では、発散区画は、先行技術から修正されている。発散区画は、喉部５８に隣接する第１部分５９Ａと、第１部分５９Ａに隣接する第２部分５９Ｂを含んでいる。ノズル５４の断面積は、第１部分５９Ａで急に拡大する。ノズル５４の断面積は、第２部分５９Ｂでは、実質的には一定のままであり、拡大しない。先行技術は、ノズル５４の第１部分５９Ａだけを有している。発散区画の全長は、３５０から１０００ミリメートルであるのが望ましく、４００から８００ミリメートルであるのが更に望ましい。第１部分５９Ａは、２００から４００ミリメートルの長さにあるのが望ましく、第２部分５９Ｂは、１５０から８００ミリメートルの長さであるのが望ましい。発散区画の形状は様々であってもよいが、好適な実施形態では、長方形断面である。ノズル５４は、出口端部６０で、長い方の辺が６から２４ミリメートルで、短い方の辺が１から６ミリメートルの長方形であるのが望ましい。
【００１３】
米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に開示されているように、粉末噴射管５０は、経路３６からの加熱済みメインガスの圧力を超える圧力の下で、粒子粉末混合物をシステム１０に供給する。粉末供給器３０に供給されるガスは、粉末粒子が、メインガス圧力より毎平方インチ１５から１５０ポンド高い圧力で、更に望ましくはメインガス圧力より毎平方インチ１５から７５ポンド高い圧力で、噴射管５０を離れるほど高い圧力にあるのが望ましい。或る実施形態では、粉末供給器に供給されるガスは、４０から２００℃の温度に加熱される。
【００１４】
ノズル５４は、同伴粒子の出口速度を、毎秒２００メートルから毎秒１３００メートルにまでする。同伴粒子は、基本的に、ノズル５４を通過して流れる間に運動エネルギーを得る。当業者には理解頂けるように、ガスストリーム内の粒子の温度は、粒子の寸法とメインガスの温度に依って変わる。メインガスの温度は、ノズル５４への入口における加熱済み高圧ガスの温度と定義される。メインガスの温度は、スプレー対象粒子の融解温度より実質的に高い。実際、メインガスの温度は、約２００℃から２０００℃で変化し、スプレー対象の粒子の溶解点より、粒子材料に依って違うが、何倍も高い。この様にメインガス温度が高いにも関わらず、粒子温度は、粒子の融解点より常に低い。これは、粉末が、粉末ガスによって加熱済みのガスストリーム内に噴射され、粒子の、加熱済みメインガスに曝される時間が比較的短いからである。従って、衝撃を受けても、運動及び熱エネルギーの伝達によって、元の粒子の固相に変化は無く、元々の物理的特性にも変化は無い。粒子は、常に、粒子の融解点を下回る温度になっている。ノズル５４を出る粒子は、基板の表面に向かって送られ、これを被覆する。
【００１５】
粒子は、ノズル５４に相対する基板に当たると、一般的にはスプレーされる材料の種類によって縦横比が変わる、小塊状の構造に広がる。基板が金属で粒子が金属の場合、基板表面に当たる粒子は、表面の酸化物層を壊し、次に金属粒子と金属基板の間に直接の金属対金属結合を形成する。動的にスプレーされる粒子は、衝突すると、その全ての運動及び熱エネルギーを基板表面に伝達して基板に接着する。先に述べたように、所与の粒子が基板に接着するには、粒子がノズル５４を出た後、基板に当たるときに基板に接着する速度と定義される臨界速度に達しているか、それ以上である必要がある。この臨界速度は、粒子の材料組成と、基板の材料組成によって決まる。一般的には、硬い材料ほど、所与の基板に接着する前に高い臨界速度に達していなければならず、硬い基板ほど、高い速度で衝突させる必要がある。粒子対基板結合の特性が何であるかは、現時点では正確には分からないが、金属基板に衝突する金属粒子では、粒子が、基板に当たると塑性変形し、それによって酸化物の層を壊して下層の金属を露出させるため、結合部分は金属質、即ち金属対金属であると考えられる。
【００１６】
米国特許第６，１３９，９１３号に開示されているように、基板材料は、金属、合金、プラスチック、ポリマー、セラミック、木、半導体及びこれらの材料の混合物を含む多種多様な材料の何れで構成されていてもよい。これらの基板は、全て本発明の処理によって被覆することができる。基板から離れている距離は、５から６０ミリメートルであるのが望ましく、１０から５０ミリメートルであると更に望ましい。本発明で用いる粒子は、既知の他の粒子に加えて、米国特許第６，１３９，９１３号及び第６，２８３，３８６号に開示されている材料の何れでもよい。これらの粒子は、概括的には、金属、合金、セラミック、ポリマー、ダイヤモンド、金属被覆セラミック、半導体、又はこれらの材料の混合物である。粒子は、約１から２５０ミクロンの平均呼び直径を有しているのが望ましい。本発明の１つの好ましい用途は、蝋付け合金を表面に溶着させることである。蝋付け合金は、アルミニウム、シリコン及び亜鉛の混合物であるのが望ましい。或る実施形態では、合金は、全重量に対し、５０から７８重量％のアルミニウムと、５から１０重量％のシリコンと、１２から４５重量％の亜鉛で構成されているのが好ましい。
【００１７】
図３は、先行技術による動的スプレー処理を使って動的にスプレーした基板の顕微鏡写真である。レーンａとｂは、図５Ａに示すようにノズルを洗浄した直後にスプレーしたものである。レーンｃ−ｈは、レーンａとｂの直後にスプレーしたものである。レーンｈの後のノズルの内側を図５Ｂに示している。重い粒子がノズル内に付着し、溶着品質が低下していることに注目頂きたい。スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３５０ｐｓｉ、メインガス温度６５０℃、粉末供給速度０．５グラム／秒、離間距離２０ミリメートル、送り速度毎秒１．２５センチメートルであった。粉末の粒子は、アルミウム、シリコン及び亜鉛の蝋付け合金混合物であった。図４Ａと図４Ｂは、レーンａとｇの被覆表面走査顕微鏡写真を示している。図４Ａに対し、図４Ｂの基板に接着している粒子の密度が低いことに注目頂きたい。図４Ａでは、粒子は、大きく変形し、密に詰め込まれており、粒子速度と溶着効率が高いことを明確に示している。図４Ｂの場合、基板に当たった粒子の大部分は、衝突後に落下しており、これは、高密度のクレーター痕跡で証明されている。図５Ｂに示すように、ノズルの壁に合金が付着すると、境界層が厚くな頃粒子の速度が低下すると考えられる。
【００１８】
これらの蝋付け合金をスプレーする能力を改良する試みの中で、本発明の発明人は、合金に、追加の硬い構成要素、即ちセラミックを組み込んだ。ダイヤモンド又は他の硬い材料も、適していると考えられる。選択したセラミックは、炭化ケイ素であったが、他のセラミックでもよい。重要なのは、粒子の第２集団は、スプレー条件の下で基板に接着するには硬すぎて、代わりに、ノズルの内側を削って清浄に保つ働きをすることである。炭化ケイ素のような硬い粒子を、全重量に対し１から２０重量％で含ませるのが望ましい。同じ粒子寸法を用いることもできる。図６Ａと図６Ｂは、本発明に従って設計したノズルと炭化ケイ素を使ったときの大幅な改良を示している。先行技術のノズルを使った場合、メインガス温度は６５０℃に、送り速度は毎秒１．２５センチメートルに、溶着効率は３から５％に限定された。図６Ａと図６Ｂに示している結果では、スプレーパラメーターは以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３２０ｐｓｉ、メインガス温度１０００℃、粉末供給速度１．００グラム／秒、離間距離２０ミリメートル、送り速度毎秒６０センチメートルであった。基準線１００、１０２、１１０、１１２では、炭化ケイ素の粒子は、平均呼び直径が２５から４５ミクロンである。他の基準線では、平均呼び直径は６３から９０ミクロンである。基準線１００と１１０は、炭化ケイ素４重量％の効果を示している。基準線１０２と１１２は、炭化ケイ素７重量％の効果を示している。基準線１０４と１１４は、炭化ケイ素４重量％の効果を示している。基準線１０６と１１６は、炭化ケイ素７重量％の効果を示している。基準線１０８と１１８は、炭化ケイ素１０重量％の効果を示している。概括的には、コンデンサー管上の付着量は、平方メートル当たり４０から８０グラムであるのが望ましい。結果は、少量の硬い炭化ケイ素が、アルミニウム、シリコン及び亜鉛の合金のような粘着質材料を溶着させる能力を大幅に改良することを示している。送り速度は２４倍高く設定し、メインガス温度は４００℃上げることができ、溶着効率は少なくとも１２倍高く、付着量はコンデンサー管を効果的に被覆するのに必要なレベルを大きく上回った。
【００１９】
図６Ａと図６Ｂに示した種類のデータを使えば、幾つかの想定される溶着効率及び送り速度の何れにおいても、１８ミリメートル幅のコンテンサー管に平方メートル当たり少なくとも８０グラムの付着量を持続するのに必要な粉末供給速度を計算することができる。そのような計算結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
本発明によって、非常に速い送り速度で効率的に被覆を溶着させる能力が大幅に改良されるので、高速の製造環境でこれを使用できることが分かる。そのような例を図７及び図８に示している。図７は、コンデンサー管の押出成形ラインに、本発明をインラインで組み込んだ概略図である。基板は、どの様な高速押出成形材料であってもよい。図７で、押出成形器１２０は、略５５０℃の温度でコンデンサー管１２２を連続して押し出す。押し出された管１２２は、一対の空気冷却器１２４を通過し、次に、本発明に従って設計された一対の動的スプレーノズル３４を通過し、そこで、管１２２はノズル３４によって被覆される。被覆された管１２２は、冷却水槽１２６を通過し、巻きスプール１２８に巻き取られる。巻き取られた管は、その後まっすぐ伸ばされ、所定の寸法に裁断１３０される。別の実施形態では、本発明のノズル３４は、図８に示すように、スプール対スプールの工程に用いられる。スプール１４０の中には、巻き取られた押出成形管１４２が入っており、管１４２は、駆動ローラー１４４によってスプール１４０から引き出される。駆動ローラー１４４は、管１４２を、加熱器１４６を通し、次いで本発明に従って設計された一対のノズル３４を通して送る。ノズル３４は、管１４２を被覆し、次いで管１４２は別のスプール１４６に巻き取られる。後で、被覆された管１４２は、まっすぐ伸ばされ、所定の長さに裁断１４８される。進歩した動的スプレー処理と組み合わせて提案している連続インライン製造工程は、被覆品質と溶着効率を改善する一方で、サイクルタイムと製造コストを最小化できるキー技術である。更に、この連続インライン処理であれば、基板を予加熱する必要も無い。基板を予加熱すれば、溶着効率を改良することができる。図７に示している例では、基板の温度は押出の直後はかなり高く、５５０℃近くで、このインライン処理では、基板がノズル５４の正面を通過する前に予加熱する必要はない。
【００２２】
図９は、本発明に従って蝋付けされたラジエーターコア１５４の断面の顕微鏡写真を示している。本発明に従って利用された蝋付け合金は、硬い炭化ケイ素と事前に混合されたアルミニウム、シリコン及び亜鉛の合金であった。スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３３０ｐｓｉ、メインガス温度１１００℃、粉末供給速度毎秒４．００グラム、離間距離２２ミリメートル、粉末／ガス調整チャンバの長さ１３１ミリメートル、送り速度毎秒２００センチメートルであった。コンデンサー管１５０は、コア１５４への優れた蝋付け接続部を示している。
【００２３】
図１０は、基板の穏やかな加熱の効果を示している。何れの場合も、基板はコンテンサー管であり、スプレーのパラメーターは、以下の通りで、メインガス圧力３００ｐｓｉ、粉末ガス圧力３３０ｐｓｉ、メインガス温度１１００℃、粉末供給速度毎秒４．００グラム、離間距離２２ミリメートル、粉末／ガス調整チャンバ長さ１３１ミリメートル、送り速度毎秒２００センチメートルであった。基準線１６０では、管は、スプレー時は室温であった。基準線１６２では、管を４０℃に加熱してからスプレーした。基準線１６４では、管を１６０℃に加熱してからスプレーした。結果は、スプレー前に基板を加熱すると、付着量が増し、従って溶着効率を上がることを示している。本発明の連続インライン製造工程は、部分的には押出成形による基板温度が高いために、被覆品質と溶着効率を改良している。重要な利点には、改良されたサイクルタイム、改良された溶着効率、改良された被覆品質、基板を予加熱する必要が無いこと、が含まれる。
【００２４】
以上、本発明を、高速製造環境で使用すること、具体的には、コンデンサー管を被覆するのに本発明を利用することに関して説明してきた。しかしながら、本発明は、これに限定されない。当業者には想起頂けるように、実際に全ての高速製造環境で使用することができる。
【００２５】
上記発明は、関連する法基準に従って説明しているので、その説明は、本質的に制限を加えるものではなく例示的なものである。開示している実施形態に対する変更と修正は、当業者には自明であろうし、本発明の範囲内にある。従って、本発明に与えられる法的な保護の範囲は、特許請求の範囲を精査することによってのみ判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】 本発明のノズルを使用するための動的スプレーシステムを示す概略配置図である。
【図２】 動的スプレーシステムで使用するための本発明に従って設計されたノズルシステムの拡大断面図である。
【図３】 先行技術に従って設計された動的スプレーノズルによってスプレーされた基板の顕微鏡写真である。
【図４】 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ図３のストリップａ及びｇに示している被覆の走査電子顕微鏡写真である。
【図５】 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図３のストリップａを噴射する前と、図３のストリップｈを噴射した後の、先行技術による動的スプレーノズルの出口端部の顕微鏡写真である。
【図６】 図６Ａは、本発明による、基板を被覆する能力に関する、炭化ケイ素添加のレベルの効果を示すグラフである。 図６Ｂは、本発明による、基板への被覆溶着効率に関する、炭化ケイ素添加のレベルの効果を示すグラフである。
【図７】 コンデンサー管に押出工程にインラインで追加された、本発明の１つの使用法を示す概略図である。
【図８】 コンデンサー管のスプール対スプールの工程にインラインで追加された、本発明の１つの使用法を示す概略図である。
【図９】 本発明により準備された、コンデンサー管対コンデンサーコアの蝋付け接続部の断面の走査顕微鏡写真である。
【図１０】 本発明によりスプレーされた基板に接着する被覆の量に関する、基板を予加熱する効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
３４、５４ ノズル
４９ ガス／粉末交換チャンバ
５８ 喉部
５９Ａ 第１部分
５９Ｂ 第２部分
８０ 粉末／ガス調整チャンバ
１２８、１４０ スプール
１５０ コンデンサー管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を被覆する動的スプレーの方法において、
ａ）粉末の粒子を提供する段階と、
ｂ）前記粒子をガス／粉末交換チャンバに噴射して、前記粒子を、前記ガス／粉末交換チャンバ内の、前記粒子の融解温度を超える温度まで前記粒子を加熱するには不十分な温度であるメインガスの流れに巻き込ませる段階と、
ｃ）前記ガス／粉末交換チャンバ内の前記メインガスに巻き込まれた前記粒子を、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上の粉末／ガス調整チャンバへ送る段階と、
ｄ）前記調整チャンバからの、前記ガスの流れに巻き込まれた前記粒子を、集束発散超音波ノズルに送る段階であって、前記ノズルは、第１部分と第２部分を備えた発散区画を有しており、前記第１部分は前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有している、段階と、
ｅ）前記粒子を、前記粒子が前記ノズルに相対して配置されている基板上に接着できるだけの速度に加速させる段階と、から成る方法。
【請求項２】
上記段階ｃ）は、前記巻き込まれた粒子を、２０から４５０ミリメートルの長さを有する粉末／ガス調整チャンバへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、長さが３５０から１０００ミリメートルの発散区画を有する集束発散超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、２００から４００ミリメートルの長さを有する第１部分を備えた発散区画を有する集束発散超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、１５０から８００ミリメートルの長さを有する第２部分を備えた発散区画を有する合流分岐超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記段階ｅ）は、前記粒子を、毎秒２００から１３００メートルの速度に加速する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記段階ｂ）は、前記粒子を、２００から１０００℃の温度のメインガス内に巻き込ませる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記段階ｅ）は、前記ノズル又は前記基板の一方を、前記ノズル又は前記基板の他方に対して、毎秒２５から２５０センチメートルの送り速度で動かす段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記段階ａ）は、１から２５０ミクロンの平均呼び直径を有する粒子を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記段階ｄ）は、金属、合金、プラスチック、ポリマー、セラミック、木、半導体、又はそれらの混合物の内の少なくとも１つを備えた基板を提供する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
上記段階ａ）は、金属、合金、セラミック、金属被覆セラミック、ポリマー、ダイヤモンド、半導体、又は、それらの混合物の内の少なくとも１つを備えた粒子を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
上記段階ｅ）は、コンデンサー管を基板として提供する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コンデンサー管を管押出成形器から直接提供する段階、及び前記コンデンサー管をスプール対スプールの工程で提供する段階の内の少なくとも一方の段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記段階ｅ）の前に、前記基板を４０から２００℃の温度に加熱する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記段階ｂ）の前に、前記粒子を４０から２００℃の温度に加熱する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記段階ａ）は、第１集団の粉末粒子と第２集団の粉末粒子の混合物を提供する段階を更に含んでおり、前記段階ｅ）は、前記第１集団を、前記第１集団が前記基板に接着するに十分な速度に加速し、前記第２集団を、前記第２集団が前記基板に接着するには不十分な速度に加速する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
セラミックを、前記第２集団として含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１集団と前記第２集団の総重量に対して１から２０重量％の量の前記第２集団を提供する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
動的スプレーノズルシステムにおいて、
長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上である粉末／ガス調整チャンバの第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバと、
集束発散超音波ノズルであって、前記超音波ノズルは、喉部によって発散区画から分離されている集束区画を有しており、前記発散区画は、第１部分と第２部分を備えており、前記第１部分は、前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は、前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有しており、前記集束区画は、前記粉末／ガス調整チャンバの前記第１端部とは反対側の第２端部に接続されている、超音波ノズルと、を備えている、動的スプレーノズルシステム。
【請求項２０】
前記ガス／粉末交換チャンバは、４０から８０ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２１】
前記粉末／ガス調整チャンバは、２０から４５０ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２２】
前記集束区画の最大直径は、１０から６ミリメートルである、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２３】
前記喉部は、１から６ミリメートルの直径を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２４】
前記喉部は、２から５ミリメートルの直径を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２５】
前記発散区画は、３５０から１０００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２６】
前記発散区画の前記第１部分は、２００から４００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２７】
前記発散区画の前記第２部分は、１５０から８００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２８】
前記発散区画は、長辺が６から２４ミリメートルであり、短辺が１から６ミリメートルの長方形の出口端部を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項１】
基板を被覆する動的スプレーの方法において、
ａ）粉末の粒子を提供する段階と、
ｂ）前記粒子をガス／粉末交換チャンバに噴射して、前記粒子を、前記ガス／粉末交換チャンバ内の、前記粒子の融解温度を超える温度まで前記粒子を加熱するには不十分な温度であるメインガスの流れに巻き込ませる段階と、
ｃ）前記ガス／粉末交換チャンバ内の前記メインガスに巻き込まれた前記粒子を、長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上の粉末／ガス調整チャンバへ送る段階と、
ｄ）前記調整チャンバからの、前記ガスの流れに巻き込まれた前記粒子を、集束発散超音波ノズルに送る段階であって、前記ノズルは、第１部分と第２部分を備えた発散区画を有しており、前記第１部分は前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有している、段階と、
ｅ）前記粒子を、前記粒子が前記ノズルに相対して配置されている基板上に接着できるだけの速度に加速させる段階と、から成る方法。
【請求項２】
上記段階ｃ）は、前記巻き込まれた粒子を、２０から４５０ミリメートルの長さを有する粉末／ガス調整チャンバへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、長さが３５０から１０００ミリメートルの発散区画を有する集束発散超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、２００から４００ミリメートルの長さを有する第１部分を備えた発散区画を有する集束発散超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記段階ｄ）は、前記巻き込まれた粒子を、１５０から８００ミリメートルの長さを有する第２部分を備えた発散区画を有する合流分岐超音波ノズルへ送る段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記段階ｅ）は、前記粒子を、毎秒２００から１３００メートルの速度に加速する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記段階ｂ）は、前記粒子を、２００から１０００℃の温度のメインガス内に巻き込ませる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記段階ｅ）は、前記ノズル又は前記基板の一方を、前記ノズル又は前記基板の他方に対して、毎秒２５から２５０センチメートルの送り速度で動かす段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記段階ａ）は、１から２５０ミクロンの平均呼び直径を有する粒子を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
上記段階ｄ）は、金属、合金、プラスチック、ポリマー、セラミック、木、半導体、又はそれらの混合物の内の少なくとも１つを備えた基板を提供する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
上記段階ａ）は、金属、合金、セラミック、金属被覆セラミック、ポリマー、ダイヤモンド、半導体、又は、それらの混合物の内の少なくとも１つを備えた粒子を提供する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
上記段階ｅ）は、コンデンサー管を基板として提供する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コンデンサー管を管押出成形器から直接提供する段階、及び前記コンデンサー管をスプール対スプールの工程で提供する段階の内の少なくとも一方の段階を更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記段階ｅ）の前に、前記基板を４０から２００℃の温度に加熱する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記段階ｂ）の前に、前記粒子を４０から２００℃の温度に加熱する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記段階ａ）は、第１集団の粉末粒子と第２集団の粉末粒子の混合物を提供する段階を更に含んでおり、前記段階ｅ）は、前記第１集団を、前記第１集団が前記基板に接着するに十分な速度に加速し、前記第２集団を、前記第２集団が前記基板に接着するには不十分な速度に加速する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
セラミックを、前記第２集団として含んでいる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１集団と前記第２集団の総重量に対して１から２０重量％の量の前記第２集団を提供する段階を含んでいる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
動的スプレーノズルシステムにおいて、
長手方向軸に沿う長さが２０ミリメートル以上である粉末／ガス調整チャンバの第１端部に接続されているガス／粉末交換チャンバと、
集束発散超音波ノズルであって、前記超音波ノズルは、喉部によって発散区画から分離されている集束区画を有しており、前記発散区画は、第１部分と第２部分を備えており、前記第１部分は、前記第１部分の長さに沿って大きくなる断面積を有しており、前記第２部分は、前記第２部分の長さに沿って実質的に一定の断面積を有しており、前記集束区画は、前記粉末／ガス調整チャンバの前記第１端部とは反対側の第２端部に接続されている、超音波ノズルと、を備えている、動的スプレーノズルシステム。
【請求項２０】
前記ガス／粉末交換チャンバは、４０から８０ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２１】
前記粉末／ガス調整チャンバは、２０から４５０ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２２】
前記集束区画の最大直径は、１０から６ミリメートルである、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２３】
前記喉部は、１から６ミリメートルの直径を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２４】
前記喉部は、２から５ミリメートルの直径を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２５】
前記発散区画は、３５０から１０００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２６】
前記発散区画の前記第１部分は、２００から４００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２７】
前記発散区画の前記第２部分は、１５０から８００ミリメートルの長さを有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【請求項２８】
前記発散区画は、長辺が６から２４ミリメートルであり、短辺が１から６ミリメートルの長方形の出口端部を有している、請求項１９に記載の動的スプレーノズルシステム。
【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２００６−１１６５３２（Ｐ２００６−１１６５３２Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−２７２７００（Ｐ２００５−２７２７００）
【出願日】平成１７年８月２３日（２００５．８．２３）
【出願人】（５９９０２３９７８）デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (281)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２７２７００（Ｐ２００５−２７２７００）
【出願日】平成１７年８月２３日（２００５．８．２３）
【出願人】（５９９０２３９７８）デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド (281)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]