JP2006525118A - 溶射プロセス用装置 - Google Patents

Abstract

溶射ガン用の改良されたデザインは、噴霧器７０、１０２、燃焼チャンバ１０，１０４、連結管３０，１０６、及びバレル５０，１０８を含む。基材を溶射する方法も含まれる。基材を溶射する一方法は、少なくとも１つの燃料流及び少なくとも１つの酸化剤流を、溶射材を形成するために改良されたデザインの溶射ガンに導く工程と、皮膜を付着させるために溶射材を表面に向ける工程を含む。

Description

この装置は一般に溶射に、より詳しくは、溶射ガンの改良されたデザインに関する。

溶射ガンが、高エネルギ流体流で運搬された溶射材を投射して皮膜するプロセスに使用されている。溶射は、フレーム溶射、メタライジング、高速酸素燃料溶射（Ｈ．Ｖ．Ｏ．Ｆ）、高速空気燃料溶射（Ｈ．Ｖ．Ａ．Ｆ）としても知られている。皮膜材料は通常、金属、セラミック、又はセメント・タイプの材料である。高エネルギ流体流は通常、皮膜材料を高速で基材目標物に対し推進し、運搬するための燃焼ガスを含む。皮膜材料は、周囲空気中を音速又はそれ以上であろう速度で移動することができる。

溶射で付着された皮膜は、皮膜粒子が基材表面に高速度で衝突することから生ずる主として機械的な接着によって基材に接着すると考えられる。基材に高速の皮膜粒子を衝突させることによって、皮膜粒子の運動エネルギのうちのいくらかは、皮膜粒子が基材と衝突するときに結果として熱に変換されることも理論づけされている。運動エネルギから変換されるこの熱は、皮膜材料が基材に接着する助けになると考えられ、時には「マイクロボンディング」と呼ばれる。

溶射燃焼ガスは通常、熱を放出し高温の加圧されたガス流を発生させる、燃料と酸化剤の燃焼から結果として生ずる高温火炎ジェットによって供給される。溶射ガンは時には、酸素とプロパン、酸素と水素、酸素とケロシン、及びケロシンと空気などの燃焼成分、又は反応剤を使用する。燃料及び酸素源は燃焼ゾーン内に噴射され、そこでそれらは圧力及び温度の下に燃焼反応で反応し、高温加圧ガス流を発生させ、それらは燃焼ゾーンから高速流体流内へと導かれる。金属、セラミック、又はセメントなどの皮膜材料は、流体流内に導入される。高温加圧ガスは、燃焼ゾーンから流体ノズルへ下り、皮膜材料粒子を目標基材内に推進させる。しばしば、いくつかの衝突波光輝が溶射ガンから出る高速流体流内に現れ、高温加圧ガスが目標基材に向かって音速の数倍の速度で移動していることを示している。

しかしながら、溶射ガンが稼働する高温状態の下では、熱損失が高くなる可能性がある。燃料及び酸素消費量も高くなる可能性が有り、これが運転費用を増加させる。したがって、改善された稼働効率を有する溶射ガンが求められている。

一実施例では、本発明は溶射ガン用の噴霧器を含み、噴霧器は点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を含む。

一実施例では、本発明は溶射ガン用の燃焼チャンバを含み、燃焼チャンバはシリンダ部分、シリンダ部分と隣接する狭くなる円錐ゾーン、及び広くなる円錐ゾーンを備える。シリンダ部分は、直径に対する長さの比が約１．３と約２の間の範囲内であり、流体がシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有する。狭くなる円錐ゾーンは、約５．０８ｍｍ（０．２インチ）と約８．８９ｍｍ（０．３５０インチ）の間の範囲内の直径を有する円形のノズル・オリフィスを形成するように、シリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついた内壁を有する。狭くなる円錐ゾーンは内壁が約８０°と約１００°の間の範囲内の円錐角で狭くなる第１の円錐部分、及び内壁が約４０°と約６０°の間の範囲内の円錐角で狭くなる第２の円錐部分を含む、少なくとも２つの円錐部分を含む。広くなる円錐ゾーンは、円形ノズル・オリフィスに隣接しており、広くなる円錐ゾーンの内壁は、約８°と約１７°の間の範囲内の円錐角で外側に向かってラッパ状に開いている。

別の実施例では、本発明は燃焼チャンバを出て溶射ガンに入る排気流中に粉体を噴射するための連結管を含む。連結管は、第１の部分及び第２の部分を含む、少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒を備えている。第１の部分の直径の第２の部分の直径に対する比は、約１．１と約１．３の範囲内にある。連結管は第２の部分の内壁への少なくとも２つの粉体入口孔も含む。粉体入口孔は対向しない配置である。

さらに別の実施例では、本発明は溶射材が流れることができる中空の中央穴を有する溶射ガン用のバレルを含む。バレルは、中央穴の半径方向軸に向かって収束する円錐状の入口部分、この円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分、及び中央穴の放射軸から離れてラッパ状に開く円錐状出口部分を含む。円筒状の部分の長さはバレルの全長の少なくとも半分である。

さらに別の実施例では、本発明は溶射材がそこを通り流れることができる中空の、全長５０．８ｍｍ（２インチ）又はそれ未満の中央穴を有する溶射ガン用のバレルを含む。バレルは、中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状の入口部分、及びこの円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。

別の実施例では、本発明は溶射ガンを含む。この実施例での溶射ガンは、点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器を含む。この実施例の溶射ガンは、燃焼チャンバも含む。燃焼チャンバは、流体がそこを通りシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分、円形のノズル・オリフィスを形成するようにシリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含む、シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐ゾーン、及び円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンを含む。この実施例の溶射ガンは、燃焼チャンバから離れる排気流内に粉体を注入するための連結管も含む。連結管は、異なる直径を有する内壁を持つ少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒と、第２の部分の内壁に開口する少なくとも２つの粉体入口孔を含む。この粉体入口孔は、対向しない配置である。この実施例の溶射ガンは、そこを通り溶射材が流れることができる中空の中央穴を有するバレルを含む。このバレルは、中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分、及び円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。

別の実施例では、溶射方法は、溶射材を形成し、皮膜を付着させるための表面に対し溶射材を向ける溶射ガンに少なくとも１つの燃料流と少なくとも１つの酸化材流を導く工程を含む。この実施例の溶射ガンは、点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器、溶射ガンの燃焼チャンバ、燃焼チャンバから離れる排気流内に粉体を注入するための連結管、及び溶射材がそこを通り流れることができる中空の中央穴を有するバレルを含む。この実施例の燃焼チャンバは、流体がそこを通りシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分、円形のノズル・オリフィスを形成するようにシリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含む、シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐ゾーン、及び円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンを含む。この実施例の連結管は、異なる直径を有する内壁を持つ、少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒と、第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔を含む。この実施例のバレルは、中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分、及びこの円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。

本発明は多くの利点を有する。１つの利点は、既知の装置を超えるバレル・ローディング量の削減である。バレル・ローディングは、バレルの壁の内側にくっつく熱粉体のプロセスに与えられる術語である。さらに、この装置によって高硬度及び高強度を有する皮膜の付着が可能になる。さらなる利点は、粉体堆積効率及び供給速度の増大、燃料及び酸素消費量の削減、及び基材への低い熱移動を含む。さらに、冷却材システムに失われる熱がより少なく、したがって、より小さな、かつより安価な冷却器を使用することができる。

本発明の、前述の、及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に示された、本発明の好ましい実施例の、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。図面中、同一の参照番号は、異なる図を通して同じ部品を示す。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことが強調されている。他に指摘がない場合は、全てのパーセント及び割合は重量による。

この装置は一般に溶射に関する。より詳しくは、この装置は溶射ガンの改良された設計に関する。この装置は、噴霧器、燃焼チャンバ、連結管、及びバレルを含む溶射ガン用の改良されたデザインを含む。この溶射ガンの様々な部分用の構造の、適切な材料の例には、銅、青銅、鋼、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル・ベースの金属合金、セラミックス、セラミックス合金、及びそれらの組み合わせが含まれる。

この装置は、燃料及び酸化剤が、安定し連続した方法で親密に混合し燃焼するように、それらを燃焼チャンバ内に噴射する噴霧器を含む。適切な燃料の例には、炭化水素ガス（例えば、メタン、エタン、プロパン、及びブタン）、水素、石油ベースの燃料（例えば、燃料油及びケロシン）が含まれる。一実施例では、この燃料はケロシンを含む。適切な酸化剤の例には、空気、酸素、過酸化水素、及び亜酸化窒素が含まれる。別の実施例では、酸化剤は酸素を含む。

一実施例では、装置は溶射ガン用の噴霧器を含み、噴霧器は、点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を含む。装置の一実施例を、噴霧器７０の側面断面の概略図を示す図１に示す。噴霧器７０は、スパーク・プラグ７２である点火源及び取り付けアセンブリ７６を含む。スパーク・プラグ７２は、電極７４を含む。取り付けアセンブリ７６は、電極７４の周りに配置される複数の噴霧化孔７８を含む。

一実施例では、電極及び噴霧化孔を含む取り付けアセンブリの端部は、燃焼チャンバ内に挿入される。図２は、電極及び噴霧化孔を含む噴霧器７０の端部の断面図を示す。噴霧化孔７８は、電極７４の周りに単一の円形形状で配置される。しかしながら、この装置の噴霧化孔の正確な配置は、単一の円形には限定されない。この孔の多くの配置が適切である。いくつかの実施例では、噴霧化孔は、点火源の周りにいく重かの円で、楕円形で、又は任意の対称的なパターンで配置される。

一実施例では、取り付けアセンブリは、約７個と約１２個の間の噴霧化孔を含む。別の実施例では、噴霧化孔各々は、約０．５１ｍｍと約１．１９ｍｍ（約０．０２インチと約０．０４７インチ）の間の範囲内の直径を有する。さらに別の実施例では、噴霧化孔は、点火源を取り囲むように配置される。

この装置は、噴霧化された混合物が燃焼ガスを形成するように燃焼される燃焼チャンバも含む。燃焼チャンバは、シリンダ部分、狭くなる円錐ゾーン、及び広くなる円錐ゾーンを含む、少なくとも３つの異なる部分を有する。

この装置の一実施例を、燃焼チャンバ１０を示す図３に示す。燃焼チャンバ１０は、Ｌ０に入口、Ｌ１に出口、及び直径Ｄ１を有する中空の円筒区域であるシリンダ部分２を含む。（Ｌ１での）シリンダ部分２は、狭くなる円錐ゾーン４に隣接している。一実施例では、噴霧器（図３に図示せず）は、シリンダ部分の入口に連結される。別の実施例では、シリンダ部分の内壁は、直径に対する長さ比（すなわち、｜Ｌ１−Ｌ０｜／Ｄ１）が約１．３と約２の間の範囲内にある。さらに別の実施例では、直径に対する長さ比は約１．４と約１．７の間の範囲内にある。さらに別の実施例では、直径Ｄ１は、約３８．１ｍｍと約５０．８ｍｍ（約１．５インチと約２インチ）の間の範囲内にある。

シリンダ部分２は、狭くなる円錐ゾーン４に隣接している。狭くなる円錐ゾーン４は、円形のノズル・オリフィス６を形成するように、シリンダ部分２の出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有する。狭くなる円錐ゾーンの幾何形状は、円形ノズル・オリフィス６を通る高温流のスムースな移行をもたらし、燃焼チャンバ２及び円形ノズル・オリフィス６の内壁上への燃料粒子の衝突を減少させるように構成されている。円形ノズル・オリフィス６は直径Ｄ３を有する。標準の圧縮流体の公式を使用して、直径Ｄ３が燃焼チャンバ２の圧力、並びに排気燃焼ガスの速度及び温度を制御するように選択される。一実施例では、直径Ｄ３は、約５．０８ｍｍと約８．８９ｍｍ（約０．２インチと約０．３５インチ）の間の範囲内にある。

一実施例では、狭くなる円錐ゾーンは、複数の円錐を含む。図３に示す実施例の狭くなる円錐ゾーン４は、第１の円錐部分８（Ｌ１からＬ２まで）及び第２の円錐部分１２（Ｌ２からＬ３まで）を含む、少なくとも２つの隣接する円錐部分を有する。第１の円錐部分８は、チャンバの内壁が直径Ｄ２を有するまで円錐角α１でテーパがついている。第２の円錐部分１２は、第１の円錐部分８に隣接し、チャンバの内壁が直径Ｄ３を有する円形ノズル・オリフィス６を形成するまで、円錐角α２でテーパのついた内壁を有する。一実施例では、円錐角α１は約８０°と約１００°の間の範囲内にある。別の実施例では、円錐角α１は約８５°と約９５°の間の範囲内にある。さらに別の実施例では、円錐角α１は約４０°と約６０°の間の範囲内にある。さらに別の実施例では、円錐角α１は約４５°と約５５°の間の範囲内にある。

一実施例では、狭くなる円錐ゾーンは、２つの円錐より多い、例えば、連続して円錐角が減少する３つ、４つ、又は５つの円錐部分から構成される。別の実施例では、少なくとも２つの連続する円錐部分は隣接せず、追加の円筒状の、又はほぼ円筒状の部分によって分離されている。

狭くなる円錐ゾーン４は、広くなる円錐ゾーン１４に隣接する。広くなる円錐ゾーン１４は、その内壁が直径Ｄ４を有するまで円錐角α３で外側に向かってラッパ状に開く内壁を有する。一実施例では、直径Ｄ４は、約７．６２ｍｍと約１２．７ｍｍ（約０．３インチと約０．５インチ）の間の範囲内にある。別の実施例では、円錐角α３は約８°と約１７°の間の範囲内にある。

いくつかの実施例では、狭くなる円錐ゾーン及び広くなる円錐ゾーンの内壁のいくつか又は全てが、凸状又は凹状の曲線で収束し又は広がる。

この装置は、燃焼チャンバと流体連通する連結管も含み、この連結管は対向しない配置の少なくとも２つの粉体入口孔を有する。この連結管の目的の１つは、燃焼ガス流中に粉体材料を注入することである。粉体材料は搬送ガスによって推進される。搬送ガス及び粉体材料の流れは粉体入口孔を通り燃焼ガス流内に導かれる。適切な粉体材料の例には、金属、金属合金、炭化物、金属皮膜炭化物、セラミック、セメント・タイプの材料、及びそれらの組み合わせがある。一実施例では、粉体材料の粒子は約５５μｍより小さな平均粒子寸法を有する。別の実施例では、粉体材料の粒子は、炭化物材料に対し約１５μｍと約４０μｍ、金属材料に対し約２２μｍと約５３μｍの間の範囲内の平均粒子寸法を有する。さらに別の実施例では、粉体材料は、約１１μｍより小さな寸法を有するかなり多量の粒子を含む。さらに別の実施例では、この粉体材料は、約５μｍより小さな寸法を有するかなり多量の粒子を含む。適切な搬送ガスの例には、不活性ガス（例えば、ヘリウム又はアルゴン）、窒素、空気、２酸化炭素、及び水素又は炭化水素ガス（例えば、メタン、エタン、プロパン、プロピレン、及びブタン）などの反応ガスがある。

連結管の一実施例を、図４に連結管３０として示す。連結管３０は、Ｌ５での入口からＬ７までの部分にわたる第１の部分３２を含む少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒である。第１の部分３２のＬ５からＬ６までの部分は、Ｌ６からＬ７までの部分の直径Ｄ６より大きな直径Ｄ５を有する。いくつかの実施例では、直径Ｄ５は、溶射ガンの前部分、例えば、燃焼チャンバ出口部分の挿入を可能にするように十分に広い。別の実施例では、直径Ｄ６は、連結管の第１の部分を通して１つの連続する平らな内壁をもたらすことができるように、挿入された前部分の内壁の直径と一致している。さらに別の実施例では、直径Ｄ６は、約７．６２ｍｍと約１２．７ｍｍ（約０．３インチと０．５インチ）の間の範囲内にある。

連結管３０は、Ｌ７での第１の部分の出口からＬ８での連結管３０の出口までの部分にわたる第２の部分３４を含み、かつ、直径Ｄ６より大きな直径Ｄ７を有する内壁を有する。いくつかの実施例では、Ｄ７のＤ６に対する比は、約１．１と約１．３の間の範囲内にある。連結管３０は、第２の部分３４の内壁に開口する少なくとも２つの粉体入口孔３６を含む。このより大きな直径Ｄ７は、粉体入口孔３６の開口部で負圧ゾーンを作り出すためのものである。この負圧ゾーンは、粉体材料の燃焼ガス流中への注入を増進させる。

直径Ｄ６からＤ７への移行は、図４の実施例に示すように、やや唐突であり、ほとんど９０°である。しかしながらいくつかの実施例では、連結管での直径Ｄ６からＤ７への移行は、それほど唐突ではない。例えば、移行は直角でない、又は曲線であることができ、その角度及び曲線は、粉体入口孔の開口部で負圧ゾーンが作り出されるように、結果として内壁直径の拡大となっている。

連結管の粉体入口孔は、２つの入口のどれもが直接１８０°互いから離れないように、第２の部分の内部円周の周りに対向しない配置で配置される。この配置は、搬送ガス及び粉体粒子の重複する流れが第２の部分の内部で直接衝突することを防止する。図５は、２つの粉体注入孔３６が第２の部分の円周の周りに互いに直角に配置される一実施例を示す。図６は、３つの粉体注入孔３６が第２の部分の円周の周りに連続する６０°の角度で配置される別の実施例を示す。

一実施例では、搬送ガス／粉体材料流が燃焼ガス流内に流れの軸線に対して９０°でない角度で注入されるように、粉体入口孔は第２の部分の内壁に対し直角でない角度に配置される。別の実施例では、搬送ガス／粉体材料流が、流れの軸線に対して約８０°と約９０°の間の範囲内の、上流側又は下流側角度のいずれかで燃焼ガス流内に入るように、粉体入口孔は垂直から約１０°の角度で傾斜している。さらに別の実施例では、搬送ガス／粉体材料流が、上流方向に約８９°と下流方向に約８０°の間の範囲内の角度で燃焼ガス流内に入るように、燃焼ガス流中に粉体を注入するための粉体入口孔は、流れの軸線に対して下流方向に約１０°と上流方向に約１°の間の角度で傾斜している。いくつかの実施例では、粉体入口孔はある角度で傾斜しており、それが、搬送ガス／粉体材料流を半径又は直径に沿う以外のある軌跡に沿って連結管の内部に入らせる。例えば、この角度は、搬送ガス／粉体材料流を連結管の内部を横切る弦の軌跡を辿らせることが可能である。

この装置は、燃焼ガス、搬送ガス、及び粉体材料の組合された流れを濃縮化した地点上に導くためのバレルも含む。

この装置の一実施例を、バレル５０の図示として図７に示す。バレル５０は、Ｌ９での入口で始まりＬ１２での出口で終わる、その中を溶射材が流れることができる中空の中央穴を有する。いくつかの実施例では、バレルの全長（すなわち、｜Ｌ１２−Ｌ９｜）は、約２５．４ｍｍと約３０４．８ｍｍ（約１インチと１２インチ）の間の範囲内にある。別の実施例では、バレルの全長は、約２５．４ｍｍと約２０３．２ｍｍ（約１インチと約８インチ）の間の範囲内にある。

バレル５０は、Ｌ９でのバレル５０の入口で開始しＬ１０で終わる円錐形状の部分である円錐状入口部分５２を含む。円錐状入口部分５２の内壁は、中央穴の放射軸に向かって角度α４で収束する。いくつかの実施例では、角度α４は、約１．５°と約３°の間の範囲内にある。他の実施例では、約１．５°と約２．５°の間の範囲内にある。

バレル５０は、円錐状入口部分５２に隣接するシリンダ部分５４も含む。シリンダ部分５４は、Ｌ１０からＬ１１まで続く、直径Ｄ８を有する中空円筒である。いくつかの実施例では、直径Ｄ８は，約６．３５ｍｍと約１５．２４ｍｍ（約０．２５インチと約０．６インチ）の間の範囲内にある。別の実施例では、シリンダ部分の長さ（すなわち、｜Ｌ１１−Ｌ１０｜）は、バレルの全長の少なくとも半分である。

バレル５０は、Ｌ１１の所のシリンダ部分５４の出口で開始し、Ｌ１２の所のバレル５０の出口で終わる円錐形状の部分である、円錐状出口部分５６を含む。円錐状出口部分５６の内壁は、角度α５で中央穴の放射軸から離れてラッパ状に開く。いくつかの実施例では、角度α５は、約０．５°と約５°の間の範囲内にある。別の実施例では、角度α５は、約０．５°と約１．５°の間の範囲内にある。

いくつかの実施例では、バレルの円錐状の出口部分は省略される。さらに別の実施例では、バレル全長は、５０．８ｍｍ（２インチ）又はそれより短く、円錐状の出口部分が省略される。いくつかの実施例では、円錐状入口部分又は円錐状出口部分の内壁は、凸状又は凹状の曲線で収束又は広がる。

この装置の一実施例を、溶射ガン１００の側面断面図を示す図８に示す。溶射ガン１００は、（Ｌ１３からＬ１５に跨る）噴霧器１０２、及び（Ｌ１４からＬ２０に跨る）燃焼チャンバ１０４、（Ｌ１９からＬ２２に跨る）連結管１０６、及び（Ｌ２１からＬ２５に跨る）バレル１０８を含む。噴霧器１０２は、燃焼チャンバ１０４の一端を形成し、スパーク・プラグ１１０の電極（図８に図示せず）及び噴霧化孔（図８に図示せず）が燃焼チャンバ１０４の内側に配置されるように配置されている。燃焼チャンバ１０４の広くなる円錐ゾーン１１２は、Ｌ１８からＬ２０にまで跨り、連結管１０６の第１の部分内に挿入されたＬ１９からＬ２０にまで跨る部分を有する。バレル１０８も連結管１０６に取り付けられている。

一実施例では、この装置は、溶射ガンの燃焼チャンバ、燃焼チャンバを離れる排気流中に粉体を注入するための連結管、及びその中を通り溶射材が流れることができる中空の中央穴を有するバレルを備える溶射ガンも含む。この実施例の燃焼チャンバは、それを通して流体がシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分、円形のノズル・オリフィスを形成するようにシリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含むシリンダ部分に隣接する狭くなる円錐状部分、及び円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンを含む。この実施例の連結管は、異なる直径を有する内壁を持つ少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒と、第２の部分の内壁に開口する対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔を含む。この実施例のバレルは、中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分、及びこの円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。

この発明は、基材の表面に皮膜を付着させるための溶射方法を含む。一実施例では、この方法は、燃焼ガス流を形成するように少なくとも１つの燃料を少なくとも１つの酸化剤と燃焼させる工程と、溶射材を形成するように燃焼ガス流内に粉体を導く工程と、皮膜を付着させるために表面に対し溶射材を向ける工程とを含む。

一実施例では、燃料及び酸化剤が噴霧器に取り付けられた燃焼チャンバの内側で燃焼させられる。別の実施例では、燃料はケロシンであり、酸化剤は酸素である。

一実施例では、燃焼プロセスは、点火源としてスパーク・プラグを備える噴霧器に酸素の低流量（例えば、約１９．８ｓｃｍｈ（約７００ｓｃｆｈ））を最初に導くことによって開始される。酸素は噴霧器を通り複数の噴霧化孔を介して燃焼チャンバ内に流れ込む。次いで電流がスパーク・プラグに送られ、低流量（例えば、約１．９リットル／時又はそれ未満（約０．５ガロン／時又はそれ未満）の燃料が噴霧器に導入される。この燃料は噴霧器を通り燃焼チャンバ内に流れ込む。燃焼チャンバ内の燃料と酸素の噴霧化された混合物は、噴霧化された燃料の濃度が燃焼可能な範囲に達するとスパーク・プラグの電極によって点火される。この結果発生する炎は、電極から全混合物にわたり外側に移動し、電極の周りに配置された噴霧化孔のちょうど外側で噴霧化された混合物のせん断効果によって作り出される低速渦流区域内で安定化する。この高温の循環する渦流区域が高温ガスを保持し、この後の燃焼プロセスのための連続点火源として働く。次いでスパーク・プラグへの電流はオフにされる。スパーク・プラグによる最初の点火プロセスは低流量を使用するので、点火に際しての最初の圧力上昇は十分低く、燃料及び酸素の流れに悪影響を及ぼさない。この低流量が燃焼プロセスの開始中に発生する騒音を低下させるのにも役立つ。燃焼プロセスが開始された後で、酸素及び燃料の流量は通常の動作レベルに増加される。酸素及び燃料の通常の動作レベルは、燃料の種類及び使用される酸化剤、並びに特定の用途の要求によって変動する。一実施例では、通常動作レベルでの酸化剤流量は、約３４ｓｃｍｈ又はそれ未満（約１２００ｓｃｆｈ又はそれ未満）である。別の実施例では、通常動作レベルでの燃料流量は、約１５．９リットル／時又はそれ未満（約４．２ガロン／時又はそれ未満）である。さらに別の実施例では、通常動作レベルでの燃料流量は、約２０．８リットル／時又はそれ未満（約５．５ガロン／時又はそれ未満）である。一実施例では、噴霧化孔からの噴霧化された燃料、噴霧化された酸化剤、又は噴霧化された燃料及び酸化剤の混合物の直線速度は少なくとも２２５ｍ／秒である。別の実施例では、噴霧化孔から外に出る直線速度は約３３０ｍ／秒である。

いくつかの実施例では、噴霧化孔の一部分は酸素のみ燃焼チャンバ内に導き、一方、別の部分は燃料を導く。別の実施例では、噴霧化孔は酸化剤及び燃料の両方を燃焼チャンバ内に導く。

一実施例では、燃焼プロセスは、燃焼チャンバのシリンダ部分から燃焼チャンバの狭くなる円錐状区域内に流れ込む燃焼ガスを生成させる。狭くなる円錐状区域の幾何形状は、未燃焼の燃料粒子の内壁上への衝突を減少させ、それによって燃焼プロセス中に発生する煤及び炭素付着の量を減少させる。狭くなる円錐状区域の幾何形状も、高温、高速の燃焼ガスのスムースな流れを可能にする。燃焼ガスは狭くなる円錐区域の円形のノズル・オリフィスを通過し、広くなる円錐ゾーン内に入る。

一実施例では、燃焼ガスは、燃焼チャンバの拡大する円錐ゾーンから連結管の第１の部分内に流れ込む。次いで、燃焼ガスは連結管の第２の部分内に流れ込む。第２の部分で、粉体入口孔を通る搬送ガスの２つ又はそれを越える流れが、溶射材を形成するように、粉体を燃焼ガス流内に供給する。各入口孔を介して導入される粉体の量は、溶射プロセスの要求によって変動する。一実施例では、各入口孔を通る搬送ガス流量は、約０．５７ｓｃｍｈと約０．６８ｓｃｍｈ（約２０ｓｃｆｈと約２４ｓｃｆｈ）の間の範囲内にある。別の実施例では、各入口孔を通る搬送ガス流量は、約０．２８ｓｃｍｈと約０．４２ｓｃｍｈ（約１０ｓｃｆｈと約１５ｓｃｆｈ）の間の範囲内にある。一実施例では、各入口孔を通る粉体流量は、約９．１ｋｇ／時（約２０ポンド／時）より少ない。さらに別の実施例では、各入口孔を通る粉体流量は、約４．５４ｋｇ／時と約６．８１ｋｇ／時（約１０ポンド／時と約１５ポンド／時）の間の範囲内にある。

第２の部分の内壁の増大する直径は、負圧（例えば、大気圧以下の圧力）の区域を作り出し、それは、粉体入口孔から燃焼ガス流への粉体の流れを高める。粉体入口孔の対向しない配置は、燃焼ガス流への粉体流の導入に関連する乱流を減少させる。この対向しない配置は、溶射ガンの内壁に衝突する粉体の量も減少させ、それによってバレル・ローディングも減少させる。

一実施例では、溶射流は、連結管の第２の部分からバレルの円錐状入口部分内に流れ込む。円錐入口部分の内壁の収束が、結果として、より高温、より高圧、かつ、より低速の溶射材流を作る。次いで、溶射材流はバレルの円筒状の部分を通り流れる。バレルが円錐状出口部分を有しない場合は、溶射材はバレルの円筒状の部分を通りガンを出て、皮膜される基材に付着する。

バレルが円錐状出口部分を有している場合は、溶射材はバレルの円筒状の部分を離れ、円錐状出口部分に入る。溶射材は、広くなる内壁に起因して円錐状出口部分内で膨張する。この膨張が、溶射材、したがって溶射される粉体粒子の速度を増加させ、一方、その圧力及び温度を低下させる。低下した温度はまた、バレル・ローディング、バレル・エロージョン、又はその両方を減少させる。溶射材は次いで、ガンを離れ皮膜される基材に付着する。円錐状出口部分により生じるより低い温度は、溶射される基材への熱移動量を減少させる。

いくつかの実施例では、熱は冷却システムによって溶射ガンのある部分又は全ての部分から取り除かれる。別の実施例では、冷却システムは、熱伝達流体として水を使用する。さらに別の実施例では、冷却剤システムへの水の流量は、約３７．９リットル／分（約１０ガロン／分）より少ない。別の実施例では、水は約４８．９℃（約１２０°Ｆ）より低い温度で冷却システムを離れる。さらに別の実施例では、水は約１５．６℃から約３４．４℃（約６０°Ｆから約９４°Ｆ）の範囲内の温度で冷却システムを離れる。いくつかの実施例では、冷却剤システムは熱伝達流体を冷却するために冷却機を使用する。

一実施例では、この発明は、表面に皮膜を付着させるための溶射方法も含む。一実施例では、この溶射方法は、噴霧化された混合物を形成するために少なくとも１つの燃料流及び少なくとも１つの酸化剤流を、点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を含む噴霧器に導く工程を含む。噴霧化された混合物は燃焼ガス流を形成するように燃焼させられる。粉体が溶射材を形成するように燃焼ガス流内に導かれる。この溶射材が、皮膜を付着させるために表面に向けられる。

別の実施例では、溶射方法は、燃焼ガス流を形成するために少なくとも１つの燃料と少なくとも１つの酸化剤を、燃焼チャンバ内で燃焼させる工程を含む。この燃焼チャンバは、そこを通り燃焼ガス流がシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分、円形のノズル・オリフィスを形成するようにシリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついた内壁を有し、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐状部分を含む、シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐状ゾーン、及び円形のノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐状ゾーンを含む。粉体が溶射材を形成するように燃焼ガス流内に導かれる。この溶射材が、皮膜を付着させるために表面に向けられる。

別の実施例では、溶射方法は燃焼ガス流を連結管に導く工程を含む。この連結管は、第１の部分及び第２の部分を含み、第１の部分の直径の第２の部分の直径に対する比が約１．１と約１．３の範囲内の少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒、及び第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔を含む。粉体が溶射材を形成するように燃焼ガス流内に導かれる。この溶射材が、皮膜を付着させるために表面に向けられる。

一実施例では、溶射方法は、燃焼ガス及び粉体を含む溶射材をバレルを介し導く工程を含む。このバレルは、中央孔の放射軸に向けて収束する円錐状の入口部分及びこの円錐状の入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。別の実施例では、この円筒状部分の長さは、バレル全長の少なくとも半分である。さらに別の実施例では、このバレルは、中央穴の放射軸から離れてラッパ状に開く、円錐状の出口部分を含む。溶射材が、皮膜を付着させるために表面に向けられる。

別の実施例では、溶射方法は、溶射材を形成するように、少なくとも１つの燃料流と少なくとも１つの酸化材流を溶射ガンに導く工程と、皮膜を付着させるために表面に対し溶射材を向ける工程を含む。この実施例の溶射ガンは、点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器、溶射ガンの燃焼チャンバ、燃焼チャンバから離れる排気流内に粉体を注入するための連結管、及び溶射材がそこを通り流れることができる中空の中央穴を有するバレルを含む。この実施例の燃焼チャンバは、流体がそこを通りシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分、円形のノズル・オリフィスを形成するようにシリンダ部分の出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含む、円筒状の部分に隣接する狭くなる円錐ゾーン、及び円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンを含む。この実施例の連結管は、異なる直径を有する内壁を持つ、少なくとも２つの隣接する部分を有する中空円筒と、第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔を含む。この実施例のバレルは、中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分、及びこの円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分を含む。

本発明を、その好ましい実施例を参照して具体的に示し、説明してきたが、この分野の技術者は、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく、本発明に形態及び詳細の様々な変更を行なうことができることを理解するであろう。

溶射プロセス用装置のための噴霧器の側断面の概略図。 溶射プロセス用装置のための噴霧器の端面断面の概略図。 溶射プロセス用装置のための燃焼チャンバの側断面の概略図。 溶射プロセス用装置のための連結管の側断面の概略図。 連結管の一実施例の端面断面の概略図。 連結管の第２の実施例の端面断面の概略図。 溶射プロセス用装置のためのバレルの側断面の概略図。 溶射プロセス用の溶射ガンの側断面の概略図。

Claims (12)

1. Ａ）点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器と、
   Ｂ）溶射ガン用の燃焼チャンバであって、
   ｉ）流体がそこを通りシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分と、
   ｉｉ）円形のノズル・オリフィスを形成するように前記シリンダ部分の前記出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含む、前記シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐ゾーンと、
   ｉｉｉ）前記円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンとを含む燃焼チャンバと、
   Ｃ）前記燃焼チャンバから離れる排気流内に粉体を注入するための連結管であって、
   ｉ）異なる直径を有する内壁を持つ、少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒と、
   ｉｉ）第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔とを含む連結管と、
   Ｄ）そこを通り溶射材が流れることができる中空の中央穴を有するバレルであって、
   ｉ）中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状の入口部分と、
   ｉｉ）前記円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分とを含むバレルとを備える溶射ガン。
2. 前記噴霧器内の複数の噴霧化孔が７個と１２個の間の注入孔を含み、各注入孔が約０．５１ｍｍ（０．０２インチ）と約１．１９ｍｍ（０．０４７インチ）との間の範囲内の直径を有し、かつ、前記点火源が少なくとも１つのスパーク・プラグを含む、請求項１に記載の溶射ガン。
3. 前記燃焼チャンバが
   Ａ）約１．３と約２の間の範囲内の直径に対する長さ比を有し、かつ、そこを通り流体がシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有する前記シリンダ部分と、
   Ｂ）前記シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐ゾーンであって、前記狭くなる円錐ゾーンが、約５．０８ｍｍ（０．２インチ）と約８．８９ｍｍ（０．３５インチ）との間の範囲内の直径の円形のノズル・オリフィスを形成するように、前記シリンダ部分の前記出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、前記狭くなる円錐ゾーンが、
   ｉ）前記内壁が約８０°と約１００°の間の範囲内の円錐角で狭くなる、第１の円錐部分と、
   ｉｉ）前記内壁が約４０°と約６０°の間の範囲内の円錐角で狭くなる、第２の円錐部分とを含む少なくとも２つの円錐部分を含む、狭くなる円錐ゾーンと、
   Ｃ）円形のノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンであって、前記広くなる円錐ゾーンの内壁が約８°と約１７°の間の範囲内の円錐角で外側に向かってラッパ状に開く円錐ゾーンとを備える、請求項１に記載の溶射ガン。
4. 前記シリンダ部分が約１．４と約１．７の間の範囲内の直径に対する長さ比を有し、かつ、前記シリンダ部分が約３８．１ｍｍ（１．５インチ）と約５０．８ｍｍ（２インチ）との間の範囲内の直径を有し、前記第１の円錐部分が約８０°と約９５°の間の範囲内の円錐角で狭くなり、前記第２の円錐部分が約４５°と約５５°の間の範囲内の円錐角で狭くなり、前記広くなる円錐ゾーンが直径が約７．６２ｍｍ（０．３インチ）と約１２．７ｍｍ（０．５インチ）との間の範囲内の直径に外側に向かってラッパ状に開く、請求項３に記載の溶射ガン。
5. 前記連結管が、
   Ａ）第１の部分及び第２の部分を含む少なくとも２つの隣接する部分を有し、前記第１の部分の直径の、前記第２の部分の直径に対する比が、約１．１と約１．３の間の範囲内にある中空の円筒と、
   Ｂ）第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である、少なくとも２つの粉体入口孔とを備える、請求項１に記載の溶射ガン。
6. 前記第２の部分が前記第２の部分の円周の周りに少なくとも約９０°の間隔を有する２つの粉体注入孔、又は前記第２の部分が、各部分が前記第２の部分の前記円周の周りに他の２つの入口孔から少なくとも約６０°の間隔を有することができるように向いている３つの粉体注入孔を有し、前記注入孔の少なくとも１つが、約８０°から約９０°の範囲内の角度で前記内壁を切り取り、又は前記注入孔の少なくとも１つが、約９０°の角度で前記内壁を切り取る、請求項５に記載の連結管。
7. 前記バレルが、
   Ａ）前記中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分と、
   Ｂ）前記円錐状入口部分に隣接し、その長さがバレル全長の少なくとも半分である円筒状の部分と、
   Ｃ）前記中央穴の放射軸から離れて外側方向にラッパ状に開く円錐状出口部分とを備える、請求項１に記載の溶射ガン。
8. 前記収束する入口部分が約１．５°から約３°の範囲内にある円錐角を有し、又は前記収束する入口部分が約１．５°から約２．５°の範囲内にある円錐角を有し、前記バレルが長さで、約２５．４ｍｍ（１インチ）から約３０４．８ｍｍ（１２インチ）の範囲内にあり、また前記バレルが長さで、約２５．４ｍｍ（１インチ）から約２０３．２ｍｍ（８インチ）の範囲内にあり、前記円錐状の出口部分が前記中央穴の放射軸から離れて外側方向に約０．５°から約５°の範囲の円錐角でラッパ状に開き、又は前記円錐状の出口部分が前記中央穴の放射軸から離れて外側方向に約０．５°から約１．５°の範囲の円錐角でラッパ状に開き、前記シリンダ部分が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）から約１５．２４ｍｍ（０．６インチ）の範囲内の内径を有し、又は前記シリンダ部分が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）から約１２．７ｍｍ（０．５インチ）の範囲内の内径を有する、請求項７に記載の溶射ガン。
9. 前記バレルが、
   Ａ）前記中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状入口部分と、
   Ｂ）前記円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分とを備える、請求項１に記載の溶射ガン。
10. 前記収束する入口部分が約１．５°から約３°の範囲内にある円錐角を有し、又は前記収束する入口部分が約１．５°から約２．５°の範囲内にある円錐角を有し、前記シリンダ部分が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）から約１５．２４ｍｍ（０．６インチ）の範囲内の内径を有し、又は前記シリンダ部分が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）から約１２．７ｍｍ（０．５インチ）の範囲内の内径を有する、請求項９に記載の溶射ガン。
11. 皮膜を表面に付着させるための溶射方法であって、前記方法が、
    Ａ）溶射材を形成する溶射ガンに少なくとも１つの燃料流と少なくとも１つの酸化材流を導く工程を含み、前記溶射ガンが、
    ｉ）点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器と、
    ｉｉ）溶射ガン用の燃焼チャンバであって、
    １）流体がそこを通りシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有する、シリンダ部分と、
    ２）円形のノズル・オリフィスを形成するように前記シリンダ部分の前記出口から内側に向けてテーパのついている内壁を有し、かつ、等しくない円錐角を有する少なくとも２つの円錐部分を含む、前記シリンダ部分に隣接する狭くなる円錐ゾーンと、
    ３）前記円形ノズル・オリフィスに隣接する広くなる円錐ゾーンとを含む燃焼チャンバと、
    ｉｉｉ）前記燃焼チャンバから離れる排気流内に粉体を注入するための連結管であって、
    １）異なる直径を有する内壁を持つ、少なくとも２つの隣接する部分を有する中空の円筒と、
    ２）第２の部分の内壁に開口する、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔とを含む連結管と、
    ｉｖ）そこを通り溶射材が流れることができる中空の中央穴を有するバレルであって、
    １）前記中央穴の放射軸に向かって収束する円錐状の入口部分と、
    ２）前記円錐状入口部分に隣接する円筒状の部分とを含むバレルとを備える工程と、
    Ｂ）前記皮膜を付着させるために前記溶射材を前記表面に向ける工程とを含む、溶射方法。
12. Ａ）点火源の周りに配置された複数の噴霧化孔を有する噴霧器と、
    Ｂ）燃焼チャンバであって、
    ｉ）直径に対する長さの比が約１．３と約２の間の範囲内であり、流体がシリンダ部分を出るように流れることができる出口を有するシリンダ部分と、
    ｉｉ）前記シリンダ部分に隣接し、約５．０８ｍｍ（０．２インチ）と約８．８９ｍｍ（０．３５０インチ）の間の範囲内の直径を有する円形のノズル・オリフィスを形成するように、前記シリンダ部分の前記出口から内側に向けてテーパのついた内壁を有し、
    ａ）前記内壁が約８０°と約１００°の間の範囲内の円錐角で狭くなる第１の円錐部分と、
    ｂ）前記内壁が約４０°と約６０°の間の範囲内の円錐角で狭くなる第２の円錐部分とを含む少なくとも２つの円錐状部分を含む、狭くなる円錐ゾーンと、
    ｉｉｉ）前記円形ノズル・オリフィスに隣接し、内壁が約８°と約１７°の間の範囲内の円錐角で外側に向かってラッパ状に開いている広くなる円錐ゾーンとを備える燃焼チャンバと、
    Ｃ）連結管であって、
    ｉ）第１の部分及び第２の部分を含む少なくとも２つの隣接する部分を有し、前記第１の部分の直径の前記第２の部分の直径に対する比は、約１．１と約１．３の範囲内にある中空の円筒と、
    ｉｉ）前記第２の部分の前記内壁に開口し、対向しない配置である少なくとも２つの粉体入口孔開口部とを含む連結管と、
    Ｄ）バレルであって、
    ｉ）前記中央穴の前記放射軸に向かって収束する円錐状の入口部分と、
    ｉｉ）前記円錐状入口部分に隣接し、長さが前記バレルの全長の少なくとも半分である円筒状の部分と、
    ｉｉｉ）前記中央穴の前記放射軸から離れてラッパ状に開く円錐状出口部分とを備えるバレル、から選択される溶射ガンの構成部品。

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