JP2008057025A - 微粒化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円柱状プリフォームを製造する際に、外周縁部に至るまで上面を平坦に成形することができる微粒化装置を提供する。
【解決手段】微粒化装置を揺動させるカム機構を有し、このカム機構に使用されるカムが、下記式

を満足するカム形状に構成されていることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、スプレーフォーミングによってプリフォームを形成するのに好適な微粒化装置に関するものである。

スプレーフォーミングは、溶融した金属の液滴群を基材上に堆積させながら急冷凝固させて円柱状または板状などの素形材（プリフォーム）を製造する方法である。

スプレーフォーミングにはいくつかの手法があるが、最も実用化が進んでいるのはオスプレー法であり、その原理を図９および図１０に示す。

両図において、溶融金属等の液体流Ｓは、環状の微粒化装置５０を通過して注がれるようになっており、この微粒化装置５０はその直径方向に突出している支持体５１によって支持されている（例えば、特許文献１参照）。

上記支持体５１は、液体流Ｓを噴霧Ｓａに微粒化するためのガスを供給する管路としても機能しており、支持体５１をその中心軸まわりに回動させる（矢印Ｒ参照）と、微粒化装置５０を図１０の(ｂ)に示す中立姿勢から同図(ａ)または(ｃ)に示す傾斜姿勢に揺動させることができ、それにより、噴霧Ｓａに対し横方向の運動を与えることができるようになっている。

上記微粒化装置５０は、基材の幅方向に噴霧Ｓａを偏向させることができるため、帯状のプリフォームを製造するのに特に有用である。

なお、上記支持体５１の回動動作は、回転するカム５２の周面に、支持体５１から突設された従動体５３を当接させることによって得られるようになっている。

一方、プリフォームの空孔層の厚さを低減することを目的として、微粒化装置を揺動させるカムの周期を制御するようにした噴霧堆積法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

上記噴霧堆積法も、液体流に対し高圧の不活性ガスを吹き付けて噴霧化する微粒化装置を有しており、高圧ガスのジェット流を円柱状プリフォームの中心部と外周部との間で往復移動（揺動）させるように構成されているが、その往復移動１周期のうち、外周部については１／１８〜１／３周期、カムを停止させる点を特徴としている。

この噴霧堆積法によれば、円柱状プリフォームの上面の形状を制御することができる。
特開昭６２−１５６２０６号公報 特開平８−６６７５９号公報

しかしながら、上記した従来の噴霧堆積方法はプリフォームの輪郭をある程度制御することは可能であるが、円柱状プリフォームの頭部上面を中心部から最外周縁部まで精度良く平坦に形成することが難しいという課題がある。

製造されたプリフォームは通常、カプセルに収納され、後工程としてのＨＩＰ（熱間静水圧プレス）によって密度１００％に緻密化されるが、プリフォームの頭部が凸状になっていると、ＨＩＰ処理の過程において丸みを帯びた外周縁部にてカプセルに亀裂が生じ真空が破壊されたり、また、その外周縁部のみ圧縮が不足して空孔が残ったりすることがある。また、カプセルが不規則に変形すると、カプセルからプリフォームを抜き出す脱カプセルが困難になる。

本発明は以上のような従来の噴霧堆積装置または堆積方法における課題を考慮してなされたものであり、円柱状プリフォームを製造する際に、中心部から外周縁部に至るまでその頭部上面を精度良く平坦に成形することができる微粒化装置を提供するものである。

本発明は、流下する金属溶湯に対し、水平軸まわりに揺動動作する微粒化装置のノズルから高圧ガスを吹き付けてこれを噴霧化する微粒化装置において、
上記微粒化装置を揺動させるカム機構を有し、このカム機構に使用されるカムが、下記式

ただし、
Ｐ(ｘ′)：スキャニングを考慮したスプレー流束分布式
Ｐ_ｍａｘ：−∞＜ｘ′＜∞におけるスプレー流束分布式Ｐ(ｘ′)の最大値
Ｐ_１０：Ｐ_ｍａｘの１０％
ｘ′_ｍａｘ：Ｐ_ｍａｘとなる無次元化されたｘ方向距離
ｘ′_１０：Ｐ_１０となる無次元化されたｘ方向距離
ｘ′：プリフォーム直径で無次元化されたｘ方向距離
を満足するカム形状に構成されている微粒化装置である。

本発明において、上記カム形状に沿って移動する従動節は、リンクを介して上記微粒化装置と連結することができる。

本発明の微粒化装置によれば、円柱状プリフォームを製造する際に、外周縁部に至るまで頭部上面を精度良く平坦に成形することができるため、脱カプセル工程に有利なプリフォームを提供することができるという長所を有する。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る微粒化装置の構成を示した原理図である。

同図において、微粒化装置は基本的に図９に示した微粒化装置と同じ構成からなり、筋状に注がれる溶鋼流を、中心に通過させることができる環状の微粒化装置２を有している。

この微粒化装置２の下部には複数のノズル２ａが円周方向に配設されており、各ノズル２ａから噴射される高速ガスが上記溶鋼流に吹き付けられ、溶鋼流が微粒化されるようになっている。

微粒化装置２の下方には、コレクター３上にセットされた基板４が配置されており、この基板４は、中心軸ｃａまわりに回転自在であり、且つ中心軸ｃａに沿って矢印ｂ方向に進退することができるように構成されている。この基板４上にプリフォームｐｆが円柱状に形成される。

また、微粒化装置２のスプレー中立軸ｓａに対し上記基板４の中心軸ｃａは角度αを持って交差しており、このようにプリフォームｐｆを傾斜姿勢とすることでその中心部から外周部に至るまで効率良く粒子を堆積することができるようになっている。

また、基板４は中心軸ｃａまわりに回転するため、プリフォームｐｆの直径をＤとすると、微粒化装置２は、ｃ点を中心としてプリフォームｐｆの１／２Ｄ分の範囲について矢印ｄ方向に揺動させることができればよい。

上記微粒化装置２は、カム５と、このカム５の周面に沿って移動する従動体６と、この従動体６と上記微粒化装置２とを連結しているリンク機構７とによって揺動するようになっている。

カム５および従動体６は、偏心カム５の外周面に沿って従動体６が移動できる構成であれば、任意の構成を採用することができるが、例えば、従動体６のピン６ａ，６ｂがカム５の外周縁を挟んだ状態、あるいは外周縁に沿って形成された溝に嵌合された状態で移動するいわゆる確動カムで構成することが好ましい。

従動体６はｅ点を支点とするアーム７ａに接続されており、他方、微粒化装置２からはアーム７ｂが立設され、アーム７ａの連結部７ｃとアーム７ｂの連結部７ｄはそれぞれ連結アーム７ｅによって接続されている。

それにより、カム５が回転すると、アーム７ａが矢印ｆ方向に揺動し、連結アーム７ｅを介して微粒化装置２が矢印ｄ方向に揺動する。

なお、アーム７ｂにおける連結部７ｄの位置は複数の連結部７ｄ′のいずれか一つに変更することができ、それにより、微粒化装置２の揺動範囲を調整することができるようになっている。

次に、上記微粒化装置２の特徴部分であるカム５の構成について詳しく説明する。

本発明は、スプレーフォーミングを行うにあたり、後工程としてのＨＩＰ処理に有利なように、プリフォーム頭部を平坦に形成することができるカム形状を提供するものである。

そのための構成として、下記式(1)

を満たすカム形状としている。

なお、以下の説明で使用する記号の一覧を予め以下に示す。
θ：カム角度
ζ(θ)：基準径からのカム変位
ζ_ｍａｘ：カム最大変位
Ｈ：スプレー高さ
ｍ：スプレー位置でのカム変位倍率……図１の例ではｍ＝ｈ_２Ｈ／ｈ_１ｈ_３
ξ：ｘ軸上でのスプレー変位……ξ＝ｍζ(θ)／ｃｏｓ(α)
Ｄ：プリフォーム直径
ｘ：プリフォーム頭部を通りプリフォーム回転軸ｃａに対して垂直となる垂直平面内で
、且つスプレー中立軸（ζ(θ)＝０．５ζ_ｍａｘとなるカム角度でのスプレー中心軸）との交点を原点とし、プリフォーム回転軸ｃａとの交点へ向かう方向の距離
ｙ：プリフォーム回転軸ｃａに対して上記垂直平面内でｘと直交する軸方向の、上記原
点からの距離
ｚ：プリフォーム回転軸方向の原点からの距離
ｒ：プリフォーム半径……ｒ＝ｘ^２＋ｙ^２
ｘ′：プリフォーム直径Ｄで除算することにより無次元化したｘ方向距離
……ｘ′＝ｘ／Ｄ
ｙ′：プリフォーム直径Ｄで除算することにより無次元化したｙ方向距離
……ｙ′＝ｙ／Ｄ
ｚ′：プリフォーム直径Ｄで除算することにより無次元化したｚ方向距離
……ｚ′＝ｚ／Ｄ
ｒ′：プリフォーム直径Ｄで除算することにより無次元化したｒ方向距離
……ｒ′＝ｒ／Ｄ
α：プリフォーム傾斜角度
σ：スキャニング無しでのスプレー流束分布標準偏差
Ｐ(ｘ)′：スキャニングを考慮したスプレー流束分布式、下記式(2)

Ｐ_ｍａｘ：−∞＜ｘ′＜∞におけるスプレー流束分布式Ｐ(ｘ′)の最大値
ｘ′_ｍａｘ：Ｐ(ｘ′_ｍａｘ)＝Ｐ_ｍａｘとなる無次元化したｘ方向距離
Ｐ_１０：Ｐ_ｍａｘの１０％……Ｐ_１０＝０．１Ｐ_ｍａｘ
ｘ′_１０：ｘ′＞ｘ′_ｍａｘにてＰ（ｘ′_１０）＝Ｐ_１０となる無次元化されたｘ方向距離
Ｐ′：無次元化されたスプレー流束分布……Ｐ′＝Ｐ／Ｐ_ｍａｘ

図２はカム形状の決定を説明するための流束分布図である。

同図において、横軸ｘ′は無次元化したｘ方向距離であり、縦軸ｐ′は無次元化したスプレー流束分布である。

後工程のＨＩＰ処理を行うに際しプリフォームはカプセル内に収納されるが、圧縮時に亀裂等の欠陥が生じることを避けるため、プリフォームの上面は平坦であることが望ましい。

このようなプリフォームの表面形状（輪郭）を制御するのにカムを使用することは好適である。

従来の微粒化装置においてもカムは使用されているが、この種のカムは微粒化装置をスプレー中立軸を境として左右に揺動させることを目的として使用されている。

これに対し本発明のカムは、微粒化装置を左右に揺動させるだけでなく、基材へのスプレー流束分布を調節する、すなわち堆積させる粒子の量を調節するように構成されている。

具体的には、流束分布を中心から変位させるとともに、分布曲線を直線状に立ち上げることによって基材上に堆積する粒子が、プリフォームの中心から外周部に至るまで同じ速度で成長するようにしている。

上記流束分布を直線状にするとは、図２において、点イと点ロを結ぶ線分ハに対して流束分布の分布曲線ニを極力近づけることであり、具体的には、分布曲線ニにおいて線分ハとの距離ｄを０．０３以下に保持することである。

なお、点イは流束分布式Ｐ(ｘ′)の最大値（ｘ′_ｍａｘ，１．０）を示し、点ロは流束分布式においてＰ_ｍａｘの１０％の点（ｘ′_１０，０．１）に設定している。

このように、流束分布の曲線を直線的にする意図は以下の通りである。

流束分布とは単位面積当たりに降り注ぐ単位時間当たりの粒子の質量（kg／s／m^２）であり、カムの形状を変更することで様々な流束分布にて粒子が降り注ぐように制御することができるが、回転する円柱に粒子が降り注いだときに、回転体が半径方向に等しい速度で成長するためには、流束分布は半径に比例させる必要がある。

具体的には、回転体において半径方向に微小幅Δｒをとった場合、半径ｒの位置における面積ΔＳは、
ΔＳ＝ｒ・Δｒ
で表され、回転体の外周に近づくほど微小面積ΔＳは増加する。

他方、等しい成長速度になるためには、
流束Ｐについて
Ｐ∝（ΔＳ／ｌΔｒ＝ｒ／ｌ）
である必要がある。ただし、ここでｌはスキャニングなしでのスプレー直径である。

したがって、Ｐ ∝ r
とすることで半径方向に等しい速度でプリフォームを成長させることが可能になる。

上述したＰ ∝ rは、換言すれば、流束分布の曲線を直線的にすることになる。

次に、図３の(ａ)〜(ｄ)に示すように、変位線図で示した各カムを用意し検討を行った。また、図４に比較例としてのカムの変位線図を示している。

図３および図４に示したそれぞれのカムの最大ｄ値を下記表１に示す。

上記カムＡ〜Ｄは本実施形態に係るカムである。

カムＥ〜Ｇは比較例のカムであり、その中のカムＧは特許文献２に使用されているカムである。なお、図２に示した直線ハからの最大のずれが表１に示した最大ｄ値に相当する。

また、図５に示すように、カム変位線図からカムの形状は容易に描くことができ、同図(ａ)において、Ａは本実施形態のカムＡを代表して同図(ｂ)に示す変位線図からその輪郭を描いたものであり、Ｅは比較例のカムＥを代表して同じく変位線図からその輪郭を描いたものである。

図６はカムＡ〜Ｄについて、また、図７はカムＥ〜Ｇについてスキャニングを考慮したスプレー流束分布を示したものであ。

図６において、本実施形態のカムＡ〜Ｄについては、ｘ′_ｍａｘ＜ｘ′＜ｘ′_１０において、Ｐ(ｘ′)はほぼ直線になっている。

一方、図７に示したカムＥ〜Ｇについては流束Ｐ ∝ rが成立していないことがわかる。

次に、カムＡ〜Ｇを用いてスプレーフォーミングを行った場合に得られるプリフォーム頭部形状を数値計算によって求めた。

図８の(ａ)〜(ｆ)はその計算結果を示したグラフであり、同図の(ａ)〜(ｄ)は本実施形態を説明した図３の(ａ)〜(ｄ)に対応し、図８の(ｅ)および(ｆ)は比較例を説明した図４の(ｅ)および(ｆ)に対応している。

数値計算結果では式(2)を２次元に展開した式(3)を用いてスプレー流束分布を構成し、プリフォームｐｆの回転軸ｃａまわりに積分してプリフォームｐｆの半径方向成長速度分布を計算して求めている。

図８(ａ)は、カムＡにおける数値計算によるプリフォームの頭部形状と、実際に形成されたプリフォームの頭部形状を示しているが、数値計算結果は実際のプリフォーム頭部形状をよく再現している。

また、図８(ｅ)は、カムＥにおける数値計算によるプリフォームの頭部形状と、実際に形成されたプリフォームの頭部形状を示しているが、この場合も両形状はよく一致している。

本発明に係る微粒化装置の構成を示す原理図である。 図１に示したカム形状を説明するための流束分布図である。 (ａ)〜(ｄ)は本発明に係る各カムの変位線図である。 (ｅ)〜(ｇ)は比較例に係る各カムの変位線図である。 (ａ)は本実施形態と比較例のカム形状を示す説明図、(ｂ)はそれらの変位線図である。 (ａ)〜(ｄ)はカムＡ〜Ｄのスプレー流束分布図である。 (ｅ)〜(ｇ)はカムＥ〜Ｇのスプレー流束分布図である。 (ａ)〜(ｆ)はカムＡ〜Ｆによる流束分布を計算により求めたグラフである。 従来の微粒化装置の構成を示す斜視図である。 (ａ)〜(ｃ)は図９に示す微粒化装置の揺動動作を示す説明図である。

符号の説明

１ 微粒化装置
２ 微粒化装置
２ａ ノズル
３ コレクター
４ 基板
５ カム
６ 従動体
７ リンク機構
７ａ，７ｂ アーム
７ｅ 連結アーム

Claims (2)

1. 流下する金属溶湯に対し、水平軸まわりに揺動動作する微粒化装置のノズルから高圧ガスを吹き付けてこれを噴霧化する微粒化装置において、
   上記微粒化装置を揺動させるカム機構を有し、このカム機構に使用されるカムが、下記式
   

   

   ただし、
   Ｐ(ｘ′)：スキャニングを考慮したスプレー流束分布式
   Ｐ_ｍａｘ：−∞＜ｘ′＜∞におけるスプレー流束分布式Ｐ(ｘ′)の最大値
   Ｐ_１０：Ｐ_ｍａｘの１０％
   ｘ′_ｍａｘ：Ｐ_ｍａｘとなる無次元化されたｘ方向距離
   ｘ′_１０：Ｐ_１０となる無次元化されたｘ方向距離
   ｘ′：プリフォーム直径で無次元化されたｘ方向距離
   を満足するカム形状に構成されていることを特徴とする微粒化装置。
2. 上記カム形状に沿って移動する従動節が、リンクを介して上記微粒化装置と連結されている請求項１記載の微粒化装置。

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