JP2008272622A

JP2008272622A - 溶射装置

Info

Publication number: JP2008272622A
Application number: JP2007116713A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hayashi; 光一林; Hiroyuki Sato; 博之佐藤
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】本発明は、水素燃料を用いて安定した爆発溶射を行うことのできる溶射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】溶射装置のデトネーション管の内壁面に対し乱流形成構造体を一体的に形成する。この乱流形成構造体が乱流を効率的に形成させるため、従来多く用いられてきたアセチレンなどに比べて反応性の低い水素を燃料として用いた場合であっても、ＤＤＴおよびＤＤＬの短縮化が実現される。よって、本発明の溶射装置は、そのサイズについて大型化することなく水素燃料仕様で運転することが可能となる。さらに、この乱流形成構造体は、デトネーション管の内壁と熱的に一体化された構造体として形成されるため、連続的なパルスデトネーションに伴ってデトネーション管内で発生する熱が当該突起を介して好適に外部に放熱され、ひいては安定的な爆発溶射が担保される。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶射装置に関し、より詳細には、水素燃料を用いる溶射装置に関する。

爆発溶射法は、1955年にユニオンカーバイド社のR.W.Poorman，H.B.SargentおよびH.Lampreyによって発明され、以来、最も優れた溶射法の一つとして今日まで多くの分野で適用されている。ここで、爆発溶射法における溶射プロセスの概要を説明すると、まず、一方の端部が閉じ他方の端部が開放している管状の爆発チャンバー内に、燃料ガス、酸化剤および粉末状の溶射材料の混合物が供給される。次に、この混合物がスパークプラグによって点火されて爆発し、爆発チャンバー内にデトネーション波が形成される。デトネーション波先端の通過後に爆発チャンバー内に満たされた反応生成ガスの急激な膨張によって、溶射材料粒子が加熱および加速され開放端部から放出され、放出された溶融状態の溶射材料粒子が基板表面に衝突して広がり密着することによって被膜が形成される。

ここで、従来の爆発溶射法においては、アセチレンなどの炭化水素燃料を使用するのが通例であった。しかしながら、アセチレンなどの炭化水素燃料を使用すると、形成される被膜に不純物としての炭素が混入してしまうという問題に加え、アセチレンなどの炭化水素燃料の極めて高い反応性は、溶射装置の取り扱いにおいて大きなリスクとなっていた。そこで、爆発溶射法において、アセチレンに比較して反応性が低い水素を燃料として用いることも検討されたが、アセチレンに較べて反応性が低い水素を燃料として用いた場合、デトネーションが生成されるために必要な時間（Deflagration to Detonation Time）およびその距離（Deflagration to Detonation Length）がアセチレンを燃料として用いた場合のそれに比べて長くなるため、特表２００３−５１２１７２号公報（特許文献１）に開示されているような単純な管形状のデトネーション管を採用する場合、そのデトネーション管部分を長く設計せざるを得ず、溶射装置の大型化が避けられないため現実的ではなかった。
特表２００３−５１２１７２号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、水素燃料を用いて安定した爆発溶射を行うことのできる溶射装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、水素燃料を用いて安定した爆発溶射を行うことのできる溶射装置につき鋭意検討した結果、デトネーション管の内壁面に対し乱流形成構造体を一体的に形成することにより、水素燃料を用いた場合の爆発溶射におけるDeflagration to Detonation Time（以下、ＤＤＴとして参照する）およびDeflagration to Detonation Length（以下、ＤＤＬとして参照する）を好適に短縮することができることを見出し、本発明に至ったのである。すなわち、本発明では、デトネーション管の内壁に沿って延びた突起を設けることによって乱流を効率的に形成させ、もって、ＤＤＴおよびＤＤＬの短縮化が実現されるため、従来の溶射装置を、そのサイズについて大型化することなく水素燃料仕様に転換することが可能となる。さらに、この突起は、デトネーション管の内壁と熱的に一体化された構造体として形成されるため、連続的なパルスデトネーションに伴ってデトネーション管内で発生する熱を、当該突起を介して好適に外部に放熱することが可能となり、ひいては安定的な爆発溶射が担保される。

すなわち、本発明によれば、燃焼室であって、該燃焼室の内側面に一体的に乱流形成構造体が形成された燃焼室を備えるデトネーション管と、前記デトネーション管に燃料および酸化剤を供給する手段と、供給された前記燃料および酸化剤の混合気に着火するための着火手段と、溶射材料を供給するための溶射材料供給部とを備える溶射装置が提供される。本発明においては、前記乱流形成構造体は、前記内側面に形成された突条または突起とすることができ、前記乱流形成構造体は、前記内側面に沿って螺旋状に延びた突条とすることができる。

また、本発明においては、前記燃焼室には、前記着火手段の点火位置側に、複数の開口部を備える隔壁をさらに設けることができる。前記開口部の開口領域の単位面積を０．２５π〜２５πｍｍ^２とすることができ、前記隔壁の空隙率を１〜６５％とすることができる。

また、本発明においては、前記酸化剤を、酸素または空気を含むものとすることができ、また、前記着火手段を、パルス駆動することができる。さらに、本発明においては、前記燃料を、水素ガスを含むものとすることができる。

上述したように、本発明によれば、水素燃料を用いて安定した爆発溶射を行うことのできる溶射装置が提供される。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の溶射装置を示した断面図である。本発明の第１の実施形態である溶射装置１０は、ステンレススチール、ジュラルミン、チタン合金、ニッケル超合金などの耐熱性材料から形成されたデトネーション管１２と、デトネーション管１２の内部に燃料を供給するための燃料供給機構１３と、燃焼のための酸化剤を導入するための酸化剤供給機構１４とを含むデトネーション生成部を備える。さらに、本実施形態の溶射装置１０は、デトネーション管１２に連続して設けられる管状のバレル１５と、バレル１５の内部に溶射材料を供給するための溶射材料供給機構１６とを含む溶射材料供給部を備えて構成される。デトネーション管１２は、その内部に概ね円柱状の燃焼室１７が形成されており、燃焼室１７を形成する壁の内壁面には、乱流形成構造体１８が内壁と一体的に形成されている。さらにデトネーション管１２の閉塞端部の中心付近には、燃料−酸化物混合気を点火するためのイグナイタ１９が配設されている。また、閉塞端部に対向する側の端部は開放され溶射材料供給部のバレル１５に接続されており、デトネーション生成部で発生した衝撃波は、デトネーション管１２からバレル１５に導入される。溶射材料供給部においては、溶射材料供給機構１６から供給された溶射材料が、伝播する衝撃波のエネルギーによって加熱および加速され、バレル１５の開放端部から放出される。

イグナイタ１９は、スパークギャップを使用して着火を行う方式、プラズマを発生させて着火する方式、レーザを照射して着火する方式など、デトネーションを発生させるための初期火炎を生成させることができる限り、いかなる方式のイグナイタ１９でも用いることができ、イグナイタ１９は、パルス駆動することが可能とされている。また、本発明の燃料供給機構１３および酸化剤供給機構１４としては、ソレノイド式の噴射バルブを使用することができる。

本発明の溶射装置は、燃料として水素ガス（Ｈ_２）を用いる。また、本発明においては酸化剤として、酸素ガス（Ｏ_２）、空気、オゾンなどを適宜用いることができる。本発明の溶射装置は、燃料として、従来の爆発溶射において多く用いられてきたアセチレンなどの炭化水素燃料よりも反応性の低い水素ガス（Ｈ_２）を用いるため、誤爆などの際のリスクが低減され、また、溶射被膜に不純物としての炭素が混入することがなく、さらに、反応系の生成物が水（Ｈ_２Ｏ）であるため、二酸化炭素を発生する従来の溶射装置に比べて環境的な負荷が少ないという利点を有する。

図２は、本発明の溶射装置１０のデトネーション生成部の構造を、デトネーション管１２の一部を切り欠いて示した斜視図である。なお、図２においては、図１に示した要素と共通するものについては同じ符号を用い、適宜その説明を省略するものとする（以下、図３および図４においても同様）。図２に示したデトネーション管１２は、円筒管として形成されており、壁と、閉塞端２０とにより画成される領域が燃焼室１７を形成する。デトネーション管１２の内側面２２には、乱流形成構造体１８が形成されている。図２に示した乱流形成構造体１８は、内側面２２から、デトネーション管の中心に向かって突出した突条とされており、この突条は、内側面２２に沿って長手軸Ａの方向に螺旋状に延ばされている。イグナイタ１９により着火され生成された火炎は、閉塞端２０から開放端２４へと進行して行き、その間に乱流形成構造体１８により生成した圧縮波は、デトネーション管の中心側へと反射され、デトネーションの生成が促進される。

図２に示した乱流形成構造体１８は、連続した突条とされているが、本発明では、突条の他、突条をその延長方向に分離した突起として形成することもできる。この場合、突起は、螺旋の進行方向に沿って配置されることになる。本発明では、乱流形成構造体１８を突起として形成させる場合には、必ずしも螺旋条に配置することは必要ではなく、例えばデトネーション管１２の長手軸Ａに直交する円周方向に沿って突起を形成させ、突起を長手軸Ａの方向に沿って等間隔または不均一間隔で配置することもできるし、千鳥状に配置することもでき、その他いかなる形状にすることもできる。

図３は、本発明におけるデトネーション管１２の一部を拡大して示した断面図である。図３に示すデトネーション管１２の内側面２２から突出する乱流形成構造体１８は、内面に沿って螺旋状に形成された突条２６を形成する。突条２６として形成される乱流形成構造体１８は、デトネーション管１２の内壁と一体的に形成することが好ましい。すなわち、本発明における乱流形成構造体１８をデトネーション管１２の内壁と熱的に一体化して形成することによって、連続的なパルスデトネーションに伴ってデトネーション管１２内で発生する熱を、突条２６を介して好適にデトネーション管１２の外部に放熱することが可能となる。本発明の溶射装置を長時間作動した場合、突条２６は、大きな熱に長時間晒されることになる。仮に突条２６とデトネーション管１２の内壁とが熱的に断絶している状態、あるいはそれに近い状態であった場合、突条２６自身が熱的影響を受けて変形、破損するという事態が発生する。しかしながら、本発明においては、突条２６はその熱を逐次デトネーション管１２の外部に放出することができるため、突条２６自身が熱的影響を受けて変形、破損するという事態が回避され、安定したデトネーション波の形成が維持される。

なお、本発明においては、デトネーション管１２の外部に追加の冷却機構を設けることによって、突条２６からの放熱をさらに促進することが好ましい。冷却機構は、空気や水、その他の冷却媒体を突条２６と熱的に接続する機構であればよく、当業者であれば適宜設計することができるであろう。

本発明における乱流形成構造体１８の突条２６の寸法は、本発明の特定の実施の形態では、内側面２２から見た高さｈが、デトネーション管内径の約１０％とされている。さらに、突条２６の厚さｔは、デトネーション管の各端部の間の長さの約０．５％〜１％とされている。本発明では、突条２６の寸法には、適切なデトネーションを形成させることができる限り、特に限定されるものではないが、内側面２２から測った高さｈは、デトネーション管の内径の５％〜５０％とすることができ、より好ましくは、７．５％〜５０％とすることができる。また、突条２６の厚さｔは、デトネーション管の各端部の間の長さの０．５％以上であれば、適切な強度を与える限り特に限定されるものではない。

さらに、本発明における乱流形成構造体は、螺旋状に配置される場合、あるいは、長手軸Ａに直交する円周に沿って配置される場合のいずれにおいても、突条または突起の配置されるピッチは、ＤＤＴおよびＤＤＬを適切な値に保持することができる限り、特に限定されない。以上、本発明の溶射装置について図１〜３に示した第１の実施形態を参照して説明してきたが、本発明の溶射装置は、ＤＤＴおよびＤＤＬをさらに短縮するために追加の構成を含んで構成することができる。以下、図４および図５に示す第２の実施形態を参照して本発明の別の構成について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態である溶射装置３０について、そのデトネーション生成部のみを示した断面図である。本実施形態におけるデトネーション生成部は、第１の実施形態について上述したのと同様に、その燃焼室１７を形成する壁の内壁面に乱流形成構造体１８が内壁と一体的に形成されており、さらに、ＤＤＴおよびＤＤＬを短縮するための追加の構成を含んでいる。すなわち、本実施形態の溶射装置３０においては、燃焼室１７内のイグナイタ１９の近傍に隔壁３２が設けられることによって、燃焼室１７内に初期火炎が生成される副室としての領域Ｓが形成される。なお、本実施形態においては、イグナイタ１９から隔壁３２までの離間距離Ｌを最適化することができる。

図５は、本実施形態の燃焼室１７内に設けられる隔壁３２を示す図である。本実施形態においては、隔壁３２をデトネーション管１２と同様にステンレススチール、ジュラルミン、チタン合金、ニッケル超合金などの耐熱性材料から形成することが好ましい。図５に示されるように、隔壁３２の表面には多くの孔３４が設けられており、隔壁３２は、孔３４を介して上述した領域Ｓと燃焼室１７の開放端側の領域とが連通するように溶射装置３０の燃焼室１７内に固設される。なお、本実施形態においては、上述した隔壁３２に加えて、燃焼室１７の開放端側にさらに同様の隔壁を追加して設けることもできる。

本実施形態の溶射装置３０においては、燃焼室１７内のイグナイタ１９の近傍に、隔壁３２を設けることによって、ＤＤＴおよびＤＤＬがさらに好適に短縮化する。この理由については定かではないが、おそらく、領域Ｓにおいて形成された初期火炎が、隔壁３２に設けられた複数の孔３４を通過して燃焼室１７内に放出される際、孔３４に対応した複数の乱流が生じることによって、ジェット着火を経て爆燃（Deflagration）およびそれに続く爆轟状態（Detonation）への遷移が促進されるものと考えられる。

なお、本発明においては、隔壁３２における孔３４の大きさ、および隔壁３２の空隙率について最適化することができる。なお、本発明において、空隙率とは、下記式１によって示される式によって求められるものとする。

本発明において、孔３４が円形である場合には、その直径を、１〜１０ｍｍとすることができ、より好ましくは、１〜４ｍｍとすることができる。換言すれば、本発明において、孔３４によって隔壁３２に形成される円形の開口領域の単位面積を、０．２５π〜２５πｍｍ^２とすることができ、より好ましくは、０．２５π〜９πｍｍ^２とすることができる。ただし、本発明においては、孔３４の形状を円形に限定するものではなく、孔３４を楕円や多角形などによって形成することもでき、それらの孔によって隔壁３２に形成される開口領域の単位面積を、０．２５π〜２５πｍｍ^２とすることができ、より好ましくは、０．２５π〜９πｍｍ^２とすることができる。また、本発明においては、上述した空隙率を１〜６５％とすることができ、より好ましくは、１〜４５％とすることができる。

以下、本発明の溶射装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。本発明の溶射装置において、水素燃料を用いた場合のデトネーション波の生成について検証した。

（実験装置および実験条件）
図６は、本発明の溶射装置のデトネーション特性を検討するために使用した実験装置を示す。実験装置４０は、本実施例のデトネーション管４２と、観測用チャンバ４４と、反射衝撃波を排除するためのダンパ容器４６とをそれぞれを接続フランジで連結し、さらに着火装置４８を含んで構成した。

デトネーション管４２には内径40 mm、外径64 mm、長さ500 mmの真鍮の円管であって、その内壁に沿って長手軸の方向に螺旋状に延ばされた突状を形成したものを用いた。また、本実施例においては、突条の設計を、高さを3 mm、厚さを3 mmとし、ピッチを15 mmとした。図７に、本実施例に用いたデトネーション管４２を示す。図７（ａ）は、デトネーション管４２の内面に形成された突条を示した写真であり、図７（ｂ）は、デトネーション管４２の断面を示す概念図である。

観測用チャンバ４４は、ステンレス製（SUS303）で、内部に40 mm×40 mmの矩形の空間を形成し、着火位置から812
mm、1027 mm、1087mmの位置に圧力センサー５０を設けた。

燃料として水素、酸化剤として酸素を用い、着火位置から111mmの位置に設けられた電磁弁５２から対向噴射した。なお、本実施例においては水素と酸素の当量比を1.4として実験を行った。なお、着火装置４８にはスパークプラグを使用した。

燃料噴射、着火などの実験装置の制御およびデータ計測、データ解析は、National
Instruments社の計測・制御用ソフトウェアLabVIEWを用いてコンピュータ５４によって行った。本実施例においては、運転周波数を５Hzとし酸素の噴射は運転中連続的に行った。また、各サイクルの最初に水素の噴射を行い、その直後に着火するというタイミングで実験装置を制御した。また、着火を行うと同時に圧力センサー５０による測定を開始した。

（実施例１）
図８は、圧力センサの時間履歴を示す図であり、着火位置から812
mm、1027 mm、1087mmの位置に設けた圧力センサの履歴を、それぞれ＃１、＃２、＃３として示した。図８が示すように、812 mm、1027 mm、1087mmの位置に設けた圧力センサが示したすべての圧力波形においてスパイク状の急激な圧力上昇が確認された。圧力のピーク値は2.0
Mpaであり、これはＣ−Ｊ圧力（約1.9 Mpa）を超えるものであった。また、各圧力センサの圧力履歴の立ち上がりと、各圧力センサの離間距離から衝撃波の伝播速度を求めたところ、Ｃ−Ｊ速度に達していることがわかった。以上の結果から、本実施例の水素を燃料として使用した溶射装置がデトネーション波を好適に生成することが示された。

（比較例）
デトネーション管に、内径40 mm、外径64
mm、長さ500 mmの真鍮の円管であって、その内壁に突条を形成していない単純な円筒を用いて、それ以外については実施例１について上述したのと同様の装置および条件で実験を行った。しかしながら、812 mm、1027 mm、1087mmの位置に設けた圧力センサが示した結果からは、デトネーション波を好適に生成を確認することができなかった。

（溶射実験）
さらに、本発明の溶射装置について以下に示す手順で動作実験を行った。図６に示す溶射材料供給弁５６からWC-12%Co粒子をN₂により5L;/minで供給し、供給位置から50mm離間した地点に設置したブラスト処理が施されていないアルミ母材に対して溶射を行った。本実施例においては、2Hz-120cycleならびに4Hz-120cycleの条件で装置を連続運転し溶射を行った。図９は、上述した手順で溶射して形成された被膜表面のSEM写真を示すものであって、2Hz-120cycleならびに4Hz-120cycleのそれぞれの条件について、600倍および15000倍のSEM写真を示す。15000倍のSEM写真から、いずれの条件においても溶射材料が半融状態で扁平固化していることが示された。上述した結果から、本実施例の水素を燃料として使用した溶射装置によって溶射が好適に実施されることが示された。

以上、説明したように、本発明によれば、水素燃料を用いて安定した爆発溶射を行うことのできる溶射装置が提供される。本発明の溶射装置は、アセチレンなどの炭化水素燃料よりも反応性の低い水素ガスを用いることができるため、従来の溶射装置に比較して安全に取り扱うことができる。

本発明の溶射装置を示した断面図。本発明の溶射装置におけるデトネーション管の一部を切り欠いて示した斜視図。本発明におけるデトネーション管の一部を拡大して示した断面図。本発明の第２の実施形態である溶射装置のデトネーション生成部のみを示した断面図。本発明の第２の実施形態の燃焼室内に設けられる隔壁を示す図。本発明の溶射装置のデトネーション特性を検討するために使用した実験装置を示す図。実験に用いたデトネーション管を示す図。圧力センサの時間履歴を示す図。本実施例の溶射装置によって形成された被膜表面のSEM写真を示す図。

符号の説明

１０…溶射装置、１２…デトネーション管、１３…燃料供給機構、１４…酸化剤供給機構、１５…バレル、１６…溶射材料供給機構、１７…燃焼室、１８…乱流形成構造体、１９…イグナイタ、２０…閉塞端、２２…内側面、２４…開放端、２６…突条、３０…溶射装置、３２…隔壁、３４…孔、４０…実験装置、４２…デトネーション管、４４…観測用チャンバ、４６…ダンパ容器、４８…着火装置、５０…圧力センサー、５２…電磁弁、５４…コンピュータ、５６…溶射材料供給弁

Claims

燃焼室であって、該燃焼室の内側面に一体的に乱流形成構造体が形成された燃焼室を備えるデトネーション管と、前記デトネーション管に燃料および酸化剤を供給する手段と、供給された前記燃料および酸化剤の混合気に着火するための着火手段と、溶射材料を供給するための溶射材料供給部とを備える溶射装置。
前記乱流形成構造体は、前記内側面に形成された突条または突起である、請求項１に記載の溶射装置。
前記乱流形成構造体は、前記内側面に沿って螺旋状に延びた突条である、請求項１に記載の溶射装置。
前記燃焼室には、前記着火手段の点火位置側に、複数の開口部を備える隔壁がさらに設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶射装置。
前記開口部の開口領域の単位面積が０．２５π〜２５πｍｍ^２である、請求項４に記載の溶射装置。
前記隔壁の空隙率が１〜６５％である、請求項４に記載の溶射装置。
前記酸化剤は、酸素または空気を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶射装置。
前記着火手段は、パルス駆動される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶射装置。
前記燃料は、水素ガスを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶射装置。