JP2021181597A - 遠心噴霧装置及び遠心噴霧方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制できる遠心噴霧装置を提供する。【解決手段】溶融金属Ｍを回転ディスク２１に供給し、前記溶融金属Ｍに遠心力を与えることで前記回転ディスク２１の外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造する遠心噴霧装置１であって、前記溶融金属Ｍを前記回転ディスク２１に供給する供給部３２と、前記回転ディスク２１の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出温度に応じ、前記供給部から前記回転ディスク２１に供給される前記溶湯の時間当たり供給量を増減するよう前記出湯部３２を制御する供給制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の微粉末を製造するための遠心噴霧装置及び遠心噴霧方法に関するものである。

特許文献１には、溶湯（溶融金属）から金属微粉末を製造する遠心噴霧法のうち、高速回転するディスクに溶湯が供給されて、ディスクの回転による遠心力により溶湯がディスクの上面を伝って、ディスクの周縁から噴霧されて固化されるディスクアトマイズ法が開示されている。

ここで従来、溶湯は、溶湯容器において金属を溶解した後、ディスクに対して直接的に出湯していた。このため、出湯開始直後は、溶湯容器内に溶湯が多く貯留されているため、ディスクへの溶湯供給量は多くなる。よって、製造された金属微粉末のサイズは相対的に大きくなる。一方、出湯開始から時間が経過すると、溶湯容器内に貯留されている溶湯が少なくなるため、ディスクへの溶湯供給量は少なくなる。よって、製造された金属微粉末のサイズは相対的に小さくなる。このように、均一な大きさで金属微粉末を製造することが困難であった。

この問題に対して特許文献１に記載の発明では、溶湯容器とディスクとの間に中間容器を設け、この中間容器に溶湯の液面高さを測定する検出手段を設けている。そしてこの検出手段により検知される液面高さが一定になるように、溶湯容器から中間容器への出湯量を調整している。このような構成により、均一な大きさで金属微粉末を製造することが可能となっている。

特開平４−６３２０４号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、溶湯容器とは別に中間容器を設ける必要があることから、遠心噴霧装置が大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、大型化を抑制できる遠心噴霧装置及び遠心噴霧方法を提供することを課題とする。

本発明は、溶融金属を回転ディスクに供給し、前記溶融金属に遠心力を与えることで前記回転ディスクの外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造する遠心噴霧装置であって、前記溶融金属を前記回転ディスクに供給する供給部と、前記回転ディスクの温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出温度に応じ、前記溶湯貯留部から前記回転ディスクに供給される前記溶融金属の時間当たり供給量を増減するよう前記供給部を制御する供給制御部と、を備える遠心噴霧装置である。

また本発明は、溶融金属を回転ディスクに供給し、前記溶融金属に遠心力を与えることで前記回転ディスクの外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造する遠心噴霧方法であって、前記溶融金属を前記回転ディスクに供給する供給ステップと、前記回転ディスクの温度を検出する温度検出ステップと、前記温度検出ステップでの検出温度に応じ、前記回転ディスクに供給される前記溶融金属の時間当たり供給量を制御する供給制御ステップと、を含む遠心噴霧方法である。

前記構成の遠心噴霧装置または遠心噴霧方法によれば、温度検出部の検出温度に応じ、供給部から回転ディスクに供給される前記溶融金属の時間当たり供給量を増減するよう供給部が制御される。よって、従来の中間容器のような、遠心噴霧装置の大型化の原因となる構成が不要である。

そして、前記回転ディスクは、上下方向に延びる軸回りで回転し、前記供給部は、前記溶融金属を前記回転ディスクの上面に供給し、前記温度検出部は、前記回転ディスクにおける前記上面以外の面の温度を検出するものとできる。

この構成によれば、温度検出部を設けても回転ディスクに対する溶融金属の供給に支障が生じない。

そして、前記供給部は、金属を溶解させる溶融金属生成部と、前記溶融金属生成部に設けられた供給口と、前記供給口に対して移動することにより、前記供給口の開度を増減させる開閉体とを備えるものとできる。

そして、前記供給部は、金属を溶解し、貯留する溶融金属生成部と、前記溶融金属生成部に設けられた供給口と、前記溶融金属生成部内の圧力を調整する圧力調整部とを備え、前記溶融金属生成部内の圧力を上昇または下降させることで前記溶融金属の供給量を増減させるものとできる。

これらの構成によれば、溶融金属の時間当たり供給量を増減することを簡単な構成で実現できる。

本発明によると、遠心噴霧装置の大型化の原因となる構成が不要である。よって、遠心噴霧装置の大型化を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る遠心噴霧装置の構成を簡略的に示す図である。 前記遠心噴霧装置の構成を、制御に係る構成を含めて簡略的に示す図である。 前記遠心噴霧装置の回転ディスクに溶湯（溶融金属）が供給された状態を示し、（ａ）は正常な状態、（ｂ）は回転ディスクの温度が低くて溶湯が回転ディスクから跳ねてしまう状態を示す。

本発明につき、一実施形態を取り上げて、図面とともに以下説明を行う。

本実施形態の遠心噴霧装置１は、図１に簡略的に示すように、下方に噴霧部２、上方に溶湯供給部３を備える。噴霧部２は、回転ディスク２１、回転軸２２、駆動部２３を備える。回転ディスク２１は円盤状体であって、上面２１１が平坦な水平面とされている。この上面２１１に溶湯供給部３から溶湯（溶融金属）Ｍが供給される。回転軸２２は、回転ディスク２１における下面２１２の中央から下方に延びる軸である。つまり回転軸２２は、上下方向に延びる軸である。ただし、回転軸２２の延びる方向は上下方向に限定されない。回転軸２２は軸心周りに回転可能とされている。この回転軸２２は回転ディスク２１と一体に形成されている。このため、回転軸２２が回転させられると回転ディスク２１は同じ回転数で回転する（図３（ａ）（ｂ）参照）。回転ディスク２１の回転方向は一定とされている。駆動部２３は、本実施形態ではボックス内に設けられていて回転軸２２に対して駆動力を供給する。駆動部２３は、例えばモータ、減速手段から構成されている。駆動力を受けて回転軸２２が回転することにより、回転ディスク２１が回転する。

溶湯供給部３は、主に、溶湯貯留部３１と出湯部（供給部）３２とを備える。溶湯Ｍは、金属を溶解した液状のものである。溶湯Ｍは、溶湯貯留部３１で金属を溶解することで生成される。この場合、溶湯貯留部３１は溶融金属生成部として機能する。また、溶湯貯留部３１の外部で溶湯Ｍが生成され、この溶湯Ｍが溶湯貯留部３１に供給されるものであってもよい。溶解する金属は種々のものを用いることができる。例えばチタンである。溶湯貯留部３１は、加熱により溶湯Ｍを流動性が保たれた状態で貯留する部分である。溶湯貯留部３１としては、るつぼや種々形式の炉を用いることができる。溶湯貯留部３１は誘導コイル等の加熱手段（図示しない）が設けられており、溶湯Ｍを回転ディスク２１に供給するのに適した一定温度に保つことができる。

出湯部３２は、溶湯貯留部３１から溶湯Ｍを取り出して、溶湯供給部３の下方に位置する回転ディスク２１に供給する部分である。溶湯Ｍは回転ディスク２１に比べて高温である。このため、溶湯Ｍが供給された回転ディスク２１は、温度が上昇する。出湯部３２は、溶湯貯留部３１に設けられた出湯口（供給口）３２１と、出湯口３２１に対して移動する開閉体３２２とを備える。この構成により、溶湯Ｍの時間当たり供給量を増減することを簡単な構成で実現できる。

出湯口３２１は、溶湯貯留部３１の底部に上下方向に貫通した穴である。本実施形態では底面視で真円である丸穴とされている。図１に示すように、出湯口３２１は、回転ディスク２１における上面２１１の中央、つまり回転ディスク２１の回転中心の直上に、回転ディスク２１の上面２１１から距離をおいて設けられている。開閉体３２２を移動させることで、出湯口３２１から下方に溶湯Ｍを落下（重力による自然落下）させることができる。

開閉体３２２は、本実施形態では上下方向に延びる棒状体である。開閉体３２２は、溶湯貯留部３１の内部に設けられており、図示しない駆動手段によって上下方向に移動する。開閉体３２２の下端部３２２１は下に尖った円錐状体とされている。開閉体３２２が移動することにより、下端部３２２１が丸穴である出湯口３２１を覆うことで、下端部３２２１と出湯口３２１との上下方向の距離に応じて、出湯口３２１の開度を増減させることができる。出湯口３２１の開度に応じて回転ディスク２１への溶湯Ｍの供給量が増減する。

また、溶湯貯留部３１はコールドクルーシブル炉を用いてもよい。コールドクルーシブル炉を用いた場合、炉の壁面内部に冷却機構を設けておき、溶湯にスカルを形成させることで、金属の溶解時に、溶湯に不純物が加わらないようにすることができる。

溶湯貯留部３１にコールドクルーシブル炉を用いる場合、開閉体３２２の変形例として、溶湯貯留部３１内の圧力を調整する圧力調整部を設けてもよい。圧力調整部は、回転ディスク２１の温度が低い場合、溶湯貯留部３１内の圧力（気圧等）を上昇させることで溶湯Ｍを加圧することによって、溶湯貯留部３１から回転ディスク２１への溶湯Ｍの供給量を増加させられる。一方、回転ディスク２１の温度が高い場合、溶湯貯留部３１内の圧力を下降させることで、溶湯貯留部３１から回転ディスク２１への溶湯Ｍの供給量を減少させる。

以上のように構成された遠心噴霧装置１により、溶湯Ｍを、上下方向に延びる軸回りで回転する回転ディスク２１の上面２１１に供給する。回転ディスク２１に供給された溶湯Ｍには遠心力が与えられる。これにより、図３（ａ）に示すように、溶湯Ｍを回転ディスク２１の外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造できる。固化は、回転ディスク２１周囲に存在する気体に噴霧された（微細化された）溶湯Ｍが触れて冷却されることでなされる。気体は、例えば不活性ガスである。

本実施形態の遠心噴霧装置１は、図２に示すように、更に、温度検出部４と出湯制御部（供給制御部）５とを備える。温度検出部４は、回転ディスク２１の温度を検出する。温度検出部４は、回転ディスク２１における上面２１１以外の面の温度を検出する。本実施形態では、回転ディスク２１における下面２１２の温度を検出する。回転ディスク２１における上面２１１以外の面の温度を検出することで、温度検出部４を設けても回転ディスク２１（上面２１１）に対する溶湯Ｍの供給に支障が生じない。温度検出部４は非接触型のセンサ等の検出手段が用いられている。本実施形態の温度検出部４は放射温度計である。出湯制御部５は、温度検出部４の検出温度、つまり、回転ディスク２１における下面２１２の温度に応じ、供給部３２から回転ディスク２１に供給される溶湯Ｍの時間当たり供給量を増減するよう出湯部３２を制御する。出湯制御部５は、回転ディスク２１の温度（検出される温度は、回転ディスク２１における下面２１２の温度である）が低い場合は、出湯口３２１に対して開閉体３２２を上昇させることで、出湯部３２の開度を大きくして溶湯Ｍの時間当たり供給量を増加させる。一方、回転ディスク２１の温度が高い場合は、出湯口３２１に対して開閉体３２２を下降させることで、出湯部３２の開度を小さくして溶湯Ｍの時間当たり供給量を減少させる。このため、温度検出部４の検出温度が所定の範囲内になるように出湯部３２を制御することにより、回転ディスク２１の上面２１１に対する溶湯Ｍの出湯状態を一定化できる。

出湯制御部５はまた、温度検出部４の検出温度の値が所定の限界値を超えた場合には、出湯口３２１に対して開閉体３２２を下降させることにより出湯口３２１を閉じる。よって、出湯部３２からの溶湯Ｍの回転ディスク２１の供給が停止され、回転ディスク２１が昇温されなくなる。これにより、回転ディスク２１が高温のために破損することが防止される。

なお、温度検出部４の検出温度に関する前記所定の範囲及び前記限界値は、溶湯Ｍの材料である金属種、生成される金属微粒子の粒径の許容範囲、回転ディスク２１の材質及び大きさ及び回転数、回転ディスク２１における上面２１１の温度と温度検出部４の検出値との差等の公知の情報をもとに定められる。

本実施形態のように、回転ディスク２１の温度を検出して出湯部３２を制御することによるメリットとして、以下の２点が挙げられる。１点目は、回転ディスク２１の上面２１１の濡れ性が高い状態で金属粉末を生成することができることである。本実施形態では、回転ディスク２１の温度が所定の範囲内になるように、出湯制御部５が出湯量を調整する。ここで、回転ディスク２１の温度が低過ぎると、図３（ｂ）に示すように回転ディスク２１の上面２１１から溶湯Ｍが跳ねてしまう。そうなると、金属微粉末がうまく生成されない。これに対し、回転ディスク２１の温度が適正な高さの温度であると、図３（ａ）に示すように溶湯Ｍが回転ディスク２１の上面２１１で膜状に広がりやすい。このように溶湯Ｍが膜状に広がりやすい状態がすなわち濡れ性が高い状態である。この膜状に広がった溶湯Ｍは、図示のように回転ディスク２１の径外に飛び散ることで霧状となって冷却され固化する。このように噴霧と固化が安定して行われることで、均一な（所定範囲内の）大きさの金属微粉末が生成されやすくなる。従って、回転ディスク２１の温度を検出して出湯部３２を制御すること、回転ディスク２１のコンディションが良い状態（濡れ性が高く、溶湯Ｍが回転ディスク２１の上面２１１で広がる状態）を保ったまま、金属微粉末を連続的に生成することができる。

２点目は、回転ディスク２１の破損を防止できることである。もし回転ディスク２１に過多な出湯を行った場合、回転ディスク２１が溶湯Ｍに触れて加熱されることにより、回転ディスク２１の温度が上がり過ぎてしまう。そうなると、回転ディスク２１が破損する可能性がある。これに対し、本実施形態では、回転ディスク２１の上面２１１に対する溶湯Ｍの出湯状態を一定化できることから、回転ディスク２１の温度を一定範囲内におさめることができる。このため、回転ディスク２１の破損を防止できる。

以上、本実施形態の遠心噴霧装置１では、温度検出部４の検出温度に応じ、溶湯貯留部３１から回転ディスク２１に供給される溶湯Ｍの時間当たり供給量を増減するよう出湯部３２が制御される。よって、従来の中間容器のような、遠心噴霧装置１の大型化の原因となる構成が不要である。従って、遠心噴霧装置１の大型化を抑制できる。

また、例えば本実施形態の遠心噴霧装置１を用いることにより、溶融金属Ｍを回転ディスク２１に供給する供給ステップと、回転ディスク２１の温度を検出する温度検出ステップと、温度検出ステップでの検出温度に応じ、回転ディスク２１に供給される溶融金属Ｍの時間当たり供給量を制御する供給制御ステップと、を含む遠心噴霧方法が実施される。ただし、この遠心噴霧方法は、本実施形態の遠心噴霧装置１以外の装置によっても実施可能である。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、開閉体３２２を例えば板状とし、開閉体３２２が水平方向に移動することで、出湯口３２１を開閉するように構成することもできる。

また、出湯部３２が開閉体３２２を備えず（つまり、出湯口３２１の開度は一定で）、溶湯供給部３に設けたピストン等により、溶湯Ｍに与える圧力を増減させることで出湯量を調整する構成とされていてもよい。

また、前記実施形態では溶湯貯留部３１に溶湯Ｍを貯留した上で、溶湯Ｍを回転ディスク２１へ供給したが、溶湯貯留部３１を設けず、例えば金属のインゴットをコイル等で加熱し、回転ディスク２１へ直接供給するようにしてもよい。具体的には、上部からつるされた円筒形等のインゴットの周面に、インゴットに直接触れないように所定の間隔を開けて加熱手段（誘導加熱用のコイル等）を設け、インゴットの下部に回転ディスク２１と、回転ディスク２１の温度を計測する温度検出部４を設ける。インゴットは、加熱手段に対して挿入及び抜出可能につるされる。また、インゴットは、加熱手段に対して回転可能につるされる。このようにすると、コイルの誘導加熱によってインゴットが溶解し、溶湯Ｍとなって下部の回転ディスク２１へ供給される。このとき、温度検出部４の検出温度によって、コイルへの供給電力、インゴットのコイル内への挿入速度や回転速度を調整することで、前記実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

１ 遠心噴霧装置
２ 噴霧部
２１ 回転ディスク
２１１ 回転ディスクの上面
３ 溶湯供給部
３１ 溶融金属生成部、溶湯貯留部
３２ 供給部、出湯部
３２１ 出湯口
３２２ 開閉体
４ 温度検出部
５ 供給制御部、出湯制御部
Ｍ 溶融金属、溶湯

Claims (5)

1. 溶融金属を回転ディスクに供給し、前記溶融金属に遠心力を与えることで前記回転ディスクの外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造する遠心噴霧装置であって、
   前記溶融金属を前記回転ディスクに供給する供給部と、
   前記回転ディスクの温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部の検出温度に応じ、前記供給部から前記回転ディスクに供給される前記溶融金属の時間当たり供給量を増減するよう前記供給部を制御する供給制御部と、を備える遠心噴霧装置。
2. 前記回転ディスクは、上下方向に延びる軸回りで回転し、
   前記供給部は、前記溶融金属を前記回転ディスクの上面に供給し、
   前記温度検出部は、前記回転ディスクにおける前記上面以外の面の温度を検出する、請求項１に記載の遠心噴霧装置。
3. 前記供給部は、金属を溶解させる溶融金属生成部と、前記溶融金属生成部に設けられた供給口と、前記供給口に対して移動することにより、前記供給口の開度を増減させる開閉体とを備える、請求項１または２に記載の遠心噴霧装置。
4. 前記供給部は、金属を溶解し、貯留する溶融金属生成部と、前記溶融金属生成部に設けられた供給口と、前記溶融金属生成部内の圧力を調整する圧力調整部とを備え、前記溶融金属生成部内の圧力を上昇または下降させることで前記溶融金属の供給量を増減させる、請求項１または２に記載の遠心噴霧装置。
5. 溶融金属を回転ディスクに供給し、前記溶融金属に遠心力を与えることで前記回転ディスクの外方へと噴霧して固化させることにより、金属微粉末を製造する遠心噴霧方法であって、
   前記溶融金属を前記回転ディスクに供給する供給ステップと、
   前記回転ディスクの温度を検出する温度検出ステップと、
   前記温度検出ステップでの検出温度に応じ、前記回転ディスクに供給される前記溶融金属の時間当たり供給量を制御する供給制御ステップと、を含む遠心噴霧方法。

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