JP4155706B2 - デトネーション・スプレー・ガンのガス供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
（本発明の目的）
本発明はコーティングを塗布する熱スプレー技術の分野、特にデトネーション熱スプレーに関する。
【０００２】
本発明の目的は、生産性と融通性がより大きいだけでなく使用時の安全性が高い、デトネーション・スプレー・ガン（または銃）のガス供給装置である。
【０００３】
（本発明の背景）
現在、デトネーション（detonation；または爆轟）スプレー技術は、主に苛酷な摩耗、熱または腐食に曝されるワークピースにコーティングを塗布するために使用され、基本的には可燃性のガス混合物のデトネーションにおいて生じる運動エネルギーを使用して、粉体のコーティング材料をワークピースに付着させることに基づいている。
【０００４】
デトネーションプロセスにおいて一般に使用されるコーティング材料は、粉体の形態の金属、金属−セラミックスおよびセラミックを含み、熱絶縁体および電気絶縁体または導電体として、摩耗、侵食、腐食に対する耐性を向上させるために適用される。
【０００５】
デトネーションによるスプレーは、スプレー・ガン（または吹付器）により実施される。スプレーガンは基本的に、１つの閉じた端部と開放された端部とを有し、開放された端部に管状のバレルが取り付けられた、管状のデトネーション・チャンバーから成る。燃焼混合物はデトネーション・チャンバー内に噴射され、ガス混合物の点火は点火プラグを用いて行なわれ、デトネーションを引き起こし、その結果、衝撃または圧力波を生じさせる。衝撃または圧力波は、超音速にてチャンバー内部を進行し、それからバレル内部を進行して、バレルの開放端部を経由して出ていく。
【０００６】
コーティング材料の粉体は一般に、伝播する衝撃波の波頭の前でバレル内に噴射され、それからバレルの開放端部に運ばれて、バレルの前に配置された基体またはワークピースに付着させられる。コーティング用粉体の基体への衝突は優れた接着特性を有する高密度のコーティングをもたらす。
【０００７】
このプロセスはワークピースが適切にコーティングされるまで周期的に繰り返される。
【０００８】
一般的なデトネーション・ガンにおいて、爆轟させられる混合物を構成するガス（例えば、酸素、ならびに天然ガス、プロパン、プロピレン、水素またはアセチレンのような燃料）は、爆発時にデトネーション・チャンバーでの混合物の均一性を確保するために、デトネーション・チャンバーに入る前に混合チャンバーで混合される。ガスを混合するチャンバーまたは導管は、火炎および衝撃波の戻りが生じない空間を構成して、燃料および酸素供給部へのバックファイア（または逆火）を防止する。この基本的な安全性に関する要求は、従来の装置において３つの基本的な方法で解決されている：
【０００９】
ａ）点火システムと同調するバルブ・システムによって混合チャンバー、デトネーション・チャンバーおよびガス供給部が隔離されたデトネーションシステムがある。このアレンジメント（または配置）において、バルブは開いてガスが予備混合チャンバーに入り、そこからデトネーション・チャンバーに入るようにし、爆発の間は閉じて供給部をデトネーション・チャンバーから隔離する。この種の装置は、米国特許第４,６８７,１３５号および第４，０９６，９４５号で説明されている。
【００１０】
これは広く用いられる解決策であるが、その大きな欠点は、バルブ・システムが装置を複雑にし、また機械的に動くパーツを使用するという事実にある。このことは信頼性に関する問題を招き、また生産性を制限する。これらの装置において、混合チャンバーを窒素のような不活性ガスまたはその内部での伝播を妨げる希ガスで満たすと、デトネーション波の進行が止まる。
【００１１】
ｂ）米国特許第４,２５８,０９１号は、コーティングを塗布する方法に言及している。当該方法においては、燃料ガスが連続的に混合チャンバーに供給され、そこからパイプを経由してデトネーション・チャンバーに入る。混合ガスをデトネーション・チャンバーに周期的に、またコントロールして供給するために、不活性ガスが混合チャンバーとデトネーション・チャンバーとの間の連絡パイプの中間領域に供給される。不活性ガスのパイプへの注入は、バルブによって周期的にコントロールされ、その結果、ガス混合物および不活性ガスは、交互にデトネーション・チャンバーに達することとなる。不活性ガスは、デトネーションのための混合物の体積を適当にコントロールすることを可能にし、また、混合チャンバー内へのバックファイアを防止する。
【００１２】
この装置の主な欠点は生産性が低いことである。
【００１３】
ｃ）混合チャンバーがラビリンス（又は入り組んだ通路）のような曲がりくねった経路または導管によってデトネーション・チャンバーと連絡させられているデトネーション装置がある。そのような経路または導管は、衝撃波を構成するデトネーション・セルがラビリンスの壁に衝突することによってデトネーション波の伝播を妨げ、その結果、波は圧力を十分に失ってガス供給部を介して伝播し得ない。そのような装置は本出願人のＰＣＴ特許出願ＵＳ９６／２０１６０で説明されている。
【００１４】
この場合、曲がりくねった経路またはラビリンスは、ガス混合物の組成に依存する特定のジオメトリー（または幾何学的形態）を示す。なぜならば、デトネーション・セルの寸法は当該混合物に依存するからである。したがって、ラビリンスは特別に設計されて、その中を伝播するセルを崩壊させるものでなければならない。これは、ある燃料混合物に対応するセルを崩壊させるように装置が設計されるという欠点を有する；異なる寸法のセルを形成する異なるガス混合物を用いて安全に使用するためには、新しいラビリンスの設計、または少なくともそのジオメトリーの再配置が必要とされる。
【００１５】
同じ組み合わせのガスに関してでさえ、ラビリンスの設計は、燃焼チャンバーにおいて、混合物の限られた組成比および限られたガスの圧力でシステムの安全を確保し得るにすぎない。
【００１６】
この種のシステムの別の重要な欠点は、デトネーション・チャンバーと混合チャンバーとの間が自由に連絡しているために、混合チャンバー内へのバックファイアを完全に除去することが不可能であり、その結果、連続的なデトネーションの間で混合チャンバーに含まれるガスの燃焼が発生するという事実に関する。これらのガスが混合チャンバー内で燃えると、灰および煤が生成され、灰および煤はチャンバーの壁およびガス供給導管に付着し、あるいはこれらを塞ぎさえし、その結果、これらを定期的に清掃し保守することが必要となる。
【００１７】
上述の解決策と同様のものであって、したがって上述した欠点と同様の欠点を有する解決策が、米国特許第５,５４２,６０６号で説明されている。この特許において、ガスの燃焼はガス混合チャンバーそのものにおいて生じ、狭い導管を経由して、デトネーションが生じるより大きなチャンバーまで伝播する。
【００１８】
（発明の説明）
本発明は、燃料ガスおよび酸素がデトネーション・チャンバーに到達する前に混合する場所となる中間のチャンバーまたは導管を設けることなく、酸素および燃料ガス供給部（または供給源）をデトネーション・チャンバーと直接的に、独立して連絡させる連続的なガス供給システムによって上述の欠点を十分に解決するものである。
【００１９】
本発明の装置は、デトネーション・チャンバーとガス供給部との間の連絡を閉じる動くパーツまたはバルブを有しておらず、各々のガスのための独立した経路の組だけから成り、その経路の構成および寸法は、ガスを連続的に供給するとともに周期的なデトネーションを可能にし、更に、デトネーション・チャンバーで迅速かつ完全にガスを分配して均一な混合物を迅速かつ効率良く得ることを保証する。
【００２０】
より具体的には、デトネーション・チャンバーに供給部を連絡させている独立した通路はそれぞれ、膨張チャンバー（expansion chamber；または膨張室）ならびに断面が小さい及び／または長さが大きい複数の分配導管から成り、したがって、ガスはそれぞれ、シャワー・ヘッドにあるような複数の小さなオリフィスを経由して、他のガスから独立してデトネーション・チャンバーに到達し、デトネーション・チャンバーの内部でガスを正確に空間的に分配し、それによりデトネーション・チャンバーで生成された混合物を爆発の前に適当に均一にすることを保証する。
【００２１】
デトネーションが一旦起こると、生成された圧力波は、主にバレルを経由するが、デトネーション・チャンバー内に開いている複数のガス分配流路をも経由してあらゆる方向に伝わる。これらのジオメトリーに起因して、ガスは分配流路を経由してかろうじて進行し、その結果、ガスは導管の外側表面への熱伝達によって多量の熱を失い、混合物の発火温度よりも低い温度に冷却される。
【００２２】
この後、デトネーション・ガスの大部分がバレルを経由して出ていくと、分配導管内を進行したガスが吸い込まれ、既に冷却されてデトネーション・チャンバーに戻され、熱いデトネーション・ガスのすぐ後ろに配置される冷たいガスの塊を形成し、その結果、非常に熱い爆轟したガスと新しいデトネーション・サイクルのためにチャンバーに入る新しいガスとの間で熱バリアーとして作用する。この冷たい空気の塊は、爆轟したガスが新しいガスと直接的に接触することを防止し、したがって、新しいガスへの燃焼の伝播を回避する。即ち、分配導管内にある冷却された爆轟ガスは、次のようなガス、即ち、燃焼を生じさせ、その結果、周期的に爆轟するガスを、周期的に分離するバリアーとして作用する。
【００２３】
既に示されているように、小さい断面および／または長さの大きい複数の導管から成る独立した通路の組をベースとするこの噴射システムは、連続的なガスの供給をデトネーション・チャンバー内部で周期的なデトネーションに転換する。
【００２４】
更に、装置はまた安全弁としても作用し、分配導管の特別なジオメトリーがその中でガスをゆっくりと進行させるために、各爆発の後に圧力波がガス供給部に到達することを防止し、その結果、圧力波の波頭が供給部に達する前に、全ての爆発物はバレルを経由して離れ、その結果、波の圧力は急激になくなる（または低下する。
【００２５】
それにもかかわらず、当該システムは、爆発性の混合物、酸素および燃焼ガスが、デトネーション・チャンバーを除いて、装置のいずれのチャンバーまたは導管にも無いために本質的に安全である。このことは、たとえバックファイアーが起こったとしても、酸素も燃料（アセチレンを除く）もそれ自体燃焼し得ず、まして爆発し得ないために、深刻な結果をもたらないであろうということを意味する。
【００２６】
説明したシステムを用いれば、動くパーツがなく、また、燃焼によって他のシステムで失われる混合チャンバーのガスおよび酸素を断続的な吐出の間に補充する必要がないという事実のためにスプレーの頻度は現在の装置よりも大きくなる。このことは、デトネーション・チャンバーをより短時間で補充することを可能にし、したがって、より高い操作頻度を達成することもまた可能となる。
【００２７】
本発明の装置は、ガス供給部とデトネーション・チャンバーとの間に直接的に配置され、該チャンバー自体の壁に、チャンバーの後ろに軸方向に配置されたロッドまたはシリンダーとして、あるいは好ましくはデトネーション・チャンバーに内部接続された１または複数のキャップとして形成され得る。膨張チャンバーが上述のキャップの周囲に配置される場合、それらは円周の弧または全周を占めていてよく、第１の場合、供給ラインはデトネーション・チャンバーに関して放射状（または半径方向）に配置されなければならない。
【００２８】
最後に、説明したシステムにおいては使用されるべきガスの種類に関する限りではいかなる制限もなく、当該システムは公知のシステムよりもより大きい融通性を示す。換言すれば、異なるガスまたはガス混合物が用いられるとしても、デトネーション・ガンを適合させる、あるいは改変する必要はない。
【００２９】
（図面の説明）
後の説明を捕捉し、また、本発明の特性をより良く理解するために、本発明の記述の一体的な部分として、本発明の記述に１組の図面を添付する。例示的および非限定的に、図面には以下のものが示されている：
【００３０】
図１は本発明の目的に従うデトネーション・スプレー装置であって、爆発性の混合物が燃料、窒素ガスおよび酸素から得られるデトネーション・スプレー装置の略図を示す。
【００３１】
図２は、ガス噴射システムが２つの同心のキャップから成り、キャップがともに膨張チャンバーおよびデトネーション・チャンバーに連絡している複数の分配オリフィスを備えている態様を示す。
【００３２】
図３は、図２に示す態様、即ち、供給システムが環状の膨張チャンバーおよび複数の分配オリフィスを備えているキャップから成る態様の斜視図を示す。
【００３３】
図４は、ガス供給システムが、デトネーション・チャンバーと連絡している複数の分配オリフィスおよび放射状（または半径方向）の膨張チャンバーを各ガスについて備えた、２つの円筒形のキャップから成る態様を示す。
【００３４】
図５は、図４に示す態様、即ち、供給システムが放射状の膨張チャンバーおよび複数の分配オリフィスを備えているキャップから成る態様の斜視図を示す。
【００３５】
図６は、多孔性材料を使用する供給システムの態様を示す。
【００３６】
図７は、供給システムが、デトネーション・チャンバー内に開放されている複数の分配オリフィス、ならびに各ガスのための軸方向の膨張チャンバーを備えている軸方向のロッドまたはシリンダーから成る供給システムの態様を示す。
【００３７】
（本発明の好ましい態様）
図１に示すように、デトネーション・ガンは基本的に、円筒形状のデトネーション・チャンバー（１）およびバレル（２）から成る。バレル（２）もまた円筒形であり、燃焼チャンバーの開放端部に接続されている。燃焼チャンバーには、燃焼混合物を点火する点火プラグ（３）が設けられている。
【００３８】
燃焼ガスはデトネーション・チャンバーに供給導管（４）を介して達し、一方、コーティング用粉体はバレル（２）に供給され、したがってデトネーション・チャンバーの後ろに配置された領域に供給される。
【００３９】
本発明のガス供給システムは、全図面から分かるように、ガスがデトネーション・チャンバー（１）に到達する前にガスを予め混合することなく、これらのガスを別々に直接的にデトネーション・チャンバー（１）に供給することを可能にする。
【００４０】
より具体的には、提案される供給システムは、独立した通路の組から成り、各通路は順に膨張チャンバー（８）および複数の分配導管（９）から成り、分配導管は複数のポイントを介してデトネーション・チャンバー（１）と膨張チャンバー（８）を連絡させ、それはこれらのガスの迅速な噴射およびデトネーション・チャンバー（１）における良好な空間的分配を可能にし、混合物の燃焼前に混合物の良好な均一性を確保する。
【００４１】
分配導管（９）は小さな断面および／または大きな長さを有し、その結果、それらを通過するデトネーション・ガスは十分に熱を失って、その温度は当該導管（９）の内部で混合物の燃焼温度よりも低い値まで低下し、爆轟したガスとデトネーション・チャンバーを満たすであろう後続のガスとの間に熱的なバリアーを形成する。ガス供給通路の幾何学的な特性によって、このように、そして簡単に、連続的なガス供給を利用して周期的なデトネーションを得ることが可能である。
【００４２】
図２、３、４、５、６および７は、本発明のガス供給システムの種々の態様を示す；特に、図２および図３において、供給システムは２つの同心の環状のキャップ（６）（７）から成り、当該キャップはデトネーション・チャンバーの内部に配置されてその後端部を閉じている。各キャップにおいて、ガス供給通路は、等しい数の放射状（または半径方向）の独立した膨張チャンバーを規定する環状のセクターを形成する、各供給ガスについてのチャンネル（８）（10）の組、ならびに前記膨張チャンバー（８）（10）によって規定される各空間に含まれるガスを分配する複数のオリフィス（９）（11）を含む。この構造では、外側のキャップ（６）の膨張チャンバー（８）は、ガス供給部（４）と直接的に連絡しており、外側のキャップ（６）の分配導管（９）はチャンバー（８）を内側のキャップ（７）の膨張チャンバー（10）と連絡させており、そして、最後に内側のキャップ（７）の分配導管（11）はデトネーション・チャンバー（１）と連絡している。明らかに、この態様は、デトネーション・チャンバー（１）に内部で連結された単一のキャップを用いて実施してよく、単一のキャップは各供給部について、ガス供給部（４）とデトネーション・チャンバー（１）とを膨張チャンバー（８）および複数の分配導管（９）を介して連絡させる。
【００４３】
このように、チャンネル（８）（10）は、それぞれが直接的にガス供給部（４）の１つと連絡した独立したチャンバーまたは空間の組をマニホルド（または多岐管）のように規定し、その結果、複数の導管（９）（11）によって他のガスと混合されることなく各ガスはデトネーション・チャンバー（１）に到達し得る。
【００４４】
図４および図５は、図２の態様のバリエーションを示している。このバリエーションにおいて、キャップ（６）および（７）のチャンネル（８）（10）は、キャップの全周にわたって延びて環状のチャンネルを形成し、当該チャンネルは各ガスについて膨張チャンバーを規定し、当該チャンバーもまた環状である。明らかに、この態様は、デトネーション・チャンバー（１）に内部で連結された単一のキャップを用いて実施され得、図１に示すように、単一のキャップは、ガス供給部の各々について、ガス供給部（４）とデトネーション・チャンバー（１）とを膨張チャンバー（８）および複数の分配導管（９）を介して連絡させる。
【００４５】
図６は、外側のキャップ（６）の膨張チャンバー（８）により決定されている空間に、多孔性材料（12）が配置されている態様を示す。多孔性材料はそれを経由する圧力波の進行を妨げる。
【００４６】
図７は、供給システムが、デトネーション・チャンバー（１）の内側に、それと同心に配置された中央のロッドまたはシリンダー（13）において実現されている態様を示す。中央のロッドまたはシリンダー（13）は、長手方向の導管（14）の組および複数の放射状のオリフィス（15）を具備しており、導管（14）は長手方向の膨張チャンバーを形成し、オリフィス（15）は、前述のロッド（13）の周囲に配置された複数のポイントを介して各膨張チャンバーをデトネーション・チャンバーと連絡させる、対応する分配ダクトの一部である。
【００４７】
本発明の主要な利点の１つは、各ガスの供給が独立した通路を介して、放射状に、環状に、または軸方向に実施され、それゆえ、ガスはデトネーション・チャンバーに達するまで独立した状態のままであり、燃料の混合物を含む他のいずれの空間または導管も存在することなく、デトネーション・チャンバー内で燃料の混合物が直接的に形成されるという事実にある。この場合において、バックファイアがいずれのガス供給通路に達したとしても、各ガスはそれ自体燃焼し得ず、いうまでもなく爆発し得ないために、いかなる燃焼も生じ得ず、いうまでもなくデトネーションも生じ得ない。
【００４８】
この装置を用いた場合、ガスの供給は連続的であり、即ち、バルブ、あるいはデトネーション・ガンへのガスの供給を許容又は禁止する他のいずれのタイプの機械的要素もなく、ガスは供給部からデトネーション・チャンバー（１）に直接的に供給され、デトネーション・チャンバー（１）において燃料の混合物が形成され、点火プラグによる点火はまず混合物を燃焼させ、それから爆轟させ、デトネーション（または爆轟）はバレル（２）および流路の両方を経由して進行する。通路を経由するデトネーション波の進行はデトネーション・チャンバーへのガスの供給を遮り、したがって、直接的に、即ち、バルブまたは他の機械的装置を使用することなく、連続的なガスの供給をデトネーション・チャンバーの周期的な供給に変え、周期的な供給は周期的なデトネーションを可能にし、したがって非常に効率の良いデトネーションを可能にする。燃焼プロセスにおける伝播速度はデトネーションプロセスのそれよりも実質的に遅いことを忘れてはならない。
【００４９】
この説明を当該分野における専門家が本発明の範囲およびそれから導かれる利点を理解するために更に拡大することが必要であるとは考えられない。
【００５０】
要素の材料、形状、寸法および配置は、それらが本発明の本質の変化を伴わない限りにおいて変更し得る。
【００５１】
この明細書において使用される用語は常に、広く、また非制限的な意味に理解される。

Claims (7)

1. 燃焼において活性なガス、および不活性ガスを供給する、バルブまたは機械的なシーリング装置を有しない類のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システムであって、
   活性なガスおよび不活性ガスを、独立した通路の組を介して、直接的に独立してデトネーション・チャンバー（１）に供給することを特徴とし、
   通路の１つはオキシダント（oxidant；または酸化剤）のためのものであり、少なくとも１つの他の通路は燃料のためのものであり、
   各通路は、膨張チャンバー（８）、ならびに複数の分配導管（９）から成り、それにより、分配導管（９）の壁と供給ラインに向かって該導管を経由して進行するデトネーション波のガスとの間の熱伝達が、ガスを冷却して混合物の発火温度よりも低い温度にするのに十分なほど大きくなり、その結果、続くサイクルにおいて、ガスがデトネーション・チャンバー（１）内へ戻るときに、それらはデトネーション生成物と後続の燃焼性混合物との間で熱バリアーとして作用し、
   各通路の膨張チャンバー（８）は対応する供給ライン（４）に直接的に連絡しており、一方、分配導管（９）は複数のガス噴出ポイントが燃焼チャンバー（１）の内側表面に開くように配置されており、その結果、燃料の混合物が直接的かつ均一に燃焼チャンバー（１）で形成されることを確保する、連続的で独立したガスの供給が、複数のポイントで生じ、また、各デトネーション・サイクルで十分な流れがチャンバー（１）を満たすガス供給システム。
2. 不活性ガスが、窒素、アルゴン、またはヘリウムである、請求項１に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。
3. 燃焼チャンバー（１）内に配置され、その後端部を閉鎖する少なくとも１のキャップ（６）を含み、
   当該キャップ（６）はチャンネルの組および複数の放射状のオリフィスを有し、チャンネルは放射状の独立した膨張チャンバー（８）を規定する環状のセクターを形成し、各膨張チャンバーは各供給ガスのためのものであり、オリフィスは複数のポイントを介して燃焼チャンバーと放射状の各チャンバーを連絡する分配導管（９）を構成し、その結果、放射状の各チャンバーは直接かつ自由に燃焼チャンバーおよび単一の供給部と連絡し、したがって、各ガスは他のガスと予め混合されることなく燃焼チャンバー（１）に到達することを特徴とする、請求項１に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。
4. 第２のキャップ（７）がさらに、前記キャップ（６）の内部にそれと同心に組み込まれ、第２のキャップには供給ガスと同じ数の放射状のチャンネル（10）の組および複数の放射状のオリフィス（11）が設けられ、その結果、外側キャップ（６）の分配導管（９）は内側キャップ（７）の膨張チャンバー（10）と連絡させられ、一方、内側キャップ（７）の放射状のオリフィス（11）は燃焼チャンバー（１）と連絡することを特徴とする請求項３に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。
5. キャップ（６）（７）の周囲に設けられたチャンネル（８）がキャップの全周に沿って延びており、各供給ガスについて環状の膨張チャンバーを形成する環状のチャンネルを形成していることを特徴とする、請求項３または４に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。
6. 外側のキャップ（６）、内側のキャップ（７）、または両方によって規定される膨張チャンバー（８）に、デトネーション・チャンバーで生成した圧力波の進行を妨げる多孔性材料（12）が配置されていることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。
7. 燃焼チャンバー（１）の内側に、燃焼チャンバーと同心に配置された中央のロッド（13）またはシリンダーが設けられており、ロッドまたはシリンダーは、対応する長手方向の膨張チャンバーを規定する複数の長手方向の導管（14）、および対応する分配導管を構成する複数の放射状のオリフィス（15）を具備し、分配導管は、前記ロッドの周囲に沿って放射状に配置された複数のポイントを介して、長手方向の膨張チャンバー（14）をそれぞれ独立して燃焼チャンバー（１）と連絡させていることを特徴とする、請求項１に記載のデトネーション・スプレー・ガンにおけるガス供給システム。

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