JP4911648B2 - 爆発溶射装置 - Google Patents

Description

本発明は、爆発溶射装置に関し、より詳細には、水素燃料を用いる爆発溶射装置に関する。

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に適用されている。以下、爆発溶射法における溶射プロセスの概要を説明する。まず、閉塞端と開放端を有する管状の爆発チャンバー内に、燃料ガス、酸化剤および粉体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の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から高速で放出される。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。

上述した従来の爆発溶射においては、通常、アセチレンなどの炭化水素燃料を使用するが、炭化水素燃料を使用すると、形成される溶射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があった。また、アセチレンは極めて反応性が高いため、溶射装置の安全な取り扱いが難しくなるという問題があった。

この点に鑑み、アセチレンよりも反応性が低い水素を燃料として用いることが検討されたが、水素を燃料とした場合、デトネーションが生成されるまでの距離（Deflagration to Detonation Transition Length）がアセチレンを燃料とした場合に比べて長くなるため、爆発チャンバーの長さを延長せざるを得ず、溶射装置の大型化が避けられないという問題があった。

この点につき、本出願人による先行出願（特許文献１〜３）は、Deflagration to
Detonation Transition Length（以下、ＤＤＴＬとして参照する）の短距離化を企図した水素燃料を使用するデトネータ、および、該デトネータの溶射装置への適用について、その基本的な着想を開示する。
特開２００６−２５０３８２号公報 国際公開第２００７／０９９７６８号 特開２００８−２７２６２２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新規な爆発溶射装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、取り扱いが比較的容易な水素燃料を使用することができる実用的な大きさの爆発溶射装置につき鋭意検討する中で、着火点近傍に複数の貫通孔が形成された隔壁を設け、該隔壁を介して隣接するデトネーション管の内壁面に対し螺旋状に延びる突条を一体的に形成することによってＤＤＴＬを短距離化する着想を得た。さらに、当該着想を爆発溶射装置に適用するにあたり、その具体化において、アセチレンよりも反応性が低い水素を使用しながら、爆発溶射装置の安定した高周波数運転と高い溶射効率とを同時に実現するための構成について、更なる検討を行なった結果、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明者らは、爆発溶射装置において、副燃焼室に対して水素と酸素を対向噴射することに加えて、副燃焼室と内壁に突条が螺旋状に形成された主燃焼室とを複数の貫通孔が形成された隔壁によって隔てることによって、安定したパルスデトネーションが短いＤＤＴＬをもって実現されることを実証した。また、可燃ガスの供給ポートを副燃焼室と主燃焼室の後端に分散することによって、溶射材料の溶融に必要な熱量を確保しながら高周波運転が実現されることを実証した。さらに、溶射材料を水素燃料とともに間欠的に供給する機構を採用することによって、溶射効率の向上を実現した。さらに加えて、燃焼室の外周部分および隔壁の内部についてそれぞれを専用に冷却する手段を設け、長時間の連続運転を可能にした。

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。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素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。

図１は、本発明の実施形態の爆発溶射装置１００の側面図である。図１に示される爆発溶射装置１００は、パイプ−フランジ構造を採用しており、メンテナンス等の必要に応じて、装置の分解・組立てが簡単に行なえるように構成されている。具体的には、爆発溶射装置１００は、フランジ状の部材であるユニット１０、ユニット２０、ユニット４０、ユニット６０、およびユニット７０、ならびに、フランジ付きの管状部材であるユニット３０、５０、５０とを含んで構成され、これらが互いにフランジ接続されることによって、その内部に、閉塞端と開放端を有する燃焼室が円柱状の空間として形成されている。

ユニット１０は、初期火炎を発生させるため副燃焼室を備え、ユニット３０は、デトネーション波を生成するための主燃焼室を備えている。また、ユニット２０は、副燃焼室と主燃焼室とを隔てるための多孔隔壁を備えており、ユニット４０は、溶射材料を供給する機構を備えている。さらに、ユニット５０は、供給された溶射材料の粉体を加速・加熱して溶融させるための空間である溶射材料溶融室を備えており、ユニット６０は、溶射材料の滞留時間を確保するための絞り機構を備えている。なお、上述した各ユニットは、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することができる。

本実施形態の爆発溶射装置１００は、環境的な負荷および安全性に鑑みて、燃料として水素を用い、酸化剤として酸素を用いる。酸素は、適宜、酸素ガス（Ｏ_２）、空気、オゾンなどの形態で供給することができる。爆発溶射装置１００においては、ユニット１０の副燃焼室に対して、水素および酸素が供給され、副燃焼室に供給されて混合されたガスは、パルス駆動される着火手段１１によって着火されて、初期火炎を生成する。ユニット１０で発生した初期火炎は、その後、ユニット２０の図示しない多孔隔壁を経て、ユニット３０の主燃焼室に導入され、ユニット３０を通過する間にデトネーション波へと遷移する。ユニット４０の溶射材料供給手段から窒素と共に供給される溶射材料の粉体（Ｐ）は、主燃焼室から伝播するデトネーション波のエネルギーによって加熱および加速され、ユニット５０の溶射材料溶融室を通過する間に溶融する。溶融した溶射材料は、開口端から高速で放出され、基材８０の表面に衝突して被膜９０を形成する。

さらに、本実施形態の爆発溶射装置１００は、安定した運転を実現するために、水冷機構を備える。この点につき、図２を参照して具体的に説明する。図２は、爆発溶射装置１００の縦断面図を示す。なお、以下の説明において、縦断面とは、爆発溶射装置１００の長手方向に沿った断面をいい、横断面とは、爆発溶射装置１００の長手方向と直交する断面をいうものとする。

図２に示されるように、爆発溶射装置１００の内部には円柱状の燃焼室１０１が形成されている。また、フランジ付きの管状部材であるユニット３０、５０、５０は、いずれも二重管構造を備えており、その内部に円筒状の空洞を有する。一方、その他の各ユニット（ユニット１０、２０、４０、６０、７０）には、ユニット３０、５０、５０が有する円筒状の空洞に連通する貫通孔が形成されている。その結果、爆発溶射装置１００の燃焼室１０１の外周には、ユニット１０からユニット７０までを連通する一連の空洞が形成され、この一連の空洞が冷却媒体の流路として機能する。本実施形態においては、冷却媒体について特に限定するものではないが、以下の説明においては、冷却媒体を水として説明する。すなわち、ユニット１０の冷却水導入口１２から導入された冷却水（Ｗ）は、ユニット２０〜ユニット６０の内部を流下した後、ユニット７０の冷却水排出口７１から排水される。以上、本実施形態の爆発溶射装置１００の全体構造について概説してきたが、次に、爆発溶射装置１００を構成する各ユニットの構造について、以下詳細に説明する。

図３は、本実施形態におけるユニット１０およびユニット２０を示す図である。図３（ａ）は、ユニット１０およびユニット２０の縦断面図を示す。なお、図３（ａ）においては、説明の便宜のため、併せてユニット３０を破線で示している。また、図３（ｂ）は、ユニット１０のＡ−Ａ線における横断面図を示し、図３（ｃ）は、ユニット２０のＢ−Ｂ線における横断面図を示す。

図３（ａ）に示されるように、ユニット１０およびユニット２０は、いずれも円形のフランジ状部材として構成されている。ユニット１０には、燃料としての水素（Ｈ_２）を供給するための水素ガス供給口１３、酸化剤としての酸素（Ｏ_２)を供給するための酸素ガス供給口１４、および、掃気用ガスとしての窒素（Ｎ_２)を供給するための窒素ガス供給口１５が形成されており、各ガス供給口から延びるガス流路は、内部に形成された略円柱状の副燃焼室１６に連通している。

上記各ガス供給口は、ソレノイド式の噴射バルブとして構成されており、各噴射バルブは図示しない制御装置によってパルス駆動され、副燃焼室１６に対して、間欠的にガスを供給するように構成されている。なお、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、副燃焼室１６に対して、水素ガス供給口１３および酸素ガス供給口１４に連通する各ガス供給ポートは、その噴射方向を対向する形で形成されている。同様に、窒素ガス供給口１５に連通する各ガス供給ポートも副燃焼室１６に対してその噴射方向を対向する形で形成されている。

また、ユニット１０には、着火手段１１としてのスパークプラグがその電極を副燃焼室１６内に臨むようにして挿設されており、着火手段１１は、図示しない制御装置によってパルス制御され、間欠的に点火するように構成されている。なお、本発明における着火手段１１は、スパークプラグに限定されるものではなく、レーザ照射による方式を採用することもできる。

さらに、ユニット１０には、副燃焼室１６の周囲にドーナツ状の空洞ａが形成され、空洞ａに連通する複数の冷却水流路１７が形成されている。また、ユニット１０には、冷却水を導入するための冷却水導入口１２が形成されており、冷却水導入口１２は、空洞ａに連通している。

一方、ユニット２０は、その中心部に隔壁２１を備えており、隔壁２１には、初期火炎を乱流化するための９つの貫通孔２２が正方格子状に形成されている。なお、貫通孔２２の数およびその配置は、図３に示す例に限定されるものではないが、本実施形態においては、閉塞率（貫通孔２２の開口領域を含む隔壁２１の表面積に対する貫通孔２２の開口領域を除く隔壁２１の表面積の比）を、０．７〜０．９とすることができ、０．７５〜０．８５とすることが好ましい。また、隔壁２１の周囲に、複数の冷却水流路２３が形成されている。ユニット２０は、ユニット１０とユニット３０との間に配置され、ユニット１０、２０、および３０は、図示しないボルトナット構造によってフランジ接続されており、その結果、ドーナツ状の空洞ｂおよび空洞ｃが形成されるように構成されている。

ユニット１０、２０、および３０が、互いにフランジ接続されることによって、ユニット１０の副燃焼室１６とユニット３０の主燃焼室３１とは、隔壁２１を介して隔てられるとともに、空洞ｂと空洞ｃは、冷却水流路２３によって連通する。一方、ユニット３０のフランジ３５には、空洞ｃと円筒状の冷却水流路３７を連通するための複数の冷却水流路３２が形成されており、ユニット１０の冷却水導入口１２から導入された冷却水は、空洞ａ、冷却水流路１７、空洞ｂ、冷却水流路２３、空洞ｃ、および冷却水流路３２を経て、ユニット３０の冷却水流路３７に導入される。

なお、本実施形態においては、ユニット２０は、さらに、隔壁２１を専用に冷却するための冷却手段を備えるが、この点については後に詳説する。以上、ユニット１０およびユニット２０について主に説明してきたが、次に、デトネーション波を生成するための主燃焼室を備えるユニット３０について、以下説明する。

図４は、本実施形態におけるユニット３０を示す。図４（ａ）は、ユニット３０の縦断面図を示す。なお、図４（ａ）においては、ユニット３０のフランジ部分の正面図、ならびに、Ｃ−Ｃ線における横断面図を併せて示している。図４（ａ）に示されるように、ユニット３０は、二重管構造を備えるフランジ付きの管状部材として構成されている。具体的には、ユニット３０は、主燃焼室を構成する内管３３と、外管３４と、２つのフランジ３５,３６とを備えており、外管３４に内管３３が挿入された状態で、各管の両端を、それぞれフランジ３５,３６に接合することによって形成されている。Ｃ−Ｃ線における横断面図が示すように、ユニット３０には内管３３の外壁と外管３４の内壁によって、円筒状の空洞が形成されており、冷却水流路３７として機能している。上述したように、ユニット１０、２０を経た冷却水は、冷却水流路３７に流入して、ユニット３０内を流下する。

一方、図４（ｂ）は、主燃焼室３１を構成する内管３３を拡大し、その管壁の一部を切り欠いて管内を示した図である。図４（ａ）および（ｂ）に示されるように、内管３３の内壁面には、内管３３の中心に向かって突出した突条３８が一体的に形成されており、突条３８は、内管３３の内壁面に沿って長手方向に螺旋状に形成されている。本実施形態においては、突条３８が内管３３の内壁と一体化して形成されているため、連続的なパルスデトネーションに伴って内管３３内で発生する熱を、突条３８を介して冷却水流路３７を流下する冷却水と効率よく熱交換することが可能となる。以上、本実施形態の爆発溶射装置１００における、ユニット１０、２０、および３０の構造について説明してきたが、次に、再び、図３および図４を参照して、本実施形態の爆発溶射装置１００における、デトネーションの発生過程について、以下説明する。

本実施形態においては、まず、ユニット１０の副燃焼室１６に対して、着火手段１１に同期してパルス駆動する水素ガス供給口１３および酸素ガス供給口１４から水素および酸素が対向噴射され、両者が混合される。本実施形態においては、水素と酸素は、その噴射が同時に終了するように制御され、当量比１.０で供給されることが好ましい。

一方、着火手段１１は、水素および酸素の噴射終了時間と同時に点火するようにパルス駆動されており、着火手段１１の点火によって水素−酸素混合ガスが着火し、初期火炎が生成される。さらに、着火手段１１の点火タイミングに対して所定の遅延時間をもって窒素ガス供給口１５,１５がパルス駆動され、水素・酸素の次の噴射開始時間までの間、掃気用の窒素ガスが対向噴射されることによって、燃焼室内に残存する可燃ガスが燃焼室外に排気される。本実施形態においては、副燃焼室１６に対して水素と酸素が対向噴射されるため、両者が短時間で均等に混合され、その結果、安定した初期火炎の生成が実現される。

副燃焼室１６内で発生した初期火炎は、隔壁２１に設けられた複数の貫通孔２２を通って、ユニット３０の主燃焼室３１に導入される。この際、初期火炎は、複数の貫通孔２２に対応した複数の乱流噴流となって主燃焼室３１に放出される。複数の乱流噴流となって主燃焼室３１に放出された初期火炎は、その後、主燃焼室３１内を開放端に向って進行していく過程で、螺旋状に形成された突条３８の存在によって複数の圧縮波を生成する。生成した圧縮波は、主燃焼室３１（内管３３）の中心側へと反射されることによって互いに増強し合い、衝撃波のエネルギーを高めながら伝搬していく過程で、爆燃状態から爆轟状態（デトネーション）に遷移する。

以上、説明したように、本実施形態の爆発溶射装置１００においては、隔壁２１に形成された複数の貫通孔２２による初期火炎の乱流作用と、螺旋状に形成された突条３８による圧縮波の生成・増強作用とが重層的に作用することによって、安定したパルスデトネーションが短いＤＤＴＬをもって達成される。このことは、水素燃料を使用する爆発溶射装置の長さを実用的なスケール（１０００ｍｍ程度）に収めることを可能にする。以上、本実施形態の爆発溶射装置１００における、デトネーションの発生過程について説明してきたが、次に、先に触れたユニット２０が備える隔壁２１の冷却機構について、図５を参照して詳細に説明する。

図５（ａ）は、ユニット２０の縦断面図を示し、図５（ｂ）は、ユニット２０が備える隔壁２１の冷却機構を正面から見た図を示す。図５（ｂ）に示されるように、ユニット２０の中心部には、ユニット１０の副燃焼室１６とユニット３０の主燃焼室３１とを隔てるための円盤状の隔壁２１が形成されており、隔壁２１には、９つの貫通孔２２が設けられている。先に述べたように、副燃焼室１６で生成した初期火炎は、隔壁２１の貫通孔２２を通って主燃焼室３１に至るが、このとき、初期火炎の進行を遮るかたちで立設されている隔壁２１には、運転中、常に高温の火炎が直撃するため、隔壁２１は、熱的に過酷な環境下に長時間晒されることになる。この点に鑑み、本発明者らは、隔壁２１に対して新規な冷却機構を設けた。

図５（ｂ）に示されるように、ユニット２０には２つの冷却水導入口２４、２５と２つの冷却水排出口２６、２７が設けられており、冷却水導入口２４と冷却水排出口２６とが４本の縦流路２８によって連通し、冷却水導入口２５と冷却水排出口２７とが４本の横流路２９によって連通している。ここで、縦流路２８は、９つの貫通孔２２の間を縦方向に縫って隔壁２１を貫通するように形成され、横流路２９は、９つの貫通孔２２の間を横方向に縫って隔壁２１を貫通するように形成されている。その結果、縦流路２８と横流路２９は、図５（ｂ）に示すように、隔壁２１内で井桁状に配置される。

本実施形態の爆発溶射装置１００においては、運転中に、常時、冷却水導入口２４および２５から冷却水（Ｗ）が導入され、導入された冷却水（Ｗ）は、それぞれ、４本の縦流路２８および横流路２９を通って冷却水排出口２６および２７から排出される。本実施形態においては、縦流路２８および横流路２９は、それぞれ、９つの貫通孔２２の間を縫って隔壁２１を貫通しているため、隔壁２１は、効率的、且つ、均等に冷却される。上述した冷却機構によれば、隔壁２１の熱変形および熱破損が好適に回避され、爆発溶射装置１００の安全な連続運転が保証される。以上、ユニット２０が備える隔壁２１の冷却機構について説明してきたが、次に、本実施形態の爆発溶射装置１００における溶射材料供給機構を備えるユニット４０について、以下説明する。

図６は、本実施形態におけるユニット４０を示す図であり、図６（ａ）は、ユニット４０の縦断面図を示し、図６（ｂ）は、ユニット１０のＤ−Ｄ線における横断面図を示す。なお、図６（ａ）においては、説明の便宜のため、併せてユニット３０およびユニット５０を破線で示している。

図６（ａ）に示されるように、ユニット４０は、その中心部に円柱状の開口部４１を備える円形のフランジ状部材として構成されている。ユニット４０は、ユニット３０とユニット５０との間に配置され、図示しないボルトナット構造によってフランジ接続されており、ユニット３０の主燃焼室３１および後に詳説するユニット５０の溶射材料溶融室５１と同じ径を有する開口部４１によって、主燃焼室３１と溶射材料溶融室５１とが連通している。

ユニット３０、４０、および５０は、互いにフランジ接続されることによって、ドーナツ状の空洞ｄおよび空洞ｅが形成されるように構成されており、ユニット４０には、空洞ｄと空洞ｅを連通するための複数の冷却水流路４２が形成されている。一方、ユニット５０のフランジ５４には、空洞ｅと円筒状の冷却水流路５６を連通するための複数の冷却水流路５７が形成されており、ユニット３０の冷却水流路３７を流下した冷却水は、冷却水流路３９、空洞ｄ、冷却水流路４２、空洞ｅ、および冷却水流路５７を経て、ユニット５０の冷却水流路５６に導入される。

さらに、ユニット４０には、溶射材料の粉体（Ｐ）を供給するための溶射材料供給口４３と、燃料としての水素を供給するための水素ガス供給口４４と、酸化剤としての酸素を供給するための酸素ガス供給口４９が形成されており、さらに開口部４１の周囲を包囲するドーナツ状の空間として構成される溶射材料滞留室４５が形成されている。溶射材料供給口４３は、第１の溶射材料流路４６を通して溶射材料滞留室４５に連通し、水素ガス供給口４４は、水素ガス流路４７を通して溶射材料滞留室４５に連通している。さらに、溶射材料滞留室４５は、２本の第２の溶射材料流路４８を通して開口部４１に連通している。また、酸素ガス供給口４９もガス流路を通して開口部４１に連通している。

ユニット４０においては、図示しないソレノイド式の噴射バルブによって構成される水素ガス供給口４４および酸素ガス供給口４９は、副燃焼室１６の水素・酸素ガスの供給タイミングに同期するタイミングでパルス駆動され、水素ガスおよび酸素ガスが開口部４１に供給される。水素と酸素は、その噴射が同時に終了するように制御され、当量比１.０で供給されることが好ましい。なお、本実施形態においては、水素ガスは、溶射材料滞留室４５を経て開口部４１に供給されるが、この点については、後に詳説する。

本実施形態の爆発溶射装置１００において、ユニット１０の副燃焼室１６に加えて、ユニット４０にも可燃ガスの供給ポートを設けたのは、以下の理由による。水素ガスは、アセチレンなどの炭化水素燃料に比べて反応性が低いため、同等の熱量を得るためには、１回のサイクルにつき、燃焼室全体の容積の数倍程度の可燃ガスを供給する必要がある。しかし、これを着火点近傍のポート一箇所から噴射するとなると一回の噴射時間が長くなり、溶射の運転周波数を上げることができない。この点に鑑み、本発明者らは、可燃ガスの供給ポートを２箇所以上に分散することによって、高周波運転に対応しうる短い噴射時間で必要十分な量の可燃ガスを供給する上記構成に想到したのである。

すなわち、本実施形態の爆発溶射装置１００においては、まず、第１の供給ポート（ユニット１０の水素ガス供給口１３、酸素ガス供給口１４）からデトネーションを生成するために必要十分な量の可燃ガスが供給され、第２の供給ポート（ユニット４０の水素ガス供給口４４、酸素ガス供給口４９）から供給された溶射材料を加速し溶融するために必要十分な量の可燃ガスが供給される。

一方、ユニット４０においては、溶射材料供給口４３から溶射材料の粉体（Ｐ）が窒素ガス（Ｎ_２）と共に連続的に供給される。ユニット４０においては、第１の溶射材料流路４６の流路軸と第２の溶射材料流路４８の流路軸とが一致しないように形成されているため、溶射材料流路４６を窒素ガスと共に流下する粉体（Ｐ）は、溶射材料流路４８に直接流入することなく、その多くは、溶射材料滞留室４５に一旦滞留する。

本実施形態においては、溶射材料流路４６の径（ｄ１）は、水素ガス流路４７の径（ｄ２）の半分程度に小さく形成されているため、窒素ガスの流速が上がり、最小限の窒素ガスで粉体（Ｐ）を溶射材料滞留室４５に供給することができる。なお、溶射材料流路４６の径（ｄ１）を、水素ガス流路４７の径（ｄ２）の半分程度とすることによって、爆発時の圧力変動が溶射材料供給口４３に連通する図示しない溶射材料供給装置に対して与える影響を少なくすることもできる。

次に、本実施形態の爆発溶射装置１００における溶射材料の供給機構について、図７を参照して、以下説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、ユニット４０の溶射材料供給機構の動作を時系列的に示す概念図である。なお、図７においては、説明の便宜のため、溶射材料供給機構のみを実線で抜き出して示している。図７（ａ）に示すように、本実施形態においては、溶射材料の粉体（Ｐ）が溶射材料供給口４３から窒素ガスによって連続的に供給されており、粉体（Ｐ）は、溶射材料流路４６を通って溶射材料滞留室４５に流入した後、溶射材料滞留室４５内に一旦滞留する。このとき、水素ガス供給口４４は閉じている。

次に、副燃焼室１６の水素・酸素ガスの供給タイミングに同期するタイミングで水素ガス供給口４４が開き、溶射材料滞留室４５の容積の１０倍程度の水素ガスが水素ガス流路４７を通って溶射材料滞留室４５に供給される。その結果、図７（ｂ）に示すように、溶射材料滞留室４５に滞留していた溶射材料の粉体（Ｐ）は、水素ガスに撹拌されながら、水素ガスと共に溶射材料流路４８を通って、瞬時に溶射材料溶融室５１に放出される。その後、図７（ｃ）に示すように、タイミング制御に従って再び水素ガス供給口４４が閉じると、その間に、溶射材料供給口４３から供給される溶射材料の粉体（Ｐ）が再び溶射材料滞留室４５に流入する。

図７（ａ）〜（ｃ）に示した過程がサイクル毎に繰り返されることによって、溶射材料の粉体（Ｐ）は、爆発のタイミングに同期して燃焼室に間欠的に供給されるため、爆発と爆発の間の時間に、燃焼室内から未溶融の粉体が溶射装置外部に漏れ出すことが防止される。また、上述した溶射材料供給機構においては、窒素は溶射材料を溶射材料滞留室４５へ充填するために最小限の量が使用されるに過ぎず、溶射材料は、実質的には燃料である水素ガスによって燃焼室に放出されるため、燃焼の妨げになる窒素ガスの燃焼室内への流入が抑制されるとともに、溶射材料は、爆発炎中に効率良く導入される。その結果、爆発溶射装置１００に供給された溶射材料を、高い比率で加速・溶融することができ、爆発溶射装置１００の溶射効率は格段に向上する。

以上、ユニット４０が備える溶射材料供給機構について説明してきたが、次に、ユニット４０の下流側に接続され、溶射材料を加熱・加速するための空間を提供する、ユニット５０について、以下説明する。

図８は、本実施形態におけるユニット５０の縦断面図を示す。なお、図８においては、ユニット５０の両端を正面から見た図、ならびに、Ｅ−Ｅ線における横断面図を併せて示している。図８に示されるように、ユニット５０は、二重管構造を備えるフランジ付きの管状部材として構成されている。具体的には、ユニット５０は、溶射材料を加速・加熱するための空間である溶射材料溶融室５１を備える内管５２と、外管５３と、２つのフランジ５４,５５とを備えており、外管５３に内管５２が挿入された状態で、各管の両端が、それぞれフランジ５４,５５に接合されることによって形成されている。ユニット５０には、Ｅ−Ｅ線における横断面図が示すように、内管５２の外壁と外管５３の内壁によって、円筒状の空洞が形成されており、冷却水流路５６として機能している。上述したようにユニット４０を経て、ユニット５０に導入された冷却水は、冷却水流路５６に流入して、ユニット５０内を流下する。

すなわち、ユニット５０は、先に説明したユニット３０から螺旋状の突条３８を取り去ったものと同等の構成を備えているが、ユニット５０は、その長さがユニット３０よりも短く構成されている。つまり、本実施形態においては、適切な数のユニット５０を連結することによって、溶射材料溶融室５１の全長をフレキシブルに変更することができ、溶射材料の溶融状況に応じて、溶射材料の滞留時間を調節することができる。以上、ユニット５０について説明してきたが、次に、溶射材料の滞留時間を確保するための絞り機構を備えるユニット６０について、以下説明する。

図９は、本実施形態におけるユニット６０を示す図であり、図９（ａ）は、ユニット６０の縦断面図を示し、図９（ｂ）は、ユニット６０を紙面右から見た正面図を示す。なお、図９（ａ）においては、説明の便宜のため、併せてユニット５０,５０を破線で示している。

図９に示されるように、ユニット６０は、その中心部に収縮開口部６１を備える円形のフランジ状部材として構成されている。ユニット６０は、ユニット５０とユニット５０との間に配置され、図示しないボルトナット構造によってフランジ接続されており、収縮開口部６１によって、主燃焼室３１と溶射材料溶融室５１とが連通している。

ユニット５０、６０、および５０は、互いにフランジ接続されることによって、ドーナツ状の空洞ｆおよび空洞ｇが形成されるように構成されており、ユニット６０には、空洞ｆと空洞ｇを連通するための複数の冷却水流路６２が形成されている。一方、ユニット５０のフランジ５５には、空洞ｆと円筒状の冷却水流路５６を連通するための複数の冷却水流路５８が形成されており、ユニット５０の冷却水流路５６を流下した冷却水は、冷却水流路５８、空洞ｆ、冷却水流路６２、空洞ｇ、および冷却水流路５７を経て、ユニット５０の冷却水流路５６に導入される。

一方、ユニット６０の中心部に形成された収縮開口部６１は、二つの円錐台が上面で連結した形状の空間として形成されており、それぞれの円錐台の底面がユニット５０の溶射材料溶融室５１と同じ径を有するように形成されている。すなわち、収縮開口部６１は、その長手方向において、一部が絞られた形で形成されている。したがって、収縮開口部６１を備えるユニット６０を、２つのユニット５０,５０の間に挿入することによって、複数のユニット５０が連結されてなる溶射材料溶融室５１の横断面を長手方向において部分的に狭小化することができる。その結果、ユニット６０の上流側の溶射材料溶融室５１が高圧になり、溶射材料の滞留時間を長くすることができる。

以上、本発明の爆発溶射装置について、パイプ−フランジ構造を採用する実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、燃焼室（副燃焼室、主燃焼室、および溶射材料溶融室）を一体的に形成してもよい。その他、上述した実施形態の構成は、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以下、本発明の爆発溶射装置について、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。図１〜図９に示したユニットと同様のものを作製して、本実施例の爆発溶射装置を組立て、以下に示す条件下で動作実験を行なった。

（装置構成）
（１）ユニット２０の隔壁２１には、９箇所の孔（直径2.58ｍｍ）を形成して、閉塞率を0.85とし、スパークプラグの電極から26.5ｍｍの位置に配置した。
（２）ユニット３０の内管３３（主燃焼室）は、内径20ｍｍ、長さ300ｍｍとし、突条３８（幅2ｍｍ、高さ２ｍｍ）を15ｍｍのピッチで螺旋状に形成した。
（３）装置の全長を1020ｍｍとした。
（４）ユニット３０の内管３３を、突条３８のない直管とした装置を併せて作製し、これを比較例とした。

（運転条件）
（１）ユニット１０のガス供給口から、酸素（0.4 MPa）および水素（0.21 MPa）を副燃焼室１６に向けて対向噴射した（当量比１.0）。
（２）ユニット４０のガス供給口から、酸素（1.15 MPa）および水素（0.6 MPa）対向噴射した（当量比１.0）。なお、酸素ガス供給口４９および水素ガス供給口４４は、スパークプラグの電極からそれぞれ390ｍｍおよび370ｍｍの位置に設けた。
（３）運転周波数を10Ｈｚとし、一回当たりのガスの噴射時間を60ｍsとした。また、着火遅延時間を０とし、窒素遅延時間を10ｍｓとした。
（４）運転中は、隔壁２１および装置全体について冷却水を循環させた。なお、ガス噴射、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をベースに独自開発したオリジナルプログラムを使用して行った。

（デトネーション特性）
上記装置（実施例および比較例）に対し、スパークプラグの電極から410ｍｍの位置、510ｍｍの位置、610ｍｍの位置に、それぞれ圧力センサーＳ１、Ｓ２、Ｓ３を設置して圧力測定を行なった。

図１０は、実施例に設置した圧力センサー（Ｓ１〜Ｓ３）が測定した圧力波形を示す。実施例については、図１０に示されるように、Ｓ１（スパークプラグの電極から410ｍｍの位置）において、燃焼波と衝撃波が一体となって伝播する場合に見られる圧力波形の鋭い立ち上がり（ノイマンスパイク）が観測された。

この結果から、実施例の装置においては、火炎は、ユニット３０の内管３３（主燃焼室）を出た時点で、すでにデトネーションに遷移していたものと推察される。また、Ｓ２およびＳ３における圧力の立ち上がり時間とセンサー間距離（100mm）から推算した伝播速度は、複数回の試行に亘って、いずれも理論値（ＣＪ速度＝2841m/s）に近い値を示した。さらに、Ｓ１〜Ｓ３の波形から、実施例の装置においては、安定したデトネーションが生成されていることが推察される。

図１１は、比較例に設置した圧力センサー（Ｓ１〜Ｓ３）が測定した圧力波形を示す。図１１に示されるように、Ｓ１においては圧力波形に鋭い立ち上がりが見られず、また、Ｓ１〜Ｓ３の最高圧力にばらつきが見られた。また、Ｓ２およびＳ３における圧力の立ち上がり時間とセンサー間距離（100 mm）から推算した伝播速度は、実験毎に、理論値（ＣＪ速度＝2841m/s）を境に大きく上下に変動した。これらの結果から、比較例の装置においては、デトネーションの生成が不安定であると言える。

（水冷効果の検証）
実施例の装置の隔壁２１について、冷却水を循環させずに連続運転したところ、約３分後に失火した。装置を分解して調べたところ、隔壁２１が焼損していた。

（溶射実験）
実施例の装置および比較例の装置について、ユニット４０の溶射材料供給口４３からアルミナ粒子を供給し、装置の開放端から50ｍｍ先に固定したアルミ基板に対して溶射を行なった。この際、一般的な溶射の施工時間が３分〜５分程度であることに鑑みて、運転開始から３分経過後に、１０秒間にわたって圧力波形を連続的に測定した。

図１２は、運転開始から３分経過したときの圧力センサー（Ｓ２）が測定した圧力波形を示す。図１２（ａ）は、実施例の圧力波形を示し、図１２（ｂ）は、比較例の圧力波形を示す。図１２（ａ）に示されるように、実施例においては、圧力の立ち上がりが見られない状態（失火）がほとんどみられず、安定したデトネーション生成が達成されていることが示された。また、溶射被膜の断面を電子顕微鏡で観察することによって、気孔率１％以下（0.82％）の緻密な被膜が形成されていることがわかった。

一方、図１２（ｂ）に示されるように、比較例においては、圧力の立ち上がりが見られない部分が数多く観察され、１０秒間のデータ収録時間の間にかなりの頻度で失火しているものと推察される。

以上の実験結果が示すように、本発明によれば、燃料として水素を使用した爆発溶射装置において、その長さを実用的なスケール（１０００ｍｍ程度）に収めることができた。また、本発明によれば、運転周波数１０Ｈｚで安定したパルスデトネーションが実現され、セラミック材料（アルミナ）を用いて緻密性の高い高品質の溶射被膜を形成することに成功した。

本実施形態の爆発溶射装置の側面図。 本実施形態の爆発溶射装置の縦断面図。 本実施形態におけるユニット１０およびユニット２０を示す図。 本実施形態におけるユニット３０を示す図。 本実施形態におけるユニット２０を示す図。 本実施形態におけるユニット４０を示す図。 本実施形態における溶射材料供給機構の動作過程を示す図。 本実施形態におけるユニット５０を示す図。 本実施形態におけるユニット６０を示す図。 実施例の装置における圧力波形を示す図。 比較例の装置における圧力波形を示す図。 実施例および比較例の装置における圧力波形を示す図。

符号の説明

１０…ユニット、１１…着火手段、１２…冷却水導入口、１３…水素ガス供給口、１４…酸素ガス供給口、１５…窒素ガス供給口、１６…副燃焼室、１７…冷却水流路、２０…ユニット、２１…隔壁、２２…貫通孔、２３…冷却水流路、２４…冷却水導入口、２５…冷却水導入口、２６…冷却水排出口、２７…冷却水排出口、２８…縦流路、２９…横流路、３０…ユニット、３１…主燃焼室、３２…冷却水流路、３３…内管、３４…外管、３５…フランジ、３６…フランジ、３７…冷却水流路、３８…突条、３９…冷却水流路、４０…ユニット、４１…開口部、４２…流路、４３…溶射材料供給口、４４…水素ガス供給口、４５…溶射材料滞留室、４６…第１の溶射材料流路、４７…水素ガス流路、４８…第２の溶射材料流路、４９…酸素ガス供給口、５０…ユニット、５１…溶射材料溶融室、５２…内管、５３…外管、５４…フランジ、５５…フランジ、５６…冷却水流路、５７…冷却水流路、５８…流路、６０…ユニット、６１…収縮開口部、６２…冷却水流路、７０…ユニット、７１…冷却水排出口、８０…基材、９０…被膜、１００…爆発溶射装置、１０１…燃焼室

Claims (8)

1. 燃焼室と、前記燃焼室の閉塞端に設けられパルス駆動する着火手段と、前記着火手段と同期して前記燃焼室に対して燃料および酸化剤を間欠的に供給するガス供給手段と、前記燃焼室に対して溶射材料を供給するための溶射材料供給手段と、前記燃焼室の外周に形成された冷却媒体流路とを備える爆発溶射装置であって、
   前記燃焼室は、
   前記着火手段を含む副燃焼室と、
   複数の貫通孔が形成され、冷却媒体流路を備える隔壁を介して、前記副燃焼室に対して隔てられ、内壁面に突条が螺旋状に形成された主燃焼室と、
   前記主燃焼室に後続し溶射材料を溶融するため空間を備える溶射材料溶融室とを含み、
   前記ガス供給手段は、燃料としての水素を供給するための第１および第２の水素噴射手段と、酸化剤としての酸素を供給するための第１および第２の酸素噴射手段とを含み、
   前記副燃焼室には、前記第１の水素噴射手段と前記第１の酸素噴射手段とが互いにその噴射方向を対向するように設けられ、
   前記主燃焼室と前記溶射材料溶融室との間には、前記第２の酸素噴射手段と前記溶射材料供給手段とが設けられており、
   前記溶射材料供給手段は、前記第２の水素噴射手段を含み、該第２の水素噴射手段が噴射する水素ガスと共に溶射材料が前記燃焼室に対して供給される、
   爆発溶射装置。
2. 前記溶射材料供給手段は、前記溶射材料が一時的に滞留するための空間である溶射材料滞留室と、第１の溶射材料流路を通して前記溶射材料滞留室に対して前記溶射材料を供給する手段と、前記溶射材料滞留室と前記第２の水素噴射手段とを連通する水素ガス流路と、前記溶射材料滞留室と前記燃焼室とを連通する第２の溶射材料流路とを含み、前記第２の水素噴射手段が噴射する水素ガスと共に前記溶射材料が前記第２の溶射材料流路を通して前記燃焼室に対して供給される、請求項１に記載の爆発溶射装置。
3. 前記溶射材料滞留室は、前記燃焼室の周囲を包囲するドーナツ状の空間として構成され、前記第１の溶射材料流路の軸と前記第２の溶射材料流路の軸とが一致しないように形成されている、請求項２に記載の爆発溶射装置。
4. 前記第１の溶射材料流路の径が前記水素ガス流路の径よりも小さい、請求項２に記載の爆発溶射装置。
5. 前記隔壁を冷却するための冷却媒体流路は、前記隔壁を鉛直方向に貫通する縦流路と、前記隔壁を水平方向に貫通する横流路として形成され、前記縦流路と前記横流路とが前記隔壁内に井桁状に配置される、請求項２に記載の爆発溶射装置。
6. 前記溶射材料溶融室は、その横断面が部分的に狭小化した絞り部を備える、請求項２に記載の爆発溶射装置。
7. 燃焼室と、前記燃焼室の閉塞端に設けられパルス駆動する着火手段と、前記着火手段と同期して前記燃焼室に対して燃料および酸化剤を間欠的に供給するガス供給手段と、前記燃焼室に対して溶射材料を供給するための溶射材料供給手段と、前記燃焼室の外周に形成された冷却媒体流路とを備える爆発溶射装置であって、
   前記燃焼室は、
   前記着火手段を含む副燃焼室と、
   前記副燃焼室に対して複数の貫通孔が形成された隔壁を介して隔てられ、その内壁面に突条が螺旋状に形成された主燃焼室と、
   複数の貫通孔が形成され、冷却媒体流路を備える隔壁を介して、前記副燃焼室に対して隔てられ、内壁面に突条が螺旋状に形成された主燃焼室と、
   前記主燃焼室に後続し溶射材料を溶融するため空間を備える溶射材料溶融室とを含んで構成され、
   前記隔壁は、該隔壁を縦方向に貫通する縦流路と横方向に貫通する横流路とが前記隔壁内に井桁状に配置される冷却媒体流路を備え、
   前記ガス供給手段は、燃料としての水素を供給するための第１および第２の水素噴射手段と、酸化剤としての酸素を供給するための第１および第２の酸素噴射手段とを含み、
   前記副燃焼室には前記第１の水素噴射手段と前記第１の酸素噴射手段とが互いにその噴射方向を対向するように設けられ、
   前記主燃焼室と前記溶射材料溶融室との間には、前記第２の酸素噴射手段と前記溶射材料供給手段とが設けられており、
   前記溶射材料供給手段は、前記第２の水素噴射手段と、前記溶射材料が一時的に滞留するために前記燃焼室の周囲を包囲するドーナツ状の空間として構成された溶射材料滞留室と、第１の溶射材料流路を通して前記溶射材料滞留室に対して前記溶射材料を供給する手段と、前記溶射材料滞留室と前記第２の水素噴射手段とを連通する水素ガス流路と、前記溶射材料滞留室と前記燃焼室とを連通する第２の溶射材料流路とを含み、前記第１の溶射材料流路の軸と前記第２の溶射材料流路の軸とが一致しないように形成され、前記第２の水素噴射手段が噴射する水素ガスと共に前記溶射材料が前記第２の溶射材料流路を通して前記燃焼室に対して供給される、
   爆発溶射装置。
8. 閉塞端に着火手段を備える副燃焼室と、複数の貫通孔が形成された隔壁を介して前記副燃焼室に対して隔てられ、内壁面に突条が螺旋状に形成された主燃焼室と、前記主燃焼室に後続し溶射材料を溶融するため空間を備える溶射材料溶融室とを含む燃焼室を使用した溶射方法であって、
   前記着火手段をパルス駆動すると共に、該着火手段に同期して前記副燃焼室に対して燃料としての水素および酸化剤としての酸素を間欠的に対向噴射して初期火炎を生成するステップと、
   前記初期火炎を前記隔壁の前記複数の貫通孔を通過させて前記主燃焼室内に乱流噴流を放出するステップと、
   前記乱流噴流を前記主燃焼室内でデトネーションに遷移させるステップと、
   前記主燃焼室と前記溶射材料溶融室との間において、前記着火手段と同期して前記燃焼室に対し前記酸素を間欠的に噴射すると同時に、前記水素を溶射材料と共に間欠的に噴射するステップと、
   前記溶射材料溶融室内で前記溶射材料を前記デトネーションによって加速および加熱して前記燃焼室の開放端から高速で放出するステップとを含み、
   前記各ステップを前記燃焼室の外周および前記隔壁に形成された冷却媒体流路に冷却媒体を流下させながら実行する、溶射方法。

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