JP6161943B2 - ナノ粒子含有スラリー噴霧装置及び溶射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ナノ粒子含有スラリーを噴霧する噴霧装置及び該噴霧装置を備えた溶射装置に関する。

近年、ボイドやクラックの発生を抑えながら、被覆材の表面に、耐熱性及び皮膜強度に優れた緻密な溶射皮膜を形成することが、強く望まれるようになってきている。

そのための方法としては、耐熱性を有する材料をナノ粒子化し、該ナノ粒子を、プラズマ溶射装置から噴出されるプラズマ噴流の中に、直接に導入する方法が、知られている。しかしながら、この方法においては、ナノ粒子をプラズマ噴流に向けて搬送する過程において、ナノ粒子が搬送管の内壁との摩擦によって前記搬送管の内壁に付着し、その結果、搬送管内に狭窄が生じ、ナノ粒子の搬送不良が生じるという問題があった。

そこで、ナノ粒子を液体中に分散して懸濁液を作成し、該懸濁液を搬送管によってプラズマ噴流に導入する、という方法が提案されている。しかしながら、この方法においては、搬送管内における狭窄を防止するに、懸濁液の流動性を確保する必要があり、懸濁液の粘度を低く抑える必要があった。その結果、懸濁液中のナノ粒子の分散量を１０％以上に増大させることができず、プラズマ噴流へのナノ粒子の導入量が限られることになり、溶射皮膜の成膜速度が低下する、という問題があった。

これらの問題を解決するために、高濃度のナノ粒子を有機溶媒中に分散させてナノ粒子含有スラリーを生成し、これを溶射材として用いる方法が、提案された。この方法においては、溶射材をミスト化しプラズマ噴流に導入することによって、有機溶媒を焼失させながら、ナノ粒子を被溶射材に溶射できる（非特許文献１）。

ところで、ナノ粒子含有スラリーは、チクソ性と称される特殊なレオロジー特性を有しており、せん断力が加わった場合には流動化し、無荷重である場合にはその形状を保つ特性を、有している。したがって、チクソ性を有するナノ粒子含有スラリーをプラズマ噴流へ導入するには、該スラリーにせん断力を加えて流動化して噴霧化する、噴霧装置が、必要となる。

非特許文献１の噴霧装置は、ナノ粒子含有スラリーが封入されたガス圧駆動のシリンジと、プラズマ噴流に向けてキャリアガスを噴出する噴出管と、を備えている。シリンジの先端部は、噴出管の外周に形成された導入口に、垂直に接続されている。この噴霧装置では、ナノ粒子含有スラリーは、シリンジから噴出管内に押し出され、噴出管内においてキャリアガスによるせん断力を受ける。これにより、ナノ粒子含有スラリーが、流動化してミスト化し、プラズマ噴流に導入される。

桐原聡秀著「サーマルナノパーティクルスプレー開発と傾斜機能材料創製への応用」、セラミックス２０１２年１２月号、日本セラミックス協会２０１２年１２月１日発行、ｐ．９４１〜９４５

しかしながら、非特許文献１の噴霧装置では、ナノ粒子含有スラリーを１個の導入口を介して噴出管内に供給しているので、成膜速度を向上させるためには、所要量のナノ粒子含有スラリーを１個の導入口から噴出管内に供給する必要がある。ところで、噴出管内におけるキャリアガスの流れは均一ではなく、すなわち、内周壁部近傍のキャリアガスの流れと、他の部位におけるキャリアガスの流れとは、異なっている。このため、噴出管内に露出したナノ粒子含有スラリーは、先端側部分と基端側（内周壁側）部分において、キャリアガスから受けるせん断力が異なっている。この結果、ナノ粒子含有スラリーから生じるミストは、粒径及びその分布が不均一となる。それ故、非特許文献１の噴霧装置では、溶射皮膜中にボイドやクラック等の欠陥が生じる可能性があった。更に、非特許文献１の噴霧装置は、ミストの粒径を調整できるものではない。

本発明は、ナノ粒子含有スラリーを、生成するミストが均一な粒径を有し、且つ、均一に分布しているように、ミスト化して噴霧でき、更には、ミストの粒径を調整できる、ナノ粒子含有スラリーの噴霧装置を提供すること、及び該噴霧装置を備えた溶射装置を提供すること、を目的とする。

本願の第１発明に係る噴霧装置は、噴霧媒体を、供給管内を通して先端のノズル部から噴出する、噴出部と、前記ノズル部に設けられた貫通開口を通して前記ノズル部内にナノ粒子含有スラリーを供給する、スラリー供給部と、を備え、前記貫通開口は、同じ大きさで複数形成されており、複数の前記貫通開口は、ノズル部の周方向において等間隔に位置しており、且つ、開口面積が拡大縮小可能に構成されていることを特徴としている。

上記第１発明に係る噴霧装置は、更に、次のような構成を備えることが好ましい。

（Ａ）前記ノズル部は、前記供給管の先端に設けられた噴霧ノズルと、前記噴霧ノズルに外嵌しており、且つ、前記噴霧ノズルの軸方向への前進後退を案内する、ノズルガイドと、を含んでおり、前記噴霧ノズルには、内部に貫通したスリットが軸方向に沿って形成されており、前記ノズルガイドは、径方向内方へ突出して前記スリットに嵌合する突出部を備えており、前記貫通開口は、前記スリットにおける前記突出部との非嵌合部分によって、構成されている。

（Ｂ）前記供給管を軸方向に移動させることにより、前記噴霧ノズルを前記ノズルガイドに対して軸方向に前進後退させる移動機構を、更に備えており、前記移動機構は、前記供給管の軸回りに回動可能に配置された回動体と、前記回動体の径方向内側に設けられており、且つ、前記回動体の内周面の螺溝に一部が螺合しており、且つ、前記供給管に固定されている、移動体と、前記回動体と前記移動体との間に、前記移動体の軸方向の移動を案内するように設けられており、且つ、前記ノズルガイドに対して移動不能である、ガイド部と、を備えており、前記回動体が回動すると、前記螺溝に沿って且つ前記ガイド部に案内されて、前記移動体と共に前記供給管が軸方向に移動するようになっている。

また、本願の第２発明に係る溶射装置は、熱流体を溶射方向に噴出する、溶射ノズルと、前記熱流体中にナノ粒子含有スラリーを溶射材料として噴霧する、ナノ粒子含有スラリー噴霧装置と、を備えており、前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置は、噴霧媒体を、供給管内を通して先端のノズル部から噴出する、噴出部と、前記ノズル部に設けられた貫通開口を通して前記ノズル部内にナノ粒子含有スラリーを供給する、スラリー供給部と、を備え、前記貫通開口は、同じ大きさで複数形成されており、複数の前記貫通開口は、ノズル部の周方向において等間隔に位置しており、且つ、開口面積が拡大縮小可能に構成されていることを特徴としている。

上記第２発明に係る溶射装置は、更に、次のような構成を備えることが好ましい。

（ａ）前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルと同軸に配置されている。

（ｂ）前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルに対して垂直に配置されている。

（ｃ）前項構成（ｂ）において、前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルの周囲において複数配置されている。

（ｄ）前記構成（ｃ）において、複数の前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、等間隔で配置されている。

上記第１発明によれば、ナノ粒子含有スラリーを、スラリー供給部から貫通開口を介してノズル部に供給し、噴霧媒体によるせん断力によって流動化してミスト化できる。

その場合において、本発明によれば、貫通開口が複数形成されているので、貫通開口が１個のみ形成されている場合に比して、１個当たりの貫通開口からのナノ粒子含有スラリーの供給量を低減できる。よって、本発明によれば、１個の貫通開口からノズル部内に露出するナノ粒子含有スラリーの量を、小さくできる。これにより、露出したナノ粒子含有スラリーが噴霧媒体から受けるせん断力は、スラリーの先端部と基端部とにおいても大差ないものとなる。したがって、本発明によれば、ナノ粒子含有スラリーを、生成するミストが均一な粒径を有するように、ミスト化できる。

また、本発明によれば、複数の貫通開口がノズル部の周方向において等間隔に位置しているので、貫通開口が１カ所のみに形成されている場合に比して、ノズル部の内周囲において均等にミストを生成できる。したがって、本発明によれば、ナノ粒子含有スラリーを、生成するミストが均一に分布するように、ミスト化できる。

更に、本発明によれば、貫通開口の開口面積が拡大縮小可能であるので、貫通開口からのナノ粒子含有スラリーの供給量を調整できる。したがって、本発明によれば、ミストの粒径を調整できる。

上記構成（Ａ）によれば、噴霧ノズルをノズルガイドに対して前進後退させることによって、非嵌合部分の軸方向の長さを調整できるので、貫通開口の開口面積を拡大縮小できる。

上記構成（Ｂ）によれば、回動体を回動させるだけで、噴霧ノズルをノズルガイドに対して前進後退させることができるので、貫通開口の開口面積を容易に調整できる。

上記第２発明によれば、ナノ粒子含有スラリー噴霧装置によって、ナノ粒子含有スラリーを、生成するミストが均一な粒径を有するように、ミスト化して、該ミストを、溶射ノズルから噴出される熱流体中に、噴霧できるので、緻密な溶射皮膜を形成できる。

しかも、貫通開口の開口面積を拡大縮小して、貫通開口からのナノ粒子含有スラリーの供給量を調整することによって、ミストの粒径を調整できるので、用いるナノ粒子材料に適応して、緻密な溶射皮膜を形成できる。

上記構成（ａ）によれば、ナノ粒子含有スラリー噴霧装置で生成したミストを、熱流体中に、確実に且つ、均一に、分散させることができる。よって、緻密な溶射皮膜を良好に形成できる。

上記構成（ｂ）によれば、ナノ粒子含有スラリー噴霧装置で生成したミストを熱流体中に噴霧する状態を目視できる。

上記構成（ｃ）によれば、熱流体中へのミストの噴霧量を増大できる。

ところで、１個のナノ粒子含有スラリー噴霧装置によって、熱流体中へミストを噴霧する場合において、ミストの噴霧量を増大させるためには、貫通開口の開口面積を拡大するか、貫通開口へのナノ粒子含有スラリーの供給量を増大させる必要がある。しかしながら、前者の方法によれば、ミストの粒径が拡大し、後者の方法によれば、ミストの粒径が不均一となる。これに対して、上記構成（ｃ）によれば、貫通開口の開口面積を拡大することなく、且つ、貫通開口へのナノ粒子含有スラリーの供給量を増大させることなく、熱流体中へのミストの噴霧量を増大できる。

したがって、上記構成（ｃ）によれば、ミストの粒径が大きくなることなく、且つ、ミストの粒径が不均一になることなく、多量のミストを熱流体中に噴霧できる。したがって、上記構成（ｃ）によれば、緻密で厚い溶射皮膜を形成できる。

上記構成（ｄ）によれば、ナノ粒子含有スラリーから生成したミストを、熱流体中に、均一に分散するように、噴霧できる。したがって、上記構成（ｄ）によれば、より緻密な溶射皮膜を形成できる。しかも、各噴霧装置が異なる種類のナノ粒子含有スラリーを用いた場合には、複数種類のナノ粒子を含んだ複合溶射皮膜を形成できる。

本発明の第１実施形態に係るナノ粒子含有スラリー噴霧装置を備えた溶射装置の概略図である。 噴霧装置の縦断面である。 噴霧ノズルの斜視図である。 ノズルガイドの斜視図である。 噴霧ノズルをノズルガイドに組み付けた状態を示す斜視図である。 図５のＡ矢視による貫通開口を示す側面図である。 移動機構を示す分解斜視図である。 移動機構の動作を示す斜視図である。 ナノ粒子含有スラリーがミスト化される様子を示す図である。 貫通開口の開口面積を拡大縮小した場合のミストを示す図である。 第１実施形態におけるナノ粒子含有スラリーの噴霧状態を示す図である。 ナノ粒子含有スラリーに作用するせん断力を示す、噴出部の拡大断面図である。 本発明に係る溶射装置によって形成した溶射皮膜の断面を示す図面に代わる写真である。 貫通開口の軸方向長さとミストの粒径との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る溶射装置の概略図である。 第３実施形態に係る溶射装置の概略図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る溶射装置１を示す概略図である。この溶射装置１は、本発明のナノ粒子含有スラリー噴霧装置を備えている。すなわち、溶射装置１は、プラズマ噴流を被溶射材（図示せず）に向けて噴出する溶射ガン２と、ナノ粒子含有スラリーＷをミスト化してプラズマ噴流中に噴霧する噴霧装置（ナノ粒子含有スラリー噴霧装置）３と、を備えている。

溶射ガン２は、円筒状の溶射ガン本体１１と、リング状のアノード１２（陽極）と、先鋭棒状のカソード１３（陰極）と、を備えている。溶射ガン本体１１は、内部に、作動ガス通路１１３を有している。作動ガス通路１１３は、先端に、絞り部１１１を介してプラズマ噴流の放出口１１２を有している。アノード１２は、放出口１１２に軸芯を略一致させて放出口１１２の近傍に配置されている。カソード１３は、作動ガス通路１１３の内部に配置されており、先端部がアノード１２の内周面に略対向して位置している。

溶射ガン２は、アノード１２とカソード１３との間に電圧をかけて直流アークを発生させることにより、作動ガス通路１１３を通して送給される作動ガス（例えばアルゴンガス）が電離してプラズマを生成し、その結果、放出口１１２からプラズマ噴流を噴出するように、構成されている。

噴霧装置３は、溶射ガン２から噴出されるプラズマ噴流に対して、上方から略直交するように、配置されており、保持具（図示しない）により保持されている。以下の説明において、噴霧装置３に関しては、噴霧方向を前方とし、反対方向を後方とする。

図２は、噴霧装置３の軸線に沿った断面図である。噴霧装置３は、大別して、ナノ粒子含有スラリーＷをミスト化して噴出する噴出部２０と、噴出部２０にナノ粒子含有スラリーＷを供給する供給部３０と、噴出部２０の噴霧ノズル２１を軸方向に前進後退させる移動機構４０と、から構成されている。

噴出部２０は、図２に示すように、噴霧ノズル２１と、供給管２２と、ノズルガイド２３と、噴霧アダプタ２４と、を備えており、供給管２２を通って来た噴霧媒体により、噴霧ノズル２１においてスラリーＷをミスト化し、該ミストを、噴霧アダプタ２４を通して、プラズマ噴流へ噴霧するようになっている。

供給管２２は、後端部に、噴霧媒体供給口２１３を有している。噴霧媒体供給口２１３には、噴霧装置３を使用するときに、噴霧媒体供給手段４が接続される。噴霧媒体供給手段４は、噴霧媒体の供給圧力を変更できるように構成されている。

図３は、噴霧ノズル２１の斜視図である。噴霧ノズル２１は、略円筒状の形態を有しており、前方から、第１円筒部２１Ａ、第２円筒部２１Ｂ、及び第３円筒部２１Ｃを、有している。各円筒部の外径は、第１円筒部２１Ａ＜第２円筒部２１Ｂ＜第３円筒部２１Ｃである。噴霧ノズル２１は、噴霧媒体通路２１１と、複数のスリット２１２と、を有している。噴霧媒体通路２１１は、供給管２２（図２参照）に連通している。複数のスリット２１２は、前端部から軸方向に沿って後方へ延びている。複数のスリット２１２は、外周部から噴霧媒体通路２１１に連通するように、貫通して形成されている。複数のスリット２１２は、全て同じ大きさに形成されており、周方向に均等に配置されている。

図４は、ノズルガイド２３の斜視図である。ノズルガイド２３は、略円筒状の形態を有しており、噴霧ノズル２１の先端部に外嵌するように形成されており、前後方向に貫通するノズル嵌合開口２３１を有している。ノズル嵌合開口２３１は、大径部２３１ａと、大径部２３１ａから径方向内方へ突出した突出部２３１ｃと、突出部２３１ｃの径方向内方側の端面部である小径部２３１ｂと、から構成されている。

大径部２３１ａは、スリット２１２が形成されている第１円筒部２１Ａの外径２１Ａ１（図３参照）に、略一致する大きさに、形成されている。小径部２３１ｂは、噴霧媒体通路２１１の通路径２１１ａ（図３参照）に、略一致する大きさに、形成されている。

また、突出部２３１ｃの大きさは、噴霧ノズル２１をノズル嵌合開口２３１に組み付けたときに、突出部２３１ｃがスリット２１２に嵌合するように、設定されている。

図５に示すように、噴霧ノズル２１がノズルガイド２３に組み付けられると、貫通開口２０ａが、スリット２１２における突出部２３１ｃとの非嵌合部分によって形成される。貫通開口２０ａは、噴霧ノズル２１の外周から噴霧媒体通路２１１に連通している。また、図６において、貫通開口２０ａは、斜線で示されており、軸方向高さＨだけ開口している。

また、突出部２３１ｃがスリット２１２に嵌合できるので、噴霧ノズル２１は、ノズルガイド２３に対して、軸方向に前進後退可能となっている。これにより、噴霧ノズル２１が後退すると、貫通開口２０ａの軸方向長さＨが増大し、よって、開口面積が拡大し、逆に、噴霧ノズル２１が前進すると、貫通開口２０ａの軸方向長さＨが減少し、よって、開口面積が縮小する。

小径部２３１ｂ（図４参照）は、噴霧媒体通路２１１の通路径２１１ａに略一致する大きさに形成されているので、噴霧ノズル２１を前進後退させたとしても、噴霧媒体通路２１１は、通路径２１１ａが常に確保されている。

供給部３０は、図２に示すように、略円筒状のシリンジ本体３１と、シリンジ前部キャップ３２と、スラリープッシャ３３と、シリンジ後部キャップ３４と、を備えている。シリンジ本体３１は、噴出部２０の軸芯周りに配置されている。シリンジ前部キャップ３２は、ノズルガイド２３の後部に固定され、且つ、後部がシリンジ本体３１の前部に固定されている。スラリープッシャ３３は、シリンジ本体３１の内周面を前後方向に摺動可能に構成されている。シリンジ後部キャップ３４は、移動機構４０を介してシリンジ本体３１の後方に配置されている。

シリンジ本体３１とシリンジ前部キャップ３２とシリンジ後部キャップ３４とノズルガイド２３と移動機構４０との間の各接合部には、Ｏ−リングが設けられており、これらの内部は、密閉されている。シリンジ本体３１とシリンジ前部キャップ３２とスラリープッシャ３３とノズルガイド２３とで囲まれた空間は、ナノ粒子含有スラリー収容部３０ａを形成している。スラリープッシャ３３と移動機構４０とシリンジ後部キャップ３４とで囲まれた空間は、スラリープッシャ３３を前方に押圧するための押圧媒体が供給される押圧室３０ｂを形成している。

シリンジ本体３１には、ナノ粒子含有スラリーＷを、内部に供給するための、又は、内部から排出するための、複数のスラリー給排口３１１が形成されている。複数のスラリー給排口３１１は、供給／排出時以外は、着脱可能な封孔部材３１２によって塞がれている。同様に、シリンジ前部キャップ３２には、スラリー給排口３２１が形成されており、スラリー給排口３２１は、封孔部材３２２によって塞がれている。

シリンジ後部キャップ３４には、押圧媒体を供給するための押圧媒体供給口３４１が形成されている。該供給口３４１には、噴霧装置３を使用するときに、押圧媒体供給手段５が接続される。押圧媒体供給手段５は、押圧媒体の供給圧力を変更できるように、構成されている。

次に、図２、図７、図８を参照して、移動機構４０を説明する。図７は、移動機構４０の分解斜視図である。図８は、移動機構４０の作動を示す斜視図である。なお、図８においては、回動体４１を鎖線で示している。移動機構４０は、図２に示すように、シリンジ本体３１とシリンジ後部キャップ３４との間に、配置されており、大別して、それぞれ略円筒状の形態を有する、回動体４１と移動体４２とガイド部４３とを備えており、それらは、供給管２２に軸芯を略一致させて配置されている。

回動体４１は、図７に示すように、外周面の後側に形成された把持部４１１と、外周面の前側に形成された第１目盛部４１２と、内周面に螺設された螺旋状の螺溝４１３と、を有している。第１目盛部４１２には、周方向に、回転角度を示す数字が付されている。

移動体４２は、図７に示すように、外周面から径方向外方へ突出する複数の螺合突出部４２１と、供給管２２が内部に接合される接合部４２２と、を有している。螺合突出部４２１は、回動体４１の径方向内方から、螺溝４１３に螺合するように、構成されている。

ガイド部４３は、図７に示すように、前部に形成された略円筒状の基端部４３１と、基端部４３１の後部に配置された第２目盛部４３２と、基端部４３１から後方へ突出するように形成された前進後退ガイド部４３３と、を有している。前進後退ガイド部４３３には、後端部から軸線に沿って前方へ延びる複数のスリット４３３ｃが形成されている。

複数のスリット４３３ｃは、移動体４２の螺合突出部４２１に嵌合するように形成されている。第２目盛部４３２には、周方向に、基準線が付されている。前進後退ガイド部４３３の外径部４３３ａは、回動体４１の内径と同等に又は小さく形成されており、内径部４３３ｂは、移動体４２の円筒部の外径と同等に又は大きく形成されている。

ガイド部４３は、図２に示すように、前部がシリンジ本体３１に固定されている。ここで、シリンジ本体３１はシリンジ前部キャップ３２に固定されており、シリンジ前部キャップ３２はノズルガイド２３に固定されている。すなわち、ガイド部４３は、ノズルガイド２３に対して移動不能に、配置されている。

図８に示すように、鎖線で示す回動体４１は、ガイド部４３の前進後退ガイド部４３３の径方向外方に、且つ、基端部４３１の後端面に略当接するように、配置されている。移動体４２は、螺合突出部４２１をガイド部４３の複数のスリット４３３ｃに挿通させ、且つ、回動体４１の内周の螺溝４１３に螺合するようにガイド部４３の径方向内方に、配置されている。

移動体４２は、接合部４２２（図７参照）によって、供給管２２に軸芯を一致させて接合されている。すなわち、回動体４１は、移動体４１を介して供給管２２の軸芯周りを回動可能に配置されており、移動体４２は、前進後退ガイド部４３３によって案内されて、前後方向にのみ移動可能に配置されている。

図８を参照して、移動機構４０の作動について説明する。図８（ａ）に示す状態から、把持部４１１を把持して回動体４１を回動方向Ｘへ回動させると、図８（ｂ）に示すように、移動体４２は、螺合突出部４２１と螺溝４１３との螺合状態を保持しながら、前進後退ガイド部４３３により案内されて、前進する。逆に、把持部４１１を把持して回動体４１を回動方向Ｙへ回動させると、図８（ｃ）に示すように、移動体４２は後退する。

したがって、回動体４１を回動させることによって、移動体４２を前進後退自在に移動させることできる。この結果、噴霧ノズル２１は、移動体４２に接合された供給管２２を介して、ノズルガイド２３に対して前進後退する。これにより、貫通開口２０ａの軸方向長さＨが増減し、貫通開口２０ａの開口面積が拡大縮小される。

また、回動体４１のガイド部４３に対する回転角度は、ガイド部４３の第２目盛部４３２に付された基準線に対する、回動体４１の第１目盛部４１２に付された回動角度を示す数字の変化量によって、示される。

次に、上記構成の噴霧装置３の作動を図９〜図１１を参照して説明する。図９は、ナノ粒子含有スラリーＷがミスト化される様子を示す図である。図１０は、貫通開口２０ａの開口面積を拡大縮小したときのミストを示す図である。図１１は、噴霧装置３によってミストがプラズマ噴流中に噴霧された状態を示す図である。

まず、図９（ａ）に示す状態において、ナノ粒子含有スラリーＷが、ナノ粒子含有スラリー収容部３０ａに収容されている。

次に、押圧媒体、例えば圧搾空気が、押圧媒体供給手段５から押圧媒体供給口３４１を介して押圧室３０ｂに、供給される。そして、押圧室３０ｂ内の圧力が上昇し、スラリープッシャ３３が前方へ移動する。これによって、図９（ｂ）に示すように、ナノ粒子含有スラリー収容部３０ａに収容されているナノ粒子含有スラリーＷが、複数の貫通開口２０ａから噴霧媒体通路２１１内へ供給される。

次に、噴霧媒体、例えば圧搾空気Ｑが、噴霧媒体供給手段４から噴霧媒体供給口２１３を介して更に供給管２２を通して噴霧媒体通路２１１内に供給される。そして、噴霧媒体通路２１１に供給されたナノ粒子含有スラリーＷは、図９（ｃ）に示すように、圧搾空気Ｑによるせん断力を受けて、流動化し、更に、圧搾空気Ｑによるせん断力を受けて、図９（ｄ）に示すように、ミスト化される。すなわち、ミストＮが生成する。

このとき、複数の貫通開口２０ａは、周方向に等間隔に形成されているので、ナノ粒子含有スラリーＷは、噴霧媒体通路２１１の内周において均等に供給される。これにより、ミストＮは、均一に分布する。

貫通開口２０ａの開口面積が、図１０（ａ）に示すように、図９の場合に比して縮小すると、ナノ粒子含有スラリーＷの供給量が減少し、ミストＮの粒径は図９の場合よりも小さくなる。一方、貫通開口２０ａの開口面積が、図１０（ｂ）に示すように、図９の場合に比して拡大すると、ナノ粒子含有スラリーＷの供給量が増大し、ミストＮの粒径は図９の場合よりも大きくなる。

図１１に示すように、噴霧装置３で生成したミストＮは、溶射ガン２から噴出されるプラズマ噴流Ｐ中にロスなく噴霧される。これにより、ミストＮ中の有機溶媒成分が焼失し、被溶射材９０に、ナノ粒子からなる溶射皮膜が形成される。

上記構成の噴霧装置３によれば、次の効果を発揮できる。

（１）ナノ粒子含有スラリーＷを、供給部３０から複数の貫通開口２０ａを介して噴霧ノズル２１内に供給し、噴霧媒体通路２１１を通して供給される噴霧媒体Ｑによるせん断力を加えることによって、流動化してミスト化できる。

（２）貫通開口２０ａが複数形成されているので、貫通開口２０ａが１個のみ形成されている場合に比して、１個当たりの貫通開口２０ａからのナノ粒子含有スラリーＷの供給量を低減できる。つまり、１個の貫通開口２０ａから噴霧ノズル２１内に露出するナノ粒子含有スラリーＷの量を、小さくできる。

ここで、噴霧ノズル２１内における噴霧媒体の流れは、図１２に示すように、均一ではなく、すなわち、内周壁部近傍の噴霧媒体の流れと、他の部位における噴霧媒体の流れとは、異なっている。このため、噴霧ノズル２１内に露出したナノ粒子含有スラリーＷは、先端側部分と基端側（内周壁側）部分において、噴霧媒体から受けるせん断力が異なっている。つまり、図１２（ａ）に示すように、ナノ粒子含有スラリーＷの噴霧ノズル２１内への露出量が大きいと、噴霧媒体Ｑから受けるせん断力が不均一となる。

一方、噴霧装置３によれば、噴霧ノズル２１内へのナノ粒子含有スラリーＷの露出量を小さくできるので、図１２（ｂ）に示すように、噴霧媒体Ｑから受けるせん断力は、スラリーＷの先端部と基端部とにおいても大差ないものとなる。したがって、ナノ粒子含有スラリーＷを、生成するミストＮが均一な粒径を有するように、ミスト化できる。

（３）複数の貫通開口２０ａが噴霧ノズル２１の周方向において等間隔に位置しているので、貫通開口２０ａが１カ所のみに形成されている場合に比して、噴霧ノズル２１の内周囲において均等にミストＮを生成できる。したがって、ナノ粒子含有スラリーＷを、生成するミストＮが均一に分布するように、ミスト化できる。

（４）回動体４１を回動させるだけで、噴霧ノズル２１をノズルガイド２３に対して前進後退させることができるので、貫通開口２０ａの軸方向長さＨを増減でき、その開口面積を容易に調整できる。したがって、貫通開口２０ａからのナノ粒子含有スラリーＷの供給量を調整できるので、ミストＮの粒径を容易に調整できる。

（５）回動体４１のガイド部４３に対する回転角度を、ガイド部４３の第２目盛部４３２に付された基準線に対する、回動体４１の第１目盛部４１２に付された回転角度を示す数字の変化量から、容易に目視確認することができる。したがって、回転角度を目安にしながら、貫通開口２０ａの開口面積を容易に調整することができる。

上記構成の溶射装置１によれば、次の効果を発揮できる。

（１）噴霧装置３によって、ナノ粒子含有スラリーＷを、生成するミストＮが均一な粒径を有するように、ミスト化して、該ミストＮを、溶射ガン２から噴射されるプラズマ噴流中に、噴霧できるので、緻密な溶射皮膜を形成できる。

（２）貫通開口２０ａの開口面積を拡大縮小して、貫通開口２０ａからのナノ粒子含有スラリーＷの供給量を調整することによって、ミストＮの粒径を調整できるので、用いるナノ粒子材料に適応して、緻密な溶射皮膜を形成できる。

（ナノ粒子含有スラリーＷの組成）
液状のアクリル系樹脂に、平均粒径１７０ｎｍの酸化アルミニウム微粒子（すなわち酸化アルミニウムのナノ粒子）を４０％の体積割合で混合して、ナノ粒子含有スラリーＷ１を作製した。ナノ粒子含有スラリーＷ１の組成物の体積比は、ナノ粒子が４０％、液状樹脂が６０％である。このナノ粒子含有スラリーＷ１は、チクソ性を有している。

（噴霧条件）
（１）貫通開口２０ａの軸方向長さＨを０．５ｍｍに設定した。
（２）噴霧媒体供給手段４
圧搾空気の供給圧力を０．２５ＭＰａに設定した。
（３）押圧媒体供給手段５
圧搾空気の供給圧力を０．３０ＭＰａに設定した。

（結果）
上記条件により、被溶射材であるＳＵＳ３０４の表面に、溶射皮膜を形成した。図１３は、形成された溶射皮膜の断面を、光学顕微鏡によって撮影した写真である。図１３から明らかなように、溶射皮膜には、ボイドやクラックの発生が無い。

（調整）
上記条件下において、貫通開口２０ａの軸方向長さＨ（図６参照）を種々設定し、ミストＮの粒径を求めた。その結果を図１４に示す。図１４において、横軸は貫通開口２０ａの軸方向長さＨを示し、縦軸はミストＮの粒径を示している。図１４から明らかなように、貫通開口２０ａの軸方向長さＨを変更すると、ミストＮの粒径が拡大縮小する。

［第２実施形態］
図１５は、本発明の第２実施形態に係る溶射装置１００を示す概略図である。この溶射装置１００は、第１実施形態の溶射装置１に対して、噴霧装置３の溶射ガン２に対する位置関係が異なるだけである。

図１５に示すように、溶射装置１００は、溶射ガン１１０と噴霧装置３とを有している。溶射ガン１１０は、カソード１３０が中空に形成されている点のみが第１実施形態と異なっている。噴霧装置３は、溶射ガン１１０と軸芯を略一致させて、噴霧アダプタ２４を介してカソード１３０の後部に接続されている。

第２実施形態によれば、噴霧装置３で生成したミストを、溶射装置１１０から噴出されるプラズマ噴流に対して、同軸で噴霧できるので、プラズマ噴流中のミストの分布を確実に均一化できる。したがって、ナノ粒子が均一に分布した溶射皮膜を形成できる。

［第３実施形態］
図１６は、本発明の第３実施形態に係る溶射装置２００を示す概略図であり、プラズマ噴流の噴出側から見た図である。この溶射装置２００は、第１実施形態の溶射装置１に対して、噴霧装置３の個数が異なるだけである。

図１６に示すように、溶射装置２００は、溶射ガン２と複数（ここでは３個）の噴霧装置３とを有している。３個の噴霧装置３は、プラズマ噴流の周方向に、等間隔で配置されている。各噴霧装置３は、その軸線が溶射ガン２から噴出されるプラズマ噴流に略直交するように、配置されており、プラズマ噴流に対して略直角にミストを噴霧するように、配置されている。

第３実施形態によれば、複数の噴霧装置３によってミストをプラズマ噴流中に噴霧するので、ミストの噴霧量を増大できる。ところで、１個の噴霧装置３によって、プラズマ噴流中へミストを噴霧する場合において、ミストの噴霧量を増大させるためには、貫通開口２０ａの開口面積を拡大するか、貫通開口２０ａへのナノ粒子含有スラリーＷの供給量を増大させる必要がある。

しかしながら、前者の方法によれば、ミストの粒径が拡大し、後者の方法によれば、ミストの粒径が不均一となる。これに対して、第３実施形態によれば、貫通開口２０ａの開口面積を拡大することなく、且つ、貫通開口へのナノ粒子含有スラリーＷの供給量を増大させることなく、プラズマ噴流中へのミストの噴霧量を増大できる。したがって、ミストの粒径が大きくなることなく、且つ、ミストの粒径が不均一になることなく、多量のミストをプラズマ噴流中に噴霧できるので、緻密で厚い溶射皮膜を形成できる。

しかも、ナノ粒子含有スラリーＷから生成したミストを、プラズマ噴流中に、均一に分散するように、噴霧できる。したがって、より緻密な溶射皮膜を形成できる。しかも、各噴霧装置３が異なる種類のナノ粒子含有スラリーを用いた場合には、複数種類のナノ粒子を含んだ複合溶射皮膜を形成できる。

［変形例］
（１）以上の実施形態においては、第１目盛部４１２に付した回転角度を示す数字と、第２目盛部４３２に付した基準線とによって回転角度を目視確認できるように構成しているが、これに代えて、貫通開口２０ａの開口面積や軸方向長さＨを付しても良い。

（２）以上の実施形態においては、溶射装置をプラズマ溶射装置として説明したが、本発明に係る噴霧装置は、アセチレンバーナーや温風等を利用した各種の溶射装置にも適用できる。

（３）ナノ粒子含有スラリーＷを構成する液状の樹脂としては、アクリル系に限らず、ウレタン系、エポキシ系を使用できる。また、ナノ粒子としては、酸化アルミニウムに限らず、酸化ジルコニウム、シリコン、炭化シリコン、炭化タングステン、又はこれらの混合物等を使用できる。

本発明の噴霧装置は、ナノ粒子含有スラリーを、生成するミストが均一な粒径を有し、且つ、均一に分布しているように、ミスト化して噴霧でき、更には、ミストの粒径を調整できるので、産業上の利用価値が大である。

１ 溶射装置
２ 溶射ガン
３ 噴霧装置
２０ 噴出部
２０ａ 貫通開口
２１ 噴霧ノズル
２１１ 噴霧媒体通路
２１２ スリット
２２ 供給管
２３ ノズルガイド
２３１ ノズル嵌合開口
２３１ｃ スリット
３０ 供給部
３３ スラリープッシャ
４０ 移動機構
４１ 回動体
４２ 移動体
４３ ガイド部
Ｎ ミスト
Ｑ 噴霧媒体（圧搾空気）
Ｐ プラズマ噴流
Ｗ ナノ粒子含有スラリー

Claims (8)

1. 噴霧媒体を、供給管内を通して先端のノズル部から噴出する、噴出部と、
   前記ノズル部に設けられた貫通開口を通して前記ノズル部内にナノ粒子含有スラリーを供給する、スラリー供給部と、を備え、
   前記貫通開口は、複数形成されており、
   複数の前記貫通開口は、同じ大きさで形成され、ノズル部の周方向において等間隔に位置しており、開口面積が拡大縮小可能に構成されていることを特徴とするナノ粒子含有スラリー噴霧装置。
2. 前記ノズル部は、前記供給管の先端に設けられた噴霧ノズルと、
   前記噴霧ノズルに外嵌しており、且つ、前記噴霧ノズルの軸方向への前進後退を案内する、ノズルガイドと、を含んでおり、
   前記噴霧ノズルには、内部に貫通したスリットが軸方向に沿って形成されており、
   前記ノズルガイドは、径方向内方へ突出して前記スリットに嵌合する突出部を備えており、
   前記貫通開口は、前記スリットにおける前記突出部との非嵌合部分によって、構成されている、
   請求項１に記載のナノ粒子含有スラリー噴霧装置。
3. 前記供給管を軸方向に移動させることにより、前記噴霧ノズルを前記ノズルガイドに対して軸方向に前進後退させる移動機構を、更に備えており、
   前記移動機構は、前記供給管の軸回りに回動可能に配置された回動体と、
   前記回動体の径方向内側に設けられており、且つ、前記回動体の内周面の螺溝に一部が螺合しており、且つ、前記供給管に固定されている、移動体と、
   前記回動体と前記移動体との間に、前記移動体の軸方向の移動を案内するように設けられており、且つ、前記ノズルガイドに対して移動不能である、ガイド部と、を備えており、
   前記回動体が回動すると、前記螺溝に沿って且つ前記ガイド部に案内されて、前記移動
   体と共に前記供給管が軸方向に移動するようになっている、
   請求項２に記載のナノ粒子含有スラリー噴霧装置。
4. 熱流体を溶射方向に噴出する、溶射ノズルと、
   前記熱流体中にナノ粒子含有スラリーを溶射材料として噴霧する、ナノ粒子含有スラリー噴霧装置と、を備えており、
   前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置は、
   噴霧媒体を、供給管内を通して先端のノズル部から噴出する、噴出部と、
   前記ノズル部に設けられた貫通開口を通して前記ノズル部内にナノ粒子含有スラリーを供給する、スラリー供給部と、を備え、
   前記貫通開口は、複数形成されており、
   複数の前記貫通開口は、同じ大きさで形成され、ノズル部の周方向において等間隔に位置しており、開口面積が拡大縮小可能に構成されていることを特徴とする溶射装置。
5. 前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルと同軸に配置されていることを特徴とする、
   請求項４に記載の溶射装置。
6. 前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルに対して垂直に配置されている、
   請求項４に記載の溶射装置。
7. 前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、前記溶射ノズルの周囲において複数配置されている、
   請求項６に記載の溶射装置。
8. 複数の前記ナノ粒子含有スラリー噴霧装置の前記ノズル部が、等間隔で配置されている、
   請求項７に記載の溶射装置。