JP6477406B2 - 溶射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに溶射膜を成膜する溶射装置に関する。

従来、溶射は、熱交換器やガスセンサといった自動車部品に耐腐食性または耐高温性の金属、セラミック等の溶射膜を形成するために、用いられることが知られている。特許文献１に開示されるように、ワークに溶射膜を成膜する溶射装置は、溶射ブース内に設置される溶射ガン、溶射ブース外に設置されるコンプレッサ及び集塵機によって構成されている。

特開２００６−２５７４５９

溶射は数千度〜一万度の溶射フレームを吹き付けるため、溶射ブース内は高温になりやすい。このため、特許文献１のような構成において、溶射ブースは、輻射距離を大きくするため、広い空間をもつように大型になり、溶射ブースが高温にならないようにしていると考えられる。また、コンプレッサが大量の空気を送風し、溶射ブース内の高温気体を希釈して、溶射ブース内を低温化させる。さらに、集塵機が溶射ブース内に飛散した粉塵を回収しつつ、大量の高温気体を排気して、溶射ブース内を低温化させる。大量の空気が送風され、排気されるので、大量のエネルギを消費する。

エネルギ消費を抑制するために、溶射ブースを小型にして、送風及び排気する空気を減らすことが考えられる。しかし、溶射ブースを小型にすると、輻射距離が小さくなるため、溶射ブース内が高温になりやすくなる。溶射ブース内が高温になるとき、用いられる機器の耐熱温度を超え、溶射装置が壊れる虞がある。

本発明は、上述の問題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、小型の溶射ブースにおいても、溶射ブース内が高温となることを抑制することができる溶射装置を提供することにある。

本発明は、溶射膜（５３）を成膜する溶射装置（１）である。
溶射装置は、溶射ガン（１０）、溶射ブース（４０）、コンプレッサ（３５）及び集塵機（３６）を備える。
溶射ガンは、ワーク（５０）に対向するノズル口（２１）から粉体材料（１１）を溶融させた溶射フレーム（１５）を噴射する。また、溶射ガンは、溶射フレームをワークに吹き付けて、溶射膜を成膜する。

溶射ブースは、円筒状で、ワークが内部に設置され、溶射ガンが挿入される挿入穴（４１）を有する。
コンプレッサは、溶射ブース内の入口部（４２）へ気体を送風する。
集塵機は、溶射ブース内の出口部（４３）から気体を吸引し、排気中の粉塵（２３）を排気する。
溶射ブース内を入口部から出口部に向かって流れる気流が溶射フレームを横切って通過可能なように、気体の流速及び溶射ブースの径が設定されている。

本発明の溶射装置は、入口部から出口部に向かう気流が溶射フレームを通過可能である。これにより、気流が溶射フレームを横切って通過可能であるため、熱源となる溶射ガンの排気側まで気流が到達する。

排気側まで気流が到達することで、溶射ブース内の空気及び溶射ブースの壁面から吸熱する熱量は大きくなる。吸熱量が大きくなるため、溶射ブース内は冷却されやすい。したがって、小型の溶射ブースにおいても溶射ブース内が高温になることが抑制される。

本発明の第１実施形態による溶射装置の構成図。 本発明の第１実施形態による溶射ガンの断面図。 本発明の第１実施形態による溶射ブースの斜視図。 本発明の第２実施形態による溶射装置の構成図。 その他の実施形態の溶射装置の構成図。 その他の実施形態の溶射装置の構成図。

以下、本発明による溶射装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態及び製造方法の説明において、第１実施形態と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明する。また、「本実施形態」とは、第１実施形態及び第２実施形態を包括していう。本実施形態では、溶射ガンとして、プラズマ溶射ガンを用いる。
（第１実施形態）

第１実施形態による溶射装置１を、図１〜図３を参照して、説明する。
図１を参照して、溶射装置１の構成を説明する。
図１に示すように、溶射装置１は、プラズマ溶射ガン１０、ワーク５０、溶射ブース４０、排気ダクト４４、フィーダ３１、電源装置３２、作動ガス供給装置３３、冷却装置３４、コンプレッサ３５及び集塵機３６を備える。

図２に示すように、プラズマ溶射ガン１０は、ハウジング１４、電極２４、ノズル１３、材料ポート１２を有する。

ハウジング１４は、電極２４及びノズル１３を収容する。
電極２４は、陽極１６と陰極１７とで構成されている。電極２４は、例えば、タングステンが用いられる。
陽極１６は、正極性電極であり、ハウジング１４に隣接する。陰極１７は、負極性電極であり、ハウジング１４の径方向に対して、陽極１６よりも内側に設置される。電極２４に電力が供給されるとき、電極２４は、陽極１６と陰極１７との間で電子が飛び出して、アーク放電を発生させる。

ノズル１３は、陽極１６と陰極１７との間で形成され、先端側における先端部２０にノズル口２１と基端側における基部１８に作動ガス受入口２２とを含む。ノズル口２１の径方向の中心をノズル口中心Ｏとする。作動ガスが作動ガス受入口２２からノズル口２１へ流れるように、ノズル１３が形成されている。

材料ポート１２は、ハウジング１４の外部における先端面１９に隣接し、装着される。供給方式は、材料ポート１２を経由して、ノズル口２１から噴射される溶射フレーム１５に粉体材料１１が供給される外部供給方式である。材料ポート１２をハウジング１４内に装着して、内部供給方式としてもよい。

プラズマ溶射ガン１０は、アーク放電によりプラズマを発生させ、プラズマにより粉体材料１１を溶融させた溶射フレーム１５を形成する。粉体材料１１は、棒状の材料を用いてローカイド溶射としてもよい。

また、プラズマ溶射ガン１０は、ワーク５０に対向するノズル口２１から溶射フレーム１５を噴射し、重力方向下方と同方向に向かって、溶射フレーム１５をワーク５０に吹き付けて、溶射膜５３を成膜可能とする。

溶射フレーム１５は、ノズル口２１から噴出されるプラズマに、材料ポート１２を介して粉体材料１１を供給し、プラズマで溶融及び加速された溶射材料の流れである。
ワーク５０は、ステージ５１上で、成膜面５２を溶射ブース４０内の溶射ガン１０に対向する位置に配置されている。

図１に示すように、溶射ブース４０は、重力方向下方に対して、溶射ブース６０の軸方向が水平に設置される。
図３に示すように、溶射ブース４０は、筒状で、傾斜部４５、入口部４２及び出口部４３を有する。また、溶射ブース４０は、側面に溶射ガン１０が挿入される挿入穴４１を有し、内側面４８に接合される板状のステージ５１を支持している。

傾斜部４５は、溶射ガン１０に対向する内側面４８が斜面で、入口部４２から出口部４３に向かって、重力方向下方に傾斜するように形成されている。傾斜部４５により、また入口部４２から出口部４３に沿って径及び径内の面積が拡大する。傾斜部４５は、内側面４８の一部が斜面または階段状であってもよい。

入口部４２及び出口部４３は、溶射ブース４０の軸方向と平行の軸を含み、対向している。
入口部４２の径を入口径Ｄ１とし、出口部４３の径を出口径Ｄ２とする。出口径Ｄ２が、入口径Ｄ１より大きい、すなわち、Ｄ１＜Ｄ２ の関係となるように形成されている。また、入口部４２の径内の面積をＳ１とし、出口部４３の径内の面積をＳ２とする。出口径Ｄ２が、入口径Ｄ１より大きいので、出口部面積Ｓ２は、入口部面積Ｓ１よりも大きくなるように形成されている。

さらに、溶射ブース４０外で重力方向下方に位置し、溶射ブース４０の軸方向と平行する仮想線Ｉから入口部４２までの高さをＨ１とし、仮想線Ｉから出口部４３までの高さをＨ２とする。高さＨ１が、高さＨ２より大きい、すなわち、Ｈ１＞Ｈ２ の関係となるように形成されている。

傾斜部４５と出口部４３の垂線Ｐとのなす角度をθとし、角度θは、０＜θ＜９０ の関係となるように形成される。角度θは任意に設定される。溶射ブース４０内の空気の流速Ｖ及び溶射ブースの径によって最適に調整される。

排気ダクト４４は、筒状で溶射ブース４０の出口部４３とＬ字に連結されている。また、排気ダクト４４は、出口部４３に対向する内壁４９、重力方向下方に開口する排気部４６及び出口部４３から排気部４６に沿うように湾曲する湾曲部４７を含む。

入口部４２からノズル口中心Ｏまでの距離Ｌ１とし、内壁４９からノズル口中心Ｏまでの距離をＬ２とする。距離Ｌ２は、距離Ｌ１よりも小さい、すなわち、Ｌ１＜Ｌ２ となるように、溶射ブース４０及び排気ダクト４４が形成されている。

フィーダ３１は、溶射ブース４０外に設置され、材料ポート１２に接続され、粉体材料１１を材料ポート１２に供給する。また、フィーダ３１は、図示しないディスク盤に入る粉体材料１１をすり切りして払い出して、粉体材料１１を供給する。

電源装置３２は、高電力ケーブルで電極２４に接続され、作動ガスをプラズマに可能な電力を電極２４へ供給する。
作動ガス供給装置３３は、溶射ガン１０の作動ガス受入口２２に接続され、作動ガスを供給する。作動ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、水素、窒素である。
冷却装置３４は、溶射ガン１０に冷却水を供給する。供給された冷却水は循環し、循環される冷却水により、溶射ガン１０は冷却される。

コンプレッサ３５は、配管で溶射ブース４０の入口部４２に接続され、気体として空気を用いる。コンプレッサ３５は、入口部４２から出口部４３へ空気を送風する。
集塵機３６は、配管で排気部４６に接続され、排気部４６から溶射ブース４０内の空気を吸引し、成膜に寄与しなかった粉体材料１１である粉塵２３を回収する。粉塵２３は、プラズマで溶融されなかった、または、プラズマで溶融された粉体材料１１が冷却されて再凝固した粉体材料１１である。

コンプレッサ３５と集塵機３６とにより、入口部４２から出口部４３へ向かって流れる空気の流れである気流が形成される。
気流は、溶射フレーム１５を横切って通過可能なように、溶射ブース４０内の空気の流速及び溶射ブースの径が設定されている。また気流は、入口部４２から出口部４３までの溶射ブース４０内の空気を希釈する。

気流は、乱流であり、レイノルズ数Ｒｅが２３００を超える、すなわち、Ｒｅ＞２３００ の状態である。レイノルズ数Ｒｅは、例えば、以下の式（１）で表される。入口部４２の流速Ｖ、入口部４２の径をＤ、空気の動粘度νとする。
Ｒｅ＝（Ｖ×Ｄ）／ν ・・・（１）

流速Ｖ及び径Ｄは、溶射ブース４０内の気体、温度もしくは圧力といった使用環境または溶射条件によって、乱流となるように、コンプレッサ３５、集塵機３６、溶射ブース４０及び排気ダクト４４で調整される。

気流が乱流であることで、溶射フレーム１５を横切って通過可能である。乱流は、慣性力が大きい流れであるため、入口部４２から出口部４３へ向かう方向のまま突き進もうとする。したがって、流速が大きい溶射フレーム１５によって、気流は速度が変更されず、通過することが可能である。

溶射装置１の作動について説明する。
溶射ガン１０の作動ガス受入口２２に、作動ガス供給装置３３から作動ガスが供給される。また、電源装置３２が電極２４に電力を供給し、電極２４からノズル口２１近傍に向かって電子が飛び出しアーク放電が発生する。

アーク放電により、作動ガスがイオン化し、プラズマになり、プラズマがノズル口２１から噴出される。同時に、フィーダ３１から供給された粉体材料１１が材料ポート１２を経由して供給される。噴射されるプラズマが供給された粉体材料１１を溶融し、溶射フレーム１５が形成される。

溶射フレーム１５がワーク５０に吹き付けられ、溶射膜５３が成膜される。溶射膜５３が成膜されるとき、気流が溶射フレーム１５を通過する。通過する気流が、出口部４３を介して排気部４６に粉塵２３を運ぶ。運ばれた粉塵２３を集塵機３６が回収する。また、気流が入口部４２から出口部４３に向かって溶射ブース４０内を通過し、溶射ブース４０内の高温となる空気を希釈して、溶射ブース内を低温化させる。
（効果）

本実施形態では、気流が溶射フレーム１５を横切って通過可能であるため、熱源となる溶射ガン１０の排気側まで気流が到達する。また、溶射ブース４０内の距離Ｌ１が距離Ｌ２より小さいことで、気流が溶射ガン１０の排気側まで到達しやすい。

排気側まで気流が到達することで、溶射ブース４０内の空気及び溶射ブースの壁面から吸熱する熱量は大きくなる。吸熱量が大きくなるため、溶射ブース４０内は冷却されやすい。これにより、溶射ブース４０内が高温になることを抑制することができる。したがって、溶射ブース４０を小型にした場合においても、溶射装置の機器の耐熱温度を超え、溶射装置が壊れることを防止することができる。

プラズマを用いる溶射は、他の溶射の中でも溶射フレームが高温であるため、輻射により溶射ブース４０内が高温になりやすい。したがって、プラズマを用いる溶射において、溶射ブース内の高温を抑制する効果が特に発揮される。

溶射ブース４０が傾斜部４５を有することで、内側面４８に粉塵２３が堆積するよりも前に、重力により内側面４８に落下する粉塵２３が排気部４６に流動しやすくなる。これにより、落下する粉塵２３が排気部４６に流動することで、内側面４８に粉塵２３の堆積することが防止される。また、排気ダクト４４の排気部４６が重力方向下方に開口されているので、粉塵２３が重力により、集塵機３６に流れやすくなり、集塵機３６の回収効率が向上する。

溶射ブース４０の入口部４２から出口部４３に沿って溶射ブース４０の径及び面積が拡大されているので、溶射ブース内で渦が発生しやすくなる。発生する渦が溶射ブース内で堆積する粉塵２３を巻き上げ、粉塵２３が排気部４６に到達しやすくなる。これにより、集塵機３６の回収効率が向上する。

（第２実施形態）
図４を参照して、第２実施形態による溶射装置２の構成を説明する。第２実施形態は、排気ダクト４４を有しない点を除き、第１実施形態と同様である。集塵機３６が出口部４３に接続され、溶射ブースの形状が異なる。それ以外は共通である。

図４に示すように、溶射ブース６０は、重力方向下方に対して、溶射ブース６０の軸方向が水平に設置され、円筒状である。また、溶射ブース６０は軸方向の長さが一様となるように形成されている。

入口部４２からノズル口中心Ｏまでの距離をＬ１とし、出口部４３からノズル口中心Ｏまでの距離をＬ３とする。さらに、溶射ブース４０は、距離Ｌ１が距離Ｌ３よりも小さい、すなわち、Ｌ１＜Ｌ３ となるように形成されている。
（効果）

第２実施形態においても、気流が溶射フレーム１５を通過可能であるため、熱源となる溶射ガン１０の排気側まで気流が到達する。また、溶射ブース４０内の距離Ｌ１が距離Ｌ３より小さいことで、気流が溶射ガン１０の排気側まで到達しやすく、本実施形態と同様の効果を奏する。

（その他実施形態）
（ア）溶射ガン１０は、溶射フレーム１５を高速フレーム溶射（所謂、ＨＶＯＦ溶射）、ガスフレーム溶射、アーク溶射、爆発溶射により形成されてもよい。本実施形態と同様の効果を奏する。

（イ）溶射ブース４０及び排気ダクト４４の形状は、円筒状に限らない。多角形状の筒にしてもよい。また、溶射ブース４０が小型に限らず、大型の溶射ブースに対して、気流が溶射フレーム１５を横切って通過可能となるように、気体の流速Ｖ及び径Ｄを設定してもよい。溶射ブース４０の形状や大きさを問わず、本実施形態と同様の溶射ブースが高温となることを抑制する効果を奏する。
（ウ）コンプレッサ３５が送風する気体は、空気に限らず、乾燥空気または窒素を用いてもよい。本実施形態と同様の効果を奏する。

（エ）図５に示すように、溶射ブース６１は、溶射ブース６１の軸方向が重力方向下方と同一方向としてもよい。また、プラズマ溶射ガン１０が水平に設置され、溶射膜５３が成膜されてもよい。本実施形態と同様の効果を奏する。
（オ）図６に示すように、溶射ブース６２は、傾斜部４５が溶射ブース６２内部で形成されてもよい。本実施形態と同様の効果を奏する。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０ ・・・溶射ガン（プラズマ溶射ガン）、
１１ ・・・粉体材料、
１５ ・・・溶射フレーム、
２１ ・・・ノズル口、
３５ ・・・コンプレッサ、
３６ ・・・集塵機、
４０ ・・・溶射ブース、
４１ ・・・挿入穴、
４２ ・・・入口部、
４３ ・・・出口部、
５０ ・・・ワーク、
５３ ・・・溶射膜。

Claims (7)

1. ワーク（５０）に対向するノズル口（２１）から粉体材料（１１）を溶融させた溶射フレーム（１５）を噴射し、前記溶射フレームを前記ワークに吹き付けて、溶射膜（５３）を成膜する溶射ガン（１０）と、
   円筒状で、前記ワークが内部に設置され、前記溶射ガンが挿入される挿入穴（４１）を有する溶射ブース（４０）と
   前記溶射ブース内の入口部（４２）へ気体を送風するコンプレッサ（３５）と、
   前記溶射ブース内の出口部（４３）から前記気体を吸引し、排気中の粉塵（２３）を回収する集塵機（３６）と、
   を備え、
   前記溶射ブース内を前記入口部から前記出口部に向かって流れる気流が前記溶射フレームを横切って通過可能なように、前記気体の流速及び前記溶射ブースの径が設定されている溶射装置。
2. 前記溶射ブースは、水平に設置され、
   重力方向と平行する前記出口部とＬ字に連結し、前記集塵機に接続される排気部（４６）と前記出口部に対向する内壁（４９）とを有する排気ダクト（４４）をさらに備え、
   前記排気部は、重力方向下方に向けて開口する請求項１に記載の溶射装置。
3. 前記溶射ブース及び前記排気ダクトは、前記入口部から前記ノズル口の径方向の中心であるノズル口中心（Ｏ）までの距離（Ｌ１）が、前記内壁から前記ノズル口中心までの距離（Ｌ２）よりも小さくなるように形成されている請求項２に記載の溶射装置。
4. 前記溶射ブースは、前記出口部の面積（Ｓ２）が前記入口部の面積（Ｓ１）よりも大きくなるように形成されている請求項３に記載の溶射装置。
5. 前記溶射ブースは、前記溶射ガンに対向し、前記入口部から前記出口部に向かって、重力方向下方に傾斜する傾斜部（４５）を有する請求項４に記載の溶射装置。
6. 前記溶射ブースは、前記入口部から前記ノズル口中心（Ｏ）までの距離が、前記出口部から前記ノズル口中心までの距離（Ｌ３）よりも小さくなるように形成されている請求項１に記載の溶射装置。
7. 前記溶射ガンは、アーク放電によりプラズマを発生させ、前記プラズマにより前記粉体材料を溶融させた前記溶射フレームを噴射する請求項１〜６に記載の溶射装置。

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