JP7056927B2 - Ｈｖａｆ溶射装置における着火及び火炎の安定を可能とする燃焼機構 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＶＡＦ溶射装置における着火及び火炎の安定を可能とする燃焼機構に関する。

金属や金属酸化物を溶射することにより、材料の変質を抑制しつつ、金属、セラミックスまたは樹脂（以下、金属等という。）の皮膜を基材にコーティングする方法については、様々な方法が提案されている。金属等の皮膜を基材にコーティングする方法としては、例えば、酸素を燃焼の酸化剤（助燃剤）として使用する高速フレーム溶射（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ－Ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、フレームが高温であるため、金属が酸化されてしまうという欠点があった。

このような欠点を克服すべく、不活性ガスを混合することにより、燃焼ガス温度を制御した高速フレーム溶射が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。しかし、この方法では、金属の溶融温度未満での溶射が可能であるものの、燃焼の酸化剤に純酸素を用い、ガス温度低下のために大量の不活性ガスを用いるため、コストが高くなるという問題があった。

また、比較的コストを低く抑えて溶射することが可能であり、金属の酸化や金属酸化物の変質を抑え、基材との密着性に優れた緻密な溶射皮膜を形成することができるＨＶＡＦ（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｉｒ－Ｆｕｅｌ）溶射装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、従来のＨＶＡＦ溶射装置では、着火時に純酸素の供給が必要であったり、低温の燃焼ガスを得ようとすると、失火するなど、安定して装置を稼働できない、という問題がある。特に、ＨＶＡＦ溶射装置が小型になればなるほど、安定して装置を稼働することが難しくなる傾向にある。

特開２００９－２１４０２０号公報 特開２００６－２７４３２６号公報 特開２００７－２９９５０号公報 特開２０１２－９２３９１号公報

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明では、金属の酸化や金属酸化物の変質を抑えるため、低温で溶射することが可能なＨＶＡＦ溶射装置における燃焼機構を提供することを目的の一つとする。また、本発明では、燃焼温度の低下による失火等を抑え、低温でも安定的に稼働することができる燃焼機構を提供することを目的の一つとする。

本発明は、燃料と圧縮空気を燃焼させることで、金属、セラミックス又は樹脂を溶射するＨＶＡＦ溶射装置における燃焼機構であって、燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成するパイロット燃焼室と、パイロット燃焼室で生成された燃焼ガスが供給され、且つ、新たに供給された燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成するメイン燃焼室と、メイン燃焼室へ燃料及び／又は圧縮空気を供給する燃料等供給路とを備え、燃料等供給路がメイン燃焼室又はパイロット燃焼室の近傍に設けられ、メイン燃焼室又はパイロット燃焼室で発生した燃焼熱により燃料等供給路内の燃料と圧縮空気の温度を上昇させる、燃焼機構に関する。

本発明では、内管と外管から構成される二重管構造を有するものであり、二重管構造の内管の内側がメイン燃焼室であり、二重管構造の内管と外管との間に、燃料等供給路が設けられている、ことが好ましい。

本発明では、単位時間あたりにパイロット燃焼室へ供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比１～４であることが好ましい。

本発明では、単位時間あたりに第一燃焼室へ供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比０．５～１．５であることが好ましい。

本発明では、単位時間当たりにパイロット燃焼室と第一燃焼室に供給される燃料の供給量の総量と、パイロット燃焼室、第一燃焼室、及び第二燃焼室に供給される圧縮空気の供給量の総量とは、当量比０．２５～０．５であることが好ましい。

本発明では、パイロット燃焼室及び第一燃焼室の内壁に沿ったスワール流を発生させるスワール流供給口を備えことが好ましい。

本発明では、 燃料と圧縮空気は、二流体ノズルにより混合されてパイロット燃焼室及び／メイン燃焼室へ供給されることが好ましい。

本発明の燃焼機構の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置の断面図である。 本発明の実施形態に係るパイロット燃焼室におけるスワール流と燃料の流れとの関係を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る第一燃焼室の断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するが、本発明の趣旨に反しない限り、本発明は実施形態に限定されない。図１は、本発明の燃焼機構の実施形態に係るＨＶＡＦ溶射装置１００の断面図である。図１は、ＨＶＡＦ溶射装置を水平面に正常に静置した場合の上下方向に平行で、且つ、金属等の噴射方向に平行な平面での断面図である。

ＨＶＡＦ溶射装置１００は、燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成するパイロット燃焼室１０と、パイロット燃焼室１０で生成された燃焼ガスが供給され、且つ、新たに供給された燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する第一燃焼室１２と、補助燃焼と温度調整が行われる第二燃焼室１６と、生成した燃焼ガスを冷却する温度調整室１７と、燃焼ガスに金属等を供給する粉末供給路１９と、粉末出口負圧発生機構２０を有する粉末供給室１８の正面方向に連結されたラバルノズル３０と、ラバルノズル３０に連結されたバレル４０とを備えている。

パイロット燃焼室１０では、燃料供給口１１を経由して、燃料供給口より燃料と圧縮空気が供給される。燃料供給口１１では、気化した燃料と圧縮空気が混合される。燃料供給口１１は、パイロット燃焼室１０の上流側に設けられる。燃料が燃焼する際に、パイロット燃焼室１０を構成する壁が高温になりすぎると、パイロット燃焼室１０が損耗しやすくなるため、燃焼温度が過度に高くならないように、燃料と圧縮空気の供給量を制御することが好ましい。

パイロット燃焼室１０には、点火機構１５が設けられている。燃料供給口１１から供給された燃料は、点火機構１５によって点火されて燃焼する。燃料及び圧縮空気は、円柱状のパイロット燃焼室１０の中心に向かうように噴射されるが、燃料供給口１１の噴射方向への延長線上の位置に点火機構１５が存在しないように、燃料供給口１１及び点火機構１５を配置することが好ましい。燃料供給口１１の噴射方向の延長線上の位置に点火機構１５が存在すると、燃料が点火しにくくなる傾向にある。点火機構１５による点火は、第一燃焼室１２における燃焼の種火となるものであり、第一燃焼室１２での燃焼が安定すると、点火機構１５による点火を停止することができる。

燃料供給口１１の近傍には、スワール流供給口１４が設けられており、パイロット燃焼室１０内に圧縮空気等を供給することにより、パイロット燃焼室１０の内部でスワール流（旋回流）を発生させることができる。スワール流を発生させることにより、流れの中心部に還流域が形成されて火炎が安定するため、燃料が完全燃焼しやすくなる。

スワール流を発生させるためのスワール流供給口１４の設置態様は、特に限定されないが、例えば、パイロット燃焼室１０の形状が、円柱状である場合（燃焼ガスの進行方向が円柱の高さ方向に相当する場合）は、円柱の側面に対して垂直な方向から円柱の中心へ向かう方向へスワール流を供給可能とする位置にスワール流供給口１４を設置することが好ましい。また、複数のスワール流供給口１４を設置することができる。

図２は、パイロット燃焼室１０におけるスワール流と燃料の流れとの関係を説明するための図である。図２は、円柱状のパイロット燃焼室１０における、金属等の噴射方向（燃焼ガスの進行方法）に垂直な平面での断面を模式的に表したものである。燃料供給口１１は、ＨＶＡＦ溶射装置１００を水平面に置いた場合に、水平面に平行になるように、且つ、円柱状のパイロット燃焼室１０の側面に垂直となるように、設置されている。燃料供給口１１から供給される燃料、圧縮空気は、円柱の中心軸に向かって噴射される。

一方、スワール流供給口１４は、ＨＶＡＦ溶射装置１００を水平面に置いた場合に水平面に平行になるように、ＨＶＡＦ溶射装置１００の左右方向にそれぞれ設けられている。ＨＶＡＦ溶射装置１００を水平面に置いた場合に、円柱状のパイロット燃焼室１０の最上部にスワール流供給口１４ａの供給口、同様に、最下部にスワール流供給口１４ｂの供給口が設置されて、スワール流供給口１４ａ、１４ｂは、パイロット燃焼室１０の円柱断面を構成する円の接線方向に延びるように設置されている。

スワール流供給口１４ａ、１４ｂは、円柱状のパイロット燃焼室１０の最上部、最下部の相対する位置（円の中心の対角となる位置）から、相対する方向へスワール流を発生させているため（スワール流供給口１４ａは左方向へのスワール流を、スワール流供給口１４ｂは右方向へのスワール流を発生させている）、円柱の円周に沿ってスワール流が発生することになる。図２では、左回りのスワール流が発生している。

燃料供給口１１から供給された燃料及び圧縮空気は、供給口から、中心軸の対角にある位置に向かって噴射され、パイロット燃焼室１０の内壁にあたることで、スワール流にのって室内に拡散される。噴射される燃料は、二流体ノズル等によって既に微細化されており、さらに、パイロット燃焼室１０の内壁に衝突することで、より一層の微細化と気化が促進され、安定した燃焼が可能となる。

燃焼の開始時においては、燃焼を開始しやすくするために、スワール流供給口１４から酸素を供給してもよい。この場合は、スワール流供給口１４に酸素と圧縮空気とを切り替えて供給可能な切り替え機構を備えることが好ましい。

パイロット燃焼室１０で生成された燃焼ガスは、第一燃焼室１２に供給される。第一燃焼室１２は、本発明のＨＶＡＦ溶射装置において、メイン燃焼室として機能するものである。第一燃焼室１２もパイロット燃焼室１０と同様に、燃料・圧縮空気供給路１３ｂを経由して、燃料等噴出口１３ｃより燃料と圧縮空気が供給される。燃料・圧縮空気供給路１３ｂには、燃料供給口１３ａ及び圧縮空気供給口１３ｄより、外部より燃料と圧縮空気が供給される。燃料・圧縮空気供給路１３ｂでは、気化した燃料と圧縮空気が混合される。燃料等噴出口１３ｃは、第一燃焼室１２の上流側に設けられる。燃料が燃焼する際に、第一燃焼室１２を構成する壁が高温になりすぎると、第一燃焼室１２が損耗しやすくなるため、燃焼温度が過度に高くならないように、燃料と圧縮空気の供給量を制御することが好ましい。なお、燃料と圧縮空気を異なる供給路により供給することも可能である。

第一燃焼室１２へ燃料と圧縮空気を供給する燃料・圧縮空気供給路１３ｂは、パイロット燃焼室１０又は第一燃焼室１２の近傍に設けられており、燃焼ガスの生成の際に発生した燃焼熱により燃料・圧縮空気供給路１３ｂ内の燃料と圧縮空気の温度を上昇させることができる。燃料と圧縮空気が第一燃焼室１２へ供給される前に、燃焼熱を利用して、燃料と圧縮空気の温度を上昇させることで、第一燃焼室１２における失火を防ぐことができ、低温でもＨＶＡＦ溶射装置を安定して稼働させることができる。

パイロット燃焼室１０及び第一燃焼室１２に供給する燃料及び圧縮空気は、二流体ノズル等によって燃料を霧状に微細化して圧縮空気と混合する混合機構によって製造したものを用いることが好ましい。二流体ノズル等によって燃料を霧状にして圧縮空気と混合することにより、霧状の燃料が圧縮空気内に分散するとともに、燃料の液滴を微細化することが可能となる。

図３は、ＨＶＡＦ溶射装置の第一燃焼室１２の断面図である。図３は、ＨＶＡＦ溶射装置１００を水平面に置いた場合に、水平面に平行な面における第一燃焼室１２の断面を示す図である。

本発明のＨＶＡＦ溶射装置は、内管と外管から構成される二重管構造を有するものであることが好ましい。二重管構造の内管１２ａの内側が第一燃焼室１２であり、二重管構造の内管１２ａと外管１２ｂとの間に、燃料・圧縮空気供給路１３ｂを設けることが好ましい。このような構成とすることにより、第一燃焼室１２にて発生した燃焼熱を利用して、燃料・圧縮空気供給路１３ｂ内の燃料と圧縮空気の温度を上昇させることができるため、燃料が予め気化し、第一燃焼室１２内で拡散しやすくなる。

パイロット燃焼室１０及び第一燃焼室１２にて用いる燃料は、特に限定されないが、例えば、灯油を用いることができる。その他、燃焼温度を低くする観点から、燃料として、水を含むエマルジョン燃料を用いることができる。燃焼温度を低下させることにより、第一燃焼室１２の全長を長くすることも可能となり、燃料の完全燃焼を促進させることができる。

第一燃焼室１２へは燃焼助剤である圧縮空気と共に、霧化した水を供給してもよい。霧化した水を供給することにより、第一燃焼室１２の内管ａの損耗を防止でき、かつ、水性ガス反応により燃焼ススの発生を低減できる。

パイロット燃焼室１０及び第一燃焼室１２にて生成した燃焼ガスは、第二燃焼室１６へ供給される。第二燃焼室１６では、第一燃焼室１２にて燃焼せずに残った燃料を完全燃焼させるための補助的な燃焼が行われ、また、燃焼ガスの温度調整が行われる。

生成した燃焼ガスは、必要排出ガス温度が低い場合は、温度調整室１７に送られ、適正排出ガス温度に調整される。必要排出ガス温度により温度調整室１７への冷却用圧縮空気の供給を停止することができる。

生成した燃焼ガスは、適正排出ガス温度に調整された後、粉末供給室１８に送られる。粉末供給室１８は、粉末供給路１９及び粉末出口負圧発生機構２０で構成される粉供給機構がラバルノズル３０の中心軸に設置されている。

粉末供給路１９は、粉末供給室１８の背面から粉末状の金属等を供給することが可能であり、不活性ガス又は圧縮空気により粉末状の金属を搬送する。粉末供給路１９は、ラバルノズル３０の直前で金属等を排出する構成とすることが好ましい。粉末供給路１９を、ラバルノズル３０の中心軸上に設置することにより、供給粉末に付与される運動エネルギーが燃焼ガスの噴射方向とな異なる方向へ分散されることがなくなり、また、ラバルノズル３０やバレル４０の内壁への汚染や損耗を防ぐことができる。

単位時間当たりにパイロット燃焼室１０に供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比（圧縮空気／燃料）１～４であることが好ましい。単位時間当たりに第一燃焼室１２に供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比（圧縮空気／燃料）０．５～１．５であることが好ましい。また、単位時間当たりにパイロット燃焼室１０と第一燃焼室１２に供給される燃料の供給量の総量と、パイロット燃焼室１０と第一燃焼室１２及び第二燃焼室１６に供給される圧縮空気の供給量の総量とは、当量比０．２５～０．５であることが好ましい。

ラバルノズル３０は、底面が粉末供給室１８に隣接して配置された略円錐台形状の短円錐部、底面がバレル４０と隣接して配置された略円錐台形状の長円錐部から構成される。

バレル４０は、円柱形状に成形されており、ラバルノズル３０を通過した金属等が超音速の燃焼ガスとともに通過し、基材に向かって排出される。バレル４０の周囲は、冷却水が循環しており、バレル４０を通過する超音速ガス及び飛行粒子の速度減少及び温度上昇を防ぐ働きをする。さらに、金属等は、バレルを通過する燃焼ガスの流路の略中心軸上に供給されるため、バレル４０内は金属等で汚染及び損耗されにくくなる。

バレル４０の先端から基材までの溶射距離は、適宜調整されることが好ましい。溶射距離が短くなると、燃焼ガスの影響により基材の過熱が生じるなど悪影響を及ぼし、溶射距離が長くなると、金属等の基材に対する衝突速度が不十分となり、溶射皮膜の剥離が発生しやすい傾向にある。

ＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できる金属は、特に限定されないが、例えば、亜鉛、アルミニウム、チタン、銅、もしくはニッケルなどの金属、または、アルミニウム亜鉛、青銅、黄銅、もしくはニッケルクロムなどの合金などが挙げられる。

ＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できるセラミックスは、特に限定されないが、例えば、チタニア（酸化チタン）などの金属酸化物などが挙げられる。酸化チタンを通常の方法で溶射した場合はルチル型の結晶構造を有する溶射皮膜となるが、ＨＶＡＦ溶射装置１００では、比較的低温で溶射することが可能であるため、アナターゼ型の結晶構造を有した溶射皮膜（すなわち、光触媒活性を有した溶射皮膜）が得られる。また、これらセラミックスを溶射することで、タイル等の建築資材とすることも可能である。

ＨＶＡＦ溶射装置１００で溶射できる樹脂は、特に限定されないが、例えば、高分子ポリエチレンなどの熱可塑性エンジニアリングプラスチックが挙げられる。

ＨＶＡＦ溶射装置１００によって溶射皮膜ができる基材としては、例えば、アルミニウム、鉄、またはステンレスなどが挙げられる。また、上記基材には、アンダーコート処理やブラスト処理などの前処理を行っても良い。なお、基材の厚さは必要に応じて、適宜調整することが好ましく、基材の厚さが薄くなると、溶射をした後に基材に歪みが生じてしまう傾向にある。

１００ ＨＶＡＦ溶射装置
１０ パイロット燃焼室
１１ 燃料供給口
１２ 第一燃焼室
１２ａ 内管
１２ｂ 外管
１３ａ 燃料供給口
１３ｂ 燃料・圧縮空気供給路
１３ｃ 燃料等噴出口
１３ｄ 圧縮空気供給口
１４、１４ａ、１４ｂ スワール流供給口
１５ 点火機構
１６ 第二燃焼室
１７ 温度調整室
１８ 粉末供給室
１９ 粉末供給路
２０ 粉末出口負圧発生機構
３０ ラバルノズル
４０ バレル

Claims (9)

1. 燃料と圧縮空気を燃焼させることで、金属、セラミックス又は樹脂を溶射するＨＶＡＦ溶射装置における燃焼機構であって、
   燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成するパイロット燃焼室と、
   パイロット燃焼室で生成された燃焼ガスが供給され、且つ、新たに供給された燃料と圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する第一燃焼室と、
   第一燃焼室へ燃料及び／又は圧縮空気を供給する燃料等供給路と
   を備え、
   燃料等供給路が第一燃焼室又はパイロット燃焼室の近傍に設けられ、第一燃焼室又はパイロット燃焼室で発生した燃焼熱により燃料等供給路内の燃料と圧縮空気の温度を上昇させる、燃焼機構。
2. 内管と外管から構成される二重管構造を有するものであり、二重管構造の内管の内側が第一燃焼室であり、二重管構造の内管と外管との間に、燃料等供給路が設けられている、請求項１に記載の燃焼機構。
3. 単位時間あたりにパイロット燃焼室に供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比１～４である、請求項１又は２に記載の燃焼機構。
4. 単位時間あたり第一燃焼室に供給される燃料と圧縮空気の供給量は、当量比０．５～１．５である、請求項１～３のいずれかに記載の燃焼機構。
5. 第一燃焼室にて生成した燃焼ガスが供給される第二燃焼室を備え、
   単位時間当たりにパイロット燃焼室と第一燃焼室に供給される燃料の供給量の総量と、パイロット燃焼室、第一燃焼室、及び第二燃焼室に供給される圧縮空気の供給量の総量とは、当量比０．２５～０．５である、請求項１～４のいずれかに記載の燃焼機構。
6. パイロット燃焼室及び第一燃焼室の内壁に沿ったスワール流を発生させるスワール流供給口を備えた、請求項１～５のいずれかに記載の燃焼機構。
7. 燃料と圧縮空気が、二流体ノズルにより混合されてパイロット燃焼室及び／第一燃焼室へ供給される、請求項１～６のいずれかに記載の燃焼機構。
8. 第一燃焼室にて生成した燃焼ガスが供給される第二燃焼室と、
   生成した燃焼ガスを冷却する温度調整室と
   を備え、
   第二燃焼室が、生成した燃焼ガスの補助燃焼と温度調整を行う、請求項１～７のいずれかに記載の燃焼機構。
9. 燃料及び／又は圧縮空気を燃料等供給路からパイロット燃焼室内に噴射する燃料供給口と、
   燃料供給口の噴射方向への延長線上の位置に存在しないように配置され、燃料への点火を行う点火機構とを備える、請求項１～８のいずれかに記載の燃焼機構。

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