JP7412416B2 - 材料を表面処理するための装置および方法 - Google Patents
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Description
本発明は、粒子を充填することができる液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによる材料の表面処理装置に関する。この装置は、出口オリフィスが作られた下流壁によって閉じられた混合チャンバと、入口開口部および出口開口部を有し、出口パイプとして機能する集束バレルを含む。バレルの入口開口部は、混合チャンバの出口オリフィスと流体接触するように混合チャンバに固定されるように設計されており、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットは、 入口開口部から出口開口部まで集束バレルを通過しなければならない。本発明は、また、粒子を充填することができる液体窒素、超臨界極低温窒素または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによる材料の表面処理方法にも関し、これは、特に、本発明の装置を使用して、例えば、パーツの剥離、テクスチャリング、洗浄、構造化、および表面準備のための方法である。
材料の表面処理、特に、その剥離するために、種々の方法が知られている。
サンドブラストまたはショットブラストは、「ピストル」と呼ばれるツールを使用して、砂の研磨剤粒子（サンドブラスト）、セラミック研磨剤粒子（例えば、コランダム）、またはメタルショット研磨剤粒子（ショットブラスト）を非常に低い圧力（５～２０ｂａｒ）の圧縮空気で吹き付けて使用する。空気の速度によって生成されたベンチュリ効果を使用して、研磨剤を、吹き付けピストルの中にある混合チャンバ内の圧縮空気の流れに加える。次いで、粒子と空気の混合物は、幾何学的形状が用途によって異なる「ノズル」と呼ばれる導管内で発生する空気の膨張によって加速される。吹き付けノズルは、円形または長方形の横断面を有することができ、その長さは可変である。特定の用途では、その長さが３００ｍｍに達することもある。
サンドブラストまたはショットブラストは、特に、塗料または錆を剥離するために、あるいはコーティングまたは塗料を堆積させる前に表面を準備するために使用される。それは、乾式法を使用した作業が可能であり、その浸食力は、基板中に拡散しない塗料または酸化物など、冶金学的または化学的接着強度が低い堆積物にとって非常に興味深い。広い面積を処理し、サンドブラスト機またはショットブラスト機を作業現場に容易に運ぶことができる。
この方法の欠点は、特に、大量の有毒廃棄物を生成するので、それを処理または保管する必要があるという事実にある。さらに、研磨剤の吹き付けによって発生する埃によって、この環境での作業が困難になる。さらに、この手法は、例えば、チタンベースの材料内で、酸素の発散によって形成される酸化物などの接着性の高い堆積物（強い冶金学的または化学的付着）には機能しない。加えて、自動化することはできず、オペレータはリスクを伴うため、オペレータは、個人用保護具を着用しなければならない。
また、金属基板中に拡散した硬質酸化物を含む塗料または酸化物の層を除去するために酸または溶剤を使用する化学的技術も知られている。チタンまたはＴＡ６Ｖ（Ｔｉ－６ＡＩ－４Ｖ）のようなチタン合金基板中に拡散した非常に耐性のあるＴｉＯ２（アルファケース）のような酸化物の剥離に関する場合、通常、ＨＮＯ３やＨＦなどの強酸を使用する。
この化学的方法は、塗料、樹脂などの有機コーティングを剥離するために、あるいは金属酸化物を除去するために使用される。この方法で、酸浴または溶媒浴の中で、複雑な形状を有するパーツを処理することが可能になる。
しかしながら、高温浸漬プロセスであるため、高温の酸の存在に関連する危険がある。こうした施設は、ＩＣＰＥ（ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｃｌａｓｓｅｅ ｐｏｕｒ ｌａ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅ ｌ’ｅｎｖｉｒｏｎｎｅｍｅｎｔ［環境保護指定施設］）に分類され、少なくとも１つの承認が必要である。酸浴または溶媒浴は、毎日、微調整が必要である。浴の再処理、特にフッ化水素酸浴の再処理は、このプロセスにとって、追加の欠点となる。処理ラインの設備は、各操作に特有であり、酸化物層を剥離するためのラインは、敏感な基板上の塗料を剥離するためのラインと互換性ない。
第三の既知の技術は、高密度下の超臨界極低温窒素の高圧ジェットで処理される材料上に吹き付けることからなる剥離技術である。このプロセスの原理は、高圧（最高３，８００ｂａｒ）低温（最低－１８０℃）下で、最初に存在する窒素の膨張に起因するジェットで、高速（５００～８００ｍ／ｓ）の衝撃を与えることにある。
この技術の実施に必要な装置は、粒子用の入口導管と、粒子を充填したジェット用の出口オリフィスを備えた円筒状混合チャンバを含む。チャンバは、炭化タングステン製の集束管または集束バレルの入口開口部に密着して取り付けられる。この集束管または集束バレルを、２つの部分に分割されたパイプが通過する。すなわち、円錐台形状を有し、収束する上流部分と、これに続いて、ミリメートルオーダーの寸法を有する長い円筒状オリフィスを形成する円筒形状を有する下流部分である。このオリフィスを介して、ガスが屋外に逃げて膨張し、処理されるべき材料に衝突するようになるジェットを形成する。
この技術によって、塗料、ポリマー、ワニスまたはグリースをベースとする堆積物を、基板に強く付着する酸化物を含む酸化物も含め、剥離することが可能になる。この技術は、また、塗料を堆積させる前の表面を準備するためにも使用される。
この技術は、乾式法によって、敏感な環境でも、作業が可能であり、廃棄物を増やすことも、オペレータにも環境にも危険を及ぼすことはない。この技術は、高い浸食力を有するので、基板中の塗料または酸化物のように、強い冶金学的または化学的接着性を有する堆積物を除去することが可能になる。同じプロセスで、バリ取りまたは切断をするステップを提供することもできる。同じ窒素発生装置と同じロボットを使用すると、特定のプログラムと設定のおかげで、チタンまたはＴＡ６Ｖなどのその合金を処理し、基板から、あるいは金属部品または複合部品から塗料を剥離することができる。このようにして、大きな表面を処理することができ、機械を作業現場に輸送することも可能になる。
しかしながら、この機械には、集束バレルがランダムに詰まることが多いという欠点がある。このようにブロックされたり詰まったりする傾向があると、処理または剥離システムが非効率になる。研磨剤粒子の入口パイプが、氷の形成によってブロックされることもある。その結果、極低温ガスの一部分は、完全に下流の集束バレルに流れ込まずに、このパイプ内で還流する。さらに、粒子を吸引する前に、数分間（約５分間）待つ必要がある。実際、プロセスの開始時に、ガスジェットは高温なので、チャンバの容積を占有し、粒子の吸引に必要なベンチュリ効果の形成を妨げる。ガスが高密度または超臨界になるまで、一定期間（数分）待つ必要があり、その後、そのジェットの直径は、集束管または集束バレルの直径に比例して、より薄く、より小さくなる。この期間は、これ以上短くすることはできない。この期間は、高密度の円筒状流れを形成するために、混合チャンバ内の窒素ジェットを冷却する期間に対応するからである。この流れの直径は、集束バレルの円筒状出口パイプの直径に最大で等しい。ガスジェットの冷却期間が経過した後でも、粒子が混合チャンバに吸引されないことは、しばしばある。これは、混合チャンバ内の真空度が不十分なためである（ベンチュリ効果）。別の欠点は、ほとんどの研磨剤粒子が窒素ジェットの中心に吸引されないため、これらの粒子が、窒素ジェットによって十分に加速されないという事実にある。そのため、これらの粒子の大半は、高密度なガスジェットまたは超臨界ガスジェットを包む密度の低いガス層の中に残る。これにより、処理または剥離の性能が非常に低くなり、処理または剥離すべき表面へのジェットの衝撃幅が狭くなる。実際、ジェットのエネルギーは、衝撃の中心に集中し、その結果、処理または剥離が不均質になる。つまり、ジェットの軸内の基板材料の劣化を伴う過剰処理または過剰剥離された第一のゾーンと、処理不足または剥離不足、それゆえ、部分的に処理または剥離された第二の周辺ゾーンが生じる。最後に、研磨剤粒子が充填された窒素のフリージェットの直径は、小さく（１～２ｍｍ）、これは、集束バレルの出口オリフィスの直径に近い。剥離ゾーンを最適化するには、２０～２００ｍｍに達することもあり得る発射距離を長くする必要があり、このことによって、粒子が横方向に吹き付けられ、ワークステーションの汚染を招く。また、発射距離を長くすると、ジェットのエネルギーが低下し、その処理効率も低下する可能性もある。その結果、処理の品質管理が不十分になり、生産性が低下する。円筒状出口パイプを備えた従来のバレルを使用するこのシステムの別の問題は、その中心でジェットのエネルギー密度が増加し、その結果、ジェットの下の材料が押しつぶされることである。この変形により、衝撃を受けた材料に大きな機械的応力が生じ、処理された基板材料の上層に残留圧縮応力が発生する。結果として生じる表面硬化は、例えば、機械加工による特定の工業的仕上げプロセスにおいて問題となる。
本発明の目的は、粒子を充填することができる液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによる表面処理の技術を改善し、上述の欠点を回避することである。
この目的は、集束バレルが、次々に配置された連続する３つの部分を有する中空管によって構成される拡散集束バレルである前文に従った装置によって達成される。この３つの部分は、具体的には、
・拡散集束バレルの入口開口部の側に位置する収束部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が収束する、収束部分と、
・内面が円筒状であるネックと、
・拡散集束バレルの出口開口部で終わる発散部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が発散する、発散部分と、
である。
・拡散集束バレルの入口開口部の側に位置する収束部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が収束する、収束部分と、
・内面が円筒状であるネックと、
・拡散集束バレルの出口開口部で終わる発散部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が発散する、発散部分と、
である。
発散部分によって、ジェットが急速に膨張し、そのジェットが含有する粒子を加速することが可能になる。本発明の装置のおかげで、剥離または表面処理の速度が現状技術水準の方法と比較して２倍以上になり、こうして、サイクル時間が短縮され、製造コストが削減される。さらに、剥離または処理の品質が改善される。発散部分の発散角は、処理または剥離されるべき表面上のジェットのインプリント幅または衝撃幅を多かれ少なかれ増加広げるように、ニーズに応じて適合される。発散部分のない集束バレルから来る窒素ジェットと比較して、処理または剥離されるべき表面へのジェットのインプリント幅または衝撃幅は、硬い層、またはチタン合金ＴＡ６Ｖ中のアルファケースなどの基板に化学的に拡散した層を除去するために３倍以上にすることも、あるいは基板の中に拡散していない酸化物の層を、酸化鉄（腐食）の層を含め、除去するために５倍以上にすることもできる。さらに、現状技術の装置で知られているようなジェットのブロックおよび詰まりの問題も排除される。機械装置は、互換性があり、超臨界極低温窒素の加圧ジェットを使用する現在の機械に簡単に取り付けることができる。したがって、この装置によって、表面に加えられる力を制御し、所望のニーズに応じて、表面の機械的特性を変更するために、あるいは変更しないために、処理すべき材料に対するジェットの衝撃エネルギーを調整することができる。このために、ジェットの速度および／または粒子のサイズおよび機械的特性を適合させることができる。ジェットは、その衝撃面に均質な構造を有する。例えば、衝撃を受けた材料が押しつぶされることを大幅に減らすことができ、これは、衝撃を受けた表面の変形をほとんど引き起こさないか、あるいは全く引き起こさず、処理された基板材料の表面層に対する残留圧縮応力は、非常に低いか、あるいはゼロでさえある。この結果は、表面硬化が制御され、機械加工による仕上げ作業が容易になるため、興味深いものである。逆に、例えば、大口径および／または高速なジェット速度の粒子を選択することにより、処理されるべき表面のハンマーリングを実行することもできる。
発散部分の内面の発散角は、表面に対する接線と拡散集束バレルの回転軸との間で規定される。発散角は、バレルの全長にわたって一定にすることができる。また、変えることもできる。この場合、ネックから離れるほど発散角が小さくなり、発散の効果が弱くなる。発散を和らげて、シリンダーの近くに円錐形のジェットを形成することにより、ジェットが拡散集束バレルを離れる準備をする。これは、連続的に実行することも、あるいは段階的に実行することもできる。
したがって、２つの異なる場合、すなわち、
・発散部分の内面の発散が、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で連続的である場合と、あるいは、
・発散部分の内面の発散が、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で不連続である場合
がある。
・発散部分の内面の発散が、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で連続的である場合と、あるいは、
・発散部分の内面の発散が、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で不連続である場合
がある。
第一の場合、発散部分の内面の発散は、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で一定であり得、その結果、発散部分の内面は、円錐台形状を有する。内面の円錐形状は、その全長にわたって拡散集束バレルの外面を形成するシリンダーに内接している。
発散は、一定でなくても、連続していることがある。発散部分の内面は、例えば、ネックを離れるときに発散が最大になり、バレルの出口で最小値に達するまで徐々に減少するように、放物線であってもよい。
不連続の解決策では、発散部分の内面を、それぞれが円錐台形状を有する少なくとも２つの連続するセクションに分割でき、円錐の母線と回転軸の間に形成される各セクションの円錐角は、ネックに隣接する最初のセクションと拡散集束バレルの出口に隣接する最後のセクションとの間で、あるセクションから別のセクションへと、徐々に小さくなる。単純な実施形態では、２つのセクションがある。これらのセクションの長さは、必ずしも同じである必要はない。
拡散集束バレルの製造を容易にするために、拡散集束バレルを２つの別個のパーツに分割して、一緒に組み立てることができる。第一のパーツは、例えば、収束部分と、ネックと、発散部分の上流部分とを備え、一方、第二のパーツは、発散部分の下流部分を備える。
第一のパーツに位置する上流部分の発散は、好ましくは、第二のパーツに位置する下流部分の発散以上である。ここでも、各部分の内面は、円錐台形であっても、あるいは一定でない発散を有してもよい。
本発明によれば、混合チャンバは、管状壁によって構成され、管状壁は、好ましくは円筒状または楕円状で、一方の側面がジェットの入口オリフィスを備えた上流壁によって、他方の側面がジェットの出口オリフィスを備えた下流壁によって閉じられている。ジェットの入口オリフィス、ジェットの出口オリフィス、収束部分、ネック、およびバレルの発散部分は、混合チャンバを通過する共通の軸上に整列している。そのような混合チャンバは、以下の全ての特性を備え、本発明による拡散集束バレルと従来の集束バレルの両方で使用することができる。
本発明の好ましい実施形態において、軸に垂直な混合チャンバの最大幅は、好ましくは、軸に平行な混合チャンバの高さ以上である。混合チャンバが円筒状の場合、広い幅は円筒の直径に対応する。混合チャンバが楕円状の場合、楕円の長軸に対応する。いくつかの用途では、チャンバの高さは、その広い幅よりも大きいこともある。軸は、管状壁の中心に対してオフセットされていることが好ましい。この構成により、極限環境で、二重状態（高密度または超臨界極低温ジェットと、その高密度ジェットの周辺で膨張したガスの流れ）のガスの存在とともに、真空を作り出すことが可能になる。混合チャンバは、ガスおよび粒子のジェット注入リングに類似している。注入リングの幾何学的形状により、混合チャンバの容積内で、ノズルの出口での窒素ジェットの急速な膨張によって引き起こされる圧縮／膨張の複雑な二重状態を管理することが可能になる。
本発明の装置は、粒子が充填された加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素とともに使用される場合、粒子供給導管は、管状壁を通過し、粒子入口開口部を介して混合チャンバに通じることができる。粒子流の入口を液体窒素、超臨界極低温窒素または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットから遠ざけるために、粒子入口オリフィスと軸との間の距離は、軸と粒子入口オリフィスの反対側の管状壁の部分との間の距離よりも大きいことが好ましい。粒子が液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットと垂直に衝突するのを防ぐために、粒子供給導管が混合チャンバの下流部分に向かって傾斜していることが好ましい。
本発明の展開において、ジェットの入口導管は、上流壁を通過し、ジェットの入口オリフィスを介して混合チャンバに通じ、ジェットの入口導管は、ジェットの軸と整列している。ジェットの入口導管の上流端には、ノズルが設けられ、このノズルを介して、ジェットの入口導管の断面よりも小さい断面を有するオリフィスが通過する。ノズルの上流面は、好ましくは、平坦であり、ジェットの軸に対して垂直である。ノズルは、一般に加圧液体窒素、超臨界極低温窒素または極超臨界極低温窒素の生成器の一部であるコリメーション管と呼ばれる導管とジェットの入口導管との間の接合部に、ノズルの上面がコリメーション管の壁に対して平坦な底を形成するように、配置される。ノズルを集束管と組み立てるには、断面を直角に変えて行う。加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素は、拡散集束バレルで再収束される前に、コリメーション管を通過し、ノズルオリフィスを通過し、混合チャンバ内で膨張する必要がある。上流面が平坦でジェットの軸に垂直なノズルは、本発明による混合チャンバの有無にかかわらず、本発明の拡散集束バレルの有無にかかわらず、従来の装置でも使用できることに留意されたい。
本発明は、また、粒子を充填することができる液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによる材料の表面処理装置用の集束バレルにも関し、上記バレルは、入口開口部および出口開口部を有する。本発明によれば、集束バレルは、次々に配置された連続する３つの部分を有する中空管によって構成される拡散集束バレルであり、この３つ部分は、具体的には、
・拡散集束バレルの入口開口部の側に位置する収束部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が収束する、収束部分と、
・内面が円筒状であるネックと、
・拡散集束バレルの出口開口部で終わる発散部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が発散する、発散部分と、
である。
・拡散集束バレルの入口開口部の側に位置する収束部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が収束する、収束部分と、
・内面が円筒状であるネックと、
・拡散集束バレルの出口開口部で終わる発散部分であって、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの流れ方向から見て、その内面が発散する、発散部分と、
である。
この拡散集束バレルは、混合チャンバで使用できる。しかしながら、ジェットに粒子が充填されていない場合、加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の発生器のコリメーション管で直接使用することもできる。この場合、例えば、コリメーション管と拡散集束バレルとの間の界面で、ジェットの軌道にノズルを配置することが好ましい。必要に応じて、バレルの入口開口部は、混合チャンバの出口オリフィスと流体接触するように混合チャンバに固定されるように、あるいは上記コリメーション管の出口オリフィスと流体接触するように加圧液体窒素、超臨界極低温窒素または極超臨界極低温窒素の発生器のコリメーション管に固定されるように設計することができる。
上述のように、発散部分の内面の発散は、ネックと拡散集束バレルの出口開口部との間で連続的であっても、不連続であってもよい。
発散部分の内面の発散は、拡散集束バレルのネックと出口開口部との間で一定とすることができ、その結果、発散部分の内面は、円錐台形状となる。発散は、一定でなくても、連続していることがある。
不連続の解決策では、発散部分の内面を、それぞれが円錐台形状を有する少なくとも２つの連続するセクションに分割でき、円錐の母線と回転軸の間に形成される各セクションの円錐角は、ネックに隣接する最初のセクションと拡散集束バレルの出口に隣接する最後のセクションとの間で、あるセクションから別のセクションへと、徐々に小さくなる。
拡散集束バレルは、２つの別個のパーツに分割して、一緒に組み立てることができる。第一のパーツは、例えば、収束部分と、ネックと、発散部分の上流部分とを備え、一方、第二のパーツは、発散部分の下流部分を備える。第一のパーツに位置する上流部分の発散は、好ましくは、第二のパーツに位置する下流部分の発散以上である。ここでも、各部分の内面は、円錐台形であっても、あるいは一定でない発散を有してもよい。
本発明の目的は、また、粒子を充填することができる液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによる材料の表面処理方法によっても達成される。本発明によれば、この方法は、以下のステップ、すなわち、
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットを混合チャンバに導入するステップと、
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットを、収束断面を有する導管を通過させ、次いで、一定断面を有する導管を通過させ、次いで、発散断面を有する導管を通過させることによって、混合チャンバから排出させるステップと、
を含む。これらの種々の導管は、この順序で組み立てられ、拡散集束バレルを形成する。
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットを混合チャンバに導入するステップと、
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットを、収束断面を有する導管を通過させ、次いで、一定断面を有する導管を通過させ、次いで、発散断面を有する導管を通過させることによって、混合チャンバから排出させるステップと、
を含む。これらの種々の導管は、この順序で組み立てられ、拡散集束バレルを形成する。
液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットに粒子を充填する必要がない場合、本発明の集束拡散法は、必ずしも混合チャンバを通過することなく、特に、加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の発生器から直接出る液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットを集束拡散させることによって、直接使用できることに留意されたい。ジェットは、収束断面を有する導管を通過する前に、ノズルを通過することができる。
混合チャンバ内で粒子が充填されることもある液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素は、バレルの収束部分で集束され、圧縮され、次いで、円筒状ネックを通過し、その中で均質化され、安定化され、その後、迅速に、制御された方法で、下流端がアプリケーションツールを構成する発散部分で膨張される。
粒子を混合チャンバ内に導入し、混合チャンバ内で液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの少なくとも一部と混合し、ガスジェット／粒子混合物を形成することができる。粒子は、好ましくは、混合チャンバ内で液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットが通過することによって生成されるベンチュリ効果によって混合チャンバ内に吸引される。粒子は、また、推進によって導入することもできる。液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットは、較正済オリフィスを有するノズルを通過させることによって、混合チャンバ内に注入することができる。
目的の用途に応じて、
粒子が球形または非球形の形状を有すること、および／または、
粒子がナノ構造であること、および／または、
粒子が球形または非球形を有すること、および／または、
粒子がナノ構造であること、および／または、
粒子がガラス、セラミック、金属、ポリマー、木材、生物学的材料、または複合材料をベースとすること、および／または、
粒子が単一の材料または少なくとも２つの異なる材料から作られること、および／または、
粒子がハイブリッドの形態、特に、コアを全体的または部分的にコーティングする材料のエンベロープの形態であって、そのコアが別の材料で作られている、エンベロープの形態であること、
ができる。
粒子が球形または非球形の形状を有すること、および／または、
粒子がナノ構造であること、および／または、
粒子が球形または非球形を有すること、および／または、
粒子がナノ構造であること、および／または、
粒子がガラス、セラミック、金属、ポリマー、木材、生物学的材料、または複合材料をベースとすること、および／または、
粒子が単一の材料または少なくとも２つの異なる材料から作られること、および／または、
粒子がハイブリッドの形態、特に、コアを全体的または部分的にコーティングする材料のエンベロープの形態であって、そのコアが別の材料で作られている、エンベロープの形態であること、
ができる。
本発明の方法は、金属酸化物またはセラミック酸化物、特に、チタン合金ＴＡ６Ｖ中のアルファケースまたはアルミニウム中のアルミナＡｌ２Ｏ３のように、それらが基板に拡散しているか、あるいは拡散していないかにかかわらず、基板に強い接着性を有するものを剥離するために使用することができる。また、機械加工前、金属コーティングもしくは非金属コーティング、または塗料もしくはポリマーなどの機能層の堆積前の表面の処理または準備、あるいはコーティング、特に塗料、ポリマーベースの堆積物、ワニス、またはグリースの剥離にも使用できる。また、テクスチャリングをインプリントして表面の構造を変更するために、表面粗さもしくは特定の表面トポグラフィを作成するために、あるいは表面のピーニング、特にハンマーリングおよび加工硬化のためにも使用できる。この方法は、特に基板上に粒子を埋め込むことによって、基板上に表面層を作成するためにも使用できる。特に、金属粒子（銅、銀、アルミニウム、鉄または合金の粒子、例えば、鋼粒子）または非金属粒子（ポリマー、木またはガラスの粒子、さらには抗生物質や医薬品などの生物学的粒子など）を、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェット内に導入することによって、これらの粒子を金属基板または（例えば、高分子材料、エラストマー材料、木材または繊維材料からなる）非金属基板に機械的に埋め込むことも可能になる。このようにして、粒子は、処理された表面を歪めることなく、また一部の領域に過度に集中することなく、堆積物を均一に分布させて、基板に埋め込むことができる。
この埋め込みの特に興味深い用途は、ポリマー、ポリマー・マトリックス複合体、エラストマー、木材または織物基板の金属化であり、これによって、それらに電気的、熱的、電磁波導電性および／または金属的外観を与える。このように作成された粒子の層は、例えば、コールドスプレーまたは金属材料を堆積する別の方法によって、将来の堆積のベースとしても機能する。
別の興味深い用途は、木材または繊維材料への抗菌粒子の堆積であり、これらの基板に抗菌特性を付与する。
本発明の実施形態の例を、概略的に示す図面を参照して、以下に説明する。
本発明は、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットによって材料を表面処理するための装置および方法に関する。所望の用途に応じて、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットに粒子を充填することができる。以下では、粒子が充填された液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素のジェットを使用する例について説明する。この例には、制限する効果はない。
この例は、限定的な効果を有さない。
この例は、限定的な効果を有さない。
図１ａおよび図１ｂに示す装置は、本質的に以下のパーツ、すなわち、
・混合チャンバ（１０）と
・拡散集束バレル（２０）と、
・ノズル（６０）と、
・拡散集束バレルを混合チャンバに固定するのできる締付ナット（５０）と、
から構成される。混合チャンバ（１０）は、コリメーション管（３０）を介して、加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の発生器に接続される。この装置を、粒子が充填された加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素で使用する場合、粒子供給管（４０）を混合チャンバ（１０）に接続する。
・混合チャンバ（１０）と
・拡散集束バレル（２０）と、
・ノズル（６０）と、
・拡散集束バレルを混合チャンバに固定するのできる締付ナット（５０）と、
から構成される。混合チャンバ（１０）は、コリメーション管（３０）を介して、加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の発生器に接続される。この装置を、粒子が充填された加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素で使用する場合、粒子供給管（４０）を混合チャンバ（１０）に接続する。
窒素ジェットは、コリメーション管（３０）、ノズル（６０）、混合チャンバ（１０）および拡散集束バレル（２０）を順次通過することによって装置を通過する。慣例により、「上流」という用語は、窒素ジェットが上記パーツに入るこれらのパーツの部分に使用され、「下流」という用語は、窒素ジェットがそのパーツを出る部分に使用される。
図３ａ、図３ｂおよび図３ｃは、管状形状を有する混合チャンバ（１０）を示す。ここに提示された例では、このチャンバは、円筒状である。このチャンバは、内軸方向面が円筒状である管状壁（１１）により構成されている。管状壁は、その上流端および下流端で、それぞれ、好ましくは放射状である上流壁（１２）および下流壁（１３）によって閉じられている。
ジェットの入口導管（１４）は、上流壁（１２）を直接通過する。ジェットの入口導管（１４）は、チャンバ入口オリフィス（１４１）によって混合チャンバに通じている。コリメーション管（３０）は、ジェットの入口導管（１４）の外端に設けられたハウジング（１４２）に収容されたノズル（６０）の上部平坦表面に対して垂直に密封されて固定されている。
ジェットの出口導管（１５）は、下流壁（１３）を直接通過する。ジェットの出口導管（１５）は、その直径（ｄ２）よりも小さい直径（ｄ１）を有するチャンバ出口オリフィス（１５１）によって混合チャンバに通じている。ジェットの出口導管は、ガイドとして、また拡散集束バレル（２０）のハウジングとして機能する。
固定エンドピース（１７）は、下流壁（１３）の外面からチャンバの外側に向かって突出し、同軸導管（１７１）は、固定エンドピースを通過するジェットの出口導管（１５）と同じ直径を有する。すなわち、２つの導管（１５、１７１）は、互いに整列し、連続している。固定エンドピース（１７）は、拡散集束バレル（２０）を、締付ナット（５０）によって混合チャンバ（１０）に固定するのに役立つ。したがって、ジェットの出口導管（１５）と固定エンドピース（１７）の導管（１７１）は、一緒になってバレル保持導管（１５、１７１）を形成する。拡散集束バレル（２０）の上流端の外面は、導管（１５、１７１）に貫通し、出口開口部（１５１）を囲む壁に当接している。
ジェットの入口導管（１４）とジェットの出口導管（１５）は、好ましくは、円筒状である。これらの導管は、チャンバ入口オリフィス（１４１）およびチャンバ出口オリフィス（１５１）、コリメーション管（３０）および固定エンドピース（１７）の導管（１７１）と同様に、混合チャンバを通過する同じ軸（Ａ）上に整列される。軸（Ａ）は、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素のジェットの経路に対応する。管状壁（１１）の軸方向内面は、好ましくは、軸（Ａ）に平行である。
円筒壁（１１）は、固体粒子を窒素ジェットに導入するのに役立つ粒子供給導管（１６と、直接交差している。粒子供給導管（１６）は、好ましくは、軸（Ａ）に垂直な平面に対して、混合チャンバの下流部分に向かって傾斜している。研磨粒子は、例えば、混合チャンバ（１０）を通過する窒素の循環によるベンチュリ効果によって、混合チャンバに吸引され、これにより、空気の流れが導管（１６）を通ってチャンバに入る。粒子は、空気注入システムによって混合チャンバ内に押し込むこともできる。
ノズル（６０）は、ジェットの入口導管（１４）の入口（１４２）に配置されている。ノズルは、較正済オリフィス（６１）が貫通している。ノズルは、コリメーション管（３０）とジェットの入口導管（１４）との接合部に配置される。その上流面は平坦であり、コリメーション管（３０）の軸（Ａ）に垂直であり、ノズルのこの上流面とコリメーション管の下流端が平坦な底を形成するようになっている。混合チャンバは、コリメーション管（３０）に、しっかりとねじ込まれる。
注入リングの役割を果たす混合チャンバ（１０）は、ノズル（６０）を出る高密度液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素のジェットを取り囲む膨張した周辺ガスが存在する極端な環境で十分な真空を作り出すことを可能にするように設計された特定の幾何学的形状を有する。混合チャンバ（１０）の幾何学的形状は、一方では膨張した周辺ガスによって、他方では高密度の加圧ガスジェットによって、混合チャンバの内部容積に形成された複雑な二重状態を最適に管理できなければならない。この混合チャンバ（１０）は、その直径（Ｄ）およびその高さ（Ｈ）によって特徴付けられる。直径は軸（Ａ）に垂直に測定され、高さは軸（Ａ）に平行に測定される。粒子供給導管（１６）は、円筒壁（１１）が軸（Ａ）から最も遠い場所、すなわち、距離（Ｄ１）で、混合チャンバに通じている。円筒壁（１１）が軸（Ａ）に最も近い位置で、この場合は粒子供給導管（１６）の反対側で、軸（Ａ）の距離（Ｄ２）にある。したがって、直径（Ｄ）は、これら２つの距離（Ｄ１、Ｄ２）の合計に等しくなる。直径（Ｄ）は、高さ（Ｈ）以上であることが好ましいが、直径（Ｄ）は、場合によっては、高さ（Ｈ）未満でもよい。チャンバは、また、その出口開口部（１５１）の直径（ｄ１）によって特徴付けられる。
窒素ジェットの軸（Ａ）が、粒子供給導管（１６）の入口オリフィス（１６１）から離れた偏心位置にあるため、チャンバ内に横方向に入る空気と関連した粒子の流れによって生じるジェットへの妨害効果が大幅に減少する。実際、軸（Ａ）が偏心位置にあるので、粒子と空気の流れる速度は、適切に遅くなる。これにより、粒子および流入空気は、通過する混合チャンバ内の高密度の超音速超臨界ジェットを囲む膨張窒素の外層（混合エンベロープ）の中に、最初に、浸透することができる。したがって、粒子、周辺の膨張ガス、および超臨界ガスジェットで構成される複雑な混合物の形成が起こる。この効果は、粒子供給導管（１６）がジェットおよび混合チャンバの下流部分に向かって傾斜することによって促進されるので、増幅され、粒子はチャンバの下流に向かって収束する配向入射角で窒素ジェットと接触する。また、粒子供給オリフィス（１６１）に対するジェットの軸（Ａ）が偏心位置にあることも、粒子供給導管における氷形成の問題を回避する。
ノズル（６０）のオリフィス（６１）は、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットが混合チャンバに入る前に加速するのに役立つ。一般に、現状技術のノズルの上流面は円錐形であり、ガスの流れ方向に狭まり、オリフィスで終わる。逆に、本発明では、ノズルの上流面は、ガスジェットの軸（Ａ）に垂直な平坦面を形成する。さらに、コリメーション管（３０）の円筒状の内壁に、できるだけ近づけて配置されている。理想的には、ノズルの上流面は、コリメーション管の円筒部分の直接の延長上にあるべきである。実際には、良好なシールを得るために、コリメーション管と混合チャンバとの間の接触面を円錐形にして、ノズルの上流面が、コリメーション管の下流円筒部分に可能な限り近くなるようにしながら、完全には接触しないようにする必要がある場合がある。より適切に制御されて、外乱の少ないジェットによって、粒子の吸引とエネルギーに関してより良い結果が得られた。
拡散集束バレル（２０）は、二つの役割を果たすように設計されている。一つは、混合チャンバ（１０）内に一定の十分な真空を生成することによって機械的バランスを保証することであり、もう一つは、拡散集束バレル（２０）の出口に均質に分布したエネルギー密度を有する粒子が充填された窒素ジェットを形成することである。このために、バレル（２０）は、窒素ジェットの流れ方向に、次々に配置された連続する３つの部分、すなわち、収束部分（２１）、ネック（２２）、および発散部分（２３）を有する中空管によって構成される。収束部分では、ガスと粒子のジェットを集束し、部分的に再圧縮する。膨張した窒素のエンベロープは、そのエンベロープが含み、超臨界ジェットを取り囲む粒子とともに、圧縮されてネックに向けられる。次いで、ジェットは円筒形状のネック（２２）を通過し、このネックでは、粒子は液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットのコアに入り、最適なガス／粒子混合物を得て、ガスジェットから下流の粒子への運動量の伝達を改善する。これにより、粒子を効率的に加速することが可能になる。このように均質化され、安定化されたジェットは、特定の容積および特定の形状を有する拡散発散部分（２３）において、制御された方法で急速に膨張し、ジェット内の粒子を最大に加速し、均質で理想的な方法で粒子の分布を得ることができる。この構成は、理想的には、粒子が充填されたガスジェットの熱機械的エネルギーを最大化し、それを衝撃ゾーン全体に均質に分散させて、基板に拡散した硬質材料を含む材料、その中でも、チタンとその合金ＴＡ６Ｖに拡散したアルファケース型の酸化物ＴｉＯ２、アルミニウムとその合金に拡散したアルミナＡｌ２Ｏ３の除去の効率を向上させることにつながる。拡散集束バレルから出てくるジェットは、ごくわずかに円錐形である。その膨張は、現状技術のバレルの場合のように、バレルの出口で起こるのではなく、発散部分で徐々に、制御された方法で起こる。これにより、ジェットのインプリントが大きくなり、処理する材料の表面に衝突したときに、ジェットの幾何学的形状（幅、深さ）をより適切に制御できるようになる。
図２は、拡散集束バレルの３つの例示的な実施形態を示す。
収束部分（２１）は、拡散集束バレルの上流セクションに位置する。ガスの流れ方向から見ると、その内面は収束している。この収束部分により、高密度ガス、周辺ガス、および超臨界ジェットを取り巻く粒子をネック（２２）に適切に向けることができ、こうして、混合チャンバ（１０）の真空を促進することができる。また、ジェットの焦点を合わせることもできる。収束部分（２１）は、好ましくは、円錐台形状を有する。
収束部分（２１）には、その内面が円筒状であるネック（２２）が続いている。このネックは、窒素ジェットを安定化させ、窒素ジェットへの粒子の浸透を促進し、粒子が充填されたガスの二相ジェットの運動エネルギー密度を均質化するのに役立つ。これにより、最適なガス／粒子の混合物を取得し、ガスジェットが下流の粒子へ向かう運動量の伝達を促進することが可能になる。これにより、粒子を効率的に加速することが可能になる。ネックの直径および長さは、重要なパラメータであり、一方で、ネック（２２）の直径は、混合チャンバ（１０）で得られる真空に直接作用し、ガス、粒子、窒素ジェットの混合物の機械的バランスを決定する。他方で、ネックの長さ（２２）は、ジェットの物理学およびバレルの発散部分の入口で、その熱機械的エネルギーの両方に作用する。
円筒状ネック（２２）には、拡散集束バレルの下流セクションに位置する発散部分（２３）が続いている。ガスの流れ方向から見ると、その内面は発散している。それは、拡散集束バレルの端部分である。これは、ジェットの拡散の物理的エンベロープを規定し、決定し、ジェットの膨張に伴って、半径方向に均質に分布した最大エネルギー密度を取得する。したがって、粒子が充填されたガスのジェットは、最大直径の円形形状を有し、均質な熱機械的エネルギー密度を有する。図２ａ～図２ｃに示す例では、発散部分の内面は、円錐台形状である。
図２ａに示すように、発散部分（２３）の直径は、連続的に一定して減少することがあり、したがって、この発散部分は円錐台形状になる。例えば、発散部分の内面を放物線形状とすることによって、連続的であるが、可変である発散部分を有することが可能であろう。非限定的な例として、そのような拡散集束バレルは、以下の寸法：
全長： １６０ｍｍ
収束部分（２１）の長さ： ３５ｍｍ
ネックの長さ（２２）： ２．６ｍｍ
発散部分（２３）の長さ： １２２．４ｍｍ
収束部分（２１）の収束角： ５．４６５°
発散部分（２３）の発散角： １．５７°
ネック（２２）の直径： １．８０ｍｍ
バレルの入口と出口の直径： ８．５０ｍｍ
バレルの外径： １０ｍｍ
を有することができる。
全長： １６０ｍｍ
収束部分（２１）の長さ： ３５ｍｍ
ネックの長さ（２２）： ２．６ｍｍ
発散部分（２３）の長さ： １２２．４ｍｍ
収束部分（２１）の収束角： ５．４６５°
発散部分（２３）の発散角： １．５７°
ネック（２２）の直径： １．８０ｍｍ
バレルの入口と出口の直径： ８．５０ｍｍ
バレルの外径： １０ｍｍ
を有することができる。
しかしながら、発散部分（２３）を、発散が減少していく少なくとも２つの連続するセクション（２３ａ、２３ｂ）に分割することも可能である。ここでも、各セクションの発散は一定であってもよく、すなわち、セクションの内面は、円錐台形であっても、あるいは可変であってもよい。ここに示す例では、円錐の母線と回転軸の間に定義された円錐角は、ネック（２２）の直後にある最初のセクション（２３ａ）と、バレルの下流出口の側にある最後のセクション（２３ｂ）との間で、あるセクションから別のセクションへと、徐々に小さくなる。図２ｂおよび図２ｃに示す例では、発散部分は、２つの円錐台状のセクション（２３ａ、２３ｂ）に分割されている。セクションの長さは、必ずしも同じではない。
図２ｃの例では、拡散集束バレル（２０）は、好ましくは分離できるように一緒に組み立てられた２つの別個のパーツ（２０ａ、２０ｂ）によって構成される。第一のパーツ（２０ａ）は、収束部分（２１）、ネック（２２）、および発散部分（２３）の上流部分（２３ａ）を有する。第二のパーツ（２０ｂ）は、例えば、上流部分（２３ａ）の少なくとも自由端を取り囲む固定セクション（２３ｃ）を介して取り付けることによって、第一のパーツ（２０ａ）に固定される。上流部分（２３ａ）の下流端の直径は、下流部分（２３ｂ）の上流直径と同一である。下流部分（２３ｂ）のテーパは、上流部分（２３ａ）のテーパと同一であってもよいが、図２ｂの例と同様のバレルを形成するために、より小さいことが好ましい。この２つのパーツ（２０ａ、２０ｂ）からなる解決策には、拡散集束バレルの製造が容易であり、各用途のニーズに応じてテーパを適合させることができるという利点がある。
拡散集束バレルは、粒子を追加することなく、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットとともに使用することもできる。この場合、混合チャンバは、粒子供給導管を有する必要はない。また、ジェットの軸（Ａ）が管状チャンバ（１１）に対して偏心している必要もない。別の解決策は、混合チャンバ（１０）を完全に省き、拡散集束バレル（２０）をコリメーション管（３０）の出口に直接、好ましくはノズル（６０）を挿入して固定することからなる。
ここに提示される例示的な実施形態では、混合チャンバ（１０）は、円筒形状を有する。デッドスペースを回避するために、その横断面（ジェットの軸（Ａ）に垂直）をより細長い形状、例えば、楕円形、または小さな辺が丸みを帯びた長方形にすることが可能であろう。ジェットに吸引されなかった粒子は、チャンバの管状壁（１１）に戻り、蓄積する危険がある。横断面の細長い形状を選択することによって、粒子は、ジェットに向かって（部分Ｄ２に蓄積する場合）、または吸引された粒子の流れに向かって（部分Ｄ１に蓄積する場合）、強制的に戻される。細長い管状チャンバの場合、粒子供給導管は、細長い形状の２つの端部の一方に開き、ジェットの軸（Ａ）は、細長い他方の端部に向かってオフセットされる。
加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素に粒子を充填する場合、球形または非球形を有する粒子を使用することも、あるいはナノ構造の粒子を使用することも可能であり、粒子はガラス、セラミック、金属、ポリマーまたは複合材料をベースとするものであってもよい。粒子は、単一の材料または少なくとも２つの異なる材料から作ることができる。限定するものではないが、粒子は、ハイブリッドの形態、例えば、コアを全体的または部分的にコーティングする材料のエンベロープの形態であって、そのコアが別の材料で作られている、エンベロープの形態であることができる。
混合チャンバ（１０）は、好ましくは、ステンレス鋼、例えば、ステンレス鋼３１６Ｌで作られる。拡散集束バレル（２０）は、好ましくは、炭化物、特に炭化タングステンで作られる。ノズル（６０）は、一般に、ダイヤモンド、サファイア、炭化タングステンで作られる。
ノズル（６０）は、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素（１４）の入口導管にではなく、コリメーション管（３０）内に、好ましくは、その下流端に配置することができる。
前述したように、ネック（２２）の直径および長さは、重要なパラメータである。それらは、用途の種類およびジェットの所望のエネルギーに従って選択される。ネック（２２）の直径は、必要に応じて、使用される粒子のサイズも考慮に入れる。ニーズに応じて、粒子のサイズは、剥離、表面粗さまたはトポグラフィの作成、テクスチャリングの場合は１～１，０００μｍから、ハンマーリングや加工硬化の場合は最大３ｍｍ以上まで変化し得る。剥離のために、あるいは表面テクスチャリングまたは表面粗さの作成のために、ネックの直径は、粒子の有無にかかわらず、１～３ｍｍの間で選択され得る。ハンマーリングまたは加工硬化の用途の場合、ネックの直径は、大きく（最大５ｍｍ以上）する必要がある。これらの値は、例として与えられるのもので、制限値ではない。ネックの長さは粒子の速度、したがって、ジェットの運動エネルギーに影響を及ぼす。ある長さまでは、ネックが長ければ長いほど、エネルギーは良好である。例えば、２～５０ｍｍの長さで、良好な結果を与えた。特に長いネックの場合、２つのパーツからなるバレルのバージョン（図２ｃを参照）が推奨される。この場合、第一のパーツ（２０ａ）は、収束部分（２１）およびネック（２２）のみを有することができ、第二のパーツ（２０ｂ）は、発散部分（２３）の全体を有することができる。
本発明の装置、特に混合チャンバは、図３ｂのように垂直に、水平に、または、より一般的には任意の空間的な向きで使用することができる。
本発明の装置のおかげで、剥離または表面処理の速度が２倍以上になり、処理された表面は、現状技術のプロセスと比較して、より均質で、より大きくなり、こうして、サイクル時間が短縮され、製造コストが削減される。この方法の性能により、チタンとその合金のアルファケースまたはアルミナなどの基板に化学的に拡散した酸化物の層を含め、最も柔らかい材料の層から最も硬い材料の層まで、除去することが可能になる。
１ 装置
１０ 混合チャンバ
１１ 管状壁、好ましくは円筒状または楕円状の管状壁
１２ 上流壁
１３ 下流壁
１４ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の入口導管
１４１ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の混合チャンバへの入口オリフィス
１４２ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の導管の入口におけるノズルのハウジング
１５ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の出口導管
１５１ 混合チャンバからの加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の出口オリフィス
１６ 粒子供給導管
１６１ 混合チャンバへの粒子入口オリフィス
１７ バレル保持エンドピース
１７１ バレル保持エンドピースの導管
Ｄ 混合チャンバの幅（チャンバが円筒状の場合は内径）
Ｄ１ 粒子入口オリフィスと、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの軸との間の距離（粒子入口側の吸引の偏心）
Ｄ２ ジェットの軸から粒子入口オリフィスに対向する管状壁までの距離
Ｈ 混合チャンバの内部高さ
ｄ１ 混合チャンバの出口オリフィスの直径
ｄ２ バレル保持導管の直径
Ａ 液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの軸
２０ 拡散集束バレル
２０ａ 拡散集束バレルの第一のパーツ
２０ｂ 拡散集束バレルの第二のパーツ
２１ 収束部分
２２ ネック
２３ 発散部分
２３ａ 上流セクション
２３ｂ 下流セクション
２３ｃ 第二のパーツの固定エンドピース
３０ コリメーション管
３１ 下流端
４０ 粒子供給管
５０ 締付ナット
６０ ノズル
６１ 注入オリフィス
１０ 混合チャンバ
１１ 管状壁、好ましくは円筒状または楕円状の管状壁
１２ 上流壁
１３ 下流壁
１４ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の入口導管
１４１ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の混合チャンバへの入口オリフィス
１４２ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の導管の入口におけるノズルのハウジング
１５ 加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の出口導管
１５１ 混合チャンバからの加圧液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の出口オリフィス
１６ 粒子供給導管
１６１ 混合チャンバへの粒子入口オリフィス
１７ バレル保持エンドピース
１７１ バレル保持エンドピースの導管
Ｄ 混合チャンバの幅（チャンバが円筒状の場合は内径）
Ｄ１ 粒子入口オリフィスと、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの軸との間の距離（粒子入口側の吸引の偏心）
Ｄ２ ジェットの軸から粒子入口オリフィスに対向する管状壁までの距離
Ｈ 混合チャンバの内部高さ
ｄ１ 混合チャンバの出口オリフィスの直径
ｄ２ バレル保持導管の直径
Ａ 液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の加圧ジェットの軸
２０ 拡散集束バレル
２０ａ 拡散集束バレルの第一のパーツ
２０ｂ 拡散集束バレルの第二のパーツ
２１ 収束部分
２２ ネック
２３ 発散部分
２３ａ 上流セクション
２３ｂ 下流セクション
２３ｃ 第二のパーツの固定エンドピース
３０ コリメーション管
３１ 下流端
４０ 粒子供給管
５０ 締付ナット
６０ ノズル
６１ 注入オリフィス
Claims (17)
- 粒子を充填した液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界低温窒素の加圧ジェットによる材料の表面処理方法であって、以下のステップ、すなわち、
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界低温窒素の高密度のジェット中心を囲む気体窒素の膨張した外層を形成するように、液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界低温窒素の加圧ジェットを混合チャンバ（１０）に導入するステップと、
・粒子が前記気体窒素の膨張した外層に混合するように、前記混合チャンバに粒子を導入するステップと、
・液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の前記加圧ジェットを、収束断面を有する導管（２１）、次いで、一定断面を有する導管（２２）、次いで、発散断面を有する導管（２３）を連続的に備える拡散集束バレルを通過させることによって、前記混合チャンバ（１０）から排出させるステップと、
を含み、
前記拡散集束バレルにおいて前記粒子が前記加圧ジェットのジェット中心に次第に混合され、その結果、前記拡散集束バレルの前記発散断面を有する導管（２３）の出口開口部において前記粒子のエネルギー密度が前記加圧ジェットの全体に均一に分布する、
ことを特徴とする、表面処理方法。 - 前記粒子は、前記混合チャンバ内で液体窒素、超臨界極低温窒素，または極超臨界窒素の前記加圧ジェットが通過することによって生成されるベンチュリ効果によって混合チャンバ（１０）内に吸引されること、あるいは粒子を推進によって導入すること、および／または液体窒素、超臨界極低温窒素、または極超臨界極低温窒素の前記加圧ジェットは、較正済オリフィスを有するノズル（６０）を通過させることによって前記混合チャンバ（１０）の中に注入することを特徴とする、請求項１に記載の表面処理方法。
- ・前記粒子が、球形または非球形の形状を有すること、および／または、
・前記粒子がナノ構造であること、および／または、
・前記粒子が、ガラス、セラミック、金属、ポリマー、木材もしくは生物学的材料、または複合材料をベースとすること、および／または、
・前記粒子が、単一の材料または少なくとも２つの異なる材料から作られること、
および／または、
・前記粒子が、ハイブリッドの形態、または、コアを全体的または部分的にコーティングする材料のエンベロープの形態であって、前記コアが別の材料で作られている、エンベロープの形態であること、
を特徴とする、請求項１または２に記載の表面処理方法。 - 前記発散断面を有する導管（２３）は発散のある内面を備え、前記発散断面を有する導管（２３）の前記内面の前記発散は、前記一定断面を有する導管（２２）と前記拡散集束バレルの前記出口開口部との間で連続であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記発散断面を有する導管（２３）の前記内面の前記発散は、前記一定断面を有する導管（２２）と前記拡散集束バレルの前記出口開口部との間で一定であり、前記発散断面を有する導管（２３）の前記内面が円錐台形状を有するようになることを特徴とする、請求項４に記載の表面処理方法。
- 前記発散断面を有する導管（２３）は発散のある内面を備え、前記発散断面を有する導管（２３）の前記内面の前記発散は、前記一定断面を有する導管（２２）と前記拡散集束バレルの前記出口開口部との間で不連続であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記発散断面を有する導管（２３）の前記内面は、それぞれが円錐台形状を有する少なくとも２つの連続する部分（２３ａ、２３ｂ）に分割され、円錐の母線と回転軸との間に形成される各部分の円錐角は、前記一定断面を有する導管（２２）に隣接する最初の部分（２３ａ）と前記拡散集束バレルの前記出口開口部に隣接する最後の部分（２３ｂ）との間で、ある部分から別の部分へと、徐々に小さくなることを特徴とする、請求項６に記載の表面処理方法。
- 前記拡散集束バレル（２０）は、互いに組み立てることができる２つの別個のパーツ（２０ａ、２０ｂ）によって構成され、第一のパーツ（２０ａ）は、前記収束断面を有する導管（２１）と、前記一定断面を有する導管（２２）と、前記発散断面を有する導管（２３）の上流部分（２３ａ）とを備え、第二のパーツ（２０ｂ）は、前記発散断面を有する導管（２３）の下流部分（２３ｂ）を備えることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記拡散集束バレル（２０）は、互いに組み立てることができる２つの別個のパーツ（２０ａ、２０ｂ）によって構成され、第一のパーツ（２０ａ）は、前記収束断面を有する導管（２１）と、前記一定断面を有する導管（２２）と、前記発散断面を有する導管（２３）の上流部分（２３ａ）とを備え、第二のパーツ（２０ｂ）は、前記発散断面を有する導管（２３）の下流部分（２３ｂ）を備え、前記第一のパーツ（２０ａ）に位置する前記上流部分（２３ａ）の発散は、前記第二のパーツ（２０ｂ）に位置する前記下流部分（２３ｂ）の発散以上であることを特徴とする、請求項１～３、６、７のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記上流部分（２３ａ）の内面および前記下流部分（２０ｂ）の内面は、それぞれ、円錐台形状を有することを特徴とする、請求項９に記載の表面処理方法。
- 前記混合チャンバは管状壁（１１）によって構成され、前記管状壁は、一方の側面が前記ジェットの入口オリフィス（１４１）が設けられた上流壁（１２）によって、他方の側面が前記ジェットの出口オリフィス（１５１）が設けられた下流壁（１３）によって閉じられ、前記入口オリフィス（１４１）、前記出口オリフィス（１５１）、前記バレルの前記収束断面を有する導管（２１）、前記一定断面を有する導管（２２）、および前記発散断面を有する導管（２３）は、前記混合チャンバ（１０）を通過する共通の軸（Ａ）上に整列することを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記管状壁（１１）は、円筒状または楕円状であり、かつ／または、前記混合チャンバの前記軸（Ａ）に垂直な最大幅（Ｄ）は、前記混合チャンバの前記軸（Ａ）に平行な高さ（Ｈ）以上であり、かつ／または、前記軸（Ａ）は、前記管状壁（１１）の中心に対してオフセットされることを特徴とする、請求項１１に記載の表面処理方法。
- 前記管状壁（１１）は、円筒状または楕円状であり、かつ／または、前記混合チャンバの前記軸（Ａ）に垂直な最大幅（Ｄ）は、前記混合チャンバの軸（Ａ）に平行な高さ（Ｈ）未満であり、かつ／または、前記軸（Ａ）は、前記管状壁（１１）の中心に対してオフセットされることを特徴とする、請求項１１に記載の表面処理方法。
- 粒子供給導管（１６）が前記管状壁（１１）を通過し、粒子入口オリフィス（１６１）を介して前記混合チャンバに通じることを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- 前記粒子入口オリフィス（１６１）と前記軸（Ａ）との間の距離（Ｄ１）は、前記軸（Ａ）と前記粒子入口オリフィス（１６１）に対向する管状壁（１１）との間の距離（Ｄ２）よりも大きく、かつ／または、前記粒子供給導管（１６）は、前記混合チャンバの下流部分に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項１４に記載の表面処理方法。
- 前記ジェットの入口導管（１４）が前記上流壁（１２）を通過し、前記入口オリフィス（１４１）を介して前記混合チャンバ（１０）に通じ、前記ジェットの前記入口導管（１４）が前記軸（Ａ）と整列し、前記ジェット（１４）の前記入口導管の上流端（１４２）には、前記ジェットの前記入口導管（１４）の断面よりも小さい断面を有するオリフィス（６１）を通すノズル（６０）が設けられ、前記ノズル（６０）の上流面は、平坦で、軸（Ａ）に垂直であることを特徴とする、請求項１１～１５のいずれか一項に記載の表面処理方法。
- ・金属酸化物またはセラミック酸化物、基板に対して強い接着性を有する金属酸化物またはセラミック酸化物、チタンおよびその合金のアルファケース、ならびにアルミナを剥離するため、
・コーティングまたは塗料を剥離するため、
・機械加工前または機能層の堆積前に表面を準備するため、
・表面テクスチャリングのため、
・表面粗さまたは地形学的表面印象を作成するため、
・ピーニング表面、または、ハンマーリングおよび加工硬化表面のため、
・前記基板上に表面層を作成するため、または基板上に粒子を埋め込むことによって前記基板上に表面層を作成するため、
の、請求項１～１６のいずれか一項に記載の表面処理方法の使用。
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