KR100767251B1

KR100767251B1 - 동역학적 분사 노즐의 교체 가능한 스로트 삽입체

Info

Publication number: KR100767251B1
Application number: KR1020050077552A
Authority: KR
Inventors: 토마스 허버트 밴 스틴키스트; 다니엘 윌리엄 고르키윅츠
Original assignee: 델피 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-10-17
Also published as: CN1739864A; JP2006068736A; KR20060050588A; US20060038044A1; EP1629899A1

Abstract

본 발명은 동역학적 분사 시스템용 수렴-발산 초음속 노즐을 제공한다. 초음속 노즐은 출구말단 반대편의 제1 말단과 상기출구 말단 옆에 위치한 발산 영역을 갖는 초음속 노즐 및 입구원뿔과 스로트를 갖는 교체가능한 스로트 삽입체를 포함하며, 상기 교체가능한 스로트 삽입체는 상기 스로트를 상기 발산 영역 옆에 위치하도록 상기 제1말단에 수용된다. 또 다른 실시예에서 교체 가능한 스로트 삽입체는 입구원뿔, 발산 영역, 입구원뿔과 발산 영역 사이에 위치한 스로트로 구성된다. 상기 교체 가능한 스로트 삽입체는 기존의 동역학적 분사 시스템에서 스로트 부분이 초음속 노즐 전체에 비해 심하게 마모되는 문제점에 초점을 맞추고 있다. 상기 삽입체를 사용한다면 초음속 노즐 전체를 보존함과 동시에 마모된 스로트를 신속하고 경제적으로 교체할 수 있을 것이다.

노즐, 용착, 스로트, 삽입체, 분사

Description

동역학적 분사 노즐의 교체 가능한 스로트 삽입체{REPLACEABLE THROAT INSERT FOR A KINETIC SPRAY NOZZLE}

도 1은 본 발명에 입각한 동역학적 분사 시스템의 도식화된 개념도이다.

도 2는 도 1의 동역학적 분사 시스템에 사용되는 초음속 노즐의 한 실시예의 횡단면도이다.

도 3은 도 1의 동역학적 분사 시스템에 사용되는 초음속 노즐의 또 다른 실시예의 횡단면도이다.

본 발명은 동역학적 분사(kinetic spray)과정에 관한 것으로 더 구체적으로는 교체 가능한 스로트 삽입체(throat insert)을 갖는 개선된 동역학적 분사 노즐(kinetic spray nozzle)에 관한 것이다.

참조병합문헌

미국 특허 제6,139,913호, "동역학적 분사 코팅 방법과 장치(원문)", 미국 특허 제6,283,386호 "동역학적 분사 코팅 장치(원문)" 가 참조문헌으로 병합된다.

최근에 T.H. Van Steenkiste 등의 두 논문에서 동역학적 분사 또는 냉기체 동적 분사(cold gas dynamic spray)에 의해 다양한 종류의 기판표면에 코팅을 하는 새로운 기술이 보고된 바 있다. 첫번째 논문은 "동역학적 분사 코팅(원문)"이라는 제목으로 표면과 코팅 기술(원문)(1999년 1월10일, vol. 111, 62-71쪽)에 간행되었으며, 두번째는 "비교적 큰 분말 입자로 된 동역학적 분사를 이용한 알류미늄 코팅(원문)"이라는 제목으로 표면과 코팅 기술(원문)(vol. 154, 237-252쪽, 2002년)에 간행되었다. 이 논문들은 강한 부착력, 낮은 산화물 함량과 낮은 열응력을 갖는 연속적인 층 코팅 방법에 관하여 논하고 있다. 이 논문들은 수렴-발산 드 라발 타입(converging-diverging de Laval type)의 노즐을 통해, 가속된 가스 흐름 속에 금속 분말을 혼입하여, 목표 기판표면에 분사하여 코팅하는 기술에 관해 기술하고 있다. 여기서 입자들은 드래그 효과(drag effect)에 의해 빠른 속도의 가스 흐름으로 가속 된다. 이 때 사용 가능한 가스는 공기와 헬륨을 포함한 여러 종류의 가스 중에 어느 것이나 무방하다. 코팅을 형성한 입자들은 기판과 충돌 이전에 녹거나 열에 의해 유연해 지지 않는 것으로 나타났다. 기판과 충돌하면서 운동 에너지가 상당한 수준의 열과 기계적인 변형으로 전환될 때, 입자들이 기판에 부착하는 것으로 이론화 되고 있다. 따라서, 입자 속도는 입자가 기판과 충돌할 때 입자가 접착할 수 있도록, 항복응력(yield stress)을 초과할 정도로 높은 임계 속도(critical velocity)를 초과해야만 한다. 이 때, 입구의 공기 온도가 높아질수록 입자 혼합물의 부착효율(deposition efficiency)이 높아지는 것으로 나타났다. 입구의 공기 온도를 높이면 밀도가 낮아지고, 따라서 속도가 증가하는 것이다. 속도는 대략 입구의 공기 온도의 제곱근으로 비례하여 변화한다. 현재로서는 기판표면에서 발생하는 입자 결합의 실제 메커니즘은 상세히 알려지지 않고 있다. 임계속도(critical velocity)는 입자의 성분과 기판의 소재에 의존한다. 기판에 입자의 초기 층이 형성 되면 나머지 입자들은 기판에 결합한 입자들 사이의 빈 공간과 결합할 뿐 아니라 입자와도 직접 결합한다. 이러한 결합 과정은 주 가스 흐름 속의 입자들의 융해에 기인하지는 않는데, 그 이유는 입자의 온도는 항상 입자의 녹는점보다 낮기 때문이다.

종래 동역학적 분사 시스템 기술의 문제점 중의 하나는 수렴-발산 드 라발 타입(Converging-diverging de Laval type) 노즐의 스로트 부분이 마모되는 것이었다. 스로트에 의해 흐름이 제한되기 때문에, 분사되는 입자가 스로트와 마찰하면서 점차 스로트가 커지게 된다. 실제로, 스로트의 마모 속도는 노즐 전체에 비해 대략 10배 정도 빠르다. 분무 범위(parameters)에 변화를 주어 시스템이 마모 상태를 일정 수준까지 보완할 수 있지만, 변화를 줄 수 있는 범위에 있어서 한계가 있다. 이러한 한계에 도달하면 노즐 전체를 폐기해야 한다. 노즐을 제조하는 데에는 광범위한 가공이 필요 하기 때문에, 비용이 많이 든다. 따라서, 교체 가능한 스로트를 갖는 노즐을 개발하여, 노즐을 오랜 기간 동안 보다 저렴한 비용으로 사용할 수 있도록 한다면 유익할 것이다.

본 발명의 목적은 교체 가능한 스로트를 갖는 노즐을 개발하여, 노즐을 오랜 기간 동안 보다 저렴한 비용으로 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

일 실시예에 있어서, 본 발명은 출구말단 반대편의 제1 말단과 상기출구 말단 옆에 위치한 발산 영역을 갖는 초음속 노즐 및 입구원뿔과 스로트를 갖는 교체가능한 스로트 삽입체를 포함하며, 상기 교체가능한 스로트 삽입체는 상기 스로트를 상기 발산 영역 옆에 위치하도록 상기 제1말단에 수용된, 동역학적 분사 시스템용 수렴-발산 초음속 노즐을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 출구말단 반대편의 제1말단과 상기 출구말단 옆에 위치한 발산 영역을 갖는 초음속 노즐 입구원뿔, 발산 영역 및 상기 입구원뿔과 발산 영역 사이에 위치한 스로트를 갖는 교체가능한 스로트 삽입체를 포함하며, 상기 교체가능한 스로트 삽입체는 상기 삽입체의 상기 발산 영역이 상기 노즐의 상기 발산 영역 옆에 위치하도록 상기 제1말단에 수용되는, 동역학적 분사 시스템용 수렴-발산 초음속 노즐을 제공하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 입구원뿔과 스로트를 포함하며 초음속 노즐의 제1말단에서 교체가능하도록 수용되는 초음속 노즐용 교체가능한 스로트 삽입체를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 초음속 노즐용 교체가능한 스로트 삽입체를 제공하며, 이 스로트 삽입체는 입구원뿔, 스로트 및 발산 영역을 포함하며, 스로트가 수렴 영역과 발산 영역 사이에 위치하고, 스로트 삽입체는 초음속 노즐의 제1 단부에 교체 가능하게 수용된다.

도 1에서는 본 발명에 입각한 일반적인 동역학적 분사 시스템(10)을 나타내고 있다. 이 시스템(10)에는 지지대(14) 또는 다른 지지 수단이 위치해 있는 밀폐함(enclosure)(12)이 포함된다. 지지대(14)에 고정된 부착 판넬(mounting panel)(16)은 삼차원으로 작동 가능하고 코팅될 기판 물질에서 형성된 작업물을 지지할 수 있는 작업물 홀더(work holder)(18)를 지지한다. 작업물 홀더(18)는 또한 코팅 과정 중에 동역학적 분사 노즐(34)에 기판을 공급하도록 설계되어 있다. 밀폐함(12)은 적어도 한 개의 공기 유입구(그림에 없음)를 가진 벽 및 적절한 배출도관(exhaust conduit)(22)에 의해 집진기(dust collector)(그림에 없음)로 연결되는 공기 유입구(20)를 포함한다. 코팅 과정중에 집진기는 밀폐함(12)에서 계속적으로 공기를 빨아들여 배출 공기 중의 먼지나 입자를 모아 처리한다.

스프레이 시스템(10)은 또한 고압 가스 밸러스트 탱크(ballast tank)(26)에 최대 3.4MPa(500psi) 의 가스 압력을 공급할 수 있는 가스 압축기(gas compressor)를 포함한다. 가스 밸러스트 탱크(26)는 선(28)을 통해 파우더 공급 장치(powder feeder)(30)와 분리된 가스 가열기(32)에 연결된다. 파우더 공급장치(30)는 아래 설명된 것과 같이 고압 파우더 공급 장치 또는 저압 파우더 공급 장치 두 가지로 사용 가능하다. 가스 가열기(32)는 아래 설명된, 주 가스인 고압 가열된 가스를 동역학적 분사 노즐(34)에 공급한다. 세 방향의 작동 능력을 작업물 홀더(18)와 노즐(34)에 또는 노즐(34)에만 부여하는 것이 가능하다. 주요 가스의 압력은 일반적으로 100 내지 500psi로 설정되어 있다. 파우더 공급 장치(30)는 바람직한 압력에서 스프레이 분말 입자를 혼합하고 노즐(34)을 통해 입자 혼합물을 공급한다. 컴퓨터 통제장치(35)가 파우더 공급 장치(30)에 공급된 가스 압력, 가스 가열기(32)에 공급된 가스 압력, 파우더 공급장치(30)에 공급된 가스 온도, 가스 가열기(32)에서 배출되는 가열된 주 가스의 온도를 조절한다. 이 과정에서 유용한 가스에는 공기, 질소, 헬륨 등이 있다.

도 2는 노즐(34)의 한 실시예 및 노즐(34)이 가스 가열기(32)와 고압 파우더 공급장치(34)에 연결된 모습을 보여주고 있는 횡단면도이다. 가스 가열기(32)는 주 가스 통로(36)를 통해 노즐(34)에 연결된다. 통로(36)는 주 가스를 흐름 스트레이트너(flow straightener)(40)를 통해 챔버(42)로 유도하는 예비혼합챔버(premix chamber)(38)와 연결된다. 가열된 주 가스의 온도와 압력은 통로(36)에 있는 가스 유입구 온도 열전대(thermocouple)(44)와 챔버(42)에 연결된 압력 센서(46)에 의해 조절 된다. 주 가스는 분사되는 입자가 노즐(34)에서 녹지 않는 온도를 항상 유지한다. 주 가스의 온도는 200 내지 3000F 에 이를 수 있다. 주 가스 온도는 입자의 녹는점보다 상당히 높을 수 있다. 본 시스템(10)에서는 주 가스 온도를 입자의 녹는점보다 5배 내지 7배 높게 설정하여 수행해 왔다. 주 가스의 온도와 노출 시간이 노즐(34)에서 입자가 녹지 않도록 설정되는 것이 필수적이다. 주 가스 온도는 노즐(34)을 통과하면서 빠른 속도로 낮아진다. 실제로, 주 가스의 초기 온도가 1000F 보다 높더라도, 노즐(34)을 빠져나가는 순간에 측정된 온도는 실내온도와 같거나 그보다 높은 것이 보통이다.

챔버(42)는 드 라발 타입(de Laval type) 초음속 노즐(54)과 연결되어 있다. 노즐(54)은 중심축(52)과 스로트 삽입체(55)로 구성되어 있다. 이 실시예에서 스로트 삽입체(55)는 스로트(58)의 지름으로 점차 크기가 작아지는 입구원뿔(56)을 갖고 있다. 입구원뿔(56)은 삽입체(55)의 수렴 영역(converging region)을 형성한다. 스로트(58)의 하류에는 초음속 노즐(54)의 출구 말단(60)이 위치하며, 초음속 노즐(54)의 발산 영역(diverging region)(61)은 스로트(58)와 출구말단(60) 사이의 영역으로 정의된다. 입구원뿔(56)의 가장 큰 내부 지름은 10 내지 6mm 사이인데, 7.5mm 정도가 바람직하다. 입구원뿔(56)은 스로트(58)에 이르면서 점차 좁아진다. 스로트(58)는 내부 지름이 6 내지 1mm 정도 인데, 4 내지 2mm 가 바람직하다. 스로트 삽입체(55)는 합금, 티타늄과 같은 경금속 또는 세라믹과 같은 강화된 마모 저항 소재 중의 하나로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 스로트 삽입체(55)는 야금술에서 알려진 질화과정(nitriding process)을 통해 강화된 조금 더 연성의 합금 또는 금속으로 제조될 수 있다. 세라믹 삽입체(55)는 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 주입 캐스팅(injection casting) 방법 또는 추후에 공지된 방법으로 소결하여 강화되는 가공용 세라믹(machinable ceramic)을 이용하여 제조될 수 있다. 스로트 삽입체(55)는 초음속 노즐(54)의 출구말단(60)의 반대편에 있는 일단구(53)에 밀어 넣어 삽입된다. 이 실시예에서 스로트 삽입체(55)는 스로트(58) 부분을 지나 단부가 있는 것이 바람직하다. 종래 기술에서 삽입체(55)가 마모되면 노즐(54) 전체를 교체해야 했던 것과는 달리, 스로트 삽입체(55)는 삽입체(55)를 신속하게 교체할 수 있도록 한다. 스로트(58)의 하류에서부터 출구 말단(60) 부분까지의 발산 영역(61)은 다양한 형태를 띌 수 있으나, 바람직한 실시예에서는 스로트(58)에서 출구말단(60)에 이르면서 점차 면적이 넓어지는 직사각형의 횡단면 형태를 띄게 된다. 출구말단(60)에서 노즐(54)은 바람직하게는 직사각형의 내부 형태를 띄며, 길게는 8 내지 14mm, 짧게는 2 내지 6mm의 크기를 갖는다. 발산 영역(61)의 길이는 100 mm 내지 400mm에 이른다. 스로트(58) 하류에서 시작된 발산 영역(61)은 가스 압력이 감소하는 영역으로 주요 가스 압력이 발산 영역(61)을 통과하면서 감소하여 대기압보다 낮아질 수 있다.

이 실시예에서 주입관(injector tube)(50)은 중심축(52)에 중심이 맞추어져 있다. 주입튜브(50)의 내부 지름은 0.4 내지 3.0mm 사이이다. 노즐(54)은 혼입된(entrained) 입자를 초당300m 내지 초당 1200m의 속도로 분사한다. 혼입된 입자는 노즐(54)를 통과하면서 운동에너지와 열에너지를 얻게 된다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 가스 흐름 내의 입자 온도가 입자 크기, 입자 소재, 주 가스 온도에 따라 변동한다는 것을 인식한다. 주 가스 온도는 가열된 고압 가스의 노즐(54)로 이르는 입구 부분에서의 온도로 정의된다. 입자의 녹는점보다 낮은 온도에서 입자를 가열하도록 설정된 온도이므로, 충격이 가해져도 운동, 열 에너지의 전이로 인해 최초 입자의 고체 상태에는 변화가 발생하지 않고, 따라서 원래의 물리적 성질에도 변화가 발생하지 않는다. 입자들은 항상 자체의 녹는점보다 낮은 온 도에 머물러 있다. 입자들은 노즐(54)에서 기판 표면을 향해 분사되어 기판을 코팅하게 된다.

도 3은 노즐(34)의 또 다른 실시예 및 이 노즐(34)이 가스 가열기(32)와 저압 파우더 공급기(30)에 연결된 모습의 횡단면도이다. 이 도에서의 노즐(34)은 도 2의 것과 다음과 같은 점에서 다르다. 첫째, 노즐은 고압 파우더 공급기가 아닌 저압 파우더 공급기에 연결되어 있다. 둘째, 스로트 삽입체(55')가 스로트(58) 쪽으로 좁아지는 입구원뿔(56)을 갖고 있고, 스로트(58)를 지나 삽입체(55')의 발산 영역(59)이 위치한다. 마지막으로, 보조 입구 선(48)은 입자를 스로트(58)의 하류에 있는 삽입체(55')의 발산 영역(59)에 위치한 노즐(54)로 공급하는 주입관과 연결된다. 삽입체(55')의 발산 영역(59)은 노즐(54)의 발산 영역(61)으로 전환되면서 서로 결합한다. 삽입체(55)는 도 2에서 설명된 재료와 방식으로 제조된다. 두 발산 영역(59, 61)은 주 가스 압력이 감소되는 영역이며, 이들의 내부 수치는 서로 조화를 이루어 원활한 전환이 되도록 한다. 주 가스 통로(36)는 가스 연소기(32)를 노즐(34)로 연결한다. 통로(36)는 예비혼합챔버(38)에 연결되는데, 예비혼합챔버는 주 가스를 흐름 스트레이트너(40)를 통해 챔버(42)로 안내한다. 가열된 주 가스의 온도와 압력은 통로(36)에 있는 가스 입구 온도 열전대(44)와 챔버(42)로 연결되는 압력 센서(46)에 의해 조절된다. 주 가스는 분사되는 입자가 노즐(34)에서 녹지 않는 온도를 항상 유지한다. 주 가스의 온도는 200 내지 3000F에 이를 수 있다. 주 가스 온도는 입자의 녹는점보다 매우 높을 수 있다. 본 시스템(10)에서는 입자의 녹는점보다 5배 내지 7배 높은 주 가스 온도로 설정해 왔다. 주 가스의 온도와 노출 시간이 노즐(34)에서 입자가 녹지 않도록 설정 되는 것이 필수적이다. 주 가스 온도는 노즐(34)을 통과하면서 빠른 속도로 낮아진다. 실제로, 주 가스의 초기 온도가 1000F 보다 높더라도, 노즐을 빠져나가는 순간에 측정된 온도는 실내온도와 같거나 그보다 높은 것이 보통이다. 본 발명의 삽입체(55')가 없는 종래 기술의 저압 동역학적 분사 시스템에서는, 노즐(54)의 발산 영역(61)의 내부에서 주입관(50) 반대 편 부분의 마모가 빠르게 진행되는 문제점이 있었다. 본 발명은 이러한 마모가 다른 발산 영역(59)에서 진행되도록 하여 삽입체(55')를 신속히 교체함으로써 이러한 문제점을 해결하고자 한다.

챔버(42)는 드 라발 타입(de Laval type) 초음속 노즐(54)과 연결되어 있다. 노즐(54)은 중심축(52)과 스로트 삽입체(55')로 구성되어 있다. 스로트 삽입체(55)의 입구원뿔(56)은 스로트(58) 부분으로 가면서 지름이 좁아진다. 삽입체(55')의 정렬부(alignment feature)(57)는 삽입체(55)가 주입관(50)을 원활히 수용하도록 하는 역할을 한다. 정렬부(57)는 키와 슬롯 구성, 못(peg) 또는 해당 업계에 공지된 다른 구성일 수 있다. 입구원뿔(56)은 스로트 삽입체(55')의 수렴 영역을 형성한다. 삽입체(55')의 발산 영역(59)과 노즐(54)의 발산 영역은 스로트(58)의 하류에서 결합한다. 발산 영역(61)은 출구 말단(60)까지 포함한다. 삽입체(55')는 출구말단(60) 반대편에 있는 노즐(54)의 일단구(53)에 밀어 넣어 결합된다. 입구원뿔(56)의 가장 큰 내부 지름은 10 내지 6mm 에 이르는데, 바람직한 치수는 7.5mm 정도이다. 입구 원뿔(56)은 스로트(59)에 이르면서 점차 좁아진다. 스로트(58)는 내부 지름이 6 내지 1mm 에 이르는데, 4 내지 2mm가 바람직하다. 삽 입체(55')의 발산 영역(59)은 길이가 10 내지 300mm 에 이르는데, 20 에서 250mm 가 바람직하다. 스로트 삽입체(55')의 발산 영역(55)은 파우더 입자의 주입점을 지나도록 충분한 길이 이어야 한다. 삽입체(55)와 노즐(54) 각각의 발산 영역(59, 61)은 다양한 형태를 띌 수 있지만, 바람직한 실시예에서는 직사각형의 횡단면 형태를 띈다. 출구말단(60)에서 노즐(54)은 직사각형의 내부 형태를 띄는 것이 바람직하며, 수치는 길게는 8 내지 14 mm, 짧게는 2 내지 6mm 에 이른다.

주입관(60)은 노즐(54)과 삽입체(55')에 있는 정렬홈(aligning holes)(그림 없음)을 통해 삽입된다. 정렬부(57)는 삽입체(55)가 노즐(54)에 결합할 때, 홈이 정렬이 되도록 하여 튜브(50)의 삽입이 원활하도록 한다. 중심축(52)을 중심으로 주입관(50)의 각도는 입자가 출구말단(60)을 향하도록 하는 범위 내, 기본적으로 1 내지 90도의각도 내에서 가능하다. 중심축(52)을 중심으로 45도 각도가 작동에 좋은 것으로 나타났다. 주입관(50)의 내부 지름은 0.4 내지 3.0mm 사이이다.

스로트(58)에서 출구말단(60)까지의 길이가 300mm인 노즐(54)과 지름이 2mm인 스로트(59), 그리고 5 X 12.5mm의 직사각형 모양의 입구를 갖는 출구말단(60)을 갖는 노즐(54)을 사용하고, 300psi 의 주 가스 압력에서 시작했을 때 측정된 압력은 다음과 같다: 14.5psi(스로트(58)에서 1인치), 58.20psi(스로트(58)에서 2인치), 12.8psi(스로트(58)에서 3인치), 9.25psi(스로트(58)에서 4인치), 10psi(스로트(58)에서 5인치), 대기압 미만 수치(스로트(58)에서 6인치 이상). 주 가스 압력이 감소하는 비율은 주입 시점의 스로트(58)의 횡단면 면적과 발산 영역(59)의 함수관계로 나타낼 수 있다. 발산 영역(59)의 횡단면 면적이 같은 상태에서, 더 큰 스로 트(58)를 사용하면, 주 가스 압력이 대기압보다 높게 유지되는 거리가 더 길어진다. 스로트(58) 부분을 지나 주 가스 압력이 대기압 보다 떨어지기 전의 지점에서 파우더 입자가 주입되면 파우더 공급 장치(30)에서 항상 양압(positive pressure)을 이용할 수 있다. 이러한 실시예에서는 스로트(58)를 지나 주입을 함으로써, 훨씬 더 낮은 압력을 이용하여 파우더를 주입할 수 있다. 본 발명의 파우더 공급장치(30)의 저압은 도 2의 노즐과 함께 사용한 고압 파우더 공급 장치에 비해 10배 정도 비용이 적게 든다. 일반적으로 저압 파우더 공급 장치(30)는 100 내지 5psi의 압력에서 사용된다. 주입 지점에서 압력이 주 가스 압력보다 높아야 하고, 주 가스 압력은 대기 압력보다 높아야 한다는 것만은 필수적으로 이행되어야 한다.

노즐(54)은 혼입된 입자를 초당 300m 내지 초당 1200m의 속도로 분사한다. 혼입된 입자는 노즐(54)을 통과하면서 운동에너지와 열에너지를 얻게 된다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 가스 흐름 내의 입자 온도가 입자 크기, 입자 소재, 주요 가스 온도에 따라 변동한다는 것을 인식한다. 주 가스 온도는 가열된 고압 가스의 노즐(54)로 이르는 입구 부분에서의 온도로 정의된다. 입자의 녹는점보다 낮은 온도에서 입자를 가열하도록 설정된 온도이므로, 충격이 가해져도 운동, 열 에너지의 전이로 인해 최초 입자의 고체 상태에는 변화가 발생하지 않고, 따라서 원래의 물리적 성질에도 변화가 발생하지 않는다. 입자들은 항상 자체의 녹는점보다 낮은 온도에 머물러 있다. 입자들은 노즐(54)에서 기판 표면을 향해 분사되어 기판을 코팅하게 된다.

본 발명에 입각한 동역학적 분사 시스템에서 사용되는 파우더 입자는 일반적 으로 금속, 합금, 세라믹, 다이아몬드, 또는 이 입자들의 혼합물이다. 입자들은 평균적으로 50 미크론 에서 200 미크론의 호칭 지름(nominal diameter)을 띈다. 바람직하게는 평균적으로 50 내지 180 미크론의 호칭 지름을 띄는 것이 좋다.

노즐(34)의 두 실시예에서 주 가스 압력은 100 내지 400psi에 설정되는 것이 바람직하며 주요 가스 온도는 200 내지 3000F에 설정되는 것이 바람직하다. 도 2의 노즐(34)을 사용할 때에는, 고압 파우더 공급 장치(30)에 사용되는 가스의 압력이 압력센서(46)에서 측정된 주 가스 압력보다 25 내지 75psi 높은 것이 바람직하다. 출구말단(60)과 기판 사이의 간격은 0.5 내지 12 인치가 바람직하며, 좀 더 바람직하게는 0.5 내지 7 인치, 가장 바람직하게는 0.5 내지 3 인치가 좋다. 노즐(34)과 기판의 상대적인 횡단 속도(traverse rate)는 초당 25 내지 2500mm가 바람직하며, 좀더 바람직하게는 25 내지 250mm, 가장 바람직하게는 50 내지 150mm가 좋다. 바람직하게는 분말 입자가 분당 10 내지 60 그램의 속도로 노즐(34)에 공급되는 것이 좋다. 바람직한 입자 속도는 초당 300 내지 1200m이다.

상기 시스템(10)은 합금, 금속, 세라믹, 목재, 절연체, 반도체, 폴리머(polymers), 플라스틱, 그리고 이 소재들의 혼합물을 포함한 다양한 기판 소재를 코팅하는데 사용될 수 있다.

상기 발명은 관련된 법의 기준에 준하여 설명되었으므로 발명에 대한 설명은 예시적인 것으로 제한성이 없다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 영역에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 수정 변경 할 수 있을 것이다. 또한 다음의 청구항을 검토하여 본 발명의 법적인 보호 범위를 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 따라, 교체 가능한 스로트를 갖는 노즐을 개발하여, 노즐을 오랜 기간 동안 보다 저렴한 비용으로 사용할 수 있다.

Claims

출구말단 반대편의 제1 말단과, 상기 출구 말단 옆에 위치하고 연속적인 각도에서 발산하는 발산 영역을 갖는 초음속 노즐 및

스로트와, 상기 초음속 노즐의 상기 제1 말단으로부터 상기 스로트까지 연장되는 입구원뿔을 포함하는 교체가능한 스로트 삽입체를 포함하며,

상기 교체가능한 스로트 삽입체는 상기 스로트를 상기 발산 영역 옆에 위치하도록 상기 제1말단에 수용된 것을 특징으로 하는 동역학적 분사 시스템용 수렴-발산 초음속 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 삽입체는 합금, 경합금, 금속, 경금속 및 세라믹 소재 중 하나로 제조된 것을 특징으로 하는 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 입구원뿔의 가장 큰 내부 지름이 6 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 스로트의 내부 지름이 1 내지 6mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 스로트의 내부 지름이 2 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 발산 영역의 길이가 100 내지400mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 1항에 있어서, 상기 출구 말단이 짧게는 2 내지6mm, 길게는 8 내지 14mm인 직사각형의 내부 형태를 가진 것을 특징으로 하는 노즐.
출구말단 반대편의 제1말단과 상기 출구말단 옆에 위치한 발산 영역을 갖는 초음속 노즐

입구원뿔, 발산 영역 및 상기 입구원뿔과 발산 영역 사이에 위치한 스로트를 갖는 교체가능한 스로트 삽입체를 포함하며,

상기 입구원뿔은 상기 초음속 노즐의 상기 제1 말단으로부터 상기 스로트까지 연장되고,

상기 교체가능한 스로트 삽입체는 상기 삽입체의 상기 발산 영역이 상기 노즐의 상기 발산 영역 옆에 위치하도록 상기 제1말단에 수용되며,

상기 초음속 노즐과 상기 교체가능한 스로트 삽입체의 발산 영역은 원활하게 전환되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 동역학적 분사 시스템용 수렴-발산 초음속 노즐.
제 8항에 있어서, 삽입체는 합금, 경합금, 금속, 경금속 및 세라믹 소재 중 하나로 제조된 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 상기 입구원뿔의 가장 큰 내부 지름이 6 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 스로트의 내부 지름이 1 내지 6mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 스로트의 내부 지름이 2 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 상기 삽입체의 상기 발산 영역의 길이가 10 내지 300mm 인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 상기 삽입체의 발산 영역의 길이가 20 내지 250mm인 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 상기 삽입체는 상기 삽입체가 상기 제1말단으로 수용될 때 상기 삽입체의 중심을 맞추는 정렬부를 갖는 것을 특징으로 하는 노즐.
제 8항에 있어서, 상기 삽입체는 주입관을 수용하도록 상기 삽입체의 상기 발산 영역에 형성된 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 노즐.
입구원뿔과 스로트를 포함하며 초음속 노즐의 제1말단에서 교체가능하도록 수용되고, 정렬부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음속 노즐용 교체가능한 스로트 삽입체.
제17항에 있어서, 상기 삽입체가 합금, 경합금, 금속, 경금속 및 세라믹 소 재 중의 하나로 제조된 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 17항에 있어서, 상기 입구원뿔의 가장 큰 내부 지름이 6 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 17항에 있어서, 상기 스로트의 내부 지름이 1 내지 6mm인 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 17항에 있어서, 상기 스로트의 내부 지름이 2 내지 4mm인 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 17항에 있어서, 발산영역(diverging region)을 더 포함하며, 상기 발산영역은 상기 입구원뿔과 상기 발산 영역 사이에 상기 스로트가 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 삽입체.
삭제
제 22항에 있어서, 주입관을 수용하도록 상기 발산 영역에 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 22항에 있어서, 상기 발산 영역의 길이가 10 내지300mm인 것을 특징으로 하는 삽입체.
제 22항에 있어서, 상기 발산 영역의 길이가 20 내지250mm인 것을 특징으로 하는 삽입체.