KR101157528B1

KR101157528B1 - 노즐 부재 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR101157528B1
Application number: KR1020107002338A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 오케사쿠; 미치토 미야하라
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤; 호쿠리쿠세이케고교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-06-22
Also published as: JP5119253B2; CN101755078B; JPWO2009017141A1; CN101755078A; US8858864B2; TW200924851A; TWI363659B; WO2009017141A1; KR20100030665A; US20100243764A1

Abstract

(과제) 유체의 안정된 흐름을 얻을 수 있고, 고품질의 작업을 실현할 수 있는 노즐 부재, 보다 구체적으로는 미세하고 긴 관통공을 갖는 노즐 부재와 그의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 축심에 평행한 관통공을 적어도 1개 갖는 유체용 노즐의 노즐 부재로서, 관통공의 직경 치수가 100㎛ 내지 10㎛이고, 그리고 관통공의 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)가 5 이상이며, 상대 밀도가 95％ 이상인 세라믹스 재료로 형성한 노즐 부재이다. 이러한 복수의 미세한 관통공을 갖는 노즐 부재는, 합성 수지, 탄소 재료 혹은 금속 재료로 이루어지는 필라멘트를 노즐 부재의 축심 방향에 포함한 상태에서 압출 성형 혹은 주입 성형을 행하여, 그 성형체로부터 필라멘트를 뽑아낸 후에 탈지 소결하거나, 또는 합성 수지 및 탄소 재료제의 필라멘트는 뽑아내는 일 없이 산화 분위기에서 탈지 소결하여 증발 소실시킴으로써 제조된다.

Description

노즐 부재 및 그의 제조 방법 {NOZZLE MEMBER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 기체나 액체 등의 유체(流體)의 방출이나 분사 혹은 진공 흡인 등을 위해 사용되는 유체용 노즐의 노즐 부재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 기체나 액체 등의 유체를 복수개의 방출구로부터 방출 혹은 분사하는 노즐에는, 일반적으로 노즐 부재가 사용되고 있으며, 불균일이 없는 작업을 실현하기 위해서는, 노즐 부재의 유체 통로가 되는 관통공의 직경 치수 공차(公差)가 될 수 있는 한 작고 고(高)정밀도로 형성되고, 게다가 관통공 내벽면의 면 조도(roughness)가 작게 형성되어 있을 필요가 있다.

이들 노즐 부재의 관통공은, 그의 직경 치수가 작은 미세공(微細孔)으로서 형성되는 경우가 많고, 또한 복수의 관통공을 노즐 부재의 축심 방향으로 형성한 것도 많이 볼 수 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 복수개의 토출공을 형성한 노즐 피스(piece)를 노즐 본체에 장착함으로써, 노즐 본체의 토출공의 수를 늘릴 수 있고, 또한 노즐 본체의 토출공의 수에 대하여 노즐 피스의 수를 상대적으로 줄일 수 있도록 한 방사용(spinning) 노즐이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 토출공의 직경 치수가 0.2㎜이고, 토출공 내벽면의 면 조도가 1S 이하인 방사용의 노즐(구금(mouthpiece))이 개시되어 있다.

이들 방사용의 노즐의 토출공은, 일반적으로 직경이 작은 경우로 0.2㎜ 정도이고, 게다가 내벽면 조도가 작을수록 바람직하기 때문에, 레이저 가공이나 정밀 가공으로 토출공을 형성한 후에, 내벽면의 연마 마무리가 행해지고 있다.

그런데, 방사용의 노즐에는 복수개(수십 개)의 토출공을 형성할 필요가 있지만, 노즐 본체에 직접 토출공을 형성 가공하는 경우, 복수개의 토출공 중 1개라도 형성 가공 불량이 발생하면, 재료비와 막대한 공수를 투입한 노즐 전체를 불량품으로서 처분하지 않을 수 없게 된다. 따라서, 이러한 제조 비용 손실을 경감하기 위해서, 상기 특허문헌 1과 같이, 사출 성형법 등에 의해 토출공을 1개 이상 갖는 노즐 부재(노즐 피스)를 별도 제작해 두고, 노즐 본체에 미리 형성되어 있던 장착공(관통공)에 노즐 부재를 장착 고정하는 제조 방법이 채용된다.

이 제조 방법을 채용하는 경우는, 노즐 부재의 수를 적게 하고 토출공의 수를 상대적으로 많게 하는 편이 제조 비용을 저렴하게 할 수 있고, 게다가 토출공의 수가 많을수록 방사 능률이 향상되기 때문에, 노즐 부재에 형성하는 토출공은, 될 수 있는 한 개수가 많을수록 바람직하고, 또한, 직경 치수가 작을수록 극세 섬유를 제조하는 데에도 매우 적합한 것으로 되어 있다.

또한, 토출공 내벽면은, 용융 수지의 유통 저항에 크게 영향을 미치고, 그리고 방사된 실의 품질에도 관계되기 때문에, 면 조도가 1S 이하로 작을수록 바람직하다.

그런데, 토출공도 포함하는 유체의 미세 통로를 형성하는 방법으로서 가장 간편하고 최적인 방법으로서 많이 이용되고 있는 사출 성형법 혹은 압출(押出) 성형법에 의해, 복수의 관통공(미세공)을 갖는 노즐 부재를 제작하는 경우는, 각각의 성형용 형틀에 이용하는 관통공 형성용의 핀(둥근 막대)의 직경이 0.2㎜(200㎛) 이하, 또는 0.1㎜(100㎛) 이하가 되면, 핀이 구부러지거나 부러지거나 하여 파손되는 트러블이 발생하기 때문에, 제조가 매우 곤란한 상태가 된다.

한편, 이상적인 노즐 특성으로서, 노즐의 관통공으로부터 유체를 방출하는 경우는, 유체가 난류(turbulent flow) 현상을 수반하는 바와 같은 방출 상태가 되면 문제가 발생하여, 될 수 있는 한 층류(larminar flow) 상태의 스트레이트한 방출 유체의 형성이 요구되는 용도가 많다. 이러한 층류 상태의 방출 유체의 형성이 요구되는 용도에 적합한 노즐 부재의 관통공은, 그 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)(애스펙트비(aspect ratio))를 될 수 있는 한 크게 하는 것이 필요 불가결하여, 그 애스펙트비는 5 이상, 보다 바람직하게는 20 이상으로 하는 것이 매우 적합하고, 게다가 관통공 내벽면의 면 조도가 작을수록, 유체의 유통 저항이 작아 난류 현상이 발생하지 않기 때문에 보다 바람직하다.

그러나, 직경이 200㎛ 이하, 바람직하게는 100㎛ 이하이고, 애스펙트비가 5 이상인 관통공의 형성 방법으로서, 사출 성형법 혹은 압출 성형법을 채용하는 경우는, 전술한 바와 같이, 성형용 형틀에 이용하는 핀의 변형이나 파손의 문제가 있다. 또한, 레이저 가공법에서는 관통공의 길이 방향의 직경을 전장(全長)에 걸쳐서 동일하게 하는 것이 곤란하고, 그리고 관통공 내벽면의 연마가 매우 곤란해진다. 또는, 마이크로 드릴 등의 공구에 의해 관통공을 가공 형성하는 하는 방법에서는, 공구의 직경이 작아질수록, 구멍 가공 저항보다도 공구의 강성이 부족한 상태가 되어, 공구의 변형이나 파손이 빈발하여 구멍 가공이 곤란해지며, 나아가서는 관통공의 직경이 100㎛ 이하가 되면 공구에 의한 구멍 가공은 매우 곤란해진다. 또한, 사출 성형법에서는 세라믹스 재료용 분말에 20％ 정도의 열가소성 수지를 배합하기 때문에, 상대 밀도가 높은 치밀한 소결체를 얻을 수 없다.

이와 같이, 종래, 직경이 100㎛ 이하이고, 애스펙트비가 5 이상인 관통공을 갖는 노즐 부재는 매우 제작이 곤란하며, 또한 50㎛ 이하이고 애스펙트비가 5 이상인 미세공으로 이루어지는 관통공은 실현되고 있지 않다. 즉, 종래의 노즐 부재로는 관통공을 작게 하는 것이 곤란하기 때문에, 용도 범위가 한정되어 있어, 다용도에 걸쳐서 고품질의 작업을 실현할 수 없다.

한편, 반도체 제조 공정 등에서 많이 이용되고 있는 진공 흡착판에는, 연마 가공시의 흡착판 외에, 특허문헌 3에 개시되어 있는 바와 같이, 일반적으로 세라믹스 재료 혹은 그 외의 경질 재료로 이루어지는 다공질 재료가 이용되고 있다. 그러나, 다공질 재료로 이루어지는 진공 흡착판은, 그의 제조 방법으로서 세라믹스 등의 원료 분말을 판 형상으로 성형한 후, 소결하는 방법이 채용되고 있기 때문에, 진공 흡착판 전면(全面)의 기공률이 일정하지 않아 불균일이 존재하는 경우가 많고, 또한 반도체 등에 접하는 면의 기공(氣孔) 지름이 대소(大小) 여러 가지로 분포하고 있기 때문에, 각 기공 지름에 따른 흡인력이 발생하는 결과, 매우 얇은 반도체는, 기공 지름이 큰 부분에서 흡인력에 의해 오목 변형을 수반하게 됨과 아울러, 다공질 재료는 재료 강도가 낮기 때문에, 재료의 마모 입자 혹은 미세한 파손 입자가 발생하여, 반도체에 흠을 발생시킬 우려도 있다.

또한, 다공질 재료로 이루어지는 진공 흡착판은, 일반적으로 최대 기공 지름이 수백 ㎛에 달하고 있고, 게다가 통기율이 매우 크기 때문에, 진공 흡착판의 흡착면 직경보다도 작은 각종 사이즈의 반도체를 흡착하여 이동시킬 때에, 작은 지름 치수의 반도체의 접촉면 이외의 부분에 진공 흡착력이 소비되고, 이 때문에, 각종 사이즈의 반도체를 균등하게 흡착할 수 없는 경우가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 특허문헌 3의 진공 흡착판에서는, 다른 치수의 각종 동심원상으로 흡착공에 수지를 함침시켜 흡기를 차단하는 봉인부를 형성하는 등의 처치가 필요해진다.

이에 대하여, 직경이 100㎛ 이하이고, 애스펙트비가 5 이상이라고 하는 미세하고 긴 관통공을 갖는 본 발명의 노즐 부재를 진공 흡착판에 적용하면, 안정된 유체의 흐름에 기초하는 안정된 흡착력이 얻어져, 전술한 문제는 해소되게 된다. 또한, 각종 가스 성분으로 이루어지는 기체를 방출하는 경우는, 관통공 내의 유체 저항이 작기 때문에, 기체의 공급 압력을 낮게 할 수 있는 에너지 절약 효과가 얻어진다.

일본공개특허공보평10-88416호 일본공개특허공보2001-3221호 일본공개특허공보평6-143073호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유체의 안정된 흐름을 얻을 수 있고, 고품질의 작업을 실현할 수 있는 노즐 부재의 제공, 나아가서는 미세하고 긴 관통공을 갖는 노즐 부재와 그의 제조 방법의 제공에 있다.

본 발명의 노즐 부재는, 축심에 평행한 관통공을 적어도 1개 갖는 유체용 노즐의 노즐 부재로서, 관통공의 직경 치수가 100㎛ 내지 10㎛이고, 그리고 관통공의 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)가 5 이상이며, 상대 밀도가 95％ 이상인 세라믹스 재료로 형성한 것이다.

즉, 관통공의 직경 치수를 100㎛ 내지 10㎛, 관통공의 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)(애스펙트비)를 5 이상으로 함으로써, 유체의 안정된 흐름이 얻어져, 전술한 바와 같은 방사용, 진공 흡착판용, 기체의 방출용, 그 이외의 노즐 부재로서 고품질의 작업을 실현할 수 있다.

본 발명의 노즐 부재에서는, 노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 비커스 경도(Hv)가 1000 이상인 것이 바람직하다.

또한, 노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료로서는, 순도 99.5％ 이상의 Al₂O₃의 1 질량％ 이하를, MgO, TiO₂, SiO₂, Cr₂O₃ Y₂O₃, Ce₂O₃, Dy₂O₃ 등의 입자 성장 억제제 또는 소결 촉진제 중 적어도 일 종으로 치환한 알루미나계 세라믹스 재료, 혹은, 함유 불순물 성분의 양이 0.5 질량％ 이하인, 멀라이트계 세라믹스 재료, Al₂O₃와 Y₂O₃와의 복합 재료, 혹은 Y₂O₃ 성분이 99％ 이상인 세라믹스 재료, 또는 ZrO₂계의 세라믹스 재료를 이용할 수 있다. 또한 나아가서는, 순도 99.5％ 이상의 Al₂O₃의 5 질량％ 이하를 ZrO₂로 치환한 세라믹스 재료를 이용할 수도 있다.

본 발명의 노즐 부재의 제조 방법의 일 형태는, 세라믹스 재료의 원료 분말에 압출 성형용 바인더와 수분을 배합한 혼련체(混練體)를 얻고, 이어서, 합성 수지 또는 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트를 필라멘트 가이드와 오리피스를 부착한 압출 성형용 형틀 내에 삽입통과시키고, 이 압출 성형용 형틀 내에 상기 혼련체를 압력을 걸어 공급함으로써 축심 방향으로 필라멘트를 포함한 압출 성형체를 얻고, 이 압출 성형체를 소정 길이로 절단하고 건조시켜 그린체(green body)로 하고, 이 그린체를 소성하여 탈지 및 소결하는 과정에서, 필라멘트를 소실시켜 축심에 평행한 관통공을 형성하는 것이다.

또한, 상기와 동일한 방법에 의해 합성 수지, 탄소 재료 또는 금속 재료로 이루어지는 필라멘트를 포함한 압출 성형체를 얻고, 이 압출 성형체의 건조체를 소정 길이로 절단함과 아울러 상기 필라멘트를 뽑아내어 제거함으로써 노즐 부재용 그린체로 하고, 이 그린체를 탈지, 소결함으로써 축심에 평행한 관통공을 형성할 수도 있다.

본 발명의 노즐 부재의 제조 방법의 다른 형태에서는, 세라믹스 재료의 원료 분말과 물 및 바인더를 혼합 분산시킨 슬러리를 얻고, 이어서 석고 또는 다공질 재료로 이루어지는 주입(鑄入) 성형용 형틀의 주입(鑄入) 공간 내의 축심 방향에 합성 수지, 탄소 재료 또는 금속 재료로 이루어지는 필라멘트를 배치하고, 이 주입 성형용 형틀 내에 상기 슬러리를 주입하여 필라멘트를 포함한 주입 성형체를 얻는다. 그리고, 필라멘트가 금속선인 경우는, 주입 성형체로부터 금속선을 뽑아내고, 그 후, 건조, 탈지, 소결함으로써 축심에 평행한 관통공을 형성한다. 한편, 필라멘트가 합성 수지 또는 탄소 재료인 경우는, 필라멘트를 포함한 주입 성형체를 건조, 탈지, 소결함으로써 상기 필라멘트를 소실시켜 축심에 평행한 관통공을 형성할 수 있다. 또한, 합성 수지 또는 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트를 이용하는 경우라도, 금속선을 이용한 경우와 동일하게 주입 성형체로부터 뽑아낸 후, 건조, 탈지, 소결함으로써 축심에 평행한 관통공을 형성할 수도 있다.

1. 관통공의 직경 치수를 100㎛ 내지 10㎛, 관통공의 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)(애스펙트비)를 5 이상으로 필요에 따라 매우 크게 할 수 있기 때문에, 난류 현상이 없는 층류로 안정된 유체의 흐름이 얻어져, 방사용, 진공 흡착판용, 기체나 액체의 방출이나 분사용, 그 이외의 노즐 부재로서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

2. 본 발명의 제조 방법에 의하면, 종래 제조가 곤란했던 직경 치수가 100㎛ 이하이고, 애스펙트비가 5 이상인 미세하고 긴 관통공을 1개 또는 복수개 갖는 노즐 부재를 압출 성형법 혹은 주입 성형법으로 용이하게 제조할 수 있다.

3. 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 노즐 부재의 관통공의 내벽면은, 소결한 상태에서 1S 이하, 나아가서는 0.5S 이하의 면 조도를 확보할 수 있기 때문에, 관통공의 내벽면을 연마하는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용을 대폭 삭감할 수 있다.

4. 일정 치수의 직경을 갖는 필라멘트를 사용함으로써, 각 관통공의 직경 치수를 불균일 없이 고(高)정밀도로 형성할 수 있기 때문에, 기체나 액체의 방출이나 흡인량이 어느 관통공이나 동일하게 컨트롤할 수 있다.

5. 관통공의 내면이 치밀하고 게다가 면 조도가 매우 우수하기 때문에, 기체나 액체의 유통에 수반하는 유체 저항에 의한 압력 손실이 작으므로, 가압력을 적게 할 수 있는 에너지 절약 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 본 발명의 노즐 부재의 제조에 사용하는 압출 성형용 금형의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 노즐 부재의 일 예를 나타내며, (a)는 평면도, (b)는 (a)의 A-A 단면도이다.
도 3은 압출 성형용 금형의 다른 예를 나타낸다.
도 4는 도 3의 필라멘트 가이드의 일 형태를 나타내며, (a)는 사시도, (b)는 단면도(端面圖)의 다른 예이다.
도 5는 본 발명의 노즐 부재의 제조에 사용하는 주입 성형용 형틀의 구성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 노즐 부재의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 노즐 부재를 사용한 유체용 노즐의 구성예를 나타낸다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

이하, 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

(실시예 1)

유체용 노즐의 노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 원료로서, 순도가 99.9％ 이상이고 평균 분말 입자경(particle size)이 0.6㎛인 Al₂O₃ 원료의 0.4 질량％와 0.1 질량％를 각각 고순도이고 미(微)분말 입자인 MgO와 Y₂O₃로 치환한 알루미나계 세라믹스 재료 100 질량부에 대하여 압출 성형용 바인더 6 질량부를 추가하여 혼련기에서 혼합하면서 물을 소량씩 소정량까지 가하여 혼련체를 제작했다.

한편, 도 1에 나타내는 압출 성형용 금형의 노즐 보디(1)의 축심에 배치한 필라멘트 가이드(2)에 형성되어 있는 7개소의 가이드 구멍(2a)은 치수 공차를 ±1㎛ 이내로 형성해 두고, 이 가이드 구멍(2a)에, 백텐션(back tension) 기능을 갖는 필라멘트 공급부(3)로부터 직경 70㎛의 합성 수지제의 필라멘트(4)를 인출하여 삽입통과시키고, 이 필라멘트를 노즐 보디(1)의 하부에 부착한 오리피스(5) 안을 통과시켜 장력을 건 상태로 당겨 두어, 압출 성형 준비를 갖춰 둔다.

또한, 백텐션 기능을 갖는 급사부(給絲部; 3)는, 노즐 보디(1)의 상단에 일체적으로 형성된 테이퍼 형상 오목부(3a)에, 노즐 부재의 관통공에 대응하는 세공(細孔)을 형성한 네오프로필렌 고무 등의 탄성체(3b)의 세공에 진공 건(gun) 등을 이용하여 필라멘트(4)를 삽입통과시킨 후에 이 탄성체(3b)를 세트하고, 조임 캡(3c)에 의해 조임 시접(X)이 0이 되는 방향으로 조이도록 한 것이다. 이에 따라, 탄성체(3b)의 세공이 축소되어 필라멘트(4)를 조임으로써 백텐션 기능의 세기를 최적의 상태로 조정할 수 있다. 또한, 압출 성형용 금형으로 가압되어 들어간 혼련체는, 필라멘트(4)가 필라멘트 가이드(2) 내를 오리피스(5) 방향으로 진행하기 때문에, 가이드 구멍(2a) 내에 들어가는 것이 방지된다.

이어서, 상기의 혼련체를 도시하지 않는 실린더로부터 고압력으로 압출 성형용 금형에 화살표 방향으로 공급함으로써, 혼련체와 필라멘트(4)는 오리피스(5)로부터 둥근 막대 형상으로 압출되어, 필라멘트(4)를 포함한 상태의 압출 성형체(M)가 얻어진다. 또는, 도 1의 백텐션 기능을 갖는 필라멘트 공급부(3)를 없애는 대신에, 각 필라멘트를 회전 토크를 갖는 롤러(텐션 롤러)를 경유시킴으로써, 동일한 압출 성형을 행할 수 있다.

이 압출 성형체(M)를 소정 길이로 절단하고 건조시켜 노즐 부재의 그린체로 하고, 이 그린체를 대기 분위기에서 600℃까지 서서히 승온하여 탈지함과 함께 필라멘트(4)의 대부분을 소실시키고, 이어서 1500℃로 소결함으로써, 필라멘트(4)를 완전히 소실시킨다. 이것을 소정 길이 치수로 가공함으로써, 도 2에 나타내는 바와 같은 외경 치수가 1.5㎜, 관통공(6a)의 직경 치수가 50㎛이고, 게다가 관통공(6a)의 내벽면의 면 조도가 0.8S 이내, 비중이 3.92, 비커스(Vickers) 경도(Hv)가 1750인 특성을 갖는 노즐 부재(6)를 제작했다.

또한, 본 실시예에서는, 필라멘트(4)로서 속이 찬(solid) 합성 섬유를 이용했지만, 길이 방향으로 공동(空洞)을 갖는 중공(hollow) 형상의 필라멘트를 이용할 수도 있다. 이에 따라, 탈지, 소결시에 있어서의 합성 수지의 열팽창에 의해 관통공에 균열이 발생하는 등의 문제를 없앨 수 있다. 또한, 합성 수지 대신에 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트를 이용하면, 탄소 재료는 열팽창 계수가 작기 때문에, 탈지, 소결시에 있어서의 필라멘트(4)의 열팽창에 의해 발생하는 관통공의 균열을 방지할 수 있다. 또는, 필라멘트(4)를 압출 성형체(M)로부터 뽑아낸 상태에서, 탈지, 소결할 수도 있다.

또한, 도 3에 나타내는 다른 방식의 압출 성형용 금형을 사용할 수도 있다. 이 압출 성형용 금형에서는, 노즐 보디(1)의 축심에 혼련체를 화살표 A방향으로 밀어내는 통로가 되는 니들(needle; 7)의 외주에, 도 4에 나타내는 바와 같은 링 형상의 필라멘트 가이드(20)를 형성하고 있다. 이 필라멘트 가이드(20)의 동심원상에 형성한 30개의 가이드 구멍에 중공 형상의 합성 수지로 이루어지는 필라멘트(4)를 삽입통과시켜 당겨 두고, 도시하지 않은 고압 실린더로부터 혼련체를 화살표 A 및 B방향으로 가압하여 들어가게 한다. 이에 따라, 혼련체는 니들(7) 속을 직진하고, 또한 오리피스(5)와 니들(7)의 외주와의 사이로부터도 곡선 화살표 방향 C로 진입하며, 니들(7)의 선단부(7a)에서 합류 일체화해 둥근 막대 형상이 되어, 필라멘트(4)를 포함한 상태의 압출 성형체(M)가 얻어진다.

또한, 화살표 A 및 B 방향으로 가압되어 들어가는 혼련체의 양은, 니들(7)의 선단부(7a)의 내측과 외측을 통과하는 단위 시간당의 체적을 동일하게 함으로써, 니들(7)의 선단부(7a)에 있어서의 내외 차이가 없는 균질한 압출 성형체가 얻어진다. 또한, 공급하는 필라멘트(4)는, 니들(7)의 상부 외주의 후방에 세트한 도시하고 있지 않은 텐션 롤러를 사이에 형성함으로써, 백텐션 기능을 부여할 수 있다.

또한, 필라멘트 가이드(20)에 형성하는 가이드 구멍(20a)은, 도 4(a)와 같이 일렬로 배열하는 것 외에, 압출 성형체(M)의 외경 치수를 5㎜ 정도보다도 크게 하여, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 복수열로 배열함으로써, 100개소 이상의 관통공을 갖는 노즐 부재를 제조할 수도 있다.

(실시예 2)

노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 원료로서, 염화 알루미늄 용액과 에틸 실리케이트 용액을 Al₂O₃ 성분이 65～75 질량％ 및 SiO₂ 성분이 35～25 질량％가 되도록 배합한 용액으로부터 공침법(co-precipitation method)으로 제작한 멀라이트용 원료 분말을 준비했다.

또한, Al₂O₃와 Y₂O₃와의 복합 재료를 형성하는 세라믹스 재료의 원료로서, 순도 99.5％이고 평균 분말 입자경이 0.8㎛인 Al₂O₃ 분말 99 질량％와, 순도가 99.9％이고 평균 입자경이 0.6㎛ 및 0.3㎛인 Y₂O₃ 분말 1 질량％와의 혼합 분말을 준비했다.

또한, 순도가 99.5％이고 평균 입자경이 0.4㎛인 Al₂O₃ 분말의 5 질량％ 및 3 질량％를, 2.5 몰％의 Y₂O₃로 부분 안정화한 ZrO₂ 분말로 치환한 혼합 분말을 준비했다.

그리고 또한, ZrO₂계의 세라믹스 재료의 원료로서, 2.5 몰％ Y₂O₃로 부분 안정화한 순도 99.5％ 이상이고 평균 분말 입자경이 0.3㎛인 ZrO₂ 분말, 혹은 이 ZrO₂ 분말이 75 질량％ 이상이고 잔부로서 실시예 1에서 이용한 Al₂O₃ 원료를 혼합한 ZrO₂계의 분말을 준비했다.

이들 세라믹스 재료의 원료 분말을 이용하여, 각각 실시예 1과 동일한 제조 방법으로 노즐 부재를 제작했다. 이에 따라, 어느 재료나 상대 밀도가 95％ 이상이고 비커스 경도(Hv)가 1000 이상이며, 관통공(6a)의 내벽면의 면 조도가 1S 이하인 노즐 부재가 얻어졌다.

(실시예 3)

순도가 99.99％ 이상이고 평균 분말 입자경이 0.5㎛인 Al₂O₃ 원료 분말 100 질량부에 대하여, 100L의 물과 에멀젼 타입의 왁스계 바인더를 고형분 농도로 4 질량부와 소포제를 0.5 질량부와, 해교제(deflocculant)를 0.5 질량부 추가하여 볼밀(ball mill)로 분쇄 혼합하여 얻은 슬러리를 준비했다.

한편, 이 슬러리로부터 주입 성형에 의해 노즐 부재를 제작하기 위해, 도 5에 나타내는 다공질 수지 재료로 형성한 주입 성형용 형틀을 이용했다. 이 주입 성형용 형틀은, 주입 성형용 형틀(9)의 저판 부재(10)에 형성된 7개의 세공에 직경 100㎛의 합성 수지 또는, 탄소 재료 혹은 금속 재료 등으로 이루어지는 필라멘트(11)를 될 수 있는 한 틈이 없는 상태로 삽입통과시키고, 필라멘트(11)를 주입 성형용 형틀(9)의 축심 방향으로 배치한 상태로 하며, 저판 부재(10)의 돌기부(10a) 둘레에, 다공질 수지 형틀로서, 반으로 분할된 형상의 흡수통(12)을 틈이 없는 상태로 부착하고, 상하의 O링 홈(13a 및 13b)에 각각 O링(14a 및 14b)을 부착하여 진공 흡인통(15) 내에 장착함으로써, 상하의 O링(14a, 14b) 사이에 위치하는 흡수통(12) 부분으로부터 슬러리 중의 수분을 흡수 흡인하는 기구로 되어 있다. 또한, 필라멘트(11)의 기단(하단)은 저판 부재(10)의 하방에 배치한, 다공질 재료가 아닌 필라멘트 고정판(16)에 고정되어 있다.

이와 같이 주입 성형용 형틀(9)의 축심 방향으로 배치한 필라멘트(11)의 상단 부분을 텐션 가이드(17)에 걸고, 약간의 장력을 건 상태로 고정한다. 그 후, 주입 성형용 형틀(9)의 슬러리 주입구(9a)로부터 준비하고 있던 슬러리를 슬러리 주입 공간(9b), 즉 흡수통(12) 내에 붓고, 진공 흡인통(15) 내를 진공 배기한다. 이 진공 배기에 의해 슬러리 중의 수분이 흡수 흡인된다. 이어서, 수분이 흡수 흡인됨에 따라 슬러리 액면이 내려가기 때문에 슬러리를 보급하고, 일정 시간 정치하여 충분히 수분을 흡수 흡인시킨다.

그 후, 금속 재료로 이루어지는 필라멘트(11)(금속선)를 이용한 경우는, 필라멘트 고정판(16)과 함께 금속선을 주입 성형용 형틀(9)의 축심 방향과 평행하게 뽑아내고, 이어서 진공 흡인통(15)의 내부로부터 전체를 취출하여 흡수통(12)을 떼어냄으로써, 주입 성형체가 얻어진다. 이것을 건조, 탈지, 소결한 후, 소정의 길이로 절단하여 전장이 15㎜이고, 외경이 1.2㎜이며, 7개소의 관통공의 직경이 80㎛이고, 게다가 관통공 내벽면의 축심과 평행 방향의 면 조도가 1S 이내이며, 비중이 3.95(상대 밀도가 99.1％)이고, 비커스 경도(Hv)가 1800인 노즐 부재가 얻어졌다.

또한, 구체적인 필라멘트 재료로서는, 합성 수지제의 은어낚시용 목줄이나, 피아노선 외에, 고(高)인장 강도의 금속선으로서, 텅스텐선이나 몰리브덴선을 사용함으로써 보다 우수한 관통공을 형성할 수 있다. 여기에서, 필라멘트(11)로서 금속선을 이용하는 경우는, 유막(油膜) 또는 이형제를 도포하거나, 테프론(등록 상표)으로 코팅한 피아노선 등을 사용함으로써, 뽑아냄이 용이해지는 경우가 있다.

또한 보충하면, 필라멘트(11)로서 합성 수지 또는 탄소 재료를 이용한 경우는, 뽑아내는 일 없이, 실시예 1과 동일하게 그대로 탈지 내지 소결하여 소실시킬 수 있다.

또한, 다공질 수지 재료제의 주입 성형용 형틀 대신에, 종래부터 일반적으로 많이 이용되고 있는 석고 형틀에 의해 주입 성형을 행하는 경우는, 저판 부재(10)와 두께를 두껍게 한 흡수통(12)을 석고 형틀로 형성함으로써, 흡수통(12)의 석고 형틀이 슬러리의 수분을 흡수하기 때문에 O링(14a, 14b)과 진공 흡인통(15)이 불필요해지지만, 그 이외의 형틀 부재와 형틀 구성은 전술의 다공질 수지 재료제 형틀을 이용한 경우와 동일하며, 또한 주입 성형 방법도 동일한 방법을 채용할 수 있다.

(실시예 4)

노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 원료로서, 실시예 2에서 이용한 것과 동일한 멀라이트용 원료 분말, Al₂O₃와 Y₂O₃와의 혼합 분말, Y₂O₃로 부분 안정화한 ZrO₂ 분말 및, ZrO₂의 일부를 Al₂O₃로 치환한 ZrO₂계의 분말을 이용했다.

이들 세라믹스 재료의 원료 분말을 이용하여, 각각 실시예 3과 동일하게 그 원료 분말에 적합한 소정량의 물, 에멀젼 타입의 왁스계 바인더, 소포제 및 분산제나 해교제를 가하여 주입 성형용의 슬러리를 제작하고, 이어서 실시예 3과 동일하게 주입 성형 내지 소결 공정을 거침으로써, 관통공 내벽면의 면 조도가 1S 이내이고, 상대 밀도가 95％ 이상이며, 비커스 경도(Hv)가 1000이상(2.5 몰％ Y₂O₃로 부분 안정화한 ZrO₂가 가장 낮아 Hv가 1050)의 각종 세라믹스 재료로 이루어지는 노즐 부재가 얻어졌다.

이상의 실시예 1 내지 4에 의해 도 2(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같은 관통공(6a)이 7개(적어도 1개)이고, 애스펙트비가 5 이상인 세라믹스 재료로 이루어지는 노즐 부재(6)를 얻을 수 있고, 나아가서는 도 6의 평면도에 나타내는 바와 같이, 36개 혹은 그 이상의 관통공(6a)을 갖는 노즐 부재(6)를 얻을 수도 있다. 또한, 압출 성형법에 의하면 매우 긴 성형체가 얻어지기 때문에, 그린체의 단계 혹은 소결체의 단계에서, 용도에 따른 최적의 길이로 절단한다.

그리고, 이들 노즐 부재(6)를 도 7(a)에 나타내는 바와 같이 노즐 본체(18)에 형성된 노즐 부재 장착공(18a)에 노즐 본체(18)의 두께 방향의 전장에 걸쳐서 장착하거나, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이 노즐 부재 장착공(18a)의 상하 어느 한쪽의 단면(端面)측 혹은, 단면(端面)으로부터 떨어진 위치에 장착하거나 하여, 유체 방출용 노즐로서 사용할 수 있고, 혹은 진공 흡인용 노즐로서 작용시킴으로써 진공 흡착판으로서 사용할 수 있다.

또한, 통상의 유체 방출용 노즐과 같이 단일한 관통공으로부터만 방출되는 유체를, 본 발명의 노즐 부재에서는 복수개의 관통공으로 분산할 수 있기 때문에, 유체의 유속을 저감시켜 넓은 범위로부터 방출시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 1개의 노즐 부재에 미세한 관통공을 용이하게 다수개 형성할 수 있기 때문에, 종래의 노즐 부재의 관통공의 수를 수배 이상 증가시킴과 함께, 노즐 본체의 전면(全面)에 수많은 관통공을 분산시킬 수 있다.

여기에서, 노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 경도가 낮으면, 예를 들면 방사용 구금에 있어서는 방사 품질의 저하, 진공 흡착판에 있어서는 흡착면의 마모에 의한 흡착의 열화나 불균일의 발생, 나아가서는 미세한 관통공이 마모된 경우에는 유체 통과량의 불균일 등의 트러블이 발생하게 된다.

따라서, 노즐 부재의 내(耐)마모성은 매우 중요하여, 노즐 부재를 형성하는 재료의 경도는, 비커스 경도(Hv)를 1000 이상으로 할 필요가 있다. 이 노즐 부재의 경도는 재료의 상대 밀도와 관계되어 있어, 상대 밀도가 95％ 미만에서는 재료의 치밀도 부족에 수반되는 경도의 저하나, 관통공 내면의 면 조도 열화에 의한 유체 저항의 증대를 피할 수 없게 된다.

그리고 또한, 노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료의 순도는, 유체용 노즐이 다양한 유체 혹은 분위기에 노출되는 점에서, 될 수 있는 한 고순도인 것이 중요하여, 산이나 알칼리 혹은 부식성 가스의 유체에 침범되는 불순물의 양은 1 질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.5 질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 질량％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Al₂O₃의 일부를 치환하는 MgO 이외의 성분은 평균 입자경이 1㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하로 하고, 미분말일수록 소량의 치환에 의해 MgO나 Y₂O₃와 동일한 효과를 발휘한다.

그리고 또한, 본 발명의 노즐 부재는 노즐 본체에 열 박음(shrink fit)이나 일체 소결에 의해 장착할 수 있다. 일체 소결인 경우는, 노즐 부재와 동일 재료 종류 또는 다른 재료 종류의 세라믹스 재료로 이루어지는 노즐 본체의 분말 성형체나 탈지체 혹은 가소결체에 형성한 장착공에 노즐 부재를 삽입하여 일체적으로 소결 결합시킨다. 이때, 노즐 본체에 형성하는 장착공은, 노즐 본체가 소결 수축하여 노즐 부재에 압축력을 부여하게 되는 치수로 형성한다.

또한, 본 발명의 노즐 부재의 세라믹스 재료는, 산화물계의 세라믹스 재료 이외에, 비(非)산화물계의 탄화물이나 질화물이나 붕화물(硼化物), 혹은 산화물계나 비산화물계의 복합 재료로 형성할 수 있다. 그리고, 이들의 각종 세라믹스 재료에 적합한 혼합, 혼련용의 용매나 바인더를 선택하고, 또한 탈지 내지 소결로의 로(爐) 내 분위기에 비산화성 분위기를 채용함으로써 노즐 부재를 제조할 수 있다. 단, 비산화물계의 세라믹스 재료로 형성하는 경우는, 비산화성의 로 내 분위기를 채용하기 때문에, 합성 수지나 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트가 탄화물의 상태로 잔류하지 않도록 하기 위해, 압출 성형 혹은 주입 성형시에 이용한 필라멘트를 뽑아 둘 필요가 있다.

그리고 또한, 합성 수지, 탄소 재료 및, 피아노선 외의 필라멘트의 표면 조도는 0.5S 이내의 정밀도를 갖는 것이 대부분이며, 이들을 사용함으로써, 관통공 내면의 면 정밀도를 0.4S 나아가서는 0.3S 이내로 형성할 수 있다.

본 발명은 방사용 노즐 등의 유체 방출용 노즐, 진공 흡인용 노즐, 그 외 각종의 유체용 노즐의 노즐 부재에 이용 가능하다.

1 : 노즐 보디
2, 20 : 필라멘트 가이드
2a, 20a : 가이드 구멍
3 : 급사부(給絲部)(필라멘트 공급부)
3a : 테이퍼 형상 오목부
3b : 탄성체
3c : 조임 캡
4 : 필라멘트
5 : 오리피스
6 : 노즐 부재
6a : 관통공
7 : 니들
7a : 니들의 선단부
8 : 필라멘트 가이드의 니들부
9 : 주입(鑄入) 성형용 형틀
9a : 슬러리 주입구(注入口)
9b : 슬러리 주입(鑄入) 공간
10 : 저판 부재
10a : 돌기부
11 : 필라멘트
12 : 흡수통(석고 형틀 또는 다공질 수지 형틀)
13a, 13b : O링 홈
14a, 14b : O링
15 : 진공 흡인통
16 : 필라멘트 고정판
17 : 텐션 가이드
18 : 노즐 본체
18a : 노즐 부재 장착공

Claims

유체용 노즐 부재로서, 상기 노즐 부재의 직경에 대해 중앙의 축심에 평행한 관통공을 적어도 1개 갖고, 상기 관통공의 직경 치수가 100㎛ 내지 10㎛이고, 그리고 관통공의 직경(D)과 길이(L)와의 비(L/D)가 5 이상이며, 상대 밀도가 95％ 이상이고 비커스 경도(Hv)가 1000 이상인 세라믹스 재료로 된 노즐 부재.
삭제
제1항에 있어서,
노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료가, 순도 99.5％ 이상의 Al₂O₃의 1질량％ 이하를, MgO 및 Y₂O₃의 적어도 어느 한쪽으로 치환한 알루미나계 세라믹스 재료인 노즐 부재.
제1항에 있어서,
노즐 부재를 형성하는 세라믹스 재료가, 함유 불순물 성분의 양이 0.5 질량％ 이하인, 멀라이트계 세라믹스 재료, Al₂O₃와 Y₂O₃와의 복합 재료, 또는 ZrO₂계의 세라믹스 재료로 이루어지는 노즐 부재.
제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 기재된 노즐 부재의 제조 방법으로서,
세라믹스 재료의 원료 분말에 압출 성형용 바인더와 수분을 배합한 혼련체(混練體)를 얻고, 이어서, 합성 수지 또는 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트를, 필라멘트 가이드와 오리피스를 부착한 압출 성형용 형틀 내에 삽입통과시키고, 백텐션 기구를 이용하여 필라멘트에 장력을 건 상태로 당겨 두고, 이 압출 성형용 형틀 내에 상기 혼련체를 압력을 걸어 공급함으로써, 혼련체와 장력이 작용한 필라멘트를 압출하여 축심 방향으로 필라멘트를 포함한 압출 성형체를 얻고, 이 압출 성형체를 소정 길이로 절단하고 건조시켜 그린체(green body)로 하고, 이 그린체를 소성하여 탈지 및, 세라믹스 재료의 종류에 대응하는 온도로 소결하는 과정에서, 필라멘트를 소실시켜 축심에 평행한 관통공을 형성하는 노즐 부재의 제조 방법.
제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 기재된 노즐 부재의 제조 방법으로서,
세라믹스 재료의 원료 분말에 압출 성형용 바인더와 수분을 배합한 혼련체를 얻고, 이어서, 합성 수지, 탄소 재료 또는, 금속 재료로 이루어지는 필라멘트를, 필라멘트 가이드와 오리피스를 부착한 압출 성형용 형틀 내에 삽입통과시키고, 백텐션 기구를 이용하여 필라멘트에 장력을 건 상태로 당겨 두고, 이 압출 성형용 형틀 내에 상기 혼련체를 압력을 걸어 공급함으로써, 혼련체와 장력이 작용한 필라멘트를 압출하여 축심 방향으로 필라멘트를 포함한 압출 성형체를 얻고, 이 압출 성형체의 건조체를 소정 길이로 절단함과 아울러 상기 필라멘트를 뽑아내어 제거함으로써 노즐 부재용의 그린체로 하고, 이 그린체를 탈지 및, 세라믹스 재료의 종류에 대응하는 온도로 소결함으로써 축심에 평행한 관통공을 형성하는 노즐 부재의 제조 방법.
제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 기재된 노즐 부재의 제조 방법으로서,
세라믹스 재료의 원료 분말과 물 및 바인더를 혼합 분산시킨 슬러리를 얻고, 이어서 석고 또는 다공질 재료로 이루어지는 주입 성형용 형틀의 주입 공간 내의 축심 방향으로 합성 수지, 탄소 재료 또는 금속 재료로 이루어지는 필라멘트를 장력을 건 상태로 배치하고, 이 주입 성형용 형틀 내에 상기 슬러리를 주입하여 필라멘트를 포함한 주입 성형체를 얻고, 이 주입 성형체로부터 상기 필라멘트를 뽑아내고, 그 후, 건조, 탈지, 소결함으로써 축심에 평행한 관통공을 형성하는 노즐 부재의 제조 방법.
제1항, 제3항, 또는 제4항 중 어느 한 항에 기재된 노즐 부재의 제조 방법으로서,
세라믹스 재료의 원료 분말과 물 및 바인더를 혼합 분산시킨 슬러리를 얻고, 이어서 석고 또는 다공질 재료로 이루어지는 주입 성형용 형틀의 주입 공간 내의 축심 방향으로 합성 수지 또는 탄소 재료로 이루어지는 필라멘트를 장력을 건 상태로 배치하고, 이 주입 성형용 형틀 내에 상기 슬러리를 주입하여 필라멘트를 포함한 주입 성형체를 얻고, 그 후, 건조, 탈지, 소결함으로써 상기 필라멘트를 소실시켜 축심에 평행한 관통공을 형성하는 노즐 부재의 제조 방법.