KR20060097416A

KR20060097416A - 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치

Info

Publication number: KR20060097416A
Application number: KR1020050019732A
Authority: KR
Inventors: 고경현; 이하용; 이재홍; 이재정; 유영호
Original assignee: 주식회사 솔믹스
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR100776537B1

Abstract

본 발명은 콜드 스프레이(cold spray)용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이(cold spray) 장치에 관한 것으로, 특히 a)단면적이 수렴하는 수렴인입부와 b)상기 수렴인입부의 수렴 끝단에 연결되는 목부와 c)상기 목부의 끝단에 연결되는 출구부 및 d)상기 목부의 끝단 또는 출구부의 일정지점을 기점으로 상기 기점의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 확장된 후 다시 수렴하여 출구부 내면에 연접하는 형태로 일정체적을 형성하는 완충쳄버로 이루어진 중공형의 노즐부, 및 상기 수렴인입부의 내부에 위치하여, 그 끝단 분사구가 상기 목부, 이를 지난 완충쳄버 또는 출구부 내에 위치하도록 배치되는 분사튜브를 포함하며, 상기 출구부에서의 분말의 출구단 유속이 300 내지 1,200 ㎧가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치에 관한 것이다. 따라서 부드러운 재질의 분말 코팅시에 노즐의 내부에 분말이 코팅되는 것을 막아 이를 통한 노즐 막힘 현상을 최소화할 수 있고, 고경도 재질의 분말 코팅시에 노즐의 마모를 막을 수 있어, 노즐을 장시간동안 사용할 수 있으므로 양산에 적용이 용이하고, 장시간 동안 고품질의 코팅을 실시할 수 있으므로 대량생산시 제조비용을 절감할 수 있다. 뿐만 아니라 공급가스의 유량을 조절하지 않고 분사튜브의 위치를 조절하여 분말의 속도조절이 가능하여 공정변경이 용이한 장점이 있다.

콜드 스프레이, 노즐

Description

콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치 {NOZZLE FOR COLD SPRAY AND COLD SPRAY APPARATUS USING THE SAME}

도 1 내지 도 4는 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐의 실시예들의 단면을 각각 나타낸 단면도이다.

도 5는 종래의 콜드 스프레이용 노즐 및 그 시스템을 나타낸 개략도 이다.

도 6은 도 5의 종래의 콜드 스프레이용 노즐에서의 유동특성의 수치해석 결과를 나타낸 도면이다. (단위 : m/s)

도 7은 도 5의 종래의 콜드 스프레이용 노즐에서 분사튜브의 분사구 위치를 변경한 경우의 유동특성의 수치해석 결과를 나타낸 도면이다. (단위 : m/s)

도 8은 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐의 일실시예에서의 유동특성의 수치해석을 위한 유동장 모델의 사시도이다.

도 9는 도 8의 일실시예에서의 콜드 스프레이용 노즐에서의 유동특성의 수치해석 결과를 나타낸 도면이다. (단위 : m/s)

도 10은 도 8의 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐에서 분사튜브의 분사구 위치를 변경한 경우의 유동특성의 수치해석 결과를 나타낸 도면이다. (단위 : m/s)

도 11은 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐이 적용되는 콜드 스프레이 장치의 시스템 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 수렴인입부 4 : 목(throat)부

6 : 출구부 8 : 출구단

10 : 노즐부 12 : 분사구

20 : 분사튜브 22 : 기점

24 : 연접부 30 : 완충쳄버

본 발명은 콜드 스프레이(cold spray)용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이(cold spray) 장치에 관한 것으로, 부드러운 재질의 분말 코팅시에 분말이 노즐의 내부에 코팅되어 노즐이 막히는 현상을 최소화할 수 있고, 고경도 재질의 분말 코팅시에 노즐의 마모를 막을 수 있어, 노즐을 장시간동안 공정변수의 변화 없이 사용할 수 있으므로 양산에 적용이 용이하고, 장시간 동안 고품질의 코팅을 실시할 수 있으므로 대량생산시 제조비용을 절감할 수 있고, 분말 공급장치에 고압의 가압장치가 필요하지 않아 저가의 설비구성이 가능하며, 뿐만 아니라 공급가스의 유량을 조절하지 않고 분사튜브의 위치를 조절하여 분말의 속도조절이 가능하여 공정변경이 용이한 장점이 있는 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치에 관한 것이다.

콜드 스프레이 코팅법은 초음속의 운반가스를 이용하여 분말을 상온상태 또 는 비교적 가열이 되지 않은 낮은 온도에서 분사하여 피착물의 표면에 코팅하는 방법으로서, 초음속 제트 기류(300 ~ 1200 m/s)에 의해 가속된 작은 입자 (1 ~ 50 ㎛)들이 금속이나 세라믹 기판에 부딪쳐 코팅되는 방법으로, 가속된 기체의 온도, 기체 속도, 입자 크기 등이 코팅되기 위한 공정 변수로 적용되고 있다.

특히, 가열하지 않은 기판 위에 고속으로 가속된 입자를 충돌시켜 코팅되는 원리이므로 각각의 코팅할 소재에 따라 코팅 효율이 달라지고, 가속된 입자의 속도가 증가할수록 코팅 효율이 증가하는데, 일정한 속도이상에서 급격히 증가하는 특성을 보인다.

초음속을 이용한 콜드 스프레이 코팅법으로 코팅되기 위한 기본적인 요구사항은 다음과 같다. a) 제트 기류의 온도가 항상 가속되는 입자의 녹는 점 또는 연화되는 점보다 낮아야 한다. b) 가속되는 입자는 1 ~ 50 ㎛ 범위여야 한다. c) 입자의 속도는 입자 소재와 크기에 따라 300 ~ 1,200 m/s이어야 한다. 실제로, 입자들은 마하 2 ~ 4 정도, 1 ~ 3 MPa 사이의 초음속의 제트 기류의 도움을 받아 코팅되며, 기체의 종류로는 공기와 질소, 헬륨, 혼합 기체 등을 사용하며, 어떠한 기체를 사용하여도 가속되는 입자가 임계 속도를 넘게 해야 코팅이 가능하다(V > Vcrit).

이러한 이유로, 기체의 속도를 증가시키기 위해 기체의 온도를 증가시켜 유량을 증대하고, 초음속의 운반가스를 제공하기 위하여 공지기술로는 노즐을 전형적인 디 라발형(De Laval Type) 노즐을 사용하였다. 이에 대한 내용은 미국등록특허 US 6,139,913에 공지된 기술로서 도 5에 도시한 바와 같은 구성을 가진다. 그러나 이러한 디 라발형 노즐(수렴-확산 노즐)은 도 5에 도시한 바와 같이 하부에서 공급되는 운반가스에 좌측에서 공급되는 가스와 분말을 혼합한 가스/분말 혼합체를 목(throat)부 이전에 혼합한 후 이를 가속하는 것이다.

따라서 이와 같이 공급된 가스/분말 혼합체는 도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같이 수렴-확산 노즐의 수렴부를 통하여 점점 가속되어 목부에서는 음속에 이르게 되고, 음속에 이른 후에는 어느 특정 지점을 지나는 가스의 무게를 일정하게 유지하기 위해 노즐의 후미 부분은 확산 형태로 되어 있다. 이렇게 함으로써 목부(throat area)를 떠난 가스의 속도는 증가해서 마침내 초음속이 된다. 초음속 속도로 움직이는 가스는 후방으로 가속되는 속도보다 바깥쪽으로 팽창되는 속도가 더 빠른 특성이 있다. 왜냐하면, 가스가 축류방향으로 압축됨에 따라 에너지를 원주 방향으로 발산하기 때문이다. 수축-확산 노즐은 이 원리를 이용해서 노즐내의 가스/분말 혼합체를 초음속으로 추진시키는데 필요한 추력을 만들어낸다.

그러나 도 5에 도시한 기존 방식의 경우는 가스/분말 혼합체가 목부이전에 인입이 되므로 분말이 목부를 통과하여 분사되어야 하는 과정을 겪게 되는데 이 경우에 상기 주입되는 분말이 알루미늄과 같은 비교적 무른 분말인 경우에는 상기 목부에 분말이 코팅되어 단시간 내에 상기 목부가 막혀버려 더 이상 코팅을 실시할 수 없어 대량생산에 적용하기 어려운 문제점이 있으며, 상기 주입되는 분말이 니켈이나 초합금과 같은 고경도의 분말인 경우에는 상기 목부에서의 속도가 음속정도의 수준이므로 코팅은 일어나지 않으나 분말의 충돌에 따라 목부에 심한 마모가 발생하여 노즐을 손상시키고, 목부의 형상변경에 따라 유속이 변화되어 공정조건이 바 뀌는 문제점이 있다.

또한 도 5와 같은 장치를 이용하여 코팅을 하는 경우에는 노즐의 좌측에서 공급되는 가스/분말 혼합체를 주입하는 분사튜브에 작용하는 압력이 노즐의 하부에서 공급되어 수렴부에 운반가스로서 공급되는 가스의 압력보다 높아야 하므로 별도의 가압장치를 구비하여야 하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이 공지의 수렴-확산 노즐을 사용하는 경우에는 가스/분말 혼합체를 공급하는 분사튜브의 위치를 변경하여도 노즐의 출구단에서의 최종 출구유속이 변하지 않는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 공정조건의 변경을 위하여 유속을 변화하고자 하는 경우에는 전체 시스템의 유량을 변경하여야 하는 어려움이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 부드러운 재질의 분말 코팅시에 노즐이 막히는 현상을 최소화할 수 있고, 고경도 재질의 분말 코팅시에 노즐의 마모를 막을 수 있어, 노즐을 장시간동안 사용할 수 있으므로 대량생산에 적용이 용이하고, 장시간 동안 고품질의 코팅을 실시할 수 있는 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 공급가스의 유량을 조절하지 않고도 노즐의 출구에서 분사되는 분말의 속도를 제어할 수 있어 공정제어가 용이한 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이외에 본 발명은 가스/분말 공급장치에 가압장치를 구비하지 않아 저렴하게 코팅장비를 구성할 수 있고, 장시간 유지보수 없이 사용할 수 있어 초기비용 뿐만 아니라 운전비용도 절감할 수 있는 경제적인 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

a)단면적이 수렴하는 수렴인입부와 b)상기 수렴인입부의 수렴 끝단에 연결되는 목부와 c)상기 목부의 끝단에 연결되는 출구부 및 d)상기 목부의 끝단 또는 출구부의 일정지점을 기점으로 상기 기점의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 확장된 후 다시 수렴하여 출구부 내면에 연접하는 형태로 일정체적을 형성하는 완충쳄버로 이루어진 중공형의 노즐부, 및 상기 수렴인입부의 내부에 위치하여, 그 끝단 분사구가 상기 목부, 이를 지난 완충쳄버 또는 출구부 내에 위치하도록 배치되는 분사튜브를 포함하며, 상기 출구부에서의 분말의 출구단 유속이 300 내지 1,200 ㎧가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐을 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.

본 발명은 콜드 스프레이용 노즐에 관한 것으로 a)단면적이 수렴하는 수렴인입부(2)와 b)상기 수렴인입부(2)의 수렴 끝단에 연결되는 목(throat)부(4)와 c)상기 목부(4)의 끝단에 연결되는 출구부(6) 및 d)상기 목부(4)의 끝단 또는 출구부의 일정지점을 기점(22)으로 상기 기점(22)의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 확장한 후 다시 수렴하여 출구부(6) 내면에 연접(24)하는 형태로 일정체 적을 형성하는 완충쳄버(30)로 이루어진 중공형의 노즐부(10), 및 상기 수렴인입부(2)의 내부에 위치하여, 그 끝단 분사구(12)가 상기 목부(4), 이를 지난 완충쳄버(30) 또는 출구부(6) 내에 위치하도록 배치되는 분사튜브(20)를 포함하며, 상기 출구부(6)에서의 분말의 출구단(8) 유속이 300 내지 1,200 ㎧가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이에 대한 구체적인 실시예는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같으며, 상기 수렴인입부(2)는 분사튜브(20)를 제외한 부분에 가스만 공급되는 운반가스가 목부(4)에서 음속에 이르도록 하기 위하여 수렴노즐로 구성된 것이다. 이에 따라 상기 목부(4)에서는 운반가스의 속도가 음속에 이르게 되고, 상기 목부(4)로부터 나온 운반가스는 유동이 확산되는 출구부(6)를 지나므로 300 내지 1,200 m/s로 가속된다. 이러한 운반가스에 상기 분사튜브(20)를 통하여 공급되는 가스/분말 혼합체를 목부(4), 이를 지난 완충쳄버(30) 또는 출구부(6) 내에서 분사하므로 노즐 중에서 가장 단면적이 적은 목부(4)에서의 코팅에 따른 막힘이나, 충돌에 따른 마모가 발생하지 않게 되며, 이에 추가하여 상기 노즐부(10)에 상기 목부(4)의 끝단 또는 출구부의 일정지점을 기점(22)으로 상기 기점(22)의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 확장한 후 다시 수렴하여 출구부(6) 내면에 연접(24)하는 형태로 일정체적을 형성하는 완충쳄버(30)를 가진다. 이러한 완충쳄버(30)를 통하여 음속으로 증가된 속도를 가지는 유동이 노즐부(10)의 내부와 상호작용하는 것을 근본적으로 차단할 수 있다.

또한 고속영역에서의 분사이므로 상기 지역은 압력이 상대적으로 낮아지므로 가스/분말 혼합체는 일종의 흡입(suction)에 의하여 노즐내에 유입되므로 분사튜브(20)의 입구단에서 별도의 가압을 필요로 하지 않게 되며, 따라서 가압장치가 불필요하고, 장치를 간단하게 구성할 수 있다.

바람직하게는 상기 노즐은 상기 목부(4)와 출구부(6)의 형상이 상기 수렴인입부(2)로부터 인입된 가스가 상기 분사튜브 분사구(12)로부터 분사된 가스/분말 혼합체의 유동을 수렴하게 하여 그 속도가 음속이 되게 한 후, 상기 유동이 다시 발산되도록 구성할 수 있다. 이를 통하여 가스/분말 혼합체의 유속도 초음속 내지 300 ~ 1,200 m/s로 증대할 수 있으므로 출구부(6) 끝단인 출구단(8)에서의 분말의 속도를 증대하는 효과가 있다.

즉, 도 9 내지 도 10에 도시한 바와 같이 목부(4)를 통과하는 운반가스는 수렴인입부(2)에 의하여 가속되어 음속에 도달하고, 이후에 출구부(6)에서 단면적이 증대되므로 확산구간에 해당되어 초음속으로 가속되는 것을 볼 수 있다. 뿐만 아니라 상기 운반가스는 팽창에 따라 상기 분사튜브(20)에서 나오는 가스/분말 혼합체의 유동을 수축시켜, 분사튜브(20)의 분사구(12)에서 분사되는 유동을 수렴하게 하고 있다. 상기 수렴이 분사구(12)에서 분사되는 유동의 속도를 음속으로 가속하기에 충분한 경우에는 상기 유동은 음속으로 가속되고, 이후에 운반가스의 수축영향이 적어진 출구부(6) 후단에서의 발산을 통하여 분사구(12)에 분사된 유동도 초음속으로 가속되게 되므로 노즐에서 분사되는 전체 유동이 초음속으로 가속되어 높은 충돌 속도를 가지고 코팅이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 수렴인입부(2)에 인입되는 가스인 운반가스는 노즐의 실질적인 외부 형상에 따라 일반가속(수렴) -> 목부에서의 음속 -> 초음속가속(발산)의 과정을 거치고, 분사튜브(20)에서 분사된 가스/분말 혼합체는 상기 운반가스의 확산유동에 의하여 일반가속(유동에 의한 수렴) -> 유동에 의한 목부형성 및 음속도달 -> 초음속 가속(유동의 영향 해소에 따른)의 과정을 거쳐 가속되어 높은 속도를 얻을 수 있다.

이는 도 9 내지 도 10에 도시된 것을 관찰하면 확실히 알 수 있는데 분사튜브(20)에 나온 유동이 맨 처음에는 튜브를 빠져나옴에 따라 속도가 감소하지만 주변의 유동에 의하여 내부로 밀려져서 좁아지면서 수축하여 수렴됨에 따라 속도가 증가하여 음속이 되고, 이후에 다시 팽창하면서 초음속으로 가속되는 것을 도면을 통하여 확실히 관찰할 수 있다.

또한 상기 출구부(6)의 형상은 분말이 300 ~ 1,200 m/s의 속도를 가지도록 하면 그 형상에 제한이 없으며, 다양한 형상으로 구성할 수 있으며, 이는 도 3 내지 도 4에서와 같이 발산형상 또는 도 1 내지 도 2에서와 같이 직선형 등이 될 수 있으며, 상기와 같은 가속 메카니즘이 발생하도록 하는 바람직한 구체적인 예로는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 상기 출구부(6)는 상기 목부(4)의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 갖고 직선형으로 구성되도록 구성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐은 상기 목부(4)와 출구부(6)의 형상이 상기 수렴인입부(2)로부터 인입된 가스가 상기 분사튜브 분사구(12)로부터 분사된 가스와 분말 혼합체의 유동을 수렴하게 하여 그 속도가 음속이 되게 한 후, 상기 유동이 다시 발산되도록 하도록 구성될 수 있다. 또한 노즐부(10) 내부와 분말의 상호작용을 최소화하는 바람직한 구체적인 예로는 도 3 내지 도 4에 도시한 바 와 같이 상기 출구부(6)는 상기 목부(4)의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 갖고 발산형으로 구성되도록 구성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐은 상기 목부(4)와 출구부(6)의 형상이 상기 수렴인입부(2)로부터 인입된 가스가 상기 분사튜브 분사구(12)로부터 분사된 가스와 분말 혼합체의 유동을 수렴하게 하여 그 속도가 음속이 되게 한 후, 상기 유동이 다시 발산되도록 하도록 구성될 수 있다.

이와 같은 구성은 도 8의 형상으로 유동장을 모델링하고, 컴퓨터 유동 해석용 CFD해석코드인 Fluent를 이용하여 수치 해석한 결과인 도 9 내지 도 10에 도시된 바를 통하여 상기 구성이 얻어짐을 알 수 있다.

또한 상기와 같은 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐에 있어서 상기 목부(4)는 상기 노즐의 최소내경 부위로서 동일단면으로 일정한 길이를 갖는 형태로 구성할 수 있다. 이에 대한 일예는 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같으며, 이를 통하여 도 2에 도시한 바와 같이 분사튜브의 분사구(12)를 목부 내, 목부, 목부의 끝단, 완충쳄버 또는 출구부 내에 위치시킬 수 있으며, 필요에 따라 원하는 위치로 공정 중에 또는 공정 전후에 위치 변경이 가능하게 할 수 있다.

따라서 필요에 따라 상기 분사튜브(20)는 도 2에 그 일 실시예를 도사한 바와 같이 그 분사구(12)가 목부, 완충쳄버 또는 출구부내에서 위치가 변경될 수 있도록 노즐의 축방향을 따라 이동이 가능하도록 구성할 수 있다. 이를 통하여 목부(4) 또는 출구부(6)내에서의 코팅에 의한 막힘 또는 증착을 조절하거나, 충돌에 따른 마모를 줄이는 방향으로 조절이 가능하며, 도 9 내지 도 10에 도시한 바와 같이 출구단의 최종유속을 조절할 수 있다. 즉, 도 9와 도 10에서 분사구(12)의 돌출량(목부 끝단으로부터 출구부쪽으로의 분사구까지의 거리)이 달라짐에 따라 출구단(8)에서의 분말속도가 크게 변화하는 것을 볼 수 있다. 이를 통하여 분말의 종류나 혼합비에 따라 적절한 속도의 조절을 단순히 분사튜브의 분사구(12) 위치를 변경함으로써 얻을 수 있어, 제어가 용이한 이점이 있다.

또한 상기 수렴인입부(2), 목부(4) 및 분사튜브(20)의 중공부 단면과 출구부(6)의 중공부 단면은 공정상 필요에 따라 또는 코팅하고자 하는 형상에 따라 공지의 다양한 형상을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 수렴인입부, 목부, 완충쳄버 및 분사튜브의 중공부 단면은 원형이고, 출구부의 중공부 단면은 원형, 정사각형 또는 직사각형으로 구성하는 것이 기기의 유지보수 및 유동장의 안정한 유지를 위하여 좋다.

또한 상기 분사튜브로부터 분사되어진 가스/분말 혼합체와 운반가스의 혼합이 이루어진 혼합체가 노즐부의 내부에 충돌하여 코팅되거나 노즐부 내부를 마모시키는 것을 방지하기 위하여 노즐부 내부의 일정공간을 확장하는 것이 도움이 되므로 이를 위하여 상기 기술한 완충쳄버를 상기 기술한 바와 같이 노즐부 내부에 구비하는 것이며, 바람직하게는 출구부를 발산형으로 형성하는 것이다.

또한, 상기 완충쳄버(30)는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 상기 일정지점을 기점(22)으로 상기 기점(22)의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 수직선적으로 일정한 폭의 균일하게 내경의 증가가 이루어지고 이후에 상기 내경이 일정비율로 감소하여 출구부 내면에 연접하는 연접부(24)를 형성하는 형태로 구성할 수 있으며, 이와 같은 완충쳄버의 위치는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 목부의 끝단으로부터 형성되도록 할 수도 있으며, 도 4에 도시한 바와 같이 출구부 내의 일정부분에 위치하도록 구성할 수도 있다.

또한 상기 일정비율로 감소하는 구간의 감소는 공지의 다양한 형태로 감소할 수 있는데 이에는 직선적 감소, 지수적 감소, 포물선적 감소 등 다양한 형상으로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 상기 일정비율의 감소는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 노즐의 중심축으로부터 30 내지 60°의 각도로 기울어진 직선의 형태로 직선적으로 감소하는 것이 제작의 용이성 및 막힘현상 또는 마모현상을 최소화하는 측면에서 좋다.

본 발명의 콜드 스프레이용 노즐에 대한 구체적인 예로는 상기 출구부는 상기 목부의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 갖고 직선형으로 구성되고, 상기 수렴인입부 입력단의 전체 단면적이 900인 경우에, 상기 목부에서 노즐부 내부와 분사튜브 외부가 이루는 유로의 단면적은 9 내지 25, 상기 분사튜브의 중공부의 단면적은 0.25 내지 8, 상기 출구부의 단면적은 45 내지 100의 비율로 구성되고, 상기 수렴인입부는 수렴인입부에 인입되는 인입가스의 목부에서 유속이 음속에 도달하도록 하는 수렴노즐로 구성함으로써 얻어 질 수 있다.

또한 다른 구체적이며 바람직한 경우는 상기 목부는 그 내경이 5 ㎜이고, 상기 완충쳄버는 목부의 출구부쪽 끝단을 기점으로 형성되어 완충쳄버 기점의 내경이 14 ㎜이며 상기 내경은 노즐 중심축을 기준으로 30 내지 60° 기울어진 직선의 형태로 감소하여 상기 출구부의 내면과 내경이 7 ㎜인 지점에서 연접되어 형성되고, 상기 출구부는 상기 목부의 출구부쪽 끝단으로부터 출구단까지의 거리가 60 ㎜이며 출구단의 내경은 10 ㎜이고, 상기 분사튜브는 그 외경이 4.5 내지 3.5 ㎜이며 분사튜브의 내경이 3 내지 1.5 ㎜이며 상기 분사튜브의 분사구는 그 위치가 상기 완충쳄버 구간에 위치하는 형태로 구성할 수 있다.

이를 통하여 노즐내의 유동이 분사튜브 안쪽으로 작용하는 압력인 배압이 발생하는 것을 방지할 수 있으면서, 분사튜브로부터 분사된 분말과 노즐 내부 벽면과의 상호작용을 최소화하여 막힘 또는 마모를 줄이면서, 고속 유동을 얻을 수 있어 원활한 스프레이가 이루어질 수 있다.

또한 본 발명은 상기 기술한 다양한 형상의 본 발명의 콜드 스프레이 노즐, 상기 노즐의 수렴인입부에 연결되는 가스 공급장치 및 상기 분사튜브에 연결되는 가스/분말 혼합체 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 장치를 제공한다.

이에 대한 구체적인 예는 도 11에 도시한 바와 같으며, 일반적인 공지의 콜드 스프레이 장치에 적용하는 모든 장치를 함께 적용할 수 있으며, 다만, 분사튜브에 공급되는 압력이 낮으며, 따라서 별도의 분사튜브 입력단에 가압장치를 구비하지 않을 수도 있다는 특징이 있다.

또한 이와 같은 콜드 스프레이 장치를 이용하여 공지의 콜드 스프레이 공정과 유사한 조건을 통하여 콜드 스프레이 공정을 진행할 수 있다. 즉, 상기 콜드 스프레이 장치에 의하여, 상기 가스 공급장치에서 공급되어지는 가스가 음속 또는 초음속으로 가속되어지고, 상기 가속된 가스에 상기 가스/분말 혼합체 공급장치로 부터 공급되어진 가스/분말 혼합체를 혼합하여, 가스/분말 혼합체를 충분히 낮은 온도를 유지한 상태로 상기 분말을 300 내지 1,200 ㎧로 가속하여 피착물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 방법이 본 발명을 통하여 제공되어진다.

상기 공정에서 공정조건은 공지의 콜드 스프레이 공정과 유사한 조건을 모두 적용할 수 있다. 다만, 분사튜브에 공급되는 압력이 낮아도 흡입에 의하여 분사가 이루어지므로 상기 공급압력을 낮게 유지할 수 있는 장점이 있으며, 필요에 따라서 상기 공급압력을 높게 조정할 수 있음은 물론이다.

또한 상기 가스/분말 혼합체는 혼합체내의 분말의 비율이 1 내지 99 부피%의 범위내에서 다양한 범위를 가질 수 있으며, 상기 분말로 사용되어지는 물질은 금속, 합금, 금속 또는 합금의 혼합물, 유기물, 무기물 , 유기물 또는 무기물의 혼합물 또는 이들의 혼합물 등의 다양한 물질이 모두 가능하며, 코팅층의 요구특성에 따라 이들을 다양한 형태의 조합으로 단층 또는 다층으로 코팅할 수 있다.

이외에 본 발명은 상기 콜드 스프레이 방법에 의하여 코팅되어진 것을 특징으로 하는 코팅물을 제공한다. 상기 코팅의 대상이 되는 피착물도 금속, 합금, 금속 또는 합금의 혼합물, 유기물, 무기물 , 유기물 또는 무기물의 혼합물 또는 이들의 혼합물 등의 다양한 물질이 모두 가능하며, 피착물의 요구특성에 따라 이들을 다양한 형태의 조합으로 구성할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 콜드 스프레이용 노즐 및 이를 이용한 콜드 스프레이 장치에 따르면 부드러운 재질의 분말 코팅시에 노즐이 막히는 현상을 최소화할 수 있고, 고경도 재질의 분말 코팅시에 노즐의 마모를 막을 수 있어, 노즐을 막힘이나 형상변경 없이 장시간동안 사용할 수 있으므로 대량생산에 적용이 용이한 장점이 있다.

또한 장시간 동안 고품질의 코팅을 계속적으로 실시할 수 있으므로 유지 보수 등의 문제를 줄이고, 운전비용도 절감할 수 있으므로 생산비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

이외에 공급가스의 유량을 조절하지 않고도, 분사튜브의 이동에 따라 간단하게 노즐의 출구에서 분사되는 분말의 속도를 제어할 수 있어 공정제어가 용이하며, 다양한 공정제어 수단을 가지는 장점이 있다.

뿐만 아니라 가스/분말 공급장치에 가압장치를 구비하지 않아 저렴하게 코팅장비를 구성할 수 있어 초기비용을 절감할 수 있어 경제적인 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims

a)단면적이 수렴하는 수렴인입부와 b)상기 수렴인입부의 수렴 끝단에 연결되는 목부와 c)상기 목부의 끝단에 연결되는 출구부 및 d)상기 목부의 끝단 또는 출구부의 일정지점을 기점으로 상기 기점의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 확장된 후 다시 수렴하여 출구부 내면에 연접하는 형태로 일정체적을 형성하는 완충쳄버로 이루어진 중공형의 노즐부, 및 상기 수렴인입부의 내부에 위치하여, 그 끝단 분사구가 상기 목부, 이를 지난 완충쳄버 또는 출구부 내에 위치하도록 배치되는 분사튜브를 포함하며, 상기 출구부에서의 분말의 출구단 유속이 300 내지 1,200 ㎧가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 목부와 출구부의 형상이 상기 수렴인입부로부터 인입된 가스가 상기 분사튜브 분사구로부터 분사된 가스/분말 혼합체의 유동을 수렴하게 하여 그 속도가 음속이 되게 한 후, 상기 유동이 다시 발산되도록 하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 출구부는 상기 목부의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 갖고 직선형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 출구부는 상기 목부의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 갖고 발산형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제4항에 있어서,

상기 목부와 출구부의 형상이 상기 수렴인입부로부터 인입된 가스가 상기 분사튜브 분사구로부터 분사된 가스와 분말 혼합체의 유동을 수렴하게 하여 그 속도가 음속이 되게 한 후, 상기 유동이 다시 발산되도록 하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 목부는 상기 노즐의 최소내경 부위로서 동일단면으로 일정한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 분사튜브는 그 분사구가 목부내, 완충쳄버내 또는 출구부내에서 위치가 변경될 수 있도록 노즐의 축방향을 따라 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 수렴인입부, 목부, 완충쳄버 및 분사튜브의 중공부 단면은 원형이고, 출구부의 중공부 단면은 원형, 정사각형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 완충쳄버는 상기 일정지점을 기점으로 상기 기점의 중공부 단면적보다 큰 중공부 단면적을 가지도록 수직선적으로 일정한 폭의 균일하게 내경의 증가가 이루어지고 이후에 상기 내경이 일정비율로 감소하여 출구부 내면에 연접하는 형태로 일정체적을 형성하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제9항에 있어서,

상기 일정비율의 감소는 노즐의 중심축으로부터 30 내지 60°의 각도로 기울어진 직선의 형태로 직선적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이용 노즐.
제1항에 있어서,

상기 수렴인입부 입력단의 전체 단면적이 900인 경우에, 상기 목부에서 노즐부 내부와 분사튜브 외부가 이루는 유로의 단면적은 9 내지 25, 상기 분사튜브의 중공부의 단면적은 0.25 내지 8, 상기 출구부의 단면적은 45 내지 100의 비율로 구 성되고, 상기 수렴인입부는 수렴인입부에 인입되는 인입가스의 목부에서 유속이 음속에 도달하도록 하는 수렴노즐인 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 노즐.
제4항에 있어서,

상기 목부는 그 내경이 5 ㎜이고, 상기 완충쳄버는 목부의 출구부쪽 끝단을 기점으로 형성되어 완충쳄버 기점의 내경이 14 ㎜이며 상기 내경은 노즐 중심축을 기준으로 30 내지 60° 기울어진 직선의 형태로 감소하여 상기 출구부의 내면과 내경이 7 ㎜인 지점에서 연접되어 형성되고, 상기 출구부는 상기 목부의 출구부쪽 끝단으로부터 출구단까지의 거리가 60 ㎜이며 출구단의 내경은 10 ㎜이고, 상기 분사튜브는 그 외경이 4.5 내지 3.5 ㎜이며 분사튜브의 내경이 3 내지 1.5 ㎜이며 상기 분사튜브의 분사구는 그 위치가 상기 완충쳄버 구간에 위치하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 노즐.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 콜드 스프레이 노즐;

상기 노즐의 수렴인입부에 연결되는 가스 공급장치; 및

상기 분사튜브에 연결되는 가스/분말 혼합체 공급장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 장치.
제13항의 콜드 스프레이 장치에 의하여, 상기 가스 공급장치에서 공급되어지는 가스가 음속 또는 초음속으로 가속되어지고, 상기 가속된 가스에 상기 가스/분 말 혼합체 공급장치로부터 공급되어진 가스/분말 혼합체를 혼합하여, 가스/분말 혼합체를 충분히 낮은 온도를 유지한 상태로 상기 분말을 300 내지 1,200 ㎧로 가속하여 피착물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이 방법.
제14항의 콜드 스프레이 방법에 의하여 코팅되어진 것을 특징으로 하는 코팅물.