JPH0133521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は溶融金属を高速で冷却し金属粒子もし
くは金属粉を製造するための装置に関する。 金属粉を製造するために溶融金属を回転円板に
注ぎ溶融金属の粒子を概ね水平な面内で焼入れ室
に向けて外側に放射し回転円板を囲繞する冷却用
流体の同心円状のカーテンを通過させることが公
知となつている。溶融金属の粒子は円板から放射
され冷却用流体を通過する際に極めて高速で冷却
され金属粒子を形成する。溶融金属の粒子が回転
円板の縁から半径方向外向きに放射され固化する
際に放散される熱量は、当該溶融金属の材料、当
該金属の潜熱、回転円板により形成される粒子の
寸法の分布、粒子の半径方向速度などに依存す
る。一般に放散される熱の流れは回転円板に近付
くに従つて大きくなり外向きに半径方向距離につ
いて指数関数的に減少する。冷却用流体の或る許
容される温度上昇について冷却用流体の流量を最
少化するためには、冷却用流体の流量が粒子から
の熱の放出量の分布と同様に半径方向に沿つて分
布するものとする必要がある。或る公知装置によ
れば、半径方向についての流量の分布が粒子から
の熱の放出量の分布とほぼ段階上に一致するよう
に冷却用流体を複数の同心円状の領域について異
なる速度で垂直方向に流すようになつている。 このような公知技術の典型的な二つの例が本出
願人に譲渡された米国特許第4053264号及び同第
4078873号明細書に開示されている。これら両特
許に於ては、冷却用流体を所望のパターンをもつ
て回転円板の周囲に位置する焼入れ室内に向けて
下向きに流すために付設されたノズルを備える三
つの環状の冷却用流体用マニホールドが用いられ
ている。冷却用流体の流れの制御は部分的に各環
状マニホールド内に於ける流体の圧力を制御する
ことにより達成されている。所要の半径方向の熱
の放出の分布に対応する半径方向に沿つて異なる
流量を有する三つの領域を得るために同心円状に
配設された環状のノズル及び環状に配設された円
形の定量供給孔とが用いられている。十分に均質
な流体のカーテンが粒子の軌跡を横切り且良好な
冷却結果が得られるように流量分布の半径方向及
び円周方向についての好適な制御を達成し且つ隣
接するノズルから流れる流体同士の乱流的な混合
を確保するために流量を大きくし且定量供給孔と
環状ノズルとの間に於ける圧力降下が大きい必要
がある。 上記した発明に基く装置は高圧の冷却用流体が
常時大量に得られる場合には満足な結果を生み出
す。冷却用流体を節約し金属粉製造工程の経済性
を高めるためには閉ループの冷却用流体システム
が極めて好ましい。しかしながらこのような閉ル
ープシステムに於ては、流量及び圧力降下が上記
した公知システムに於けるよりもずつと小さいこ
とが必要となり、冷却用流体の流量を適当に分布
させそれを制御することが困難になる。公知技術
に基く単純な軸線方向流用の孔及び環状のノズル
を以てしては、これらの孔を通過する低流量の流
体の流れでは孔及びノズル同士間の空間を満すの
に十分な運動量及び乱流が得られないために低圧
力効果システムに於ては満足な結果が得られなか
つた。 本発明の主な目的は、溶融金属粒子を急速に固
化することにより金属粉を製造するための装置に
於ける冷却用流体のための所定の領域を複数形成
するための改良された装置を提供することにあ
る。 本発明の第二の目的は、単一の加圧されたマニ
ホールドが冷却用流体流の所望のパターンを形成
するために複数のノズルに冷却用流体を供給する
ような溶融金属を急速に固化することにより金属
粉を製造するための低圧冷却用流体流システムを
提供することにある。 本発明の第三の目的は、冷却用流体流システム
が低流量、低圧力損失及び閉ループといつた条件
下に於て効率よく作動し得るような溶融金属を急
速に固化することにより金属粉を製造する装置の
ための改良された冷却用流体流装置を提供するこ
とにある。 本発明によれば、上記の目的は回転円板により
冷却用流体が垂直方向に流れる領域を通過するよ
うに溶融金属を焼入れ室に向けて放射させそれを
急速に固化することにより金属粉を製造するため
の装置に於て、冷却用流体が、焼入れ室に向けて
開いた出口と冷却用流体マニホールド内に配設さ
れた入口とを有する複数の円筒形の管から焼入れ
室に流入し且各管の出口から流出する冷却用流体
が渦流をなし且次第に広がつていく円錐形をなす
流れからなるようにすることにより達成される。 本発明が基く或る実施例に於ては全ての管の入
口が共通の冷却用流体用マニホールドに連通して
いる。管は適当に間隔をおいて同心円状に配設さ
れ、その渦流からなる円錐体が管の出口の直下の
比較的近い距離に於ける焼入れ室内で互に交差
し、その結果回転円板の周囲に於ける焼入れ室を
通過して下向きに流れる冷却用流体からなる連続
的な環状の領域が形成される。 管の入口は、管の円筒状内面の接線方向に沿つ
て管の壁面に穿設されたスロツトからなるのが好
ましい。これらの入口により管内に冷却用流体の
渦流が形成される。通常管の断面積よりも小さい
スロツトの開口面積は管を通過して冷却用流体マ
ニホールドから焼入れ室に流れる冷却用流体の圧
力降下及び流量を制御する。管及びスロツトの寸
法を適正に選定することにより比較的僅かな圧力
降下を伴うのみで膨張する円錐状の渦流を形成す
ることができる。 このように、本発明によれば、管の出口からの
乱流が隣接する管との間の空隙を満す必要がない
から管に於ける流量及び圧力降下が小さくてもよ
い。各管に於ける圧力降下が入口スロツトの寸法
を適正にすることにより正確に制御されるため装
置全体について共通の冷却用流体用マニホールド
を用いることができる。管から流出する流体の円
錐体の半角が管の断面積に対する入口スロツトの
開口面積の比に直接依存するため、円錐体同士が
交差する高さを正確に予測し適正な管の間隔を知
ることができるようにこの半角を容易に求め予め
設定しておくことができる。 以下本発明の好適実施例を添付の図面を参照し
つつ詳しく説明する。それにより本発明の上記し
た或いは他の特徴及び目的が当業者であれば自ず
と明らかになるものと思う。 第１Ａ図に於て本発明に基く溶融金属を急速に
固化することにより金属粉を製造するための装置
は着脱可能なカバー１１もしくは他の内部へのア
クセスを可能にするような部材を備えるハウジン
グ１０を備えている。ハウジング１０の内部には
マニホールド１２が設けられている。マニホール
ド１２は円形のノズル板１４を備えており、その
外周縁１６がハウジング１０の円筒状内周壁１８
の面と密接に当接することによりハウジングを上
部室１２と下部焼入れ室２２とに区画している。
又マニホールド１２は上部円板２４及び下部ノズ
ル板１４と共にマニホールド室２８を郭定する円
筒状の内周壁２６をも備えている。内周壁２６内
に等しい間隔をおいて接続されている四本の冷却
用流体用供給管路３０は普通ヘリウムガスからな
る冷却用流体をハウジング１０を囲繞するトロイ
ド型の管路３２からマニホールド室２８内に供給
する。 ハウジング１０の上部室２０の内部にはノズル
３５を有する容器３４が設けられている。容器は
マニホールド１２の上部円板２４により支持され
ている。容器は例えば米国特許第4053264号或は
同第4078873号明細書に記載されているような図
示されていない適当な装置により加熱される。上
部室２０内には容器３４に溶融金属を図示されて
いない装置により注ぐための融解炉３６がハウジ
ング１０内に傾動可能に支持されている。容器、
融解炉及び融解炉を傾動可能に支持するための機
構はそれ自体本発明の新規な事項をなすものでは
なく、必要に応じて上記した米国特許第4053264
号或は同第4078873号に記載されている型式のも
のを適宜利用すればよい。 周縁３９を有する皿状の回転円板３８が融解炉
３６からの溶融金属の供給を受けるべく容器のノ
ズル３５の直下の焼入れ室２２内に回転可能に取
付けられている。回転円板３８は直立する台座４
０の上部に支持され、台座４０内に備えられた図
示されない空気タービンその他の適当な機構によ
り回転される。台座４０の底部から延び出してい
る管４２は空気タービンに動力を供給し且回転円
板の冷却のための冷却用流体を供給するためのも
のである。ストラツト４４は台座４０をハウジン
グ１０の底部のロート状の空室４５に於て支持し
且その位置を固定している。回転円板、円板を回
転するための機構及び円板を冷却するための機構
はそれ自体本発明の新規な特徴をなすものではな
い。 マニホールド室２８内には複数の直立する渦巻
管４６（第３図）が取付けられており、マニホー
ルド室２８と当該管の内部とのガスの連通を達成
すべく、スロツト４７が壁４８内に設けられてい
る。本実施例に於ては渦巻管が上部マニホールド
板２４と下部マニホールド板１４との間に延設さ
れており、第２図に最も明瞭に示されているよう
に回転円板３８の中心軸の周りに五つの同心円を
形成するように配設されている。これらの同心円
には直径が大きいものから小さいものへと符号
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅが付されている。このように
渦巻管を同心円状に配設するのが好ましいが他の
配置により適切な冷却用流体の流れのパターンを
形成することも可能でありそのようなものも本発
明の概念中に含まれる。 各渦巻管の上端５０は上部マニホールド板２４
内に穿設された円形孔５１内に溶接されている。
この際に溶接部分により上部室２０マニホールド
室１４との間が気密にされるようになつている。
又同様にして各渦巻管４６の下端５２の周囲がノ
ズル板１４に穿設された孔に溶接されており、マ
ニホールド室２８と焼入れ室２２との間が気密に
されるようになつている。各渦巻管４６の出口５
６は焼入れ室２２内に向けて開いており、本実施
例に於ては出口５６の端部がノズル板１４の底面
５８と概ね一平面をなすようになつている。渦巻
管４６の上端５０の内部にはプラグ６０が嵌着さ
れており、上部室２０とプラグ６０の下の渦巻管
４６の内部との間が気密にされている。このプラ
グ６０は渦巻管を容易に清掃し得るように簡単に
取り外すことができる。マニホールド１２と渦巻
管４６の構造及び作動の要領については後で詳し
く説明する。 本実施例に於ては冷却用流体システムがヘリウ
ムガスからなる冷却用流体を閉ループとして循環
させるような構造となつている。全ての渦巻管に
ついてマニホールド室２８は共通な圧力源であり
且焼入れ室２２が共通の圧力シンクである。従つ
て各渦巻管の入口と出口との間に於ける圧力降下
は同一であり、各渦巻管に於ける流量は、その入
口及び出口の開口面積により簡単に調節すること
ができる。このように本発明によれば、公知技術
に於けるように異なるマニホールド室に付設され
た複数のノズルからの流量を制御するために複雑
なバルブや圧力制御のための装置が必要でない。 第１Ａ図及び第１Ｂ図に示されているようにヘ
リウムガスは供給管路３０を経てマニホールド室
２８内に流入し、スロツト４７から各渦巻管４６
に流入し、渦巻管の出口５６から焼入れ室２２内
に流入し、次いで排出管路７０に接続されている
ハウジング１０の底部に設けられた出口６８を経
て（形成された金属粒子と共に）焼入れ室２２か
ら排出される。排出管路７０は第３図に示されて
いるように粒子分離器に接続し、ここでヘリウム
ガスから金属粒子が取り除かれ金属粒子が粉体輸
送のための開閉弁７６により密封し得るようにさ
れた粒子収集器７４内に集められる。 金属粒子が取り除かれたヘリウムガスは粒子分
離器７２から管路７８を経て第一の熱交換器８０
に送られそこで高温の金属粒子からガスに伝達さ
れた熱エネルギが取り除かれその次に接続されて
いるヘリウム圧縮機に於ける入口温度が通常の条
件下で29゜〜32℃の範囲内であるように調節され
る。ヘリウム圧縮機８２は冷却用流体たるヘリウ
ムガスを所望の作動圧力まで圧縮しこの圧縮され
たガスを圧縮により発生した熱を取り除くための
第二の熱交換器８４に送り、該ガスを管路８６を
経てトロイド形の管路３２に供給する前に温度
26゜〜29℃に下げる。 渦巻管４６の構造及び作動の要領は第３図と第
４図を参照することにより一層明らかになると思
う。本発明によれば渦巻管４６から焼入れ室２２
へと流入する冷却用流体が膨張する渦巻状の円錐
体１００をなすことが必要である。これは各渦巻
管内に於て冷却用流体の渦流を形成することによ
り達成される。例えば本実施例に於て渦巻管４６
は一対もしくは二対の対角方向に対向する上下に
長い高さＨ、幅Ｗのほぼ矩形のスロツトを有して
いる。同心円ａ，ｂ，ｃの渦巻管４６はそれぞれ
二対のスロツトを有し同心円ｄ，ｅの渦巻管４６
はそれぞれ一対のスロツトを有している。第３図
と第４図とに於て右側の渦巻管４６は同心円ｃに
属するもので符号４７Ａ及び符号４７Ｂが付され
た二対のスロツトを有している。同図に於ける左
側の渦巻管は同心円ｄに属するもので一対のスロ
ツト４７Ｃを有している。第４図に示されている
ように各スロツトの平行をなす側壁１０２，１０
４のうちの一方の側壁１０４が管４６の円筒状の
内周壁面１０６に対してほぼ接線方向に延びてい
る。従つてマニホールド室２８から渦巻管４６に
流入した冷却用ガスの流れは内周壁面１０６に対
してほぼ接線方向に向けられ渦巻管内で所望の渦
流を形成する。 上記したような冷却用ガスの円錐体が形成され
るか否かは(1)壁面１０６に於けるスロツト４７に
流入した流れの接線方向速度、(2)出口５６の開口
面積に対する体積流量の比として与えられる流れ
の軸線方向速度、(3)渦巻管の内径Ｄに対する渦巻
管の有効長Ｌ（管の出口からスロツトの底部まで
の軸線方向距離）等に依存する。出願人が用いた
管の寸法の範囲に関する限りスロツト４７の上部
からプラグ６０までの距離は冷却用ガスが管内を
流れる際の様子或は流速に対してそれほど影響を
与えなかつた。しかしながらそのような影響があ
つたとしてもプラグ６０をスロツト４７の上部に
配置することによりそのような影響を除去するこ
とができる。 Ｌに対するＤの比が例えば5.0以下といつたよ
うな小さな範囲では、渦流をなすガスの円錐体１
００の半角φを近似的に求めるための式が次のよ
うに与えられる。 φ＝−（At／As） ……(1) ここでAsはスロツト壁面１０２，１０４に対
して直角であり且管４６の軸線に平行な面につい
て測定した各スロツトの断面積の和である。At
は管４６の軸線方向に対して直行する面に於ける
内部断面積である。このように隣接する管の幾何
学的形状が既知であれば冷却用ガスが管の出口の
下に形成する円錐体が交差する高さを少なくとも
近似的に予測することができる。円筒形の渦巻管
から流出する流れに関するより詳細な説明につい
ては、1962年12月に発行されたAero.Res.
Associates of Princetonの報告書No.47に、
Donaldson and Snedekerにより著わされた
「Experimental Investigation of the Structure
of Vortices in Simple Cylindrical Vortex
Chamber」を参照されたい。前記したように、
本発明に基く装置は溶融金属滴を急速に固化する
ことにより金属粉を製造するためものである。こ
の溶融金属滴は、溶融金属を回転円板上に注ぎそ
れを円板の面に概ね平行な水平面上外向きに放射
することにより得られる。溶融金属滴は円板を囲
繞する冷却用流体を通過し、それを横切る冷却用
流体の熱の流れによつて定められる割合（この割
合は溶融金属滴から放出される熱の流れに対応し
て半径方向に異なるのが好ましい）で冷却され
る。いづれにしても本発明によれば、冷却速度は
渦巻管の数、寸法、構造及び位置により定まる。
渦巻管から焼入れ室への冷却用流体の流れのパタ
ーンの様子に拘らず、溶融金属滴の放射される面
内に於ける円板の周りの360゜に亙るあらゆる方向
についてほぼ同一の冷却用流体の流れが存在する
ことが肝心である。さもないと、溶融金属滴の冷
却速度が均等でなくなり、同一寸法の金属粒子が
得られてもその特性にばらつきが生じる。 本発明によれば、各渦巻管から流出する流れは
下向きに膨張する円錐体をなす。隣接する円錐体
同士の間にはそれらが交差する点の上方に空隙が
存在する。従つて同心円ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅに沿
つて配設された渦巻管が、溶融金属滴が放射され
る面にほぼ対応する円板３８の面の上方の面上に
於て交差するように配設する必要がある。このよ
うに円錐体同士が交差する点の下方には溶融金属
滴が通過するための冷却用流体の連続的な下向き
に流れる管状のカーテンが形成される。同様に同
心円ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの間隔は、冷却用流体が
同心円間に於て空隙を有することがないように溶
融金属滴が放射される面の上方に於て円錐体同士
が交差するように定める必要がある。言い代える
と渦巻管からの渦流の円錐体が交差する面と渦巻
管の出口の面との垂直距離が円板の面と渦巻管の
出口の面との間の距離よりも小さければ、溶融金
属滴が放射される面内に冷却用流体の空隙が形成
されることがない。 このことは第３図と第５図とに最も明瞭に示さ
れており、最も外側に位置する二つの同心円ａ，
ｂに属する渦巻管により形成された円錐体が円
ABの周上で交差している。同様にして二つの同
心円ｂ，ｃに属する渦巻管により形成された円錐
体は円BCの周上で交差し、同心円ｃ，ｄに属す
る渦巻管により形成された円錐体は円CDの周上
で交差している。以上の点から、交差円AB，
BC，CDを所望の直径を有するものとし、これら
が渦巻管の出口５６の所定の距離（X₁、X₂、
X₃）の位置にこれらの面が存在するように各同
心円ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅに属する渦巻管を構成す
ることが可能なことは明らかである。しかもこれ
らの交差円の幾つか乃至は全ての面が渦巻管の出
口５６の下方等距離（X₁＝X₂＝X₃）に位置する
ように渦巻管の構造、寸法及び配置を定めること
ができる。しかしこれは必ずしも必要ではない。
必要なことは溶融金属滴が回転円板３８から半径
方向に放射される軌跡の上方に於てこれらの円錐
体が交差することである。 本実施例に於ては、第５図に於て、，，
，により示されている冷却用流体の環状領域
が隣接する交差円同士の間に形成される。本実施
例の場合同心円ｄ，ｅは互に近接して設けられて
いるために領域はこれら両同心円に属する渦巻
管からの冷却用流体の合成により形成されてい
る。溶融金属滴は冷却する際にこれらの領域を全
て通過することとなる。各領域に於ける冷却速度
は、当該領域に於ける渦巻管の数とそれからの冷
却用流体の流速とにより制御される。本実施例の
場合各同心円ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅに属する渦巻管
は全て等しいものとしたが、各同心円に属する渦
巻管が異なるものとすることもできる。 表１に、図示された装置に於ける各部のデータ
及び作動データが示されている。表１のデータ
は、冷却用流体であるヘリウムの流量が454ｇ／
sec、マニホールド室内のヘリウムガスの温度が
26.7℃、更にマニホールド室内の圧力が一定の
1.24バールである条件下に於て得られた。閉ルー
プシステム全体の圧力損失は僅かに0.17バールで
あつた。供給管路３０から焼入れ室２２までの圧
力損失は僅かに0.06バールであつた。比較のため
に米国特許第4078873号明細書に開示されている
システムの場合、ヘリウムの流量が454ｇ／secの
とき全体の圧力損失が0.68バールであつたことを
付け加える。

【表】 表１に於てはＬ／Ｄ比が全ての渦巻管について
等しいことに注意されたい。又各管についての
At／As比も、円錐体の半角φがほぼ同一となる
ように概ね同一であつた。 本実施例の装置によればニツケル系の超合金の
溶融金属から金属粉が毎秒151ｇ（1/3ポンド）の
割合で得られた。四つの冷却領域，，，
に於ける冷却用流体の流速は溶融金属が冷却され
る際に放出される熱の流れとほぼ同様に半径方向
に沿つてほぼ段階状に分布している。より多数の
同心円に沿つて渦巻管を配置すればより正確な近
似が可能であることは勿論であるが、このように
渦巻管の数を増すことにより必要となるコスト
が、金属粒子から放出される熱の流れのプロフイ
ールと冷却用流体の流量の半径方向に沿うプロフ
イールとを一致させることにより得られる利益に
必ずしも見合うとは限らない。 以上本発明をその好適実施例について説明した
が、当業者であれば本発明の概念から逸脱するこ
となく種々の変形省略が可能であることは明らか
である。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明に基く金属粉製造装置の縦断
面図、第１Ｂ図は第１Ａ図の金属粉製造装置のた
めの冷却用流体の閉ループシステムの一部を示す
ブロツク図、第２図は第１Ａ図の２―２線につい
ての横断面図、第３図は第２図の３―３線につい
ての縦断面図、第４図は第３図の４―４線につい
ての横断面図、第５図は本発明に基く装置により
冷却用流体の領域が形成される様子を模式的に示
す概念図である。 １０……ハウジング、１１……カバー、１２…
…マニホールド、１４……ノズル板、１６……外
周縁、１８……内周壁、２０……上部室、２２…
…焼入れ室、２４……上部板、２６……内周壁、
２８……マニホールド室、３０……供給管路、３
２……トロイド形管路、３４……容器、３５……
ノズル、３６……融解炉、３８……円板、３９…
…周縁、４０……台座、４２……管路、４４……
ストラツト、４５……空室、４６……渦巻管、４
７……スロツト、４８……壁、５０……上端、５
２……下端、５６……出口、５８……底面、６０
……プラグ、６８……出口、７０……排出管路、
７２……粒子分離器、７４……粒子収集器、７６
……開閉弁、７８……管路、８０……熱交換器、
８２……ヘリウム圧縮機、８４……熱交換器、８
６……管路、１０２，１０４……側壁、１０６…
…周壁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶融金属の粒子を冷却流体に通し急冷により
   焼入れして金属粉を製造する金属粉製造装置にし
   て、ハウジングと、前記ハウジング内に配置され
   冷却流体のためのマニホールド室を与えると同時
   に前記ハウジング内に焼入れ室を郭定する装置
   と、前記焼入れ室内に回転中心軸線の周りに回転
   するよう配置され溶融金属の流れを受けこれを溶
   融金属粒子として前記焼入れ室内の空間を横切つ
   て半径方向外方へ飛散させる円板と、各々前記マ
   ニホールド室内に配置され該マニホールド室より
   冷却流体を受入れこれを旋回流に形成する多数の
   管とを含み、前記各管は前記焼入れ室内へ向けて
   開口し内部に形成された冷却流体の前記旋回流を
   前記焼入れ室内へ向けて円錘状に噴出するように
   なつており、前記各管の大きさと互いに隣接する
   管の間の間隔は前記各管より噴出された円錘状の
   冷却流体の流れが前記焼入れ室内を横切つて飛散
   される溶融金属粒子の通過面を横切る前に互いに
   交わるように定められていることを特徴とする金
   属粉製造装置。