JPH0450070B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は超音速粒子噴霧システム、及び極めて
高い超音速で粒子を炎噴霧付着するために噴霧流
の温度と速度を増すための方法と装置に関するも
のである。

本発明はまた、研摩材粒子の閉じ込められた流
れを用いて、粒子を噴霧するノズルに長い寿命を
与える高加熱の炎ガスにより作動される改良され
た研摩材−噴霧装置に関するものである。

発明の背景 超高速の炎噴流を作るように作用する内部バー
ナをもつ炎噴霧装置を提供する試みがなされてき
た。かかる超高速炎噴流装置の１つは1961年７月
４日発行の本発明者の米国特許第2990653号”処
理面に高速流を衝突させる方法と装置”に開示さ
れている。この装置は空気冷却された二重又は三
重壁の円筒形の内部バーナを含み、このバーナの
内部空胴が円筒形の燃焼チヤンバを形成してい
る。初期燃焼点の下流側で、前記チヤンバは減少
した直径の炎噴流ノズルによつて閉ざされてい
る。

粉末の形又は固体の小直径の棒の形で高速の炎
噴霧流に導される金属、耐火性材料等用の超高速
炎噴霧装置を提供するもう１つの試みでは、溶融
した粒子の流れを低温ではあるが極めて高い運動
量をもつた第二のガス噴流内に射出する比較的低
運動量の熱いガスの主噴流を用いる装置が工夫さ
れた。この種の装置と方法は1980年５月23日出願
の米国特許第4370538号”超高速二重流金属炎噴
霧のための方法と装置”に開示されている。この
米国特許の方法と装置は酸素−燃料炎又は電孤−
発生プラズマの形の第一流を使用する一方、その
第二流は内部バーナ装置中の高圧で反応する空
気／燃料炎によつて生じる炎−噴流からなるもの
とする。前記２つの流れを組合わせた場合、好適
には、溶融した粒子は第一流によつて比較的低速
であるが比較的高温度で運ばれ、一方超高速で被
覆されるべき表面に、含まれている溶融粒子を衝
突させる超高速噴流は燃焼が比較的高圧で行なわ
れる内部バーナ燃焼チヤンバから放出される。第
二流は第一流即ち主流を取囲む環状ノズルを通し
て送られる。更に、主流と第二流は、加熱ガスの
二次噴流によつて与えられる加速下で、超音速で
進む液状粒子として被覆されるべき基板への衝突
点にノズル構造を経て射出される。或る場合に
は、高温セラミツクスの噴霧の場合の如く、酸素
−燃料炎は粒子を適切に溶融するのに十分に熱く
ならない。

通常の冷空気作動の研摩材噴射（サンドプラス
ト）装置では、炭化タングステンの如き極めて硬
質の材料で作つた細長いノズルを使うのが普通で
ある。このノズルを通して研摩材粒子が超音速で
送り出される。研摩材粒子を含んだ圧縮空気流は
前記ノズルを通り、毎秒約100mのピーク速度に
まで加速される。かかる通常の冷空気作動技術で
は、ノズル穴を通る粒子流を閉じ込める必要はな
い。かかる通常の装置では、粒子はノズル材料の
選択に起因して小さな摩耗効果をもつてノズル壁
に衝突する。

加速圧縮空気流を、圧縮空気と同様な流れの熱
い燃焼生成物と置替えたときには、研摩材粒子を
加速するのに利用できるエネルギーは約８倍に増
大する。そして毎秒300m以上のピーク粒子速度
が得られる。浄化すべき表面に対するかかる衝突
流は冷空気流のそれよりも数倍有効になり、それ
に加えて作業の経済性が大きくなる。

確実性のある熱ガス研摩材噴射システムを設計す
る努力において、内部ノズル面に水冷される炭化
タングステンの如き材料を使うことが試みられ
た。しかしかかる極めて硬質の金属によつてノズ
ル摩耗を防ぐことは実際的でないことが分かつ
た。炭化物は酸化によつて浸食される点まで加熱
され、その上この材料はまずく割れることがあ
る。

発明の要約 本発明はその一部として、実質的に閉じた通路
内を流れるべく閉じ込められた導電性ガスの連続
流を加圧下で電孤加熱し、極めて熱いガス流とし
て前記加熱ガスを前記通路から流れ膨張ノズルを
通して放出し、高温熱軟化又は液化させてノズル
の放出端で前記流れの経路内に置いた表面上に噴
霧するために前記流れに材料を供給する工程を含
む炎噴霧方法に関する。その改良は、前記材料を
例えば固体形状の材料を導入することにより前記
電気加熱域の外にかつこの電気加熱域から出た後
に軸線方向に前記電気加熱ガスの収斂する流れ内
に導すると共に、ノズル穴を通る粒子の柱の直径
を限定するため及び粒子の熱硬化又は溶融を起こ
すのに十分な前記穴内の滞在時間を確保ししかも
ノズル穴における粒子材料の堆積を防止するため
にノズル穴スロート部の直径の少なくとも５倍の
長さをもつノズル穴を有する流れ膨張ノズルの収
斂部分に入れることを含む工程にある。

本発明は更にその一部として、本体内に実質的
に閉鎖された電孤加熱域をもつ噴霧ガン本体と、
前記加熱域通路を通して加圧ガスを連続的に流す
手段とを具え、前記本体がその一端に電気加熱域
放出通路手段を含んでいる如き高集中化した熱軟
化又は液化材料炎噴霧装置に関する。前記本体は
更に、前記電気加熱域放出通路手段の下流側に細
長いノズルを含み、前記ノズルはそのスロート部
に通じかつ伸長した長さの出口穴部分をもつ収斂
する入口部分を含み、前記穴部分は前記ノズル穴
スロート部の直径の少なくとも５倍の長さをも
つ。前記電気加熱域放出通路手段は放出する電気
加熱ガスの収斂する流れを電気加熱域から出た後
に前記ノズル入口穴部分の入口に運ぶ手段を含
み、また固体形状の材料を電気加熱域から軸線方
向に、ノズル入口穴の入口へ入る熱ガス内へその
後の熱軟化又は溶融及び加速のために導入する手
段を具える。前記固体材料の導入点はノズル穴の
入口とするか又はその収斂する入口部分内とし、
ノズル穴壁上への粒子材料の堆積を防止すると共
に、ガス流内の粒子の滞在時間を十分に確保して
前記ノズル穴放出端の下流側で基板に粒子が衝突
する前に粒子の熱軟化又は溶融を生ぜしめるよう
になす。

本発明は更に、本体内に実質的に閉鎖された高
圧燃焼チヤバをもつ研摩材噴射ガン本体と、前記
チヤンバ内で点火するための前記燃焼チヤンバに
高圧の酸素−燃料混合物に連続的に流すための手
段とを具えた高集中化した熱ガス超音速研摩材の
噴射装置に関する。前記本体はその一端に燃焼チ
ヤンバ燃焼生成物放出通路手段を含みかつ前記本
体は前記燃焼チヤンバ放出通路手段の下流側に細
長いノズルを含み、前記ノズルはスロート部に通
じかつ前記スロート部から通じる伸長した長さの
出口部分をもつ収斂する入口穴部分を含み、前記
穴出口部分は前記ノズル穴スロート部の直径の少
なくとも５倍の長さをもつ。前記燃焼チヤンバ放
出通路手段は放出されたい熱い燃焼生成物の収斂
する流れを、燃焼チヤンバから出た後に、ノズル
入口穴部分の入口内に運ぶための手段を含む。ま
た本装置は固体の、粒状の研摩材料を前記燃焼チ
ヤンバの外で加速用の熱い燃焼ガス内に軸線方向
に導入するため手段を具え、粒状研摩材料の導入
点は前記ノズルの穴の収斂する入口部分の入口に
するか又は前記入口部分内にして、ノズル穴を通
過する粒子の柱の直径を限定しかつ粒子の前記ノ
ズル穴壁との接触とノズル穴の浸食を防止すると
共にノズル穴の放出端の下流側で粒子が工作片に
衝突する前に粒子を超音速に加速するようにな
す。

好適には、固体の、粒状の研摩材料を軸線方向
に熱い燃焼ガス内に導入するための手段は、前記
本体内の前記燃焼チヤンバ放出通路手段の上流側
で前記装置の硬質の粒状材料を含む可燃性流体の
流れを供給するための手段を具え、これは前記本
体内の前記小直径の材料供給通路に通じかつ前記
円周方向に離間した傾斜した小直径通路内の中心
に置かれた閉じ込められた真直ぐな流れ経路を画
成する手段を含む。また前記硬質の粒状材料から
前記閉じ込められた真直ぐな流れ経路の外に放射
方向に可燃性流体の一部を分離するため及び前記
粒子の無い流体を前記本体内の前記実質的に閉じ
た燃焼チヤンバ内にその中の燃焼を安定化するた
めに導入するための前記閉じ込められた真直ぐな
流れ経路内の手段を具える。

好適実施例の説明 第１図には、本発明の一実施例の改良した炎噴
霧装置の主な素子を概略の縦断面図で示してい
る。

図示の実施例の、酸素−燃料炎に取つて代る流
れガスを電気加熱する手段はいわゆぬ“プラズマ
トーチ”の原理を用いる。１で示す装置は３つの
主なセクシヨン、即ちプラズマ熱源セクシヨン
２、トーチ本体セクシヨン３、及び噴霧ノズルセ
クシヨン４からなる炎噴霧トーチの形をなす。プ
ラズマ加熱セクシヨン２は主として細長い円筒形
のプラズマヒータ１１からなる。ヒータ１１は不
導電性の陰極電極支持片１３を含む幾つかの円筒
形の異なつた素子から組立てられる。片１３は普
通はトリエイテツド（thoriated）タングステン
で作つた陰極電極１２を同軸に支持する。中空の
円筒形の導電片１４は片１３を支持するために設
けられ、そして穴１４ａと端ぐり１４ｂにより画
成した軸線方向通路１９をもつ。もう１つの不導
電性のスペーサ１５が導電片１４の端にかつ前記
導電片と中空円筒形の陽極電極片１６の間に挿入
される。素子１３，１４，１５及び１６は穴及
び／又は端ぐりを通して、貫通した通路１９を形
成する。これに関して、不導電性の支持片１３は
穴１３ａ、拡大した端ぐり１３ｂをもち、導電性
の円筒形片１４に衝合する端１３ｄに隣接した幾
分小さな直径の端ぐり１３ｃで終る。穴１３ａの
寸法は、電極１２を密封状に取付ける大きさと
し、この電極は比較的小さな直径をもち、かつ支
持片１３の穴１３ａに入りこれを貫通し、端ぐり
部分１３ｂと１３ｃを貫通する。電極１２の端は
勾配付きであり、先端１２ａは導電片１４の端ぐ
り１４ｂ内に位置する。

更に、不導電性のスペーサ１５は片１４の穴１
４ａの大きさに作つた穴１５ａをもち、スペーサ
１５内に通路１９の一部を形成する。同様に、導
電性陽極−電極片１６は、通常１９のその後の連
続部として穴１５ａとスペーサ１５に開口する穴
１６ａをもつ。

放射方向の孔５は円筒形支持片１３の側面を貫
通し、孔５は流れガス供給管６の端を受入れるよ
うに５ａで示す如く外部から端ぐりしている。前
記管は矢印７で示す如く加圧ガスの連続流を運
ぶ。

導電片１４は銅の如き金属で作られ、電気的に
伝導性を有し、抵抗器Ｒを経て２４で示す電力源
の正側に電気接続される。電力源２４の反対側は
ライン８を経て陰極−電極１２に接続する。電力
源２４の正側のライン９は回路経路を経て陽極−
電極片１６に接続し、抵抗器Ｒを導電性円筒形片
１４へ前記電源に対して並列接続する。スペーサ
１５はこれらの２つの片１６，１４をお互に電気
的に絶縁する。２０で示す電孤は最初、電極１２
の先端１２ａから片１４への高周波放電又はコン
デンサ放電をさせることによつて発生させる。初
期の電孤柱は、パイロツト回路中の抵抗器Ｒの存
在に因り、低電流をもつ。しかしこのパイロツト
電孤は主電孤柱２０を通路１９に沿つて軸線方向
に発生させるのに十分のイオン化を、ガス流供給
源７から来たガス流に生ぜしめる。

陽極−電極片１６は端１６ｂから中空にされて
いて、大きなくぼんだ空洞又は拡大通路容積部２
１を形成し、この中に電孤柱２０は通路１９から
出るガス流７によつて運ばれる。ガス流７はガス
供給管６から放出した後端ぐり１３ｂによつて形
成された環状マニホルド１７に入り、このガスは
電極１２の周囲をめぐり環状通路１８を経て環状
マニホルド１７から出る。ガス７はその貫流通路
１９内の電孤作用によつてかつ拡大通路容積部２
１に達する前に著しく加熱される。加熱ガスの速
度は拡大通路容積部２１内で減少し、電孤２０の
延長及び集中化に小さな力を及ぼす。やや半球状
の空洞壁面２２は等しいポテンシヤル特性をもつ
延長面を形成する形状をもつ。電孤は面２２上の
何れの点へも容易に行つて、大きな陽極面積をカ
バーすることができ、かくして金属の陽極−電極
片１６の過熱を減らす。前記片１６は同様に銅で
作ることができる。

磁石コイル２３は陽極−電極片１６を同心状に
囲み、端子４７を経てＳで示す電源により給電さ
れるが、この磁石コイルは面２２と交差する電孤
点に高回転速度を与える。コイル２３はDC電力
源により通常給電される。前記電力源は実際上電
孤電流とすることができる。この電力源は端子４
７に給電し、これはコイル２３にリード線４８を
経て電流を送る。

装置１のセクシヨン３と４の主な素子を成すト
ーチ本体３０とノズル素子４０を使用することは
本発明にとつて重要なことである。長方形の金属
ブロツク形状をなす本体３０は頂壁４９、底壁５
０、左方の端壁５１を含み、右方の端壁５２で終
る。底壁５０は円穴５４をもち、この中に円筒形
の陽極−電極片１６の端が嵌合する。ブロツク３
０内へ短い距離だけ突入している穴５４から更に
延びているのは平行なマニホルド穴５３であり、
その両者は拡大容積部２１に開口し、夫々対をな
す収斂する孔３２に供給するマニホルドを画成す
る。前記対の孔はお互の方に向つて、端壁５２の
方向に、第二のマニホルド孔５３に開口する他方
の収斂する孔３２に向つて収斂する。トーチ主体
３０の端壁５２は５５で示す円穴をもち、この中
に円筒形ノズル素子４０の入口端４０ａが位置す
る。ノズル素子４０はその大部分の長さにわたつ
て減少した直径部分４０ｂをもち、入口端４０ａ
にカラーを形成する。更に、トーチ本体３０は５
６で示す如くねじ山付の環状部分で端壁５２の近
くで終り、このねじ山に継手リング５７を螺合す
る。継手リング５７はノズル素子４０の外周４０
ｂ上に乗るように５８で示す如くフランジ付にな
つている。ロツクリング５６はノズル素子４０の
口端４０ａをトーチ本体３０に、カラーを円穴５
５内に入れて、ロツクする。ノズル素子４０は延
長した長さの穴又は通路４１をもち、この通路は
ノズル素子４０の大部分の長さに延び、前記穴４
１は前記素子のノズル入口端４０ａに拡大した収
斂部分４１ａをもつ。ノズル穴４１の収斂入口部
分４１ａはこれと整列した４つの通路３２の傾斜
及び収斂に順応し、プラズマヒータセクシヨン２
からの高速のガス流が、ノズル穴４１の軸線５９
に向つて収斂する４つの別々の流れとして、ノズ
ル穴に入るようになつている。ノズル穴４１に入
るガスの温度は前記ノズル穴の収斂する入口端部
分４１ａでノズル穴に開口する小直径のインゼク
タ孔３４から軸線方向にその中に入る粒子Ｐを適
切に加熱するように制御される。粉粒子Ｐは粒子
供給管３６からインゼクタ孔３４に入り、前記管
は２つの端ぐり６１，６２のうちの第二のものに
嵌合する。前記端ぐりはインゼクタ孔３４を画成
する初期穴へ行く延長部として作用する。

矢印６０で示した、粒子Ｐを含んだ加圧キヤリ
ヤガスの流れはプラズマヒータセクシヨン２から
放出する収斂する高温高速のガス流内に粒子Ｐを
導する働きをする。

超音速ガス流を望む場合には、ノズル穴４１と
その収斂する入口部分４１ａにより画成されるノ
ズル通路４４への口のガス圧力は臨界圧力以上で
なければならない。超音速状態の、ノズル素子４
０の出口端４０ｂからの排出噴流４２は衝撃ひし
形部（diamond）４３を示す。プラズマ加熱ガス
は粉粒子Ｐを溶融又は軟化し、次いで高速で噴射
して、排出噴流４２と交差する区域の一点に置か
れた加圧片又は基板４６に被覆４５を形成する。

通常のプラズマトーチに比べて、高温ガス中に
加速粉粒子Ｐが滞在する時間は何倍も大きくな
る。同じ上昇温度にもつて行くためには、たとえ
真のプラズマ（少なくとも部分的にイオン化状態
にあるガス）の温度以下であつてもずつと減少し
た温度のガス流を必要とする。このことは、粒子
滞在時間が比較的小さいため、化学反応の進行の
小さな、一層均等な粒子加熱を可能とする。

超音速の流出噴流４２に必要とされる高圧ガス
作業には、噴霧トーチ１のプラズマ発生部分は長
時間にわたり確実な作業を可能ならしめるように
設計しなければならない。この要求は、電極１２
と１６間に大きさ電圧降下のある低アンペア数の
電流を、所定の電力レベルに対して、用いること
によつて最も良く満たされる。所定のガス圧力で
の電圧はガスの種類と電孤柱２０の長さの関数で
ある。電孤柱は不導電性の素子１５又はスペーサ
を電極１２と１６の間に具えることによつて最も
良伸長せしめられる。通路１９の中心を通る細い
電孤柱２０を作るためには、ガス流７は旋回し
て、通路１９の軸線に沿つて幾分圧力の減少した
コア（core）を形成するように、作られる。電孤
電流は低電圧勾配のこの区域で有利となり、囲ん
でいる壁から十分に離れて位置し、その結果、こ
れらの壁の過熱は有効に減少する。勿論、コイル
２３の極性は電孤陽極点の旋回を強めるものにす
べきである。

明らかな如く、本発明は一般に称せられる“プ
ラズマトーチ”の原理を用いて流れガスを極めて
有効に電気加熱し、かつ適当な温度の流れガスの
供給源としてプラズマトーチの利用を可能にす
る。本装置は、酸素−燃料炎が粒子を適切に溶融
するのに十分に熱くならない如き高温セラミツク
スの噴霧においては極めて有効である。しかし、
加熱経路の伸長した長さのすべての原理は電気加
熱の場合に、特にプラズマトーチ技術の利用の場
合に同様に良く関係することは理解すべきであ
る。特に、通常のプラズマ噴霧トーチと比べたと
き、加熱ガス内の粒子の増大した経路長さは、
（必要とされる場合には）酸素−燃料の場合より
は温度が高いけれども、低い加熱ガス温度の使用
を可能にする。高温ガス流を供するのに加えて、
プラズマ系は不活性ガス流の使用を可能にする。
その場合酸素含有ガスは大目に見ることができ
る。その理由は基板上に又はそれに対して放出す
るための超音速の高温ガスによつて運ばれるべき
粒子と化学反応を起こすからである。

本発明方法では、流れ拡大ノズルの収斂部分へ
の熱ガスの放出によつて、好適には熱ガスはノズ
ル穴の軸線に対して傾斜した複数の収斂する通路
を通つて放出される。前記通路は一端がノズル穴
のスロート部の上流側でノズル穴入口部分に開口
する。前記通路の他端は実質的に閉じた通路に開
口する。前記閉じた通路から加熱ガスが、電気的
に電孤加熱された後に放出される。傾斜した通路
は穴の軸線に向つて収斂し、収斂する通路の軸線
と穴の軸線は同一平面内にあつて、流れ拡大ノズ
ル穴を通るガス流の旋回する速度成分を最小にす
るようになしている。更に、ガスは、熱ガス流の
温度がガス流の解離温度以下に減少する如き程度
のノズル穴長さにわたつてノズル穴を通過せしめ
られる。或る条件の下ではガスは膨脹ノズルを通
して高速ガス流として強制的に流され、ノズル長
さは放出された粒子が放出中まだ可塑性又は溶融
状態にある如きものとする。

通常は、水又はその他冷却媒体が構成要素の冷
却のためにプラズマ噴霧装置の構成要素内のいろ
いろな通路を通して循環させられる。かかる手段
にはこの技術分野で普通に使われる循環ループが
含まれるが、ここではその説明は省略する。また
粉末Ｐは高速ガスの中心に軸線方向にかつノズル
素子４０の収斂する入口穴部分４１ａ内へ送り込
まれることによつて前記ガス内に入る。このよう
にして、粉末は入口部分４１ａ、スロート部４１
ｃで又は穴４１の残部にわたつて、穴４１の壁に
触れることは許されない。この集中又は“焦点集
合効果”は粒子が実際に溶融していても又は基板
に衝突するようにノズル素子の出口端４０ｂから
極めて高速で単に送り出されるにしても有利であ
る。ワイヤ又は棒を粒子Ｐと置換えることがで
き、この場合、前記棒はノズル素子の軸線５９と
同軸にインゼクタ孔３４内に直接に送られ、従つ
てそのような寸法にされる。更に、超音速モード
につき説明したが、亜音速型が望まれる場合もあ
る。投射は亜音速とすることができ、その場合も
超音速作業の利益はすべて存在する。

第２，３図は商業的に受入れられる加熱ガス−
噴射装置を示す。この装置ではノズルラインの浸
食は最小である。こ装置ではノズル穴を画成する
のに硬質金属を使用する必要はない。このことは
過去いては立証されなかつた。またその場合加速
流として作用する加熱ガス流の制御は研摩材粒子
が、ノズル壁面から十分に離れてノズル穴を実質
的に通過するようになす。前記装置は第一実施例
につき説明した如く熱−軟化性材料の加速と噴射
に関して用いた原理を使用する。本発明のこの実
施例はそれに関して共通の素子を利用する。

第２，３図を参照すれば、本発明の第二実施例
は１０１で示す加熱ガス研摩材噴射装置を構成す
るが、これは３つの主なセクシヨンから成る：即
ち１０２で示す空気／燃料内部パーナセクシヨ
ン；１０３で示す砂子離器セクシヨン；及び１０
４で示す噴霧ノズルセクシヨン。

装置１０１は垂直立面図でＴ形をなし、業界で
“テイーガン（Tee Gun）”として既知の型式の
携帯型ユニツトを構成することができる。また装
置１０１は1983年５月24日発行の本発明者の米国
特許第4384434号の対象である噴射洗浄・研摩材
切断用高速炎噴流内部バーナの改良である。この
米国特許の第２図の実施例及び本装置１０１で
は、両装置は研摩材流の経路に直角に整列した空
気／燃料内部バーナを具える。米特許第4384434
号の内容は本出願に特別の参考例として含まれ
る。第２，３図の実施例の内部バーナセクシヨン
１０２の構造と作用は前記米国特許のそれと実質
的に同じである。これに関しては、燃焼生成物は
矢印１０６で示す如く内部バーナの円筒形壁１０
５により画成された燃焼チヤンバ１１４から出
て、２つの比較的大きな直径のマニホルド孔１５
０を経て、鋳物構造又は機械加工構造の金属ブロ
ツクによつて構成した本体片１１０の内部へ入つ
て行く。孔１５０は第３図に明示する如く、ブロ
ツク１１２の底から上向きに円筒形ブロツク１１
２を部分的にきりもみ加工して作られる。マニホ
ルド孔１５０には４つの傾斜した孔１５１が開口
しており、これらの孔は円筒形ブロツク１１２軸
線に向つて収斂し、前記部材の端面１１２ａを通
してブロツク１１２から外へ開口する。この実施
例の組立て、位置決め及び孔１５０と１５１間の
連結は第１図の実施例の対応する構成要素５３，
５２のそれらと同様である。４つの傾斜孔１５１
を通して燃焼生成物を噴射させることによつて、
燃焼生成物は１２０で示す細長いノズル用の１２
１で示すノズル穴の収斂する入口穴部分に入る。
従つて傾斜孔１５１を通る燃焼ガスの閉じ込めら
れた流れはノズル入口穴部分１２１ａに入るにつ
れて、燃焼生成物をお互に合併せしめ、かつ細長
いノズル穴１２１内で軸線方向に集中させる。

この実施例では、矢印１０８で示す。圧縮空気
中に懸濁せしめられた砂又はその他の微細粒子材
料の如き研摩材料は４２で示す粒子分離器へ可撓
性ホース１４０を通つてホツパー（図示せず）か
ら行く。前記粒子分離器は粒子分離器セクシヨン
１０３の主な素子をなす。粒子分離器１４２は複
数のスロツト１４３をもつ管状の金属円錐体を構
成する。スロツト１４３は長手方向に延び、円周
方向で分離している。前記スロツトは環状とし、
長手方向に分離させることができる。粒子分離器
１４２の下流側には、粒子分離器と同軸になつて
いる鋼製の円筒１４４が設けられる。ブロツク１
１２は孔１６０と端ぐり１６１をもつ。端ぐり１
６１は円筒形の管１４５の形の炭化タングステン
のインゼクタを受入れ、前記管の内直径は大体穴
１６０と同じであり、炭化タングステンインゼク
タ１４５の下流端はブロツク１１２内の孔１６０
と端ぐり１６１によつて画成した肩部１６３に衝
合する。穴１６０は細長いノズル１２０に直接に
開口し、それと同軸になつている。従つて炭化タ
ングステンインゼクタ１４５の研摩材粒子をノズ
ル１２０のスロート部１５２へ収斂した入口孔部
分１２１ａを経て送ることを確実となす。

明らかな如く、研摩材粒子Ｐ（即ち砂）を搬送
するのに使われる全空気のほんの小部分のみが、
装置１０１のこの部分中の残りの圧縮空気流の燃
焼によつて生じた燃焼生成ガス１０６によつて加
速されるためにノズルセクシヨン１０４内へ研摩
材粒子Ｐを送入するのに使われる。

ノズル１２０は円筒形のフランジ付ホルダー１
２３によつて定位置に保持される。ホルダー１２
３はブロツク１１２に接近した端に放射方向に拡
大したフランジ部分１２３ａを含む。更に、ブロ
ツク１１２はフランジ１２３ａの寸法に合わせた
円形の軸線方向凹所１６４を具える。１６５で示
すＯ−リングシールはフランジ１２３ａの周囲の
環状スロツト１６６内に取付けられ、これはフラ
ンジ付ホルダー１２３とブロツク１１２間のシー
ルとして働く。フランジ１２３ａは１２３ｂで示
す如くへこまされ、前記凹所はねじ山付ナツト１
２４を支持し、このナツトは１６７で示す如く円
筒形ブロツクの外周に螺合する。従つて、ホルダ
ー１２３はナツト１２４を介して本体の円筒形ブ
ロツク１１２にねじ山掛合する。本体１１０は前
述の円筒形ブロツク１１２に加えて、１１１と１
１３で示す如く比較的硬い金属の、多数の円筒形
の副構成要素からなる。これらの副構成要素１１
１，１１２，１１３は溶接部１６８で示す如く、
それらの境界面で溶接される。

ノズル１２０に入る前に、熱い燃焼生成物が通
過するブロツク１１２の部分とノズルセクシヨン
１０４の外部を冷やすために、冷却水の連続流が
これらの素子内に形成した冷却循環路を通過す
る。この点に関して、本体１１２は１６９の所で
端ぐりされ、ノズル１２０はこの端ぐり１６９に
嵌合する放射方向に拡大したフランジ１２０ａを
含み、ノズルの端面１２０ｂは本体１１２の端面
１１２と同じ高さに横たわるようになされる。環
状のみぞ１７０は端ぐり１６９で本体１１２内に
設け、これはこの区域の本体１１２とノズル１２
０間の連結部をシールするためにＯ−リングシー
ル１７１を受入れる。更に、ノズル１２０は円筒
形凹所１７２を具え、この凹所はほぼノズルの全
長にわたつて延在し、ホルダー１２３とノズル１
２０の外周間に環状の空洞１３１を形成する。矢
印１７３で示す加圧水の如き冷却剤の流れが円筒
形入口１３０を通つて空洞１３１に送られ、前記
入口はホルダー１０４の周囲に１７４で示す如く
溶接される。孔１７５はこの点でホルダーを貫通
して開口し、入口１３０と整列し、このため冷却
剤は矢印１７３で示す如く空洞１３１へ流入し、
ノズル１２０を縦に進んで、これを冷却する。ホ
ルダー１２３のフランジ部分１２３ａ内の一連の
放射方向スロツト１７６は更に冷却水を放射方向
に、ホルダー１２３の軸線方向内方の上流側の端
で、環状凹所１７７へ流入せしめる。本体１１２
内に形成した一連のきりもみ加工された又は他の
方法で作つた冷却流通路１３２は加圧冷却水を入
口１３０から円筒形ブロツク１１２内の比較的大
きな環状マニホルド１３３へ流れさせ、かつそれ
は前記部材の端ぐり１７９内に軸線方向に挿入す
ることによつてブロツク１１２に取付けられた鋼
製円筒４４を取囲む。冷却水は１３４で示す如く
円筒形の出口通路を通つてマニホルド１３３を出
る。それはブロツク１１２の外部に、その一方の
横の側面へ突出する。適当なホース、ポンプ及び
冷却水供給源（すべて図示せず）は入口１３０へ
通じかつテイーガン型（Tee Gnu type）装置１
０１の出口１３４から出る閉じた循環ループを作
る。

本発明者の先の米国特許第4384434号と同様に、
複合本体１１０の円筒形の金属素子要素１１１は
穴１８０と端ぐり１８１をもつ。端ぐり１８１は
本体１１０のデイスク状要素１１３内の軸線方向
凹所１８２の寸法に合わされ、端ぐり１８１は円
錐形の粒子分離器１４２のまわりに環状の流れ集
中チヤンバ１９０を画成する。更に、円錐形粒子
分離器１４２は穴１８０から離間していて、大き
な環状チヤンバ１６０が穴１８０と端ぐり１８１
によつて部分的に画成され、このチヤンバ１６０
は粒子分離器１４２の全長にわたりスロツト１４
３まで延在する。更に、円形孔１８４は構成要素
１１１内に形成され、この要素は１８５の所で端
ぐりされ、かつエルボ１９１の一端を受入れる。
エルボ１９１の他端は内部バーナセクシヨン１０
２の外部円筒１１５に溶接される。外部円筒１１
５は円筒１０５から離間していて、環状チヤンバ
１８６を画成し、このチヤンバを通して空気が流
れてテイーバーナ（Tee burner）の内部バーナ
１０２の外部を冷やし、その間内部バーナセクシ
ヨン１０２用の燃焼空気の一次供給源をなす空気
を予熱する。該ユニツトに入る空気と砂流１０８
からなる空気主流は研摩材分離器１４２の細いス
ロツト１４３を通つてマニホルドチヤンバ１９０
へ入り、そこからエルボ１６１を経て内部バーナ
１１４へ行く。

空気／燃料内部バーナ１１４の構造と作用は米
国特許第4384434号に詳述した通りである。普通
は、燃料油が分離された空気と共に用いられて、
燃焼チヤンバ１１４内で燃やされる。伝然ガス又
はプロパンは液状燃料油の代りに用いられる。

本発明のこの実施例では、ノズル穴１２１の収
斂する入口部分１２１ａに入る研摩材粒子Ｐはノ
ズルの出口端１２０ｃに向つて外方へスロート部
１５２から僅かにそれる円錐状流れ１２２として
ノズル穴１２１の中心を通過する。600SCMの圧
縮空気で作動しかつ１１／８インチ（約28.5mm）の ノズルスロート直径と９インチ（約22.86cm）の
ノズル長さをもつ装置１０１はノズル穴１２１の
表面壁に対して固体研摩材粒子Ｐが実質的に衝突
することなしに作用する。従つて軟鋼製のノズル
は取替える必要なしに長期間にわたつて機能を果
たすことができる。その理由は、ノズル穴の収斂
する入口端１２１ａにおける燃焼ガスの焦点集合
効果に起因して研摩材粒子Ｐによる研摩が事実上
無いことにある。本発明の原理を使うことによ
り、第２，３図の実施例では、ノズル及びその他
の構成要素に摩耗性を与えようとする試みで以前
使用されたノズルを含む炭化タングステン素子の
コスト以上にユニツトのコストに大きな価格低下
がもたらされる。また、本発明では加速媒体は使
われなかつたので、一様な炭化タングステンが高
加熱されたガスに適することは証明されなかつ
た。更に、本発明の原理は、加熱されたガスが必
要とされる加速を与え、旋回を除去し、粒子分離
器１４２中で空気流の大部分から分離した後に研
摩材粒子を集中させる働きをする装置につて説明
したけれども、それは、加速流として冷却気流が
あり、粒子流がノズル１２０の全長を通るときに
粒子流が集中することに起因してノズルコストが
減少する如き装置にも等しく適する。

第２，３図の装置１０１の研摩材分離器の作用
は米特許第4384434号に記載されたものと同じで
あるが、この素子が複数の傾斜孔１５１を通して
長い収斂するノズルの入口端に燃焼生成物を制
御、導入するためにＴ形バーナを用いる本体１１
２内に使用されるときは、燃焼ガス１０６に合う
ようにノズル内に噴射される粒子Ｐは、ノズル穴
１２１を通して１２２で示す如く緊密な円錐形パ
ターンをもたらすために前記粒子Ｐを軸線方向に
十分な距離にわたり熱ガス内に、即ちノズルのス
ロート部１５２の区域に運び込むのに適した運動
量をもつことが重要である。研摩材分離器１４２
と、インゼクタによつて画成された通路との寸法
を適切に定めることによつて２つの空気流の正し
い比率を維持することができる。この実施例で
は、第１図の実施例と同様に、次のことが重要で
ある。即ち第１実施例に関して、粒子を熱軟化又
は溶融させるのに十分な穴内の滞在時間を確保す
ると共に、ノズル穴壁に溶融した又はやわらかな
粒子材料が堆積するのを防止するため又は第２，
３図の実施例において粒子Ｐによるノズル穴壁の
摩耗を防止するために、ノズル穴を通る粒子柱の
直径を適当に限定するためノズル穴スロート部１
５２の直径の少なくとも５倍の長さをもつことが
重要である。この目的を達成するため、粒子Ｐの
導入は第２，３図の実施例では燃焼域の外で、ま
た第１図の実施例では電気加熱域の外で行なわれ
る。前記材料は第１図の装置では電気加熱された
ガス内に、また第２，３図の装置では燃焼ガスの
収斂する流れ内に軸線方向に送入しなければなら
ない。更に、ガスの収斂する流れ内に軸線方向に
材料を送ることはそのガスが流れ膨脹ノズルの収
斂部分に入つている間に行なうことが必要であ
る。従つて、上記改良をもたらす操作のパラメー
タは本願と、本出願人の先の米国特許第287652号
及び第196723号の両方の実施例に共通であり、こ
れらの改良された結果を得るのに決定的なもので
ある。

以上、特に本発明の好適実施例につき説明した
が、本発明は本発明の精神と範囲を逸脱すること
なく種々の設計変更が可能であることは当業者に
は明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の高集中化した超
音速炎噴霧装置の縦断面図；第２図は本発明の第
二実施例の高加熱炎ガスを供する研摩材−噴射装
置の縦断面図；第３図は第２図の線３−３上でと
つた装置部分の断面図である。 ２…プラズマ熱源セクシヨン、３…トーチ本体
セクシヨン、４…噴霧ノズルセクシヨン、７…ガ
ス、１１…プラズマヒータ、１２…陰極電極、１
３…陰極電極支持片、１４…導電片、１５…スペ
ーサ、１６…陽極−電極片、１７…環状マニホル
ド、１９…通路、２０…電孤、２１…拡大通路容
積部、２３…磁石コイル、３０…トーチ本体、３
４…インゼクタ孔、３６…粒子供給管、４０…ノ
ズル素子、４１…ノズル穴、４２…排出噴流、４
９…頂壁、５０…底壁、５１…端壁、１０２…空
気／燃料内部バーナセクシヨン、１０３…砂分離
器セクシヨン、１０４…噴霧ノズルセクシヨン、
１０６…燃焼生成ガス、１１２…ブロツク、１１
４…燃焼チヤンバ、１２０…ノズル、１３０…入
口、１３４…出口、１４２…粒子分離器、１４３
…スロツト、１４５…炭化タングステンインゼク
タ、１５０…マニホルド孔、１５１…孔、１５２
…スロート部、１６０…環状チヤンバ、１６６…
環状スロツト、１８４…円形孔、１８６…環状チ
ヤンバ、１９１…エルボ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的に閉じた通路１９内を流れるベく閉じ
   込められたガスの連続流を加圧下で電孤加熱し、
   極めて熱いガス流として前記加熱ガスを前記通路
   から流れ膨張ノズル４０を通して放出し、高温熱
   軟化又は液化させてノズルの放出端で前記流れの
   経路内に置いた表面４６上に噴霧するために前記
   流れに材料６０を供給する工程を含む炎噴霧方法
   において、前記材料を供給する工程は、前記材料
   ６０を固体形状で前記電気加熱域の外にかつこの
   電気加熱域から出た後に軸線方向に前記電気加熱
   ガスの収斂する流れ内に導入すると共に、ノズル
   穴を通る粒子Ｐの柱４２の直径を限定するため及
   び粒子の熱軟化又は溶融を起こすのに十分な前記
   穴内の滞在時間を確保ししかもノズル穴４１にお
   ける粒子材料の堆積を防止するためにノズル穴ス
   ロート部の直径の少なくとも５倍の長さをもつノ
   ズル穴４１を有する流れ膨張ノズル４０の収斂部
   分４１に入れることを含むことを特徴とする炎噴
   霧方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の炎噴霧方法にお
   いて、極めて熱いガス流として前記加熱ガスを前
   記通路１９から流れ膨張ノズル４０を通して放出
   する工程は流れ膨張ノズル穴４１を通るガス流の
   旋回速度成分を最小にする工程を含むことを特徴
   とする炎噴霧方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の炎噴霧方法にお
   いて、極めて熱いガス流として前記加熱ガスを前
   記通路から流れ膨張ノズルを通して放出する工程
   は、熱ガス流の温度が熱ガス流の解離温度以下に
   減少する程のノズル穴長さにわたつて前記ガスを
   して前記ノズル穴を通過せしめることを含むこと
   を特徴とする炎噴霧方法。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の炎噴霧方法にお
   いて、極めて熱いガス流として前記加熱ガスを前
   記通路から流れ膨張ノズルを通して放出する工程
   は前記熱ガス流をして粒子の放出がまだ溶融状態
   で行なわれる如き長さをもつノズル４０を通過せ
   しめることを含むことを特徴とする炎噴霧方法。 ５ 噴霧ガン本体２，３，４と、前記本体内に実
   質的に閉鎖された電孤加熱域を画成する通路手段
   １９と、前記加熱域通路を通して加圧ガスを連続
   的に流す手段６とを具え、前記本体２，３，４は
   その一端に電気加熱域放出通路手段１９を含みか
   つ前記電気加熱域放出通路手段の下流側に細長い
   ノズル４０を含み、前記ノズル４０はそのスロー
   ト部に通じかつ伸長した長さの出口穴部分４１を
   もつ収斂する入口穴部分４１ａを含み、前記穴部
   分は前記ノズル穴スロート部の直径の少なくとも
   ５倍の長さをもち、前記電気加熱域放出通路手段
   １９，２１，５３，３２は放出する電気加熱ガス
   の収斂する流れを電気加熱域から出た後に前記ノ
   ズル入口穴部分４１ａの口に運ぶ手段を含み、ま
   た固体形状の材料の伝気加熱域から軸線方向に熱
   ガス内へその後の熱軟化又は溶融のために導入す
   る手段６０，６１，３４を具え、前記固体材料の
   導点はノズル穴の入口とするか又はその収斂する
   入口部分４１ａ内とし、ノズル穴壁４１上への粒
   子材料の堆積を防止すると共に、ガス流内の粒子
   の滞在時間を十分に確保して前記ノズル穴の放出
   端４０ｂの下流側で基板４６に粒子が衝突する前
   に粒子の熱軟化又は溶融を生ぜしめるようになす
   ことを特徴とする高集中化した熱軟化又は液化材
   料炎噴霧装置。 ６ 研摩材噴射ガン本体１０１と、前記本体内
   の、実質的に閉鎖された高圧燃焼チヤンバ１１４
   と、前記チヤンバ内で点火するために前記燃焼チ
   ヤンバを通して高圧の酸素−燃料混合物を連続的
   に流すための手段とを具え、前記本体はその一端
   に燃焼チヤンバ燃焼生成物放出通路手段１５０，
   １５１を含みかつ前記燃焼チヤンバ放出通路手段
   の下流側に細長いノズル１２０を含み、前記ノズ
   ル１２０はスロート部１５２に通じかつ前記スロ
   ート部１５２から通じる伸長した長さの出口部分
   １２１をもつ収斂する入口穴部分１２１ａを含
   み、前記穴出口部分１２１は前記ノズル穴スロー
   ト部１５２の直径の少なくとも５倍の長さをも
   ち、前記燃焼チヤンバ放出通路手段は放出された
   熱い燃焼生成物の収斂する流れを、燃焼チヤンバ
   から出た後に、ノズル入口穴部分１２１ａの入口
   内に運ぶための手段１５０，１５１を含み、また
   固体の、粒状の研摩材料を前記燃焼チヤンバの外
   で加速用の熱い燃焼ガス内に軸線方向に導入する
   ための手段１４０，１４２，１４４，１４５，１
   ６６０を具え、粒状研摩材料１０８の導入点は前
   記ノズルの穴の収斂する入口部分１２１ａの入口
   にするか又は前記入口部分内にして、ノズル穴１
   ２１を通過する粒子Ｐの柱の直径を限定しかつ粒
   子の前記ノズル穴壁との接触とノズル穴１２１の
   浸食を防止すると共にノズル穴の放出端の下流側
   で粒子が工作片に衝突する前に粒子Ｐを超音速に
   加速するようになすことを特徴とする高集中化し
   た熱ガス超音速研摩材噴射装置。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の装置において、
   前記ノズル穴１２１の軸線と前記燃焼チヤンバ１
   １４の軸線はお互にほぼ直角をなし、前記燃焼チ
   ヤンバは端壁１１２を含み、前記燃焼チヤンバ放
   出通路手段は前記燃焼チヤンバ端壁内の複数の円
   周方向に離間した収斂する、傾斜した小直径の通
   路１５１を含み、前記傾斜した通路１５１は一端
   がノズル穴スロート部の上流側でノズル穴の入口
   部分１２１ａに開口し、他端が前記燃焼チヤンバ
   に開口しており、固体の粒状の研摩材料を熱ガス
   内に導入するための前記手段は前記円周方向に離
   間した傾斜した通路内で中心に置かれた前記本体
   内の小直径の粒状材料供給通路１６０を含み、前
   記傾斜した通路は前記穴の軸線に向つて収斂して
   おり、前記材料供給通路１６０は前記ノズル穴１
   ２１と同軸であることを特徴とする装置。 ８ 特許請求の範囲第６項記載の装置において、
   前記固体の粒状の研摩材料を軸線方向に熱い燃焼
   ガス内に導入するための手段は、前記本体内の前
   記燃焼チヤンバ放出通路手段１５０，１５１の上
   流側で前記装置に硬質粒状材料を含む可燃性流体
   の流れを供給するための手段１４０を具え、これ
   は前記本体内の前記小直径の材料供給通路に通じ
   かつ前記円周方向に離間した傾斜した小直径通路
   １５１内の中心に置かれた閉じ込められた真直ぐ
   な流れ経路を画成する手段１４２，１４４，１４
   ５を含み、また前記硬質の粒状材料から前記閉じ
   込められた真直ぐな流れ経路の外に放射方向に可
   燃性流体の一部を分離するため及び前記粒子の無
   い流体を前記本体内の前記実質的に閉じた燃焼チ
   ヤンバ１１４内にその中で燃焼するために導入す
   るための前記閉じ込められた真直ぐな流れ経路内
   の手段１４３，１９０，１９１，１８６を具えた
   ことを特徴とする装置。 ９ 特許請求の範囲第７項記載の装置において、
   前記固体の粒状の研摩材料を軸線方向に熱い燃焼
   ガス内に導入するための手段は、前記本体内の前
   記燃焼チヤンバ放出通路手段１５０，１５１の上
   流側で前記装置に硬質の粒状材料を含む可燃性流
   体１０８の流れを供給するための手段１４０を具
   え、これは前記本体内の前記小直径の材料供給通
   路６０に通じかつ前記円周方向に離間した傾斜し
   た小直径通路１５０，１５１内の中心に置かれた
   閉じ込められた真直ぐな流れ経路を画成する手段
   １４２を含み、また前記硬質の粒状材料から前記
   閉じ込められた真直ぐな流れ経路の外に放射方向
   に可燃性流体の一部を分離するため及び前記粒子
   の無い流体を前記本体内の前記実質的に閉じた燃
   焼チヤンバ１１４内にその中の燃焼を安定化する
   ために導入するための前記閉じ込められた真直ぐ
   な流れ経路内の手段１４８，１９０，１９１，１
   ８６を具えたことを特徴とする装置。 １０ 特許請求の範囲第８項記載の装置におい
   て、前記硬質の粒状材料の無い可燃性流体を前記
   流れから分離するための前記手段は、前記本体の
   軸線方向の流れ通路内に置かれた管状の砂分離器
   １４２と、前記管状の砂分離器を取囲む環状チヤ
   ンバ１９０とを具え、前記管状の砂分離器は離間
   したスロツト１４３を有し、前記スロツト１４３
   は記固体の粒状の研摩材料の直径より小さい開口
   をもち、前記環状の砂分離器を取囲む前記環状チ
   ヤンバ１９０は通路手段１９１，１８６によつて
   燃焼チヤンバ１１４に連結されていて、粒子の無
   い空気を前記流れ１０８から前記燃焼チヤンバ１
   １４に導入できるようになしていることを特徴と
   する装置。 １１ 特許請求の範囲第９項記載の装置におい
   て、前記硬質の粒状材料の無い可燃性流体を前記
   流れから分離するための前記手段は前記本体の軸
   線方向の流れ通路内に置かれた管状の砂分離器１
   ４２と、前記管状の砂分離器１４２を取囲む環状
   チヤンバ１９０とを具え、前記管状の砂分離間１
   ４２は離間したスロツト１４３を有し、前記スロ
   ツト１４３は前記固体の粒状の研摩材料の直径よ
   り小さい開口をもち、前記環状の砂分離器を取囲
   む前記環状チヤンバ１９０は通路手段１９１，１
   ８６によつて前記燃焼チヤンバ１１４に連結され
   ていて、粒子の無い空気を前記流れから前記燃焼
   チヤンバ１１４に導入できるようになしているこ
   とを特徴とする装置。