JPH0453592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は静電噴霧装置用の改良された電極並び
にその製造方法に関する。 技術文献並びに特許文献の中には、金属マトリ
ツクス中に非金属セラミツク成分を含有させるこ
とに関する多数の参考文献が含まれており、しば
しば数相構造を持つものは複合材料と呼ばれてい
る。米国特許第4103063号には、セラミツク−金
属共融構造材料の形成が開示されており、これは
溶融物から固化され、かつ耐酸化成分を有してい
る。英国特許第1505874号には、高電流電気接点
において使用するための導電性複合材料の製造が
開示されている。該接点は銀と酸化カドミウムお
よび2000ppmまでのカリウム化合物とからなつて
いる。該酸化物は接続状態におかれた場合に形成
されるアークを防止するのに役立ち、カドミウム
並びにカリウム蒸気は短期アークの電子エネルギ
ーを減ずるのに役立つ。 ニツケル−アルミナサ−メツトはP.D.Djali
＆ K.R.Linger（Proc.British Ceram.Soc.，26、
1978（７月）、pp.113−127）によれば、粒子間の
結合を促進するために予めニツケルで被覆したア
ルミナ粉末を熱間圧縮することにより製造され
る。ほぼ理論的に緻密な圧縮粉が得られ、これは
平均的機械特性を有していた。同様な研究におい
て、C.S.Morganはその場で金属被覆の付着を行
う方法を用いて（Thin Solid Films、39、1976
（12月）、pp.305−311）、セラミツク粉末を被覆
し、かつセラミツク成分の湿潤を促進した。この
方法を利用して、Eu₂O₃粉末をＷで被覆し、熱間
圧縮して、改良された熱伝導性並びに改良された
耐熱衝撃性とを有し、原子炉における中性子吸収
剤として使用し得る複合体を形成した。 セラミツクと金属粉末との結合を促進する更に
別の方法では、A.C.D.Chaklander ＆ M.N.
Shettyは反応性熱間圧縮によりセラミツク−金属
複合体を形成した（Trans.Metal.Soc.of AIME、
33、1965（７月）、pp.1440−42）。彼等の研究にお
いては、Al₂O₃（ベーム石）の一水和物を数種の
金属粉末と混合し、分解中のAl₂O₃の“高い”反
応性を利用して、粒子間結合を促進させた。A.
V.Virkau ＆ D.L.Johnsonは1600℃にてグラ
フアイトダイ中で純粋なZrO₂とZr粉末とを熱間
圧縮することにより製造されるZrO₂−Zr複合体
の破壊挙動について研究した（J.Am.Cer.Soc.，
1977（１−２月）、pp.514−19）。割れの伝播が研
究され、これは前記複合体中に保持された残留応
力により影響された。複合体を形成する他の方法
は「金属マトリツクス複合部材を製造するための
５つの方法（Five Ways to Fabricate Metal
Matrix Composite Parts）」と題する文献
（Materials Engineering、68、1968（７月）、
pp.58−63）において、J.A.Alexanderによつて
報告されている。これらすべての複合体はフイラ
メント（即ち、硼素または炭化珪素）を含んでお
り、金属は液状金属の浸潤から粉末治金技術に至
るまでの各種方法によつて配合された。 予め調整された金属酸化物−金属共融材料が破
壊され、再結合される唯一の公知文献において
は、N.Clausing（J.Am.Cer.Soc.，56、1973（８
月）、p.197）はGd₂O₃−Moと（Cr、Al）₂O₃−Cr
複合体断片とを熱間圧縮して機械特性テスト検体
を形成した。これら材料の破壊の仕事は金属繊維
の延性のために著しく増大された。 このような広範な背景の考察からすれば、本発
明の電極材料は独特のものである。というのは、
これまで出発物質としてこの種の材料（即ち、金
属酸化物−金属複合体断片および純金属粉末）を
選び電極を製造することはまつたくなされていな
かつたからである。 本発明は静電噴霧装置用の改良された電極並び
に該電極の製造方法に係り、ここで該静電噴霧装
置は内部に設けられた室を有する隔室と、該隔室
と連絡している放出スプレー手段と、該室内に配
置されかつ該室内の液体と接触している少なくと
も２つの電極と、該放出スプレー手段に移され液
滴状で噴霧される液体と、該電極により、該室内
で液体を介して電荷を発生する機構とを含み、該
電荷は該室内で液体中に過剰の遊離電荷を発生す
るのに十分なものであり、また該改良された電極
は金属複合体の性質、金属−酸化物共融混合物エ
ミツターの性質並びに金属の機械特性を示す限り
において特有なものである。安価なエミツターは
粉末治金技術により形成することができる。これ
は複合体金属、金属−酸化物インゴツトの高い利
用性という補足的利点を有する。 本発明の改良電極を有する静電帯電装置は内部
に室を有する隔室を含み、該隔室の一端には放出
スプレー手段が設けられている。噴霧すべき液体
は前記室内に収納され、放出スプレー手段から帯
電粒子として放出される。前記液体中に過剰の遊
離電荷を発生させるのに十分な電荷が、該室内の
液体と接触状態にある改良電極によつて、該室内
の液体を介して通過する。該室内の液体の対流々
動速度は該室内の移動度の調節された電流々動速
度と同一であるか、もしくはこれとは異つてい
る。これによつて、過剰の遊離エネルギー電荷が
効率良く放出スプレー手段に移されることが可能
となる。 上記隔室の室内に電荷を形成するのに利用でき
る電流源は直流電位、交流電位もしくはパルス電
位源並びにその組合せであり、100V〜100KV、
より好ましくは100V〜50KV、最も好ましくは
100V〜30KV DCである。該隔室内の液体中に誘
導された電荷は該室内の液体の対流々動速度と並
行であるかもしくはある角度で交叉していてもよ
い。ここで液体の対流々動速度は隔室内の電荷の
移動度の調節された電流々動速度よりも低くて
も、同一であつても、また高くてもよい。該隔室
内の液体中に導入された誘導電荷は該室内の液体
中に過剰の遊離電荷を発生させるのに十分な量で
なければならない。ここでは電荷は正でも負でも
よい。 放出スプレー手段から放出される形成された液
滴は実質的な淀みなしに放出スプレー手段から外
方向に加速され、もしくは渦状に放出スプレー手
段から放出されるか、または平面状に放出スプレ
ー手段から放出される。帯電液滴の形成はスプレ
ー放出手段内もしくはその外部で起こり得る。 改良電極を使用する静電噴霧装置は円筒形状の
非導電性ハウジング（隔室）（例えばルーサイト
（Lucite））を含み、該ハウジングは基体と上方に
伸びた円筒形状の、貫通ねじ切り開口を有する側
壁と、貫通ねじ切り開口と貫通ねじ切り孔とを有
する頂部と、内部に設けられた室とを有してい
る。ここで該基体は貫通中心放出口を有し、放出
スプレー手段である。第１の円筒状液体供給導管
のねじ切りされた一端は孔内にねじ込み収納さ
れ、そこで該導管はハウジングの頂部から外方向
に直線状に伸びている。導管の他のねじ切りされ
た端部は液体供給手段に連結されるようになつて
おり、かくして液体は導管を経て室内にはいり、
そこで液体は10^-4mho／ｍ未満より好ましくは
10^-8mho／ｍ未満、最も好ましくは10^-10mho／
ｍ未満の導電性を有する。例えば、No.２等級の加
熱油である。ねじ切りされた外面と貫通連続口と
を有する、第１の非導電性の、長い円筒形状の管
はねじ切り開口にねじ込まれて配置され、そこで
管の一端はハウジングから外側に伸び、かつ他端
は室の上方部分で内側に伸びている。第１の電極
もしくは一連の並列もしくは直列のまたはこれら
の組合せからなる第１電極は適当な手段、例えば
接着性セメントなどにより前記端部もしくは管に
結合され、管の端部は電極内に埋設することもで
きる。本発明の電極は２種の成分、即ち金属酸化
物−金属複合体粒子および金属粉末の配合混合物
から形成される。該複合粒子は、典型的に10⁶〜
５×10⁷本の範囲の結合された微小径金属繊維を
１cm²につき含み、これらは電気絶縁性（酸化物）
マトリツクス中に均一に埋設されている。この複
合体は周知の技術により作製できる。使用し得る
１つの製造方法は以下の刊行物に詳しく記載され
ている。溶融法による金属酸化物−金属複合体の
製造を詳述しているプロジエクトデイレクター
A.T.Chapmanによるschool of Ceramic
Engineering、Georgia Institule of
Technologyからの“レポートNo.６：Melt
Grown Oxide−Metal Composites”。電子放出
が単一の末口もしくは絶縁性マトリツクスでフラ
ツシユするか該マトリツクス上に設けられた複数
の微小金属点から励起され得、かつまた金属酸化
物−金属複合体粒子がこの空間配置を与えること
は周知である。複合体構造は、、例えばFeeney等
によりJ.Appl.Phys.，46−41975（４月）pp.1841
−43に“High−Field Electron Emission from
Oxide−Metal Composite Materials”と題する
文献に記載されているように、高真空条件下で電
子放出を達成するために使用されている。複合体
粒子はUO₂−Ｗ、Gd₂O₃（CeO₂）−Mo、ZrO₂（Y₂
O₃）−Ｗ、CeO₂−Moなどの系の中から選ぶこと
は可能であるがこれらに制限されるものではな
い。導電性かつ接続性金属マトリツクスはCu、
CoまたはNiもしくはこれら金属の組合せから構
成できるがこれらに制限されない。再構成金属酸
化物−金属サーメツトは以下の記載において
ROMCという。 ROMC材料を調整するために、金属酸化物−
金属フラグメントを粉砕し、かつ寸法調節し、こ
れを単に所定量の金属粉末と混合する。複合体粒
子の体積分率は10〜80％である。複合金属粉末混
合物を圧縮し、該混合物を圧力および／または熱
を使用して圧密化させかつ円板状物質を形成す
る。この配合混合物の円板は正方形断面形状の棒
材に切断され、該棒材は後に所定の円筒状の電極
に機械加工される。この複合体配合混合物は電極
を任意の所定の形状に公知の機械的方法により加
工し得るが、従来の電極はより一層経費のかかる
複雑な工程によつて形成される。第１電極はハウ
ジングの外側に設けられた高電位源に管の孔を通
つて伸びている第１導電性鉛線により直列に接続
されている。該高電位源は装置の外部に設けられ
たアース用導体にアース線によつて接続されてい
る。第２の非導電性の（例えばルーサイト）長い
円筒状管は貫通連続孔を有し、開口を通して配置
され、そこで該管の一端はハウジングから外方向
に伸びており、該管の他端は酸化物−金属室の下
方部分で内側に伸びている。液密シールが接着剤
または他のシール手段により、管と側壁との間に
形成される。第２の電極もしくは直列もしくは並
列の一連の第２電極もしくは並列、直列を組合せ
た第２電極は接着性セメントなどの適当な手段に
よつて管の端部に連結されるか、または管端部は
電極内に埋設することができる。この第２電極は
平坦形状の円板であり、該円板は中心に縦方向に
並んだ貫通口を少なくとも１つ有し、場合によつ
ては該中心開口から所定距離だけ離れた位置に複
数の縦方向に並んだ貫通口を有している。また、
複数の縦方向に配列された開口は中心線に関して
対称に並べて使用することができる。ただし、該
中心線上には開口はない。この開口はまた中心線
に対し非対称であつてもよい。第２の電極は第１
電極の下方であつてかつ該第１電極から隔置され
て室内に横方向に設置されている。電極は縦方向
に上下に移動させることができ、これによつて電
極間のギヤツプを増減することができ、かつ液体
内の電荷の流れを変えることができる。第２電極
はプラチナ、ニツケルまたはステンレススチール
で形成することが好ましく、これは管中に伸びて
いる導電性鉛線により、ハウジングの外側に設け
られた高電位レジスター要素と直列に連結され
る。該レジスター要素はその他端部において高電
位源のアース接合点と連結されている。外部の環
形状電極（例えばステンレススチール）は、接着
手段もしくは電極を通つて上方に伸びておりかつ
基体内に埋設されている多数のアンカー要素によ
つて、該基体の外側底面上に固定することができ
る。電極の中心開口および放出口が配列され、そ
こで開口は直径２cm未満、より好ましくは１cm未
満、最も好ましくは6μ未満であり、中心開口の
径は１mm未満、より好ましくは600μm未満、最も
好ましくは200μm未満である。この位置で、電極
は静電場の発生に基き噴霧に寄与する。しかしな
がら、電極をこの位置に設置することは、この電
極がハウジングの外部に設置されている限り臨界
的ではない。また、電極はアースと第１電気接点
との間に設けられた第２のアース接点と連結され
る。第１電極は負に帯電しており、第２電極は第
１電極に対し相対的に正の電位を有し、外部電極
は地電位（電源の正電位）にある。作動の１モー
ドにおいては、第１電極は負に帯電し、かつ第２
電極および外部電極は相対的に正に帯電してい
る。高電位源は直流電源、交流電源またはいずれ
かの極性のパルス電位源であり得、該電源は
100V〜100KV、より好ましくは100V〜50KV、
最も好ましくは100V〜30KV DCである。前記室
内の液体中に誘起された電荷は第１電極から第２
電極への電流を生ずる。該室内の液体は前記基体
の放出開口に向かつて流れ、該室内の液体中に誘
起される電荷は該室内の液体中に過剰の遊離電荷
を発生するのに十分な量でなければならない。こ
こで該電荷は正でも負でもよい。液体は室から噴
霧状（多数の液滴として）に外部に放出され、外
部電極は帯電した液滴の加速を促進する。 以下の実施例は本発明の完全な理解のために十
分な実験データを提供するものであるが、本発明
の精神または範囲を何等制限しようとするもので
はない。原形再構成金属酸化物−金属複合体、
ROMC、電極を作成するために使用した３つの
方法を以下に詳述する。第１の方法（実施例１）
はサーメツト−型電極を形成するための直接誘導
加熱の利用を開示し、第２の方法（実施例２）は
グラフアイトダイ中での複合−金属ROMC材料
の熱間−圧縮を開示し、かつ第３の方法（実施例
３）は熱間−圧縮中における金属ピン上への
ROMC材料の直接結合について開示する。 実施例 １ 工程１ 予め作成した径3.1cmのUO₂−Ｗインゴ
ツトを横方向に細断して、厚さ２mmのウエフア
ーを得た。ダイヤモンドソーを用いてこれらの
ウエフアーから不融性スキンを除去した。 工程２ UO₂−Ｗウエフアーのコア領域を磁性乳
鉢と乳棒とで手作業でつぶし、約3gの複合体
断片が325メツシユ篩を通過するまで（径44μm
未満の複合体粉末を生成する）篩別した。 工程３ 複合体断片および銅粉末（−325メツシ
ユ）を別々に秤量し、各物質3gをとり乳鉢と
乳棒とで手作業により混合した。得られる
ROMC混合物から2gをとり、径0.9525cm（3/8
インチ）のスチール製ポンチおよびダイセツト
中に装入し、140.6Kg／cm²（2000psi）で圧縮し
た。 工程４ 圧縮したROMC円板をセラミツク支持
体（発泡溶融シリカ）上に置き、ガラス管内に
装入し、該試料を直接誘導加熱に掛けた。該ガ
ラス管を排気し、N₂／H₂（10／１分子比）雰
囲気で満たした。ウエフアーを4mHzで動作す
る10kwrfジエネレータで、光学高温度計で測
定してROMC円板の表面温度が900℃に達する
まで出力を増大させることにより加熱した。初
期加熱は30分要した。該ROMC円板を900℃で
150分維持し、次いで更に30分間かけて室温ま
で冷却した。 工程５ 固化したROMC円板を、炭化珪素ソー
を用いて正方形断面の棒（３mm×３mm×９mm）
に切断した。このROMC棒材をろくろの４つ
のジヨーチヤツクに載せ、回転しているSiC研
磨ホイールを用いて針状形状に研磨した（第１
図）。 実施例 ２ 工程１ 予め作成した径3.1cmのUO₂−Ｗインゴ
ツトを横方向に細断して、厚さ２mmのウエフア
ーを作成した。これらウエフアーから、ダイヤ
モンドソーを用いて不融性スキンを除去した。 工程２ UO₂−Ｗウエフアーのコア領域を磁性乳
鉢と乳棒とにより手で粉砕し、篩別して複合体
断片の15gが200メツシユ篩を通過するまでに
した（径75μm未満の複合体粉末を作成）。 工程３ 夫々−325メツシユの銅、ニツケルおよ
びコバルト粉末5gずつからなる金属混合物15g
を配合し、乳鉢と乳棒とで手で混合した。 工程４ 上記UO₂−Ｗ複合体断片と金属混合物
（夫々15gずつ）とを乳鉢と乳棒とで手作業で
混合し、径約1.27cm（1/2インチ）のスチール
製ポンチとダイとのセツト内に装入し、約
140.6Kg／cm²（2000psi）で圧縮した。 工程５ 加圧したROMC円板を内径約1.27cm（1/
２インチ）のグラフアイトダイに設置し、次い
で熱間圧縮用シリカチユーブ内に入れた。試料
を約1000℃にて15分間維持し、この温度にて約
140.6Kg／cm²（2000psi）で60分維持した。75分
後、rfジエネレータを停止させ、試料を室温ま
で冷却した。 工程６ この圧縮され、緊密化されたROMC円
板を厚さ３mmのウエフアーに切断した。密度測
定によれば、この物質は理論密度の90％近傍で
ある約9.0g／ccの密度を有していることがわか
つた。厚さ３mmのウエフアーをガラススライド
上に載せ、コアをダイヤモンド工具で旋削し
て、円筒状検体を得た。 実施例 ３ 工程１ 予め作成した径3.1cmのY₂O₃で安定化さ
せたZrO₂−Ｗ（ZYW）インゴツトを横方向に
細断して、厚さ２mmのウエフアーを得た。ダイ
ヤモンドソーを使用して、上記ウエフアーから
不融性スキンを除去した。 工程２ ZYWウエフアーのコア領域を磁性乳鉢
および乳棒で手作業により粉砕し、篩別して
200メツシユ篩を通過する複合体断片15gを得
た（径75μm未満の複合体粉末を作成）。 工程３ 夫々−325メツシユの銅、ニツケルおよ
びコバルト粉末の各5gからなる金属混合物15g
を配合し、乳鉢と乳棒とで手作業で混合した。 工程４ ZYW複合体断片および金属混合物（各
15gずつ）を乳鉢と乳棒とで手作業で混合し、
100〜200mgの配合物を、径約3.175mm（1/8イン
チ）のステンレス製ピンを含むグラフアイトダ
イ内に装入した。 工程５ 該グラフアイトダイアセンブリをシリカ
チユーブ内に入れ、約1000℃にて15分間加熱し
た。加熱中、圧力を約1406Kg／cm²（20000psi）
まで徐々に高めた。この高圧下に、1000℃にて
60分間維持した。75分後、rfジエネレータを停
止させ、試料を室温まで冷却し、圧力を徐々に
減少させた。 工程６ 圧密化したROMC材料をスチール製ピ
ンと結合させ、形状を円筒状とした。ROMC
末端を有するピンをろくろに載せ、第１図に示
すような針状形状の電極を回転しているSiC研
磨ホイールで研磨した。 本発明の静電噴霧装置用電極の表す効果はつぎ
のとおりである。 １ 電極として、脆く、砕けやすい金属酸化物複
合体のみを使用することに関連する電極の生計
の問題はROMC材料を使用することにより排
除され、実質的に電極の形態が無制限に選択で
きる。 ２ ROMCサーメツトは無秩序に配向した複合
体断片を含み、したがつてすべての方向に配向
したサブミクロン繊維を提供する。その一方、
この製造方法は例えば金属型打ち技術を利用す
ることにより、好ましい配向を有する複合体を
含むROMC型をつくることができる。 ３ このROMCサーメツトはあらゆる空間配列
をもつた微細な金属繊維を含み、それ故にこの
材料は電極形状のすべての型、例えば、リン
グ、くぼ味のある角材などの製造において利益
を与える。 ４ このROMC材料を電極設計の選択された部
分におくことにより、例えば、複合体粒子を針
状形の丁度先端に置くことにより、複合体の利
用を改善することが可能である。 ５ 電極中の繊維の電気的連続性の問題は、
ROMCサーメツトの金属マトリクス部分によ
つて電導路が提供されるために排除される。 ６ 成長したままの金属酸化物複合体は典型的に
はひびや割れ目を含み、成長材料の50％程のも
のが大きな複合体電極の形成に使用できない。
ROMCサーメツトタイプの電極に関してはイ
ンゴツト内の成長部分のほぼ100％が有効に利
用される。 他の電極とは異なり、本発明の電極は静電噴
霧装置の作業によつて、それ程腐食されない。
したがつて本発明の電極は実際上無制限の時間
にわたる連続的な電荷放出を与えることが可能
である。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は最終的ROMC電極の断面を示す
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ UO₂−ＷおよびZrO₂（Y₂O₃）−Ｗからなる群
   から選ばれた金属酸化物−金属複合粒子とCu、
   Ni、Coおよびこれらの混合物からなる群から選
   ばれた金属粉末とを混合し、この混合物を充分な
   熱および圧力の下で圧密化することによつて生成
   した合金から構成されていることを特徴とする、
   静電噴霧装置用電極。 ２ (a) UO₂−ＷおよびZrO₂（Y₂O₃）−Ｗからな
   る群から選ばれた金属酸化物−金属複合粒子と
   Cu、Ni、Coおよびこれらの混合物からなる群
   から選ばれた金属粉末とを混合し、 (b) 前記混合物を充分な熱および圧力の下で圧密
   化し、 (c) 該混合物を円板状に成形し、しかるのちに、 (d) 該円板を正方形断面形状の棒に切断し、さら
   に、 (e) 該正方形断面形状の棒を針状形の電極に機械
   加工する、 各工程を含む、静電噴霧装置用電極の製造方
   法。 ３(a) UO₂−ＷおよびZrO₂（Y₂O₃）−Ｗからなる
   群から選ばれた金属酸化物−金属複合粒子と
   Cu、Ni、Coおよびこれらの混合物からなる群
   から選ばれた金属粉末とを混合し、 (b) 前記混合物を充分な熱および圧力の下で圧密
   化し、 (c) 該混合物を金属ピンの末端に結合させ、 (d) 該金属ピンを機械加工して針状形の電極にす
   る、 各工程を含む、静電噴霧装置用電極の製造方
   法。