JP2003088779A

JP2003088779A - ベル型霧化器

Info

Publication number: JP2003088779A
Application number: JP2001283423A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Yamada; 勝則山田; Takao Sugimoto; 隆雄杉本; Mitsuhiro Fujita; 充洋藤田; Masataka Ito; 雅高伊藤; Toshiaki Ikeda; 利明池田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-03-25

Abstract

(57)【要約】【課題】塗料やセラミックスラリーを均一且つ安定し
て霧化することができるベル型霧化器を提供する。【解決手段】ベル型霧化器１は、開口端２に向かうに
従い開口が拡がるベル形状でその内周側の開口端部２に
放射状に延び周方向に間隙を隔てて形成された霧化溝３
をもち、少なくとも前記霧化溝３をもつ前記開口端部２
はセラミックスあるいは金属で構成され、前記霧化溝３
はレーザビームによって溶融除去されることにより形成
されている。従って、霧化溝３の表面が平滑であり、且
つ霧化溝３の形状及び大きさが均一に形成されているの
で、塗料やセラミックスラリーが霧化溝３によって均一
に分流され、遠心力により細い均一な液糸状に放出され
て、安定した均一な霧化を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠心力により塗料
の霧化やセラミックの造粒等を行うためのベル型霧化器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車の外板塗装等の用途に
用いられる静電塗装機やセラミック粉末の造粒を行うた
めのスプレードライヤ（粉末造粒装置）の先端部分には
ベル型霧化器が使用されている。ベル型霧化器は、特公
昭６２−３９０１６号公報等に開示されているように、
その基端部に設けられた円盤状の拡散板に向かって供給
された塗料等を遠心力により霧化状態となすものであ
る。

【０００３】ベル型霧化器の素材としては、従来、低硬
度の樹脂（ピーク材）や金属材料（アルミニウム、チタ
ン合金等）が用いられており、金属材料の場合には内周
面にセラミックを表面コートしたものが用いられてい
た。また、ベル型霧化器の開口端のリング状端面には、
塗料を均一に霧化して放出するために放射状に複数本の
溝が形成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のベル型霧化器を形成する各材料は硬度が低いため、
先端部に形成した溝の内周面上を流動するスラリー等に
含まれる高硬度の粒子により溝が顕著に摩耗する。この
ため、溝部分の耐久性が乏しいという問題がある。ま
た、溝内周面をセラミックコートする方法も提案されて
いるが、セラミックの付着性が低いため洗浄時に剥離し
易いという問題がある。

【０００５】また、溝をダイヤモンド砥石等を用いて研
削加工により形成した場合、ダイヤモンド砥石の負荷圧
力すなわちアブレーションによる素材、結晶粒の脱落が
生じ、流動抵抗の小さい滑らかな加工面を有する溝を形
成しにくいという問題がある。更に、溝の加工中にダイ
ヤモンド砥石のブレードが摩耗するため、溝の形状やサ
イズが変化し易く、安定した溝加工を行うことが困難で
ある。

【０００６】本発明は、塗料やセラミックスラリーを均
一且つ安定して霧化することができるベル型霧化器を提
供することを解決すべき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１に記載のベル型霧化器は、開口端に向かう
に従い開口が拡がるベル形状でその内周側の開口端部に
放射状に延び周方向に間隙を隔てて形成された霧化溝を
もつものを対象として、特に、少なくとも前記霧化溝を
もつ前記開口端部はセラミックスあるいは金属で構成さ
れ、前記霧化溝はレーザビームによって溶融あるいは昇
華除去されることにより形成されていることを特徴とす
る。

【０００８】このベル型霧化器は、セラミックスあるい
は金属で構成された開口端部の霧化溝がレーザビームに
よって溶融あるいは昇華除去されているため、霧化溝の
表面が平滑であり、且つ霧化溝の形状及び大きさが均一
に形成されている。このため、塗料やセラミックスラリ
ーが霧化溝によって均一に分流され、遠心力により細い
液糸状に放出されるので、安定した均一な霧化を行うこ
とができる。

【０００９】また、請求項２に記載のベル型霧化器は、
前記開口端部は前記セラミックスでは構成され、前記霧
化溝を区画する表面部はガラス質で形成されている。霧
化溝を区画する表面部がガラス質であるため極めて平滑
であり、塗料やセラミックスラリーを滑らかに流動さ
せ、均一に分流することができる。

【００１０】また、請求項３に記載のベル型霧化器は、
前記セラミックスが窒化物あるいは酸化物である。この
ため、レーザビームの照射により窒化物あるいは酸化物
が生成されて霧化溝を区画する表面部が硬化されている
ため耐摩耗性に優れている。

【００１１】また、請求項４に記載のベル型霧化器は、
体積抵抗値が１×１０⁶〜１×１０¹ ⁰Ω・ｃｍである。
ベル型霧化器が導電性を有しているので静電塗装が可能
であると共に、高抵抗であるので静電塗装時にスパーク
が発生することが無く、安全に塗装作業を行うことがで
きる。

【００１２】また、請求項５に記載のベル型霧化器は、
前記開口端部が前記金属で形成され、前記霧化溝を区画
する表面部は急冷凝固した硬化部となっている。前記開
口端部が金属で形成されている場合において、霧化溝を
区画する表面部が急冷凝固した硬化部となっているため
耐摩耗性に優れている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化したベル型
霧化器の一実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。

【００１４】ベル型霧化器１は、図１に示すように、開
口端２に向かうに従い開口が拡がるベル形状を呈し、セ
ラミック材料により形成されている。セラミック材料と
しては、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とし、炭化珪素
（ＳｉＣ）を添加することにより体積抵抗を１×１０⁶
〜１×１０¹⁰、好ましくは１×１０⁸〜１×１０⁹Ω・ｃ
ｍとしたセラミック焼成体が用いられる。

【００１５】ベル型霧化器１の開口端２内周側のリング
状端面２ａには、放射状に延び周方向に間隙を隔てた４
４０本のＶ形状溝３が等間隔に形成されている。Ｖ形状
溝３は、ＹＡＧレーザー加工により断面Ｖ字形状に形成
された溝であり、幅が約０．２ｍｍ、深さが外周側にお
いて約０．２５ｍｍあり、内周側に向かってテーパ状に
浅くなっている（図４（ｂ）、（ｃ）参照）。尚、Ｖ形
状溝３が本発明の霧化溝に相当するものである。

【００１６】より詳細には、リング状端面２ａにおい
て、溝形成部分がレーザービームの照射により溶融ある
いは昇華されると共に、その溶融した部分が窒素ガスの
噴射により吹き飛ばされて除去されている。従って、溶
融した窒化珪素が急冷される。Ｖ形状溝３の表面部分
は、アモルファス化したガラス質の溶融凝固面となって
いる。尚、Ｖ形状溝３を区画する表面部には、Ｓｉ
Ｏ₂、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃からなるガラス層あるいはその
結晶相が形成されている。酸化物はレーザビームの溶射
時に雰囲気中に含まれる酸素により高温で酸化されたも
のと思われる。

【００１７】次に、前述したベル型霧化器１を適用した
塗装装置５１により塗装を行う場合におけるベル型霧化
器１の作用について説明する。

【００１８】まず、塗料が塗料供給管５３を介して塗料
拡散板５５の内側空間５５ａに供給される。そして、塗
料拡散板５５の内側空間５５ａに供給された塗料は、ベ
ル型霧化器１の回転に伴う遠心力により拡散・霧化され
て塗料噴射口５７から噴出され、ベル型霧化器１の内周
面４に沿って膜状に流動し略円筒状に拡散される。塗料
が膜状に流動して開口端２内周側のリング状端面２ａに
達すると、各Ｖ形状溝３内に分流する。

【００１９】ここで、Ｖ形状溝３を区画する表面部分
は、前述したように、ガラス質であり極めて平滑に形成
されているので、塗料の流動時に生じる壁面抵抗が低減
され、複数のＶ形状溝３からなる微細な凹凸面上を塗料
が滑らかに流動する。この結果、図２におけるベル型霧
化器を左方向から視た状態の右上部を表す図３に示すよ
うに、複数のＶ形状溝３によって均一に分流された塗料
は、細い液糸状となって外方へ放出される。そして、こ
のように形成された細い液糸先端から、微細且つ均一な
塗料の粒子が滴下現象のように生成されることから、安
定した均一な霧化が行われるのである。

【００２０】また、ベル型霧化器１に含まれる炭化珪素
は導電性を有しているため静電塗装を行うことが可能で
あるが、前述したように高抵抗であるため、被塗装物と
の間でスパークが発生することがないので、塗装作業を
安全に行うことができる。

【００２１】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々
の変更を施すことが可能である。

【００２２】例えば、前記実施形態では、溝を形成する
ためにＹＡＧレーザーを使用したが、昇華に使われやす
い波長を有するエキシマレーザーを使用することがより
好ましい。

【００２３】また、ベル型霧化器１をジルコニア、アル
ミナ、ムライト、マグネシア等の構造用セラミックによ
り形成してもよい。

【００２４】また、前記実施形態では、レーザ照射時の
アシストガスとしてＯ₂を使用したが、空気、Ａｒ、Ｎ₂
を使用することも可能であり、Ｏ₂、Ｎ₂を使用するのが
最も好ましい。

【００２５】また、前記実施形態では、ベル型霧化器１
をセラミックス材料により構成したが、アルミニウム、
チタン、鉄等の金属材料を用いて形成し、前記実施形態
と同様にＶ形状溝をレーザ加工することも可能である。
金属材料を用いた場合、レーザ照射して表面を高温で溶
融すると同時にガスを噴射して急冷することにより、溝
の表面が急冷凝固して加熱硬化される。例えば、材料と
してアルミニウムを用いた場合、大気中でのレーザ加工
により酸素とアルミニウムが反応して表面にＡｌ₂Ｏ₃の
金属酸化物が生成し、表面硬化処理が同時になされる。
このような酸化物生成による表面硬化は、Ｔｉ，Ｍｇ，
Ｚｒなどの非鉄金属材料系で可能である。一方、Ｎ₂中
で加工するとＡｌＮやＴｉＮ等窒化物の生成による硬化
も期待できる。また、Ａｌ−Ｔｉ、Ａｌ−Ｆｅの２種類
の混合粉末を粉末冶金法で作製し、この材料をレーザ加
工することによってそれらが反応した金属間化合物の生
成による硬化相を得ることが可能である。従って、Ｖ形
状溝を硬度が高く、耐摩耗性に優れたものとすることが
できる。

【００２６】また、上記説明では、ベル型霧化器１を塗
装装置に適用した例を示したが、セラミック粉末を造粒
するためのスプレードライヤ（粉末造粒装置）あるいは
高温霧化装置に適用することも勿論可能である。この場
合、塗料に代えて、セラミックスラリーが液糸化されて
放出され、均一な微細セラミック粒子あるいは金属粒子
を生成することができる。

【００２７】また、前記実施形態は一例であって、用途
に応じて適宜変更して実施可能であることは勿論であ
る。

【００２８】

【実施例】次に、前記実施形態のベル型霧化器１の製造
を行った実施例について説明する。

【００２９】まず、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末（粒子径０．２μｍ）
と、ＳｉＣ粉末（粒子径０．０３μｍ）と、ＭｇＡｌ₂
Ｏ₄（スピネル、粒子径１μｍ）とを、これらが浸る程
度にエタノールを入れたボウルに入れ、湿式ボールミル
により混合粉砕を行った。混合比率は、Ｓｉ₃Ｎ₄ を８
４重量％、ＳｉＣを１０重量％、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄を６重量
％とし、混合時間は９６時間とした。尚、ＳｉＣは電気
抵抗の調整のため、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄は焼結補助剤としてそ
れぞれ添加したものである。

【００３０】次に、粉砕された混合物を摂氏１００度程
度に加熱してエタノールを蒸発させ、混合物の固まりを
生成した。

【００３１】次に、会合して固まりとなった混合物を軽
く解砕した後、冷間等方加工プレス（ＣＩＰ）により圧
縮し、混合物の圧密体を生成した。より詳細には、水を
入れたポリエチレンの瓶中に混合物の粉末を入れてシー
ルし、静水圧で圧縮することにより混合物の圧密体を形
成する。

【００３２】この焼結前の圧密体を最終形状であるベル
型に粗く機械加工した後、上記混合分とＳｉ₃Ｎ₄粉を混
合した粉末中に埋め、窒素ガス中にて摂氏１７９０度で
６時間焼成した。

【００３３】得られたセラミック焼成体の内外周を研削
加工することにより、所定の形状・寸法のベル型霧化器
１を形成した。

【００３４】次に、ベル型霧化器１の開口端２内周側の
リング状端面２ａにレーザビームを照射して、複数のＶ
形状溝３を放射状に形成した。より詳細には、図４に示
すように、まず、ベル型霧化器１中心軸をレーザ照射方
向（上から下）に対して３０度傾けて、ベル型霧化器１
をＹＡＧレーザー加工機６１に設置された割り出し治具
６３に取り付ける。そして、図５に示すように、このよ
うな状態で取り付けられたベル型霧化器１の開口端２に
形成されたリング状端面２ａに、表１に示す加工条件、
即ち切断寸法を０．２５×０．３ｍｍ、アシストガスを
Ｏ₂、出力を８Ｗ、周期を３３３Ｈｚ、パルス幅を０．
１５ｍｓとしてレーザービームを照射することによりＶ
形状溝３を形成した。

【００３５】

【表１】尚、図５（ａ）は、図４における矢印Ａ部分の拡大図、
（ｂ）は（ａ）における矢印Ｂ部分の拡大図、（ｃ）は
（ｂ）における矢印Ｃにより示されるレーザ照射方向か
ら視たＶ形状溝３の拡大図である。

【００３６】即ち、リング状端面２ａのフォーカス位置
にＯ₂ガスを噴射して溶融部分を吹き飛ばしながら、レ
ーザビームを加工面における溝形成部分の境界線に沿っ
てＶ字形状の溝をくり貫くようにトラバースさせる照射
パターンを上部から底部に向かってトラバースさせる照
射パターンからなる１サイクルを１５回繰り返すことに
より幅０．３ｍｍ、深さ０．２５ｍｍのＶ形状溝を形成
した。また、溝を１本形成する毎にロータリユニット６
５を所定角度回転させてレーザの照射位置をずらし、前
述した溝加工を繰り返すことによりＶ形状溝３を４４０
本形成した。

【００３７】このようにして溝加工を行うことにより形
成されたＶ形状溝３をＳＥＭ（走査電子顕微鏡）観察し
たところ、図６に示すような滑らかな表面形状を有する
溝が、均一な間隔で形成されている様子を観察すること
ができた。

【００３８】尚、前記実施例ではＶ形状溝３のレーザ加
工において、所定形状の溝をくり貫くようにレーザビー
ムをトラバースさせてレーザ加工を行ったが、リング状
端面２ａに溝形状の孔を設けたマスクを設置してレーザ
ビームを照射する方法でもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明の請求項１に記
載のベル型霧化器によれば、塗料やセラミックスラリー
が霧化溝によって均一に分流され、遠心力により細い液
糸状に放出されるので、安定した均一な霧化を行うこと
ができるという効果を奏する。

【００４０】また、請求項２に記載のベル型霧化器によ
れば、霧化溝を区画する表面部がガラス質であるため極
めて平滑であり、塗料やセラミックスラリーを滑らかに
流動させ、均一に分流することができるという効果を奏
する。

【００４１】また、請求項３に記載のベル型霧化器によ
れば、レーザビームの照射により窒化物あるいは酸化物
が生成されて霧化溝を区画する表面部が硬化されている
ため耐摩耗性に優れているという効果を奏する。

【００４２】また、請求項４に記載のベル型霧化器によ
れば、導電性を有しているので静電塗装が可能であると
共に、高抵抗であるので静電塗装時にスパークが発生す
ることが無く、安全に塗装作業を行うことができるとい
う効果を奏する。

【００４３】また、請求項５に記載のベル型霧化器によ
れば、前記開口端部が金属で形成されている場合におい
て、霧化溝を区画する表面部が急冷凝固した硬化部とな
っているため耐摩耗性に優れているという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のベル型霧化器の断面図で
ある。

【図２】ベル型霧化器を装着した塗装装置の断面図で
ある。

【図３】ベル型霧化器から液糸が放出されて粒子が生
成される様子を表す模式図である。

【図４】レーザー加工機にベル型霧化器を装着した状
態を示す図である。

【図５】図４における矢印Ａ部分の拡大図、（ｂ）は
（ａ）における矢印Ｂ部分の拡大図、（ｃ）は（ｂ）に
おける矢印Ｃにより示されるレーザ照射方向から視たＶ
形状溝３の拡大図である。

【図６】レーザー加工したＶ形状溝をＳＥＭ撮影した
写真である。

【符号の説明】

１ベル型霧化器２開口端３Ｖ形状溝

フロントページの続き (72)発明者藤田充洋愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者伊藤雅高愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者池田利明愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4F033 PA11 PB16 PD06 4F034 AA01 AA03 BA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開口端に向かうに従い開口が拡がるベル
形状でその内周側の開口端部に放射状に延び周方向に間
隙を隔てて形成された霧化溝をもつベル型霧化器であっ
て、少なくとも前記霧化溝をもつ前記開口端部はセラミック
スあるいは金属で構成され、前記霧化溝はレーザビーム
によって溶融あるいは昇華除去されることにより形成さ
れていることを特徴とするベル型霧化器。
【請求項２】前記開口端部は前記セラミックスで構成
され、前記霧化溝を区画する表面部はガラス質で形成さ
れている請求項１に記載のベル型霧化器。
【請求項３】前記セラミックスは窒化物あるいは酸化
物である請求項２に記載のベル型霧化器。
【請求項４】体積抵抗値が１×１０⁶〜１×１０¹⁰Ω
・ｃｍである請求項１に記載のベル型霧化器。
【請求項５】前記開口端部は前記金属で形成され、前
記霧化溝を区画する表面部は急冷凝固した硬化部となっ
ている請求項１に記載のベル型霧化器。