JP2004351321A - 液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な量の水蒸気と純水とを均一に混合し、微細化した純水の粒子を均一に分散させて、高速でターゲットに向けて噴射することができる液体噴射装置を提供する。
【解決手段】純水を導入して、一端からその純水を噴出するパイプ6と、このパイプ6の一端を含む外周を包囲し、当該パイプ6の外周へ水蒸気を導入するポディ3とを備え、このポディ3は、上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部Aと、この加速部Aの下流側に連なり、上記ボディ3の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部Bと、この混合部Bの下流側に連なり、純水と水蒸気の混合流体をターゲット20に向かって噴射して衝突させるための、噴射方向を決定する広がり角を持った開口部Cを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】純水を導入して、一端からその純水を噴出するパイプ6と、このパイプ6の一端を含む外周を包囲し、当該パイプ6の外周へ水蒸気を導入するポディ3とを備え、このポディ3は、上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部Aと、この加速部Aの下流側に連なり、上記ボディ3の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部Bと、この混合部Bの下流側に連なり、純水と水蒸気の混合流体をターゲット20に向かって噴射して衝突させるための、噴射方向を決定する広がり角を持った開口部Cを備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2種以上の液体を混合し、開口部から噴射して、例えば、ターゲットの表面の洗浄処理、加工、その他の処理を行うことができる液体噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、シリコンウェハの製造工程では、基板上に残留したレジスト等を除去するために、様々な方法で洗浄処理が行われている。その一つの方法として、水蒸気と純水とを混合したものを基板に衝突させ、熱的機械的に洗浄処理を行う方法が開発されている(特許文献1、特許文献2)。
【0003】
【特許文献1】
特開2003−071332号公報
【特許文献2】
特開2001−257189号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。 上記の方法では、水蒸気と純水の微粒子とを、ターゲットである対象物上にむらなく勢いよく衝突させることが要求される。これには水蒸気中に可能な限り微細化した純水の粒子を均一に分散させ、さらに、その混合液体を高速でターゲットに向けて噴射する、という技術が要求される。また、噴射した混合液体をターゲットの被処理面全体に衝突させるために、噴射口をターゲット上方でスキャンさせたり、混合液体を一定の広がりを持った噴流にしてターゲットに衝突させることが要求される。
本発明は以上の点に着目してなされたもので、十分な量の水蒸気と純水とを均一に混合し、微細化した純水の粒子を水蒸気中均一に分散させて、高速でターゲットに向けて噴射することができる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、また、制御された広がりを持つ混合液体をターゲットに向けて噴射し、広い面積のターゲットを洗浄できる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、さらに、2種以上の互いに混ざり合いにくい液体を効率よく均一に混合して、高速で噴射することができる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の構成により上記の課題を解決する。
〈構成1〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記加速部より傾斜の緩いテーパ面であって、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備え、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための、噴射方向を決定する広がり角を持った開口を有する、開口部を備えたことを特徴とする液体噴射装置。
【0006】
〈構成2〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、上記筒状体は、上記外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、長手方向に平行移動可能に直線的に支持されており、上記外筒の上流側を塞ぐ外壁には、上記筒状体の長手方向に平行な方向に第2の流体を外筒内へ導入するための、導入口が設けられていることを特徴とする液体噴射装置。
【0007】
〈構成3〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、上記開口部は、上記流路と直交する方向に長いスリット状とされ、上記外筒内には、上記第1の流体を混合部へ噴出する複数の筒状体の一端が、それぞれ上記スリット方向に所定の間隔を置いて配列されていることを特徴とする液体噴射装置。
【0008】
〈構成4〉
構成1に記載の液体噴射装置において、上記複数の筒状体は、外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、それぞれ独立に長手方向に平行移動可能に直線的に支持されていることを特徴とする液体噴射装置。
【0009】
〈構成5〉
構成1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、上記第2の流体は水蒸気であって、上記第1の流体は純水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を上記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。
【0010】
〈構成6〉
構成1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、上記第2の流体は水蒸気であって、上記第1の流体はオゾン水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を上記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、具体例を用いて説明する。
図1は、本発明の液体噴射装置の実施例を示す縦断面図である。
図の液体噴射装置1は、外観が円錐形のボディ3と、その底(図の上端)を塞ぐヘッド4を備える。このヘッド4は、ボディ3に対し溶接等の手段で一体化固定されている。ヘッド4には、その軸心を貫通するようにパイプ6が装着されている。また、パイプ6の側方において、同じくヘッド4を貫通するようにパイプ7が装着されている。パイプ6は、ヘッド4に対して、その長手方向に自由にスライドして、位置を調整できるように支持されている。パイプ6の位置調整後の固定のために、ヘッド4には、ダブルナット式のクランプ19が固定されている。
【0012】
パイプ7は、ヘッド4に対して溶接等の方法で固定されている。ボディ3は、図に示すように、上流から下流に向かって(図の上方から下方へ)次第に断面積を縮小するようにされた、比較的傾斜の強いテーパ孔11を備えた加速部Aと、傾斜の緩いテーパ孔12と流れの方向にみて所定の長さだけ一定の内径を持つ貫通孔13を備えた混合部Bと、上流から下流に向かって次第に断面積を拡大するように、所定の広がり角を持つ逆テーパ孔14を備えた開口部Cを有する。パイプ6は、混合部B内にその一端8を配置している。また、パイプ7は、加速部Aの上流側に導入口9を備えている。
【0013】
この液体噴射装置は、第1の流体をパイプ6(筒状体)から導入し、筒状体の外周を包囲したボディ3(外筒)の導入口から第2の流体を導入して混合する。この実施例では、第1の流体は、純水である。また、第2の流体は、水蒸気である。筒状体はパイプ6である。外筒はボディ3である。第2の流体はパイプ7の導入口から導入される。図に示すように、パイプ6から導入された純水は、パイプ6の一端8から混合部Bの中に矢印Y方向に噴出される。ボディ3は、パイプ6の外周を包囲しており、導入口9からパイプ6の外周部へ水蒸気を導入する。この実施例では、パイプ6と7はいずれも、外筒の上流側を塞ぐ外壁、即ち、ヘッド4を貫通するように取りつけられている。
【0014】
即ち、水蒸気も純水も、ボディ3の内部に、ほぼ同一方向に向けて導入される。これは、導入時の運動エネルギを可能な限り有効に噴射エネルギに変換させるためである。また、水蒸気と純水とは、混合部の、開口部に接近した場所で混合される。混合液体は放置すると分離するような不安定な状態にあるから、混合後可能な限りすみやかに噴射して対象物に衝突させるためである。
【0015】
第2の流体である水蒸気は、図の矢印X方向に導入される。テーパ孔11において、水蒸気の流路の断面積が上流から下流に向かって縮小するため、水蒸気の流速が高まり、混合部Bに高い速度で流れ込む。加速部Aの長さは、水蒸気の流速を十分に高めるように選定される。高速の水蒸気が混合部Bを矢印Y方向に流れると、パイプ6の内部に高い負圧が加わる。その結果、パイプ6から純水が勢いよく混合部B中に吸引されて、矢印Y方向に噴出する。加速部Aの下流側に連なった混合部Bでは、貫通孔13の部分で最小断面積の流路を形成する。この混合部Bにおいて、水蒸気とパイプ6から勢いよく噴出された純水とが混合され、混合部Bに連なる開口部Cに送り出される。開口部Cでは、第1の流体である純水と第2の流体である水蒸気の混合流体が、急激に圧力を開放されて爆発的に混ざり合う。その衝撃で、純水は微細な粒子になって水蒸気中に混ざり合う。
【0016】
この混合流体は、一定の広がり角を持った開口部Cによって、噴射方向が決定される。すなわち、図の矢印Zに示すように、一定の広がりWを持ってターゲット20の処理対象面21に噴射される。混合部Bにおいて混合され加速された純水と水蒸気とは、勢いよくターゲット20に衝突する。その結果、水蒸気の熱エネルギと純水の微細な粒子による運動エネルギによって、ターゲット20の処理対象面21が洗浄される。その洗浄効果は、水蒸気と純水との混合割合や衝突エネルギにほぼ比例すると考えられる。この装置は、加速して爆発的に混合させた混合液体の運動エネルギをそのまま対象物への衝突エネルギにすため、エネルギ効率がきわめて良い。しかも、混合直後に対象物に衝突させるようにするため、混ざり合いにくい2種の流体が最も良く混合された状態で対象物に衝突させることができる。従って、この装置によれば、極めて高い洗浄力を発揮させることができる。
【0017】
図2は、本発明の装置のヘッド4とボディ3との具体的な構造を示す説明図で、(a)はヘッドの背面図、(b)はヘッドの側面図、(c)はボディの背面図(2分の1)、(d)はボディの側面図である。
図のように、ヘッド4には、パイプ6を装着するための貫通孔32と、パイプ7を装着するための貫通孔33とが設けられている。また、ヘッド4は、ボディ3とのはめ合わせのために大径部34と小径部35を備える。小径部35の外周面は、ボディ3と図1に示したようにはまり合う。ボディ3の内部構造は、図1を用いて説明した通りである。
【0018】
図3は、パイプ6と第2の流体の導入方向の関係を示す、変形例の説明図である。
図1を用いて説明したように、第1の流体である純水を導入するためのパイプ6は、外筒の上流側を塞ぐ外壁(ヘッド4)を貫通して、長手方向に平行移動(スライド)可能に直線的に支持されている。また、ヘッド4には、パイプ6の長手方向に平行な方向に、第2の流体である水蒸気をボディ3内へ導入するための、導入口42が設けられている。図1では、ヘッド4を貫通する直線状のパイプ7を使用したが、図3の実施例では、ヘッド4の内部でほぼ直角に折れ曲がったパイプ41を使用した。導入口42の向きは図1も図3も変わらない。すなわち、水蒸気の、その後の流れの方向と同一の矢印Dの方向に水蒸気が導入される。
【0019】
既に説明したように、導入時の運動エネルギを有効に噴出エネルギに利用できる。さらに、このように導入方向を選定すると、パイプ6の周囲に供給されて、混合部Bに向かって送り込まれる水蒸気の力によって、パイプ6が振動しないという効果もある。すなわち、水蒸気の流れる方向とパイプ6の支持方向とが一致しているため、パイプ6には、長手方向に平行な力以外の力が加わりにくく、不正な振動を起こさない。一方、図3の(b)に示すように、例えば、ボディ3の側壁にパイプ43を装着し、水蒸気をパイプ6に衝突させるように、すなわち、矢印Eの方向に導入すると、パイプ6は、長手方向と直角な方向に力を受け、矢印F方向に振動し易い。これによって装置の耐久性が損なわれることがある。なお、この問題を解決するために、図の(c)と(d)とを比較してわかるように、パイプ6に比べて、パイプ43の肉厚を十分に厚くするとよい。上記の例では、第2の流体である水蒸気は比較的質量が小さいので、パイプ43の肉厚の選定で問題が解決する。逆に質量の大きい液体を第2の流体とする場合には、図1や図3(a)の構造が適する。さらに、パイプ43の肉厚を厚くすると、次のような効果もある。
【0020】
上記の例では、第1の流体を純水とし、第2の流体を水蒸気として両者を混合し、ターゲットに衝突させるようにした。しかしながら、例えば、純水の代わりに活性の強いオゾン水を利用すると、水蒸気の熱エネルギとオゾン水の微細な粒子による運動エネルギに加えて、オゾンの化学エネルギを利用した対象物の洗浄処理が可能になる。すなわち、オゾン水に混ざり合ったオゾンによって対象物を化学的に処理することができる。一般に、気体のオゾンよりも、オゾン水に溶け込んだオゾンの方が活性が強く、対象物の洗浄処理効果が高いと言われている。従って、パイプ6から導入する第1の流体をオゾン水にすることで、極めて高い洗浄効果を持つ液体噴射装置が実現できる。
【0021】
ところが、オゾン水を水蒸気と混合すると、中に溶け込んだオゾンが水蒸気の熱で加熱され、急激にガス化してしまう。可能な限り高い濃度でオゾンが溶け込んだオゾン水の微粒子を、水蒸気と共にターゲットにぶつけるには、この問題の解決が必要になる。このための対策として、図3(d)に示したようなパイプ43を断熱性のパイプとする。肉厚も十分に厚くしておく。これにより図の(e)に示すように、パイプ43の水蒸気に接している側とオゾン水に接している側との間に、一定の温度傾斜を作る。なお、図の縦軸は温度、横軸はパイプ43を横断する面上の位置を示す。パイプ43の外側は、水蒸気の温度、すなわち、100度以上の温度となる。しかしながら、パイプ43の内側では、常温あるいはそれ以下の温度のオゾン水が高速で移動して、パイプ43の内面を冷却する。水は、断熱性の高い液体であるから、パイプ43の中心部を流れるオゾン水は、比較的温度による影響を受けない。すなわち、温度上昇する前にパイプ43の一端に達し、水蒸気と混合されると、直ちに、開口部C(図1)から噴射されて、ターゲットに衝突する。従って、オゾン水に溶け込んだオゾンの大部分はガス化前にターゲットに衝突する。こうして、本発明の装置は高い化学的洗浄力を持つことができる。
【0022】
図4は、ボディ3の加速部Aと混合部Bの機能を説明する説明図である。
図1に示したように、ボディ3には、下流に向かって次第に断面積を縮小するようにされた、傾斜の強いテーパ孔11を持つ加速部Aと、同じく傾斜の緩やかなテーパ孔12を持つ混合部Bとを設けた。これは、次のような理由による。図4の(a)に示すように、傾斜の強いテーパ孔51のみを用いてボディを形成すると、第2の流体、すなわち、水蒸気はボディ3の内部で急激に加速される。そして、図の右方向に噴射される。この時、パイプ6の一端8で、パイプ6の内部に対して大きな負圧が加わる。その負圧の大きさや混合状態を最適化するために、パイプ6を長手方向(図の矢印P方向)にスライド可能に支持している。
【0023】
すなわち、パイプ6の先端位置を微調節すると、水蒸気の流速と流量と、純水の流速と流量との関係が最適化され、混合性能の高い最適位置を見つけることができる。これには、パイプ6をスライドさせて、パイプ6の一端とテーパ孔51の内壁との間に生じた隙間の面積を調節する作業が必要になる。なお、調節が終了すると、その状態を保持するために、図4(c)に示すような断面構造のダブルナット式のクランプをボディ3に固定する。
【0024】
即ち、ボディ3側には、袋ナット53を溶接する。また、この袋ナットにねじ込まれるネジを外周に形成し、内周には楔状のテーパ孔を持つスリーブ55を右側面に溶接した締め付けナット54を設ける。袋ナット53とスリーブ55との間には、楔スリーブ56を挟み込む。この状態で締め付けナット54を回転させて、スリーブ55を袋ナット53中に締め込むようにすると、スリーブ55が楔スリーブ56の径を圧縮する力が生じて、楔スリーブ56がパイプ6を締め付ける。これにより、パイプ6が位置決めされる。こうした機構は、例えば、ドリルの交換刃等を固定するためのチャック等に多用されている構造のものであるから、より詳細な図示は省略する。
【0025】
なお、テーパ孔51の傾斜が強ければ強いほど、パイプ6の先端位置を微調節する際の調節が難くなる。図4の(b)に示すように傾斜の緩いテーパ孔52の内部にパイプ6の一端を配置すると、その最適位置を見つけることができる調整範囲W2が、図4の(a)に示した調整範囲W1に比べて十分に広くなる。反面、傾斜の緩いテーパ孔では、第2の流体である水蒸気の加速性能が弱まる。装置をパイプ6の長手方向に十分長く設計しないと、十分な加速性能を得られない。そこで、図1の実施例の装置は、加速部Aにおいては、傾斜の強いテーパ孔11を使用して、効率よく第2の流体を加速し、混合部Bの内部においては、傾斜の緩やかなテーパ孔12を使用して、パイプ6の先端位置を容易に最適化調整できるようにした。
【0026】
図5は、ボディ3の先端部、すなわち、開口部Cの効果を説明する説明図である。
図の(a)に示すように、混合部Bで純水61と水蒸気62とが混合され、開口部Cから噴射される。噴射された混合流体は、図に示すように、水蒸気62の中に微細な純水61の粒が分散したもので、これが、勢いよくターゲット20に衝突する。ターゲット20には、高温の水蒸気と純水の粒とが、偏りなく衝突するから、高い洗浄効果を発揮する。この衝突面積を調整するために、図に示した開口部Cの開口角を選定する。図の(b)に示す例では、開口角αが比較的大きく、対象物表面の広い範囲に混合流体を衝突させることができる。また、図の(c)に示した例では、開口角βがやや小さく、対象物表面の比較的狭い範囲に混合流体を衝突させる。この開口角を調整することによって、対象物を任意の条件で効率よく洗浄することが可能になる。開口角をゼロに近づければ、混合流体は絞り込まれて直線的に噴射される。なお、上記の例では、開口部が断面円形のものを説明したが、例えば、図の(d)に示すように、箱型の外筒65の開口部66を長方形に近い、長いスリット状にすることもできる。この開口部66は、流路と直交する方向に長い。縦断面の形状は、図1に示したとおりである。
【0027】
また、図5(e)の平面図に示すように、第1の流体、すなわち、純水を導入するための筒状体67は、その一端を開口部66の近傍に位置させて、複数本並列に並べられている。こうすれば、一定の幅の一定の長さの帯状領域に混合流体を衝突させる流体噴射装置が実現する。この場合にも、上記のように開口部66の開口角を調整して、任意の洗浄性能を実現することができる。また、筒状体67は、外筒65の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、それぞれ独立に長手方向に平行移動可能に直線的に支持されているとよい。既に説明したダブルナット式のクランプ68を個別に設けておけばよい。図のように筒状体67を配列すると、第1の流体の流速は、外筒65の中央部と両側部とで異なってくる。従って混合流体を全体として均一に噴射させるためには、図のように、両測部の筒状体67の一端を、中央部のそれよりも、開口部66に接近させるようにするとよい。
【0028】
本発明は以上の実施例に限定されない。上記のように、液体噴射装置1に水蒸気供給装置とオゾン水供給装置とを接続すれば、水蒸気とオゾン水との混合流体をターゲットに衝突させることができる。このとき、オゾン水供給装置には、オゾンと水とを混合するための装置を設けておく。オゾンと水の効率的な混合には、例えば、実用登録第3048023号等に記載された装置を使用する。簡単に混ざり合う2種以上の液体同士であれば、本発明の装置のような構造を採用する必要はない。あらかじめ混合したものをコンプレッサ等を用いて噴射すればよい。しかしながら、互いに混ざり合いにくく、混合したとしても、放置すると再び分離してしまうような2種以上の液体の場合には、上記のように両者を急速に混合し、混合後直ちにターゲットに向かって噴射するという方法によって、要求された洗浄能力を発揮させることができる。例えば、上記の外筒内部に複数の筒状体を挿入し、それぞれ別々の流体を導入すると、複数の異なる流体を同時に混合して、生成された混合流体を噴射する装置が実現する。また、オゾン水を噴射する場合に、オゾン水をいわゆる霧吹きに多用されているノズルで、エアの力で噴霧することが考えられる。しかしながら、その場合、オゾンと空気とが広い面積で接触して反応し、オゾンの活性が失われる。本発明のような装置により、オゾンもしくはオゾン水と、水や水蒸気のような不活性の液体とを噴出口直前で混ぜて、空気との接触を遮断するようにして噴出させることにより、オゾン水の活性を保持しながら、対象物に向けて混合流体を噴射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液体噴射装置の実施例を示す縦断面図である。
【図2】本発明の装置のヘッド4とボディ3との具体的な構造を示す説明図で、(a)はヘッドの背面図、(b)はヘッドの側面図、(c)はボディの背面図(2分の1)、(d)はボディの側面図である。
【図3】パイプ6と第2の流体の導入方向の関係を示す変形例の説明図である。
【図4】ボディ3の加速部Aと混合部Bの機能を説明する説明図である。
【図5】ボディ3の先端部、すなわち、開口部Cの効果を説明する説明図である。
【符号の説明】
1 液体噴射装置
3 ボディ
4 ヘッド
5 ボルト
6 パイプ
7 パイプ
8 一端
9 導入口
11 テーパ孔
12 テーパ孔
13 貫通孔
14 逆テーパ孔
20 ターゲット
A 加速部
B 混合部
C 開口部
【発明の属する技術分野】
本発明は、2種以上の液体を混合し、開口部から噴射して、例えば、ターゲットの表面の洗浄処理、加工、その他の処理を行うことができる液体噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、シリコンウェハの製造工程では、基板上に残留したレジスト等を除去するために、様々な方法で洗浄処理が行われている。その一つの方法として、水蒸気と純水とを混合したものを基板に衝突させ、熱的機械的に洗浄処理を行う方法が開発されている(特許文献1、特許文献2)。
【0003】
【特許文献1】
特開2003−071332号公報
【特許文献2】
特開2001−257189号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。 上記の方法では、水蒸気と純水の微粒子とを、ターゲットである対象物上にむらなく勢いよく衝突させることが要求される。これには水蒸気中に可能な限り微細化した純水の粒子を均一に分散させ、さらに、その混合液体を高速でターゲットに向けて噴射する、という技術が要求される。また、噴射した混合液体をターゲットの被処理面全体に衝突させるために、噴射口をターゲット上方でスキャンさせたり、混合液体を一定の広がりを持った噴流にしてターゲットに衝突させることが要求される。
本発明は以上の点に着目してなされたもので、十分な量の水蒸気と純水とを均一に混合し、微細化した純水の粒子を水蒸気中均一に分散させて、高速でターゲットに向けて噴射することができる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、また、制御された広がりを持つ混合液体をターゲットに向けて噴射し、広い面積のターゲットを洗浄できる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
本発明は、さらに、2種以上の互いに混ざり合いにくい液体を効率よく均一に混合して、高速で噴射することができる液体噴射装置を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の構成により上記の課題を解決する。
〈構成1〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記加速部より傾斜の緩いテーパ面であって、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備え、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための、噴射方向を決定する広がり角を持った開口を有する、開口部を備えたことを特徴とする液体噴射装置。
【0006】
〈構成2〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、上記筒状体は、上記外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、長手方向に平行移動可能に直線的に支持されており、上記外筒の上流側を塞ぐ外壁には、上記筒状体の長手方向に平行な方向に第2の流体を外筒内へ導入するための、導入口が設けられていることを特徴とする液体噴射装置。
【0007】
〈構成3〉
第1の流体を導入して、一端から上記第1の流体を噴出する筒状体と、この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、この外筒は、上記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、上記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、上記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、上記開口部は、上記流路と直交する方向に長いスリット状とされ、上記外筒内には、上記第1の流体を混合部へ噴出する複数の筒状体の一端が、それぞれ上記スリット方向に所定の間隔を置いて配列されていることを特徴とする液体噴射装置。
【0008】
〈構成4〉
構成1に記載の液体噴射装置において、上記複数の筒状体は、外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、それぞれ独立に長手方向に平行移動可能に直線的に支持されていることを特徴とする液体噴射装置。
【0009】
〈構成5〉
構成1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、上記第2の流体は水蒸気であって、上記第1の流体は純水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を上記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。
【0010】
〈構成6〉
構成1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、上記第2の流体は水蒸気であって、上記第1の流体はオゾン水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を上記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、具体例を用いて説明する。
図1は、本発明の液体噴射装置の実施例を示す縦断面図である。
図の液体噴射装置1は、外観が円錐形のボディ3と、その底(図の上端)を塞ぐヘッド4を備える。このヘッド4は、ボディ3に対し溶接等の手段で一体化固定されている。ヘッド4には、その軸心を貫通するようにパイプ6が装着されている。また、パイプ6の側方において、同じくヘッド4を貫通するようにパイプ7が装着されている。パイプ6は、ヘッド4に対して、その長手方向に自由にスライドして、位置を調整できるように支持されている。パイプ6の位置調整後の固定のために、ヘッド4には、ダブルナット式のクランプ19が固定されている。
【0012】
パイプ7は、ヘッド4に対して溶接等の方法で固定されている。ボディ3は、図に示すように、上流から下流に向かって(図の上方から下方へ)次第に断面積を縮小するようにされた、比較的傾斜の強いテーパ孔11を備えた加速部Aと、傾斜の緩いテーパ孔12と流れの方向にみて所定の長さだけ一定の内径を持つ貫通孔13を備えた混合部Bと、上流から下流に向かって次第に断面積を拡大するように、所定の広がり角を持つ逆テーパ孔14を備えた開口部Cを有する。パイプ6は、混合部B内にその一端8を配置している。また、パイプ7は、加速部Aの上流側に導入口9を備えている。
【0013】
この液体噴射装置は、第1の流体をパイプ6(筒状体)から導入し、筒状体の外周を包囲したボディ3(外筒)の導入口から第2の流体を導入して混合する。この実施例では、第1の流体は、純水である。また、第2の流体は、水蒸気である。筒状体はパイプ6である。外筒はボディ3である。第2の流体はパイプ7の導入口から導入される。図に示すように、パイプ6から導入された純水は、パイプ6の一端8から混合部Bの中に矢印Y方向に噴出される。ボディ3は、パイプ6の外周を包囲しており、導入口9からパイプ6の外周部へ水蒸気を導入する。この実施例では、パイプ6と7はいずれも、外筒の上流側を塞ぐ外壁、即ち、ヘッド4を貫通するように取りつけられている。
【0014】
即ち、水蒸気も純水も、ボディ3の内部に、ほぼ同一方向に向けて導入される。これは、導入時の運動エネルギを可能な限り有効に噴射エネルギに変換させるためである。また、水蒸気と純水とは、混合部の、開口部に接近した場所で混合される。混合液体は放置すると分離するような不安定な状態にあるから、混合後可能な限りすみやかに噴射して対象物に衝突させるためである。
【0015】
第2の流体である水蒸気は、図の矢印X方向に導入される。テーパ孔11において、水蒸気の流路の断面積が上流から下流に向かって縮小するため、水蒸気の流速が高まり、混合部Bに高い速度で流れ込む。加速部Aの長さは、水蒸気の流速を十分に高めるように選定される。高速の水蒸気が混合部Bを矢印Y方向に流れると、パイプ6の内部に高い負圧が加わる。その結果、パイプ6から純水が勢いよく混合部B中に吸引されて、矢印Y方向に噴出する。加速部Aの下流側に連なった混合部Bでは、貫通孔13の部分で最小断面積の流路を形成する。この混合部Bにおいて、水蒸気とパイプ6から勢いよく噴出された純水とが混合され、混合部Bに連なる開口部Cに送り出される。開口部Cでは、第1の流体である純水と第2の流体である水蒸気の混合流体が、急激に圧力を開放されて爆発的に混ざり合う。その衝撃で、純水は微細な粒子になって水蒸気中に混ざり合う。
【0016】
この混合流体は、一定の広がり角を持った開口部Cによって、噴射方向が決定される。すなわち、図の矢印Zに示すように、一定の広がりWを持ってターゲット20の処理対象面21に噴射される。混合部Bにおいて混合され加速された純水と水蒸気とは、勢いよくターゲット20に衝突する。その結果、水蒸気の熱エネルギと純水の微細な粒子による運動エネルギによって、ターゲット20の処理対象面21が洗浄される。その洗浄効果は、水蒸気と純水との混合割合や衝突エネルギにほぼ比例すると考えられる。この装置は、加速して爆発的に混合させた混合液体の運動エネルギをそのまま対象物への衝突エネルギにすため、エネルギ効率がきわめて良い。しかも、混合直後に対象物に衝突させるようにするため、混ざり合いにくい2種の流体が最も良く混合された状態で対象物に衝突させることができる。従って、この装置によれば、極めて高い洗浄力を発揮させることができる。
【0017】
図2は、本発明の装置のヘッド4とボディ3との具体的な構造を示す説明図で、(a)はヘッドの背面図、(b)はヘッドの側面図、(c)はボディの背面図(2分の1)、(d)はボディの側面図である。
図のように、ヘッド4には、パイプ6を装着するための貫通孔32と、パイプ7を装着するための貫通孔33とが設けられている。また、ヘッド4は、ボディ3とのはめ合わせのために大径部34と小径部35を備える。小径部35の外周面は、ボディ3と図1に示したようにはまり合う。ボディ3の内部構造は、図1を用いて説明した通りである。
【0018】
図3は、パイプ6と第2の流体の導入方向の関係を示す、変形例の説明図である。
図1を用いて説明したように、第1の流体である純水を導入するためのパイプ6は、外筒の上流側を塞ぐ外壁(ヘッド4)を貫通して、長手方向に平行移動(スライド)可能に直線的に支持されている。また、ヘッド4には、パイプ6の長手方向に平行な方向に、第2の流体である水蒸気をボディ3内へ導入するための、導入口42が設けられている。図1では、ヘッド4を貫通する直線状のパイプ7を使用したが、図3の実施例では、ヘッド4の内部でほぼ直角に折れ曲がったパイプ41を使用した。導入口42の向きは図1も図3も変わらない。すなわち、水蒸気の、その後の流れの方向と同一の矢印Dの方向に水蒸気が導入される。
【0019】
既に説明したように、導入時の運動エネルギを有効に噴出エネルギに利用できる。さらに、このように導入方向を選定すると、パイプ6の周囲に供給されて、混合部Bに向かって送り込まれる水蒸気の力によって、パイプ6が振動しないという効果もある。すなわち、水蒸気の流れる方向とパイプ6の支持方向とが一致しているため、パイプ6には、長手方向に平行な力以外の力が加わりにくく、不正な振動を起こさない。一方、図3の(b)に示すように、例えば、ボディ3の側壁にパイプ43を装着し、水蒸気をパイプ6に衝突させるように、すなわち、矢印Eの方向に導入すると、パイプ6は、長手方向と直角な方向に力を受け、矢印F方向に振動し易い。これによって装置の耐久性が損なわれることがある。なお、この問題を解決するために、図の(c)と(d)とを比較してわかるように、パイプ6に比べて、パイプ43の肉厚を十分に厚くするとよい。上記の例では、第2の流体である水蒸気は比較的質量が小さいので、パイプ43の肉厚の選定で問題が解決する。逆に質量の大きい液体を第2の流体とする場合には、図1や図3(a)の構造が適する。さらに、パイプ43の肉厚を厚くすると、次のような効果もある。
【0020】
上記の例では、第1の流体を純水とし、第2の流体を水蒸気として両者を混合し、ターゲットに衝突させるようにした。しかしながら、例えば、純水の代わりに活性の強いオゾン水を利用すると、水蒸気の熱エネルギとオゾン水の微細な粒子による運動エネルギに加えて、オゾンの化学エネルギを利用した対象物の洗浄処理が可能になる。すなわち、オゾン水に混ざり合ったオゾンによって対象物を化学的に処理することができる。一般に、気体のオゾンよりも、オゾン水に溶け込んだオゾンの方が活性が強く、対象物の洗浄処理効果が高いと言われている。従って、パイプ6から導入する第1の流体をオゾン水にすることで、極めて高い洗浄効果を持つ液体噴射装置が実現できる。
【0021】
ところが、オゾン水を水蒸気と混合すると、中に溶け込んだオゾンが水蒸気の熱で加熱され、急激にガス化してしまう。可能な限り高い濃度でオゾンが溶け込んだオゾン水の微粒子を、水蒸気と共にターゲットにぶつけるには、この問題の解決が必要になる。このための対策として、図3(d)に示したようなパイプ43を断熱性のパイプとする。肉厚も十分に厚くしておく。これにより図の(e)に示すように、パイプ43の水蒸気に接している側とオゾン水に接している側との間に、一定の温度傾斜を作る。なお、図の縦軸は温度、横軸はパイプ43を横断する面上の位置を示す。パイプ43の外側は、水蒸気の温度、すなわち、100度以上の温度となる。しかしながら、パイプ43の内側では、常温あるいはそれ以下の温度のオゾン水が高速で移動して、パイプ43の内面を冷却する。水は、断熱性の高い液体であるから、パイプ43の中心部を流れるオゾン水は、比較的温度による影響を受けない。すなわち、温度上昇する前にパイプ43の一端に達し、水蒸気と混合されると、直ちに、開口部C(図1)から噴射されて、ターゲットに衝突する。従って、オゾン水に溶け込んだオゾンの大部分はガス化前にターゲットに衝突する。こうして、本発明の装置は高い化学的洗浄力を持つことができる。
【0022】
図4は、ボディ3の加速部Aと混合部Bの機能を説明する説明図である。
図1に示したように、ボディ3には、下流に向かって次第に断面積を縮小するようにされた、傾斜の強いテーパ孔11を持つ加速部Aと、同じく傾斜の緩やかなテーパ孔12を持つ混合部Bとを設けた。これは、次のような理由による。図4の(a)に示すように、傾斜の強いテーパ孔51のみを用いてボディを形成すると、第2の流体、すなわち、水蒸気はボディ3の内部で急激に加速される。そして、図の右方向に噴射される。この時、パイプ6の一端8で、パイプ6の内部に対して大きな負圧が加わる。その負圧の大きさや混合状態を最適化するために、パイプ6を長手方向(図の矢印P方向)にスライド可能に支持している。
【0023】
すなわち、パイプ6の先端位置を微調節すると、水蒸気の流速と流量と、純水の流速と流量との関係が最適化され、混合性能の高い最適位置を見つけることができる。これには、パイプ6をスライドさせて、パイプ6の一端とテーパ孔51の内壁との間に生じた隙間の面積を調節する作業が必要になる。なお、調節が終了すると、その状態を保持するために、図4(c)に示すような断面構造のダブルナット式のクランプをボディ3に固定する。
【0024】
即ち、ボディ3側には、袋ナット53を溶接する。また、この袋ナットにねじ込まれるネジを外周に形成し、内周には楔状のテーパ孔を持つスリーブ55を右側面に溶接した締め付けナット54を設ける。袋ナット53とスリーブ55との間には、楔スリーブ56を挟み込む。この状態で締め付けナット54を回転させて、スリーブ55を袋ナット53中に締め込むようにすると、スリーブ55が楔スリーブ56の径を圧縮する力が生じて、楔スリーブ56がパイプ6を締め付ける。これにより、パイプ6が位置決めされる。こうした機構は、例えば、ドリルの交換刃等を固定するためのチャック等に多用されている構造のものであるから、より詳細な図示は省略する。
【0025】
なお、テーパ孔51の傾斜が強ければ強いほど、パイプ6の先端位置を微調節する際の調節が難くなる。図4の(b)に示すように傾斜の緩いテーパ孔52の内部にパイプ6の一端を配置すると、その最適位置を見つけることができる調整範囲W2が、図4の(a)に示した調整範囲W1に比べて十分に広くなる。反面、傾斜の緩いテーパ孔では、第2の流体である水蒸気の加速性能が弱まる。装置をパイプ6の長手方向に十分長く設計しないと、十分な加速性能を得られない。そこで、図1の実施例の装置は、加速部Aにおいては、傾斜の強いテーパ孔11を使用して、効率よく第2の流体を加速し、混合部Bの内部においては、傾斜の緩やかなテーパ孔12を使用して、パイプ6の先端位置を容易に最適化調整できるようにした。
【0026】
図5は、ボディ3の先端部、すなわち、開口部Cの効果を説明する説明図である。
図の(a)に示すように、混合部Bで純水61と水蒸気62とが混合され、開口部Cから噴射される。噴射された混合流体は、図に示すように、水蒸気62の中に微細な純水61の粒が分散したもので、これが、勢いよくターゲット20に衝突する。ターゲット20には、高温の水蒸気と純水の粒とが、偏りなく衝突するから、高い洗浄効果を発揮する。この衝突面積を調整するために、図に示した開口部Cの開口角を選定する。図の(b)に示す例では、開口角αが比較的大きく、対象物表面の広い範囲に混合流体を衝突させることができる。また、図の(c)に示した例では、開口角βがやや小さく、対象物表面の比較的狭い範囲に混合流体を衝突させる。この開口角を調整することによって、対象物を任意の条件で効率よく洗浄することが可能になる。開口角をゼロに近づければ、混合流体は絞り込まれて直線的に噴射される。なお、上記の例では、開口部が断面円形のものを説明したが、例えば、図の(d)に示すように、箱型の外筒65の開口部66を長方形に近い、長いスリット状にすることもできる。この開口部66は、流路と直交する方向に長い。縦断面の形状は、図1に示したとおりである。
【0027】
また、図5(e)の平面図に示すように、第1の流体、すなわち、純水を導入するための筒状体67は、その一端を開口部66の近傍に位置させて、複数本並列に並べられている。こうすれば、一定の幅の一定の長さの帯状領域に混合流体を衝突させる流体噴射装置が実現する。この場合にも、上記のように開口部66の開口角を調整して、任意の洗浄性能を実現することができる。また、筒状体67は、外筒65の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、それぞれ独立に長手方向に平行移動可能に直線的に支持されているとよい。既に説明したダブルナット式のクランプ68を個別に設けておけばよい。図のように筒状体67を配列すると、第1の流体の流速は、外筒65の中央部と両側部とで異なってくる。従って混合流体を全体として均一に噴射させるためには、図のように、両測部の筒状体67の一端を、中央部のそれよりも、開口部66に接近させるようにするとよい。
【0028】
本発明は以上の実施例に限定されない。上記のように、液体噴射装置1に水蒸気供給装置とオゾン水供給装置とを接続すれば、水蒸気とオゾン水との混合流体をターゲットに衝突させることができる。このとき、オゾン水供給装置には、オゾンと水とを混合するための装置を設けておく。オゾンと水の効率的な混合には、例えば、実用登録第3048023号等に記載された装置を使用する。簡単に混ざり合う2種以上の液体同士であれば、本発明の装置のような構造を採用する必要はない。あらかじめ混合したものをコンプレッサ等を用いて噴射すればよい。しかしながら、互いに混ざり合いにくく、混合したとしても、放置すると再び分離してしまうような2種以上の液体の場合には、上記のように両者を急速に混合し、混合後直ちにターゲットに向かって噴射するという方法によって、要求された洗浄能力を発揮させることができる。例えば、上記の外筒内部に複数の筒状体を挿入し、それぞれ別々の流体を導入すると、複数の異なる流体を同時に混合して、生成された混合流体を噴射する装置が実現する。また、オゾン水を噴射する場合に、オゾン水をいわゆる霧吹きに多用されているノズルで、エアの力で噴霧することが考えられる。しかしながら、その場合、オゾンと空気とが広い面積で接触して反応し、オゾンの活性が失われる。本発明のような装置により、オゾンもしくはオゾン水と、水や水蒸気のような不活性の液体とを噴出口直前で混ぜて、空気との接触を遮断するようにして噴出させることにより、オゾン水の活性を保持しながら、対象物に向けて混合流体を噴射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液体噴射装置の実施例を示す縦断面図である。
【図2】本発明の装置のヘッド4とボディ3との具体的な構造を示す説明図で、(a)はヘッドの背面図、(b)はヘッドの側面図、(c)はボディの背面図(2分の1)、(d)はボディの側面図である。
【図3】パイプ6と第2の流体の導入方向の関係を示す変形例の説明図である。
【図4】ボディ3の加速部Aと混合部Bの機能を説明する説明図である。
【図5】ボディ3の先端部、すなわち、開口部Cの効果を説明する説明図である。
【符号の説明】
1 液体噴射装置
3 ボディ
4 ヘッド
5 ボルト
6 パイプ
7 パイプ
8 一端
9 導入口
11 テーパ孔
12 テーパ孔
13 貫通孔
14 逆テーパ孔
20 ターゲット
A 加速部
B 混合部
C 開口部
Claims (6)
- 第1の流体を導入して、一端から前記第1の流体を噴出する筒状体と、
この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、
この外筒は、
前記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、前記加速部より傾斜の緩いテーパ面であって、前記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備え、前記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、前記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための、噴射方向を決定する広がり角を持った開口を有する、開口部を備えたことを特徴とする液体噴射装置。 - 第1の流体を導入して、一端から前記第1の流体を噴出する筒状体と、
この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、
この外筒は、
前記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、前記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、前記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、
前記筒状体は、前記外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、長手方向に平行移動可能に直線的に支持されており、
前記外筒の上流側を塞ぐ外壁には、前記筒状体の長手方向に平行な方向に第2の流体を外筒内へ導入するための、導入口が設けられていることを特徴とする液体噴射装置。 - 第1の流体を導入して、一端から前記第1の流体を噴出する筒状体と、
この筒状体の一端外周を包囲し、当該筒状体の外周へ第2の流体を導入する外筒とを備え、
この外筒は、
前記第2の流体の上流から下流に向かって次第に断面積を縮小させる流路を備えた加速部と、この加速部の下流側に連なり、前記筒状体の一端近傍で、最小断面積の流路を形成する混合部と、この混合部の下流側に連なり、前記第1の流体と第2の流体の混合流体をターゲットに向かって噴射して衝突させるための開口を有する、開口部を備え、
前記開口部は、前記流路と直交する方向に長いスリット状とされ、前記外筒内には、前記第1の流体を混合部へ噴出する複数の筒状体の一端が、それぞれ前記スリット方向に所定の間隔を置いて配列されていることを特徴とする液体噴射装置。 - 請求項1に記載の液体噴射装置において、
前記複数の筒状体は、外筒の上流側を塞ぐ外壁を貫通して、それぞれ独立に長手方向に平行移動可能に直線的に支持されていることを特徴とする液体噴射装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、
前記第2の流体は水蒸気であって、前記第1の流体は純水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を前記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の液体噴射装置において、
前記第2の流体は水蒸気であって、前記第1の流体はオゾン水であって、当該第1の流体と第2の流体の混合流体を前記ターゲットに衝突させることを特徴とする液体噴射装置。
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