JP2005125158A - 整流型エアーナイフ - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低出力のブロアで供給される程度の風圧でも、エネルギーロスが少なく、吹出口から一様な風量と風速が取り出せ、平板状材料の主要面を概ね鉛直方向に直立するように支持し搬送する自動処理装置への組み込みが容易なエアーナイフを提供することである。
【解決手段】供給元気流を成型後の帯状気流の断面における長辺方向には拡大し、かつ該断面の短辺方向には縮小することを特徴とする気体の整流装置によって上記課題を解決した。
【選択図】 なし

Description

本発明は、風力を失うことなく気流の断面形状を成型する方法に関するものである。この整流型エアーナイフはブロアなどから供給された気流を低損失で扁平な断面形状に変更し、断面全体にわたり一様な風力を提供するもので、プリント基板、露光用マスク材料などにおける処理液除去や水切り処置、エアーカーテン、材料表面の異物除去、材料の乾燥処置などの用途に広く活用できる。

平板状材料を乾燥処理する方法としては被処理材料やその雰囲気の温度を上げて表面の液体をその場で蒸発乾燥させる方法や被処理材料表面の液体を風力などで離散させて取り除く方法がある。また乾燥効果を高めるために熱風が用いられる場合もある。

液体を風力により離散させ取り除くためには、しばしばエアーナイフ又はエアーノズル（以下エアーナイフと総称）が用いられる。エアーナイフによる乾燥方法では吹き出される気体の量が多いほど、また吹き出される気体の速度が速いほど乾燥効果は優れている。

エアーナイフから十分な量と速度の気流を得るためには、供給側の圧力を高める必要がある。コンプレッサー等による高圧ラインを風力の供給源としたエアーナイフが既に多く提案されている。（例えば、特許文献１等参照）。

ところがコンプレッサーによる高圧系ラインは一般に消費電力が多く、高圧ボンベなどのメンテナンス費用や設置の初期費用も高額である。また装置内に組み込む場合には高圧ボンベの容量による風量の制限が生じることも問題である。

これに対し、送風機（渦流ブロアー、又はブロア）は初期設備投資費用、使用電力量の点で優位でありさらに装置組み込みで使用した場合でも使用風量に制限がないなどの利点がある。防塵対策、騒音などの環境への悪影響対策を考慮するとより低い出力の送風機を使用することが望まれる。一方で送風機を用いた場合、風力の不足から汚れや乾燥ムラを招きやすいので、低圧でも機能するようなエアーナイフを注意深く選択する必要が生じる。

ブロアを風力の供給源としたエアーナイフとして株式会社 竹綱製作所製「ハイブローノズル」、「ハイブローノズルＳＵＳ」が提供されている。「ハイブローノズル」ではスリット長さが６５０ｍｍの場合には最終風向き方向に最小で１３８．８ｍｍの設置スペースが要求される。実際には表面と裏面の乾燥のため倍のスペースが必要で、自動処理装置への取り込みが不可能又は大きなデッドスペースを生み出してしまう。株式会社 竹綱製作所製「TSK汎用型ブローノズル ＭＯＤＥＬ40Ｓ−７００−１．０」は二重の筒状構造を持ちスリット長さ７００ｍｍで外径の主要部分が８５ｍｍ以下であり、装置への取り付けは可能であるが使用するブロア（日立 ボルテックスブロアＶＢ−０２２−Ｇ）によっては十分な風力が得られず、また所々にあるスリットつなぎ場所で残液が生じ乾燥ムラが避けられないなどの問題がある。大浩研熱 株式会社製「フラットエアーノズル」も二重筒状構造である。

上記の製品類ではいずれも噴出し口より均一な風量を得るために前段階で静圧室など空気圧を積極的に利用した構造を取り入れている。「ハイブローノズル」「ハイブローノズルＳＵＳ」では注入された気流はノズルの前室に送り込まれ、準静圧を得たあとで、９０度方向を変えて前室からノズル側の空隙に移動する。この空隙を移動する際に抵抗が生じ、前室の圧力が高い側からの流れに対してより大きな抵抗が加えられるように調整することで最終の吹き出し口での風量の均一化を図っている。「ＴＳＫ汎用型ブローノズル」は大小の二つの多重筒状構造をしており、まずブロアからの風力の供給は内側の円筒に気体が送り込まれる。このときの気流の方向は円筒の中心軸に平行である。内側の円筒を満たした後に気流は軸に平行に開いたスリットを通過して外側の円筒内に放出される。このとき気流の流れは円筒面の法線方向に一致している。その後気体は外側の円筒内部を１８０度回転した後、この円筒面の法線方向に吹き出される。このように従来の方法では一様な風力を得るために静圧になる前室を設けたり、あるいは急激な風向きの変更をするためにどうしても気体全体の運動量を失い乾燥能力を減じてしまう。

株式会社 竹綱製作所製「ハイブローノズル・ミニ」もブロアーの利用を想定しているがノズルへの風力の供給方向とノズルから噴出する気流がほぼ同一方向にあるため供給用配管の取り回しを含めると自動処理装置への取り込みがさらに難しい。またこのノズルは複数個を並べて使用することを前提とするために個々のノズル内の風力ムラを抑えられてもノズル間の風力強度は各ノズルの供給元の圧力に依存してしまう。本来はコンプレッサー等による高圧ラインからの風力供給が望ましい株式会社共立合金製作所製「エバーロイ−エアーブラスター」や株式会社いけうち製「TAIFU Jetシリーズ フラット型」も同様な問題を抱えている。（特許文献２，３，４，５等参照）

少ないスペースで平板状の被処理材料表面の液体除去や水切りあるいは乾燥を図るために、我々が始めに試みたのは上記「ハイブローノズル」方式のコンパクト化である。すなわち前室の体積を小さくし、最終吹出方向のノズルサイズは８０ｍｍまでに押さえ込むことに成功した。しかし風量ムラが著しく増加し、ノズルのブロアからの送風に近い側が弱く、遠い側すなわち気流の突き当たり側が強くなる。この風量ムラを避けるために前室からノズル側に気流が抜けるように設けた１２個の穴の径を全体として小さくし、また強く出てしまう場所（突き当たり近く）はよりいっそう窓口を小さくするなどの改良を加えた。しかしこの試みは全体の風量を著しく減じてしまい乾燥能力不足による不具合が続出したためこの方向の技術開発を断念した。我々は全く異なる発想による新規なノズル又はエアーナイフを発明する必要にせまられた。

よって、比較的低出力のブロアで供給される程度の風圧でも、エネルギーロスが少なく、吹出口から一様な風量と風速が取り出せ、平板状材料の主要面を概ね鉛直方向に直立するように支持し搬送する自動処理装置への組み込みが容易なエアーナイフの開発が重要となった。
特開２０００−１０５０７８号公報 特開平９−７９７４９号公報 登録実用新案第３０６２３１７号 登録実用新案第３０８８４８７号 特開２００３−２６０３８６号公報

本発明の課題は、比較的低出力のブロアで供給される程度の風圧でも、エネルギーロスが少なく、吹出口から一様な風量と風速が取り出せ、平板状材料の主要面を概ね鉛直方向に直立するように支持し搬送する自動処理装置への組み込みが容易なエアーナイフを提供することである。

本発明者らは、供給元気流を成型後の帯状気流の断面における長辺方向には拡大し、短辺方向には縮小することを特徴とする気体の整流装置によって上記課題を解決した。

気流の断面形状を整える全過程を通じてこの気流の断面積の拡大率が成型後の帯状気流の長辺方向への拡大率よりも小さいことを特徴とする気体の整流装置によって上記課題を解決した。

気流を導く空洞が一対の台形形状面と二つの側面により形成されることを特徴とする気体の整流装置により上記課題を解決した。

上記の整流装置により成型された気流が半月型エアーナイフヘッドに流入することを特徴とする整流型エアーナイフにより上記課題を解決した。

本発明の整流型エアーナイフは、低出力のブロアーを用いた場合でも、風力の損失及びムラが少ない優れた気流制御能力を有する。さらに本発明の整流型エアーナイフは平板状材料の主要面を直立するように支持し搬送する自動処理装置に容易に組み込みが可能で優れた乾燥及び水切り能力を有する。

以下に本発明を詳細に説明する。

本発明の整流型エアーナイフは、内部を通過する気体が効率よく除除に希望の断面形状となるように成型を行う整流部とその後に必要に応じて風向きの変更と風量の微調整を行うエアーナイフヘッドを連結することで構成される。

整流部では内部を通過する気流が圧縮も、膨張もせずに通過できるように気流の断面積をほぼ一定とすることが重要である。こうすることで整流部のいずれの場所でも単位断面積あたりの風量をほぼ一定に保つことができる。ここでいう整流の代表例は気流断面を円形から扁平な帯状気流へ変更することである。気流断面積を一定にするためにはこの帯状気流の断面の長手方向を拡大する一方で厚みを薄くすることで実現できる。しかし機械精度に限界があるため気流厚みを無限に薄くすることは困難である。実際には機械精度が問題にならない範囲で気流断面積ができるだけ変化しないように設計する。上記の帯状気流では気流断面の長て方向への気流の拡大率よりも気流の断面積の拡大率を小さくすることで本発明の効果であるエネルギーロスがなく吹き出し口全体で一様な風量が得られることが期待できる。

しかし気流断面積がこの範囲に入っていても静圧を得るための前室などの存在で気流速度が著しく失われたり、乱流状態部分が無視できないような設計は本発明の意図にそぐわない。

本発明の整流装置は風力を導く空洞を一対の台形形状面と二枚の側面により形成することで作製できる。

この空洞を気体は台形型形状の短辺側から長辺側へ通過することになるが、効率よく風力を伝えるためには短辺での対面する台形型主要面の間隔（SI）よりも長辺での台形型主要面の間隔（LI）は狭くなるように製作する必要がある。短辺の長さをSL、長辺の長さをLL、膨張係数をKとすると
LL×LI＝K×SL×SI （式１）
が成り立つように作製する。

式１において、膨張係数（Ｋ）が１．０のときは整流部を気体が通過する際に圧縮も膨張もされなかったことを表しており、またＫが１以上では膨張を、Ｋが１未満では圧縮されたことを表している。低出力の送風機においては圧力を得ることが難しく圧縮することは不得手である。また膨張する場合には整流部での損失は少ないが、最終的に被処理露光用マスク材料への吹き付ける際には風速が必要でありこのときの絞り込みに伴う損失の原因となる。実施例では膨張係数が１．３である整流型エアーナイフを示している。平板状材料の一辺に相当するスリット長さまで元の気流をそのまま拡大すると比較例に示すように膨張係数は１４にも達する。本発明は式１において
ＳＩ ＞ ＬＩ （式２）
とする制御方法であり、より明確に効果を得るためには
ＳＩ ＞ ２ × ＬＩ （式３）
としＫを１に近づけることが望ましい。このときＬＬはＳＬの２倍以上であることを暗に仮定している。

しかし、パラメータが上記範囲であっても、急激に気体の断面の形状を変化させると風量の減衰とムラを招くことが判明した。このため断面形状の制御をゆっくり行う設計を取り入れた。すなわち整流部の台形型形状に於いて、長辺と短辺と高さの関係に制限を加えることによってムラのない十分な風量を確保することが可能となる。具体的には台形の高さ（Ｈ）と成型強度（Ｐ）を
ＬＬ−ＳＬ＝Ｐ×Ｈ （式４）
で表現する。

式４において、成型強度（Ｐ）が１の時は内部を通過する気体は通過距離と同じだけ横に扁平に広がることになる。Ｐが大きくなるように製作すると風量の減衰が観察されたり場所による風量ムラが生じる原因になる。風量ムラをさらに改善するために断面形状部の内側に整流板を入れることも効果的であった。この整流板は上記台形形状部の短辺から長辺部に扇状に並べることで実現できる。逆に、Ｐが小さくなるような設計では風量のムラは無くなり品質上は有利であるが台形形状部分の高さ方向が大きくなり自動処理装置に組み込むことが困難になる。たとえば現行市場の露光用マスクの縦横比率から同露光用マスクをおおむね鉛直方向に直立するように支持し液体による処理を行う自動現像機において組み込むのに最適な成型強度Ｐは０．５以上５．０以下であろう。

式１、式４に現れる台形の長辺ＬＬは、被処理露光用マスクの横方向をカバーする長さであることが望ましい。台形の高さＨは他の処理槽の高さよりも少し短い程度が好適である。短辺ＳＬはこの整流型エアーナイフに風力を運ぶホースなどの配管の直径と同程度とすることが好適である。

本発明の整流装置の空洞部が上記のような大きな台形形状の面を有するために、平板状材料の主要面をおおむね鉛直方向に直立するように支持し液体による処理を行う自動現像機においてこの整流装置を組み込むためには一対の台形型形状をなす主要配管面と、被処理露光用マスク材料の主要面とがおおむね平行になるように配置することが望ましい。ここで言うおおむね平行の配置とは、前段および後段の処理領域と干渉することが無い程度の遊びの角度が許される配置のことである。露光用マスクの搬送に支障のない程度に主要面である台形形状面は鉛直方向につり上げる必要があり、水平面からほぼ直立した姿勢で自動処理機に組み込まれる。

このような配置では乾燥処理を効率よく行うために風向きの制御が重要となる。すなわち本発明の整流装置を通過した気流はその後ねじれることなく被処理露光用ガラスマスクの表面に効率の良い角度で吹き出す様に設計されたエアーナイフヘッドに連結されることが好ましい。特に半月型エアーナイフヘッドはこのために優れた性能を有しており好適である。本発明の整流装置と半月型エアーナイフヘッドの組み合わせにより主要面がほぼ鉛直方向に起立した本発明の整流型エアーナイフを製作することが可能となる。

以上述べたように本発明の整流型エアーナイフは、主要面を概ね鉛直方向に支持された平板状材料を複数の処理槽に貯えられた処理液に順次浸漬する事で処理工程を進める自動処理装置に組み込まれて用いられることが好適である。

本発明の整流型エアーナイフはエマルジョンマスクおよびＤＴＲマスクの処理においても好適な技術である。エマルジョンマスクおよびＤＴＲマスク処理方法は、いずれも現像、定着、水洗の少なくとも３工程から構成される。水洗の後工程に、乾燥処理を加えることが一般的である。このうちで現像と定着はエマルジョンマスクとＤＴＲマスクで、処理原理および処理液構成の異なるものである。エマルジョンマスクの処理工程は当業者で周知であり、（社）日本写真学会編「改訂写真工学の基礎」コロナ社（１９９８年）に、原理および組成が記載されている。

本発明の整流型エアーナイフは上記で述べた整流装置とエアーナイフヘッドとの連結により構成されるが、本発明の実施においては、伝統的な配管と上記の整流部を接続し、さらにエアーナイフヘッドの先端には一対の帯状板を設けて気流の隙間や風量、向きを調整することが好ましい。

上記の整流装置とエアーナイフヘッドは別々に作製して両者を接続しても良い。あるいは製作の工数を省くために一体物として板金工作をしても良い。また多くの場合板状材料や露光用マスクの乾燥を行うには表裏両面の乾燥をしなければならないので本発明の整流型エアーナイフを被処理材料の表裏両面に配置することが好適である。

実際の乾燥処理は、この一対の整流型エアーナイフの隙間に被処理材料を差込んで、ブロアーを出しながら引き上げることで材料表面より液体を除去していく方法をとる場合が多い。いずれにしても、被処理材料の主要面もほぼ鉛直に支持されているため、自動処理装置に組み込むためには水平方向の断面積を小さくすることが有利である。

以下、実施例により更に本発明を詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。

三菱製紙株式会社製ガラスマスク自動現像装置（ＥＬ-ＧＰＩ）の乾燥ゾーンに整流型エアーナイフを取り付け、市販の露光済みのエマルジョンガラスマスク（５０８ｍｍ×長さ６１０ｍｍ 厚み５ｍｍ）の現像処理と乾燥処理を行った。ＥＬ−ＧＰＩでは処理槽を６槽持っており、エマルジョンマスクの主要面をほぼ鉛直に保持し、各槽での処理を順次行う。第１槽では現像処理を、第２槽では停止処理、第３槽では定着処理を行った。第４槽では水洗処理を行い、第５槽では仕上げ剤に浸漬し、第６槽では純水による水洗処理を行う。第６槽の次のゾーンに整流型エアーナイフをとりつけた。

続く乾燥ゾーンではまず被処理ガラスマスクを乾燥ゾーンの最下部に下げてからブロアを稼働させ風量が安定してから、同被処理ガラスマスクを一分間に５００ｍｍの速度で引き上げることで、同被処理ガラスマスクの上部より順に乾燥させた。

用いた送風機は、日立ボルテックスブロア ＶＢ−０２２−Ｇである（最大出力2.9ｋＷ、定格風量１２００リッター／分、 定格静圧１６．７ｋＰａ）。６０Ｈｚで稼働するように富士電気株式会社製インバータ ＦＶＲ２．２Ｃ１１Ｓ−2を使用した。

送風機から整流型エアーナイフへの送風は内径５５ｍｍのホースを用いたが整流型エアーナイフの直前で内径４０ｍｍの二本のホースに分岐させ、一本は被処理ガラスマスクの表面側の整流型エアーナイフに風力を供給し他方は被処理ガラスマスクの裏面側の整流型エアーナイフに風力を供給する。

図１は本発明の整流装置の外形を示す。一対の台形形状面と二つの側面により空洞が形成されている。素材は２ｍｍ厚のステンレス板である。製作が容易なように展開図から折り曲げて、最後に必要部分を溶接した。内部の空洞もほぼ同様な形状をしている。対面する大きな台形形状の主要面３と二つの側面４が気流を導く空洞を作っている。大きな台形形状の短辺側から風力１が供給され台形形状の長辺側から吐出２する。気流の取り入れ口５は内径４０ｍｍのホースと結合される。

図２は整流装置１３と半月型エアーナイフヘッド１２が連結し、整流型エアーナイフを構成した様子を示す。この整流型エアーナイフを自動現像装置に組み込むために必要な最小スペースが上面図の幅６に相当する。実施例では幅６は８０ｍｍである。用いた自動現像機の乾燥ゾーンの幅が２３０ｍｍであり、表裏両面用に二つの整流型エアーナイフをこの乾燥ゾーンに対面設置しその間隙に被処理露光用ガラスマスクを差し込み乾燥処理した。図２の１４は整流板を表しており、必要に応じて空洞中に設けることができる。

図２の正面図、側面図において
７は台形型主要面の長辺の長さLLであり実施例では７２０ｍｍである。
８は台形型主要面の短辺の長さSLであり実施例では５５ｍｍである。
９は台形型主要面の台形の高さHであり実施例では３５０ｍｍである。
１０は対面する台形型主要面の長辺での間隔LIであり実施例では５ｍｍである。
１１は対面する台形型主要面の短辺での間隔SIであり実施例では５０ｍｍである。
よって実施例では膨張係数Kは１．３であり、成型強度Pは１．９である。

図３は本発明を自動現像機に組み込んだ状態を示す。１５は被処理ガラスマスク材料である。１６が本発明の整流型エアーナイフである。１７は他の前段の処理工程で用いられる処理槽を示す。１８は本発明の整流型エアーナイフの角度調整の一方法である。本発明の整流型エアーナイフは一般的な意味では必ずしもコンパクトではないが自動現像機に組み込んで使用する場合にスペースの有効活用が可能である。

上記方法により露光済みガラスマスクを自動現像機による現像処理と乾燥処理を行ったところ、液残りがなく良好な仕上がりの乾燥処理が可能であった。

（比較例１）
図４に比較例を挙げる。この例は気流の断面積に無頓着な場合の典型例であり、扁平な気流を得るためにまず気流断面の一方向に必要量拡大してから最後に厚みを薄くする手法である。１より吹き込まれた気流は一対の台形型形状面と側面によって作られた空洞を通過する。必要なら整流板２５を取り付けることができる。この一対の台形形状面は平行に配置されている。よって内部の気流の断面積は当初台形の短辺１９（内寸５０ｍｍ）と一対の台形形状面の面間隔２２（内寸２５ｍｍ）との積である。気流が台形の高さ２１（３４０ｍｍ）分進むにつれて台形の長辺２０（内寸７１０ｍｍ）方向に拡大されるがこの際の気流の厚み２２は一定である。このときの膨張係数は１４．２であり、成型強度は１．９である。続いて気流は絞り込み区間２３（１４５ｍｍ）を通過し、スリット間隔２４（内寸３ｍｍ）で吹き出される２。最終的には断面積は当初の１．７倍にまで押さえられているが整流の過程で気流の断面積が大きく広がっており本発明の意図とは異なっている。この例のように扁平な帯状気流を得るためにスリット長さまで一方向に拡大すると断面積は当初の５倍以上になってしまう。

比較例のようなエアーナイフでは、整流板が無いとスリット中央部からの風量は多いが端部では風量不足である。また整流板の調整により風量ムラは改善できるが、全体として風力の損失が大きくなってしまう。

本発明の整流型エアーナイフは各種材料表面の水切り、及び乾燥装置に於いて、またエアーカーテン用途に利用できる。

整流装置 整流型エアーナイフの上面図、正面図、側面図及び拡大図 整流型エアーナイフの自動現像処理機への組み込み方法 比較例エアーナイフ

符号の説明

１ 取り入れ気流
２ 吹出気流
３ 台形型主要面
４ 側面
５ 取り入れ口
６ 整流型エアーナイフの設置幅
７ 台形型主要面の長辺長さＬＬ
８ 台形型主要面の短辺長さＳＬ
９ 台形型主要面の台形高さＨ
１０ 対面する台形型主要面の長辺での間隔ＬＩ
１１ 対面する台形型主要面の短辺での間隔ＳＩ
１２ 半月型エアーナイフヘッド
１３ 整流装置
１４ 整流板
１５ 被処理ガラスマスク材料
１６ 整流型エアーナイフ（一対）
１７ 第１処理槽から第６処理槽
１８ 整流型エアーナイフの角度調整方法
１９ 比較例 主要面の短辺長さＳＬ
２０ 比較例 主要面の長辺長さＬＬ
２１ 比較例 主要面の台形高さＨ
２２ 比較例 間隔ＬＩ＝ＳＩ
２３ 絞り込み工程
２４ 吹出スリット幅
２５ 整流板

Claims (4)

1. 供給元気流を成型後の帯状気流の断面における長辺方向には拡大し、かつ該断面の短辺方向には縮小することを特徴とする気体の整流装置。
2. 気流の断面形状を整える全過程を通じて該気流の断面積の拡大率が成型後の帯状気流の長辺方向への拡大率よりも小さいことを特徴とする気体の整流装置。
3. 気流を導く空洞が一対の台形形状面と二つの側面により形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体の整流装置。
4. 請求項１、請求項２又は請求項３に記載の気体の整流装置により成型された気流が半月型エアーナイフヘッドに流入することを特徴とする整流型エアーナイフ。

Images