JP2009195762A - ドライアイススノー洗浄装置および方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能で炭酸ガスの消費量を節減できるドライアイススノー洗浄装置を提供する。
【解決手段】加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズル１から被洗浄物に対して噴射して洗浄をする装置であって、加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する炭酸ガス供給弁８と、上記炭酸ガス供給弁８から供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させるオリフィス３と、上記オリフィス３から噴射ノズル１に至る流通管２とを備え、上記炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積を０．５８ｃｍ３以下となるよう設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能で炭酸ガスの消費量を節減できるドライアイススノー洗浄装置および方法に関するものである。
従来から、液化炭酸ガスをオリフィスやニードル弁等の絞り機構で断熱膨張させることによって微細なドライアイスを生成し、キャピラリと呼ばれる細管内を流通させることでドライアイスを凝縮させながらユースポイントで噴射ガスとともに噴射させて被洗浄物を洗浄することが行われている。このようなドライアイススノー洗浄方法は、原料ガスとして高純度の液化炭酸ガスが用いられるためにエレクトロニクス分野での応用が期待されている。
特開２００１−２５９５５５号公報 特開２００３−１４５４２９号公報
このようなドライアイススノー洗浄方法では、強固に付着した異物を除去するために必要なドライアイスの粒子径および密度を得るため、一般に、液化炭酸ガスをキャピラリと呼ばれる細管内に流通させてドライアイススノーを得ることが行なわれる。このようにしてドライアイススノーを生成させると、キャピラリ内部が冷却され過ぎて流路の閉塞現象が起こり、安定したドライアイススノーの噴射ができないという問題がある。そこで、キャピラリを二重管構造として内管にドライアイススノーを流通させ、外管に加熱した噴射ガスを流すことで過度の冷却による閉塞を防止し、ドライアイススノーの噴射の安定化を図ることが行われている（上記特許文献１および２）。
しかしながら、上述したような２重管構造では、外管を流通する噴射ガスが冷熱を奪うため、起動初期のキャピラリの冷却が妨げられ、液化炭酸ガスのバルブを開いてからユースポイントでノズルからドライアイススノーが噴射されるまでの間にタイムラグが生じていた。このようなタイムラグがあると、数秒程度の比較的短時間の噴射洗浄を繰り返すパルス噴射制御を行なうことができず、洗浄工程全体としてのロスタイムが長くなって洗浄時間を長時間化するうえ、液化炭酸ガスの消費量の増大にも繋がるという問題がある。
そこで、上記のようなタイムラグを短縮するためにオリフィス径を大きくする等、炭酸ガスの流量を増やすことも考えられるが、このようにすると、炭酸ガスの消費量が一層増大するうえ、過剰な炭酸ガスを流すことはドライアイススノーの密度低下につながり、所望の洗浄効果が得られなくなるうえ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまうという別の問題が生じる。
本発明は、上記のような事情に鑑みなされたもので、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能で炭酸ガスの消費量を節減できるドライアイススノー洗浄装置および方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のドライアイススノー洗浄装置は、加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズルから被洗浄物に対して噴射して洗浄をする装置であって、加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する供給バルブと、上記供給バルブから供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させる絞り部と、上記絞り部から噴射ノズルに至る流通管とを備え、上記供給バルブの弁座から絞り部までの流路の内容積が０．５８ｃｍ３以下となるよう設定されていることを要旨とする。
また、上記目的を達成するため、本発明のドライアイススノー洗浄方法は、加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズルから被洗浄物に対して噴射して洗浄をする方法であって、加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する供給バルブから供給された液化炭酸ガスを絞り部で断熱膨張させ、上記絞り部から噴射ノズルに至る流通管内を流通させて噴射ノズルより噴射する際、上記供給バルブの弁座から絞り部までの流路の内容積を０．５８ｃｍ３以下としたことを要旨とする。
すなわち、本発明は、上記供給バルブの弁座から絞り部までの流路の内容積を０．５８ｃｍ３以下としたことにより、供給バルブの弁座から絞り部までの流路内における残存ガスの容量がそれだけ少なくなり、供給バルブを開けてから残存ガスが排出され切るまでの時間が短縮される。このため、供給バルブを開けてから噴射ノズルからドライアイススノーが噴射され始めるまでのタイムラグが大幅に短縮される。また、ドライアイススノーの噴射中は弁座から絞り部までの流路に液化炭酸ガスが充満するため、その流路の容積が小さい分、供給バルブを閉じてから噴射ノズルからのドライアイススノーの噴射が停止するまでの時間も短縮される。このように、供給バルブの開閉に俊敏に反応して噴射の開始と停止が行なわれ、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能となる。また、パルス噴射制御が可能となったことで、必要な被洗浄部に対して必要なだけドライアイススノーを噴射して洗浄することが可能となり、ドライアイススノーの無駄な噴射を大幅に少なくして炭酸ガスの消費量を節減できる。
本発明において、上記流通管の内径をφ０．２５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以内となるよう設定した場合には、流通管の内径を上記範囲に設定することにより、流通管の過度の冷却が有効に防止されてドライアイススノーの噴射も安定化する。
本発明において、上記供給バルブを閉じてから噴射ノズルからのドライアイススノーの噴射が認められなくなるまでの時間が１秒以内である場合には、供給バルブの開閉に俊敏に反応して噴射の開始と停止が行なわれ、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能となる。
本発明において、上記絞り部の開口面積を０．００７ｍｍ２以上０．０３２ｍｍ２以内となるよう設定した場合には、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
本発明において、液化炭酸ガスの供給圧力を７ＭＰａ±１ＭＰａ以内となるよう設定した場合には、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
本発明において、上記噴射ノズルの噴射口近傍に噴射ガスを供給する噴射ガス供給管が上記流通管とは熱的に隔離された状態で存在している場合には、従来の二重管構造のように起動初期に流通管の冷却が妨げられることがないため、バルブを開いてからドライアイススノーが噴射されるまでの間のタイムラグが大幅に短縮する。また、流通管の過度の冷却が有効に防止されてドライアイススノーの噴射も安定化する。
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明が適用されたドライアイススノー洗浄装置の一実施形態を示す図である。
このドライアイススノー洗浄装置は、加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズル１から被洗浄物（図示せず）に対して噴射して洗浄をする装置である。
より詳しく説明すると、加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する供給バルブとしての炭酸ガス供給弁８と、上記炭酸ガス供給弁８から供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させる絞り部としてのオリフィス３と、上記オリフィス３から噴射ノズル１に至る流通管２とを備えている。
液化炭酸ガスボンベ等の供給源からの液化炭酸ガスは、供給路６に設けられた炭酸ガス供給弁８を開けることにより供給されてオリフィス３に導かれ、オリフィス３で断熱膨張されてドライアイススノーが形成されると、細長い流通管２を通って噴射ノズル１に導入され、噴射ノズル１の先端から噴射される。上記供給路６には、炭酸ガス供給弁８ならびに液化炭酸ガスの供給圧力を検知する圧力ゲージ９が設けられている。上記炭酸ガス供給弁８の開閉により液化炭酸ガスの供給をオンオフする。液化炭酸ガスの供給圧力は、図示しないボンベに設けられたヒータで温度調節をすることにより所望の圧力に調節する。
上記炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積は、０．５８ｃｍ３以下となるよう設定されている。これにより、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路内における残存ガスの容量がそれだけ少なくなり、炭酸ガス供給弁８を開けてから残存ガスが排出され切るまでの時間が短縮される。このため、炭酸ガス供給弁８を開けてから噴射ノズル１からドライアイススノーが噴射され始めるまでのタイムラグが大幅に短縮される。また、ドライアイススノーの噴射中は弁座からオリフィス３までの流路に液化炭酸ガスが充満するため、その流路の容積が小さい分、炭酸ガス供給弁８を閉じてから噴射ノズル１からのドライアイススノーの噴射が停止するまでの時間も短縮される。
上記炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積は、上述したように、０．５８ｃｍ３以下が好適であるが、０．３８ｃｍ３以下であればなお好ましく、０．２６ｃｍ３以下、あるいは０．０６３ｃｍ３以下であれば一層好ましい。
上記液化炭酸ガスの供給圧力は、７ＭＰａ±１ＭＰａ以内となるよう設定するのが好ましい。このようにすることにより、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
上記オリフィス３は、その開口面積を０．００７ｍｍ２以上０．０３２ｍｍ２以内となるよう設定するのが好ましい。例えば、円形開口のオリフィスであれば直径０．１〜０．２ｍｍである。このようにすることにより、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
また、上記オリフィス３の厚みは、この例では、０．５ｍｍ±０．３ｍｍ以内となるよう設定した。なお、上記オリフィス３は供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させうる絞り部として機能するのであれば、例えばニードル弁等を適用することも可能である。
上記オリフィス３と噴射ノズル１との間には、細長い管である流通管２によって接続され、オリフィス３で断熱膨張して発生したドライアイススノーは、流通管２内を流通しながらドライアイスの凝縮が行われて噴射ノズル１から噴射される。
上記流通管２は、上記流通管２の内径をφ０．２５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以内となるよう設定するのが好ましい。流通管２の内径を上記範囲に設定することにより、流通管の過度の冷却が有効に防止されてドライアイススノーの噴射も安定化する。また、流通管２の長さは特に限定するものではないが、０．５ｍ〜５ｍ程度とすることができ、０．６ｍ〜３ｍ程度、あるいは０．６ｍ〜２．５ｍ程度とすることができる。
上記流通管２は、例えばフッ素樹脂等から形成された可撓性のチューブが用いられ、この例では断熱材７に包まれて外部からの断熱が行われている。また、上記噴射ガス供給管４は、従来の２重管構造のように流通管２と並設するのではなく、流通管２とは断熱材７を介して隔離して配置されている。これにより、上記噴射ノズル１の噴射口近傍に噴射ガスを供給する噴射ガス供給管４が上記流通管２とは熱的に隔離された状態で存在するようになっている。このようにすることにより、起動初期の流通管２内の冷却を一層スムーズにして噴射待ち時間の短縮を図ることができる。
そして、この例では、噴射ノズル１の内部通路においてその先端開口近傍まで流通管２の先端が延びており、上記噴射ノズル１に設けた分岐部に噴射ガス供給管４の先端が連通している。
上記噴射ガス供給管４には、供給圧力を検知する圧力ゲージ１３とが設けられている。また、上記噴射ガス供給管４には、噴射ガスの供給をオンオフする噴射ガス供給弁１４と、噴射ガスの供給圧力を調整可能な圧力調整弁１２とが設けられている。噴射ガスの供給圧力は、上記圧力調整弁１２で調整する。
さらに、上記噴射ガス供給管４には、噴射ガスを加熱する一次ヒータ１５および、上記一次ヒータ１５の加熱温度を調節する温度コントローラ１７ならびに上記加熱温度を検知する温度計１６が設けられている。また、上記噴射ガス供給管４には、上記一次ヒータ１５より下流側に二次ヒータ１８が設けられている。さらに、上記二次ヒータ１８の加熱温度を調節する温度コントローラ２０ならびに上記加熱温度を検知する温度計１９が設けられている。
上記二次ヒータ１８は、一次ヒータ１５より下流側で噴射ノズル１との連通部近傍にわたって長尺状にかつ噴射ガス供給管４の周囲に巻きつけるように配置されている。このようにすることにより、噴射ガスが冷却されることなく均一かつ一定の温度を保ったまま噴射ノズル１に導入される。したがって、噴射ノズル１の温度を均一かつ一定に保つことができ、ドライアイススノーの噴射状態を一層安定化させることができる。上記噴射ガスとしては、例えば、高圧の窒素ガス等を用いることができる。
上記一次ヒータ１５および二次ヒータ１８は、噴射ノズル１が過度に冷却される場合に用いられ、噴射ノズル１が冷却され過ぎない場合には用いなくても良い。噴射ノズル１の冷却状況に応じて、一次ヒータ１５だけを用いたり二次ヒータ１８だけを用いたりすることもできるし、一次ヒータ１５と二次ヒータ１８を併せて用いることもできる。
以上のように、本実施形態によれば、下記のような作用効果を奏する。
すなわち、上記炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積を０．５８ｃｍ３以下としたことにより、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路内における残存ガスの容量がそれだけ少なくなり、炭酸ガス供給弁８を開けてから残存ガスが排出され切るまでの時間が短縮される。このため、炭酸ガス供給弁８を開けてから噴射ノズル１からドライアイススノーが噴射され始めるまでのタイムラグが大幅に短縮される。また、ドライアイススノーの噴射中は弁座からオリフィス３までの流路に液化炭酸ガスが充満するため、その流路の容積が小さい分、炭酸ガス供給弁８を閉じてから噴射ノズル１からのドライアイススノーの噴射が停止するまでの時間も短縮される。このように、炭酸ガス供給弁８の開閉に俊敏に反応して噴射の開始と停止が行なわれ、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能となる。また、パルス噴射制御が可能となったことで、必要な被洗浄部に対して必要なだけドライアイススノーを噴射して洗浄することが可能となり、ドライアイススノーの無駄な噴射を大幅に少なくして炭酸ガスの消費量を節減できる。
また、上記流通管２の内径をφ０．２５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以内となるよう設定したため、流通管２の内径を上記範囲に設定することにより、流通管２の過度の冷却が有効に防止されてドライアイススノーの噴射も安定化する。
また、上記オリフィス３の開口面積を０．００７ｍｍ２以上０．０３２ｍｍ２以内となるよう設定したため、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
また、液化炭酸ガスの供給圧力を７ＭＰａ±１ＭＰａ以内となるよう設定したため、炭酸ガスの流量が適正化され、炭酸ガスの消費量が不要に増加せず、ドライアイススノーも適正密度が維持できて必要な洗浄効果が得られ、被洗浄物が冷却されすぎて結露を生じてしまう等のトラブルも発生しない。
また、上記噴射ノズル１の噴射口近傍に噴射ガスを供給する噴射ガス供給管４が上記流通管２とは熱的に隔離された状態で存在しているため、従来の二重管構造のように起動初期に流通管２の冷却が妨げられることがないため、炭酸ガス供給弁８を開いてからドライアイススノーが噴射されるまでの間のタイムラグが大幅に短縮する。また、流通管２の過度の冷却が有効に防止されてドライアイススノーの噴射も安定化する。
図２は、本発明のドライアイススノー洗浄方法を実施するときの、炭酸ガス供給弁８と噴射ガス供給弁１４の時間制御シーケンスおよびドライアイススノーの噴射状態の一例を示す図である。
この例では、まず、噴射ガス供給弁１４をオン（開；以下同じ）にし、それから所定の準備時間をおいて炭酸ガス供給弁８をオンにする。炭酸ガス供給弁８をオンにするのに先立って、噴射ガス供給弁１４をオンにすることにより、噴射ノズル１の結露を防止するようにしている。
炭酸ガス供給弁８をオンにしてから、所定のスノー起動時間の後噴射ノズル１からのドライアイススノーの噴射が開始し、所定の噴射時間を経て炭酸ガス供給弁８をオフ（閉；以下同じ）にする。この例では上記スノー起動時間は約０．５秒以下である。そして、炭酸ガス供給弁８のオン時間Ｔｂは、この例では約１秒以内に設定することができる。炭酸ガス供給弁８をオフにしてから、噴射ノズル１からのドライアイススノーの噴射が認められなくなるまでの時間（図示のスノー残留時間）を１秒以内とすることができる。この例では０．５秒以内である。このようにすることにより、炭酸ガス供給弁８の開閉に俊敏に反応して噴射の開始と停止が行なわれ、ドライアイススノーのパルス噴射制御が可能となる。
そして、噴射されたドライアイススノーを吹き飛ばすとともに、被洗浄物の冷却を防止し、噴射ノズル１の結露を防止するため、この例では約１秒間、噴射ガス供給弁１４をオンにした状態を維持するガスブローを行う。その後、噴射ガス供給弁１４をオフとし、これで１回の洗浄シーケンスが終了する。さらに、この例では、上述したスノー残留時間が短いため、炭酸ガス供給弁８をオフにしてから次に炭酸ガス供給弁８をオンにするまでのインターバルＴｉを短くすることができる。この例では３秒以内とすることができる。
流通管２の内径をφ０．７５ｍｍ、流通管２の長さを１．８ｍに設定し、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積を変化させてドライアイススノーを噴射させ、液化炭酸ガスの消費量、炭酸ガス供給弁８開閉に対するドライアイススノー噴射の応答性、ならびに洗浄性の指標としてドライアイススノーの衝突圧力を評価した。オリフィス３内径は０．１６ｍｍ、炭酸ガス供給弁８の開時間は０．３秒、インターバルＴｉを３秒とした。その結果を下記の表１に示す。
なお、応答性は、炭酸ガス供給弁８を閉じてからドライアイススノーの噴射が認められなくなるまでのスノー残留時間が１．０秒以内を○と評価した。また、衝突圧力は富士フィルム社製プレスケールにて測定し、衝突圧力０．５ＭＰａ以上を○と評価した。
Figure 2009195762
上記表１からわかるように、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積が０．５８ｃｍ３以内のときに良好な結果が得られていることがわかる。
流通管２の内径をφ０．７５ｍｍ、流通管２の長さを１．８ｍに設定し、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィス３までの流路の内容積を０．０６３ｃｍ３に設定し、オリフィス３内径を変化させてドライアイススノーを噴射させ、液化炭酸ガスの消費量、炭酸ガス供給弁８開閉に対するドライアイススノー噴射の応答性、ならびに洗浄性の指標としてドライアイススノーの衝突圧力を評価した。炭酸ガス供給弁８の開時間は０．３秒、インターバルＴｉを３秒とした。その結果を下記の表２に示す。
Figure 2009195762
上記表２からわかるように、オリフィス３内径が０．１２ｍｍ（開口面積０．０１１３ｍｍ２）、０．１４ｍｍ（開口面積０．０１５４ｍｍ２）、０．１６ｍｍ（開口面積０．０２ｍｍ２）、０．１８ｍｍ（開口面積０．０２５４ｍｍ２）いずれの場合も良好な結果が得られていることがわかる。
流通管２の内径をφ０．７５ｍｍ、流通管２の長さを１．８ｍに設定し、炭酸ガス供給弁８の弁座からオリフィスまでの流路の内容積を０．０６３ｃｍ３に設定し、炭酸ガス供給弁８の開時間を変化させてドライアイススノーを噴射させ、液化炭酸ガスの消費量、炭酸ガス供給弁８開閉に対するドライアイススノー噴射の応答性、ならびに洗浄性の指標としてドライアイススノーの衝突圧力を評価した。オリフィス３内径は０．１６ｍｍ、インターバルＴｉを３秒とした。その結果を下記の表３に示す。
Figure 2009195762
上記表３からわかるように、炭酸ガス供給弁８の開時間が０．１秒、０．３秒、０．５秒、１．０秒いずれの場合も良好な結果が得られていることがわかる。
本発明のドライアイススノー洗浄装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明のドライアイススノー洗浄装置の時間制御シーケンスを示す図である。
符号の説明
１：噴射ノズル
２：流通管
３：オリフィス
４：噴射ガス供給管
６：供給路
７：断熱材
８：炭酸ガス供給弁
９：圧力ゲージ
１２：圧力調整弁
１３：圧力ゲージ
１４：噴射ガス供給弁
１５：一次ヒータ
１６：温度計
１７：温度コントローラ
１８：二次ヒータ
１９：温度計
２０：温度コントローラ

Claims (7)

  1. 加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズルから被洗浄物に対して噴射して洗浄をする装置であって、
    加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する供給バルブと、上記供給バルブから供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させる絞り部と、上記絞り部から噴射ノズルに至る流通管とを備え、
    上記供給バルブの弁座から絞り部までの流路の内容積が０．５８ｃｍ３以下となるよう設定されていることを特徴とするドライアイススノー洗浄装置。
  2. 上記流通管の内径をφ０．２５ｍｍ以上φ１．５ｍｍ以内となるよう設定した請求項１記載のドライアイススノー洗浄装置。
  3. 上記供給バルブを閉じてから噴射ノズルからのドライアイススノーの噴射が認められなくなるまでの時間が１秒以内である請求項１または２記載のドライアイススノー洗浄装置。
  4. 上記絞り部の開口面積を０．００７ｍｍ２以上０．０３２ｍｍ２以内となるよう設定した請求項１〜３のいずれか一項に記載のドライアイススノー洗浄装置。
  5. 液化炭酸ガスの供給圧力を７ＭＰａ±１ＭＰａ以内となるよう設定した請求項１〜４のいずれか一項に記載のドライアイススノー洗浄装置。
  6. 上記噴射ノズルの噴射口近傍に噴射ガスを供給する噴射ガス供給管が上記流通管とは熱的に隔離された状態で存在している請求項１〜５のいずれか一項に記載のドライアイススノー洗浄装置。
  7. 加圧液化炭酸ガスを断熱膨張させることにより形成されたドライアイススノーを噴射ノズルから被洗浄物に対して噴射して洗浄をする方法であって、
    加圧液化炭酸ガスの供給を開閉する供給バルブから供給された液化炭酸ガスを絞り部で断熱膨張させ、上記絞り部から噴射ノズルに至る流通管内を流通させて噴射ノズルより噴射する際、上記供給バルブの弁座から絞り部までの流路の内容積を０．５８ｃｍ３以下としたことを特徴とするドライアイススノー洗浄方法。
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