JP2014050771A - 洗浄方法、およびこれに用いる洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 洗浄能力を維持しながら洗浄液および気体の使用量を低減可能な洗浄方法を提供する。
【解決手段】 貯留タンク１２に貯留される洗浄液は、加圧ポンプ１４により大気圧以上の圧力に加圧されるとともに熱交換部１６により大気圧下における洗浄液の沸点以上の温度に加熱され、加圧過加熱の状態となる。ノズルブロック３０は、コンプレッサ２２が供給する空気とともに加圧過加熱状態の洗浄液を被洗浄部材２４に噴射する。噴射された洗浄液は洗浄蒸気に相変化した後、洗浄蒸気の一部が液滴状態の洗浄液に変化する。洗浄蒸気、液滴状態の洗浄液、および空気が被洗浄部材２４に衝突すると、表面に付着した汚れや薬液などを除去する。これにより、大量の空気を使うことなく洗浄に有効な洗浄蒸気および液滴状態の洗浄液を生成することができる。したがって、洗浄能力を維持しながら洗浄液および空気の使用量を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、洗浄方法、およびこれに用いる洗浄装置に関する。

従来、部品の加工工程で部品に付着した汚れまたは異物を水または洗浄液で除去したり、表面処理工程で部品の表面に残留する表面処理液などの薬液を水または洗浄液で洗浄したりするとき、当該部品に水または洗浄液を噴射する洗浄装置が用いられる。例えば、特許文献１には、液体を噴射する液体噴射口と当該液体噴射口の径外方向に気体を噴射する気体噴射口とを有し、噴射される液滴の平均粒子径を小さくする二流体ノズルが記載されている。

特開２００５−２９６８７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の二流体ノズルでは、液体噴射口から噴射される液体の体積に対する気体噴射口から噴射される気体の体積の比を表す「気水体積比」を８００〜１０００とすることにより洗浄に有効な微細な液滴を生成する。このため、気体を大量に消費する。

本発明の目的は、洗浄能力を維持しながら洗浄液および気体の使用量を低減可能な洗浄方法を提供することにある。

本発明は、被洗浄部材を洗浄液で洗浄する洗浄方法であって、洗浄液を大気圧以上の圧力に加圧するとともに大気圧下における洗浄液の沸点以上の温度に加熱する加圧過加熱液生成工程と、気体を供給する気体供給工程と、加圧過加熱液生成工程で生成される加圧過加熱状態の洗浄液と気体供給工程で供給される気体とを被洗浄部材に噴射する噴射工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の洗浄方法では、加圧過加熱状態の洗浄液と気体とを同時に被洗浄部材に噴射する。このとき、キャリアとしての気体により被洗浄部材まで搬送される加圧過加熱状態の洗浄液は、相変化によって蒸気（以下、「洗浄蒸気」という）に変化した後、洗浄蒸気の一部が液化、および凝縮することにより液滴状態の洗浄液に変化する。これにより、洗浄蒸気、液滴状態の洗浄液、および気体の三相混合流が被洗浄部材の表面に衝突する。この衝突により被洗浄部材の表面に付着した汚れや薬液などが除去されるとともに、被洗浄部材の表面の形成される洗浄液の層がさらに除去しきれなかった汚れや薬液などを溶かし出す。これにより、本発明の洗浄方法では、大量の気体を使うことなく、被洗浄部材の洗浄に有効な洗浄蒸気および液滴状態の洗浄液を生成することができる。したがって、洗浄能力を維持しながら、「気水体積比」を小さくすることができ、洗浄液および気体の消費量を低減することができる。

また、本発明の洗浄方法では、洗浄蒸気および液滴状態の洗浄液が被洗浄部材の表面に洗浄液の薄い層を形成する。これにより、洗浄液が被洗浄部材の表面に留まる時間が長くなるため、被洗浄部材に対して洗浄液を保持する部材が必要なくなる。したがって、当該保持する部材に収容できないような大きな被洗浄部材を洗浄することができる。

本発明の第１実施形態による洗浄装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態による洗浄装置のノズルブロックの断面図および下面図である。 本発明の第２実施形態による洗浄装置のノズルブロックの断面図および下面図である。 本発明の第３実施形態による洗浄装置のノズルブロックの断面図および下面図である。 本発明の第４実施形態による洗浄装置のノズルブロックの断面図および下面図である。

以下、本発明の複数の実施形態について図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による洗浄装置１０を図１および２に基づいて説明する。
洗浄装置１０は、貯留タンク１２、加圧ポンプ１４、熱交換部１６、コンプレッサ２２、およびノズルブロック３０などから構成される。洗浄装置１０は、例えば、自動車部品の製造時に製品の信頼性や後工程の品質を確保するため、機械加工など前工程で付着した汚れを除去する。なお、図１中の矢印Ｆは、ノズルブロック３０から噴射される洗浄液および気体の流れ方向を示す。

貯留タンク１２は、洗浄液を貯留する。洗浄装置１０の洗浄液としては、水または含水アルコールに防錆剤を含んだ水溶性洗浄液が用いられる。含水アルコールとしては、エチルアルコールやイソプロピルアルコールなど、大気圧下における沸点が４０℃以上のアルコールで水と共沸する組成が望ましい。貯留タンク１２は、配管１３を介して加圧ポンプ１４に接続する。

加圧ポンプ１４は、貯留タンク１２が貯留する洗浄液を加圧し吐出する。吐出された洗浄液は、大気圧以上の圧力に加圧された状態で配管１５を通って熱交換部１６に送られる。加圧ポンプ１４は、特許請求の範囲に記載の「洗浄液圧送手段」に相当する。

熱交換部１６は、ハウジング１６１、ヒータ１６２、および配管１６３から構成されている。ハウジング１６１は、ヒータ１６２および配管１６３を収容する。配管１６３は、配管１５と接続している。ヒータ１６２は、配管１６３を通る大気圧以上の圧力に加圧された洗浄液を大気圧下における沸点以上の温度まで加熱する。このとき、ヒータ１６２により加熱される温度は、洗浄液が加圧されている圧力の沸点近くの温度であってもよい。配管１６３に接続する配管１７を流れる洗浄液は、大気圧以上の圧力でかつ大気圧下における沸点以上の温度である「加圧過加熱」の状態になっている。配管１７を流れる加圧過加熱状態の洗浄液は、ノズルブロック３０に送られる。

コンプレッサ２２は、配管２３を介して大気中の空気をノズルブロック３０に送る。

ノズルブロック３０は、図２に示すように略立方体形状の金属から形成されている。「噴射手段」としてのノズルブロック３０は、液体および気体を個別かつ同時に噴射可能な二流体ノズルである。ノズルブロック３０は、被洗浄部材２４を洗浄可能な位置に固定される。ノズルブロック３０には、液体通路３２および気体通路３４が軸方向に平行に形成されている。

液体通路３２は、ノズルブロック３０の略中央に形成されている。液体通路３２の液体流入口３２１は配管１７に接続する。液体流入口３２１の反対側に形成される液体噴射口３２２は、液体通路３２の内壁から径内方向に突出する突出部３２３により形成されている。このため、液体噴射口３２２の内径は、液体通路３２の内径より小さい。第１実施形態による洗浄装置１０では、液体噴射口３２２の内径は０．５ｍｍである。これにより液体通路３２を流れる加圧過加熱状態の洗浄液は、加圧された状態を維持する。

気体通路３４は、液体通路３２に略平行に複数個形成されている。第１実施形態による洗浄装置１０の気体通路３４は、液体通路３２の中心軸上の点を中心とした同心円上に４個形成される。気体通路３４の気体流入口３４１は配管２３に接続する。気体流入口３４１の反対側に形成される気体噴射口３４２は、図２（ｂ）に示すように、４個のうちの２個の気体噴射口３４２が液体噴射口３２２と仮想直線Ｓ１上に並ぶように形成される。また、残りの２個の気体噴射口３４２は、液体噴射口３２２の中心Ｃ１を中心として仮想直線Ｓ１を９０°回転した仮想直線Ｓ２上に並ぶように形成される。４個の気体噴射口３４２は、気体噴射口３４２の周縁上の点のうち液体噴射口３２２に最も近い点３４３と液体噴射口３２２の中心Ｃ１との間の距離Ｌ１が１０ｍｍとなるように形成されている。すなわち、４個の気体噴射口３４２は、中心Ｃ１を中心とする仮想円Ｑ１上に配置されている。
また、気体噴射口３４２は、その開口面積が液体噴射口３２２から噴射される洗浄液の体積に対する空気の噴射される体積の比、すなわち気水体積比が１００以下となるように形成されている。

次に洗浄装置１０を用いた洗浄方法について説明する。
貯留タンク１２に貯留される洗浄液は、加圧ポンプ１４により大気圧以上に加圧されるとともに、熱交換部１６により大気圧下における洗浄液の沸点以上の温度に加熱され、加圧過加熱の状態となる（加圧過加熱液生成工程）。加圧過加熱状態の洗浄液は、配管１７を通ってノズルブロック３０に送られる。一方、空気はコンプレッサ２２によりノズルブロック３０に供給される（気体供給工程）。

ノズルブロック３０では、供給された加圧過加熱状態の洗浄液および空気をそれぞれ液体噴射口３２２および気体噴射口３４２から同時に大気圧中の被洗浄部材２４に噴射する（噴射工程）。加圧過加熱状態の洗浄液が液体噴射口３２２から大気圧中に噴射されると、蒸気（以下、「洗浄蒸気」という）に相変化する。気体噴射口３４２から噴射される空気は、噴射された加圧過加熱状態の洗浄液と層流を形成し、洗浄液が被洗浄部材２４に到達可能なようキャリアとして作用する。洗浄液が空気によって被洗浄部材２４まで搬送される間、洗浄蒸気の一部が液化し、液滴状態の洗浄液が生成される。

被洗浄部材２４は、回転支持台２５によってノズルブロック３０に対向する位置に固定される。回転支持台２５は、被洗浄部材２４を回転させることにより、ノズルブロック３０に対する位置を変化させる。なお、ノズルブロック３０を被洗浄部材２４に対して走査するようにしてもよい。またノズルブロック３０を複数個設置してもよい。

空気に搬送される洗浄蒸気および液滴状態の洗浄液は、被洗浄部材２４の表面に衝突し、被洗浄部材２４の表面に付着した汚れや薬液を除去する。また、被洗浄部材２４の表面には、洗浄蒸気の凝縮や液滴状態の洗浄液により洗浄液の層が形成される。これにより、洗浄蒸気および液滴状態の洗浄液の衝突により除去できなかった汚れや薬液を洗浄液中に溶かし出す。汚れや薬液を含む洗浄液は被洗浄部材２４の下方に設けられる回収槽２６により回収される。回収槽２６の洗浄液はドレン２７により外部に排出される。

次に、上述した洗浄方法を用いて出願人らが行った実験における複数の実験結果を示す。

第１の実験では、被洗浄部材の表面から鉛直方向に１００ｍｍの位置に固定したノズルブロックを用いて洗浄の効果を測定した。第１の実験で使用したノズルブロックは、内径０．５ｍｍの液体噴射口を有し、距離Ｌ１が１０ｍｍの位置に内径２．０ｍｍの気体噴射口を同心円上に４個等間隔に設置している。
大気圧下における沸点が１００℃の水をゲージ圧で０．４Ｍｐａ、温度１５０℃にまで加圧および加熱することで加圧過加熱状態の洗浄液とし、気水体積比が５０となる量の圧縮空気とともに被洗浄部材に３秒間噴射した。被洗浄部材は、１５ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ２ｍｍ、表面粗さ０．８ｚのＳＵＳ製部材であって、ユシロ化学工業社の不水溶性油ユシロンカットアーバスＫＺ２１６を約２００ｍｇ／ｄｍ²塗布したもの、および、豊田ケミカルエンジニアリング社の水溶性油トヨクール３Ａ−６６６を約２０ｍｇ／ｄｍ²塗布したものの２種類をテストピースとして使用した。洗浄後のテストピースの表面の付着油分量は、抽出溶剤ＨＣ−ＵＶ４５を用いて溶剤抽出−紫外線吸収法で定量した。その結果、不水溶性油ユシロンカットアーバスＫＺ２１６の付着油分量は、２ｍｇ／ｄｍ²以下であった。また、水溶性油トヨクール３Ａ−６６６の付着油分量は、１ｍｇ／ｄｍ²以下であった。

第２の実験では、自動車の熱交換器に用いられる直径１００ｍｍ×長さ３０ｍｍの円筒状切削部品に付着する油分に対する洗浄効果を測定した。豊田ケミカルエンジニアリング社の水溶性油トヨクール３Ａ−６６６を約２０ｍｇ／ｄｍ²付着させた当該切削部品は、回転支持台に装着した。洗浄中、切削部品は回転支持台により１２０ｒｐｍの回転速度で回転する。ノズルブロックの液体噴射口は、洗浄対象の切削部品の表面から距離１５０ｍｍ、および当該切削部品に対する噴射角度が４５°となる位置に設けられた。
大気圧下における沸点が１００℃の水をゲージ圧で０．３Ｍｐａ、温度１３０℃になるまで加圧および加熱することで加圧過加熱状態の洗浄液とし、気水体積比が５０となる量の圧縮空気とともに被洗浄部材に２０秒間噴射した。洗浄後の切削部品の表面の付着油分量は、抽出溶剤ＨＣ−ＵＶ４５を用いて溶剤抽出−紫外線吸収法で定量した。その結果、水溶性油トヨクール３Ａ−６６６の付着油分量は、３ｍｇ／ｄｍ²以下であった。

第１実施形態による洗浄方法では、洗浄液を大気圧以上に加圧するとともに大気圧下では蒸気となる温度まで加熱された加圧過加熱状態とし、大気圧中の被洗浄部品に空気とともに層流混合噴射させる。層流混合噴射された加圧過加熱状態の洗浄液は、洗浄蒸気に相変化するととともに、洗浄蒸気の一部は微細な液滴状態の洗浄液に変化する。すなわち、ノズルブロック３０から噴射された加圧過加熱状態の洗浄液および空気は、洗浄蒸気、液滴状態の洗浄液および空気の三相混合流を生成する。当該三相混合流が被洗浄部材２４に衝突すると、最初に物理的作用により被洗浄部材２４の表面に付着した汚れや薬液を除去する。さらに物理的作用で除去しきれなかった付着汚れや薬液は、化学的作用により被洗浄部材２４の表面に形成される洗浄液の薄い層に溶け出させることにより除去される。これにより、大量の気体中に洗浄液を噴射することなく、被洗浄部材２４の洗浄に有効な洗浄蒸気と微細な液滴状態の洗浄液とを生成することができる。したがって、液体噴射口から噴射される洗浄液の量に対する気体噴射口から噴射される空気の量の比を表す「気水体積比」を少なくすることができ、洗浄能力を維持しながら洗浄液および空気の消費量を低減することができる。

また、第１実施形態による洗浄方法では、洗浄蒸気から形成された洗浄液の薄い層によって被洗浄部材の表面の汚れや薬液を溶かし出し除去する。これにより、洗浄液が被洗浄部材の表面に留まる時間が長くなるため、洗浄液を被洗浄部材の表面の保持させる部材が必要なくなる。したがって、大きな被洗浄部材を洗浄することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による洗浄装置を図３に基づいて説明する。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、ノズルブロックの形状が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態による洗浄装置のノズルブロック４０の断面図を図３に示す。「噴射手段」としてのノズルブロック４０には、１個の液体通路４２および１個の気体通路４４が形成されている。図３（ｂ）に示すように、気体通路４４の気体噴射口４４２は、液体噴射口４２２の中心Ｃ２を中心とする仮想円Ｑ２上に環状に形成されている。気体噴射口４４２は、気体噴射口４４２の周縁上の点のうち液体噴射口４２２に最も近い点４４３と液体噴射口４２２の中心Ｃ２との間の距離Ｌ２が１０ｍｍとなるように形成されている。また、気体噴射口４４２の開口面積は、気水体積比が１００以下となるように形成されている。第２実施形態による洗浄装置を用いる洗浄方法は、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による洗浄装置を図４に基づいて説明する。第３実施形態は、第２実施形態と異なり、ノズルブロックの形状が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第３実施形態による洗浄装置のノズルブロック５０の断面図を図４に示す。「噴射手段」としてのノズルブロック５０には、１個の液体通路５２および２個の気体通路５４が形成されている。図４（ｂ）に示すように、ノズルブロック４０の気体噴射口５４２はそれぞれ液体噴射口５２２の中心Ｃ３を中心とする仮想円Ｑ３上に円弧状に形成されている。気体噴射口５４２は、気体噴射口５４２の周縁上の点のうち液体噴射口５２２に最も近い点５４３と液体噴射口５２２の中心Ｃ３との間の距離Ｌ３が１０ｍｍとなるように形成されている。また、気体噴射口５４２の開口面積は気水体積比が１００以下となるように形成されている。第３実施形態による洗浄装置を用いる洗浄方法は、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による洗浄装置を図５に基づいて説明する。第４実施形態は、第１実施形態と異なり、ノズルブロックの形状が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第４実施形態による洗浄装置のノズルブロック６０の断面図を図５に示す。「噴射手段」としてのノズルブロック６０には、５個の液体通路６２および１０個の気体通路６４が形成されている。図５（ｂ）に示すように、５個の液体噴射口６２２は、仮想直線Ｓ３上に並ぶように形成されている。気体噴射口６４２は、５個の液体噴射口６２２の両側において仮想直線Ｓ３から一定の距離離れた位置に形成されている。気体噴射口６４２は、気体噴射口６４２の周縁上の点のうち液体噴射口６２２に最も近い点６４３と液体噴射口６２２の中心Ｃ４との間の距離Ｌ４が１０ｍｍとなるように形成されている。また、気体噴射口６４２の開口面積は、気水体積比が１００以下となるように形成されている。第４実施形態による洗浄装置を用いる洗浄方法では、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
（ａ）上述の実施形態では、洗浄液は加圧ポンプにより加圧されるとした。しかしながら、洗浄液を加圧する手段はこれに限定されない。洗浄液を大気圧以上の圧力に加圧できればよい。

（ｂ）上述の実施形態では、コンプレッサがノズルブロックに供給する気体は空気であるとした。しかしながら、コンプレッサがノズルブロックに供給する気体はこれに限定されない。窒素などの不活性気体であればよい。また、ノズルブロックに気体を供給する「気体供給手段」はこれに限定されない。圧力ボンベ、ファン、またはブロアーであってもよい。

（ｃ）上述の実施形態では、液体噴射口の内径は、０．５ｍｍであるとした。しかしながら、液体噴射口の内径はこれに限定されない。０．１〜１．５ｍｍであればよい。

（ｄ）第１実施形態では、ノズルブロックには１個の液体通路および４個の気体通路が形成されているとした。また、第２実施形態では、ノズルブロックには１個の液体通路および１個の気体通路が形成されているとした。また、第３実施形態では、ノズルブロックには１個の液体通路および２個の気体通路が形成されているとした。また、第４実施形態では、ノズルブロックには５個の液体通路および１０個の気体通路が形成されているとした。しかしながら、ノズルブロックに形成される液体通路および気体通路の数はこれに限定されない。

（ｅ）上述の実施形態では、気体噴射口の周縁上の点のうち液体噴射口に最も近い点と液体噴射口の中心との間の距離は１０ｍｍとなるように形成されているとした。しかしながら、当該距離はこれに限定されない。気体噴射口から噴射される気体と液体噴射口から噴射される洗浄液とが層流を形成すればよく、例えば１０ｍｍ以内であればよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０ ・・・洗浄装置、
１２ ・・・貯留タンク、
１４ ・・・加圧ポンプ（洗浄液圧送手段）、
１６ ・・・熱交換部（加熱手段）、
２２ ・・・コンプレッサ（気体供給手段）、
２４ ・・・被洗浄部材、
３０、４０、５０、６０・・・ノズルブロック（噴射手段）、
３２２、４２２、５２２、６２２・・・液体噴射口、
３４２、４４２、５４２、６４２・・・気体噴射口。

Claims (9)

1. 被洗浄部材（２４）を洗浄液で洗浄する洗浄方法であって、
   洗浄液を大気圧以上の圧力に加圧するとともに大気圧下における洗浄液の沸点以上の温度に加熱する加圧過加熱液生成工程と、
   気体を供給する気体供給工程と、
   前記加圧過加熱液生成工程で生成される加圧過加熱状態の洗浄液と前記気体供給工程で供給される気体とを前記被洗浄部材に噴射する噴射工程と、
   を含むことを特徴とする洗浄方法。
2. 請求項１に記載の洗浄方法に用いられる洗浄装置（１０）であって、
   洗浄液を貯留する貯留タンク（１２）と、
   前記貯留タンクの洗浄液を大気圧以上の圧力で圧送する洗浄液圧送手段（１４）と、
   前記洗浄液圧送手段が圧送する洗浄液を大気圧下における洗浄液の沸点以上の温度に加熱する加熱手段（１６）と、
   気体を供給する気体供給手段（２２）と、
   前記加熱手段および前記気体供給手段に接続し、前記洗浄液圧送手段および前記加熱手段により生成される加圧過加熱状態の洗浄液および前記気体供給手段が供給する気体を前記被洗浄部材に同時に噴射する噴射手段（３０、４０、５０、６０）と、
   を備えることを特徴とする洗浄装置。
3. 前記噴射手段は、加圧過加熱状態の洗浄液が流れる液体通路（３２）、前記液体通路に連通し加圧過加熱状態の洗浄液が噴射される液体噴射口（３２２、４２２、５２２、６２２）、前記気体供給手段が供給する気体が流れる気体通路（３４）、および前記気体通路に連通し気体が噴射される気体噴射口（３４２、４４２、５４２、６４２）を有し、
   前記気体噴射口は、前記液体噴射口から噴射される洗浄液の体積に対する前記気体噴射口から噴射される気体の体積の比が１００以下となるように形成されることを特徴とする請求項２に記載の洗浄装置。
4. 前記液体噴射口は、前記液体通路の内壁から径内方向に突出する突出部（３２３）により形成されることを特徴とする請求項３に記載の洗浄装置。
5. 前記気体噴射口は、前記気体噴射口の周縁上の点のうち前記液体噴射口に最も近い点（３４３、４４３、５４３、６４３）と前記液体噴射口（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）の中心との距離（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）が、１０ｍｍ以内となるように形成されることを特徴とする請求項３または４に記載の洗浄装置。
6. 前記気体噴射口は、前記液体噴射口の中心（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）を中心とする仮想円（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３）上に配置されることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の洗浄装置。
7. 前記貯留タンクに貯留される洗浄液は、水または含水アルコールであることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の洗浄装置。
8. 前記貯留タンクに貯留される洗浄液は、大気圧下における沸点が４０℃以上の含水アルコールであって、
   当該含水アルコールのアルコール濃度は、水と共沸可能な濃度であることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の洗浄装置。
9. 前記気体供給手段が供給する気体は、不活性気体であることを特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の洗浄装置。

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