JP3896164B2

JP3896164B2 - Superheated steam dryer system

Info

Publication number: JP3896164B2
Application number: JP51000498A
Authority: JP
Inventors: クラーク，ロバート・エイチ; グリーン，アンソニー・ケイ; シケス，スティーブン・イー
Original assignee: フォワード・テクノロジー・インダストリーズ・インコーポレイテッド
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: WO1998006889A2; KR20000030012A; WO1998006889A3; KR100492026B1; ID18031A; TW413725B; JP2000516334A; MY121614A

Description

技術分野
本発明は、飽和温度を越える蒸気を加熱しパーツをきれいにして乾燥するために過熱を用いる過熱蒸気ドライヤーデバイスおよびプロセスに関する。特に、本発明は、水や他の汚染をパーツから精度よく除去するためイソプロピルアルコールや等価低発火点溶媒のような可燃性溶媒を用いるための蒸気ドライヤーに関する。蒸気ドライヤーシステムは、幅広い個数、立体構造、表面積を有するパーツを大量に製造するときに、正確な温度規制が可能である。
背景技術
種々のタイプの蒸気脱脂および蒸気乾燥デバイスおよびプロセスが、プロセスパーツおよびコンポーネントから汚染を除去するときに用いる従来技術として公知である。特に、脱脂装置は、メカニカルパーツなどの通常は金属のアイテムを、タンクや容器に閉じ込められた気体又は液体の溶媒溶液にさらすことによって、それらからグリスや異物をきれいにするように設計されている。一般に、脱脂装置に用いられる溶媒は、パーツや関連工業プロセスから脂肪やオイルを除去するポリハロゲン化ハイドロカーボンを含む。しかし、脱脂装置とは異なり、このような汚染を除去するための過熱の使用は、ほとんどのクリーニングまたは乾燥が達成される蒸気ゾーンを確立して維持するために、システムコンポーネントのデリケートなバランスを必要とする。本発明によって達成されるようにしてコンポーネントの熱バランス、熱ロードおよびスループットを最適化するシステムは、まずない。しかし、少なくとも原則として公知であるシステムの以下の点は関連する。
一般に、蒸気クリーナおよびドライヤーは、多量の溶媒を沸騰させ、蒸気ゾーンに挿入されたパーツをきれいにしおよび／または乾燥するために用いられる過熱蒸気にする種々の手段を用いる。このようなシステムの技術的な開示は、沸騰した溶媒がパーツ積荷の下で直接生成されるクオーツタンク、電気ヒータおよび他のコンポーネントの使用を記しているようである。パーツは、ドリップトレーによって沸騰している溶媒（沸騰たまり）から分離することができる。これらや類似のシステムの共通の問題は、パーツから除去された水分がシステムの底へ向かって重力で落下するときのリフラッシュ（再急速気化）である。これによって、システムは非効率となり、汚染の問題が生じる。
公知の蒸気ドライヤーもまた、ヘビーなパーツのローディングの下では、蒸気ゾーン崩落の可能性がある。この「ワークショップ」は、サブ冷却温度でのプロセスパーツの大きな質量および／または表面積が蒸気ゾーン内の全ての到達可能溶媒蒸気を凝縮し、周囲の空気がドライヤー内に殺到して真空になることができるときに、発生する。この状態は、パーツの潜在的な汚染を許容し、蒸気ブラケットがボトムアップから再確定されるので不均一な加熱および蒸気リンスをもたらし、蒸気ゾーンがリカバーするときに不必要な遅れをプロセスサイクルに加えるので、好ましくなく。
公知の蒸気乾燥システムも、凝縮している領域内において空気-蒸気界面線を越える上側冷却ゾーンにおいてパーツ乾燥を達成している。リンスサイクルの終わりにおいて、これらのタイプのシステムにおけるプロセスパーツは、蒸気ゾーンから去るときにパーツに残る「ドラッグアウト」と呼ばれる液体溶媒の薄膜を有する。この上側冷却ゾーンにおいて、熱いパーツは、この液体から、上側冷却ゾーン内の相対的に冷たい空気に直ぐに放出され、蒸発を経て、システムから回収する前に完全に乾くことができる。しかし、この方法は、溶媒蒸気がシステム換気排出によって次に取り除かれ、また、逃げた蒸気が装置の上部から放出されるので、永久に失われるるので、好ましくない。
このような問題および他の問題は、以下に説明する過熱蒸気乾燥技術およびシステムによって解決される。
発明の要旨
本発明は、等価低発火点を有するイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの可燃性溶媒を沸騰して凝縮し、デバイス／装置内にロードされたプロセスパーツから水分などの汚染を除去する正確な手段を提供するシステムを備える、過熱蒸気乾燥デバイスおよびプロセスを包含する。パーツは適宜装置に入り、好ましくはバッチ（一群）で、自動リフトアセンブリにより、入る。蒸気ゾーンに入るとき、溶媒は、温度差によってパーツに凝縮して付着し、それによって汚染に置き換わる。この凝縮／汚染廃棄ストリーム重力は、勾配があり温度制御されたドリップ又は回収トレーを経て、バッファータンクへ引き下げられる。パーツ上への蒸気凝縮が止んだ後、１または２以上のオフセット沸騰たまりと分離された蒸気熱交換器によって生成された過熱蒸気を用いて乾燥が達成される。パーツに残っている液体溶媒は、蒸気ゾーンでフラッシュドライ（急速気化乾燥）され、パーツはきれいになって乾燥する。
本発明の独特な特徴および利点には、パーツのより速い乾燥と、溶媒消費の減少とが含まれる。これは、崩落しない安定した蒸気ゾーンを維持し、それによってよい短いドライサイクル時間とすることができ、より処理量を大きくすることができることも、一因である。さらに、温度制御された回収トレーは、水分／ＩＰＡが蒸気になるリフラッシュをできるだけ少なくする手段を有利に与える。さらにまた、デュアルスライディングカバーは、空気-蒸気界面の乱れをできるだけ小さくすることによって、蒸気のロスを減少する。デュアルスライディングカバーの下側は、タンクの内容物を汚す前に回収して放出するために、入ってくるパーツから液体を回収して去る方向に導くように構成されている。
本発明は、ディスクドライブ媒体、フラットパネルディスプレイ、セミコンダクターウエハー、精密機械コンポーネント、光学器機、医療デバイスおよびコンポーネント、および類似の製造されたパーツから、制限なく、水分を正確に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、蒸気脱脂装置の大略垂直面図である。
図２は、他の蒸気脱脂装置の大略垂直面図である。
図３は、他の蒸気脱脂装置の大略垂直面図である。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略垂直面図である。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略垂直面図である。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略垂直面図であって、部分的に流体の流路を示した図である。
図７は、図６のコントロールエアーシステムを大略的に示した図である。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略垂直面図であって、部分的に流体の流路を示した図である。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略側面図である。
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略端面図である。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略端面図である。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る過熱蒸気乾燥システムの大略上面図である。
図１３Ａ，１３Ｂは、夫々、カバー構造の平面図及び側面図である。
図１４は、コンピュータシステムに設けられるプログラム可能なロジックコントローラのハイレベルブロック図である。
図１５Ａ，１５Ｂは、ドライヤーシステム用のハイレベル論理プログラムを示す図である。
発明の詳細な説明
過熱達成の臨界点は、どれくらいの熱が与えられるかと言うことよりも、むしろ、それが何処に設けられるか（加えられるか）と言うことに関係している。一旦、システムが飽和状態になると、温度及び圧力は、もはや、独立した性質ではなくなり、その液体にエネルギーを加えることにより、沸騰速度だけが増し、蒸気の温度は、高くならない。これは、ポットの湯を沸騰させるストーブの熱を大きくしても、沸騰を早めるだけで、それ以上熱くならないことから容易に立証される。しかし、もし、熱が一定の圧力下における蒸気相に加えられた場合には、その蒸気の温度は、過熱領域に至るように高くなる。
製品のパーツが溶液から取り除かれたとき、それらは、過熱蒸気に対して露出される。熱がパーツに移動するにつれて、残留しているすべての液体の溶剤は、沸騰して蒸気ゾーンに至り、これにより、パーツがシステムから取り出されたとき、乾燥してきれいになっている。溶剤の蒸気は、システムのフリーボード内に設けられた主たるコンデンサー内に収容されている。適切に設計されているシステムにおいて、冷却用コイルは、その溶剤を含んでいる蒸気から、余分の熱を容易に取り除くことができる。
ここで、飽和蒸気ゾーンを用いる周知の蒸気脱脂装置について、考察する。熱はもっぱら液状相に加えられるから、パーツは、溶剤の沸点以上に加熱されることはできない。そして、パーツは、蒸気による各リンス（すすぎ落とし）サイクルの終わりで、液体の薄膜（薄いフィルム）を保持している。この液体は、飽和状態の蒸気ゾーン内で、スチームバス内で人の肌から汗が乾燥するより以上に、より良く蒸発することができない。従って、飽和システム内においては、完全に乾燥させることは、物理的に不可能である。
さて、乾燥したパーツは、蒸気脱脂装置から移動する。パーツは、蒸気ゾーンから外部に出るので、それらは、フリーボード領域におけるより冷たい空気内に入る。パーツのより高い温度は、液状溶剤を速やかに強制的に大気中に追いやる。そして、パーツは、それらが、あたかも加熱システム内に収容されていたかのように、全く乾燥した状態で取り出される。しかし、相違点の一つとして、この洗い流しによる乾燥方法（method of flash drying）においては、ジグやバスケットを含んで、溶剤が各サイクル毎に発散してなくなってしまう。
加熱システムにおける乾燥時間は、パーツ側の配列によって、周知の脱脂装置よりも数倍早くなり得る。これは、乾燥ステップの最終温度が高温だからであり、それを蒸発させるための溶剤により大きいエネルギーを移動（付与）させることができるからである。典型的なシステムは、２０°F〜４０°Fの過熱で動作するが、しかし、溶剤の沸点より高い５０°F〜６０°Fで動作することもできる。これにより、平均して１０ポンドパーツの負荷に対する乾燥時間は、（会社内部のテストで確認されているところに依れば）２〜３分になっている。
過熱蒸気による乾燥の適用例は、医学、エレクトロニクス、航空宇宙、光学的器械コンポーネント、及び精密機械コンポーネントを含むところの、いくつかの標準的な蒸気脱脂装置のそれと同様である。この技術は、もし、それを沸騰させることが可能であり、それを過熱することができるものであれば、可燃性溶剤及び非可燃性溶剤の両方に容易に適用できる。代表的な溶剤は、イソプロパノール、シクロヘキサン、アセトン、ＨＣＦＣｓ、ＨＦＥｓ、塩化メチレン、等等可燃性である。引火性溶剤の場合、上昇せしめられる過熱温度は、自己着火温度以下の温度である。たとえば、ＩＰＡは、１８１°Ｆで沸騰する。５０°の過熱温度は、自己着火温度である７５０°Ｆよりも十分低い。
上記の如く、過熱蒸気を発生させるには、第2の熱交換機が必要であり、これにより、必要な熱は蒸気相に直接に加えられる。これに関する問題は、熱伝導係数（熱伝導係率、Ｕ−ｆａｃｔｏｒ）がそれらの対応する液体の１００分の１程度に小さくても良い点である。対流（還流）性の熱伝導式を用いると次のようになる。すなわち、
第１式：Ｑ＝ＵＡ（Ｔｈ−Ｔｃ）
ここで、Ｑ＝熱伝導率（Ｂｔｕ／ｈ）
Ｕ＝全体的な熱伝導係数（Ｂｕｔ／ｈ／ｆｔ²／２０°Ｆ）
Ａ＝熱伝導面積（ｆｔ²）
Ｔｈ＝熱源の温度（２０°Ｆ）
Ｔｃ＝ヒートシンクの温度（２０°Ｆ）
同一の熱源をもって同一の熱伝導及び同一の過熱度を実現するには、熱交換器の表面積は、１００のファクターで増加しなければならない。加えて、溶剤をシステム内で駆動するための駆動力は、その沸騰と凝縮（液化、condensing）である。従って、沸騰させる速度（rate）は、過熱装置（superheater）内の蒸気の滞在時間を制御する。沸騰速度が増すにつれて、蒸気ゾーンは、最終的に完全に飽和する。これは、蒸気が、十分に伝導されるべき熱に対して非常に早く過熱装置の傍を通過するからである。過熱を維持するための低沸騰速度（low boil rate）は、蒸気で脱脂することの重要な特徴の一つ、つまり還流（reflux）と、矛盾することになる。溶剤の高移動速度（high turnover rate）は、パーツが決して行かないようにした、溶解可能な汚染物を沸騰サンプ内に集中させて、きれいな浸漬浴を維持するのに必須である。この現象は、指数関係を伴う。
第2式：Ｃｔ＝Ｃ₀ｅ^(-Rt/V)
ここで、Ｃｔ＝時間ｔにおける汚染物の濃度
Ｃ₀＝初期濃度
Ｒ＝除去（還流）速度（gal/h）
ｔ＝（ｈ）
Ｖ＝タンクの容量（gal）
たとえば、１０gal/hの割合で沸騰せしめられ凝縮せしめられる１０ガロンの浸漬タンクは、１時間後には、６３％きれいになっており、また、３時間後には、９５％きれいになっている。溶解可能な汚染物質は、沸騰サンプ内に集められる（図2参照）。
上記還流速度に関する付加的な関心事は、冷たいパーツが蒸気ゾーン内に挿入されるとき、十分な熱が存在していることにより蒸気ブランケットが維持されることである。これは、ワークショップ（“work shock”）として知られており、これは、さらに他の変数を熱伝導バランス（均衡）に挿入する。もし、加熱が不充分である場合には、この蒸気ブランケットは破壊し、エアーは運び去られ、蒸気ブランケットが復帰せしめられたときにエアーを有する溶剤蒸気（air-ladensolvent vapor）はシステムから排出されるであろう。また、蒸気サンプは、溶解可能な汚染物に満たされるつれて、溶剤の沸点は上昇し、これにより、溶剤を沸騰させるべく付加的な熱が必要になるであろう。過熱システムの制御は、かなり複雑になり得る。と言うのは、製造環境（production environment）における還流と過熱との間のバランス（均衡）が、デリケートだからである。
より厳格な溶剤システムに対する必要条件がここに存在する。これらは、環境、健康、安全性、溶剤の消費、に対する関心により規制されている。汚染物の増加ため、過熱乾燥は、これらの問題の処理に当たり、優れた選択肢となる。たとえば、過熱蒸気乾燥は、ナショナル・エミッションズ・スタンダーズ・フォー・ハザダス・エアー・ポリュータンツ（ＮＥＳＨＡＰ）に含まれる制御技術の一つ、つまりハロゲン化溶剤クリーニング（Halogenated Solvent Cleaning）、になっている。たとえば、バッチ蒸気システム（溶剤／エアーインターフェース＜１３ｆｔ²）に対して、１０の許容される制御（装置の）組み合わせのうち、４つは、過熱（装置）の使用を含んでいる。過熱システムにおける稼動時の損失は、主として、低抵抗（抵抗力、lower dragout）のため、飽和脱脂装置の１／３程度であり得る。
過熱は、パーツを乾燥させる単なる方法ではない。それは、一つのオプションとして、溶剤システムに用いられている。パーツは、溶剤の沸点以上に過熱されるため、液体は、殆どあらゆるパーツの配置から洗い流される。周知の蒸気脱脂装置（飽和システム）において、乾燥は、蒸気ゾーン内において物理的に不可能であり、従って、この乾燥は、フリーボードへ引き出された時だけ生じる。これらの蒸気を捕らえて再利用することは、確かに、現実的である。しかし、付加的な汚染物手段を取らねばならない。過熱蒸気乾燥により、洗浄システム内に溶剤を保持する一方、簡単であり且つコストの上で効果的な、溶剤システムにおけるパーツの乾燥方法が提供される。
蒸気乾燥システムの分野においては、多数の問題が存在している。これらの問題の幾つかは上記した。他の問題は、機械的若しくは熱力学的見地から、所望の性能を達成するべく構成された特定の装置の無能力性に関係している。従って、本発明の過熱蒸気乾燥システム及び装置は、より有能（capable）であり且つより反応的な加熱及び制御システムを使用することにより、これらの多々の技術的課題を克服するように設計されている。これらのシステムにより、種々の熱負荷に対する敏速な応答が得られる。これらのシステムは、安定しており且つ十分に過熱された蒸気ゾーンを維持するための種々の手段を有している。
周知の刊行物は、過熱蒸気乾燥を開示している。しかし、実際的な欠点は、明らかに存在している。たとえば、一つのシステムでは、アッパータンク壁を加熱するようになっており、溶剤の蒸気を溶剤の沸点以上に上昇させるようになっている。この方法は、実際的であるように見える。しかし、十分なパーツを乾燥させるのに必要とされる過熱レベルを発生させるには、比較的、非効率的である。図１〜３は、他の周知の過熱脱脂システムの構成を示している。各々、種々の固有の問題を有している。図1,2において、それらのシステムは、浸漬洗浄装置として構成されている。これらの装置において、パーツは、先ず、浸漬サンプ３８，４４，４６内に浸漬され、次いで、該パーツは、過熱された蒸気１８，２６で乾燥される。図３が示しているシステムにおいては、予め浸漬を行うことは要しない。このシステムは、むしろ、単に、過熱された蒸気を用いて蒸気ゾーン内に設けられたパーツを洗浄するようになっている。各例において、図は、洗浄用蒸気を発生させる沸騰した溶剤を収容するサンプ１２，４８，５６がパーツが装置内に挿入される垂直位置から外れたところに設けられている配置を示している。また、各図は、沸騰サンプから発せられる蒸気を特定の経路に維持するように構成されたバッフル装置４２，５２，６０を示している。この特定の経路は、過熱コイル又は熱発生源２４，５０，５８を通過している。
これとは、対照的に、図４に大略的に示す過熱蒸気ドライヤー１００は、正確な全体的バッチ洗浄動作を制御するプロセスと同様、加熱し洗浄し乾燥させる、遥かに進んだシステムである。蒸気ドライヤーシステム１００は、パーツが装置内に置かれているときに、溶剤の蒸気を凝縮する手段により、加工中のパーツ（process parts）から水や他の汚染物を取り除くように構成されている。次いで、過熱蒸気乾燥の使用を通して、乾燥が行われるようになっている。あらゆる液状溶剤とその蒸気との間における全体的な熱伝導係数（U-factor）の大きな相違により、蒸気相内に十分な熱を直接的に伝導させるべく周知のシステムのものより有意に大きな表面積を有する第2の熱変換機（の使用）が推奨される。
洗浄されるべきパーツ及びジグ（fixturing）は、初期に、セットされたトレイ(set-down tray）に置かれるか、若しくはフックから吊り下げられる（６，１１参照）。これらのパーツ及びジグは、サイクルのスタート時点において、自動持ち上げアームの手段によりシステム内に搬入されることが好ましい。連続的な溶剤蒸気ブランケットが発生せしめられ、そして、該ブランケットは、１つ以上のオフセット沸騰サンプ１０６，１０８内の熱源の手段により維持される。（沸点以下に）補助的に冷却されたパーツが蒸気ゾーン内に挿入されるにつれて、蒸気は、直ちに、それらの上で凝縮されるであろう。このとき、重力によりパーツから水及び汚染物を洗い流す液状フィルムが形成される。サイクルの開始において、付加的なエネルギーが速やかに沸騰サンプに供給され、蒸気の発生が後押しされる。これにより、パーツが十分に温まるまでの間、初期の急速な凝縮が克服される。パーツが蒸気ゾーンに残留している間、温度は、除々に、飽和状態に接近するであろう。そして、パーツと蒸気ゾーンとの間の蒸発速度と凝縮速度とが平衡に達したとき、凝縮は、停止するであろう。各沸騰サンプ上の２つ目の熱交換機１１２は、沸騰サンプの熱源に対して大きな表面積を有しており、蒸気相内に直接、付加的なエネルギーを伝達するようになっている。これにより、その温度は、沸点（過熱、superheat）より上昇せしめられる。
沸騰サンプのヒートジェネレータの表面積に対する過熱装置の表面積の好ましい割合は、１：１よりも大きい。より好ましい割合は、２：１よりも大きい。そのアッパー領域（レンジ）は、種々のシステムのパラメータ及び制御ソフトウエアーのアルゴリズムで決定される。この割合を決定すべく考慮すべき事項の幾つかは、現象として良く理解されない他の事項と同様に、上記した。たとえば、パーツの寸法と、それらの搬入温度とは、動作の成否を決するファクターになっている。従って、システム１００は、システム内に挿入する前にパーツを補助的に冷却するための手段を備えている。１実施形態において、この補助冷却は、周囲温度において脱イオン化された水のバス内に浸漬することで行われる。
別の関心事は、汚染された濃縮物をリフラッシュする問題である。そのパーツを排出する水／溶剤の混合が、パーツをきれいにするために用いられるような同じ蒸気通路によって加熱されているディップトレイまたは類似した捕集機構と始めに接触するとき、これが引き起こされる。すでに既知のシステムでは、このトレイは、温度調節されておらず、その連続接触によって溶剤飽和（沸騰）温度のままであり、沸騰点（例えば、イソプロピルアルコール（IPA）に対しては180°F）で蒸気の沸騰たまりから蒸気を発生させる。溶剤蒸気はそのパーツ上に凝結して、すすぐとともに水汚染物を除去するので、それが共沸混合物（IPA中に12.6重量%の水まで）を形成することができ、混合物の沸騰点（例えば、水/IPAのブレンド物に対しては176°Fまで）を下げることができる。これらの共沸混合的な小滴重力がそのパーツから奪い去り、下方で180°Fのドリップトレイと接触する。このデザインによって、水/IPAの共沸混合物を蒸気相にリフラッシュすることができる。その結果、プロセスパーツ上に水が再び付着し、それによって最終製品上に欠陥ができてしまう。
本発明において、この技術的な問題は、小滴が蒸気にリフラッシュしないように、水/溶剤の混合物の沸点よりわずかに下の温度に保持される温度制御された捕集表面121を用いることによって解決される。望ましい差異は、溶剤が用いられる沸騰温度より少なくとも約5°〜10°華氏下である。流体の重力はバッファタンク125の中に直接排出され、トレイの傾斜がこのバッファタンクに移す時間を最小にするのに十分なほど急峻にデザインされて、リフラッシュをさらに抑止する。一つの実施形態において、約10°の傾斜を利用するとうまくいった。しかしながら、特別なシステムデザイン特徴の観点からは、他の傾斜も可能である。有利なことには、傾斜は、汚染物汲み出し濃縮物の重力降下を高めるためにも傾斜をゆるくされる。バッファタンク125から、水-溶剤の混合は、外部の廃物の入れ物にポンプで揚げられる。沸騰たまりへのメイキャップ溶剤は、外部のきれいな溶剤貯蔵からシステムに、同様にポンプで揚げる。
上述した特徴に加えて、図4は、沸騰たまりに熱源を与える手段としての加熱コイル133と、蒸気ゾーン145を設置するために設計された領域より上に構成された凝結コイル138とを開示している。一つの実施形態において、スライドドア149は、熱交換及び溶剤損失をさらに制御するために設けられている。
上記のように、蒸気生成は、第二の熱交換器（過熱装置として参照される）を備えた一つ以上のオフセットされた沸騰たまりによって沸騰液体上に直接与えられる。単一の沸騰たまりの過熱蒸気ドライヤーの実施形態を、図5に示す。複数の沸騰たまりの実施形態を、図4，6，8，11，及び12に示す。オフセットされた沸騰たまりの場合、排水だめの間の均等なライン163は、圧力及び液体レベルでのあらゆる変化でも除去する。均等なライン163は、蒸気ブラケットの完全性を維持するために、本発明の他の機構と構造と協働する。これは、本発明の多くの臨界エレメントの一つである。特に、安定な蒸気ブラケットを維持することによって、パーツは、汚染物質を残すことなく、完全にきれいにされるとともに乾燥した。特に、二つのオフセットされた沸騰たまりが、部分負荷を充分に包囲する容量を備えた蒸気ブラケットを与え、このように全ての面の全表面エリアを同時に覆う。高エネルギーの蒸気ブラケットによって、IPA蒸気でそのパーツから全ての水をフラッシングすることによって、パーツを確実にきれいにするとともに乾燥する。鋭く対照すると、現在の技術は、汚染をあとに残している間、水をフラッシュするために熱を用いている。例えば、フラッシュ乾燥プロセスが、部分負荷挿入の間、蒸気ブラケット崩壊による既存の蒸気ドライヤーにおいて用いられる。沸騰たまりと過熱ヒータ用の熱の例は、電気の投げ込みヒータ、及び、間接的なお湯、グリコール、そして蒸気である。上記のように、過熱ヒータの熱発生能力又は表面領域は、蒸気相の低伝熱性に打ち勝つとともに十分な伝熱を確保するために、沸騰たまりのそれを越えなければならない。
運転中、きれいにされるパーツは、過熱蒸気ゾーンとして制御されるゾーンの中に、副冷却された状態で装填される。蒸気が、沸騰たまりから放出され、それから、過熱ヒータを通って自然の対流によって流れて、過熱蒸気ゾーンに流れる。そのパーツは汚染物質/水の濃縮除去を受ける。さらに、過熱蒸気は、そのパーツを乾かす。その後、そのパーツは、凝結コイルを通って持ち上げられ、除去する前に乾燥プロセスを完了する。
そのパーツ上で凝結していない蒸気は、主要な凝縮領域に上がる。そこでは、蒸発の著しい（過熱した）潜熱が除去され、溶剤が液相に戻る。この蒸気はおそらく汚染されたプロセスパーツと接触しないので、この留出液が清潔なものとみなされ、ダウンカマー配管を通して沸騰たまりに直接戻る。そこでは、沸騰及び凝縮のサイクルが新たに開始する。飛散した溶剤放出は、乾燥サイクル（すなわち作業モード）の間に閉じられるとともに、プロセスパーツエントリ又は除去の間に開いているだけの水平なスライドカバー167の使用によって最小化される。このカバーは、一つ又はツーピースのデザインであるが、常に水平面で動いて、空気-蒸気インターフェースの中断を最小化するとともに、熱負荷メンテナンスプロセスで補助する。このことは、従来のクラムシェルタイプのドアを開ける間に、蒸気吸入を受けるという望ましくない効果を除去する。この実施形態において、2分割の水平なスライドカバーシステム167が単一の面で動き、パーツを位置ぎめする間に蒸気ドライヤーからの蒸気吸引を低減する。
しかしながら、主要な凝縮器とスライドカバーを越えて上がるあらゆる蒸気は、図4に示されるようなリップベントな排出多岐管216によって取り除かれ、生産環境に潜在的に可燃性又は有毒な溶剤蒸気の導入を最小にする。良性の溶剤がドライヤー中に用いれるならば、このリップベントは除去される。１つの実施形態において、このシステムは、フラッシュ取り付けリップベント排出を備え、部分処理と関連システムとインライン統合とのための蒸気ドライヤーとロボット的な相互作用を容易にする。
沸騰たまりにおける液体レベルと過熱ヒータとの間のギャップ172（図6）は、溶剤蒸気のマルチパス加熱のためにあり、それは伝熱のための対流流動に依存する。断続線177によって図6に示す対流の流れは、副冷却の温度制御された捕集表面121によるのと同様に、過熱蒸気ゾーン145の中に始めに配置された副冷却されたパーツ184の冷えた吸引効果によって補助される。もう一度言うが、これは、改良された熱負荷、還液、蒸気生成速度、及び全体的な性能改良を可能にする、本発明の先進的な構成と本制御機構の別の面である。これらの及び他の特徴は、チップキャリアトレイ又は他の構成要素と装置のような非常に大きいパーツを乾燥するときに、信頼性の高いシステム操作を可能にする。
図6は、さらにリフトシステム185を開示している。蒸気ゾーン145の完全性を維持するとともにリフレックス速度（すなわち、熱力学平衡が冷えた物体の導入のショックから元に戻る速度）を最小にするために、リフトシステム185は、振動又はガタガタした動きなしで、タンクの中及びタンクから動く。リフトシステム185の動きは、プログラムできる論理コントローラーによって制御される。挿入速度、引き出し速度、及びタンク内の線形の運動は、タンクでいつでもパーツの位置を正確に位置決めするために感知される。有利なことには、本発明のこのユニークな特徴は、蒸気ゾーン145の完全性を維持されるのを可能にする。この特徴は、スライドカバー167とリフトシステム185との間での正確な調整を可能にする。
図7は、図6に示された本発明の実施形態のための制御空気システムの模式図である。
図8は、部分的な流動通路、ガス流れ検知サブシステム192，194、及び火気抑制サブシステム197を含む、本発明の過熱蒸気乾燥システムの第３の実施形態の模式図である。ガス流れ検知サブシステム192は、リップベント排出システムの一部としてリップベントガス流れを感知することを与える。ガス流れ検知サブシステム194は、タンクと外部容器との間での赤外線ガス検出を与える。火気抑制サブシステム197は、検出サイト201、起動、指示、及び警報パネル205、CO₂の供給と放出208，209を含む。
図9〜11は、本発明の過熱蒸気乾燥システムの別の実施形態の模式図を示す。
図12は、その実施形態の平面図を示す。これらの図は、蒸気ドライヤー100内にある複数のウェハースキャリア210を示す。
様々な修正及び特徴を、上で開示した蒸気乾燥の実施形態に加えることができる。1つの実施形態（AD-Seriesとして知られる）は、ミネソタ州のミネアポリスのフォワードテクノロジー工業社によって製造されている。このシステムは、濃縮物捕集トレイの温度を制御するのに使用する強力で安定な蒸気ブラケット、回復時間を低減する蒸気発生特徴、及び作業モードの2分割の水平なスライドカバーとを維持するための手段を備える。この実施形態において、余分な熱は、蒸気ゾーンに入っている冷えた熱量の負荷ショックに打ち勝つために各プロセスサイクルの始めに加えられる。この蒸気発生特徴は、入手可能な熱交換表面エリアの素早く増加させるための、急速な応答の熱湯隔離弁手段を開けるための手段を与えることによって達成される。本実施形態において、プログラム可能な時間遅れと蒸気発生継続特徴は、補足的な熱交換特徴に対する自動制御を与える。蒸気ブラケットの制御を改良する際にこの特徴に必要なことに対する製造者の理解が幾分不足していたために、このことは、過熱蒸気乾燥システムにおいて前に知られていない制御特徴である。このプログラム可能な時間遅れ及び蒸気発生継続は、異なった部分負荷に応答するが、他の新しい特徴と協働して、他のシステムよりパーツの高いスループットに適した非常に安定した蒸気乾燥システムを作成するという、制御可能な特徴である。図6を参照すると、コイル218はPLC 230によって制御されており、蒸気発生の熱容量を達成する1つの手段を与える。
図13A及び13Bは、スライドカバー167の平面図及び側面図をそれぞれ示している。汲み出し開口部211及び搬送開口部212を示している。スライド（2つのドア）カバー167のユニークな特徴の一つは、蒸気ゾーン145の妨害を避けて、蒸気包囲の妨害を最小にして、周囲環境に蒸気を放出することを制限する、その水平方向の動きである。このことは、ドライヤーシステム100がきれいな部屋の領域に取り付けられるときに、特に重要である。スライドカバー167の別のユニークな特徴は、排水傾斜213であり、スライドカバー167の下に組み込まれた構造である。排水傾斜213は、入って来るパーツからの水をトラップし、放出用の側面まで水を水路によって運ぶ。乾燥したパーツの再汚濁を避けて、それがドライヤーシステム100のセンターセクションから、濃縮物の滴下水を除去するので、排水傾斜213は特に注目すべきである。さらに、排水傾斜213は、周囲の領域への望ましくない蒸気放出を低減した。
図14は、ソフトウェアおよび関連する重要なサブシステムのハイレベルブロックダイアグラムである。具体的には、コンピュータシステム225は、プログラム可能なロジックコントローラ（ＰＬＣ）230を含むソフトウェアをインターフェイス226を介して実行するプラットフォームを提供する。ＰＬＣ230は、工程の特徴およびパラメータ232、カバー機構234、転送機構236、安全/シャットダウン特徴238、およびアイドルモード特徴240を制御する。詳細には、ＰＬＣ230はパネルに設けられた操作者インターフェイスモジュールを備えており、これによって、すべてのシステム作動パラメータを制御し、変更し、モニタリングする。また、警告状況を表示する。操作者モジュールを介してＰＬＣ230に多数のレシピを記憶させてもよい。ＰＬＣ230による工程の特徴/パラメータ232への制御アクセスをパスワードを設けることで保護してもよい。さらに、ＰＬＣ230の遠隔プログラミングおよびモニタリングを可能とするためにモデムを設けてもよい。
以上に説明したように、本発明の蒸気乾燥システム100は、オフセットされた２つの熱湯パン106、108を備える蒸気チャンバ145と、蒸気を発生させる過熱器１１２とを提供する。上述のパーツから凝縮したものは、温度制御されたドリップトレイ121を介して重力によって排出され、バッファタンクに到る。外部において廃棄溶剤が回収されるか、または処分される。幾何学的構成の大部分が、過熱蒸気領域145によって全体的に乾燥パーツとなり、これが蒸気乾燥システム100を出て行く。過熱蒸気による乾燥は、ドラグアウトによる蒸気ロスおよび溶剤使用量が減少するので非常に有利である。
これらの主要コンポーネントに加えて、蒸気乾燥システム100は、サブコンポーネント、並びに周辺の装備および制御装置を含む。主要コンポーネント、サブコンポーネント、および周辺装備の装置および制御は、ＰＬＣ230によって統治される工程の特徴/パラメータ232を含む。工程の特徴/パラメータ232の要素の幾つかは、内部エイリアス、加熱、冷却、排出制御、および蒸気ロスの制御を含む。タンクは、溶剤につけられた熱交換コイル133によって加熱されている。熱交換コイル133内の混合液体は、加圧され遠隔に配置された電気加熱システムによって供給される。蒸気乾燥システム100の加熱容量は、周囲温度からほぼ45分で、バッファタンク125、蒸気領域145、および凝縮ドリップトレイ121内の作動温度を一定値にまで調整し、少なくとも１時間に８ガロンの高速の溶剤蒸留を維持し、蒸気領域145内を20〜50℃だけ過熱するのに十分なものである。
空気および水の両方の冷却システムを用いて、システムの冷却が有効に行われる。代表的には、乾燥システム100は、華氏40〜45度の冷却水を毎分ほぼ１０ガロン必要とする。これらを越えるパラメータで作動したとしても大きな問題は生じないが、蒸気の発散が高レベルとなる。乾燥システム100は、加熱および冷却バルブ、並びに充填および排出ポンプを備えており、これらは、60〜90psiのクリーン乾燥空気を最大で15cfm有することとなるように空気制御されることが好ましい。同様に、排出制御は、乾燥システム100の重要な特徴である。詳しくは、２インチの静圧において、ほぼ150cfmの排出流れを作り出すことのできるブロワが必要となる。ブロワは、その出力源がメインシステムから独立しており、アイドル状態や緊急のシャットダウン状態においても作動を続ける。さらに、蒸気ロス制御の特徴およびパラメータは、少なくとも100％のフリーボード比までのフリーボードデザインを含む。フリーボード比は、蒸気領域の頂部から封入タンクの頂部までの距離を、空気-蒸気インターフェイスにおける開口の最小幅で割ったものとして定義される。このデザインは、乾燥システム100内の封入領域からの蒸気の逃げを最小限に抑えることができる。本発明において有効に実行される他のパラメータとしては、溶剤の蒸気を沸点よりも高温にまで加熱し、過熱蒸気領域145内において気流乾燥が生じるのを許容することがある。さらに、各サイクルのスタート時において余熱を加えることにより、冷熱塊が過熱蒸気領域145に侵入する″ワークショップ″が解決される。この蒸気によるブースト加熱は、オフセットされた熱湯パン106、108からの熱と相俟って、事実上のゼロ回復時間を可能にする。それは、蒸気領域が圧壊から保護されているからである。さらに、温度制御された凝縮回収トレイ121によりサブ冷却面が提供され、蒸気チャンバ内に再度水を流す必要を最小限とする。再度水を流すと、清浄なパーツを再度汚すことになるからである。構造が傾斜しているので、多量の水分を含む凝集物およびそこの捕獲された汚れが回収トレイ121のサブ冷却された表面上に落ちることが確実となる。
カバー機構234は、デュアルスライドカバー167を操作する。スライドカバー167が開いてパーツを出し入れする。スライドカバー167は一平面内においてのみ移動するので、蒸気領域145をかく乱することを最小限に抑えることができる。ＰＬＣ230は、カバー機構234のための空気制御機構を操作する。カバー機構234の作動は調整されモニタリングされており、パーツが処理チャンバに入った後、およびシステムが使用されていないときは、自動的に閉じられる。この特徴は、作動中、アイドリング状態、および準備状態において、溶剤蒸気のロスを大幅に減じる。
ＰＬＣ230は、さらに転送機構236を操作する。転送機構236は、リフトシステム185を制御する。自動化されたリフトシステム185は、全体として、少なくとも50ポンドのキャパシティがある片持ち梁スタイルの垂直リフトを備える。ＰＬＣ230は、蒸気領域145を移動するパーツの速度を制御して、適切な乾燥を確保し、溶剤のドラグアウト（dragout）を最小限に止める。以上に説明したように、リフトシステム185は、パーツがシステム内に出し入れされるとき連動してスライドカバー167を起動させる。速度タイミングが可変でベルト駆動される直流電動モータがリフトシステム185のリフトアームに動力を与えることが好ましい。リフト位置は、ストリングポテンシオメータ（リニアな移動トランスデューサ）によってモニタリングされ制御されていて、正確な位置制御がなされる。
安全/シャットダウン特徴238は、調節コンプライアンス、デザインセーフティ、オペレーションセーフティ、デザインフェィリュアの各モード、およびデザインスタンダードを取り込んでいる。本発明は、内部エイリアス、National Fire Protection Association（ＮＦＰＡ）、および関連するＯＨＳＡ、並びに地域的な火災セーフティスタンダード等の、特徴およびスタンダードを含んでいる。さらに、乾燥システム100は、適用できるすべてのＮＦＰＡスタンダードを取り込んでおり、完全な防爆を達成する冗長セーフティ特徴のシステムを含んでいる。最も重要なセーフティ特徴は、蒸気高集中領域において、安全装置およびコンポーネントが使用されることである。リップベントイグゾーストおよびサブフレームイグゾーストは、溶剤蒸気制御および排出流の包括的モニタリングのために採用されている。さらに、溶剤蒸気はモニタリングされていて、爆発下限（ＬＦＬ）の15％において警告装置が起動される。また、25％ＬＦＬにおいて別の警告が発せられ、自動シャットダウン、電気的絶縁、および装置の加速冷却が行われる。熱センサを使用して、高温を検知したり、速い温度変化を検知したりすることが好ましい。火災に備えて、一体的なＣＯ２火災抑制システムが採用される。ガス警告システムは、15％ＬＦＬで起動する聴覚または視覚に訴える警告システムを含んでいる。また、25％ＬＦＬにおいて自動的にシャットダウンを行うために別の警告を行う。加熱された各タンク内に配置された温水熱交換器133を使用して、タンクが間接的に加熱される。この構成によれば、加熱装置が故障した場合であっても、溶剤が点火温度に達することを防止できる。何故なら、コイルの温度は、圧力50psiにおける水-グリコール混合体の沸点を越えないからである。さらに、以上に説明したように、フリーボードデザインによって、封入タンクから蒸気が逃げることを最小限に抑えることができる。他のセーフティ特徴には、流出封入トレイ（spill containmet try）、遠隔メイン電子制御キャビネット、空気制御装置、および緊急停止等がある。
オペレーショナルセーフティとしては、システムが溶剤を含む限り、メイン電力供給源への接続を維持することが考えられる。さらに、温度が使用されている溶剤の点火温度に達した場合にはいかなるときでも、乾燥システム100内にパーツを導入しない。通常の操作においては、清浄化されるべきパーツの温度は、溶剤の沸点より低くすべきである。
デザインフェィリュアモードは、火災、爆発、流出を防ぐため、臨界点におけるシステムのシャットダウンを伴う。例えば、排気ブロアが不能になったとき、セーフティ特徴の一部としてのＰＬＣ230によってシステムへのすべての電力が遮断される。したがって、加熱システムは温水を加熱コイル133へ送るのを停止し、冷水が冷却または凝縮コイル138内を流れる。排気ブロアが再起動し、システムが適正な空気流を検知した後においてのみ、システムは作動状態に戻ることができる。
供給設備からの電力が失われると作動が停止する。火災抑制パネルだけが、電力の供給が失われた場合でも作動を続けるためのバックアップ電力を備えている。しかしながら、電力が完全に失われると、排気ブロアは停止する。同様に、ガス警告システムが失われると、排気ブロアが作動を続ける以外は、電力が失われることとなる。
ＰＬＣ230は、アイドルモード240において、乾燥システム100をモニタリングしている。詳しくは、ガスセンサ、液面制御装置、温度モニタ、およびアラームを含むすべてのセーフティ特徴は、アイドルモードにおいても作動している。さらに、排気ブロアは主として防爆装置であるので、乾燥システム100がアイドル状態にあっても作動を続ける。
今、図15Ａ〜15Ｂを参照すると、論理ステップ250においてシステムに電力を供給することにより、乾燥システム100の作動が初期化される。論理ステップ252において、熱交換コイル133および凝縮コイル138に流体が供給され、乾燥システム100は自動的に必要容量の溶剤で満たされる。論理ステップ252と同時に、論理ステップ254において、熱交換コイル133は加熱され、凝縮コイル138は冷却される。これによって溶剤の蒸発および凝縮が起こり、熱勾配および熱力学的な力が生じる。論理ステップ254において、熱交換コイル133を追加的に加熱することにより過熱蒸気が生じる。決定ブロック256において、ＰＬＣ230は、乾燥システム100が要求されている温度にあるか否か、および過熱蒸気が維持されているか否かをチェックする。乾燥システム100が要求されている温度にない場合、または過熱蒸気領域145が生成されていない場合、のいずれかの場合には、プログラム論理は、論理ステップ254に戻って熱交換コイル133の加熱を続ける。過熱蒸気領域145が生成され、乾燥システム100が要求されている温度になると、プログラム論理は、論理ステップ258に進んで、カバー167を起動させて開ける。続いて、論理ステップ260において、リフトシステム185が降ろされる。プログラム論理は、論理ステップ262に進んで、タンク内にパーツが存在するか否かを判断する。タンク内にパーツが確認されない場合には、プログラム論理は、既に説明した論理ステップ260に戻る。タンク内にパーツが確認されると、プログラム論理は、論理ステップ264に進んでカバー167を閉じ、タンク内におけるリフト機構185の移動速度をモニタリングする。ＰＬＣ230は、パーツが乾燥システム100内にあることを確認した後、パーツの位置および移動速度をモニタリングする。論理ステップ266において、プログラム論理は、予め定められた時間だけパーツを乾燥させる。その後、論理ステップ288においてカバー167が開けられる。続いて、論理ステップ270において、リフト機構185が起動される。その後、決定ブロック272において、リフト機構185の高さがカバー167に達したか否かがチェックされる。カバーの高さを超えていない場合には、プログラム論理は、論理ステップ270に戻って、リフト機構185をさらに上昇させる。リフト機構185がカバー167の高さを越えたことが確認されると、プログラム論理は、論理ステップ274に進んでカバー167を閉じる。その後、論理ステップ276において、パーツが取り出される。ここで、乾燥システム100は、決定ブロック278に移行し、クリーニングする次のパーツを受け入れる準備ができる。クリーニングすべき次のバッチが存在する場合には、プログラム論理は、サブルーチンＲを経て決定ブロック256に戻る。クリーニングすべき次のパーツが存在しない場合には、プログラム論理は、論理ステップ280に進み、乾燥システム100はアイドルモードとなる。
以上のように、本発明は、独特で有利なデザイン、安全性、柔軟性、メンテナンス特性を備えた自律乾燥システムを提供する。詳しくは、ＰＬＣ230は、協働する装置および方法を使用して、これまで知られていなかったやり方で、蒸気乾燥の正確な制御およびモニタリングを可能にする。さらに詳しくは、本発明の乾燥システム100は、特別のクリーニング要求に適合し、プログラム可能な自動システムを提供する。これにより、溶剤の使用量を減じ、溶剤の発散を制限し、独特のデザイン特徴を達成し、安全性および清浄性を両立することができる。概略的には、本発明のデザインは、オフセットされた熱湯パンおよび熱交換器によって生成される過熱蒸気によって、蒸気領域にあるパーツを乾燥させるのに有効かつ十分である。パーツが溶剤の沸点よりも高温となるよう十分に加熱される（10〜30℃）と、残りの流体フィルムは、空気と蒸気との境界下で一気に乾燥される。その結果発生した蒸気は、主要凝縮物に捕らえられ、システム内に止まる。本発明により実行されるやり方の過熱蒸気乾燥を使用すると、ドラグアウトによるロスが減じられ、全体としての蒸気の発散が低減され、環境要求を良好に満たし、溶剤の消費量が少なくなる。
本発明の好ましい具体例を示して説明してきたが、この分野における当業者であれば、本発明から逸脱することなく種々の態様で変更および修正を行うことは自明であろう。したがって、添付した請求の範囲の対象は、本発明の精神および範囲に属するそのような変更および修正をも包含するものである。 Technical field
The present invention relates to superheated steam dryer devices and processes that use superheat to heat steam above the saturation temperature to clean and dry the parts. In particular, the present invention relates to a steam dryer for using a flammable solvent such as isopropyl alcohol or an equivalent low ignition point solvent to accurately remove water and other contaminants from parts. The steam dryer system can accurately regulate temperature when manufacturing a large number of parts having a wide number, three-dimensional structure, and surface area.
Background art
Various types of steam degreasing and drying devices and processes are known in the prior art for use in removing contamination from process parts and components. In particular, degreasing devices are designed to clean normally greased items and foreign objects by exposing normally metal items such as mechanical parts to gas or liquid solvent solutions confined in tanks or containers. In general, solvents used in degreasing equipment include polyhalogenated hydrocarbons that remove fats and oils from parts and related industrial processes. However, unlike degreasing equipment, the use of superheat to remove such contamination requires a delicate balance of system components to establish and maintain a steam zone where most cleaning or drying is achieved. And Few systems optimize component thermal balance, thermal load and throughput as achieved by the present invention. However, at least the following points of systems known in principle are relevant:
In general, steam cleaners and dryers use various means to boil a large amount of solvent into superheated steam that is used to clean and / or dry parts inserted into the steam zone. The technical disclosure of such a system appears to describe the use of quartz tanks, electric heaters and other components where the boiling solvent is generated directly under the part load. The parts can be separated from the boiling solvent (boiling pool) by the drip tray. A common problem with these and similar systems is a reflash when the water removed from the part falls by gravity toward the bottom of the system. This makes the system inefficient and creates contamination problems.
Known steam dryers also have the potential for steam zone collapse under heavy parts loading. This "workshop" is where the large mass and / or surface area of the process parts at the subcooling temperature condenses all the reachable solvent vapor in the vapor zone and the ambient air rushes into the dryer and creates a vacuum Occurs when you can. This condition allows for potential contamination of the parts, resulting in uneven heating and steam rinsing as the steam bracket is re-established from the bottom up, and unnecessary delays in the process cycle when the steam zone recovers. Because it adds, it is not preferable.
Known steam drying systems also achieve part drying in the upper cooling zone above the air-steam interface line in the condensing region. At the end of the rinse cycle, the process parts in these types of systems have a thin film of liquid solvent called “drag out” that remains on the part as it leaves the vapor zone. In this upper cooling zone, the hot parts are immediately released from this liquid into the relatively cool air in the upper cooling zone and can evaporate and dry completely before being recovered from the system. However, this method is not preferred because the solvent vapor is then removed by system ventilation exhaust and is lost permanently as the escaped vapor is released from the top of the device.
These and other problems are solved by the superheated steam drying technique and system described below.
Summary of the Invention
The present invention provides an accurate means to boil and condense flammable solvents such as isopropyl alcohol (IPA) with an equivalent low ignition point to remove moisture and other contaminants from process parts loaded into the device / apparatus. Superheated steam drying devices and processes comprising systems for The parts enter the equipment as appropriate, preferably in batches (groups), by automatic lift assembly. When entering the vapor zone, the solvent condenses and adheres to the part due to temperature differences, thereby replacing the contamination. This condensed / contaminated waste stream gravity is pulled down to the buffer tank via a gradient and temperature controlled drip or collection tray. After vapor condensation on the part has ceased, drying is accomplished using superheated steam generated by a steam heat exchanger separated from one or more offset boiling pools. The liquid solvent remaining in the part is flash dried (rapid vaporization drying) in the vapor zone, and the part is cleaned and dried.
The unique features and advantages of the present invention include faster drying of parts and reduced solvent consumption. This is partly due to the fact that it maintains a stable vapor zone that does not collapse, thereby providing a good short dry cycle time and higher throughput. Furthermore, the temperature controlled collection tray advantageously provides a means to minimize reflashes where moisture / IPA becomes vapor. Furthermore, dual sliding covers reduce steam loss by minimizing air-steam interface disturbances. The underside of the dual sliding cover is configured to collect and direct liquid away from incoming parts to collect and discharge the tank contents before they become dirty.
The present invention can accurately remove moisture from disk drive media, flat panel displays, semiconductor wafers, precision machine components, optical instruments, medical devices and components, and similar manufactured parts without limitation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic vertical view of a steam degreasing apparatus.
FIG. 2 is a schematic vertical view of another vapor degreasing apparatus.
FIG. 3 is a schematic vertical view of another vapor degreasing apparatus.
FIG. 4 is a schematic vertical view of the superheated steam drying system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic vertical view of the superheated steam drying system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic vertical view of the superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention, and is a view partially showing a fluid flow path.
FIG. 7 is a view schematically showing the control air system of FIG.
FIG. 8 is a schematic vertical view of a superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention, and is a view partially showing a fluid flow path.
FIG. 9 is a schematic side view of the superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic end view of a superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic end view of a superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic top view of a superheated steam drying system according to the third embodiment of the present invention.
13A and 13B are a plan view and a side view of the cover structure, respectively.
FIG. 14 is a high level block diagram of a programmable logic controller provided in a computer system.
15A and 15B are diagrams illustrating a high level logic program for a dryer system.
Detailed Description of the Invention
The critical point of achieving overheating is not about how much heat is given, but rather about where it is provided (applied). Once the system is saturated, temperature and pressure are no longer independent properties, and by adding energy to the liquid, only the boiling rate increases and the temperature of the vapor does not increase. This is easily proved by increasing the heat of the stove that boils the hot water in the pot, because it only accelerates boiling and does not heat any further. However, if heat is applied to the vapor phase under a constant pressure, the temperature of the vapor rises to reach the superheated region.
When product parts are removed from the solution, they are exposed to superheated steam. As heat is transferred to the part, any remaining liquid solvent will boil into the vapor zone, which is dry and clean when the part is removed from the system. The solvent vapor is contained in a main condenser provided in the free board of the system. In a properly designed system, the cooling coil can easily remove excess heat from the vapor containing its solvent.
Here, a known steam degreasing apparatus using a saturated steam zone will be considered. Since heat is applied exclusively to the liquid phase, the part cannot be heated above the boiling point of the solvent. The parts then hold a thin liquid film (thin film) at the end of each rinsing cycle with steam. This liquid cannot evaporate better in the saturated vapor zone than in the steam bath, where the sweat dries from the human skin. Therefore, it is physically impossible to dry completely in a saturated system.
Now, the dried parts move from the steam degreasing device. As the parts exit out of the steam zone, they enter the cooler air in the freeboard area. The higher temperature of the parts forces the liquid solvent to be forced into the atmosphere quickly. The parts are then removed in a completely dry state as if they were housed in the heating system. However, as one of the differences, in this method of flash drying, the solvent does not diverge every cycle, including jigs and baskets.
The drying time in the heating system can be several times faster than known degreasing devices, depending on the arrangement on the part side. This is because the final temperature of the drying step is high, and more energy can be transferred (provided) to the solvent for evaporating it. A typical system operates with a superheat of 20 ° F. to 40 ° F., but can also operate at 50 ° F. to 60 ° F. above the boiling point of the solvent. This results in an average drying time for a load of 10 pound parts (depending on what has been confirmed by internal company testing) of 2-3 minutes.
Applications for drying with superheated steam are similar to those of several standard steam degreasing devices, including medical, electronics, aerospace, optical instrument components, and precision mechanical components. This technique is readily applicable to both flammable and non-flammable solvents if it can be boiled and can be heated. Typical solvents are flammable, such as isopropanol, cyclohexane, acetone, HCFCs, HFEs, methylene chloride, and the like. In the case of a flammable solvent, the superheated temperature to be raised is a temperature equal to or lower than the self-ignition temperature. For example, IPA boils at 181 ° F. The 50 ° superheat temperature is well below the auto ignition temperature of 750 ° F.
As described above, in order to generate superheated steam, a second heat exchanger is required, whereby the necessary heat is added directly to the vapor phase. The problem with this is that the thermal conductivity coefficient (thermal conductivity factor, U-factor) may be as small as one hundredth of their corresponding liquid. When a convection (reflux) heat conduction equation is used, it is as follows. That is,
First formula: Q = UA (Th−Tc)
Where Q = thermal conductivity (Btu / h)
U = overall thermal conductivity coefficient (But / h / ft²/ 20 ° F)
A = heat conduction area (ft²)
Th = temperature of heat source (20 ° F.)
Tc = heat sink temperature (20 ° F)
In order to achieve the same heat transfer and the same superheat with the same heat source, the surface area of the heat exchanger must be increased by a factor of 100. In addition, the driving force for driving the solvent in the system is its boiling and condensation (liquefaction, condensing). Accordingly, the boiling rate controls the residence time of the steam in the superheater. As the boiling rate increases, the vapor zone eventually saturates completely. This is because the steam passes by the superheater very quickly for the heat to be sufficiently conducted. The low boil rate to maintain overheating contradicts one of the important characteristics of degreasing with steam, ie reflux. A high turnover rate of the solvent is essential to maintain a clean dip bath by concentrating dissolvable contaminants in the boiling sump, ensuring that the parts never go. This phenomenon involves an exponential relationship.
Second formula: Ct = C₀e^{(-Rt / V)}
Where Ct = contaminant concentration at time t
C₀= Initial concentration
R = removal (reflux) rate (gal / h)
t = (h)
V = capacity of tank (gal)
For example, a 10 gallon immersion tank boiled and condensed at a rate of 10 gal / h is 63% clean after 1 hour and 95% clean after 3 hours. Dissolvable contaminants are collected in the boiling sump (see Figure 2).
An additional concern regarding the reflux rate is that when a cold part is inserted into the steam zone, the steam blanket is maintained due to the presence of sufficient heat. This is known as a workshop (“work shock”), which inserts yet another variable into the heat transfer balance. If the heating is inadequate, the vapor blanket will break, air will be carried away, and air-ladensolvent vapor will be exhausted from the system when the vapor blanket is restored. It will be. Also, as the vapor sump is filled with dissolvable contaminants, the boiling point of the solvent will increase, which will require additional heat to boil the solvent. Control of a superheat system can be quite complex. This is because the balance between reflux and overheating in the production environment is delicate.
There are requirements here for more stringent solvent systems. They are regulated by concern for the environment, health, safety and solvent consumption. Due to the increase in contaminants, hot drying is an excellent choice for dealing with these problems. For example, superheated steam drying has become one of the control technologies included in National Emissions Standards for Hazada Air Pollutants (NESHAP), namely Halogenated Solvent Cleaning. For example, a batch steam system (solvent / air interface <13 ft²), Four of the ten allowed control (device) combinations include the use of superheat (device). Loss during operation in an overheat system can be on the order of 1/3 of a saturated degreasing device, mainly due to low resistance (resistance drag, lower dragout).
Overheating is not just a way to dry parts. It is used as an option in solvent systems. Since the parts are heated above the boiling point of the solvent, the liquid is washed away from almost any part arrangement. In known steam degreasing equipment (saturation systems), drying is not physically possible in the steam zone, so this drying only occurs when drawn to the freeboard. It is indeed practical to capture and reuse these vapors. However, additional contaminant measures must be taken. Superheated steam drying provides a simple and cost effective method for drying parts in a solvent system while retaining the solvent in the cleaning system.
There are a number of problems in the field of steam drying systems. Some of these problems are described above. Another problem relates to the inability of certain devices configured to achieve the desired performance from a mechanical or thermodynamic point of view. Accordingly, the superheated steam drying system and apparatus of the present invention is designed to overcome these many technical challenges by using a more capable and more reactive heating and control system. ing. These systems provide a quick response to various heat loads. These systems have various means for maintaining a steam zone that is stable and sufficiently superheated.
Known publications disclose superheated steam drying. However, practical disadvantages are clearly present. For example, in one system, the upper tank wall is heated to raise the solvent vapor above the boiling point of the solvent. This method appears to be practical. However, it is relatively inefficient to generate the superheat level required to dry enough parts. 1-3 show the configuration of another known overheating degreasing system. Each has various inherent problems. 1 and 2, these systems are configured as an immersion cleaning apparatus. In these devices, the parts are first immersed in the immersion sump 38, 44, 46 and then the parts are dried with superheated steam 18, 26. In the system shown in FIG. 3, it is not necessary to perform immersion in advance. Rather, the system is merely intended to clean the parts provided in the steam zone using superheated steam. In each example, the figure shows an arrangement in which sumps 12, 48, 56 containing boiling solvents that generate cleaning vapors are provided out of the vertical position where the parts are inserted into the apparatus. . Each figure also shows baffle devices 42, 52, 60 configured to maintain steam emanating from the boiling sump in a particular path. This particular path passes through the superheating coil or heat source 24, 50, 58.
In contrast, the superheated steam dryer 100 shown schematically in FIG. 4 is a far more advanced system that heats, cleans, and dries, as well as a process that controls accurate overall batch cleaning operations. The steam dryer system 100 is configured to remove water and other contaminants from the process parts by means of condensing solvent vapor as the parts are placed in the apparatus. . Drying is then performed through the use of superheated steam drying. Due to the large difference in overall thermal conductivity (U-factor) between any liquid solvent and its vapor, the surface area is significantly greater than that of known systems to conduct sufficient heat directly into the vapor phase. A second heat converter with is recommended.
The parts and fixtures to be cleaned are initially placed in a set-down tray or suspended from hooks (see 6,11). These parts and jigs are preferably carried into the system by means of an automatic lifting arm at the start of the cycle. A continuous solvent vapor blanket is generated and the blanket is maintained by means of a heat source in one or more offset boiling sumps 106,108. As auxiliary cooled parts (below the boiling point) are inserted into the vapor zone, the vapor will immediately condense on them. At this time, a liquid film is formed to wash away water and contaminants from the parts by gravity. At the start of the cycle, additional energy is quickly supplied to the boiling sump, boosting the generation of steam. This overcomes the initial rapid condensation until the parts are warm enough. While the part remains in the steam zone, the temperature will gradually approach saturation. Condensation will then stop when the evaporation and condensation rates between the part and the vapor zone have reached equilibrium. The second heat exchanger 112 on each boiling sump has a large surface area for the heat source of the boiling sump and is adapted to transfer additional energy directly into the vapor phase. Thereby, the temperature is raised above the boiling point (superheat).
The preferred ratio of superheater surface area to boiling sump heat generator surface area is greater than 1: 1. A more preferred ratio is greater than 2: 1. The upper region (range) is determined by various system parameters and control software algorithms. Some of the items that should be considered to determine this ratio have been described above, as are other things that are not well understood as phenomena. For example, the dimensions of parts and their carry-in temperatures are factors that determine the success or failure of the operation. Thus, the system 100 includes means for supplemental cooling of the parts prior to insertion into the system. In one embodiment, this auxiliary cooling is performed by immersion in a bath of deionized water at ambient temperature.
Another concern is the problem of reflashing the contaminated concentrate. This is caused when the water / solvent mixture that discharges the part first comes into contact with a dip tray or similar collection mechanism that is heated by the same vapor path as used to clean the part. In already known systems, this tray is not temperature-controlled and remains at the solvent saturation (boiling) temperature by its continuous contact, e.g. boiling point (eg 180 ° F for isopropyl alcohol (IPA)) Generate steam from the boiling pool of steam. As the solvent vapor condenses on the part and removes water contaminants with rinsing, it can form an azeotrope (up to 12.6 wt% water in IPA) and the boiling point of the mixture (eg , For water / IPA blends up to 176 ° F). These azeotropic droplets gravitate from the part and contact the 180 ° F drip tray below. This design allows the water / IPA azeotrope to be reflashed to the vapor phase. As a result, water again deposits on the process part, thereby creating defects on the final product.
In the present invention, this technical problem is to use a temperature-controlled collection surface 121 that is held at a temperature slightly below the boiling point of the water / solvent mixture so that the droplets do not reflash to the vapor. Solved by. The desired difference is at least about 5 ° to 10 ° F. below the boiling temperature at which the solvent is used. The gravity of the fluid is drained directly into the buffer tank 125 and is designed to be steep enough to minimize the time the tray tilt moves to this buffer tank, further inhibiting reflash. In one embodiment, using an inclination of about 10 ° worked well. However, other tilts are possible in terms of special system design features. Advantageously, the slope is also relaxed to increase the gravity drop of the contaminant pumping concentrate. From the buffer tank 125, the water-solvent mixture is pumped into an external waste container. Make-up solvent to the boiling pool is pumped from the external clean solvent storage to the system as well.
In addition to the features described above, FIG. 4 discloses a heating coil 133 as a means of providing a heat source to the boiling pool and a condensing coil 138 configured above the area designed to install the steam zone 145. ing. In one embodiment, the sliding door 149 is provided to further control heat exchange and solvent loss.
As described above, vapor generation is provided directly on the boiling liquid by one or more offset boiling pools with a second heat exchanger (referred to as a superheater). An embodiment of a single boiling pool superheated steam dryer is shown in FIG. Embodiments of multiple boiling pools are shown in FIGS. In the case of an offset boiling pool, the uniform line 163 between drains eliminates any changes in pressure and liquid levels. The uniform line 163 cooperates with other mechanisms and structures of the present invention to maintain the integrity of the steam bracket. This is one of many critical elements of the present invention. In particular, by maintaining a stable steam bracket, the parts were thoroughly cleaned and dried without leaving any contaminants. In particular, the two offset boiling pools provide a steam bracket with a capacity that sufficiently surrounds the partial load, thus covering the entire surface area of all surfaces simultaneously. The high energy steam bracket ensures that the part is clean and dry by flushing all water from the part with IPA steam. In sharp contrast, current technology uses heat to flush water while leaving contamination behind. For example, a flash drying process is used in existing steam dryers with steam bracket collapse during partial load insertion. Examples of heat for boiling pools and superheater heaters are electric throw heaters and indirect hot water, glycols, and steam. As noted above, the heat generation capability or surface area of the superheater must exceed that of the boiling pool to overcome the low heat transfer of the vapor phase and ensure sufficient heat transfer.
During operation, parts to be cleaned are loaded in a subcooled state in a zone controlled as a superheated steam zone. Steam is released from the boiling pool and then flows by natural convection through the superheater and into the superheated steam zone. The part undergoes decontamination of contaminants / water. In addition, superheated steam dries the parts. The part is then lifted through the condensation coil to complete the drying process before removal.
Vapor that has not condensed on the part goes up to the main condensation area. There, the latent heat of evaporation (superheated) is removed and the solvent returns to the liquid phase. Since this vapor is probably not in contact with contaminated process parts, the distillate is considered clean and returns directly to the boiling pool through the downcomer piping. There, a new boiling and condensation cycle starts. Spattered solvent emissions are minimized by the use of a horizontal slide cover 167 that is closed during the drying cycle (ie, working mode) and only open during process part entry or removal. This cover is a one-piece or two-piece design, but it always moves in a horizontal plane, minimizing air-steam interface interruptions and assisting in the thermal load maintenance process. This eliminates the undesirable effect of receiving steam inhalation while opening a conventional clamshell type door. In this embodiment, a two-part horizontal slide cover system 167 moves in a single plane to reduce steam suction from the steam dryer while positioning the part.
However, any vapor that rises beyond the main condenser and slide cover is removed by a lip vented exhaust manifold 216 as shown in Figure 4, introducing potentially flammable or toxic solvent vapor into the production environment. To minimize. If a benign solvent is used in the dryer, the lip vent is removed. In one embodiment, the system includes a flush mounted lip vent discharge to facilitate robotic interaction with the steam dryer for partial processing and associated systems and in-line integration.
The gap 172 (FIG. 6) between the liquid level in the boiling pool and the superheater is due to multi-pass heating of the solvent vapor, which depends on the convective flow for heat transfer. The convection flow shown in FIG. 6 by the interrupted line 177 causes the cooling of the subcooled part 184 initially placed in the superheated steam zone 145 as well as by the subcooled temperature controlled collection surface 121. Assisted by the suction effect. Again, this is another aspect of the advanced configuration and control mechanism of the present invention that allows for improved heat load, return liquid, steam generation rate, and overall performance improvement. These and other features allow for reliable system operation when drying very large parts such as chip carrier trays or other components and equipment.
FIG. 6 further discloses a lift system 185. In order to maintain the integrity of the steam zone 145 and to minimize the reflex velocity (ie, the rate at which the thermodynamic equilibrium is restored from the shock of the introduction of the cooled object), the lift system 185 is vibrated or rattling. Without, it moves in and out of the tank. The movement of the lift system 185 is controlled by a programmable logic controller. Insertion speed, withdrawal speed, and linear motion within the tank are sensed at any time to accurately position the part in the tank. Advantageously, this unique feature of the present invention allows the integrity of the steam zone 145 to be maintained. This feature allows for precise adjustment between the slide cover 167 and the lift system 185.
FIG. 7 is a schematic diagram of a control air system for the embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 8 is a schematic diagram of a third embodiment of the superheated steam drying system of the present invention, including partial flow passages, gas flow detection subsystems 192, 194, and a fire suppression subsystem 197. The gas flow detection subsystem 192 provides for sensing lip vent gas flow as part of the lip vent exhaust system. A gas flow detection subsystem 194 provides infrared gas detection between the tank and the external container. The fire suppression subsystem 197 includes a detection site 201, activation, instruction, and alarm panel 205, CO₂Supply and discharge 208,209.
9-11 show schematic views of another embodiment of the superheated steam drying system of the present invention.
FIG. 12 shows a plan view of the embodiment. These figures show a plurality of wafer carriers 210 within the steam dryer 100.
Various modifications and features can be added to the steam drying embodiments disclosed above. One embodiment (known as AD-Series) is manufactured by Forward Technology Industries, Inc. of Minneapolis, Minnesota. This system maintains a powerful and stable steam bracket used to control the temperature of the concentrate collection tray, a steam generation feature that reduces recovery time, and a two-part horizontal slide cover for working mode The means is provided. In this embodiment, excess heat is applied at the beginning of each process cycle to overcome the cold heat load shock entering the steam zone. This steam generation feature is achieved by providing a means for opening a quick response hot water isolation valve means to quickly increase the available heat exchange surface area. In this embodiment, the programmable time delay and steam generation continuation features provide automatic control over the complementary heat exchange features. This is a previously unknown control feature in superheated steam drying systems due to some lack of manufacturer's understanding of what this feature requires in improving steam bracket control. This programmable time delay and steam generation continuity respond to different partial loads, but in cooperation with other new features, creates a very stable steam drying system suitable for higher part throughput than other systems. This is a controllable feature of creating. Referring to FIG. 6, coil 218 is controlled by PLC 230 and provides one means to achieve the heat capacity of steam generation.
13A and 13B show a plan view and a side view of the slide cover 167, respectively. A pumping opening 211 and a transfer opening 212 are shown. One of the unique features of the slide (two door) cover 167 is its horizontal orientation, avoiding the hindrance of the steam zone 145, minimizing the hindrance of the steam enclosure and limiting the release of steam to the surrounding environment Is the movement. This is particularly important when the dryer system 100 is installed in a clean room area. Another unique feature of the slide cover 167 is the drainage slope 213, which is a structure built under the slide cover 167. The drain ramp 213 traps water from the incoming parts and carries the water through the channel to the discharge side. The drain ramp 213 is particularly noteworthy because it avoids recontamination of the dried parts and it removes the concentrate dripping water from the center section of the dryer system 100. Furthermore, the drain ramp 213 reduced undesirable vapor emissions to the surrounding area.
FIG. 14 is a high-level block diagram of the software and associated critical subsystems. Specifically, the computer system 225 provides a platform for executing software, including a programmable logic controller (PLC) 230, via the interface 226. PLC 230 controls process features and parameters 232, cover mechanism 234, transfer mechanism 236, safety / shutdown feature 238, and idle mode feature 240. Specifically, the PLC 230 includes an operator interface module provided on the panel, which controls, changes and monitors all system operating parameters. Also, the warning status is displayed. A large number of recipes may be stored in the PLC 230 via the operator module. Control access to process features / parameters 232 by PLC 230 may be protected by providing a password. In addition, a modem may be provided to allow remote programming and monitoring of the PLC 230.
As explained above, the steam drying system 100 of the present invention provides a steam chamber 145 comprising two hot water pans 106, 108 that are offset, and a superheater 112 that generates steam. What is condensed from the above-mentioned parts is discharged by gravity through the temperature-controlled drip tray 121 and reaches the buffer tank. The waste solvent is collected or disposed of outside. Most of the geometric configuration is entirely dried by the superheated steam region 145, which exits the steam drying system 100. Drying with superheated steam is very advantageous because it reduces steam loss due to dragout and solvent usage.
In addition to these major components, the steam drying system 100 includes subcomponents and peripheral equipment and control devices. Major components, subcomponents, and peripheral equipment and controls include process features / parameters 232 governed by PLC 230. Some of the elements of the process features / parameters 232 include internal aliasing, heating, cooling, emission control, and steam loss control. The tank is heated by a heat exchange coil 133 attached to the solvent. The mixed liquid in the heat exchange coil 133 is supplied by a pressurized and remotely located electric heating system. The heating capacity of the steam drying system 100 is approximately 45 minutes from ambient temperature, and the operating temperature in the buffer tank 125, steam region 145, and condensing drip tray 121 is adjusted to a constant value and at a high speed of at least 8 gallons per hour Is sufficient to maintain the solvent distillation and superheat the vapor zone 145 by 20-50 ° C.
The cooling of the system is effectively performed using both air and water cooling systems. Typically, the drying system 100 requires approximately 10 gallons of cooling water at 40-45 degrees Fahrenheit per minute. Operation with parameters exceeding these will not cause major problems, but vapor divergence will be high. The drying system 100 is equipped with heating and cooling valves and filling and exhausting pumps, which are preferably air controlled to have a maximum of 15 cfm of 60-90 psi clean dry air. Similarly, emission control is an important feature of the drying system 100. Specifically, a blower that can produce a discharge flow of approximately 150 cfm at a static pressure of 2 inches is required. The blower has its output source independent of the main system, and continues to operate even in an idle state or an emergency shutdown state. In addition, steam loss control features and parameters include free board designs up to a free board ratio of at least 100%. Freeboard ratio is defined as the distance from the top of the steam area to the top of the containment tank divided by the minimum width of the opening at the air-steam interface. This design can minimize vapor escape from the enclosed area within the drying system 100. Another parameter that is effectively implemented in the present invention is to heat the solvent vapor to a temperature above its boiling point, allowing airflow drying to occur in the superheated steam region 145. Further, by adding residual heat at the start of each cycle, the “workshop” in which the cold mass enters the superheated steam region 145 is solved. This steam boost heating, coupled with heat from the offset hot water pans 106, 108, allows for virtually zero recovery time. This is because the vapor area is protected from collapse. In addition, a sub-cooling surface is provided by the temperature controlled condensation collection tray 121, minimizing the need to re-flow water into the steam chamber. This is because if the water is poured again, clean parts will be stained again. The slanted structure ensures that agglomerates containing a large amount of moisture and the trapped dirt therein fall on the sub-cooled surface of the collection tray 121.
The cover mechanism 234 operates the dual slide cover 167. The slide cover 167 is opened and the parts are taken in and out. Since the slide cover 167 moves only in one plane, it is possible to minimize the disturbance of the steam region 145. The PLC 230 operates an air control mechanism for the cover mechanism 234. The operation of the cover mechanism 234 is regulated and monitored and is automatically closed after the part enters the processing chamber and when the system is not in use. This feature greatly reduces solvent vapor loss during operation, idling, and in the ready state.
The PLC 230 further operates the transfer mechanism 236. The transfer mechanism 236 controls the lift system 185. The automated lift system 185 generally comprises a cantilever style vertical lift with a capacity of at least 50 pounds. The PLC 230 controls the speed of the parts moving through the vapor zone 145 to ensure proper drying and to minimize solvent dragout. As described above, the lift system 185 activates the slide cover 167 in conjunction with the parts being taken in and out of the system. A DC electric motor that is variable in speed timing and belt driven preferably provides power to the lift arm of the lift system 185. The lift position is monitored and controlled by a string potentiometer (linear movement transducer), and accurate position control is performed.
Safety / Shutdown feature 238 incorporates regulatory compliance, design safety, operational safety, design filler modes, and design standards. The present invention includes features and standards such as internal aliases, the National Fire Protection Association (NFPA), and associated OHSA, and regional fire safety standards. In addition, the drying system 100 incorporates all applicable NFPA standards and includes a redundant safety feature system that achieves complete explosion protection. The most important safety feature is the use of safety devices and components in areas of high steam concentration. Lip vent exhaust and sub-frame exhaust are employed for solvent vapor control and comprehensive monitoring of the exhaust stream. In addition, solvent vapor is monitored and a warning device is activated at 15% of the lower explosion limit (LFL). Also, another warning is issued at 25% LFL, with automatic shutdown, electrical isolation, and accelerated cooling of the device. It is preferable to detect a high temperature using a thermal sensor or to detect a rapid temperature change. In preparation for a fire, an integrated CO2 fire suppression system is employed. The gas warning system includes an auditory or visual warning system that activates at 15% LFL. Also, another warning is given to automatically shut down at 25% LFL. The tank is indirectly heated using a hot water heat exchanger 133 located in each heated tank. According to this configuration, even when the heating device fails, it is possible to prevent the solvent from reaching the ignition temperature. This is because the coil temperature does not exceed the boiling point of the water-glycol mixture at a pressure of 50 psi. Furthermore, as explained above, the freeboard design can minimize the escape of steam from the containment tank. Other safety features include a spill containment tray, a remote main electronic control cabinet, an air control device, and an emergency stop.
Operational safety may be to maintain a connection to the main power source as long as the system contains solvent. In addition, no part is introduced into the drying system 100 at any time when the temperature reaches the ignition temperature of the solvent being used. In normal operation, the temperature of the part to be cleaned should be below the boiling point of the solvent.
Design failer mode involves shutting down the system at a critical point to prevent fires, explosions and spills. For example, when the exhaust blower is disabled, all power to the system is shut off by the PLC 230 as part of the safety feature. Accordingly, the heating system stops sending hot water to the heating coil 133 and cold water flows through the cooling or condensing coil 138. Only after the exhaust blower has restarted and the system has detected proper airflow can the system return to operation.
Operation stops when power from the supply facility is lost. Only the fire suppression panel has backup power to keep it running even if power is lost. However, when power is completely lost, the exhaust blower stops. Similarly, if the gas warning system is lost, power will be lost except the exhaust blower will continue to operate.
The PLC 230 monitors the drying system 100 in the idle mode 240. Specifically, all safety features, including gas sensors, liquid level controllers, temperature monitors, and alarms, also operate in the idle mode. Further, since the exhaust blower is mainly an explosion-proof device, the operation continues even when the drying system 100 is in an idle state.
Referring now to FIGS. 15A-15B, the operation of the drying system 100 is initialized by supplying power to the system at logic step 250. In logic step 252, fluid is supplied to heat exchange coil 133 and condensation coil 138, and drying system 100 is automatically filled with the required volume of solvent. Simultaneously with logic step 252, in logic step 254, heat exchange coil 133 is heated and condensing coil 138 is cooled. This causes evaporation and condensation of the solvent, creating a thermal gradient and thermodynamic forces. In logic step 254, superheated steam is generated by additionally heating the heat exchange coil 133. In decision block 256, the PLC 230 checks whether the drying system 100 is at the required temperature and whether superheated steam is maintained. If the drying system 100 is not at the required temperature, or if the superheated steam region 145 has not been generated, the program logic returns to logic step 254 to heat the heat exchange coil 133. to continue. When the superheated steam region 145 is created and the drying system 100 is at the required temperature, the program logic proceeds to logic step 258 to activate and open the cover 167. Subsequently, in logic step 260, the lift system 185 is lowered. Program logic proceeds to logic step 262 to determine whether there are parts in the tank. If no parts are identified in the tank, the program logic returns to the logic step 260 already described. When the part is confirmed in the tank, the program logic proceeds to logic step 264 to close the cover 167 and monitor the moving speed of the lift mechanism 185 in the tank. After confirming that the part is in the drying system 100, the PLC 230 monitors the position and moving speed of the part. In logic step 266, the program logic dries the part for a predetermined time. Thereafter, the cover 167 is opened at logic step 288. Subsequently, in logic step 270, the lift mechanism 185 is activated. Thereafter, in decision block 272, it is checked whether the height of the lift mechanism 185 has reached the cover 167. If the cover height is not exceeded, the program logic returns to logic step 270 to further raise the lift mechanism 185. If it is determined that the lift mechanism 185 has exceeded the height of the cover 167, the program logic proceeds to logic step 274 to close the cover 167. Thereafter, in logic step 276, the part is retrieved. The drying system 100 now moves to decision block 278 and is ready to accept the next part to be cleaned. If there is a next batch to be cleaned, program logic returns to decision block 256 via subroutine R. If there is no next part to be cleaned, the program logic proceeds to logic step 280 and the drying system 100 is in idle mode.
As described above, the present invention provides an autonomous drying system with a unique and advantageous design, safety, flexibility, and maintenance characteristics. Specifically, the PLC 230 allows for precise control and monitoring of steam drying in a previously unknown manner using cooperating apparatus and methods. More particularly, the drying system 100 of the present invention provides a programmable automated system that meets special cleaning requirements. This reduces the amount of solvent used, limits solvent divergence, achieves unique design features, and provides both safety and cleanliness. In general, the design of the present invention is effective and sufficient to dry the parts in the steam region by the superheated steam generated by the offset hot water pan and heat exchanger. When the part is heated sufficiently above the boiling point of the solvent (10-30 ° C.), the remaining fluid film is dried at once under the boundary between air and steam. The resulting vapor is trapped in the main condensate and stops in the system. The use of superheated steam drying in the manner implemented by the present invention reduces dragout losses, reduces overall steam divergence, better meets environmental requirements, and reduces solvent consumption.
While preferred embodiments of the invention have been shown and described, it would be obvious to those skilled in the art to make changes and modifications in various ways without departing from the invention. Accordingly, the appended claims are intended to cover such changes and modifications as fall within the spirit and scope of the invention.

Claims

A superheated steam drying system having an outer container,
a. First heat exchanger means for boiling the solvent in at least one boiling pool;
b. Second heat exchanger means for heating the solvent vapor to a temperature at least about 20 ° F. above the boiling point of the solvent to form a superheated vapor zone suitable for cleaning the parts disposed in the zone;
c. First condensing means for condensing residues remaining in the parts, wherein the condensate is removed from the superheated steam zone parts and enters a first condensing region close to the first condensing means;
d. A replenishment and discharge subsystem that feeds new solvent into the system, removes remaining solvent, and controls the temperature flow in the various heating means, allowing condensate to rapidly evaporate into vapor. A refill and discharge subsystem with a temperature controlled drip tray that captures, collects and collects condensate removed from the parts while preventing, and
The second heat exchanger means has a supplementary heat exchanger that has a large surface area relative to the first heat exchanger means and provides additional heat transfer during the part loading cycle. And
The drip tray is temperature controlled to be at least 5 ° F. below the boiling point of the solvent;
A superheated steam drying system , wherein the freeboard ratio divided by the distance from the top of the steam zone to the top of the containment tank divided by the minimum width of the opening at the air-steam interface is set to at least 100% .

The system of claim 1, wherein the outer container has a plurality of access doors mounted on the top surface and slid horizontally, the access doors being dimensioned to allow the parts to be processed to enter from the doors. .

A superheated steam drying system including a programmable logic controller,
First heat exchanger means for superheating the solvent;
Heating the solvent vapor to a temperature at least about 20 ° F. above the boiling point of the solvent to produce a superheated vapor of the solvent to form a stabilized superheated vapor zone for cleaning the parts disposed in the zone; Two heat exchanger means;
A first condensing means for concentrating the residue remaining in the part, wherein the condensate is removed from the superheated steam zone part and enters a first condensing region close to the first condensing means;
A lift system operated by a programmable logic controller to place parts at a known location within the superheated steam zone and the first condensation region;
Slide cover means operated by a programmable logic controller (PLC) to open and close a cover mechanism that slides in cooperation with a known position and direction of movement of the lift mechanism;
Condensing trap means including a temperature controlled recovery tray;
A replenishment and discharge subsystem that supplies fresh solvent to the system, removes remaining contaminating solvent, and controls the temperature flow in the first and second heat exchanger means;
A refill and discharge subsystem includes a drain rough that cuts moisture from the parts attached to the slide cover mechanism;
The second heat exchanger means has a supplementary heat exchanger that has a large surface area relative to the first heat exchanger means and provides additional heat transfer during the part loading cycle. And
The collection tray is temperature controlled to be at least 5 ° F. below the boiling point of the solvent;
The free board ratio, which is the distance from the top of the steam area to the top of the containment tank divided by the minimum opening width at the air-steam interface, is set to at least 100%;
A superheated steam drying system where the PLC monitors and adjusts system functions to enable precise steam drying of parts.

The superheated steam drying system of claim 3, wherein the first heat exchanger means comprises a dual tank system that provides a structure for confining the solvent.

The superheated steam drying system of claim 4, wherein the structure provides a uniform steam zone around the part to facilitate cleaning and drying of high energy steam.

4. The superheated steam drying system of claim 3, wherein the second heat exchanger means is configured to provide superheated steam stability.

The superheated steam drying system of claim 3, wherein the collection tray includes a tapered shape to increase contamination settling.