JP4580985B2 - ドライアイス粒子の噴流生成方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体二酸化炭素を膨張空間で膨張させてドライアイス粒子を形成し、そのドライアイス粒子を次いでキャリアガスの流れに導入して、ドライアイス粒子の噴流を生成する方法、及びその方法を実行するための装置に関する。

このような方法及び装置はＰＣＴ国際公開ＷＯ２００４／０３３１５４Ａ１で開示されている。この装置は、工業プラントのパイプ又はボイラーの内面のような広範囲な表面に堅固に付着している堆積物をその表面から除去する機能を持つ噴射機器の一部を構成している。液体二酸化炭素は、例えば毛細管（キャピラリー）で形成されている供給路から、供給路より広い断面を有する膨張空間に導入される。そのため、膨張によって二酸化炭素の一部が気化し、その一方で二酸化炭素の別の部分が気化冷気によってドライアイス粒子に凝結する。膨張空間は、圧縮空気または窒素などのキャリアガスが通される噴射路に好ましくは横方向に開口している。ドライアイス粒子は、膨張空間の開口部を通って流れるキャリアガスに引っ張られることにより、いわば膨張空間から吸い出されてキャリアガスの流れに浮遊する。ノズル、好ましくはラバルノズルが噴射路の端部に設けられているため、噴射は高速まで、好ましくは超音速まで加速される。

本願の一つの実施形態では、膨張空間は内面ねじを有するパイプ部によって形成されている。内面ねじは乱流端を形成することが想定されており、この乱流端でドライアイスの外層が衝突するドライアイス粒子によって形成されると考えられる。これは、より大きいドライアイス粒子は外皮が粉砕されることによって形成されるであろうという理論に基づく。内面ねじの代替物として乱流端が言及されているが、乱流端は膨張空間の内側に挿入された羽根車（インペラーホィール）又はウォームギア（芋虫歯車）などの挿入物によって形成される。これに関連して、乱流端はドライアイスが衝突するための標的としての役割を果たす一方、膨張空間からのドライアイス粒子及びガスの放出を妨げる。なぜならば、もし放出が妨げられるのであれば膨張空間の圧力が大きくなりすぎ、そのために液体二酸化炭素の膨張及び気化が阻害されてしまうと想定されてきたからである。

本発明の目的は、ドライアイス粒子を更に効率よく生成すること及び高い洗浄効果を達成するために、上記の知られている方法及び装置を更に改良することである。

この目的は、膨張空間からのドライアイス粒子の放出が、断面の狭窄によって絞られる本発明に記載の方法によって達成される。

これまで予期されていたことに反して、膨張空間から放出される吐出流を絞ってもドライアイス粒子の創出を阻害しないばかりか、むしろそれを促進することが示された。おそらくこれは、特に、吐出流を絞ることによってドライアイス粒子の膨張空間での滞留時間も増大するため、吐出流を絞ることにより凝結(固体化)によるドライアイス粒子の成長が促進されるという事実によるものであろう。実験を行って、このように生成された噴流の洗浄効果を評価したところ、この方法によって洗浄性能の５０％から１００％の向上が達成できることが分かった。より大きくてより硬いドライアイス粒子が創出されることに加えて、より均一な噴射形状が噴射ノズルの出口に形成され、しかもこれらすべてが液体二酸化炭素の消費量を変更しないことにより又は減量してもなお形成されるというもう一つの利点となる効果を本発明は有することが示された。

前記に記載の文献に、膨張空間はある特定の必要最小限の長さを有するべきであることも記載されている。本発明に従う狭窄によると、この必要最小限の長さを性能を損なうことなく減少することができるため、よりコンパクトで且つ取り扱いが容易な装置構成が可能となった。

本発明に記載の方法を実施するための装置は、膨張空間の断面における狭窄が膨張空間の出口に設けられていることを特徴とする。

本発明の有益な詳細は、従属請求項に記載されている。

前記狭窄は、膨張空間の断面積の少なくとも２０％であることが好ましい。

前記狭窄は、ドライアイス粒子がその周囲をスムーズに流れ、且つドライアイス粒子に対して実質的な衝撃面とならない略流線形の構造によって達成されることが好ましい。

本発明の実施形態によると、円錐、球又は半球の形状を有する圧搾体が前記膨張空間の中心軸上に設けられており、前記圧搾体の丸みを帯びた側面又は先端のある側面が上流方向に向いている。また、前記膨張空間の出口の断面は、前記膨張空間の内壁と前記圧搾体との間の環状の隙間によって形成される。加えて、軸方向に長い穴を前記圧搾体に設けてもよい。

別の実施形態によると、前記膨張空間の断面における前記狭窄は、前記膨張空間の、先細り状（テーパー状）に形成された出口の端によって達成されている。圧搾体を原則的に前記膨張空間のテーパー状出口部分に設けることにより、これらの方策を組み合わせてもよい。

別の実施形態によると、前記膨張空間の狭窄された出口が原則的に前記噴射路の内部に配置されるように、液体二酸化炭素の供給路及び前記膨張空間が噴射路の内部で同軸上に配置されている。この場合、便利なことに、前記膨張空間の出口と噴射ノズルとの間に位置している前記噴射路の部分が広くなってチャンバー(室)を形成する。これにより、前記圧搾体は前記チャンバー及び前記噴射路にそれぞれ突出してもよい。

図１に示す装置は、噴射ノズル１０、例えば先細/末広ノズル又はラバルノズルを備えている。この噴射ノズル１０は、ほぼ音速に近いスピード又は超音速のスピードのキャリアガスの噴流を創出するためのものであり、また噴射ノズル１０の内部ではドライアイス粒子が噴射媒体として浮遊している。噴射ノズル１０は噴射路１２に連結され、噴射路１２は更に圧力源（不図示）に接続されている。この噴射路１２にキャリアガス、例えば、１ＭＰａ程度の大きさの圧力で例えば１m³/分から１０m³/分の流量の圧縮空気が通される。

液体二酸化炭素が供給路１４を介して、図示されていない高圧タンク又は低温タンクから供給される。この供給路は、例えば毛細管（キャピラリー）として形成されるか、又は調節可能なバッフル（整流装置）によって絞り込まれているため、液体二酸化炭素の流量は、例えばキャリアガスの単位体積（大気圧下での体積）m³当り0.1kgから0.4kg程度の大きさであろう。

供給路１４は膨張空間１６に開口している。この膨張空間１６は、拡張された断面を有し、且つ噴射路１２に斜め方向から統合するパイプ部１８の内側部分によって形成されている。液体二酸化炭素は膨張空間１６へ入って膨張されると、二酸化炭素の一部が気化し、それによって創出された気化冷気によって二酸化炭素の他の部分がサラサラした雪、つまり固体のドライアイス粒子に凝結(固体化)する。これらのドライアイス粒子は、同時に創出されたガス状の二酸化炭素によって噴射路１２に混入するか、あるいはキャリアガスの動的圧力によって膨張空間１６から吸い出されるため、キャリアガスの流れに分注され、最終的に噴射ノズル１０から高速で洗浄されるべき工作物に向けて放出される。液体二酸化炭素の流量及びキャリアガスの流量は、調節可能であることが好ましい。

膨張空間１６の下流側部分、つまり膨張空間が噴射路１２に開口している位置では、円錐形状をした圧搾体２０がパイプ部１８の中心軸上に配置されている。この圧搾体はパイプ部１８と同軸状に方位付けられており、且つその先端が膨張空間１６に開口している供給路１４の開口部の方を向いている。膨張空間１６から流出するガス状及び固体状の二酸化炭素の混合物には、おそらく所定量の液体二酸化炭素がまだ混ざっているであろうが、狭窄が圧搾体２０とパイプ部１８の内壁によって形成されているので、混合物は圧搾体２０によって圧搾され、そのために絞られながら噴射路１２へと出る。これにより、ドライアイス粒子が、低温であり且つガス状の二酸化炭素が充満している膨張空間１６に留まる滞留時間が増大するため、ドライアイス粒子が凝結によって成長する時間ができる。それと同時に、狭窄は、膨張空間１６から圧搾体２０とパイプ部１８の内壁との間に形成された環状の隙間の方に向かって増大する流速によって流れの不均一な形状を創出する。さらに、狭窄は、ドライアイス粒子が気体の媒体中に浮遊する濃度を増大させる。これはすべて、そのサイズと硬度によって高い洗浄効果を示す非常に硬いドライアイス粒子の成長を促進する。同時に、円錐形の圧搾体２０は流線形状を有しているため、大きいサイズに成長したドライアイス粒子が圧搾体２０に激突して粉砕されるのを防ぐ。

図２及び図３に、圧搾体２０を拡大して示す。圧搾体２０の軸方向に長い穴２２によって、膨張空間１６から出る媒体の流れの形状を最適に調節することができる。半径方向に延在するウェブ２４は、圧搾体２０をパイプ部１８の中心に保持し、且つドライアイス粒子に対して実用上いかなる衝撃面にもならないような形状を有している。

図４から図７は、本装置の変形例を示す。これらの例は、圧搾体の形状が変更されているという点のみにおいて図１による装置と異なっている。図４では、圧搾体２６が半球として形成されており、その半球の丸みを帯びた側は、上流方向、つまり供給路１４の開口部に向きが向けられている。図５では、球の形状をした圧搾体２８が設けられている。図６及び図７は、楕円形状の圧搾体３０及び球面状の盾の形状を有する３２それぞれを示す。これらの圧搾体２６、２８、３０及び３２は、圧搾体２０と同様にパイプ部１８内に固定されており、随意的に軸方向に長い穴をも備えていてもよい。

図８に、拡張された楕円チャンバー３４が噴射路１２と噴射ノズル１０との間に形成されている変形例を示す。ここでは、液体二酸化炭素の供給路１４は、チャンバー３４の上流の噴射路１２内で同軸上に延在し、チャンバー３４の上流側端部に形成され且つ同軸上でチャンバー３４に開口する膨張空間１６に開口している。膨張空間１６の出口は、その断面が円錐形の圧搾体２０によって狭窄されている。この場合、圧搾体は噴射路１２及びチャンバー３４にそれぞれ若干突出しているため、ドライアイス粒子が拡張チャンバー３４内で好ましく拡散する。

図９及び図１０に、図１に示した装置と同様の構成を有する装置の実施例を示す。しかしながらここでは、膨張室（膨張チャンバー）１６の出口にある狭窄は、中心に配置された圧搾体によってではなく、パイプ部１８の下流側部分の内側壁上に分布するボス状の圧搾体３６で形成されている。

図１１及び図１２に示された実施例では、パイプ部１８が、供給路１４に隣接する円錐形の先細部分３８を備えているため、供給路１４に面する端の断面がより大きくなっており、この円錐形先細部分３８の一部分が膨張空間１６の出口とこの出口の狭窄の両方を形成している。図１２に示す実施例では、圧搾体２０が更に円錐形先細部分３８の下流に設けられている。噴射路１２の内径が約１５mmより小さいコンパクトな装置においては特に、膨張空間が十分な容積を有するためには、円筒形の膨張空間１６の長さが短すぎてはいけない。さらに、膨張空間１６の直径は、噴射路１２の直径より大きい方が好ましい。

上記に示した例では、膨張空間の出口の断面おける狭窄は、典型的には膨張空間１６内部の断面積の２０％から５０％の間の断面積になる。狭窄の正確な断面積の大きさは各工程のパラメータ、特にキャリアガスの圧力及び流量、液体二酸化炭素の流量、液体二酸化炭素の温度などに依存して決まる。一般的に、（膨張空間内部の断面積の）４０％程度の大きさの狭窄が便利である。噴射路１２の直径は、例えば８mmと３２mmの間で変更してもよい。

図を併用しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第1実施形態による装置の長手方向断面図である。 図２は、図１の細部を拡大して示している。 図３は、図２に示すIII−III線に沿った断面図である。 図４は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図５は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図６は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図７は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図８は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図９は、本発明の別の実施形態による装置の軸方向断面図である。 図１０は、図９に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１１は、さらに別の実施形態による装置の軸方向の断面図である。 図１２は、さらに別の実施形態による装置の軸方向の断面図である。

Claims (10)

1. 液体二酸化炭素を膨張空間（１６）で膨張させてドライアイス粒子を形成し、次いで前記ドライアイス粒子をキャリアガスの流れに導入して、ドライアイス粒子の噴流を生成する方法において、前記膨張空間（１６）から前記ドライアイス粒子が、前記膨張空間（１６）の出口の中央で、かつ同軸方向に設置された圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）によって形成される狭窄によって絞られて放出されることを特徴とするドライアイス粒子の噴流を生成する方法。
2. 噴射ノズル（１０）と、前記噴射ノズルにキャリアガスを供給する噴射路（１２）と、膨張空間（１６）を介して前記噴射路（１２）に開口する液体二酸化炭素のための供給路（１４）とを備えるドライアイス粒子の噴流を創出する装置において、前記膨張空間（１６）の出口の中央で、かつ同軸方向に設置された圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）によって形成される狭窄が前記膨張空間（１６）の出口に設けられていることを特徴とするドライアイス粒子の噴流を創出する装置。
3. 前記狭窄は、前記膨張空間（１６）の内側断面積の２０％よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記狭窄は、前記膨張空間（１６）の内側断面積の４０％よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）は、円錐、半球、球、楕円、または膨らんだ盾の形状を有することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）は、前記膨張空間（１６）に対向する側がとがっているか又は丸みを帯びていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）は、前記膨張空間（１６）から遠ざかる側がとがっていない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装置。
8. 前記供給路（１４）及び前記膨張空間（１６）が前記噴射路（１２）内で同軸上に配置されることと、前記噴射路（１２）が拡張されて前記膨張空間（１６）の出口と前記噴射ノズル（１０）との間の部分にチャンバー（３４）を形成することとを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記膨張空間（１６）がパイプ部（１８）の内側部分によって形成されることと、前記狭窄が前記パイプ部の円錐形先細部分（３８）によって形成されること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装置。
10. 前記圧搾体（２０、２６、２８、３０、３２）は、円錐、半球、球、楕円、または膨らんだ盾の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。

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