JP6196077B2 - 洗浄液再生方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、水溶性切削剤等、水溶性の異物が付着したワークを洗浄する際に用いられる洗浄液に混入した水分を除去することにより、洗浄液を再生する方法及び装置に関する。

金属等の切削加工を行う際に摩擦の抑制と冷却のために用いられる切削剤は、かつては油性のものが用いられていたが、近年では、主成分である水に添加剤が添加された水溶性切削剤が、冷却効率がより高いという理由によって主流になっている。このような水溶性切削剤が付着したワークは、一般的に、アルコール性溶剤やグリコールエーテル系溶剤等の水溶性洗浄液や、炭化水素溶液のようにそれ自体は非水溶性である溶剤に界面活性剤を添加することによって水溶性異物を除去できるようにした洗浄液を用いて洗浄される。

同じ洗浄液を用いて上述の洗浄を繰り返し行うと、洗浄液中の水溶性切削剤の量が徐々に増加し、洗浄能力が低下してゆく。そのため、従来は多くの場合、一定回数使用する毎に洗浄液を新品と交換するという使い捨てを行っていたが、そうすると洗浄液の消費量が多くなってしまう。実際には、水溶性切削剤の成分の大半を水が占めているため、使用後の洗浄液に混入した水溶性切削剤のうち、水さえ除去できれば、洗浄液の洗浄能力が実用上十分に回復し、洗浄液を再利用することができる。

特許文献１には、このような使用後の洗浄液から水を除去する装置が記載されている。この装置では、水が混入した洗浄液を蒸留釜に投入し、所定の圧力に減圧すると共に、当該圧力において水の沸点及び洗浄液の成分（以下、純粋な洗浄液の成分を「洗浄液成分」と呼び、水が混合した洗浄液と区別する。）の沸点よりも高い温度に加熱する。これにより、水及び洗浄液成分が共に気化し、両者が混合した気体が生成される。この気体を、内部を減圧した第１ガス冷却器内に導入し、その圧力において水の沸点よりも高く且つ洗浄液成分の沸点よりも低い温度（一般に、洗浄液成分の沸点は水の沸点よりも高いことから、このようなことが可能となる。）に冷却する。これにより、水は気体（水蒸気）の状態のままで、洗浄液成分のみが液化して回収される。こうして水が除去された洗浄液が得られ、再利用に供することができる。残った水蒸気は、第２ガス冷却器内において沸点以下の温度に冷却することにより液化されて水になり、廃棄される。

特開2009-172468号公報

特許文献１の装置では、蒸留釜において水及び洗浄液成分の双方の沸点よりも温度を高くすることにより、両者ともに蒸発（気化）させるため、気化潜熱も含め、大きな熱エネルギーが必要となる。また、蒸留釜で生成される気体には、処理前の洗浄液と同様に洗浄液成分の方が水よりも圧倒的に多く含まれている。そのため、第１ガス冷却器内において洗浄液成分を完全には液化させることは困難であり、洗浄液成分の気体の一部が水蒸気に混入したまま第２ガス冷却器に導入されてしまう。そのため、洗浄液の一部が無駄になるうえに、最終的に廃棄される水の中に当該成分が混入してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、洗浄液に混入した水を、より小さい熱エネルギー且つより高い精度で該洗浄液から分離することができる、洗浄液再生方法及び装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る洗浄液再生方法は、
水が混入した洗浄液を蒸発槽内に貯留し、
前記蒸発槽内を、水が沸騰し且つ前記洗浄液の成分が沸騰しない圧力に減圧し、
前記蒸発槽内の上部空間に、前記圧力における水の沸点よりも高い温度の冷却体を設け、
前記蒸発槽から気体を排出し、
前記蒸発槽から処理後の洗浄液を液体の状態で取り出す
ことを特徴とする。

本発明の方法によれば、上記のように蒸発槽内を減圧することにより、水は沸騰するが洗浄液成分は沸騰しないため、従来の方法よりも低いエネルギーで洗浄液から水を分離（気化）することができる。また、洗浄液成分は飽和蒸気圧に達するまで気化するものの沸騰しないため、洗浄液が気化した気体の成分の大半を水が占めることとなる。そのため、従来の方法よりも高い精度で洗浄液から水を分離することができる。

洗浄液が気化した気体は、蒸発槽内の上部空間において、冷却体により冷却される。ここで、冷却体の温度が（もちろん当該気体の温度よりは低いが）水の沸点よりも高いため、当該気体中の水はほとんど液化することなく、洗浄液成分が液化する。これにより、当該気体中の水はそのまま蒸発槽から排出され、液化した洗浄液成分は、蒸発槽内に貯留された洗浄液中に戻るため、無駄になることがない。

本発明に係る洗浄液再生方法では、蒸発槽内の洗浄液を加熱する必要はない。このように加熱を行わないことにより、エネルギーの消費量を抑えることができる。もっとも、水の気化を促進するために、洗浄液成分が沸騰しない温度範囲内で洗浄液を加熱してもよい。

本発明に係る洗浄液再生方法において、蒸発槽から排出された気体をさらに、水の沸点よりも高い温度範囲内で冷却する２次冷却を行ってもよい。これにより、当該気体中にわずかに残留する洗浄液成分を除去することができる。

本発明に係る洗浄液再生方法において、前記気体が前記冷却体で冷却されることにより生成される液体中における水の含有率を検出し、該検出結果に基づいて水の含有量を減少させるように前記冷却体の温度を調整する操作を行ってもよい。水の含有率は、例えば当該液体の比重や屈折率を測定することにより求めることができる。

本発明に係る洗浄液再生装置は、
a) 水が混入した洗浄液を貯留する蒸発槽と、
b) 前記蒸発槽内を、水が沸騰し且つ前記洗浄液の成分が沸騰しない圧力に減圧する減圧手段と、
c) 前記蒸発槽内の上部空間に設けられた、前記圧力における水の沸点よりも高い温度の冷却体と、
d) 前記蒸発槽から気体を排出する排出手段と、
e) 前記蒸発槽に設けられた、該蒸発槽内の処理後の洗浄液を液体の状態で取り出す取り出し口と
を備えることを特徴とする。

前記減圧手段と前記排出手段には、共通の減圧ポンプを用いることができる。

本発明に係る洗浄液再生方法及び装置によれば、洗浄液に混入した水を、従来よりも小さい熱エネルギー且つより高い精度で、該洗浄液から分離することができる。

本発明に係る洗浄液再生装置の一実施例を示す概略構成図。 本実施例を実施する際に用いた洗浄液成分及び水につき、沸点の圧力変化を示すグラフ。 図２のグラフを拡大したうえで、本実施例における温度及び圧力の変化を→で示したグラフ。 洗浄液Ｓ１１０中の水の含有率と比重の関係を示すグラフ（温度：22℃）。 洗浄液Ｓ１１０中の水の含有率と屈折率の関係を示すグラフ。 本実施例の洗浄液再生装置の変形例を示す概略構成図。

本発明に係る洗浄液再生方法及び装置の実施例を、図１〜図６を用いて説明する。以下ではまず、洗浄液再生装置の実施例の構成を説明したうえで、該装置の動作とともに洗浄液再生方法の実施例を説明する。

本実施例の洗浄液再生装置１０は、図１に示すように、蒸発槽１１と、冷却体１２と、排出管１３と、減圧ポンプ１４と、２次冷却部１５を有する。

蒸発槽１１は、円筒の両端を半球状にした形状を有する。蒸発槽１１には、洗浄液再生装置１０外に設けられた洗浄槽２１内に貯留された再生処理前の洗浄液を該蒸発槽１１に導入する導入管１１１と、再生処理後に蒸発槽１１内の洗浄液を洗浄槽２１に返送する返送管１１２が接続されている。洗浄液の導入及び返送のための具体的な構成は後述する。

冷却体１２は、蒸発槽１１内の上部空間に設けられており、蒸発槽１１の円筒状の内面に沿って巻回するコイル状の管である。該管は、冷却水を流すことができるように、蒸発槽１１の外にある冷却水源（図示せず）と接続されている。

排出管１３は、一端が蒸発槽１１の上端に接続されており、該排出管１３の途中に減圧ポンプ１４及び２次冷却部１５が設けられている。排出管１３の減圧ポンプ１４よりも上流側（蒸発槽１１側）には、圧力調整バルブ１３１が設けられている。この圧力調整バルブ１３１の開度を調整することにより、蒸発槽１１内の圧力、及び蒸発槽１１内の気体の排出速度を制御することができる。排出管１３の他端は、洗浄液から除去された水の排出口として機能する。

２次冷却部１５は、減圧ポンプ１４から排出された気体を通過させる気体流路と、該気体流路の周囲に設けられた冷却水流路（気体流路及び冷却水流路は図示せず）と、気体流路内で液化した液体を洗浄槽２１に返送する第２返送管１５１を有する。冷却水流路には、２次冷却部１５の外部から冷却水が供給される。

冷却体１２の一部の下方には、冷却体１２の該一部の表面から落下する液体を受ける受液部１１６が設けられている。また、受液部１１６には、受けた液を蒸発槽１１の外に回収する管が接続されており、この管は蒸発槽１１の壁を通過して、蒸発槽１１の外に設けられた回収容器１１７に接続されている。これら受液部１１６及び回収容器１１７は、後述のように、蒸発槽１１内の気体が液化した液体中における水の含有率を測定するサンプルを回収するために用いられるものである。

次に、洗浄液の導入及び返送のための具体的な構成を説明する。導入管１１１及び返送管１１２にはそれぞれ導入バルブ１１１Ｖ及び返送バルブ１１２Ｖが設けられている。蒸発槽１１内には液面の高さを測定するボールタップ１１３が設けられている。ボールタップ１１３は、洗浄液の導入中に液面が所定の高さまで達したときに洗浄液の導入が停止されるように、導入バルブ１１１Ｖと連動している。返送管１１２の途中には送液ポンプ１１４が設けられている。蒸発槽１１内の液面は常に洗浄槽２１内の液面よりも低くなるように設定されているため、導入時には導入バルブ１１１Ｖを開放するだけでよいのに対して、返送時には返送バルブ１１２Ｖを開放したうえで、送液ポンプ１１４を用いて洗浄液を移動させる。返送管１１２の途中には、洗浄液中の固形の異物を除去するフィルタ１１５が設けられている。

次に、洗浄液再生装置１０の動作（本発明に係る洗浄液再生方法の実施例）を、図１〜図５を用いて説明する。ここでは、洗浄液として、グリコールエーテルが主成分（含有率：99重量％以上）である「ファイントップＳ１１０」及び「ファイントップＮＳ１１０」（いずれも、株式会社クラレ製。以下、「Ｓ１１０」及び「ＮＳ１１０」とする。）を用いる例を示す。

(1) 蒸発槽１１への洗浄液の導入
まず、導入バルブ１１１Ｖを開放することにより、洗浄槽２１内に貯留された再生処理前の洗浄液を、導入管１１１を通して蒸発槽１１に導入する。蒸発槽１１内に所定量まで洗浄液が貯留されると、そのことをボールタップ１１３が検知し、導入バルブ１１１Ｖが閉鎖される。

(2) 蒸発槽１１内の減圧
次に、圧力調整バルブ１３１を開放し、減圧ポンプ１４によって蒸発槽１１内の気体を蒸発槽１１外に排出する。その際、圧力調整バルブ１３１を所定の開度とすることにより、蒸発槽１１内は、当該開度に対応した圧力まで減圧され、当該圧力で均衡する。ここで、圧力調整バルブ１３１の開度と蒸発槽１１内の到達圧力の関係は、同じ洗浄液であって且つ貯留量及び温度が同程度であればある程度の再現性があるため、当該開度は、必要な到達圧力（後述）に対応する大きさを予備実験で求めておいたものを用いればよい。もちろん、蒸発槽１１内の到達圧力をその都度圧力計を用いて測定し、その値によって開度を微調整してもよい。

ここで、蒸発槽１１内における必要な到達圧力を説明するための前提として、図２及び図３に示したグラフについて説明する。図２は、水及び洗浄液（水等の不純物を含有していないもの）における圧力と沸点（温度）の関係を示したグラフであり、図３はその拡大図である。洗浄液は、上記の通り、その主成分であるグリコールエーテルが99重量％以上を占めているため、この洗浄液に関するグラフは、洗浄液成分（グリコールエーテル）に関するグラフである、とみなしてよい。Ｓ１１０及びＮＳ１１０の沸点は、全ての圧力範囲において水の沸点よりも高い。例えば、大気圧（760mmHg=1.013×10⁵Pa。「常圧」ともいう。）では、Ｓ１１０及びＮＳ１１０の沸点はいずれも約175℃である。そして、水の沸点を示す曲線と、洗浄液成分の沸点を示す曲線の間の領域（図２に、Ｓ１１０に関して当該領域を斜線で示す）が、「水が沸騰し、且つ、洗浄液成分が沸騰しない」領域である。以下、この領域を「中間圧力領域」と呼ぶ。

蒸発槽１１内における必要な到達圧力は、この中間圧力領域内の圧力とする。すなわち、図３に示すように、蒸発槽１１内がある温度T₁のとき、グラフ上で下方に移動するように、温度T₁はそのままで、圧力のみを中間圧力領域中の所定値P₁まで減圧する（図３中の矢印(a)）。

この減圧により、洗浄液の温度は当該圧力P₁における水の沸点を上回るため、洗浄液からは、その中に混入した水が沸騰して気化する。一方、洗浄液成分は、その温度が当該圧力P₁における沸点を下回っているものの、わずかに気化する。これら気化した水及び洗浄液成分の気体は、蒸発槽１１内の上部空間に移動する。

(3) 気体の冷却
蒸発槽１１内の上部空間では、冷却体１２の管内に冷却水が流されており、該管の表面において、水及び洗浄液成分の気体が温度T₂まで冷却される（図３中の矢印(b)）。温度T₂は、前記温度T₁よりも低く、且つ圧力P₁における水の沸点よりも高くする。これにより、当該気体は、中間圧力領域内に収まる範囲内で冷却される。そして、当該気体中の水はその沸点よりも温度T₂が高いためほとんど液化することなく、洗浄液成分が液化する。この温度T₂は冷却水の流量によって調整することができ、上述の温度T₁と同様にある程度の再現性がある。そのため、本実施例では予備実験で適切な流量を求めておき、洗浄液再生方法の実施中にはその流量に設定したままで調整を行っていないが、冷却体１２の表面又はその近傍に温度センサを設けて、冷却体１２の温度を常時監視しつつ該流量の調整を行ってもよい。

冷却体１２で気体が冷却されることにより液化した液体は、冷却体１２の表面から、蒸発槽１１に貯留された洗浄液中へ落下する。前記気体中の水がほとんど液化しないことから、この液体の成分の大半は洗浄液成分であるため、ここまでの操作によって、蒸発槽１１内の洗浄液中の洗浄液成分の濃度は上昇する。そこで、冷却体１２の表面から落下する液体を受液部１１６及び回収容器１１７によって回収し、当該液体中における水の含有率を測定するとよい。この測定結果を参照しつつ、該含有率が減少するように、冷却体１２に流す冷却水の流量を調整することにより、洗浄液から水を分離する効率を高めることができる。水の含有率は、例えば回収した液体の比重を測定したうえで、図４に示したＳ１１０中の水の含有率と比重の関係を示すグラフから求めることができる。あるいは、水の含有率は、回収した液体の屈折率を測定したうえで、図５に示したＳ１１０中の水の含有率と屈折率の関係を示すグラフから求めることもできる。なお、屈折率は温度にはそれほど依存しないのに対して、比重は温度に強く依存するため、図４では特定の温度（22℃）における含有率と比重の関係を示した。

(4) 蒸発槽１１からの気体の排出
冷却体１２で冷却されることによって洗浄液成分が液化した後に残った気体は、減圧ポンプ１４によって蒸発槽１１の外に排出される。この排出後の気体は、ほとんどが水から成るものの、冷却体１２で液化しきれなかった洗浄液成分がわずかに残留している可能性がある。そこで、この気体を２次冷却部１５に送り、水の沸点よりも高く、且つ当該気体の温度よりも低い温度に冷却する。これにより、当該気体に残留した洗浄液成分を液化させる。そして、液化せずに気体のまま残った水は、気体のまま、又は液化したうえで廃棄される。また、ここで液化した洗浄液成分は、第２返送管１５１を通して洗浄槽２１に返送される。

(5) 再生処理後の洗浄液の洗浄槽２１への返送
上記(2)〜(4)の処理を十分な時間行うと、蒸発槽１１内の洗浄液には水がほとんど残留しなくなり、２次冷却部１５から水がほとんど排出されなくなる。その時点で蒸発槽１１内の減圧を停止し、リークバルブ（図示せず）を開放して蒸発槽１１内を大気圧にする。そして、返送バルブ１１２Ｖを開放し、送液ポンプ１１４によって蒸発槽１１内の洗浄液を、返送管１１２を通して洗浄槽２１に返送する。ここで、返送管１１２の途中に設けられたフィルタ１１５により、洗浄液中の固形の異物が除去される。

本発明は上記の実施例には限定されない。
例えば、上記実施例で用いた２次冷却部１５、受液部１１６及び回収容器１１７は、本発明の必須要件ではなく、これらを用いなくてもよい。

また、図６に示すように、蒸発槽１１内に、洗浄液を加熱するためのヒータ１９を設けてもよい。このヒータ１９は、洗浄液をその沸点以上に加熱するためのものではなく、蒸発槽１１内を減圧する際に温度が降下するのを補うように加熱することにより、洗浄液の温度変化を小さくするために用いられる。もちろん、単に減圧するだけで中間圧力領域内に収まるのであれば、このようなヒータを用いる必要はない。

上記実施例では、冷却水を流す管を蒸発槽１１内に設けることによって冷却体１２を構成しているが、例えば冷却水を流す管を蒸発槽１１の外壁面に接するように設け、この外壁面を冷却体として用いてもよい。

１０…洗浄液再生装置
１１…蒸発槽
１１１…導入管
１１１Ｖ…導入バルブ
１１２…返送管
１１２Ｖ…返送バルブ
１１３…ボールタップ
１１４…送液ポンプ
１１５…フィルタ
１１６…受液部
１１７…回収容器
１２…冷却体
１３…排出管
１３１…圧力調整バルブ
１４…減圧ポンプ
１５…２次冷却部
１５１…第２返送管
１９…ヒータ
２１…洗浄槽

Claims (6)

1. 水が混入した洗浄液を蒸発槽内に貯留し、
   前記蒸発槽内を、水が沸騰し且つ前記洗浄液の成分が沸騰しない圧力に減圧し、
   前記蒸発槽内の上部空間に、前記圧力における水の沸点よりも高い温度の冷却体を設け、
   前記蒸発槽から気体を排出し、
   前記蒸発槽から処理後の洗浄液を液体の状態で取り出す
   ことを特徴とする洗浄液再生方法。
2. 前記洗浄液を加熱することなく前記減圧を行うことを特徴とする請求項１に記載の洗浄液再生方法。
3. 前記洗浄液を前記成分が沸騰しない温度範囲内で加熱しつつ前記減圧を行うことを特徴とする請求項１に記載の洗浄液再生方法。
4. 前記蒸発槽から排出された気体を水の沸点よりも高い温度範囲内で冷却する２次冷却を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の洗浄液再生方法。
5. 前記気体が前記冷却体で冷却されることにより生成される液体中における水の含有率を検出し、該検出結果に基づいて水の含有量を減少させるように前記冷却体の温度を調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の洗浄液再生方法。
6. a) 水が混入した洗浄液を貯留する蒸発槽と、
   b) 前記蒸発槽内を、水が沸騰し且つ前記洗浄液の成分が沸騰しない圧力に減圧する減圧手段と、
   c) 前記蒸発槽内の上部空間に設けられた、前記圧力における水の沸点よりも高い温度の冷却体と、
   d) 前記蒸発槽から気体を排出する排出手段と、
   e) 前記蒸発槽に設けられた、該蒸発槽内の処理後の洗浄液を液体の状態で取り出す取り出し口と
   を備えることを特徴とする洗浄液再生装置。

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