JP7447345B1 - ドライアイス噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子径の小さい硬質なドライアイス粒子を生成することが可能なドライアイス噴射装置の提供。【解決手段】液化二酸化炭素が供給される液化二酸化炭素供給路２と、液化二酸化炭素供給路２から供給される液化二酸化炭素を噴出する噴出孔７Ａと、噴出孔７Ａから噴出される液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間８により膨張させてドライアイス粒子を生成するドライアイス生成管４とを有するドライアイス噴射装置１である。【選択図】図１

Description

本発明は、液化二酸化炭素から生成したドライアイス粒子を噴射するドライアイス噴射装置に関する。

液化二酸化炭素を利用してドライアイス粒子を生成し、圧縮されたガスと混合して対象物へ噴射し、対象物の表面から汚染物質を除去するドライアイス洗浄技術は以前から知られている。液化二酸化炭素を利用してドライアイス粒子を生成する方式には、一般的には液化二酸化炭素を圧入した圧力容器からオリフィスノズルや絞り弁を用いてドライアイス生成管へ噴出させる方法がある。液化二酸化炭素をドライアイス生成管に開放すると液体から気体に変化し、５５０倍に体積膨張する。気体はジュールトムソン効果で急激に冷却され、二酸化炭素ガスと固体（ドライアイス）へ変化する。

一般的なドライアイス噴射装置は、二酸化炭素ガスとドライアイス粒子を、ノズル内部、もしくは外部で加速用ガスと混合して噴射する構造となっている（例えば、特許文献１～４参照。）。上記構造では、オリフィスノズルや絞り弁等を用いて液化二酸化炭素を噴射させるドライアイス生成管は、配管状の膨張空間となっており、ドライアイス粒子が生成される比率に応じた大きさとなっている。例えば、非特許文献１には、ドライアイス粒子は噴射されるガス中で中位径が約１μｍになることが実測されており、円筒チャンバーを取付けると粒子が凝集し、中位径は１００μｍになると記載されている。

特開２０２１－１２２８０５号公報 特開２０１９－７２８１３号公報 特開２０１６－８７７４５号公報 特開２００３－１４５４２９号公報

劉 奕宏、松坂 修二，ドライアイス粒子の形成と表面洗浄への応用，エアロゾル研究，日本エアロゾル学会，２０１３年，第２８巻，第２号，ページｐ．１５５－１６２

ところで、対象物の表面から汚染物質を除去する際、ファンデルワールス力で付着する微粒子除去には上記従来のドライアイス噴射装置を用いてドライアイス粒子をガスで加速して衝突させることが効果的である。しかしながら、それ以上の強固な付着物（ガラスの乾燥シミや精密金型の付着樹脂など）の場合、強く凝集した硬質のドライアイス粒子でなければ剥離除去することは困難である。

そのため、強固な付着物を剥離除去するには、プレス工程を施すことにより生成した粒子径１００μｍ以上のペレット・ドライアイス粒子をガスで噴射させる必要があるが、その場合、この１００μｍ以上の大きなペレット・ドライアイス粒子径以下の狭い隙間の洗浄は不可能である。

そこで、本発明においては、粒子径の小さい硬質なドライアイス粒子を生成することが可能なドライアイス噴射装置を提供することを目的とする。

本発明のドライアイス噴射装置は、液化二酸化炭素が供給される液化二酸化炭素供給路と、液化二酸化炭素供給路から供給される液化二酸化炭素を噴出する噴出孔と、噴出孔から噴出される液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間により膨張させてドライアイス粒子を生成するドライアイス生成管とを有するものである。

本発明のドライアイス噴射装置によれば、噴出孔から膨脹空間へ噴出された液化二酸化炭素は短時間で減圧されて液体から気体に変化するとともに、気体はジュールトムソン効果で急激に冷却され、気体（二酸化炭素ガス）と固体（平均粒子径１μｍ程度のドライアイス微粒子）へ変化する。このとき、膨脹空間の１段目の段差により乱流が発生し、その渦の力により平均粒子径１μｍ程度のドライアイス粒子を凝集させる。そして、膨脹空間の２段目以降の段差においても同様に乱流が発生し、その渦の力により段階的にドライアイス粒子を成長させることにより、平均粒子径１０～２０μｍの硬質なドライアイス粒子が生成される。つまり、平滑で段差の無い膨張空間ではドライアイス微粒子が膨張空間内壁面にできる数μｍ厚の壁面境界層内で柔らかく凝集してしまうので、それを防ぐために一定の段差を設けて高速の乱流を壁面で作ることで壁面境界層を破壊し、ドライアイス粒子を渦力で強く凝集させる。

ここで、膨脹空間の全長は１０～３０ｍｍであることが望ましい。膨脹空間の全長が１０ｍｍより短い場合、ドライアイス粒子の平均粒子径が１０μｍより小さくなり、硬度が柔らかくなる。また、膨脹空間の全長が３０ｍｍより長い場合、ドライアイス粒子の平均粒子径が大きくなりすぎ、硬度が柔らかくなる。

また、本発明のドライアイス噴射装置は、ドライアイス粒子が接触する表面または全体が、熱伝導率０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂により形成されたものであることが望ましい。これにより、ドライアイス粒子が接触する表面または全体が外部と断熱され、ドライアイス粒子の昇華を減らすことができる。

（１）液化二酸化炭素が供給される液化二酸化炭素供給路と、液化二酸化炭素供給路から供給される液化二酸化炭素を噴出する噴出孔と、噴出孔から噴出される液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間により膨張させてドライアイス粒子を生成するドライアイス生成管とを有することにより、平均粒子径１０～２０μｍの硬質なドライアイス粒子を生成し、強固な付着物を除去することが可能となる。

（２）ドライアイス粒子が接触する表面または全体が、熱伝導率０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂により形成されたものであることにより、ドライアイス粒子が接触する表面または全体が外部と断熱され、ドライアイス粒子の昇華を減らすことができるので、液化二酸化炭素から生成するドライアイス生成効率が向上する。

本発明の実施の形態におけるドライアイス噴射装置の要部を示す断面図である。 図１のドライアイス生成管の要部拡大断面図である。 ノズルの噴射口におけるドライアイス粒子の粒径の分布を示したグラフである。 剥離試験後のアルミ板表面の様子を示す写真である。

図１は本発明の実施の形態におけるドライアイス噴射装置の要部を示す断面図、図２は図１のドライアイス生成管の要部拡大断面図である。なお、本明細書中において、「～」で表される数値範囲は、「～」の前後の数値を下限値及び上限値として含む数値範囲を意味する。

図１に示すように、ドライアイス噴射装置１は、液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給管２と、加速用ガスを供給する加速用ガス供給管３と、ドライアイス粒子を生成するドライアイス生成管４と、加速用ガス供給管３を通じて供給される加速用ガスとドライアイス生成管４から流出するドライアイス粒子とが合流する合流部５Ａを内部に有する合流部材５と、合流部５Ａで加速用ガスと合流したドライアイス粒子を加速して超音速噴射するノズル６とを備える。

液化二酸化炭素供給管２は、合流部材５の基端部に接続されている。液化二酸化炭素供給管２は液化二酸化炭素が供給される液化二酸化炭素供給路２Ａを有する。液化二酸化炭素供給管２の先端部は合流部材５の合流部５Ａ内に突出している。ドライアイス生成管４は、この合流部５Ａ内に突出した液化二酸化炭素供給管２の先端部に設けられている。

ドライアイス生成管４は、噴出孔７Ａから噴出される液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間８を有する。膨脹空間８は、第１～第３の膨脹空間８Ａ，８Ｂ，８Ｃにより構成される。ドライアイス生成管４にはオリフィス部７が設けられている。オリフィス部７には、１つの噴出孔７Ａと第１の膨脹空間８Ａが形成されている。

本実施形態においては噴出孔７Ａの内径を０．２～０．３ｍｍとしている。オリフィス部７は、液化二酸化炭素供給路２Ａの下流端とドライアイス生成管４との境界に設けられている。噴出孔７Ａは、液化二酸化炭素供給路２Ａから供給される液化二酸化炭素を第１の膨脹空間８Ａ内へ噴出する。本実施形態においては、第１の膨脹空間８Ａ内へ噴出する液化二酸化炭素の温度および圧力を－２０℃（２．５ＭＰａ）～２５℃（６ＭＰａ）としている。

ドライアイス生成管４は、噴出孔７Ａから噴出された液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間８、すなわち第１～第３の膨脹空間８Ａ～８Ｃにより順次膨張させてドライアイス粒子を生成する。第１の膨脹空間８Ａは、段階的に拡大する膨脹空間８の最初の段、すなわち１段目である。第１の膨脹空間８Ａの内径ａは２．４～４ｍｍ、長さｅはａ×（０．２～１．０）である。また、第１の膨脹空間８Ａは、図２に示すように、噴出孔７Ａの出口に対して１２０～１８０°の開先７Ｂにより接続されている。

第２の膨脹空間８Ｂは、段階的に拡大する膨脹空間８の２段目である。第２の膨脹空間８Ｂの内径ｂはａ×（１．２～２．２）、長さｆはｂ×（０．２～１．０）である。また、本実施形態においては、第２の膨脹空間８Ｂは第１の膨脹空間８Ａとの接続部に開先を設けていないが、１２０～１８０°の開先を設けることもできる。なお、第１の膨脹空間８Ａと第２の膨脹空間８Ｂとの接続部に開先を設けた場合、この開先は第１の膨脹空間８Ａの長さｅに含むものとする。

第３の膨脹空間８Ｃは、段階的に拡大する膨脹空間８の３段目、すなわち最終段である。第３の膨脹空間８Ｃの内径ｃはｂ×（１．１～２．０）、長さｇはｃ×（０．５～５．２）である。また、本実施形態においては、第３の膨脹空間８Ｃは第２の膨脹空間８Ｂとの接続部に開先を設けていないが、１２０～１８０°の開先を設けることもできる。なお、第２の膨脹空間８Ｂと第３の膨脹空間８Ｃとの接続部に開先を設けた場合、この開先は第２の膨脹空間８Ｂの長さｆに含むものとする。

第１の膨脹空間８Ａの内径ａは、この第１の膨脹空間８Ａを通過する二酸化炭素ガスの平均流速が７０～１００ｍ／ｓｅｃとなるように設定されたものである。第２の膨脹空間８Ｂの内径ｂは、この第２の膨脹空間８Ｂを通過する二酸化炭素ガスの平均流速が２０～４０ｍ／ｓｅｃとなるように設定されたものである。第３の膨脹空間８Ｃの内径ｃは、この第３の膨脹空間８Ｃを通過する二酸化炭素ガスの平均流量が６～２０ｍ／ｓｅｃとなるように設定されたものである。また、膨脹空間８の全長ｄは１０～３０ｍｍとしている。

上記構成のドライアイス生成管４では、噴出孔７Ａから膨脹空間８へ噴出された液化二酸化炭素は短時間で減圧されて液体から気体に変化するとともに、気体はジュールトムソン効果で急激に冷却され、気体（二酸化炭素ガス）と固体（平均粒子径１μｍ程度のドライアイス微粒子）へ変化する。このとき、膨脹空間８の１段目の段差、すなわち噴出孔７Ａの内径と第１の膨脹空間８Ａの内径ａとの段差により乱流が発生し、その渦の力により平均粒子径１μｍ程度のドライアイス粒子が凝集する。

そして、膨脹空間８の２段目以降の段差、すなわち第１の膨脹空間８Ａの内径ａと第２の膨脹空間８Ｂの内径ｂとの段差および第２の膨脹空間８Ｂの内径ｂと第３の膨脹空間８ｃの内径ｃとの段差においても同様に乱流が発生し、その渦の力によりドライアイス粒子が成長する。これにより、ドライアイス生成管４では、平均粒子径１０～２０μｍの硬質なドライアイス粒子が生成される。

加速用ガス供給管３は、合流部材５の基端部側方に接続されている。加速用ガス供給管３は加速用ガスが供給される加速用ガス供給路３Ａを有する。本実施形態においては、加速用ガスとして０．４～０．６ＭＰａのドライエアを使用している。加速用ガス供給路３Ａから合流部５Ａへ供給された加速用ガスはドライアイス生成管４の周囲からノズル６の方向へ流れ、ドライアイス生成管４で生成されたドライアイス粒子と合流する。なお、加速用ガスとして、露点温度の低いガスを使用することができ、ドライエアの他、窒素ガスや炭酸ガスなどを使用しても良い。

ノズル６は、合流部材５の先端部に接続されている。ノズル６は、流れ方向に流路断面積が縮小する縮小部６Ａと、流路断面積が最も小さいスロート部６Ｂと、ラバル形状の拡張部６Ｃとを有する。縮小部６Ａは、縮小角ｆで縮小する円錐状の流路である。縮小角αは１０～３０°としている。縮小部６Ａの上流端の断面積は、合流部５Ａの下流端の断面積と同じである。

スロート部６Ｂは、縮小部６Ａと拡張部６Ｃとの間で狭まった部分である。スロート部６Ｂの内径は３ｍｍとしている。噴出孔７Ａからスロート部６Ｂまでの距離Ｌは４０～１２０ｍｍとしている。拡張部６Ｃは、例えばＦｏｅｌｓｃｈの方法を用いて計算されたラバル形状である。噴射口６Ｄの内径Ｍは４．５ｍｍとしている。合流部５Ａで加速用ガスと合流したドライアイス粒子は、加速用ガスの流れに乗ってノズル６内の縮小部６Ａからスロート部６Ｂおよび拡張部６Ｃを順に経ることにより超音速まで加速され、噴射口６Ｄに至る。

上記構成のドライアイス噴射装置１では、液化二酸化炭素供給路２Ａから供給される液化二酸化炭素が噴出孔７Ａを通じてドライアイス生成管４の膨脹空間８内へ噴出され、この段階的に拡大する膨脹空間８内で断熱膨張することにより平均粒子径１０～２０μｍの硬質のドライアイス粒子が形成され、ドライアイス生成管４から合流部５Ａへ噴出される。

このドライアイス生成管４から噴出されたドライアイス粒子は、加速用ガス供給路３Ａから供給される加速用ガスと合流部５Ａで合流し、加速用ガスの流れに乗る。このとき、本実施形態におけるドライアイス噴射装置１では、噴出孔７Ａからスロート部６Ｂまでの距離が４０～１２０ｍｍであることから、ドライアイス粒子は合流部５Ａおよび縮小部６Ａの内部壁面に触れることなく混合されるので、凝集が成長することがなく、また壁面に熱が奪われることもなく、加速用ガスと混合されながらスロート部６Ｂに達し、ラバル形状の拡張部６Ｃで超音速となり、噴射口６Ｄから外部に均一な粒子密度で超音速噴射される。したがって、このドライアイス噴射装置１では、配管を加熱することなくスロート部６Ｂの閉塞を防止することが可能となり、ドライアイス粒子を均一な粒子密度で超音速噴射することができる。

図３はノズル６の噴射口６Ｄにおけるドライアイス粒子の粒子径Ｄの分布を示したグラフである。図３に示されるように、ドライアイス粒子の粒子径Ｄは４０μｍ以下が多く、１０～２０μｍがほとんどであった。

なお、ドライアイス粒子が接触する噴出孔７Ａ、開先７Ｂ、膨脹空間８、合流部５Ａ、縮小部６Ａ、スロート部６Ｂおよび拡張部６Ｃの表面あるいはオリフィス部７、ドライアイス生成管４、合流部材５およびノズル６の全体を熱伝導率０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下のフッ素系樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂などの表面が平滑で熱伝導率が低い樹脂により形成されたものとすることが望ましい。これにより、外部と断熱され、ドライアイス粒子の昇華を減らすことができるので、液化二酸化炭素から生成するドライアイス生成効率が向上する。

また、これらの樹脂は導電性とすることで、静電気の発生が防止され、ドライアイス粒子への静電気の影響を防ぐことができるので、液化二酸化炭素から生成するドライアイス生成効率が向上する。

なお、本実施形態においては、段階的に拡大する膨脹空間８を第１～第３の膨脹空間８Ａ～８Ｃの３段構成としているが、２段としたり、４段以上としたりすることも可能である。また、本実施形態においては、第１の膨脹空間８Ａをオリフィス部７に設けた構成としているが、オリフィス部７とは別構成とすることも可能である。

上記実施形態におけるドライアイス噴射装置１を用いてドライアイス粒子による付着物の剥離試験を行った。剥離試験は、ＡＬＰ－ＫＺ αクロゾメスプレー（トラスコ中山）をアルミ板に塗布し、ドライアイス生成管の形状を変えて行った。

第１の膨脹空間８Ａ内へ噴出する液化二酸化炭素の温度は１９．３℃、圧力は５．６ＭＰａとした。加速用ガスの圧力は０．６ＭＰａ、流量は６５０Ｌ／ｍｉｎ（圧力下露点－６２℃）とした。また、噴射口６Ｄからアルミ板までの距離は５ｍｍ、送り速度は５ｍｍ／ｓｅｃとした。

表１にドライアイス生成管のａ，ｂ，ｃ，ｅ，ｆ，ｇの各寸法と試験結果を示した。噴出孔７Ａの内径は全てφ０．２５ｍｍである。なお、番号（２）のドライアイス生成管には第１の膨脹空間８Ａが無い。また、図４は剥離試験後のアルミ板表面の様子を示す写真である。

図４に示されるとおり、番号（１）、（３）、（５）については下地のアルミ板がはっきりと露出しており、付着物を剥離することができていることが確認できた。アルミ板に塗布したＡＬＰ－ＫＺ αクロゾメスプレー（トラスコ中山）には合成樹脂・グラファイトが成分に配合されているため塗装膜が固く、ドライアイス粒子の硬度差がはっきりと見られた。同じ液化二酸化炭素消費量およびエア噴射流量でもドライアイス粒子が柔らかいものであればこの塗装膜は剥離除去できていない。なお、番号（４）、（６）、（７）についてはマジックインキ（寺西化学工業株式会社）により形成された塗膜の除去は可能であった。

本発明のドライアイス噴射装置は、液化二酸化炭素から生成したドライアイス粒子を圧縮されたガスと混合して対象物へ噴射し、対象物の表面から汚染物質を除去するドライアイス洗浄装置に有用であり、特に、平均粒子径１０～２０μｍの硬質なドライアイス粒子を生成し、強固な付着物を除去することが可能なドライアイス噴射装置として好適である。

１ ドライアイス噴射装置
２ 液化二酸化炭素供給管
２Ａ 液化二酸化炭素供給路
３ 加速用ガス供給管
３Ａ 加速用ガス供給路
４ ドライアイス生成管
５ 合流部材
５Ａ 合流部
６ ノズル
６Ａ 縮小部
６Ｂ スロート部
６Ｃ 拡張部
６Ｄ 噴射口
７ オリフィス部
７Ａ 噴出孔
７Ｂ 開先
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 膨脹空間

Claims (4)

1. 液化二酸化炭素が供給される液化二酸化炭素供給路と、
   前記液化二酸化炭素供給路から供給される液化二酸化炭素を噴出する内径０．２～０．３ｍｍの噴出孔と、
   前記噴出孔から噴出される－２０℃（２．５ＭＰａ）～２５℃（６ＭＰａ）の液化二酸化炭素を段階的に拡大する膨脹空間であり、
   １段目の内径ａが２．４～４ｍｍ、長さがａ×（０．２～１．０）であり、
   ２段目の内径ｂがａ×（１．２～２．２）、長さがｂ×（０．２～１．０）であり、
   最終段の内径ｃがｂ×（１．１～２．０）、長さがｃ×（０．５～５．２）であり、
   全長が１０～３０ｍｍである膨脹空間により膨張させてドライアイス粒子を生成するドライアイス生成管と
   を有し、
   前記膨脹空間の１段目を通過する二酸化炭素ガスの平均流速が７０～１００ｍ／ｓｅｃであるドライアイス噴射装置。
2. 前記膨脹空間の２段目を通過する二酸化炭素ガスの平均流速が２０～４０ｍ／ｓｅｃである請求項１記載のドライアイス噴射装置。
3. 前記膨脹空間の最終段を通過する二酸化炭素ガスの平均流速が６～２０ｍ／ｓｅｃである請求項２記載のドライアイス噴射装置。
4. 前記ドライアイス粒子が接触する表面または全体が、熱伝導率０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の樹脂により形成されたものである請求項１から３のいずれか１項に記載のドライアイス噴射装置。