JP6865952B2

JP6865952B2 - １流体ノズル

Info

Publication number: JP6865952B2
Application number: JP2016237385A
Authority: JP
Inventors: 早由里川島; 裕樹明永; 健太中森
Original assignee: Asahi Sunac Corp
Current assignee: Asahi Sunac Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP2018089597A

Description

本明細書で開示する技術は、外部から供給される洗浄液を噴射する１流体ノズルに関する。

従来、外部から供給される洗浄液を洗浄対象物に向けて噴射し、飛行中に微粒化した洗浄液の衝突による物理的な作用によって微細な異物を除去する１流体ノズルにおいて、洗浄液流路にテーパ部が設けられているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１１は特許文献１に記載の洗浄液噴射部（１流体ノズルに相当）のテーパ部を説明するための拡大図である。図１１に示すように、特許文献１に記載の洗浄液噴射部２００の内部には洗浄液の貯留空間に連通した流通路２０１が形成されており、その先端部にテーパ部２０２を介して洗浄液噴射口２０３が形成されている。当該洗浄液噴射部２００ではテーパ部２０２のテーパ角度（中心軸線に対する傾斜角度）は６０度近傍の角度とされている。

特開２００２−１１３８７号公報（段落０００８及び図３）

ところで、１流体ノズルは洗浄力の更なる向上が望まれている。洗浄力を向上させる方法としては洗浄液の圧力をより高くして粒子速度を上昇させる方法が考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の１流体ノズルは圧力を高くすると１流体ノズルの内部で縮流が生じ易い構造である。一般に縮流が生じると流速の損失が生じ、１流体ノズルから噴射された後の粒子速度が上昇し難いという問題がある。

本明細書では、２０ＭＰａ〜３０ＭＰａなどの超高圧帯でも過度な微粒化を避けて圧力に起因するエネルギーを効率よく液滴の粒子速度の上昇に変換し、それにより洗浄力を向上させることができる１流体ノズルを開示する。

本明細書によって開示される１流体ノズルは、外部から供給される洗浄液を噴射する１流体ノズルであって、洗浄液流路を有するノズル本体を備え、前記洗浄液流路は上流側から下流側に向かって縮径するテーパ部を有し、前記テーパ部のテーパ角度が７．５度〜２２．５度の範囲内である。

上記の１流体ノズルによると、テーパ部のテーパ角度を７．５度〜２２．５度の範囲内としたので、従来の１流体ノズルのようにテーパ角度が６０度近傍の場合に比べ、２０ＭＰａ〜３０ＭＰａの超高圧帯でも縮流を抑制することができる。このため２０ＭＰａ〜３０ＭＰａなどの超高圧帯でも過度な微粒化を避けて圧力に起因するエネルギーを効率よく液滴の粒子速度の上昇に変換することができ、それにより洗浄力を向上させることができる。

また、前記洗浄液流路は前記テーパ部の下流側の端部から円筒状に延びる細管部を有し、前記細管部の長さＬを前記細管部の内径Ｄで除算した比が１〜７の範囲内であってもよい。

上記の１流体ノズルによると、超高圧帯での洗浄力を維持しつつ１流体ノズルを小型化することができる。

また、前記テーパ角度が１３度〜１７度であってもよい。

上記の１流体ノズルによると、他のテーパ角度に比べて縮流をより抑制することができる。

また、前記テーパ角度が１３度〜１７度であり、前記細管部の長さＬを前記細管部の内径Ｄで除算した比が３〜５であってもよい。

上記の１流体ノズルによると、テーパ角度が１３度〜１７度の場合に、粒子速度が遅くならない範囲で細管部の長さを極力短くすることができる。

本明細書によって開示される１流体ノズルによれば、２０ＭＰａ〜３０ＭＰａなどの超高圧帯でも過度な微粒化を避けて圧力に起因するエネルギーを効率よく液滴の粒子速度の上昇に変換することができ、それにより洗浄力を向上させることができる。

実施形態に係る１流体ノズルの斜視図１流体ノズルの上面図図２に示すＡ方向から見た側面図図２に示すＢ−Ｂ線の断面図洗浄液流路を拡大して示す断面図噴射距離１００ｍｍのときの平均粒子速度を示すグラフ噴射距離１００ｍｍのときの平均粒子径を示すグラフ噴射距離１００ｍｍのときの洗浄力を示すグラフ噴射距離６０ｍｍのときの洗浄力を示すグラフ比較例に係る大径部と小径部とが直接接続された１流体ノズルの洗浄液流路を拡大して示す断面図従来のテーパ部を説明するための拡大図

＜実施形態＞
実施形態を図１ないし図１０によって説明する。以降の説明では前後方向とは図４に示す前後方向を基準とする。また、以降の説明では後側を洗浄液の上流側、前側を下流側とする。

先ず、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る１流体ノズルとしての洗浄ノズル１の概略について説明する。洗浄ノズル１は図示しない高圧ポンプによって加圧された超純水などの洗浄液（外部から供給される洗浄液の一例）を噴射してフラットパネルディスプレイ、半導体、プリント基板、精密部品などの洗浄対象物に付着している微細な異物を除去する１流体の洗浄ノズルであり、特に２０ＭＰａ〜３０ＭＰａの超高圧帯で使用されるものである。

（１）洗浄ノズルの構成
図４を参照して、洗浄ノズル１の構成について説明する。洗浄ノズル１は円柱状のノズル本体１０と、ノズル本体１０を囲むケース１１とを備えている。ノズル本体１０は超硬やセラミックスなどの高硬度の素材で形成されており、ケース１１は金属や樹脂などで形成されている。なお、本実施形態では洗浄ノズル１がケース１１を備えている場合を例に説明するが、洗浄ノズル１は必ずしもケース１１を備えていなくてもよい。

図５に示すように、ノズル本体１０にはノズル本体１０を前後方向に貫通する洗浄液流路１２が形成されている。洗浄液流路１２の後側を向く開口１３は洗浄液が流入する流入口であり、前側を向く開口１４は洗浄液が噴射される噴射口である。洗浄液流路１２は流入口１３から前側に向かって縮径するテーパ部１５と、テーパ部１５の前端から前側に向かって円筒状に延びる細管部１６とを有している。テーパ部１５は円錐台状（言い換えると円錐の先端部が切り落とされた形状）に形成されている。

テーパ部１５を設けた理由は、洗浄液流路１２を途中で縮径することにより、圧力に起因するエネルギーを損失することなく流速の上昇に変換し、それにより洗浄液の粒子速度をより上昇させるためである。ここで流量とは、洗浄対象物に洗浄液を噴射するときの１分当たりの噴射量（リットル／分）のことをいう。

ところで、洗浄液流路１２を途中で縮径する方法としては、図１０に示す比較例のようにテーパ部１５を設けず、大径部１０１と小径部１０２とを直接接続する方法も考えられる。しかしながら、そのようにすると小径部１０２に流入した洗浄液に縮流５０が生じ、それにより液流れのエネルギー損失が生じて洗浄液の流速が低下し、噴射口１４から噴射される洗浄液の粒子速度が上昇し難くなってしまう。

そこで、本願発明者は洗浄液流路１２の形状が異なる複数の洗浄ノズルを作成して実験を行った。その結果、テーパ部１５を設けると縮流が抑制されること、言い換えると圧力によるエネルギー損失が少ないことを見出した。このため、洗浄ノズル１では大径部１０１と小径部１０２とを直接接続するのではなくテーパ部１５を設けることによって洗浄液流路１２を縮径している。

（２）洗浄ノズルの各部の角度及び寸法比
図５に示すように、本実施形態ではテーパ部１５のテーパ角度を１３度〜１７度としている。前述したように本実施形態では縮流を抑制するためにテーパ部１５が設けられているが、縮流が抑制される程度はテーパ部１５のテーパ角度によっても異なる。そこで、本願発明者はテーパ角度が異なる複数の洗浄ノズルを作成して実験を行った。その結果、超高圧帯でもテーパ角度を７．５度〜２２．５度の範囲内にすると従来のように６０度近傍の角度に比べて縮流が抑制され、粒子速度が上昇することを見出した。特に、本願発明者が実験したところでは、テーパ角度が１３度〜１７度のとき、他のテーパ角度に比べて縮流をより抑制することができた。このため、本実施形態ではテーパ角度を１３度〜１７度としている。

また、本実施形態では、細管部１６の長さＬｓと細管部１６の内径Ｄ２との比（＝Ｌｓ／Ｄ２）を３〜５としている。一般に縮流は層流（流体の流線が管軸と平行な規則正しい流れ）に遷移し、その後に乱流（流体が不規則に運動している乱れた流れ）に遷移する。通常、縮流によって生じた液流れのエネルギー損失は乱流に遷移するまでの間にある程度回復するので、乱流では縮流や層流に比べて流速が速くなる。しかしながら、乱流域で噴射するためにはＬｓ／Ｄ２を１０程度まで大きくする必要があった。

これに対し、本願発明者が実験的にＬｓ／Ｄ２を小さくしたところ、Ｌｓ／Ｄ２が１〜７の範囲内でも噴射挙動が乱流と思われる動きが確認された。ただし、１〜７の範囲内であっても最適なＬｓ／Ｄ２はテーパ角度などによって異なり得る。本願発明者が実験したところでは、テーパ角度が１３度〜１７度の場合は、Ｌｓ／Ｄ２が３より小さいと３以上の場合に比べて粒子速度が遅くなる傾向があることが確認された。これは、Ｌｓ／Ｄ２が３より小さいと細管部１６が短過ぎて乱流への遷移が間に合っていないからであると考えられる。逆に、Ｌｓ／Ｄ２を５より大きくしても粒子速度は大きく上昇しないことも確認された。このため、本実施形態では粒子速度が遅くならない範囲で細管部１６の長さを極力短くすることができる３〜５を最適なＬｓ／Ｄ２とした。

また、本実施形態ではテーパ部１５の長さＬｐと細管部１６の長さＬｓとの比（＝Ｌｐ／Ｌｓ）を１．２〜１．６としている。なお、Ｌｐ／Ｌｓは１．２〜１．６に限られるものではない。また、本実施形態では流入口１３の径Ｄ１と細管部１６の長さＬｓとが同じになっているが、流入口１３の径Ｄ１と細管部１６の長さＬｓとは必ずしも同じでなくてもよい。

（３）実験結果
次に、図６及び図７を参照して、洗浄ノズル１及び従来の洗浄ノズルについて洗浄液の圧力を変えながら噴射距離が１００ｍｍのときの平均粒子速度及び平均粒子径を測定する実験を行った結果について説明する。ただし、ここでいう従来の洗浄ノズルとは洗浄液流路がテーパ部を有していないストレート形状のものであり、洗浄液流路の内径が洗浄ノズル１の流入口１３の径Ｄ１とほぼ等しいものである。

図６において実線は洗浄ノズル１の平均粒子速度であり、点線は従来の洗浄ノズルの平均粒子速度である。ここで、洗浄対象物にダメージを与えない適切な流量は洗浄対象物によって異なるが、ここでは１．２リットル／分程度が適切な流量である洗浄対象物を想定して説明する。

この実験では圧力を変えながら流量の測定も行った。その結果、従来の洗浄ノズルでは圧力が１０．７ＭＰａのときに流量が１．２リットル／分となり、洗浄ノズル１では圧力が２２．５ＭＰａのときに流量が１．２リットル／分となった。図６から判るように、同じ流量（ここでは１．２リットル／分）で比較した場合、洗浄ノズル１は従来の洗浄ノズルに比べて平均粒子速度が速くなっている。

図７において実線は洗浄ノズル１の平均粒子径であり、点線は従来の洗浄ノズルの平均粒子径である。図７から判るように、同じ流量（ここでは１．２リットル／分）で比較した場合、洗浄ノズル１は従来の洗浄ノズルに比べて平均粒子径が小さくなっている、すなわち洗浄液がより微粒化している。通常、圧力を高くすると洗浄液が過度に微粒化し、それにより短い噴射距離で失速して平均粒子速度が遅くなってしまうことが懸念される。しかしながら、前述した図６に示すように洗浄ノズル１は従来の洗浄ノズルに比べて平均粒子速度が速くなっていることから、この微粒化は平均粒子速度が遅くなってしまうほどの過度な微粒化ではないことが判る。

次に、図８及び図９を参照して、洗浄ノズル１及び従来のストレート形状の洗浄ノズルを用いて同じ流量（ここでは１．２リットル／分）で洗浄対象物を洗浄する実験を行った結果について説明する。この実験では評価用の基板に所定の粒子を汚れとして疑似的に付着させ、その粒子をどの程度除去できたかを測定することによって行った。

図８は洗浄ノズルと洗浄対象物との距離が１００ｍｍのときの実験結果を示している。図８に示すように、従来の洗浄ノズルは除去率が２４．９％であったのに対し、洗浄ノズル１は７０．１％であった。また、図９は洗浄ノズルと洗浄対象物との距離が６０ｍｍのときの実験結果を示している。図９に示すように、従来の洗浄ノズルは除去率が１９．４％であったのに対し、洗浄ノズル１は８５．４％であった。このように、洗浄ノズル１は同じ流量でも従来のストレート形状の洗浄ノズルに比べて洗浄能力が大幅に向上していることが確認された。

（４）実施形態の効果
以上説明した洗浄ノズル１によると、洗浄液流路１２は後側（上流側）から前側（下流側）に向かって縮径するテーパ部１５を有しており、テーパ部１５のテーパ角度が７．５度〜２２．５度の範囲内であるので、テーパ角度が６０度近傍の従来の洗浄ノズルに比べ、２０ＭＰａ〜３０ＭＰａの超高圧帯でも縮流を抑制することができる。このため２０ＭＰａ〜３０ＭＰａなどの超高圧帯でも過度な微粒化を避けて圧力に起因するエネルギーを効率よく液滴の粒子速度の上昇に変換することができ、それにより洗浄力を向上させることができる。

更に、洗浄ノズル１によると、細管部１６の長さＬｓを細管部１６の内径Ｄ２で除算した比であるＬｓ／Ｄ２が１〜７の範囲内であるので、従来のようにＬｓ／Ｄ２を１０程度にする場合に比べ、細管部１６を短くすることができる。このため超高圧帯での洗浄力を維持しつつ洗浄ノズル１を小型化することができる。

更に、洗浄ノズル１によると、テーパ角度が１３度〜１７度であるので、他のテーパ角度に比べて縮流をより抑制することができる。

更に、洗浄ノズル１によると、Ｌｓ／Ｄ２が３〜５であるので、テーパ角度が１３度〜１７度の場合に、粒子速度が遅くならない範囲で細管部１６の長さを極力短くすることができる。

＜他の実施形態＞
本明細書によって開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本明細書によって開示される技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態ではテーパ角度を１３度〜１７度としているが、テーパ角度は１３度〜１７度以外の角度であってもよい。ただし、縮流を抑制するためには７．５度〜２２．５度の範囲内であることが望ましい。

（２）上記実施形態ではＬｓ／Ｄ２を３〜５としているが、Ｌｓ／Ｄ２は３〜５以外であってもよい。ただし、最適なＬｓ／Ｄ２はテーパ角度などによって異なり得るので、１〜７の範囲でどの値がＬｓ／Ｄ２として最適であるかは実験などによって確認することが望ましい。

（３）上記実施形態では洗浄液として超純水を例に説明したが、洗浄液の種類はこれに限られるものではなく、洗浄対象物に応じて適宜に選択可能である。

１…洗浄ノズル（１流体ノズルの一例）、１０…ノズル本体、１２…洗浄液流路、１５…テーパ部、１６…細管部

Claims

外部から供給される洗浄液を噴射する１流体ノズルであって、
洗浄液流路を有するノズル本体を備え、
前記洗浄液流路は、
上流側から下流側に向かって縮径するテーパ部と、
前記テーパ部の下流側の端部から連続して円筒状に延びる細管部と、
前記細管部の下流側の端部において前記細管部の流路断面を絞る噴射口と、
を有し、
前記テーパ部のテーパ角度が７．５度〜２２．５度の範囲内であり、
前記細管部の長さＬを前記細管部の内径Ｄで除算した比が３〜５の範囲内である、１流体ノズル。
前記テーパ角度が１３度〜１７度である、請求項１に記載の１流体ノズル。
外部から供給される洗浄液を微粒化して噴射する１流体ノズルであって、
洗浄液流路を有するノズル本体を備え、
前記洗浄液流路は、上流側から下流側に向かって縮径するテーパ部と、前記テーパ部の下流側の端部から連続して円筒状に延びる細管部と、前記細管部の下流側の端部において前記細管部の流路断面を絞る噴射口と、を有し、
前記テーパ部のテーパ角度が７．５度〜２２．５度の範囲内であり、
前記細管部の長さＬを前記細管部の内径Ｄで除算した比が３〜５の範囲内であり、
１０ＭＰａ〜３０ＭＰａの超高圧帯で用いたときに噴射される前記洗浄液について、噴射距離１００ｍｍにおける平均粒子径が２０μｍ以上３０μｍ以下の範囲である、１流体ノズル。