JP7016236B2 - ドライアイススノー噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドライアイススノー噴射装置に関する。

たとえば電子部品の洗浄には、洗浄後の乾燥が不要であるなどの理由から、ドライアイスの粒子を吹き付けて電子部品の表面に付着した異物などを除去するドライアイススノー噴射装置が利用されている。

ドライアイススノー噴射装置の構成を開示した先行文献として、実用新案登録公報第２５５７３８３号(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたドライアイススノー噴射装置は、液化炭酸ガスが充填された液化炭酸ガス貯蔵容器からの供給ライン、および、噴射用ガスが充填された噴射用ガス容器の供給ラインの、各々が接続された液化炭酸ガス供給ノズルに、アダプタを介して接続された本体ノズルを有する。

特許文献１に記載のドライアイススノー噴射装置においては、液化炭酸ガス貯蔵容器から供給された液化炭酸ガスが、液化炭酸ガス供給ノズルに設けられた絞り部材である微小オリフィスから本体ノズルの筒部に噴射されて断熱膨張することによって冷却されてドライアイス粒子となり、本体ノズルからドライアイススノーとして噴射される。液化炭酸ガス貯蔵容器としては、ボンベが用いられている。ボンベから約７ＭＰａＧの圧力の液化炭酸ガスが供給される。

ボンベを用いて液化炭酸ガスを供給する場合、ボンベ中の約半分の液化炭酸ガスを使用した時点で残りの炭酸ガスが気化した状態となって使用することができなくなるため、液化炭酸ガスの使用効率がよくない。

液化炭酸ガス貯蔵容器として、ボンベの代わりにＬＧＣ(Liquid Gas Container)を用いた場合、供給される液化炭酸ガスの圧力は２．５ＭＰａＧ以下となり、液化炭酸ガスの液温は－１０．６℃以下となる。液化炭酸ガスの液温が常温より低いため、液化炭酸ガスは、液化炭酸ガス貯蔵容器から本体ノズルに輸送されるまでの間に外部からの受熱により昇温して一部が気化した気液混合状態となる。気液混合状態で絞り部材に液化炭酸ガスが供給された場合、ドライアイススノーの生成が不安定となる。

そこで、冷却機構を備えるドライアイススノー噴射装置が開発されている。冷却機構を備えるドライアイススノー噴射装置の構成を開示した先行文献として、特開２０１０－１０５８３７号公報(特許文献２)がある。

特許文献２に記載されたドライアイス製造装置においては、液化炭酸ガスを貯留する貯留容器から液化炭酸ガスを供給する供給管とドライアイス生成ノズルとの間に断熱された熱交換チャンバーが設けられている。供給管の途中から分岐した分岐供給路に連結された噴出ノズルから交換チャンバー内に液化炭酸ガスを噴出させて、熱交換チャンバー内に収納されて冷却管を有する過冷却熱交換器を冷却し、冷却管を流通する液化炭酸ガスを過冷却状態にしている。

実用新案登録公報第２５５７３８３号 特開２０１０－１０５８３７号公報

ドライアイススノー噴射装置に強い洗浄力が求められる場合には、ドライアイスの粒径を大きくして、ドライアイスの粒子の洗浄対象物への衝撃力を大きくすることが必要となる。ドライアイスの粒径を大きくするためには、スノー生成空間となるスノー生成流路を広くする必要があり、スノー生成流路を広くすると、絞り部材の直後の位置でドライアイススノーが発生しやすくなる。

液化炭酸ガスを絞り部材にて等エンタルピー変化により相変化させてドライアイススノーを発生させる場合、低温の液化炭酸ガスの方が、高温の液化炭酸ガスに比較して、固体相であるドライアイスの発生割合が高くなる。そのため、過冷却された低温の液化炭酸ガスを用いて粒径の大きいドライアイススノーを発生させる場合、絞り部材の直後の位置にてドライアイススノーが過剰に生成され、絞り機構の２次側の二酸化炭素供給路の内部で詰りが生じて、継続的に安定してドライアイススノーを噴射することが困難となる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、低温の液化炭酸ガスを用いて粒径の大きなドライアイススノーを継続的に安定して噴射することができる、ドライアイススノー噴射装置を提供することを目的とする。

本発明に基づくドライアイススノー噴射装置は、液化炭酸ガス貯蔵容器と、二酸化炭素供給路と、冷却機構と、絞り機構と、噴射ノズルと、推進ガス供給路と、加熱機構とを備える。液化炭酸ガス貯蔵容器は、真空断熱容器である。二酸化炭素供給路は、液化炭酸ガス貯蔵容器に連結されている。冷却機構は、二酸化炭素供給路内を通過する液化炭酸ガスを冷却して過冷却状態にする。絞り機構は、二酸化炭素供給路に設けられ、二酸化炭素供給路を絞る絞り部材を内蔵する。噴射ノズルは、二酸化炭素供給路の末端に設けられている。推進ガス供給路は、噴射ノズルに接続され、推進ガスを供給する。加熱機構は、絞り機構の外側から絞り部材を加熱する。

本発明の一形態においては、加熱機構は、絞り機構の外周に気体を吹き付けることにより絞り部材を加熱する。

本発明の一形態においては、加熱機構は、推進ガス供給路から分岐した分岐流路と接続されている。上記気体は、分岐流路から供給される。

本発明の一形態においては、絞り機構の外周にフィンが設けられている。
本発明の一形態においては、絞り部材がオリフィス板である。

本発明の一形態においては、加熱機構が電熱ヒータである。
本発明の一形態においては、加熱機構が熱交換器である。

本発明によれば、低温の液化炭酸ガスを用いて粒径の大きなドライアイススノーを継続的に安定して噴射することができる。

本発明の実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置の構成を示す断面図である。 炭酸ガスのエンタルピー線図を示すグラフである。 加熱機構による絞り部材の加熱を行なわずに混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合の感圧紙の状態を示す写真である。 加熱機構による絞り部材の加熱を行ないつつ混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合の感圧紙の状態を示す写真である。 本発明の実施形態２に係るドライアイススノー噴射装置の絞り機構の周囲を示す側面図である。 図５のドライアイススノー噴射装置の絞り機構を矢印ＶＩ方向から見た底面図である。 本発明の実施形態３に係るドライアイススノー噴射装置の絞り機構の周囲を示す断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係るドライアイススノー噴射装置について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置１００は、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０と、二酸化炭素供給路１２０と、冷却機構１３０と、絞り機構１５０と、噴射ノズル１６０と、推進ガス供給路１７１と、加熱機構１９０とを備える。

液化炭酸ガス貯蔵容器１１０は、真空断熱容器である。具体的には、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０は、ＬＧＣである。液化炭酸ガス貯蔵容器１１０に充填されている液化炭酸ガスの圧力は、たとえば、０．６ＭＰａＧ以上２．５ＭＰａＧ以下である。

なお、本明細書において、「真空断熱容器」とは、容器の少なくとも一部に設けられた真空空間によって容器内と容器外との間の熱の出入りを抑制可能な容器を意味する。液化炭酸ガス貯蔵容器１１０は、真空断熱容器に準ずる簡易断熱された容器でもよい。

二酸化炭素供給路１２０は、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０に連結されている。二酸化炭素供給路１２０の上流側の先端が液化炭酸ガス貯蔵容器１１０に連結されており、二酸化炭素供給路１２０の下流側の末端が噴射ノズル１６０に連結されている。本実施形態においては、二酸化炭素供給路１２０は、金属製の配管１２１と樹脂製のチューブ１２２とから構成されている。

配管１２１の上流側の先端が液化炭酸ガス貯蔵容器１１０に連結されており、配管１２１の下流側の末端が絞り部材１５１に連結されている。配管１２１の途中に、配管１２１を開閉する第１開閉弁１４０が設けられている。液化炭酸ガス貯蔵容器１１０と第１開閉弁１４０との間に位置する配管１２１に冷却機構１３０が設けられている。冷却機構１３０が設けられている部分以外の配管１２１は、断熱材１２９で被覆されている。

チューブ１２２の上流側の先端が絞り部材１５１に連結されており、チューブ１２２の下流側の末端には開口部１２３が設けられている。チューブ１２２の下流側は、噴射ノズル１６０の内部に位置している。噴射ノズル１６０の外部に位置している部分のチューブ１２２は、断熱材１２９で被覆されている。

冷却機構１３０は、二酸化炭素供給路１２０内を通過する液化炭酸ガスを冷却して過冷却状態にする。冷却機構１３０は、絞り機構１５０に到達した際の液化炭酸ガスが液体のみで構成されている状態となるように、液化炭酸ガスを過冷却する。冷却機構１３０として、冷凍機または過冷却熱交換器などを用いることができる。

絞り機構１５０は、二酸化炭素供給路１２０に設けられ、二酸化炭素供給路１２０を絞る絞り部材１５１を内蔵する。本実施形態においては、絞り部材１５１は、オリフィス板であるが、オリフィス板に限られず、ニードル弁などでもよい。絞り機構１５０は、絞り部材１５１を内蔵した継手である。

噴射ノズル１６０は、二酸化炭素供給路１２０の末端に設けられている。噴射ノズル１６０の末端には、噴射口１６１が設けられている。噴射ノズル１６０の外周部に、推進ガス供給路１７１が接続される接続口１６２が、設けられている。

推進ガス供給路１７１は、噴射ノズル１６０に接続され、推進ガスを供給する。推進ガス供給路１７１の上流側の先端が、推進ガスとなるたとえば窒素ガスまたはドライエアを貯蔵しているガス貯蔵容器１７０に連結されており、推進ガス供給路１７１の下流側の末端が噴射ノズル１６０の接続口１６２に接続されている。

推進ガス供給路１７１には、たとえば電熱ヒータからなる加熱器１８０が設けられている。加熱器１８０は、推進ガス供給路１７１を通過する推進ガスを加熱する。本実施形態においては、推進ガス供給路１７１から分岐した分岐流路１７２が設けられている。分岐流路１７２は、推進ガス供給路１７１の加熱器１８０より上流側の位置から分岐している。

分岐流路１７２の下流側の末端に、分岐流路１７２を開閉する第２開閉弁１４１が設けられている。分岐流路１７２は、第２開閉弁１４１を介して加熱機構１９０と接続されている。

加熱機構１９０は、絞り機構１５０の外側から絞り部材１５１を加熱する。本実施形態においては、加熱機構１９０は、絞り機構１５０の外周に気体を吹き付けることにより絞り部材１５１を加熱する。具体的には、加熱機構１９０は、ノズルで構成されている。加熱機構１９０は、絞り機構１５０に気体を吹き付ける吹付孔１９１を有している。加熱機構１９０から絞り機構１５０に吹き付けられる気体は、分岐流路１７２から供給され、たとえば、常温の窒素ガスまたはドライエアである。

以下、本発明の実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置１００の動作について説明する。

第１開閉弁１４０が開かれることにより、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０から二酸化炭素供給路１２０内に流入した液化炭酸ガスは、冷却機構１３０によって冷却されて過冷却状態となり、二酸化炭素供給路１２０を通過する際の受熱により気化した炭酸ガスが液化される。絞り機構１５０に到達した際の液化炭酸ガスは、液体のみで構成されている。

絞り機構１５０の絞り部材１５１を通過した液化炭酸ガスは、断熱膨張して冷却される。その結果、ドライアイススノーが生成される。ドライアイススノーを含む炭酸ガスは、噴射ノズル１６０に導入される。

ここで、絞り機構１５０の絞り部材１５１を通過してドライアイススノーが生成される際の炭酸ガスの相変化について説明する。図２は、炭酸ガスのエンタルピー線図を示すグラフである。図２においては、縦軸に絶対圧力、横軸にエンタルピーを示している。

図２において、炭酸ガスは、領域Ａで液体状態であり、領域Ｂで気体状態であり、領域Ｃで気液平衡状態であり、領域Ｄで臨界状態であり、領域Ｅで固気平衡状態である。領域Ａと領域Ｃとの境界が、飽和液線Ｌ１であり、領域Ａ、領域Ｃおよび領域Ｂと、領域Ｅとの境界が、三重点線Ｌ２である。

液化炭酸ガス貯蔵容器１１０であるＬＧＣから供給されて冷却機構１３０によって冷却されて過冷却状態となった液化炭酸ガスは、絞り機構１５０の絞り部材１５１を通過する際に、図２の点Ｐ１から点線で示すように等エンタルピー変化により相変化する。この場合、液化炭酸ガスの４０％以上５０％以下がドライアイススノーとなる。

仮にボンベから供給された液化炭酸ガスが、絞り機構１５０の絞り部材１５１を通過する際には、図２の点Ｐ２から点線で示すように等エンタルピー変化により相変化する。この場合、液化炭酸ガスの１５％以上２５％以下がドライアイススノーとなる。

よって、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０であるＬＧＣから液化炭酸ガスを供給することにより、ボンベから液化炭酸ガスを供給する場合に比較して、二酸化炭素供給路１２０における絞り機構１５０の絞り部材１５１の直後の位置にて多量のドライアイススノーが生成される。

そこで、本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、第２開閉弁１４１を開いた状態にして加熱機構１９０によって絞り機構１５０の外周に気体を吹き付けることにより絞り部材１５１を加熱する。第２開閉弁１４１は、第１開閉弁１４０と連動して開閉する。

絞り機構１５０の絞り部材１５１を通過した直後の液化炭酸ガスの温度は約－１５℃であり、絞り機構１５０に常温の気体を吹き付けて絞り部材１５１を加熱することにより、二酸化炭素供給路１２０における絞り機構１５０の絞り部材１５１の直後の位置にて生成したドライアイススノーによって二酸化炭素供給路１２０が閉塞することを抑制できる。その結果、開口部１２３から噴射ノズル１６０内にドライアイススノーを継続的に安定して導入することができる。

ガス貯蔵容器１７０から推進ガス供給路１７１内に流入した推進ガスは、加熱器１８０によって加熱された後、噴射ノズル１６０内のチューブ１２２の外周側に流入し、開口部１２３から噴射ノズル１６０内に導入されたドライアイススノーを含む炭酸ガスと混合された混合ガスの状態で噴射口１６１から噴射される。混合ガスを被洗浄物に吹き付けることにより、被洗浄物を洗浄することができる。

ここで、加熱機構１９０による絞り部材１５１の加熱を行なわずに混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合と、加熱機構１９０による絞り部材１５１の加熱を行ないつつ混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合との、ドライアイススノーの吹き付け安定性を確認した実験例について説明する。本実験例においては、感圧紙に対して噴射ノズル１６０を一定速度で走査しつつ、感圧紙に対して混合ガスを吹き付けた。

図３は、加熱機構による絞り部材の加熱を行なわずに混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合の感圧紙の状態を示す写真である。図４は、加熱機構による絞り部材の加熱を行ないつつ混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合の感圧紙の状態を示す写真である。

図３に示すように、加熱機構１９０による絞り部材１５１の加熱を行なわずに混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合には、ドライアイススノーが吹き付けられて黒色に変色した部分が斑に存在しており、ドライアイススノーの吹き付けが不安定になっていることが確認できた。

図４に示すように、加熱機構１９０による絞り部材１５１の加熱を行ないつつ混合ガスを感圧紙に吹き付けた場合には、ドライアイススノーが吹き付けられて黒色に変色した部分が均一に存在しており、ドライアイススノーの吹き付けが安定していることが確認できた。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、加熱機構１９０によって絞り機構１５０の外側から絞り部材１５１を加熱することにより、二酸化炭素供給路１２０における絞り機構１５０の絞り部材１５１の直後の位置にて生成したドライアイススノーによって二酸化炭素供給路１２０が閉塞することを抑制できる。その結果、低温の液化炭酸ガスを用いて粒径の大きなドライアイススノーを継続的に安定して噴射することができる。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、加熱機構１９０が、絞り機構１５０の外周に気体を吹き付けることにより絞り部材１５１を加熱する構成であるため、加熱機構１９０として電熱ヒータなどを用いた場合に比較して、漏電などのリスクを低減することができる。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、加熱機構１９０が、推進ガス供給路１７１から分岐した分岐流路１７２と接続され、上記気体が分岐流路１７２から供給されることにより、加熱機構１９０の構成を簡易にすることができる。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、液化炭酸ガス貯蔵容器１１０として、大型の真空断熱容器であるＬＧＣを用いることにより、液化炭酸ガス貯蔵容器としてボンベを用いた場合に比較して、液化炭酸ガス貯蔵容器の交換頻度を大幅に減らすことができる。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、加熱器１８０によって推進ガスを加熱することにより、被洗浄物の汚れの種類および状態に応じて洗浄効果が高まるように推進ガスの温度を調整できるとともに被洗浄物が結露することを抑制できる。

本実施形態に係るドライアイススノー噴射装置１００においては、絞り部材１５１がオリフィス板であることにより、絞り部材がニードル弁である場合に比較して、絞り機構１５０の構成を簡易にすることができる。

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係るドライアイススノー噴射装置について説明する。なお、本発明の実施形態２に係るドライアイススノー噴射装置は、絞り機構の外周にフィンが設けられている点のみ実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置と異なるため、実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置と同様である構成については説明を繰り返さない。

図５は、本発明の実施形態２に係るドライアイススノー噴射装置の絞り機構の周囲を示す側面図である。図６は、図５のドライアイススノー噴射装置の絞り機構を矢印ＶＩ方向から見た底面図である。

図５および図６に示すように、本発明の実施形態２に係るドライアイススノー噴射装置においては、絞り機構１５０の外周にフィン１５９が設けられている。これにより、絞り機構１５０の外周の表面積が増えるため、加熱機構１９０から絞り機構１５０に吹き付けられた気体と絞り機構１５０との接触面積を増やすことができる。その結果、加熱機構１９０による絞り部材１５１の加熱効率を向上することができるため、加熱機構１９０の気体の吹き付け量を低減することができる。

(実施形態３)
以下、本発明の実施形態３に係るドライアイススノー噴射装置について説明する。なお、本発明の実施形態３に係るドライアイススノー噴射装置は、加熱機構が電熱ヒータである点のみ実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置と異なるため、実施形態１に係るドライアイススノー噴射装置と同様である構成については説明を繰り返さない。

図７は、本発明の実施形態３に係るドライアイススノー噴射装置の絞り機構の周囲を示す断面図である。図７に示すように、本発明の実施形態３に係るドライアイススノー噴射装置においては、加熱機構２９０が電熱ヒータである。加熱機構２９０は、絞り機構１５０の外周に接するように設けられている。

加熱機構２９０が電熱ヒータである場合は、加熱機構２９０による絞り部材１５１の加熱温度を容易に調整することができる。特に、絞り機構１５０に常温以上の熱を付与することが可能となる。

なお、加熱機構が熱交換器であってもよい。熱交換器は、流体と絞り機構１５０との熱交換を行なう。流体としては、たとえば、推進ガスを用いることができる。この場合、熱交換器が、推進ガス供給路１７１から分岐した分岐流路１７２と接続され、上記流体が分岐流路１７２から供給されることにより、加熱機構の構成を簡易にすることができる。また、熱交換器を通過した推進ガスが推進ガス供給路１７１内に戻されるように、ループ状に分岐流路１７２が構成されている場合、推進ガスを効率よく使用することができる。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１００ ドライアイススノー噴射装置、１１０ 液化炭酸ガス貯蔵容器、１２０ 二酸化炭素供給路、１２１ 配管、１２２ チューブ、１２３ 開口部、１２９ 断熱材、１３０ 冷却機構、１４０ 第１開閉弁、１４１ 第２開閉弁、１５０ 絞り機構、１５１ 絞り部材、１５９ フィン、１６０ 噴射ノズル、１６１ 噴射口、１６２ 接続口、１７０ ガス貯蔵容器、１７１ 推進ガス供給路、１７２ 分岐流路、１８０ 加熱器、１９０，２９０ 加熱機構、１９１ 吹付孔。

Claims (7)

1. 真空断熱容器である液化炭酸ガス貯蔵容器と、
   前記液化炭酸ガス貯蔵容器に連結された二酸化炭素供給路と、
   前記二酸化炭素供給路内を通過する液化炭酸ガスを冷却して過冷却状態にする冷却機構と、
   前記二酸化炭素供給路において前記冷却機構より下流側に設けられ、前記二酸化炭素供給路を絞る絞り部材を内蔵する絞り機構と、
   前記二酸化炭素供給路の末端に設けられた噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルに接続され、推進ガスを供給する推進ガス供給路と、
   前記絞り機構の外側から前記絞り部材を加熱する加熱機構とを備え、
   前記加熱機構は、前記絞り機構の外周に気体を吹き付けることにより前記絞り部材を加熱し、
   前記加熱機構は、前記推進ガス供給路から分岐した分岐流路と接続されており、
   前記気体は、前記分岐流路から供給され、
   前記加熱機構によって前記絞り部材を加熱することにより、前記二酸化炭素供給路における前記絞り機構の前記絞り部材の直後の位置にて生成したドライアイススノーによって前記二酸化炭素供給路が閉塞することを抑制する、ドライアイススノー噴射装置。
2. 真空断熱容器である液化炭酸ガス貯蔵容器と、
   前記液化炭酸ガス貯蔵容器に連結された二酸化炭素供給路と、
   前記二酸化炭素供給路内を通過する液化炭酸ガスを冷却して過冷却状態にする冷却機構と、
   前記二酸化炭素供給路において前記冷却機構より下流側に設けられ、前記二酸化炭素供給路を絞る絞り部材を内蔵する絞り機構と、
   前記二酸化炭素供給路の末端に設けられた噴射ノズルと、
   前記噴射ノズルに接続され、推進ガスを供給する推進ガス供給路と、
   前記絞り機構の外側から前記絞り部材を加熱する加熱機構とを備え、
   前記加熱機構は、前記絞り機構の外周に常温の気体を吹き付けることにより前記絞り部材を加熱し、
   前記加熱機構によって前記絞り部材を加熱することにより、前記二酸化炭素供給路における前記絞り機構の前記絞り部材の直後の位置にて生成したドライアイススノーによって前記二酸化炭素供給路が閉塞することを抑制する、ドライアイススノー噴射装置。
3. 前記加熱機構は、前記推進ガス供給路から分岐した分岐流路と接続されており、
   前記気体は、前記分岐流路から供給される、請求項２に記載のドライアイススノー噴射装置。
4. 前記絞り機構の外周に、前記加熱機構から前記絞り機構に吹き付けられた前記気体と前記絞り機構との接触面積を増やすフィンが設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のドライアイススノー噴射装置。
5. 前記絞り部材がオリフィス板である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のドライアイススノー噴射装置。
6. 前記加熱機構が電熱ヒータである、請求項１に記載のドライアイススノー噴射装置。
7. 前記加熱機構が熱交換器である、請求項１に記載のドライアイススノー噴射装置。

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