JP2005111575A

JP2005111575A - Ｃｏ２スノー噴射装置およびｃｏ２スノー噴射方法

Info

Publication number: JP2005111575A
Application number: JP2003345290A
Authority: JP
Inventors: Yumito Kondo; 弓人近藤; Takuji Kudo; 卓史工藤
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】
温度変化によるシステムロス変化の影響を少なくしたＣＯ_２スノー噴射装置および方法を提供する。
【解決手段】
液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射装置において、前記アシストガスに旋回を与える旋回手段を設けてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、該膨張室の壁部付近の圧力を測定する圧力測定手段を設け、測定された圧力の信号に基づいて前記アシストガスの供給圧力制御を行う。
また、液体ＣＯ_２流量一定制御を行って、前記アシストガスの供給圧力制御を行う。
【選択図】図１

Description

液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成しワークに向けて噴射することによって精密洗浄等に用いるＣＯ_２スノー噴射装置および方法に関する。

従来から液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成しワークに向けて噴射することによって精密洗浄等に用いるＣＯ_２スノー噴射システムにおいて、
１．ＣＯ_２スノーを加速せしめるため
２．ＣＯ_２スノーを周囲雰囲気の湿分から隔離するため
３．ＣＯ_２スノーの噴射形状や噴射密度を所望する状態に調整するため
等のためにアシストガスが用いられていた。上記２や３の場合はＣＯ_２スノー噴射流の外周を囲むようにアシストガスを噴射し、上記１の場合は噴射前にＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させる。この噴射前にＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させてＣＯ_２スノーを加速する場合において、従来は、特許文献１に示す「ドライアイス・ブラスト用噴射ガン」のように主流（液体ＣＯ_２流路）の外周環状流路に垂直にアシストガスを合流させたり、特許文献２の“CO₂ Cleaning System and Method”のように主流（液体ＣＯ_２流路）の外周環状流路にアシストガスを合流させる際に噴射方向に傾斜したりしていた。いずれの場合も、供給する両流体の圧力又は流量の調整又は制御を行なっているものの合流個所の圧力計測は行なっていない。

特許文献３には、液体炭酸ガス貯槽と、該液体炭酸ガスを気化させ炭酸ガスにする蒸発器と、該炭酸ガスを昇圧する圧縮機と、該炭酸ガス中の不純物を除去する精製部と、炭酸ガスを再液化する凝縮部と、液体炭酸ガス中の不純物を除去する液体フィルタと、液体炭酸ガスを膨張させる絞り部と、膨張により得られたドライアイススノーを被洗浄物に向けて噴射する洗浄ノズルとを備え、絞り部が、液体炭酸ガスを膨張させるオリフィスを有し、このオリフィスは、表面硬化処理が施されているか、または表面硬化処理により形成された表面硬化層と同等の硬度を有する材料から構成されているドライアイス噴射洗浄装置が記載されている。

実用新案登録第２５５７３８３号公報Ｕ．Ｓ．Ｐ．５４０５２８３特開２００３−１２８７９３号公報

噴射前にＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させてＣＯ_２スノーを加速する場合において、
１．ＣＯ_２スノーの発生個所であると共に、アシストガスとの合流個所である膨張室の圧力がアシストガスを供給することにより供給ガス圧力が高くなり過ぎると、充分なＣＯ_２スノーを発生させるための膨張が行なえなくなる。このため、供給ガス圧力の制御だけでは充分でない要因として、以下のことが考えられる。ＣＯ_２スノー発生に伴う温度低下による中心部の液体ＣＯ_２供給管の収縮によりアシストガスの環状供給流路の間隙が拡大するという変化が、噴射開始時から噴射継続中に発生する。断続的に噴射を繰り返すシステムで用いられる場合、噴射開始時毎に流路圧損（システムロス）が異なってしまう。長期停止状態からの起動時に合わせて調整すると、時間経過とともに合流部の圧力は低下しアシストガスによる十分な加速が得られない。温度変化が無視できる定常状態に合わせて調整すると、ＣＯ_２は吹き始め時に膨張室での充分な膨張ができずＣＯ_２スノー発生量が少なくなり、定常状態に達するまでの時間も余分に掛かることになる。この影響を排除するために、温度変化が無視できる定常状態になるまでの間無駄吹きすることで対応しようとした場合、液体ＣＯ_２やアシストガスの無駄な消費によるコスト上昇と、トータルのタクトタイムの上昇を招いてしまう。

２．ＣＯ_２スノーとアシストガスとが合流した際、周方向の成分分布不均一が生じると、周方向の温度分布不均一、周方向の密度分布不均一、そして周方向の流速分布不均一も発生し、噴射前のノズルの絞り周辺において部分的にＣＯ_２スノーが付着堆積し、目詰まりの原因となる。側方から合流する環状流路において、ヘッダ部で拡大した流路断面積を絞ることにより周方向流速分布の均一性を得ようとすると、上記１に記載した温度変化による流路断面積変化の影響が、さらに大きくなる。
という課題の解決が求められていた。

本発明は、上記の課題を解決し、温度変化によるシステムロス変化の影響を少なくしたＣＯ_２スノー噴射装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、Ｎ_２ガスやＣＯ_２ガス等のアシストガスに旋回を与えてＣＯ_２スノーに包囲合流させると共に、合流個所である膨張室の圧力を計測してアシストガスの供給圧力制御に用い、温度変化によるシステムロス変化の影響を少なくしたＣＯ_２スノー噴射装置および噴射方法を提供する。

本発明によって、液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射装置において、前記アシストガスに旋回を与える旋回手段を設けてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、該膨張室の壁部付近の圧力を測定する圧力測定手段を設け、測定された圧力の信号に基づいて前記アシストガスの供給圧力制御を行うことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射装置およびこれを使用したＣＯ_２スノー噴射方法が構成される。

本発明によると、膨張によるＣＯ_２スノー生成を確保しつつアシストガスを追加分散媒として分散相密度低下による固体粒子速度増加を図ることができ、旋回流による成分・温度・密度・流速の周方向均一化により、および固体粒子と内壁面の間の緩衝層として存在することにより壁面への付着・堆積・目詰まりを防止することができる。

液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射方法において、前記アシストガスに旋回を与えてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、該膨張室の壁部付近の圧力を測定し、測定された圧力の信号に基づいて前記アシストガスの供給圧力制御を行ってＣＯ_２スノー噴射を行う。
また、液体ＣＯ_２流量一定制御を行い、前記アシストガスの供給圧力制御を行ってＣＯ_２スノー噴射を行う。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、実施例１の縦断面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ断面を示す。これらの図において、ＣＯ_２スノー噴射装置１００は、噴射ノズル６、噴射ノズル６内に形成された膨張室５、膨張室５の上部に絞り部９を介して接続形成されたアシストガスガス導入室となるアシストガスヘッダ８、アシストガスヘッダ８に接続されたアシストガス導入管７、先端部にオリフィス４を備え、周囲にスワラ１０を備えてオリフィス４およびスワラ１０が絞り部９内に配置された構成の円筒の液体ＣＯ_２導入管２２、膨張室５に接続され、噴出口２３、膨張室５の周囲の壁２４を貫通して設けられる管座１１、この管座１１内に設けられ、膨張室５の内壁付近の旋回するアシストガスの圧力を計測する圧力センサ１２、およびアシストガス導入管７に接続された配管２５に設けられた圧力制御弁１３からなる。

このような構成において、液体ＣＯ_２１はオリフィス４を通って膨張室５で膨張してＣＯ_２スノーとなり、噴射ノズル６を通って噴出口２３から噴出する。一方、アシストガス２はアシストガスヘッダ８に偏心して取付けられたアシストガス入口ノズル７より導入され、アシストガスヘッダ８内で旋回流を形成する。アシストガスヘッダ８から絞り部９で周方向に均一な流れとなって、スワラ１０で旋回成分をさらに付加されて、膨張室５に至る。集中的に冷却されるオリフィス４の外周において、絞り部９からスワラ１０における速い流速が熱伝達を促進し、オリフィス４で発生した冷熱を速やかに後流側に伝える。膨張室５にはいったアシストガスは、高速で直進するＣＯ_２スノー噴流の周囲を旋回しながらＣＯ_２スノー固体成分の壁面との接触を防ぐ。いずれの場所においても旋回流は、成分・温度・密度・流速の周方向不均一を均一にする効果がある。さらにボルテックスチューブの原理で、旋回している外壁面近傍で圧力が高く旋回軸中心部で圧力が低くなることにより、外壁面近傍で温度が高く旋回軸中心部で温度が低くなり、外壁面近傍で気体成分比が高く旋回軸中心部で固体成分比が高くなる。ＣＯ_２スノー固体成分（ドライアイス）の壁面への付着は流速が遅い個所で局部的な不均一が起点となって発達すると考えられるため、上記の旋回効果により目詰まりを防止できる。ＣＯ_２スノーを噴射後、回収・精製・再利用する場合、アシストガスはＣＯ_２ガスにしておく方が、分離コストを掛けずに済むメリットがあるが、回収・精製・再利用しないシステムの場合、アシストガス２はＮ_２ガス又は空気を用いる例が多いと考えられる。この場合、アシストガス２は分散相であるスノー粒子の分布密度を下げるための追加分散媒としての効果が有る他、ＣＯ_２ガスに比べてランニングコストを低く抑えられ、地球温暖化ガスの排出を行なわないことにより局所的な環境へ与える負荷も小さく出来る。圧力センサ１２の所要の耐冷温環境性能を緩和するために管座１１を介して膨張室５に取付けた圧力センサ１２によって膨張室の内壁付近の旋回するアシストガスの圧力を測定する。アシストガスの圧力は直接的に測定してもよいし、間接的に測定するようにしてもよい。圧力センサ１２で計測された圧力信号を用いて圧力制御弁１３によって、圧力制御弁１３を操作し、アシストガス２の供給圧力を制御する。これにより、液体ＣＯ_２流量一定制御を行って、温度変化によるシステムロス変化の影響を受けずに膨張室5におけるＣＯ_２スノー生成を確保することができる。もし、圧力センサ１２の信号を用いて液体ＣＯ_２供給圧力の制御を行なった場合、オリフィス４で目詰まりを起こすと液体ＣＯ_２供給圧力を増加させることによりオリフィス４前後の差圧がある値に達したところで一気に目詰まりを吹き飛ばすことになる。目詰まりが解消して一見良さそうではあるが、噴出圧力の急激な変動を招くため、洗浄や加工の状態が急激に変化してしまう。液体ＣＯ_２を流量一定制御のみを採用した場合も同様である。液体ＣＯ_２の純度が充分高くＣＯ_２スノー噴射システムの接液内面が充分に平滑であれば、オリフィス４の目詰まりや温度低下による間隙の減少が起こる場合には徐々に進行する。このため、液体ＣＯ_２流量一定制御に加えて、圧力センサ１２の信号を用いてアシストガス２の供給圧力を制御すると、噴射されるＣＯ_２スノーの組成は徐々に変化するものの洗浄や加工の状態はゆるやかに変化させることができる。

図３は、第２の実施例を示す。実施例１と同一の構成には同一の番号が付してあり、説明の重複を避ける。従って、その場合には、実施例１の説明が援用されるものとする。
図３に示す実施例においては、オリフィス４に代えてマイクロメータヘッド１５付きのニードルバルブ１４によって液体ＣＯ_２１の膨張を行なう。この場合、絞りの程度を連続的に可変にすることが出来る。液体ＣＯ_２１を供給する際、周方向に均一性を確保するためにアシストガスヘッダ８と同様の構造を用いると、その空間で膨張による相変化を来してしまってニードルファインギャップでの目詰まりを引き起こすおそれがある。このため、流路断面積を変化させず、かつ圧損を少なくするために噴射方向と周方向に傾きを持たせて液体ＣＯ_２１を導入する構造としている。液体ＣＯ_２１の旋回方向とアシストガス２の旋回方向と同一にすることにより、相対速度ベクトルを小さくして急激な混合およびドライアイス粒子の粗大化を防止することができる。

図４に、フラットパネルディスプレイ製造ライン、あるいは半導体ウエハ製造ラインにおいて用いられる精密洗浄システム、延性金属薄膜平坦化システム、あるいはプラズマディスプレイパネルリブ形成システムとして用いられる、本発明の対象とするＣＯ_２スノー噴射システムを利用したＣＯ_２スノー噴射方法の実施例を示す。実施例３においても実施例１、実施例２と同一の構成には同一の番号が付してあり、説明の重複を避ける。従って、その場合には、実施例１、実施例２の説明が援用されるものとする。
図４に示す実施例は、ワーク２６を搬入搬出装置２８で各システム内に搬入し、搬送装置２７で噴射位置および噴射角度を変えながらＣＯ_２スノー噴射によって、精密洗浄、平坦化加工、あるいは切削加工を行うＣＯ_２スノー噴射方法の例である。

図４に示す例によれば、一定流量のＣＯ_２スノーと制御されたアシストガスの噴射流をフラットパネルディスプレイ製造ライン、半導体ウエハ製造ラインにおいて用いられる精密洗浄システム、延性金属薄膜平坦化システム、あるいはプラズマディスプレイパネルリブ形成システム上を流れるワークに向けて噴射することによって精密洗浄、平坦化加工、あるいは切削加工を行うＣＯ_２スノー噴射方法が構成される。

本発明のＣＯ_２スノー噴射装置において、液体ＣＯ_２の膨張にオリフィスを用いた場合の実施例の構成を示す断面図。図１のＡ−Ａ断面図。本発明のＣＯ_２スノー噴射システムにおいて液体ＣＯ_２の膨張にニードルバルブを用いた場合の別の実施例の構成を示す縦断面図。ＣＯ_２スノー噴射システムを利用したＣＯ_２スノー噴射方法の例を示す図。

符号の説明

１…液体ＣＯ_２、２…アシストガス、３…ＣＯ_２スノー噴射、４…オリフィス、５…膨張室、６…噴射ノズル、７…アシストガス導入管、８…アシストガスヘッダ、９…絞り部、１０…スワラ、１１…管座、１２…圧力センサ、１３…圧力制御弁、１４…ニードルバルブ、１５…マイクロメータヘッド、２２…液体ＣＯ_２導入管、２３…噴出口、２４…膨張室周囲壁、２５…アシストガス供給配管、２６…ワーク、２７…搬送装置、２８…搬入搬出装置。

Claims

液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射装置において、前記アシストガスに旋回を与える旋回手段を設けてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、該膨張室の壁部付近の圧力を測定する圧力測定手段を設け、測定された圧力の信号に基づいて前記アシストガスの供給圧力制御を行うことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射装置。
液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射装置において、液体ＣＯ_２流量一定制御手段を有し、前記アシストガスに旋回を与える旋回手段を設けてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、前記アシストガスの供給圧力制御手段を設けたことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射装置。
請求項１または２において、前記液体ＣＯ_２をオリフィスを通して膨張室で膨張するようにしたＣＯ_２スノー噴射装置。
請求項１または２において、前記液体ＣＯ_２をニードルバルブを通して絞りを可変にして膨張室で膨張するようにしたＣＯ_２スノー噴射装置。
液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射方法において、前記アシストガスに旋回を与えてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、該膨張室の壁部付近の圧力を測定し、測定された圧力の信号に基づいて前記アシストガスの供給圧力制御を行うことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射方法。
液体ＣＯ_２を膨張させてＣＯ_２スノーを生成し、該ＣＯ_２スノーにアシストガスを合流させて噴射させるＣＯ_２スノー噴射方法において、前記アシストガスに旋回を与えてアシストガスの旋回流を合流箇所である膨張室でＣＯ_２スノーの周囲に形成し、液体ＣＯ_２流量一定制御を行い、前記アシストガスの供給圧力制御を行うことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射方法。
請求項６によって発生した一定流量のＣＯ_２スノーと制御されたアシストガスの噴射流をフラットパネルディスプレイ製造ライン、半導体ウエハ製造ラインにおいて用いられる精密洗浄システム、延性金属薄膜平坦化システム、あるいはプラズマディスプレイパネルリブ形成システム上を流れるワークに向けて噴射することによって精密洗浄、平坦化加工、あるいは切削加工を行うことを特徴とするＣＯ_２スノー噴射方法。