JP2009226290A - 洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液化炭酸ガスをドライアイスにして被洗浄物に投射して洗浄するに、ノズルとこれを囲包するホーンとの面積比を考慮して洗浄に適したドライアイスの粒径と硬度を得る。
【解決手段】 加圧された液化炭酸ガスを噴出するノズルと、ノズルの吐出口を囲包してその前方に配され、ノズルから噴出された液化炭酸ガスをドライアイスに生成して被洗浄物に投射するホーンとからなる噴射ヘッドを有する洗浄装置において、あるホーンの内径に対するノズルの内径を、ホーンの断面積／ノズルの断面積が２５〜３５の範囲にあるように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体（被洗浄物）の表面に固着している汚れをドライアイスによって剥離する洗浄装置に関するものである。

物体の表面にこびり付いている汚れをドライアイスによって剥離する洗浄装置が知られている。洗浄後のドライアイスは昇華して拡散することから、液体の洗浄剤等を使用する場合に比べて洗浄剤を回収する手間が省け、洗浄コストを安くできる利点に着目されてのものである。従来のドライアイスを使用する洗浄方法としては、予めペレット状のドライアイスをタンクに貯留しておき、これを高速気流で加速して被洗浄物に投射している。しかし、この方法によると、消尽したドライアイスをタンク内に補充する必要があり、連続的な洗浄ができないという欠点があった。また、ドライスアイスを予め生成、破砕しておかなくてはならないから、コストが高くなるという問題もあった。

このため、液化炭酸ガスを噴出してその断熱膨張によってドライアイスを生成すると同時に被洗浄物に投射する方法が提案されている。その原理は、加圧された液化炭酸ガスを大気中に放出すると、熱力学の法則によって−７８．５°Ｃのドライアイスになる（個体化する）ことを利用しているものである。この場合に重要なことは、液化炭酸ガスから生成するドライアイスの割合はその分子量から重量比で最大で４３％であり、その上限近くまでドライアイス化できるかどうかということであり、また、生成したドライアイスの粒径、硬度が洗浄に適したものであるかどうかということである。

液化炭酸ガスをドライアイスにして被洗浄物に投射する洗浄装置として、例えば、下記特許文献１には、液化炭酸ガスを噴出するノズルの周囲に制御カバーを設け、この制御カバーによってドライアイスに所望の圧力、速度を与えるとともに、必要な噴射形状を得るとされるものが示されている。この目的の下、制御カバーは偏平な末広がり形状をしているが、このような形状のものは工作が難しく、価格が高くなる。また、この制御カバーの主たる目的は、末広がり的な噴射形状を得るものであり、このような形状をしていると、噴射口付近で圧力が低下し、生成したドライアイスの粒径が小さくなって十分な洗浄能力を発揮しないという問題がある。

一方、低温のドライアイスを投射すると、噴射管や被投射物に結露が生ずることが知られている。そこで、下記特許文献２及び３には、この結露を防止するために噴射管の周囲に結露防止用ガスを流通させるものが示されている。そして、結露防止用ガスとして水分を含まない窒素ガスや温められた空気を流出するとしている。しかし、いずれにしても、コストがかかり、装置全体が高価になる。確かに、結露防止は重要なことであるが、ドライアイスで被洗浄物表面に固着した汚れを剥離する洗浄装置においては、被洗浄物に生じた結露はそれほど問題にならない。問題になるのは、ノズルの出口付近に結露が生じて詰まりを生じさせることであるが、これについては、ドライアイスの粒径を制御することで解決できる。
特開２００１−３４０８１６号公報 特開２００２−１４３７３１号公報 特開２００３−１４５４２９号公報

本発明は、以上の課題を解決したものであり、要するに、ノズルと、ノズルの周囲に設けられるホーンと称される筒体の面積比を考慮することで、洗浄に適した粒径及び硬度のドライアイスを得られるようにしたものである。

以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、加圧された液化炭酸ガスを噴出するノズルと、ノズルの吐出口を囲包してその前方に配され、ノズルから噴出された液化炭酸ガスをドライアイスに生成して被洗浄物に投射するホーンとからなる噴射ヘッドを有する洗浄装置において、あるホーンの内径に対するノズルの内径を、ホーンの断面積／ノズルの断面積が２５〜３５の範囲にあるように設定することを特徴とする洗浄装置を提供したものである。

また、本発明は、以上の洗浄装置において、請求項２に記載した、ホーンの断面積／ノズルの断面積の下限値が２０、上限値が４０まで許容される手段、請求項３に記載した、ホーンの長さが２０〜２００ｍｍに設定される手段、請求項４に記載した、ホーンの外周に間隔をあけて外套筒を設け、ホーンと外套筒との間にホーン内を流通するドライアイスを被洗浄物に向けて加速する高速気流を流す手段、請求項５に記載した、噴射ヘッドが複数集合されており、ホーンの集合群の外周に外套筒が設けられる手段、請求項６に記載した、液化炭酸ガスをボンベから流通系路によって噴射ヘッドに導くとともに、噴射ヘッド近くの流通系路に気液分離器を挿設した手段を提供する。

請求項１の手段によると、すなわち、あるホーン径において、ホーンの断面積／ノズルの断面積を上記の範囲にあるようにノズル径を設定すると、粒径及び硬度を洗浄に適したものにできることが判明した。粒径が一定の範囲未満であると、硬度も低下して洗浄能力が低下するとともに、ガス化が進んでドライアイスの量が少なくなる。一方、粒径が一定の範囲を超えると、ノズルの吐出口付近に詰まりが生じて噴射が間欠的になって連続的な洗浄ができないことがある。

上記したホーンの断面積／ノズルの断面積の範囲は下限値、上限値ともに請求項２のように一定の許容範囲がある。また、ドライアイスの硬度はホーンの長さに影響し、請求項３の長さに設定すると、洗浄に適した硬度になる。請求項４の手段によると、ドライアイスを加速することができ、投射圧力も強くなって洗浄能力が高まるし、請求項５の手段によると、洗浄面積を拡大できる。さらに、請求項６の手段によると、ボンベを噴射ヘッドから離して設置することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明に係る洗浄装置の回路図であるが、この洗浄装置は、液化炭酸ガスを貯留するボンベ１と、ボンベ１と流通系路２で連結され、液化炭酸ガス中の気体成分と液体成分とを分離する気液分離器３と、気液分離器３と流通系路４で連結され、液化炭酸ガスをドライアイスにして噴射する噴射ヘッド５と、噴射ヘッド５に流通系路６を通して高速気流を供給するコンプレッサ７等から構成される。

ボンベ１には液化炭酸ガスが加圧された状態で貯留される。この加圧の程度は液化炭酸ガスの貯留温度と密接に関連しており、２．０ＭＰａに加圧すれば−２０°Ｃの液化炭酸ガスを貯留できる。この温度の液化炭酸ガスでは、理論的には、上限の４３％までドライアイス化できる。ボンベ１が小さくなったり、加圧圧力が減じて来ると、貯留温度は徐々に高くなり、それに伴ってドライアイス化できる割合も減じてくる。例えば、−１７°Ｃ程度では４０％であり、０°Ｃでは３０％程度になる。したがって、１６０Ｋｇ入りのボンベ１を用いて約２．０ＭＰａに加圧しておくのが適する。なお、ボンベ１には大型のボンベ１ａと小型（中型）のボンベ１ｂとがあり、洗浄を連続させる時間に応じて使い分ける。

ボンベ１に貯留されている液化炭酸ガスは流通系路２を通して気液分離器３まで導かれる。流通系路２が長くなると、この間に流通系路２内への熱侵入によって気体成分が増え、ドライアイス化の効率が悪くなるからである。また、送られて来る液化炭酸ガスが気体成分によって途切れた状態になり、ドライアイスの噴射が間欠的になる虞れもある。この気液分離器３は、液化炭酸ガスを一旦ポットに溜め、気体と液体の比重差を利用して選別するものである。

本例の気液分離器３は、コントローラ８、制御回路９、差圧計１０及び逃がし弁１６とからなっており、気体成分が差圧計１０によってある割合を超えているとコントローラ８が判断すると、気体成分を逃がし弁１６から逃がして液体成分のみにするものである。この意味で、流通系路２はできるだけ断熱効果がある構造にし、系路長（ボンベ１から噴射ヘッド５までの長さ）も短くするのが適する。一般に、系路長が数ｍ未満であると気液分離器３は不要であるが、それを超えると必要になって来る。この場合でも、気液分離器３は噴射ヘッド５にできるだけ近い位置に設けるのが好ましい。

気液分離器３の液化炭酸ガスは流通系路４を通して噴射ヘッド５に導かれる。本発明は、この噴射ヘッド５に関するもので、図２はその断面図、図３は正面図であるが、この噴射ヘッド５は、流通系路４に連通される主筒１１と、主筒１１の前壁１２に形成されたノズル１３と、ノズル１３の吐出口１３ａを囲包してその前方に配されるホーン１４とからなる。ホーン１４の役割は、ノズル１３から噴出された液化炭酸ガスの無闇な膨張を抑制するためのもので、その存在は欠かせない。なお、ノズル１３とホーン１４との組合せは主筒１１に対して複数設けられるが、その組合せは、各ホーン１４を直線状に配してもよいし、図３のように円形に配してもよい。

洗浄に適したドライアイスは、その粒径や硬度が適正である必要がある。粒径があまり小さいと、気化成分が増してドライアイスの生成量が低下するとともに、硬度が軟らかくなって洗浄能力（汚れの剥離能力）に劣るものになる。また、粒径が大きすぎると、細かな個所の洗浄ができないし、硬度が硬すぎて被洗浄物を傷付ける虞れがあるとともに、ノズル１３の吐出口１３ａ付近でドライアイスが詰まる傾向にあって連続噴射ができないことがある。

生成したドライアイスの粒径や硬度はノズル１３の径ｄとホーン１４の内径Ｄ及び長さＬに関係する。本発明者が種々テストした結果によると、あるホーン１４の内径Ｄを設定した場合、ホーン１４の断面積／ノズル１３の断面積、すなわち、Ｄ² ／ｄ² が２５〜３５の範囲にあるようにノズル１３の内径ｄを設定するのが好ましいことがわかった。これは、Ｄがｄに比べて大きすぎると、膨張が過ぎて気化する度合いが高くなるとともに、ドライアイスが軟らかくなり、反対に小さすぎると、ホーン１４との間隙が小さくなって詰まりが生じて来るからである。

今、ホーン１４の内径Ｄが２ｍｍのものを採用したとすると、仮に、Ｄ² ／ｄ² を上記の中央の値である３０に設定すれば、Ｄ² ／ｄ² ＝３０であるから、ｄ² ＝Ｄ² ／３０、ｄ＝Ｄ／√３０＝２／√３０≒２／５．５≒０．３６、すなわち、ノズル１３の内径ｄは０．３６ｍｍが適することになる。反対に、ノズル１３の内径ｄを決めてホーン１４の内径Ｄを求めることもできる（ただし、Ｄ² ／ｄ² は２５〜３５の幅がって、さらに、その下限値、上限値とも５程度の広がりは許される）。

このような関係は予め特性線図にしておけば便利である。図４は縦軸にＤ² ／ｄ² 、横軸にＤをとってｄを変数とした場合にノズル１３の内径ｄとホーン１４の内径を求める特性線図であるが、いずれのＤであっても、Ｄ² ／ｄ² が２５〜３５の範囲にあるように（一定の許容範囲があることは上記したとおり）ｄを定めることで、容易に求まる。そこで、図４からノズル１３の内径ｄとホーン１４の内径Ｄとの関係を求めてみると、Ｄを２ｍｍに設定したとすると、ｄが０．５ｍｍでは太すぎるし、０．３ｍｍでは細すぎることがわかる。

一方、ホーン１４の長さＬも重要であり、２０〜２００ｍｍの範囲にあるのが好ましいことがわかった。下限値未満であると、液化炭酸ガスはいきなり大気に放出されてホーン１４による必要な圧力が付与されず、ドライアイスが硬くならないし、また、噴出が散乱して方向性も悪い。一方、上限値を超えると、ホーン１４が長過ぎて実用的ではないし、中で詰まりを起こし易い。

なお、液化炭酸ガスをノズル１３の噴射圧だけによると、遠くまで到達させられないし、被洗浄物に対する投射圧力も十分ではない。そこで、ホーン１４の外周に間隔をあけて外套筒１５を設け、この外套筒１５とホーン１４との間にコップレッサ７で０．６〜０．８ＭＰａ程度に加圧された高速気流を流通系路６を通して噴射方向に向けて供給するようにしている。これによると、ドライアイスは高速気流に乗って加速された状態で被洗浄物に投射されるから、遠くまで到達するし、投射圧力も高くなって洗浄（剥離）効果も高くなる。ところで、この洗浄装置が対象とする被洗浄物は、工業製品に限らず、自動車等の輸送機器、日常品、食料品等、あらゆるものが該当する。

洗浄装置の回路図である。 噴射ヘッドの断面図である。 噴射ヘッドの正面図である。 Ｄ² ／ｄ² とＤの関係を示す特性線図である。

符号の説明

１ ボンベ
１ａ 大型ボンベ
１ｂ 小型（中型）ボンベ
２ 流通系路
３ 気液分離器
４ 流通系路
５ 噴射ヘッド
６ 流通系路
７ コンプレッサ
８ コントローラ
９ 制御回路
１０ 着差計
１１ 主筒
１２ 前壁
１３ ノズル
１３ａ 〃 の吐出口
１４ ホーン
１５ 外套筒
１６ 逃がし弁

Claims (6)

1. 加圧された液化炭酸ガスを噴出するノズルと、ノズルの吐出口を囲包してその前方に配され、ノズルから噴出された液化炭酸ガスをドライアイスに生成して被洗浄物に投射するホーンとからなる噴射ヘッドを有する洗浄装置において、あるホーンの内径に対するノズルの内径を、ホーンの断面積／ノズルの断面積が２５〜３５の範囲にあるように設定することを特徴とする洗浄装置。
2. ホーンの断面積／ノズルの断面積の下限値が２０、上限値が４０まで許容される請求項１の洗浄装置。
3. ホーンの長さが２０〜２００ｍｍに設定される請求項１又は２の洗浄装置。
4. ホーンの外周に間隔をあけて外套筒を設け、ホーンと外套筒との間にホーン内を流通するドライアイスを被洗浄物に向けて加速する高速気流を流す請求項１〜３いずれかの洗浄装置。
5. 噴射ヘッドが複数集合されており、ホーンの集合群の外周に外套筒が設けられる請求項４の洗浄装置。
6. 液化炭酸ガスをボンベから流通系路によって噴射ヘッドに導くとともに、噴射ヘッド近くの流通系路に気液分離器を挿設した請求項１〜５いずれかの洗浄装置。