JP5814902B2 - 除塵装置 - Google Patents

Description

本発明は、除塵装置に関する。

従来、家庭用液晶テレビやスマートフォン、タブレット端末等のＬＣＤパネル製造は、良品率向上のため、クリーンルーム内工程で、プラスチックやガラス等の基板表面に、クリーナヘッドのノズル部から吹き出る噴流を当てて、微粒子等の異物の除去を行なっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２３５５５９号公報

しかし、除塵の対象となるワーク（基板）の大型化に伴い、クリーナヘッド（除塵ヘッド）に供給する気体流量が増加し、多大なエネルギー（電力）が消費されてしまうといった問題があった。

そこで、本発明は、消費エネルギーを増加させずに十分な除去効果が得られる効率の良い除塵装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の集塵装置は、ワークの被除塵面が、ノズル部からの噴流のポテンシャルコアの終端よりも下流側に形成される遷移領域内に、配設され、上記ノズル部の噴出スリットのスリット幅寸法をＳとし、上記噴出スリットの出口部と上記被除塵面との離間寸法をＨとしたとき、下記数式１を満たすように、上記Ｓを設定して、上記被除塵面を上記遷移領域内とし、上記噴流の上記被除塵面における噴出方向の時間平均流速の最大値をＵｍａｘとし、上記噴流の噴出方向の速度変動値の強度の最大値をＶ´ｍａｘとしたとき、下記数式２及び下記数式３を満たすように構成したものである。
［数式１］Ｈ／９≦Ｓ＜Ｈ／６
［数式２］１１０＜Ｕｍａｘ＜１５０ （単位：ｍ／ｓ）
［数式３］６．０≦（Ｖ´ｍａｘ／Ｕｍａｘ）×１００≦１２

ノズル部から噴出するエア流量を減少させて、（発生する）ポテンシャルコアの全長を短縮し、被除塵面をポテンシャルコア終端よりも下流側とすることが可能である。このようにすることで、少ない消費エネルギー（流量）で十分な除塵効果を得ることができる。

本発明の実施の一形態を示す要部破断斜視図である。 ノズル部の一例を示す断面図である。 構成及び作用の説明のための図である。 実施例と比較例の実測結果を示す図表である。 離間寸法と除去率の関係を示すグラフ図である。 時間平均流速の最大値と内圧の関係を示すグラフ図である。 時間平均流速の分布を示すグラフ図である。 速度変動値の強度の分布を示すグラフ図である。 速度変動値の強度の最大値と内圧の関係を示すグラフ図である。 ８ｋＰａにおける速度変動スペクトル分布を第１装置と第２装置について比較したグラフ図である。 １１ｋＰａにおける速度変動スペクトル分布を第１装置と第２装置について比較したグラフ図である。 １４ｋＰａにおける速度変動スペクトル分布を第１装置と第２装置について比較したグラフ図である。 除去率と内圧の関係を示すグラフ図である。 第２装置のノズル部の断面図である。

以下、図示の実施形態に基づき本発明を詳説する。
本発明に係る集塵装置は、図１に示すように、加圧エアが供給される貯気室11と、負圧の吸気室12と、を内部に有するクリーナヘッド（除塵ヘッド）９と、クリーナヘッド９の貯気室11にエアを供給すると共に吸気室12内を真空引きする図示省略の加圧・吸引用のブロワ装置と、を備えている。
また、ブロワ装置によって貯気室11に供給されるエア量を、インバータにより調節して、貯気室11の内圧Ｐを調整可能としている。

クリーナヘッド９は、貯気室11内のエアを外部へ噴出するためのノズル部１と、吸気室12と外部を連通する吸込口19を有している。
そして、ノズル部１からの噴流（エアジェット）３によって、液晶ディスプレイ用ガラス基板等のワークＷの被除塵面Ｗａに付着している微粒子等の異物を剥離させ、その異物を吸込口19を介して吸気室12に吸い込んで、除塵するものである。

ノズル部１は、貯気室11内のエアを外部に排出するための噴出溝10を有し、この噴出溝10は、クリーナヘッド９の長手方向Ｌ₁₀に沿って形成されている。
図２に示すように、噴出溝10は、貯気室11と接続される横断面直線状のエア流入部13と、エア流入部13の下流側と連通して外部（噴出）側へ向かうにつれて拡開する横断面三角形状の第１キャビティ部（幅広中間部）14と、第１キャビティ部14の下流側と連通する横断面直線状のキャビティ接続部15と、そのキャビティ接続部15の下流側に連通され外部側へ向かうにつれて拡開する横断面三角形状の第２キャビティ部（幅広中間部）16と、その第２キャビティ部16の下流側に連通され接続部15よりも幅広の断面矩形状の第３キャビティ部17と、第３キャビティ部17の下流側と外部とを連通する噴出スリット18と、を有している。エア流入部13とキャビティ接続部15の幅寸法は同じ寸法に形成されている。

ノズル部１は、第１・第２キャビティ部14，16等によって、下流側（キャビティ内下流端角部）で発生した攪乱が、上流側の流れ（キャビティ内上流の剥離流れ）に伝わって影響を与え、その影響を受けたもの（渦）が下流で発生する攪乱に影響するというフィードバック機構によって、流れに高周波の変動を与える。

図３に示すように、噴出スリット18から噴出する噴流３は、速度が減衰しない（一定の）ポテンシャルコア（領域）５と、ポテンシャルコア５の終端（消滅位置）50より下流側で乱れが発達段階の遷移領域（発達領域）Ｅと、遷移領域Ｅを経て十分に発達した乱流拡散流れの完全発達領域（拡散領域）Ｆと、を有している。また、第１・第２キャビティ部14，16等によるフィードバック機構により、噴流３は、高周波の（速度・圧力）変動が付加された流れである。

従来は、大量のエアを勢い良く噴出させ、かつ、ワークＷに対してノズルをできるだけ接近して配置して、ワークＷの被除塵面Ｗａがポテンシャルコア５内に配設されるようにすることが除塵に適しているとされていた。そのため、大型のワークＷに対して、大量のエアを勢い良く噴出することは、多大なエネルギーを消費していた。

そこで、本発明者は、省エネを図りながらも、除塵効率の改善を図るため、鋭意研究を行なって、噴流３のポテンシャルコア５の終端50よりも下流側、かつ、完全発達領域Ｆより上流側の遷移領域Ｅ内に、ワークＷの被除塵面Ｗａを設けるという独自の着想を行なったものである。

また、噴出スリット18の出口部Ｊと、被除塵面Ｗａと、の間隙Ｇの離間寸法をＨ［ｍｍ］とし、ポテンシャルコア５の長さ寸法（出口部Ｊから終端50までの長さ寸法）をＬ［ｍｍ］とすると、噴流３のポテンシャルコア５の終端50よりも下流側において、ポテンシャルコア５の長さ寸法Ｌの１．５倍を越えると、除塵効率が低下することを究明した。つまり、Ｌ＜Ｈ≦３Ｌ／２の範囲を見い出した。

さらに、ポテンシャルコア５と、噴出スリット18の関係に着目するに至り、噴出スリット18のスリット幅寸法をＳ［ｍｍ］とし、実用的な０．１ｍｍ≦Ｓ≦１０ｍｍの範囲で、発生するポテンシャルコア５の長さ寸法Ｌを実測した結果、ポテンシャルコア５の長さ寸法Ｌは、スリット幅寸法Ｓの５倍〜６倍であった。そこで、被除塵面Ｗａが、ポテンシャルコア５の終端50より確実に下流側に配設するために、Ｈ＞６Ｓと考えた。
その結果、本発明に係る除塵装置を、下記数式１を満たすようにして、スリット幅寸法Ｓ、及び、離間寸法Ｈを設定して、被除塵面Ｗａを遷移領域Ｅ内とした。
［数式１］Ｈ／９≦Ｓ＜Ｈ／６
なお、１ｍｍ≦Ｈ≦２ｍｍの範囲で、上記数式１を満たすスリット幅寸法Ｓを設定するのが好ましい。

ここで、実施例と比較例の試験結果を用いて、作用・効果を説明する。
先ず、実施例は、図２のノズル部１を有し、離間寸法Ｈを１．５ｍｍ、スリット幅寸法Ｓを０．２ｍｍにして、数式１を満たすように構成した。
次に、図２のノズル部１を有し、離間寸法Ｈを１．５ｍｍ、スリット幅寸法Ｓを０．４ｍｍにして、数式１を満たさない構成とした除塵装置（言い換えると、ポテンシャルコア５の終端50より上流に被除塵面Ｗａが配設される除塵装置）を比較例とした。また、実施例及び比較例の貯気室11の内圧Ｐは、同一（１４ｋＰａ）に管理（制御）した。

粒子径が３μｍの粒子と、粒子径が１．６μｍの粒子について、夫々、除去率γを測定した。除去率γ、及び、噴流３の平均流速と、噴流３の速度変動値の強度を、図４の図表に示す。測定方法は後述する。

図４から明らかなように、実施例は、３μｍの粒子に関しては、比較例と同等の除去率γであり、１．６μｍの粒子に関しては比較例よりも除去率γが優れている。実施例は、比較例と内圧Ｐが同じで、スリット幅寸法Ｓが２分の１のため、流量は、比較例よりも著しく減少する。つまり、実施例は、比較例に比べて、供給エア量は略半分で済み、クリーナヘッド９へエアを供給するための装置（ブロワ装置）が小型化できる。

次に、図２のノズル部１を有し、スリット幅寸法Ｓを、０．２ｍｍとした除塵装置を第１装置と呼び、被除塵面Ｗａを、ポテンシャルコア５の終端50よりも下流側から次第に離した場合の除去率γの測定を行なった。
また、第１装置の貯気室11の内圧Ｐを、８ｋＰａ、１１ｋＰａ、１４ｋＰａと変化させた場合の除去率γの変化を測定した実測結果を図５に示す。

図５から明らかなように、Ｈを増加すると、除去率γは低下する傾向を示す。Ｓ＝０．２ｍｍであるので、数式１を満たすＨの範囲は、１．２ｍｍ＜Ｈ≦１．８ｍｍとなる。１．８ｍｍを越えると急激に除去率γが低下している。

つまり、上述の比較例のように、被除塵面Ｗａがポテンシャルコア５内に配設されると、時間平均流速が大きくても、速度変動値の強度が小さく、除去率は劣ってしまう。そして、図５のように、ポテンシャルコア５の終端50より離れすぎると、被除塵面Ｗａに当たる噴流３の平均流速が小さすぎて、十分な除塵効果が得られなくなってしまう（除去率γが低下する）。

また、噴流３の被除塵面Ｗａにおける噴流３の噴出方向（ｙ方向）の時間平均流速を、Ｕ［ｍ／ｓ］とし、その最大値を、Ｕｍａｘ［ｍ／ｓ］とし、噴流３の噴出方向の速度変動値の強度（ＲＭＳ値）を、Ｖ´［ｍ／ｓ］とし、その最大値をＶ´ｍａｘ［ｍ／ｓ］としたとき、本発明に係る除塵装置は、下記数式２及び下記数式３を満たすように構成している。
［数式２］１１０＜Ｕｍａｘ＜１５０ （単位：ｍ／ｓ）
［数式３］６．０≦（Ｖ´ｍａｘ／Ｕｍａｘ）×１００≦１２

より好ましくは、下記数式４及び下記数式５を満たすように構成する。
［数式４］１２０≦Ｕｍａｘ＜１５０ （単位：ｍ／ｓ）
［数式５］７．５≦（Ｖ´ｍａｘ／Ｕｍａｘ）×１００≦１２

ここで、図14のノズル部１´を有する除塵装置を第２装置とし、上述の第１装置と比較した結果を用いて、作用・効果を説明する。
図14のノズル部１´は、図２のノズル部１から第１キャビティ部14とキャビティ接続部15と第２キャビティ部16を省略して、エア流入部13と第３キャビティ部17を直結したものである。スリット幅寸法Ｓ等、共通構成部の寸法は同じである。
また、第１装置及び第２装置は、スリット幅寸法Ｓを、０．２ｍｍとし、離間寸法Ｈを１．５ｍｍとして、両者とも数式１を満たすものである。また、各装置の貯気室11の内圧Ｐを、８ｋＰａ、１１ｋＰａ、１４ｋＰａと変化させた。

各装置の噴流３の測定結果を説明する。なお、図３に示すように、噴出スリット18の出口部Ｊの出口幅方向中央位置Ｊ_０を原点として、水平方向にＸ座標をとり、噴出方向（図示では鉛直下向き）にＹ座標をとる。
第１装置及び第２装置について、Ｘ＝０ｍｍ、Ｙ＝１．５ｍｍでの噴流３の噴出方向（Ｙ方向）時間平均流速の最大値Ｕｍａｘの測定を行なった結果を図６に示す。
図６から明らかなように、第１装置と第２装置とも内圧Ｐの増加とともに時間平均流速の最大値Ｕｍａｘが大きくなる傾向を示している。

次に、内圧Ｐが１４ｋＰａの場合において、時間平均流速ＵのＸ方向の分布を、Ｙ＝１．５ｍｍで実測した結果を、図７に示す。
図７から明らかなように、第１装置と第２装置との差はほとんど認められない。つまり、同一内圧下においては、ノズル部１，１´の形状の違いによって、噴流３の流れの平均的な特性は変化しないことがわかる。

次に、噴流３の噴出方向の速度変動値の強度Ｖ´について、Ｘ方向の分布を、Ｙ＝１．５ｍｍで測定した結果を図８に示す。
図８から明らかなように、速度変動値の強度の最大値は、時間平均流速の最大値が計測されたノズル直下のＸ＝０ではなく、平均流速の最大値の半値幅近傍が測定されたＸ≒０．３に現われることがわかる。この位置では、時間平均流速の分布の勾配が大きく、せん断層の形成により、大きな速度変動が発生していると考えられる。
また、第１装置の速度変動値の強度が、第２装置よりも大きくなる結果となった。これは、図２のノズル部１が断面三角形状の第１キャビティ部14及び第２キャビティ部16を有する構造の効果が顕著になったことによると推察される。

次に、速度変動値の強度の最大値Ｖ´ｍａｘと、貯気室11の内圧Ｐの関係を、図９に示す。
図９から明らかなように、時間平均流速の最大値Ｕｍａｘと同様に、貯気室11の内圧の増加とともにＶ´ｍａｘが増加する傾向があった。また、第１装置のＶ´ｍａｘは、第２装置のＶ´ｍａｘよりも大きい。なお、図示省略するが、圧力変動は、速度変動に対する結果と同じ傾向であった。

また、第１装置と第２装置の各内圧Ｐにおける速度変動スペクトル分布を比較したグラフ図を図10乃至図12に示す。
図10乃至図12から明らかなように、８ｋＰａ、１１ｋＰａ、１４ｋＰａの各内圧Ｐにおいて、１０〜２０ｋＨｚの高周波域で、第１装置が第２装置のスペクトル強度を顕著に上回り、速度変動値の強度の差に大きく寄与しているといえる。つまり、第１キャビティ部14及び第２キャビティ部16が、有効に作用していると考えられる。

そして、被除塵面Ｗａにおける噴出方向の時間平均流速の最大値Ｕｍａｘと、噴出方向の速度変動値の強度の最大値Ｖ´ｍａｘは以下の結果であった。
第１装置は、内圧Ｐが８ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１１６ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝７．３ｍ／ｓである。１１ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１２３ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝１０．４ｍ／ｓである。１４ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１３５ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝１２．３ｍ／ｓである。
第２装置は、内圧Ｐが８ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１１１ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝５．０ｍ／ｓである。１１ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１２３．５ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝５．５ｍ／ｓである。１４ｋＰａの場合は、Ｕｍａｘ＝１３２ｍ／ｓ、Ｖ´ｍａｘ＝６．０／ｓである。
上記結果から明らかなように、第１装置は、数式２及び数式３を満たす構成であり、第２装置は数式２及び数式３を満たさない構成である。

次に、第１装置と第２装置を用いて、粒子径３μｍのシリカ・アクリル複合化合物粒子に対して除去率γの測定を行なった結果を図13に示す。

図13から明らかなように、内圧Ｐの増加と共に粒子の除去率γは大きくなることがわかる。言い換えると、時間平均流速が大きくなるにつれて除去率γが向上していると言える。また、第１装置の除去率γが第２装置の除去率γを上回る結果となった。
ここで、同一内圧下において、第１装置及び第２装置の時間平均流速は、大きさや分布形状は、ほとんど差が認められなかった。しかし、速度変動値の強度には差が見られる。つまり、時間平均流速が同じ場合、除去率γは、速度変動値の強度の傾向に対応している。粒子の除去に対しては、噴流３の時間平均流速の大きさに加え、速度変動値の強度の大きさが重要であり、数式２及び数式３を満たす構成は、時間平均流速と速度変動値の強度のバランスが良い（除塵に最適な）噴流３を発生させている。

第１装置の時間平均流速の最大値Ｕｍａｘが第２装置の時間平均流速の最大値Ｕｍａｘよりも小さくても（第１装置の内圧Ｐが１１ｋＰａの場合と、第２装置の内圧Ｐが１４ｋＰａの場合とを比較すると）、第１装置（数式２及び数式３を満たす構成）は、第２装置（数式２及び数式３を満たさない構成）よりも優れた除去率γであり、消費エネルギーが少ないながらも、十分な除塵効果が得られている。

また、第１装置において、内圧Ｐが８ｋＰａの場合は、数式４及び数式５を満たさない構成であり、内圧Ｐが、１１ｋＰａ、１４ｋＰａの場合に、数式４及び数式５を満たす構成である。
図13から明らかなように、数式４及び数式５を満たす構成は、除去率γが９９％を越え非常に優れた除塵効果が発揮されている。つまり、数式４及び数式５を満たすことで、除塵により最適な噴流３を発生させていると言える。例えば、スリット幅寸法Ｓを設定し、貯気室11の内圧Ｐを制御（設定）することで数式４及び数式５を満たす構成が得られる。

なお、時間平均流速と速度変動値の測定方法は、噴出スリット18の出口幅方向中央位置Ｊ_０から１．５ｍｍ離れた位置（Ｙ＝１．５ｍｍ）に、Ｉ型熱線流速計を設置し、Ｉ型熱線流速計からの出力はデジタルオシロスコープに記録し、時間平均流速を算出すると共に速度変動値の強度を求めた。測定はＸ方向に０．０２ｍｍ間隔で行なった。

また、除去率γの測定方法は、ワークＷとして厚さ０．７ｍｍ、表面積が３００ｍｍ×４００ｍｍのクロム膜付ガラス基板を用いた。
予めクリーニングを十分に行なったワークＷの被除塵面Ｗａ上に、シリンジによりテスト粒子を一様に散布する。ワークＷを吸着テーブルに固定し、クリーナヘッド９を１００ｍｍ／ｓｅｃの速度で搬送して被除塵面Ｗａ全面のクリーニング（除塵試験）を行なった。粒子散布前の付着粒子数ｎ_０、散布後の粒子数ｎ_１、クリーニング（除塵試験）後の残留付着粒子数ｎ_２を測定する。粒子除去率（除塵率）γ％は、下記数式６で求めた。なお、付着粒子数のカウントには表面検査装置（日立ハイテクノロジーズ社製：ＧＩ４８３０）を用い、クラス１００クリーンルーム内にて測定した。除塵率は同一の試験条件に対し３回以上計測を行ない、その平均値を採用した。
［数式６］γ＝｛１００（ｎ_１−ｎ_２）｝／（ｎ_１−ｎ_０）

なお、本発明は、設計変更可能であって、キャビティ部は、図２の断面形状に限らず、横長（幅長）矩形状や下方縮小状の三角形状とするも良い。ワークＷは、紙、フィルム、金属箔等のシート体、プラスチック基板、ガラス基板等のパネル体等、特に限定されない。また、被除塵面Ｗａに対して、ノズル部１が相対的に移動して除塵を行なえるように構成したものであれば良い。例えば、クリーナヘッド９を固定し、ワークＷを搬送装置によって搬送しつつ除塵を行なうように構成、或いは、除去試験のように、ワークＷを固定し、クリーナヘッド９を移動させて除塵を行なうように構成、又は、両者とも移動しながら除塵を行なうようにした構成等自由である。

以上のように、本発明の集塵装置は、ワークＷの被除塵面Ｗａが、ノズル部１からの噴流３のポテンシャルコア５の終端50よりも下流側に形成される遷移領域Ｅ内に、配設されているので、ノズル部１から噴出するエア流量を減少させることが可能で、少ない消費エネルギー（電力）で十分な除塵効果を得ることができる。或いは、噴出するエア流量を従来と同じ（エネルギー消費量が従来と同じ）とした場合に、クリーニング能力を向上させることができる。特に、２μｍ以下の極微細な異物を高い除去率をもって除去できる。

さらに、ノズル部１の噴出スリット18のスリット幅寸法をＳとし、噴出スリット18の出口部Ｊと被除塵面Ｗａとの離間寸法をＨとしたとき、上述の数式１を満たすように、Ｓを設定して、被除塵面Ｗａを遷移領域Ｅ内としたので、少ない流量で十分な除去率γが得られ、クリーニング工程のランニングコストの削減に貢献できる。

しかも、噴流３の被除塵面Ｗａにおける噴出方向の時間平均流速の最大値をＵｍａｘとし、噴流の噴出方向の速度変動値の強度の最大値をＶ´ｍａｘとしたとき、上述の数式２及び上述の数式３を満たすように構成したので、流速や内圧を（従来よりも）低くしても、十分な除塵効果を得ることができる。或いは、平均流速（貯気室11の内圧Ｐ）が従来と同じであれば、従来よりも優れた除去率γが得られる。

１ ノズル部
３ 噴流
５ ポテンシャルコア
18 噴出スリット
50 終端
Ｅ 遷移領域
Ｈ 離間寸法
Ｊ 出口部
Ｓ スリット幅寸法
Ｕｍａｘ 時間平均流速の最大値
Ｖ´ｍａｘ 速度変動値の強度の最大値
Ｗ ワーク
Ｗａ 被除塵面

Claims (1)

1. ワーク（Ｗ）の被除塵面（Ｗａ）が、ノズル部（１）からの噴流（３）のポテンシャルコア（５）の終端（50）よりも下流側に形成される遷移領域（Ｅ）内に、配設され、
   上記ノズル部（１）の噴出スリット（18）のスリット幅寸法をＳとし、上記噴出スリット（18）の出口部（Ｊ）と上記被除塵面（Ｗａ）との離間寸法をＨとしたとき、下記数式１を満たすように、上記Ｓを設定して、上記被除塵面（Ｗａ）を上記遷移領域（Ｅ）内とし、
   上記噴流（３）の上記被除塵面（Ｗａ）における噴出方向の時間平均流速の最大値をＵｍａｘとし、上記噴流の噴出方向の速度変動値の強度の最大値をＶ´ｍａｘとしたとき、下記数式２及び下記数式３を満たすように構成したことを特徴とする除塵装置。
   ［数式１］Ｈ／９≦Ｓ＜Ｈ／６
   ［数式２］１１０＜Ｕｍａｘ＜１５０ （単位：ｍ／ｓ）
   ［数式３］６．０≦（Ｖ´ｍａｘ／Ｕｍａｘ）×１００≦１２

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