原材料の金属がどのようにチューブやパイプに作られるかに関係なく、製造プロセスでは表面に大量の残留物が残ります。圧延機での成形や溶接、製図台での絞り加工、あるいはパイラーや押出機を使用した後に所定の長さに切断する加工を行うと、パイプやパイプの表面がグリースで覆われたり、破片が詰まったりする可能性があります。内部および外部表面から除去する必要がある一般的な汚染物質には、絞りや切断で発生する油性および水性の潤滑剤、切断作業で発生する金属の破片、工場の粉塵や破片などがあります。
屋内の配管や空気ダクトを洗浄するための一般的な方法は、水溶液または溶剤を使用するかどうかに関係なく、屋外の表面を洗浄するために使用される方法と似ています。これらには、フラッシング、プラッギング、超音波キャビテーションが含まれます。これらの方法はすべて効果的であり、何十年も使用されてきました。
もちろん、どのプロセスにも制限があり、これらのクリーンアップ方法も例外ではありません。通常、フラッシングには手動マニホールドが必要ですが、流体がパイプ表面に近づくにつれてフラッシング流体の速度が低下するため（境界層効果）、その効果が失われます（図 1 を参照）。パッキングはうまく機能しますが、医療用途 (皮下または管腔チューブ) で使用されるような非常に小さな直径の場合は非常に手間がかかり、実用的ではありません。超音波エネルギーは外面の洗浄には効果的ですが、硬い表面には浸透できず、特に製品が束ねられている場合にはパイプの内部に到達するのが困難です。もう 1 つの欠点は、超音波エネルギーが表面に損傷を与える可能性があることです。音の泡はキャビテーションによって除去され、表面近くで大量のエネルギーが放出されます。
これらのプロセスに代わる方法は、真空周期核生成 (VCN) です。これは、気泡を成長させ、崩壊させて液体を移動させます。基本的に、超音波処理とは異なり、金属表面を損傷する危険はありません。
VCNは気泡を利用してパイプ内の液体を撹拌し、除去します。これは真空中で動作する浸漬プロセスであり、水ベースの液体と溶剤ベースの液体の両方で使用できます。
鍋で水が沸騰し始めると泡が発生するのと同じ原理で動作します。最初の泡は特定の場所、特によく使用されたポットに発生します。これらの領域を注意深く検査すると、多くの場合、これらの領域の粗さまたはその他の表面欠陥が明らかになります。鍋の表面が一定量の液体とより多く接触するのは、これらの領域です。また、これらの領域は自然対流冷却を受けにくいため、気泡が発生しやすくなります。
沸騰熱伝達では、熱が液体に伝達され、液体の温度が沸点まで上昇します。沸点に達すると温度の上昇は止まります。さらに熱を加えると、最初は蒸気泡の形で蒸気が発生します。急速に加熱すると、表面上のすべての液体が蒸気に変わり、これは膜沸騰として知られています。
鍋に水を沸騰させると何が起こりますか。まず、鍋の表面の特定の点で気泡が形成され、次に水がかき混ぜられると、水は表面から急速に蒸発します。地表近くでは目に見えない蒸気です。蒸気が周囲の空気と接触して冷えると、水蒸気に凝縮し、鍋の上に水蒸気が形成されるのがはっきりと見えます。
これが華氏 212 度 (摂氏 100 度) で起こることは誰もが知っていますが、それだけではありません。これは、この温度と標準大気圧 (14.7 ポンド/平方インチ (PSI [1 bar])) で発生します。言い換えれば、海面での気圧が 14.7 psi の日、海面での水の沸点は華氏 212 度です。同じ日に、この地域の標高 5,000 フィートの山々では、大気圧は 12.2 ポンド/平方インチで、水の沸点は華氏 203 度になります。
VCN プロセスでは、液体の温度を沸点まで上げるのではなく、チャンバー内の圧力を周囲温度での液体の沸点まで下げます。沸騰熱伝達と同様に、圧力が沸点に達すると、温度と圧力は一定に保たれます。この圧力を蒸気圧といいます。チューブまたはパイプの内面が蒸気で満たされると、チャンバー内の蒸気圧を維持するために必要な蒸気が外面から補充されます。
沸騰熱伝達は VCN の原理を例示しますが、VCN プロセスは沸騰とは逆に機能します。
選択的洗浄プロセス。バブルの生成は、特定のエリアをクリアすることを目的とした選択的なプロセスです。空気をすべて除去すると、大気圧が蒸気圧である 0 psi まで下がり、表面に蒸気が発生します。気泡が成長すると、液体がチューブまたはノズルの表面から追い出されます。真空が解放されると、チャンバーは大気圧に戻りパージされ、次の真空サイクルに備えて新しい液体がチューブを満たすようになります。真空/加圧サイクルは通常 1 ～ 3 秒に設定されますが、ワークピースのサイズや汚れに応じて任意のサイクル数に設定できます。
このプロセスの利点は、パイプの表面を汚染領域から洗浄できることです。蒸気が成長するにつれて、液体は管の表面に押し出されて加速し、管の壁に強い波紋を生み出します。最大の興奮は蒸気が発生する壁で起こります。基本的に、このプロセスは境界層を破壊し、液体を化学ポテンシャルの高い表面の近くに保ちます。図上。図２は、０．１％界面活性剤水溶液を使用する２つのプロセスステップを示す。
蒸気が発生するには、固体表面上に泡が形成される必要があります。これは、洗浄プロセスが表面から液体まで行われることを意味します。同様に重要なことは、気泡の核生成は表面で合体する小さな気泡から始まり、最終的に安定した気泡を形成することです。したがって、核生成は、パイプやパイプ内径など、液体の体積よりも表面積が大きい領域で優先的に行われます。
パイプが凹状に湾曲しているため、パイプ内で蒸気が発生しやすくなります。内径部分では気泡が発生しやすいため、まずそこで蒸気が急速に形成され、通常は液体の 70% ～ 80% が置換されます。真空相のピークにおける表面の液体はほぼ 100% 蒸気であり、沸騰熱伝達における膜沸騰を模倣します。
核形成プロセスは、ほぼあらゆる長さまたは形状の直線、湾曲、またはねじれた製品に適用できます。
隠れた貯蓄を見つけてください。VCNを使用した水道システムはコストを大幅に削減できます。このプロセスでは、チューブの表面付近での混合が強くなり、化学物質の濃度が高濃度に維持されるため (図 1 を参照)、化学物質の拡散を促進するために高濃度の化学物質は必要ありません。処理と洗浄が高速化すると、特定の機械の生産性も向上するため、装置のコストが増加します。
最後に、水ベースと溶剤ベースの両方の VCN プロセスは、真空乾燥によって生産性を向上させることができます。これは追加の機器を必要とせず、プロセスの一部にすぎません。
密閉チャンバー設計と熱的柔軟性により、VCN システムはさまざまな方法で構成できます。
真空サイクル核形成プロセスは、小径の医療機器 (左) や大径の無線導波管 (右) など、さまざまなサイズや用途の管状コンポーネントの洗浄に使用されます。
溶剤ベースのシステムの場合、VCN に加えて、スチームやスプレーなどの他の洗浄方法も使用できます。一部のユニークなアプリケーションでは、VCN を改善するために超音波システムを追加できます。溶剤を使用する場合、VCN プロセスは、1991 年に初めて特許を取得した真空から真空 (またはエアレス) プロセスによってサポートされています。このプロセスは、排出量と溶剤の使用を 97% 以上に制限します。このプロセスは、暴露と使用を制限する効果があるとして、環境保護庁とカリフォルニア州南海岸地区大気質管理局によって認められています。
VCN を使用した溶媒システムは、各システムが真空蒸留に対応しており、溶媒回収率を最大化できるため、コスト効率が高くなります。これにより、溶剤の購入と廃棄物の廃棄が削減されます。このプロセス自体が溶媒の寿命を延ばします。動作温度が低下すると、溶媒の分解速度が低下します。
これらのシステムは、必要に応じて、酸溶液による不動態化や過酸化水素やその他の化学物質による滅菌などの後処理に適しています。VCN プロセスの表面活性により、これらの処理は迅速かつコスト効率が高く、同じ装置設計で組み合わせることができます。
現在まで、VCN マシンは直径 0.25 mm のパイプや、直径と肉厚の比が 1000:1 を超えるパイプを現場で加工してきました。実験室での研究では、VCN は長さ 1 メートル、直径 0.08 mm までのコイル内部の汚染物質を除去するのに効果的でした。実際には、直径 0.15 mm までのスルーホールを洗浄できました。
Dr. Donald Gray is President of Vacuum Processing Systems and JP Schuttert oversees sales, PO Box 822, East Greenwich, RI 02818, 401-397-8578, contact@vacuumprocessingsystems.com.
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投稿日時: 2023 年 1 月 13 日