第4章

颗粒冲击对干冰喷射清洗表面的影响

4.1介绍

4.1.1干冰喷射除去细小颗粒

如第1章和第2章所述，干冰颗粒可以用作爆破媒体清洁。 粘附在表面的污染物可以通过干燥除去冰粒没有二次污染。 因此，这种干洗方法是特别适用于清洁度高的工业生产过程需要。 在许多工业领域，细颗粒是其中的主要污染物制造过程; 未能清除污染物会导致降解产品质量。 例如，尺寸小于1微米的导电颗粒可粘附到a集成电路封装中的衬底会导致电短路。干冰喷射中的干冰冲击和空气动力阻力的组合是被认为对去除细颗粒有效。 指导干燥膨胀冰喷射流到清洁目标，通常在清洁系统中装备管。根据以前的研究，初级干冰颗粒将会聚集成团射流流过管子。 凝聚的干冰颗粒的影响是因此被认为是重要的，即使清除机制尚不明确。

4.1.2理论颗粒去除模型

干冰清洗有几种可能的去除机制：（1）动力学基于从干冰颗粒到污染物的动量传递的分离，（2）空气动力学阻力分离，（3）化学分离引起的溶解残留物转化为液态二氧化碳，以及（4）由扫描引起的静电分离的污染物与带电的干冰颗粒结合[Sherman等，1991;Hills，1995; Jackson和Carver，1999]。动力学分离和空气动力学通过考虑作用于附着于表面的粒子的力来研究阻力分离[Kousaka等人，1980; Wang，1990; Tsai等，1991;松阪和增田，1996年; Adhiwidjaja等，2000; Theerachaisupakij等，2003];颗粒去除由力的时刻解释。图4.1显示了附着在基材上的颗粒的力矩平衡模型的基本概念。那里是三个主要力量：由空气中的粒子（Fc）引起的冲击力，曳力（Fd），和附着力（Fa）。由于污染物，引力可以忽略不计一般都很小。在该图中，Dp1和Dp2是大气颗粒的直径和附着在基板上的颗粒，φ分别是冲击角度，θ是基于弹性变形的接触角，Mt是中心处的力矩的质量，这是由剪切流引起的。时刻的平衡的力量代表

瞬间平衡模型也用于干冰清洗，并表明滚动去除颗粒污染物比滑动去除更重要基于力量平衡[Toscano和Ahmadi，2003]。 但是，如果微粒污染物不是球形的，滑动模型可能是重要的[Banerjee和坎贝尔，2005年]。 为了充分阐明颗粒去除的机理，本质研究是必要的，而且这种现象需要在显微镜下观察。 在此外，测量干冰射流的温度对于分析是重要的由于干冰颗粒在喷流中的状态取决于其去除效率温度如第2章所述。在本章中，通过干燥除去附着在表面上的单体化微粒冰爆是通过实验研究的。 这项研究的目的是为了澄清干冰颗粒在去除过程中的冲击效应。 通过观察颗粒去除一台高速显微镜相机和去除效率的时间过程获得。 此外，与干冰粒子状态有关的射流温度也是如此不断测量并与去除效率的变化相关联。

图4.1剪切流场中粒子撞击的简单模型。

另外，基于时刻平衡模型的理论计算被执行通过与气动阻力的比较来讨论干冰颗粒的冲击效应影响。

4.2实验装置和程序

图4.2显示了干冰喷射表面清洁的实验装置。干冰喷射是通过膨胀高纯度液态CO2来生产的。 要做到这一点，一个灵活的由不锈钢制成的软管连接到高压CO2气瓶。 最后为了控制干冰喷射的流量，安装了针形阀。 一个在针阀入口设置压力表，测量内部压力二氧化碳; 实验中测得的压力超过6MPa。 柔性软管和针阀隔热以减少两者之间的热传递环境和设备。 50mm长的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）将管安装在针形阀的端部以用作结块室。附聚的干冰颗粒用碳从管中排出二氧化碳气。由1mm厚的透明玻璃制成的测试板（76×26mm）被固定在玻璃板上表面清洁实验。 这块板子以前被monosized污染过直径为2.92μm和0.75μm的球形胶乳颗粒（Duke Scientific Corp.）。制备过程如下：（1）胶体颗粒通过a喷雾器; （2）气流携带的颗粒通过环状物进行干燥含有硅胶的圆筒; （3）沉积在表面的空气中的颗粒盘子。 表面单位面积的初始颗粒数量约为100mm-2对于2.92-μm颗粒，对于0.75-μm颗粒，约为600 mm-2。图4.3显示了ABS管和测试板的配置。 内在用于实验的ABS管的直径为6mm。 入射角是π/ 4弧度和从管尖到测试板中心的距离在轴向上为20mm。 为了评估表面上的射流强度，

图4.2实验仪器示意图

图4.3 ABS管和测试板的细节。

表面中心处的局部压力，即射流的撞击点处的局部压力通过压力传感器（AP-43，Keyence Corp.）测量。 一个压力水龙头在测试板上安装直径约1mm的压力传感器从后面连接。 还测量了干冰喷射的温度相同的位置使用温度计。 从测试后观察颗粒去除使用高速显微镜照相机（Fastcam-Max，Photron Ltd.）进行平板培养。该通过数字图像获得颗粒污染物去除效率分析。所有实验均在室温条件下进行（温度：25±2℃;RH：40-60％）。

4.3结果和讨论

4.3.1表面局部压力

图4.4显示了射流轴撞击点的局部压力为a干冰射流和空气射流的质量流量的函数。 观察其变化详细的颗粒去除效率，低质量率被使用。 压力是在稳态条件下测量，流动温度为25°C左右-70°C，分别用于空气喷射和干冰喷射。 当地的压力随着时间而增加质量流量，空气和干冰喷射的结果是相似的。 自从局部压力与射流的质量流率相关，局部压力可以用于评估射流的强度。

4.3.2有效的清洁区域

为了研究颗粒去除效率，测试板被污染通过干冰喷射清洁单糖化乳胶颗粒。 去除效率η是被定义为

图4.4测试板中心的射流流动局部压力。

其中N0是附着在测试板上的颗粒污染物的初始数量，Nr是残留颗粒污染物的数量。图4.5显示了去除2.92-μm颗粒污染物的效率作为局部压力的参数。 在这个实验中，干冰喷射的持续时间定为10秒。 颗粒污染物在中心被完全去除板块和下游; 然而，去除效率在15毫米处下降从中心向相反一侧，在x = -25mm处达到零。 有效清除面积随着局部压力的增加而增加。 虽然实验在40-60％的不同RH下进行，没有影响RH的去除效率。也进行了去除0.75微米颗粒污染物的实验。结果如图4.6所示。 虽然去除效率比这低对于2.92微米的颗粒污染物，常见的特征是明显的，即去除效率在下游高但在相反侧低。 以来亚微米大小的污染物更难以从表面去除，更高需要局部压力来提高去除效率。

4.3.3时间依赖性颗粒去除效率

图4.7显示了去除2.92-μm的效率的时间过程颗粒污染物粘附在表面的中心。起始时间（t = 0）是阀门打开的时间。使用干冰喷射时，去除颗粒开始实验后延迟几秒钟后开始移除随着时间的推移，效率会提高。

图4.5 Dp2 = 2.92μm的去除效率曲线（起源是冲击点）。

图4.6 Dp2 = 0.75μm的去除效率曲线（起源是冲击点）。

图4.7 Dp2 = 2.92μm颗粒去除效率的时间过程。

另外，颗粒去除效率很快随着地方压力的增加而增加。要删除的时间的中间值在2,6kPa和10kPa的局部压力下的污染物分别为2.2,1.6和0.9s，分别。随着局部压力的增加，作用于污染物的气动阻力也增加;然而，拖曳力不是拆除的主要因素的颗粒。这是显而易见的，因为空气喷射不能有效去除颗粒即使喷气机的局部压力比干冰喷射机的压力要高，如图4.7所示。干冰射流具有气固两相流;因此，冲击力在干冰颗粒和污染物之间对于颗粒去除是重要的。此外，干冰喷射的低温会导致相对的降低湿度，减少液桥力的影响。如果温度足够低，液桥力量将进一步转化为相互作用力固体与冰;因此，粘附力也会受到影响。图4.8显示了0.75-μm颗粒污染物的实验结果。干冰喷射可以去除甚至亚微米大小的颗粒; 然而，时间去除它们比2.92微米的颗粒污染物要长。 中间值在2,6和10的局部压力下去除0.75-μm颗粒所需的时间kPa分别为9.2,7.5和6.1s。 中位移除时间非常重要评估干冰清洁的因素。 为了阐明时间依赖性，必须讨论干冰喷射流量以及污染物的状况。 以来干冰喷射的状态根据温度，时间依赖性而变化温度必须确定。

4.3.4干冰喷射的温度

二氧化碳在室内条件下以气体形式存在;然而，随着液态二氧化碳的膨胀大气压力下，射流温度降低，冰粒干燥产生的。因此，射流中干冰颗粒的状态与其强烈相关温度和压力。图4.9显示了温度的时间过程干冰喷嘴，温度从室温降至约250℃-70°C。在这个实验中，有两个温度降低阶段。一个相似的在第二章的实验结果中报告了趋势。第二章之后温度降低，在射流中产生了许多凝聚的干冰颗粒流。由于这些实验是在相当低的质量流量下进行的，可以清楚地观察到温度下降。在较高的局部压力下，由于大量的液态二氧化碳膨胀，温度迅速下降导致射流的有效冷却。因此，干冰颗粒更多在较高的地方压力下快速生产;干冰颗粒与水的碰撞污染物会提高去除效率。另外，粘附力污染物与表面之间可能会受到温度的影响。如果水分子在室温下的接触点积累，并且液桥存在除范德之外，污染物还经历了液体桥梁的力量瓦尔斯力量。当干冰喷射的温度足够降低时，水将冻结，液桥力量将转变为相互作用力固体与冰之间。这种现象也会影响清除效率。

图4.8 Dp2 = 0.75μm时颗粒去除效率的时间过程。

图4.9干冰喷射的温度。

将温度与颗粒去除效率相关联的中值图4.9中增加了去除污染物的时间（图4.7和4.8）。去除2.92-μm和0.75-μm污染物的温度大约是-10°C和-70°C。 因此，删除的时间依赖性可以很好地解释了干冰喷射的温度变化。

4.3.5颗粒去除率

标准化的颗粒去除率通过区分颗粒而获得相对于时间的去除效率。 去除2.92和0.75-μm的比率颗粒污染物的去除效率如图4.10所示。去除率随着局部压力的增加而增加。这是很自然的射流强度增加的后果。另外，这张图显示0.75μm颗粒的去除率远高于2.92μm颗粒的去除率粒子。由污染物大小引起的差异可以解释如下。亚微米大小的污染物比微米大小更难以去除污染物;因此，去除亚微米大小的污染物发生在较低的位置在其上形成更多数量的凝聚干冰颗粒的温度与污染物碰撞。冲击力会随着增加而增强附聚的干冰颗粒的惯性。另外，它们不会像较小的干冰颗粒一样迅速升华，因此更有效地去除颗粒。另一方面，微米大小的污染物可以在更高的温度下去除比亚微米大小的污染物。在这些条件下，缺乏凝聚力干冰颗粒会导致较低的去除率。

图4.10干冰喷射颗粒去除率。

4.3.6干冰颗粒对颗粒污染物去除的影响

当应用气固两相流进行表面清洁时，颗粒物表面污染物同时具有空气阻力和冲击力空气粒子的力量。 为了阐明颗粒去除的机制，a力矩平衡模型可以应用（见图4.1）。 马力的三个瞬间由粘附力（Fa）引起的Mc，干冰颗粒（Fc）的影响而造成的通常在模型中考虑由气动阻力（Fd）引起的Md。三个时刻显示为

其中Dp2是粘附到表面的污染物的粒径，Mt是关于剪切流引起的质点中心的瞬间，θ是污染物的接触角，φ是冲击角度。 接触角（θ）可以是使用JKR理论计算（参见附录（A））。然后根据JKR理论给出粘附力Fa。

其中W23是两种材料单位面积的表面能。冲击力Fc由下式给出

其中k12是两种材料的弹性特性，m是质量减小

（/（）1 2 1 2 = m m m + m），D为粒径减小（/（）p1 p2 p1 p2 = D D D + D），v为冲击速度[Timosenko和Goodier，1970]。阻力（Fd）由下式给出

其中f是无量纲系数，它是为了解释墙壁而引入的效应，值为1.7009 [O'Neill，1968]，μ是流体粘度，u是流体速度在污染物的中心（见附录（B）），Rep2是颗粒雷诺数，而Cc是坎宁安滑移修正系数，由下式给出

λ是CO2的平均自由程。关于剪切流中污染物质量中心（Mt）的时刻（见图1）4.1）可以表示为

其中g是无量纲系数，它是为了解释墙壁而引入的效应，值为0.944 [O'Neill，1968]。 撞击角（φ）固定在π/ 4弧度考虑到实验条件。 使两者发生碰撞在这个冲击角度下的球形颗粒，直径在几何上受到限制，

计算中使用的所有常量，它们都是基于条件的在局部压力10kPa下进行的实验列于表4.1。

图4.11显示了作用在颗粒上的力矩的计算结果污染物作为干冰颗粒直径Dp1的函数。 对于2.92-μm颗粒污染物，如图4.11a所示，在这个计算中，Md小于Ma条件，表明只有空气动力阻力不足以消除污染物。 然而，用虚线表示的Mc + Md可以超过Ma。该结果表明Mc是造成颗粒移除的主要时刻。对于0.75微米的颗粒污染物（见图4.11b），Ma之间的差异而Md较大，但Mc + Md和Ma的交点处于较小的Dp1。 这表明Mc对于去除小颗粒更重要。接下来，评估干冰颗粒对去除颗粒的影响污染物，矩量比r *被引入：

图4.12显示了计算矩比（r *）和干冰颗粒直径Dp1作为颗粒直径的参数污染物，Dp2。 2.92-μm和0.75-μm颗粒的计算结果污染物分别用虚线和虚线表示。 此时此刻随着颗粒的减小，比率（r *）随着颗粒直径（Dp1）的增加而增加直径（Dp2）。 在这里，值得注意的是，干冰颗粒与水的碰撞污染物颗粒的去除效果比空气动力学更有效拖动。 激光原位测量凝聚干冰的粒径衍射法为数十微米。 因此，冲击力是对于去除小颗粒特别重要。表4.1理论计算中使用的常量。

φ（冲击角度）=π/ 4弧度v

（干冰的冲击速度粒子）= 41 m s-1ρ1

（干冰密度）= 1.6×103 kg m-3ρ2

（聚苯乙烯密度）= 1.1×103kg m-3k12

（弹性特性）= 3.3×10 -10 Pa -1k23

（弹性特性）= 2.5×10-10Pa-1

W23（单位面积的表面能量）= 2.4×10-2 Jm-2

μ（-78℃时的流体粘度）= 7×10-5Pa·s

u0（干冰射流的核心速度）= 41 m s-1

ρ（-78℃时的流体密度）= 2.8kg m-3

λ（在-78℃下的平均自由程）= 2.8×10-8m

γ（固体与气体质量流量比）= 0.43

图4.11粘附在表面上的颗粒作用的力矩。

图4.12颗粒对颗粒去除的影响。

4.4结论

已经研究了干冰喷射除去颗粒污染物的情况。在这个实验中，进行了原位观察去除过程并进行了实验获得了颗粒去除效率的时间过程。 解释清除过程中，测量了干冰射流的温度和机理基于计算和实验结果讨论了污染物的去除。得出的结论如下：

（1）有效表面清洁面积和颗粒去除效率取决于干冰喷射强度，这是通过表面上的局部压力来评估的。要去除亚微米大小的污染物，需要较高的局部压力。 随着即使在较高的局部压力下，小型污染物也难以去除。这意味着干冰喷射去除颗粒的效果是归因于干冰颗粒与污染物的碰撞。

（2）干冰喷射除尘效率随时间的增加而增加，喷流的温度随着时间的推移而降低。通过链接这些结果，微米尺寸的颗粒在约-10℃和亚微米尺寸下被去除不管局部压力如何，在约-70℃时除去颗粒。因此，颗粒去除效率与喷流的温度密切相关。由于大量在-70℃下形成的团聚干冰颗粒，亚微米大小的颗粒通过凝聚干冰的碰撞而被除去粒子。

（3）通过区分颗粒去除效率获得的颗粒去除率就时间而言也可以通过干冰颗粒碰撞来解释污染物。低射流中亚微米颗粒的高去除率温度条件显示了干冰团聚体的影响。

（4）将基于力矩平衡理论的粒子去除模型应用于粒子群算法干冰喷射系统和理论计算结果验证了优势干冰颗粒的影响效果。