第4章 顆粒沖擊對(duì)干冰噴射清洗表面的影響 4.1介紹 4.1.1干冰噴射除去細(xì)小顆粒 如第1章和第2章所述，干冰顆粒可以用作爆破媒體清潔。 粘附在表面的污染物可以通過(guò)干燥除去冰粒沒(méi)有二次污染。 因此，這種干洗方法是特別適用于清潔度高的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程需要。 在許多工業(yè)領(lǐng)域，細(xì)顆粒是其中的主要污染物制造過(guò)程; 未能清除污染物會(huì)導(dǎo)致降解產(chǎn)品質(zhì)量。 例如，尺寸小于1微米的導(dǎo)電顆�？烧掣降絘集成電路封裝中的襯底會(huì)導(dǎo)致電短路。干冰噴射中的干冰沖擊和空氣動(dòng)力阻力的組合是被認(rèn)為對(duì)去除細(xì)顆粒有效。 指導(dǎo)干燥膨脹冰噴射流到清潔目標(biāo)，通常在清潔系統(tǒng)中裝備管。根據(jù)以前的研究，初級(jí)干冰顆粒將會(huì)聚集成團(tuán)射流流過(guò)管子。 凝聚的干冰顆粒的影響是因此被認(rèn)為是重要的，即使清除機(jī)制尚不明確。 4.1.2理論顆粒去除模型 干冰清洗有幾種可能的去除機(jī)制：（1）動(dòng)力學(xué)基于從干冰顆粒到污染物的動(dòng)量傳遞的分離，（2）空氣動(dòng)力學(xué)阻力分離，（3）化學(xué)分離引起的溶解殘留物轉(zhuǎn)化為液態(tài)二氧化碳，以及（4）由掃描引起的靜電分離的污染物與帶電的干冰顆粒結(jié)合[Sherman等，1991;Hills，1995; Jackson和Carver，1999]。動(dòng)力學(xué)分離和空氣動(dòng)力學(xué)通過(guò)考慮作用于附著于表面的粒子的力來(lái)研究阻力分離[Kousaka等人，1980; Wang，1990; Tsai等，1991;松阪和增田，1996年; Adhiwidjaja等，2000; Theerachaisupakij等，2003];顆粒去除由力的時(shí)刻解釋。圖4.1顯示了附著在基材上的顆粒的力矩平衡模型的基本概念。那里是三個(gè)主要力量：由空氣中的粒子（Fc）引起的沖擊力，曳力（Fd），和附著力（Fa）。由于污染物，引力可以忽略不計(jì)一般都很小。在該圖中，Dp1和Dp2是大氣顆粒的直徑和附著在基板上的顆粒，φ分別是沖擊角度，θ是基于彈性變形的接觸角，Mt是中心處的力矩的質(zhì)量，這是由剪切流引起的。時(shí)刻的平衡的力量代表 
瞬間平衡模型也用于干冰清洗，并表明滾動(dòng)去除顆粒污染物比滑動(dòng)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，滑動(dòng)模型可能是重要的[Banerjee和坎貝爾，2005年]。 為了充分闡明顆粒去除的機(jī)理，本質(zhì)研究是必要的，而且這種現(xiàn)象需要在顯微鏡下觀察。 在此外，測(cè)量干冰射流的溫度對(duì)于分析是重要的由于干冰顆粒在噴流中的狀態(tài)取決于其去除效率溫度如第2章所述。在本章中，通過(guò)干燥除去附著在表面上的單體化微粒冰爆是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究的。 這項(xiàng)研究的目的是為了澄清干冰顆粒在去除過(guò)程中的沖擊效應(yīng)。 通過(guò)觀察顆粒去除一臺(tái)高速顯微鏡相機(jī)和去除效率的時(shí)間過(guò)程獲得。 此外，與干冰粒子狀態(tài)有關(guān)的射流溫度也是如此不斷測(cè)量并與去除效率的變化相關(guān)聯(lián)。 圖4.1剪切流場(chǎng)中粒子撞擊的簡(jiǎn)單模型。 另外，基于時(shí)刻平衡模型的理論計(jì)算被執(zhí)行通過(guò)與氣動(dòng)阻力的比較來(lái)討論干冰顆粒的沖擊效應(yīng)影響。 4.2實(shí)驗(yàn)裝置和程序 圖4.2顯示了干冰噴射表面清潔的實(shí)驗(yàn)裝置。干冰噴射是通過(guò)膨脹高純度液態(tài)CO2來(lái)生產(chǎn)的。 要做到這一點(diǎn)，一個(gè)靈活的由不銹鋼制成的軟管連接到高壓CO2氣瓶。 最后為了控制干冰噴射的流量，安裝了針形閥。 一個(gè)在針閥入口設(shè)置壓力表，測(cè)量?jī)?nèi)部壓力二氧化碳; 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的壓力超過(guò)6MPa。 柔性軟管和針閥隔熱以減少兩者之間的熱傳遞環(huán)境和設(shè)備。 50mm長(zhǎng)的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）將管安裝在針形閥的端部以用作結(jié)塊室。附聚的干冰顆粒用碳從管中排出二氧化碳?xì)�。�?mm厚的透明玻璃制成的測(cè)試板（76×26mm）被固定在玻璃板上表面清潔實(shí)驗(yàn)。 這塊板子以前被monosized污染過(guò)直徑為2.92μm和0.75μm的球形膠乳顆粒（Duke Scientific Corp.）。制備過(guò)程如下：（1）膠體顆粒通過(guò)a噴霧器; （2）氣流攜帶的顆粒通過(guò)環(huán)狀物進(jìn)行干燥含有硅膠的圓筒; （3）沉積在表面的空氣中的顆粒盤(pán)子。 表面單位面積的初始顆粒數(shù)量約為100mm-2對(duì)于2.92-μm顆粒，對(duì)于0.75-μm顆粒，約為600 mm-2。圖4.3顯示了ABS管和測(cè)試板的配置。 內(nèi)在用于實(shí)驗(yàn)的ABS管的直徑為6mm。 入射角是π/ 4弧度和從管尖到測(cè)試板中心的距離在軸向上為20mm。 為了評(píng)估表面上的射流強(qiáng)度， 
圖4.2實(shí)驗(yàn)儀器示意圖 
圖4.3 ABS管和測(cè)試板的細(xì)節(jié)。 表面中心處的局部壓力，即射流的撞擊點(diǎn)處的局部壓力通過(guò)壓力傳感器（AP-43，Keyence Corp.）測(cè)量。 一個(gè)壓力水龍頭在測(cè)試板上安裝直徑約1mm的壓力傳感器從后面連接。 還測(cè)量了干冰噴射的溫度相同的位置使用溫度計(jì)。 從測(cè)試后觀察顆粒去除使用高速顯微鏡照相機(jī)（Fastcam-Max，Photron Ltd.）進(jìn)行平板培養(yǎng)。該通過(guò)數(shù)字圖像獲得顆粒污染物去除效率分析。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫條件下進(jìn)行（溫度：25±2℃;RH：40-60％）。 4.3結(jié)果和討論 4.3.1表面局部壓力 圖4.4顯示了射流軸撞擊點(diǎn)的局部壓力為a干冰射流和空氣射流的質(zhì)量流量的函數(shù)。 觀察其變化詳細(xì)的顆粒去除效率，低質(zhì)量率被使用。 壓力是在穩(wěn)態(tài)條件下測(cè)量，流動(dòng)溫度為25°C左右-70°C，分別用于空氣噴射和干冰噴射。 當(dāng)?shù)氐膲毫﹄S著時(shí)間而增加質(zhì)量流量，空氣和干冰噴射的結(jié)果是相似的。 自從局部壓力與射流的質(zhì)量流率相關(guān)，局部壓力可以用于評(píng)估射流的強(qiáng)度。 4.3.2有效的清潔區(qū)域 為了研究顆粒去除效率，測(cè)試板被污染通過(guò)干冰噴射清潔單糖化乳膠顆粒。 去除效率η是被定義為 
圖4.4測(cè)試板中心的射流流動(dòng)局部壓力。 
其中N0是附著在測(cè)試板上的顆粒污染物的初始數(shù)量，Nr是殘留顆粒污染物的數(shù)量。圖4.5顯示了去除2.92-μm顆粒污染物的效率作為局部壓力的參數(shù)。 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，干冰噴射的持續(xù)時(shí)間定為10秒。 顆粒污染物在中心被完全去除板塊和下游; 然而，去除效率在15毫米處下降從中心向相反一側(cè)，在x = -25mm處達(dá)到零。 有效清除面積隨著局部壓力的增加而增加。 雖然實(shí)驗(yàn)在40-60％的不同RH下進(jìn)行，沒(méi)有影響RH的去除效率。也進(jìn)行了去除0.75微米顆粒污染物的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖4.6所示。 雖然去除效率比這低對(duì)于2.92微米的顆粒污染物，常見(jiàn)的特征是明顯的，即去除效率在下游高但在相反側(cè)低。 以來(lái)亞微米大小的污染物更難以從表面去除，更高需要局部壓力來(lái)提高去除效率。 4.3.3時(shí)間依賴性顆粒去除效率 圖4.7顯示了去除2.92-μm的效率的時(shí)間過(guò)程顆粒污染物粘附在表面的中心。起始時(shí)間（t = 0）是閥門打開(kāi)的時(shí)間。使用干冰噴射時(shí)，去除顆粒開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后延遲幾秒鐘后開(kāi)始移除隨著時(shí)間的推移，效率會(huì)提高。 
圖4.5 Dp2 = 2.92μm的去除效率曲線（起源是沖擊點(diǎn)）。 
圖4.6 Dp2 = 0.75μm的去除效率曲線（起源是沖擊點(diǎn)）。 
圖4.7 Dp2 = 2.92μm顆粒去除效率的時(shí)間過(guò)程。 另外，顆粒去除效率很快隨著地方壓力的增加而增加。要?jiǎng)h除的時(shí)間的中間值在2,6kPa和10kPa的局部壓力下的污染物分別為2.2,1.6和0.9s，分別。隨著局部壓力的增加，作用于污染物的氣動(dòng)阻力也增加;然而，拖曳力不是拆除的主要因素的顆粒。這是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)榭諝鈬娚洳荒苡行コw粒即使噴氣機(jī)的局部壓力比干冰噴射機(jī)的壓力要高，如圖4.7所示。干冰射流具有氣固兩相流;因此，沖擊力在干冰顆粒和污染物之間對(duì)于顆粒去除是重要的。此外，干冰噴射的低溫會(huì)導(dǎo)致相對(duì)的降低濕度，減少液橋力的影響。如果溫度足夠低，液橋力量將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相互作用力固體與冰;因此，粘附力也會(huì)受到影響。圖4.8顯示了0.75-μm顆粒污染物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。干冰噴射可以去除甚至亞微米大小的顆粒; 然而，時(shí)間去除它們比2.92微米的顆粒污染物要長(zhǎng)。 中間值在2,6和10的局部壓力下去除0.75-μm顆粒所需的時(shí)間kPa分別為9.2,7.5和6.1s。 中位移除時(shí)間非常重要評(píng)估干冰清潔的因素。 為了闡明時(shí)間依賴性，必須討論干冰噴射流量以及污染物的狀況。 以來(lái)干冰噴射的狀態(tài)根據(jù)溫度，時(shí)間依賴性而變化溫度必須確定。 4.3.4干冰噴射的溫度 二氧化碳在室內(nèi)條件下以氣體形式存在;然而，隨著液態(tài)二氧化碳的膨脹大氣壓力下，射流溫度降低，冰粒干燥產(chǎn)生的。因此，射流中干冰顆粒的狀態(tài)與其強(qiáng)烈相關(guān)溫度和壓力。圖4.9顯示了溫度的時(shí)間過(guò)程干冰噴嘴，溫度從室溫降至約250℃-70°C。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)溫度降低階段。一個(gè)相似的在第二章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中報(bào)告了趨勢(shì)。第二章之后溫度降低，在射流中產(chǎn)生了許多凝聚的干冰顆粒流。由于這些實(shí)驗(yàn)是在相當(dāng)?shù)偷馁|(zhì)量流量下進(jìn)行的，可以清楚地觀察到溫度下降。在較高的局部壓力下，由于大量的液態(tài)二氧化碳膨脹，溫度迅速下降導(dǎo)致射流的有效冷卻。因此，干冰顆粒更多在較高的地方壓力下快速生產(chǎn);干冰顆粒與水的碰撞污染物會(huì)提高去除效率。另外，粘附力污染物與表面之間可能會(huì)受到溫度的影響。如果水分子在室溫下的接觸點(diǎn)積累，并且液橋存在除范德之外，污染物還經(jīng)歷了液體橋梁的力量瓦爾斯力量。當(dāng)干冰噴射的溫度足夠降低時(shí)，水將凍結(jié)，液橋力量將轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷プ饔昧腆w與冰之間。這種現(xiàn)象也會(huì)影響清除效率。 
圖4.8 Dp2 = 0.75μm時(shí)顆粒去除效率的時(shí)間過(guò)程。 
圖4.9干冰噴射的溫度。 將溫度與顆粒去除效率相關(guān)聯(lián)的中值圖4.9中增加了去除污染物的時(shí)間（圖4.7和4.8）。去除2.92-μm和0.75-μm污染物的溫度大約是-10°C和-70°C。 因此，刪除的時(shí)間依賴性可以很好地解釋了干冰噴射的溫度變化。 4.3.5顆粒去除率 標(biāo)準(zhǔn)化的顆粒去除率通過(guò)區(qū)分顆粒而獲得相對(duì)于時(shí)間的去除效率。 去除2.92和0.75-μm的比率顆粒污染物的去除效率如圖4.10所示。去除率隨著局部壓力的增加而增加。這是很自然的射流強(qiáng)度增加的后果。另外，這張圖顯示0.75μm顆粒的去除率遠(yuǎn)高于2.92μm顆粒的去除率粒子。由污染物大小引起的差異可以解釋如下。亞微米大小的污染物比微米大小更難以去除污染物;因此，去除亞微米大小的污染物發(fā)生在較低的位置在其上形成更多數(shù)量的凝聚干冰顆粒的溫度與污染物碰撞。沖擊力會(huì)隨著增加而增強(qiáng)附聚的干冰顆粒的慣性。另外，它們不會(huì)像較小的干冰顆粒一樣迅速升華，因此更有效地去除顆粒。另一方面，微米大小的污染物可以在更高的溫度下去除比亞微米大小的污染物。在這些條件下，缺乏凝聚力干冰顆粒會(huì)導(dǎo)致較低的去除率。 
圖4.10干冰噴射顆粒去除率。 4.3.6干冰顆粒對(duì)顆粒污染物去除的影響 當(dāng)應(yīng)用氣固兩相流進(jìn)行表面清潔時(shí)，顆粒物表面污染物同時(shí)具有空氣阻力和沖擊力空氣粒子的力量。 為了闡明顆粒去除的機(jī)制，a力矩平衡模型可以應(yīng)用（見(jiàn)圖4.1）。 馬力的三個(gè)瞬間由粘附力（Fa）引起的Mc，干冰顆粒（Fc）的影響而造成的通常在模型中考慮由氣動(dòng)阻力（Fd）引起的Md。三個(gè)時(shí)刻顯示為 
其中Dp2是粘附到表面的污染物的粒徑，Mt是關(guān)于剪切流引起的質(zhì)點(diǎn)中心的瞬間，θ是污染物的接觸角，φ是沖擊角度。 接觸角（θ）可以是使用JKR理論計(jì)算（參見(jiàn)附錄（A））。然后根據(jù)JKR理論給出粘附力Fa。 
其中W23是兩種材料單位面積的表面能。沖擊力Fc由下式給出 
其中k12是兩種材料的彈性特性，m是質(zhì)量減小 （/（）1 2 1 2 = m m m + m），D為粒徑減�。�/（）p1 p2 p1 p2 = D D D + D），v為沖擊速度[Timosenko和Goodier，1970]。阻力（Fd）由下式給出 
其中f是無(wú)量綱系數(shù)，它是為了解釋墻壁而引入的效應(yīng)，值為1.7009 [O'Neill，1968]，μ是流體粘度，u是流體速度在污染物的中心（見(jiàn)附錄（B）），Rep2是顆粒雷諾數(shù)，而Cc是坎寧安滑移修正系數(shù)，由下式給出 λ是CO2的平均自由程。關(guān)于剪切流中污染物質(zhì)量中心（Mt）的時(shí)刻（見(jiàn)圖1）4.1）可以表示為  其中g(shù)是無(wú)量綱系數(shù)，它是為了解釋墻壁而引入的效應(yīng)，值為0.944 [O'Neill，1968]。 撞擊角（φ）固定在π/ 4弧度考慮到實(shí)驗(yàn)條件。 使兩者發(fā)生碰撞在這個(gè)沖擊角度下的球形顆粒，直徑在幾何上受到限制，
計(jì)算中使用的所有常量，它們都是基于條件的在局部壓力10kPa下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)列于表4.1。 圖4.11顯示了作用在顆粒上的力矩的計(jì)算結(jié)果污染物作為干冰顆粒直徑Dp1的函數(shù)。 對(duì)于2.92-μm顆粒污染物，如圖4.11a所示，在這個(gè)計(jì)算中，Md小于Ma條件，表明只有空氣動(dòng)力阻力不足以消除污染物。 然而，用虛線表示的Mc + Md可以超過(guò)Ma。該結(jié)果表明Mc是造成顆粒移除的主要時(shí)刻。對(duì)于0.75微米的顆粒污染物（見(jiàn)圖4.11b），Ma之間的差異而Md較大，但Mc + Md和Ma的交點(diǎn)處于較小的Dp1。 這表明Mc對(duì)于去除小顆粒更重要。接下來(lái)，評(píng)估干冰顆粒對(duì)去除顆粒的影響污染物，矩量比r *被引入： 圖4.12顯示了計(jì)算矩比（r *）和干冰顆粒直徑Dp1作為顆粒直徑的參數(shù)污染物，Dp2。 2.92-μm和0.75-μm顆粒的計(jì)算結(jié)果污染物分別用虛線和虛線表示。 此時(shí)此刻隨著顆粒的減小，比率（r *）隨著顆粒直徑（Dp1）的增加而增加直徑（Dp2）。 在這里，值得注意的是，干冰顆粒與水的碰撞污染物顆粒的去除效果比空氣動(dòng)力學(xué)更有效拖動(dòng)。 激光原位測(cè)量凝聚干冰的粒徑衍射法為數(shù)十微米。 因此，沖擊力是對(duì)于去除小顆粒特別重要。表4.1理論計(jì)算中使用的常量。 φ（沖擊角度）=π/ 4弧度v （干冰的沖擊速度粒子）= 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 （彈性特性）= 3.3×10 -10 Pa -1k23 （彈性特性）= 2.5×10-10Pa-1 W23（單位面積的表面能量）= 2.4×10-2 Jm-2 μ（-78℃時(shí)的流體粘度）= 7×10-5Pa·s u0（干冰射流的核心速度）= 41 m s-1 ρ（-78℃時(shí)的流體密度）= 2.8kg m-3 λ（在-78℃下的平均自由程）= 2.8×10-8m γ（固體與氣體質(zhì)量流量比）= 0.43 
圖4.11粘附在表面上的顆粒作用的力矩。 
圖4.12顆粒對(duì)顆粒去除的影響。 4.4結(jié)論 已經(jīng)研究了干冰噴射除去顆粒污染物的情況。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了原位觀察去除過(guò)程并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)獲得了顆粒去除效率的時(shí)間過(guò)程。 解釋清除過(guò)程中，測(cè)量了干冰射流的溫度和機(jī)理基于計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了污染物的去除。得出的結(jié)論如下： （1）有效表面清潔面積和顆粒去除效率取決于干冰噴射強(qiáng)度，這是通過(guò)表面上的局部壓力來(lái)評(píng)估的。要去除亞微米大小的污染物，需要較高的局部壓力。 隨著即使在較高的局部壓力下，小型污染物也難以去除。這意味著干冰噴射去除顆粒的效果是歸因于干冰顆粒與污染物的碰撞。 （2）干冰噴射除塵效率隨時(shí)間的增加而增加，噴流的溫度隨著時(shí)間的推移而降低。通過(guò)鏈接這些結(jié)果，微米尺寸的顆粒在約-10℃和亞微米尺寸下被去除不管局部壓力如何，在約-70℃時(shí)除去顆粒。因此，顆粒去除效率與噴流的溫度密切相關(guān)。由于大量在-70℃下形成的團(tuán)聚干冰顆粒，亞微米大小的顆粒通過(guò)凝聚干冰的碰撞而被除去粒子。 （3）通過(guò)區(qū)分顆粒去除效率獲得的顆粒去除率就時(shí)間而言也可以通過(guò)干冰顆粒碰撞來(lái)解釋污染物。低射流中亞微米顆粒的高去除率溫度條件顯示了干冰團(tuán)聚體的影響。 （4）將基于力矩平衡理論的粒子去除模型應(yīng)用于粒子群算法干冰噴射系統(tǒng)和理論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)勢(shì)干冰顆粒的影響效果。
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