(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面上で使用するための添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを生成する装置であって、以下を含む：
ａ．添加剤噴射ノズルに対して軸対称に配置された複数のノズル電極；
ｂ．前記ノズル電極は、中央貫通孔を備えたノズル先端を備えた細長い本体を含み、及び前記中央貫通孔から生じている少なくとも３つの軸対称貫通ポートが存在し；
ｃ．前記少なくとも３つの貫通ポートは、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための３つの設置ガイドを形成し；
ｄ．前記調整可能な拡張チューブアセンブリは、第１毛細管と、その内部に前記第１毛細管を含む第２毛細管と、を有し；
ｅ．前記第１毛細管および前記第２毛細管は、前記中央貫通孔内で調整が可能であり；
ｆ．前記添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通されおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を含み、接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成する；
これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流れて静電荷を生成し、これが３つの設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させ、そしてＣＯ２粒子は空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；
静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加エアロゾルを受動的に帯電させ；
空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルは、ノズルから離れて結合し、静電帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これは、基材表面に投射される；
これにより、ＣＯ２粒子と添加剤が相互作用して、ノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが形成される；
そして、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが基材表面に投射される。
【請求項２】
前記少なくとも２つのノズル電極は、添加剤噴射ノズルに対して軸対称に配置される、請求項１の装置。
【請求項３】
前記添加剤は、流動性のある有機および無機液体および固体を含む、請求項１の装置。
【請求項４】
前記基材表面は切断ゾーンである、請求項１の装置。
【請求項５】
前記添加剤は機械加工用潤滑剤である、請求項１の装置。
【請求項６】
基材表面上で使用するための添加剤を含む、静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを生成するための装置であって、以下を含む：
ａ．添加剤噴射ノズルに対して軸対称に配置された複数のノズル電極；
ｂ．前記ノズル電極は、中央貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体を備え、複数の軸対称貫通ポートが前記中央貫通孔から生じている；
ｃ．前記複数の貫通ポートの近隣には、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための設置ガイドがある；
ｄ．調整可能な拡張チューブアセンブリは、第１毛細管と、その内部に前記第１毛細管を含む第２毛細管と、を有し；
ｅ．前記第１毛細管および前記第２毛細管は、前記中央貫通孔内で調整可能である；
ｆ．前記添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通ポートおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を備え、接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成する；
これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流されて静電荷を生成し、これが設置ガイドに分岐されてノズル電極を静電的に帯電させ、そしてＣＯ２粒子が空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；
静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加剤エアロゾルを受動的に帯電させる；
空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルがノズルから離れて結合し、静電帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これは基材表面に投射され；
それによってＣＯ２粒子と添加剤が相互作用して、ノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む静電帯電された均一なＣＯ２複合スプレーを形成する；
そして、添加剤を含む静電帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが基材表面に投射される。
【請求項７】
前記中心の貫通孔から発して、少なくとも３つの軸対称貫通ポートが存在し、少なくとも３つの貫通ポートは、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための３つの設置ガイドを形成する、請求項６の装置。
【請求項８】
少なくとも２つのノズル電極が添加剤噴射ノズルの周りに軸対称に配置される、請求項６の装置。
【請求項９】
前記添加剤は、流動性の有機および無機液体および固体を含み、前記基材表面は切断ゾーンであり、前記添加剤は機械加工用潤滑剤である、請求項６の装置。
【請求項１０】
静電界を生成するためのノズル電極装置であって、以下を含む：
ａ．中央貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体であり、少なくとも３つの軸対称貫通ポートが前記中央貫通孔から生じている；
ｂ．調整可能な拡張チューブアセンブリを配置するための３つの設置ガイドを形成する少なくとも３つの貫通ポート；
ｃ．前記調整可能な拡張チューブアセンブリは、第１毛細管と、その内部に前記第１毛細管を含む第２毛細管と、を有し；
ｄ．前記第１毛細管および前記第２毛細管は、前記中央貫通孔内で位置を調整できる；
ｅ．そして、これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流れて静電荷を生成し、これは３つの設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させる。
【請求項１１】
前記装置は、半導体材料または金属で構成される、請求項１０の装置。
【請求項１２】
前記装置の長さは０．５〜６．０インチである、請求項１０の装置。
【請求項１３】
前記装置はアースに分岐される、請求項１０の装置。
【請求項１４】
基材表面上で使用するための添加剤を含む静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレーを生成する装置を使用して表面を処理する方法であって、以下を含む：
ａ．添加剤噴射ノズルの周りに軸対称に配置された複数のノズル電極；
ｂ．前記ノズル電極は、中央貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体を備え、前記中央貫通孔から、複数の軸対称貫通ポートが発している；
ｃ．前記複数の貫通ポートの近くには、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための設置ガイドがあり；
ｄ．前記調整可能な拡張チューブアセンブリは、第１毛細管と、その内部に前記第１毛細管を含む第２毛細管と、を有し；
ｅ．前記第１毛細管および前記第２毛細管は、前記中央貫孔内で調整可能であり；
ｆ．前記添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通ポートおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を備え、接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成する；
これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを流れて静電荷を生成し、これが設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させ、そしてＣＯ２粒子が空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；  
静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加剤エアロゾルを受動的に帯電させる；
前記空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルはノズルから離れて、静電的に帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これは基材表面に投射され、それにより、ＣＯ２粒子と添加剤が相互作用して、ノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む、静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを形成する；
そして、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが基材表面に投射され、次のステップを含む：
ａ．前記装置を基材表面から離れた第１の位置に配置する；
ｂ．基材表面を、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーでコーティングする；
ｃ．添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーによる基材表面のコーティングを停止する；
ｄ．前記装置を第２の位置に配置する；
ｅ．そして、添加剤を含まない静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレーを適用することにより、基材表面から添加剤を除去する。
【請求項１５】
前記第１の位置は基材表面から６〜１８インチである、請求項１４の方法。
【請求項１６】
１〜６００秒の浸漬時間が、前記第１の位置で、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーの塗布に続く、請求項１４の方法。
【請求項１７】
前記第２の位置は、基材表面から０．５〜６インチ離れた位置である、請求項１４の方法。
【請求項１８】
前記添加剤は、流動性の有機および無機液体および固体を含む、請求項１４の方法。
【請求項１９】
前記基材表面は製造された面である、請求項１４の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
この出願は、２０１７年４月４日に出願された米国仮特許出願第６２４８１５７５号および２０１８年４月４日に出願された米国特許出願第１５９４５６９８号の利益を主張するものであり、これらは参照によりその全体が組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、ＣＯ２複合スプレー（ＣＯ２  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｓｐｒａｙ）（クリーンロジックス  エルエルシーの商標）を形成および投射するためのスプレー塗布器に関する。より具体的には、本発明は、空気、固体二酸化炭素、および有機溶媒、コーティング、塗料、ナノ粒子、微小研磨剤、および潤滑剤などの添加粒子を使用する受動静電スプレーノズルおよびスプレー塗布器アセンブリに関する。洗浄、冷却および／または潤滑のためのＣＯ２複合スプレーの使用は、技術分野で広く知られている。たとえば、ＣＯ２複合スプレーは、通常、洗浄、選択的熱制御、および／または旋削、精密研磨剤研削、またはダイシング操作中の潤滑を必要とするハードマシニングプロセスで使用される。これらの用途では、ＣＯ２複合スプレーを使用して、切削工具または研磨ホイールの寿命を延ばし、生産性、寸法公差、および表面仕上げを改善する。
【０００３】
当該技術分野では、製造または工業プロセスにおいて、基材、ワークピースなどにＣＯ２スプレーを向けるために使用されるＣＯ２スプレー塗布器のいくつかの例が存在する。そのような例には、米国特許第４，３８９，８２０、第４，８０６，１７１号、および第５，７２５，１５４号が含まれる。しかしながら、前述の例はそれぞれ、洗浄、冷却および潤滑目的でのスプレーの適用、特に冷却および潤滑目的に有益なＣＯ２複合スプレーの形成および適用に欠点がある。  
【０００４】
たとえば、機械加工された基材へのＣＯ２複合スプレーの効率的かつ効果的な適用には、いくつかの課題がある。切断ゾーン表面に到達するのに十分なエネルギーを提供するために十分に高いスプレー速度が採用される場合、スプレーの大部分は、それらに衝突するのではなく、切断ゾーン表面から偏向またはその周りに流れる傾向がある。低速のスプレーを使用すると、くぼみや複雑な表面のある、重要な表面には効果的に浸透できない。たとえば、ＣＯ２ベースの冷却潤滑スプレーの適用中に、スプレーノズルから表面への移行中に、オイル添加剤が凝集して非常に大きな沈殿物になることが観察されている。この現象は、機械加工された表面上のＣＯ２冷却粒子と油性潤滑剤の両方の均一な分布を妨げ、機械加工される基材から離れすぎた場所に配置された場合、霧化されたスプレーの大部分が基材から完全に離れてしまい、適用されたスプレーの一部を無駄にすることとなる。
【０００５】
この現象は、オイルなどの潤滑添加剤と冷却成分である固体二酸化炭素粒子が、完全に反対の特定の物理化学的特性、つまりそれぞれ高融点と極低温を持つために発生する。ＣＯ２粒子（つまり、冷却剤）の温度により、均一な粒子サイズとスプレー分布がスプレー内で確立される前に、流動潤滑油添加剤が早期に固化またはゲル化する。この現象により、均一で均質な分散が阻害される。これは特に、ＣＯ２固体粒子と添加剤粒子の混合がノズル内またはノズル先端付近で発生し、一貫性のないスプレーパターンと化学的状態が生じ、ノズルが凍結および凝集した油と添加剤により詰まる場合である。
【０００６】
先行技術には、有益な添加剤をＣＯ２複合スプレーに組み込むためのＣＯ２スプレー適応技術のいくつかの例が含まれている。例としては、スプレー洗浄性能を向上させる有機溶剤添加剤、機械加工性能を向上させる潤滑油添加剤、および接着結合のために表面改質を向上させるプラズマ添加剤の追加が含まれる。この点に関する先行技術の例には、米国特許第５，４０９，４１８号、第７，４５１，９４１号、第７，３８９，９４１号および第９，３５２，３５５号が含まれる。前述の各例では、それぞれ、イオン、溶媒、オイル、またはプラズマを含む添加液が、ＣＯ２スプレーノズルデバイスと統合された噴射手段を使用して、中央に配置されたＣＯ２粒子スプレーに直接追加される。あるケースでは、添加物粒子の引力、混合、霧化を強化するために、高電圧及び電極を使用して添加物粒子を積極的に帯電させる手段が含まれる。
【０００７】
しかし、すでに述べたように、このタイプの噴射スキームは、スプレー形成ノズルまたはその近くでのＣＯ２スプレーの物理化学的性質と本質的に両立しないスプレー添加剤にとっては制約をもたらす。たとえば、高いスプレー圧力と速度、非常に低い温度、およびＣＯ２粒子ノズル本体とその出口内での受動的な静電帯電により、高融点オイルの流れとその混合に対して制約が生じる。大豆油やキャノーラ油などの高分子量の天然油は、機械加工用途において最も優れた潤滑品質を提供するが、ＣＯ２粒子ノズル出口内またはその近くに存在する温度よりもはるかに高い温度でゲル化または固化する。この問題を悪化させるのは、ノズル内およびノズルからのＣＯ２粒子の形成および放出中に存在する静電界と電荷である。高電圧電極を使用したスプレー充電、または添加剤および／またはＣＯ２粒子をそれぞれ受動的に帯電（摩擦帯電）させることにより、サブクールされた（ｓｕｂｃｏｏｌｅｄ）高融点油膜を静電的に帯電および合体させて、ノズル先端付近またはノズル内で、大きな粘着性のゲルまたは塊に合体させ、その結果  ＣＯ２粒子ストリームへの流入及び噴射を阻害する。
【０００８】
さらに、これらのより大きな添加物粒子塊は、冷たいＣＯ２粒子流に噴射され、ターゲット表面に投射されると、例えば切削工具、ワークピース、切り屑の割れ目を含む切削ゾーン内の非常に低い表面積でのギャップ侵入を防ぐ。結果は、組成の経時変化を伴うスプレーであり、表面積が小さい大きな粒子塊、または潤滑粒子が完全に不足したものとなる。さらに、先行技術の添加剤噴射装置および方法は、各ＣＯ２スプレーノズルごとに個別の添加剤噴射スキームを必要とし、そのアプリケーションでの生産性または実用性を高めるために,より大きな空気中および放射状スプレー密度を必要とするアプリケーションでは、より複雑なマルチスプレー構成スキームが必要となる。
【発明の概要】
【０００９】
基材表面上で使用するための添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを生成する装置は、以下を含む：
１）複数のノズル電極であり,これらは、添加剤噴射ノズルに対して軸対称に配置することができ；  
２）前記ノズル電極は、中央貫通孔を備えたノズル先端を備えた細長い本体を含むことができ、及び中央貫通孔から生じている複数または少なくとも３つの軸対称貫通ポートが存在し得る；
３）複数または少なくとも３つの貫通ポートは、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための３つの設置ガイドまたは支持部を形成することができる；
４）  調整可能な拡張チューブアセンブリは、第２毛細管内に第１毛細管を含むことができる；
５）第１および第２毛細管は、中央の貫通孔内で調整が可能ある；  
６）添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通されおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を含むことができ、接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成することができ；
７）  これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流れて静電荷を生成し、これが３つの設置ガイドまたは支持部に分流してノズル電極を静電的に帯電させ、ＣＯ２粒子が空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；
８）静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加エアロゾルを受動的に帯電させることができる；
９）空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルは、ノズルから離れて結合し、静電帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これは、基材表面に投射される；
１０）これにより、ＣＯ２粒子と添加剤が相互作用して、ノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが形成される；
１１）そして、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを基材表面に投射することができる；
１２）少なくとも２つのノズル電極は、添加剤噴射ノズルに対して軸対称に配置することができる；
１３）添加剤は、流動性のある有機および無機液体および固体を含むことができる；
１４）基材表面は切断ゾーンであってもよく、添加剤は機械加工用潤滑剤である。
【００１０】
基材表面上で使用するための添加剤を含む、静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを生成するための装置は、以下を含む。
１）添加剤噴射ノズルに関して軸対称に配置された複数のノズル電極；  
２）前記ノズル電極は、中心貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体を備え、複数の軸対称貫通ポートが中心貫通孔から生じている；
３）前記複数の貫通ポートの近くまたは近隣には、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための設置ガイドがある；
４）調整可能な拡張チューブアセンブリは、第２毛細管内に第１毛細管を含む；
５）第１毛細管と第２番毛細管は、中央の貫通孔内で調整可能である；
６）添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通ポートおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を備え、接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成する；
７）これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流されて静電荷を生成し、これが設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させ、その後ＣＯ２粒子が空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；
８）静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加剤エアロゾルを受動的に帯電させる；
９）空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルがノズルから離れて結合し、静電帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これは基材表面に投射され；
１０）それによってＣＯ２粒子と添加剤が相互作用して、およびノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む静電帯電され均一なＣＯ２複合スプレーを形成する；
１１）そして、添加剤を含む静電帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが基材表面に投射される；
１２）中央の貫通孔から発して、複数または少なくとも３つの軸対称貫通ポートが存在してもよい；
１３）そして、複数または少なくとも３つの貫通ポートは、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための３つの設置ガイドを形成する；
１４）少なくとも２つのノズル電極が添加剤噴射ノズルを軸に軸対称に配置される；
１５）添加物は、流動性の有機および無機液体および固体を含む；
１６）基材表面は切断ゾーンであり、添加剤は機械加工用潤滑剤である。
【００１１】
静電界を生成するためのノズル電極装置は以下のものを含む。
１）中心貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体であり、少なくとも３つの軸対称貫通ポートが中心貫通孔から生じている；  
２）調整可能な拡張チューブアセンブリを配置するための３つの設置ガイドを形成する前記少なくとも３つの貫通ポート；
３）調整可能な拡張チューブアセンブリは、第２毛細管内に第１毛細管を含む；
４）  第１および第２毛細管は、貫通ポートの中央孔内で位置を調整できる；
５）そして、これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを通して流れて静電荷を生成し、これは３つの設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させる；
６）装置は、半導体材料または金属で構成することができ；
７）長さは０．５〜６．０インチであり；
８）アースに分岐させることができる。
【００１２】
基材表面上で使用する添加剤を含む静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレーを生成する装置を使用して表面を処理する方法は以下を含む。
１）複数のノズル電極は、添加剤噴射ノズルの周りに軸対称に配置され；
２）前記ノズル電極は、中心貫通孔を備えたノズル先端を持つ細長い本体を備え、中心貫通孔から、複数の軸対称貫通ポートが発している；
３）前記複数の貫通ポートの近くには、調整可能な拡張チューブアセンブリを中心に配置するための設置ガイドがあり；
４）調整可能な拡張チューブアセンブリは、第２毛細管内に第１毛細管を含み、第１及び第２番毛細管は、中央の貫通孔内で調整可能である；
５）添加剤噴射ノズルは、添加剤配送チューブを含む貫通ポートおよび接地された添加剤噴射ノズル本体を備え；
６）接地された添加剤噴射ノズル本体は空気を流して空気−添加剤エアロゾルを形成する；
７）これにより、ＣＯ２粒子が調整可能な拡張チューブアセンブリを流れて静電荷を生成し、これが設置ガイドに分岐してノズル電極を静電的に帯電させ、ＣＯ２粒子が空気と混合して空気−ＣＯ２エアロゾルを形成する；
８）静電的に帯電したノズル電極と空気−ＣＯ２エアロゾルは、空気−添加剤エアロゾルを受動的に帯電させる；
９）空気−添加剤エアロゾルと空気−ＣＯ２エアロゾルはノズルから離れて、静電的に帯電した空気−添加剤−ＣＯ２エアロゾルを形成し、これが基剤表面に投射され、それにより、ＣＯ２粒子と添加剤が相互作用してノズルと基材表面の間の空間に添加剤混合物を含む、静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを形成する：そして
【００１３】
１０）添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーが基材表面に投射されるが、次のステップを含む：
１１）装置を基材表面から離れた第１の位置に配置する；
１２）基材表面を、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーでコーティングする；
１３）添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーで基材表面のコーティングを停止する；
１４）  装置を第２の位置に配置する；
１５）そして、添加剤を含まない静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレーを適用することにより、基材表面から添加剤を除去する。
【００１４】
また、この方法では、第１の位置は基材表面から６〜１８インチであり；１〜６００秒の浸漬時間が、最初の位置で、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーの塗布に続き；第２の位置は、基材表面から０．５〜６インチ離れた位置であり；添加物は、流動性の有機および無機液体および固体を含み；基材表面は製造された面である。
【００１５】
本願発明の一の態様では、添加剤を含む静電的に帯電した均一なＣＯ２複合スプレーを生成するための装置を提供する。本発明は、添加剤噴射および噴霧ノズルを、２つ以上の軸対称に配置され受動的に帯電したＣＯ２複合スプレーノズルの中心に、及びそれと同軸で配置することにより、従来技術の添加剤混合およびスプレー投射における制約を克服するものである。添加剤とＣＯ２粒子を混合するための静電界と速度駆動勾配、および複合スプレーの推進と配送を支援する誘導気流を備えた新しいクラスタースプレー配置により、事実上あらゆるＣＯ２複合流体スプレー組成物の形成が可能になる。
【００１６】
ユニークなことに、本発明の多成分ＣＯ２複合流体スプレーは、ＣＯ２および添加粒子噴射手段から分離されたターゲット基材への輸送中に空間に形成され、相変化および直接接触帯電現象によって起きる干渉を排除する。中心に配置された添加剤スプレー流を囲む軸対称にクラスター化されたＣＯ２スプレーは、調整可能で均一な静電場と速度勾配を生成する。
【００１７】
本発明は、添加剤スプレー化学とＣＯ２スプレー化学との間の様々な物理化学的差異によって課される制約を除去する。あらゆる種類の液体の巻き込みにより生じる、または流動性の微視的固体、軽質および粘性液体、揮発性および凝縮性ガス、イオン性、水性および非水性液体、およびそれらのブレンドを使用することができる。さらに、個別の添加剤または高沸点液体のブレンド、高融点化合物、ナノ粒子、イオン化合物、イオン化流体、オゾン化流体、分散液、または懸濁液を使用することができる。さらに、本発明により、ＣＯ２複合スプレーの有用性が拡がる。例えば、本発明によって、ＣＯ２複合スプレー洗浄操作の直後に、さび止め剤、プライマー、および塗料などの有益な表面コーティングを適用することができる。
【００１８】
本発明の別の態様は、スプレープロセスの生産性を改善するために、ＣＯ２複合スプレーに対してより高い空気中および放射状スプレー密度を提供する装置および方法を提供することである。従来のＣＯ２スノースプレーと比較したＣＯ２複合スプレーの利点は、推進剤ガスのＣＯ２粒子濃度、スプレー圧力、およびスプレー混合温度を調整することができることである。ただし、ＣＯ２スプレー塗布用途では、空気中および放射状の噴霧密度が低い（噴霧面積）という制約がある。これにより、多くの産業用途で生産性が制限され、この制限を克服するために使用されるこの技術は、マルチポートのワイドスプレーノズルを配列する方式を採用している。ただし、すでに説明したように、有益な添加剤を添加する従来の方法では、このタイプの配置を非常に複雑にし、
高融点添加剤の化学的性質と両立しない。
【００１９】
本発明の別の態様は、調節可能なＣＯ２粒子噴射アセンブリ（すなわち、米国特許第９，２２１，０５７号、図４Ｂ（５０２））を推進ガスの超音速流の中心領域に選択的に配置するために使用される新規な放電加工（ＥＤＭ）ＣＯ２複合スプレー混合ノズル装置を提供することである。同時に、調整可能なＣＯ２粒子噴射アセンブリの表面から静電荷を分岐させて、静電帯電スプレーノズルを作成するものである。
【００２０】
本発明のさらに別の態様では、表面前処理コーティング操作の後に精密洗浄操作が続く。特定の洗浄用途では、ＣＯ２複合スプレーのみを使用して表面汚染を除去することは非常に困難でありうる。本発明は、ＣＯ２複合スプレーによるスプレー洗浄の前または同時に複雑な表面汚染物質を最初に可溶化（または変性）する（好ましくは）高沸点前処理剤の均一なコーティングを適用するための例示的な前処理プロセスを教示する。
【００２１】
最後に、本発明は、精密洗浄、ハードマシニング、精密研磨研削、接着剤結合、または表面消毒などの、特定のスプレー用途を強化する、事実上あらゆる添加剤化学を使用してハイブリッドＣＯ２複合スプレーを形成するのに有用である。
本発明の新規なＣＯ２複合スプレー塗布器は、筆頭に挙げた発明者によって開発されたＣＯ２複合スプレー生成システムで最も効率的に機能するように開発された。本発明を使用するのに好ましいＣＯ２複合スプレー生成システムには、米国特許第５，７２５，１５４号、第７，４５１，９４１号、および９，２２１，０６７に記載されたものを含め、参照によりそれらの全体は本発明に組み入れられる。本願発明はそのような改良を取り入れている。その好ましい実施形態では、本発明は、独立して使用できるいくつかの態様または面を有するが、それらの利点を最適化するために、それらは一緒に使用することが好ましい。本発明の前述の動作原理および利点のすべては、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を考慮することによって、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、先行技術に関する米国特許第５，４０９，４１８号（図１）からの抜粋であり、従来のＣＯ２スノースプレーシステムで使用される同軸イオン化ガス添加剤噴射手段を備えたスノースプレー塗布器を記載する。
【図２】図２は、先行技術に関する米国特許第７，４５１，９４１号（図５）からの抜粋であり、内部同軸添加剤噴射手段を説明する同軸スプレー塗布器について記載する高密度流体洗浄プロセスおよび装置に関する。
【図３】図３は、先行技術に関する米国特許７，３８９，９４１（図２）からの抜粋であり、米国特許第７，４５１，９４１号について図２で説明した例示的なＣＯ２複合スプレーシステムで使用する外部コアンダフロー添加剤噴射手段を使用した同軸スプレー混合ノズルを説明する。
【図４】図４ａおよび４ｂは、空気―ＣＯ２複合洗浄スプレーを、図３の従来技術のコアンダスプレー装置および方法を使用した空気―ＣＯ２―オイル複合機械加工スプレーと比較する対比写真である。
【図５】図５ａおよび５ｂは、受動的に帯電するＣＯ２複合スプレー装置を形成するために、例示的な静電界生成ＣＯ２複合スプレーノズル、添加剤噴射ノズル、およびこれらの軸対称クラスター配置の、基本的態様および機能を概略的に示す。
【図６】図６ａ、６ｂ、および６ｃは、本発明で使用する、例示的な軸対称クラスタースプレーノズル構成を示す。
【図７】図７ａおよび７ｂは、空気中および放射状スプレー密度の両方を調整するための複数のクラスタースプレー塗布器の配置を示す。
【図８】図８は、中心に配置された浮遊接地添加剤噴射器ノズルの周り、および軸対称に配置された浮遊電荷キャリアノズル間に出来上がった対称静電界を示す概略図である。
【図９】図９は、空気中の、受動的に帯電したＣＯ２粒子と添加剤粒子を含む空間での複合スプレーの形成、および例示的な基材への適用について説明する。
【図１０】図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、図１０ｄ、および図１０ｅは、本発明で使用する、受動的静電荷生成ＣＯ２複合スプレーノズルの例示的設計の側面、背面および正面、およびスライス等角図を提供する。
【図１１】図１１ａ、１１ｂ、および１１ｃは、本発明で使用する例示的な噴霧添加剤噴射ノズルの例示的な設計の側面、背面、および正面等角図を提供する。
【図１２】図１２ａ、１２ｂ、および１２ｃは、ＣＯ２複合スプレーノズルおよび添加剤噴射ノズルを軸対称に配置するための４×１クラスタースプレー塗布器本体、及び、推進用エアー、ＣＯ２粒子及びこれらを使用する添加剤を提供する手段の例示的設計の背面、底面および正面の等角図を提供する。
【図１３】図１３は、図１２の例示的なスプレー塗布器を使用した例示的な３Ｄ印刷ハンドガンアセンブリの等角図である。
【図１４】図１４は、本発明の４×１クラスタースプレーノズルを使用して生成された非加熱空気―ＣＯ２−オイル複合スプレーの写真である。
【図１５】図１５は、本発明を使用する例示的な表面前処理および洗浄プロセスである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、添加剤を含有する静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレー混合物を生成し、同時に基材表面に投射するするための静電スプレー塗布装置および方法に関する。ＣＯ２複合スプレー混合物は、ＣＯ２と添加剤混合ノズルと基材表面の間の空間に形成される。ＣＯ２複合スプレー混合物は、圧力と温度が調整された推進用ガス（すなわち、圧縮空気）、ＣＯ２粒子、および添加剤粒子を含む、空気中および放射状スプレー密度が可変に制御された複合流体である。本発明は、噴霧クラスターを形成するために１つ以上の添加剤を含む内部および低速噴射空気流の周りに軸対称および同軸に配置される受動的に帯電したＣＯ２粒子を含む２つ以上の円周方向および高速空気流を含む。１または複数のスプレークラスターを使用して、より大きなスプレークラスター構成を形成してもよい。
【００２４】
軸対称のＣＯ２粒子−空気流は、形成中に受動的に摩擦帯電され、スプレークラスター配置により、同軸流の間およびその周囲に大きな静電界とコアンダ気流が生成される。スプレークラスター内で、中央に配置された添加剤−空気流は、小さな粘性抗力を発揮し、カソードとして振る舞う円周方向のＣＯ２粒子−空気流に対してアノードとして振る舞い、帯電したＣＯ２粒子−空気流および添加剤−空気流粒子を、それらの間の空間内に生成された分極静電場の影響下で、空間内で合体させて、均一でハイブリッドな空気−ＣＯ２添加剤粒子スプレー流を形成する。本発明を使用して、コーティング、洗浄、消毒、冷却潤滑などの工業品製造用途向けに、あらゆる種類のハイブリッド空気−ＣＯ２―添加剤粒子スプレー流を生成することができる。
【００２５】
図１は、従来のＣＯ２スノースプレーシステムで使用するための同軸イオン化ガス添加剤噴射手段を備えたスノースプレー塗布器を説明する従来技術の米国特許第５，４０９，４１８号（図１）からの抜粋である。図１に示すように、液体ＣＯ２（２）はマイクロメータリングバルブ（４）を介して供給され、それによって、急速に膨張（８）して非常に冷たいＣＯ２ガス粒子エアロゾルまたはスノースプレー（１０）を形成するスノースプレーノズル（６）の内部オリフィスを通して液体ＣＯ２を調整可能に計量する。
【００２６】
前記スノースプレーノズル（６）の周囲には、そこを通って圧縮空気（１４）などのガスがイオナイザー手段に流入する、正または負の高電圧電位を生成するガスイオン化装置（１２）が取り付けられており、
ｉ）同軸シールドまたは膨張したスノー流（１０）の円周周りにイオン化ガス（１６）の覆いまたはシュラウドを生成し、
ｉｉ）そして膨張したＣＯ２エアゾール（１０）及び周囲のイオン化空気シース（１６）を含む洗浄スプレーを形成し、
これらは選択的に基材表面に投射される。
【００２７】
筆頭発明者によるＣＯ２複合スプレーの開発につながった‘４１８などの従来のスノースプレーに関連するいくつかの欠点がある。これらの制約には、特に、非常に低いスプレー温度、大気中の水分と有機蒸気の凝縮、過剰なＣＯ２使用が含まれる。‘４１８のイオン化スキームは、中央に配置されたＣＯ２スノーストリームの周囲にイオン化ガスを噴射する。中央に配置されたＣＯ２スノーストリームは、周囲のイオン化されたガス流よりもはるかに冷たく、密度が高く、ＣＯ２粒子の昇華により、音速に近い速度で中心スプレー軸から外方向に離れるように急速に膨張する。このスキームは、外気が中央に配置された冷たいスノースプレーに侵入するのを防ぐのに役立ち、特に同じ処理対象の基材のコールド洗浄ゾーンの近くではそうであるが、この添加剤噴射装置はの配置有益な静電荷中和イオンのスプレーの最中央領域、特に基材自体の接触洗浄ゾーンへの均一な混合を妨げる。
【００２８】
さらに、スプレー洗浄ノズルに高電圧イオン化装置を使用することは安全性の観点から望ましくなく、各ＣＯ２スプレーノズルにかさ高いイオナイザーを使用する必要があるため、設備コストが増加し、非常に高い放射状および空気中スプレー密度を持つＣＯ２処理スプレーの開発と使用が非常に制約される。最後に、ＣＯ２スノースプレー膨張、フローストリームセグメンテーション、極低温などの前述の同様の制約により、‘４１８の噴射スキームを使用して液体および固体添加剤を噴射し、均質なＣＯ２スプレー組成物を生成することはできない。
【００２９】
図２は、従来技術の米国特許第７，４５１，９４１号（図５）からの抜粋であり、内部同軸添加剤噴射手段を説明する同軸スプレー塗布器を説明する高密度流体洗浄プロセスおよび装置に関する。図２は、筆頭に記載された発明者によって開発された例示的な同軸ＣＯ２複合スプレー塗布器およびプロセスを示す。図１に関して前述した従来のスノースプレー塗布器とは大きく異なり、ＣＯ２複合スプレー（ＣＯ２  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｓｐｒａｙ）（クリーンロジックス  エルエルシーの商標）を生成および投射するための基本的なスキームは、重要なコンポーネントを組み合わせて効果的なＣＯ２ベースの処理スプレーを形成することであり、それらのコンポーネントは：
（１）洗浄剤（すなわち、微小なＣＯ２粒子）、（２）ＣＯ２粒子の推進およびスプレー遮蔽剤（すなわち、加熱、イオン化、および加圧された空気）、および（３）オプションのスプレー添加剤（すなわち、アルコール、微小研磨粒子）―、別個のスプレー成分生成、制御および配送手段、および種々に設計された同軸スプレー混合ノズルを使用してそれらの統合により生成することを含む。
【００３０】
図２に示すように、例示的な同軸ＣＯ２複合スプレー塗布器は、３つの基本要素、すなわち、同軸ＣＯ２粒子配送毛細管（３０）であり、ｉｎ−ｓｉｔｕで生成された微細なＣＯ２粒子（３２）を搬送し、圧力調整および加熱された推進剤ガス（３６）を輸送する外部同軸推進ガス配送管（３４）の一部内で担持され、前記外部同軸噴射ガス配送管（３４）は、圧力調整および加熱された推進剤ガス（３６）を搬送する；この両者は同軸ＣＯ２推進剤ガス混合ノズル（３８）に統合される。これらの基本要素に加えて、オプションの添加剤噴射ポート（４０）を使用して、ＣＯ２推進剤ガス混合物（４４）に添加剤を直接噴射する外部添加剤供給チューブ（４２）を用いて、溶媒またはマイクロ研磨剤などの圧力流動性またはポンプ噴射可能なスプレー洗浄添加剤を選択的に供給して、空気―ＣＯ２添加剤スプレー組成物（４６）を形成し、次いで、空気―ＣＯ２−添加剤スプレー組成物は基材表面（５０）に選択的に投射される（４８）。このように記載されたスプレー生成プロセスおよび装置は、米国特許第７，４５１，９４１号に詳述されており、それは参照により本明細書に組み込まれる。
【００３１】
ＵＳ７，４５１，９４１（図２）で示され説明されている例示的な同軸スプレー塗布器の重大な欠点は、特に、バイオベースオイルなどの高融点添加剤またはＣＯ２粒子と混合し、及び分散して微粒子に微粒子化する前に相を変える（すなわち、液体−固体）添加剤を噴射する場合に急速な内部ノズルの詰まりとスパッタリングなどのスプレーの異常である。高速及び昇華するＣＯ２粒子ストリームは、受動的な帯電（５ｋＶ以上）と非常に低い混合温度（−１０９  °Ｆ程度）を作り出す。冷たいＣＯ２粒子は、噴射中に高融点潤滑油を熱によりおよび静電的にゲル化し、冷却されたＣＯ２粒子とオイルの大きな凝集を形成する。これは、冷却潤滑加工スプレーには最適ではない。同様に、アセトンやメタノールなどの低融点有機溶媒を混合ノズルに直接噴射して精密洗浄を行うと、ＣＯ２粒子が均一に分散した小さな霧状の溶媒液滴の形成を制約する。大量の有機溶媒添加剤は、形成中に溶質ＣＯ２粒子のヒートシンク（および溶媒）として機能し、ＣＯ２粒子が表面に移動する際に非常に急速に昇華させる。その結果、相当量のＣＯ２粒子が存在しない、液体溶媒の非常に冷たい霧状のスプレーを含む非常に短い距離の洗浄スプレーとなる。
【００３２】
図３は、筆頭に示す発明者によって開発された先行技術の米国特許７，３８９，９４１（図２）からの抜粋であり、米国特許第７，４５１，９４１号の図２で説明する例示的なＣＯ２複合スプレーシステムで使用するための外部コアンダフロー添加剤噴射手段を使用する同軸スプレー混合ノズルを説明する。図３の新規なスプレーノズルは図２で説明した同軸スプレーノズル（３８）と交換可能であり、および米国特許７，４５１，９４１に記載される例示的なＣＯ２複合スプレー生成システムで有効に使用されうる。図３に示すように、外部ＣＯ２粒子発生器（図示せず、しかし米国特許第７，４５１，９４１号に詳細に記載されている）から流れる配送毛細管（６０）内に含まれるＣＯ２粒子はノズルの中央部分に及びそれを通して供給され、ノズルの上を外部推進剤供給発生器（図示されていないが、米国特許第７，４５１，９４１号に詳細に記載されている）から流れる圧力及び温度調整された推進剤ガス（６２）が流れる。これらはすべて、Ｃｏａｎｄａ−同軸ＣＯ２推進剤ガス−Ｃ０２粒子−添加剤混合ノズル（６４）に統合される。米国特許第７，４５１，９４１号の外部供給添加剤噴射および図２（４２）で説明した内部同軸混合方法とは異なるが、米国特許第７，３８９，９４１号の添加剤噴射供給管（６６）は、内部におよびＣＯ２粒子供給管（６０）と同軸に担持され、添加剤（６８）を調節可能な円周ギャップ（７０）中に噴射するように選択的に配置される。これは、ノズル内部からコアンダノズル表面（７２）の外部表面上に推進剤ガス（６２）の第１部分と混合して流れる。
【００３３】
ＣＯ２粒子を流す配送毛細管（６０）は、ノズル出口ポート（７４）の近くでＣＯ２粒子を放出するように選択的に配置され、そこでＣＯ２粒子は推進剤ガスの第２部分（６２）と混合およびそれにより推進される。推進剤ガスの第１の部分と添加剤の混合物は、コアンダノズルの外面をノズル先端（７６）に向かって流れ、そして、推進剤ガス−添加剤混合物は、ノズル出口ポート（７４）を出る推進剤ガスの第２の部分−ＣＯ２粒子混合物に噴射され、基材表面（８２）に投射される（８０）ＣＯ２粒子―推進剤ガスー添加剤組成物（７８）を形成する。上に記載されたコアンダノズル装置は、米国特許第７，３８９，９４１号に詳述されており、米国特許第７，４５１，９４１号のスプレー生成プロセスにより可能にされる。この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３４】
図２（３８）に記載された、米国特許第７，４５１，９４１号の内部添加剤噴射を備える同軸混合ノズルと同様に、図３に記載された米国特許第７，３８９，９４１号のコアンダフロー外部添加剤噴射方法は、間接的ではあるが、同様の制約を受ける。コアンダノズル（７６）の外部表面は静電的に帯電し、表面温度はスプレー操作中に非常に低い温度に低下する。どちらもノズル本体内およびノズル出口付近（７２）での、冷たいＣＯ２粒子−ガススプレーの内部膨張と昇華、および推進剤ガスとの混合によって引き起こされる。ノズルの凍結効果を緩和する手段は、昇華冷却を相殺するために推進剤ガス温度を大幅に上昇させることである。  ただし、機械加工用途の場合、ＣＯ２粒子（つまり、冷却剤）を保持し、複合スプレーの全体的な冷却能力と効果を高めるために、推進剤ガスを周囲温度以上に加熱してはならない。この現象は、図３の装置を使用して、添加剤を含まない空気−ＣＯ２複合スプレーを、高融点添加剤を含むスプレーと比較することにより最もよく説明される。
【００３５】
図４ａおよび４ｂは、図３の従来技術のコアンダ同軸スプレーノズル装置および方法を使用して、非加熱空気―ＣＯ２複合スプレーを非加熱空気―ＣＯ２―オイル複合スプレーを並べて比較する写真を示す。図４ａに示すように、非加熱の空気−ＣＯ２複合スプレーは、スプレー操作中の静電帯電と水蒸気の凝縮によってノズル先端（９０）に大気の氷が蓄積する。しかし、全体的に、複合スプレー（９２）は、ノズル先端の過度の凝縮と凍結を防ぐために、ＣＯ２粒子の噴射速度が約８  ｌｂｓ．／時間（またはそれ以下）に制御され、推進圧力が７０  ｐｓｉおよび７０°Ｆ（またはそれ以上）に維持される限り、適正に維持され、安定した状態である。
【００３６】
次に図４ｂを参照し、そして、図４ａと同じ空気−ＣＯ２粒子複合スプレー条件を使用する。この場合、高融点バイオベースオイルが毛細管供給チューブ図３（６６）を通して約７０  ｍｌ／時間で噴射される。図４ｂに見られるように、短時間のスプレー操作の後、オイル添加剤は、コアンダ噴射表面（１０４）全体に大気中の氷の蓄積とともに帯電、ゲル化、凝集をし始める。蓄積は、図４ａ（９０）のコアンダノズル先端から外側に延びる凍結した油性塊（１０６）として観察される。これが進行すると、ノズル先端の蓄積（１０６）が中央のＣＯ２複合スプレー（１０８）と干渉し、不安定で変動する、冷却潤滑スプレーとなり、これは、切削工具、ワークピース、およびチップを含む切断ゾーン（１１０）への適用の間、潤滑添加剤の量が一定しないかまたは全く含まれないことがある。
【００３７】
ＣＯ２スプレーの生成と投射により、静電気が帯電する。この摩擦帯電現象は、高速及び昇華するＣＯ２粒子（誘電体）と、異なる仕事関数を持つ表面、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）配送毛細管やＣＯ２複合スプレー塗布器の製造に使用される金属製混合ノズルとの接触によって引き起こされる。静電荷の蓄積を緩和する手段は、従来技術を参照して本明細書で既に説明したが、直接または間接的にＣＯ２スプレーにイオン化ガスを噴射すること、およびノズルの接地または分岐を含む。
【００３８】
ただし、これらの対策を講じた場合でも、ＣＯ２粒子スプレーは、基材表面への移動軌道中に大気内で膨張し、乱気流で移動するため、摩擦帯電し続ける。さらに、比較的電気的に中性のＣＯ２スプレーでさえ、衝突中に基材表面を摩擦帯電する。したがって、当業者には、ＣＯ２スプレー処理中の基材表面の静電荷帯電を軽減するための最善の解決策は、基材の接地または分岐手段により、およびスプレー処理中に基材に別のイオン化流体を投射するまたは放射することであることが知られている。たとえば、筆頭に記載の発明者が共同開発した米国特許第９，３５２，３５５号は、大気プラズマ（導電性処理液）を使用して、動作中にＣＯ２複合スプレーと基材表面の両方に同時に接触する例示的な表面短絡手段である。表面電荷の蓄積は、接触表面から直接プラズマプルームに摩擦電荷を排出することにより軽減される。‘３５５の装置と方法は、効果的な表面洗浄と改質を提供すると同時に、処理スプレーと処理表面の静電帯電を制御するハイブリッド処理プロセスである。
【００３９】
要約すると、ＣＯ２複合スプレーで静電霧化添加剤の形成を強化するための直接荷電方法は、米国特許第７，３８９，９４１号の筆頭記載の発明者によって教示され、高電圧（ＨＶ）供給及びワイヤを使用して流動性添加剤へ高電圧（ＨＶ）の印加を伴う。添加剤混合物は、コアンダノズルへの噴射と、その後の摩擦帯電ＣＯ２複合スプレーへの混合の前に、高度に荷電される。また、米国特許第７，４５１，９４１号の筆頭記載の発明者によって教示されているのは、ＣＯ２複合スプレーに受動的に帯電した添加剤を形成するために、形成されつつある摩擦帯電ＣＯ２複合スプレーに直接添加剤を噴射する間接帯電化方法である。しかし、従来技術の議論から明らかなように、これらの両技術による、特に高融点添加剤を使用する場合の合わせた制約は以下の両方がある：
（１）ＣＯ２粒子―ガス混合物の非常に低い温度（直接的な本体から本体への熱移動）の理由により添加剤の相変化が制御されていないこと；（２）霧化および凝縮現象以前の、添加物の時期的に早すぎる静電帯電または摩擦帯電（直接的な体から体への電荷移動）。このように、従来技術で使用される単一部分の空気−ＣＯ２−添加剤混合ノズルスキームは、静電帯電の局所性（ｌｏｃａｌｉｔｙ）、添加剤噴射、およびＣＯ２複合スプレー形成の混合段階に関して相克する重大な制約を持っている。
【００４０】
このように従来技術を詳細に議論したが、改良されたＣＯ２複合スプレー塗布方法および装置が必要であることは明らかである。以下の説明では、前述の制約を解決する任意の流動性のある空気添加剤組成物を同軸で噴射、霧化、静電帯電、分散するための新規のＣＯ２複合スプレー塗布器及び方法について説明する。本態様は、添加剤を含む静電的に帯電した均質なＣＯ２複合スプレーを生成するための装置を提供する。本発明の第１の態様では、ＣＯ２複合スプレーノズルが、軸対称に配置されたカソードアレイとして使用され、その中にスプレー動作中に空気中でそれらの間に強いイオン化静電界を作り出すアノードとして作動する添加剤噴射ノズルが配置される。ＣＯ２複合スプレーノズルとＣＯ２粒子は、周囲に比べて過剰な電子が存在するため、高度に帯電している。添加剤スプレーノズルと霧状粒子は、ＣＯ２複合スプレーとは反対に帯電している。
【００４１】
本発明者らは、オハイオ州シンシナティのＥｘａｉｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＥｘａｉｒ  Ｓｔａｔｉｃ  Ｍｅｔｅｒ、Ｍｏｄｅｌ  ７９０５を使用して、ＣＯ２複合スプレー混合ノズルの周りの空気中に生成された静電界を測定した。本発明で使用される好ましいＣＯ２複合スプレーシステム及び米国特許第９，２２１，０６７号の筆頭に記載された発明者と共同開発されたものであり、これらは参照により本明細書に組み込まれる。‘０６７（図４ａ）に示すように、ステンレス鋼の超音速混合ノズル（‘０６７、図４ａ（１１６））に統合された単一の０．００８インチＰＥＥＫ毛細管スロットル（‘０６７、図４ａ（１１４））を用いた非接地同軸ＣＯ２複合スプレー塗布器が使用された。同軸ＣＯ２複合スプレー塗布器は、１２００ｐｓｉのＣＯ２スロットル毛細管圧力、８０ｐｓｉの推進圧力、５０℃の推進温度で作動させた。これらのＣＯ２複合スプレー条件では、５ｋＶ／インチの強い静電界が、約１インチ離れた前記ＣＯ２スプレー混合ノズルの周囲及び隣接するエアギャップ内の位置に存在する。
【００４２】
そのため、ＣＯ２スプレー混合ノズル（つまり、カソードとして作動する）は、空気中に非常に強くイオン化する静電界を放出する。これにより、誘電性エアギャップによって隔てられた空間内に添加剤粒子（つまり、アノードとして作動する）に隣接し、平行に流れる雰囲気を帯電させるために使用することができる。スプレー霧化、帯電、および混合段階は、基材表面への軌道中に空気中およびＣＯ２粒子と添加剤噴射ノズルの下流で実行され、統合された空気―ＣＯ２―添加剤混合ノズルスキームを使用して、従来技術に存在する凍結、目詰まり、スパッタリングなどのスプレー形成での制約を緩和する。
【００４３】
別の態様において、クラスターノズル配置は、周囲のＣＯ２複合スプレーの対称性、多様性、および高速性のために、ＣＯ２複合スプレー流れ場の周囲に対称的に有意かつ平行な空気流を発生させる。大きな気流の発生は、大気抵抗を低減し、ＣＯ２複合スプレーの有効な処理範囲（つまり、スプレー軌道）を拡大する。
【００４４】
本発明のさらに別の態様では、内部添加剤噴射ノズルは、ＣＯ２スプレーノズルと同じ圧力および温度制御された推進剤ガス源を使用してもよいが、遠隔の添加剤供給源から別個の同軸添加剤供給毛細管を使用する。添加剤噴射器の混合ノズルは、外側のＣＯ２スプレーノズルアレイよりも小さい速度（つまり、より高い圧力）を持つ霧状の添加剤スプレーを生成するように設計されている。これにより、軸対称に配置されたＣＯ２複合スプレーへの霧化された（および受動的に帯電された）添加物粒子の取り込みが増強される。本発明のこれらおよび他の態様は、図５から図１４を参照することにより最もよく理解されるであろう。
【００４５】
図５ａおよび５ｂは、例示的な静電界生成ＣＯ２複合スプレーノズル、添加剤噴射ノズル、およびこれらが軸対称クラスター配置された基本的態様および機能を概略的に示し、受動的に帯電するＣＯ２複合スプレー装置を形成する。図５ａに見られるように、本発明を実施するために３つの基本的な構成要素が必要である。これらには、ＣＯ２複合スプレー生成システム（１１０）、添加剤噴射システム（１１２）、および本発明の受動静電ＣＯ２複合スプレー塗布器（１１４）が含まれる。図５ａに示される例示的な受動的静電ＣＯ２複合スプレー塗布器（１１４）は、柔軟かつ同軸の流体配送ラインおよびチューブアセンブリに対して、ＣＯ２複合スプレー生成システム（１１０）および添加剤噴射システム（１１２）の両方に流体接続されている。
【００４６】
ＣＯ２複合スプレー配送アセンブリは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）毛細管（１１６）を備え、これは圧力および温度が調整された過飽和ＣＯ２流体（１１８）を提供する。添加剤噴射システム（１１２）は、リザーバー（１２８）から添加剤供給ライン（１２６）により供給される圧力調整されたポンプ（１２４）を使用して、柔軟な毛細管配送管（１２２）に対して調整可能な容量の添加剤（１２０）を提供し、リザーバー（１２８）は液体及び固体を含む液体添加物または添加物の混合物を含む。添加剤配送管（１２２）には、接地（１３２）され、添加剤配送管（１２２）の内側の全長を横切るオプションの小さな接地線（１３０）が含まれている。接地線（１３０）は、添加剤配送管（１２２）を通って流れる添加剤のための静電荷インダクタとして機能する。受動的静電ＣＯ２複合スプレー塗布器（１１４）は、単一の添加剤噴射ノズル（１３６）に関して軸対称に配置された２つ以上のＣＯ２複合スプレー混合ノズル（１３４）の配列を含んでいる。
【００４７】
ＣＯ２複合スプレー混合ノズル（１３４）は、圧力および温度が調整された推進用ガス（１３８）と、過飽和ＣＯ２（１１８）からノズル（１３４）で生成された微粉化ＣＯ２粒子を組み合わせ、両方の流体は、ＣＯ２複合スプレー生成器（１１０）により提供され、ＣＯ２複合スプレーを形成する（図示せず）。添加剤噴射ノズル（１３６）は、圧力と温度が制御された同じ推進用ガス（１３８）と添加剤流体（１２０）を組み合わせて、噴霧添加剤スプレー（図示せず）を形成する。本発明で使用するのに好ましいＣＯ２複合スプレー生成システム（１１０）は、米国特許第９，２２１，０６７号および第７，４５１，９４１号に詳細に説明されており、カリフォルニア州サンタクラリタ、クリーンロジックス  エルエルシーから市販されている。両特許とも参照により本明細書に組み込まれる。本発明での使用に適した例示的な添加剤噴射システム（１１２）およびバイオベースの金属加工潤滑添加剤（１２０）は、イリノイ州グレンビュー、ＩＴＷ  ＲＯＣＯＬ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａから入手可能である。
【００４８】
図５ｂは、図５ａに示される例示的なＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）および単一添加剤噴射ノズル（１３６）のより詳細な説明を提供する。図５ｂでは、受動静電ＣＯ２複合スプレー塗布器（１１４）は、複数のＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）の間の中央に配置された単一の添加剤噴射ノズル（１３６）を備え、そのすべてのノズルが円筒形または管状のスプレー塗布器本体（１４０）の前面に配置されている。ＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）は、ＣＯ２粒子と接触すると受動的に摩擦帯電する材料から製造されている。たとえば、ステンレス鋼などの金属は、ＣＯ２摩擦帯電中に非常に強い静電界を生成する。スプレー塗布器本体（１４０）は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、またはデルリン（登録商標）などのポリマーを含む様々な材料で構成されてもよい。
【００４９】
さらに、スプレー塗布器本体（１４０）を３Ｄ印刷された塗布器ハウジングに入れて、操作中にスプレー塗布器本体（１４０）を取り付け、または扱い及び操作する手段を提供し、例えば、ロボットのエンドエフェクタのマウントを提供することができ、または、手動スプレー操作用のハンドルを提供する。パッシブ静電ＣＯ２スプレー塗布器の一般的な機能と配置について説明した。以下ではＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）と添加剤噴射スプレーノズル（１３６）の詳細を示す。例示的なＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）を参照すると、同軸ＣＯ２スプレーノズルは２つの構成要素を含む：（１）圧力および温度調整された推進剤ガス（１４４）を流すための外側推進剤ガス導管（１４２）、および（２）微粒子化されたＣＯ２粒子（１４８）を流すための内部ポリマーＣＯ２粒子導管（１４６）。同軸ＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）の好ましい構造および配置は、米国特許第９，２２１，０６７号および第７，４５１，９４１号に詳細に記載されている。本特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００５０】
例示的な添加剤噴射スプレーノズル（１３６）を参照すると、同軸添加剤スプレーノズルは３つの構成要素を含む：
（１）圧力および温度が調整された推進剤ガス（１４４）を流すための外部推進剤ガス導管（１５０）であり、この例示的な塗布器では、ＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）のそれと同じソースである；
（２）圧力および温度調整された添加剤（１５４）を流すための内側ポリマー添加剤導管（１５２）、及び
（３）添加剤噴射ノズル（１３６）に供給する添加剤噴射管（図５ａ、１２２）の長さを横断するオプションの金属接地線（１３０）。最後に、上述の例示的な受動的静電ＣＯ２複合スプレー塗布器の動作中、ポリマーＣＯ２粒子添加剤導管（１４６）および金属ノズル（１４２）内のＣＯ２粒子摩擦帯電は、ＣＯ２スプレーノズル（１３４）と添加剤噴射スプレーノズル（１３６）間に静電界（１５６）を生成する。
【００５１】
図６ａ、６ｂ、および６ｃは、本発明で使用する例示的な軸対称クラスタースプレーノズル構成を示す。図６ａは、２つのＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）が、共通のスプレー塗布器本体（１４０）上でその軸に対称に配置された、１つの添加剤噴射ノズル（１３６）を含む２×１クラスターノズル配置を示す。図６ｂは、３つのＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）によって共通のスプレー塗布器本体（１４０）上で軸対称に配置された１つの添加剤噴射ノズル（１３６）を含む３×１クラスターノズル配置を示す。最後に、図６ｃは、８つのＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）が共通のスプレー塗布器本体（１４０）上で軸対称に配置された１つの添加剤噴射ノズル（１３６）を含む８×１クラスターノズル配置を示す。
【００５２】
図７ａおよび７ｂは、空気中および放射状スプレー密度の両方を調整するための複数のクラスタースプレー塗布器の配置を示している。図７ａは、７つの８×１クラスタースプレーノズル（１６０）の軸対称配置を示している。個々のクラスタースプレー塗布器を回転させて、ｘ軸（１６２）とｙ軸（１６４）の両方に重なり合うスプレーを生成することもできる。図７ｂでは、異なるスプレーノズル構成および回転を有する複数のクラスタースプレー塗布器を使用することにより、放射状スプレー密度（１６６）および空気中スプレー密度（１６８）の両方の調整がされる。
【００５３】
図８は、中心に配置された添加剤噴射ノズルの周りおよび軸対称に配置された帯電キャリアノズル間に確立された対称静電界を示す概略図である。図８は、帯電したＣＯ２複合スプレー粒子（１７２）を生成する軸対称に配置されたＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）の間に位置する噴霧添加剤粒子（１７０）を生成する中央金属添加ノズル（１３６）を示す。これらすべては塗布器本体（１４０）前面に配置されている。霧化された添加剤粒子（１７０）は、負に帯電したＣＯ２粒子（１７２）を生成する軸対称金属ＣＯ２スプレーノズル（１３４）に対して相対的に中性または正に帯電している。スプレー操作中のこの配置の結果、中央スプレーノズルと外側スプレーノズルの間に静電界（１７４）が確立される。
【００５４】
本発明の受動静電スプレー塗布器は、中央アノードとして振る舞う添加剤噴射ノズル（１３６）と、帯電カソードとして振る舞う軸対称に配置されたＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）とを含む。電子は、ＣＯ２スプレーノズル（１３４）内の内部毛細管とノズル本体表面（１７６）間のＣＯ２粒子の摩擦帯電によって生成される。さらに、帯電したＣＯ２複合スプレーは、同等の静電荷のため互いに反発する（１７８）。静電反発力は、中央の添加剤スプレーよりもより速い速度と組み合わされて、スプレーの対称性を維持し、クラスタースプレーノズルアレイの下流まで添加剤の取り込みをわずかに遅らせる。
【００５５】
図９は、空気中で受動的に帯電したＣＯ２粒子および添加剤粒子を含む空間におけるＣＯ２複合スプレーの形成について示し、添加剤を含む静電帯電した均一なＣＯ２複合スプレー混合物を生成し、およびそれの例示的な基材への適用を説明する。図９に示すように、ここで説明する基本的な受動的静電ＣＯ２複合スプレークラスターノズルは、２つのＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）に囲まれた中央に配置された添加剤噴射ノズル（１３６）を含む２×１軸対称配列のスプレーノズルである。
【００５６】
圧力と温度が調整された推進剤ガス流によって引き込まれおよび推進される摩擦帯電ＣＯ２粒子は、空気―ＣＯ２の複合スプレー（１８０）を形成し、添加剤噴射スプレーよりも大きい速度（Ｖｃ）で空間に投射される。このように形成された空気−ＣＯ２複合スプレー（１８０）は、ＣＯ２スプレーノズル（１３４）と添加剤噴射ノズル（１３６）の間の空間に大気の流れ（１８２）を誘導し、クラスタースプレーノズル塗布器の周囲の空間に大気の流れ（１８４）を誘導する。同じ圧力と温度に調整された推進剤ガス流に引き込まれる比較的電荷が中性で霧状の添加剤粒子は、ＣＯ２複合スプレーよりも低い速度（Ｖａ）で移動する空気―添加剤スプレー（１８６）を形成する。
【００５７】
本明細書の図１１及び図１２でより詳細に議論されるが、同等の推進剤圧力入力でのＣＯ２スプレーノズル（１３４）と添加剤噴射スプレーノズル（１３６）との間の速度差は、異なるノズル設計を使用して達成される。噴霧操作中、このクラスターノズル配置は、静電界（１８８）と噴霧速度（１９０）勾配の両方を生成し、その結果、ＣＯ２複合スプレーによる添加剤粒子の急速な静電帯電と添加剤粒子の引き込みにより、スプレー塗布器の下流に空気―添加剤―ＣＯ２複合スプレー（１９２）が形成される。推進剤圧力入力に依存するクラスタースプレー塗布器ノズルから下流のある距離で、空気―添加剤−ＣＯ２複合スプレーが混合して、基材表面（１９８）に向けられる、均一に帯電した添加剤―分散ＣＯ２複合スプレー（１９４）が形成される。基材表面（１９８）は、接地（２００）されてもよく、または高度に帯電した空気―添加剤−ＣＯ２粒子エアロゾルスプレー（１９４）に対して相対的に接地しているとして作動されてもよい。
【００５８】
図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃ、図１０ｄ、および図１０ｅは、本発明で使用するための受動的静電荷生成ＣＯ２複合スプレーノズルの例示的な設計の側面、背面および正面、および切欠き等角図を提供する。図１０ａ（側面図）では、例示的なＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）は、ステンレス鋼同軸推進用ガス−ＣＯ２粒子混合体であり、以下を含む：
スプレー塗布器本体（図５ｂ、１４０）上で軸対称円周位置への取り付けを可能にするネジ山付きベース（２１０）；
面取りされたノズル出口（２１２）；及び
３つのローブ付き推進剤ガスフローチャネル（２１６）に囲まれたＰＥＥＫ  ＣＯ２粒子配送チューブ（図示せず）の挿入およびセンタリングのための貫通ポート内部空間（２１４）。推進剤ガス流路（２１６）は、放電加工（ＥＤＭ）を使用して生成され、その周囲を超音速推進剤ガスが流れるＰＥＥＫ  ＣＯ２粒子配送チューブ（図示せず）を中心に配置して固定するための３点で支持するクレードルを提供する。
【００５９】
図１０ｂ（背面図）に示すように、ネジ山付きベース（２１０）はノズルシール面（２１８）を含み、内部貫通ポートスペースは、その上にＰＥＥＫ  ＣＯ２粒子配送チューブ（図示せず）が任意の２つのＥＤＭ推進フローチャネル（２１６）の交差する点の間の位置にスライドする平らなクレードルベース（２２０）を示す。最後に、図１０ｃ（正面図）では、例示的なＣＯ２複合スプレーノズルは、中央に配置された調整可能な拡張チューブアセンブリ（２２２）を含む（米国特許第９，２２１，０６７号を参照（図４ｂ、「調整可能な拡張チューブアセンブリ」、（５０２））。このチューブアセンブリ（２２２）  は、３つのＥＤＭ推進剤フローチャネル（２１６）の交差する点に作られた少なくとも３つ以上の中心位置決め及び分岐バー（２２０）の間に置かれている。このように記載された例示的な同軸ＣＯ２複合スプレーノズルは、添加剤噴射スプレーノズルよりも速い速度を有する空気およびＣＯ２粒子の流れを生成する。
【００６０】
図１０ｄ及び図１０ｅは、本発明のＣＯ２複合スプレーノズルの内部設計および動作態様のより詳細な図を提供する。図１０ｄは、例示的なＣＯ２複合スプレーノズルの正面図である。本発明の筆頭記載の発明者による、米国特許第９，２２１，０６７号（図４Ｂ、「調整可能な拡張チューブアセンブリ」、（５０２））を参照すると、本発明のＣＯ２複合スプレーノズルは、‘０６７（図４ｂ）に記載されている参照された調整可能な拡張チューブアセンブリ（２２２）のセンタリングおよび位置決めのための新規な方法および装置を提供する。調整可能な拡張チューブアセンブリは、ＥＤＭ推進剤チャネル（２１６）を流れる推進剤ガスに微粉化されたＣＯ２粒子を噴射し、その中に生成される静電荷を選択的に分岐させ（４００）および誘導する。分岐回路（４０２）を接地する（４０４）と、静電荷は、内部ＥＤＭ分岐バー（２２０）に沿ってまたそれを通って、調整可能な拡張チューブアセンブリ（２２２）の外面とノズル表面（４０６）から誘導される。
【００６１】
次に図１０ｅを参照する。比較的長い内部のＥＤＭ分岐バー（２２０）は、０．２５インチから６インチ以上の間の長さを有し、図１０ｄの調整可能な拡張チューブアセンブリ（２２２）は、ノズル先端（４１０）からノズルキャビティ（４１２）内の位置までのＥＤＭ分岐バー（２２０）の横方向（４０８）（ｔｒａｖｅｒｓｅ）に沿って、ノズル本体の中央領域内に選択的に配置される。３つ以上のＥＤＭ分岐バー（２２０）間の直径は、分岐バー・ランド表面と図１０ｄの調整可能な拡張チューブアセンブリ（２２２）の外側表面との間に滑り接触嵌合を提供するように事前に決定される。
【００６２】
調整可能な拡張チューブアセンブリの排出（または噴射）位置（図１０ｄ（２２２））、特に、微粉化されたＣＯ２粒子が超音速推進流路（２１６）に噴射される場合、本発明の筆頭に記載された発明者による米国特許第９，２２７，２１５号を使用して決定されるＣＯ２複合スプレーの最適スプレープルームプロファイルの展開に基づき決定される。最後に、図１０ｄに記載の分岐機構は、ノズル本体に接地要素（４１４）を選択的に適用することにより実施される。ノズル接続部（４１４）が接地されている場合、静電荷はノズル本体から離れてアースに流れる。ノズル接続部（４１４）が接地されていない場合、静電荷は内部に蓄積され、ノズル本体先端（４１０）からスプレー流に排出される。
【００６３】
図１１ａ、１１ｂ、および１１ｃは、本発明で使用するための例示的な噴霧添加剤噴射ノズルの例示的な設計の側面、背面および正面等角図を提供する。図１１ａ（側面図）では、例示的な添加剤噴射スプレーノズル（１３６）は、ネジ山付きベース（２３０）を有するステンレス鋼同軸推進剤ガスー添加剤粒子混合体であり、これにより、スプレー塗布器本体の中央位置（図５ｂ、１４０）、面取りされたノズル出口（２３２）、およびＰＥＥＫ添加剤配送管（図示せず）を挿入するための貫通ポート円形内部空間（２３４）の取り付けが可能になる。同等の推進剤ガス圧力では、図１１の円形推進剤ガス流路（２３４）は、表面積が大きいため、図１０で説明したＥＤＭ推進剤流路と比較して、より低速の推進剤ガスを流す。図１１ｂ（背面図）に示すように、ネジ山付きベース（２３０）は、ノズルシール面（２３６）と、ＰＥＥＫ添加剤粒配送管（図示せず）がやや中央に配置される内部貫通ポート円形空間（２３４）を含む。
【００６４】
最後に、図１１ｃ（正面図）に示すように、例示的な添加剤粒子スプレーノズルは、ほぼ中央に配置され、わずかに凹んだＰＥＥＫ添加剤粒子配送管（２３８）を含み、その周りに円形の推進剤ガスフローチャネル（２４０）を形成する。このように説明された例示的な同軸添加剤噴射ノズルは、空気及び添加剤粒子の流れを生成し、その流れの速度は図１０で説明したＣＯ２複合スプレーノズルにより生成されるＣＯ２スプレーよりも速度は小さい。
【００６５】
図１２ａ、１２ｂ、および１２ｃは、ＣＯ２複合スプレーノズルおよび添加剤噴射ノズルを軸対称に配置するための４ｘ１クラスタースプレー塗布器本体およびそれを使用するための推進剤空気、ＣＯ２粒子および添加剤を提供する手段の例示的設計ぼ背面、底面および正面向き等角図を提供する。図１２ａ（背面図）を参照する。スプレー塗布器本体（１４０）の背面（２４８）には、添加剤配送管を挿入および固定するためのネジ山付き添加剤チューブ入口ポート（２５０）と、その中に含まれるオプションの接地線（両方とも図示せず）が含まれるが、たとえばＰＥＥＫナットとフェルールアセンブリを使用する（両方とも図示せず）。さらに、スプレー塗布器（１４０）の後面（２４８）には、例えばＰＥＥＫナットと  フェルールアセンブリ（すべて非表示）を用いて、ＣＯ２粒子配送管を挿入及び固定するために、添加剤チューブ入口ポート（２５０）の周りに、軸対象に配置された４つのネジ山付き入口ポート（２５２）を備える。ネジ山付き添加剤入口ポート（２５０）と４つのＣＯ２粒子入口ポート（２５２）は、スプレー塗布器本体（１４０）の全長を横断する貫通ポート円形チャネルに移行する。
【００６６】
図１２ｂに示されるように、スプレー塗布器本体（１４０）の底部は、添加剤（２５０）およびＣＯ２粒子（２５２）チャネルのすべてに通じるネジ山付き推進用ガス入口ポート（２５４）を含む。このチャネルは、ＰＥＥＫ添加剤とＣＯ２粒子配送管（すべて図示せず）を含むすべてのスプレーチャネルに、圧力と温度が制御された推進用ガスを同時に、共通に提供する。最後に、スプレー塗布器の前面（２５６）には、図１０及び図１１において説明した、例示的なＣＯ２複合スプレーノズルと添加剤噴射スプレーノズルを固定するための中央に配置されたネジ山付き添加剤ノズルポート（２５８）と、４つの軸対称に配置されたのネジ山付きＣＯ２スプレーノズルポート（２６０）がそれぞれ含まれる。
【００６７】
スプレー塗布器本体は、ＣＯ２複合スプレーアプリケーションにおいて一般的に使用される圧力と温度に実質的に耐えることができる任意の材料で構成されてもよい。例示的な構築材料には、鋼、アルミニウム、およびデルリン（登録商標）が含まれる。図１３は、本発明を手動スプレー洗浄またはコーティング用ツールとして使用するための例示的な３Ｄ印刷ハンドガンアセンブリの等角図である。図１３を参照すると、図１３の例示的なスプレー塗布器本体は、必要なＰＥＥＫ添加剤用およびＣＯ２搬送毛細管のすべてを統合するための、エンドキャップ（２７２）を備えた円筒状３ＤプリントＡＢＳプラスチック覆い（２７０）から突出する添加剤噴射ノズル（１３６）およびＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）を備えており、このチューブはすべてが搬送ホース（２７４）に含まれる。例示的なハンドガンアセンブリはまた、覆い（２７０）の底部およびそこに含まれる塗布器本体に固定された３Ｄプリントで製作されたＡＢＳハンドル（２７６）を備え、推進剤ガス供給ホース（２７８）を統合するための貫通ポートを含む。
【００６８】
図１４は、本発明の４×１クラスタースプレーノズルを使用して生成された非加熱空気―ＣＯ２−オイル複合スプレーの写真である。図１４に示すように、クラスタースプレー塗布器は、８０ｐｓｉの噴射圧力、２０℃の噴射温度、７０ｍｌ／時間の油添加剤噴射速度、および４ポンド／時間／ノズルのＣＯ２噴射速度で作動されている。図１４に示されるように、中央添加剤噴射ノズル（１３６）および４つの軸対称ＣＯ２複合スプレーノズル（１３４）によって生成される個々のスプレーは、下流約２インチ（２８０）の距離に至るまで別個のままである。下流の約４インチ（２８２）において、スプレーは完全に結合して、直径約１．２インチの円形で均一な静電気帯電空気―添加剤―ＣＯ２粒子スプレーを形成する。これは、圧力テストフィルム（２８４）に対するスプレーの衝突によって生成される画像に示されており、フィルムの元の色は明るい赤色である。
【００６９】
図１４に示す例示的なスプレー試験装置を使用した６０分間続く試験時間（液体ＣＯ２シリンダーの供給がなくなるまで）での連続スプレー操作では、ＣＯ２複合スプレーノズルおよび添加剤噴射ノズルのいずれにも目に見える氷結、目詰まり、および油添加剤の蓄積を生成されていない。
【００７０】
図１５は、本発明を使用する例示的な表面前処理および洗浄プロセスを示す。特定の洗浄用途では、例えば、チタン、アルミニウム、炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）の穴あけ、およびそれらの積み重ねに続いて、表面汚染を除去するのが非常に難しい場合がある。従来の穴あけプロセスでは、水と油のエマルジョン（つまり、クーラント）を使用する。このタイプのクーラントは、油、水、および界面活性剤の薄膜を含む非常に粘着性のある表面残留物を残す。本発明は、ＣＯ２複合スプレーによるスプレー洗浄の前または洗浄と同時に複雑な表面汚染物質を最初に可溶化（またはその他の方法で変性）する（好ましくは）高沸点前処理剤の均一なコーティングを適用する新規な前処理プロセスを実施するために使用することができる。前処理−洗浄プロセスの最初のステップ（２９０）では、クラスタースプレー塗布器を処理対象の基材から６〜１８インチの距離に配置し、これにより、環境にやさしく、人間に安全で、高沸点の前処理添加剤組成物であって、９０％（ｖ：ｖ）揮発性メチルシロキサン（ＶＭＳ）および１０％（ｖ：ｖ）１−ヘキサノールを含む添加剤組成物を汚染表面に適用（２９２）して、これが複雑な表面汚染物質に浸透しそして変性（または非粘着化）する均一な薄膜を形成する。
【００７１】
前処理ステップの例示的なクラスタースプレーパラメーターの範囲は以下を含む：
ＣＯ２噴射速度：２−４  ｌｂｓ．／時間／ノズル
添加剤噴射速度：１０−２００  ｍｌ／時間
推進剤温度：２０−４０度Ｃ
推進剤圧力：３０−５０  ｐｓｉ
この前処理コーティングプロセスのステップは、本発明のＣＯ２複合スプレー塗布器を汚染表面から、ＣＯ２粒子スプレーが受動静電複合スプレー前処理コーティングの形成と配送に有用であるが、堆積したコーティングを除去しないほどには、表面衝突やまたは洗浄効果を強いるには有用ではない距離に配置することによって達成される。
【００７２】
例えば、約６インチ（１５ｃｍ）以上の距離では、本発明のクラスタースプレー塗布器は表面のプレコーティングに非常に有用である。なぜなら、ほとんどのＣＯ２粒子はこの点で昇華するか、目に見えるクリーニング（除去）効果を生み出すのに必要なサイズ及び速度が不足するからである。さらに、均一な前処理コーティングの形成と維持を促進するために、必要に応じてＣＯ２噴射圧力（つまり、ＣＯ２粒子密度）、噴射剤圧力、および噴射剤温度を下げることができる。表面前コーティングステップ（２９２）に続き、及びオプションで表面前処理剤が表面汚染層を完全に浸透して変性させるための３〜６００秒以上の滞留時間（２９４）に続いて、前処理添加剤の噴射を停止し、本発明のＣＯ２複合スプレー塗布器を基材に向かって１〜６インチの距離および表面に対し４５〜９０度のスプレー塗布器角度に再配置し（２９６）、残留前処理剤と変性表面汚染物質を除去するための精密スプレー洗浄ステップ（３００）を提供する。
【００７３】
スプレー洗浄ステップの例示的なクラスタースプレーパラメータ範囲は以下を含む：
ＣＯ２噴射速度：２−８  ｌｂｓ．／時間／ノズル
添加剤噴射速度：０  ｍｌ  ／時間
推進剤の温度：４０−６０度Ｃ
推進剤圧力：５０−１２０  ｐｓｉ
最後に、この新しい前処理−洗浄プロセスは、手持ちスプレー塗布器を使用して手動で実行するか、ロボットとアームの先端のスプレー塗布器を使用して自動的に実行することができる。本発明での使用に適した添加剤には、例えば、純粋な液体、炭化水素、アルコール、シロキサン、テルペン、およびエステルから誘導されるおよびそれらのブレンドが含まれる。
【００７４】
さらに、グラファイトナノ粒子やペイント顔料などの固体粒子を適切なキャリア溶媒とブレンドして、圧力流動性のあるまたはポンプ輸送可能な液体懸濁液を形成することができる。さらに、本発明では、液体と懸濁液のオゾン化混合物を使用してもよい。最後に、本発明では、イオン化ガスなどの添加物を使用してもよい。
【００７５】
本発明は、表面汚染除去、表面コーティング、および精密機械加工用途に有用であり、コーティング、洗浄、消毒、冷却、前処理、保存、塗装、および／または潤滑機能を提供する。
【００７６】
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示されている。しかしながら、開示された実施形態は、本発明の単なる例示であり、様々な形態で具体化できることを理解されたい。したがって、本明細書で開示される特定の構造および機能の詳細は、限定的なものとして解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および実質的に任意の適切に詳細な構造で本発明を様々に使用するように当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。さらに、本書で使用されるタイトル、見出し、用語、およびフレーズは、主題または範囲を限定することを意図したものではない。むしろ、本発明の理解を可能にする説明を提供するものである。本発明は、本発明の全機能の一部をとして独立して機能するいくつかのサブ部分から構成され、本発明の他の部分と組み合わせたときにシステムレベルの機能を発揮する。
【００７７】
用語「ＣＯ２」と「ＣＯ２」と二酸化炭素は相互交換可能である。本明細書で使用される用語「ａ」または「ａｎ」は、１つまたは複数を指すものとして定義される。本明細書で使用される複数という用語は、２つまたは３つ以上として定義される。本明細書で使用される用語「別の」または「他の」は、少なくとも第２またはそれ以上として定義される。本明細書で使用される「含む」および／または「有する」という用語は、「含む」（すなわち、オープン言語）と定義される。本明細書で使用される「結合」という用語は、接続されていると定義されるが、必ずしも直接ではなく、必ずしも機械的でもない。特定の機能を実行する「手段」または特定の機能を実行する「ステップ」を明示的に記載していないクレーム内の要素は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．、セクション１１２、パラグラフ６で指定されている「手段」または「ステップ」と解釈されない。特に、本願の特許請求の範囲における「ステップの」の使用は、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．  セクション１１２、パラグラフ６の規定と関連づけることを意図していない。
【００７８】
参照による組み込み：本明細書で言及したすべての研究論文、出版物、特許、および特許出願は、個々の出版物、特許、または特許出願が具体的かつ個別に参照により組み込まれると同じ程度に参照により本明細書に組み込まれる：これらは米国特許：２０５２８６９；  ２３０２２８９；  ２８９４６９１；  ３０４７２０８；  ３１１７７２６；  ３６２８７３７；  ３７０２５１９；  ３７０８９９３；  ３７４３１８６；  ３７９５３６７；  ３８０１０２０；  ３８０６０３９；  ３９８４０５４；  ３９８５３０２；  ４０３８７８６；  ４０４６４９２；  ４１９５７８０；  ４３３６０１７；  ４３４１３４７；  ４３８５７２８；  ４３８９８２０；  ４５５５０５９；  ４７０３５９０；  ４７０７９５１；  ４７４９１２５；  ４７７６５１５；  ４８０１０８６；  ４８０６１７１；  ５０５６７２０；  ５１２５９７９；  ５１７０９４２  ５２２２３３２；  ５３１２５９８；  ５４０２９４０；  ５４０９４１８；  ５５９１４１２；  ５６１１４９１；  ５７０４５５４；  ５７２５１５４；  ５７６５７６１；  ５９１８８１７；  ６０３９２６９；  ６０５６２１３；  ６１０５８８６；  ６１２５７８７；  ６７０８９０３；  ７０９７７１７；  ７３８９９４１；  ７４５１９４１  ９３５２３５５；  ９２２１０６７；  ９２２７２１５；  
及び米国出願：２００４／０２５１３２７；２００６／００２７６７９；  ２００６／００７１０９を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【図１０ｅ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
0006918200.tif 000022
【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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