JP2005095753A - 光反応容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光反応容器において、反応生成物が光入射窓に付着しないようにして、光入射窓の光透過率の低下や破損を防止する装置を提供する。
【解決手段】 光入射窓４から導入した光で反応を誘起するようにした光反応容器１において、反応容器内を光透過膜５で仕切って、光入射窓と反対側の反応室２に反応物質を充填し、光入射窓４に近いシール領域３に光と反応物質に対して不活性なシール流体を充填して光入射窓４を保護し、シール流体の圧力Ｐ１を反応物質より高くすると共に、ポリエチレンなどで形成した光透過膜５は適宜新しい面に切り換えられるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光入射窓を保護して効率的に反応を行わせるようにした光反応容器に関する。

レーザ同位体分離装置など、光を用いて反応を誘起する装置では、反応生成物が光入射窓に付着することにより光入射窓の光透過率が低下して反応効率を劣化させたり、反応性生成物が過熱して光入射窓が破損されたりする問題がある。
このような問題に対する方策には、たとえば図Ｘに示したような特許文献１に記載された方法で、光入射窓の反応室内側から安価な透光板を当てて二重窓とし、反応物で汚れたら内側の透光板を取り替えることにより、光入射窓を保護する方法がある。
この方法では、透光板を交換する度に反応容器を大気解放しなければならないため、効率が悪化するので問題である。

また、特許文献２には、図Ｘ２に示すような、反応容器の光入射窓の後ろにコンダクタンスの小さい部分を設けて高真空にし所定の真空度差を生じさせることによって、光入射窓への反応物の付着を防止する方法が開示されている。開示の方法では、収束光を用いるので、反応領域において入射光のエネルギーが吸収で減衰しながら光ビームの計が広がっていくので、反応領域内のエネルギー密度分布が不均質になり、同位体分離などでは反応効率が落ちるという問題がある。
さらに、特許文献３には、レーザ同位体分離において作業物質が分解して生成する固体物質によりレーザ光の入射窓が曇ったときに、ハロゲン化剤でガス化して除去する技術が開示されている。この方法では、固体生成物をガス化させる間反応を停止する必要があり、効率が低下する。

また、特許文献４には、レーザ光を照射して同位体分離する装置が開示されているが、レーザ入射窓の内側にコールドトラップを設けて反応物質が共振器ミラーに付着しないようにすることが記載されている。このような方法は、装置が大がかりになる上、反応物質の付着を完全には防ぐことができない。
なお、燃焼排ガス中の有害物質を光化学反応で無害化する装置に用いる紫外線照射窓の前面に不活性ガス層あるいは不活性液体層を形成することにより汚れを防止する技術が開示されている。この方法では、比較的少量の不活性流体を用いて紫外線照射窓の表面を確実に保護するように不活性流体層を形成することが難しく、経済性に問題が残る。
このように、従来は、確実に光入射窓の汚れや破損を防止して効率よく光反応を起こさせる簡単な方法がなかった。
特開昭６０−１０１９２６号公報 特開昭６１−０００４４０号公報 特開２００１−２５９３７３号公報 特公平０６−００２２１５号公報 特開平０７−１５５５３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、光反応容器において、反応生成物が光入射窓に付着しないようにして、光入射窓の光透過率の低下や破損を防止する装置を提供することである。

上記課題を解決するため、光入射窓から導入した光で反応を誘起するようにした本発明の光反応容器は、反応容器内を光透過膜で仕切って、光入射窓と反対側に反応物質を充填し、光入射窓に近い領域に光と反応物質に対して不活性なシール流体を充填して光入射窓を保護し、シール流体の圧力を反応物質より高くすると共に、光透過膜は適宜新しい面に切り換えられるようにしたことを特徴とする。
光透過膜は、ポリエチレンで形成することが好ましい。

光透過膜は、リールから供給できるようにしてもよい。
また、光透過膜は、幅方向に移動するようにして、適宜に新しい面を光に露出させるようにすることが好ましい。
光透過膜は、簡単に交換できるようなカセットに切り替え機構と一緒に収納するようにしてもよい。
光反応容器は、洗浄室を設けて、光透過膜を切り換えられるときには光透過膜の汚れた部分が洗浄室内に収納されて洗浄され、一方、光が透過する位置に洗浄室で洗浄された部分が挿入されるようにしてもよい。

また、光入射窓から導入した光で反応を誘起する光反応容器に着脱可能に取り付ける光透過膜を仕込む本発明のカセットは、光入射窓内側に設けた案内に嵌合する筐体を備え、筐体内に光透過膜を供給する供給リールと光透過膜を巻き取る巻き取りリールを設け、供給リールと巻き取りリールの間にかかる光透過膜の裏側に光反応器の反応室に光を導入する開口に光透過膜を押し付けて気体の通路をふさぐリングを備えたことを特徴とする。
光透過膜は、ポリエチレンフィルムで形成することができる。なお、リールは軸方向に移動させる機構を備えることが好ましい。

本発明の光反応容器は、レーザ同位体分離装置、光化学気相堆積装置、光化学エッチング装置、光化学ドーピング装置、排ガス処理装置など、各種の光反応装置に組み込んで使用することができる。

また、本発明の光透過膜カセットは、光反応容器の光入射窓の内側に設けた案内に嵌合する筐体を備え、その筐体内に光透過膜の供給リールと光透過膜の巻き取りリールを着脱可能かつ回転可能に設け、供給リールと巻き取りリールの間に懸架される光透過膜の裏側に反応室に光を導入する開口に光透過膜を押し付けるリングを備えて、反応室から光入射窓へ気体が流れるのを抑制することを特徴とする。

本発明の光反応容器では、光入射窓の内側に光透過膜が配置され、光入射窓と光透過膜の間にシール流体が充填され、反応物質は光透過膜で隔てられた領域に収納されそこで光反応をする。したがって、反応生成物は光透過膜で阻止され、しかも反応物質より圧力が高いシール流体で保護されているので、光入射窓表面に堆積しない。さらに、光透過膜が汚れて光透過率が低下したときには、汚れた部分を光路から外し、透明度の高い新しい部分と取り替えることができるので、光反応効率が低下するおそれがない。
なお、光透過膜をポリエチレンフィルムで形成すると、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどの赤外線レーザ光の透過率が高いので、光反応を高い効率で行うことができる。

光透過膜を巻いた供給リールを使って、必要に応じて新しいフィルム面を光路に引き出すようにしたものでは、光透過膜が汚れて入れ替えるときにも光反応容器を解体する必要がないので、光反応効率が向上する。
また、光透過膜が反応物質等で汚れるのは光反応領域に露出している部分のみであるので、幅の広い光透過膜を使って巻き上げ方向に対して垂直に移動するようにすれば、僅かに横にずらしただけで汚れのない新しい面を使うことができる。横移動によっては汚れのない面が出てこなくなってから巻き上げるようにしたものでは、光透過膜の全面を有効に利用することができ、リールの交換頻度を大幅に減少させることができる。

なお、光透過膜の洗浄を行う洗浄室を付帯させたものでは、光透過膜の光路に挿入された部分が汚れると洗浄室に引き込んで、既に洗浄が済んで汚れのない部分を代わりに光路に挿入し、洗浄室に引き込んだ部分を洗浄して次の利用に備えるようにすることによって、光透過膜を取り外すことなく何度でも使用することができる。
洗浄室には、フッ素や臭素などの反応性の高い流体を洗浄剤として充填することが好ましい。なお、洗浄剤の圧力は、シール流体より低い反応物質よりさらに低いことが好ましい。反応領域に反応性の高い汚染物質が侵入しないようにするためである。

本発明の光反応容器を使って、レーザ同位体分離、光化学気相堆積（ＣＶＤ）、光化学エッチング、光化学ドーピング、排ガス処理などを行うことにより、効率よく反応をさせることができる。

また、本発明の光透過膜カセットは、供給リールと巻き取りリールを外側から回転させることができるので、光入射窓の内側のスペースと光反応室を仕切る光透過膜が反応物質で汚れたときには汚染されていない新しい面に取り替えて、光反応効率があまり低下しないようにすることができる。光透過膜はリールに巻いた長さだけ利用できるので、十分長時間に亘って光透過率が低減しない状態で光反応を行わせることができる。さらに、筐体を光反応室に着脱することができ、また供給リールと巻き取りリールも筐体から着脱することができるので、リールに巻いておいた光透過膜を使い切ったら、供給リールと巻き取りリールを取り替えて、ほぼ永久的に利用することができる。

以下、実施例を用いて本発明の光反応容器と光透過膜カセットを詳細に説明する。
図１〜２は第１の実施例を説明する図面、図３〜６は第２の実施例を説明する図面、図７は第１の実施例を説明する図面である。

図１は、本発明第１の実施例の光反応容器の断面側面図である。
本実施例の光反応容器１は、部屋を光透過膜５で仕切り、図中、光透過膜の右側部分を反応室２とし、左側部分をシール室３とする。シール室の左側端部に反応用光線が入射する光入射窓４が設けられている。光入射窓４はＯリング４２を介してフランジ４１により気密に固定されている。
光透過膜５は、供給リール５１に巻かれた状態で供給され、ガイドローラ５３、５４で所定の位置まで引き出されて、巻き取りリール５２に巻き取られるようになっている。供給リール５１と巻き取りリール５２は、図示しない軸回転機構を用いて光反応用器１の外側から駆動できる。

シール室３にはアルゴンなど、反応物質と入射光に不活性なシール流体をシール流体供給ノズル３１から供給する。
反応室２には反応物質である反応流体が反応流体供給ノズル２１から注入され、所定の温度圧力条件の下で、光入射窓４とシール室３と光透過膜５を通して、レーザ赤外光など所定の光を照射して、レーザ同位体分離、光化学気相堆積、光化学エッチング、光化学ドーピング、排ガス処理などの光反応を進行させる。

シール流体の圧力Ｐ１を反応流体の圧力Ｐ２より高くし、反応流体や反応生成物がシール室３の内に侵入し難くして、シール室内の窓や壁に付着することを防止する。
光透過膜５には反応生成物が付着して透過率を低下させるが、反応生成物の付着した部分を巻き取りリール５２で巻き取って、供給リール５１から新しい光透過膜５を引き出して新しい面が反応室２に露呈するようにすれば、光透過膜５における光透過率の低下や損傷が起こらないため、光反応効率を維持することができる。
また、従来のように固定式の透光板を使用する場合に比べて、光透過膜を取り替える頻度は遙かに低くすることができ、生産性が高い。

なお、光透過膜５は、光反応を誘起する波長の光線に対して透過率が高い材料を選択することが好ましい。たとえば、光源として炭酸ガスレーザを用いる場合には低圧法高密度ポリエチレンを用いるとよい。図２は低圧法高密度ポリエチレンの透過率特性を示す線図である。炭酸ガスレーザの発振波長は９〜１１μｍであるが、低圧法高密度ポリエチレンはこの領域で９０％以上の透過率を有するので、高い効率で光反応が行われる。なお、低圧法高密度ポリエチレンは、非常に安価な材料であるから、本実施例の光透過膜として用いるのに好適である。
なお、光反応を行う流体およびシール流体がガスである場合について説明したが、液体であっても同じ作用効果があることは言うまでもない。

本実施例は、光透過膜カセットを利用して光透過膜の交換を容易にした光反応用器に関する。
図３は本発明第２の実施例の光反応容器の断面側面図、図４は光透過膜カセットの斜視図、図５は光透過膜カセットをセットする部分の分解斜視図である。
本実施例では、光透過膜カセットと光透過膜カセットを着脱する機構以外は第１の実施例と異なるところがないので、図１で説明したものと同じ機能を有する部分は同じ参照番号を使うことにより説明を簡単にした。

本実施例の光反応用器１は、シール室３のところで光入射窓４を含む部分１１と円筒状の反応室２に繋がった部分１２に分割できるようになっている。分割部分１１，１２の突き合わせ部にはそれぞれくさび形のフランジ１３が形成され、Ｏリング１５を介して当接し、内側にテーパ溝を持ったクランプ１４で締め付けて気密に固定する。
シール室３の壁には案内６１が設けられていて、図４の分解組立図から分かるように、光反応用器１を分割した状態で、光透過膜カセット６を所定の位置に出し入れすることができる。

さらに、図５の斜視図に示すように、光透過膜カセット６の筐体６２の中に、光透過膜用の供給リール５１と巻き取りリール５２が交換可能に取り付けられる。
光透過膜５は、供給リール５１からガイドローラ５３，５４の外側を通して、反応室２の開口部を塞ぐように展伸させて、巻き取りリール５２に巻き付ける。光透過膜カセット６の中には、反応室２の開口に対応する位置に押し付けリング６４が設けられている。押し付けリング６４は、リング受け具６３に仕込んだバネ６５によって、光透過膜５を反応室２の開口に押し付けて、反応室２内の流体がシール室３に侵入しないようにしている。

なお、シール室３に供給するアルゴンガスなどのシール流体圧力Ｐ１を、反応室２における流体圧力Ｐ２より高くなるようにして、反応流体や反応生成物がシール室３内に侵入して光入射窓４の内面を汚さないようにすることは、実施例１の光反応容器と同じである。
また、実施例１と同様に、巻き取りリール５２は、ベローズや磁気カップリングを用いた回転導入機７によって光反応器１の外側から回転させることができる。

新しい光透過膜を満巻に巻き付けた供給リール５１と空の巻き取りリール５２を取り付けて光反応を行う。反応が進行するにつれて光透過膜５が汚れて光透過率が低下するが、問題になるまで光透過率が低下しないうちに巻き取りリール５２を回転させて、光透過膜５の汚れた部分を順次新しい部分と入れ替えるようにすると、供給リール５１に巻いておいた光透過膜５が無くなるまで反応を継続させることができるので、従来の光入射窓保護方法と比較すると、運転継続時間が大幅に増加する。さらに、本実施例の光反応容器１では光透過膜をカセット単位で交換するので、交換作業が簡単でしかも交換時間が短くて済み、光反応の効率が極めて向上する。

図６は、光透過膜５を横方向に移動できるようにした光透過膜カセット６’を示すものである。
光透過膜５の横幅を反応領域の幅より数倍大きくし、光透過膜を巻く供給リール５１と巻き取りリール５２の幅を筐体６２より狭くして、軸方向に移動できるようにしてある。また、両リール５１，５２はそれぞれ回転導入機によりいずれの方向にも回転できるように構成され、光透過膜５は往復いずれにも巻き取りが可能である。
この他の構成は図５に示したものと差異がない。

このような光透過膜カセット６’を用いると、光透過膜５を横方向にずらす回数だけ余分に清浄な面を利用することができるので、光透過膜カセット６’を１回セットすれば、図５のものと比較しても数倍の寿命が期待でき、反応継続時間が長大化しカセット交換の回数が減り、反応の効率が著しく向上する。
なお、光透過膜５は、横方向位置を一定にして光透過膜５を巻き上げ切ってから横方向にずらして今度は反対方向に巻き上げながら反応を行うことを繰り返して光透過膜５の利用面積を増大させるようにしても良く、また、横方向に反応領域の幅ずつずらして端まで達してから巻き上げるようにしても良い。

図７は、本発明の第３の実施例を説明する概念図である。
本実施例は、汚れた光透過膜を洗浄して再利用するようにした光反応容器である。
光反応容器１は、回転式光透過板８により反応室２の反応領域とシール室３の不活性領域に分けられる。シール室３は、光入射窓４を汚れから守るためにアルゴンガスなどの不活性材料が所定の圧力Ｐ１で充填されている。反応室２には反応物質が供給され、光入射窓４とシール室３と光透過板８を通って入射する光により光反応を起こして光反応生成物を生成する。反応後の入射光は光入射窓４の反対側に設置される光出射窓９から放出される。

光反応容器１を囲んで容器１０を備え洗浄室７を形成する。洗浄室７にフッ素や臭素など反応性の高い洗浄剤を供給する。回転式光透過板８は、回転駆動軸８１により回転して、反応室２の反応生成物などで汚れた部分を移動させて洗浄室７の中に引き出すと共に、清浄な部分を光の通り道に引き込むことができる。
洗浄中にも光透過板８の汚れが付いていない部分が反応室２とシール室３の仕切となっているので、必要な光が反応室２に供給され続け、光反応は中断せず連続して反応を続けることができ、光反応の効率がよい。さらに、固定式透光板を用いた従来技術では汚れた透光板を交換する必要があるが、本実施例の装置では光透過板を交換する必要がない。

なお、シール室３中の不活性物質の圧力Ｐ１、反応室２内の反応物質の圧力Ｐ２、洗浄室の洗浄剤の圧力Ｐ３が、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３の関係を持つように調整することによって、不活性領域に反応物質や洗浄剤が侵入せず、かつ反応領域に洗浄剤が侵入しないようにすることができる。

本発明の光反応容器は、光ＣＶＤ薄膜製造装置に適用することにより、高価な光入射窓を汚すことなく、安価な光透過膜を少しずつずらしていつも清浄な保護膜がシール室と反応室を仕切るようにすることによって、連続反応時間を大きくすることができる。
レーザ同位体分離装置、光化学エッチング装置、光化学ドーピング装置、排ガス処理装置などに適用した場合も、同様に光反応の連続化が可能で反応効率を向上させることができる。

本発明第１の実施例の光反応容器の断面側面図である。 低圧法高密度ポリエチレンの透過率特性図である。 本発明第２の実施例の光反応容器の断面側面図である。 第２実施例における光透過膜カセットをセットする部分の分解組立図である。 第２実施例の光反応容器に使用する光透過膜カセットの斜視図である。 第２実施例に使用する光透過膜カセットの別の態様を示す斜視図である。 本発明第３の実施例の光反応容器の概念図である。 従来技術の光反応容器の断面側面図である。 従来技術の光反応容器の別例を示す概念図である。

符号の説明

１ 光反応容器
２ 反応室
２１ 反応流体供給ノズル
３ シール室
３１ シール流体供給ノズル
４ 光入射窓
４１ フランジ
４２ Ｏリング
５ 光透過膜
５１ 供給リール
５２ 巻き取りリール
５３，５４ ガイドローラ
６，６’ 光透過膜カセット
６１ 案内
６２ 筐体
６３ リング受け具
６４ 押し付けリング
６５ バネ
７ 洗浄室
８ 回転式光透過板
８１ 回転駆動軸
９ 光出射窓
１０ 容器

Claims (14)

1. 光入射窓から導入した光で反応を誘起する光反応容器であって、該反応容器内を光透過膜で仕切って、前記光入射窓と反対側に反応物質を充填し、該光入射窓に近い領域に前記光と前記反応物質に対して不活性なシールガスを充填し、該シールガスの圧力を前記反応物質より高くすると共に、前記光透過膜は適宜新しい面に切り換えられるようにしたことを特徴とする光反応容器。
2. 前記光透過膜がポリエチレンで形成されることを特徴とする請求項１記載の光反応容器。
3. 前記光透過膜はリールから供給できるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の光反応容器。
4. 前記光透過膜は幅方向に移動して新しい面を前記光に露出するようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光反応容器。
5. 前記光透過膜は前記切り替え機構と一緒にカセットに収納され、該カセットが容易に交換ができることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光反応容器。
6. 前記光反応容器はさらに洗浄室を設けて、前記光透過膜を切り換えられるときには該光透過膜の汚れた部分が該洗浄室内に収納されて洗浄を受け、前記光が透過する位置に前記洗浄室で洗浄された部分が挿入されることを特徴とする請求項１または２に記載の光反応容器。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の光反応容器を組み込んだレーザ同位体分離装置。
8. 請求項１から６のいずれかに記載の光反応容器を組み込んだ光化学気相堆積（ＣＶＤ）装置。
9. 請求項１から６のいずれかに記載の光反応容器を組み込んだ光化学エッチング装置。
10. 請求項１から６のいずれかに記載の光反応容器を組み込んだ光化学ドーピング装置。
11. 請求項１から６のいずれかに記載の光反応容器を組み込んだ排ガス処理装置。
12. 光入射窓から導入した光で反応を誘起する光反応容器に着脱可能に取り付ける光透過膜カセットであって、前記光入射窓の内側に設けた案内に嵌合する筐体を備え、該筐体内に光透過膜を供給する供給リールと該光透過膜を巻き取る巻き取りリールを着脱可能にかつ回転可能に設け、前記供給リールと巻き取りリールの間に懸架される前記光透過膜の裏側に前記光反応器の反応室に光を導入する開口に前記光透過膜を押し付けて該反応室から前記光入射窓へ気体が流れるのを抑制するリングを備えたことを特徴とする光透過膜カセット。
13. 前記光透過膜はポリエチレンで形成されたフィルムであることを特徴とする請求項１２記載の光透過膜カセット。
14. 前記リールは軸方向に移動させる機構を備えることを特徴とする請求項１２または１３記載の光透過膜カセット。
    
    

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