JP2015098012A

JP2015098012A - 二流体ノズル

Info

Publication number: JP2015098012A
Application number: JP2013251499A
Authority: JP
Inventors: 英利間藤; Hidetoshi Mato; 克巳奈良▲崎▼; Katsumi Narasaki; 博史徳江; Hiroshi Tokue
Original assignee: HIT Corp KK
Current assignee: HIT Corp KK
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-05-28

Abstract

【課題】本発明は、二流体ノズルにおいて極小流量時の液量の不安定さを改善し、ノズル出口から噴霧される液体の流量分布を均一にし、噴霧する液体によって塗布対象物表面の膜状の面内分布を均一にすることを目的とする。
【解決手段】高圧の気体を空間から排出する複数のスリットと、複数のスリットから吐出する高圧の気体を放出する気体ノズル孔と、液体を導入する液体導入口と、液体を導くパイプの先端に液体を排出する液体ノズル孔とからなる二流体ノズルにおいて、複数のスリットがノズル孔中心に対しそれぞれ同一方向にずれた出口を有し、液体導入パイプ内壁面に螺旋状の溝または山形状を有する二流体ノズルを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイ基板、タッチパネル、ガラス、樹脂フィルムその他の工業用の塗布対象物に対し、各種の塗布液、薬液等を高圧気体により破砕混合し、微粒化して塗布対象物に噴射する二流体ノズルに関するものである。

従来液体を微粒化する目的のノズルのひとつは、微粒化する液体に圧力をかけ高圧化し極小の穴から噴射することで微粒化し、その粒径は加える圧力と吐出する出口の穴径とから得られるものであり、その噴霧形状はほぼ円状で塗布範囲に均一に噴霧される特徴がある。（以下一流体ノズルと言う）

しかし液中に固形分が存在しない場合や短時間に固形化するような性質の液ではない場合に限って使用することができ、例えば出口の穴径より大きな粒径を含む液では出口を通過することができないため塗布することができないと言う問題がある。

また、塗布対象物表面に膜状に液を堆積しフィルム状とする目的に使用する場合、ノズルを左右前後に移動させながら塗布することになり、その噴霧形状の特徴から塗布面は均一にならず筋状の塗布線が並んだ形状となってしまうため均一の膜を形成するには不向きである。

次に液体が流れるパイプの内径および出口の穴径を大きくし、液体を加圧する代わりに高速で流れる気体によって液体を粉砕する二流体ノズルがある。（特許文献１）

二流体ノズルと言っても高速で流れる気体が内側を通り液体が外側を通る形状のもの（特許文献２）と、気体が外側を通り液体が内側を通る形状のものの２通り存在し、前者はエジェクタやアスピレータ（どちらも真空発生器として使用されている）として使われていることが多く、後者は成膜用や燃焼用として使われていることが多い。

また高圧の気体と低圧の液体が合流する位置がノズル出口である場合と、ノズル内部で予め合流し粉砕した後ノズル出口から吐出するもの（特許文献３）がある。

この二流体ノズルの場合、パイプの内径や出口穴径が大きくなったことによって固形分が混入する液体でも使用することができるが、出口穴径が大きくなった反面液体の流れかたが断続的となり、成膜用途として使用する場合膜厚の不均一を起こす原因となる問題がある。

特開２００１−７７１５３号広報特開２００６−１６７６０１号広報特開２０１０−９４６５７号広報

発明が解決しようとする課題

本発明は、ノズル出口の液体の流量分布を均一にし、噴霧する液体によっての塗布対象物表面の膜状の面内分布を均一にすることを目的とする。

課題を解決するための手段

本発明は、
（１）高圧の気体を空間から排出する複数のスリットと、複数のスリットから吐出する高圧の気体を放出する気体ノズル孔と、液体を導入する液体導入口と、液体を導くパイプの先端に液体を排出する液体ノズル孔とからなる二流体ノズルにおいて、複数のスリットがノズル孔中心に対しそれぞれ同一方向にずれた出口を有し、液体導入パイプ内壁面に螺旋状の溝または山形状を有する二流体ノズル。
である。

本発明で用いる高圧の気体は空気、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムなど自己燃焼を起こさない気体で、圧力が１００〜５００ｋＰａで流量が０〜２０ｓｌｍ（２０℃１気圧で換算した体積流量）をマスフローコントローラなどによって一定流量に調整し導入口１に供給する。またニードルバルブを使用し別に設ける流量センサによって一定流量になるよう手動にて流量調整され導入口１に供給することでもよい。

導入口１から流入した高圧の気体は導入口１の口径より大きい面積を持つ空間２に一時貯留され、マスフローコントローラや圧力調整器などによって発生する微少な圧力変動や振動を平滑化する。

図７は液体ノズル孔８側から見た図である。空間２によって平滑化された気体は、複数のスリット３によって混合空洞４内に吹き出す。複数のスリット３は混合空洞４の中心に対してそれぞれ右側にずれて配置されているため混合空洞４内において右回りの回転気流１４が発生する。

また逆に複数のスリット３が混合空洞４の中心に対してそれぞれ左側にずれて配置された場合は混合空洞４内において左回りの回転気流１４が発生する。

本発明のノズルは、高圧気体ノズル孔５と液体ノズル孔８は同心円状に配置され、同心円内側に液体ノズル孔８を配置しその外側に高圧気体ノズル孔５を配置する構造であって、混合空洞４で発生した高圧気体の回転気流１４はスリット状の高圧気体ノズル孔５から回転したまま吐出される。

低圧の液体を導入する液体導入口６と、導入された液体を導くパイプ７と、パイプ７の先端に低圧の液体を排出する液体ノズル孔８とからなるノズル中子は、内径１〜３ｍｍの穴径を有する内部がパイプ形状のもので、流れる液の性質によってステンレス、ＰＥＥＫ、フッ素樹脂、塩ビなどの材質を使用する。

図３は螺旋溝の断面図である。液体導入口６から液体ノズル孔８に至るパイプ７の壁面には螺旋状に掘られた溝９を有する。溝９の深さは０．１〜０．５ｍｍでピッチは１〜５ｍｍである。

二流体ノズルの場合高圧の気体が高速でノズル孔５から吐出されるときにベンチュリー効果によってノズル孔方向に引圧が発生する。このような場合一般的にパイプ内を流れる液体は流量が少ないほどパイプ壁面を流れ、流量が多くなるにしたがってパイプ中心を流れる。

一般的に液体の流量が少なく粘度が低い場合、その流量に見合った内径のパイプを使用する。しかしながら二流体ノズルの場合固形分を含む液体も使用することを前提としているためパイプ内径が大きく、比例してパイプ壁面の面積が大きい。そのため極小流量の場合パイプ内径を満たすように液が流れることはなく流量変動の要因となる。

本発明に用いる螺旋状の溝９は液流量が少ない場合液がパイプ壁面に沿って流れることを利用し、パイプ壁面に掘られた溝を伝わってあたかも細いパイプを使用したときのように一定に流れるようになる。

図４のように溝９から高さが０．１〜０．５ｍｍでピッチは１〜５ｍｍの堰１１にした場合も同じ効果があり、溝９の時と比較し中流量領域でもより効果を発揮する。

この溝９又は堰１１は液体導入口６から液体ノズル孔８まで全ての区間において敷設することを基本とするが、図５や図６のように少なくともノズル孔８の手前５ｍｍ程度の区間敷設することでもよい。

液体ノズル孔８先端は高圧気体ノズル孔５先端と同一位置かまたは１ｍｍ未満液体ノズル孔８が高圧気体ノズル孔５先端よりせり出している構造である。

発明の効果

本発明の二流体ノズルによれば、掘った溝や敷設した山形状の堰によって断続的に流れる状態から連続で且つ一定に液が流れるようになり、ノズル孔から出る液の流量が安定し０．１ミリリッター／分の微少流量でも断続的に液が噴霧されることがなくなった。また回転気流と逆回転に液が回転し回転気流と衝突することによって１〜１０μｍ程度の粒径の液滴に霧化することが可能となった。

本発明を実施するための全体断面図である。ノズル孔側か見た図である。螺旋溝の断面図である。螺旋堰の断面図である。螺旋溝先端部のみの断面図である。螺旋堰先端部のみの断面図である。回転気流による回転液体の動作図である。

以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は本発明を実施するための全体断面図である。高圧の気体を導入する導入口１は圧力調整弁１５を使って圧力が２００ｋＰａに調圧し、流量調整器１６を使って流量が１０ｓｌｍに調整した空気を供給した。また、噴霧する液体は粘度が３ｃｐのレジスト液を１ミリリッター／分の流量に調整し使用した。

導入口１から流入した高圧の空気は空間２に入り、流量調整器１６や圧力調整弁１５などで発生する細かな振動や圧力変動、圧力偏重などを均一化し、次段に設けられた複数のスリット３の全てから同一圧力で且つ同一流量の高圧の空気を流す。

複数のスリット３から吐出した高圧の空気は、図２および図７で示すようにノズル孔５から見て右回転するように配置された複数のスリット３と、混合空洞４によって回転気流１４が発生しスリット状の高圧気体ノズル孔５から回転したまま吐出される。

混合空間４から高圧の空気はノズル孔５から右回転したまま外部に放出されるとともにベンチュリー効果によって液体のノズル孔８に対し吸引する圧力が発生するため、液体を導入する液体導入口６には一流体ノズルのように加圧した液体ではなく大気圧より−１０ｋＰａ程度の負圧の圧力で液体を供給する。

図３はノズル導入口６からノズル孔８に向かってレジスト液が流れるパイプ７内壁に回転気流と逆回転をする方向に深さが０．５ｍｍでピッチが５ｍｍの螺旋状の溝９を掘ったものである。流れる液流量が小さい場合液はパイプ７の内壁面に沿って移動するため内壁面に設置した螺旋状の溝９に沿うようにレジスト液が導入口６からノズル孔８に向かって回転しながら流れる。

図４はノズル導入口６からノズル孔８に向かってレジスト液が流れるとパイプ７内壁に回転気流と逆回転をする方向に高さが０．５ｍｍでピッチが５ｍｍの螺旋状で山状の堰１１を形成したものである。溝９の場合と同様、流れる液流量が小さい場合液はパイプ７の内壁面に沿って移動するため内壁面に設置した螺旋状の堰１１に沿うようにレジスト液が導入口６からノズル孔８に向かって回転しながら流れる。

溝９と堰１１の違いは液の流量の大小によってその役割が異なる。溝９の場合は極小流量のとき液は溝９に沿って流れるが、流量が大きくなると液は溝９を超えて直進する。堰１１の場合は特に高さが高い場合パイプ７の内径の５０％程度を占めるようになり、液の流量が大きくなっても強制的に螺旋方向に沿って液を流そうとするため流量が大きくなっても直進することが少ない。

図５はノズル先端部分にのみ溝９を掘った図である。連続して流れる液の場合比較的長い距離において液に回転を与えることが望ましい。しかし粘度が低い場合または極小流量の場合は比較的短い距離でも回転をすることからノズル孔８の手前から５ｍｍ程度の長さに溝９を掘ったもので動作したが同一の結果を得ることができた。

図６はノズル先端部分にのみ堰１１を設置した図である。溝９の場合と同様連続して流れる液の場合比較的長い距離において液に回転を与えることが望ましい。しかし堰１１の高さが０．５ｍｍ程度と比較的高い場合は短い距離でも強制的に回転をさせることができることからノズル孔８の手前から５ｍｍ程度の長さに堰１１を設置することでもよい。

図７はノズル孔５およびノズル孔８側から見た図で気流の回転を説明した図である。ノズル孔５から吐出する回転気流１３は本図の場合右回転である。ノズル孔８から出る液の回転はノズル孔５から吐出される回転気流と逆回転の左回転の液流１４となってノズル出口で合流する。

ノズル孔８から出た左回転の液体は、ノズル孔５から高速で回転しながら吐出する右回転の回転気体に正面から衝突する方向で合流することによって運動量保存則とエネルギー保存則によって最も効率よく液を微細に分解することができ、実施例にあるとおり空気流量１０ｓｌｍでレジスト流量１ミリリッター／分の場合、噴霧したレジスト液の液滴の粒径は１〜１０μｍの範囲に分布することを確認した。

また、同条件によって１００ｍｍ角のガラス表面に塗布し成膜して得られた平均膜厚は１μｍでありその精度も±２％に入る性能を有した。

１高圧の気体を導入する導入口
２高圧の気体を貯留する空間
３複数のスリット
４混合空洞
５高圧気体ノズル孔
６低圧の液体を導入する液体導入口
７液体を導くパイプ
８液体を排出する液体ノズル孔
９螺旋状の溝
１０ノズル先端の螺旋状の溝
１１山形の形状
１２ノズル先端の山形の形状
１３回転気流
１４回転気流と逆回転の回転液流
１５圧力調圧弁
１６流量調整器

Claims

高圧の気体を空間から排出する複数のスリットと、複数のスリットから吐出する高圧の気体を放出する気体ノズル孔と、液体を導入する液体導入口と、液体を導くパイプの先端に液体を排出する液体ノズル孔とからなる二流体ノズルにおいて、
複数のスリットがノズル孔中心に対しそれぞれ同一方向にずれた出口を有し、
液体導入パイプ内壁面に螺旋状の溝または山形状を有する二流体ノズル。