JP6186179B2 - 攪拌器及び攪拌器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を攪拌する攪拌器及びこの攪拌器の製造方法に関する。

半導体製製造チャンバ等に複数の材料ガスを攪拌して供給する場合、これら材料ガスを均一に攪拌する攪拌器として例えば特許文献１に記載の装置がある。
特許文献１記載の装置では、流体が流れる管とこの管内に配置された攪拌素子とを備え、この攪拌素子で管内を流れる流体を攪拌する。

ところで、特許文献１に示された従来の攪拌器において、攪拌素子はろう付け又は溶接によって、管内に固定されている。

特開平５−１３１１２６号公報

しかし、ろう付けした場合、ろうである合金が溶け出さないようにするため、管内に流れる材料ガスの温度が合金の融解温度以下に制限されてしまうという問題が生じる。
また、ろう付けした箇所又は溶接した箇所に腐食が発生すると、この腐食により剥がれ落ちた金属片（異物）が材料ガスに混合されるという問題も生じる。

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、ろう付けや溶接を用いずに管内に攪拌素子を固定することができる攪拌器を提供することを目的とする。

本発明の攪拌器は、流体が流れる配管及び前記配管の内部に配置されて前記流体を攪拌する流体攪拌素子を備える攪拌器であって、前記流体攪拌素子は、前記配管に挿入された後、前記配管の管径を縮小することによって前記配管の内周面に固定されていることを特徴とする。

このような構成であれば、配管の管径を縮小することによって、配管の内部に配置された流体攪拌素子の外周端が配管の内周面に固定されるので、ろう付けや溶接等を用いずに流体攪拌素子を配管内に固定することができる。そのため、配管内を流れる流体が特に制限されることがなく、また、流体に異物が混入する等の不具合を防ぐことができる。

また、ろう付けや溶接等で用いられる接着部材を用いずに、流体攪拌素子の外周端がそのまま配管に固定されているので、流体攪拌素子と配管との間に隙間がなく、攪拌効率を上げることができる。

前記配管を縮小する具体的な手段としては、スウェージング加工を挙げることができる。この構成であれば、配管の外周面が打圧されて配管の内周面又は流体攪拌素子の外周端の少なくともいずれか一方が圧縮変形するので、配管内に流体攪拌素子を圧着することができる。

さらに、前記流体攪拌素子が捩ってスパイラル形状にした平板を１又は複数配して成るもの（所謂スタテックミキサー）であれば、流体と流体攪拌素子との接触面積をより大きくして、より均一に材料ガスを攪拌することができる。

本発明の気化器は、流体が流れる配管及び前記配管内に配置されて前記流体を攪拌する流体攪拌素子を備え、前記流体攪拌素子は、前記配管の管径を縮小することによって前記配管の内周面に固定されていることを特徴とする。

このような構成であれば、配管の管径を縮小することによって流体攪拌素子の外周端が配管の内周面に圧着しているので、外部加熱手段から配管を介して流体攪拌素子に与えられる熱を、効率よく流体攪拌素子に伝導させることができる。そのため、流体攪拌素子で気化される流体の気化効率を上げることができる。
また、この流体攪拌素子が所謂スタテックミキサーで構成されている場合、攪拌される流体は円周方向の遠心力がかかるので、配管の内周面に当たりやすくなる。そのため、外部加熱手段から配管及び流体攪拌素子に伝導した熱を、配管及び流体攪拌素子の両方から流体に伝導することができ、流体攪拌素子で気化される流体の気化効率をさらに上げることができる。

このように構成した本発明の攪拌器及び攪拌器の製造方法によれば、ろう付けや溶接を用いずに管内に攪拌素子を固定することができ、ろう付けや溶接により生じる不具合を防ぐことができる。

本実施形態における気化器を示す概略図。 本実施形態における気化器の上型を外した状態を示す平面図。 本実施形態における攪拌器を示す断面図。 本実施形態における攪拌器の製造工程をしめす平面図。 本実施形態における攪拌器の製造工程をしめす平面図。 本実施形態における攪拌器の製造工程をしめす平面図。 本実施形態における攪拌器の製造工程をしめす平面図。 他の実施形態における流体攪拌素子をしめす平面図。

本発明の一実施形態を、以下図面を参照しながら説明する。

本実施形態の気化器１は、図１に示すように、例えば半導体製造等に用いられる液体材料を噴霧して気化する噴霧器１００の下流側に配置され、この噴霧器１００で気化されたガスを攪拌するとともに、噴霧器１００で気化されなかった液体材料を気化するためのものである。そして、図１〜図３に示すように、流体を気化及び攪拌する攪拌器２と、攪拌器２を覆うように配置されるブロック体５と、攪拌器２及びブロック体５を覆うカバー１２と、ブロック体５を加熱する図示しない加熱部とを備える。

攪拌器２は、噴霧器１００で気化されたガスが流れる配管３と、この配管３内に配置されてガスを攪拌する流体攪拌素子４とを備える。

配管３は、例えばＳＵＳ３１６等の耐熱性及び耐腐食性に富む金属素材で構成された中空の円筒形状をなすものであって、その両端部には、継手６（６ａ、６ｂ）が例えば溶接等を用いて接続されている。そして、配管３の上流側の一端部は、継手６ｂを介して噴霧器１００に接続されるとともに、配管３の下流側の他端部は、継手６ａを介して例えば半導体製造チャンバ等の所定の装置に接続されている。

また、本実施形態では、配管３の周囲には熱伝導性のよいアルミニウム等の金属薄膜１３が巻かれており、配管３はその外径寸法を金属薄膜１３の巻数によって変えることができるように構成されている。

流体攪拌素子４は、配管３の管内に固定されて配管３の管内を流れるガスを攪拌するものであって、例えば熱伝導性に優れたチタン等の金属の平板を捩ってスパイラル形状にしたものを複数配して成るもの（所謂スタテックミキサー）であって、配管３を通過するガスを複数に分割するとともに、その流れる方向を変えることによってガスを攪拌する。
また、流体攪拌素子４は加熱部から配管３を介して伝導される熱によって加熱され、噴霧器１００で気化されていなかった液体材料を気化するものである。

ブロック体５は、例えばステンレス鋼等のように耐熱性及び耐腐食性に富む金属素材で構成された中実の筐体形状をなすものであって、その厚み方向の略中央部に円筒形状の貫通孔が設けられている。なお、本実施形態では、ブロック体５が、半円筒形状の溝が設けられた上型５ａと下型５ｂを組み合わせて構成され、この上型５ａと下型５ａとは、例えばネジ等を用いて接合されている。
そして、ブロック体５に設けられた貫通孔に配管３が挿入される。このとき、ブロック体５に設けられた貫通孔の外径寸法と同じになるように、配管３の周囲に金属薄膜１３が巻かれている。

加熱部はブロック体５を加熱するものである。加熱部によって加熱されたブロック体５は、その内部に収容された配管３を介して配管３内に配置された流体攪拌素子４にこの熱を伝導させる。

カバー１２は、断熱性を有する部材で構成され、加熱部がブロック体５を加熱する熱を外部へ逃がさないようにするものである。

上記構成を備える攪拌器２の製造方法について説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態における攪拌器２の製造方法について以下に説明する。
攪第１実施形態における拌器１の製造方法は、まず中実の円柱形状の金型が挿入された状態の配管３を、円筒形状の金型の内部に通して引き抜くことによって、配管３の内径を流体攪拌素子４の最大外径寸法に近づけるとともに、該最大外径寸法よりは大きいものにする。このとき、金型が挿入された状態で加工されることによって、配管３の厚みは均一なものとなっている。

そして、配管３の一端部３ａを絞って、配管３の一端部３ａの管径を流体攪拌素子４の最大外径寸法まで縮小させる。この方法としては、例えば配管３の管内に流体攪拌素子４の最大外径寸法と同じ管径を有する別の金型を挿入した状態でこの配管３を外周から打圧することにより管径を縮小させる方法が挙げられる。

次に、図４に示すように、配管３の長手方向が平面に対して垂直となるように配管３の一端部３ａが平面に接するように起立させて、管径が縮小されていない配管３の他端部から配管３内に流体攪拌素子４を挿入する。
配管３内の挿入された流体攪拌素子４は、その一端が平面と接するところまで挿入して位置決めされる。ここで、配管３の一端部３ａの管径は流体攪拌素子４の最大外径寸法と同じであるので、流体攪拌素子４の外周端は、配管３の一端部３ａの内周面に隙間なく接触する。そこで、この接触部分を溶接等して、流体攪拌素子４を配管３内に固定する。なお、流体攪拌素子４の長手方向の長さに対して、配管３の長手方向の長さは十分長いので、流体攪拌素子４はその全長が配管３内に挿入されている。

そして、本実施形態では、流体攪拌素子４を固定した配管３にスウェージング加工を行う。

このスウェージング加工について具体的に説明する。
まず、図５に示すように、同心円状に等間隔に配置された４つの金型８の略中心部分に、配管３を周方向に回転させながら挿入する。

金型８は、図５に示すように、その長手方向が配管３の長手方向と直交するように配置されており、一端部が配管３に対向するとともに他端部に突起８ｂが設けられている。そして、金型８の前記一端部の端面は配管３を打圧する打圧面８ａとなり、４つの金型８の打圧面８ａを合わせると円柱形状の貫通孔を形成する。配管３はこの貫通孔に挿入される。

また、金型８の胴体部分は、図５に示すように、隣り合う金型８の胴体部分と接続するように接続部材９によって固定されている。さらに、４つの金型の周囲には、複数のローラ１１が設けられた回転部材１０が設けられている。この回転部材１０と接続部材９とは、互いに接続されており、４つの金型８の略中心に配置される配管３の断面中心をその回転軸として回転するように構成されている。

この回転部材１０が、図５に示すように、前記回転軸を中心として時計方向（矢印Ａの方向）に回転すると、回転部材１０と接続された接続部材９も回転し、この接続部材９に固定された４つの金型８も時計方向に回転する。また、回転部材１０に設けられた複数のローラ１１も時計方向に回転する。

この状態で４つの金型８の略中心部分に配管３を挿入すると、図５に示すように、ローラ１１が金型８の突起８ｂを押して、金型８は、配管３の長手方向と直交する方向であって配管３との距離が縮まる方向（矢印Ｂ）に移動し、金型８の打圧面８ａが配管３を打圧する。

次に、金型８の突起８ｂはローラ１１の回転によって、ローラ１１とローラ１１との間に送られる。ローラ１１とローラ１１との間に配置された金型８は、図６に示すように、配管３の長手方向と直交する方向であって配管３との距離が広がる方向（矢印Ｃ）に移動して、金型８の打圧面８ａは配管３から離れる。

そして、４つの金型８がこの移動をそれぞれ繰り返し、配管３の長手方向と直交する方向に往復移動することによって、４つの金型８が配管３の外周面を連続して打圧する。

このとき、図７に示すように、配管３は周方向に回転しながら、配管３の長手方向に往復移動するので、配管３の全外周面が４つの金型８によって打圧されて、配管３の管径（配管３の外径及び内径）が縮小する。

すると、配管３の管径が縮小するにつれて、配管３の管内に挿入された流体攪拌素子４の外周端が配管３と接触するようになり、さらに配管３の管径が縮小すると、この接触部分において、配管３の内周面又は流体攪拌素子４の外周端の少なくともいずれか一方が押し潰されるように圧縮変形して、流体攪拌素子４が配管３の内周面に固定（圧着）される。

最後にスウェージング加工を終えた配管３において、管内に流体攪拌素子４が配置されていない部分を切断し、配管３の両端に溶接等により継手６を接合して、本実施形態の攪拌器２が製造される。なお、本実施形態の攪拌器２は、その断面が円形状となるように製造されている。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態における攪拌器２の製造方法について説明する。
第２実施形態の攪拌器２の製造方法では、流体攪拌素子４を製造しながら配管３内に固定する方法について以下説明する。

まず、例えば平板を軸方向に対して右回り又は左回りに捩った２種類の異なる攪拌部材を用意し、この攪拌部材の最大外径寸法と同じ外径を有する中実の円柱形状の金型を配管３内に挿入し、この配管３を円筒形状の金型の内部に通して引き抜くことによって、配管３の内径を攪拌部材の最大外径寸法にする。このとき、金型が挿入された状態で加工されることによって、配管３の厚みは均一なものとなっている。

次に、一端が平面に接するように配置され、平面に対して垂直に起立した配管３の他端から一方の攪拌部材を挿入する。すると、攪拌部材の最大外形寸法は、配管３の内径と同じであるので、一方の攪拌部材は、配管の一端と平面とが接する位置までがたなく挿入される。そして、配管３の一端部において、一方の攪拌部材の外周端は配管３の内周面に隙間なく接触する。

そして、一方の攪拌部材が挿入された部分の配管３に対してスウェージング加工を行う。すると、この一方の攪拌部材の外周端又は配管３の内周面の少なくともいずれか一方が押し潰されるように圧縮変形して、一方の攪拌部材が配管３の内周面に固定（圧着）される。なお、スウェージング加工については第１実施形態における攪拌器２の製造方法で詳細を述べたため、ここでは説明を省略する。

次に、先程配管３内に固定した一方の攪拌部材に対して９０度回転させた他方の攪拌部材を配管３内に挿入する。この他方の攪拌部材は、先程スウェージング加工により配管内に固定された一方の攪拌部材と配管内で接触するとともに、攪拌部材の最大外形寸法は配管３の内径と同じであるので、他方の攪拌部材の外周端は配管３の内周面に隙間なく接触する。そして、他方の攪拌部材が挿入された部分の配管３に対してスウェージング加工を行う。

このようにして、一方の攪拌部材及び他方の攪拌部材を互いに９０度回転するように交互に配管３内に挿入し、挿入するたびにスウェージング加工を行うことによって、流体攪拌素子４を製造しながら、配管３内に固定することができる。

なお、スウェージング加工時に、攪拌部材が配管３内で移動してしまうときには、スウェージング前に配管３と攪拌部材とが接触する一部分に溶接等を行ったたり、配管の他端側から軸方向に攪拌部材を固定する装置を入れる等して、攪拌部材を固定してスウェージング加工を行ってもよい。

このような構成によれば、流体攪拌素子４を製造しながら、配管３内に固定することができるので、高価な流体攪拌素子を用いる必要がなく製造コストを抑えることができる。

なお、上記実施形態では、流体攪拌素子４が、２種類の攪拌部材を交互に配置したものであったが、一方の攪拌部材又は他方の攪拌部材のみを挿入してもよい。また、上述した２種類の攪拌部材に限られず、複数の攪拌部材を用いて流体攪拌素子４を製造することもできる。

上述したように構成した本実施形態の攪拌器２は以下のような格別の効果を有する。

流体攪拌素子４が、配管３に挿入された後に配管３の管径を縮小することによって、配管３の内部に配置された流体攪拌素子４の外周端が配管３の内周面に固定されるので、ろう付けや溶接等を用いずに流体攪拌素子４を配管３内に固定することができる。そのため、配管３内を流れる流体が特に制限されることがなく、また、流体に異物が混入する等の不具合を防ぐことができる。

また、ろう付けや溶接等で用いられる接着部材を用いずに、流体攪拌素子４の外周端がそのまま配管３に固定されているので、流体攪拌素子４と配管３との間に隙間がなく、攪拌効率を上げることができる。
さらに、流体攪拌素子４で流体を攪拌するとともに流体を気化する場合、外部の加熱手段から伝えられる熱が、配管３を伝って効率よく流体攪拌素子４に伝導される。そのため、流体攪拌素子４で気化される流体の気化効率を上げることができる。

また、スウェージング加工を用いて配管３の管径を縮小させているので、配管３の外周面が打圧されて配管３の内周面又は流体攪拌素子４の外周端の少なくともいずれか一方が圧縮変形するので、配管３内に流体攪拌素子４を圧着することができる。

さらに、流体攪拌素子４が捩ってスパイラル形状にした平板を１又は複数配して成るもの（所謂スタテックミキサー）であれば、流体と流体攪拌素子４との接触面積をより大きくして、より均一に材料ガスを攪拌することができる。

本発明の気化器１は、配管３の内周面と流体攪拌素子４の外周端とが圧着されているので、加熱部から配管３を介して流体攪拌素子４に効率よく熱を伝導することができ、流体攪拌素子４で気化される流体の気化効率を上げることができる。
なお、本発明の気化器１において流体が室温等で気化するような場合等には、加熱部はなくてもよい。

また、この流体攪拌素子４が所謂スタテックミキサーで構成されているので、攪拌される流体は円周方向の遠心力がかかり、配管の内周面に当たりやすくなる。そのため、加熱部から配管３及び流体攪拌素子４に伝導した熱を、配管３及び流体攪拌素子４の両方から流体に伝導することができ、流体攪拌素子４で気化される流体の気化効率をさらに上げることができる。

本実施形態では、スウェージング加工により製造された攪拌器２が断面円形状を有するので、流体攪拌素子４が配管３内でどこか一部に偏ることなく、その外周端を配管３の内周面と隙間無く接触させて、配管３内に固定することができる。そのため、流体攪拌素子４と配管３との間に隙間が生じることにより、攪拌効率が低下することを防ぐことができる。

また、攪拌器２が断面円形状を有するので、配管から流体攪拌素子４に均一に熱を伝導することができ、流体攪拌素子４に温度ムラが少ない。そのため、流体攪拌素子４で気化される流体の気化効率をより向上させることができる。

また、配管がブロック体に挿入されるときに、配管の周囲に金属薄膜が巻かれているので、配管の外径寸法をブロック体に設けられた貫通孔の外径寸法に合わせるように変えることができる。また、配管はブロック体の貫通孔に隙間なく配置されるので、加熱部によってブロック体に伝導された熱を効率よく配管に伝導させることができ、熱効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されたものではない。

本実施形態の攪拌器は、１流体を攪拌するために用いられるが、２流体を混合して攪拌するために用いてもよい。また、例えば１流体の温度等を均一にするために用いられるものであってもよい。

本実施形態では流体攪拌素子にスタテックミキサーを用いたが、例えば螺旋状に形成された流体攪拌素子として用いてもよいし、貫通孔が複数設けられたエレメントを複数積層した積層体からなる流体攪拌素子を用いてもよい。また、例えば以下のようなものを用いてもよい。

この流体攪拌素子は、図８に示すように、円柱形状をなすものであって、その内部に流路２０が形成されたものである。この流路は、上流側の一端部から下流側に向けてその流路断面が徐々に小さくなるように設けられた前流路２０ａと、前流路２０ａに接続され、その流路断面が一定となるように設けられた中流路２０ｂと、この中流路２０ｂの終端から斜め外側に向かって捩れながら延伸し、複数の流路に分かれた後流路２０ｃとから構成されている。この流体攪拌素子を通過したガスは、前流路２０ａを通過することで流速が上がり、後流路２０ｃを通過することで流れベクトルに捩れ成分が加わって、この流体攪拌素子からスクリューを描きながら吹出して攪拌される。

つまり、流体攪拌素子は、流体の一部の流れを変えたり、流体を分割する等して流体を攪拌するものであればなんでもよい。

また、流体攪拌素子を配管内で位置決めせずに、スウェージング加工を行ってもよい。この場合、流体攪拌素子を、その一端部が配管の一端部からはみでるように配置して、この状態でスウェージング加工を行い、加工後に配管からはみ出た流体攪拌素子を切断する方法が挙げられる。

本実施形態において、噴霧器は、噴霧して液体材料を気化するものであったが、他の方式を用いて気化するものを用いても構わない。

本実施形態では、配管の管径を縮小させる方法として、スウェージング加工を用いたが、配管の管径を絞る加工方法であればどのような方法を用いても構わない。

本実施形態において、スウェージング加工を行う金型は４つ配置されているが、この個数は適宜変更することができる。

また、配管の外径寸法を、ブロック体に設けられた貫通孔の外径寸法に合わせるため、本実施形態では配管の周囲に金属薄膜が巻かれているが、例えば配管と貫通孔との間に熱伝導性のよい樹脂等を流し込んで、その隙間を埋めるように構成してもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１・・・気化器
２・・・攪拌器
３・・・配管
４・・・流体攪拌素子

Claims (3)

1. 流体が流れる配管及び前記配管の内部に配置されて前記流体を攪拌する流体攪拌素子を備える攪拌器の製造方法であって、
   前記配管の一端部を絞って、前記一端部の管径を前記流体攪拌素子の最大外形寸法まで縮小し、
   前記配管の他端部から前記流体攪拌素子を挿入して前記流体攪拌素子の外周端を前記一端部の内周面に接触させて前記配管に対して前記流体攪拌素子を位置決めし、
   その後、前記配管の管径を前記一端部から縮小して、前記流体攪拌素子を前記配管の内周面に固定することを特徴とする攪拌器の製造方法。
2. 前記配管は、スウェージング加工によって、その管径が縮小されることを特徴とする請求項１記載の攪拌器の製造方法。
3. 前記流体攪拌素子は、捩ってスパイラル形状にした平板を１又は複数配して成るものであることを特徴とする請求項１又は２記載の攪拌器の製造方法。