JP6577443B2 - 霧化装置 - Google Patents

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この発明は、原料溶液がミスト化された原料ミストを生成する霧化装置に関する。
従来、溶液をミスト化(霧化)する霧化装置は、例えば、原料溶液をミスト化して基板上に薄膜を成膜する薄膜製造装置に利用されており、他にも多様な分野で利用されている。
溶液をミスト化する霧化装置として、例えば、特許文献1に開示された超音波ネプライザー、特許文献2に開示された成膜用霧化装置、あるいは特許文献3で開示されたスプレー熱分解装置が挙げられる。
特開平5-123400号公報 特開2005−305233号公報 特開2002−146536号公報
特許文献1や特許文献2で開示された霧化装置は、超音波振動子の振動を利用して溶液を霧化している。しかしながら、超音波振動子は故障しやすく、複数個使用した場合、故障検出が困難であり、長期使用には適していないという問題点があった。また、圧電素子を使用した超音波振動子の振動周波数は変更困難であるため、溶液の種類によってはミスト化できないという問題点もあった。
一方、特許文献3で開示されたスプレー熱分解装置は、スプレーノズルより原料溶液を直接基板に吹き付ける方法を用いている。しかしながら、この方法では、液滴径や流速が大きいため、液体状態で基板に衝突し膜質が悪化してしまうという問題点があった。
また、固体を溶媒に溶解させた溶液をスプレーノズルより噴射すると、ガス流により噴出口付近が冷却され、再結晶により噴出口に目詰まりが生じやすく、ミスト精度(霧化精度)が劣化するという問題点があった。
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、安定性良く原料ミストを生成することができ、かつ、原料ミストのミスト化精度を高精度に維持することができる霧化装置を得ることを目的とする。
この発明に係る請求項1記載の霧化装置は、原料溶液がミスト化された原料ミストを生成する霧化装置であって、原料溶液を収容する霧化容器と、前記霧化容器に原料溶液を供給する原料溶液供給機構と、前記霧化容器にミスト生成用ガスを供給するガス供給機構とを備え、前記霧化容器はその底面に設置される二流体ノズルを有し、前記二流体ノズルは、前記ガス供給機構からミスト生成用ガスを受けるガス吸入口と、頭部に設けられた原料ミスト噴射用のミスト噴射口と、前記ガス吸入口から前記ミスト噴射口にかけて設けられるガス流路と、原料溶液を受ける原料溶液吸入口と、前記原料溶液吸入口から前記ミスト噴射口にかけて設けられる液体流路とを含み、前記霧化装置は、前記原料溶液供給機構及び前記ガス供給機構を制御し、前記二流体ノズルの前記ミスト噴射口が原料溶液内に存在する溶液内ノズル状態にして、前記ガス供給機構から所定流量のミスト生成用ガスを前記ガス吸入口に供給させて、原料溶液とミスト生成用ガスとを混合した状態で前記ミスト噴射口から噴射することにより、前記原料ミストを生成するミスト制御部をさらに備える。
請求項1記載の本願発明である霧化装置は、ミスト制御部の制御下で、ガス供給機構から供給されるミスト生成用ガスをスプレー用に用いることにより、二流体ノズルのミスト噴射口から原料ミストを生成することができる。
したがって、請求項1記載の本願発明は、超音波振動を用いることなく原料ミストを生成することができるため、安定性良く原料ミストを生成することができ、長期使用が可能となる。加えて、請求項1記載の本願発明は超音波振動によって霧化できない原料溶液からも原料ミストを生成することができる。
さらに、請求項1記載の本願発明は、二流体ノズルのミスト噴射口が原料溶液内に存在する溶液内ノズル状態で原料ミストを生成しているため、ミスト噴射口の目詰まりを確実に防止して原料ミストのミスト化精度を高精度に維持することができる。
この発明の実施の形態である霧化装置の全体構成を模式的に示す説明図である。 図1で示した霧化容器の詳細構造を示す断面図である。 実施の形態の霧化装置の制御系を模式的に示すブロック図である。
<実施の形態>
図1はこの発明の実施の形態である霧化装置の全体構成を模式的に示す説明図である。同図に示すように、本実施の形態の霧化装置100は内部に3個の二流体スプレーノズル3(複数の二流体ノズル)を有する霧化容器1と、原料溶液供給機構51とガス供給機構52と、後述するミスト制御部40(図1では図示せず)とを主要構成として有している。
原料溶液供給機構51は圧縮機22から送り出されるキャリアガスG1を、流量計21及びガス流路24を介して貯蔵原料20を収容した原料タンク10に送出する。この際、流量計21は流量調節機能を有しており、キャリアガスG1の供給流量を所定流量に制御することができる。原料タンク10に供給されるキャリアガスG1によって原料タンク10に収容された貯蔵原料20は原料溶液導入経路13を介して霧化容器1内に導かれ、霧化容器1内に原料溶液2として収容される。なお、原料溶液導入経路13上には開閉バルブ28が設けられる。開閉バルブ28の開閉度合によって原料溶液の供給流量を制御することができる。
ガス供給機構52は圧縮機12から送り出されるミスト生成用ガスG2を、流量計11及びガス流路4を介して3個の二流体スプレーノズル3(複数の二流体ノズル)それぞれのガス吸入口34I(図1では図示せず)に送出する。流量計11と3個の二流体スプレーノズル3との間におけるガス流路4上にはバッファタンク9及び開閉バルブ8が設けられる。
なお、開閉バルブ8の開閉度合によってミスト生成用ガスG2の供給流量を制御することができる。また、逆流防止用のバッファタンク9は、二流体スプレーノズル3から圧縮機12に向かう方向である逆方向にミスト生成用ガスG2が流れる逆流現象を防止する機能を有している。
このように、原料溶液供給機構51はキャリアガスG1によって霧化容器1に原料溶液2を供給し、ガス供給機構52は霧化容器1にミスト生成用ガスG2を供給している。
また、霧化容器1は原料溶液2を収容しており、底面を貫通して3個の二流体スプレーノズル3を有している。なお、図1は模式的に示した説明図であり、3個の二流体スプレーノズル3それぞれの形状、配置は必ずしも実際の形状、配置と一致するものではない。
図2は図1で示した霧化容器1の詳細構造を示す断面図である。図2にXYZ直交座標系を示す。同図に示すように、霧化容器1は例えば底面を有し内部が空洞の円柱形状に形成され、内部に原料溶液2を収容している。そして、霧化容器1の底面を貫通して3個の二流体スプレーノズル3(複数の二流体ノズル)が設けられる。以下、一つの二流体スプレーノズル3を代表させてその構造を説明する。
二流体スプレーノズル3(二流体ノズル)は主要部が円柱状で頭部が上方に向けて先細構造となるテーパー状に形成されている。そして、底面に平面視円環状の所定幅のガス吸入口34Iを有し、頭部となる上面にミスト噴射口34Oを有し、側面に原料溶液吸入口35Iを有している。ミスト噴射口34O及び原料溶液吸入口35Iは霧化容器1の内部領域に位置し、ガス吸入口34Iは霧化容器1の外部領域に位置している。
さらに、二流体スプレーノズル3は内部にガス流路34及び液体流路35を有している。ガス流路34は、ガス吸入口34Iからミスト生成用ガスG2を吸入すべく、二流体スプレーノズル3の主要部においてその内周面に沿って所定幅の円筒状に形成されており、二流体スプレーノズル3の頭部において、頭部のテーパー形状に沿ってテーパー状となり最終的にミスト噴射口34Oに連結される。
液体流路35は原料溶液吸入口35Iから原料溶液2を吸入すべく、原料溶液吸入口35Iから水平方向(図中X方向)に延びて形成され、二流体スプレーノズル3内のミスト噴射口34Oの直下の中心部で屈曲して垂直方向上方(図中+Z方向)に延びて形成され、最終的にミスト噴射口34Oに連結される。
このように、3個の二流体スプレーノズル3はそれぞれ頭部に設けられた原料ミスト噴射用のミスト噴射口34Oと、ガス供給機構52からミスト生成用ガスG2を受けるガス吸入口34Iと、ガス吸入口34Iからミスト噴射口34Oにかけて設けられるガス流路34と、原料溶液2を受ける原料溶液吸入口35Iと、原料溶液吸入口35Iからミスト噴射口34Oにかけて設けられる液体流路35とを含んでいる。
さらに、霧化容器1内の原料溶液2は、霧化容器1の内部領域に存在する3個の二流体スプレーノズル3の全てが原料溶液2内に存在し、全体が原料溶液2に浸された状態である溶液内ノズル状態となるように収容される。したがって、ミスト噴射口34O及び原料溶液吸入口35Iは共に原料溶液2内に存在することになる。
また、霧化容器1は、内部に原料溶液2の霧化容器1内における液面高さH4を検出する液面センサ7をさらに有している。液面センサ7は検出した液面高さH4を指示する液面高さ信号S4を後述するミスト制御部40(図2では図示せず)に出力する。
さらに、霧化容器1は頭部となる上面の一部に原料ミストを外部に出力するためのミスト出力口15を有している。そして、霧化容器1内において、ミスト出力口15と3個の二流体スプレーノズル3のミスト噴射口34Oとの間を遮蔽するように遮蔽板6が設けられる。遮蔽板6は霧化容器1の円柱構造を反映して円盤状に形成され、ミスト噴射口34O,ミスト出力口15間を遮蔽する。すなわち、遮蔽板6は、霧化容器1内において、ミスト出力口15と3個の二流体スプレーノズル3それぞれのミスト噴射口34Oとの間を遮蔽するように設けられる。
遮蔽板6は原料ミスト通過用の複数の貫通孔60を有しており、ミスト噴射口34Oから生成された原料ミストは必ず貫通孔60を通過してミスト出力口15から出力されるようにしている。そして、複数の貫通孔60はそれぞれ直径が0.1〜10mmの範囲で設定される平面視円状を呈している。
図3は霧化装置100の制御系を模式的に示すブロック図である。同図に示すように、ミスト制御部40(制御部)は、液面センサ7より液面高さ信号S4を受け、液面高さ信号S4に基づき原料溶液供給機構51及びガス供給機構52を制御する。ミスト制御部40による制御としては、例えば、ガス供給機構52の流量計11に対するミスト生成用ガスG2の流量制御、ガス供給機構52の開閉バルブ8に対する開閉度合制御によるミスト生成用ガスG2の流量制御、原料溶液供給機構51の開閉バルブ28に対する開閉度合制御による貯蔵原料20の流量制御等が考えられる。
すなわち、ミスト制御部40は、原料溶液供給機構51及びガス供給機構52を制御し、3個の二流体スプレーノズル3それぞれのミスト噴射口34O及び原料溶液吸入口35Iが原料溶液2内に浸された溶液内ノズル状態にして、ガス供給機構52から所定流量のミスト生成用ガスG2をガス吸入口34Iに供給させる。
なお、上記溶液内ノズル状態にするには、例えば、ミスト制御部40の制御下で原料溶液供給機構51のみ駆動して、液面高さH4が所望の高さ付近に達する直前にガス供給機構52を駆動する制御が考えられる。
その結果、霧化容器1内において、原料溶液吸入口35Iから供給され液体流路35を通過した原料溶液2とガス流路34を通過したミスト生成用ガスG2とをミスト噴射口34O直下の混合領域36で混合し、原料溶液2とミスト生成用ガスG2とが混合した状態でミスト噴射口34Oから上方に噴射することにより、原料溶液2をミスト化した原料ミストを生成することができる。
ミスト噴射口34Oで生成された原料ミストは原料溶液2の液面を突破し、遮蔽板6の複数の貫通孔60を通過して最終的にミスト出力口15から外部に出力される。
また、ミスト制御部40は液面センサ7からの液面高さ信号S4が指示する液面高さH4に基づき、原料溶液2の液面高さが常に一定になるように、原料溶液供給機構51及びガス供給機構52を制御している。その結果、霧化装置100はミスト噴射口34Oと液面高さとの液面ノズル間距離D4が常に一定になるように制御することができる。
本実施の形態の霧化装置100は、ミスト制御部40の制御下で、ガス供給機構52から供給されるミスト生成用ガスG2をスプレー用ガスとして用いることにより、3個の二流体スプレーノズル3それぞれのミスト噴射口34Oから原料ミストを生成することができる。
このように、本実施の形態の霧化装置100は、超音波振動を用いることなく、原料ミストを生成することができるため、安定性良く原料ミストを生成することができ、長期使用が可能となる。加えて、霧化装置100は超音波振動によって霧化できない原料溶液からも原料ミストを生成することができる。
さらに、霧化装置100は、二流体スプレーノズル3のミスト噴射口34Oが原料溶液2内に浸された状態である溶液内ノズル状態で原料ミストを生成しているため、ミスト噴射口34Oの目詰まりを確実に防止して原料ミストのミスト化精度を高精度に維持することができる。
加えて、霧化装置100のガス供給機構52はガス流路4上にミスト生成用ガスG2の逆流防止用のバッファタンク9を設けることにより、ミスト生成用ガスG2の逆流を確実に防止することができる結果、原料ミストのミスト化精度を高精度に維持することができる。
また、霧化装置100において、原料溶液吸入口35Iは上記溶液内ノズル状態時に原料溶液2内に存在して、霧化容器1内に収容された原料溶液2を原料溶液吸入口35Iから吸入するように構成しているため、原料溶液供給機構51と原料溶液吸入口35Iとの間に別途配管を設ける必要がなくなる分、装置構成の簡略化を図ることができる。
さらに、ミスト制御部40は液面センサ7から得られる、液面高さH4を指示する液面高さ信号S4に基づき、原料溶液2の液面高さが常に一定になるように、原料溶液供給機構51及びガス供給機構52を制御している。その結果、本実施の形態の霧化装置100はミスト噴射口34Oと液面との距離である液面ノズル間距離D4を常に一定に保つことができる。
ミスト噴射口34Oから得られる原料ミストのミスト化精度を高めるべく、液面ノズル間距離D4は常に1mm〜1cmの範囲で最適な距離で一定に保つことが望ましい。
したがって、本実施の形態の霧化装置100は液面ノズル間距離D4を最適な距離で一定にした状態で原料ミストを生成し続けることができるため、ミスト化精度の向上を図ることができる。
さらに、霧化装置100は遮蔽板6に設けた複数の貫通孔60よって、粒径が大きい原料ミストの通過を阻止することにより、ミスト出力口から最終的に得られる原料ミストの粒径を安定性良く0.1〜10mmの範囲で縮小化することができる。
加えて、3個の二流体スプレーノズル3(複数の二流体ノズル)それぞれミスト噴射口34Oから原料ミストを生成することができるため、原料ミストの生成量の向上を図ることができる。
<その他>
原料溶液2としては、例えば、メタノール,水等で金属錯体を溶かした溶液が考えられ、キャリアガスG1やミスト生成用ガスG2としては、例えば、窒素やコンプレッサー用のエアー等が考えられる。なお、原料溶液2、キャリアガスG1及びミスト生成用ガスG2は上記例に限定されないのは勿論である。
なお、本実施の形態では、ガス流路34を円筒状に形成したが、これに限定されず、と問えば、各々が独立したガス吸入口を有する複数のガス流路を設け、複数のガス流量をミスト噴射口の直下の混合領域で合流させる等の態様が考えられる。
また、上述した実施の形態では、ミスト制御部40の制御動作として、原料溶液供給機構51の流量計21及び開閉バルブ8並びにガス供給機構52の開閉バルブ28を制御する例を示したが、これに限定されない。例えば、ミスト制御部40の制御として、原料溶液供給機構51の圧縮機22の圧縮度合の制御、ガス供給機構52の圧縮機12の圧縮度合の制御、流量計21に対するキャリアガスG1の流量制御等が考えられる。キャリアガスG1の供給流量は貯蔵原料20の霧化容器1への供給流量と正の相関を有している。
また、本実施の形態では霧化容器1の形状を内部に中空領域を有する円柱形状、遮蔽板6を円盤状として説明したがこの形状に限定されないのは勿論である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
1 霧化容器
2 原料溶液
3 二流体スプレーノズル
4 ガス流路
6 遮蔽板
7 液面センサ
8,28 開閉バルブ
9 バッファタンク
10 原料タンク
11,21 流量計
12,22 圧縮機
13 原料溶液導入経路
34 ガス流路
34I ガス吸入口
34O ミスト噴射口
35 液体流路
35I 原料溶液吸入口
60 貫通孔

Claims (7)

  1. 原料溶液がミスト化された原料ミストを生成する霧化装置であって、
    原料溶液を収容する霧化容器と、
    前記霧化容器に原料溶液を供給する原料溶液供給機構と、
    前記霧化容器にミスト生成用ガスを供給するガス供給機構とを備え、
    前記霧化容器はその底面に設置される二流体ノズルを有し、
    前記二流体ノズルは、
    前記ガス供給機構からミスト生成用ガスを受けるガス吸入口と、
    頭部に設けられた原料ミスト噴射用のミスト噴射口と、
    前記ガス吸入口から前記ミスト噴射口にかけて設けられるガス流路と、
    原料溶液を受ける原料溶液吸入口と、
    前記原料溶液吸入口から前記ミスト噴射口にかけて設けられる液体流路とを含み、
    前記霧化装置は、
    前記原料溶液供給機構及び前記ガス供給機構を制御し、前記二流体ノズルの前記ミスト噴射口が原料溶液内に存在する溶液内ノズル状態にして、前記ガス供給機構から所定流量のミスト生成用ガスを前記ガス吸入口に供給させて、原料溶液とミスト生成用ガスとを混合した状態で前記ミスト噴射口から噴射することにより、前記原料ミストを生成するミスト制御部をさらに備える、
    霧化装置。
  2. 請求項1記載の霧化装置であって、
    前記ガス供給機構は、ミスト生成用ガスのガス流路上に逆流防止用のバッファタンクを設けたことを特徴する、
    霧化装置。
  3. 請求項1または請求項2記載の霧化装置であって、
    前記原料溶液吸入口は前記溶液内ノズル状態時に原料溶液内に存在するように前記二流体ノズルに設けられることを特徴とする、
    霧化装置。
  4. 請求項3記載の霧化装置であって、
    前記霧化容器に収容される原料溶液の液面高さ検出する液面センサをさらに備え、前記液面センサは検出した液面高さを指示する液面高さ信号を前記ミスト制御部に出力する、
    霧化装置。
  5. 請求項1から請求項4のうち、いずれか1項に記載の霧化装置であって、
    前記霧化容器は前記原料ミストを外部に出力するためのミスト出力口を有し、
    前記霧化容器内において、前記ミスト出力口と前記二流体ノズルの前記ミスト噴射口との間を遮蔽するように設けられ、原料ミスト通過用の複数の貫通孔を有する遮蔽板をさらに備える、
    霧化装置。
  6. 請求項5記載の霧化装置であって、
    前記複数の貫通孔はそれぞれ直径が0.1〜10mmの範囲で設定される平面視円状を呈する、
    霧化装置。
  7. 請求項1から請求項6のうち、いずれか1項に記載の霧化装置であって、
    前記二流体ノズルは複数の二流体ノズルを含む、
    霧化装置。
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