JP6577443B2

JP6577443B2 - 霧化装置

Info

Publication number: JP6577443B2
Application number: JP2016214995A
Authority: JP
Inventors: 白幡　孝洋; 孝洋白幡
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: JP2018069195A

Description

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

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。