JP6675865B2 - 液体材料気化装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体材料気化装置に関するものである。

従来の液体材料気化装置としては、特許文献１に示すように、液体材料とキャリアガスとを、液体流量制御機能を備えた制御バルブ内の気液混合部において流量制御しながら混合し、このときの気液混合体を流量制御部の近傍に形成されたノズル部から放出して液体材料を減圧気化させるものが考えられている。

特開２００１−１５６０５５号公報

そして、この方式の液体材料気化装置では、大流量の材料ガスを生成することが難しいため、特に大流量用途においては、気化器との併用が考えられる。

しかしながら、前記気液混合部のノズル部直後で流路が拡がっているため、気化器に入る前に、流速が低下してしまい、液体材料が滞留してしまう。また、前記液体材料気化装置と気化器とを溶接又は管継ぎ手等により接続する必要があり、この接続部に液体材料を気化させるだけの熱エネルギを与える構造を設けることが難しい。

このようにノズル部直後において流速が低下するとともに、熱エネルギを与えることが難しいため、気化器に入る前に前記接続部において液体材料が溜まってしまう。これにより気化器への送液及び気化器での気化を安定して行うことができず、その結果、安定した材料ガスの生成が難しいという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、気液混合部と気化部との間で生じる可及的に液だまりを解消して、気化部への送液及び気化部での気化を可及的に安定して行うことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る液体材料気化装置は、液体材料と気体とを混合して気液混合体を生成する気液混合部と、前記気液混合体を加熱し、前記液体材料を気化する気化部とを備え、前記気液混合部が、前記気液混合体を導出する気液混合体導出管を有し、前記気化部が、前記気液混合体を加熱する加熱流路を有し、前記気液混合体導出管の導出口が、前記加熱流路内に配置されていることを特徴とする。

この液体材料気化装置であれば、気液混合体導出管の導出口が加熱流路内に配置されているので、気液混合部で生成された気液混合体を直接加熱流路に供給することができ、気液混合部と気化部との間で生じる可及的に液だまりを解消することができる。これにより、気化部への送液及び気化部での気化を可及的に安定して行うことができ、安定した材料ガスの生成が可能となる。

前記加熱流路が、ヒータが内蔵された加熱ブロックの内部に形成されていることが望ましい。
この構成であれば、加熱ブロックの内部に気液混合体導出管の導出口が配置されることになり、気液混合体導出管の導出口から出た気液混合体の加熱を確実に行うことができる。

前記気化部が、前記加熱流路に連通するとともに、前記加熱ブロックの外部に延出する第１接続部を有し、前記気液混合体導出管が、前記導出口とは反対側の外周部に設けられ、前記第１接続部に接続される第２接続部を有し、前記気液混合体導出管の導出口が前記加熱流路内に配置された状態で、前記第１接続部及び前記第２接続部が互いに接続されることが望ましい。
この構成であれば、加熱ブロックの外部に延出する第１接続部に、気液混合体導出管の外周部に設けられた第２接続部を接続するので、加熱ブロックから気液混合部への熱伝達を小さくすることができ、気液混合部での液体材料の気化を抑えることができる。なお、気化混合部において液体材料が気化してしまうと、気化部への液体材料の供給量が変動してしまい、気化部での安定した気化が阻害されてしまう。

前記気液混合体導出管の内部流路は、全体に亘って等断面形状であることが望ましい。
この構成であれば、気液混合体導出管の内部にノズル構造がないので、ノズル構造の直後での気液混合体の滞留を解消することができ、気液混合体の液だまりを一層解消することができる。なお、気液混合体導出管の内部流路よりも加熱流路の方が流路断面が大きいため、当該加熱流路に流出した後に気液混合体の流速は低下するが、当該加熱流路に流出した時点で液体材料は加熱されるので、流速の低下は問題にはならない。また、気液混合体導出管の内部にノズル構造を設けないので、当該ノズル構造において気泡が詰まってしまうことも防ぐことができる。さらに、気液混合体導出管の構成を簡単にすることができる。

このように構成した本発明によれば、気液混合体導出管の導出口を加熱流路内に配置しているので、気液混合部と気化部との間で生じる可及的に液だまりを解消して、気化部への送液及び気化部での気化を可及的に安定して行うことができる。

本実施形態の液体材料気化装置の構成を示す模式図である。 同実施形態の気液混合部の内部構造及び気化部との接続構造を示す断面図である。 同実施形態の本体ブロックの断面図である。 同実施形態の本体ブロックの平面図である。 同実施形態の加熱ブロックを除いた気化部の構成を示す斜視図である。

以下に本発明に係る液体材料気化装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の液体材料気化装置１００は、例えば光ファイバ製造装置に組み込まれて光ファイバ製造プロセスに用いられるものである。その他、例えば半導体製造装置に組み込まれて半導体製造プロセスに用いられるものとしても良い。

具体的にこの液体材料気化装置１００は、図１に示すように、液体材料と気体であるキャリアガスとを混合して気液混合体を生成する気液混合部２と、気液混合体を加熱して液体材料が気化した材料ガスをキャリアガスによって導出する気化部３とを備えている。

なお、液体材料としては、ＯＭＣＴＳ（オクタメチルシクロテトラシロキサン、沸点１７５℃）や、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン、沸点１６９℃）等である。なお、液体材料としては、例えば従来の光ファイバ製造に用いられているＳｉＣｌ_４等のハロゲン系液体材料や、半導体プロセスに用いられる材料であっても良い。

気液混合部２は、図２に示すように、液体材料及びキャリアガスが混合する混合部２１ｘを有する本体ブロック２１と、当該本体ブロック２１に設けられて液体材料の流量を調整するバルブユニット２２とを備えている。

本体ブロック２１は、ステンレス鋼などの耐熱性及び耐腐食性に富む材料から形成されたものである。この本体ブロック２１には、図２〜図４に示すように、液体材料が流れる液体材料流路２１ａと、キャリアガスが流れるキャリアガス流路２１ｂと、気液混合体が流れる気液混合体流路２１ｃとが形成されている。そして、液体材料流路２１ａと気液混合体流路２１ｃとの合流部分が、液体材料とキャリアガスとの混合部２１ｘとなる。当該混合部２１ｘには気液混合体流路２１ｃが接続されている。本実施形態では、混合部２１ｘを介して、キャリアガス流路２１ｂと気液混合体流路２１ｃとは同軸上に直線状に形成されている。また、キャリアガス流路２１ｂは、混合部２１ｘの直前で気液混合体流路２１ｃと同一径となるように縮径している。

本実施形態では、液体材料流路２１ａが、バルブユニット２２により上流側部分２１ａ１と下流側部分２１ａ２とに分断されるように構成されている（図３参照）。

具体的は、本体ブロック２１におけるバルブユニット２２が取り付けられる一面（具体的には上面）には、円環状の凹部２１１が形成されており、当該凹部２１１の底面に液体材料流路２１ａの上流側部分２１ａ１の下流側開口が形成されている。

また、円環状の凹部２１１の中央部分には、下流側部分２１ａ２の上流側開口が形成されており、当該下流側部分２１ａ２が前記混合部２１ｘに接続されている。なお、下流側部分２１ａ２は、キャリアガス流路２１ｂ及び気液混合体流路２１ｃと直交している。ここで、円環状の凹部２１１の中央部分における上流側開口の周縁部２１２は、バルブユニット２２が接離するバルブシート（以下、バルブシート２１２という。）となる。

バルブユニット２２は、制御バルブとして機能するものであり、図２に示すように、本体ブロック２１の上面にシール部材（不図示）を介して設けられている。

このバルブユニット２２は、本体ブロック２１の上面に形成されたバルブシート２１２に当接又は離間する弁体部たるダイアフラム２２１と、当該ダイアフラム２２１を押圧して変形させるアクチュエータ２２２とを備えている。

ダイアフラム２２１は、耐熱性及び耐腐食性が良好且つ適当な弾性を有する材料から形成されている。また、アクチュエータ２２２は、ハウジング内に複数の圧電素子を積層して成るピエゾスタックを用いたものである。

そして、このバルブユニット２２において、ダイアフラム２２１は、ばね２２３によって上方に常時付勢されることにより、バルブシート２１２からは離間している。そして、アクチュエータ２２２により下方への押圧力が作用すると、バルブシート２１２と当接する方向に変位する。このようにして、ダイアフラム２２１とバルブシート２１２との位置関係により、液体材料の流量を制御することができる。

また、本体ブロック２１には、図１及び図２等に示すように、液体材料流路２１ａに液体材料を供給するための液体材料供給管４、キャリアガス流路２１ｂにキャリアガスを供給するためのキャリアガス供給管５、及び、気液混合体流路２１ｃからの気液混合体を導出するための気液混合体導出管６が接続されている。なお、これら供給管４、５及び導出管６は、本体ブロック２１の外側面に接続されて、当該本体ブロック２１の外部に延出して設けられている。

前記流体材料供給管４の上流側には、流体材料供給管４を流れる液体材料の流量を測定するマスフローメータ（不図示）が設けられている。そして、このマスフローメータの測定値に基づいて混合部２１ｘに供給される液体材料が所定流量となるようにバルブユニット２２がフィードバック制御される。また、キャリアガス供給管５の上流側には、キャリアガス供給管５を流れるキャリアガスの流量を調整するマスフローコントローラが設けられている。このマスフローコントローラは、後述する気化部３により液体材料が気化できる程度の所定流量にフィードバック制御される。

気液混合体導出管６は直管形状をなすものであり、その内径は気液混合体流路２１ｃの内径よりも小さい。これにより、気液混合体導出管６の内部流路６０１を流れる気液混合体の流速は、本体ブロック２１の気液混合体流路２１ｃを流れる気液混合体の流速よりも大きくなる。また、気液混合体導出管６の内部流路６０１は全体に亘って等断面形状である。これにより、ノズル等の流体抵抗の無い構造とし、気液混合体導出管６の内部流路６０１において流速が変化しないように構成している。したがって、気体混合体導出管６に流入した気液混合体は、気液混合体流路２１ｃの流速よりも速い流速となり、その流速で気化部３に導出される。

気化部３は、図１及び図２に示すように、気液混合部２により生成された気液混合体を加熱する加熱流路ＨＳを有する加熱ブロック３１を備えている。

具体的に気化部３は、加熱流路ＨＳを形成する加熱用配管３２と、当該加熱用配管３２を加熱するヒータ３３とを備えており、当該加熱用配管３２及びヒータ３３を熱伝導用の金属（アルミニウム）により覆うことで加熱ブロック３１内に加熱用配管３２及びヒータ３３が内蔵された構成とされている。本実施形態では、加熱用配管３２及びヒータ３３をアルミニウムで鋳込むことにより加熱ブロック３１を形成している。なお、図１では、ヒータ３３の図示を省略している。

そして、この気化部３において、前記加熱用配管３２の一端部３２ａ及び他端部３２ｂが、前記加熱ブロック３１の外面から外部に延出するように構成されている。そして、この加熱用配管３２の一端部３２ａが、前記気液混合部２に接続され、加熱用配管３２の他端部３２ｂが、液体材料が気化した気化ガスを導出する導出ポートとなる。なお、加熱用配管３２において、加熱ブロック３１の外面よりも内側に位置する内部流路が加熱流路ＨＳとなる。

本実施形態の加熱用配管３２は、図１に示すように、その一端部３２ａは加熱ブロック３１の上端側に設けられており、その他端部３２ｂは加熱ブロック３１の下端側に設けられている。そして、加熱用配管３２は、加熱ブロック３１の内部において、一端部３２ａから下側に向かって螺旋状に巻回された螺旋部分３２Ｌと、当該螺旋部分の下端部から上方向に折れ曲って上端部まで直線状に延びる第１直線部分３２Ｍと、当該第１直線部分３２Ｍの上端部から再び下方向に折れ曲って下端部まで直線状に延びて他端部３２ｂに繋がる第２直線部分３２Ｎとを有している。このように第１直線部分３２Ｍのように下から上に向かって延びる流路を有することから、導出ポートである他端部３２ｂから液が出ることを防ぐことができる。

また、前記ヒータ３３は、図５に示すように、加熱ブロック３１の内部において、加熱用配管３２の螺旋部分３２Ｌの内側と外側とにそれぞれ設けられている。なお、図５は、加熱ブロック３１を除いた内部構成を示している。本実施形態では、内側ヒータ３３ｘ及び外側ヒータ３３ｙはともに、加熱用配管３２の螺旋部分３２Ｌに沿うように螺旋状に巻回して設けられている。このようにヒータ３３を螺旋部分の内側（内側ヒータ３３ｘ）だけでなく、外側（外側ヒータ３３ｙ）に設けることにより、加熱ブロック３１の外側周面からの放熱を防ぎつつ、加熱用配管３２を効率良く加熱することができる。

しかして、本実施形態の液体材料気化装置１００では、図２に示すように、気液混合体導出管６の導出口６Ｐが、加熱ブロック３１の加熱流路ＨＳ内に配置されている。

具体的に気液混合体導出管６は、導出口６Ｐから所定長さ部分（先端部分６ａ）が、加熱流路ＨＳ内に位置するように挿し込まれている。つまり、気液混合体導出管６の先端部分６ａが、加熱用配管３２において加熱ブロック３１の外面よりも内側に挿し込まれた状態である。この構成により、加熱ブロック３１からヒータ３３の熱を直接受ける流路部分に気液混合体導出管６の先端部分６ａが配置されることになる。

また、気液混合体導出管６は、加熱用配管３２の一端部３２ａ及び当該一端部３２ａに繋がる所定領域と同軸上に配置されている。ここで、加熱用配管３２の一端部３２ａから前記所定領域までは、直管形状をなしている。なお、前記所定領域とは、少なくとも先端部分６ａが挿し込まれる範囲である。

また、加熱用配管３２の直管部分の流路断面形状は、気液混合体導出管６の先端部分６ａの断面輪郭形状よりも大きい。本実施形態では、加熱用配管３２の直管部分の内径は、気液混合体導出管６の先端部分６ａの外径よりも大きい。これにより、気液混合体導出管６の先端部分６ａは、加熱用配管３２と隙間を空けて接触しないように配置されている。このように気液混合体導出管６の先端部分６ａと加熱用配管３２とが接触しないことにより、加熱用配管３２から気液混合体導出管６への伝熱を小さくしている。気液混合体導出管６への伝熱を小さくなる結果、気液混合体導出管６での液体材料の気化を防ぐことができ、液体材料に含まれる不純物が気液混合体導出管６内で詰まることを防ぐことができる。また、気液混合体導出管６での液体材料の気化を防ぐことにより、気液混合体導出管６での圧力上昇が抑えられ、流量コントロールを精度良く行うことができる。

次に、気液混合部２と気化部３との接続構造７について、図２を参照して説明する。

本実施形態の接続構造７は、気化部３の加熱用配管３２の一端部３２ａに設けられた第１接続部７１と、気液混合体導出管６における導出口６Ｐとは反対側の外周部に設けられ、第１接続部７１に接続される第２接続部７２とを有する。

第２接続部７２は、気液混合部２の本体ブロック２１に接続されるとともに、前記気液混合体導出管６の外側に同軸上に配置された接続管７０の先端部に形成されている。

そして、これら第１接続部７１及び第２接続部７２は、気液混合体導出管６の導出口６Ｐを含む先端部分６ａが加熱流路ＨＳ内に配置された状態で、ＶＣＲ等の管継ぎ手７３により互いに接続される。なお、この状態において、気液混合体導出管６の外側周面には、当該気液混合体導出管６の基端部（接続管７０との接続部分）を除いて、当該接続管７０及び加熱用配管３２との間に円筒状の隙間が形成される。つまり、気液混合体導出管６と、加熱用配管３２及び接続管７０とは二重管構造を成している。

このように管継ぎ手７３を用いた接続構造７により、気液混合部２と気化部３とを分離することができ、種々の気液混合部２及び気化部３の組み合わせが可能となる。
また、気液混合体導出管６と、加熱用配管３２及び接続管７０との間に隙間が形成されているので、接続構造７で両者を接続した場合に、気液混合体導出管６の加工精度又は取付精度により位置のバラつき（誤差）を吸収して、気液混合体導出管６を加熱用配管３２に挿し込むことができる。さらに気液混合体導出管６と接続管７０との間に隙間が形成されているので、接続管７０の先端部に設けられた第２接続部７２の内面の加工精度が問題になることも無い。

なお、気液混合体導出管６と接続管７０（及び加熱用配管３２）との間の空間に気液混合体又は気化した液体材料（材料ガス）が冷やされて液化したものが滞留する恐れがある。このため、接続管７０に気体（例えばキャリアガス）を導入又は導出するためのポートを設けて、当該ポートから気体を導入して気化器３側に流すことが考えられる。また、前記ポートから気液混合体又は気体を外部に導出するようにしても良い。この処理は、液体材料の気化運転の停止期間中又は気化運転の終了後に行うことが考えられる。なお、気化運転中に行っても良い。

このように構成した液体材料気化装置１００によれば、気液混合体導出管６の導出口６Ｐが加熱流路ＨＳ内に配置されているので、気液混合部２で生成された気液混合体を直接加熱流路ＨＳに供給することができ、気液混合部２と気化部３との間で生じる液だまりを可及的に解消することができる。これにより、気化部３への送液及び気化部３での気化を可及的に安定して行うことができ、安定した材料ガスの生成が可能となる。特に本実施形態の液体材料気化装置１００は、時間当たりに使用される液体材料の量が多い（例えば１０〜２００ｇ／ｍｉｎ）システムにおいても、大流量の材料ガスを安定的に供給することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
前記実施形態の液体材料気化装置を光ファイバ製造プロセスや半導体製造プロセスのみならず、それら以外の液体材料を気化するような用途全般に用いることができるのは勿論である。

また、前記実施形態の気液混合体導出管６の先端部分６ａにノズルを設けても良い。このようにノズルが先端部分６ａにある構造とし、気液混合体導出管６において気化部３に至るまでの間にノズルが無い構造として、気化部３に至るまでの圧損を可及的に減らして流速低下を可及的に抑えている。

さらに、前記実施形態の気液混合部２では、バルブユニット２２により液体材料の流量を制御するものであったが、本体ブロック２１の凹部２１１の底面にキャリアガス流路２１ｂを開口させることによって、液体材料の流量に加えて、キャリアガスの流量を制御するように構成しても良い。その他、気液混合部の方式としては、気体中に液体材料をノズル等を用いて噴霧する方式や、超音波振動子等を用いて超音波で液体を振動させる方式であっても良い。

加えて、前記実施形態では、気液混合部２と気化部３とを第１接続部及び第２接続部を用いて管接続しているが、気液混合部２の本体ブロック２１と気化部３の加熱ブロック３１とを直接又は中間ブロックを介して接続するようにしても良い。

その上、前記気化部３は、加熱用配管３２及びヒータをアルミニウムで鋳込むように構成しているが、その他、アルミニウムのブロック体に機械加工を施して加熱流路ＨＳを形成するとともに、ヒータ挿入孔を形成して当該ヒータ挿入孔にヒータ３３を挿入するように構成しても良い。その他、加熱用配管３２の外側周面にヒータを巻回する等により加熱用配管３２の周囲にヒータを設けて、加熱用配管３２を加熱する構成としても良い。この場合でも、加熱用配管３２においてヒータにより加熱されている部分が加熱流路となる。

前記実施形態では、気液混合体導入管６は直管形状であったが、気液混合部２及び気化部３の配置によっては、湾曲又は屈曲したものであっても良い。

前記実施形態の気液混合体導入管６は本体ブロック２１と一体に形成しても良い。この場合、本体ブロック２１の気液混合体流路２１ｃは、気液混合体導入管６の一部を構成する。つまり、気液混合部２における混合部２１ｘの下流側を気液混合体導入管６としても良い。

前記実施形態の液体材料は、前記実施形態の他、固体を溶媒に溶解させたものや、固体を分散媒に分散させたものであっても良い。

前記実施形態の気化器は、それ単体で、熱交換器として構成することもできる。また、前記気化器に内蔵される内側及び外側のヒータは、螺旋状に限られず、棒状や蛇行状等種々の形状とすることができる。また、加熱用配管の内側及び外側それぞれに複数のヒータを設けても良い。

その他、本発明は前記各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のは言うまでもない。

１００・・・液体材料気化装置
２・・・気液混合部
３・・・気化部
３１・・・加熱ブロック
ＨＳ・・・加熱流路
３３（３３ｘ）・・・ヒータ（内側ヒータ）
３３（３３ｙ）・・・ヒータ（外側ヒータ）
６・・・気液混合体導出管
６Ｐ・・・気液混合体導出管の導出口
７１・・・第１接続部
７２・・・第２接続部

Claims (4)

1. 液体材料と気体とを混合して気液混合体を生成する気液混合部と、
   前記気液混合体を加熱し、前記液体材料を気化する気化部とを備え、
   前記気液混合部が、前記気液混合体を導出する気液混合体導出管を有し、
   前記気化部が、前記気液混合体を加熱する加熱流路を形成する加熱用配管を有し、
   前記気液混合体導出管の導出口を有する先端部分は、前記加熱用配管の内部において前記加熱用配管と隙間を空けて接触しないように配置されている液体材料気化装置。
2. 前記加熱用配管が、ヒータが内蔵された加熱ブロックに内蔵されている請求項１記載の液体材料気化装置。
3. 前記気化部が、前記加熱流路に連通するとともに、前記加熱ブロックの外部に延出する第１接続部を有し、
   前記気液混合体導出管が、前記導出口とは反対側の外周部に設けられ、前記第１接続部に接続される第２接続部を有し、
   前記気液混合体導出管の導出口が前記加熱流路内に配置された状態で、前記第１接続部及び前記第２接続部が互いに接続される請求項２記載の液体材料気化装置。
4. 前記気液混合体導出管の内部流路は、全体に亘って等断面形状である請求項１乃至３の何れか一項に記載の液体材料気化装置。