JP7495334B2 - 気化器 - Google Patents

Description

本発明は大量の液体原料を効率よく気化することが出来る気化器に関する。

ＳｉやＳｉＣなど半導体材料の熱酸化手法としてウェット酸化とドライ酸化がある。ウェット酸化では水を使う。Ｈ_２Ｏをガス（水蒸気）として炉の中に流して水の中の酸素を酸化膜の成長に使う。ウェット酸化の特徴は酸化速度が速いことである。従って厚い膜厚が必要な場合にはこの方法を使う。一方、ドライ酸化は酸化膜成長に酸素ガスを使う。これはウェット酸化の反対で酸化膜の成長速度は遅い。近年、更に酸化膜の成長速度を上げるために、水（Ｈ_２Ｏ）の代わりに過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が使用されるようになってきた。他方、半導体以外の用途として、光導波路の形成がある。（特許文献１を参照）。この場合、１０～２５μｍの厚さの二酸化ケイ素(ＳｉＯ_２)の堆積には、Ｈ_２Ｏによる酸化法では、長時間の堆積時間を必要とする。Ｈ_２Ｏの代わりに過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を利用すれば、大幅な時間短縮が可能となる。

そのためには大量の過酸化水素水を気化させて反応炉に送り込む必要がある。このような目的の装置として特許文献１に示すような装置が提案されている。
特許文献１に記載された、過酸化水素水を気化させて酸化性ガスを発生させる気化器は、過酸化水素水の入ったフラスコに似た中空球状容器の気化器の下半分を外からヒーター部で覆うもので、中空球状容器は１００～１３０℃に加熱され、気化した過酸化水素ガスの含有された水蒸気が、ガス供給管を経て反応炉に流れ込むようになっている。この装置は過酸化水素水を単に加熱して気化させているもので、気化器内での過酸化水素水の蒸発と共に、過酸化水素の濃度が変化するだけでなく、気化効率が悪いことが欠点である。

そこで特許文献１に記載した気化器に比べて気化効率が遥かに優れた気化器が提案された（特許文献２）。
特許文献２に記載された気化器は、液体原料を霧化して吹き出すアトマイザと、このアトマイザの噴霧口が開口する中空のアウターチューブと、アウターチューブ内に収納され、前記アトマイザの噴霧口とその先端部分との間に霧化空間が形成されたインナーチューブと、アウターチューブの外側に設けられたアウターヒーター部と、インナーチューブの内側に設けられたインナーヒーター部とで構成されている。そして、アウターチューブの内周面とインナーチューブの外側面との間に前記霧化空間に連通し、この隙間を通過する間に加熱されてガス化された気化ガスを次工程に送出する気化用間隙が設けられている。

この気化器では、霧化された液体原料が上記気化用間隙を通過する間にインナーチューブとアウターチューブを介してインナーヒーター部とアウターヒーター部からの熱を受けて気化し、次工程に送り出されるようになっている。

特開２００１－３３７２４０号公報 特許６２０３２０７号公報

処が最近、気化ガスの使用量の増加から液体原料の流量増加が要求されるようになってきた。そこで、気化用間隙を通過する霧化液体原料に対してより多くの熱量を伝達するようにすればよいのであるが、気化用間隙の幅は、気化効率の面から高い熱伝達率を有する温度境界層が形成される範囲とされている。即ち、気化用間隙を流れる通流気体の温度は、インナーチューブの外周面又はアウターチューブの内周面の壁面から離れるに従って流体温度が次第に下がり、或る温度で一定の温度（一様流温度）になる。壁面から一定の温度になる範囲が温度境界層であり、上記気化用間隙の幅は最大でインナーチューブとアウターチューブの温度境界層の和の範囲に設定されている。

処が、この温度境界層は薄いため、気化用間隙の幅も非常に狭いものとなる。とすると、狭い気化用間隙を通流する霧化された液体原料（通流流体）の量は自ずから僅かなものとならざるを得ない。加えて、前記アトマイザの噴霧口から液体原料が噴霧される広い霧化空間から狭い気化用間隙に流れ込む液体原料（通流流体）の速度は、広い霧化空間を流れる時よりも速くなるため、狭い気化用間隙を通過する時間が短くなってしまい、霧化された液体原料（通流流体）がインナーチューブとアウターチューブの壁面から受熱して気化する時間が短くなり、十分な気化が出来ない。そのため狭い気化用間隙に流れ込む液体原料（通流流体）の速度を落とし、十分熱が伝わるように制御しなければならず、その結果、大量の液体原料の気化処理が出来なかった。換言すれば、大量の液体原料の気化処理のためには複数台の気化器を並列にして用いなければならなかった。

霧化された液体原料の大量気化の別の方法としては、ヒーター温度を高くして気化用間隙内の温度を高くし、ここを通る霧化液体原料の受熱量を高くすればよいが、後に詳しく説明するが、インナーチューブやアウターチューブへの熱伝達を高めるために前記両チューブと前記両ヒーター部との間に使用される接着剤となる伝熱ペーストが上記高温のために劣化してしまうという問題もあった。なお、上記従来例では過酸化水素水の気化を例に取ったが、これ以外の液体原料にも同様のことが発生する。

本発明は、このような問題点の解決のためになされたものであり、その第１の目的は、従来の気化器より大量の液体原料の気化させることができる気化効率に優れた気化器を提供することにあり、第２の目的は、ヒーター部を改良して熱伝達を向上させた気化器を提供することにあり、第３の目的は、熱によって劣化する接着剤となる伝熱ペーストを使用しない気化器を提供することにある。

請求項１の発明は、
供給された液体原料Ｌを気化するための気化用空間３が内部に設けられた気化器本体１と、
前記気化器本体１に設けられ、前記液体原料Ｌを加熱して気化させるヒーター部Ｈと、 前記気化器本体１の上部の入口に設けられ、前記液体原料Ｌを前記気化用空間３に供給する液体原料供給部４０と、
前記気化器本体１の下部の出口に設けられ、前記気化用空間３内にて気化された気化ガスＧ２を排出する気化ガス排出部５０とで構成された気化器Ａであって、
粒状体５が前記気化用空間３を構成する前記気化器本体１の内壁に接触するようにして前記気化用空間３に充填され、前記液体原料供給部４０から気化ガス排出部５０に至る、前記液体原料Ｌを気化させるための連続通流路Ｃが形成され、
前記気化器本体は、中空のアウターチューブと、前記アウターチューブ内に収納されている中空のインナーチューブとで構成され、
前記アウターチューブと前記インナーチューブとの間に円筒状の前記気化用空間が形成され、
前記ヒーター部はアウターヒーター部とインナーヒーター部とで構成され、
前記アウターヒーター部はアウターチューブの外周面に設置され、
前記インナーヒーター部はインナーチューブの内周面に設置されていることを特徴とする気化器Ａである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の気化器Ａにおいて、
ヒーター部Ｈの発熱体７が、インジュウム‐錫合金の酸化物（ＩＴＯ）又は錫の酸化物の蒸着又はスパッタリングの薄膜体で構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の気化器Ａにおいて、
ヒーター部Ｈが、ヒーターブロックＢと、前記ヒーターブロックＢに収納された発熱体７と、前記気化器本体１とヒーターブロックＢとの間に設けられた隙間に設けられ、ヒーターブロックＢの熱による体積変化を吸収するグラファイト粒状体が充填された熱変化吸収層Ｄとで構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１～３のいずれかに記載の気化器Ａにおいて、
気化器本体１、液体原料供給部４０及び気化ガス排出部５０が、石英ガラス又は耐熱性ガラスで形成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１～４のいずれかに記載の気化器Ａにおいて、
前記粒状体５が、石英ガラス、ジルコニア、アルミナ、シリコン、窒化シリコンの内の少なくとも１つで形成されていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１～５のいずれかに記載の気化器Ａにおいて、
前記気化用空間３の前記液体原料供給部４０側において、前記粒状体５を上からカバーする多孔質フィルタＦｊが設置されていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１～６のいずれかに記載の気化器Ａにおいて（図４（ａ））、
液体原料供給部４０は、供給された液体原料Ｌを下方に設けられた前記粒状体５に向けて滴下するノズル体４１にて形成されていることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１～７のいずれかに記載の気化器Ａにおいて（図４（ｂ））、
液体原料供給部４０は、キャリアガスＧ１が供給されるノズル体４１と、前記ノズル体４１の側面に前記液体原料Ｌの流出口４３が開口するように設置され、前記ノズル体４１に前記液体原料Ｌを供給する枝管４２とで形成され、前記ノズル体４１の下端には下方に設けられた前記粒状体５に向けて液体原料Ｌを霧状にして落下（滴下又は流下）させる下端開口４４が設けられていることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１～７のいずれかに記載の気化器Ａにおいて（図４（ｃ））、
液体原料供給部４０は、供給された液体原料Ｌを下方に設けられた、その下端に開口した下端開口４４から前記粒状体５に向けて霧化させて落下させるノズル体４１と、前記ノズル体４１内に挿入され、且つその下端に開口した噴気口４８から前記霧化のために前記ノズル体４１内にキャリアガスＧ１を噴出させる噴気ノズル４７とで形成されていることを特徴とする。

本発明にかかる気化器本体１の気化用空間３には、気化用空間３を構成する気化器本体１の内壁に接触するようにして粒状体５が充填されているので、ヒーター部Ｈからの熱は気化器本体１の壁を通って粒状体５に伝わる。その結果、伝熱面積が気化器本体１の内壁に加えて粒状体５の表面積分だけ増加し、気化用空間３を通流する液体原料Ｌや霧状流体Ｋ（通流流体）を従来より効率よく気化させることになる。

また、気化用空間３に通流する上記通流流体は、この間、粒状体５に接触して蛇行することになるので、層流状態で気化用空間３を流れる従来の場合に比べて内部で乱流が発生し、気化がより促進される、

気化器本体１、液体原料供給部４０、気化ガス排出部５０が石英ガラス又は耐熱性ガラスで形成され、粒状体５が液体原料Ｌに対して耐食性を有する素材で形成されておれば、例えば、酸化性や浸食性の高い過酸化水素水その他の腐食性や浸食性の高い液体原料Ｌに冒されることがない。

本発明の第１実施形態の斜視図である。 （ａ）図１の正縦断面図、（ｂ）図１のＺ１－Ｚ１断面矢視図である。 （ａ）図２のＺ２－Ｚ２断面矢視図、（ｂ）図２のＺ３－Ｚ３断面矢視図である。 （ａ）図１等のＸで示す楕円部分の液体原料供給部の第１実施形態の縦端面図、（ｂ）同第２実施形態の縦端面図、（ｃ）同第３実施形態の縦端面図である。 本発明の第２実施形態の正縦断面図である。 図５の底面図である。 本発明の第２実施形態の変形例１の正縦断面図である。 図７の底面図である。 図７の四角枠で囲んだ部分の拡大図である。 本発明の第２実施形態の変形例２の正縦断面図である。 図１０のＺ４－Ｚ４断面矢視図である。 本発明の液体原料気化供給システムの第１実施形態のフロー図である。 本発明の液体原料気化供給システムの第２実施形態のフロー図である。

以下、本発明を図面に従って説明する。本発明の気化器Ａは、大略、気化器本体１、ヒーター部Ｈ、液体原料供給部４０、気化ガス排出部５０及び粒状体５並びに必要に応じて設けられる多孔質フィルタＦとで構成されている。本明細書ではこの気化器Ａとして、第１、第２実施形態及び第２実施形態の変形例１，２が例示されている。これらの説明についてはその構成毎に説明し、次に実施形態毎に順次説明する。説明の簡略化のために同じ又は同様の作用効果を示す構成については同じ符号を付す。また、実施形態及びその変形例毎に説明する場合、符号Ａに１～４の番号を添えることとする。ヒーター部Ｈに付いても、インナーとアウターがあるが、区別する必要のある場合には、インナーには小文字のｉを、アウターには小文字のｏを添えることとする。
実施形態については、本発明の気化器Ａを第１実施形態から順に説明するが、煩雑さを避けるため、第２実施形態以降は第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同じ部分は他の実施形態の説明を援用する。なお、本発明は第１、第２実施形態に限定されるものではない。

まず、本発明の気化器Ａが適用される液体原料気化供給システムに付いて説明する。図１２はその第１実施形態であり、図１３はその第２実施形態である。液体原料気化供給システムの第１実施形態は、気化器Ａに液体原料Ｌを供給する液体原料供給部４０が液体原料Ｌを液滴又は細い糸状に流下させて供給するスポイト状のものである場合、第２実施形態は、液体原料供給部４０が液体原料Ｌを霧化して供給するアトマイザ（霧吹き）形式である場合である。以下、詳述する。

＜液体原料気化供給システムの第１実施形態：図１２＞
本発明の気化器Ａが適用される液体原料気化供給システムの第１実施形態は、液体原料貯蔵タンクＴ、液体質量流量制御器（液体マスフローメータＥ、気化器Ａ及び反応炉Ｒで構成されている。
上記液体原料貯蔵タンクＴには、液体原料Ｌ（本実施例では過酸化水素水）が貯蔵され、加圧ガスＧ０により液体原料Ｌが必要量だけ送り出される。
液体質量流量制御器（液体マスフローメータ）Ｅは、前記液体原料貯蔵タンクＴに接続され、ここから押し出された液体原料Ｌの質量流量を次の気化器Ａに送り出す。
送り出された液体原料Ｌは、気化器Ａの入口に設けられた液体原料供給部４０から内部に供給される。
気化器Ａは、供給された液体原料Ｌを気化し、気化された気化ガスＧ２の質量流量を反応炉Ｒに送り出す。
反応炉Ｒは半導体製造装置で、ここでは例えばシリコン基板酸化用の装置である。

＜液体原料気化供給システムの第２実施形態：図１３＞
第２実施形態では、第１実施形態に加えて窒素ガスや酸素ガスなどの霧化ガス供給源（図示せず）に接続され、キャリアとして働くこれら霧化ガスＧ１を質量流量だけ送り出す質量流量計Ｓが更に設けられ、気化器Ａの入口には前記液体流量制御器Ｅから送り出された液体原料Ｌを前記質量流量計Ｓから供給された霧化ガスＧ１によって霧化し、霧化した液体原料Ｌを供給する液体原料供給部４０が設けられている。

気化器Ａに適用される液体原料Ｌは気化して使用されるもの（半導体製造に供される例えば各種の液体原料）であればどのようなものでもよいが、ここではその代表例として過酸化水素水とする。過酸化水素水も符号Ｌで表す。
気化器Ａが、例えば過酸化水素水の気化用で、且つ、半導体製造装置のように極めて高純度な過酸化水素含有水蒸気Ｇ２が必要な場合、高温環境において、過酸化水素水Ｌや気化ガス（過酸化水素含有水蒸気）Ｇ２に接する部位（気化器本体１、液体原料供給部４０及び気化ガス排出部５０）は、これらに侵されないような石英ガラス或いは条件が合えば耐熱性ガラスで作られる。

勿論、本システムにおいて、液体原料貯蔵タンクＴから反応炉Ｒに至る経路で液体原料Ｌやその気化ガスＧ２が接触する部分は、全てこれらに冒されない素材（前記石英ガラス或いは耐熱性ガラス、４フッ化エチレン樹脂、ステンレス鋼）で形成される。そして、気化器Ａから反応炉Ｒに至る経路は結露せず、気化ガスＧ２をそのままの状態で送れるように更に保温がなされている。

次に、本発明の気化器Ａをその構成毎に説明する。上記の通り、本発明の気化器Ａはいずれの実施形態においても、大略、気化器本体１、ヒーター部Ｈ、液体原料供給部４０、気化ガス排出部５０及び粒状体５及び必要に応じて設けられる多孔質フィルタＦとで構成されている。

気化器本体１、液体原料供給部４０及び気化ガス排出部５０の構成素材は、液体原料Ｌに冒されない素材(例えば、ステンレス鋼)であれば限定されないが、ここでは上記のように石英ガラスで形成されるものとする。液体原料Ｌに対する条件が合えば、上記構成素材はパイレックス（登録商標）ガラスのような耐熱性ガラスの使用も可能である。液体原料供給部４０で複雑な形状のものは例えば四フッ化エチレン樹脂で形成される。

気化器本体１には後述するように様々なものがあり、また、気化器本体１に接続される液体原料供給部４０にも後述するように様々なものがある。これらは液体原料Ｌや気化ガスＧ２に対する顧客の要求により適切なものが採用される。また、ヒーター部Ｈにも後述するように様々なものがある。
以下、気化器本体１を実施形態毎に順次説明し、続いて液体原料供給部４０、ヒーター部Ｈ、多孔質フィルタＦを実施形態毎に説明する。

気化器本体１には、図１～図３に示すような中空立方体或いは直方体の外形を呈するものと、図５～図１１に示すような二重チューブ状のものがある。
まず、図１～図３に示すような板状の中空立方体或いは直方体の外形を呈するものについて説明する。

図の中空直方体状の気化器本体１は、一定の幅Ｗ（この部分が気化用空間３となる。）を以って平行に設置された、前後一対の矩形板状の本体プレート１１、該矩形板状の本体プレート１１の両サイド全体に溶接され、該両サイドを閉塞する側面部材１２、本体プレート１１の上端全体に溶接され、該上端を閉塞する上面部材１３、本体プレート１１の下端全体に溶接され、該下端を閉塞する底面部材１４とで構成されている。
そして必要に応じて、上面部材１３側から底面部材１４側に至る本体プレート１１の中心線に沿って丸孔が一定間隔で複数個（ここでは３個）穿設され、この丸孔に挿通された支柱１５が溶接され、上記気化用空間３の幅Ｗを保っている。本体プレート１１の強度が十分に大きければ支柱１５を用いず側面部材１２だけでもよい。
上面部材１３と底面部材１４には液体原料供給部４０、気化ガス排出部５０がそれぞれ取り付けられ、その接合部の全周にわたって溶接されている。なお、上面部材１３と液体原料供給部４０、底面部材１４と気化ガス排出部５０とは形状が簡単であれば一体で形成することも可能である。

図の二重チューブ状の気化器本体１はインナーチューブ２０とアウターチューブ３０とで構成されている。アウターチューブ３０は石英ガラス（又は上記のように条件が合えば、耐熱性ガラス）製の円筒状の中空管で、一端が上面部材１３に溶接或いは当接し、気密的に閉塞されている。そしてこの上面部材１３には上記のように液体原料供給部４０が取り付けられている。Ｘの楕円で示す部分には図４（ａ）～（ｃ）の液体原料供給部４０が適宜選択されて装着される。図５では図４（ｂ）の液体原料供給部４０が装着されている。上面部材１３と一体になった液体原料供給部４０の下端中心には液体原料供給部４０の噴霧口となる下端開口４４が開口している。

インナーチューブ２０はアウターチューブ３０より細い石英ガラス（又は上記のように条件が合えば、耐熱性ガラス）製の有底円筒状の中空管である。そして、アウターチューブ３０と同心でその内部に挿入配置されている。インナーチューブ２０の挿入端側である先端頭部２１は閉塞されて半球状に形成されている。なお、図の実施例では先端頭部２１の形状は半球状であるが、勿論、これに限られず、回転楕円体面、回転放物面或いは円錐状であってもよい。

図の場合は、アウターチューブ３０とインナーチューブ２０とは両者の下端２７でその全周が一体的に溶接により接続され、アウターチューブ３０の内周面とインナーチューブ２０の外周面との間に気化用空間３が形成される。そして、アウターチューブ３０内において、インナーチューブ２０の先端頭部２１より上の部分は気化用空間３に繋がる霧化空間４となっている。そしてこの両者の溶接端である下端２７側において、アウターチューブ３０の外周面に気化用空間３に連通する後述の気化ガス排出部５０が溶接されて側方に突設されている。

アウターチューブ３０とインナーチューブ２０との位置関係においては、図５、図１１に示すように、インナーチューブ２０の外周面には同一円周上で少なくとも３点の微小な突起２２が等間隔で且つ上下２段に亘って設けられており、インナーチューブ２０をアウターチューブ３０に挿入した時にこの微小な突起２２がアウターチューブ３０の内周面に接触してインナーチューブ２０とアウターチューブ３０との間に全周に亘って均一な気化用空間３を形成する。この気化用空間３は前述のように、霧化空間４及び気化ガス排出部５０に繋がっている。この気化ガス排出部５０は例えばシリコン基板酸化用の反応炉Ｒに接続されている。なお、気化ガス排出部５０もアウターチューブ３０に溶接されるのであるから石英ガラス（又は条件が合えば耐熱性ガラス）で形成されることになる。

気化用空間３の幅Ｗは、特段限定されるものではないが、この気化用空間３に後述する粒状体５が充填されることになるので、粒状体５の直径より大に形成される。従来のような「温度境界層」に制約されることなく、これより大きく形成される。

図では、インナーチューブ２０とアウターチューブ３０の下端２７が上記のように全周に亘って融着されている。アウターチューブ３０に収納されたインナーチューブ２０の先端頭部２１は噴霧口である下端開口４４方向に向いており、噴霧口である下端開口４４が開口する上面部材１３と先端頭部２１との間が上記霧化空間４となる。そしてこの霧化空間４に気化用空間３が上記のように全周に亘って連通している。

ヒーター部Ｈは、気化器本体１の表面にインジューム－錫合金の酸化物（ＩＴＯ）や錫酸化物の蒸着或いはスパッタリングして形成した薄膜を発熱体７とするものと、従来のシーズヒーターのような棒状ヒーターを発熱体７とするものがある。ヒーター部Ｈとしては、薄膜の発熱体７だけのもの、棒状ヒーターの発熱体７だけのもの、或いは薄膜と棒状ヒーターを発熱体７としたハイブリッド型のものがある。
ヒーター部Ｈは、図１のように気化器本体１の前後両表面に設けられる場合と、図５、図７、図１０のようにインナーチューブ２０の内側とアウターチューブ３０の外側に設けられる場合とがある。図５、図７、図１０の場合は、外側のものには小文字のｏを、内側のものには小文字のｉを添え字する。
図５の内外のヒーター部Ｈｉ、Ｈｏは薄膜を発熱体７とするものであり、図７の内外のヒーター部Ｈｉ、Ｈｏはハイブリッド型で、アウターチューブ３０の外周面に薄膜の発熱体７が設置され、インナーチューブ２０の内側にインナーヒーター部Ｈｉが設置される。図１０の内外のヒーター部Ｈは棒状ヒーターだけを発熱体７としたもので、アウターヒーター部Ｈｏはアウターチューブ３０の外側に設置され、インナーヒーター部Ｈｉはインナーチューブ２０の内側に設置される。

ヒーター部Ｈを構成する発熱体７を蒸着やスパッタリングによる薄膜で構成すれば、気化器本体１との密着性が完全であり、後述するようにヒーターブロックＢを必要とする発熱体７（棒状ヒーター）に比べて気化器本体１に対する熱伝導性が高くなる。
これに加えて、薄膜は透明性を有するため、気化器本体１を通して気化用空間３の内部を観察することが出来るし、更にヒーター部Ｈを薄く出来、装置形状を小さく出来る。

上記薄膜を発熱体７とする具体例では、図１に示すように気化器本体１の平坦外面や、図５、図７に示すように円筒状のアウターチューブ３０の外周面や、図５に示すようにインナーチューブ２０の内周面にインジューム－錫合金の酸化物（ＩＴＯ）や錫酸化物を蒸着或いはスパッタリングにより薄膜を形成する。（インナーチューブ２０の内周面への薄膜形成が困難である場合は、次に述べる、ヒーターブロックＢに棒状ヒーターの発熱体７を収納したインナーヒーター部Ｈｉを使用することになる。）

棒状ヒーターを発熱体７とするヒーター部Ｈの構造は、ヒーターブロックＢと、ヒーターブロックＢに挿入された発熱体７となる棒状ヒーター及び必要に応じて設けられる温度センサ（熱電対）８とで構成され、ヒーターブロックＢとインナーチューブ２０又はアウターチューブ３０との間に熱変化吸収層Ｄが設けられる。内外の熱変化吸収層Ｄを区別する場合、それぞれに上記のように小文字ｉ、ｏを添える。

熱変化吸収層Ｄは、ヒーターブロックＢとインナーチューブ２０、又はヒーターブロックＢとアウターチューブ３０との間に設けられた隙間に充填されたグラファイト粒状体の充填層で構成される。ヒーターブロックＢの熱膨張・収縮（体積変化）はこの熱変化吸収層Ｄのグラファイト粒状体が隙間の中で流動することでこれを吸収し、ガラス製のインナーチューブ２０又はアウターチューブ３０の破損を回避させることが出来る。これと同時に、このグラファイト粒状体がヒーターブロックＢとインナーチューブ２０、又はアウターチューブ３０と密に接触しているので、ヒーターブロックＢからの熱が伝達されやすい。その結果、従来用いられていたヒーターブロックＢとインナーチューブ２０、又はアウターチューブ３０との伝熱ペーストが不要となる。
なお、ヒーターブロックＢには、インナー用とアウター用があり、区別する必要がある場合は、インナー用には小文字のｉ、アウター用には小文字のｏをそれぞれに添え字する。

上記ヒーターブロックＢはアルミニウム又は固形のグラファイト（黒鉛）製である。インナーヒーターブロックＢｉの外面形状はインナーチューブ２０の内面形状より一回り小さい相似形である。従って、このインナーヒーターブロックＢｉの外面とインナーチューブ２０の内面の間に極く僅かな隙間が発生し、この隙間に上記グラファイト粉末が充填されてここにインナー熱変化吸収層Ｄｉが形成される。なお、インナー熱変化吸収層Ｄｉ及び後述するアウター熱変化吸収層Ｄｏの充填グラファイト粉末は、充填具合や後述するように重力の関係で粗密が生じるので、熱伝導性に優れていることだけでなく潤滑性に優れていることも重要であり、形状的には鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛、高純度黒鉛、薄片化黒鉛、球状黒鉛などから選定される。

熱変化吸収層Ｄを形成するグラファイト（黒鉛）粉末はその粒度範囲が５～５００μｍの粉状又は粒状或いはこれらの混合物であり、よりこの好ましくは１０～１００μｍである。

ここで上記グラファイト（黒鉛）とアルミニウムの熱膨張係数を比較すると、グラファイト（黒鉛）の熱膨張係数（概略値）は、２．６×１０^－６／Ｋ、アルミニウムの熱膨張係数（概略値）は、２３×１０^－６／Ｋでグラファイトの方がアルミニウムより約１／９程度で小さい。
また、アルミニウム、グラファイト（黒鉛）、ステンレス及び従来使用していた伝熱ペーストの熱伝導率を比較すると、アルミニウムは２１０Ｗ／ｍ・Ｋ、グラファイトは５０Ｗ／ｍ・Ｋ、ステンレスは２０Ｗ／ｍ・Ｋ、伝熱ペーストは０．９６Ｗ／ｍ・Ｋであり、グラファイトはアルミニウムより劣るが従来例の伝熱ペーストよりは遥かに優れている。

アウターヒーターブロックＢｏは円筒状の部材で、アルミニウム又はグラファイトで形成され、内部に同心にてアウターチューブ３０が収納されている。アウターヒーターブロックＢｏの収納孔の内径はアウターチューブ３０の外径より一回り大きく、その間に隙間が設けられ、上記のようにグラファイト（黒鉛）粉末が充填されたアウター熱変化吸収層Ｄｏが設けられる。そして、上記収納孔の周囲には同心円上にて発熱体７となる複数本の棒状ヒーターが等角度で配置されている（図１１）。

インナーヒーター部Ｈｉには温度センサ８が装備されており、インナーヒーター部Ｈｉの温度を制御している。アウターヒーター部Ｈｏはインナーヒーター部Ｈｉの温度センサ８に連動するように制御してもよいし、図示していないが、アウターヒーター部Ｈｏにも独自に温度センサを用意してもよい。（なお、薄膜状のヒーター部Ｈにも図示しない温度センサが設置されている。）

図４（ａ）～（ｃ）は、液体原料供給部４０の第１～３実施形態で、これらは液体原料Ｌやこれを霧化した霧状流体Ｋなど、気化器Ａに対して要求される性能に合わせて適宜選択され、図のＸで示された楕円形で示した部分にこれらが嵌め込まれる。これらは気化器本体１と同じ材料（石英ガラス、又は条件が合えば耐熱性ガラス）で構成され、上記のように複雑な形状のものは４フッ化エチレンで形成されている。４フッ化エチレンの場合、気化器本体１と異なる材料であるから、図示されていない締結部材（ボルト・ナット）にて気化器本体１に固定される。図の実施例では液体原料供給部４０の全体が石英ガラスで形成される場合を代表例として説明する。

図４（ａ）は、液体原料供給部４０の（第１実施形態）で、液体原料供給部４０がパイプ状の部材で形成され、その下端開口４４がスポイト状に細く絞られており、供給された液体原料Ｌが下端開口４４から糸状となって流下、又は滴となって滴下する。

図４（ｂ）は、液体原料供給部４０の（第２実施形態）である。この場合、液体原料供給部４０に上面部材１３が一体化されている。図示していないが、上面部材１３の入口孔に液体原料供給部４０を溶接してもよい。ここでは一体化した場合で説明する。
この場合、上面部材１３に液体原料供給部４０の段付き筒状のノズル体４１が溶接されている。そしてノズル体４１の側面に枝管４２が接続されている。ノズル体４１の下端開口４４は細く絞られている。枝管４２の内径はノズル体４１の内径より細い。
この液体原料供給部４０では、ノズル体４１にキャリアガスＧ１を供給され、枝管４２に液体原料Ｌを供給されるようになっている。枝管４２内に流れた液体原料Ｌはベンチュリ効果によって、ノズル体４１内に引き込まれ、絞られた下端開口４４から高速で噴出するキャリアガスＧ１によって霧化され、霧状流体Ｋとなって下方に散布される。

図４（ｃ）は、液体原料供給部４０の（第３実施形態）である。この場合も上面部材１３と液体原料供給部４０の段付き筒状のノズル体４１とが全周にわたって溶接により一体化されている。ノズル体４１の下端は細く絞られている。この部分を下端開口４４とする。
そしてノズル体４１の側面から内側にＬ形の噴気ノズル４７が挿入され、その挿入部分が下端開口４４に向かって垂下するように屈曲されている。このＬ形の噴気ノズル４７の先端部分は細く絞られ、この部分を噴気口４８とする。
ノズル体４１には液体原料Ｌが供給され、Ｌ形の噴気ノズル４７にキャリアガスＧ１が供給される。ノズル体４１内を流下してきた液体原料Ｌは、Ｌ形の枝管４２に噴気口４８から噴出された高速高圧のキャリアガスＧ１により霧化され、ノズル体４１の下端開口４４から霧状流体Ｋとなって下方に散布される。

粒状体５は、液体原料Ｌやその高温気化ガスＧ２に浸食されない素材、例えば、石英ガラス、ジルコニア、アルミナ、シリコン或いは窒化シリコンなどで形成されている。形状は特段限定されるものではないが、通常、球状のものが使用される。その直径は上記のように気化用空間３の幅Ｗより小さい。なお、粒状体５の表面は、鏡面状態であることが好ましい。

その他の構成要素として、多孔質フィルタＦが気化器本体１内に設置される。多孔質フィルタＦとしては液体原料Ｌや気化ガスＧ２に冒されず、液体原料Ｌや気化ガスＧ２をスムーズに通過させることが出来るものであればその材質を問わないが、ここでは気化器本体１との溶接固定が可能なように石英ガラス粉粒体（耐熱性ガラス粉体粒）を半溶融状態でその接触部分を溶融接合したポーラスな半溶融石英ガラス多孔質体（或いは、半溶融耐熱性ガラス多孔質体）が使われる。

＜気化器本体１の第１実施形態：平行平板型＞
気化器Ａ１の第１実施形態（図１～図３）は、板状の立方体或いは直方体の外形を呈する。構造は上記の通りで、図１、図２のＸで示す楕円部分には、既述のように図４（ａ）～（ｃ）で示す液体原料供給部４０が一体的に設置される。ここでは、図４（ａ）に示すノズル状の液体原料供給部４０が設置されているものを代表例とする。そして、気化器Ａ１の底面部材１４には円筒状の気化ガス排出部５０が一体的に設置されている。
気化器本体１内部の気化用空間３には、液体原料供給部４０側に矩形薄板状の上部多孔質フィルタＦｊ、気化ガス排出部５０側に矩形薄板状の上部多孔質フィルタＦｕが設置され、気化器本体１の内壁の溶接されている。

そして、上下の多孔質フィルタＦｊ、Ｆｕの間の空間に上記粒状体５が充填されており、粒状体５同士及び粒状体５と気化器本体１の内壁とが接触している。粒状体５間には上部の多孔質フィルタＦｊ（液体原料供給部４０）側から下部の多孔質フィルタＦｕ（気化ガス排出部５０）側に至る連続通流露Ｃが形成されている。

気化器本体１の平板状の表裏両外面全面には、図の実施例では、薄膜の発熱体７が蒸着されている。なお、薄膜の発熱体７は透明体なので、気化器本体１を観察することが出来る。
気化用空間３が平板状に構成され、気化用空間３を構成する気化器本体１の板面に薄膜状のヒーター部Ｈが設置されていると装置の厚みを薄くすることも出来る。

＜第１実施形態の作用＞
図１２において、液体原料Ｌの液体質量流量がノズル状の液体原料供給部４０に供給されると、液体原料供給部４０の下端開口４４から液体原料Ｌが下方の上部多孔質フィルタＦｊに向かって滴となって滴下、或いは糸状の流れとなって流下する。
上部多孔質フィルタＦｊに届いた液体原料Ｌは直ちに上部多孔質フィルタＦｊ内に厚程度均一に拡散し、上部多孔質フィルタＦｊの下面からその下の粒状体５が充填された気化用充填層Ｊｖに浸透して行く。

上記薄膜の発熱体７は通電状態にあり、薄膜の発熱体７からの熱は気化器本体１の壁面を通じて内部に伝達される。壁面内面は発熱体７はほぼ同じ温度になる。そして、気化強間隙３内に充填され、前記壁面に接触している粒状体５に熱が更に伝わる。そして、この充填された粒状体５は互いに接触しているので、接触部分と放射熱によって次々と粒状体５が熱せられる。勿論、壁面及び隣接する粒状体５からの放射熱によっても内部の粒状体５は加熱される。その結果、気化用充填層Ｊｖを形成する粒状体５の全てはほぼ壁面に近い同じ温度に保たれる。このことは、気化用空間３の幅Ｗが従来の温度境界層の幅に制限されず、温度境界層の和を越えて広くすることが出来ることを意味する。

上部多孔質フィルタＦｊから気化用充填層Ｊｖに浸透した液体原料Ｌは、連続通流路Ｃを流下する間に加熱された壁面と粒状体５に次々と接触することで徐々に気化し、気化用充填層Ｊｖを通過するいずれかの時点で完全に気化し、下部多孔質フィルタＦｕを通過する。そして気化ガスＧ２は気化ガス排出部５０を通過し、気化状態を保ったままその質量流量が反応炉Ｒに供給される。

ここで、第１実施形態の気化器Ａ１の伝熱面積は、従来の気化器に比べて気化用充填層Ｊｖを構成する粒状体５の全表面積の分だけ多く、通過する液体原料Ｌにより多くの熱をより短時間で与えることが出来る。また、第１実施形態の気化器Ａ１の粒状体５間の通過間隙の全横断面積は、従来の気化器の壁面間に設けられた僅かな幅の気化用間隙の全横断面積より大きく、従来例に比べて大量の液体原料Ｌを通過させることが出来る。この点は後述する他の実施形態においても同じである。

＜気化器本体１の第２実施形態Ａ２：二重チューブ型＞
図５、図６は第２実施形態で、気化器本体１のインナーチューブ２０の内周面とアウターチューブ３０の外周面に薄膜の発熱体７が蒸着されている。そして気化器本体１の霧化空間４において、インナーチューブ２０の先端頭部２１より上の部分に上部多孔質フィルタＦｊが全面にわたって配設され、アウターチューブ３０の内壁に溶接されている。そして、気化器本体１の気化用空間３の下端出口には下部多孔質フィルタＦｕがその全面にわたって設置され、下部多孔質フィルタＦｕの外周が下端出口に溶接されている。
上下多孔質フィルタＦｊ、Ｆｕの間の空間には粒状体５が第１実施形態と同様の状態で充填され、気化用充填層Ｊｖを形成している。
気化器本体１に設置された液体原料供給部４０は、第１実施形態と同様、図４（ａ）～（ｃ）のいずれを選んでもよいが、ここでは図４（ｂ）が設置されるものとする。

＜第２実施形態の作用＞
図１３において、液体原料Ｌの質量流量が枝管４２に供給され、質量流量制御された高圧のキャリアガスＧ１がノズル体４１に供給されると、枝管４２に流れ込んだ液体原料Ｌはノズル体４１に供給されたキャリアガスＧ１によってノズル体４１の噴出口である下端開口４４から下方に向かって勢いよく噴き出され、霧化されて下方の上部多孔質フィルタＦｊにほぼ均一に降り注ぐ。
そして、第１実施形態で説明したように気化され、反応炉Ｒに供給される。

＜気化器本体１の第２実施形態の第１変形例Ａ３：二重チューブ型＞
図７、図８は第２実施形態の第１変形例で、気化器本体１のインナーチューブ２０の内面に発熱体７である棒状のヒーターと温度センサ８とが挿入されたインナーヒーターブロックＢｉが挿入され、アウターチューブ３０の外周面に薄膜の発熱体７が蒸着されたハイブリッド型の気化器である。インナーヒーターブロックＢｉとインナーチューブ２０の内面との間の隙間にはインナー熱変化吸収層Ｄｉが形成されている。
この場合も液体原料供給部４０は、図４（ａ）～（ｃ）のいずれかを選ぶことが出来るが、ここでは第２実施形態と同様、図４（ｂ）が設置されているものとする。その他は第２実施形態と同様である。

＜第２実施形態の第１変形例の作用＞
図１３において、液体原料Ｌの質量流量が枝管４２に供給され、質量流量制御された高圧のキャリアガスＧ１がノズル体４１に供給されると、上記第２実施形態と同様、霧化された液体原料Ｌが下方の上部多孔質フィルタＦｊにほぼ均一に降り注ぐ。
上部多孔質フィルタＦｊに降り注いだ霧状の液体原料Ｌが気化用空間３内で気化し、気化ガス排出部５０から反応炉Ｒに供給される点は、第２実施形態と同じである。

この装置において、通電されてインナーヒーター部Ｈｉ及びアウターヒーター部Ｈｏが昇温すると、インナーヒーターブロックＢｉが昇温して膨張を始める。一方、インナーチューブ２０は熱膨張率がほぼ零であるため熱膨張しない。

加熱時にはインナーヒーターブロックＢｉは熱膨張でその直径が増加し、膨張しないインナーチューブ２０の内周面とインナーヒーターブロックＢｉの外周面との間の隙間がインナーヒーターブロックＢｉの熱膨張分だけ狭くなる。この隙間にはグラファイト粉末が充填され、この部分がインナー熱変化吸収層Ｄｉとなっているので、インナーヒーターブロックＢｉの熱膨張によって押圧力を受けたグラファイト粉末は、その優れた潤滑性により流動してその充填度合いを最適化し、前記熱膨張分を吸収し、ガラス製のインナーチューブ２０に大きな押圧力の印加を防止する。これを図９に示す。その結果、加熱時におけるガラス製のインナーチューブ２０の破損を防ぐことが出来る。そしてグラファイト粉末は上記のようにアルミニウムより１／９程度の小さい熱膨張係数であることもインナーチューブ２０の破損防止に寄与する。

＜気化器本体１の第２実施形態の第２変形例Ａ４：二重チューブ型＞
図１０、図１１は第２実施形態の第２変形例で、気化器本体１のインナーチューブ２０の内面に発熱体７である棒状のヒーターと温度センサ８とが挿入されたインナーヒーターブロックＢｉが挿入され、アウターチューブ３０の外周面に円筒状のアウターヒーターブロックＢｏが設置された気化器Ａ４である。インナーヒーターブロックＢｉとインナーチューブ２０の内面との間の隙間、アウターヒーターブロックＢｏとアウターチューブ３０の外面との間の隙間にはそれぞれグラファイト粒状体が充填され、インナー又はアウター熱変化吸収層Ｄｉ、Ｄｏがそれぞれ形成されている。
楕円Ｘで囲んだ液体原料供給部４０は上記のように図４（ａ）～（ｃ）のいずれを選択することが出来るが、ここでは第３実施形態と同様図４（ｂ）が設置されているものとし、これを代表例とする。

＜第２実施形態の第２変形例の作用＞
図１０において、液体原料Ｌの気化は第２実施形態の第１変形例と同様に行われる。
この装置において、通電されてインナーヒーター部Ｈｉ及びアウターヒーター部Ｈｏが昇温すると、これらを収納するインナーヒーターブロックＢｉ及びアウターヒーターブロックＢｏが昇温して膨張を始める。一方、アウターチューブ３０及びインナーチューブ２０は熱膨張率がほぼ零であるため熱膨張しない。

加熱時のインナーヒーターブロックＢｉとインナーチューブ２０も関係は上記の通りである。
アウターヒーターブロックＢｏとアウターチューブ３０との関係では、アウターヒーターブロックＢｏが昇温すると、熱膨張しないアウターチューブ３０に対して熱膨張するアウターヒーターブロックＢｏの収納孔の内径は増加し、収納孔の内周面とアウターチューブ３０の外周面との間のインナー熱変化吸収層Ｄｏを形成する隙間が増加する。従って、アウターヒーターブロックＢｏ側では加熱時のアウターチューブ３０の破損は発生しない。しかしながらこの隙間（アウター熱変化吸収層Ｄｏ）に充填されているグラファイト粉末は隙間の増加につれて僅かではあるが重力によって下方に移動し、上記隙間に構成されるアウター熱変化吸収層Ｄｏに粗密が生じることになる。この粗密はグラファイト粉末が重力により落下することで埋められる。

気化作業が終了し通電が切られると、アウターヒーターブロックＢｏとアウターチューブ３０との関係では、アウターヒーターブロックＢｏが冷却して収縮し、収縮しないアウターチューブ３０に対してアウターヒーターブロックＢｏが締め付けるようになる。この時点では上記のように両者の間でアウター熱変化吸収層Ｄｏを形成しているグラファイト粉末に重力による落下があるため、アウターヒーターブロックＢｏの収縮により密に充填されている部分にアウターヒーターブロックＢｏからの締め付け圧力が加わる。

アウター熱変化吸収層Ｄｏを形成しているグラファイト粉末は潤滑性に優れるために、上記締め付け圧力が加わると当該部分のグラファイト粉末はその高潤滑性により流動して押し上げられ、アウターチューブ３０への締め付け圧力の上昇を大幅に抑制する。その結果、冷却時におけるアウターチューブ３０の破損が防止される。

なお、このグラファイト粉末が充填されたアウター熱変化吸収層Ｄｏの熱伝導率も従来の伝熱ペーストより優れている点もインナー熱変化吸収層Ｄｉと同じである。

Ａ（Ａ１～Ａ４）：気化器、Ｂ（Ｂｉ、Ｂｏ）：（インナー、アウター）ヒーターブロック、Ｃ：連続通流路、Ｄ（Ｄｉ、Ｄｏ）：（インナー、アウター）熱変化吸収層、Ｅ：液体流量制御器（液体マスフローメータ）、Ｆ（Ｆｊ、Ｆｕ）：（上部、下部）多孔質フィルタ、Ｇ０：加圧ガス、Ｇ１：霧化ガス(キャリアガス)、Ｇ２：気化ガス（水蒸気）、Ｈ（Ｈｉ、Ｈｏ）：（インナー、アウター）ヒーター部、Ｊｖ：気化用充填層、Ｋ：霧状流体、Ｌ：液体原料、Ｒ：反応炉、Ｓ：質量流量計、Ｔ：液体原料貯蔵タンク、Ｗ：気化用空間の幅
１：気化器本体、３：気化用空間、４：霧化空間、５：粒状体、７：発熱体、８：温度センサ、１１：本体プレート、１２：側面部材、１３：上面部材、１４：底面部材、、１５：支柱、２０：インナーチューブ、２１：先端頭部、２２：突起、２７：両チューブの下端（溶接端）、３０：アウターチューブ、４０：液体原料供給部、４１：ノズル体、４２：枝管、４３：流出口、４４：下端開口、４７：噴気ノズル、４８：噴気口、５０：気化ガス排出部

Claims (9)

1. 供給された液体原料を気化するための気化用空間が内部に設けられた気化器本体と、
   前記気化器本体に設けられ、前記液体原料を加熱して気化させるヒーター部と、
   前記気化器本体の上部の入口に設けられ、前記液体原料を前記気化用空間に供給する液体原料供給部と、
   前記気化器本体の下部の出口に設けられ、前記気化用空間内にて気化された気化ガスを排出する気化ガス排出部とで構成された気化器であって、
   粒状体が前記気化用空間を構成する前記気化器本体の内壁に接触するようにして前記気化用空間に充填され、前記液体原料供給部から気化ガス排出部に至る、前記液体原料を気化させるための連続通流路が形成され、
   前記気化器本体は、中空のアウターチューブと、前記アウターチューブ内に収納されている中空のインナーチューブとで構成され、
   前記アウターチューブと前記インナーチューブとの間に円筒状の前記気化用空間が形成され、
   前記ヒーター部はアウターヒーター部とインナーヒーター部とで構成され、
   前記アウターヒーター部はアウターチューブの外周面に設置され、
   前記インナーヒーター部はインナーチューブの内周面に設置されていることを特徴とする気化器。
2. 前記ヒーター部の発熱体が、インジュウム‐錫合金の酸化物又は錫の酸化物の蒸着又はスパッタリングの薄膜体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
3. 前記ヒーター部が、ヒーターブロックと、前記ヒーターブロックに収納された発熱体と、前記気化器本体とヒーターブロックとの間に設けられた隙間に設けられ、ヒーターブロックの熱による体積変化を吸収するグラファイト粒状体が充填された熱変化吸収層とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気化器。
4. 気化器本体、液体原料供給部及び気化ガス排出部が、石英ガラス又は耐熱性ガラスで形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の気化器。
5. 前記粒状体が、石英ガラス、ジルコニア、アルミナ、シリコン、窒化シリコンの内の少なくとも１つで形成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の気化器。
6. 前記気化用空間の前記液体原料供給部側において、前記粒状体を上からカバーする多孔質フィルタが設置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の気化器。
7. 液体原料供給部は、供給された液体原料を下方に設けられた前記粒状体に向けて滴下するノズル体にて形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の気化器。
8. 液体原料供給部は、キャリアガスが供給されるノズル体と、前記ノズル体の側面に前記液体原料の流出口が開口するように設置され、前記ノズル体に前記液体原料を供給する枝管とで形成され、前記ノズル体の下端には下方に設けられた前記粒状体に向けて液体原料を霧状にして落下させる下端開口が設けられていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の気化器。
9. 液体原料供給部は、供給された液体原料を下方に設けられた、その下端に開口した下端開口から前記粒状体に向けて霧化させて落下させるノズル体と、前記ノズル体内に挿入され、且つその下端に開口した噴気口から前記霧化のために前記ノズル体内にキャリアガスを噴出させる噴気ノズルとで形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の気化器。

Images