JPS6380843A - 反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、一連の系内で多段階の気相反応を行う反応装
置に関する。

［従来の技術］ 従来、反応装置は、供給される原料を活性化するに適し
たエネルギー付与手段を有するものが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来の反応装置は、連わｚして原料を移
送しながら異なるエネルギーを付与することができず、
一連の系内で多段階の気相反応が行えるものは例を見な
い、従って、多段階に気相反応を行う場合、例えば、複
数段階の気相反応を経て新たな物質を生成させる場合等
、複数回に分けて気相反応を行う必要があり、処理が繁
雑なものとなってしまっている。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために講じられた手段を、本発明
の一実施例に対応する第１図で説明すると、本発明は、
原料を噴出するノズル１の下流側の波路に沿って、各々
異なるエネルギー付与手段３ａ、　３ｂ、・・・・・・
を有する複数の反応室２ａ。

２ｂ、・・・・・・を配列させるという手段を講じてい
るものである。

本発明における原料は、気体又は、浮遊状態でノズルｌ
から噴出させることのできる微粒子である。

［作　用］ ノズルｌから噴出される原料は、ノズルｌによって流路
が絞られる。従って、ノズルｌの形状やその上流側と下
流側の圧力を適宜に定めることにより、原料を大きく拡
散させることなくノズル１から反応室２ａ、　２ｂ、・
・・・・・へと噴出させることができる。

上記のように、ノズル１の下流側の流路は絞られている
ので、この流路に沿った流れを通過させ得る小さな開口
部４さえ設けておけば、ノズルｌから噴出される原料を
反応室２ａへと導き入れることができ、更に反応室２ａ
から反応室２ｂへと導き入れることができる。また、各
処理室２ａ。

２ｂ、・・・・・・には各々異なるエネルギー付与手段
３ａ。

３ｂ、・・・・・・が設けられているので、原料は、反
応室２ａ、　２ｂ、・・・・・・の通過のたびに、当該
反応室２ａ。

２ｂ、・・・・・・に設けられたエネルギー付与手段３
ａ。

３ｂ、・・・・・・によって異なる気相反応に供され、
多段の気相反応がなされることになる。

一方、反応室２ａ、　２ｂ、・・・・・・間の雰囲気の
維持は、流路が絞られていることによって反応室２ａ。

２ｂ、・・・・・・間の開口部４が小さなもので済むこ
とから、各反応室２ａ、　２ｂ、・・・・・・の圧力を
ほぼ等圧に保持することで行うことが可能となる。

［実施例］ 第１図に示されるように、原料室５、反応室２ａ、　２
ｂ及び捕集室６が直列されている。原料室５と反応室２
ａはノズルｌを介して連通されており、反応室２ａから
捕集室６までは、このノズルｌと向き合う一直線上に設
けられた開口部４によって連通されている。

原料室５には、原料である微粒子を収容した原料タンク
７がバルブ８ａを介して連結されている。

この原料タンク７内の原料は、原料タンク７内へ供給さ
れるキャリアガス中に浮遊されて、原料室５へと供給さ
れるものである。

キャリアガスは、反応室２ａ、　２ｂで行われる気相反
応に全く関与せず、単に原料たる微粒子を搬送するため
のみの気体であってもよいが、気相反応に関与するもの
であってもよい。また、原料が微粒子ではなく、気体で
ある場合には、当該原料の気体のみを原料室５へ供給す
ればよい。

原料として微粒子を用いる場合、特に超微粒子が好まし
い、この超微粒子とは１例えば、気相反応を利用した、
ガス中蒸発法、プラズマ蒸発法、気相化学反応法、更に
は液相反応を利用した、コロイド学的な沈殿法、溶液噴
霧熱分解法等によって得られる、数ミクロン以下の粒子
である。超微粒子は、別途生成したものを原料室５へ供
給してもよいが、原料室５内で生成させるようにしても
よい、この超微粒子の場合、ノズルｌによってほぼ一定
の集束性ある噴流としやすい利点がある。

原料室５より下流側、即ち反応室２ａ、　２ｂ及び捕集
室６は、各々バルブ８ｂ〜８ｄ及び浄化器９ａ〜９Ｃを
介して連結されたポンプ１０ａ〜１０ｃで排気されてお
り、原料室５より低い圧力下におかれている。

従って、原料室５へと供給された原料は、ノズル１を介
して下流側へと噴出されることになる。ノズル１から噴
出された原料は、ノズルｌによってその流路が絞られた
噴流として、開口部４を介して反応室２ａ、　２ｂを通
過した後、捕集室６で基体１１」−に捕集されるもので
ある。

反応室２ａ、　２ｂには、各々異なるエネルギー付与手
段３ａ、　３ｂが設けられている。このエネルギー付与
手段３ａ、　３ｂで付与するエネルギーとしては、紫外
、赤外、可視等の光その他の各種波長の１Ｔ！、磁波、
熱等である。また、異なるエネルギー付与手段３ａ、　
３ｂには、同じ電磁波であっても波長の異なるものを出
射するものや、同じ熱であっても温度の違う熱を付与す
るものも含まれる。

反応室２ａ、　２ｂは、はぼ等しい圧力に維持されてお
り、両室２ａ、　２ｂで反応に供された原料ができるだ
け混り合わないようになっている。また、各室２ａ、　
２ｂ、　６内の雰囲気が互に混合されるのを防止する意
味で、開口部４は、原料の噴流を大きく乱すことなく通
過させ得る範囲で、できるだけ小さいものが好ましい、
この開口部４は、開度可変のスキマーで形成されるよう
にすると、原料の噴流状態に応じて開口部４の大きさが
調整できるので好ましい。

ポンプ１０ａ−１０ｃで反応室２ａ、　２ｂ及び捕集室
６内を排気しつつ原料室５に原料タンク７から原料を供
給する。原料は、前述の通り、ノズル１によって噴流と
してまず反応室２ａに入り、そこに設けられているエネ
ルギー付学手段３ａによって気相反応を生じる。この反
応を生じた原料の噴流は、次に反応室２ｂへと入り、更
にそこに設けられるエネルギー付与手段３ｂによって二
段目の気相反応を生じた後、捕集室６内の基体１１上に
捕集されることになる。この間、ポンプ１０ａ”ｌＯｃ
によって余剰の原料やキャリアガスが排出され、系内の
必要な圧力維持が図られる。浄化器９ａ〜９Ｃは、この
ポンプ１０ａ〜１０ｃによる排気の浄化を図るためのも
ので、例えばフィルターや吸着剤を収納したものである
。

ノズル１としては、平行ノズルや先細ノズルでもよいが
、第２図に拡大して示しであるように、縮小拡大ノズル
であることが好ましい、この縮小拡大ノズルとは、流入
口１ａから徐々に開口面積が絞られてのど部１ｂとなり
、再び開口面積が拡大して流出口ＩＣとなっているもの
をいう。

縮小拡大ノズルは、原料室７の圧力ＰＯと反応室２ａの
圧力Ｐの圧力比Ｐ／Ｐｏと、のど部１ｂの開口面積Ａ”
と流出口１ｃの開口面積Ａとの比Ａ／Ａ”とを調節する
ことによって、原料の流れを高速化できる。

そして、原料室７と反応室２ａ内の圧力比Ｐ／Ｐ　Ｏが
臨界圧力比以下であれば、縮小拡大ノズルの出口流速は
超音速となり、原料を超音速にて噴出させることができ
る。

ここで、臨界圧力比とは次の値をいう。即ち、縮小拡大
ノズル１ののど部１ｂで原料の流速かき速に一致すると
、流出口ＩＣでの流速は、理想的にはのど部１ｂの断面
積Ａ゛と流出口ＩＣの断面積Ａとの開口面積比Ａ／Ａ　
”で決まるでッｌ＼数Ｍに一致する。この関係は、具体
的には後述する（３）式で決まる。そして、このような
マツハ数Ｍに対し、次の（１）式で定まる原料室７の圧
力Ｐｏと反応室２ａの圧力Ｐとの圧力比Ｐ／Ｐａを臨界
圧力比と呼ぶ。

尚、γは原料の流れの比熱比である。

原料の速度をＵ、その点における音速をａとし、原料を
圧縮性の一次元流で断熱膨張すると仮定すれば、原料の
到達マツハ数Ｍは、上流側の圧力Ｐ。と下流側の圧力Ｐ
′とから次式で定まり、特にＰ’／Ｐｏが臨界圧力比以
下の場合、Ｍは１以止となる。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとすると、次
式で求めることができる。

ａ＝「７「丁 また、流出口ＩＣの開口面ＭＡ及びのど部１ｂの開口面
積Ａ・とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、開口面積比Ａ／Ａ”Ｅよって（３）式から定ま
るＭに応じて圧力比Ｐ／Ｐ　Ｏを臨界圧力比に調整する
ことによって、拡大縮小ノズルから噴出する原料を超音
速の適正膨張流として噴出させることができる。ここで
、原料室７と反応室２ａの圧力比が臨界圧力比に等しく
なっているときの原料流の膨張を適正膨張という、また
、このときの原料の速度Ｕは、次の（４）式によって求
めることができる。

ここでＴｏは原料室７の気体温度である。

上述のような超音速の適正膨張流として原料を一定方向
へ噴出させると、原料は噴出直後の噴流断面をほぼ保ち
ながら直進し、ビーム化される。

これによって原料は、最小限の拡散で反応室２ａ。

２ｂ及び捕集室６内の空間中を、これらの壁面との干渉
のない空間的に独立状態で、かつ超音速で噴出されるこ
とになる。

ノズルｌとして縮小拡大ノズルを用いる場合、第２図（
ａ）に示されるように、流出口１ｃ位置で内周面が中心
軸に対してほぼ平行になっていることが好ましい、これ
は、噴出される原料の流れ方向が、流出口１ｃ内周面の
方向によって影響を受けるので、できるだけ平行流にさ
せやすくするためである。しかし、第２図（ｂ）に示さ
れるように、のど部１ｂから流出口ＩＣへ至る内周面の
中心軸に対する角度αを、７°以下好ましくは５°以下
とすれば、剥離現象を生じにくく、噴出する原料の流れ
はほぼ均一に維持されるので、この場合はことさらＬ記
のように平行にしなくともよい。平行部の形成を省略す
ることにより、縮小拡大ノズルの作製が容易となる。ま
た、縮小拡大ノズルを第２図（Ｃ）に示されるような矩
形のものとすれば、スリット状に原料を噴出させること
ができる。この矩形ノズルは、図示される横長状態とし
て用いても縦長状態で用いてもよい。

ここで、前記剥離現象とは縮小拡大ノズルの内面に突起
物等があった場合に、縮小拡大ノズルの内面と流過流体
間の境界層が大きくなって、流れが不均一になる現象を
いい、噴出流が高速になるほど生じやすい、前述の角度
αは、この剥離現象防止のために、縮小拡大ノズルの内
面仕上げ精度が劣るものほど小さくすることが好ましい
、縮小拡大ノズルの内面は、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１に定
められる、表面仕上げ精度を表わす逆三角形マークで三
つ以上、最適には四つ以上が好ましい、特に、縮小拡大
ノズルの拡大部における剥離現象が、その後の原料の流
れに大きく影響するので、上記仕上げ精度を、この拡大
部を重点にして定めることによって、縮小拡大ノズルの
作製を容易にできる。また、やはり剥離現象の発生防止
のため、のど部１ｂは滑らかな湾曲面とし、断面積変化
率における微係数が（至）とならないようにする必要が
ある。

縮小拡大ノズルの材質としては、例えば鉄、ステンレス
スチールその他の金属の他、アクリル樹脂、ポリ塩化ビ
ニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン等
の合成樹脂、セラミック材料、石英、ガラス等、広く用
いることができる。

この材質の選択は、原料との非反応性、加工性。

真空系内におけるガス放出性等を考慮して行えばよい、
また、縮小拡大ノズルの内面に、原料の付着・反応を生
じにくい材料をメッキ又はコートすることもできる。具
体例としては、ポリフッ化エチレンのコート等を挙げる
ことができる。

縮小拡大ノズルの長さは、装置の大きさ等によって任意
に定めることができる。ところで、縮小拡大ノズルを流
過するときに、原料は、保有する熱エネルギーが連動エ
ネルギーに変換される。

そして、特に超音速で噴出される場合、熱エネルギーは
著しく小さくなって冷却状態を作り出すこともできる。

このような低温状態を利用して、原料のエネルギーを固
定化して噴出させることも可能である。

第３図で本発明の他の実施例を説明する。

第１図のものと同様に、原料室５と反応室２ａ。

２ｂと捕集室６が直列されているが、これら各室間には
、やはり開口部３を有する調整室１２ａ　−１２ｃが介
在されている。この調整室１２ａ〜１２ｃは、バルブ８
ｅ〜８ｇ及び浄化器９ａ〜９Ｃを介してポンプ１０ａ〜
ｌｏｃに接続されている。調整室１２ａは、ノズル１の
前後の圧力比を調整しやすくするためのもので、調整室
１２ｂ、　１２ｃは、反応室２ａ、　２ｂ及び捕集室６
間相互の雰囲気の混合を防止するためのものである。特
に調整室１２ａ、　１２ｂは、反応室２ａ、　２ｂに比
し強く排気すると、この雰囲気の混合をより一層確実に
防止できる。

尚、第３図において、第１図と同じ符号は同じ部材を表
わすものである。また、本発明におけるノズルｌの上流
側と下流側は、ノズルｌから原料を噴出させる圧力調整
が可能であれば、加圧、減圧、密閉、開放を問わない、
また、反応室２ａ、　２ｂは、二室に限らず、王室以上
とすることもできる。

本発明の装置のエネルギー付与手段３ａ、３ｂとして光
エネルギーを照射するものを用いた場合について具体的
に述べる０例えば、ジシラン（Ｓｉ　２）１６）とへキ
サフロロエタン（０２Ｆ６）の混合ガスからＳｉＣを主
体とする膜を得る場合に、ジシランの光分解に必要なエ
ネルギーを、まず反応室２ａにおいてエキシマ・レーザ
で付与し、ヘキサフロロエタンの光分解に必要なエネル
ギーを、次の反応室２ｂにおいて波長可変レーザで付与
する。

このときジシランからはシリコンの活性種（例えば、・
５ｉ）ｌ：＋）、ヘキサフロロエタンからは炭素の活性
種（例えば、・ＣＦ＋）がそれぞれ選択的に得られる。

本発明の場合、流れは超音速であるため、順々にエネル
ギーを付与しても活性種は、その寿命に比し充分に反応
する時間を有する。

また、上記の場合にはＦを含む活性種の方が寿命が長い
ため、ヘキサフロロエタンを先に励起するとさらに効果
的である。

本発明を熱エネルギーに利用する場合の例としては、バ
リレンニ量体を熱分解しく４００℃程度）、単量体化し
た後、熱重合（８００℃程度）し、基体１１上にビーム
性を生かした成膜をする事があげられる。

［発明の効果］ 本発明によれば、多段の気相反応を一連の系内で連続し
て行うことができるので、新しい機能特性を持った微粒
子等を効率よく生成させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図（ａ）〜（
Ｃ）は各々縮小拡大ノズルの形状例を示す図、第３図は
他の実施例を示す説明図である。 １：ノズル、２ａ、　２ｂ：反応室。 ３ａ、　３ｂ：エネルギー付与手段、４：開口部、５：
原料室、６：捕集室、７：原料タンク、８ａ〜８ｇ：バ
ルブ、９ａ〜９ｃ：浄化器、１０ａ　〜１０ｃ　　：ポ
ンプ、ｌｌ：基体、１２ａ　〜１２ｃ　：調整室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）原料を噴出するノズルの下流側の流路に沿って、各
   々異なるエネルギー付与手段を有する複数の反応室を配
   列したことを特徴とする反応装置。