JPH06293961A - 蒸気発生回収方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物質の蒸発回収において、液膜状の物質を通
電加熱することにより、安定かつ効率的に蒸気を生成
し、これを凝縮回収する。 【構成】 上部容器12に液化物質13を収納し、その下部
に設けた円筒状の絶縁筒15の表面にこれを液膜状に流下
させる。下部容器14は液膜17を回収するもので、上下容
器には電源19を接続し、液膜17が上下容器を橋絡したと
きのみ表面通電加熱が行われ蒸気20が発生する。投入エ
ネルギの殆どは蒸気20を発生するエネルギとして消費さ
れ、蒸発効率が向上されるばかりでなく、液膜17がない
ときは通電しないためエネルギは投入されない。また、
液膜17には高周波またはパルス状態で交番する電流を通
電気することにより、表皮効果に基づき液膜17の表面の
みを効果的に加熱することができる。加えて蒸気20は凝
縮の後、鉛直方向の流下液膜22として、下部容器14に液
化還流される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通電加熱による物質の
蒸気発生回収方法及びその装置に係わり、安定な蒸気供
給を目的とした蒸気発生回収方法及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光学機器の製造工程、半導体成膜処理、
機能性材料の開発等などの産業分野では、従来より真空
蒸着法、化学蒸着法、分子線エピタキシ法などに代表さ
れる物質の蒸気化による成膜技術が一般的には駆動され
てきた。これらの技術では、成膜対象となる当該物質ま
たは当該物質の組成原材料を蒸気化して固体壁に蒸着さ
せるものであり、物質を蒸発または昇華させるための手
段としては、ヒ―タ加熱、高周波加熱、ビ―ム加熱等が
あげられる。このうち、ビ―ム加熱はレ―ザビ―ム、中
性粒子ビ―ム、荷電粒子ビ―ムをエネルギドライバとし
て、物質の表面のみを直接的かつ局部的に加熱するた
め、他の方法にはない多くの利点を有している。特に、
エネルギドライバとしての電子ビ―ムは、ビ―ム源の生
成、ビ―ム伝播、ビ―ム集束が容易であるばかりでな
く、装置全体のコストが低いなどの理由により広く利用
されているのが現状である。

【０００３】以下に、電子ビ―ム加熱による物質の蒸気
発生回収方法及びその装置の従来例について、図９及び
図10を参照して説明する。図９は従来の電子ビ―ム加熱
による物質の蒸気発生回収装置の構成を模式的に示すシ
ステム図であり、図10は図９に示す物質の蒸気の発生回
収装置の構成を示す縦断面図である。蒸発対象となる物
質１は、熱化学耐性を有する例えば坩堝などの容器２に
収納されている。次に、電子銃３から発射される電子ビ
―ム４を、図示しない外部磁場コイルにより印加される
直流磁場５により偏向して、容器２に収納される物質１
の表面上に照射する。電子ビ―ム４の照射を受けた物質
１は、そのビ―ム照射部６のみを蒸発温度以上の高温状
態に加熱され、該部から物質１の蒸気７を発生する。こ
の蒸気７は、容器２の上部に配置された処理領域８を通
して回収板９の面上に凝縮し、該面に物質１の液膜10が
生成され、液化回収される。

【０００４】一方、容器２に収納されている物質１は、
蒸気７の発生と共に減少していくため、容器２への物質
１を逐次供給してやる必要がある。しかしながら、容器
２を含め、電子銃３などの装置主要部品は全て真空雰囲
気内に配置されているため、容器２への定常的な原料供
給手段がなく、そのつど装置運転を停止しなければなら
ない。また、ビ―ム照射部６で表面反射されて生じる反
射ビ―ム11が、電子ビ―ム４が照射される物質１を収納
する容器２はもとより、図示しない周辺の構造物を加熱
してしまうため、これらの部品を冷却する別途の手段が
必要となる。

【０００５】さらに、蒸気７を回収板９の面上に凝縮さ
せて液膜10として回収する際には、回収板９の凝縮面が
下を向いているため、重力の影響を受けて液膜10が途中
で滴下してしまうおそれも生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の通り、従来から
この様な構成の蒸気の発生回収装置においては、エネル
ギドライバとして電子ビ―ムを使用しているために起因
して、次の様な問題点が指摘されてきた。

【０００７】(1) 電子ビ―ムは加熱対象となる物質表
面で反射され易く、入力パワ―の約半分しか物質加熱に
寄与しない。その他のパワ―は無効パワ―として反射、
散逸してしまい、エネルギ効率を低下させる原因とな
る。

【０００８】(2) 液化物質を容器に収納し、その表面
を局部的に加熱するため、蒸気発生源が電子ビ―ム照射
部に限定される。従って、蒸気は該部から恰もノズル噴
射されるかの様に生成され、空間的に均一な蒸気を発生
させることが困難である。また、高融点物質を蒸発させ
る場合、収納容器が高温化して材料劣化の問題点が生じ
る。

【０００９】(3) 発生した蒸気の影響を受けて、電子
銃において絶縁破壊などのトラブルが発生し易く、装置
の保守点検上の問題が生じる。さらには、これにより装
置運転時間が制限され、経済性を低下させる要因ともな
る。

【００１０】(4) 蒸気の凝縮回収において、回収板か
らの液膜の剥離、滴下により回収が円滑に行われないば
かりか、さらには回収板の下部に設置されている容器や
電子銃の上に落下して、正常な蒸気生成を阻害する可能
性が生じる。

【００１１】本発明は、上記の問題点を解決するために
発明されたものであり、上述した従来技術の欠点を除去
し、広範囲の領域に安定に蒸気を供給することを可能と
した蒸気発生回収方法及びその装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本件第１の発明に係わる
蒸気発生回収方法は、液化物質を収納する容器を上下少
なくとも１対有し、それら対を成す上下容器を円筒状の
絶縁材料により連結させて、上部容器内の液化物質をこ
の円筒状の絶縁材料の内部に充填し、この円筒内部を流
下する液化物質を円筒外部表面に湧出させる切欠き部を
絶縁材料の表面に複数箇所設け、円筒外表面にこれら切
欠き部から湧出する液化物質の液膜を形成し、電源回路
の両電極を上下容器または上下容器内の液化物質に接続
することにより高周波またはパルス状の電流を通電し、
液膜が絶縁材料の下端まで到達して、電源回路を短絡状
態にしているときは液膜に通電々流が流れて、これをジ
ュ―ル加熱して液膜を蒸発させ、生成された蒸気は絶縁
材料を取り囲む様に鉛直に設置された円筒状の回収面上
に凝縮の後、液化回収させることを特徴とする。

【００１３】本件第２の発明に係わる蒸気発生回収装置
は、液化物質を収納する手段及び上下少なくとも１対の
容器と、これら容器内の液化物質を上部容器から下部容
器へ輸送する円筒状の絶縁材料と、この絶縁材料内部の
液化物質を絶縁材料外部表面に導く切欠き部と、これに
より絶縁材料外部表面に形成される液膜を通電加熱によ
り蒸発させ、この蒸気を凝縮させて重力方向に液化回収
する手段とを備えたことを特徴とする。

【００１４】本件第３の発明に係わる蒸気発生回収装置
は、本件第２の発明に記載の蒸気発生回収装置におい
て、円筒状の絶縁材料外部表面を螺旋状に旋回する溝型
形状を有し、この溝型形状内を液化物質が絶縁材料外部
表面を回周しながら流動することを特徴とする。

【００１５】本件第４の発明に係わる蒸気発生回収装置
は、本件第２の発明に記載の蒸気発生回収装置におい
て、螺旋状に旋回する溝型形状の傾斜方向が、円筒状の
絶縁材料下部に行く程水平に近づく様にすることによ
り、円筒軸方向の液膜流速が場所によらず一定となる様
にしたことを特徴とする。

【００１６】

【作用】本発明に係わる蒸気発生回収方法及びその装置
によれば、蒸気が充満する領域に、電子銃の様に高電圧
が印加され複雑な構造を有する装置を配置する必要がな
い。また、高温の原材料を保持するための容器や、原材
料を供給する機構も一切必要とせず、蒸気回収過程にお
ける液膜剥離、滴下を未然に防ぐことができる。これに
より装置構成が非常に単純となり、故障等の心配がな
く、信頼性の高い装置を成し得る。さらに、液膜化した
物質を通電々流によりジュ―ル加熱して蒸気化している
ため、無駄なエネルギの要因となる容器冷却が不要とな
り、投入されたエネルギの殆ど全てが蒸発のためのエネ
ルギとして有効に利用され、蒸発効率を向上させること
が可能である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面に従
って説明する。図１は本発明に係わる一実施例の装置構
成を示す縦断面図、図２は図１に示す装置構成における
要部斜視図を示す。図３は図１に示す装置中心部の構造
を示す縦断面図、図４，図５はそれぞれ図１のＩ−Ｉ線
に沿う矢視断面図、及びＡ部の拡大図である。また、図
６は本装置に給電する電源装置構成を示すシステム図、
図７は液化物質に通電する電流特性図を示す。図８は、
他の実施例に係わる装置要部の外観を示す斜視図であ
る。尚、従来の物質の蒸気発生回収方法及びその装置構
成を示す図９及び図10において、既に示した部品と同じ
部品については、以下図１〜図８においても同じ番号を
付している。

【００１８】図１〜図４において、上部容器12には図示
しない別途の手段により液化物質13が供給され、上部容
器12と対向して下部容器14が配設されている。上部容器
12と下部容器14は絶縁筒15により橋絡されており、上部
容器12の底部の孔16から絶縁筒15の外部表面を伝って流
下する液化物質13は液膜17の最上流部を形成する。一
方、絶縁筒15の内部に充填されている液化物質13ａは、
絶縁筒15に所定間隔で設けられた切欠き部18を通して絶
縁筒15の外部表面に湧出する。この様に湧出した液化物
質13ａは液膜17に合流し、液膜17を安定化すると共に液
膜厚さｄを常に必要値に維持する機能を有する。最後に
これらの液化物質13及び13ａは、液膜17として下部容器
14に還流する構成となっている。

【００１９】さらに、上部容器12及び下部容器14には、
電源19が接続されている。液膜17が絶縁筒15の外部表面
を流下して下部容器14に到達した場合は、液膜17が上部
容器12と下部容器14とを短絡し、電気的な閉回路を形成
する。よって、電源19により液膜17の表面上を電流が流
れ、液膜17の電気抵抗によりジュ―ル熱を発生して、液
膜17が蒸発して放射方向に拡散する蒸気20が発生する。
また、液膜17が下部容器14に到達しないか、または液膜
17が蒸発してしまい、絶縁筒15の外部表面の一部もしく
は全部が乾燥し、電源19を含む電気的閉回路が形成され
ないときは、ジュ―ル熱は発生しない。

【００２０】一方、上記の装置を取り囲む様に外筒21が
設置されており、蒸気20は処理領域22を通過の後、外筒
21の内面上に凝縮され、鉛直下向きに流下液膜23として
回収される。この流下液膜23は、外筒21の下部に設置さ
れた回収筒24の上を経由して、下部容器14へと還流さ
れ、ポンプ25により再び上部容器12へと戻される。

【００２１】ここでは液膜17の通電加熱手段の一例とし
て、図６に示す様にコンデンサバンクをエネルギ源とす
るパルス電源を用いている。充電抵抗Ｒ_C を通してコン
デンサＣに充電々流Ｉ_C を流した後、スイッチＳw をＯ
Ｎ状態にして放電々流Ｉ_D を液膜17に通電する。このと
き、放電々流Ｉ_D は図７に示す様な時間特性を示し、コ
ンデンサＣの充電々圧Ｖ_O 、液膜17の固有抵抗をＲ、外
部回路の浮遊インダクタンスをＬ、時間をｔとすると、
(1)式の様に与えられる。但しここで浮遊インダクタン
スＬは微少量と考え、Ｒ² −４Ｌ／Ｃ＞０の条件を満足
するとしている。

【００２２】

【数１】

【００２３】(1)式はＬＲＣ放電特性として図７中の実
線にて示されているが、図中破線はＲＣ放電特性（Ｌ＝
０とする）を示すものであり、これは (1)式とほぼ近似
であるが、 (1)式が浮遊インダクタンスＬの影響によ
り、時間ｔ＝０の近傍での急激な立ち上がりを呈する点
が異なる。ここで、 (1)式の特性時間τはＬ＝０とした
ときのＲＣ放電特性の特性時間 (2)式にほぼ等しいと考
え、このときの投入パワ―Ｐは (3)式の通り与えられ
る。

【００２４】

【数２】

【００２５】また、放電々流Ｉ_D が液膜17を通電する場
合、周波数ωによる表皮効果が現れる様になる。すなわ
ち、放電々流Ｉ_D の各周波数成分Ｉ_D は (4)式の通り
表皮深さδに比べて表面に近い部位に通電し易く、表皮
厚さδは (5)式に示す様に液膜17の導電率ρ_e 、透磁率
μ₀ に依存し、高周波になれば表皮厚さδは小さくな
る。ここで、ｚは液膜17の表面からの深さ座標を示す。
特に液膜17の厚さｄとして、 (6)式が満足される様な場
合は液膜17の表面近傍を集中的に通電することができ
る。このため、投入パワ―Ｐの殆どは液膜17の表面のみ
を効果的に加熱し、高い蒸発効率をもって蒸気20を発生
させることが期待できる。

【００２６】

【数３】

【００２７】一方、液膜17は上部容器12から流下してく
るが、このうち絶縁筒15に接触している壁面部位26は摩
擦により流速はゼロとなっている。これに対して、液膜
17の表面部位27は自由境界面として所定の流速を有して
おり、液膜17内では、図５に示す様な流速分布を呈して
いる。このため、上記の通り放電々流Ｉ_D の通電により
液膜17の表面部位27が瞬時にして加熱されるが、これに
より発生する高温層28に含まれる熱エネルギは液膜17の
厚さ方向の熱伝導により拡散する前に、液膜流下方向に
流速移動し、下部容器14に回収される。この様に表面部
位27に定在的な高温層28を形成し、液膜17を絶えずカ―
テン状に流下させていることにより、熱伝導により絶縁
筒15の温度上昇を抑制することができる。また、蒸気20
は外筒21の内表面に凝縮される。

【００２８】この様に本実施例では、原料を蒸発させる
ために電子ビ―ムを使用せず、液膜17に電流を通電し
て、そのジュ―ル熱により加熱蒸発させているので、従
来装置の様に高温状態の溶融原料を保持するための原料
容器、または原料容器を冷却するための冷却設備が不要
となり、装置全体を簡単な構成に成し得る。また、投入
エネルギの殆ど全てを原料を蒸発させるためのエネルギ
として利用できるので、蒸発効率を著しく高めることが
できる。

【００２９】一方、本実施例においてはポンプ25を設置
するなど、上部容器12に液化物質13を供給する機構を容
易に配置することができ、原料の追加、保守点検も比較
的簡便に実施できる。

【００３０】本発明の他の実施例について、図８に基づ
き説明する。図８は絶縁筒15の表面形状を示す斜視図で
あり、絶縁筒15の全周に液膜17の流下方向に対して螺旋
状に回周する溝部29を加工している。液膜17は溝部29に
沿って円滑に流下する様になり、液膜17の流量を増加さ
せても、液膜厚さｄのムラなどに起因してもたらされる
流体力学的不安定性が発生する心配がなくなる。また、
絶縁筒15の下部にいくに従って液膜17の流量が増加して
も、図中の溝部傾き角度θを適宜大きくするなどの調整
を行うことにより液膜流下速度が過度に大きくならない
様にすることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明に係わる蒸気発
生回収方法及びその装置によれば、液膜状の原料に電流
を通電してジュ―ル熱を発生させ、その熱により原料を
加熱蒸発させて蒸気を生成しているので、投入されたエ
ネルギの殆ど全てが蒸発のためのエネルギとして有効に
利用され、原料の蒸発効率を向上させることができる。

【００３２】このとき、電気的な絶縁性を有する円筒表
面に液膜を上部から下部へ恒常的に流下させ、これに交
番する電流を通電しているため、表皮効果に基づき液膜
表面のみを効果的に加熱することができる。またこのと
きの蒸発源は、従来方法における様な点状蒸発源ではな
く、面状蒸発源となるため、処理領域での蒸気の密度を
高く維持することができる。

【００３３】また、外部電源から供給される通電々流
は、液膜の状態により自動的に調整されるため、蒸気発
生のムラがなく安定した運転が可能となる。さらに、従
来よりトラブルの主要因となっていた電子銃の故障から
解放され、原料容器の冷却のための付加装置も不要とな
るなど、装置の単純化と高信頼性が保証される。加え
て、処理後の蒸気回収を、鉛直下向きの流下液膜として
行うため、液滴落下の様な従来の心配がない液化回収シ
ステムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係わる蒸気発生回収装置の構成
を示す縦断面図。

【図２】図２は図１に示す装置構成における要部斜視
図。

【図３】図３は図１に示す装置中心部の構造を示す縦断
面図。

【図４】図３は図１に示すＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図。

【図５】図４は図１におけるＡ部の拡大図。

【図６】図５は図１に示す装置に給電する電源装置構成
を示すシステム図。

【図７】図６は図５に示す電源装置による放電々流特性
図。

【図８】図７は他の実施例に係わる装置要部の外観を示
す斜視図。

【図９】図９は従来の電子ビ―ム加熱による物質の蒸気
発生回収装置の構成を模式的に示すシステム図。

【図１０】図10は図９に示す物質の蒸気発生回収装置の
構成を示す縦断面図。

【符号の説明】

１…物質 ２…容器 ３…電子銃 ４…電子ビ―ム ５…直流磁場 ６…ビ―ム照射部 ７…蒸気 ８…処理領域 ９…回収板 10…液膜 11…反射ビ―ム 12…上部容器 13，13ａ…液化物質 14…下部容器 15…絶縁筒 16…孔 17…液膜 18…切欠き部 19…電源 20…蒸気 21…外筒 22…処理領域 23…流下液膜 24…回収筒 25…ポンプ 26…壁面部位 27…表面部位 28…高温層 29…溝部 Ｃ…コンデンサ容量 ｄ…液膜厚さ Ｉ_C …充電々流 Ｉ_D …放電々流 Ｉ_D …Ｉ_D の周波数成分 Ｌ…浮遊インダクタンス Ｐ…投入パワ― Ｒ…液膜の固有抵抗 Ｒ_C …充電抵抗 Ｖ_O …充電々圧 ｔ…時間 ｚ…液膜表面からの深さ座
標 δ…表皮厚さ θ…傾き角 μ_o …透磁率 ρ_e …導電率 τ…特性時間 ω…周波数

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化物質を収納する容器を上下少なくと
   も１対有し、それら対を成す上下容器を円筒状の絶縁材
   料により連結させて、上部容器内の液化物質をこの円筒
   状の絶縁材料の内部に充填し、この円筒内部を流下する
   液化物質を円筒外部表面に湧出させる切欠き部を絶縁材
   料の表面に複数箇所設け、円筒外部表面にこれら切欠き
   部から湧出する液化物質の液膜を形成し、電源回路の両
   電極を上下容器または上下容器内の液化物質に接続する
   ことにより高周波またはパルス状の電流を通電し、液膜
   が絶縁材料の下端まで到達して、電源回路を短絡状態に
   しているときは液膜に通電々流が流れて、これをジュ―
   ル加熱して液膜を蒸発させ、生成された蒸気は絶縁材料
   を取り囲む様に鉛直に設置された円筒状の回収面上に凝
   縮の後、液化回収させることを特徴とする蒸気発生回収
   方法。
2. 【請求項２】 液化物質を収納する手段及び上下少なく
   とも１対の容器と、これら容器内の液化物質を上部容器
   から下部容器へ輸送する円筒状の絶縁材料と、この絶縁
   材料内部の液化物質を絶縁材料外部表面に導く切欠き部
   と、これにより絶縁材料外部表面に形成される液膜を通
   電加熱により蒸発させ、この蒸気を凝縮させて重力方向
   に液化回収する手段とを備えたことを特徴とする蒸気発
   生回収装置。
3. 【請求項３】 円筒状の絶縁材料外部表面を螺旋状に旋
   回する溝型形状を有し、この溝型形状内を液化物質が絶
   縁材料外部表面を回周しながら流動することを特徴とす
   る請求項２に記載の蒸気発生回収装置。
4. 【請求項４】 螺旋状に旋回する溝型形状の傾斜方向
   が、円筒状の絶縁材料の下部に行く程水平に近づく様に
   することにより、円筒軸方向の液膜流速が場所によらず
   一定となる様にしたことを特徴とする請求項２に記載の
   蒸気発生回収装置。