流体混合器、流体混合輸送路および流体混合方法
【課題】
物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して混合することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、流体輸送管の内部に複数の筒状ノズルを配置して複数の筒状ノズルの前後の筒状ノズルにより相互にサイクロン流を逆方向に旋回させることで、物理的に質の異なる流体を混合して輸送流体を均質化して輸送する。
物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して混合することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、流体輸送管の内部に複数の筒状ノズルを配置して複数の筒状ノズルの前後の筒状ノズルにより相互にサイクロン流を逆方向に旋回させることで、物理的に質の異なる流体を混合して輸送流体を均質化して輸送する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体混合器、流体混合輸送路および流体混合方法に関し、詳しくは、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して輸送することが可能であって、特に、半導体製造装置の反応炉に安定的な原料ガスを供給することができ、しかもガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができるような流体混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術では、砒素等のイオン注入ドーピングのための原料ガスをアルシンあるいは水素などにより希釈することが行われている。このような場合にガス混合器が使用されて原料ガスの希釈が行われる（特許文献１）。
ＣＶＤ装置等の半導体製造装置のプロセス材料となる液体原料は気化器により気化されてガス化されてＣＶＤ装置等の反応炉に送出される。気化器に設けられる霧化器では有機金属材料の原料液をキャリアガスにより霧化（ミスト化）して複数の原料液のミストを螺旋溝を通してサイクロン混合して液体原料をガス化することが行われている（特許文献２）。
【０００３】
さらに、半導体製造の分野では逆方向に捩れた捻れ部材を連続的に配置して混合するガス輸送路もある。これに類するものとして、半導体関係の分野とは別に、石油等の流体を流す輸送路において密度の相違する流体を混合して均質化して輸送する多相流体混合装置が公知である（特許文献３）。これは、輸送路の内部に旋回路を形成する捻れプレートを設けて捻れプレートを通すことにより旋回する流体の流れを発生させて密度の相違する流体を混合して均質化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５４３５６３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６８５５２号公報
【特許文献３】特開２００１−１６２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されるものは、単に配管路で物理的に質の異なる２系統のガスをＴ字管で合流させることで混合するものである。このようにＴ字管で２系統のガスを合流混合したとしても物理的に質の異なるガスが管に流れるときには輸送管内のガスの流れが層流となるので、輸送ガスは、管壁面側と管中心側とで濃度の異なる混合状態になり易く、安定的な原料ガスを反応炉等に供給するには安定的な原料ガスとしては十分なものになっていない問題がある。
特許文献２のように原料液のミストとキャリアガスを混合する方法は、輸送管に長い複数の螺旋溝を形成する必要がある。しかも、最近では、高誘電率材料、低誘電率材料、低抵抗材料、強誘電体材料などの温度制御条件が厳しい低蒸気圧材料の液体原料（固体原料は溶剤に溶かして液化）の原料ガスをキャリアガスと混合して輸送する。そのため、螺旋溝によるサイクロン輸送によるガス混合は、螺旋溝を長く採ることが要求され、その上、混合ガスが螺旋溝の壁面で温度変化を起こしやすい。これにより原料が再凝縮されてフレーク、パーティクルが発生する問題がある。
【０００６】
さらに、特許文献３のような捻れプレート等により混合されたガスを半導体製造技術で使用することも考えられるが、また、半導体技術の分野では、捩れた捻れ部材を連続的に配置して混合することも行われているが、輸送管内部で捻れプレート等により生成される旋回流（サイクロン流）は強い旋回流とはならないために十分な均質混合を求めるには、その分、輸送管の距離を長くせざるを得ない。そのため、ガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することが難しくなる。
なお、次世代半導体製造において、原料の再凝縮によるフレーク、パーティクルの発生を抑制するために、また、より安定的な原料ガスを反応炉に供給するためにガス供給源から反応炉までの輸送路の短縮は要請される事項の１つである。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して混合することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、半導体製造装置の反応炉に安定的な原料ガスを供給することができ、しかもガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するためのこの発明の流体混合器および流体混合輸送路の特徴は、流体輸送管と、この流体輸送管の内部に固定されこの流体輸送管の内径より小さい外径と開口した底部とを有しその筒軸が流体輸送管の管軸方向に沿って配置されその頭部が閉塞され物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を外側あるいは内側に吹出す吹出口がその側面に形成された複数の筒状ノズルとを備えている。そして、複数の各筒状ノズルの吹出口から吹出す輸送流体が流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当たることであるいは筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当たることでサイクロン流が生成されるものであって、複数の筒状ノズルは、所定間隔で配置され、サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の筒状ノズルの吹出口が配置されているものである。
また、この発明の流体混合方法の特徴は、複数の各筒状ノズルから吹出す前記の輸送流体を流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当ててあるいは筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当ててサイクロン流を生成しかつ前後の筒状ノズルから吹出す輸送流体のサイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の筒状ノズルの吹出口を配置するものである。
【発明の効果】
【０００８】
このように、この発明にあっては、流体輸送管の内部に複数の筒状ノズルを配置して複数の筒状ノズルの前後の筒状ノズルにより相互にサイクロン流を逆方向に旋回させることで、物理的に質の異なる流体を混合して輸送流体を均質化して輸送する。
これにより、輸送管に距離の長い複数の螺旋溝や捩れた捻れ部材を設ける必要がなく、流体輸送管において強いサイクロン流を生成する混合器を簡単にしかも管長を短いものとして形成することができる。しかも、流体輸送管路として混合器を造ることができるので、特に、半導体製造の分野ではガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる。
その結果、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで流体輸送管路において流体を混合して均質化して輸送することが可能となり、例えば、半導体製造装置などにあっては、反応炉に安定的な原料ガスを供給することが可能でかつガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した一実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図１（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
【図２】図２（ａ）は、サイクロン流を生成する筒状ノズルについての説明図、図２（ｂ）〜（ｄ）は、その円筒ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。
【図３】図３（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図３（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、その筒状ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。
【図５】図５は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用したさらに他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１（ａ）において、１０は、ガス混合輸送管路であって、１はそのガス混合器である。ガス混合器１は、ガス合流管２と輸送管３の間に配置されている。ガス合流管２は、例えば、液体原料ガス４ａと希釈ガス４ｂを受けてこれの合流ガスをガス混合器１へ混合ガス４ｃとしてと流す。あるいは、このガス合流管２は、ガス化されたあるいはミスト化された液体原料ガス４ａとキャリアガス４ｂ等の不活性ガスからなる反応ガスの合流管となっていて、半導体処理装置へその混合ガスを原料ガスとして流す輸送管に当たる。
ガス合流管２は、Ｔ字型の管路を形成していて、直進方向に液体原料ガス４ａが供給され、直角方向から希釈ガス４ｂあるいはキャリアガス４ｂが供給される。交叉するＴ字路の内部でこれら物理的に質の異なる２系統のガスが合流して混合ガス４ｃとしてこれらのガスがガス合流管２を経てガス混合器１へと送出される。
ここでは、ガス混合器１とガス合流管２、そして輸送管３の管内径は等しく、２０ｍｍφ〜３０ｍｍφ程度のものである。
ここで、物理的に質の異なるとは、液体原料ガスと希釈ガス、液体原料ガスとキャリアガスなどのように異なる物質である場合と、液体原料のミストと完全に気化された液体原料ガスなど、質量，粒径等が相違する場合も含む意味である。
ガス合流管２から輸送管３へと流れる混合ガス４ｃは、ガス合流管２では２系統のガスが混ざり合ってはいるが、それらが層流となってガス混合器１へ輸送される。しかし、ガス混合器１を経て輸送管３へと流れ出る混合ガス４（以下ガス４）はサイクロン流（旋回流）となっている。これにより混合ガスは均質化され、しかも、ガス４が流れる管中心部と管周辺部との温度差もなく、サイクロン効果により均一な温度でガス４が輸送されることになる。
【００１１】
ガス混合器１は、ガス合流管２と輸送管３との間において溶接点Ｓ1，Ｓ6においてこれらに溶接接合されて設けられている。
ガス混合器１は、管本体５と、この管本体５の内部に所定間隔で固定された３個の筒状ノズル６，７，８とからなる。各筒状ノズル６，７，８の外径は、管本体５の内径より小さく、１０ｍｍφ〜１５ｍｍφ程度である。
なお、筒状ノズル６，７，８における所定間隔は、ガス４のサイクロン流としての流れが後段の筒状ノズルまで維持できる間隔であれば任意に選択することが可能である。逆にたとえ、相互に頭部と底部とが接触する程度に近くても、前段におけるガス４のサイクロン流が後段に伝達される距離が維持されていればそれでもよい。
ところで、このガス混合器１は、両側にエッジフランジ（縁辺突起部）を設けて、ガス合流管２と輸送管３とに同様なエッジフランジ（縁辺突起部）を設けてエッジフランジを介してボルト結合等により押圧固定してガス合流管２と輸送管３からなる輸送管路の間にガス混合器１を設けてもよい。
【００１２】
ガス混合器１は、筒状ノズルが設けられた３個の筒状ノズル管５１と２個の接続管５２とが交互に接続されて溶接線Ｓ2〜Ｓ5で結合されることで構成されている。筒状ノズル管５１にはノズル固定円板５３が管を塞ぐ節としてあらかじめ溶接固定されている。ノズル固定円板５３には各筒状ノズル６，７，８の外径に対応する孔５４がノズル固定円板５３の中心よりも偏心した位置に開けられている（図１（ｂ）参照）。そこで、管本体５は、筒状ノズル管５１の管と２個の接続管５２とにより構成される。
それぞれ筒状ノズル６，７，８は、３個の筒状ノズル管５１のノズル固定円板５３のそれぞれの孔５４に挿入されて溶接固定される。これにより３個の筒状ノズル管５１が形成され、これらの筒状ノズル管５１のそれぞれが２つの接続管５２を挟んで交互に配置されて溶接されている。
【００１３】
筒状ノズル６，７，８には、それぞれ吹出口６ａ，７ａ，８ａがその側面にそれぞれ設けられている。それぞれの筒状ノズル６，７，８の頭部６ｂ，７ｂ，８ｂは、半球状に形成され、閉塞している。
図１（ａ）では、吹出口６ａ，８ａを実線で示し、吹出口７ａを点線で示してある。図１（ｂ）に示すように筒状ノズル６と筒状ノズル８とは、吹出口６ａ，８ａが同じ位置にあって、筒状ノズル６が設けられた筒状ノズル管５１と筒状ノズル８が設けられた筒状ノズル管５１とは同じ構造になっている。これに対して図１（ｂ）に示すように筒状ノズル７の吹出口７ａの位置は、吹出口６ａ，８ａとは相互に反対方向に配置されるように異なった位置にある。
すなわち、実線で示す吹出口６ａ，８ａは図面表側に向いていて、点線で示す吹出口７ａの位置は、図面裏面側に向いていてガス４の吹出し方向が異なっている。
なお、図１（ａ）においては、説明の都合上、筒状ノズル６は部分断面図としているが、筒状ノズル７，８はそれぞれ断面図としてはいない。
各吹出口６ａ，７ａ，８ａは、短径（最短直径）が３ｍｍφで長径（最長直径）が１０ｍｍφ程度の長孔である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように筒状ノズル６〜８の各筒軸（筒の中心）は、筒状ノズル管５１の管本体５の中心に対して偏心した位置に配置されている。
この円筒ノズルの構造について筒状ノズル６を一例として図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、図２（ａ）は、サイクロン流を生成する筒状ノズルについての説明図、図２（ｂ）〜（ｄ）は、その円筒ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。また、説明の都合上、図２（ａ）においては筒状ノズル６だけを示し、筒状ノズル７，８が省略されている。
筒状ノズル６は、図２（ｂ）に示すように、円板部材６１と、この円板部材６１からガス４の輸送方向に筒状ノズル管５１の管本体５の軸方向に沿って突出し、頭部が半球状に閉塞されたノズル部６２とからなる。
ノズル部６２には、側面に吹出口６ａが設けられていて、吹出流が横方向（ノズル部６２の筒軸方向ではなく、これに対してほぼ直交する面の方向）に噴射される。ノズル部６２の底部の開口は円板部材６１の開口に連通していて筒状ノズル６の底部は開口６３となっていて、この開口６３にガス４ｃを受ける。
【００１５】
図２（ａ），図２（ｃ），図２（ｄ）に示すように、筒状ノズル６の筒軸の位置は、吹出口６ａが筒状ノズル管５１の円形内壁面５３に近い位置に配置されるように筒状ノズル管５１の管軸の位置（その中心線Ｏ）よりも円形内壁面５１ｂ側に所定量（＝Δｄ，図２（ｄ）参照）だけオフセットしている。
これにより各筒状ノズル６の側面に設けられた吹出口６ａは、それぞれに図２（ａ）に示すように、ガス吹出し位置においては円形内壁面５１ｂ近傍に位置しかつその開口方向がガス４の吹出し位置に対応する円形内壁面５１ｂに対応するように配置されている。
その結果、ガス４は、筒状ノズル６の横方向（輸送管路の管軸に対してほぼ直角方向）から円形内壁面５１ｂに沿って吹出されるので、生成される、ガス４のサイクロン流は、その波形空間周期が短く、強いサイクロン流となる。なお、サイクロン流の強さは、ガス４の流速と吹出口６ａと開口径にも関係しているが、吹出口６ａが開口６３よりも小さくなっていて、筒で絞られてガス４が噴射されることで、螺旋溝や捩れた捻れ部材に比してより強いものとなる。
以上のことは、筒状ノズル７，８の各吹出口７ａ，８ａについても同様であり、吹出すガス４が筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たってサイクロン流となるように筒状ノズル６の側面に長円形に穿孔されている。なお、各吹出口６ａ〜８ａは、長楕円形であってもよい。
【００１６】
また、図２（ｃ）に示すように、円形内壁面５１ｂ側に吹出口をオフセットさせることで、吹出したガス４の流れのうち逆流しようとする流が筒状ノズルの外壁面と円形内壁面５１ｂとの間に流れ込む。このことでこの領域の圧力が上がり、これに対して逆流しない吹出流が流れるより広い空間の圧力は低くなるので吹出す空間の圧力差により吹出すガスの流れがガス４の吹出し位置に対応する円形内壁面５１ｂにおいて接線方向に向かい円形内壁面５１ｂに沿うように曲がる。
特に、図２（ｄ）に示すように、吹出口を接線Ｔに対してθ傾けることで吹出すガスの流れが円形内壁面５１ｂに沿い易くなり、サイクロン流を生成し易くなる。これにより、筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに吹出流が当たるとき当たる位置での接線Ｔに対する吹出流の傾斜が小さくなる上に、単に斜めから円形内壁面５１ｂに当ててサイクロン流を生成する場合よりも効率よくサイクロン流の生成ができる。
もちろん、前記のオフセットは、筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに各筒状ノズル６〜８のそれぞれの外壁面が接触するものであってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）は、３個の筒状ノズル６，７，８の吹出口位置での横断面説明図である。筒状ノズル６と筒状ノズル８の吹出口６ａ，８ａと筒状ノズル７の吹出口７ａとは、縦側の中心線Ｏｖを挟んで対称に配置されている。そのためガス４を吹出すこれらの方向が逆方向となり、筒状ノズル管５１の円形内壁面に斜めから当たって、前者はガス進行側からみて反時計方向の回転となり、後者が時計方向の回転となる。
図１（ａ）に戻り、このサイクロン流について説明すると、筒状ノズル６の吹出口６ａから吹出すガス４は、図１（ｂ）に示すように吹出口６ａが縦側の中心線Ｏｖの左側に位置しているので、管内壁面左側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動して反時計方向に旋回するサイクロン流となる。そして、そのサイクロン流となったガス４は、接続管５２を通り、次の筒状ノズル７へと至る。筒状ノズル７では、図１（ｂ）に示すように吹出口７ａが縦側の中心線Ｏｖに対して吹出口６ａと対称となる管内壁面右側に位置しているので、サイクロン流となったガス４は、管内壁面右側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動して前記とは逆に時計方向に回転するサイクロン流となる。
【００１８】
さらに、筒状ノズル８では、図１（ｂ）に示すように吹出口８ａが吹出口６ａと同様に管内壁面左側に位置しているので、管内壁面左側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動するので、サイクロン流となったガス４は、前記の筒状ノズル７の場合とは逆に時計方向に旋回する。
これにより、前後の筒状ノズル６，７の吹出口６ａ，７ａ、そして筒状ノズル７，８の吹出口７ａ，８ａの関係は、それぞれにサイクロン流の回転方向が逆転される配置になっている。
その結果、物理的に質の異なるガスを含むガス４は、流れる方向が２回反転されることになり、この逆転の旋回により均質化される。しかも、ガス合流管２を層流となって流れたガス４ｃは、ガス混合器１を経ることで筒状ノズルの吹出口８ａから輸送管３にサイクロン流となって流れ出る。
【００１９】
図３（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図３（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
図３（ａ）に示すように、１１は、図１（ａ）のガス混合器１に対応するガス混合器であるが、各筒状ノズル１２，１３、１４がそれぞれ図１（ａ）に示す筒状ノズル６，７，８とは異なり、管本体９内においてガス４の流れる方向に対して図１（ａ）とは逆向きに管本体９内に固定されている。しかも、その筒形状にあっては、その筒長さが短く帽子状のものになっていて、各筒状ノズル１２，１３、１４の筒軸は、ガス合流管２と輸送管３の軸に一致するように、オフセットされることなく、管本体９の軸に一致して中央に配置されている。
その理由は、筒状ノズルの外側から内側に流体を吹出して筒状ノズルの内側にある円形内壁面に斜めから当ててサイクロン流を生成するからである。
【００２０】
図３（ａ）の筒状ノズル管９１は、図１（ａ）の筒状ノズル管５１に対応しているが、先端部に筒状ノズルが一体的に形成された管となっている点で相違している。そこで、筒状ノズル管９１の筒状ノズル側を頭部とすると、この頭部側とこれに対して後ろ側となる筒状ノズル管９１の管端部とが接続管９２に接続されて３つの筒状ノズル管９１が接続管９２を介して溶接固定されることで、筒状ノズル１２，１３，１４を備えるガス混合器１１が形成されている。なお、この場合、接続管９２を省いて、前段の筒状ノズル管９１の後側の管端部と筒状ノズル管９１の頭部とを直接接続することも可能である。
ここでの接続管９２は、図１（ａ）の接続管５２に対応している。また、筒状ノズル２２を有する筒状ノズル管９１の前端部には、他の接続管９２より少し長い接続管９２が接続され、溶接箇所Ｓ7〜Ｓ13でそれぞれの管を接続する。
【００２１】
筒状ノズル１２，１３，１４は、図１（ａ）の筒状ノズル６，７，８とは異なり、それぞれに３個の吹出孔が設けられている。
これについて筒状ノズル１２を一例として図４を参照して以下説明すると、図４（ｃ）に示すように筒状ノズル１２の側面には３個の吹出孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。
図４（ｂ）の断面図に示すように、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、筒状ノズル１２の筒軸に直交する面に沿ってかつ筒状ノズル１２の円形内壁面に接線方向で接続するように外周側面において筒状ノズル１２の外周に対して等間隔になるように外周側面に対して斜めに穿孔された３個の孔である。
図４（ｃ）の筒状ノズル１２に例で示すように、各孔の接線方向での内部との接合は、筒状ノズル１２の内径が１０ｍｍφのときには筒状ノズル１２の筒軸に直交する面内で接続箇所に立てた法線Ｎに対して傾斜角θがθ＝６０°程度の傾斜になる。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、筒状ノズル１２は、帽子状のノズル部１２１とこの帽子の鍔部となるフランジ部１２２とからなる。フランジ部１２２は、図２（ａ）の円板部材６１に対応する円板部材となっていてその厚さが１ｍｍであり、筒状ノズル管９１の管内径を１５ｍｍφとし、管厚を１ｍｍとすると、外径が１７ｍｍφの円板となる。筒状ノズル１２の最大外径は１２．０ｍｍφである。
各吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、フランジ部１２２の表面から２．５ｍｍ〜５ｍｍの高さ位置に形成されている。フランジ部１２２の表面から孔径の倍以上、吹出口の位置が離れていないと、筒状ノズル１２の円形内壁面にガス４の吹出流が十分に当たらなくなるからである。
【００２３】
フランジ部１２２に結合する位置での筒状ノズル１２の外径は、筒状ノズル管９１の内径の１／２の径よりも大きく、筒状ノズル１２の帽子状の頭部は半球状に閉塞されている。その高さは１２ｍｍであり、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃの孔径は、例えば２．０ｍｍφであって、これは、１．０ｍｍφ〜５ｍｍφの範囲から選択される。
なお、筒状ノズル管９１の内径は、筒状ノズル１２の外径より大きく、筒状ノズル１２の内径は、筒状ノズル管９１の内径と等しいか、これより小さいものであればよい。
以上のことは、筒状ノズル１３，１４も同様の構造になっているが、図３（ｂ）に示すように、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃあるいは吹出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃと吹出口１３ａ，１３ｂ，１３ｃとは図１の実施例の縦側の中心線Ｏｖを挟んだ対称配置と同様に、中心線Ｏｖを中心に反転した状態で相互に対称関係の孔配置になっている。
すなわち、筒状ノズル１２の吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび筒状ノズル１４の吹出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれガス４の進行方向側からみてガス４が筒状ノズル１２，１４の内部に時計方向に流入するように側壁面に対して斜めに穿孔されている。これに対して筒状ノズル１３の吹出口１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、これとは穿孔方向が逆になっていて、ガス４が筒状ノズル１３の内部に反時計方向に流入するように側壁面に対して逆方向に斜めに穿孔されている。
これにより、物理的に質の異なるガスを含むガス４は、図１の実施例と同様に流れる方向が２回逆転されることになり、この逆転の旋回を経て均質化される。
【００２４】
図５は、図１の筒状ノズル７のように吹出孔の位置を筒状ノズル６，８の吹出孔に対して対称配置することなく、同じ構造の２個の円筒ノズル１６との間に吹出口の穿孔方向の異なる１個の円筒ノズル１６ａを配置してこれら３個のうち真ん中の円筒ノズル１６ａの方向をガス４の流れに対して他の円筒ノズル１６とは反対方向（逆方向）に向けたものである。
ガス混合器１５は、ガス合流管２と輸送管３との間において溶接点Ｓ14，Ｓ19においてこれらに溶接接合されて設けられている。そして、それぞれに円筒ノズル１６，１６ａを有する３個の筒状ノズル管５１ａと２個の接続管５２ａ，５２ｂとが交互に接続されて溶接線Ｓ15〜Ｓ18で結合されることで構成されている。なお、接続管５２ａは、接続管５２ｂよりもその長さが長い。
２個の筒状ノズル１６と１個の筒状ノズル１６ａの筒軸は、ガス合流管２と輸送管３の軸に一致するように、オフセットされることなく、筒状ノズル管５１ａの管と２個の接続管５２ａ，５２ｂの管とからなる管本体の軸に一致して中央に配置されている。
なお、図１（ａ）に示したように、５３は、筒状ノズル管５１ａのノズル固定円板であり、５４は、固定円板５３に設けられた筒状ノズル１６あるいは筒状ノズル１６ａの外径に対応する孔である。
【００２５】
ガス混合器１５は、図３（ａ）のガス混合器１１に対応するガス混合器であるが、２個の筒状ノズル１６と１個の筒状ノズル１６ａは、図１（ａ）のガス混合器１１の円筒ノズル６と同様に長い筒状の円筒ノズルである。これらのうち最初と最後の筒状ノズル１６は、その吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａが筒状ノズル１６の筒軸に沿って筒側面に縦に穿孔されている。これら吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａは、図３（ｂ）の吹出孔１２ａと同様な小さな孔が３個縦に配列されたものである。図では見えていないが、図３（ａ）に示す実施例の吹出孔１２ｂ，１２ｃと同様に円周方向に穿孔された吹出口１７ｂ，１８ｂ，１９ｂと吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃとがあるが図では見えていない。
すなわち、吹出口１７ａ，１８ａ，１９ａ〜吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃは、筒状ノズル１６の筒軸に直交する面に沿ってかつ筒状ノズル１６の円形内壁面に接線方向で接続するように外周側面において筒状ノズル１６の外周に対して等間隔になるように外周側面に対して斜めに穿孔された円周方向の３個の孔がそれぞれに設けられている。
その結果として、吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａ〜吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃとは、それぞれ図３（ｂ）の筒状ノズル１２あるいは筒状ノズル１４の断面図に示すものと同様な関係にあって、筒状ノズル１６には、３×３で合計で９個の吹出孔が設けられている。
【００２６】
ガス混合器１５の最初と最後の間に配置された筒状ノズル１６ａは、筒状ノズル１６に対して頭の方向が反転されてガス混合器１５内部に設けられ、吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａが筒状ノズル１６ａの筒軸に沿って筒側面に縦に穿孔されている。これら吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａは、逆方向に穿孔された図３（ｂ）の吹出孔１３ａと同様な小さな孔が３個縦に配列されたものである。
吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａの穿孔方向は、筒状ノズル１６ａの頭部を１８０°回転させて筒状ノズル１６の方向に合わせると分かるように点線部の孔影の方向が筒状ノズル１６とは逆となっている。これは、接線方向において吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａとは逆方向に穿孔されているからである。
図では、筒状ノズル１６ａの頭部が前後の筒状ノズル１６に対して反転しているので吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａの接線に沿う穿孔方向が一致している。そして、サイクロン流が筒状ノズル１６では筒の外側へと吹き出し、筒状ノズル１６ａでは筒の内側へと流入することで、サイクロン流の方向が逆になる。
図では見えていないが、図３（ａ）に示す実施例と同様に円周方向に穿孔された２０ｂ，２１ｂ，２２ｂと吹出口２０ｃ，２１ｃ，２２ｃとがあって、筒状ノズル１６ａにも３×３で合計で９個の吹出孔が設けられている。
ここでは、前後の筒状ノズル１６の吹出口から外側に向かって吹出すガス４が図示するようにガス進行方向からみて反時計方向に回転するサイクロン流となる。これに対して真ん中の円筒ノズル１６ａの向きが前後の円筒ノズル１６とは逆になり、その吹出口が逆方向となっているので、これに流入するガス４の流れが図示するように、反対方向となる。すなわち、ガス進行方向からみて反時計方向に回転するサイクロン流が生成される。これにより生成されるガス４のサイクロン流の向きが前後の円筒ノズル１６とは逆になり、その結果としてガス４のサイクロン流が円筒ノズルを通過するごとに反転することになって、ガス混合が行われる。
なお、真ん中の円筒ノズル１６ａの向きは、反転させることなく、筒状ノズル１６と同一の方向に配置してもよいことはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明してきたが、実施例における各筒状ノズルの吹出口の数は、１個か、それ以上であればよく、また、３個よりも多くてもよい。
また、実施例では、ガス混合器にサイクロン流を生成する３個の筒状ノズルを設けているが、筒状ノズルの数は複数個あればよく、また、３個以上のものを設けてもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、半導体製造技術におけるガス混合器として２系統のガスを混合する例を挙げているが、この発明の混合対象は、ガスに限定されるものではなく、液体を含む流体一般に適用できることはもちろんである。したがって、適用される技術分野は半導体技術分野に限定されるものではない。
また、実施例におけるガス混合器は、Ｔ字型のガス合流管の後段に設けているが、混合器の手前は、ガス合流室であっても、あるいは気化器等の機器の流入口、あるいは出力口などであってもよいことはもちろんである。
【符号の説明】
【００２８】
１，１１…ガス混合器、２…ガス合流管、３…輸送管、
４…ガス、５，９…管本体、
６，７，８，１２，１３，１４…筒状ノズル、
１０…ガス混合輸送管路、５１、９１…筒状ノズル管、５２，９２…接続管、
５３…ノズル固定円板、５４…孔、６１…円板部材、
６２，１２１…ノズル部、１２２…フランジ部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体混合器、流体混合輸送路および流体混合方法に関し、詳しくは、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して輸送することが可能であって、特に、半導体製造装置の反応炉に安定的な原料ガスを供給することができ、しかもガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができるような流体混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術では、砒素等のイオン注入ドーピングのための原料ガスをアルシンあるいは水素などにより希釈することが行われている。このような場合にガス混合器が使用されて原料ガスの希釈が行われる（特許文献１）。
ＣＶＤ装置等の半導体製造装置のプロセス材料となる液体原料は気化器により気化されてガス化されてＣＶＤ装置等の反応炉に送出される。気化器に設けられる霧化器では有機金属材料の原料液をキャリアガスにより霧化（ミスト化）して複数の原料液のミストを螺旋溝を通してサイクロン混合して液体原料をガス化することが行われている（特許文献２）。
【０００３】
さらに、半導体製造の分野では逆方向に捩れた捻れ部材を連続的に配置して混合するガス輸送路もある。これに類するものとして、半導体関係の分野とは別に、石油等の流体を流す輸送路において密度の相違する流体を混合して均質化して輸送する多相流体混合装置が公知である（特許文献３）。これは、輸送路の内部に旋回路を形成する捻れプレートを設けて捻れプレートを通すことにより旋回する流体の流れを発生させて密度の相違する流体を混合して均質化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５４３５６３号公報
【特許文献２】特開２００３−２６８５５２号公報
【特許文献３】特開２００１−１６２１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示されるものは、単に配管路で物理的に質の異なる２系統のガスをＴ字管で合流させることで混合するものである。このようにＴ字管で２系統のガスを合流混合したとしても物理的に質の異なるガスが管に流れるときには輸送管内のガスの流れが層流となるので、輸送ガスは、管壁面側と管中心側とで濃度の異なる混合状態になり易く、安定的な原料ガスを反応炉等に供給するには安定的な原料ガスとしては十分なものになっていない問題がある。
特許文献２のように原料液のミストとキャリアガスを混合する方法は、輸送管に長い複数の螺旋溝を形成する必要がある。しかも、最近では、高誘電率材料、低誘電率材料、低抵抗材料、強誘電体材料などの温度制御条件が厳しい低蒸気圧材料の液体原料（固体原料は溶剤に溶かして液化）の原料ガスをキャリアガスと混合して輸送する。そのため、螺旋溝によるサイクロン輸送によるガス混合は、螺旋溝を長く採ることが要求され、その上、混合ガスが螺旋溝の壁面で温度変化を起こしやすい。これにより原料が再凝縮されてフレーク、パーティクルが発生する問題がある。
【０００６】
さらに、特許文献３のような捻れプレート等により混合されたガスを半導体製造技術で使用することも考えられるが、また、半導体技術の分野では、捩れた捻れ部材を連続的に配置して混合することも行われているが、輸送管内部で捻れプレート等により生成される旋回流（サイクロン流）は強い旋回流とはならないために十分な均質混合を求めるには、その分、輸送管の距離を長くせざるを得ない。そのため、ガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することが難しくなる。
なお、次世代半導体製造において、原料の再凝縮によるフレーク、パーティクルの発生を抑制するために、また、より安定的な原料ガスを反応炉に供給するためにガス供給源から反応炉までの輸送路の短縮は要請される事項の１つである。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで均質化して混合することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
また、この発明の他の目的は、半導体製造装置の反応炉に安定的な原料ガスを供給することができ、しかもガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる流体混合器および流体混合輸送路あるいは流体混合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するためのこの発明の流体混合器および流体混合輸送路の特徴は、流体輸送管と、この流体輸送管の内部に固定されこの流体輸送管の内径より小さい外径と開口した底部とを有しその筒軸が流体輸送管の管軸方向に沿って配置されその頭部が閉塞され物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を外側あるいは内側に吹出す吹出口がその側面に形成された複数の筒状ノズルとを備えている。そして、複数の各筒状ノズルの吹出口から吹出す輸送流体が流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当たることであるいは筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当たることでサイクロン流が生成されるものであって、複数の筒状ノズルは、所定間隔で配置され、サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の筒状ノズルの吹出口が配置されているものである。
また、この発明の流体混合方法の特徴は、複数の各筒状ノズルから吹出す前記の輸送流体を流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当ててあるいは筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当ててサイクロン流を生成しかつ前後の筒状ノズルから吹出す輸送流体のサイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の筒状ノズルの吹出口を配置するものである。
【発明の効果】
【０００８】
このように、この発明にあっては、流体輸送管の内部に複数の筒状ノズルを配置して複数の筒状ノズルの前後の筒状ノズルにより相互にサイクロン流を逆方向に旋回させることで、物理的に質の異なる流体を混合して輸送流体を均質化して輸送する。
これにより、輸送管に距離の長い複数の螺旋溝や捩れた捻れ部材を設ける必要がなく、流体輸送管において強いサイクロン流を生成する混合器を簡単にしかも管長を短いものとして形成することができる。しかも、流体輸送管路として混合器を造ることができるので、特に、半導体製造の分野ではガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる。
その結果、物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を流体輸送路に複数の筒状ノズルを設けるだけで流体輸送管路において流体を混合して均質化して輸送することが可能となり、例えば、半導体製造装置などにあっては、反応炉に安定的な原料ガスを供給することが可能でかつガス供給源から反応炉までの輸送路を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した一実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図１（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
【図２】図２（ａ）は、サイクロン流を生成する筒状ノズルについての説明図、図２（ｂ）〜（ｄ）は、その円筒ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。
【図３】図３（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図３（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、その筒状ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。
【図５】図５は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用したさらに他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１（ａ）において、１０は、ガス混合輸送管路であって、１はそのガス混合器である。ガス混合器１は、ガス合流管２と輸送管３の間に配置されている。ガス合流管２は、例えば、液体原料ガス４ａと希釈ガス４ｂを受けてこれの合流ガスをガス混合器１へ混合ガス４ｃとしてと流す。あるいは、このガス合流管２は、ガス化されたあるいはミスト化された液体原料ガス４ａとキャリアガス４ｂ等の不活性ガスからなる反応ガスの合流管となっていて、半導体処理装置へその混合ガスを原料ガスとして流す輸送管に当たる。
ガス合流管２は、Ｔ字型の管路を形成していて、直進方向に液体原料ガス４ａが供給され、直角方向から希釈ガス４ｂあるいはキャリアガス４ｂが供給される。交叉するＴ字路の内部でこれら物理的に質の異なる２系統のガスが合流して混合ガス４ｃとしてこれらのガスがガス合流管２を経てガス混合器１へと送出される。
ここでは、ガス混合器１とガス合流管２、そして輸送管３の管内径は等しく、２０ｍｍφ〜３０ｍｍφ程度のものである。
ここで、物理的に質の異なるとは、液体原料ガスと希釈ガス、液体原料ガスとキャリアガスなどのように異なる物質である場合と、液体原料のミストと完全に気化された液体原料ガスなど、質量，粒径等が相違する場合も含む意味である。
ガス合流管２から輸送管３へと流れる混合ガス４ｃは、ガス合流管２では２系統のガスが混ざり合ってはいるが、それらが層流となってガス混合器１へ輸送される。しかし、ガス混合器１を経て輸送管３へと流れ出る混合ガス４（以下ガス４）はサイクロン流（旋回流）となっている。これにより混合ガスは均質化され、しかも、ガス４が流れる管中心部と管周辺部との温度差もなく、サイクロン効果により均一な温度でガス４が輸送されることになる。
【００１１】
ガス混合器１は、ガス合流管２と輸送管３との間において溶接点Ｓ1，Ｓ6においてこれらに溶接接合されて設けられている。
ガス混合器１は、管本体５と、この管本体５の内部に所定間隔で固定された３個の筒状ノズル６，７，８とからなる。各筒状ノズル６，７，８の外径は、管本体５の内径より小さく、１０ｍｍφ〜１５ｍｍφ程度である。
なお、筒状ノズル６，７，８における所定間隔は、ガス４のサイクロン流としての流れが後段の筒状ノズルまで維持できる間隔であれば任意に選択することが可能である。逆にたとえ、相互に頭部と底部とが接触する程度に近くても、前段におけるガス４のサイクロン流が後段に伝達される距離が維持されていればそれでもよい。
ところで、このガス混合器１は、両側にエッジフランジ（縁辺突起部）を設けて、ガス合流管２と輸送管３とに同様なエッジフランジ（縁辺突起部）を設けてエッジフランジを介してボルト結合等により押圧固定してガス合流管２と輸送管３からなる輸送管路の間にガス混合器１を設けてもよい。
【００１２】
ガス混合器１は、筒状ノズルが設けられた３個の筒状ノズル管５１と２個の接続管５２とが交互に接続されて溶接線Ｓ2〜Ｓ5で結合されることで構成されている。筒状ノズル管５１にはノズル固定円板５３が管を塞ぐ節としてあらかじめ溶接固定されている。ノズル固定円板５３には各筒状ノズル６，７，８の外径に対応する孔５４がノズル固定円板５３の中心よりも偏心した位置に開けられている（図１（ｂ）参照）。そこで、管本体５は、筒状ノズル管５１の管と２個の接続管５２とにより構成される。
それぞれ筒状ノズル６，７，８は、３個の筒状ノズル管５１のノズル固定円板５３のそれぞれの孔５４に挿入されて溶接固定される。これにより３個の筒状ノズル管５１が形成され、これらの筒状ノズル管５１のそれぞれが２つの接続管５２を挟んで交互に配置されて溶接されている。
【００１３】
筒状ノズル６，７，８には、それぞれ吹出口６ａ，７ａ，８ａがその側面にそれぞれ設けられている。それぞれの筒状ノズル６，７，８の頭部６ｂ，７ｂ，８ｂは、半球状に形成され、閉塞している。
図１（ａ）では、吹出口６ａ，８ａを実線で示し、吹出口７ａを点線で示してある。図１（ｂ）に示すように筒状ノズル６と筒状ノズル８とは、吹出口６ａ，８ａが同じ位置にあって、筒状ノズル６が設けられた筒状ノズル管５１と筒状ノズル８が設けられた筒状ノズル管５１とは同じ構造になっている。これに対して図１（ｂ）に示すように筒状ノズル７の吹出口７ａの位置は、吹出口６ａ，８ａとは相互に反対方向に配置されるように異なった位置にある。
すなわち、実線で示す吹出口６ａ，８ａは図面表側に向いていて、点線で示す吹出口７ａの位置は、図面裏面側に向いていてガス４の吹出し方向が異なっている。
なお、図１（ａ）においては、説明の都合上、筒状ノズル６は部分断面図としているが、筒状ノズル７，８はそれぞれ断面図としてはいない。
各吹出口６ａ，７ａ，８ａは、短径（最短直径）が３ｍｍφで長径（最長直径）が１０ｍｍφ程度の長孔である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように筒状ノズル６〜８の各筒軸（筒の中心）は、筒状ノズル管５１の管本体５の中心に対して偏心した位置に配置されている。
この円筒ノズルの構造について筒状ノズル６を一例として図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。なお、図２（ａ）は、サイクロン流を生成する筒状ノズルについての説明図、図２（ｂ）〜（ｄ）は、その円筒ノズルの正面図、縦断面図、そして横断面図である。また、説明の都合上、図２（ａ）においては筒状ノズル６だけを示し、筒状ノズル７，８が省略されている。
筒状ノズル６は、図２（ｂ）に示すように、円板部材６１と、この円板部材６１からガス４の輸送方向に筒状ノズル管５１の管本体５の軸方向に沿って突出し、頭部が半球状に閉塞されたノズル部６２とからなる。
ノズル部６２には、側面に吹出口６ａが設けられていて、吹出流が横方向（ノズル部６２の筒軸方向ではなく、これに対してほぼ直交する面の方向）に噴射される。ノズル部６２の底部の開口は円板部材６１の開口に連通していて筒状ノズル６の底部は開口６３となっていて、この開口６３にガス４ｃを受ける。
【００１５】
図２（ａ），図２（ｃ），図２（ｄ）に示すように、筒状ノズル６の筒軸の位置は、吹出口６ａが筒状ノズル管５１の円形内壁面５３に近い位置に配置されるように筒状ノズル管５１の管軸の位置（その中心線Ｏ）よりも円形内壁面５１ｂ側に所定量（＝Δｄ，図２（ｄ）参照）だけオフセットしている。
これにより各筒状ノズル６の側面に設けられた吹出口６ａは、それぞれに図２（ａ）に示すように、ガス吹出し位置においては円形内壁面５１ｂ近傍に位置しかつその開口方向がガス４の吹出し位置に対応する円形内壁面５１ｂに対応するように配置されている。
その結果、ガス４は、筒状ノズル６の横方向（輸送管路の管軸に対してほぼ直角方向）から円形内壁面５１ｂに沿って吹出されるので、生成される、ガス４のサイクロン流は、その波形空間周期が短く、強いサイクロン流となる。なお、サイクロン流の強さは、ガス４の流速と吹出口６ａと開口径にも関係しているが、吹出口６ａが開口６３よりも小さくなっていて、筒で絞られてガス４が噴射されることで、螺旋溝や捩れた捻れ部材に比してより強いものとなる。
以上のことは、筒状ノズル７，８の各吹出口７ａ，８ａについても同様であり、吹出すガス４が筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たってサイクロン流となるように筒状ノズル６の側面に長円形に穿孔されている。なお、各吹出口６ａ〜８ａは、長楕円形であってもよい。
【００１６】
また、図２（ｃ）に示すように、円形内壁面５１ｂ側に吹出口をオフセットさせることで、吹出したガス４の流れのうち逆流しようとする流が筒状ノズルの外壁面と円形内壁面５１ｂとの間に流れ込む。このことでこの領域の圧力が上がり、これに対して逆流しない吹出流が流れるより広い空間の圧力は低くなるので吹出す空間の圧力差により吹出すガスの流れがガス４の吹出し位置に対応する円形内壁面５１ｂにおいて接線方向に向かい円形内壁面５１ｂに沿うように曲がる。
特に、図２（ｄ）に示すように、吹出口を接線Ｔに対してθ傾けることで吹出すガスの流れが円形内壁面５１ｂに沿い易くなり、サイクロン流を生成し易くなる。これにより、筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに吹出流が当たるとき当たる位置での接線Ｔに対する吹出流の傾斜が小さくなる上に、単に斜めから円形内壁面５１ｂに当ててサイクロン流を生成する場合よりも効率よくサイクロン流の生成ができる。
もちろん、前記のオフセットは、筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに各筒状ノズル６〜８のそれぞれの外壁面が接触するものであってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）は、３個の筒状ノズル６，７，８の吹出口位置での横断面説明図である。筒状ノズル６と筒状ノズル８の吹出口６ａ，８ａと筒状ノズル７の吹出口７ａとは、縦側の中心線Ｏｖを挟んで対称に配置されている。そのためガス４を吹出すこれらの方向が逆方向となり、筒状ノズル管５１の円形内壁面に斜めから当たって、前者はガス進行側からみて反時計方向の回転となり、後者が時計方向の回転となる。
図１（ａ）に戻り、このサイクロン流について説明すると、筒状ノズル６の吹出口６ａから吹出すガス４は、図１（ｂ）に示すように吹出口６ａが縦側の中心線Ｏｖの左側に位置しているので、管内壁面左側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動して反時計方向に旋回するサイクロン流となる。そして、そのサイクロン流となったガス４は、接続管５２を通り、次の筒状ノズル７へと至る。筒状ノズル７では、図１（ｂ）に示すように吹出口７ａが縦側の中心線Ｏｖに対して吹出口６ａと対称となる管内壁面右側に位置しているので、サイクロン流となったガス４は、管内壁面右側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動して前記とは逆に時計方向に回転するサイクロン流となる。
【００１８】
さらに、筒状ノズル８では、図１（ｂ）に示すように吹出口８ａが吹出口６ａと同様に管内壁面左側に位置しているので、管内壁面左側において筒状ノズル管５１の円形内壁面５１ｂに斜めから当たって円形内壁面５１ｂに沿って移動するので、サイクロン流となったガス４は、前記の筒状ノズル７の場合とは逆に時計方向に旋回する。
これにより、前後の筒状ノズル６，７の吹出口６ａ，７ａ、そして筒状ノズル７，８の吹出口７ａ，８ａの関係は、それぞれにサイクロン流の回転方向が逆転される配置になっている。
その結果、物理的に質の異なるガスを含むガス４は、流れる方向が２回反転されることになり、この逆転の旋回により均質化される。しかも、ガス合流管２を層流となって流れたガス４ｃは、ガス混合器１を経ることで筒状ノズルの吹出口８ａから輸送管３にサイクロン流となって流れ出る。
【００１９】
図３（ａ）は、この発明の複数の筒状ノズルを用いる流体混合器を適用した他の実施例のガス混合輸送路の管断面説明図、図３（ｂ）は、流体混合器における３個の各筒状ノズルの吹出口位置での横断面説明図である。
図３（ａ）に示すように、１１は、図１（ａ）のガス混合器１に対応するガス混合器であるが、各筒状ノズル１２，１３、１４がそれぞれ図１（ａ）に示す筒状ノズル６，７，８とは異なり、管本体９内においてガス４の流れる方向に対して図１（ａ）とは逆向きに管本体９内に固定されている。しかも、その筒形状にあっては、その筒長さが短く帽子状のものになっていて、各筒状ノズル１２，１３、１４の筒軸は、ガス合流管２と輸送管３の軸に一致するように、オフセットされることなく、管本体９の軸に一致して中央に配置されている。
その理由は、筒状ノズルの外側から内側に流体を吹出して筒状ノズルの内側にある円形内壁面に斜めから当ててサイクロン流を生成するからである。
【００２０】
図３（ａ）の筒状ノズル管９１は、図１（ａ）の筒状ノズル管５１に対応しているが、先端部に筒状ノズルが一体的に形成された管となっている点で相違している。そこで、筒状ノズル管９１の筒状ノズル側を頭部とすると、この頭部側とこれに対して後ろ側となる筒状ノズル管９１の管端部とが接続管９２に接続されて３つの筒状ノズル管９１が接続管９２を介して溶接固定されることで、筒状ノズル１２，１３，１４を備えるガス混合器１１が形成されている。なお、この場合、接続管９２を省いて、前段の筒状ノズル管９１の後側の管端部と筒状ノズル管９１の頭部とを直接接続することも可能である。
ここでの接続管９２は、図１（ａ）の接続管５２に対応している。また、筒状ノズル２２を有する筒状ノズル管９１の前端部には、他の接続管９２より少し長い接続管９２が接続され、溶接箇所Ｓ7〜Ｓ13でそれぞれの管を接続する。
【００２１】
筒状ノズル１２，１３，１４は、図１（ａ）の筒状ノズル６，７，８とは異なり、それぞれに３個の吹出孔が設けられている。
これについて筒状ノズル１２を一例として図４を参照して以下説明すると、図４（ｃ）に示すように筒状ノズル１２の側面には３個の吹出孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。
図４（ｂ）の断面図に示すように、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、筒状ノズル１２の筒軸に直交する面に沿ってかつ筒状ノズル１２の円形内壁面に接線方向で接続するように外周側面において筒状ノズル１２の外周に対して等間隔になるように外周側面に対して斜めに穿孔された３個の孔である。
図４（ｃ）の筒状ノズル１２に例で示すように、各孔の接線方向での内部との接合は、筒状ノズル１２の内径が１０ｍｍφのときには筒状ノズル１２の筒軸に直交する面内で接続箇所に立てた法線Ｎに対して傾斜角θがθ＝６０°程度の傾斜になる。
【００２２】
図４（ａ）に示すように、筒状ノズル１２は、帽子状のノズル部１２１とこの帽子の鍔部となるフランジ部１２２とからなる。フランジ部１２２は、図２（ａ）の円板部材６１に対応する円板部材となっていてその厚さが１ｍｍであり、筒状ノズル管９１の管内径を１５ｍｍφとし、管厚を１ｍｍとすると、外径が１７ｍｍφの円板となる。筒状ノズル１２の最大外径は１２．０ｍｍφである。
各吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、フランジ部１２２の表面から２．５ｍｍ〜５ｍｍの高さ位置に形成されている。フランジ部１２２の表面から孔径の倍以上、吹出口の位置が離れていないと、筒状ノズル１２の円形内壁面にガス４の吹出流が十分に当たらなくなるからである。
【００２３】
フランジ部１２２に結合する位置での筒状ノズル１２の外径は、筒状ノズル管９１の内径の１／２の径よりも大きく、筒状ノズル１２の帽子状の頭部は半球状に閉塞されている。その高さは１２ｍｍであり、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃの孔径は、例えば２．０ｍｍφであって、これは、１．０ｍｍφ〜５ｍｍφの範囲から選択される。
なお、筒状ノズル管９１の内径は、筒状ノズル１２の外径より大きく、筒状ノズル１２の内径は、筒状ノズル管９１の内径と等しいか、これより小さいものであればよい。
以上のことは、筒状ノズル１３，１４も同様の構造になっているが、図３（ｂ）に示すように、吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃあるいは吹出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃと吹出口１３ａ，１３ｂ，１３ｃとは図１の実施例の縦側の中心線Ｏｖを挟んだ対称配置と同様に、中心線Ｏｖを中心に反転した状態で相互に対称関係の孔配置になっている。
すなわち、筒状ノズル１２の吹出口１２ａ，１２ｂ，１２ｃおよび筒状ノズル１４の吹出口１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、それぞれガス４の進行方向側からみてガス４が筒状ノズル１２，１４の内部に時計方向に流入するように側壁面に対して斜めに穿孔されている。これに対して筒状ノズル１３の吹出口１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、これとは穿孔方向が逆になっていて、ガス４が筒状ノズル１３の内部に反時計方向に流入するように側壁面に対して逆方向に斜めに穿孔されている。
これにより、物理的に質の異なるガスを含むガス４は、図１の実施例と同様に流れる方向が２回逆転されることになり、この逆転の旋回を経て均質化される。
【００２４】
図５は、図１の筒状ノズル７のように吹出孔の位置を筒状ノズル６，８の吹出孔に対して対称配置することなく、同じ構造の２個の円筒ノズル１６との間に吹出口の穿孔方向の異なる１個の円筒ノズル１６ａを配置してこれら３個のうち真ん中の円筒ノズル１６ａの方向をガス４の流れに対して他の円筒ノズル１６とは反対方向（逆方向）に向けたものである。
ガス混合器１５は、ガス合流管２と輸送管３との間において溶接点Ｓ14，Ｓ19においてこれらに溶接接合されて設けられている。そして、それぞれに円筒ノズル１６，１６ａを有する３個の筒状ノズル管５１ａと２個の接続管５２ａ，５２ｂとが交互に接続されて溶接線Ｓ15〜Ｓ18で結合されることで構成されている。なお、接続管５２ａは、接続管５２ｂよりもその長さが長い。
２個の筒状ノズル１６と１個の筒状ノズル１６ａの筒軸は、ガス合流管２と輸送管３の軸に一致するように、オフセットされることなく、筒状ノズル管５１ａの管と２個の接続管５２ａ，５２ｂの管とからなる管本体の軸に一致して中央に配置されている。
なお、図１（ａ）に示したように、５３は、筒状ノズル管５１ａのノズル固定円板であり、５４は、固定円板５３に設けられた筒状ノズル１６あるいは筒状ノズル１６ａの外径に対応する孔である。
【００２５】
ガス混合器１５は、図３（ａ）のガス混合器１１に対応するガス混合器であるが、２個の筒状ノズル１６と１個の筒状ノズル１６ａは、図１（ａ）のガス混合器１１の円筒ノズル６と同様に長い筒状の円筒ノズルである。これらのうち最初と最後の筒状ノズル１６は、その吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａが筒状ノズル１６の筒軸に沿って筒側面に縦に穿孔されている。これら吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａは、図３（ｂ）の吹出孔１２ａと同様な小さな孔が３個縦に配列されたものである。図では見えていないが、図３（ａ）に示す実施例の吹出孔１２ｂ，１２ｃと同様に円周方向に穿孔された吹出口１７ｂ，１８ｂ，１９ｂと吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃとがあるが図では見えていない。
すなわち、吹出口１７ａ，１８ａ，１９ａ〜吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃは、筒状ノズル１６の筒軸に直交する面に沿ってかつ筒状ノズル１６の円形内壁面に接線方向で接続するように外周側面において筒状ノズル１６の外周に対して等間隔になるように外周側面に対して斜めに穿孔された円周方向の３個の孔がそれぞれに設けられている。
その結果として、吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａ〜吹出口１７ｃ，１８ｃ，１９ｃとは、それぞれ図３（ｂ）の筒状ノズル１２あるいは筒状ノズル１４の断面図に示すものと同様な関係にあって、筒状ノズル１６には、３×３で合計で９個の吹出孔が設けられている。
【００２６】
ガス混合器１５の最初と最後の間に配置された筒状ノズル１６ａは、筒状ノズル１６に対して頭の方向が反転されてガス混合器１５内部に設けられ、吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａが筒状ノズル１６ａの筒軸に沿って筒側面に縦に穿孔されている。これら吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａは、逆方向に穿孔された図３（ｂ）の吹出孔１３ａと同様な小さな孔が３個縦に配列されたものである。
吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａの穿孔方向は、筒状ノズル１６ａの頭部を１８０°回転させて筒状ノズル１６の方向に合わせると分かるように点線部の孔影の方向が筒状ノズル１６とは逆となっている。これは、接線方向において吹出孔１７ａ，１８ａ，１９ａとは逆方向に穿孔されているからである。
図では、筒状ノズル１６ａの頭部が前後の筒状ノズル１６に対して反転しているので吹出孔２０ａ，２１ａ，２２ａの接線に沿う穿孔方向が一致している。そして、サイクロン流が筒状ノズル１６では筒の外側へと吹き出し、筒状ノズル１６ａでは筒の内側へと流入することで、サイクロン流の方向が逆になる。
図では見えていないが、図３（ａ）に示す実施例と同様に円周方向に穿孔された２０ｂ，２１ｂ，２２ｂと吹出口２０ｃ，２１ｃ，２２ｃとがあって、筒状ノズル１６ａにも３×３で合計で９個の吹出孔が設けられている。
ここでは、前後の筒状ノズル１６の吹出口から外側に向かって吹出すガス４が図示するようにガス進行方向からみて反時計方向に回転するサイクロン流となる。これに対して真ん中の円筒ノズル１６ａの向きが前後の円筒ノズル１６とは逆になり、その吹出口が逆方向となっているので、これに流入するガス４の流れが図示するように、反対方向となる。すなわち、ガス進行方向からみて反時計方向に回転するサイクロン流が生成される。これにより生成されるガス４のサイクロン流の向きが前後の円筒ノズル１６とは逆になり、その結果としてガス４のサイクロン流が円筒ノズルを通過するごとに反転することになって、ガス混合が行われる。
なお、真ん中の円筒ノズル１６ａの向きは、反転させることなく、筒状ノズル１６と同一の方向に配置してもよいことはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上説明してきたが、実施例における各筒状ノズルの吹出口の数は、１個か、それ以上であればよく、また、３個よりも多くてもよい。
また、実施例では、ガス混合器にサイクロン流を生成する３個の筒状ノズルを設けているが、筒状ノズルの数は複数個あればよく、また、３個以上のものを設けてもよいことはもちろんである。
さらに、実施例では、半導体製造技術におけるガス混合器として２系統のガスを混合する例を挙げているが、この発明の混合対象は、ガスに限定されるものではなく、液体を含む流体一般に適用できることはもちろんである。したがって、適用される技術分野は半導体技術分野に限定されるものではない。
また、実施例におけるガス混合器は、Ｔ字型のガス合流管の後段に設けているが、混合器の手前は、ガス合流室であっても、あるいは気化器等の機器の流入口、あるいは出力口などであってもよいことはもちろんである。
【符号の説明】
【００２８】
１，１１…ガス混合器、２…ガス合流管、３…輸送管、
４…ガス、５，９…管本体、
６，７，８，１２，１３，１４…筒状ノズル、
１０…ガス混合輸送管路、５１、９１…筒状ノズル管、５２，９２…接続管、
５３…ノズル固定円板、５４…孔、６１…円板部材、
６２，１２１…ノズル部、１２２…フランジ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体輸送管と、この流体輸送管の内部に固定されこの流体輸送管の内径より小さい外径と開口した底部とを有しその筒軸が前記流体輸送管の管軸方向に沿って配置されその頭部が閉塞され物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を外側あるいは内側に吹出す吹出口がその側面に形成された複数の筒状ノズルとを備え、
複数の各前記筒状ノズルの吹出口から吹出す前記輸送流体が前記流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当たることであるいは前記筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当たることでサイクロン流が生成されるものであって、前記複数の筒状ノズルは、所定間隔で配置され、前記サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の前記筒状ノズルの前記吹出口が配置されている流体混合器。
【請求項２】
前記筒状ノズルの筒軸は、前記流体輸送管の管軸に対して前記流体輸送管の内壁側に所定量オフセットし、前記輸送流体は、この流体の吹出し位置に対応する前記流体輸送管の円形内壁面の円周に沿うように前記筒軸の方向に対して横方向に吹出される請求項１記載の流体混合器。
【請求項３】
物理的に質の異なる流体はガスあるいはミストであり、前記底部には前記輸送流体のすべてが流れ込み、前記所定量のオフセットは、前記流体輸送管の円形内壁面に前記筒状ノズルの外壁面が接触するものである請求項２記載の流体混合器。
【請求項４】
前記筒状ノズルの筒軸は、前記流体輸送管の管軸に一致するように配置され、前記吹出口は、前記筒状ノズルの外壁側面に対して斜めに穿孔され、前記輸送流体は、前記筒状ノズルの円形内壁面の円周に沿うように前記筒軸の方向に対して横方向に吹出される請求項１記載の流体混合器。
【請求項５】
前記吹出口は、前記筒状ノズルの筒軸に直交する面に沿ってかつ前記筒状ノズルの円形内壁面に接線方向で接続するように穿孔され、複数個設けられている請求項４記載の流体混合器。
【請求項６】
前記筒状ノズルの外径は、前記流体輸送管の内径の１／２の径よりも大きく、前記筒状ノズルの頭部が半球状に閉塞されて前記筒状ノズルが筒長さが短く扁平した帽子形状になっている請求項５記載の流体混合器。
【請求項７】
前記複数の筒状ノズルは３個である請求項１の流体混合器。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか１項記載の流体混合器が設けられた流体混合輸送路。
【請求項９】
その頭部が閉塞され流体輸送管の管路を流れる物理的に質の異なる流体を含む輸送流体が吹出す吹出口がその側面に形成され前記輸送流体が開口したその底部に流れ込むように複数の筒状ノズルを前記流体輸送管の管軸方向に沿って前記流体輸送管の内部に所定間隔で配置し、
複数の各前記筒状ノズルから吹出す前記輸送流体を前記流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当ててあるいは前記筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当ててサイクロン流を生成しかつ前後の前記筒状ノズルから吹出す前記輸送流体の前記サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の前記筒状ノズルの前記吹出口の位置を配置する流体混合方法。
【請求項１】
流体輸送管と、この流体輸送管の内部に固定されこの流体輸送管の内径より小さい外径と開口した底部とを有しその筒軸が前記流体輸送管の管軸方向に沿って配置されその頭部が閉塞され物理的に質の異なる流体を含む輸送流体を外側あるいは内側に吹出す吹出口がその側面に形成された複数の筒状ノズルとを備え、
複数の各前記筒状ノズルの吹出口から吹出す前記輸送流体が前記流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当たることであるいは前記筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当たることでサイクロン流が生成されるものであって、前記複数の筒状ノズルは、所定間隔で配置され、前記サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の前記筒状ノズルの前記吹出口が配置されている流体混合器。
【請求項２】
前記筒状ノズルの筒軸は、前記流体輸送管の管軸に対して前記流体輸送管の内壁側に所定量オフセットし、前記輸送流体は、この流体の吹出し位置に対応する前記流体輸送管の円形内壁面の円周に沿うように前記筒軸の方向に対して横方向に吹出される請求項１記載の流体混合器。
【請求項３】
物理的に質の異なる流体はガスあるいはミストであり、前記底部には前記輸送流体のすべてが流れ込み、前記所定量のオフセットは、前記流体輸送管の円形内壁面に前記筒状ノズルの外壁面が接触するものである請求項２記載の流体混合器。
【請求項４】
前記筒状ノズルの筒軸は、前記流体輸送管の管軸に一致するように配置され、前記吹出口は、前記筒状ノズルの外壁側面に対して斜めに穿孔され、前記輸送流体は、前記筒状ノズルの円形内壁面の円周に沿うように前記筒軸の方向に対して横方向に吹出される請求項１記載の流体混合器。
【請求項５】
前記吹出口は、前記筒状ノズルの筒軸に直交する面に沿ってかつ前記筒状ノズルの円形内壁面に接線方向で接続するように穿孔され、複数個設けられている請求項４記載の流体混合器。
【請求項６】
前記筒状ノズルの外径は、前記流体輸送管の内径の１／２の径よりも大きく、前記筒状ノズルの頭部が半球状に閉塞されて前記筒状ノズルが筒長さが短く扁平した帽子形状になっている請求項５記載の流体混合器。
【請求項７】
前記複数の筒状ノズルは３個である請求項１の流体混合器。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか１項記載の流体混合器が設けられた流体混合輸送路。
【請求項９】
その頭部が閉塞され流体輸送管の管路を流れる物理的に質の異なる流体を含む輸送流体が吹出す吹出口がその側面に形成され前記輸送流体が開口したその底部に流れ込むように複数の筒状ノズルを前記流体輸送管の管軸方向に沿って前記流体輸送管の内部に所定間隔で配置し、
複数の各前記筒状ノズルから吹出す前記輸送流体を前記流体輸送管の円形内壁面に斜め方向から当ててあるいは前記筒状ノズルの円形内壁面に斜め方向から当ててサイクロン流を生成しかつ前後の前記筒状ノズルから吹出す前記輸送流体の前記サイクロン流の回転方向が逆方向になるように前後の前記筒状ノズルの前記吹出口の位置を配置する流体混合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−３０２０７（Ｐ２０１２−３０２０７Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７４２１２（Ｐ２０１０−１７４２１２）
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（５９１０７３４３０）創研工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３日（２０１０．８．３）
【出願人】（５９１０７３４３０）創研工業株式会社 (27)
【Ｆターム（参考）】
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