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発明の名称 分級装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−71367
公開日 平成10年(1998)3月17日
出願番号 特願平8−230712
出願日 平成8年(1996)8月30日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】前田 弘 (外2名)
発明者 金岡 千嘉男 / 岩田 透
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 固体粒子が搬送ガスに混入してなる固気混合ガスが流れる混合ガス供給通路(6,63)を有する搬送手段(6A)の下流側には、流路断面積が縮小した縮小部(32)を有する超音速流発生手段(30)が設けられ、該超音速流発生手段(30)の流出口が連通するチャンバ(40,140)内には、定在衝撃波を発生させる衝撃波発生手段(50,150)が設けられ、上記チャンバ(40,140)内に流入した固気混合ガス中の固体粒子を定在衝撃波によって分級する分級装置において、上記搬送手段(6A)の下流端部には、固気混合ガスが流通する流路の断面積が上記混合ガス供給通路(6,63)の流路断面積よりも大きい拡大部(20)が形成されていることを特徴とする分級装置。
【請求項2】 請求項1に記載の分級装置において、衝撃波発生手段(50)は、粗粒子回収通路(53)と細粒子回収通路(54)とを有し、粗粒子(Pr)と細粒子(Pf)とを個別に回収することを特徴とする分級装置。
【請求項3】 請求項1に記載の分級装置において、衝撃波発生手段(150) は、超音速流発生手段(30)の流出口に対向するように基板(155) を支持し、該基板(155) 上に、分級によって選択された粒子の膜を形成させることを特徴とする分級装置。
【請求項4】 請求項2または3のいずれか一つに記載の分級装置において、搬送手段(6A)は、チャンバ(40,140)内の圧力を調節する調節手段(7) を有することを特徴とする分級装置。
【請求項5】 請求項1〜4のいずれか一つに記載の分級装置において、搬送手段(6A)は更に、搬送ガスが流れる搬送ガス供給通路(86)を備え、該搬送ガス供給通路(86)と混合ガス供給通路(63)とが拡大部(20)で集合されていることを特徴とする分級装置。
【請求項6】 請求項1〜4のいずれか一つに記載の分級装置において、拡大部(20)は、搬送手段(6A)に連通する入口と、超音速流発生手段(30)に連通する出口と、上記入口から流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部(91)と、上記出口に向かって流路断面積が連続的に減少する流路断面減少部(93)と、を有することを特徴とする分級装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、分級装置に係り、特に、超音速流を用いて発生させた定在衝撃波を利用して固体粒子を分級する分級装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、超音速流を用いて発生させた定在衝撃波を利用して固体粒子を分級する分級装置として、例えば、特開平5−115848号公報及び特開平7−204585号公報に開示されているものがある。
【0003】従来の分級装置では、図18に示すように、分級室(a1)にラバール管(b1)が連設されるとともに、分級室(a1)に粒子回収手段(c1)が収納されて構成されている。粒子回収手段(c1)は、一対の平行平板である区画壁(c2,c2) を備え、区画壁(c2,c2) の間が粗粒子回収通路(a2)を、区画壁(c2,c2) の両外側が細粒子回収通路(a3,a3) を、それぞれ形成している。
【0004】ラバール管(b1)は、微粒子状の固体粒子と搬送ガスとから成る固気混合ガス(G) を超音速で流出口(b2)より分級室(a1)に噴出させる。そして、ラバール管(b1)から噴出した固気混合ガス(G) は、粗粒子回収通路(a2)に向かって超音速で分級室(a1)に流入する。その際、粗粒子回収通路(a2)の一端(図示しないが、図18の下端)が閉塞されているので、他端の流入口(a4)に向かって流れる固気混合ガス(G) に対して粗粒子回収通路(a2)が障害物となる。この結果、粗粒子回収通路(a2)の流入口(a4)の近傍における固気混合ガス(G) の超音速流場で定在衝撃波(S) が発生する。
【0005】この定在衝撃波(S) の波面の前後において、固気混合ガス(G) の流速と流れ方向とが急激に変更することになる(図18のF1参照)。そして、固気混合ガス(G) における固体粒子のうち比較的慣性力の小さな細粒子(Pf)は、固気混合ガス(G) の流れに伴って細粒子回収通路(a3)に流れ(図18のF2参照)、慣性力の大きな粗粒子(Pf)はそのまま直進し(図18のF3参照)、粗粒子回収通路(a2)を流れる。このようにして、ラバール管(b1)から分級室(a1)に流入した固体粒子は粗粒子(Pr1) と細粒子(Pf1) とに分級される。
【0006】また、このような定在衝撃波を用いた分級作用を利用して分級と製膜とを同時に行う装置が、特開平5−115773号公報に開示されている。
【0007】この公報に開示された装置では、図19に示すように、ラバール管(c3)の出口の近傍に、基板(d1)とその支持および移動手段(e1)が設けられている。そして、製膜室内にラバール管(c3)に対向して基板(d1)を配置しておく。
【0008】この装置では、多分散の微粒子材料を含んだ搬送ガス(G1)を基板(d1)に衝突させることにより、製膜と分級を同時に行う。薄膜材料の微粒子を含んだ固気混合ガス(G1)は、ラバール管(c3)内で超音速流となり、基板(d1)と衝突する。このとき、基板(d1)上に定在衝撃波(c4)が発生する。ラバール管(c3)の出口ノズルから流出した固気混合流は、定在衝撃波(c4)によって急激に減速し、流れの方向が大きく曲がる。その際、慣性力の大きい粗粒子は、気流の方向変化に追随できないので基板(d1)に衝突する。一方、慣性力の小さい微粒子は気流の方向変化に追随するので基板(d1)に衝突しない。その結果、粗粒子と微粒子とが分離され、つまり分級され、基板(d1)上には一定粒径以上の粒子からなる均一な膜が形成される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従来の分級装置では、固気混合ガス中の固体粒子は、配管(h1,h2) を流れる際に、粒子密度分布に偏りが生じやすかった。つまり、同一流路断面において、ある領域の平均粒径と他の領域の平均粒径との相違が生じやすかった。したがって、配管(h1,h2) からラバール管(b1,c3) に流入した固気混合ガス中の固体粒子(Pa1,Pa2) は、ラバール管(b1,c3) の断面積が縮小していく部分(以下、「流路断面積縮小部」と称する)の壁面に付着しやすいという問題があった。そのため、例えば製膜を行う場合では、一定の膜厚の薄膜を形成するために、より多くの固体粒子が必要であった。つまり、材料(固体粒子)の無駄が多かった。
【0010】また、ラバール管(b1,c3) の流路断面積縮小部の壁面に付着した固体粒子を頻繁に取り除かなければならないため、メンテナンス期間が短く、上記装置を長時間にわたって連続運転することができないという問題があった。
【0011】特に、上記装置内の圧力を調節するために配管(h1,h2) 内にオリフィスを設けた場合には、固気混合ガスの粒子密度分布の偏りが大きいため、このような問題が顕著であった。
【0012】本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ラバール管等の超音速流発生手段の壁面に付着する固体粒子を減少させることである。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、固体粒子が付着しやすかったラバール管等の超音速流発生手段の上流側において、固気混合ガスの流れを緩和し、固体粒子を拡散することにより、粒子密度分布の偏りが生じにくいようにした。
【0014】具体的には、請求項1に記載の発明が講じた手段は、固体粒子が搬送ガスに混入してなる固気混合ガスが流れる混合ガス供給通路(6,63)を有する搬送手段(6A)の下流側には、流路断面積が縮小した縮小部(32)を有する超音速流発生手段(30)が設けられ、超音速流発生手段(30)の流出口が連通するチャンバ(40,140)内には、定在衝撃波を発生させる衝撃波発生手段(50,150)が設けられ、チャンバ(40,140)内に流入した固気混合ガス中の固体粒子を定在衝撃波によって分級する分級装置において、搬送手段(6A)の下流端部には、固気混合ガスが流通する流路の断面積が上記混合ガス供給通路(6,63)の流路断面積より大きい拡大部(20)が形成されている構成としたものである。
【0015】上記発明特定事項により、搬送手段(6A)を流れてきた固気混合ガスは、拡大部(20)で減速するので、固気混合ガス中の粒子は拡大部(20)で拡散し、粒子密度分布は均一になる。また、流れの乱れが減少する。そのため、超音速流発生手段(30)の流路断面積縮小部(32)には粒子密度分布の均一な安定した固気混合流が流れるので、粒子は付着しにくくなる。
【0016】また、請求項2に記載の発明が講じた手段は、請求項1に記載の分級装置において、衝撃波発生手段(50)は、粗粒子回収通路(53)と細粒子回収通路(54)とを有し、粗粒子(Pr)と細粒子(Pf)とを個別に回収する構成としたものである。
【0017】上記発明特定事項により、精度の高い分級を行うことができる。
【0018】一方、請求項3に記載の発明が講じた手段は、請求項1に記載の分級装置において、衝撃波発生手段(150) は、超音速流発生手段(130) の流出口に対向するように基板(155) を支持し、この基板(155) 上に、分級によって選択された粒子の膜を形成させる構成としたものである。
【0019】上記発明特定事項により、製膜と分級を同時に行うことができる。
【0020】また、請求項4に記載の発明が講じた手段は、請求項2または3のいずれか一つに記載の分級装置において、搬送手段(6A)は、チャンバ(40,140)内の圧力を調節する調節手段(7) を有する構成としたものである。
【0021】上記発明特定事項により、チャンバ内の圧力を調節することができる。
【0022】また、請求項5に記載の発明が講じた手段は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の分級装置において、搬送手段(6A)は更に、搬送ガスが流れる搬送ガス供給通路(86)を備え、搬送ガス供給通路(86)と混合ガス供給通路(63)とが拡大部(20)で集合されている構成としたものである。
【0023】上記発明特定事項により、搬送ガス供給通路(86)を流通した搬送ガスと混合ガス供給通路(63)を流通した固気混合ガスとを拡大部(20)で合流することにより、更に粒子密度分布の均一化と流れの安定化を図ることができるので、超音速流発生手段(30)の流路断面積縮小部(32)に付着する粒子の量を更に低減することができる。
【0024】また、請求項6に記載の発明が講じた手段は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の分級装置において、拡大部(20)は、搬送手段(6A)に連通する入口と、超音速流発生手段(30)に連通する出口と、上記入口から流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部(91)と、上記出口に向かって流路断面積が連続的に減少する流路断面減少部(93)とを有する構成としたものである。
【0025】上記発明特定事項により、固気混合ガスが流通する流路の断面積が連続的に変化するので、分級装置内での二次流れは生じにくく、固気混合流の圧力損失は小さくなる。
【0026】
【発明の実施の形態1】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0027】図1および図2に示すように、本分級装置(1) は粒径の測定等に用いられる装置であって、搬送手段(6A)と、超音速流発生手段としてのラバール管(30)と、チャンバとしての分級室(40)と、図示しない真空ポンプとが固気混合ガスが流通可能に順に接続されて構成されている。
【0028】ここで、搬送手段(6A)は、気相法、粉砕法、超臨界圧法、液相法等を使用する各種の微粒子製造装置(図示せず)と、配管(6) と、拡大部としての混合室(20)とが固気混合ガスが流通可能に順に接続されて構成されている。
【0029】配管(6) は断面積が一定の円管である。なお、この配管(6) の断面形状は、混合室(20)との連通が可能であれば、正方形、長方形、楕円形など、他の形状でも構わない。ここで、配管(6) は固気混合ガスを混合室(20)に搬送するように構成されている。固気混合ガスは、図示しない微粒子製造装置で生成した金属やセラミックス等の粒径が1μm以下の固体粒子を、空気やHe、Ar等の不活性ガスの搬送ガスに混入することにより生成されている。
【0030】混合室(20)は、主に略直方体形状の密閉型容器で形成されている。図1に示す上面には円形の開口で成る混合室入口(21)が形成され、下面には矩形状の開口で成る混合室出口(22)が形成されている。そして、混合室入口(21)は配管(6) の出口と、混合室出口(22)はラバール管(30)の入口と、それぞれ連通している。混合室(20)の流路断面(流路方向に直交する断面であり、図2のXY平面)の面積(以下、流路断面積と称する)は、配管(6) の断面積よりも数倍大きく、例えば9倍程度大きい。この混合室(20)の流路断面積は、配管(6) を流れてきた固気混合ガス(F11) が混合室入口(21)を通過して混合室(20)内に流入する際に減速して、固気混合ガス(F11) 中の粒子が拡散するように設定されている。また、混合室(20)の流路断面積はラバール管(30)の入口の断面積よりも数倍大きく、例えば3倍程度大きい。混合室内の上面の内壁と下面の内壁との間の距離、つまり混合室内の高さ(L1)は、混合室内の側面間の距離、つまり混合室の幅(D1)の約2倍弱程度である。混合室の高さ(L1)と幅(D1)とは、粒子の拡散作用が十分に得られるように設定されている。
【0031】ラバール管(30)は一定の断面積を有する入口部(31)、下流側に向かって流路断面積が連続的に減少していく流路断面積縮小部(32)、流路断面積が最小であるスロート部(33)、流路断面積が連続的に増大していく流路断面積拡大部(34)とが順に一体形成されて構成されている。なお、所定の超音速流を安定して発生するために、ラバール管の内面は滑らかに連続している。このラバール管(30)は、図2に示すように、流路断面が矩形状に構成されており、サイズアップしやすくなっている。なお、入口部(31)、流路断面積縮小部(32)、スロート部(33)、および流路断面積拡大部(34)の図2に示すY方向(奥行き方向)の長さは互いに等しく、それらの長さは混合室の断面の幅(D1)とほぼ等しい。
【0032】分級室(40)は、図2に示すように、矩形状の箱体に形成されている。分級室(40)はその上面の中央部において、ラバール管(30)の出口と連通する開口を有している。この開口は、図2のY方向に延びる矩形に形成されている。
【0033】分級室(40)の内部には粒子回収手段(50)が設けられている。粒子回収手段(50)は、2枚の区画壁(51,51) を備え、この区画壁(51,51) は所定間隔を存して平行に配置され、分級室(40)の上下方向に設けられている。
【0034】そして、両区画壁(51,51) の間の空間は、分級室の中央部に位置して、粗粒子回収通路(53)を形成している。両区画壁(51,51) の各上端の間は、粗粒子回収通路(53)の流入口(55)を形成している。この両区画壁(51,51) は、流入口(55)がラバール管(30)の流出口に所定間隔を存して対面するように配置されている。粗粒子回収通路(53)の下端は閉塞され、区画壁(51,51) および粗粒子回収通路(53)は、ラバール管(30)より分級室(40)に流入した超音速の固気混合流(F14) の障害物となっている。つまり、区画壁(51,51) および粗粒子回収通路(53)は、ラバール管(30)の流出口と粗粒子回収通路(53)の流入口(55)との間の位置に、ラバール管(30)の流出口(55)に面する定在衝撃波(56)を発生させるように形成されている。
【0035】一方、細粒子回収通路(54)の下端には図示しない真空ポンプが接続されており、この真空ポンプによって分級室(40)の内部のガスを吸引可能となっている。
【0036】各区画壁(51,51) の上端には、鍔部(52)が形成されている。この鍔部(52)は、粗粒子回収通路(53)の中心側である内側に向かって突出している。そして、鍔部(52)の上面であってラバール管(30)の流出口の対向面が平坦面に形成されている。つまり、鍔部(52)の上面は、超音速の固気混合流の流れを妨げるのに十分な面積を有するように形成されている。
【0037】また、鍔部(52)の内面は、鍔部(52)の先端から区画壁(51,51) の内面に連続するように形成され、鍔部(52)の先端から区画壁(51,51) の内面に向かって真っ直ぐに傾斜する傾斜面で形成されている。
【0038】−分級装置(1) の動作−次に、上記分級装置(1) の動作について説明する。
【0039】まず、真空ポンプ(図示せず)を作動して分級室(40)内のガスを吸引することにより、分級室(40)の圧力およびラバール管(30)の出口圧力を大気圧よりも低い圧力、すなわち真空にする。すると、配管(6) 内の圧力と分級室(40)の圧力との差により、配管(6) を通じて混合室(20)内へ固気混合ガス(F11) が流れ込み、分級装置内を流通する固気混合流が発生する。
【0040】この際、粒径の違いによる固体粒子の慣性の差などに基づき、配管(6) 内を流れる固気混合流(F11) は、粒子密度分布の偏りが大きな固気混合流となっている。また、この固気混合流は乱れの大きい流れになっている。そして、この固気混合流(F11) は配管(6) から混合室入口(21)を通じて混合室(20)内に流入する。
【0041】このとき、配管(6) から混合室(20)内に流入する際に流路断面積が拡大するため、固気混合流(F11) は減速する(F12 参照)。そして、混合室(20)内で固体粒子は拡散し、粒子密度分布が均一になる。また、流れの乱れが減少し、固気混合流は整流される。つまり、混合室(20)は、配管(6) 内を流れてきた固気混合ガス(F11) の流れを緩和し整流するいわば緩和タンクとしての作用を行う。その後、整流された固気混合流(F13) は、混合室出口(22)を通じてラバール管入口部(31)に流入する。
【0042】ラバール管入口部(31)を通過した固気混合流は、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)で増速し、スロート部(33)で音速になった後、さらに流路断面積拡大部(34)で所定の超音速にまで増速する。
【0043】超音速流となった固気混合流(F14) はラバール管(30)から流出した後、分級室(40)内に流入する。その際、粗粒子回収通路(53)は、下端が閉塞しているので、粗粒子回収通路(53)および鍔部(52)の上面が固気混合流の障害物となる。したがって、流入口(55)の上方近傍においてラバール管の流出口に面する定在衝撃波(56)が発生する。鍔部(52)の上面は平坦面になっているので、この定在衝撃波(56)はほぼ平坦になる。
【0044】そして、図1に示すように、この定在衝撃波(56)によって、固気混合流(F14)中の搬送ガスの流れ(Fg)の方向は、ほぼ直角に変化する。この固気混合流(F14)中の固体粒子のうち細粒子(Pf)は慣性力が小さいので、搬送ガス(Fg)の方向変化に追随して流れ方向が確実に変化し、区画壁(51,51) の外側の細粒子回収通路(54)に流れ込んで回収される。
【0045】一方、固気混合流(F14) 中の固体粒子のうちの粗粒子(Pr)は、慣性力が大きいので、搬送ガスの方向変化に関わりなく直進する流れ(Fr)となり、区画壁(51,51) の内側の粗粒子回収通路(53)に流入口(55)より流入して回収される。
【0046】以上のようにして、固気混合流中の固体粒子は細粒子(Pf)と粗粒子(Pr)とに分級される。
【0047】したがって、以上のように動作する分級装置(1) は、以下の効果を奏する。
【0048】すなわち、配管(6) とラバール管(30)との間に流路断面積を拡大する混合室(20)が設けられているので、配管(6) 内を流れてきた固気混合流(F11) は、そのまま粒子密度分布が不均一な状態でラバール管(30)に流入するのではなく、混合室入口(21)で減速する。そのため、混合室(20)内では流速が減少するので固気混合流中の粒子は一様に拡散することができ、粒子密度分布は均一になる。また、混合室(20)内の流れが整流されるため、流れの乱れは減少する。したがって、ラバール管(30)に流入する固気混合流は、粒子密度分布の偏りがなく、乱れの少ない安定した固気混合流(F3)となる。
【0049】その結果、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)には粒子密度分布が均一で安定した固気混合流が流れるので、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)の壁面に付着する固体粒子の量は少なくなる。したがって、回収されずに無駄になる固体粒子の量は少なくなる。
【0050】また、ラバール管(30)に流入する固気混合流は安定した流れなので、安定した超音速流を発生することができ、分級室(40)内で安定した定在衝撃波(56)を発生することができる。この結果、分級室(40)内で精度の高い分級を行うことができる。
【0051】さらに、ラバール管(30)に付着する固体粒子の量が減ることにより、本分級装置(1) ではメンテナンス期間は長くなる。ここで、メンテナンス期間とは、ラバール管(30)に付着した固体粒子をいったん取り除いた時から、その後運転を再開し、再びラバール管(30)に付着した固体粒子を取り除く必要が生じるまでの期間である。そのため、長時間に渡る連続運転が可能となり、分級動作の効率は向上する。
【0052】−変形例−次に、図3に、上記分級装置(1) の変形例として、混合室(20)、ラバール管(30)、および分級室(40)が円形の断面形状を有する分級装置(1) を示す。混合室(20)は中空円筒形状の密閉型容器で形成されている。この混合室(20)には、一方の端面に混合室入口部(21)となる円形の開口が設けられ、他方の端面には混合室出口部(22)となる円形の開口が設けられている。混合室入口部(21)には配管(6) が連通され、混合室出口部(22)にはラバール管(30)の入口部が連通され、固気混合流が配管(6) から混合室(20)を経てラバール管(30)に流通可能となっている。
【0053】この分級装置(1) では、分級による粒径の変化方向は分級室(40)の半径方向である。混合室(20)の高さは断面直径の2倍弱程度の長さである。その他の構成は、上記分級装置(1) と同様である。
【0054】したがって、以上の構成を有する本分級装置(1) も、上記分級装置(1) と同様の作用効果を奏する。
【0055】更に、上記の各分級装置(1) において、図4に示すように、配管(6) 内の混合室(20)に近接する部分に分級室(40)等の圧力を調節する手段として、オリフィス(7) を設けることが好ましい。このようにオリフィス(7) を設けることにより、オリフィス(7) の絞りを調整して、オリフィス(7) 前後の圧力差を制御することが可能となる。そして、分級室内の圧力を調節することができるとともに、分級装置(1) 内を流れる固気混合流の速度を調整することもでき、分級の精度を一層高めることができる。
【0056】
【発明の実施の形態2】次に、図5に示すように、実施形態2の分級装置(1) について説明する。
【0057】本分級装置(1) は、主として混合室(20)と、ラバール管(30)と、チャンバとしての分級室(40)と、第一搬送ガス供給部(85)と、搬送ガス供給通路としての搬送ガス供給配管(86)と、第二搬送ガス供給部(83)と、粒子供給部(84)と、混合ガス供給通路としての混合ガス供給配管(63)とで構成されている。そして、第一搬送ガス供給部(85)と、搬送ガス供給配管(86)と、第二搬送ガス供給部(83)と、粒子供給部(84)と、混合ガス供給配管(63)と、混合室(20)は、本発明でいうところの搬送手段(6A)を構成している。
【0058】第一搬送ガス供給部(85)と混合室(20)とは搬送ガス供給配管(86)を介して搬送ガスが流通可能に順に接続されている。また、第二搬送ガス供給部(83)と粒子供給部(84)とは配管(86b) を通じて連通され、粒子供給部(84)は混合ガス供給配管(63)を通じて混合室(20)と通じている。
【0059】第一搬送ガス供給部(85)は、HeやAr等の不活性ガスや空気等の搬送ガスを混合室(20)に供給する部分である。
【0060】一方、第二搬送ガス供給部(83)は、粒子供給部(84)に蓄えられた固体粒子を混合室(20)内へ導くための搬送ガスを供給する部分である。搬送ガスにはHeやAr等の不活性ガスや空気等が用いられる。
【0061】粒子供給部(84)は、製膜材料となる各種金属やセラミックス等の固体粒子を供給する部分である。固体粒子には、気相法、粉砕法、超臨界圧法、液相法等を使用する各種の微粒子製造装置(図示せず)によって生成された固体微粒子が用いられる。
【0062】次に、混合室(20)、ラバール管(30)および分級室(40)の詳細について説明する。 図6に示すように、搬送ガス供給配管(86)と、拡大部としての混合室(20)と、超音速流発生手段としてのラバール管(30)と、チャンバとしての分級室(40)とは、搬送ガスが流通可能に順に接続され、かつ、混合室(20)の一側面に混合ガス供給配管(63)が挿入されて構成されている。
【0063】混合室(20)に連通された搬送ガス供給配管(86)は、断面積が一定の円管である。しかし、搬送ガス供給配管(86)の断面形状は、混合室(20)との連通が可能であれば正方形、長方形、楕円形など、他の形状でも構わない。
【0064】搬送ガス供給配管(86)内にはオリフィス(7) が設けられており、分級室(40)内の圧力を調節可能としている。
【0065】混合室(20)は、実施形態1の分級装置(1) の混合室(20)と同様である。
【0066】ただし、実施形態2の分級装置(1) では、混合室(20)の少なくとも一つの側面の上方に、混合ガス供給配管(63)を挿入するための開口(68)が設けられている。そして、混合ガス供給配管(63)は、この開口(68)を貫通している。混合ガス供給配管(63)は円管であるが、他の形状の管でもよい。この混合ガス供給配管(63)は、混合室(20)内で下方に向かって約90度緩やかに曲がっており、混合ガス供給配管(63)の先端の導出口(64)から混合室(20)内に流入する固気混合流(F18) の進行方向と、搬送ガス供給配管(86)から混合室(20)内に流入する搬送ガスの進行方向とがほぼ一致するように構成されている。そして、混合ガス供給配管(63)の導出口(64)は混合室(20)の流路の中心に位置している。つまり、導出口(64)は、混合ガス供給配管(63)を流れてきた固気混合流(F17) が搬送ガス供給配管(86)を流れて混合室(20)内に流入した搬送ガス(F16) によって搬送されるような位置に設けられている。
【0067】ラバール管(30)および分級室(40)は、実施形態1の分級装置(1) と同様なので、説明を省略する。
【0068】次に、本分級装置(1) の動作を説明する。
【0069】図5に示すように、真空ポンプ(図示せず)により分級室(40)内は吸引されて負圧となり、第一搬送ガス供給部(85)と分級室(40)との圧力差、および第二搬送ガス供給部(83)と分級室(40)との圧力差に基づき、搬送ガス(F15) および固気混合ガス(F17) を混合室(20)内に導く気流が発生する。
【0070】第一搬送ガス供給部(85)から搬送ガス供給配管(86)を通じて流れてきた搬送ガス(F15) は、混合室入口(21)を通過する際に減速し、混合室(20)内で安定した流れ(F16) になる。一方、第二搬送ガス供給部(84)から配管(86b) を通じて粒子供給部(84)内に流入した搬送ガスは、粒子供給部(84)内で固体粒子と混合し、固気混合流(F17) となって混合ガス供給配管(63)を混合室(20)に向かって流れる。固気混合流(F17) は、導出口(64)から混合室(20)内に流入する際に減速する。そして、導出口(64)から流出した固気混合流(F18) は、安定した搬送ガス流(F16) と合流した後、ラバール管(30)に流入する。
【0071】その後は実施形態1の分級装置(1) と同様にして、分級室(40)で分級が行われる。
【0072】以上のように、実施形態2における分級装置(1) では、混合ガス供給配管(63)から流入した固気混合流は、混合室(20)内で減速する。その結果、固気混合ガス(F18) 中の粒子は一様に拡散することができ、粒子密度分布は均一になる。また、流れの乱れは減少する。
【0073】また、搬送ガス供給配管(86)から混合室(20)に流入した搬送ガス流(F15) も減速し、流れが安定する。そして、固気混合流(F18) と搬送ガス流(F16) とは混合室(20)内で合流する。その結果、固気混合流(F18) は、安定した搬送ガス流(F16) と合流することによって更に整流されるため、流れの乱れは一層減少する。したがって、ラバール管(30)に流入する固気混合流は、粒子密度分布の偏りがなく、非常に乱れの少ない安定した固気混合流(F19) となる。
【0074】したがって、ラバール管(30)の流路断面積縮小部の壁面に付着する固気混合流中の固体粒子の量は減少する。その結果、無駄になる固体粒子の量が減る等、実施形態1の分級装置と同様の効果をより効率的に達成することができる。
【0075】なお、実施形態2の分級装置(1) においても、混合室(20)、ラバール管(30)、分級室(40)の断面形状を円形状にすることも可能である。
【0076】また、第一搬送ガス供給部(85)と第二搬送ガス供給部(83)とを分離しないで、第二搬送ガス供給部(83)の搬送ガスを、搬送ガス供給配管(86)を通じて混合室(20)内に直接流入させてもよい。
【0077】
【発明の実施の形態3】図7は実施形態3の分級装置(1) を示す。この分級装置(1) は、実施形態1の分級装置(1) の略直方体形状の混合室(20)を、図7に示すXZ平面の断面形状が八角形の混合室(20)に置き換えるとともに、配管(6) を矩形状の配管(6) に置き換えたものである。
【0078】混合室(20)は、流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部(91)、流路断面積が一定の流路断面拡大部(92)、流路断面積が連続的に減少する流路断面減少部(93)の順に並んだ三つの部分で構成される。流路断面増加部(91)、流路断面拡大部(92)、および流路断面減少部(93)の奥行き方向、つまりY方向の長さはすべて等しく、一定である。
【0079】混合室(20)の上端には配管(6) の断面積と等しい断面積を有する矩形状の開口が設けられ、この開口を通じて混合室(20)と配管(6) とが連通されている。また、混合室(20)の下端には矩形の開口が設けられ、この開口を通じて混合室(20)と超音速流発生手段たるラバール管(30)とが連通されている。混合室(20)の下端の開口の面積は、ラバール管(30)の入口の面積と等しい。そして、混合室(20)と配管(6) との間には、分級室(40)内の圧力を調節可能にするオリフィス(7) が設けられている。
【0080】したがって、本分級装置(1) では、オリフィス(7) の前後以外は、流路断面積が連続的に変化する構成となっている。
【0081】なお、流路断面拡大部(92)の流路断面積は、配管(6) の断面積の数倍程度である。
【0082】本分級装置(1) では、配管(6) を流れてきた固気混合流は、オリフィス(7) を通過して混合室(20)内に流入する際に減速する。その結果、実施形態1の分級装置(1) と同様の効果を有する。
【0083】さらに、本分級装置(1) では、オリフィス(7) の前後以外は流路断面積が連続的に変化しており、混合室(20)内に流入した直後の固気混合流は流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部を通過するので、混合室の隅部に発生する淀みがなくなる。そのため、流れの澱みによる無駄なエネルギ損失がなくなり、真空ポンプ(図示せず)等の気流発生手段の負荷が低減する効果も有する。
【0084】また、混合室(20)からラバール管(30)に向かって流路断面積は連続して減少しているので、混合室(20)からラバール管(30)に流入する際の固気混合流の圧力損失は小さく、エネルギ損失は小さい。したがって、真空ポンプ(図示せず)等の気流発生手段の負荷を低減することができる。
【0085】
【発明の実施の形態4】次に、本発明による分級装置を製膜装置として利用した実施形態4を説明する。実施形態4の分級装置は、固体粒子を含んだ搬送ガスを基板に衝突させることにより、分級をしつつ製膜を行う装置である。
【0086】まず、図8に示すように、本実施形態4の分級装置(101) の構成の概要を説明する。
【0087】分級装置(101) は、搬送ガス供給部(103) 、粒子供給部(104) 、拡大部としての混合室(20)、超音速流発生手段としてのラバール管(30)、チャンバとしての膜形成室(140) 、バックアップフィルタ(105) 、および真空ポンプ(102) が、混合ガス供給通路としての配管(6) を介して、固気混合ガスが流通可能に順に接続されて構成されている。なお、搬送ガス供給部(103) 、粒子供給部(104) 、配管(6) 、および混合室(20)は、本発明でいうところの搬送手段(6A)を構成している。
【0088】搬送ガス供給部(103) は、粒子供給部(104) に蓄えられた固体粒子を混合室(20)内へ導くための搬送ガスを供給する部分である。搬送ガスには、HeやAr等の不活性ガスや空気等が用いられる。
【0089】一方、粒子供給部(104) は、製膜材料となる各種金属やセラミックス等の固体粒子を供給する部分である。固体粒子には、気相法、粉砕法、超臨界圧法、液相法等を使用する各種の微粒子製造装置(図示せず)によって生成された粗粒子を除いた細粒子(b) と超微粒子(c) との混合体が用いられる。
【0090】バックアップフィルタ(105) は、膜形成室(140) と真空ポンプ(102) との間に設けられ、製膜に使用されなかった固体粒子を回収するように設けられている。
【0091】そして、真空ポンプ(102) は、膜形成室(140) 内のガスを吸引して、膜形成室(140) 内の圧力を搬送ガス供給部(103) 内の圧力よりも小さくすることにより搬送ガスを膜形成室(140) に導き、分級装置(101) 内に気流を発生させるように設けられている。
【0092】次に、混合室(20)、ラバール管(30)および膜形成室(140) の詳細を説明する。
【0093】本分級装置(101) は、膜形成室(140) 内で、所定のサイズにカットした基板(155) 上に、連続的に次々と膜を形成するいわゆるバッチ式の装置である。
【0094】図9および10に示すように、配管(6) と、配管(6) に連通された拡大部としての混合室(20)と、超音速流発生手段としてのラバール管(30)と、チャンバとしての膜形成室(140) とは、固気混合ガスが流通可能に順に接続されて構成されている。
【0095】混合室(20)に連通された配管(6) は断面積が一定の円管である。しかし、配管(6) の断面形状は、混合室(20)との連通が可能であれば、正方形、長方形、楕円形など、他の形状でも構わない。
【0096】混合室(20)は、主に略直方体形状の密閉型容器で形成され、上記配管(6) と共に搬送手段を構成している。一方の側面には円形の開口で成る混合室入口(21)が形成され、この側面と対向する側面には矩形形状の開口で成る混合室出口(22)が形成されている。そして、混合室入口(21)は配管(6) の出口と、混合室出口(22)はラバール管(30)の入口と、それぞれ開通している。混合室(20)の流路断面(流路方向に直交する断面であり、図10のXY平面)における面積(以下、流路断面積と称する)は、配管(6) の断面積よりも数倍大きく、例えば9倍程度大きい。この混合室(20)の流路断面積は、配管(6) を流れてきた固気混合流が混合室入口(21)を通過して混合室(20)内に流入する際に減速して、固気混合ガス(F11) 中の粒子が拡散するように設定されている。また、混合室(20)の流路断面積はラバール管(30)の入口の断面積よりも数倍大きく、例えば3倍程度大きい。混合室(20)内の上面の内壁と下面の内壁との間の距離、つまり混合室(20)内の高さ(L1)は、混合室(20)内の側面間の距離、つまり混合室(20)の幅(D1)の約2倍である。混合室の高さ(L1)と幅(D1)とは、粒子の拡散作用が十分に得られるように設定されている。
【0097】ラバール管(30)は一定の断面積を有する入口部(31)、流路断面積が連続的に減少していく流路断面積縮小部(32)、流路断面積が最小であるスロート部(33)、流路断面積が連続的に増大していく流路断面積拡大部(34)とが順に一体形成されて構成されている。なお、所定の超音速流を安定して発生するために、ラバール管(30)の内面は滑らかに連続している。このラバール管(30)は、図10に示すように、流路断面が矩形形状に構成されており、サイズアップしやすくなっている。なお、入口部(31)、流路断面積縮小部(32)、スロート部(33)、および流路断面積拡大部(34)の図10に示すY方向(奥行き方向)の長さは互いに等しく、それらの長さは混合室の断面のY方向長さとほぼ等しい。
【0098】チャンバとしての膜形成室(140) は、図11に示すように、ケーシング(141)によって形成された断面が矩形形状の半密閉型の容器でできている。膜形成室(140) のY方向長さは、ラバール管(30)のY方向長さとほぼ等しい。膜形成室(140) の内部には、基板(155) を支持する基板支持手段(150) と、基板支持手段(150) を移動する移動手段(152) とが設けられている。基板支持手段(150) は、支持棒(153) と、支持棒(153) の上端に配設された基板(155) を載せる載置台(151)とからなる。この載置台(151) は、基板(155) がラバール管(30)の出口に対向するように配設されている。基板(155) は矩形形状の薄板であり、図11に示すように、ケーシング(141) の二つの側面(141a)および(141b)の間に配置される。
【0099】また、膜形成室(140) には、図示しないが、膜形成室(140) に連続して設けられ、固体粒子が付着しないように多数の基板(155) を収納しておく収納部と、この収納部と基板支持手段(150) の載置台(151) との間で基板(155) を搬送する搬送手段とが配設されている。
【0100】−分級装置(101) の動作−次に、分級装置(101) の動作について説明する。
【0101】まず、真空ポンプ(102) を作動して膜形成室(140) 内のガスを吸引することにより、膜形成室(140) の圧力およびラバール管(30)の出口圧力を大気圧よりも低い圧力、すなわち真空にする。すると、搬送ガス供給部(103) および粒子供給部(104) の圧力と膜形成室(140) の圧力との差異により、搬送ガス供給部(103) から混合室(20)に向かって分級装置(101) 内を流れる固気混合流が発生する。すなわち、搬送ガス供給部(103) から搬送ガスが供給され、この搬送ガスは粒子供給部(104) において固体粒子と混合し、その後固体粒子を含んだ固気混合流となって配管(6) 内に流れ込む。
【0102】この際、粒径の違いによる固体粒子の慣性の差などに基づき、配管(6) 内を流れる固気混合流(F11) は、粒子密度分布の偏りが大きな固気混合流となっている。また、この固気混合流は乱れの大きい流れになっている。そして、この固気混合流(F11) は配管(6) から混合室入口(21)を通じて混合室(20)内に流入する。
【0103】このとき、配管(6) から混合室(20)内に流入する際に流路断面積が拡大するため、固気混合流(F11) は減速する(F12 参照)。そして、混合室(20)内で固体粒子は拡散し、粒子密度分布が均一になる。また、流れの乱れが減少し、固気混合流は整流される。つまり、混合室(20)は、配管(6) 内を流れてきた固気混合ガス(F11) の流れを緩和し整流するいわば緩和タンクとしての作用を行う。その後、整流された固気混合流(F13) は、混合室出口(22)を通じてラバール管入口部(31)に流入する。
【0104】ラバール管入口部(31)を通過した固気混合流は、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)で増速し、スロート部(33)で音速になった後、さらに流路断面積拡大部(34)で所定の超音速にまで増速する。
【0105】超音速流となった固気混合流(F14) はラバール管(30)から流出した後、膜形成室(140) 内に流入して、載置台(151) 上の基板(155) と衝突する。このとき、基板(155) 上にラバール管(30)の流出口に面する定在衝撃波(56)が生じる。この定在衝撃波(56)は、圧力波であって、ラバール管出口(34)と基板(155) との間の一定位置に発生する。定在衝撃波(56)はY方向に一様で、ラバール管(30)の出口に向かって凸状の曲面形状を有する。
【0106】そして、固気混合流(F14) は、定在衝撃波(56)の前後で急減速するとともに、固気混合流(F14) 中の気体は載置台(151) の左右方向(X方向)の外方へ向かって流れる。このため、供給される固体粒子のうち慣性力の大きい細粒子(b) はそのまま直進する一方、慣性力の小さい超微粒子(c) は気流にのって載置台(151)の左右方向(X方向)の外方へ進行する。
【0107】このようにして、固体粒子は、固気混合流(F14) の中心から載置台(151) の左右の外方へ向かって大粒径から小粒径へと変化するように分級される。そして、分級された粒子は基板(155) に衝突して堆積し、薄膜を形成する。
【0108】図12に示すような基板(155) の位置では、非常に粒径のそろった細粒子(b)だけを基板に衝突させることができ、細粒子(b) による均一な粒径の薄膜を形成することができる。
【0109】また、基板(155) を配置する位置を変えることによって、薄膜を構成する固体粒子の粒径を変化させることができる。例えば、移動手段(152) によって基板(155) を粒径の変化方向(X方向)に移動し、超微粒子(c) が流通する領域に基板(155) を位置付けることにより、基板(155) に超微粒子(c) の薄膜を形成することができる。
【0110】そして、基板(155) に堆積しなかった固体粒子は、膜形成室(140) を通過し、バックアップフィルタ(105) に捕捉され、バックアップフィルタ(105) に滞留した後、回収される。
【0111】以上のようにして動作する本分級装置(101) は、以下の効果を奏する。
【0112】すなわち、配管(6) とラバール管(30)との間に流路断面積を拡大する混合室(20)が設けられたことによって、配管(6) 内を流れてきた固気混合流(F11) は、そのまま粒子密度分布が不均一な状態でラバール管(30)に流入するのではなく、混合室入口(21)で減速する。そのため、混合室(20)内では流速が減少するので固気混合流中の粒子は一様に拡散することができ、粒子密度分布は均一になる。また、混合室(20)内の流れが整流されるため、流れの乱れは減少する。したがって、ラバール管(30)に流入する固気混合流は、粒子密度分布の偏りがなく、乱れの少ない安定した固気混合流(F13) となる。
【0113】その結果、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)には粒子密度分布が均一で安定した固気混合流が流れるので、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)の壁面に付着する固体粒子の量は少なくなる。したがって、実際に薄膜を形成する形成物とならずに無駄になる固体粒子の量は少なくなる。
【0114】また、ラバール管(30)に流入する固気混合流は安定した流れなので、安定した超音速流を発生することができ、膜形成室(140) 内で安定した定在衝撃波(56)を発生することができる。この結果、膜形成室(140) 内で品質の高い薄膜を効率よく製造することができる。
【0115】さらに、ラバール管(30)に付着する固体粒子の量が減ることにより、本分級装置(101) ではメンテナンス期間は長くなる。そのため、長時間に渡る連続運転が可能となり、製膜の生産性は向上する。
【0116】−変形例−次に、図13に、上記分級装置(101) の変形例として、混合室(20)、ラバール管(30)、および膜形成室(140) が円形の断面形状を有する分級装置(101) を示す。混合室(20)は中空円筒形状の密閉型容器で形成されている。この混合室(20)には、一方の端面に混合室入口部(21)となる円形の開口が設けられ、他方の端面には混合室出口部(22)となる円形の開口が設けられている。混合室入口部(21)には配管(6) が連通され、混合室出口部(22)にはラバール管(30)の入口部が連通され、固気混合流が配管(6) から混合室(20)を経てラバール管(30)に流通可能となっている。
【0117】この分級装置(101) では、分級による粒径の変化方向は膜形成室(140) の半径方向である。混合室(20)の高さは断面の直径の2倍弱程度の長さである。その他の構成は、上記分級装置(101) と同様である。
【0118】したがって、本分級装置(101) でも、上記分級装置(101) と同様の作用効果を奏する更に、上記の各分級装置(101) において、図14に示すように、配管(6) 内の混合室(20)に近接する部分に、膜形成室(140) 等の圧力を調節する手段として、オリフィス(7) を設けることが好ましい。このようにオリフィス(7) を設けることにより、オリフィス(7) の絞りを調整して、オリフィス(7) 前後の圧力差を制御することが可能となる。そして、膜形成室(140) の圧力を調節することができるとともに、ラバール管(30)から基板(155) に衝突する固気混合流の流速を調整することができ、薄膜の品質をより高いものにすることができる。
【0119】
【発明の実施の形態5】次に、図15に示すように、実施形態5の分級装置(101) について説明する。
【0120】−製膜装置(101) の構成−まず、本実施形態5の分級装置(101) の構成の概要を説明する。本分級装置(101) は主に、第一搬送ガス供給部(85)、搬送ガス供給通路としての搬送ガス供給配管(86)、第二搬送ガス供給部(83)、粒子供給部(84)、混合ガス供給通路としての混合ガス供給配管(63)、混合室(20)、ラバール管(30)、膜形成室(140) 、バックアップフィルタ(105) 、および真空ポンプ(102) から構成される。第一搬送ガス供給部(85)、混合室(20)、ラバール管(30)、膜形成室(140) 、バックアップフィルタ(105) 、および真空ポンプ(102) は配管を介して搬送ガスが流通可能に順に接続されている。さらに、第二搬送ガス供給部(83)と粒子供給部(84)は配管(86b) を通じて連通され、粒子供給部(84)は混合ガス供給配管(63)を通じて混合室(20)と連通している。第一搬送ガス供給部(85)、搬送ガス供給配管(86)、第二搬送ガス供給部(83)、粒子供給部(84)、混合ガス供給配管(63)、および混合室(20)は、本発明でいうところの搬送手段(6A)を構成している。
【0121】第一搬送ガス供給部(85)は、HeやAr等の不活性ガスや空気等の搬送ガスを混合室(20)に供給する部分である。
【0122】一方、第二搬送ガス供給部(83)は、粒子供給部(84)に蓄えられた固体粒子を混合室(20)内へ導くための搬送ガスを供給する部分である。
【0123】粒子供給部(84)は、製膜材料となる各種金属やセラミックス等の固体粒子を供給する部分である。固体粒子には、気相法、粉砕法、超臨界圧法、液相法等を使用する各種の微粒子製造装置(図示せず)によって生成された固体微粒子が用いられる。
【0124】バックアップフィルタ(105) および真空ポンプ(102) は実施形態4と同様である。つまり、バックアップフィルタ(105) は、製膜に使用されなかった固体粒子を回収するように設けられ、真空ポンプ(102) は、第一搬送ガス供給部の搬送ガスと第二搬送ガス供給部の搬送ガスとを混合室(20)に導くように設けられている。
【0125】次に、混合室(20)、ラバール管(30)および膜形成室(140) の詳細について説明する。
【0126】本分級装置(101) は、実施形態4の分級装置(101) と同様、膜形成室(140) 内で、所定のサイズにカットした基板上に、連続的に次々と膜を形成するいわゆるバッチ式の装置である。
【0127】図16に示すように、分級装置(101) は、搬送ガス供給配管(86)に連通された拡大部としての混合室(20)と、超音速流発生手段としてのラバール管(30)と、膜形成室(140) とが搬送ガスが流通可能に順に接続されて構成されている。
【0128】混合室(20)に連通された搬送ガス供給配管(86)は断面積が一定の円管である。しかし、混合室(20)との連通が可能であれば、搬送ガス供給配管(86)の断面形状は正方形、長方形、楕円形など、他の形状でも構わない。
【0129】搬送ガス供給配管(86)内にはオリフィス(7) が設けられており、膜形成室(140) 内の圧力の調節が可能である。
【0130】混合室(20)は、実施形態4の分級装置(101) の混合室(20)と同様である。
【0131】ただし、実施形態5の分級装置(101) では、混合室(20)の少なくとも一つの側面の上方には、混合ガス供給配管(63)を挿入するための開口(68)が設けられている。そして、混合ガス供給配管(63)は、この開口(68)を貫通している。混合ガス供給配管(63)は円管であるが、他の形状の管でもよい。この混合ガス供給配管(63)は、混合室(20)内で下方に向かって約90度緩やかに曲がっており、混合ガス供給配管(63)の先端の導出口(64)から混合室(20)内に流入する固気混合流(F18)の進行方向と、搬送ガス供給配管(86)から混合室(20)内に流入する搬送ガスの進行方向とがほぼ一致するように構成されている。そして、混合ガス供給配管(63)の導出口(64)は混合室(20)の流路の中心に位置している。つまり、導出口(64)は、混合ガス供給配管(63)を流れてきた固気混合流(F17) が搬送ガス供給配管(86)を流れて混合室(20)内に流入した搬送ガス(F16) によって搬送されるような位置に設けられている。
【0132】ラバール管(30)および膜形成室(140) は、実施形態4の分級装置(101) と同様なので、説明を省略する。
【0133】−分級装置(101) の動作−次に、本分級装置(101) の動作を説明する。
【0134】真空ポンプ(102) により吸引された膜形成室(140) は真空状態となり、第一搬送ガス供給部(85)と膜形成室(140) との圧力差、および第二搬送ガス供給部(83)と膜形成室(140) との圧力差に基づき、搬送ガス(F15) および固気混合流(F17)を混合室(20)内に導く気流が発生する。
【0135】第一搬送ガス供給部(85)から搬送ガス供給配管(86)を通じて流れてきた搬送ガス(F15) は、混合室入口(21)を通過する際に減速し、混合室(20)内で安定した流れ(F16) になる。一方、第二搬送ガス供給部(84)から搬送ガス供給配管(86)を通じて粒子供給部(84)内に流入した搬送ガスは、粒子供給部(84)内で固体粒子と混合し、固気混合流(F17) となって混合ガス供給配管を混合室(20)に向かって流れる。固気混合流(F17) は、導出口(64)から混合室(20)内に流入する際に減速する。そして、導出口(64)から流出した固気混合流(F18) は、安定した搬送ガス流(F16) と合流した後、ラバール管(30)に流入する。
【0136】その後は実施形態4の分級装置(101) と同様にして、膜形成室(140) で製膜が行われる。
【0137】以上のように、本実施形態5における分級装置(101) では、混合ガス供給配管(63)からに流入した固気混合流は、混合室(20)内で減速する。その結果、固気混合ガス(F18) 中の粒子は一様に拡散することができ、粒子密度分布は均一になる。また、流れの乱れは減少する。
【0138】また、搬送ガス供給配管(86)から混合室(20)に流入した搬送ガス流(F15) も減速し、流れが安定する。そして、固気混合流(F18) と搬送ガス流(F16) とは混合室(20)内で合流する。その結果、固気混合流(F18) は、安定した搬送ガス流(F16) と合流することによって更に整流されるため、流れの乱れは一層減少する。したがって、ラバール管(30)に流入する固気混合流は、粒子密度分布の偏りがなく、非常に乱れの少ない安定した固気混合流(F19) となる。
【0139】したがって、ラバール管(30)の流路断面積縮小部(32)の壁面に付着する固気混合流中の固体粒子の量は減少する。その結果、無駄になる固体粒子の量が減る等、実施形態4の分級装置と同様の効果をより効率的に達成することができる。
【0140】なお、実施形態5の分級装置(101) においても、混合室(20)、ラバール管(30)、膜形成室(140) の断面形状を円形状にすることも可能である。
【0141】また、第一搬送ガス供給部(85)と第二搬送ガス供給部(83)とを分離しないで、第二搬送ガス供給部(83)の搬送ガスを、搬送ガス供給配管(86)を通じて混合室(20)内に直接流入させてもよい。
【0142】
【発明の実施の形態6】図17は実施形態6の分級装置(101) を示す。この分級装置(101) は、実施形態4の分級装置(101) の略直方体形状の混合室(20)を、図17に示すXZ平面の断面形状が八角形の混合室(20)に置き換えるとともに、配管(6) を矩形状の配管(6) に置き換えたものである。
【0143】混合室(20)は、流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部(91)、流路断面積が一定の流路断面拡大部(92)、流路断面積が連続的に減少する流路断面減少部(93)の順に並んだ三つの部分で構成される。流路断面増加部(91)、流路断面拡大部(92)、および流路断面減少部(93)の奥行き方向、つまりY方向の長さはすべて等しく、一定である。
【0144】混合室(20)の上端には配管(6) の断面積と等しい断面積を有する矩形の開口が設けられ、この開口を通じて混合室(20)と配管(6) とが連通されている。また、混合室(20)の下端には矩形の開口が設けられ、この開口を通じて混合室(20)と超音速流発生手段たるラバール管(30)とが連通されている。混合室の下端の開口の面積は、ラバール管(30)の入口の面積と等しい。そして、混合室(20)と配管(6)との間には、分級装置(101) 内の圧力を調節可能にするオリフィス(7) が設けられている。
【0145】したがって、本分級装置(101) では、オリフィス(7) の前後以外は、流路断面積が連続的に変化する構成となっている。
【0146】なお、流路断面拡大部の流路断面積は、配管(6) の断面積の数倍程度である。
【0147】本分級装置(101) では、配管(6) を流れてきた固気混合流は、オリフィス(7)を通過して混合室(20)内に流入する際に減速する。その結果、実施形態4の分級装置(101) と同様の効果を有する。
【0148】さらに、本分級装置(101) では、オリフィス(7) の前後以外は流路断面積が連続的に変化しており、混合室(20)内に流入した直後の固気混合流は流路断面積が連続的に増加する流路断面増加部を通過するので、混合室の隅部に発生する淀みがなくなる。そのため、流れの澱みによる無駄なエネルギ損失がなくなり、真空ポンプ(図示せず)等の気流発生手段の負荷が低減する効果も有する。
【0149】また、混合室(20)からラバール管(30)に向かって流路断面積は連続して減少しているので、混合室(20)からラバール管(30)に流入する際の固気混合流の圧力損失は小さく、エネルギ損失は小さい。したがって、真空ポンプの負荷を低減することができる。
【0150】
【発明の効果】以上のように、請求項1に記載の発明によれば、搬送手段の下流端部に、流路断面積を拡大する拡大部を設けたことによって、搬送手段内を流れてきた固気混合ガスの流速は減少する。そして、固気混合ガス中の粒子は、拡大部内で一様に拡散することができ、粒子密度分布は均一になる。また、拡大部内で固気混合ガスの流れが整流される。したがって、超音速流発生手段には、粒子密度分布が均一で乱れの少ない固気混合流が流入するので、超音速流発生手段の流路断面積縮小部の壁面に付着する固体粒子の量を少なくすることができる。
【0151】その結果、回収されずに無駄になる固体粒子の量を減少させることができる。
【0152】また、メンテナンス期間の長期化が図れ、長時間に渡る連続運転が可能となるので、分級動作の効率を向上させることができる。
【0153】また、超音速流発生手段で安定した超音速流を発生させることができ、チャンバ内で安定した定在衝撃波を発生させることができる。この結果、チャンバ内で精度の高い分級を行うことができる。
【0154】また、請求項2に記載の発明によれば、チャンバ内に粗粒子と細粒子とを個別に回収する衝撃波発生手段を設けたことにより、上記効果に加えて、分級した粒子を確実に回収することができ、精度の高い分級を行うことができる。
【0155】また、請求項3に記載の発明によれば、チャンバ内に超音速流発生手段の流出口に対向するように基板を支持し、この基板上に分級によって選択された粒子の膜を形成させる衝撃波発生手段を設けたことにより、上記効果に加えて、分級と製膜とを同時に行うことができる。しかも、品質の高い薄膜を効率的に形成することができる。
【0156】また、請求項4に記載の発明によれば、搬送手段内に、チャンバ内の圧力を調整する手段を設けたことにより、チャンバ内の圧力を調節することが可能となり、分級または製膜をより効率的に行うことができる。
【0157】また、請求項5に記載の発明によれば、拡大部で固気混合ガスと搬送ガスとを合流させることにより、更に粒子密度分布の均一化と流れの安定化を図ることができる。その結果、超音速流発生手段の流路断面積縮小部に付着する粒子の量を更に減少することができる。
【0158】また、請求項6に記載の発明によれば、固気混合流が流通する流路の断面積を連続的に変化させたことにより、混合室内での二次流れは生じにくく、固気混合流の圧力損失を低減することができる。




 

 


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