(57)【要約】【課題】大型化を抑えつつ、有機材料を原料とした場合であっても気化能力の低下を抑制することができる気化装置及び気化方法を提供すること。【解決手段】配管内を流れる液体原料を加熱して気化させる気化装置であって、配管に対し発熱体が取り付けられており、配管の局所的な最高温度が液体原料の沸点未満の温度となるように発熱体によって配管を加熱して、配管内の液体原料を予備加熱する予備加熱領域と、予備加熱領域の原料流れ方向下流側に設けられ、恒温槽内の加熱媒体によって配管を加熱することにより、配管内の液体原料を気化させる気化領域と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内を流れる液体原料を加熱して気化させる気化装置であって、
前記配管に対し発熱体が取り付けられており、前記配管の局所的な最高温度が前記液体原料の沸点未満の温度となるように前記発熱体によって前記配管を加熱して、前記配管内の前記液体原料を予備加熱する予備加熱領域と、
前記予備加熱領域の原料流れ方向下流側に設けられ、恒温槽内の加熱媒体によって前記配管を加熱することにより、前記配管内の前記液体原料を気化させる気化領域と、
を有することを特徴とする気化装置。
【請求項２】
前記配管に対して前記発熱体が螺旋状に巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
【請求項３】
前記配管に対して前記発熱体が縦添えで取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の気化装置。
【請求項４】
前記液体原料は、有機ケイ素化合物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の気化装置。
【請求項５】
配管内を流れる液体原料を加熱して気化させる気化方法であって、
前記配管の局所的な最高温度が前記液体原料の沸点未満の温度となるように取り付けられた発熱体によって前記配管を加熱することで、前記配管内の前記液体原料を予備加熱し、
原料流れ方向下流側において、恒温槽内の加熱媒体によって前記配管を加熱することで、前記配管内の前記液体原料を気化させる
ことを特徴とする気化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気化装置及び気化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体原料を気化し、当該気化した原料を化学反応させる製造工程が知られている。例えば、光ファイバの製造工程では、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）や四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）などの液体原料を気化し、原料ガスをバーナで火炎加水分解反応させてガラス微粒子を生成する工程が行われている。
【０００３】
特許文献１には、原料ガスを気相の状態のまま被供給装置まで供給するため、原料ガスを被供給装置に供給する配管に発熱体であるヒーターを螺旋状に巻いて原料ガスを沸点以上の温度で加熱する気化装置が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、流動する熱油などの加熱媒体によって被供給装置と繋がった配管を加熱することにより、配管内で液体原料を気化させるとともに、被供給装置に供給される原料ガスを加熱する気化装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２２４００７号公報
【特許文献２】特表平１０−５１１９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液体原料としては、無機材料のみならず有機材料が使用される場合がある。例えば、光ファイバの製造工程では、上述したＳｉＣｌ４などの液体原料に変わって、有機ケイ素化合物であるＯＭＣＴＳ（ｏｃｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｔｅｔｒａｓｉｌｏｘａｎｅ）などが使用されつつある。しかしながら、このような有機材料は、加熱によって分解重合する場合がある。
【０００７】
特許文献１に開示された気化装置では、ヒーターを螺旋状に巻いた配管で原料ガスを沸点以上の温度で加熱するため、配管のヒーターが巻き付いている部分と巻き付いていない部分とで温度ムラが生じる。そのため、有機材料を原料とする場合、局所的な過剰加熱によって配管内の原料ガスの一部が分解重合するなどして配管内にゲル状物質が堆積しやすくなる。その結果、被供給装置に供給される原料ガスが減り、気化能力が低下してしまうおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２に開示された気化装置では、流動する加熱媒体によって被供給装置と繋がった配管を加熱することによって、液体原料及び原料ガスを温度ムラ無く均等に加熱することはできる。しかしながら、原料容器から配管内に送られた液体原料を、加熱媒体によって沸点以上の温度まで加熱する必要があるため、加熱媒体を収容するための大きな容積が必要となり、気化装置の大型化を招いてしまう。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、大型化を抑えつつ、有機材料を原料とした場合であっても気化能力の低下を抑制することができる気化装置及び気化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る気化装置は、配管内を流れる液体原料を加熱して気化させる気化装置であって、前記配管に対して発熱体が取り付けられており、前記配管の局所的な最高温度が前記液体原料の沸点未満の温度となるように前記発熱体によって前記配管を加熱して、前記配管内の前記液体原料を予備加熱する予備加熱領域と、前記予備加熱領域の原料流れ方向下流側に隣接して設けられ、恒温槽内の加熱媒体によって前記配管を加熱することにより、前記配管内の前記液体原料を気化させる気化領域と、を有することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の一態様に係る気化装置は、上記の発明において、前記配管に対して前記発熱体が螺旋状に巻き付けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の一態様に係る気化装置は、上記の発明において、前記配管に対して前記発熱体が縦添えで取り付けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の一態様に係る気化装置は、上記の発明において、前記液体原料は、有機ケイ素化合物であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る気化方法は、配管内を流れる液体原料を加熱して気化させる気化方法であって、前記配管の局所的な最高温度が前記液体原料の沸点未満の温度となるように取り付けられた発熱体によって前記配管を加熱することで、前記配管内の前記液体原料を予備加熱し、原料流れ方向下流側において、恒温槽内の加熱媒体によって前記配管を加熱することで、前記配管内の前記液体原料を気化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る気化装置及び気化方法においては、予備加熱領域にて、配管の局所的な最高温度が沸点未満の温度となるように発熱体で加熱して、配管内の液体原料を予備加熱するとともに、それに続く気化領域にて、沸点以上に設定した恒温槽内の加熱媒体で配管を加熱して、配管内の予備加熱された液体原料を短時間で気化させることができる。これにより、配管の局所的な過剰加熱を予防し配管内にゲル状物質が形成させるのを抑制するとともに、恒温槽に加熱媒体を収容するための容積を小さくすることができる。よって、本発明に係る気化装置及び気化方法は、大型化を抑えつつ、有機材料を原料とした場合であっても気化能力の低下を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施形態に係る気化装置の概略構成を示した模式図である。
【図２】図２は、ヒーターのみで加熱を行うヒーター加熱式気化装置の概略構成を示した模式図である。
【図３】図３は、配管のヒーターが巻き付いている部分と巻き付いていない部分とで発生する温度ムラについての説明図である。
【図４】図４は、配管に対してヒーターを配管軸線方向と平行に巻いた場合に発生する温度ムラについての説明図である。
【図５】図５は、配管の曲げ部分において曲率半径が大きい側と曲率半径が小さい側とに発生する温度ムラについての説明図である。
【図６】図６は、螺旋状の配管に対してヒーターを巻き付けた場合に発生する温度ムラについての説明図である。
【図７】図７は、加熱媒体のみで加熱を行う恒温槽加熱式気化装置の概略構成を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る気化装置及び気化方法の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１８】
図１は、実施形態に係る気化装置１の概略構成を示した模式図である。実施形態に係る気化装置１は、液体原料を収容するための不図示の原料容器に原料流れ方向上流側端部が接続されており、原料ガスが供給される不図示の被供給装置に原料流れ方向下流側端部が接続された、紙面上下方向に屈曲する配管４を備えている。なお、前記被供給装置は、原料ガスを大気圧に近い雰囲気の火炎中に放出し、反応させて生成物を形成する構成となっている。また、気化装置１と前記被供給装置との間には、配管４内を流れる原料ガスの流量を制御するための流量制御手段である不図示のマスフローコントローラが設けられている。
【００１９】
実施形態に係る気化装置１においては、配管４を原料流れ方向にて上流側と下流側との２つの領域に分けており、上流側の領域がヒーター加熱部２によって液体原料を予備加熱する予備加熱領域であり、下流側の領域が恒温槽加熱部３によって液体原料を気化させる気化領域となっている。
【００２０】
ヒーター加熱部２は、配管４に対して螺旋状に巻き付けられたリボン状の発熱体であるヒーター５、配管４とヒーター５とを覆う断熱材２２、及び、配管４とヒーター５と断熱材２２とを収容する収容器２１などによって構成されている。そして、ヒーター加熱部２においては、予め設定されたヒーター温度でヒーター５を発熱させて、配管４を加熱することにより、不図示の原料容器から送られた配管４内の液体原料を加熱し、気化領域にて液体原料が短時間で気化し易くなるように、液体原料の沸点よりも少し低い温度で液体原料を予備加熱する。本実施形態においては、液体原料として有機ケイ素化合物であるＯＭＣＴＳを用いており、このＯＭＣＴＳの沸点は１７６［℃］であるため、ヒーター加熱部２のヒーター温度を１６０［℃］に設定している。
【００２１】
恒温槽加熱部３は、気体又は油などの加熱媒体３２、加熱媒体３２が充填された恒温槽３１、及び、加熱媒体３２を所定温度を保つように加熱して恒温槽３１内を循環させる恒温槽加熱循環ユニット３３などによって構成されている。そして、恒温槽加熱部３においては、恒温槽加熱循環ユニット３３によって液体原料の沸点よりも高く、且つ、液体原料が重合などの変質を起こさない温度で加熱された恒温槽３１内の加熱媒体３２により、配管４を加熱することによって、配管４内の液体原料を加熱し、液体原料を気化させて、被供給装置に原料ガスを供給する。本実施形態においては、液体原料であるＯＭＣＴＳの沸点である１７６［℃］よりも高く、重合しない１８０［℃］を保つように、恒温槽加熱循環ユニット３３によって液体原料を加熱している。
【００２２】
図２は、ヒーター１０５のみで加熱を行うヒーター加熱式気化装置１０２の概略構成を示した模式図である。ヒーター加熱式気化装置１０２は、配管１０４に対して螺旋状に巻き付けられた発熱体であるヒーター１０５、配管１０４とヒーター１０５とを覆う断熱材１２２、及び、配管１０４とヒーター１０５と断熱材１２２とを収容する収容器１２１などによって構成されている。そして、ヒーター加熱式気化装置１０２においては、予め設定されたヒーター温度でヒーター５を発熱させて、配管１０４を加熱することにより、不図示の原料容器から配管１０４に送られた液体原料を気化させて、不図示の被供給装置に原料ガスを供給する。
【００２３】
ここで、図２に示すようなヒーター加熱式気化装置１０２を用いた場合には、液体原料として有機ケイ素化合物であるＯＭＣＴＳを使用していると、時間の経過とともに気化能力が低下することがあった。本願発明者が調査すると、ヒーター加熱式気化装置１０２の配管１０４内には、ゲル状物質が堆積しており、分析の結果、ＯＭＣＴＳよりも高分子の物質であることがわかった。また、そのゲル状物質が、配管１０４のヒーター１０５が巻き付いている部分近傍や、配管１０４の曲げ部分において曲率半径が小さい側などの配管１０４内側に集中して分布していることを発見し、その原因がヒーター加熱式気化装置１０２内の過剰加熱にあることを見出した。特に、配管１０４内では圧力が高くなるため、沸点以上の温度でもＯＭＴＳが液体で存在することが起こるため、この問題が顕著になる。
【００２４】
図２に示したヒーター加熱式気化装置１０２では、図３に示すように、配管１０４のヒーター１０５が巻き付いている部分が相対的に高温の高温部ＴＨとなり、配管１０４のヒーター１０５が巻き付いていない部分が相対的に低温の低温部ＴＬとなるため、配管１０４に温度ムラが発生する。
【００２５】
なお、このような配管１０４の温度ムラは、図４に示すように、配管１０４に対してヒーター１０５を配管軸線方向と平行に巻いた場合でもあっても、配管１０４のヒーター１０５が巻き付いている部分が相対的に高温の高温部ＴＨとなり、配管１０４のヒーター１０５が巻き付いていない部分が相対的に低温の低温部ＴＬとなるため、同様に発生する。
【００２６】
そして、例えば、ヒーター１０５が巻き付いていない部分に温度制御用の熱電対が設けられている場合には、前記熱電対で検知される温度がＯＭＣＴＳの沸点となるようにヒーター温度を設定すると、ヒーター１０５が巻き付いている部分が過剰加熱部となって、配管１０４内にゲル状物質が堆積してしまう。そのため、この過剰加熱部が発生しないように、ヒーター１０５が巻き付いている部分の温度がＯＭＣＴＳの沸点となるようにヒーター温度を設定すると、ヒーター１０５が巻き付いていない部分が前記沸点よりも低い温度部分となってしまい、気化能力が低下してしまう。
【００２７】
また、ヒーター１０５が巻き付いている部分に温度制御用の熱電対が設けられている場合には、前記熱電対で検知される温度がＯＭＣＴＳの沸点となるようにヒーター温度を設定すると、ヒーター１０５が巻き付いていない部分が前記沸点よりも低い温度部分となってしまい、気化能力が低下してしまう。そのため、このような前記沸点よりも低い温度部分が発生しないように、ヒーター１０５が巻き付いていない部分の温度がＯＭＣＴＳの沸点となるようにヒーター温度を設定すると、ヒーター１０５が巻き付いている部分が過剰加熱部となって、その配管１０４内にゲル状物質が堆積してしまう。
【００２８】
また、図５に示すように、配管１０４が上下方向に屈曲している場合には、配管１０４の曲げ部分において曲率半径が大きい側よりも曲率半径が小さい側のほうが、配管１０４に巻き付けられたヒーター５のピッチ間隔が狭くなる。そのため、配管１０４の曲げ部分において曲率半径が小さい側では、ヒーター５が密に巻き付いているため、相対的に高温の高温部ＴＨとなり、配管１０４の曲げ部分において曲率半径が大きい側では、ヒーター５が疎で巻き付いているため、相対的に低温の低温部ＴＬとなるため、配管１０４に温度ムラが発生する。そして、配管１０４の曲げ部分において曲率半径が小さい側が、過剰加熱部になることによって、その配管１０４内にゲル状物質が堆積してしまう。
【００２９】
なお、このような温度ムラに伴うゲル状物質の堆積は、図６に示すように、螺旋状の配管１０４に対してヒーター５を巻き付けた場合でも、同様に発生する。すなわち、螺旋状の配管１０４の曲率半径が小さい側では、ヒーター１０５が密に巻き付いているため、相対的に高温の高温部ＴＨとなり、螺旋状の配管１０４の曲率半径が大きい側では、ヒーター１０５が疎で巻き付いているため、相対的に低温の低温部ＴＬとなる。そして、螺旋状の配管１０４の曲率半径が小さい側が、過剰加熱部になることによって、その配管１０４内にゲル状物質が堆積してしまう。
【００３０】
図７は、加熱媒体２３２のみで加熱を行う恒温槽加熱式気化装置２０３の概略構成を示した模式図である。恒温槽加熱式気化装置２０３は、気体又は油などの加熱媒体２３２、加熱媒体２３２が充填された恒温槽２３１、及び、加熱媒体２３２を所定温度を保つように加熱して恒温槽２３１内を循環させる恒温槽加熱循環ユニット２３３などによって構成されている。そして、恒温槽加熱式気化装置２０３においては、恒温槽加熱循環ユニット２３３によって液体原料の沸点よりも高い温度で加熱された恒温槽２３１内の加熱媒体２３２により、配管２０４を加熱することによって、不図示の原料容器から送られた配管１０４内の液体原料を加熱し、液体原料を気化させて、不図示の被供給装置に原料ガスを供給する。
【００３１】
図７に示すような恒温槽加熱式気化装置２０３を用いた場合には、加熱媒体２３２によって配管２０４を温度ムラなく均等に加熱することができるため、配管２０４内でゲル状物質が堆積することによる気化能力の低下は発生しにくい。一方で、不図示の原料容器から配管１０４内に送られた液体原料を、加熱媒体２３２によって沸点以上の温度まで加熱する必要があるため、恒温槽２３１に加熱媒体２３２を収容するための大きな容積が必要となり、設備の大型化や高コスト化を招いてしまう。
【００３２】
実施形態に係る気化装置１においては、原料流れ方向上流側に設けられたヒーター加熱部２で生じ得るヒーター５で加熱された配管４の温度ムラを考慮して、局所的な最高温度が液体原料の沸点を超えない温度となるようにヒーター温度を設定して、予備加熱領域にて液体原料を予備加熱する。そして、原料流れ方向下流側に設けられた恒温槽加熱部３では、恒温槽３１内の加熱媒体３２の温度を液体原料の沸点以上に設定することにより、配管４内を流れる予備加熱された液体原料を気化させる。
【００３３】
これにより、実施形態に係る気化装置１においては、ヒーター加熱部２にて液体原料が沸点以上の温度で加熱される局所的な過剰加熱を防止することができる。さらに、実施形態に係る気化装置１においては、沸点よりも少し低い温度まで予備加熱された液体原料を、恒温槽加熱部３にて加熱媒体３２によって加熱し、短時間で気化させることができるため、恒温槽３１に加熱媒体３２を収容するための容積を小さくすることができ、その分、設備の大型化や高コスト化を抑制することができる。
【００３４】
また、実施形態に係る気化装置１においては、液体原料を気化させる気化領域を、流動制御手段に近く圧力が相対的に低下していく原料流れ方向下流側に設けて、沸点以上の温度で加熱される気化領域に液体原料が液体状態で滞在する時間を短くし、且つ、局所的な過剰加熱も防止することによって、配管４内にゲル状物質が堆積するのを抑制することができる。よって、実施形態に係る気化装置１においては、配管４内にゲル状物質が堆積することによって気化能力が低下することを抑制することができる。
【００３５】
なお、実施形態に係る気化装置１においては、予備加熱領域においてヒーター５が、図４のようになっていても良いし、複数本のヒーター５が配管軸線方向に沿って取り付けられ、縦添えの状態になっていても良い。
【００３６】
なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  気化装置
２  ヒーター加熱部
３  恒温槽加熱部
４  配管
５  ヒーター
２１  収容器
２２  断熱材
３１  恒温槽
３２  加熱媒体
３３  恒温槽加熱循環ユニット
１０２  ヒーター加熱式気化装置
１０４  配管
１０５  ヒーター
１２１  収容器
１２２  断熱材
２０３  恒温槽加熱式気化装置
２０４  配管
２３１  恒温槽
２３２  加熱媒体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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