JP2005156007A - 燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 可燃性ガスを確実に着火させることが可能で、燃焼効率が安定し、さらに着火用のガス設備を必要とせず、組立て分解も容易とする。
【解決手段】 燃焼ヒータ30は、筒状の電熱線ホルダ33と電熱線ホルダの外周に巻かれた電熱線34とからなるヒータ源32と、ヒータ源に被さられるヒータキャップ31とを備える。電熱線34によって加熱されるヒータキャップ31の外側で、可燃性ガスを着火・燃焼させる。ヒータキャップ31が被されたヒータ源32を支持する筒状のヒータサポート46と、筒状のヒータサポート46とヒータ源32との間に設けられて、ヒータサポート46とヒータ源32とを同軸的で直線状に連結する高絶縁性の筒状のヒータホルダ41とを備える。ヒータホルダ41の上部にはめたヒータ源32の下部をヒータホルダ41にねじ44で連結し、ヒータホルダ41の下部にはめたヒータサポート46の上部をヒータホルダ41にねじ44で連結する。ヒータ源32に被さられたヒータキャップ31が、ヒータホルダ41の上部開口端で係止される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体製造装置等から排出される排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させる燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置に関するものであり、特に可燃性ガスが水素H2のときに好適に用いられる。
半導体製造装置や液晶製造装置などの製造装置から排出され排ガスには、危険な可燃性ガスが含まれていることが多いので、そのまま大気に放出することはできない。そこで、排ガス燃焼装置を使って、大気放出前に可燃性ガスを燃焼ヒータで燃焼させることが行なわれている。従来、この燃焼ヒータを備えた排ガス燃焼装置には、燃焼ヒータの種類に応じて、金属製ヒータによる着火・燃焼方式(例えば、特許文献1参照)と、電気スパークの着火・燃焼方式(例えば、特許文献2参照)とがある。
図4は金属製ヒータによる着火・燃焼方式を採用した排ガス燃焼装置を示す。金属製ヒータによる燃焼装置の構成は次の通りである。可燃性ガス導入管8、排気ダクト11、及び空気取込口12が設けられた燃焼室14内に、金属製ヒータ13が設けられる。金属製ヒータ13は、金属製で熱を全周に伝えるケース15と、このケース15内に配設されて電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電熱材としての電熱ヒータ16と、金属製ヒータ13の温度を検知する熱電対5と、ケース15内の空間を埋める絶縁物質17とから構成される。燃焼室14の外に設けられた温度コントローラ7によって、熱電対5で検知した金属製ヒータ13の温度が所定温度に維持されるように、電熱ヒータ16への電力が制御される。
排気ダクト11からの吸引により空気取込口12から大気(空気)が燃焼室14内に取り込まれ、燃焼室14内には空気が常時流れている状態にある。そこに着火用ガス配管24から、制御された流量の水素(H2)ガスを流し、金属製ヒータ13の熱エネルギーにより大気中の酸素と反応させて水素を着火させる。着火後、可燃性ガス導入管8から排ガスを燃焼室14内に流して大気中の酸素と混合させ、着火による燃焼炎10及び熱源の熱エネルギーにより、排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させ、排ガスの燃焼処理を行なう。燃焼後の排気ガスは、排気ダクト11から排出される。
図5は電気スパークの着火・燃焼方式を採用した排ガス燃焼装置を示す。基本的構成は、図2に示す金属製ヒータによる着火・燃焼方式と同じである。異なる点は、着火・燃焼を電熱ヒータではなく、電気スパークで行わせる点である。電気スパークの構成は、電圧を高める昇圧トランス29にバーナ電極28、28が接続され、高電圧によりスパークさせるというものである。
空気が常時流れている燃焼室14内に着火用ガス配管24から水素(H2)ガスを流し、電気的スパークのエネルギーにより大気中の酸素と反応させて水素を着火させる。着火後、可燃性ガス導入管8から排ガスを燃焼室14内に流して大気中の酸素と混合させ、着火による燃焼炎10により、排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させ、排ガスの燃焼処理を行なう。燃焼後の排気ガスは、排気ダクト11から排出される。
なお、金属製ヒータ方式及び電気スパーク方式の両方式は、安全な燃焼を行なうために、図4、及び図5に示すように、着火用のガス設備を必要とする。着火ガスとして通常は水素(H2)を用いる。着火用のガス設備の構成は、燃焼室14に着火用ガス配管24を接続して、この着火用ガス配管24を通した水素(H2)ガスを燃焼室14に供給する。そのために、手動弁18を介して配管24内を流す水素(H2)ガスに含まれている不純物をフィルタ19で取り除き、圧力計21を目視で監視しながら水素(H2)ガス圧力を手動レギュレータ20でコントロールし、さらにエアバルブ22を介してマスフローコントローラ23で流量制御している。
特開平7−323211号公報 特開平6−129627号公報
上述した特許文献1の金属ヒータ方式では、高温燃焼による金属製ヒータの周壁の劣化や、高温燃焼による反応熱でケース内の電熱ヒータが断線し易く、使用温度範囲の高温側が制限されるという問題があった。また、ケースが金属製であるため電気的絶縁性が悪かった。また、電熱ヒータがケース内の絶縁物質に埋めこまれているため、電熱ヒータの断線が起きたとき、電熱ヒータの交換作業が非常に面倒であった。また、燃焼室には、可燃性ガス導入管の他に、温度コントローラへのケーブルや、着火用ガス配管を気密に接続しなければならないため、燃焼室の構造が複雑になっていた。
また、特許文献2の電気スパーク方式では、バーナ電極の劣化によって電気スパークされず、着火できないこともある。また、着火出来ない時に着火するまで電気スパークを繰り返すので、着火した時に可燃性ガスの濃度が異常に高い濃度に達していれば、不具合が生じるという問題があった。また、燃焼室には、可燃性ガス導入管の他に、昇圧トランスへのケーブルや、着火用ガス配管を気密に接続しなければならないため、燃焼室の構造が複雑になっていた。
また、金属製ヒータ方式及び電気スパーク方式に共通して言えることであるが、空気中の酸素が過剰に存在する場合には、低濃度の可燃性ガスの燃焼効率が悪い。また、着火後、燃焼炎が排気ダクトの吸引圧力変動によってふらつき、燃焼効率が不安定になる。また、必ず着火用のガス設備が必要となるため、設備費がかかるという問題があった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、ヒータが断線が少なく、使用温度範囲が広く、確実に着火させることが可能で、さらに着火用のガス設備を必要としない燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置を提供することにある。
また、本発明の課題は、さらに燃焼効率を安定させ、メンテナンスを簡単にすることが可能な排ガス燃焼装置を提供することにある。
第1の発明は、可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼ヒータであって、セラミックス製で筒状の電熱線ホルダと該電熱線ホルダの外周に巻かれた電熱線とからなるヒータ源と、前記ヒータ源に着脱自在に被せられる石英製で筒状のヒータキャップと、を備え、前記ヒータ源によって加熱されるキャップの外側で、前記可燃性ガスを着火・燃焼可能に構成したことを特徴とする燃焼ヒータである。
ヒータ源の電熱線ホルダ及びヒータキャップを耐熱性のセラミックスや石英で構成したので、燃焼ヒータの高温での使用が可能となり、可燃性ガスを確実に着火・燃焼させることができる。また、可燃性ガスを確実に着火できるようにしたので、着火設備が不要になる。
また、ヒータ源の電熱線ホルダ及びヒータキャップをセラミックスや石英で構成したので、高い電気的絶縁性を確保できる。
また、セラミックス製の電熱線ホルダに、セラミックスよりも軟化温度の高い石英製のヒータキャップが被せてあるので、可燃性ガスの燃焼によるヒータキャップの劣化が少なく、電熱線を有効に保護でき、電熱線の断線を少なくできる。
また、ヒータ源にヒータキャップが着脱自在に被せられているので、電熱線が断線しても、ヒータキャップをヒータ源から外すだけで、電熱線ホルダに対する電熱線の取り外し、取り付けができ、断線交換作業が容易である。
第2の発明は、第1の発明において、前記ヒータ源の温度を検出する温度検出センサと、前記ヒータキャップが被せられたヒータ源を支持するとともに、前記電熱線及び温度検出センサに接続される各リード線を挿通する筒状のヒータサポートと、前記筒状のヒータサポートと前記ヒータ源との間に設けられて、前記ヒータ源と前記ヒータサポートとを直線状に連結する高絶縁性の筒状のヒータホルダとを備えた燃焼ヒータである。
ヒータ源の電熱線からヒータサポートを介して外部にリード線を引き出すことができる。また、温度検出センサからも、ヒータサポートを介して外部にリード線を引き出すことができる。
また、ヒータ源にヒータサポートを連結しても、ヒータ源とヒータサポートの間に高絶縁性のヒータホルダを介在させるので、ヒータ源の電気絶縁性を高めることができる。
また、ヒータ源とヒータサポートとを直線状に連結するので、燃焼ヒータの取扱いが容易である。
第3の発明は、第2の発明において、前記ヒータキャップと前記ヒータホルダとの口径を略等しくし、前記ヒータ源の少なくとも下部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくし、前記ヒータサポートの少なくとも上部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくして、前記ヒータホルダの上部に前記ヒータ源の下部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、前記ヒータホルダの下部に前記ヒータサポートの上部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、前記ヒータ源に被せられた前記ヒータキャップが、前記ヒータホルダの上部開口端で係止されるようになっている燃焼ヒータである。
ヒータ源をヒータホルダにはめ、ヒータホルダにヒータサポートをはめることにより、ヒータ源からヒータホルダ、ヒータサポートを介して引出されるリード線が、その間、外部に露出しないようにしたので、リード線を外部雰囲気から保護できる。
また、ヒータ源をヒータホルダに連結具で連結し、ヒータサポートをヒータホルダに連結具で連結するようにしたので、ヒータ源をヒータサポートで確実に支持できる。
また、ヒータキャップはヒータ源に被せるだけで、ヒータホルダに係止されるので、ヒータキャップのヒータ源に対する取外し、取付けが容易である。
第4の発明は、排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の下部に設けられたガス導入口と、前記燃焼室に空気を取り込む空気取込口と、前記燃焼室の上部の前記ガス導入口と対向する位置に設けられ前記燃焼室を排気する排気口と、L字形に曲げられて先端部が前記ガス導入口から前記燃焼室内に挿入されて基端部側から前記排ガスを導入する可燃性ガス導入管と、前記可燃性ガス導入管の先端部に連結される筒状のヒータカバーと、前記ヒータカバー内にガス流路を確保して同軸的に挿入固定されて、前記ガス流路から供給される可燃性ガスを加熱するとともに、加熱された可燃性ガスと前記空気取込口から取り込まれる空気との混合ガスを燃焼させて燃焼炎を発生する請求項2または3に記載の燃焼ヒータと、前記可燃性ガス導入管のL字形のコーナ部を構成するT字形配管であって、前記T字形配管の主管の一端を前記可燃性ガス導入管の先端部側に連結し、前記主管の他端を開放し、前記T字形配管の枝管を前記可燃性ガス導入管の基端部側に連結したT字形配管と、前記燃焼ヒータのヒータサポートから外部に引き出した電熱線及び熱電対の各リード線と接続されて、温度検出センサで検出された温度が所定の温度になるように前記電熱線に供給される電力を制御する温度コントローラと、を備え、前記燃焼ヒータのヒータサポートを可燃性ガス導入管の先端部から挿入し、前記T字形配管の主管を貫通させて、前記主管の開放他端から外部に取り出したヒータサポートの下端を前記主管の開放他端に気密に固定することにより、前記燃焼ヒータを前記ヒータカバー内に前記ガス流路を確保して挿入固定するようにしたことを特徴とする排ガス燃焼装置である。
燃焼ヒータをヒータカバー内にガス流路を確保して挿入することにより、ガス流路を通る過程で可燃性ガスがヒータ源により十分加熱されるため、低濃度の可燃性ガスでも効率を良く燃焼できる。また、燃焼ヒータがヒータカバーによりカバーされているので、可燃性ガスの着火後、燃焼炎が排気ダクトの吸引圧力変動によってふらつくこともなく、燃焼効率が安定する。
また、可燃性ガス導入管のL字形のコーナ部をT字形配管で構成して、このT字形配管を用いて燃焼ヒータの取り付けと、電熱線及び温度検出センサのリード線の取出しとを行うようにしたので、燃焼ヒータの取り付け、取り外しが容易になり、メンテナンスも容易にできる。
また、可燃性ガス導入管のコーナ部にT字形配管を設け、このT字形配管に燃焼ヒータのヒータサポートを貫通させることにより、燃焼室のガス導入口からリード線を取り出せるようにしたので、燃焼室に専用のリード線取出用開口を設ける場合に比べて、メンテナンスを簡単にすることができる。
また、可燃性ガス導入管のL字形のコーナ部に設けたT字形配管の主管に同軸的に、燃焼ヒータのヒータサポータを固定するようにしたので、ヒータカバー内での燃焼ヒータの挿入固定が容易になる。
なお、第4の発明において、前記燃焼ヒータと前記排気口との間に筒状の冷却管を設けて、前記燃焼ヒータによって燃焼した可燃性ガスを冷却するようにすると、冷却された排ガスが大気に排出されるので、環境に悪影響を与えない。
第5の発明は、第4の発明において、前記ヒータカバーと前記ヒータ源に被せられたヒータキャップとの間隔は2〜20mmであり、前記ヒータカバー又は前記ヒータ源の全長は30〜300mmであり、前記ヒータキャップの直径は10〜20mmであることを特徴とする排ガス燃焼装置である。
本発明のように、各要素を上記のような寸法設定にすると、排ガス中に含まれる可燃性ガスをより効率良く燃焼できる。
第6の発明は、第4または第5の発明において、前記ヒータ源及び前記ヒータホルダがセラミックス製で、前記ヒータキャップが石英製であり、前記電熱線で加熱されるヒータ源の温度を650〜1200℃としたことを特徴とする排ガス燃焼装置である。
電熱線ホルダやヒータキャップを耐熱性のセラミックスや石英で構成して、燃焼ヒータの温度を650〜1200℃と高めるようにしたので、排ガス中に含まれる可燃性ガスをより効率良く燃焼できる。
本発明によれば、ヒータが断線が少なく、使用温度範囲が広く、確実に着火・燃焼させることができ、さらに着火用のガス設備を必要としないため、燃焼ヒータ及び装置を簡素化できる。
また、本発明によれば、さらに高効率な安定した燃焼を実現でき、メンテナンスを簡素化することができる。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1に実施の形態による燃焼ヒータの分解組立図を示す。燃焼ヒータ30は、加熱源となる円筒状のヒータ源32と、ヒータ源32に被せられる有頭円筒形のヒータキャップ31と、ヒータキャップ31が被せられるヒータ源32を支持する円筒状のヒータサポート46と、ヒータ源32とヒータサポート46との間に設けられて、ヒータ源32とヒータサポート46とを直線的に連結する円筒状のヒータホルダ41とから主に構成される。
上記ヒータ源32は、高い電気絶縁性をもつ円筒状の電熱線ホルダ33と、電熱線ホルダ33の外周に巻かれた電熱線34とから構成される。電熱線ホルダ33の外周壁にらせん状の溝45が切ってあり、その溝45に埋めこまれるように、電熱線34が電熱線ホルダ33の外周に巻きつけられている。電熱線ホルダ33の上部の開口端は、欠けを防止するために、面取りがしてある。電熱線ホルダ33の下部の開口端の内周には、ヒータホルダ41内に挿入可能なように、ヒータホルダ41の内径と略等しい外径をもつ略リング状の突起37を軸方向外方に設けてある。従って、このリング状突起37の外周に、段差部40が形成されることになる。この段差部40は、ヒータホルダ41の上部開口端と当接するようになっている。突起37の一部には、さらに軸方向外方に向かう舌片状の延出部38を設けてあり、この延出部38に、ヒータホルダ41と連結させるためのねじ孔39が開けられている。
電熱線34には、給電するための2本のリード線(図2の48)が接続される。また、ヒータ源32の温度を検出するための温度検出センサとしての熱電対35が電熱線ホルダ33の表面側に設けられ、この熱電対35にも、検出信号を送るリード線(図2の49)が接続される。
電熱線ホルダ33は例えば耐熱性、高絶縁性のセラミックスで形成され、電熱線34は例えばニクロム線で構成されている。したがってヒータ源32は、中空のセラミックヒータを構成し、中空とすることにより、素速く昇温、降温できるようにしている。
上記ヒータキャップ31は、上部が閉じ下部が開口した円筒形をしており、ヒータ源32に被せられて、ヒータ源32の主管を含めた外周を覆うようになっている。
上記ヒータサポート46は、ヒータキャップ31が被せられたヒータ源32を支持する筒状体で構成される。ヒータサポート46の上部側面に、ヒータホルダ41と連結するためのねじ孔47が設けられる。ヒータサポート46は、ヒータ源32を支持する機能を有するとともに、ヒータ源32から延出したリード線を保護しつつ外部に引き出すための保護管の機能を有する。
ヒータホルダ41は、筒状のヒータサポート46とヒータ源32との間に設けられて、ヒータサポート46とヒータ源32とを直線状に連結する高絶縁性の筒状体で構成される。ヒータホルダ41の側面に、軸方向に沿ってヒータ源取付用のねじ孔42と、ヒータサポート取付用のねじ孔43とが設けられる。ヒータホルダ41は、ヒータ源32とヒータサポート46とを連結する機能を有するとともに、ヒータ源32の電気絶縁性を高める機能を有する。
上記ヒータキャップ31の内径は、ヒータキャップ31がヒータ源32には被さるように、ヒータ源32の外径と略等しくなるように設定される。ヒータキャップ31とヒータホルダ41との口径は、ヒータキャップ31がヒータホルダ41に当接して係止されるように、略等しく設定される。また、円筒状のヒータ源32の外径は、ヒータホルダ41の内径よりもやや大きくなるように設定される。また、ヒータサポート46の外径は、ヒータホルダ41内に挿入可能なように、ヒータホルダ41の内径と略等しく設定される。
このような燃焼ヒータを組立てるには、ヒータ源32の下部をヒータホルダ41に挿入して、ヒータ源32の延出部38に設けたねじ孔39と、ヒータホルダ41の上部に設けたねじ孔42とを合わせ、これらの合せたねじ孔42、39にねじ44をねじこんで締めつけることにより、ヒータ源32をヒータホルダ41に取り付ける。
また、ヒータサポート46の上部をヒータホルダ41に挿入して、ヒータホルダ41の下部に設けたねじ孔43と、ヒータサポート46の上部に設けたねじ孔47とを合わせ、これらの合せたねじ孔43、47にねじ44をねじこんで締めつけることにより、ヒータサポート46をヒータホルダ41に取り付ける。
このようにしてヒータ源32にヒータホルダ41を介してヒータサポート46を直線状に連結した後、ヒータ源32にヒータキャップ31を被せる。ヒータ源32に被せられたヒータキャップ31は自重でヒータ源32に沿って降りていき、ヒータホルダ41の上端開口部で係止される。これによりヒータ源32の上部を含めた外周は、ヒータキャップ31に覆われて、燃焼時に発生する水滴や、燃焼炎の熱源から電熱線34が保護される。
燃焼ヒータの組立完成図を図2に示す。ヒータ源32及び熱電対のリード線48及び49は、ヒータ源32からヒータホルダ41及びヒータサポート46内の空間を通してヒータサポート46の下端開口より引き出される。
図3は上述した燃焼ヒータを組込んだ排ガス燃焼装置を示し、(a)は断面図、(b)は要部拡大図である。排ガス燃焼装置は、可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させる燃焼室52を形成する燃焼容器51と、燃焼室52内に設けられて、可燃性ガスを着火させるとともに燃焼させるための熱エネルギーを放出する燃焼ヒータ30と、検知温度に基づいて燃焼ヒータ30を制御する制御部としての温度コントローラ65とを主に備える。
燃焼容器51は、例えばステンレスなどの耐熱性部材で構成され、内部に形成した燃焼室52で可燃性ガスを着火・燃焼させるようになっている。燃焼室52の下部にガス導入口53が設けられる。このガス導入口53より燃焼室52内に可燃性ガス導入管58が挿入されている。可燃性ガス導入管58は一端部が上方にL字形に曲げられて、先端部がガス導入口53より燃焼室52内に挿入され、可燃性ガス導入管58の他端部は、図示しない半導体製造装置の排気口と連結されて、半導体製造装置から排出される可燃性ガスを含む排ガスを燃焼室52内に導入するようになっている。ここで、半導体製造装置から排出される可燃性ガスとして、例えば、H2ガスが挙げられる。
可燃性ガス導入管58のL字形のコーナ部は、燃焼ヒータ30を取り付けるために、主管59aと枝管59bとを有するT字形配管59で構成している。T字形配管59の主管59aの一端を可燃性ガス導入管58の先端部側に連結し、主管59aの他端を開放し、T字形配管59の枝管59bを可燃性ガス導入管58の基端部側に連結している。
燃焼室52の上部のガス導入口53に対応する位置に排気ダクト55が設けられ、可燃性ガスを燃焼した排ガスを含む燃焼室52内の雰囲気を大気中に放出するようになっている。また、可燃性ガス導入管58が挿入された燃焼室52下部のガス導入口53の外周に、複数の空気取込口54が設けられ、燃焼室52の外部から燃焼室52内に大気(空気)を取り込めるようになっている。
燃焼室52の底部に設けたガス導入口53の上に、上述した燃焼ヒータ30が軸方向を垂直にして取り付けられている。その取付け方法は、燃焼ヒータ30を燃焼室52に持ち込み、燃焼ヒータ30の下部を構成するヒータサポート46を、可燃性ガス導入管58の先端部から可燃性ガス導入管58内に挿入し、T字形配管59の主管59aを貫通させて、ヒータサポート46の下端を主管59aの開放他端から取り出す。取り出したこのヒータサポート46の下端にフランジ68を設けて、T字形配管59の主管59aの下端開口を塞ぎ、Oリング61でT字形配管59内を密閉する。
このようにして燃焼ヒータ30を燃焼室52の底部中央に取り付けた後、燃焼ヒータ30のヒータ源32を囲むように、ヒータカバー56を同軸的に取り付ける。このヒータカバー56は、セラミックス製の円筒で構成されて、燃焼炎62のふらつきや、燃焼効率の不安定さを防止する機能を有する。ヒータカバー56は、燃焼室52のガス導入口53から挿入される可燃性ガス導入管8の導出口に接続される。可燃性ガス導入管58の接続口径は例えばNW25とし、導出口に設けた段付き溝45にヒータカバー56の中空の導入口を嵌めることによって接続させる。嵌合部はねじ止め62し、これによりヒータカバー56を可燃性ガス導入管8に固定する。
ヒータカバー56とヒータキャップ31を被せた燃焼ヒータ30との隙間に可燃性ガスが流れるガス流路60を形成する。
また、燃焼室52内の燃焼ヒータ30と排気ダクト55との間の空間に、燃焼炎62を覆う円筒状の冷却管57を設ける。この円筒状の冷却管57には、図示しないが水冷ジャケットが設けられ、冷却管57内で燃焼した可燃性ガスを低温に冷却するようになっている。このように冷却したガスを排気ダクト55から大気中に放出することにより大気環境を乱さないにしている。
また、ヒータサポート46の下端から出ている2本のリード線48及びリード線49は、燃焼室52の外部に設けられた温度コントローラ65に接続される。温度コントローラ65は、ヒータ源32の温度が設定温度になるように、熱電対35の検知温度に基づいて、電熱線34へ供給する電力を制御するようになっている。温度コントローラ65によって制御されるヒータ源32の設定温度は650〜1200℃の範囲が適当である。650℃未満の場合には、燃焼が不完全になり、H2とO2とが反応しない。したがって、650℃は最低温度である。また、1200℃を超える温度を作る熱源やその温度に耐える燃焼室構造を実現するのが難しい。したがって、構造上の使用最高温度は1200℃である。
以下、この排ガス燃焼装置の動作について説明する。
排気ダクト55に接続した図示しない排気設備により、燃焼室52内の雰囲気を排気ダクト55から吸引して、燃焼室52の下部に設けた空気取込口54から燃焼室52内に大気を取り込むことにより、燃焼室52内を常時空気が流れるようにする。
ヒータ源32の電熱線34に電流を流し、温度コントローラ65による制御によって、燃焼ヒータ30のヒータ源32を、前述した設定温度になるように加熱する。加熱温度は、可燃性ガス導入管58から導入されて大気と混合される可燃性ガスが、水素などの着火ガスを必要とすることなく、直接着火するのに十分な温度とする。
燃焼ヒータ30の加熱後、可燃性ガス導入管58のバルブ(図示せず)を開いて、図示しない半導体製造装置の排気口と可燃性ガス導入管58とを連通させて、半導体製造装置から排出される排ガスを可燃性ガス導入管58に導入する。ヒータ源32の外側に設けたガス流路60を通過する可燃性ガスを含む排気ガスは、燃焼室52の底部に設けた空気取込口54から引き込まれる空気と、ガス流路60の出口である燃焼ヒータ30の頂部で混合されて、燃焼反応が起き、着火して燃焼する。可燃性ガスは、ガス流路60を通過する際、温度コントローラ65によって制御された燃焼ヒータ30によって熱エネルギーをもらって燃焼温度に高められる。このため、着火装置を別個に要することなく、可燃性ガスは燃焼ヒータ30の頂部で燃焼反応が起き、着火して燃焼する。また、燃焼ヒータ30はヒータカバー56で覆われており、それらの間に形成されたガス流路60を可燃性ガスが通過する際に、可燃性ガスは燃焼ヒータ30によって十分に加熱されるので、燃焼室52内の空気中の酸素が過剰に存在する場合であっても、排気ガスに含まれ可燃性ガスが低濃度でも効率良く燃焼できる。
特に、燃焼ヒータ30の外周にヒータカバー56を設けているので、排気ダクト55の吸引圧力変動があっても、燃焼炎はふらつきがなく、排気ガスに含まれる可燃性が低濃度でもガス燃焼効率が安定し、低濃度でも効率良く燃焼できる。
具体的には、図6に、実施の形態の燃焼ヒータ、従来例の電気スパーク、金属製ヒータを用いて、可燃性ガスH2と不燃性ガスN2との混合ガスを燃焼処理したときの燃焼効率データを比較して示し、参考までに燃焼処理しないときの未処理データも示した。横軸は可燃性ガス導入管58から可燃性ガス導入方向に流した水素(H2)と窒素(N2)の混合比(H2/(H2+N2)%)を示し、縦軸は排気ダクト55部で測定したH2残留濃度(ppm)を示している
ここで、図6のデータを取得したときの実施の形態による条件は、
燃焼ヒータとヒータカバーとの隙間:6mm
燃焼ヒータの全長:150mm
設定温度:900℃
排ガスの可燃性ガスH2と不燃性ガスN2との混合ガス流量:90L/minとした。
また、電気スパーク、金属製ヒータでは、熱源の温度は900℃とした。
電気スパークを用いたときは、H2残留濃度は、混合比25%以上の混合ガスでは十分に燃焼するので低い値だが、25%未満の低い混合比の場合は、未燃焼の割合が高まるので、H2残留濃度は高い値を示し、そのまま未燃焼ガスは排気ダクト55から排出されてしまう。したがって低濃度H2の燃焼効率が悪く、安全性の問題があった。
また、金属製ヒータを用いたときは、H2残留濃度は、混合比20%以上の混合ガスでは十分に燃焼するので低い値だが、20%未満の低い混合比の場合は、未燃焼の割合が高まるので、H2残留濃度は高い値を示し、そのまま未燃焼ガスは排気ダクト55から排出されてしまう。したがって低濃度H2の燃焼効率が悪く、安全性の問題があった。
これに対して、実施の形態の燃焼ヒータを用いたときは、H2残留濃度のピークは、混合比10%付近となり、高効率で燃焼させることができる。H2残留濃度のピークは、電気スパーク式のものでは1000ppm、金属製ヒータでは700ppmであったが、燃焼ヒータは400ppmと従来の熱源より2/5〜4/7に低下し燃焼効率が著しく向上した。したがって、低濃度H2の燃焼効率が良好となり安全性の問題は解消された。
上述したように実施の形態によれば、ヒータ源32で高温加熱されるガス流路60内で可燃性ガスを加熱し、ガス流路60の出口で空気と混合して燃焼させるようにしたので、水素などの助燃ガスを用いる着火設備なしで、ダイレクトに排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させることができる。したがって、大気以外の助燃ガスや着火設備が不要となるので、装置構成を大幅に簡素化できる。
また、電熱線ホルダ33の外周に電熱線34を巻くようにしたので、電熱線ホルダ33の内周に電熱線34を巻くものと比べて、燃焼ヒータ30を小型化できる。また、電熱線ホルダ33の外周に電熱線34を巻くので、巻回作業が容易である。また、電熱線ホルダ33の外周に設けたらせん溝45に電熱線34を巻くので、電熱線34が電熱線ホルダ33の外周に露出しないようにすることができる。さらに、電熱線ホルダ33の外周をヒータキャップ31で覆うようにしたので、電熱線34をさらに保護でき、また電熱線34で加熱された電熱線ホルダ33を有効に保温できる。また、電熱線ホルダ33とヒータカバー56との間のガス流路60で可燃性ガスを着火温度にまで高めることができるので、加熱された可燃性ガスが空気ないし酸素と合流するヒータキャップ31の頂部で、確実に可燃性ガスを着火・燃焼させることができる。
また、実施の形態では、ヒータ源32の電熱線ホルダにセラミックスを使用しているので、高い電気絶縁性を実現することができ、漏電を有効に防止できる。また、ヒータ源32を覆うヒータカバー56に、セラミックスよりも軟化性の高い石英を使用しているので、ヒータキャップに亀裂やひびが入りにくく、電熱線を水滴や燃焼炎から、より有効に保護することができる。
また、ヒータキャップ31及び電熱線ホルダ33を構成する材料として、石英及びセラミックスを用いたことにより、燃焼によるヒータキャップ31及び電熱線ホルダ33の内外周壁の劣化が少なく、しかも電熱線34が燃焼炎62や内部雰囲気に直接露出していないので、燃焼による反応熱の中でも電熱線34を有効に保護できる。
また、燃焼された可燃性ガスが冷却管57により冷却されて水蒸気状になり、冷却管57の内壁面に接触し水滴となり、排気圧力のふらつきにて飛散し、ヒータキャップ31上に水滴が落下して接触することがある。この水滴の接触によりヒータキャップ31の表面温度が急激に変化しても、ヒータキャップ31の材質が石英なので、セラミックスを使用した際に発生するような亀裂または、ヒビなどを防げるので、ヒータキャップ31内部にある電熱線34を水滴による断線及び漏電から有効に保護できる。
また、ヒータ源32からヒータキャップ31を容易に取り外しできるので、メンテナンスが容易である。特に電熱線6が断線した場合は、燃焼ヒータ30全体を交換することなく、ヒータ源32からヒータキャップ31を取り外し、新しい電熱線34を電熱線ホルダ33の外周に巻き直すだけで容易に修理が可能になる。
具体的には、電熱線34が断線した時の処置は、可燃性ガス導入管58のT字形配管59にフランジ68で固定していた燃焼ヒータ30を取り外す。そして、ヒータキャップ31をヒータ源32の上方に沿って移動してヒータ源32から取りはずし、断線した電熱線34をヒータ源32のらせん溝45から取り除いて、新しい電熱線34をヒータ源32のらせん溝45に巻き付けて、ヒータキャップ31をヒータ源32の上から被せて取り付ける。ヒータ源32にヒータキャップ31を被せて燃焼ヒータ30を形成したら、これを可燃性ガス導入管58のT字形配管59に取り付ける。このようにワンタッチ的で燃焼ヒータ30を可燃性ガス導入管58から取り外したり取り付けたり、又はヒータキャップ31をヒータ源32から取り外したり、取り付けたりすることができるので、電熱線34の断線交換作業が容易で簡単にでき、メンテナンスが容易となる。
また、このような中空のセラミックヒータを用いた燃焼ヒータは、断熱性を維持するためにヒータ形状を小さくできる。熱電対35を設けた円筒形セラミック材の厚みも、電熱線34を外周に巻いているので、さほど厚くならない。したがって、燃焼装置が大型化するのを回避でき、設置スペースも小さくすみ、半導体製造装置が接置されるクリーンルームのコスト増を防ぐことができる。
また、燃焼ヒータ30を可燃性ガス導入管58の内部に取付けるようにして、可燃性ガス導入管58からリード線48、49を外部に取り出せるようにしたので、燃焼室52に専用のリード線取出用開口を設ける場合に比べて、メンテナンスを容易に行うことができる。
また、セラミックヒータを燃焼室52内に取り付けるに当たって、筒状ヒータ源32のヒータサポート46を、可燃性ガス導入管58に取付けたT字形配管59にフランジ60で固定するだけでよく、その取付けも容易である。
また、ヒータ源32の溝45の深さや溝数を変更することで、電熱線34の線径や巻き数により、条件の異なる様々な排ガスの燃焼に適用できる。
ここで、燃焼ヒータを構成する各部品の寸法例を説明すれば、燃焼ヒータ30の構造上、製作可能な最低直径寸法が10mmであり、実施の形態の燃焼ヒータ30を使用するときの構成上の最大直径寸法が20mmとなるので、燃焼ヒータ30は、直径10〜20mmである。また、可燃性ガス最大流量と燃焼ヒータの直径寸法との関係から燃焼効率が、最も効果が発揮できるのは、燃焼ヒータの全長が、30〜300mmである。
可燃性ガス最大流量と燃焼ヒータの直径寸法との関係から燃焼効率が、最も効果が発揮できるのは、ヒータカバー56と燃焼ヒータ30との間隔(ガス流路60の幅)が、2〜20mmであり、ヒータカバーの全長が、30〜300mmである。可燃性ガスと不燃性ガスとの混合流量は、5〜200L/minで使用される。
また、温度コントローラ65によって、制御する温度は、650〜1000℃に設定する。
なお、本発明の実施の形態では、ヒータ源32の形状を円筒形としたが、この形状に限定されず、例えば六角形や八角形などの多角形としてもよい。また、実施の形態では、空気取込口54を燃焼室52の底部に設けたが、燃焼室52の外周部、又は燃焼室1の底部及び外周部の両方に設けてもよい。外周部にも設ける場合には、外周部に設ける空気取込口を燃焼ヒータ頂部に対応する位置に設けるとよい。
また、実施の形態では、ヒータカバーに空気孔を設けていないが、ヒータカバーに空気孔を設けるようにしてもよい。これによれば、可燃性ガスをガス流路内で空気と混合して燃焼させることができる。空気孔から導入される空気量では酸素濃度が不十分で燃焼しきれなかった濃度の高い可燃性ガスは、ガス流路内よりも酸素濃度の高い燃焼室内の燃焼ヒータの頂部で燃焼させることができる。
実施の形態による燃焼ヒータの分解・組立図である。 実施の形態による燃焼ヒータの組立完成図である。 実施の形態による排ガス燃焼装置の説明図であって、(a)は縦断面図、(b)は燃焼ヒータの要部断面図である。 従来例の電気スパークの着火・燃焼方式の実施例図部分断面図であり、(a)は正面実施例図部分断面図、(b)側面実施例図部分断面図である。 従来例の耐熱性金属の円筒形の実施例図部分断面図である。 実施の形態と従来例とを比較した燃焼効率図である。
符号の説明
30 燃焼ヒータ
31 ヒータキャップ
32 ヒータ源
33 電熱線ホルダ
34 電熱線
41 ヒータホルダ
44 ねじ(連結具)
46 ヒータサポート

Claims (6)

  1. 可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼ヒータであって、
    セラミックス製で筒状の電熱線ホルダと該電熱線ホルダの外周に巻かれた電熱線とからなるヒータ源と、
    前記ヒータ源に着脱自在に被せられる石英製で筒状のヒータキャップと、
    を備え、
    前記ヒータ源によって加熱されるキャップの外側で、前記可燃性ガスを着火・燃焼可能に構成したことを特徴とする燃焼ヒータ。
  2. 前記ヒータ源の温度を検出する温度検出センサと、
    前記ヒータキャップが被せられたヒータ源を支持するとともに、前記電熱線及び温度検出センサに接続される各リード線を挿通する筒状のヒータサポートと、
    前記筒状のヒータサポートと前記ヒータ源との間に設けられて、前記ヒータ源と前記ヒータサポートとを直線状に連結する高絶縁性の筒状のヒータホルダと
    を備えた請求項1に記載の燃焼ヒータ。
  3. 前記ヒータキャップと前記ヒータホルダとの口径を略等しくし、
    前記ヒータ源の少なくとも下部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくし、
    前記ヒータサポートの少なくとも上部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくして、
    前記ヒータホルダの上部に前記ヒータ源の下部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、
    前記ヒータホルダの下部に前記ヒータサポートの上部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、
    前記ヒータ源に被せられた前記ヒータキャップが、前記ヒータホルダの上部開口端で係止されるようになっている請求項2に記載の燃焼ヒータ。
  4. 排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼室と、
    前記燃焼室の下部に設けられたガス導入口と、
    前記燃焼室に空気を取り込む空気取込口と、
    前記燃焼室の上部の前記ガス導入口と対向する位置に設けられ前記燃焼室を排気する排気口と、
    L字形に曲げられて先端部が前記ガス導入口から前記燃焼室内に挿入されて基端部側から前記排ガスを導入する可燃性ガス導入管と、
    前記可燃性ガス導入管の先端部に連結される筒状のヒータカバーと、
    前記ヒータカバー内にガス流路を確保して同軸的に挿入固定されて、前記ガス流路から供給される可燃性ガスを加熱するとともに、加熱された可燃性ガスと前記空気取込口から取り込まれる空気との混合ガスを燃焼させて燃焼炎を発生する請求項2または3に記載の燃焼ヒータと、
    前記可燃性ガス導入管のL字形のコーナ部を構成するT字形配管であって、前記T字形配管の主管の一端を前記可燃性ガス導入管の先端部側に連結し、前記主管の他端を開放し、前記T字形配管の枝管を前記可燃性ガス導入管の基端部側に連結したT字形配管と、
    前記燃焼ヒータのヒータサポートから外部に引き出した電熱線及び熱電対の各リード線と接続されて、温度検出センサで検出された温度が所定の温度になるように前記電熱線に供給される電力を制御する温度コントローラと、
    を備え、
    前記燃焼ヒータのヒータサポートを可燃性ガス導入管の先端部から挿入し、前記T字形配管の主管を貫通させて、前記主管の開放他端から外部に取り出したヒータサポートの下端を前記主管の開放他端に気密に固定することにより、前記燃焼ヒータを前記ヒータカバー内に前記ガス流路を確保して挿入固定するようにしたことを特徴とする排ガス燃焼装置。
  5. 前記ヒータカバーと前記ヒータ源に被せられたヒータキャップとの間隔は2〜20mmであり、前記ヒータカバー又は前記ヒータ源の全長は30〜300mmであり、前記ヒータキャップの直径は10〜20mmであることを特徴とする請求項4に記載の排ガス燃焼装置。
  6. 前記ヒータ源及び前記ヒータホルダがセラミックス製で、前記ヒータキャップが石英製であり、前記電熱線で加熱されるヒータ源の温度を650〜1200℃としたことを特徴とする請求項4または5に記載の排ガス燃焼装置。
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