JP2008020097A - 流体加熱装置およびそれを用いた流体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱流体を汚染することなく効率良く加熱することができる流体加熱装置を提供する。
【解決手段】磁束透過性の材料で構成され、被加熱流体を導入する入口部と加熱処理された流体を導出する出口部とを有する加熱室２と、加熱室２内に複数充填され、一部若しくは全部が曲面状または突起状に構成されたガラス状炭素製充填物７と、ガラス状炭素製充填物７を誘導加熱させるために加熱室２外側に配置される誘導コイル８とを備えてなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導発熱現象を利用して液体や気体を加熱する流体加熱装置およびそれを用いた流体処理装置に関するものである。

従来、流体を加熱する手段として多管式熱交換器やジャケット式ヒータ等の各種加熱手段が知られており、これらの加熱手段は、高温の熱媒体を用いるものと抵抗発熱体を用いる方法とに大別される。

上記多管式熱交換器では、被加熱流体と熱媒体とを直接接触させることができないため何らかの隔壁が必要となるが、隔壁を設ければ伝熱抵抗が生じることになって加熱効率の低下することが避けられない。

一方、上記ジャケット式ヒータでは抵抗発熱体とそれに通電するための電極や導線が被加熱流体と接触することになるため、上記多管式熱交換器に比べると加熱効率は高いものの被加熱流体が汚染されたり、加熱部が劣化するという問題が起こりやすい。

また、これらとは異なる加熱手段として、高周波電流による材料の発熱現象を利用したいわゆる誘導加熱装置がある。この誘導加熱装置は、急速加熱が可能なことや、発熱体と電源部が空間によって隔てられているため、電源部による汚染や劣化の問題が起こりにくいという利点がある。

しかしながら、上記誘導加熱装置において従来よく用いられている金属製または黒鉛製の誘導発熱体には以下のような問題がある。すなわち、金属製発熱体は金属が腐食するという問題があり、黒鉛製発熱体は微粒化しやすい性質があることからいずれも被加熱流体を汚染する虞れがある。

そこで金属や黒鉛以外の誘導発熱体としてガラス状カーボンを管状に形成した発熱体がある（例えば、特許文献１参照）。

この誘導加熱装置は、反応容器内にガラス状炭素製円筒体を配置し、反応容器の外側に配置した高周波誘導コイルで反応容器内のガラス状炭素製円筒体を発熱させ、反応容器内のシリコンウエハを加熱するように構成されている。
特開２００３−１５１７３７号公報

発熱体として上記ガラス状炭素製円筒体を使用すると、金属や黒鉛に比べて耐食性に優れるという利点がある。しかしながら、上記誘導加熱装置は静止状態にある固体としてのシリコンウエハの加熱処理には適しているものの、流れを伴う流体の加熱に応用するには発熱効率が不十分である。

本発明は以上のような従来の誘導加熱装置における課題を考慮してなされたものであり、被加熱流体を汚染することなく効率良く加熱することができる流体加熱装置および流体処理装置を提供するものである。

本発明の流体加熱装置は、磁束透過性の材料で構成され、被加熱流体を導入する入口部と加熱処理された流体を導出する出口部とを有する加熱室と、加熱室内に複数充填され、一部若しくは全部が曲面状または突起状に構成されたガラス状炭素製充填物と、ガラス状炭素製充填物を誘導加熱させるために加熱室外側に配置される誘導コイルとを備えてなることを要旨とする。

本発明の流体加熱装置に従えば、加熱室に導入された被加熱流体は、複数充填されている各ガラス状炭素製充填物と接触しながらそれらの隙間を流れつつ加熱室内を移動し効率良く加熱される。

本発明の流体加熱装置において、上記ガラス状炭素製充填物は、中空若しくは中実の球状または柱状に成形されたものを使用することができる。また、中空のガラス状炭素製充填物を使用する場合、その内部と連通する孔部を形成すれば、被加熱流体がガラス状炭素製充填物の内部にも流れるようになり熱交換効率がより高められる。

また、ガラス状炭素製充填物を用いることで他の炭素材料、黒鉛などを使用した場合に比べ、化学的安定性が高く、微粉化しにくい誘導発熱体とすることができる。

また、ガラス状炭素製充填物の表面に絶縁性皮膜を有することができ、この絶縁性皮膜としてはセラミックが使用可能である。

また、上記誘導コイルは加熱室の周囲に巻回した状態で配置することが好ましいが、加熱室と隣接する状態で配置したものであってもよい。

また、上記被加熱流体の一例としては気体、純水またはスチームが示される。

本発明の流体処理装置は、上記構成を有する流体加熱装置と、その流体加熱装置における加熱室の入口部に接続され、流量が制御された被加熱流体を加熱室に供給する被加熱流体供給手段とから構成されることを要旨とする。

本発明の流体処理装置に従えば、流量の制御された被加熱流体が連続して加熱室に供給され加熱室内で加熱された後、次工程に排出されるため、インラインで流体を加熱処理することができるようになる。

本発明の流体加熱装置によれば、複数のガラス状炭素製充填物に被加熱流体を接触させるため被加熱流体を汚染することなく効率良く加熱することができる。

本発明の流体処理装置によれば、インラインで被加熱流体を効率良く加熱することができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

誘導加熱装置のサセプタの一つとして従来からガラス状炭素製のものが使用されており、例えば、一枚の円板状サセプタ、一本の円筒状サセプタを加熱室内に配置し、それらのサセプタを加熱することによりその放射熱で円板状サセプタ上または円筒状サセプタ内にセットした被加熱物を間接的に加熱している。上記サセプタとは、高周波磁場のエネルギを受けて発熱する部品・材料を意味する。

この種の誘導加熱装置は、被加熱物として例えばシリコンウエハ等の固体を加熱することを目的としているため、大きな空間速度で移動する流体を被加熱対象とした場合には加熱効率が不十分であった。

その理由の一つとして、サセプタの体積が不足することによって大きな誘電電流をそのサセプタに流すことができず、大きな出力を得ることができないことが挙げられる。また、一枚の円板状サセプタまたは一本の円筒状サセプタでは表面積が限られており、サセプタを通過する流体との間で熱交換効率を高めることができないことも挙げられる。

このことから、従来の円板状サセプタまたは円筒状サセプタの体積を大きくしたり、その厚さを増やしたりするようなサセプタの改良を試みたが、従来構成の延長線上で改良を行っても流体加熱の効率を高めることは困難であることが判明した。

これは、誘導加熱においては単にサセプタを大型化しても表皮効果（被加熱体の中に誘導される誘導電流はそのほとんどが表面に集中し、表面から遠ざかるほど急激に減少する）のためにサセプタ内部については発熱しにくいことや、サセプタ体積当たりの表面積を増加させることができないからと考えられる。

これに対して本発明の流体加熱装置は、従来のサセプタの構成とは全く異なるものであり、サセプタとして機能する複数の独立した充填物を加熱室内に充填することを特徴としている。

図１は、本発明に係る流体加熱装置の一実施形態を示したものである。

同図において、流体加熱装置１は、石英で構成された筒状の加熱室２を有し、この加熱室２の一方端部２ａはゴム栓３によって、他方端部２ｂは同じくゴム栓４によってそれぞれ閉じられている。

ゴム栓３には窒素ガスを導入するための導入管５が、ゴム栓４には加熱処理された窒素ガスを導出するための導出管６がそれぞれ貫通した状態で設けられている。

上記加熱室２内にはガラス状炭素製充填物７が複数充填されており、このガラス状炭素製充填物７のそれぞれがサセプタとして機能するようになっている。

ガラス状炭素製充填物７は熱硬化性樹脂を原料とし、これを硬化させた後、不活性雰囲気中または真空中で燃焼炭化して得られるもので公知の技術によって製造することができる。

具体的には、例えばフェノール樹脂を、成形型を用いて所望の形状に成形し、不活性雰囲気下で高温（一般に１０００℃）で熱処理することにより炭素化してガラス状炭素成形体とし、必要により機械加工を施すことによりガラス状炭素製充填物７を得ることができる。或いは適当なガラス状炭素成形体に機械加工を施すことによって所望の形状のガラス状炭素製充填物７を得ることもできる。

上記ガラス状炭素製充填物７は中実の球状であってもよく、また、中空の球状であってもよい。中空の場合は材料の利用効率が高くなるという利点がある。

また、中空球状としその中空内部に連通する孔部を設けると、被加熱処理流体がガラス状炭素製充填物７の内部にも進入するようになり、より高い熱交換効率を得ることができるようになる。孔部はガラス状炭素製充填物７に一カ所に形成することができ、また、直径方向に貫通した状態で二か所形成することもできる。

球状または中空球状のガラス状炭素製充填物７の前躯体である熱硬化性樹脂球状成形体の製造方法としては、例えば注型成形、プレス成形、射出成形等により、まず半球または中空半球状成形体を得てそれらの二つの成形体同士を接合することによって製造することができる。成形時には適当な中子を使用してもよい。

なお、孔部を有するガラス状炭素製充填物７を製造する場合、熱硬化性樹脂成形体の段階でドリル等を用いて孔あけ加工してもよいし、ガラス状炭素化した後に孔あけ加工することもできる。

また、ガラス状炭素製充填物７は必ずしも真球である必要はなく、回転楕円体であってもよいし不規則に歪んだ球であってもよい。さらには球以外に円筒、円柱形状のものを使用することもできる。しかしながらガラス状炭素製充填物７同士が接触する場合にそれらの接触面積を最小とするため、ガラス状炭素製充填物７の一部または全部を曲面とする必要がある。

なぜなら、ガラス状炭素製充填物同士が面接触すると誘導電流が複数のガラス状炭素製充填物に跨がって流れてしまい、上記した表皮効果が生じて誘導発熱効果が減少するからである。したがって、一部または全部に曲面を有するものであれば、任意の形状のガラス状炭素製充填物７をサセプタとして利用することができる。

また、加熱室２に充填されるガラス状炭素製充填物７は、同一形状のものに限らず、サイズの異なるものを充填してもよく、或いは形状の異なるものを混ぜ合わせて充填することもできる。

加熱室２に充填するガラス状炭素製充填物７のサイズは、加熱室２における内径をｄとするとき、１／５０ｄより大きく、且つ１／２ｄより小さいサイズにすることが望ましい。

１／５０ｄを下回るとガラス状炭素製充填物７同士の電気伝導割合が高くなり、結果として独立した個々のサセプタとして機能せず、集合体となってしまうことにより表皮効果が生じて誘導発熱効率が低下する。

一方、１／２ｄを上回ると加熱室２内にガラス状炭素製充填物７を複数個配置することが困難になりサセプタの体積充填率を高めることができないことによって誘導発熱効率が下がることになる。上記範囲内に基づいてガラス状炭素製充填物７を加熱室２内に充填する個数は５乃至１００個が好適である。

図１に示したように、上記ガラス状炭素製充填物７が充填されている部位の加熱室２の周囲には誘導コイル８が螺旋状に配置されており、この誘導コイル８は図示しない高周波交流電源に接続することができるようになっている。

次に、各種形状のガラス状炭素製充填物７の製造方法について説明する。

〈 ガラス状炭素製充填物７の製造例 〉
ａ） 中空球
成形には内径３０ｍｍのステンレス製半球カップと外形２５ｍｍの合成樹脂製球状中子を用いた。

上記半球カップの内部に上記球状中子を２．５ｍｍの隙間を空けた状態で配置し、市販の液状フェノール樹脂（群栄化学工業製ＰＬ−４８０４）をその隙間に充填し、１００℃で１０時間保持した後、脱型し、半球状フェノール樹脂成形体を得た。

次に、図２に示すように上記方法で得られた二つの半球状フェノール樹脂成形体７ａおよび７ｂの各赤道面同士を対向させ、同じ液状樹脂を用いて接着することにより球体とした。

これを２５０℃で５０時間加熱して完全硬化させた後、球体の北極と南極に当たる部位にφ１０ｍｍの孔７ｃ，７ｄを穿設した。

次に、窒素雰囲気中１０００℃で５時間熱処理して炭素化させ、最終的に外形２５ｍｍ、肉厚２ｍｍの孔部７ｃ，７ｄを有するガラス状炭素製中空球を得た。

ｂ） 円筒
上記中空球の製造に使用したフェノール樹脂を使用し、内径２５ｍｍ、長さ５００ｍｍの円筒金型を備えた遠心成形機を利用して遠心成形し、外形２４ｍｍ、長さ４５０ｍｍのフェノール樹脂円筒を得た。これを上記中空球の製造と同じ条件で炭素化処理し、外形２０ｍｍ、内径１６ｍｍ、長さ３５０ｍｍの円筒を得た。これを長さ３０ｍｍに切断し、最終的に図３に示すようなガラス状炭素製円筒７ｅを得た。

なお、上記中空球または円筒の表面には絶縁性皮膜を形成した。

皮膜材料として、クラリアントジャパン社製のシリカコーティング剤、ＡＬＣＥＤＡＲ ＣＯＡＴを用いた。

上記の手順で製造したガラス状炭素製中空球または円筒の外部表面を、＃４００のサンドペーパーをかけることによって粗面化し、その粗面化した表面にＡＬＣＥＤＡＲ ＣＯＡＴの５ｗｔ％キシレン溶液を塗布した。

１５０℃に加熱して塗膜を乾燥（溶媒を除去）させ、さらに空気中４００℃に加熱して皮膜を焼き付けた。

得られたシリカコーティング層の厚さは約５μｍであった。

ｃ） 比較例としてのガラス状炭素製管
上記中空球の製造に使用したフェノール樹脂を使用し、内径７０ｍｍ、長さ４００ｍｍの円筒金型を備えた遠心成形機を利用して遠心成形し、外形６８ｍｍ、長さ３８０ｍｍの熱硬化性樹脂管を得た。これを２５０℃で５０時間加熱して完全硬化させた後、窒素雰囲気中１０００℃で５時間熱処理して炭素化させ、最終的に外形５８ｍｍ、肉厚２ｍｍ、長さ１００ｍｍのガラス状炭素製管を得た。

〈 加熱特性の比較試験 〉
外形φ６ｍｍの水冷銅管を、内径７０ｍｍ、コイルピッチ１０ｍｍで螺旋状に５回、巻回したものを誘導コイル８（図１参照）として用いた。

この誘導コイル８の内部にそれと同心円となるように（直径方向断面において）外形６５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの両端が開放された石英管を加熱室２として配置し、窒素ガスを所定流量流しつつ、熱処理室入口側と出口側のそれぞれのガス温度を測定した。

加熱室２に対し窒素ガスを線速度０．５ｍ／秒で導入し、誘導コイル８には周波数４３０ｋＨｚ、出力１．２ｋＷ、電流６Ａの条件で高周波電力を投入した。

ａ′） 中空球を用いる場合
加熱室２内に上記ａ）の製造方法で製造した中空球からなるガラス状炭素製充填物７を充填した。充填方法は９個充填し、その合計重量を５４ｇ、総表面積を３６０ｃｍ^２とした。

ｂ′） 円筒を用いる場合
加熱室２内に上記ｂ）の製造方法で製造した円筒からなるガラス状炭素製充填物７を充填した。充填方法は１０個充填し、その合計重量を５１ｇ、総表面積を３５１ｃｍ^２とした。

ｃ′） 比較例としてのガラス状炭素製管を用いる場合
図４に示すように、加熱室２内に上記ｃ）の製造方法で製造したガラス状炭素製管１０を１本挿入した。その重量は５４ｇ、総表面積は３６０ｃｍ^２である。なお、ガラス状炭素製管１０以外の構成は図１と同じである。

上記測定結果から分かるように、サセプタとして本発明の中空球状、円筒状のガラス状炭素製充填物７を加熱室２内に複数充填した流体加熱装置によれば、従来のガラス状炭素製管による発熱体と略同等の発熱体重量、伝熱面積でありながら加熱効率が顕著に向上することを確認することができた。

したがって、本発明のガラス状炭素製充填物７を加熱室２内に充填する個数をさらに増やせば加熱効率をより高めることができる。

なお、上記実施形態では加熱室２まわりに誘導コイル８を螺旋状に巻回したが、加熱室２に隣接する状態で配置することもできる。

図５はガラス状炭素製充填物７の変形例を示したものである。

同図に示すガラス状炭素製充填物７は、円筒部７ｆの胴部外壁に複数の突起７ｇを形成したものである。

このように突起７ｇを備えたものは、ガラス状炭素製充填物７を加熱室２内に充填した場合に、隣接するガラス状炭素製充填物７との間に所定の隙間が確保され、各ガラス状炭素製充填物７を独立した状態に保持することができる。

このようにガラス状炭素製充填物７は不規則充填状態で加熱室２内に充填されることが好ましい。また、各ガラス状炭素製充填物７は、独立した状態で不規則充填が得られるのであれば、例えばラシヒリングのように曲面で構成された面構造のものを使用することもできる。

図６は、上記流体加熱装置１を用いた流体処理装置として純水加熱装置の構成を示したものである。

なお、同図において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図６に示す純水加熱装置２０は、半導体においてエッチング処理後の防食処理のため、或いは液晶洗浄用に使用される純水の洗浄効率を高めることを目的として加熱処理を行うものである。

純水を貯蔵している純水タンク２１から可変流量式のポンプ２２を介して汲み上げられた純水は、逆止弁２３を通じて切換弁２４に導かれる。

切換弁２４は遮断位置イと連通位置ロとを有し、連通位置ロに切り換えられた場合に純水を流体加熱装置１に供給するようになっている。なお、２５は回路圧を所定の値に保持するためのリリーブ弁、２６は圧力計である。

なお、上記純水タンク２１、ポンプ２２、リリーフ弁２５は被加熱流体供給手段として機能する。

導入管５を通じて加熱室２内に導入された純水は、蓮根状のセラミック製支持体２７に形成されている多数の通路を流れ、その支持体２７上に保持されている多数のガラス状炭素製充填物７に流れる。

ガラス状炭素製充填物７は高周波電力が与えられている誘導コイル８によって発熱しているため、ガラス状炭素製充填物７同士の隙間を流れる純水はそれらのガラス状炭素製充填物７と接触することにより熱交換が行われる。

複数充填されているガラス状炭素製充填物７間を上昇する間に純水はさらに加熱され、ガラス状炭素製充填物７の層を通過することにより所定温度に加熱された純水は、その後、導出管６から加熱室２外に送り出され、配管２８を通じて次工程としての洗浄工程へ送られる。

このように、本発明の流体加熱装置１は不活性ガス等の気体に限らず、純水等の液体の加熱にも適用することができ、上記構成を有する純水加熱装置によれば、純水をインラインで安定且つ連続的に加熱することが可能になり、純水の加熱効率が高められるだけでなく、純水加熱装置をシンプルに構成することができる。

また、食品加工や各種熱処理を行うための装置として誘導加熱式の過熱水蒸気発生装置が知られており、この種の装置は、例えばボイラーからの飽和蒸気（スチーム）を加熱室に導入し、高周波誘導加熱により発生する金属発熱体中を通過させることにより、飽和蒸気の温度をさらに高めて過熱水蒸気として排出するようになっている。

このような過熱水蒸気発生装置に対し、加熱効率の高い本発明の流体加熱装置１を適用すれば、より小規模な構成で過熱水蒸気を発生させることができるようになる。

次に、図２は本発明の流体処理装置をガスの加熱に適用した場合の構成を示すブロック図である。

同図に示すガス加熱装置３０は、ガラス状炭素製充填物７を収容する空間を形成するための、石英からなる筒状の発熱体収納容器３１を有し、この発熱体収納容器３１内に上述したガラス状炭素製充填物７が複数個充填されている。充填されたガラス状炭素製充填物７はそれぞれサセプタとして機能するようになっている。

なお、上記発熱体収納容器３１の一方端部３１ａおよび他方端部３１ｂは、貫通孔を備えたゴム栓等の閉塞部材によって開放可能に閉じられている。

上記一方端部３１ａの入口には被加熱ガスを導入するための導入管３２が接続されており、この導入管３２には被加熱ガスの流量を調節する流量調節器３３が介し、図示しないガス供給装置（ガス供給手段）が接続されている。

ガス供給装置は、具体的には例えば窒素ガスを貯留したガスボンベが示されるが、ガスが常温で液体の場合（例えば三フッ化塩素ＣｌＦ_３）は気化装置も含まれる。

また、他方端部３１ｂの出口には加熱されたガスを排出するための排出管３４が接続されている。

また、発熱体収納容器３１の周囲には誘導コイル３５が螺旋状に巻回されており、この誘導コイル３５は高周波交流電源を備えた制御器３６に接続されている。

上記ガス加熱装置３０は、ガラス状炭素製充填物７を誘導電流によりジュール熱で発熱させた状態で、被加熱ガスを発熱体収納容器３１に送り込み、ガラス状炭素製充填物７と熱交換することによって被加熱ガスを所望の温度まで加熱するようになっており、加熱された処理ガスは他方端部３１ｂの排出管３４を通じて送り出されるようになっている。

上記した純水加熱装置２０およびガス加熱装置３０によれば、被加熱流体をインラインで効率良く加熱することが可能になる。

本発明に係る流体加熱装置の構成を示す縦断面図である。 ガラス状炭素製充填物として中空球の製造方法を説明する斜視図である。 ガラス状炭素製充填物としての円筒を示す斜視図である。 従来の流体加熱装置の構成を比較例として示した図１相当図である。 ガラス状炭素製充填物の変形例を示す斜視図である。 本発明の流体処理装置としての純水加熱装置の構成を示すブロック図である。 本発明の流体処理装置としてのガス加熱装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 流体加熱装置
２ 加熱室
２ａ 一方端部
２ｂ 他方端部
３，４ ゴム栓
５ 導入管
６ 導出管
７ ガラス状炭素製充填物
７ａ，７ｂ フェノール樹脂成形体
７ｃ，７ｄ 孔部
７ｅ ガラス状炭素製円筒
８ 誘導コイル
１０ ガラス状炭素製管
２０ 純水加熱装置
２１ 純水タンク
２２ ポンプ
２３ 逆止弁
２４ 切換弁
２５ リリーフ弁
２６ 圧力計
２７ 支持体
２８ 配管

Claims (9)

1. 磁束透過性の材料で構成され、被加熱流体を導入する入口部と加熱処理された流体を導出する出口部とを有する加熱室と、
   上記加熱室内に複数充填され、一部若しくは全部が曲面状または突起状に構成されたガラス状炭素製充填物と、
   上記ガラス状炭素製充填物を誘導加熱させるために上記加熱室外側に配置される誘導コイルとを備えてなることを特徴とする流体加熱装置。
2. 上記ガラス状炭素製充填物が、中空若しくは中実の球状または柱状に成形されたものである請求項１記載の流体加熱装置。
3. 上記中空のガラス状炭素製充填物にその内部と連通する孔部が形成されている請求項２記載の流体加熱装置。
4. 上記ガラス状炭素製充填物が、絶縁性皮膜を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
5. 上記絶縁性皮膜がセラミックである請求項４記載の流体加熱装置。
6. 上記誘導コイルが上記加熱室の周囲に巻回され、または上記加熱室と隣接する状態で配置されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
7. 上記被加熱流体が気体である請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
8. 上記被加熱流体が、純水またはスチームである請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体加熱装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の流体加熱装置と、その流体加熱装置における上記加熱室の入口部に接続され、流量が制御された上記被加熱流体を上記加熱室に供給する被加熱流体供給手段とから構成されることを特徴とする流体処理装置。

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