JP2008202875A

JP2008202875A - 熱交換器

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Publication number: JP2008202875A
Application number: JP2007040477A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Muraoka; 祐介村岡; Yasuyoshi Miyaji; 恭祥宮路
Original assignee: Future Vision Inc
Current assignee: Future Vision Inc
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP4607135B2

Abstract

【課題】焼成炉内の雰囲気を汚染することなく内部洗浄を行うことができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器５０は、ガラス基板の焼成処理を行う基板焼成炉からの熱排気と当該基板焼成炉への供給気体との間で熱交換を行う。胴体部６０内には、複数の伝熱管６１が上下端を開口して鉛直方向に沿って架設されている。基板焼成炉からの熱排気は排気入口ポート８１から流入して伝熱管６１の内側を下から上に向かって流れ、排気出口ポート７１から排出される。一方、基板焼成炉に新たに供給する気体は胴体部６０の給気入口窓６５から取り込まれて伝熱管６１の隙間に沿って上から下に流れ、給気出口ポート６４から基板焼成炉に送り出される。伝熱管６１の内側に付着した有機物はリンスノズル７２から吐出される洗浄液によって洗浄され、その洗浄液は液受け部８２によって回収される。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示装置用ガラス基板、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）用ガラス基板や半導体ウェハー等の薄板状電子部品用基板（以下、単に「基板」と称する）の焼成処理を行う焼成炉から排出された熱排気とその焼成炉に新たに供給する供給気体との熱交換を行う熱交換器に関する。

カラーフィルタの製造工程の一つにカラーインクをインクジェットで着弾させたガラス基板を焼成する工程がある。この焼成工程は、所定の焼成温度に昇温した焼成炉中にて大気雰囲気下でガラス基板を所定時間保持することによって進行する。また、ガラス基板上に金属配線を形成する場合には、同様の焼成炉中にて窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下でガラス基板を焼成する。いずれの焼成処理工程においても、ガラス基板上のカラーインク等の被焼成物に含まれる有機溶剤が揮発或いは酸化することによって多くの有機物が発生して雰囲気中に拡散する。

このため、焼成処理中は絶えず清浄な熱風を焼成炉に送風するとともに、排気も継続して行って焼成炉中に有機物が滞留しないようにしている。焼成炉から排気された有機物を多量に含む気体をそのまま外気に放出することはできないため、スクラバー等によって排気中の有機物を捕集する処理がなされていた。

一方、省エネルギーの観点から、焼成炉から排気される熱風と焼成炉に新たに供給する気体との間で熱交換を行う試みもなされてきた。すなわち、焼成炉からの熱排気をスクラバーで処理すると持ち去られる熱エネルギー量が非常に多くなってエネルギー効率が悪いため、排出される熱排気と新たに供給する気体とを熱交換器に導入し、それらの間で熱交換を行わせることによって焼成炉からの廃熱を回収するという試みである。

焼成炉から排気された気体をそのまま熱交換器に導入すると、熱交換器内の構造物に有機物が付着して目詰まりを生じるため、排気気体を触媒処理して有機物を分解した後に熱交換器に導くことが必要となる。炉から排出された排ガスを触媒処理した後に熱交換器に導く技術については、例えば特許文献１にも開示されている。

特開２００１−２０１２７１号公報

しかしながら、ガラス基板の焼成炉から排気された気体を触媒処理しても有機物を十分に取り除くことができず、熱交換器に付着物が蓄積するという問題を完全に解消することは不可能である。このため、熱交換器の定期的な洗浄が必要となるが、精密電子部品用ガラス基板の焼成処理は雰囲気管理も重要であり、そのような用途の熱交換器に不用意な洗浄処理を行うと洗浄後の焼成炉内の雰囲気が汚染されることとなる。

また、液晶表示装置などの製造プロセスに対してはコストダウンの要求も強く、熱交換器によって回収する熱エネルギーの効率をなるべく高めるとともに、熱交換器自体に要するコストも可能な限り低減することが望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、焼成炉内の雰囲気を汚染することなく内部洗浄を行うことができる熱交換器を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、廃熱回収に要するコストを低減した熱交換器を提供することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するため、請求項１の発明は、基板の焼成処理を行う焼成炉から排出された熱排気と前記焼成炉に新たに供給する供給気体との熱交換を行う熱交換器において、前記熱排気と前記供給気体との熱交換が内部にて行われる筒状の胴体部と、前記胴体部の内部を鉛直方向に沿って貫通して設けられ、前記熱排気が通過する複数の伝熱管と、前記胴体部の上側に取設され、前記熱排気の入口または出口が形成された上部ヘッダと、前記胴体部の下側に取設され、側壁面に前記熱排気の入口または出口が形成された下部ヘッダと、前記下部ヘッダの底部に形成され、前記上部ヘッダから供給されて前記複数の伝熱管を通過して流下した洗浄液を受け止める液受け部と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱交換器において、前記上部ヘッダの内部に、下方に向けて洗浄液を吐出する洗浄液吐出手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱交換器において、前記上部ヘッダおよび／または前記下部ヘッダの側壁面に、蓋体が着脱自在に取り付けられたマンホールを形成することを特徴とする。

また、上記第２の目的を達成するため、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱交換器において、前記熱排気の出口側温度は７３℃以上１２３℃以下であることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、上部ヘッダから供給されて複数の伝熱管を通過して流下した洗浄液は液受け部によって受け止められるため、洗浄液が下部ヘッダに形成された熱排気の入口または出口から焼成炉に逆流することが防がれ、焼成炉内の雰囲気を汚染することなく内部洗浄を行うことができる。

また、特に請求項３の発明によれば、上部ヘッダおよび／または下部ヘッダのメンテナンスが容易となる。

また、特に請求項４の発明によれば、熱排気の出口側温度は７３℃以上１２３℃以下であるため、合計コスト回収年数が短くなり、廃熱回収に要するコストを低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、基板焼成炉の給排気システムの要部構成を示す概要図である。また、図２は、給排気システムの配置構成の一例を示す平面図である。この給排気システムは、ガラス基板Ｗ（本発明で言う基板）の焼成処理を行う基板焼成炉１と本発明に係る熱交換器５０とを組み合わせて構成されている。

基板焼成炉１は、カラーインク等を載せた角型のガラス基板Ｗを焼成する熱風炉である。基板焼成炉１は、ガラス基板Ｗを収容して焼成処理を行う炉体１０と、炉体１０から排出された熱風を循環させて再度炉体１０に供給する循環経路２０と、循環経路２０に設けられて熱風を循環させるファン２１と、循環経路２０に設けられて熱風を加熱するヒータ２２と、を備える。

炉体１０は、基板焼成炉１の本体部であって、ガラス基板Ｗを多段（本実施形態では４０段）に収容可能な筐体である。炉体１０の内側は、略四角柱形状の熱処理空間とされている。炉体１０の内壁面には図示を省略する多数のフォークが内設されている。各フォークは、炉体１０の内壁面から熱処理空間に向けて水平方向に沿って延設されている。水平方向に沿って並んだ複数本のフォークでもって１段の棚が構成されており、そのような棚が４０段形成されている。各段の棚には１枚のガラス基板Ｗを水平姿勢にて載置することが可能である。

炉体１０の正面側（図２の紙面左側）には、ルーバタイプのシャッター１１が設けられている。シャッター１１は、複数個のルーバを多段に積層して構成されている。各ルーバには図示を省略する昇降駆動機構が付設されており、ルーバごとに昇降可能とされている。図外の搬送ロボットが基板焼成炉１に対してガラス基板Ｗの搬出入を行うときには、搬出入先の棚に対向する部位のみをアクセス用開口とするように、当該棚とほぼ同じ高さ位置のルーバが上昇する。このようにすれば、ガラス基板Ｗの搬出入時の開口を必要最小限として、搬出入に伴う熱エネルギーの漏出を最小限に抑制することができる。なお、シャッター１１の比較的下部のルーバを駆動するときには、当該ルーバよりも上段のルーバも連動して駆動することとなるため、下部のルーバ程大きな出力の得られる駆動機構を設けておく必要がある。

炉体１０の側面には、内部の熱処理空間に熱風を供給するための吹き出し口１２および熱風を排気するための排気口１４が相対向して設けられている。すなわち、本実施形態の基板焼成炉１においては、炉体１０の一方側面から供給された熱風がガラス基板Ｗの面に沿って水平方向に熱処理空間内を流れて反対側側面へと流れ込むのである。吹き出し口１２および排気口１４は、炉体１０の内壁面のうち少なくともガラス基板Ｗを収容する多段の棚全体に対応する高さ位置に設けられている。このため、炉体１０に収容されている複数枚のガラス基板Ｗには均一に熱風を供給して均質な熱処理を行うことができる。

吹き出し口１２には高温対応の耐熱ＨＥＰＡフィルタ１３が設けられている。耐熱ＨＥＰＡフィルタ１３は、循環経路２０を経由して送風されてきた熱風中に含まれるパーティクルを取り除いて清浄な熱風とする。一方、排気口１４には、多数の通気孔を全面に配置したパンチングメタル１５が設置されている。炉体１０内の熱処理空間を流れる熱風はパンチングメタル１５の通気孔から循環経路２０へと排気される。なお、炉体１０の内壁面のうちシャッター１１と対向する壁面は通気孔のない部材にて形成された炉壁である。また、炉体１０の内壁面のうちシャッター１１とそれに対向する壁面を除く二方にパンチングメタル１５と同様のものを配置するようにしても良い。

循環経路２０は、炉体１０の排気口１４と吹き出し口１２とを連通する気体通過可能な流路であり、炉体１０の外壁面と基板焼成炉１全体を覆う耐熱壁の内壁面との間に形成された空間をもって構成されている。基板焼成炉１の循環経路２０にはファン２１とヒータ２２とが設けられている。本実施形態においては、循環経路２０の上流側にファン２１が設けられ、下流側にヒータ２２が設けられている。循環経路２０の上流側とは炉体１０の排気口１４に近い側であり、逆に下流側とは吹き出し口１２に近い側である。ファン２１は、モータと旋回翼とを備えており、モータが旋回翼を回転させることによって、循環経路２０中を上流側から下流側へと向かう気流（つまり、排気口１４から吹き出し口１２へと向かう気流）が生じ、ヒータ２２に気流を送り出す。なお、図２では、１個のファン２１が設けられているが、ファン２１の設置数は任意である。

ヒータ２２は、循環経路２０の仕切り壁２３と基板焼成炉１の耐熱壁との間に設置されている。ヒータ２２は、循環経路２０を流れる熱風を再加熱する。本実施形態の基板焼成炉１においては、循環経路２０の上流側のファン２１によって送り出された気流が下流側のヒータ２２によって加熱された後に耐熱ＨＥＰＡフィルタ１３によって浄化されて吹き出し口１２から炉体１０内部の熱処理空間に供給されることとなる。そして、炉体１０の排気口１４から排出された熱風は再びファン２１によって循環経路２０の下流側に送り出される。なお、図２では、２個のヒータ２２が設けられているが、ヒータ２２の設置数は任意である。

以上のように、基板焼成炉１はいわゆる熱風循環型の焼成炉として構成されており、ガラス基板Ｗを加熱処理するときには絶えず炉体１０から排気された熱風が再加熱されて帰還することとなる。炉体１０に絶えず新たな熱風が供給されることによって、熱処理空間の温度は所定の焼成温度（本実施形態では２００℃〜３００℃の範囲から処理に応じて設定される）に維持されている。

ところで、既述したように、ガラス基板Ｗを加熱するとガラス基板Ｗ上の被焼成物（カラーインク等）に含まれる有機溶剤が揮発或いは酸化することによって多くの有機物が発生する。炉体１０内部の熱処理空間には絶えず熱風の気流が形成されているため、ガラス基板Ｗから遊離した有機物は気流とともに排気口１４から循環経路２０へと流れ込む。基板焼成炉１の熱風循環システムを完全に閉じた系にすると、多量の有機物によって新たな有機物の焼成に支障が生じたり、耐熱ＨＥＰＡフィルタ１３が急速に目詰まりして劣化したりするため、本実施形態では循環経路２０への新たな気体の供給および循環経路２０からの排気を行うようにしている。

排気経路としては、循環経路２０のうちヒータ２２から炉体１０の気体吹き出し口１２に至る加熱後熱風通過領域２０ａに排気管３０が連通接続されている。そして、排気管３０には触媒ユニット３１が配設されている。触媒ユニット３１は、有機物を分解するための白金（Ｐｔ）触媒を内蔵する。ここで、本実施形態においては図２に示すように、触媒ユニット３１が循環経路２０におけるヒータ２２の直後であって加熱後熱風通過領域２０ａに臨むように配置されている。具体的には、基板焼成炉１の筐体に形成され、排気管３０が循環経路２０に接続される分岐接続点に触媒ユニット３１が配置されている。

また、排気管３０の他端（循環経路２０とは反対側端部）は熱交換器５０に連通接続されている。本実施形態の熱交換器５０は、ガラス基板Ｗの焼成処理を行う基板焼成炉１から排出された熱排気と基板焼成炉１に新たに供給する気体（供給気体）との間で熱交換を行う気体−気体熱交換器である。なお、熱交換器５０の構成については後に詳述する。

排気管３０には触媒ユニット３１の他にも流量調整バルブ３２および入り側圧力計３３が介挿されている。流量調整バルブ３２は、排気管３０を流れる排気流量を調整する。入り側圧力計３３は、触媒ユニット３１から排出されて熱交換器５０に流入する熱排気の圧力を検出する。また、熱交換器５０から排出された排気気体を排熱ダクト等に導く熱排気経路３０ａには出側圧力計３４が介挿されている。出側圧力計３４は、熱交換器５０から排出される熱排気の圧力を検出する。

一方、循環経路２０への給気経路としては、循環経路２０のうちのファン２１の近傍領域に給気ダクト４０が連通接続されている。より具体的には、給気ダクト４０から供給された気体がファン２１の旋回翼の軸近傍に流れるように構成されている。給気ダクト４０には流量調整バルブ４２が介挿されている。流量調整バルブ４２は、給気ダクト４０を流れる給気流量を調整する。給気ダクト４０の他端側（循環経路２０とは反対側）は三方弁４４を介して二股に分岐されており、一方の分岐管４０ａは熱交換器５０に連通接続されるとともに、他方の分岐管は熱交換器５０を経由しないバイパス管４０ｂとされている。

三方弁４４は、新たに供給する気体を熱交換器５０を経由して基板焼成炉１に送るか、熱交換器５０を経由することなく基板焼成炉１に送るかを択一的に切り替える。すなわち、三方弁４４が分岐管４０ａ側に切り換えられているときは、熱交換器５０を経由して加熱された供給気体が分岐管４０ａから給気ダクト４０に流れ込んで基板焼成炉１の循環経路２０に供給される。一方、三方弁４４がバイパス管４０ｂ側に切り換えられているときは、バイパス管４０ｂおよび給気ダクト４０が熱交換器５０を経由することなく循環経路２０に直接新たな給気を行うバイパス経路として機能する。新たに供給する気体が分岐管４０ａまたはバイパス管４０ｂのいずれの経路を通過したとしても、最終的には給気ダクト４０に流れ込み、その供給流量は流量調整バルブ４２によって調整される。なお、給排気経路の構成要素のうちバルブおよび圧力計については図示の便宜上図２では記載を省略している。

また、本実施形態の給排気システムには制御部９０が設けられている。制御部９０のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部９０は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用アプリケーションやデータなどを記憶しておく磁気ディスク等を備えている。制御部９０は、流量調整バルブ３２，４２および三方弁４４と電気的に接続されており、それらの動作を制御する。また、制御部９０は、基板焼成炉１の各動作部（例えば、ファン２１、ヒータ２２、シャッター１１の昇降駆動機構）の動作も制御する。さらに、制御部９０は、入り側圧力計３３、出側圧力計３４および後述する基板焼成炉１のカウンター９１とも電気的に接続されており、これらセンサーからの検出信号を受ける。

次に、基板焼成炉１からの熱排気と基板焼成炉１への供給気体との間で熱交換を行う熱交換器５０について説明を続ける。図３は本発明に係る熱交換器５０の外観斜視図であり、図４は熱交換器５０の内部を上方から見た平面図である。また、図５は図４のＡ−Ａ位置で切断した熱交換器５０の縦断面図であり、図６は図４のＢ−Ｂ位置で切断した熱交換器５０の縦断面図である。なお、図３から図６の各図にはそれらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を付している。

図３に示すように、熱交換器５０は鉛直方向に沿って縦長の四角柱形状の外観を有している。熱交換器５０は、大別して胴体部６０、上部ヘッダ７０および下部ヘッダ８０の３つのブロックにより構成されている。胴体部６０は、その内部にて熱排気と供給気体との熱交換が行われる筒状の直方体形状の筐体であり、熱交換器５０の本体部として機能する要部である。本実施形態では胴体部６０の外寸を高さ（Ｚ軸方向長さ）２２５０ｍｍ、奥行き（Ｙ軸方向長さ）６００ｍｍ、幅（Ｘ軸方向長さ）７００ｍｍとしている。

胴体部６０の上端は天板６２によって閉塞され、下端は床板６３によって閉塞されている。天板６２と床板６３とを貫通するようにして複数の伝熱管６１がＸ軸方向に沿って一列に配列されている。各伝熱管６１は、中空の扁平柱であり、鉛直方向（Ｚ軸方向）に沿って上下端を開口して天板６２と床板６３とに架設支持されている。伝熱管６１は、例えば曲げ加工によって僅かに反りを与えた板厚０．６ｍｍの２枚のステンレス鋼板（例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６）の両端を互いに溶接することによって簡単に製作することができる。伝熱管６１の内側の最大幅（Ｘ軸方向の最大ギャップ）は約６ｍｍであり、隣接する伝熱管６１の頂上部の間隔（Ｘ軸方向の最小ギャップ）は約５ｍｍである。なお、図３，４では理解容易のために伝熱管６１の形状を誇張して記載しているが、実際の形状はＹ軸方向長さが５００ｍｍ以上であるのに対してＸ軸方向の幅が約６ｍｍ程度であり、ほぼ板状と言えるものである。

また、胴体部６０の側壁の一方側（本実施形態では（＋Ｙ）側）の下部位置には給気出口ポート６４が形設され、それと対向する他方側（（−Ｙ）側）の上部位置には給気入口窓６５が形成されている。給気出口ポート６４と給気入口窓６５とは胴体部６０の内部空間を介して互いに連通している。給気入口窓６５は、外部空間から基板焼成炉１に新たに供給する気体（本実施形態では、クリーンルームのエア）を熱交換器５０に取り入れるための取り込み口である。給気出口ポート６４は、熱交換によって昇温した供給気体を基板焼成炉１に向けて送り出すための出口であり、図１，２の給気ダクト４０（より正確には給気ダクト４０の分岐管４０ａ）と接続される。

上部ヘッダ７０は、胴体部６０の上側に取設された筐体である。伝熱管６１の上端は上部ヘッダ７０に向けて開口しているため、上部ヘッダ７０の内部空間と伝熱管６１とは連通している。また、上部ヘッダ７０の（＋Ｘ）側の側壁面には排気出口ポート７１が形設されている。排気出口ポート７１は、排熱回収済みの排気を放出するための出口であり、図１の熱排気経路３０ａに接続される。

また、上部ヘッダ７０の内部には、図示を省略する洗浄液供給機構に接続された複数本のリンスノズル７２が架設されている。リンスノズル７２には、下方に向けて洗浄液の液滴を噴霧する複数のミストシャワーヘッド７３が設けられている。なお、リンスノズル７２およびミストシャワーヘッド７３の設置数は、複数の伝熱管６１の全体に洗浄液を供給できるものであれば任意の数とすることができる。また、リンスノズル７２およびミストシャワーヘッド７３に代えて、複数の伝熱管６１の全体に洗浄液を供給できるものであれば他の洗浄機構を上部ヘッダ７０に設けるようにしても良い。

さらに、図６に示すように、上部ヘッダ７０の（＋Ｙ）側の側壁面には矩形のマンホール７４が形成されている。マンホール７４には、外側から着脱自在に平板状の蓋体７５が取り付けられる。蓋体７５を取り外してマンホール７４を開放することにより、上部ヘッダ７０の内部空間がメンテナンススペースとして機能し、作業者がマンホール７４を介して上部ヘッダ７０の内部にてメンテナンス作業を行うことが可能となる。一方、通常の処理が行われている際には、蓋体７５が取り付けられてマンホール７４が塞がれている。なお、蓋体７５は、ネジなどによって着脱自在に上部ヘッダ７０に取り付けるようにすれば良い。

下部ヘッダ８０は、胴体部６０の下側に取設された筐体である。伝熱管６１の下端は下部ヘッダ８０に向けて開口しているため、下部ヘッダ８０の内部空間と伝熱管６１とは連通している。すなわち、上部ヘッダ７０の内部空間と下部ヘッダ８０の内部空間とは複数の伝熱管６１を介して連通している。

また、下部ヘッダ８０の（−Ｘ）側の側壁面には排気入口ポート８１が形設されている。排気入口ポート８１は、基板焼成炉１から排出された熱排気を熱交換器５０に導くための入口であり、図１，２の排気管３０に接続される。排気入口ポート８１と上部ヘッダ７０の排気出口ポート７１とは、複数の伝熱管６１を介して連通することとなる。

また、下部ヘッダ８０の底部は四角錐形状の液受け部８２として形成されている。液受け部８２は、ドレインバルブ８３を介して外部ドレインと接続されている。通常処理が行われている際には、ドレインバルブ８３は閉鎖されており、液受け部８２には所定量の液を貯留することが可能である。

さらに、下部ヘッダ８０の（＋Ｙ）側の側壁面には矩形のマンホール８４が形成されている。マンホール８４には、外側から着脱自在に平板状の蓋体８５が取り付けられる。蓋体８５を取り外してマンホール８４を開放することにより、下部ヘッダ８０の内部空間がメンテナンススペースとして機能し、作業者がマンホール８４を介して下部ヘッダ８０の内部にてメンテナンス作業を行うことが可能となる。一方、通常の処理が行われている際には、蓋体８５が取り付けられてマンホール８４が塞がれている。なお、蓋体８５は、上記の蓋体７５と同様に、ネジなどによって着脱自在に下部ヘッダ８０に取り付けるようにすれば良い。

次に、上記構成を有する基板焼成炉１の給排気システムにおける動作内容について説明する。まず、焼成処理中においては、搬送ロボットが一定間隔でガラス基板Ｗを順次炉体１０に搬入して所定の段の棚に渡す。棚を構成するフォークに載置されたガラス基板Ｗは吹き出し口１２からの熱風によって焼成温度にまで昇温する。そして、炉体１０内の熱処理空間にて所定の焼成時間が経過したガラス基板Ｗは搬送ロボットによって搬出される。なお、本実施形態のようにガラス基板Ｗに載せられた被焼成物がカラーインクである場合には炉体１０内の熱処理空間が空気雰囲気とされるが（つまり、加熱空気が循環される）、被焼成物が配線用のインクである場合には窒素ガス等の不活性ガス雰囲気とされる（つまり、加熱不活性ガスが循環される）。

炉体１０の排気口１４から排出された熱排気はファン２１によって熱風の気流として循環経路２０内を還流され、その気流がヒータ２２によって加熱された後に耐熱ＨＥＰＡフィルタ１３によって浄化されて吹き出し口１２から熱処理空間に再供給される。ヒータ２２は、制御部９０によって制御されており、ファン２１によって送り出された気流を焼成温度に応じた温度にまで加熱する。なお、炉体１０の熱処理空間に温度センサーを設け、その温度センサーの計測結果に基づいて、熱処理空間が焼成温度に応じた温度となるように制御部９０がヒータ２２をフィードバック制御するようにしても良い。

上記の循環過程において、ヒータ２２によって加熱された熱風は、吹き出し口１２に向かう気流と排気管３０に流れ込む気流とに分岐する。なお、循環気流を確実にヒータ２２によって加熱する目的と、加熱後の熱風の一部が確実に排気管３０に流れ込むように循環経路２０を仕切る仕切り壁２３が設けられている。ファン２１から送出された気流は仕切り壁２３と基板焼成炉１の耐熱壁との間に沿って流れることによって確実にヒータ２２によって加熱されるとともに、仕切り壁２３を排気管３０の近傍まで延ばすことによって加熱後の熱風が排気管３０に向かうように整流している。

排気管３０には、加熱後熱風通過領域２０ａに臨むように触媒ユニット３１が設けられている。従って、ヒータ２２によって加熱された直後の焼成温度よりも数十℃高温の熱風の一部は直ちに触媒ユニット３１に流入することとなる。ヒータ２２によって加熱された直後の高温の熱風が直ちに触媒ユニット３１に流入して白金触媒に接触すると、白金触媒も高温となり、循環経路２０から排出された熱風に含まれる有機物が高い効率にて分解されることとなる。このときに、ガラス基板Ｗが不活性ガス雰囲気中にて焼成されている場合には触媒ユニット３１にて有機物の熱分解が生じ、空気雰囲気中にて焼成されている場合には触媒ユニット３１にて有機物の熱分解と酸化分解とが同時に生じる。その結果、循環経路２０から排気管３０に排出された熱風に含まれる有機物のほとんどが無害な物質に分解される。

触媒ユニット３１にて有機物のほとんどが分解されて浄化された高温の熱排気は流量調整バルブ３２を通過して排気入口ポート８１から熱交換器５０の下部ヘッダ８０内に流入する。下部ヘッダ８０に流入した高温の熱排気は、複数の伝熱管６１の内側を下から上に向かって流れる。そして、上部ヘッダ７にまで到達した熱排気は排気出口ポート７１から排出される。

一方、ガラス基板Ｗに通常の焼成処理を行っているときには、新たに供給される気体が熱交換器５０を経由するように三方弁４４が分岐管４０ａ側に設定されいる。すなわち、バイパス管４０ｂは閉じられている。このため、基板焼成炉１に新たに補充される気体は分岐管４０ａを経て供給されることとなり、具体的には熱交換器５０の給気入口窓６５から取り込まれる。給気入口窓６５から取り込まれた気体は熱交換器５０の胴体部６０の内部において複数の伝熱管６１の隙間に沿って流れ、給気出口ポート６４から給気ダクト４０へと送り出される。ここで、伝熱管６１がＹ軸方向に扁平に延びるとともに、給気入口窓６５および給気出口ポート６４がＹ軸方向に沿って配置されているため、給気入口窓６５から取り込まれた供給気体は円滑に伝熱管６１の隙間を流れることができる。また、熱交換器５０の胴体部６０の上部位置に給気入口窓６５が形成され、下部位置に給気出口ポート６４が形成されているため、供給気体は胴体部６０の内部において上方から下方へと向かって流れる。

このように、通常の焼成処理時には、図５に示す如く、基板焼成炉１から排出されて触媒ユニット３１を通過した高温の熱排気が複数の伝熱管６１の内側を下方から上方に向かって流れ、それと同時に、基板焼成炉１に新たに供給する低温の供給気体は複数の伝熱管６１の外側を上方から下方に向かって流れる。これにより、各伝熱管６１の管壁において高温の熱排気と低温の供給気体との間で熱交換が行われ、熱排気の温度が低下するとともに給気気体の温度が昇温する。すなわち、基板焼成炉１から排出された熱排気からの廃熱回収がなされるのである。なお、ガラス基板Ｗに通常の焼成処理を行っているときには、蓋体７５，８５が取り付けられてマンホール７４，８４が塞がれているとともに、ドレインバルブ８３も閉じられ、所定の出入口以外から気体の出入りが生じることはない。また、天板６２、床板６３および各伝熱管６１の管壁によって伝熱管６１の内外は完全に遮断されているため、熱排気と供給気体とが混合することも防止される。

熱交換器５０を通過して温度が低下した熱排気は熱排気経路３０ａを経て外部の排熱ダクト等に放出される。循環経路２０から排気管３０に排出された熱排気に含まれる有機物のほとんどが触媒ユニット３１によって分解されているため、放出される排気気流にも有機物がほとんど含まれていないことは勿論である。一方、熱交換器５０を通過して温度が上昇した供給気体は分岐管４０ａを経て給気ダクト４０に流れ込み、流量調整バルブ４２を通過して循環経路２０に流れ込む。新たに供給される気体は循環経路２０のファン２１の近傍（つまり、ヒータ２２よりも上流側）に流れ込むため、炉体１０内に吹き出される熱風の温度を低下させるおそれはなく、ヒータ２２によって加熱された後に吹き出し口１２から炉体１０の熱処理空間に供給されることとなる。

このようにすれば、ヒータ２２によって加熱された直後の高温の熱風が直ちに触媒ユニット３１に流入し、効率良く熱排気中に含まれる有機物が分解されることとなるため、有機物のほとんどは分解される。これに加えて、熱交換器５０の複数の伝熱管６１は鉛直方向に沿って立設された筒状構造であるため、伝熱管６１の内壁面に有機物が付着することは最小限に抑制され、熱交換器５０を長期間安定して稼働させることができる。熱交換器５０を使用して供給気体と熱排気との間の熱交換を行うことができれば、基板焼成炉１の給排気システムにおけるエネルギー効率を高くすることができる。

回収する熱エネルギー効率を向上させてコストを抑制できる熱交換器５０としては以下のようなものが望ましい。まず、熱交換器５０における風量が１６ｍ³／ｍｉｎ．、供給気体の入口側温度（給気入口窓６５での温度）が２３℃、熱排気の入口側温度（排気入口ポート８１での温度）が２３０℃である場合の伝熱面積とコストとの関係を次の表１に示す。

表１において、「廃熱温度」とは熱排気の出口側温度（排気出口ポート７１での温度）を示しており、「合計コスト」とは断熱材を含む熱交換器５０のコストと触媒ユニット３１の触媒コストとの合計である。また、伝熱面積比および合計コスト比は、廃熱温度が９８℃のときを基準とした比率である。

熱交換器一般において、熱排気の入口側温度が高く出口側温度が低いほど回収できる熱エネルギーの効率は高くなり、表１においても廃熱温度が低いほど廃熱回収率は高くなっている。ところが、廃熱温度をあまり低く設計すると、熱交換器自体に要するコストが高くなるため、結果として合計コスト回収年数が長くなり、総合的な意味での廃熱回収に要するコストは却って高くなる。また、廃熱温度が高い場合には廃熱回収率が低いために合計コスト回収年数は長くなる。

表１に示すように、合計コスト回収年数が３年未満、すなわち総合的な意味での廃熱回収に要するコストが比較的良好なのは熱排気の出口側温度が７３℃以上１２３℃以下の場合である。この範囲にて廃熱回収率が最も良いのは廃熱温度が７３℃のときであり、熱排気の出口側温度が７３℃となるようにするのが最も好ましい。

一方、熱交換器５０における熱排気および供給気体双方の気流の圧損は５０ｍｍＡｑ未満とする必要があり、好ましくは３０ｍｍＡｑ未満である。このためには、熱排気および供給気体双方の気流の流速を３．０ｍ／ｓｅｃ．未満（圧損３０ｍｍＡｑ未満を得るためには２．６ｍ／ｓｅｃ．未満）としなければならない。

これらの諸条件を満足するような熱交換器５０の一例としては、風量１６ｍ³／ｍｉｎ．、供給気体の入口側温度および出口側温度（給気出口ポート６４での温度）がそれぞれ２３℃，１８０℃、熱排気の入口側温度および出口側温度が２３０℃，７３℃としたときに、次の表２に示すようなものとなる。

表２において、熱排気のギャップとは伝熱管６１の内側の最大幅であり、供給気体のギャップとは隣接する伝熱管６１の頂上部の間隔である。この条件を満たす熱交換器５０の最小フットプリントは６００ｍｍ×５２０ｍｍであり、伝熱面積は６２ｍ²となる。

また、図１に示したように、基板焼成炉１には炉体１０に収容されて焼成処理が行われているガラス基板Ｗの枚数を計測するカウンター９１が設けられている。このカウンター９１としては、ガラス基板Ｗが各棚に載置されているか否かを検出する光学センサー等のハード的な計数機構であっても良いし、処理レシピから炉体１０に収容されているガラス基板Ｗの枚数を認識するソフト的なものであっても良い。カウンター９１によって計数された処理中のガラス基板Ｗの枚数は制御部９０に電気信号として伝達される。そして、制御部９０は、カウンター９１によって計数されたガラス基板Ｗの枚数に応じて流量調整バルブ３２および流量調整バルブ４２を制御し、循環経路２０からの排気量および循環経路２０への給気量を調整する。具体的には、焼成処理が行われているガラス基板Ｗの枚数が多いほど、それに比例して発生する有機物量も多くなるため、循環経路２０からの排気量および循環経路２０への給気量が多くなるように制御部９０が流量調整バルブ３２，４２を制御する。このようにすれば、触媒ユニット３１に流入する熱排気中に含まれる有機物の気中濃度がほぼ一定となるため、白金触媒が安定して作用することとなる。また、焼成処理が行われているガラス基板Ｗの枚数が少ないときは給排気量を少なくして基板焼成炉１の循環経路２０から持ち去られる熱エネルギーを低減し、逆にガラス基板Ｗの枚数が多いときは給排気量を多くして発生した有機物をなるべく早期に排出することができる。

本実施形態の給排気システムによれば、基板焼成炉１から排出された熱排気中に含まれる有機物は触媒ユニット３１によってほとんど分解され、しかも各伝熱管６１は鉛直方向に沿って立設された筒状構造であるため、伝熱管６１の内壁面への有機物付着はほとんど生じないのであるが、長期にわたって連続運転を行っていると徐々にではあるが有機物の付着は避けられない。伝熱管６１の内壁面に有機物が付着してくると、いわゆる目詰まり状態となって圧力損失が過大になる。このため、入り側圧力計３３および出側圧力計３４の圧力検知結果に基づいて、制御部９０が触媒ユニット３１から排出されて熱交換器５０に流入する熱排気の圧力と熱交換器５０から排出される熱排気の圧力との圧力差を検知する。検知された圧力差は伝熱管６１の管路の圧力損失を示す指標となる。そして、その圧力差が所定の閾値以上となったときに、新たに供給される供給気体がバイパス管４０ｂを通るように制御部９０が三方弁４４を切り替える。

この状態では、新たに供給される供給気体が熱交換器５０を通過することはない。すると、熱交換器５０には、高温の熱排気が流れ続ける一方で低温の気体が供給されなくなるため熱交換が生じなくなり、各伝熱管６１自体の温度が急速に上昇する。その結果、伝熱管６１の内壁面に付着していた有機物が熱によって再度昇華して排出される。すなわち、新たに供給される気体をバイパス管４０ｂに流すことによって、伝熱管６１の内壁面から有機物が除去されてクリーニング処理が実行されるのである。但し、このクリーニング処理時には熱交換が全く行われずにエネルギー効率が低くなるため、入り側圧力計３３と出側圧力計３４との圧力差が所定値未満となった時点で新たに供給される気体が再び熱交換器５０を通過するように制御部９０が三方弁４４を切り替える。

また、上述したバイパス給気を利用したクリーニング処理を行ったとしても、伝熱管６１の温度が上昇するだけでは十分に除去しきれない有機物の蓄積も生じる。本発明に係る熱交換器５０は、このような汚染を強制的に除去する洗浄機構を備えている。すなわち、バイパス給気を利用したクリーニング処理のみでは十分に除去できない有機物が多量に伝熱管６１の内壁面に付着した場合には、上部ヘッダ７０の内部に設けられたリンスノズル７２から複数の伝熱管６１に向けて洗浄液を吐出する。本実施形態においては、洗浄液として有機物を溶解するアルコールなどの有機溶剤、または、アルカリ溶液が使用される。

供給された洗浄液は伝熱管６１内を流下しつつ、その内壁面から付着した有機物を溶解・除去する。これによって、複数の伝熱管６１の洗浄処理が実行される。洗浄液を利用した伝熱管６１の洗浄処理を行うときには、ドレインバルブ８３を開放している。複数の伝熱管６１を流下する洗浄液はやがて下部ヘッダ８０に流れ込んで液受け部８２からドレインバルブ８３を介して外部へと排液される。このようにすれば、バイパス給気によるクリーニング処理だけでは十分に除去しきれない有機物汚染も確実に洗浄することができる。

洗浄液を利用した伝熱管６１の洗浄処理は熱交換器５０の稼働中に実行することは不可能であるため、基板焼成炉１の停止中、例えば基板焼成炉１の定期メンテナンス時に行うのが好ましい。但し、本発明に係る熱交換器５０は、精密電子部品用のガラス基板Ｗの焼成処理を行う基板焼成炉１に適用されるものであり、洗浄液のアルカリ雰囲気などが基板焼成炉１の熱処理空間に入り込むことは許されない。このため、下部ヘッダ８０に、排気入口ポート８１とは別経路の排出路となりうる液受け部８２を形成し、複数の伝熱管６１を通過して流下した洗浄液を液受け部８２によって受け止めることにより、洗浄液が排気入口ポート８１に流れ込んでアルカリ雰囲気などが基板焼成炉１に逆流するのを防止している。これにより、基板焼成炉１内の雰囲気を汚染することなく熱交換器５０の内部洗浄を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、基板焼成炉１の給排気システムは図７に示すようなものであっても良い。図７において、図１と同一の要素については同一の符号を付している。図７の給排気システムが図１と相違するのは、触媒ユニット３１に空気（または酸素）を供給する空気供給管４９を設けている点である。空気供給管４９は、熱交換器５０を通って排気管３０の触媒ユニット３１の入口側近傍に連通接続されている。なお、このような構成を実現するため、図７のシステムにおいては、排気管３０における加熱後熱風通過領域２０ａからやや離れた位置に触媒ユニット３１が配置されている。すなわち、排気管３０が循環経路２０に接続される分岐接続点と触媒ユニット３１との間に空気供給管４９が連通接続される。

図７のシステムでは、給気ダクト４０からは窒素ガス等の不活性ガスが供給され、循環経路２０および炉体１０の内部は不活性ガス雰囲気とされている。それとは別経路の空気供給管４９からは排気管３０の触媒ユニット３１入口側近傍に熱交換器５０にて昇温された空気（または酸素）が供給される。なお、空気が供給されるのは排気管３０の最上流位置であるため、その空気が逆流して不活性ガス雰囲気とされた循環経路２０に流れ込むことは防止される。触媒ユニット３１の入口側近傍に高温の空気が供給されると、空気雰囲気にて焼成処理を行う場合と同様に、触媒ユニット３１にて有機物の熱分解と酸化分解とが同時に生じ、触媒ユニット３１の入口側温度よりも出口側温度の方が高温となる。その結果、熱交換器５０における熱交換効率を向上させて、エネルギー効率をより良好なものとすることができる。なお、図７のシステムは、給気ダクト４０から空気を供給してガラス基板Ｗの大気焼成処理を行うものにも適用できることは言うまでもない。

また、上記実施形態においては、熱交換器５０の胴体部６０に中空の扁平柱形状の伝熱管６１を架設していたが、これに代えて胴体部を図８に示すようなものとしても良い。図８の胴体部６０ａには、扁平柱形状の伝熱管６１に代えて、複数の平板形状の伝熱管６１ａを架設している。上記実施形態と同様に、各伝熱管６１ａは中空の筒状であり、鉛直方向に沿って上下端を開口して天板６２と床板６３とに架設支持されている。残余の構成は上記実施形態と同様であり、上述したのと同様の効果を得ることができる。もっとも、図８のような胴体部６０ａを製作する場合には、伝熱管６１ａの水平方向両端部を精密に胴体部６０ａの内壁面に溶接しなければならないので、扁平柱形状の伝熱管６１を上下の天板６２および床板６３に溶接するだけで足りる上記実施形態の胴体部６０の方が容易に製作できる。

また、上記実施形態においては、熱交換器５０の上部ヘッダ７０に熱排気の出口である排気出口ポート７１を形成し、下部ヘッダ８０に熱排気の入口である排気入口ポート８１を形成していたが、これを逆にして、上部ヘッダ７０に排気入口ポートを形成し、下部ヘッダ８０に排気出口ポートを形成するようにしても良い。また、上記実施形態においては、胴体部６０の下部位置に供給気体の出口である給気出口ポート６４を形成し、上部位置には供給気体の入口である給気入口窓６５を形成していたが、これを上下逆にして、胴体部６０の上部位置に給気出口ポートを形成し、下部位置に給気入口窓を形成するようにしても良い。但し、胴体部６０の内部において熱排気の気流と供給気体の気流とが互いに反対方向に流れる対向流とした方が廃熱回収の効率は高くなるため、そのような流れとなるように気流の出入り口を設定する方が好ましい。

また、上記実施形態においては、上部ヘッダ７０の内部に設けられたリンスノズル７２から複数の伝熱管６１に向けて洗浄液を吐出することによって湿式洗浄処理を行っていたが、定期メンテナンス等に作業者が装置外部の洗浄ノズルを上部ヘッダ７０内に挿入して洗浄液を吐出するようにしても良い。具体的には、作業者が上部ヘッダ７０の蓋体７５を取り外してマンホール７４を開放し、マンホール７４から上部ヘッダ７０の内部に洗浄ノズルを挿入して洗浄処理を行う。この場合であっても、複数の伝熱管６１を洗浄しつつ流下した洗浄液は液受け部８２によって受け止められ、ドレインバルブ８３を介して外部へと排液されることとなり、洗浄液が排気入口ポート８１に流れ込んでアルカリ雰囲気などが基板焼成炉１に逆流するのを防止できる。その結果、基板焼成炉１内の雰囲気を汚染することなく熱交換器５０の内部洗浄を行うことができる。

また、マンホール７４，８４は必ずしも上部ヘッダ７０および下部ヘッダ８０の双方に設ける必要はなく、いずれか一方のみに設けるようにしても良い。上記のように、作業者が手動にて洗浄処理を行うのであれば、少なくとも上部ヘッダ７０にはマンホール７４を設ける。

また、循環経路２０の構成は図２のような形態に限定されるものではなく、炉体１０の排気口１４と吹き出し口１２とを連通する気体通過可能な流路であって、その上流側にファン２１を設け、下流側にヒータ２２を設ける構成であれば良い。従って、例えば基板焼成炉１の外壁パネルを開放しやすいように、ヒータ２２を炉体１０の底部に配置するようにしても良い。

また、バイパス管４０ｂを使用した熱交換器５０のクリーニング処理は、入り側圧力計３３と出側圧力計３４との圧力差に関わらず一定間隔ごとに実行するようにしても良い。

また、洗浄液を使用した伝熱管６１の洗浄処理を入り側圧力計３３と出側圧力計３４との圧力差に基づいて自動的に行うようにしても良い。具体的には、入り側圧力計３３と出側圧力計３４との圧力差が所定の閾値以上となったことを検知した制御部９０が基板焼成炉１の動作を停止した後に、リンスノズル７２からの洗浄液吐出を行わせるようにすれば良い。

また、基板焼成炉１の炉体１０に収容可能なガラス基板Ｗの枚数は４０枚に限定されるものではなく任意の数とすることができる。

また、熱交換器５０の風量も１６ｍ³／ｍｉｎ．に限定されるものではなく任意の流量とすることができる。

また、本発明に係る給排気システムを備えた基板焼成炉によって焼成処理の対象となる基板はガラス基板Ｗに限定されるものではなく、半導体ウェハであっても良い。また、被焼成物となるインクはバンク用、ＩＴＯ電極（インジウム錫酸化物の透明電極）用などでも良い。

基板焼成炉の給排気システムの要部構成を示す概要図である。給排気システムの配置構成の一例を示す平面図である。本発明に係る熱交換器の外観斜視図である。熱交換器の内部を上方から見た平面図である。図４のＡ−Ａ位置で切断した熱交換器の縦断面図である。図４のＢ−Ｂ位置で切断した熱交換器の縦断面図である。基板焼成炉の給排気システムの他の例を示す概要図である。熱交換器の胴体部の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１基板焼成炉
１０炉体
１２吹き出し口
１３耐熱ＨＥＰＡフィルタ
１４排気口
２０循環経路
２０ａ加熱後熱風通過領域
２１ファン
２２ヒータ
３０排気管
３１触媒ユニット
３２，４２流量調整バルブ
３３入り側圧力計
３４出側圧力計
４０給気ダクト
４０ｂバイパス管
５０熱交換器
６０胴体部
６１伝熱管
６４給気出口ポート
６５給気入口窓
７０上部ヘッダ
７１排気出口ポート
７２リンスノズル
７４，８４マンホール
７５，８５蓋体
８０下部ヘッダ
８１排気入口ポート
８２液受け部
９０制御部
９１カウンター
Ｗガラス基板

Claims

基板の焼成処理を行う焼成炉から排出された熱排気と前記焼成炉に新たに供給する供給気体との熱交換を行う熱交換器であって、
前記熱排気と前記供給気体との熱交換が内部にて行われる筒状の胴体部と、
前記胴体部の内部を鉛直方向に沿って貫通して設けられ、前記熱排気が通過する複数の伝熱管と、
前記胴体部の上側に取設され、前記熱排気の入口または出口が形成された上部ヘッダと、
前記胴体部の下側に取設され、側壁面に前記熱排気の入口または出口が形成された下部ヘッダと、
前記下部ヘッダの底部に形成され、前記上部ヘッダから供給されて前記複数の伝熱管を通過して流下した洗浄液を受け止める液受け部と、
を備えることを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器において、
前記上部ヘッダの内部に、下方に向けて洗浄液を吐出する洗浄液吐出手段をさらに備えることを特徴とする熱交換器。
請求項１または請求項２記載の熱交換器において、
前記上部ヘッダおよび／または前記下部ヘッダの側壁面に、蓋体が着脱自在に取り付けられたマンホールを形成することを特徴とする熱交換器。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器において、
前記熱排気の出口側温度は７３℃以上１２３℃以下であることを特徴とする熱交換器。