JP2010036054A - サイクロン集塵装置及び単結晶引き上げシステム - Google Patents

Abstract

【課題】サイクロンの圧力損失を抑えながら、集塵効率を向上させ、分離径の小型化が可能なサイクロン集塵装置を提供する。
【解決手段】サイクロン本体３１の直筒状胴体部３３のガス導入口３６付近に、ガス排気管３７より径が大きく流入したガスの流路を規制するような内筒３８を配置する。ガス導入口３６から流入したガスは、この内筒３８と直筒状胴体部３３との間の流路３９を通過して、サイクロン本体３１内を旋回しながら徐々にダストチャンバ３２方向に流れる。サイクロン本体３１の下部では、逆流防止部材としてのテーパー部４４が設けられた排気誘導管４２の周囲を通過してダストチャンバ３２に流入する。ここで、粉塵が分離、捕集され、ガスのみが排気誘導管４２、サイクロン本体３１の中央部及びガス排気管３７を介して、排気管２０ｂから排気される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所望の粉塵を捕集するサイクロン集塵装置に関し、特に、単結晶引き上げ装置に供給された不活性ガスを吸引して排気する排気系のクリーニング装置に適用して好適なサイクロン集塵装置、及び、そのサイクロン集塵装置を適用した単結晶引き上げシステムに関する。

サイクロン集塵装置は、円筒形状の容器の内部へ粒子を含むガスを導入して周方向に沿って旋回させることにより、旋回運動する気流に含まれる粒子に遠心力を与え、その粒子を分離収集する装置である。サイクロン集塵装置は、重力集塵より小さい径の粒子を分離収集することができるため、さまざまな分野において広く使用されており、これに伴って種々の形態、構成の装置が提案されている。例えば、粒径が分布している粒子を含むガスから、粗粒子と微粒子等を選別して選択的に粒子を捕集したり、あるいは任意の粒径の粒子を選択的に捕集する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、筒形状のサイクロン本体の内部にガスの旋回方向へ回転する内筒を配設することにより、ガスの旋回によるサイクロンあるいは内筒の内面の磨耗損傷を生じ難くした構成の装置が開示されている（特許文献２参照）。
特開平０８−２６６９３８号公報 特開２００２−２１０３８９号公報

このようなサイクロン集塵装置においては、最小分離径を小さくし、小径の粒子や密度の小さい粒子をも適切かつ効率よく分離したいという要望がある。そのためには、サイクロンへのガスの入口あるいは出口の口径を小さくすることによりガス流の流速を上げること、あるいは、サイクロン自体を小型化すること等により、ガスに含まれる粒子に対してより強い遠心力を作用させる方法が考えられる。しかしながら、これらの対策はいずれもガス流の圧力損失を増大させることとなり、送風機やポンプの性能の影響を受けることになる。換言すれば、より強力なパワーの送風機やポンプが必要になる。
そのため、従来のサイクロン集塵装置において小粒径の粉塵を取るためには、フィルター等によりサイクロンで分離できない微粒子を捕集する必要があった。その結果、頻繁なフィルター交換や清掃作業が必要となり、集塵装置のメンテナンスの手間を増やすことになっていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、サイクロンの圧力損失を抑えながら、集塵効率を向上させ、分離径の小型化が可能なサイクロン集塵装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのようなサイクロン集塵装置により引き上げ装置の排気系に付着した粉塵を効率よく捕集、排出できるクリーニング装置を具備する単結晶引き上げシステムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係るサイクロン集塵装置は、断面が円形な容器である胴体の内部に粒子を含むガスを導入して旋回させることにより、遠心力により前記粒子を分離するサイクロン集塵装置であって、前記ガスを導入する導入口が形成された筒状部材である直筒状胴体部と、前記導入口から導入された前記ガスを前記直筒状胴体部の周面に沿った所定の範囲に誘導するように前記直筒状胴体部の内部に設置された前記直筒状胴体部より径の小さい筒状部材である内筒とを有することを特徴とする。

このような構成のサイクロン集塵装置によれば、導入口から導入されたガスは、直筒状胴体内部に内筒が設置されていることにより、直筒状胴体部の周面に沿った所定の範囲を流れることになる。これにより、直筒状胴体部でガス流の断面積が大きく拡大されることを防ぐことができ、ガス流の流速の低下を抑えることができる。その結果、ガス流に含まれる粒子により強い遠心力を与え、分離径の小径化及び集塵効率の向上が図れる。

好適には、前記内筒は、前記導入口から導入された前記ガスが、当該導入口とほぼ等しいかそれ以下の断面積の流路を形成して当該内筒と前記直筒状胴体部との間を流れるように、当該内筒の外周面と前記直筒状胴体部の内周面との間隔が所定の間隔となるような径の筒状部材である。
また好適には、本発明に係るサイクロン集塵装置は、前記直筒状胴体部の内部に設置され、前記胴体の内部のガスを排気する排気用筒体をさらに有し、前記内筒は、前記直筒状胴体部の径より小さく前記排気用筒体の径より大きい径の筒状部材である。

また好適には、本発明に係るサイクロン集塵装置は、前記直筒状胴体部と連設され、端部に向かって徐々に断面の口径が小さくなる逆円錐状胴体部と、前記逆円錐状胴体部の先端にさらに連接された容器である集塵室と、前記逆円錐状胴体部と前記集塵室との接続部を通過するように配置された筒状部材である排気誘導用筒体とをさらに有し、前記排気誘導用筒体の前記集塵室内の前記逆円錐状胴体部との接続部の近傍に、当該排気誘導用筒体の外周全域にわたって径方向に拡張した逆流防止部が形成されている。

このような構成のサイクロン集塵装置によれば、集塵室の胴体部（逆円錐状胴体部）との接続部近傍に逆流防止部が形成されているので、旋回するガスにより集塵室に至った径の小さい粒子、あるいは密度の小さい粒子が、上昇流（排出流）に取り込まれることを防ぐことができる。従って、この点でも分離径の小径化及び集塵効率の向上が図れる。
なお、この逆流防止部を具備する構成は、前述した内筒とともに適用した場合に限らず、単独で適用した場合においても、分離径の小径化及び集塵効率の向上に十分効果があるものである。

好適な一具体例としては、前記逆流防止部は、前記排気誘導用筒体の前記集塵室内の前記接続部の近傍に当該排気誘導用筒体の外周面から突出するように形成された円環状部材である。
また、好適な他の具体例としては、前記逆流防止部は、前記排気誘導用筒体の前記集塵室側の端部に徐々に口径が拡張するように形成された当該排気誘導用筒体のテーパー部である。
また好適には、前記排気誘導用筒体の前記逆円錐状胴体部側の端部にも、前記逆円錐状胴体部の周面に沿って徐々に口径が拡張したテーパー部が形成されているものである。

また、本発明に係る単結晶引き上げシステムは、吸気系を介して不活性ガスが供給される引き上げ装置と、前記引き上げ装置の不活性ガスを排気する排気系と、前記排気系に付着する粉塵を捕集するサイクロン集塵装置を有するクリーニング系とを有する単結晶引き上げシステムであって、前記クリーニング系のサイクロン集塵装置は、断面が円形な容器である胴体の内部に粒子を含むガスを導入して旋回させることにより、遠心力により前記粒子を分離するサイクロン集塵装置であって、前記ガスを導入する導入口が形成された筒状部材である直筒状胴体部と、前記導入口から導入された前記ガスを前記直筒状胴体部の周面に沿った所定の範囲に誘導するように前記直筒状胴体部の内部に設置された前記直筒状胴体部より径の小さい筒状部材である内筒とを有する。

本発明によれば、サイクロンの圧力損失を抑えながら、集塵効率を向上させ、分離径の小型化が可能なサイクロン集塵装置を提供することができる。
また、本発明によれば、そのようなサイクロン集塵装置により引き上げ装置の排気系に付着した粉塵を効率よく捕集、排出できるクリーニング装置を具備する単結晶引き上げシステムを提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態においては、引き上げ機によりシリコン単結晶棒を引き上げる単結晶引き上げシステムであって、本発明に係るサイクロン集塵装置をクリーニング装置として具備する単結晶引き上げシステムについて説明する。
通常、引き上げ機においてシリコン単結晶棒を引き上げる時には、引き上げ機内に不活性ガスを供給する一方でこれを吸引排気することにより、引き上げ機内を所定の負圧に維持する。この際、引き上げ機内の不活性ガスにＳｉＯやＳｉＯ２ 等の粉塵が混入するため、時間の経過とともに排気管の内面に粉塵が堆積して排気管の内径が変化したり真空ポンプにこれらの粉塵が付着する等して、引き上げ機内の負圧が変化する恐れがある。そのため、定期的に排気管内やポンプ中に堆積した粉塵を除去する必要があるが、一般的にＳｉＯＸ は不安定で燃焼や爆発の危険があるため、通常のドライポンプを使用するのは適切でない。そこで、サイクロン集塵装置を用いたクリーニング装置を具備し、これにより排気管やポンプ内の粉塵を除去するようにしている。以下、そのような単結晶引き上げシステム１について説明する。

図１は、その単結晶引き上げシステム１の構成を示す図である。
単結晶引き上げシステム１は、引き上げ機１１、排気管１２（１２ａ〜１２ｃ）、真空ポンプ１３及びクリーニング装置１７を有する。

引き上げ機１１はチャンバ１１ａと、チャンバ１１ａの上端に接続されたケーシング１１ｂとを有する。
チャンバ１１ａ内には、図示しないが、シリコン融液が貯留される石英るつぼや、この石英るつぼを包囲しシリコン融液を加熱するヒータ等が収容される。また、ケーシング１１ｂの上部にはシリコン単結晶棒を引き上げる引き上げ手段１１ｃが設けられる。
チャンバ１１ａの下面には排気管１２を介して真空ポンプ１３が接続され、ケーシング１１ｂには吸気管１４が接続される。
吸気管１４の一端はケーシング１１ｂの上面に接続され、吸気管１４の他端は不活性ガス（本実施形態においてはＡｒガス）が貯留されるタンク（図示せず）に接続される。

排気管１２は、一端がチャンバ１１ａの下面に接続され他端が合流する一対の第１分岐管１２ａ及び第２分岐管１２ｂと、一端が第１分岐管１２ａ及び第２分岐管１２ｂの合流部に接続され他端が真空ポンプ１３の入口に接続された集合管１２ｃとを有する。
集合管１２ｃには手動式の三方切り換え弁１６が設けられる。切り換え弁１６の第１ポート１６ａは、引き上げ機１１側の集合管１２ｃに接続され、第２ポート１６ｂは真空ポンプ１３側の集合管１２ｃに接続され、第３ポート１６ｃにはクリーニング装置１７のクリーニング用パイプ２０の一端が接続される。この第３ポート１６ｃがクリーニング用吸い出し口である。

真空ポンプ１３としては、水封式ポンプ及びメカニカルブースタを組み合わせたもの、油回転ポンプ、あるいはドライ真空ポンプ等が用いられる。

クリーニング装置１７は、クリーニング用吸い出し口１６ｃ（第３ポート）に一端が取り外し可能に接続されたクリーニング用パイプ２０（２０ａ及び２０ｂ）と、クリーニング用パイプ２０の他端に接続され引き上げ機１１内が大気に開放された状態で排気管１２内のＡｒガス又は大気を吸引するクリーニング用吸引ポンプ２１と、排気管１２と吸引ポンプ２１の間のクリーニング用パイプ２０（パイプ２０ａと２０ｂの間）に設けられたクリーニング用粉体分離器としてのサイクロン集塵装置３０とを備える。
不活性ガス排気系のクリーニング時には上記クリーニング用吸い出し口１６ｃにクリーニング用パイプ２０の一端が接続され、かつ第１ポート１６ａとクリーニング用吸い出し口１６ｃとが連通するように切り換えられ、クリーニング時以外にはクリーニング用吸い出し口１６ｃからクリーニング用パイプ２０が取り外され、かつ第１ポート１６ａと第２ポート１６ｂとが連通するように切り換えられる。

サイクロン集塵装置３０は、サイクロン本体３１及びサイクロン本体３１の下部に設けられたクリーニング用ダストチャンバ３２を有する。
サイクロン集塵装置３０の構成及び動作について、図２〜図４を参照して詳細に説明する。
図２（Ａ）は、サイクロン集塵装置３０の側面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂにおける断面図である。
図示のごとく、サイクロン集塵装置３０は、サイクロン本体（胴体）３１及びダストチャンバ（集塵室）３２を有し、サイクロン本体３１は、円筒形状の直筒状胴体部３３及び直筒部３３から下方に向かって徐々に口径が絞られた逆円錐形状の逆円錐状胴体部３４を有する。なお、サイクロン集塵装置３０は、直筒状胴体部３３が鉛直方向上方になり逆円錐状胴体部３４及びダストチャンバ３２が鉛直方向下方になるように設置される。

直筒状胴体部３３は、その直径とほぼ等しい高さ（ともにＤ（本実施形態においては３００ｍｍ））を有する円筒形状の部材であり、上面は天井面として閉塞されており、そのままの口径で逆円錐状胴体部３４に連接している。
直筒状胴体部３３の側周面の上方には、クリーニング用パイプ２０ａに接続されたガス導入口３６が設けられている。サイクロン集塵装置３０においては、粉塵の分離能力を高めるために、図２（Ｂ）に示すように、ガス導入口３６の直前でクリーニング用パイプ２０ａの内径（断面積）が絞られている。不活性ガス排気系のクリーニング時には、このガス導入口３６から粉塵を含むガスがサイクロン本体３１に導入される。

直筒状胴体部３３の天井面には、クリーニング用パイプ２０ｂに接続されたガス排気管（排気用筒体）３７が設けられている。ガス排気管３７には、クリーニング用パイプ２０ｂを介してクリーニング用吸引ポンプ２１（図１参照）の吸引力が作用しており、サイクロン本体３１の周面を旋回しながらダストチャンバ３２付近まで達したガスがサイクロン本体３１の中心部を通過する上昇気流となって、このガス排気管３７を介して排気される。なお、ガス排気管３７は、断面方向において直筒状胴体部３３と同心円状態となるように直筒状胴体部３３の中心に配置されている。また、その直径は、直筒状胴体部３３の直径（Ｄ）の略半分（＝Ｄ／２（本実施形態においては１５０ｍｍ））である。

さらに直筒状胴体部３３には、ガス排気管３７より直径が大きく直筒状胴体部３３より直径の小さい内筒３８が、断面方向においてガス排気管３７及び直筒状胴体部３３と同心円を形成するように、直筒状胴体部３３の天井面から下方に向かって配設されている。内筒３８は、ガス導入口３６からサイクロン本体３１内に導入されたガスを誘導する流路を規定するための筒体である。すなわち、内筒３８が直筒状胴体部３３内に図示のごとく配置されることにより、直筒状胴体部３３内では、ガス導入口３６から導入されたガス流路は内筒３８と直筒状胴体部３３との間の空間３９、すなわち直筒状胴体部３３の内周面に沿った所定の範囲の領域３９に限定される。従って、ガス導入口３６から導入されたガスは、この空間３９に誘導されて直筒部３３の内周面に沿って旋回しながら、逆円錐状胴体部３４及びダストチャンバ３２方向、すなわち下方に向かって流れる。

その結果、サイクロン本体３１内に導入された当初のガス流は、少なくとも断面方向の流路が直筒状胴体部３３及び内筒３８により規定されており、これが急激に拡大されることがない。すなわち、ガス流の流路断面が大幅に拡大することがない。その結果、サイクロン本体３１内に導入されたガス流は、その流速を低下させることなく渦状に旋回してダストチャンバ３２方向に流れる。内筒３８は、このような作用をもたらすための筒体である。
本実施形態において、内筒３８は、直筒状胴体部３３の直径（Ｄ）の２／３（＝２／３×Ｄ（本実施形態においては２００ｍｍ））とするが、内筒３８の直径（＝Ｄ／２＝１５０ｍｍ）より大きく直筒状胴体部３３の直径（＝Ｄ＝３００ｍｍ）より小さければ、ガス流の流速等に応じて適宜、所望の直径としてよい。

逆円錐状胴体部３４は、上方において直筒状胴体部３３に連接し、下方に向かうにつれて徐々に口径が絞られて最終的にダストチャンバ３２に連接する逆円錐形状の部材である。従って逆円錐状胴体部３４の最上部の口径は直筒状胴体部３３の口径と同じ（＝Ｄ（本実施形態においては３００ｍｍ））であり、最下部においてこの口径が最上部の約１／３（＝Ｄ／３（本実施形態においては１００ｍｍ））に絞られている。なお、逆円錐状胴体部３４の高さ（長さ）は、直筒状胴体部３３の高さの約２倍（＝２Ｄ（本実施形態においては６００ｍｍ））である。

逆円錐状胴体部３４とダストチャンバ３２とは、逆円錐状胴体部３４の最下部の口径（＝Ｄ／３（本実施形態においては１００ｍｍ））で延伸した管状部材（筒状分材）である接続部４１により連接されている。
この接続部４１には、接続部４１内を通過し、逆円錐状胴体部３４の内部及びダストチャンバ３２の内部に各々両端開口部が配置されるように排気誘導管４２（排気誘導用筒体）４２が配設されている。排気誘導管４２は、接続部４２の内側に相当する領域に配置される口径が均一な直筒部４３、直筒部４３のダストチャンバ３２側の端部にダストチャンバ３２の内面に沿って口径が広がるように形成された第１のテーパー部４４、及び、直筒部４３の逆円錐状胴体部３４側の端部に逆円錐状胴体部３４の逆円錐状周面に沿って徐々に口径が広がるように形成されたに第２のテーパー部４５を有する。なお、直筒部４３は、接続部４１より若干口径の小さい（本実施携帯においては８０ｍｍ）の筒体である。

排気誘導管４２は、図示のごとく、直筒部４３、第１のテーパー部４４及び第２のテーパー部４５の各々が接続部４１、ダストチャンバ３２及び逆円錐状胴体部３４の内周面から所定の間隔を離して、すなわち、その周囲に所定の間隙が形成されるような形態でサイクロン集塵装置３０中に配設される。

サイクロン本体３１の下部がこのような構成のサイクロン集塵装置３０においては、逆円錐状胴体部３４の周面に沿って徐々に旋回径を狭めながら下部に達したガス流の大部分は、排気誘導管４２の周囲の隙間、すなわち、排気誘導管４２とダストチャンバ３２、接続部４１及び排気管１２との間隙を通過してダストチャンバ３２に誘導された後、排気誘導管４２及びサイクロン本体３１の中央部を通過して、ガス排気管３７から排気される。この際、排気誘導管４２のダストチャンバ３２側の端部に第１のテーパー部４４が形成されているため、これが粒子の逆流防止部材として作用し、ダストチャンバ３２に運ばれた微粒子が上昇気流に取り込まれて排気されるのを防ぐことができる。

ダストチャンバ３２は、前述したようにサイクロン本体３１の周面を旋回しながら流入したガス流に含まれる粒子がガス流から脱落することにより捕集され堆積される集塵室である。ダストチャンバ３２は、直筒状胴体部３３の直径とほぼ同じ直径（＝Ｄ（本実施形態においては３００ｍｍ））の球状の容器である。

このような構成のサイクロン集塵装置３０におけるガス流の流れについて、図３及び図４を参照して説明する。
サイクロン集塵装置３０においてクリーニング用パイプ２０ａを介して吸引される微粒子を含むガス流は、図３に示すように、ガス導入口３６からサイクロン本体３１に導入される。前述したように、サイクロン本体３１の上部には内筒３８が設けられており、サイクロン本体３１に流入したガスの流路は内筒３８と直筒状胴体部３３の周面との間の流路３９に限られる。ガス導入口３６から流入したガス流は、直筒状胴体部３３の周面に沿って内筒３８との間の領域３９を旋回しながら、徐々に逆円錐状胴体部３４方向に流れる。

このように、サイクロン集塵装置３０においては、導入したガス流の流路が規定されているため、サイクロン本体３１に流入した直後にその流路の断面積が大きく拡張することがなく、そのような場合に生じるガス流の速度の低下を抑えることができる。
直筒状胴体部３３に導入されたガス流は、逆円錐状胴体部３４の周面を旋回しながら下方に流れてくるが、逆円錐状胴体部３４の口径は下になるほど徐々に絞られているので、旋回径は徐々に小さくなり、ガス流に含まれる粒子には次第に強い遠心力が作用することになる。

そして、逆円錐状胴体部３４の下方において、第２のテーパー部４５と逆円錐状胴体部３４の周面との間に誘導され、そのまま排気誘導管４２と逆円錐状胴体部３４、接続部４１及びダストチャンバ３２の各間を通過してダストチャンバ３２に流入する。ダストチャンバ３２においては、ガス流の流速が低下し、粉塵がガス流から離脱する。その結果、ガスの含まれていた粉塵は、ダストチャンバ３２内に堆積される。

微粒子が離脱された残りのガスは、クリーニング用吸引ポンプ２１からガス排気管３７に作用する吸引力により、図４に示すように、排気誘導管４２及びサイクロン本体３１の中央部を上昇し、ガス排気管３７からクリーニング用パイプ２０ｂに排出される。この時、排気誘導管４２のダストチャンバ３２側には第１のテーパー部４４が設けられているので、ダストチャンバ３２に流入したガスに含まれる粒子がそのままの上昇気流に取り込まれてサイクロン本体３１から排出されるのを防ぐことができる。

図１に戻り、単結晶引き上げシステム１のクリーニング用吸引ポンプ２１は、クリーニング用パイプ２０、サイクロン集塵装置３０及び排気管１２に吸引力を作用させるためのポンプであり、誘導モータ２２により駆動される。誘導モータ２２はインバータ装置２３で周波数制御することにより回転速度が制御され、これにより吸引ポンプ２１の吸引流量（排気管１２等のＡｒガス又は大気の流速）が調整可能に構成される。

また、クリーニング装置１７には、サイクロン集塵装置３０を通過してクリーニング用パイプ２０ｂに流入した粉塵を捕集するスクラバ２７が設けられている。スクラバ２７は、吸引ポンプ２１の吐出口に排出管２５を介して接続され、排出管２５に接続された漏斗２７ａと、この漏斗２７ａが挿入されたスクラバ用タンク２７ｂと、このタンク２７ｂの上部内周縁に取付けられた複数のシャワーノズル２７ｃとを有する。漏斗２７ａは吸引ポンプ２１から排出されたＡｒガス又は大気の流速を低下させるために下方に向かって次第に広がるように形成され、シャワーノズル２７ｃからは液体（本実施形態においては水）が噴霧される。この噴霧された液体に漏斗２７ａから排出されたＡｒガス又は大気に含まれる粉塵を付着させて捕集するように構成される。

なお、図１の符号１８ａ及び１８ｂは、吸気管１４及び集合管１２ｃを流れるＡｒガスの流量をそれぞれ調整することによりチャンバ１１ａ内の圧力を制御する電動式のコントロール弁である。また、符号１８ｃ及び１８ｄは、集合管１２ｃを開閉するエア作動式のアングル弁である。さらに符号１８ｅは、集合管１２ｃの途中から分岐する第３分岐管１２ｄの上端に設けられたフラッパバルブであり、このバルブ１８ｅは排気管１２内に堆積した粉塵が燃焼して排気管１２内の圧力が急激に上昇した時に排気管１２内を大気に開放するために設けられる。

このような構成の単結晶引き上げシステム１において、クリーニング装置による引き上げ機の排気系のクリーニングを行う際の全体の動作について説明する。
単結晶引き上げ機１１を所定時間稼働、例えば、１０回シリコン単結晶棒を引き上げて数百時間経過した後に、真空ポンプ１３を停止し、この状態で引き上げ機１１を分解して引き上げ機１１内を大気に開放する。このとき大気が排気管１２内に流入するが、排気管１２内に堆積した粉塵に大気中の少量の酸素しか接触しないため、堆積した粉塵のうち表面の粉塵のみが燃焼し、排気管１２内は僅かしか温度上昇しない。
次に、三方切り換え弁１６のクリーニング用吸い出し口１６ｃ（第３ポート）にクリーニング装置１７のクリーニング用パイプ２０ａの一端を接続した後に、第１ポート１６ａとクリーニング用吸い出し口１６ｃとが連通するように三方切り換え弁１６を切り換え、クリーニング用吸引ポンプ２１を駆動する。

このとき誘導モータ２２をインバータ装置２３により低速回転させて排気管１２内のＡｒガス又は大気の流速を低く抑える。これにより排気管１２内に堆積した粉塵が徐々に燃焼する。ただし、排気管１２内等に堆積した粉塵は剥離しない。所定時間経過後、誘導モータ２２をインバータ装置２３により中速回転させて排気管１２内の大気の流速を大きくする。これにより排気管１２内に堆積した粉塵がさらに燃焼する。ただし、排気管１２内等に堆積した粉塵は剥離しない。この状態で所定時間が経過すると、排気管１２内等に堆積した粉塵は全て燃焼して安定なＳｉＯ２ になるので、誘導モータ２２をインバータ装置２３により高速回転させて排気管１２内の大気の流速をさらに大きくする。これにより排気管１２内等に堆積した粉塵が剥離して吸引され、この吸引された大気をサイクロン集塵装置３０に通すことにより粉塵が大気から分離されてサイクロン集塵装置３０のダストチャンバ３２に堆積する。単結晶引き上げシステム１においては、このようにして、排気管１２等内の急激な温度及び圧力の上昇を伴わずに、排気管１２内に堆積した粉塵の殆ど全てを除去できる。

一方、サイクロン集塵装置３０で分離・捕集しきれずにサイクロン集塵装置３０を通過して排出管２５下端の漏斗２７ａから排出された僅かな粉塵は、スクラバ用タンク２７ｂ内でシャワーノズル２７ｃから噴霧される液体（本実施携帯においては水）に付着して捕集される。
また、引き上げ機１１の不活性ガス排気系のクリーニングが終了したら、クリーニング用吸い出し口１６ｃからクリーニング用パイプ２０を外し、第１ポート１６ａと第２ポート１６ｂが連通するように三方切り換え弁１６を切り換える。これにより、単結晶引き上げシステム１において再度単結晶引き上げ処理を行うことができる。

このように、本実施形態の単結晶引き上げシステム１においては、サイクロン集塵装置３０において、直筒状胴体部３３に内筒３８を設けサイクロン本体３１内に導入されたガス流の流速の低下を抑えている。従って、粒子により強い遠心力を与えることができる。その結果、サイクロンにおける圧力損失を抑え、クリーニング用吸引ポンプ２１の性能等を変更せずに最小分離径を小さくし、また集塵効率を向上させることができる。

また、サイクロン集塵装置３０において、サイクロン本体３１とダストチャンバ３２との間に排気誘導管４２を設け、その両端をテーパー状（第１のテーパー部４４及び第２のテーパー部４５）に形成している。従って、特に第１のテーパー部４４については、一旦ダストチャンバ３２に誘導された集塵が上昇気流に取り込まれて逆流することを防ぐことができる。
また、第２のテーパー部４５を設けることで、逆円錐状胴体部３４の下部において粉塵がダストチャンバ３２に流入せずにそのまま上昇気流に取り込まれて排出するのを防ぐことができる。従ってこの点においても、集塵効率を向上させることができる。

またこのような単結晶引き上げシステム１においては、三方切り換え弁の切り換えによって、クリーニング状態と引き上げ状態とを容易に切り換えることができる。従って、クリーニング作業を極めて容易に短時間で行うことができる。

次に、このようなサイクロン集塵装置３０における粉塵（粒子）の挙動（動き）について、そのシミュレーション結果を参照して説明する。なおここでは、サイクロン集塵装置３０における本発明に係る種々の態様ごとに粒子及びガス流の動きのシミュレーション結果を示し、各態様の作用、効果について説明する。

図５（Ａ）は、従来より使用されている通常のサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す図であり、図５（Ｂ）は、本発明に係るサイクロン集塵装置、すなわちサイクロン本体３１のガス導入口付近に内筒３８を設けたサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す図である。なお、いずれの場合もサイクロン集塵装置に導入されるガスは、粒径２０μｍの粒子を１０００ｋｇ／ｍ^３ の密度で含むものとしている。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を比較して明らかなように、サイクロン本体３１のガス導入口付近に内筒３８を設けることにより、ガス流は導入時の流速を落とすことなくまとまってサイクロン本体３１内を旋回してダストチャンバ３２に達していることがわかる。

図６（Ａ）は、内筒３８を設けたサイクロン集塵装置において、より粒径の小さい粒子（ここでは１０μｍ）を含むガス流（密度は図５（Ｂ）に示した場合と同様に１０００ｋｇ／ｍ^３ ）の動きのシミュレーション結果を示す図である。図６（Ａ）に示すように、粒径が小さくなった場合には、サイクロン本体３１の下部においてその粒子の動きが乱れ、多くの粒子がガスとともに排出されていることがわかる。この部分の粒子の挙動をより詳細に観察すると、図６（Ｂ）に示すように（特に領域Ｃに見られるように）、ダストチャンバ３２に入る前に中心方向に向かった粒子が上昇気流に取り込まれてそのまま上昇し排出されていることがわかる。

図６（Ｃ）は、サイクロン本体３１とダストチャンバ３２との接続部に、前述した実施形態の排気誘導管４２（図２参照）に相当する管状部材（排気誘導管）４６を配設した場合の粒子の動きのシミュレーション結果を示す図である。ただし、ここで示す管状部材４６は、前述した排気誘導管４２のように上下にテーパー部を有するものではなく、均一な口径の筒状（管状）部材である。このような管状部材４６を設けることにより、ダストチャンバ３２に入る前に中心方向に向かって上昇気流に取り込まれていた粒子の一部は、管状部材４６の存在によって中心方向に向かうことが阻止され、そのまま管状部材４６とサイクロン本体３１の間を誘導されてダストチャンバ３２に流入する。その結果、図６（Ｃ）に示すように、ダストチャンバ３２に入る前に中心方向に移動して上昇気流に取り込まれる粒子を少なくすることができ、より効率よくガス流に含まれる粒子の捕集が可能となる。

しかしまた一方で、この時のガス流（粒子）の挙動を詳細に観察すると、一部の粒子は、図７（Ａ）に示すように管状部材４６の出口（ダストチャンバ３２側の端部）を巻き込むように移動して直ちに速度の速い上昇気流に取り込まれて排出されている。すなわち、ダストチャンバ３２に流入しても、一部の粒子は上昇気流に取り込まれて逆流することになっている。

図７（Ｂ）は、ダストチャンバ３２側の出口に逆流防止部材としての円環状部材４８を設けた排気誘導管（管状部材）４７をサイクロン本体３１とダストチャンバ３２との接続部に配設した場合の粒子の動きのシミュレーション結果を示す図である。なお、この場合、排気誘導管４７の口径（円環状部材４８の内部開口部の直径）は８０ｍｍであり、円環状部材４８の外周直径は１６０ｍｍとする。
図７（Ｂ）より明らかなように、このような逆流防止部材を設けることにより、ダストチャンバ３２に流入した粒子は排気誘導管４７の出口付近の流速の早い上昇気流から離れた位置まで誘導され、また粒子を搬送したガス流の速度も減速される。従って、ダストチャンバ３２に流入した粒子が直ちに上昇気流に巻き込まれて逆流して排出されるのを防ぐことができる。

図８は、サイクロン本体３１側の端部にもサイクロン本体３１の傾斜周面に沿ったテーパー部５０を形成し、またダストチャンバ３２側の出口にはテーパー状の逆流防止部（テーパー部）５１を形成した排気誘導管４９を、サイクロン本体３１とダストチャンバ３２との接続部に配設した場合の粒子の動きのシミュレーション結果を示す図である。
排気誘導管４９のサイクロン本体３１側にこのようなテーパー部５０を設けることにより、ダストチャンバ３２に入るガス流の流量を減らすことができ、その結果、ダストチャンバ３２から排気誘導管４９を通過してサイクロン本体３１の中心に流れる上昇気流を弱くすることができる。その結果、これに取り込まれる粒子を少なくすることができ、粒子（粉塵）を効率よく捕集することができる。

また、排気誘導管４９のダストチャンバ３２側の逆流防止部を、前述した実施形態に示したこのようなテーパー部５１として形成しても、図６（Ｂ）に示した円環状部材４８と同様の効果があることがわかる。すなわち、ダストチャンバ３２に流入した粒子を排気誘導管４９の直筒部の端部付近の流速の早い上昇気流から離れた位置まで誘導し、また粒子を搬送したガス流の速度も減速し、ダストチャンバ３２に流入した粒子が上昇気流に巻き込まれて逆流して排出されるのを防ぐことができる。

このように、本発明に係る各構成部は、いずれも粉塵の効率的な捕集に効果があることがわかる。

なお、本発明は前述した実施形態に限られるものではなく、種々の改変が可能である。
例えば、前述した実施形態のサイクロン集塵装置３０は、内筒３８及び排気誘導管４２を同時に有する構成であり、また排気誘導管４２は、第１のテーパー部４４及び第２のテーパー部４５を同時に有する構成であった。しかしながら、本発明に係るこれらの各構成部は、図５〜図８を参照しながらシミュレーション結果を示して前述したように、各々が、ガス中の粉塵を効率よく捕集するための特定の作用、効果を有するものであり、これらの構成を全て同時に具備しなくとも、各構成を適宜選択的に具備した場合でも十分に効果があるものである。従って、そのような構成のサイクロン集塵装置も本発明の範囲内である。

具体的には、例えば排気誘導管４２がなく内筒３８のみを有する構成、あるいは内筒３８がなく排気誘導管４２のみを有するような構成であってもよい。また、排気誘導管４２に相当する部材は、両端にテーパー部を具備しない直筒形状の部材、いずれか一方にのみテーパー部を有する部材であってもよい。
もちろん、これらの本発明に係る構成の複数あるいは全部を組み合わせて具備することにより、各構成部の作用効果に加えて、それら複数の構成部が相乗的に作用して、ガス流からの粉塵の捕集についてより一層効果があることは言うまでもない。

また、内筒３８、排気誘導管４２等の形態、あるいはサイクロン集塵装置３０のその他の各部の形態は、任意に変更してよい。例えば、サイクロン本体３１とダストチャンバ３２との接続部に配設される排気誘導管は、図６に示した排気誘導管４７のように、ダストチャンバ３２側の逆流防止部材として円環状部材４８を具備するような構成でもよい。
また、クリーニング装置１７、すなわちクリーニング用パイプ２０（２０ａ及び２０ｂ）、サイクロン集塵装置３０、クリーニング用吸引ポンプ２１（誘導モータ２２及びインバータ装置２３を含む。）及びスクラバ２７を車輪を有する架台（図示せず）に搭載して搬送可能に構成するようにしてもよい。そのように構成すれば、複数の引上げ機１１に対して１台のクリーニング装置１７を使用することができる。

また、本発明に係るサイクロン集塵装置は、前述した単結晶引き上げシステム１のクリーニング装置１７に具備される形態にのみ適用可能なものではなく、粒子あるいは微粒子の捕集をする任意の用途に適用可能である。
また、単結晶引き上げシステム等に適用する場合においても、図１に示した本実施形態の構成に限られず、種々の構成での適用が可能である。例えば、引き上げ機１１と真空ポンプ１３との間の排気管１２に、別途サイクロン集塵装置を設けるような構成でもよい。このような構成によれば、引き上げ機１１の稼働時に排気管１２を通る不活性ガスから、新たなサイクロン集塵装置により多くの粉塵を分離して捕集することができる。

発明の一実施形態の単結晶引き上げシステムの構成を示す図である。 図１に示した単結晶引き上げシステムに具備される本発明に係るサイクロン集塵装置の構成を示す図である。 図２に示したサイクロン集塵装置におけるガスの流れを示す第１の図である。 図２に示したサイクロン集塵装置におけるガスの流れを示す第２の図である。 発明の実施形態に係るサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す第１の図である。 発明の実施形態に係るサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す第２の図である。 発明の実施形態に係るサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す第３の図である。 発明の実施形態に係るサイクロン集塵装置におけるガス流中の粒子の動きのシミュレーション結果を示す第４の図である。

符号の説明

１…単結晶引き上げシステム
１１…単結晶引き上げ機
１２…排気管
１３…真空ポンプ
１６…三方切り換え弁
１７…クリーニング装置
２０…クリーニング用パイプ
３０…サイクロン集塵装置
３１…サイクロン本体
３３…直筒状胴体部
３６…ガス導入口
３７…ガス排気管
３８…内筒
３９…流路空間（間隙）
３４…逆円錐状胴体部
３２…ダストチャンバ
４１…接続部
４２，４６，４７，４９…排気誘導管
４３…直筒部
４４…第１のテーパー部
４５…第２のテーパー部
４８…円環状部材
５０，５１…テーパー部
２１…クリーニング用吸引ポンプ
２２…誘導モータ
２３…インバータ装置
２４…排出管
２７…スクラバ

Claims (9)

1. 断面が円形な容器である胴体の内部に粒子を含むガスを導入して旋回させることにより、遠心力により前記粒子を分離するサイクロン集塵装置であって、
   前記ガスを導入する導入口が形成された筒状部材である直筒状胴体部と、
   前記導入口から導入された前記ガスを前記直筒状胴体部の周面に沿った所定の範囲に誘導するように前記直筒状胴体部の内部に設置された前記直筒状胴体部より径の小さい筒状部材である内筒と
   を有することを特徴とするサイクロン集塵装置。
2. 前記内筒は、前記導入口から導入された前記ガスが、当該導入口とほぼ等しいかそれ以下の断面積の流路を形成して当該内筒と前記直筒状胴体部との間を流れるように、当該内筒の外周面と前記直筒状胴体部の内周面との間隔が所定の間隔となるような径の筒状部材であることを特徴とする請求項１に記載のサイクロン集塵装置。
3. 前記直筒状胴体部の内部に設置され、前記胴体の内部のガスを排気する排気用筒体をさらに有し、
   前記内筒は、前記直筒状胴体部の径より小さく前記排気用筒体の径より大きい径の筒状部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のサイクロン集塵装置。
4. 前記直筒状胴体部と連設され、端部に向かって徐々に断面の口径が小さくなる逆円錐状胴体部と、
   前記逆円錐状胴体部の先端にさらに連接された容器である集塵室と、
   前記逆円錐状胴体部と前記集塵室との接続部を通過するように配置された筒状部材である排気誘導用筒体と
   をさらに有し、
   前記排気誘導用筒体の前記集塵室内の前記逆円錐状胴体部との接続部の近傍に、当該排気誘導用筒体の外周全域にわたって径方向に拡張した逆流防止部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のサイクロン集塵装置。
5. 前記逆流防止部は、前記排気誘導用筒体の前記集塵室内の前記接続部の近傍に当該排気誘導用筒体の外周面から突出するように形成された円環状部材であることを特徴とする請求項４に記載のサイクロン集塵装置。
6. 前記逆流防止部は、前記排気誘導用筒体の前記集塵室側の端部に徐々に口径が拡張するように形成された当該排気誘導用筒体のテーパー部であることを特徴とする請求項４に記載のサイクロン集塵装置。
7. 前記排気誘導用筒体の前記逆円錐状胴体部側の端部に、前記逆円錐状胴体部の周面に沿って徐々に口径が拡張したテーパー部が形成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のサイクロン集塵装置。
8. 断面が円形な容器である胴体の内部に粒子を含むガスを導入して旋回させることにより、遠心力により前記粒子を分離するサイクロン集塵装置であって、
   前記ガスを導入する導入口が形成された筒状部材である直筒状胴体部と、
   前記直筒状胴体部と連設され、端部に向かって徐々に断面の口径が小さくなる逆円錐状胴体部と、
   前記逆円錐状胴体部の先端に連接される容器である集塵室と、
   前記逆円錐状胴体部と前記集塵室との接続部を通過するように配置された筒状部材である排気誘導用筒体と
   を有し、
   前記排気誘導用筒体の前記集塵室内の部分であって前記逆円錐状胴体部との接続部の近傍に、当該排気誘導用筒体の外周全域にわたって径方向に拡張した逆流防止部が形成されていることを特徴とするサイクロン集塵装置。
9. 吸気系を介して不活性ガスが供給される引き上げ装置と、前記引き上げ装置の不活性ガスを排気する排気系と、前記排気系に付着する粉塵を捕集するサイクロン集塵装置を有するクリーニング系とを有する単結晶引き上げシステムであって、
   前記クリーニング系のサイクロン集塵装置は、断面が円形な容器である胴体の内部に粒子を含むガスを導入して旋回させることにより、遠心力により前記粒子を分離するサイクロン集塵装置であって、
   前記ガスを導入する導入口が形成された筒状部材である直筒状胴体部と、
   前記導入口から導入された前記ガスを前記直筒状胴体部の周面に沿った所定の範囲に誘導するように前記直筒状胴体部の内部に設置された前記直筒状胴体部より径の小さい筒状部材である内筒と
   を有することを特徴とする単結晶引き上げシステム。

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