JP2011075145A - 流体加熱装置およびこれを用いた循環式加熱処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率を高めて流体の加熱をより効率的に行う新規な構造の流体加熱装置、および、これを用いた循環式加熱処理システムを提供する。
【解決手段】筒状管２ｅは、筒状管２ｃの外側に同心円状に配置されており、の筒状管２ｆは、筒状管２ｅの外側に同心円状に配置されている。筒状管２ｃの内部空間には、仕切り板が設けられており、この仕切り板で内部空間を螺旋状に区切ることで、内周流路Ａが形成される。筒状管２ｅ，２ｆの間の内部空間にも、仕切り板が設けられており、この仕切り板で内部空間を螺旋状に区切ることによって、外周流路Ｃが形成される。筒状管２ｄ，２ｅの間の内部空間には、熱源としてのヒータ２ｇが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、流路内を流れる流体を加熱する流体加熱装置、および、これを用いた循環式加熱処理システムに関する。

従来より、加熱した流体を循環させながら炉内に送り込んで、高温雰囲気下で半導体デバイスや電子部品等を製造する加熱処理システムが知られており、そのための加熱装置も提案されている。例えば、特許文献１には、枚葉式ベルジャー炉を用いたエピタキシャル薄膜気相成長装置内へ導入する反応ガスを所定の温度に加熱制御するガス加熱装置が開示されている。この加熱装置は、螺旋状に巻回されたスパイラル管を有し、このスパイラル管は外周に配置された筒状の熱源によって加熱される。スパイラル管は、その外周側のみが熱源と接触しており、内周側は大気中に露出している。熱源は、その内周のみがスパイラル管と接触し、それ以外の部位は大気中に露出している。また、特許文献２には、熱源が収納された筒体の外周に螺旋状の流路を巻回した流体加熱装置が開示されている。この加熱装置において、螺旋状の流路は、その内周側における筒体との接触点を介して熱源からの熱が伝達され、これによって流路内の流体が加熱される。この構成でも、流路の内周側の接触点を除く大半の部分は露出している。

特開昭６３−３１６４２５号公報 特開２００９−４１８８５号公報

上述した特許文献１の構造では、熱源との接触点がスパイラル管の一部（外周）に留まり、それ以外の部分は熱源と接触することなく大気中に露出してしまっているため、効率的な熱交換を行うことが困難である。また、熱源自体も大気中に露出してしまっているので、熱源が発する熱の多くが大気中に放出されてしまう。したがって、このような構成における熱交換効率の向上には限界がある。この点は、特許文献２についても同様である。

そこで、本発明の目的は、熱交換効率を高めて流体の加熱をより効率的に行う新規な構造の流体加熱装置、および、これを用いた循環式加熱処理システムを提供することである。

かかる課題を解決すべく、第１の発明は、同心円状に配置された第１から第３の筒状管を主体に構成され、これらによって形成された流路内を流れる流体を加熱する流体加熱装置を提供する。第２の筒状管は、第１の筒状管の外側に同心円状に配置されており、第３の筒状管は、第２の筒状管の外側に同心円状に配置されている。第１の筒状管の内部空間には、第１の仕切り板が設けられている。第１の仕切り板は、この内部空間を螺旋状に区切ることによって、螺旋状の第１の流路を形成する。第２の筒状管と第３の筒状管との間の内部空間には、第２の仕切り板が設けられている。第２の仕切り板は、この内部空間を螺旋状に区切ることによって、螺旋状の第２の流路を形成する。また、第１の筒状管と第２の筒状管との間の内部空間には、熱源が設けられている。

ここで、第１の発明において、第２の筒状管と第３の筒状管との間の内部空間には、第１の筒状管を介して第１の流路と隔てられ、かつ、第２の筒状管を介して第２の流路と隔てられた第３の流路が形成されていることが好ましい。この場合、第３の流路は、第２の筒状管と第３の筒状管との間の内部空間を、これらの筒状管の軸方向に沿って直線状に延在していることが望ましい。

また、第１の発明において、第１の筒状管の内周面と外周面との間を貫通する複数の第１の貫通孔と、第２の筒状管の内周面と外周面との間を貫通する複数の第２の貫通孔とをさらに設けてもよい。

さらに、第１の発明において、第３の筒状管の外側に同心円状に配置され、第３の筒状管との間の内部空間に冷却された流体を充填可能な第４の筒状管をさらに設けてもよい。

一方、第２の発明は、上述した第１の発明に係る流体加熱装置に、さらに流体加熱装置の流路の下流側に設けられ、流体加熱装置で加熱された流体を送出する循環器と、循環器と流体加熱装置の流路の上流側とを接続する配管と、配管の間に設けられ、流体加熱装置によって加熱された流体によって加熱処理される加熱対象物を収納する釜装置とを有する循環式加熱処理システムを提供する。

第１の発明によれば、内側の螺旋状の第１の流路と、外側の螺旋状の第２の流路との間に熱源を配置することにより、熱源の内周および外周を含む周囲全体で熱交換が行われる。また、第１および第２の流路は、従来技術のようなスパイラル管ではなく、内外の筒状管に仕切り板を配置することによって形成されるため、大気中に露出する流路部分を低減できる。その結果、熱源からの熱を最大限に活用しながら、より大きな面積で熱交換を行うことができ、流体の加熱を効率的に行うことが可能になる。また、第２の発明によれば、釜装置に収納された加熱対象物を効率的に加熱することができる。

流体加熱装置を用いた循環式加熱処理システムの構成図 流体加熱装置の正面断面図 内周流路に着目した流体加熱装置の側面断面図 外周流路に着目した流体加熱装置の側面断面図 流体加熱装置内における流体の流れの説明図 冷却機能付の流体加熱装置の正面断面図

図１は、本実施形態に係る流体加熱装置を用いた循環式の加熱処理システムの構成図である。この加熱処理システム１は、流体加熱装置２と、循環器３と、加熱処理を施す対象物を炉内に収納する釜装置４とを主体に構成されており、これらは配管５，６を介して閉じた循環経路を形成している。加熱対象物としては、加熱された流体による高温雰囲気下で所望の処理を施す任意のものでよいが、その一例として、電界放出型ランプ（ＦＥＬ）が挙げられる。ＦＥＬは、冷陰極電源から電子を放出して、蛍光体に当てることで発光するランプである。このランプは、水銀を使用しないため環境性に優れている他、低消費電力、長寿命といった長所があるため、自動車用、農業用、手術灯用、大型液晶テレビ用、店頭照明用といった様々な用途での応用が期待されている。また、流体としては、液体および気体のどのようなものを用いてもよいが、ＦＥＬの製造では窒素ガスが用いられ、これを約４５０℃に加熱する。加熱処理システム１の全系統の断熱性を確保すべく、流体加熱装置２、循環器３、釜装置４および厚さ３ｍｍ以上のステンレス製配管５，６の外周には、保温用の断熱材が巻かれている。

略円筒状の流体加熱装置２の一端は、配管６の端部、すなわち徐々に拡径した略テーパー状の風洞部６ａに接続されており、その他端は、循環器３と連通した略円筒状の風洞部７に接続されている。流体加熱装置２は、その内部に形成された流路を窒素ガスが流れる過程において、内蔵された熱源との間で熱交換が行われる。これによって、上流側の風洞部６ａより送り込まれた窒素ガスが加熱され、下流側の風洞部７に送り出される。また、流体加熱装置２は、熱源となるヒータに接続されたケーブルを外部に取り出すための取出口２ａと、内部温度を検出する温度センサ２ｂとを有する。

循環器３としては、例えばシロッコファンを用いることができ、インバータ制御される駆動モータ３ａによって回転制御される。シロッコファンの回転によって、風洞７内の窒素ガスが配管５に送り出される。なお、駆動モータ３ａからシロッコファンへの動力伝達は、両者を直結して行ってもよいが、ベルトやチェーンを介して行ってもよい。

箱形の釜装置４は、配管５，６に接続されている。釜装置４の炉内は、配管５より送り込まれた高温の窒素ガスによって高温雰囲気に設定され、炉内の窒素ガスが配管６に送り出される。釜装置４は、加熱対象物を出し入れするための扉４ａを有するとともに、真空口４ｂおよび充填口４ｃが設けられている。加熱処理システム１の全系統に窒素ガスを充填する場合には、真空口４ｂに接続した真空ポンプ（図示せず）で系統全体を真空引きした上で、充填口４ｃより窒素ガスを注入・充填する。

以上のような構成によって、流体加熱装置２によって加熱された窒素ガスが釜装置４に供給され、釜装置４より排出された窒素ガスが流体加熱装置２によって再び加熱されるといった循環経路が形成される。

つぎに、加熱処理システム１の動作について概略的に説明する。釜装置４内に加熱対象物、例えば、ナノサイズのダイヤモンド粒子薄膜を表面形成するためのベース部材をセットし、真空引きの後、循環経路の全系統に窒素ガスを充填する。そして、駆動モータ３ａを駆動させて循環器３の運転を開始するとともに、流体加熱装置２の熱源を通電して発熱させる。循環経路内の窒素ガスは、例えば１ｍ／秒程度の流速で循環させる。循環経路長が例えば４ｍの場合、窒素ガスが１周するのに要する時間は４秒程度となる。その後、所定時間（例えば３０分）が経過すると、窒素ガスが目標温度（例えば約４５０℃）に達する。流体加熱装置２の熱源の容量次第で、目標温度に到達するまでの時間を早めることができる他、目標温度よりも高い温度（例えば６００〜９００℃）まで昇温させることも可能である。温度センサ２ｂによって目標温度に到達したことが検出された場合、流体加熱装置２の熱源への通電を停止する。目標温度に至る過程では、熱源の通電を徐々に減じて、加熱力を徐々に弱めていってもよい。目標温度に到達した後は、熱源の通電制御によって、循環経路中の窒素ガスの温度を保ちながら、一定の高温雰囲気に維持された釜装置４内で、ダイヤモンド粒子薄膜の製造が行われる。そして、この薄膜の製造に要する所定時間が経過すると、加工対象物を取り出すために、釜装置４を自然冷却する。

つぎに、本実施形態に係る流体加熱装置２の構成について詳述する。図２は、流体加熱装置２の正面断面図である。この流体加熱装置２は、中心軸ｏに対して同心円状に配置された複数の筒状管２ｃ〜２ｆと、熱源となるヒータ２ｇ，２ｉとを主体に構成されている。円筒状の筒状管２ｃ〜２ｆのそれぞれは、図示した紙面の表裏側、すなわち、中心軸ｏの軸方向に延在している。最も外側に位置する筒状管２ｆは、流体加熱装置２の胴体に相当し、これよりも内側の筒状管２ｃ〜２ｆよりも長くなっている。そして、この筒状管２ｆの両端には、風洞部６ａ，７に接続するためのフランジが形成されている。

内側から外側に向かう順に配置された４つの筒状管２ｃ〜２ｆは、径方向において互いに離間しており、最も内側の筒状管２ｃの管内を含めて、４つの内部空間が形成されている。最も内側の筒状管２ｃの内部空間には、筒状管２ｃの管壁に熱伝達が可能な状態で、１本の棒状のヒータ２ｉが配置されている。筒状管２ｃと、その外側の筒状管２ｄとの間に形成された内部空間は、窒素ガスの内周流路Ａに相当する。内周流路Ａは、後述する仕切り板の区切りに起因して、時計回りに螺旋状に旋回している。筒状管２ｄと、その外側の筒状管２ｅとの間に形成された内部空間には、内外の筒状管２ｄ，２ｅの管壁に熱伝達可能な状態で、支持具２ｈによって固定された６本の棒状のヒータ２ｇが周方向に等間隔で配置されている。また、この内部空間は、バイパス流路Ｂとしても機能する。バイパス流路Ｂは、６本のヒータ２ｇの隙間に相当し、中心軸ｏの軸方向にストレート状に延在している。さらに、筒状管２ｄと、その外側の筒状管２ｆとの間に形成された内部空間は、窒素ガスの外周流路Ｃに相当する。この外周流路Ｃは、後述する仕切り板の区切りに起因して、反時計回りに螺旋状に旋回している。

バイパス流路Ｂは、筒状管２ｄによって内周流路Ａと隔てられているとともに、筒状管２ｅによって外周流路Ｃと隔てられている。ただし、筒状管２ｄには、その内外を貫通する小径な貫通孔２ｉが所定の間隔で複数設けられている。したがって、バイパス流路Ｂは、これらの貫通孔２ｉを介して内周流路Ａと連通している。また、筒状管２ｅにも、その内外を貫通する小径な貫通孔２ｊが所定の間隔で複数設けられている。したがって、バイパス流路Ｂは、これらの貫通孔２ｊを介して外周流路Ｃとも連通している。貫通孔２ｉ，２ｊを設ける理由は、窒素ガスの一部をバイパス流路Ｂに逃がすことで、内周流路Ａ内の圧力および外周流路Ｃ内の圧力が過大にならないようにするためである。なお、筒状管２ｃ内のヒータ２ｉは、流体加熱装置２の熱源容量を高める上で有効ではあるが、本発明において必須ではなく、これを省略しても構わない。また、ヒータ２ｇの形状や本数は、どのように設定してもよい。

図３は、内周流路Ａに着目した流体加熱装置の側面断面図である。内外の筒状管２ｃ，２ｄの間に形成された内周流路Ａは、仕切り板２ｋによって螺旋状に区切られている。この仕切り板２ｋは、流体加熱装置２内における上流から下流に向かう方向、すなわち、同図の左から右に向かって時計回りに螺旋状に旋回している。これにより、内周経路Ａを流れる窒素ガスは、仕切り板２ｋに導かれて時計回りの旋回流となる。流体加熱装置２の組み立てに際しては、螺旋状に形成された仕切り板２ｋの中心軸部分に内側の筒状管２ｃを挿入した後、筒状管２ｃの外周と仕切り板２ｋの内周とを溶接で固定する。つぎに、外側の筒状管２ｄの内部に、内側の筒状管２ｃが一体化された仕切り板２ｋを捻るようにして挿入し、仕切り板２ｋの外周を筒状管２ｄの内周に圧接させる。内周流路Ａの管壁が熱膨張した際、その膨張の度合いに応じて、筒状管２ｄの内周面上を仕切り板２ｋが摺動するので、仕切り板２ｋの変形を有効に防止できる。

図４は、外周流路Ｃに着目した流体加熱装置２の側面断面図である。内外の筒状管２ｅ，２ｆの間に形成された外周流路Ｃは、仕切り板２ｌによって螺旋状に区切られている。この仕切り板２ｌは、同図の左から右に向かって反時計回りに螺旋状に旋回している。これにより、外周流路Ｃを流れる窒素ガスは、仕切り板２ｌに導かれて反時計回りの旋回流となる。流体加熱装置２の組み立てに際しては、螺旋状に形成された仕切り板２ｌの中心軸部分に内側の筒状管２ｅを挿入した後、筒状管２ｅの外周と仕切り板２ｌの内周とを溶接で固定する。つぎに、外側の筒状管２ｆの内部に、内側の筒状管２ｅが一体化された仕切り板２ｌを捻るようにして挿入し、仕切り板２ｌの外周を筒状管２ｆの内周に圧接させる。外周流路Ｃの管壁が熱膨張した際、その膨張の度合いに応じて、筒状管２ｆの内周面上を仕切り板２ｌが摺動するので、仕切り板２ｌの変形を有効に防止できる。そして、ヒータ２ｇ，２ｉを取り付けることによって、流体加熱装置２が完成する。仕切り板２ｋ，２ｌを捻るようにして内部空間に挿入するため、その作業は容易である（組付性の向上）。

図５は、流体加熱装置２内における流体の流れの説明図である。上流側の前室２ｍ内に送り込まれた窒素ガスは、内周流路Ａ，バイパス流路Ｂおよび外周流路Ｃの３つに分岐して、それぞれの流路に流れ込む。内周流路Ａに流れ込んだ窒素ガスは、仕切り板２ｋに導かれて圧縮されながら旋回する。圧縮によって高圧化された旋回流は、ヒータ２ｉの熱が直接伝達される内側の筒状管２ｃの管壁面に強く押し付けられ、これによって、窒素ガス分子が回転しながら流路を進み、効率的な熱交換が促進される。それとともに、ヒータ２ｇの熱が直接伝達される外側の筒状管２ｄの管壁面にも強く押し付けられるので、ヒータ２ｇとの熱交換も効率的に行われる。その際、内周流路Ａの窒素ガスの一部は、筒状管２ｄの貫通孔２ｉを介して、内周流路Ａよりも流路抵抗の小さいストレート状のバイパス流路Ｂに流れる。これにより、内周流路Ａ内の圧力上昇が抑制され、流体加熱装置２の変形を有効に防止できる。一方、外周流路Ｃに流れ込んだ窒素ガスは、仕切り板２ｌに導かれて圧縮されながら旋回する。圧縮によって高圧化された旋回流は、ヒータ２ｇの熱が直接伝達される内側の筒状管２ｅの管壁面に強く押し付けられ、これによって、効率的な熱交換が促進される。その際、外周流路Ｃの窒素ガスの一部は、筒状管２ｅの貫通孔２ｊを介して、外周流路Ｃよりも流路抵抗の小さいストレート状のバイパス流路Ｂに流れる。これにより、外周流路Ｃ内の圧力上昇が抑制され、流体加熱装置２の変形を有効に防止できる。３つの流路Ａ〜Ｃを流れた窒素ガスは、後室２ｎにおいて合流し、加熱ガスとして流体加熱装置２より送り出される。

図６は、別の一例としての流体加熱装置２’の正面断面図である。この流体加熱装置２’は、上述した流体加熱装置２に冷却機能を追加したものである。具体的には、筒状管２ｆの外側に更に筒状管２ｐを同心円状に配置する（この場合、筒状管２が流体加熱装置２の胴体になる）。そして、径方向において互いに離間した筒状管２ｆ，２ｐにて形成された内部空間Ｄを、冷却された流体（例えば冷却空気）を充填する空間として用いる。内部空間Ｄへの冷却空気の注入・排出を制御することで、窒素ガスを急速に冷却できるので、自然冷却と比較して、釜装置４の冷却に要する時間を大幅に短縮することが可能になる。なお、それ以外については図２の構成と同一であるから、同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。

このように、本実施形態によれば、内周流路Ａと外周流路Ｃとの間にヒータ２ｇを配置することにより、ヒータ２ｇの内外を含む周囲全体で熱交換が行われる。また、これらの流路Ａ，Ｃは、従来技術のようなスパイラル管ではなく、螺旋状の仕切り板２ｋ，２ｉの配置によって形成するため、大気中に露出する流路部分を低減でき、熱交換に寄与する流路部分の増大を図れる。その結果、ヒータ２ｇからの熱を最大限に活用しながら、より大きな面積で熱交換を行うことができ、流体の加熱を効率的に行うことが可能になる。この点は、熱源の内周側のみまたは外周側のみといった如く、熱源との接触が部分的ゆえに熱交換効率の損失が大きい従来技術と比べて、顕著な効果である。

また、本実施形態によれば、筒状管２ｃ〜２ｆを同心円状に配置して、ヒータ２ｇの内周側および外周側の双方を流路Ａ，Ｃとしているので、熱交換効率の損失を抑制しつつ、流体加熱装置２の小型化を図ることができる。

以上のように、本発明に係る流体加熱装置は、気体のみならず液体を含めて、各種流体の加熱に広く適用できる。

１ 加熱処理システム
２，２’ 流体加熱装置
２ａ 取出口
２ｂ 温度センサ
２ｃ〜２ｆ，２ｐ 筒状管
２ｇ，２ｉ ヒータ
２ｈ 支持具
２ｉ，２ｊ 貫通孔
２ｋ，２ｌ 仕切り板
２ｍ 前室
２ｎ 後室
３ 循環器
４ 釜装置
５，６ 配管
７ 風洞部

Claims (6)

1. 流路内を流れる流体を加熱する流体加熱装置において、
   第１の筒状管と、
   前記第１の筒状管の外側に同心円状に配置された第２の筒状管と、
   前記第２の筒状管の外側に同心円状に配置された第３の筒状管と、
   前記第１の筒状管の内部空間に設けられ、当該内部空間を螺旋状に区切ることによって、螺旋状の第１の流路を形成する第１の仕切り板と、
   前記第２の筒状管と前記第３の筒状管との間の内部空間に設けられ、当該内部空間を螺旋状に区切ることによって、螺旋状の第２の流路を形成する第２の仕切り板と、
   前記第１の筒状管と前記第２の筒状管との間の内部空間に設けられた熱源と
   を有することを特徴とする流体加熱装置。
2. 前記第２の筒状管と前記第３の筒状管との間の内部空間には、前記第１の筒状管を介して前記第１の流路と隔てられ、かつ、前記第２の筒状管を介して前記第２の流路と隔てられた第３の流路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載された流体加熱装置。
3. 前記第３の流路は、前記第２の筒状管と前記第３の筒状管との間の内部空間を、当該筒状管の軸方向に沿ってストレート状に延在していることを特徴とする請求項２に記載された流体加熱装置。
4. 前記第１の筒状管の内周面と外周面との間を貫通する複数の第１の貫通孔と、
   前記第２の筒状管の内周面と外周面との間を貫通する複数の第２の貫通孔と
   をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載された流体加熱装置。
5. 前記第３の筒状管の外側に同心円状に配置され、前記第３の筒状管との間の内部空間に冷却された流体を充填可能な第４の筒状管をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された流体加熱装置。
6. 循環式加熱処理システムにおいて、
   請求項１から５のいずれかに記載された前記流体加熱装置と、
   前記流体加熱装置の流路の下流側に設けられ、前記流体加熱装置で加熱された流体を送出する循環器と、
   前記循環器と前記流体加熱装置の流路の上流側とを接続する配管と、
   前記配管の間に設けられ、前記流体加熱装置によって加熱された流体によって加熱処理される加熱対象物を収納する釜装置と
   を有する循環式加熱処理システム。

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