JP2015115176A - 高温用ヒーターユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高温用ヒーターユニットにおいて、接着剤とヒーター線との化学反応による劣化破断、熱膨張に伴い固定された支持板とヒーター線との干渉による機械的破断を防止し、ヒーター線の交換を容易にする。【解決手段】ヒーター線支持機構１８を、支持棒１２、複数のさや管１４、及び複数の支持板１６とを有する構成とし、支持棒を通して複数の支持板とさや管を交互に配置し、複数のさや管及び複数の支持板を支持棒に固定する目的で、一部のさや管を支持棒とボルト４４及びナット４２を用いて締結するとともに、支持板を支持棒にもさや管にも固定しない構造とし、ヒーター線支持機構及びＵ字形ヒーター線２０が挿入される保護管２２、支持棒、さや管、支持板、並びに支持棒とさや管とを接続するボルトおよびナットの材質を同一のものとする。Ｕ字形ヒーター線の端子部２０ａは全て、端子箱内に露出し、全てのＵ字形ヒーター線が電源と直列接続されるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば亜鉛還元法多結晶シリコン製造設備などのように、腐食性のガスが存在する反応容器内及び／又は配管内等の空間を高温に加熱するための高温用ヒーターユニットに関する。

太陽電池用のシリコンウェーハは、シーメンス法、亜鉛還元法などにより得られたシリコンインゴットの他、半導体用単結晶シリコンを引き上げた後のルツボ残渣や、単結晶シリコンインゴットの切削屑などのスクラップ品などを溶融し、不純物を除去後、冷却し結晶化させることにより得られるシリコンインゴットより製造される。

特許文献１，２には、上部から下方に向かって挿入された石英ガラス製のシリコン塩化物ガス供給ノズル、還元剤ガス供給ノズル及び排気ガス抜き出しパイプを備え、外周面に加熱手段を備えた縦型反応器を用いて、シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に高純度多結晶シリコンを管状に凝集成長させる製造方法・装置が記載されている。

これらの特許文献に記載の方法で得られる多結晶シリコンは、多結晶シリコンが管状に凝集した形状をしているので容易に解砕することができ、高純度の針状もしくは樹枝状の多結晶シリコンを得ることができる。

この多結晶シリコンは、例えばそのままＣＺ法による単結晶インゴット引き上げ用や多結晶シリコンインゴットの原料として用いることができる。また、多結晶シリコンインゴット製造の際、塊状シリコン間の隙間充填用としても有用である。

特開２００７−１４５６６３号公報 特開２００７−２２３８２２号公報

特許文献１，２に記載の亜鉛還元法においては、８００〜１２００℃の反応温度での平衡反応によってシリコンを製造している。
この反応器からの排気ガス中には、反応ガスである塩化亜鉛ガスの他、未反応原料ガスである亜鉛ガスと四塩化ケイ素ガス（腐食性）が含まれる。万一この排気ガスの温度が、塩化亜鉛の凝縮温度である７３２℃以下に低下すると、排気ガス抜き出しパイプ中において平衡反応の条件が崩れ、追反応と称される新たな還元反応によりシリコンが生成され、遂には排気ガス抜き出しパイプの閉塞に至ってしまう。

このため、排気ガスの温度を少なくとも四塩化ケイ素の凝縮温度以上に保つため、ヒーターユニットを排気ガス抜き出しパイプ中に挿入して、上述の亜鉛還元反応が進められている。

従来の高温用ヒーターユニットとしては、例えば、複数の支持板を１本の支持棒に差し連ねた後、支持棒に接着剤等を用いて固定したヒーター線支持機構及びこれに支持されたヒーター線を腐食性ガスとの接触を避けるため保護管に挿入してなるヒーター本体と、端子箱とからなる高温用ヒーターユニットが知られている。

このような高温用ヒーターユニットは、例えば、円形の中心部に支持棒を通すための中央貫通孔と板上にヒーター線を通すための２以上の偶数個のヒーター用貫通孔を持つ支持板と、支持棒とを、東亜合成株式会社製の耐熱性無機接着剤アロンセラミックなどのような接着剤を用いて接着固定し、ヒーター線支持機構を構成している。

なお、支持板、支持棒の材質には、使用温度に対する耐熱性を備えていればよく、例えば、ジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素などを始めとする一般的なセラミックが用いられる。

また、このような高温用ヒーターユニットでは、例えば、４本の直線状ヒーター線を保護管内にセットする場合、ヒーター線支持機構の支持板の４個のヒーター用貫通孔に、直線状ヒーター線を４本セットした後、ヒーター線支持機構の一端において４本のヒーター線の先端を２本一組としてＵ字形に溶接し、ヒーター線支持機構の他端、すなわち端子箱側において、２組のＵ字形のヒーター線の各々の一端をＵ字形に溶接して電気的に直列回路を構成し、残った２本のヒーター線の先端を端子箱に取り出して、外部電源接続用の端子とする構造になっている。すなわち、ヒーター線は３回の溶接によって支持棒と一体化した構造となる。

なお、ヒーター線の材質としては、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）を始めとする一般的なセラミックが用いられる。

しかしながら、この従来の高温用ヒーターユニットの構造には、次のような問題点があり、これらの課題を解決する必要がある。
（１）支持板を支持棒に固定するための接着剤との化学反応により、ヒーター線材料が劣化破断に至ることがある。
（２）支持板が固定されていることにより、ヒーター線の変形に対する追従性が不足し、偏応力によるヒーター線の機械的破断を招くことがある。
（３）ヒーター線支持機構で支持された複数のヒーター線を溶接して支持機構と一体化した構造であったため、一部に破損があった場合、全てのヒーター線を取り換える必要がある。
（４）ヒーター線支持機構と保護管の材質が同一では無い場合に、材料の熱膨張係数が異なることによる機械的干渉が生じる危険性がある。

ヒーター線支持機構を、支持棒、複数のさや管、及び複数の支持板とを有する構成とし、支持棒を通して複数の支持板とさや管を交互に配置し、複数のさや管及び複数の支持板を支持棒に固定する目的で、一部のさや管を支持棒とボルト及びナットを用いて締結するとともに、支持板を支持棒にもさや管にも固定しない構造とする。

そして、ヒーター線支持機構及びＵ字形ヒーター線が挿入される保護管、支持棒、さや管、支持板、並びに支持棒とさや管とを接続するボルトおよびナットの材質を同一のものとする。

さらに、加工済みの端子部と加熱部とからなるＵ字形ヒーター線を用い、ヒーター線支持機構に装着して、Ｕ字形ヒーター線の端子部は全て、端子箱内に露出し、全てのＵ字形ヒーター線が電源と直列接続されるようにする。

すなわち、本発明の要旨は、次に示す［１］から［９］で示すとおりである。
［１］管構造を有する支持棒と、該支持棒の外周部に設けられる複数のさや管と、該さや管によって挟持された状態で設けられる複数の支持板と、から構成されるヒーター線支持機構と、前記ヒーター線支持機構に支持されたＵ字形ヒーター線と、を保護管に挿入してなるヒーター本体と、
前記支持棒を吊り下げて固定するための、管構造を有する吊り下げ金具と、
前記ヒーター本体とフランジを介して設けられた端子箱と、
を備える高温用ヒーターユニットであって、
前記支持板は、前記支持棒を挿通させるための中央貫通孔と、前記Ｕ字形ヒーター線を挿通させるための２個以上の偶数個のヒーター用貫通孔とを有し、
前記Ｕ字形ヒーター線は、加熱部と端子部とを有し、前記加熱部は前記保護管内に配置されるとともに、前記端子部は前記端子箱内に露出され、前記端子箱に設けられた外部接続端子と前記Ｕ字形ヒーター線とが、取り外し可能な渡り配線を用いて電気的に直列接続されていることを特徴とする高温用ヒーターユニット。
［２］ 管構造を有する前記吊り下げ金具の開口端から、不活性ガスを注入することにより、前記ヒーター本体内をガスシール可能に構成される［１］に記載の高温用ヒーターユニット。
［３］ 前記複数のさや管のうち、少なくとも、前記支持棒の前記吊り下げ金具と固定されていない先端部の外周に設けられたさや管が、前記支持棒の管内に内装されたナットと、ボルトとを用いて、支持棒に固定される［１］または［２］に記載の高温用ヒーターユニット。
［４］ 前記支持棒が、複数の支持棒により構成され、前記支持棒の管内に内装されたナットと、ボルトとを用いて、前記複数の支持棒が継ぎ足される［１］から［３］のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
［５］ 前記保護管内において、前記支持棒の前記吊り下げ金具と固定されている端部側に、断熱材が配置される［１］から［４］のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
［６］ 前記保護管、前記支持棒、前記さや管、前記支持板、前記ボルト、および前記ナットの材質が同一である［１］から［５］のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
［７］ 前記保護管、前記支持棒、前記さや管、前記支持板、前記ボルト、および前記ナットが窒化ケイ素製である［６］に記載の高温用ヒーターユニット。
［８］ 前記Ｕ字形ヒーター線がセラミック製である［１］から［７］のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
［９］ 前記Ｕ字形ヒーター線が二珪化モリブデン製である［８］に記載の高温用ヒーターユニット。

本発明に係る高温用ヒーターユニットによれば、接着剤を用いない構造としたことにより、接着剤との化学反応によるヒーター線の劣化破断を防止できる。
また、支持板を自由に回転できる構造としたことにより、この支持板のヒーター用貫通孔を通してセットされるヒーター線への偏応力が生じることがなく、ヒーター線の変形や機械的破断を防止できる。

また、不具合となったヒーター線のみをヒーター線支持機構から単独で取り外すことができ、ヒーター線の取り換えが容易となる。
また、ヒーター線支持機構と保護管の材質を同一として、線膨張係数を合わせることにより、機械的干渉を防ぐことができる。

図１は、本発明の高温用ヒーターユニットの一実施例における内部の全体図を示す概略断面図である。 図２は、図１の高温用ヒーターユニットの先端部における構造を説明するための図であって、図２（ａ）は、Ａ部の拡大断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。 図３は、図１の高温用ヒーターユニットの中間部における構造を説明するための図であって、図３（ａ）は、Ｃ部の拡大断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＤ−Ｄ部の断面図である。 図４は、図１の高温用ヒーターユニットの端子箱内部の平面図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図１は、本発明の高温用ヒーターユニットの一実施例における内部の全体図を示す概略断面図、図２は、図１の高温用ヒーターユニットの先端部における構造を説明するための図であって、図２（ａ）は、Ａ部の拡大断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図、図３は、図１の高温用ヒーターユニットの中間部における構造を説明するための図であって、図３（ａ）は、Ｃ部の拡大断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＤ−Ｄ部の断面図、図４は、図１の高温用ヒーターユニットの端子箱内部の平面図である。

本発明において、Ｕ字形ヒーター線の設備本数は限定されることは無いが、本実施例においては、Ｕ字形ヒーター線を２本用いた例を示す。

図１から４に示すように、本実施例の高温用ヒーターユニット１０は、支持棒１２とさや管１４と支持板１６とから構成されるヒーター線支持機構１８及びこれに支持されたＵ字形ヒーター線２０を保護管２２に挿入してなるヒーター本体２４と、フランジ２６を介して設けられた端子箱２８とを備えている。

フランジ２６は、上側フランジ２６ａと下側フランジ２６ｂを備えており、下側フランジ２６ｂは、高温用ヒーターユニット１０を反応容器内及び／又は配管などに取り付けるのにも用いることができる。

また、本実施例の高温用ヒーターユニット１０は、端子箱２８を貫通するように設けられた吊り下げ金具３０を備え、この吊り下げ金具３０は、支持棒吊り下げ機構３０ａと、上側フランジ２６ａ面への固定機構３０ｂとを備え、支持棒吊り下げ用ボルト３１によって支持棒１２を吊り下げた状態で固定されるとともに、上側フランジ２６ａの上面にボルト（図示せず）によって固定されている。

また、保護管２２はフランジ部２２ａを有し、このフランジ部２２ａを上側フランジ２６ａ及び下側フランジ２６ｂによって挟持することで、保護管２２はフランジ２６に吊り下げられた状態で固定されている。

また、支持棒１２及び吊り下げ金具３０は、管構造を有しており、吊り下げ金具３０の上部開口端は、チッ素ガスなどのガス導入口３２として兼用することができる。これにより、本実施例のヒーター本体２４内を必要に応じて、チッ素ガスなどの不活性ガスでガスシールすることができる。

Ｕ字形ヒーター線２０は、セラミック製の絶縁ソケット３４によって、電気的にフランジ２６などから絶縁されている。Ｕ字形ヒーター線２０は、導線３６を経て外部接続端子３８と接続され、引いては図示しない外部電源のプラス及びマイナス電極に接続される。

なお、保護管２２内において、支持棒１２の吊り下げ金具３０と固定されている端部側には、断熱材４０が配置される。このように断熱材４０を配置することによって、ヒーター本体２４で発生した熱が、高温用ヒーターユニット１０が取り付けられた反応容器や配管などの外部へ放熱されることを防止できる。

支持板１６の中心部には、支持棒１２を挿通させるための中心貫通孔１６ａが設けられ、また、支持板１６上にはＵ字形ヒーター線２０を挿通させるためのヒーター用貫通孔１６ｂが４個設けられている。

このような支持板１６の中心貫通孔１６ａに、管構造を有する支持棒１２が挿通され、この支持棒１２の外周部にはさや管１４が設けられている。そして、支持棒１２の管内に内装されたナット４２とボルト４４を用いて、支持棒１２とさや管１４とが締結されている。

また、Ｕ字形ヒーター線２０は、支持板１６のヒーター用貫通孔１６ｂに挿通されるとともに、支持板１６、支持棒１２及びさや管１４を備えるヒーター線支持機構１８に支持された状態で設けられている。

なお、本実施例においては、２本のＵ字形ヒーター線２０を用いているため、支持板１６には４個のヒーター用貫通孔１６ｂが設けられているが、Ｕ字形ヒーター線２０を１本だけ用いる場合には、２個のヒーター用貫通孔１６ｂを設ければよく、また、３本のＵ字形ヒーター線２０を用いる場合には、６個のヒーター用貫通孔１６ｂを設ければよい。

すなわち、用いるＵ字形ヒーター線２０の数に応じて、支持板１６には２個以上の偶数個のヒーター用貫通孔１６ｂが設けられていればよい。また、少なくとも、Ｕ字形ヒーター線２０を挿通可能な数のヒーター用貫通孔１６ｂが設けられていればよく、例えば、２本のＵ字形ヒーター線２０を用いる場合に、６個のヒーター用貫通孔１６ｂを設けるなど、余分にヒーター用貫通孔１６ｂを設けても構わない。

なお、本実施例において、保護管２２、支持棒１２、さや管１４、支持板１６、並びに支持棒１２とさや管１４とを接続するボルト４４、および支持棒１２中に内装されているナット４２の材質は、特に限定されるものではないが、亜鉛還元法の反応温度（８００℃から１２００℃）において、機械的強度を失わず、耐熱衝撃性に優れ、最も熱膨張しにくい寸法安定性に優れたセラミックスであることから、窒化ケイ素を用いることが好ましい。

また、保護管２２、支持棒１２、さや管１４、支持板１６、並びに支持棒１２とさや管１４とを接続するボルト４４、および支持棒１２中に設置されているナット４２の材質を同一のものとすることで、線膨張係数を統一して部品同士の干渉を回避できる。

本実施例における高温用ヒーターユニット１０では、図３に示すように、この中間部において、支持棒１２の管内に内装されたナット４２とボルト４４とを用いて支持棒１２を継ぎ足している。このように、支持棒１２の継ぎ足しをすることによって、長い支持棒を用意する必要がなくなる。

なお、継ぎ足すことができる支持棒１２の数は、図３に示すような接続方法によって、支持棒１２としての機械的強度が保たれていれば、特に限定されるものではない。
図１から図３に示すように、本実施例における高温用ヒーターユニット１０のヒーター線支持機構１８は、支持板１６、支持棒１２及びさや管１４を備えており、さや管１４は、支持棒１２にボルト４４及びナット４２によって締結されたさや管１４と、支持棒１２に締結されていないさや管１４とを有している。

これらのさや管１４と支持板１６は、全体として交互に配置されているものの、すべての支持板１６は、支持棒１２にもさや管１４にも固定されておらず、自由に回転可能に設けられている。すなわち、支持板１６は、さや管１４によって挟持されて設けられている。

このように、支持板１６が支持棒１２を中心に自由に回転できる構造とすることで、Ｕ字形ヒーター線２０の熱変形による支持板１６との内部干渉に伴う偏応力が緩和され、Ｕ字形ヒーター線２０の変形や破損を回避することができる。

また、上述するように、本実施例におけるヒーター線支持機構１８の組み立てには、例えば、接着剤などを必要とせず、接着剤との化学反応等によるＵ字形ヒーター線２０の劣化破断を防止することができる。

本実施例におけるＵ字形ヒーター線２０は、Ｕ字形ヒーター線２０の始点と終点である端子部２０ａと、Ｕ字部分の加熱部２０ｂとを有し、加熱部２０ｂは支持板１６のヒーター用貫通孔１６ｂを通して、保護管２２内に配置される。

また、図４に示すように、端子部２０ａのすべては、例えば、セラミック製の絶縁ソケット３４でフランジ２６等から絶縁されて端子箱２８内に露出され、外部接続端子３８とＵ字形ヒーター線２０とが、取り外し可能な導線３６により構成される渡り配線を用いて電気的に直列接続されている。

なお、図４において、２本のＵ字形ヒーター線２０の端子部２０ａは、それぞれ符号２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄによって示される。

このように、従来の高温用ヒーターユニットが溶接によってヒーター線を接続していたのに対し、本実施例の高温用ヒーターユニット１０では、すべてのＵ字形ヒーター線２０が、端子部２０ａにおいてのみ導線３６によって電気的に直列に接続され、かつ、取り外し可能であるため、１本のＵ字形ヒーター線２０が不具合となった場合に、端子部２０ａの導線３６を解除さえすれば、ヒーター線支持機構１８から単独で引き抜くことができる。

本実施例において、高温用ヒーターユニット１０のＵ字形ヒーター線２０としては、特に限定されるものではないが、例えば、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）製ヒーターは、ヒーター線表面でのスケール発生が少なく長寿命であり、表面電力密度が大きいので線径を細くでき、かつ、軽量であるので急速昇降温が容易であるため好ましい。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、上述する実施例では、亜鉛還元法多結晶シリコン製造設備で用いることが想定されているが、例えば、腐食性ガスの加熱装置などで用いることもできるなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０ 高温用ヒーターユニット
１２ 支持棒
１４ さや管
１６ 支持板
１６ａ 中心貫通孔
１６ｂ ヒーター用貫通孔
１８ ヒーター線支持機構
２０ Ｕ字形ヒーター線
２０ａ 端子部
２０ｂ 加熱部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 端子部
２２ 保護管
２２ａ フランジ部
２４ ヒーター本体
２６ フランジ
２６ａ 上側フランジ
２６ｂ 下側フランジ
２８ 端子箱
３０ 吊り下げ金具
３０ａ 支持棒吊り下げ機構
３０ｂ 固定機構
３１ 支持棒吊り下げ用ボルト
３２ ガス導入口
３４ 絶縁ソケット
３６ 導線
３８ 外部接続端子
４０ 断熱材
４２ ナット
４４ ボルト

Claims (9)

1. 管構造を有する支持棒と、該支持棒の外周部に設けられる複数のさや管と、該さや管によって挟持された状態で設けられる複数の支持板と、から構成されるヒーター線支持機構と、前記ヒーター線支持機構に支持されたＵ字形ヒーター線と、を保護管に挿入してなるヒーター本体と、
   前記支持棒を吊り下げて固定するための、管構造を有する吊り下げ金具と、
   前記ヒーター本体とフランジを介して設けられた端子箱と、
   を備える高温用ヒーターユニットであって、
   前記支持板は、前記支持棒を挿通させるための中央貫通孔と、前記Ｕ字形ヒーター線を挿通させるための２個以上の偶数個のヒーター用貫通孔とを有し、
   前記Ｕ字形ヒーター線は、加熱部と端子部とを有し、前記加熱部は前記保護管内に配置されるとともに、前記端子部は前記端子箱内に露出され、前記端子箱に設けられた外部接続端子と前記Ｕ字形ヒーター線とが、取り外し可能な渡り配線を用いて電気的に直列接続されていることを特徴とする高温用ヒーターユニット。
2. 管構造を有する前記吊り下げ金具の開口端から、不活性ガスを注入することにより、前記ヒーター本体内をガスシール可能に構成される請求項１に記載の高温用ヒーターユニット。
3. 前記複数のさや管のうち、少なくとも、前記支持棒の前記吊り下げ金具と固定されていない先端部の外周に設けられたさや管が、前記支持棒の管内に内装されたナットと、ボルトとを用いて、支持棒に固定される請求項１または２に記載の高温用ヒーターユニット。
4. 前記支持棒が、複数の支持棒により構成され、前記支持棒の管内に内装されたナットと、ボルトとを用いて、前記複数の支持棒が継ぎ足される請求項１から３のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
5. 前記保護管内において、前記支持棒の前記吊り下げ金具と固定されている端部側に、断熱材が配置される請求項１から４のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
6. 前記保護管、前記支持棒、前記さや管、前記支持板、前記ボルト、および前記ナットの材質が同一である請求項１から５のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
7. 前記保護管、前記支持棒、前記さや管、前記支持板、前記ボルト、および前記ナットが窒化ケイ素製である請求項６に記載の高温用ヒーターユニット。
8. 前記Ｕ字形ヒーター線がセラミック製である請求項１から７のいずれかに記載の高温用ヒーターユニット。
9. 前記Ｕ字形ヒーター線が二珪化モリブデン製である請求項８に記載の高温用ヒーターユニット。

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