JP2015153589A - 圧力解放機能を有する加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 誤操作や制御系のトラブル等により加熱装置に設計圧力を超える圧力がかかっても、加熱装置の主要機器を破損させることなく安全に内部圧力を解放させることが可能な加熱装置を提供する。
【解決手段】 流体を受け入れて抵抗発熱体などのヒータユニット２によって加熱する流路を備えた加熱装置であって、前記流路の壁部が圧力解放機能を有している。この圧力解放機能は前記壁部に部分的に形成された薄肉部３ａによって機能させてもよいし、前記壁部の一部を構成するＯリングでシールされた封止部によって機能させてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力解放機能を有する加熱装置に関する。

プロセス流体や洗浄液等の流体をユースポイントで使用する前に所定の温度まで加熱する装置が様々な分野で利用されている。たとえば、特許文献１には、フッ素樹脂チューブや石英などの耐食性部材からなるパイプ状部材の外側にコイル状の発熱体を巻きつけて、該パイプ状部材の内部に流れる液体や気体を所定の温度まで加熱する流体加熱装置が開示されている。

また、特許文献２には、半導体製造プロセスにおけるウエハ洗浄用の腐食性の洗浄液の加熱装置として、石英製の容器本体内に石英からなるヒータ挿入管を設け、このヒータ挿入管内にハロゲンランプなどの光放射型のヒータを設置することにより洗浄液を加熱する装置が開示されている。

特許第３９１１７２３号公報 特開平７−３０２７７８号公報

上記した特許文献１や特許文献２に示すような加熱装置を含めて一般的な加熱装置は、誤操作や制御系のトラブル等により被加熱流体に設計条件を超える過剰な熱が伝わることがあり、これにより被加熱流体が流れる流路側の圧力が設計圧力を超えて破損することがあった。この場合、破損した加熱装置の修復や交換が必要になり、場合によっては破損により飛び散った破片によって損傷した周辺機器の補修も必要になるため、安定操業に支障をきたすことがあった。

本発明はかかる従来の加熱装置が有する問題に鑑みてなされたものであり、誤操作等により加熱装置に設計圧力を超える圧力がかかっても、加熱装置の主要機器を破損させることなく安全に内部圧力を解放させることが可能な加熱装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明が提供する加熱装置は、流体を受け入れて加熱する流路を備えた加熱装置であって、前記流路の壁部自体が圧力解放機能を有していることを特徴としている。

本発明によれば、誤操作等により加熱装置に設計圧力を超える圧力がかかっても、加熱装置の主要機器を破損させることなく安全に内部圧力を解放させることができる。

本発明の加熱装置の一具体例を示す模式的な部分断面正面図である。 本発明の加熱装置が有する圧力解放機能を備えた流路の壁部の具体例を示す断面図である。 図２の加熱装置の代替例を示す断面図である。 本発明の加熱装置が有する圧力解放機能を備えた流路の壁部の他の具体例を示す断面図である。 図２の加熱装置の代替例を示す断面図である。 図２の加熱装置の代替例を示す断面図である。 本発明の加熱装置が有する圧力解放機能を備えた流路の壁部の更に他の具体例を示す断面図である。 図７の加熱装置の代替例を示す断面図である。

最初に本発明の実施形態を列記して説明する。本発明の加熱装置の実施形態は、流体を受け入れて加熱する流路を備えた加熱装置であって、前記流路の壁部が圧力解放機能を有していることを特徴としている。すなわち、前記流路の壁部の一部が圧力解放機能として機能する圧力解放部として構成されている。これにより、誤操作等により加熱装置に設計圧力を超える圧力がかかっても、加熱装置の主要機器を破損させることなく安全に内部圧力を解放させることができる。

上記本発明の加熱装置においては、前記圧力解放機能が前記壁部に部分的に形成された薄肉部によって機能するのが好ましい。これにより、極めて低コストに圧力解放機能を実現することが可能になる。また、上記本発明の加熱装置においては、前記圧力解放機能が前記壁部の一部を構成するＯリングでシールされた封止部によって機能するのが好ましい。これにより、圧力が解放された後の流路の壁部の復旧などの煩雑な作業が不要になる。

次に、本発明の加熱装置の一具体例について説明する。本発明の加熱装置における流体の加熱方式については特に限定はなく、スチーム、熱媒、加熱炉の排ガスなどの高温の流体と被加熱流体との熱交換による加熱方式、抵抗発熱体で発生させた熱を被加熱流体に伝熱する加熱方式、又はハロゲンランプなどの熱源からの輻射熱によって被加熱流体を加熱する加熱方式などの各種の加熱方式を用いることができる。また、被加熱流体は液体のほか、乾燥用エアーなどの気体でもかまわない。

以下の説明では、一例として熱源に抵抗発熱体を用いて一定の流量で連続的に供給される被加熱流体を加熱する方式の加熱装置をとりあげて説明する。この抵抗発熱体を用いた加熱装置は、図１に示すように被加熱流体を管内に受け入れて管壁から伝熱で加熱する管状の加熱部１と、この管状の加熱部１の外周面にらせん状に巻き付けられたヒータユニット２と、該管状の加熱部１の両端部に設けられた導入導出部３とを有している。このヒータユニット２は加熱部１と共に断熱部材（図示せず）でほぼ全体が覆われているのが好ましく、これにより加熱装置からの熱損失を減らすことができる。

なお、加熱部１の形状は上記の管状に限定されるものではなく、直方体形状や矩形板状の部材の内部に１又は複数本の流路を備えたような構造でもよい。加熱部１の材質は、流路内を流れる被加熱流体の種類、設計温度や設計圧力等の条件に応じて適宜定められ、ＳｉＣ、ＳｉＣなどのセラミックスやこれらを含むＳｉＳｉＣなどのセラミックス複合材、テフロンなどの耐食性樹脂、ステンレスなどの耐食性金属等が使用される。

ヒータユニット２には、ニッケル、ステンレス、銀、タングステン、モリブデン、クロム、またはこれら金属の少なくともいずれかの合金からなる金属で形成される抵抗発熱体を使用することができる。加熱部１が非導電性部材で形成される場合は、図１に示すように、管状の加熱部１の外周面に線状の抵抗発熱体を直接らせん状に巻き付けることができるが、ヒータユニット２と加熱部１との熱膨張差等を考慮してヒータユニット２と加熱部１との間に可撓性のシート状部材を介在させてもよい。

一方、加熱部１が銅などの導電性部材で形成される場合は、電気的な絶縁のために抵抗発熱体を電気絶縁体シートで被覆することが必要となる。この電気絶縁体シートの材質は、電気絶縁性に加えて耐熱性を有するものが好ましく、具体的にはマイカ、ポリイミド、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などを使用することができる。これらの内、樹脂を用いる場合は、熱伝導性を高めて抵抗発熱体で発生した熱をスムースに加熱部１に伝えるため、樹脂中にフィラーを分散させてもよい。フィラーの材質としては、樹脂との反応性が無ければ特に制約はなく、たとえば窒化硼素、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカなどの物質を使用することができる。

加熱部１が有する流路の両端部に、それぞれ加熱前の流体の導入部と加熱後の流体が排出される導出部とが設けられている。本発明ではこれら導入部と導出部をまとめて導入導出部３と称する。短管や継手類等で構成されるこの導入導出部３は、後述するように圧力解放機能を有していることに加えて、被加熱流体の供給源から該加熱装置までの配管や該加熱装置で加熱された被加熱流体をユースポイントまで供給する配管を加熱部１の流路に接続する役割を担っている。この導入導出部３は、加熱部１に溶着、螺合、接着剤による接着、カプラを介した接続等の結合手段で取り付けられている。

本発明の一具体例の加熱装置は、この導入導出部３の流路の壁部自体が圧力解放機能を有している。具体的には図１に示すように、導入導出部３の壁部に部分的に薄肉部３ａが形成されている。これにより、例えば被加熱流体のユースポイント近傍に設けられている配管のバルブを誤操作により締め切ったまま加熱し続けたり、温度制御系がトラブルを起こしてヒータユニット２が過熱状態になったりした結果、被加熱流体が熱膨張したり蒸発したりして加熱部１の流路内の圧力が設計圧力を超える事態が発生しても、加熱部１が破損する前にこの導入導出部３の薄肉部３ａが破裂して過圧状態にある流路内の圧力を解放することができるので、加熱装置の主要機器である加熱部１本体やその周りを覆うヒータユニット２の破損を防ぐことができる。なお、加熱装置を設置する際、薄肉部３ａを比較的強度の高い床面等に対向させておくことにより、薄肉部３ａの破片が飛散しても他の機器等への悪影響を抑えることができる。

薄肉部３ａの位置は、導入導出部３の導入側と導出側の両方に設けてもよいが、通常は導入側の方が加熱部１内の流路の圧力損失分だけ導出部より高くなるので、図１に示すように導入側にのみ設けるのが好ましい。また、薄肉部３ａは、これを正面から見たとき、円形状となるように導入導出部３の周方向の一部に形成してもよいし、図２（ａ）に示すように、導入導出部３の周方向の全周に亘って環状に形成してもよいし、導入導出部３の周方向の全周に亘って円形状の薄肉部を複数個形成してもよい。また、薄肉部３ａは図１や図２（ａ）に示すように導入導出部３の壁部の内周面に凹部を設けることで形成してもよいし、図２（ｂ）に示すように、導入導出部３の壁部の外周面に凹部を設けることで形成してもよい。上記したような薄肉部は、一体物の場合は例えば削りだし等で形成することができる。

更に図３に示すように、導入導出部３において薄肉部３ａが形成される部分の周囲を好ましくは全周に亘って厚肉に形成してもよい。また、加熱部の内部に複数の相互に連通する流路が設けられる場合は、各々の導入導出部３に薄肉部３ａを設けてもよいし、図４に示すように、加熱部１１内の複数の流路が分岐する例えば分岐部４にのみ薄肉部４ａを設けてもよい。更に図５に示すように、導入導出部１３の壁部に開口部１３ａを穿孔し、この開口部１３ａを外側から塞ぐように導入導出部１３の肉厚よりも薄い肉厚を有する円板状の薄肉片１４を導入導出部１３の外周面に張り付けてもよい。

このように薄肉部を導入導出部とは別に作製して一体化させる場合は、当該薄肉部を溶着、接着、溶接等で導入導出部に接合してもよいし、図６に示すように、導入導出部１３の開口部１３ａの周りにＯリング１５を配置したうえで円板状の薄肉片１４で該Ｏリング１５を押圧しながら開口部１３ａを塞いだ後、薄肉片１４において該Ｏリング１５よりも外側に位置する外縁部に複数の貫通孔を設け、各貫通孔にネジなどの結合手段１６を挿通させて導入導出部１３の外周面に螺合してもよい。

上記したような円形状の薄肉部は例えば下記の方法でサイジングすることができる。すなわち、導入導出部３を形成する材料の引張強度をσ、ポワソン比をν、破壊圧力をＰとしたとき、薄肉部の半径Ｒと板厚ｔとの比Ｒ／ｔは以下の数式で計算できる。

外周支持モデル：Ｒ／ｔ＝√（（８×σ）／（３×（３＋ν）×Ｐ））
外周固定モデル：Ｒ／ｔ＝√（（４×σ）／（３×Ｐ））

たとえば、外周支持モデルにおいて、引張強度σ＝３０［ＭＰａ］、ポワソン比ν＝０.３６、破壊圧力Ｐ＝２［ＭＰａＧ］としたとき、下記の通り薄肉部の半径と板厚の比Ｒ／ｔの値を求めることができ、この値から薄肉部の半径Ｒを算出することができる。
外周支持モデル：Ｒ／ｔ＝３.４５
外周固定モデル：Ｒ／ｔ＝４.４７
ただし、上記方法はあくまでも弾性領域モデルであり、周囲の構造物や変形状態の影響を受けて変化するため、実際の破壊圧力は実験により確認するのが好ましい。

次に、本発明の加熱装置の他の具体例について説明する。この本発明の他の具体例の加熱装置は、流路の壁部の一部がＯリングでシールされた封止部によって構成されている。具体的には図７に示すように、加熱部２１に接続する導入導出部２３の壁部の一部に円形の開口部２３ａが設けられており、この開口部２３ａを塞ぐように、外側端部にフランジ部が形成され、開口部２３ａの内径と略同等の外形を有し、導入導出部２３の壁部の肉厚以下の高さを有する円柱状の封止部２４が設けられている。

そして、これら開口部２３ａの内周部と封止部２４の外周部との間に全周に亘ってＯリング２５が介在して導入導出部２３の内部を外部環境からシールしている。Ｏリングの材質は被加熱流体の性状等を考慮して適宜選択される。例えばＯリングが高温にさらされる場合は、バイトン（登録商標）、カルレッツ（登録商標）のほか、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなどのフッ素樹脂を使用するのが好ましい。

上記した本発明この他の具体例の加熱装置では、加熱部２１の流路内の圧力が設計圧力を超える事態が発生すると、加熱部２１が破損する前に封止部２４が開口部２３ａから外れて入導出部２３の内部圧力が解放される。また、この加熱装置は、圧力が解放された後も外れた封止部２４を再度開口部２３ａに嵌めることにより繰り返し使用することができるので経済的である。

Ｏリングでシールされた封止部は上記した構造に限定されるものではなく、例えば図８に示すように、加熱部３１に接続する導入導出部３３の開口部３３ａの外側を覆うように側部が部分的に開口した筒状のハウジング３６を設け、このハウジング３６内を円柱状の封止部３４が往復動できるようにすると共にその背面から開口部３３ａを封止する方向に付勢するつるまきバネなどの付勢手段３７を用いて開口部２３ａを塞いでもよい。これにより、封止部３４が開口部３３ａから外れて加熱部３１の流路内の圧力が解放されることにより該流路内の圧力が正常に戻った時、封止部３４は付勢手段３７の働きにより自動的に開口部３３ａを封止する位置に戻るので、圧力解放後の流路の壁部の復旧などの煩雑な作業が不要になる。

以上、本発明の加熱装置について具体例を挙げて説明したが、本発明は係る具体例に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱しない範囲の種々の態様で実施可能である。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲およびその均等物に及ぶものである。

１ 加熱部
２ ヒータユニット
３ 導入導出部
３ａ 薄肉部
４ 分岐部
４ａ 薄肉部
１１ 加熱部
１３ 導入導出部
１３ａ 開口部
１４ 薄肉片
１５ Ｏリング
１６ 結合手段
２１ 加熱部
２３ 導入導出部
２３ａ 開口部
２４ 封止部
２５ Ｏリング
３１ 加熱部
３３ 導入導出部
３３ａ 開口部
３４ 封止部
３６ ハウジング
３７ 付勢手段

Claims (3)

1. 流体を受け入れて加熱する流路を備えた加熱装置であって、前記流路の壁部が圧力解放機能を有している加熱装置。
2. 前記圧力解放機能は前記壁部に部分的に形成された薄肉部によって機能する、請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記圧力解放機能は前記壁部の一部を構成するＯリングでシールされた封止部によって機能する、請求項１に記載の加熱装置。

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