JP3239181U - バーナー - Google Patents

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Abstract

Figure 0003239181000001
本考案の分野は、バーナーに関する。バーナーは、製造プロセスツールからの流出ストリームを処理するためのものであり、流出ストリームを処理するための燃焼チャンバを定める螺旋プレナムチャンバを備え、螺旋プレナムチャンバが、燃焼反応物を搬送して燃焼チャンバ内での燃焼を維持するように構成されている。このように、螺旋プレナムは、燃焼チャンバからの熱損失を防ぎ、燃焼チャンバ内のより均一な温度分布を可能にし、これによって、そうでない場合には望ましくない燃焼副生成物が生成されることになる燃焼チャンバ内の局所的な高温の必要性を低減する。
【選択図】図1

Description

本考案の分野は、バーナーに関する。
放射バーナーのようなバーナーは既知であり、通常は、例えば半導体又はフラットパネルディプレイ製造業で使用される製造プロセスからの排出ガスストリームを処理するのに使用される。このような製造工程中、プロセスツールからポンプ送給される排出ガスストリーム中には、残留ペルフルオロ化合物(PFC)及び他の化合物が存在する。PFCは排出ガスから除去するのが難しく、温室効果ガスとして知られているので、環境への放出は望ましくない。
既知の放射バーナーは、燃焼を使用して、排出ガスストリームからPFC及び他の化合物を除去する。典型的には、排出ガスストリームは、PFC及び他の化合物を含む窒素ストリームである。燃料及び酸素が排出ガスストリームと混合され、当該ガスストリーム混合物が、有孔のガスバーナーの出口面によって横方向に囲まれた燃焼チャンバに運ばれる。燃料ガス及び空気は、有孔バーナーに同時に供給され、出口面における燃焼に影響を与える。追加の燃料及び酸素の後続の燃焼により、PFCは高温の火炎を通過するときに分解される。
排出ガスストリームを処理するための技術は存在するが、これらには各々特有の欠点がある。従って、排出ガスストリームを処理するための改善された技術を提供することが望まれる。
第1の態様によれば、製造プロセスツールからの排出ストリームを処理するためのバーナーが提供され、バーナーは、排出ストリームを処理するための燃焼チャンバを定める螺旋状プレナムチャンバを含み、螺旋状プレナムチャンバは、燃焼反応物を搬送して燃焼チャンバ内での燃焼を維持するように構成される。
第1の態様は、既存のバーナーに付随する問題は、これらのバーナーからの熱損失が高くなる可能性があることであると認識している。このため、既存のバーナーは、バーナー内の排出ストリーム内の化合物を効果的に軽減するために、バーナー内の幾つかの場所で望ましい温度よりも更に高温で動作する必要がある。これらの高温は、このようなNOxに生成される望ましくない副生成物がもたらされる可能性がある。このため、バーナーを設けることができる。バーナーは、製造プロセスツールからの排出ストリームを処理することができる。バーナーは、螺旋状又はヘリカルプレナムチャンバを備えることができる。螺旋状プレナムチャンバは、排出ストリームを処理する燃焼チャンバを定めることができる。螺旋状プレナムチャンバは、燃焼反応物を燃焼チャンバに搬送し、燃焼チャンバ内での燃焼を維持することができる。このようにして、螺旋状プレナムは、燃焼チャンバ内からの熱損失を防ぐ一助となり、燃焼チャンバ内のより均一な温度分布を可能にして、これにより、そうでない場合に望ましくない燃焼副生成物の生成をもたらすことになる燃焼チャンバ内の局所的な高温の必要性を低減する。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、燃焼反応物を受け入れるための入口を有し、燃焼チャンバに搬送されるときに燃焼反応物を予熱するように構成される。螺旋状プレナムは、燃焼チャンバから失われた熱の一部を回収し、熱損失を低減し、また燃焼チャンバ内の温度を維持するのを助けるために、燃焼反応物を加熱するのに役立つ。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは複数の巻回を有する。巻数を増やすと、燃焼チャンバからの熱損失を低減し、燃焼反応物への熱伝達を増大させることができる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、ロール状の細長い平面シートから形成される。ロールシートを使用すると、螺旋状プレナムチャンバを生成するのに特に好都合である。
一実施形態では、燃焼チャンバの表面を定める螺旋状プレナムチャンバの少なくとも当該部分は、螺旋状プレナムチャンバの残りの部分とは異なる材料で作られている。異なる位置にて螺旋状プレナムチャンバを形成する材料を変えると、材料特性を環境に適合させるのに役立つ。詳細には、螺旋状プレナムの内側巻回及び燃焼チャンバの定義面を形成する当該部分には、耐薬品性及び/又は耐熱性の高い材料を提供することができる。次いで、螺旋状プレナムチャンバの残りの部分には、抵抗性の低い材料を使用できる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、燃焼反応物を燃焼チャンバに搬送するように構成された複数のアパーチャを定める。従って、螺旋状プレナムチャンバは、燃焼反応物がプレナムから燃焼チャンバに通過することができるアパーチャを有することができる。このことは、燃焼反応物を燃焼チャンバに送るための好都合な技術を提供する。
一実施形態では、複数のアパーチャは、燃焼チャンバの軸方向長さに沿って少なくとも部分的に延びるように配置されている。従って、燃焼チャンバ内の異なる場所に燃焼反応物を送るために、燃焼チャンバの長さに沿ってアパーチャを配置することができる。
一実施形態では、複数のアパーチャは、燃焼チャンバの軸方向の長さに少なくとも部分的に沿って延びる列又は螺旋の少なくとも1つに沿って延びるように配置される。従って、アパーチャは、直線状の列として及び/又は燃焼チャンバの周りに延びるヘリックス又は螺旋として整列させることができる。
一実施形態では、複数のアパーチャは、燃焼反応物を接線成分で燃焼チャンバに搬送するように配向されている。従って、これらアパーチャは、半径方向以外で燃焼反応物を送達し、燃焼チャンバの周りの燃焼反応物の流れを促進するようにする。これは、螺旋状プレナムチャンバの表面に近接する燃焼反応物の層を生成するのに役立ち、この層は、反応性化学物質が当該表面を損傷するのを防ぐのに役立つ。更に、燃焼チャンバが動作温度に達すると、燃焼反応物の無炎燃焼が発生する可能性がある。
一実施形態では、複数のアパーチャは異なるサイズを有する。従って、アパーチャのサイズは異なるようにし、燃焼チャンバ内の異なる場所に異なる量の燃焼反応物を送り、これらの場所で必要とされる条件に適合するようにすることができる。
一実施形態では、アパーチャは、螺旋状プレナムチャンバの1つの表面を螺旋状プレナムチャンバの隣接する表面と結合するように形成された肩部に配置される。肩部、リッジ、バー、又は細長い面を設けることは、これが螺旋状プレナムチャンバを終端させるのに役立つと共に、燃焼反応物を接線成分で燃焼チャンバに搬送するためにアパーチャを配置するため適切に配向された表面を提供するので、特に好都合である。
一実施形態では、複数のアパーチャは、アパーチャのグループを形成し、螺旋状プレナムチャンバは、アパーチャの複数のグループを含み、各グループは、燃焼チャンバの異なる円周方向位置に配置される。従って、燃焼反応物を燃焼チャンバ内でより均一に送るのを助けるために、アパーチャの2以上のセットを設けることができる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、第2の燃焼反応物を燃焼チャンバに搬送するように構成された第2の複数のアパーチャを備える。従って、異なる燃焼反応物は、アパーチャの異なるセットを使用して燃焼チャンバに送ることができる。異なるアパーチャを設けることは、燃焼チャンバに送られる前に反応性燃焼反応物を分離するのに役立つ。
一実施形態では、第2の複数のアパーチャは、複数のアパーチャと並置されている。従って、異なる燃焼反応物を燃焼チャンバ内の同じ場所に送るために、アパーチャの2つのセットを共に配置することができる。
一実施形態では、第2の複数のアパーチャは異なるサイズを有する。この場合も同様に、アパーチャのサイズは異なるようにし、燃焼チャンバ内の異なる場所に異なる量の燃焼反応物を送り、これらの場所で必要とされる条件に適合するようにすることができる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、第2の燃焼反応物を第2の複数のアパーチャに搬送するように構成された少なくとも1つの第2のプレナムを定める。従って、燃焼チャンバに送られる前に燃焼反応物が予混合されるのを防ぐために、更に別個の又は隔離されたプレナムを設けることができる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、螺旋状プレナムチャンバ内に同心状に配置され、アパーチャを定める内側スリーブを備える。従って、螺旋状プレナムチャンバは、構造を単純にするために、燃焼反応物が燃焼チャンバに入る内部スリーブを備えることができる。
一実施形態では、螺旋状プレナムチャンバは、螺旋状プレナムチャンバ内に同心状に配置され、アパーチャを定める内側スリーブを備える。従って、螺旋状プレナムチャンバは、構造を単純にするために、燃焼反応物が燃焼チャンバに入る内部スリーブを備えることができる。
更に特定の好ましい態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、必要に応じて及び請求項に明示的に記載されているもの以外の組み合わせで、独立請求項の特徴と組み合わせることができる。
装置の特徴が機能を提供するよう動作可能と記載された場合、この記載は、当該機能を提供し、又は当該機能を提供するように適応又は構成された装置の特徴を含むことを理解されたい。
次に、本考案の実施形態について、添付図面を参照しながら更に説明する。
一実施形態による螺旋状プレナムチャンバを例示した図である。 一実施形態による螺旋状プレナムチャンバを例示した図である。 一実施形態による螺旋状プレナムチャンバを例示した図である。 螺旋状プレナムチャンバの一方の開放端に取り付けられた上部プレートを示す図である。 上部プレートの内部レイアウトをより詳細に示した図である。 螺旋状プレナムチャンバの肩部の代替の配置を示す図である。
実施形態を更に詳細に議論する前に、最初に概要が提供される。一実施形態は、燃焼チャンバを取り囲む螺旋状又はヘリックスのプレナムを提供する。プレナムは、燃焼チャンバを隔離し、燃焼チャンバに供給される燃焼反応物を予熱するのに役立つ。これは、燃焼チャンバからの熱損失を低減し、燃焼チャンバ内の温度変化を軽減するのに役立つ。これは、燃焼チャンバ内のピーク温度を低下させながら、燃焼チャンバ内の平均温度を上昇させるのに役立つ。これは、望ましくない燃焼副生成物の量を低減しながら、燃焼チャンバの除害効率を高めるのに役立つ。
螺旋状プレナム
図1から図3は、一実施形態による螺旋状プレナムチャンバ10を示している。螺旋状プレナムチャンバ10は、単一のシートを複数の巻回の螺旋状又はヘリックス状にロールすることにより形成される。本実施形態では、シートは、5巻の巻回を有するようにロールされる。これは、螺旋状プレナムチャンバ10に、外面60、内面70、巻回壁75、及び連続螺旋又はヘリックスプレナム80を提供する。この実施形態では、内面70を形成するのに使用されるシートの当該セクションは、巻回壁75及び外面を形成するシートの残りの部分で使用される材料よりも化学的攻撃に対してより耐性があり且つ熱に対してより耐性がある材料で作られている。
螺旋は、燃焼チャンバ20の軸方向長さに沿って延びる肩部40A、40Bのペアで終端する。肩部40A、40Bは、螺旋状プレナムチャンバ10の内面70上の円周方向に反対の位置に配置されている。図3で分かるように、肩部40A、40Bは、複数の出口50を定める。これらの出口50は、燃焼チャンバ内20内の燃焼条件を変えるために、異なるサイズ及び位置を有することができる。肩部40A、40Bは直線状に配置されているが、これらは、ねじ山と同様に内面70の周りに螺旋状になるヘリックスとして形成できることが解る。
入口30は、外面60に定められている。従って、入口30は、螺旋状プレナム80の4回の巻回を介して出口50と流体連通している。
動作中、燃焼反応物(この例では、空気などの酸化剤)は、入口30を通して提供され、螺旋状プレナム80の巻回を通って運ばれ、その後、肩部40A、40Bの出口50から排出されて、燃焼チャンバ20内での燃料の燃焼を維持する。複数の巻回の存在は、熱損失を低減することによって燃焼チャンバ20を隔離するのに役立つ。また、螺旋状プレナムを流れる燃焼反応物が予熱される。これは、燃焼チャンバ20内の温度を上昇させ、また温度変動を低減する(温度の均一性を高める)のに役立つ。これは、燃焼チャンバ20内のより高い平均温度が、他の場合にはNOxなどの望ましくない副生成物の生成を引き起こすことになる局所的な温度変動の上昇が少ない状態で達成できることを意味する。また、平均温度が高いほど、燃焼チャンバ20の除害効果が高まる。
出口50の向きは、空気を接線方向Aで燃焼チャンバ20に注入する。これは、燃焼チャンバ内20内に渦を発生させて、燃焼チャンバ内のガスの混合を改善し、温度変動を更に低減するのに役立つ。また、燃焼チャンバ20内の動作温度が上昇すると、無炎燃焼が発生する。更に、方向Aでの空気の流れは、燃焼チャンバ内20内の反応性化学物質が内面70と相互作用するのを防ぐのに役立つ。
上部プレート
図4は、螺旋状プレナムチャンバ10の一方の開放端に取り付けられた上部プレート90を示している。上部プレート90は、第2の燃焼反応物が提供される複数の入口100を備えている。この例では、燃料は、入口100に供給される。燃料は、燃焼チャンバ20に搬送され、出口50から供給される空気と混合及び燃焼する。上部プレート90は、処理される排出ストリームが提供される複数の入口105を備えている。パイロット110は、燃焼チャンバ20内の燃焼を開始及び監視するために提供される。
図5は、上部プレート90’の一実施形態の内部レイアウト(明快にするために全体の4分の1)をより詳細に示している。図に示すように、入口120、105は、上部プレート90内に形成された導管130を介して上部プレート90の下方で出口125と連通している。導管130は、燃焼反応物が入口120、105から出口125に流れるときに燃焼反応物を予熱し、上部プレート90を冷却して熱損失を低減するのを助ける迷路を形成する。
同一場所への供給
図6は、肩部40’の代替の配置を示している。この実施形態では、肩部40’は、出口125によって提供される別個のプレナム140を備えている。別個のプレナム140は、肩部40’の長さに沿って同様に分散された第2の複数のアパーチャ150を提供する。この配置は、燃焼チャンバ内20内で接線方向に燃料と空気の両方を共に供給する。また、燃料空気は、燃焼チャンバ20に送られる前に分離されたままであり、これにより逆火を防止し、安全性が高められる。
従って、PFC(ペルフルオロ化合物)又は他の化合物のための除害システムの燃料流量要件を低減するための実施形態。この熱シールド/熱交換器の配置は、除害システムからの熱損失を低減すると同時に、更にフッ素及びフッ化水素を含むPFCなどの化合物の分解生成物の腐食作用から除害システムの内壁を保護する。
このような手法は、高い燃料流量要件、高いNOx排出量及び腐食の問題を含む、複数の問題に悩まされる傾向がある既存のPFC除害システムに関する問題を軽減する。
複数のPFC除害システムの性能の分析は、高い燃料流量要件の主な原因は、高温での極めて短い滞留時間の使用と燃焼環境からの単純な熱損失との組み合わせであることを示唆している。これは、実施形態において、熱損失を低減し滞留時間を増加させることによって対処される。しかしながら、これは他の幾つかの問題につながり、特に、熱損失を最小限に抑えながら、化学的に積極的燃焼環境を堅牢なチャンバに閉じ込めることである。
PFCの分解により、フッ素及びフッ化水素を含む多くの反応性の高い種の形成がもたらされ、これらは、燃焼温度では、ほとんど全ての構成材料に対して極めて腐食性がある。この問題は、燃焼システムの壁から離れた場所でPFCの分解を実行することによって軽減され、これにより、壁での反応種の濃度が減少し、腐食が止まらない場合でも遅くなる。
上記の実施形態は、幾つかの機能を提供する。螺旋状プレナムチャンバ10は、燃焼チャンバ20の垂直壁を形成し、ここでは燃焼燃料/空気混合物と、除害されることになるガスを含むガス流とが混合される。螺旋状プレナムチャンバ10は、燃焼チャンバ20の内壁を冷却する方法を提供し、入口30を介して供給される流入燃焼空気を予熱し、これにより燃焼システムの効率を改善する。螺旋状の壁は、流入する空気を同時に予熱しながら燃焼チャンバ20からの熱損失を低減する、強化された伝熱面積を提供する。壁の螺旋形状と螺旋状の空気流により強い温度勾配が生じ、システムの外面の温度が内壁表面温度よりも大幅に低くなる。螺旋が転回するたびに、螺旋金属加工物の温度が最外表面に向かって低下し、これにより、燃焼チャンバ温度でかなりの量になる可能性がある放射伝達による熱損失が減少する。
燃焼チャンバ20の内壁70は、高ニッケル合金などの耐食性材料で構成され、他方、外壁は、SS304、SS316、又はSS310などの従来のステンレス鋼で構成することができる。
複数の出口50は、燃焼チャンバ20内に急激に回転するガス流を誘起し、これは、1)反応種を内壁70から掃引すること;及び
2)燃焼生成物の十分な再循環を提供して、燃焼が無炎燃焼レジームに入り、高温の火炎面が消失してより均質な反応ガス混合物に置き換わるようにする、
ために使用される。無炎燃焼を使用することで、従来の火炎に通常見られるピーク温度の低下によるNOxエミッションを大幅に削減する。
垂直面上の複数の出口50の位置のばらつきは、燃料/空気比が燃焼チャンバ20の軸方向範囲に沿って最適化できるように、燃焼チャンバ20内の空気を分散する方法を提供する。例えば、燃焼チャンバ20の最上部に向けて比較的制限された空気の供給を提供すると、燃焼が燃料リッチ状態になり、過剰な温度が制限され、次いで、過剰空気(酸素)を燃焼チャンバの最下部に向けて提供して、燃料の残り及び燃焼生成物を「燃やし尽くし」て、CO及び他のPIC(不完全燃焼生成物)などの他のエミッションを削減するようにする。
燃焼チャンバ20の上壁又は上部プレート90は、燃料及び除害される廃ガスを燃焼チャンバに供給する複数のパイプを有する。燃料及び廃ガスの両方のピッチ直径及び入口の数は、燃焼を最適化するために変更することができ、このことは、廃ガス入口と同心のランス又は廃ガス入口と同心の環状チャネルを通じた燃料の噴射を含む。
燃焼を開始し、また火炎イオン化信号を介して燃焼を監視するのにも使用されるパイロット火炎装置も提供される。
燃焼チャンバ20の上部プレート90又は上壁の一実施形態は、燃焼チャンバ20に入る前に冷却通路の迷路に送り込み、従って上壁を冷却して燃料を予熱する燃料供給パイプを有する。
一実施形態では、燃料は、燃料レール又は肩部を介して供給され、空気孔と平行に複数の孔を通して噴射される。
熱シールド/空気予熱器の螺旋形状は、螺旋状金属の連続的な性質により、その長さに沿った伝導と、他の場合には逃げることになる熱を流入空気が吸収できる表面積の拡大を可能にするので、大きな利点を提供する。複数の巻回を有するので、螺旋の最外部分は、最も冷たい空気で冷却され、2流体ストリーム熱交換器を効率的な対向流方式で動作させる場合に、予熱される空気と金属表面との間の温度差がほぼ同じに維持されるようになる。更に、これにより、螺旋の転回のたびに最外壁の効果的な冷却が確保されるので、放射熱伝達を低減するのに役立つ。
上記で概説したように、空気孔の位置を変化させて、燃焼チャンバ20の酸素濃度プロファイルを変更することができる。また、燃料とプロセスガスの入口の位置を変えて、性能を最適化することができる。別の実施形態では、燃料供給は、燃焼チャンバ20に入る前に迷路を通過する。一実施形態では、燃料は、燃料レールを介して燃焼チャンバ20に噴射される。
本考案の例示的な実施形態について、添付図面を参照しながら本明細書で詳細に開示したが、本考案は、厳密な実施形態に限定されず、添付の実用新案登録請求の範囲及びこれらの均等によって定められる本考案の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な変更及び修正を行うことができることは理解される。
10 螺旋状プレナムチャンバ
20 燃焼チャンバ
30、100、105、120 入口
40A、40B、40’ 肩部
50、125 出口
60 外面
70 内面
75 巻回壁
80 螺旋状プレナム
90、90’ 上部プレート
110 パイロット
130 導管
140 プレナム
150 アパーチャ

Claims (15)

  1. 製造プロセスツールからの排出ストリームを処理するためのバーナーであって、
    前記排出ストリームを処理するための燃焼チャンバを定める螺旋状プレナムチャンバを備え、
    前記螺旋状プレナムチャンバが、燃焼反応物を搬送して前記燃焼チャンバ内での燃焼を維持するように構成されている、
    ことを特徴とするバーナー。
  2. 前記螺旋状プレナムチャンバは、前記燃焼反応物を受け入れる入口を有し、前記燃焼反応物が前記燃焼チャンバに搬送されたとき、前記燃焼反応物を予熱するように構成されている、
    請求項1に記載のバーナー。
  3. 前記燃焼チャンバの表面を定める前記螺旋状プレナムチャンバの少なくとも当該部分が、前記螺旋状プレナムチャンバの残りの部分とは異なる材料で作られている、
    請求項1又は2に記載のバーナー。
  4. 前記螺旋状プレナムチャンバが、前記燃焼反応物を前記燃焼チャンバに搬送するように構成された複数のアパーチャを定める、
    請求項1~3の何れか1項に記載のバーナー。
  5. 前記複数のアパーチャが、前記燃焼チャンバの軸線方向長さに沿って少なくとも部分的に延びるように配置されている、
    請求項4に記載のバーナー。
  6. 前記複数のアパーチャが、前記燃焼チャンバの前記軸方向長さに沿って少なくとも部分的に延びる列及び螺旋のうちの少なくとも1つに沿って延びるように配置されている、
    請求項4又は5に記載のバーナー。
  7. 前記複数のアパーチャが、前記燃焼反応物を接線成分で前記燃焼チャンバに搬送するように配向されている、
    請求項4~6の何れか1項に記載のバーナー。
  8. 前記複数のアパーチャが、前記螺旋プレナムチャンバの1つの表面を前記螺旋プレナムチャンバの隣接する表面と結合するように形成された肩部に配置される、
    請求項4~7の何れか1項に記載のバーナー。
  9. 前記複数のアパーチャがアパーチャのグループを形成し、前記アパーチャの複数のグループを備え、前記各グループが、前記燃焼チャンバの異なる円周方向位置に配置されている、
    請求項4~8の何れか1項に記載のバーナー。
  10. 前記燃焼反応物を前記燃焼チャンバに搬送するように構成された第2の複数のアパーチャを備えている、
    請求項1~9の何れか1項に記載のバーナー。
  11. 前記第2の複数のアパーチャが、前記複数のアパーチャと並置される、請求項10に記載のバーナー。
  12. 前記第2の複数のアパーチャが異なるサイズを有する、
    請求項10又は11に記載のバーナー。
  13. 前記螺旋プレナムチャンバは、前記第2の燃焼反応物を前記第2の複数のアパーチャに搬送するように構成された少なくとも1つの第2のプレナムを定める、
    請求項10~12の何れか1項に記載のバーナー。
  14. 前記螺旋プレナムチャンバ内に同心状に配置され、前記アパーチャを定める内側スリーブを備えている、
    請求項4~13の何れか1項に記載のバーナー。
  15. 前記螺旋プレナムチャンバと結合して前記燃焼チャンバを定める上部プレートを備え、前記上部プレートは、前記第2の燃焼反応物を受け入れるための上部プレート入口を有し、前記燃焼チャンバに搬送されたときに前記第2の燃焼反応物を予熱するように構成された導管を定めている、
    請求項1~14の何れか1項に記載のバーナー。
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