JP3686762B2 - 水分発生用反応炉 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として半導体製造装置に於いて利用される水分発生用反応炉の改良に係り、水素への着火や逆火、白金コーティング触媒層の剥離等の発生を完全に防止して、安全性を大幅に高めた水分発生用反応炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造に於けるシリコンへの酸化膜付けには、少なくとも１０００ＳＣＣＭ（標準状態において１０００ｃｃ／ｍｉｎ）の流量の高純度水分を必要とする。
これ等の用途に供するため、本願発明者等は先きに図５に示す様な構成の水分発生用反応炉を開発し、特願平９−１０９９８９号としてこれを公開している。
即ち、図５に於いてＡは反応炉本体、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３は入口側内部空間、４は出口側内部空間、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、７は金属フィルター、８は白金コーティング触媒層であり、また、前記白金コーティング触媒層８は、図６に示すように、出口側炉本体部材２の内表面にＴｉＮ等のバリヤー皮膜８ａを設け、その上に、更に白金コーティング皮膜８ｂを積層固着することにより形成されている。
【０００３】
水分の発生に際しては、ガス供給口１ａから予かじめ所定の混合率で混合されたＨ2 とＯ2 の混合ガスＧを反応炉本体Ａ内へ供給する。反応炉本体Ａの入口側内部空間３内へ供給された混合ガスＧは、入口側反射体５及び金属フィルター７によって拡散され、出口側内部空間４内へ流入して白金コーティング皮膜８ｂと接触することにより、Ｏ2 及びＨ2 の反応性が活性化される。
【０００４】
白金コーティング皮膜８ｂとの接触により活性化されたＨ2 とＯ2 とは、約４００℃〜５００℃前後の高温下で反応をし、水分ガス（水蒸気）に転換される。また、発生した水分ガス（水蒸気）は、出口側反射体１２と出口側炉本体部材２の内壁面との間隙Ｌを通って、水分ガス取出口２ａから半導体製造用のプロセスチャンバー（図示省略）等へ供給されて行く。
尚、高温下でＯ2 とＨ2 とを反応させる水分反応炉本体Ａは、その内部空間３・４内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの発火温度以下の温度に保持することにより、Ｈ2 とＯ2 の爆発的な燃焼反応を防止つつ適宜の速度で両者を反応させ、所要流量の水分ガスを発生する。
【０００５】
上記図５の反応炉本体Ａは、所望流量の高純度水分を極く小形の反応炉本体でもって連続的に、しかも高反応率の下で簡便に発生させることができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、図５のような構成の水分発生炉にも未だ解決すべき多くの問題が残されており、その中でも特に解決を急ぐ問題は、Ｈ2 への着火やガス供給口１ａからの逆火をより完全に防止すると共に、局部的な温度の上昇による白金コーティング触媒層８の部分的な剥離・脱落を皆無にすると云う点である。
【０００６】
上述したように、水分発生用反応炉本体Ａの内部空間内の温度は、Ｈ2 又はＨ2 含有ガスの最低限界着火温度（約５６０℃、Ｈ2 とＯ2 の混合率に応じて限界着火温度は約５６０℃より上昇する）よりも相当に低い約４５０℃〜５００℃の温度に保持されており、Ｈ2 とＯ2 の爆発的な燃焼反応は抑制されるようになっている。
しかし、水分発生用反応炉Ａの内部空間３・４側の温度を常に完全に前記限界着火温度以下の値に保持することは、現実にはなかなか困難なことであり、入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２等の内壁面の温度が、何等かの原因で局部的に限界着火温度以上に上昇することがある。
【０００７】
尚、万一、前記入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２の内壁面温度が局部的に限界着火温度以上に上昇したとしても、常にＯ2 とＨ2 との爆発的な燃焼反応が起って逆火を生ずるとは限らず、一般的には着火や逆火を生じないケースが多いが、混合ガスＧ内のＨ2 濃度が特に高い場合には、稀にＨ2 への着火或いは逆火を生ずることがある。
【０００８】
前記Ｈ2 への着火や逆火を生ずる原因、即ち両炉本体部材１・２や金属フィルター７等の局部的で且つ急激な温度上昇を生ずる原因は、不明であって未だ十分にその原因は特定されていない。
しかし、本願発明者等はこれまでの水分発生用反応炉の製造並びに使用の経験からして、反応炉本体Ａを構成する入口側炉本体部材１の内壁面（ガス供給口１ａ側の炉本体部材の内壁面）や入口側反射体５、出口側反射体１２、金属フィルター７等の外表面の金属触媒作用により、混合ガスＧ内のＨ2 とＯ2 が活性化され、前記内壁面等に局部的で且つ急激な温度上昇を生じたことが、Ｈ2 への着火の第１原因であると想定している。
【０００９】
即ち、入口側炉本体部材１や両反射体５・１２、金属フィルター７等は全てステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されている。そして、これ等各部材の外表面は、通常自然に形成された各種金属の酸化物皮膜や不働態皮膜によって覆われており、これによってステンレス鋼外表面が本来保持している所謂触媒活性は、抑制されている。
ところが、約４５０℃〜５００℃程度の高温下でＨ2 濃度の高い混合ガスＧ中に、前記酸化物皮膜や不働態皮膜が長時間晒されると、酸化物皮膜等がステンレス鋼表面から剥離脱落あるいは還元されて金属外表面が局部的に露出される。その結果、ステンレス鋼外表面の金属触媒活性が発揮され、Ｏ2 とＨ2 との反応が局部的に急速且つ高密度で進行し、これによって反応炉本体Ａの内部空間３・４内の白金コーティング触媒層８を設けた部分以外の局部の表面温度が、Ｈ2 （又はＨ2 含有ガス）の着火限界温度以上に上昇したものと想定される。
【００１０】
一方、一般的に出口側反応炉本体２の白金コーティング触媒層８を設けた内壁面の温度は、本体２の中心部ほど高温になり易く、特に、Ｎ2 希釈等により混合ガスＧの流速及び流量を増して使用する場合には、出口側反射体１２の外周から中心寄りの部分の温度が一層上昇することが判っている。
従って、もしも着火又は逆火を生ずる原因が白金コーティング触媒層８を設けた出口側炉本体部材２の内壁面側にあるとすれば、それは、出口側反射体１２の外周縁部と対向する白金コーティング触媒層８の部分に於いて、隙間Ｌ内への混合ガスＧの流入量が急増することによりＨ2 とＯ2 との反応がより活発となり、これによって内壁面の温度が局部的に急上昇して限界着火温度に達し、Ｈ2 への着火や或いは白金コーティング触媒層８の部分的な剥離を生じたものと想定される。
【００１１】
尚、前記反応炉本体Ａの内部空間３・４内の局部的な温度上昇を防止するためには、反応炉本体Ａ自体を大形化してその熱容量を増大させると共に、放熱又は冷却装置を設けて反応炉本体Ａの冷却性能の強化を図るのが通常の方策である。
しかし、半導体製造装置は一般にクリーンルーム内に設置されるものであり、その設置スペースを大きく取ることは困難である。そのため、半導体製造装置に付随する水分発生用反応炉もその小型化に対する要求が特に厳しく、反応炉本体Ａの大型化や冷却装置の増強を以って、上述の如き水分発生用反応炉の内部に於ける局部的な温度上昇や温度上昇による白金コーティング触媒層８の剥離を防止しようとする方策は、現実的に採用が不可能な状態にある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の水分発生用反応炉に於ける上述のような問題、即ち反応炉本体Ａを構成する入口側及び出口側炉本体部材１・２の内部空間内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの限界着火温度よりも相当に低い温度に保持していても、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを使用している場合には、水分の発生中にＨ2 への着火又は逆火や白金コーティング触媒層８の部分的な剥離を生ずることがあると云う問題を解決せんとするものであり、反応炉本体Ａを大形化してその熱容量の増大を図ったり、或いは反応炉本体Ａの冷却装置を大形化してその冷能力を大幅に高めるような方策によらず、極く小形の水分発生用反応炉でもって反応炉内の構造を改変することにより、水分発生用反応炉の運転中に於けるＨ2 への着火や逆火、白金コーティング触媒層８の剥離の発生を完全に防止できるようにした、水分発生用反応炉を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、従前の水分発生用反応炉に於けるＨ2 への着火や逆火の発生原因を究明する過程を通して、前記着火や逆火を生ずる原因が「反応炉本体の内部空間側の金属外表面に形成されていた酸化物皮膜等の剥離脱落により、金属表面の触媒活性が発揮され、この金属表面の触媒活性によってＯ2 とＨ2 の反応が局部的に急激にしかも高密度で進行し、金属表面の温度が部分的にＨ2 含有ガスの限界着火温度以上に上昇したことによるか、又は出口側反射体１２の外周縁部近傍と対向する位置の白金コーティング触媒層８の温度が、局部的に限界着火温度以上に上昇したことによる。」ことを、知得した。
【００１４】
本発明は、本願発明者等の上記知見に基づいて創作されたものであり、請求項１の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内にガス供給口と対向状に配設した入口側反射体と、前記内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した出口側反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成すると共に、前記入口側反射体及び出口側反射体を、前記炉本体部材の窪部の内径よりも小径で且つその外周端縁部の炉本体部材の底面と対向する側にテーパー部を形成した構成とし、当該入口側反射体及び出口側反射体を入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材へ夫々の底面と隙間を保持した状態で対称状に固定したことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記入口側炉本体部材と入口側反射体と出口側反射体とを、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにしたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ 2 Ｏ 3 、Ｃｒ 2 Ｏ 3 、ＳｉＯ 2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにしたものである。
【００１７】
請求項４の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した１枚の反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成し、また、前記反射体の外径を窪部の内径より小さく形成すると共に、当該反射体の外周端縁部の出口側炉本体部材へその底面と対向する側にテーパー部を形成し、更に、当該反射体を出口側炉本体部材へその底面と隙間を保持した状態で固定したことを発明の基本構成とするものである。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材と反射体とを水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにしたものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項４又は請求項５の発明において、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉の断面図である。図１に於いてＡは反応炉本体、Ｖは内部空間、Ｌは隙間、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９・１０・１１はバリヤー皮膜である。尚、図では省略されているが、固定ボルト１３・１４及びスペーサー１３ａ・１４ａの外表面にもバリヤー皮膜が形成されている。
【００２５】
本発明に係る水分発生用反応炉本体Ａはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを気密状に連結することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の窪部が設けられており、ガス供給口１ａが窪部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の窪部が設けられており、水分ガス取出口２ａが窪部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の内側外周端面にはフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を気密状に溶接１５することにより、水分発生用反応炉本体Ａが構成されている。
尚、本実施形態では、両炉本体部材１・２の窪部の底面を平面状としているが、これを球面状の底面としてもよいことは勿論である。
【００２６】
前記入口側反射体５は円形の盤状体であり、その中心点を入口側炉本体部材１のガス供給口１ａと対向するように位置せしめ、炉本体部材１の底面との間に隙間Ｌをおいて固定用ボルト１４により炉本体部材１へ固定されている。尚、当該入口側反射体５はステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は窪部の内径よりもやや小径に設定されている。
同様に、前記出口側反射体１２は、入口側反射体５とほぼ同形状に形成されており、その中心点を出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａと対向するように位置せしめ炉本体部材２との間に隙間Ｌをおいて固定用ボルト１３により炉本体部材２へ固定されている。
【００２７】
尚、入口側反射体５及び出口側反射体１２の各炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図１に示すように適宜の傾斜角αのテーパー面に仕上げられている。入口側反射体５にあっては、当該傾斜角αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ拡散された状態で放出されるからであり、また出口側反射体１２にあっては、反射体１２と白金コーティング触媒層８との距離が一定である場合には、反射体の外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層８の近傍に発熱が集中するため、隙間Ｌを徐々に狭まくなる形態とすることにより前記局部的に集中する発熱が防止されるからである。
又、本実施形態では両反射体５・１２を固定ボルト１３・１４により固定するようにしているが、適宜の支持片（図示省略）を介設して炉本体部材側へ夫々溶接により固定するようにしてもよい。尚、本実施形態では、固定ボルト１３・１４の頭部が締め込み後にスポット溶接され、所謂緩み止め処理が行なわれている。
【００２８】
ガス供給口１ａを通して入口側反射体５へ向けて噴射されたガスは、反射体５の表面へ衝突したあと、隙間Ｌを通して矢印方向に噴射され、内部空間Ｖ内で拡散される。また、内部空間Ｖ内へ噴射されたガスは、白金コーティング触媒層８へ衝突接触し、これにより所謂触媒活性化されると共に、出口側反射体１２と白金コーティング触媒層８との隙間Ｌを通して水分ガス取出口２ａの方向に流入する。
更に、前記白金コーティング触媒層８への衝突接触や隙間Ｌを通過する間にこれと接触することにより活性化されたＨ2 とＯ2 とは、所謂非燃焼の状態下で反応をし、水が生成される。
そして、生成された水分ガスは、出口側反射体１２と白金コーティング触媒層８との隙間Ｌを通して水分ガス取出口２ａへ導出されて行く。
【００２９】
前記白金コーティング触媒層８はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域に形成されており、図２に示す如く炉本体部材２の内表面にＴｉＮ製のバリヤー皮膜８ａを形成したあと、当該バリヤー皮膜８ａの上に白金コーティング皮膜８ｂが形成されており、前記バリヤー皮膜８ａと白金コーティング皮膜８ｂとによって本発明に係る白金コーティング触媒層８が構成されている。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ位いが適当であり、本実施態様に於いては約１μｍの厚さの白金コーティング皮膜８ｂが形成されている。また、バリヤー皮膜８ａの厚さは０．１μｍ〜５μｍ程度が最適であり、本実施態様では約２μｍの厚さのＴｉＮ製のバリヤー皮膜が形成されている。
【００３０】
本発明の実施形態に於いては、白金コーティング触媒層８を形成する出口側炉本体部材２だけでなく、入口側炉本体部材１の内表面や両反射体５・１２の外表面にもＴｉＮ製のバリヤー皮膜９・１０・１１が形成されている。図３は入口側炉本体部材１の内表面のバリヤー皮膜９の形成状態を示すものである。
即ち、各バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成に際しては、先ず、出口側炉本体部材２等の内表面に適宜の表面処理を施し、ステンレス鋼表面に自然形成されている各種金属の酸化膜や不働態膜を除去する。次に各部材にＴｉＮによるバリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成を行なう。本実施態様に於いてはイオンプレーティング工法により厚さ約２μｍのＴｉＮ製バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１を形成している。
【００３１】
前記バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の材質としてはＴｉＮの外にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等を使用することが可能である。非触媒性であり、しかも耐還元性及び酸化性に優れているからである。
また、バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の厚さは前述の通り０．１μｍ〜５μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下であると、バリヤー機能が十分に発揮されず、また逆に、厚さが５μｍを越えるとバリヤー皮膜そのものの形成に手数がかかるうえ、加熱時の膨張差等が原因となってバリヤー皮膜の剥離等を生ずる虞れがあるからである。
更に、バリヤー皮膜の形成方法としては、前記イオンプレーティング工法以外に、イオンスパッタリング法や真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いることも可能である。
【００３２】
前記出口側炉本体部材２の方は、バリヤー皮膜８ａの形成が終わると、引き続きその上に白金コーティング皮膜８ｂを形成する。本実施態様に於いては、イオンプレーティング工法により厚さ約１μｍの白金コーティング皮膜８ｂを形成している。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下の場合には、長期に亘って触媒活性を発揮することが困難となり、また逆に、厚さが３μｍ以上になると、白金コーティング皮膜８ｂの形成費が高騰するうえ、３μｍ以上の厚さにしても触媒活性度やその保持期間にほとんど差がなく、しかも加熱時に膨張差等によって剥離を生ずる虞れがあるからである。
また、白金コーティング皮膜８ｂの形成方法は、イオンプレーティング工法以外にイオンスパッタリング法、真空蒸着法、化学蒸着法、ホットプレス法等が使用可能であり、更に、バリヤー皮膜８ａがＴｉＮ等の導電性のある物質の時にはメッキ法も使用可能である。
【００３３】
上記図１乃至図３に示した本発明の第１実施形態に於いて、入口側炉本体部材１の内表面や入口側反射体５の外表面、出口側反射体１２の外表面に夫々バリヤー皮膜９・１０・１１を形成するのは、前述の通り、各部材１・５・１２の金属外表面が触媒作用の機能を果さないようにするためである。
このよううな観点からすれば、入口側炉本体部材１、入口側反射体５及び出口側反射体１２等を非触媒性で且つ耐還元性を有する材質で形成するようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態に係る水分発生用反応炉を説明する。
当該第２実施形態に於いては、図１に示した第１実施形態における入口側炉本体１と両反射体５・１２を形成する素材に、例えば鉄−クロム−アルミ合金やアルミ合金等のＨ2 やＯ2 に対して所謂触媒活性を有しない材質の素材が使用されている。従って、白金コーティング触媒層８を設けた部分以外では、Ｈ2 やＯ2 が水分の発生中に活性化されることは無く、Ｏ2 とＨ2 の反応による局部的な温度上昇も起らない。
【００３５】
尚、当該第２実施形態の一例として、入口側及び出口側反射体５・１２は、厚さ約２ｍｍの鉄−クロム−アルミ合金を用いて円形に形成されている。
また、入口側反射体５及び出口側反射体１２は、入口側炉本体部材１のガス供給口１ａ及び出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａを中心としてこれに対向状に配置され、約１ｍｍの隙間Ｌを保持した状態で取付ボルト１３・１４により、各炉本体部材１・２の内側面へ固定されている。
【００３６】
入口側炉本体部材１や両反射体５・１２、にステンレス鋼やニッケル合金鋼、ニッケル鋼以外の金属表面の触媒活性を有しない金属（例えば鉄−クロム−アルミ合金）を使用した場合には、これ等の外表面に内部ガスや内部金属組成材の外部への放出を防止するための適宜の表面処理を施す方が望ましい。
また、前記表面処理としては、例えば図１の第１実施形態に於いて使用したＴｉＮ等の非触媒性であり且つ耐食性、耐還元性及び耐酸化性に優れたバリヤー皮膜を形成するようにしてもよい。
【００３７】
図４は本発明の第３実施形態に係る水分発生用反応炉の縦断面図を示すものである。当該第２実施態様に於いては、反応炉本体Ａの内部空間Ｖ内に厚板状の１枚の反射体１７が、ボルト１３・１４によって出口側炉本体部材２側に固定されており、１枚の反射体１７を用いた点を除いて、その他の構成は図１に示した第１実施態様の場合とほぼ同一である。
【００３８】
当該図４に於いて、１８はシース型温度計の取付用孔であり、入口側炉本体部材１内へシース型温度計（図示省略）が挿入されている。
また、図４に於いて８は白金コーティング触媒層であり、出口側炉本体部材２の内壁面に形成されている。
更に、入口側炉本体部材１及び反射体１７等の外表面には、ＴｉＮ等のバリヤー皮膜９・１９が形成されている。尚、図４では、入口側炉本体部材１の内壁面をＴｉＮ等のバリヤー皮膜９でコーティングしているが、その上に白金コーティング皮膜８ｂを形成して、白金コーティング触媒層８にすることも可能である。
【００３９】
前記反射体１７は比較的厚さの大きな材料でもって、内部空間Ｖの内径より僅かに小さな外形を有する円盤形に形成されており、その外周端部の出口側炉本体部材２の内壁面に対向する側面は、角度αのテーパー面に形成されている。
尚、図４に於いては炉本体部材１・２及び反射体１７をステンレス鋼により形成し、入口側炉本体部材１の内壁面と反射体１７の外表面にバリヤー皮膜９・１９を形成するようにしているが、入口側炉本体部材１及び反射体１７を非触媒性で耐還元性の素材でもって形成してもよいことは、前記第２実施形態の場合と同じである。
【００４０】
当該第３実施形態の発応炉本体Ａでは、Ｈ2 ガスへの着火や逆火を完全に防止することができるだけでなく、反射体１７の熱容量が大きくなることにより、白金コーティング触媒層８の中央部分の過度な温度上昇をより有効に防止することができるうえ、反応炉本体Ａの内部空間の容積（即ち、デッドゾーン）の減少を図ることができ好都合である。
【００４１】
【実施例１】
図１の第１実施形態に於いて、反応炉本体Ａの外径１１４ｍｍφ、厚さ３４ｍｍφ、内部空間Ｖの厚さ１４ｍｍ、内部空間Ｖの内径１０８ｍｍφ、入口側反射体５及び出口側反射体１２の外径８０ｍｍφ、厚さ２ｍｍ、隙間Ｌの大きさ１ｍｍ、テーパ面の長さ１０ｍｍ、白金コーティング触媒層８（ＴｉＮバリヤー皮膜５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜０．３μｍ）、入口側炉本体部材１及び両反射体５・１２のバリヤー皮膜９・１９をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
Ｈ2 ２０％リッチの混合ガスＧを原料とし、且つシース型温度計（図示省略）の温度（合計４ケ所）が４５０℃〜５００℃の条件下で１００時間以上の連続水分発生（水分発生量１０００ｓｃｃｍ）を行ったが、Ｈ2 ガスへの着火や逆火は及び白金コーティング触媒層８の剥離等は皆無であった。
【００４２】
【実施例２】
図４の第３実施形態に於いて反応炉本体Ａの外径１１４ｍｍφ、厚さ３０ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１０ｍｍ、内部空間Ｖの内径１０８ｍｍφ、反射体１７の厚さ６ｍｍ、外径１０２ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔３ｍｍ、テーパー面の長さ約２１ｍｍ（テーパー角α＝８°）、白金コーティング触媒層８（ＴｉＮバリヤー皮膜８ａ５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８ｂ０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体１７の外表面のバリヤー皮膜９・１９をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
前記実施例１の場合とほぼ同一条件下で連続水分発生試験を行ったが、Ｈ2 ガスへの着火や逆火、白金コーティング触媒層８の剥離等は第１実施例の場合と同様に皆無であった。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、入口側反射体及び出口側反射体の各炉本体部材と対向する側の外径寸法を炉本体部材の窪部（即ち、炉本体の内部空間）の内径寸法よりやや小さくすると共に、各炉本体部材と対向する側の外周縁部をテーパー面に形成する構成としている。
その結果、ガス供給口より流入した混合ガスが円滑に炉本体の内部空間内へ拡散されると共に、出口側炉本体部材の白金コーティング触媒層においても、混合ガスが流入する出口側反射体の外周縁部近傍における集中的な発熱が有効に防止されることになり、従前のような局部的な発熱による白金コーティング層の劣化や剥離及び局部的な温度の上昇によるＨ2 ガスの着火等の危険を有効に防止することができる。
また、反応炉本体Ａの内部空間内には二枚の反射体のみを配設し、従前の如き金属フィルターを除く構成としているため、前記入口側及び出口側の反射体の外径及び厚みを比較的大きくすることができる。その結果、触媒中心部の温度上昇を有効に防止することができ、白金コーティング触媒層の局部的な剥離を皆無にすることができる。
【００４４】
請求項２の発明に於いては、反応炉本体を形成する部材を酸素及び水素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金等の非触媒性で且つ耐還元性及び耐酸化性に優れた材質の素材でもって形成するようにしているため、白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用が起因となってＨ2 への着火や逆火が発生することが皆無となり、水分発生用反応炉の安全性が大幅に向上する。
【００４５】
請求項３の発明においては、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を形成した以外の部分を、非触媒性で且つ耐還元性、耐酸化性に優れたバリヤー皮膜で覆う構成としているため、水分発生炉の運転中に触媒作用を有する生の金属表面が露出することがない。その結果、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを用いて、長期に亘って水分発生を行っても、前記白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用によってＯ2 とＨ2 が局部的に激しく反応することが皆無となり、これによって従前のようなＨ2 への着火や逆火の発生がより完全に防止される。
【００４６】
請求項４の発明に於いては、反応炉本体Ａの内部空間内に、外径が内部空間の内径より僅かに小さく、且つ厚みの比較的大きな一枚の反射体のみを配設するようにしているため、第１実施形態や第２実施形態の場合と同様にＨ2 ガスへの着火や逆火が防止できるだけでなく、反射体の熱容量が大きくなることにより、白金コーティング触媒層の中心部分の温度上昇を有効に防止することができる。また、反応炉本体Ａの内部空間のデッドスペースをより少なくでき、反応炉のガス置換性が容易となるので希釈ガスを用いた少流量の水分発生が可能となると共に、反応炉本体Ａの一層の小形化が可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図２】白金コーティング皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図３】バリヤー皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図５】従前の水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図６】図５の白金コーティング皮膜層の形成状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ａは反応炉本体、Ｈ2 は水素ガス、Ｏ2 は酸素ガス、Ｇは混合ガス、Ｌは隙間、Ｖは内部空間、αは反射体外周縁部のテーパー角、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、１ｂは接続用金具、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、２ｂは接続用金具、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９は入口側炉本体部材内壁面のバリヤー皮膜、１０は入口側反射体外表面のバリヤー皮膜、１１は出口側反射体外表面のバリヤー皮膜、１３・１４は固定ボルト、１５は溶接部、１６は取付用ボルト孔、１７は反射体、１８はシース型温度計の取付孔、１９は反射体外表面のバリヤー皮膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として半導体製造装置に於いて利用される水分発生用反応炉の改良に係り、水素への着火や逆火、白金コーティング触媒層の剥離等の発生を完全に防止して、安全性を大幅に高めた水分発生用反応炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造に於けるシリコンへの酸化膜付けには、少なくとも１０００ＳＣＣＭ（標準状態において１０００ｃｃ／ｍｉｎ）の流量の高純度水分を必要とする。
これ等の用途に供するため、本願発明者等は先きに図５に示す様な構成の水分発生用反応炉を開発し、特願平９−１０９９８９号としてこれを公開している。
即ち、図５に於いてＡは反応炉本体、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３は入口側内部空間、４は出口側内部空間、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、７は金属フィルター、８は白金コーティング触媒層であり、また、前記白金コーティング触媒層８は、図６に示すように、出口側炉本体部材２の内表面にＴｉＮ等のバリヤー皮膜８ａを設け、その上に、更に白金コーティング皮膜８ｂを積層固着することにより形成されている。
【０００３】
水分の発生に際しては、ガス供給口１ａから予かじめ所定の混合率で混合されたＨ2 とＯ2 の混合ガスＧを反応炉本体Ａ内へ供給する。反応炉本体Ａの入口側内部空間３内へ供給された混合ガスＧは、入口側反射体５及び金属フィルター７によって拡散され、出口側内部空間４内へ流入して白金コーティング皮膜８ｂと接触することにより、Ｏ2 及びＨ2 の反応性が活性化される。
【０００４】
白金コーティング皮膜８ｂとの接触により活性化されたＨ2 とＯ2 とは、約４００℃〜５００℃前後の高温下で反応をし、水分ガス（水蒸気）に転換される。また、発生した水分ガス（水蒸気）は、出口側反射体１２と出口側炉本体部材２の内壁面との間隙Ｌを通って、水分ガス取出口２ａから半導体製造用のプロセスチャンバー（図示省略）等へ供給されて行く。
尚、高温下でＯ2 とＨ2 とを反応させる水分反応炉本体Ａは、その内部空間３・４内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの発火温度以下の温度に保持することにより、Ｈ2 とＯ2 の爆発的な燃焼反応を防止つつ適宜の速度で両者を反応させ、所要流量の水分ガスを発生する。
【０００５】
上記図５の反応炉本体Ａは、所望流量の高純度水分を極く小形の反応炉本体でもって連続的に、しかも高反応率の下で簡便に発生させることができ、優れた実用的効用を奏するものである。
しかし、図５のような構成の水分発生炉にも未だ解決すべき多くの問題が残されており、その中でも特に解決を急ぐ問題は、Ｈ2 への着火やガス供給口１ａからの逆火をより完全に防止すると共に、局部的な温度の上昇による白金コーティング触媒層８の部分的な剥離・脱落を皆無にすると云う点である。
【０００６】
上述したように、水分発生用反応炉本体Ａの内部空間内の温度は、Ｈ2 又はＨ2 含有ガスの最低限界着火温度（約５６０℃、Ｈ2 とＯ2 の混合率に応じて限界着火温度は約５６０℃より上昇する）よりも相当に低い約４５０℃〜５００℃の温度に保持されており、Ｈ2 とＯ2 の爆発的な燃焼反応は抑制されるようになっている。
しかし、水分発生用反応炉Ａの内部空間３・４側の温度を常に完全に前記限界着火温度以下の値に保持することは、現実にはなかなか困難なことであり、入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２等の内壁面の温度が、何等かの原因で局部的に限界着火温度以上に上昇することがある。
【０００７】
尚、万一、前記入口側炉本体部材１や出口側炉本体部材２の内壁面温度が局部的に限界着火温度以上に上昇したとしても、常にＯ2 とＨ2 との爆発的な燃焼反応が起って逆火を生ずるとは限らず、一般的には着火や逆火を生じないケースが多いが、混合ガスＧ内のＨ2 濃度が特に高い場合には、稀にＨ2 への着火或いは逆火を生ずることがある。
【０００８】
前記Ｈ2 への着火や逆火を生ずる原因、即ち両炉本体部材１・２や金属フィルター７等の局部的で且つ急激な温度上昇を生ずる原因は、不明であって未だ十分にその原因は特定されていない。
しかし、本願発明者等はこれまでの水分発生用反応炉の製造並びに使用の経験からして、反応炉本体Ａを構成する入口側炉本体部材１の内壁面（ガス供給口１ａ側の炉本体部材の内壁面）や入口側反射体５、出口側反射体１２、金属フィルター７等の外表面の金属触媒作用により、混合ガスＧ内のＨ2 とＯ2 が活性化され、前記内壁面等に局部的で且つ急激な温度上昇を生じたことが、Ｈ2 への着火の第１原因であると想定している。
【０００９】
即ち、入口側炉本体部材１や両反射体５・１２、金属フィルター７等は全てステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されている。そして、これ等各部材の外表面は、通常自然に形成された各種金属の酸化物皮膜や不働態皮膜によって覆われており、これによってステンレス鋼外表面が本来保持している所謂触媒活性は、抑制されている。
ところが、約４５０℃〜５００℃程度の高温下でＨ2 濃度の高い混合ガスＧ中に、前記酸化物皮膜や不働態皮膜が長時間晒されると、酸化物皮膜等がステンレス鋼表面から剥離脱落あるいは還元されて金属外表面が局部的に露出される。その結果、ステンレス鋼外表面の金属触媒活性が発揮され、Ｏ2 とＨ2 との反応が局部的に急速且つ高密度で進行し、これによって反応炉本体Ａの内部空間３・４内の白金コーティング触媒層８を設けた部分以外の局部の表面温度が、Ｈ2 （又はＨ2 含有ガス）の着火限界温度以上に上昇したものと想定される。
【００１０】
一方、一般的に出口側反応炉本体２の白金コーティング触媒層８を設けた内壁面の温度は、本体２の中心部ほど高温になり易く、特に、Ｎ2 希釈等により混合ガスＧの流速及び流量を増して使用する場合には、出口側反射体１２の外周から中心寄りの部分の温度が一層上昇することが判っている。
従って、もしも着火又は逆火を生ずる原因が白金コーティング触媒層８を設けた出口側炉本体部材２の内壁面側にあるとすれば、それは、出口側反射体１２の外周縁部と対向する白金コーティング触媒層８の部分に於いて、隙間Ｌ内への混合ガスＧの流入量が急増することによりＨ2 とＯ2 との反応がより活発となり、これによって内壁面の温度が局部的に急上昇して限界着火温度に達し、Ｈ2 への着火や或いは白金コーティング触媒層８の部分的な剥離を生じたものと想定される。
【００１１】
尚、前記反応炉本体Ａの内部空間３・４内の局部的な温度上昇を防止するためには、反応炉本体Ａ自体を大形化してその熱容量を増大させると共に、放熱又は冷却装置を設けて反応炉本体Ａの冷却性能の強化を図るのが通常の方策である。
しかし、半導体製造装置は一般にクリーンルーム内に設置されるものであり、その設置スペースを大きく取ることは困難である。そのため、半導体製造装置に付随する水分発生用反応炉もその小型化に対する要求が特に厳しく、反応炉本体Ａの大型化や冷却装置の増強を以って、上述の如き水分発生用反応炉の内部に於ける局部的な温度上昇や温度上昇による白金コーティング触媒層８の剥離を防止しようとする方策は、現実的に採用が不可能な状態にある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の水分発生用反応炉に於ける上述のような問題、即ち反応炉本体Ａを構成する入口側及び出口側炉本体部材１・２の内部空間内の温度をＨ2 又はＨ2 含有ガスの限界着火温度よりも相当に低い温度に保持していても、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを使用している場合には、水分の発生中にＨ2 への着火又は逆火や白金コーティング触媒層８の部分的な剥離を生ずることがあると云う問題を解決せんとするものであり、反応炉本体Ａを大形化してその熱容量の増大を図ったり、或いは反応炉本体Ａの冷却装置を大形化してその冷能力を大幅に高めるような方策によらず、極く小形の水分発生用反応炉でもって反応炉内の構造を改変することにより、水分発生用反応炉の運転中に於けるＨ2 への着火や逆火、白金コーティング触媒層８の剥離の発生を完全に防止できるようにした、水分発生用反応炉を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、従前の水分発生用反応炉に於けるＨ2 への着火や逆火の発生原因を究明する過程を通して、前記着火や逆火を生ずる原因が「反応炉本体の内部空間側の金属外表面に形成されていた酸化物皮膜等の剥離脱落により、金属表面の触媒活性が発揮され、この金属表面の触媒活性によってＯ2 とＨ2 の反応が局部的に急激にしかも高密度で進行し、金属表面の温度が部分的にＨ2 含有ガスの限界着火温度以上に上昇したことによるか、又は出口側反射体１２の外周縁部近傍と対向する位置の白金コーティング触媒層８の温度が、局部的に限界着火温度以上に上昇したことによる。」ことを、知得した。
【００１４】
本発明は、本願発明者等の上記知見に基づいて創作されたものであり、請求項１の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内にガス供給口と対向状に配設した入口側反射体と、前記内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した出口側反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成すると共に、前記入口側反射体及び出口側反射体を、前記炉本体部材の窪部の内径よりも小径で且つその外周端縁部の炉本体部材の底面と対向する側にテーパー部を形成した構成とし、当該入口側反射体及び出口側反射体を入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材へ夫々の底面と隙間を保持した状態で対称状に固定したことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記入口側炉本体部材と入口側反射体と出口側反射体とを、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにしたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ 2 Ｏ 3 、Ｃｒ 2 Ｏ 3 、ＳｉＯ 2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにしたものである。
【００１７】
請求項４の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した１枚の反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成し、また、前記反射体の外径を窪部の内径より小さく形成すると共に、当該反射体の外周端縁部の出口側炉本体部材へその底面と対向する側にテーパー部を形成し、更に、当該反射体を出口側炉本体部材へその底面と隙間を保持した状態で固定したことを発明の基本構成とするものである。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材と反射体とを水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにしたものである。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項４又は請求項５の発明において、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにしたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉の断面図である。図１に於いてＡは反応炉本体、Ｖは内部空間、Ｌは隙間、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９・１０・１１はバリヤー皮膜である。尚、図では省略されているが、固定ボルト１３・１４及びスペーサー１３ａ・１４ａの外表面にもバリヤー皮膜が形成されている。
【００２５】
本発明に係る水分発生用反応炉本体Ａはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを気密状に連結することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の窪部が設けられており、ガス供給口１ａが窪部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の窪部が設けられており、水分ガス取出口２ａが窪部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の内側外周端面にはフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を気密状に溶接１５することにより、水分発生用反応炉本体Ａが構成されている。
尚、本実施形態では、両炉本体部材１・２の窪部の底面を平面状としているが、これを球面状の底面としてもよいことは勿論である。
【００２６】
前記入口側反射体５は円形の盤状体であり、その中心点を入口側炉本体部材１のガス供給口１ａと対向するように位置せしめ、炉本体部材１の底面との間に隙間Ｌをおいて固定用ボルト１４により炉本体部材１へ固定されている。尚、当該入口側反射体５はステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は窪部の内径よりもやや小径に設定されている。
同様に、前記出口側反射体１２は、入口側反射体５とほぼ同形状に形成されており、その中心点を出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａと対向するように位置せしめ炉本体部材２との間に隙間Ｌをおいて固定用ボルト１３により炉本体部材２へ固定されている。
【００２７】
尚、入口側反射体５及び出口側反射体１２の各炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図１に示すように適宜の傾斜角αのテーパー面に仕上げられている。入口側反射体５にあっては、当該傾斜角αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ拡散された状態で放出されるからであり、また出口側反射体１２にあっては、反射体１２と白金コーティング触媒層８との距離が一定である場合には、反射体の外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層８の近傍に発熱が集中するため、隙間Ｌを徐々に狭まくなる形態とすることにより前記局部的に集中する発熱が防止されるからである。
又、本実施形態では両反射体５・１２を固定ボルト１３・１４により固定するようにしているが、適宜の支持片（図示省略）を介設して炉本体部材側へ夫々溶接により固定するようにしてもよい。尚、本実施形態では、固定ボルト１３・１４の頭部が締め込み後にスポット溶接され、所謂緩み止め処理が行なわれている。
【００２８】
ガス供給口１ａを通して入口側反射体５へ向けて噴射されたガスは、反射体５の表面へ衝突したあと、隙間Ｌを通して矢印方向に噴射され、内部空間Ｖ内で拡散される。また、内部空間Ｖ内へ噴射されたガスは、白金コーティング触媒層８へ衝突接触し、これにより所謂触媒活性化されると共に、出口側反射体１２と白金コーティング触媒層８との隙間Ｌを通して水分ガス取出口２ａの方向に流入する。
更に、前記白金コーティング触媒層８への衝突接触や隙間Ｌを通過する間にこれと接触することにより活性化されたＨ2 とＯ2 とは、所謂非燃焼の状態下で反応をし、水が生成される。
そして、生成された水分ガスは、出口側反射体１２と白金コーティング触媒層８との隙間Ｌを通して水分ガス取出口２ａへ導出されて行く。
【００２９】
前記白金コーティング触媒層８はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域に形成されており、図２に示す如く炉本体部材２の内表面にＴｉＮ製のバリヤー皮膜８ａを形成したあと、当該バリヤー皮膜８ａの上に白金コーティング皮膜８ｂが形成されており、前記バリヤー皮膜８ａと白金コーティング皮膜８ｂとによって本発明に係る白金コーティング触媒層８が構成されている。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ位いが適当であり、本実施態様に於いては約１μｍの厚さの白金コーティング皮膜８ｂが形成されている。また、バリヤー皮膜８ａの厚さは０．１μｍ〜５μｍ程度が最適であり、本実施態様では約２μｍの厚さのＴｉＮ製のバリヤー皮膜が形成されている。
【００３０】
本発明の実施形態に於いては、白金コーティング触媒層８を形成する出口側炉本体部材２だけでなく、入口側炉本体部材１の内表面や両反射体５・１２の外表面にもＴｉＮ製のバリヤー皮膜９・１０・１１が形成されている。図３は入口側炉本体部材１の内表面のバリヤー皮膜９の形成状態を示すものである。
即ち、各バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成に際しては、先ず、出口側炉本体部材２等の内表面に適宜の表面処理を施し、ステンレス鋼表面に自然形成されている各種金属の酸化膜や不働態膜を除去する。次に各部材にＴｉＮによるバリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の形成を行なう。本実施態様に於いてはイオンプレーティング工法により厚さ約２μｍのＴｉＮ製バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１を形成している。
【００３１】
前記バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の材質としてはＴｉＮの外にＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ等を使用することが可能である。非触媒性であり、しかも耐還元性及び酸化性に優れているからである。
また、バリヤー皮膜８ａ・９・１０・１１の厚さは前述の通り０．１μｍ〜５μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下であると、バリヤー機能が十分に発揮されず、また逆に、厚さが５μｍを越えるとバリヤー皮膜そのものの形成に手数がかかるうえ、加熱時の膨張差等が原因となってバリヤー皮膜の剥離等を生ずる虞れがあるからである。
更に、バリヤー皮膜の形成方法としては、前記イオンプレーティング工法以外に、イオンスパッタリング法や真空蒸着法等のＰＶＤ法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ホットプレス法、溶射法等を用いることも可能である。
【００３２】
前記出口側炉本体部材２の方は、バリヤー皮膜８ａの形成が終わると、引き続きその上に白金コーティング皮膜８ｂを形成する。本実施態様に於いては、イオンプレーティング工法により厚さ約１μｍの白金コーティング皮膜８ｂを形成している。
前記白金コーティング皮膜８ｂの厚さは０．１μｍ〜３μｍ程度が適当である。何故なら、厚さが０．１μｍ以下の場合には、長期に亘って触媒活性を発揮することが困難となり、また逆に、厚さが３μｍ以上になると、白金コーティング皮膜８ｂの形成費が高騰するうえ、３μｍ以上の厚さにしても触媒活性度やその保持期間にほとんど差がなく、しかも加熱時に膨張差等によって剥離を生ずる虞れがあるからである。
また、白金コーティング皮膜８ｂの形成方法は、イオンプレーティング工法以外にイオンスパッタリング法、真空蒸着法、化学蒸着法、ホットプレス法等が使用可能であり、更に、バリヤー皮膜８ａがＴｉＮ等の導電性のある物質の時にはメッキ法も使用可能である。
【００３３】
上記図１乃至図３に示した本発明の第１実施形態に於いて、入口側炉本体部材１の内表面や入口側反射体５の外表面、出口側反射体１２の外表面に夫々バリヤー皮膜９・１０・１１を形成するのは、前述の通り、各部材１・５・１２の金属外表面が触媒作用の機能を果さないようにするためである。
このよううな観点からすれば、入口側炉本体部材１、入口側反射体５及び出口側反射体１２等を非触媒性で且つ耐還元性を有する材質で形成するようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態に係る水分発生用反応炉を説明する。
当該第２実施形態に於いては、図１に示した第１実施形態における入口側炉本体１と両反射体５・１２を形成する素材に、例えば鉄−クロム−アルミ合金やアルミ合金等のＨ2 やＯ2 に対して所謂触媒活性を有しない材質の素材が使用されている。従って、白金コーティング触媒層８を設けた部分以外では、Ｈ2 やＯ2 が水分の発生中に活性化されることは無く、Ｏ2 とＨ2 の反応による局部的な温度上昇も起らない。
【００３５】
尚、当該第２実施形態の一例として、入口側及び出口側反射体５・１２は、厚さ約２ｍｍの鉄−クロム−アルミ合金を用いて円形に形成されている。
また、入口側反射体５及び出口側反射体１２は、入口側炉本体部材１のガス供給口１ａ及び出口側炉本体部材２の水分ガス取出口２ａを中心としてこれに対向状に配置され、約１ｍｍの隙間Ｌを保持した状態で取付ボルト１３・１４により、各炉本体部材１・２の内側面へ固定されている。
【００３６】
入口側炉本体部材１や両反射体５・１２、にステンレス鋼やニッケル合金鋼、ニッケル鋼以外の金属表面の触媒活性を有しない金属（例えば鉄−クロム−アルミ合金）を使用した場合には、これ等の外表面に内部ガスや内部金属組成材の外部への放出を防止するための適宜の表面処理を施す方が望ましい。
また、前記表面処理としては、例えば図１の第１実施形態に於いて使用したＴｉＮ等の非触媒性であり且つ耐食性、耐還元性及び耐酸化性に優れたバリヤー皮膜を形成するようにしてもよい。
【００３７】
図４は本発明の第３実施形態に係る水分発生用反応炉の縦断面図を示すものである。当該第２実施態様に於いては、反応炉本体Ａの内部空間Ｖ内に厚板状の１枚の反射体１７が、ボルト１３・１４によって出口側炉本体部材２側に固定されており、１枚の反射体１７を用いた点を除いて、その他の構成は図１に示した第１実施態様の場合とほぼ同一である。
【００３８】
当該図４に於いて、１８はシース型温度計の取付用孔であり、入口側炉本体部材１内へシース型温度計（図示省略）が挿入されている。
また、図４に於いて８は白金コーティング触媒層であり、出口側炉本体部材２の内壁面に形成されている。
更に、入口側炉本体部材１及び反射体１７等の外表面には、ＴｉＮ等のバリヤー皮膜９・１９が形成されている。尚、図４では、入口側炉本体部材１の内壁面をＴｉＮ等のバリヤー皮膜９でコーティングしているが、その上に白金コーティング皮膜８ｂを形成して、白金コーティング触媒層８にすることも可能である。
【００３９】
前記反射体１７は比較的厚さの大きな材料でもって、内部空間Ｖの内径より僅かに小さな外形を有する円盤形に形成されており、その外周端部の出口側炉本体部材２の内壁面に対向する側面は、角度αのテーパー面に形成されている。
尚、図４に於いては炉本体部材１・２及び反射体１７をステンレス鋼により形成し、入口側炉本体部材１の内壁面と反射体１７の外表面にバリヤー皮膜９・１９を形成するようにしているが、入口側炉本体部材１及び反射体１７を非触媒性で耐還元性の素材でもって形成してもよいことは、前記第２実施形態の場合と同じである。
【００４０】
当該第３実施形態の発応炉本体Ａでは、Ｈ2 ガスへの着火や逆火を完全に防止することができるだけでなく、反射体１７の熱容量が大きくなることにより、白金コーティング触媒層８の中央部分の過度な温度上昇をより有効に防止することができるうえ、反応炉本体Ａの内部空間の容積（即ち、デッドゾーン）の減少を図ることができ好都合である。
【００４１】
【実施例１】
図１の第１実施形態に於いて、反応炉本体Ａの外径１１４ｍｍφ、厚さ３４ｍｍφ、内部空間Ｖの厚さ１４ｍｍ、内部空間Ｖの内径１０８ｍｍφ、入口側反射体５及び出口側反射体１２の外径８０ｍｍφ、厚さ２ｍｍ、隙間Ｌの大きさ１ｍｍ、テーパ面の長さ１０ｍｍ、白金コーティング触媒層８（ＴｉＮバリヤー皮膜５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜０．３μｍ）、入口側炉本体部材１及び両反射体５・１２のバリヤー皮膜９・１９をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
Ｈ2 ２０％リッチの混合ガスＧを原料とし、且つシース型温度計（図示省略）の温度（合計４ケ所）が４５０℃〜５００℃の条件下で１００時間以上の連続水分発生（水分発生量１０００ｓｃｃｍ）を行ったが、Ｈ2 ガスへの着火や逆火は及び白金コーティング触媒層８の剥離等は皆無であった。
【００４２】
【実施例２】
図４の第３実施形態に於いて反応炉本体Ａの外径１１４ｍｍφ、厚さ３０ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１０ｍｍ、内部空間Ｖの内径１０８ｍｍφ、反射体１７の厚さ６ｍｍ、外径１０２ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔３ｍｍ、テーパー面の長さ約２１ｍｍ（テーパー角α＝８°）、白金コーティング触媒層８（ＴｉＮバリヤー皮膜８ａ５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８ｂ０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体１７の外表面のバリヤー皮膜９・１９をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
前記実施例１の場合とほぼ同一条件下で連続水分発生試験を行ったが、Ｈ2 ガスへの着火や逆火、白金コーティング触媒層８の剥離等は第１実施例の場合と同様に皆無であった。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、入口側反射体及び出口側反射体の各炉本体部材と対向する側の外径寸法を炉本体部材の窪部（即ち、炉本体の内部空間）の内径寸法よりやや小さくすると共に、各炉本体部材と対向する側の外周縁部をテーパー面に形成する構成としている。
その結果、ガス供給口より流入した混合ガスが円滑に炉本体の内部空間内へ拡散されると共に、出口側炉本体部材の白金コーティング触媒層においても、混合ガスが流入する出口側反射体の外周縁部近傍における集中的な発熱が有効に防止されることになり、従前のような局部的な発熱による白金コーティング層の劣化や剥離及び局部的な温度の上昇によるＨ2 ガスの着火等の危険を有効に防止することができる。
また、反応炉本体Ａの内部空間内には二枚の反射体のみを配設し、従前の如き金属フィルターを除く構成としているため、前記入口側及び出口側の反射体の外径及び厚みを比較的大きくすることができる。その結果、触媒中心部の温度上昇を有効に防止することができ、白金コーティング触媒層の局部的な剥離を皆無にすることができる。
【００４４】
請求項２の発明に於いては、反応炉本体を形成する部材を酸素及び水素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金等の非触媒性で且つ耐還元性及び耐酸化性に優れた材質の素材でもって形成するようにしているため、白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用が起因となってＨ2 への着火や逆火が発生することが皆無となり、水分発生用反応炉の安全性が大幅に向上する。
【００４５】
請求項３の発明においては、反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を形成した以外の部分を、非触媒性で且つ耐還元性、耐酸化性に優れたバリヤー皮膜で覆う構成としているため、水分発生炉の運転中に触媒作用を有する生の金属表面が露出することがない。その結果、Ｈ2 濃度の高い混合ガスを用いて、長期に亘って水分発生を行っても、前記白金コーティング触媒層以外の部分の金属表面の触媒作用によってＯ2 とＨ2 が局部的に激しく反応することが皆無となり、これによって従前のようなＨ2 への着火や逆火の発生がより完全に防止される。
【００４６】
請求項４の発明に於いては、反応炉本体Ａの内部空間内に、外径が内部空間の内径より僅かに小さく、且つ厚みの比較的大きな一枚の反射体のみを配設するようにしているため、第１実施形態や第２実施形態の場合と同様にＨ2 ガスへの着火や逆火が防止できるだけでなく、反射体の熱容量が大きくなることにより、白金コーティング触媒層の中心部分の温度上昇を有効に防止することができる。また、反応炉本体Ａの内部空間のデッドスペースをより少なくでき、反応炉のガス置換性が容易となるので希釈ガスを用いた少流量の水分発生が可能となると共に、反応炉本体Ａの一層の小形化が可能となる。
本発明は上述の通り優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図２】白金コーティング皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図３】バリヤー皮膜の形成状態を示す部分縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図５】従前の水分発生用反応炉本体の縦断面図である。
【図６】図５の白金コーティング皮膜層の形成状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ａは反応炉本体、Ｈ2 は水素ガス、Ｏ2 は酸素ガス、Ｇは混合ガス、Ｌは隙間、Ｖは内部空間、αは反射体外周縁部のテーパー角、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、１ｂは接続用金具、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、２ｂは接続用金具、５は入口側反射体、１２は出口側反射体、８は白金コーティング触媒層、８ａはバリヤー皮膜、８ｂは白金コーティング皮膜、９は入口側炉本体部材内壁面のバリヤー皮膜、１０は入口側反射体外表面のバリヤー皮膜、１１は出口側反射体外表面のバリヤー皮膜、１３・１４は固定ボルト、１５は溶接部、１６は取付用ボルト孔、１７は反射体、１８はシース型温度計の取付孔、１９は反射体外表面のバリヤー皮膜。
Claims (6)
- ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内にガス供給口と対向状に配設した入口側反射体と、前記内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した出口側反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成すると共に、前記入口側反射体及び出口側反射体を、前記炉本体部材の窪部の内径よりも小径で且つその外周端縁部の炉本体部材の底面と対向する側にテーパー部を形成した構成とし、当該入口側反射体及び出口側反射体を入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材へ夫々の底面と隙間を保持した状態で対称状に固定したことを特徴とする水分発生用反応炉。
- 前記入口側炉本体部材と入口側反射体と出口側反射体とを、水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにした請求項１に記載の水分発生用反応炉。
- 反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにした請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
- ガス供給口を有する入口側炉本体部材と、水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材と、前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材とを対向状に組合せ溶接して形成した反応炉本体の内部空間内に水分ガス取出口と対向状に配設した１枚の反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング皮膜に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させて水を発生させるようにした水分発生用反応炉において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の内壁面に底面が平面状の窪部を形成し、また、前記反射体の外径を窪部の内径より小さく形成すると共に、当該反射体の外周端縁部の出口側炉本体部材へその底面と対向する側にテーパー部を形成し、更に、当該反射体を出口側炉本体部材へその底面と隙間を保持した状態で固定したことを特徴とする水分発生用反応炉。
- 前記入口側炉本体部材と出口側炉本体部材と反射体とを水素及び酸素に対して触媒活性を有しない鉄−クロム−アルミ合金又はアルミ合金から形成するようにした請求項４に記載の水分発生用反応炉。
- 反応炉本体の内部空間内の白金コーティング触媒層を設けた部分を除くその他の全部の部分に、水素及び酸素に対して触媒活性を有しないＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＣｒＮの中の何れかから成る非触媒性のバリヤー皮膜を形成するようにした請求項４又は請求項５に記載の水分発生用反応炉。
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