JP6163968B2

JP6163968B2 - 蒸気発生装置

Info

Publication number: JP6163968B2
Application number: JP2013174478A
Authority: JP
Inventors: 白石　仁士; 仁士白石; 恭仁光上
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: JP2015042925A

Description

本発明は、蒸気発生装置に関する。

従来、ハロゲンヒータ等から発生させた輻射熱を利用して蒸気を生成する蒸気発生装置が提案されている。例えば、円筒容器と、この円筒容器の内部を軸方向（長手方向）に貫通する貫通管と、この貫通管の内部に配置されたハロゲンヒータと、円筒容器の内部に水を供給する給水ラインと、円筒容器の上部に設けられた蒸気ヘッダと、を備える蒸気発生装置が提案されている。この蒸気発生装置において、給水ラインから円筒容器の内部に供給された水は、貫通管の内部に配置されたハロゲンヒータの輻射熱により加熱されて蒸気となり、蒸気ヘッダから排出される（特許文献１参照）。

特開２０００−３５６３０１号公報

半導体製造プロセスのレジスト剥離工程等で用いられる純水の蒸気を生成する蒸気発生装置において、装置の主要部は、純水を汚染する異物が析出しないように表面の滑らかな石英ガラス等により構成される。しかしながら、純水を加熱して蒸気を発生させる場合、純水中には気泡核（沸騰核）となる気体やイオン類が含まれないため、沸騰が起こりにくくなり、過加熱及び突沸が発生しやすくなる。過加熱とは、液体を加熱した際に、沸点を超えても沸騰しない状態をいう。また、突沸とは、過加熱の状態で液体に振動や異物が与えられることにより、突然激しく沸騰が起こる現象をいう。蒸気発生装置の運転中に過加熱及び突沸が繰り返し発生すると、生成される蒸気の圧力が不安定になる。

従って、本発明は、純水を用いた場合であっても蒸気を安定して生成できる蒸気発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、円筒状に構成され内部に水が貯留される円筒容器と、前記円筒容器の内部を長手方向に沿って貫通して配置されると共に、内部に加熱装置を挿入可能な石英素材により構成された貫通管と、前記貫通管の外表面に設けられ、該外表面に凹凸加工が施されて形成された粗面領域と、を備え、前記粗面領域は、前記貫通管の長手方向に沿って帯状に形成されると共に前記貫通管の周方向に離間して複数設けられる蒸気発生装置に関する。

また、複数の前記貫通管を備え、前記粗面領域は、複数の前記貫通管に設けられることが好ましい。

また、前記粗面領域の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が２〜１５μｍであり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が２０〜８０μｍであることが好ましい。

本発明の蒸気発生装置によれば、純水を用いた場合であっても蒸気を安定して生成できる。

本発明の一実施形態に係る蒸気発生装置を正面から視た場合における縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。貫通管を蒸気発生装置の正面側から視た概略図である。図３ＡのＢ−Ｂ線断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の蒸気発生装置の好ましい一実施形態を説明する。ここでは、本発明に係る蒸気発生装置を、純水の蒸気を生成する純水蒸気発生装置（以下、単に「蒸気発生装置」ともいう）に適用した場合の実施形態について説明する。

本実施形態の蒸気発生装置１は、図１及び図２に示すように、主な構成要素として、円筒容器２と、給水管３と、排水管４と、複数の貫通管５と、複数の貫通管５に設けられた粗面領域７と、蒸気ドーム６と、を備える。

円筒容器２は、蒸気の元となる水Ｗ（純水）を貯留する圧力容器であり、円筒状に構成される。円筒容器２は、長手方向（軸方向）が水平方向に沿うように設置される。円筒容器２は、筒体部２１と、平蓋部２２と、蒸気排出開口２３と、給水開口２４と、排水開口２５と、を備える。

筒体部２１は、円筒状に形成された部材である。平蓋部２２は、略円盤状に形成された部材であり、筒体部２１の長手方向の両端部に配置されてこの筒体部２１を塞ぐ。平蓋部２２には、図２に示すように、後述の貫通管５が貫通する貫通口２２１が５つ形成されている。筒体部２１及び平蓋部２２は、円筒容器２の主要部を構成する。

蒸気排出開口２３は、円筒容器２の上部に設けられている。蒸気排出開口２３は、円筒容器２の長手方向の他端側（図１における右側）に配置され、かつ円筒容器２の湾曲側面に沿うように略円形状に形成されている。

給水開口２４は、円筒容器２における長手方向の一端部の下部に設けられている。排水開口２５は、円筒容器２における長手方向の他端部の下部に設けられている。給水開口２４及び排水開口２５は、いずれも、円筒容器２の湾曲側面に沿って変形した略円形状に形成されている。

給水管３は、円筒容器２に水を供給するための配管である。給水管３の一端部は、円筒容器２の給水開口２４に接続されている。給水管３の他端部は、例えば、純水Ｗの供給源から延出された配管（不図示）に接続される。

排水管４は、円筒容器２に貯留された純水Ｗの一部を外部に排水するための配管である。排水管４の一端部は、排水開口２５に接続されている。排水管４の他端部は、例えば、排水用の配管（不図示）と接続される。

貫通管５は、図１に示すように、円筒容器２の内部を長手方向に貫通するように配置される（図１では、最も下方に位置する貫通管５のみを示す）。本実施形態の貫通管５は、図２に示すように、円筒容器２の中心軸ＯＡを中心とする同心円上に等間隔で配置される。それぞれの貫通管５の長手方向の両端部は、平蓋部２２に形成された貫通口２２１の周縁部に接合されている。これらの貫通管５のうちの所定の貫通管５Ａには、加熱装置としてのハロゲンヒータ１６が挿入される。本実施形態では、５本の貫通管５のうちの下方に位置する３本の貫通管５Ａにハロゲンヒータ１６が挿入される。ハロゲンヒータ１６は、電源装置（不図示）から電力が供給されることにより所定の波長の光を放射（輻射）する。

粗面領域７は、図２に示すように、５本の貫通管５のうち、ハロゲンヒータ１６が挿入される３本の貫通管５Ａに設けられる。粗面領域７は、貫通管５Ａの外表面の一部に凹凸加工が施されて形成される。本実施形態では、粗面領域７は、図３Ａに示すように、貫通管５Ａの長手方向に沿って帯状に形成される。また、粗面領域７は、図３Ｂに示すように、貫通管５Ａの下部に、周方向に９０度の間隔をあけて２列設けられる。

粗面領域７を帯状に形成する場合、粗面領域７の幅及び長さに特に制限はないが、例えば、外径２５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の貫通管５Ａを使用する場合、粗面領域７の幅は、３ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。また、粗面領域７の長さは、貫通管５Ａの長さの８０％以上であることが好ましい。

粗面領域７は、粒状の投射材を貫通管５Ａの表面に衝突させて多数の微細な凹凸を形成するショットブラスト加工、又は切削やレーザー照射により貫通管５Ａの表面に多数の微細な円錐状の穴を形成する円錐形状加工等により形成される。

粗面領域７における表面粗さは、この粗面領域７において均等に数多くの気泡を発生させる観点から、算術平均粗さ（Ｒａ）が２〜１５μｍであることが好ましく、４〜８μｍであることがより好ましい。また、同様の観点から、十点平均粗さ（Ｒｚ）が２０〜８０μｍであることが好ましく、３０〜４０μｍであることがより好ましい。

尚、ショットブラスト加工により上記範囲の表面粗さの粗面領域７を形成する場合、投射材の粒度は、４０〜８０メッシュ程度のものを用いることが好ましい。

蒸気ドーム６は、円筒容器２の内部で発生した蒸気を上方に導くための部材である。蒸気ドーム６は、図１及び図２に示すように、円筒容器２の蒸気排出開口２３を塞ぐように設けられている。蒸気ドーム６は、上端に半球状のドーム部１１を有する。また、蒸気ドーム６には、蒸気出口管１２、水面制御管１３、及び安全弁接続管１４が接続されている。

蒸気出口管１２は、蒸気ドーム６から蒸気を外部に排出するための管である。蒸気出口管１２は、図２に示すように、蒸気ドーム６の側面を貫通するように取り付けられている。蒸気出口管１２の一端部は、斜めに切断された形状を有する。この斜めに切断された一端部は、蒸気ドーム６の内部において、上方に開口している。また、蒸気出口管１２の他端部は、円筒容器２の中心軸ＯＡと直交する方向に略水平に延出している。

水面制御管１３は、円筒容器２に貯留された純水Ｗの水面の位置を計測する水面計（不図示）と連通する管である。水面制御管１３は、蒸気出口管１２の下方において蒸気ドーム６に接続され、図２に示すように、蒸気出口管１２の延出方向とは逆方向に延出している。

安全弁接続管１４は、円筒容器２の内部で規定圧以上の蒸気が発生した場合に、円筒容器２の内部の蒸気を強制的に排出するための管である。安全弁接続管１４は、図１に示すように、蒸気ドーム６の側面において、水面制御管１３と同じ高さに位置し、円筒容器２の中心軸ＯＡと略平行に延出している。延出した安全弁接続管１４の端部には、安全弁（不図示）が接続される。

本実施形態の蒸気発生装置１は、ハロゲンヒータ１６を除いて、実質的に石英素材としての石英ガラスにより構成される。ここで、実質的に石英ガラスにより構成されるとは、装置のすべての部材が石英ガラスにより構成される場合のほか、装置を固定するための部材等、円筒容器２に供給される純水Ｗや装置内で発生した蒸気が接触しない又は蒸気の純度に関連しない部材については、石英ガラスでない場合も含む。本実施形態の蒸気発生装置１において、石英ガラスにより構成される各部材は、溶融接合法により互いに接合されている。

本実施形態の蒸気発生装置１は、以下のようにして使用される。
まず、給水管３から円筒容器２の内部に純水Ｗが導入される。蒸気発生装置１は、円筒容器２の内部に所定量の純水Ｗが貯留された状態で使用される。蒸気発生装置１において、不図示の電源装置から貫通管５Ａに挿入されたハロゲンヒータ１６に電力を供給することにより、ハロゲンヒータ１６から所定の波長の光（輻射線）が輻射される。

円筒容器２の内部に貯留された純水Ｗは、貫通管５Ａに挿入されたハロゲンヒータ１６の輻射熱により加熱される。そして、円筒容器２の内部に貯留された純水Ｗが沸騰することにより蒸気（水蒸気）が生成される。円筒容器２の内部で生成された蒸気は、蒸気ドーム６に導かれ、蒸気出口管１２から外部に排出される。

ここで、本実施形態では、貫通管５Ａの外表面に粗面領域７が設けられている。これにより、粗面領域７において、ハロゲンヒータ１６から輻射される光（輻射線）の透過率が貫通管５Ａの他の領域よりも低下するので、貫通管５Ａの粗面領域７から気泡が生成することにより連続的な気泡発生が起こり、粗面領域７の凹凸部に存在する純水Ｗの過熱度が高められる。よって、貫通管５Ａの外表面（粗面領域７）において気泡核（沸騰核）が形成される。また、粗面領域７の凹凸形状により気泡核が発生するので、過加熱が防止される。その結果、円筒容器２の内部に貯留された純水Ｗの過加熱及び突沸の発生が抑制される。

以上説明した本実施形態の蒸気発生装置１によれば、以下のような効果を奏する。

（１）蒸気発生装置１を、貫通管５Ａの外表面に形成した粗面領域７を含んで構成した。これにより、粗面領域７において、ハロゲンヒータ１６から輻射される輻射線の透過率を貫通管５Ａの他の領域よりも低下させられるので、粗面領域７における貫通管５Ａ自体の温度を上昇させられる。よって、粗面領域７、つまり貫通管５Ａの外表面において気泡核（沸騰核）を形成できると共に、粗面領域７の凹凸形状により、発生した気泡が大きくなりすぎることを防げるので、安定的に気泡を発生させられる。その結果、蒸気発生装置１の運転中における過加熱及び突沸の発生を防げ、蒸気を安定して生成できる。

（２）粗面領域７を、貫通管５Ａの長手方向に沿って帯状に形成した。これにより、円筒容器２の長手方向に沿って広い範囲で気泡核を形成できるので、より安定的に気泡を発生させられる。

（３）粗面領域７を複数設けた。これにより、貫通管５Ａにおける気泡核の形成箇所をより分散させられるので、より安定的に気泡を発生させられる。

（４）蒸気発生装置１を、複数の貫通管５Ａを含んで構成し、これら複数の貫通管５Ａそれぞれに粗面領域７を設けた。これにより、それぞれの貫通管５Ａにおいて安定的に気泡を発生させられ、蒸気発生装置１による蒸気の生成量を増加させられる。また、いずれかの貫通管５Ａに挿入されたハロゲンヒータ１６が停止した場合等にも、他の貫通管５Ａに挿入されたハロゲンヒータ１６により蒸気の生成を行えるので、蒸気発生装置１を安定的に運転させられる。

（５）粗面領域７の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）を２〜１５μｍの範囲に、十点平均粗さ（Ｒｚ）を２０〜８０μｍの範囲に設定した。これにより、粗面領域７において気泡を均等に数多く発生させられ、蒸気をより安定的に生成できる。

以下、実施例及び比較例により、本発明の効果をより詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲は、かかる実施例に制限されるものではない。

石英ガラスからなる貫通管の外表面に、下記表１に示す実施例１〜４の表面粗さの粗面領域を形成した。そして、各実施例の粗面領域が形成された貫通管を備える蒸気発生装置により蒸気を発生させた。また、粗面領域が形成されていない貫通管を備える蒸気発生装置により蒸気を発生させ、これを比較例とした。

各実施例及び比較例における蒸気の発生状況を目視にて評価した。評価結果を以下の表１に示す。尚、粗面領域は、粒度６０メッシュの投射材を使用して貫通管の外表面にショットブラスト加工を施すことにより形成した。また、粗面領域の表面粗さは、（株）ミツトヨ製の小型表面粗さ測定器（商品名：ＳＪ−２１０）を用いて測定した。また、表面粗さとして、算術平均粗さ（Ｒａ）及び十点平均粗さ（Ｒｚ）を測定した。

表１に示すように、粗面領域を形成した実施例１〜４の貫通管を用いた蒸気発生装置では、いずれも、安定した沸騰が観察されたことが分かる。その中でも、粗面領域の算術平均粗さ（Ｒａ）が６．２μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が３９．５μｍである実施例４の蒸気発生装置では、均等に多くの気泡が発生し、特に安定した沸騰が観察されたことが分かる。

以上、本発明の蒸気発生装置の好ましい一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態では、貫通管５Ａそれぞれに粗面領域７を２列形成したが、これに限らない。即ち、粗面領域は１列であってもよく、３列以上であってもよい。

また、本実施形態では、粗面領域７を、貫通管５Ａの長手方向に沿って帯状に形成したが、これに限らない。即ち、粗面領域を、貫通管の周方向に延びるリング状に形成し、このリング状の粗面領域を貫通管の長手方向に所定間隔をあけて複数設けてもよい。また、粗面領域は、貫通管の外表面の一部の領域のみにスポット状（例えば、円形スポット状）に設けてもよい。

また、本実施形態では、粗面領域７を、貫通管５Ａの下部に配置したが、これに限らない。即ち、粗面領域を、貫通管の側部又は上部に配置してもよい。

１蒸気発生装置
２円筒容器
３給水管
４排水管
５貫通管
７粗面領域
１６ハロゲンヒータ（加熱装置）
Ｗ純水

Claims

円筒状に構成され内部に水が貯留される円筒容器と、
前記円筒容器の内部を長手方向に沿って貫通して配置されると共に、内部に加熱装置を挿入可能な石英素材により構成された貫通管と、
前記貫通管の外表面に設けられ、該外表面に凹凸加工が施されて形成された粗面領域と、を備え、
前記粗面領域は、前記貫通管の長手方向に沿って帯状に形成されると共に前記貫通管の周方向に離間して複数設けられる蒸気発生装置。
複数の前記貫通管を備え、
前記粗面領域は、複数の前記貫通管に設けられる請求項１に記載の蒸気発生装置。
前記粗面領域の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）が２〜１５μｍであり、十点平均粗さ（Ｒｚ）が２０〜８０μｍである請求項１又は２に記載の蒸気発生装置。