JP6336059B2 - 熱交換器及び該熱交換器を用いた排ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として排ガスの熱分解処理プロセスに好適な熱交換器と、これを用いた排ガス処理装置とに関する。

熱交換器は、伝熱板によって互いに分割された、少なくとも２つの流路を有しており、一方の流路に低温の受熱流体（気体或いは液体、以下同じ。）を通流させると共に、他方の流路に高温の放熱流体を通流させることにより、放熱流体と受熱流体との間で熱の授受（伝熱）を行うものである。
このような熱交換器は、熱を利用する様々な産業プロセスで使用されており、例えば特許文献１には、排ガス除害装置に熱交換器を設け、該排ガス除害装置の除害処理部における燃焼又は加熱分解により生じた高温のガスと、上記の除害処理部へと通じる配管に導入する不活性ガスとの間で熱交換させる技術が開示されている。
かかる技術によれば、除害処理部から排出されるガスの温度を低下させることができ、排ガスの冷却負担を軽減することができる。また、除害処理部へと通じる配管に導入する不活性ガスの温度を上昇させることができるので、当該配管内での排ガスの温度低下に起因する固形物の生成及び付着を抑制することができる。このため、当該配管へのヒータの設置を不要とすることができ、コストダウンが図れる。

特開２００６−２７５４２１号公報

しかしながら、上記従来の熱交換器及びこれを用いた排ガス処理装置には次のような問題がある。
すなわち、従来のこの種の装置に用いられる熱交換器は、一般的に、放熱流体と受熱流体との接触面積（換言すれば「伝熱面積」）を確保すべく、放熱流体の流路又は受熱流体の流路の一方が蛇行するように構成されると共に、他方が並列する多数の細管へと分配するように構成されている。このため、かかる流路を流れる放熱流体及び受熱流体が例えば半導体排ガスのように或る種の粉塵を含んでいる場合、上記流路のうち蛇行するように構成された一方のもののコーナー部分では、流体の流れの方向が反転する際に、当該流体に対して遠心力等が働き、当該流体中から粉塵等が分離して流路のコーナー部分に堆積する。また、上記流路のうち並列する多数の細管へと分配するように構成された他方のものでは、多数の細管へと分配される際に流速が下がるようになるため、この場合も上記と同様に粉塵等が堆積するようになる。その結果、伝熱効率が著しく低下すると共に、上記流路を流体が通流する際の圧力損失が大きくなって流量が減少又は閉塞し、真空ポンプ（或いは送風機）の負担が大きくなると言った問題が生じ得る。
このような問題が生じた場合、熱交換器（ひいては熱交換器を用いた装置）の運転を停止して内部を清掃することになるが、蛇行した流路のコーナー部分や細管内に溜まった粉塵を清掃するのは極めて困難で時間と手間が掛かる作業である。
また、上述のように、放熱流体・受熱流体間の伝熱面積を増やすため、それら流体の流路を大きく蛇行させたり、細管に分配したりすると、必然的に熱交換器が大きくなる。このように熱交換器が大きくなると表面に露出する放熱面積が大となり、実質的に熱交換効率が低下するようになると言う問題も有った。

それゆえに、本発明の主たる課題は、コンパクトであるにもかかわらず十分な伝熱面積を確保できると共に、内部の清掃やメンテナンスを容易に行なうことのできる高効率の熱交換器を提供することにある。また、本発明の更なる課題は、このような熱交換器を用い、大容量排ガスの効率的な熱分解（除害）処理が可能な排ガス処理装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、例えば、図１から図３に示すように、熱交換器１０を次のように構成した。
すなわち、外管１２及び内管１４からなり、それらの軸が上下方向を向くように立設された二重管構造の本体ケーシング１６と、上記外管１２と上記内管１４との間に形成された内部空間を、上記本体ケーシング１６の軸方向全体に亘って螺旋状に形成されると共に上記本体ケーシング１６の軸方向にて互いに隣接する受熱流体通流路１８及び放熱流体通流路２０に区画する伝熱板２２とで構成される。上記本体ケーシング１６の下端部には、上記受熱流体通流路１８に連なる受熱流体入口１８ａと上記の放熱流体通流路２０に連なる放熱流体出口２０ｂとが開設されると共に、上記本体ケーシング１６の上端部には、上記受熱流体通流路１８に連なる受熱流体出口１８ｂと上記の放熱流体通流路２０に連なる放熱流体入口２０ａとが開設される。

本発明は、例えば、次の作用を奏する。
受熱流体通流路１８と放熱流体通流路２０とが、本体ケーシング１６の軸方向にて隣接すると共に、本体ケーシング１６の軸方向全体に亘って螺旋状に形成されるので、伝熱板２２を介して接触する低温側の受熱流体と高温側の放熱流体との接触面積、すなわち伝熱面積を極大化することができる。
また、受熱流体通流路１８と放熱流体通流路２０とが、蛇行したもの（つまり、流路が反転するような急激なコーナー部分を有するもの）ではなく、内管１４の外周を螺旋状に旋回する形状であるため、そして、受熱流体及び放熱流体が、分岐のない略同一形状の流路内を常に速い速度で流れるため、流路内に前記の粉塵等が溜まり難く、また仮に粉塵等が溜まった場合でも、洗浄水や洗浄エアなどの内部洗浄流体を流すだけで比較的簡単に洗い流すことができる。
さらに、伝熱板２２を介して接触する放熱流体と受熱流体とが向流になるため、熱交換効率がより一層向上し、装置をコンパクトにすることができる。また、本体ケーシング１６の上端部に設けられた受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａのそれぞれに上記の内部洗浄流体を供給するだけで、後は重力等に従って内部洗浄流体が流下して行くことにより、熱交換器１０の内部を簡単に清掃することができる。

本発明には、例えば、図１及び２に示すように、次の構成を加えることが好ましい。
すなわち、上記本体ケーシング１６の上部に、上記受熱流体出口１８ｂと上記放熱流体入口２０ａとを連通する空間を区画するヘッドボックス２４を取り付けると共に、上記本体ケーシング１６の上端面に、頂部２６ａが共通する傾斜面２６ｂ，２６ｃで上記受熱流体出口１８ｂと上記放熱流体入口２０ａとを連結し、上記頂部２６ａに与えられた流体を上記受熱流体出口１８ｂ及び上記放熱流体入口２０ａへと案内するガイド部材２６を装着するのが好ましい。
この場合、ガイド部材２６の頂部２６ａに向けて洗浄水などの熱交換器内部洗浄用の流体を噴射・供給するだけで受熱流体通流路１８と放熱流体通流路２０のそれぞれに対して自動的に内部洗浄用の流体を供給することができるようになる。

また、本発明には、上記各構成に加え、例えば、図４に示すように、上記受熱流体通流路１８及び前記放熱流体通流路２０のうち、少なくとも上記放熱流体通流路２０内に、その内部空間の下方に向かってパージガスを噴射するパージガス供給手段５０を設けるのが好ましい。
ここで、パージガスとは、放熱流体通流路２０(及び受熱流体通流路１８)内に堆積する粉塵などの粒子を放熱流体出口２０ｂ(及び受熱流体入口１８ａ)に向けて吹き飛ばして洗浄(フラッシング)するためのガスである。このパージガスとしては、窒素ガスのような不活性ガスを用いるのが特に好適である。

また、第２の発明に係る排ガス処理装置は、上述した熱交換器１０を用いる装置であって、例えば、図１に示すように、排ガス処理装置を次のように構成したものである。
すなわち、前記の熱交換器１０と、その熱交換器１０の受熱流体通流路１８を通流してきた処理対象の排ガスＥを加熱する加熱手段３０とを具備する反応塔３２、及び、反応塔３２に導入する処理対象の排ガスＥを液洗する湿式の入口スクラバー３４又は上記反応塔３２で熱分解した処理後の排ガスＥを液洗する湿式の出口スクラバー３６の少なくとも何れか一方を備える。

また、第３の発明に係る排ガス処理装置は、上述した熱交換器１０を用いる装置であって、例えば、図３に示すように、排ガス処理装置を次のように構成したものである。
すなわち、前記の熱交換器１０と、その熱交換器１０の受熱流体通流路１８を通流してきた処理対象の排ガスＥを加熱する加熱手段３０とで構成された反応塔３２を具備する。上記熱交換器１０における受熱流体入口１８ａ近傍の受熱流体通流路１８内又は放熱流体出口２０ｂ近傍の放熱流体通流路２０内の少なくとも何れか一方に、排ガスＥを液洗する１又は複数のスプレーノズル４０が設けられる。

本発明によれば、コンパクトであるにもかかわらず十分な伝熱面積を確保できると共に、内部の清掃やメンテナンスを容易に行うことのできる高効率の熱交換器と、このような熱交換器を用い、大容量排ガスの効率的な熱分解（除害）処理が可能な排ガス処理装置とを提供することができる。

本発明における一実施例の排ガス処理装置の概略を示す説明図である。 図１の要部を拡大した図であって、本発明の熱交換器の一例を示す図である。 本発明における他の実施例の排ガス処理装置の概略を示す説明図である。 本発明における他の実施例の熱交換器の概略を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態（第１実施形態）を図１及び図２によって説明する。
図１は、本発明の熱交換器１０を搭載した排ガス処理装置１１Ａの概略を示すものである。この排ガス処理装置１１Ａは、図示しない半導体製造装置から排出されたモノシラン（ＳｉＨ_４），塩素系ガス，ＰＦＣｓ(パーフルオロコンパウンド)などを含む排ガスＥを除害処理するための装置であり、この図が示すように、排ガス処理装置１１Ａは、排ガスＥの処理フローに沿って、入口スクラバー３４，反応塔３２及び出口スクラバー３６がこの順に設置され、さらに排気ファン４２及び水槽４４などを加えて構成される。
ここで、図１中の符号Ｅが付された矢印について、相対的に太い線の矢印は熱分解前のものを示しており、相対的に細い線の矢印は熱分解後のものを示している（後述する図２や図３についても同じ）。

入口スクラバー３４は、図示しない半導体製造装置から排出された排ガスＥに含まれる粉塵や水溶性ガスなどを洗浄水で吸収して排ガスＥから洗浄除去するものであり、直管型のスクラバー本体３４ａと、そのスクラバー本体３４ａ内部に配設され、反応器３２へ供給する前の排ガスＥに対して、熱分解前洗浄水ＰＷを噴射してこれを洗浄するスプレーノズル３４ｂとで構成される。ここで、熱分解前洗浄水ＰＷは、目的に応じて、水或いはアンモニアやＮａＯＨなどのアルカリ又は酸等の薬液が添加された水溶液などが用いられる。
この入口スクラバー３４の頂部は、入口ダクト４６を介して図示しない半導体製造装置と連結されており、半導体の製造工程で排出された各種排ガスＥが入口ダクト４６を通り、この入口スクラバー３４の頂部に導入されるようになっている。
なお、図１中の符号３４ｃは、スプレーノズル３４ｂから撒布された熱分解前洗浄水ＰＷと排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材である。
また、図１では、排ガスＥの通流方向とスプレーノズル３４ｂから撒布された熱分解前洗浄水ＰＷの通流方向とが同一方向であるが、これらが対向流となるようにしてもよい。

図示実施例では、この入口スクラバー３４と水槽４４とが別個に設けられると共に、両者が、水洗ガス供給配管４８及びこの水洗ガス供給配管４８から分枝した排水管５０で接続されている。このため、入口スクラバー３４からの排水が水洗ガス供給配管４８及び排水管５０を介して水槽４４内に設けられたシャワー水回収槽４４ａ（後述）へと送り込まれるようになる。また、排水管５０の水槽側端部５０ａは、シャワー水回収槽４４ａの水面よりも低い位置に配設されることにより水封されている。

上記のスプレーノズル３４ｂとシャワー水回収槽４４ａとは、配管５２を介して接続されており、この配管５２の途中にポンプ５４が取り付けられる。そして、このポンプ５４により、シャワー水回収槽４４ａ内に貯留した熱分解前洗浄水ＰＷをスプレーノズル３４ｂへと供給するようになっている。
なお、上記の入口スクラバー３４をシャワー水回収槽４４ａ上に立設すると共に、入口スクラバー３４の内部と水槽４４の内部とが互いに直接連通するようにしてもよい。

反応塔３２は、排ガスＥを加熱分解するための装置であり、熱交換器１０と加熱手段３０とを有する。

熱交換器１０は、図２に示すように、ステンレスやハステロイ（ヘインズ社登録商標）などの金属材料で形成された外管１２及び内管１４からなる二重管構造の本体ケーシング１６と、同じくステンレスやハステロイ（ヘインズ社登録商標）などの金属材料からなり、上記外管１２と上記内管１４との間に形成された内部空間を受熱流体通流路１８及び放熱流体通流路２０に区画する伝熱板２２とで構成される。そして、上記の受熱流体通流路１８と上記の放熱流体通流路２０とが、上記本体ケーシング１６の軸方向にて隣接すると共に、上記本体ケーシング１６の軸方向全体に亘って螺旋状に形成される。
ここで、本体ケーシング１６を形成する外管１２及び内管１４の形状は、円管状や角管状など何れの形状であってもよい。尤も、本体ケーシング１６の外管１２及び内管１４の形状を角管状とした場合には、次のような作用・効果を奏することができる。すなわち、受熱流体通流路１８及び放熱流体通流路２０を流れる受熱流体及び放熱流体がコーナー部分で壁面に対して略直角に突き当たることに因り乱流が生じる。そして、このように乱流が生じることで、伝熱効果(熱伝達率)が数倍に上がり、熱交換器全体の熱交換効率を上げることができると共に、流路壁面への粉塵等の付着を抑制することができる。加えて、受熱流体通流路１８及び放熱流体通流路２０に(後述する)熱交換器内部洗浄用の流体を供給した場合には、当該流体がコーナー部分で壁面に対して略直角に当たって無数に砕けるようになる。それゆえ、当該流体による洗浄効果をより一層高めることができる。

また、図示実施形態の熱交換器１０において、本体ケーシング１６は、その軸が上下方向を向くように立設され、当該本体ケーシング１６の下端部、より具体的には外管１２の下端外周面には、受熱流体通流路１８に連なる受熱流体入口１８ａと放熱流体通流路２０に連なる放熱流体出口２０ｂとが開設される。上記の受熱流体入口１８ａには、水洗ガス供給配管４８の下流端が接続され、上記の放熱流体出口２０ｂには、反応塔３２内にて熱分解処理された排ガスＥを水槽４４へと送給する分解ガス送給配管５６が接続される。なお、上記の受熱流体入口１８ａ及び放熱流体出口２０ｂは、本体ケーシング１６の下端部に設けられるものであれば、その開設位置は上記の位置に限定されるものではなく、例えば、本体ケーシング１６の下端面であってもよい。
一方、当該本体ケーシング１６の上端部、より具体的には外管１２の上端外周面には、受熱流体通流路１８に連なる受熱流体出口１８ｂと放熱流体通流路２０に連なる放熱流体入口２０ａとが開設される。このように、本実施形態の熱交換器１０では、放熱流体と受熱流体とが向流となるように構成されている。なお、上記の受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａも、本体ケーシング１６の上端部に設けられるものであれば、その開設位置は上記の位置に限定されるものではなく、例えば、本体ケーシング１６の上端面であってもよい。
ここで、本実施形態における熱交換器１０全体の流路とその温度分布の配置をみれば、高温側が上部、低温側が下部となっており、放熱が少なく熱交換効率が高い省エネルギー装置として理想的な配置となっている。

さらに、本体ケーシング１６の上部には、ステンレスやハステロイ（ヘインズ社登録商標）などの金属材料で形成され、受熱流体出口１８ｂと放熱流体入口２０ａとを連通する空間を区画するヘッドボックス２４が取り付けられると共に、本体ケーシング１６の上端面に、頂部２６ａが共通する傾斜面２６ｂ，２６ｃを介して受熱流体出口１８ｂと放熱流体入口２０ａとを連結する金属或いはセラミック製のガイド部材２６が装着される。ここで、ヘッドボックス２４内におけるこのガイド部材２６の頂部２６ａ直上の位置にはスプレーノズル２８が取り付けられており、必要な際にこのスプレーノズル２８からガイド部材２６の頂部２６ａに向けて噴射された熱交換器内部洗浄用の流体であるシャワー水ＳＷは、上記のガイド部材２６の傾斜面２６ｂ，２６ｃに案内され、受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａへと供給されるようになっている。また、図２に示すように、ヘッドボックス２４の底部には、上記のシャワー水ＳＷ等を受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａへともれなく案内するような傾斜が設けられている。
なお、図示実施形態の熱交換器１０では、上述の本体ケーシング１６とヘッドボックス２４とが露出した状態となっているが、熱交換器１０の熱利用率をより一層向上させるためには、ヘッドボックス２４の外表面、及び、上記本体ケーシング１６における外管１２の外周面と内管１４の内部空間とに断熱材を貼設するのが好ましい。また、上述の通り、熱交換器１０全体の流路とその温度分布の配置をみれば、高温側が上部、低温側が下部と言った理想的な配置となっていることから、少なくともヘッドボックス２４の外表面と本体ケーシング１６における外管１２の外周面上部に断熱材を貼設しておけば、熱利用効率を十分向上させることができる。

加熱手段３０は、排ガスＥを熱分解するための熱源である。図示実施態様では、この加熱手段３０として、アルミナなどのセラミック製或いはハステロイ(ヘインズ社登録商標)やステンレスなどの金属製の保護管の内部に、ＳｉＣなどのセラミック或いはニクロム線やカンタル(サンドビックAB社登録商標)線などの金属線からなる発熱抵抗体を装填した電熱式のヒーターが用いられる。そして、この加熱手段３０を、ヘッドボックス２４内における排ガスＥの流路近傍、具体的には、ガイド部材２６の内部及びこのガイド部材２６に対向するヘッドボックス２４の内壁内部に、複数設置している。
また、図示しないが、加熱手段３０たる電熱式のヒーターには、その後端部に給電端子が設けられており、この給電端子にリード線を介して電源装置が接続される。
なお、加熱手段３０は、排ガスＥの熱分解が可能な高温の熱を供給できるものであれば、その態様は上記の電熱式ヒーターに限定されるものではなく、例えば、火炎式のバーナーや非移行型或いは移行型のプラズマトーチなどであってもよい。また、その設置個数も、上述のように複数ではなく１つであってもよい。
さらに、加熱手段３０の如何にかかわらず、排ガスＥの除害に酸素や空気などの助燃性ガス等が必要になる場合には、係るガスを排ガスＥと共に受熱流体入口１８ａから反応塔３２内へと供給するようにしてもよいし、ヘッドボックス２４内に直接供給するようにしてもよい。

出口スクラバー３６は、反応塔３２で熱分解した排ガスを、洗浄及び冷却するためのものであり、水槽４４を構成する出口スクラバー排水回収槽４４ｂ（後述）の上面に立設された直管状のスクラバー本体３６ａと、排ガスＥの通流方向に対向するように上方から洗浄水ＣＷを噴射する下向きのスプレーノズル３６ｂと、スプレーノズル３６ｂから撒布された洗浄水ＣＷと排ガスＥとの気液接触を促進させるための充填材３６ｃとで構成されている。
この出口スクラバー３６は、上述した入口スクラバー３４と同様に、図示実施形態では、スプレーノズル３６ｂと水槽４４（より具体的には出口スクラバー排水回収槽４４ｂ）とが配管６０を介して接続されており、この配管６０の途中に取り付けられたポンプ６２によって、出口スクラバー排水回収槽４４ｂ内の洗浄水ＣＷをスプレーノズル３６ｂに揚上するようになっているが、このスプレーノズル３６ｂには、水槽４４内の洗浄水ＣＷの他に、必要に応じて新水などの新しい薬液が供給される。
なお、図１中の符号６４は、出口スクラバー排水回収槽４４ｂからスプレーノズル３６ｂへと供給される洗浄水ＣＷを冷却する冷却装置である。

排気ファン４２は、出口スクラバー３６の頂部出口に接続されており、この排気ファン４２が稼働することによって排ガス処理装置１１Ａの内部が常に大気圧よりも低い圧力（＝負圧）に保たれている。このため、熱分解処理前の排ガスＥや処理済みで高温の排ガスＥなどが誤って排ガス処理装置１１Ａから外部へ漏れ出すことがない。

水槽４４は、熱分解前洗浄水ＰＷ，シャワー水ＳＷ及び洗浄水ＣＷを貯留するタンクであり、その内部は、仕切り部材６６によってシャワー水回収槽４４ａと出口スクラバー排水回収槽４４ｂとに分割されている。また、仕切り部材６６は、水槽４４内の底面から立設された板材であり、その上端と水槽４８内の天面との間には開口６８が設けられており、後述するように排ガス処理装置１１Ａの稼働中は、この開口６８を排ガスＥが通り抜けることになる。

上述のように、シャワー水回収槽４４ａは、入口スクラバー３４で噴射された熱分解前洗浄水ＰＷ及びスプレーノズル２８から噴射されたシャワー水ＳＷを回収するとともに、入口スクラバー３４及びスプレーノズル２８に対し、ポンプ５４を介して供給する熱分解前洗浄水ＰＷ及びシャワー水ＳＷを貯留する水槽である。
また、出口スクラバー排水回収槽４４ｂは、出口スクラバー３６のスプレーノズル３６ｂから排出された洗浄水ＣＷ及び必要に応じて供給される新水などの新しい薬液を回収するとともに、出口スクラバー３６のスプレーノズル３６ｂに供給する水等、つまり洗浄水ＣＷを貯留する水槽である。

ここで、出口スクラバー排水回収槽４４ｂには、必要に応じて出口スクラバー３６に供給された新水などの新しい薬液が流入しているので、所定量以上の水等が溜まらないように余剰の水等は仕切り部材６６を越えてシャワー水回収槽４４ａへオーバーフローするようになっている。また、シャワー水回収槽４４ａは、上述のように、水等が出口スクラバー排水回収槽４４ｂからオーバーフローしてくるので、所定量以上の水等が溜まらないように排水管７０が配設されている。この排水管７０は、シャワー水回収槽４４ａに貯留された水等を図示しない排水処理装置へ送るための配管であり、その一方端が排水処理装置に接続されると共に、他方端は、シャワー水回収槽４４ａの底面から所定の高さに配設される。したがって、シャワー水回収槽４４ａの水面位置は、排水管７０の他方端の位置よりも高くならない。

なお、本実施例の排ガス処理装置１１Ａにおける反応塔３２のヘッドボックス２４内を除く他の部分には、排ガスＥに含まれる、或いは排ガスＥを分解することによって生じるフッ酸などの腐食性成分による腐食から各部を守るため、塩化ビニル樹脂，ポリエチレン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂及びフッ素樹脂などによる耐腐食性のライニングやコーティングが施されている。

次に、以上のように構成された排ガス処理装置１１Ａを用いて排ガスＥの除害処理を行う際には、まず始めに、排ガス処理装置１１Ａの運転スイッチ(図示せず)をオンにして反応塔３２内の加熱手段３０を作動させ、ヘッドボックス２４内の加熱を開始する。
続いて、ヘッドボックス２４内の排ガスＥ通流領域の温度が当該排ガスＥに含まれる除害対象成分の熱分解温度に達すると、排気ファン４２が作動し、排ガス処理装置１１Ａへの排ガスＥの導入を開始させる。すると、排ガスＥは、入口スクラバー３４，反応器３２及び出口スクラバー３６をこの順に通過して排ガスＥ中の除害対象成分が除害される。

本実施形態の排ガス処理装置１１Ａによれば、熱交換器１０を上記の通り構成しているので、排ガスＥの熱分解の際、以下の作用を奏する。
すなわち、受熱流体通流路１８と放熱流体通流路２０とが、本体ケーシング１６の軸方向にて隣接すると共に、本体ケーシング１６の軸方向全体に亘って螺旋状に形成されるので、伝熱板２２を介して接触する受熱流体と放熱流体との接触面積、すなわち伝熱面積を極大化することができる。加えて、伝熱板２２を介して接触する放熱流体と受熱流体とが向流になるため、常に低温の受熱流体はそれより高い温度の放熱流体に触れるようになり、熱交換効率を向上させることができる。

また、本実施形態の排ガス処理装置１１Ａでは、熱交換器１０の受熱流体通流路１８と放熱流体通流路２０とが、内管１４の外周を螺旋状に旋回する形状であるため、流路内に粉塵などが溜まり難く、また仮に粉塵などが溜まった場合でも、洗浄水や洗浄エアなどの内部洗浄流体を流すだけで比較的簡単に洗い流すことができる。とりわけ、本実施形態の排ガス処理装置１１Ａにおいては、立設された熱交換器１０の本体ケーシング１６の上端面にガイド部材２６が設けられると共に、このガイド部材２６の頂点２６ａ直上の位置にシャワー水ＳＷを噴射するスプレーノズル２８が装備されているので、ガイド部材２６の頂部２６ａに向けて熱交換器内部洗浄用のシャワー水ＳＷを噴射・供給するだけで受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａのそれぞれに対して自動的にシャワー水ＳＷを供給することができる。そして、受熱流体出口１８ｂ及び放熱流体入口２０ａのそれぞれに供給されたシャワー水ＳＷは、その後、重力等に従って熱交換器１０の内部を流下して熱交換器１０内に溜まった粉塵などを洗い流す。

なお、上記の実施形態は、次のように変更可能である。
上述の排ガス処理装置１１Ａでは、入口スクラバー３４と出口スクラバー３６の両方を備える場合を示したが、処理する排ガスＥの種類によってはこれらの何れか一方を備えるようにしてもよい。

次に、図３に示す第２実施形態の排ガス処理装置１１Ｂについて説明する。
上述した第１実施形態と異なる部分は、主として、反応塔３２前後の入口スクラバー３４及び出口スクラバー３６を省略すると共に、熱交換器１０の下側内部にスプレーノズル４０を配置した点である。なお、これら以外の部分は前記第１実施形態と同じであるので、同じ構成については第１実施形態と同じ符号を付すと共に、前記第１実施形態の説明を援用して本実施形態の説明に代える。また、各符号に関し、各部位を上位概念で示す場合にはアルファベットの枝番をつけずアラビア数字のみで示し、各部位を区別する必要がある場合（すなわち下位概念で示す場合）にはアルファベット大文字の枝番をアラビア数字に付して区別する。

スプレーノズル４０は、シャワー水ＳＷを噴射して排ガスＥを液洗するためのもので、熱交換器１０における受熱流体入口１８ａ近傍の受熱流体通流路１８内及び放熱流体出口２０ｂ近傍の放熱流体通流路２０内に複数設置される。このうち、受熱流体入口１８ａ近傍の受熱流体通流路１８内に設置されるスプレーノズル４０Ａは、受熱流体入口１８ａから受熱流体通流路１８内へと供給される排ガスＥの流れに対して対向する向きにシャワー水ＳＷを噴射するものであり、前記の入口スクラバー３４と同等の機能を発揮する。これに対し、放熱流体出口２０ｂ近傍の放熱流体通流路２０内に設置されるスプレーノズル４０Ｂは、放熱流体通流路２０内を放熱流体出口２０ｂへと向かう排ガスＥの流れと並行する向きにシャワー水ＳＷを噴射するものであり、前記の出口スクレバー３６と同等の機能を発揮する。

また、本実施形態の排ガス処理装置１１Ｂでは、受熱流体入口１８ａに水槽７２が直結されている。この水槽７２は、スプレーノズル４０Ａから噴射されたスプレー水ＳＷを排水Ｗとして回収するタンクであり、その内部空間は入口ダクト４６を介して図示しない半導体製造装置と連結されている。一方、放熱流体出口２０ｂには水槽７４が直結されている。この水槽７４は、スプレーノズル４０Ｂから噴射されたスプレー水ＳＷを排水Ｗとして回収するタンクであり、その内部空間は排気ファン４２に接続されている。
ここで、本実施形態の排ガス処理装置１１Ｂでは、スプレーノズル４０Ｂには新水を供給し、スプレーノズル４０Ａには水槽７４に回収された排水Ｗをポンプ７６で汲み上げて供給している。しかしながら、各スプレーノズル４０に供給する水はこれらの態様に限定されるものではなく、例えば、全て新水を用いるようにしてもよいし、全て水槽７２及び／又は水槽７４に回収された排水Ｗを汲み上げて使用するようにしてもよい。

以上のように構成された排ガス除害装置１１Ｂによれば、反応塔３２前後の入口スクラバー３４及び出口スクラバー３６を省略することができるので、排ガス処理装置１１Ｂをコンパクトにすることができるようになる。
また、前述の第１実施形態と同様に、この第２実施形態の排ガス処理装置１１Ｂも熱交換器１０を備えているので、大容量排ガスの効率的な熱分解（除害）処理が可能となる。具体的には、加熱手段３０として出力１０ｋＷの電熱ヒーターを用い、風量４００Ｌ／分の排ガスを８５０℃に加熱し、排ガス中のＮＦ₃を９９．５％以上除害可能な排ガス処理装置において、角管状の本体ケーシング１６の高さが１０００ｍｍ，外管１２の水平断面形状が１辺４００ｍｍの矩形，内管１４の水平断面形状が１辺２００ｍｍの矩形，１０００ｍｍ高さの本体ケーシング１６に受熱流体通流路１８及び放熱流体通流路２０が螺旋状にそれぞれ１０回転旋回して形成された本発明の熱交換器１０を適用した場合、加熱手段３０である電熱ヒーターの負荷を７５％程度低減させることができた。また、この結果は、電熱ヒーターの負荷を７５％程度低減させたのみならず、同時に、放熱流体として使用された後、大気中へと排出される排ガスＥの冷却負荷を７５％程度低減させていることをも意味する。このように本発明の熱交換器１０を用いれば、効率的且つ経済的に排ガスの熱分解処理をすることができる。

なお、上記の第２実施形態は、次のように変更可能である。
上述の排ガス処理装置１１Ｂでは、受熱流体通流路１８内及び放熱流体通流路２０内の両方にスプレーノズル４０を設置する場合を示したが、処理する排ガスＥの種類によってはこれらの何れか一方にスプレーノズル４０を設置するようにしてもよい。

また、上述の第１及び第２実施形態では、熱交換器１０を半導体製造装置からの排ガスＥを除害するための排ガス除害装置１１Ａ及び１１Ｂに適用する形態について説明したが、当該熱交換器１０の用途はこれに限られず、粉塵等を多く含む流体間の熱交換が求められるような装置であれば他の如何なる装置にも適用することができる。

続いて、上述の第１及び第２実施形態における熱交換器１０とは異なる、図４に示す実施形態の熱交換器１０について説明する。
この実施形態の熱交換器１０と、第１及び第２実施形態の熱交換器１０との間で異なる点は、本実施形態の熱交換器１０には、パージガス供給手段５０が設けられている点である。なお、これ以外の部分は上述した各実施形態と同じであるので、同じ構成については第１及び第２実施形態と同じ符号を付すと共に、前記第１及び第２実施形態の説明を援用して本実施形態の説明に代える。

パージガス供給手段５０は、排ガスＥの熱分解などの際に副成し熱交換器１０内に堆積した粉塵などの粒子に向けて、不活性な窒素ガス等からなるパージガスを噴射し、それらの粒子を当該熱交換器１０の下方に向かって洗い流し外部へと排出させるフラッシング装置であり、熱交換器１０内にその下方に向かってパージガスを噴射する噴射ノズル５０ａを有する。この噴射ノズル５０ａにはパージガス送給ライン５０ｂの下流端が連結されている。なお、前記パージガス送給配管５０ｂの上流端は、図示しないパージガス貯留タンクなどのパージガス供給源に接続されており、また、このパージガス送給ライン５０ｂには、噴射ノズル５０ａから噴射させるパージガスの量や噴射ノズル５０ａの作動時間・タイミングなどを制御する制御装置(図示せず)が取り付けられている。

ここで、図４に示す熱交換器１０では、本体ケーシング１６の外管１２及び内管１４の形状を角管状とし、本体ケーシング１６内部に形成された放熱流体通流路２０の各コーナー部分に噴射ノズル５０ａを取り付けると共に、本体ケーシング１６の上部(上段)に取り付けられた噴射ノズル５０ａから下部(下段)に取り付けられた噴射ノズル５０ａに向けて各噴射ノズル５０ａについて例えば３秒ずつシーケンシャルにパージガスを噴射するよう上記の制御装置で制御している。こうすることにより、熱交換器１０の運転を停止することなく運転状態のまま、放熱流体通流路２０内に堆積する粉塵などの粒子を、外部に向けて効果的にフラッシングすることができ、その結果、長期間差圧の上昇を抑えることができると共に熱交換効率が常に極大化された状態にて熱交換器１０を使用することができるようになる。

なお、上述の実施形態では、本体ケーシング１６の形状を角管状とし、放熱流体通流路２０の各コーナー部分に噴射ノズル５０ａを取り付ける場合を示したが、本体ケーシング１６の形状を円筒状にすると共に、放熱流体通流路２０の上部から下部に亘って所定の間隔を置いて噴射ノズル５０ａを取り付けるようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、放熱流体通流路２０に複数の噴射ノズル５０ａを取り付ける場合を示したが、この噴射ノズル５０ａの取付個数はこれに限定されるものではなく、例えば、放熱流体通流路２０の上部に噴射ノズル５０ａを一つ取り付けるようにしてもよい。
さらに、上述の実施形態では、パージガス供給手段５０を放熱流体通流路２０のみに取り付ける場合を示したが、このパージガス供給手段５０を放熱流体通流路２０のみならず、必要に応じて受熱流体通流路１８にも取り付けるようにしてもよい。

１０…熱交換器
１１Ａ，１１Ｂ…排ガス処理装置
１２…外管
１４…内管
１６…本体ケーシング
１８…受熱流体通流路
１８ａ…受熱流体入口
１８ｂ…受熱流体出口
２０…放熱流体通流路
２０ａ…放熱流体入口
２０ｂ…放熱流体出口
２２…伝熱板
２４…ヘッドボックス
２６…ガイド部材
２６ａ…（ガイド部材の）頂部
２６ｂ，２６ｃ…（ガイド部材の）傾斜面
３０…加熱手段
３２…反応塔
３４…入口スクラバー
３６…出口スクラバー
４０…スプレーノズル
５０…パージガス供給手段
Ｅ…排ガス

Claims (4)

1. 外管(１２)及び内管(１４)からなり、それらの軸が上下方向を向くように立設された二重管構造の本体ケーシング(１６)と、
   上記外管(１２)と上記内管(１４)との間に形成された内部空間を、上記本体ケーシング(１６)の軸方向全体に亘って螺旋状に形成されると共に上記本体ケーシング(１６)の軸方向にて互いに隣接する受熱流体通流路(１８)及び放熱流体通流路(２０)に区画する伝熱板(２２)とで構成された熱交換器であって、
   上記本体ケーシング(１６)の下端部には、上記受熱流体通流路(１８)に連なる受熱流体入口(１８ａ)と上記の放熱流体通流路(２０)に連なる放熱流体出口(２０ｂ)とが開設されると共に、上記本体ケーシング(１６)の上端部には、上記受熱流体通流路(１８)に連なる受熱流体出口(１８ｂ)と上記の放熱流体通流路(２０)に連なる放熱流体入口(２０ａ)とが開設されており、
   更に、上記本体ケーシング(１６)の上部に、上記受熱流体出口(１８ｂ)と上記放熱流体入口(２０ａ)とを連通する空間を区画するヘッドボックス(２４)が取り付けられると共に、
   上記本体ケーシング(１６)の上端面には、頂部(２６ａ)が共通する傾斜面(２６ｂ)(２６ｃ)で上記受熱流体出口(１８ｂ)と上記放熱流体入口(２０ａ)とを連結し、上記頂部(２６ａ)に与えられた流体を上記受熱流体出口(１８ｂ)及び上記放熱流体入口(２０ａ)へと案内するガイド部材(２６)が装着される、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１の熱交換器において、
   前記受熱流体通流路(１８)及び前記放熱流体通流路(２０)のうち、少なくとも上記放熱流体通流路(２０)内に、その内部空間の下方に向かってパージガスを噴射するパージガス供給手段(５０)が設けられている、ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２の熱交換器(１０)と、その熱交換器(１０)の受熱流体通流路(１８)を通流してきた処理対象の排ガス(Ｅ)を加熱する加熱手段(３０)とを具備する反応塔(３２)、及び
   上記反応塔(３２)に導入する処理対象の排ガス(Ｅ)を液洗する湿式の入口スクラバー(３４)又は上記反応塔(３２)で熱分解した処理後の排ガス(Ｅ)を液洗する湿式の出口スクラバー(３６)の少なくとも何れか一方を備える、
   ことを特徴とする排ガス処理装置。
4. 請求項１又は２の熱交換器(１０)と、その熱交換器(１０)の受熱流体通流路(１８)を通流してきた処理対象の排ガス(Ｅ)を加熱する加熱手段(３０)とで構成された反応塔(３２)を具備する排ガス処理装置であって、
   上記熱交換器(１０)における前記受熱流体入口(１８ａ)近傍の受熱流体通流路(１８)内又は前記放熱流体出口(２０ｂ)近傍の放熱流体通流路(２０)内の少なくとも何れか一方に、排ガス(Ｅ)を液洗する１又は複数のスプレーノズル(４０)が設けられる、
   ことを特徴とする排ガス処理装置。
   
   
   

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