JP6417572B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体加熱装置の加熱源として用いられるランプユニット、および流体加熱装置に関する。

半導体や各種電子機器等の製造工程において、純水、洗浄液、エッチング液等の液体の温度制御のために、ハロゲンランプを利用した流体加熱装置が用いられる。

例えば、特許文献１には、外管と外管内に挿通された内管との間を流路とし、内管にハロゲンランプが挿通された流体加熱装置が記載されている。また、ハロゲンランプとして、並行する２本の石英管にそれぞれフィラメントを収納し、一端で２本のフィラメントを電気的に接続するとともに他端から電極リードを導出するシングルエンド構造のものを用いることにより、ランプの着脱を一方側から行うことができるのでメンテナンスが容易となることが記載されている。

特許文献２には、特許文献１と同様の流体加熱装置において、内部にフィラメントを封入した１本のヒータ管をヘアピン状に屈曲させたシングルエンド構造のハロゲンランプヒータを用いることが記載されている。

特開平９−９６４３９号公報 特開２００９−９２３４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたハロゲンランプでは、２本のフィラメントを電気的に接続した一端がフィラメントからの輻射により高温となり、外気にさらされる金属部分が酸化膨張を繰り返す事によりガラスを破損するなどの問題が生じ、その熱対策のために流体加熱装置の構造が複雑になるなどの問題があった。

また、特許文献２に記載された流体加熱装置では、Ｕ字状のヒータ管を有するハロゲンランプがリード配線が導出している側でのみ固定されている点で問題があった。内管内部にハロゲンランプを装着する場合に、内管とハロゲンランプの隙間は小さいほど空間効率が良くなる。しかし、ハロゲンランプを片側で支持する構造ではハロゲンランプが傾きやすく、内管とハロゲンランプの隙間が小さい場合には両者が接触するおそれがある。その場合、内管の当該接触部分が特に熱くなり、流体が均一に加熱されないことになる。

本発明は以上の点を考慮してなされたものであり、シングルエンド構造であって、端子と反対側（以下「先端側」という）が部分的に高温になることを抑制し、外管と外管内に挿通された内管との間を流路とする流体加熱装置において内管内部に堅実に装着することが可能なランプユニットを提供することを課題とする。合わせて、かかるランプユニットを用いた流体加熱装置を提供することを課題とする。

上記の課題に対して、本発明では、Ｕ字状のランプヒーターを採用し、ガラス管先端部（ランプの「先端」）に不透明ブロックを接着する。

本発明の流体加熱装置用ランプユニットは、Ｕ字状の透光性ガラス管と該Ｕ字状の２つの直線部に発光部を有するランプヒーターと、不透明端部ブロックを有する。そして前記不透明端部ブロックは前記ガラス管先端部に接着されている。

これにより、ランプユニットの先端部分が高温になった場合に酸化膨張を繰り返していた金属部分を外気に晒す事が無く、先端部分の耐熱温度を高める事が出来る。さらに、本ランプユニットを流体加熱装置で用いる場合に、端部ブロックによってランプヒーターの先端側を堅実に支持することができる。

前記ランプユニットの一実施形態においては、前記透光性ガラス管が石英ガラス管であり、前記ランプヒーターがハロゲンランプである。

好ましくは、前記端部ブロックは外形が円柱状である。これにより、流体加熱装置の内管が円筒である場合に、発光部からの光がランプ先端方向に漏れるのを抑えることができる。

好ましくは、前記ハロゲンランプの石英ガラス管は、屈曲部の径が直線部の径よりも小さい。これにより、不透明端部ブロックの強度を維持しながら外径を小さくすることが可能となり、流体加熱装置の内管とハロゲンランプの間隔を小さくすることが容易となる。

本発明の流体加熱装置は、流体容器と上記いずれかの流体加熱装置用ランプユニットを有する。流体容器は、石英ガラス製の外管と、該外管の両端を塞ぐ石英ガラス製の端面部材と、該端面部材の少なくとも１つを貫通して該外管の内部に挿入された石英ガラス製の内管とを有する。ランプユニットは前記内管に挿入される。

これにより、ランプユニットの先端部分が高温になること、およびその近傍の流体加熱装置の部位が部分的に高温になることを抑制することができる。また、端部ブロックによってランプの先端側を堅実に支持することができるので、内管とランプヒーターの隙間を小さくしても両者が接触することがない。

好ましくは、前記流体加熱装置は、前記流体容器の全体を内部に収納する金属製の筐体と、前記筐体壁の内側の所定箇所に嵌合された樹脂製の支持部材とをさらに有し、前記流路容器の内管が前記端面部材の両方を貫通しており、前記支持部材が前記内管の両端を挟み込むことによって前記流体容器が固定される。

このように樹脂製の支持部材で石英ガラス製の流体容器を固定することによって、流体容器の破損を防止することができる。

以上のとおり、本発明の流体加熱装置用ランプユニットまたは流体加熱装置を用いることによって、ランプユニットの先端部が部分的に高温になることを抑制し、外管と外管内に挿通された内管との間を流路とする流体加熱装置の内管内にランプユニットを堅実に装着することが可能となる。

本発明の流体加熱装置用ランプユニットの一実施形態の外観を示す図である。 本発明の流体加熱装置用ランプユニットの一実施形態の端部ブロック部分の拡大断面図である。 本発明の流体加熱装置の一実施形態の構造を示す図である。 本発明の流体加熱装置の他の実施形態の構造を示す図である。

本発明の第１の実施形態として、流体加熱装置用ランプユニットの一実施形態を、図１および図２に基づいて説明する。

図１において、本実施形態のランプユニット１０は、ハロゲンランプ１１と端部ブロック１５を有する。ハロゲンランプ１１は、透光性ガラス管であるＵ字状の石英ガラス管１２と、その内部に封入されたフィラメント１３と、石英ガラス管の２つの封着部（図示せず）の全体を覆うように設けられた端子ベース１６と、端子ベース１６から外部に延びるリード線１７とを有する。フィラメント１３は、石英ガラス管１２のＵ字状の直線部に発光部１４を形成している。石英ガラス管１２のＵ字状の曲線部、すなわちハロゲンランプ１１の先端部には不透明端部ブロック１５が接着されている。

図２は、図１の端部ブロック１５部分の断面を拡大して示したものである。石英ガラス管１２の先端部には、端部ブロック１５が接着剤１８によって、ハロゲンランプ１１と同軸に接着されている。

端部ブロック１５は、石英ガラス管１２からの熱伝導や、発光部（図１の１４）からの光を遮断するために、不透明素材を成形したものが用いられる。端部ブロックの材質は、耐熱性材料であれば特に限定することなく用いることができる。また、接着剤１８には、各種のセラミック系の耐熱接着剤を用いることができる。

端部ブロック１５の外形は、ハロゲンランプユニット１０を流体加熱装置に装着して使用する際に、後述する石英ガラス製の内管に挿入して嵌合するように成形されていれば特に限定されない。好ましくは、端部ブロックの外形は円柱状とすることができる。流体加熱装置の内管としては円筒形の管が多く用いられるので、端部ブロックを円柱状とすれば、内管の内部空間の断面全体を端部ブロックが占めることになる。これによって、発光部１４からの光がランプユニット１０の先端側から軸方向に漏れることを防止することができる。光が軸方向に漏れると、流体の加熱効率が悪化するとともに、流体加熱装置の意図しない部分が加熱されることによって、熱膨張歪等による装置の損傷の原因となるので好ましくない。

また、端部ブロック１５は、ハロゲンランプユニット１０を流体加熱装置の内管に挿入した際に、ハロゲンランプ１１の石英ガラス管１２が内管に接触しない程度に大きい必要がある。例えば、円柱状の端部ブロックの外径は、石英ガラス管１２のＵ字の幅（直線部が並列する部分の幅）より大きい必要があり、内管とハロゲンランプの隙間を小さくするためには、わずかに大きいことが好ましい。

また、図２において、石英ガラス管１２は、ガラス管先端部の屈曲部の径が直線部の径よりも小さくなっている。これにより、石英ガラス管１２を接着するための端部ブロック端面のくぼみを小さくすることができ、くぼみの縁の薄肉部を厚くすることができる。結果として、端部ブロックの強度を維持しながら、その外径を小さくすることができる。

次に、第２の実施形態として、上記ハロゲンランプユニットを用いた流体加熱装置の一実施形態を、図３に基づいて説明する。図３（Ａ）は本実施形態の流体加熱装置に用いられる流体容器とハロゲンランプユニットの断面を、図３（Ｂ）は流体容器の側面を示している。図３（Ａ）は図３（Ｂ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図３において、流体容器２０は、外管２１と、外管２１の両端を塞ぐ端面部材２２、２３と、端面部材２２を貫通して外管２１の内部に挿入された４本の内管２４と、外管２１の下部に設けられた被加熱液体の流入口２５と、外管２１の上部に設けられた被加熱液体の流出口２６と、外管２１内部を上下に仕切る仕切板２７とで構成される。流体容器２０は全体が石英ガラスからなり、いずれも石英ガラス製である前記各構成部材を溶接して製造することができる。

ハロゲンランプユニット１０は、内管２４に挿入され、端部ブロックと端子ベースによって位置決めされ、固定されている。端部ブロックと端子ベースの外径は、内管２４の内径よりわずかに小さく、かつハロゲンランプの石英ガラス管のＵ字の幅よりわずかに大きく形成されている。これによりハロゲンランプと内管２４が接触することがない。なお、端子ベースは必ずしも内管内部に挿入する必要はなく、ランプユニット１０の端子側は内管の外部で支持・固定されてもよいが、端部ブロックと端子ベースの両方を外径が等しい円柱状とすることによって、ランプユニット全体を内管に挿入して容易に位置決めすることができる。また、内管２４およびランプユニット１０の数は４本に限られるものではない。

流体容器２０は、外管２１と内管２４の間が流路となっている。被加熱流体は流入口２５から流入し、仕切板２７によって、図３（Ａ）左方を迂回して、流出口２６から流出する。被加熱流体は、流路を通過しながら、ハロゲンランプヒーターによって加熱される。

一方、本実施形態のハロゲンランプユニット１０は、先端部においてもフィラメントが石英ガラス管内に封入されている。そのため、２本の直管状のランプのフィラメントを電気的に接続するものに比べて、先端部分の耐熱温度が高い。これにより、先端部分の冷却が不要であるか、冷却を行う場合でもより冷却能力の小さい方法を採用することができる。また、端部ブロック１５によって、石英ガラス管１２からの熱伝導量が減少し、発光部からの光が遮られるため、流体加熱装置の意図しない部分が過度に加熱されることが防止される。

次に、第３の実施形態として、上記ハロゲンランプユニットを用いた流体加熱装置の他の実施形態を、図４に基づいて説明する。

図４において、流体加熱装置４０は、金属製の筐体４１の内部に流体容器３０が収納されている。本実施形態の流体容器３０は、内管３４が端面部材３２、３３の両方を貫通して外管３１の内部に挿入されている点で、上記第２の実施形態の流体容器２０と異なる。被加熱流体の流れや加熱方法は第２の実施形態と同様である。

筐体４１の壁には、内管３４に対応する所定の位置に樹脂製の支持部材４２、４３が嵌合され、支持部材４２、４３が流体容器の内管３４の両端を挟み込むことによって、流体容器３０が固定されている。

支持部材４２、４３は、石英ガラス製の内管３４を傷つけないように、樹脂製のものが用いられ、例えば、耐熱性に優れるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を成形したものが好適に用いられる。ハロゲンランプユニット１０の端子側の支持部材４２の形状は、流体容器３０を筐体４０内に固定した状態でハロゲンランプユニット１０を装着・脱着できるように、円筒状に成形されている。ハロゲンランプユニット１０の先端側の支持部材４３の形状は、円筒状であっても円柱状であってもよく、内管３４を支持できる形状であれば特に限定されない。

本実施形態では、樹脂製の支持部材４２、４３を用いて内管３４を挟み込み、流体容器３０を固定する。樹脂はガラス、セラミックや金属と比べて柔軟性を有するので、これにより、石英ガラス製の流体容器３０が破損しにくいという効果が得られる。樹脂製の支持部材を採用することができるのは、本実施形態のハロゲンランプユニット１０の構造によるものである。すなわち、ハロゲンランプユニットの先端側への熱および光の漏れが少ないために、ガラス、セラミックや金属よりも耐熱性に劣る樹脂を用いることができるのである。

また、本実施形態では、さらに前記外管３１の軸を含む垂直断面において、前記外管３１の上部壁と前記端面部材３３上部の成す角θが９０度より大きく形成されている。すなわち、液体の流れが上向きから水平方向に変わる場所で、流路の角の内角を９０度より大きくしている。これは、液体が容器内部を折り返して進むように流路が形成されている場合に、液体の流れが上向きから水平方向に変わる流路の角に気泡が滞留しやすいので、その滞留部分をなくすことによって気泡の滞留を防止するためである。本実施形態の流体加熱装置は、ランプユニットが高温になるような用途、例えば半導体製造工程におけるリン酸エッチング液の加熱用として用いることがある。その場合リン酸エッチング液は、その沸点近くまで加熱して使用されるため大量の気泡が発生し、さらに、液の粘性が高いため気泡が排出されにくい。したがって、このような用途では、液体の流れが上向きから水平方向に変わる場所で、流路の角の内角θを９０度より大きくすることで気泡が排出されやすくなる。

次に第３の実施形態で述べた流体加熱装置の実施例を説明する。作製した流体加熱装置の構造は、図４に示したとおりであった。ただし、内管３４およびランプユニットの数は６本であった。長さ４００ｍｍ、発光部長さ２１０ｍｍ、直線部の管径１０．５ｍｍ、ランプ直線部の幅２３ｍｍのハロゲンランプに、長さ２０ｍｍ、外径２４ｍｍのセラミック製不透明端部ブロックを接着してランプユニット１０を作製した。外管径１４０ｍｍ、内管径３２．５ｍｍ（内径２６ｍｍ）、容積約２Ｌの石英ガラス製流体容器を、ＰＴＦＥ製の支持部材４２、４３によって金属製筐体４１に固定した。次いで、ランプユニット１０を内管３４に挿入して、流体加熱装置４０を作製した。この流体加熱装置を用いてリン酸を１６５℃に加熱したところ、ランプユニット先端部および支持部材の温度上昇も問題ない範囲に収まり、また、流体容器内の気泡の滞留も少なく、良好な結果が得られた。

本発明は上記の実施形態や実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。

本発明の流体加熱装置用ランプユニットおよび流体加熱装置は、前述の半導体や各種電子機器等の製造工程における、純水、洗浄液、エッチング液等の液体の温度制御のためのみならず、化学薬品実験設備や一般の温水加熱装置にも使用することができる。

１０ ハロゲンランプユニット（流体加熱装置用ランプユニット）
１１ ハロゲンランプ（ランプヒーター）
１２ 石英ガラス管（透光性ガラス管）
１３ フィラメント
１４ 発光部
１５ 端部ブロック
１６ 端子ベース
１７ リード線
１８ 接着剤
２０、３０ 流体容器
２１、３１ 外管
２２、２３、３２、３３ 端面部材
２４、３４ 内管
２５ 流体入口
２６ 流体出口
２７ 仕切板
４０ 流体加熱装置
４１ 金属製筐体
４２、４３ 支持部材
θ 外管の軸を含む垂直断面において外管上部壁と端面部材上部が成す角

Claims (3)

1. 石英ガラス製の外管と、該外管の両端を塞ぐ石英ガラス製の端面部材と、該端面部材の両方を貫通して該外管の内部に挿入された石英ガラス製の内管とを有する流体容器と、
   前記内管に挿入され、Ｕ字状の透光性ガラス管と該Ｕ字状の２つの直線部に発光部を有するランプヒーターと、前記Ｕ字状の透光性ガラス管先端部に接着された不透明端部ブロックとを有するランプユニットと、
   前記流体容器の全体を内部に収納する筐体と、
   前記筐体壁の内側の所定箇所に設けられた樹脂製の支持部材とを有し、
   前記支持部材が前記内管の両端を支持することによって前記流体容器が固定される、
   流体加熱装置。
2. 前記支持部材が前記内管の両端を挟み込むことによって前記流体容器が固定される、
   請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 前記筐体が金属製で、前記支持部材が前記筐体壁の内側の所定箇所に嵌合された、
   請求項１または２に記載の流体加熱装置。

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