JP6602864B2 - 有毒ガス灰化のための放射バーナー - Google Patents

Description

本発明は、放射バーナー及び方法に関する。

放射バーナーは公知であり、典型的には、例えば、半導体又はフラットパネルディスプレイ製造業界に使用される製造工程ツールからの流出ガスストリームを処理するのに使用される。そのような製造中に、残留ペルフルオロ化化合物（ＰＦＣ）及び他の化合物は、処理ツールからポンピングされる流出ガスストリームに存在する。ＰＦＣは、流出ガスから除去することが困難であり、環境内へのそれらの放出は、それらが比較的高い温室効果活性を有することが公知であるので望ましくない。

公知の放射バーナーは、燃焼を使用してＰＦＣ及び他の化合物を流出ガスストリームから除去する。典型的には、流出ガスストリームは、ＰＦＣ及び他の化合物を含有する窒素ストリームである。燃料ガスが、排気ガスストリームと混合され、このガスストリーム混合物は、小孔ガスバーナーの出口面によって横方向に取り囲まれた燃焼チャンバの中に搬送される。燃料ガス及び空気は、小孔バーナーに同時に供給されて出口面で無炎燃焼に影響を与え、小孔バーナーを通過する空気の量は、バーナーへの燃料ガス供給物のみならず、燃焼チャンバの中に注入されるガスストリーム混合物内の全ての可燃物も消費するのに十分である。

流出ガスストリームを処理するための技術は存在するが、それらは、各々がそれら自体の欠点を有する。従って、流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しい。

第１の態様により、製造工程ツールからの流出ガスストリームを処理するための放射バーナーを提供し、放射バーナーは、燃焼材料が焼結金属繊維スリーブの内側燃焼面に近接した燃焼のために通過する焼結金属繊維スリーブと、焼結金属繊維スリーブを取り囲み、かつ燃焼材料が通過する絶縁スリーブとを含む。

第１の態様は、流出ストリームの処理又は軽減のエネルギ効率を改善するために、典型的には処理の待機段階中に起こる処理ツール非活動の期間中に放射バーナーが消されることが望ましい場合があることを認識している。しかし、第１の態様はまた、それらの待機段階が頻繁であり、かつ短い持続時間のものであると考えられること、及びそのような迅速サイクリングが、亀裂による既存の放射バーナースリーブ又はライナの早期故障に至る可能性があることを認識している。

従って、放射バーナーを提供することができる。放射バーナーは、製造工程ツールから放出又は排出される流出ガスストリームを処理又は軽減することができる。放射バーナーは、焼結される場合がある金属繊維スリーブを含むことができる。燃焼材料は、金属繊維スリーブの内側燃焼面に近接して又は隣接して燃焼するように金属繊維スリーブを通過することができる。放射バーナーはまた、絶縁スリーブを含むことができる。絶縁スリーブは、金属繊維スリーブを取り囲むか又は少なくとも部分的に包含することができる。燃焼材料はまた、絶縁スリーブを通過して金属繊維スリーブに到達することができる。このようにして、バーナーを消されている間である頻繁な待機段階によって引き起こされる迅速サイクリングによっては亀裂しない放射バーナーを提供する。同じく、絶縁スリーブを提供することにより、放射バーナー内の温度及び放射バーナーの外面の温度は、既存のセラミックバーナーと同程度に留まる。これは、放射バーナーが、処理ツール非活動のそのような頻繁かつ短い持続時間期間中に亀裂を被らないライン交換可能ユニットとして既存のセラミックバーナーの代わりに置換されることを可能にする。

一実施形態において、焼結金属繊維スリーブは、８０〜９０％の孔隙率を有する。

一実施形態において、焼結金属繊維スリーブは、１５０−３００ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ²の空気透過率を有する。

一実施形態において、焼結金属繊維スリーブは、６９０−１１１０ｋｇ／ｍ³の密度を有する。

一実施形態において、絶縁スリーブは、セラミック繊維ブランケットである。

一実施形態において、絶縁スリーブは、１００−１５０Ｋｇ／ｍ³の密度を有する。

一実施形態において、絶縁スリーブは、燃焼材料がそれを通過する時に４０−６０Ｐａ圧力低下をもたらす密度を有する。

一実施形態において、焼結金属繊維スリーブは、絶縁スリーブ内で同心的に保持される。

一実施形態において、放射バーナーは、焼結金属繊維スリーブ及び絶縁スリーブを保持するように作動可能な支持体を含む。

一実施形態において、絶縁スリーブは、支持体内で同心的に保持される。

一実施形態において、焼結金属繊維スリーブは、周方向に延びるプリーツを含む。プリーツを与えることは、異なる温度での焼結金属繊維スリーブのサイズの変化を受け入れるのを補助する。

一実施形態において、放射バーナーは、焼結金属繊維スリーブと熱的に結合されて焼結金属繊維スリーブの温度の表示を与えるように作動可能な温度センサを含む。従って、金属繊維スリーブの温度の表示は、放射バーナーの作動温度を確立することができるように与えることができる。

一実施形態において、温度センサは、外面上で焼結金属繊維スリーブと熱的に結合される。従って、温度センサは、温度センサを燃焼チャンバ内の材料から保護するために、金属繊維スリーブによって定められた燃焼チャンバの外側に設けることができる。

一実施形態において、放射バーナーは、温度に応答して選択された複数の混合比のうちの１つで燃焼材料を供給するように作動可能な供給源を含む。従って、燃焼材料の混合比は、放射バーナーの作動条件及び／又は温度を最適化するために温度に応答して変えることができる。

一実施形態において、供給源は、焼結金属繊維スリーブの温度が作動温度を超えることができない時に実質的に量論的混合比で燃焼材料を供給するように作動可能である。従って、量論的又は燃料リッチ混合比は、放射バーナーの暖気時間を改善するように提供することができる。

一実施形態において、供給源は、焼結金属繊維スリーブの温度が作動温度を超える時に実質的に希薄な混合比で燃焼材料を供給するように作動可能である。従って、適切な作動条件が達した状態で、燃料含有量を低減することができる。

第２の態様により、製造工程ツールからの流出ガスストリームを処理するための放射バーナーを作動させる方法を提供し、本方法は、焼結金属繊維スリーブの内側燃焼面に近接した燃焼のために燃焼材料が通過する放射バーナーの焼結金属繊維スリーブの外面の温度を決定する段階と、温度に応答して選択された複数の混合比のうちの１つで燃焼材料を供給する段階とを含む。

一実施形態において、供給する段階は、焼結金属繊維スリーブの温度が作動温度を超えることができない時に実質的に量論的混合比で燃焼材料を供給する段階を含む。

一実施形態において、供給する段階は、焼結金属繊維スリーブの温度が作動温度を超える時に実質的に希薄な混合比で燃焼材料を供給する段階を含む。

一実施形態において、供給する段階は、選択された期間にわたって実質的に量論的混合比で燃焼材料を供給する段階を含む。

一実施形態において、供給する段階は、選択された期間の満了時に実質的に希薄な混合比で燃焼材料を供給する段階を含む。

実施形態において、放射バーナーは、第１の態様の特徴を含む。

更に別の特定のかつ好ましい態様は、添付の独立及び従属クレームに示されている。従属クレームの特徴は、独立クレームの特徴と適切な時にかつこのクレームに明確に示すもの以外との組合せで組み合わせることができる。

装置特徴が、機能を提供するように作動可能であると説明される場合に、これは、その機能を提供するか又はその機能を提供するようになった又はそのように構成された装置特徴を含むことは認められるであろう。

本発明の実施形態をここで添付の図面を参照して以下で更に説明する。

一実施形態による放射バーナーを示す図である。 図１に示す小孔バーナーライナの配置をより詳細に示す図である。

実施形態の説明
より詳細に実施形態を議論する前に最初に概観を以下に提供する。実施形態は、頻繁かつ短い持続時間のものである場合がある処理ツール非活動の期間中（例えば、待機段階中）に消されるいわゆる「グリーンモード」で作動するのに特に適する放射バーナーを提供する。放射バーナーライナは、典型的なセラミック放射バーナーライナを置換する絶縁スリーブによって取り囲まれた焼結金属繊維スリーブを有する。焼結金属繊維スリーブと絶縁スリーブの組合せは、ほとんど同一の条件下でかつ既存の放射バーナーと比べて改善された効率性で作動するが、温度サイクリングに起因する衝撃に抵抗することができる放射バーナーを提供する。同じく、低温からの放射バーナーの暖気時間を改善するために、通常作動中に希薄条件に戻る前に混合物をリッチにするように燃焼材料の混合を調節することができる。

放射バーナー−全体構成及び作動
図１は、一実施形態による放射バーナーを全体的に８で示している。放射バーナー８は、半導体又はフラットパネルディスプレイ処理ツールのような製造工程ツールから典型的には真空ポンピングシステムによってポンピングされる流出ガスストリームを処理する。流出ストリームは、入口１０で受け入れられる。流出ストリームは、流出ストリームを円筒形燃焼チャンバ１４の中に注入するノズル１２まで入口１０から搬送される。この実施形態において、放射バーナー８は、周方向に配置された４つの入口１０を含み、各々は、それぞれの真空ポンピングシステムによってそれぞれのツールからポンピングされる流出ガスストリームを搬送する。これに代えて、単一処理ツールからの流出ストリームは、複数のストリームに分けることができ、その各１つは、それぞれの入口に搬送される。各ノズル１２は、燃焼チャンバ１４の上側又は入口面を定めるセラミック上板１８に形成されたそれぞれのボア１６内に位置付けられる。燃焼チャンバ１４は、概略的に示されて図２により詳細に示されている小孔バーナー要素２０の出口面２１によって定められた側壁を有する。バーナー要素２０は、円筒形であり、かつ円筒形外側シェル２４内に保持される。

プレナム容積２２は、バーナー要素２０の流入面と円筒形外側シェル２４との間に定められる。天然ガス又は炭化水素のような燃料ガスと空気との混合物は、入口ノズルを通じてプレナム容積２２の中に導入される。燃料ガスと空気との混合物は、燃焼チャンバ１４内での燃焼のためにバーナー要素の流入面２３からバーナー要素の出口面２１まで通過する。

燃料ガスと空気との混合物の公称比は、燃焼チャンバ１４内の公称温度を処理すべき流出ガスストリームに対して適切であるものに変えるために変更される。同じく、燃料ガスと空気との混合物がプレナム容積２２の中に導入される速度は、バーナー要素２０の出口面２１で可視火炎なしに混合物が燃えることになるように調節される。燃焼チャンバ４０の排気部１５は、燃焼生成物を放射バーナー８から出すことを可能にするために開いている。

従って、入口１０を通して受け入れられ、かつノズル１２によって燃焼チャンバ１４に提供される流出ガスは、バーナー要素の出口面２１の近くで燃焼する燃料ガスと空気との混合物によって加熱された燃焼チャンバ１４内で燃焼されることを見ることができる。そのような燃焼は、チャンバ１４の加熱を引き起こし、かつ燃料空気混合物（ＣＨ₄、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀）及びバーナーの面発火率に応じて典型的には７．５％〜１０．５％の公称範囲を有する酸素のような燃焼生成物を燃焼チャンバ１４に提供する。熱及び燃焼生成物は、燃焼チャンバ１４内の流出ガスストリームと反応して流出ガスストリームを清浄にする。例えば、燃焼チャンバ内のＯ₂と反応してＳｉＯ₂、Ｎ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＯｘを発生させるＳｉＨ₄及びＮＨ₃を流出ガスストリーム内に提供することができる。同様に、燃焼チャンバ内のＯ₂と反応してＣＯ₂、ＨＦ、Ｈ₂Ｏを発生させるＮ₂、ＣＨ₄、Ｃ₂Ｆ₆を流出ガスストリーム内に提供することができる。

小孔バーナーライナ配置
ここでその構成が図２により詳細に示されている小孔バーナーライナ２０の配置に移る。この配置では、小孔バーナーライナ２０は、焼結金属繊維シート１００を圧延及びシーム溶接することによってフランジ１２０Ａ、１２０Ｂの間に保持された有孔スクリーン１１０に構成される。

焼結金属繊維シート１００は、韓国のＦｉｂｅｒＴｅｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙが供給するＳＦＦ１−３５又はＳＦＦＥ−３０、これに代えて米国のＭｉｃｒｏｎ Ｆｉｂｅｒ−Ｔｅｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙが供給するＳ−ｍａｔ又はＤ−ｍａｔのようなあらゆる適切な焼結金属繊維とすることができる。典型的には、そのような焼結金属繊維は、８０％と９０％の間の孔隙率、１５０−３００ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ²の透過率、及び約６９４〜１１１１ｋｇ／ｍ³のシート密度を有する。

ここで表１を参照すると、穿孔支持体１１０に溶接された焼結金属繊維シートを有する小孔バーナーライナは、既存のセラミック小孔バーナーライナと同一の条件下で作動することが見出されている。この例では、１４５，９３１ｍｍ²（２２６インチ²）の表面積を有する焼結金属繊維シートを有する（及び別の例では、以下に説明するセラミック繊維ブランケットを有する）１５２．４ｍｍ（６インチ）の内径と３０４．８ｍｍ（１２インチ）の軸線方向長さとの小孔バーナーライナは、６１０ｓｌｍの空気中で３６ｓｌｍの天然ガスを使用して燃やされ、これは、約８０ｋＷ／ｍ²（５０，０００ＢＴＵ／ｈｒ／ｆｔ²）の面燃焼速度及び９％の残留酸素濃度（流出ストリームが存在しない時に測定）を提供した。燃焼排出物は、２００ｌ／ｍｉｎの窒素の模擬流出ストリームの存在下で測定された。見ることができるように、流出ストリームがその後に導入された時の燃焼排出物（焼結金属繊維シート／焼結金属繊維シート＋セラミック繊維ブランケット）は、既存のバーナー（セラミック）よりも良好である。

しかし、そのような配置に対する低温からの暖気時間は、約１５分である可能性がある。これは、例えば、１０秒のような短い期間の後に希薄条件に戻る前に化学量論的条件下で着火することによって１０秒未満に短縮することができる。

これに加えて、焼結金属繊維シート１００の外面１０５の定常状態温度は、セラミック小孔バーナーライナの温度よりも高い（５０℃未満と比べて１２０〜１４０℃）。この温度は、燃焼チャンバ１４よりも遥かにゆっくり上昇し、従って、このパラメータを使用してリッチ開始を直接に制御することは可能でない場合はあるが、外面１０５温度は、リッチ開始機能を抑制するのに有益に使用することができる。

例えば、有孔スクリーン１００及びフランジ１２０Ａ、１２０Ｂのような機械的外側支持体と、ガス透過性セラミック繊維ブランケット１３０と、焼結金属繊維シート１００とを含む３つの構成要素構造体を構成することは、表２及び３に示すような性能の改善をもたらす。この例において、７２，９６５ｍｍ²（１１３インチ²）の表面積を有する穿孔支持体に溶接された焼結金属繊維シートを有する（及び別の例ではセラミック繊維ブランケットを有する）１５２．４ｍｍ（６インチ）の内径と１５２．４ｍｍ（６インチ）軸線方向長さとの小孔バーナーライナは、９％の残留酸素濃度（流出ストリームが存在しない時に測定）を提供した３１０ｓｌｍの空気中の１９ｓｌｍの天然ガスを使用して燃やされた。三フッ化窒素軽減は、２００ｌ／ｍｉｎの窒素を用いた模擬流出ストリームの一部として測定された。見ることができるように、流出ストリームがその後に導入された時の燃焼排出物（地金／絶縁金属）は、既存バーナー（セラミック）よりも良好である。

セラミック繊維ブランケット１３０は、上述の面発火率と同等な面流量での最小圧力低下を有するように選択される。１２８ｋｇ／ｍ³密度のＩｓｏｆｒａｘ １２６０（ケイ酸カルシウム）又はＳａｆｆｉｌ（アルミナ）のような典型的には６と１２ｍｍの間のどこか、好ましくは、１０ｍｍの市販のブランケット材料は、線形圧力−流量関係により０．１ｍ／ｓ面速度での４０−６０Ｐａ圧力低下の範囲の許容可能能な性能を有する。それらの材料の両方とも、Ｕｎｉｆｒａｘ Ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能である。

図２に示すように、焼結金属繊維シート１００の外面１０５と熱的に結合した熱電対１４０が設けられる。熱電対１４０又は他の温度センサは、焼結金属繊維シート１００の温度を測定する。熱電対１４０が、焼結金属繊維シート１００の温度が閾値よりも低いことを示す時（これは、燃焼チャンバ１４の作動温度がその作動温度よりも低いことを示す）、燃料対空気の比は増加される。燃料対空気の比は、燃焼チャンバ１４の作動温度がその作動温度を超えることを示す熱電対１４０によって報告される温度が閾値を超える時に低減される。

この実施形態において、有孔スクリーン１１０及び金属フランジ１２０Ａ、１２０Ｂが機械的支持を与えるのに使用されるが、焼結金属繊維シート１００及びセラミック繊維ブランケット１３０を保持するための他の配置が設けられる場合があることは認められるであろう。

図２に示していないが、異なる温度での焼結金属繊維シート１００の長さの変化を受け入れるために、焼結金属繊維シート１００内に周方向プリーツが設けられる場合がある。

本発明の例示的な実施形態を添付の図面を参照して本明細書に詳細に開示したが、本発明が実施形態通りには限定されないこと、及び添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって定める本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってそこに様々な変更及び修正を達成することができることは理解される。

８ 放射バーナー
１０ 入口
１２ ノズル
１４ 燃焼チャンバ
１５ 排気部
１６ ボア
１８ セラミック上板
２０ 小孔バーナー要素
２１ 出口面
２２ プレナム容積
２３ 流入面
２４ 外側シェル
１００ 焼結金属繊維シート
１０５ 外面
１１０ 穿孔スクリーン
１２０Ａ、１２０Ｂ フランジ
１３０ セラミック繊維ブランケット
１４０ 熱電対

Claims (13)

1. 製造工程ツールからの流出ガスストリームを処理するための放射バーナーであって、
   焼結金属繊維スリーブであって、該焼結金属繊維スリーブの内側燃焼面に近接した燃焼のために燃焼材料が通過する前記焼結金属繊維スリーブと、
   前記焼結金属繊維スリーブを取り囲み、かつ前記燃焼材料が通過する絶縁スリーブと、
   を含むことを特徴とする放射バーナー。
2. 前記焼結金属繊維スリーブは、８０％−９０％の孔隙率、１５０−３００ｃｃ／ｍｉｎ／ｃｍ²の空気透過率、及び６９０−１１１０ｋｇ／ｍ³の密度のうちの少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１に記載の放射バーナー。
3. 前記絶縁スリーブは、セラミック繊維ブランケットであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射バーナー。
4. 前記絶縁スリーブは、１００−１５０ｋｇ／ｍ³の密度と前記燃焼材料がそれを通過する時に４０−６０Ｐａ圧力低下をもたらす密度とのうちの少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の放射バーナー。
5. 前記焼結金属繊維スリーブは、前記絶縁スリーブ内で同心的に保持されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の放射バーナー。
6. 前記焼結金属繊維スリーブと前記絶縁スリーブとを保持する支持体を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の放射バーナー。
7. 前記絶縁スリーブは、前記支持体内で同心的に保持されることを特徴とする請求項６に記載の放射バーナー。
8. 前記焼結金属繊維スリーブは、周方向に延びるプリーツを含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の放射バーナー。
9. 前記焼結金属繊維スリーブと熱的に結合され、かつ該焼結金属繊維スリーブの温度の表示を与えるように作動可能な温度センサを含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の放射バーナー。
10. 前記温度センサは、外面上で前記焼結金属繊維スリーブと熱的に結合されることを特徴とする請求項９に記載の放射バーナー。
11. 前記温度に応答して選択された複数の混合比のうちの１つで前記燃焼材料を供給するように作動可能な供給源を含むことを特徴とする請求項１０に記載の放射バーナー。
12. 前記供給源は、前記焼結金属繊維スリーブの前記温度が作動温度を超えることができない時に実質的に量論的混合比で前記燃焼材料を供給するように作動可能であることを特徴とする請求項１１に記載の放射バーナー。
13. 前記供給源は、前記焼結金属繊維スリーブの前記温度が作動温度を超える時に実質的に希薄な混合比で前記燃焼材料を供給するように作動可能であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の放射バーナー。

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