JP7203623B2

JP7203623B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP7203623B2
Application number: JP2019016330A
Authority: JP
Inventors: 誠中島
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: JP2020123709A

Description

本開示は、熱処理装置に関する。

複数の半導体ウエハを棚状に載置したウエハボートに対しその周囲から加熱を行う縦型熱処理装置の加熱炉外壁に熱電モジュールをその一面側（内側）が接するように設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１－８５３５１号公報

本開示は、発電効率の改善とコストの低減を両立できる技術を提供する。

本開示の一態様による熱処理装置は、処理容器と、前記処理容器の周囲に配置される加熱部と、前記加熱部の周囲に隙間を空けて配置される冷却部と、前記加熱部と前記冷却部との隙間に、互いに間隔を空けて配置される複数の熱電発電モジュールと、前記加熱部と前記熱電発電モジュールとの間に配置される集熱板と、を有し、前記集熱板は、前記処理容器の周方向における前記熱電発電モジュールが配置されていない部分に屈曲部を有する。

本開示によれば、発電効率の改善とコストの低減を両立できる。

第１の実施形態の熱処理装置の構成例を示す縦断面図第１の実施形態の熱処理装置の構成例を示す横断面図第１の実施形態の熱処理装置の第１変形例を示す横断面図第１の実施形態の熱処理装置の第２変形例を示す横断面図第１の実施形態の熱処理装置の第３変形例を示す縦断面図第１の実施形態の熱処理装置の第３変形例を示す横断面図第１の実施形態の熱処理装置の第４変形例を示す縦断面図第１の実施形態の熱処理装置の第４変形例を示す横断面図第１の実施形態の熱処理装置の第５変形例を示す縦断面図第１の実施形態の熱処理装置の第５変形例を示す横断面図第２の実施形態の熱処理装置の構成例を示す概略図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第１構成例を示す図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第２構成例を示す図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第３構成例を示す図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第４構成例を示す図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第５構成例を示す図水冷二重配管に設けられる熱電発電部の第６構成例を示す図熱交換器に設けられる熱電発電部の第１構成例を示す図図１８の熱電発電部の熱電発電モジュールの配置例を示す図熱交換器に設けられる熱電発電部の第２構成例を示す図

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。

〔第１の実施形態〕
第１の実施形態の熱処理装置について説明する。図１は、第１の実施形態の熱処理装置の構成例を示す縦断面図である。図２は、第１の実施形態の熱処理装置の構成例を示す横断面図である。

図１及び図２に示されるように、熱処理装置は、処理部１と、加熱部２と、冷却部３と、熱電発電部４と、制御部７と、を備える。

処理部１は、処理容器１０を有する。処理容器１０は、縦長の円筒形状を有し、内部に基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）を収容する。処理容器１０は、円筒形状の内管１１と、下端部が開放されて内管１１の外側を覆う有天井の円筒形状の外管１２とを有する。内管１１及び外管１２は、石英、炭化珪素等の耐熱材料により形成されており、同軸状に配置されて二重管構造を有する。

処理容器１０の下端は、例えばステンレス鋼により形成される円筒形状のマニホールド１３によって支持されている。マニホールド１３の上端には、フランジ部１３１が形成されている。フランジ部１３１は、外管１２の下端を支持する。フランジ部１３１と外管１２との下端との間には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）が設けられており、シール部材によって外管１２内が気密状態に維持される。

マニホールド１３の上部の内壁には、円環状の支持部１３２が形成されている。支持部１３２は、内管１１の下端を支持する。マニホールド１３の下端の開口部には、Ｏリング等のシール部材（図示せず）を介して蓋部１４が気密に取り付けられている。これにより、処理容器１０の下端の開口部、即ち、マニホールド１３の開口部が気密に塞がれる。蓋部１４は、例えばステンレス鋼により形成されている。

蓋部１４の中央部には、磁性流体シール（図示せず）を介してウエハボート１５を回転可能に支持する回転軸１６が貫通させて設けられている。回転軸１６は、ボートエレベータ等の昇降手段（図示せず）に回転自在に支持されている。

回転軸１６の上端には、ウエハＷを保持するウエハボート１５が載置されている。ウエハボート１５は、処理容器１０内に収容可能であり、複数のウエハＷを所定の間隔で保持する。ウエハボート１５は、昇降手段を昇降させることによって蓋部１４と共に上下動する。これにより、ウエハボート１５は、処理容器１０内に対して挿脱される。蓋部１４とウエハボート１５との間には、保温筒１７が設けられている。保温筒１７は、例えば石英により形成され、ウエハボート１５が蓋部１４側との伝熱により冷却されることを防止してウエハボート１５を保温する。

マニホールド１３には、内管１１内へ成膜ガス、エッチングガス等の処理ガスやパージガス等の所定のガスを供給するガス供給部１８が設けられている。ガス供給部１８は、ガス供給管１８１を有する。ガス供給管１８１は、例えば石英により形成されている。ガス供給管１８１は、内管１１内にその長手方向に沿って設けられると共に、その基端がＬ字状に屈曲されてマニホールド１３を貫通するようにして支持されている。ガス供給管１８１の先端は開口しており、先端から所定のガスが吐出される。処理容器１０内には、流量が制御された所定のガスがガス供給管１８１を介して供給される。なお、ガス供給部１８は、例えばガスの種類ごとに複数のガス供給管１８１を有していてもよい。

マニホールド１３には、処理容器１０内のガスを排気する排気部１９が設けられている。排気部１９は、マニホールド１３に形成されたガス出口１９１、ガス出口１９１に接続された排気配管１９２、排気配管１９２に開設された圧力調整弁、真空ポンプ等を含む。処理容器１０内のガスは、ガス出口１９１及び排気配管１９２を通って真空ポンプにより排気される。

加熱部２は、処理容器１０の周囲に設けられており、処理容器１０内のウエハＷを加熱する。加熱部２は、断熱材２１、発熱部２２、外皮２４を有する。

断熱材２１は、例えば有天井の円筒形状を有し、マニホールド１３上に設けられている。断熱材２１は、シリカ及びアルミナを主成分として形成されている。

発熱部２２は、断熱材２１の内周に、高さ方向に複数（例えば５つ）の領域に分けて設けられている。これにより、高さ方向における複数の領域ごとに温度を制御できるので、温度の面間均一性が向上する。各発熱部２２は、例えば線状の発熱体が螺旋状又は蛇行状に巻回して形成される。なお、発熱部２２は、高さ方向に複数の領域に分割されていなくてもよい。

外皮２４は、断熱材２１の外周及び天井を覆うように設けられている。外皮２４は、ステンレス鋼等の金属材料により形成されており、断熱材２１の形状を保持すると共に断熱材２１を補強する。

冷却部３は、水冷ジャケット３１を有する。水冷ジャケット３１は、外皮２４との間に隙間を空けて外皮２４の外周及び天井を覆うように設けられている。水冷ジャケット３１は、内部に冷却水流路３１１を有し、外部への熱影響を抑制する。冷却水流路３１１は、例えば処理容器１０の周方向に沿って螺旋状に形成されている。

熱電発電部４は、外皮２４と水冷ジャケット３１との間、例えば外皮２４の外周面及び天井面に設けられており、外皮２４と水冷ジャケット３１との間の温度差を利用して発電する。熱電発電部４は、集熱板４１、熱電発電モジュール４３を有する。集熱板４１及び熱電発電モジュール４３は、外皮２４の外周面又は天井面の側からこの順序で配置されている。

集熱板４１は、外皮２４を覆うように、例えば外皮２４の外周面及び天井面に接触して設けられている。集熱板４１は、外皮２４の熱を集めて熱電発電モジュール４３に伝達する。これにより、熱電発電モジュール４３の高温側の面の温度が高くなる。集熱板４１は、熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成される。

熱電発電モジュール４３は、平面視で矩形状を有する。熱電発電モジュール４３は、外皮２４の外周面に設けられた集熱板４１と水冷ジャケット３１との間に、周方向及び高さ方向に間隔を空けて複数配置されている。また、熱電発電モジュール４３は、外皮２４の天井面に設けられた集熱板４１と水冷ジャケット３１との間に、周方向及び径方向に間隔を空けて複数配置されている。熱電発電モジュール４３は、集熱板４１と水冷ジャケット３１との間の温度差により、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電発電モジュール４３は、リジッド構造の熱電発電モジュールであってもよく、フレキシブル構造の熱電発電モジュールであってもよい。

制御部７は、熱処理装置の全体の動作を制御する。制御部７は、例えばコンピュータであってよい。熱処理装置の全体の動作を制御するコンピュータのプログラムは、記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、フレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ等であってよい。

次に、図３を参照し、熱処理装置の第１変形例について説明する。図３は、第１の実施形態の熱処理装置の第１変形例を示す横断面図である。

第１変形例の熱処理装置は、周方向において複数に分割された集熱板４１Ａを有する熱電発電部４Ａを備える点で、図１及び図２に示される熱処理装置と異なる。

第１変形例では、集熱板４１Ａが、周方向において複数に分割されている。一例としては、集熱板４１Ａは、周方向において複数に分割されて、少なくとも断熱材２１と熱電発電モジュール４３との間を含む領域に配置されている。これにより、集熱板４１Ａが熱膨張して外皮２４の外周面から浮き上がることが抑制される。その結果、外皮２４から集熱板４１Ａに効率よく熱が伝達される。

次に、図４を参照し、熱処理装置の第２変形例について説明する。図４は、第１の実施形態の熱処理装置の第２変形例を示す横断面図である。

第２変形例の熱処理装置は、屈曲部４１１が形成された集熱板４１Ｂを有する熱電発電部４Ｂを備える点で、図１及び図２に示される熱処理装置と異なる。

第２変形例では、集熱板４１Ｂは、周方向における熱電発電モジュール４３が配置されていない部分に外方に向けて屈曲する屈曲部４１１を有する。これにより、集熱板４１Ｂが熱膨張して外皮２４の外周面から浮き上がることが抑制される。その結果、外皮２４から集熱板４１Ｂに効率よく熱が伝達される。

次に、図５及び図６を参照し、熱処理装置の第３変形例について説明する。図５及び図６は、それぞれ第１の実施形態の熱処理装置の第３変形例を示す縦断面図及び横断面図である。

第３変形例の熱処理装置は、外皮２４が集熱板として機能する点で、図１及び図２に示される熱処理装置と異なる。

第３変形例では、外皮２４が、熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成され、集熱板として機能する。そのため、集熱板４１が不要となる。即ち、熱電発電部４Ｃは、集熱板４１を有していない。この場合、熱電発電モジュール４３は、集熱板として機能する外皮２４と水冷ジャケット３１との間の温度差により、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このように、第３変形例では、集熱板４１が不要であるので、部材点数を削減できる。

次に、図７及び図８を参照し、熱処理装置の第４変形例について説明する。図７及び図８は、それぞれ第１の実施形態の熱処理装置の第４変形例を示す縦断面図及び横断面図である。

第４変形例の熱処理装置は、断熱材２１と外皮２４との間に断熱部材２５が設けられた加熱部２Ｄを有する点で、図１及び図２に示される熱処理装置と異なる。また、外皮２４と熱電発電モジュール４３との間及び熱電発電モジュール４３と水冷ジャケット３１との間にそれぞれ内側熱伝導部材４２及び外側熱伝導部材４４を有する熱電発電部４Ｄを備える点で、図５及び図６に示される熱処理装置と異なる。

断熱部材２５は、断熱材２１と外皮２４との間に配置されている。断熱部材２５は、クッション性のある断熱部材、例えばセラミックスにより形成された断熱ブランケットであってよい。

内側熱伝導部材４２は、一方の面が外皮２４の外周面に配置されている。内側熱伝導部材４２は、例えば熱電発電モジュール４３と同じサイズを有する。内側熱伝導部材４２は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール４３と外皮２４との間の密着性が高まり、処理部１の熱が効率よく熱電発電モジュール４３に伝達される。

外側熱伝導部材４４は、一方の面が熱電発電モジュール４３の他方の面に接触し、他方の面が水冷ジャケット３１と接触して配置されている。外側熱伝導部材４４は、例えば熱電発電モジュール４３と同じサイズを有する。外側熱伝導部材４４は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール４３と水冷ジャケット３１との間の密着性が高まり、水冷ジャケット３１の熱が効率よく熱電発電モジュール４３に伝達される。

次に、図９及び図１０を参照し、熱処理装置の第５変形例について説明する。図９及び図１０は、それぞれ第１の実施形態の熱処理装置の第５変形例を示す縦断面図及び横断面図である。

第５変形例の熱処理装置は、高さ方向に延びる冷却水流路３１１Ｅが、処理容器１０の周方向に沿って間隔を空けて配置された水冷ジャケット３１Ｅを有する冷却部３Ｅを備える点で、図７及び図８に示される熱処理装置と異なる。

水冷ジャケット３１Ｅは、外皮２４との間に隙間を空けて外皮２４の外周及び天井を覆うように設けられている。水冷ジャケット３１Ｅは、内部に冷却水流路３１１Ｅを有し、外部への熱影響を抑制する。冷却水流路３１１Ｅは、外皮２４の外周において、高さ方向に延び、処理容器１０の周方向に沿って間隔を空けて配置されている。また、冷却水流路３１１Ｅは、外皮２４の天井において、例えば螺旋状に配置されている。冷却水流路３１１Ｅは、例えば円筒形状の支持部材３１２により支持されている。

内側熱伝導部材４２、熱電発電モジュール４３及び外側熱伝導部材４４は、外皮２４と水冷ジャケット３１Ｅとの間であって、水冷ジャケット３１Ｅの冷却水流路３１１Ｅと対応する位置に配置されている。水冷ジャケット３１Ｅの冷却水流路３１１Ｅと対応する位置とは、処理容器１０の中心Ｏ１及び水冷ジャケット３１Ｅの冷却水流路３１１Ｅの中心Ｏ２を通る直線ＬＮ上を含む位置を意味する。これにより、熱電発電モジュール４３の一方の面と他方の面との間の温度差が大きくなるので、発電効率を高めることができる。

以上に説明したように、第１の実施形態の熱処理装置は、加熱部と冷却部との隙間に、互いに間隔を空けて配置される複数の熱電発電モジュールと、を有する。これにより、各熱電発電モジュールは、それぞれ熱電発電モジュールが配置されている領域に加えて、周囲の熱を利用して発電できる。そのため、単位面積あたりに配置する熱電発電モジュールの数を減らし、且つ、発電効率を高めることができる。その結果、発電効率の改善とコストの低減を両立できる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の熱処理装置について説明する。図１１は、第２の実施形態の熱処理装置の構成例を示す概略図である。

図１１に示されるように、熱処理装置は、処理部１と、加熱部２Ｌと、冷却部３Ｌと、熱電発電部５，６と、制御部７と、を有する。処理部１及び制御部７については、第１の実施形態と同様であってよい。

加熱部２Ｌは、処理容器１０の周囲に設けられており、処理容器１０内のウエハＷを加熱する。加熱部２Ｌは、断熱材２１Ｌ、発熱部２２，２３、外皮２４Ｌを有する。

断熱材２１Ｌは、例えば有天井の円筒形状を有し、マニホールド１３上に設けられている。断熱材２１Ｌは、シリカ及びアルミナを主成分として形成されている。断熱材２１Ｌの側面には、断熱材２１Ｌを貫通して形成された供給口２１１が高さ方向に所定の間隔を空けて複数設けられている。断熱材２１Ｌの側面の上方には、断熱材２１Ｌを貫通して形成された排気口２１２が設けられている。

発熱部２２は、断熱材２１Ｌの内周に、高さ方向に複数（例えば５つ）の領域に分けて設けられている。これにより、高さ方向における複数の領域ごとに温度を制御できるので、温度の面間均一性が向上する。各発熱部２２は、例えば線状の発熱体が螺旋状又は蛇行状に巻回して形成される。なお、発熱部２２は、高さ方向に複数の領域に分割されていなくてもよい。

発熱部２３は、断熱材２１Ｌの天井部に設けられている。発熱部２３は、例えば線状の発熱体が渦巻状又は蛇行状に巻回して形成される。

外皮２４Ｌは、断熱材２１Ｌの外周を覆うように設けられている。外皮２４Ｌは、ステンレス鋼等の金属材料により形成されており、断熱材２１Ｌの形状を保持すると共に断熱材２１Ｌを補強する。外皮２４Ｌの側面には、断熱材２１Ｌと対応する位置に外皮２４Ｌを貫通して形成された複数の供給口（図示せず）が設けられている。

冷却部３Ｌは、水冷ジャケット３１、冷却流体供給部３２、排熱部３３を有する。

水冷ジャケット３１は、外皮２４Ｌとの間に隙間を空けて外皮２４Ｌの外周を覆うように設けられている。水冷ジャケット３１は、内部に冷却水流路３１１を有し、外部への熱影響を抑制する。冷却水流路３１１は、例えば処理容器１０の周方向に沿って螺旋状に形成されている。

冷却流体供給部３２は、処理容器１０と断熱材２１Ｌとの間の第１の空間Ｓ１内に冷却流体を供給する。冷却流体供給部３２は、供給流路３２１、バタフライ弁３２２、押出ブロア３２３、バルブ３２４を有する。

供給流路３２１は、上流側が冷却流体の供給源（図示せず）に接続されている。また、供給流路３２１は、下流側が複数に分岐されて、外皮２４Ｌと水冷ジャケット３１との間の第２の空間Ｓ２及び断熱材２１Ｌに形成された供給口２１１を介して処理容器１０と断熱材２１Ｌとの間の第１の空間Ｓ１に連通する。これにより、冷却流体の供給源から導入される冷却流体は、供給流路３２１を通って第１の空間Ｓ１に供給される。冷却流体としては、例えば空気を利用できる。

バタフライ弁３２２は、供給流路３２１に設けられている。バタフライ弁３２２は、供給流路３２１内の冷却流体の流れの方向に対する弁体の角度を変えることにより、供給流路３２１内を流れる冷却流体の流量を制御する。バタフライ弁３２２は、例えば弁体を回転させるレバーやハンドルを有する手動式である。ただし、バタフライ弁３２２は、制御部７により弁体の回転が制御される自動式であってもよい。

押出ブロア３２３は、供給流路３２１におけるバタフライ弁３２２の下流側に設けられている。押出ブロア３２３は、冷却流体の供給源から導入される冷却流体を下流側に送り込む押し出しブロアである。

バルブ３２４は、供給流路３２１における押出ブロア３２３の下流側に設けられている。バルブ３２４は、供給流路３２１を開閉する。バルブ３２４を開くことにより、第１の空間Ｓ１に冷却流体が供給される。一方、バルブ３２４を閉じることにより、第１の空間Ｓ１への冷却流体の供給が遮断される。

排熱部３３は、処理容器１０と断熱材２１Ｌとの間の第１の空間Ｓ１内で加熱された冷却流体（以下「高温流体」という。）を排出する。排熱部３３は、排熱流路３３１、シャッタ３３２、水冷二重配管３３３、熱交換器３３４、吸引ブロア３３５、バルブ３３６を有する。

排熱流路３３１は、上流側が断熱材２１Ｌに形成された排気口２１２と連通する。排熱流路３３１は、処理容器１０と断熱材２１Ｌとの間の第１の空間Ｓ１内の高温流体を、排気口２１２を介して熱処理装置の外部に排出する。

シャッタ３３２は、排気口２１２と排熱流路３３１との接続部に設けられている。シャッタ３３２は、排気口２１２と排熱流路３３１とが連通する状態と連通しない状態との間で切り替える。シャッタ３３２を開くことにより排気口２１２と排熱流路３３１とが連通し、第１の空間Ｓ１内から排熱流路３３１に高温流体が排出される。一方、シャッタ３３２を閉じることにより排気口２１２と排熱流路３３１との連通が遮断され、第１の空間Ｓ１内から排熱流路３３１への高温流体の排出が停止される。

水冷二重配管３３３は、熱交換部の一例であり、排熱流路３３１におけるシャッタ３３２の下流側に設けられている。水冷二重配管３３３は、内管３３３ａと、外管３３３ｂと、を有する。内管３３３ａは、内部に排熱流路３３１を流れる高温流体を通流させる配管である。外管３３３ｂは、内管３３３ａを通流する高温流体との間で熱交換を行う冷却水を通流させる配管である。水冷二重配管３３３では、内管３３３ａ内に高温流体を通流させ、外管３３３ｂ内に冷却水を通流させることにより、高温流体が内管３３３ａ内を通流している間に、冷却水と高温流体との間で熱交換が行われ、高温流体が冷却される。

熱交換器３３４は、熱交換部の一例であり、排熱流路３３１における水冷二重配管３３３の下流側に設けられている。熱交換器３３４は、排熱流路３３１を通流する高温流体を熱交換により冷却する。

吸引ブロア３３５は、排熱流路３３１における熱交換器３３４の下流側に設けられている。吸引ブロア３３５は、熱交換器３３４により冷却された高温流体を吸引して下流側に送り込む吸引ブロアである。

バルブ３３６は、排熱流路３３１における吸引ブロア３３５の下流側に設けられている。バルブ３３６は、排熱流路３３１を開閉する。バルブ３３６を開くことにより、排熱流路３３１内の高温流体が外部に排出される。

熱電発電部５は、水冷二重配管３３３に設けられており、水冷二重配管３３３の内管３３３ａ内を通流する高温流体と、外管３３３ｂ内を通流する冷却水と、の間の温度差を利用して発電する。なお、内管３３３ａ内は第１の流路の一例であり、外管３３３ｂ内は第２の流路の一例である。

次に、図１２を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第１構成例について説明する。図１２（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１２Ｂ－１２Ｂで切断したときの断面を示し、図１２（ｃ）は図１２（ａ）における領域１２Ｃを拡大した断面を示す。また、図１２（ａ）及び図１２（ｃ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示されるように、熱電発電部５は、水冷二重配管３３３の内管３３３ａと外管３３３ｂとの間に設けられている。熱電発電部５は、内側熱伝導部材５１、集熱板５２、中間熱伝導部材５３、熱電発電モジュール５４、外側熱伝導部材５５を有する。内側熱伝導部材５１、集熱板５２、中間熱伝導部材５３、熱電発電モジュール５４及び外側熱伝導部材５５は、水冷二重配管３３３の内管３３３ａの外周面の側からこの順序で配置されている。図１２では、内管３３３ａは、多角形（例えば六角形）に形成されている。

内側熱伝導部材５１は、内管３３３ａの外周面に配置されている。内側熱伝導部材５１は、例えば熱電発電モジュール５４よりも大きいサイズを有する。内側熱伝導部材５１は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール５４と内管３３３ａとの間の密着性が高まり、内管３３３ａ内を通流する高温流体の熱が効率よく熱電発電モジュール５４に伝達される。

集熱板５２は、内側熱伝導部材５１の外周面に配置されている。集熱板５２は、例えば熱電発電モジュール５４よりも大きいサイズ、例えば内側熱伝導部材５１と同じサイズを有する。集熱板５２は、内管３３３ａ内を通流する高温流体の熱を集めて熱電発電モジュール５４に伝達する。これにより、熱電発電モジュール５４の高温側の面の温度が高くなる。集熱板５２は、熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成される。

中間熱伝導部材５３は、集熱板５２の外周面に配置されている。中間熱伝導部材５３は、例えば熱電発電モジュール５４と同じサイズを有する。中間熱伝導部材５３は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール５４と内管３３３ａとの間の密着性が高まり、内管３３３ａ内を通流する高温流体の熱が効率よく熱電発電モジュール５４に伝達される。

熱電発電モジュール５４は、平面視で矩形状を有し、中間熱伝導部材５３と外側熱伝導部材５５との間に周方向及び管軸方向に所定の間隔を空けて複数配置されている。熱電発電モジュール５４は、内管３３３ａ内を通流する高温流体と外管３３３ｂ内を通流する冷却水との間の温度差により、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電発電モジュール５４は、リジッド構造の熱電発電モジュールであってもよく、フレキシブル構造の熱電発電モジュールであってもよい。

外側熱伝導部材５５は、熱電発電モジュール５４と外管３３３ｂとの間に配置されている。外側熱伝導部材５５は、例えば熱電発電モジュール５４と同じサイズを有する。外側熱伝導部材５５は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール５４と外管３３３ｂとの間の密着性が高まり、外管３３３ｂ内を通流する冷却水の熱が効率よく熱電発電モジュール５４に伝達される。

次に、図１３を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第２構成例について説明する。図１３（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１３（ｂ）は図１３（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１３Ｂ－１３Ｂで切断したときの断面を示し、図１３（ｃ）は図１３（ａ）における領域１３Ｃを拡大した断面を示す。また、図１３（ａ）及び図１３（ｃ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

第２構成例では、内管３３３ａが熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成され、集熱板として機能する点で、第１構成例と異なる。そのため、内側熱伝導部材５１及び集熱板５２が不要となる。即ち、熱電発電部５Ａは、内側熱伝導部材５１及び集熱板５２を有していない。このように、第２構成例では、内側熱伝導部材５１及び集熱板５２が不要であるので、部材点数を削減できる。

次に、図１４を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第３構成例について説明する。図１４（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１４（ｂ）は図１４（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１４Ｂ－１４Ｂで切断したときの断面を示す。また、図１４（ａ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

第３構成例では、内管３３３ａの外周面に、周方向に間隔を空けて配置された４つの熱電発電モジュール５４を有する熱電発電部５Ｂを備える点で、第２構成例と異なる。このように、熱電発電モジュール５４は、内管３３３ａの形状に応じて配置すればよい。

次に、図１５を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第４構成例について説明する。図１５（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１５（ｂ）は図１５（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１５Ｂ－１５Ｂで切断したときの断面を示す。また、図１５（ａ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

第４構成例では、水冷二重配管３３３の上流側から下流側に向かって隣接する熱電発電モジュール５４の間隔が拡がるように配置された熱電発電部５Ｃを備える点で、第２構成例と異なる。言い換えると、複数の熱電発電モジュール５４は、水冷二重配管３３３の管軸方向における単位長さあたりの個数が、上流側よりも下流側が少なくなるように配置されている。水冷二重配管３３３では、熱源側から離れるにしたがって内管３３３ａ内を通流する高温流体の温度が下がるので、上流側に多くの熱電発電モジュール５４を配置することにより、発電効率を高めることができる。

次に、図１６を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第５構成例について説明する。図１６（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１６（ｂ）は図１６（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１６Ｂ－１６Ｂで切断したときの断面を示す。また、図１６（ａ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

第５構成例では、水冷二重配管３３３を管軸に沿って切断した断面において、内管３３３ａの内面が円形に形成され、外面が多角形に形成されている点で、第４構成例と異なる。

次に、図１７を参照し、水冷二重配管３３３に設けられる熱電発電部の第６構成例について説明する。図１７（ａ）は水冷二重配管３３３の管軸に沿って切断した断面を示し、図１７（ｂ）は図１７（ａ）における水冷二重配管３３３を一点鎖線１７Ｂ－１７Ｂで切断したときの断面を示す。また、図１７（ａ）において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

第６構成例では、水冷二重配管３３３を管軸に沿って切断した断面において、内管３３３ａの内面及び外面が円形に形成されている点で、第４構成例と異なる。この場合、熱電発電モジュール５４として、フレキシブル構造を有する熱電発電モジュールが用いられる。

次に、図１８を参照し、熱交換器３３４に設けられる熱電発電部の第１構成例について説明する。図１８において、高温流体の流れを白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

熱交換器３３４は、流体流路３３４ａ、冷却水流路３３４ｂを有する。流体流路３３４ａは、第１の流路の一例であり、対向配置された２枚のプレート３３４ｃの間に形成されている。流体流路３３４ａには、高温流体が通流する。冷却水流路３３４ｂは、第２の流路の一例であり、対向配置された２枚のプレート３３４ｄの間に形成されている。冷却水流路３３４ｂには、冷却水が通流する。流体流路３３４ａと冷却水流路３３４ｂとは、隙間を空けて対向配置されている。

熱電発電部６は、熱交換器３３４の流体流路３３４ａと冷却水流路３３４ｂとの間に設けられており、流体流路３３４ａを通流する高温流体と冷却水流路３３４ｂを通流する冷却水との間の温度差を利用して発電する。熱電発電部６は、高温側熱伝導部材６１、高温側集熱板６２、第１中間熱伝導部材６３、熱電発電モジュール６４、第２中間熱伝導部材６５、低温側集熱板６６、低温側熱伝導部材６７を有する。高温側熱伝導部材６１、高温側集熱板６２、第１中間熱伝導部材６３、熱電発電モジュール６４、第２中間熱伝導部材６５、低温側集熱板６６及び低温側熱伝導部材６７は、流体流路３３４ａを形成するプレート３３４ｃの外周面の側からこの順序で配置されている。

高温側熱伝導部材６１は、一方の面が流体流路３３４ａを形成するプレート３３４ｃに接触して配置されている。高温側熱伝導部材６１は、例えばプレート３３４ｃと同じ大きさを有する。高温側熱伝導部材６１は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されている。

高温側集熱板６２は、一方の面が高温側熱伝導部材６１の他方の面に接触して配置されている。高温側集熱板６２は、例えば高温側熱伝導部材６１と同じ大きさを有する。高温側集熱板６２は、流体流路３３４ａを通流する高温流体の熱を集めて熱電発電モジュール６４に伝達する。これにより、熱電発電モジュール６４の高温側の面の温度が高くなる。高温側集熱板６２は、熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成される。

第１中間熱伝導部材６３は、一方の面が高温側集熱板６２の他方の面に接触して配置されている。第１中間熱伝導部材６３は、例えば熱電発電モジュール６４と同じサイズを有する。第１中間熱伝導部材６３は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール６４とプレート３３４ｃとの間の密着性が高まり、流体流路３３４ａを通流する高温流体の熱が効率よく熱電発電モジュール６４に伝達される。

熱電発電モジュール６４は、平面視で矩形状を有し、第１中間熱伝導部材６３と第２中間熱伝導部材６５との間に周方向及び管軸方向に所定の間隔を空けて複数配置されている。熱電発電モジュール６４は、一方の面が第１中間熱伝導部材６３に接触して配置されている。熱電発電モジュール６４は、流体流路３３４ａを通流する高温流体と冷却水流路３３４ｂを通流する冷却水との間の温度差により、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電発電モジュール６４は、リジッド構造の熱電発電モジュールであってもよく、フレキシブル構造の熱電発電モジュールであってもよい。

第２中間熱伝導部材６５は、一方の面が熱電発電モジュール６４の他方の面に接触して配置されている。第２中間熱伝導部材６５は、例えば熱電発電モジュール６４と同じサイズを有する。第２中間熱伝導部材６５は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール６４とプレート３３４ｄとの間の密着性が高まり、冷却水流路３３４ｂを通流する冷却水の熱が効率よく熱電発電モジュール６４に伝達される。

低温側集熱板６６は、一方の面が第２中間熱伝導部材６５の他方の面に接触して配置されている。低温側集熱板６６は、例えばプレート３３４ｄと同じ大きさを有する。低温側集熱板６６は、冷却水流路３３４ｂを通流する冷却水の熱を集めて熱電発電モジュール６４に伝達する。これにより、熱電発電モジュール６４の低温側の面の温度が低くなる。低温側集熱板６６は、熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成される。

低温側熱伝導部材６７は、一方の面が低温側集熱板６６の他方の面に接触し、他方の面が冷却水流路３３４ｂを形成するプレート３３４ｄに接触して配置されている。低温側熱伝導部材６７は、例えばプレート３３４ｄと同じ大きさを有する。低温側熱伝導部材６７は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されている。

図１９は、図１８の熱電発電部６の熱電発電モジュール６４の配置例を示す図である。図１９（ａ）は複数の熱電発電モジュール６４の配置の一例を示し、図１９（ｂ）は複数の熱電発電モジュール６４の配置の別の例を示す。なお、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）において、流体流路３３４ａの上流側を右側に示し、下流側を左側に示す。また、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）では、高温側集熱板６２及び熱電発電モジュール６４のみを図示し、その他の構成の図示を省略している。

図１９（ａ）に示されるように、複数の熱電発電モジュール６４は、流体流路３３４ａを流れる高温流体の流れの方向及び高温流体の流れの方向に垂直な方向にそれぞれ互いに間隔を空けて配置されている。これにより、各熱電発電モジュール６４は、それぞれ熱電発電モジュール６４が配置されている領域に加えて、周囲の熱を利用して発電できる。そのため、単位面積あたりに配置する熱電発電モジュール６４の数を減らし、且つ、発電効率を高めることができる。その結果、発電効率の改善とコストの低減を両立できる。

図１９（ｂ）に示されるように、複数の熱電発電モジュール６４は、流体流路３３４ａを流れる高温流体の流れの上流側から下流側に向かって隣接する熱電発電モジュール６４の間隔が拡がるように配置されている。言い換えると、複数の熱電発電モジュール６４は、流体流路３３４ａを流れる高温流体の流れの方向における単位長さあたりの個数が、上流側よりも下流側が少なくなるように配置されている。熱交換器３３４では、熱源側から離れるにしたがって流体流路３３４ａを通流する高温流体の温度が下がるので、上流側に多くの熱電発電モジュール６４を配置することにより、発電効率を高めることができる。

次に、図２０を参照し、熱交換器３３４に設けられる熱電発電部の第２構成例について説明する。図２０において、高温流体の流れの方向を白色の矢印で示し、冷却水の流れの方向を黒色の矢印で示す。

熱電発電部６Ａは、プレート３３４ｃ，３３４ｄが熱伝導率の高い材料、例えば金属板により形成され、集熱板として機能する点で、熱電発電部６と異なる。なお、その他の構成については、熱電発電部６と同様の構成であるので、以下では、熱電発電部６と異なる点を中心に説明する。

熱電発電部６Ａは、第１中間熱伝導部材６３、熱電発電モジュール６４、第２中間熱伝導部材６５を有する。第１中間熱伝導部材６３、熱電発電モジュール６４及び第２中間熱伝導部材６５は、流体流路３３４ａを形成するプレート３３４ｃの外周面の側からこの順序で配置されている。

第１中間熱伝導部材６３は、一方の面が流体流路３３４ａを形成するプレート３３４ｃに接触して配置されている。第１中間熱伝導部材６３は、例えばプレート３３４ｃと同じサイズを有する。第１中間熱伝導部材６３は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール６４とプレート３３４ｃとの間の密着性が高まり、流体流路３３４ａを通流する高温流体の熱が効率よく熱電発電モジュール６４に伝達される。

第２中間熱伝導部材６５は、一方の面が熱電発電モジュール６４の他方の面に接触し、他方の面が冷却水流路３３４ｂを形成するプレート３３４ｄに接触して配置されている。第２中間熱伝導部材６５は、例えばプレート３３４ｄと同じサイズを有する。第２中間熱伝導部材６５は、柔軟性を有し、且つ熱伝導率の高い材料、例えば熱伝導シートにより形成されていることが好ましい。これにより、熱電発電モジュール６４とプレート３３４ｄとの間の密着性が高まり、冷却水流路３３４ｂを通流する冷却水の熱が効率よく熱電発電モジュール６４に伝達される。

以上に説明したように、第２の実施形態の熱処理装置は、第１の流路と第２の流路との間に、互いに間隔を空けて配置される複数の熱電発電モジュールと、を有する。これにより、各熱電発電モジュールは、それぞれ熱電発電モジュールが配置されている領域に加えて、周囲の熱を利用して発電できる。そのため、単位面積あたりに配置する熱電発電モジュールの数を減らし、且つ、発電効率を高めることができる。その結果、発電効率の改善とコストの低減を両立できる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１処理部
２，２Ｄ，２Ｌ加熱部
３，３Ｅ，３Ｌ冷却部
３２冷却流体供給部
３３排熱部
４１，４１Ａ，４１Ｂ，５２集熱板
４３，５４，６４熱電発電モジュール
６２高温側集熱板
６６低温側集熱板
１０処理容器

Claims

処理容器と、
前記処理容器の周囲に配置される加熱部と、
前記加熱部の周囲に隙間を空けて配置される冷却部と、
前記加熱部と前記冷却部との隙間に、互いに間隔を空けて配置される複数の熱電発電モジュールと、
前記加熱部と前記熱電発電モジュールとの間に配置される集熱板と、
を有し、
前記集熱板は、前記処理容器の周方向における前記熱電発電モジュールが配置されていない部分に屈曲部を有する、
熱処理装置。
前記処理容器は縦長の円筒形状を有し、
前記複数の熱電発電モジュールは、前記処理容器の周方向及び高さ方向に間隔を空けて配置されている、
請求項１に記載の熱処理装置。
前記加熱部と前記熱電発電モジュールとの間、及び前記熱電発電モジュールと前記冷却部との間の少なくともいずれかに配置される熱伝導部材を有する、
請求項１又は２に記載の熱処理装置。
前記熱電発電モジュールは、フレキシブル構造を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記熱電発電モジュールは、リジッド構造を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱処理装置。