KR20060127821A - 배기가스 연소장치 - Google Patents

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KR20060127821A
KR20060127821A KR1020060105711A KR20060105711A KR20060127821A KR 20060127821 A KR20060127821 A KR 20060127821A KR 1020060105711 A KR1020060105711 A KR 1020060105711A KR 20060105711 A KR20060105711 A KR 20060105711A KR 20060127821 A KR20060127821 A KR 20060127821A
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신이치 와타나베
쇼지 이시하라
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가부시키가이샤 코쿠사이덴키 세미컨덕터 서비스
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Abstract

가연성 가스를 확실하게 착화시키는 것이 가능하고, 연소 효과가 안정적이고, 더욱이 착화용의 가스 설비가 불필요하고, 조립 분해도 용이한 연소 히터 및 배기가스 연소장치에 있어서, 연소 히터(30)는 통 형상의 전열선 홀더(33)와 전열선 홀더의 외주에 감긴 전열선(34)으로 이루어진 히터원(32)과, 히터원을 씌우는 히터 캡(31)을 구비한다. 전열선(34)에 의해 가열된 히터 캡(31)의 외측에서 가연성 가스를 착화·연소시킨다. 히터 캡(31)이 씌워진 히터원(32)을 지지하는 통 형상의 히터 서포터(46)와, 통 형상의 히터 서포터(46)와 히터원(32)의 사이에 설치되고, 히터 서포터(46)와 히터원(32)을 동축적, 직선상으로 연결하는 고절연성의 통형상의 히터 홀더(41)를 구비한다. 히터 홀더(41)의 상부에 끼운 히터원(32)의 하부를 히터 홀더(41)에 나사(44)로 연결하고, 히터 홀더(41)의 하부에 끼운 히터 서포터(46)의 상부를 히터 홀더(41)에 나사(44)로 연결한다. 히터원(32)에 씌워진 히터 캡(31)은 히터 홀더(41)의 상부 개구단에 의해 고정된다.
가연성 가스, 착화, 연소, 히터, 배기가스

Description

배기가스 연소장치{Exhaust gas combustion device}
도 1은 실시형태에 의한 연소 히터의 분해·조립도이다.
도 2는 실시형태에 의한 연소 히터의 조립 완성도이다.
도 3은 실시형태에 의한 배기가스 연소장치의 설명도로서, (a)는 종단면도, (b)는 연소 히터의 주요부 단면도이다.
도 4는 종래예의 내열성 금속의 원통형의 실시예 도의 부분 단면도이다.
도 5는 종래예의 전기 스파크의 착화·연소 방식의 실시예 도의 부분 단면도이고, (a)는 정면 실시예 도의 부분 단면도, (b)는 측면 실시예 도의 부분 단면도이다.
*도 6은 실시형태와 종래예를 비교한 연소 효과도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 ---- 연소 히터 31 ---- 히터 캡
32 ---- 히터원 33 ---- 전열선 홀더
34 ---- 전열선 41 ---- 히터 홀더
44 ---- 나사(연결구) 46 ---- 히터 서포터
본 발명은, 반도체 제조장치 등으로부터 배출되는 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 연소시키는 배기가스 연소장치에 관한 것으로, 특히 가연성 가스가 수소(H2)인 경우에 적합하게 이용된다.
반도체 제조장치나 액정 제조장치 등의 제조장치로부터 배출되는 배기가스에는 위험한 가연성 가스가 포함되는 경우가 많기 때문에, 그대로 대기로 방출할 수 없다. 여기서, 배기가스 연소장치를 사용하여, 대기 방출 전에 가연성 가스를 연소히터로 연소시키는 것이 실시되고 있다. 종래에는, 이 연소 히터를 구비한 배기가스 연소장치에는 연소 히터의 종류에 따라서, 금속제 히터에 의한 착화·연소 방식(예를 들면, 일본 특개평7-323211호 참조)과, 전기 스파크의 착화·연소 방식(예를 들면, 일본 특개평6-129627호)이 있었다.
도 4는 금속제 히터에 의한 착화·연소 방식을 채용한 배기가스 연소장치를 나타낸다. 금속제 히터에 의한 연소장치의 구성은 다음과 같다. 가연성 가스 도입관(8), 배기 덕트(duct)(11) 및 공기 투입구(12)가 설치된 연소실(14) 내에 금속제 히터(13)가 설치된다. 금속제 히터(13)는 금속제로 열을 전체 둘레에 전달하는 케이스(15)와, 이 케이스(15) 내에 설치되어 전기에너지를 열에너지로 변환하는 전열재로서의 전열 히터(16)와, 금속제 히터(13)의 온도를 검지하는 열전대(thermocouple)(5)와, 케이스(15) 내의 공간을 채우는 절연 물질(17)로 구성된 다. 연소실(14) 밖에 설치된 온도 컨트롤러(7)에 의해, 열전대(5)에서 검지한 금속제 히터(13)의 온도가 소정의 온도로 유지되도록 전열 히터(16)로의 전력이 제어된다.
배기 덕트(11)로부터의 흡인에 의해 공기 투입구(12)로부터 대기(공기)가 연소실(14) 내로 투입되고, 연소실(14) 내는 공기가 상시 흐르고 있는 상태가 된다. 여기서, 착화용 가스 배관(24)으로부터, 제어된 유량의 수소(H2) 가스를 흐르게 하고, 금속제 히터(13)의 열에너지에 의해 대기 중의 산소와 반응시켜 수소를 착화시킨다. 착화 후에는, 가연성 가스 도입관(8)으로부터 배기가스를 연소실(14) 내로 흐르게 하여 대기 중의 산소와 혼합시키고, 착화에 의한 연소 불꽃(10) 및 열원의 열에너지에 의해 배기가스 중에 포함된 가연성 가스를 연소시키고, 배기가스의 연소 처리를 실시한다. 연소 후의 배기가스는 배기 덕트(11)로부터 배출된다.
도 5는 전기 스파크의 착화·연소 방식을 채용한 배기가스 연소장치를 나타낸다. 기본적인 구성은 도 2에 나타나는 금속제 히터에 의한 착화·연소 방식과 동일하다. 상이한 점은 착화·연소를 전열 히터가 아닌, 전기 스파크로 실시한다는 점이다. 전기 스파크의 구성은 전압을 높이는 승압 트랜스(29)에 버너 전극(28)이 접속되고, 고전압에 의해 스파크시키는 구성이다.
공기가 상시 흐르고 있는 연소실(14) 내에 착화용 가스 배관(24)으로부터 수소(H2) 가스를 흐르게 하고, 전기적 스파크의 에너지에 의해 대기 중의 산소와 반응시켜 수소를 착화시킨다. 착화 후에는 가연성 가스 도입관(8)으로부터 배기가스를 연소실(14) 내로 흐르게 하여 대기 중의 산소와 혼합시키고, 착화에 의한 연소 불꽃(10)에 의해, 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 연소시키고, 배기가스의 연소 처리를 실시한다. 연소 후의 배기가스는 배기 덕트(11)로부터 배출된다.
또한, 금속제 히터 방식 및 전기 스파크 방식의 양방식은, 안전한 연소를 실시하기 위해, 도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 착화용의 가스 설비를 필요로 한다. 착화 가스로서 통상은 수소(H2)를 이용한다. 착화용의 가스 설비의 구성은, 연소실(14)에 착화용 가스 배관(24)을 접속하여, 이 착화용 가스 배관(24)을 통과한 수소(H2) 가스를 연소실(14)에 공급한다. 이를 위해서, 수동 밸브(18)를 통하여 배관(24) 내를 흐르는 수소(H2) 가스에 포함된 불순물을 필터(19)로 제거하고, 압력계(21)를 육안으로 감시하면서 수소(H2) 가스 압력을 수동 레귤레이터(20)로 컨트롤하고, 에어 밸브(22)를 통하여 MFC(Mass Flow Controller)(23)로 유량 제어한다.
일본 특개평7-323211호의 금속 히터 방식에서는, 고온 연소에 의한 금속제 히터의 주위벽의 열화(劣化, Degradation)나 고온 연소에 의한 반응열에 의해 케이스 내의 전열 히터가 단선되기 쉽고, 사용 가능한 온도범위에 있어서 고온측이 제한된다는 문제가 있었다. 또한, 케이스가 금속제이기 때문에 전기적 절연성이 나빴다. 또한, 전열 히터가 케이스 내의 절연 물질로 채워지기 때문에, 전열 히터의 단선이 일어난 경우, 전열 히터의 교환 작업이 매우 번거로웠다. 또한, 연소실에는 가연성 가스 도입관 이외에, 온도 컨트롤러로의 케이블이나, 착화용 가스 배관을 기밀하게 접속해야만 하기 때문에, 연소실의 구조가 복잡하게 된다.
또한, 일본 특개평6-129627호의 전기 스파크 방식에서는, 버너 전극의 열화에 의해 전기 스파크되지 않아, 착화할 수 없는 경우도 있다. 또한, 착화할 수 없는 경우는 착화할 때까지 전기 스파크를 반복하기 때문에, 착화한 때에 가연성 가스의 농도가 비정상적으로 높은 농도에 달하고 있으면, 결함이 발생한다는 문제가 있다. 또한, 연소실에는 가연성 가스 도입관 이외에, 승압 트랜스로의 케이블이나, 착화용 가스 배관을 기밀하게 접속해야만 하기 때문에, 연소실의 구조가 복잡하게 된다.
또한, 금속제 히터 방식 및 전기 스파크 방식에 있어서 공통되는 것으로, 공기 중의 산소가 과잉으로 존재하는 경우에는, 저농도의 가연성 가스의 연소 효과가 나쁘다. 또한, 착화 후에, 연소 불꽃이 배기 덕트의 흡입 압력 변동에 의해 동요하여, 연소 효과가 불안정하게 된다. 또한, 반드시 착화용의 가스 설비가 필요하기 때문에, 설비 비용이 증가한다는 문제가 있었다.
본 발명의 과제는, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하여, 히터의 단선이 적고, 사용 온도의 범위가 넓고, 확실하게 착화시킬 수 있는 것이 가능하고, 착화용의 가스 설비를 필요로 하지 않는 연소 히터 및 배기가스 연소장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 과제는, 연소 효율을 안정시키고, 보수 및 유지를 간단하게 하는 것이 가능한 배기가스 연소장치를 제공하는 것이다.
제1의 발명은, 가연성 가스를 착화·연소시키는 연소 히터로서, 세락믹제인 통 형상의 전열선 홀더와 이 전열선 홀더의 외주에 감긴 전열선으로 이루어진 히터원과, 상기 히터원에 착탈이 자유롭게 씌워진 석영제의 통 형상의 히터 캡을 구비하고, 상기 히터원에 의해 가열되는 캡의 외측에서, 상기 가연성 가스를 착화·연소 가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 연소 히터이다.
히터원의 전열선 홀더 및 히터 캡을 내열성의 세라믹이나 석영으로 구성하였기 때문에, 연소 히터를 고온에서 사용하는 것이 가능하게 되고, 가연성 가스를 확실하게 착화·연소시킬 수 있다. 또한, 가연성 가스를 확실하게 착화시킬 수 있도록 하였기 때문에, 착화 설비가 불필요하게 된다.
또한, 히터원의 전열선 홀더 및 히터 캡을 세라믹이나 석영으로 구성하였기 때문에, 높은 전기적 절연성을 확보할 수 있다.
또한, 세라믹제의 전열선 홀더에, 세락믹보다도 연화 온도가 높은 석영제의 히터 캡이 씌워져 있기 때문에, 가연성 가스의 연소에 의한 히터 캡의 열화(Degradation)가 작고, 전열선을 유효하게 보호할 수 있고, 전열선의 단선을 줄일 수 있다.
또한, 히터원에 히터 캡이 착탈이 자유롭게 씌워져 있기 때문에, 전열선이 단선되어도, 히터 캡을 히터원으로부터 떼어내는 것만으로, 전열선 홀더에 대한 전열선의 제거, 장착이 가능하여, 단선 교환 작업이 용이하다.
제2의 발명은, 제1의 발명에 있어서, 상기 히터원의 온도를 검출하는 온도 검출 센서와 상기 히터 캡이 씌워진 히터원을 지지하는 것과 함께, 상기 전열선 및 온도 검출 센서에 접속되는 각 리드 선이 통과하는 통 형상의 히터 서포터와, 상기 통 형상의 히터 서포터와 상기 히터원과의 사이에 설치되고, 상기 히터원과 상기 히터 서포터를 직선상으로 연결하는 고절연성의 통 형상 히터 홀더를 구비한 연소 히터이다.
히터원의 전열선으로부터 히터 서포터를 통하여 외부로 리드 선을 꺼낼 수 있다. 또한, 온도 검출 센서로부터도, 히터 서포터를 통하여 외부로 리드 선을 꺼낼 수 있다.
또한, 히터원에 히터 서포터를 연결하여도, 히터원과 히터 서포터의 사이에 고절연성의 히터 홀더를 끼우기 때문에, 히터원의 전기 절연성을 높일 수 있다.
또한, 히터원과 히터 서포터를 직선상으로 연결하기 때문에, 연소 히터의 취급이 용이하다.
제3의 발명은, 제2의 발명에 있어서, 상기 히터 캡과 상기 히터 홀더와의 구경을 거의 동일하게 하고, 상기 히터원의 적어도 하부 외경을 상기 히터 홀더의 내경과 거의 동일하게 하고, 상기 히터 서포터의 적어도 상부 외경을 상기 히터 홀더의 내경과 거의 동일하게 하여, 상기 히터 홀더의 상부에 상기 히터원의 하부를 끼워 상기 히터 홀더에 연결구로 연결하고, 상기 히터 홀더의 하부에 상기 히터 서포터의 상부를 끼워 상기 히터 홀더에 연결구로 연결하고, 상기 히터원에 씌워진 상기 히터 캡이 상기 히터 홀더의 상부 개구단에 의해 고정되게 되는 연소 히터이다.
히터원을 히터 홀더에 끼우고, 히터 홀더에 히터 서포터를 끼우는 것에 의해, 히터원으로부터 히터 홀더, 히터 서포터를 통하여 인출되는 리드 선을, 그 과 정에서, 외부로 노출되지 않도록 하였기 때문에, 리드 선을 외부 분위기로부터 보호할 수 있다.
또한, 히터원을 히터 홀더에 연결구로 연결하고, 히터 서포터를 히터 홀더에 연결구로 연결하도록 하였기 때문에, 히터원을 히터 서포터로 확실하게 지지할 수 있다.
또한, 히터 캡은 히터원에 씌워지는 것만으로, 히터 홀더에 고정되기 때문에, 히터 캡의 히터원에 대한 장착 및 제거가 용이하다.
제4의 발명은, 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 착화·연소시키는 연소실과, 상기 연소실의 하부에 설치된 가스 도입구와, 상기 연소실에 공기를 투입하는 공기 투입구와, 상기 연소실의 상부의 상기 가스 도입구에 대향하는 위치에 설치되어 상기 연소실을 배기하는 배기구와, L자형으로 구부려져 선단부가 상기 가스 도입구로부터 상기 연소실 내에 삽입되어 기단부측으로부터 상기 배기가스를 도입하는 가연성 가스 도입관과, 상기 가연성 가스 도입관의 선단부에 연결되는 통 형상의 히터 커버와, 상기 히터 커버 내에 가스 유로를 확보하여 동축적으로 삽입 고정되고, 상기 가스 유로로부터 공급되는 가연성 가스를 가열하는 것과 함께, 가열된 가연성 가스와 상기 공기 투입구로부터 투입된 공기와의 혼합 가스를 연소시켜 연소 불꽃을 발생하는 청구항2 또는 3에 기재된 연소 히터와, 상기 가연성 가스 도입관의 L자형의 코너부를 구성하는 T자형 배관으로, 상기 T자형 배관의 주관의 일단을 상기 가연성 가스 도입관의 선단부측에 연결하고, 상기 주관의 타단을 개방하고, 상기 T자형 배관의 가지관(枝管)을 상기 가연성 가스 도입관의 기단부 측에 연결한 T자형 배관과, 상기 연소 히터의 히터 서포터로부터 외부로 꺼내진 전열선 및 열전대의 각 리드 선과 접속되고, 온도 검출 센서로 검출된 온도가 소정의 온도가 되도록 상기 전열선에 공급되는 전력을 제어하는 온도 컨트롤러를 구비하고, 상기 연소 히터의 히터 서포터를 가연성 가스 도입관의 선단부로부터 삽입하고, 상기 T자형 배관의 주관을 관통시키고, 상기 주관의 개방 타단으로부터 외부로 꺼내진 히터 서포터의 하단을 상기 주관의 개방 타단에 기밀하게 고정하는 것에 의해, 상기 연소 히터를 상기 히터 커버 내에 상기 가스 유로를 확보하여 삽입 고정하도록 한 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치이다.
연소 히터를 히터 커버 내에 가스 유로를 확보하여 삽입하는 것에 의해, 가스 유로를 통과하는 과정에서 가연성 가스가 히터원에 의해 충분하게 가열되기 때문에, 저농도의 가연성 가스로도 효율적으로 연소시킬 수 있다. 또한, 연소 히터가 히터 커버에 의해 덮이기 때문에, 가연성 가스의 착화 후에, 연소 불꽃이 배기 덕트의 흡인 압력 변동에 의해 동요되는 일 없이, 연소 효율이 안정된다.
또한, 가연성 가스 도입관의 L자형의 코너부를 T자형 배관으로 구성하고, 이 T자형 배관을 이용하여 연소 히터의 장착과, 전열선 및 온도 검출 센서의 리드선(lead wire)의 제거를 실시하도록 하였기 때문에, 연소 히터의 장착, 제거가 용이하게 되고, 보수 및 유지도 용이해진다.
또한, 가연성 가스 도입관의 코너부에 T자형 배관을 설치하고, 이 T자형 배관에 연소 히터의 히터 서포터를 관통시키는 것에 의해, 연소실의 가스 도입구로부터 리드 선을 꺼낼 수 있도록 하였기 때문에, 연소실에 리드 선을 꺼내기 위한 전 용 개구를 설치하는 경우에 비해, 보수 및 유지를 간단하게 할 수 있다.
또한, 가연성 가스 도입관의 L자형의 코너부에 설치한 T자형 배관의 주관에 동축적으로, 연소 히터의 히터 서포터를 고정하도록 하였기 때문에, 히터 커버 내에서의 연소 히터의 삽입 고정이 용이해진다.
또한, 제4의 발명에 있어서, 상기 연소 히터와 상기 배기구와의 사이에 통 형상의 냉각관을 설치하고, 상기 연소 히터에 의해 연소한 가연성 가스를 냉각하도록 하면, 냉각된 배기 가스가 대기로 배출되기 때문에, 환경에 악영향을 미치지 않는다.
제5의 발명은, 제4의 발명에 있어서, 상기 히터 커버와 상기 히터원에 씌워진 히터 캡과의 간격은 2∼20㎜이고, 상기 히터 커버 또는 상기 히터원의 전체 길이는 30∼300㎜이고, 상기 히터 캡의 직경은 10∼20㎜인 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치이다.
본 발명과 같이, 각 요소를 상기와 같은 크기로 설정하면, 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 보다 효율적으로 연소시킬 수 있다.
제6의 발명은, 제4 또는 제5의 발명에 있어서, 상기 히터원 및 상기 히터 홀더가 세락믹제이고, 상기 히터 캡이 석영제이고, 상기 전열선으로 가열되는 히터원의 온도를 650∼1200℃로 한 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치이다.
전열선 홀더나 히터캡을 내열성의 세라믹이나 석영으로 구성하고, 연소 히터의 온도를 650∼1200℃로 높이도록 하였기 때문에, 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 보다 효율적으로 연소할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 바람직한 형태
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1에 실시형태에 의한 연소 히터의 분해 조립도를 나타낸다. 연소 히터(30)는, 가열원이 되는 원통 형상의 히터원(32)과, 히터원(32)에 씌워지는 메스실린더 형상의 히터 캡(31)과, 히터 캡(31)이 씌워진 히터원(32)을 지지하는 원통 형상의 히터 서포터(46)와, 히터원(32)과 히터 서포터(46)와의 사이에 설치되고, 히터원(32)과 히터 서포터(46)를 직선적으로 연결하는 원통 형상의 홀더(41)로 주로 구성된다.
상기 히터원(32)은, 높은 전기 절연성을 갖는 원통 형상의 전열선 홀더(33)와, 전열선 홀더(33)의 외주에 감긴 전열선(34)으로 구성된다. 전열선 홀더(33)의 외주벽에 나선 형상의 홈(45)이 패어 있고, 그 홈(45)에 메워지도록, 전열선(34)이 전열선 홀더(33)의 외주에 감긴다. 전열선 홀더(33)의 상부 개구단은 빠지는 것을 방지하기 위하여 모서리가 둥글게 처리(chamfering)된다. 전열선 홀더(33)의 하부의 개구단의 내주에는 히터 홀더(41) 내에 삽입 가능하게 되도록, 히터 홀더(41)의 내경과 거의 동일한 외경을 갖는 링 형상의 돌기(37)를 축방향 바깥쪽에 설치한다. 따라서, 이 링 형상 돌기(37)의 외주에 단차부(40)가 형성되게 된다. 이 단차부(40)는 히터 홀더(41)의 상부 개구단과 접하게 된다. 돌기(37)의 일부에는, 축방향 바깥쪽을 향하는 쥘손 형상의 연장부(38)를 설치하고, 이 연장부(38)에 히터 홀더(41)와 연결시키기 위한 나사 구멍(39)이 설치된다.
전열선(34)에는, 전력을 공급하기 위한 2개의 리드선(도 2의 48)이 접속된 다. 또한, 히터원(32)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출 센서로서의 열전대(35)가 전열선 홀더(33)의 표면측에 설치되고, 이 열전대(35)에도 검출 신호를 보내는 리드선(도 2의 49)이 접속된다.
전열선 홀더(33)는 예를 들면, 내열성, 고절연성의 세라믹으로 형성되고, 전열선(34)은 예를 들면, 니크롬선으로 구성된다. 따라서, 히터원(32)은 중공(中空, hollow) 세라믹 히터를 구성하고, 중공으로 하는 것에 의해, 신속하게 승온 및 강온될 수 있게 한다.
상기 히터 캡(31)은, 상부가 닫히고 하부가 개구된 원통 형상이고, 히터원(32)을 씌우고, 히터원(32)의 주관을 포함한 외주를 덮게 된다.
상기 히터 서포터(46)는, 히터 캡(31)이 씌워진 히터원(32)을 지지하는 통 형상체로 구성된다. 히터 서포터(46)의 상부측면에 히터 홀더(41)와 연결하기 위한 나사 구멍(47)이 설치된다. 히터 서포터(46)는 히터원(32)을 지지하는 기능을 갖는 것과 함께, 히터원(32)로부터 연장되어 나온 리드선을 보호하면서 외부로 꺼내기 위한 보호관의 기능을 갖는다.
히터 홀더(41)는 통 형상의 히터 서포터(46)와 히터원(32)과의 사이에 설치되고, 히터 서포터(46)와 히터원(32)을 직선상으로 연결하는 고절연성의 통 형상체로 구성된다. 히터 홀더(41)의 측면에, 축방향을 따라 히터원 장착용 나사 구멍(42)과, 히터 서포터 장착용 나사 구멍(43)이 설치된다. 히터 홀더(41)는 히터원(32)과 히터 서포터(46)를 연결하는 기능을 갖는 것과 함께, 히터원(32)의 전기 절연성을 높이는 기능을 갖는다.
상기 히터 캡(31)의 내경은, 히터 캡(31)이 히터원(32)을 씌우도록, 히터원(32)의 외경과 거의 동일하게 설정된다. 히터 캡(31)과 히터 홀더(41)와의 구경은 히터 캡(31)이 히터 홀더(41)에 접하여 고정되도록, 거의 동일하게 설정된다. 또한, 원통 형상의 히터원(32)의 외경은 히터 홀더(41)의 내경보다 약간 크게 설정된다. 또한 히터 서포터(46)의 외경은 히터 홀더(41) 내에 삽입 가능하게 되도록, 히터 홀더(41)의 내경과 거의 동일하게 설정된다.
이와 같은 연소 히터를 조립하기 위해서는, 히터원(32)의 하부를 히터 홀더(41)에 삽입하고, 히터원(32)의 연장부(38)에 설치한 나사 구멍(39)과, 히터 홀더(41)의 상부에 설치한 나사 구멍(42)을 맞추고, 이 맞춰진 나사 구멍(42, 39)에 나사(44)를 끼워넣어 조이는 것에 의해, 히터원(32)을 히터 홀더(41)에 장착한다.
또한, 히터 서포터(46)의 상부를 히터 홀더(41)에 삽입하여, 히터 홀더(41)의 하부에 설치한 나사 구멍(43)과, 히터 서포터(46)의 상부에 설치한 나사 구멍(47)을 맞추고, 이 맞춰진 나사 구멍(43, 47)에 나사(44)를 끼워넣어 조이는 것에 의해, 히터 서포터(46)를 히터 홀더(41)에 장착한다.
이와 같이 하여 히터원(32)에 히터 홀더(41)를 통하여 히터 서포터(46)를 직선상으로 연결한 후, 히터원(32)에 히터 캡(31)을 씌운다. 히터원(32)에 씌워진 히터 캡(31)은 자중에 의해 히터원(32)을 따라 내려 가고, 히터 홀더(41)의 상단 개구부에 의해 고정된다. 이에 의해 히터원(32)의 상부를 포함한 외주는 히터 캡(31)으로 덮이고, 연소시에 발생하는 물방울이나, 연소 불꽃의 열원으로부터 전열선(34)이 보호된다.
연소 히터의 조립 완성도를 도 2에 나타낸다. 히터원(32) 및 열전대의 리드선(48 및 49)은 히터원(32)로부터 히터 홀더(41) 및 히터 서포터(46) 내의 공간을 통하여 히터 서포터(46)의 하단 개구로부터 꺼내진다.
도 3은 상술한 연소 히터를 내장한 배기가스 연소장치를 나타내고, (a)는 단면도, (b)는 주요부 확대도이다. 배기가스 연소장치는 가연성 가스를 포함하는 배기가스를 연소시키는 연소실(52)을 형성하는 연소용기(51)와, 연소실(52) 내에 설치되어, 가연성 가스를 착화시키는 것과 함께 연소시키기 위한 열에너지를 방출하는 연소 히터(30)와, 검지 온도에 기초하여 연소 히터(30)를 제어하는 제어부로서의 온도 컨트롤러(65)를 주로 구비한다.
연소용기(51)는 예를 들면, 스테인레스 등의 내열성 부재로 구성되고, 내부에 형성한 연소실(52)에서 가연성 가스를 착화·연소시키게 된다. 연소실(52)의 하부에 가스 도입구(53)가 설치된다. 가연성 가스 도입구(53)로부터 연소실(52)내로 가연성 가스 도입관(58)이 삽입된다. 가연성 가스 도입관(58)은 일단부가 윗쪽으로 L자형으로 구부려지고, 선단부가 가스 도입구(53)로부터 연소실(52) 내로 삽입되고, 가연성 가스 도입관(58)의 타단부는 미도시의 반도체 제조장치의 배기구와 연결되고, 반도체 제조장치로부터 배출되는 가연성 가스를 포함하는 배기가스를 연소실(52) 내로 도입하게 된다. 여기서, 반도체 제조장치로부터 배출되는 가연성 가스로서는 예를 들면, H2 가스를 들 수 있다.
가연성 가스 도입관(58)의 L자형의 코너부는 연소 히터(30)을 장착하기 위 해, 주관(59a)과 가지관(59b)을 갖는 T자형 배관(59)으로 구성된다. T자형 배관(59)의 주관(59a)의 일단을 가연성 가스 도입관(58)의 선단부측에 연결하고, 주관(59a)의 타단을 개방하고, T자형 배관(59)의 가지관(59b)을 가연성 가스 도입관(58)의 기단부측에 연결한다.
연소실(52)의 상부 가스 도입구(53)에 대응하는 위치에 배기 덕트(55)가 설치되고, 가연성 가스를 연소한 배기가스를 포함하는 연소실(52) 내의 분위기를 대기중에 방출하게 된다. 또한, 가연성 가스 도입관(58)이 삽입된 연소실(52) 하부의 가스 도입구(53)의 외주에 복수의 공기 투입구(54)가 설치되고, 연소실(52)의 외부로부터 연소실(52) 내로 대기(공기)가 투입되게 된다.
연소실(52)의 저부에 설치한 가스 도입구(53) 상에, 상술한 연소 히터(30)가 축방향으로 수직으로 장착된다. 그 장착 방법은 연소 히터(30)를 연소실(52)에 반입하고, 연소 히터(30)의 하부를 구성하는 히터 서포터(46)를 가연성 가스 도입관(58)의 선단부로부터 가연성 가스 도입관(58) 내로 삽입하고, T자형 배관(59)의 주관(59a)을 관통시켜, 히터 서포터(46)의 하단을 주관(59a)의 개방 타단으로부터 꺼낸다. 꺼낸 이 히터 서포터(46)의 하단에 플랜지(68)를 설치하고, T자형 배관(59)의 주관(59a)의 하단 개구를 닫고, ０링(61)으로 T자형 배관(59) 내를 밀폐한다.
이와 같이 하여, 연소 히터(30)를 연소실(52)의 저부 중앙에 장착한 후, 연소 히터(30)의 히터원(32)을 감싸도록, 히터 커버(56)를 동축적으로 장착한다. 이 히터 커버(56)는 세라믹제의 원통으로 구성되고, 연소 불꽃(62)의 동요나, 연소 효 율의 불안정을 방지하는 기능을 갖는다. 히터 커버(56)는 연소실(52)의 가스 도입구(53)로부터 삽입되는 가연성 가스 도입관(8)의 도출구에 접속된다. 가연성 가스 도입관(58)의 접속 구경은 예를 들면 NW25로 하고, 도출구에 설치한 단이 있는 홈(45)에 히터 커버(56)의 중공의 도입구를 끼우는 것에 의해 접속시킨다. 감합부는 나사(62a)에 의해 고정되고, 이에 의해 히터 커버(56)를 가연성 가스 도입관(8)에 고정한다.
히터 커버(56)와 히커 캡(31)을 씌운 연소 히터(30)와의 극간에 가연성 가스가 흐르는 가스 유로(60)를 형성한다.
또한, 연소실(52) 내의 연소 히터(30)와 배기 덕트(55)와의 사이의 공간에, 연소 불꽃(62)을 덮는 원통 형상의 냉각관(57)을 설치한다. 이 원통 형상의 냉각관(57)에는, 미도시의 수냉(水冷) 자켓이 설치되고, 냉각관(57) 내에서 연소한 가연성 가스를 저온으로 냉각하게 된다. 이와 같이 냉각한 가스를 배기 덕트(55)로부터 대기 중에 방출하는 것에 의해 대기 환경을 오염시키지 않도록 한다.
또한, 히터 서포터(46)의 하단으로부터 나와 있는 2개의 리드 선(48 및 49)은 연소실(52)의 외부에 설치된 온도 컨트롤러(65)에 접속된다. 온도 컨트롤러(65)는 히터원(32)의 온도가 설정 온도가 되도록, 열전대(35)의 검지 온도에 기초하여, 전열선(34)으로 공급하는 전력을 제어하게 된다. 온도 컨트롤러(65)에 의해 제어되는 히터원(32)의 설정 온도는 650∼1200℃의 범위가 적당하다. 650℃ 미만의 경우에는 연소가 불완전하게 되고, H2와 O2가 반응하지 않는다. 따라서, 650℃는 최저 온도이다. 또한, 1200℃를 초과하는 온도를 만드는 열원이나 그 온도를 견디는 연소실 구조를 실현하기가 어렵다. 따라서, 구조상의 사용 최고 온도는 1200℃이다.
이하, 이 배기가스 연소장치의 동작에 대해 설명한다.
배기 덕트(55)에 접속한 미도시의 배기 설비에 의해, 연소실(52) 내의 분위기를 배기 덕트(55)를 통하여 흡인하고, 연소실(52)의 하부에 설치한 공기 투입구(54)로부터 연소실(52) 내로 대기를 투입하는 것에 의해, 연소실(52) 내에 상시 공기가 흐르도록 한다.
히터원(32)의 전열선(34)에 전류를 흐르게 하고, 온도 컨트롤러(65)에 의한 제어에 의해, 연소 히터(30)의 히터원(32)을 상술한 설정 온도가 되도록 가열한다. 가열 온도는, 가연성 가스 도입관(58)으로부터 도입되어 대기와 혼합되는 가연성 가스가 수소 등의 착화 가스를 필요로 하는 일 없이, 직접 착화하는 데에 충분한 온도로 설정한다.
연소 히터(30)의 가열 후에, 가연성 가스 도입관(58)의 밸브(미도시)를 열어, 미도시의 반도체 제조장치의 배기구와 가연성 가스 도입관(58)을 연통시키고, 반도체 제조장치로부터 배출되는 배기가스를 가연성 가스 도입관(58)에 도입한다. 히터원(32)의 외측에 설치한 가스 유로(60)를 통과하는 가연성 가스를 포함하는 배기가스는 연소실(52)의 저부에 설치한 공기 투입구(54)로부터 투입되는 공기와, 가스 유로(60)의 출구인 연소 히터(30)의 정점부에서 혼합되고, 연소 반응이 일어나고, 착화하여 연소된다. 가연성 가스는 가스 유로(60)를 통과하는 때에, 온도 컨트롤러(65)에 의해 제어된 연소 히터(30)에 의해 열에너지를 얻어 연소 온도로 높여 진다. 이 때문에, 착화장치를 별개로 필요하는 일 없이, 가연성 가스는 연소 히터(30)의 정점부에서 연소 반응이 일어나, 착화하여 연소된다. 또한, 연소 히터(30)는 히터 커버(56)에 의해 덮이고, 이들 사이에 형성된 가스 유로(60)를 가연성 가스가 통과하는 때에, 가연성 가스는 연소 히터(30)에 의해 충분히 가열되기 때문에, 연소실(52) 내의 공기 중의 산소가 과잉 존재하는 경우라도, 배기가스에 포함되는 가연성 가스가 저농도인 경우라도 효율적으로 연소할 수 있다.
특히, 연소 히터(30)의 외주에 히터 커버(56)를 설치하기 때문에, 배기 덕트(55)의 흡인 압력 변동이 있어도, 연소 불꽃은 동요하지 않고, 배기가스에 포함되는 가연성 가스가 저농도라도 가스 연소의 효율이 안정되어, 저농도라도 효율적으로 연소할 수 있다.
구체적으로는, 도 6에, 실시형태의 연소 히터, 종래예의 전기 스파크, 금속제 히터를 이용하여, 가연성 가스 H2 와 불연성 가스 N2 와의 혼합 가스를 연소 처리한 때의 연소 효율 데이터를 비교하여 나타내고, 참고로 연소 처리하지 않은 때의 미처리 데이터도 나타냈다. 가로축은 가연성 가스 도입관(58)으로부터 가연성 가스 도입 방향으로 흐르게 한 수소(H2)와 질소(N2)의 혼합비(H2/(H2+N2)%)를 의미하고, 세로축은 배기 덕트(55)에서 측정한 H2 잔류 농도(ppm)를 의미한다.
여기서, 도 6의 데이터를 얻은 때의 실시형태에 의한 조건은,
연소 히터와 히터 커버와의 극간: 6㎜
연소 히터의 전체 길이: 150㎜
설정온도: 900℃
배기 가스의 가연성 가스 H2와 불연성 가스 N2와의 혼합 가스 유량: 90ℓ/min으로 한다.
또한, 전기 스파크, 금속제 히터에서는 열원의 온도는 900℃로 하였다.
전기 스파크를 이용한 경우는, H2 잔류농도는 혼합비 25% 이상의 혼합가스에서 충분하게 연소하기 때문에 낮은 값을 나타내지만, 25% 미만의 낮은 혼합비의 경우는 미연소의 비율이 높아지기 때문에 H2 잔류농도는 높은 값을 나타내고, 그대로 미연소 가스는 배기 덕트(55)로부터 분출되어 버린다. 따라서, 저농도 H2의 연소 효율은 나쁘고, 안정성의 문제가 있었다.
또한, 금속제 히터를 이용한 때는, H2 잔류농도는 혼합비 20% 이상의 혼합가스에서 충분하게 연소하기 때문에 낮은 값을 나타내지만, 20 % 미만의 낮은 혼합비의 경우는 미연소의 비율이 높아지기 때문에, H2 잔류농도는 높은 값을 나타내고, 그대로 미연소 가스는 배기 덕트(55)로부터 배출되어 버린다. 따라서, 저농도 H2의 연소 효율은 나쁘고, 안정성에 문제가 있었다.
이에 비해, 실시형태의 연소 히터를 이용한 경우는, H2 잔류농도의 최고점은 혼합비 10% 부근이 되고, 고효율로 연소시킬 수 있다. H2 잔류농도의 최고점은 전기 스파크식에서는 1000ppm, 금속제 히터에서는 700ppm이었는데, 연소 히터는 400ppm 으로 종래 열원보다 2/5∼4/7으로 저하되어 연소 효율이 현저하게 향상되었다. 따라서, 저농도 H2의 연소 효율이 양호하게 되어 안정성의 문제는 해소되었다.
상술한 것과 같이 실시형태에 의하면, 히터원(32)으로 고온 가열되는 가스 유로(60) 내에서 가연성 가스를 가열하고, 가스 유로(60)의 출구에서 공기와 혼합하여 연소시키게 하였기 때문에, 수소 등의 조연 가스를 이용하는 착화 설비 없이도, 직접적으로 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 착화·연소시킬 수 있다. 따라서, 대기 이외의 조연 가스나 착화 설비가 불필요하게 되기 때문에, 장치 구성을 대폭적으로 간소화할 수 있다.
또한, 전열선 홀더(33)의 외주에 전열선(34)을 감도록 하였기 때문에, 전열선 홀더(33)의 내주에 전열선(34)을 감는 것에 비해, 연소 히터(30)를 소형화할 수 있다. 또한, 전열선 홀더(33)의 외주에 전열선(34)을 감기 때문에, 감회 작업이 용이하다. 또한, 전열선 홀더(33)의 외주에 설치한 나선 홈(45)에 전열선(34)을 감기 때문에 전열선(34)이 전열선 홀더(33)의 외주에 노출하지 않도록 할 수 있다. 더욱이, 전열선 홀더(33)의 외주를 히터캡(31)으로 덮도록 하였기 때문에, 전열선(34)을 더욱 보호할 수 있고, 또한 전열선(34)으로 가열된 전열선 홀더(33)를 유효하게 보온할 수 있다. 또한, 전열선 홀더(33)와 히터 커버(56)와의 사이의 가스 유로(60)로 가연성 가스를 착화 온도까지 높일 수 있기 때문에, 가열된 가연성 가스가 공기 없이 산소와 합류하는 히터 캡(31)의 정점부에서 확실하게 가연성 가스를 착화·연소시킬 수 있다.
또한, 실시형태에서는, 히터원(32)의 전열선 홀더로 세라믹을 사용했기 때문에, 높은 전기 절연성을 실현시킬 수 있고, 누전을 유효하게 방지할 수 있다. 또한, 히터원(32)을 덮는 히터 커버(56)로 세라믹보다도 연화성(軟化性)이 높은 석영을 사용하기 때문에, 히터캡에 균열이나 금이 생기기 어렵고, 전열선을 물방울이나 연소 불꽃으로부터 보다 유효하게 보호할 수 있다.
또한, 히터캡(31) 및 전열선 홀더(33)를 구성하는 재료로서, 석영 및 세라믹을 이용한 것에 의해, 연소에 의한 히터캡(31) 및 전열선 홀더(33)의 내외주벽의 열화가 적고, 전열선(34)이 연소 불꽃(62)이나 내부 분위기에 직접 노출되지 않기 때문에, 연소에 의한 반응열의 가운데에서도 전열선(34)을 유효하게 보호할 수 있다.
또한, 연소된 가연성 가스가 냉각관(57)에 의해 냉각되어 수증기 형상으로 되어, 냉각관(57)의 내벽면에 접촉하여 물방울이 되고, 배기 압력의 동요에 의해 비산(飛散)하고, 히터 캡(31) 상에 물방울이 낙하하여 접촉하는 경우가 있다. 이 물방울의 접촉에 의해 히터캡(31)의 표면 온도가 급격하게 변화하여도, 히터캡(31)의 재질이 석영이기 때문에, 세라믹을 사용한 때에 발생하는 것과 같은 균열 또는 금 등의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 히터캡(31) 내부에 있는 전열선(34)을 물방울에 의한 단선 및 누전으로부터 유효하게 보호할 수 있다.
또한, 히터원(32)으로부터 히터캡(31)을 용이하게 떼어낼 수 있기 때문에, 보수 및 유지가 용이하다. 특히, 전열선(6)이 단선된 경우는, 연소 히터(30) 전체를 교환하는 일 없이, 히터원(32)으로부터 히터캡(31)을 떼어내고, 새로운 전열 선(34)을 전열선 홀더(33)의 외주에 감아 고치는 것만으로 용이하게 수리할 수 있게 된다.
구체적으로, 전열선(34)이 단선된 때의 처리는, 가연성 가스 도입관(58)의 T자형의 배관(59)에 플랜지(68)로 고정한 연소 히터(30)를 떼어낸다. 그리고 히터 캡(31)을 히터원(32)의 상부를 따라 이동시켜 히터원(32)으로부터 떼어내고, 단선한 전열선(34)을 히터원(32)의 나선 홈(45)으로부터 제거하고, 새로운 전열선(34)을 히터원(32)의 나선 홈(45)에 휘감아, 히터 캡(31)을 히터원(32)의 위쪽으로부터 씌워 장착한다. 히터원(32)에 히터캡(31)을 씌워 연소 히터(30)를 형성한 후, 이것을 가연성 가스 도입관(58)의 T자형 배관(59)에 장착한다. 이와 같이 원터치 형식으로 연소 히터(30)를 가연성 가스 도입관(58)로부터 떼어내거나 장착하거나, 또는 히터 캡(30)을 히터원(32)으로부터 떼어내거나 장착하거나 할 수 있기 때문에, 전열선(34)의 단선 교환 작업이 용이하고 간단하게 처리되어, 보수 및 유지가 용이하게 된다.
또한, 이와 같은 중공의 세라믹 히터를 이용한 연소 히터는, 단열성을 유지하기 때문에 히터 형상을 작게 할 수 있다. 열전대(35)를 설치한 원통형 세라믹재의 두께도 전열선(34)을 외주에 감기 때문에 그다지 두껍지 않게 된다. 따라서, 연소 장치가 대형화되는 것을 피할 수 있어 설치 공간을 작게 할 수 있고, 반도체 제조 장치가 설치되는 크린 룸의 제조 비용 증가를 막을 수 있다.
또한, 연소 히터(30)를 가연성 가스 도입관(58)의 내부에 장착하게 하여, 가연성 가스 도입관(58)으로부터 리드 선(48, 49)을 외부로 꺼낼 수 있도록 하였기 때문에, 연소실(52)에 전용의 리드선 투입용 개구를 설치하는 경우에 비해, 보수 및 유지를 용이하게 실시할 수 있다.
또한, 세라믹 히터를 연소실(52) 내에 장착하는 데에 있어서, 통 형상 히터원(32)의 히터 서포터(46)를 가연성 가스 도입관(58)에 장착한 T자형 배관(59)에 플랜지(68)로 고정하기만 하면 되기 때문에, 그 장착 작업이 용이하다.
또한, 히터원(32)의 홈(45)의 깊이나 홈 수를 변경하는 것으로, 전열선(34)의 선 지름이나 감는 회수에 의해, 조건이 상이한 다양한 배관 가스의 연소에 적용할 수 있다.
여기서, 연소 히터를 구성하는 각 부품의 크기를 예를 들어 설명하면, 연소 히터(30)의 구조 상, 제작 가능한 최저 직경이 10㎜이고, 실시형태의 연소 히터(30)를 사용하는 때의 구성 상의 최대 직경이 20㎜이기 때문에, 연소 히터(30)는 직경 10∼20㎜이다. 또한 가연성 가스의 최대 유량과 연소 히터의 직경과의 관계로부터 연소 효율이 가장 효과적으로 발휘될 수 있는 것은 연소 히터의 전체 길이가 30∼300㎜인 때이다.
가연성 가스의 최대 유량과 연소 히터의 직경과의 관계로부터 연소 효율이 가장 효과적으로 발휘될 수 있는 조건은, 히터 커버(56)와 연소 히터(30)와의 간격(가스 유로(60)의 폭)이 2∼20㎜인 때이고, 히터 커버의 전체 길이가 30∼300㎜인 때이다. 가연성 가스와 불연성 가스와의 혼합 유량은 5∼200ℓ/min에서 사용된다.
또한, 온도 컨트롤러(65)에 의해 제어하는 온도는 650∼1000℃로 설정한다.
또한, 본 발명의 실시형태에서는, 히터원(32)의 형상을 원통형으로 했지만, 이 형상에 한정되지 않고, 예를 들면, 육각형 또는 팔각형 등의 다각형으로 하여도 좋다. 또한, 실시형태에서는 공기 투입구(54)을 연소실(52)의 저부에 설치했지만 연소실(52)의 외주부 또는 연소실(1)의 저부 및 외주부의 양쪽에 설치해도 좋다. 외주부에 설치하는 경우에는 외주부에 설치하는 공기 투입구를 연소 히터 정점부에 대응하는 위치에 설치하면 된다.
또한, 실시형태에서는 히터 커버에 공기 구멍을 설치하지 않았지만, 히터 커버에 공기 구멍을 설치하도록 하여도 좋다. 이것에 의하면, 가연성 가스를 가스 유로 내에서 공기와 혼합하여 연소시킬 수 있다. 공기 구멍으로부터 도입되는 공기량으로는 산소 농도가 불충분하여 다 연소시킬 수 없었던 수소 농도가 높은 가연성 가스는 가스 유로 내 보다도 산소 농도가 높은 연소실 내의 연소 히터의 정점부에서 연소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 히터의 단선이 적고, 사용 온도의 범위가 넓고, 확실하게 착화·연소시킬 수 있고, 착화용의 가스 설비가 불필요하기 때문에, 연소 히터 및 장치를 간소화할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 고효율의 안정한 연소를 실현할 수 있고, 보수 및 유지를 간소화할 수 있다.

Claims (3)

  1. 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 착화·연소시키는 연소실과;
    상기 연소실에 설치된 가스 도입구와;
    상기 연소실에 공기를 투입하는 공기 투입구와;
    상기 연소실을 배기하는 배기구와;
    상기 가스 도입구로부터 상기 배기가스를 도입하는 가연성 가스 도입관과;
    상기 가연성 가스 도입관에 연결되는 히터 커버와;
    상기 히터 커버 내에 삽입되는 연소 히터;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치.
  2. 배기가스 중에 포함되는 가연성 가스를 착화·연소시키는 연소실과;
    상기 연소실의 하부에 설치된 가스 도입구와;
    상기 연소실에 공기를 투입하는 공기 투입구와;
    상기 연소실을 배기하는 배기구와;
    상기 가스 도입구로부터 상기 연소실 내에 삽입되어 기단부 측으로부터 상기 배기가스를 도입하는 가연성 가스 도입관과;
    상기 가연성 가스 도입관의 선단부에 연결되는 통 형상의 히터 커버와;
    상기 히터 커버 내에 삽입되고, 상기 가연성 가스와 상기 공기 투입구로부터 투입된 공기와의 혼합가스를 연소시켜 연소 불꽃을 발생하는 연소 히터를 구비하 고,
    상기 연소 히터와 상기 배기구 사이에 냉각관;
    을 설치한 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 히터 커버에는 공기 구멍을 설치한 것을 특징으로 하는 배기가스 연소장치.
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