KR20070057962A

KR20070057962A - 가스 가열 방법 및 가스 가열용 배관 부재

Info

Publication number: KR20070057962A
Application number: KR1020077008879A
Authority: KR
Inventors: 노부카즈 이케다; 아키히로 모리모토; 나오후미 야스모토; 미치오 야마지; 츠요시 다니카와; 다다유키 야쿠시진; 히데히로 도야
Original assignee: 가부시키가이샤 후지킨
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2007-06-07
Also published as: TW200624700A; US20090202957A1; WO2006035547A1

Abstract

본 발명은 파이프 등의 배관 부재 본체 내의 기체를 가열할 때에, 가열 효율을 향상시킬 수 있는 가열 방법 및 이러한 가열 방법을 용이하게 행하는 것을 가능하게 하는 가스 가열용 배관 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 피가열 가스가 통과하는 배관 부재 본체(1)의 내부에 피가열 가스가 통과 가능한 보열재(4)를 빽빽하게 삽입하는 동시에, 배관 부재 본체(1)를 외부에서 가열 수단(2)에 의해 가열한다.

Description

가스 가열 방법 및 가스 가열용 배관 부재{GAS HEATING METHOD AND GAS HEATING PIPING MEMBER}

본 발명은 약품 제조용, 반도체 제조용 등에 사용되는 가스를 소정 온도로 가열하기 위한 가스 가열 방법 및 가스 가열용 배관 부재에 관한 것이다.

반도체 제조 장치에서 사용되는 배관에 있어서는, 소정의 처리 온도로 가스를 가열해야 하는 경우가 있고, 이 때문에, 파이프를 테이프 히터로 감아 외부에서 파이프를 가열하는 것이 일반적으로 행해지고 있다.

또한, 특허 문헌 1에는 내외 2중 관으로서, 가열, 냉각 또는 보온 효과를 향상시킨 굴곡이 자유로운 배관 부재가 기재되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 실용 공개 평1-91189호 공보

상기 종래의 가열 방법에서는, 가스의 가열 온도가 예컨대 200℃∼300℃ 정도가 되면, 외부에서 파이프(중공 형상 본체)를 가열하는 것만으로는 필요한 온도를 얻을 수 없는 경우가 있고, 또한, 히터의 전력을 올려 대응하는 경우에는 에너지 비용이 비싸진다고 하는 문제가 있었다. 또한, 특허 문헌 1에서는 보온 효과에는 우수하지만, 외부로부터의 가열에 대해서는 충분하다고는 말할 수 없으므로, 한층 더 개량이 필요하다.

본 발명의 목적은 파이프 등의 배관 부재 본체 내의 기체를 가열할 때에, 가열 효율을 향상시킬 수 있는 가열 방법 및 이러한 가열 방법을 용이하게 행하는 것을 가능하게 하는 배관 부재를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 가스 가열 방법은 피가열 가스가 통과하는 배관 부재 본체의 내부에 피가열 가스가 통과 가능한 보열재(保熱材)를 빽빽하게 삽입하는 동시에, 배관 부재 본체를 외부에서 가열 수단에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따른 가스 가열용 배관 부재는 외부에서 가열되는 중공 형상 본체와, 피가열 가스가 내부를 통과 가능하게 형성되며 또한 본체 내부에 빽빽하게 삽입된 보열재로 이루어지는 것이다.

본 발명에 따른 가스 가열 방법 및 가스 가열용 배관 부재에 있어서, 배관 부재 본체는 통상, 파이프가 되지만, 파이프를 접속하는 파이프 이음이나 통로가 형성된 블록이어도 좋고, 그 안을 흐르는 물질은 통상, 기체가 되지만, 액체여도 좋다. 또한, 보열재는 다공 금속 재료나 다수의 금속구로 형성되는 경우가 있고, 보열재는 다공 금속 재료와 금속제 코어 재료로 형성되는 경우도 있다.

다공 금속 재료로서는, 잘라 세운 부분(이하, "기립부"라 함)을 갖는 다공 금속박의 적층체가 바람직하지만, 바인더가 들어간 금속 입자 재료를 가열 소결한 다공질 금속 소결체여도 좋고, 또한, 메쉬를 통로 방향으로 적층한 것으로 하여도 좋다. 요컨대, 열전도율이 높고 또한 충분한 가스와의 접촉 면적이 확보되는 것이면, 여러 가지의 재료를 다공 금속 재료로서 사용할 수 있다. 금속은, 예컨대, 피가열 유체(피가열 가스 또는 피가열 액체)와 반응하기 어려운 스테인리스강이면 되지만, 열전도성을 중시하여 구리 등으로 하여도 좋고, 티탄이나 그 외의 금속이라도 좋다. 다수의 금속구는 예컨대 강철구여도 되지만, 강철 이외의 스테인리스강, 구리, 티탄이나 그 외의 금속이라도 좋다. 또한, 가열 수단은 예컨대, 마이크로 히터, 테이프 히터 등으로 불리는 플렉시블한 히터가 바람직하고, 그 외에, 중공 형상 본체의 윤곽 형상에 적합 가능한 여러 가지의 가열 수단을 사용할 수 있다.

기립부를 갖는 다공 금속박은 종횡 소정 간격으로 다수의 기립부가 형성된 금속박이며, 금속박의 두께는 10∼10O ㎛ 정도가 바람직하고, 기립부의 크기는 예컨대, 구멍의 한 변이 200∼700 ㎛, 구멍의 다른 변이 200∼700 ㎛의 정방형 또는 직사각형이 되며, 높이(돌출량)가 200∼600 ㎛이 된다. 또한, 기립부의 수는 200∼600개/㎠ 정도로 된다. 기립부의 크기나 수는 통로 직경, 통로 길이, 압력 손실 등을 고려하여, 적절한 것이 선택된다.

상기의 기립부를 갖는 다공 금속박을 소용돌이형으로 적층할 때에는, 기립부의 선단과 이웃하는 층의 금속박이 접촉하도록 빽빽하게 중첩되어 진다. 이 경우, 금속제 코어 재료를 이용하여도 좋다. 기립부를 갖는 다공 금속박의 소용돌이형의 적층체의 통로 방향의 길이는 본체의 길이와 같을 필요는 없고, 복수개의 적층체가 간격을 두지 않고서 또는 간격을 두고 본체 내에 직렬형으로 배치되어 있도록 하여도 좋다. 기립부를 갖는 다공 금속박의 소용돌이형의 적층체는 한 장의 금속박으로 되어 있으므로, 열전도성이 우수하고, 중공 형상 본체 또는 배관 부재 본체를 외부에서 가열한 경우에, 그 내부의 보열재까지가 거의 동일한 온도로 가열된다. 피가열 유체는 인접하는 기립부 사이에 형성된 공간 및 기립부를 위해 형성된 구멍을 통로로 하여 배관 부재의 일단으로부터 타단으로 흐르고, 그 동안에 고온의 배관 부재로부터 열을 받아 소정 온도로 승온된다.

보열재가 다수의 금속구로부터 형성되는 경우에는 보열재의 양단에 금속구의 통로 방향의 이동을 저지하는 다공판이 설치되는 것이 바람직하고, 한쪽의 다공판이 가압 부재(예컨대 코일 스프링)에 의해 다른쪽의 다공판측으로 가압되는 것이 바람직하다. 가압 부재는 코일 스프링 이외에 판 스프링 등의 용수철이라도 좋고, 또한, 고무제 또는 합성 수지제로 탄성을 갖고 있는 탄성 부재라도 좋다.

금속구의 직경은 지나치게 크면 접촉 면적이 저하하여 충분한 가열 효과를 얻을 수 없으므로, 중공 형상 본체의 내부 직경의 50％ 이하인 것이 바람직하고, 40％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 금속구의 직경의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 지나치게 작으면 취급이 어렵고, 또한, 압력 손실도 커지게 되므로 5％ 이상이 바람직하고, 20％ 이상이 보다 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 금속구를 중공 형상 본체 내에 빽빽하게 충전한 경우에, 열전도성이 매우 우수하며, 더구나, 가스의 통과 간극이 충분히 확보되어 효율적인 가열이 가능해진다. 금속구는 한쪽의 다공판을 고정판으로 하여 중공 형상 본체에 순차 충전되고, 빽빽하게 충전된 금속구는 2개의 다공판의 사이에 끼여 유지된다.

본 발명의 가스 가열 방법에 따르면, 파이프 등의 배관 부재 본체의 내부에 보열재가 빽빽하게 삽입되어 있으므로, 배관 부재 본체를 외부에서 가열함으로써, 배관 부재 본체의 열이 보열재로 전도하며, 보열재도 배관 부재 본체와 거의 동일한 온도로 가열되고, 피가열 가스는 이 보열재를 통과하는 동안에 효율적으로 소정 온도까지 가열된다. 따라서, 보열재가 없는 것에 비해 배관 부재 본체의 가열 길이를 짧게 하여도 동일한 정도의 가열을 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 가열용 배관 부재에 따르면, 중공 형상 본체의 내부에 보열재가 빽빽하게 삽입되어 있으므로, 이 배관 부재 본체를 외부에서 가열함으로써, 본체의 열이 보열재로 전도하여 보열재도 본체와 거의 동일한 온도로 가열되고, 피가열 가스는 이 보열재를 통과하는 동안에 효율적으로 소정 온도까지 가열된다. 따라서, 보열재가 없는 것에 비해 배관 부재 본체의 가열 길이를 짧게 하여도, 동일한 정도의 가열을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 가열용 배관 부재의 제1 실시형태를 도시하는 종단면도.

도 2는 상기 제1 실시형태의 횡단면도.

도 3은 시험 장치의 구성을 도시하는 흐름도.

도 4는 제1 실시형태의 가스 가열용 배관 부재에 대한 온도 변화의 측정 결과를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 가스 가열용 배관 부재의 제2 실시형태를 도시하는 종단면도.

도 6은 제2 실시형태의 가스 가열용 배관 부재에 대한 온도 변화의 측정 결 과를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 배관 부재

2 : 테이프 히터(가열 수단)

3 : 파이프 본체(중공 형상 본체)

4 : 보열재

11 : 다공 금속박

11a : 기립부

12 : 금속제 코어 재료

21 : 배관 부재

22 : 테이프 히터(가열 수단)

23 : 파이프 본체(중공 형상 본체)

24 : 보열재

24a : 금속구

41, 44 : 다공판

본 발명의 실시형태를 이하 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 가스 가열 방법을 실시하기에 적합한 배관 부재의 제1 실시형태를 나타내고 있다.

이 배관 부재(1)는 중공 형상 본체로서의 파이프 본체(3)와, 본체(3) 외주에 설치된 가열 수단으로서의 테이프 히터(2)와, 본체(3) 내주에 빽빽하게 삽입된 보열재(4)로 이루어진다.

보열재(4)는 기립부(11a)를 갖는 다공 금속박(11)(두께 50 ㎛)이 소용돌이형으로 적층된 것으로 되어 있다. 따라서, 1장의 금속박(11)으로 형성되어 있으므로, 열전도성이 매우 우수하며, 더구나, 기립부(11a)에 의해 인접하는 층간의 접촉은 금속박(11)의 평면끼리가 접촉하는 면 접촉이 아닌 점 접촉으로 되어 있어, 가스의 통과 간극이 충분히 확보되고 압력 손실도 적은 것으로 되어 있다. 이러한 기립부(11a)를 갖는 다공 금속박(11)은 예컨대, 금속박 재료를 각 원통면에 다수의 돌기를 갖는 한 쌍의 롤러 사이로 통과시킴으로써 얻을 수 있다.

파이프 본체(3)의 출구측 단부에는 필터(5)가 배치되어 있다. 필터(5)는 금속 필터로 되어 있고, 이 필터(5)가 테이프 히터(2)로부터의 열을 받음으로써, 필터(5) 부분에 있어서의 온도 저하가 방지되어 있다.

도 2에 있어서, 이점쇄선으로 나타내고 있는 것은, 금속제 코어 재료(12)이며, 보열재(4)는 필요에 따라, 다공 금속 재료인 기립부(11a)를 갖는 다공 금속박(11)과 금속제 코어 재료(12)로 구성된다.

도 4에, 200℃로 가열한 배관 부재(1)에 가스를 흐르게 하였을 때의 온도 변화의 측정 결과를 나타낸다. 도 3은 이 측정을 행하기 위한 시험 장치의 흐름도를 나타내고 있으며, 시험 조건은 시험 유체가 질소 가스, 시험 압력의 일차측이 300 kPa, 이차측이 대기 개방, 시험 유량이 5 SLM이며, 시험 라인을 설정 온도(200℃)로 승온 후 안정을 확인하고 온도 측정 포인트의 온도를 기록했다.

도 3에 도시한 바와 같이, 시험 장치는 피가열 가스를 감압 밸브(51), 필터(52), 유량 조정 밸브(53) 및 매스플로우 미터(54)를 통해 가열 가스 배관 부재(1)에 도입하며, 유량 조정 밸브(55)를 통해 대기 개방하는 구성으로 되어 있고, 배관 부재(1)의 입구에서의 가스 온도 및 출구에서의 가스 온도가 온도 센서(56, 57)로 측정 가능하게 되어 있다. 배관 부재(1)는 길이 약 160 ㎜의 범위에서 가열되며, 가열 수단으로는 마이크로 히터(시스(sheath) 직경 1 ㎜, 전기 용량 300 W, 저항 133.3Ω)를 사용했다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 보열재가 없는 것에서는 외부 설정 온도 200℃에 대해, 100℃ 정도까지밖에 온도가 상승하지 않으며, 이에 비해, 본 발명의 보열재(4)가 있는 것의 배관 부재(1)에 따르면, 150℃ 정도까지 온도가 상승하여, 가열 효율이 대폭 상승하고 있다.

또한, 상기의 기립부(11a)를 갖는 다공 금속박(11)의 적층체를 원주형의 금속제 코어 재료(12)에 휘감는 구성으로 함으로써 중심부로부터의 가스 누설이 방지되는 동시에, 코어 재료(12) 자체에도 열이 유지되어 가열 효율이 향상한다.

도 5는 본 발명의 가스 가열 방법을 실시하기에 적합한 배관 부재의 제2 실시형태를 나타내고 있다.

이 배관 부재(21)는 중공 형상 본체로서의 파이프 본체(23)와, 본체(23) 외주에 설치된 가열 수단으로서의 테이프 히터(22)와, 본체(23) 내주에 밀접하도록 삽입된 다수의 금속구(24a)로 이루어진 보열재(24)로 이루어진다.

파이프 본체(23)의 양단부에는, 각각 이음부(25, 26)가 설치된다. 한편(도면 의 우측)의 이음부(25)는 중간 부분의 외주에 수나사 부(31a)를 가지고 또한 접합 단부의 외주에 육각 주상의 플랜지부(31b)를 갖는 제1 이음 부재(31)로 이루어지며, 다른쪽(도면의 좌측)의 이음부(26)는 중간 부분의 외주에 육각 주상의 플랜지부(32a)를 가지고 또한 양단부 부근의 외주에 수나사 부(32b, 32c)를 갖는 제2 이음 부재(32)와, 파이프 본체(23)에 접합된 슬리브(33)와, 제2 이음 부재(32)와 슬리브(33)를 결합하는 캡너트(34)로 이루어진다.

보열재(24)로서의 금속구(24a)는 강철구로 되어 있고, 그 직경은 파이프 본체(23)의 내부 직경의 1/4정도로 되어 있다.

제1 및 제2 이음 부재(31, 32)는 파이프 본체(23)의 내부 직경보다도 작은 소직경 통로(35, 38)와, 파이프 본체(23)에 맞대어지는 측으로서 파이프 본체(23) 내부 직경과 동등한 대직경 통로(36, 39)를 가지고, 소직경 통로(35, 38)와 대직경 통로(36, 39) 사이에 단차부(37, 40)가 형성되어 있다.

슬리브(33)는 파이프 본체(23)와 동일한 직경의 본체(33a)와, 파이프 본체(23)에 접합되지 않는 쪽의 단부에 설치된 플랜지부(33b)로 이루어지며, 이 플랜지부(33b)에 캡 너트(34)의 정상벽 부분이 접촉하는 동시에, 캡 너트(34)가 제2 이음 부재(32)의 수나사부(32c)에 나사 결합됨으로써, 제2 이음 부재(32)에 고정되어 있다. 슬리브(33)와 제2 이음 부재(32)의 접합면에는, 접합면의 밀봉성을 확보하기 위한 가스켓(46)이 개재되고 있다.

제1 이음 부재(31)의 단차부(37)에는 대직경 통로(36)의 직경과 동일한 외부 직경을 가지고 또한 금속구(24a)의 직경보다도 작은 구멍(42)이 다수 형성된 원형 의 금속제 다공판(41)의 주연부가 접하고 있다. 이 다공판(41)은 금속구(24a)의 충전 시 및 충전 후에 있어서 금속구(24a)가 탈락하는 것을 방지하기 위한 고정판으로 되어있다.

제2 이음 부재(32)의 단차부(40)에는 대직경 통로(39)의 직경과 동일한 외부 직경을 갖는 원통형 압축 코일 스프링(43)의 일단이 접하고 있다. 이 코일 스프링(43)의 타단에는, 고정판으로서 사용되는 것과 동일한 형상 즉 대직경 통로(36)의 직경과 동일한 외부 직경을 가지고 또한 금속구(24a)의 직경보다도 작은 구멍(45)이 다수 형성된 원형의 금속제 다공판(44)이 배치되어 있다. 코일 스프링(43)은 제2 이음 부재(32)의 단차부(40)로부터 파이프 본체(23) 단면까지의 거리보다도 긴 자연 길이를 갖고 있고, 다공판(44)을 통해 파이프 본체(23) 내에 빽빽하게 충전되어 있는 금속구(24a)를 다른쪽의 다공판(41)측으로 압박하고 있다.

금속구(24a)는 파이프 본체(23)에 제1 이음 부재(31)를 부착한 후, 한쪽의 다공판(41)을 고정판으로 하여, 파이프 본체(23) 내에 순차 충전된다. 그 후, 슬리브(33) 내에 다른 쪽의 다공판(44)이 배치되는 동시에, 제2 이음 부재(32)에 코일 스프링(43)이 배치되고, 너트(34)에 의해 슬리브(33)가 제2 이음 부재(32)에 고정된다. 이에 따라, 파이프 본체(23) 내에 충전된 금속구(24a)는 2개의 다공판(41, 44) 사이에 끼여 유지된다. 이렇게 해서, 열전도성이 매우 우수하며, 더구나, 가스의 통과 간극이 충분히 확보되어 압력 손실도 적은 배관 부재(21)가 간단한 작업으로 형성된다.

이 배관 부재(21)에 대해, 금속구(24a)를 강철구로 하고, 도 3의 시험 장치 를 사용하여 온도 변화를 측정한 바, 도 6에 도시한 바와 같이, 도 4와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있고, 이 실시형태에 의해서도 가열 효율이 대폭 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 6에 있어서, 가스 5 slm 및 가스 10 slm은 가스의 유량(slm= standard liter/min)을 나타내고 있으며, 이 배관 부재(21)에 따르면, 가스의 유량이 많을 때에 금속구(강철구)(24a)의 유무의 차가 보다 현저하게 되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 가스 가열 방법은 파이프 등의 배관 부재 본체의 내부에 보열재가 빽빽하게 삽입되어 있으므로, 배관 부재 본체를 외부에서 가열함으로써, 배관 부재 본체의 열이 보열재에 전도하여 보열재도 배관 부재 본체와 거의 동일한 온도로 가열되며, 피가열 가스는 이 보열재를 통과하는 동안에 효율적으로 소정 온도까지 가열된다. 따라서, 보열재가 없는 것에 비해 배관 부재 본체의 가열 길이를 짧게 하여도, 동일한 정도의 가열을 행할 수 있다.

Claims

피가열 가스가 통과하는 배관 부재 본체의 내부에, 피가열 가스가 통과 가능한 보열재(保熱材)를 빽빽하게 삽입하는 동시에, 배관 부재 본체를 외부에서 가열 수단에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 가스 가열 방법.
제1항에 있어서, 보열재는 다공 금속 재료로 형성되는 것인 가스 가열 방법.
제1항에 있어서, 보열재는 다공 금속 재료와 금속제 코어 재료로 형성되는 것인 가스 가열 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 다공 금속 재료는 기립부를 갖는 다공 금속박이 소용돌이형으로 적층되는 것인 가스 가열 방법.
제1항에 있어서, 보열재는 다수의 금속구로 구성되는 것인 가스 가열 방법.
외부에서 가열되는 중공 형상 본체와, 피가열 가스가 내부를 통과 가능하게 형성되며 또한 본체 내부에 빽빽하게 삽입된 보열재로 이루어지는 가스 가열용 배관 부재.
제6항에 있어서, 보열재는 다공 금속 재료로 형성되는 것인 가스 가열용 배관 부재.
제6항에 있어서, 보열재는 다공 금속 재료와 금속제 코어 재료로 형성되는 것인 가스 가열용 배관 부재.
제7항 또는 제8항에 있어서, 다공 금속 재료는 기립부를 갖는 다공 금속박이 소용돌이형으로 적층되는 것인 가스 가열용 가스 배관 부재.
제6항에 있어서, 보열재는 다수의 금속구로 구성되는 것인 가스 가열용 배관 부재.
제10항에 있어서, 보열재의 양단에 금속구의 통로 방향의 이동을 방지하는 다공판이 설치되는 것인 가스 가열용 배관 부재.
제11항에 있어서, 한쪽의 다공판은 가압 부재에 의해 다른 쪽의 다공판측으로 가압되는 것인 가스 가열용 배관 부재.
제11항 또는 제12항에 있어서, 본체는 튜브와 그 양단에 설치된 이음부로 이루어지며, 이음부에는 다공판을 지지하는 단차부가 형성되어 있는 것인 가스 가열 용 배관 부재.