KR20190009749A - 입구 조립체 - Google Patents

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KR20190009749A KR1020187033166A KR20187033166A KR20190009749A KR 20190009749 A KR20190009749 A KR 20190009749A KR 1020187033166 A KR1020187033166 A KR 1020187033166A KR 20187033166 A KR20187033166 A KR 20187033166A KR 20190009749 A KR20190009749 A KR 20190009749A
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Abstract

버너용 입구 조립체 및 방법이 개시된다. 버너용 입구 조립체는 입구 노즐을 포함하며, 입구 노즐은, 버너에 의한 처리를 위해 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합 가능한 입구 구멍; 비-원형 출구 구멍; 버너의 연소실로의 전달을 위해 입구 구멍으로부터 출구 구멍으로 유출 가스 스트림을 운반하기 위해서 입구 구멍과 출구 구멍 사이에서 종축을 따라서 연장하는 노즐 보어로서, 입구 구멍으로부터 연장하는 입구 부분 및 비-원형 출구 구멍까지 연장하는 출구 부분을 갖는, 상기 노즐 보어; 입구 부분을 출구 부분에 결합하는 배플로서, 배플은 노즐 보어 내에 위치되는 배플 구멍을 한정하고, 배플 구멍은 배플에 인접한 출구 부분의 횡단면적에 비해 감소된 횡단면적을 가지는, 상기 배플; 및 2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합 가능하고, 노즐 보어 내에서 2차 가스 스트림을 유출 가스 스트림과 혼합하도록 위치되는 2차 가스 스트림 노즐을 한정한다. 이러한 방식으로, 비-원형 출구 구멍은 2차 가스와 혼합된 비-원형 유출 가스 스트림 유동을 연소실로 제공한다. 비-원형 유출 가스 유동은 요구되는 수준의 저감을 여전히 달성하거나 초과하면서 2차 가스와 혼합된 더 많은 용적의 유출 가스 스트림이 연소실로 도입되게 할 수 있다. 이는 비-원형 유출 가스 스트림이 동등한 원형 유출 가스 스트림에 비해 확산 및 반응이 발생해야 하는 거리가 감소되기 때문이다. 따라서, 동등한 원형 유출 가스 스트림과 2차 가스 스트림 혼합물의 용적에 비해 증가된 용적의 유출 가스 스트림이 저감될 수 있다.

Description

입구 조립체
본 발명은 버너용 입구 조립체 및 방법에 관한 것이다.
방사형 버너(radiant burner)는 공지되어 있고, 예를 들어 반도체 또는 평면 패널 디스플레이 제작 산업에서 사용되는 제작 프로세스 툴(process tool)로부터 유출 가스 스트림을 처리하는데 전형적으로 사용된다. 그러한 제작 중에서, 잔류 퍼플루오르화 화합물(PFC) 및 다른 화합물이 프로세스 툴로부터 펌핑된 유출 가스 스트림에 존재한다. PFC는 유출 가스로부터 제거하기가 어렵고 환경으로 이들의 방출은 상대적으로 높은 온실 활동을 하는 것으로 공지되어 있기 때문에 바람직하지 못하다.
공지된 방사형 버너는 유출 가스 스트림으로부터 PFC 및 다른 화합물을 제거하기 위해 연소를 사용한다. 전형적으로, 유출 가스 스트림은 PFC 및 다른 화합물을 함유한 질소 스트림이다. 연료 가스는 유출 가스 스트림과 혼합되고 그 가스 스트림 혼합물은 다공성 가스버너의 배출 표면에 의해 측면으로 둘러싸인 연소실 내로 운반된다. 연료 가스 및 공기는 다공성 버너에 동시에 공급되어 출구 표면에서 무화염 연소에 영향을 주며, 여기서 다공성 버너를 통과하는 공기의 양은 버너에 공급되는 연료 가스뿐만 아니라, 연소실 내로 주입된 가스 스트림 혼합물 내의 모든 가연성 물질을 소비하는데 충분하다.
유출 가스 스트림 내에 존재하는 화합물의 범위 및 유출 가스 스트림의 유동 특성은 프로세스 툴마다 변할 수 있으며, 따라서 방사형 버너로 도입될 필요가 있는 다른 가스 또는 유체와 함께 연료 가스 및 공기의 범위도 또한 변할 것이다.
유출 가스 스트림을 처리하기 위한 기술이 존재하지만, 이들은 각각 그들 자체의 단점을 가진다. 따라서, 유출 가스 스트림을 처리하기 위한 개선된 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
제 1 양태에 따르면, 버너용 입구 조립체가 제공되는데, 입구 조립체는 입구 노즐을 포함하며, 입구 노즐은, 버너에 의한 처리를 위해 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합 가능한 입구 구멍; 비-원형 출구 구멍; 버너의 연소실로의 전달을 위해 입구 구멍으로부터 출구 구멍으로 유출 가스 스트림을 운반하기 위해서 입구 구멍과 출구 구멍 사이에서 종축을 따라서 연장하는 노즐 보어로서, 입구 구멍으로부터 연장하는 입구 부분 및 비-원형 출구 구멍까지 연장하는 출구 부분을 갖는, 상기 노즐 보어; 입구 부분을 출구 부분에 결합하는 배플로서, 배플은 노즐 보어 내에 위치되는 배플 구멍을 한정하고, 배플 구멍은 배플에 인접한 출구 부분의 횡단면적에 비해 감소된 횡단면적을 가지는, 상기 배플; 및 2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합 가능하고, 노즐 보어 내에서 2차 가스 스트림을 유출 가스 스트림과 혼합하도록 위치되는 2차 가스 스트림 노즐을 한정한다.
제 1 양태는 특히, 이들 유출 가스의 유동이 증가함에 따라서 유출 가스의 처리가 문제가 될 수 있다는 것을 인식한다. 예를 들어, 처리 툴은 분당 최대 300 리터(즉, 전용적으로 분당 1,500 리터)의 유량을 각각 갖는, 처리를 위한 5개의 유출 가스 스트림을 출력할 수 있다. 그러나, 기존 버너 입구 조립체는 전형적으로, 단지 분당 약 50 리터의 유량만을 지원할 수 있는(전용적으로 단지 분당 200 내지 300 리터의 처리가 가능한) 4개 또는 6개의 노즐을 각각 가진다. 이는 유출물 처리 메커니즘이 전형적으로 방사형 버너 내부의 확산 공정에 의존하기 때문이며, 연소 부산물은 저감 반응을 수행하기 위해서 유출 스트림으로 확산될 필요가 있다. 환언하면, 연소 부산물은 유출 스트림이 방사형 버너를 나가기 전에 유출 스트림의 외부 표면으로부터 유출 스트림으로 끝까지 확산한 다음 유출 스트림과 반응할 필요가 있다. 유출 스트림으로 완전히 확산하는데 실패하면 저감 효율이 감소한다. 기존 노즐을 통한 유량이 증가된 양의 유출 스트림을 수용하도록 증가되면, 방사형 버너의 길이는 확산 및 반응이 방사형 버너를 빠져나가는, 더 빠르게 이동하는 유출 스트림 이전에 발생할 수 있음을 보장하기 위해 비례하여 증가할 필요가 있을 수 있다. 마찬가지로, 기존 노즐의 직경이 증가되어 증가된 양의 유출 스트림을 수용하면, 방사형 버너의 길이는 확산 및 반응이 더 큰 직경의 유출 스트림에서 발생하는데 걸리는 증가된 시간으로 인해 비례하여 증가할 필요가 있을 수 있다.
따라서, 버너용 입구 조립체가 제공된다. 입구 조립체는 입구 노즐을 포함할 수 있다. 입구 노즐은 입구 구멍 또는 개구를 제공하도록 한정되거나 성형될 수 있다. 입구 구멍은 버너에 의해 처리될 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합되거나 연결될 수 있다. 입구 노즐은 또한, 비-원형 출구 구멍을 제공하도록 한정되거나 성형될 수 있다. 입구 노즐은 또한, 입구 구멍과 출구 구멍 사이로 연장하는 노즐 보어를 제공하도록 한정되거나 성형될 수 있다. 노즐 보어는 버너의 연소실로 전달되도록 유출 스트림을 입구 구멍으로부터 출구 구멍까지 운반하기 위해 종축 또는 유출 가스 스트림 유동 축을 따라 연장할 수 있다. 노즐 보어는 또한, 입구 구멍으로부터 또는 입구 구멍에 근접하여 연장하는 입구 부분을 갖도록 형성될 수 있다. 노즐 보어는 또한, 비-원형 출구 구멍까지 연장하거나 그에 근접해 있는 출구 부분을 가질 수 있다. 입구 노즐은 또한, 2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합되거나 연결될 수 있는 2차 가스 스트림 노즐을 가질 수 있다. 2차 가스 스트림 노즐은 2차 가스 스트림과 유출 가스 스트림을 노즐 보어 내에서 혼합, 배합 또는 조합하도록 위치되거나 놓일 수 있다. 이러한 방식으로, 비-원형 출구 구멍은 2차 가스와 혼합된 비-원형 유출 가스 스트림 유동을 연소실로 제공한다. 비-원형 유출 가스 유동은 요구되는 수준의 저감을 여전히 달성하거나 초과하면서 2차 가스와 혼합된 더 많은 용적의 유출 가스 스트림이 연소실로 도입될 수 있게 한다. 이는 비-원형 유출 가스 스트림이 동등한 원형 유출 가스 스트림의 거리에 비해 감소된, 확산 및 반응이 발생해야 하는 거리를 제공하기 때문이다. 따라서, 동등한 원형 유출 가스 스트림과 2차 가스 스트림 혼합물의 용적에 비해서 증가된 용적의 유출 가스 스트림이 저감될 수 있다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 유출 가스 스트림을 2차 가스 스트림과 교차시키도록 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 2차 가스 스트림과 유출 가스 스트림의 혼합을 개선하기 위해서 유출 가스 스트림 유동과 2차 가스 스트림 유동이 교차하거나, 가로지르거나 중첩하도록 놓이거나 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 종축에 대해 횡방향으로 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 유출 가스 스트림이 대체로 유동하는 종축에 대해 횡방향, 경사 또는 기울어지는 방향으로 2차 가스 스트림 유동을 주입 또는 제공하도록 지향되거나 위치될 수 있다. 또한, 이는 2차 가스 스트림과 유출 가스 스트림의 혼합을 개선하는데 도움을 준다.
일 실시예에서, 배플 구멍은 출구 부분 내에서 유출 가스 스트림에 와류를 생성하도록 구성되며, 2차 가스 스트림 노즐은 와류에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치된다. 따라서, 배플 구멍은 출구 부분 내의 가스 스트림에 와류, 난류 또는 소용돌이를 생성하도록 구성되거나 배열될 수 있다. 그러한 와류는 배플 구멍을 빠져나올 때 유출 가스 스트림의 팽창 중에 생성될 수 있다. 2차 가스 스트림 노즐은 와류의 교차 부분에 대해 접선 방향으로 유동하는 방향으로 2차 가스 스트림을 주입 또는 제공하도록 위치되거나, 지향되거나 놓일 수 있다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 와류의 교차 부분의 유동 방향과 함께 접선 방향으로 유동하는 방향으로 2차 가스 스트림을 주입 또는 제공하도록 위치되거나, 놓이거나 지향될 수 있다. 따라서, 2차 가스 스트림은 와류의 그 부분과 함께 유동하여 와류를 전파시키는 것을 도울 수 있으며, 이는 유출 가스 스트림과 2차 가스 스트림의 안정한 혼합을 추가로 돕는다.
일 실시예에서, 와류는 배플 구멍에 근접한 내부 유동 영역 및 출구 부분 노즐 보어에 근접한 외부 유동 영역을 가지며, 2차 가스 스트림 노즐은 내부 유동 영역 내의 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치된다. 따라서, 와류는 2개의 영역 또는 부분을 가질 수 있다. 내부 유동 영역은 배플 구멍에 가장 가까운 반경 방향으로 최내측에 제공될 수 있으며 외부 유동 영역은 출구 부분 노즐 보어에 가장 가까운 반경 방향으로 최외측에 제공될 수 있다. 2차 가스 스트림 노즐은 내부 유동 영역 내의 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향인 방향으로 2차 가스 스트림 유동을 주입 또는 제공하도록 위치되거나, 놓이거나 또는 지향될 수 있다. 이는 유출 가스 스트림과 2차 가스 스트림의 안정한 방식으로의 혼합을 개선하는 것을 돕는다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 배플에 근접하여 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림은 배플에 근접하거나 가깝거나 인접하게 위치되거나 놓일 수 있다. 이는 혼합이 가장 활발한 지점에 2차 가스 스트림이 도입되도록 보장하는 것을 돕는다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 입구 부분 및 출구 부분 중 적어도 하나의 내부에 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 입구 부분 또는 출구 부분의 내부에 위치될 수 있거나 2차 가스 스트림 노즐은 둘 모두에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 2차 가스 스트림을 종축에 대해 0° 내지 90°의 각도로 주입하도록 지향된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 유출 가스 스트림의 유동 방향에 대해 0° 내지 90°의 각도로 2차 가스 스트림 유동을 주입 또는 제공하도록 지향되거나 놓이거나 위치될 수 있다. 이는 2차 가스 스트림이 유출 가스 스트림과 혼합하는 것을 돕는다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 종축에 대해 10° 내지 40°의 각도로 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향된다. 일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 종축에 대해 10° 내지 30°의 각도로 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향된다. 일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 종축에 대해 15° 내지 30°의 각도로 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향된다. 따라서, 2차 가스 스트림은 유출 가스 스트림의 유동 방향에 대해 비스듬히 유동하는 2차 가스 스트림을 제공하도록 지향되거나 놓이거나 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 장축을 따라 연장하는 세장형이며, 2차 가스 스트림 노즐은 장축에 의해 한정되는 평면 내에 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 세장형 출구 구멍의 장축을 통해 연장하는 평면 내에 2차 가스 스트림 유동을 제공하도록 지향되거나 위치되거나 놓일 수 있다. 이는 안정한 혼합을 제공하는데 도움을 준다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 배플 구멍에 근접한 출구 부분 내에 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 배플 구멍에 근접하거나 가깝거나 인접한 출구 부분 내에 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 구멍 및 랜스(lance) 중 하나를 포함한다. 다양한 구조가 2차 가스 스트림의 도입을 지원할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
일 실시예에서, 입구 조립체는 복수의 가스 스트림 노즐을 포함한다. 따라서, 하나 초과의 가스 스트림 노즐이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 종축을 중심으로 대칭으로 놓이는 적어도 한 쌍의 가스 스트림 노즐이 제공된다.
일 실시예에서, 배플 구멍은 출구 부분 내에서 유출 가스 스트림에 복수의 와류를 생성하도록 구성되며, 각각의 2차 가스 스트림 노즐은 와류 중 하나에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치된다. 따라서, 2차 가스 스트림 노즐은 각각의 와류에 2차 가스 스트림을 제공하도록 위치되거나 놓이거나 지향될 수 있다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면적은 입구 구멍으로부터 출구 부분을 향하여 종축을 따라 감소한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면 형상은 입구 구멍의 형상으로부터 출구 구멍의 형상으로 종축을 따라 전이한다. 입구 구멍의 형상으로부터 출구 구멍의 형상으로 불연속성이 없는 점진적인 전이를 제공함으로써, 층류를 유지하고 유출 스트림 내부의 잔류물에 의해 야기되는 퇴적물을 최소화하는데 도움을 준다.
일 실시예에서, 입구 구멍은 원형이다. 입구 구멍은 유출 스트림을 제공하는 도관의 형상과 일치하는 임의의 형상일 수 있음을 이해할 것이다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 세장형이다. 세장형 형상의 출구 구멍을 제공하는 것은 유사한 형상의 유출 스트림의 확산 거리를 최소화하는 것을 돕는다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 대체로 사변형 슬롯이다. 이는 넓고 좁은 유사한 형상의 유출 스트림을 제공하여, 유출 스트림과의 임의의 지점으로부터 유출 스트림의 에지까지의 거리를 최소화하면서도 더 큰 유량을 제공한다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 어브라운드(obround) 형상이다. 2개의 반원이 이들의 종점에 접선인 평행선에 의해 연결되어 구성되는 형상인 어브라운드는 확산 및 반응이 그 유출 스트림 내부에서 발생할 필요가 있는 예측 가능한 거리에 유출 스트림을 제공한다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 복수의 동일 위치에 있는 별개 구멍으로 형성된다. 출구 구멍은 별개로 형성되지만 동일 위치에 있는 더 작은 구멍으로 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일 실시예에서, 출구 부분의 횡단면적은 출구 구멍으로부터 입구 부분을 향하여 종축을 따라 변화한다.
일 실시예에서, 출구 부분의 횡단면적은 출구 구멍으로부터 입구 부분을 향하여 종축을 따라 감소한다.
일 실시예에서, 입구 조립체는 입구 부분을 출구 부분에 결합하는 배플을 포함하며, 배플은 노즐 보어 내부에 배치된 배플 구멍을 한정하며, 배플 구멍은 배플에 인접한 출구 부분의 횡단면적에 비해서 감소된 횡단면적을 가진다. 노즐 보어 내부에 배플 또는 제한부를 배치하는 것은 장애물 및 불연속성을 제공함으로써 확산 거리를 최소화시키도록 유출 스트림을 성형하는 것을 돕는 하류 출구 부분 내부에서 유동의 팽창이 발생하게 한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면적은 배플 구멍의 횡단면적과 일치시키기 위해 입구 구멍으로부터 출구 부분을 향하여 종축을 따라 감소한다. 따라서, 유출 스트림의 잔류물로 인한 퇴적의 위험을 더욱 최소화하기 위해 유입 부분의 크기 및 형상이 배플 구멍의 크기 및 모양과 일치하도록 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면 형상은 입구 구멍의 형상으로부터 배플 구멍의 형상으로 종축을 따라 전이한다.
일 실시예에서, 배플 구멍의 형상은 배플에 인접한 출구 부분의 형상과 일치한다.
일 실시예에서, 배플 구멍은 복수의 동일 위치의 구멍으로 형성된다. 따라서, 배플 구멍은 동일 위치이지만 별개 구멍으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 배플은 변화 가능한 횡단면적을 갖는 배플 구멍을 제공하도록 구성된다. 따라서, 배플 구멍의 크기는 작동 조건에 적합하도록 변화되거나 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 배플은 변화 가능한 횡단면적을 제공하도록 작동 가능한 셔터를 포함한다.
일 실시예에서, 셔터는 유출 가스 스트림의 속도에 응답하여 변화하는 변화 가능한 횡단면적을 제공하도록 편향된다. 따라서, 배플 구멍의 면적은 유출 가스 스트림의 유량에 응답하여 자동으로 변화할 수 있다.
제 2 양태에 따르면, 버너용 입구 조립체를 제공하는 것―입구 조립체는 입구 노즐을 포함하며, 입구 노즐은 버너에 의한 처리를 위해 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합 가능한 입구 구멍; 비-원형 출구 구멍; 버너의 연소실로의 전달을 위해 입구 구멍으로부터 출구 구멍으로 유출 가스 스트림을 운반하기 위해서 입구 구멍과 출구 구멍 사이에서 종축을 따라서 연장하는 노즐 보어로서, 입구 구멍으로부터 연장하는 입구 부분 및 비-원형 출구 구멍까지 연장하는 출구 부분을 갖는, 상기 노즐 보어; 입구 부분을 출구 부분에 결합하는 배플로서, 배플은 노즐 보어 내에 위치되는 배플 구멍을 한정하고, 배플 구멍은 배플에 인접한 출구 부분의 횡단면적에 비해 감소된 횡단면적을 가지는, 상기 배플; 및 2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합 가능하고, 노즐 보어 내에서 2차 가스 스트림을 유출 가스 스트림과 혼합하도록 위치되는 2차 가스 스트림 노즐을 한정함―; 및 유출 가스 스트림을 입구 구멍으로 그리고 2차 가스 스트림을 2차 가스 스트림 노즐로 공급하는 것을 포함하는 방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 유출 가스 스트림을 2차 가스 스트림과 교차하도록 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 종축에 대해 횡방향으로 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 지향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 배플 구멍에 의해 출구 부분 내에서 유출 가스 스트림에 와류를 생성하는 것, 및 와류에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 와류는 배플 구멍에 근접한 내부 유동 영역 및 출구 부분 노즐 보어에 근접한 외부 유동 영역을 갖도록 생성되며, 상기 방법은 내부 유동 영역 내의 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 2차 가스 스트림 노즐을 배플에 근접하게 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 2차 가스 스트림 노즐을 입구 부분 및 출구 부분 중 적어도 하나의 내부에 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 종축에 대해 0° 내지 90°의 각도로 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 지향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 장축을 따라 연장하는 세장형이며, 상기 방법은 장축에 의해 한정되는 평면 내에 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 지향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 종축에 대해 10° 내지 40°, 바람직하게 10° 내지 30°, 더 바람직하게 15° 내지 30°의 각도로 2차 가스 스트림을 주입하도록 2차 가스 스트림 노즐을 지향시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 배플 구멍에 근접한 출구 부분 내에 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 2차 가스 스트림 노즐은 구멍 및 랜스 중 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 복수의 가스 스트림 노즐을 제공하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 배플 구멍에 의해 출구 부분 내에서 유출 가스 스트림에 복수의 와류를 생성하는 것, 및 와류 중 하나에 대해 접선 방향으로 유동하도록 2차 가스 스트림을 주입하도록 각각의 2차 가스 스트림 노즐을 위치시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면적은 입구 구멍으로부터 출구 부분을 향해 종축을 따라 감소한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면 형상은 입구 구멍의 형상으로부터 출구 구멍의 형상으로 종축을 따라 전이한다.
일 실시예에서, 입구 구멍은 원형이다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 세장형이다
일 실시예에서, 출구 구멍은 대체로 사변형 슬롯이다.
일 실시예에서, 출구 구멍은 어브라운드 형상이다.
일 실시예에서, 상기 방법은 복수의 동일 위치의 별개 구멍으로 출구 구멍을 형성하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 출구 부분의 횡단면적은 출구 구멍으로부터 입구 부분을 향해 종축을 따라 변화한다.
일 실시예에서, 출구 부분의 횡단면적은 출구 구멍으로부터 입구 부분을 향해 종축을 따라 감소한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면적은 배플 구멍의 횡단면적과 일치하도록 입구 구멍으로부터 출구 부분을 향해 종축을 따라 감소한다.
일 실시예에서, 입구 부분의 횡단면 형상은 입구 구멍의 형상으로부터 배플 구멍의 형상으로 종축을 따라 전이한다.
일 실시예에서, 배플 구멍의 형상은 배플에 인접한 출구 부분의 형상과 일치한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 복수의 동일 위치의 구멍으로 배플 구멍을 형성하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 배플은 변화 가능한 횡단면적을 갖는 배플 구멍을 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 배플은 변화 가능한 횡단면적을 제공하도록 작동 가능한 셔터를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 유출 가스 스트림의 속도에 응답하여 변화하는 변화 가능한 횡단면적을 제공하도록 셔터를 편향시키는 것을 포함한다.
추가의 특정 양태 및 바람직한 양태는 첨부된 독립항 및 종속항에 기재된다. 종속항의 특징은 적절하다면 독립항의 특징과 조합되고 청구범위에 명시적으로 기재된 것 이외의 조합으로 조합될 수 있다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동 가능한 것으로서 설명되는 경우, 이는 그 기능을 제공하거나 그 기능을 제공하도록 적응 또는 구성되는 장치 특징을 포함하는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 실시예는 이제, 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이며, 여기서
도 1은 일 실시예에 따른 헤드 조립체 및 버너의 하부를 도시한 사시도이며;
도 2는 도 1의 헤드 조립체 및 버너의 하부 평면도이며;
도 3은 일 실시예에 따른 입구 조립체를 도시하며;
도 4는 도 3의 입구 조립체를 통한 횡단면도를 도시하며;
도 5는 입구 조립체의 축 방향 길이를 따라 보았을 때 출구 구멍을 도시하며;
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 배플 부분을 도시하며;
도 8a는 상이한 입구 조립체 구성들에 대해서 200ℓ/분의 질소로 희석된 NF3에 대한 분해 속도 효율의 결과를 보여주는 그래프이며;
도 8b는 도 8a의 확대도로서, 200ℓ/분의 질소로 희석된 NF3에 대한 분해 속도 효율의 결과를 도시하고, 4개의 16㎜ 내경 원형 입구 조립체를 갖는 기존의 헤드 조립체와 비교하여 (두 개의 상이한 배플 구멍을 갖는) 실시예의 단일 입구 조립체를 갖는 헤드 조립체의 성능을 도시하는 도면이며;
도 8c는 300ℓ/분의 질소로 희석된 NF3에 대한 분해 속도 효율의 결과를 도시하고, 4개의 16㎜ 내경 원형 입구 조립체를 갖는 기존의 헤드 조립체와 비교하여 (두 개의 상이한 배플 구멍을 갖는) 실시예의 단일 입구 조립체를 갖는 헤드 조립체의 성능을 도시하는 그래프이며;
도 9는 일 실시예에 따른 입구 조립체의 가스 용적을 도시하며;
도 10은 실시예에 따른 2차 가스 스트림 노즐의 위치를 도시하며;
도 11은 2차 가스 스트림 노즐을 갖지 않는 입구 조립체의 유동 패턴을 도시하며;
도 12 내지 도 22는 실시예에 따른 상이한 위치에 위치된 2차 가스 스트림 노즐을 갖는 입구 조립체의 유동 패턴을 도시하며;
도 23은 일 실시예에 따른 2차 가스 스트림 노즐의 위치를 도시한다.
실시예를 임의로 더 상세히 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다. 실시예는 버너 입구 조립체를 제공한다. 다음 실시예가 방사형 버너의 사용을 설명하지만, 입구 조립체는 예를 들어, 난류 화염 버너 또는 전기 가열식 산화기와 같은 다수의 다른 버너 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 방사형 버너는 EP 0 694 735 호에 설명된 것과 같이 당업계에 주지되어 있다.
실시예는 버너의 연소실에 유출 가스 스트림을 제공하는 출구 구멍에 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합하는 그의 입구 구멍으로부터 연장하는 불균일한 보어를 갖는 입구 노즐을 갖는 버너 입구 조립체를 제공한다. 특히, 노즐 보어의 구성은 입구 도관과 결합할 수 있고 유출 가스 스트림을 비-원형 출구 구멍에 제공하는 입구 구멍으로부터 변화한다. 비-원형 출구 구멍은 비-원형 유출 가스 스트림을 연소실로 제공한다. 비-원형 유출 가스 유동은 요구되는 수준의 저감을 여전히 달성하거나 초과하면서 더 많은 용적의 유출 가스 스트림이 연소실로 도입될 수 있게 한다. 이는 비-원형 유출 가스 스트림이 동등한 원형 유출 가스 스트림의 거리에 비해 감소된, 확산 및 반응이 발생할 필요가 있는 거리를 제공하기 때문이다. 따라서, 동등한 원형 유출 가스 스트림의 용적에 비해 증가된 용적의 유출 가스 스트림이 저감될 수 있다.
저감의 성능은 입구 구멍과 출구 구멍 사이의 입구 노즐 내부에 배플 또는 제한부를 제공함으로써 실시예에서 더욱 개선된다. 이러한 배플은 배플 구멍을 사용하여 제한을 수행하는데, 이는 대체로 출구 구멍의 형상과 일치하고 횡단면적이 약간 더 작은 형상을 가진다. 이는 배플로부터 하류에 예리한 불연속부를 제공하여 배플로부터 비-원형 출구 구멍으로 연장하는 출구 부분 내부에서 유동 팽창이 발생하게 한다.
저감을 돕는 2차 가스가 도입된다. 2차 가스는 산소, 물 또는 다른 화학 물질과 같은 임의의 적합한 가스일 수 있다. 입구 노즐의 형상은 중앙 랜스 또는 동축 노즐의 사용에 부적합하게 한다. 그러나, 입구 노즐은 배플 구멍에 인접한 두 개의 숄더를 가지며 유출 가스 스트림이 배플 구멍을 통해 팽창함에 따라 와류가 생성된다. 와류는 유출 가스 스트림이 연소실로 유동할 때 유출 가스 스트림 내부에서 2차 가스 스트림의 분산을 개선하는데 사용될 수 있다. 이들 와류의 안정성을 유지하는 방식으로 2차 가스 스트림을 도입하면, 유출 가스 스트림과 2차 가스 스트림의 신뢰성 있고, 예측 가능하고 일정한 혼합을 제공하고 저감을 개선한다.
성능은 상이한 상황하에서 배플 구멍의 면적을 변화시키도록 작동하는 셔터 메커니즘을 배플에 제공함으로써 실시예에서 더욱 개선될 수 있다.
헤드 조립체
도 1 및 도 2는 방사형 버너 조립체(100)와 결합된 일 실시예에 따른, 전용적으로 도면부호 10으로 나타낸 헤드 조립체를 예시한다. 이러한 예에서, 방사형 버너 조립체(100)는 내부 버너(130) 및 외부 버너(110)를 갖는 동심 버너이다. 연료와 산화제의 혼합물은 플리넘 하우징(120) 내부의 플리넘(plenum)(도시되지 않음)을 통해 외부 버너(110)로 공급되고 도관(도시되지 않음)을 통해 내부 버너(130)로 공급된다.
헤드 조립체(10)는 3개의 주요 구성요소 세트를 포함한다. 제 1 세트는 방사형 버너 조립체(100)와 결합하기 위해 필요한 기계적 강도 및 구성을 제공하는 금속(전형적으로 스테인리스 스틸) 하우징(20)이다. 제 2 세트는 하우징(20) 내부에 제공되고 방사형 버너 조립체(100)의 내부 버너(130)와 외부 버너(110) 사이에 한정된 연소실 내부로부터의 열 손실을 감소시킬 뿐만 아니라 연소실 내부에서 생성된 열로부터 그에 결합된 하우징(20) 및 물품을 보호하는 것을 돕는 절연체(30)이다. 제 3 세트는 하우징(20) 내에 제공된 일련의 동일하고 표준화된 구멍(40)(도 2 참조)에 의해 수용되는 입구 조립체(50)이다. 이러한 배열은 완전한 헤드 조립체(10)를 방사형 버너 조립체(100)의 나머지 부분으로부터 제거 또는 분해할 필요없이, 개별적인 입구 조립체(50)가 유지보수를 위해 제거될 수 있게 한다.
도 1에 도시된 실시예는 각각 대응하는 구멍(40) 내부에 장착된 5개의 동일한 입구 조립체(50)를 사용하고, 제 6 구멍은 비어있는 것으로 도시된다. 모든 구멍(40)이 유출물 또는 공정 유체, 또는 다른 유체를 수용하는 입구 조립체(50)로 채워질 수 있는 것은 아니고, 대신에 구멍(40)을 완전히 채우기 위해 블랭킹 입구 조립체를 수용할 수 있거나, 대신에 방사형 버너 내부의 상태를 감시하기 위해 기기 입구 조립체 하우징 센서를 수용할 수 있다. 또한, 6개보다 많거나 적은 구멍(40)이 제공될 수 있으며 이들이 하우징 주위에 원주 방향으로 위치될 필요가 없으며 이들이 어느 하나도 대칭적으로 위치될 필요가 없다는 것을 이해할 것이다.
도 1 및 도 2에서 또한 볼 수 있듯이, 예를 들어 사이트 글라스(70) 및 파일럿(75A)과 같은 다른 물품을 제공하기 위해 하우징(20)에 추가의 구멍이 제공된다.
입구 조립체(50)에는 연소실로부터 입구 조립체(50)의 구조물을 보호하기 위한 절연체(60)가 제공된다. 입구 조립체(50)는 예를 들어, 볼트(도시되지 않음)와 같은 적합한 고정장치를 사용하여 유지되며, 볼트는 그들의 제거를 용이하게 하기 위해 제거되고 이들은 또한 절연체(도시되지 않음)로 보호된다. 입구 조립체(50)는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 출구 구멍(260) 및 배플 부분(210)을 가진다.
입구 조립체
도 3은 일 실시예에 따른 입구 조립체(50)를 도시한다. 도 4는 입구 조립체(50)를 통한 횡단면을 도시한다. 입구 조립체(50)는 유출 가스 스트림을 입구 조립체 및 연소실로 전달하는 입구 도관(도시되지 않음)에 의해 제공된 유출 가스 스트림의 전달을 위한 도관을 형성한다. 입구 조립체(50)는 입구 도관에 의해 성형되는 유출물 스트림을 수용하고 연소실로 전달하기 위해 유출물 스트림을 재성형한다.
입구 조립체(50)는 입구 부분(200), 배플 부분(210) 및 출구 부분(220)인 3개의 주요 부분을 가진다. 절연 슈라우드(shroud)(도시되지 않음)가 구멍(40A)에 끼워 맞춰지는 적어도 출구 부분(220)의 외부 표면에 제공될 수 있음을 이해할 것이다.
입구 부분
입구 부분(200)은 입구 구멍(240)을 한정하는 원통형 섹션(230)을 포함한다. 입구 부분(200)은 입구 도관의 형상과 일치하는 임의의 형상일 수 있다. 원통형 부분(230)은 배플 부분(210)을 향해 유동하는 유출 가스 스트림을 수용하기 위해 입구 도관과 결합한다. 이러한 실시예에서, 입구 부분(200)은 50㎜ 내경 입구 파이프로부터 공급된다. 원통형 부분(230)의 하류에서, 입구 부분은 원형 횡단면으로부터 출구 부분(220)의 횡단면과 일치하는 비-원형 횡단면으로 전이한다. 따라서, 입구 부분(200)의 횡단면 형상이 원형으로부터 비-원형으로 전이하는 로프트(lofted) 전이 부분(250)이 있다. 본 예에서, 횡단면 형상은 원형으로부터 어브라운드 형상으로 변화한다. 그러나, 다른 전이도 가능함을 이해할 것이다. 일치하는 원통형 부분(230)과 로프트 부분(250)을 배플 부분(210) 상류에 제공함으로써 퇴적물의 축적을 방지하는 것을 돕는다.
출구 부분
출구 부분(220)은 그의 축 방향 길이를 따라 동일한 어브라운드 형태의 횡단면 형상 및 구역을 유지하고 유출물 스트림을 연소실에 제공하는 출구 구멍(260)을 한정한다. 본 실시예에서, 출구 부분은 50㎜ 중심에서 8㎜ 내경의 어브라운드 형상 횡단면을 갖고, 길이는 75㎜이다. 이러한 실시예에서 출구 부분(220)이 그의 축 방향 길이를 따라 일정한 형상을 가지지만, 이러한 부분은 테이퍼질 수 있음을 이해해야 한다.
배플 부분
입구 부분(200)과 출구 부분(220) 사이에는 배플 부분(210)이 위치된다. 이러한 실시예에서, 배플 부분(210)은 배플 구멍(270)을 갖는 플레이트를 포함한다. 배플 부분(210)은 유출 스트림의 유동 방향에 직각으로 지향되고 그 유동에 제한을 제공한다. 이러한 예에서, 배플 구멍(270)의 형상은 출구 부분(220)의 횡단면 형상과 일치하고 배플 부분(210) 내부에 대칭으로 위치된다. 배플 구멍(270)은 출구 부분(220)의 횡단면적보다 더 작은 횡단면적을 가진다. 이러한 실시예에서, 배플 구멍은 40㎜ 중심에서 반경이 3㎜이다. 이는 종래의 16㎜ 내경 노즐에 대해 분당 50 리터에서 4m/s 및 분당 60 리터에서 5m/s에 비해서 분당 300 리터에서 각각 24m/s 및 5m/s인 슬롯 속도와 공칭 노즐 속도를 제공한다.
따라서, 알 수 있는 바와 같이, 원통형 섹션(230)의 내부 용적은 입구 도관의 연속적인 연장을 제공하는 반면에, 로프트 부분(250)은 도관의 형상을 원형으로부터 비-원형으로 전이시킨다. 이는 배플 부분(210)에 도달할 때까지 거의 층류인 유출 스트림을 제공한다. 배플 부분(210) 및 그의 구멍(270)의 존재는 예리한 불연속성을 제공하여 배플 구멍(270)을 통과하는 유출 스트림이 출구 부분(220) 내부에서 유동 확장을 겪게 한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 배플 부분(210)의 존재가 요구되지 않지만, 배플 부분(210)을 포함하는 것이 후속 저감 성능을 개선한다.
비-원형 출구
도 5는 입구 조립체(50)의 축 방향 길이를 따라 볼 때의 출구 구멍(260)을 도시한다. 출구 구멍(260)은 구역(A)을 가진다. 도 5는 또한 출구 구멍(260)의 구역(A)과 동일한 구역(A)을 갖는 원형 출구 구멍(260a)을 예시한다.
알 수 있는 바와 같이, 동등한 구역을 제공하기 위해서 원형 출구 구멍(260a)에 대한 확산 길이(r2)는 출구 구멍(260)의 확산 길이(r1)보다 상당히 더 길다.
따라서, 동일한 유량에 대해서 원형 출구 구멍(260A)에 의해 제공되는 유출 스트림에서 확산 및 저감이 발생하는데 걸리는 시간은 출구 구멍(260)에 의해 제공되는 유출 스트림에 대한 것보다 상당히 더 길다. 환언하면, 원형 출구 구멍(260A)에 의해 제공되는 동일한 유량의 유출 스트림에 대한 저감 반응을 수행하는데 필요한 연소실의 길이는 출구 구멍(260)에 의해 제공되는 것보다 상당히 더 길 필요가 있을 것이다. 환언하면, 원형 출구 구멍(260A)에서 가능한 것보다 더욱 소형의 방사형 버너가 출구 구멍(260)을 사용하여 가능해진다.
배플 부분 - 대체 실시예
도 6 및 도 7은 배플 부분에 대한 대체 배열을 예시한다.
도 6은 가변 크기의 배플 구멍(270A)을 함께 한정하는 한 쌍의 미끄럼 가능하게 장착된 플레이트(330A, 340A)로 구성된 셔터 배열을 가지는 배플 부분(210A)을 도시한다. 이러한 예에서, 플레이트(30A, 240A)는 L-형상이다. 그러나, 다른 셔터 구조 및 형상이 고려될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 플레이트(330A, 340A)는 배플 구멍(270A)의 구역을 변경하기 위해서 함께 이동되거나 이격될 수 있다.
도 7은 배플 구멍(270B)의 크기를 제한하기 위해 스프링(350)에 의해 편향되는 한 쌍의 피벗 플레이트(330B, 340B)를 사용하는 평행한 측면 슬롯 노즐 배열을 도시한다. 피벗 플레이트(230B, 240B)는 배플 구멍(270B)의 구역을 증가시키는 유출 가스 스트림의 유동에 의해 작용된다. 다른 편향된 셔터 메커니즘이 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
전형적으로, 배플 구멍의 치수는 두 가지 방식, 즉 노즐을 통한 가스의 낮은 유량에 반응하여 수동으로 변경되어 스로트 치수(throat dimension)가 공정 가스 및 펌프 희석의 처리량에 적합하도록 최적화된다. 예를 들어, NF3와 같은 가스를 저감할 때, 더 좁은 스로트가 개선된 저감 성능을 제공하지만, 이와 동일한 스로트 크기는 SiH4와 같은 입자 형성 가스를 저감할 때 버너 표면에 고형물 증착의 증가를 초래하며, 이러한 경우에 더 좁은 스로트가 유리하다. 또한, 스로트 치수는 자동으로 최적화될 수 있어서, 배플 부분의 스로트가 스프링 작용 또는 다른 복원력에 대항하여 변형될 수 있다. 2개의 대향하는 플레이트(330A, 340A)의 사용은 동등한 원형 구멍의 구역을 조정하는 것보다 조정하기 더 쉽다는 것을 이해할 것이다.
성능 결과
도 8a 내지 도 8c에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 입구 조립체를 사용하는 방사형 버너의 성능은 기존의 배열의 성능과 비교하여 개선된다.
도 8a는 유출 가스 스트림이 없는 상태에서 측정했을 때, 9.5%의 잔류 산소 농도를 제공하는 연료에 대해 36 표준 리터/분(SLM)으로 작동하는 152.4㎜(6 인치) 내경×304.8㎜(12 인치) 축 방향 길이의 방사형 버너를 공급하는 상이한 입구 조립체 구성에 대해 200ℓ/분의 질소를 갖는 시뮬레이트 유출 스트림의 일부로서 측정되었을 때 NF3에 대한 분해 속도 효율의 결과를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 입구 조립체를 사용하면 단일 32㎜ 내경의 원형 입구 조립체를 사용하는 기존의 배열에 비해 상당한 성능 개선을 제공한다. 또한, 배플 부분을 갖는 실시예의 이들 입구 조립체는 도 8b에서 더 상세히 볼 수 있는 바와 같이, 4개의 16㎜ 내경의 원형 입구 조립체를 사용하는 기존의 배열에 비해 상당한 성능 개선을 제공한다.
도 8b는 4×16㎜ 내경 노즐을 갖는 표준 헤드 조립체와 동일한 조건하에서 작동할 때 도 8a의 확대도이다. 입구 조립체(50)(상이한 배플 구멍 배열을 갖는 "슬롯 노즐"로서 지칭됨)는 질소의 이러한 희석 하에서 표준 헤드 조립체보다 약간 우수하다.
도 8c는 도 8b와 동일한 배열을 도시하지만, NF3를 희석시키는, 300 SLM으로 증가된 질소의 전체 유량을 가진다. 알 수 있는 바와 같이, 입구 조립체(50)(상이한 배플 구멍 배열을 가지는 "슬롯 노즐")는 이러한 증가된 유체 유동하에서 표준 헤드 조립체의 성능에 비해 훨씬 개선된 성능을 가진다.
변화 가능한 크기의 배플 구멍을 제공하는 것은 상이한 작동 조건하에서 버너 조립체의 성능을 더욱 개선시키는 것을 돕는다. 예를 들어, 100 SLM의 질소에 대해서 NF3 저감은 더 큰 배플 구멍(예를 들어, 6㎜ 폭)보다 우수한 반면에, 더 높은 유량(예를 들어, 200 및 300 SLM)에 대해서 더 좁은 슬롯이 더 양호하게 수행한다. 또한, 배플 구멍 또는 오리피스의 크기는 저감될 공정 가스가 없을 때 챔버 펌프-다운과 같은 유동 과도현상 동안 높은 배압을 생성시키지 않거나 완화하도록 변화될 수 있다.
따라서, 실시예는 상류의 입구 파이프 및 하류의 연소실과 유동 연통 상태로 슬롯 또는 어브라운드의 형태로 구성된 단일 노즐을 포함하는 연소 저감 시스템에 입구 조립체를 제공한다는 것을 알 수 있다. 입구 파이프와 노즐 사이의 계면은 하류 측에 예리한 불연속성을 제공하여 노즐 내부에서 유동의 팽창이 발생한다. 이러한 배열은 기존 구성에 비해, 예를 들어 NF3를 함유하는 유출 스트림 또는 공정 가스에 대해 향상된 분해를 제공하는 것으로 입증된다. 실제로, 이러한 구성을 갖는 단일 노즐의 성능은 기존의 버너 조립체에 사용된 복수의 별도 노즐의 성능을 초과한다.
2차 가스 스트림
전술한 바와 같이, 2차 가스 스트림이 저감을 더욱 개선시키기 위해 도입될 수 있다. 도 9는 연소실(명확성을 향상시키기 위해 도시되지 않음)로 방출되는 일 실시예에 따른 입구 노즐(또한, 명확성을 향상시키기 위해 도시되지 않음)에 의해 한정된 가스 용적을 예시한다. 이러한 가스 용적을 한정하는 입구 노즐은 도 1 내지 도 7에 예시된(특히 도 3 및 도 4에 도시된) 것과 유사하지만, 로프트 전이 부분(250)은 원형으로부터 비-원형으로, 입구 구멍으로부터 배플 구멍(270)으로 직접 전이된다. 환언하면, 입구 부분(200)은 배플 부분(210)의 외부 에지로 전이하기보다는 원통형 섹션(230)으로부터 배플 구멍(270)으로 직접 전이한다. 이는 유출 가스 스트림의 유동과 교차하는 플레이트가 없지만, 배플 구멍(270)의 불연속성 및 배플 구멍(270)의 하류에서 겪는 유동 팽창에 의해 야기된 팽창이 여전히 발생함을 의미한다. 이러한 실시예에서, 연소실(300) 내로 배출되는 단일 입구 조립체가 제공되지만, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 초과의 입구 조립체가 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 도 9에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 배플 구멍에 가까운 가스 용적의 2개의 숄더 영역(310)은 이제 설명되는 바와 같이 2차 가스 스트림을 제공하기 위한 적합한 위치이다.
도 10은 아래의 시뮬레이션 결과를 참조하여 논의될 2차 가스 스트림을 도입하기 위한 6개의 위치를 도시한다. 각각의 위치에 대해서, 하나의 랜스가 각각의 숄더(310)에 배치되고 0.004 미터 내경을 가진다. 랜스 입구 지점은 개략적으로 Z 축의 중심에 배치되고(도 9 참조) 기하학적 형상을 조정하기 위해 X 방향으로만 이동되었다. 일 실시예에서, 도 23에 도시된 바와 같이 랜스 입구 지점은 Z 축(도 9 참조)의 중심에 배치되고 기하학적 형상을 조정하기 위해 X 방향 및 Z 방향 모두로 이동되었다.
배열 1 - 수직으로 숄더로
3가지 위치가 시도되었다:
(i) 배플 구멍에 밀접함
(ⅱ) 숄더의 중앙에 위치됨
(ⅲ) 출구 부분 노즐 보어의 외측에 밀접함.
배열 2 - 수평으로 숄더로
하나의 위치가 시도되었다:
(ⅳ) 수평으로, 숄더(310)의 최상부 외측 에지에 진입하여 노즐 보어의 출구 부분에 반경 방향으로 진입함.
배열 3 - 경사지게 숄더로
하나의 위치가 시도되었다:
(v) 랜스는 (i)과 동일한 위치에서 숄더(310)로 도입되지만, 수직 Y축으로부터 10° 내지 40°의 각을 이루어서 XY 평면에서 배플 구멍으로부터 멀어지게 경사진다. 일 실시예에서, 랜스는 (i)과 동일한 위치에서 숄더(310)로 도입되지만, 수직 Y축 및 Z축 모두로부터 20°의 각을 이루어서 배플 구멍으로부터 멀어지게 경사진다(도 23 참조).
배열 4 - 배플 구멍 바로 위에서 경사지게 배플 구멍으로
하나의 위치가 시도되었다:
(ⅵ) 랜스는 수직으로부터 10°의 각도로, XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 경사지게 도입되며, 배플 구멍의 바로 상류측에 도입된다.
이들 배열은 도 11 내지 도 21에 예시된 바와 같이, 2차 가스 흐름이 없는 배열과 함께 전산 유체 역학(CFD) 모델화를 사용하여 시뮬레이션되었다. 그 결과는 다양한 입구 위치에 대한 혼합 및 유동 프로파일을 보여준다. 주 입구 부분(200A)에서 유출 가스 스트림의 주요 공정 유동은 300 SLM의 질소에서 1% NF3 혼합물로 설정되었다. 랜스는 각각 33 SLM의 산소 유동을 가진다.
데이터는 두 가지 방식으로 제시된다. 첫 번째는 NF3에 대한 산소의 비율을 보여주는 이미지이다. 그 비율은 0 내지 200 범위로 제한되며, 여기서 0은 단지 NF3만이 존재하고 200은 단지 산소만이 존재하는 것을 나타낸다. 이상적으로, 낮은 혼합 영역은 출구 부분(220A) 내에 그리고 그 근처에서의 혼합 효과를 통해 소산될 것이다. 단지 NF3 또는 산소만의 긴 '제트'는 비효율적인 혼합 신호이다. 두 번째는 입구 조립체를 통해 연소실 내로의 유동 패턴을 보여주는 이미지이다. 이는 유동의 분할 효과, 따라서 버너 가스와의 양호한 혼합 가능성이 유지되는 지의 여부를 보여준다.
도 11은 랜스 입구가 없을 때의 유동 패턴, 특히 배플 부분과 출구 부분 사이의 팽창에 의해 생성된 유동 패턴 및 그 유동 패턴이 버너 내로 어떻게 전파되는지를 도시한다.
도 12 내지 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, (i), (ⅱ) 및 (ⅲ)으로 표시된 수직 입구는 모두 부분적으로 성공적이다. 도 12는 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (i)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 보여준다.
도 13은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부)과 입구 위치 (ⅱ)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시한다. 도 14는 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (ⅲ)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시한다. 산소와 NF3의 혼합은 세 가지 셋업 모두에서 발생한다. 도 11의 시스템의 출구 부분(220A)에서 볼 수 있는 와류에 의해 생성된 출구 부분(220A)의 하류의 연소실(300) 내로의 가스의 확산은 출구 부분(220A)의 숄더(310)로의 산소의 도입에 의해 거의 무효화된다.
무효화의 정도는 (i)로부터 (ⅱ)로 그리고 (ⅲ)으로 증가한다. 이는 산소가 설정 (i)에서 와류로 거의 접선 방향으로 도입되고, (ⅱ)에서 유동 방향에 따라 도입되고, (ⅲ)에서 이들은 랜스 입구 지점을 향해 백업 회전하는 와류의 일부분을 목표로 하는 것으로서 아마도 놀라운 것은 아니다.
도 15는 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (ⅳ)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시한다. 도 15에서 볼 수 있는 바와 같이, 위치 (ⅳ)는 NF3와의 더 양호한 혼합을 시사하는, 이전의 3가지 옵션(도 15a)보다 훨씬 더 짧은 산소 '제트'를 갖지만, 연소실(300)로의 가스의 혼합(도 15b)은 와류가 완전히 붕괴되고 이전 옵션에서 볼 수 있는 유동의 분할이 여기에서 보이지 않기 때문에 상당히 더 나쁘다. 또한, 출구 부분(220A)으로부터의 비대칭 유동으로 인해, 연소실(300)로부터의 가스가 출구 부분(220A)으로 흡입되어 바람직하지 않다.
도 16은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축에서 10°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다. 도 17은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축에서 15°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다. 도 18은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축에서 20°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다. 도 19는 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축에서 30°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다.
도 16 내지 도 19에서 볼 수 있는 바와 같이, 10° 내지 30°의 각진 입구는 모두 양호하게 거동하며, 15° 내지 30°의 범위에서 최적으로 거동한다. 이들은 모두 분할 유동 효과를 생성하는 와류를 유지하고 와류로 접선 방향으로 공급되는 산소로 인해 빠르게 소산되는 산소 '제트'를 가진다(도 8 내지 도 11).
도 20은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축에서 40°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다. 도 20에서 볼 수 있는 바와 같이, 40°에서 각도가 너무 커지며 혼합 효과는 도 15에 위치 (ⅳ)로 표시된 완전 수평 입구에서 보이는 것과 아주 유사하다.
도 22은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시하며, 여기서 수직 확산은 수직(종) Y축 및 Z축에서 20°로 설정되어서 XY 평면에서 입구 부분으로부터 멀어지는 방향으로 각을 이룬다. 도 22에서 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 배열은 와류를 완전히 파괴하지 않지만, 이를 방해하기 때문에 중앙(XY) 평면에 랜스를 갖는 배열보다 덜 효과적이다.
도 21은 NF3에 대한 산소의 비율(최상부) 및 입구 위치 (v)에 대한 출구 부분 아래의 가스의 유효 확산(바닥)을 도시한다. 도 21에서 볼 수 있는 바와 같이, 산소의 도입은 위치 (ⅵ)를 통해 그리고 배플 구멍의 바로 상류인 입구 부분(200A)으로 도입된다. 이는 와류를 방해하지 않음을 알 수 있지만, 데이터는 비대칭이며 이는 유동이 불안정함을 의미한다.
도 8a에서 볼 수 있는 바와 같이, 랜스가 없는 노즐 배열은 배플 부분의 구성에 따라서 다양한 분해 제거 효율(destruction removal efficiency; DRE)을 나타낸다. CFD 데이터와 비교할 때, 양호한 DRE를 초래하는 배플 구성은 도 11에서 볼 수 있는 출구 부분에서 와류를 생성하는 것으로 보인다. 따라서, 추가 산소 또는 다른 2차 가스 스트림을 도입할 때 이들 와류를 유지하는 것이 바람직하다. 출구 부분으로 산소를 기울여 와류 내로 접선 방향으로 그리고 동일한 유동 방향으로 유동하게 하는 위에서 언급한 CFD는 NF3에 산소의 양호한 혼합을 생성하고 또한 와류를 유지하여 DRE를 개선한다.
실시예는 측면 랜스에 슬롯 노즐을 제공한다. 실시예는 2차 가스를 표준 노즐 시스템에 도입하기 위해 중앙 랜스 또는 동축 노즐이 필요할 수 있다는 것을 인식한다. 슬롯 노즐의 형상으로 인해, 이러한 접근법에는 즉각적으로 적합하지 않다. 그러나 슬롯 노즐에는 2개의 '숄더'가 있으며, 여기서 공정 가스가 좁은 간극을 통해 더 큰 편원(oblate) 섹션으로 확장한다. CFD 분석은 노즐의 '숄더'가 와류를 생성하여 버너 섹션으로 공정 가스의 분산을 개선하고 따라서 DRE를 개선함을 시사한다. 노즐의 이러한 영역으로 임의의 측면 랜스 주입은 이상적으로 이러한 기능을 방해하지 않을 것이다.
실시예가 도 9를 참조하여 설명된 입구 조립체를 참조하여 설명되었지만, 도 1 내지 도 7을 참조하여 예시된 입구 조립체의 유사한 위치에 2차 가스 출구를 위치시킴으로써 2차 가스 흐름이 또한 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예가 상세히 개시되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않으며 첨부된 청구범위 및 그의 균등물에 의해 정해지는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 당업자에 의해 본 발명 내에서 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
10: 헤드 조립체, 20: 하우징, 30: 절연체, 40: 구멍, 50: 입구 조립체, 60: 절연체, 70: 사이트 글라스, 75A: 파일럿, 100: 방사형 버너 조립체, 110: 외부 버너, 120: 플리넘 하우징, 130: 내부 버너, 200, 200A: 입구 부분, 210, 210A, 210B: 배플 부분, 220, 220A: 출구 부분, 230: 원통형 부분, 240: 입구 구멍, 250: 로프트 부분, 260: 출구 구멍, 260A: 원형 출구 구멍, 270, 270A, 270B: 배플 구멍, 300: 연소실, 310: 숄더, 330A, 340A: 플레이트, 330B, 340B: 피벗 플레이트, 350: 스프링, A: 구역, r1, r2: 확산 길이

Claims (16)

  1. 버너용 입구 조립체에 있어서,
    상기 입구 조립체는 입구 노즐을 포함하며, 상기 입구 노즐은:
    상기 버너에 의한 처리를 위해 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합 가능한 입구 구멍;
    비-원형 출구 구멍;
    상기 버너의 연소실로의 전달을 위해 상기 입구 구멍으로부터 상기 출구 구멍으로 상기 유출 가스 스트림을 운반하기 위해서 상기 입구 구멍과 상기 출구 구멍 사이에서 종축을 따라서 연장하는 노즐 보어로서, 상기 입구 구멍으로부터 연장하는 입구 부분 및 상기 비-원형 출구 구멍까지 연장하는 출구 부분을 갖는, 상기 노즐 보어;
    상기 입구 부분을 상기 출구 부분에 결합하는 배플로서, 상기 배플은 상기 노즐 보어 내에 위치되는 배플 구멍을 한정하고, 상기 배플 구멍은 상기 배플에 인접한 상기 출구 부분의 횡단면적에 비해 감소된 횡단면적을 가지는, 상기 배플; 및
    2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합 가능하고, 상기 노즐 보어 내에서 상기 2차 가스 스트림을 상기 유출 가스 스트림과 혼합하도록 위치되는 2차 가스 스트림 노즐을 한정하는
    입구 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 유출 가스 스트림을 상기 2차 가스 스트림과 교차시키도록 위치되는
    입구 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 종축에 대해 횡방향으로 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향되는
    입구 조립체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플 구멍은 상기 출구 부분 내에서 상기 유출 가스 스트림에 와류를 생성하도록 구성되며, 상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 와류에 대해 접선 방향으로 유동하도록 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치되는
    입구 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치되는
    입구 조립체.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 와류는 상기 배플 구멍에 근접한 내부 유동 영역 및 상기 출구 부분 노즐 보어에 근접한 외부 유동 영역을 가지며, 상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 내부 유동 영역 내의 상기 와류의 유동 방향에 대해 접선 방향으로 유동하도록 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치되는
    입구 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 배플에 근접하게 위치되는
    입구 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 입구 부분 및 상기 출구 부분 중 적어도 하나의 내부에 위치되는
    입구 조립체.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 종축에 대해 0° 내지 90°의 각도로 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향되는
    입구 조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 종축에 대해 10° 내지 40°, 바람직하게 10° 내지 30°, 더 바람직하게 15° 내지 30°의 각도로 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 지향되는
    입구 조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출구 구멍은 장축을 따라 연장하는 세장형이며, 상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 2차 가스 스트림을 상기 장축에 의해 한정되는 평면 내에 주입하도록 지향되는
    입구 조립체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 가스 스트림 노즐은 상기 배플 구멍에 근접한 상기 출구 부분 내에 위치되는
    입구 조립체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 가스 스트림 노즐을 포함하는
    입구 조립체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배플 구멍은 상기 출구 부분 내에서 상기 유출 가스 스트림에 복수의 와류를 생성하도록 구성되며, 각각의 2차 가스 스트림 노즐은 상기 와류 중 하나에 대해 접선 방향으로 유동하도록 상기 2차 가스 스트림을 주입하도록 위치되는
    입구 조립체.
  15. 방법에 있어서,
    버너용 입구 조립체를 제공하는 것―상기 입구 조립체는 입구 노즐을 포함하며, 상기 입구 노즐은 상기 버너에 의한 처리를 위해 유출 가스 스트림을 제공하는 입구 도관과 결합 가능한 입구 구멍; 비-원형 출구 구멍; 상기 버너의 연소실로의 전달을 위해 상기 입구 구멍으로부터 상기 출구 구멍으로 상기 유출 가스 스트림을 운반하기 위해서 상기 입구 구멍과 상기 출구 구멍 사이에서 종축을 따라서 연장하는 노즐 보어로서, 상기 입구 구멍으로부터 연장하는 입구 부분 및 상기 비-원형 출구 구멍까지 연장하는 출구 부분을 갖는, 상기 노즐 보어; 상기 입구 부분을 상기 출구 부분에 결합하는 배플로서, 상기 배플은 상기 노즐 보어 내에 위치되는 배플 구멍을 한정하고, 상기 배플 구멍은 상기 배플에 인접한 상기 출구 부분의 횡단면적에 비해 감소된 횡단면적을 가지는, 상기 배플; 및 2차 가스 스트림을 제공하는 2차 가스 스트림 도관과 결합 가능하고, 상기 노즐 보어 내에서 상기 2차 가스 스트림을 상기 유출 가스 스트림과 혼합하도록 위치되는 2차 가스 스트림 노즐을 한정함―; 및
    상기 유출 가스 스트림을 상기 입구 구멍으로 그리고 상기 2차 가스 스트림을 상기 2차 가스 스트림 노즐로 공급하는 것을 포함하는
    방법.
  16. 첨부 도면을 참조하여 앞서 기술한 바와 같은 입구 조립체 또는 방법.
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