TWI432684B - Fluid heating device - Google Patents

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TWI432684B
TWI432684B TW99108519A TW99108519A TWI432684B TW I432684 B TWI432684 B TW I432684B TW 99108519 A TW99108519 A TW 99108519A TW 99108519 A TW99108519 A TW 99108519A TW I432684 B TWI432684 B TW I432684B
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Hiroaki Miyazaki
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Kelk Ltd
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
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    • F28F2009/224—Longitudinal partitions

Description

流體加熱裝置
本發明係關於流體加熱裝置等，尤其係關於在將以硫酸為基質的流體進行加熱的情形下亦可抑制加熱效率降低的流體加熱裝置等。
在將半導體晶圓進行洗淨的RCA洗淨工程中，係使用藥液而將半導體晶圓或附著在半導體晶圓的異物加以去除。在RCA洗淨工程中，所使用的藥液會依處理內容而異。例如，在將附著在半導體晶圓的微粒去除時，係使用氨-過氧化氫混合物，在將附著在半導體晶圓的金屬離子去除時，則係使用鹽酸-過氧化氫混合物。在使用氨-過氧化氫混合物或鹽酸-過氧化氫混合物等藥液來洗淨半導體晶圓時，係必須使洗淨時所使用的藥液溫度上升至例如80度附近。
以往，以調節藥液溫度的手段而言，係藉由使用流體加熱裝置來將藥液加熱，而使藥液溫度上升。流體加熱裝置係使用例如鹵素燈等燈加熱器，將該燈加熱器收容在石英玻璃管，一面在燈加熱器流通電流，一面使石英玻璃管與藥液接觸而將藥液加熱(參照例如專利文獻1)。
此外，流體加熱裝置係將燈加熱器(鹵素燈)作為加熱源，若為上述的對象藥液的情形，利用輻射(放射)來進行加熱的九成以上。此外，輻射加熱係平均單位面積的加熱能力取得非常大，因此可使裝置小型化。
(先前技術文獻) (專利文獻)
(專利文獻1)日本專利第3847469號(段落0019～0029)
但是，若在加熱對象的流體為硫酸的情形或為以硫酸為基質的流體的情形下，係有鹵素燈所發出的近紅外光的吸收率較低的特性(硫酸的情形下為60～70%)。因此，若欲將上述硫酸基質的藥液以習知的流體加熱裝置進行加熱時，透過石英玻璃管與藥液之30～40%的光能量會被設在藥液外側的絕熱材直接吸收，其大部分的熱能量係被放熱至外部，結果會有流體加熱裝置的框體溫度上升、或流體未到達目標溫度的情形。亦即，會有流體加熱裝置的加熱效率降低的課題。
本發明係考慮到上述情形而研創者，本發明之目的在提供一種即使在將以硫酸為基質的流體進行加熱的情形下亦可抑制加熱效率降低的流體加熱裝置等。
為解決上述課題，本發明之一態樣之流體加熱裝置，係將以硫酸為基質的藥液進行加熱的流體加熱裝置，其特徵為具備有：具透光性的內管；被配置在前述內管內的燈加熱器；被配置在前述內管之外側且具透光性的外管；被配置在前述外管之兩端且具透光性的側板；及被配置在前述外管與前述內管之間的光吸收材，前述光吸收材係以與在前述外管與前述內管之間流動的藥液相接觸的方式作配置。
根據上述流體加熱裝置，藉由在內管與外管之間配置光吸收材，可促進對流及傳導加熱。詳而言之，光能量被光吸收材吸收，轉換成熱能量，藉由傳導加熱而使藥液被加熱，因此即使在將以硫酸為基質的流體進行加熱的情形下，亦可抑制加熱效率降低。
此外，在本發明之一態樣之流體加熱裝置中，亦可使前述內管、前述外管及前述側板分別由石英所構成，前述內管及前述外管各個與前述側板係藉由熔接而相連接，而形成為一體。藉此，可減低藥液漏洩的風險。
此外，在本發明之一態樣之流體加熱裝置中，前述光吸收材係以構成在前述外管與前述內管之間流動的藥液流路者為佳。
藉由本發明，可提供一種即使在將以硫酸為基質的流體進行加熱的情形下亦可抑制加熱效率降低的流體加熱裝置等。
以下參照圖示，針對本發明之第1實施形態加以說明。
第1圖係以模式顯示本發明之第1實施形態之流體加熱裝置的圖，第1圖(b)係相當於第1圖(a)之A-A’部的橫剖面圖，第1圖(a)係相當於第1圖(b)之a-a’部的縱剖面圖。該流體加熱裝置係用以將硫酸、硫酸與過氧化氫水的混合液、硫酸與硝酸的混酸等以硫酸為基質的藥液進行加熱而作溫度調節的裝置。在此所謂之以硫酸為基質的藥液係指含有硫酸50%以上的藥液。
以下針對流體加熱裝置之構成加以說明。
如第1圖(a)及(b)所示，流體加熱裝置係具有由圓筒形容器所構成的內管3a，在其內側，以同軸配置插入有比內管3a為更為小徑的圓筒形鹵素燈等燈加熱器4作為加熱源。此外，在內管3a的外側，係以同軸配置覆蓋有比內管3a更為大徑的圓筒形外管2。內管3a及外管2係使用例如石英玻璃等透光性材料，內管3a及外管2各個與圓板狀側板15a、15b係形成為藉由熔接而相連接的一體構造。側板15a、15b係使用例如石英玻璃等透光性材料。
在該外管2的外側配置絕熱材(未圖示)，以例如PP、PVC及PTFE等即使為高溫亦不易變形的塑膠框體(未圖示)予以覆蓋。該內管3a及外管2之兩者間的空間係形成有硫酸基質的藥液流路。在燈加熱器4的內側係被插入有例如鹵素燈等發光線5，發光線5所發出的光係透過內管3a而被照射在藥液，來進行藥液的加熱。
在外管2的周壁係設有位於側板15a之側的藥液的入口7及出口8，入口7被配置在下方，出口8被配置在上方。
在內管3a與外管2之兩者間，以不會被藥液腐蝕的有色材料而言，配置有例如非晶碳管1，該非晶碳管1係藉由被設在外管2的內側且為側板15a之側的第1流路分隔構件6a、及被設在內管3a的外側且為側板15b之側的第2流路分隔構件6b的嵌合來加以固定。在第2流路分隔構件6b係設有藥液會穿過的單數或複數貫穿孔16。此外，在第1流路分隔構件6a與側板15a之間係位有入口7，在第1流路分隔構件6a與側板15b之間則位有出口8。
其中，在本實施形態中，係使用非晶碳管1作為不會被藥液腐蝕的有色材料，但是亦可使用例如黑色等有色石英玻璃、氣泡滲入玻璃、SiC、鐵氟龍(註冊商標)及聚醯亞胺等管件(pipe)。此時，如非晶碳管的熱膨脹率為2～3.4×10-6 /℃、石英玻璃的熱膨脹率為5.5×10-7 /℃所示，原料資料(material data)會依材料而異，因此必須為考慮到因溫度變動以致形狀變化的設計。
藉由內管3a及外管2之兩者間的空間、非晶碳管1、第1及第2流路分隔構件6a、6b，形成有以箭號所示之藥液的流路。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係在通過側板15a與第1流路分隔構件6a之間之後，通過內管3a與非晶碳管1之間，通過第2流路分隔構件6b的貫穿孔16而到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過外管2與非晶碳管1之間，由位於外管2之上方端側的出口8流出至外部。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
接著，針對藥液的加熱方法加以說明。
燈加熱器4的發光線5所發出的光透過內管3a，該透過光被照射在通過內管3a與非晶碳管1之間的藥液，藉此使藥液作輻射加熱。此時，未被利用在輻射加熱而透過藥液的一部分的光被照射在非晶碳管1，藉此使非晶碳管1被加熱，與該經加熱的非晶碳管1相接觸的藥液係藉由熱傳導而被加熱。亦即，在通過外管2與非晶碳管1之間的藥液及通過內管3a與非晶碳管1之間的藥液之兩者，藉由來自非晶碳管1的熱傳導而被加熱。如上所被加熱的藥液會由出口8流出至外部。
以上，根據本發明之第1實施形態，藉由在內管3a與外管2之兩者間配置非晶碳管1，形成有藥液的流路。因此，可加速藥液的流速且形成為亂流，可促進對流及傳導加熱。詳而言之，當將以硫酸為基質的藥液形成為流體時，與30～40%的光能量會被配置在外管2外側的絕熱材所吸收的習知的流體加熱裝置相比，在非晶碳管1吸收光能量，轉換成熱能量，藉由傳導加熱而將藥液加熱的本實施形態的流體加熱裝置可使加熱效率提升。因此，在光吸收率低的硫酸基質的藥液中，亦可將加熱效率拉出至最大限度，並且可抑制流體加熱裝置之框體溫度上升，亦使藥液容易到達目標溫度。
此外，藉由形成為利用熔接而將內管3a及外管2各個與圓板狀側板15a、15b相連接的一體構造，可減低藥液漏洩的風險。
第2圖係以模式顯示本發明之第2實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，對於與第1圖(a)相同部分係標註相同元件符號，僅針對相異部分加以說明。其中，第2圖係相當於第1圖(b)之a-a’部的縱剖面圖。
在被設在外管2的內側且為側板15a之側的第3流路分隔構件6c係被設有螺絲溝槽。此外，被配置在內管3a與外管2之兩者間的非晶碳管1係在其一端形成有螺絲溝槽。接著，該非晶碳管1的一端被螺緊在第3流路分隔構件6c，藉此在內管3a與外管2之間固定有非晶碳管1。
其中，形成在第3流路分隔構件6c及非晶碳管1之一端的螺絲溝槽係可為將非晶碳管1設為內側加以固定的內螺絲類型，亦可為將非晶碳管1設為外側加以固定的外螺絲類型。
以上，在本發明之第2實施形態中亦可得與第1實施形態同樣效果。
第3圖係以模式顯示本發明之第3實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，第3圖(b)係相當於第3圖(a)之B-B’部的橫剖面圖，第3圖(a)係相當於第3圖(b)之b-b’部的縱剖面圖。其中，第3圖對於與第1圖相同部分係標註相同元件符號，且省略說明與第1圖相同部分。
如第3圖(a)及(b)所示，流體加熱裝置係具有2支內管3a，在2支內管3a各個被插入有燈加熱器4。在外管2的內側而且在2支內管3a的上側與下側係配置有由不會被藥液腐蝕的有色材料所構成的非晶碳板10a、10b。
在側板15a及外管2的內側設有固定用構件12，藉由該固定用構件12，固定有下側的非晶碳板10b。此外，在側板15b及外管2的內側設有固定用構件12，藉由該固定用構件12，固定有上側的非晶碳板10a。
流體的入口7係被設在位於側板15a之側的外管2的下方周壁，流體的出口8係被設在位於側板15b之側的外管2的上方周壁。
此外，如第3圖(b)所示，非晶碳板10a、10b係夾著燈加熱器4作平行配置。因此會有由燈加熱器4所發出的光不會被非晶碳板遮蔽而到達外管2的部位。在屬於該部位的外管2及側板15a、15b的外側設有光反射板11。藉此，由燈加熱器4所發出的光被光反射板11反射，該反射光被非晶碳板10a、10b吸收而轉換成熱能量。
藉由內管3a及外管2之兩者間的空間及非晶碳板10a、10b，形成有如第3圖(a)之箭號所示之藥液的流路。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係通過外管2與下側的非晶碳板10b之間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過下側的非晶碳板10b與上側的非晶碳板10a之間，到達位於外管2之一方端側的側板15a，朝相反方向折返流動，通過外管2與上側的非晶碳板10a之間，由位於外管2之上方端側的出口8流出至外部。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
接著，針對藥液的加熱方法加以說明。
燈加熱器4的發光線5所發出的光透過內管3a，該透過光被照射在通過上側的非晶碳板10a與下側的非晶碳板10b之間的藥液，藉此使藥液被輻射加熱。此時，未被利用在輻射加熱而透過藥液的一部分的光被照射在非晶碳板10a、10b，並且被光反射板11反射的反射光被非晶碳板10a、10b所吸收。藉此，使非晶碳板10a、10b被加熱，與該經加熱的非晶碳板10a、10b相接觸的藥液即藉由熱傳導而被加熱。亦即，在通過外管2與非晶碳板10a、10b各個之間的藥液及通過上側的非晶碳板10a與下側的非晶碳板10b之間的藥液的兩者，藉由來自非晶碳板10a、10b的熱傳導而被加熱。如上所被加熱的藥液會由出口8流出至外部。
以上，在本發明之第3實施形態中亦可得與第1實施形態同樣效果。此外，藉由設置非晶碳板10a、10b及光反射板11，藉由光反射板11而使燈加熱器4所發出的光作反射，非晶碳板10a、10b將該反射光轉換成熱能量。藉此，除了藉由燈加熱器4所為之輻射加熱以外，亦可利用對流及熱傳導來將流體加熱。
第4圖係以模式顯示本發明之第4實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，第4圖(b)係相當於第4圖(a)之D-D’部的橫剖面圖，第4圖(a)係相當於第4圖(b)之d-d’部的縱剖面圖。其中，第4圖中對於與第1圖相同部分係標註相同元件符號，且省略說明與第1圖相同部分。
如第4圖(a)及(b)所示，流體加熱裝置係具有3支內管3b、3c、3d，在各自的內管3b、3c、3d係被插入有燈加熱器4。在外管2的內側係被配置有將內管3b、3c、3d彼此作分隔的非晶碳板10c、10d、10e。非晶碳板10c、10d、10e各個係藉由被設在外管2內側的固定用構件12、被設在側板15a、15b各個的固定用構件及被配置在外管2之中心軸的中心軸構件12a予以固定。
詳而言之，如第4圖(a)所示，圖中，下側的非晶碳板10e係被固定在側板15a及外管2的內側，圖中，上側的非晶碳板10c係被固定在側板15b及外管2的內側，圖中，中心的非晶碳板10d係由側板15a橫越側板15b而被固定在側板15a、15b及外管2的內側。
流體的入口7係被設在位於側板15a之側的外管2的下方周壁，流體的出口8係被設在位於側板15b之側的外管2的上方周壁。
此外，如第4圖(b)所示，會有由燈加熱器4所發出的光不會被非晶碳板10c、10d、10e所遮蔽而到達外管2的部位。在該部位的外管2及側板15a、15b的外側設有光反射板11。藉此，由燈加熱器4所發出的光藉由光反射板11作反射，該反射光被非晶碳板10c、10d、10e所吸收，而被轉換成熱能量。
藉由內管3a及外管2之兩者間的空間及非晶碳板10c、10d、10e，形成有如第4圖(a)之箭號所示之藥液的流路。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係通過藉由外管2與非晶碳板10d、10e所形成的空間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過藉由外管2與非晶碳板10c、10e所形成的空間，到達位於外管2之一方端側的側板15a，朝相反方向折返流動，通過藉由外管2與非晶碳板10c、10d所形成的空間，由位於外管2之上方端側的出口8流出至外部。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
接著，針對藥液的加熱方法加以說明。
燈加熱器4的發光線5所發出的光透過內管3b、3c、3d，該透過光被照射在通過外管2之內側的藥液，藉此使藥液被輻射加熱。此時，未被利用在輻射加熱而透過藥液之一部分的光被照射在非晶碳板10c、10d、10e，並且藉由光反射板11予以反射的反射光被非晶碳板10c、10d、10e所吸收。藉此，使非晶碳板10c、10d、10e被加熱，與該經加熱的非晶碳板10c、10d、10e相接觸的藥液會藉由熱傳導而被加熱。如上所被加熱的藥液會由出口8流出至外部。
以上，在本發明之第4實施形態中亦可得與第1實施形態同樣效果。
第5圖係以模式顯示本發明之第5實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖，對於與第1圖(b)相同部分係標註相同元件符號，僅針對相異部分加以說明。
在非晶碳管1的內側，係將3支內管3a～3c配置在外管2內，在該等內管3a～3c各個係被插入有燈加熱器。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係在通過側板與第1流路分隔構件之間之後，通過內管3a～3c與非晶碳管1之間，通過第2流路分隔構件的貫穿孔而到達位於外管2之另一方端側的側板，朝相反方向折返流動，通過外管2與非晶碳管1之間，由位於外管2之上方端側的出口8流出至外部。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
在上述第5實施形態中亦可得與第1實施形態同樣效果。
第6圖係以模式顯示本發明之第6實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖，對於與第4圖(b)相同部分係標註相同元件符號，僅針對相異部分加以說明。
在第4圖(b)所示之流體加熱裝置中，係將3支內管3b～3d配置在外管2內，相對於此，在第6圖所示之流體加熱裝置中，則係將4支內管3b～3e配置在外管2內，關於此點有所不同。伴隨著配置4支內管3b～3e，藉由4枚非晶碳板10c～10f，形成有藥液的流路。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係通過藉由外管2與非晶碳板10f、10e所形成的空間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過藉由外管2與非晶碳板10e、10d及外管2與非晶碳板10f、10c所形成的空間，到達位於外管2之一方端側的側板15a，朝相反方向折返流動，通過藉由外管2與非晶碳板10d、10c所形成的空間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，由位於外管2之上方端側的出口8朝外部流出。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
在上述第6實施形態中亦可得與第4實施形態同樣效果。
第7圖係以模式顯示本發明之第7實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖，對於與第3圖(b)相同部分係標註相同元件符號，僅針對相異部分加以說明。
在第3圖(b)所示之流體加熱裝置中，係將2支內管3a配置在外管2內，相對於此，在第7圖所示之流體加熱裝置中，則係將4支內管3b～3e配置在外管2內，關於此點有所不同。隨著配置4支內管3b～3e，藉由3枚非晶碳板10a～10c形成有藥液的流路。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係通過外管2與下側的非晶碳板10c之間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過下側的非晶碳板10c與中央的非晶碳板10b之間，到達位於外管2之一方端側的側板15a，朝相反方向折返流動，通過中央的非晶碳板10b與上側的非晶碳板10a之間，到達位於外管2之另一方端側的側板15b，朝相反方向折返流動，通過外管2與上側的非晶碳板10a之間，由位於外管2之上方端側的出口8朝外部流出。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
在上述第7實施形態中亦可得與第3實施形態同樣效果。
第8圖係以模式顯示本發明之第8實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖，對於與第1圖(b)相同部分係標註相同元件符號，僅針對相異部分加以說明。
在非晶碳管1的內側，係在外管2內配置有4支內管3b～3e，在該等內管3b～3e的各個插入有燈加熱器。
針對該藥液流路詳加說明。
由位於外管2之下方端側的入口7所進入的藥液係在通過側板與第1流路分隔構件之間之後，通過內管3b～3e與非晶碳管1之間，通過第2流路分隔構件的貫穿孔而到達位於外管2之另一方端側的側板，朝相反方向折返流動，通過外管2與非晶碳管1之間，由位於外管2之上方端側的出口8朝外部流出。藉由形成如上所示之流路，藥液會亂流。
在上述第8實施形態中亦可得與第1實施形態同樣效果。
其中，本發明並非限定為上述實施形態，在未脫離本發明之主旨的範圍內，可作各種變更來加以實施。
1．．．非晶碳管
2．．．外管
3a、3b、3c、3d、3e．．．內管
4．．．燈加熱器
5．．．發光線
6a．．．第1流路分隔構件
6b．．．第2流路分隔構件
6c．．．第3流路分隔構件
7．．．流體的入口
8．．．流體的出口
10a、10b、10c、10d、10e、10f．．．非晶碳板
11．．．光反射板
12．．．固定用構件
15a、15b．．．側板
16．．．貫穿孔
第1圖(a)係以模式顯示本發明之第1實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，(b)係相當於(a)之A-A’部的橫剖面圖。
第2圖係以模式顯示第2實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖。
第3圖(a)係以模式顯示本發明之第3實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，(b)係相當於第3圖(a)之B-B’部的橫剖面圖。
第4圖(a)係以模式顯示本發明之第4實施形態之流體加熱裝置之縱剖面的圖，(b)係相當於第4圖(a)之D-D’部的橫剖面圖。
第5圖係以模式顯示本發明之第5實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖。
第6圖係以模式顯示本發明之第6實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖。
第7圖係以模式顯示本發明之第7實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖。
第8圖係以模式顯示本發明之第8實施形態之流體加熱裝置之橫剖面的圖。
1．．．非晶碳管
2．．．外管
3a．．．內管
4．．．燈加熱器
5．．．發光線
6a．．．第1流路分隔構件
6b．．．第2流路分隔構件
7．．．流體的入口
8．．．流體的出口
15a、15b．．．側板
16．．．貫穿孔

Claims (2)

  1. 一種流體加熱裝置，係將以硫酸為基質的藥液進行加熱的流體加熱裝置，其特徵為具備有：具透光性的內管；被配置在前述內管內的燈加熱器；被配置在前述內管之外側且具透光性的外管；被配置在前述外管之兩端且具透光性的側板；及被配置在前述外管與前述內管之間的光吸收材，前述光吸收材係以構成在前述外管與前述內管之間流動的藥液的流路的方式作配置，藥液在前述外管與前述光吸收材之間流動的方向係和藥液在前述內管與前述光吸收材之間流動的方向為相反，且前述光吸收材的全面與藥液相接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項之流體加熱裝置，其中，前述內管、前述外管及前述側板分別由石英所構成，前述內管及前述外管各個與前述側板係藉由熔接而相連接，而形成為一體。
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