Verfahren zur Beeinflussung der Betriebstemperatur eines Brenners und Brenner hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Betriebstemperatur eines Brenners für die Verbrennung von Abgasen mit mindestens einer kondensationsfähigen Komponente, insbesondere für die Verbrennung von Abgasen aus Produktioπsanlagen der Halbieiterindustrie.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Brenner für die Verbrennung von Abgasen mit mindestens einer kondensationsfähigen Komponente, insbesondere für Abgase aus Produktionsanlagen der Halbleiterindustrie, mit einem ringförmigen Breπnerkörper mit mindestens einer Zufuhrleitung für ein oxidationsfähiges Brenngas und mit mindestens einer innerhalb des Brennerkörpers liegenden Zufuhröffnung für die Abgase, welche Zufuhr- Öffnung eine Innenfläche aufweist und an mindestens eine weitere Zufuhrleitung für die Abgase angeschlossen ist.
Ein derartiges Verfahren und ein derartiger Brenner sind bevorzugt, aber nicht ausschließlich, für den Einsatz in Reinigungsvorrichtungen nach der DE 195 01 914 C1 (Centrotherm) und der DE 195 15 145 C1 (EBARA) geeignet. Der Inhalt dieser Druckschriften wird daher ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt dieses Schutzrechts einbezogen. Ein Verfahren und ein Brenner nach der DE 195 01 914 C1 bilden dabei die Gattungsbegriffe.
Produktionsprozesse der Halbleiterindustrie wie Beschichten und Ätzen von Substraten mittels Plasmaanwendung werden in der Regel unter Vakuum von weniger als 1 mbar durchgeführt, wobei vorgegebene Prozeßdrücke in sehr engen Grenzen eingehalten werden müssen. Dies bedingt Vakuumpumpen und πachgeschaltete Reinigungsvorrichtungen, wie sie in der DE 195 15 145 C1 beschrieben sind. Jegliche Verengung der Leitungen für die Abgase durch Kondensation beeinträchtigt den Liefergrad der Vakuumpumpen und stört damit den Prozeßdruck. Durch Maßnahmen zur Temperaturführung nach der DE 195 15 145 C1 ist es bereits gelungen, die Abgas- leitung zwischen der Druckseite der Vakuumpumpe und der Reinigungsvorrichtung sehr weitgehend frei von Kondensaten zu halten.
Ein Restproblem ist jedoch bestehen geblieben, das seine Ursache darin hat, daß Teiie der Brenner selbst gekühlt werden müssen, der Brenner also seinerseits Kondensationsflächen aufweist. Gemäß der DE 195 01 914 C1 wird der Brenner durch eine Sprühdüse gekühlt, die gleichzeit das Waschmedium für die Verbrennungsprodukte liefert. Die Brenner nach der US 5 123 836 C (Chiyoda) werden durch einen wassergekühlten Außenmantel gekühlt.
Auch die vorstehend genannte US 5 123 836 C befaßt sich bereits mit der Verstopfung von Brennern durch Ablagerungen, empfiehlt jedoch deren Vermeidung durch einen Vorhang aus einem weiteren Gas. Es werden bis zu vier konzentrische Düsen vorgeschlagen, durch die - von innen nach außen gesehen - das Abgas, ein Brenngas, ein erstes, die Verbrennung unterstützendes Gas mit 60% bis 100% Sauerstoffanteil, ein zweites, die Verbrennung unterstützendes Gas und schließlich als Vorhang-Gas ein brennbares oder nicht-brennbares Gas wie Luft eingeleitet werden soll.
Dennoch bleiben Brennerteile, mit denen das Abgas in Berührung kommen kann, kalt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Brenner - jeweils der eingangs beschriebenen Gattung - anzugeben, bei denen sich mit dem Fortschreiten der Zeit keine zunehmenden Querschnittsverengungen durch Ablagerung mehr ausbilden können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die kondensationsgefährdeten Oberflächenbereiche des Brenners durch Aufheizen mindestens eines der dem Brenner zugeführten oder von diesem erzeugten Gase aus der Gruppe Abgas, Brenngas. Oxidatioπsgas, Flammengas und Spülgas und durch Verwendung des Gases als Wärmeträger auf Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur der Abgaskompoπenten aufgeheizt werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Brenner erfindungsgemäß dadurch, daß Mittel für eine Verhinderung der Kondensation auf der Innenfläche der Zufuhröffnung für die Abgase vorgesehen sind.
Dies kann in der einfachsten Weise dadurch geschehen, daß die Mittel für die Verhinderung der Kondensation aus mindestens einer Heizvorrichtung bestehen, durch die mindestens eines der zugeführteπ Gase aus der angegebenen Gruppe auf Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur der Abgaskomponeπten aufheizbar ist.
Durch diese Maßnahme wirkt mindestens eines der betreffenden Gase als Wärmeträger zu dem kondensationsgefährdeten Bereich, der in der Regel die Innenfläche der Zufuhröffnung für das Abgas in die Brennkammer ist. Es ist dann lediglich erforderlich, den kondensationsgefährdeten Bereich thermisch gegenüber dem übrigen Brennerkörper zu isolieren, was sehr einfach dadurch geschehen kann, daß man die Zufuhrleitung für die Abgase zumindest an ihrem Ende radial vom Brennerkörper entfernt hält und/oder aus diesem herausragen läßt. Es sind dann die zusätzlich aufgeheizten
Abgase selbst, die die erforderliche Temperaturanhebung bewirken.
Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Mittel für die Verhinderung der Kondensation aus einer Spüigasquelle, einer Heizeinπcntung für das Spülgas, einer Spülgasleitung und einem an die Spülgasleitung angeschlossenen Schirm bestehen, der durch das heiße Spülgas aufheizbar ist und die Innenfläche der Zufuhroffnung für die Abgase zumindest größtenteils überdeckt
Eine Steigerung der Wirkung läßt sich dann erreichen, wenn der Schirm wärmeisoliert und unter Belassung eines Ringspalts in die Zufuhroffnung für die Abgase eingesetzt ist. und wenn mindestens ein Zufuhrweg für das heiße Spüigas in den Ringspait einmundet.
In diesem Fall erfüllt das heiße Spüigas zwei Aufgaben, nam ch erstens die Aufheizung des Schirms und zweitens die Freihaltung des Riπgspalts von Ablagerungen. Hierbei kann in besonders vorteilhafter Weise so verfahren werden, daß in der Spülgasleitung ein Ventil angeordnet ist. durch das ein Dauerstrom von Spülgas erzeugbar ist, der von Spulgasimpulsen überlagert ist. Die Spüigasimpuise erzeugen Druckstόße, durch die etwaige Brückenbildungen im Spalt oder an der Spaltmundung vermieden oder bereits in ihrem Anfangsstadium beseitigt werden.
Eine konstruktiv besonders einfache und wirksame Losung, die sich auch zum Nachrusten bereits vorhandener Brenner eignet, besteht dann, daß der Schirm mindestens eine von dem Abgas durchstrombare Hülse besitzt, die diametral von mindestens einem an beiden Enden offenen und in den Ringspalt einmündenden Rohrstück durchsetzt ist, das in seiner Mitte an die Spülgasleitung angeschlossen ist, beispielsweise mitteis eines Gewin- destutzens.
Zwecks Vermeidung von toten Ecken und Stromungswiderständen ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Hülse zumindest im wesentlichen den gleichen Innendurchmesser besitzt wie die Zufuhrieitung für die Abgase und sich fluchtend an diese Zufuhrieitung anschließt.
Zur thermischen Entkoppelung der Hülse und der Zufuhrleitung für die Abgase ist es besonders zweckmäßig, wenn zwischen dem Ende der Zufuhrleitung für die Abgase und der Eintrittsseite der Hülse ein Ring aus einem thermisch isolierenden Werkstoff eingesetzt ist.
Bei einer weiteren Variante der vorstehend beschriebenen Lösungen läßt sich eine Aufheizung des Spülgases vermeiden oder reduzieren. Dies ist dann möglich, wenn die Mittel für die Verhinderung der Kondensation aus einer Spülgasquelle, einer Spülgasleitung und einem an die Spülgasleitung angeschlossenen Schirm bestehen, der die ursprüngliche Zufuhröffnung für die Abgase unter Zwischenschaltung eines vom Spülgas durchströmbaren Ringspalts überdeckt und aus dieser Zufuhröffnung bis in den Einflußbereich der Flammengase herausragt. In diesem Falle sind es die Flammeπ- gase, die den Schirm auf ein Temperaturniveau anheben, bei dem keine Kondensation mehr stattfinden kann.
Vorzugsweise enthält die Spülgasqueile ein Inertgas oder Stickstoff.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert:
Es zeigen:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines vollständigen Brenners,
Figur 2 einen Vertikal schnitt durch den zylindrischen Schirm aus Figur 1 und
Figur 3 einen Vertikalschπitt durch eine zweites Ausführungsbeispiel eines vollständigen Brenners.
In Figur 1 ist ein Brenner 1 mit einem ringförmigen Brennerkörper 2 dai gestellt, in den eine Ringnut 3 eingearbeitet ist, die an eine Zufuhrleitung 4 für ein oxidationsfähiges Brenngas wie Wasserstoff und Methan im Gemisch mit Sauerstoff angeschlossen ist. Die Ringnut 3 ist durch einen Deckel 5 verschlossen und versorgt einen dichten Kranz von Brennerdüsen 6, die eingesetzt, aber auch durch Bohren hergestellt sein können. Alternativ ist auch eine Ringschlitzdüse möglich. Die Brennerachse ist mit A-A bezeichnet.
Im Zentrum des Brennerkörpers 2 befindet sich eine zylindrische Zufuhröffnung 7 für das kondensationsfähige Komponenten enthaltende Abgas aus einer - nicht dargestellten - Halbleiter-Produktionsanlage. Die Zufuhr- Öffnung 7 besitzt eine Innenfläche 8 und mündet in eine hier nicht dargestellte Brennkammer, von der nur zwei kegelstumpfförmige Abschirmbleche 9 und 10 angedeutet sind.
Der Deckel 5 besitzt eine koaxiale Bohrung, in die eine Zufuhrleitung 1 1 für die Abgase eingesetzt ist, die in diesem Bereich als Winkelstück mit einem radial abstehenden Schenkel 11a ausgeführt ist. Bis zu diesem Punkt gehört die Darstellung zum Stande der Technik: Auf der Innenfläche 8 baut sich hierbei ein wachsender Belag aus bestimmten kondensationsfähigen Komponenten der Abgase auf.
Durch den Schenkel 11a ist gasdicht eine Spülgasieitung 12, hindurchgeführt, die über ein Ventil 14 mit einer Spüigasqueile 13 verbunden ist und deren mit einem Innengewinde versehenes Ende konzentrisch in der Zufuhrleitung 11 verläuft. Das Ventil 14 kann so gesteuert werden, daß daß ständig eine Grundmenge an Spülgas angeliefert wird, die von Spülgasimpulsen überlagert ist, beispielsweise im Mi nutenabstand.
An die Spülgasleitung 12 ist ein Schirm 15 angeschlossen, der zunächst anhand von Figur 2 näher erläutert wird. Der Schirm 15 besitzt eine von den Abgasen durchströmbare zylindrische Hülse 16 aus einem gut wärmeleitenden, korrosionsbeständigen Metall, durch die im Bereich des oberen Endes diametral ein Rohrstück 17 hindurchgeführt ist, das an seinen beiden
Enden Öffnungen 18 für den Austritt des Spülgases besitzt. Dieses wird dem Rohrstück 17 durch einen rechtwinklig angesetzten, zur Hülse 16 koaxialen Gewindestutzen 19 mit einem Außengewinde zugeführt. Es können auch zwei diametrale Rohrstücke 17 in Kreuzform vorgesehen werden. Sie lassen in jedem Falle genügend große Sektoren innerhalb der Hülse 16 frei und können von den Abgasen umströmt werden.
Im Einbauzustand gemäß Figur 1 ist der Gewindestutzen 19 mit der Spülgasieitung 12 verschraubt, wobei sich der obere Rand der Hülse 16 unter Zwischenschaltung eines Ringes 20 aus einem thermisch isolierenden Material gasdicht und fluchtend auf dem unteren Rand der Zufuhrleitung 11 abstützt. Durch den größeren Durchmesser der zur Hülse 16 konzentrischen Innenfläche 8 wird ein Ringspalt 21 gebildet, in den das Spülgas am oberen Ende aus den Öffnungen 18 (Figur 2) in Richtung der Pfeile austritt. Das Spülgas ist vorgeheizt, und zwar durch einen Heizwiderstand 22, der die Spülgasieitung 12 umgibt. Alternativ kann ein Hilfsbrenπer eingesetzt werden.
Durch das heiße Spülgas wird der Schirm 15 in seiner Gesamtheit aufgeheizt, und zwar auf Temperaturen, die auch auf der Innenfläche 23 der Hülse 16 über der Kondensatioπstemperatur aller Komponenten der Abgase liegen. Dadurch und durch die Strömung des heißen Spülgases im Ringspalt 21 wird eine Kondensation auf der gekühlten Innenfläche 8 der (ursprünglichen) Zufuhröffnung 7 wirksam vermieden. Die heiße Hülse 16 übernimmt jetzt gewissermaßen die Funktion der Zufuhröffnung 7.
Wenn man die Zufuhrleitung 11 für die Abgase - wie dargestellt - mit einem Heizwiderstand 24 umgibt, kann man ggf. auf das Spülgas und/oder dessen Beheizung verzichten und müßte den Schirm 15 auf andere Weise befestigen. Dieser würde dann von Innen durch die aufgeheizten Abgase erwärmt, was weitgehend die gleiche Wirkung hätte.
Sofern man eine Ringschlitzdüse ansteile der einzelnen Brennerdüsen 6 verwendet, hätte eine Aufheizung des Brenngases in der Leitung 4 durch einen Heizwiderstand 25 eine analoge oder unterstützende Wirkung, weil
der Ringschlitz den Innenteil des Brennerkörpers 2 thermisch weitgehend von dessen Außenteil entkoppein würde. Die Heizwiderstände sind von Wärmedämmungen 26 umgeben.
Figur 1 zeigt - in gestrichelten Linien - noch eine weitere Alternative, bei der man auf eine Beheizung des Spüigases durch Hilfsquellen oder auf das Spüigas selbst verzichten könnte. Die axial verlängerte Hülse 16 ragt mit einem Teilabschnitt 16a aus dem Brennerkörper 2 heraus und wird durch die Flammen der Brennerdüsen 6 beheizt.
In Figur 3 werden für gleiche Teiie oder Teile mit gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall hat die hier nicht näher bezeichnete Zufuhroffnung für den Austritt der Abgase in die Brennkammer den gleichen Innendurchmesser wie die Zufuhrieitung 1 1 für die Abgase. Der Schirm 15, der dem Schirm 15 in Figur 2 entspricht, ist mittels der Spülgasleitung 12 unter Belassung des Ringspalts 21 fliegend in die Zufuhröffnung eingesetzt, verengt also geringfügig deren Innenquerschnitt. Dies ist jedoch nicht weiter störend, da sich dieser innenquerschnitt im Laufe der Zeit nicht störend verändert und rechnerisch bei der Auslegung des Vakuumsystems berücksichtigt werden kann. Anfänglich bildet sich zwischen der gekühlten Innenwand des Breπnerkörpers 2 und dem oberen Rand des Schirms 15 - wie gezeigt - ein Ringwulst 27 aus Kondensaten und anderen Ablagerungen, der jedoch thermisch isolierend ist und den Weg für das heiße Spülgas durch den Ringspait 21 vorschreibt. Dieser Ringwulst unterliegt wegen der Temperatur des Schirms 15 keinem weiteren Wachstum.
Als Temperatur für das Spülgas haben sich 160°C als geeignet erwiesen, als Zeitabstand für die Spüigasimpuise 2 bis 5 Minuten.
Der Kern der Erfindung läßt sich kurz wie folgt zusammenfassen:
Abgase aus Produktionsaniageπ der Halbleiterindustrie enthalten toxische und/oder kondensationsfähige Komponenten und werden durch Verbrennung und nachfolgende Wäsche der Verbrennungsgase gereinigt, bevor sie
durch Vakuumpumpen abgesaugt werden. Einerseits muß ein hierfür vorgesehener Brenner gekühlt werden, andererseits neigen kalte Oberflächen zur Ablagerung fester Kondensate aus den Schadstoffen und damit zu einer Verringerung der Strömungsquerschnitte im Brenner und damit auch der Saugleistung der nachgeschalteten Vakuumpumpen. Um dies zu vermeiden, wird die Betriebstemperatur des Brenners (1) beeinflußt, und zwar verfahrensmäßig dadurch, daß die kondensationsgefährdeten Oberfiächenberei- che des Brenners (1 ) durch Aufheizen mindestens eines der dem Brenner zugeführten oder von diesem erzeugten Gase aus der Gruppe Abgas, Brenngas, Oxidationsgas, Flammengas und Spülgas und durch Verwendung des Gases als Wärmeträger auf Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur der Abgaskomponenten aufgeheizt werden, und vorrichtungmäßig dadurch, daß daß Mittel für eine Verhinderung der Kondensation auf der Innenfläche (8) einer Zufuhröffnung (7) für die Abgase zur Brennerflamme vorgesehen sind.
Bezuqszeichenliste.
1 Brenner A A--AA Brennerachse
2 Brennerkörper
3 Ringnut
4 Zufuhrleitung für Brenngas
5 Deckel
6 Brennerdüsen
7 Zufuhröffnung für Abgas
8 Innenfläche
9 Abschirmblech
10 Abschirmblech
11 Zufuhrleitung
11a Schenkel
12 Spülgasieitung
13 Spüigasqueile
14 Ventil
15 Schirm
16 Hülse
16a Teilabschnitt
17 Rohrstück
18 Öffnungen
19 Gewindestutzen
20 Ring
21 Ringspalt
22 Heizwiderstand
23 Innenfläche 23
24 Heizwiderstand
25 Heizwiderstand
26 Wärmedämmungen
27 Ringwuist
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