EP0707175A1 - Düse für eine Verbrennungsvorrichtung - Google Patents

Düse für eine Verbrennungsvorrichtung Download PDF

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EP0707175A1
EP0707175A1 EP95202720A EP95202720A EP0707175A1 EP 0707175 A1 EP0707175 A1 EP 0707175A1 EP 95202720 A EP95202720 A EP 95202720A EP 95202720 A EP95202720 A EP 95202720A EP 0707175 A1 EP0707175 A1 EP 0707175A1
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tube
nozzle
tubes
combustion chamber
injector
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Andreas c/o Philips Patentverwaltung GmbH Chow
Herbert c/o Philips Maass-Emden
Uwe c/o Philips Patentverwaltung GmbH Neumann
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
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Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
Philips Electronics NV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F23D14/58—Nozzles characterised by the shape or arrangement of the outlet or outlets from the nozzle, e.g. of annular configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14642—Special features of gas burners with jet mixers with more than one gas injection nozzles or orifices for a single mixing tube

Definitions

  • the invention relates to a nozzle for a combustion device, for example an injector nozzle for a quartz burner of a diffusion furnace.
  • Such a nozzle is known from US Pat. No. 4,680,008.
  • an injector nozzle which consists of a quartz tube with an expanding end piece. Through this injector, hydrogen (H2) is introduced into the combustion chamber. Through another quartz tube, which partially surrounds the injector nozzle, oxygen (O2) is simultaneously introduced into the combustion chamber. In a combustion process, water vapor (H2O) forms in the combustion chamber.
  • H2O hydrogen vapor
  • semiconductor manufacturing such an arrangement is used to form oxide layers in various semiconductor processes.
  • the present invention has for its object to provide a nozzle with an improved flame shape.
  • This object is achieved in that a bundle consisting of a plurality of tubes is arranged in a tube.
  • the flame in the arrangement according to the invention is considerably shorter with a larger diameter.
  • a slight misalignment of the injector nozzle leads, for example, to the fact that the outlet area of the Nozzle burns off over time, causing the flame to hit the inner wall of the combustion chamber, causing recrystallization.
  • Both the recrystallizations on the nozzle opening and on the inner wall of the combustion chamber considerably increase the number of particles in the combustion chamber, which must be avoided especially in the semiconductor production.
  • the extremely critical adjustment of the injector nozzle is dispensed with, and the particle formation by recrystallization is also significantly lower.
  • the flame Due to the higher exit velocity of the hydrogen from the nozzle, the flame, with the same gas throughput as with a nozzle of the known type, only has a great deal of heat at a distance from the nozzle outlet opening, so that the nozzle burns to a much lesser extent and can therefore be used for a significantly longer time.
  • the tube and the tube consist of quartz. This ensures that as few foreign particles as possible get into the combustion chamber from the nozzle itself at the temperatures prevailing during the combustion and that the quality of the products is as high as possible, especially in semiconductor production.
  • the tubes are fused together and melted into the tube for the firm connection of the tubes and the tube.
  • the longitudinal axes of the tubes are arranged parallel to one another and parallel to the longitudinal axis of the tube. This configuration has the advantage that the difficult manufacture of the tube bundle is simplified. It will also change the direction in which the hydrogen leaves the Nozzle emerges, and the shape of the flame is determined in an advantageous manner.
  • a further simplification of the production results from a further configuration, in which the tubes and the tube have the shape of straight circular cylinders.
  • FIG. 1 denotes a quartz combustion chamber which tapers at one end to an outlet opening 2 for the water vapor generated in the combustion chamber 1.
  • the injector 3 with the injector nozzle 4 is attached.
  • hydrogen is passed through the injector nozzle 4 into the combustion chamber 1 and mixes there with the oxygen which flows through a further feed line 6 through the injector 3 and the annular gap 13 around the nozzle 4 into the combustion chamber 1.
  • a heating element (not shown) outside the combustion chamber 1 heats the combustion chamber 1, as a result of which the hydrogen-oxygen mixture burns in the combustion chamber 1 with the formation of water vapor.
  • the flame 7 has approximately the shape shown.
  • the nozzle 4 consists of a tube 8 in which a bundle 9 consisting of a number of tubes with a much smaller diameter than the outer tube 8 is arranged in a fixed manner - melted down, for example - is.
  • the tubes are arranged parallel to one another, fused together to form the bundle 9 and, like the tube 8, have the shape of straight circular cylinders.
  • a conical pipe section 10 is attached to the pipe 8, for example welded on, for connecting the nozzle 4 to the hydrogen supply line 5.
  • the injector 3 consists of two pipes 11 and 12 attached to one another, the nozzle 4 being between the pipe 11 and the pipe 8 Narrow annular gap 13 remains through which the oxygen flows into the combustion chamber 1.
  • the front view of the injector nozzle 4 in FIG. 3 clearly shows the bundle 9 consisting of a plurality of tubes.
  • the advantages mentioned are achieved to a particular degree if the bundle 9 consists of at least 25 tubes.
  • the flame 7 has a ratio of length to diameter at the thickest point of approximately 4: 1, while in the known arrangement the flame has a ratio of approximately 60: 1.
  • the flame 7 does not burn directly at the outlet opening of the nozzle 4 in the arrangement according to the invention, the number of particles entering the combustion chamber 1, which are detached by recrystallization at the nozzle 4, is lower. This further prevents misalignment of the nozzle 4 after a short period of operation, as a result of which the flame 7, as in the known arrangement, can then strike the inner wall of the combustion chamber 1 and generate particles there by recrystallization. Since the erosion of the nozzle 4 is much slower, the nozzle 4 can be used about a factor of three longer. Ultimately, the quality of the products is also improved due to the lower number of particles.
  • the injector nozzle 4 is manufactured in such a way that the tubes are pushed longitudinally into the tube 8, so that the tube 8 is filled as well as possible.
  • the tubes are then welded into the tube 8 in a heating process, fused together, and at the same time the bundle 9 and the tube 8 are pulled until the desired outer diameter of the tube 8 is reached.
  • about 50 tubes with a diameter of 1.5 mm were inserted into a tube 8 with a diameter of 20 mm, and the tube 8 was then drawn to an outer diameter of 16.5 mm. Finally, a section of approximately 8 mm in length was separated from the nozzle 4 and welded to the conical pipe section 10.
  • Such a nozzle is used in diffusion furnaces in semiconductor production, but other possible uses such as a combustion device for hazardous gases are also conceivable due to the very high combustion temperatures that can be achieved with this nozzle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse (4) für eine Verbrennungsvorrichtung, bei der eine verbesserte Flammenform dadurch erreicht wird, daß ein Bündel (9), bestehend aus einer Mehrzahl von Röhrchen, in einem Rohr (8) angeordnet ist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Düse für eine Verbrennungsvorrichtung, beispielsweise eine Injektordüse für einen Quarzbrenner eines Diffusionsofens.
  • Eine solche Düse ist aus der US-PS 4 680 008 bekannt. In einer Brennkammer befindet sich eine Injektordüse, die aus einem Quarzrohr mit einem sich aufweitenden Endstück besteht. Durch diese Injektordüse wird Wasserstoff (H₂) in die Brennkammer eingeleitet. Durch ein weiteres Quarzrohr, das die Injektordüse teilweise umgibt, wird gleichzeitig Sauerstoff (O₂) in die Brennkammer eingeleitet. In einem Verbrennungsprozeß bildet sich wasserdampf (H₂O) in der Brennkammer. Bei der Halbleiterherstellung wird eine derartige Anordnung zur Bildung von Oxidschichten bei verschiedenen Halbleiterprozessen benutzt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse mit verbesserter Flammenform zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bündel, bestehend aus einer Mehrzahl von Röhrchen, in einem Rohr angeordnet ist.
  • Während bei der bekannten Anordnung die Flamme eine im Vergleich zum Durchmesser sehr große Länge und nahe an der Austrittsöffnung der Düse sehr große Hitze aufweist, ist die Flamme bei der erfindungsgemäßen Anordnung wesentlich kürzer bei größerem Durchmesser. Bei der bekannten Anordnung führt eine geringfügige Dejustierung der Injektordüse beispielsweise dadurch, daß der Austrittsbereich der Düse im Laufe der Zeit immer weiter abbrennt, dazu, daß die Flamme auf die Innenwand der Brennkammer trifft und dort zu Rekristallisationen führt. Sowohl die Rekristallisationen an der Düsenöffnung als auch an der Innenwand der Brennkammer erhöhen erheblich die Anzahl der Partikel in der Brennkammer, was gerade bei der Halbleiterherstellung vermieden werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung entfällt die äußerst kritische Justierung der Injektordüse, und außerdem ist die Partikelbildung durch Rekristallisationen deutlich geringer. Aufgrund höherer Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstoffs aus der Düse weist die Flamme bei gleichem Gasdurchsatz wie bei einer Düse der bekannten Art erst in einem Abstand von der Düsenaustrittsöffnung eine große Hitze auf, so daß die Düse in wesentlich geringerem Maße abbrennt und deshalb deutlich länger einsetzbar ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Röhrchen und das Rohr aus Quarz bestehen. Dies gewährleistet, daß möglichst wenig Fremdpartikel bei den bei der Verbrennung herrschenden Temperaturen aus der Düse selbst in die Brennkammer gelangen und daß die Qualität der Produkte vor allem bei der Halbleiterherstellung möglichst hoch ist.
  • Zur festen Verbindung der Röhrchen und des Rohres sind die Röhrchen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung miteinander verschmolzen und in das Rohr eingeschmolzen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Längsachsen der Röhrchen parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Rohres angeordnet sind. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die schwierige Herstellung des Rohrbündels vereinfacht wird. Außerdem wird dadurch die Richtung, in der der Wasserstoff aus der Düse austritt, und die Form der Flamme in vorteilhafter Weise bestimmt.
  • Eine weitere Vereinfachung der Herstellung ergibt sich bei einer weitergehenden Ausgestaltung, bei der die Röhrchen und das Rohr die Form von geraden Kreiszylindern aufweisen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Brenners für einen Diffusionsofen,
    Fig. 2
    eine Injektordüse in einer Schnittzeichnung und
    Fig. 3
    die Injektordüse in Vorderansicht.
  • Mit 1 ist in Fig. 1 eine Quarzbrennkammer bezeichnet, die sich an einem Ende zu einer Austrittsöffnung 2 für den in der Brennkammer 1 erzeugten Wasserdampf verjüngt. Am anderen Ende der Brennkammer 1 ist der Injektor 3 mit der Injektordüse 4 angebracht. Durch die Zuleitung 5 wird Wasserstoff durch die Injektordüse 4 in die Brennkammer 1 geleitet und vermischt sich dort mit dem Sauerstoff, der durch eine weitere Zuleitung 6 durch den Injektor 3 und den ringförmigen Spalt 13 um die Düse 4 in die Brennkammer 1 strömt. Ein nicht dargestelltes Heizelement außerhalb der Brennkammer 1 beheizt die Brennkammer 1, wodurch das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch unter Bildung von Wasserdampf in der Brennkammer 1 verbrennt. Die Flamme 7 hat dabei etwa die dargestellte Form.
  • Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung durch einen Teil des Injektors 3 mit der Düse 4. Die Düse 4 besteht aus einem Rohr 8, in dem ein Bündel 9, bestehend aus einer Anzahl von Röhrchen mit wesentlich geringerem Durchmesser als das äußere Rohr 8, fest angeordnet - beispielsweise eingeschmolzen - ist. Die Röhrchen sind Parallel zueinander angeordnet, miteinander zu dem Bündel 9 verschmolzen und weisen ebenso wie das Rohr 8 die Form von geraden Kreiszylindern auf. An dem Rohr 8 ist ein konisches Rohrstück 10 angebracht - beispielsweise angeschweißt - zur Verbindung der Düse 4 mit der Wasserstoffzuleitung 5. Der Injektor 3 besteht aus zwei aneinander angebrachten Rohren 11 und 12, wobei zwischen dem Rohr 11 und dem Rohr 8 der Düse 4 ein schmaler ringförmiger Spalt 13 bleibt, durch den der Sauerstoff in die Brennkammer 1 einströmt.
  • In der Vorderansicht der Injektordüse 4 in Fig. 3 ist deutlich das aus einer Mehrzahl von Röhrchen bestehende Bündel 9 erkennbar. Die genannten Vorteile werden in besonderem Maße erreicht, wenn das Bündel 9 aus mindestens 25 Röhrchen besteht.
  • Bei der gezeigten Ausgestaltung der Erfindung weist die Flamme 7 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser an der dicksten Stelle von etwa 4 : 1 auf, während bei der bekannten Anordnung die Flamme ein Verhältnis von etwa 60 : 1 aufweist. Da außerdem bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Flamme 7 nicht direkt an der Austrittsöffnung der Düse 4 brennt, ist die Anzahl der in die Brennkammer 1 gelangenden Partikel geringer, die sich durch Rekristallisation an der Düse 4 ablösen. Dies verhindert weiterhin eine Dejustierung der Düse 4 bereits nach kurzer Betriebsdauer, wodurch die Flamme 7 wie bei der bekannten Anordnung dann auf die Innenwand der Brennkammer 1 treffen und dort Partikel durch Rekristallisation erzeugen kann. Da der Abbrand der Düse 4 wesentlich langsamer vor sich geht, kann die Düse 4 etwa um den Faktor drei länger eingesetzt werden. Letzlich wird auch die Qualität der Produkte aufgrund der geringeren Partikelzahl verbessert.
  • Hergestellt wird die Injektordüse 4 in der Weise, daß die Röhrchen längs in das Rohr 8 hineingeschoben werden, so daß das Rohr 8 möglichst gut ausgefüllt ist. Die Röhrchen werden dann in einem Erwärmungsprozeß in das Rohr 8 eingeschweißt, miteinander verschmolzen, und gleichzeitig wird das Bündel 9 und das Rohr 8 gezogen, bis der gewünschte Außendurchmesser des Rohres 8 erreicht ist. Im gezeigten Beispiel wurden etwa 50 Röhrchen vom Durchmesser 1,5 mm in ein Rohr 8 vom Durchmesser 20 mm gesteckt, und anschließend wurde das Rohr 8 auf einen Außendurchmesser von 16,5 mm gezogen. Schließlich wurde von der Düse 4 ein Teilstück etwa der Länge 8 mm abgetrennt und mit dem konischen Rohrstück 10 verschweißt.
  • Eingesetzt wird eine derartige Düse in Diffusionsöfen bei der Halbleiterherstellung, aber auch andere Einsatzmöglichkeiten wie eine Verbrennungsvorrichtung für Gefahrgase sind aufgrund der mit dieser Düse erreichbaren sehr hohen Verbrennungstemperaturen denkbar.

Claims (6)

  1. Düse für eine Verbrennungsvorrichtung,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Bündel, bestehend aus einer Mehrzahl von Röhrchen, in einem Rohr angeordnet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen und das Rohr aus Quarz bestehen.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen miteinander verschmolzen und in das Rohr eingeschmolzen sind.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Röhrchen parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Rohres angeordnet sind.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen und das Rohr die Form von geraden Kreiszylindern aufweisen.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit der Mehrzahl von Röhrchen ausgefüllt wird, und daß die Röhrchen und das Rohr erwärmt und auf den gewünschten Durchmesser des Rohres gezogen werden.
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