EP0707175B1 - Verbrennungsvorrichtung mit einer Düse - Google Patents

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EP0707175B1
EP0707175B1 EP95202720A EP95202720A EP0707175B1 EP 0707175 B1 EP0707175 B1 EP 0707175B1 EP 95202720 A EP95202720 A EP 95202720A EP 95202720 A EP95202720 A EP 95202720A EP 0707175 B1 EP0707175 B1 EP 0707175B1
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nozzle
tube
burning device
combustion chamber
tubes
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EP95202720A
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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
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke 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 combustion device with a nozzle according to the Preamble of claim 1, for example a quartz burner of a diffusion furnace with an injector nozzle.
  • 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. Hydrogen (H 2 ) is introduced into the combustion chamber through this injector nozzle.
  • Another quartz tube which partially surrounds the injector nozzle, simultaneously introduces oxygen (O 2 ) into the combustion chamber.
  • oxygen O 2
  • water vapor H 2 O
  • semiconductor manufacturing such an arrangement is used to form oxide layers in various semiconductor processes.
  • DE-A1-42 31 866 describes a burner and a method for burning Low calorific gas known. That in a mixing chamber with combustion air mixed gas of low calorific value is there through several tubular Throttle installation nozzles injected into the combustion chamber.
  • the present invention has for its object a combustion device with a nozzle with improved flame shape.
  • the flame While in the known arrangement the flame is one compared to the diameter very large length and very large close to the outlet opening of the nozzle Has heat, the flame is essential in the arrangement according to the invention shorter with a larger diameter.
  • a slight leads Misalignment of the injector nozzle for example, in that the outlet area of the Nozzle continues to burn over time, causing the flame hits the inner wall of the combustion chamber and leads to recrystallization there.
  • Both the recrystallizations on the nozzle opening as well as on the inner wall of the Combustion chamber significantly increase the number of particles in the combustion chamber, which is particularly important in semiconductor manufacturing must be avoided.
  • the tubes and tube are made of quartz. This ensures that as little foreign particles as possible in the Combustion temperatures prevailing from the nozzle itself get into the combustion chamber and that the quality of the Products, especially in semiconductor manufacturing, if possible is high.
  • Tubes in a further embodiment of the invention fused together and melted into the tube.
  • a further simplification of the production results in a further configuration, in which the tubes and the tube is in the form of straight circular cylinders.
  • Fig. 1 denotes a quartz combustion chamber, the at one end to an outlet opening 2 for the in the combustion chamber 1 tapered water vapor generated.
  • the injector 3 At the other end of the combustion chamber 1 is the injector 3 with the Injector nozzle 4 attached.
  • Hydrogen through the injector nozzle 4 into the combustion chamber 1 conducts and mixes with the oxygen there through a further feed line 6 through the injector 3 and the annular gap 13 around the nozzle 4 in the combustion chamber 1 flows.
  • a heating element, not shown, outside the combustion chamber 1 heats the combustion chamber 1, thereby Hydrogen-oxygen mixture with formation of water vapor burns in the combustion chamber 1.
  • the flame 7 has about the shape shown.
  • Fig. 2 shows a sectional drawing through part of the Injector 3 with the nozzle 4.
  • 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 that outer tube 8, fixed - melted, for example - is.
  • the tubes are parallel to each other arranged, fused together to form the bundle 9 and have, like the tube 8, the shape of straight circular cylinders on.
  • On the pipe 8 is a conical pipe section 10 attached - for example welded - for connection the nozzle 4 with the hydrogen supply line 5.
  • the injector 3 consists of two tubes 11 and 12 attached to each other, between the tube 11 and the tube 8 of the nozzle 4 remains narrow annular gap 13 through which the Oxygen flows into the combustion chamber 1.
  • the Flame 7 has a ratio of length to diameter at the thickest point of about 4: 1, while at the known arrangement the flame has a ratio of about 60: 1. Since also in the inventive Arrange the flame 7 not directly at the outlet opening the nozzle 4 burns, is the number in the combustion chamber 1 passing particles lower, which are characterized by Remove recrystallization from nozzle 4. This prevents further misalignment of the nozzle 4 after a short time Operating time, whereby the flame 7 as in the known Then hit the inner wall of the combustion chamber 1 and can generate particles there by recrystallization. Since the erosion of the nozzle 4 in front of it much more slowly goes, the nozzle 4 can be about a factor of three longer be used. Ultimately, the quality of the Products improved due to the lower number of particles.
  • the injector nozzle 4 is manufactured in such a way that the Tubes are pushed lengthwise into the tube 8, so that the tube 8 is filled as well as possible.
  • the tubes are then in a heating process in the tube 8th welded in, fused together, and at the same time the bundle 9 and the tube 8 are pulled until the desired one Outside diameter of the tube 8 is reached.
  • the example shown was about 50 tubes in diameter 1.5 mm inserted into a tube 8 with a diameter of 20 mm, and then the tube 8 was made to an outside diameter drawn by 16.5 mm.
  • 4 was from the nozzle Part of the length about 8 mm separated and with the conical pipe section 10 welded.
  • Such a nozzle is used in diffusion furnaces semiconductor manufacturing, but also other possible uses like a combustion device for hazardous gases are due to the very high achievable with this nozzle Combustion temperatures possible.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Düse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, beispielsweise einen Quarzbrenner eines Diffusionsofens mit einer Injektordüse.
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.
Aus der DE-A1-42 31 866 ist ein Brenner und ein Verfahren zum Verbrennen von Gas mit niedrigem Brennwert bekannt. Das in einer Mischkammer mit Verbrennungsluft gemischte Gas niedrigen Brennwertes wird dort durch mehrere rohrförmige Düsen eines Drosseleinbaus in die Brennkammer injiziert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsvorrichtung mit einer Düse mit verbesserter Flammform zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene Verbrennungsvorrichtung gelöst.
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. Verbrennungsvorrichtung mit einer Düse (4) aus einem Bündel von in einem Rohr (8) angeordneten Röhrchen (9),
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rohr (8) und einem die Düse (4) umgebenden weiteren Rohr (11) ein Spalt vorgesehen ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (9) und das Rohr (8) aus Quarz bestehen.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (9) miteinander verschmolzen und in das Rohr (8) eingeschmolzen sind.
  4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Röhrchen (9) parallel zueinander und parallel zur Längsache des Rohres (8) angeordnet sind.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (9) und das Rohr (8) die Form von geraden Kreiszylindern aufweisen.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Düse (4) für eine Verbrennungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (8) mit Röhrchen (9) ausgefüllt wird, und daß die Röhrchen (9) und das Rohr (8) erwärmt, auf den gewünschten Durchmesser des Rohres (8) gezogen werden und miteinander verschweißt werden.
EP95202720A 1994-10-15 1995-10-10 Verbrennungsvorrichtung mit einer Düse Expired - Lifetime EP0707175B1 (de)

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