JP2008039258A

JP2008039258A - クリーンヒータ

Info

Publication number: JP2008039258A
Application number: JP2006212380A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nishibori; 稔西堀; Toru Suda; 徹須田
Original assignee: SOORAMU KK
Current assignee: SOORAMU KK
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】排出された高温ガスを所望の高温にまで短時間で昇温させることができ、しかも噴出する高温気体にコンタミネーションの混入が全くない極めてクリーンな高温気体を供給することができるのは勿論、昇温速度が速く且つ設定温度を安定して保つことができ、しかも大風量に対しても十分に耐えることができるクリーンヒータを開発することを技術課題とする。
【解決手段】
(a)発熱源(10a)がガラス製外囲器(16)にて覆われた発熱体(10)と、(b)前記発熱体(10)を内蔵し、被加熱流体供給口(11)と高温ガス排出口(12)を有するガラス製アウターバルブ(13)とで構成されていることを特徴とするものであり、これにより、被加熱流体(F1)にコンタミネーションが混入することがなく、そのままの純粋な状態で加熱されて高温ガス排出口(12)から排出されることになる。これらはクリーンルームのような清浄環境内での使用に好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造装置を始めとする産業機器、特にコンタミネーションの混入を嫌うような産業機器の加熱装置に最適なクリーンヒータで、特に大風量の場合でも対応可能なクリーンヒータに関するものである。

従来、この種の加熱装置にあっては、円筒形耐熱ガラス管に口金を取り付け、円筒形耐熱ガラス管の中心に沿ってコイルを配置し、コイルに通電してこれを加熱し、口金から吹き込んだ気体(被加熱流体あるいは窒素ガス)をコイルに接触させてこれを加熱し、円筒形耐熱ガラス管の排出口から高温気体として噴出させ、被加熱対象物に吹き付けるようなものがあった。このような加熱装置の例として特開平７−１９８２０７号公報のようなものがある。

このような加熱装置は、直接高温のコイルに被加熱流体(室温の風の意味であるが、以下、加熱した高温ガスに対応する意味で、被加熱流体と言う。)を接触させて加熱するものであるから、風量にもよるが、熱効率が高くしかもコイルの材質によってはかなりの高い温度(例えば400〜600℃或いはそれ以上の温度)まで被加熱流体を加熱することができる。

しかしながら、極く僅かなパーテクルの存在もそれが半導体基板の上に付着することにより集積回路を構成する微細配線の断線原因となるためにコンタミネーションとして排除しなければならないような半導体製造装置にあっては、前述のような加熱装置では高温気体と共にコイルの構成物質がコンタミネーションとして噴出するためこのような分野に適用することができなかった。

そこで考えられたのがセラミック管のような送風管にヒーターを巻き付け、送風管に被加熱流体を流し、送風管を介して被加熱流体を加熱する方法(図示せず)であるが、この方法の問題点は送風管を介しての間接加熱であるため温度熱効率が悪い。そこでこの間接加熱方法で被加熱流体を400〜600℃或いはそれ以上の温度まで上げようとすると前述の方法と異なりヒーターを千数百℃の高温にまで昇温させる必要がある。被加熱流体中でヒーターをこのような高温まで昇温させる場合、コストも含めて耐熱性に優れたヒーター(通常はそのようなヒーターを使用せずニクロム線のようなもの使用する)を使用したとしても短時間で酸化・断線してしまい、実用に耐えないという問題があった。

この問題を解決するため、特開２００５−６９５７０に開示されているようなクリーンヒータを開発した。このクリーンヒータ(B)(図８)は、「被加熱流体(F1)、換言すれば室温の温度を有する空気や不活性ガスなどの被加熱流体(F1)が通流する耐熱ガラス製或いはセラミックスの通流内管(1)と、通流内管(1)に巻設され或いは通流内管(1)を取り囲むように配設された発熱体(2)と、通流内管(1)が貫通して配設され、前記発熱体(2)が内部に収納されているアウターバルブ(3)とで構成され、アウターバルブ(3)内が真空状態或いはアウターバルブ(3)内に不活性ガスが充填されているような構造のもの」であるが、測定の結果、(a) 要求電力よりも高めの電力を供給しているにもかかわらず、到達温度が設計値に満たない、(b) 温度上昇(温度が安定するまで)に時間が掛かり過ぎる、(c) 加熱される気体の流量に昇温温度が大きく変化する、という問題が発生した。特に、排出された高温ガスの温度が大きく変化するような場合、例えば、ハンダ作業の場合、ハンダの溶融状態に大きな影響を与え、ハンダ不良を発生させる原因となり、生産工程に大きな影響を与える。

前記問題点の原因としては、(1) アウターバルブ(3)内が特に真空状態の場合、対流がアウターバルブ(3)内で発生せず、熱の伝達効率が悪い事、(2) 被加熱流体(F1)が通流する耐熱ガラスが細い石英ガラスで接触面積が小さいため、更に熱の伝達が悪いこと、(3) 利用される熱が発熱体(2)の内面側に限定されるため、熱の利用効率が悪いこと、(4) 被加熱流体(F1)は細い耐熱ガラスチューブを通るため、風量が非常に少なく、しかも前述のように熱伝達効率が非常に悪いため、流量が変化すると排出される高温ガスの温度に大きな大きな影響を及ぼすということが考えられる。
特開平７−１９８２０７号特開２００５−６９５７０

本発明は、排出された高温ガスを所望の高温にまで短時間で昇温させることができ、しかも噴出する高温気体にコンタミネーションの混入が全くない極めてクリーンな高温気体を供給することができるのは勿論、昇温速度が速く且つ設定温度を安定して保つことができ、しかも大風量に対しても十分に耐えることができるクリーンヒータを開発することをその技術課題とするものである。

「請求項１」に記載のクリーンヒータ(A)は、
(a) 発熱源(10a)がガラス製外囲器(16)にて覆われた発熱体(10)と、
(b) 前記発熱体(10)を内蔵し、被加熱流体供給口(11)と高温ガス排出口(12)を有するガラス製アウターバルブ(13)とで構成されていることを特徴とするものである。

「請求項２」は請求項１に記載のクリーンヒータ(A)の改良に関し「アウターバルブ(13)と発熱体(10)との間に、アウターバルブ(13)内の被加熱流体(F1)に乱流を発生させる乱流発生部材(R)が配設されている」ことを特徴とする。

「請求項３」請求項１又は２に記載のクリーンヒータ(A)に関し、「アウターバルブ(13)の内周面又は発熱体(10)の外周面の少なくともいずれか一方に突起(30)が形成されている」ことを特徴とする。

「請求項４」は請求項１又は２に記載のクリーンヒータ(A)に関し、「アウターバルブ(13)の外周に断熱部材(23)又は遮熱材の少なくともいずれかが更に設けられている」ことを特徴とする。

本発明のクリーンヒータ(A)は、被加熱流体(F1)と接触する発熱体(10)の外囲器(16)及びアウターバルブ(13)がいずれもガラス(例えば、石英ガラス、バイコールガラス、ハードガラスなど耐熱性ガラス或いは通常のソーダガラス等)で形成されているので、被加熱流体(F1)はその被加熱流体供給口(11)から高温ガス排出口(12)までの全長にわたってガラスのみに接触することとなるので、被加熱流体(F1)にコンタミネーションが混入することがなく、そのままの純粋な状態で加熱されて高温ガス排出口(12)から排出されることになる。これらはクリーンルームのような清浄環境内での使用に好適である。

また、中空パイプ(14)或いはビーズ(22)などの乱流発生部材(R)をアウターバルブ(13)と発熱体(10)との間に設けることにより、又は、乱流発生作用を有する突起(30)[本明細書において、乱流発生部材(R)の１類型とする。]のようなをアウターバルブ(13)の内周面又は発熱体(10)の外周面の少なくともいずれか一方に突設することで、被加熱流体供給口(11)から高温ガス排出口(12)に移動する間に被加熱流体(F1)が攪拌されて十分に熱せられる事になり、熱伝達効率の向上が図られると同時にこれらも前記ガラス或いはセラミックス製であるから、被加熱流体(F1)の通流中にコンタミネーション(微量不純物)の混入がない。加えて、断熱部材(23)又は遮熱材の少なくともいずれか一方を設けることで、外部放散して失われる熱ロスをなくすことができてこの面でも熱伝達効率の向上が計られる。

以下、本発明を図示実施例に従って詳述する。図１、４は本発明の一実施例のダブルエンド型ハロゲンランプ利用のクリーンヒータ(A)の断面図、図３はシングルエンド型ハロゲンランプ利用のクリーンヒータ(A)の断面図、図５は炭素発熱源利用のクリーンヒータ(A)の一部断面図、図６は炭素発熱源をセラミックス管に収納したクリーンヒータ(A)の一部断面図、図７は金属発熱源利用のクリーンヒータ(A)の一部断面図で、いずれも工業用加熱装置等の発熱装置として使用されるものであり、特に極く僅かのコンタミネーションの混入をも嫌う半導体製造装置のような分野において好適である。前記クリーンヒータ(A)の発熱体(10)は前述のようにハロゲンランプ、炭素棒或いは炭素繊維帯体(炭素発熱源)利用のもの又は次に述べる金属発熱部材利用のもの等がある。ハロゲンランプが発熱体(10)の場合は、発熱源(10a)はＷフィラメント(15a)であり、金属発熱部材利用のものの発熱源(10a)[金属発熱部材(15c)]は、カンタル線、ニクロム線(図７)等である。カンタル線、ニクロム線の場合はＷフィラメント(15a)のように気密密閉構造とする必要はない。炭素棒或いは炭素繊維帯体(炭素発熱源)利用のものの内、後者の炭素繊維帯体の場合は、例えば細い炭素繊維を不織布(フエルト)状に形成した筒体又は帯状体(或いは炭素繊維不織布を切断した物)である。

また、アウターバルブ(13)と発熱体(10)との間に必要に応じて設けられる乱流発生部材(R)は、中空パイプ(14)[図４の螺旋中空パイプも含む。]、ビーズ[又は、球体](22)或いは前述のようにアウターバルブ(13)の内面又は発熱体(10)の外面の少なくともいずれか一方に突設される突起(30)などであり、アウターバルブ(13)内を通流する被加熱流体(F1)に乱流を発生させるものである。

断熱部材(23)[又は遮熱材(或いは反射材)、前記部材には断熱・遮熱・反射機能を有するような部材(例えば、SiO₂から出来たロックウール状のもの)も含む。図中、いずれも(23)で示す。]は、アウターバルブ(13)の外周面全体(又は少なくともその直管部分)を覆うように配設されるものであるが、その材質は断熱部材(23)の場合、通常のガラスウール或いはロックウールのようなものであり、アウターバルブ(13)から外部への熱放射を防ぐ意味でアウターバルブ(13)の外周面に形成される。遮熱材[或いは反射材](23)の場合は、発熱源(10a)などから放射された赤外線を内側に反射する赤外線反射皮膜や、単なる金属板(反射面が鏡面の場合はより好ましい。)なども用いることができる。

遮熱材[(反射材)](23)である赤外線反射皮膜又は金属板をアウターバルブ(13)の外周面を覆うように設けた場合、発熱源(10a)からの赤外線が赤外線反射皮膜又は金属板により内方向に反射され、フィラメント(15a)等の発熱源(10a)を再加熱する。その結果、被加熱流体(F1)を所定の温度に上昇させるのに必要なエネルギーがそれだけ少なくなるので、発熱源(10a)に与える電力が抑制されエネルギー効率が向上する。

以下、第１実施例を図１に従って説明する。図１の発熱体(10)はハロゲンランプで、アウターバルブ(13)内にハロゲンランプ(10)が収納され、該発熱源(10a)であるフィラメント(15a)がハロゲンランプ(10)の中心線に沿って収納されている。発熱体(10)がハロゲンランプである場合、その外囲器(16)は耐熱ガラス(石英ガラス、ハードガラスなど)製で、フィラメント(15a)を収納したその直管部(16a)の両端に封止部(16b)が設けられている。封止部(16b)には金属箔(19)、前記金属箔(19)の両端にそれぞれスポット溶接された内部リード棒(18)、外部リード棒(20)にて形成された給電部材(17)が挿通されており、金属箔(19)と内・外部リード棒(18)(20)の溶接部分とその近傍部分が封止部(16b)内に埋設され、前記フィラメント(15a)に前記内部リード棒(18)の他端が接続されている。外囲器(16)内には、ハロゲンサイクルを生起させるための必要ガス・必要物質が充填されている。

フィラメント(15a)は前述のように直管部(16a)内に張設されているが、フィラメント(15a)が長尺の場合、フィラメント(15a)の弛みを防止するために適所にタングステンワイヤ製のサポート(21)が巻設され、直管部(16a)のセンターに保持されるようになっている。

アウターバルブ(13)は、太径の耐熱ガラスで形成されており、その両端が加熱して絞られており、ハロゲンランプである発熱体(10)の直管部(16a)の端部にその全周がそれぞれ気密的に融着されており、その一方の端部に被加熱流体(F1)の被加熱流体供給口(11)が設けられており、他方の端部に加熱された高温ガス(F2)排出(或いは噴出)用の排出口(12)がパイプ状にて設けられている。勿論、両者の接続は融着に限られず、フリットガラスのような融着機能を有するガラスを介在させて接着するようにしてもよい。このようにすることで、被加熱流体(F1)が通流するスペース(S)内はすべてガラスのみで形成されることになるため、被加熱流体(F1)内への微量不純物(コンタミネーション)の混入が防止される。

乱流発生部材(R)を使用する場合、当該乱流発生部材(R)が中空パイプ(14)の場合、直管(図１)[或いは螺旋管(図４)]など適宜なものが使用される。図１の中空パイプ(14)は直管で、前述のようにソーダガラス、耐熱性ガラス或いはセラミックスで形成されており、ハロゲンランプである発熱体(10)と前記アウターバルブ(13)との間のスペース(S)に密に長手方向に充填されている。中空パイプ(14)は細長い円筒状のものであるため、中空パイプ(14)間にも間隙が形成されることになる。また、中空パイプ(14)の長さは、発熱体(10)の直管部(16a)の長さよりやや短く、その両端と封止部(16b)との間に若干のスペースができるが、この部分にソーダガラス、耐熱ガラス或いはセラミックス製ビーズ[又は、球体](22)を充填するようにしてもよい。勿論、スペース(S)全体にセラミックス製ビーズ[又は、球体](22)を充填するようにしてもよい。前者の場合、中空パイプ(14)がアウターバルブ(13)内で移動しないようにするため、アウターバルブ(13)の一部を加熱してアウターバルブ(13)の内周面に中空パイプ(14)の外周面の一部を融着するようにしてもよい。融着箇所を(24)で示す。

しかして、発熱体(2)に通電して発熱体(2)を加熱すると共にアウターバルブ(13)に被加熱流体[空気或いは不活性ガス（例えば、窒素やアルゴンガス）](F1)を通し、前記発熱体(10)によって加熱し、高温ガス排出口(12)から高温ガス(F2)として排出(噴出)させる。この高温ガス(F2)はたとえば、前記発熱体(10)の石英ガラスや硬質ガラスのような耐熱性ガラス製直管部(16a)やアウターバルブ(13)及びソーダガラス、耐熱性ガラス或いはセラミックス製の中空パイプ(14)等の乱流発生部材(R)にのみに接触するので、排出(噴出)される高温ガス(F2)内にコンタミネーションが混入する恐れがない。なお、高温ガス(F2)の吹き出し温度は、非加熱対象によって異なるが、例えば、３００℃以上(通常は４００〜６００℃、場合によっては７００℃程度)に設定される。この場合、フィラメント(15a)は通常の点灯状態で使用されるため、その温度は千数百℃に昇温される。低温用としては通常のソーダガラスに利用も可能である。

次に本発明の第２実施例について説明する。第１実施例と同一の部分は同じ番号付してその説明を省略し、第１実施例と異なる部分を中心に説明する。第２実施例はシングルエンドタイプのハロゲンランプを発熱体(10)とするもので、その一方の封止部(16b)に口金(25)が無機接着剤により取り付けられており、さらに発熱体(10)の直管部(16a)を覆うようにアウターバルブ(13)が被せられ、直管部(16a)の基部に融着或いはフリットガラス接着にて取り付けられている。この場合のアウターバルブ(13)は一方の端部が半球状に形成されており、その頂部(或いは破線で示すようにその側頭部)に排出口(12)が設けられている。更に被加熱流体(F1)を供給する被加熱流体供給口(11)がアウターバルブ(13)の基部側側面に設けられている。

この場合も、前述同様、中空パイプ(14)の開口前方の空間に球体(22)を配設しておいてもよいし、アウターバルブ(13)の外周は断熱部材(23)[又は遮熱材(23)]により覆われることになる。第１実施例と同様、被加熱流体(F1)は中空パイプ(14)を通流中に加熱され、高温ガスとなって排出される高温ガス(F2)となって排出口(12)から吹き出される。なお、第２実施例はシングルエンドタイプのハロゲンランプを発熱体(10)とするものであるから、当然、封止部(16b)に一対の給電部材(17)が挿通されることになる。

図４は第３実施例で、前述同様、第１，２実施例と相違する点を中心に説明する。この場合は、中空パイプ(14)が螺旋状に発熱体(10)であるハロゲンランプの周囲に巻着されている例である。中空パイプ(14)束の開口は被加熱流体供給・排出口(11)(12)の近傍に位置しており、被加熱流体(F1)の一部が中空パイプ(14)束内を通流するようになっている。残りは中空パイプ(14)束の周囲を乱流状態に通流する。これにより、前記第１，２実施例に比べて通流時間が長くなることと通流中に乱流を生ずることから、より熱伝達効率が向上する。

図５は第４実施例で、前述同様、第１，２実施例と相違する点を中心に説明する。この場合は、フィラメント(15a)の代わりに炭素繊維の不織布状発熱部(15b)を用いた例である。炭素繊維不織布状発熱部(15b)は例えば細い炭素繊維を不織布(フエルト)状に形成した筒体又は帯状体で、フィラメント(15a)と同様、帯状体の場合、外囲器(16)の直管部(13a)内に配設されることになる。

前記発熱体(2)が炭素繊維体にて構成される場合、炭素繊維を主体とした不織布、マット状物または織布等の繊維集合材料を帯状に成形したものである。炭素繊維体を構成する炭素繊維の種類は特に限定されるものではないが、例示するならば、原料面から、天然繊維系炭素繊維（木綿等の天然繊維を原料とする）、ポリアクリル系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、フラン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維（異方性ピッチ，等方性ピッチまたは合成ピッチ等）およびポリビニルアルコール系炭素繊維等を挙げることができる。また、形態面から、ガラス状炭素繊維（ポリカルボジイミド系炭素繊維等）等を挙げることができ、分子構造面から、黒鉛質系炭素、非晶質系炭素あるいはこれらの中間的結晶構造を有する炭素および活性炭素繊維等を挙げることができる。

また、炭素繊維の繊維径も特に限定されるものではないが、発熱機能を有効に発揮させる観点からは、５〜２０μｍ程度であることが好ましく、より好ましくは７〜１５μｍ程度である。また、その密度も特に限定されるものではないが、優れた発熱機能を得るという観点からは、１.５ｇ／ｃｍ³程度あるいはそれ以下であることが好ましく、より好ましくは０.０１〜０.６ｇ／ｃｍ³である。このように密度を低くすると、炭素繊維体の見かけの体積が大きくなるので、遠赤外線量が多くなり、優れた発熱機能を得ることができる。

図６は前記石英ガラス製の外囲器(16)の代わりに、セラミックス製の外囲器(16)を使用した例で、セラミックス直管(162)の両端を栓体(163)にて閉塞し、無機接着剤にて接着するものである。アウターバルブ(13)も同様にセラミックスにて形成し、セラミックス直管(122)の両端を栓体(123)にて閉塞し、無機接着剤にて接着するようにしてもよいし、耐熱性ガラスの両端を絞ってセラミックス直管の両端に無機接着剤にて接着するようにしてもよい(図示せず)。この場合も当然断熱部材(23)が設けられる。

図７は前記発熱源(10a)としてカンタル線、ニクロム線のような金属発熱部材(15c)を花弁巻き状に形成した例である。

本発明のクリーンヒータは、被加熱流体と接触する部材が耐熱ガラス或いはセラミックスを使用しているので、被加熱流体内にコンタミネーションが混入することがなく、そのままの純粋な状態で加熱されて通流内管から噴出されることになり、半導体のような超クリーン高温ガスを必要とするような産業分野に有用である。

本発明の第１実施例(ダブルエンドタイプ)を示す断面図図１の断面図本発明の第２実施例(シングルルエンドタイプ)を示す断面図本発明の第３実施例(ダブルエンドタイプ)を示す断面図本発明の第４実施例の端部の断面図本発明の第５実施例の端部の断面図本発明の第６実施例の端部の断面図従来例の断面図

符号の説明

(A) クリーンヒータ
(F1) 被加熱流体
(10) 発熱体
(11) 被加熱流体供給口
(12) 高温ガス排排出口
(13) アウターバルブ
(14) 中空パイプ
(15a) フィラメント
(15b) 炭素繊維発熱部
(16a) 外囲器

Claims

(a)発熱源がガラス製外囲器にて覆われた発熱体と、
(b)前記発熱体を内蔵し、被加熱流体供給口と高温ガス排出口を有するガラス製アウターバルブとで構成されていることを特徴とするクリーンヒータ。
アウターバルブと発熱体との間のスペースに、アウターバルブ内の被加熱流体に乱流を発生させる乱流発生部材が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のクリーンヒータ。
アウターバルブの内周面又は発熱体の外周面の少なくともいずれか一方に突起が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクリーンヒータ。
アウターバルブの外周に断熱部材又は遮熱材の少なくともいずれかが更に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のクリーンヒータ。