JP3853781B2

JP3853781B2 - 燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置

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Publication number: JP3853781B2
Application number: JP2003394449A
Authority: JP
Inventors: 信一渡邊; 將司石原
Original assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Current assignee: Kokusai Electric Semiconductor Service Inc
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: KR20050050576A; KR100682709B1; TWI278590B; CN100357664C; KR20060127821A; CN101220958A; CN1641265A; TW200526903A; CN101220958B; KR100830029B1; JP2005156007A

Description

本発明は、半導体製造装置等から排出される排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させる燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置に関するものであり、特に可燃性ガスが水素Ｈ₂のときに好適に用いられる。

半導体製造装置や液晶製造装置などの製造装置から排出され排ガスには、危険な可燃性ガスが含まれていることが多いので、そのまま大気に放出することはできない。そこで、排ガス燃焼装置を使って、大気放出前に可燃性ガスを燃焼ヒータで燃焼させることが行なわれている。従来、この燃焼ヒータを備えた排ガス燃焼装置には、燃焼ヒータの種類に応じて、金属製ヒータによる着火・燃焼方式（例えば、特許文献１参照）と、電気スパークの着火・燃焼方式（例えば、特許文献２参照）とがある。

図４は金属製ヒータによる着火・燃焼方式を採用した排ガス燃焼装置を示す。金属製ヒータによる燃焼装置の構成は次の通りである。可燃性ガス導入管８、排気ダクト１１、及び空気取込口１２が設けられた燃焼室１４内に、金属製ヒータ１３が設けられる。金属製ヒータ１３は、金属製で熱を全周に伝えるケース１５と、このケース１５内に配設されて電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電熱材としての電熱ヒータ１６と、金属製ヒータ１３の温度を検知する熱電対５と、ケース１５内の空間を埋める絶縁物質１７とから構成される。燃焼室１４の外に設けられた温度コントローラ７によって、熱電対５で検知した金属製ヒータ１３の温度が所定温度に維持されるように、電熱ヒータ１６への電力が制御される。

排気ダクト１１からの吸引により空気取込口１２から大気（空気）が燃焼室１４内に取り込まれ、燃焼室１４内には空気が常時流れている状態にある。そこに着火用ガス配管２４から、制御された流量の水素（Ｈ₂）ガスを流し、金属製ヒータ１３の熱エネルギーにより大気中の酸素と反応させて水素を着火させる。着火後、可燃性ガス導入管８から排ガスを燃焼室１４内に流して大気中の酸素と混合させ、着火による燃焼炎１０及び熱源の熱エネルギーにより、排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させ、排ガスの燃焼処理を行なう。燃焼後の排気ガスは、排気ダクト１１から排出される。

図５は電気スパークの着火・燃焼方式を採用した排ガス燃焼装置を示す。基本的構成は、図２に示す金属製ヒータによる着火・燃焼方式と同じである。異なる点は、着火・燃焼を電熱ヒータではなく、電気スパークで行わせる点である。電気スパークの構成は、電圧を高める昇圧トランス２９にバーナ電極２８、２８が接続され、高電圧によりスパークさせるというものである。

空気が常時流れている燃焼室１４内に着火用ガス配管２４から水素（Ｈ₂）ガスを流し、電気的スパークのエネルギーにより大気中の酸素と反応させて水素を着火させる。着火後、可燃性ガス導入管８から排ガスを燃焼室１４内に流して大気中の酸素と混合させ、着火による燃焼炎１０により、排ガス中に含まれる可燃性ガスを燃焼させ、排ガスの燃焼処理を行なう。燃焼後の排気ガスは、排気ダクト１１から排出される。

なお、金属製ヒータ方式及び電気スパーク方式の両方式は、安全な燃焼を行なうために、図４、及び図５に示すように、着火用のガス設備を必要とする。着火ガスとして通常は水素（Ｈ₂）を用いる。着火用のガス設備の構成は、燃焼室１４に着火用ガス配管２４を接続して、この着火用ガス配管２４を通した水素（Ｈ₂）ガスを燃焼室１４に供給する。そのために、手動弁１８を介して配管２４内を流す水素（Ｈ₂）ガスに含まれている不純物をフィルタ１９で取り除き、圧力計２１を目視で監視しながら水素（Ｈ₂）ガス圧力を手動レギュレータ２０でコントロールし、さらにエアバルブ２２を介してマスフローコントローラ２３で流量制御している。
特開平７−３２３２１１号公報特開平６−１２９６２７号公報

上述した特許文献１の金属ヒータ方式では、高温燃焼による金属製ヒータの周壁の劣化や、高温燃焼による反応熱でケース内の電熱ヒータが断線し易く、使用温度範囲の高温側が制限されるという問題があった。また、ケースが金属製であるため電気的絶縁性が悪かった。また、電熱ヒータがケース内の絶縁物質に埋めこまれているため、電熱ヒータの断線が起きたとき、電熱ヒータの交換作業が非常に面倒であった。また、燃焼室には、可燃性ガス導入管の他に、温度コントローラへのケーブルや、着火用ガス配管を気密に接続しなければならないため、燃焼室の構造が複雑になっていた。

また、特許文献２の電気スパーク方式では、バーナ電極の劣化によって電気スパークされず、着火できないこともある。また、着火出来ない時に着火するまで電気スパークを繰り返すので、着火した時に可燃性ガスの濃度が異常に高い濃度に達していれば、不具合が生じるという問題があった。また、燃焼室には、可燃性ガス導入管の他に、昇圧トランスへのケーブルや、着火用ガス配管を気密に接続しなければならないため、燃焼室の構造が複雑になっていた。

また、金属製ヒータ方式及び電気スパーク方式に共通して言えることであるが、空気中の酸素が過剰に存在する場合には、低濃度の可燃性ガスの燃焼効率が悪い。また、着火後、燃焼炎が排気ダクトの吸引圧力変動によってふらつき、燃焼効率が不安定になる。また、必ず着火用のガス設備が必要となるため、設備費がかかるという問題があった。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解消して、ヒータが断線が少なく、使用温度範囲が広く、確実に着火させることが可能で、さらに着火用のガス設備を必要としない燃焼ヒータ及び排ガス燃焼装置を提供することにある。
また、本発明の課題は、さらに燃焼効率を安定させ、メンテナンスを簡単にすることが可能な排ガス燃焼装置を提供することにある。

第１の発明は、可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼ヒータであって、セラミックス製で筒状の電熱線ホルダと該電熱線ホルダの外周に巻かれた電熱線とからなるヒータ源と、前記ヒータ源に着脱自在に被せられる石英製で筒状のヒータキャップと、を備え、前記ヒータ源によって加熱されるキャップの外側で、前記可燃性ガスを着火・燃焼可能に構成したことを特徴とする燃焼ヒータである。
ヒータ源の電熱線ホルダ及びヒータキャップを耐熱性のセラミックスや石英で構成したので、燃焼ヒータの高温での使用が可能となり、可燃性ガスを確実に着火・燃焼させることができる。また、可燃性ガスを確実に着火できるようにしたので、着火設備が不要になる。
また、ヒータ源の電熱線ホルダ及びヒータキャップをセラミックスや石英で構成したので、高い電気的絶縁性を確保できる。
また、セラミックス製の電熱線ホルダに、セラミックスよりも軟化温度の高い石英製のヒータキャップが被せてあるので、可燃性ガスの燃焼によるヒータキャップの劣化が少なく、電熱線を有効に保護でき、電熱線の断線を少なくできる。
また、ヒータ源にヒータキャップが着脱自在に被せられているので、電熱線が断線しても、ヒータキャップをヒータ源から外すだけで、電熱線ホルダに対する電熱線の取り外し、取り付けができ、断線交換作業が容易である。

第２の発明は、第１の発明において、前記ヒータ源の温度を検出する温度検出センサと、前記ヒータキャップが被せられたヒータ源を支持するとともに、前記電熱線及び温度検出センサに接続される各リード線を挿通する筒状のヒータサポートと、前記筒状のヒータサポートと前記ヒータ源との間に設けられて、前記ヒータ源と前記ヒータサポートとを直線状に連結する高絶縁性の筒状のヒータホルダとを備えた燃焼ヒータである。
ヒータ源の電熱線からヒータサポートを介して外部にリード線を引き出すことができる。また、温度検出センサからも、ヒータサポートを介して外部にリード線を引き出すことができる。
また、ヒータ源にヒータサポートを連結しても、ヒータ源とヒータサポートの間に高絶縁性のヒータホルダを介在させるので、ヒータ源の電気絶縁性を高めることができる。
また、ヒータ源とヒータサポートとを直線状に連結するので、燃焼ヒータの取扱いが容易である。

第３の発明は、第２の発明において、前記ヒータキャップと前記ヒータホルダとの口径を略等しくし、前記ヒータ源の少なくとも下部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくし、前記ヒータサポートの少なくとも上部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくして、前記ヒータホルダの上部に前記ヒータ源の下部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、前記ヒータホルダの下部に前記ヒータサポートの上部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、前記ヒータ源に被せられた前記ヒータキャップが、前記ヒータホルダの上部開口端で係止されるようになっている燃焼ヒータである。
ヒータ源をヒータホルダにはめ、ヒータホルダにヒータサポートをはめることにより、ヒータ源からヒータホルダ、ヒータサポートを介して引出されるリード線が、その間、外部に露出しないようにしたので、リード線を外部雰囲気から保護できる。
また、ヒータ源をヒータホルダに連結具で連結し、ヒータサポートをヒータホルダに連結具で連結するようにしたので、ヒータ源をヒータサポートで確実に支持できる。
また、ヒータキャップはヒータ源に被せるだけで、ヒータホルダに係止されるので、ヒータキャップのヒータ源に対する取外し、取付けが容易である。

第４の発明は、排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の下部に設けられたガス導入口と、前記燃焼室に空気を取り込む空気取込口と、前記燃焼室の上部の前記ガス導入口と対向する位置に設けられ前記燃焼室を排気する排気口と、Ｌ字形に曲げられて先端部が前記ガス導入口から前記燃焼室内に挿入されて基端部側から前記排ガスを導入する可燃性ガス導入管と、前記可燃性ガス導入管の先端部に連結される筒状のヒータカバーと、前記ヒータカバー内にガス流路を確保して同軸的に挿入固定されて、前記ガス流路から供給される可燃性ガスを加熱するとともに、加熱された可燃性ガスと前記空気取込口から取り込まれる空気との混合ガスを燃焼させて燃焼炎を発生する請求項２または３に記載の燃焼ヒータと、前記可燃性ガス導入管のＬ字形のコーナ部を構成するＴ字形配管であって、前記Ｔ字形配管の主管の一端を前記可燃性ガス導入管の先端部側に連結し、前記主管の他端を開放し、前記Ｔ字形配管の枝管を前記可燃性ガス導入管の基端部側に連結したＴ字形配管と、前記燃焼ヒータのヒータサポートから外部に引き出した電熱線及び熱電対の各リード線と接続されて、温度検出センサで検出された温度が所定の温度になるように前記電熱線に供給される電力を制御する温度コントローラと、を備え、前記燃焼ヒータのヒータサポートを可燃性ガス導入管の先端部から挿入し、前記Ｔ字形配管の主管を貫通させて、前記主管の開放他端から外部に取り出したヒータサポートの下端を前記主管の開放他端に気密に固定することにより、前記燃焼ヒータを前記ヒータカバー内に前記ガス流路を確保して挿入固定するようにしたことを特徴とする排ガス燃焼装置である。

燃焼ヒータをヒータカバー内にガス流路を確保して挿入することにより、ガス流路を通る過程で可燃性ガスがヒータ源により十分加熱されるため、低濃度の可燃性ガスでも効率を良く燃焼できる。また、燃焼ヒータがヒータカバーによりカバーされているので、可燃性ガスの着火後、燃焼炎が排気ダクトの吸引圧力変動によってふらつくこともなく、燃焼効率が安定する。
また、可燃性ガス導入管のＬ字形のコーナ部をＴ字形配管で構成して、このＴ字形配管を用いて燃焼ヒータの取り付けと、電熱線及び温度検出センサのリード線の取出しとを行うようにしたので、燃焼ヒータの取り付け、取り外しが容易になり、メンテナンスも容易にできる。
また、可燃性ガス導入管のコーナ部にＴ字形配管を設け、このＴ字形配管に燃焼ヒータのヒータサポートを貫通させることにより、燃焼室のガス導入口からリード線を取り出せるようにしたので、燃焼室に専用のリード線取出用開口を設ける場合に比べて、メンテナンスを簡単にすることができる。
また、可燃性ガス導入管のＬ字形のコーナ部に設けたＴ字形配管の主管に同軸的に、燃焼ヒータのヒータサポータを固定するようにしたので、ヒータカバー内での燃焼ヒータの挿入固定が容易になる。
なお、第４の発明において、前記燃焼ヒータと前記排気口との間に筒状の冷却管を設けて、前記燃焼ヒータによって燃焼した可燃性ガスを冷却するようにすると、冷却された排ガスが大気に排出されるので、環境に悪影響を与えない。

第５の発明は、第４の発明において、前記ヒータカバーと前記ヒータ源に被せられたヒータキャップとの間隔は２〜２０ｍｍであり、前記ヒータカバー又は前記ヒータ源の全長は３０〜３００ｍｍであり、前記ヒータキャップの直径は１０〜２０ｍｍであることを特徴とする排ガス燃焼装置である。
本発明のように、各要素を上記のような寸法設定にすると、排ガス中に含まれる可燃性ガスをより効率良く燃焼できる。

第６の発明は、第４または第５の発明において、前記ヒータ源及び前記ヒータホルダがセラミックス製で、前記ヒータキャップが石英製であり、前記電熱線で加熱されるヒータ源の温度を６５０〜１２００℃としたことを特徴とする排ガス燃焼装置である。
電熱線ホルダやヒータキャップを耐熱性のセラミックスや石英で構成して、燃焼ヒータの温度を６５０〜１２００℃と高めるようにしたので、排ガス中に含まれる可燃性ガスをより効率良く燃焼できる。

本発明によれば、ヒータが断線が少なく、使用温度範囲が広く、確実に着火・燃焼させることができ、さらに着火用のガス設備を必要としないため、燃焼ヒータ及び装置を簡素化できる。
また、本発明によれば、さらに高効率な安定した燃焼を実現でき、メンテナンスを簡素化することができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１に実施の形態による燃焼ヒータの分解組立図を示す。燃焼ヒータ３０は、加熱源となる円筒状のヒータ源３２と、ヒータ源３２に被せられる有頭円筒形のヒータキャップ３１と、ヒータキャップ３１が被せられるヒータ源３２を支持する円筒状のヒータサポート４６と、ヒータ源３２とヒータサポート４６との間に設けられて、ヒータ源３２とヒータサポート４６とを直線的に連結する円筒状のヒータホルダ４１とから主に構成される。

上記ヒータ源３２は、高い電気絶縁性をもつ円筒状の電熱線ホルダ３３と、電熱線ホルダ３３の外周に巻かれた電熱線３４とから構成される。電熱線ホルダ３３の外周壁にらせん状の溝４５が切ってあり、その溝４５に埋めこまれるように、電熱線３４が電熱線ホルダ３３の外周に巻きつけられている。電熱線ホルダ３３の上部の開口端は、欠けを防止するために、面取りがしてある。電熱線ホルダ３３の下部の開口端の内周には、ヒータホルダ４１内に挿入可能なように、ヒータホルダ４１の内径と略等しい外径をもつ略リング状の突起３７を軸方向外方に設けてある。従って、このリング状突起３７の外周に、段差部４０が形成されることになる。この段差部４０は、ヒータホルダ４１の上部開口端と当接するようになっている。突起３７の一部には、さらに軸方向外方に向かう舌片状の延出部３８を設けてあり、この延出部３８に、ヒータホルダ４１と連結させるためのねじ孔３９が開けられている。

電熱線３４には、給電するための２本のリード線（図２の４８）が接続される。また、ヒータ源３２の温度を検出するための温度検出センサとしての熱電対３５が電熱線ホルダ３３の表面側に設けられ、この熱電対３５にも、検出信号を送るリード線（図２の４９）が接続される。
電熱線ホルダ３３は例えば耐熱性、高絶縁性のセラミックスで形成され、電熱線３４は例えばニクロム線で構成されている。したがってヒータ源３２は、中空のセラミックヒータを構成し、中空とすることにより、素速く昇温、降温できるようにしている。

上記ヒータキャップ３１は、上部が閉じ下部が開口した円筒形をしており、ヒータ源３２に被せられて、ヒータ源３２の主管を含めた外周を覆うようになっている。
上記ヒータサポート４６は、ヒータキャップ３１が被せられたヒータ源３２を支持する筒状体で構成される。ヒータサポート４６の上部側面に、ヒータホルダ４１と連結するためのねじ孔４７が設けられる。ヒータサポート４６は、ヒータ源３２を支持する機能を有するとともに、ヒータ源３２から延出したリード線を保護しつつ外部に引き出すための保護管の機能を有する。

ヒータホルダ４１は、筒状のヒータサポート４６とヒータ源３２との間に設けられて、ヒータサポート４６とヒータ源３２とを直線状に連結する高絶縁性の筒状体で構成される。ヒータホルダ４１の側面に、軸方向に沿ってヒータ源取付用のねじ孔４２と、ヒータサポート取付用のねじ孔４３とが設けられる。ヒータホルダ４１は、ヒータ源３２とヒータサポート４６とを連結する機能を有するとともに、ヒータ源３２の電気絶縁性を高める機能を有する。

上記ヒータキャップ３１の内径は、ヒータキャップ３１がヒータ源３２には被さるように、ヒータ源３２の外径と略等しくなるように設定される。ヒータキャップ３１とヒータホルダ４１との口径は、ヒータキャップ３１がヒータホルダ４１に当接して係止されるように、略等しく設定される。また、円筒状のヒータ源３２の外径は、ヒータホルダ４１の内径よりもやや大きくなるように設定される。また、ヒータサポート４６の外径は、ヒータホルダ４１内に挿入可能なように、ヒータホルダ４１の内径と略等しく設定される。

このような燃焼ヒータを組立てるには、ヒータ源３２の下部をヒータホルダ４１に挿入して、ヒータ源３２の延出部３８に設けたねじ孔３９と、ヒータホルダ４１の上部に設けたねじ孔４２とを合わせ、これらの合せたねじ孔４２、３９にねじ４４をねじこんで締めつけることにより、ヒータ源３２をヒータホルダ４１に取り付ける。

また、ヒータサポート４６の上部をヒータホルダ４１に挿入して、ヒータホルダ４１の下部に設けたねじ孔４３と、ヒータサポート４６の上部に設けたねじ孔４７とを合わせ、これらの合せたねじ孔４３、４７にねじ４４をねじこんで締めつけることにより、ヒータサポート４６をヒータホルダ４１に取り付ける。

このようにしてヒータ源３２にヒータホルダ４１を介してヒータサポート４６を直線状に連結した後、ヒータ源３２にヒータキャップ３１を被せる。ヒータ源３２に被せられたヒータキャップ３１は自重でヒータ源３２に沿って降りていき、ヒータホルダ４１の上端開口部で係止される。これによりヒータ源３２の上部を含めた外周は、ヒータキャップ３１に覆われて、燃焼時に発生する水滴や、燃焼炎の熱源から電熱線３４が保護される。

燃焼ヒータの組立完成図を図２に示す。ヒータ源３２及び熱電対のリード線４８及び４９は、ヒータ源３２からヒータホルダ４１及びヒータサポート４６内の空間を通してヒータサポート４６の下端開口より引き出される。

図３は上述した燃焼ヒータを組込んだ排ガス燃焼装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部拡大図である。排ガス燃焼装置は、可燃性ガスを含む排ガスを燃焼させる燃焼室５２を形成する燃焼容器５１と、燃焼室５２内に設けられて、可燃性ガスを着火させるとともに燃焼させるための熱エネルギーを放出する燃焼ヒータ３０と、検知温度に基づいて燃焼ヒータ３０を制御する制御部としての温度コントローラ６５とを主に備える。

燃焼容器５１は、例えばステンレスなどの耐熱性部材で構成され、内部に形成した燃焼室５２で可燃性ガスを着火・燃焼させるようになっている。燃焼室５２の下部にガス導入口５３が設けられる。このガス導入口５３より燃焼室５２内に可燃性ガス導入管５８が挿入されている。可燃性ガス導入管５８は一端部が上方にＬ字形に曲げられて、先端部がガス導入口５３より燃焼室５２内に挿入され、可燃性ガス導入管５８の他端部は、図示しない半導体製造装置の排気口と連結されて、半導体製造装置から排出される可燃性ガスを含む排ガスを燃焼室５２内に導入するようになっている。ここで、半導体製造装置から排出される可燃性ガスとして、例えば、Ｈ₂ガスが挙げられる。
可燃性ガス導入管５８のＬ字形のコーナ部は、燃焼ヒータ３０を取り付けるために、主管５９ａと枝管５９ｂとを有するＴ字形配管５９で構成している。Ｔ字形配管５９の主管５９ａの一端を可燃性ガス導入管５８の先端部側に連結し、主管５９ａの他端を開放し、Ｔ字形配管５９の枝管５９ｂを可燃性ガス導入管５８の基端部側に連結している。

燃焼室５２の上部のガス導入口５３に対応する位置に排気ダクト５５が設けられ、可燃性ガスを燃焼した排ガスを含む燃焼室５２内の雰囲気を大気中に放出するようになっている。また、可燃性ガス導入管５８が挿入された燃焼室５２下部のガス導入口５３の外周に、複数の空気取込口５４が設けられ、燃焼室５２の外部から燃焼室５２内に大気（空気）を取り込めるようになっている。

燃焼室５２の底部に設けたガス導入口５３の上に、上述した燃焼ヒータ３０が軸方向を垂直にして取り付けられている。その取付け方法は、燃焼ヒータ３０を燃焼室５２に持ち込み、燃焼ヒータ３０の下部を構成するヒータサポート４６を、可燃性ガス導入管５８の先端部から可燃性ガス導入管５８内に挿入し、Ｔ字形配管５９の主管５９ａを貫通させて、ヒータサポート４６の下端を主管５９ａの開放他端から取り出す。取り出したこのヒータサポート４６の下端にフランジ６８を設けて、Ｔ字形配管５９の主管５９ａの下端開口を塞ぎ、Ｏリング６１でＴ字形配管５９内を密閉する。

このようにして燃焼ヒータ３０を燃焼室５２の底部中央に取り付けた後、燃焼ヒータ３０のヒータ源３２を囲むように、ヒータカバー５６を同軸的に取り付ける。このヒータカバー５６は、セラミックス製の円筒で構成されて、燃焼炎６２のふらつきや、燃焼効率の不安定さを防止する機能を有する。ヒータカバー５６は、燃焼室５２のガス導入口５３から挿入される可燃性ガス導入管８の導出口に接続される。可燃性ガス導入管５８の接続口径は例えばＮＷ２５とし、導出口に設けた段付き溝４５にヒータカバー５６の中空の導入口を嵌めることによって接続させる。嵌合部はねじ６２ａでねじ止めし、これによりヒータカバー５６を可燃性ガス導入管８に固定する。

ヒータカバー５６とヒータキャップ３１を被せた燃焼ヒータ３０との隙間に可燃性ガスが流れるガス流路６０を形成する。
また、燃焼室５２内の燃焼ヒータ３０と排気ダクト５５との間の空間に、燃焼炎６２を覆う円筒状の冷却管５７を設ける。この円筒状の冷却管５７には、図示しないが水冷ジャケットが設けられ、冷却管５７内で燃焼した可燃性ガスを低温に冷却するようになっている。このように冷却したガスを排気ダクト５５から大気中に放出することにより大気環境を乱さないにしている。

また、ヒータサポート４６の下端から出ている２本のリード線４８及びリード線４９は、燃焼室５２の外部に設けられた温度コントローラ６５に接続される。温度コントローラ６５は、ヒータ源３２の温度が設定温度になるように、熱電対３５の検知温度に基づいて、電熱線３４へ供給する電力を制御するようになっている。温度コントローラ６５によって制御されるヒータ源３２の設定温度は６５０〜１２００℃の範囲が適当である。６５０℃未満の場合には、燃焼が不完全になり、Ｈ₂とＯ₂とが反応しない。したがって、６５０℃は最低温度である。また、１２００℃を超える温度を作る熱源やその温度に耐える燃焼室構造を実現するのが難しい。したがって、構造上の使用最高温度は１２００℃である。

以下、この排ガス燃焼装置の動作について説明する。
排気ダクト５５に接続した図示しない排気設備により、燃焼室５２内の雰囲気を排気ダクト５５を通して吸引して、燃焼室５２の下部に設けた空気取込口５４から燃焼室５２内に大気を取り込むことにより、燃焼室５２内を常時空気が流れるようにする。

ヒータ源３２の電熱線３４に電流を流し、温度コントローラ６５による制御によって、燃焼ヒータ３０のヒータ源３２を、前述した設定温度になるように加熱する。加熱温度は、可燃性ガス導入管５８から導入されて大気と混合される可燃性ガスが、水素などの着火ガスを必要とすることなく、直接着火するのに十分な温度とする。

燃焼ヒータ３０の加熱後、可燃性ガス導入管５８のバルブ（図示せず）を開いて、図示しない半導体製造装置の排気口と可燃性ガス導入管５８とを連通させて、半導体製造装置から排出される排ガスを可燃性ガス導入管５８に導入する。ヒータ源３２の外側に設けたガス流路６０を通過する可燃性ガスを含む排気ガスは、燃焼室５２の底部に設けた空気取込口５４から引き込まれる空気と、ガス流路６０の出口である燃焼ヒータ３０の頂部で混合されて、燃焼反応が起き、着火して燃焼する。可燃性ガスは、ガス流路６０を通過する際、温度コントローラ６５によって制御された燃焼ヒータ３０によって熱エネルギーをもらって燃焼温度に高められる。このため、着火装置を別個に要することなく、可燃性ガスは燃焼ヒータ３０の頂部で燃焼反応が起き、着火して燃焼する。また、燃焼ヒータ３０はヒータカバー５６で覆われており、それらの間に形成されたガス流路６０を可燃性ガスが通過する際に、可燃性ガスは燃焼ヒータ３０によって十分に加熱されるので、燃焼室５２内の空気中の酸素が過剰に存在する場合であっても、排気ガスに含まれ可燃性ガスが低濃度でも効率良く燃焼できる。

特に、燃焼ヒータ３０の外周にヒータカバー５６を設けているので、排気ダクト５５の吸引圧力変動があっても、燃焼炎はふらつきがなく、排気ガスに含まれる可燃性ガスが低濃度でもガス燃焼効率が安定し、低濃度でも効率良く燃焼できる。

具体的には、図６に、実施の形態の燃焼ヒータ、従来例の電気スパーク、金属製ヒータを用いて、可燃性ガスＨ₂と不燃性ガスＮ₂との混合ガスを燃焼処理したときの燃焼効率データを比較して示し、参考までに燃焼処理しないときの未処理データも示した。横軸は可燃性ガス導入管５８から可燃性ガス導入方向に流した水素（Ｈ₂）と窒素（Ｎ₂）の混合比（Ｈ₂／（Ｈ₂＋Ｎ₂）％）を示し、縦軸は排気ダクト５５部で測定したＨ₂残留濃度（ｐｐｍ）を示している
。

ここで、図６のデータを取得したときの実施の形態による条件は、
燃焼ヒータとヒータカバーとの隙間：６ｍｍ
燃焼ヒータの全長：１５０ｍｍ
設定温度：９００℃
排ガスの可燃性ガスＨ₂と不燃性ガスＮ₂との混合ガス流量：９０Ｌ／ｍｉｎとした。
また、電気スパーク、金属製ヒータでは、熱源の温度は９００℃とした。

電気スパークを用いたときは、Ｈ₂残留濃度は、混合比２５％以上の混合ガスでは十分に燃焼するので低い値だが、２５％未満の低い混合比の場合は、未燃焼の割合が高まるので、Ｈ₂残留濃度は高い値を示し、そのまま未燃焼ガスは排気ダクト５５から排出されてしまう。したがって低濃度Ｈ₂の燃焼効率が悪く、安全性の問題があった。
また、金属製ヒータを用いたときは、Ｈ₂残留濃度は、混合比２０％以上の混合ガスでは十分に燃焼するので低い値だが、２０％未満の低い混合比の場合は、未燃焼の割合が高まるので、Ｈ₂残留濃度は高い値を示し、そのまま未燃焼ガスは排気ダクト５５から排出されてしまう。したがって低濃度Ｈ₂の燃焼効率が悪く、安全性の問題があった。
これに対して、実施の形態の燃焼ヒータを用いたときは、Ｈ₂残留濃度のピークは、混合比１０％付近となり、高効率で燃焼させることができる。Ｈ₂残留濃度のピークは、電気スパーク式のものでは１０００ｐｐｍ、金属製ヒータでは７００ｐｐｍであったが、燃焼ヒータは４００ｐｐｍと従来の熱源より２／５〜４／７に低下し燃焼効率が著しく向上した。したがって、低濃度Ｈ₂の燃焼効率が良好となり安全性の問題は解消された。

上述したように実施の形態によれば、ヒータ源３２で高温加熱されるガス流路６０内で可燃性ガスを加熱し、ガス流路６０の出口で空気と混合して燃焼させるようにしたので、水素などの助燃ガスを用いる着火設備なしで、ダイレクトに排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させることができる。したがって、大気以外の助燃ガスや着火設備が不要となるので、装置構成を大幅に簡素化できる。

また、電熱線ホルダ３３の外周に電熱線３４を巻くようにしたので、電熱線ホルダ３３の内周に電熱線３４を巻くものと比べて、燃焼ヒータ３０を小型化できる。また、電熱線ホルダ３３の外周に電熱線３４を巻くので、巻回作業が容易である。また、電熱線ホルダ３３の外周に設けたらせん溝４５に電熱線３４を巻くので、電熱線３４が電熱線ホルダ３３の外周に露出しないようにすることができる。さらに、電熱線ホルダ３３の外周をヒータキャップ３１で覆うようにしたので、電熱線３４をさらに保護でき、また電熱線３４で加熱された電熱線ホルダ３３を有効に保温できる。また、電熱線ホルダ３３とヒータカバー５６との間のガス流路６０で可燃性ガスを着火温度にまで高めることができるので、加熱された可燃性ガスが空気ないし酸素と合流するヒータキャップ３１の頂部で、確実に可燃性ガスを着火・燃焼させることができる。

また、実施の形態では、ヒータ源３２の電熱線ホルダにセラミックスを使用しているので、高い電気絶縁性を実現することができ、漏電を有効に防止できる。また、ヒータ源３２を覆うヒータカバー５６に、セラミックスよりも軟化性の高い石英を使用しているので、ヒータキャップに亀裂やひびが入りにくく、電熱線を水滴や燃焼炎から、より有効に保護することができる。

また、ヒータキャップ３１及び電熱線ホルダ３３を構成する材料として、石英及びセラミックスを用いたことにより、燃焼によるヒータキャップ３１及び電熱線ホルダ３３の内外周壁の劣化が少なく、しかも電熱線３４が燃焼炎６２や内部雰囲気に直接露出していないので、燃焼による反応熱の中でも電熱線３４を有効に保護できる。
また、燃焼された可燃性ガスが冷却管５７により冷却されて水蒸気状になり、冷却管５７の内壁面に接触し水滴となり、排気圧力のふらつきにて飛散し、ヒータキャップ３１上に水滴が落下して接触することがある。この水滴の接触によりヒータキャップ３１の表面温度が急激に変化しても、ヒータキャップ３１の材質が石英なので、セラミックスを使用した際に発生するような亀裂または、ヒビなどを防げるので、ヒータキャップ３１内部にある電熱線３４を水滴による断線及び漏電から有効に保護できる。

また、ヒータ源３２からヒータキャップ３１を容易に取り外しできるので、メンテナンスが容易である。特に電熱線６が断線した場合は、燃焼ヒータ３０全体を交換することなく、ヒータ源３２からヒータキャップ３１を取り外し、新しい電熱線３４を電熱線ホルダ３３の外周に巻き直すだけで容易に修理が可能になる。
具体的には、電熱線３４が断線した時の処置は、可燃性ガス導入管５８のＴ字形配管５９にフランジ６８で固定していた燃焼ヒータ３０を取り外す。そして、ヒータキャップ３１をヒータ源３２の上方に沿って移動してヒータ源３２から取りはずし、断線した電熱線３４をヒータ源３２のらせん溝４５から取り除いて、新しい電熱線３４をヒータ源３２のらせん溝４５に巻き付けて、ヒータキャップ３１をヒータ源３２の上から被せて取り付ける。ヒータ源３２にヒータキャップ３１を被せて燃焼ヒータ３０を形成したら、これを可燃性ガス導入管５８のＴ字形配管５９に取り付ける。このようにワンタッチ的で燃焼ヒータ３０を可燃性ガス導入管５８から取り外したり取り付けたり、又はヒータキャップ３１をヒータ源３２から取り外したり、取り付けたりすることができるので、電熱線３４の断線交換作業が容易で簡単にでき、メンテナンスが容易となる。

また、このような中空のセラミックヒータを用いた燃焼ヒータは、断熱性を維持するためにヒータ形状を小さくできる。熱電対３５を設けた円筒形セラミック材の厚みも、電熱線３４を外周に巻いているので、さほど厚くならない。したがって、燃焼装置が大型化するのを回避でき、設置スペースも小さくすみ、半導体製造装置が設置されるクリーンルームのコスト増を防ぐことができる。
また、燃焼ヒータ３０を可燃性ガス導入管５８の内部に取付けるようにして、可燃性ガス導入管５８からリード線４８、４９を外部に取り出せるようにしたので、燃焼室５２に専用のリード線取出用開口を設ける場合に比べて、メンテナンスを容易に行うことができる。
また、セラミックヒータを燃焼室５２内に取り付けるに当たって、筒状ヒータ源３２のヒータサポート４６を、可燃性ガス導入管５８に取付けたＴ字形配管５９にフランジ６８で固定するだけでよく、その取付けも容易である。
また、ヒータ源３２の溝４５の深さや溝数を変更することで、電熱線３４の線径や巻き数により、条件の異なる様々な排ガスの燃焼に適用できる。

ここで、燃焼ヒータを構成する各部品の寸法例を説明すれば、燃焼ヒータ３０の構造上、製作可能な最低直径寸法が１０ｍｍであり、実施の形態の燃焼ヒータ３０を使用するときの構成上の最大直径寸法が２０ｍｍとなるので、燃焼ヒータ３０は、直径１０〜２０ｍｍである。また、可燃性ガス最大流量と燃焼ヒータの直径寸法との関係から燃焼効率が、最も効果が発揮できるのは、燃焼ヒータの全長が、３０〜３００ｍｍである。
可燃性ガス最大流量と燃焼ヒータの直径寸法との関係から燃焼効率が、最も効果が発揮できるのは、ヒータカバー５６と燃焼ヒータ３０との間隔（ガス流路６０の幅）が、２〜２０ｍｍであり、ヒータカバーの全長が、３０〜３００ｍｍである。可燃性ガスと不燃性ガスとの混合流量は、５〜２００Ｌ／ｍｉｎで使用される。
また、温度コントローラ６５によって、制御する温度は、６５０〜１０００℃に設定する。

なお、本発明の実施の形態では、ヒータ源３２の形状を円筒形としたが、この形状に限定されず、例えば六角形や八角形などの多角形としてもよい。また、実施の形態では、空気取込口５４を燃焼室５２の底部に設けたが、燃焼室５２の外周部、又は燃焼室１の底部及び外周部の両方に設けてもよい。外周部にも設ける場合には、外周部に設ける空気取込口を燃焼ヒータ頂部に対応する位置に設けるとよい。

また、実施の形態では、ヒータカバーに空気孔を設けていないが、ヒータカバーに空気孔を設けるようにしてもよい。これによれば、可燃性ガスをガス流路内で空気と混合して燃焼させることができる。空気孔から導入される空気量では酸素濃度が不十分で燃焼しきれなかった水素濃度の高い可燃性ガスは、ガス流路内よりも酸素濃度の高い燃焼室内の燃焼ヒータの頂部で燃焼させることができる。

実施の形態による燃焼ヒータの分解・組立図である。実施の形態による燃焼ヒータの組立完成図である。実施の形態による排ガス燃焼装置の説明図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は燃焼ヒータの要部断面図である。従来例の耐熱性金属の円筒形の実施例図部分断面図である。従来例の電気スパークの着火・燃焼方式の実施例図部分断面図であり、（ａ）は正面実施例図部分断面図、（ｂ）側面実施例図部分断面図である。実施の形態と従来例とを比較した燃焼効率図である。

符号の説明

３０燃焼ヒータ
３１ヒータキャップ
３２ヒータ源
３３電熱線ホルダ
３４電熱線
４１ヒータホルダ
４４ねじ（連結具）
４６ヒータサポート

Claims

可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼ヒータであって、
セラミック製で筒状の電熱線ホルダと該電熱線ホルダの外周に巻かれた電熱線とからなるヒータ源と、
前記ヒータ源に着脱自在に被せられる石英製で筒状のヒータキャップと、
前記ヒータ源によって加熱されるキャップの外側で、前記可燃性ガスを着火・燃焼可能に構成し、前記ヒータ源の温度を検出する温度検出センサと、
前記ヒータキャップが被せられたヒータ源を支持するとともに、前記電熱線及び温度検出センサに接続される各リード線を挿通する筒状のヒータサポートと、
前記筒状のヒータサポートを直線状に連結する高絶縁性の筒状のヒータホルダとを備え、
前記ヒータキャップと前記ヒータホルダとの口径を略等しくし、
前記ヒータ源の少なくとも下部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくし、
前記ヒータサポートの少なくとも上部外径を前記ヒータホルダの内径と略等しくして、
前記ヒータホルダの上部に前記ヒータ源の下部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、
前記ヒータホルダの下部に前記ヒータサポートの上部をはめて前記ヒータホルダに連結具で連結し、
前記ヒータ源に被せられた前記ヒータキャップが、前記ヒータホルダの上部開口端で係止されるようになっている燃焼ヒータ。
排ガス中に含まれる可燃性ガスを着火・燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の下部に設けられたガス導入口と、
前記燃焼室に空気を取り込む空気取込口と、
前記燃焼室の上部の前記ガス導入口と対向する位置に設けられ、前記燃焼室を排気する排気口と、
Ｌ字形に曲げられて先端部が前記ガス導入口から前記燃焼室内に挿入されて基端部側から前記排ガスを導入する可燃性ガス導入管と、
前記可燃性ガス導入管の先端部に連結される筒状のヒータカバーと、
前記ヒータカバー内にガス流路を確保して同軸的に挿入固定されて、前記ガス流路から供給される可燃性ガスを加熱するとともに、加熱された可燃性ガスと前記空気取込口から取り込まれる空気との混合ガスを燃焼させて燃焼炎を発生する燃焼ヒータと、
前記可燃性ガス導入管のＬ字形のコーナ部を構成するＴ字形配管であって、前記Ｔ字形配管の主管の一端を前記可燃性ガス導入管の先端部側に連結し、前記主管の他端を開放し、前記Ｔ字形配管の枝管を前記可燃性ガス導入管の基端部側に連結したＴ字形配管と、
前記燃焼ヒータのヒータサポートから外部に引き出した電熱線及び熱電対の各リード線と接続されて、温度検出センサで検出された温度が所定の温度になるように前記電熱線に供給される電力を制御する温度コントローラと
を備え、
前記燃焼ヒータのヒータサポートを可燃性ガス導入管の先端部から挿入し、前記Ｔ字形配管の主管を貫通させて、前記主管の開放他端から外部に取り出したヒータサポートの下端を前記主管の開放他端に気密に固定することにより、前記燃焼ヒータを前記ヒータカバー内に前記ガス流路を確保して挿入固定するようにしたことを特徴とする排ガス燃焼装置。
前記ヒータカバーと前記ヒータ源に被せられたヒータキャップとの間隔は２〜２０ｍｍであり、前記ヒータカバー又は前記ヒータ源の全長は３０〜３００ｍｍであり、前記ヒータキャップの直径は１０〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の排ガス燃焼装置。
前記ヒータ源及び前記ヒータホルダがセラミックス製で、前記ヒータキャップが石英製であり、前記電熱線で加熱されるヒータ源の温度を６５０〜１２００℃としたことを特徴とする請求項２または３に記載の排ガス燃焼装置。