水分発生用反応炉とこれを用いた水分発生供給装置
【課題】 水分発生反応炉において、反応炉本体の放熱特性を高めることにより、限られた体積容量の水分発生反応炉でもって水分発生量を安全に倍増できるようにする。
【解決手段】 反応炉本体内へ供給した水素と酸素を白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定する。
【解決手段】 反応炉本体内へ供給した水素と酸素を白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として半導体製造装置において使用される水分発生用反応炉と、これを用いた水分発生供給装置に関するものであり、シリコンの酸化膜付け用水分の発生及び供給やプロセスチャンバーから排出される水素の除去処理等に用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置では、従前から図１５に示すような構造の水分発生用反応炉が多く利用されている。
即ち、図１５において、Ａは反応炉本体、Ｂは温度制御装置、Ｈ2 は水素ガス、Ｏ2 は酸素ガス、Ｇは混合ガス、Ｗは水分ガス、Ｌは間隙、Ｖは内部空間、αは反射体外周縁部のテーパ角、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３ａ、３ｂは反射体、４は反射体固定ボルト、５はスペーサ、６はバリヤ皮膜７とその外表面に設けた白金皮膜８から成る白金コーティング触媒層、９は入口側炉本体部材の内表面に設けたバリヤ皮膜、１０は反射体の外表面に設けたバリヤ皮膜、１１は溶接箇所、１２はシース型温度計取付孔、１３はヒータ、１４はヒータ押え、１５は冷却器、１５ａは冷却用フイン、１５ｂは基板である。
【０００３】
水素ガスＨ2 と酸素ガスＯ2 の混合ガスＧは、ガス供給口１ａから内部空間Ｖへ供給され、出口側炉本体部材２の内表面に設けた白金コーティング触媒層に触れることにより、その触媒作用によって水素及び酸素の反応性が活性化される。活性化された水素と酸素は水素の燃焼温度以下の雰囲気内で爆発的な燃焼反応ではない適宜の速度で反応をし、生成された高純度の水分ガスＷが水分ガス取出口２ａより流出して行く。
【０００４】
而して、前記水素と酸素の反応性を活性化して両者の安定した反応を維持するためには、反応炉本体Ａの内部空間Ｖの温度を少なくとも２００℃以上に上昇させる必要がある。そのため、出口側炉本体部材２の外側面にヒータ１３を設け、反応炉本体Ａの起動時には当該ヒータ１３により反応炉本体Ａを加熱する。尚、図１６は反応炉本体Ａの温度と水素・酸素反応率の関係を示すものであり、反応炉本体の温度が約２００℃を越えると、水素・酸素の反応率は、両者の混合比に拘わらず略９８％以上の値となる。
【０００５】
前記水素と酸素の反応が進行すると、反応炉本体Ａは反応熱により加熱され、その温度が順次上昇する。
一方、前記水素と酸素の爆発的な燃焼反応を抑制するには、反応炉本体Ａの内部空間温度は、水素ガスＨ2 （又は水素含有ガス）の最低限界着火温度（約５６０℃、Ｈ2 とＯ2 の混合比に応じて限界着火温度は５６０℃より上昇する）より低い温度（例えば４００℃〜４５０℃に保持する必要がある。
【０００６】
そのため、従前のこの種水分発生反応炉では、反応炉本体Ａ内へ供給する混合ガスＧの流量（即ち、水分ガスＷの発生量）を制限したり、冷却器１５の冷却性能を高めたり、或いは反応炉本体Ａの熱容量を増加したりする対策が採られており、またこれ等の対応を採ることにより、この種の水分発生反応炉は高純度の水分ガスを安価に、しかも安定して連続供給することが可能となり、多数実用に供されている。
【０００７】
一方、近年半導体製造装置の分野においては、水分発生装置の小型化と水分発生量の増大に対する要求が一層高まる傾向にあり、例えば、ウエハの大口径化が一層進む方向に進んでおり、それぞれのプロセスの処理に必要となる水分量についても増加する傾向にあるため、従前と略同一の体積容量の水分発生装置でもって、水分発生量を現在以上に増大することが、現実に要請されている。
【０００８】
しかし、半導体製造装置の小型化に対する要請から、水分発生装置についても、その体積容量に厳しい制約が加えられている。
その結果、冷却用ファンの大型化によって反応炉本体Ａの冷却性能を高めることは殆ど不可能で、許容されるのは、冷却器１５の放熱フイン１５ａの高さ寸法やその数を若干増加することが出来る程度の改良である。
同様に、発生反応炉本体Ａの大型化も前記体積容量の制約の点から著しく困難であり、例えば、１０ＳＬＭ以上の大流量の水分発生用の反応炉本体Ａとして許される構造上の寸法は、従前の最大水分発生量が５ＳＬＭの水分発生反応炉（外径２２８ｍｍ、厚さ３７ｍｍ、冷却フイン高さ２５ｍｍ）の場合の寸法と略同じ値になりつつある。
【０００９】
そのため、従前の図１５に示した構造の冷却器１５を備えた反応炉本体Ａでは、その冷却器１５を含めた体積容量に対する制約の点から水分発生量の倍増に対する要請に全く対応することが出来ず、安全且つ簡単に水分発生量の増加が図れないと云う問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−４８５０１
【特許文献２】国際公開 ＷＯ−０１／９４２５４Ａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明は、従前のこの種水分発生反応炉における上述の如き問題、即ち水分発生装置の体積容量に対する制約から反応炉本体の大型化や冷却ファンによる冷却能力の大幅なアップを図ることが出来ず、結果として水分発生量の増加に対応できないと云う問題を解決せんとするものであり、冷却器の形態とその反応炉本体の取付け構造に改良に加えることにより、冷却器の体積容量の大幅な増加を招くことなしに反応炉本体からの放熱を促進させ、略同一の体積容量の反応炉本体でもって水分発生量の倍増を可能にした水分発生反応炉を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者等は、先ず従前の図１５に示した構造の反応炉本体（外径２２８ｍｍ、厚さ３７ｍｍ、冷却フイン高さ２５ｍｍ）を用いて、反応炉本体Ａそのものの冷却性能の向上を図ることにより前記発生水分量の倍増に対する要請に対応することを着想した。
即ち、冷却ファンの大型化等を図ることなしに、許容されている冷却フイン１５ａに対する若干の構造の変更のみによって、冷却ファンの停止時に於ける反応炉本体の温度を約４５０℃以下に押えることを主目標にして、反応炉本体Ａの冷却器１５の構造とその冷却性能について各種の改造並びに試験を繰り返した。
【００１３】
先ず、図１７乃至図２０に示す如く、放熱フイン１５ａの高さが２５ｍｍの冷却器１５を有する反応炉本体Ａと、６０ｍｍの高さの冷却器１５を有する反応炉本体Ａとを製作し放熱フイン１５ａの高さを変化した場合の冷却器１５の冷却性能を調査した。
尚、反応炉本体Ａは、外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍであり、また図１７の場合の放熱フイン１５ａの容積合計は２６８ｃｍ3 、表面積合計は０．１９８４ｍ2 、図１９の場合の放熱フイン１５ａの容積合計は５４８ｃｍ3 、表面積合計０．４４３０ｍ2 、であった。
更に、冷却ファン（図示省略）にも若干改良を加え、図１７における風量２．７ｍ3 ／ｍｉｎを図１８では６．０ｍ3／ｍｉｎに向上させている。
【００１４】
尚、前記放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ（図１９，図２０）は、前記反応炉本体Ａの体積容量の制約から決まる値であり、フイン１５ａの高さを６０ｍｍ以上とすると、反応炉本体Ａの体積容量が限界値を越えると共にヒータの必要ワット数が増大することになる。
同様に冷却ファンの方も、風量が６．０ｍ3／ｍｉｎ以上の容量のものは箱体排気量の制約から使用が困難なため、容量が６．０ｍ3／ｍｉｎ以内のものを使用している。
【００１５】
図２１及び図２２は前記図１９及び図２０の反応炉本体Ａを搭載した水分発生装置の一例の概要を示すものであり、外形寸法（体積容量）は幅Ｗ３８０ｍｍ×奥行Ｄ３８０ｍｍ×高さＨ５３３ｍｍに設定されている。
また、図２１及び図２２に於いて、Ａは反応炉本体、１５ａは放熱フイン、１８はファン、１７はＨ2 センサである。尚、ファン１８の取付位置は箱体の構造により適宜に変更され、例えば図２１の前面側に配置したものもある。
【００１６】
図２３は、前記図１７乃至図２０に記載の反応炉本体Ａにおける水分発生量と反応炉温度の関係を示す線図であり、ファン１８をオフにした場合には７ＳＬＭの水分発生量で４３０℃（フイン高さ２５ｍｍの場合）及び８ＳＬＭで４２０℃（フイン高さ６０ｍｍの場合）となり、放熱フイン１５ａの高さを許容限度高さ（約６０ｍｍ）にしてもファン停止時の最高温度４５０℃以下、水分発生量１０ＳＬＭの達成が困難なことが判明した。
【００１７】
また、本願発明者等は、前記図２３の試験結果の解析から放熱フイン１５ａの高さ寸法の増加による反応炉本体最高温度の低減が極端に低いことを見出した。
そして、その結果から放熱フイン１５ａからの自然放熱を促進させるには、反応炉本体Ａから放熱フイン１５ａへの伝熱特性を改善する必要があることを知見した。
即ち、図１５に示すように、出口側炉本体部材２の外表面の略前面に亘って面状ヒータ１３を配設し、ヒータ押え１４を介して冷却器１５をその外方に取り付けする構成とした場合には、面状ヒータ１３を保護するための硬質マイカにより反応炉本体Ａから冷却器１５への熱伝達が抑制され、これによって冷却器１５が十分に冷却機能を達成していないことが判明した。
【００１８】
本願発明は、上述の如き知見を基にして創作されたものであり、面状ヒータ１３を冷却器１５の基板１５ｂを挿通せしめて炉本体部材の中央部分のみに配設すると共に、反応炉本体Ａの外周縁部分のみに放熱フイン付きの冷却器１５を直接固着することにより、より高い反応炉本体Ａからの熱放散を可能としたものである。
【００１９】
即ち、本願請求項１の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを対向させて組み合せて形成した内部空間を有する反応炉本体と、前記反応炉本体の内部空間内にガス供給口及び水分ガス取出口と対向状に配設した反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層と、反応炉本体を加熱するヒータと、反応炉本体の外表面に取り付けられて反応炉本体を冷却する冷却器とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、前記冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、前記ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定することを発明の基本構成とするものである。
【００２０】
本件請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却器を、出口側冷却器と入口側冷却器とから形成すると共に、入口側冷却器を入口側炉本体部材の外表面へ固定する基板と当該基板から垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから形成するようにしたものである。
【００２１】
本件請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、入口側炉本体部材にヒータを備えるようにしたものである。
【００２２】
本件請求項４の発明は、請求項２の発明において、入口側冷却器の放熱体の高さと出口側冷却器の放熱体の高さを同一若しくは出口側冷却器の放熱体の方を高くするようにしたものである。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項２の発明に於いて、入口側冷却器の基板と入口側炉本体部材の外表面との間に平盤状のヒータを介設する構成としたものである。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項２の発明に於いて、入口側冷却器の基板を入口側炉本体部材の内側部の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材の外側部の外表面へ鍔状のヒータを直接固定するようにしたものである。
【００２５】
本件請求項７の発明は、請求項２又は請求項３の発明において、入口側冷却器の基板を入口側本体部材の外表面に固定されたヒータ押えの内側部に位置する入口側本体部材の外表面に固定すると共に、入口側本体部材の外側部の外表面とヒータ押えとの間にヒータを固定するようにしたものである。
【００２６】
本件請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７の発明において、出口側冷却器の基板を出口側炉本体部材の外側部の外表面へ直接固定すると共に、出口側冷却器に穿設したヒータ挿入孔内にヒータを挿通せしめて、出口側炉本体部材に直接固定するようにしたものである。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８の発明に於いて、放熱体を薄板状の放熱フィン又は棒状の放熱ピンとしたものである。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項８の発明において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の外表面の形状を円形とすると共に両冷却器の基板を円形又は四角形状に、また出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿入孔を円形とするようにしたものである。
【００２９】
本件請求項１１の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、反応炉本体の円筒面にヒータを備えたものとしたものである。
【００３０】
本件請求項１２の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、ヒータの形状を鍔状としたものである。
また、本件請求項１３の発明は、請求項１に記載の水分発生用反応炉を用いて水分発生供給装置を構成することを発明の基本構成とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本願発明に於いては、出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿通孔を通して出口側炉本体部材の外表面へ板状ヒータを直接固定すると共に、出口側炉本体部材を冷却する出口側冷却器の前記基板ヒータ挿入孔を除いた部分のみに放熱フインを設けた構成としている。
その結果、出口側炉本体部材からの熱がヒータを通さずに直接的に基板へ伝達されることになり、ヒータを基板と出口側炉本体部材との間に介設した場合に比較して放熱特性（冷却特性）が大幅に向上することになる。その結果、小型の水分発生炉でもって約４００℃〜４５０℃以上の高温度となることなしに安全に、従前の約２倍の水分発生を達成することが出来る。
【００３２】
また、出口側炉本体部材側のヒータは、ヒータの外面側に出口側冷却器の基板が接触していないため、加温時の熱放散が少なくなり、結果として反応炉本体を効率よく反応開始温度にまで上昇させることができ、水分発生装置の起動性能や反応率の上昇速度が改善されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１乃至図４は、本発明の第１実施形態を示すものであり、図１は水分発生用反応炉の正面図、図２は原料ガス入口側の側面図、図３は水分ガス出口側の側面図、図４は水分発生用反応炉の縦断面図である。
【００３４】
図１乃至図４を参照して、水分発生用反応炉本体Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを対向状に組み合わせて気密状に溶接することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、ガス供給口１ａが凹部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、水分ガス取出口２ａが凹部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の外周端には、内向きにフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を対向させたうえ、気密状に溶接１１されている。
【００３５】
反射体３ａ・３ｂは円形の盤状体であり、その中心点を両炉本外部材１、２のガス供給口１ａ及び水分ガス取出口２ａと対向させた状態で、両炉本体部材１・２の底面との間に隙間Ｌをおいて、固定用ボルト４により両炉本体部材１・２へ固定されている。尚、当該反射体３ａ・３ｂはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は円形の凹部の内径よりもやや小径に設定されている。
【００３６】
また、反射体３ａ・３ｂの両炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図４に示すように傾斜角αのテーパ面に仕上げられている。当該傾斜角度αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ流れ出ると共に、反射体３ｂと出口側炉本体部材２との間隙内へ流れ込み、反射体３ｂの外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層６の局部的な集中発熱が防止できるからである。
【００３７】
前記白金コーティング触媒層６はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域に形成されており、炉本体部２の内表面に形成したＴｉＮ製のバリヤ皮膜７と、その上面に形成した白金コーティング皮膜８とから白金コーティング触媒層６が形成されている。
【００３８】
また、入口側炉本体部材１の内側面及び前記各反射体３ａ・３ｂの外表面にはＴｉＮ製のバリヤ皮膜９及びバリヤ皮膜１０が、形成されている。当該バリヤ皮膜９、１０は入口側炉本体部材１や反射体３ａ・３ｂの表面が金属触媒作用をし、局部的な発熱が生ずるのを防止するためである。
【００３９】
反応炉本体Ａの温度制御装置Ｂは、出口側の温度制御装置Ｂ1 と入口側の温度制御装置Ｂ2 とから形成されており、前記出口側の温度制御装置Ｂ1 は出口側炉本体部材２の外面側を加熱する鍔状のヒータ１３ｂと、ヒータ１３ｂをオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、出口側反応炉本体２を冷却する出口側冷却器１５2 とから形成されている。
【００４０】
また、入口側の温度制御装置Ｂ2 は、鍔状のヒータ１３ａと、ヒータ１３ａをオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、入口側反応炉本体１を冷却する入口側冷却器１５1 とから形成されている。
【００４１】
前記ヒータ１３ａ・１３ｂは、いわゆる薄板形の面状ヒータであり、円板状のヒータ押え１４ａ、１４ｂにより炉本体部材１、２へ接触固定されている。即ち、図４に示す如く、出口側のヒータ１３ｂは出口側炉本体部材２の外径（２２８ｍｍφ）よりも小さな外径（本実施形態では１８０ｍｍφ）の鍔形に形成されており、これと同径の円形のヒータ押え１４ｂを介してボルト１９により出口側炉本体部材２へ直接固定されている。
尚、当該出口側ヒータ１３ｂは出口側炉本体部材２の中間部分のみに設けられており、前記図１５の従来例とは異なっている。
【００４２】
一方、入口側の鍔状ヒータ１３ａは、入口側炉本体部材１とほぼ同じ外径を有する鍔状に形成されており、円盤状のヒータ押え１４ａを介してボルト１９により入口側炉本体部材１へ固定されている。
【００４３】
前記冷却器１５は、入口側炉本体部材１の外表面に固着した入口側冷却器１５1 と出口側炉本体部材２の外表面に固着した出口側冷却器１５2 とから形成されており、入口側冷却器１５1 の方は、従前の図１５に示した高さ２５ｍｍの放熱フイン１５ａと厚さ約５ｍｍのフイン基板１５ｂとを一体形成して成る四角形の冷却器に形成されていて、ヒータ１３ａの内方に対応する位置にボルト２０により固定されている。
【００４４】
これに対して、出口側炉本体部材２側に設ける出口側冷却器１５2 は、図３及び図４に示すように四角形の基板の中央部に内径１９０ｍｍのヒータ挿入孔２３を穿設した基板１５ｂと、当該基板１５ｂに櫛歯状に立設した高さ６０ｍｍの薄板状の複数の放熱フイン１５ａとから形成されており、本実施形態では、アルミ合金製の基板１５ｂ（厚さ約１０ｍｍ）と放熱フイン１５ａ（厚さ約２ｍｍ、高さ６０ｍｍ）とを一体成型して成る冷却器１５2 が使用されている。
【００４５】
尚、図１乃至図４においては、薄板状の放熱フィン１５ａを放熱体として利用しているが、放熱体の形状は如何なるものであってもよく、例えば棒状の放熱ピンを用いたものでもよい。また、出口側冷却器１５2 や入口側冷却器１５1 の基板を四角形としているが、その形状は円形等であってもよいことは勿論である。
【００４６】
更に、前記冷却器１５2 は、図５に示すように、前記基板１５ｂの放熱フィン１５ａが立設されていない部分に約φ６ｍｍ程度の貫通孔を複数個（７８個×２＝１５６個）穿設して、冷却表面積を増すと同時に冷却ファンの作動時の通気性能を高め、これによって冷却器１５2 の冷却能力を高めるようにするのが望ましい。
【００４７】
尚、図２及び図３に於いて、１９はヒータ押え１４の取付けボルト、２０は冷却器１５の取付ボルトである。
また、本実施形態では、入口側冷却器１５1 の放熱フインの高さを２５ｍｍとしているが、これを出口側冷却器１５2 と同様に６０ｍｍの高さのものにしてもよい。
更に、本実施形態では、入口側炉本体部材１側にヒータを設ける構成としているが、入口側炉本体部材１側のヒータ１３ａを設けないようにしてもよい。
【００４８】
水分ガスの発生前には、通常反応炉本体Ａ内へＮ2 ガスを供給して反応炉本体Ａ内のパージ処理が行なわれる。このとき、反応炉本体Ａの外周縁部が前記パージガスによって冷却されるため、反応炉本体Ａの外周縁部を加熱昇温しないと、水分発生の開始時の反応率が低下して未反応ガスが増加することになる。これ等の事象を防止するために、前記鍔状ヒータ１３ａは利用されるものであり、主として反応炉本体Ａの外周縁部の温度を加熱上昇させるために、必要に応じて作動させるものである。
また、本実施形態では入口側炉本体部材１側にヒータを設ける構成としているが、ヒータ１３を反応炉本体Ａの円筒面（円筒状の外周面側）に設けるようにしてもよい。
【実施例１】
【００４９】
図１乃至図４に於いて、反応炉本体Ａの外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１７ｍｍ、内部空間Ｖの内径２１６ｍｍφ、反射体３ａ・３ｂの厚さ３ｍｍ、外形２０４ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔１ｍｍ、テーパ面の長さ約２１ｍｍ（テーパ角α＝８°）、白金コーティング触媒層６（ＴｉＮバリヤ皮膜７＝５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８＝０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体３ａ・３ｂの外表面のバリヤ皮膜９・１０をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
【００５０】
また、冷却器１５の基板１５ｂの外形寸法２３５×２３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、出口側冷却器１５2 のヒータ挿入孔２３の内径１９０ｍｍφ、放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ、入口側冷却器１５1 の放熱フイン１５ａの高さ２５ｍｍ、フイン厚さ１．８ｍｍとした。
更に、ヒータ１３ｂの外径を１８０ｍｍφ（薄板形面状ヒータ、厚さ１ｍｍ）とした。
【００５１】
当該反応炉本体Ａをヒータ１３により約３００〜３５０℃に加熱したあと、その内部空間ＶへＯ2 とＨ2 の混合ガス（Ｏ2＝１０ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2＝１０ｌ／ｍｉｎ）をガス供給口１ａより内部空間Ｖへ供給し、水分発生を行うと共に、出口側炉本体部材２内へ挿着した温度検出器により、出口側炉本体部材２の白金コーティング触媒層６より１．５ｍｍ内方の位置における炉本体部材２の半径方向の温度分布を測定した。
【００５２】
尚、測定時には、温度制御装置Ｂの冷却用ファンは停止し、且つヒータ１３の温度は３５０℃に設定されていた。
図６はその時の測定結果を示すものであり、試験の結果、水分発生量が１０ＳＬＭの状態下に於ける反射板３の外周縁近傍位置における下流側炉本体部材２の温度（最高温度部）は約４４０℃に押えることができることが、確認された。
【００５３】
図７は本発明の第２実施形態に係る水分発生反応炉の縦断面図であり、図８はその平面図、図９は右側側面図である。
【００５４】
図７乃至図９を参照して、水分発生用反応炉本体Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを対向状に組み合わせて気密状に溶接することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、ガス供給口１ａが凹部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、水分ガス取出口２ａが凹部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の外周端には、内向きにフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を対向させたうえ、気密状に溶接１１されている。
【００５５】
反射体３ａ・３ｂは円形の盤状体であり、その中心点を両炉本外部材１、２のガス供給口１ａ及び水分ガス取出口２ａと対向させた状態で、両炉本体部材１・２の底面との間にスペーサ５により隙間Ｌをおいて、固定用ボルト４により両炉本体部材１・２へ固定されている。尚、当該反射体３ａ・３ｂはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は円形の凹部の内径よりもやや小径に設定されている。
また、反射体３ａ・３ｂの両炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図７に示すように傾斜角αのテーパ面に仕上げられている。当該傾斜角度αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ流れ出ると共に、反射体３ｂと出口側炉本体部材２との間隙内へ流れ込み、反射体３ｂの外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層６の局部的な集中発熱が防止できるからである。
【００５６】
前記白金コーティング触媒層６はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域（但し、スペーサ５が接触する部分の近傍は省かれている）に形成されており、炉本体部２の内表面に形成したＴｉＮ製のバリヤ皮膜７と、その上面に形成した白金コーティング皮膜８とから白金コーティング触媒層６が形成されている。
【００５７】
また、入口側炉本体部材１の内側面及び前記各反射体３ａ・３ｂの外表面にはＴｉＮ製のバリヤ皮膜９及びバリヤ皮膜１０が、形成されている。当該バリヤ皮膜９、１０は入口側炉本体部材１や反射体３ａ・３ｂの表面が金属触媒作用をし、局部的な発熱が生ずるのを防止するためである。
【００５８】
反応炉本体Ａの温度制御装置Ｂは、出口側炉本体部材２の外面側を加熱するヒータ１３と、ヒータ１３をオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、反応炉本体Ａを冷却する冷却器１５とから形成されている。
前記ヒータ１３は、いわゆる薄板形の面状ヒータであり、円板状のヒータ押え１４により出口側炉本体部材２へ接触固定されている。即ち、図９に示す如く、ヒータ１３は出口側炉本体部材２の外径（２２８ｍｍφ）よりも小さな外径（本実施形態では１８０ｍｍφ）の円形に形成されており、これと同径の円形のヒータ押え１４を介してボルト１９により出口側炉本体部材２へ直接固定されている。
尚、当該ヒータ１３は出口側炉本体部材２の中央部分のみに設けられており、前記図１５の従来例とは異なっている。
【００５９】
前記冷却器１５は、入口側炉本体部材１の外表面に固着した入口側冷却器１５1 と出口側炉本体部材２の外表面に固着した出口側冷却器１５2 とから形成されており、入口側冷却器１５1 の方は、従前の図１５に示した高さ２５ｍｍの放熱フイン１５ａと厚さ約５ｍｍのフイン基板１５ｂとを一体形成して成る四角形の冷却器に形成されている。
【００６０】
これに対して、出口側炉本体部材２側に設ける出口側冷却器１５2 は、図８及び図９に示すように四角形の基板の中央部に内径１９０ｍｍのヒータ挿入孔２３に穿設した基板１５ｂと、当該基板１５ｂの円形孔を除いた部分に櫛歯状に立設した高さ６０ｍｍの薄板状の複数の放熱フイン１５ａとから形成されており、本実施形態では、アルミ合金製の基板１５ｂ（厚さ約１０ｍｍ）と放熱フイン１５ａ（厚さ約２ｍｍ、高さ６０ｍｍ）とを一体成型して成る冷却器１５が使用されている。尚、図７乃至図９においては、薄板状の放熱フィン１５ａを放熱体として利用しているが、放熱体の形状は如何なるものであってもよく、例えば棒状の放熱ピンを用いたものでもよい。また、第２冷却器１５2 や入口側冷却器１５1 の基板を四角形としているが、その形状は円形等であってもよいことは勿論である。
【００６１】
尚、図９に於いて、２０は冷却器１５の取付ボルト、２１はヒータコントロール用温度計取付孔、２２は反応炉温度監視用温度計取付孔である。
また、本実施形態では、入口側冷却器１５1 の放熱フインの高さを２５ｍｍとしているが、これを出口側冷却器１５2 と同様に６０ｍｍの高さのものにしてもよい。
更に、本実施形態では、入口側炉本体部材１側にヒータを設けない構成としているが、入口側炉本体部材１側にもヒータを設けてもよい。
【００６２】
また、前記図７乃至図９の実施形態においては、入口側冷却器１５1 の基板１５ｂの面積を入口側炉本体部材１の外表面の面積とほぼ等しいものにしているが、第１実施形態のように入口側冷却器１５1 の基板１５ｂの面積を小さくして入口側炉本体部材１の内側部（即ち中央部分）へその基板１５ｂを固定し、これによって入口側炉本体部材１の内側部を主に冷却すると共に、入口側炉本体部材１の外表面の外側部へ鍔状のヒータを直接固定し、入口側炉本体部材１の外周縁部のみを当該鍔状ヒータにより加熱する構成としてもよい。
【００６３】
更に、前記図７乃至図９の本実施形態では反応炉本体Ａ内に２枚の反射板３ａ・３ｂを設けるようにしているが、図１０に示すように１枚の反射板３をガス供給口１ａと水分ガス取出口２ａと対向状に設ける構成としても良い。なお、図１０において、反射板３以外の部分の構成は、図７の場合と同じである。
【実施例２】
【００６４】
図７乃至図１０に於いて、反応炉本体Ａの外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１７ｍｍ、内部空間Ｖの内径２１６ｍｍφ、反射体３ａ・３ｂの厚さ３ｍｍ、外形２０４ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔１ｍｍ、テーパ面の長さ約２１ｍｍ（テーパ角α＝８°）、白金コーティング触媒層６（ＴｉＮバリヤ皮膜７＝５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８＝０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体３ａ・３ｂの外表面のバリヤ皮膜９・１０をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
【００６５】
また、冷却器１５の基板１５ｂの外形寸法２３５×２３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、出口側冷却器１５2 のヒータ挿入孔２３の内径１９０ｍｍφ、放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ、入口側冷却器１５1 の放熱フイン１５ａの高さ２５ｍｍ、フイン厚さ１．８ｍｍとした。
更に、ヒータ１３の外径を１８０ｍｍφ（薄板形面状ヒータ、厚さ１ｍｍ）とし、且つ反応炉温度監視用温度計の取付孔２２は出口側炉本体部材２の内側表面より１．５ｍｍ内方位置に設けた。
【００６６】
当該反応炉本体Ａをヒータ１３により約３００〜３５０℃に加熱したあと、その内部空間ＶへＯ2 とＨ2 の混合ガス（Ｏ2 ＝１０ｌ／ｍｉｎ（固定）、Ｈ2＝１〜１０ｌ／ｍｉｎ（可変））をガス供給口１ａより内部空間Ｖへ流量調整自在に供給し、水分発生を行うと共に、出口側炉本体部材２内へ挿着した温度検出器により、出口側炉本体部材２の白金コーティング触媒層６より１．５ｍｍ内方の位置における炉本体部材２の半径方向の温度分布を、発生水分量（即ち、混合ガスＧの供給量）をパラメータにして測定した。
【００６７】
図１１は、その時の測定結果を示すものであり、曲線Ａ1 は水分発生量１０ＳＬＭ、曲線Ａ2 は９ＳＬＭ、曲線Ａ3 はＮ2 ガスのみ供給の場合を夫々示すものである。
尚、測定時には、温度制御装置Ｂの冷却用ファンは停止し、且つヒータ１３の温度は３５０℃に設定されていた。
【００６８】
図１１の試験結果からも明らかなように、水分発生量が１０ＳＬＭの状態下に於ける反射板３の外周縁近傍位置における下流側炉本体部材２の温度（最高温度部）は約４５０℃に押えられることが判る。
【実施例３】
【００６９】
図１２は、図７乃至図１０に示した水分発生反応炉において、入口側冷却器１５1を除去すると共に、入口側炉本体部材１の外表面に、従前と同様の外径２２８ｍｍφの円板状ヒータを配設した構成の水分発生炉を用い、上流側及び下流側の両ヒータ１３の温度を３５０℃に設定すると共に冷却ファンを停止状態とした条件下で前記第２実施例の図１１の場合と同様に、出口側炉本体部材２の内側表面近傍位置の半径方向の温度分布を、水分発生量をパラメータとして測定した結果を示すものである。
【００７０】
図１２からも明らかなように水分発生量が１０ＳＬＭにおける最高温度は約４７０℃となり、実施例２の場合よりも若干上昇することが判る。
【実施例４】
【００７１】
図１３は、前記実施例３の場合と同じ水分発生炉を用い、冷却用ファンを作動させた時の出口側炉本体部材２の内側表面近傍における半径方向の温度分布を示すものである。
尚、冷却ファンは、図１５に示した従前の５ＳＬＭ水分発生炉の場合と同じ冷却能力のものが使用されている。
【００７２】
図１４は、図７乃至図９に示した入口側冷却器１５1 及び出口側冷却器１５2 に於いて、放熱フイン１５ａの高さを変化した場合の水分発生量と最高温度との関係を示すものであり、曲線Ｅ1 Ｅ2 は、入口側冷却器１５1 及び出口側冷却器１５2 の放熱フイン１５ａの高さを夫々２５ｍｍとし且つ冷却ファンを停止させた状態に於ける水分発生量と炉本体部材２の温度（Ｅ1 は反応炉温度監視用温度計による計測値、Ｅ2 はヒータコントロール用温度計による検出値）との関係を示すものである。
【００７３】
また、曲線Ｆ1 及びＦ2 は冷却用ファンの能力を高め、水分発生反応炉の構成筺体内の排気圧を−２２ＰａＧ（排気ダクト径φ７６ｍｍ、排気量２．７ｍ3 ／ｍｉｎ）とした場合の反応炉温度監視用温度計による測定値及びヒータコントロール用温度計による測定値を示すものである。
更に、曲線Ｊ1 及びＪ2 は、前記図１２の場合に於ける反応炉温度監視用温度計による測定値及びヒータコントロール用温度計による測定値を示すものである。
【００７４】
尚、前記図７乃至図９の実施形態においては、ヒータ１３を円盤状の面状ヒータとしたが、ヒータの形状は４角状であってもよく、またこの場合には出口側冷却器１５2 側の基板１５ｂの中央には四角状のヒータ取付孔２３が穿設されることになる。
また、本実施形態では、ヒータ１３を出口側炉本体部材２の外表面（又は両炉本体部材１、２の外表面）へ外部から接当させる構成としているが、ヒータ１３を出口側炉本体部材２の表層部１（又は両炉本体部材１、２の表層部へ埋込み状（又は嵌め込み状）にしてもよい。
【００７５】
更に、入口側冷却器１５1 の基板１５ｂを小型にして、入口側炉本体部材１の内側部（中央部分）の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材１の外側部（外周縁部）へ鍔状のヒータを固定する形状のものとしてもよい。
【００７６】
図２４は、本発明に係る水分発生用反応炉Ａを用いた水分発生供給装置のフローダイヤグラムであり、図２５は水分発生供給装置の平面概要図、図２６は水分発生供給装置の縦断面概要図である。
図２４乃至図２６において、Ａは水分発生用反応炉、１５1 は入口側冷却器、１７はＨ2 センサ、１８は冷却用ファン、２４はミキサ、２５はガスフィルタ、２６は配管路の加熱器、２７はフィルタ、２８は水分ガス取出口、２９はヒータ用リード線、３０はケース体である。
尚、水分発生供給装置のフローダイヤグラムそのものは、従前の水分発生供給装置の場合と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００７７】
本発明の水分発生供給装置に於いては、ケース体３０の外形寸法が横幅３８０ｍｍ、奥行３８０ｍｍ、高さ４６５ｍｍに設定されており、横幅３８０ｍｍ及び奥行３８０ｍｍは、従前の図２１、図２２に示した水分発生供給装置の場合と同一であるが、高さは約６０ｍｍほど低くなっている。
また、水分発生用反応炉Ａは、前述の通り最高温度４５０℃以下の条件下が１０ＳＬＭの水分量を発生することができ、従前の約１０倍の水分量を供給可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、主として半導体製造装置の水分供給装置や水素含有ガスから水素ガスを除去する装置、或いは化学薬品製造装置等の水分供給装置として利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉の正面図である。
【図２】図１の原料ガスの入口側の側面図である。
【図３】図１の水分ガスの出口側の側面図である。
【図４】図１の縦断面図である。
【図５】図１の水分ガスの出口側冷却器の他の例を示すものである。
【図６】図１乃至図４の実施例１に係る水分発生用反応炉の出口側炉本体部材２の内壁近傍の温度分布（半径方向）を示すものである。
【図７】本発明の他の実施形態に係る水分発生反応炉の縦断面図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】図７の右側面図である。
【図１０】水分発生反応炉の更に他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】図７乃至図９に示した実施例２の水分発生炉に於ける出口側炉本体部材２の内壁面近傍の温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１２】実施例３の水分発生炉における前記図１１と同位置における温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１３】実施例３の水分発生炉において冷却用ファンを作動させた状態下における前記図５と同位置における温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１４】冷却器の放熱フインの高さを変化させた場合の発生水分量と反応炉本体の温度等の関係を示す線図である。
【図１５】従前の水分発生反応炉の縦断面図である。
【図１６】反応炉本体の温度と水素・酸素の反応率の関係を示す線図である。
【図１７】試験用反応炉本体の縦断面概要図である。
【図１８】図１７の出口側の側面図である。
【図１９】他の試験用反応炉本体の概要図である。
【図２０】図１９の出口側の側面図である。
【図２１】反応炉本体を組み込んだ水分発生装置の縦断面概要図である。
【図２２】図２１の平面図である。
【図２３】図１７乃至図２０の反応炉本体を用いた水分発生量と反応炉本体の温度との関係を示す線図である。
【図２４】本発明の水分発生用反応炉を用いた水分発生供給装置のフローダイヤグラムである。
【図２５】水分発生供給装置の平面概要図である。
【図２６】水分発生供給装置の縦断面概要図である。
【符号の説明】
【００８０】
Ａは 反応炉本体
Ｂは 温度制御装置
Ｈ2 は 水素ガス
Ｏ2 は 酸素ガス
Ｇは 混合ガス
Ｗは 水分ガス
Ｌは 間隙
Ｖは 内部空間
αは 反射体外周縁部のテーパ角
１は 入口側炉本体部材
１ａは ガス供給口
２は 出口側炉本体部材
２ａは 水分ガス取出口
３は 反射体
４は 反射体固定ボルト
５は スペーサ
６は 白金コーティング触媒層
７は バリヤ皮膜
８は 白金皮膜
９は 入口側炉本体部材のバリヤ皮膜
１０は 反射体のバリヤ皮膜
１１は 溶接箇所
１２は シース型温度計取付孔
１３は ヒータ
１４は ヒータ押え
１５は 冷却器
１５1 は 入口側冷却器
１５2 は 出口側冷却器
１５ａは 放熱フイン
１５ｂは 基板
１６は ヒータ挿入孔
１７は Ｈ2 センサ
１８は 冷却用ファン
１９は ボルト（ヒータ押えボルト）
２０は ボルト（冷却器取付用ボルト）
２１は ヒータコントロール用温度計取付孔
２２は 反応炉温度監視用温度計取付孔
２３は ヒータ挿入孔
２４は ミキサ
２５は ガスフィルタ
２６は 加熱器
２７は フィルタ
２８は 水分ガス取出口
２９は ヒータ用リード線
３０は ケース体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として半導体製造装置において使用される水分発生用反応炉と、これを用いた水分発生供給装置に関するものであり、シリコンの酸化膜付け用水分の発生及び供給やプロセスチャンバーから排出される水素の除去処理等に用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置では、従前から図１５に示すような構造の水分発生用反応炉が多く利用されている。
即ち、図１５において、Ａは反応炉本体、Ｂは温度制御装置、Ｈ2 は水素ガス、Ｏ2 は酸素ガス、Ｇは混合ガス、Ｗは水分ガス、Ｌは間隙、Ｖは内部空間、αは反射体外周縁部のテーパ角、１は入口側炉本体部材、１ａはガス供給口、２は出口側炉本体部材、２ａは水分ガス取出口、３ａ、３ｂは反射体、４は反射体固定ボルト、５はスペーサ、６はバリヤ皮膜７とその外表面に設けた白金皮膜８から成る白金コーティング触媒層、９は入口側炉本体部材の内表面に設けたバリヤ皮膜、１０は反射体の外表面に設けたバリヤ皮膜、１１は溶接箇所、１２はシース型温度計取付孔、１３はヒータ、１４はヒータ押え、１５は冷却器、１５ａは冷却用フイン、１５ｂは基板である。
【０００３】
水素ガスＨ2 と酸素ガスＯ2 の混合ガスＧは、ガス供給口１ａから内部空間Ｖへ供給され、出口側炉本体部材２の内表面に設けた白金コーティング触媒層に触れることにより、その触媒作用によって水素及び酸素の反応性が活性化される。活性化された水素と酸素は水素の燃焼温度以下の雰囲気内で爆発的な燃焼反応ではない適宜の速度で反応をし、生成された高純度の水分ガスＷが水分ガス取出口２ａより流出して行く。
【０００４】
而して、前記水素と酸素の反応性を活性化して両者の安定した反応を維持するためには、反応炉本体Ａの内部空間Ｖの温度を少なくとも２００℃以上に上昇させる必要がある。そのため、出口側炉本体部材２の外側面にヒータ１３を設け、反応炉本体Ａの起動時には当該ヒータ１３により反応炉本体Ａを加熱する。尚、図１６は反応炉本体Ａの温度と水素・酸素反応率の関係を示すものであり、反応炉本体の温度が約２００℃を越えると、水素・酸素の反応率は、両者の混合比に拘わらず略９８％以上の値となる。
【０００５】
前記水素と酸素の反応が進行すると、反応炉本体Ａは反応熱により加熱され、その温度が順次上昇する。
一方、前記水素と酸素の爆発的な燃焼反応を抑制するには、反応炉本体Ａの内部空間温度は、水素ガスＨ2 （又は水素含有ガス）の最低限界着火温度（約５６０℃、Ｈ2 とＯ2 の混合比に応じて限界着火温度は５６０℃より上昇する）より低い温度（例えば４００℃〜４５０℃に保持する必要がある。
【０００６】
そのため、従前のこの種水分発生反応炉では、反応炉本体Ａ内へ供給する混合ガスＧの流量（即ち、水分ガスＷの発生量）を制限したり、冷却器１５の冷却性能を高めたり、或いは反応炉本体Ａの熱容量を増加したりする対策が採られており、またこれ等の対応を採ることにより、この種の水分発生反応炉は高純度の水分ガスを安価に、しかも安定して連続供給することが可能となり、多数実用に供されている。
【０００７】
一方、近年半導体製造装置の分野においては、水分発生装置の小型化と水分発生量の増大に対する要求が一層高まる傾向にあり、例えば、ウエハの大口径化が一層進む方向に進んでおり、それぞれのプロセスの処理に必要となる水分量についても増加する傾向にあるため、従前と略同一の体積容量の水分発生装置でもって、水分発生量を現在以上に増大することが、現実に要請されている。
【０００８】
しかし、半導体製造装置の小型化に対する要請から、水分発生装置についても、その体積容量に厳しい制約が加えられている。
その結果、冷却用ファンの大型化によって反応炉本体Ａの冷却性能を高めることは殆ど不可能で、許容されるのは、冷却器１５の放熱フイン１５ａの高さ寸法やその数を若干増加することが出来る程度の改良である。
同様に、発生反応炉本体Ａの大型化も前記体積容量の制約の点から著しく困難であり、例えば、１０ＳＬＭ以上の大流量の水分発生用の反応炉本体Ａとして許される構造上の寸法は、従前の最大水分発生量が５ＳＬＭの水分発生反応炉（外径２２８ｍｍ、厚さ３７ｍｍ、冷却フイン高さ２５ｍｍ）の場合の寸法と略同じ値になりつつある。
【０００９】
そのため、従前の図１５に示した構造の冷却器１５を備えた反応炉本体Ａでは、その冷却器１５を含めた体積容量に対する制約の点から水分発生量の倍増に対する要請に全く対応することが出来ず、安全且つ簡単に水分発生量の増加が図れないと云う問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−４８５０１
【特許文献２】国際公開 ＷＯ−０１／９４２５４Ａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明は、従前のこの種水分発生反応炉における上述の如き問題、即ち水分発生装置の体積容量に対する制約から反応炉本体の大型化や冷却ファンによる冷却能力の大幅なアップを図ることが出来ず、結果として水分発生量の増加に対応できないと云う問題を解決せんとするものであり、冷却器の形態とその反応炉本体の取付け構造に改良に加えることにより、冷却器の体積容量の大幅な増加を招くことなしに反応炉本体からの放熱を促進させ、略同一の体積容量の反応炉本体でもって水分発生量の倍増を可能にした水分発生反応炉を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者等は、先ず従前の図１５に示した構造の反応炉本体（外径２２８ｍｍ、厚さ３７ｍｍ、冷却フイン高さ２５ｍｍ）を用いて、反応炉本体Ａそのものの冷却性能の向上を図ることにより前記発生水分量の倍増に対する要請に対応することを着想した。
即ち、冷却ファンの大型化等を図ることなしに、許容されている冷却フイン１５ａに対する若干の構造の変更のみによって、冷却ファンの停止時に於ける反応炉本体の温度を約４５０℃以下に押えることを主目標にして、反応炉本体Ａの冷却器１５の構造とその冷却性能について各種の改造並びに試験を繰り返した。
【００１３】
先ず、図１７乃至図２０に示す如く、放熱フイン１５ａの高さが２５ｍｍの冷却器１５を有する反応炉本体Ａと、６０ｍｍの高さの冷却器１５を有する反応炉本体Ａとを製作し放熱フイン１５ａの高さを変化した場合の冷却器１５の冷却性能を調査した。
尚、反応炉本体Ａは、外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍであり、また図１７の場合の放熱フイン１５ａの容積合計は２６８ｃｍ3 、表面積合計は０．１９８４ｍ2 、図１９の場合の放熱フイン１５ａの容積合計は５４８ｃｍ3 、表面積合計０．４４３０ｍ2 、であった。
更に、冷却ファン（図示省略）にも若干改良を加え、図１７における風量２．７ｍ3 ／ｍｉｎを図１８では６．０ｍ3／ｍｉｎに向上させている。
【００１４】
尚、前記放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ（図１９，図２０）は、前記反応炉本体Ａの体積容量の制約から決まる値であり、フイン１５ａの高さを６０ｍｍ以上とすると、反応炉本体Ａの体積容量が限界値を越えると共にヒータの必要ワット数が増大することになる。
同様に冷却ファンの方も、風量が６．０ｍ3／ｍｉｎ以上の容量のものは箱体排気量の制約から使用が困難なため、容量が６．０ｍ3／ｍｉｎ以内のものを使用している。
【００１５】
図２１及び図２２は前記図１９及び図２０の反応炉本体Ａを搭載した水分発生装置の一例の概要を示すものであり、外形寸法（体積容量）は幅Ｗ３８０ｍｍ×奥行Ｄ３８０ｍｍ×高さＨ５３３ｍｍに設定されている。
また、図２１及び図２２に於いて、Ａは反応炉本体、１５ａは放熱フイン、１８はファン、１７はＨ2 センサである。尚、ファン１８の取付位置は箱体の構造により適宜に変更され、例えば図２１の前面側に配置したものもある。
【００１６】
図２３は、前記図１７乃至図２０に記載の反応炉本体Ａにおける水分発生量と反応炉温度の関係を示す線図であり、ファン１８をオフにした場合には７ＳＬＭの水分発生量で４３０℃（フイン高さ２５ｍｍの場合）及び８ＳＬＭで４２０℃（フイン高さ６０ｍｍの場合）となり、放熱フイン１５ａの高さを許容限度高さ（約６０ｍｍ）にしてもファン停止時の最高温度４５０℃以下、水分発生量１０ＳＬＭの達成が困難なことが判明した。
【００１７】
また、本願発明者等は、前記図２３の試験結果の解析から放熱フイン１５ａの高さ寸法の増加による反応炉本体最高温度の低減が極端に低いことを見出した。
そして、その結果から放熱フイン１５ａからの自然放熱を促進させるには、反応炉本体Ａから放熱フイン１５ａへの伝熱特性を改善する必要があることを知見した。
即ち、図１５に示すように、出口側炉本体部材２の外表面の略前面に亘って面状ヒータ１３を配設し、ヒータ押え１４を介して冷却器１５をその外方に取り付けする構成とした場合には、面状ヒータ１３を保護するための硬質マイカにより反応炉本体Ａから冷却器１５への熱伝達が抑制され、これによって冷却器１５が十分に冷却機能を達成していないことが判明した。
【００１８】
本願発明は、上述の如き知見を基にして創作されたものであり、面状ヒータ１３を冷却器１５の基板１５ｂを挿通せしめて炉本体部材の中央部分のみに配設すると共に、反応炉本体Ａの外周縁部分のみに放熱フイン付きの冷却器１５を直接固着することにより、より高い反応炉本体Ａからの熱放散を可能としたものである。
【００１９】
即ち、本願請求項１の発明は、ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを対向させて組み合せて形成した内部空間を有する反応炉本体と、前記反応炉本体の内部空間内にガス供給口及び水分ガス取出口と対向状に配設した反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層と、反応炉本体を加熱するヒータと、反応炉本体の外表面に取り付けられて反応炉本体を冷却する冷却器とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、前記冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、前記ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定することを発明の基本構成とするものである。
【００２０】
本件請求項２の発明は、請求項１の発明において、冷却器を、出口側冷却器と入口側冷却器とから形成すると共に、入口側冷却器を入口側炉本体部材の外表面へ固定する基板と当該基板から垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから形成するようにしたものである。
【００２１】
本件請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、入口側炉本体部材にヒータを備えるようにしたものである。
【００２２】
本件請求項４の発明は、請求項２の発明において、入口側冷却器の放熱体の高さと出口側冷却器の放熱体の高さを同一若しくは出口側冷却器の放熱体の方を高くするようにしたものである。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項２の発明に於いて、入口側冷却器の基板と入口側炉本体部材の外表面との間に平盤状のヒータを介設する構成としたものである。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項２の発明に於いて、入口側冷却器の基板を入口側炉本体部材の内側部の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材の外側部の外表面へ鍔状のヒータを直接固定するようにしたものである。
【００２５】
本件請求項７の発明は、請求項２又は請求項３の発明において、入口側冷却器の基板を入口側本体部材の外表面に固定されたヒータ押えの内側部に位置する入口側本体部材の外表面に固定すると共に、入口側本体部材の外側部の外表面とヒータ押えとの間にヒータを固定するようにしたものである。
【００２６】
本件請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７の発明において、出口側冷却器の基板を出口側炉本体部材の外側部の外表面へ直接固定すると共に、出口側冷却器に穿設したヒータ挿入孔内にヒータを挿通せしめて、出口側炉本体部材に直接固定するようにしたものである。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８の発明に於いて、放熱体を薄板状の放熱フィン又は棒状の放熱ピンとしたものである。
【００２８】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項８の発明において、入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の外表面の形状を円形とすると共に両冷却器の基板を円形又は四角形状に、また出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿入孔を円形とするようにしたものである。
【００２９】
本件請求項１１の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、反応炉本体の円筒面にヒータを備えたものとしたものである。
【００３０】
本件請求項１２の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、ヒータの形状を鍔状としたものである。
また、本件請求項１３の発明は、請求項１に記載の水分発生用反応炉を用いて水分発生供給装置を構成することを発明の基本構成とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本願発明に於いては、出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿通孔を通して出口側炉本体部材の外表面へ板状ヒータを直接固定すると共に、出口側炉本体部材を冷却する出口側冷却器の前記基板ヒータ挿入孔を除いた部分のみに放熱フインを設けた構成としている。
その結果、出口側炉本体部材からの熱がヒータを通さずに直接的に基板へ伝達されることになり、ヒータを基板と出口側炉本体部材との間に介設した場合に比較して放熱特性（冷却特性）が大幅に向上することになる。その結果、小型の水分発生炉でもって約４００℃〜４５０℃以上の高温度となることなしに安全に、従前の約２倍の水分発生を達成することが出来る。
【００３２】
また、出口側炉本体部材側のヒータは、ヒータの外面側に出口側冷却器の基板が接触していないため、加温時の熱放散が少なくなり、結果として反応炉本体を効率よく反応開始温度にまで上昇させることができ、水分発生装置の起動性能や反応率の上昇速度が改善されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１乃至図４は、本発明の第１実施形態を示すものであり、図１は水分発生用反応炉の正面図、図２は原料ガス入口側の側面図、図３は水分ガス出口側の側面図、図４は水分発生用反応炉の縦断面図である。
【００３４】
図１乃至図４を参照して、水分発生用反応炉本体Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを対向状に組み合わせて気密状に溶接することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、ガス供給口１ａが凹部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、水分ガス取出口２ａが凹部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の外周端には、内向きにフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を対向させたうえ、気密状に溶接１１されている。
【００３５】
反射体３ａ・３ｂは円形の盤状体であり、その中心点を両炉本外部材１、２のガス供給口１ａ及び水分ガス取出口２ａと対向させた状態で、両炉本体部材１・２の底面との間に隙間Ｌをおいて、固定用ボルト４により両炉本体部材１・２へ固定されている。尚、当該反射体３ａ・３ｂはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は円形の凹部の内径よりもやや小径に設定されている。
【００３６】
また、反射体３ａ・３ｂの両炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図４に示すように傾斜角αのテーパ面に仕上げられている。当該傾斜角度αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ流れ出ると共に、反射体３ｂと出口側炉本体部材２との間隙内へ流れ込み、反射体３ｂの外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層６の局部的な集中発熱が防止できるからである。
【００３７】
前記白金コーティング触媒層６はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域に形成されており、炉本体部２の内表面に形成したＴｉＮ製のバリヤ皮膜７と、その上面に形成した白金コーティング皮膜８とから白金コーティング触媒層６が形成されている。
【００３８】
また、入口側炉本体部材１の内側面及び前記各反射体３ａ・３ｂの外表面にはＴｉＮ製のバリヤ皮膜９及びバリヤ皮膜１０が、形成されている。当該バリヤ皮膜９、１０は入口側炉本体部材１や反射体３ａ・３ｂの表面が金属触媒作用をし、局部的な発熱が生ずるのを防止するためである。
【００３９】
反応炉本体Ａの温度制御装置Ｂは、出口側の温度制御装置Ｂ1 と入口側の温度制御装置Ｂ2 とから形成されており、前記出口側の温度制御装置Ｂ1 は出口側炉本体部材２の外面側を加熱する鍔状のヒータ１３ｂと、ヒータ１３ｂをオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、出口側反応炉本体２を冷却する出口側冷却器１５2 とから形成されている。
【００４０】
また、入口側の温度制御装置Ｂ2 は、鍔状のヒータ１３ａと、ヒータ１３ａをオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、入口側反応炉本体１を冷却する入口側冷却器１５1 とから形成されている。
【００４１】
前記ヒータ１３ａ・１３ｂは、いわゆる薄板形の面状ヒータであり、円板状のヒータ押え１４ａ、１４ｂにより炉本体部材１、２へ接触固定されている。即ち、図４に示す如く、出口側のヒータ１３ｂは出口側炉本体部材２の外径（２２８ｍｍφ）よりも小さな外径（本実施形態では１８０ｍｍφ）の鍔形に形成されており、これと同径の円形のヒータ押え１４ｂを介してボルト１９により出口側炉本体部材２へ直接固定されている。
尚、当該出口側ヒータ１３ｂは出口側炉本体部材２の中間部分のみに設けられており、前記図１５の従来例とは異なっている。
【００４２】
一方、入口側の鍔状ヒータ１３ａは、入口側炉本体部材１とほぼ同じ外径を有する鍔状に形成されており、円盤状のヒータ押え１４ａを介してボルト１９により入口側炉本体部材１へ固定されている。
【００４３】
前記冷却器１５は、入口側炉本体部材１の外表面に固着した入口側冷却器１５1 と出口側炉本体部材２の外表面に固着した出口側冷却器１５2 とから形成されており、入口側冷却器１５1 の方は、従前の図１５に示した高さ２５ｍｍの放熱フイン１５ａと厚さ約５ｍｍのフイン基板１５ｂとを一体形成して成る四角形の冷却器に形成されていて、ヒータ１３ａの内方に対応する位置にボルト２０により固定されている。
【００４４】
これに対して、出口側炉本体部材２側に設ける出口側冷却器１５2 は、図３及び図４に示すように四角形の基板の中央部に内径１９０ｍｍのヒータ挿入孔２３を穿設した基板１５ｂと、当該基板１５ｂに櫛歯状に立設した高さ６０ｍｍの薄板状の複数の放熱フイン１５ａとから形成されており、本実施形態では、アルミ合金製の基板１５ｂ（厚さ約１０ｍｍ）と放熱フイン１５ａ（厚さ約２ｍｍ、高さ６０ｍｍ）とを一体成型して成る冷却器１５2 が使用されている。
【００４５】
尚、図１乃至図４においては、薄板状の放熱フィン１５ａを放熱体として利用しているが、放熱体の形状は如何なるものであってもよく、例えば棒状の放熱ピンを用いたものでもよい。また、出口側冷却器１５2 や入口側冷却器１５1 の基板を四角形としているが、その形状は円形等であってもよいことは勿論である。
【００４６】
更に、前記冷却器１５2 は、図５に示すように、前記基板１５ｂの放熱フィン１５ａが立設されていない部分に約φ６ｍｍ程度の貫通孔を複数個（７８個×２＝１５６個）穿設して、冷却表面積を増すと同時に冷却ファンの作動時の通気性能を高め、これによって冷却器１５2 の冷却能力を高めるようにするのが望ましい。
【００４７】
尚、図２及び図３に於いて、１９はヒータ押え１４の取付けボルト、２０は冷却器１５の取付ボルトである。
また、本実施形態では、入口側冷却器１５1 の放熱フインの高さを２５ｍｍとしているが、これを出口側冷却器１５2 と同様に６０ｍｍの高さのものにしてもよい。
更に、本実施形態では、入口側炉本体部材１側にヒータを設ける構成としているが、入口側炉本体部材１側のヒータ１３ａを設けないようにしてもよい。
【００４８】
水分ガスの発生前には、通常反応炉本体Ａ内へＮ2 ガスを供給して反応炉本体Ａ内のパージ処理が行なわれる。このとき、反応炉本体Ａの外周縁部が前記パージガスによって冷却されるため、反応炉本体Ａの外周縁部を加熱昇温しないと、水分発生の開始時の反応率が低下して未反応ガスが増加することになる。これ等の事象を防止するために、前記鍔状ヒータ１３ａは利用されるものであり、主として反応炉本体Ａの外周縁部の温度を加熱上昇させるために、必要に応じて作動させるものである。
また、本実施形態では入口側炉本体部材１側にヒータを設ける構成としているが、ヒータ１３を反応炉本体Ａの円筒面（円筒状の外周面側）に設けるようにしてもよい。
【実施例１】
【００４９】
図１乃至図４に於いて、反応炉本体Ａの外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１７ｍｍ、内部空間Ｖの内径２１６ｍｍφ、反射体３ａ・３ｂの厚さ３ｍｍ、外形２０４ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔１ｍｍ、テーパ面の長さ約２１ｍｍ（テーパ角α＝８°）、白金コーティング触媒層６（ＴｉＮバリヤ皮膜７＝５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８＝０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体３ａ・３ｂの外表面のバリヤ皮膜９・１０をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
【００５０】
また、冷却器１５の基板１５ｂの外形寸法２３５×２３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、出口側冷却器１５2 のヒータ挿入孔２３の内径１９０ｍｍφ、放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ、入口側冷却器１５1 の放熱フイン１５ａの高さ２５ｍｍ、フイン厚さ１．８ｍｍとした。
更に、ヒータ１３ｂの外径を１８０ｍｍφ（薄板形面状ヒータ、厚さ１ｍｍ）とした。
【００５１】
当該反応炉本体Ａをヒータ１３により約３００〜３５０℃に加熱したあと、その内部空間ＶへＯ2 とＨ2 の混合ガス（Ｏ2＝１０ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2＝１０ｌ／ｍｉｎ）をガス供給口１ａより内部空間Ｖへ供給し、水分発生を行うと共に、出口側炉本体部材２内へ挿着した温度検出器により、出口側炉本体部材２の白金コーティング触媒層６より１．５ｍｍ内方の位置における炉本体部材２の半径方向の温度分布を測定した。
【００５２】
尚、測定時には、温度制御装置Ｂの冷却用ファンは停止し、且つヒータ１３の温度は３５０℃に設定されていた。
図６はその時の測定結果を示すものであり、試験の結果、水分発生量が１０ＳＬＭの状態下に於ける反射板３の外周縁近傍位置における下流側炉本体部材２の温度（最高温度部）は約４４０℃に押えることができることが、確認された。
【００５３】
図７は本発明の第２実施形態に係る水分発生反応炉の縦断面図であり、図８はその平面図、図９は右側側面図である。
【００５４】
図７乃至図９を参照して、水分発生用反応炉本体Ａは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製の入口側炉本体部材１と出口側炉本体部材２とを対向状に組み合わせて気密状に溶接することにより、円形の中空デスク状に形成されている。
前記入口側炉本体部材１には、その内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、ガス供給口１ａが凹部内へ連通されている。また、出口側炉本体部材２には、内部に底面が平面状の円形の凹部が設けられており、水分ガス取出口２ａが凹部内へ連通されている。更に、両本体部材１・２の外周端には、内向きにフランジ体が夫々形成されており、両フランジ体を対向させたうえ、気密状に溶接１１されている。
【００５５】
反射体３ａ・３ｂは円形の盤状体であり、その中心点を両炉本外部材１、２のガス供給口１ａ及び水分ガス取出口２ａと対向させた状態で、両炉本体部材１・２の底面との間にスペーサ５により隙間Ｌをおいて、固定用ボルト４により両炉本体部材１・２へ固定されている。尚、当該反射体３ａ・３ｂはステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）製であり、その直径は円形の凹部の内径よりもやや小径に設定されている。
また、反射体３ａ・３ｂの両炉本体部材１・２と対向する側の外周縁部は、図７に示すように傾斜角αのテーパ面に仕上げられている。当該傾斜角度αを設けることにより、ガス供給口１ａより流入した混合ガスＧが円滑に内部空間Ｖ内へ流れ出ると共に、反射体３ｂと出口側炉本体部材２との間隙内へ流れ込み、反射体３ｂの外周端と対向する部分の白金コーティング触媒層６の局部的な集中発熱が防止できるからである。
【００５６】
前記白金コーティング触媒層６はＳＵＳ３１６Ｌ製の出口側炉本体部材２の内表面の全域（但し、スペーサ５が接触する部分の近傍は省かれている）に形成されており、炉本体部２の内表面に形成したＴｉＮ製のバリヤ皮膜７と、その上面に形成した白金コーティング皮膜８とから白金コーティング触媒層６が形成されている。
【００５７】
また、入口側炉本体部材１の内側面及び前記各反射体３ａ・３ｂの外表面にはＴｉＮ製のバリヤ皮膜９及びバリヤ皮膜１０が、形成されている。当該バリヤ皮膜９、１０は入口側炉本体部材１や反射体３ａ・３ｂの表面が金属触媒作用をし、局部的な発熱が生ずるのを防止するためである。
【００５８】
反応炉本体Ａの温度制御装置Ｂは、出口側炉本体部材２の外面側を加熱するヒータ１３と、ヒータ１３をオン・オフ制御する制御装置（図示省略）と、反応炉本体Ａを冷却する冷却器１５とから形成されている。
前記ヒータ１３は、いわゆる薄板形の面状ヒータであり、円板状のヒータ押え１４により出口側炉本体部材２へ接触固定されている。即ち、図９に示す如く、ヒータ１３は出口側炉本体部材２の外径（２２８ｍｍφ）よりも小さな外径（本実施形態では１８０ｍｍφ）の円形に形成されており、これと同径の円形のヒータ押え１４を介してボルト１９により出口側炉本体部材２へ直接固定されている。
尚、当該ヒータ１３は出口側炉本体部材２の中央部分のみに設けられており、前記図１５の従来例とは異なっている。
【００５９】
前記冷却器１５は、入口側炉本体部材１の外表面に固着した入口側冷却器１５1 と出口側炉本体部材２の外表面に固着した出口側冷却器１５2 とから形成されており、入口側冷却器１５1 の方は、従前の図１５に示した高さ２５ｍｍの放熱フイン１５ａと厚さ約５ｍｍのフイン基板１５ｂとを一体形成して成る四角形の冷却器に形成されている。
【００６０】
これに対して、出口側炉本体部材２側に設ける出口側冷却器１５2 は、図８及び図９に示すように四角形の基板の中央部に内径１９０ｍｍのヒータ挿入孔２３に穿設した基板１５ｂと、当該基板１５ｂの円形孔を除いた部分に櫛歯状に立設した高さ６０ｍｍの薄板状の複数の放熱フイン１５ａとから形成されており、本実施形態では、アルミ合金製の基板１５ｂ（厚さ約１０ｍｍ）と放熱フイン１５ａ（厚さ約２ｍｍ、高さ６０ｍｍ）とを一体成型して成る冷却器１５が使用されている。尚、図７乃至図９においては、薄板状の放熱フィン１５ａを放熱体として利用しているが、放熱体の形状は如何なるものであってもよく、例えば棒状の放熱ピンを用いたものでもよい。また、第２冷却器１５2 や入口側冷却器１５1 の基板を四角形としているが、その形状は円形等であってもよいことは勿論である。
【００６１】
尚、図９に於いて、２０は冷却器１５の取付ボルト、２１はヒータコントロール用温度計取付孔、２２は反応炉温度監視用温度計取付孔である。
また、本実施形態では、入口側冷却器１５1 の放熱フインの高さを２５ｍｍとしているが、これを出口側冷却器１５2 と同様に６０ｍｍの高さのものにしてもよい。
更に、本実施形態では、入口側炉本体部材１側にヒータを設けない構成としているが、入口側炉本体部材１側にもヒータを設けてもよい。
【００６２】
また、前記図７乃至図９の実施形態においては、入口側冷却器１５1 の基板１５ｂの面積を入口側炉本体部材１の外表面の面積とほぼ等しいものにしているが、第１実施形態のように入口側冷却器１５1 の基板１５ｂの面積を小さくして入口側炉本体部材１の内側部（即ち中央部分）へその基板１５ｂを固定し、これによって入口側炉本体部材１の内側部を主に冷却すると共に、入口側炉本体部材１の外表面の外側部へ鍔状のヒータを直接固定し、入口側炉本体部材１の外周縁部のみを当該鍔状ヒータにより加熱する構成としてもよい。
【００６３】
更に、前記図７乃至図９の本実施形態では反応炉本体Ａ内に２枚の反射板３ａ・３ｂを設けるようにしているが、図１０に示すように１枚の反射板３をガス供給口１ａと水分ガス取出口２ａと対向状に設ける構成としても良い。なお、図１０において、反射板３以外の部分の構成は、図７の場合と同じである。
【実施例２】
【００６４】
図７乃至図１０に於いて、反応炉本体Ａの外径２２８ｍｍφ、厚さ３７ｍｍ、内部空間Ｖの厚さ１７ｍｍ、内部空間Ｖの内径２１６ｍｍφ、反射体３ａ・３ｂの厚さ３ｍｍ、外形２０４ｍｍφ、出口側炉本体部材２との隙間Ｌ１ｍｍ、入口側炉本体部材１との間隔１ｍｍ、テーパ面の長さ約２１ｍｍ（テーパ角α＝８°）、白金コーティング触媒層６（ＴｉＮバリヤ皮膜７＝５μｍ＋ｐｔコーティング皮膜８＝０．３μｍ）、入口側炉本体部材１の内壁面及び反射体３ａ・３ｂの外表面のバリヤ皮膜９・１０をＴｉＮ（５μｍ）と夫々した。
【００６５】
また、冷却器１５の基板１５ｂの外形寸法２３５×２３５ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、出口側冷却器１５2 のヒータ挿入孔２３の内径１９０ｍｍφ、放熱フイン１５ａの高さ６０ｍｍ、入口側冷却器１５1 の放熱フイン１５ａの高さ２５ｍｍ、フイン厚さ１．８ｍｍとした。
更に、ヒータ１３の外径を１８０ｍｍφ（薄板形面状ヒータ、厚さ１ｍｍ）とし、且つ反応炉温度監視用温度計の取付孔２２は出口側炉本体部材２の内側表面より１．５ｍｍ内方位置に設けた。
【００６６】
当該反応炉本体Ａをヒータ１３により約３００〜３５０℃に加熱したあと、その内部空間ＶへＯ2 とＨ2 の混合ガス（Ｏ2 ＝１０ｌ／ｍｉｎ（固定）、Ｈ2＝１〜１０ｌ／ｍｉｎ（可変））をガス供給口１ａより内部空間Ｖへ流量調整自在に供給し、水分発生を行うと共に、出口側炉本体部材２内へ挿着した温度検出器により、出口側炉本体部材２の白金コーティング触媒層６より１．５ｍｍ内方の位置における炉本体部材２の半径方向の温度分布を、発生水分量（即ち、混合ガスＧの供給量）をパラメータにして測定した。
【００６７】
図１１は、その時の測定結果を示すものであり、曲線Ａ1 は水分発生量１０ＳＬＭ、曲線Ａ2 は９ＳＬＭ、曲線Ａ3 はＮ2 ガスのみ供給の場合を夫々示すものである。
尚、測定時には、温度制御装置Ｂの冷却用ファンは停止し、且つヒータ１３の温度は３５０℃に設定されていた。
【００６８】
図１１の試験結果からも明らかなように、水分発生量が１０ＳＬＭの状態下に於ける反射板３の外周縁近傍位置における下流側炉本体部材２の温度（最高温度部）は約４５０℃に押えられることが判る。
【実施例３】
【００６９】
図１２は、図７乃至図１０に示した水分発生反応炉において、入口側冷却器１５1を除去すると共に、入口側炉本体部材１の外表面に、従前と同様の外径２２８ｍｍφの円板状ヒータを配設した構成の水分発生炉を用い、上流側及び下流側の両ヒータ１３の温度を３５０℃に設定すると共に冷却ファンを停止状態とした条件下で前記第２実施例の図１１の場合と同様に、出口側炉本体部材２の内側表面近傍位置の半径方向の温度分布を、水分発生量をパラメータとして測定した結果を示すものである。
【００７０】
図１２からも明らかなように水分発生量が１０ＳＬＭにおける最高温度は約４７０℃となり、実施例２の場合よりも若干上昇することが判る。
【実施例４】
【００７１】
図１３は、前記実施例３の場合と同じ水分発生炉を用い、冷却用ファンを作動させた時の出口側炉本体部材２の内側表面近傍における半径方向の温度分布を示すものである。
尚、冷却ファンは、図１５に示した従前の５ＳＬＭ水分発生炉の場合と同じ冷却能力のものが使用されている。
【００７２】
図１４は、図７乃至図９に示した入口側冷却器１５1 及び出口側冷却器１５2 に於いて、放熱フイン１５ａの高さを変化した場合の水分発生量と最高温度との関係を示すものであり、曲線Ｅ1 Ｅ2 は、入口側冷却器１５1 及び出口側冷却器１５2 の放熱フイン１５ａの高さを夫々２５ｍｍとし且つ冷却ファンを停止させた状態に於ける水分発生量と炉本体部材２の温度（Ｅ1 は反応炉温度監視用温度計による計測値、Ｅ2 はヒータコントロール用温度計による検出値）との関係を示すものである。
【００７３】
また、曲線Ｆ1 及びＦ2 は冷却用ファンの能力を高め、水分発生反応炉の構成筺体内の排気圧を−２２ＰａＧ（排気ダクト径φ７６ｍｍ、排気量２．７ｍ3 ／ｍｉｎ）とした場合の反応炉温度監視用温度計による測定値及びヒータコントロール用温度計による測定値を示すものである。
更に、曲線Ｊ1 及びＪ2 は、前記図１２の場合に於ける反応炉温度監視用温度計による測定値及びヒータコントロール用温度計による測定値を示すものである。
【００７４】
尚、前記図７乃至図９の実施形態においては、ヒータ１３を円盤状の面状ヒータとしたが、ヒータの形状は４角状であってもよく、またこの場合には出口側冷却器１５2 側の基板１５ｂの中央には四角状のヒータ取付孔２３が穿設されることになる。
また、本実施形態では、ヒータ１３を出口側炉本体部材２の外表面（又は両炉本体部材１、２の外表面）へ外部から接当させる構成としているが、ヒータ１３を出口側炉本体部材２の表層部１（又は両炉本体部材１、２の表層部へ埋込み状（又は嵌め込み状）にしてもよい。
【００７５】
更に、入口側冷却器１５1 の基板１５ｂを小型にして、入口側炉本体部材１の内側部（中央部分）の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材１の外側部（外周縁部）へ鍔状のヒータを固定する形状のものとしてもよい。
【００７６】
図２４は、本発明に係る水分発生用反応炉Ａを用いた水分発生供給装置のフローダイヤグラムであり、図２５は水分発生供給装置の平面概要図、図２６は水分発生供給装置の縦断面概要図である。
図２４乃至図２６において、Ａは水分発生用反応炉、１５1 は入口側冷却器、１７はＨ2 センサ、１８は冷却用ファン、２４はミキサ、２５はガスフィルタ、２６は配管路の加熱器、２７はフィルタ、２８は水分ガス取出口、２９はヒータ用リード線、３０はケース体である。
尚、水分発生供給装置のフローダイヤグラムそのものは、従前の水分発生供給装置の場合と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００７７】
本発明の水分発生供給装置に於いては、ケース体３０の外形寸法が横幅３８０ｍｍ、奥行３８０ｍｍ、高さ４６５ｍｍに設定されており、横幅３８０ｍｍ及び奥行３８０ｍｍは、従前の図２１、図２２に示した水分発生供給装置の場合と同一であるが、高さは約６０ｍｍほど低くなっている。
また、水分発生用反応炉Ａは、前述の通り最高温度４５０℃以下の条件下が１０ＳＬＭの水分量を発生することができ、従前の約１０倍の水分量を供給可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、主として半導体製造装置の水分供給装置や水素含有ガスから水素ガスを除去する装置、或いは化学薬品製造装置等の水分供給装置として利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水分発生用反応炉の正面図である。
【図２】図１の原料ガスの入口側の側面図である。
【図３】図１の水分ガスの出口側の側面図である。
【図４】図１の縦断面図である。
【図５】図１の水分ガスの出口側冷却器の他の例を示すものである。
【図６】図１乃至図４の実施例１に係る水分発生用反応炉の出口側炉本体部材２の内壁近傍の温度分布（半径方向）を示すものである。
【図７】本発明の他の実施形態に係る水分発生反応炉の縦断面図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】図７の右側面図である。
【図１０】水分発生反応炉の更に他の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】図７乃至図９に示した実施例２の水分発生炉に於ける出口側炉本体部材２の内壁面近傍の温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１２】実施例３の水分発生炉における前記図１１と同位置における温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１３】実施例３の水分発生炉において冷却用ファンを作動させた状態下における前記図５と同位置における温度分布（半径方向）を示す線図である。
【図１４】冷却器の放熱フインの高さを変化させた場合の発生水分量と反応炉本体の温度等の関係を示す線図である。
【図１５】従前の水分発生反応炉の縦断面図である。
【図１６】反応炉本体の温度と水素・酸素の反応率の関係を示す線図である。
【図１７】試験用反応炉本体の縦断面概要図である。
【図１８】図１７の出口側の側面図である。
【図１９】他の試験用反応炉本体の概要図である。
【図２０】図１９の出口側の側面図である。
【図２１】反応炉本体を組み込んだ水分発生装置の縦断面概要図である。
【図２２】図２１の平面図である。
【図２３】図１７乃至図２０の反応炉本体を用いた水分発生量と反応炉本体の温度との関係を示す線図である。
【図２４】本発明の水分発生用反応炉を用いた水分発生供給装置のフローダイヤグラムである。
【図２５】水分発生供給装置の平面概要図である。
【図２６】水分発生供給装置の縦断面概要図である。
【符号の説明】
【００８０】
Ａは 反応炉本体
Ｂは 温度制御装置
Ｈ2 は 水素ガス
Ｏ2 は 酸素ガス
Ｇは 混合ガス
Ｗは 水分ガス
Ｌは 間隙
Ｖは 内部空間
αは 反射体外周縁部のテーパ角
１は 入口側炉本体部材
１ａは ガス供給口
２は 出口側炉本体部材
２ａは 水分ガス取出口
３は 反射体
４は 反射体固定ボルト
５は スペーサ
６は 白金コーティング触媒層
７は バリヤ皮膜
８は 白金皮膜
９は 入口側炉本体部材のバリヤ皮膜
１０は 反射体のバリヤ皮膜
１１は 溶接箇所
１２は シース型温度計取付孔
１３は ヒータ
１４は ヒータ押え
１５は 冷却器
１５1 は 入口側冷却器
１５2 は 出口側冷却器
１５ａは 放熱フイン
１５ｂは 基板
１６は ヒータ挿入孔
１７は Ｈ2 センサ
１８は 冷却用ファン
１９は ボルト（ヒータ押えボルト）
２０は ボルト（冷却器取付用ボルト）
２１は ヒータコントロール用温度計取付孔
２２は 反応炉温度監視用温度計取付孔
２３は ヒータ挿入孔
２４は ミキサ
２５は ガスフィルタ
２６は 加熱器
２７は フィルタ
２８は 水分ガス取出口
２９は ヒータ用リード線
３０は ケース体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを対向させて組み合せて形成した内部空間を有する反応炉本体と、前記反応炉本体の内部空間内にガス供給口及び水分ガス取出口と対向状に配設した反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層と、反応炉本体を加熱するヒータと、反応炉本体の外表面に取り付けられて反応炉本体を冷却する冷却器とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、前記冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、前記ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定する構成としたことを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項２】
冷却器を、出口側冷却器と入口側冷却器とから形成すると共に、入口側冷却器を入口側炉本体部材の外表面へ固定する基板と当該基板から垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから形成するようにした請求項１に記載の水分発生用反応炉。
【請求項３】
入口側炉本体部材にヒータを備えた請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項４】
入口側冷却器の放熱体の高さと出口側冷却器の放熱体の高さを同一若しくは出口側冷却器の放熱体の方を高くするようにした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項５】
入口側冷却器の基板と入口側炉本体部材の外表面との間に平盤状のヒータを介設する構成とした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項６】
入口側冷却器の基板を入口側炉本体部材の内側部の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材の外側部の外表面へ鍔状のヒータを直接固定する構成とした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項７】
入口側冷却器の基板を、入口側本体部材の外表面に固定されたヒータ押えの内側部に位置する入口側本体部材の外表面に固定すると共に、入口側本体部材の外側部の外表面とヒータ押えとの間にヒータを固定する構成とした請求項２又は請求項３に記載の水分発生用反応炉。
【請求項８】
出口側冷却器の基板を出口側炉本体部材の外側部の外表面へ直接固定すると共に、出口側冷却器に穿設したヒータ挿入孔を挿通せしめてヒータを出口側炉本体部材に直接固定する構成とした請求項１乃至請求項７に記載の水分発生用反応炉。
【請求項９】
放熱体を薄板状の放熱フィン又は棒状の放熱ピンとした請求項１乃至請求項８に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１０】
入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の外表面の形状を円形とすると共に両冷却器の基板を円形又は四角形状に、また出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿入孔を円形とするようにした請求項１乃至請求項８に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１１】
反応炉本体の円筒面にヒータを備えた請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１２】
ヒータの形状を鍔状とした請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１３】
請求項１に記載の水分発生用反応炉を用いた水分発生供給装置。
【請求項１】
ガス供給口を有する入口側炉本体部材と水分ガス取出口を有する出口側炉本体部材とを対向させて組み合せて形成した内部空間を有する反応炉本体と、前記反応炉本体の内部空間内にガス供給口及び水分ガス取出口と対向状に配設した反射体と、前記出口側炉本体部材の内壁面に形成した白金コーティング触媒層と、反応炉本体を加熱するヒータと、反応炉本体の外表面に取り付けられて反応炉本体を冷却する冷却器とから形成され、ガス供給口から反応炉本体の内部空間内へ供給した水素と酸素を前記白金コーティング触媒層に接触させてその反応性を活性化させることにより、水素と酸素を非燃焼の状態下で反応させるようにした水分発生反応炉に於いて、前記冷却器を、出口側炉本体部材の外表面へ固定する中央にヒータ挿入孔を穿設した基板と当該基板の前記ヒータ挿入孔以外の部分に垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから成る出口側冷却器により形成すると共に、前記ヒータの一部を出口側冷却器のヒータ挿入孔を挿通せしめて出口側炉本体部材の外表面へ固定する構成としたことを特徴とする水分発生用反応炉。
【請求項２】
冷却器を、出口側冷却器と入口側冷却器とから形成すると共に、入口側冷却器を入口側炉本体部材の外表面へ固定する基板と当該基板から垂直状に並行して立設した複数の放熱体とから形成するようにした請求項１に記載の水分発生用反応炉。
【請求項３】
入口側炉本体部材にヒータを備えた請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項４】
入口側冷却器の放熱体の高さと出口側冷却器の放熱体の高さを同一若しくは出口側冷却器の放熱体の方を高くするようにした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項５】
入口側冷却器の基板と入口側炉本体部材の外表面との間に平盤状のヒータを介設する構成とした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項６】
入口側冷却器の基板を入口側炉本体部材の内側部の外表面へ直接固定すると共に、入口側炉本体部材の外側部の外表面へ鍔状のヒータを直接固定する構成とした請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項７】
入口側冷却器の基板を、入口側本体部材の外表面に固定されたヒータ押えの内側部に位置する入口側本体部材の外表面に固定すると共に、入口側本体部材の外側部の外表面とヒータ押えとの間にヒータを固定する構成とした請求項２又は請求項３に記載の水分発生用反応炉。
【請求項８】
出口側冷却器の基板を出口側炉本体部材の外側部の外表面へ直接固定すると共に、出口側冷却器に穿設したヒータ挿入孔を挿通せしめてヒータを出口側炉本体部材に直接固定する構成とした請求項１乃至請求項７に記載の水分発生用反応炉。
【請求項９】
放熱体を薄板状の放熱フィン又は棒状の放熱ピンとした請求項１乃至請求項８に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１０】
入口側炉本体部材及び出口側炉本体部材の外表面の形状を円形とすると共に両冷却器の基板を円形又は四角形状に、また出口側冷却器の基板に設けたヒータ挿入孔を円形とするようにした請求項１乃至請求項８に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１１】
反応炉本体の円筒面にヒータを備えた請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１２】
ヒータの形状を鍔状とした請求項１又は請求項２に記載の水分発生用反応炉。
【請求項１３】
請求項１に記載の水分発生用反応炉を用いた水分発生供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２００６−２７９７４（Ｐ２００６−２７９７４Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１１１２９（Ｐ２００４−２１１１２９）
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（３９００３３８５７）株式会社フジキン (148)
[ Back to top ]