液体加熱器
【課題】急速に液体を加熱する液体加熱器の機器本体の過熱などを防止する。
【解決手段】液体加熱器１が液体が通液される加熱用液体流路２と、前記加熱用液体流路２の外側に配置された加熱部３と、前記加熱部３による熱輻射側に対向して配置される熱反射部（反射板４）と、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して前記熱反射部を冷却する冷却部５とを備えることで、液体に吸収されなかった輻射熱を熱反射部で反射し加熱器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になって焼損や溶損をするのを防止し、さらには輻射熱を反射する熱反射部を冷却部５で冷却することで加熱器本体や周辺部材を所定温度以下に維持する。
【解決手段】液体加熱器１が液体が通液される加熱用液体流路２と、前記加熱用液体流路２の外側に配置された加熱部３と、前記加熱部３による熱輻射側に対向して配置される熱反射部（反射板４）と、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して前記熱反射部を冷却する冷却部５とを備えることで、液体に吸収されなかった輻射熱を熱反射部で反射し加熱器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になって焼損や溶損をするのを防止し、さらには輻射熱を反射する熱反射部を冷却部５で冷却することで加熱器本体や周辺部材を所定温度以下に維持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を急速に加熱する液体加熱器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造におけるレジスト剥離工程においては、洗浄液として硫酸等の溶液を加熱して高温で用いる場合が多い。特に、硫酸溶液を電気分解して得られる過硫酸（ペルオキソ二硫酸及びペルオキソ一硫酸）を有効成分とする硫酸電解液を用いて、枚葉式洗浄機にてウエハのレジスト剥離を行う場合には、硫酸電解液を約１００℃から洗浄機での使用温度である１８０℃〜２００℃程度に急速（５〜１０秒程度で）に加熱しなければならない。この加熱に用いる装置として、近赤外線ヒーターを用いた急速加熱器が提案されている。（特許文献１参照）
【０００３】
一般に、伝熱の原理には、（１）伝導、（２）対流、（３）輻射がある。急速加熱器では短時間に熱を伝える必要がある。一定流量の流体に熱を短時間に伝えるためには、機器内滞留時間を短くしなければならないが、そうすると伝熱面積を広く取ることができないので、（１）伝導や（２）対流という伝熱方式では十分な熱量を伝えることができない。そこで、上記急速加熱器では近赤外線ヒーターから光を発し、直接、流体中の分子、ここでは硫酸や水の分子に光を吸収させる方式を取っている。また、液滞留時間を短くするために、液流路の厚さを小さく抑えている。
【０００４】
一般の加熱装置では、外部を断熱材で覆って熱を内部に閉じ込め、内部を高温に保って熱効率を高くする。この概略を図１３に基づいて説明する。
加熱用液体流路１００の外側に近赤外線ヒーター１０１が配置され、近赤外線ヒーター１０１の反対側に断熱材１０２が配置される。近赤外線ヒーター１０１から出力された熱線は加熱用液体流路１００に向けて照射され、加熱用液体流路１００を流れる硫酸電解液が輻射熱で急速に加熱され、高温の硫酸電解液が加熱用液体流路１００から出液される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０６０１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、硫酸電解液で吸収されなかった熱線は、加熱用液体流路を通過して外に漏れることになる。しかし、加熱用液体流路は内容積が小さく、有効伝熱面積が小さいので、近赤外線ヒーターによる輻射伝熱では、断熱材が捉えた熱は流体に有効に伝わらず、断熱材の温度が上昇して高温に至る。この状態で運転を続けると、断熱材の耐熱温度を超えて装置が溶損するなどの事故に繋がる。また、断熱せずにそのまま放射すれば、急速加熱装置を設置した筐体（通常は、塩ビ製）が高温になるという問題がある。
【０００７】
本発明では上記課題を解決し、輻射熱で高熱を与える方式の急速加熱器において、機器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になり焼損や溶損をすることなく、安全に連続稼働させることができる液体加熱器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の液体加熱器のうち第１の本発明は、加熱用液体が通液される加熱用液体流路と、前記加熱用液体流路の一側に配置され、熱放射方向が前記通液の方向に交差するように前記加熱用液体流路に向けて熱放射が可能な加熱部と、前記加熱用液体流路の他側に配置される熱反射部と、前記熱反射部を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して、前記熱反射部を前記冷却媒体によって冷却する冷却用冷却媒体流路を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明の液体加熱器は、前記第１の本発明において、前記冷却用冷却媒体流路の導入側と排出側とにそれぞれ外部冷却媒体流路が接続され、前記排出側の前記外部冷却媒体流路に前記冷却媒体を冷却する第２冷却部が介設されていることを特徴とする。
第３の本発明の液体加熱器は、前記第１または第２の本発明において、前記加熱用液体流路が二重管で構成され、前記二重管の内管の内側に一または二以上の前記加熱部が配置され、前記二重管の外管の外側に前記熱反射部が配置され、さらに前記熱反射部の外側に前記冷却部が配置されていることを特徴とする。
第４の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記冷却部は、前記冷却用冷却媒体流路に冷却用媒体として空気を圧縮して吹き込む圧縮ポンプを備え、前記圧縮ポンプの吹き出し側と前記冷却用冷却媒体流路の入口側との間に、周囲の空気を取り込む空気取込部を有することを特徴とする。
第５の本発明の液体加熱器は、前記第４の本発明において、前記外部冷却媒体流路に、該外部冷却媒体流路で送られる空気を前記圧縮ポンプ側に向けて送風する空気ファンを備えることを特徴とする。
第６の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体流路が液導入側を下方、液排出側を上方にして縦方向に沿って配置され、前記冷却用冷却媒体流路の液導入側に接続され、冷却媒体として液体を送るポンプが介設された外部冷却媒体流路を備え、さらに前記外部冷却媒体流路に、前記ポンプをバイパスする冷却媒体バイパス路を備え、該冷却媒体バイパス路に、前記外部冷却媒体流路での通常送液の間は閉となり、前記外部冷却媒体流路での送液停止または送液不良の間は開となるバルブを備えることを特徴とする。
第７の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体が７０〜１２０℃であり、前記加熱用液体流路を通液する間に１４０〜２２０℃の沸点未満まで昇温されるものであることを特徴とする。
第８の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体流路の熱放射方向の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、液体に吸収されなかった輻射熱を反射して、加熱器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になって焼損や溶損をするのを防止し、さらには輻射熱を反射する反射部を冷却することで加熱器本体や周辺部材を所定温度以下に維持する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の装置構成の概略を説明する図である。
【図２】同じく、空冷方式の液体加熱器の例を示す横端面図である。
【図３】同じく、空冷方式の液体加熱器の例の縦端面図である。
【図４】同じく、空気吹き込み部分の拡大端面図である。
【図５】同じく、一実施形態の液体加熱器を収容して空冷する構成を示す図である。
【図６】同じく、水冷方式の液体加熱器の他例を示す横端面図である。
【図７】同じく、水冷方式の液体加熱器の一例の縦端面図である。
【図８】同じく、一実施形態の液体加熱器を含み、水冷を行う構成を示す図である。
【図９】同じく、空水冷方式の液体加熱器の例を示す図である。
【図１０】同じく、実施例における液体加熱器を非常停止した際の温度変化を示すグラフである。
【図１１】比較例における液体加熱器の例を示す横端面図（ａ）および縦端面図（ｂ）である。
【図１２】比較例の液体加熱器を収容して空冷する構成を示す図である。
【図１３】従来の液体加熱器の概略を説明する縦端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の液体加熱器１を概念的に説明する図であり、以下に説明する。
液体加熱器１は、硫酸電解液を通液しつつ急速加熱して図示しない電子材料基板の洗浄に用いるものであり、硫酸電解液は、硫酸を電解して得られる。硫酸電解液は、６５〜９６質量％の硫酸溶液を１０〜９０℃の液温にして、少なくとも陽極をダイヤモンド電極とした電極間で電解して得られた後に９０〜１２０℃まで予備加熱されたものであり、液体加熱器１において急速（例えば０．５〜１０秒）、かつ高温（例えば１４０〜２２０℃）に加熱して洗浄に供する。
【００１３】
液体加熱器１は、扁平な加熱用液体流路２を有し、加熱面に対する奥行きが１０ｍｍ以下（望ましくは１ｍｍ〜５ｍｍ）になっている。該加熱用液体流路２の扁平面外側に近赤外線ヒーター３が加熱部として配置されている。なお、加熱部としては輻射熱を放出できるものであればよく、本発明としては特定のものに限定されない。例えば、赤外線を近赤外域のものに限定するものではなく、さらにマイクロウェーブを利用したものなどを用いることも可能である。
【００１４】
液体加熱器１による熱輻射側に対し、反射板４が対向して配置されている。反射板４は、本発明の熱反射部に相当する。反射板４の反射面は前記熱輻射側に向いており、その裏面側に冷却部５が配置される。
【００１５】
加熱用液体流路２には、硫酸電解液が通液され、その際に近赤外線ヒーター３から輻射熱線が放出される。熱線は、加熱用液体流路２内を流れる硫酸電解液に照射され、硫酸電解液に吸収され、硫酸電解液を急速に加熱する。また、熱線の一部は硫酸電解液に吸収されることなく加熱用液体流路２を通過し、一部が反射板４に吸収され、その他の熱線は反射板４で反射されて加熱用液体流路２内の硫酸電解液を再度加熱する。これにより硫酸電解液による熱線の吸収率を高めることができる。なお、近赤外線ヒーター３を挟んで加熱用液体流路２の反対側にさらに図示しない第２の反射板を配置すれば、近赤外線ヒーター３で反射板４とは反対側に放出された熱線、および前記反射板４で反射され、硫酸電解液で吸収されることなく図示しない第２の反射板に至る熱線の一部をさらに第２の反射板で反射することができる。
【００１６】
反射板４は、熱線の一部を吸収することによって加熱されるが、冷却部５において導入される冷却媒体により冷却されて過度の昇温が抑制され、所定温度以下に維持される。即ち、熱の逃げ場を設けることにより、反射板および周囲の部材が過度に温度上昇するのを避けることができる。
【００１７】
なお、冷却には、代表的には（１）空冷、（２）水冷、（３）空水冷の三つの方式がある。ただし、本発明としては冷却の方式がこれらに限定されるものではない。
（１）空冷は、冷却媒体として空気を用いる方式である。
（２）水冷は、冷却媒体として水を用いる方式である。
（３）空水冷は、冷却媒体として空気を用い、その空気を水で冷却して空気を循環使用する方式である。特徴は以下の通りである。
【００１８】
（１）空冷：装置からの排気風量が大きくなる欠点はあるが、装置構成が簡単である。
（２）水冷：装置がコンパクトで設置面積を小さくできるメリットがあるが、冷却水の供給が非常停止した時に冷却水が沸騰しないような工夫が必要である。
（３）空水冷：排気風量が小さく、ユーティリティ使用量の面で有利であり、かつ沸騰の心配も無いが、装置構成が複雑で設置面積が大きくなる。
このように利害得失があるので、状況に合わせて適切な方式を選ぶ必要がある。以下に、各冷却方式を採用した液体加熱器の例を説明する。
【００１９】
（１）空冷方式
空冷方式の一実施形態の急速加熱器１０を説明する。急速加熱器１０は、全体が円筒形をしており、図２（ａ）に示すように中心部に円柱状の近赤外線ヒーター１１を置き、順に外に向かって断面リング状の加熱用液体流路１２、円筒状の反射板１３、円筒状の外部保護管１５が同心状に配置されている。
加熱用液体流路１２は、二重管構造からなる外管および内管同士の間隙によって形成されている。加熱用液体流路１２の流路厚み（内径外径差）は望ましくは１〜５ｍｍとされる。
反射板１３と外部保護管１５の間は、冷却媒体としての空気を通風する通気路１４が確保されており、通気路１４は本発明の冷却用冷却媒体流路に相当し、本発明の冷却部の一部を構成している。なお、この形態では加熱用液体流路１２を断面リング状としたが、断面円周上に複数の加熱用液体流路が配置された構成とすることも可能である。
【００２０】
また、図２（ｂ）は、急速加熱器２０の変更例を示すものであり、図２（ａ）と同様の形態については同一の符号を付している。
急速加熱器２０は、円筒の管路によって中心部に円柱状の加熱用液体流路２１を有しており、該加熱用液体流路２１の外周側に、複数の円柱状の近赤外線ヒーター２２が円周上に沿って配置されている。該近赤外線ヒーター２２が配置された円周の外周側に円筒状の反射板１３、円筒状の外部保護管１５がこの順に同心状に配置されている。大型の加熱器（液流量が多い場合）では、ヒーター本数を多く必要とし、中心部にヒーター配置できないことがある。このような場合には、図２（ｂ）のように、加熱用液体流路２１の外周側にヒーターを配置するのが効果的である。
この形態においても、反射板１３と外部保護管１５との間に通気路１４が確保されている。なお、円柱状の加熱用液体流路２１では、外周から均等に加熱されているため、その流路幅を１０ｍｍ以下（さらに望ましくは１ｍｍ〜５ｍｍ）とするのが望ましい。
【００２１】
なお、上記反射板１３の材質は、例えば、石英板に金をコーティングしたものを用いることができる。金は各種金属の中でも反射率が極めて高い。但し、あまり高温になると蒸気圧が高くなり、昇華（揮散）してしまう。よって、適切な温度に保つ必要がある。金以外の金属を用いることもできるが、同様の考慮が必要である。
【００２２】
次に、上記通気路１４を有する冷却部の構成を、図２（ａ）の急速加熱器１０を例として、図３（ａ）に基づいて説明する。図３（ａ）は、図２において近赤外線ヒーター１１を貫くIIIａ−IIIａ線端面図である。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、液体加熱器１０は軸方向を略上下にして配置されており、反射板１３と外部保護管１５の間には上下に貫通する隙間を有し、該隙間が通気路１４となっている。通気路１４の下部の導入側には、通気路１４内を吹き出し方向とする空気ノズル１６が配置されており、該空気ノズル１６に空気流路１６ａが接続されている。空気流路１６ａ、空気ノズル１６および空気ノズル１６の空気吹き出し部分から通気路１４に至る空間は、本発明の外部冷却媒体流路を構成する。
【００２４】
なお、空気ノズル１６には、図４に示すように圧縮空気を動力として用い、周辺の空気を巻き込んで風量を大きくするタイプのものを用いても良い。但し、効率良く空気を吹き込むものであれば、その形式を限定するものではない。
圧縮空気を利用する形態では、圧縮空気の通気路１４内への吹き込みによって、空気ノズル１６の空気吹き出し部分と通気路１４との間にある空間外周側から周囲の空気が引き込まれて通気路１４内に大量に導入され、反射板１３が冷却される。反射板１３を冷却した空気は、通気路１４の上方側から周囲空間に排出される。したがって、空気ノズル１６の周囲空間は本発明の空気取込部として機能する。なお、空気ノズル１６の周囲に通気路１４に連通するカーテンなどを空気取込部として設け、空気の取り込みをより確実にするように構成してもよい。
【００２５】
次に、前記通気路１４を有する冷却部の構成を、図２（ｂ）の急速加熱器２０を例として、図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、図２において近赤外線ヒーター１１を貫くIIIｂ−IIIｂ線端面図である。
液体加熱器２０は軸方向を略上下にして配置されており、反射板１３と外部保護管１５の間には上下に貫通する隙間を有し、該隙間が通気路１４となっている。通気路１４の下部の導入側には、通気路１４内を吹き出し方向とする空気ノズル１６が配置されており、該空気ノズル１６に空気流路１６ａが接続されている。
【００２６】
液体加熱器１０を筐体１７内に設置した例を図５に基づいて説明する。なお、図５では図３に基づき、液体加熱器１０の構造を簡略に記載している。
筺体１７の下方部にはガラリ１７ａが設けられ、筺体１７の上方部に排気部１７ｂが設けられており、排気部１７ｂに接続した排気路１７ｃに排気ファン１８が接続されている。これにより、筺体１７内では、排気ファン１８の動作によって冷却用空気の大半はガラリ１７ａから吸い込まれ、筺体１７内を通過しつつ、排気部１７ｂ、排気路１７ｃを通して筺体１７外に排出される。この空気を反射板１３と外部保護管１５との間の通気路１４に通すための動力として上記のように圧縮空気を用いるのが望ましい。通常、排気路１７ｃは塩ビ管でできており、耐熱性（常用温度）は４５℃までである。このため、圧縮空気の動作によって機能する空気取込部を利用して通気路１４に大量の空気を吸い込んで排気温度を下げる必要がある。
【００２７】
（２）水冷方式
次に、冷却部を水冷方式とした液体加熱器について図６（ａ）、（ｂ）および図７に基づいて説明する。
図６（ａ）に示す液体加熱器３０では、中心部に円柱状の近赤外線ヒーター３１を有し、その外周側に二重管の管同士の隙間によって形成された断面リング状の加熱用液体流路３２、円筒状の反射板３３、断面リング状の水冷ジャケット３４をこの順にして同心状に配置されている。水冷ジャケット３４は、冷却水が通水されるものであり、本発明の冷却部に相当する。なお、反射板３３と水冷ジャケット３４を個別に製作し、両者が接するように配置しても良いし、水冷ジャケット３４の内側に反射性物質、例えば金などをメッキして反射板３３を構成してもよい。反射板３３は、本発明の熱反射部に相当する。
【００２８】
図６（ｂ）に示す液体加熱器４０は、水冷方式の変更例を示すものである。なお、図６（ａ）と同様の構成について同一の符号を付して説明する。
液体加熱器４０は、中心部に円筒管路によって形成された加熱用液体流路４１を有し、該加熱用液体流路４１の外周側に、複数の円柱状の近赤外線ヒーター４２が円周上に沿って配置されている。該近赤外線ヒーター４２が配置された円周の外周側に円筒状の反射板３３、水冷ジャケット３４が同心状に配置されている。
【００２９】
次に、上記水冷ジャケット３４を有する冷却部の構成を、図６（ａ）の急速加熱器３０を例として、図７に基づいて説明する。図７は、図６において近赤外線ヒーター３１を貫くVII−VII線端面図である。
【００３０】
図７に示すように、加熱器３０では、反射板３３の外周側に水冷ジャケット３４が密着して配置されている。水冷ジャケット３４の下部には、外部冷却水路３５の送り側が接続され、水冷ジャケット３４の上部には外部冷却水路３５の戻り側が接続されている。外部冷却水路３５は、本発明の外部冷却媒体流路に相当する。外部冷却水路３５に設けた図示しないポンプによって冷却水を循環させることで、水冷ジャケット３４内で冷却水が通水され、反射板３３を冷却することができる。
【００３１】
水は空気に較べて体積当りの熱容量が大きいので、小流量で同じ熱量を排除することができる。この点がメリットであるが、デメリットは、トラブル等が原因で冷却水の供給が停止した場合に水冷ジャケット内の水が沸騰し、トラブルを招くおそれがある。これを防ぐためには、水冷ジャケットを大きくして、水冷ジャケット内の水の保有量を十分に大きくする、あるいは他の方法で水が循環するような工夫が必要である。水冷ジャケットを大きくすると装置が重くなり、装置の取り扱い上、極めて不便である。
そこで、例えば図８に示すような安全機構を備える構成にすることが考えられる。図８では、液体加熱器３０の構成を簡略に示している。
【００３２】
すなわち、外部冷却水路３５に冷却水槽３６を介設するとともに冷却水槽３６の下流側にポンプ３７を介設する。冷却水槽３６は、液体加熱器３０よりも高い位置に設置する。また、外部冷却水路３５に、前記ポンプ３７をバイパスする冷却水バイパス路３８を冷却水槽３６の下流側に設け、冷却水バイパス路３８に、バルブ３９を介設する。バルブ３９は、外部冷却水路３５を冷却水が正常に流れる際に閉じ、ポンプ３７の故障や停電などにより冷却水が水冷ジャケット３４に供給されなかったり、送液量が異常に少なくなった際に開く。バルブ３９の開閉は、外部冷却水路３５を流れる冷却水の水量、水圧に基づいて動作するものであってもよく、また、制御部による制御などによって動作させることができる。制御部による制御では、外部冷却水路３５を流れる冷却水の水量などを検出し、その検出結果に基づいて制御を行うことができる。また、通常の通電状態では、バルブ３９を閉にし、停電によって不意に通電が途絶えると、付勢部材などによってバルブが開く機構などを設けることができ、例えば、フェイルオープンのバルブを選定することができる。
【００３３】
これにより、送液が不良になると、バルブ３９が開き、さらに水冷ジャケット３４内で温度が上昇した冷却水は浮力で上昇し、冷却水バイパス路３８を通して自然循環で冷却水が循環することができる。循環水量が少ない場合には、水冷ジャケット３４下部から空気を吹き込んで浮力を大きくすることもできる。空気の供給も停止した場合であって水冷ジャケット３４内の水が一部沸騰しても、沸騰により大きな浮力が働くので、冷却水槽３６に水があれば循環する。即ち、流路の下降側と上昇側の水の密度差を利用するのである。十分な量の水が冷却水槽に確保されていることが重要である。
上記構成では、運転を継続すると冷却水槽３６の温度が上昇するので、随時冷却水を外部から冷却水槽３６に受け入れ、また返送することにより一定温度を保つことができる。
【００３４】
（３）空水冷方式
空冷方式のように大量の排気を出さず、また、水冷のようにユーティリティ喪失時の沸騰の心配をしなくて良い方法として、空水冷方式が考えられる。
液体加熱器を冷却する部分は、空冷方式と同じであるが、高温になった空気を冷却水で冷やして循環使用するのである。空気を効率良く冷やす装置としてエアフィンクーラーを使用するのが妥当である。この方式を図９に示す。この実施形態では、液体加熱器１０を例にして説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明する。また、図９では、液体加熱器１０の構成を簡略に示している。
【００３５】
すなわち、液体加熱器１０は、ガラリ１７ａ、排気口１７ｂ、排気路１７ｃを有する筺体１７内に配置される。
液体加熱器１０の上方には、フード５０が配置され、通気路１４を通過した上方に放出された空気が吸引される。フード５０には、外部空気路５１が接続され、外部空気路５１には、エアフィンクーラー５２が介設されている。エアフィンクーラー５２は、冷却水が供給されており、外部空気路５１を通る空気を水冷する。上記外部空気路５１は、本発明の外部冷却媒体流路に相当し、エアフィンクーラー５２は、本発明の第２冷却部に相当する。
【００３６】
外部空気路５１の下流端には、空気循環ファン５３が接続されており、該空気循環ファン５３は、外部空気路５１を通り、エアフィンクーラー５２で冷却された空気を通気路１４の導入側空間に送風する。
これにより、通気路１４に圧縮空気を導入する際に、空気循環ファン５３で送風される。空気循環ファン５３は、本発明の空気ファンに相当する。冷却された空気が通気路１４内に大量に取り込まれ、液体加熱器１０内、特に反射板１３を効果的に冷却する。液体加熱器１０内で冷却に用いられ、昇温した空気は、フード５０で回収され、外部空気路５１を通ってエアフィンクーラー５２で冷却された後、空気循環ファン５３で通気路導入側に供給されて、空水冷が継続して行われる。
【００３７】
この形態で、停電などで冷却水や圧縮空気の供給が停止しても、エアフィンクーラー５２内部の水は高温部に接していないので、沸騰に至るようなことはない。液体加熱器１０内部の熱は自然放熱により温度が下がっていく。自然通風によりガラリ１７ａから空気を吸込み、排気ダクトに排出する。
【実施例１】
【００３８】
以下に、冷却方式の異なる発明例および比較例について説明する。
発明例：
（１）空冷方式
図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す構造の加熱器、図４に示すノズル、図５に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝ １８ｋｗ×（１００−５０）／１００）
圧縮空気流量：５００ＮＬ／ｍｉｎ
筐体外温度：２５℃
排気風量：２５ｍ３／ｍｉｎ
結果
反射板温度＝５００℃
外部保護管温度＝１００℃
排気温度＝４４℃
【００３９】
評価
１．反射板温度：反射板は石英板に金をコーティングしたものである。石英の最高使用温度は１０００℃であり、金の昇華（揮散）は１０００℃を超えなければ顕著にならない。実用的には８００℃以下であれば問題ないと考えられる。
２．外部保護管：外部保護管の材質はＪＩＳ ＳＵＳ３０４またはセラミックスである。よって、１００℃は材質的には全く問題ない。外部保護管から筐体への輻射熱も１００℃からの輻射であるので、極僅かであり、問題とならない。
３．排気温度：塩ビ管の常用温度４５℃を下回る。
以上より、長期連続運転が可能であることが分かった。
【００４０】
（２）水冷方式
図６（ａ）および図７に示す構造の加熱器、図８に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
【００４１】
条件
ランプ入力：１２ｋＷ
熱効率：６０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：４．８ｋＷ （＝１２ｋＷ×（１００−６０）／１００ ）
冷却水入口温度：２５℃
冷却水戻り温度：３５℃
結果
反射板表面温度＝１００℃
冷却水流量＝６．９Ｌ／ｍｉｎ
【００４２】
非常停止テストの結果：
定常運転状態からランプを消灯すると同時に水冷ポンプを停止したところ、バルブが開いて水の自然循環が始まった。この時、冷却水槽の保有水量は２０Ｌであった。温度変化を計測したところ、図１０のようになった。ポンプ停止後約５分間は、水冷ジャケット出口水は沸騰状態であった。しかし、その後温度が下がり、約７０℃になった。また、冷却水槽温度は徐々に上がり、３時間後には約６５℃になった。
【００４３】
評価
１．反射板温度：反射板は直接水冷ジャケットに接しているので温度が低く、表面で１００℃であった。装置上の問題無し。
２．冷却水流量：６．９Ｌ／ｍｉｎは枚葉式洗浄機１台にとって大きな流量ではない。
３．保有水量が２０Ｌあれば、ポンプが停止しても冷却水系統全体が沸騰することは無く、安全に停止できることが分かった。
以上より、長期連続運転が可能であること、および冷却水ポンプが停止しても安全に装置全体が停止できることが分かった。
【００４４】
（３）空水冷方式
図２（ｂ）に示す構造の加熱器、図４に示すノズル、図９に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
【００４５】
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝１８ｋｗ×（１００−５０）／１００）
圧縮空気流量：５００ＮＬ／ｍｉｎ
筐体外温度：２５℃
排気風量：２ｍ３／ｍｉｎ
冷却水入口温度：２５℃
冷却水戻り温度：３５℃
【００４６】
結果
反射板温度＝５００℃
外部保護管温度＝１００℃
排気温度＝４０℃
冷却水流量＝１２．２Ｌ／ｍｉｎ
【００４７】
評価
１．反射板温度：空冷方式に同じ。
２．外部保護管：空冷方式に同じ。
３．排気温度：塩ビ管の常用温度４５℃を下回る。
４．冷却水量：枚葉式洗浄機１台の使用量として、妥当な量である。
以上より、妥当なユーティリティ使用量で長期連続運転が可能であることが分かった。
【００４８】
比較例：
（１）比較例１
図１１（ａ）（ｂ）に示すように、反射板の外側を断熱材で覆った液体加熱器を用いた。断熱材は、テフロン（登録商標）の一種であるゴアテックス（登録商標）を用いた。装置全体の構成は図１２に示す通りである。
以下に、比較例の液体加熱器６０の構造を簡略に説明する。
二重管の管同士の隙間で形成した加熱用液体流路６２の中心部に、近赤外線ヒーター６１を配置し、液体流路６２の外周側に、反射板６３を配置され、反射板６３の外周に、筒状の断熱材６５が配置されて、液体加熱器６０が構成されており、該液体加熱器６０は、前記した筺体１７内に収納されている。
【００４９】
比較例における実施条件と結果は以下の通りであった。
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝１８ｋＷ×（１００−５０）／１００）
筐体外温度：２５℃
【００５０】
結果
定常状態に至る前に、ゴアテックス（登録商標）が溶損して煙が発生した。テフロン（登録商標）の耐熱温度は２６０℃であるが、これをはるかに超えたものと推定される。
【００５１】
評価
耐熱温度がもっと高い材料を断熱材としなければならない。あるいは装置を冷却する必要がある。
【００５２】
（２）比較例２
比較例１と同様の液体加熱器を用い、断熱材を高温に耐える石英ウールに交換した。
条件
比較例１に同じ。
結果
石英ウールを輻射熱線が透過し、石英ウールを固定する鋼板製の外筒（図示せず。）が過熱し、鋼板に塗った塗料（テフロン（登録商標）コーティング）から発煙した。よって、テフロン（登録商標）の耐熱温度をはるかに超える温度に達したものと推定される。
【００５３】
評価
例え、極めて高温に耐える断熱材を用いたとしても、熱が装置内にこもれば温度が上昇する。よって、断熱材の種類に拘わらず、流体に吸収されなかった熱線に相当するエネルギーを除去するために装置を冷却する必要があり、現実的でない。
【符号の説明】
【００５４】
１ 液体加熱器
２ 加熱用液体流路
３ 近赤外線ヒーター
４ 反射板
５ 冷却部
１０ 液体加熱器
１１ 近赤外線ヒーター
１２ 加熱用液体流路
１３ 反射板
１４ 通気路
１５ 外部保護管
２０ 液体加熱器
２１ 加熱用液体流路
２２ 近赤外線ヒーター
３０ 液体加熱器
３１ 近赤外線ヒーター
３２ 加熱用液体流路
３３ 反射板
３４ 水冷ジャケット
３５ 外部冷却水路
３６ 冷却水槽
３８ 冷却水バイパス路
３９ バルブ
４０ 液体加熱器
４１ 加熱用液体流路
４２ 近赤外線ヒーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を急速に加熱する液体加熱器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造におけるレジスト剥離工程においては、洗浄液として硫酸等の溶液を加熱して高温で用いる場合が多い。特に、硫酸溶液を電気分解して得られる過硫酸（ペルオキソ二硫酸及びペルオキソ一硫酸）を有効成分とする硫酸電解液を用いて、枚葉式洗浄機にてウエハのレジスト剥離を行う場合には、硫酸電解液を約１００℃から洗浄機での使用温度である１８０℃〜２００℃程度に急速（５〜１０秒程度で）に加熱しなければならない。この加熱に用いる装置として、近赤外線ヒーターを用いた急速加熱器が提案されている。（特許文献１参照）
【０００３】
一般に、伝熱の原理には、（１）伝導、（２）対流、（３）輻射がある。急速加熱器では短時間に熱を伝える必要がある。一定流量の流体に熱を短時間に伝えるためには、機器内滞留時間を短くしなければならないが、そうすると伝熱面積を広く取ることができないので、（１）伝導や（２）対流という伝熱方式では十分な熱量を伝えることができない。そこで、上記急速加熱器では近赤外線ヒーターから光を発し、直接、流体中の分子、ここでは硫酸や水の分子に光を吸収させる方式を取っている。また、液滞留時間を短くするために、液流路の厚さを小さく抑えている。
【０００４】
一般の加熱装置では、外部を断熱材で覆って熱を内部に閉じ込め、内部を高温に保って熱効率を高くする。この概略を図１３に基づいて説明する。
加熱用液体流路１００の外側に近赤外線ヒーター１０１が配置され、近赤外線ヒーター１０１の反対側に断熱材１０２が配置される。近赤外線ヒーター１０１から出力された熱線は加熱用液体流路１００に向けて照射され、加熱用液体流路１００を流れる硫酸電解液が輻射熱で急速に加熱され、高温の硫酸電解液が加熱用液体流路１００から出液される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０６０１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、硫酸電解液で吸収されなかった熱線は、加熱用液体流路を通過して外に漏れることになる。しかし、加熱用液体流路は内容積が小さく、有効伝熱面積が小さいので、近赤外線ヒーターによる輻射伝熱では、断熱材が捉えた熱は流体に有効に伝わらず、断熱材の温度が上昇して高温に至る。この状態で運転を続けると、断熱材の耐熱温度を超えて装置が溶損するなどの事故に繋がる。また、断熱せずにそのまま放射すれば、急速加熱装置を設置した筐体（通常は、塩ビ製）が高温になるという問題がある。
【０００７】
本発明では上記課題を解決し、輻射熱で高熱を与える方式の急速加熱器において、機器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になり焼損や溶損をすることなく、安全に連続稼働させることができる液体加熱器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の液体加熱器のうち第１の本発明は、加熱用液体が通液される加熱用液体流路と、前記加熱用液体流路の一側に配置され、熱放射方向が前記通液の方向に交差するように前記加熱用液体流路に向けて熱放射が可能な加熱部と、前記加熱用液体流路の他側に配置される熱反射部と、前記熱反射部を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して、前記熱反射部を前記冷却媒体によって冷却する冷却用冷却媒体流路を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明の液体加熱器は、前記第１の本発明において、前記冷却用冷却媒体流路の導入側と排出側とにそれぞれ外部冷却媒体流路が接続され、前記排出側の前記外部冷却媒体流路に前記冷却媒体を冷却する第２冷却部が介設されていることを特徴とする。
第３の本発明の液体加熱器は、前記第１または第２の本発明において、前記加熱用液体流路が二重管で構成され、前記二重管の内管の内側に一または二以上の前記加熱部が配置され、前記二重管の外管の外側に前記熱反射部が配置され、さらに前記熱反射部の外側に前記冷却部が配置されていることを特徴とする。
第４の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記冷却部は、前記冷却用冷却媒体流路に冷却用媒体として空気を圧縮して吹き込む圧縮ポンプを備え、前記圧縮ポンプの吹き出し側と前記冷却用冷却媒体流路の入口側との間に、周囲の空気を取り込む空気取込部を有することを特徴とする。
第５の本発明の液体加熱器は、前記第４の本発明において、前記外部冷却媒体流路に、該外部冷却媒体流路で送られる空気を前記圧縮ポンプ側に向けて送風する空気ファンを備えることを特徴とする。
第６の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体流路が液導入側を下方、液排出側を上方にして縦方向に沿って配置され、前記冷却用冷却媒体流路の液導入側に接続され、冷却媒体として液体を送るポンプが介設された外部冷却媒体流路を備え、さらに前記外部冷却媒体流路に、前記ポンプをバイパスする冷却媒体バイパス路を備え、該冷却媒体バイパス路に、前記外部冷却媒体流路での通常送液の間は閉となり、前記外部冷却媒体流路での送液停止または送液不良の間は開となるバルブを備えることを特徴とする。
第７の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体が７０〜１２０℃であり、前記加熱用液体流路を通液する間に１４０〜２２０℃の沸点未満まで昇温されるものであることを特徴とする。
第８の本発明の液体加熱器は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記加熱用液体流路の熱放射方向の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、液体に吸収されなかった輻射熱を反射して、加熱器本体や周辺部材が輻射熱を受けて高温になって焼損や溶損をするのを防止し、さらには輻射熱を反射する反射部を冷却することで加熱器本体や周辺部材を所定温度以下に維持する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の装置構成の概略を説明する図である。
【図２】同じく、空冷方式の液体加熱器の例を示す横端面図である。
【図３】同じく、空冷方式の液体加熱器の例の縦端面図である。
【図４】同じく、空気吹き込み部分の拡大端面図である。
【図５】同じく、一実施形態の液体加熱器を収容して空冷する構成を示す図である。
【図６】同じく、水冷方式の液体加熱器の他例を示す横端面図である。
【図７】同じく、水冷方式の液体加熱器の一例の縦端面図である。
【図８】同じく、一実施形態の液体加熱器を含み、水冷を行う構成を示す図である。
【図９】同じく、空水冷方式の液体加熱器の例を示す図である。
【図１０】同じく、実施例における液体加熱器を非常停止した際の温度変化を示すグラフである。
【図１１】比較例における液体加熱器の例を示す横端面図（ａ）および縦端面図（ｂ）である。
【図１２】比較例の液体加熱器を収容して空冷する構成を示す図である。
【図１３】従来の液体加熱器の概略を説明する縦端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の液体加熱器１を概念的に説明する図であり、以下に説明する。
液体加熱器１は、硫酸電解液を通液しつつ急速加熱して図示しない電子材料基板の洗浄に用いるものであり、硫酸電解液は、硫酸を電解して得られる。硫酸電解液は、６５〜９６質量％の硫酸溶液を１０〜９０℃の液温にして、少なくとも陽極をダイヤモンド電極とした電極間で電解して得られた後に９０〜１２０℃まで予備加熱されたものであり、液体加熱器１において急速（例えば０．５〜１０秒）、かつ高温（例えば１４０〜２２０℃）に加熱して洗浄に供する。
【００１３】
液体加熱器１は、扁平な加熱用液体流路２を有し、加熱面に対する奥行きが１０ｍｍ以下（望ましくは１ｍｍ〜５ｍｍ）になっている。該加熱用液体流路２の扁平面外側に近赤外線ヒーター３が加熱部として配置されている。なお、加熱部としては輻射熱を放出できるものであればよく、本発明としては特定のものに限定されない。例えば、赤外線を近赤外域のものに限定するものではなく、さらにマイクロウェーブを利用したものなどを用いることも可能である。
【００１４】
液体加熱器１による熱輻射側に対し、反射板４が対向して配置されている。反射板４は、本発明の熱反射部に相当する。反射板４の反射面は前記熱輻射側に向いており、その裏面側に冷却部５が配置される。
【００１５】
加熱用液体流路２には、硫酸電解液が通液され、その際に近赤外線ヒーター３から輻射熱線が放出される。熱線は、加熱用液体流路２内を流れる硫酸電解液に照射され、硫酸電解液に吸収され、硫酸電解液を急速に加熱する。また、熱線の一部は硫酸電解液に吸収されることなく加熱用液体流路２を通過し、一部が反射板４に吸収され、その他の熱線は反射板４で反射されて加熱用液体流路２内の硫酸電解液を再度加熱する。これにより硫酸電解液による熱線の吸収率を高めることができる。なお、近赤外線ヒーター３を挟んで加熱用液体流路２の反対側にさらに図示しない第２の反射板を配置すれば、近赤外線ヒーター３で反射板４とは反対側に放出された熱線、および前記反射板４で反射され、硫酸電解液で吸収されることなく図示しない第２の反射板に至る熱線の一部をさらに第２の反射板で反射することができる。
【００１６】
反射板４は、熱線の一部を吸収することによって加熱されるが、冷却部５において導入される冷却媒体により冷却されて過度の昇温が抑制され、所定温度以下に維持される。即ち、熱の逃げ場を設けることにより、反射板および周囲の部材が過度に温度上昇するのを避けることができる。
【００１７】
なお、冷却には、代表的には（１）空冷、（２）水冷、（３）空水冷の三つの方式がある。ただし、本発明としては冷却の方式がこれらに限定されるものではない。
（１）空冷は、冷却媒体として空気を用いる方式である。
（２）水冷は、冷却媒体として水を用いる方式である。
（３）空水冷は、冷却媒体として空気を用い、その空気を水で冷却して空気を循環使用する方式である。特徴は以下の通りである。
【００１８】
（１）空冷：装置からの排気風量が大きくなる欠点はあるが、装置構成が簡単である。
（２）水冷：装置がコンパクトで設置面積を小さくできるメリットがあるが、冷却水の供給が非常停止した時に冷却水が沸騰しないような工夫が必要である。
（３）空水冷：排気風量が小さく、ユーティリティ使用量の面で有利であり、かつ沸騰の心配も無いが、装置構成が複雑で設置面積が大きくなる。
このように利害得失があるので、状況に合わせて適切な方式を選ぶ必要がある。以下に、各冷却方式を採用した液体加熱器の例を説明する。
【００１９】
（１）空冷方式
空冷方式の一実施形態の急速加熱器１０を説明する。急速加熱器１０は、全体が円筒形をしており、図２（ａ）に示すように中心部に円柱状の近赤外線ヒーター１１を置き、順に外に向かって断面リング状の加熱用液体流路１２、円筒状の反射板１３、円筒状の外部保護管１５が同心状に配置されている。
加熱用液体流路１２は、二重管構造からなる外管および内管同士の間隙によって形成されている。加熱用液体流路１２の流路厚み（内径外径差）は望ましくは１〜５ｍｍとされる。
反射板１３と外部保護管１５の間は、冷却媒体としての空気を通風する通気路１４が確保されており、通気路１４は本発明の冷却用冷却媒体流路に相当し、本発明の冷却部の一部を構成している。なお、この形態では加熱用液体流路１２を断面リング状としたが、断面円周上に複数の加熱用液体流路が配置された構成とすることも可能である。
【００２０】
また、図２（ｂ）は、急速加熱器２０の変更例を示すものであり、図２（ａ）と同様の形態については同一の符号を付している。
急速加熱器２０は、円筒の管路によって中心部に円柱状の加熱用液体流路２１を有しており、該加熱用液体流路２１の外周側に、複数の円柱状の近赤外線ヒーター２２が円周上に沿って配置されている。該近赤外線ヒーター２２が配置された円周の外周側に円筒状の反射板１３、円筒状の外部保護管１５がこの順に同心状に配置されている。大型の加熱器（液流量が多い場合）では、ヒーター本数を多く必要とし、中心部にヒーター配置できないことがある。このような場合には、図２（ｂ）のように、加熱用液体流路２１の外周側にヒーターを配置するのが効果的である。
この形態においても、反射板１３と外部保護管１５との間に通気路１４が確保されている。なお、円柱状の加熱用液体流路２１では、外周から均等に加熱されているため、その流路幅を１０ｍｍ以下（さらに望ましくは１ｍｍ〜５ｍｍ）とするのが望ましい。
【００２１】
なお、上記反射板１３の材質は、例えば、石英板に金をコーティングしたものを用いることができる。金は各種金属の中でも反射率が極めて高い。但し、あまり高温になると蒸気圧が高くなり、昇華（揮散）してしまう。よって、適切な温度に保つ必要がある。金以外の金属を用いることもできるが、同様の考慮が必要である。
【００２２】
次に、上記通気路１４を有する冷却部の構成を、図２（ａ）の急速加熱器１０を例として、図３（ａ）に基づいて説明する。図３（ａ）は、図２において近赤外線ヒーター１１を貫くIIIａ−IIIａ線端面図である。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、液体加熱器１０は軸方向を略上下にして配置されており、反射板１３と外部保護管１５の間には上下に貫通する隙間を有し、該隙間が通気路１４となっている。通気路１４の下部の導入側には、通気路１４内を吹き出し方向とする空気ノズル１６が配置されており、該空気ノズル１６に空気流路１６ａが接続されている。空気流路１６ａ、空気ノズル１６および空気ノズル１６の空気吹き出し部分から通気路１４に至る空間は、本発明の外部冷却媒体流路を構成する。
【００２４】
なお、空気ノズル１６には、図４に示すように圧縮空気を動力として用い、周辺の空気を巻き込んで風量を大きくするタイプのものを用いても良い。但し、効率良く空気を吹き込むものであれば、その形式を限定するものではない。
圧縮空気を利用する形態では、圧縮空気の通気路１４内への吹き込みによって、空気ノズル１６の空気吹き出し部分と通気路１４との間にある空間外周側から周囲の空気が引き込まれて通気路１４内に大量に導入され、反射板１３が冷却される。反射板１３を冷却した空気は、通気路１４の上方側から周囲空間に排出される。したがって、空気ノズル１６の周囲空間は本発明の空気取込部として機能する。なお、空気ノズル１６の周囲に通気路１４に連通するカーテンなどを空気取込部として設け、空気の取り込みをより確実にするように構成してもよい。
【００２５】
次に、前記通気路１４を有する冷却部の構成を、図２（ｂ）の急速加熱器２０を例として、図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、図２において近赤外線ヒーター１１を貫くIIIｂ−IIIｂ線端面図である。
液体加熱器２０は軸方向を略上下にして配置されており、反射板１３と外部保護管１５の間には上下に貫通する隙間を有し、該隙間が通気路１４となっている。通気路１４の下部の導入側には、通気路１４内を吹き出し方向とする空気ノズル１６が配置されており、該空気ノズル１６に空気流路１６ａが接続されている。
【００２６】
液体加熱器１０を筐体１７内に設置した例を図５に基づいて説明する。なお、図５では図３に基づき、液体加熱器１０の構造を簡略に記載している。
筺体１７の下方部にはガラリ１７ａが設けられ、筺体１７の上方部に排気部１７ｂが設けられており、排気部１７ｂに接続した排気路１７ｃに排気ファン１８が接続されている。これにより、筺体１７内では、排気ファン１８の動作によって冷却用空気の大半はガラリ１７ａから吸い込まれ、筺体１７内を通過しつつ、排気部１７ｂ、排気路１７ｃを通して筺体１７外に排出される。この空気を反射板１３と外部保護管１５との間の通気路１４に通すための動力として上記のように圧縮空気を用いるのが望ましい。通常、排気路１７ｃは塩ビ管でできており、耐熱性（常用温度）は４５℃までである。このため、圧縮空気の動作によって機能する空気取込部を利用して通気路１４に大量の空気を吸い込んで排気温度を下げる必要がある。
【００２７】
（２）水冷方式
次に、冷却部を水冷方式とした液体加熱器について図６（ａ）、（ｂ）および図７に基づいて説明する。
図６（ａ）に示す液体加熱器３０では、中心部に円柱状の近赤外線ヒーター３１を有し、その外周側に二重管の管同士の隙間によって形成された断面リング状の加熱用液体流路３２、円筒状の反射板３３、断面リング状の水冷ジャケット３４をこの順にして同心状に配置されている。水冷ジャケット３４は、冷却水が通水されるものであり、本発明の冷却部に相当する。なお、反射板３３と水冷ジャケット３４を個別に製作し、両者が接するように配置しても良いし、水冷ジャケット３４の内側に反射性物質、例えば金などをメッキして反射板３３を構成してもよい。反射板３３は、本発明の熱反射部に相当する。
【００２８】
図６（ｂ）に示す液体加熱器４０は、水冷方式の変更例を示すものである。なお、図６（ａ）と同様の構成について同一の符号を付して説明する。
液体加熱器４０は、中心部に円筒管路によって形成された加熱用液体流路４１を有し、該加熱用液体流路４１の外周側に、複数の円柱状の近赤外線ヒーター４２が円周上に沿って配置されている。該近赤外線ヒーター４２が配置された円周の外周側に円筒状の反射板３３、水冷ジャケット３４が同心状に配置されている。
【００２９】
次に、上記水冷ジャケット３４を有する冷却部の構成を、図６（ａ）の急速加熱器３０を例として、図７に基づいて説明する。図７は、図６において近赤外線ヒーター３１を貫くVII−VII線端面図である。
【００３０】
図７に示すように、加熱器３０では、反射板３３の外周側に水冷ジャケット３４が密着して配置されている。水冷ジャケット３４の下部には、外部冷却水路３５の送り側が接続され、水冷ジャケット３４の上部には外部冷却水路３５の戻り側が接続されている。外部冷却水路３５は、本発明の外部冷却媒体流路に相当する。外部冷却水路３５に設けた図示しないポンプによって冷却水を循環させることで、水冷ジャケット３４内で冷却水が通水され、反射板３３を冷却することができる。
【００３１】
水は空気に較べて体積当りの熱容量が大きいので、小流量で同じ熱量を排除することができる。この点がメリットであるが、デメリットは、トラブル等が原因で冷却水の供給が停止した場合に水冷ジャケット内の水が沸騰し、トラブルを招くおそれがある。これを防ぐためには、水冷ジャケットを大きくして、水冷ジャケット内の水の保有量を十分に大きくする、あるいは他の方法で水が循環するような工夫が必要である。水冷ジャケットを大きくすると装置が重くなり、装置の取り扱い上、極めて不便である。
そこで、例えば図８に示すような安全機構を備える構成にすることが考えられる。図８では、液体加熱器３０の構成を簡略に示している。
【００３２】
すなわち、外部冷却水路３５に冷却水槽３６を介設するとともに冷却水槽３６の下流側にポンプ３７を介設する。冷却水槽３６は、液体加熱器３０よりも高い位置に設置する。また、外部冷却水路３５に、前記ポンプ３７をバイパスする冷却水バイパス路３８を冷却水槽３６の下流側に設け、冷却水バイパス路３８に、バルブ３９を介設する。バルブ３９は、外部冷却水路３５を冷却水が正常に流れる際に閉じ、ポンプ３７の故障や停電などにより冷却水が水冷ジャケット３４に供給されなかったり、送液量が異常に少なくなった際に開く。バルブ３９の開閉は、外部冷却水路３５を流れる冷却水の水量、水圧に基づいて動作するものであってもよく、また、制御部による制御などによって動作させることができる。制御部による制御では、外部冷却水路３５を流れる冷却水の水量などを検出し、その検出結果に基づいて制御を行うことができる。また、通常の通電状態では、バルブ３９を閉にし、停電によって不意に通電が途絶えると、付勢部材などによってバルブが開く機構などを設けることができ、例えば、フェイルオープンのバルブを選定することができる。
【００３３】
これにより、送液が不良になると、バルブ３９が開き、さらに水冷ジャケット３４内で温度が上昇した冷却水は浮力で上昇し、冷却水バイパス路３８を通して自然循環で冷却水が循環することができる。循環水量が少ない場合には、水冷ジャケット３４下部から空気を吹き込んで浮力を大きくすることもできる。空気の供給も停止した場合であって水冷ジャケット３４内の水が一部沸騰しても、沸騰により大きな浮力が働くので、冷却水槽３６に水があれば循環する。即ち、流路の下降側と上昇側の水の密度差を利用するのである。十分な量の水が冷却水槽に確保されていることが重要である。
上記構成では、運転を継続すると冷却水槽３６の温度が上昇するので、随時冷却水を外部から冷却水槽３６に受け入れ、また返送することにより一定温度を保つことができる。
【００３４】
（３）空水冷方式
空冷方式のように大量の排気を出さず、また、水冷のようにユーティリティ喪失時の沸騰の心配をしなくて良い方法として、空水冷方式が考えられる。
液体加熱器を冷却する部分は、空冷方式と同じであるが、高温になった空気を冷却水で冷やして循環使用するのである。空気を効率良く冷やす装置としてエアフィンクーラーを使用するのが妥当である。この方式を図９に示す。この実施形態では、液体加熱器１０を例にして説明する。なお、前記実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明する。また、図９では、液体加熱器１０の構成を簡略に示している。
【００３５】
すなわち、液体加熱器１０は、ガラリ１７ａ、排気口１７ｂ、排気路１７ｃを有する筺体１７内に配置される。
液体加熱器１０の上方には、フード５０が配置され、通気路１４を通過した上方に放出された空気が吸引される。フード５０には、外部空気路５１が接続され、外部空気路５１には、エアフィンクーラー５２が介設されている。エアフィンクーラー５２は、冷却水が供給されており、外部空気路５１を通る空気を水冷する。上記外部空気路５１は、本発明の外部冷却媒体流路に相当し、エアフィンクーラー５２は、本発明の第２冷却部に相当する。
【００３６】
外部空気路５１の下流端には、空気循環ファン５３が接続されており、該空気循環ファン５３は、外部空気路５１を通り、エアフィンクーラー５２で冷却された空気を通気路１４の導入側空間に送風する。
これにより、通気路１４に圧縮空気を導入する際に、空気循環ファン５３で送風される。空気循環ファン５３は、本発明の空気ファンに相当する。冷却された空気が通気路１４内に大量に取り込まれ、液体加熱器１０内、特に反射板１３を効果的に冷却する。液体加熱器１０内で冷却に用いられ、昇温した空気は、フード５０で回収され、外部空気路５１を通ってエアフィンクーラー５２で冷却された後、空気循環ファン５３で通気路導入側に供給されて、空水冷が継続して行われる。
【００３７】
この形態で、停電などで冷却水や圧縮空気の供給が停止しても、エアフィンクーラー５２内部の水は高温部に接していないので、沸騰に至るようなことはない。液体加熱器１０内部の熱は自然放熱により温度が下がっていく。自然通風によりガラリ１７ａから空気を吸込み、排気ダクトに排出する。
【実施例１】
【００３８】
以下に、冷却方式の異なる発明例および比較例について説明する。
発明例：
（１）空冷方式
図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す構造の加熱器、図４に示すノズル、図５に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝ １８ｋｗ×（１００−５０）／１００）
圧縮空気流量：５００ＮＬ／ｍｉｎ
筐体外温度：２５℃
排気風量：２５ｍ３／ｍｉｎ
結果
反射板温度＝５００℃
外部保護管温度＝１００℃
排気温度＝４４℃
【００３９】
評価
１．反射板温度：反射板は石英板に金をコーティングしたものである。石英の最高使用温度は１０００℃であり、金の昇華（揮散）は１０００℃を超えなければ顕著にならない。実用的には８００℃以下であれば問題ないと考えられる。
２．外部保護管：外部保護管の材質はＪＩＳ ＳＵＳ３０４またはセラミックスである。よって、１００℃は材質的には全く問題ない。外部保護管から筐体への輻射熱も１００℃からの輻射であるので、極僅かであり、問題とならない。
３．排気温度：塩ビ管の常用温度４５℃を下回る。
以上より、長期連続運転が可能であることが分かった。
【００４０】
（２）水冷方式
図６（ａ）および図７に示す構造の加熱器、図８に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
【００４１】
条件
ランプ入力：１２ｋＷ
熱効率：６０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：４．８ｋＷ （＝１２ｋＷ×（１００−６０）／１００ ）
冷却水入口温度：２５℃
冷却水戻り温度：３５℃
結果
反射板表面温度＝１００℃
冷却水流量＝６．９Ｌ／ｍｉｎ
【００４２】
非常停止テストの結果：
定常運転状態からランプを消灯すると同時に水冷ポンプを停止したところ、バルブが開いて水の自然循環が始まった。この時、冷却水槽の保有水量は２０Ｌであった。温度変化を計測したところ、図１０のようになった。ポンプ停止後約５分間は、水冷ジャケット出口水は沸騰状態であった。しかし、その後温度が下がり、約７０℃になった。また、冷却水槽温度は徐々に上がり、３時間後には約６５℃になった。
【００４３】
評価
１．反射板温度：反射板は直接水冷ジャケットに接しているので温度が低く、表面で１００℃であった。装置上の問題無し。
２．冷却水流量：６．９Ｌ／ｍｉｎは枚葉式洗浄機１台にとって大きな流量ではない。
３．保有水量が２０Ｌあれば、ポンプが停止しても冷却水系統全体が沸騰することは無く、安全に停止できることが分かった。
以上より、長期連続運転が可能であること、および冷却水ポンプが停止しても安全に装置全体が停止できることが分かった。
【００４４】
（３）空水冷方式
図２（ｂ）に示す構造の加熱器、図４に示すノズル、図９に示す装置構成で、本発明の方法を実施した。実施条件と結果は以下の通りであった。
【００４５】
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝１８ｋｗ×（１００−５０）／１００）
圧縮空気流量：５００ＮＬ／ｍｉｎ
筐体外温度：２５℃
排気風量：２ｍ３／ｍｉｎ
冷却水入口温度：２５℃
冷却水戻り温度：３５℃
【００４６】
結果
反射板温度＝５００℃
外部保護管温度＝１００℃
排気温度＝４０℃
冷却水流量＝１２．２Ｌ／ｍｉｎ
【００４７】
評価
１．反射板温度：空冷方式に同じ。
２．外部保護管：空冷方式に同じ。
３．排気温度：塩ビ管の常用温度４５℃を下回る。
４．冷却水量：枚葉式洗浄機１台の使用量として、妥当な量である。
以上より、妥当なユーティリティ使用量で長期連続運転が可能であることが分かった。
【００４８】
比較例：
（１）比較例１
図１１（ａ）（ｂ）に示すように、反射板の外側を断熱材で覆った液体加熱器を用いた。断熱材は、テフロン（登録商標）の一種であるゴアテックス（登録商標）を用いた。装置全体の構成は図１２に示す通りである。
以下に、比較例の液体加熱器６０の構造を簡略に説明する。
二重管の管同士の隙間で形成した加熱用液体流路６２の中心部に、近赤外線ヒーター６１を配置し、液体流路６２の外周側に、反射板６３を配置され、反射板６３の外周に、筒状の断熱材６５が配置されて、液体加熱器６０が構成されており、該液体加熱器６０は、前記した筺体１７内に収納されている。
【００４９】
比較例における実施条件と結果は以下の通りであった。
条件
ランプ入力：１８ｋＷ
熱効率：５０％ （硫酸溶液の温度上昇から計算される効率）
冷却負荷：９ｋＷ （＝１８ｋＷ×（１００−５０）／１００）
筐体外温度：２５℃
【００５０】
結果
定常状態に至る前に、ゴアテックス（登録商標）が溶損して煙が発生した。テフロン（登録商標）の耐熱温度は２６０℃であるが、これをはるかに超えたものと推定される。
【００５１】
評価
耐熱温度がもっと高い材料を断熱材としなければならない。あるいは装置を冷却する必要がある。
【００５２】
（２）比較例２
比較例１と同様の液体加熱器を用い、断熱材を高温に耐える石英ウールに交換した。
条件
比較例１に同じ。
結果
石英ウールを輻射熱線が透過し、石英ウールを固定する鋼板製の外筒（図示せず。）が過熱し、鋼板に塗った塗料（テフロン（登録商標）コーティング）から発煙した。よって、テフロン（登録商標）の耐熱温度をはるかに超える温度に達したものと推定される。
【００５３】
評価
例え、極めて高温に耐える断熱材を用いたとしても、熱が装置内にこもれば温度が上昇する。よって、断熱材の種類に拘わらず、流体に吸収されなかった熱線に相当するエネルギーを除去するために装置を冷却する必要があり、現実的でない。
【符号の説明】
【００５４】
１ 液体加熱器
２ 加熱用液体流路
３ 近赤外線ヒーター
４ 反射板
５ 冷却部
１０ 液体加熱器
１１ 近赤外線ヒーター
１２ 加熱用液体流路
１３ 反射板
１４ 通気路
１５ 外部保護管
２０ 液体加熱器
２１ 加熱用液体流路
２２ 近赤外線ヒーター
３０ 液体加熱器
３１ 近赤外線ヒーター
３２ 加熱用液体流路
３３ 反射板
３４ 水冷ジャケット
３５ 外部冷却水路
３６ 冷却水槽
３８ 冷却水バイパス路
３９ バルブ
４０ 液体加熱器
４１ 加熱用液体流路
４２ 近赤外線ヒーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱用液体が通液される加熱用液体流路と、前記加熱用液体流路の一側に配置され、熱放射方向が前記通液の方向に交差するように前記加熱用液体流路に向けて熱放射が可能な加熱部と、前記加熱用液体流路の他側に配置される熱反射部と、前記熱反射部を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して、前記熱反射部を前記冷却媒体によって冷却する冷却用冷却媒体流路を備えることを特徴とする液体加熱器。
【請求項２】
前記冷却用冷却媒体流路の導入側と排出側とにそれぞれ外部冷却媒体流路が接続され、前記排出側の前記外部冷却媒体流路に前記冷却媒体を冷却する第２冷却部が介設されていることを特徴とする請求項１記載の液体加熱器。
【請求項３】
前記加熱用液体流路が二重管で構成され、前記二重管の内管の内側に一または二以上の前記加熱部が配置され、前記二重管の外管の外側に前記熱反射部が配置され、さらに前記熱反射部の外側に前記冷却部が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体加熱器。
【請求項４】
前記冷却部は、前記冷却用冷却媒体流路に冷却用媒体として空気を圧縮して吹き込む圧縮ポンプを備え、前記圧縮ポンプの吹き出し側と前記冷却用冷却媒体流路の入口側との間に、周囲の空気を取り込む空気取込部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項５】
前記外部冷却媒体流路に、該外部冷却媒体流路で送られる空気を前記圧縮ポンプ側に向けて送風する空気ファンを備えることを特徴とする請求項４記載の液体加熱器。
【請求項６】
前記加熱用液体流路が液導入側を下方、液排出側を上方にして縦方向に沿って配置され、前記冷却用冷却媒体流路の液導入側に接続され、冷却媒体として液体を送るポンプが介設された外部冷却媒体流路を備え、
さらに前記外部冷却媒体流路に、前記ポンプをバイパスする冷却媒体バイパス路を備え、該冷却媒体バイパス路に、前記外部冷却媒体流路での通常送液の間は閉となり、前記外部冷却媒体流路での送液停止または送液不良の間は開となるバルブを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項７】
前記加熱用液体が７０〜１２０℃であり、前記加熱用液体流路を通液する間に１４０〜２２０℃の沸点未満まで昇温されるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項８】
前記加熱用液体流路の熱放射方向の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項１】
加熱用液体が通液される加熱用液体流路と、前記加熱用液体流路の一側に配置され、熱放射方向が前記通液の方向に交差するように前記加熱用液体流路に向けて熱放射が可能な加熱部と、前記加熱用液体流路の他側に配置される熱反射部と、前記熱反射部を冷却する冷却部と、を備え、
前記冷却部は、前記熱反射部の反射面の裏面側に冷却媒体を通流して、前記熱反射部を前記冷却媒体によって冷却する冷却用冷却媒体流路を備えることを特徴とする液体加熱器。
【請求項２】
前記冷却用冷却媒体流路の導入側と排出側とにそれぞれ外部冷却媒体流路が接続され、前記排出側の前記外部冷却媒体流路に前記冷却媒体を冷却する第２冷却部が介設されていることを特徴とする請求項１記載の液体加熱器。
【請求項３】
前記加熱用液体流路が二重管で構成され、前記二重管の内管の内側に一または二以上の前記加熱部が配置され、前記二重管の外管の外側に前記熱反射部が配置され、さらに前記熱反射部の外側に前記冷却部が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体加熱器。
【請求項４】
前記冷却部は、前記冷却用冷却媒体流路に冷却用媒体として空気を圧縮して吹き込む圧縮ポンプを備え、前記圧縮ポンプの吹き出し側と前記冷却用冷却媒体流路の入口側との間に、周囲の空気を取り込む空気取込部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項５】
前記外部冷却媒体流路に、該外部冷却媒体流路で送られる空気を前記圧縮ポンプ側に向けて送風する空気ファンを備えることを特徴とする請求項４記載の液体加熱器。
【請求項６】
前記加熱用液体流路が液導入側を下方、液排出側を上方にして縦方向に沿って配置され、前記冷却用冷却媒体流路の液導入側に接続され、冷却媒体として液体を送るポンプが介設された外部冷却媒体流路を備え、
さらに前記外部冷却媒体流路に、前記ポンプをバイパスする冷却媒体バイパス路を備え、該冷却媒体バイパス路に、前記外部冷却媒体流路での通常送液の間は閉となり、前記外部冷却媒体流路での送液停止または送液不良の間は開となるバルブを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項７】
前記加熱用液体が７０〜１２０℃であり、前記加熱用液体流路を通液する間に１４０〜２２０℃の沸点未満まで昇温されるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の液体加熱器。
【請求項８】
前記加熱用液体流路の熱放射方向の厚みが１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液体加熱器。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２４７０９６（Ｐ２０１２−２４７０９６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７７６４（Ｐ２０１１−１１７７６４）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００００１０６３）栗田工業株式会社 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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