(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸素ガスとを燃焼室内に導入するガス導入ノズルを備え、前記燃焼室内で水素を燃焼させることにより水蒸気を発生させる水蒸気発生装置であって、  前記ガス導入ノズルは、外側管と内側管とを有する二重管構造であり、前記内側管と前記外側管の間の空間が、酸素ガスの流れる酸素導入路とされ、前記内側管の内部が水素ガスの流れる水素導入路とされており、
前記内側管の先端部には、前記水素導入路よりも小径の開口を径方向中央に有するように径内方に向けて管厚を大きくして水素導入路を流れる水素ガスに絞りをかけて流速を大きくして噴出させる水素噴出部が形成され、
水素ガスに絞りをかけるために管厚が径内方に大きくされた前記水素噴出部には、外側管に向かって径外方に拡径された拡径部が備わり、この拡径部を、前記外側管に向かって拡径させて前記外側管と前記内側管との間の開口面積を酸素導入路の断面積よりも小さくすることにより、酸素導入路を流れる酸素ガスに酸素導入路の外周側寄りで絞りをかけて流速を大きくして噴出させる環状隙間が、前記拡径部の外周縁と前記外側管との間に形成されていることを特徴とする水蒸気発生装置。
【請求項２】
前記拡径部の酸素導入路に面した内側面には、冷却フィンが突設されていることを特徴とする請求項１記載の水蒸気発生装置。
【請求項３】
水素ガスと酸素ガスとを燃焼室内に導入するガス導入ノズルを備え、前記燃焼室内で水素を燃焼させることにより水蒸気を発生させる水蒸気発生装置であって、  前記ガス導入ノズルは、外側管と内側管とを有する二重管構造であり、前記内側管と前記外側管の間の空間が、酸素ガスの流れる酸素導入路とされ、前記内側管の内部が水素ガスの流れる水素導入路とされており、
前記酸素導入路の先端側に設けられたリング状の酸素噴出口を、前記内側管を径外方向に拡径させた拡径部により前記内側管の外径よりも大径にして、前記酸素導入路の外周側寄りで絞るとともに、
前記水素導入路の先端側に設けられた水素噴出口を、前記内側管を径内方に向けて管厚を大きくして、前記内側管の内径よりも小径にして前記水素導入路の径方向中央で絞ることにより、水素ガスと酸素ガスとの合流位置を噴出方向前方にずらしてあることを特徴とする水蒸気発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
水蒸気発生装置（Pyrogenic装置）は、例えば、半導体の製造工程において半導体ウエハを酸化させて酸化膜を形成するために用いられる。半導体ウエハの酸化膜は、水蒸気発生装置で発生させた水蒸気を半導体ウエハに接触させて酸化処理することにより得られる。
【０００３】
水蒸気発生装置は、水素ガスと酸素ガスとを燃焼室内に導入するガス導入ノズルを備え、前記燃焼室内で水素を燃焼させることにより水蒸気を発生させる。
このような水蒸気発生装置では、水素と酸素の反応によりガス導入ノズルの先端から炎が出て、ノズル先端が加熱される。ノズル先端が加熱されると失透（ガラス質の物質が結晶質へ転化する現象）が生じ、パーティクルの発生の原因となり、半導体処理工程における清浄度を保つことができなくなる。
【０００４】
このようなノズル先端の加熱を防止するためのガス導入ノズルの構造として、従来、特許第３１５４８５８号公報、特開２０００−４０６９９号公報に記載のものなどがあるが、本発明は、ガス導入ノズルの失透を防止するための新たな構造を持つガス導入ノズルを備えた水蒸気発生装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素ガスと酸素ガスとを燃焼室内に導入するガス導入ノズルを備え、前記燃焼室内で水素を燃焼させることにより水蒸気を発生させる水蒸気発生装置であって、  前記ガス導入ノズルは、外側管と内側管とを有する二重管構造であり、前記内側管と前記外側管の間の空間が、酸素ガスの流れる酸素導入路とされ、前記内側管の内部が水素ガスの流れる水素導入路とされており、
前記内側管の先端部には、前記水素導入路よりも小径の開口を径方向中央に有するように径内方に向けて管厚を大きくして水素導入路を流れる水素ガスに絞りをかけて流速を大きくして噴出させる水素噴出部が形成され、
水素ガスに絞りをかけるために管厚が径内方に大きくされた前記水素噴出部には、外側管に向かって径外方に拡径された拡径部が備わり、この拡径部を、前記外側管に向かって拡径させて前記外側管と前記内側管との間の開口面積を酸素導入路の断面積よりも小さくすることにより、酸素導入路を流れる酸素ガスに酸素導入路の外周側寄りで絞りをかけて流速を大きくして噴出させる環状隙間が、前記拡径部の外周縁と前記外側管との間に形成されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明によると、酸素ガスは、拡径部の外周縁と前記外側管との間の環状隙間を通って燃焼室に噴出される際には、水素ガス流を囲む筒状のガス流になるとともに、酸素導入路より面積の小さく酸素導入路の外周側寄りにある環状隙間によって酸素ガス流が絞られて流速が大きくなる。
したがって、酸素ガスと水素ガスとの合流位置が水素噴出部から噴出方向前方に離れて、そこで燃焼反応が生じるため、ノズル先端の加熱が低減される。
しかも、酸素ガスが噴出する環状隙間は、拡径部の外周縁と外側管との間にあって酸素導入路の外周側寄りにあるから、筒状酸素ガス流の径が大きくなって水素ガス流との間隔が大きくなり、酸素ガスと水素ガスとの合流位置を、一層前方へ離すことができる。
【０００７】
さらに、本発明によると、内側管先端部に備わった拡径部は酸素ガス流れを絞るだけではなく、内側管から拡径しているため内側管先端部にある水素噴出部の熱を放熱する放熱体としての役割を果たす。しかも、酸素導入路で内側管よりに流れる酸素ガス流は、拡径部にガイドされて径外方向に向かって環状隙間から噴出するから、拡径部全体が酸素ガス流によって効率的に冷却された状態にあり、効率的に水素噴出部を冷却でき、失透を防止できる。
【０００８】
また、本発明では、前記拡径部の酸素導入路に面した内側面には、冷却フィンが突設されているのが好ましい。拡径部の酸素導入路に面した内側面に、冷却フィンを突設することで、酸素導入路の酸素ガスと接触する面積が増大し、冷却効果が高まる。なお、前記冷却フィンは、酸素ガスを径外方向にガイドすべく径方向に延設されているのが好ましく、冷却フィンが径方向に延設されていることで、酸素導入路の酸素ガスが環状隙間に向かって径外方向に流れ、円滑なガス流を得ることができるとともに、冷却効果が一層高まる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る水蒸気発生装置１を示している。この水蒸気発生装置１は、ガス導入ノズル２と、水蒸気出口３とを有する装置本体５を備えている。この水蒸気発生装置１の水蒸気出口３は、半導体処理装置（図示省略）と接続される。なお、水蒸気発生装置１と半導体処理装置とを一体的に設けても良い。半導体処理装置では、水蒸気発生装置１から供給された水蒸気によって半導体ウエハを高温下で酸化処理して半導体ウエハ表面に酸化膜を形成する。
【００１０】
装置本体５は、内部が燃焼室６となる燃焼容器（以下、「燃焼チューブ」という）７と、ガス導入ノズル２から導入されたガスを燃焼温度まで上昇させるヒータ８と、燃焼チューブ７及びヒータ８を取り囲んで装置外枠となる水冷式の冷却体９と、を備えている。
【００１１】
前記ガス導入ノズル２は、燃焼チューブ７の軸方向一端側（図１の左側）に設けられている。また、前記水蒸気出口３は、燃焼チューブ７の軸方向他端（図１の右側）に設けられて装置本体５外まで延出している。燃焼チューブ７のガス導入ノズル２側は水蒸気出口３側に比べて径の小さい小径部７ａとされており、前記ヒータ８は、この小径部７ａの周りを取り囲むように設けられて、小径部７ａの内部をガスの燃焼温度まで上昇させる。この小径部７ａは、装置本体５外まで延出しており、この小径部７ａの延出方向先端には、ガス導入ノズル２が取り付けられるフランジ７ｂが形成されている。
【００１２】
前記ガス導入ノズル２は、水素ガスと酸素ガスを燃焼チューブ７内部の燃焼室６に導入するためのものである。このガス導入ノズル２は、円筒状の外側管１１と円筒状の内側管１２とを有する二重管構造であり、外側管１１の内部に同軸状に内側管１２が配置され、ノズル先端から水素ガスと酸素ガスが噴出する。
【００１３】
外側管１１の長手方向中途部には外周部から径外方向に突出形成されたフランジ１１ａが備わっている。ガス導入ノズル２は、燃焼チューブ７のフランジ７ｂとガス導入ノズル２のフランジ１１ａとを対面状に取り付けることによって、燃焼チューブ７に取り付けられる。ガス導入ノズル２は、燃焼チューブ７に取り付けられた状態で、フランジ１１ａより先端側（図１の右側）が燃焼チューブ７内に挿入され、フランジ１１ａより後端側が燃焼チューブ７の外に位置する。また、ガス導入ノズル２の先端は、小径部７ａ内に位置し、噴出したガスがヒータ８で加熱される位置に存在している。
【００１４】
二重管構造をなす管のうち内側管１２は、内部に水素ガスが流れる水素導入路１２ａを形成している。この内側管１２は、ノズル後端において外側管１１を貫通して外部に延設され、外部から水素ガスを導入するためのガス導入口１２ｂが形成されている。また、外側管１１は、後端外周部に酸素導入口１１ｂを備えており、酸素導入口１１ｂから導入された酸素ガスは内側管１２と外側管１１との間の空間を流れる。すなわち、内側管１２と外側管との間の空間が酸素導入路１１ｃとされている。酸素導入路１１ｃの断面積は、外側管１１の内周断面積から内側管１２の外周断面積を引いたものとなる。
【００１５】
内側管１２の先端部には、水素ガスを燃焼室６に噴出するための水素噴出部１５が形成されている。水素噴出部１５は、内側管１２の先端部以外の部分に比べて径内側に厚みが大きくされており、中央に水素導入路１２ａの断面積より小さい面積の開口１５ａが形成されている。水素導入路１２ａを流れてきた水素ガスはこの開口１５ａによって絞りをかけられて流速が大きくなった状態で燃焼室６内に噴出される。
【００１６】
また、内側管１２の先端外周部（水素噴出部１５）には、外側管１１に向かって径外方向に拡径した拡径部１６が備わっている。この拡径部１６は、燃焼室６に面した外側面１６ａが内側管の先端と面一に形成されている。本実施形態では、この拡径部１６は内側管１２と一体形成されているが、内側管１２の外周部に別体のリング状部材を装着して拡径部としてもよい。拡径部１６は、ノズル先端において内側管１２と外側管１１との間の大部分を塞いでおり、酸素導入路１１ｃを流れてきた酸素ガスは、拡径部１６の外周と外側管１１の内周との間の環状隙間１７を通って燃焼室６内に噴出される。すなわち、この環状隙間１７が酸素噴出口となり、環状隙間の断面積は酸素導入路の断面積より小さいため、酸素ガスは酸素噴出口である環状隙間１７によって絞りをかけられて、酸素ガス噴出時のガス流速が大きくなる。
【００１７】
外側管１１は、先端まで肉厚が均一であり、環状隙間１７は、内側管１２の拡径だけで形成されているため、簡易な構造で外側管１１の径と略等しい径の大きな径の環状隙間１７を形成できる。なお、環状隙間の径方向幅（拡径部外周と外側管１の内周との間の間隔）は、０．３ｍｍに設定されている。
【００１８】
環状隙間１７が拡径部１６外周と外側管１１内周の間にあることから、噴出される酸素ガス流は径の大きい筒状ガス流となる。このように、噴出された酸素ガス流は、流速が大きく、かつ筒の径が大きいから、酸素ガスとの合流位置を水素噴出部１５から遠く離すことができる。
【００１９】
すなわち、環状の酸素噴出口１７から筒状の酸素ガス流は、水素噴出口１５ａから噴出した水素ガスを囲んだ状態となる。噴出されたガス流は、絞りをかけられて流速が大きく、しかも、酸素ガス流の径が大きいことから水素ガス流との間隔が大きく、水素ガスと酸素ガスとの合流位置は、水素噴出部１５から噴出方向前方（図１において右方）に離れた位置となり、水素噴出部１５から離れた位置で水素の燃焼反応が生じ炎Ｆが発生する。水素の燃焼により水蒸気が生成され水蒸気出口３から半導体処理装置に送られ、酸化処理に用いられる。このとき、水素の燃焼位置が水素噴出部１５から離れているため水素噴出部１５が不必要に加熱されず、失透が防止される。
【００２０】
しかも、拡径部１６は、酸素ガスの流速を大きくし、径を大きく保つだけでなく、内側管１２から拡径して酸素導入路１１ｃに面した内側面１６ｂを持つため、水素噴出部１５の熱を放熱して不必要な温度上昇を防止する。特に、拡径部１６は、酸素ガスが直接当たるため、酸素ガスによる効率的な冷却効果が得られる。さらに、拡径部１６はノズル先端において酸素導入路の大部分を塞いでおり、環状隙間１７に向かって流れる酸素ガス流れによって拡径部１６全体が効率的に冷却され、水素噴出部１５の温度上昇が抑制される。
このように、本実施形態では、拡径部１６によって燃焼位置を水素噴出部１５から遠く離すことができるとともに、水素噴出部１５を効率的に冷却することができるため、失透を防止できる。
【００２１】
図３及び図４は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態では、拡径部１６の内側面１６ａに冷却フィン１８が突設されている点が第１実施形態と異なる。冷却フィン１８は、内側面１６ａから水素噴出方向とは逆方向（図３において左方）に突出しており、水素噴出部１５の外周部から拡径部１６の外周部に向かって径方向に延びて形成されている。冷却フィン１８は、周方向に所定間隔をおいて複数配置されており、各冷却フィン１８間が酸素ガス流のガイド部となっている。
【００２２】
拡径部１６の内側面１６ａに冷却フィン１８が形成されていることで、拡径部１６と酸素ガスとの接触面積が増大するため、冷却効果が高まる。しかも、冷却フィン１８間のガイド部によって、酸素ガスが環状隙間に向かう方向にガイドされ、酸素ガスの流れが円滑になって冷却効果が十分発揮される。
なお、第２実施形態において説明を省略した点は、第１実施形態と同様である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、内側管の先端部には、前記水素導入路よりも小径の開口を径方向中央に有するように径内方に向けて管厚を大きくして水素導入路を流れる水素ガスに絞りをかけて流速を大きくして噴出させる水素噴出部が形成され、水素ガスに絞りをかけるために管厚が径内方に大きくされた前記水素噴出部には、外側管に向かって径外方に拡径された拡径部が備わり、この拡径部を、前記外側管に向かって拡径させて当該外側管と内側管との間の開口面積を酸素導入路の断面積よりも小さくすることにより、酸素導入路を流れる酸素ガスに酸素導入路の外周側寄りで絞りをかけて流速を大きくして噴出させる環状隙間が、前記拡径部の外周縁と前記外側管との間に形成されているので、環状隙間からは流速が大きくかつ径の大きな筒状の酸素ガスが噴出する。このため、燃焼位置がノズル先端から離れて、不必要な加熱が行われない。しかも、拡径部全体が酸素ガス流によって効率的に冷却された状態にあり、水素噴出部が冷却される。この結果、ノズル先端の失透が防止される。
【００２４】
また、前記拡径部の酸素導入路に面した内側面に冷却フィンが突設されている場合には、酸素導入路の酸素ガスと接触する面積が増大し、冷却効果が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の水蒸気発生装置の断面図である。
【図２】ガス導入ノズルの正面図である。
【図３】第２実施形態の水蒸気発生装置におけるガス導入ノズルの断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
１  水蒸気発生装置
２  ガス導入ノズル
６  燃焼室
１１  外側管
１２  内側管
１５  水素噴出部
１６  拡径部
１７  環状隙間（酸素噴出口）
１８  冷却フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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