TW202104801A

TW202104801A - 燃燒器

Info

Publication number: TW202104801A
Application number: TW109110933A
Authority: TW
Inventors: 蓋瑞彼德奈特
Original assignee: 英商愛德華有限公司
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-02-01
Also published as: WO2020201697A1; GB201904651D0; GB2582912A; JP3239181U

Abstract

本發明之領域係關於一種燃燒器。該燃燒器用於處理來自一製程工具之一廢氣流且包括：一螺旋充氣腔室，其界定用於處理該廢氣流之一燃燒腔室，該螺旋充氣腔室經結構設計以輸送燃燒反應物以支援該燃燒腔室內之燃燒。依此方式，該螺旋充氣部協助防止來自該燃燒腔室之熱損失，從而實現該燃燒腔室內之一更均勻溫度分佈，藉此減少對該燃燒腔室內否則將產生非所要燃燒副產物之局部升高溫度之需求。

Description

燃燒器

本發明之領域係關於一種燃燒器。

燃燒器(諸如輻射燃燒器)係已知的且通常用於處理來自(例如)半導體或平坦面板顯示器製造工業中使用之一製程工具的一廢氣流。在此製造期間，自製程工具泵出之廢氣流中存在殘留全氟化合物(PFC)及其他化合物。PFC難以自廢氣去除且不期望其等釋放至環境中，此係因為其等係已知溫室氣體。

已知輻射燃燒器使用燃燒以自廢氣流去除PFC及其他化合物。通常，廢氣流係含有PFC及其他化合物之一氮氣流。一燃料及氧氣與廢氣流混合並將該氣流混合物輸送至一燃燒腔室中，該燃燒腔室在側向由一有孔氣體燃燒器之出口表面圍繞。燃料氣體及空氣被同時供應至多孔燃燒器以實現出口表面處之燃燒。額外燃料及氧氣之後續燃燒導致PFC在其等通過一高溫火焰時被破壞。

儘管存在用於處理廢氣流之技術，但其等各具有其等自身缺點。據此，期望提供一種用於處理一廢氣流之一經改良技術。

根據一第一態樣，提供一種用於處理來自一製程工具之一廢氣流的燃燒器，該燃燒器包括：一螺旋充氣腔室，其界定用於處理該廢氣流之一燃燒腔室，該螺旋充氣腔室經結構設計以輸送燃燒反應物以支援該燃燒腔室內之燃燒。

該第一態樣認識到現有燃燒器之一問題係來自彼等燃燒器之熱損失可能很高。因而，現有燃燒器必須在燃燒器內之某些位置處在高於所要溫度下操作，以便該燃燒器內之該廢氣流內之該等化合物可有效地減量。彼等升高溫度可導致產生非所要副產物至此NOx。據此，可提供一種燃燒器。該燃燒器可處理來自一製程工具之一廢氣流。該燃燒器可包括一螺旋(spiral或helical)充氣腔室。該螺旋充氣腔室可界定一燃燒腔室，該燃燒腔室處理該廢氣流。該螺旋充氣腔室可將燃燒反應物輸送至該燃燒腔室以支援該燃燒腔室內之燃燒。依此方式，該螺旋充氣部協助防止來自該燃燒腔室之熱損失，從而實現該燃燒腔室內之一更均勻溫度分佈，藉此減少對該燃燒腔室內否則將導致非所要燃燒副產物之產生之局部升高溫度之需求。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室具有用於接收該等燃燒反應物之一入口且經結構設計以在該等燃燒反應物被輸送至該燃燒腔室時預熱該等燃燒反應物。該螺旋充氣部協助加熱該等燃燒反應物以回收自該燃燒腔室損失之一些熱量以減少熱量損失並協助維持該燃燒腔室內之溫度。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室具有複數個匝。增加匝之數目協助減少來自該燃燒腔室之熱損失並增加至該等燃燒反應物之熱傳遞。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室由一捲長形平坦片形成。使用一捲片係形成該螺旋充氣腔室之一特別方便方式。

在一個實施例中，界定該燃燒腔室之一表面的該螺旋充氣腔室之至少該部分由不同於該螺旋充氣腔室之一剩餘部分的一材料製成。改變在不同位置處形成該螺旋充氣腔室之該等材料協助使材料性質與環境匹配。特定言之，可為形成該螺旋充氣部之一內匝及該燃燒腔室之該界定表面的該部分提供一高度耐化學性及/或耐高溫材料。接著，電阻較小之材料可用於該螺旋充氣腔室之該剩餘部分。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室界定經結構設計以將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中的複數個孔隙。據此，該螺旋充氣腔室可具有該等燃燒反應物可通過其等自該充氣部傳遞至該燃燒腔室中的孔隙。此提供用於將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中之一方便技術。

在一個實施例中，該複數個孔隙經定位以至少部分沿該燃燒腔室之一軸向長度延伸。據此，該孔隙可沿該燃燒腔室之該長度配置以便在該燃燒腔室內之不同位置處輸送燃燒反應物。

在一個實施例中，該複數個孔隙經定位以沿一列及一螺旋之至少一者延伸，該列及該螺旋至少部分沿該燃燒腔室之該軸向長度延伸。據此，該等孔隙可對準成一線性列及/或對準成繞該燃燒腔室延伸之一螺旋(helix或spiral)。

在一個實施例中，該複數個孔隙經定向以用一切向分量將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中。據此，該等孔隙以除徑向以外之其他方式輸送該等燃燒反應物以促進該等燃燒反應物繞該燃燒腔室之流動。此協助在該螺旋充氣腔室之表面附近產生一層燃燒反應物，此協助防止反應性化學物質損壞該表面。此外，一旦該燃燒腔室達到其操作溫度，便可發生該等燃燒反應物之一無焰燃燒。

在一個實施例中，該複數個孔隙具有不同大小。據此，該等孔隙之該大小可變化以便將不同數量之燃燒反應物輸送至該燃燒腔室內之不同位置，以適應彼等位置處所需之條件。

在一個實施例中，該等孔隙定位於經形成以將該螺旋充氣腔室之一個表面與該螺旋充氣腔室之一相鄰表面耦合的一肩部部分中。提供一肩部、脊、條或長形面係特別方便，此係因為此同時協助終止該螺旋充氣腔室，且提供在其中定位該等孔隙的一適當定向之表面以便用一切向分量將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中。

在一個實施例中，該複數個孔隙形成一群組之孔隙且該螺旋充氣腔室包括複數個該等群組之孔隙，各群組定位於該燃燒腔室之一不同圓周位置處。據此，可提供一組以上孔隙以協助在該燃燒腔室內更均勻地輸送該等燃燒反應物。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室包括經結構設計以將第二燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中的第二複數個孔隙。據此，可使用一不同組孔隙將不同燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中。提供不同孔隙協助在反應性燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中之前分離反應性燃燒反應物。

在一個實施例中，該第二複數個孔隙與該複數個孔隙並置。據此，該兩組孔隙可定位在一起以便將該等不同燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中之相同位置。

在一個實施例中，該第二複數個孔隙具有不同大小。同樣，該等孔隙之該大小可變化以便將不同數量之燃燒反應物輸送至該燃燒腔室內之不同位置，以適應彼等位置處所需之條件。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室界定經結構設計以將該等第二燃燒反應物輸送至該第二複數個孔隙的至少一個第二充氣部。據此，可提供一進一步、單獨或隔離充氣部以防止該等燃燒反應物在輸送至該燃燒腔室中之前之預混合。

在一個實施例中，該螺旋充氣腔室包括同心地定位於該螺旋充氣腔室內且界定該等孔隙的一內套筒。據此，該螺旋充氣腔室可具備該等燃燒反應物通過其傳遞至該燃燒腔室中的一內套筒以簡化構造。

在一個實施例中，該燃燒器包括與該螺旋充氣腔室耦合以界定該燃燒腔室的一頂板，該頂板具有用於接收該等第二燃燒反應物之一頂板入口且界定經結構設計以在該等第二燃燒反應物被輸送至該燃燒腔室時預熱該等第二燃燒反應物的導管。據此，該等第二燃燒反應物可首先通過該頂板以便預熱彼等燃燒反應物並協助減少透過該頂板之熱損失。

進一步特定及較佳態樣在隨附獨立及從屬技術方案中闡述。從屬技術方案之特徵可適當地與獨立技術方案之特徵組合且可以不同於技術方案中明確闡述之彼等之組合而組合。

在將一設備特徵描述為可操作以提供一功能的情況下，將瞭解，此包含提供該功能或經調適或經結構設計以提供該功能之一設備特徵。

在更詳細地討論實施例之前，首先將提供一概述。一個實施例提供一種圍繞一燃燒腔室之螺旋(spiral或helix)充氣部。該充氣部協助使該燃燒腔室與被供應至燃燒腔室之預熱燃燒反應物絕緣。此協助減少來自燃燒腔室之熱損失並減少燃燒腔室內之溫度變化。此協助增加燃燒腔室內之平均溫度，同時降低燃燒腔室內之峰值溫度。此協助增加燃燒腔室之減量效率，同時減少非所要燃燒副產物之量。螺旋充氣部

圖1至圖3繪示根據一個實施例之一螺旋充氣腔室10。螺旋充氣腔室10係藉由將一單片捲成數個匝之一螺旋(spiral或helix)而形成。在此實施例中，片被捲成具有五匝。此為螺旋充氣腔室10提供一外表面60、一內表面70、匝壁75及一連續螺旋(spiral或helix)充氣部80。在此實施例中，用於形成內表面70之片之該區段由比用於形成匝壁75及外表面之片之剩餘部分的材料更耐化學腐蝕且更耐熱的一材料製成。

螺旋終止於沿燃燒腔室20之軸向長度延伸的一對肩部40A、40B。肩部40A、40B定位於螺旋充氣腔室10之內表面70上的圓周相對位置處。如圖3中可見，肩部40A、40B界定複數個出口50。此等出口50可具有不同大小及定位以改變燃燒腔室20內之燃燒條件。儘管肩部40A、40B係一線性配置，但將瞭解，此等可代替地形成為以類似於一螺紋之一方式繞內表面70盤旋的螺旋。

一入口30界定於外表面60中。據此，入口30經由螺旋充氣部80之四個匝與出口50流體連通。

在操作中，燃燒反應物(在此實例中為氧化劑(諸如空氣))通過入口30提供且在自肩部40A、40B上之出口50噴出之前通過螺旋充氣部80之匝輸送以支援燃燒腔室20內燃料之燃燒。多個匝之存在協助藉由減少熱損失來使燃燒腔室20絕緣。而且，流動通過螺旋充氣部之燃燒反應物被預熱。此協助提高溫度並減少燃燒腔室20內之溫度變化(提高溫度均勻性)。此意謂，燃燒腔室20內之一較高平均溫度可以較小升高之局部溫度變化達成，其否則將導致非所要副產物(諸如NOx)之產生。而且，較高平均溫度增加燃燒腔室20之減量效果。

出口50之定向在一切線方向A上將空氣注入至燃燒腔室20中。此協助在燃燒腔室20內產生一渦流以改良燃燒腔室內之氣體之混合且進一步減小溫度變化。而且，隨著燃燒腔室20內之操作溫度升高，發生無焰燃燒。此外，空氣沿方向A之流動協助防止燃燒腔室20內之反應性化學物質與內表面70相互作用。頂板

圖4繪示一頂板90，其裝配至螺旋充氣腔室10之一個敞開端。頂板90具備通過其等提供第二燃燒反應物之數個入口100。在此實例中，燃料被提供至入口100。燃料被輸送至燃燒腔室20中用於與自出口50提供之空氣混合並燃燒。頂板90具備通過其等提供待處理之廢氣流的數個入口105。提供一導燃器110以起始及監測燃燒腔室20內之燃燒。

圖5更詳細地展示頂板90’之一實施例的內部佈局(為清楚起見，為整體之四分之一)。如可見，入口120、105經由形成於頂板90內之導管130與頂板90下方之出口125連通。導管130形成一迷宮，其當燃燒反應物自入口120、105流動至出口125並冷卻頂板90時協助預熱燃燒反應物，從而減少熱損失。並置輸送

圖6繪示肩部40’之一替代配置。在此實施例中，肩部40’具備由出口125餽送之一單獨充氣部140。單獨充氣部140餽送第二複數個孔隙150，其等類似地沿肩部40’之長度分佈。此配置在燃燒腔室20內切向地將燃料及空氣兩者一起輸送。而且，燃料空氣在輸送至燃燒腔室20之前保持分離，此防止逆燃，從而增加安全性。

據此，實施例減少一減量系統對PFC (全氟化合物)或其他化合物之燃料流量要求。此隔熱罩/熱交換器配置減少來自減量系統之熱損失，同時另外保護減量系統之內壁免受化合物之分解產物(諸如包含氟及氟化氫之PFC)之腐蝕作用。

此一方法減輕現有PFC減量系統之問題，該等現有PFC減量系統趨向於遭受許多問題，其等包含高燃料流量要求、高NOx排放及腐蝕問題。

對數個PFC減量系統之效能的分析表明，高燃料流量要求之主要原因係高溫下使用非常短之駐留時間及來自燃燒環境之簡單熱損失的一組合。在實施例中，此藉由減少熱損失並提供一經增加駐留時間來解決。然而，此導致數個其他問題，不僅僅是在最小化熱損失的同時將化學侵蝕性燃燒環境限制於一堅固腔室中。

PFC之分解導致形成許多高反應性物質，其等包含在燃燒溫度下對幾乎任何構造之材料具有極度腐蝕性之氟及氟化氫。此問題藉由遠離燃燒系統之壁執行PFC分解(其減小壁處之反應性物質之濃度，並延遲(若未停止)腐蝕)而減輕。

上文所描述之實施例提供若干功能。螺旋充氣腔室10形成其中混合燃燒之燃料/空氣混合物及一氣體流(含有待減量之氣體)的燃燒腔室20之垂直壁。螺旋充氣腔室10提供一種冷卻燃燒腔室20之內壁的方法且預熱經由入口30供應之進入燃燒空氣，其提高燃燒系統之效率。螺旋壁提供一經增加熱傳遞表面積，其減少來自燃燒腔室20之熱損失，同時預熱進入空氣。壁之螺旋幾何形狀及螺旋氣流導致一強烈溫度梯度，其中系統之外表面之溫度顯著低於內壁表面溫度。隨著螺旋中之各匝，螺旋金屬製品之溫度朝向最外表面下降，此減少藉由輻射轉遞之熱損失，其在燃燒腔室溫度下可係相當大的。

燃燒腔室20之內壁70由一耐腐蝕材料(諸如一高鎳合金)建構，而外壁可由一習知不銹鋼(諸如SS304、SS316或SS310)建構。

複數個出口50在燃燒腔室20內引起一快速旋轉氣流，該氣流用於：1)將反應性物質自內壁70吹走；及2)提供燃燒產物的足夠再循環，使得燃燒進入一無焰燃燒狀態，其中熱焰鋒消失且由一更均勻反應氣體混合物替換。藉由降低習知火焰中通常出現之峰值溫度，無焰燃燒之使用顯著降低NOx排放。

複數個出口50在垂直表面上之位置的變化提供一種在燃燒腔室20中分配空氣之方法，使得燃料/空氣比可沿燃燒室20之軸向範圍最佳化。例如，朝向燃燒腔室20之最上方提供一相對有限空氣供應，使得燃燒處於一燃料豐富狀態，從而限制多餘溫度，且接著朝向燃燒腔室之最下部提供過量空氣(氧氣)以「燒除」燃料及燃燒產物之剩餘部分以減少其他排放，諸如CO及其他PICS (不完全燃燒之產物)。

燃燒腔室20之上壁或頂板90具有複數個管，該複數個管向燃燒腔室餽送燃料及待減量之廢氣。燃料及廢氣兩者之節距直徑及入口數目可改變以最佳化燃燒，此包含通過與廢氣入口同心之一噴槍或在與廢氣入口同心之一環形通道中的燃料噴射。

亦提供一導燃火焰設備，其用於開始燃燒且亦經由一火焰游離信號監測燃燒。

頂板90或燃燒腔室20之上壁之一個實施例具有在進入燃燒腔室20之前餽送一迷宮式冷卻通路之燃料供應管，因此冷卻上壁並預熱燃料。

在一個實施例中，燃料經由一燃料軌或肩部餽送並通過與空氣孔平行之複數個孔注入。

隔熱罩/空氣預熱器之螺旋幾何形狀具有一顯著優勢，此係因為螺旋金屬之連續性質允許沿其長度之傳導及進入空氣可在其上方拾取否則將逸出之熱的一增加表面積。在具有多個匝的情況下，螺旋之最外面部分由最冷空氣冷卻，使得當依一高效、逆流方式操作一雙流體流熱交換器時，待預熱空氣與金屬表面之間的溫度差維持大體相同。另外，此協助減少輻射熱傳遞，此係因為螺旋之各匝確保最外壁被有效冷卻。

如上文所概述，可改變空氣孔之位置以改變燃燒腔室20之氧氣濃度分佈。而且，可改變燃料及製程氣體入口之位置以最佳化效能。在另一實施例中，燃料供應在進入燃燒腔室20之前穿過一迷宮。在一個實施例中，燃料經由一燃料軌噴射至燃燒腔室20中。

儘管本文中已參考附圖詳細地揭示本發明之繪示性實施例，但應理解，本發明不限於精確實施例且在不脫離由隨附發明申請專利範圍及其等之等效物所界定之本發明之範疇的情況下，熟習此項技術者可在其中進行各種改變及修改。

10:螺旋充氣腔室 20:燃燒腔室 30,100,105,120:入口 40A,40B,40’:肩部 50,125:出口 60:外表面 70:內表面 75:匝壁 80:螺旋充氣部 90,90’:頂板 100:入口 105:入口 110:導燃器 120:入口 125:出口 130:導管 140:充氣部 150:孔隙

現將參考附圖進一步描述本發明之實施例，其中：圖1至圖3繪示根據一個實施例之一螺旋充氣腔室；圖4繪示裝配至螺旋充氣腔室之一個敞開端的一頂板；圖5更詳細地展示頂板之內部佈局；及圖6繪示用於螺旋充氣腔室之肩部的一替代配置。

10:螺旋充氣腔室

20:燃燒腔室

30:入口

40A,40B:肩部

60:外表面

70:內表面

Claims

一種用於處理來自一製程工具之一廢氣流的燃燒器，該燃燒器包括：一螺旋充氣腔室，其界定用於處理該廢氣流之一燃燒腔室，該螺旋充氣腔室經結構設計以輸送燃燒反應物以支援該燃燒腔室內之燃燒。
如請求項1之燃燒器，其中該螺旋充氣腔室具有用於接收該等燃燒反應物之一入口且經結構設計以在該等燃燒反應物被輸送至該燃燒腔室時預熱該等燃燒反應物。
如請求項1或2之燃燒器，其中界定該燃燒腔室之一表面的該螺旋充氣腔室之至少該部分由不同於該螺旋充氣腔室之一剩餘部分的一材料製成。
如請求項1或2之燃燒器，其中該螺旋充氣腔室界定經結構設計以將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中的複數個孔隙。
如請求項4之燃燒器，其中該複數個孔隙經定位以至少部分沿該燃燒腔室之一軸向長度延伸。
如請求項4之燃燒器，其中該複數個孔隙經定位以沿一列及一螺旋之至少一者延伸，該列及該螺旋至少部分沿該燃燒腔室之該軸向長度延伸。
如請求項4之燃燒器，其中該複數個孔隙經定向以用一切向分量將該等燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中。
如請求項4之燃燒器，其中該複數個孔隙定位於經形成以將該螺旋充氣腔室之一個表面與該螺旋充氣腔室之一相鄰表面耦合的一肩部部分中。
如請求項4之燃燒器，其中該複數個孔隙形成一群組之孔隙且包括複數個該等群組之孔隙，各群組定位於該燃燒腔室之一不同圓周位置處。
如請求項1或2之燃燒器，其包括經結構設計以將第二燃燒反應物輸送至該燃燒腔室中的第二複數個孔隙。
如請求項10之燃燒器，其中該第二複數個孔隙與該複數個孔隙並置。
如請求項10之燃燒器，其中該第二複數個孔隙具有不同大小。
如請求項10之燃燒器，其中該螺旋充氣腔室界定經結構設計以將該等第二燃燒反應物輸送至該第二複數個孔隙的至少一個第二充氣部。
如請求項4之燃燒器，其包括同心地定位於該螺旋充氣腔室內且界定該等孔隙的一內套筒。
如請求項1或2之燃燒器，其包括與該螺旋充氣腔室耦合以界定該燃燒腔室的一頂板，該頂板具有用於接收該等第二燃燒反應物之一頂板入口且界定經結構設計以在該等第二燃燒反應物被輸送至該燃燒腔室時預熱該等第二燃燒反應物的導管。