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図面 (12)

課題

空気を多量に含む対象ガスから対象ガスを効果的に回収する。

解決手段

対象ガスが供給される装置の対象空間からの対象ガスと空気を含む排出ガス圧縮するコンプレッサであって、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスについて対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、を含む前処理装置12と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気を固化することまたは対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置14と、を含む。深冷装置14において得られた対象ガスを回収または循環する。

概要

背景

3Dメモリの作製には、ナノインプリント半導体製造装置が利用される。このナノインプリント半導体製造装置では、ナノインプリント工程において、半導体欠陥発生低減のために、粒子径が極めて小さい不活性ガスであるヘリウムガス雰囲気中で製造が行われている。ナノインプリント工程では、ウエハを適切なヘリウムガス雰囲気中に設置することが、歩留まりを良くする上での最大のノーハウになっている。

一方、使用したヘリウム空気成分が約90%にもなる形でしか回収できないために再利用が困難であり、現在は全て大気放散して利用されている。そのため、ナノインプリント技術を利用した極小線幅半導体の生産軌道に乗ると、半導体生産に使われるヘリウムの量は莫大な量になると予測されている。そのため、ヘリウムを出来るだけ多く回収して再利用する技術が望まれている。

なお、本発明に関連するヘリウムの循環ステムは、特許文献1などに開示されており、ヘリウムの精製については特許文献2−4等に示されている。

概要

空気を多量に含む対象ガスから対象ガスを効果的に回収する。対象ガスが供給される装置の対象空間からの対象ガスと空気を含む排出ガス圧縮するコンプレッサであって、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスについて対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、を含む前処理装置12と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気を固化することまたは対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置14と、を含む。深冷装置14において得られた対象ガスを回収または循環する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気を固化することによって空気より固化温度の低い対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する、対象ガス処理システム

請求項2

対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、コンプレッサからの圧縮ガスを対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、対象ガスを固化することによって空気より固化温度の高い対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する、対象ガス処理システム。

請求項3

対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送する水潤滑コンプレッサと、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、を有する、対象ガス処理システム。

請求項4

対象ガスを熱交換器予備的に冷却し、その冷却された対象ガス中の空気または対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する、対象ガス処理システム。

請求項5

請求項1、3、4のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、対象ガスは、ヘリウムまたはネオンである、対象ガス処理システム。

請求項6

請求項2、3、4のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、対象ガスは、キセノンまたはアルゴンである、対象ガス処理システム。

請求項7

請求項1〜3のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、膜分離装置は、中空糸膜を使用する中空糸膜分離装置である、対象ガス処理システム。

請求項8

請求項1、2、3、7のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、膜分離装置は、ポリイミドの膜を使用する膜分離装置である、対象ガス処理システム。

請求項9

請求項1、2、7、8のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、コンプレッサが、水を用いる水潤滑コンプレッサである、対象ガス処理システム。

請求項10

請求項1、2、3、7、8、9のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスについて、冷却タイプの除湿器と、吸着式の除湿器のいずれか1つ又は両方で除湿する、対象ガス処理システム。

請求項11

請求項1、2、4のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、深冷装置が冷凍機に冷却される熱伝導の良い材料で作られた流路の長い深冷精製器を有する、対象ガス処理システム。

請求項12

請求項11に記載の対象ガス処理システムであって、深冷装置が深冷精製器に供給されるガス予冷するスパイラル熱交換器を有する、対象ガス処理システム。

請求項13

請求項12に記載の対象ガス処理システムであって、スパイラル熱交換器から深冷精製器への流路に極低温電動バルブを有する、対象ガス処理システム。

請求項14

請求項11〜13のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、深冷精製器に出力ガスからの固化対象ガスを冷凍して捕捉する捕捉体を有する、対象ガス処理システム。

請求項15

請求項11〜14のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、深冷精製器に固化した対象ガスを昇温ガス化して回収または廃棄することにより深冷系において再度対象ガスの分離を可能とする、再生機能を有する対象ガス処理システム。

請求項16

請求項1〜15のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、得られた対象ガスを対象空間に供給する、対象ガス処理システム。

技術分野

0001

本発明は、対象ガスが使用される装置から得られる、使用済み対象ガスと空気を含む排出ガスを処理する対象ガス処理システムに関する。

背景技術

0002

3Dメモリの作製には、ナノインプリント半導体製造装置が利用される。このナノインプリント半導体製造装置では、ナノインプリント工程において、半導体欠陥発生低減のために、粒子径が極めて小さい不活性ガスであるヘリウムガス雰囲気中で製造が行われている。ナノインプリント工程では、ウエハを適切なヘリウムガス雰囲気中に設置することが、歩留まりを良くする上での最大のノーハウになっている。

0003

一方、使用したヘリウム空気成分が約90%にもなる形でしか回収できないために再利用が困難であり、現在は全て大気放散して利用されている。そのため、ナノインプリント技術を利用した極小線幅半導体の生産軌道に乗ると、半導体生産に使われるヘリウムの量は莫大な量になると予測されている。そのため、ヘリウムを出来るだけ多く回収して再利用する技術が望まれている。

0004

なお、本発明に関連するヘリウムの循環システムは、特許文献1などに開示されており、ヘリウムの精製については特許文献2−4等に示されている。

先行技術

0005

特許第4145673号公報
特許第4893990号公報
特許第3645526号公報
特許第3686066号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ヘリウムは20数年先には枯渇すると危惧されており、ヘリウムの価格は最近10年で4−5倍にもなっており、ヘリウム回収の必要性が強く指摘されているが、このような高い比率コンタミ汚染物質:主として空気成分)を持ったガスから、経済性を持って利用可能なヘリウム回収技術はまだ存在しない。

課題を解決するための手段

0007

本発明に係る対象ガス処理システムは、対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気を固化することによって空気より固化温度の低い対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する。

0008

本発明に係る対象ガス処理システムは、対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、コンプレッサからの圧縮ガスを対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、対象ガスを固化することによって空気より固化温度の高い対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する。

0009

本発明に係る対象ガス処理システムは、対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送する水潤滑コンプレッサと、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、を有する。

0010

本発明に係る対象ガス処理システムは、対象ガスを熱交換器予備的に冷却し、その冷却された対象ガス中の空気または対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有する。

発明の効果

0011

本発明によれば、空気成分を多く含むヘリウムガス収率90%以上で回収することが可能になり、大幅な生産費コストダウンの実現を達成するとともに、希少資源であるヘリウムの有効利用による環境負荷の低減に寄与することができる。

図面の簡単な説明

0012

ヘリウムガス循環システムの全体構成を示すブロック図である。
前処理装置の構成を示す図である。
前処理装置の変形例の構成を示す図である。
水潤滑コンプレッサの構成を示す図である。
膜分離装置の構成を示す図である。
深冷装置の構成を示す図である。
深冷精製装置の構成を示す図である。
深冷精製装置の他の構成を示す図である。
ヘリウムガス循環システムの変形例の構成を示すブロック図である
電動バルブの構成(閉状態)を示す図である。
電動バルブの構成(開状態)を示す図である。

実施例

0013

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

0014

「全体構成」
図1は、ヘリウム循環システムの全体構成を示す図である。半導体製造装置10は、3Dメモリを製造するものであり、ナノインプリント製造装置を含んでいる。そして、ナノインプリント製造装置によるナノインプリント工程は、ヘリウムガスが供給される密閉空間(対象空間)内において実施される。ヘリウムガスが供給される領域では、ヘリウムガス雰囲気になっているが、対象空間全体としては、多くの空気が含まれることになり、この対象空間から排出される排ガスは、典型的にはヘリウムガス10%、空気90%程度となる。

0015

排ガスは、前処理装置12に流入され、ここで排ガスから出来るだけ多く空気を除去し、ヘリウムガスを90%程度にまで濃縮されたヘリウム富化ガスを得る。前処理装置12については後述するが、膜分離装置、例えばポリイミド膜を使用する中空糸膜分離装置が好適である。また、排ガス圧縮用のコンプレッサとしては、水潤滑コンプレッサが好適である。また、コンプレッサとしては、オイルフリーコンプレッサも好適であり、さらに通常のオイルを利用するコンプレッサを使用することもでき、この場合には圧縮ガスからオイルを除去する装置を設け、後段の装置にオイルが流出しないようにするとよい。

0016

前処理装置12からのヘリウム富化ガスは、深冷装置14に供給される。深冷装置14は、ヘリウム富化ガスを冷却し、空気を固化させて、ヘリウムガスを精製する。これによって、濃度が90%程度に高められたヘリウムガスが得られ、これがバッファタンク16に一旦貯留された後、半導体製造装置10に循環される。なお、半導体製造装置10には、ヘリウムボンベ18からのヘリウムガスも切替装置により供給できるようになっている。

0017

「前処理装置」
図2は、膜分離装置を用いた前処理装置12の構成例を示す図である。半導体製造装置10からの排ガスは、ポンプ110によってバッファタンク114に供給され、ここに一旦貯留される。バッファタンク114に貯留されたガスは、水潤滑コンプレッサ116により圧縮されて後段に供給される。水潤滑コンプレッサ116では、0.9MPa(ゲージ圧、以下同様)程度の高圧ガスを得ることができる。

0018

水潤滑コンプレッサ116からの圧縮ガスは、冷凍タイプの除湿器であるアフタークーラ118により冷却されて、水分が除去される。水分が除去された圧縮ガスは一旦バッファタンク120に貯留された後、温度制御器122で適切な温度に加熱又は冷却され、膜分離装置124に供給される。この膜分離装置124は、例えばポリイミド中空糸を利用するものであり、膜に対する透過速度の相違によってヘリウムと空気とを分離する。すなわち、ヘリウムと空気との混合ガスを膜の一方側に高圧で供給することで、膜の透過速度の高いヘリウムが膜を選択的に透過する。これによって、膜分離装置124の透過側にヘリウム富化ガスが得られ、混合ガスの供給室側に空気を多く含む空気富化ガスが得られる。膜分離装置124におけるヘリウムガスの透過速度は比較的小さく、従って高圧での膜分離が必要である。水潤滑コンプレッサ116と膜分離装置124を用いるだけでは、ヘリウムの濃度を十分に上げることは困難であるが、膜分離装置124で得られたヘリウム富化ガスをそのまま使用できる用途もある。

0019

ヘリウム濃度を上げるために、膜分離装置124で得られたヘリウム富化ガスは、バッファタンク126を介し、水潤滑コンプレッサ128で再度圧縮される。圧縮ガスは、冷却除湿器130で除湿されて、バッファタンク132に貯留され、その後温度制御器134、減圧器136を介し、膜分離装置138に供給される。ここで、2段目の膜分離装置138においては、0.6MPa程度と、1段目の膜分離装置124に比べ供給圧力を低くする。これによって、空気の膜透過量を減少して、ヘリウムガスの比率の大きな透過ガスを効果的に得ることができる。

0020

2段目の膜分離装置138で得られたヘリウム富化ガスは、減圧器142で0MPa程度(大気圧)に減圧されて、深冷装置14に向けて送出される。

0021

また、1段目の膜分離装置124の供給側におけるヘリウムガスが減少し空気の割合が増加した空気富化ガスは、温度制御器144を介し、別の膜分離装置146に供給される。透過側にほぼ空気のみが得られるようなガス温度と圧力で透過させることにより、ほぼ空気のみとなったガスが放出される。一方、供給側には、空気が除去され、ヘリウムガスが濃縮されたガスが得られ(例えば、ヘリウムガスを50%程度含む)、これは減圧弁148によって、ほぼ大気圧にされてバッファタンク114に循環される。

0022

2段目の膜分離装置138の供給側からの排ガス(例えば、ヘリウムガスを85%程度含む)は、減圧弁150を介し、ほぼ大気圧(0MPa)とされてバッファタンク114に循環される。なお、アフタークーラ118からの排出ガスの一部はバッファタンク114に循環して、後段へのガス供給量を調整するとよい。

0023

このような、膜分離装置を3つ、水潤滑コンプレッサを2つ含む前処理装置12によって、ヘリウムガスを95%程度含むヘリウム富化ガスが得られる。また、除湿も行っているので、露点は−15°C以下にできる。また、ヘリウムの収率は98%と高いものにできる。

0024

「前処理装置の変形例」
上述の例では、膜分離装置を3つ、水潤滑コンプレッサを2つ含む。従って、システムが比較的大型である。ヘリウムガスの濃度が低くなることを許容すれば、より小型のシステムとすることもできる。

0025

図3には、膜分離装置を2つ、水潤滑コンプレッサを1つとしたシステムを示す。空気90%、ヘリウムガス10%程度で大気圧の排ガスはポンプ210によりバッファタンク212に供給される。バッファタンク212内のガスを水潤滑コンプレッサ214によって加圧した後、アフタークーラ216で乾燥して、バッファタンク218に導入する。バッファタンク218からは一部が減圧弁244を介しバッファタンク212に循環されており、後段へのガス流量が調整される。

0026

バッファタンク218からのガスは、ドライヤ220に供給され、ここでさらに乾燥される。このドライヤ220は、例えば吸着式除湿装置で、プレッシャースイングアドソープション(PSA)タイプのドライヤが採用される。このPSAではゼオライトなどの吸湿剤吸着剤)を充填したを複数用意し、一方の塔で高圧で吸湿を行っている際に、他方の塔において低圧での再生を行う。再生ガスは、減圧弁222を介し、バッファタンク212に戻される。このドライヤ220により、露点−70°C以下にすることが可能である。

0027

ドライヤ220で乾燥されたガスは、膜分離装置224に高圧(例えば、0.9MPa)のまま供給される。この膜分離装置224もポリイミドの中空糸膜を利用するものが好適である。ヘリウムが選択的に膜を透過するため透過側にヘリウム富化ガスが得られ、これが制御弁226を介しバッファタンク228に貯留される。バッファタンク228内のヘリウム富化ガスは減圧弁230を介し、深冷装置14に供給される。

0028

なお、ヘリウム富化ガスの一部は制御弁232、減圧弁234を介しバッファタンク212に戻される。従って、制御弁226,232を制御することで、循環量を制御することができ、バッファタンク212におけるヘリウムの含有率を適切な値にすることができる。

0029

膜分離装置224の供給側のガスは、制御弁236を介し、膜分離装置238に供給される。膜を透過してヘリウムガスを多く含むガスは、制御弁240、減圧弁242を介し、バッファタンク212に循環される。一方、ヘリウムをほとんど含まない空気が膜分離装置238の非透過側に得られ、これが外部に排気される。

0030

この例では、膜分離装置を2つ、水潤滑コンプレッサを1つとしており、上述の例に比べシステム構成が簡素化されている。そして、各段階で、前段へ循環できる構成としたため、ヘリウムの濃縮率を高めることができ、適切な循環量の設定によって所望のヘリウム富化ガスを得ることができる。

0031

「水潤滑コンプレッサ」
図4には、水潤滑コンプレッサの概略構成を示す。コンプレッサ本体310は、モータによってを回転させて、吸入側流体を圧縮して排出する。ここで、このコンプレッサ本体310には、水と、被圧縮ガスが供給され、水が混入された圧縮ガスが排出される。水混入圧縮ガスはリザーバタンク312に供給され、ここで気液分離される。そして、リザーバタンク312内のガスが制御弁320を介し圧縮ガスとして次段(膜分離装置)に向けて排出される。

0032

また、リザーバタンク312の底部には、バルブ322を有する排出管が接続されており、適宜排水される。なお、リザーバタンク312の水位は一定に保たれるように、新しい水が供給される。

0033

リザーバタンク312内の水は、クーラ314、フィルタ316、弁318を介し、コンプレッサ本体310に循環される。

0034

このように、コンプレッサ本体310に水を循環供給することで、オイルを不要として、ガスの圧縮ができる。

0035

「膜分離装置」
図5には、膜分離装置の構成が示してある。円筒状のホルダ610の一端には、入口612、他端には出口614が設けられており、内部には軸方向に伸びる多数の中空糸616が配置されている。

0036

中空糸616の入口側には、入口側封止体618、出口側には出口側封止体620が設けられている。これら入口側封止体618、出口側封止体620は、ホルダ610内の中空糸616の外側空間封止するものであり、入口側封止体618の入口612側の空間と、出口側封止体620の出口614側の空間とが各中空糸616の内部を介し連通される。また、ホルダ610の中間部には、内部と連通する排出口622が設けられ、ホルダ610内の入口側封止体618と、出口側封止体620との間の外側空間が排出口622に連通する。

0037

従って、入口612から導入された被処理ガス(圧縮ガス)の中のヘリウムガスが選択的に中空糸616の内側から外側に移動し、中空糸を透過して外側空間に至ったヘリウムガスを多く含むヘリウム富化ガスが排出口622に得られる。また、出口614からはヘリウムガスが減少し空気が多く含まれる、空気富化ガスが得られる。

0038

「深冷装置」
図6には、深冷装置14の構成が示されている。この例では、前処理装置12からのヘリウム富化ガス(ヘリウムガス90%程度)は、スパイラル熱交換器(SHE)410に流入される。このスパイラル熱交換器410は、2つのらせん通路が隣接したもので、一方の通路に高温ガスが流され、他方の通路に低温ガスが流されるものであり、一方通路の入口に他方通路の出口が隣接するようになっている向流型熱交換器である。1段目のヘリウム富化ガスは、高温ガスとしてスパイラル熱交換器410に流入し、低温ガスとの熱交換により冷却されて流出する。例えば、290Kから150Kに冷却される。

0039

スパイラル熱交換器(SHE)410からのヘリウム富化ガスは、2段目のスパイラル熱交換器(SHE)412に流入し、ここでさらに冷却される。例えば、150Kから90Kに冷却される。適切なスパイラル熱交換器410を使用することにより、次段の深冷精製器414において必要とされる冷却能力を大幅に低下できる。

0040

そして、得られた冷却ヘリウム富化ガスは、バルブ422を介し深冷精製器414に流入される。この深冷精製器414は、熱伝導の良い材料で作られた流路の長い流路(螺旋状の流路)を有する冷凍機である。例えば、90Kで流入してくるガスを35Kにまで冷却する。ここで、ヘリウム富化ガスは、10%程度の空気を含んでおり、空気はこの深冷精製器414内において、冷凍固化する。

0041

外側の流入口から流入したヘリウム富化ガスの中の空気が固化し、固化しないヘリウムガスが中心の流出口から流出する。そして、この流出口には、ガス中不純物(空気)をさらに冷凍固化して除去する捕捉体432が配置されている。この捕捉体432には、例えば特許文献2に記載されている発泡金属捕捉体が利用できる。なお、捕捉体432も冷凍機によって深冷精製器414と同様に冷却されている。

0042

捕捉体432は、円環形状であり、ヘリウムガスの流れの方向に対して多段に設けられる。発泡金属材料は、スポンジに見られるような三次元網構造を有し、網目の孔の部分は連続している。従って、流体はこの孔の部分を通過することができる。また、捕捉体432を構成する発泡金属材料の孔径は、下流の段に行くに従って小さく、細かくなるように配置するとよい。発泡金属材料としては、例えば住友電工社製のセルメット商品名)を用いることができる。また、発泡金属材料を構成する金属としては、ニッケルまたはその合金や銅などを採用することができる。このようにして得られた35Kの再生ヘリウムガスの濃度は99.9%以上となる。

0043

そして、35Kの再生ヘリウムガスは、2段目のスパイラル熱交換器412に低温側ガスとして供給される。35K程度で流入し、140K程度に温度上昇して流出する。この140Kの再生ヘリウムガスは、1段目のスパイラル熱交換器410に低温側ガスとして流入される。そして、ここで280K程度に加温されて流出し、バルブ424を介しバッファタンク416に貯留される。そして、バッファタンク416からの再生ヘリウムガスは、バルブ418を介し、半導体製造装置10に循環される。なお、半導体製造装置10へのヘリウムガスの供給路には、バルブ428を介し、ヘリウムガスボンベ420が接続されており、バルブ418,428を切り換えることによって、ヘリウムガスボンベ420からのヘリウムガスが半導体製造装置10に供給される。

0044

ここで、深冷精製器414は、空気を固化させてヘリウムガスを取り出す。従って、所定の期間がきた場合には、深冷精製器414を再生する。すなわち、再生時期に達した場合には、バルブ422,424を閉じ、バルブ426を開け、深冷精製装置414を昇温して水分および固化温度が低いガスをまずガス化して排出する。次に、バルブ422を開け、深冷精製器414を冷やす冷凍機を停止し、ヒータなどで深冷精製器414を加温して、固化した空気を除去する。バルブ426にはポンプ430が接続されているので、バルブ424を閉じ、バルブ426を開け、ポンプ430を駆動することによって、深冷精製器414において蒸発した空気はバルブ426を通じて排出される。この再生処理の間は、バッファタンク416に貯留したヘリウムガスを使用することになる。なお、低温で動作するバルブ422は、スパイラル熱交換器412に捕捉された水、雑ガスを深冷精製器414に流入させないために重要であるが、そのようなコンタミ(不純物ガス)が少ない場合には省略してもよい。

0045

<深冷精製器>
ここで、深冷精製器414の構成例(模式図)を図7に示す。この例では、深冷精製器414は、同心円状に配置された金属製の円筒440を含む容器で構成される。複数の円筒440によって同心円状の流路が形成され、各円筒440には開口が隣接するものと180°異なった位置に設けられている。従って、環状の流路の一端に流入したガスは、180°移動して、反対側から隣接する流路に流入する。なお、容器は、熱伝導のよい金属、例えば無酸素銅アルミニウムなどで構成される。

0046

この例は、最外側の流路に流入口442が設けられ、中心に流出口444が設けられており、外側の通路ほど幅が広くなっている。深冷精製器414に流入してきたガス中の空気が冷凍され固体となって流路の壁に付着するが、ガスがSHEで十分に冷却されコンタミの液化温度直前になっていれば、その固化量は流入側ほど多い。外側の通路を広くして、流路を段々小さくすることによって、空気の固着によって流路が閉塞されるまでの期間を流路全体として比較的均一にでき、従って同一体積の深冷精製器414を継続使用できる期間を長くすることができる。

0047

図8には、深冷精製器414の他の例を模式的に示してある。このように、通路を螺旋状として、外側から流入して中心から排出する場合においても、通路の幅を流入側ほど大きくすることによって、上述の場合と同様に使用期間を長くすることができる。

0048

深冷精製器中でコンタミガスを効率よく固化させるために、流路中に適宜邪魔板等を設置しても良い。この場合、邪魔板部でより多くのコンタミが固化されるので、精製器の閉塞が早く起きる可能性が高いので、出来るだけ平均的に固化が生じる配置にする必要がある。

0049

なお、深冷装置14は、深冷精製器に入熱させない、低温部で露結が生じないようにするために真空容器内に配置されることが好適である。

0050

「その他の構成」
<2系列の深冷装置>
図9には、深冷系の1構成例を示してある。この例では、深冷装置として、深冷装置14−1,14−2の2つを設けている。従って、一方で処理を行っている際に、他方で再生することが可能となる。このような切り換えは、制御装置によって自動的に行うことが好適である。なお、深冷装置14を1系列とした場合には、その前段のバッファタンクを大きくして、深冷装置14の再生中のヘリウム富化ガスを貯留するとよい。

0051

ヘリウムガスの回収、循環を適用する装置は、ヘリウムガスの大量使用装置であれば、半導体製造装置でなくてもよい。例えば、光ファイバ製造装置、LCD(液晶ディスプレイ)製造装置などに利用できる。また、ヘリウム濃度が高くなくても良い用途によっては、深冷装置14での精製を省略して、前処理装置12からのヘリウム富化ガスを直接半導体製造装置などのヘリウムガス使用装置に供給してもよい。

0052

<低温動作バルブ
上述のような深冷精製器414の再生時においては、バルブ422を予め閉じなければならないことが多い。この場合、比較的低温で弁を操作する必要がある。

0053

このようなバルブには、自動制御が容易な電動弁を利用したいが、駆動部が極低温になっても動作を保証できるものはなく、さらに電動弁は開または閉の維持のために電流を流すことが必要であり、その発生熱量が問題になる。そこで、通常は手動弁が採用される。

0054

ここで、図10図11に示す電動バルブによれば、開状態、閉状態を維持するためには電流を流す必要はなく、状態の変更時のみに電流を流せばよい。従って、この電動バルブをバルブ422として使用することが好適である。

0055

電動バルブ500は、全体として円筒形バルブボディ510を有する。バルブボディ510の内部には、第1流路512と、第2流路514が形成されている。第1流路512は、バルブボディ510の径方向外周面に開口512aを有し、ここから中心方向に向かいその後軸方向に曲がって一端側の表面に開口512bを有するくの字状の流路である。一方、第2流路514は、軸方向に伸びる流路であり、一端側に開口514aを有し、他端側に開口514bを有する直線状の流路である。

0056

バルブボディ510の一端側を覆って円筒容器状ハウジング520の開口側が取り付けられる。すなわち、バルブボディ510の一端側はほぼ平面であり、その周辺部にハウジング520の端部が取り付けられる。バルブボディ510は、例えばステンレス(SUS316L、SUS304など)で形成される。

0057

ハウジング520のバルブボディ510側の内周側には、円環状のシリンダ522が設置される。シリンダ522の一端側はバルブボディ510の一端側表面に接触し、ここを密封することで、内側に密封空間を形成する。なお、第1および第2流路512,514の開口512b,514aは、この密封空間に開口する。ハウジング520、シリンダ522も、バルブボディ510と同様のステンレスで構成される。

0058

シリンダ522の内周側には円柱状のプランジャ524がその外周面がシリンダ522の内周面に接触するように配置されている。このプランジャ524は、軸方向に移動可能である。また、プランジャ524のバルブボディ510側の端面には、シート526が取り付けられている。従って、密封空間のプランジャ524側には、シート526が位置する。シート526の中央部は山形に凸になっており、一方、バルブボディ510の第2流路514の開口514aはその周囲がテーパ状に凹になっており、両者が合致する形状になっている。従って、プランジャ524がバルブボディ510に押し付けられた状態では、第2流路514が閉じられ、電動バルブ500は閉状態となる。プランジャ524は、磁性体である、パーマロイB、またはインバーなどで構成することが好適である。これらの材料は、強磁性体であるとともに、低温においても磁性体としての特性の変換が小さいため、本実施形態のような低温で使用する装置に好適である。また、鋼材、例えば、SUS430、SUM23なども使用できる。シート526は、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミドなどにより構成される。ポリイミドは低温でも特性が変化しにくく、変形特性を維持でき、封止材としてのシート526として特に好適である。

0059

シリンダ522の後方(バルブボディ510と反対側)には、円筒状のソレノイドコイル528が配置される。プランジャ524の後方側は、シリンダ522の後方端より後方に伸びており、ソレノイドコイル528の内部に所定間隔をおいて位置している。

0060

プランジャ524の後方には、磁性体の円柱状のベースコア530が配置されている。ベースコア530は、プランジャ524と同様の材料で構成することができる。そして、このベースコア530およびソレノイドコイル528の後方には、円板または円環状の磁石永久磁石)532が配置されている。なお、ベースコア530および磁石532は、ハウジング520に対し固定されている。磁石532は、例えばネオジウムで形成される。そして、プランジャ524の後方側には、円筒状の凹部が形成され、この凹部の前方側端面とベースコア530の前方側端面の間にスプリング534が配置されている。このスプリング534は、圧縮ばねであり、プランジャ524を前方側に付勢する。スプリング534は、例えばインコネル(インコネル750等)で形成される。インコネルはバネ材として十分な弾力を持つとともに、低温でも弾性係数の変化が小さいため、本実施形態におけるプランジャ524の付勢部材としてのスプリング534として特に適している。

0061

「動作」
まず、図10の状態、すなわち電動バルブ500の閉状態では、スプリング534の付勢力によって、プランジャ524、シート526がバルブボディ510に押し付けられている。従って、第1流路512と第2流路514の間での流体の流通が停止されている。なお、磁石532の磁力よってプランジャ524は、磁石532側に引き寄せられるが、スプリング534の付勢力の方が大きく設定されているため、プランジャ524はバルブボディ510に押し付けられた状態で安定している。

0062

ここで、ソレノイドコイル528に一方向の電流を流し(一方向の通電方向とする)、ソレノイドコイル528により磁石532と同方向の吸引力をプランジャ524に対し発生させる。これによって、プランジャ524、ベースコア530に磁力線が通り、磁石532の磁力と合わせてプランジャ524は、後方側への力を受ける。この力はスプリング534の付勢力より大きく、従ってプランジャ524は後方側に移動し、ベースコア530に引っ付く。すなわち、ベースコア530の前方側端面およびプランジャ524の後方側端面は軸に垂直な方向の平面であり、両者が全体として接触する。そして、磁力による吸引力は距離の2乗に反比例するため、ベースコア530との距離がゼロになった際の吸引力は大きく、これによってソレノイドコイル528への電流を断った後においても、吸引力がスプリング534の付勢力より大きい。従って、図11に示すように、磁石532の吸引力によってプランジャ524が後方側に位置した状態で安定保持する。すなわち、ソレノイドコイル528への電流を流さない状態で、電動バルブ500は開状態を維持する。

0063

次に、ソレノイドコイル528へ上記一方向とは反対方向の電流を流す(通電方向を反対方向にする)。これによって、ベースコア530、プランジャ524に磁力線が通り、プランジャ524に対する磁石532からの磁力を打ち消す方向の磁界が生じる。これによって、磁石532からの磁力よりスプリング534の付勢力が大きくなり、これによって図10の状態に戻る。

0064

このように、本実施形態によれば、電動バルブ500の閉状態、開状態の切り換えの際にソレノイドコイル528へ所定の方向の電流を流すことによって、電動バルブ500の開閉を切り換えることができる。従って、通電時間はわずかであり、電動バルブ500に対する、ソレノイドコイル528への通電よる発熱の影響を抑制することができる。

0065

「実施形態の効果」
本実施形態によれば、大量のコンタミ(空気)を膜分離装置(ポリイミド中糸膜)を含む前処理装置12において、10%以下までに落とす。そして、前処理装置12で残されたコンタミは、スパイラル熱交換器(SHE)を用いた熱効率の良い深冷装置14の深冷精製器414において35K程度に冷却して、コンタミを固化して取り去り回収率90%以上で、濃度99.9%以上のヘリウムガスを回収する。

0066

このようにして、ヘリウムを高い収率で回収・循環することを実現する。従って、ヘリウムガスを製造補助ガスとして利用している分野において、生産コストを低下させることができ、枯渇が心配されるヘリウム資源の有効利用を図ることが可能になる。

0067

「付記」
本件明細書、図面には、特許請求の範囲に記載しなかった発明についても記載されている。そこで、これについて、以下に説明する。

0068

<前処理>
[構成1]
前処理装置は、膜分離装置を複数段有し、前段の膜分離装置によって得られた空気富化ガスを後段の膜分離装置に供給し、ヘリウム富化ガスを得、これを前段の膜分離装置の上流側に返送するとよい。2段の膜分離装置を設けることで、ヘリウム濃度を高くすることができる。また、循環量を調整することで、ヘリウム濃度を所望のものに設定することができる。
[構成2]
冷凍によって水分を除去する冷凍除湿装置を含むとよい。圧縮ガスを冷凍することで、効果的に水分を除去できる。
[構成3]
水分吸着剤を利用する吸湿装置を含むとよい。ゼオライトなど公知の吸湿剤(水分吸着剤)を用いることで、水分を除去できる。冷凍除湿装置と両方を用いることも好適である。水分吸着剤は、PSAとすることで、連続運転が容易になる。
[構成4]
膜分離装置の個数、コンプレッサの個数が1つ、2つ、またはそれ以上であって、かつ各膜分離装置から前段へのフィードバックガス量を調節し、収量およびヘリウムガス濃度を望みの値にするとよい。前処理装置は、各種のバリエーションが考えられる。装置に対する要求に応じて、膜分離装置、コンプレッサの数を調整することが好適である。また、循環量を調整することで、得られるガスのヘリウム濃度、収率なども調整することが可能である。

0069

<深冷精製装置>
[構成1]
入口から出口に向かう一方向の流路を有し、冷凍機によって冷却され、不純物を固化させて除去する深冷精製装置であって、流路は、その断面積が入口側から出口に向かい小さくなるとよい。流路の断面積の設定により、装置全体に空気の固体を析出することができ、長期間の使用が可能となる。なお、前段の熱交換器によってガス温度が液化温度の直前まで冷やせない場合は、深冷精製装置の入口付近の流路は細くし、液化が始まる付近で広くして、その後次第に細くするという構成も好適である。
[構成2]:円筒列精製器を用いた深冷精製装置
容器中に同心円状の流路が形成され、最も外側の流路に入口が形成され、中心に出口が形成され、隣接する内側の流路との連通開口が順次円の反対側に形成されているとよい。円筒(ドーナツ)状の流路を多重に形成することで、比較的長い流路を得ることができる。また、円筒状の流路の入口と出口を反対側にすることで、入口からのガスが2つ半円状の流路に分かれ、出口で合流する形となり、流路全体を効果的に利用できる。
[構成3]:スパイラル精製器を用いた深冷精製装置
容器中に螺旋状の流路が形成され、最も外側の流路に入口が形成され、中心に出口が形成されているとよい。螺旋状の流路により、長い流路を容易に得ることができ、冷却を十分行うことができる。
[構成4]
容器内の流路に邪魔板が配置されているとよい。邪魔板を設けることで、ガス流が流路全体に拡がり、流路全体を用いて、効果的な空気の固化が行える。

0070

<熱交換器>
熱交換器は、隣接する通路に2つのガスを反対方向で流す、向流式であるとよい。向流式にすることで、効率的な熱交換が行える。

0071

<循環システム>
[構成1]
循環システムは、深冷装置を2つ以上有し、1つを再生している際に、他の深冷装置を用いて、精製ヘリウムガスを精製するとよい。大量のガス処理には、このようなヘリウムガス循環システムが好適である。
[構成2]
深冷装置を1つとして、精製ヘリウムガスが不要な時間に再生するか、または再生している間は、先に精製しバッファタンクに貯留されている精製ヘリウムガスを使用するとよい。比較的少量のガス処理に向いている。

0072

<その他の特徴>
[構成1]
処理対象ガスの水分を除去するために、上述した深冷精製装置を用いるとよい。超低露点、露点−100℃以下を達成することが可能である。
[構成2]
膜分離装置(前処理装置)の代わりにコンタミ(空気)を吸収する吸収塔(PSA)を用いるとよい。例えば、水潤滑コンプレッサにおいて圧縮したガスを、吸湿装置(冷凍タイプなどのドライヤ)によって除湿し、PSAタイプの除湿器で除湿し、PSAタイプの空気除去装置でヘリウムを濃縮し、ヘリウムが濃縮されたガスを深冷装置で処理するとよい。簡易なシステムとすることができ、用途によっては、このようなシステムが向いている場合もある。

0073

10半導体製造装置、12前処理装置、14 深冷装置、16バッファタンク、18ヘリウムボンベ、110ポンプ、114,120,126,132 バッファタンク、116,128水潤滑コンプレッサ、118アフタークーラ、122,134,144温度制御器、124,138,146膜分離装置、130,140冷却除湿器、136,142減圧器、148,150減圧弁。

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