JP2006183863A - 特殊材料ガス用供給システムおよび供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液化ガスの品質を維持したまま安定してかつ大流量で供給する特殊材料ガス用供給システムおよび供給方法を提供すること。
【解決手段】 特殊材料ガスが充填された容器１、該容器１の底部に取り付けられたハロゲンランプヒータ２、容器内気相部圧力を測定する手段４、および該圧力を一定に保持するように前記ハロゲンランプヒータ２の出力を制御する手段５を有することを特徴とする。また、前記制御手段５において、事前に得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度を基にＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特殊材料ガス用バルク供給システムおよび供給方法に関するもので、例えば、ＮＨ_３，ＢＣＬ_３，ＣＬ_２，ＳｉＨ_２ＣＬ_２，Ｓｉ_２Ｈ_６、ＨＢｒ、ＨＦ、Ｎ_２Ｏ、Ｃ_３Ｆ_８、ＳＦ_６、ＷＦ_６等に代表される半導体用特殊材料ガスを大流量であっても安定して供給するバルク供給システムおよび供給方法に関するものである。

半導体製造プロセスで使用される特殊材料ガスは、シリコンウエハの大口径化とともにその使用量は増加の一途にある。また、デジタル情報家電あるいは携帯電話端末に代表される化合物系半導体デバイスの需要は衰えることなく年々増加している。一方、液晶ディスプレイは近年目覚しい成長を遂げ、液晶ＴＶの生産は破竹の勢いで各国各メーカが競い合ってしのぎを削っている。それに伴い、これらで使用される特殊材料ガスの消費量はデバイス生産量に比例して増加するとともに、供給される特殊材料ガスの大流量化が必要とされている。そこで、大消費量の手段として、従来一般的に使用されている４７リットルサイズの容器から、さらに内容積の大きい大型容器が用いられるようになった。

また、半導体製造プロセスで使用される特殊材料ガスには、ＮＨ_３，ＢＣＬ_３，ＣＬ_２，ＳｉＨ_２ＣＬ_２，Ｓｉ_２Ｈ_６、ＨＦ、Ｃ_３Ｆ_８、ＷＦ_６等に代表される蒸気圧の低い液化ガスがよく用いられている。このような液化ガスについては、容器内気相部のガスを外部に放出すると、圧力が減少した分に見合った量の液化ガスが液相から蒸発し気相に供給される。この蒸発に必要なエネルギーの多くは容器内に残っている液相部から奪われるため、容器に加熱手段を設けない場合には液温が低下し、やがて気相部分の供給圧力が低下し所望の圧力を供給することができなくなるという問題が発生する。

そこで、容器外面から加熱手段を用いて熱を容器に加えることにより液化ガスの蒸発量を稼ぐ方法が一般的に取られている。加熱手段としては、熱温湿布、温湯ジャケットヒータ等の方法を挙げることができるが、具体的には、セラミックヒータ（あるいはジャケットヒータ等）を用いて容器底部を直接加熱しＮＨ_３を大流量で供給する方法が提案されている。また、熱効率を上げるためにフィンを用いることが効果的とも指摘している（例えば特許文献１参照）。

特表２００４−５２７７１２号公報（米国特許第６５８１４１２号明細書）

しかし、容器外壁温度を任意の温度にコントロールする従来の手法では、室温以上の温度でコントロールした場合、容器以降のガス供給ラインで再液化という現象が生じミストの発生を伴う。また、加熱量が蒸発量に追いつかない場合には、容器内で突沸現象が起こり、ミストがガス供給ラインに混入することになる。このようなミストの発生は流量・圧力の変動を生じ、供給圧力の維持が困難となる。また、対象となる特殊材料ガスが腐食性を有する場合には、供給系部材の腐食、メタル不純物及びパーティクルの増加といった問題が発生し、半導体デバイスの歩留まりを低下させるだけでなくプロセスを一時中断しガス系部材のリプレースを行わなければならなくなる。

加熱手段についても、従来の加熱源は容器に直接接触させる方法であり一度容器に加えた熱はヒータ構造の保温効果により容易に温度を下げることができない。またセラミックヒータは原理上、立ち上がり・立ち下り性能が悪いためガス流量変動に伴うレスポンスの面で劣ることになる。その上、付帯設備としてフィンを取付ける必要が生じるため経済的にも負担となる。

さらに、液化ガスの蒸発量を稼ぐために一般的に容器を温める手段として熱温湿布あるいは温湯が用いられているが、その温度制御は容器外面のヒータ接触部に熱電対を取り付け、容器外面を所定温度（４０℃以下）になるようにコントロールしているのが実情である。このような温度制御の場合には、容器内の温度変化に対する応答性が悪く、過剰な熱（オーバーシュート）を加えることになることがある。

また、容器内に充填されているガス種が可燃性ガスの場合、漏洩による不測の事態に備え安全性を確保する必要がある。特に、容器下部に設置している加熱部材では、表面温度が５００℃を超える場合もあり、ガス種によっては発火点以上になる可能性がある。このようなガスが漏洩し加熱部材に接すれば、発火し爆発を引起すことが考えられる。

本発明の目的は、トンコンテナのような大型容器を含む圧力容器の底部にハロゲンランプヒータを取り付け、容器内の圧力を一定に保持するオン・デマンド・ヒーティング制御を行うことにより、液化ガスの品質を維持したまま大流量でも安定して供給する特殊材料ガス用供給システムおよび供給方法を提供することにある。また、特殊材料ガスによっては、万が一の漏洩などに対する安全性をさらに考慮することが必要となり、こうした高い安全性を有する特殊材料ガス用供給システムおよび供給方法を提供することをも目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、以下に示す特殊材料ガス用供給システムおよび供給方法によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

つまり、本発明は、特殊材料ガス用供給システムであって、特殊材料ガスが充填された容器、該容器の底部に取り付けられたハロゲンランプヒータ、容器内気相部圧力を測定する手段、および該圧力を一定に保持するように前記ハロゲンランプヒータの出力を制御する手段を有することを特徴とする。

こうしたシステムを構成することによって、特殊材料ガスの流量の増減にも適宜追従できるオン・デマンド・ヒーティング制御が可能となり、容器から発生するミストを未然に防止することができる。つまり、ハロゲンランプによるガス容器の加熱は、電熱ヒータや温水による加温に比べ、加熱側熱容量に起因する熱イナーシャがない分オン・デマンド・ヒーティング制御が求められる熱源として適していることを見出したものである。

具体的には、半導体で使用されるプロセスガスの中で、液化ガスを大量に消費する場合、蒸発潜熱が奪われ目的の流量を確保することが困難であり、本発明は、その蒸発潜熱を外部から補う手段としてハロゲンヒータによる加熱を考案したもので、この熱源を利用することで、液化ガスを大流量であっても安定して供給できる上、従来のジャケットヒータ等に比べ熱効率を約２倍向上させることができた。また、水分を主とする高沸点不純物の残量依存性も解消できることが分かった。従って、特殊材料ガスを大流量であっても安定して供給することができる、優れた特殊材料ガス用供給システムの提供が可能となった。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記制御手段において、物性から得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度を基にＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。

液化した特殊材料ガスの大流量・安定供給においては、上記のように液相の温度が重要である一方、液相温度は対流や容器壁面からの距離など測定点によって正確な情報を得ることが困難な場合がある。本発明者は、特殊材料ガスの供給における制御対象として液化ガスの蒸気圧つまり容器内の圧力が重要な指標となることを見出し、かつ物性から得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度を基にハロゲンランプヒータの出力をＰＩＤ制御を行うことによって、上述のオーバーシュート発生のない優れた制御が可能となることを見出した。つまり、本発明においては、容器内の圧力をＰＩ制御で実際の目標値に近づけるとともに、材料ガスの供給量あるいはそれに伴う液相温度の変化に対する微分動作を加えたＰＩＤ制御によって、こうした変化に追随した適切な時定数の制御特性を得ることができる。従って、特殊材料ガスを大流量で安定して供給することができる、優れた特殊材料ガス用供給システムの提供が可能となった。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記ハロゲンランプが照射する容器底部の外面を、熱吸収効率の高い色に着色することを特徴とする。

ハロゲンランプは、他の加熱方式に比べレスポンスが速く、また加熱対象と非接触のため、加熱対象の表面処理を行うことが容易である。本発明は、こうしたハロゲンランプを用いることの利点を有効に活かすことができたもので、容器底部の外面を、熱吸収効率の高い色に着色することによって、ハロゲンランプが照射するエネルギーを効率よく吸収することができるため熱効率が一段と向上し省エネルギー化を図ることが可能となった。同時に、容器内液化ガスの残量が減少してもガス不純物が液相側に濃縮されることがなく、使い初めから使い終わりまで常に安定して高純度のガスを供給し続けることが可能である。なお、ここでいう「熱吸収効率の高い色」とは、一般に無彩色でいう灰色以上の濃度を有する色をいい、無彩色、有彩色は問わない。例えば、黒や灰色または濃色彩色などが該当する。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記ハロゲンランプから照射される光を、外部に漏れないように容器に集光する手段を有することを特徴とする。

ハロゲンランプは、上記の特長と併せて、光路を制御することによって、特定部位に光を集中することも可能である。本発明は、こうしたハロゲンランプのもつ優れた特性を有効に活かすことができたもので、外部に漏れないように容器の外面に集光することによって、ハロゲンランプが照射するエネルギーを効率よく吸収することができるため熱効率が一段と向上し省エネルギー化を図ることが可能となった。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記ハロゲンランプヒータを、前記容器の環境雰囲気と分離し、筐体に収納することを特徴とする。

ハロゲンランプヒータの表面温度は、電気抵抗体による加熱手段等に比較して低温であるが４００〜５００℃になっているため、ガス種によっては発火点以上になっている可能性がある（例えば、ＳｉＨ_２ＣＬ_２やＳｉ_２Ｈ_６などが該当する）。また、例えばＮ_２Ｏのように発火点を持たないガスでも、高温で分解して酸素を発生して支燃性を示し火災を助長する可能性がある。本発明はこうした可能性を考慮したものであり、万が一容器からガスが漏洩したとしても、このような分離構造にすることで、筐体内に収納されているハロゲンランプヒータには接触することがないため、発火等の危険性は回避できる。また、その他漏洩ガスの変質による異常事態あるいはハロゲンランプヒータの汚染の可能性などを防止する機能も果たしている。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、清浄流体を供給する手段を設け、前記筐体内に該清浄流体を供給し、該筐体の環境雰囲気よりも高い圧力に設定されていることを特徴とする。

前記筐体のさらなる活用を図ったもので、筐体内の圧力を容器が収納されている雰囲気圧力より高く設定することで、本システムの安全性は更に確保できる。すなわち、大気に漏洩した特殊材料ガスはほぼ大気圧力に対し、筐体内は大気圧力以上であるため、漏洩ガスの筐体内への拡散を防止することができる。従って、漏洩ガスによる発火の危険性や汚染などを適切に防止することが可能となる。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記清浄流体が不活性ガスであることを特徴とする。

前述の清浄流体として不活性ガスを導入すればさらに安全性が高まる。つまり、爆発性ガスは酸素濃度に依存してその爆発範囲が決まり、一般的に酸素濃度が高いほどその範囲は広がる。本発明は、不活性ガスによって筐体内部の雰囲気を爆発下限界以下にすることを図るもので、例えば、窒素（Ｎ_２）のような不活性ガスで筐体内を常時パージ、もしくは封止状態にしておくことで安全性をさらに高くすることができる。また、その他漏洩ガスの変質による異常事態あるいはハロゲンランプヒータの汚染の可能性などを防止する機能も果たしている。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記筐体内の圧力監視用圧力検出手段を設け、該圧力検出手段の出力を前記制御手段に導入し、前記ハロゲンランプヒータの電源供給および特殊材料ガス供給用のバルブの開閉の制御を行うことを特徴とする。

上記のように、筐体内部の雰囲気は本システムの安全上重要な要素である。本発明は、筐体内部の監視要素として圧力を選択し、その測定値を制御対象としてシステムの安全性を確保するもので、設定圧力以下になれば自動的にハロゲンランプヒータの供給電源を遮断し、あるいはガス供給用のバルブを遮断する制御機能を有するシステムとした。これによって、漏洩ガスの筐体内への混入に伴う危険性を未然に回避し、容器から発生するミストを未然に防止することが可能となる。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記筐体において、前記ハロゲンランプヒータと容器底部との中間に光透過性の耐熱ガラスを有することを特徴とする。

ハロゲンランプヒータは、赤外線を放射して容器の底部を加熱する。筐体内に収納したハロゲンランプヒータから効率良く光を取り出すためには、ハロゲンランプヒータと容器底部との中間に光透過性のガラスを筐体に有し、光透過率の高いガラスを選定することが好ましい。つまり、高い透過率によって効率よく容器底部に熱エネルギーが与えられるとともに、ガラス自体の加熱による高温化を防止しガラス表面での発火の危険性を回避することができる。さらに、耐熱性及び耐強度的に優れたガラスが好ましい。

本発明は、上記特殊材料ガス用供給システムであって、前記筐体の耐熱ガラス配設部に保護部材を設け、前記容器の搬入・搬出時に耐熱ガラス配設部を閉とし、前記ハロゲンランプの使用時に耐熱ガラス配設部を開とすることを特徴とする。

上記のように、筐体はハロゲンランプヒータへの漏洩ガスの接触を防止するとともに、光透過性のガラスによって、ハロゲンランプヒータからの光の照射を確保する役割を果たしている。筐体自体は強固な構造が可能である一方、耐熱ガラスは一般に機械的衝撃に弱いものである。本発明は、このガラスを保護するために開閉式のガラス保護部材を筐体に設けたもので、本システムの使用状況に応じて保護部材を操作することによって、機械的衝撃に弱いガラスを保護することが可能となる。

また、本発明は、特殊材料ガス用供給方法であって、ガスが充填された容器底部にハロゲンランプヒータを取り付け、容器内気相部圧力を一定に保持するようにハロゲンランプヒータ出力を物性から得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度とのＰＩＤ制御することによって、容器内液化ガスの残量が低下しても気相部から取り出すガス中の不純物濃度が上昇せずに、かつ気相部から取り出すガス中にミストを含まないことを特徴とする。

上記のように、本発明は、ハロゲンランプヒータの優れた特性を有効に活用するとともに、その特性に合致した制御方法を適用することによって、特殊材料ガスを大流量で安定して供給することができる、優れた特殊材料ガス用供給システムを提供することが可能となった。併せて、本発明の研究の中で、こうした特殊材料ガス供給方法が、大流量に伴うミスト発生を防止でき、かつ容器内圧力を保持するための外部からの入熱効率を向上させ省エネルギー化を図るとともに、容器内の液化ガスの残量減少に伴うガス不純物の増加を解消することができることを見出した。

以上のように、本発明によれば、特殊材料ガス用供給システムにおいて、ガスが充填された容器底部にハロゲンヒータを取り付け、容器内圧を一定に保持するようにヒータを制御することで、流量の増減にも適宜追従できるオン・デマンド・ヒーティング制御が可能となり容器から発生するミストを未然に防止することができる。

また、ハロゲンランプヒータ照射部を熱吸収効率の高い色にし、かつハロゲンランプの光を容器に集光させる手法を取り入れることにより、一段と熱効率が向上し省エネルギー化を図ることが可能である。同時に、容器内液化ガスの残量が減少してもガス不純物が液相側に濃縮されることがなく、使い初めから使い終わりまで常に安定して高純度のガスを供給し続けることが可能となった。

さらに、ハロゲンランプヒータを筐体に収納し、筐体内部のパージなどを行うことによって、本システムの安全性をさらに高めることができる。また、筐体と容器の中間に光透過性のガラスを設けるとともに、該ガラスの保護用部材を設けることによって、光の効率的利用と安全性を簡便に行うシステムを構成することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の特殊材料ガス用供給システムを例示する概略図である。特殊材料ガスが充填された容器１、容器１の底部に取り付けられたハロゲンランプヒータ２、容器１の内部からバルブ３を介して接続され容器内気相部圧力を測定する手段（圧力センサ）４、および容器内圧力を一定に保持するようにハロゲンランプヒータ２の出力を制御する手段（ＡＶＰコントロ−ラ）５を有している。本図では、さらに後述するハロゲンランプヒータ用反射板６を設けた装置として例示している。

一定の条件に保持された特殊材料ガスが容器１の内部で気化されてバルブ３を経緯して、例えば半導体製造プロセスの各装置に安定的に供給される。供給流量の調整は、プロセス装置側の流量調整計で行うことができる。

容器１の内部の圧力は、圧力センサ４の出力を基にＡＶＰコントロ−ラ５において制御される。具体的には、予め設定された値（蒸気圧と温度との相関性から導かれる液設定温度に相当する）と圧力センサ４の出力（蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度に相当する）とを比較しながら後述するＡＶＰ（ＡＬＬ ＶＡＰＯＲ ＰＨＡＳＥ）でＰＩＤ制御を行うことによって、オーバーシュートのない非常に安定した制御が可能となる。

容器１には、ＮＨ_３，ＢＣＬ_３，ＣＬ_２，ＳｉＨ_２ＣＬ_２，Ｓｉ_２Ｈ_６、ＨＦ、Ｃ_３Ｆ_８、ＷＦ_６等に代表される蒸気圧の低い液化ガスが入っている。容器１の大きさは、使用する半導体製造プロセスの規模に依存するが、本発明においては、大型容器として数１００〜数１０００Ｌ規模の耐圧容器が挙げられる。具体的には、例えばアンモニアの場合、容器１の内部圧力を約０．５５〜０．６５ＭＰａＧ、液温度約１３〜１５℃の上記液化ガスを約３００〜３５０Ｌ／ｍｉｎ（ＳＬＭ）として供給されるシステムなどが挙げられる。
また、トンコンテナのような大型容器を用いたバルク供給システムだけではなく、数〜数１０Ｌ程度の小型あるいは標準の高圧容器についても、本発明に係る特殊材料ガス用供給システムを適用することが可能であり、具体的には、後述する図２に例示するようなシステムを挙げることができる。

容器１の底部にはハロゲンランプヒータ２が取付けられている。ハロゲンランプヒータ２は、ランプから放射される光を熱源としているため光が当たっている時だけ加熱され、スイッチＯＮ／ＯＦＦとほぼ同時に熱エネルギーが投入される。従って、通常の加熱方式に比べレスポンスが速く後述する制御方法を利用することによって、オーバーシュートを抑えることが可能である。また、ハロゲンランプヒータ２と容器１は非接触のためヒータによる保温効果もなく、極めて応答性が良いのが特長である。また、ハロゲンランプヒータ２はその特性上、従来の熱温湿布等に比べ熱効率が高いことも特長のひとつであり、温水加温等に比べ大幅に運転管理がしやすいという点においても優位性が高い。

また、そうしたハロゲンランプヒータ２の特性をさらに生かすために、容器下部の光が放射される部分を光吸収効率の高い色（例えば、黒や灰色、または濃色彩色）にすることで白色や淡色彩色に比べ熱効率はより一層向上する。このとき、こうした光吸収効率の高い色を施すのは、光が放射される部分のみであることが好ましい。つまり、容器１の内部圧力を一定にするための加熱効果は、制御対象となるハロゲンランプヒータ２すなわち光が照射される部分の温度のみであることが好ましく、照射部以外での自然光や容器１の設置場所からの外乱などの影響を極力排除することが好ましいからである。

さらに、光の放射を目的の面に効率よく放射させるためにハロゲンランプヒータ２に反射板６を設けることが好ましい。図１に示すように、反射板６によってハロゲンランプヒータ２から照射される光を外部に漏れないように容器に集光することによって、照射エネルギーを効率よく容器１の下面に照射し、一段と熱効率の向上を図ることができる。つまり、容器２とハロゲンランプヒータ２は非接触のため、容器とハロゲンランプヒータとの隙間から漏れる光は反射板６を使って容器１の底部の目的のエリアに集光させることにより熱効率はより一層向上させることができる。反射板６はハロゲンランプヒータ２と照射面全体を覆うように配設することや、ハロゲンランプヒータ２の下部に所定の曲面を有する反射板６を取り付けることも可能であるが、ハロゲンランプヒータ２に反射膜をコーティングしたものを選択することにより目的の方向に放射させることも可能である。

反射板６は、可視光および赤外光を反射するものであれば、特に限定されるものではないが、容器１とハロゲンランプをカバ−し反射機能を確保するための加工性などを考慮すると、金属あるいは樹脂などの部材の表面に金やアルミニウムなどの反射機能の高い薄膜を形成したものを用いることが好ましい。

また、運用面の観点からいえば、従来の熱源は一体型のため細かい温度制御には限界があるが、ハロゲンランプヒータ２の場合には所定容量のヒータ本数を任意に設置可能であるため、ヒータ本数ならびに各ヒータの出力を任意にコントロールすることによりきめ細かい温度制御が可能となる。さらに、安全面を考慮しても、従来の熱源を直接容器に接触させるものに比べ非接触のハロゲンランプヒータは安全性が高いメリットがある。コスト面においては従来のヒータに比べ安価であり、またハンドリングにおいても従来に比べ容易である。

圧力センサ４としては、耐圧性を有するものであれば、特に制限されないが測定精度の面からは、ダイヤフラム式、ピエゾ式、あるいは半導体式などの圧力センサを適宜選択することができる。

本発明においては、従来の熱温湿布あるいは温湯の代わりにハロゲンランプ２とＡＶＰコントロ−ラ５を用いることによって、優れた特殊材料ガス用バルク供給システムを提供することが可能である。ＡＶＰとは液化ガスの蒸気圧と温度との相関性（ＰＴ相関関係式）が事前にインプットされており、容器内液化ガスの飽和蒸気圧から得られる液温度と液設定温度とのＰＩＤ制御によりオン・デマンド・ヒーティングが可能となる制御システムである。

具体的には、図２に例示するような方法によって制御される。
ここでは、標準高圧容器（例えば４７Ｌ容器など）を例示しているが、大型容器になっても同様のシステムで制御することができる。
（１）図２において高圧容器１から供給される特殊材料ガスの圧力を圧力計４によって測定しながら、連続した測定値Ｐｈを得る。
（２）圧力測定値Ｐｈから相関表７（物性表を基に作成された蒸気圧と温度との相関デ−タ）を基に高圧容器１内部の飽和温度Ｔｓａｔを換算し、ＡＶＰコントロ−ラ５に入力する。
（３）ＡＶＰコントロ−ラ５には、予め液温設定値Ｔｓａｔ＊を入力しておく。Ｔｓａｔ＊は下式から求めることができ、Ｔｗは高圧容器１の周囲温度あるいは室温を示す。

Ｔｓａｔ＊＝Ｔｗ−ΔＴ
ΔＴ＝Ｔｗ−Ｔｓａｔ
ここで、容器内の液温度Ｔｓａｔを室温Ｔｗより低めに設定（ΔＴ）することにより、ミスト発生の原因となる沸騰現象は防止することが可能となる。
（４）ＴｓａｔがＴｓａｔ＊の差異を求め、その差異に対応してハロゲンランプヒータ２による加熱を制御する。ここで、ＡＶＰコントローラ５の機能はＰＩＤ制御によりオン・デマンド・コントロールを行うことが好ましい。これによって、流量変動に対してもレスポンス良く応答でき、容器内の状態を迅速にフィードバックすることができる。

以上の、制御方法によって、
（１）ガス供給量を増大させることが可能となる。
（２）ガスの低温化あるいは、容器内の沸騰を防止することによってミストフリー状態とすることができる。
（３）均一な液温を維持することによって不純物が液側に濃縮することを防止することができる。
（４）均一な気液平衡状態を維持することによって、残液量を低減させることが可能となる。つまり、最後まで容器内のガスを有効活用することができる。
といった、従来の方法では実現できなかった、優れた特殊材料ガスを供給するバルク供給システムを提供することが可能となった。

〔実施例〕
以下、本発明の内容と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、本発明がかかる実施例、評価方法に限定されるものでないことはいうまでもない。

＜評価方法＞
実施例１〜３について、下記の基準に基づき、各システムの熱効率について評価を行った。

熱効率［％］＝被検ガスの蒸発潜熱［ｋＷ］／ヒータ電力［ｋＷ］×１００［％］
ここで、被検ガスの蒸発潜熱（モル単位）は、物性表より求める。また、ヒータ電力は電力計をヒータ電源ラインに設置して常時モニタリングし、単位時間当たりのモル単位の電力として求める。従って、この２つのパラメータから熱効率を導くことができる。

＜実施例１＞
図１に例示する特殊材料ガス用バルク供給システムを用い、本発明における熱効率の評価を行った。ここで用いた（大型）容器の寸法は外径６０９．６ｍｍ、長さ２，２２５ｍｍであり水内容積は４７０Ｌである。容器の底部にはハロゲンランプヒータが取付けられている。容器の内部の気相部の取り出し口である容器バルブ直近に圧力センサを取り付け、この圧力センサで容器内気相部の圧力をモニターしＡＶＰで制御を行った。例えば、この容器に水を２５０Ｌ入れ、同じヒータ容量で容器底部を白色と灰色で熱効率を比較したところ、白色３４％に対して灰色５９％と灰色の方が熱効率を向上させることが可能となる。特殊材料ガスのアンモニア（ＮＨ_３）を用いた同様の実験においても、白色に比べ灰色は約１．７倍熱効率が上がることが確認された。また、ハロゲンランプヒータと容器との隙間から容器以外に漏れる光を反射させる反射板を取り付けることにより、反射板がないのに比べ熱効率は約１０％向上することが可能となった。これらの手法を取り入れたことにより、従来の熱温湿布に比べハロゲンランプヒータを使った場合、液化ガス源にＮＨ_３を使用したとき熱効率は約２倍に向上した。

＜実施例２＞
外径７８８ｍｍ、長さ２，４９５ｍｍ、水内容積９３０Ｌの大型容器に液体ＮＨ_３を５００ｋｇ充填し、３００ＳＬＭの流量でＮＨ_３を流した。加熱源はハロゲンランプヒータを用いＡＶＰコントローラで容器内圧力を制御する方法と比較例として３０℃の温湯ジャケットヒータを用いた方法の２種類である。初期充填量５００ｋｇから残量５０ｋｇになるまで断続的にガス中の水分を測定した。水分を選んだ理由は、液化ガスの場合水分は液相側に濃縮されやすい高沸点成分であるためである。結果を図３に示す。温水を用いた場合には液体ＮＨ_３残量が２００ｋｇ以下になってから水分が上昇し始めた。一方、ハロゲンランプヒータを用いた場合には、初期充填量から残量５０ｋｇまで水分濃度は上昇せず検出下限値の５０ｐｐｂ以下であった。

＜実施例３＞
ＮＨ_３を使って経過時間に対する流量と容器内圧との相関性に関する試験を行った。この試験に用いた加熱方法は、1)加熱無し、2)ＡＶＰ＋ハロゲンランプヒータの２種類である。結果を図４に示す。最初に流量３００ＳＬＭで流し途中２００ＳＬＭに流量を下げ、一定時間後さらに３００ＳＬＭまで上げたしばらく維持した。1)加熱無しは時間とともに圧力が下がり、しばらくして流量が下がり始めたため２５分後に試験を中止した。一方、2)ＡＶＰ＋ハロゲンランプヒータは流量が変動しても圧力はほとんど変化がなく、かつ流量応答性も極めて良好であった。

＜本発明に係る特殊材料ガス用供給システムの他の構成例＞
次に、本発明に係る特殊材料ガス用供給システムの他の構成例について説明する。具体的には、図５（Ａ）に示す側面、および図５（Ｂ）に示す正面を有する装置に基づいて説明する。本装置は、図１の基本的な構成におけるハロゲンランプヒータ２および反射板６を、１つの筐体８に収納したもので、容器１の環境雰囲気との分離を行い、システムの安全性を図っている。また、清浄流体導入口９から清浄流体（空気）あるいは不活性ガスを導入し、筐体８内部の圧力を監視する圧力検出手段１０を設け、さらに高い安全性を確保している。ハロゲンランプヒータ２と容器１の中間には光透過性の耐熱ガラス１１が筐体８に設けられ、ハロゲンランプヒータ２からの容器１の底面への光の照射を確保するとともに、容器１の環境雰囲気との分離を確実にしている。

なお、図５（Ａ）および（Ｂ）では、容器１と筐体８をさらに別の架台に収容した構成例を示している。万が一の容器１内ガスの漏洩に対し、他のシステムあるいは装置への影響を防止するため、ファンで架台内部の空気を排気し陰圧に保持することで、漏洩ガスが架台内部で滞留しない安全な構造としている。

ここで、筐体８の形状・大きさは、ハロゲンランプヒータ２および反射板６を収納可能であれば、特に限定されないが、清浄流体によるパージの効率あるいは照射光のロスを防止するために、最小反射板６の収容分の形状・大きさの筐体８が好適である。また、筐体８の一部に反射機能を有する構成として反射板６を省き、筐体８の該反射面にハロゲンランプヒータ２を配設する構造も可能である。このように、容器１から漏洩したガスが直接ハロゲンランプヒータ２表面に接触しない構造にすることで、万が一容器１からガスが漏洩したとしても、筐体８内に収納されているハロゲンランプヒータ２には接触することがないため、発火の危険性は回避できる。

ここで、筐体８の内部には、清浄流体導入口９からの清浄流体が不導入される。導入流体は、例えば、容器１の環境雰囲気とは離れた外気を清浄した空気などを用いることが可能である。風量は、例えば筐体の内容積が約３００Ｌの場合には、約３〜３０Ｌ／ｍｉｎ程度とすることで、十分パージすることができる。加圧による封止状態を保持する場合には、さらに低いパージ量で十分である。また、外気導入の代わりに不活性ガスを導入すれば、さらに安全性が高まる。具体的には、Ｎ_２やアルゴン（Ａｒ）などを挙げることができる。

また、筐体８内の圧力を、該筐体８の環境雰囲気、つまり、図５（Ａ）および（Ｂ）においては容器１の雰囲気圧力よりも高く設定することが好ましい。こうして、筐体８内への漏洩ガスの拡散、つまり漏洩ガスのハロゲンランプヒータ２との接触を防止することができる。ここで、筐体８内圧力は大気圧より若干高い圧力（数１０〜数１００ｍｍＡｑ程度、あるいはそれ以上）に保持できればよく、清浄流体供給手段９は送風機能のあるファンで十分であり、常時パージできる機構のものでも、また封止できる機構のものでもどちらでもよい。

さらに、筐体内の圧力を常時監視できる圧力検出手段１０を設け、上記のパージ状態の確認とともに、安全機構および品質保証機能として使用することも好適である。つまり、筐体８内部の圧力情報と本システムの制御機能をリンクし、設定圧力以下になれば自動的にハロゲンランプヒータ２の供給電源の遮断、あるいは特殊材料ガス用供給バルブ３の遮断を行う機能を合わせ持つことによって、例えば耐熱ガラス１１の破損等により筐体８内の圧力が大気圧になった場合にも、本システムの安全性を保持し供給する特殊材料ガスの品質を確保することができる。具体的には、ハロゲンランプヒータ２の供給電源の遮断によって、加熱部が停止し、表面温度を発火点以下にすることができ、漏洩ガスの筐体内への混入に伴う危険性を未然に回避することができる。また、同時に特殊材料ガス用供給バルブ３の遮断によって、容器１の加熱条件の変化に伴うミストの発生を未然に防止し、供給する特殊材料ガスへのミストを含むガスの混入を未然に防止することができ、安定した品質の特殊材料ガスを供給できるシステムを構築することができる。圧力検出手段１０には、圧力センサ２と同様の圧力センサを利用することができる。

ここで、筐体８において、ハロゲンランプヒータ２と容器１底部との中間に光透過性の耐熱ガラス１１を有することが好ましい。筐体８内に収納したハロゲンランプヒータ２から効率良く光を取り出すためには、ハロゲンランプヒータ２と容器１底部との中間に光透過性の耐熱ガラス１１を筐体８に有し、さらに光透過率の高いガラスを選定することが好ましい。つまり、透過率が低ければ、容器１底部に与えられる熱エネルギーが失われるため、大きな容量のハロゲンランプヒータ２を用意しなければならない。また、透過する際に失われるエネルギーは、耐熱ガラス１１自体を加熱するエネルギーに変換されるため、その結果耐熱ガラス１１自体が加熱されることになり、筐体を設けた本来の目的である、漏洩したガスが高温の表面状態に接触し発火する危険性を回避することができなくなる。具体的には、ここで用いる光透過性の耐熱ガラス１１は、強度的にも優れ、かつ光透過率９０％以上の耐熱ガラス１１が有効である。また、光透過率９５％以上であればさらに望ましい。例えば、ホウケイ酸耐熱ガラス、石英ガラスあるいはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などを挙げることができる。

また、本システムにおいて、図６（Ａ）および（Ｂ）に例示するような耐熱ガラス１１保護用の保護部材１２を有する構造が好ましい。つまり、光透過性の耐熱ガラス１１は、光透過性、特に赤外線透過率を高くしようとすると厚みが小さいことが好ましい一方、厚みが小さくなると機械的衝撃に弱くなる。従って、ハロゲンランプヒータ２を収納している筐体８の耐熱ガラス１１を保護するために、開閉式の保護部材１２を設け、容器１を搬入・搬出する際はその保護部材１２を閉め耐熱ガラス１１を保護し、また容器１の搬入が完了しガスを使用するときは、耐熱ガラス１１を開ける構造にしておくことで機械的衝撃に弱いガラスを保護することができる。

具体的には、図６（Ａ）に示すように、破線で示す容器１を設けた場合に開閉式の保護部材１２が筐体の両側に開放され、ハロゲンランプヒータ２から照射された光が容器１の底部に照射できる状態をなっている。このとき、保護部材１２は、筐体８と容器１との間における外部への光の発散を防止し光のロスを軽減する反射板としての機能を有するという技術的効果もある。

また、容器１の搬入前あるいは搬送後には、図６（Ｂ）に示すように、保護部材１２が耐熱ガラス１１をカバーするように閉封され、外部からの機械的な衝撃から保護することができる。こうした構成によって、筐体８単体の移動に際しても、耐熱ガラス１１の破損等をぼうしすることが可能となる。

本発明の特殊材料ガス用供給システムを例示する概略図 本発明に係るＡＶＰによる制御方法を例示する説明図 本発明に係る実施例における容器内液体ＮＨ_３残量と気相ＮＨ_３中の水分濃度との関係を例示する説明図 本発明に係る実施例における加熱ありなしの違いによる気相ＮＨ_３流量と容器内気相ＮＨ_３圧力との関係を例示する説明図 本発明に係る特殊材料ガス用供給システムの他の構成を例示する概略図 他の構成例における光透過性ガラス保護用部材を操作状態を例示する概略図

符号の説明

１ 容器
２ ハロゲンランプヒータ
３ バルブ
４ 圧力測定手段（圧力センサ）
５ 制御手段（ＡＶＰコントローラ）
６ 反射板
８ 筐体
９ 清浄流体導入口
１０ 圧力検出手段
１１ 耐熱ガラス
１２ 保護部材

Claims (11)

1. 特殊材料ガスが充填された容器、該容器の底部に取り付けられたハロゲンランプヒータ、容器内気相部圧力を測定する手段、および該圧力を一定に保持するように前記ハロゲンランプヒータの出力を制御する手段を有することを特徴とする特殊材料ガス用供給システム。
2. 前記制御手段において、物性から得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度を基にＰＩＤ制御を行うことを特徴とする請求項１記載の特殊材料ガス用供給システム。
3. 前記ハロゲンランプが照射する容器底部の外面を、熱吸収効率の高い色に着色することを特徴とする請求項１または２に記載の特殊材料ガス用供給システム。
4. 前記ハロゲンランプから照射される光を、外部に漏れないように容器に集光する手段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特殊材料ガス用供給システム。
5. 前記ハロゲンランプヒータを、前記容器の環境雰囲気と分離し、筐体に収納することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の特殊材料ガス用供給システム。
6. 清浄流体を供給する手段を設け、前記筐体内に該清浄流体を供給し、該筐体の環境雰囲気よりも高い圧力に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の特殊材料ガス用供給システム。
7. 前記清浄流体が不活性ガス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特殊材料ガス用供給システム。
8. 前記筐体内の圧力監視用圧力検出手段を設け、該圧力検出手段の出力を前記制御手段に導入し、前記ハロゲンランプヒータの電源供給および特殊材料ガス供給用のバルブの開閉の制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の特殊材料ガス用供給システム。
9. 前記筐体において、前記ハロゲンランプヒータと容器底部との中間に光透過性の耐熱ガラスを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の特殊材料ガス用供給システム。
10. 前記筐体の耐熱ガラス配設部に保護部材を設け、前記容器の搬入・搬出時に耐熱ガラス配設部を閉とし、前記ハロゲンランプヒータの使用時に耐熱ガラス配設部を開とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の特殊材料ガス用供給システム。
11. ガスが充填された容器底部にハロゲンランプヒータを取り付け、容器内気相部圧力を一定に保持するようにハロゲンランプヒータ出力を物性から得られた蒸気圧と温度との相関性から導かれる液温度と液設定温度とのＰＩＤ制御することによって、容器内液化ガスの残量が低下しても気相部から取り出すガス中の不純物濃度が上昇せずに、かつ気相部から取り出すガス中にミストを含まないことを特徴とする特殊材料ガス用供給方法。
    

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