JP2007225439A - 溶存ガス濃度測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶存ガス濃度を長期にわたって精度よく測定することができる溶存ガス濃度測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】タンク４、スペース２１Ｓ及びそれに連通する配管３，５，１２，１３内を満水状態とする。次いで、開閉弁２，６，１４を閉め、ストッパ２７を退動させると共に、モータ２４を駆動して所定の力をピストン２２に与える。これにより、タンク４、スペース２１Ｓ、配管３，５，１２，１３内が減圧状態となり、その中の水に溶解していた溶存気体が気泡となり、水中から離脱する。この気泡が生じることによりピストン２２が下方に移動する。ピストンの移動ストローク量を目盛板２６の目盛から読み取る。
【選択図】図３

Description

本発明は、水中の溶存ガス濃度を測定する装置及び方法に関するものであり、特に酸素、窒素、水素など、水中に溶解してもイオン化しない場合に高精度の溶存ガス濃度測定を行うことができる装置及び方法に関するものである。

従来より、水処理などの液体処理技術において、溶存気体濃度の制御は重要とされていた。例えば、半導体用シリコン基板、液晶用ガラス基板などの表面から異物を除去するウェット洗浄工程で使われる超純水は、基板表面の自然酸化を抑制するために、溶存酸素を極微量まで低減することが求められている。

また、近年、ウェット洗浄の革新が進み、特定の気体のみを所定量溶解した、いわゆる機能性洗浄水が適用されるようになってきた。例えば、水素ガスのみを飽和濃度付近まで溶解させた洗浄水は、基板上の微粒子除去に極めて高い効果を発揮することが知られている。このような特定の気体のみが溶解した水中の溶存ガス濃度を測定する方法及び装置として、特開２０００−６５７１０号及び特開平７−４９２９５号に記載のものがある。
特開２０００−６５７１０号 特開平７−４９２９５号

特開２０００−６５７１０号では、気体透過膜を備えた密閉容器内に試料水を導入し、該気体透過膜によって液相と気相に分離し、液相に試料水を通水し、気相の真空度を測定して溶存ガス濃度を演算して求める。

この方法及び装置に従って試料水の溶存ガス濃度を連続して測定する場合、気相側に濃縮水が徐々に溜まり、測定が不正確になったり、測定できなくなったりするため、長期間の使用には不適である。また、測定初期に膜の液相と気相のガス分圧が平行に達するまでに多少時間がかかる。

特開平７−４９２９５号の測定装置では、試料水を金属製容器内に導入し、この容器内を真空ポンプにより減圧し、発生した気体量を電気センサーで測定する。この特開平７−４９２９５号の装置では、真空ポンプや電気センサーの保守管理が十分行われていないと、測定精度の低下や故障などのトラブルが発生する惧れがある。

本発明は、上記従来の問題点を解消し、溶存ガス濃度を長期にわたって精度よく測定することができる溶存ガス濃度測定装置及び方法を提供することを目的とする。

請求項１の溶存ガス濃度測定装置は、水を収容して密閉可能かつ容積増大可能な収容体と、該収容体に対し容積を増大させるように力を加える増容力付加手段と、該収容体の増大した容積を測定する増大容積測定手段とを備えてなるものである。

請求項２の溶存ガス濃度測定装置は、請求項１において、該収容体は、容積増大可能な部分として、シリンダ及び該シリンダに内挿されたピストンとを有し、前記増容力付加手段は、該ピストンに対し容積増大方向に力を加えるものであることを特徴とするものである。

請求項３の溶存ガス濃度測定装置は、請求項２において、前記収容体は水を収容するタンクを備え、該タンクに前記シリンダが接続されていることを特徴とするものである。

請求項４の溶存ガス濃度測定方法は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶存ガス濃度測定装置を用いた溶存ガス濃度測定方法であって、該収容体内に試料水を満水状態に収容して該収容体を密閉し、前記増容力付加手段によって該収容体に所定の力を加えて収容体を増容させ、収容体の増加した容積を前記増大容積測定手段で測定することにより、該試料水の溶存ガス濃度を測定することを特徴とするものである。

請求項５の溶存ガス濃度測定方法は、請求項４において、予め溶存ガス濃度が既知の標準水について請求項４の方法に従って溶存ガス濃度測定操作を行い、そのときの収容体の増大した容積を求めておき、溶存ガス濃度が未知の試料水について請求項４の方法に従って溶存ガス濃度測定操作を行ったときの収容体の増大した容積を求め、この試料水の場合の増大容積と標準水の場合の増大容積とから試料水の溶存ガス濃度を求めることを特徴とするものである。

請求項６の溶存ガス濃度測定方法は、請求項５において、標準水は気体の飽和溶解水と脱気水であることを特徴とするものである。

請求項７の溶存ガス濃度測定方法は、請求項４ないし６のいずれか１項において、気体は水に溶解したときにイオン化しないものであることを特徴とするものである。

本発明方法及び装置によって、溶存ガス濃度の測定を行う場合、試料水を収容体内に収容して該収容体内を試料水で満たし、次いで収容体を密閉する。次に、この収容体に、該収容体の容積を増大させるように力を加える。これにより、収容体内が減圧されるので、試料水中の溶存気体が水中から脱してガスとなり、これにより収容体が増容する。この収容体の容積増大は、収容体内に収容した試料水の水量と、試料水中の溶存ガス濃度と、加えた力とによって定まる。なお、温度は一定とする。収容体内に収容した水量は、収容体の容積から求まり、加えた力も求められるから、増大した容積から試料水中の溶存ガス濃度が求まる。

本発明方法及び装置によって溶存ガス濃度を求めることができるのは、試料水（被検液）に溶存するガス成分が何であるか分っており、且つこのガスが、水に溶解してもイオン化しない酸素、窒素、水素、希ガスなどの場合である。

本発明では、上記のように、収容体内の試料水を減圧すると、試料水に溶存しているガスが水に溶けていることができず、気泡となり水から分離する。収容体内が試料水で満たされているので、増加した気体の体積により収容体の容積が増大する。

この容積増大分が溶存ガス量に相当することになる。この増大した容積は、目盛板等によって検出することができる。

収容体に、ピストン付きシリンダを設け、このピストンを容積増大方向に引張って収容体の容積を増大させるよう構成した場合には、このピストンのストローク量から容積増大量を高精度に求めることができる。また、シリンダ径を小さくすることによって、同一の溶存ガス濃度の場合でもピストンのストローク量を大きくし、測定精度を高めることができる。

該シリンダをタンクに接続しておくことにより、試料水の収容量を多くし、この結果として測定精度を高めることができる。

本発明では、溶存ガス濃度既知の水（例えば脱気水と飽和溶解水）について上記測定操作を行ったときの容積増大を求めておくと、溶存ガス濃度未知の試料水についての容積増大を測定し、この測定値を溶存ガス濃度既知の水の場合の容積増大と対比することにより、溶存ガス濃度を求めることができる。

この場合、本発明の溶存ガス濃度測定装置を用いて、溶存ガス濃度既知の水（以下、「標準水」というときもある）に所定の力を加え、そのときの容積増大を測定しておき、その後、標準水を測定したときと同じ測定装置（または、同じ水収容容積を有する測定装置）を用い、同じ力を加え、かつ同じ温度条件で、溶存ガス濃度未知の試料水を測定すれば、標準水のときも試料水のときも水容積、力、温度は一定条件となり、容積増大測定値は、単純に溶存ガス濃度に依存したものとなる。したがって、標準水、例えば、溶存ガス濃度の飽和度０の脱気水と飽和度１の飽和溶解水を用いて、それぞれの容積増大値を目盛板に刻んでおけば、標準水と同じ条件で測定した試料水の容積増大値を示す目盛板の位置から、相対的に試料水の溶存ガス飽和度が把握できる。

本発明では、このように標準水と同条件で測定する場合は、試料水の溶存ガス濃度または飽和度を標準水を基準に相対的に求めることができるので、測定される水の水量、加える力、温度などは任意に選択できる。加える力は飽和に溶解しているガスが１００％気泡化するまでの力であってもよいし、それ以上またはそれ以下の力であってもよく、容積増大値が測定できる程度にピストンストローク量がある力が望ましい。力を加える時間は標準水の測定時と試料水の測定時とで同じにすればよいが、通常、５〜２０秒程度で容積増大値は変わらなくなる。

温度は溶存ガス飽和濃度に影響を及ぼすので、標準水の温度と試料水の温度が同じになるよう測定装置に収容する水温を調整するのがよく、通常２５℃と設定しておいてもよい。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。第１図は実施の形態に係る溶存ガス濃度測定装置の模式的な系統図、第２図及び第３図はこの装置を用いた溶存ガス濃度測定方法の説明図である。

液晶工場、半導体製造工場等において配設された配管１内に、気体が溶存した水が流れている。この配管１から、サンプリング用の配管１ａが分岐している。この配管１ａは、開閉弁２、配管３を介してタンク４に接続されている。このタンク４は、耐圧式のものであり、内部が減圧されても容積が変化しないものである。

このタンク４の上部に、気体や水を流出させるための配管５が接続され、開閉弁６、配管７、流量調節弁８、配管９、流量計１０、配管１１がこの順に接続されている。配管１１の末端は排水溝に臨んでいる。

タンク４の下部は、配管１２を介してシリンダ２１の上部に接続されている。このシリンダ２１は、シリンダ軸心線方向を鉛直上下方向としており、その中にピストン２２が上下方向にストローク自在に挿入されている。シリンダ２１内の上部のスペース２１Ｓから水や気体を排出するために、シリンダ２１の上部に配管１３が接続されている。この配管１３は、開閉弁１４、配管１５、流量調節弁１６、配管１７、流量計１８、配管１９を介して前記配管１１に接続されている。

なお、シリンダ２１及びピストン２２は、シリンジと称される小型のものであってもよい。

ピストン２２は、引張用線材２３を介して増容力付加手段としてのモータ２４によって鉛直下方へ所定の力で引っ張られ得るよう構成されている。

この線材２３から指針２５が側方へ突設されている。この指針２５の先端と対峙して目盛板２６が上下方向に延設されている。

ピストン２２は、ストッパ２７によって下降が阻止されている。このストッパ２７は、図の左方へ退動可能であり、このストッパ２７の退動によりピストン２２が下方へストローク可能となる。

次に、この溶存ガス濃度測定装置を用いた溶存ガス濃度の測定操作について説明する。

［水の導入（満水）、密閉（第２図）］
まず、タンク４、スペース２１Ｓ及びそれに連通する配管３，５，１２，１３内を満水状態とする。

そのためには、開閉弁２，６を開、開閉弁１４を閉とし、タンク４、配管３，５内を満水とした後、さらに開閉弁１４を開とし、スペース２１Ｓ及び配管１２，１３内を満水とするのが好ましいが、弁の開閉の手順はこれに限定されない。

なお、流量調節弁８，１６を操作することにより、この水の導入工程の初期においては、大流量にて水を流してタンク４等を早目に満水とし、その後、流量を絞って残存気泡を残らず排出するのが好ましい。

タンク４、スペース２１Ｓ、配管３，５，１３内の気体がすべて排出された後、開閉弁２，６，１４を閉める。好ましくは開閉弁２を先に閉め、タンク４内に配管１内の水圧が残らないようにする。開閉弁６，１４は同時に閉めてもよく、いずれを後にしてもよい。

この状態が第２図である。第２図では、閉じた開閉弁２，６，１４を黒色で示してある。

第２図から明らかな通り、タンク４及びスペース２１Ｓと、配管３，５，１２，１３内が満たされ、この部分には気泡は実質的に残存していない。

このタンク４、シリンダ２１及びピストン２２、配管３，５，１２，１３が水の収容体である。

［測定（第３図）］
第２図の状態において、ストッパ２７を退動させると共に、モータ２４を駆動して所定の力をピストン２２に与える。これにより、タンク４、スペース２１Ｓ、配管３，５，１２，１３内が減圧状態となり、その中の水に溶解していた溶存気体が気泡となり、水中から離脱する。この気泡が生じることにより、第３図の通り、ピストン２２が下方に移動する。

ピストン２２に与える力は特に制限はなく、後述する標準水の測定時と試料水の測定時とで同じ力を付与すればよく、通常、１〜２０ｋｇ重を５〜２０秒程度かければよい。

このピストン２２の移動ストローク量を目盛板２６の目盛から読み取る。

このストローク量を読み取った後、水を入れ替え、次回の計測に移行する。

水の入れ替えを行うには、まず開閉弁１４を開とし、モータ２４を逆転させてピストン２２を押し上げ、スペース２１Ｓの水を排出し、その後ストッパ２７でピストン２２を支える。モータ２４を停止した後、開閉弁２，６も開とする。これにより、配管１から水がタンク４に流入する。その後、開閉弁１４も開とする。次いで、タンク４、スペース２１Ｓ及び配管３，５，１３内の水がすべて入れ替るのに十分な時間が経過するまで待つ。このとき、ピストン２２が水圧で押されるが、ストッパ２７で支えられる。なお、この入れ替え初期に流量調節弁８，１６の開度を大きくすることにより、入れ替えに要する時間を短縮することができる。

水の入れ替えが行われたのち、まず開閉弁２を閉とし、次いで開閉弁６，１４を閉とする。しかる後、次回の測定工程を実行する。

このように、水を入れ替えて次々と計測を繰り返し実行する。

［溶存ガス濃度の演算］
溶存ガス濃度を求めるには、上記の実際の試料水の溶存ガス濃度計測に先立って、脱気水よりなる溶存ガス濃度ゼロの第１の標準水と、飽和溶解水よりなる第２の標準水とについて上記と同一の手順に従って測定操作を行い、ピストン２３のストローク量を求めておく。

溶存ガス濃度ゼロの第１の標準水について測定したときのストローク量をＬ_０とし、飽和溶解水よりなる第２の標準水の場合のストローク量をＬ_１とし、実際の試料水について測定した場合のストローク量をＬ_ｘとした場合、試料水の飽和度は次式で算出される。なお、飽和溶解水の飽和度は１である。
［試料水の飽和度］＝Ｌ_ｘ／（Ｌ_１−Ｌ_０）
飽和溶解水の溶存ガス濃度をＣ_１とした場合、試料水の溶存ガス濃度は
［試料水の溶存ガス濃度］＝Ｃ_１・［試料水の飽和度］
として演算される。

上記演算について具体例を挙げて次に説明する。

試料水を測定した結果、飽和溶解水に対する体積増加分の比率を示すＬ_ｘ／（Ｌ_１−Ｌ_０）の値が０．５であれば、この試料水には飽和度０．５でガスが溶存していることになる。

この試料水が空気（窒素４／５、酸素１／５）を溶存している場合は、酸素の飽和溶解度が４０ｍｇ／Ｌであり、窒素の飽和溶解度が１７．６ｍｇ／Ｌであるので、溶存酸素濃度及び溶存窒素濃度は、それぞれ次のように算出される。
［溶存酸素濃度］＝［酸素飽和溶解度（４０ｍｇ／Ｌ）］×［空気中の組成（１／５）］×［飽和度（０．５）］＝４ｍｇ／Ｌ
［溶存窒素濃度］＝［窒素飽和溶解度（１７．６ｍｇ／Ｌ）］×［空気中の組成（４／５）］×［飽和度（０．５）］＝７ｍｇ／Ｌ

溶存ガスが水素ガスのみと分っているときには、溶存ガス濃度は次式の通り算出される。
［溶存水素濃度］＝［水素飽和溶解度（１．６ｍｇ／Ｌ）］×［飽和度（０．５）］＝０．８ｍｇ／Ｌ

溶存ガスが超純水のように窒素ガスのみを溶存していると分っているときは、溶存ガス濃度は次式の通り算出される。
［溶存窒素濃度］＝［窒素飽和溶解度（１７．６ｍｇ／Ｌ）］×［飽和度（０．５）］＝８．８ｍｇ／Ｌ
Ｌ_ｘ／（Ｌ_１−Ｌ_０）が０．５以外の場合も、上記と同様にして計算されることは明らかである。

このように、溶存ガスの組成が予め分っているときは、上述のようにして個別のガス成分の溶存ガス濃度を計算して求めることができる。

なお、目盛板２６には、予め、溶存ガス濃度が０の脱気水（飽和度０）について計測したときの（第２図の状態における）指針２５の位置を示すゼロ点と、ガスが飽和濃度まで溶解した飽和水（飽和度１）について計測したときの（第２図の状態における）指針２５の位置を示す「１」の点とを目盛り、その間を等分に区切って目盛を設定しておいてもよい。このようにすれば、試料水の飽和度を目盛から直に読みとることができる。

この説明では、目盛をつける場合、飽和度０の脱気水を用いたが、完全な脱気水でなくてもよく、飽和度０．１の脱気水を調製して、そのときの目盛を０．１にしてもよい。

なお、飽和度０の脱気水は、いくら減圧しても気泡が発生せず体積は膨張しないので、ピストン２２はストロークしない。

上記実施の形態ではモータ２４によってピストン２２に所定の一定の力を加えるようにしているが、錘などによってピストン２２に一定の力を加えるようにしてもよい。

また、上記実施の形態ではタンク及びシリンダ、ピストンによって収容体の主要部を構成しているが、タンクを省略し、シリンダ及びピストンのみを用いてもよい。

また、シリンダ及びピストンの代りにベローズを容積可変の収容体として用いてもよい。

第４図はその一例を示すものであり、ベローズ式容器４０に蛇腹部４１が設けられている。このベローズ式容器４０の上部に配管１ａ、弁２、配管３の列と、配管５、開閉弁６、配管７以下の列が接続され、ベローズ式容器４０の下部に配管１３、開閉弁１４、配管１５以下の列が接続され、上記実施の形態と同様にして試料水の導入、満水、密閉が可能となっている。

ベローズ式容器４０の下端からフック４２が垂設され、錘４３のフック４４が吊下げ可能とされている。錘４３はストッパ２７によって支承されている。錘４３に指針２５が取り付けられ、目盛板２６によって容積増大を計測可能としている。

この実施の形態でも、ベローズ式容器４０及び配管３，５，１３内を満水状態とした後、開閉弁２，６，１４を閉として密閉し、ストッパ２７を退動させ、錘４３の重量をベローズ式容器４０に加えるようにして計測を行う。増大した容積からの飽和度や溶存ガス濃度の演算は上記と同様である。

実施例１（窒素水の溶存ガス濃度測定）
図１の装置において、モータ２４の代わりに図４に示す錘４３を用いた。下記の条件で試験を行い、結果を表１に示した。

比較例として、溶存窒素計（ハック・ウルトラ・アナリティクス・ジャパン・インク製 モデル３６１０／５１１）で測定した計測値も併記する。
試料水：窒素溶解水
タンク容積：０．５Ｌ
錘：１０ｋｇ分銅

表１の通り、本発明方法で測定した溶存窒素濃度と、溶存窒素計の指示値はよく一致した。飽和以上に溶解させた場合も、溶存窒素計の指示値とよく一致した。

実施例２（水素水の溶存ガス濃度測定）
実施例１と同一の装置によって水素溶解水について計測を行った。結果を表２に示す。

比較例として、溶存水素計（ハック・ウルトラ・アナリティクス・ジャパン・インク製 モデル３６１０／２１１）で測定した計測値も併記する。

表２の通り、本発明方法で測定した溶存水素濃度と、溶存水素計の指示値はよく一致した。

実施例３（酸素水の溶存ガス濃度測定）
実施例１と同一の装置によって酸素溶解水について計測を行った。結果を表３に示す。

比較例として、溶存酸素計（ハック・ウルトラ・アナリティクス・ジャパン・インク製 モデル３６００）で測定した計測値も併記する。

表３の通り、本発明方法で測定した溶存酸素濃度と、溶存酸素計の指示値はよく一致した。

以上の実施例より、本発明により、ガス溶解水中の溶存ガス濃度を極めて容易に且つ精度良く測定することができることが認められた。

実施の形態に係る溶存ガス濃度測定装置の模式的な系統図である。 この装置を用いた溶存ガス濃度測定方法の説明図である。 この装置を用いた溶存ガス濃度測定方法の説明図である。 別の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

４ タンク
２１ シリンダ
２２ ピストン
２７ ストッパ
４０ ベローズ式容器
４３ 錘

Claims (7)

1. 水を収容して密閉可能かつ容積増大可能な収容体と、
   該収容体に対し容積を増大させるように力を加える増容力付加手段と、
   該収容体の増大した容積を測定する増大容積測定手段と
   を備えてなる溶存ガス濃度測定装置。
2. 請求項１において、該収容体は、容積増大可能な部分として、シリンダ及び該シリンダに内挿されたピストンとを有し、
   前記増容力付加手段は、該ピストンに対し容積増大方向に力を加えるものであることを特徴とする溶存ガス濃度測定装置。
3. 請求項２において、前記収容体は水を収容するタンクを備え、該タンクに前記シリンダが接続されていることを特徴とする溶存ガス濃度測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶存ガス濃度測定装置を用いた溶存ガス濃度測定方法であって、
   該収容体内に試料水を満水状態に収容して該収容体を密閉し、
   前記増容力付加手段によって該収容体に所定の力を加えて収容体を増容させ、
   収容体の増加した容積を前記増大容積測定手段で測定することにより、該試料水の溶存ガス濃度を測定することを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。
5. 請求項４において、予め溶存ガス濃度が既知の標準水について請求項４の方法に従って溶存ガス濃度測定操作を行い、そのときの収容体の増大した容積を求めておき、
   溶存ガス濃度が未知の試料水について請求項４の方法に従って溶存ガス濃度測定操作を行ったときの収容体の増大した容積を求め、この試料水の場合の増大容積と標準水の場合の増大容積とから試料水の溶存ガス濃度を求めることを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。
6. 請求項５において、標準水は気体の飽和溶解水と脱気水であることを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項において、気体は水に溶解したときにイオン化しないものであることを特徴とする溶存ガス濃度測定方法。

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