JP2008128224A - ケース収納型送風機およびガス循環精製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のガス循環精製装置に用いられる電動送風機はシール性が良くなかった。またシール性を良くしたオイルシールを軸シールに用いたものは耐久性が良くない、という問題を有した。さらに、電動送風機のモータを冷却する別の冷却ファンが設置されているためクリーンルームでの使用が困難な場合があった。これらを改良したケース収納型送風機ではモータの冷却が不十分な場合があった。
【解決手段】 本発明では、電動送風機を密閉性の良いケースに収納した。該電動送風機が作り出す風で該電動送風機のモータを冷却する自己冷却構造とし、さらに電動送風機のモータを冷却するファンを該ケース内に設置する事でモータを効率良く冷却する事が可能となった。さらに、本発明では冷却機構を該ケース収納型送風機に内蔵する事により、ガス循環精製装置において、装置価格の低下と装置サイズの低減を達成した。
【選択図】図１

Description

本発明は電動送風機を密閉性の良いケースに収納した事を特徴とするケース収納型送風機であり、特に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス中の酸素と水分を除去するガス循環精製装置に好適に用いられる送風機構に関するものである。

酸素又は水分と激しく反応する活性な金属を不活性ガス中で取扱いたいという要望や水分により激しく経時劣化する有機ＥＬ（有機発光ダイオード）ディスプレイパネルを水分のない雰囲気で組立てたいという要望がある。かかる目的にはグローブボックスのような密閉性が確保された作業場所となる密閉ボックスにガス循環精製装置が接続されて使用される。ガス循環精製装置とは該密閉ボックスから送り込まれる不活性ガス中の不純成分を除去し、精製された不活性ガスを該密閉ボックスに戻す、という機能を有する装置である。「ガス循環」とは該密閉ボックスと該ガス循環精製装置の間を不活性ガスが循環することより付けられた名称である。ここに云う不活性ガスとは該密閉ボックス内に存在してはいけないガスを含有しない気体を云うが通常はアルゴンや窒素やヘリウムが用いられる。該不活性ガス中の不純成分とは該密閉ボックス内の作業の妨げとなる気体またはその作業により製造される物の特性を劣化させる気体を云うが通常は酸素と水分が対象となる。また、場合により有機物質の蒸気も不純成分とされる事がある。

図３にガス循環精製装置の主要構成部分を示した。図３の１９はガス循環精製装置であり、ガス入口２０とガス出口２１があり、両方とも配管で前記の密閉ボックスと接続される。ガス入口２０から入った不活性ガスは精製塔１３に入り、精製塔の中に収納された水分吸着剤１４で水分が除去され、酸素吸着剤１５で酸素が除去される。水分吸着剤の代表例はモレキュラーシーブであり、酸素吸着剤の代表例は還元銅である。図の４は電動機（モータ）、５は送風機構、６は回転軸、１２はモータを冷却するファンである。モータにより送風機構５が駆動され不活性ガスが送風される。送風機構によりガスは繰返し加圧、撹拌されるので熱力学の原理によりガス温度が上昇する。特に吐出圧が高い場合は温度上昇が大きく、時には５０℃以上になる事もある。そこで不活性ガスを冷却する機能をもつ冷却塔１６が設置される。図の１７、１８は冷却水の出入口である。冷却機構を例示すると、流れる冷却水中に配置された複数本のチューブの中をガスが通過する時に冷却される構造の熱交換器として知られるシェルアンドチューブ構造をあげる事ができる。以上の構成により、入口２０からガス循環精製装置１９に入った不活性ガスは、不純物が除去された後に出口２１から送出され密閉ボックスへ戻る事になる。

図３の例では不活性ガスは精製塔１３を通過した後に電動送風機に入る構造となっている。この構成では該電動送風機で送出される温度上昇した気体によりモレキュラーシーブが加温される事がない。ゆえに、ガス循環精製装置から出て行く気体の温度が室温より少々高くても問題ない場合は冷却塔を省略できるメリットがある。逆に電動送風機を通過した後に精製塔に入る構造とする事もできる。この構成では電動送風機で混入する微小な油分をモレキュラーシーブで吸着除去できる、また仮に電動送風機のところで微小な空気の混入があってもその後に配置された精製塔で酸素、水分を除去できるというメリットがある。しかし、この構成ではガス温度の上昇がモレキュラーシーブの温度上昇を招き、水分吸着性能の劣化をもたらすのでより厳密に不活性ガスを冷却し、冷却された不活性ガスが該精製塔に入るようにする必要がある。

使用される電動送風機としては、モータで送風機構が回転駆動されるあらゆる種類の電動送風機が使用できる。これらの電動送風機はブロワ、ファン、ドライポンプなどと称される事が多い。１対の３葉ロータが微小間隙を保ちながら回転するルーツブロワは吐出圧の風量依存性が小さく、圧損の大きい循環ガス系において安定したガス循環風量を確保する場合に有効な電動送風機である。リングブロワやサイドチャネルブロワは比較的小型で吐出圧の高い大風量のブロワである。その他、ターボファンやシロッコファンなども使用され得る。

循環される不活性ガス中の酸素濃度や水分濃度の要求レベルは１ｐｐｍ以下である事が多く、場合によってはｐｐｂ（１０億分の１単位）レベルの要求がある事により、電動送風機の送風機構は大気の混入のない完全な密閉構造が要求される。ところが、従来の大量生産される廉価な電動送風機ではかかる要求仕様を満足するものは皆無である。送風機構（図３の５）の密閉性が悪い、モータ（図３の４）と送風機構（図３の５）を連結する回転軸（図３の６）が送風機構に入る部分がベアリングと該ベアリングへの埃の付着を防止するシール部材のみであったりしてシール性が良くない、という欠点がある。そこで、廉価な大量生産品を使わないで特別な設計・製作で送風機構を作製するか、または前記のルーツブロワのような高価であるが密閉性のいい送風機構を有するブロワにおいて軸シール部分のオイルシールを、陽圧と減圧の両方に耐えるように、２重に設けるなどの改造を行ってから実用に供する、といった手段が行われている。このような手段で密閉性、シール性を良くする事は可能であったが、オイルシールなどは徐々に摩耗する事が知られているように１年から数年間隔で分解点検が必要であり、故障し易い、またはメンテナンス費用が嵩むという欠点は解決されていない。さらに、電動送風機のモータは冷却する必要があり、通常は小型送風機（ファン、図３の１２）が付いているが、このファンがホコリを舞い上げる、または空気流を乱すことより、クリーンルームに設置できない場合が多い。

本発明者らは、かかる状況に対して、特願２００６−０３９９３３号において、廉価な大量生産品の電動送風機を用いてコンパクトで信頼性の高い、ガス循環精製装置に好適なケース収納型送風機を提案した。このケース収納型送風機は従来に比べて格段に進歩したものであったが、高機能性を目的に循環ガス風量を可変としたい場合、特に循環ガス風量を大きくしたい場合にモータが過熱されるという問題が発生した。また、提案したケース収納型送風機では、ケースのガス出入り口と電動送風機の配置に制約があり、自由にコストパフォーマンスの良い電動送風機を選定できない、かつケース設計の自由度が小さく結果としてコンパクト性が犠牲となる、という問題が発生した。

本発明は改良型のケース収納型送風機を提案するものである。従来品に比べて、モータが発熱する場合に好適に用いることができ、また市販品の電動送風機の選択幅が広くなり、かつケース設計の自由度を大きくする目的で本発明はなされた。

すなわち、本発明は、電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が該ケース内に広がった後に該電動送風機の送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が、該送風機構の気体出口と該ケースの気体出口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該ケースの出口から送出される構造とし、さらに該ケース内に該電動送風機の電動機を冷却するファンを設けた事を特徴とする、大気の混入を嫌う系に用いられるケース収納型送風機である。または、気体の出入り口を逆にした構成、すなわち、電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が、該ケースの入口と該電動送風機の送風機構部分の入口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が該ケース内に広がった後に該ケースの出口から送出される構造とし、さらに該ケース内に該電動送風機の電動機を冷却するファンを設けた事を特徴とする、大気の混入を嫌う系に用いられるケース収納型送風機である。前者の構成、すなわち入口から入った気体が電動送風機のモータを冷却するように流れる場合は、モータに当たる気体の温度はほぼ常温であり、モータの冷却にとっては好都合である。後者の構成、すなわち送風機構部分から送り出された気体がモータを冷却するように流れた後に該ケースの出口から送出される構造の場合は、送風機構で暖められた気体でモータを冷却する事になりモータ冷却の観点からはデメリットであるが、送風機構の回転部分で発生する微量の油分などが、直接にガス出口から送出される事なく、いったんケース内に放出される事でケース壁などに付着除去されるという副次的な効果を有する。また、この後者の構成では、後述の冷却機構をケース内部に設ける場合に好都合である。前者と後者のどちらの構成を選ぶかは使用されるグローブボックスなどの密閉ボックスでの作業の要求で決定される。

本発明のケース収納型送風機は大気の混入をきらう全ての送風システムに利用できるが、とりわけ極めて低濃度の水分含有量および、または低濃度の酸素含有量を要求されるグローブボックスなどの密閉ボックス内に気体を循環供給し、その途中でガス精製を行うガス循環精製装置において好適に用いられる。なお、上記の大気の混入を嫌う、とは大気中の１成分以上の混入を嫌う、という意味であり、通常は酸素、窒素、水分のいずれか、または複数の混入を嫌う、という意味である。ゆえに、本発明のケース収納型送風機により送風される気体は大気中の１成分以上を嫌うガスであればどのようなガス、または混合ガスでもよいが、とりわけ不活性ガスが用いられる。不活性ガスとしては、価格と入手し易さの観点から窒素、アルゴンが好ましく用いられる。

以下に図面を用いて詳細に本発明を説明する。図１の１は本発明のケース収納型送風機のケースである。該ケース１は密閉性よく製作される必要あり、通常はステンレスで製作され、製作されたケースはヘリウムリークディテクタで漏れ検査され漏れのない事が確認された後に製品として使用される。図示省略したが、モータ４を駆動するための電気ケーブルがケースの壁をシール性の良い電流導入機構（ハーメチックシールなど）を介してケース内に導入され、モータに接続される。モータの回転速度をインバータなどで変える事により風量を可変とする事ができる。作業を行うグローブボックスの大きさや作業内容により風速を変えたいという要望は多い。図１の２は気体の入口、図１の３は気体の出口である。入口から入ったガスはケース内に広がりながら一部は電動送風機のモータ４を冷却し、送風機構５の入口７に入り、加圧送風され送風機構の出口８から送出される。送風機構の出口８から送出された気体は該ケース内に漏れ出ることなく該ケースの出口３から出て行く。図１の２２は電動機（モータ）を冷却するファンである。２３は該冷却ファンを駆動するモータで、２４は回転シール機構である。なお、本図の破線矢印は気体の流れを模式的に示したものである。

この構成においては、前述の従来の問題点を一気に全て解決できることになる。まず、本発明においては電動送風機自体の密閉性は問題とならない。ケース（図１の１）を密閉性よく製作する事で送風される気体に空気が混入する事はない。次に、本発明ではモータ４を冷却するファン２２を設ける。該ファン２２により流速を高められたガスが効率よくモータ４を冷却する事になる。本図１ではファン２２はケース外に設置されたモータ２３により回転駆動される。回転軸は回転シール機構２４によりシールされる事により、大気がケース１内に侵入する事はない。該回転シール機構としてはベアリングとオイルシールを組み合わせたものを使用する事ができる。また、より好ましくは磁性流体シールやマグネットカップリングを使う事ができる。この構成では電動送風機のモータ４の回転速度と関係なく安定した冷却効果を得る事ができる。なお、図３の１２のようにモータを冷却するファン２２をモータ４の回転軸に取り付ける事も可能である。この場合は、構成が簡単になり、部品点数が少なくなるメリットが大きいが、モータ４の回転速度に連動するため、遅い回転速度ではモータの冷却が不十分になるというデメリットもある。次にガスの流れを説明する。ケース入口２からケース内部に入ったガスはケース内に広がり、送風機構５の入口７に吸い込まれる。この間に、ガスの自然な流れとファン２２による強制的な流れとにより、このガスがモータ４を冷却する。送風機構で加圧送風されたガスは該送風機構の気体出口８から連結パイプを通り、ケース出口３から送出される。通常はケース入口のガス温度に比べてケース出口のガス温度は高くなっているので、何らかのガス冷却機構（図示省略）が必要である。以上の構成から明らかなように本発明のケース収納型送風機では小型モータ２３が付属するのみで、ケース外に風を吹き出す事なくクリーンルームに設置してもクリーンルーム内のクリーンエアーの流れを妨害する事はない。

図２に本発明のさらに発展した形態を図示した。本図の１から７と２２、２３、２４は図１と同じである。図の９、１０、１１はガス冷却機構である。本例では、冷却水が入口１０から出口１１に流れる水冷パイプに熱伝導良く接続された冷却板９を模式的に示した。気体が複数の冷却板９に当たりながら流れる事により気体温度が低下する。かかる構造はエロフィンチューブ式熱交換器やプレートフィンチューブ式熱交換器として公知のものであり、その他の公知のガス冷却機構が利用可能である。従来の図３のような個別に冷却塔を設置する方式に比べて、本発明では、ガス循環精製装置本体をコンパクトにかつ廉価に製作できるようになった。

本図２では、ケース入口２から入った気体は送風機構５により加圧、送風されて送風機構出口８から出て、モータ４を冷却した後に冷却機構９で冷却された後にケース出口３から出ていく構成を図示した。この構成では十分に冷却したガスを出口３から送出する事ができるので好都合である。逆に、気体の流れを図１と同様の方向とする事も可能である。すなわち、ケース入口から入った気体が冷却機構を通過した後にモータを冷却してから送風機構に入る構成、またはケース入口から入った気体がモータを冷却してから冷却機構を通過し、最後に送風機構に入る構成、とする事もできる。これらの気体の流れが図１と同様の方向となる構成では、送風機構で気体が暖められる前にモータを冷却するのでモータ冷却の観点からは好都合である。なお、前記のように、これらの要素部品の配置は厳密でなくてよいが、ファン２２はモータ４を冷却するように配置されている必要がある。

一般的には、市販のガス循環精製装置の循環ガス流量は約１０立方メートル／時間から約１２０立方メートル／時間である。ケース収納型送風機において、ガス入口２、ガス出口３、モータ４、送風機構５が効果的に配置されていればモータ４を冷却するに十分なガス流量、風速を得る事ができるが、選択した電動送風機によっては効果的な配置に無理がある場合も多い。また、電気の商用周波数が高い地域ではモータの回転速度が大きくなり消費電力も大きくモータの発熱も大きい。また、風量を大きくする目的で、インバータなどで回転速度を大きくした場合はモータの発熱が大きくなる。このような場合において、本発明のファン２２がより効果を発揮する。

本発明のケース収納型送風機は高純度不活性ガス雰囲気を作り出すガス循環精製装置に好適に用いられる。本発明をガス循環精製装置に用いた場合、循環ガス純度が向上し、ガス循環精製装置の小型化、高寿命、低価格化が達成された。さらに、電動送風機のモータの回転速度を高めて使用する事が容易になった。また、容易にクリーンルームに設置できるようにもなった。

図４の構造のケース収納型送風機を作製した。電動送風機はサイドチャネル型ブロワ（モータ最大出力０．６ｋＷ（５０Ｈｚ）、０．８５ｋＷ（６０Ｈｚ）、吐出圧力１０．５ｋＰａ（５０Ｈｚ）、１３．１ｋＰａ（６０Ｈｚ）、最大風量１３９立方メートル／時間（５０Ｈｚ）、１７０立方メートル／時間（６０Ｈｚ））を用いた。該ブロワのモータには送風機構部の反対側にモータの回転軸に取り付けられた冷却ファンが付属しモータの回転に合わせて回転し該モータを冷却する構造となっている。該ブロワの外形を円柱形状で近似した場合の概略寸法は、直径３０２ｍｍ、長さ２９３ｍｍ（冷却ファン部含む）であった。ケース（図１の１）は円筒型とし、直径３２０ｍｍ、高さ３６０ｍｍである。このケース収納型送風機を用いて、図３の構成の、ただし送風機は本発明のケース収納型送風機としたガス循環精製装置を製作した。モレキュラーシーブはアクセンス社製の型番１３Ｘを７ｋｇ用い、酸素吸着剤は日揮化学株式会仕製の耐硫黄性Ｎｉ触媒を４ｋｇ用いた。冷却塔（図３の１６）は外径９．５３ｍｍ、内径７．５３ｍｍ、長さ２５０ｍｍのステンレス管１２本を気体通路とするシェルアンドチューブ構造とした。なお、モレキュラーシーブが水分を飽和に吸着した時、またはＮｉ触媒が酸素と飽和に化合した時は加熱下で脱水および、または還元処理を行う目的でヒータが精製塔（図３の１３）に設置されるが、図示省略した。

この本発明のケース収納型送風機を有するガス循環精製装置を内容積５６０リットルのステンレス製のボックスに接続した。該ＳＵＳボックスには薄膜酸化アルミセンサーの露点計とジルコニア起電力方式の酸素濃度計が装備されている。モータ（図４の４）の回転速度はインバータで周波数を調整する事で調整した。モータ内部の温度はＪＩＳ Ｃ ４２０３規格の抵抗法で測定した。なお、用いたモータの絶縁種類はＢ種絶縁であり、温度上昇の限界は８０℃とされている。ＳＵＳボックス内を真空排気後、アルゴンガスを導入し、系全体を高純度アルゴンガスの１気圧雰囲気とした後に、該ガス循環精製装置を起動した。供給電力の周波数、ケース収納型送風機の出口（図４の３）におけるガス圧力、循環ガス風量、モータの内部温度上昇（上昇幅）の関係はそれぞれ以下であった。４０Ｈｚでは６ｋＰａ、５０立方メートル／時間、４４℃、５０Ｈｚでは９．８ｋＰａ、６１立方メートル／時間、５３℃、６０Ｈｚでは１０．２ｋＰａ、７０立方メートル／時間、６７℃。周波数を変える事により、循環ガス風量を増加させる事ができ、モータ温度も限度内に留まっている。冷却塔（図３の１６）を通過する事で、グローブボックスに流入するガス温度は２９℃以下の問題ないガス温度だった。酸素濃度はアルゴンガス置換後は８５０ｐｐｍだったが、該ガス循環精製装置を起動後３分で１ｐｐｍ濃度まで低下した。水分濃度はアルゴンガス置換後で５２０ｐｐｍだった。水分濃度は、ＳＵＳボックス内を含むガス循環系統内の吸着水の影響が大きく酸素濃度よりは低下するのに時間を要したが、約６時間後に−７６℃（１ｐｐｍ）となり、良好なガス精製能力を示した。

比較例１

実施例のモータ（図４の４）から冷却ファン（図４の２２）を取り外してからケース（図４の１）に収納し、実施例と同じ内容のテストを行った。すなわち、供給電力の周波数、ケース収納型送風機の出口（図４の３）におけるガス圧力、循環ガス風量、モータの内部温度上昇（上昇幅）の関係はそれぞれ以下であった。４０Ｈｚでは６．３ｋＰａ、５０立方メートル／時間、４９℃、５０Ｈｚでは９．７ｋＰａ、６０立方メートル／時間、６３℃、６０Ｈｚでは１０ｋＰａ、７３立方メートル／時間、８２℃。このように、実施例に比べて、モータ内部の温度上昇が大きく、６０Ｈｚでは絶縁耐熱規格の限度を越えた。ＳＵＳボックスに流入するガス温度は３２℃以下であった。実施例よりやや温度高いが特段の問題ないガス温度だった。ガスの精製能力も実施例と略同じで問題なかった。

本発明のケース収納型送風機の模式図である。１はケース、２，３は気体の出入り口、４は電動送風機の電動機（モータ）、５は送風機構部分、６はモータと送風機構を連結する回転軸である。７，８は送風機構のガス出入り口である。 本発明のケース収納型送風機のケース内部にガス冷却機構９を設けた実施例２を説明する模式図である。１０、１１は冷却水の入側と出側である。 比較例１のガス循環精製装置を示した。１９はガス循環精製装置であり、２０は該装置に入ってくるガスの入口であり、２１は該装置から送出される精製されたガスの出口である。この比較例の電動送風機にはモータを冷却する小型ファン１２が装備される。１６は送風機構で温度上昇したガスを冷却する冷却機構であり、１７、１８は冷却水の入側と出側を示したのものである。１３が精製塔であり、１４は水分吸着剤、１５は酸素吸着剤である。 実施例に用いたケース収納型送風機の模式図である。図１と基本構成は同じであるが、モータを冷却するファン２２が、本図ではモータ４の回転軸に取り付けられている。

符号の説明

１ ケース、２ 気体の入口、３ 気体の出口、４ 電動機（モータ）、５ 送風機構、６ 回転軸、７ 送風機構の気体入口、８ 送風機構の気体出口、９ ガス冷却機構、１０ 冷却水の入口、１１ 冷却水の出口、１２ モータを冷却するファン、１３ ガス精製塔、１４ 水分吸着剤、１５ 酸素吸着剤、１６ 冷却塔、１７ 冷却水の入口、１８ 冷却水の出口、１９ ガス循環精製装置、２０ ガス入口、２１ ガス出口、２２ 冷却ファン、２３ モータ、２４ 回転軸シール

Claims (6)

1. 電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が該ケース内に広がった後に該電動送風機の送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が、該送風機構の気体出口と該ケースの気体出口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該ケースの出口から送出される構造とし、さらに該ケース内に該電動送風機の電動機を冷却するファンを設けた事を特徴とする、大気の混入を嫌う系に用いられるケース収納型送風機。
2. 電動送風機を密閉性の良いケースに収納し、ケースには気体の入口と出口を設け、入口から入った気体が、該ケースの入口と該電動送風機の送風機構部分の入口がつながっていることにより、該ケース内に放出される事なく該送風機構部分に入り、該送風機構により送風され、該送風機構部分から送り出された気体が該ケース内に広がった後に該ケースの出口から送出される構造とし、さらに該ケース内に該電動送風機の電動機を冷却するファンを設けた事を特徴とする、大気の混入を嫌う系に用いられるケース収納型送風機。
3. 該ケースの中に気体を冷却する機構を設けた事を特徴とする請求項１または請求項２のケース収納型送風機。
4. 前記の大気の混入を嫌う系がガス循環精製装置である事を特徴とする請求項１、請求項２または請求項３のケース収納型送風機。
5. 前記の気体が不活性ガスである事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のケース収納型送風機。
6. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５のケース収納型送風機を用いたガス循環精製装置。

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