JP2008275185A - Humidified gas supply method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加湿ガス供給方法に関し、詳しくは、熱処理,酸化,焼成炉等に広く使用されている必要な水分量を含んだ加湿ガスを供給する方法に関する。 The present invention relates to a humidified gas supply method, and more particularly to a method of supplying a humidified gas containing a necessary amount of water widely used in heat treatment, oxidation, a firing furnace, and the like.
ガスに所定量の水分を加えた加湿ガスは、熱処理,酸化,焼成等に使用され、さらに、ガス中の水分は、プラズマ雰囲気における酸素源として殺菌,表面処理,有機汚染除去,エッチング等にも用いられている。また、急激な乾燥を嫌う用途に対し、調湿したガスから徐々に水分量を減らして乾燥させる方法では、予め希望する加湿ガスを定量的に供給する必要がある。 A humidified gas with a predetermined amount of moisture added to the gas is used for heat treatment, oxidation, firing, etc. Furthermore, the moisture in the gas is used as an oxygen source in the plasma atmosphere for sterilization, surface treatment, organic contamination removal, etching, etc. It is used. In addition, in a method in which moisture is gradually decreased from a conditioned gas for drying that does not require rapid drying, it is necessary to quantitatively supply a desired humidified gas in advance.
ガスへの加湿手段(加湿源)としては、液体の水を加熱蒸発させて水蒸気を得る方法と、フッ素系,ポリイミド系の中空糸膜あるいは平膜等の水蒸気透過特性を利用し、乾燥ガスに水分を添加して加湿ガスを得る方法とがある。また、加湿ガス中の露点を制御する方法としては、加湿源の温度を制御し、その温度,圧力で飽和の水分量を添加するか、制御温度以下の場合は、得られた加湿ガスを乾燥ガスで希釈して水分量を制御する方法がある(例えば、特許文献1〜3参照。)。
必要な露点温度まで水を加熱又は冷却し、その温度及び圧力の条件下で水分を飽和させる場合、水温の制御が不可欠であり、水温制御精度が低ければ添加水分量が変動してしまい、安定した露点のガスを得ることはできない。また、水分が飽和した湿潤ガスに乾燥ガスを混合して希釈する方法では、加湿ガスの露点を計測して湿潤ガス量及び希釈ガス量を制御することから、加湿ガスの露点を計測するための露点計測機器が必要である。露点計測機器は、温度測定装置や流量測定装置、流量制御機器等に比べて、信頼性、耐久性が非常に低く、露点計測機器が故障したときには、プロセス全体が動作しなくなるという問題があった。 When heating or cooling water to the required dew point temperature and saturating moisture under the temperature and pressure conditions, it is essential to control the water temperature. If the water temperature control accuracy is low, the amount of added water will fluctuate and be stable. A gas with a dew point cannot be obtained. Moreover, in the method of diluting by mixing dry gas with wet gas saturated with moisture, the dew point of the humidified gas is controlled by measuring the dew point of the humidified gas, so that the dew point of the humidified gas is measured. Dew point measuring equipment is required. The dew point measuring device is very low in reliability and durability compared to temperature measuring devices, flow measuring devices, flow control devices, etc., and when the dew point measuring device breaks down, there is a problem that the whole process does not work. .
そこで本発明は、精密な水温制御や露点計測機器を不要として簡単な構成で所定水分量、所定流量の加湿ガスを効率よく供給することができる加湿ガス供給方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a humidified gas supply method capable of efficiently supplying a humidified gas having a predetermined moisture amount and a predetermined flow rate with a simple configuration without requiring precise water temperature control and dew point measurement equipment.
上記目的を達成するため、本発明の加湿ガス供給方法は、加湿器を有する加湿経路から供給される飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路から供給される乾燥ガスとを混合し、あらかじめ設定された流量で、あらかじめ設定された水分量の加湿ガスを生成して加湿ガス使用先に供給する加湿ガス供給方法において、前記飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定し、測定した圧力及び温度に基づいて算出した飽和湿潤ガスの水分量と、前記加湿ガスの水分量及び流量とから、前記飽和湿潤ガスの流量及び前記乾燥ガスの流量をそれぞれ設定することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the humidified gas supply method of the present invention mixes a saturated wet gas supplied from a humidifying path having a humidifier and a dry gas supplied from a dry gas path, and has a preset flow rate. In the humidified gas supply method for generating a humidified gas with a predetermined amount of moisture and supplying the humidified gas to the user of the humidified gas, the pressure and temperature of the saturated wet gas are measured and calculated based on the measured pressure and temperature. The flow rate of the saturated wet gas and the flow rate of the dry gas are respectively set from the moisture content of the saturated wet gas and the moisture content and flow rate of the humidified gas.
さらに、測定した圧力及び温度に基づいて、算出した飽和湿潤ガスの水分量をあらかじめ設定されたパラメータで補正することにより、膜の劣化等による飽和湿潤ガスの水分量の変化に対応することができる。 Further, by correcting the calculated moisture content of the saturated wet gas with a preset parameter based on the measured pressure and temperature, it is possible to cope with a change in the moisture content of the saturated wet gas due to film deterioration or the like. .
本発明の加湿ガス供給方法によれば、飽和状態のガス中に含まれる水分量は、そのときのガスの圧力及び温度によって決まるので、使用先に供給する加湿ガスの水分量及び流量に応じて飽和湿潤ガスの流量及び乾燥ガスの流量をそれぞれ設定して混合することにより、所定水分量の加湿ガスを所定流量で使用先に供給することができる。したがって、精密な温度制御や精密な露点計測機器が不要となる。 According to the humidified gas supply method of the present invention, the amount of moisture contained in the saturated gas is determined by the pressure and temperature of the gas at that time, so that it depends on the amount of moisture and the flow rate of the humidified gas supplied to the user. By setting and mixing the flow rate of the saturated wet gas and the flow rate of the dry gas, the humidified gas having a predetermined moisture amount can be supplied to the user at a predetermined flow rate. Therefore, precise temperature control and precise dew point measurement equipment are not required.
図1は本発明の加湿ガス供給方法を適用した加湿ガス供給装置の一例を示す系統図である。この加湿ガス供給装置は、原料乾燥ガスを供給する原料乾燥ガス供給経路11と、該原料乾燥ガス供給経路11から分岐した加湿経路12及び乾燥ガス経路13と、加湿経路12から供給される飽和湿潤ガスと乾燥ガス経路13から供給される希釈用の乾燥ガスとを混合するガス混合部14と、該ガス混合部14で飽和湿潤ガスと乾燥ガスとが混合することにより生成した加湿ガスを使用先に供給する加湿ガス供給経路15と、前記加湿経路12に設けられた加湿器16と、該加湿器16で水分飽和状態となった飽和湿潤ガスの圧力を測定する圧力計(PI)17及び飽和湿潤ガスの温度を測定する温度計(TI)18と、前記加湿経路12及び前記乾燥ガス経路13のそれぞれに設けられた流量調節器(MFC)19,20と、前記圧力計17及び温度計18でそれぞれ測定した飽和湿潤ガスの圧力及び温度とあらかじめ設定された加湿ガスの水分量及び流量とに基づいて前記流量調節器19,20におけるガス流量を設定する制御器(PLC)21とを備えている。
FIG. 1 is a system diagram showing an example of a humidified gas supply apparatus to which the humidified gas supply method of the present invention is applied. This humidified gas supply device includes a raw material dry
前記加湿器16は、加湿膜16aと、水槽16bと、加湿膜16aと水槽16bとに水を循環させるポンプ16cとを有している。加湿膜16aは、従来と同様に、フッ素系,ポリイミド系の中空糸膜や平膜等の水蒸気透過性の膜からなるものであって、加湿するガス量に対して十分に大きな加湿能力を持ち、ガス量が変化しても常にそのときの水温と同等の露点の湿潤ガスが得られる膜を用いることにより、加湿器16を通った加湿後のガス中の水分量が、そのときの温度、圧力で飽和状態となるようにしている。
The
また、加湿器16の入口側に熱交換器16dを配置し、加湿器16に流入する乾燥ガスの温度を、加湿膜16aを介して接触する水蒸気の温度、すなわち、ポンプ16cによって加湿膜16aを循環する水温に近い温度に調整している。さらに、必要に応じて、水槽16bや循環経路に温度調整手段を設けて水温を加湿に最適な温度範囲に調整することもできる。
In addition, a
このような構成を有する加湿ガス供給装置は、入力手段21aから入力された加湿ガス使用先の仕様に基づいて所定水分量の加湿ガスを所定流量で使用先に供給する。以下、使用先に加湿ガスを供給する方法を説明する。なお、原料となる乾燥ガスは、任意の手段で得ることができるので、詳細な説明は省略する。
The humidified gas supply apparatus having such a configuration supplies a humidified gas having a predetermined moisture amount to the user at a predetermined flow rate based on the specification of the humidified gas user input from the
まず、加湿ガス使用先であらかじめ設定された加湿ガスの流量F(m3/h)及び水分量W(g/m3)をキーボード等の入力手段21aから制御器21に入力する。制御器21では、入力された流量F及び水分量Wに基づいて前記流量調節器19,20の流量設定を行う。ここで、温度T(℃)における大気圧下の飽和蒸気圧Vp(Pa)は、下記式(1)で近似することができる。
ln(Vp)=−6097T−1+21.24−2.711×10−2T+1.674×10−5T2+2.434ln(T)・・・(1)
さらに、圧力P(MPa)における飽和水分量Ws(g/m3)は、下記式(2)で近似することができる。
Ws=Vp×1.019×(0.1013/(P+0.1013))×(1/(0.47×(273+T))・・・(2)
一方、使用先に供給する加湿ガスの流量F及び水分量Wから、加湿ガス中に要求される水分量を得るために必要な湿潤ガスの流量Fw(m3/h)は、下記式(3)にて求めることができる。
Fw=F×W/Ws・・・・・(3)
また、湿潤ガスを希釈する乾燥ガスの流量Fo(m3/h)は、下記式(4)にて求めることができる。
Fo=F−Fw・・・(4)
First, the flow rate F (m 3 / h) and the water content W (g / m 3 ) of the humidified gas set in advance at the humidified gas use destination are input to the
ln (Vp) = − 6097T −1 + 21.24−2.711 × 10 −2 T + 1.694 × 10 −5 T 2 +2.434 ln (T) (1)
Furthermore, the saturated water content Ws (g / m 3 ) at the pressure P (MPa) can be approximated by the following formula (2).
Ws = Vp × 1.019 × (0.1013 / (P + 0.1013)) × (1 / (0.47 × (273 + T)) (2)
On the other hand, the flow rate Fw (m 3 / h) of the wet gas necessary for obtaining the moisture amount required in the humidified gas from the flow rate F and the moisture amount W of the humidified gas supplied to the user is expressed by the following formula (3 ).
Fw = F × W / Ws (3)
Further, the flow rate Fo (m 3 / h) of the dry gas for diluting the wet gas can be obtained by the following formula (4).
Fo = F−Fw (4)
したがって、前記式(1)及び式(2)に前記圧力計17及び温度計18にてそれぞれ測定した圧力P(MPa)及び温度T(℃)を入力することにより、湿潤ガスにおける飽和水分量Wsを得ることができる。
Therefore, by inputting the pressure P (MPa) and the temperature T (° C.) measured by the
そして、得られた飽和水分量Wsと、あらかじめ入力された加湿ガスの流量F及び水分量Wとから、前記式(3)により必要な湿潤ガスの流量Fwを求めることができ、さらに、この湿潤ガスの流量Fwと加湿ガスの流量Fとから、前記式(4)により必要な乾燥ガスの流量Foを求めることができる。 The necessary wet gas flow rate Fw can be obtained by the above equation (3) from the obtained saturated water content Ws, the humidified gas flow rate F and the water content W input in advance. From the gas flow rate Fw and the humidified gas flow rate F, the required dry gas flow rate Fo can be obtained from the equation (4).
制御器21により、このようにして得た湿潤ガスの流量Fwに基づいて加湿経路12の流量調節器19を設定するとともに、乾燥ガスの流量Foに基づいて乾燥ガス経路13の流量調節器20を設定することにより、湿潤ガスと乾燥ガスとが前記ガス混合部14で混合してあらかじめ設定された流量F及び水分量Wの加湿ガスを加湿ガス供給経路15から使用先に供給することができる。
The
これにより、測定機器として比較的安価で信頼性の高い圧力計17及び温度計18を用いるのみで所望の加湿ガスを使用先に供給することが可能となり、加湿ガス供給用の装置コストや運転コストの低減を図ることができる。
This makes it possible to supply a desired humidified gas to a user only by using a relatively inexpensive and highly
一方、上述の方法では、実際に製造されて使用先に供給される加湿ガスの露点を計測し、その計測値をフィードバックしていないため、加湿器16における膜の劣化や、流量制御の再現性の劣化によるドリフトや、プロセス及び機器固有のバイアス値によって長期的あるいは機器運転の上で再現精度に支障がでるおそれがある。これらの問題点の対策として、飽和水分量Wsを計算した後、湿潤ガスの流量Fwを計算する前にある程度のガス量を加算又は減算するパラメータ(C)を追加し、補正する方法を取ることができる。パラメータの値は、実際に製造される加湿ガスの露点を校正された露点計等で定期的に適宜確認して設定すればよく、露点計の信頼性、耐久性にプロセスが依存することなく、再現性が高く、一定の加湿ガスを得ることが可能である。
On the other hand, in the above-described method, since the dew point of the humidified gas that is actually manufactured and supplied to the user is measured and the measurement value is not fed back, the deterioration of the film in the
なお、前記パラメータは固定値でもかまわないが、飽和水分量Wsは温度が高いほど大きく、圧力Pが低いほど大きいため、温度、圧力及び流量の関数としておくことが好ましい。 The parameter may be a fixed value, but the saturated water content Ws is larger as the temperature is higher and is larger as the pressure P is lower. Therefore, the parameter is preferably set as a function of temperature, pressure, and flow rate.
また、温度計18で測定した温度を用いて前記式(1)の計算を行って飽和蒸気圧Vpを対数計算するのに代えて、あらかじめ温度領域を設定し、各温度領域において飽和蒸気圧Vpを直線に近似した計算式で計算するように設定することにより、複雑な対数計算を含む前記式(1)の計算を行うことができない比較的安価な市販のシーケンサーを制御器21として使用することができ、装置コストを更に低減することができる。
Further, instead of calculating the saturated vapor pressure Vp logarithmically by calculating the equation (1) using the temperature measured by the
このとき使用する飽和蒸気圧Vpを求めるための直線に近似した計算式は、次のように設定することができる。例えば、湿潤ガスの温度範囲が0〜40℃の場合、温度領域を0℃以上〜5℃未満、5℃以上〜10℃未満といったように5℃刻みで設定し、各温度領域において、0〜5℃ではVp=52.5×T+611に、5〜10℃ではVp=71.2×T+516に、10〜15℃ではVp=95.4×T+274に、15〜20℃ではVp=126.6×T-194に、20〜25℃ではVp=166.2×T-986に、25〜30℃ではVp=215.2×T-2211に、30〜35℃ではVp=275.8×T-4029に、35〜40℃ではVp=315.4×T-6675に、それぞれ計算式を設定することにより、各温度領域における飽和蒸気圧Vpの近似値を簡単な計算式で求めることができる。 A calculation formula approximating a straight line for obtaining the saturated vapor pressure Vp used at this time can be set as follows. For example, when the temperature range of the wet gas is 0 to 40 ° C., the temperature range is set in increments of 5 ° C. such as 0 ° C. to less than 5 ° C., 5 ° C. to less than 10 ° C., Vp = 52.5 × T + 611 at 5 ° C., Vp = 71.2 × T + 516 at 5-10 ° C., Vp = 95.4 × T + 274 at 10-15 ° C., Vp = 126.6 × T-194 at 15-20 ° C., 20-20 Vp = 166.2 × T-986 at 25 ° C., Vp = 215.2 × T-2211 at 25-30 ° C., Vp = 275.8 × T-4029 at 30-35 ° C., Vp = 315.4 × T at 35-40 ° C. By setting a calculation formula at -6675, an approximate value of the saturated vapor pressure Vp in each temperature region can be obtained by a simple calculation formula.
11…原料乾燥ガス供給経路、12…加湿経路、13…乾燥ガス経路、14…ガス混合部、15…加湿ガス供給経路、16…加湿器、16a…加湿膜、16b…水槽、16c…ポンプ、16d…熱交換器、17…圧力計、18…温度計、19,20…流量調節器、21…制御器、21a…入力手段
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