JP2009511243A

JP2009511243A - 可燃性ガスの排気方法

Info

Publication number: JP2009511243A
Application number: JP2008534062A
Authority: JP
Inventors: ロバートブルースグラント
Original assignee: エドワーズリミテッド
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090321271A1; EP1937389A1; TW200714805A; ATE550087T1; WO2007042743A1; GB0520472D0; CN101287535B; EP1937389B1; CN101287535A

Abstract

可燃性ガスを含むガス流を排出するためのシステムは、固体酸化イオン伝導膜（２０）と、ガス流を、減圧で、膜の一方の側に引くための真空ポンプ（３６）と、を含む。膜の他方の側は、酸化ガスに暴露しており、反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように電位差が膜に加えられる。ガス流は、続いて真空ポンプ（３６）に受け入れられる。真空ポンプは、ガス流を水に暴露する排気機構を有していてもよく、水蒸気は、ガス流から凝縮される。変形例として、凝縮器（１４）を、ガス流から水蒸気を凝縮するために、ポンプと膜の間に設けてもよい。

Description

本発明は、水素や炭化水素のような、可燃性ガスを含むガス流を排気するための方法及び装置に関する。

多くのプロセスが、水素や炭化水素のような燃料を含む潜在的引火性の混合物を使用しまたは発生させる。例えば、エピタキシャル蒸着プロセスは、シリコン及び複合半導体用途の両方のために高速半導体装置に増々使用される。エピタキシャル蒸着は、シリコン源ガス、典型的にはシラン、または、トリクロロシランまたはジクロロシランのようなクロロシラン化合物の一つを、高温、典型的には約８００〜１１００℃の水素雰囲気内で、且つ真空状態下で利用する。そのような蒸着プロセスでは、プロセス室内での蒸着ガスの滞留時間は、比較的短く、蒸着プロセス中、室に供給されたガスの僅かな部分だけが消費される。したがって、室に供給された蒸着ガスの大部分は、蒸着プロセスから、副生成物と共に室から排出される。

排気ガス自身は引火性ではないが、そのような混合物の排気は、配管への空気の流入がないことを保証するために、ポンプからの前方配管の及び排気配管の漏れ無欠状態に置かれるように多大な注意を必要とする。ガス混合物がその下方爆発限界（ＬＥＬ）を越えると、ポンプ内のいかなる引火源も、ポンプから排気管の中へ移動する有害な火炎前面を発生させることがある。

引火性ガス流の発火を回避するのに使用される共通の技術は、ガス流に、余剰の不活性パージガス、典型的には窒素を導入してガス流をＬＥＬより下にし、続いて、ガス流を除害装置、典型的にはバーナーに運んで、ガス流を大気に放出する前に可燃性ガスを他の種に制御可能に変換することである。しかしながら、パージガスをガス流に供給することは、除害装置の効率を減じることがあり、不経済でコスト高である。さらに、可燃性ガスを分解するバーナーの使用は、可燃性ガスの分解の副生成物として、他の望ましくない化学物質の大気への放出に至らせる。

第１の側面では、本発明は、可燃性ガスを含むガス流を排気する方法を提供し、該方法は、ガス流を減圧でイオン伝導膜の一方の側に運ぶステップと、膜の他方の側を酸化ガスに暴露させるステップと、反応性酸化ガスが膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加えるステップと、続いて、ガスを真空ポンプで受け入れるステップと、を含み、水蒸気は、真空ポンプの上流または真空ポンプ内でガス流から凝縮される。

潜在的爆発性ガス混合物の全圧力を減少させるので、可燃性ガス及び酸化剤を含むガス相化学反応の突発的な性質も減少する。酸素アニオンまたは基のような反応性酸化種を減圧で、好ましくは５０ｍｂａｒより小さい、より好ましくは１０ｍｂａｒより小さい圧力で可燃性ガスに運ぶことにより、ガス流を下方爆発限界以下に減ずるためにガス流に加える必要がある不活性パージガスの量を、好ましくはゼロに減ずることができ、それにより、複雑なパージガスシステム及びこれと関連したコストを回避することができる。

イットリウム安定化ジルコニウムまたはガドリニウム添加セリア酸素アニオン導体のようなイオン伝導膜の使用と関連した利点は、膜の中の酸化種の浸透を発動させるために、電位差を膜に加える必要があることであり、さもなければ、膜は酸化種を浸透させない。かくして、電源故障の場合には、酸素アニオンのガス流への移動が禁止され、それにより膜内での潜在的爆発性雰囲気の発生を回避する。膜に加えられる電位差の大きさを制御することにより、酸化種の浸透速度を制御することができ、それにより、酸化種がガス流に入る速度は、ガス流内での可燃性ガスの実質的に全てと反応するのに十分である。酸素アニオンを膜に押し通すのに使用される電流の絶対的な大きさは、一般的に、膜の側面に配置された電極の表面積、酸化ガスの分圧及びガス流内の可燃性ガスの量に依存する。膜に加えられる電位差を、膜の下流のガス流内に存在する酸素の量を測定するのに使用されるセンサの出力に応じて調整することができる。例えば、もしセンサが、酸素を検出しなければ、これは、膜への酸素アニオンの浸透が可燃性ガスの全てと反応するのに不十分である表示を提供することができ、それゆえ、電位差または電流密度を、センサがガス流れに酸素が存在することを検出するまで、徐々に増大させる。

さらに、可燃性ガスと酸化種との間の反応の生成物のうちの少なくとも１つ、または水素の場合には、全てが、凝縮可能であるから、例えば、水蒸気のような凝縮可能な種がガス流から凝縮されるとき、ガス流内に含まれる水素の各ｓｌｍが、排気速度の追加的なｓｌｍを発生させるので、ガス流を排気するのに必要とされる真空ポンプのサイズを減少させることができる。

水蒸気を、膜と真空ポンプの間に配置された凝縮器内でガス流から凝縮するのがよい。変形例として、真空ポンプは、ガス流を水に暴露する排気機構を有し、水蒸気は、ガス流から凝縮される。そのような排気機構を有する真空ポンプの例は、液体リングポンプ及び液体エジェクタポンプを含む。

前述のように、電位差を、膜の前記一方の側の第１電極と膜の前記他方の側の第２電極を用いて膜に加えることができ、電極の少なくとも１つは、反応速度を改善するために、プラチナのような触媒物質からなる。

膜の温度を制御するための手段を設けてもよい。膜の性質に応じて、膜を、酸化種に必要とされる伝導度を有する高い温度に加熱する必要があるかもしれない。臨界温度（Ｔ_c）以下の温度では、電解質材料は非電導性であるが、Ｔｃ以上の温度では、電解質材料は徐々により電導性になる。加熱器を、膜を要求温度に加熱するために膜の周りに都合よく設けてもよい。

好ましい実施形態では、膜は、ボアを有する円筒の形態であり、ガス流はこのボアを通して真空ポンプによって引かれる。分解効率を増やすために、複数の前記円筒形膜を平行して設けてもよい。変形例として、膜は、プレート状の構造を有していてもよい。

酸化ガスを、酸素のガス状源から得ることができる。典型的には、大気空気が酸素のガス状源として用いられるが、他のガス構成物を用いてもよい。

第２の側面では、本発明は、可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムを提供し、該システムは、イオン伝導膜と、他方の側が酸化ガスに暴露された膜の一方の側にガス流を減圧で引くための真空ポンプと、反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加えるための手段と、を含み、真空ポンプは、膜からガス流を受け入れるように構成され、且つガス流を水に暴露させる排気機構を有し、水蒸気は、ガス流から凝縮される。

第３の側面では、本発明は、可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムを提供し、該システムは、イオン伝導膜と、他方の側が酸化ガスに暴露された膜の一方の側にガス流を減圧で引くための真空ポンプと、反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加えるための手段と、を含み、真空ポンプは、膜からガス流を受け入れるように構成され、且つガス流を水に暴露させる排気機構を有し、水蒸気は、ガス流から凝縮される。

本発明の方法の側面に関連した上述の特徴は、本発明のシステムの側面にも等しく適用可能であり、また逆も可能である。

今、本発明の好ましい特徴を、添付の図面を参照して、記載する。

図１を参照すると、可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムの第１実施形態は、ガス流を電気化学セル１２を通して減圧で引くための真空ポンプ１０と、セル１２の下流の凝縮器１４と、を含む。真空ポンプ１０は、ガス流を所望の減圧で、好ましくは５０ｍｂａｒより小さい、より好ましくは１０ｍｂａｒより小さい圧力で、セル１２を通して排気するのに適した排気機構を有していているのがよい。真空ポンプ１０は、ガス流を、大気圧でまたは大気圧近くで、若しくは他の減圧で排出してもよく、その場合には、真空ポンプから排出されたガス流を受け入れて、大気圧でまたはその近くでガスを排出するための任意の追加的な真空ポンプが、真空ポンプ１０の下流に配置されてもよい。

電気化学セル１２及び凝縮器１４の例を、図２により詳細に示す。セル１２は、ガス流を受け入れるためのフランジ付入口１６と、フランジ付出口１８と、を含み、セル１２からフランジ付出口１８を通して凝縮器１４にガス流が放出される。電気化学膜２０が、フランジ付入口１６とフランジ付出口１６の間に配置される。膜２０は、ボア２２を有する円筒膜の形態であり、ガス流は真空ポンプ１０によってボア２２を通して引かれる。この例では、膜２０は、酸素アニオン導体、例えばイットリウム安定化ジルコニウムまたはガドリニウム添加セリアで形成される。

第１電極２４が、ガス流への暴露のために膜２０の内面に形成され、第２電極２６が、酸化ガス、例えば空気への暴露のために膜２０の外面に形成される。電極２４，２６は、適当な市販の「インク」を表面に真空スパッタリングする又は付与するような技術を用いて付着されるのがよい。電極の１つがインクを用いて膜２０の表面に形成される場合には、全組立体は、インクの性質によって決定される適当な雰囲気内で燃やされなければならない。第１電極２４は、好ましくは、炭化水素の酸化を触媒して二酸化炭素と水にし及び／又は水素の酸化を触媒して水にすることができる材料で形成される。１つの適当な例はプラチナである。第２電極２６は、好ましくは、酸素または他の反応性酸化種の解離吸収を触媒することができる材料で形成される。再び、１つの適当な例は、プラチナである。空気以外のガスが酸化ガスの源として使用される場合には、セル１２は、ハウジングによって取り囲まれ、ハウジングは、酸化ガスの流れを受け入れるための入口と、この流れをハウジングから噴出させるための出口と、を有する。

膜２０を形成するのに使用される材料の性質に応じて、膜は、その温度を、膜２０が反応性酸化種、例えば酸素アニオンを伝導することができる臨界温度Ｔ_c以上に上昇させるように加熱を必要とする。この観点では、セル１２は、膜２０を、再び膜２６を形成するのに使用される材料に応じて、少なくとも３００℃であるのがよい要求温度に加熱するための、膜２０の周りに延びる加熱器２８を含むのがよい。加熱器コントローラ３０が、例えば、膜２０の近傍に配置された熱電対から受けた温度信号に応答して加熱器２８を制御するために設けられるのがよい。

低電圧電源３２が、第１電極２４と第２電極２６の間に、かくして膜２０に電位差を加えるために設けられる。電圧電流計３４が、また、電極２４，２６の間の電位差を測定するために設けられる。ハウジングが膜２０を取り囲んでいる場合、気密性電気フィードスルーにより、一定電源３２及び電圧電流計３４との電気接続が電極２４，２６に電気を通させる。

使用中、膜２０の外面は、酸化ガス、都合よくは空気に暴露し、電位差が、電源３２を用いて膜２０に加えられる。第２電極２６では、空気中の酸素が還元されて酸素アニオンを形成する。

ここで、Ｖ₀は、二重荷電酸素アニオン欠損であり、Ｏ₀は、膜２０内の充填酸素アニオンサイトである。膜２０の温度がＴｃ以上であるとき、酸素アニオンは、とりわけ、電極２４，２６の表面積、膜２０の外面における酸素の分圧、及び膜２０に加えられた電位差に応じた速度で膜２０に浸透する。

第１電極２４では、酸素アニオンは、膜のボア２２を通して、かくして膜の内面に運ばれるガス流内に含まれる可燃性ガスと反応する。例えば、一般的な化学式Ｃ_xＨ_yを有する可燃性ガスについては、ｘ≧０及びｙ≧２の場合、反応は、次の一般式にしたがって進んで水蒸気及び、ｘ＞１のとき、二酸化炭素を生成する。

図３に示すように、ガスセンサ５０が、セル１２の下流のガス流内に存在する酸素の量を検出するために、セル１２の下流に配置されてもよい。センサ５０は、例えば、ガス流内に含まれる酸素の量に応じて、コントローラ５２に信号を出力する。このガス流内に含まれる酸素がないとき、これは、セル１２内の可燃性ガスの不完全な還元を示し、それゆえ、センサ５０からの信号出力に応答して、コントローラ５２は、セル１２に信号を出力して、膜２０に加えられる電位を増大させ、そして酸素がガス流内に検出されるまで、酸素アニオンが膜２０に浸透する速度を増大させる。

ガス流内の水素（数ｓｌｍ）または炭化水素（１００ｓｌｍ以上）の比較的高い流量のために、可燃性ガス及び酸化ガスの両方に暴露される膜の表面積を増大させるために、膜２０の数を増加させてもよい。例えば、図４に示すように、各々、それぞれの内面及び外面に形成された電極を有する円筒膜２０の列が、ガス流れを受け入れるために平行に配置されてもよい。各膜２０は、その一端が、フランジ付入口１６に連結される入口を有する入口マニホールド（図示せず）のそれぞれの出口に連結され、その他端が、フランジ付出口１７に連結される出口を有する出口マニホールド（図示せず）のそれぞれの入口に連結され、それにより、ガス流がボア２２を通して運ばれる。例えば、各々、直径１ｃｍ、有効長２０ｃｍの膜２０の５×５列は、約１６００ｃｍ²の表面積を提供することができる。１００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度が各膜に確立されると、約５．６ｓｌｍの酸素流れへのガス流を達成することができる。

図２に戻ると、フランジ付出口１８を通るガス流は、セル１２内の可燃性ガスの酸化からの水蒸気を含む。この例では、続いて、ガス流は、ガス流から水蒸気を凝縮する凝縮器を通して真空ポンプ１０によって引かれる。凝縮器の構造および作用は、よく知られており、したがって、ここでは詳細に記載しない。凝縮器１４によってガス流から凝縮された水は、凝縮器１４の水収集容器３８に集められ、水排出弁４０を用いて凝縮器１４から定期的にまたは連続的に排出される。真空ポンプ１０の上流でガス流から水蒸気を凝縮することにより、真空ポンプのサイズを減少させることができ、及び／又はシステムを通るガス流の排出速度を高めることができる。

可燃性ガスを含むガス流を排出するためのシステムの第２実施形態を、図５に示す。第２実施形態は、第１実施形態の真空ポンプ１０及び凝縮器１４が、ガス流を水に暴露する排気機構を有する真空ポンプ６０で置き換えられる限りにおいて、水蒸気がガス流から凝縮される第１実施形態と異なる。適当な真空ポンプの例は、水エジェクタポンプ、及び図６に示すような水リングポンプを含む。図６を参照すると、水リングポンプ６０は、一般的に、環状ハウジング９２に回転可能に設けられたロータ９０を含む排気機構を有し、ロータ軸線９４がハウジング９２の中心軸線９６に対して偏心している。ロータ９０は、そこから半径方向外方に延び、ロータ９０の周りに等間隔をなしたブレード９８を有する。ロータ９０の回転で、ブレード９８は、入口１００からハウジング９２に入る水または他の水性溶液に接し、水または他の水性溶液をハウジング９２内で環状リング１０２に形成する。水は、適当な源（図示せず）、例えば水タンクまたは他のリザーバからポンプ６０に運ばれる。

ガス流は、ガス入口１０４を通ってポンプ６０に入り、隣接したブレード９８間の空間１０６に引き込まれる。ガス流内に含まれた水蒸気は、ポンプ６０内に形成された環状リング１０２内で凝縮する。ポンプ６０は、その出口側に、環状リング１０２からの液体、ガス流の液体可溶性成分、及びガス流から残っているガス状種を含む液体溶液の液体／ガス混合物をポンプ６０から排出するための排出口１０８を備える。水が排出口１０８に運ばれると、環状リング１０２は、新鮮な液体を入口１００を通してハウジング９２に供給することによって再び満たされる。ポンプ６０から排出された液体／ガス混合流は、引き続いて、ポンプ６０の排出口１０８の下流に配置された排出分離器（図示せず）で分離されるのがよい。ガスは、大気に排出されてもよく、液体は、安全な廃棄のために集められるのがよい。変形例として、液体は、再使用のために源に戻されるように処理されてもよい。

従って、排気システムのこの第２実施形態は、真空ポンプの上流でガス流から水蒸気を凝縮するための別個の凝縮器を必要とせず、システムコストを減ずることができる。

可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムの第１実施形態を示す図である。図１のシステムの電気化学セル及び凝縮器の構造をより詳細に示す図である。図２のセルの電気化学膜に加えられる電位差を制御するためのシステムを示す図である。チューブ状の電気化学膜の列を有する電気化学セルの部分図である。可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムの第２実施形態を示す図である。図５のシステムに使用するのに適したポンプの排気機構を示す図である。

Claims

可燃性ガスを含むガス流を排気するための方法であって、
減圧でガス流をイオン伝導膜の一方の側に運ぶステップと、
膜の他方の側を酸化ガスに暴露させるステップと、
反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加えるステップと、
続いて、真空ポンプでガスを受け入れるステップと、を含み、
水蒸気は、真空ポンプの上流でまたは真空ポンプ内でガス流から凝縮される、
ことを特徴とする方法。
水蒸気は、膜と真空ポンプの間に配置された凝縮器内でガス流から凝縮される、
請求項１に記載の方法。
真空ポンプは、ガス流を水に暴露させる排気機構を有し、水蒸気はガス流から凝縮される、
請求項１に記載の方法。
真空ポンプは、液体リングポンプ及び液体エジェクタポンプのいずれか一方からなる、
請求項３に記載の方法。
膜の前記一方の側の第１電極と、膜の前記他方の側の第２電極とを用いて、膜に電位差を加える、
請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
電極の少なくとも１つは、触媒物質からなる、
請求項５に記載の方法。
膜を、少なくとも３００℃の温度に加熱する、
請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
膜は、ボアを有する円筒形の形態であり、ガス流がこのボアを通して真空ポンプによって引かれる、
請求項１から７の何れか１項に記載の方法。
平行に連結された複数の前記円筒膜を含む、
請求項８に記載の方法。
膜の下流のガス流内に存在する酸素の量を検出し、膜に加えられる電位差を、検出された酸素の量に応答して制御する、
請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
ガス流は、５０ｍｂａｒより小さい圧力で膜の前記一方の側に運ばれる、
請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
ガス流は、１０ｍｂａｒより小さい圧力で膜の前記一方の側に運ばれる、
請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムであって、
イオン伝導膜と、
他方の側が酸化ガスに暴露された膜の一方の側にガス流を運ぶ手段と、
反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加える手段と、
膜からのガス流を受け入れて、ガス流から水蒸気を凝縮するための手段と、を含む、
ことを特徴とするシステム。
凝縮手段は、凝縮器からなる、
請求項１３に記載のシステム。
ガス流を、凝縮器を通して減圧で膜の前記一方の側に引くための、凝縮器の下流に配置された真空ポンプを含む、
請求項１４に記載のシステム。
凝縮手段は、ガス流を減圧で膜の前記一方の側に引くための真空ポンプを含み、真空ポンプは、ガス流を水に暴露させる排気機構を有し、水蒸気は、ガス流から凝縮される、
請求項１３に記載のシステム。
可燃性ガスを含むガス流を排気するためのシステムであって、
イオン伝導膜と、
他方の側が酸化ガスに暴露された膜の一方の側に、ガス流を減圧で引くための真空ポンプと、
反応性酸化種が膜に浸透し、可燃性ガスと反応して少なくとも水蒸気を生成するように膜に電位差を加える手段と、を含み、
真空ポンプは、膜からガス流を受け入れるように構成され、且つガス流を水に暴露させる排気機構を有し、水蒸気は、ガス流から凝縮される、
ことを特徴とするシステム。
ポンプは、液体リングポンプ及びエジェクタポンプのいずれか一方からなる、
請求項１５から１７の何れか１項に記載のシステム。
ポンプは、５０ｍｂａｒより小さい圧力で膜の前記一方の側にガス流を引くように構成されている、
請求項１５から１８の何れか１項に記載のシステム。
ポンプは、１０ｍｂａｒより小さい圧力で膜の前記一方の側にガス流を引くように構成されている、
請求項１５から１９の何れか１項に記載のシステム。
膜に電位差を加える手段は、膜の前記一方の側の第１電極と、膜の前記他方の側の第２電極と、を含む、
請求項１３から２０の何れか１項に記載のシステム。
電極の少なくとも１つは、触媒物質からなる、
請求項２１に記載のシステム。
触媒物質は、プラチナからなる、
請求項２２に記載のシステム。
膜を少なくとも３００℃の温度に加熱するための手段を含む、
請求項１３から２３の何れか１項に記載のシステム。
膜は、ボアを有する円筒形の形態であり、ガス流がこのボアを通して真空ポンプによって引かれる、
請求項１３から２４の何れか１項に記載のシステム。
平行に連結された複数の前記円筒膜を含む、
請求項２５に記載のシステム。
膜の下流のガス流内に存在する酸素の量を検出するためのセンサと、センサからの出力に応答して、膜に加えられる電位差を制御するためのコントローラと、を含む、
請求項１３から２６の何れか１項に記載のシステム。