JP2014020634A - ブース内の酸素濃度の制御方法および酸素濃度の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業ゾーンの酸素濃度を維持しながら、容易に低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することを目的とする。
【解決手段】作業ブース１０４に差圧ダンパ１０３を設け、各低酸素ブース（４０４，４０５）の定常化の際に、各低酸素ブース（４０４，４０５）の定常状態での気圧を基準にしたしきい値より作業ブース１０４の気圧が高くなった場合に差圧ダンパ１０３を作動させ、作業ブース１０４内の気圧を減圧制御することにより、酸素富化ガス１０６を投入しても、容易に作業ブース１０４の圧力上昇を防止し、低酸素ブース（４０４，４０５）内部の酸素濃度を所望の濃度以下に維持することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、低酸素環境の必要な製造装置における、ブース内の酸素濃度の制御方法および酸素濃度の制御装置に関するものである。

ものづくりの現場において、製品を製造する工程は、酸素濃度の低い環境（低酸素環境と呼ぶ）で実施しなければならないことがある。そのため、生産に用いられる製造装置は、低酸素環境のブースに設置されなければならない。設置されるブースを低酸素環境に実現する手段としては、コストや安全性の面から考慮するとブースに窒素を供給することが一般的である。なお、ここでいう低酸素環境とは、短時間（３０分程度）の曝露で人体への影響が表れる、酸素濃度１２％以下のものを想定する。

窒素の供給手段としては、液体窒素を利用するものと、空気から窒素富化ガスを分離生成する窒素発生装置を利用するものが一般的である。そして、製造装置を設置するブースに用いる大量の窒素を使用する場合には、ランニングコストを考慮し、窒素発生装置が使われることが多い。

窒素発生装置を利用したもののうち、従来の酸素濃度の制御方法としては、酸素選択性の高い気体分離膜を用い、気体分離膜を透過した酸素富化ガスと、透過しなかった窒素富化ガスとを分離し、透過しなかった窒素富化ガスを利用するものがあった（例えば、特許文献１参照）。

ところで、低酸素環境を利用する製造工程においては、製造装置が設置される低酸素ブースに窒素富化ガスを投入すると、その外部に位置する一般作業ゾーンへ低酸素ブースの窒素富化ガスが漏出する。そこで一般作業ゾーンの空気は、窒素の割合が空気よりも増加する。窒素富化ガスの漏出防止の対策として低酸素ブースに排出用のポンプを設置する手段も考えられるが、排出した窒素富化ガスを有効活用できない。そこで別の手段として前述の気体分離膜を透過した酸素富化ガスを有効活用して一般作業ゾーンへ投入する方法が考えられる。

具体的には図７のように、窒素発生装置４０１にて、酸素選択性の高い気体分離膜４０２へコンプレッサ４０３から圧縮空気を投入し、気体分離膜４０２を透過しなかった窒素富化ガスを第１低酸素ブース４０４と第２低酸素ブース４０５へ投入していた。それと同時に、気体分離膜４０２を透過した酸素富化ガスを一般作業ゾーンである作業ブース４０６へ投入していた。

この時、酸素富化ガスを投入することにより作業ブース４０６内部の気圧が上昇し、低酸素ブース４０４内部の気圧よりも高くなってしまうと、作業ブース４０６から低酸素ブース４０４へ空気が逆流し、低酸素ブース４０４内部の酸素濃度を所望の濃度以下に維持できなくなる。そのため、低酸素ブース４０４を所定の酸素濃度に維持しながら、作業ブース４０６と低酸素ブース４０４との気圧を監視し、常に作業ブース４０６が低酸素ブース４０４より低圧になるように制御していた。

特開平６−２３２１８号公報

しかしながら、低酸素ブースが1つの場合は容易に気圧を管理できるが、低酸素ブースが複数ある場合、制御が複雑になるという問題点を有していた。
本発明は、前記従来の問題点を解決するもので、作業ゾーンの酸素濃度を維持しながら、容易に低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の酸素濃度の制御方法は、作業ブースに酸素富化ガスを供給しながら前記作業ブース内に設けられる複数のブースに窒素富化ガスを供給するガス供給を行って、前記作業ブースおよび前記ブースの酸素濃度を定常状態に制御する際に、あらかじめ前記各ブースを単独で定常状態にしたときの気圧の中で最小の気圧をしきい値として決定する工程と、前記ブースを順番にあるいは一括で前記ガス供給を行って前記しきい値を境に前記作業ブースに設ける差圧ダンパを作動させて前記作業ブース内の気圧を維持する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の酸素濃度の制御装置は、酸素富化ガスが供給される作業ブースと、前記作業ブース内に設けられ窒素富化ガスが供給される複数のブースと、それぞれの前記ブースに接続されて前記窒素富化ガスの流量を調整する流量調整ダンパと、前記作業ブースに設けられ前記作業ブース内部の気圧がしきい値となる気圧より高くなると前記作業ブース内のガスを放出する差圧ダンパとを有し、前記しきい値が前記ブースの定常状態での気圧の内の最小の前記気圧であることを特徴とする。

以上のように、作業ブースに差圧ダンパを設け、各低酸素ブースの定常化の際に、各低酸素ブースの定常状態での気圧を基準にしたしきい値より作業ブースの気圧が高くなった場合に差圧ダンパを作動させ、作業ブース内の気圧を減圧制御することにより、酸素富化ガスを投入しても、容易に作業ブースの圧力上昇を防止し、低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に維持することが可能となる。

本発明の酸素濃度の制御方法を説明する概略図 差圧制御を行わない場合の酸素濃度の制御方法における動作を説明する図 本発明の差圧制御を行う酸素濃度の制御方法の動作を説明する図 本発明の差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図 複数台の低酸素ブースをあらかじめしきい値を決定して差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図 しきい値を順次更新しながら差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図 従来の酸素濃度の制御方法を説明する概略図

ポリマー型リチウム電池の製造ラインやリフロー炉などの低酸素環境が必要な製造工程において、酸素濃度の制御が行われる。
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。

ここでは、酸素濃度が低減された環境として、空気より窒素濃度を高めたガスが供給される空間を低酸素ブースと称す。空気は一般的な外気を想定し、酸素と窒素の成分比は概ね２１：７９であるとして説明する。低酸素ブースの酸素濃度は空気より低くし、例えば、酸素濃度が１２％以下とする。また、一般的な空気より窒素濃度を高めたガスを窒素富化ガスと称し、空気より窒素濃度が高く酸素濃度が低いガスである。一般的な空気より酸素濃度を高めたガスを酸素富化ガスと称し、空気より酸素濃度が高く窒素濃度が低いガスである。作業ブースは作業者が作業するブースであるので、一般的な空気の酸素濃度に近い酸素濃度に制御される。そして、作業ブース内に低酸素ブースが配置される。低酸素ブースには窒素富化ガスが供給され、同時に作業ブースには酸素富化ガスが供給され、このように、作業ブースおよび低酸素ブースにガスを供給することをガス供給と称す。

図１は、本発明の実施の形態における酸素濃度の制御方法を示す図である。図１において、図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図１において、窒素発生装置４０１は、酸素選択性の高い気体分離膜４０２へ、コンプレッサ４０３から圧縮空気を送り込むように構成され、窒素富化ガス１０５と酸素富化ガス１０６に分かれる。そして、気体分離膜４０２を透過しなかった窒素富化ガス１０５を、低酸素ブースへ送り込むように構成される。

窒素富化ガス１０５の供給量の配分は、コンプレッサ４０３から送り込まれる圧縮空気の投入量と、低酸素ブースへの窒素富化ガス１０５の投入経路にそれぞれ設けられた第１流量調整ダンパ１０１および第２流量調整ダンパ１０２の開度を調整することによりなされる。

それと同時に、気体分離膜４０２を透過した酸素富化ガス１０６を、一般作業ゾーンである作業ブース１０４へ投入するよう構成される。
また、作業ブース１０４には、作業ブース１０４の内部と外気との間に差圧ダンパ１０３が備えられている。差圧ダンパ１０３は作動しきい値を任意に設定可能であり、作業ブース１０４外部より作業ブース１０４内部の気圧が作動しきい値以上高くなったときに差圧ダンパ１０３が開き、作業ブース１０４内のガスを放出して作業ブース１０４の気圧を一定値以下になるように制御できるよう構成される。なお、図１では、低酸素ブースとして第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５を示しているが、低酸素ブースの数は任意である。

ここで、差圧ダンパ１０３の作動しきい値は、例えば、クリーンルームに利用される一般的な差圧ダンパにて制御可能な、１〜５０［Ｐａ］程度の圧力を想定する。
また、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５は、少ない窒素富化ガス１０５で所定の低酸素環境を維持管理され、基本的に密閉状態になるよう構成される。さらに、作業ブース１０４は、人が作業できる空気であり、温湿度やクリーン度を適切に維持管理できるよう、基本的に密閉状態になるよう構成される。

しかしながら、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５については、ワークの出し入れ用の開閉扉、構成する部品の繋ぎ目、メンテナンス口など、その製作や運用上の便宜のために、いくらかの開口部が発生する。また作業ブース１０４についても、作業者の出入口、設備の搬入口や換気窓の隙間など、いくらかの開口部が発生する。そして、それぞれに投入された窒素富化ガス１０５および酸素富化ガス１０６は、これらの開口部からある一定量が漏出する。

ここでは、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５内を流れる窒素富化ガス１０５の流量と各ブースの圧力との関係を予め測定し、把握しているものとして説明する。

次に、かかる構成において本発明の動作を説明するために、第１低酸素ブース４０４、第２低酸素ブース４０５、作業ブース１０４における、窒素富化ガス１０５の流量および各ブース内の気圧の関係について説明する。

第１低酸素ブース４０４の内容積をＶ_１［ｍ^３］、第２低酸素ブース４０５の内容積をＶ_２［ｍ^３］、作業ブース１０４の内容積をＶ［ｍ^３］とする。本実施の形態では、例えば、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５は、それぞれＶ_１＝Ｖ_２＝幅２［ｍ］×奥行２［ｍ］×高さ２［ｍ］＝内容積８［ｍ^３］を持ち、また作業ブース１０４は、Ｖ＝幅８［ｍ］×奥行３［ｍ］×高さ３［ｍ］＝７２［ｍ^３］の内容積とすることができる。

ここで気圧について、作業ブース１０４外部の気圧をＰ_０（ｔ_ａ）［Ｐａ］とし、Ｐ_０（ｔ_ａ）［Ｐａ］は大気圧と同等であるとする。そして、これをゲージ圧力における零点とし、Ｐ_０（ｔ_ａ）＝０［Ｐａ］として、以降の説明における気圧とは、すべてゲージ圧力を指すものとして説明する。

時刻ｔ_ａにおいて、第１低酸素ブース４０４の気圧をＰ_１（ｔ_ａ）［Ｐａ］、第１低酸素ブース４０４への窒素富化ガス投入流量をＱ_１（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］、第１低酸素ブース４０４の酸素濃度をＸ_１（ｔ_ａ）［％］、第２低酸素ブース４０５の気圧をＰ_２（ｔ_ａ）［Ｐａ］、第２低酸素ブース４０５への窒素富化ガス投入流量をＱ_２（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］、第２低酸素ブース４０５の酸素濃度をＸ_２（ｔ_ａ）［％］とする。

また、作業ブース１０４の気圧をＰ（ｔ_ａ）［Ｐａ］、作業ブース１０４への酸素富化ガス投入流量をＱ（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］とする。
さらに、時刻ｔ_ａにおいて、作業ブース１０４より第１低酸素ブース４０４が何気圧低いかを示す差圧をΔＰ_１（ｔ_ａ）［Ｐａ］、作業ブース１０４より第２低酸素ブース４０５が何気圧低いかを示す差圧をΔＰ_２（ｔ_ａ）［Ｐａ］、作業ブース１０４外部より作業ブース１０４内部が何気圧高いかを示す差圧をΔＰ（ｔ_ａ）［Ｐａ］とする。なお、Ｐ_０（ｔ_ａ）＝０［Ｐａ］なので、ΔＰ（ｔ_ａ）＝Ｐ（ｔ_ａ）となる。

ここで、時刻ｔ_ａにおいて、第１低酸素ブース４０４、第２低酸素ブース４０５および作業ブース１０４の気圧変動が０、すなわち定常状態になっていれば、各ブースに関して、投入流量と漏出流量は等しくなっている。

このとき、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５へは、それぞれＱ_１（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］およびＱ_２（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］の窒素富化ガス１０５が投入されており、作業ブース１０４へは、Ｑ（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］の酸素富化ガス１０６に加えて、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５から漏出したそれぞれＱ_１（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］およびＱ_２（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］の窒素富化ガス１０５等の漏出ガスが投入されていることになる。これは、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５が定常状態になっているため、それぞれに供給されるＱ_１（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］およびＱ_２（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］の窒素富化ガス１０５の分だけ、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５から作業ブース１０４へ漏出するためである。

すなわち、定常状態において、第１低酸素ブース４０４から作業ブース１０４への漏出流量をＱ_１´（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］、第２低酸素ブース４０５から作業ブース１０４への漏出流量をＱ_２´（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］、作業ブース１０４から作業ブース１０４外部への漏出流量をＱ´（ｔ_ａ）［ｍ^３／ｓ］とすると、定常状態においては流入流量と漏出流量が同じになるので、下記の関係式が成立する。
Ｑ_１´（ｔ_ａ）＝Ｑ_１（ｔ_ａ） …（１）
Ｑ_２´（ｔ_ａ）＝Ｑ_２（ｔ_ａ） …（２）
Ｑ´（ｔ_ａ）＝Ｑ_１（ｔ_ａ）＋ Ｑ_２（ｔ_ａ）＋Ｑ（ｔ_ａ） …（３）
また、差圧と漏出流量に関して、ベルヌーイの定理より下記の関係式が成立する。ここでＫ_１、Ｋ_２、Ｋは、空気の比重、重力加速度および漏出ガスの通過面積によって決定される固有値であり、ブースごとに実験的に求められるものである。

また、作業ブース１０４の外部の気圧Ｐ_０（ｔ_ａ）＝０［Ｐａ］なので、気圧に関して、下記の関係式が成立する。
Ｐ_１（ｔ_ａ）＝ΔＰ_１（ｔ_ａ）＋ΔＰ（ｔ_ａ） …（７）
Ｐ_２（ｔ_ａ）＝ΔＰ_２（ｔ_ａ）＋ΔＰ（ｔ_ａ） …（８）
Ｐ（ｔ_ａ）＝ΔＰ（ｔ_ａ） …（９）
また、本実施の形態においては、第１低酸素ブース４０４と第２低酸素ブース４０５は同等のものであるとして説明する。すなわち（４）（５）式におけるＫ_１およびＫ_２について、下記の関係式が成立する。
Ｋ_１＝Ｋ_２ …（１０）
ここで一般に、窒素発生装置４０１における窒素富化ガス１０５と酸素富化ガス１０６の流量比は、取り出そうとする窒素富化ガス１０５の酸素濃度により決まる。一例を挙げると、ある窒素発生装置において、酸素濃度１％の場合で窒素富化ガス１０５：酸素富化ガス１０６＝１：２、酸素濃度０．１％の場合で富化ガス１０５：酸素富化ガス１０６＝１：３、０．０１％の場合で窒素富化ガス１０５：酸素富化ガス１０６＝１：４．５である。本実施の形態においては、酸素濃度１％の窒素富化ガス１０５を使用するものとし、すなわち常に流量比は、窒素富化ガス１０５：酸素富化ガス１０６＝１：２であるとして説明する。

次に、本発明の動作について、図１，図２を用い、具体的数値を例にあげて説明する。ここで、比較のために従来例における動作、すなわち図１において、差圧制御手段である差圧ダンパ１０３を作動させない場合をケース（Ａ）とし、その後、本発明における動作をケース（Ｂ）として説明することで、本発明の作用、および効果を明らかにする。

まず、ケース（Ａ）について、その動作を説明する。
図２は差圧制御を行わない場合の酸素濃度の制御方法における動作を説明する図であり、本実施の形態における、ケース（Ａ）の動作を説明する図である。

時刻ｔ_１において、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５は、低酸素環境に維持されておらず、窒素富化ガス１０５は投入されていない。このとき、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５の酸素濃度は、大気中の酸素濃度と同じとなり、Ｘ_１（ｔ_１）＝Ｘ_２（ｔ_１）＝２１％である。

その後、まず、第１低酸素ブース４０４を定常状態にするために、時刻ｔ_２において、第１低酸素ブース４０４に対して窒素富化ガス１０５の投入が開始され、同時に作業ブース１０４に対して、酸素富化ガス１０６の投入が開始される。

またこの時点では、第２低酸素ブース４０５への窒素富化ガス１０６の投入は開始されないものとする。そしてその流量配分は、第１流量制御ダンパ１０１を開き、第２流量制御ダンパ１０２を閉じることによってなされ、このとき、Ｑ_１（ｔ_２）＝１．０［ｍ^３／ｓ］であるならば、上記のように窒素富化ガス１０５：酸素富化ガス１０６＝１：２であるので、Ｑ（ｔ_２）＝２．０［ｍ^３／ｓ］となる。

そして時刻ｔ_３において、第１低酸素ブース４０４および作業ブース１０４の気圧が定常状態となる。このとき、（１）（３）式より、Ｑ_１´（ｔ_３）およびＱ´（ｔ_３）は下記のとおりになる。
Ｑ_１´（ｔ_３）＝１．０［ｍ^３／ｓ］ …（１１）
Ｑ´（ｔ_３）＝３．０［ｍ^３／ｓ］ …（１２）
この状態で、定常状態におけるＫ_１およびＫを求めるために、ΔＰ_１（ｔ_３）およびΔＰ（ｔ_３）を測定する。実測値でΔＰ_１（ｔ_３）＝１００［Ｐａ］、ΔＰ（ｔ_３）＝２５［Ｐａ］であったとすると、
（７）（９）式より、Ｐ_１（ｔ_３）およびＰ（ｔ_３）は、下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_３）＝１２５［Ｐａ］ …（１３）
Ｐ（ｔ_３）＝２５［Ｐａ］ …（１４）
そして、（４）（６）（１１）（１２）式より、Ｋ_１、Ｋは、下記のとおりになる。
Ｋ_１＝０．１ …（１５）
Ｋ＝０．６ …（１６）
Ｘ_１（ｔ_ａ）が所定値（本実施の形態では、例えば１％とする）以下となり、置換が完了すれば、第１低酸素ブース４０４へは、ブース内を正圧に保持し、Ｘ_１（ｔ_ａ）を１％以下に保持するために必要な量の窒素富化ガス１０６を供給すればよく、時刻ｔ_４において、窒素発生装置４０１の運転状態を切り替え、窒素富化ガス１０５の供給量を低減させる。

このとき、窒素富化ガス１０５の必要量がＱ_１（ｔ_４）＝０．２［ｍ^３／ｓ］であるならば、酸素富化ガス１０６の発生量Ｑ（ｔ_４）＝０．４［ｍ^３／ｓ］となる。そして時刻ｔ_５において、第１低酸素ブース４０４および作業ブース１０４の気圧が定常状態となる。このとき、（１）（３）式より、Ｑ_１´（ｔ_５）およびＱ´（ｔ_５）は下記のとおりになる。
Ｑ_１´（ｔ_５）＝０．２［ｍ^３／ｓ］ …（１７）
Ｑ´（ｔ_５）＝０．６［ｍ^３／ｓ］ …（１８）
また、（４）（６）（１５）（１６）（１７）（１８）式より、ΔＰ_１（ｔ_５）およびΔＰ_１（ｔ_５）は下記のとおりになる。
ΔＰ_１（ｔ_５）＝４［Ｐａ］ …（１９）
ΔＰ（ｔ_５）＝１［Ｐａ］ …（２０）
よって、（７）（９）（１９）（２０）式より、Ｐ_１（ｔ_５）およびＰ（ｔ_５）は下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_５）＝５［Ｐａ］ …（２１）
Ｐ（ｔ_５）＝１［Ｐａ］ …（２２）
そして、時刻ｔ_６において、第１低酸素ブース４０４は、所定の酸素濃度に達したため、生産が開始される。

この様に、低酸素ブースが第１低酸素ブース４０４の１台の場合、第１低酸素ブース４０４が定常状態になると、Ｐ_１（ｔ_５）＝５［Ｐａ］，Ｐ（ｔ_５）＝１［Ｐａ］となるので、作業ブース１０４より第１低酸素ブース４０４が何気圧低いかを示す差圧をΔＰ_１（ｔ_ａ）［Ｐａ］は４［Ｐａ］となり、作業ブース１０４より第１低酸素ブース４０４の方が気圧が高くなり、第１低酸素ブース４０４に酸素濃度の高いガスが流入せず、第１低酸素ブース４０４の酸素濃度を維持することができる。

低酸素ブースとして第２低酸素ブース４０５を有する場合には、その後、第２低酸素ブース４０５についても生産を開始するために、時刻ｔ_７において、第２低酸素ブース４０５に対して窒素富化ガス１０５の投入を開始し、同時に作業ブース１０４に対して、酸素富化ガス１０６の投入を開始する。

このとき、窒素発生装置４０１は、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５へそれぞれ所定量の窒素富化ガス１０５を供給できるように運転状態が切り替えられ、その窒素富化ガス１０５の流量配分は、第１流量調整ダンパ１０１と第２流量調整ダンパ１０２の開度を調整することによってなされる。

そして、時刻ｔ_８において、第２低酸素ブース４０５および作業ブース１０４の気圧が定常状態となる。ここで簡略化のため、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８までの間については、第２低酸素ブース４０５および作業ブース１０４についてのみを考え、Ｑ_２（ｔ_８）＝１．０［ｍ^３／ｓ］、Ｑ（ｔ_８）＝２．０［ｍ^３／ｓ］であるとする。このとき、（４）（６）（１０）（１５）（１６）式より、ΔＰ_２（ｔ_８）およびΔＰ（ｔ_８）は下記のとおりとなる。
ΔＰ_２（ｔ_８）＝１００［Ｐａ］ …（２３）
ΔＰ（ｔ_８）＝２５［Ｐａ］ …（２４）
よって、（７）（９）（２３）（２４）式より、Ｐ_２（ｔ_８）、Ｐ（ｔ_８）は下記のとおりになる。
Ｐ_２（ｔ_８）＝１２５［Ｐａ］ …（２５）
Ｐ（ｔ_８）＝２５［Ｐａ］ …（２６）
また、第１低酸素ブース４０４に関しては時刻ｔ_５の時点から運転状況に変化がなく、気圧についても変動がないものとすると、（２１）式よりＰ_１（ｔ_８）は下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_８）＝Ｐ_１（ｔ_５）＝５［Ｐａ］ …（２７）
このとき（２６）（２７）式を比較すると、第１低酸素ブース４０４の気圧よりも作業ブース１０４の気圧のほうが高くなってしまい、図２中の斜線部Ａに示すように、第１低酸素ブース４０４に対して、作業ブース１０４から酸素ガス等のガスが逆流する可能性が生じる。その可能性のある領域を、図２中の斜線部Ｂにて示す。そしてこのとき、図２中の斜線部Ｃのように、Ｘ_１（ｔ_ａ）が一時的に上昇し、所定の低酸素環境（本実施例の場合１％以下）を維持できなくなる可能性が生じる。

その後、第１低酸素ブース４０４について、作業ブース１０４からの逆流と窒素富化ガス１０５の投入によって、第１低酸素ブース４０４内部の圧力は次第に上昇し、やがて時刻ｔ_９において、第１低酸素ブース４０４、第２低酸素ブース４０５および作業ブース１０４の気圧が定常状態になる。

時刻ｔ_９において、Ｑ_１（ｔ_９）＝０．２［ｍ^３／ｓ］、Ｑ_２（ｔ_９）＝１．０［ｍ^３／ｓ］、Ｑ（ｔ_９）＝２．４［ｍ^３／ｓ］であるので、（１）（２）（３）式より、Ｑ_１´（ｔ_９）、Ｑ_２´（ｔ_９）およびＱ´（ｔ_９）は下記のとおりになる。
Ｑ_１´（ｔ_９）＝０．２［ｍ^３／ｓ］ …（２８）
Ｑ_２´（ｔ_９）＝１．０［ｍ^３／ｓ］ …（２９）
Ｑ´（ｔ_９）＝３．６［ｍ^３／ｓ］ …（３０）
よって、（４）（５）（６）（１０）（１５）（１６）（２８）（２９）（３０）式より、ΔＰ_１（ｔ_９）、ΔＰ_１（ｔ_９）およびΔＰ（ｔ_９）は下記のとおりになる。
ΔＰ_１（ｔ_９）＝４［Ｐａ］ …（３１）
ΔＰ_２（ｔ_９）＝１００［Ｐａ］ …（３２）
ΔＰ（ｔ_９）＝３６［Ｐａ］ …（３３）
さらに、（７）（８）（９）（３１）（３２）（３３）式よりＰ_１（ｔ_９）、Ｐ_２（ｔ_９）およびＰ（ｔ_９）は下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_９）＝４１［Ｐａ］ …（３４）
Ｐ_２（ｔ_９）＝１３６［Ｐａ］ …（３５）
Ｐ（ｔ_９）＝３６［Ｐａ］ …（３６）
以上のように、ケース（Ａ）においては、お互いの低酸素ブースの運転状態によって、低酸素ブースが作業ブース１０４よりも気圧が低くなる可能性があり、作業ブース１０４から低酸素ブースにガスが流入するために常に正圧状態を保持できるとは限らず、安定的に低酸素環境を維持できない可能性がある。つまり、第１低酸素ブース４０４が定常状態になった後、第２低酸素ブース４０５を定常状態にする過程で、第２低酸素ブース４０５に窒素富化ガス１０５を供給することに応じて、作業ブース１０４にさらに酸素富化ガス１０６が供給される。このため、作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が増加し、第１低酸素ブース４０４の気圧Ｐ_１（ｔ_ａ）より高くなる可能性がある。第１低酸素ブース４０４の気圧Ｐ_１（ｔ_ａ）より作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が高くなることにより、作業ブース１０４の酸素濃度の高いガスが第１低酸素ブース４０４に流入し、第１低酸素ブース４０４内部の酸素濃度を所望の濃度以下に維持することができなくなる。

ケース（Ａ）における問題点を解決するためには、時刻ｔ_８における作業ブース１０４の気圧を、第１低酸素ブース４０４の気圧以下に抑えなければならない。本実施の形態の場合、作業ブース１０４の気圧を５［Ｐａ］以下に抑えればよく、差圧ダンパ１０３のしきい値を５［Ｐａ］に設定することにより、作業ブース１０４の気圧が５［Ｐａ］になると作業ブース１０４内部のガスを外部に放出し、作業ブース１０４の気圧を、第１低酸素ブース４０４の気圧以下に抑えることができる。例えば、各ブースの開口度等のマージンを見越して、差圧ダンパ１０３の作動しきい値を３［Ｐａ］に設定することができ、以下、差圧ダンパ１０３の作動しきい値を３［Ｐａ］に設定した状態をケース（Ｂ）として、その動作を図１，図３，図４を用いて説明する。

図３は本発明の差圧制御を行う酸素濃度の制御方法の動作を説明する図であり、本実施の形態における、ケース（Ｂ）の動作を説明する図である。図４は本発明の差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図である。

ここでは、あらかじめ定常状態における第１低酸素ブース４０４の気圧Ｐ_１（ｔ_ａ）を測定しておく。そして、定常状態における第１低酸素ブース４０４の気圧Ｐ_１（ｔ_ａ）が５［Ｐａ］であり、２［Ｐａ］のマージンを見込んで差圧ダンパ１０３のしきい値を３［Ｐａ］と定めたとして以下に例示する。

まず、第１低酸素ブース４０４を定常状態にするために、第１低酸素ブース４０４に窒素富化ガス１０６を供給する。時刻ｔ_１および時刻ｔ_２における動作は、ケース（Ａ）と同様であり、その説明を省略する（図４ステップ１）。

時刻ｔ_２から時刻ｔ_３にいたる過程において、作業ブース１０４内部と、外部の差圧ΔＰ（ｔ_３）つまり作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が３［Ｐａ］まで上昇すると、差圧ダンパ１０３が開き、その差圧を３［Ｐａ］より大きい状態に保持する。また、第１低酸素ブース４０４と、作業ブース１０４との間には、ケース（Ａ）と同様の差圧が発生する。基本的には、作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が作業ブース１０４の気圧Ｐ_０（ｔ_ａ）より、定常状態における第１低酸素ブース４０４の気圧のぶんだけ大きくなった時に差圧ダンパ１０３が作動すれば良いが、ここでは、３［Ｐａ］マージンをもって、作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が３［Ｐａ］以上になったときに差圧ダンパ１０３を作動させる（図４ステップ２，３）。

時刻ｔ_３において、第１低酸素ブース４０４が定常状態になると、ΔＰ_１（ｔ_３）およびΔＰ（ｔ_３）は下記のとおりになる（図４ステップ４）。
ΔＰ_１（ｔ_３）＝１００［Ｐａ］ …（３７）
ΔＰ（ｔ_３）＝３［Ｐａ］ …（３８）
よって、（７）（９）（３７）（３８）式より、Ｐ_１（ｔ_３）およびＰ（ｔ_３）は、下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_３）＝１０３［Ｐａ］ …（３９）
Ｐ（ｔ_３）＝３［Ｐａ］ …（４０）
時刻ｔ_４から時刻ｔ_５にいたる過程で、作業ブース１０４内部と、外部の差圧ΔＰ（ｔ_ａ）が３［Ｐａ］以下に下がる。すると、差圧ダンパ１０３が閉じる。

時刻ｔ_５、時刻ｔ_６および時刻ｔ_７における動作は、ケース（Ａ）と同様であり、その説明を省略する。
次に、ケース（Ａ）と同様に、第２低酸素ブース４０５を定常状態にするために第２低酸素ブース４０５に窒素富化ガス１０５の供給を開始し、作業ブース１０４への酸素富化ガス１０６の供給量を増加させる（図４ステップ５）。時刻ｔ_７から時刻ｔ_９にいたる過程において、作業ブース１０４への酸素富化ガス１０６の供給量の増加により作業ブース１０４内部の気圧が定常状態の第１低酸素ブース４０４の気圧以上に上昇することもあるが、作業ブース１０４内部と、外部の差圧ΔＰ（ｔ_ａ）つまり作業ブース１０４内部の気圧Ｐ（ｔ_ａ）が３［Ｐａ］まで上昇すると、差圧ダンパ１０３が作動し、その差圧を３［Ｐａ］に保持する（図４ステップ６，７）。

このように、第１低酸素ブース４０４を定常状態にした後、第２低酸素ブース４０５を定常状態にする際に、作業ブース１０４に供給される酸素富化ガス１０６が増量されて作業ブース１０４内部の気圧が上昇したとしても、定常状態の第１低酸素ブース４０４の気圧より作業ブース１０４内部の気圧が低くなるように差圧ダンパ１０３を動作させながら第２低酸素ブース４０５を定常状態にすることにより、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５が作業ブース１０４内部の気圧より高い状態を維持し、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５への酸素濃度の高いガスの流入を防止し、作業ブースの酸素濃度を維持しながら、容易に低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することができる。

そして時刻ｔ_９において定常状態になると（図４のステップ８））、第１低酸素ブース４０４と作業ブース１０４との間、および第２低酸素ブース４０５と作業ブース１０４との間には、ケース（Ａ）と同様の差圧が発生する。

よって、ΔＰ_１（ｔ_８）、ΔＰ_２（ｔ_８）およびΔＰ（ｔ_８）は下記のとおりになる。
ΔＰ_１（ｔ_８）＝４［Ｐａ］ …（４１）
ΔＰ_２（ｔ_８）＝１００［Ｐａ］ …（４２）
ΔＰ（ｔ_８）＝３［Ｐａ］ …（４３）
また、（７）（８）（９）（４１）（４２）（４３）式より、Ｐ_１（ｔ_８）、Ｐ_２（ｔ_８）およびＰ（ｔ_３）は、下記のとおりになる。
Ｐ_１（ｔ_８）＝７［Ｐａ］ …（４４）
Ｐ_２（ｔ_８）＝１０３［Ｐａ］ …（４５）
Ｐ（ｔ_８）＝３［Ｐａ］ …（４６）
その後、このように差圧ダンパ１０３で酸素濃度を制御しながら、定常状態を維持する（図４ステップ９）
以上のように、ケース（Ｂ）においては、お互いの低酸素ブースの運転状態によらず、作業ブース１０４内部と作業ブース１０４外部の差圧、つまり作業ブース１０４内部の気圧が一定の値以上になった時に差圧ダンパ１０３を作動させて作業ブース１０４の気圧を調整し、第１低酸素ブース４０４および第２低酸素ブース４０５を常に作業ブース１０４に対して正圧状態を保持することができるため、安定的に低酸素環境を維持することができる。

なお、以上の説明からわかるとおり、作業ブース１０４に対して低酸素ブースの正圧状態を維持するという目的に対して、作業ブース１０４と低酸素ブースの内容積を考慮する必要はなく、ケース（Ｂ）の構成および動作により、その目的は達成できる。また、通常、気圧を制御して、隣接するブース間のガス漏出を抑制する場合には、各ブースの気圧を測定し、測定値に基づいて機械的あるいは電気的な処理を行った上で、ガスの排出等の物理的制御を行う必要がある。しかし、本発明では、作業ブースに差圧ダンパを設け、定常状態における低酸素ブースの気圧を基準として、差圧ダンパを動作させることのみで、容易に、ガスの流入を防止し、作業ブースの酸素濃度を維持しながら、低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することができる。

以上の説明では、あらかじめ第１低酸素ブース４０４の定常状態における気圧を測定してしきい値の基準としたが、第１低酸素ブース４０４を定常状態した際の気圧を算出し、その後の第２低酸素ブース４０５を定常状態にする際に、差圧ダンパをその気圧を基準としたしきい値で動作させても良い。

ここで、本実施の形態において、仕様が同等である２台の低酸素ブースについて、その動作を具体的な数値を用いて説明したが、これを一般化し、ブースの大きさや開口部の総量、保持すべき酸素濃度などが各々異なる複数台の低酸素ブースがある場合に、差圧制御手段である差圧ダンパの作動しきい値を決定する方法を以下に図５を用いて述べる。

図５は複数台の低酸素ブースをあらかじめしきい値を決定して差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図である。
まず、Ｎ台（Ｎは２以上の自然数）の低酸素ブースを単独運転して定常状態にする。このとき、低酸素ブースの酸素濃度を各々が必要とする所定値以下に保持するために、最低限必要な流量の窒素富化ガスを投入している状態で、低酸素ブースと作業ブースの差圧および作業ブース内部と作業ブース外部の差圧を計測し、各低酸素ブースの定常状態での気圧である低酸素ブースの気圧Ｐ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_Ｎ［Ｐａ］を把握する（図５ステップ１）。

そしてＰ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_Ｎ［Ｐａ］のうち最小のものを基準としてしきい値を決定し（図５ステップ２）、作業ブースの気圧が上回らないように差圧ダンパを作動させながら、各低酸素ブースに対して、順に、あるいは一括して窒素富化ガスを供給し定常状態にする（図５ステップ３）。すると、稼働中Ｎ台の低酸素ブースについて、常に作業ブースに対する正圧状態が保持される。すなわち、差圧ダンパの作動しきい値Ｐ［Ｐａ］を、以下の条件を満たす範囲で設定すればよい。
Ｐ≦ｍｉｎ（Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_Ｎ） …（４７）
ただし、（Ｐ_１、Ｐ_２、…，Ｐ_Ｎ）は稼動中の低酸素ブースのみを示す。

また、図５の説明ではあらかじめ各低酸素ブースの定常状態での気圧を測定してから、各低酸素ブースを定常状態にしたが、各低酸素ブースを順番に定常状態にしながら、しきい値を決定しても良い。以下、図６を用いてこの工程について説明する。

図６はしきい値を順次更新しながら差圧制御を行う酸素濃度の制御方法を説明するフローチャートを示す図である。
まず、１つ目の低酸素ブースを定常状態にし（図６ステップ１）、その時の気圧Ｐ１を基準にしきい値を決定する（図６ステップ２）。

次に、この状態で２つ目の低酸素ブースを定常状態にしてその時の気圧Ｐ２を求める。そして、Ｐ１とＰ２を比較して小さい方の値を基準にしきい値を決定する。
その後、この動作を繰り返し、Ｎ番目の低酸素ブースを定常状態にしてその時の気圧ＰＮを求め（図６ステップ３）、過去最小の気圧ＰｍｉｎとＰＮを比較し（図６ステップ４）、Ｐｍｉｎの方が小さければ現状のしきい値の基準を維持する（図６ステップ５）。ＰＮの方が小さければしきい値の基準をＰＮに更新し、（図６ステップ６）各低酸素ブースの定常化を継続する。

以上の動作を全ての低酸素ブースについて繰り返し（図６ステップ７）、全ての低酸素ブースを定常状態に維持する。
以上の方法においても、作業ゾーンの酸素濃度を維持しながら、容易に低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することができる。

また、本実施の形態において、１台の窒素発生装置から２台の低酸素ブースに対して窒素富化ガスを供給したが、本発明はその構成に限定されるものではなく、例えば、１台の低酸素ブースに対してそれぞれ１台の窒素発生装置を対応させるなど、他の供給システムを採用してもよい。１台の低酸素ブースに対してそれぞれ１台の窒素発生装置を対応させる場合においても、作業ブースに差圧ダンパを設け、作業ブースの気圧を各低酸素ブースの定常状態での気圧を基準に設けたしきい値で差圧ダンパにより作業ブースの気圧を調整する。

また、本実施の形態として、もっとも簡易的な差圧制御手段として差圧ダンパを用いたが、ブース間の差圧をリアルタイムで計測し、差圧制御手段として電気的に作動するバルブなどを設け、計測データをフィードバック制御することによって気圧制御しても酸素濃度の維持は可能である。

また、窒素発生装置で発生した窒素富化ガスおよび酸素富化ガスを用いる場合を例に説明したが、窒素富化ガスおよび酸素富化ガスは窒素発生装置で発生したものを用いる場合に限らず、任意の方法で生成あるいは準備した窒素富化ガスおよび酸素富化ガスを用い、低酸素ブースに窒素富化ガスを供給し、作業ブースに酸素富化ガスを供給する構成とすることもできる。

また、上記説明では、各ブースの圧力は、あらかじめ測定したガス流入量との関係から求め、ガス流入量から求めた各ブースの圧力により、差圧を算出して作業ブースの圧力を制御する場合について説明したが、各ブースの圧力は実測値を用いても良い。この場合、各ブースには、さらに圧力計を設ける。例えば、図１に示すように、第１低酸素ブース４０４，第２低酸素ブース４０５，作業ブース１０４内にそれぞれ圧力計１０７，圧力計１０８，圧力計１０９を設ける。

本発明は、作業ゾーンの窒素濃度を維持しながら、低酸素ブース内部の酸素濃度を所望の濃度以下に制御することができ、低酸素環境の必要な製造装置における、酸素濃度の制御方法および酸素濃度の制御装置等に有用である。

１０１ 第１流量調整ダンパ
１０２ 第２流量調整ダンパ
１０３ 差圧ダンパ
１０４ 作業ブース
１０５ 窒素富化ガス
１０６ 酸素富化ガス
１０７ 圧力計
１０８ 圧力計
１０９ 圧力計
４０１ 窒素発生装置
４０２ 気体分離膜
４０３ コンプレッサ
４０４ 第１低酸素ブース
４０５ 第２低酸素ブース
４０６ 作業ブース

Claims (3)

1. 作業ブースに酸素富化ガスを供給しながら前記作業ブース内に設けられる複数のブースに窒素富化ガスを供給するガス供給を行って、前記作業ブースおよび前記ブースの酸素濃度を定常状態に制御する際に、
   あらかじめ前記各ブースを単独で定常状態にしたときの気圧の中で最小の気圧をしきい値として決定する工程と、
   前記ブースを順番にあるいは一括で前記ガス供給を行って前記しきい値を境に前記作業ブースに設ける差圧ダンパを作動させて前記作業ブース内の気圧を維持する工程と
   を有することを特徴とするブース内の酸素濃度の制御方法。
2. 酸素富化ガスが供給される作業ブースと、
   前記作業ブース内に設けられ窒素富化ガスが供給される複数のブースと、
   それぞれの前記ブースに接続されて前記窒素富化ガスの流量を調整する流量調整ダンパと、
   前記作業ブースに設けられ前記作業ブース内部の気圧がしきい値となる気圧より高くなると前記作業ブース内のガスを放出する差圧ダンパと
   を有し、前記しきい値が前記ブースの定常状態での気圧の内の最小の前記気圧であることを特徴とするブース内の酸素濃度の制御装置。
3. 空気から前記窒素富化ガスおよび前記酸素富化ガスを分離生成する窒素発生装置をさらに有することを特徴とする請求項２記載のブース内の酸素濃度の制御装置。

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