JP2019152411A - 超純水の加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユースポイントに送水される超純水を加温して温超純水とするための熱交換器の熱源コストを低減することができる超純水加熱方法を提供する。【解決手段】サブシステム４からの二次純水を熱交換器６、熱交換器１０及び熱交換器１２で加熱してユースポイントへ送る。熱交換器６の熱源はユースポイントからの戻り温超純水である。熱交換器１０には、加熱器４０で加熱された媒体水が循環通水される。ユースポイントの超純水使用量に応じて、媒体水循環用のポンプ４６をインバータ制御すると共に、バイパス流量を三方弁４３によって制御する。【選択図】図１

Description

本発明は超純水の加熱方法に係り、特に二次純水製造装置からの超純水を熱交換器で加熱して温超純水としてユースポイントへ供給するための超純水加熱方法に関する。

半導体洗浄用水として用いられている超純水は、図２に示すように前処理システム５０、一次純水製造装置６０、二次純水製造装置（サブシステムと称されることも多い。）７０から構成される超純水製造装置で原水（工業用水、市水、井水等）を処理することにより製造される（特許文献１）。図２において各システムの役割は次の通りである。

凝集、加圧浮上（沈殿）、濾過（膜濾過）装置など（この従来例では凝集濾過装置）よりなる前処理システム５０では、原水中の懸濁物質やコロイド物質の除去を行う。また、この過程では高分子系有機物、疎水性有機物などの除去も可能である。

前処理された水のタンク６１、熱交換器６５、逆浸透膜処理装置（ＲＯ装置）６２、イオン交換装置（混床式又は４床５塔式など）６３、タンク６３Ａ、イオン交換装置６３Ｂ、及び脱気装置６４を備える一次純水製造装置６０では、原水中のイオンや有機成分の除去を行う。熱交換器６５の１次側には、熱源流体として蒸気が供給される。逆浸透膜処理装置６２では、塩類を除去すると共に、イオン性、コロイド性のＴＯＣを除去する。イオン交換装置６３，６３Ｂでは、塩類、無機系炭素（ＩＣ）を除去すると共にイオン交換樹脂によって吸着又はイオン交換されるＴＯＣ成分の除去を行う。脱気装置６４では無機系炭素（ＩＣ）、溶存酸素の除去を行う。

一次純水製造装置６０で製造された一次純水は、配管６９を介して二次純水製造装置７０へ送水される。この二次純水製造装置７０は、サブタンク（純水タンクと称されることもある。）７１、ポンプ７２、熱交換器７３、低圧紫外線酸化装置（ＵＶ装置）７４、イオン交換装置７５及び限外濾過膜（ＵＦ膜）分離装置７６を備えている。熱交換器７３は、二次純水の温度制御のためのものである。一般に二次純水（常温超純水）の供給温度は２３〜２５℃であり、その温度範囲に制御するため、熱交換器７３は冷却器が使用される。冷却器の冷却源として冷水が用いられる。

低圧紫外線酸化装置７４では、低圧紫外線ランプより出される１８５ｎｍの紫外線によりＴＯＣを有機酸、さらにはＣＯ_２まで分解する。分解により生成した有機物及びＣＯ_２は後段のイオン交換装置７５で除去される。限外濾過膜分離装置７６では、微粒子が除去され、イオン交換樹脂からの流出粒子も除去される。

イオン交換装置７５の処理水は、限外濾過膜分離装置７６から配管８１を介してユースポイント９０に送られる超純水（常温超純水）と、熱交換器８５，８６で加熱された後、限外濾過膜分離装置８７及び配管８８を介してユースポイント９０に送られる超純水（温超純水）とに分かれる。

後者のラインでは、二次純水製造装置７０からの超純水を前段側熱交換器８５と後段側熱交換器８６とで６５〜７５℃程度に加熱し、ユースポイント９０に供給する。このユースポイント９０からの温戻り水を配管９１を介して前段側熱交換器８５の熱源側に流通させる。前段側熱交換器８５の熱源側を通過した戻り水は３０〜４０℃程度に降温しており、配管９２を介してサブタンク７１に戻される。後段側熱交換器８６は蒸気を熱源とするものである。

図３は従来の超純水加熱装置の例を示す系統図である。

一次純水は、配管１、サブタンク２、配管３を介してサブシステム４に導入され、サブタンク後段の熱交換器で温度調整されて、約２５℃の超純水が製造される。製造された超純水は、配管５、第１熱交換器６、配管９及び第２熱交換器１０の順に流れ、熱交換器６によって約４５〜７０℃に加熱され、熱交換器１０によって約７５℃に加熱され、温超純水として配管１１によりユースポイントへ送水される。配管１１には、ユースポイントの直前にＵＦ膜分離装置１１Ａが設置されている。

熱交換器６の熱源流体流路へは、配管７を介してユースポイントからの約７５℃の戻り温超純水（戻り水）が導入される。この戻り温超純水は、熱交換器６でサブシステム４からの超純水と熱交換して約３０℃に降温した後、配管８によって、サブタンク２に送られる。

熱交換器１０の熱源流体流路には、ヒートポンプ２０及び蒸気式熱交換器１５によって加熱された第１媒体水（伝熱媒体としての水）が循環流通される。即ち、熱交換器１０から流出した約６５℃の第１媒体水を第１循環流路のヒートポンプ２０の凝縮器２３で約７５℃に加熱した後、蒸気式熱交換器１５で約８０℃に加熱して熱交換器１０に流入させる。

熱交換器１５の熱源流体流路には、ボイラ等からの蒸気（水蒸気）が流通される。

ヒートポンプ２０は、蒸発器２１からの代替フロン等の熱媒体をポンプ２２で圧縮して凝縮器２３に導入し、凝縮器２３からの熱媒体を膨張弁２４を介して蒸発器２１に導入するように構成されている。

第１循環流路（高温側流路）の凝縮器２３に熱交換器１０からの第１媒体水が配管１２を介して導入され、凝縮器２３で加熱された第１媒体水が配管１４を介して熱交換器１５に送水される。なお、熱交換器１５からの第１媒体水の一部は、バイパス配管１９を介して配管１２に返送される。これにより、凝縮器２３に導入される第１媒体水の水温は約７０℃となる。バイパス配管１９には、流量調節弁（図示略）が設けられている。

配管１２に循環用のポンプ（図示略）が設けられている。

蒸発器２１の熱源流体流路（低温側流路）に第２媒体水（ヒートポンプ熱源水）を通水するために、配管２５、配管２７よりなる流路が設けられている。

約３０℃のヒートポンプ熱源水が蒸発器２１の熱源流体流路に導入され、ヒートポンプ２０の熱媒体と熱交換して約２５℃に降温した後、配管２５を介して他のプロセスへ送水される。

ヒートポンプ２０の運転方法としては、例えば、第１媒体水の出口温度が一定温度になるように、ヒートポンプ圧縮機の入力電力を調整する。ヒートポンプを複数系列とし、熱負荷に応じて台数制御を行ってもよい。

図３の超純水加熱装置において、バイパス配管１９を介して配管１４から配管１２へバイパスする第１媒体水の水量は、配管１４からバイパス配管１９への分岐部に設けた三方弁（図示略）により調節することができる。このバイパス水量を多くすると、熱交換器１０において超純水に与える熱量が少なくなり、バイパス水量を少なくすると、熱交換器１０における与熱量が多くなる。従って、配管７からの戻り温超純水の水量の変動に起因して配管９から熱交換器１０に流入する超純水の温度が変動した場合、配管１９へバイパスさせる第１媒体水量を制御することにより、配管１１からユースポイントへ送水される温超純水の温度が一定（上記の場合７５℃）に維持される。

特許６１４９９９３号公報 特許６１４９９９２号公報

図３において、配管７からの戻り温超純水の水量が大きく変動し、配管９から熱交換器１０へ流入する超純水の温度が大きく変動した場合、配管１９へバイパスさせる第１媒体水量の制御だけでは超純水の温度変動に追従できず、ユースポイントへ送水される温超純水の温度が目標温度から逸脱するおそれがある。

すなわち、ユースポイントで使用される温超純水量は、数秒単位で大きく変動する場合がある。ユースポイントでの温超純水使用量が変動すると、図３における「温超純水戻り」の流量が変動する。これにより、熱交換器６における熱回収量が変動し、配管９から熱交換器１０に流入する超純水の温度も変動する。

例えば、図３のシステムの場合、ユースポイントにおいて温超純水使用量が急増し、その使用量が維持されたとすると、熱交換器１０入口の超純水温度が低下することになる。この場合、熱交換器１０の超純水出口温度を維持するために、配管１９へのバイパス水量を少なくし、流量を増加させる。しかし、配管１９へのバイパス水量がゼロになるように三方弁を調整すると、それ以上熱交換器１０への水量を増加させることができなくなり、配管１１からユースポイントに送水される温超純水の温度を目標温度に維持できなくなる。

ユースポイントの温超純水温度は、プラスマイナス１℃といった厳密な範囲に制御する必要があるため、温超純水の制御温度を維持できなくなることは、ユースポイントの温超純水利用機器において大きな問題をもたらす可能性がある。

従来、上記の問題を回避するため、配管１４、配管１２、バイパス配管１９を循環する第１媒体水量（高温循環水量）を十分な量としていた。つまり、過去の実績から想定される温超純水使用量の最大値を考え、仮に温超純水使用量がそのような最大値に急増した場合でも、ユースポイントへ送水される温超純水温度を制御可能となるように、十分に余裕をもったバイパス循環水量を設定していた。

このような方法によると、ユースポイントへ送水される温超純水温度は、ユースポイントの超純水使用量が著しく多くなっても一定に維持される。しかしながら、通常の状態（温超純水使用量が平均値付近である場合）では、バイパス水量が徒に多く、運転コストが高くなるという問題があった。すなわち、通常の状態では、戻り温超純水が多いので、配管９から熱交換器１０に流入する超純水温度はそれほど低下せず、それゆえに高温循環水（第１媒体水）による必要加熱量も大きくないため、配管１９へバイパスする第１媒体水流量が多いまま運転が継続されていた。

なお、前述の通り、単に高温循環水（第１媒体水）の水量を減らすという対策をとるだけでは、ユースポイントで温超純水使用量が急増したときに温超純水温度を維持できなくなるリスクを回避することができなかった。

本発明は、このような問題点を解決し、ユースポイントにおける温超純水使用量急増によって温超純水温度を維持できなくなるリスクを回避しながら、高温循環水量を減らし、バイパス流量を減少させることができる超純水の加熱方法を提供することを目的とする。

本発明の超純水加熱方法は、超純水製造装置からの超純水を加熱するための、ユースポイントからの戻り水を熱源とする第１熱交換器と、該第１熱交換器で加熱された超純水をさらに加熱する加熱手段と有し、加熱された超純水をユースポイントに供給する超純水加熱装置であって、前記加熱手段は、前記第１熱交換器で加熱された超純水が被加熱流体流路に通水される第２熱交換器と、該第２熱交換器の熱源流体流路に伝熱媒体としての媒体水を循環流通させる循環流路と、循環流路を流れる媒体水を加熱する加熱器と、該循環流路に設けられたポンプとを備えている加熱装置によって超純水を加熱する方法において、ユースポイントでの超純水使用量に応じて該ポンプを制御する。

本発明の一態様では、前記媒体水循環流路に、前記第２熱交換器を迂回するバイパス流路が設けられており、ユースポイントでの超純水使用量に応じて該バイパス流路へのバイパス流量を制御する。

本発明の一態様では、前記バイパス流量を制御するための三方弁が設けられており、ユースポイントでの超純水使用量に応じて該三方弁の開度を制御する。

本発明の一態様では、前記バイパス流量を制御するための三方弁が設けられており、現時点の運転データ実測値から１〜５分後の三方弁開度を予測し、その開度予測値がほぼ一定になるように、高温循環水量を制御する。

本発明の一態様では、過去の運転データを基に、「三方弁開度の予測値」を目的変数とする重回帰モデルまたは人工知能モデルを構築し、そのモデルに、現時点の運転データ実測値を入力することによって、「三方弁開度の予測値」を得る。

本発明の一態様では、重回帰モデルまたは人工知能モデルの説明変数に、少なくとも、「三方弁開度の現在値」および「第１熱交換器の超純水側出口温度」を含む。

本発明によると、高温循環水量を減らし、バイパス流量を減少させることにより、
（１） 循環水ポンプの消費電力を減らすことができる；
（２） 高温循環水の循環工程にヒートポンプがある場合、高温循環水のヒートポンプ入口温度が低下し高温循環水とヒートポンプ熱源水との温度差が小さくなるため、ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）を向上させることができる；
（３） 高温循環水の循環工程にヒートポンプと蒸気熱交換器の両方がある場合、蒸気熱交換器における蒸気使用量を減らすことでき、供給熱量あたりの単価が小さいヒートポンプによる加熱割合を増加させることができる；
という効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る加熱装置の構成図である。 従来例の加熱装置の構成図である。 従来例の加熱装置の構成図である。

以下、図１を参照して実施の形態について説明する。なお、以下の説明では水温が例示されているが、一例であり、本発明を限定するものではない。

図１は実施の形態の超純水加熱装置を示す系統図である。

一次純水は、配管１、サブタンク２、配管３を介してサブシステム４に導入され、サブシステムに含まれる熱交換器で温度調整され、約２５℃の超純水が製造される。製造された超純水は、配管５、第１熱交換器６、配管９及び第２熱交換器１０の順に流れ、熱交換器６によって約４５〜７０℃に加熱され、熱交換器１０によって約７５℃に加熱され、温超純水として配管１１によりユースポイントへ送水される。配管１１には、ユースポイントの直前にＵＦ膜分離装置（図示略）が設置されている。

熱交換器６の熱源流体流路へは、配管７を介してユースポイントからの約７５℃の戻り温超純水（戻り水）が導入される。この戻り温超純水は、熱交換器６でサブシステム４からの超純水と熱交換して約３０℃に降温した後、配管８によって、サブタンク２に送られる。

熱交換器１０の熱源流体流路には、ヒートポンプ、蒸気式熱交換器等の加熱器４０によって加熱された媒体水（伝熱媒体としての水）が循環流通される。即ち、熱交換器１０から流出した約５０〜７０℃の媒体水を配管４５、ポンプ４６、配管４７によって加熱器４０に導入し、約８０℃に加熱した後、配管４２、三方弁４３、配管４４を介して熱交換器１０に流入させる。

加熱器４０からの媒体水の一部は、三方弁４３からバイパス配管４８を介して配管４５に返送される。

配管１１に温度センサ５０が設けられており、測定温度が制御装置５１に入力され、この制御装置５１によって三方弁４３及びポンプ４６が制御される。三方弁４３からは制御装置５１に現時点での開度（配管４２から配管４４へ媒体水を流す開度）を示す信号が制御装置５１に入力される。

この実施の形態では、三方弁４３の開度（配管４２から配管４４へ媒体水を流すための開度）が一定値になるように媒体水循環水量を調整する。三方弁４３の開度を０％〜１００％で表すとすると、例えば開度が７５〜８０％になるように、ポンプ４６のモーター回転速度を増減し、媒体水循環水量を自動調整するのが好ましい。例えば、ポンプに付属したインバータが、電圧と周波数を増減することよってモーター回転速度を調整する。

現時点の三方弁開度に関する信号を制御装置５１に入力し、制御装置５１で演算処理を行い、その結果をポンプ４６に付属するインバータに送り、インバータがモーターの電圧・周波数を調整する方法でもよい。あるいは、三方弁４３の開度とインバータ出力値の関係式をあらかじめ導出し、その関係式に基づいてインバータ出力値を調整する方法でも良い。

ユースポイント９０での温超純水使用量が大きく変化した場合、その影響が三方弁４３の開度に影響を及ぼすまでには、数分間の時間遅れがある。このため、現時点の三方弁４３開度の代わりに、将来予測値を使用することが、より望ましい。ここで、将来とは、現時点から１〜５分後を意味している。

たとえば、過去数ヶ月分の運転データを基に、「２分後の三方弁開度」を目的変数、「現時点の三方弁開度」、「配管９から熱交換器１０へ流入する超純水の温度」等を説明変数とする重回帰モデルを構築し、そのモデルに、現時点の運転データ実測値を入力することによって、２分後における温度センサ５０の検出超純水温度を７５℃に維持するために必要な「２分後の三方弁開度」を予測する。「２分後の三方弁開度」の予測値に基づいて高温循環水量（ポンプ４６吐出量）を調整することによって、温超純水使用量の急増に対し、さらに迅速に対応できる。例えば、２分後の三方弁開度の予測値が８０％を超えるときには、該開度が７５〜８０％の範囲に収まるようにポンプ４６のモーター回転数を増加させる。

なお、重回帰モデルの代わりに、人工知能モデル等を用いてもよい。

このようにして、ユースポイントにおける温超純水使用量急増により温超純水温度を維持できなくなるリスクを回避しながら、バイパス水量を少なくし、温超純水の製造コストを削減できる。

ユースポイントにおける温超純水使用量が増加した場合に、配管９から熱交換器１０に流入する超純水の温度が低下し、これに対応して三方弁４３の開度が上昇し始めた段階で、媒体水循環水量を自動的に増加させることができ、温超純水温度の制御目標値逸脱リスクを回避することができる。

さらに、現時点における「温超純水戻り流量」や「配管９から熱交換器１０に流入する超純水の温度」の実測値から、数分後の三方弁開度を予測することにより、現時点の三方弁開度のみで高温循環水量を調節するよりもさらに早く高温循環水量を調整することができ、温超純水温度の制御目標値逸脱リスクをより確実に回避することができる。

より具体的な運転例について次に説明する。

加熱器４０として、冷凍機排水を熱源とするヒートポンプと、蒸気を熱源とする蒸気熱交換器の両方を用い、ポンプ４７→ヒートポンプ→蒸気熱交換器の順に循環水が流れるようにする。ヒートポンプは、ヒートポンプ出口温度が一定になるように入力電力が調整される。また、蒸気熱交換器における出口温度（即ち、配管４２に流れる媒体水温度）が一定になるように、蒸気量が供給される。

なお、（本発明のヒートポンプ出口温度）＝（比較例のヒートポンプ出口温度）、（本発明の蒸気熱交換器出口温度）＝（比較例の蒸気熱交換器出口温度）である。

本実施例では、三方弁４３の開度が平常時７５〜８０％（即ち、バイパス水量が２０〜２５％）になるように、ポンプ４６に付属したインバータの出力値を調整する。この結果、従来と比較して、媒体水循環水量の平均値が約４０％削減される。これに伴い、循環水ポンプの消費電力が削減されるとともに、熱量あたりの単価が低いヒートポンプによる加熱割合が高まる。この結果、全体の運転コストを約１５％削減することができる。

即ち、図３においては、ユースポイントでの超純水使用量が著しく増大し、配管７からの戻り超純水量が著しく少なくなり、熱交換器１０への流入超純水温度がかなり低い温度（例えば４０〜４５℃又はそれ以下）になった場合でも、熱交換器１０に十分に多量の高温媒体水を流して７５℃の温超純水を配管１１からユースポイント９０へ送水できるようにするために、平常時において配管１４から配管１９へバイパスする媒体水量を多くし、ユースポイント９０での超純水使用量が著しく増加したときに、配管１４から熱交換器１０への媒体水量を確保する必要があった。このため、平常時（ユースポイント９０における超純水使用量がほぼ平均量である状態）においても、ヒートポンプ２０から配管１４への出湯量（媒体水量）を多くし、バイパス媒体水量を多くしておくようにし、ユースポイントの超純水使用量の増大に備えておく必要があった。そして、このように多量の媒体水をバイパスさせるために、ポンプ電力コスト等が多くなっていた。

これに対し、本発明では、バイパス媒体水量は平常時では例えば２０〜２５％と少な目にしておき、熱交換器１０への供給媒体水量増加が予測されるとき（すなわち、三方弁４３の開度の顕著な増加が予測されるとき）には、加熱器４０からの出湯量を増加させる。この結果、平常時における加熱器４０からの高温媒体水供給量（出湯量）を従来に比べて相当に少なくすることができる。

制御器５１は、配管１１を介してユースポイント９０へ向う温超純水の温度が常に一定温度（この場合７５℃）に維持されるように、三方弁４３の開度制御及びポンプ４６のモーター回転数制御によって熱交換器１０へ供給する媒体水量（高温循環水量）を制御する。なお、ポンプ４６の制御による熱交換器１０への媒体水量制御によるだけでも温超純水を一定温度に維持できるのであれば三方弁４３及びバイパス配管４８は省略されてもよい。ただし、三方弁４３によるバイパス水量制御による熱交換器１０への供給媒体水量制御は、迅速かつ容易であり、熱交換器１０の負荷変動に迅速に対応することができる。本実施例では、三方弁４３の開度を７５〜８０％と高くしているので、熱交換器１０での大幅な負荷増加には三方弁４３だけでは対処できない。そこで、前述の通り、ポンプ４６の制御も併用する。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態とされてもよい。

２ サブタンク
４ サブシステム
６ 第１熱交換器
１０ 第２熱交換器
４３ 三方弁
４８ バイパス配管
５０ 温度センサ

Claims (6)

1. 超純水製造装置からの超純水を加熱するための、ユースポイントからの戻り水を熱源とする第１熱交換器と、
   該第１熱交換器で加熱された超純水をさらに加熱する加熱手段と
   を有し、加熱された超純水をユースポイントに供給する超純水加熱装置であって、
   前記加熱手段は、
   前記第１熱交換器で加熱された超純水が被加熱流体流路に通水される第２熱交換器と、
   該第２熱交換器の熱源流体流路に伝熱媒体としての媒体水を循環流通させる循環流路と、
   循環流路を流れる媒体水を加熱する加熱器と、
   該循環流路に設けられたポンプと
   を備えている加熱装置によって超純水を加熱する方法において、
   ユースポイントでの超純水使用量に応じて該ポンプを制御することを特徴とする超純水加熱方法。
2. 前記媒体水循環流路に、前記第２熱交換器を迂回するバイパス流路が設けられており、
   ユースポイントでの超純水使用量に応じて該バイパス流路へのバイパス流量を制御することを特徴とする請求項１の超純水加熱方法。
3. 前記バイパス流量を制御するための三方弁が設けられており、ユースポイントでの超純水使用量に応じて該三方弁の開度を制御することを特徴とする請求項２の超純水加熱方法。
4. 前記バイパス流量を制御するための三方弁が設けられており、現時点の運転データ実測値から１〜５分後の三方弁開度を予測し、その開度予測値がほぼ一定になるように、高温循環水量を制御することを特徴とする請求項２の超純水加熱方法。
5. 過去の運転データを基に、「三方弁開度の予測値」を目的変数とする重回帰モデルまたは人工知能モデルを構築し、そのモデルに、現時点の運転データ実測値を入力することによって、「三方弁開度の予測値」を得る請求項４の超純水加熱方法。
6. 重回帰モデルまたは人工知能モデルの説明変数に、少なくとも、「三方弁開度の現在値」および「第１熱交換器の超純水側出口温度」を含む請求項５の超純水加熱方法。

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