JP2948263B2 - 気体精製装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気体精製装置に関する。より詳細には、本発
明は不活性担体ガスあるいは水素ガス中に存在する低レ
ベルの不純物を除去する装置に関し、高純度の処理用ガ
スを製造する為のものであり、その反応性不純物はppb
レベルにまで減少される。

〔従来の技術〕

ある種の生産システム、例えば超LSIの製造システム
においては、不活性ガス雰囲気下において作業を行なう
事が標準となっている。微小なサイズ及び部品の腐食可
能性等の観点から、処理ガスは極端に高純度である事が
重要である。実際、酸素ガスや揮発性炭化水素等の不純
物はppbレベルにまで減少させる必要がある。このレベ
ルは実際には殆んど測定不能なほど低い。又その他多く
の処理においても、アルゴンやキセノン等の不活性ガス
あるいは水素の様な活性ガスにかかわらず、使用するガ
スは極端に高純度である事が要求されている。

種々の気体精製システムが商業的に利用可能である。
例えば、ラベリア インコーポレション（LABELEAR,IN
C.）やセミ−ガス システムズ インコーポレーション
（SEMI−GAS SYSTEMS,INC.）等により販売されているシ
ステムにおいては、ゲル過材あるいは高分子樹脂吸収
材が充填されたインライン形式のカートリッジをガス供
給ラインに直列に接続している。これらのシステムは直
線流路を有しており一般に室温状態において動作できる
様意図されている。かかるシステムでは窒素ガスあるい
は水素ガスをppbレベルにまで下げる事ができず、大量
の吸収材を必要とし、又二酸化炭素ガスやメタンその他
の炭化水素をppbレベルにまで下げる為に過度に低い流
速が要求される。

又他の種類の気体精製装置においては、処理ガスが金
属製の捕獲材の上を通過する様になっている。例えばス
ペルコ（SUPELCO）社では酸素精製用としてCu−CuOを用
いている。又RDマチス（R.D.MATHIS）社ではチタン金属
の海綿体を用いており、シーズ ゲッターズSPA（SAES
GETTERS S.P.A.）社ではZr−Ｖ−Fe合金を用いている。
加熱をすると、後者の２つの材料は窒素、二酸化炭素及
びメタンを含めて全ての反応性ガス種に対して有効な捕
獲材となる。しかしながら、かかる技術の精製システム
は嵩ばるヒータやフランジを有しており、不十分な気体
−固体接触反応に依存している。又チタン金属を用いた
システムは精製の為にかなり高い動作温度を必要とする
点で不利である。

〔発明の目的〕

本発明の目的はそれ故改良された気体精製装置を提供
する事を目的とする。本発明の他の目的は実質的により
小さく、より保守が容易であり、且つ従来のシステムに
比べてより安価な装置を提供する事を目的とする。

〔発明の概要〕

これら目的は以下の構成を有する装置を具備する気体
精製システムにおいて達成される。即ち該装置は実質的
に密閉室を形成する主容器と、該密閉室から突出してい
る取入口及び該密閉室の内部にあるフィルタを有する取
入部材と、該取入口から離れた位置において該密閉室か
ら突出している取出口及び該密閉室の内部において取入
部材のフィルタから離れて配置されたフィルタとを有す
る取出部材と、該密閉室の中で該両フィルタの間におい
て気密の内空部を形成する手段とから構成されている。
両フィルタの間において密閉室の中にはバッフルが装着
されており、両フィルタの間を通るガスはこのバッフル
によって偏向される。ヒータが該内空部に装着されてい
る。外容器が主容器を囲んでおり、その周囲に空間を形
成する。この空間は、断熱材を充填したり、あるいは熱
遮閉板を用いたりあるいは真空排気する事により熱的に
絶縁されている。活性物質がフィルタや内空部の周りに
おいて密閉室を大略充填しており、取入口フィルタから
密閉室を介して取出側フィルタに向うガスはこの活性物
質に接触する。好ましくは、この装置は該密閉室内に二
番目の気密内空部を形成する手段や熱電対をも有してい
る。この熱電対は活性物質層の温度をモニタする為のも
のである。

かかる構成は極めてコンパクトであり、ppbレベルの
低い側においてかろうじて測定可能な程度の微小量の不
純物を除去する事ができる。この装置は低コストで製造
する事ができ且つ使用及び設置が極めて容易である。

この発明の特徴によると、両容器はステンレススチー
ルからなり互いに溶接されている。用いられる活性物質
はジルコン、チタニウム、カルシウム、イットリウム、
あるいは原子番号67から71のランタニドから作られてい
る。あるいは活性物質はこれら元素を主要構成要素とす
る合金から作られている。あるいはこれらの元素の化合
物、混合物あるいは水素化物から構成されている。精製
すべきガスとしてはアルゴン、ヘリウム、クリプトンあ
るいはキセノンといった不活性ガスが含まれる。活性物
質及び作用温度を適切に設定する事により、本発明にか
かる装置は又空気、窒素ガスあるいは水素ガスに対して
も用いる事ができる。

本発明によれば、さらに再生可能な活性物質を用いる
事もでき、活性物質としてはゲル過化合物あるいは酸
化銅を用いる事ができる。さらに、この活性物質は触媒
であってもよい。

〔発明の詳細な説明〕

上述した目的あるいはその他の目的、特徴、及び種々
の効果は添付した図面、表及び実施例を参照してより容
易に理解される。

第２図及び第３図から明らかな様に、本発明にかかる
装置は基本的に軸Ａに対して軸対称となっている。本装
置は、先端の蓋部材12と基板13を備えた主筒部材11から
構成されている。これらの部材は全てステンレススチー
ルからなり互いに溶接されているとともに、円筒状の密
閉室Ｃを形成する。基板13は所定の厚みを有し部品を搭
載する為のものである。基板13は中央通路を有し、これ
には筒部材14が嵌合している。筒部材14の終端部は基板
13のネジの切られた内周部に係合しており、筒部材14の
反対側端面はステンレススチールの栓15により溶接を用
いて閉鎖されている。この筒部材14は導線17を有するヒ
ータ16を収納している。

加えて、この基板13にはヒータ筒部材14に関して直径
方向両側に入力管18及び出力管19が挿通している。密閉
室Ｃの内側において入力管18及び出力管19にはそれぞれ
熱処理を施されたフィルタ20及び21が装着されている。
加えて、大３図に示す様に、該基板は他の筒部材22を収
納しており、この筒部材22は熱電対23を収納している。
熱電対23は装置の内側の温度をモニタする為のものであ
り導線17と同様に図示しない制御ユニットに接続してい
る導線23Aを有している。一対のバッフルプレート24が
内空部を有するヒータ管14の側部に取付けられている。
一対のバッフル板24は２つのフィルタ20及び21を含む平
面に垂直な平面に沿って互いに直径方向反対側に突出し
ている。バッフル板24の外周端は主筒部材11の内周面よ
りも若干短くなっており、底板部材12に向って延設され
ている。筒部材11の内部に形成された密閉室Ｃは、筒部
材14及びフィルタ20,21の周囲を含めて合金製の捕獲材
料により充填されている。捕獲材料はペレット25の形状
を有し図面を見やすくする為第２図の左上部の隅にのみ
示している。

基板13は密閉室Ｃに対して反対面側に機械加工された
セラミック断熱板26を装着している。加えて、カップ形
状をした容器缶27が基板13の外周面に沿って係合してお
り、密閉室Ｃの全周面に沿って空間を形成する。この空
間は排気可能であり、好ましくは熱遮閉物が装着されて
いる。この場合、ステンレススチールの容器缶27と基板
13は互いに溶接されている。そして、セラミックスの様
な断熱材により充填されている。加えて、カバーキャッ
プ28が基板13を保護する為に嵌合されている。もし外容
器缶27の内側にある空間が真空排気されない場合には、
この容器缶27は省略可能であり、より径大の缶を用いて
より厚い断熱層を収納する様にしてもよい。

上記に開示された反応器構成は高純度応用に意図され
た従来の気体精製装置では得る事のできなかった種々の
利点を備えている。反応器の主な部品は単一の要素即ち
ここでは基板13に搭載されており、部品の配列を容易に
する事ができるとともに、全体的な製造コスト低減の為
に組立ての容易化を促進できる。活性物質は先端部材12
によって閉ざされる大きな開口を介して反応器の中に充
填できる。かかる組立て方法を用いる事により充填すべ
き物質のサイズを広い範囲で選ぶ事ができる。又かかる
組立て構造により内部の洗浄作業や活性物質の交換が容
易になる。厚い基板部材13、強固な側壁によって囲まれ
たヒータ内空部14及び外容器27を用いる事により、危険
なトリチウム等の気体種の外部拡散を防止する事ができ
る。

使用においては、ヒータ16は通電され装置の内部は約
450℃に加熱される。そして精製すべきガスが通常加圧
状態において取入管18に導入される。ガスはフィルタ20
によって粗く過され続いてバッフル板24の周囲を角方
向あるいは周方向に沿って通過して反対側のフィルタ21
に向う。ここで、ガスは取出管19に入り外付けの処理設
備に導かれる。この様にして密閉室Ｃを横切る間、ガス
は捕獲粒子25に効率的に接触する。そして、上述した不
純物はガスから除去される。

このシステムは以下の寸法を有する３種類の基本的な
サイズで製造される。

表に示した相対比を維持する限りにおいてより大きな
あるいは小さな装置を組立てる事も十分可能である。原
則として、直径に対する内部長のアスペクト比（C:A）
は1.0と6.0の間に設定されるべきであり、好ましくは上
記の例に示す様におよそ1.5であればよい。この様にア
スペクト比を設定する事によりカートリッジヒータ16の
選定にかかる困難を最小限にする事ができ、且つ面積／
体積比を最小化する事により該システムの断熱構造を比
較的単純にする事ができる。アスペクト比を６以上にす
ると熱損失が増加し極端に軸長の大きなヒータを必要と
する事になる。又アスペクト比を１以下としても熱損失
が増加し内空部に多数本の短いヒータを装着しなくては
ならない。加えて、多孔質フィルタの直径に対する主容
器の直径の比は２から８の間に設定すべきである。この
様な比を設定する事により、収容されている合金粒子の
容積に対してフィルタ20及び21は比較的大きな表面積を
有する事となり、気体精製装置内においてガス厚の低下
を減少させる事ができる。

かかる装置の変形として、バッフル板24は筒部材11の
内側表面に向って延設されている。しかしながらこれら
の板は実質的に筒部材11より短く且つフィルタ20,21も
実質的に短い。その結果ガスの流れは軸方向となり、バ
ッフル板の周囲に沿って角的に流れるというよりもむし
ろバッフル板24の端部を乗り越える様に流れる。

（実施例１） 上記の表に示した小型の反応器／吸収缶に、Zr−Ｖを
ベースにした合金粉末から作られるパレット300gを充填
する。かかるパレットは例えば商品名HY−STOR 402とし
て販売されている。バッフル板とフィルタはパレット層
を介して反応ガスの流れが放射状となる様に配置されて
いる。この装置は溶接により気密封止されておりヒータ
16を通電し活性物質を活性化する為に600℃に加熱する
と同時に取入管18及び取出管19を真空排気する。このア
センブリはそれから室温にまで冷却されアルゴンガスを
充填して活性状態を保存する。

気体精製を行なう為に、この装置は予め既知のレベル
で不純物が混合されたアルゴンガスの供給源に接続され
る。この精製装置は選択された活性物質層温度において
平衡状態に保たれた後、制御された流速でガスを精製装
置に導入する。取出されたガスは残留ガス解析装置によ
って採取され不純物濃度が測定される。この実験は同一
の処理ガスに対して異なった流速及び異なった活性物質
層温度を用いて継続して行なわれた。似た様なデータが
様々の不純物に対して得られたその結果が第１図に示さ
れている。用いられた流速と不純物レベルは両方とも通
常遭遇するよりも実質的に大きいものである。この小型
反応器は2l/分よりも小さい流速で用いる様設計されて
いる。この条件選定は従来の実験テスト装置においてガ
ス精製を量的に示す為に意図されたものである。250℃
において、酸素ガス濃度は流速10l/分を越える領域にお
いて３桁ほど減少している。

（実施例２） 実施例１と同様に同じ小型サイズの反応器／吸収缶に
200gのHY−STOR 402ペレットを充填し溶接密封した。バ
ッフル板とフィルタは活性物質層を介してガスが軸方向
に流れる様に配置した。活性化前処理と試験は実施例１
と同様に行なわれた。より広範の種類の不純物ガスが試
験されその結果が第４図に示されている。この発明にか
かる装置は明らかに効率的である事が分かる。特により
活性な酸素ガス及び窒素ガス種に対して効果的である。

（実施例３） 実施例１及び２において用いられたと同じ小型サイズ
の反応器／吸収缶に商品名HY−STOR 402として販売され
ている精製粉末からなるペレット200gを充填した後この
装置を溶接により気密封止した。バッフルとフィルタは
活性物質層を介して軸方向に沿ったガス流を与える様に
配置されている。ヒータ16が通電され充填物を600℃に
加熱すると同時に取入管18及び取出管19を排気し合金を
活性化する。次にこのアセンブリを室温まで冷却し且
つ、活性化された状態を保存する為にアルゴンガスを逆
に充填する。

第４図に示す様に、この装置を介して不純物を含むア
ルゴンガスを単一の流路に沿って流した。この結果メタ
ン、酸化炭素、窒素、酸素等の不純物ガスが除去され
た。用いられた流速と不純物レベルは両方とも実質的に
通常遭遇するよりも高く設定されており、従来の試験装
置（RGA）に対してガス精製を量的に誇張している。明
らかに、この発明にかかる装置は特により活性な酸素ガ
ス及び窒素ガス種に対して顕著な有効性を示している。

（実施例４） 実施例３で用いたのと同じ装置を使って第５図に示す
様に、アルゴンガスの循環精製を行ない主として水素を
除去した。グラフにおいて、時間の経過とともに変化す
る密閉空間における水素濃度を示した。この密閉空間の
容積は3900ccであり初期的に1000ppmの水素で汚染され
ている。このガスは25℃において1000cc/分の流速で循
環される。理論値が直線で表わされており、図示する様
に実測データが極めてよく理論値と対応している事が分
かる。

（実施例５） 前述した実施例と同一の小型サイズの反応器に400gの
HY−STOR 402粒子を充填して用いた。活性物質層を通っ
て軸方向にガスが流れる様にバッフルを配置した。活性
物質合金を活性化させる為に加熱した後、冷却した。過
熱を生じない様に低速度で密閉室内に水素ガスを導入し
て活性物質合金を水素化した。水素化によって膨張する
粒子を収納できる様に、反応器内には予め適切なスペー
スをとっておく。次に精製すべき水素ガスを反応器に流
した。結果は実施例１と同様であり、活性物質HY−STOR
402の水素化物もまた有効な捕獲材料である事が分かっ
た。しかしながら、同程度の精製を行なう為に、流速は
下げなければならない。

〔発明の効果〕

上述した種々の実施例に示す様に、本発明にかかる装
置は循環方式においてもまた非循環方式であっても処理
ガスの精製に対して実用的である。加えて、本発明にか
かる装置は不活性ガス流から水素同位体（重水素又は三
重水素）を回収する際にも有効に用いる事ができる。水
素同位体は本装置の作用中において活性物質により吸着
され続いてこの活性物質を加熱及び又は真空処理する事
により回収される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる不活性ガス精製器における種々
の流速での不純物濃度を示すグラフ、第２図は本発明に
かかるガス精製装置の長手方向断面図、第３図は第２図
の装置を右手方向から見た端面図、及び第４図、第５図
ないし第６図は本発明にかかる装置の動作を示すグラフ
である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B01D 53/04,53/14 B01J 8/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に密閉室を形成する端壁、後壁及び
   環状側壁を有する主容器と、 該端壁に挿通しており、該密閉室から突出している取入
   口及び密閉室内にあるフィルタとを有する取入部材と、 該端壁に挿通しており、該取入口から離れて該密閉室か
   ら突出している取出口及び該密閉室内において該取入部
   材のフィルタから離れて配置されたフィルタとを有する
   取出部材と、 該密閉室内において該両フィルタの間に配置された気密
   の内空部を形成する手段と、 該密閉室内で該両フィルタの間において該環状側壁に向
   って延設されたバッフルからなり、該両フィルタ間を通
   る気体は該取入口から該バッフルの周囲に沿って該取出
   口に向って偏向されるとともに、 該内空部に配置されたヒータと、 該主容器を囲みその周りに空間を形成する外容器と、 該外容器から該主容器を熱的に絶縁するために該空間に
   配置された手段と、 該両フィルタと該内空部の周囲に配置され該密閉室を大
   略充填する活性物質とからなる気体精製装置。
2. 【請求項２】該両容器はステンレススチールからなり且
   つ互いに溶接されているとともに、 該密閉室内において二番目の気密内空部を形成する手段
   と、該内空部に配置された熱電対とを含む請求項１に記
   載の気体精製装置。