JP3669665B2 - 空気分離装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器，精留塔をそれぞれ別々の真空箱に収容して搬送することのできる空気分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子工業では極めて多量の窒素ガスが半導体基板のパージ用ガス等として使用される。このため、通常、半導体製造工場等には大容量の高純度窒素ガス製造装置が設置されている。このような窒素ガスは、図９に示すように、一般に空気を原料とし、これを空気圧縮機１で圧縮したのち、ドレン分離器２，フロン冷却器３を通し、さらに吸着塔４に入れて圧縮空気中の炭酸ガスおよび水を除去し、ついで吸着塔４を経た圧縮空気を供給パイプ５を介して熱交換器６に導入し、ここで冷媒と熱交換させて超低温に冷却し、この超低温に冷却した圧縮空気を導入パイプ７を介して精留塔８に導入し、ここで深冷液化分離して製品窒素ガスを製造し、これを製品窒素ガス取出パイプ９を介して前記の熱交換器６に導入し、ここで常温近傍に昇温させてメインパイプ１０に送り込むという工程を経て製造されている。上記精留塔８についてより詳しく説明すると、この精留塔８は、熱交換器６により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１１として底部に溜め、窒素のみを気体状態で上部に溜めるようになっている。また、精留塔８は、塔頂に凝縮器１２ａ内蔵の分縮器１２を備えており、上記凝縮器１２ａには、精留塔８の上部に溜まる窒素ガスの一部が第１還流液パイプ１３ａを介して送入される。上記分縮器１２内は精留塔８よりも減圧状態になっており、精留塔８の底部に溜まる貯留液体空気（Ｎ2 ：５０〜７０％，Ｏ2 ：３０〜５０％）１１が膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素の沸点以下の温度に冷却するようになっている。この冷却により凝縮器１２ａ内に送入された窒素ガスが液化し、この液体窒素が第２還流液パイプ１３ｂを通って精留塔８の上部に設けた液体窒素溜め８ａに流下供給される。この液体窒素溜め８ａには、液体窒素貯槽（図示せず）からも液体窒素が導入パイプ１５を経て供給されており、これら液体窒素が液体窒素溜め８ａを経て精留塔８内を流下し、精留塔８の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接触し冷却してその一部を液化するようになっている。この過程で圧縮空気中の高沸点成分は液化されて精留塔８の底部に溜まり、低沸点成分の窒素ガスが精留塔８の上部に溜まる。図において、１６は分縮器１２内の気化液体空気（廃棄ガス）を熱交換器６に送り込みここを通る圧縮空気を降温させる廃棄ガス導出パイプである。１７は熱交換器６を経由した気化液体空気を大気中に放出する第１放出パイプである。１８は窒素ガス中のＨｅガス（窒素ガスより沸点が低い）を気体のまま大気中に放出する第２放出パイプである。このような高純度窒素ガス製造装置では、熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を断熱保冷するため、縦長円筒状の真空保冷箱１９内に熱交換器６，精留塔８，パイプ７，９，１６等を収容し、かつ断熱材としてパーライトを充填している（図１０参照。この図１０には、熱交換器６，精留塔８しか示されておらず、パイプ７，９，１６、パーライト等は示されていない）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の高純度窒素ガス製造装置の内作，搬送，設置を行う場合には、まず工場において、空気圧縮機１，ドレン分離器２，フロン冷却器３，吸着塔４等を各種パイプ等で連結して１つの収容ケース（図示せず）に収容し、熱交換器６，精留塔８をパイプ７，９，１６等で連結して真空保冷箱１９に収容する。ついで内作した収容ケースや真空保冷箱１９等をトレーラー等に積載して半導体製造工場に搬送し、この工場の敷地内に積み降ろしたのち、収容ケースと真空保冷箱１９を各種パイプ等で連結する等組付け作業を行って設置することが行われる。しかしながら、上記搬送において、トレーラー等に積載しうる積載物の大きさには限度があり、外径が約４ｍ以上になると積載できない。このため、トレーラー等で搬送できる真空保冷箱１９の大きさに限度が生じ、現状では、窒素ガスの発生量が３０００〜４０００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の高純度窒素ガス製造装置しか搬送できていないのが実情である。そこで、窒素ガスの発生量が３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度のものでもトレーラー等に積載して搬送することのできる高純度窒素ガス製造装置等の空気分離装置が強く要望されている。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、成分ガスの発生量が多くてもトレーラー等に積載して搬送することのできる空気分離装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温により冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用し分離する精留塔と、上記熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を精留塔に導入する導入路と、上記精留塔内に分離保持された成分ガスを取り出して上記熱交換器に案内しその内部を通る圧縮空気と熱交換させることにより温度上昇させる成分ガス取出路とを備え、上記熱交換器を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第１の真空箱に収容するとともに、上記精留塔を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第２の真空箱に収容し、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けたという構成をとる。
【０００６】
【作用】
すなわち、本発明の空気分離装置では、これを構成する熱交換器と精留塔をそれぞれ別の真空箱に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、熱交換器を収容した第１の真空箱と精留塔を収容した第２の真空箱とに分解して積載することができる。したがって、両真空箱をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、余分に積載スペースを生み出すことができ、従来使用していた（熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を収容した）真空保冷箱１９であると、その外径が略４ｍ以上になってトレーラー等に積載できない大容量のものでも、本発明では、トレーラー等に積載することができる。しかも、熱交換器の外周部および精留塔の外周部にデキシターペーパーを巻回することにより断熱しているため、従来使用していた断熱用のパーライトを真空箱に充填する必要がなくなり、その分熱交換器，精留塔の周囲のスペースを狭くすることができ、真空箱を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等に積載して搬送することができるようになる。しかも、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けているため、導入路と成分ガス取出路等のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。
【０００７】
また、本発明において、上記精留塔に溜まる廃棄ガスを取り出して上記熱交換器に送る廃棄ガス導出路を備え、この廃棄ガス導出路が上記真空断熱配管内に収容され、上記熱交換器と精留塔に着脱自在に取り付けられている場合には、上記導入路，成分ガス取出路等のパイプ類とともに、廃棄ガス導出路のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【０００９】
図１は本発明の一実施の形態を示している。この実施の形態では、空気圧縮機１，ドレン分離器２，フロン冷却器３，２個１組の吸着塔４，熱交換器６，棚段式の精留塔８等は、図８に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。ただし、この実施の形態では、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃが真空断熱配管２２に収容されている。より詳しく説明すると、上記熱交換器６が第１真空箱２０に収容され、精留塔８が第２真空箱２１に収容されている。両真空箱２０，２１はそれぞれ、図２に示すように、ケーシング２０ａ，２１ａと脚部２０ｂ，２１ｂからなり、これら両脚２０ｂ，２１ｂの長さは、両真空箱２０，２１を半導体工場の敷地等に設置した場合に、熱交換器６および精留塔８が正規の組付け高さになるように設定されている。また、図３に示すように、熱交換器６および精留塔８の外周部には、それぞれ断熱用としてデキシターペーパー２３が５〜１０層巻回されている。図３において、２４は両真空箱２０，２１の（上下２分割タイプの）ケーシング２０ａ，２１ａに取り付けた支受部材である。この支受部材２４は円環状に形成されており、その外周部２４ａが上下２分割のケーシング２０ａ，２１ａの継ぎ目に取り付けられており、その内側の円筒部分２４ｂで熱交換器６もしくは精留塔８の外周面を固定，支受している。
【００１０】
また、導入パイプ７が熱交換器６側の第１連結用導入パイプ７ａと、精留塔８側の第２連結用導入パイプ７ｂと、これらを連結する中央導入パイプ７ｃとで構成され、製品窒素ガス取出パイプ９が熱交換器６側の第１連結用取出パイプ９ａと、精留塔８側の第２連結用取出パイプ９ｂと、これらを連結する中央取出パイプ９ｃとで構成され、廃棄ガス導出パイプ１６が熱交換器６側の第１連結用導出パイプ１６ａと、精留塔８側の第２連結用導出パイプ１６ｂと、これらを連結する中央導出パイプ１６ｃとで構成されている。そして、上記第１連結用導入パイプ７ａ，第１連結用取出パイプ９ａ，第１連結用導出パイプ１６ａの先端部がそれぞれ近接した位置で第１真空箱２０のケーシング２０ａの下面に気密状に取り付けられており、上記第２連結用導入パイプ７ｂ，第２連結用取出パイプ９ｂ，第２連結用導出パイプ１６ｂの先端部がそれぞれ近接した位置で第２真空箱２１のケーシング２１ａの下面に気密状に取り付けられている。また、上記中央導入パイプ７ｃ，中央取出パイプ９ｃ，中央導出パイプ１６ｃがＬ字状に折り曲げられた真空断熱配管２２に並列状に配設されており、各パイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃの両端部が真空断熱配管２２のケーシング２２ａの両端部の上面に気密状に取り付けられている。一方、第１真空室２０のケーシング２０ａの上面には、供給パイプ５，メインパイプ１０，第１放出パイプ１７の熱交換器６側の連結用パイプ５ａ，１０ａ，１７ａの先端部が気密状に取り付けられており、第２真空室２１のケーシング２１ａの上面，右側面には、導入パイプ１５，第２放出パイプ１８の精留塔８側の連結用パイプ１５ａ，１８ａおよび送給パイプ１４の両端の連結用パイプ１４ｂ，１４ｃの先端部が気密状に取り付けられている。
【００１１】
上記各パイプ５ａ，７ａ〜７ｃ，９ａ〜９ｃ，１０ａ，１４ｂ，１４ｃ，１５ａ，１６ａ〜１６ｃ，１７ａ，１８ａは真空二重管で構成されており、これら各パイプ５ａ，７ａ〜７ｃ，９ａ〜９ｃ，１０ａ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１６ａ〜１６ｃ，１７ａ，１８ａの各端部の連結はバイオネット継手により行われている。すなわち、図４〜図６に示すように、一方の真空二重管、例えば第１連結用導入パイプ７ａの閉塞端部を、外管３０を細径にすることによりおす形部３１にし、その細径外管３０の根元部から継手部３２を立ち上がらせるとともに、おす形部３１の外管３０の先端円周方向に段部３３を設け、その段部３３に断面コ字状のリング状弾性パッキン３４を、コ字状の開放部を下方に（図面では、右方に）向けて周設している。また、他方の真空二重管、例えば中央導入パイプ７ｃの閉塞端部を、内管３５を太径にすることによりめす形部３６にし、その太径内管３５の入口部から継手部３７を立ち上がらせるとともに、めす形部３６の内管３５の内奥角部を先すぼまり状のテーパー面３８にしている。そして、上記おす形部３１をめす形部３６内に嵌挿し、継手部３２，３７同士をＯリング３９を介して当接させるとともに、めす形部３６のテーパー面３８でリング状弾性パッキン３４のコ字状の上辺先端を押圧させ、おす形部３１の外管３０とめす形部３６の内管３５との間の隙間４０内を気密状態にし、その状態で継手部３２，３７を締付け具（図示せず）で締付け、両導入パイプ７ａ，７ｃを、継手部３２，３７における当接部の当接により軸方向に固定している。４１はリング状弾性パッキン３４の固定ねじ，４２は一方の真空二重管、例えば第１連結用導入パイプ７ａの内管、４３は他方の真空二重管、例えば中央連結用導入パイプ７ｃの外管である。このようなバイオネット継手では、おす形部３１の段部３３に周設したリング状弾性パッキン３４のコ字状の開口が輸送超低温流体の圧力で開き、コ字状の上辺先端がテーパー面３８に当接してシール状態を確保している。このため、上記バイオネット継手により、外部からの熱侵入を有効に遮断しながら両真空二重管を接合することができる。
【００１２】
上記のように、この実施の形態では、熱交換器６と精留塔８をそれぞれ別の真空箱２０，２１に収容し、パイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃを真空断熱配管２２に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、これら両真空箱２０，２１，真空断熱配管２２をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、大容量の高純度窒素ガス製造装置を積載することができるようになる。しかも、熱交換器６の外周部および精留塔８の外周部にデキシターペーパー２３を巻回することにより断熱しているため、両真空箱２０，２１を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等で搬送することができるようになる。
【００１３】
図７は本発明の他の実施の形態を示す空気分離装置の構成図である。図において、１は空気圧縮機、２はドレン分離器、３はフロン分離器、４は２個１組の吸着塔である。６は熱交換器であり、上記吸着塔４により水分および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、熱交換作用により超低温に冷却される。８は棚段式の精留塔であり、４５はその下部塔、４６はその上部塔である。上記下部塔４５は、熱交換器６により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１１として底部に溜め、窒素（微量のＨｅ等を含む）のみを気体状態で上部に保持するようになっている。上記上部塔４６は、内部に凝縮器１２ａが配設されている。この凝縮器１２ａに、下部塔４５の上部に溜まる窒素ガス（微量のＨｅガス等を含む）の一部がパイプ１３ａを介して送入され、Ｈｅガスより沸点の高い窒素ガスが液化し、パイプ１３ｂを経て下部塔４５の液体窒素溜め４５ａに送入され、沸点の低いＨｅガスは気体のまま第２放出パイプ１８から大気中に放出するようになっている。上記上部塔４６内は下部塔４５内よりも減圧状態になっており、下部塔４５の底部の貯留液体空気（Ｎ2 ：５０〜７０％，Ｏ2 ：３０〜５０％）１１が膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て中央部に送り込まれ、その低沸点成分である窒素分を気化させ、上部塔４６の底部には液体酸素４７を溜めるようになっている。４８は上部塔４６に溜まった窒素分（純度がそれほど高くない）を廃窒素ガスとして取り出す廃窒素ガス導出パイプで、上記廃窒素ガスを熱交換器６に案内しその冷熱により原料空気を超低温に冷却し、第１放出パイプ１７を介して大気中に放出する。４９は上部塔４６の底部に溜まる液体酸素４７の気化ガスを取り出す気体酸素取出パイプであり、液体酸素４７（純度９９．５％）の液面のやや上方から気体酸素を取り出して上記熱交換器６内に案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にし、製品酸素ガス取出用メインパイプ５０に送り込む作用をする。上記廃窒素ガス導出パイプ４８は、熱交換器６側の第１連結用導出パイプ４８ａと、精留塔８側の第２連結用導出パイプ４８ｂと、これらを連結する中央導出パイプ４８ｃとで構成され、気体酸素取出パイプ４９は、熱交換器６側の第１連結用取出パイプ４９ａと、精留塔８側の第２連結用取出パイプ４９ｂと、これらを連結する中央取出パイプ４９ｃとで構成されている。図において、５０ａは製品酸素ガス取出用メインパイプ５０の熱交換器６側の連結用パイプである。この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様に、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，４８ｃ，４９ｃが真空断熱配管２２に収容されている。それ以外の部分は、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００１４】
上記のように、この実施の形態でも、熱交換器６と精留塔８をそれぞれ別の真空箱２０，２１に収容し、パイプ７ｃ，９ｃ，４８ｃ，４９ｃを真空断熱配管２２に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、これら両真空箱２０，２１，真空断熱配管２２をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、大容量の高純度窒素ガス製造装置を積載することができるようになる。しかも、熱交換器６の外周部および精留塔８の外周部にデキシターペーパー２３を巻回することにより断熱しているため、両真空箱２０，２１を小さくすることができ、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等で搬送することができるようになる。
【００１５】
図８は本発明のさらに他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。図において、１は空気圧縮機、２はドレン分離器、３はフロン分離器、４は２個１組の吸着塔である。６は熱交換器であり、上記吸着塔４により水分および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、熱交換作用により超低温に冷却される。８は棚段式の精留塔であり、塔頂に分縮器５０を備えている。この分縮器５０は、その内部が上部仕切板５１ａと下部仕切板５１ｂとによって密封構造になっており、分縮器５０の頂部空間と精留塔８とは多数のパイプ５２により連通している。このような分縮器５０の内部に精留塔８の底部に溜まった液体空気を膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を介して溜め、精留塔８の上部の液体窒素溜め８ａに液体窒素貯槽（図示せず）の液体窒素を導入パイプ１５を介して送り込み、そこから流下させ冷却作用を発揮させるようにしている。また、この実施の形態では、製品窒素ガス取出パイプ９の精留塔８側の第２連結用取出パイプ９ｂが分縮器５０上方の天井壁から延び、廃棄ガス導出パイプ１６の精留塔８側の第２連結用導出パイプ１６ｂが分縮器５０の周壁上部から延びている。この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様に、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃが真空断熱配管２２に収容されている。それ以外の部分は、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。そして、この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様の効果を奏する。
【００１６】
なお、上記の両実施の形態では、精留塔８が１つの塔で構成されているが、精留塔８が上部精留塔と下部精留塔の２つの塔で構成されていてもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の空気分離装置によれば、これを構成する熱交換器と精留塔をそれぞれ別の真空箱に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、熱交換器を収容した第１の真空箱と精留塔を収容した第２の真空箱とに分解して積載することができる。したがって、両真空箱をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、余分に積載スペースを生み出すことができ、従来使用していた（熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を収容した）真空保冷箱１９であると、その外径が略４ｍ以上になってトレーラー等に積載できない大容量のものでも、本発明では、トレーラー等に積載することができる。しかも、熱交換器の外周部および精留塔の外周部にデキシターペーパーを巻回することにより断熱しているため、従来使用していた断熱用のパーライトを真空箱に充填する必要がなくなり、その分熱交換器，精留塔の周囲のスペースを狭くすることができ、真空箱を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等に積載して搬送することができるようになる。しかも、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けているため、導入路と成分ガス取出路等のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。なお、本発明において、上記精留塔に溜まる廃棄ガスを取り出して上記熱交換器に送る廃棄ガス導出路を備え、この廃棄ガス導出路が上記真空断熱配管内に収容され、上記熱交換器と精留塔に着脱自在に取り付けられている場合には、上記導入路，成分ガス取出路等のパイプ類とともに、廃棄ガス導出路のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図２】両真空箱と真空断熱配管を示す説明図である。
【図３】熱交換器および精留塔の取付け状態を示す要部の断面図である。
【図４】バイオネット継手の説明図である。
【図５】上記バイオネット継手の説明図である。
【図６】上記バイオネット継手の説明図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図９】従来例を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図１０】真空保冷箱の説明図である。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
４ 吸着塔
６ 熱交換器
８ 精留塔
２０，２１ 真空箱
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器，精留塔をそれぞれ別々の真空箱に収容して搬送することのできる空気分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子工業では極めて多量の窒素ガスが半導体基板のパージ用ガス等として使用される。このため、通常、半導体製造工場等には大容量の高純度窒素ガス製造装置が設置されている。このような窒素ガスは、図９に示すように、一般に空気を原料とし、これを空気圧縮機１で圧縮したのち、ドレン分離器２，フロン冷却器３を通し、さらに吸着塔４に入れて圧縮空気中の炭酸ガスおよび水を除去し、ついで吸着塔４を経た圧縮空気を供給パイプ５を介して熱交換器６に導入し、ここで冷媒と熱交換させて超低温に冷却し、この超低温に冷却した圧縮空気を導入パイプ７を介して精留塔８に導入し、ここで深冷液化分離して製品窒素ガスを製造し、これを製品窒素ガス取出パイプ９を介して前記の熱交換器６に導入し、ここで常温近傍に昇温させてメインパイプ１０に送り込むという工程を経て製造されている。上記精留塔８についてより詳しく説明すると、この精留塔８は、熱交換器６により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１１として底部に溜め、窒素のみを気体状態で上部に溜めるようになっている。また、精留塔８は、塔頂に凝縮器１２ａ内蔵の分縮器１２を備えており、上記凝縮器１２ａには、精留塔８の上部に溜まる窒素ガスの一部が第１還流液パイプ１３ａを介して送入される。上記分縮器１２内は精留塔８よりも減圧状態になっており、精留塔８の底部に溜まる貯留液体空気（Ｎ2 ：５０〜７０％，Ｏ2 ：３０〜５０％）１１が膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素の沸点以下の温度に冷却するようになっている。この冷却により凝縮器１２ａ内に送入された窒素ガスが液化し、この液体窒素が第２還流液パイプ１３ｂを通って精留塔８の上部に設けた液体窒素溜め８ａに流下供給される。この液体窒素溜め８ａには、液体窒素貯槽（図示せず）からも液体窒素が導入パイプ１５を経て供給されており、これら液体窒素が液体窒素溜め８ａを経て精留塔８内を流下し、精留塔８の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接触し冷却してその一部を液化するようになっている。この過程で圧縮空気中の高沸点成分は液化されて精留塔８の底部に溜まり、低沸点成分の窒素ガスが精留塔８の上部に溜まる。図において、１６は分縮器１２内の気化液体空気（廃棄ガス）を熱交換器６に送り込みここを通る圧縮空気を降温させる廃棄ガス導出パイプである。１７は熱交換器６を経由した気化液体空気を大気中に放出する第１放出パイプである。１８は窒素ガス中のＨｅガス（窒素ガスより沸点が低い）を気体のまま大気中に放出する第２放出パイプである。このような高純度窒素ガス製造装置では、熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を断熱保冷するため、縦長円筒状の真空保冷箱１９内に熱交換器６，精留塔８，パイプ７，９，１６等を収容し、かつ断熱材としてパーライトを充填している（図１０参照。この図１０には、熱交換器６，精留塔８しか示されておらず、パイプ７，９，１６、パーライト等は示されていない）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の高純度窒素ガス製造装置の内作，搬送，設置を行う場合には、まず工場において、空気圧縮機１，ドレン分離器２，フロン冷却器３，吸着塔４等を各種パイプ等で連結して１つの収容ケース（図示せず）に収容し、熱交換器６，精留塔８をパイプ７，９，１６等で連結して真空保冷箱１９に収容する。ついで内作した収容ケースや真空保冷箱１９等をトレーラー等に積載して半導体製造工場に搬送し、この工場の敷地内に積み降ろしたのち、収容ケースと真空保冷箱１９を各種パイプ等で連結する等組付け作業を行って設置することが行われる。しかしながら、上記搬送において、トレーラー等に積載しうる積載物の大きさには限度があり、外径が約４ｍ以上になると積載できない。このため、トレーラー等で搬送できる真空保冷箱１９の大きさに限度が生じ、現状では、窒素ガスの発生量が３０００〜４０００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の高純度窒素ガス製造装置しか搬送できていないのが実情である。そこで、窒素ガスの発生量が３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度のものでもトレーラー等に積載して搬送することのできる高純度窒素ガス製造装置等の空気分離装置が強く要望されている。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、成分ガスの発生量が多くてもトレーラー等に積載して搬送することのできる空気分離装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の空気分離装置は、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温により冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用し分離する精留塔と、上記熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を精留塔に導入する導入路と、上記精留塔内に分離保持された成分ガスを取り出して上記熱交換器に案内しその内部を通る圧縮空気と熱交換させることにより温度上昇させる成分ガス取出路とを備え、上記熱交換器を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第１の真空箱に収容するとともに、上記精留塔を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第２の真空箱に収容し、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けたという構成をとる。
【０００６】
【作用】
すなわち、本発明の空気分離装置では、これを構成する熱交換器と精留塔をそれぞれ別の真空箱に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、熱交換器を収容した第１の真空箱と精留塔を収容した第２の真空箱とに分解して積載することができる。したがって、両真空箱をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、余分に積載スペースを生み出すことができ、従来使用していた（熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を収容した）真空保冷箱１９であると、その外径が略４ｍ以上になってトレーラー等に積載できない大容量のものでも、本発明では、トレーラー等に積載することができる。しかも、熱交換器の外周部および精留塔の外周部にデキシターペーパーを巻回することにより断熱しているため、従来使用していた断熱用のパーライトを真空箱に充填する必要がなくなり、その分熱交換器，精留塔の周囲のスペースを狭くすることができ、真空箱を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等に積載して搬送することができるようになる。しかも、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けているため、導入路と成分ガス取出路等のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。
【０００７】
また、本発明において、上記精留塔に溜まる廃棄ガスを取り出して上記熱交換器に送る廃棄ガス導出路を備え、この廃棄ガス導出路が上記真空断熱配管内に収容され、上記熱交換器と精留塔に着脱自在に取り付けられている場合には、上記導入路，成分ガス取出路等のパイプ類とともに、廃棄ガス導出路のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【０００９】
図１は本発明の一実施の形態を示している。この実施の形態では、空気圧縮機１，ドレン分離器２，フロン冷却器３，２個１組の吸着塔４，熱交換器６，棚段式の精留塔８等は、図８に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。ただし、この実施の形態では、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃが真空断熱配管２２に収容されている。より詳しく説明すると、上記熱交換器６が第１真空箱２０に収容され、精留塔８が第２真空箱２１に収容されている。両真空箱２０，２１はそれぞれ、図２に示すように、ケーシング２０ａ，２１ａと脚部２０ｂ，２１ｂからなり、これら両脚２０ｂ，２１ｂの長さは、両真空箱２０，２１を半導体工場の敷地等に設置した場合に、熱交換器６および精留塔８が正規の組付け高さになるように設定されている。また、図３に示すように、熱交換器６および精留塔８の外周部には、それぞれ断熱用としてデキシターペーパー２３が５〜１０層巻回されている。図３において、２４は両真空箱２０，２１の（上下２分割タイプの）ケーシング２０ａ，２１ａに取り付けた支受部材である。この支受部材２４は円環状に形成されており、その外周部２４ａが上下２分割のケーシング２０ａ，２１ａの継ぎ目に取り付けられており、その内側の円筒部分２４ｂで熱交換器６もしくは精留塔８の外周面を固定，支受している。
【００１０】
また、導入パイプ７が熱交換器６側の第１連結用導入パイプ７ａと、精留塔８側の第２連結用導入パイプ７ｂと、これらを連結する中央導入パイプ７ｃとで構成され、製品窒素ガス取出パイプ９が熱交換器６側の第１連結用取出パイプ９ａと、精留塔８側の第２連結用取出パイプ９ｂと、これらを連結する中央取出パイプ９ｃとで構成され、廃棄ガス導出パイプ１６が熱交換器６側の第１連結用導出パイプ１６ａと、精留塔８側の第２連結用導出パイプ１６ｂと、これらを連結する中央導出パイプ１６ｃとで構成されている。そして、上記第１連結用導入パイプ７ａ，第１連結用取出パイプ９ａ，第１連結用導出パイプ１６ａの先端部がそれぞれ近接した位置で第１真空箱２０のケーシング２０ａの下面に気密状に取り付けられており、上記第２連結用導入パイプ７ｂ，第２連結用取出パイプ９ｂ，第２連結用導出パイプ１６ｂの先端部がそれぞれ近接した位置で第２真空箱２１のケーシング２１ａの下面に気密状に取り付けられている。また、上記中央導入パイプ７ｃ，中央取出パイプ９ｃ，中央導出パイプ１６ｃがＬ字状に折り曲げられた真空断熱配管２２に並列状に配設されており、各パイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃの両端部が真空断熱配管２２のケーシング２２ａの両端部の上面に気密状に取り付けられている。一方、第１真空室２０のケーシング２０ａの上面には、供給パイプ５，メインパイプ１０，第１放出パイプ１７の熱交換器６側の連結用パイプ５ａ，１０ａ，１７ａの先端部が気密状に取り付けられており、第２真空室２１のケーシング２１ａの上面，右側面には、導入パイプ１５，第２放出パイプ１８の精留塔８側の連結用パイプ１５ａ，１８ａおよび送給パイプ１４の両端の連結用パイプ１４ｂ，１４ｃの先端部が気密状に取り付けられている。
【００１１】
上記各パイプ５ａ，７ａ〜７ｃ，９ａ〜９ｃ，１０ａ，１４ｂ，１４ｃ，１５ａ，１６ａ〜１６ｃ，１７ａ，１８ａは真空二重管で構成されており、これら各パイプ５ａ，７ａ〜７ｃ，９ａ〜９ｃ，１０ａ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１６ａ〜１６ｃ，１７ａ，１８ａの各端部の連結はバイオネット継手により行われている。すなわち、図４〜図６に示すように、一方の真空二重管、例えば第１連結用導入パイプ７ａの閉塞端部を、外管３０を細径にすることによりおす形部３１にし、その細径外管３０の根元部から継手部３２を立ち上がらせるとともに、おす形部３１の外管３０の先端円周方向に段部３３を設け、その段部３３に断面コ字状のリング状弾性パッキン３４を、コ字状の開放部を下方に（図面では、右方に）向けて周設している。また、他方の真空二重管、例えば中央導入パイプ７ｃの閉塞端部を、内管３５を太径にすることによりめす形部３６にし、その太径内管３５の入口部から継手部３７を立ち上がらせるとともに、めす形部３６の内管３５の内奥角部を先すぼまり状のテーパー面３８にしている。そして、上記おす形部３１をめす形部３６内に嵌挿し、継手部３２，３７同士をＯリング３９を介して当接させるとともに、めす形部３６のテーパー面３８でリング状弾性パッキン３４のコ字状の上辺先端を押圧させ、おす形部３１の外管３０とめす形部３６の内管３５との間の隙間４０内を気密状態にし、その状態で継手部３２，３７を締付け具（図示せず）で締付け、両導入パイプ７ａ，７ｃを、継手部３２，３７における当接部の当接により軸方向に固定している。４１はリング状弾性パッキン３４の固定ねじ，４２は一方の真空二重管、例えば第１連結用導入パイプ７ａの内管、４３は他方の真空二重管、例えば中央連結用導入パイプ７ｃの外管である。このようなバイオネット継手では、おす形部３１の段部３３に周設したリング状弾性パッキン３４のコ字状の開口が輸送超低温流体の圧力で開き、コ字状の上辺先端がテーパー面３８に当接してシール状態を確保している。このため、上記バイオネット継手により、外部からの熱侵入を有効に遮断しながら両真空二重管を接合することができる。
【００１２】
上記のように、この実施の形態では、熱交換器６と精留塔８をそれぞれ別の真空箱２０，２１に収容し、パイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃを真空断熱配管２２に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、これら両真空箱２０，２１，真空断熱配管２２をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、大容量の高純度窒素ガス製造装置を積載することができるようになる。しかも、熱交換器６の外周部および精留塔８の外周部にデキシターペーパー２３を巻回することにより断熱しているため、両真空箱２０，２１を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等で搬送することができるようになる。
【００１３】
図７は本発明の他の実施の形態を示す空気分離装置の構成図である。図において、１は空気圧縮機、２はドレン分離器、３はフロン分離器、４は２個１組の吸着塔である。６は熱交換器であり、上記吸着塔４により水分および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、熱交換作用により超低温に冷却される。８は棚段式の精留塔であり、４５はその下部塔、４６はその上部塔である。上記下部塔４５は、熱交換器６により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１１として底部に溜め、窒素（微量のＨｅ等を含む）のみを気体状態で上部に保持するようになっている。上記上部塔４６は、内部に凝縮器１２ａが配設されている。この凝縮器１２ａに、下部塔４５の上部に溜まる窒素ガス（微量のＨｅガス等を含む）の一部がパイプ１３ａを介して送入され、Ｈｅガスより沸点の高い窒素ガスが液化し、パイプ１３ｂを経て下部塔４５の液体窒素溜め４５ａに送入され、沸点の低いＨｅガスは気体のまま第２放出パイプ１８から大気中に放出するようになっている。上記上部塔４６内は下部塔４５内よりも減圧状態になっており、下部塔４５の底部の貯留液体空気（Ｎ2 ：５０〜７０％，Ｏ2 ：３０〜５０％）１１が膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て中央部に送り込まれ、その低沸点成分である窒素分を気化させ、上部塔４６の底部には液体酸素４７を溜めるようになっている。４８は上部塔４６に溜まった窒素分（純度がそれほど高くない）を廃窒素ガスとして取り出す廃窒素ガス導出パイプで、上記廃窒素ガスを熱交換器６に案内しその冷熱により原料空気を超低温に冷却し、第１放出パイプ１７を介して大気中に放出する。４９は上部塔４６の底部に溜まる液体酸素４７の気化ガスを取り出す気体酸素取出パイプであり、液体酸素４７（純度９９．５％）の液面のやや上方から気体酸素を取り出して上記熱交換器６内に案内し、そこに送り込まれる圧縮空気と熱交換させて常温にし、製品酸素ガス取出用メインパイプ５０に送り込む作用をする。上記廃窒素ガス導出パイプ４８は、熱交換器６側の第１連結用導出パイプ４８ａと、精留塔８側の第２連結用導出パイプ４８ｂと、これらを連結する中央導出パイプ４８ｃとで構成され、気体酸素取出パイプ４９は、熱交換器６側の第１連結用取出パイプ４９ａと、精留塔８側の第２連結用取出パイプ４９ｂと、これらを連結する中央取出パイプ４９ｃとで構成されている。図において、５０ａは製品酸素ガス取出用メインパイプ５０の熱交換器６側の連結用パイプである。この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様に、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，４８ｃ，４９ｃが真空断熱配管２２に収容されている。それ以外の部分は、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００１４】
上記のように、この実施の形態でも、熱交換器６と精留塔８をそれぞれ別の真空箱２０，２１に収容し、パイプ７ｃ，９ｃ，４８ｃ，４９ｃを真空断熱配管２２に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、これら両真空箱２０，２１，真空断熱配管２２をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、大容量の高純度窒素ガス製造装置を積載することができるようになる。しかも、熱交換器６の外周部および精留塔８の外周部にデキシターペーパー２３を巻回することにより断熱しているため、両真空箱２０，２１を小さくすることができ、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等で搬送することができるようになる。
【００１５】
図８は本発明のさらに他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。図において、１は空気圧縮機、２はドレン分離器、３はフロン分離器、４は２個１組の吸着塔である。６は熱交換器であり、上記吸着塔４により水分および炭酸ガスが吸着除去された圧縮空気が送り込まれ、熱交換作用により超低温に冷却される。８は棚段式の精留塔であり、塔頂に分縮器５０を備えている。この分縮器５０は、その内部が上部仕切板５１ａと下部仕切板５１ｂとによって密封構造になっており、分縮器５０の頂部空間と精留塔８とは多数のパイプ５２により連通している。このような分縮器５０の内部に精留塔８の底部に溜まった液体空気を膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を介して溜め、精留塔８の上部の液体窒素溜め８ａに液体窒素貯槽（図示せず）の液体窒素を導入パイプ１５を介して送り込み、そこから流下させ冷却作用を発揮させるようにしている。また、この実施の形態では、製品窒素ガス取出パイプ９の精留塔８側の第２連結用取出パイプ９ｂが分縮器５０上方の天井壁から延び、廃棄ガス導出パイプ１６の精留塔８側の第２連結用導出パイプ１６ｂが分縮器５０の周壁上部から延びている。この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様に、熱交換器６，精留塔８がそれぞれ別々の真空箱２０，２１に収容されており、熱交換器６，精留塔８を連結するパイプ７ｃ，９ｃ，１６ｃが真空断熱配管２２に収容されている。それ以外の部分は、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。そして、この実施の形態でも、図１に示す高純度窒素ガス製造装置と同様の効果を奏する。
【００１６】
なお、上記の両実施の形態では、精留塔８が１つの塔で構成されているが、精留塔８が上部精留塔と下部精留塔の２つの塔で構成されていてもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の空気分離装置によれば、これを構成する熱交換器と精留塔をそれぞれ別の真空箱に収容しているため、トレーラー等に積載する場合に、熱交換器を収容した第１の真空箱と精留塔を収容した第２の真空箱とに分解して積載することができる。したがって、両真空箱をトレーラー等の積載面に効率よく配置することで、余分に積載スペースを生み出すことができ、従来使用していた（熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を収容した）真空保冷箱１９であると、その外径が略４ｍ以上になってトレーラー等に積載できない大容量のものでも、本発明では、トレーラー等に積載することができる。しかも、熱交換器の外周部および精留塔の外周部にデキシターペーパーを巻回することにより断熱しているため、従来使用していた断熱用のパーライトを真空箱に充填する必要がなくなり、その分熱交換器，精留塔の周囲のスペースを狭くすることができ、真空箱を小さくすることができる。これにより、３００００ＮＭ3 ／Ｈｒ程度の窒素ガス発生量を有する大容量の高純度窒素ガス製造装置でもトレーラー等に積載して搬送することができるようになる。しかも、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けているため、導入路と成分ガス取出路等のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができるようになる。なお、本発明において、上記精留塔に溜まる廃棄ガスを取り出して上記熱交換器に送る廃棄ガス導出路を備え、この廃棄ガス導出路が上記真空断熱配管内に収容され、上記熱交換器と精留塔に着脱自在に取り付けられている場合には、上記導入路，成分ガス取出路等のパイプ類とともに、廃棄ガス導出路のパイプ類もトレーラー等にコンパクトに積載することができ、さらに大容量の空気分離装置を搬送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図２】両真空箱と真空断熱配管を示す説明図である。
【図３】熱交換器および精留塔の取付け状態を示す要部の断面図である。
【図４】バイオネット継手の説明図である。
【図５】上記バイオネット継手の説明図である。
【図６】上記バイオネット継手の説明図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図９】従来例を示す高純度窒素ガス製造装置の構成図である。
【図１０】真空保冷箱の説明図である。
【符号の説明】
１ 空気圧縮機
４ 吸着塔
６ 熱交換器
８ 精留塔
２０，２１ 真空箱
Claims (2)
- 外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温により冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を各成分の沸点差を利用し分離する精留塔と、上記熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気を精留塔に導入する導入路と、上記精留塔内に分離保持された成分ガスを取り出して上記熱交換器に案内しその内部を通る圧縮空気と熱交換させることにより温度上昇させる成分ガス取出路とを備え、上記熱交換器を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第１の真空箱に収容するとともに、上記精留塔を、その外周部にデキシターペーパーを巻回した状態で、第２の真空箱に収容し、上記導入路および成分ガス取出路の双方を、上記第１および第２の真空箱に着脱自在に取り付けた１つの真空断熱配管内に収容して上記熱交換器および精留塔に着脱自在に取り付けたことを特徴とする空気分離装置。
- 上記精留塔に溜まる廃棄ガスを取り出して上記熱交換器に送る廃棄ガス導出路を備え、この廃棄ガス導出路が上記真空断熱配管内に収容され、上記熱交換器と精留塔に着脱自在に取り付けられている請求項１記載の空気分離装置。
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-
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