JP3708917B2 - ガスイオン化分離純化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノからマイクロメートルの微細加工を行うプロセスで利用される極めて高純度のガスを精製するガス純化装置として、あるいは、空気中の微量の不純物を取り除くための空気清浄装置として利用するのが好適なガスイオン化分離純化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高純度水素ガスを精製する方法として、パラジウム合金などの膜透過式精製法がある。膜透過式精製法では極めて高純度のガスが得られるが、精製された高純度ガスを多く得るためには、高温下において膜前後の圧力差を大きくする必要があるため、多くのエネルギーが必要となる。
【０００３】
多くの種類のガスに適用できるガスの精製方法として触媒および吸着材で吸着除去する吸着式精製法がある。吸着式精製法では常温で吸着除去でき、不純物を吸着した触媒および吸着剤は加熱等の処理により不純物を脱離し、吸着能力を再生できるという利点があるが、非常に低濃度のガスを精製する場合では吸着平衡時の吸着容量が小さいために、すぐに再生を必要とするとともに、ガスを連続的に精製するためには、二系列以上の精製筒を準備し、精製・再生を交互に切り替える必要がある。
【０００４】
アルゴンやヘリウムなどの希ガスや水素ガスなどの純化方法としてゲッター式精製方法がある。ゲッター式精製法では高温下でゲッター材と不純物を反応する必要があり、多大なエネルギーが必要であるとともに、一度不純物と反応したゲッター材は再生ができないため使い捨てになるという欠点を持つ。
【０００５】
一方、本出願人は、特開２００１−７０７４３において、低エネルギーで連続的に純化する方法として、正イオンと負イオンの電界による分離を利用する方法を提案した。この装置は、二分岐流れを形成するチャンバーの両側に平行平板電極を備え、電極にガス出口を持つ構造の分離装置で、流れの分岐部とイオンの分離部を一致させることにより、イオン化した不純物が電界により最小限の距離で分離されるということと、一度移動したイオン化した不純物は中和しても流れに従って取り出すことができるため、より高純度のガスを精製するような場合に優れる。しかし平行平板電極に出口を設けた構造では、チャンバーの側壁と平行平板電極との接合部付近に流れのよどみ部分ができるため、流速が大きい場合に導入されたガスがスムーズに排出されず、流量によって分離効果に差がでる。また分離には不純物が効果的にイオン化するまでの滞留時間を確保する必要があるが、分離チャンバーに導入されたガスの大部分は、出口に向かって最短に近い流線をとるため、チャンバーの径を大きく確保しても滞留時間をうまく確保することができない。また分離流量は等量に分割する必要があるため、出口に流量計とバルブを設置し等量に調節しなければならない。しかし入口やそれぞれの出口に流量計を設置できない場合もあり、そのような場合には流量を調節できないという問題がある。
【０００６】
また二分岐で分離を行う場合、印加する分離電圧には，ガスの流速とイオンの電気移動度やイオンの生成速度、消失速度で決まる最適値を持つ。ここでイオンの電気移動度やイオンの生成消失速度は、ガスの圧力や温度などにより容易に変動するため，圧力や温度の状態により分離効率が左右されるという欠点を持つ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、流路内でイオン生成と分離を行って清浄な空気や分離されたガスを取り出すガスイオン化分離純化装置であって、流路内に導入した気体の滞留時間を確保することにより、流路内でイオンを効果的に生成させるとともに、流路内全体を利用したよどみがない流れを形成することにより、不純物を効果的にイオン化し分離を促進させること、あるいは、流路内から流出する清浄な空気や分離されたガスの流量を測定することなく両者の流量を調整する手段を設けることにより、低エネルギーかつ高効率なガスイオン化分離純化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに，流路の圧力測定手段および／または温度測定手段を付加することにより、最適な分離電圧を印加できる、あるいは、分離に最適な圧力および／または温度に気体状態を調節できるガスイオン化分離純化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のガスイオン化分離純化装置は、筒状流路の側面部に設けられるガスの流入部と、前記筒状流路の両端部に対向するように設けられ、それぞれ中央部にガスの流出部が設けられると共に内面に内周面から前記ガスの流出部に至る傾斜部を含む中空部が設けられる分離電極と、前記分離電極に筒状流路を遮断するようにして設けられるフィルタ及び多孔質電極と、前記流入部を介して前記筒状流路の周方向から筒状流路の内周面に沿って気体を流入させ、筒状流路内で旋回流れを形成させることにより、流入気体を筒状流路内に所定時間以上滞留させる気流調整手段と、前記筒状流路内の気体をイオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段により気体をイオン化し、分離電極により電離状態の気体に電界をかけて陽イオンと陰イオンに分離することで気体に含まれるガス分子成分を分離し、清浄な気体を一方のガスの流出部から取り出すとともに分離されたガスを他方のガスの流出部から取り出すことを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流出部の気流抵抗部材は着脱可能に設けられることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、イオン化手段として複数のイオン源を同時に利用することを特徴とするものである。
【００１７】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、第１の流出部および第２の流出部は流出する気体の圧力を測定する圧力測定部をさらに備え、第１の流出部および第２の流出部において測定された気体の圧力差に基づいて、各流出部から取り出す気体の流量を変更可能に調整することを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、電界をかける電極の極性を切り替える手段および／または電極の電界強度を変化させる手段を有することを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、ガスイオン化分離純化装置を並列や直列、または直並列に多数利用することを特徴とするものである。
【００２０】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、測定された気体状態に対応する最適な分離電圧を印加することを特徴とするものである。
【００２１】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、印加された分離電圧に対応する最適な圧力および／または温度に気体状態を調節することを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態例に係り、イオンの生成と電界によるイオンの分離を同時に行い、電界を印加する電極がガス流出部を兼ねた二分岐流ガスイオン化分離純化装置である。図中、１１はガスの流入部、１２，１３はガスの流出部、１４は内部が流路になった分離チャンバー、１５は流路内のガスをイオン化するイオナイザー、１６，１７は分離可能な構造を有する分離電極、１８は多孔質部材で形成された多孔質電極、１９はガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）を示す。このうち、流入部１１、イオナイザー１５、分離電極１６，１７および多孔質電極１８はＳＵＳ等の金属製であり、分離チャンバー１４は流入部１１およびイオナイザー１５との接続部を含む環帯状の部分がＳＵＳ等の金属で、それ以外の部分が石英ガラス等の絶縁体でできている。
【００２４】
前記分離チャンバー１４は内径４０ｍｍの円筒流路を有する円筒状に形成され、軸方向をほぼ水平にして設置される。分離チャンバー１４の左右の両端開口部にはそれぞれ対応して分離電極１６，１７が開口部を塞ぐようにほぼ平行に設置される。分離電極１６の中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる第１の流出部１２が設けられ、分離電極１７の中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる第２の流出部１３が設けられる。分離チャンバー１４の外周面中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる流入部１１が分離チャンバー１４内面の周方向に気体を流入して旋回流れを生じるようにして設けられる。分離チャンバー１４内部の各分離電極１６，１７の内側にはガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９，１９が円筒流路を遮断するようにして設けられる。分離チャンバー１４内部の各ガラス繊維フィルタ１９，１９の内側には多孔質電極１８，１８が円筒流路を遮断するようにして設けられ、多孔質電極１８，１８は５０ｍｍ間隔で対向してほぼ平行に設けられる。分離チャンバー１４内部の多孔質電極１８，１８間にはイオナイザー１５が設置される。分離電極１６，１７には直流電源２５が電極１６を陽極、電極１７を陰極にして接続される。
【００２５】
この装置において、流入部１１から流出部１２，１３に至る気体の流れは次のように特徴付けられる。すなわち、分離チャンバー１４内に導入されるガスが、円筒流路内面に沿って接線（周）方向から流入する。また、各ガス流出部１２（１３）は、同一極性に荷電された２種類の電極（分離電極１６（１７）および多孔質電極１８（１８））と１つのガス流出部１２（１３）を持ち、さらに中空状の分離電極１６（１７）の内部空間に多孔質電極１８（１８）および圧力損失の高いガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９（１９）が直列に設けられる構造となっており、流路内に導入されたガスはこの多孔質電極１８（１８）、ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９（１９）を順に通過した後にガス流出部１２（１３）に至る。このようにして、内径４０ｍｍの円筒形チャンバー１４の側面中央部から流路内に導入された不純物を含むガスは対向する２つの流出部１２，１３に向かって二分岐され、それぞれの出口から装置外に排出される。
【００２６】
導入されたガスは分離チャンバー１４に固定されたイオナイザー１５からの軟X線によりイオン化される。ここで大部分の不純物成分はイオン−分子反応により陽イオンに荷電される。また、導入されたガスは円筒形の分離チャンバー１４の流路内面に沿って接線（周）方向から流入し、流線が流路内部で旋回流れを形成するように調整される。この旋回流れにより、ガスが流入部１１から流出部１２，１３に向かって最短距離で移動することがなくなり、ガスが流路内に滞留する時間を長く確保することが可能になる。すなわち、ガスに対する軟X線照射時間が長くなり、不純物を十分にイオン化することができる。２つの流出部１２，１３にそれぞれ設けられた電極（分離電極１６，１７および多孔質電極１８，１８）は、一方の流出部１２を陽極側、もう一方の流出部１３を陰極側にする直流電圧が印加できるようになっており、流路内に電界を形成することを可能にしている。この電界により陽イオンにイオン化した不純物は陰極側の流出部１３に移動し、陽極側の流出部１２からは不純物が取り除かれた高純度ガスを取り出すことができる。
【００２７】
図２は、図１の断面図である。軟Ｘ線管２０をＳＵＳ等の金属で覆い接地されたイオナイザー１５は、例えば分離チャンバー１４の側面部に外側からねじ固定２１され、図示しない軟Ｘ線制御装置からの制御信号に基づいて軟Ｘ線が分離チャンバー１４の流路内に向けて照射される。２２はフッ素樹脂等の絶縁体である。分離チャンバー１４の内部に導入されるガスの流線が円筒流路内部で旋回流れ１０を形成するように、ガスの流入部１１は円筒形状の分離チャンバー１４の流路内面に沿って接線方向からガスが流入するように工夫してある。この旋回流れにより分離チャンバー１４内に導入されたガスは、円筒流路の内面に沿って流れながら、十分な量の軟Ｘ線の照射を受けることができる。
【００２８】
図３は、図1の分離装置で高純度窒素ガス中の微量酸素を分離した実験結果の一例を示す特性図である。横軸に電界強度、縦軸に入口からの流入酸素分子数に対する分離された酸素分子数を分離効率として表している。入口流量1L/minで入口濃度7ppb, 28ppb, 43ppbの酸素を分離した結果である。酸素の分離効率は低濃度ほど分離効率が大きく，7ppbの酸素で2kV/mの電界強度の時に最大60％の分離効率が得られている。不純物分子が優先的にイオン化するためにはイオン化エネルギーがキャリアガス分子よりも小さいことや、またはプロトン親和力がキャリアガス分子よりも大きいことなどが要求される。図４に窒素、酸素とトルエンのイオン化ポテンシャルとプロトン親和力を示す。窒素と酸素は、酸素のほうがイオン化ポテンシャルは小さく荷電されやすいが、トルエンなどの有機物に比べるとプロトン親和力の差が小さいため、分離効果が低い。しかしながら、図１の分離装置を用いることで酸素分子でも分離できるのがわかる。
【００２９】
図５に流出部に設けられる分離電極の構造を示す。分離電極１６（１７）は金属製の中空状の電極Ａ，Ｂよりなり、この電極Ａと電極ＢによりＯリング２４を介してガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を挟みこみ、ねじ２３で固定する構造となっている。そして、この分離電極１６（１７）は円筒形の分離チャンバー１４にＯリング２４′等の固定部材を介して接続される。ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９はＨＥＰＡフィルタのようなマイクログラスファイバーでよく、流路全体に均一に分散した流体抵抗をもつ材質であれば何でもよい。電極Ａと電極Ｂで挟みこむことの利点は、ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９は微細な構造であるため汚染物質などが沈着しやすいが、電極Ａと電極Ｂを分解可能な構造とすることにより容易に交換できることにある。電極Ａの前面（上流側端部）には金属製の多孔質電極１８が取り付けられ、電極Ａの外面に直流電圧（ＤＣ）の電源２５を配線することで、多孔質電極１８も同時に荷電できるようになっている。多孔質電極１８のみを使用する場合では、円筒形の分離チャンバー１４の外部から内部の多孔質電極１８に配線することになるため、分離チャンバー１４に穴をあけて配線を通す必要があるが、多孔質電極１８および電極Ａを金属で一体成形あるいは一体となるように取り付けることにより、電極Ａに外部から配線を結線するだけで多孔質電極１８に電圧を印加することができる。多孔質電極１８は目の細かい金網のようなもので十分であり、分離チャンバー１４内で平行に電界を形成でき、一様にガスを排出できる構造のものであれば、その形状や材質は問わない。
【００３０】
なお，本装置の絶縁体は石英ガラスに限るものではなく，セラミックやPTFEなどの材質でもかまわない。さらに絶縁体と電極またはイオナイザーの接続は、Ｏリングを介するものに限定するものではなく、銀メッキを施したニッケル等の金属材のシールやシリコンゴムなどの板状のものでもかまわない。
【００３１】
図６は本発明の他の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置を示す断面図である。イオン源として、前述の軟Ｘ線を照射するイオナイザーに代わって、円筒流路内面に固定された放射性同位体２４１Ａｍを用いている。図中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。円筒状のチャンバー１４の外周面中央上部には円筒状のガス流入部２６がチャンバー１４の内部を外部に開口して設けられる。前記チャンバー１４内部の中央底部には例えば放射性同位体２４１Ａｍなどの放射線源２７がガス流入部２６に対向してエポキシ樹脂２８で固定される。本実施形態例において前述の旋回流れを利用しない場合は、流量が大きいときにイオン化できる不純物量に限界があるが、流出部１２，１３の分離電極１６，１７の内部空間に設けたガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を用いて分岐流を整流することにより、安定した不純物の分離を行うことができる。また電極１６，１７に印加する電圧の極性は連動する切り替えスイッチ２９，３０により直流電源３１，３２を変更することにより切り替え可能である。これによりどちらの流出部１２，１３からでも任意に清浄な空気や分離されたガスを取り出すことができる。なお、イオン源として放射性同位体２４１Ａｍおよび軟Ｘ線を併用するようにすれば、流路内のイオン生成量をさらに増加させることができる。また、この他に、放射線や放電など、イオン生成が可能なものであれば、本装置のイオン源として単体利用もしくは併用することができる。
【００３２】
図７は図６のガスイオン化分離純化装置で有機物のトルエンを分離した結果の一例を示す特性図である。縦軸は、入口からの流入トルエン数に対する分離されたトルエン数を分離効率として表しており、横軸は、各分離電圧を表している。体積濃度で90ppb,190ppb,230ppbのトルエンの分離を行った。印加する電圧の上昇に伴いトルエンの分離効率は上昇し、600V以上の電圧で若干分離効率が減少する結果となった。濃度が低いほど分離効率が上昇し、90ppbのトルエンを78％分離できているのがわかる。
【００３３】
図８は、特開2001-070743の円筒型チャンバーで二分岐流れを利用したガス分離装置で出口部材の電極に平板電極を用いた方法と、図６のガスイオン化分離純化装置の方法との分離効果を比較した実験結果である。ガス流入部に導入する試料には、キャリアガス窒素中で体積濃度０．２３ｐｐｍのトルエンを使用した。図８において、縦軸は、入口からの流入トルエン数に対する分離されたトルエン数を分離効率として表しており、横軸は、各分離電圧を表している。従来の平板電極を用いた方法では、流量が２Ｌ／ｍｉｎの場合、いずれの電圧でもほとんど分離されないのがわかる。これは平板電極ではチャンバー内の流れによどみ部分ができるため、流量が大きくなると流れの乱れの影響が顕著になり、トルエンを効果的に分離できないためである。しかし図６の流出部１２，１３に電極として分離電極１６，１７および多孔質電極１８，１８を用い、さらにガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を設けた場合、分離電圧とともにトルエンの分離がおこり６００Ｖで０．２３ｐｐｍのトルエンを最大２４％分離することができた。このことから分離電極１６，１７を図５のような構造に改良することで、いずれの分離電圧でも分離効率が上昇することがわかる。
【００３４】
なお、本実施形態例では、分離チャンバー１４内全体がガス流路として有効に機能していると仮定して、流路容積が６２．８ｍＬ（流路内径＝４０ｍｍ、流路長さ＝５０ｍｍ）、流入するガス流量が２Ｌ／ｍｉｎであり、本装置の流入ガスの平均滞留時間は１．８ｓｅｃとなる。この条件下で、流路内部に導入されるガスの流線が流路内部で旋回流れを形成するように調整すれば、流入ガスの平均滞留時間はさらに長くなり、より大きな分離効率を得ることができる。
【００３５】
図９に、両流出部のガスの圧力差を微差圧計で検出することにより出口流量を調整するガスイオン化分離純化装置を示す。図中、図６と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。陽極から出てくる清浄ガスを利用する場合に、本装置の出口流量を簡易に調整するために、両流出部１２，１３の電極１６，１７に細孔３３をガス配管（内径６ｍｍ）３４に達するまで穴（直径０．６ｍｍ）をあけ、両方の出口ガスの圧力差を微差圧計３５で測定し、微差圧が０になるように流出部１３に設けた流量調整バルブ３６を開閉する。こうすることで流入部１１とそれぞれの流出部１２，１３の流量を流量計で測定しなくてもガスイオン化分離純化装置の流量を所定の流量に制御することができ、装置コストの低減や制御の安定化に寄与する。なお、差圧測定の細孔３３はガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９の上流側または下流側のどちらに設置してもよいが、必ず左右対称の位置に開口する必要がある。そうでない場合はあらかじめ流量と圧力の値を校正して使用する必要がある。
【００３６】
図１０は両出口のガス配管（内径６ｍｍ）３４に垂直に直径0.6mmの細孔３３をとり、それぞれの出口のガス配管３４での静圧差と流量比の関係を調べた結果で、横軸に入口２６の流量Ｃｉｎに対する一方の出口１２の流量Ｃｏｕｔ１の比を、縦軸に静圧差ΔＰを測定した結果である。図１０から両者の静圧差ΔＰで出口流量の差を求めることができるのがわかる。この結果は静圧差を測定したものであるが、動圧差や全圧差を測定してもかまわない。
【００３７】
図１１は本発明の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置を多数利用した例で、並列に１段と直列に１段利用したものである。本装置を並列に配置することにより、一台では補えない大流量の流入ガスを処理することができる。また本装置を直列に配置することで、一台では達成できない高純度のガスまたは高清浄度の空気まで精製することができる。
【００３８】
図１２は、本発明の実施形態例に係る気体の圧力を測定する圧力測定部と気体の温度を測定する温度測定部を備えたガスイオン化分離純化装置を示す。図中、図６と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。流出部１２，１３の電極１６，１７に細孔３３をガス配管（内径６mm）３４に達するまで穴（直径0.6mm）をあけ、流体の圧力を圧力計３７で、温度を温度計３８で測定する。流出部１３には流量調整バルブ３９が設けられる。分離電圧を印加する回路には電圧調整手段として直流電源４０と直列に可変抵抗器４１が取り付けてある。装置を接続する配管システムの圧力抵抗により、装置内部の流体の圧力が上昇した場合や流れるガスの温度が低下した場合などは、可変抵抗器４１を調節し、より大きな分離電圧を印加することにより、分離効率の低下を防ぐことができる。なお、圧力計３７や温度計３８を取り付ける細孔３３の位置は装置流路のいずれの場所でもよく、装置内の圧力や温度が計り知れるのであれば、装置の外の流路に別途設けても良い。さらに同じ細孔３３を共有して圧力計と温度計を同じ場所に設置してもよい。
【００３９】
図１３は二分岐流れ場で不純物分子をイオン化し静電分離した場合の分離効率を、不純物分子と不純物イオンに対して移流拡散方程式を解くことにより計算した結果の一例を示す特性図である。トルエンイオンの生成はトルエン分子数に、トルエンイオンの消失はトルエンイオン数に比例する一次反応として定義し計算を行った。ここで、Zは不純物イオンの電気移動度、uはガスの流速、αは不純物イオンの消失速度定数、βは不純物イオンの生成速度定数である。このように不純物イオンの電気移動度が変化することで，最も不純物が分離される最適電圧が変化することがわかる。電気移動度や速度定数などのパラメータは、温度や圧力、ガスの種類によって変化するため、このような場合に圧力計３７や温度計３８を用いて計測された気体の圧力や温度に対応する最適分離電圧を求め、電圧調節手段により印加電圧を調節することにより常に最適な分離を実施することができるのがわかる。
【００４０】
なお、電圧を調節する代わりに、温度や圧力をそれぞれ例えば入口２６に設けられる温度調節手段や圧力調節手段（図示せず）により制御しても良いし、電圧・温度・圧力を併せて調節しても良い。
【００４１】
以上、実施形態例に基づき説明したが、本発明は前記実施形態例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、分離チャンバー内の流路は円筒形に限定されず、流入したガスが内部で旋回流れを形成するように筒状に成形されていれば、十分な長さのガス滞留時間が確保でき、流路内で効果的にイオンを生成することが可能となる。また、流路内でガスを所定時間以上滞留させる手段は、前述の旋回流れを形成させる方法に限定されず、邪魔板やガイド部材等の気流調整手段を流路内に配置して、流入ガスを流路内で蛇行させる方法を採用しても良い。このとき、流入部の構造は、必ずしも流路内面に沿って接線方向からガスを導入することを要しない。また、電界を形成する直流電源は、正電圧を印加する方式、負電圧を印加する方式、正および負電圧を印加する方式等、所定の電圧を印加できるものであれば何でも良く、その方式は問わない。さらに、電圧や温度や圧力の制御は手動でも良いし、自動で行っても良い。不純物の成分によっては、負イオンに荷電されるものもあるが、そのような成分が大多数を占める場合は、不純物を陽極に分離しても良い。
【００４２】
以上のように、分離チャンバーの中央から導入されたガスをそれぞれ反対方向に二分岐し、それぞれの出口を多孔の分離電極で形成して、チャンバーを挟みこむことで、流れのよどみ部を無くすとともに、多孔部材（多孔質電極）の背後に高圧力損失部材（ＨＥＰＡフィルタ）を置くことで、分離チャンバー内に入ってきたガスがチャンバー全体に添って流れるように整流する。さらに、チャンバーに導入されたガスの滞留時間を確保するためにチャンバー内で旋回流れを形成することで、不純物がイオン化し分離されるのに必要な滞留時間を確保できる。以上のことにより高効率で低エネルギーなガス分離除去装置を提供できる。
【００４３】
またそれぞれの出口においてガスの静圧から差圧を測定することにより、出口流量を測定しなくても差圧を調整することで流量を調整することができるとともに、清浄ガスを取り出す出口は電極の極性を切り替えることで、どちらからでも可能である。また本発明の分離装置を多数利用することで、一台では補えない大流量や、一台では達成できない高純度のガスまで精製することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、流路内でイオン生成と分離を行って清浄な空気や分離されたガスを取り出すガスイオン化分離純化装置であって、流路内に導入した気体の滞留時間を確保することにより、流路内でイオンを効果的に生成させるとともに、流路内全体を利用したよどみがない流れを形成することにより、不純物を効果的にイオン化し分離を促進させること、あるいは、流路内から流出する清浄な空気や分離されたガスの流量を測定することなく両者の流量を調整する手段を設けることにより、低エネルギーかつ高効率なガスイオン化分離純化装置を提供することが出来る。
【００４５】
さらには，流路に圧力計や温度計を取り付て測定することにより変動する分離効率を，電圧を調整することにより，常に最適な分離効率を得られるように調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の一実施形態例に係るイオナイザーを示す断面図である。
【図３】図1の分離装置で高純度窒素ガス中の微量酸素を分離した実験結果の一例を示す特性図である。
【図４】窒素、酸素とトルエンのイオン化ポテンシャルとプロトン親和力を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態例に係る分離電極を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態例を示す断面図である。
【図７】図６のガスイオン化分離純化装置で有機物のトルエンを分離した結果の一例を示す特性図である。
【図８】本発明の実施形態例に係る分離効率を示す特性図である。
【図９】本発明の実施形態例に係る流量調整用微差圧検出方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態例に係る両出口の流量と圧力差の関係を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置の配列利用例を示す構成説明図である。
【図１２】本発明の実施形態例に係る気体の圧力を測定する圧力測定部を備えたガスイオン化分離純化装置を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態例に係る二分岐流れ場で不純物分子をイオン化し静電分離した場合の分離効率を、不純物分子と不純物イオンに対して移流拡散方程式を解くことにより計算した結果の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１１ ガスの流入部
１２ ガスの流出部
１３ ガスの流出部
１４ 分離チャンバー
１５ イオナイザー
１６ 分離電極
１７ 分離電極
１８ 多孔質電極
１９ ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノからマイクロメートルの微細加工を行うプロセスで利用される極めて高純度のガスを精製するガス純化装置として、あるいは、空気中の微量の不純物を取り除くための空気清浄装置として利用するのが好適なガスイオン化分離純化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高純度水素ガスを精製する方法として、パラジウム合金などの膜透過式精製法がある。膜透過式精製法では極めて高純度のガスが得られるが、精製された高純度ガスを多く得るためには、高温下において膜前後の圧力差を大きくする必要があるため、多くのエネルギーが必要となる。
【０００３】
多くの種類のガスに適用できるガスの精製方法として触媒および吸着材で吸着除去する吸着式精製法がある。吸着式精製法では常温で吸着除去でき、不純物を吸着した触媒および吸着剤は加熱等の処理により不純物を脱離し、吸着能力を再生できるという利点があるが、非常に低濃度のガスを精製する場合では吸着平衡時の吸着容量が小さいために、すぐに再生を必要とするとともに、ガスを連続的に精製するためには、二系列以上の精製筒を準備し、精製・再生を交互に切り替える必要がある。
【０００４】
アルゴンやヘリウムなどの希ガスや水素ガスなどの純化方法としてゲッター式精製方法がある。ゲッター式精製法では高温下でゲッター材と不純物を反応する必要があり、多大なエネルギーが必要であるとともに、一度不純物と反応したゲッター材は再生ができないため使い捨てになるという欠点を持つ。
【０００５】
一方、本出願人は、特開２００１−７０７４３において、低エネルギーで連続的に純化する方法として、正イオンと負イオンの電界による分離を利用する方法を提案した。この装置は、二分岐流れを形成するチャンバーの両側に平行平板電極を備え、電極にガス出口を持つ構造の分離装置で、流れの分岐部とイオンの分離部を一致させることにより、イオン化した不純物が電界により最小限の距離で分離されるということと、一度移動したイオン化した不純物は中和しても流れに従って取り出すことができるため、より高純度のガスを精製するような場合に優れる。しかし平行平板電極に出口を設けた構造では、チャンバーの側壁と平行平板電極との接合部付近に流れのよどみ部分ができるため、流速が大きい場合に導入されたガスがスムーズに排出されず、流量によって分離効果に差がでる。また分離には不純物が効果的にイオン化するまでの滞留時間を確保する必要があるが、分離チャンバーに導入されたガスの大部分は、出口に向かって最短に近い流線をとるため、チャンバーの径を大きく確保しても滞留時間をうまく確保することができない。また分離流量は等量に分割する必要があるため、出口に流量計とバルブを設置し等量に調節しなければならない。しかし入口やそれぞれの出口に流量計を設置できない場合もあり、そのような場合には流量を調節できないという問題がある。
【０００６】
また二分岐で分離を行う場合、印加する分離電圧には，ガスの流速とイオンの電気移動度やイオンの生成速度、消失速度で決まる最適値を持つ。ここでイオンの電気移動度やイオンの生成消失速度は、ガスの圧力や温度などにより容易に変動するため，圧力や温度の状態により分離効率が左右されるという欠点を持つ。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、流路内でイオン生成と分離を行って清浄な空気や分離されたガスを取り出すガスイオン化分離純化装置であって、流路内に導入した気体の滞留時間を確保することにより、流路内でイオンを効果的に生成させるとともに、流路内全体を利用したよどみがない流れを形成することにより、不純物を効果的にイオン化し分離を促進させること、あるいは、流路内から流出する清浄な空気や分離されたガスの流量を測定することなく両者の流量を調整する手段を設けることにより、低エネルギーかつ高効率なガスイオン化分離純化装置を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに，流路の圧力測定手段および／または温度測定手段を付加することにより、最適な分離電圧を印加できる、あるいは、分離に最適な圧力および／または温度に気体状態を調節できるガスイオン化分離純化装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のガスイオン化分離純化装置は、筒状流路の側面部に設けられるガスの流入部と、前記筒状流路の両端部に対向するように設けられ、それぞれ中央部にガスの流出部が設けられると共に内面に内周面から前記ガスの流出部に至る傾斜部を含む中空部が設けられる分離電極と、前記分離電極に筒状流路を遮断するようにして設けられるフィルタ及び多孔質電極と、前記流入部を介して前記筒状流路の周方向から筒状流路の内周面に沿って気体を流入させ、筒状流路内で旋回流れを形成させることにより、流入気体を筒状流路内に所定時間以上滞留させる気流調整手段と、前記筒状流路内の気体をイオン化するイオン化手段と、前記イオン化手段により気体をイオン化し、分離電極により電離状態の気体に電界をかけて陽イオンと陰イオンに分離することで気体に含まれるガス分子成分を分離し、清浄な気体を一方のガスの流出部から取り出すとともに分離されたガスを他方のガスの流出部から取り出すことを特徴とするものである。
【００１３】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流出部の気流抵抗部材は着脱可能に設けられることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、イオン化手段として複数のイオン源を同時に利用することを特徴とするものである。
【００１７】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、第１の流出部および第２の流出部は流出する気体の圧力を測定する圧力測定部をさらに備え、第１の流出部および第２の流出部において測定された気体の圧力差に基づいて、各流出部から取り出す気体の流量を変更可能に調整することを特徴とするものである。
【００１８】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、電界をかける電極の極性を切り替える手段および／または電極の電界強度を変化させる手段を有することを特徴とするものである。
【００１９】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、ガスイオン化分離純化装置を並列や直列、または直並列に多数利用することを特徴とするものである。
【００２０】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、測定された気体状態に対応する最適な分離電圧を印加することを特徴とするものである。
【００２１】
また本発明は、前記ガスイオン化分離純化装置において、流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、印加された分離電圧に対応する最適な圧力および／または温度に気体状態を調節することを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態例に係り、イオンの生成と電界によるイオンの分離を同時に行い、電界を印加する電極がガス流出部を兼ねた二分岐流ガスイオン化分離純化装置である。図中、１１はガスの流入部、１２，１３はガスの流出部、１４は内部が流路になった分離チャンバー、１５は流路内のガスをイオン化するイオナイザー、１６，１７は分離可能な構造を有する分離電極、１８は多孔質部材で形成された多孔質電極、１９はガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）を示す。このうち、流入部１１、イオナイザー１５、分離電極１６，１７および多孔質電極１８はＳＵＳ等の金属製であり、分離チャンバー１４は流入部１１およびイオナイザー１５との接続部を含む環帯状の部分がＳＵＳ等の金属で、それ以外の部分が石英ガラス等の絶縁体でできている。
【００２４】
前記分離チャンバー１４は内径４０ｍｍの円筒流路を有する円筒状に形成され、軸方向をほぼ水平にして設置される。分離チャンバー１４の左右の両端開口部にはそれぞれ対応して分離電極１６，１７が開口部を塞ぐようにほぼ平行に設置される。分離電極１６の中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる第１の流出部１２が設けられ、分離電極１７の中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる第２の流出部１３が設けられる。分離チャンバー１４の外周面中央部には内径６．２ｍｍの円筒状よりなる流入部１１が分離チャンバー１４内面の周方向に気体を流入して旋回流れを生じるようにして設けられる。分離チャンバー１４内部の各分離電極１６，１７の内側にはガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９，１９が円筒流路を遮断するようにして設けられる。分離チャンバー１４内部の各ガラス繊維フィルタ１９，１９の内側には多孔質電極１８，１８が円筒流路を遮断するようにして設けられ、多孔質電極１８，１８は５０ｍｍ間隔で対向してほぼ平行に設けられる。分離チャンバー１４内部の多孔質電極１８，１８間にはイオナイザー１５が設置される。分離電極１６，１７には直流電源２５が電極１６を陽極、電極１７を陰極にして接続される。
【００２５】
この装置において、流入部１１から流出部１２，１３に至る気体の流れは次のように特徴付けられる。すなわち、分離チャンバー１４内に導入されるガスが、円筒流路内面に沿って接線（周）方向から流入する。また、各ガス流出部１２（１３）は、同一極性に荷電された２種類の電極（分離電極１６（１７）および多孔質電極１８（１８））と１つのガス流出部１２（１３）を持ち、さらに中空状の分離電極１６（１７）の内部空間に多孔質電極１８（１８）および圧力損失の高いガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９（１９）が直列に設けられる構造となっており、流路内に導入されたガスはこの多孔質電極１８（１８）、ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９（１９）を順に通過した後にガス流出部１２（１３）に至る。このようにして、内径４０ｍｍの円筒形チャンバー１４の側面中央部から流路内に導入された不純物を含むガスは対向する２つの流出部１２，１３に向かって二分岐され、それぞれの出口から装置外に排出される。
【００２６】
導入されたガスは分離チャンバー１４に固定されたイオナイザー１５からの軟X線によりイオン化される。ここで大部分の不純物成分はイオン−分子反応により陽イオンに荷電される。また、導入されたガスは円筒形の分離チャンバー１４の流路内面に沿って接線（周）方向から流入し、流線が流路内部で旋回流れを形成するように調整される。この旋回流れにより、ガスが流入部１１から流出部１２，１３に向かって最短距離で移動することがなくなり、ガスが流路内に滞留する時間を長く確保することが可能になる。すなわち、ガスに対する軟X線照射時間が長くなり、不純物を十分にイオン化することができる。２つの流出部１２，１３にそれぞれ設けられた電極（分離電極１６，１７および多孔質電極１８，１８）は、一方の流出部１２を陽極側、もう一方の流出部１３を陰極側にする直流電圧が印加できるようになっており、流路内に電界を形成することを可能にしている。この電界により陽イオンにイオン化した不純物は陰極側の流出部１３に移動し、陽極側の流出部１２からは不純物が取り除かれた高純度ガスを取り出すことができる。
【００２７】
図２は、図１の断面図である。軟Ｘ線管２０をＳＵＳ等の金属で覆い接地されたイオナイザー１５は、例えば分離チャンバー１４の側面部に外側からねじ固定２１され、図示しない軟Ｘ線制御装置からの制御信号に基づいて軟Ｘ線が分離チャンバー１４の流路内に向けて照射される。２２はフッ素樹脂等の絶縁体である。分離チャンバー１４の内部に導入されるガスの流線が円筒流路内部で旋回流れ１０を形成するように、ガスの流入部１１は円筒形状の分離チャンバー１４の流路内面に沿って接線方向からガスが流入するように工夫してある。この旋回流れにより分離チャンバー１４内に導入されたガスは、円筒流路の内面に沿って流れながら、十分な量の軟Ｘ線の照射を受けることができる。
【００２８】
図３は、図1の分離装置で高純度窒素ガス中の微量酸素を分離した実験結果の一例を示す特性図である。横軸に電界強度、縦軸に入口からの流入酸素分子数に対する分離された酸素分子数を分離効率として表している。入口流量1L/minで入口濃度7ppb, 28ppb, 43ppbの酸素を分離した結果である。酸素の分離効率は低濃度ほど分離効率が大きく，7ppbの酸素で2kV/mの電界強度の時に最大60％の分離効率が得られている。不純物分子が優先的にイオン化するためにはイオン化エネルギーがキャリアガス分子よりも小さいことや、またはプロトン親和力がキャリアガス分子よりも大きいことなどが要求される。図４に窒素、酸素とトルエンのイオン化ポテンシャルとプロトン親和力を示す。窒素と酸素は、酸素のほうがイオン化ポテンシャルは小さく荷電されやすいが、トルエンなどの有機物に比べるとプロトン親和力の差が小さいため、分離効果が低い。しかしながら、図１の分離装置を用いることで酸素分子でも分離できるのがわかる。
【００２９】
図５に流出部に設けられる分離電極の構造を示す。分離電極１６（１７）は金属製の中空状の電極Ａ，Ｂよりなり、この電極Ａと電極ＢによりＯリング２４を介してガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を挟みこみ、ねじ２３で固定する構造となっている。そして、この分離電極１６（１７）は円筒形の分離チャンバー１４にＯリング２４′等の固定部材を介して接続される。ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９はＨＥＰＡフィルタのようなマイクログラスファイバーでよく、流路全体に均一に分散した流体抵抗をもつ材質であれば何でもよい。電極Ａと電極Ｂで挟みこむことの利点は、ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９は微細な構造であるため汚染物質などが沈着しやすいが、電極Ａと電極Ｂを分解可能な構造とすることにより容易に交換できることにある。電極Ａの前面（上流側端部）には金属製の多孔質電極１８が取り付けられ、電極Ａの外面に直流電圧（ＤＣ）の電源２５を配線することで、多孔質電極１８も同時に荷電できるようになっている。多孔質電極１８のみを使用する場合では、円筒形の分離チャンバー１４の外部から内部の多孔質電極１８に配線することになるため、分離チャンバー１４に穴をあけて配線を通す必要があるが、多孔質電極１８および電極Ａを金属で一体成形あるいは一体となるように取り付けることにより、電極Ａに外部から配線を結線するだけで多孔質電極１８に電圧を印加することができる。多孔質電極１８は目の細かい金網のようなもので十分であり、分離チャンバー１４内で平行に電界を形成でき、一様にガスを排出できる構造のものであれば、その形状や材質は問わない。
【００３０】
なお，本装置の絶縁体は石英ガラスに限るものではなく，セラミックやPTFEなどの材質でもかまわない。さらに絶縁体と電極またはイオナイザーの接続は、Ｏリングを介するものに限定するものではなく、銀メッキを施したニッケル等の金属材のシールやシリコンゴムなどの板状のものでもかまわない。
【００３１】
図６は本発明の他の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置を示す断面図である。イオン源として、前述の軟Ｘ線を照射するイオナイザーに代わって、円筒流路内面に固定された放射性同位体２４１Ａｍを用いている。図中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。円筒状のチャンバー１４の外周面中央上部には円筒状のガス流入部２６がチャンバー１４の内部を外部に開口して設けられる。前記チャンバー１４内部の中央底部には例えば放射性同位体２４１Ａｍなどの放射線源２７がガス流入部２６に対向してエポキシ樹脂２８で固定される。本実施形態例において前述の旋回流れを利用しない場合は、流量が大きいときにイオン化できる不純物量に限界があるが、流出部１２，１３の分離電極１６，１７の内部空間に設けたガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を用いて分岐流を整流することにより、安定した不純物の分離を行うことができる。また電極１６，１７に印加する電圧の極性は連動する切り替えスイッチ２９，３０により直流電源３１，３２を変更することにより切り替え可能である。これによりどちらの流出部１２，１３からでも任意に清浄な空気や分離されたガスを取り出すことができる。なお、イオン源として放射性同位体２４１Ａｍおよび軟Ｘ線を併用するようにすれば、流路内のイオン生成量をさらに増加させることができる。また、この他に、放射線や放電など、イオン生成が可能なものであれば、本装置のイオン源として単体利用もしくは併用することができる。
【００３２】
図７は図６のガスイオン化分離純化装置で有機物のトルエンを分離した結果の一例を示す特性図である。縦軸は、入口からの流入トルエン数に対する分離されたトルエン数を分離効率として表しており、横軸は、各分離電圧を表している。体積濃度で90ppb,190ppb,230ppbのトルエンの分離を行った。印加する電圧の上昇に伴いトルエンの分離効率は上昇し、600V以上の電圧で若干分離効率が減少する結果となった。濃度が低いほど分離効率が上昇し、90ppbのトルエンを78％分離できているのがわかる。
【００３３】
図８は、特開2001-070743の円筒型チャンバーで二分岐流れを利用したガス分離装置で出口部材の電極に平板電極を用いた方法と、図６のガスイオン化分離純化装置の方法との分離効果を比較した実験結果である。ガス流入部に導入する試料には、キャリアガス窒素中で体積濃度０．２３ｐｐｍのトルエンを使用した。図８において、縦軸は、入口からの流入トルエン数に対する分離されたトルエン数を分離効率として表しており、横軸は、各分離電圧を表している。従来の平板電極を用いた方法では、流量が２Ｌ／ｍｉｎの場合、いずれの電圧でもほとんど分離されないのがわかる。これは平板電極ではチャンバー内の流れによどみ部分ができるため、流量が大きくなると流れの乱れの影響が顕著になり、トルエンを効果的に分離できないためである。しかし図６の流出部１２，１３に電極として分離電極１６，１７および多孔質電極１８，１８を用い、さらにガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９を設けた場合、分離電圧とともにトルエンの分離がおこり６００Ｖで０．２３ｐｐｍのトルエンを最大２４％分離することができた。このことから分離電極１６，１７を図５のような構造に改良することで、いずれの分離電圧でも分離効率が上昇することがわかる。
【００３４】
なお、本実施形態例では、分離チャンバー１４内全体がガス流路として有効に機能していると仮定して、流路容積が６２．８ｍＬ（流路内径＝４０ｍｍ、流路長さ＝５０ｍｍ）、流入するガス流量が２Ｌ／ｍｉｎであり、本装置の流入ガスの平均滞留時間は１．８ｓｅｃとなる。この条件下で、流路内部に導入されるガスの流線が流路内部で旋回流れを形成するように調整すれば、流入ガスの平均滞留時間はさらに長くなり、より大きな分離効率を得ることができる。
【００３５】
図９に、両流出部のガスの圧力差を微差圧計で検出することにより出口流量を調整するガスイオン化分離純化装置を示す。図中、図６と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。陽極から出てくる清浄ガスを利用する場合に、本装置の出口流量を簡易に調整するために、両流出部１２，１３の電極１６，１７に細孔３３をガス配管（内径６ｍｍ）３４に達するまで穴（直径０．６ｍｍ）をあけ、両方の出口ガスの圧力差を微差圧計３５で測定し、微差圧が０になるように流出部１３に設けた流量調整バルブ３６を開閉する。こうすることで流入部１１とそれぞれの流出部１２，１３の流量を流量計で測定しなくてもガスイオン化分離純化装置の流量を所定の流量に制御することができ、装置コストの低減や制御の安定化に寄与する。なお、差圧測定の細孔３３はガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）１９の上流側または下流側のどちらに設置してもよいが、必ず左右対称の位置に開口する必要がある。そうでない場合はあらかじめ流量と圧力の値を校正して使用する必要がある。
【００３６】
図１０は両出口のガス配管（内径６ｍｍ）３４に垂直に直径0.6mmの細孔３３をとり、それぞれの出口のガス配管３４での静圧差と流量比の関係を調べた結果で、横軸に入口２６の流量Ｃｉｎに対する一方の出口１２の流量Ｃｏｕｔ１の比を、縦軸に静圧差ΔＰを測定した結果である。図１０から両者の静圧差ΔＰで出口流量の差を求めることができるのがわかる。この結果は静圧差を測定したものであるが、動圧差や全圧差を測定してもかまわない。
【００３７】
図１１は本発明の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置を多数利用した例で、並列に１段と直列に１段利用したものである。本装置を並列に配置することにより、一台では補えない大流量の流入ガスを処理することができる。また本装置を直列に配置することで、一台では達成できない高純度のガスまたは高清浄度の空気まで精製することができる。
【００３８】
図１２は、本発明の実施形態例に係る気体の圧力を測定する圧力測定部と気体の温度を測定する温度測定部を備えたガスイオン化分離純化装置を示す。図中、図６と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。流出部１２，１３の電極１６，１７に細孔３３をガス配管（内径６mm）３４に達するまで穴（直径0.6mm）をあけ、流体の圧力を圧力計３７で、温度を温度計３８で測定する。流出部１３には流量調整バルブ３９が設けられる。分離電圧を印加する回路には電圧調整手段として直流電源４０と直列に可変抵抗器４１が取り付けてある。装置を接続する配管システムの圧力抵抗により、装置内部の流体の圧力が上昇した場合や流れるガスの温度が低下した場合などは、可変抵抗器４１を調節し、より大きな分離電圧を印加することにより、分離効率の低下を防ぐことができる。なお、圧力計３７や温度計３８を取り付ける細孔３３の位置は装置流路のいずれの場所でもよく、装置内の圧力や温度が計り知れるのであれば、装置の外の流路に別途設けても良い。さらに同じ細孔３３を共有して圧力計と温度計を同じ場所に設置してもよい。
【００３９】
図１３は二分岐流れ場で不純物分子をイオン化し静電分離した場合の分離効率を、不純物分子と不純物イオンに対して移流拡散方程式を解くことにより計算した結果の一例を示す特性図である。トルエンイオンの生成はトルエン分子数に、トルエンイオンの消失はトルエンイオン数に比例する一次反応として定義し計算を行った。ここで、Zは不純物イオンの電気移動度、uはガスの流速、αは不純物イオンの消失速度定数、βは不純物イオンの生成速度定数である。このように不純物イオンの電気移動度が変化することで，最も不純物が分離される最適電圧が変化することがわかる。電気移動度や速度定数などのパラメータは、温度や圧力、ガスの種類によって変化するため、このような場合に圧力計３７や温度計３８を用いて計測された気体の圧力や温度に対応する最適分離電圧を求め、電圧調節手段により印加電圧を調節することにより常に最適な分離を実施することができるのがわかる。
【００４０】
なお、電圧を調節する代わりに、温度や圧力をそれぞれ例えば入口２６に設けられる温度調節手段や圧力調節手段（図示せず）により制御しても良いし、電圧・温度・圧力を併せて調節しても良い。
【００４１】
以上、実施形態例に基づき説明したが、本発明は前記実施形態例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、分離チャンバー内の流路は円筒形に限定されず、流入したガスが内部で旋回流れを形成するように筒状に成形されていれば、十分な長さのガス滞留時間が確保でき、流路内で効果的にイオンを生成することが可能となる。また、流路内でガスを所定時間以上滞留させる手段は、前述の旋回流れを形成させる方法に限定されず、邪魔板やガイド部材等の気流調整手段を流路内に配置して、流入ガスを流路内で蛇行させる方法を採用しても良い。このとき、流入部の構造は、必ずしも流路内面に沿って接線方向からガスを導入することを要しない。また、電界を形成する直流電源は、正電圧を印加する方式、負電圧を印加する方式、正および負電圧を印加する方式等、所定の電圧を印加できるものであれば何でも良く、その方式は問わない。さらに、電圧や温度や圧力の制御は手動でも良いし、自動で行っても良い。不純物の成分によっては、負イオンに荷電されるものもあるが、そのような成分が大多数を占める場合は、不純物を陽極に分離しても良い。
【００４２】
以上のように、分離チャンバーの中央から導入されたガスをそれぞれ反対方向に二分岐し、それぞれの出口を多孔の分離電極で形成して、チャンバーを挟みこむことで、流れのよどみ部を無くすとともに、多孔部材（多孔質電極）の背後に高圧力損失部材（ＨＥＰＡフィルタ）を置くことで、分離チャンバー内に入ってきたガスがチャンバー全体に添って流れるように整流する。さらに、チャンバーに導入されたガスの滞留時間を確保するためにチャンバー内で旋回流れを形成することで、不純物がイオン化し分離されるのに必要な滞留時間を確保できる。以上のことにより高効率で低エネルギーなガス分離除去装置を提供できる。
【００４３】
またそれぞれの出口においてガスの静圧から差圧を測定することにより、出口流量を測定しなくても差圧を調整することで流量を調整することができるとともに、清浄ガスを取り出す出口は電極の極性を切り替えることで、どちらからでも可能である。また本発明の分離装置を多数利用することで、一台では補えない大流量や、一台では達成できない高純度のガスまで精製することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、流路内でイオン生成と分離を行って清浄な空気や分離されたガスを取り出すガスイオン化分離純化装置であって、流路内に導入した気体の滞留時間を確保することにより、流路内でイオンを効果的に生成させるとともに、流路内全体を利用したよどみがない流れを形成することにより、不純物を効果的にイオン化し分離を促進させること、あるいは、流路内から流出する清浄な空気や分離されたガスの流量を測定することなく両者の流量を調整する手段を設けることにより、低エネルギーかつ高効率なガスイオン化分離純化装置を提供することが出来る。
【００４５】
さらには，流路に圧力計や温度計を取り付て測定することにより変動する分離効率を，電圧を調整することにより，常に最適な分離効率を得られるように調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例を示す構成説明図である。
【図２】本発明の一実施形態例に係るイオナイザーを示す断面図である。
【図３】図1の分離装置で高純度窒素ガス中の微量酸素を分離した実験結果の一例を示す特性図である。
【図４】窒素、酸素とトルエンのイオン化ポテンシャルとプロトン親和力を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態例に係る分離電極を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態例を示す断面図である。
【図７】図６のガスイオン化分離純化装置で有機物のトルエンを分離した結果の一例を示す特性図である。
【図８】本発明の実施形態例に係る分離効率を示す特性図である。
【図９】本発明の実施形態例に係る流量調整用微差圧検出方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態例に係る両出口の流量と圧力差の関係を示す特性図である。
【図１１】本発明の実施形態例に係るガスイオン化分離純化装置の配列利用例を示す構成説明図である。
【図１２】本発明の実施形態例に係る気体の圧力を測定する圧力測定部を備えたガスイオン化分離純化装置を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施形態例に係る二分岐流れ場で不純物分子をイオン化し静電分離した場合の分離効率を、不純物分子と不純物イオンに対して移流拡散方程式を解くことにより計算した結果の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１１ ガスの流入部
１２ ガスの流出部
１３ ガスの流出部
１４ 分離チャンバー
１５ イオナイザー
１６ 分離電極
１７ 分離電極
１８ 多孔質電極
１９ ガラス繊維フィルタ（気流抵抗部材）
Claims (8)
- 筒状流路の側面部に設けられるガスの流入部と、
前記筒状流路の両端部に対向するように設けられ、それぞれ中央部にガスの流出部が設けられると共に内面に内周面から前記ガスの流出部に至る傾斜部を含む中空部が設けられる分離電極と、
前記分離電極に筒状流路を遮断するようにして設けられるフィルタ及び多孔質電極と、
前記流入部を介して前記筒状流路の周方向から筒状流路の内周面に沿って気体を流入させ、筒状流路内で旋回流れを形成させることにより、流入気体を筒状流路内に所定時間以上滞留させる気流調整手段と、
前記筒状流路内の気体をイオン化するイオン化手段と、
前記イオン化手段により気体をイオン化し、分離電極により電離状態の気体に電界をかけて陽イオンと陰イオンに分離することで気体に含まれるガス分子成分を分離し、清浄な気体を一方のガスの流出部から取り出すとともに分離されたガスを他方のガスの流出部から取り出すことを特徴とするガスイオン化分離純化装置。 - 流出部の気流抵抗部材は着脱可能に設けられることを特徴とする請求項１に記載のガスイオン化分離純化装置。
- イオン化手段として複数のイオン源を同時に利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスイオン化分離純化装置。
- 第１の流出部および第２の流出部は流出する気体の圧力を測定する圧力測定部をさらに備え、第１の流出部および第２の流出部において測定された気体の圧力差に基づいて、各流出部から取り出す気体の流量を変更可能に調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスイオン化分離純化装置。
- 電界をかける電極の極性を切り替える手段および／または電極の電界強度を変化させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスイオン化分離純化装置。
- ガスイオン化分離純化装置を並列や直列、または直並列に多数利用することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスイオン化分離純化装置。
- 流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、測定された気体状態に対応する最適な分離電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスイオン化分離純化装置。
- 流路に気体状態として気体の圧力を測定する圧力測定手段および／または気体の温度を測定する温度測定手段を備え、印加された分離電圧に対応する最適な圧力および／または温度に気体状態を調節することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスイオン化分離純化装置。
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