JP3921203B2

JP3921203B2 - ガス分離方法および装置

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Publication number: JP3921203B2
Application number: JP2003547030A
Authority: JP
Inventors: 達司浦上; 徹長坂; 雅人川井; 章寛中村
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JPWO2003045536A1; EP1459798A4; EP1459798B1; KR20040068156A; CN1421263A; DE60233260D1; TW200300362A; TWI238079B; ATE438457T1; IL161792A; US20050000355A1; WO2003045536A1; CN1246068C; IL161792A0; KR100879129B1; US6923844B2; EP1459798A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クリプトン、キセノン等の高価なガスを含むガス混合物から高価なガスを分離回収する方法に関し、より具体的には、主として高価なガスと窒素を含むガス混合物から圧力変動吸着法を用いて高価なガスを濃縮分離回収し、循環再利用するガス分離方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路、液晶パネル、太陽電池パネル、磁気ディスク等の半導体製品を製造する工程では、希ガス雰囲気中でプラズマを発生させ、該プラズマによって半導体製品の各種処理を行う装置が広く用いられている。
このプラズマ処理では、窒素ガス雰囲気中の処理チャンバ内に希ガスを流通して高周波放電によりプラズマを発生させた後、基板を取り出す際にチャンバ内を窒素ガスでパージするように運転される。
【０００３】
この種の処理に使用される希ガスとしては、従来はアルゴンが用いられていたが、近年はより高度な処理を行うためにクリプトンやキセノンが注目されてきている。
クリプトンやキセノンは、空気中の存在比が低く、分離工程が複雑であることから極めて高価なガスであり、このようなガスを使用するプロセスを経済的に成り立たせるためには、使用済みの希ガスを高回収率で精製し、循環再利用することが必須条件である。
【０００４】
窒素ガス中の高価なガスを、圧力変動吸着法（以下、ＰＳＡということがある）によって高純度、かつ９５〜９９％以上の回収率で連続的に回収する方法及び装置として、特開２００２−１２６４３５号公報に記載された方法および装置がある。
この公報に記載された方法は、窒素と高価なガスの平衡吸着量差を利用して易吸着成分である高価なガスを吸着分離し、難吸着成分である窒素を排ガスとして系外に放出する平衡型圧力変動吸着法（以下、窒素濃縮ＰＳＡということがある）と、窒素と高価なガスの吸着速度差を利用して易吸着成分である窒素を吸着分離し、難吸着成分である高価なガスを製品ガスとして採取する速度型圧力変動吸着法（以下、希ガス濃縮ＰＳＡということがある）を組み合わせた方法である。
【０００５】
この方法では、窒素濃縮ＰＳＡと希ガス濃縮ＰＳＡの再生工程時に脱着ガスとして排出されたガスを循環タンクに全て回収し、原料ガスと混合して、圧縮機を用いて再循環させる（以下、圧縮機で循環させるガスを循環原料ガスという）ことによって回収率向上を図ることができる。
【０００６】
本発明のガス分離方法の対象である半導体製造装置では、半導体基板を処理チャンバ内へ搬入・搬出する工程、プラズマによる各種処理を行う工程が順次繰り返し行われる。基板の搬入・搬出時は主に窒素雰囲気中で行われるのに対し、プラズマ処理を行う工程は希ガス雰囲気中で行われることから、本ガス分離装置の対象となる被分離ガス（以下、半導体製造装置から排出されるガスを原料ガスという）は流量、成分濃度が常に変化する。
【０００７】
搬入・搬出に必要な時間、プラズマ処理を行う時間は、半導体製造プロセスによって異なり、プラズマ処理に必要な希ガス流量、パージガスとして使用される窒素流量に関しても常に一定でないことから、本発明のガス分離方法には原料ガスの流量、組成変動の対策が必要となる。
また、本ガス分離装置で回収した希ガスは、半導体製造プロセスに応じて、常に必要な流量・成分濃度で半導体製造装置に供給しなければならない。
【０００８】
一方、上記した従来の方法では、原料ガスの流量、成分濃度の影響を受けて、窒素濃縮ＰＳＡおよび希ガス濃縮ＰＳＡに導入する循環原料ガスの成分濃度が変化することは好ましくない。例えば、循環原料ガス中の窒素濃度が上昇することは、窒素濃縮ＰＳＡに対しては窒素濃縮が容易になり好ましいが、高価なガスを濃縮する希ガス濃縮ＰＳＡに対しては高価なガスの濃縮が難しくなり、製品として採取する高価なガスの成分濃度が低下する。
【０００９】
一方、循環原料ガス中の高価なガスの成分濃度が上昇することは、高価なガスを濃縮する希ガス濃縮ＰＳＡに対しては高価なガスの濃縮が容易となるが、窒素濃縮ＰＳＡに対しては窒素濃縮が困難となり、窒素中の高価なガスの成分濃度が上昇する、つまり高価なガスの回収率が低下することとなる。したがって、原料ガス中の高価なガスを常に所望の流量、成分濃度で供給するには、循環原料ガスの成分濃度を調整維持する制御機構が不可欠である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数成分を含む原料ガスからガス成分を分離するにあたって、循環原料ガスの成分濃度を最適な濃度範囲に調整維持することによって、これら複数のガス成分をいずれも効率よく回収可能とし、かつ高価なガスを常に一定の流量・成分濃度で供給可能とするガス分離方法および装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス分離方法は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとして使用し、循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第１製品ガスの導出流量を制御することにより第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取することを特徴とするガス分離方法である。
【００１２】
本発明のガス分離方法は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとし、外部から供給された第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合し、第１製品ガスの流量および／または成分濃度に基づいて、第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合する際の供給流量を制御することによって、第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取する方法をとることもできる。
【００１３】
本発明のガス分離方法は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとし、外部から供給された第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合し、循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合する際の供給流量を制御することによって、第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取する方法をとることもできる。
【００１４】
本発明のガス分離方法は、第１の主要ガス成分が窒素であり、第２の主要ガス成分がクリプトンまたはキセノンである原料ガスに適用することができる。
【００１５】
本発明のガス分離装置は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第１製品ガスの導出流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるように構成されていることを特徴とするガス分離装置である。
【００１６】
本発明のガス分離装置は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスと原料ガスを混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、外部から第２主要ガス成分を循環原料ガスに供給できるようにされ、第１製品ガスの導出流量および／または成分濃度に基づいて、外部から供給される第２主要ガス成分の供給流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるような構成とすることもできる。
【００１７】
本発明のガス分離装置は、少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスと原料ガスを混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、外部から第２主要ガス成分を循環原料ガスに供給できるようにされ、循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、外部から供給される第２主要ガス成分の供給流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるような構成とすることもできる。
【００１８】
本発明のガス分離装置は、第１製品ガス、第２製品ガスの少なくとも１つの導出流量に基づいて、第１製品ガスおよび／または第２製品ガスを循環原料ガスに返送できるような構成とすることもできる。
【００１９】
本発明のガス分離装置は、第１吸着塔に充填された第１吸着剤が活性炭であり、第２吸着塔に充填された第２吸着剤がクリプトンと窒素、またはキセノンと窒素を速度分離することが可能な吸着剤、すなわち両者の分子径と吸着剤の細孔径が近接しているゼオライトを吸着剤として用いることができる。特に有効細孔径が０．４ｎｍ（ナノメーター）程度であるＮａ−Ａ型ゼオライト、フェリエライト、チャバサイトなどのゼオライトを第２吸着剤として用いることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガス分離装置の第１の実施形態を示すもので、ここに示すガス分離装置は、圧力変動吸着法によってガスを分離する装置であって、原料ガスが導入される循環タンク１と、循環タンク１の圧力を検出する圧力検出部Ｐ１と、循環原料ガスを圧縮する圧縮機２と、循環原料ガスの成分濃度を検出する成分濃度検出部Ｑ１と、圧縮機２からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離ユニット３と、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離ユニット４とを備えている。
【００２１】
第１分離ユニット３は、循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔１１と、第１吸着塔１１の圧力を検出する圧力検出部Ｐ２と、第１製品ガスを貯留する第１製品ガス貯留槽１２と、この貯留槽１２からの第１製品ガスの導出流量を検出する流量検出部Ｆ１と、第１製品ガスの成分濃度を検出する成分濃度検出部Ｑ２と、成分濃度検出部Ｑ１によって検出された循環原料ガスの成分濃度に基づいて第１製品ガスの導出流量を制御する制御弁Ｖ２と、第１吸着塔１１からの再生排ガスを循環タンク１に返送する第１再生排ガス返送経路Ｌ９とを備えている。
【００２２】
第１吸着塔１１には、第１主要ガス成分に対して難吸着性であって、第２主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられている。
第２分離ユニット４は、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔２１と、第２吸着塔２１の圧力を検出する圧力検出部Ｐ３と、第２製品ガスを貯留する第２製品ガス貯留槽２２と、この貯留槽２２からの第２製品ガスの導出流量を検出する流量検出部Ｆ２と、第２製品ガスの成分濃度を検出する成分濃度検出部Ｑ３と、第２製品ガスの導出流量を制御する制御弁Ｖ３と、第２吸着塔２１からの再生排ガスを循環タンク１に返送する第２再生排ガス返送経路Ｌ１０とを備えている。
【００２３】
第２吸着塔２１には、第１主要ガス成分に対して易吸着性であって第２主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられている。
符号Ｌ１１、Ｌ１２は、吸着塔１１、２１内をパージするため、貯留槽１２、２２からの製品ガスを吸着塔１１、２１内に導入する経路を示す。
次に、このガス分離装置を用いた場合を例として、本発明のガス分離方法の第１の実施形態を説明する。
【００２４】
以下に説明するガス分離方法では、第１主要ガス成分としての窒素と、第２主要ガス成分としてのクリプトンとを含む混合ガスを原料ガスとして用いる（第２主要ガス成分として、クリプトンの替わりにキセノンを用いても良い）。
第１吸着塔１１に充填される第１吸着剤としては活性炭を使用し、第２吸着塔２１に充填される第２吸着剤としてはゼオライトを使用する。第１吸着剤である活性炭は、クリプトンを選択的に吸着し（易吸着性）、窒素を吸着し難い（難吸着性）性質をもつ。第２吸着剤であるゼオライトは、窒素を選択的に吸着し（易吸着性）、クリプトンを吸着し難い（難吸着性）性質をもつ。
窒素とクリプトンとを含む原料ガスを、経路Ｌ１を通して循環タンク１に導入する。
【００２５】
次いで、循環タンク１内のガス（循環原料ガス）を、経路Ｌ２を通して圧縮機２に導入し、ここで圧縮した後、被分離ガスとして経路Ｌ３を通して第１吸着塔１１に供給する。
第１吸着塔１１では、循環原料ガス中の易吸着性ガスであるクリプトンが第１吸着剤（活性炭）に吸着され、難吸着性ガスである窒素が第１吸着塔１１から導出される。
第１吸着塔１１から経路Ｌ４を通して導出された導出ガスは、第１製品ガス貯留槽１２に導入され、次いで経路Ｌ５を通して製品窒素（第１製品ガス）として供給される（吸着工程）。
【００２６】
第１吸着塔１１内の第１吸着剤が吸着飽和に達する前に、切替弁Ｖ４、Ｖ５の操作によって、第１吸着塔１１への循環原料ガス供給を停止し、循環原料ガスを、被分離ガスとして経路Ｌ６を通して第２吸着塔２１に供給する。
第２吸着塔２１では、循環原料ガス中の易吸着性ガスである窒素が第２吸着剤（ゼオライト）に吸着され、難吸着性ガスであるクリプトンが第２吸着塔２１から導出される。
第２吸着塔２１から経路Ｌ７を通して導出された導出ガスは、第２製品ガス貯留槽２２に導入され、次いで経路Ｌ８を通して製品クリプトン（第２製品ガス）として供給される（吸着工程）。
【００２７】
第１吸着塔１１が吸着工程にあるときには、第２吸着塔２１において再生工程が行われる。この再生工程では、ブロー弁Ｖ７を開き、第２吸着塔２１内のガスを、再生排ガスとして第２再生排ガス返送経路Ｌ１０を通して循環タンク１に返送する。
これによって、第２吸着塔２１内を減圧し、吸着した窒素を脱着させ、第２吸着剤を再生させる。
【００２８】
第２吸着塔２１が吸着工程にあるときには、第１吸着塔１１において再生工程が行われる。この再生工程では、ブロー弁Ｖ６を開き、第１吸着塔１１内のガスを、再生排ガスとして第１再生排ガス返送経路Ｌ９を通して循環タンク１に返送する。
これによって、第１吸着塔１１内を減圧し、吸着したクリプトンを脱着させ、第１吸着剤を再生させる。
【００２９】
このガス分離方法では、一方の吸着塔で吸着工程を行う間に、他方の吸着塔で再生工程を行い、これら吸着塔１１、２１を交互に切替え使用することによって連続的にガス分離処理を行う。
本実施形態のガス分離方法では、成分濃度検出部Ｑ１によって検出された循環原料ガスの成分濃度に基づいて、制御弁Ｖ２によって製品窒素の導出流量を制御する方法をとることができる。
【００３０】
例えば、成分濃度検出部Ｑ１によって循環原料ガス中の窒素濃度を検出し、検出値が、予め設定された設定範囲以上となったときに、検出値と設定範囲上限値との差に応じて制御弁Ｖ２の開度を大きくし、製品窒素の導出流量を大きくする。
これによって、第１吸着塔１１から装置系外に排出される窒素ガス流量が大きくなるため、装置系内に循環している循環原料ガスの窒素濃度を低下させることができる。
【００３１】
循環原料ガス中の窒素濃度が、予め設定された設定範囲以下となったときに、検出値と設定範囲下限値との差に応じて制御弁Ｖ２の開度を小さくし、製品窒素の導出流量を小さくする。
これによって、第１吸着塔１１から装置系外に排出される窒素ガスが少なくなるため、装置系内に循環している循環原料ガスの窒素濃度を高めることができる。
【００３２】
このように、製品窒素の導出流量を制御することによって、循環原料ガスの成分濃度を常に一定の範囲に調整維持することができるので、経路Ｌ８から、製品クリプトンを一定の流量・成分濃度で供給することができる。また、循環原料ガスの成分濃度を一定の範囲に調整維持することは、製品窒素の成分濃度も安定化させることであり、製品窒素に伴って排出されるクリプトンも抑えることができる。
また、ガス流通経路の圧力として循環タンクの圧力を圧力検出部Ｐ１で検出し、検出値と設定範囲上限値（または下限値）との差に基づいて、制御弁Ｖ２の開度を調節し、製品窒素の導出流量を制御する方法をとることもできる。
【００３３】
循環タンクの圧力は、装置系外に導出する製品クリプトン、製品窒素の流量の合計が、装置系内に導入した原料ガスの流量よりも少ない場合には圧力が上昇する。製品として半導体製造装置に供給した製品クリプトンは、半導体製造装置で使用され、原料ガスとして再び本ガス分離装置に返送されることから、循環タンクの圧力上昇は原料ガス中の窒素が増加した結果と考えられる。
【００３４】
したがって、圧力検出部Ｐ１において循環タンクの圧力上昇を検知した場合には、検出値と設定範囲上限値との差に応じて制御弁Ｖ２の開度を大きくし、製品窒素の導出流量を大きくする。逆に、圧力検出部Ｐ１において循環タンクの圧力低下を検知した場合には、検出値と設定範囲下限値との差に応じて制御弁Ｖ２の開度を小さくし、製品窒素の導出流量を小さくする。
【００３５】
このように、循環タンクの圧力を基にして、製品窒素の導出流量を制御することによって、循環タンクの圧力を一定の範囲に調整維持することができる。循環タンクの圧力を一定の範囲に調整することは、循環原料ガスの成分濃度を一定の範囲に維持することにもつながる。したがって、製品クリプトンを常に一定の流量、成分濃度で供給することが可能となる。
また、ガス流通経路の圧力として各吸着塔１１、２１の圧力を圧力検出部Ｐ２，Ｐ３で検出し、検出値と設定範囲上限値（または下限値）との差に基づいて、制御弁Ｖ２の開度を調節し、製品窒素の導出流量を制御する方法もとることもできる。
【００３６】
各吸着塔の吸着圧力（吸着工程における最終到達圧力）は循環原料ガスの成分濃度に応じて上下動する。第１吸着塔に充填される活性炭は、クリプトンを選択的に吸着し、窒素を吸着し難い性質をもつことから、循環原料ガス中の窒素濃度が上昇した場合には、第１吸着塔の吸着圧力は上昇し（難吸着成分である窒素成分が多くなるため）、窒素濃度が低下した場合には、吸着圧力は低下する（難吸着成分である窒素成分が少なくなるため）。
【００３７】
また、第２吸着塔に充填されるゼオライトは、窒素を選択的に吸着し、クリプトンを吸着し難い性質をもつため、循環原料ガス中の窒素濃度が上昇した場合には、第２吸着塔の吸着圧力は低下（易吸着成分である窒素成分が多くなるため）し、窒素濃度が低下した場合には、吸着圧力は上昇する（易吸着成分である窒素成分が少なくなるため）。
【００３８】
したがって、各吸着塔の圧力を検出し、圧力の検出値に基づいて、製品窒素の導出流量を制御することは、循環原料ガスの成分濃度を検出して制御する場合と同様の効果が期待できる。また、製品ガス貯留槽１２、２２の圧力を基にした制御を行った場合でも、吸着塔１１、２１の圧力を基にした制御と同様の効果が期待できる。
【００３９】
図２は、本発明のガス分離装置の第２の実施形態の概略系統を示すものである。図１に示すガス分離装置と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。
ここに示すガス分離装置は、循環タンク１と、圧縮機２と、第１分離ユニット３３と、第２分離ユニット３４と、外部から供給された主要ガス成分を循環タンク１に供給する主要ガス成分供給部３５とを備えている。
【００４０】
第１分離ユニット３３は、第１吸着塔１１と、第１製品ガス貯留槽１２と、第１返送経路Ｌ９と、第１製品ガスの少なくとも一部を循環タンク１に返送する第１製品ガス返送経路Ｌ１３と、制御弁Ｖ２で設定された第１製品ガスの導出流量に基づいて、第１製品ガスの返送流量を制御する制御弁Ｖ８とを備えている。
第２分離ユニット３４は、第２吸着塔２１と、第２製品ガス貯留槽２２と、第２返送経路Ｌ１０と、第２製品ガスの少なくとも一部を循環タンク１に返送する第２製品ガス返送経路Ｌ１４と、制御弁Ｖ３で設定された第２製品ガスの導出流量に基づいて、第２製品ガスの返送流量を制御する制御弁Ｖ９とを備えている。
【００４１】
主要ガス成分供給部３５は、図示せぬ供給源（例えば第２の主要ガス成分を充填したガスボンベ）からの主要ガス成分を循環タンク１に供給する主要ガス成分供給経路Ｌ１５と、この経路Ｌ１５を通して循環タンク１に供給される主要ガス成分の流量を検出する流量検出部Ｆ６と、主要ガス成分の供給流量を制御する制御弁Ｖ１０とを備えている。
【００４２】
次に、このガス分離装置を用いた場合を例として、本発明のガス分離方法の第２の実施形態を説明する。以下に説明するガス分離方法では、第１主要ガス成分としての窒素と、第２主要ガス成分としてのクリプトンとを含む混合ガスを原料ガスとして用いる。
【００４３】
本ガス分離方法におけるクリプトン損失は、製品窒素中に含まれるクリプトンである。第１吸着塔において、易吸着成分であるクリプトンは吸着除去され、難吸着成分である窒素は濃縮されて系外に導出されるため、本ガス分離装置のクリプトン損失は非常に小さいものである。
しかしながら、長期的に連続運転する場合には、クリプトン損失による循環原料ガスのクリプトン濃度低下、あるいは循環原料ガスの流量減少が避けられず、流量・成分濃度一定で製品クリプトンを供給するには、装置系外に排出されたクリプトンの補充が不可欠となる。
【００４４】
第２の実施形態（図２）では、第２主要ガス成分を補充する主要ガス成分供給部３５が設けられている。第２の実施形態では、第２主要ガス成分を循環原料ガスに導入することで、クリプトン損失による循環原料ガスのクリプトン濃度低下、循環原料ガス流量の減少を防ぐことができる。したがって、第２の実施形態では、本ガス分離装置で供給される製品クリプトンがそのまま半導体製造装置に必要なクリプトン流量となっている。
【００４５】
このガス分離方法では、製品窒素の導出流量および／または成分濃度に基づいて、制御弁Ｖ１０の開度を調節し、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を制御することができる。
例えば、流量検出部Ｆ１によって製品窒素の導出流量を検出し、製品窒素の導出流量が設定値より増加した場合には、検出値と設定値との差に応じて制御弁Ｖ１０の開度を大きくすることで、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を大きくする。また、製品窒素の導出流量が設定値より減少した場合には、検出値と設定値との差に応じて制御弁Ｖ１０の開度を小さくすることで、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を小さくする。
【００４６】
本ガス分離方法におけるクリプトン損失は、製品窒素の導出流量に大きく依存する。製品窒素の導出流量が増加すれば製品窒素に伴って系外に排出されるクリプトンも増加し、また製品窒素の導出流量が減少すれば、系外に排出されるクリプトンも減少することになる。本発明のガス分離方法では、上述したように製品窒素の導出流量に基づいて、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を制御することにより、循環原料ガスのクリプトン濃度低下、あるいは循環原料ガスの減少を防ぐことができる。したがって、製品クリプトンを一定の流量・成分濃度で供給することができる。
【００４７】
このガス分離方法では、ガス流通経路として循環タンク１の圧力に基づいて、制御弁Ｖ１０の開度を調節し、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を制御することもできる。
例えば、圧力検出部Ｐ１によって循環タンク１の圧力を検出し、検出値が設定された設定範囲以下を検出した場合、検出値と設定範囲下限値との差に基づいて、制御弁Ｖ１０の開度を大きくすることで、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を大きくする。圧力検出部Ｐ１によって循環タンクの圧力を検出し、検出値が設定された設定範囲以上を検出した場合、検出値と設定範囲上限値との差に基づいて、制御弁Ｖ１０の開度を小さくすることで、主要ガス成分供給部３５からのクリプトンの供給流量を小さくする。
【００４８】
このように、主要ガス成分供給部３５からの主要ガス成分供給流量を制御することによって、循環原料ガスの流量、成分濃度をほぼ一定に維持することができる。したがって、常に一定の流量・成分濃度で製品クリプトンを供給することができる。
このガス分離方法では、制御弁Ｖ３における製品クリプトンの設定流量に基づいて、制御弁Ｖ９の開度を調節し、製品クリプトンの循環流量を制御する方法をとることもできる。
このガス分離方法では、製品窒素と製品クリプトンのうち一方の循環流量を制御することもできるし、製品窒素と製品クリプトンの双方の循環流量を制御することもできる。
【００４９】
本発明のガス分離装置の対象となる半導体製造装置は、製造する半導体プロセスに応じて、必要とする希ガス流量が異なる。また、半導体基板を搬入・搬出する工程では、希ガスの供給を必要としない。
これに対し、本実施形態のガス分離装置では、半導体製造装置に供給する製品クリプトンの導出流量に基づいて、製品クリプトンの循環流量を制御するので、半導体製造装置の何れの工程においても、循環原料ガスの成分濃度を一定の範囲に維持することができる。
【００５０】
例えば、半導体製造装置に供給する製品クリプトンの流量が半減した場合には、製品クリプトンの半分を循環原料ガスに戻すことで、循環原料ガスの成分濃度を一定の範囲に維持することができる。
したがって、本実施形態のガス分離装置は、様々な半導体製造装置のプロセスに対応でき、複数のガス成分を効率良く回収することを可能とし、かつ高価なガスを常に一定の流量・成分濃度で供給することができる。
【００５１】
上記操作は装置の初期立ち上げ時においても有効である。例えば、装置の初期立ち上げ時に製造される製品ガスは、製品として採取するには製品濃度の面で不十分であるが、本実施形態のガス分離装置では、所望の成分濃度に達しない製品ガスを全て循環原料ガスに戻すことが可能、すなわち製品ガスを原料ガスとして再利用することが可能である。
したがって、本実施形態のガス分離装置では、起動初期時において原料ガス供給を必要とせず、また、高価なガスを系外に排出することもない。したがって、装置の起動初期時に必要となる高価なガスのコストを削減することができる。
【００５２】
【実施例】
＜実施例１＞
図１に示す構成のガス分離装置を使用して、窒素からのクリプトンの分離を行った。
第１吸着塔１１としては、内径１０８ｍｍ、長さ６５０ｍｍで、活性炭を２．７ｋｇ充填したものを使用した。
第２吸着塔２１としては、内径１５４ｍｍ、長さ６５０ｍｍで、Ｎａ・Ａ型ゼオライトを８．８ｋｇ充填したものを使用した。
【００５３】
圧縮機２としては、容量が２６Ｌ／ｍｉｎであるものを使用した（ここで、流量単位［Ｌ／ｍｉｎ］は、０℃、１気圧換算値であり、以下同様とする。）。運転時の半サイクル時間は２５０ｓとした。
はじめに、経路Ｌ１を通して、原料ガスとしてクリプトン；５０％、窒素；５０％の混合ガスを２．０Ｌ／ｍｉｎで装置に導入し、経路Ｌ５から製品窒素を１．００５Ｌ／ｍｉｎ、経路Ｌ８から製品クリプトンを０．９９５Ｌ／ｍｉｎで採取した。
【００５３】
まず、製品窒素、製品クリプトンの循環原料ガス濃度依存を調べるために、循環原料ガスの成分濃度を４０％〜６５％まで変化させた実験を行った。循環原料ガス濃度と各製品ガス濃度の関係を図３に示した。図３から明らかなように、製品ガス濃度の循環原料ガス濃度依存は大きく、製品窒素中のクリプトン濃度５０００ｐｐｍ以下、製品クリプトン中の窒素濃度１００ｐｐｍ以下を満足するには、循環原料ガス濃度を４３％〜６２％の範囲で運転しなければならないことがわかる。
【００５４】
次に、圧縮機２の二次側には循環原料ガス濃度を連続的に監視する濃度計（濃度検出部）Ｑ１を取り付け、経路Ｌ５には製品窒素の導出流量を調整するマスフローコントローラー（制御弁Ｖ２）を取り付けた。
濃度計Ｑ１は、濃度の指示値を電圧で出力する機能を有しており、この濃度の出力はＰＩＤ制御器（図示せず）に取り込むことができるようになっている。ＰＩＤ制御器では、あらかじめ用意された濃度と流量の検量線から濃度に応じた流量を算出し、この流量の指示値をマスフローコントローラーＶ２に出力する。マスフローコントローラーＶ２では、この指示値に応じて製品窒素の導出流量を調整できるように構成した。
【００５５】
はじめに、経路Ｌ１を通して、原料ガスとして、クリプトン；５０％、窒素；５０％の混合ガスを２．０Ｌ／ｍｉｎで装置に導入し、経路Ｌ５から製品窒素を１．００５Ｌ／ｍｉｎで採取した。また、経路Ｌ８からは製品クリプトンを０．９９５Ｌ／ｍｉｎで採取した。このときの循環原料ガスの濃度（循環原料ガスの濃度は１サイクルの時間平均濃度を示す、以下同じ）は、窒素；４８％、クリプトン；５２％であり、製品クリプトン中の窒素濃度は２０ｐｐｍ、製品窒素中のクリプトン濃度は１８００ｐｐｍであった。
【００５６】
この状態から、原料ガスとして装置に供給する混合ガスをクリプトン；４５％、窒素；５５％、２．２Ｌ／ｍｉｎに変更し連続運転をおこなった。
上記操作の後、循環原料ガスのクリプトン濃度は徐々に低下し始めた。しかし、濃度計Ｑ１で計測される循環原料ガスのクリプトン濃度指示値が５０％以下を計測した場合には、マスフローコントローラーＶ２の開度を大きくする設定としたため、製品窒素の取り出し流量が徐々に増加し、循環原料ガスのクリプトン濃度は４７％付近を境に上昇に転じた。
【００５７】
一方、循環原料ガスのクリプトン濃度が５２％以上を指示した場合には、マスフローコントローラーＶ２の開度を減ずる設定としたことから、循環原料ガスのクリプトン濃度は５６％を超えることもなかった。上記の制御によって、循環原料ガスの成分濃度は常に４７％〜５６％の範囲に維持され、製品クリプトンは０．９９５Ｌ／ｍｉｎ、９９．９９％以上で安定に採取することができた。
【００５８】
＜実施例２＞
図２に示す構成のガス分離装置を使用して、装置の長期安定性を確認する実験を行った。第１吸着塔１１、第２吸着塔２１などの構成機器、半サイクル時間など運転条件は実施例１と同じとした。また、実施例１と同様、圧縮機２の二次側には循環原料ガス濃度を連続的に監視する濃度計（濃度検出部）Ｑ１、経路Ｌ５には製品窒素の導出流量を調整するマスフローコントローラー（制御弁Ｖ２）を取り付け、濃度計Ｑ１の検出値に基づいて、ＰＩＤ制御器によって製品窒素の導出流量を調整する機構を設けた。
【００５９】
主要ガス成分供給部３５にはクリプトンボンベ、経路Ｌ１５にはマスフローコントローラーＶ１０を取り付けた。循環タンク１には圧力検出器Ｐ１を取り付けた。
圧力検出器Ｐ１は、圧力の指示値を電圧で出力する機能を有しており、この圧力の出力はＰＩＤ制御器（図示せず）に取り込むことができるようになっている。ＰＩＤ制御器では、９５ｋＰａ以下を検出した場合、マスフローコントローラーＶ１０に信号を出力し、０．０５Ｌ／ｍｉｎのクリプトンガスを供給できるようにした。また、１１０ｋＰａ以上を検出した場合には、マスフローコントローラーＶ１０にクリプトンガスの供給を停止する信号を出力できるようにした。
【００６０】
実験は以下の手順で行った。
経路Ｌ５から製品窒素を１．００５Ｌ／ｍｉｎ、経路Ｌ８からは製品クリプトンを１Ｌ／ｍｉｎで採取した。また、経路Ｌ８から採取された製品クリプトンは、窒素ガス１Ｌ／ｍｉｎと混合し、再び原料ガスとして経路Ｌ１から装置内部へ供給した。なお、経路Ｌ５の製品窒素は排ガスとして大気放出した。
【００６１】
上記運転では、製品窒素中に含まれるクリプトンの流出によって循環原料ガスのクリプトン濃度が低下する。しかしながら、循環原料ガスのクリプトン濃度に基づいて、第１製品ガスの導出流量を制御し、循環タンクの圧力に基づいて、主要ガス成分供給部３５からクリプトンを供給できるようにした結果、約１週間の連続運転において、循環原料ガスのクリプトン濃度は常に４８％〜５２％の濃度範囲に維持され、製品クリプトンは流量１Ｌ／ｍｉｎ、成分濃度９９．９９％以上で採取することができた。
【００６２】
＜実施例３＞
本ガス分離装置の対象となる半導体製造装置では、クリプトン雰囲気中におけるプラズマ処理ではクリプトンと窒素の混合ガスが排出され、基板の搬入・搬出時には窒素のみ排出される。そこで、上記状況を模擬した実験を行った。実験には実施例２と同じ構成のガス分離装置を用いた。
実験は、まず原料ガスとして、クリプトン；５０％、窒素；５０％の混合ガスを２Ｌ／ｍｉｎで２０分間供給し、次いで、窒素ガスを１Ｌ／ｍｉｎで１０分間供給する操作を繰り返し行った。
【００６３】
原料ガスとして、クリプトン；５０％、窒素；５０％の混合ガス２Ｌ／ｍｉｎが供給される２０分間は、経路Ｌ５から製品窒素を１．００５Ｌ／ｍｉｎ、経路Ｌ８からは製品クリプトンを１Ｌ／ｍｉｎで導出した。また、窒素ガスが１Ｌ／ｍｉｎで供給される１０分間は、経路Ｌ８からの製品クリプトンの導出を停止し、経路Ｌ１４を通して製品クリプトンを循環タンク１に返送させる操作を行った。
上記操作を繰り返し行ったが、循環原料ガスのクリプトン濃度は常に４８％〜５２％の濃度範囲に維持され、経路Ｌ８から供給される製品クリプトンの濃度は常に９９．９９％以上であった。
【００６４】
＜実施例４＞
実施例２と同じ構成のガス分離装置を用いて装置の起動を行った。
起動にあたって、経路Ｌ５、Ｌ８を閉鎖し、経路Ｌ１３から製品窒素を１．００５Ｌ／ｍｉｎ、経路Ｌ１４から製品クリプトンを０．９９５Ｌ／ｍｉｎで循環タンク１に返送した。また、経路Ｌ１からの原料ガス供給は行わなかった。
経路Ｌ１４から循環タンク１に返送されるクリプトン中の窒素濃度変化を図４に示した。図４に示した通り、製品として供給可能なガス濃度であるクリプトン中の窒素濃度１００ｐｐｍ以下に到達するには起動後６時間を要したが、その間、原料ガスの供給は必要としなかった。また、循環原料ガスのクリプトン濃度は常に４８％〜５２％の濃度範囲に維持された。
以上のように、本発明のガス分離装置は、起動の際に、外部から原料ガスの供給を行わなくても、製品クリプトンガスの供給が可能な状態に立ち上げられることを確認した。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にあっては、製品ガスの供給流量、あるいは希ガス使用設備から排出される被分離ガスの流量・組成が変化する状況においても、第１製品ガスの導出流量および／または外部から供給される第２主要成分ガスの流量を制御することによって、循環原料ガスの成分濃度・流量を一定の範囲内に維持することができる。
したがって、第１および第２の分離工程において、第１および第２主要ガス成分の回収が難しくなるのを防ぎ、これら主要ガス成分を安定且つ効率良く回収することができる。さらに、第２製品ガスを常に一定の導出流量、成分濃度で採取することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス分離方法の第１の実施形態を示す概略系統図である。
【図２】本発明のガス分離方法の第２の実施形態を示す概略系統図である。
【図３】循環原料ガスのクリプトン濃度と製品窒素中のクリプトン濃度および製品クリプトン中の窒素濃度の関係を示した図である。
【図４】起動初期時における製品クリプトン中の窒素濃度の時間変化を示した図である。
【符号の説明】
１・・・循環タンク、２・・・圧縮機、３、３３・・・第１分離ユニット、４、３４・・・第２分離ユニット、１１・・・第１吸着塔、２１・・・第２吸着塔

Claims

少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、
第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、
第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとして使用し、
循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第１製品ガスの導出流量を制御することによって、第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取することを特徴とするガス分離方法。
少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、
第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、
第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとして使用し、
外部から供給された第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合し、
第１製品ガスの導出流量および／または成分濃度に基づいて、第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合する際の供給流量を制御することによって、第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取することを特徴とするガス分離方法。
少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する方法であって、
第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤を用いて、第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１分離工程と、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤を用いて、第２の主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２分離工程とを有し、
第１および第２分離工程において、吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとし、
外部から供給された第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合し、
循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第２主要ガス成分を循環原料ガスに混合する際の供給流量を制御することによって、第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取することを特徴とするガス分離方法。
原料ガスの第１の主要ガス成分が窒素であり、第２の主要ガス成分がクリプトンまたはキセノンであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のガス分離方法。
少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、
原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、
第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、
第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、
これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスを原料ガスに混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、
循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、第１製品ガスの導出流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるように構成されていることを特徴とするガス分離装置。
少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、
原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、
第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、
第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、
これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスと原料ガスを混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、
外部から第２主要ガス成分を循環原料ガスに供給できるようにされ、
第１製品ガスの導出流量および／または成分濃度に基づいて、外部から供給される第２主要ガス成分の供給流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるように構成されていることを特徴とするガス分離装置。
少なくとも２種の主要ガス成分を含有する原料ガスから圧力変動吸着法により主要ガス成分を分離する装置であって、
原料ガスが導入される循環タンクと、循環タンクからの循環原料ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機からの循環原料ガス中の第１主要ガス成分を第１製品ガスとして分離する第１吸着塔を有する第１分離ユニットと、循環原料ガス中の第２主要ガス成分を第２製品ガスとして分離する第２吸着塔を有する第２分離ユニットとを備え、
第１吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して難吸着性であって第２の主要ガス成分に対して易吸着性である第１吸着剤が用いられ、
第２吸着塔に、第１の主要ガス成分に対して易吸着性であって第２の主要ガス成分に対して難吸着性である第２吸着剤が用いられ、
これら吸着剤を再生するときに排出される再生排ガスと原料ガスを混合した循環原料ガスを被分離ガスとして第１または第２吸着塔に導入できるようにされ、
外部から第２主要ガス成分を循環原料ガスに供給できるようにされ、
循環原料ガスの成分濃度および／またはガス流通経路の圧力に基づいて、外部から供給される第２主要ガス成分の供給流量を制御して第２製品ガスを一定の導出流量、成分濃度で採取できるように構成されていることを特徴とするガス分離装置。
第１製品ガスおよび第２製品ガスのうち少なくとも１つの流量に基づいて、第１製品ガスおよび／または第２製品ガスを循環原料ガスに返送できるように構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のガス分離装置。
第１吸着塔に充填された第１吸着剤が活性炭であり、第２吸着塔に充填された第２吸着剤がクリプトンまたはキセノンと窒素とを速度分離可能な吸着剤であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のガス分離方法。
第２吸着塔に充填された第２吸着剤の細孔径が０．４ｎｍ程度であることを特徴とする請求項９記載のガス分離方法。
第１吸着塔に充填された第１吸着剤が活性炭であり、第２吸着塔に充填された第２吸着剤がクリプトンまたはキセノンと窒素とを速度分離可能な吸着剤であることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載のガス分離装置。
第２吸着塔に充填された第２吸着剤の細孔径が０．４ｎｍ程度であることを特徴とする請求項１１記載のガス分離装置。