JP4083672B2

JP4083672B2 - 絶縁支持部材および電解槽

Info

Publication number: JP4083672B2
Application number: JP2003412873A
Authority: JP
Inventors: 次郎平岩; 哲朗東城
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: JP2005171312A

Description

本発明は、フッ化水素を含む混合溶融塩からなる電解浴を電気分解してフッ素ガスを生成するための電解槽に関し、特に電極に対する絶縁シールを確実に行える絶縁支持部材および電解槽に関する。

従来、フッ素ガスあるいはフッ化物ガスは、例えば半導体製造分野においては欠くことのできない基幹ガスである。特にフッ素ガスを基にして３フッ化塩素（以下、ＣｌＦ₃ガスという。）や３フッ化チッソ（以下、ＮＦ₃ガスという）等を合成し、これを半導体のクリーニングガスやドライエッチング用ガスとしたものは急速に需要が伸びている。また、フッ化ネオンガス（以下、ＮｅＦガスという。）、フッ化アルゴンガス（以下、ＡｒＦガスという。）、フッ化クリプトンガス（以下、ＫｒＦガスという。）等は半導体集積回路のパターニングの際に用いられるエキシマレーザ発振用ガスであり、その原料には希ガスとフッ素ガスの混合ガスが多用されている。

半導体等の製造に使用されるフッ素ガスやその他のフッ化物ガスは不純物の少ない高純度のガスが要求される。また半導体等の製造現場ではフッ素ガスを充填したガスボンベから必要量のガスを取出して使用している。このためガスボンベの保管場所、ガスの安全性確保や純度維持等の管理が大変重要である。さらにフッ素以外のフッ化物ガスは取扱いが困難であり、最近になっては地球温暖化、オゾン層破壊等の問題もある。これらを考慮すると、ボンベ詰めした高圧のフッ素ガスを扱うよりも、オンデマンド、オンサイトのフッ素ガス発生装置を使用する場所に設置するのが好ましい。

通常、フッ素ガスは図５に示すような電解槽によって生成されている。電解槽２０１の材質は通常、Ｎｉ、モネル、炭素鋼等が使用されている。電解槽２０１の外周には電解槽の温度を電解溶２０２のＫＦ２ＨＦの融点以上である８０〜１００℃に維持するための加熱装置であるヒーター２１４が配設されている。そして、モネル等により形成されているスカート形の隔壁２０９によって、陽極室２１０と陰極室２１１とに分離されている。この陽極室２１０に収納された炭素陽極２０３と、陰極室２１１に収納された陰極２０４の間に電圧を印加し、電解することによりフッ素ガスは生成されている。

また、オンデマンド、オンサイトで使用する場合、フッ素ガスの外部流出を極力少なくするため、電解槽本体２０１の蓋体２０１ａから垂下される電極２０３は、蓋体２０１ａに対して、絶縁且つ密封可能に取り付けられる必要がある。この絶縁シールのために、通常、電極２０３は、電極２０３の支持棒部分２０３ａを絶縁体で覆い、この絶縁体と支持棒部分２０３ａの間にシール部材を介在させて、絶縁と密封を達成する構造になっている。

特表平９−５０５８５３号公報

電解槽の前述した絶縁・密封機構では、密封のためのシール部材がフッ素ガスで損傷を受けやすく、密封の保持が難しくなるという問題点が判明した。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電極に対する絶縁シールを確実に行える絶縁支持部材および電解槽を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の中空支持体が、テトラフルオロカーボンを含んでいてもよい。これによると、該絶縁支持部材がフッ素発生装置等に用いられた場合であっても、フッ素ガスによる腐食を防止することができる。この場合、フッ素ガスに対する耐食性をさらに向上させるために、中空支持体がフッ化カルシウムを含んでいることが好ましい。

本発明の電解槽は、フッ化水素を含む混合溶融塩からなる電解浴を電気分解してフッ素ガスを生成するための電解槽であって、電解浴を収容する槽本体と、この槽本体の上方を閉鎖する金属製の蓋体と、この蓋体を貫通するとともに該貫通方向に移動可能に支持される支持棒部分を有し、蓋体を経て前記電解浴に向かって支持される電極と、支持棒部分が挿入される絶縁樹脂製の中空支持体と、この中空支持体の途中に設けられた拡径部分と、この拡径部分が挿入され、拡径部分の一端が当接状態で保持されるホルダであって、蓋体に設けられた螺孔と螺合している外ネジ部を有した金属製のホルダと、このホルダ内の拡径部分の他端に当接するように中空支持体に挿入されるスリーブと、スリーブの他端側に係合し、ホルダに対して離接可能に係合する押圧体とを備え、この押圧体をホルダに対して接近方向に係合させると、ホルダ内の拡径部分が前記スリーブを介してホルダ内に押し込まれ、拡径部分の中空部分がそこに挿入された支持棒部分に向かって膨張し、前記ホルダに支持された前記中空支持体の両端それぞれが、前記ホルダ及び前記押圧体それぞれから突出され、且つ、前記中空支持体が絶縁樹脂を用いて一体に形成されていることで、支持棒部分が中空支持体によって密閉状態で絶縁されるように構成したものである。

この構成によると、電極の支持棒部分が挿入される中空支持体の拡径部分が、ホルダとスリーブに挟まれて押圧されると、拡径部分の内径が縮小し、支持棒部分が気密状態で支持される。また、電極の支持棒部分は絶縁樹脂の中空部分に挿入されており、ホルダやスリーブや押圧体に対して絶縁が保たれる。

本発明において、中空支持体は、フッ化カルシウムを含有するポリテトラフロオロエチレンにより形成されているものが好ましい。これによると、ポリテトラフロオロエチレンがフッ化カルシウムを含んでいるので、フッ素ガスに対する耐性がよくなり、長期にわたって電解槽の気密が良好にたもたれる。

本発明のホルダは、蓋体に螺合によって取り付けられ、ホルダと押圧体とは、螺合によって係合するものが好ましい。この構成によると、ホルダ、中空支持体、スリーブ、押圧体は、蓋体に対して螺合可能なユニットとして形成することができ、蓋体に対する取り付けが容易にできる。また、気密の管理も押圧体とホルダとを係合させる際のトルクで実施でき、容易となる。

本発明の槽本体は、蓋体から垂下する隔壁によって陰極室と陽極室とに区分され、電極は、陽極室に向かって支持される陽極であるものが好ましい。これによると、陽極室はフッ素ガスが発生するため、陽極の支持構造に適用すると、蓋体に対して絶縁と気密性を維持しながら支持することができる。

また、本発明の槽本体は、蓋体から垂下する隔壁によって陰極室と陽極室とに区分され、電極は、電解槽内特に陽極室に向かって支持されるレベルプローブであってもよい。この構成によると、陽極室はフッ素ガスが発生するため、レベルプローブの支持構造に適用すると、蓋体に対して絶縁と気密性を維持して支持される。

以下、図面に基づいて本発明に係る好適な実施の形態に係るフッ素ガス生成用電解槽を説明する。図１は、本実施形態例に係る電解槽の主要部の概略図である。図２は、図１の電解槽の断面図である。

図１において、電解槽１は、電解槽本体１ａ（槽本体）と蓋体１７とから構成されており、Ｎｉ、モネル、純鉄、ステンレス鋼等の金属で形成されている。また、電解槽１内には、ＫＦ−ＨＦ系混合溶融塩からなる電解浴２が注入されている。蓋体１７には、モネルからなるスカート形の２つの隔壁１６が配設されており、中央部に陽極室３、その両端に陰極室４となるように電解槽１内が分離されている。

電解槽１を構成する電解槽本体１ａの上部の外周部には、蓋体１７の周縁部と接続するフランジ部１ｂが形成されている。このフランジ部１ｂと蓋体１７とが接続するフランジ部１ｂ側の面には、凹形状の溝１ｃが周設されている。また、フランジ部１ｂと蓋体１７の周縁部との間には、電気絶縁材料９とガスシール材１０とが介在されている。このガスシール１０には、フッ素ガスに対して耐蝕性があるフッ素ゴムからなるＯリングが使用され、このＯリングはフランジ部１ｂの溝１ｃ内に配置されている。

陰極室４には、後述するコネクタ３１に支持され、蓋体１７から垂下される陽極５（電極）が配置されている。また、電解槽本体１ａの両壁には、陰極６（電極）が配設されている。また、電解浴中の温度を計測する温度計１１が、蓋体１７に貫設されている。さらに、レベルプローブ６１・６２・６３ａ・６３ｂが蓋体１７に貫設されており、導通検知用の電極で構成されている。レベルプローブ６１・６３ａは、陽極室３に対して設けられ、レペルプローブ６２・６３ｂは、陰極室４に対して設けられている。尚、陽極５には低分極性炭素電極を使用することが好ましい。また、陰極６及びレベルプローブ６１、６２、６３ａ、６３ｂとしては、Ｎｉ等を使用することが好ましい。

蓋体１７のほぼ中央部には、コネクタ３１に支持される陽極５を陽極室３内に垂下させるための孔１７ａが設けられており、孔１７ａを覆うように蓋体３６が設けられている。蓋体３６と蓋体１７との間には電気絶縁材料９ａが介設されており、電解槽本体１ａを密閉している。蓋体３６には、螺孔が形成されており、コネクタ３１と螺合するようになっている。

ここで、コネクタ３１について説明する。図３は、図２に描かれているコネクタ３４の分解図である。尚、図３は、左半分が外形図であり、右半分が断面図となっている。コネクタ３１は、ホルダ３２、押圧体３３、スリーブ３４、及び連結棒３５（中空支持体）を有している。

連結棒３５は、中空の円筒形状を有しており、５〜５０％までの範囲内でフッ化カルシウムが含有された絶縁樹脂性のポリテトラフロオロエチレンを材料としている。連結棒３４の中央部付近には、テーパ面が下方に形成された凸部材３５ａ（拡径部分）が設けられている。また、連結棒３５は、中空の円筒形状を有するスリーブ３４に摺動可能に挿入されており、凸部材３５ａのテーパ面が形成されていない面とスリーブ３４とが当接している状態となっている。

ホルダ３２は、六角ナットと略同じ形状を有する本体３２ａと、本体３２ａの両端に設けられ、外ネジが形成された円筒部材３２ｂ・３２ｃとを有している。一方の円筒部材３２ｂの外ネジが、蓋体３６に設けられた螺孔と螺合するようになっており、もう一方の円筒部材３２ｃの外ネジが、後述する押圧体３３の内ネジと螺合するようになっている。また、ホルダ３２は、連結棒３５を上方（円筒部材３２ｂ側）から挿入することができる中空を有している。かかる中空の上部は、連結棒３５の凸部３５ａよりも大きい径を有しており、下部は、凸部３５ａよりも小さい径を有している。そして、中空の上部と下部との境界部には、凸部材３５ａのテーパ面と係合するテーパ面３２ｄを有しており、連結棒３５の凸部材３５ａがテーパ面３２ｄに接触すると、それ以上下方に摺動しないようになっている。

押圧体３３は、ホルダ３２の本体３２ａと略同じ形状を有しており、連結棒３５を挿入できる中空を有している。中空の一端には、円筒部材３２ｂと嵌合し、円筒部材３２ｂの外ネジと螺合する内ネジ３３ａが形成されている。また、内ネジ３３ａの上方には、スリーブ３４を受止める止部３３ｂが形成されている。押圧体３３の内ネジ３３ａをホルダ３２の円筒形状３２ｂの外ネジと螺合させて、押圧体３３をホルダ３２に締め付けていくと、止部３３ｂがスリーブ３４と当接し、スリーブ３４及び連結棒３５を下方に押し込むようになっている。つまり、押圧体３３をホルダ３２に締め付けることにより、連結棒３５は、ホルダ３２及び押圧体３３に摺動することなく支持されるようになっている。

連結棒３５の中空には、下端にＬ字形状の取付部３８が付設された支持棒３７が挿通されている。取付部３８は、陽極５の上端部に形成された図示しない貫通孔に挿通された連結ボルト３９で取付部３８に固定されている。また、支持棒３７と連結棒３５の上端部との接触部分において、ボルト３７ａが支持棒３７に挿設されており、支持棒３７が下方に落下しないようになっている。支持棒３７は、陽極５に電気を導通させる導体であり、図示しない電気装置に接続されている。連結棒３５は、上述したように電気的に絶縁である樹脂性であるため、連結棒３５の中空に挿通された支持棒３７と外部との短絡が防止されるようになっている。

尚、連結棒３５は、連結棒３５の上部が押圧体３３から上方に突出し、下部がホルダ３２から下方に突出した状態で、支持されている。これにより、不要な個所において、他部分と短絡するおそれを防止している。また、下部がホルダ３２から突出していることにより、電解浴２が飛散してホルダ３２や蓋体１７に付着することにより、支持棒３７とホルダ３２や蓋体１７とが短絡するおそれを防止することができる

さらに、上述したように押圧体３３をホルダ３２に締め付けると、テーパ面３２ｄと連結棒３５の凸部材３５ａとが当接し、連結棒３５は摺動不可能に固定される。このため、さらに押圧体３３をホルダ３２に締め付けると、連結棒３５の凸部材３５ａが押し圧力により内部に膨張する。これにより、連結棒３５の中空にある支持棒３７と、連結棒３５の内側とが密接するようになり、この密接部分で連結棒３５の中空が密閉されるようになる。このため、フッ素ガスが連結棒３５の中空を通り外部に漏出するおそれがなくなる。

さらに、連結棒３５の材料であるポリテトラフロオロエチレンに、５〜５０％までの範囲内でフッ化カルシウムを含有させることにより、フッ素ガスに対する耐久性が向上するため、かかる密接部分がフッ素ガスにより損傷するおそれが少なくなり、確実に電解槽本体１ａを密閉することができるようになっている。また、上述したように連結棒３５は、ホルダ３２から下方に突出した状態で支持されているが、出来る限り連結棒３５を電解浴２から隔離することで、フッ素ガスによる腐食をさらに防止することが出来る。これは、連結棒３５を隔離することで、電解浴溶融に伴う熱を伝わりにくくして、フッ素との反応を防止するようになっている。

次に、上述のフッ素ガス発生装置の作動について説明する。電解槽１内の陽極５と陰極６とに電圧が印加され、電解浴２が正常に電気分解されている状態では、陽極５からフッ素ガスが、陰極６から水素ガスが発生する。こうして陽極５から発生したフッ素ガスは、陽極室３上部のフッ素ガス発生口２２からラインに供給される。また陰極６から発生した水素ガスは、陰極室４上部の水素ガス発生口２３からラインに供給される。

そして、一連の電解により電解浴２が減少するとレベルプローブ６１・６２・６３ａ・６３ｂが作動し、これと連動してＨＦ供給ライン２４からＨＦ供給ライン２５を通って電解浴２にＨＦが供給される。このように電解浴２を陽極５、陰極６で電解し、電解原料であるＨＦが減少すると電解浴２に対してＨＦを供給して常に同じ電気分解状態を得られるようになっている。

また、電解浴２を用いた電解を効率よく行うために、電解浴２はヒータ１３によって電解槽１を介して最適な温度に暖められている。この電解浴２中の温度を監視している温度計１１と、温水ジャケット５１に供給する純水を加熱する温水加熱装置１２と、プレート状の加熱部材５２とによって電解浴２が最適な温度に保たれている。

尚、本実施の形態において、コネクタ３１は、陽極５を支持して陽極室３内に垂下するようにしているが、図５に示すように、コネクタ３１により陽極室３内に垂下している、導電式の電極で構成されたレベルプロープ６１・６３ａを支持するように設けてもよい。連結棒３５の中空の口径を小さくし、レベルプロープ６１・６３ａに密着させることで、発生するフッ素ガスをシールすることができ、また、連結棒３５は絶縁性であるため、外部との短絡を防止することができる。レベルプローブの測定に要する先端部分以外と連絡棒３５とで被覆することで、蓋体１７とレベルプローブとの間に電解浴２が付着することによる短絡を防止できる。

以上、説明したように、本実施の形態において、陽極５の支持棒部分が挿入される連結棒３５の凸部材３５ａが、ホルダ３２とスリーブ３４に挟まれて押圧されると、凸部材３５ａの内径が縮小し、支持棒部分が気密状態で支持されることにより、発生するフッ素ガスをシールすることが可能となる。またこの場合、Ｏリングなどによりフッ素ガスをシールする場合との対比において、シール部分が広域であり、直接フッ素ガスにさらされにくいため耐久性に優れている。

また、陽極５の支持棒３７は絶縁樹脂の中空部分に挿入されており、ホルダ３２やスリーブ３４や押圧体３３に対して絶縁が保たれ、且つ蓋体１７に対して気密性を維持して支持することができる。また、連結棒３５は、フッ化カルシムウを含有したポリテトラフロオロエチレンを材料としているので、フッ素ガスに対する耐性がよくなり、フッ素ガスによる損傷を少なくすることができる。

さらに、ホルダ３２、連結棒３５、スリーブ３４、押圧体３３は、蓋体３６に対して螺合可能なユニットとして形成することができ、蓋体３６に対する取り付けが容易にできる。また、陽極室３はフッ素ガスが発生するため、レベルプローブ６１〜６３の支持構造にコネクタ３１を適用すると、蓋体１７に対して絶縁と気密性を維持して支持することができる。

また、連結棒３５の上部と下部とがホルダ３２から突出した状態で、支持されているため、不要な部分での支持棒３７と外部との短絡を防止することができる。また、下部がホルダ３２から突出していることにより、電解浴２が飛散してホルダ３２や蓋体１７に付着することにより、支持棒３７とホルダ３２や蓋体１７とが短絡するおそれを防止することができる。

また、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

即ち、上述の実施の形態では、コネクタ３１は、蓋体１７に螺合することにより固設されているが、溶接により固設されていてもよいし、電解槽に付設されている器具は本実施の形態で述べられたものに限定されるものではない。また、連結棒は、５〜５０％までの範囲内でフッ化カルシウムが含有されたポリテトラフロオロエチレンを材料としているが、連結棒が、支持棒に接触可能な固さである範囲内であればよい。

さらに、本実施の形態では、陽極室に垂下される陽極やレベルプロープにのみコネクタにより支持するようにしているが、陰極室に垂下されるレベルプロ―プやその他のセンサー等に対してもコネクタで支持するようにしてもよい。また、コネクタ３１付近の雰囲気温度がフッ素ガスとの反応温度以下となるように、温度制御手段を設けるようにしても良い。この場合、コネクタ３１のフッ素ガスによる腐食をさらに防止することができる。

本実施形態例に係る電解槽の主要部の概略図である。図１に描かれている電解槽の断面図である。図２に描かれているコネクタの分解図である。図２に描かれているコネクタによりレベルプロープを支持した場合の拡大図である。従来の電解槽の主要部の概略図である。

符号の説明

１電解槽
１ａ電解槽本体
２電解浴
３陽極室
４陰極室
５陽極
１７蓋体
３１コネクタ
３２ホルダ
３３押圧体
３４スリーブ
３５連結棒
３５ａ凸部材
３６蓋体
３７支持棒

Claims

フッ化水素を含む混合溶融塩からなる電解浴を電気分解してフッ素ガスを生成するための電解槽であって、
前記電解浴を収容する槽本体と、
この槽本体の上方を閉鎖する金属製の蓋体と、
この蓋体を貫通するとともに該貫通方向に移動可能に支持される支持棒部分を有し、前記蓋体を経て前記電解浴に向かって支持される電極と、
前記支持棒部分が挿入される絶縁樹脂製の中空支持体と、
この中空支持体の途中に設けられた拡径部分と、
この拡径部分が挿入され、前記拡径部分の一端が当接状態で保持されるホルダであって、前記蓋体に設けられた螺孔と螺合している外ネジ部を有した金属製のホルダと、
このホルダ内の前記拡径部分の他端に当接するように前記中空支持体に挿入されるスリーブと、
前記スリーブの他端側に係合し、前記ホルダに対して離接可能に係合する押圧体とを備え、
この押圧体を前記ホルダに対して接近方向に係合させると、前記ホルダ内の前記拡径部分が前記スリーブを介してホルダ内に押し込まれ、前記拡径部分の中空部分がそこに挿入された前記支持棒部分に向かって膨張し、前記ホルダに支持された前記中空支持体の両端それぞれが、前記ホルダ及び前記押圧体それぞれから突出され、且つ、前記中空支持体が絶縁樹脂を用いて一体に形成されていることで、前記支持棒部分が前記中空支持体によって密閉状態で絶縁されるように構成した電解槽。
前記中空支持体を形成している絶縁樹脂が、フッ化カルシウム含有ポリテトラフロオロエチレンを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電解槽。
前記ホルダは、前記蓋体に螺合によって取り付けられ、前記ホルダと前記押圧体とは、螺合によって係合する請求項１又は２に記載の電解槽。
前記槽本体は、前記蓋体から垂下する隔壁によって陰極室と陽極室とに区分され、前記電極は、前記陽極室に向かって支持される陽極である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解槽。
前記槽本体は、前記蓋体から垂下する隔壁によって陰極室と陽極室とに区分され、前記電極は、前記陽極室に向かって支持されるレベルプローブである請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解槽。