JP5108365B2 - 加湿ガス供給方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、加湿ガス供給方法及び装置に関し、詳しくは、熱処理，酸化，焼成炉等に広く使用されている必要な水分量を含んだ加湿ガスを供給する方法及び装置に関する。

ガスに所定量の水分を加えた加湿ガスは、熱処理，酸化，焼成等に使用され、さらに、ガス中の水分は、プラズマ雰囲気における酸素源として殺菌，表面処理，有機汚染除去，エッチング等にも用いられている。また、急激な乾燥を嫌う用途に対し、調湿したガスから徐々に水分量を減らして乾燥させる方法では、予め希望する加湿ガスを定量的に供給する必要がある。

ガスへの加湿手段（加湿源）としては、液体の水を加熱蒸発させて水蒸気を得る方法と、フッ素系，ポリイミド系の中空糸膜あるいは平膜等の水蒸気透過特性を利用し、乾燥ガスに水分を添加して加湿ガスを得る方法とがある。また、加湿ガス中の露点を制御する方法としては、加湿源の温度を制御し、その温度，圧力で飽和の水分量を添加するか、制御温度以下の場合は、得られた加湿ガスを乾燥ガスで希釈して水分量を制御する方法がある（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特開平８−６１７１８号公報 特開２００２−１８０１１７号公報 特開平２−８０５１１号公報

必要な露点温度まで水を加熱又は冷却し、その温度及び圧力の条件下で水分を飽和させる場合、水温の制御が不可欠であり、水温制御精度が低ければ添加水分量が変動してしまい、安定した露点のガスを得ることはできない。また、水分が飽和した湿潤ガスに乾燥ガスを混合して希釈する方法では、加湿ガスの露点を計測して湿潤ガス量及び希釈ガス量を制御することから、加湿ガスの露点を計測するための露点計測機器が必要である。露点計測機器は、温度測定装置や流量測定装置、流量制御機器等に比べて、信頼性、耐久性が非常に低く、露点計測機器が故障したときには、プロセス全体が動作しなくなるという問題があった。

そこで本発明は、精密な水温制御や露点計測機器を不要として簡単な構成で所定水分量、所定流量の加湿ガスを効率よく供給することができる加湿ガス供給方法及び装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の加湿ガス供給方法は、加湿器を有する加湿経路から供給される飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路から供給される乾燥ガスとを混合し、あらかじめ設定された流量で、あらかじめ設定された水分量の加湿ガスを生成して加湿ガス使用先に供給する加湿ガス供給方法において、前記飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定し、測定した圧力及び温度に基づいて算出した飽和湿潤ガスの水分量と、前記加湿ガスの水分量及び流量とから、前記飽和湿潤ガスの流量及び前記乾燥ガスの流量をそれぞれ設定することを特徴としている。さらに、測定した圧力及び温度に基づいて、算出した飽和湿潤ガスの水分量をあらかじめ設定されたパラメータで補正することにより、膜の劣化等による飽和湿潤ガスの水分量の変化に対応することができる。

本発明の加湿ガス供給装置は、加湿器を有する加湿経路から供給される飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路から供給される乾燥ガスとを混合し、 あらかじめ設定された流量で、あらかじめ設定された水分量の加湿ガスを生成して加湿ガス使用先に供給する加湿ガス供給装置において、前記乾燥ガス供給経路に設けた乾燥ガス流量調節器と、前記加湿経路に設けた飽和湿潤ガス流量調節器と、前記飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定するために前記加湿経路の前記加湿器後段に設けた圧力計及び温度計と、前記圧力計と温度計で測定した圧力及び温度に基づいて前記飽和湿潤ガスの水分量を算出し、前記加湿ガスの水分量及び流量とから、前記飽和湿潤ガス流量調節器及び前記乾燥ガス流量調節器のガス流量をそれぞれ設定する制御器とを有していることを特徴としている。さらに、該制御器は、測定した圧力及び温度に基づいて、算出した飽和湿潤ガスの水分量をあらかじめ設定されたパラメータで補正する機能を備えている。

本発明の加湿ガス供給方法及び装置によれば、飽和状態のガス中に含まれる水分量は、そのときのガスの圧力及び温度によって決まるので、使用先に供給する加湿ガスの水分量及び流量に応じて飽和湿潤ガスの流量及び乾燥ガスの流量をそれぞれ設定して混合することにより、所定水分量の加湿ガスを所定流量で使用先に供給することができる。したがって、精密な温度制御や精密な露点計測機器が不要となる。

図１は本発明の加湿ガス供給方法を適用した加湿ガス供給装置の一例を示す系統図である。この加湿ガス供給装置は、原料乾燥ガスを供給する原料乾燥ガス供給経路１１と、該原料乾燥ガス供給経路１１から分岐した加湿経路１２及び乾燥ガス経路１３と、加湿経路１２から供給される飽和湿潤ガスと乾燥ガス経路１３から供給される希釈用の乾燥ガスとを混合するガス混合部１４と、該ガス混合部１４で飽和湿潤ガスと乾燥ガスとが混合することにより生成した加湿ガスを使用先に供給する加湿ガス供給経路１５と、前記加湿経路１２に設けられた加湿器１６と、該加湿器１６で水分飽和状態となった飽和湿潤ガスの圧力を測定する圧力計（ＰＩ）１７及び飽和湿潤ガスの温度を測定する温度計（ＴＩ）１８と、前記加湿経路１２及び前記乾燥ガス経路１３のそれぞれに設けられた流量調節器（ＭＦＣ）１９，２０と、前記圧力計１７及び温度計１８でそれぞれ測定した飽和湿潤ガスの圧力及び温度とあらかじめ設定された加湿ガスの水分量及び流量とに基づいて前記流量調節器１９，２０におけるガス流量を設定する制御器（ＰＬＣ）２１とを備えている。

前記加湿器１６は、加湿膜１６ａと、水槽１６ｂと、加湿膜１６ａと水槽１６ｂとに水を循環させるポンプ１６ｃとを有している。加湿膜１６ａは、従来と同様に、フッ素系，ポリイミド系の中空糸膜や平膜等の水蒸気透過性の膜からなるものであって、加湿するガス量に対して十分に大きな加湿能力を持ち、ガス量が変化しても常にそのときの水温と同等の露点の湿潤ガスが得られる膜を用いることにより、加湿器１６を通った加湿後のガス中の水分量が、そのときの温度、圧力で飽和状態となるようにしている。

また、加湿器１６の入口側に熱交換器１６ｄを配置し、加湿器１６に流入する乾燥ガスの温度を、加湿膜１６ａを介して接触する水蒸気の温度、すなわち、ポンプ１６ｃによって加湿膜１６ａを循環する水温に近い温度に調整している。さらに、必要に応じて、水槽１６ｂや循環経路に温度調整手段を設けて水温を加湿に最適な温度範囲に調整することもできる。

このような構成を有する加湿ガス供給装置は、入力手段２１ａから入力された加湿ガス使用先の仕様に基づいて所定水分量の加湿ガスを所定流量で使用先に供給する。以下、使用先に加湿ガスを供給する方法を説明する。なお、原料となる乾燥ガスは、任意の手段で得ることができるので、詳細な説明は省略する。

まず、加湿ガス使用先であらかじめ設定された加湿ガスの流量Ｆ（ｍ^３／ｈ）及び水分量Ｗ（ｇ／ｍ^３）をキーボード等の入力手段２１ａから制御器２１に入力する。制御器２１では、入力された流量Ｆ及び水分量Ｗに基づいて前記流量調節器１９，２０の流量設定を行う。ここで、温度Ｔ（℃）における大気圧下の飽和蒸気圧Ｖｐ（Ｐａ）は、下記式（１）で近似することができる。
ｌｎ(Vp)＝−6097T⁻¹＋21.24−2.711×10^−２Ｔ＋1.674×10^−５Ｔ^２＋2.434lｎ(T)・・・（１）
さらに、圧力Ｐ（ＭＰａ）における飽和水分量Ｗｓ（ｇ／ｍ^３）は、下記式（２）で近似することができる。
Ｗｓ＝Ｖｐ×1.019×(0.1013／(P＋0.1013)）×（1／(0.47×(273＋T)）・・・（２）
一方、使用先に供給する加湿ガスの流量Ｆ及び水分量Ｗから、加湿ガス中に要求される水分量を得るために必要な湿潤ガスの流量Ｆｗ（ｍ^３／ｈ）は、下記式（３）にて求めることができる。
Ｆｗ＝Ｆ×Ｗ／Ｗｓ・・・・・（３）
また、湿潤ガスを希釈する乾燥ガスの流量Ｆｏ（ｍ^３／ｈ）は、下記式（４）にて求めることができる。
Ｆｏ＝Ｆ−Ｆｗ・・・（４）

したがって、前記式（１）及び式（２）に前記圧力計１７及び温度計１８にてそれぞれ測定した圧力Ｐ（ＭＰａ）及び温度Ｔ（℃）を入力することにより、湿潤ガスにおける飽和水分量Ｗｓを得ることができる。

そして、得られた飽和水分量Ｗｓと、あらかじめ入力された加湿ガスの流量Ｆ及び水分量Ｗとから、前記式（３）により必要な湿潤ガスの流量Ｆｗを求めることができ、さらに、この湿潤ガスの流量Ｆｗと加湿ガスの流量Ｆとから、前記式（４）により必要な乾燥ガスの流量Ｆｏを求めることができる。

制御器２１により、このようにして得た湿潤ガスの流量Ｆｗに基づいて加湿経路１２の流量調節器１９を設定するとともに、乾燥ガスの流量Ｆｏに基づいて乾燥ガス経路１３の流量調節器２０を設定することにより、湿潤ガスと乾燥ガスとが前記ガス混合部１４で混合してあらかじめ設定された流量Ｆ及び水分量Ｗの加湿ガスを加湿ガス供給経路１５から使用先に供給することができる。

これにより、測定機器として比較的安価で信頼性の高い圧力計１７及び温度計１８を用いるのみで所望の加湿ガスを使用先に供給することが可能となり、加湿ガス供給用の装置コストや運転コストの低減を図ることができる。

一方、上述の方法では、実際に製造されて使用先に供給される加湿ガスの露点を計測し、その計測値をフィードバックしていないため、加湿器１６における膜の劣化や、流量制御の再現性の劣化によるドリフトや、プロセス及び機器固有のバイアス値によって長期的あるいは機器運転の上で再現精度に支障がでるおそれがある。これらの問題点の対策として、飽和水分量Ｗｓを計算した後、湿潤ガスの流量Ｆｗを計算する前にある程度のガス量を加算又は減算するパラメータ（Ｃ）を追加し、補正する方法を取ることができる。パラメータの値は、実際に製造される加湿ガスの露点を校正された露点計等で定期的に適宜確認して設定すればよく、露点計の信頼性、耐久性にプロセスが依存することなく、再現性が高く、一定の加湿ガスを得ることが可能である。

なお、前記パラメータは固定値でもかまわないが、飽和水分量Ｗｓは温度が高いほど大きく、圧力Ｐが低いほど大きいため、温度、圧力及び流量の関数としておくことが好ましい。

また、温度計１８で測定した温度を用いて前記式（１）の計算を行って飽和蒸気圧Ｖｐを対数計算するのに代えて、あらかじめ温度領域を設定し、各温度領域において飽和蒸気圧Ｖｐを直線に近似した計算式で計算するように設定することにより、複雑な対数計算を含む前記式（１）の計算を行うことができない比較的安価な市販のシーケンサーを制御器２１として使用することができ、装置コストを更に低減することができる。

このとき使用する飽和蒸気圧Ｖｐを求めるための直線に近似した計算式は、次のように設定することができる。例えば、湿潤ガスの温度範囲が０〜４０℃の場合、温度領域を０℃以上〜５℃未満、５℃以上〜１０℃未満といったように５℃刻みで設定し、各温度領域において、０〜５℃ではＶｐ＝52.5×T＋611に、５〜１０℃ではＶｐ＝71.2×T＋516に、１０〜１５℃ではＶｐ＝95.4×T＋274に、１５〜２０℃ではＶｐ＝126.6×T-194に、２０〜２５℃ではＶｐ＝166.2×T-986に、２５〜３０℃ではＶｐ＝215.2×T-2211に、３０〜３５℃ではＶｐ＝275.8×T-4029に、３５〜４０℃ではＶｐ＝315.4×T-6675に、それぞれ計算式を設定することにより、各温度領域における飽和蒸気圧Ｖｐの近似値を簡単な計算式で求めることができる。

本発明の加湿ガス供給方法を適用した加湿ガス供給装置の一例を示す系統図である。

符号の説明

１１…原料乾燥ガス供給経路、１２…加湿経路、１３…乾燥ガス経路、１４…ガス混合部、１５…加湿ガス供給経路、１６…加湿器、１６ａ…加湿膜、１６ｂ…水槽、１６ｃ…ポンプ、１６ｄ…熱交換器、１７…圧力計、１８…温度計、１９，２０…流量調節器、２１…制御器、２１ａ…入力手段

Claims (4)

1. 加湿器を有する加湿経路から供給される飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路から供給される乾燥ガスとを混合し、あらかじめ設定された流量で、あらかじめ設定された水分量の加湿ガスを生成して加湿ガス使用先に供給する加湿ガス供給方法において、
   前記飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定し、
   測定した圧力及び温度に基づいて算出した飽和湿潤ガスの水分量と、前記加湿ガスの水分量及び流量とから、前記飽和湿潤ガスの流量及び前記乾燥ガスの流量をそれぞれ設定する
   ことを特徴とする加湿ガス供給方法。
2. 測定した圧力及び温度に基づいて、算出した飽和湿潤ガスの水分量をあらかじめ設定されたパラメータで補正することを特徴とする請求項１記載の加湿ガス供給方法。
3. 加湿器を有する加湿経路から供給される飽和湿潤ガスと、乾燥ガス経路から供給される乾燥ガスとを混合し、 あらかじめ設定された流量で、あらかじめ設定された水分量の加湿ガスを生成して加湿ガス使用先に供給する加湿ガス供給装置において、
   前記乾燥ガス供給経路に設けた乾燥ガス流量調節器と、
   前記加湿経路に設けた飽和湿潤ガス流量調節器と、
   前記飽和湿潤ガスの圧力及び温度を測定するために前記加湿経路の前記加湿器後段に設けた圧力計及び温度計と、
   前記圧力計と温度計で測定した圧力及び温度に基づいて前記飽和湿潤ガスの水分量を算出し、前記加湿ガスの水分量及び流量とから、前記飽和湿潤ガス流量調節器及び前記乾燥ガス流量調節器のガス流量をそれぞれ設定する制御器と
   を有していることを特徴とする加湿ガス供給装置。
4. 前記制御器は、測定した圧力及び温度に基づいて、算出した飽和湿潤ガスの水分量をあらかじめ設定されたパラメータで補正する機能を備えていることを特徴とする請求項３記載の加湿ガス供給装置。

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