JP5906742B2 - フッ素ガス生成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、フッ素ガスを安定して供給可能なフッ素ガス生成装置に関する。
従来、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解する電解槽を備え、陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させるフッ素ガス生成装置が知られている（特許文献１、２）。
この種のフッ素ガス生成装置では、電解浴中でのフッ化水素の電解により、溶融塩の液面が低下した時は、フッ化水素ボンベやフッ化水素タンクなどのフッ化水素供給源を用いて、電解槽の外部から電解槽に接続されたフッ化水素供給通路より電解浴中に直接フッ化水素が供給される。
フッ素ガス生成装置において、フッ素ガスを生成する陽極側の液面レベルは、フッ素ガス生成装置から発生させるフッ素ガス量に影響を受け、フッ素を大量に発生させた場合、電解槽の液面レベルが低下する。
フッ素ガスは、反応性が高いため、電解槽の液面レベルが大きく変動すると、フッ素ガスと水素ガスとが混触して反応する恐れがあるため、フッ素ガスの発生量に影響せず、電解槽の液面レベルを一定に安定させることが重要となる。そのため、電解槽の液面レベルを一定に保つために、十分な量のフッ化水素を安定的に供給する必要がある。
特許文献１、２に記載のような従来のフッ素ガス生成装置の構成では、フッ化水素の電解槽への供給は、フッ化水素供給源をヒーターなどで直接加熱し、気体状態に維持されたフッ化水素をフッ化水素供給通路内にて搬送することによって行われる。
従来の方法では、フッ素を大量に発生させた場合、電解槽の液面レベルを一定に保つのに十分な量のフッ化水素を供給することができず、フッ化水素の供給量が不安定になりやすい。その結果、電解槽の液面レベルが変動しやすく、安定的にフッ素ガスを生成することが難しくなる問題点があった。
ボンベを用いる場合、フッ化水素の供給量を増やすために、フッ化水素ボンベを頻繁に交換する方法も考えられるが、フッ化水素ボンベを頻繁に交換すると、装置の一時停止による生産性の低下や、ボンベの交換作業増加による作業負担が大きくなる。
フッ素水素供給源として大型のフッ化水素タンクを用いて、フッ化水素タンクを直接加熱し、気体状のフッ化水素を電解槽に供給する方法も挙げられるが、この方法の場合、フッ化水素タンクの大型化に伴い、フッ化水素タンクを加熱するための設備が大掛かりなものとなり、ランニングコストが高くなる。
また、従来の方法では、大型のフッ化水素タンクを使用する場合など、気体のフッ化水素を通路内にて搬送する距離が長くなりやすく、フッ化水素供給源から、急激に大量の気体のフッ化水素を通路内に流すと、通路内にて加熱が十分行えず、フッ化水素が液化することがあり、液体のフッ化水素が電解槽の中に入り突沸を招き、電解槽の液面レベルが変動しやすいという問題点もあった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、フッ素ガスを大量に発生させた場合においても、電解槽へのフッ化水素の供給を安定的に行うことが可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決するために、フッ化水素供給源とは別途に、フッ化水素供給通路に、フッ化水素供給源から供給される液体のフッ化水素を収容し気化させる気化器を設けることによって、電解槽へのフッ化水素の供給量を安定させることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、前記電解槽に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源と、前記フッ化水素供給源のフッ化水素を前記電解槽中の溶融塩中に補充するためのフッ化水素供給通路と、前記フッ化水素供給通路に設けられ、前記フッ化水素供給源から供給された液体のフッ化水素を収容し気化させる気化器と、前記気化器内に供給されるフッ化水素の量を調整する流量制御弁と、を備え、前記気化器は、液体のフッ化水素を加熱して気化させる温度調節器を備え、内部に液体のフッ化水素を収容する気化室が形成された中空容器と、前記フッ化水素供給源から供給される液体のフッ化水素を前記中空容器に導入するフッ化水素導入部と、前記気化室から、気化されたフッ化水素を前記フッ化水素供給通路を通して前記溶融塩中に導出するフッ化水素導出部と、前記気化器内に収容されたフッ化水素の液面を検出する液面検出手段と、を備え、さらに、前記液面検出手段の検出結果に基づいて、前記気化器内のフッ化水素の液面が常に一定値になるように、前記流量制御弁の開度を制御する制御手段と、を備える、ことを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
本構成によれば、気化器内のフッ化水素の液面レベルを制御することが容易になり、より安定的にフッ化水素供給量を安定させることができる。
本発明によれば、フッ化水素供給通路において、液体のフッ化水素を気化させる気化器が設けられており、気化器内に収容される液体のフッ化水素の量を調整する構成となっている。そのため、電解槽にてフッ素ガスを大量に発生させ、大量のフッ化水素を電解槽に供給する必要が生じたときでも、フッ化水素の供給量が不足することがない。したがって、フッ化水素供給量を安定させ、液面レベルの変動を抑えることができ、安定してフッ素ガスを供給することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１を参照して、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置１００について説明する。
フッ素ガス生成装置１００は、フッ化水素を含む溶融塩を電気分解によってフッ素ガスを生成し、生成されたフッ素ガスを外部装置４へと供給するものである。外部装置４としては、例えば、半導体製造装置であり、その場合、フッ素ガスは、例えば半導体の製造工程においてクリーニングガスとして使用される。
フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成する電解槽１と、電解槽１から生成したフッ素ガスを外部装置４へと供給するフッ素ガス供給系統２と、フッ素ガスの生成に伴って生成された副生ガスを処理する副生ガス処理系統３とを備える。
まず、電解槽１について説明する。電解槽１には、フッ化水素（ＨＦ）を含む溶融塩が貯留される。電解槽１に貯留される溶融塩の組成を変えることによって、電解槽１から発生するフッ素化合物ガスの組成を適宜変更することができる。溶融塩としては、一般式ＫＦ・ｎＨＦ（ｎ＝０．５〜５．０）で示される組成が用いられる。例えば、ＮＨ4Ｆ・ＨＦ溶融塩を用いた場合には、三フッ化窒素（ＮＦ3）が得られ、又はＮＨ4Ｆ・ＫＦ・ＨＦ溶融塩を用いた場合にはＦ2とＮＦ3の混合物が得られる。以下、本発明の実施形態では、溶融塩としてフッ化水素とフッ化カリウムの混合溶融塩（ＫＦ・２ＨＦ）を用いて説明する。
電解槽１の内部は、溶融塩中に浸漬された区画壁６によって陽極室１１と陰極室１２とに区画される。陽極室１１及び陰極室１２の溶融塩中には、それぞれ陽極７及び陰極８が浸漬される。陽極７と陰極８の間に電源９から電流が供給されることによって、陽極７ではフッ素ガス（Ｆ2）を主成分とする主生ガスが生成され、陰極８では水素ガス（Ｈ2）を主成分とする副生ガスが生成される。陽極７には、例えば、炭素電極が用いられ、陰極８には軟鉄、モネル、又はニッケルが用いられる。
電解槽１内の溶融塩液面上には、陽極７にて生成されたフッ素ガスが導かれる第１気室１１ａと、陰極８にて生成された水素ガスが導かれる第２気室１２ａとが互いのガスが行き来不能に区画壁６によって区画される。このように、第１気室１１ａと第２気室１２ａは、フッ素ガスと水素ガスとの混触による反応を防ぐため、区画壁６によって完全に分離される。これに対して、陽極室１１と陰極室１２の溶融塩は、区画壁６によって分離されず区画壁６の下方を通じて連通している。
ＫＦ・２ＨＦの融点は７１．７℃であるため、溶融塩の温度は、９１〜９３℃に調節されることが好ましい。電解槽１の陽極７及び陰極８から生成したフッ素ガス及び水素ガスのそれぞれには、溶融塩からフッ化水素が蒸気圧分だけ気化して混入する。このように、陽極７にて生成され第１気室１１ａに導かれるフッ素ガス及び陰極８にて生成され第２気室１２ａに導かれる水素ガスのそれぞれには、フッ化水素ガスが含まれている。
次に、フッ素ガス供給系統２について説明する。第１気室１１ａには、フッ素ガスを外部装置４へと供給するための第１メイン通路１５が接続される。
第１メイン通路１５には、第１気室１１ａからフッ素ガスを導出して搬送する第１ポンプ１７が設けられる。第１ポンプ１７には、ベローズポンプやダイアフラムポンプ等の容積型ポンプが用いられる。第１メイン通路１５における第１ポンプ１７の上流には、フッ素ガスに混入したフッ化水素を捕集してフッ素ガスを精製する精製装置２０が設けられる。
次に、副生ガス処理系統３について説明する。第２気室１２ａには、水素ガスを外部へと排出するための第２メイン通路３０が接続される。
第２メイン通路３０には、第２気室１２ａから水素ガスを導出して搬送する第２ポンプ３１が設けられる。第２メイン通路３０における第２ポンプ３１の下流には除害部３４が設けられ、第２ポンプ３１にて搬送された水素ガスは除害部３４にてフッ化水素の吸着除去が行われ無害化されて放出される。
フッ素ガス生成装置１００は、電解槽１の溶融塩中にフッ素ガスの原料であるフッ化水素を供給して補充するための原料供給系統５も備える。以下では、原料供給系統５について説明する。
電解槽１は、電解槽１に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源４０と原料供給通路４１を介して接続される。フッ化水素供給源４０に貯留されたフッ化水素は、原料供給通路４１を通じて電解槽１の溶融塩中に供給される。なお、原料供給通路４１には、フッ化水素の供給流量を制御する流量制御弁７１を設けてもよい。原料供給通路４１には、フッ化水素供給源４０から供給された液体のフッ化水素を気化させる気化器６０が設けられている。また気化器６０から排出されるフッ化水素ガスは、原料供給通路４１に設けられたヒーターなどの加熱手段（図示せず）によって気体状のフッ化水素に維持される。気化器６０については後に詳述する。
また、原料供給通路４１には、キャリアガス供給源４５から供給されるキャリアガスを原料供給通路４１内に導くキャリアガス供給通路４６が接続される。キャリアガスは、フッ化水素をフッ化水素供給源４０から溶融塩中に導くためのガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。窒素ガスは、フッ化水素と共に陰極室１２の溶融塩中に供給され、溶融塩中にはほとんど溶けず、第２気室１２ａから第２メイン通路３０を通じて排出される。
次に、気化器６０について説明する。気化器６０はフッ化水素供給源４０から供給された液体のフッ化水素を収容し気化させ、気体のフッ化水素を導出する装置である。以下、図２を参照して本発明の気化器６０について詳細に説明する。なお、本発明の気化器６０は以下の実施形態に限定されるものではない。
図２に示すように、気化器６０は、液体のフッ化水素を加熱して気化させるヒーターなどの温度調節器６４を外部に備え、内部に液体のフッ化水素を収容する気化室６５が形成された中空容器６１と、フッ化水素供給源４０からの液体のフッ化水素を中空容器６１内に導入するフッ化水素導入部６２と、前記気化室６５から、気化されたフッ化水素をフッ化水素供給通路を通して溶融塩中へ導出するフッ化水素導出部６３と、を備えている。
気化室６５には、温度調節器６４からの熱を効率よく伝えるために気化室６５の壁面にフィンなどの複数の凸部６６が設けられる。凸部の形状は特に限定されないが、例えば、図２に示すように、板状に突設した形状にし、壁面から気化室６５に向けて垂直に、壁の略全面に設けるとよい。また、凸部は、好ましくは、フッ化水素導入部６２の近傍に設けるとよい。
気化器６０には、気化室６５に収容される液体のフッ化水素の液面レベルを検知する液面検出手段が設けられる。液面検出手段としては、気化室６５内の圧力を検知する圧力検知器６８、気化室６５内に収容された液体のフッ化水素の液面レベルを感知する液面検出器６９などを用いることができる。なお、液面検出器６９は液面計などの汎用品を用い、液面計を挿入管６７に挿入して使用するとよい。また、気化器６０には、気化室６５の温度を測定するために、温度計を設けてもよい。
気化室６５において、液体のフッ化水素の量が所定の範囲内となるように、フッ化水素の液面レベルが調整される。本発明のフッ素ガス発生装置１００は、気化室６５のフッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つことによって、電解槽にてフッ素ガスを大量に発生させ、大量のフッ化水素を供給する必要が生じたときでも、フッ化水素供給源４０から適宜必要量のフッ化水素を迅速に供給することができるため、フッ化水素の供給量が不足することがない構成となっている。
フッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つ方法としては、例えば、液面の上限値と下限値を設定し、フッ化水素の液面レベルが下限値になると所定量供給し、フッ化水素を断続的に導入する方法（バッチ方式）、あるいは、所定の液面を常に保つようにフッ化水素を連続的に導入する方法（連続方式）を挙げることができる。
フッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つ場合、液面検出手段の検出結果に基づいて、気化器６０の内部のフッ化水素の液面レベルを調整するようにするとよい。
具体的には、図１に示すように、液面検出手段として、圧力検出器６８を用いるとよい。圧力検出器６８には、コントローラ７０（制御手段）が接続されており、圧力検出器６８の検出結果はコントローラ７０に出力される。コントローラ７０は、気化室６５の内部圧力が予め定められた設定値になるように、原料供給通路４１に設けられた流量制御弁７１の開閉度を調整して、気化室６５の内部圧力を所定の範囲内になるようにフッ化水素の供給流量を制御する。このようにして、フッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つようにするとよい。
フッ化水素の液面レベルを調整する方法としては、上記のバッチ式、連続方式の何れも適用することができるが、電解槽１へのフッ化水素の供給安定性は、気化器６０の内部の圧力に影響を受けやすい。そのため、気化器６０の内部圧力を一定に保ち、常に一定の液面レベルに保つようにフッ化水素を連続的に導入する連続方式を用いることが好適である。
フッ化水素を連続的に導入する連続方式を適用する場合、液面検出手段にコントローラ等の制御手段を接続し、液面検出手段の検出結果に基づいて、気化器６０の内部のフッ化水素の液面レベルを常に一定値になるように、流量制御弁７１の開度を調整し、フッ化水素の供給量を制御するようにするとよい。
また、以上の実施形態によれば以下に示す効果を奏する。
上記の構成によれば、気化器６０にフッ化水素の液面レベルを検出する液面検出手段が設けられており、液面検出手段の検出結果に基づいて、気化器６０の内部のフッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つことができる。したがって、気化器の内部のフッ化水素の液面レベルを制御することが容易になり、より安定的に電解槽へのフッ化水素供給量を安定させることができる。
また、上記の構成によれば、電解槽にてフッ素ガスを大量に発生させ、大量のフッ化水素を電解槽に供給する必要が生じたときでも、フッ化水素供給源と電解槽との内圧差によって、電解槽中の溶融塩の液面レベルが急激に変動することなく、安定してフッ素ガスを供給することが可能となる。
＜他の変形例＞
上記の本発明の実施の形態以外に、他の変形例として、図３に示すように、気化器６０と、電解槽１を同一の筐体８０に収容する構成にしてもよい。近年、フッ素ガス生成装置は小型化が要求されており、フッ素ガス生成装置を構成する設備、機器はより小型化されたものが望まれる。
上記の本発明の実施の形態以外に、他の変形例として、図３に示すように、気化器６０と、電解槽１を同一の筐体８０に収容する構成にしてもよい。近年、フッ素ガス生成装置は小型化が要求されており、フッ素ガス生成装置を構成する設備、機器はより小型化されたものが望まれる。
上記の他の変形例の構成にすることによって、気化器６０と、電解槽１を同一の筐体８０に収容することによって、フッ素ガス生成装置１００を小型化することができる。本構成によれば、気化器６０が筐体８０に収容されているため、従来のフッ素ガス生成装置と比べ、気体のフッ化水素を供給する通路を短くすることができ、フッ化水素の液化が起こりにくい。さらに、気体のフッ化水素が外部に漏洩することを防ぐことができるため、安全性の観点でも利点を有する。
本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
例えば、上記説明では、圧力検出器６８には、コントローラ７０（制御手段）を接続し、フッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つ方式について説明したが、同様なコントローラを液面検出器６９に接続し、フッ化水素の液面レベルを所定の範囲内に保つように制御することももちろん可能である。
１００ フッ素ガス生成装置
１ 電解槽
２ フッ素ガス供給系
３ 副生ガス供給系
４ 外部装置
５ 原料供給系
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１７ 第１ポンプ
２０ 精製装置
３０ 第２メイン通路
３１ 第２ポンプ
６０ 気化器
６１ 中空容器
６２ フッ化水素導入部
６３ フッ化水素導出部
６４ 温度調節器
６５ 気化室
６６ 凸部（フィン）
６７ 挿入管
６８ 圧力検出器
６９ 液面検出器
７０ コントローラ（制御手段）
７１ 流量制御弁
８０ 筐体
１ 電解槽
２ フッ素ガス供給系
３ 副生ガス供給系
４ 外部装置
５ 原料供給系
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１７ 第１ポンプ
２０ 精製装置
３０ 第２メイン通路
３１ 第２ポンプ
６０ 気化器
６１ 中空容器
６２ フッ化水素導入部
６３ フッ化水素導出部
６４ 温度調節器
６５ 気化室
６６ 凸部（フィン）
６７ 挿入管
６８ 圧力検出器
６９ 液面検出器
７０ コントローラ（制御手段）
７１ 流量制御弁
８０ 筐体
Claims (4)
- フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記電解槽に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源と、
前記フッ化水素供給源のフッ化水素を前記電解槽中の溶融塩中に補充するためのフッ化水素供給通路と、
前記フッ化水素供給通路に設けられ、前記フッ化水素供給源から供給された液体のフッ化水素を収容し気化させる気化器と、
前記気化器内に供給されるフッ化水素の量を調整する流量制御弁と、
を備え、
前記気化器は、
液体のフッ化水素を加熱して気化させる温度調節器を備え、内部に液体のフッ化水素を収容する気化室が形成された中空容器と、
前記フッ化水素供給源から供給される液体のフッ化水素を前記中空容器に導入するフッ化水素導入部と、
前記気化室から、気化されたフッ化水素を前記フッ化水素供給通路を通して前記溶融塩中に導出するフッ化水素導出部と、
を備え、
さらに、
前記気化器内に収容されたフッ化水素の液面を検出する液面検出手段と、
前記液面検出手段の検出結果に基づいて、前記気化器内のフッ化水素の液面が常に一定値になるように、前記流量制御弁の開度を制御する制御手段と、
を備える、
ことを特徴とするフッ素ガス生成装置。 - 前記液面検出手段が、前記気化室内の圧力を検知する圧力検出器、又は、前記気化室内のフッ化水素の液面を検知する液面検出器である、請求項１のフッ素ガス生成装置。
- 前記温度調節器は、前記中空容器の外部に設けたヒーターからなり、気化室の内壁面に、温度調節器からの熱を伝える複数の凸部が設けられている、請求項１又は請求項２のフッ素ガス生成装置。
- 前記電解槽と前記気化器とが、同一の筐体に収容される、請求項１から請求項３の何れかのフッ素ガス生成装置。
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