JP7328840B2 - ガス溶解水製造装置及び方法 - Google Patents
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Description
被処理水にガスを溶解させてガス溶解水を製造するガス溶解水製造装置であって、
ガス溶解膜によって区画された気相室と液相室とを備えるガス溶解膜モジュールと、
前記気相室で凝縮した凝縮水を排出する凝縮水排出機構と、を備え、
前記気相室の運転圧力が大気圧を超える圧力となるよう構成され、
前記凝縮水排出機構は、
前記気相室に形成された凝縮水排出口と連通し、前記気相室から排出された凝縮水を貯留可能な凝縮水貯留部と、
前記凝縮水貯留部の二次側に接続された弁と、
前記気相室と前記凝縮水貯留部とが連通した状態のまま、所定の時間前記弁を開いて前記凝縮水貯留部から凝縮水を排出し、その後に前記弁を閉じる制御手段と
を備え、
前記所定の時間は、前記弁の開動作によって前記凝縮水貯留部内の凝縮水が空にならないように、かつ前記弁の開動作による前記気相室の運転圧力の低下が5kPa以下となるように、設定されている、ガス溶解水製造装置が提供される。
被処理水にガスを溶解させてガス溶解水を製造するガス溶解水製造方法であって、
ガス溶解膜によって区画された気相室と液相室とを備えるガス溶解膜モジュールと、前記気相室で凝縮した凝縮水を排出する凝縮水排出機構を用い、
前記気相室の運転圧力を、大気圧を超える圧力とし、
前記凝縮水排出機構は、
前記気相室に形成された凝縮水排出口と連通し、前記気相室から排出された凝縮水を貯留可能な凝縮水貯留部と、
前記凝縮水貯留部の二次側に接続された弁と
を備え、
前記気相室と前記凝縮水貯留部とが連通した状態のまま、所定の時間前記弁を開いて前記凝縮水貯留部から凝縮水を排出し、その後に前記弁を閉じる制御工程
を含み、
前記所定の時間は、前記弁の開動作によって前記凝縮水貯留部内の凝縮水が空にならないように、かつ前記弁の開動作による前記気相室の運転圧力の低下が5kPa以下となるように、設定されている、ガス溶解水製造方法が提供される。
図1には、オゾンを溶解させるガス溶解水製造装置1(オゾン溶解水製造装置)と、送水先装置としての半導体部品の洗浄装置100とを、ラインL100によって接続した例を示す。
膜モジュール気相室への給気圧力 < ガス溶解水の水圧・・・(1)
式(1)の関係が成立すると、昇圧ポンプ7の吸込み動作によって液相室5内の水圧が低下したとしても、気相室4から液相室5にガスが噴出してガス溶解水に気泡が混入することを容易に抑制することができる。その結果、気相室4への給気圧力を高めて、ガス溶解水の溶解ガス濃度を高くすることが容易となる。なお、気相室から液相室にガスが噴出すると、給気圧力が所定の値に到達しないこともある。また、溶存ガス濃度計として光学式のものを採用している場合には、ガス溶解水に気泡が混入していると正しい測定が行われないことがある。また流量センサーに気泡が付着して測定不良を引き起こすこともある。
ガス溶解水製造装置1は、気相室4で凝縮された凝縮水を排出する凝縮水排出機構30を含む。図3に示すように、凝縮水排出機構30は、次のものを含むことができる:気相室4に備わる凝縮水排出口10と連通し、気相室4から排出された凝縮水を貯留可能な凝縮水貯留部31;凝縮水貯留部31に貯留された凝縮水液位を検知する液位センサーLS;及び、凝縮水貯留部31の二次側に設けられた弁V31。なお、図3に示す例においては、ガス溶解膜3として多数の中空糸膜(入口及び出口がそれぞれヘッダーで分岐および集合される)が設けられ、中空糸膜の外側をガス(オゾン含有ガス)が流れ、中空糸膜の内側を水(純水)が流れる。弁V31には、電磁式、電動式、空気式など適宜の自動弁を用いることができる。弁V31は、開閉弁であってよい。
図2及び4を用いて、水素を溶解させる場合のガス溶解水製造装置の例について説明する。この形態は、酸素、窒素または炭酸ガスを溶解する場合にも好ましく用いられる。図1及び3に示した機器やラインと同じ機能を有するものについては同じ参照符号を付す。第1の形態と共通する事項については、適宜説明を省略する。図2には示さないが、この形態においても、ガス溶解水製造装置1から得られる水素溶解水を、送水先装置である半導体部品洗浄装置に送ることができる。気相室圧力調整工程および吐出圧調整工程は、前述の形態と同様に行うことができるが、以下の説明では、気相室圧力調整工程で気相室4の運転圧力を調整する方法として、別の方法を説明する。凝縮水排出機構30に関しては、本形態は第1の形態と同様であってよい。
溶解させるガスの種類としては特に限定するものではなく、水素ガス、酸素ガス、窒素ガス、オゾンガス(通常、オゾンガスと酸素ガスの混合ガス)、炭酸ガスなどを用いることができる。溶解させるガスの物性により、純水は異なる酸化還元電位やpHを示すガス溶解水となる。酸化還元電位に寄与しない不活性ガスを溶解させた場合には、酸化防止効果や超音波洗浄時のキャビテーション効果を高める効果などを得ることができる。
また、ガスを溶解させる前か又は後の水に、pH調整などを目的としてアルカリや酸を添加することもできる。例えば、水素溶解水へのアルカリ添加(アンモニア水やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)など)により、水質をアルカリ性還元性に変化させることができる。これにより半導体部品洗浄装置における基板表面の微粒子除去効果が向上するとともに帯電を抑えることもできる。
ガス溶解膜モジュールを用いて純水中にガスを溶解させる場合、「温度が一定のとき、一定量の液体に溶ける気体の物質量や質量は圧力に比例する。」というヘンリーの法則に従い、純水に溶ける気体の物質量はガス溶解膜モジュールの気相室への給気圧力に比例する。
膜モジュールの液相室の二次側に設ける昇圧ポンプとしては、水を昇圧できるポンプを適宜用いることができる。昇圧ポンプは揚程と吐出量、昇圧するガス溶解水に対する耐食性などに基づいて選定すればよい。例えば、非容積式の遠心ポンプやプロペラポンプ、容積式の往復動ポンプや回転ポンプなどを用いることができる。ただし、半導体部品の製造工程のように特に清浄性を求められる場合には、回転軸の摺動による発塵の無い、磁気浮上型インペラ搭載の遠心ポンプ(非容積式遠心ポンプに該当)や脈動除去機構を備えたダイアフラムポンプ(容積式往復動ポンプに該当)などが適している。
気相室運転圧力は、大気圧を超え、好ましくは気相室給気圧力と液相室5の二次側の水圧との関係を考慮して決められる。その具体例は、20~100kPa程度である。
受入純水圧力は、ガス溶解水製造装置からのガス溶解水の吐出量を確保する観点等から適宜設定できる。その具体例は、100~500kPa程度である。
昇圧ポンプ7の動作に伴いガス溶解水製造装置からの送水量が増加すると、昇圧ポンプ一次側では水圧の低下が生じることがある。液相室5の二次側(昇圧ポンプ7の一次側)の水圧は、液相室5内の圧力よりも低く、場合によっては送水先装置、特には洗浄装置の主配管内の圧力よりも低くなる。液相室5の二次側の水圧は、気相室4への給気圧力よりも高くなるように運転する。昇圧ポンプ7の一次側での配管および機器における通水圧損(圧力センサーP4の設置個所と圧力センサーP2の設置個所との間における通水圧損)が好ましくは100kPa以下、より好ましくは50kPa以下となるように設計および運転することが好ましい。
昇圧ポンプ7での昇圧の程度は受入純水圧力(圧力センサーP4の測定値)、液相室5の二次側の水圧(圧力センサーP2の測定値)や送水量、送水先装置での要求水圧(特には、洗浄装置内の主配管内の圧力)にも依存するが、50~300kPa程度であることが多い。
膜モジュール気相室への給気圧力とガス溶解水の水圧との差は、30kPa以上が好ましい。例えば、気相室4への給気圧力と、液相室5の二次側の水圧との差が30kPa以上であることが好ましい。また、気相室4への給気圧力と、半導体部品の洗浄装置100の主配管内における圧力との差が30kPa以上であることが好ましい。
液相室の二次側の昇圧ポンプに加えて、膜モジュールの液相室の一次側(図1および2におけるラインL1)に、受入純水を昇圧する昇圧ポンプを設けることができる。これによって、液相室出口において式(1)の関係を保ち、ガス溶解膜の気相側から液相側へのガスの噴出を避けつつ、ガス溶解膜モジュールへの給気圧力を高めて溶存ガス濃度を高めることがより容易となる。液相室一次側のポンプは、ガス溶解水製造装置への受入純水圧力が低い場合や、受入純水の流量変動が大きい場合などにも有効に利用できる。
膜モジュールとしては、広い膜面積を確保しやすい中空糸膜を充填した中空糸膜モジュールが広く使用されている。それらの中には耐水圧が低い製品もあるので、膜モジュールの気相室一次側に昇圧ポンプを設置する場合には、膜の耐水圧を超えないようにその昇圧ポンプを運転する。
2 ガス溶解膜モジュール
3 ガス溶解膜
4 気相室
5 液相室
6 溶存オゾン濃度計
7 昇圧ポンプ
8 溶存水素濃度計
10 凝縮水排出口
11、12、13 マスフローコントローラ
14 オゾンガス発生器
15 余剰オゾンガス分解触媒筒
21 水素ガス発生器
30 凝縮水排出機構
31 凝縮水貯留部
32 凝縮水貯留槽
33、34、35 配管
40 制御装置(圧力調整弁用)
100 送水先装置(洗浄装置)
LS 液位センサー
V1、V2、V5、V6、V21、V22、V31 開閉弁
V3 圧力調整弁
P1~P4 圧力センサー
F1、F2 流量センサー
Claims (8)
- 被処理水にガスを溶解させてガス溶解水を製造するガス溶解水製造装置であって、
ガス溶解膜によって区画された気相室と液相室とを備えるガス溶解膜モジュールと、
前記気相室で凝縮した凝縮水を排出する凝縮水排出機構と、を備え、
前記気相室の運転圧力が大気圧を超える圧力となるよう構成され、
前記凝縮水排出機構は、
前記気相室に形成された凝縮水排出口と連通し、前記気相室から排出された凝縮水を貯留可能な凝縮水貯留部と、
前記凝縮水貯留部の二次側に接続された弁と、
前記気相室と前記凝縮水貯留部とが連通した状態のまま、所定の時間前記弁を開いて前記凝縮水貯留部から凝縮水を排出し、その後に前記弁を閉じる制御手段と
を備え、
前記所定の時間は、前記弁の開動作によって前記凝縮水貯留部内の凝縮水が空にならないように、かつ前記弁の開動作による前記気相室の運転圧力の低下が5kPa以下となるように、設定されている、ガス溶解水製造装置。 - 前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水液位を検知する液位センサーを備え、
前記制御手段は、前記液位センサーで検知された前記凝縮水液位が所定値以上もしくは所定値超である場合に前記弁を開く、請求項1に記載のガス溶解水製造装置。 - 前記凝縮水排出口から、凝縮水液位が前記所定値であるときの液面の位置までの、凝縮水流路の内径が、6mm以上である、請求項2に記載のガス溶解水製造装置。
- 前記気相室の運転圧力を、大気圧を超える圧力に調整する圧力調整手段を含む、請求項1~3のいずれか一項に記載のガス溶解水製造装置。
- 前記ガスがオゾンガスである、請求項1~4のいずれか一項に記載のガス溶解水製造装置。
- 前記凝縮水排出口と前記凝縮水貯留部との間に、弁が設けられていない、請求項1~5のいずれか一項に記載のガス溶解水製造装置。
- 被処理水にガスを溶解させてガス溶解水を製造するガス溶解水製造方法であって、
ガス溶解膜によって区画された気相室と液相室とを備えるガス溶解膜モジュールと、前記気相室で凝縮した凝縮水を排出する凝縮水排出機構を用い、
前記気相室の運転圧力を、大気圧を超える圧力とし、
前記凝縮水排出機構は、
前記気相室に形成された凝縮水排出口と連通し、前記気相室から排出された凝縮水を貯留可能な凝縮水貯留部と、
前記凝縮水貯留部の二次側に接続された弁と
を備え、
前記気相室と前記凝縮水貯留部とが連通した状態のまま、所定の時間前記弁を開いて前記凝縮水貯留部から凝縮水を排出し、その後に前記弁を閉じる制御工程
を含み、
前記所定の時間は、前記弁の開動作によって前記凝縮水貯留部内の凝縮水が空にならないように、かつ前記弁の開動作による前記気相室の運転圧力の低下が5kPa以下となるように、設定されている、ガス溶解水製造方法。 - 前記凝縮水貯留部に貯留された凝縮水液位を検知する液位センサーを用い、
前記制御工程において、前記液位センサーで検知された前記凝縮水液位が所定値以上もしくは所定値超である場合に前記弁を開く、請求項7に記載のガス溶解水製造方法。
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