JP7384886B2

JP7384886B2 - 三方弁、排ガス処理装置及び排ガス処理システム並びに排ガス処理方法

Info

Publication number: JP7384886B2
Application number: JP2021199737A
Authority: JP
Inventors: 宏文川端; 次夫高橋; 祐輔大石
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: JP2023085615A

Description

本発明は、三方弁，排ガス処理装置及び排ガス処理システム並びに排ガス処理方法に関し、詳しくは、半導体などの各種電子デバイス製造装置から排出される有害成分を含む排ガスの処理に際して用いる三方弁及びその三方弁を有する排ガス処理装置及び排ガス処理システム並びに排ガス処理方法に関する。

半導体製造プロセスでは、爆発性を有するシラン系ガス（例えば、ＳｉＨ_４やＳｉＨ_２Ｃｌ_２）や、毒性を有するリン系ガス（例えば、ＰＨ_３）、ヒ素系ガス（例えば、ＡｓＨ_３）、ホウ素系ガス（例えば、Ｂ_２Ｈ_６）などが使用されている。半導体製造装置から排出される排ガスには、これらの特殊ガスが有害成分として含まれている。このため、半導体製造装置の排気ガスは、ポンプを介して排ガス処理装置に送られ無害化される。そのような無害化を行う排ガス処理装置として、特許文献１に示される除害装置（処理装置）が知られている。

排ガス処理装置は、メンテナンスのために稼働を停止する必要がある。また、何らかの理由で処理能力が低下した場合に特殊ガスの漏洩を防止するため、インターロック等の停止機構を有しているのが一般的である。

半導体プロセスにおいて、排ガス処理装置の機能を停止した場合、プロセス全体の稼働を停止しなければならず、生産性が低下する。そこで、長期の連続運転を可能にするため、半導体プロセスには複数の排ガス処理装置を設け、メインの排ガス処理装置が停止する場合には、サブの排ガス処理装置が稼働する処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）メインの排ガス処理装置から、サブの排ガス処理装置への排ガス供給ラインへの切り換えは、三方弁が用いられている。

特開２０１０－２３０００号公報特開２００７－２９７９０号公報

三方弁には、左右のＬ字方向に流路を切り換えるＬポートと、直線とＬ字方向に流路を切り換えるＴポートの２種類の構造が有る。

Ｌポートは、流体の溜まりがない為、排気ガス由来の堆積物がバルブ内表面に付着しにくい。しかしながら、Ｌポートは、入口から導入した排ガスを直角方向（Ｌ字方向）にしか流すことができないため、排ガス処理システムの設計に制限が生じる。その結果、配管長が長くなる場合があった。配管長が長くなることにより排ガス処理装置の筐体内に三方弁を設置できない場合は、排気ライン中に三方弁からのリークを検出する専用箱を設ける必要があるため、排ガス処理システム全体の複雑化やコスト増加が生じていた。

一方、Ｔポートは、入口から導入した排ガスを直線方向に流すことができるため、Ｌポートに比べ、排ガス処理システムの設計に制限は生じにくい。しかし、Ｔポートは、流体の溜まり部分が存在するため、排気ガス由来の堆積物がバルブ内表面にしやすい。この堆積物は、バルブの安定的な作動に影響を与えるため、できる限り付着しないことが望まれている。

そこで、本発明は、排ガス処理システムの設計に制約を与えにくく、安定的に作動できる三方弁及びその使用方法を提供することを目的としている。さらに、該三方弁を用いた排ガス処理装置及び排ガス処理システム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、本発明の三方弁は、相互に対向する方向に流入路と第１流出路が形成され、該対向方向に直交する方向に第２流出路が形成された三方弁であって、前記第２流出路を閉鎖し、前記流入路と前記第１流出路を連通させた状態と、前記第１流出路を閉鎖し、前記流入路と前記第２流出路を連通させた状態とに切り換え可能な弁体内流路を有する弁体を備え、前記第２流出路と対向する側に、弁室内に不活性ガスを導入する導入口を形成した不活性ガス導入ポートを備えていることを特徴としている。

また、本発明の三方弁は、前記導入口が複数設けられていることを特徴とし、前記弁体内流路の内周面に沿って不活性ガスが流れるように、前記導入口が形成されているか、前記弁体内流路の内周面に向かって不活性ガスが流れるように、前記導入口が形成されていると好ましい。さらに、前記不活性ガスが加熱されているとよい。

さらに、本発明の排ガス処理装置は、上述の三方弁を有する排ガス処理装置であって、排ガス中の有害成分を加熱分解処理する加熱反応部と、前記加熱反応部の下流側に接続され、前記加熱反応部で処理された排ガスを冷却するタンク部と、前記タンク部の下流側に接続され、ガス中に含まれる水溶性成分を除去するスクラバ部とを備え、前記第１流出路又は前記第２流出路のいずれかを前記加熱反応部と接続したことを特徴としている。

また、本発明の排ガス処理システムは、上述の三方弁を備えた排ガス処理システムであって、前記流入路と排ガスを導出する真空ポンプとを接続し、前記第１流出路と第１排ガス処理装置とを接続し、前記第２流出路と第２排ガス処理装置とを接続し、前記不活性ガス導入ポートと不活性ガス供給源とを接続したことを特徴としている。

さらに、本発明の排ガス処理システムは、不活性ガスを常時供給することが好ましい。

また，本発明の排ガス処理方法は、上述の三方弁を用いた排ガス処理方法であって、前記流入路を介して半導体製造装置から排出される排ガスを三方弁に供給し、前記半導体製造装置又は排ガス処理装置の運転状態に応じて、第１流出路又は第２流出路のいずれかから排ガス処理装置に前記排ガスを供給するように切換制御し、前記導入口を介して不活性ガスを常時供給する、ことを特徴としている。

本発明の三方弁によれば、溜り部に不活性ガスを供給するため、Ｔポートの三方弁であっても、排気ガスが滞留しにくくなり、堆積物の付着を抑制することができる。また、流入路と第１流出路を直線上に設けることができるため、半導体製造装置から排ガス処理装置までの排ガス供給路の屈曲部を少なくすることができる。この結果、配管の形状をシンプルにできるだけではなく、堆積物が排ガス供給路に堆積することも抑制できる。

本発明の三方弁を用いた排ガス処理システムの概要を示す説明図である。本発明の三方弁を用いた排ガス処理システムの排ガス処理装置の構成を示す説明図である。本発明の三方弁の第１形態例を示す平面図である。図３のＩＶ－ＩＶ断面図である。本発明の三方弁の第１形態例の第１排ガス処理装置と連通させた状態を示す説明図である。本発明の三方弁の第１形態例の第２排ガス処理装置と連通させた状態を示す説明図である。本発明の三方弁の第２形態例を示す説明図である。本発明の三方弁の第３形態例を示す説明図である。

図１は、本発明の三方弁を用いた排ガス処理システムの概要を示す説明図である。排ガス処理システム１は、半導体製造装置２から排出される有害成分を含む排ガスが真空ポンプ３に吸引され、三方弁１０を介して第１排ガス処理装置４又は第２排ガス処理装置５に供給され、各処理装置において有害成分の除去処理がなされた処理排ガスを排ガス配管６、７を経由して排気ダクト８に排出し、大気へ放出するように形成されている。

排ガス処理システム１は、メインの第１排ガス処理装置４及びサブの第２排ガス処理装置５を隣接して設け、三方弁１０を切り換えることによって、第１排ガス処理装置４が非稼働状態にあるときは、第２排ガス処理装置５に排ガスを導入可能に構成されている。

三方弁１０の構造は後述するが、真空ポンプ３と第１排ガス処理装置４とは流路が直線となるように三方弁１０が配管上に配置され、真空ポンプ３と第２排ガス処理装置５とは流路が直角に曲がるように構成されている。

さらに、排ガス処理システム１には、不活性ガス供給源（図示せず）から供給される窒素等の不活性ガスを、三方弁１０の弁室に導入する不活性ガス供給経路１１が設けられている。不活性ガス供給経路１１には、不活性ガスの流量を制御する流量制御弁１２が設けられている。

不活性ガスは、図示しないヒータにより加熱されていることが好ましい。加熱温度は、特に限定されないが、例えば１２０℃～１５０℃である。不活性ガスが加熱されることにより、排ガスが冷やされて堆積物が発生することを抑制することができる。

また、不活性ガスは、半導体製造装置２が有害ガスを使用して稼働している間、及び有害ガスを使用せずに待機している間は、常時供給されるのがよい。真空ポンプ３からの排ガスが三方弁１０内を流れている間は常時供給されてもよい。不活性ガスは、例えば窒素やアルゴン等を使用できるが、窒素を使用するのが好ましい。不活性ガスの流量は、排ガス処理装置の負荷を考慮して決定できるが、２Ｌ／ｍｉｎから２０Ｌ／ｍｉｎが好ましい。

制御装置９は、第１排ガス処理装置４及び第２排ガス処理装置５と信号を送受信する。また、制御装置９は、三方弁１０のアクチュエータ１０ａ及び流量制御弁１２に信号を送信して、排ガス処理システム１を制御している。

第１排ガス処理装置４をメンテナンスのために停止する場合は、制御装置９を操作してアクチュエータ１０ａに信号を送信する。信号を受信したアクチュエータ１０ａが流路を切り換える。これにより、第２排ガス処理装置５に排ガスが供給されバックアップ運転の状態になる。第１排ガス処理装置４のインターロック機構が作動した時は、制御装置９からアクチュエータ１０ａに自動で信号が送信され、流路が自動で切り換わる。

このように、第１排ガス処理装置４がメンテナンスや異常が発生して停止しても、半導体製造装置２を停止することなく、継続して稼動することが可能である。

また、不活性ガスは、常時流れているが、三方弁１０内の堆積物を吹き飛ばすために、瞬間的に流量を増加させることもできる。制御装置９により、流量制御弁１２を操作することで、瞬間的に流量を増加させることができる。

さらに、三方弁１０の切換時には、流量制御弁１２を操作して、不活性ガスの供給を停止してもよい。これにより、弁体に圧力が加わることで、後述する弁体とシートリングの密着性の低下を防ぐことができる。

なお、三方弁１０は、第１排ガス処理装置４の筐体４ａ内部に設けられている。筐体４ａ内全体、すなわち三方弁を含めて排ガス処理装置とみなしてもよい。

筐体４ａ内に三方弁１０を備えているが、筐体５ａ内には三方弁１０を備えていない点で、第１排ガス処理装置４と第２排ガス処理装置５とは相違するが基本的な構成は同じである。

図２に、排ガス処理システム１に適用可能な排ガス処理装置４（５）の具体的な構成図を示す。この排ガス処理装置は、排ガス中の有害成分を加熱分解処理によって無害化する燃焼除害装置であり、加熱反応部２１、タンク部２２、スクラバ部２３を備える。

加熱反応部２１は、真空ポンプ３から三方弁１０を介して送られてきた排ガス中の有害成分を加熱分解処理するものであって、内筒と外筒からなる二重筒構造を有し、内筒の内部にバーナー（図示せず）を備える。当該バーナーによって、燃料供給管から供給される燃料が支燃性流体供給管から供給される支燃性流体と混合されて燃焼する時に、排ガスが加熱分解処理される。処理された排ガスは、タンク部２２へと送られる。

タンク部２２は、内部に冷却水が貯留された冷却水槽で、上部に後述するスクラバ部２３が接続される排気口を備えており、加熱反応部２１で処理された排ガスを冷却するとともに、排ガス中の粉体（生成物）を補足するものである。

スクラバ部２３は、前記タンク部２２の上部に設けられており、内部に充填材２３ａを充填するとともに、当該充填材２３ａの上方にスプレーノズル２３ｂを設けたものである。当該スクラバ部２３では、前記タンク部２２の冷却水で冷却されたガス中の不純物を充填材２３ａによって捕捉した後、スプレーノズル２３ｂから散水される洗浄水によってガスを洗浄して水溶性成分を除去する。不純物や水溶性成分が除去された排ガスは無害化されているので、ミストキャッチャー２３ｃを通過させて水分を除去した後に、スクラバ部２３上部から、排ガス配管６（７）を介して安全に排出することができる。

図３乃至図６は、本発明の三方弁１０の第一形態例を示すものである。

三方弁１０は、真空ポンプ３と接続する流入路３１及び第２排ガス処理装置５と接続する第２流出路３３を有する弁箱３４と、第１排ガス処理装置４と接続する第１流出路３２を有する弁蓋３５との間に形成された弁室３６内に、回転軸３７により回転されるボール状弁体３８と、ボール状弁体３８の外面と弁室３６の内面との間に装着されるシートリング３９とを備えている

流入路３１と第１流出路３２とは相互に対向する方向に形成されており、該対向方向に直交する方向に第２流出路３３が形成されている。

ボール状弁体３８は、３つの開口４０ａ，４０ｂ，４０ｃを有する弁体内流路４０を有しており、回転軸３７に接続されたアクチュエータによって、図５に示されるような、第２流出路３３を閉鎖し、流入路３１と第１流出路３２とを直線上に連通させた状態と、図６に示されるような、第１流出路３２を閉鎖し、流入路３１と第２流出路３３とを直線上に連通させた状態とに切換可能なＴポートである。

弁体内流路４０がＴ字状に形成されているため、図５及び図６における薄墨で示した部分（流入路、流出路に接続していない弁体内流路の開口付近）が流体の溜り部となる。すなわち、第２流出路３３の対向側が溜り部となる。

ここで、弁箱３４の第２流出路３３に対向する部分には、弁室３６内に不活性ガスを導入する導入口５０ａを形成した不活性ガス導入ポート５０が設けられている。不活性ガス導入ポート５０は、不活性ガス供給経路１１を介して不活性ガス供給源に接続されている。

溜り部に不活性ガスが常時供給されるため、第１排ガス処理装置４による通常時であっても、第２排ガス処理装置５によるバックアップ時であっても、排気ガスが滞留しにくくなり、堆積物の付着を抑制することができる。

図７及び図８は、本発明の三方弁１０の第２形態例及び第３形態例を示すものである。なお、以下の説明において、前記形態例に示した装置の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第１形態例では弁体内流路４０の中心軸上に一つの導入口５０ａが形成されているのと異なり、第２形態例及び第３形態例の三方弁１０は導入口５０ａが複数設けられている。

弁体内流路４０の内周面に堆積物が付着しやすいことから、第２形態例に示されるように、弁体内流路４０の内周面に沿って不活性ガスが流れるように導入口５０ａ及び不活性ガス導入ポート５０を形成してもよい。

また、第３形態例のように、弁体内流路４０の内周面に向かって不活性ガスが流れるように、不活性ガス導入ポート５０を分岐して、導入口５０ａを形成してもよい。なお、不活性ガス導入ポート５０は分岐するような構造ではなく、それぞれ独立した複数の不活性ガス導入ポート５０としてもよい。

また、導入口５０ａの数は、三方弁１０の大きさに応じて、増減することができる。

第２形態例及び第３形態例のように、導入口を複数設け、弁体内流路の内周面に沿って、又は弁体内流路の内周面に向かって不活性ガスが流れるように導入口が形成されているから、堆積物の付着を確実に防止することができる。

なお、上述の各形態例では、弁箱３４に流入路３１、第２流出路３３、不活性ガス導入ポート５０を備え、弁蓋３５に第１流出路３２を備えていたが、弁箱側に流入路、第１流出路、第２流出路を形成し、弁蓋に不活性ガス導入ポートを形成してもよい。

また、上述の排ガス処理システム１では、２台の排ガス処理装置を設けた例を説明したが、本発明はこれに限らず、３台以上の排ガス処理装置を設けることができる。

なお、本発明は、上述の加熱分解による燃焼除害装置に限られるものではなく、薬剤を用いた分解処理、プラズマを用いた分解処理、触媒により吸着除去する方法を用いた排ガス処理装置にも適用することが可能である。

１…排ガス処理システム、２…半導体製造装置、３…真空ポンプ、４…第１排ガス処理装置、４ａ，５ａ…筐体、５…第２排ガス処理装置、６，７…排ガス配管、８…排気ダクト、９…制御装置、１０…三方弁、１０ａ…アクチュエータ、１１…不活性ガス供給経路、１２…流量制御弁、２１…加熱反応部、２２…タンク部、２３…スクラバ部、２３ａ…充填剤、２３ｂ…スプレーノズル、２３ｃ…ミストキャッチャー、３１…流入路、３２…第１流出路、３３…第２流出路、３４…弁箱、３５…弁蓋、３６…弁室、３７…回転軸、３８…ボール状弁体、３９…シートリング、４０…弁体内流路、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…開口、５０…不活性ガス導入ポート，５０ａ…導入口

Claims

相互に対向する方向に流入路と第１流出路が形成され、該対向方向に直交する方向に第２流出路が形成された三方弁であって、
前記第２流出路を閉鎖し、前記流入路と前記第１流出路を連通させた状態と、前記第１流出路を閉鎖し、前記流入路と前記第２流出路を連通させた状態とに切り換え可能な弁体内流路を有する弁体を備え、
前記第２流出路と対向する側に、弁室内に不活性ガスを導入する導入口を形成した不活性ガス導入ポートを備えていることを特徴とした三方弁。
前記導入口が複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の三方弁。
前記弁体内流路の内周面に沿って不活性ガスが流れるように、前記導入口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の三方弁。
前記弁体内流路の内周面に向かって不活性ガスが流れるように、前記導入口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の三方弁。
前記不活性ガスが加熱されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の三方弁。
請求項１乃至５のいずれか一項記載の三方弁を有する排ガス処理装置であって、
排ガス中の有害成分を加熱分解処理する加熱反応部と、
前記加熱反応部の下流側に接続され、前記加熱反応部で処理された排ガスを冷却するタンク部と、
前記タンク部の下流側に接続され、ガス中に含まれる水溶性成分を除去するスクラバ部とを備え、
前記第１流出路又は前記第２流出路のいずれかを前記加熱反応部と接続したことを特徴とする排ガス処理装置。
請求項１乃至５のいずれか一項記載の三方弁を備えた排ガス処理システムであって、
前記流入路と排ガスを導出する真空ポンプとを接続し、
前記第１流出路と第１排ガス処理装置とを接続し、
前記第２流出路と第２排ガス処理装置とを接続し、
前記不活性ガス導入ポートと不活性ガス供給源とを接続したことを特徴とする排ガス処理システム。
不活性ガスを常時供給することを特徴とする請求項７記載の排ガス処理システム。
請求項１乃至５のいずれか一項記載の三方弁を用いた排ガス処理方法であって、
前記流入路を介して半導体製造装置から排出される排ガスを三方弁に供給し、
前記半導体製造装置又は排ガス処理装置の運転状態に応じて、第１流出路又は第２流出路のいずれかから排ガス処理装置に前記排ガスを供給するように切換制御し、
前記導入口を介して不活性ガスを常時供給する、
ことを特徴とする排ガス処理方法。