JP7485132B1

JP7485132B1 - 純水製造システムの制御方法

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Publication number: JP7485132B1
Application number: JP2023035557A
Authority: JP
Inventors: 康晴港
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2043-03-08
Also published as: JP2024126849A; JP2024127760A; WO2024185177A1

Abstract

【課題】使用水量に応じ給水量を制御可能な純水製造システムの制御方法を提供する。【解決手段】各ユースポイントの使用水量が減少して、サブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量が基準値より減少したら、コントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃをそれぞれ絞って給水量を減少させると、圧力計５９の給水圧力が上昇する。そこで、制御手段は、圧力計５９の計測値に基づいて、該圧力計５９の計測値があらかじめ定めた値に対して略一定となるように、高圧ポンプ５２Ｂの出力をインバータ制御により減少させる。また、各ユースポイントの使用水量が増加して、サブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量が基準値より増加したら、コントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃをそれぞれ開成して給水量を増加させる。これにより圧力計５９の給水圧力が減少する。そこで、制御手段は、この圧力計５９の計測値に基づいて、圧力計５９の計測値があらかじめ定めた値に対して略一定となるように、高圧ポンプ５２Ｂによる出力をインバータ制御により増加させる。【選択図】図３

Description

本発明は半導体、液晶等の電子産業分野で利用される超純水を製造するための純水製造システムの制御方法に関し、特に使用水量に応じて給水量を制御可能な純水製造システムの制御方法に関する。

従来、半導体等の電子産業分野で用いられている超純水は、前処理システム、一次純水装置及び一次純水を処理するサブシステムで構成される超純水製造システムで原水を処理することにより製造されている。

例えば、図１に示すように、超純水製造システム１は、前処理装置２、一次純水装置（純水製造システム）３、及び純水使用機器としての二次純水製造装置（サブシステム）４といった３段の装置で構成されている。このような超純水製造システム１の前処理装置２では、原水Ｗの濾過、凝集沈殿、精密濾過膜などによる前処理が施され、主に懸濁物質が除去される。

一次純水装置３は、前処理水（被処理水）Ｗ１を貯留する被処理水タンク３１と、この前処理水Ｗ１を送水する高圧ポンプ３２と、逆浸透膜装置３３と、空気により溶存気体を除去する第一の脱気膜装置３４Ａと、窒素ガスにより溶存気体をさらに脱気する第二の脱気膜装置３４Ｂと、紫外線酸化装置３５と、電気脱イオン装置３６と、この電気脱イオン装置３６に給水を供給する給水ポンプ３７とを有する。この一次純水装置３で前処理水Ｗ１中の大半の電解質、微粒子、生菌等の除去を行うとともに有機物を分解する。

サブシステム４は、一次純水装置３で製造された一次純水Ｗ２を貯留する上記電気脱イオン装置の後段に配置された純水タンクとしてのサブタンク４１と、このサブタンク４１から図示しないポンプを介して送給される一次純水Ｗ２を処理する紫外線酸化装置４２と非再生型混床式イオン交換装置４３と膜濾過装置としての限外濾過（ＵＦ）膜４４とで構成され、さらに必要に応じＲＯ膜分離装置等が設けられている場合もある。このサブシステム４では、紫外線酸化装置４２により一次純水Ｗ２中に含まれる微量の有機物（ＴＯＣ成分）を酸化分解し、続いて非再生型混床式イオン交換装置４３で処理することで残留した炭酸イオン、有機酸類、アニオン性物質、さらには金属イオンやカチオン性物質をイオン交換によって除去する。そして、限外濾過（ＵＦ）膜４４で微粒子を除去して超純水Ｗ３とし、これをユースポイント５に供給して、未使用の超純水はサブタンク４１に還流する。

この超純水製造システム１では、所定の水質の一次純水を安定して供給するために、あらかじめ過剰量の一次純水Ｗ２を製造して、サブタンク４１に必要量のみ供給し、余剰分は循環利用するなどの制御を行っていた。

しかしながら、上述したような超純水製造システム１の従来の制御方法では、電気脱イオン装置３６などに必要量以上の給水を供給して処理することになるので、エネルギー効率の点で改善の余地があった。そこで、一次純水装置３の処理量をユースポイント５の使用量に応じて電気脱イオン装置３６の処理量を変動させることが考えられるが、ユースポイント５での使用量の変動に追従するのが困難であるばかりか、電気脱イオンでの脱塩水の水質の低下をきたす。

そこで、ユースポイントでの使用量に応じて、一次純水を製造可能な超純水製造システムの制御方法として、本出願人は、逆浸透膜と電気脱イオン装置と前記電気脱イオン装置の前段に設けられた給水ポンプとを有する一次純水システムと、前記電気脱イオン装置の後段に配置された水位計測手段が付設された貯水タンク（サブタンク）と、前記一次純水システムで製造された一次純水をさらに処理するサブシステムとを備えた超純水製造システムの制御方法であり、前記水位計測手段で計測される貯水タンクの水位を略一定に保持するように前記電気脱イオン装置の供給するポンプをインバータ制御する方法について特許を取得した（特許文献１）。

特許６８６３５１０号公報

しかしながら、この特許文献１に記載の超純水製造システムの制御方法では、貯水タンク（サブタンク）などのタンクの水位に基づいて、このタンクの水位を略一定に保持するように制御するものであるため、サブタンクなどのタンクを給水供給系に有しない場合にはこの制御方法を適用できないという、課題がある。特に複数のサブシステムを備える大型の超純水製造システムなどにおいて、簡単な制御でより確実にサブシステムに給水可能な純水製造システムの制御方法があれば、超純水製造システムの効率的な運転の点で望ましい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、使用水量に応じて給水量を制御可能な純水製造システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的に鑑み、本発明は、被処理水供給源と、この被処理水供給源に接続した給水機構と、前記給水機構の後段に設けられた給水の圧力計と、前記給水機構と圧力計との間に設けられた１又は２種以上の水処理機器とを備えた純水製造システムで製造された純水を、前記圧力計の後段の純水使用機器に供給する純水製造システムの制御方法であって、前記圧力計と前記純水使用機器の間に該純水使用機器に供給される純水の流量調整機構を有し、前記純水使用機器の使用水量に応じて、前記流量調整機構により純水の供給量を調整するとともに、前記給水機構の給水出力を前記圧力計の計測値が略一定となるように制御する、純水製造システムの制御方法を提供する（発明１）。

かかる発明（発明１）によれば、純水の使用量の増減に応じて、純水使用機器への純水の供給量を増減させるように流量調整機構を制御する。この供給量の増減に伴い、何の制御もしなければ給水圧力が減増するので、給水圧力があらかじめ定めた値に対して略一定となるように給水機構の給水出力を制御することで、純水の供給の制御と、給水機構の出力の制御とを独立させることができる。これらにより、純水供給系にタンクを有しない場合であってもシンプルかつ汎用性の高い制御を実現することが可能となる。

上記発明（発明１）においては、前記純水使用機器が前記圧力計の後段で複数系列並列に設けられていることが好ましい（発明２）。

かかる発明（発明２）によれば、複数の系列に純水を供給する流量調整機構の制御においては、純水の供給量の総和の増減に応じて給水圧力が減増するので、給水圧力があらかじめ定めた値に対して略一定となるように給水機構の給水出力を制御することで、純水の供給の制御と、給水機構の出力の制御とを独立させることができる。これらにより、複数の系列に異なる供給量で純水を供給する場合であっても同様にシンプルかつ汎用性の高い制御を実現することが可能となる。

上記発明（発明１，２）においては、前記水処理機器が、逆浸透膜、紫外線酸化装置、脱気膜、電気脱イオン装置、再生式イオン交換装置、非再生式イオン交換装置から選ばれた１種又は２種以上であることが好ましい（発明３）。

かかる発明（発明３）によれば、汎用的な種々の一次純水装置に適用することが可能となる。

本発明によれば、純水使用機器の使用水量に応じて、流量調整機構により純水の供給量を調整するとともに、純水の供給量（使用量）が増減しても給水機構の給水出力を圧力計の計測値があらかじめ定めた値に対して略一定となるように制御しているので、純水の供給の制御と、給水機構の出力の制御とを独立させることができる。これらにより、純水供給系にタンクを有しない場合であってもシンプルかつ汎用性の高い制御を実現することが可能となる。

純水製造システムを備えた超純水製造システムを示すフロー図である。本発明の一実施形態に係る純水製造システムの制御方法を適用可能な純水製造システム（一次純水装置）を示すフロー図である。上記実施形態の純水製造システムの制御方法を示す概略図である。実施例１及び比較例１の純水製造システム（一次純水装置）におけるユースポイントの使用水量と電気脱イオン装置の処理水量と、貯水タンクの水位とを示すグラフである。

以下、本発明の純水製造システムの制御方法について添付図面を参照して説明する。

（純水製造システム）
本実施形態は、超純水製造システムを構成する純水製造システム（一次純水装置）の制御に特徴を有するものである。

純水製造システム（一次純水装置）としては、特に制限はなく、被処理水を供給するための給水ポンプと、前記給水ポンプの後段に設けられた給水の圧力計と、前記圧力計の後段に設けられた製造された純水を使用する純水使用機器とを備え、前記給水ポンプと圧力計との間に１又は２種以上の水処理機器を備えるものであれば、種々の純水製造システムを適用することができる。そして、図１に示すような超純水製造システムにおいて、サブタンク４１を有しないものに好適に適用することができる。

図２において、一次純水装置（純水製造システム）３は、前処理水Ｗ１を貯留する被処理水供給源としての被処理水タンク５１と、この前処理水Ｗ１の給水ポンプ５２Ａと、この給水ポンプ５２Ａの給水出力を制御するためのインバータ制御可能な高圧ポンプ５２Ｂと、逆浸透膜装置５３と、空気による第一の脱気膜装置５４Ａと、窒素ガスによる第二の脱気膜装置５４Ｂと、紫外線酸化装置５５と、気脱イオン装置（ＣＤＩ）５６と、この電気脱イオン装置５６に給水を供給する給水ポンプ５７とを有し、電気脱イオン装置５６の処理水がホウ素キレート樹脂塔５８に送られて処理された後、サブシステム４に一次純水Ｗ２を供給可能となっている。なお、本実施形態においては、純水使用機器としてのサブシシテム４は、図１に示す構成において、サブタンク４１を有しないものであり、サブシステム４ではユーシポイント５の使用量に応じた純水Ｗ２を消費する構成となっている。

この一次純水装置３において、ホウ素キレート樹脂塔５８の後段には、給水の圧力計５９と、流量調整機構としてのコントロール弁６０とが設けられているとともに、この圧力計５９は、図示しない制御機構に情報伝達可能となっていて、この制御機構は圧力計５９による計測値があらかじめ定めた値に対してほぼ一定（例えば±５％）となるように高圧ポンプ５２Ｂをインバータ制御可能となっているとともに、サブシステム４での一次純水Ｗ２の使用量に基づいてコントロール弁６０の開度を制御可能となっている。一次純水Ｗ２の供給量の制御は、例えば、サブシステム４からユースポイント５への超純水Ｗ３の供給量を流量計などにより計測して、この供給量に応じて一次純水Ｗ２の使用量を判断して、コントロール弁６０の開度を制御してもよいし、サブシステム４からユースポイント５への超純水Ｗ３の供給量と、ユースポイント５からサブシステム４への返送量をそれぞれ流量計により計測して、両者の差分に応じて一次純水Ｗ２の使用量を判断して、コントロール弁６０の開度を制御してもよい。

なお、７１は逆浸透膜装置５３の濃縮水の回収ラインであり、この回収ライン７１には流量制御弁７２、流量計７３、濃縮水タンク７４、給水ポンプ７５及び回収逆浸透膜７６がそれぞれ設けられていて、回収逆浸透膜７６の処理水が被処理水タンク５１に戻る構成となっている。また、８１は電気脱イオン装置５６の濃縮水の回収ラインであり、この濃縮水の回収ライン８１には、流量制御弁８２及び流量計８３がそれぞれ設けられていて、この電気脱イオン装置５６の濃縮水は、希薄系回収逆浸透膜（図示せず）に送られて処理される。

（純水製造システムの制御方法）
次に図２に示す純水製造システムの制御方法について説明する。
図２において、給水ポンプ５２Ａとインバータを備えた高圧ポンプ５２Ｂを起動して被処理水タンク１から前処理水（被処理水）Ｗ１を供給し、逆浸透膜装置５３、第一の脱気膜装置５４Ａ、第二の脱気膜装置５４Ｂ、紫外線酸化装置５５と、電気脱イオン装置（ＣＤＩ）５６で処理し、続いてホウ素キレート樹脂塔５８に送られて処理された後、サブシステム４に送液され、ユースポイントでの使用量に応じてサブシステム４で超純水が調製されてユースポイントに必要量が供給される。

上述したような一次純水装置３による造水プロセスにおいて、給水の圧力計５９、コントロール弁６０及びインバータ制御可能な高圧ポンプ５２Ｂは、図３に示すような制御系統となっている。すなわち、図３では、ホウ素キレート樹脂塔５８の後段で三系列に分岐しており、それぞれサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃにそれぞれ一次純水Ｗ２を供給するものであり、それぞれの給水管にコントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃがそれぞれ設けられている。すなわちコントロール弁を３個有する場合である。なお、図３ではその他の構成機器については便宜上省略する。

この一次純水装置３において、まず、あらかじめサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量の基準値（所定の範囲の値でもよい）をそれぞれ定めておく。そして、サブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各ユースポイント（ＰＯＵ）５Ａ，５Ｂ，５Ｃの使用水量に応じたサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量を流量計６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃで計測し、この計測値が基準値より減少したら、図示しない制御手段は、コントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃをそれぞれ絞ってサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量を減少させる。その結果、三系列の給水量の総和が減少するので、圧力計５９の給水圧力が上昇する。そこで、制御手段は、この圧力計５９の計測値に基づいて、該圧力計５９の計測値があらかじめ定めた値に対して略一定となるように、高圧ポンプ５２Ｂの出力をインバータ制御により減少させる。一方、サブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各ユースポイント（ＰＯＵ）５Ａ，５Ｂ，５Ｃの使用水量に伴うサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量を流量計６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃで計測し、この計測値が基準値より増加したら、図示しない制御手段は、コントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃをそれぞれ開成してサブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量を増加させる。これにより三系列の総和による給水量が増加するので、圧力計５９の給水圧力が減少する。そこで、制御手段は、この圧力計５９の計測値に基づいて、該圧力計５９の計測値があらかじめ定めた値に対して略一定となるように、高圧ポンプ５２Ｂによる出力をインバータ制御により増加させる。

以上、サブシステム４Ａ，４Ｂ，４Ｃへの給水量が、所定の基準値より増加あるいは減少した場合について説明してきたが、増加する系列と減少する系列の組み合わせの場合であっても、三系列の給水量の総和が増加あるいは減少すれば、コントロール弁６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの制御による給水量の総和の増減により同様に制御すればよい。

例えば、図３に示す制御システムにおいて、三系列を同じ機器で構成し、圧力計５９を０．１ＭＰａとなるように制御する場合、コントロール弁６０Ａの開度が２０％→４０％→６０％→２０％、コントロール弁６０Ｂの開度が２０％→２０％→４０％→４０％、及びコントロール弁６０Ｃの開度が２０％→４０％→６０％→２０％となるように三系列への給水量（ユースポイントの使用水量）を変動させたときの４つのプロセスの高圧ポンプ５２Ｂのインバータの周波数制御の一例を下記表１に示す。

以上、本発明について、上記の実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限らず種々の変形実施が可能である。例えば、本発明を適用可能な純水製造システム３としては、被処理水タンク５１と、この被処理水タンク５１に接続した給水機構としての給水ポンプ５２Ａ及び高圧ポンプ５２Ｂと、給水ポンプ５２Ａ及びインバータ制御可能な高圧ポンプ５２Ｂの後段に設けられた圧力計５９と、給水ポンプ５２Ａ及び高圧ポンプ５２Ｂと圧力計５９との間に設けられた１又は２種以上の水処理機器とを備えた純水製造システム３を、圧力計５９とサブシステム４などの純水使用機器への給水量（純水使用量）に基づいて、圧力計５９の計測値力が略一定となるように前記高圧ポンプ５２Ｂの出力を制御するものであれば、特に制限はない。例えば、給水ポンプ５２Ａ及び高圧ポンプ５２Ｂと圧力計５９との間に設けられた１又は２種以上の水処理機器としては、特に制限はなく、逆浸透膜、紫外線酸化装置、脱気膜、電気脱イオン装置、再生式イオン交換装置、非再生式イオン交換装置から選ばれた１種又は２種により構成することができる。また、給水機構としては、インバータ制御可能な高圧ポンプ５２Ｂのみであってもよい。さらに、ユースポイント５での使用量に応じて連続的にサブタンク４１に一次純水（純水）Ｗ２を供給する場合には、サブタンク４１を有していてもよい。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１及び比較例１〕
試験装置として、図２に示す構成の純水製造システム３を用意した。この試験装置において、電気脱イオン装置５６の最大処理水量を２３ｍ^３／ｈとし、サブシステム４のユースポイントへの供給水量（ユースポイントの使用水量）の変動に応じて、一次純水（純水）Ｗ２の給水量が変動するように手動で高圧ポンプ５２Ｂの出力制御（手動制御）した場合の電気脱イオン装置５６の処理水量を計測した（比較例１）。結果をユースポイントの使用水量とともに図４に示す。

引き続きサブシステム４のユースポイントへの供給水量（ユースポイントの使用水量）の変動に応じて、コントロール弁６０の開度を調整し、これに伴う圧力計５９の計測値がほぼ一定となるように高圧ポンプ５２Ｂの出力をインバータ制御した場合の電気脱イオン装置５６の処理水量を計測した（実施例１）。結果をユースポイントの使用水量とともに図４にあわせて示す。

図４から明らかなとおり、インバータ制御による実施例１によれば、ユースポイントの使用水量に追従して、電気脱イオン装置５６の処理水量（一次純水Ｗ２の造水量に相当）の変動させることが可能であり、高圧ポンプ５２Ｂの稼働電力を削減することができていることがわかる。これに対し、手動により制御した比較例１では、ユースポイントの使用水量に対して、単純な段階制御しかできておらず、電気脱イオン装置５６の処理水量が過剰で高圧ポンプ５２Ｂで余分な電力を消費している。

１超純水製造システム
２前処理装置
３一次純水装置（純水製造システム）
３１被処理水タンク
３２高圧ポンプ
３３逆浸透膜装置
３４Ａ第一の脱気膜装置
３４Ｂ第二の脱気膜装置
３５紫外線酸化装置
３６電気脱イオン装置
３７給水ポンプ
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ二次純水製造装置（サブシステム）
４１サブタンク
４２紫外線酸化装置
４３非再生型混床式イオン交換装置
４４限外濾過（ＵＦ）膜
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃユースポイント
５１被処理水タンク（被処理水供給源）
５２Ａ給水ポンプ（給水機構）
５２Ｂ高圧ポンプ（給水機構）
５３逆浸透膜装置
５４Ａ第一の脱気膜装置
５４Ｂ第二の脱気膜装置
５５紫外線酸化装置
５６電気脱イオン装置（ＣＤＩ）
５７給水ポンプ
５８ウ素キレート樹脂塔
５９圧力計
６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃコントロール弁（流量調整機構）
６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ流量計
７１回収ライン
７２流量制御弁
７３流量計
７４濃縮水タンク
７５給水ポンプ
７６回収逆浸透膜装置
８１回収ライン
８２流量制御弁
８３流量計
Ｗ原水
Ｗ１前処理水（被処理水）
Ｗ２一次純水（純水）
Ｗ３二次純水（超純水）

Claims

被処理水供給源と、この被処理水供給源に接続した給水機構と、前記給水機構の後段に設けられた給水の圧力計と、前記給水機構と圧力計との間に設けられた１又は２種以上の水処理機器とを備えた純水製造システムで製造された純水を、前記圧力計の後段の純水使用機器に供給する純水製造システムの制御方法であって、
前記圧力計と前記純水使用機器の間に該純水使用機器に供給される純水の流量調整機構を有し、前記純水使用機器の使用水量に応じて、前記流量調整機構により純水の供給量を調整するとともに、前記給水機構の給水出力を前記圧力計の計測値が略一定となるように制御し、
前記純水使用機器が前記圧力計の後段で複数系列並列に設けられている、純水製造システムの制御方法。
前記水処理機器が、逆浸透膜、紫外線酸化装置、脱気膜、電気脱イオン装置、再生式イオン交換装置、非再生式イオン交換装置から選ばれた１種又は２種以上である、請求項１に記載の純水製造システムの制御方法。