JPH10332089A

JPH10332089A - ガス供給装置および供給方法

Info

Publication number: JPH10332089A
Application number: JP13683897A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Masuda; 年克増田; Kazuhiro Nishiki; 一広西木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のガス供給装置においては、室内の冷房
や装置類の冷却を専用の冷却装置を用いて行っていた。
また、液体状態のガスを気化して供給する装置での冷気
のエネルギーロスが大きかった。【解決手段】低温となったガス用の配管からの冷気
を、配管中の液体及び配管を囲っている覆いの中を流通
している気体に遷移させ、利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液化ガスを気化し
て供給する装置及びそれを配送、使用する設備に関する
もので、液化ガスの気化後の低温性を工場設備の冷却に
有効に利用してシステム全体のエネルギ効率の向上を図
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図４を用いて説明する。従
来、半導体装置の製造工場をはじめとする各種工場、及
びそれらの研究開発施設などにおいては製造及び研究開
発に大量のガスを使用するため、例えばＮ₂、Ｏ₂ とい
ったバルクガスと呼ばれるガスを典型例とする種々のガ
スは、ほとんどの場合液化ガスとして購入してタンク６
１へ貯蔵しておき、使用時にそれらを気化して使用して
いる。または、ジェネレイタにより液化ガスを生成した
後、気化し使用している。通常、ガスの使用を実際に行
う際には、タンク貯蔵の液化ガスの場合は蒸発機（vapo
rizer)と呼ばれる装置を介し、また、ジェネレイタによ
り液化ガスを生成した場合はその熱交換機を通し、ガス
化して実際の使用場所６３まで配送している。図４にお
いては、タンク６１から支持構造体６６および支持構造
体６７によって支えられている配管６５および配管配管
構造体６２を介し、研究開発施設６３に配送されてい
る。なお、配管６５に設置されているバルブ６４によっ
て流量が制御されている。

【０００３】また従来において、蒸発機を使用する場
合、エネルギー節約のため特にボイラーまたは電熱など
による加熱は行っておらず、外気温を利用してガス化さ
せているのが実情である。この場合、Ｎ₂ 、Ｏ₂ などの
液化ガスの沸点約-200℃において気化した液体ガスの通
る配管が外気にさらされるため、配管及びその周辺はか
なり低温となり、例えば配管６５外面や周囲の構造体６
２などには空気中の水分による霜がかなりついてしまう
ことになる。

【０００４】一方、前記各種工場及び施設６３の内部で
は、冷却を必要とする設備、装置がかなりある。特に、
半導体装置の製造工場のドライエッチング装置、スパッ
タ装置、拡散炉等、プロセス要請上からその一部分の冷
却を必要とするものから、装置自体またはシステム全体
を冷却する必要性のあるものまで、かなりの装置および
システムが冷却水を必要としている。このために、一般
には１５〜２０℃の冷却水を導入しているが、装置等の
熱を吸収して温度の上昇した冷却水は回収後再冷却し、
循環させて再度冷却水として使用している。

【０００５】また、半導体製造工場においては、プロセ
ス上の要請から厳密な温度および湿度の管理が求められ
ているが、各プロセス装置から発生する熱のため、基本
的には冷却して温度調整をしている。中には、ＣＶＤ(C
hemical Vapor Deposion) 装置、電気炉といった稼働部
が高温のものを使用するプロセスも含まれており、これ
らを使用する部屋での室温の上昇はさらに著しい。何れ
にせよ、これら空調装置のために従来大きなエネルギー
が使用されてきた。

【０００６】以上のように、現在の各種工場及び施設に
おいては、液化ガスの蒸発機においては冷気を外部に放
出している一方、装置の冷却水や空調などは別に冷却装
置を使用して冷却を行っており、エネルギー的に見て大
きなロスをしていた。

【０００７】このようなエネルギーロスに注目したもの
としては、各種コジェネレーションなどを代表する廃熱
利用があげられる。例えば、前記電気炉から出てくる高
温の空気を利用し、凍結防止の保温用に利用している例
も随所にみられる。しかしながら、これらは何れも高温
の熱媒体に注目したものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、液状ガスの
気化熱と気化後の低温性を有効に利用してシステム全体
のエネルギ効率の向上を図るもので、液化ガスの冷却温
度から通常の製造装置等の使用温度に至るまでの低温の
廃熱エネルギーに注目したものである。かかるバルクガ
スの冷却源としての使用例は今までになく、従来の工場
及び施設においては冷却に係るエネルギーロスがかなり
大きかった。

【０００９】また、蒸発機を使用する場合、その能力と
ガス使用量に応じて複数基の設置が必要とされる。この
ため、一般にガスヤードとも呼ばれるガス供給施設群に
おける面積増大の原因の一つにもなり、施設内のレイア
ウトの自由度にも制限をもたらした。

【００１０】上記の如く、従来の半導体工場ほか各種施
設においては、冷却のためのエネルギーのロスが見受け
られ、エネルギー効率に問題がある。本発明の目的は、
このような問題点を解決し、従来の工場設備よりもエネ
ルギーロスを少なくするための装置を提供するものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、液化ガス供給
タンクと、液化ガスを気化してこのガスを所定の箇所に
供給する第１の配管と、第１の配管を流れる液化ガス又
は気化ガスと熱交換を行う媒体と、媒体を所定の装置、
施設、又は建屋に導く装置とを具備するガス供給装置で
ある。この媒体の温度は、媒体の流量を制御する装置に
より制御され、制御装置は媒体の温度を検出するセンサ
を有し、該センサの出力に対応して媒体の流量を制御
し、さらに該流量制御装置はメモリおよびプログラム装
置を具備する。

【００１２】媒体は第１の配管に直接接触するように配
置することができる。又は、媒体を導く装置が螺旋状に
巻かれた第２の配管を具備し、この第２の配管が第１の
配管を取り巻くように配置することもできる。さらに、
第２の配管は螺旋状の径が一定であるか、螺旋状の径が
タンクから遠ざかるにしたがって小さくなるようにして
も良い。さらに、媒体を導く装置がさらに螺旋状の第３
の配管を具備し、第２の配管と第３の配管にはそれぞれ
融点の異なる媒体を流すこともできる。また、液化ガス
は酸素、水素、又は窒素のいずれかであり、媒体は空
気、水、不凍液のいずれかである場合を含む。

【００１３】さらに本発明は、液化ガスを貯蔵するタン
クと、液化ガスを取り出す第１の配管と、第１の配管の
外周部に配置された第２の配管と、第２の配管の内部を
流れる熱交換媒体とを具備し、取り出された液化ガスを
第１の配管内において気化する蒸発機である。そして、
液化ガスは酸素、水素、又は窒素のいずれかであり、媒
体は空気、水、不凍液のいずれかであること場合を含
む。

【００１４】さらに本発明の方法は、液化ガスをタンク
に貯蔵するステップと、液化ガスを第１の配管に供給す
るステップと、配管内において液化ガスを気化するステ
ップと、第１の配管の外周部に配置された第２の配管内
の熱交換媒体を液化ガスまたは気化ガスにより冷却する
ステップと、気化ガスおよび媒体の双方をそれぞれ所定
の装置、施設、又は建屋に導くステップとを有するガス
供給方法である。この媒体の装置、施設、又は建屋への
供給温度は媒体の流量を制御することにより制御され
る。そして、液化ガスは酸素、水素、又は窒素から選択
し、媒体は空気、水、不凍液から選択することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は以下の実施の形態を参照
して説明されるが、本発明はここで説明する実施の形態
に限定されるものではない。下記実施の形態は多様に変
化することが可能である。

【００１６】本発明の実施の形態を以下に図面を用いて
説明する。本発明の第１の実施の形態を図１に示す。図
１は、本発明に用いられる液化ガス気化のための蒸発機
およびガス供給装置である。タンク１に入っているのは
例えば液体窒素で、ガス配管２を通って研究開発施設３
に通じている。

【００１７】実施形態１では、タンク１の取り出し口か
ら研究開発施設３の入り口までの間に覆い４を設け、そ
の中に流体である空気５を流通させる。空気５は、研究
開発施設３内にあるファン６により引込まれるが、ファ
ン６は覆い４から研究開発施設３への取り入れ口に設置
した温度センサー７によりその温度が検知され、制御装
置８により引込み量が制御されている。ここで取込こん
だ外気を、気化された低温のガスにより冷却し、空調用
や装置用などの冷却空気として利用する。

【００１８】以下では、液体ガスとして液体窒素を使用
した例を述べる。またこの設備では、目安としてほぼ以
下の条件下で運用される。１．Ｎ₂ ガス使用量５ｍ³ ／時間２．Ｎ₂ ガスが研究開発施設３に入る時の温度２４℃ ３．覆い４を流通する空気の流入温度（＝外気温）３０℃ ４．空気が研究開発施設３に入る時の温度２４℃ ここで冷却用の空気が研究開発施設３に入るときの温度
は、制御装置８によりコントロールされるファン６によ
る外気引込み量を調節することにより、任意に設定でき
るが、Ｎ₂ ガスが研究開発施設３に入るときの温度も考
慮して２４℃とした。これにより約７ｍ³ ／時間の冷却
用の空気を流すことができた。

【００１９】以上本発明の実施形態１を用いることによ
り、低温のＮ₂ ガスを用いて冷却用空気を冷却すること
により、従来の冷却装置を不要とするかまたは規模を縮
小することができ、工場全体のエネルギーロスを大幅に
なくすことができた。エネルギーロスの低減は製品コス
トの低下にもつながる。また、蒸発機の設置面積が少な
くて済むことから、工場の配置デザインの自由度が広が
る。さらに、供給されるガスの工場内外での温度の変動
が小さくなったことで、製造条件が安定化し製品の歩留
まりの工場にもつながる。

【００２０】次に本発明の実施形態２を図２を用いて説
明する。本発明の第２の実施の形態を図２に示す。図２
は本発明に用いられる液化ガス気化のための蒸発機およ
びガス供給装置である。タンク２１に入っている液体窒
素は、ガス配管２２を通って研究開発施設２３に導かれ
ている。

【００２１】この例では、タンク２１の取り出し口か
ら、研究開発施設２３の入り口までの間に、ガス配管２
２を軸とし円環状（軸から一定距離をおいて螺旋状にな
っている状態）に冷却用流体を流す配管２４及び配管２
５を巻き付けてある。そして、配管２４には不凍液（凍
結防止のため、アルコール，グリセリン，エチレングリ
コールなどを冷却水に混合して氷点温度を低下させたも
の）を、配管２５には冷却水を各々流す。配管２４中の
不凍液はポンプ２６により流通しているが、研究開発施
設２３への取り入れ口付近に設置した温度センサー２７
によりその温度が検出される。そして制御装置２８によ
り不凍液の引込こみ量が調節されている。

【００２２】同様に配管２５の中の冷却水も、研究開発
施設２３への取り入れ口付近に設置した温度センサー３
０と連動している制御装置３１により、ポンプ２９によ
る引込み量を調整されている。

【００２３】ここで冷やされた冷却水は、各装置の冷却
水として使用され、不凍液は低温実験用に用いることが
できる。以下に、液体ガスとして液体窒素を使用した場
合の例を述べる。またこの設備では、目安としてほぼ以
下の条件下で運用されている。

【００２４】１１．Ｎ₂ ガス使用量５ｍ³ ／時間１２．配管２４と配管２５の境界線における温度約−１００℃ １３．不凍液が本設備に入る温度０℃ １４．Ｎ₂ ガスが本設備に入る温度２５℃ １５．不凍液が研究開発施設３に入る温度 −３０℃ １６．冷却水が研究開発施設３に入る温度１５℃ １５．１６．の温度は、各々の制御装置２８と３１によ
るポンプ２６，２９の引込み量により任意に設定できる
が、上記の値に設定した場合、−３０℃の不凍液を２ｍ
³ ／時間、１５℃の冷却水を１５０Ｌ／時間得ることが
できた。

【００２５】なお、ここでは配管２４に不凍液、及び配
管２５に冷却水を流した例について説明したが、当然こ
れに限定されるものではなく、状況や条件によって随時
変更可能であることはいうまでもない。

【００２６】以上から、これまでのエネルギーコスト上
制約を受けてきた冷却用空気及び冷却水を、エネルギー
コストの心配なく余裕を持って使用することができ、さ
らに工場の設置面積も削減でき、工場の設置デザインの
自由度も広げることができる。さらに、この装置を取り
付けて工場を操業したところ、液体ガスが効率よく気化
し、工場内／外での温度差が少なくなったため、製品の
歩留まりも向上することができた。

【００２７】次に本発明の実施形態３を図３を用いて説
明する。本発明の第３の実施の形態を図３に示す。図３
は本発明に用いられる液化ガス気化のための蒸発機およ
びガス供給装置である。タンク４１に入っている液体ガ
スは、ガス配管４２を通って研究開発施設４３に通じ
る。この途中に、ガス配管４２を軸とする渦巻き状（巻
き付けた水配管４４の径が、タンク４１から遠ざかるに
従い、次第に小さくなるような形状）に設け、さらにガ
ス配管４２及び水配管４４全体を取り囲むように覆い４
５を設けた。ここで水の配管４４へは、研究開発施設４
３内で使用して所定の値よりも温度が上がってしまった
冷却水を流通させた。

【００２８】ここで、渦巻き状（巻き付けた水配管４４
の径が、タンク４１から遠ざかるに従い、次第に小さく
なるような形状）にしたのは、配管４２でタンク４１に
近い側は、液体ガスの温度がタンク４１から遠い配管４
２より低いため、配管４４中の液体が凍結してしまう恐
れがあるからである。よって、配管４４の配管４２から
の距離を、タンク４１に近い側ではタンク４１に遠い側
に比べより大きくとってある。

【００２９】また、距離を離したことによって起きるロ
スエネルギーは、覆い４５中を循環している空気４６を
冷却するのに使用されるので、渦巻き状にすることによ
る弊害はなく、全体として効率の向上が図れる。さら
に、配管４４に流通している液体の流速をコントロール
することにより、凍結を防止することもできる。

【００３０】このように、覆い４５の中へは空気４６を
取込み、冷却して空調用や装置冷却用として使用する。
冷却水はポンプ４７により、空気４６はファン５０によ
り各々流通しているが、研究開発施設４３への取り入れ
口付近に設置した各温度センサー４８，５１の情報を受
け、その流量を制御装置４９，５２により各々調整して
いる。

【００３１】なお、制御装置４９，５２はメモリおよび
プログラム装置を有し、単に流量の制御だけではなく、
各々の条件下でのデータを収集し、最適な流量のデータ
に書き換えることができ、様々な条件に対応することが
できる。

【００３２】以下では、液体ガスとして液体窒素を使用
した例を述べる。またこの設備では、目安としてほぼ以
下の条件下で運用されている。２１．Ｎ₂ ガス使用量１０００ｍ³ ／時間２２．配管２４と配管２５の境界線における温度２４℃ ２３．不凍液が本設備に入る温度２５℃ ２４．Ｎ₂ ガスが本設備に入る温度３０℃ ２５．不凍液が研究開発施設３に入る温度１５℃ ２６．冷却水が研究開発施設３に入る温度２４℃ ２７．不凍液の温度０℃ 流量の調整を行えば、２５．２６．の冷却水および空気
の温度は、流入温度から液化ガス温度までの任意の温度
まで冷却することが可能である、しかし、実際には工場
の施設に入ってからの温度差による結露等を考慮して上
記の値を設定した。この場合、空気を２０００ｍ³ ／時
間、冷却水を約１０ｍ³ ／時間得ることができた。

【００３３】これにより、これまでのエネルギーコスト
上制約を受けてきた工場用空気及び冷却水を、エネルギ
ーコストの心配なく余裕を持って使用することができ、
ガス供給装置の設置面積も削減でき、工場の設置デザイ
ンの自由度も広がった。さらにこの装置を取り付けて工
場を操業したところ、液体ガスが効率よく気化し、工場
内／外での温度差が少なくなったため、製品の歩留まり
も向上することができた。

【００３４】なお、これらの実施形態は、上述のものに
限られるものではない。例えば実施形態１や実施形態３
に関しては、覆い中に仕切りをいくつか用意し、それに
より区切られたガス配管の温度状況により、所望の温度
の空気を取り出す。例えば、タンクに近い側ではより低
温の空気、工場の施設に近い側ではそれより温度の高い
空気を取り出すこともできる。この際、前述の仕切りは
覆い中のどこへ配置してもよい。また、空気以外にも、
冷却の必要のある気体であれば冷却することが可能であ
る。

【００３５】また、第２の実施の形態、第３の実施の形
態での液体用配管においては、図３のように渦巻き状で
あるが、これもその形態に限られたものではなく、図２
のように円柱形のように巻いても良いし、例えばガス配
管と平行に折れ線形に配置しても良し、種々の形態が可
能なのは言うまでもない。

【００３６】さらに、上述の実施例においては、何れも
液体窒素タンクからの供給について説明したが、これら
は酸素、水素など現在蒸発機を使用している液体ガスに
対しても適用可能である。また実施形態では、これらの
タンクが１つの時について説明したが、複数適用しても
良いし、その場合、各タンクごとに別々に実施してもよ
い。さらに、覆い中を流れる空気、配管を流れる水流の
流れる方向も、使用時の都合し応じてタンクから建家の
方向や、循環のため建家からタンクへの方向など、使用
状態に応じて種々の方法をとることができる。

【００３７】また、覆いについてもタンクや建家と連続
的に接続させても良いし、種々のタンクを多いの中に内
蔵してしまっても良い。さらに、空気の導入方法におい
ても第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施
の形態に示したように、上部から導入する場合に限定し
たものではなく、使用の状況によって種々の形態が可能
である。また、温度センサー、ポンプ、制御装置の配置
場所についても必要に応じ任意に選択できることは言う
までもない。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、低温
のバルクガスの冷却状態を冷却用配管中の液体及び覆い
の中を流通している気体に移動させることができ、これ
により従来までのエネルギーロスの大幅な削減をするこ
とができ、経費の削減ひいては製品のコストダウンを行
うことができた。

【００３９】また、従来までの室内の冷房装置や種々の
装置のための冷却装置さらに建家までの配管自体が従来
の蒸発機の役目をかねることにより、今までの蒸発装置
等が不要になり、工場内のガス発生装置の設置面積が大
幅に低減され、今までの敷地部分を他の目的のためなど
に有効利用でき、工場内のレイアウトの自由度を広げる
ことができた。

【００４０】また蒸発装置類が不要になったことで、従
来の装置類が出していた騒音が全くなくなり、防音壁な
どの騒音対策も不要になり、これらの管理やコストの面
で有利になった。さらに、供給されるガスの工場内／外
での温度差が小さくなった結果、製品の歩留まりの向上
にもつながった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス供給装置を
示す図。

【図２】本発明の第２の実施形態に係るガス供給装置を
示す図。

【図３】本発明の第１の実施形態に係るガス供給装置を
示す図。

【図４】従来のガス供給装置を示す図。

【符号の説明】

１、２１、４１、６１…タンク２、２２、２４、２５、４２、４４、６５…配管３、２３，４３、６３…施設建家４、４５…覆い５、４６…空気の導入口６、５０…ファン７、２７、３０、４８、５１…温度センサー８、２８、３１、４９、５２…制御装置２６、２９、４７…ポンプ６２…配管構造体６４…バルブ６６、６７…配管の支持構造体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液化ガス供給タンクと、前記液化ガスを気
化してこのガスを所定の箇所に供給する第１の配管と、
前記第１の配管を流れる液化ガス又は気化ガスと熱交換
を行う媒体と、前記媒体を所定の装置、施設、又は建屋
に導く装置とを具備することを特徴とするガス供給装
置。
【請求項２】前記媒体の温度が前記媒体の流量を制御す
る制御装置により制御されることを特徴とする請求項１
記載のガス供給装置。
【請求項３】前記制御装置は前記媒体の温度を検出する
センサを有し、該センサの出力に対応して前記媒体の流
量を制御することを特徴とする請求項２に記載のガス供
給装置。
【請求項４】前記制御装置はメモリおよびプログラム装
置を具備することを特徴とする請求項２又は請求項３に
記載のガス供給装置。
【請求項５】前記媒体は前記第１の配管に直接接触する
ように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請
求項４のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項６】前記媒体を導く装置は螺旋状に巻かれた第
２の配管を具備し、前記第２の配管が前記第１の配管を
取り巻くように配置されていることを特徴とする請求項
１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項７】前記第２の配管は螺旋状の径が一定である
ことを特徴とする請求項６に記載のガス供給装置。
【請求項８】前記第２の配管は螺旋状の径が前記タンク
から遠ざかるにしたがって小さくなることを特徴とする
請求項６に記載のガス供給装置。
【請求項９】前記媒体を導く装置が螺旋状の第３の配管
を具備し、前記第２の配管と第３の配管にはそれぞれ融
点の異なる媒体を流すことを特徴とする請求項６または
請求項７に記載のガス供給装置。
【請求項１０】前記液化ガスは酸素、水素、又は窒素の
いずれかであり、前記媒体は空気、水、不凍液のいずれ
かであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいず
れか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１１】液化ガスを貯蔵するタンクと、前記液
化ガスを取り出す第１の配管と、前記第１の配管の外周
部に配置された第２の配管と、前記第２の配管の内部を
流れる熱交換媒体とを具備し、前記取り出された液化ガ
スを第１の配管内において気化することを特徴とする蒸
発機。
【請求項１２】前記液化ガスは酸素、水素、又は窒素
のいずれかであり、前記媒体は空気、水、不凍液のいず
れかであることを特徴とする請求項１１記載の蒸発機。
【請求項１３】液化ガスをタンクに貯蔵するステップ
と、前記液化ガスを第１の配管に供給するステップと、前記配管内において前記液化ガスを気化するステップ
と、前記第１の配管の外周部に配置された第２の配管内の熱
交換媒体を前記液化ガスまたは前記気化ガスにより冷却
するステップと、前記気化ガスおよび前記媒体の双方をそれぞれ所定の装
置、施設、又は建屋に導くステップとを有することを特
徴とするガス供給方法。
【請求項１４】前記媒体の前記装置、施設、又は建屋
への供給温度は前記媒体の流量を制御することにより制
御されることを特徴とする請求項１３記載のガス供給方
法。
【請求項１５】前記液化ガスは酸素、水素、又は窒素
から選択され、前記媒体は空気、水、不凍液から選択さ
れることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載
のガス供給方法。