KR20140020729A - 글로브 박스 - Google Patents

Abstract

(과제) 적은 에너지로 박스내의 이슬점을 임의의 이슬점으로 고정도로 제어 할 수 있는 글로브 박스를 복잡하지 않은 장치로 제공하는 것을 목적으로 한다.
(해결수단) 제습 로터(1)를 그 회전 방향에 대해 흡착영역(2), 퍼지영역(3), 재생영역(4)으로 분할하여 외부 공기의 일부 또는 전부를 흡착영역(2)에 통과시켜, 상기 외부 공기의 나머지 부분을 상기 흡착영역(2)의 상류측 분기점(28)과 하류측 합류점(29)을 연통하는 유량제어 장치를 갖춘 바이패스 경로를 통과시켜 공급처의 박스(5)에 공급하도록 했다. 박스(5)의 이슬점 온도 제어를 재생온도 비례제어와 상기 바이패스 유량제어를 결합하여 적은 에너지 소비량으로 어떤 이슬점에 정확하게 제어 할 수 있도록 했다.

Description

글로브 박스{GLOVE BOX}

글로브 박스는 박스 내부의 습도를 매우 낮은 상태로 유지시켜, 박스 외부에서 밀봉된 고무 장갑 (글로브)를 통해 박스 안으로 손을 넣어 건조한 환경을 이용한 실험 등을 하는 장치이다. 본 발명은 정밀한 이슬점 제어를 통한 에너지 소비가 적은 글로브 박스에 관한 것이다.

특정한 박스 안의 공기를 제습하는 경우, 냉동기를 사용하여 결로에 의한 제습을 하게 되면 에너지의 소비는 적었지만, 박스 안 공기의 습도를 영하의 이슬점까지 낮추는 것은 어려웠다.

최근 리튬이온 전지와 리튬이온·캐패시터 등의 개발 및 개선이 확대되고 있다. 리튬은 공기 중의 수분을 쉽게 흡착하여 전지와 캐패시터의 성능을 저하시킨다. 그렇기 때문에 이러한 개발에 따른 실험에 대해서 매우 낮은 이슬점의 분위기 또는 액체 질소를 기화시킨 질소로 충전된 분위기의 박스 내에서 실험을 할 필요가 있다. 액체 질소를 이용하는 경우에는 실험 전에 액체 질소를 준비해야 하며, 실험 중에 액체 질소를 계속 소모하기 때문에 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

또한, 액정 표시장치를 대체할 차세대 평판 디스플레이로 기대되는 유기 EL 표시장치 등에 사용되는 유기 EL 소자는 고체 발광형의 저렴한 대면적 풀컬러 표시소자 또는 기록장치 광원 어레이로서의 용도가 유망하므로 활발한 연구개발이 진행되고 있다. 그러나, 유기 EL 소자에 사용되는 유기발광재료 등의 유기물질과 전극 등은 수분에 취약하여 성능이나 특성이 급격히 저하된다. 따라서, 이러한 개발에 따른 실험을 할 때에도 매우 낮은 이슬점의 분위기 또는 액체 질소를 기화시킨 질소로 충전된 분위기의 박스 내에서 실험을 할 필요가 있다.

　여기서 실리카겔이나 제올라이트를 흡착제로하는 제습 로터를 이용한 제습기를 사용하게 되면, 박스 내 공기의 이슬점을 영하로 낮추는 것이 용이하다. 그러나, 소비 에너지가 커진다는 단점이 있었다.

　또한, 리튬이온 전지, 리튬이온·캐패시터나 유기 EL 소자 등의 개발, 식품·의약품 관련 등에 수분이 존재하게 되면 위험한 물질이나 흡습성이 있는 화학 물질을 취급하는 개발 등 각종 개발에 있어서 글로브 박스를 사용하는 경우, 개발 목적에 따라 박스 내 공기를 임의의 이슬점으로 제어 할 필요가 있었다.

에너지 소비량이 커지는 것에 대한 개선책으로 특허문헌 1에 개시된 기술처럼, 제습 대상의 가스가 순환하는 경로에 있는 주 데시칸트 제습기로부터의 가열 재생 배기가스를 하나 또는 여러 개의 보조 데시칸트 제습기에 의해 습기를 없애고, 그 보조 데시칸트 제습기의 재생 배기가스를 응축·제습하여 순환경로로 되돌려 계 외부로 가스를 배출하지 않음으로써 에너지 절약으로 공기의 이슬점을 낮추는 것이 발명 되었다.

또한 특허문헌 2에 개시된 것은 글로브 박스 내의 이슬점 제어를 제습 로터의 회전 수 및/또는 재생용 공기의 온도를 제어함으로써 실현하는 것이다. (도 11 등)

또한 특허문헌 3에 개시된 것은 글로브 박스 등의 밀폐된 챔버 내를 정해진 습도 상태로 조절하는 밀폐 챔버의 습도조절장치에 관한 것으로, 흡착재를 가열함으로써 흡착재에 의한 수분의 흡착 또는 방출을 제어하는 것이 가능하여, 낮은 습도에서부터 높은 습도까지 흡착재에 의한 라인에 의해 습도 조절을 하는 것이다.

일본 특허 공개 2012-81416 호 공보 일본 특허 공개 평11-094299 호 공보 일본 특허 제 4642440 호 공보

상기 특허문헌 1에 개시된 것은 가스 공간내의 가스를 데시칸트 방식으로 제습하면서 계 외부로 가스를 배출 시키지 않고 유지 비용을 절감 할 수 있지만, 장치의 구성이 복잡하여 장비 자체가 커짐으로 인한 초기 비용이 커진다는 문제가 있다.

또한, 상기 특허문헌 2에 개시된 것은 글로브 박스의 용량이 건조된 공기를 밀폐 한 방으로 보내는 건조실 (일반적으로 드라이 룸 (등록 상표)이라고 한다) 등과 비교하여 작기 때문에 임의의 이슬점에 정확하게 제어 할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 상기 특허문헌 3에 개시된 것은 밀폐 챔버 내부를 낮은 이슬점으로 하는 경우, 정해진 이슬점 온도가 될 때까지 시간이 걸린다는 문제와 습도를 제어하는 히터 온도의 변동이 커지기 때문에 정확하게 습도를 제어 할 수 없다는 문제가 있다. (도 3 등) 또한, 글로브 박스의 용량을 크게 하면 흡착제를 넣는 양이 증가하여 흡착재를 넣는 용기 또한 커지기 때문에 장치가 대형화되는 문제가 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 한 것으로, 임의의 일정한 이슬점에 정확하게 제어 할 수 있고, 게다가 에너지 소비량을 줄이고, 유지 비용을 줄일 수 글로브 박스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 글로브 박스 내의 이슬점 제어를 재생온도 비례제어 및 로터 바이패스 유량제어를 결합하여 광범위한 이슬점 설정을 고정도로 행하는 것이 가능하고, 재생온도를 낮추면서 에너지 절약 효과도 발생하게 하는 것을 가장 중요한 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명의 글로브 박스는 제습로터의 제습부 전후에 피처리 공기가 제습로터를 통과하지 않도록 도중에 유량제어 장치를 갖춘 바이패스를 설치하여, 글로브 박스 내의 이슬점을 미세하게 조정할 수 있는 장점이 있다. 즉, 글로브 박스와 같은 비교적 용량이 작은 공간 (2㎥ 이하의 것이 일반적)에서는 재생온도 제어만으로는 비례제어 할 수 없으므로 재생온도 제어에 추가적으로 상기 로터 바이패스 유량제어를 실시하는 것으로써 정확한 이슬점 제어를 실현할 수 있다.

또한 설정한 이슬점이 높은 경우와 낮은 경우 2 단계로 나누어 재생온도 비례제어 범위를 나누어 이슬점이 높은 경우의 재생온도를 낮게 설정하는 것이 가능하고, 에너지 소비를 적게 하는 것이다.

또한 재생온도를 낮게 설정할 수 있기 때문에 재생 히터의 수명을 연장 할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명의 글로브 박스의 실시 예를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 재생온도와 글로브 박스의 이슬점의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에서 이슬점을 영하 5도로 설정한 경우 시간에 따른 이슬점 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 이슬점을 영하 30 도로 설정한 경우 시간에 따른 이슬점 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에서 이슬점을 영하 60 도로 설정한 경우 시간에 따른 이슬점 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 제습로터를 그 회전 방향에 대해 흡착영역, 재생영역, 퍼지영역으로 분할하고, 외부공기와 재생영역에서 반환공기 (이하, 한 번 장치 내의 유로를 통한 공기를 장치외부로 배출하지 않고 다시 그 유로로 되돌려 보낸 공기를 ‘반환공기’라 한다)와 글로브 박스에서 순환공기를 혼합시킨 공기를 흡착영역에 통과시키는 경로와 흡착영역의 상류측과 하류측을 연통하는 유량제어 장치를 갖춘 바이패스를 마련해 글로브 박스 내의 이슬점을 재생온도 비례제어와 상기 바이패스를 이용한 로터 바이패스 유량제어를 결합하여 적은 에너지 소비량으로 정확한 이슬점 제어를 할 수 있는 글로브 박스를 제공한다는 목적을 실현했다.

실시 예 1

이하, 본 발명의 실시 예를 나타내는 도면 1에 따라 설명한다. 1은 제습로터이며, 실리카겔이나 제올라이트 등의 습기 흡착제가 담지된 허니컴로터 형태이다. 이 제습로터(1)는 모터 (일반적이기 때문에 도시하지 않음)에 의해 회전하게 되고, 그 회전 방향에 따라 다음과 같이 각 영역으로 나누어져 있다. 또한 다음 설명에서 사용 온도는 모두 섭씨이다.

즉, 2는 흡착영역이며 여기에서 공기 중의 수분이 제습로터(1)에 흡착된다. 3은 퍼지영역이며 4는 재생영역이다. 재생영역(4)을 통과하는 고온의 공기에 의해 제습로터(1)는 흡착 된 습기가 탈착된다.

17은 제 1 냉각코일이며, 냉동기 (도시하지 않음) 등 냉매가 공급되고 있다. 20은 흡착 블로어이고 제 1 냉각코일(17)에 의해 냉각 된 공기를 흡착영역(2)에 보내는 것이다. 11은 흡착영역(2)의 상류측 분기점(28)과 하류측 합류점(29)을 연통하는 바이패스 경로이며, 외부 공기가 흡착영역(2)을 통과하지 않도록 우회시킨다. 10은 모터 댐퍼에서 상기 바이패스 경로를 통과하는 공기의 유량을 제어한다.

18은 재생 히터에서 분기점(27)으로 분기 된 퍼지영역(3)에서 나온 공기를 재생 가능한 온도 수준까지 올리는 것이다. 예를 들면 여기에는 전기 히터가 사용된다. 19는 재생 블로어이며 재생영역(4)의 공기를 빨아내는 것으로, 이 재생 블로어(19) 의 출구는 합류점(25)을 통해 제 1 냉각코일(17)에 연결되어있다. 즉, 제 1 냉각코일(17)에 들어가는 공기는 외부 공기와 재생 블로어(19)에서 나온 공기가 혼합 된 상태가 된다. 5 는 박스이며 필요에 따라 공급공기 가열기(15)에서 가열된 공기가 공급된다. 또한 이 박스의 측면에는 고무로 만든 장갑 (도시하지 않음)이 밀봉 상태로 설치되어있다.

박스(5)로부터의 순환공기는 글로브 박스 환기로(6)를 통해서 제 2 냉각코일(16)에서 냉각되고, 응축·제습 된 후, 합류점(26)에서 제 1 냉각코일(17)을 나온 공기와 혼합된다. 또한, 장비 부팅 초기에 비교적 높은 이슬점의 공기가 박스(5)에 공급되지 않도록 댐퍼(14)를 완전히 닫고 댐퍼(13)를 완전히 개방함으로써 흡착영역(2)을 나온 공기가 처리 공기 환기로(7)에 의해 제 2 냉각코일(16)앞의 글로브 박스 환기로(6) 통해 합류점(26)으로 돌려 보내도 좋다. 이 경우 흡착영역(2)을 나온 공기의 이슬점이 설정한 이슬점 온도에 가까워지면서 댐퍼(14)를 열어 흡착영역(2)을 나온 공기가 박스(5)에 공급된다.

본 발명의 글로브 박스는 상기 구성으로 되어있고, 이하 그 동작에 대해 설명한다. 먼저 외부 공기는 제 1 냉각코일(17)에서 냉각되고 응축·제습 된다.

응축·제습되어 온도가 내려간 공기가 흡착 블로어(20)에 의해 흡착영역(2)으로 보내진다. 흡착영역(2)에서 흡착·제습되고, 필요에 따라 공급공기 가열기(15)에서 가열되어 건조공기의 공급지인 박스(5)로 보내진다. 또한 박스(5)에 공급되는 공기의 풍량을 일정하게 하기 위해 댐퍼(14)에는 정 풍량제어 장치 CAV 등을 이용해도 좋다. 이 박스(5)의 내부에는 이슬점 검출기(9)가 설치되어있고, 이슬점 검출기(9)는 모터 댐퍼 제어 장치 (도시하지 않음)에 연통하고 있다. 박스(5)내부의 이슬점이 설정된 이슬점이 되지 않으면 모터 댐퍼(10)에 의해 바이패스 경로(11)를 통과하는 공기의 유량. 다시 말하면, 제습로터의 흡착영역(2)을 통과하지 않은 공기의 유량을 설정 이슬점이 되도록 제어된다. 이 박스(5)의 내부에서 리튬 전지의 시험제작 등 설정 이슬점 환경하에서 행해져야 하는 실험이 진행된다.

또한, 박스(5)내에서 유해한 화학 물질 등을 사용하는 경우, 댐퍼(12)를 완전히 닫고 글로브 박스 환기로(6)를 통과하는 공기를 제 2 냉각코일(16)로 통하지 않고, 박스(5)에 설치한 배기로 (도시하지 않음)를 통해 전량 실외로 배출해도 좋다. 이 때, 박스(5)내의 이슬점 온도가 영하 60도 등 낮은 이슬점을 필요로 하는 경우에는 댐퍼(13)와 댐퍼(14)를 사용하여 처리공기 환기로(7)를 통과하는 공기량을 조절하는 것에 의해 박스(5)내의 이슬점 온도가 정해진 이슬점으로 제어된다. 또한 박스(5)에 공급되는 공기의 일부를 댐퍼(12)에 의해 글로브 박스 환기로(6) 통해 제습로터(1)로 되돌리고 나머지 부분을 박스(5)에 설치한 배기로 (도시하지 않음)를 통해 박스(5)의 실외로 배출하게 해도 좋다.

퍼지영역(3)을 나온 공기는 재생히터(18)에서 재생 가능한 온도 수준까지 올려 재생영역(4)으로 보내진다. 재생영역(4)을 나온 공기는 분기점(31)에서 일부 분기되어 재생 순환로(24), 합류점(30)을 통해서 재생히터(18)로 되돌려진다. 이 재생·순환을 함으로써 재생영역(4)에서 제 1 냉각코일(17)에 보내지는 공기의 습도를 올려 응축·제습 할 수 있다. 재생 순환로(24)를 통과하는 공기의 풍량에 대해서는 댐퍼(21, 22) 의해 조정된다. 또한, 재생공기가 계 외부로 배출되지 않고 제 1 냉각코일(17)에 보내지고 있으며 이 점에서도 에너지 절약이 된다.

또한 이슬점 온도 영하 30도 이하의 낮은 이슬점이 필요한 경우, 댐퍼(8)를 완전히 닫고 외부 공기를 도입되지 않도록 제어 할 수 있다. 즉, 박스(5)로부터의 순환공기와 재생 블로어(19)에서 나온 공기만으로 운전하여 이슬점이 영하 30도 이하에서 영하 85 도의 낮은 이슬점의 제어를 가능하게 했다.

도 2는 본 발명의 글로브 박스에서 재생온도와 글로브 박스 이슬점 관계의 일례를 나타낸다. 로터 바이패스 유량 제어를 사용하지 않고 재생온도 제어만으로 제어한 것을 플롯하여 일점 쇄선으로 연결했다. 그 결과, 재생온도와 글로브 박스내의 이슬점 온도와의 관계를 비례 식으로 나타내지 못하고, 재생온도를 비례제어 하여도 정해진 이슬점 온도로 제어 할 수 없는 것을 확인할 수 있었다. 이 해결책으로, 설정한 이슬점 온도에 대해 이슬점 온도와 재생온도에 관한 비례식을 사용하여, 도합된 흡착영역 바이패스경로(11) 의 모터 댐퍼(10)에 의해 바이패스 경로를 흐르는 공기량을 제어하여 고정도로 이슬점 제어를 가능하게 했다. 재생온도의 비례식의 사용구분에 대해서는 이슬점 온도 0도에서 영하 25도까지, 재생온도 40도에서 140도 (도 2의 실선), 이슬점 온도 영하 25도에서 영하 60도까지, 재생온도 140도에서 220도로 한다 (도 2의 점선). 단, 이 이슬점 온도 범위, 재생온도 범위로 제한하는 것이 아니라, 제습 로터의 허니컴 사이즈, 두께 및 사용되는 흡착제 등의 사양, 공기 조건 등으로 달라진다. 이렇게 재생온도 비례제어를 2 단계로 나누어 실시함으로써 에너지가 절약되며, 재생 히터(18)에 가해진 에너지가 억제되기 때문에, 재생 히터(18)의 수명도 연장 될 수 있다.

도 3에서 도 5에는 본 발명의 글로브 박스를 이용하여 실측한 시간 경과에 따른 글로브 박스 이슬점 온도의 변화 그래프를 보여준다. 이번 실측한 장치는 용량 1.3㎥의 글로브 박스에 합성 제올라이트를 담지한 제습 로터를 사용하여 외부 공기 건구 온도 32도, 외기 절대습도 21.1g/Kg, 처리풍속 2.4m/s, 퍼지풍속 1.0m/s, 재생순환풍속 1.0m/s의 조건에서 시험을 실시했다. 도 3은 글로브 박스 이슬점 온도 설정치 영하 5도, 재생온도 설정치 60도, 그림 4는 글로브 박스 이슬점 온도 설정치 영하 30도, 재생온도 설정치 150도, 도 5는 글로브 박스 이슬점 온도 설정치 영하 60 도, 재생온도 설정치 220도이다. 어떤 그래프에서도 글로브 박스 이슬점 온도가 상하 2도 이내로 된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이슬점 검출기(9)에서의 이슬점 온도 설정은 배출공기 이슬점으로 하고 있지만, 공급공기 이슬점 온도 또는 두 가지 모두를 수행 해도 좋다. 또한, 본 발명에서는 비교적 단시간에 이슬점 온도 조절이 가능한 것도 확인할 수 있었다. 글로브 박스 이슬점 온도 영하 5도에서 영하 30도까지의 변경 시간은 약 60 분이며 이슬점 온도가 상하 2도 이내로 제어 가능하며, 영하 30도에서 영하 60도까지의 변경 시간은 약 80 분이며 이슬점 온도가 상하 2도 이내로 제어가 가능 해졌다.

본 발명은 상기와 같이 적은 에너지로 임의의 이슬점 온도에 정확하게 제어 할 수 있는 글로브 박스를 제공 할 수 있다.

1 : 제습로터 2 : 흡착영역
3 : 퍼지영역 4 : 재생영역
5 : 글로브 박스 6 : 글로브 박스 환기로
7 : 처리공기 환기로 8, 12, 13, 14, 21, 22, 23 : 댐퍼
9 : 이슬점 검출기 10 : 모터
11 : 바이패스 경로 15 : 애프터 히터
16 : 제 2 냉각코일 17 : 제 1 냉각코일
18 : 재생히터 19 : 재생 블로어
20 : 흡착 블로어 24 : 재생 순환로

Claims (5)

1. 습기 흡착제가 담지된 제습로터를 가진, 상기 제습로터를 그 회전 방향에 대해 흡착영역, 재생영역, 퍼지영역으로 분할하여 외부 공기를 전부 닫는 것에서부터 개방까지 제어가 가능한 풍량제어 장치를 거쳐 빨아들여 재생영역에서 반환공기와 혼합시켜 제 1 냉각코일에 거치게 한다. 그리고, 제 2 냉각코일에서의 순환공기와 혼합시켜 일부를 분기하여 상기 흡착영역을 거치게 하고, 나머지를 상기 퍼지영역에 통과시켜 가열하여 상기 재생영역에 흘리는 것과 동시에, 상기 흡착영역을 통과하는 공기의 일부를 상기 흡착영역의 상류측과 하류측을 연통하는 유량제어 장치를 갖춘 바이패스 경로를 통과시켜 공급처의 박스에 공급한다. 상기 박스에서의 순환공기를 상기 제 2 냉각코일에 돌려 보내도록 한 것을 특징으로 하는 글로브 박스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 박스내의 이슬점 검출기를 설치하고, 상기 이슬점 검출기의 이슬점에 의해 상기 바이패스 경로의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 글로브 박스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 재생영역의 재생온도를 변화시킴으로써 상기 박스 내의 이슬점을 제어하고, 상기 재생온도 제어 이슬점 범위 내에서 여러 단계로 나누어 비례제어하는 것을 특징으로 하는 글로브 박스.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 재생영역의 재생온도를 정해진 값에 대해 높은 이슬점 측과 낮은 이슬점 측의 2 단계로 나누어 비례제어하는 것을 특징으로 하는 글로브 박스.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 높은 이슬점 측의 이슬점 온도를 이슬점 0도에서 영하 25도까지, 상기 낮은 이슬점 측의 이슬점 온도를 이슬점 영하 25도에서 영하60도로 하는 것을 특징으로 하는 글로브 박스.
   
   
   

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