(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温により冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気の一部を液化して底部に溜め窒素ガスを上部から取り出す精留塔と、上記精留塔内の還流液生成用の分縮器と、上記精留塔の底部の貯留液体空気を還流液生成用の寒冷として上記分縮器に導く液流路と、上記分縮器中で生じた気化ガスを上記熱交換器に通してから外部に放出する放出路とを備え、上記熱交換器より上流側の上記放出路の部分に、上記分縮器内の気化ガスを上記放出路に強制導入する強制導入手段を設けたことを特徴とする高純度窒素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度窒素ガス製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子工業では極めて多量の窒素ガスが半導体基板のパージ用ガス等として使用される。このため、通常、半導体製造工場等には大容量の高純度窒素ガス製造装置が設置されている。このような窒素ガスは、図６に示すように、一般に空気を原料とし、これを空気圧縮機１で圧縮したのち、ドレン分離器２，フロン冷却器３を通し、さらに吸着塔４に入れて圧縮空気中の炭酸ガスおよび水を除去し、ついで吸着塔４を経た圧縮空気を供給パイプ５を介して熱交換器６に導入し、ここで冷媒と熱交換させて超低温に冷却し、この超低温に冷却した圧縮空気を導入パイプ７を介して精留塔８に導入し、ここで深冷液化分離して製品窒素ガスを製造し、これを製品窒素ガス取出パイプ９を介して前記の熱交換器６に導入し、ここで常温近傍に昇温させてメインパイプ１０に送り込むという工程を経て製造されている。上記精留塔８についてより詳しく説明すると、この精留塔８は、熱交換器６により超低温に冷却された圧縮空気をさらに冷却し、その一部を液化し液体空気１１として底部に溜め、窒素のみを気体状態で上部に溜めるようになっている。また、精留塔８は、塔頂に凝縮器１２ａ内蔵の分縮器１２を備えており、上記凝縮器１２ａには、精留塔８の上部に溜まる窒素ガスの一部が第１還流液パイプ１３ａを介して送入される。上記分縮器１２内は精留塔８よりも減圧状態になっており、精留塔８の底部に溜まる貯留液体空気（Ｎ2 ：５０〜７０％，Ｏ2 ：３０〜５０％）１１が膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て送り込まれ、気化して内部温度を液体窒素の沸点以下の温度に冷却するようになっている。この冷却により凝縮器１２ａ内に送入された窒素ガスが液化し、この液体窒素が第２還流液パイプ１３ｂを通って精留塔８の上部に供給される。この精留塔８の上部には、液体窒素貯槽（図示せず）からも液体窒素が導入パイプ１５を経て供給されており、これら液体窒素が精留塔８内を流下し、精留塔８の底部から上昇する圧縮空気と向流的に接触し冷却してその一部を液化するようになっている。この過程で圧縮空気中の高沸点成分は液化されて精留塔８の底部に溜まり、低沸点成分の窒素ガスが精留塔８の上部に溜まる。図において、１６は分縮器１２内の気化液体空気（廃棄ガス）を熱交換器６に送り込み常温に昇温させたのち大気中に放出する第１放出パイプ（放出路）である。１８は窒素ガス中のＨｅガス（窒素ガスより沸点が低い）を気体のまま大気中に放出する第２放出パイプである。１９は熱交換器６，精留塔８，これらを連結するパイプ７，９，１６等を断熱保冷する真空保冷箱である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような高純度窒素ガス製造装置では、精留塔８の塔頂にある分縮器１２に精留塔８の底部に溜まる貯留液体空気１１を膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を経て送り込んでいるため、分縮器１２の内圧と精留塔８の内圧との間に所定の圧力差を設ける必要がある。このため、空気圧縮機２の圧縮動力を大きくし、圧縮空気を高圧状態にして精留塔８に導入することが行われており、設備費の増大や精留塔８、パイプ５，７類の耐久性低下の問題が生じている。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、空気圧縮機の圧縮動力を小さくしながらも、分縮器の内圧と精留塔の内圧との間に所定の圧力差を設けることのできる高純度窒素ガス製造装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の高純度窒素ガス製造装置は、外部より取り入れた空気を圧縮する空気圧縮手段と、この空気圧縮手段によって圧縮された圧縮空気中の炭酸ガスと水とを除去する除去手段と、この除去手段を経た圧縮空気を超低温により冷却する熱交換器と、この熱交換器を経由し超低温に冷却された圧縮空気の一部を液化して底部に溜め窒素ガスを上部から取り出す精留塔と、上記精留塔内の還流液生成用の分縮器と、上記精留塔の底部の貯留液体空気を還流液生成用の寒冷として上記分縮器に導く液流路と、上記分縮器中で生じた気化ガスを上記熱交換器に通してから外部に放出する放出路とを備え、上記熱交換器より上流側の上記放出路の部分に、上記分縮器内の気化ガスを上記放出路に強制導入する強制導入手段を設けたという構成をとる。
【０００６】
すなわち、本発明の高純度窒素ガス製造装置は、分縮器内での還流液生成の際に生じた気化ガスを強制導入手段により放出路に強制導入するようにしたため、分縮器の内圧を従来より低圧に（例えば、真空状態にも）することができる。これにより、精留塔の内圧を従来より低圧にする場合にも、分縮器の内圧と精留塔の内圧との間に所定の圧力差を設けることができ、その分精留塔に導入する圧縮空気の圧力を低下させることができる。したがって、空気圧縮機の圧縮動力を小さくすることができ、設備費の低減や精留塔，パイプ類の耐久性向上を図ることができる。
【０００７】
また、本発明では、上記放出路を通る気化ガスを上記熱交換器に通してから外部に放出し、この熱交換器より上流側の上記放出路の部分に強制導入手段を設けるようにしているため、分縮器内で生じた気化ガスが低温状態にある間に、強制導入手段を用いて放出路に強制導入することができる。このため、熱交換器を経て昇温した気化ガスを強制導入する場合に比べ、低温状態にある気化ガスの方が体積が小さい分、吸引用のコンプレッサー等からなる強制導入手段の吸引効率が高くなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を図面にもとづいて詳しく説明する。
【０００９】
図１は本発明の高純度窒素ガス製造装置の一実施の形態を示している。この実施の形態では、空気圧縮機１，ドレン分離器２，フロン冷却器３，２個一対の吸着塔４，熱交換器６，精留塔８等は、図６に示す高純度窒素ガス製造装置と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。ただし、この実施の形態では、分縮器１２のドーム形天井壁の中央から延びる第１放出パイプ１６に吸引用コンプレッサー等のガス吸引手段２０（強制導入手段）を設け、このガス吸引手段２０で分縮器１２の上部空間１２ｂに溜まる廃棄ガス（気化液体空気）を第１放出パイプ１６内に強制的に吸引するようにしている。この実施の形態では、ガス吸引手段２０による吸引により、分縮器１２の上部空間１２ｂが真空になるようにしている。
【００１０】
上記のように、この実施の形態では、第１放出パイプ１６にガス吸引手段２０を設け、分縮器１２の上部空間１２ｂに溜まる廃棄ガスを強制的に第１放出パイプ１６に吸引し、これにより、分縮器１２内を真空状態にしているため、精留塔８の内圧が２ｋｇ／ｃｍ2 程度でも、精留塔８の底部に溜まる貯留液体空気１１を分縮器１２に送り込むことができる。このため、空気圧縮機１の圧縮動力を小さくすることができ、設備費の低減や精留塔，パイプ類の耐久性向上を図ることができる。しかも、ガス吸引手段２０を第１放出パイプ１６の熱交換器６上流側部分に配設しているため、低温状態の廃棄ガスを吸引することができ、ガス吸引手段２０の吸引効率が高くなる。
【００１１】
図２は本発明の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１に示す高純度窒素ガス製造装置において、分縮器１２のドーム形天井壁に送風ファン２１を取り付け、この送風ファン２１で分縮器１２の上部空間１２ｂに溜まる廃棄ガスを第１放出パイプ１６内に強制的に送るようにしている。図において、２２は送風ファン２１駆動用のモーターである。それ以外の部分は上記実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。
【００１２】
この実施の形態でも、上記実施の形態と同様の作用効果を奏する。しかも、送風ファン２１により、分縮器１２の上部空間１２ｂに溜まる廃棄ガスを攪拌しながら吸引することができるため、分縮器１２の上部空間１２ｂの隅に溜まる廃棄ガスをも攪拌により中央側に移動させて第１放出パイプ１６に吸引することができる。
【００１３】
図３は本発明のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図１に示す実施の形態では精留塔８の上部に一体的に設けていた分縮器１２を、精留塔８と別体に作製し、精留塔８のドーム形天井壁から少し離した位置に配設している。それ以外の部分は図１に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態でも、第１放出パイプ１６にガス吸引手段２０を設けているため、図１に示す実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００１４】
図４は本発明のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、図２に示す実施の形態では精留塔８の上部に一体的に設けていた分縮器１２を、精留塔８と別体に作製し、精留塔８のドーム形天井壁から少し離した位置に配設している。それ以外の部分は図２に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態でも、第１放出パイプ１６にガス吸引手段２０を設けるとともに、分縮器１２に送風ファン２１を設けているため、図２に示す実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００１５】
図５は本発明のさらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、精留塔８の塔頂に設けられた分縮器２５は、その内部が上部仕切板２６ａと下部仕切板２６ｂによって密封構造になっており、分縮器２５の頂部空間２５ａと精留塔８は多数のパイプ２７により連通している。このような分縮器２５の内部に精留塔８の底部に溜まった液体空気１１を膨張弁１４ａ付き送給パイプ１４を介して溜め、精留塔８の上部に液体窒素貯槽（図示せず）の液体窒素を導入パイプ１５を介して送り込み、そこから流下させ冷却作用を発揮させるようにしている。また、製品窒素ガス取出パイプ９が分縮器２５上方のドーム形天井壁から延び、第１放出パイプ１６が分縮器２５の周壁上部から延びている。そして、上記第１放出パイプ１６にガス吸引手段２０が設けられている。それ以外の部分は図１に示す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の形態でも、第１放出パイプ１６にガス吸引手段２０を設けているため、図１に示す実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００１６】
なお、上記各実施の形態では、ガス吸引手段２０として、吸引用のコンプレッサー（このようなコンプレッサーとして各種のものがある）を用いているが、これに限定するものではなく、各種の送風ファンや真空ポンプ等を用いてもよい。また、上記各実施の形態において、ガス吸引手段２０の下流側の第１放出パイプ１６の部分に加圧ポンプを設けてもよい。また、図２および図４に示す実施の形態では、分縮器１２に送風ファン２１を設けているが、送風ファン２１以外の送風手段を設けてもよい。また、図５に示す実施の形態において、分縮器２５に送風ファン２１等の送風手段を設けてもよい。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高純度窒素ガス製造装置によれば、分縮器内での還流液生成の際に生じた気化ガスを強制導入手段により放出路に強制導入するようにしたため、分縮器の内圧を従来より低圧に（例えば、真空状態にも）することができる。これにより、精留塔の内圧を従来より低圧にする場合にも、分縮器の内圧と精留塔の内圧との間に所定の圧力差を設けることができ、その分精留塔に導入する圧縮空気の圧力を低下させることができる。したがって、空気圧縮機の圧縮動力を小さくすることができ、設備費の低減や精留塔，パイプ類の耐久性向上を図ることができる。
【００１８】
また、本発明では、上記放出路を通る気化ガスを上記熱交換器に通してから外部に放出し、この熱交換器より上流側の上記放出路の部分に強制導入手段を設けるようにしているため、分縮器内で生じた気化ガスが低温状態にある間に、強制導入手段を用いて放出路に強制導入することができる。このため、熱交換器を経て昇温した気化ガスを強制導入する場合に比べ、低温状態にある気化ガスの方が体積が小さい分、吸引用のコンプレッサー等からなる強制導入手段の吸引効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
【図６】従来例を示す構成図である。
【符号の説明】
１  空気圧縮機
４  吸着塔
６  熱交換器
８  精留塔
１１  貯留液体空気
１２  分縮器
１４  送給パイプ
１６  第１放出パイプ
２０  ガス吸引手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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