(57)【要約】【課題】  充填剤を用いてガスを処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種特殊材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、除害剤により除害処理するためのガス処理装置を提供する。【解決手段】  本体１内にガスが流れる流路６を形成し、流路６の下流側に、排ガスを除害する除害剤を支持するための支持板４を設ける。この支持板４の形状は、流路６の壁面近傍より中心軸方向に向かうにしたがって、上流側に凸となるようにし、この支持板４の上に、上流側の面が、流路６の中心軸に対して垂直となるように除害剤を積層した除害剤層３を設ける。除害剤層３の厚みは、流路６の中心軸部分よりも壁面近傍領域で厚くなっており、該領域において、ガスの偏流が低減し、さらに、除害剤使用量の増加により、除害剤の早期破過を防止する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に充填剤を積層した充填剤層が設けられ、この充填剤層にガスを通過させるガス処理装置であって、
この充填剤層は、筒の壁面側の厚みが中心部の厚みよりも厚くされていることを特徴とするガス処理装置。
【請求項２】
前記充填剤層の厚みが厚くされている領域が、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の５倍の距離までの領域であることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記充填剤層の厚みが厚くされている領域のうち、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の１倍の距離までの領域の厚みが、中心部の厚みよりも１３〜１５％厚くされ、
さらに、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の１倍の距離から５倍の距離までの領域の厚みが、中心部の厚みよりも３〜５％厚くされていることを特徴とする請求項２に記載のガス処理装置。
【請求項４】
前記充填剤が、排ガス中の有害成分を除去するための除害剤であることを特徴とする請求項１〜３に記載のガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充填剤を用いてガスを処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種特殊材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、除害剤により除害処理するためのガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスに含まれる特定の成分を除去する場合は、その成分と親和性のある充填剤あるいは化学反応する充填剤等を充填した装置にガスを通過させて、この成分と充填剤とを相互作用させてガス中より該成分を除去する方法が採られる。
一例を挙げると、種々の製造工程で生じる排ガスを無害化する場合がこれにあたり、シラン等の特殊材料ガスを使用する特殊材料ガス使用装置、例えば、半導体製造装置から排出される排ガス中には、原料として用いた未反応の特殊材料ガスや反応生成物等が含まれている。これらの特殊材料ガスや反応生成物の多くは、人体に対して極めて有害であることから、排ガスは除害装置を用いて無害化してから大気に放出している。
【０００３】
このような除害装置の一例として、乾式除害装置が知られている。この乾式除害装置は、除害剤を充填した充填塔内に有害物質を含む排ガスを流入させ、有害物質と除害剤との化学的あるいは物理的な親和力等によって有害物質を除去あるいは無害化して排ガスの除害を行っている。
【０００４】
しかし、前記ガス処理装置のように、除害剤などの粒子状の充填剤を充填した層においては、装置の壁面の存在により、充填剤層内の空隙率が均一にならないことが「壁効果」として知られている。壁面近傍領域では、充填剤の粒子が点接触に近い状態で存在するため、空隙率は１に近くなり、壁面から離れた領域の空隙率よりも高くなる。また、粒子配置に幾何的な制約が生じるため、その影響を受けて空隙率が変動する。これら壁効果の空隙率への影響は、壁面から充填剤粒子径の５倍程度までの領域に及ぶ。図２は、球形の充填剤粒子を円筒形状の装置に充填した場合の、空隙率分布の例を示すものである。
【０００５】
一般的に、充填剤層内をガスが流れる時は、充填剤層内の各部において、ガスは圧力損失が等しくなるように、その流量が配分される。ガスの圧力損失は、充填剤層内の空隙率が大きい場所あるいは充填剤層の厚みが薄い場所では小さくなるが、例えば、充填剤層の厚みがどこも同じであれば、壁効果により空隙率が高くなっている壁面近傍では、ガスの圧力損失が他の領域のガスの圧力損失よりも小さくなる。すると、壁面近傍のガスの圧力損失が他の領域のガスの圧力損失と等しくなるように、壁面近傍のガスの流量が増加する。
すなわち、充填剤層内の壁面近傍では、壁効果により他の領域よりもガスの流量が増加して、ガスの偏流が生じる。
【０００６】
また、壁面近傍では空隙率が大きいため、充填剤の密度が他の領域よりも低下しており、前記のガスの偏流の効果と合わせて、壁面近傍の充填剤は、他の領域の充填剤よりも選択的に早期破過してしまう。
文献情報に基いて、モデルを用いて充填剤の寿命を計算すると、壁面近傍の充填剤は、中心部の充填剤と比べて７５％程度と推定される。（例えば、非特許文献１参照。）
【０００７】
また、ガス処理装置における壁面近傍領域の割合は、装置内部のガスが流れる流路の内径と充填剤の内径の比（流路の内径／充填剤の内径）が大きくなるほど小さくなり、壁面近傍領域の早期破過によって流出する不純物濃度の上昇は小さくなるが、半導体製造装置のガス処理装置の場合、対象ガスによっては、有害物質の出口濃度を１ｐｐｍ以下という小さい値にすることが求められる。そのため、条件によっては、一般に壁効果が無視できると言われている流路の内径／充填剤の内径の値が１００以上の条件であっても、早期破過の影響が無視できなくなる。
【０００８】
一方、これまでに、早期破過を回避するために偏流を低減する方法として、例えば、半球シート内張り法が提案されている。（例えば、非特許文献２参照。）これは、充填剤を充填する部分の装置の内壁に、充填剤粒子と同一の内径を持つ半球状の粒子を千鳥状配列したシートを内張りする方法である。
【非特許文献１】Ｗａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｌａｍｉｎａｒ  Ｆｌｏｗ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｐａｃｋｅｄ  Ｂｅｄｓ，  ＡＩＣｈＥ  Ｊ．，２７，７０５，（１９８１）
【非特許文献２】秋山友宏ら，充填層プロセスにおけるチャネリング現象,まてりあ，第３５巻，第４号（１９９６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ガス処理装置にこの方法を適用した場合、反応による不規則な温度上昇がある環境下で、長期間に渡りシートを内壁に密着させた状態を保たなければならず、安全性・コストの面から困難な技術であった。したがって、ガス処理装置における壁面近傍領域の偏流を低減する方法に関して、新たな技術の開発が望まれていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、充填剤を用いてガスを処理する装置、例えば、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種特殊材料ガスのような有害物質を含む排ガスを、除害剤により除害処理するためのガス処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、筒内に充填剤を積層した充填剤層が設けられ、この充填剤層にガスを通過させるガス処理装置であって、この充填剤層は、筒の壁面側の厚みが中心部の厚みよりも厚くされていることを特徴とするガス処理装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記充填剤層の厚みが厚くされている領域が、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の５倍の距離までの領域であることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記充填剤層の厚みが厚くされている領域のうち、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の１倍の距離までの領域の厚みが、中心部の厚みよりも１３〜１５％厚くされ、さらに、筒の壁面から内方に向けて、充填剤粒子径の１倍の距離から５倍の距離までの領域の厚みが、中心部の厚みよりも３〜５％厚くされていることを特徴とする請求項２に記載のガス処理装置である。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記充填剤が、排ガス中の有害成分を除去するための除害剤であることを特徴とする請求項１〜３に記載のガス処理装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガス処理装置内に設けられた充填剤層の壁面近傍領域においてガスの偏流を低減し、さらに用いる充填剤の量を増やすことにより、該領域の充填剤の早期破過を回避して、充填剤の寿命を延長して、ガス処理装置の性能を向上できる。
また、壁面近傍領域の充填剤層の厚みを適正に選定することで、ガスの偏流をより効果的に抑制でき、充填剤の寿命をより長く延長することで、ガス処理装置の性能をさらに向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、有害物質を含む排ガスを除害処理するためのガス処理装置を例に採り、本発明を詳しく説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のガス処理装置の一例を示すものである。符号１は、ガス処理装置の本体を示し、その概観は概略筒体であって、筒体内部には、ガスが流れる流路６が形成されている。本体１の一端には、上流側ガス配管２が接続され、本体１の他端には、下流側ガス配管５が接続されており、上流側ガス配管２から流入したガスは、本体１内の流路６を通過して、下流側ガス配管５へ流入し、外部へ放出されるようになっている。
【００１６】
本体１内部の下流側には、充填した除害剤を支持するための支持板４が、その外縁部が流路６の壁面に接する形で、流路６を二つの空間に仕切るように設けられている。
また、支持板４は、パンチングメタル上に金属ネットを点溶接したものであり、その形状が流路の壁面近傍より中心軸方向に向かうにしたがって、上流側に凸となるようにされている。
さらに、流路６に流入したガスは支持板４の隙間を通過して、下流側ガス配管５へ流入できるようにされている。
【００１７】
このように設けられている支持板４の上には、充填剤としてガスを無害化するための除害剤が充填された、除害剤層３が設けられており、この除害剤層３の上流側の面は、流路６の中心軸に対して垂直となるようにされている。
前記のように支持板４は、上流側に向けて凸とされているので、したがって、除害剤層３の厚みは、流路６の壁面に近い部位の方が、流路６の中心軸付近の部分よりも厚くなっている。
【００１８】
前記除害剤層３の厚みが厚くされている領域は、流路６の壁面から中心軸方向に向けて、除害剤粒子径の５倍の距離までであることが好ましい。また、流路６の壁面から中心軸方向に向けて、除害剤粒子径の１倍の距離までの領域の厚みが、流路６の中心軸部分の厚みよりも１３〜１５％厚く、さらに、流路６の壁面から中心軸方向に向けて、除害剤粒子径の１倍から５倍の距離までの厚みが、流路６の中心軸部分の厚みよりも３〜５％厚くされていることがより好ましい。このように除害剤層３の壁面近傍領域の厚みを厚くするためには、この厚くする割合に合わせて、前記支持板４の壁面近傍の傾斜角度を調節すれば良い。
また、用いる除害剤は、除去する有害物質の種類に応じて、適宜選択すれば良い。
【００１９】
このように構成された本発明のガス処理装置は、以下のように作用する。
有害物質を含むガスは、上流側ガス配管２から流路６へ流入し、次いで、除害剤層３に流入する。この時、除害剤層３の上流側の面が、流路６の中心軸に対して垂直となるようにされていることにより、この面近傍におけるガスの偏流の発生が抑制される。
【００２０】
除害剤層３の内部に流入したガスは、除害剤層３内の各部において、圧力損失が等しくなるように流量が配分される。この時もし、除害剤層３の厚みがどこも同じであれば、流路６の中心軸部分より空隙率の大きい壁面近傍領域においては、圧力損失が中心軸部分と等しくなるまでガスの流量が増加することにより偏流が発生してしまう。
【００２１】
しかし、空隙率の高い壁面近傍領域において、除害剤層３の厚みを厚くしておくことで、この部分を通過するガスの圧力損失は、厚みが厚くない場合よりも大きくなる。その分、通過するガスの流量の増加が抑制され、その結果、偏流が低減される。
また、壁面近傍領域では、空隙率が大きいため除害剤密度が低下し、流路６の中心軸部分よりも除害剤が早期破過し易いが、この壁面近傍領域の除害剤層３の厚みを厚くして、用いる除害剤の量を増加させることにより、この早期破過も緩和できる。
【００２２】
除害剤層３に流入したガスは、除害剤層３を通過中に、有害成分が除去あるいは無害化されて、下流側ガス配管５を経て外部へ放出される。
【００２３】
本発明のガス処理装置は、各種排ガスの除害に用いることができるが、特に、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等で用いられるシラン、ホスフィン、塩化水素、ジクロルシラン、アンモニア等の各種特殊材料ガスのような有害物質を含む排ガスで、その排出基準が厳しい排ガスを除害処理することに適したものである。
【００２４】
次に、従来のガス処理装置を用いた場合と、本発明のガス処理装置を用いた場合のそれぞれについて、除害剤の寿命を計算によりシミュレーションした結果を以下に示す。
具体的には、まず、ガス処理装置内の除害剤層を、以下に示す三つの領域に分けた。すなわち、流路の中心軸方向に向けて（１）壁面から除害剤粒子径の１倍以内の距離、（２） 壁面から除害剤粒子径の１倍〜５倍の距離、（３）壁面から除害剤粒子径の５倍の距離〜流路の中心軸まで、の三つの領域である。
【００２５】
除害剤の寿命は、除害剤層の全領域が均一な密度であると仮定した場合を１として、各領域の破過時間を、これに対する相対寿命の値に直して表した。
また、除害剤層の厚みは、領域（３）の厚みを１として、これに対する各領域の厚みを相対値の形で表した。特に、本発明のガス処理装置を用いた場合で、同じ領域内で厚みが異なる場合は、該領域の平均値を用いた。
【００２６】
まず、従来のガス処理装置を用いた場合に相当する条件として、領域（１）〜（３）の除害剤層の厚みを同じにした場合の除害剤の寿命を算出した。結果を表１に示す。
壁効果により、流路の壁面に近いほど除害剤密度が小さくなり、ガスの流量が大きくなるため、除害剤の寿命は、領域（１）、領域（２）、領域（３）の順に短くなり、領域（１）および（２）の除害剤の寿命は、それぞれ領域（３）よりも９％、２３％程度も短いという結果を得た。
【００２７】
次いで、本発明のガス処理装置を用いた場合に相当する条件で、除害剤の寿命を算出した。すなわち、流路の下流側に、上流側に対して凸となるようにした支持板を設け、この上に除害剤を、その上流側の面が中心軸に対して垂直となるように積層し、領域（１）の除害剤層の厚みの平均値を、領域（３）の除害剤層の厚みに対して１３％増加させた場合、および領域（２）の除害剤層の厚みの平均値を、領域（３）の除害剤層の厚みに対して４％増加させた場合の除害剤の寿命をそれぞれ算出した。結果を表１に示す。
【００２８】
本発明のガス処理装置を用いて、領域（１）および（２）の除害剤層の厚みを増加させたところ、壁効果に基くガスの偏流を低減でき、また、従来のガス処理装置よりも多い量の除害剤を用いることで、除害剤の寿命は、領域（１）および（２）のいずれも領域（３）とほぼ同じであるという結果を得た。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
すなわち、本発明のガス処理装置を用いて、壁面近傍領域の除害剤層の厚みを適切に増加させてやれば、壁効果による壁面近傍領域の除害剤の早期破過の影響を低減して、ガス処理装置の性能を向上でき、また、いずれの領域の除害剤もほぼ同時に破過するようにできることが判った。
【００３１】
また、本シミュレーションにおいては、除害剤層の厚みを、領域（１）は領域（３）に対して１３％、領域（２）は領域（３）に対して４％それぞれ増加させた場合の結果を示したが、同様に実施した他のシミュレーションの結果からは、領域（１）の除害剤層の厚みは、領域（３）の除害剤層の厚みに対して１３〜１５％増加させることが好ましく、領域（２）の除害剤層の厚みは、領域（３）の除害剤層の厚みに対して３〜５％増加させることが好ましいことがそれぞれ判った。
一方、各領域の除害剤層の厚みがこれらの範囲からはずれると、領域（３）のガスの流量が増加したり、領域（２）のガスの流量が減少したりするなど、ガスの流量のバランスが崩れることがあり、好ましくない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のガス処理装置は、除害剤の早期破過を防止できるため、各種排ガス、特に、半導体製造工程や液晶表示素子製造工程等の排出基準が厳しい排ガスを除害処理することに適したものである。特殊な除害剤を必要とせず、安価かつ簡便に施工できるため、上記分野にとどまらず、幅広い産業分野に有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のガス処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】円筒形状の装置に球形の充填剤を充填した場合の壁面近傍の空隙率分布を表すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・本体、  ２・・・上部側ガス配管、  ３・・・除害剤層、  ４・・・支持板、  ５・・・下流側ガス配管、  ６・・・流路
【図１】
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【図２】
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