(57)【要約】本発明は、液化圧縮高純度半導体ガスを貯蔵容器に送り、圧縮ガス貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、生じる温度を温度測定手段で監視し、貯蔵容器の出口に圧力測定手段を配置して容器圧を監視し、加熱手段の熱出力を調整して貯蔵容器内の液化圧縮ガスを加熱し、貯蔵容器内の液化圧縮ガスの蒸発を制御し、そして貯蔵容器からのガスの流れを制御することを含む液化圧縮ガスの高流量送出法に関する。
2004527712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵容器において液化圧縮ガスの温度を制御する方法において、
ａ．液化圧縮ガスを貯蔵容器に送り、
ｂ．圧縮ガス貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、
ｃ．貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、
ｄ．貯蔵容器内の圧縮ガスの温度を温度測定手段で監視し、そして
ｅ．加熱手段の出力を調整して貯蔵容器内の液化圧縮ガスを加熱する、
ことを含む液化圧縮ガスの温度制御法。
【請求項２】
貯蔵容器において液化圧縮ガスの蒸発を蒸気の送出中に維持する方法において、
ａ．液化圧縮高純度半導体ガスを貯蔵容器に送り、
ｂ．貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、
ｃ．貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、
ｄ．貯蔵容器内の圧縮ガスの温度を温度測定手段で監視し、
ｅ．貯蔵容器の出口に圧力測定手段を配置し、
ｆ．貯蔵容器内の圧縮ガスの圧力を圧力測定手段で監視し、
ｇ．貯蔵容器からガスの一部分を取り出し、そして
ｈ．加熱手段の熱出力を調整して所望の圧力を維持する、
ことを含む液化圧縮ガスの蒸発維持法。
【請求項３】
液化圧縮ガスを高流量で送出する方法において、
ａ．液化圧縮高純度半導体ガスを貯蔵容器に送り、
ｂ．圧縮ガス貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、
ｃ．貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、
ｄ．生じる温度を温度測定手段で監視し、
ｅ．貯蔵容器の出口に圧力測定手段を配置して容器圧を監視し、
ｆ．加熱手段の熱出力を調整して貯蔵容器内の液化圧縮ガスを加熱し、貯蔵容器内の液化圧縮ガスの蒸発を制御し、そして
ｇ．貯蔵容器からのガスの流れを制御する、
ことを含む液化圧縮ガスの高流量送出法。
【請求項４】
アンモニアを高流量で送出する方法において、
ａ．高純度液化圧縮アンモニアガスをトンコンテナに送り、
ｂ．トンコンテナの壁に熱電対を配置し、
ｃ．トンコンテナに接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、
ｄ．熱電対を監視し、
ｅ．トンコンテナの出口に圧力変換器を配置して容器圧を監視し、
ｆ．トンコンテナ内の液化圧縮アンモニアの平均重量損失を監視し、
ｇ．加熱手段の出力から温度を調整してトンコンテナ内の液化アンモニアを加熱し、
ｈ．液化圧縮アンモニアを対流及び核沸騰型下に沸騰させ、
ｉ．トンコンテナ内の液化圧縮アンモニアの蒸発を対流及び核沸騰型下に制御し、そして
ｊ．トンコンテナからのアンモニアの流れを制御する、
ことを含むアンモニアの高流量送出法。
【請求項５】
半導体処理ガスを高流量で送出するための装置において、
ａ．液化半導体処理ガスを収容する貯蔵容器、
ｂ．貯蔵容器の壁に配置される温度測定手段、
ｃ．貯蔵容器の出口に配置される圧力プローブ、
ｄ．貯蔵容器に接近させて配置された加熱手段、ここで、ヒーターの出力を調整して圧縮ガス貯蔵容器において液化圧縮半導体ガスを加熱し、且つ圧縮ガス貯蔵容器からの半導体ガスの高流量を可能にするために温度プローブ及び圧力プローブが使用されること、
ｅ．貯蔵容器から流出する半導体ガスの流れを制御するためのバルブ手段、
を含む半導体処理ガスの高流量送出装置。
【請求項６】
貯蔵容器が円筒体又はトンコンテナである請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法又は装置。
【請求項７】
加熱手段が加熱ジャケットである請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法又は装置。
【請求項８】
加熱手段がセラミックヒーターである請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法又は装置。
【請求項９】
高流量が約５００ｓｌｐｍである請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法又は装置。
【請求項１０】
温度制御手段が熱電対である請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法又は装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高流量でのガス送出に関する。特に、本発明は、高純度半導体ガスを高流量で送出するための方法及び装置系に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において特殊ガスを高い流量で使用場所に送出する要求が増加している。通常の圧縮ガス貯蔵容器（即ち、ガスボンベ及びトンコンテナ）は、液化ガスを周囲温度においてそれ自身の蒸気圧下に有している。蒸気が容器から抜き出されるにつれて、液体は同等の速度で蒸発して圧力の低下を補っている。これは、タンク内の残留液体からエネルギーを消費する。容器への熱伝達の不在下では、液体の温度は低下し、かくして蒸気圧の相当する低下をもたらす。更に、蒸気の抜出しは場合によっては液体をサブ冷却し、そして蒸気の流れが減少する。
【０００３】
液体のサブ冷却と一緒に、急速な蒸気の抜出し及び貯蔵容器への未制御熱伝達も容器の壁において激しい沸騰を誘発する。これは、準安定液滴の蒸気相へのキャリオーバーをもたらす。加えて、圧縮ガス貯蔵の従来の源は飽和蒸気を送出する。プロセスラインにおけるその温度の低下又は流量の制限は凝縮をもたらす。蒸気流れ中の液滴の存在はたいていの計測器に対して有害であり、それ故に、最小限にされることが必要である。
【０００４】
それ故に、問題は、液体の最小限のキャリオーバーでしかも液体をサブ冷却させずに通常の源から高い蒸気流量を送出させることであった。
【０００５】
従来技術では通常の源から高い蒸気流量を送出するためのいくつかの方法が開示されているが、従来技術のどれも、外部の源を貯蔵容器壁から最適な熱伝達で使用し、そしてプロセスラインで液滴の形成を最小限にしてかかる送出を高流量で行うための方法及び装置系を教示又は示唆していない。
【０００６】
米国特許６１２２９３１は、液化ガスを貯蔵容器から蒸留塔に輸送するシステムを開示し、そして留出物を使用して超高純度蒸気を使用場所に送出している。液化ガスを使用する追加的な処理工程が包含されている。
【０００７】
米国特許６０７６３５９は、周囲とガスキャビネットに配置されたガスボンベ（シリンダー）との間の熱伝達を向上させることを開示している。この向上は、キャビネットにおいて空気の流量を変えそしてキャビネットの内部にフィンを付設することによって達成される。これは、周囲からボンベへの熱伝達を向上させる。得られる流量は比較的低い。しかしながら、送出流量の増加は、依然として現在の需要を満たすのに十分なだけ大きくない。
【０００８】
米国特許５８９４７４２は、液化圧縮ガスを蒸発器にポンプ送りすることを開示している。この蒸発器は、液体を蒸気相に転化してからそのガスを使用場所に送出する。多数のかかる蒸発器（各々は使用場所に対応する）を使用して、送出系による高い処理量を可能にしている。
【０００９】
米国特許５６７３５６２は、液−気界面の温度を維持する内部熱交換器を備えた貯蔵容器の使用を開示している。熱は、気相を通る放射又は伝導のいずれかによって界面に伝達される。
【００１０】
米国特許５６４４９２１は、外部熱交換器を使用して加熱された液化圧縮ガスを収容する貯蔵容器から抜き出された蒸気を過熱することを開示している。この過熱蒸気は、次いで、蒸気を液相中に浸漬された加熱管に通すことによって液相と熱交換するのに使用されている。これは蒸気を冷却し、そして容器に最小限の蒸気圧を維持するために液体の沸騰を誘発している。冷却された蒸気は、次いで、使用場所に送出される。
【００１１】
上で説明した米国特許に提供される方法はすべて、外部源を介して追加的なエネルギーを液体に供給する手段を提供している。しかしながら、これらの方法は、既存の圧縮ガス貯蔵源に適応することができず、そして追加的な装置を必要とする。これは、これらの発明を資本集約型にする。更に、これらの発明は、追加的なエネルギーを系に供給する点を対象としているだけである。送出系の最適操作を可能にする種々の伝熱抵抗を低下させる方法について教示も示唆も全く存在しない。
【００１２】
アール・ユデスチャス氏他は、“Workshop on Gas Distribution Systems, SEMICON West 2000”に提供した“Performance and Cost Comparison for Various Bulk Electronic Specialty Gas Delivery Solutions”において、圧縮ガスに対する種々の送出系の経済的利益を比較している。比較のために使用した最大送出流量は、２時間流れるアンモニアが４００標準リットル／分（ｓｌｐｍ）であり、そして１時間流れるＨＣｌが１０００ｓｌｐｍであった。
【００１３】
ビー・ユセレン氏他は、“Workshop on Gas Distribution Systems, SEMICON West 2000”に提供した“High Flow Delivery Systems for Bulk Specialty Gases”において、トンコンテナを外部加熱すると、高流量（１５００ｓｌｐｍまで）を送出することができることを開示している。この論文の中心は、高流量における蒸気中の湿分キャリオーバーを分析することである。
【特許文献１】
米国特許第６１２２９３１号明細書
【特許文献２】
米国特許第６０７６３５９号明細書
【特許文献３】
米国特許第５８９４７４２号明細書
【特許文献４】
米国特許第５６７３５６２号明細書
【特許文献５】
米国特許第５６４４９２１号明細書
【非特許文献１】
アール・ユデスチャス氏他が“Workshop on Gas Distribution Systems, SEMICON West 2000”に提供した“Performance and Cost Comparison for Various Bulk Electronic Specialty Gas Delivery Solutions”
【非特許文献２】
ビー・ユセレン氏他が“Workshop on Gas Distribution Systems, SEMICON West 2000”に提供した“High Flow Delivery Systems for Bulk Specialty Gases”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来技術にかんがみて、１）外部熱源を使用して高流量で既存の圧縮ガス貯蔵源（ボンベ及びトンコンテナ）からの蒸気の抜出しを容易にし、２）貯蔵容器壁から液体への最適な熱伝達を可能にする制御戦略を提案し、そして３）プロセスラインにおいて液滴の形成を最小限にしながら高い蒸気流量を送出する方法を開発するような方法及び装置系が要求されている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの面は、貯蔵容器において液化圧縮ガスの温度を制御する方法において、液化圧縮ガスを貯蔵容器に送り、圧縮ガス貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、貯蔵容器内の圧縮ガスの温度を温度測定手段で監視し、そして加熱手段の出力を調整して貯蔵容器内の液化圧縮ガスを加熱する、ことを含む液化圧縮ガスの温度制御法に関する。
【００１６】
他の具体例では、本発明は、貯蔵容器において液化圧縮ガスの蒸発を蒸気の送出中に維持する方法において、液化圧縮高純度半導体ガスを貯蔵容器に送り、貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、貯蔵容器内の圧縮ガスの温度を温度測定手段で監視し、貯蔵容器の出口に圧力測定手段を配置し、貯蔵容器内の圧縮ガスの圧力を圧力測定手段で監視し、貯蔵容器からガスの一部分を取り出し、そして加熱手段の熱出力を調整して所望の圧力を維持する、ことを含む液化圧縮ガスの蒸発維持法に関する。
【００１７】
本発明の更に他の具体例では、本発明は、液化圧縮ガスを高流量で送出する方法において、液化圧縮高純度半導体ガスを貯蔵容器に送り、圧縮ガス貯蔵容器の壁に温度測定手段を配置し、貯蔵容器に接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、生じる温度を温度測定手段で監視し、貯蔵容器の出口に圧力測定手段を配置して容器圧を監視し、加熱手段の熱出力を調整して貯蔵容器内の液化圧縮ガスを加熱し、貯蔵容器内の液化圧縮ガスの蒸発を制御し、そして貯蔵容器からのガスの流れを制御する、ことを含む液化圧縮ガスの高流量送出法に関する。
【００１８】
本発明の更に他の具体例では、本発明は、アンモニアを高流量で送出する方法において、高純度液化圧縮アンモニアガスをトンコンテナに送り、トンコンテナの壁に熱電対を配置し、トンコンテナに接近させて少なくとも１個の加熱手段を配置し、熱電対を監視し、トンコンテナの出口に圧力変換器を配置して容器圧を監視し、トンコンテナ内の液化圧縮アンモニアの平均重量損失を監視し、加熱手段の出力から温度を調整してトンコンテナ内の液化アンモニアを加熱し、液化圧縮アンモニアを対流及び核沸騰型下に沸騰させ、トンコンテナ内の液化圧縮アンモニアの蒸発を対流及び核沸騰型下に制御し、そしてトンコンテナからのアンモニアの流れを制御する、ことを含むアンモニアの高流量送出法に関する。
【００１９】
また、本発明は、半導体処理ガスを高流量で送出するための装置において、液化半導体処理ガスを収容する貯蔵容器、貯蔵容器の壁に配置される温度測定手段、貯蔵容器の出口に配置される圧力プローブ、貯蔵容器に接近させて配置された加熱手段、ここで、ヒーターの出力を調整して圧縮ガス貯蔵容器において液化圧縮半導体ガスを加熱し、且つ圧縮ガス貯蔵容器からの半導体ガスの高流量を可能にするために温度プローブ及び圧力プローブが使用されること、貯蔵容器から流出する半導体ガスの流れを制御するためのバルブ手段、を含む半導体処理ガスの高流量送出装置にも関する。
【００２０】
貯蔵容器は、ボンベ（cylinder）又はトンコンテナ（ton container）である。液化ガスは、アンモニア、塩化水素、水素、臭素、塩素又はペルフルオルプロパンであってよい。一般的には、温度測定手段は熱電対である。加熱手段は、セラミックヒーター、加熱ジャケット又は熱媒液熱交換装置である。
【００２１】
用語「高流量」を本明細書において使用するときには、それは、ガスが本発明おける貯蔵容器から流れ出るときの速度を意味する。本発明の目的に対して、用語「高流量」は、約５００ｓｌｐｍ以上の流量を指す。
【００２２】
用語「貯蔵容器」を使用するときには、それは、本発明において液化ガスを保持する任意の容器を意味する。本発明の目的に対して、貯蔵容器は、ボンベ又はトンコンテナである。また、本発明においては液化ガスを貯蔵することができる他のタイプの貯蔵容器を使用することも意図されている。
【００２３】
用語「接近」を本明細書において使用するときには、それは、最も接近した近傍を表わす位置を指す。少なくとも１つの具体例では、接近は、容器に接近しているような加熱手段の位置を指す。
【００２４】
当業者には、他の目的、特徴及び利益は、好ましい具体例及び添付図面についての以下の説明から明らかになるであろう。
【００２５】
図１は、本発明において容器壁を横切る熱伝達を表わす概略図である。
図２は、液体の典型的な沸騰曲線を表わす図である。
図３は、本発明において高い蒸気流量を送出するための実験セットの概略図である。
図４は、時間に対するアンモニア流量及び表面温度の変動を表わす概略図である。
図５は、送出系の概略図である。
図６は、送出系の流れ図である。
図７は、プロトタイプアンモニア送出系の概略図である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、液体の沸騰を自由対流及び核沸騰型において制限することによって貯蔵容器内の液化ガスへの最適な熱伝達を可能にする。本発明は、液体を周囲温度の近くに維持しながら約１０００ｓｌｐｍまでのアンモニアを送出するために約１８０ｋＷｍ-2までの伝達熱流束を提供する。１つの具体例は、伝達熱流束が約５００ｓｌｐｍのアンモニアを送出する約９３．５ｋＷｍ-2であることを示した。同様の伝達熱流束及び流量が他の同様の半導体ガスに対して適用可能であり、そしてこれらのガスの特性によって決定される。
【００２７】
本発明は、比較的低い表面温度（この表面温度は、液体全体又は周囲温度よりも２０℃以上高くないことが予測される）において高い蒸気流量を送出することができる。比較的低いヒーター温度における高い蒸気流量の送出は、ヒーターから容器への熱伝達を向上させることによって行うことができる。
【００２８】
本発明は、外部熱源による熱伝達し対して有効な表面積のすべての使用、例えば液相への熱媒液の使用を許容する。制御戦略によって、低い表面温度において高い蒸気流量を達成し維持すること、並びに液体への熱伝達を向上させることが可能である。更に、本発明の方法及び装置は、蒸気相を容器において過熱することによっていかなる追加的な計測も必要とせずに蒸気相中の液滴を減少させる可能性を有している。また、熱伝達に対する外部及び内部抵抗の両方を減少させるための手段も提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
提案される系では、液体を蒸発させるためのエネルギーを供給するために系の外部にある熱源が使用される。この熱源は、加熱ジャケット、又は容器と直接接触する熱媒液のどちらであってもよい。熱媒液（水又は油のような）の場合には、容器を液浴に浸漬させると、熱伝達に対する最低の抵抗が提供される（表１参照）。加熱ジャケットの場合には、ヒーターは、ヒーターと容器との間の貧弱な接触を補整するためにより高い温度用に設計される。これは、たとえヒーター−容器の接触効率が時間と共に低下しても十分なエネルギーを液体に移送するのを可能にする。圧縮ガス容器の頻繁な交換（これは、高流量では不可避的である）は、接触効率を低下させる可能性がある。加えて、ボンベの交換後毎に接触を正確に反覆することは困難である。加熱ジャケットと容器との間で伝導性グリース又はゴムを使用すると、外部接触抵抗が更に減少される。
【００３０】
容器−液体接触における熱伝達に対する内部抵抗を最小限にするための１つ制御戦略が提案される。この戦略は、液体の蒸発を対流及び核沸騰型に制限する。この目的は、液体と接触する容器表面の温度及び容器の圧力を監視することによって達成される。表面温度の低下は、熱源から容器への熱流束が所定の流量で液体の蒸発に要求されるエネルギーよりも少ないことを示す。このことは、高い外部伝熱抵抗を表わす。熱源（熱媒液又は過熱ジャケット）の温度を向上させると、熱流束がかようなシナリオで増加される。圧力の低下と共に表面温度の向上は、容器から液体への熱流束が液体の蒸発に要求されるエネルギーよりも少ないことを表わす。このことは、蒸気膜沸騰（これは、熱伝達に対する内部抵抗を増大する）の開始を表わす。ヒーター温度を低下させると、このシナリオで熱流束が向上される。
【００３１】
また、蒸気相に熱を伝達するのに同じ加熱源が使用され、かくして過熱蒸気の送出をもたらす。これは、気相中の液滴の数を最小限にし、且つプロセスラインにおける蒸気の凝縮を防止するための精巧な装置の使用を減少させる。過熱蒸気は、蒸気相中に存在する液滴を蒸発させるのに要求されるエネルギーを提供する。また、過熱蒸気は、流れの制限を横切る冷却を補整して蒸気の凝縮を最小限にする。
【００３２】
本発明は新規な貯蔵容器の使用を要件とせず、そして通常の圧縮ガス貯蔵容器から広範囲の蒸気流量を送出することができ、かくして投下資本を減少し且つ顧客の要求を満たすことができる。本発明で提案される戦略は、対流及び核沸騰型で液体の蒸発を制御し、かくして熱伝達率を向上させる。所定の温度での熱流束の増大は高流量の送出に最適な方法をもたらす。
【００３３】
本発明の基本は、式（１）によって表わされるように蒸気を流量Ｆで送出する圧縮ガス貯蔵容器中の液体の周囲におけるエネルギーバランスに関する。
【数１】
2004527712.tif 000003
【００３４】
気化に要求されるエネルギーＦΔＨvap（Ｐsat）は、顕熱損出（液体温度ＴLの低下）か又は熱源からの熱伝達（Ｑ）のどちらかとして生じる。ΔＨvap（Ｐsat）は、飽和圧Ｐsatにおける気化潜熱である。記号ｍは液体の質量を表わし、そしてＣｐLはその熱容量である。
【００３５】
一定の液体温度（ｄＴL／ｄｔ＝０）を維持するために、液体への熱伝達は、所定の流量において気化に要求されるエネルギーに等しくなければならない。伝熱源は、外部ヒーターか又は周囲のどちかであってよい。熱源からの熱伝達率は、式（２）に示されるように有効表面積（Ａ）、全熱伝達係数（Ｕ）、及び熱源と液体との間の温度差（ＴO−ＴL）に左右される。
【数２】
2004527712.tif 000004
【００３６】
図１は、容器の壁の横断面を横切って熱源から液体までの熱伝達に対する抵抗を図式で示す。図において、Ｔo、Ｔｗout、Ｔｗin及びＴLは、それぞれ、熱源の温度、外側容器壁、内側容器壁及び液体を表わす。熱源から容器への熱伝達係数ｈout、容器壁の熱伝導率ｋw、及び壁から液体への熱伝達係数ｈinに対する全熱伝達係数Ｕの関係を以下に示す。
【数３】
2004527712.tif 000005
【００３７】
式（３）は、内半径ｒi及び外半径ｒoと共に長さＬを持つ長い円筒状貯蔵容器を想定している。熱伝導率（１ｎ（ｒo／ｒi）／（２ΔｋwＬ））による抵抗は、所定の貯蔵容器に対して固定される。しかしながら、内部（１／（２ΔｒiＬｈin））及び外部（１／（２ΔｒoＬｈout））伝熱抵抗は、操作パラメーター及び熱源に左右される。種々の条件（以下に記載）に対する典型的な伝熱抵抗を以下の表１に記載する。
【００３８】
【表１】
2004527712.tif 000006
【００３９】
記載した値は、２４インチの外径及び０．５インチの壁厚を有する合金鋼トンコンテナについて計算される。加熱された長さは、５ｆｔであると仮定される。これらの計算のために、２１℃の周囲温度及び２７℃の熱水温度が使用される。内部伝熱抵抗では、周囲温度でのアンモニアの特性が使用される。熱伝達係数を計算するのに使用される相関関係は、“Heat and Mass Transfer”, Chapter 5, Perry's Chemical Engineers Handboook, 7thEd., McGraw-Hill, 1999から採用される。
【００４０】
表１は、なお、周囲空気が外部熱伝達に対して最大の抵抗を提供することを例示している。これらの値を上記の式で使用すると、周囲空気からの熱伝達だけが有意の液体サブ冷却をもたらさずに約７ｓｌｐｍのアンモニアを送出するのに十分であることを示すことができる。この計算は、サブ冷却から液体温度の１０℃低下を想定する。外部熱源の不在下では、周囲からの熱伝達は、液体の気化速度を制限する。液体のサブ冷却を行わずに高い蒸気流量を得るために、加熱ジャケット又は熱媒液浴のような外部熱源を使用することができるが、これらの両方との斯界において知られている。このことに加えて、本発明における加熱手段は、同様に、容器に熱を供給するための斯界に知られた他のセラミックヒーター又は他の適当な装置及び方法を包含する。熱水浴の使用は、表１に示されるように外部伝熱抵抗を有意に減少させることができる。加熱ジャケットの場合には、伝熱抵抗は、ジャケットと容器との間の接触に左右される。ジャケットと容器との間の空気ギャップの存在は、空気が絶縁体として作用するので熱伝達を低下させる。しかしながら、より高い加熱ジャケット温度がヒーターと容器との間の貧弱な接触を補整することができる。また、ヒーターと容器との間に熱伝導性流体を配置することも、熱伝達を向上させることができる。
【００４１】
先に記載したように、全熱伝達係数も、内部伝熱抵抗に左右される。内部熱伝達係数は、壁と液体との間の温度差、及び液体の沸騰特性に左右される。一般的には、プール沸騰特性は、図２において典型的な沸騰曲線によって例示されるように４つの型に大ざっぱに分割されることができる。この沸騰曲線は、壁と液体との間の温度差（Ｔｗin−ＴL）に対する熱流束／単位面積のｌｏｇ−ｌｏｇプロットである。４つの型は、自然対流沸騰、核沸騰、蒸気膜沸騰及び放射沸騰である。曲線の頂部にある配置図は各型の特徴を表わす。自然対流沸騰では、熱い壁の隣の加熱液体は自然対流流れによって生じ、そして蒸気−液体の界面において蒸発する。核沸騰型では、容器壁上に蒸気バブルが形成し、そして液体内部中で凝縮することなく液−気界面に上昇する。温度差が大きくなるにつれて、バブルは壁表面で合体して蒸気膜を形成する。これは、膜沸騰と称されている。この型では温度差がより高いけれども、熱伝達率は核沸騰と比較して低い。更により高い温度差では、壁温度は有意に増大して、放射熱伝達をもたらす。この型では、液体への熱流束は再び、温度差の増大に応じて増加する。しかしながら、この型は、通常の容器材料の融点に近い壁温度（約１０００℃よりも高い）のために加熱に対してほとんど実用に供されない。
【００４２】
アンモニアについて異なる沸騰型での伝熱抵抗の典型的な値を表１に記載する。自然対流及び核沸騰型では有意に低い温度差（Ｔｗin−ＴL）において液相中の低い伝熱抵抗のために高い熱伝達率が得られる。膜沸騰型では、蒸気膜は絶縁体として作用する。これは、蒸気相中のより高い伝熱抵抗のために液体への熱流束を減少する。これは、圧縮ガス貯蔵容器から高い蒸気流量を送出するためには、全伝熱抵抗を減少させることによって気化率が増大しなければならないことを実証する。気化のためのエネルギーは、外部熱源を使用することによって供給することができる。液体沸騰を自然対流又は核沸騰型で制御することによって低い内部伝熱抵抗を得ることができる。
【００４３】
通常の圧縮ガス源から送出される蒸気は、それが容器内部に存在する液体と平衡状態にあるので飽和されている。プロセス配管において、蒸気は、プロセスラインの比較的より低い温度、又は流れ制限を横切る膨張中の温度低下によって冷却することができる。飽和蒸気の温度の低下は凝縮をもたらす。液滴の存在は計測に対して有害になる場合がある。蒸気にエネルギーを供給してすべての冷却効果を補整すると、液滴の形成を最小限にすることができる。
【実施例】
【００４４】
実施例
トンコンテナを使用してアンモニアの高流量を送出する実施可能性を評価するために実験を実施した。実験は、蒸気流量と表面温度との間に相関関係を設定するために使用された。
【００４５】
トンコンテナを試験するために使用した実験セットを図３に示す。約５３０ポンドのアンモニアを充填した４１３０Ｘ合金鋼トンコンテナを実験のために使用した。トンコンテナの表面温度を制御するために１２個のセラミックヒーターを使用した。このヒーターは、連続する加熱フィラメントを覆った１インチ×１インチ寸法のセラミック平方メッシュである。各セラミックメッシュは寸法が６インチ×１９．５インチであり、そして３．６ｋＷについて評価される。これらのヒーターは約１インチ離して配置され、そしてメッシュの長さに沿って４個の組で一緒に結び付けられた。これらの組のうちの３個が容器の長さに沿って並べて配置された。ヒーターの頂部には１インチ厚の絶縁体が使用され、そしてその集成体全体は鋼ワイヤを使用してトンコンテナの底部に留められた。この加熱修正装置は、トンコンテナの全表面積の約２５％を覆った。
【００４６】
加熱表面領域にジグザク模様で配置した熱電対を使用して６つの異なる位置で表面温度を監視して制御した。熱電対は、真の表面温度を得るためにトンコンテナの表面にタッグ溶接された。簡単な開閉制御器を使用して一組のヒーターを制御するために各熱電対が使用された。これらのセットは、加熱表面を横切って均一な温度を維持することを可能にする。アンモニア流量は、３０〜５０分の期間にわたって平均重量損失を基にして測定された。
【００４７】
図４は、時間に対するアンモニア流量（右側ｙ軸）及び表面温度（左側ｙ軸）の変動を示す。表面温度の上昇は、トンコンテナによって送出されるアンモニア蒸気流量の相当する向上をもたらす。圧力及び液体温度（これらも、この実験中に監視される）は一定のままであった。より高い表面温度での熱流束の増大は、より高い気化率（これは、流量を増加する）をもたらす。一定の温度及び液体温度は、ヒーターによって供給されるエネルギーが適切でありそしてエネルギーのすべてがアンモニアを気化させ且つその流量を維持するのに使用されたことを示している。液体への実際の熱流束と一緒に種々の流量で観察される温度差を表２に記載する。熱流束は、アンモニア流量及び気化熱を使用して計算される。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
核沸騰中に液体アンモニアに伝達されうる最大熱流束は１．５×１０3ｋＷｍ-2である。この熱流束は、図２に示される沸騰曲線上の核沸騰と蒸気膜沸騰との間の最高点に相当する。最大熱流束は、“Heat and Mass Transfer”, Chapter 5, Perry's Chemical Engineers Handbook, 7thEd., McGraw-Hill, 1999から取られる相関関係を使用して計算される。核沸騰についての熱伝達の相関関係を使用すると、この最大熱流束点において容器壁（Ｔｗin）と液体（ＴL）との間の温度差がアンモニアでは約２０℃であることを更に示すことができる。この実験では、外側容器表面（ＴＷout）と液体（ＴL）との間の観察される温度差は４９２ｓｌｐｍの流量において６℃未満であった。これは、このような高い流量においてさえも液体が丁度核沸騰の開始時にあったことを示す。この型では、熱伝達の向上のためになおより高い流量を容易に得ることができる。概念上、上記の実験配置を使用すると、核沸騰において液体アンモニアをなお沸騰させながら７８９０ｓｌｐｍのアンモニアを送出することができる。
【００５０】
上に提供した実験データは、適切な熱源を使用しそして表面温度を制御してトンコンテナからある範囲の蒸気流量を送出することができることを実証する。また、このデータは、これらの高流量を核沸騰の丁度開始時に得ることができることも示す。
【００５１】
図５には、１つの好ましい装置系が例示されている。この系は、次の構成部材、１）通常の圧縮ガス源（即ち、ガスボンベ、トンコンテナ）、２）加熱源、３）弁手段（即ち、ガス源から流れるガスの流れを制御するための弁）、４）圧力測定手段（即ち、ガス源の圧力を監視するための圧力変換器）、５）温度測定手段（即ち、ガス源内の温度を測定するための温度センサー）、６）熱を制御するためのヒーター制御箱、及び７）ガス流れを制御するための流れスイッチよりなる。図５では、図中の実線はガスの流れを指し、そして点線は制御ループを表わす。
【００５２】
圧縮ガス貯蔵容器は、液化ガスを周囲温度においてそれ自身の蒸気圧下に充填される。これは、容器の底部において液相そして頂部において蒸気相をもたらす。送出しようとするガスは、弁を完全に開くことによって蒸気相から抜き出される。この配置形態において、圧力変換器は、容器内の蒸気圧を読み取る。温度センサーは容器の底部における表面温度を監視するために使用され、そしてこれは常に内部の液相と接触している。温度は、少なくとも３つの異なる位置で監視される。対照例ではこれらの読みの平均値が使用される。温度センサーは、赤外センサー又はタッグ溶接熱電対であってよい。制御箱は、コンピューター又は実時間ロジック制御器であってよい。貯蔵容器への熱は、熱源を使用して伝達される。
【００５３】
熱源は、ジャケットヒーター又は循環式液体浴であってよい。液体浴中の流体の温度は外部ヒーターによって維持され、そしてその流量は流量計を使用して制御される。ジャケットヒーターは、電力供給（実験セットの抵抗加熱器のような）によって又は循環する熱媒液によって付勢されることができる。容器を水又は油のような加熱液体浴中に浸漬しそしてその液体を循環させると、最も低い伝熱抵抗が得られる。加熱ジャケット（電気的又は熱媒液）を使用する場合には、伝導性グリース又はゴムを使用してヒーターと容器との間の接触面積を増大させるのが好ましい。
【００５４】
送出系のために提案される制御戦略が図６に図式で示されている。制御の決定は、現在の時点ｔにおける圧力Ｐ及び表面温度Ｔの値を前の時点ｔ−Δｔにおける値と比較することに基づいている。これは、温度（Ｔmax）及び圧力（Ｐmax）に上方境界線を置くことによって送出系の安全性を改善し、そして中断されない送出を保証もする。表面温度の低下及び流量の増加は、不適切な熱供給に対する警告である。表面温度は、ヒーターによって伝達される熱が液体を気化して流量を維持するのに要求される熱よりも少ない場合に低下する。表面温度の上昇及び圧力の低下は、蒸気膜型での沸騰を表わす。この場合には、容器から液体に伝達されるエネルギーは、気化に要求されるエネルギーよりも少ない。
【００５５】
無流量条件（ガスに対するプロセス要求量がない）下に、弁は完全解放にされ、そして変換器及びセンサーによって読み取られる圧力及び温度は一定である。プロセスラインはガスで充填される。顧客がガスを必要とするときに、流れスイッチが開かれ、そしてこれは制御ループを始動させる。圧力はガスが流れ始めるにつれて低下し、そしてその流量に応じて表面温度は一定のままであるか又は低下する。これは、ヒーター温度を上昇させて一定の圧力を維持するように制御器を始動させる。循環液ヒーター（液体浴又はジャケット付き）の場合には、容器へ供給される熱を制御するのに液体温度又は流体流量のいずれかを効率的に使用することができる。電気ヒーターによって供給される熱は、ヒーターに印加される電圧によって又はヒーターの開閉を循環することによって制御される。ヒーターは液相にエネルギーを供給して液体の気化をもたらし、これによって容器に一定の圧力が維持される。一定の又は低下する表面温度において要求流量の更なる増加によってもたらされるすべての圧力低下は、ヒーターへの動力を増加してより多くの液体を気化させる。入熱の増加は、液体を一定の温度に維持する。
【００５６】
要求流量が減少するにつれて、容器内の圧力が蒸気の蓄積によって増大するが、これは熱の蓄積によって表面温度も上昇させる。これらの条件が両方とも満足されると、制御器はヒーター温度を低下させる。また、ヒーター温度は次の２つのシナリオでも低下される。第一に、圧力又は温度上方境界に達した場合である。第二に、表面温度が上昇し、これに対して圧力が低下する場合である（蒸気膜沸騰）。制御ループを再始動する度毎に、流れスイッチは、ガスがなお要求されることを確認するために検査される。
【００５７】
また、容器全体を加熱することも、容器の蒸気相への熱伝達をもたらす。これは、容器において過熱蒸気をもたらす。過熱蒸気の過剰エネルギーは、蒸気相に持ち越された可能性があるすべての準安定液滴の蒸発を助ける。圧縮ガス源から加熱蒸気を抜き出すと、プロセスラインでの蒸気凝縮の変化（これは、飽和蒸気を抜き取るときに重要な問題になりうる）が最小限にされる。温度の低下又は流れの制限は、飽和蒸気を使用しながらラインに液滴の凝縮をもたらすことができる。
【００５８】
大量アンモニア送出系の例
次は、顧客の場所に取り付けようとするプロトタイプ（prototype）大量アンモニア送出系であって、上で提案した制御戦略に対して可能性のある変形例を使用する送出系についての説明である。
【００５９】
この送出系は、鋼金属クロージャー内に収容され且つそれによって支持されたトンコンテナよりなる。トンコンテナは、約４５０Ｌの内部容積及び約５２９ｋｇの重量を有する水平耐圧容器である。トンハウジングの内部には、熱絶縁体が適用される。ハウジングは、ほぼそのトンハウジングの中心線において水平に分割される。上部の半分は、トンコンテナの維持、設置及び移動のための接近を可能にするために丁番を取り付けられる。縁部は、変形を回避するのに十分なだけ剛性である。ハウジングの底部においてビルトインされる３個の円周支持体が、トンコンテナの約５２インチの円筒断面に沿って等間隔で離置される。中心支持体は、トンコンテナの表面温度を監視する２個の赤外検出器を取り付けるための備えを有する。ハウジングの各端において、トンコンテナの位置付けを容易にするために傾斜案内レール（長手方向中心線上に配置される）が組み込まれて端支持体に連結される。
【００６０】
トンコンテナの４個のセラミックヒーターに熱を伝達するために、１２インチの内半径×１１インチの幅×２８インチの円周長さが使用される。ヒーターは、２個の２つのグループにおいて支持体と支持体との間でハウジングに取り付けられる。トンコンテナの円筒断面上のヒーターの配置図を図７に示す。各バンドは８５０°Ｆの最高操作温度を有し、そして４４０Ｖ単相動力において約３．７５ｋＷについて評価される。各バンドには、各端にスプリングの取付けに好適な取付フランジが備えられる。トンコンテナを所定の位置に下げたときにヒーターが容器に対して締付力を及ぼすように、スプリングがハウジングの内部に連結される。このバンド／スプリング／トンコンテナ表面の形状配置によって、決してバンドのヒーターがトンコンテナの重量を支えそしてヒーターと容器との間に最適の表面接触を提供しないことが保証される。また、この形態によって、反覆調整の必要なしにトンコンテナの取替えが可能になる。
【００６１】
各ヒーターバンドはプロセス制御器に連結され、そして２個の熱電対を備えられる。１個の熱電対は温度整定値の制御のために使用され、そして他方は過剰温度の監視のために使用される。４個のヒーターのためのプロセス制御器は共通の制御箱に取り付けられる。制御箱は動力連結箱を介して動力をヒーターに供給し、そして信号連結箱を介して温度を読み取る。
【００６２】
流れの開始前に、万能制御器に圧力整定値が入れられる。ヒーターは、圧力整定値に達したときに切られ、そして圧力が整定値よりも低下したときに開かれる。圧力は、蒸気の抜取りによって低下する。ヒーター温度に上限を設けるために各プロセス制御器にヒーター温度整定値が入れられる。過剰温度条件が制御箱を介して万能制御器に信号を送り、これによってヒーターは運転停止される。過剰温度の信号に加えて、ヒーターのプロセス制御器は、ヒーターの燃え切り又は破損の場合（これは、警報を発し、ヒーターへの動力を停止しそして待機装置に対して自動スイッチオーバーを開始する）に信号を万能制御器に送る。
【００６３】
２個の赤外表面温度センサーが万能制御器に連結され、そしてトンコンテナの壁温度を制限することによって主要安全装置として作動する。これらは、１２５°Ｆの設定しうる最高値を有する。設定した表面温度よりも下では、センサーは、ヒーターが作動するのを許容する。もしもどちらかのセンサーにおいて表面温度整定値に達すると、この信号は、上に記載した圧力制御プロセスを無視する。万能制御器はヒーターへの動力を停止し、そして待機装置に対して自動スイッチオーバー開始する。また、蒸気温度の測定のためにプロセス配管に温度センサーが取り付けられ、そしてこの信号は万能制御器送られる。本発明では、温度制御手段は任意の温度センサー、好ましくは熱電対である。蒸気温度と２個の赤外センサーの平均値との温度差が、制御器に設定した整定値と比較される。
【００６４】
整定値よりも大きい温度差値は、液体サブ冷却の警報として使用される。これは、操作者にアンモニア要求量を減少し又は他のトンコンテナに取り換える機会を与える。
【００６５】
制御戦略を要約すると、次の点１）〜５）の全部、１）整定値よりも低いトンコンテナ表面温度、２）整定値よりも低いトンコンテナ蒸気圧、３）ヒーターの過剰温度がないこと、４）すべてのヒーターの操作、５）整定値よりも低いトンコンテナ表面／蒸気温度差が満足されると、ヒーターへの動力が入れられる。もしも条件１）、３）又は４）のどれか１つが満たされないと、ヒーターへの動力が切られ、そして第二のトンコンテナに対する自動スイッチオーバーが万能制御器によって開始される。
【００６６】
プロトタイプ送出系のテストでは、有意の液体サブ冷却をもたらさずに９０ｐｓｉの送出圧において６００ｓｌｐｍの平均アンモニア流量を約２．５時間維持することができることが確証された。また、そのテストでは、上記の配置形態を使用すると、トンコンテナにおいて有意の圧力低下なしに８００ｓｌｐｍの最大アンモニア流量を３０分間送出することができることも確証された。
【００６７】
本発明において使用するときには、半導体ガスは、任意の液化圧縮性ガス、好ましくはアンモニア、塩化水素、臭化水素、塩素及びペルフルオルプロパンであってよい。
【００６８】
上に記載した発明は完全に実施されるけれども、ある種の変形例の実施も意図される。この変更修正のいくらかでは、貯蔵容器の再設計が要求されよう。
【００６９】
貯蔵容器は、容器壁の一体的部分として設計することができる。この形状形態は、温液浴を使用したときに得られるものと同様の熱伝達係数を提供する。
【００７０】
貯蔵容器には、熱伝達面積を増大するために内部要素（フィンのような）の使用を追加することができる。これは、一層低い温度において高流量を送出する可能性を有している。容器の有効外面をすべて加熱しそして液体中に延長する高伝導性内部フィンが蒸気及び液体空間の両方に存在するならば、熱伝達は向上されよう。
【００７１】
また、液浴から容器への熱伝達を向上させるために外部フィンを付設することもできる。
【００７２】
貯蔵容器には、直接的な液体温度測定を可能にするために熱電対又はサーモウエルを含めることができる。これは、容器圧よりもむしろ液体温度を一定に維持するときにより強力な制御を可能にする。
【００７３】
出口において蒸留のようなモレキュラシーブ床又は他の分離装置操作を用いて蒸気相中の水分のような不純物を減少させ、かくして超高純度ガスを使用場所に送出することができる。
【００７４】
初期蒸留ヘッド空間のいくらかの部分を減少系に排出させると、軽質不純物が減少され、これによって超高純度ガスが送出される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
また、本発明は連続方式で操作することもできる。提案する発明を基にして液体蒸発器を設計することができる。液体生成物を連続的に受け入れるように既存の貯蔵容器を改良することができる。この蒸発器に液化ガスがポンプ送りされ、ここでそれは連続的に蒸発されてガス状生成物が使用場所に送出される。ポンプ送りする速度は要求流量に左右される。要求される流量及び必要とされる蒸気温度は、蒸発器への熱流束を制御する。
【００７６】
便宜上、添付図面のうちの１つ又はそれ以上には本発明の特定の特徴が示されている。各特徴は、本発明に従った他の特徴と組み合わすことができるからである。当業者には別の具体例が認識されるだろうが、これらも本発明の範囲内に含められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明において容器壁を横切る熱伝達を表わす概略図である。
【図２】液体の典型的な沸騰曲線を表わす図である。
【図３】本発明において高い蒸気流量を送出するための実験セットの概略図である。
【図４】時間に対するアンモニア流量及び表面温度の変動を表わす概略図である。
【図５】送出系の概略図である。
【図６】送出系の流れ図である。
【図７】プロトタイプアンモニア送出系の概略図である。
【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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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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