(57)【要約】【課題】高純度が要求される三フッ化窒素、窒素、酸素、アルゴン、六フッ化硫黄、無水塩酸、無水臭化水素、四フッ化炭素及び六フッ化エタンなどの低温液化ガスを、純度の変質を起こすことなく少ないエネルギーを用いて簡単な工程によって、高圧ガス容器へ充填することが可能な、低温液化ガスの充填方法を提供すること。【解決手段】低温液化ガスを高圧充填容器に充填する方法において、低温液化ガス移送配管を断熱配管とし、ポンプを用いて高圧充填容器に充填することを特徴とする、低温液化ガスの充填方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温液化ガスを高圧充填容器に充填する方法において、低温液化ガス移送配管を断熱配管とし、ポンプを用いて高圧充填容器に充填することを特徴とする、低温液化ガスの充填方法。
【請求項２】
前記低温液化ガスが、三フッ化窒素、窒素、酸素、アルゴン、六フッ化硫黄、無水塩酸、無水臭化水素、四フッ化炭素及び六フッ化エタンの中から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の低温液化ガスの充填方法。
【請求項３】
ポンプによって加圧された液体を、直接高圧充填容器に充填し、或いはポンプの吐き出し側に取り付けられている蒸発器又は気化器によって気化させた後ガス状態で高圧充填容器に充填することを特徴とする、請求項１に記載の低温液化ガスの充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常温では気体状態であり、高圧のガス容器にガス状態で充填される低温液化ガスの充填方法に関する。
具体的には、本発明は、低温液化ガスを液体状態として必要な圧力までポンプを用いて加圧させ、加圧された液体を気体状態で高圧ガス容器に充填させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、低沸点の液化ガスは、臨界温度以下の低温では液体状態であるが、臨界温度以上になると、気体状態になる。
本発明では、この種のガスを低温液化ガスという。このような特性により、これらの液化ガスは、高圧用に製作された容器にガス状態で数十〜２００ｋｇ／ｃｍ２Ｇの圧力で充填して使用される。このような液化ガスとしては、汎用的に用いられる窒素、酸素、アルゴンを始めとして、半導体産業で使用される三フッ化窒素（ＮＦ３、沸点：−１２９℃）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、無水塩酸（ＡＨＣｌ）、無水臭化水素（ＡＨＢｒ）、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化エタン（Ｃ２Ｆ６）などがある。
【０００３】
従来、これら液化ガスの充填方法は、製造工程で低温によって凝縮させた後、液体状態で貯蔵容器に貯蔵し、充填の際に気化器又は熱交換器を通過させて再び気化させ、コンプレッサを用いてこの気化したガスを加圧しながら、高圧ガス容器に充填させることが一般的であった。
このように、低温の液化ガスを容器に充填させる際に液化ガスを気化させ、この気化したガスをコンプレッサ（圧縮機）で加圧しながら容器に充填させる方法を主に利用するが、この理由は、ポンプの場合は低沸点の低温液体を使用すると、空洞現象（低沸点の液体が気化してポンプヘッドにガス状態で充填され、これによりポンプの作動が不可能になる現象：キャビテーション(Cavitation)という）が発生する。この空洞現象が発生すると、ポンプは正常的な運転が不可能になるが、気化ガスを圧縮させるコンプレッサではこのような現象を懸念する必要がないためである。
【０００４】
ところが、このような充填方法は、気化ガスをコンプレッサで圧縮させるときに発生する圧縮熱によって充填ガスの温度が上昇し、激しい場合には製品が分解してしまい、これにより不純物が増加して充填ガスの純度低下を起こし、部品の磨耗による高いメインテナンス費用、高圧における充填速度低下といった問題点をもっているが、コンプレッサの特性上、明確な解決方案がない実情にあって、単にコンプレッサヘッド或いは吐き出し部位にクーラーを装着してガスを冷却させることにより圧縮熱による問題点を最小化し、あるいは吐き出し側にフィルタを取り付けて不純物粒子を除去するなどの補完策を併用しているが、抜本的な問題解決はなされていない。
【０００５】
しかも、半導体産業の発達に伴って、この分野で使用される液化ガスの場合には、要求される純度が益々厳しくなり、その純度及びガス中の不純物含量に対する要求もさらに激しくなっている。
従来の液化ガスを気化させた後、気化したガスをコンプレッサで加圧しながら容器に充填させる方法は、気化及び加圧工程におけるエネルギー所要量が大きいうえ、半導体製造工程でエッチングガスとして用いられる三フッ化窒素（ＮＦ３）ガスのように高純度が要求されるガスの場合には、ガスの変質をもたらすおそれが大きい。
したがって、この分野では、液化ガスを充填する際のエネルギー使用量を削減しながら、充填過程でガスの変質を生じさせるおそれのない液化ガス充填方法の開発が求められる実情にある。
【０００６】
液化ガスである三フッ化窒素（ＮＦ３）ガスを高圧充填容器に充填する際に該三フッ化窒素の変質を防止する方法ではなく、三フッ化窒素（ＮＦ３）ガスの液化・濃縮および精製方法において該三フッ化窒素ガスに混入するＨ２、Ｏ２、及びＮ２などの混入防止や該三フッ化窒素ガスの製造時に副生する物質の効率的な除去を可能とするためにＨe、Ｎe及びAｒの１種以上の不活性ガスを第３成分のガスとして導入して純度の高い三フッ化窒素ガスを得る方法が特許文献に記載されている。
その他にも、高純度の三フッ化窒素ガスを高圧充電容器に充電させる方法において、貯蔵容器中の三フッ化窒素ガスをダイアフラムコンプレッサー（Diaphragm compressor）で昇圧させて、この昇圧されたガスをフィルターを通じて充電容器に充電させる方法が知られている（韓国公開特許２００３−００３７４６４号）。
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ89/04444（PCT/JP88/01120）
【特許文献２】韓国特許公開２００３−００３７４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ポンプを用いて低温液化ガスを充填することにより、コンプレッサの有する問題、例えば低温液化ガスの圧縮過程における発熱、圧縮過程で要する高エネルギーにかかる費用、振動及び騒音といった問題点を根本的に防止することができるため、一般用途は勿論のこと、ＮＦ３のような超高純度半導体ガスの充填に至るまで経済的且つ安定的な新規の低温液化ガス充填技術を提供することを課題とする。
すなわち、本発明では、ＮＦ３-のように高純度が要求される液化ガスを空洞現象が発生しないようにする条件でポンプを用いて高圧ガス容器に充填させることにより、従来のコンプレッサを用いて気体状態のガスを高圧ガス容器に充填させる方法に比べて充填過程で液化ガスの変質を起こさないばかりか、少ないエネルギーを用いて充填させることができることを確認した。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ポンプを用いて低温の液化ガスを液体状態で加圧し、この加圧された液化ガスを直接高圧ガス容器に充填させる方法或いは気化器を介して充填させる方法に関するものである。ポンプを用いた液化ガスの充填方法は、加圧過程でガスではなく液体状態でポンプを介して所望の圧力まで容易に加圧することができ、さらに低圧及び高圧でほぼ一定の流量で移送可能であって充填時間を短縮することができる上に、高い圧縮比でも発熱量が極めて少ないので、ＮＦ３のように高温で反応性及び分解性が著しく増加する物質に対しても安全に充填することが可能である。
【００１０】
また、ポンプのヘッド部分には液体（低温液化ガス）が充満するので液化ガスによる潤滑作用がなされる。これにより、低温液化ガスの充填に際して摩擦又は磨耗による金属粒子の生成を根本的に遮断することができるとともに、コンプレッサに比べて小型であり、且つ少ない動力で済むので、低温液化ガス充填時の動力費用や運転及びメインテナンス費用を最小化することができる上、充填時間を短縮させて運転効率の面でも極めて有利である。
コンプレッサは、気体を圧縮させた後、移送させるものであり、ポンプは、液体を直接移送させるものなので、同量の液化ガスを充填させようとするとき、所要のコンプレッサの大きさはポンプに比べて１０倍以上大きくならなければならない。
【００１１】
ポンプは、液体の移送及び充填用として用いられるものであって、ピストンと逆止弁とからなるヘッド、動力を生じさせるモータ、及びモータの回転力を用いて油圧を形成する機械的駆動部位（ギヤ及びピストン作動部位）から構成されていることが一般的である。
本発明において、低温の液化ガスが液体状態で貯蔵されている貯蔵容器からポンプの吸い込み部まで配管によって連結し、低温液体が蒸発して空洞現象が発生しないよう吸い込み配管を徹底的に断熱させ或いは低温冷媒で冷却させることができる構造にしなければならない。
【００１２】
ポンプのヘッド部分には、空洞現象の予防のために徹底的に断熱させ、必要時に低温冷媒で冷却することが可能なコイル又は二重ジャケットを設置することがよい。ポンプの吐き出し配管には、ポンプの起動(priming)と吐き出し配管内の残留液を貯蔵容器に戻すことができるように、貯蔵容器に連結された配管を設置する。ポンプの起動操作の際には、この配管を介して貯蔵容器の液を循環させ、低温液化ガスの充填作業完了の後には吐き出し配管内の残留液と圧力を貯蔵容器に戻して製品の損失を最小化する。
【００１３】
また、ポンプの作動状態と吐き出し圧力を確認することができるように圧力計を設置し、異常過圧が発生する場合に解消することが可能な安全装置を取り付ける。低温の液化ガスが配管に充満している状態で密閉したままで維持される場合、昇温による膨張により異常過圧が形成され、激しい場合には配管が破損するおそれもあるので注意しなければならない。ダイヤフラムポンプによって加圧された液化ガス液は、充填設備に連結された配管を介して充填容器へ移送され、直接充填してもよく、吐き出し配管に別途に取り付けられている気化器又は熱交換器を介して常温で気化させた後充填容器に充填してもよい。直接充填容器に充填する場合は、充填済み容器のバルブを閉にした後、室温で放置することにより、充填された液が気化するようにする。充填量は、重量秤で測定し、充填圧力を確認することが可能な圧力計を充填設備に取り付けて過量充填されないようにする。本発明で提供する低温液化ガスの充填方法は、単独充填設備及び複数の充填設備のいずれにも適用可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の方法は、高純度が要求される低温の液化ガスを、変質を起こすことなく、少ない充填に要するエネルギーを用いて簡単な工程によって高圧ガス容器に充填させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施例によって本発明を詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００１６】
（実施例）
本発明に係る充填方法を図１に基づいて具体的に説明する。充填試験のために使用された液化ガスは、低温で凝縮した液状の高純度ＮＦ３ガスである。貯蔵容器ＴはＮＦ３製造工程と配管で連結されており、貯蔵容器Ｔの外部は断熱のために二重真空ジャケットで出来ている。貯蔵容器に貯蔵された液状のＮＦ３ガスは、吸い込み配管Ｓ１を介してポンプ吸い込み口に移送され、吸い込み配管Ｓ１も二重管状の真空断熱配管に製作した。ポンプの吐き出し側にはポンプの正常作動状態を確認することができるように圧力計を設置する。液化ガスを充填容器とポンプの吐き出し配管Ｓ２を連結し、充填量を確認することができるように充填容器は重量秤上に設置する。充填作業は、次の順序によって行う。
１）充填配管Ｓ４と高圧容器Cとを連結し、配管内の空気及び水分を除去するためにバルブＶ１、Ｖ２は閉にし、バルブＶ３、Ｖ４、Ｖ５を開にして１Ｔｏｒｒ以下の真空にする。この際、高圧容器Ｇは、予め内部の水分を除去し、真空処理して充填する準備をしておく。
２）１）の作業が完了すると、ポンプの起動（プライミング）のためにバルブＶ３、Ｖ４、Ｖ５を閉にし、バルブＶ１、Ｖ２を開にした後、ポンプを作動させて自体循環させる。
３）ポンプヘッドの温度が液を移送することができるほどに十分低くなり、バルブＶ２を閉にしたときに圧力が急激に上がると、バルブＶ３、Ｖ４を開いて充填容器からＮＦ３液を充填する。
４）充填作業が完了すると、バルブＶ４を閉にし、ポンプを止めた後、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開いて充填配管Ｓ４内の残留液を貯蔵容器に戻し、均圧させた後、全てのバルブを再び閉にし、充填容器を分離する。この充填容器は常温に放置して室温に昇温する。
また、ポンプＰによって加圧され、吐き出し配管Ｓ２を介して移送される液化ガスを気化器Ｇを通過させて気化させた後、充填配管Ｓ３を介してガス状態で容器Ｃに充填させることもできる。
（比較例）
【００１７】
従来の気化器と圧縮機を用いて液化ガスを容器に充填させる工程を図２に基づいて具体的に説明する。充填試験のために使用された液化ガスは、実施例と同様に低温で凝縮された液状のＮＦ３ガスである。貯蔵容器Ｔは、ＮＦ３製造工程と配管で連結されており、貯蔵容器Ｔの外部は断熱のために真空ジャケットで出来ている。貯蔵容器に貯蔵された液状のＮＦ３ガスは、吸い込み配管Ｓ１を介して気化器に移送される。加熱装置の内蔵された気化器を通過する液状のＮＦ３は、昇温によって容易に気化してガス状態になる。吐き出し配管Ｓ２を介して圧縮機に供給されたＮＦ３ガスは加圧状態になり、加圧状態のＮＦ３ガスは吐き出し配管Ｓ５を介して充填容器Ｃに充填させた。
ポンプＰを用いて液体状態で充填容器に充填させる実施例の方法により充填させた充填ガスと、気化器Ｇと圧縮機Ｅを用いてガス状態で充填容器に充填させる比較例の方法で充填させた充填ガスとの純度及び酸度変化を測定し、その測定値を貯蔵容器Ｔ中のＮＦ３との純度及び酸度と比較した値は、次の表１に示した通りである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
比較例の場合、純度は大きく変わっていないが、酸度が大幅増加する現象を示している。これは圧縮機の圧縮熱によってガスが高温になってより活性化された状態になり、熱によってＮＦ３ガスが容易に分解されて酸成分であるＨＮＯ３が実施例と比べて多量に生成したものと見られる。
また、微細粒子の数も増加する傾向を示すが、これは圧縮機の圧縮充填時の機械的摩擦などによるものと見られる。
以上の結果から実施例の場合は比較例と比べて、貯蔵容器における低温液化ガスの純度と酸度の変化が極めて低かった。
前記表１において、ガスの純度は、ガスクロマトグラフを用いてそれぞれの不純物を分析した後、聚合した。酸度分析は、製品ガスを一定量水に吸収させた後、ＮａＯＨを用いて中和滴定により総酸度を測定し、その値からＨＦ量を差し引いた値でＮＨＯ３量を換算した。ＨＦの量はＦイオン分析器を用いて分析し、ＨＮＯ３の存在は硫酸及びＦｅＳＯ４を用いて陰イオン定性分析して確認した。微細粒子は、粒子測定器を用いて測定し、０．２μｍ以下の粒子のみを対象として測定した結果である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のポンプを用いて液化ガスを容器に充填させる工程を示す概略工程図である。
【図２】従来の気化器と圧縮機を用いて液化ガスを容器に充填させる工程を示す概略工程図である。
【符号の説明】
【００２１】
Ｔ    液化ガス貯蔵容器
Ｓ１    吸い込み配管
Ｓ２    吐き出し配管
Ｐ    ポンプ
Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５    充填配管
Ｇ    気化器
Ｅ    圧縮機
Ｍ    充填口
Ｃ    充填容器
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５    バルブ
【図１】
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【図２】
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