(57)【要約】【課題】ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタの長寿命化を図り、ランニングコストを低減することができるクリーニングユニットを提供する。【解決手段】フィルタに取り付けられるクリーニングユニット２０であって、気体を通過させるための第１の開口２２と第２の開口２３を有するハウジング２１と、ハウジング２１内に、気体の流路を形成するよう、所定間隔で交互に配置された高温プレート２４と低温プレート２５とを有し、高温プレート２４と低温プレート２５との間に温度勾配を生じさせ、熱泳動により低温プレート２５で気体中の微粒子を捕集する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルタに取り付けられるクリーニングユニットであって、
気体を通過させるための第１の開口と第２の開口を有するハウジングであって、前記第２の開口側が前記フィルタに取り付けられるハウジングと、
前記ハウジング内に、前記気体の流路を形成するよう、所定間隔で交互に配置された高温プレートと低温プレートとを有し、
前記高温プレートと前記低温プレートとの間に温度勾配を生じさせ、熱泳動により前記低温プレートで前記気体中の微粒子を捕集することを特徴とするクリーニングユニット。
【請求項２】
前記高温プレートは熱源ユニットに接続され、前記低温プレートは内部に冷媒を循環させる流路を備える請求項１記載のクリーニングユニット。
【請求項３】
前記微粒子の粒子径が２００μｍ以下である請求項１又は２記載のクリーニングユニット。
【請求項４】
前記温度勾配が７８０℃／ｃｍ以上で、前記微粒子の捕集率が７０％以上である請求項１から３のいずれか１に記載のクリーニングユニット。
【請求項５】
前記温度勾配が１０００℃／ｃｍ以下である請求項４記載のクリーニングユニット。
【請求項６】
前記低温プレートが前記第１の開口側に取り出し可能である請求項１から５のいずれか１に記載のクリーニングユニット。
【請求項７】
前記ハウジングの前記第２の開口側に、前記フィルタとワンタッチで着脱可能な機構を備える請求項１から６のいずれか１に記載のクリーニングユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子等の微粒子製造環境での微粒子を捕集するためのクリーニングユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノマテリアルは、その組成単位が小さく、表面積の増大、電磁気的物性の変化、結晶材料では硬度が増す等、ナノレベルでの微細化が、特有の物性を示すことが知られている。したがって、ナノマテリアルは、エレクトロニクス分野を始め、産業機械や自動車、化粧品等の幅広い分野において高機能材料として欠くことのできないキーマテリアルとなっている。
【０００３】
ナノマテリアルとして、カーボンナノチューブ、フラーレン、金属酸化物ナノ粒子などが知られている。これらの材料に対し、特有の用途、製造方法、市場が形成されており、市場規模は年々増加している。新素材の開発のための研究開発が積極的、国際的に進められている。
【０００４】
一方、ナノマテリアルの表面積や組成、形状など新たな機能が付加されることから、人が暴露した際の有害性が懸念されている。これに合わせて、リスク評価、毒性に関する研究が進められている。マウスによる暴露実験では影響を及ぼすとの研究報告も発表されている。このような背景から、厚生労働省は「ナノマテリアルに対する暴露防止等のための予防的対応について」を平成２１年３月３１日に発出し、ナノマテリアル製造メーカや、ナノマテリアル研究機関のその対応を求めている。
【０００５】
その対策としては、局所排気装置、プッシュプル型換気装置の設置、グローブバッグの使用などを求めている。
【０００６】
例えば、特許文献１は、効率よく局所排気を行うため、吸気ダクトの吸気口に、吸気エネルギー自体により円筒状のエアーカーテン発生装置を備える局所排気装置を開示する。特許文献２は、作業スペースを大きくするため、作業台後部に排気フードと一体化した開口部を有する排気フード付き作業台を開示する。特許文献３は、樹脂で被覆された導線からなるメッシュフィルタを備える粒子捕獲装置を開示する。粒子の跳ね返りを防止し、付着効率を高めるため、導線によりメッシュフィルタを加熱することで、樹脂を軟化させ、メッシュフィルタの粘着力を高めている。
【０００７】
一般に、ナノマテリアル等を製造する製造設備は、製造室（クリーンルーム）内に設置される。製造設備を利用して製品、例えばカーボンナノチューブ等が製造される。製品を取り出すとき、製造設備をメンテナンスするとき、製造設備は開放状態となる。製造設備から放出された微粒子は、ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタ等のフィルタを介して製造室外に排出される。
【０００８】
微粒子を含む気体がフィルタを通過すると、微粒子がフィルタにより捕集される。フィルタを長時間使用すると、フィルタを交換しなければならない。特に、ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタの交換頻度が多くなると、ランニングコストが高くなる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３４１６３９号公報
【特許文献２】特開平９−１０５５４３号公報
【特許文献３】特開平９−２７６７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタの長寿命化を図り、ランニングコストを低減することができるクリーニングユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、フィルタに取り付けられるクリーニングユニットであって、気体を通過させるための第１の開口と第２の開口を有するハウジングであって、前記第２の開口側が前記フィルタに取り付けられるハウジングと、前記ハウジング内に、前記気体の流路を形成するよう、所定間隔で交互に配置された高温プレートと低温プレートとを有し、前記高温プレートと前記低温プレートとの間に温度勾配を生じさせ、熱泳動により前記低温プレートで前記気体中の微粒子を捕集することを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、フィルタの前段で微粒子を除去することができるので、フィルタの長寿命化を図ることができる。したがって、ランニングコストを低減することができる。
【００１３】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記高温プレートは熱源ユニットに接続され、前記低温プレートは内部に冷媒を循環させる流路を備える。
【００１４】
本態様によれば、高温プレートと低温プレートを一定温度に保持することができる。
【００１５】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記微粒子の粒子径が２００μｍ以下である。
【００１６】
本態様によれば、粒径２００μｍ以下の微粒子を容易に捕集することができる。
【００１７】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記温度勾配が７８０℃／ｃｍ以上で、前記微粒子の捕集率が７０％以上である。
【００１８】
本態様によれば、温度勾配を７８０℃／ｃｍ以上の範囲とすることで、気体中の微粒子の捕集率を７０％以上とすることが可能となる。
【００１９】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記温度勾配が１０００℃／ｃｍ以下である。
【００２０】
本態様によれば、温度勾配を１０００℃／ｃｍ以下の範囲とすることにより、効率的に微粒子を捕集することができる。
【００２１】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記低温プレートが前記第１の開口側に取り出し可能である。
【００２２】
本態様によれば、低温プレートに付着した微粒子を容易に清掃することができる。
【００２３】
本発明の一態様のクリーニングユニットは、好ましくは、前記ハウジングの前記第２の開口側に、前記フィルタとワンタッチで着脱可能な機構を備える。
【００２４】
本態様によれば、クリーニングユニットをフィルタに簡単に着脱することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のクリーニングユニットによれば、製造設備のフィルタの前段で微粒子を除去することができる。フィルタの長寿命化を図ることができるので、ランニングコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】製造装置の概略構成図。
【図２】クリーニングユニットの概略構成図。
【図３】捕集率（％）と粒子径（μｍ）の関係を示すグラフ。
【図４】捕集率（％）と温度勾配（℃／ｃｍ）の関係を示すグラフ。
【図５】クリーニングユニットとフィルタとの取付機構を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施の形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。また、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を含む範囲を意味する。
【００２８】
図１は、ナノマテリアル、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を製造するための製造装置を示す。製造装置１０、マイクロ波電源１１、反応筒１２、均熱板１３、金属基板１４、微粒子捕集器１５を備える。
【００２９】
次に、製造装置１０を用いたＣＮＴの成膜方法について説明する。ガス導入管１６から流入されたＣＨ４+Ｈ２ガスが反応筒１２内でマイクロ波によりプラズマ状態で燃焼される。均熱板１３上に設置された金属基板１４上にＣＮＴが成膜される。その他の燃焼ガスや捕集されなかった超微粒子は排出口１７から微粒子捕集器１５で処理される。ＣＮＴ成膜中において製造装置１０は密閉状態が保たれる。したがって、オペレータが暴露するリスクは小さい。一方、ＣＮＴを回収する場合、製品回収口の扉１８が開かれ、反応筒１２内から金属基板１４が取り出される。この際、製造装置１０は開放状態となり、オペレータのＣＮＴの暴露リスクが高くなる。エアクリーニングユニット２０が取り付けられたフィルタ３０が扉１８の近傍に設置される。製品回収時に扉１８の開放に伴って飛散するＣＮＴを、エアクリーニングユニット２０が迅速に回収する。さらにフィルタ３０を介してエアが系外に排出される。フィルタ３０としてＨＥＰＡフィルタ、ＵＬＰＡフィルタを使用することができる。
【００３０】
図２は、一実施形態に係るクリーニングユニットの構成図である。クリーニングユニット２０は、気体を通過させるための第１の開口２２と第２の開口２３を有するハウジング２１と、ハウジング２１内に気体の流路を形成するよう、所定間隔で交互に配置された高温プレート２４と低温プレート２５を備える。高温プレート２４は熱源ユニット２６と接続される。熱源ユニット２６は温度制御装置を備える。高温プレート２４は、熱源ユニット２６により、低温プレート２５より高い温度で、一定温度に維持される。高温プレート２４は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１、冷間圧延鋼板等の材料で構成される。熱源ユニット２６として、蒸気、熱ヒーター等を使用することができる。
【００３１】
ハウジング２１は、ＳＵＳ３０４、ＳＳ４００等の材料で構成される。その大きさは、例えば、５００×５００×４００ｍｍである。
【００３２】
低温プレート２５は、内部に冷媒を循環させるための流路を備える。低温プレート２５は、その内部を流れる冷媒により、高温プレート２４より低い温度で、一定温度に維持される。低温プレート２５は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３２１、冷間圧延鋼板等の材料で構成される。冷媒として、水道水、エチレングリコールを用いた不凍液等を使用することができる。
【００３３】
低温プレート２５の流路は、例えば、低温プレート２５に配管を設置することで形成することができる。また、溝を有する平板と平板の２枚で低温プレート２５を構成し、この２枚を接合することで流路を形成することができる。
【００３４】
クリーニングユニット２０は、高温プレート２４と低温プレート２５との間の温度勾配を生じさせることにより熱泳動力を気体中の微粒子に作用させて、微粒子を捕集する。
【００３５】
熱泳動現象について説明する。微粒子の周囲のガス（例えば、空気等）に温度の勾配が存在すると、微粒子は低温側の気体分子より高温側の気体分子から大きな運動エネルギーを与えられる。その結果、微粒子は高温側から低温側に移動する。
【００３６】
熱泳動現象による微粒子の移動速度Ｖ（ｃｍ２・Ｋ−１・Ｓ−１）は以下の式で表現される。
【００３７】
【数１】
2012139661.tif 000003
【００３８】
ここでＫＴは熱泳動係数、ηは気体の粘度（ｋｇ・ｍ−１・ｓ−１）、ρは微粒子の密度（ｇ・ｃｍ−３）、Ｔは周囲温度（Ｋ）、ｄＴ／ｄｘは温度勾配を意味する。
【００３９】
熱泳動係数ＫＴは気体と微粒子の熱伝導率の比、及びクヌーセン数によって変化する。クヌーセン数は、周りのガスの希薄度を示す。Ｋｎ（クヌーセン数）＞１０では気体分子と微粒子の衝突が微粒子の運動を支配する。Ｋｎ＜０．０１では気体分子全体をつながりのあるもの（連続流体）として取り扱うことができる。０．０１＜Ｋｎ＜１０では、微粒子近傍では気体と微粒子の衝突が支配的になり、微粒子から離れたところでは、気体は連続流体として取り扱うことができる。
【００４０】
本実施形態のクリーニングユニットにより、カーボンナノチューブ、フラーレン、及び金属酸化物のナノ粒子、例えばＴｉＯ２等の微粒子が捕集される。微粒子の粒径に関して、特に限定されないが、特に、大きさを示す三次元のうち少なくとも一次元が約１ｎｍから１００ｎｍ以下のナノ粒子が本実施形態のクリーニングユニットにより好適に捕集される。
【００４１】
図３は、高温プレートと低温プレートとの間の異なる温度勾配における、捕集率（％）と捕集される微粒子の粒子径（μｍ）の関係を示すグラフである。グラフによれば、高温プレートと低温プレートとの間の温度勾配が大きいほど、捕集率が向上する。また、粒子径が小さいほど捕集率が向上する。捕集率は以下の式で表現される。
【００４２】
【数２】
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【００４３】
（ηT：実験条件での粒子の捕集率（上下プレートに温度差有り）、ηL：ある温度での粒子の捕集率（上下プレートに温度差なし））
図４は、粒子径が０．２μｍにおける捕集率（％）と温度勾配（℃／ｃｍ）の関係を示すグラフである。グラフによれば、７８０℃／ｃｍ以上の温度勾配を生じさせることで、７０％以上の捕集率を実現することができる。グラフによれば、５００℃／ｃｍ〜１０００℃／ｃｍの温度勾配の範囲では、捕集率（％）が直線的に向上する。１０００℃／ｃｍを越えると、捕集率（％）のグラフの傾きは小さくなる。温度勾配を生じさせるためのエネルギー効率と７０％以上の捕集率を考慮すると、温度勾配を７８０℃／ｃｍ〜１０００℃／ｃｍの範囲とするのが好ましい。
【００４４】
高温プレートと低温プレートの距離は、１〜２．５ｍｍの範囲であることが好ましい。その理由は、市販のヒーターで汎用的に用いられる温度が２００℃前後であるためである。また、メンテナンス性を考慮すれば、２〜２．５ｍｍの範囲であることがより好ましい。
【００４５】
クリーニングユニット２０を利用した微粒子の捕集方法について説明する。微粒子、例えば、カーボンナノチューブを含む気体が第１の開口２２から第２の開口２３へ流れ、ハウジング２１を通過する。高温プレート２４と低温プレート２５のそれぞれが、気体の流れに平行で、約１ｍｍの間隔で配置される。低温プレート２５の流路内を水道水が循環し、低温プレート２５が約７℃の温度に維持される。高温プレート２４は熱源ユニット２６により約９６℃の温度に維持される。高温プレート２４と低温プレート２５との温度勾配は、約９１０℃／ｃｍとなる。上述の温度に設定された高温プレート２４と低温プレート２５との間を気体が通過すると、熱泳動力により微粒子が低温プレート２５で捕集される。低温プレート２５が約７℃の温度で、高温プレート２４と低温プレート２５の間隔が約１ｍｍの場合、温度勾配を１０００℃／ｃｍとすると、高温プレート２４の温度は約１０７℃となる。温度勾配を１０００℃／ｃｍより大きくすると、高温プレート２４の温度が高くなりすぎ、クリーニングユニット２０に使用される樹脂部材の劣化が起こる。したがって、温度勾配は１０００℃／ｃｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
図２では、高温プレート２４と低温プレート２５のそれぞれを気体の流れに平行となるよう配置したが、これに限定されない。気体の流路が形成できれば、高温プレート２４と低温プレート２５のそれぞれを気体の流れに垂直、又は斜めに配置することができる。
【００４７】
上述したように、微粒子は低温プレート２５で捕集される。したがって、低温プレート２５で捕集された微粒子を除去する必要がある。そのためには、低温プレート２５が第１の開口２２側に取り出し可能であることが好ましい。低温プレート２５をハウジング２１から取り出すことにより、低温プレート２５を容易に清掃することができる。
【００４８】
低温プレート２５をハウジング２１から取り出すために、スライド機構を採用することができる。例えば、ハウジング２１内に溝を形成し、低温プレート２５を溝に設置する。この溝に沿って低温プレート２５を移動させることで、低温プレート２５が第１の開口２２側にスライド可能となる。これにより低温プレート２５をハウジング２１から取り出すことができる。
【００４９】
また、ハウジング２１内にスライドレールを設け、低温プレート２５をスライドレールに設置する。スライドレールにより低温プレート２５を移動させることで、低温プレート２５が第１の開口２２側にスライド可能となる。これにより低温プレート２５をハウジング２１から取り出すことができる。
【００５０】
低温プレート２５に冷媒を流す場合、低温プレート２５がフレキシブル配管で接続されることが好ましい。フレキシブル配管は低温プレート２５の移動に伴って、その形状が変化するので、低温プレート２５を容易にハウジング２１から取り出すことができる。
【００５１】
クリーニングユニット２０のハウジング２１の第２の開口２３側に、製造設備のフィルタとワンタッチで接続できる機構を備える。
【００５２】
図５は、クリーニングユニットをフィルタに取るつけるためのワンタッチ機構の一例を示す。図５（ａ）は、クリーニングユニット２０をフィルタ３０に取り付ける状態を示す組立斜視図である。クリーニングユニット２０のハウジング２１の側面に複数（２〜４個）のバックル４０が取り付けられている。一方、フィルタ３０の側面であって、バックル４０に対応する位置にバックル受け金具４２が取り付けられている。ワンタッチ機構は図５（ａ）に示すバックル４０とバックル受け金具４２とに限定されず、公知のワンタッチ機構を採用することができる。
【００５３】
図５（ｂ）は、Ａ−Ａ’における断面図を示す。クリーニングユニット２０がフィルタ３０の凹部にパッキン材４４を介してはめ込まれる。バックル４０とバックル受け金具４２とをワンタッチで連結することにより、クリーニングユニット２０とフィルタ３０とがワンタッチで連結される。パッキン材４４としゴム、テフロン（登録商標）等が使用される。
【符号の説明】
【００５４】
１０…製造装置、２０…クリーニングユニット、２１…ハウジング、２２…第１の開口、２３…第２の開口、２４…高温プレート、２５…低温プレート、２６…熱源ユニット
【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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