(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のガスのみが透過可能なガス分離機能を有するガス分離フィルタ管を複数本収束してなる収束体を２本具備するとともに、前記２本の収束体を同一のハウジング内に該２本の収束体を並列に配置して収納し、該ハウジング内の端部に粒状体を充填してなる乱流発生部材を設け、かつ前記２本の収束体同士を前記乱流発生部材を介して接続し、前記２本の収束体のうちの一方を往路部、他方を復路部としたことを特徴とするガス分離モジュール。
【請求項２】
前記ガス分離フィルタ管の内部に第２の乱流発生部材を設けたことを特徴とする請求項１記載のガス分離モジュール。
【請求項３】
前記第２の乱流発生部材が管状体の収束体からなり、該管状体の内径が前記ガス分離フィルタ管の内径より小さいことを特徴とする請求項２記載のガス分離モジュール。
【請求項４】
前記第２の乱流発生部材が粒状体を充填してなることを特徴とする請求項２記載のガス分離モジュール。
【請求項５】
前記第２の乱流発生部材が前記ガス分離フィルタ管の内径よりも小さい気孔を有する多孔質体からなることを特徴とする請求項２記載のガス分離モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のガス分離モジュールと、該ガス分離モジュールにおいて前記特定のガスが回収される特定ガス回収口に接続された真空ポンプとを具備することを特徴とする液体脱気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合ガス中から特定ガスを分離、回収するための特定ガス分離フィルタや、気体が溶解した液体中から該気体を除去する脱気フィルタ等の被処理物から特定ガスを分離、回収するためのガス分離モジュールおよびそれを用いた液体脱気装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、混合ガス中から特定ガスを分離回収するための特定ガス分離フィルタや、気体が溶解した液体中から該気体を除去する脱気フィルタ等のガス分離フィルタを備えたガス分離モジュールが知られている。
【０００３】
例えば、各種装置に用いられる冷却水は、装置の腐食防止のために脱酸素や脱炭酸ガスが求められており、また、半導体洗浄用に使用される超純水は、生菌の発生を抑え、かつシリコンウエハの酸化を防ぐため、溶存酸素濃度を１０ｐｐｂ以下に超脱気することが必要とされている。
【０００４】
このような液体の脱気には、例えば加熱沸騰法、減圧法、イオン交換樹脂法、不活性ガス置換法等が良く知られている。しかしながら、前記加熱沸騰法は高温操作のため危険性が高く、減圧法は脱気効率が悪く、またイオン交換樹脂法は樹脂の再生処理が必要であり、さらに不活性ガス置換法はランニングコストがかさむものであった。
【０００５】
これに対して、装置が小型で処理工程が簡便であること等の利点から特定ガスのみを選択的に透過して分離可能なフィルタを備えたガス分離モジュールが多く採用されている。
【０００６】
かかるガス分離フィルタ管を有するガス分離モジュールは、例えば、特定のガスをフィルタ内部に吸収し、拡散によりガスが膜内を透過する、いわゆる溶解拡散機構を用いた高分子膜からなるものや、多孔質の高分子膜からなるものがすでに実用化されており、また、最近では、多孔質セラミック支持管の表面にＳｉＯ２等の無機分離膜を被着形成したフィルタを用いることが検討され、これにより、ガス分離性能が向上することが報告されている（特開平１０−５５５７号公報等参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−５５５７号公報等に開示されているガス分離フィルタ管を備えたガス分離モジュールでは、被処理物を支持管内に供給し、フィルタ管内を通過すると被処理物の支持管内の流れは層流状態となり、被処理物中の特定ガスが支持管の壁面と接触する割合が減ずるため、ガス分離性能には限界があった。
【０００８】
そこで、フィルタをらせん管状体とすることによって、被処理液体の乱流を促進し、脱気効率を高めることが特開平３−１６９３０４号公報に提案されている。
【０００９】
しかしながら、上記らせん管状体では、らせん内部に無駄な容積が生じてしまいモジュールが大型化するとともに、長尺状の管状体のように複数本束ねて収束体を作製しガス分離フィルタ管の表面積を増して被処理物のガス分離効率を高めることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、その目的は、被処理物の乱流を促進してガス分離性能を高めることができるガス分離モジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題に対しガス分離モジュールの構造について研究を重ねた結果、モジュール内に存在する複数のガス分離フィルタ管を収束してなる収束体を２本同一のハウジング内に並列に配置して収納し、かつ該ハウジング内の端部に粒状体を充填してなる設けられた乱流発生部材を介して接続し、前記２本の収束体のうちの一方を往路部、他方を復路部としたことによって、ガス分離フィルタ管の分離性能が低下する部分、ガス分離フィルタ管の終端部でフィルタ内の被処理物の流れを乱流状態に促すことができる結果、前記モジュールのガス分離性能を高めることができることを知見した。
【００１２】
すなわち、本発明のガス分離モジュールは、特定のガスのみが透過可能なガス分離機能を有するガス分離フィルタ管を複数本収束してなる収束体を２本具備するとともに、前記２本の収束体を同一のハウジング内に該２本の収束体を並列に配置して収納し、該ハウジング内の端部に粒状体を充填してなる乱流発生部材を設け、かつ前記２本の収束体同士を前記乱流発生部材を介して接続し、前記２本の収束体のうちの一方を往路部、他方を復路部としたことを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、前記ガス分離フィルタ管の内部に第２の乱流発生部材を設けることも可能である。
【００１４】
また、前記乱流発生部材は、管状体の収束体からなり、該管状体の内径が前記ガス分離フィルタ管の内径より小さいこと、または、前記乱流発生部材が粒状体を充填してなること、あるいは、前記乱流発生部材が前記ガス分離フィルタ管の内径よりも小さい気孔を有する多孔質体からなることが望ましい。
また、本発明の液体脱気装置は、上記のガス分離モジュールと、該ガス分離モジュールにおいて前記特定のガスが回収される特定ガス回収口に接続された真空ポンプとを具備することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のガス分離モジュールの一例について、その概略断面図を図１に示す。図１のガス分離モジュール２０は、多孔質セラミックスからなる長尺状支持管（以下、支持管と略す。）の内面に、無機分離膜（以下、分離膜と略す。）が被着形成されたガス分離フィルタ管（以下、フィルタと略す。）２１を複数本収束してなる収束体２２がハウジング２４内に収納されており、同様に、複数本のフィルタ２１’の収束体２２’がハウジング２４内に、収束体２２と平行に配置して収納されている。
【００１６】
なお、前記分離膜は支持管の外面に形成されていてもよいが、ガス分離モジュール２０を特定ガスが溶解した液体から該特定ガスを分離するいわゆる脱気フィルタとして用いる場合には、前記液体がフィルタ２１，２１’の他方の面に漏れガス分離性能が低下することを防止する点で、支持管の内面に分離膜が形成されることが望ましい。
【００１７】
支持管は、気孔率が２０〜４０％、平均細孔径０．１〜２μｍの多数の細孔を有し、α−アルミナ、コージェライト等からなるものであって、望ましくは、内径３．０ｍｍ以下、特に１．５ｍｍ以下であることが被処理物中の特定ガスがフィルタ表面に拡散する距離が短くガス分離性能が向上する点、また、被処理物の支持管内の流れを乱流状態に促す点で望ましい。
【００１８】
他方、分離膜は平均細孔径０．２〜５ｎｍ、特に０．５〜１．０ｎｍの細孔径を有する樹脂等からなる有機分離膜、または、アルミナ、チタニア、ジルコニア、シリカ等、特に容易に製造できる点で非晶質のアルミナやシリカからなる無機分離膜が使用可能であり、膜厚０．１〜２μｍであることが望ましいものである。なお、上記分離膜のうち無機分離膜はガス分離性能が高く、かつ安定な無機物からなることから耐熱性および耐薬品性に優れたものであるとともに、ガス分離性能が高いものである。
【００１９】
さらに、支持管と分離膜との間には分離膜の成膜性を向上させる点で支持管と分離膜との間の細孔径を有する中間層が介在してもよい。
【００２０】
なお、フィルタ２１，２１’は、混合ガス中から特定ガスを分離回収するためのフィルタや気体が溶存した液体中から該気体を除去する脱気フィルタ等として使用することができるが、特に被処理物のうち拡散速度が遅い液体中から前記気体を除去する脱気フィルタに好適に利用できる。
【００２１】
また、フィルタ２１，２１’としては上述したもの以外に樹脂等からなる中空糸体等の有機物からなるガス分離フィルタ管も使用可能である。
【００２２】
ハウジング２４はステンレス等の金属、ガラスまたはセラミックス等の剛性および気密性が高い材料によって構成され、断面が概略円形、概略楕円形、概略矩形等の多角形の柱状体形状であることが望ましい。
【００２３】
また、図１によれば、フィルタ２１，２１’は、例えば、ドーナツ形状の樹脂、金属、緻密質のセラミックス等により構成された固定用治具２３，２３’それぞれを介してハウジング２４の内壁に支持固定されている。
【００２４】
さらに、ハウジング２４の端部は、特定ガスが混合または溶解した被処理物を装置内へ導入するための被処理物導入口２５と、処理済物を排出するための処理済物回収口２６とがそれぞれ形成されている。
【００２５】
また、ハウジング２４の側壁面には前記被処理物のうち特定ガスを分離、回収するための特定ガス回収口２７が形成されている。なお、特定ガス回収口２７は、ガス分離性能の向上の点でハウジング２４の被処理物導入口２５形成側端面に近い位置に形成されることが望ましい。
【００２６】
なお、ハウジング２４内が気密に封止されている。さらに、ハウジング２４にガスケット（図示せず。）を設けることもできる。
【００２７】
本発明によれば、収束体２２、２２’を平行に配置するとともに、収束体２２、２２’間に乱流発生部材３０を配設したことが大きな特徴である。
【００２８】
これによって、フィルタ２１との接触部において被処理物中の特定ガス濃度が低下しガス分離性能が低下したフィルタ２１終端部に比較してフィルタ２１’の被処理物導入部では乱流状態となり、該被処理物中の特定ガスがフィルタ２１’の内壁面に接触する頻度を高めることができる結果、ガス分離性能を高めることができ、モジュール全体としてのガス分離性能が向上する。
【００２９】
また、図１によれば、収束体２２、２２’の複数のフィルタ２１，２１’が１つの乱流発生部材３０に接続されていることからガス分離モジュール２０を容易に製造することができるとともに、乱流発生部材３０からフィルタ２１’へと被処理物が導入される際に乱流状態をさらに促進することができ、該特定ガス分離性能をさらに高めることができる。
【００３０】
乱流発生部材３０は、被処理物の流れの障壁となり該被処理物を撹拌することにより該被処理物の流れに乱流を促進するものであるが、フィルタ２１，２１’の内径より小さい空隙を有するもの、望ましくは、平均空隙径１００〜９００μｍ、空隙率４０〜８０％であることが望ましい。
【００３１】
また、乱流発生部材３０の具体的な構成は、（１）管状体の収束体からなり、該管状体の内径がフィルタ２１，２１’の内径より小さいもの、（２）乱流発生部材３０が粒状体を充填してなるもの、（３）乱流発生部材３０がフィルタ２１，２１’の内径よりも小さい平均気孔径の気孔を有する多孔質体等からなることが望ましく、また、その材質は、セラミックス、ガラス、樹脂、ウレタン等からなる。
【００３２】
上記構成のガス分離モジュール２０におけるガス分離方法は、例えば、被処理物導入口２５から特定ガスが溶解した液体を供給し、フィルタ２１の管内に導入して前記被処理物がフィルタ２１の管内を通過するとともにハウジング２４内、すなわちフィルタ２１の外周部を減圧するか、フィルタ２１の外周部に前記特定ガス濃度の低いガスを流して前記特定ガスが溶解した液体から該特定ガスのみがフィルタ２１の壁面を透過しハウジング２４内から特定ガス回収口２７から系外へ排出される。
【００３３】
また、フィルタ２１の管内を通過した処理済物は、乱流発生部材導入口３１を経由して乱流発生部材３０へと導かれ、乱流発生部材３０を通過することによってフィルタ２１を通過した被処理物の乱流状態が促進される。
【００３４】
さらに、乱流発生部材３０を通過した被処理物は、乱流発生部材排出口３２を経由してフィルタ２１’内に導入され、上記同様の方法によりフィルタ２１’を特定ガスが管内から外周部に透過し、特定ガス回収口２７を経由して系外へと導出され、残部は処理済物回収口２６から系外へ排出される。
【００３５】
なお、図１のガス分離モジュール２０に対して、フィルタ２１，２１’それぞれ内に上述した乱流発生部材と同様の構成からなる第２の乱流発生部材（図示せず）を介在させて、上記同様の効果によりガス分離性能を高めることができる。
【００３６】
また、図１の構成によれば、モジュールの小型化が可能であるとともに、撹拌効率が高くなり乱流を促進することができる。
【００３７】
なお、図１においては、収束体が２本であったが３本以上であってもよい。また、収束体−乱流発生部材−収束体を一組として複数組存在する場合、２組以上における乱流発生部材を１つで兼用してもよい。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
まず、純度９９．９％、平均粒径０．１μｍのアルミナと、有機バインダと、潤滑剤と、可塑剤と水とを混合し、押し出し成形することによって長尺状の管状体に成形した後、大気中、１２００℃にて焼成し、内径２．０ｍｍ、肉厚０．３ｍｍ、支持管の長さが２５０ｍｍの長尺状支持管で、平均細孔径０．２μｍ、気孔率３９％を有するα−アルミナ質多孔質支持管を作製した。
【００３９】
次に、水１００ｍｏｌに対してアルミニウムセカンダリーブトキシドを１ｍｏｌ添加して加水分解し、更に硝酸を添加した後、１６時間還流してベーマイトゾルを作製した。そして、前記α―アルミナらせん状多孔質支持管の端部にシリンジを取り付け、シリンジを用いて得られたベーマイトゾルを吸い上げ、３分間保持して、排出し、室温で１時間乾燥した後、５００℃で焼成する一連の工程を１５回繰り返し、支持体の内周表面に膜厚０．１μｍのγアルミナを形成したガス分離フィルタ管を作製した。
【００４０】
一方、得られたフィルタについてアルゴン吸着法による細孔径分布測定を行ったところ、図２に示すように平均細孔径０．８ｎｍ、かつ１ｎｍ以下の細孔径が全細孔容積中８０％以上の細孔容積を占めていることが分かった。
【００４１】
次に、得られたフィルタの両端を緻密なアルミナ質の固定用部材に挿入しガラスを用いて接合、封止固定した後、さらに、内径６０ｍｍ、長さ５０ｍｍの概略円筒形状のステンレス製ハウジング内に樹脂からなる固定用部材にて固定した。そして、同じハウジング内に２本の収束体を挿入し、前記ハウジング内の端部に６０ｍｍφ×厚さ１５ｍｍの円柱形状で、表１の構成からなる乱流発生部材を接続し、図１のガス分離モジュール２０を作製した。
【００４２】
得られたガス分離モジュールについて、被処理物導入口より溶存酸素濃度が８ｐｐｍの純水を７ｌ／分の流速で流すとともに、特定ガス回収口を真空ポンプで１００ｔｏｒｒに減圧して脱気した。そして、処理済物回収口から回収された純水の溶存酸素量を測定して表１に示した。
【００４３】
【表１】
0003911370.tif 000002
【００４４】
表１の結果より、本発明に従い乱流発生部材を収束体内の複数のフィルタと接続して前記収束体間に介在させることにより、溶存酸素量が減少し、ガス分離性能が高いことがわかった。
【００４５】
これに対して、試料Ｎｏ．９の乱流発生部材を設けないガス分離モジュールは、ガス分離性能が低いものであった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のガス分離モジュールは、同一のハウジング内に該複数の収束体を平行に配置して収納し乱流発生部材を介在させることによって被処理物である気体または液体の乱流を促進し、ガス分離性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス分離モジュールの一例を示す概略断面図である。
【図２】実施例のガス分離モジュールにおけるガス分離フィルタ管の分離膜の細孔分布を示す図である。
【符号の説明】
２０  ガス分離モジュール
２１，２１’  ガス分離フィルタ管（フィルタ）
２２，２２’  収束体
２４  ハウジング
２３，２３’  固定用部材
２５  被処理物導入口
２６  処理済物回収口
２７  特定ガス回収口
３０  乱流発生部材
【図１】
0003911370.tif 000003
【図２】
0003911370.tif 000004