(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オゾン発生器(６)で発生させたオゾンガスを冷凍機(20)で冷却されている吸着剤(１)に大気圧状態で飽和吸着させる吸着工程と、吸着剤(１)を収容している吸着筒(２)内を供給オゾンガスの分圧まで減圧排気する精製工程と、吸着筒(２)内を冷却状態及び減圧状態を維持したまま、真空状態を維持しているオゾン消費設備に連通させて圧力差によって所定の流量で高濃度オゾンを供給する脱離工程とで構成した高濃度オゾンガス供給方法
【請求項２】
並列に配置した複数の吸着筒(２)を一基の冷凍機(20)で冷却するように構成し、この複数の吸着筒(２)のうち一つの吸着筒(２)が脱離工程にある間に他の吸着筒(２)を吸着工程あるいは精製工程を終了させるようにし、各吸着筒(２)からのガス取出量が予め設定した積算取出し量に達すると、使用する吸着筒(２)を切換えるようにした請求項１に記載の高濃度オゾンガス供給方法。
【請求項３】
吸着剤(２)を冷却する冷凍機(20)をパルス管冷凍機で構成した請求項１又は請求項２に記載の高濃度オゾンガス供給方法。
【請求項４】
吸着剤(１)を充填してなる吸着筒(２)を冷凍機(20)で冷却可能に構成し、この吸着筒(２)とオゾン発生器(６)とをガス導入路(４)で連通接続し、吸着筒(２)から導出した精製オゾン取出路(５)を、流路開閉弁(９)及びオゾン分解器(10)を介して大気に開放している第一取出路(８)と、流路開閉制御弁(12)及びオゾン分解器(13)を介して真空ポンプ(14)に連通する第二取出路(11)と、流路開閉弁(16)とマスフローメータ(17)及びマスフローコントローラ(18)を介してオゾン消費設備に連通する第三取出路(15)とで構成し、この三つの取出路を選択的に開通させるように構成し、第一取出路(８)のみが開通する状態では吸着筒(２)内で吸着剤(１)にオゾンを吸着させ、第二取出路(11)のみが開通する状態では吸着筒(２)内を供給オゾンガスの分圧まで減圧排気し、第三取出路(15)及び第二取出路(11)が開通する状態では吸着筒(２)内で吸着剤(１)からオゾンガスを脱離させるように構成した高濃度オゾンガス供給装置。
【請求項５】
吸着剤(１)を充填してなる吸着筒(２)を複数基並列に配置し、この複数の吸着筒(２)を１つの冷凍機(20)で冷却可能に構成し、複数の吸着筒(２)のうちの精製工程を終了した吸着筒(２)を択一的にオゾン消費設備に連通させるように構成した請求項４に記載の高濃度オゾンガス供給装置。
【請求項６】
吸着筒(２)を冷却する冷凍機(20)がパルス管冷凍機である請求項４又は請求項５に記載の高濃度オゾンガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オゾン消費設備に一定濃度のオゾンガスを供給する方法及び装置に関し、特に、オゾン発生器(オゾナイザー)で発生させたオゾンガスを精製して高濃度オゾンガスとして供給する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、オゾンガスは、酸素ガスボンベからの酸素ガスや、大気分離した酸素ガスをオゾン発生器に供給して発生させているが、酸素ガスボンベからの酸素ガスでオゾンを発生させても、オゾンガスは酸素ガス中に５〜１０ vol％程度の濃度にしかならない。しかも、オゾンガスは自己分解性が強いことから、オゾン供給経路中で自己分解し、オゾン消費設備に供給された段階では、もっと低濃度になるうえ、その供給濃度も安定しないという性質がある。近年、半導体製造分野では基板等での酸化膜の形成にオゾンガスの酸化力を利用することが増加している。この場合、短時間のうちに適当な厚みの酸化膜を得るためには高濃度のオゾンガスが求められ、オゾン発生器で発生したオゾンガスを濃縮精製するようにしている。
【０００３】
そこで、本出願人は、先に、オゾン発生器で発生したオゾンガスを冷却されている吸着剤に選択的に吸着させ、吸着剤の冷却温度を制御することにより、吸着剤からオゾンガスを脱離させて高濃度のオゾンガスをオゾン消費設備に供給するものを提案した(特開平１１−３３５１０２号)。このものは、三つの吸着筒を並列に配置し、各吸着筒で吸着工程、安定化兼昇圧工程、オゾン脱離工程、冷却工程を繰り返すようにし、吸着工程及び脱離工程での各運転時間を、安定化兼昇圧工程及び冷却工程の各運転時間の２倍に設定し、三つの吸着筒を１／３サイクルづつずらして運転するようにし、各吸着筒から脱離した高濃度オゾンガスを一旦中間貯蔵容器に受け入れて、この中間貯蔵容器からオゾン消費設備に供給する構成になっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、温度を調整してオゾンの脱離を行うものでは、その温度によって脱離したオゾンのガス濃度や流量が刻々と変化することはよく知られている。このため、従来のものでは吸着筒から脱離したオゾンガスを一旦中間貯蔵容器に受入てオゾンガス濃度を平均化させた後、オゾン消費設備に供給するようにしていることから、安定して供給できるオゾン濃度は３０ vol％程度であった。
【０００５】
また、上述の安定したガス濃度のオゾンガスを得るために、三基の吸着筒と中間貯蔵容器とを要し、設備的に大規模になることから、高濃度のオゾンガスを小流量で安定供給することが望まれてる小規模オゾン消費設備には採用しにくいという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような点に着目し、小規模なオゾン消費設備にでも高濃度のオゾンガスを安定して供給することのできる高濃度オゾンガス供給方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、オゾン発生器で発生させたオゾンガスを冷凍機で冷却されている吸着剤に大気圧状態で飽和吸着させる吸着工程と、吸着剤を収容している吸着筒内を供給オゾンガスの分圧まで減圧排気する精製工程と、吸着筒内を冷却状態及び減圧状態を維持したまま、真空状態を維持しているオゾン消費設備に連通させて圧力差によって所定の流量で高濃度オゾンを供給する脱離工程とで構成したことを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に記載した発明は、並列に配置した複数の吸着筒を一基の冷凍機で冷却するように構成し、この複数の吸着筒のうち一つの吸着筒が脱離工程にある間に他の吸着筒を吸着工程あるいは精製工程が完了するようにし、各吸着筒からのガス取出量が予め設定した積算取出し量に達すると、使用する吸着筒を切換えるようにしたことを特徴とし、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、冷凍機をパルス管冷凍機で構成したことを特徴としている。
【０００９】
さら請求項４に記載した発明は、吸着剤を充填してなる吸着筒を冷凍機で冷却可能に構成し、この吸着筒とオゾン発生器とをオゾン供給路で連通接続し、吸着筒から導出した精製オゾン取出路を、流路開閉弁及びオゾン分解器を介して大気に開放している第一取出路と、流路開閉制御弁及びオゾン分解器を介して真空ポンプに連通する第二取出路と、流路開閉弁と流量計及び流量制御器を介してオゾン消費設備に連通する第三取出路とで構成し、この三つの取出路を選択的に開通させるように構成し、第一取出路のみが開通する状態では吸着筒内で吸着剤にオゾンを吸着させ、第二取出路のみが開通する状態では吸着筒内を供給オゾンガスの分圧まで減圧排気し、第三取出路及び第二取出路が開通する状態では吸着筒内で吸着剤からオゾンガスを脱離させるように構成したことを特徴としている。
【００１０】
さらにまた、請求項５に記載した発明は、吸着剤を充填してなる吸着筒を複数基並列に配置し、この複数の吸着筒を１つの冷凍機で冷却可能に構成し、複数の吸着筒のうちの精製工程を終了した吸着筒(２)を択一的にオゾン消費設備に連通させるように構成したことを特徴とし、請求項６に記載した発明は、請求項４又は請求項５に記載の発明において、冷凍機をパルス管冷凍機で構成したことを特徴としている。
【００１１】
【発明の作用】
本発明では、冷却された吸着剤に大気圧下でオゾンガスを選択吸着させ、オゾンガスを吸着させた後、吸着剤を収容している吸着筒内を供給ガス中のオゾン分圧まで減圧して、オゾンガスを精製し、精製後に吸着筒内をオゾン消費設備と連通させることにより、高真空状態に維持されているオゾン消費設備とオゾン分圧に維持されている吸着筒内との圧力差で、吸着剤に吸着保持されているオゾンガスをオゾン消費設備に移送することになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態の一例を示す系統図である。このオゾンガス精製装置は、内部にオゾンを選択吸着するシリカゲル等の吸着剤(１)を充填した吸着筒(２)と、酸素ガス貯蔵容器(３)と吸着筒(２)とを連通接続するガス導入路(４)と、吸着筒(２)から導出された精製オゾン取出路(５)とを有している。
【００１３】
ガス導入路(４)にはオゾン発生器(６)とマスフローコントローラ(７)とが上流側から順に配置してあり、オゾン発生器(６)で発生したオゾン−酸素混合を一定の流量で吸着筒(２)に供給するようにしてある。一方、精製オゾン取出路(５)は三系統に分岐してある。第一取出路(８)には上流側から流路開閉弁(９)とオゾン分解器(10)が順に配置してあり、この第一取出路(８)は大気に開放してある。第二取出路(11)には上流側から流路開閉制御弁(12)、オゾン分解器(13)、真空ポンプ(14)が順に配置してあり、真空ポンプ(14)の吐出口は大気に開放してある。また第三取出路(15)には流路開閉弁(16)とマスフローメータ(17)及びマスフローコントローラ(18)を介して図示を省略した半導体製造装置での真空チャンバー等の高真空状態を維持しているオゾン消費設備に連通接続させてある。
【００１４】
吸着筒(２)は蓄熱体(19)を介してパルス管冷凍機(20)のコールドヘッド(21)に熱的に接続されており、これら、吸着筒(２)、蓄熱体(19)、コールドヘッド(21)は真空槽(22)に収納されている。図中符号(23)はパルス管冷凍機(20)の圧縮器ユニット、(24)はパルス管冷凍機(20)のバルブユニット、(25)は冷凍機の出力を調整するための温度制御装置、(26)はガス導入路(４)のオゾン発生器(６)よりも上流側から分岐導出し、第三取出し路(15)のマスフローコントローラ(18)よりも下流側に接続したバイパス路、(27)はバイパス路(26)に介装したマスフローコントローラである。なお、蓄熱体(19)としては、銅製ブロックや液体フロリナートを貯留した液槽で構成してあり、吸着筒(２)はこの蓄熱体(19)に埋没する状態に配置してある。
【００１５】
上述の構成からなるオゾンガス精製装置を使用して、オゾン消費設備に高濃度に濃縮されたオゾンガスを供給する場合について説明する。このオゾンガス精製装置での高濃度オゾンガスの供給は、吸着工程と、精製工程、脱離工程とからなっており、全工程を通じて吸着筒(２)は所定の冷却温度(例えば１７３Ｋ)に維持されている。
吸着工程では、第一取出路(８)を開通させ、第二取出路(11)、第三取出路(15)をそれぞれ閉じた状態でガス導入路(４)を開通させた状態で、酸素ガス貯蔵容器(３)からの酸素ガスを原料としてオゾン発生器(６)で発生させたオゾン−酸素の混合ガスを吸着筒(２)に供給し、混合ガス中のオゾンガスを吸着剤(１)に大気圧下で飽和吸着させる。このとき、吸着剤(１)に吸着されずに酸素ガスとともに吸着筒(２)をスルーしたオゾンガスは第一取出路(８)を通過する際にオゾン分解器(10)で分解されて、外部(大気)に放出される。
【００１６】
オゾンガスが吸着剤(２)に飽和吸着されると精製工程に切り換える。精製工程では、第二取出路(11)を開通させ、第一取出路(８)、第三取出路(15)を閉じるとともにガス導入路(４)を閉じた状態で、真空ポンプ(14)を作動させることにより吸着筒(２)の圧力雰囲気をオゾン発生器(６)から供給されるオゾン−酸素混合ガス中のオゾン分圧を限度として減圧する。そして、この減圧操作時に流出するガス中にオゾンガスも含まれるが、そのオゾンガスは第二取出路(11)に介装したオゾン分解器(13)で分解され、真空ポンプ(14)から外部に放出される。なお、この精製工程での吸着筒(２)の圧力雰囲気はオゾン発生器(６)で発生するオゾン濃度が５ vol％である場合には５.３kPa(４０torr)程度を維持する。
【００１７】
吸着筒(２)内の圧力が所定圧まで降下すると、脱離工程に切り換る。この脱離工程では、第三取出路(15)を開通させ、第一取出路(８)とガス導入路(４)を閉じ、第二取出路(11)は吸着筒(２)の内圧を前記精製工程での雰囲気圧に維持するように流路開閉制御弁(12)を開閉作動させている。第三取出路(15)は、真空状態ないし真空に近い状態に保持されているオゾン消費設備に接続されることから、吸着筒(２)の内圧とオゾン消費設備の内圧との圧力差で吸着筒(２)内のガス成分がオゾン消費設備に移動し、吸着筒(２)の内圧が低下することから吸着剤(１)に吸着保持されているオゾンが脱離して順次オゾン消費設備に移動することになる。そして、この脱離工程中も第二取出路(11)は流路開閉制御弁(12)を作動させて、吸着筒(２)内が前記精製工程での設定圧力を維持するようにしてある。
【００１８】
なお、バイパス路(26)から酸素を供給することにより、オゾン消費設備に供給するオゾンガス濃度を調整することができる。
そして、第三取出路(15)に介装したマスフローメータ(17)が予め設定した積算流量に達することにより、脱離工程を終了する。
【００１９】
図２は、本発明の異なる実施形態を示す系統図である。この実施形態で、二基の吸着筒(２)・(２)を同一のパルス管冷凍機(20)で冷却するようにしたもので、共通する蓄熱体(19)に二基の吸着筒(２)・(２)が装着してある。そして、一方の吸着筒(２)が脱離工程にある間に、他方の吸着筒(２)は吸着工程と精製工程を終えて待機状態になっている。したがって、第三取出路(15)に介装したマスフローメータ(17)が予め設定した積算流量に達した際、使用する吸着筒(２)を切り換えることにより、連続取出しを行うことができる。
【００２０】
ちなみに、内容積が０.２５リットルの吸着筒(２)に１７５ｇのシリカゲル(吸着剤)を充填し、オゾン濃度５ vol％のオゾン−酸素混合ガスを１.２リットル／minで供給した場合、約９０分で吸着剤(１)は飽和吸着の状態となった。また、その状態から、５.３kPaまで減圧するのに約５分をかかった。吸着筒(２)内の内圧を５.３kPaに維持したままの状態で１０SCCMの流量でオゾンを取出したところオゾン濃度８０ vol％以上のオゾンガスを３時間継続して取出すことができた。
【００２１】
上記の各実施形態では、吸着筒(２)を冷却する冷凍機としてパルス管冷凍機(20)を使用したが、冷凍機はどのような形式のものであってもよい。しかし、吸着剤(１)が振動によりゆすられてオゾンが部分分解する可能性があることから、冷凍機としては、振動の少ないパルス管冷凍機(20)を使用することが望ましい。また、吸着筒(２)から離脱したオゾンガスを希釈するガスとしては酸素ガスに限らず窒素ガスや他のガスを使用するようにしてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明では、冷却状態にある吸着剤に吸着させたオゾンガスを吸着筒内の圧力制御で脱離させるようにしていることから、ガス取出し期間中安定した濃度のオゾンガスを取り出すことができる。脱離ガスの濃度を平均化させるためのバッファタンクを必要とせず、その分装置全体を小型化させることができる。
【００２３】
また、吸着筒内の圧力とオゾン消費設備の内圧との圧力差で、吸着剤からオゾンガスを脱離させ、オゾンガスを移送するようにしていることから、小流量であっても安定した流量でオゾンガスを供給することができる。
【００２４】
さらに本発明では、冷却状態かつ大気圧で吸着剤にオゾン−酸素混合ガスからオゾンガスを選択的に吸着させるようにしていることから、吸着量を多くすることができるうえ、全工程を通じて、一定の冷却状態に維持していることから、吸着量の管理が容易であり、取出し積算流量から残量を検知して運転制御をすることができる。
【００２５】
複数の吸着筒を一基の冷凍機で冷却するようにした場合には、各吸着筒の冷却状態を均一化することができるから、全ての吸着筒を同一の条件で制御することができるから、切換えて使用した場合でも、オゾン消費設備に供給するオゾンガスの状態を何らの制御を施すことなく均一化することができる。
【００２６】
また、吸着剤の冷却源としてパルス管冷凍機を使用したばあいには、冷凍機運転に伴う振動がないことから、オゾンガスの部分分解を抑制することができ、より安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の一例を示す系統図である。
【図２】  本発明の異なる実施形態を示す系統図である。
【符号の説明】
１…吸着剤、２…吸着筒、４…ガス導入路、５…精製オゾン取出路、６…オゾン発生器、８…第一取出路、９…流路開閉弁、10…オゾン分解器、11…第二取出路、12…流路開閉制御弁、13…オゾン分解器、14…真空ポンプ、15…第三取出路、16…流路開閉弁、17…マスフローメータ、18…マスフローコントローラ、20…冷凍機。
【図１】
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【図２】
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